JP4360716B2

JP4360716B2 - 銅薄膜製造方法、及びその方法に用いるスパッタ装置

Info

Publication number: JP4360716B2
Application number: JP24841799A
Authority: JP
Inventors: 孝小松; 中村　　聡; 康宏田熊; 俊光上東; 靖樋口
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP2001073131A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタ成膜の技術分野にかかり、特に、銅または銅を主成分とするターゲットをスパッタし、銅薄膜を形成する技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、アルミニウム薄膜に代わり、比抵抗の小さい銅薄膜が半導体デバイスの配線材料として注目されている。
【０００３】
図４(ａ)の符号１０１は、半導体デバイスを構成するシリコン基板であり、その表面にはシリコン酸化膜１０２が形成されている。
【０００４】
このシリコン基板１０１をスパッタ装置内に搬入し、アルゴンガスのプラズマを生成し、銅から成るターゲットをスパッタし、シリコン酸化膜１０２上に銅薄膜を形成し、パターニングして銅配線１０５を形成する(図４(ｂ))。
【０００５】
このようにスパッタ成膜法で形成された銅配線１０５の比抵抗は、おおよそ２．２μΩｃｍであり、バルク状態の銅の比抵抗１．７μΩｃｍに比べて大きくなってしまう。
【０００６】
スパッタ装置で銅薄膜を形成した場合、銅薄膜を水素中でアニール処理すれば、形成直後の銅薄膜に比抵抗を小さくできることが知られているが、１．９μΩｃｍ程度までしか小さくならず、不十分である。
【０００７】
また、アニール処理をするためには、スパッタ装置とは別に、そのアニール処理のための装置を必要とし、コスト高になるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、低抵抗の銅薄膜を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、スパッタリングガスのプラズマを発生させ、銅または銅を主成分とするターゲットをスパッタし、成膜対象物表面に銅薄膜を形成する場合に、スパッタ雰囲気中に大気を微少量導入すると、形成された銅薄膜の比抵抗が成膜後の時間の経過とともに低下することを見いだした。
【００１０】
特に、添加ガスを５×１０^-7Torr(６．６５×１０ ^-5 Ｐａ)の分圧にしてスパッタした銅薄膜では、成膜後１０数時間後にはバルク状態の銅とほぼ等しい値まで比抵抗が低下することを見いだした。
【００１１】
本発明は上記知見に基づいて創作されたものであり、請求項１記載の発明は、真空雰囲気中にスパッタガスを導入し、銅または銅を主成分とするターゲットをスパッタし、前記真空雰囲気中に置かれた成膜対象物表面に銅薄膜または銅を主成分とする薄膜を形成する銅薄膜製造方法であって、前記ターゲットをスパッタする際に、添加ガスとして大気を、分圧が１．３３×１０ ^-4 Ｐａ以下となるように、前記真空雰囲気中に導入することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の銅薄膜製造方法であって、前記添加ガスを間欠的に導入することを特徴とする。
【００１２】
本発明は上記のように構成されており、アルゴンガス等のスパッタガス中に、化学構造中に窒素原子、酸素原子、又はその両方の原子を含む添加ガスを所定の分圧で含有させ、スパッタガス及び添加ガスのプラズマを発生させ、銅を主成分とするターゲットをスパッタしている。
【００１３】
上記のような添加ガスの導入量は、ガス添加用配管に設けた流量制御バルブを用いて制御し、分圧を６．６５×１０^-4Ｐａ以下にするのが望ましい。
【００１４】
流量制御バルブで制御する場合、その最小制御流量に相当する分圧よりも小さくすることは困難である。従って、添加ガスを流量制御バルブを介して導入する場合に、導入とその停止とを繰り返し、間欠的に導入するようにすると、添加ガスの実効分圧値(時間平均値)を、流量制御バルブで制御できる値よりも小さくすることができる。また、間欠的に導入するタイミングにより、膜界面の組成制御も可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のスパッタ装置を、本発明の銅薄膜製造方法と共に説明する。
図１を参照し、符号１は本発明のスパッタ装置の一例であり、真空槽１０を有している。真空槽１０の底壁側にはカソード装置１２が配置されており、天井側には基板ホルダ１３が配置されている。
【００１６】
カソード装置１２はカソード電極２２を有しており、その表面(真空槽１０の内部側)には銅から成るターゲット２１が水平に設けられている。このターゲット２１は、基板ホルダ１３と対向する位置に配置されている。
【００１７】
また、カソード電極２２の裏面(真空槽１０の外部側)には、ターゲット２１表面に磁場を形成するマグネトロン磁石２３が配置されている。ターゲット２１と基板１５の間の距離(Ｔ／Ｓ)は２７５ｍｍのいわゆるロングスロースパッタリング(ＬＴＳ)となっている。
【００１８】
真空槽１０底壁には、回転軸１６が気密に挿通されており、その先端部分には、シャッタ１７が取り付けられている。
基板ホルダ１３には爪１４が設けられており、基板ホルダ１３のターゲット２１側の面には、爪１４によってシリコン基板１５が保持されている。
【００１９】
真空槽１０には、真空排気系１８が接続されており、このスパッタ装置１で銅薄膜を形成する際には、真空排気系１８によって真空槽１０内を真空排気する。真空槽１０には、ガス添加用配管３１と、スパッタガス導入用配管３３とを有するガス導入系３が接続されている。
【００２０】
ガス添加用配管３１には、流量制御バルブ３２が設けられており、端部が大気中に開放されている。スパッタガス導入用配管３３は、マスフローコントローラ３６を介して、スパッタガスボンベ３７に接続されており、真空槽１０内にスパッタガスボンベ中３７に充填されたスパッタガス(ここではアルゴンガス)を導入できるように構成されている。
【００２１】
真空排気系１８により、真空槽１０内が４×１０^-6Torr〜２×１０^-7Torrの圧力まで真空排気された後、流量制御バルブ３２を操作し、真空槽１０内に大気(空気)を添加ガスとして導入する。
【００２２】
このときはスパッタガスを導入せず、導入された添加ガスにより、真空槽１０内の圧力が上昇し、所定分圧(例えば５×１０^-7Torrの分圧)で安定したところで、スパッタガスを導入する。
【００２３】
スパッタガスはマスフローコントローラ３６によって流量制御しながら導入する(ここでは２０ｓｃｃｍの流量で導入した)。このとき、添加ガスの導入量は変えないでおく。
【００２４】
スパッタガスの導入により、真空槽１０内の圧力が上昇し、５×１０^-4Torrの圧力で安定したところで、カソード電極２２に負電圧を印加し、ターゲット２１表面近傍にプラズマを発生させる。
【００２５】
この状態では、シャッタ１７はシリコン基板１５とターゲット２１の間に配置されており、３．７ｋＷ(約５１８Ｖ×７．１８Ａ)の電力で５分間×２回(２回の間に２分間の放電休止状態を設定する)のプレスパッタを行い、ターゲット２１表面をクリーニングし、次いで、回転軸１６を回転させ、シリコン基板１５とターゲット２１の間からシャッタ１７を退け、２分後にスパッタを開始すると、シリコン基板１５表面に銅薄膜が形成され始める(スパッタ電力は３．１７ｋＷ)。
【００２６】
スパッタを８０秒間行い、シリコン基板１５表面に約２０００Åの銅薄膜を形成した後、カソード電極２１への電圧印加を停止すると共に、添加ガス(大気)の導入とスパッタガスの導入を停止し、スパッタを終了させる。基板ホルダ１３の温度は、プリスパッタ開始前では３０℃であったが、スパッタ終了時には５０℃程度に昇温していた。
【００２７】
スパッタ終了後、シリコン基板１５を取り出し、形成した銅薄膜の比抵抗を測定した。その比抵抗の値は、時間経過に従い小さくなった。
【００２８】
図２のグラフに、真空槽１０内に導入した添加ガス(ここでは大気)のスパッタガス中の分圧Ｐと、形成された銅薄膜の比抵抗の経時変化を示す。導入したスパッタガスの流量は２０ｓｃｃｍであり、スパッタ雰囲気の圧力は５×１０^-4Torrである。添加ガスの分圧Ｐは、添加ガス導入前の真空槽１０の到達圧力Ｐ₀と、添加ガス導入後の圧力Ｐ₁との差(Ｐ₁−Ｐ₀)で表される。
グラフ中のバルク銅は、銅塊の場合の比抵抗の値である。
【００２９】
このグラフから、スパッタ雰囲気中に含まれる添加ガス(大気)の分圧Ｐを、６．６５×１０^-4Ｐａ(５×１０^-6Torr)以下の大きさにすると効果的であることが分かる。特に、２．６６×１０^-5Ｐａ(２×１０^-7Torr)以下の微小な大きさにすると、形成される銅薄膜の比抵抗は１．７〜１．８μΩｃｍとなり、バルク銅の値(１．７μΩｃｍ)にほぼ等しくなることがわかる。なお、シリコン表面に熱酸化膜が形成されている基板を用いても同様の結果が得られた。
【００３０】
以上は、流量制御バルブ３２により、真空槽１０内に添加ガスを連続的に導入したが、添加ガスの真空槽１０内での分圧Ｐを一層微小な値にするために、間欠的に導入することができる。
【００３１】
例えば、所定の時間間隔で、真空槽１０内に間欠的に添加ガス(この添加ガスは化学構造中に酸素原子を有するガス、窒素原子を有するガス、酸素原子と窒素原子を有するガス及び水のいずれか一種以上のガスである。)を微少量導入すると、その分圧を一層小さくすることができる。
【００３２】
図３のグラフは、２．５秒間の添加ガス導入を１４秒間隔で繰り返し行った場合の真空槽１０内の圧力変化を示している。添加ガスの導入により、真空槽１０内の圧力はパルス的に２．６６×１０^-5Ｐａ(２×１０^-7Torr)だけ上昇する。
【００３３】
このグラフを平均すると、真空槽１０内には、１×１０^-8〜１×１０^-9Torr程度の分圧で添加ガスが含まれていることになる。微小分圧の添加ガスを精度よく導入することは困難であるが、上記のように、間欠的に添加ガスを導入することで達成できる。
【００３４】
また、真空槽１０内に連続的に添加ガスを導入する配管と、パルス状に添加ガスを導入する配管とを別々に設け、連続的に添加ガスを導入すると共に、そのパルス状の導入を重畳させてもよい。
【００３５】
なお、以上は、直流電源を印加してターゲットをスパッタする場合について説明したが、本発明は、交流電圧を印加するＲＦスパッタ法や、直流電圧に交流電圧を重畳するスパッタ法、直流電圧の大きさを変化させるスパッタ法等、種々のスパッタ法に適用することができる。また、基板ホルダ１３に電圧を印加し、シリコン基板１５にバイアスを印加したり、フローティングにしてもよい。
【００３６】
また、上記の添加ガスには大気(空気)を使用したが、酸素ガス、窒素ガス、又は水分を含有するアルゴンガスであってもよい。酸素ガスと窒素ガスの混合ガスであってもよい。また、酸素ガス、窒素ガス、その混合ガスに水分が含有されるガスであってもよい。
その場合には、ガス添加用配管の端部を流量制御バルブを介して、添加ガスを充填したガスボンベに接続しておくとよい。
【００３７】
また、上記はシリコン基板１５上に銅薄膜を形成したが、成膜対象物はシリコン基板に限定されるものではない。
【００３８】
更にまた、本発明に用いる銅ターゲットは銅から成るターゲット、または銅を主成分とするターゲットであり、銅を主成分とするターゲットは他の金属を含有していてもよい。
【００３９】
また、低抵抗化を促進するためにアニールを併用してもよい。ターゲット・基板間の距離は２７５ｍｍの例を示したが、より短距離のスパッタ装置を用いてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
銅薄膜の比抵抗を小さくできるので、ＬＳＩ配線に適している。
添加ガスを間欠的に導入する場合、流量制御バルブで制御可能な値よりも小さい分圧値にすることができる。
銅薄膜形成後、アニール処理をしなくても比抵抗を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例のスパッタ装置を示す図
【図２】銅薄膜の比抵抗の経時変化を示すグラフ
【図３】添加ガスを間欠的に導入した場合の圧力変化を示すグラフ
【図４】(ａ)、(ｂ)：銅薄膜の形成方法を説明するための図
【符号の説明】
１……スパッタ装置１０……真空槽２１……ターゲット３１……ガス添加用配管

Claims

真空雰囲気中にスパッタガスを導入し、銅または銅を主成分とするターゲットをスパッタし、前記真空雰囲気中に置かれた成膜対象物表面に銅薄膜または銅を主成分とする薄膜を形成する銅薄膜製造方法であって、
前記ターゲットをスパッタする際に、添加ガスとして大気を、分圧が１．３３×１０ ^-4 Ｐａ以下となるように、前記真空雰囲気中に導入することを特徴とする銅薄膜製造方法。
前記添加ガスを間欠的に導入することを特徴とする請求項１記載の銅薄膜製造方法。