JP4095701B2 - 高温リフロースパッタリング方法及び高温リフロースパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板に形成されたホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリングの技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ターゲットをスパッタして基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリングの技術は、半導体集積回路の製作の際などに盛んに利用されている。このスパッタリングによって薄膜作成が行われる半導体ウェーハ等の基板は、多くの場合、微細なホールを有しており、微細なホール内に薄膜を作成することが必要になってきている。例えば、２５６メガビット〜１ギガビットＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）では、デザインルールで幅又は直径が０．２５μｍ〜０．１８μｍ程度の溝又は穴（本明細書ではホールと総称する）に対して成膜することが必要になってきている。
【０００３】
このようなホール内への成膜にスパッタリングを利用するものとして、ホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリングの技術が、量産レベルで本格的に採用されようとしている。図６は、このような高温リフロースパッタリングを行う従来の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【０００４】
図６に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、スパッタチャンバー１内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２をスパッタするためのスパッタ電源３と、スパッタによって放出されたターゲット２の材料が到達するスパッタチャンバー１内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー４と、スパッタチャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー４内に設けられたヒータ６と、ヒータ６を制御する制御部７を備えている。
【０００５】
ターゲット２はアルミニウム等の金属製であり、絶縁材２１を介してスパッタチャンバー１に取り付けられている。スパッタ電源３は、ターゲット２に負の高電圧を印加するよう構成されている。アルゴン等のプロセスガスがプロセスガス導入系５によってスパッタチャンバー１に導入され、ターゲット２に負の高電圧が印加されると、接地電位である基板ホルダー４やスパッタチャンバー１の器壁との間に直流電界が設定され、この直流電界によってスパッタ放電が生ずる。このスパッタ放電によってターゲット２から放出された金属材料の粒子（通常は原子の状態、以下、スパッタ粒子と呼ぶ）は、基板９に到達して所定の金属材料の薄膜を堆積する。
【０００６】
一方、ヒータ６からの熱は基板ホルダー４を経由して基板９に与えられる。そして、ヒータ６が制御部７によって制御され、基板９は所定の温度に制御される。基板９の表面に堆積した薄膜は、基板９の熱によって流動化（リフロー）し、微細なホール内に流れ込む。この結果、ホール内に金属材料が埋め込まれ、基板９の表面が平坦化される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した高温リフロースパッタリングにおいて、基板は４００℃から５００℃程度の高温まで加熱する必要がある。しかしながら、従来の装置では、基板をこの程度の高温まで短時間に加熱することが難しく、２００秒から３００秒程度以上の長い処理時間を要していた。このため、生産性の大幅な低下が生じていた。
【０００８】
本願の発明者は、基板の加熱のための構造に検討を加え、基板の急速加熱を可能にする構成を考案した。そして、この構成を使用して実験を行ったところ、基板の急速加熱によって処理時間は短くなるものの、金属材料を埋め込んだはずのホール内にボイドと呼ばれる空洞が発生してしまうことが判明した。
【０００９】
本願の発明は、この課題を解決するためになされたものであり、基板の急速加熱によって処理時間を短くしつつもボイドの発生の無い良質な高温リフロースパッタリングを可能にすることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、スパッタチャンバー内に基板ホルダーによって基板を所定位置に配置し、基板に形成された微細なホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリング方法であって、ホールの側面及び底面に金属材料のベース薄膜を薄く作成する第一の工程と、第一の工程の後、金属材料の薄膜をホール内にさらに堆積させてリフローさせることでホール内に金属材料を埋め込む第二の工程とからなり、第一の工程では、作成されるベース薄膜の途切れを防止することが可能な第一の温度で基板を加熱し、第二の工程では、第一の温度よりも高い第二の温度で基板を加熱しながらリフローを行う方法であり、
前記基板ホルダーは、内部にヒータが設けられているとともに、基板を静電吸着する静電吸着機構と、基板配置面に設けられた凹部内に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系とを備えており、
前記第一第二の工程においてヒータを動作させるとともに、前記第一の工程では、静電吸着機構も昇圧用ガス導入系も動作させずに基板の温度を前記第一の温度とし、前記第二の工程において静電吸着機構及び昇圧用ガス導入系を動作させて基板の温度を前記第二の温度とするという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させ、その後、昇圧用ガス導入系を動作させるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項２の構成において、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させた後、５秒から１０秒後に昇圧用ガス導入系を動作させるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１乃至３いずれかの構成において、前記第一の工程と前記第二の工程において、ヒータに対して同じ電力を供給するという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記金属材料はアルミニウム又はアルミニウム合金（例えば０．５％銅を含有）であり、前記第一の温度は１００℃以下であるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、微細なホールが形成された基板の表面にスパッタリングによって金属材料の薄膜を作成し、基板を加熱して薄膜をリフローさせてホール内に金属材料を埋め込んでホールを平坦化する高温リフロースパッタリング装置であって、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするためのスパッタ電源と、スパッタによって放出されたターゲットの材料が到達するスパッタチャンバー内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーと、所定位置に配置された基板を加熱するヒーターと、装置全体を制御する制御部を備えており 前記制御部はホールの側面及び底面に前記金属材料のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板が加熱されるよう制御し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱して金属材料の薄膜をホール内にさらに堆積させてリフローさせる第二の温度で基板が加熱されるように制御するものであり、
前記ヒータは、前記基板ホルダー内に設けられており、
前記基板ホルダーは、その基板配置面に凹部が形成されているとともにその凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系を有しており、さらに、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構が設けられており、前記制御部は、前記第一第二の工程においてヒータを動作させるとともに、前記第一の工程では静電吸着吸着機構も昇圧用ガス導入系も動作させず、前記第二工程では、静電吸着機構及び昇圧用ガス導入系を動作させるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求項６の構成において、前記制御部は、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させ、その後、昇圧用ガス導入系を動作させるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、上記請求項７の構成において、前記制御部は、最初に静電吸着機構のみを動作させた後、５秒から１０秒後に昇圧用ガス導入系を動作させるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、上記請求項６乃至８いずれかの構成において、前記制御部は、前記第一の工程と前記第二の工程において、ヒータに対して同じ電力を供給する制御を行うものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、上記請求項６乃至９いずれかの構成において、前記ターゲットはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、前記第一の温度は１００℃以下であるという構成を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１は、本願発明の実施形態の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図１に示す高温リフロースパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、スパッタチャンバー１内に被スパッタ面２０を露出させるようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２をスパッタするためのスパッタ電源３と、スパッタによって放出されたターゲット２の材料が到達するスパッタチャンバー１内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー４と、スパッタチャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー４内に設けられたヒータ６と、装置全体を制御する制御部４７とを備えている。
【００１２】
スパッタチャンバー１は、ステンレス等で形成された気密な容器であり、電気的には接地されている。スパッタチャンバー１には、不図示のゲートバルブが設けられており、不図示の搬送チャンバーやロードロックチャンバーを経由して大気側との基板９の搬入搬出が行われる。
【００１３】
排気系１１は、ターボ分子ポンプやクライオポンプ等の複数段の真空ポンプを備えて、スパッタチャンバー１内を１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能に構成される。排気系１１には、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器が設けられており、所定の排気速度で排気可能となっている。
【００１４】
ターゲット２は、絶縁材２１を介してスパッタチャンバー１に取り付けられている。ターゲット２は、本実施形態ではアルミニウム又はアルミニウム合金製である。
スパッタ電源３は、ターゲット２に−５００〜−７００Ｖ程度の負の高電圧を印加するようになっている。この負の高電圧によって、ターゲット２と基板ホルダー４等との間に直流電界が設定され、スパッタ放電が生じる。
【００１５】
ターゲット２の背後には、磁石機構２２が設けられている。磁石機構２２は、マグネトロン放電を達成させるものである。具体的には、磁石機構２２は、中心磁石２２１と、中心磁石２２１を取り囲む周状を周辺磁石２２２と、中心磁石２２１及び周辺磁石２２２を固定した板状のヨーク２２３とから構成されている。中心磁石２２１と周辺磁石２２２との間には、ターゲット２を貫通するアーチ状の磁力線２２４が設定される。この磁力線とターゲット２の被スパッタ面２０とで囲まれた領域に電子が閉じこめられ、中性ガス分子が高い効率でイオン化する。このため、スパッタ放電が効率よく維持され、多くのスパッタ粒子が放出されて高い成膜速度が得られる。
【００１６】
また、スパッタ電源３によって設定される直流電界の向きはターゲット２の被スパッタ面２０に垂直である。従って、アーチ状の磁力線２２４の頂上付近で磁界と電界が直交し、マグネトロン放電が達成される。即ち、電子がマグネトロン運動し、ターゲット２の中心軸の回りに周回してスパッタ放電の効率をさらに向上させる。
【００１７】
スパッタ放電に必要なプロセスガスは、プロセスガス導入系５によって導入される。プロセスガス導入系５は、所定のガスを貯めた不図示のガスボンベと、ガスボンベとスパッタチャンバー１とをつなぐ配管上に設けたバルブ５１や不図示の流量調整器等で構成される。尚、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子のイオン化のみでスパッタ放電が維持される場合、プロセスガスが導入されない場合もある。
【００１８】
さて、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置の一つの特徴点である基板の急速加熱のための構成について説明する。本実施形態においても、基板ホルダー４の内部には、輻射加熱方式等のヒータ６が設けられている。ヒータ６としては、例えば１ｋＷ程度の輻射加熱ランプが使用できる。尚、ヒータ６の別の構成としては、抵抗加熱方式のヒータを基板ホルダー４内に埋設するようにしてもよい。
【００１９】
また、基板ホルダー４の基板配置面には凹部４０が形成され、この凹部４０に昇圧用ガスを導入するガス導入路４１を有している。さらに、ガス導入路４１には昇圧用ガス導入系４２が接続されている。昇圧用ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス等が使用される。
【００２０】
そして、本実施形態の装置では、基板９を静電気によって基板ホルダー４に吸着させる静電吸着機構４３が設けられている。静電吸着機構４３は、基板ホルダー４の一部として設けられた誘電体ブロック４４内に埋設された一対の吸着電極４３１と、一対の吸着電極４３１の間に直流電圧を印加する吸着用電源４３２とから主に構成されている。
誘電体ブロック４４はアルミナ等の誘電体製であり、金属製のホルダー本体４５に対して密着性よく接合されている。誘電体ブロック４４とホルダー本体４５とは接着材又は、機械的な固定等を使用して接合されるが、間に薄いカーボンシートのような緩衝材を介在させると、密着性よく両者が接合され、熱伝導性が良好に保たれる。
【００２１】
吸着用電源４３２は、例えば３００〜１ｋＶ程度の電圧を一対の吸着電極４３１の間に与えるよう構成されている。この電圧によって、誘電体ブロック４４に誘電分極が生じ、表面に静電気が誘起される。この静電気によって、基板９が誘電体ブロック４４に静電吸着される。この結果、基板ホルダー４に対する基板９の密着性が向上し、凹部４０からの昇圧用ガスの漏れが効果的に防止される。
このため、スパッタチャンバー１内の雰囲気と凹部４０内との間に十分な差圧が形成され、スパッタチャンバー１内を所定の真空圧力に保ちつつも凹部４０内は所定の高い圧力に維持される。従って、ヒータ６からの熱が基板ホルダー４を経由して効率よく基板９に伝えられ、基板９の急速加熱が可能となる。
【００２２】
基板ホルダー４の基板配置面に形成された凹部４０の形状について、補足して説明する。図２は、図１に示す基板ホルダー４の凹部４０の形状について説明する平面概略図である。
図１及び図２から分かる通り、本実地形態の装置では、周縁に沿って延びる円環状の凸部と、この円環状の凸部の内側に散在する小さなな円柱状の凸部によって凹部が形成されている。ガス導入路４１の出口４１１は、中央付近に形成されており、出口４１１から凹部４０内に導入されたガスが円柱状の凸部の間を通って拡散して凹部４０内に充満するようになっている。
【００２３】
このような凹部４０の構成は、基板配置面のうち基板９に直接接触する面積を大きくするのに役立っている。即ち、平面視が円形のような単純な形状の凹部４０であると、基板配置面のうち基板９に直接接する部分の面積は小さくなる。このため、静電吸着機構４３によって吸着した場合に十分基板９を吸着できないこともあり得る。しかしながら、上記のような凹部４０にして基板９に直接接する部分の面積を大きくすると、全体の吸着力が増し、基板９を十分確実に吸着することができる。
【００２４】
次に、本実施形態の装置の別の大きな特徴点である制御部４７の構成について説明する。本実施形態における制御部４７は、基板９の急速加熱によって処理時間を短くしつつも、ボイドの発生が抑制されるよう、装置の動作を最適化している。上述したように、本実施形態の装置では、基板９を基板ホルダー４に静電吸着するとともに基板ホルダー４の基板配置面に設けた凹部４０に昇圧用ガスを導入して熱伝導効率を高めている。この構成によると、従来の装置に比べて遙かに高い上昇率で基板の温度を上昇させることができ、高温リフロースパッタリングに要する時間を短縮できる。
【００２５】
しかしながら、発明者の研究によると、単に基板９を急速加熱しただけでは、ホール内にボイドが発生し、素子不良の原因となることが判明した。この点を以下に説明する。
図３は、従来の装置、本実施形態の装置及び参考例の装置を使用して行った高温リフロースパッタリングにおける基板の温度上昇パターンを示したものである。図３中、実線は従来の装置における温度上昇パターン、一点鎖線は参考例の装置における温度上昇パターン、二点鎖線は本実施形態の装置における温度上昇パターンをそれぞれ示している。尚、基板の温度は、放射温度計によって計測されている。
【００２６】
まず、図３中実線で示すように、従来の装置では、基板を４００℃から５００℃程度に加熱して高温リフロースパッタリングを完了するまでに２００秒から３００秒程度以上の時間を要している。一方、一点鎖線の温度上昇パターンは、以下のような構成の装置により得られたものである。即ち、制御部４７以外の構成は本実施形態と同じであり、制御部４７は、スパッタリングを開始した直後のＴ１の期間では静電吸着機構４３が動作して昇圧用ガス導入系４２は動作せず、その後のＴ２では、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２が動作するよう構成された装置を使用している。Ｔ１は０〜１０秒後程度の期間であり、Ｔ２は１０秒後〜１００秒後程度の期間である。
【００２７】
このような構成によると、金属材料を埋め込んだホール内にボイドが発生することが確認された。このボイド発生のメカニズムについて、図４を使用して説明する。図４及び図５は、急速加熱時におけるボイド発生のメカニズムを説明した断面図である。このうち、図４はボイドの発生のない正常な高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図であり、図５は、ボイドが発生してしまう高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図である。
【００２８】
正常な高温リフロースパッタリングの状況について図４を使用して説明すると、まずスパッタリングを開始した当初、基板９の表面には図４（Ａ）に示すように、薄膜８１が薄く形成される。この薄膜８１は、後でリフローによってホール９０内を埋め込む際の下地になるものであり、本明細書では「ベース薄膜」と呼んでいる。このベース薄膜８１の厚さは、１０００〜４０００オングストローム程度である。
このベース薄膜８１の上にさらに薄膜８２を堆積させながら基板９を加熱すると、図４（Ｂ）に示すように、薄膜８２は流動化して（以下、リフロー薄膜８２）ホール９０内に流れ込んでいく。そして、図４（Ｃ）に示すように、ホール９０が完全にリフロー薄膜８２で埋め込まれ、基板９の表面が平坦化される。
【００２９】
ここで、図３に一点鎖線で示す上記参考例の装置における温度上昇パターンでは、Ｔ１の期間で基板は室温から２００℃程度まで急速に加熱される。即ち、スパッタリング開始当初のＴ１の期間の基板の温度は、実線で示す従来の装置の場合に比べて遙かに高い。このようにスパッタリング開始当初の期間に基板が非常に高い温度になると、当初堆積するベース薄膜８１がすぐに流動化し、表面張力が大きくなって図５（Ａ）に８０として示すようにベース薄膜８１の途切れが生ずるものと考えられる。ベース薄膜８１の途切れ８０は、成膜速度の遅いホール９０の側壁の下端部分で多く生ずるものと考えられる。
【００３０】
ベース薄膜８１の途切れ８０が生ずると、その後のＴ２の期間で薄膜８２をさらに堆積させながらリフローさせても、下地が露出した途切れ８０の部分では親和性が低下しているので、図５（Ｂ）に示すように、この部分をリフロー薄膜８２が覆うことができない。この結果、図５（Ｃ）に示すように、ホール９０内にリフロー薄膜８２が埋め込まれてもリフロー薄膜８２にボイド８３が形成された状態となってしまうものと考えられる。ボイド８３が形成されると、薄膜８１，８２が金属配線である場合、断線になってしまい、致命的な素子欠陥を招いてしまう。また、薄膜８１，８２が絶縁膜である場合、絶縁耐圧の低下という問題を招くことになる。
【００３１】
一方、本実施形態の装置による図３の二点鎖線の温度上昇パターンでは、ボイド８３の発生は観察されなかった。この実施形態の装置の構成では、制御部７は、Ｔ１の期間では静電吸着機構４３も昇圧用ガス導入系４２も動作させず、Ｔ２の期間で動作させるよう構成されている。
図３から分かるように、この二点鎖線の温度上昇パターンでは、Ｔ１の期間では基板の温度は５０℃程度までの低い温度に抑えられている。そして、Ｔ２の期間で５０℃程度から５００℃程度に急速加熱されている。このような温度上昇パターンによると、上述したベース薄膜８１の途切れが無く、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように正常な高温リフロースパッタリングが行えるのである。尚、発明者の研究によると、金属材料がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合、このＴ１の期間では、基板の温度を１００℃以下にしておけばベース薄膜８１の途切れが生じないことが確認されている。
【００３２】
また、本実施形態の装置では、図３に示すＴ２の期間のうち、Ｔ２Ａの期間では静電吸着機構４３を動作させて昇圧用ガス導入系４２を動作させず、その後のＴ２Ｂの期間で静電吸着機構４３とともに昇圧用ガス導入系４２を動作させている。これは、以下の理由に基づく。
即ち、基板９が基板ホルダー４に静電吸着される前や静電吸着されるのと殆ど同時に昇圧用ガス導入系４２が動作すると、静電吸着機構４３を動作させても基板９が基板ホルダー４に十分静電吸着されない問題が生ずる。昇圧用ガスが凹部４０に導入されている状態で静電吸着機構４３が動作を開始すると、凹部４０から昇圧用ガスがあふれ出ている状態で基板９を静電吸着させようとするので、静電気を誘起しても基板９が十分に静電吸着されないのである。
そこで、本実施形態の装置では、先に静電吸着機構４３を動作させて基板９の静電吸着が安定化してから昇圧用ガス導入系４２を動作させている。従って、図３に示すＴ２Ａは静電吸着が安定化するまでの期間であり、例えば５〜１０秒程度である。
【００３３】
このように、本実施形態の装置における制御部７は、ベース薄膜８１を薄く堆積させる第一の工程では静電吸着機構４３も昇圧用ガス導入系４２も動作させず、第一の工程に続く第二工程で最初に静電吸着機構４３を動作させた後に昇圧用ガス導入系４２を動作させるよう構成されている。具体的には、制御部７はマイクロコンピュータを含む制御系であり、処理プログラムを入力する入力部と、入力部から入力された処理プログラムを記憶する記憶する記憶部と、記憶部からの読み出された処理プログラムに従って静電吸着機構の吸着用電源や昇圧用ガス導入系のバルブ等に順次動作信号を送る信号出力部等から構成されている。
【００３４】
また、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置は、マルチチャンバータイプの装置として構成されると好適である。マルチチャンバータイプの装置は、中央に搬送チャンバーを設け、その周囲に複数の処理チャンバーやロードロックチャンバーを気密に接続した構成である。そして、複数の処理チャンバーのうちの一つはベース薄膜８１を作成を行う（第一の工程を行う）スパッタチャンバーとして構成され、別の処理チャンバーの一つはリフロー薄膜８２の作成とリフロー（第二の工程を行う）スパッタチャンバーとして構成されると好適である。
この構成であると、第一の工程と第二の工程とが別々のスパッタチャンバーで行われるので、スループットが高くなる。尚、第一の工程と第二の工程との間では基板は搬送チャンバーを経由して真空中で搬送されるので、ベース薄膜８１の汚損の問題もない。
【００３５】
【実施例】
次に、高温リフロースパッタリング方法の発明の実施例の説明も兼ね、図３の二点鎖線で示す温度上昇パターンを達成する実施例の条件について説明する。
図３の二点鎖線の温度上昇パターンで高温リフロースパッタリングを行うためには、まず、プロセスガスとしてアルゴンを導入し、スパッタチャンバー内の圧力を０．５〜２ｍＴｏｒｒ程度に維持する。この状態で、スパッタ電源を１８ｋＷ程度の大出力で動作させてスパッタリングを行い、ベース薄膜８１を作成する第一の工程を行う。この際、ヒータ６は５００Ｗ程度の電力で動作しているが、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２は動作していない。この条件１０秒程度維持して、ベース薄膜８１を作成する。尚、１０秒程度経過後の基板９の温度は、図３に示す通り、５０℃程度である。
【００３６】
その後、第二の工程を行う。第二の工程では、スパッタ電源３を７ｋＷ程度の出力で動作させ、成膜速度を低くする。そして、吸着用電源４３２を動作させて一対の吸着電極４３１に５００Ｖ程度の電圧を印加する。これによって、基板９は基板ホルダー４に吸着される。５秒から１０秒程度の時間が経過して静電吸着が安定すると（Ｔ２Ａの期間の終了）、基板９の温度は図３に示す通り２００℃程度まで上昇する。
【００３７】
その後のＴ２Ｂの期間では、昇圧用ガス導入系４２を動作させ、昇圧用ガスとしてアルゴンガスを凹部４０に導入する。この結果、凹部４０内は１０Ｔｏｒｒ程度の圧力に上昇する。また、このＴ２Ｂの期間では、スパッタ電源３の出力は４ｋＷ程度とされる。この状態を２０秒程度維持すると（Ｔ２Ｂの期間の終了）、図３に示す通り、基板９の温度は５００℃程度まで上昇する。尚、以上の温度上昇の期間において、ヒータ６の出力は５００Ｗのまま一定であり、静電吸着機構４３のみの動作、静電吸着機構４３と昇圧用ガス導入系４２の動作という段階的な動作によって基板９の温度を段階的に上昇させている。
【００３８】
Ｔ２Ｂの期間が終了すると、ヒータ６による加熱は熱平衡に達し、基板９の温度は５００℃程度に安定する。そして、Ｔ２Ｃの期間としてこの５００℃程度の加熱温度を８０秒程度維持しながら、４ｋＷの電力でスパッタリングを継続すると、高温リフロースパッタリングによるホール９０内への金属材料の埋め込みが完了する。尚、以上の実施例の動作において、ターゲット２の材料はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、ホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金で埋め込まれる。
【００３９】
上述した実施例の構成によると、直径０．３μｍ深さ１μｍのホールに対して９０秒から１００秒程度の時間（図３のＴ１＋Ｔ２Ａ＋Ｔ２Ｂ＋Ｔ２Ｃ）で処理が完了する。図３に実線で示す従来の温度上昇パターンでは、Ｔ２の期間（第二の工程の期間）に２００秒から３００秒程度を要しており、本実施例の構成によると、１／２以下に処理時間が短縮されることが分かる。
【００４０】
尚、上述した実施形態及び実施例では、最適な温度上昇パターンを得る構成として、ヒータ６の電力は一定とし、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２を段階的に動作させる構成を採用している。しかしながら、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２を常時動作させておき、ヒータ６の電力を段階的に制御するようにしても良い。または、静電吸着機構４３の吸着用電源４３２の出力を段階的に高めたり、昇圧用ガス導入系４２によるガス導入量を段階的に多くして凹部内の圧力を段階的に高くしたりして、基板ホルダー４から基板９への熱の伝達効率を段階的に高めていくように制御することも可能である。但し、発明者の検討によると、これらの他の制御方法に比べると、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２を段階的に動作させる構成は、応答性に優れ、基板９の温度上昇パターンを高い精度で制御できるメリットがある。
【００４１】
上記説明では、金属材料としてアルミニウム又はアルミニウム合金を採り上げたが、銅又は銅合金等の他の金属材料の高温リフロースパッタリングにも本願発明は応用が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項の発明によれば、基板の急速加熱によって高温リフロースパッタリングに要する時間を短くしつつも、ベース薄膜の途切れによるボイドの発生が効果的に抑制された構成が提供され、良質な高温リフロースパッタリング処理を高い生産性で行うことができる。また、温度制御の応答性が高いため、温度上昇パターンを高い精度で制御することができ、さらに良質な処理が可能となる。
また、請求項２、３、４、７、８又は９の発明によれば、上記効果に加え、静電吸着機構が動作して基板の静電吸着が安定化した後に昇圧用ガス導入系が動作するので、基板が静電吸着されなくなってしまう問題が未然に防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の実施形態の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】 図１に示す基板ホルダー４の凹部４０の形状について説明する平面概略図である。
【図３】 従来の装置、本実施形態の装置及び参考例の装置を使用して行った高温リフロースパッタリングにおける基板の温度上昇パターンを示したものである。
【図４】 急速加熱時におけるボイド発生のメカニズムを説明した断面図であり、ボイドの発生のない正常な高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図である。
【図５】 急速加熱時におけるボイド発生のメカニズムを説明した断面図であり、ボイドが発生してしまう高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図である。
【図６】 従来の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
２ ターゲット
３ スパッタ電源
４ 基板ホルダー
４０ 凹部
４２ 昇圧用ガス導入系
４３ 静電吸着機構
５ プロセスガス導入系
６ ヒータ
４７ 制御部
８１ ベース薄膜
８２ リフロー薄膜
８３ ボイド
９ 基板
９０ ホール
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板に形成されたホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリングの技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ターゲットをスパッタして基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリングの技術は、半導体集積回路の製作の際などに盛んに利用されている。このスパッタリングによって薄膜作成が行われる半導体ウェーハ等の基板は、多くの場合、微細なホールを有しており、微細なホール内に薄膜を作成することが必要になってきている。例えば、２５６メガビット〜１ギガビットＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）では、デザインルールで幅又は直径が０．２５μｍ〜０．１８μｍ程度の溝又は穴（本明細書ではホールと総称する）に対して成膜することが必要になってきている。
【０００３】
このようなホール内への成膜にスパッタリングを利用するものとして、ホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリングの技術が、量産レベルで本格的に採用されようとしている。図６は、このような高温リフロースパッタリングを行う従来の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【０００４】
図６に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、スパッタチャンバー１内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２をスパッタするためのスパッタ電源３と、スパッタによって放出されたターゲット２の材料が到達するスパッタチャンバー１内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー４と、スパッタチャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー４内に設けられたヒータ６と、ヒータ６を制御する制御部７を備えている。
【０００５】
ターゲット２はアルミニウム等の金属製であり、絶縁材２１を介してスパッタチャンバー１に取り付けられている。スパッタ電源３は、ターゲット２に負の高電圧を印加するよう構成されている。アルゴン等のプロセスガスがプロセスガス導入系５によってスパッタチャンバー１に導入され、ターゲット２に負の高電圧が印加されると、接地電位である基板ホルダー４やスパッタチャンバー１の器壁との間に直流電界が設定され、この直流電界によってスパッタ放電が生ずる。このスパッタ放電によってターゲット２から放出された金属材料の粒子（通常は原子の状態、以下、スパッタ粒子と呼ぶ）は、基板９に到達して所定の金属材料の薄膜を堆積する。
【０００６】
一方、ヒータ６からの熱は基板ホルダー４を経由して基板９に与えられる。そして、ヒータ６が制御部７によって制御され、基板９は所定の温度に制御される。基板９の表面に堆積した薄膜は、基板９の熱によって流動化（リフロー）し、微細なホール内に流れ込む。この結果、ホール内に金属材料が埋め込まれ、基板９の表面が平坦化される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した高温リフロースパッタリングにおいて、基板は４００℃から５００℃程度の高温まで加熱する必要がある。しかしながら、従来の装置では、基板をこの程度の高温まで短時間に加熱することが難しく、２００秒から３００秒程度以上の長い処理時間を要していた。このため、生産性の大幅な低下が生じていた。
【０００８】
本願の発明者は、基板の加熱のための構造に検討を加え、基板の急速加熱を可能にする構成を考案した。そして、この構成を使用して実験を行ったところ、基板の急速加熱によって処理時間は短くなるものの、金属材料を埋め込んだはずのホール内にボイドと呼ばれる空洞が発生してしまうことが判明した。
【０００９】
本願の発明は、この課題を解決するためになされたものであり、基板の急速加熱によって処理時間を短くしつつもボイドの発生の無い良質な高温リフロースパッタリングを可能にすることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、スパッタチャンバー内に基板ホルダーによって基板を所定位置に配置し、基板に形成された微細なホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリング方法であって、ホールの側面及び底面に金属材料のベース薄膜を薄く作成する第一の工程と、第一の工程の後、金属材料の薄膜をホール内にさらに堆積させてリフローさせることでホール内に金属材料を埋め込む第二の工程とからなり、第一の工程では、作成されるベース薄膜の途切れを防止することが可能な第一の温度で基板を加熱し、第二の工程では、第一の温度よりも高い第二の温度で基板を加熱しながらリフローを行う方法であり、
前記基板ホルダーは、内部にヒータが設けられているとともに、基板を静電吸着する静電吸着機構と、基板配置面に設けられた凹部内に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系とを備えており、
前記第一第二の工程においてヒータを動作させるとともに、前記第一の工程では、静電吸着機構も昇圧用ガス導入系も動作させずに基板の温度を前記第一の温度とし、前記第二の工程において静電吸着機構及び昇圧用ガス導入系を動作させて基板の温度を前記第二の温度とするという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させ、その後、昇圧用ガス導入系を動作させるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項２の構成において、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させた後、５秒から１０秒後に昇圧用ガス導入系を動作させるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１乃至３いずれかの構成において、前記第一の工程と前記第二の工程において、ヒータに対して同じ電力を供給するという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記金属材料はアルミニウム又はアルミニウム合金（例えば０．５％銅を含有）であり、前記第一の温度は１００℃以下であるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、微細なホールが形成された基板の表面にスパッタリングによって金属材料の薄膜を作成し、基板を加熱して薄膜をリフローさせてホール内に金属材料を埋め込んでホールを平坦化する高温リフロースパッタリング装置であって、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするためのスパッタ電源と、スパッタによって放出されたターゲットの材料が到達するスパッタチャンバー内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーと、所定位置に配置された基板を加熱するヒーターと、装置全体を制御する制御部を備えており 前記制御部はホールの側面及び底面に前記金属材料のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板が加熱されるよう制御し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱して金属材料の薄膜をホール内にさらに堆積させてリフローさせる第二の温度で基板が加熱されるように制御するものであり、
前記ヒータは、前記基板ホルダー内に設けられており、
前記基板ホルダーは、その基板配置面に凹部が形成されているとともにその凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系を有しており、さらに、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構が設けられており、前記制御部は、前記第一第二の工程においてヒータを動作させるとともに、前記第一の工程では静電吸着吸着機構も昇圧用ガス導入系も動作させず、前記第二工程では、静電吸着機構及び昇圧用ガス導入系を動作させるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求項６の構成において、前記制御部は、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させ、その後、昇圧用ガス導入系を動作させるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、上記請求項７の構成において、前記制御部は、最初に静電吸着機構のみを動作させた後、５秒から１０秒後に昇圧用ガス導入系を動作させるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、上記請求項６乃至８いずれかの構成において、前記制御部は、前記第一の工程と前記第二の工程において、ヒータに対して同じ電力を供給する制御を行うものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、上記請求項６乃至９いずれかの構成において、前記ターゲットはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、前記第一の温度は１００℃以下であるという構成を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１は、本願発明の実施形態の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図１に示す高温リフロースパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、スパッタチャンバー１内に被スパッタ面２０を露出させるようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２をスパッタするためのスパッタ電源３と、スパッタによって放出されたターゲット２の材料が到達するスパッタチャンバー１内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー４と、スパッタチャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー４内に設けられたヒータ６と、装置全体を制御する制御部４７とを備えている。
【００１２】
スパッタチャンバー１は、ステンレス等で形成された気密な容器であり、電気的には接地されている。スパッタチャンバー１には、不図示のゲートバルブが設けられており、不図示の搬送チャンバーやロードロックチャンバーを経由して大気側との基板９の搬入搬出が行われる。
【００１３】
排気系１１は、ターボ分子ポンプやクライオポンプ等の複数段の真空ポンプを備えて、スパッタチャンバー１内を１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能に構成される。排気系１１には、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器が設けられており、所定の排気速度で排気可能となっている。
【００１４】
ターゲット２は、絶縁材２１を介してスパッタチャンバー１に取り付けられている。ターゲット２は、本実施形態ではアルミニウム又はアルミニウム合金製である。
スパッタ電源３は、ターゲット２に−５００〜−７００Ｖ程度の負の高電圧を印加するようになっている。この負の高電圧によって、ターゲット２と基板ホルダー４等との間に直流電界が設定され、スパッタ放電が生じる。
【００１５】
ターゲット２の背後には、磁石機構２２が設けられている。磁石機構２２は、マグネトロン放電を達成させるものである。具体的には、磁石機構２２は、中心磁石２２１と、中心磁石２２１を取り囲む周状を周辺磁石２２２と、中心磁石２２１及び周辺磁石２２２を固定した板状のヨーク２２３とから構成されている。中心磁石２２１と周辺磁石２２２との間には、ターゲット２を貫通するアーチ状の磁力線２２４が設定される。この磁力線とターゲット２の被スパッタ面２０とで囲まれた領域に電子が閉じこめられ、中性ガス分子が高い効率でイオン化する。このため、スパッタ放電が効率よく維持され、多くのスパッタ粒子が放出されて高い成膜速度が得られる。
【００１６】
また、スパッタ電源３によって設定される直流電界の向きはターゲット２の被スパッタ面２０に垂直である。従って、アーチ状の磁力線２２４の頂上付近で磁界と電界が直交し、マグネトロン放電が達成される。即ち、電子がマグネトロン運動し、ターゲット２の中心軸の回りに周回してスパッタ放電の効率をさらに向上させる。
【００１７】
スパッタ放電に必要なプロセスガスは、プロセスガス導入系５によって導入される。プロセスガス導入系５は、所定のガスを貯めた不図示のガスボンベと、ガスボンベとスパッタチャンバー１とをつなぐ配管上に設けたバルブ５１や不図示の流量調整器等で構成される。尚、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子のイオン化のみでスパッタ放電が維持される場合、プロセスガスが導入されない場合もある。
【００１８】
さて、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置の一つの特徴点である基板の急速加熱のための構成について説明する。本実施形態においても、基板ホルダー４の内部には、輻射加熱方式等のヒータ６が設けられている。ヒータ６としては、例えば１ｋＷ程度の輻射加熱ランプが使用できる。尚、ヒータ６の別の構成としては、抵抗加熱方式のヒータを基板ホルダー４内に埋設するようにしてもよい。
【００１９】
また、基板ホルダー４の基板配置面には凹部４０が形成され、この凹部４０に昇圧用ガスを導入するガス導入路４１を有している。さらに、ガス導入路４１には昇圧用ガス導入系４２が接続されている。昇圧用ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス等が使用される。
【００２０】
そして、本実施形態の装置では、基板９を静電気によって基板ホルダー４に吸着させる静電吸着機構４３が設けられている。静電吸着機構４３は、基板ホルダー４の一部として設けられた誘電体ブロック４４内に埋設された一対の吸着電極４３１と、一対の吸着電極４３１の間に直流電圧を印加する吸着用電源４３２とから主に構成されている。
誘電体ブロック４４はアルミナ等の誘電体製であり、金属製のホルダー本体４５に対して密着性よく接合されている。誘電体ブロック４４とホルダー本体４５とは接着材又は、機械的な固定等を使用して接合されるが、間に薄いカーボンシートのような緩衝材を介在させると、密着性よく両者が接合され、熱伝導性が良好に保たれる。
【００２１】
吸着用電源４３２は、例えば３００〜１ｋＶ程度の電圧を一対の吸着電極４３１の間に与えるよう構成されている。この電圧によって、誘電体ブロック４４に誘電分極が生じ、表面に静電気が誘起される。この静電気によって、基板９が誘電体ブロック４４に静電吸着される。この結果、基板ホルダー４に対する基板９の密着性が向上し、凹部４０からの昇圧用ガスの漏れが効果的に防止される。
このため、スパッタチャンバー１内の雰囲気と凹部４０内との間に十分な差圧が形成され、スパッタチャンバー１内を所定の真空圧力に保ちつつも凹部４０内は所定の高い圧力に維持される。従って、ヒータ６からの熱が基板ホルダー４を経由して効率よく基板９に伝えられ、基板９の急速加熱が可能となる。
【００２２】
基板ホルダー４の基板配置面に形成された凹部４０の形状について、補足して説明する。図２は、図１に示す基板ホルダー４の凹部４０の形状について説明する平面概略図である。
図１及び図２から分かる通り、本実地形態の装置では、周縁に沿って延びる円環状の凸部と、この円環状の凸部の内側に散在する小さなな円柱状の凸部によって凹部が形成されている。ガス導入路４１の出口４１１は、中央付近に形成されており、出口４１１から凹部４０内に導入されたガスが円柱状の凸部の間を通って拡散して凹部４０内に充満するようになっている。
【００２３】
このような凹部４０の構成は、基板配置面のうち基板９に直接接触する面積を大きくするのに役立っている。即ち、平面視が円形のような単純な形状の凹部４０であると、基板配置面のうち基板９に直接接する部分の面積は小さくなる。このため、静電吸着機構４３によって吸着した場合に十分基板９を吸着できないこともあり得る。しかしながら、上記のような凹部４０にして基板９に直接接する部分の面積を大きくすると、全体の吸着力が増し、基板９を十分確実に吸着することができる。
【００２４】
次に、本実施形態の装置の別の大きな特徴点である制御部４７の構成について説明する。本実施形態における制御部４７は、基板９の急速加熱によって処理時間を短くしつつも、ボイドの発生が抑制されるよう、装置の動作を最適化している。上述したように、本実施形態の装置では、基板９を基板ホルダー４に静電吸着するとともに基板ホルダー４の基板配置面に設けた凹部４０に昇圧用ガスを導入して熱伝導効率を高めている。この構成によると、従来の装置に比べて遙かに高い上昇率で基板の温度を上昇させることができ、高温リフロースパッタリングに要する時間を短縮できる。
【００２５】
しかしながら、発明者の研究によると、単に基板９を急速加熱しただけでは、ホール内にボイドが発生し、素子不良の原因となることが判明した。この点を以下に説明する。
図３は、従来の装置、本実施形態の装置及び参考例の装置を使用して行った高温リフロースパッタリングにおける基板の温度上昇パターンを示したものである。図３中、実線は従来の装置における温度上昇パターン、一点鎖線は参考例の装置における温度上昇パターン、二点鎖線は本実施形態の装置における温度上昇パターンをそれぞれ示している。尚、基板の温度は、放射温度計によって計測されている。
【００２６】
まず、図３中実線で示すように、従来の装置では、基板を４００℃から５００℃程度に加熱して高温リフロースパッタリングを完了するまでに２００秒から３００秒程度以上の時間を要している。一方、一点鎖線の温度上昇パターンは、以下のような構成の装置により得られたものである。即ち、制御部４７以外の構成は本実施形態と同じであり、制御部４７は、スパッタリングを開始した直後のＴ１の期間では静電吸着機構４３が動作して昇圧用ガス導入系４２は動作せず、その後のＴ２では、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２が動作するよう構成された装置を使用している。Ｔ１は０〜１０秒後程度の期間であり、Ｔ２は１０秒後〜１００秒後程度の期間である。
【００２７】
このような構成によると、金属材料を埋め込んだホール内にボイドが発生することが確認された。このボイド発生のメカニズムについて、図４を使用して説明する。図４及び図５は、急速加熱時におけるボイド発生のメカニズムを説明した断面図である。このうち、図４はボイドの発生のない正常な高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図であり、図５は、ボイドが発生してしまう高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図である。
【００２８】
正常な高温リフロースパッタリングの状況について図４を使用して説明すると、まずスパッタリングを開始した当初、基板９の表面には図４（Ａ）に示すように、薄膜８１が薄く形成される。この薄膜８１は、後でリフローによってホール９０内を埋め込む際の下地になるものであり、本明細書では「ベース薄膜」と呼んでいる。このベース薄膜８１の厚さは、１０００〜４０００オングストローム程度である。
このベース薄膜８１の上にさらに薄膜８２を堆積させながら基板９を加熱すると、図４（Ｂ）に示すように、薄膜８２は流動化して（以下、リフロー薄膜８２）ホール９０内に流れ込んでいく。そして、図４（Ｃ）に示すように、ホール９０が完全にリフロー薄膜８２で埋め込まれ、基板９の表面が平坦化される。
【００２９】
ここで、図３に一点鎖線で示す上記参考例の装置における温度上昇パターンでは、Ｔ１の期間で基板は室温から２００℃程度まで急速に加熱される。即ち、スパッタリング開始当初のＴ１の期間の基板の温度は、実線で示す従来の装置の場合に比べて遙かに高い。このようにスパッタリング開始当初の期間に基板が非常に高い温度になると、当初堆積するベース薄膜８１がすぐに流動化し、表面張力が大きくなって図５（Ａ）に８０として示すようにベース薄膜８１の途切れが生ずるものと考えられる。ベース薄膜８１の途切れ８０は、成膜速度の遅いホール９０の側壁の下端部分で多く生ずるものと考えられる。
【００３０】
ベース薄膜８１の途切れ８０が生ずると、その後のＴ２の期間で薄膜８２をさらに堆積させながらリフローさせても、下地が露出した途切れ８０の部分では親和性が低下しているので、図５（Ｂ）に示すように、この部分をリフロー薄膜８２が覆うことができない。この結果、図５（Ｃ）に示すように、ホール９０内にリフロー薄膜８２が埋め込まれてもリフロー薄膜８２にボイド８３が形成された状態となってしまうものと考えられる。ボイド８３が形成されると、薄膜８１，８２が金属配線である場合、断線になってしまい、致命的な素子欠陥を招いてしまう。また、薄膜８１，８２が絶縁膜である場合、絶縁耐圧の低下という問題を招くことになる。
【００３１】
一方、本実施形態の装置による図３の二点鎖線の温度上昇パターンでは、ボイド８３の発生は観察されなかった。この実施形態の装置の構成では、制御部７は、Ｔ１の期間では静電吸着機構４３も昇圧用ガス導入系４２も動作させず、Ｔ２の期間で動作させるよう構成されている。
図３から分かるように、この二点鎖線の温度上昇パターンでは、Ｔ１の期間では基板の温度は５０℃程度までの低い温度に抑えられている。そして、Ｔ２の期間で５０℃程度から５００℃程度に急速加熱されている。このような温度上昇パターンによると、上述したベース薄膜８１の途切れが無く、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように正常な高温リフロースパッタリングが行えるのである。尚、発明者の研究によると、金属材料がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合、このＴ１の期間では、基板の温度を１００℃以下にしておけばベース薄膜８１の途切れが生じないことが確認されている。
【００３２】
また、本実施形態の装置では、図３に示すＴ２の期間のうち、Ｔ２Ａの期間では静電吸着機構４３を動作させて昇圧用ガス導入系４２を動作させず、その後のＴ２Ｂの期間で静電吸着機構４３とともに昇圧用ガス導入系４２を動作させている。これは、以下の理由に基づく。
即ち、基板９が基板ホルダー４に静電吸着される前や静電吸着されるのと殆ど同時に昇圧用ガス導入系４２が動作すると、静電吸着機構４３を動作させても基板９が基板ホルダー４に十分静電吸着されない問題が生ずる。昇圧用ガスが凹部４０に導入されている状態で静電吸着機構４３が動作を開始すると、凹部４０から昇圧用ガスがあふれ出ている状態で基板９を静電吸着させようとするので、静電気を誘起しても基板９が十分に静電吸着されないのである。
そこで、本実施形態の装置では、先に静電吸着機構４３を動作させて基板９の静電吸着が安定化してから昇圧用ガス導入系４２を動作させている。従って、図３に示すＴ２Ａは静電吸着が安定化するまでの期間であり、例えば５〜１０秒程度である。
【００３３】
このように、本実施形態の装置における制御部７は、ベース薄膜８１を薄く堆積させる第一の工程では静電吸着機構４３も昇圧用ガス導入系４２も動作させず、第一の工程に続く第二工程で最初に静電吸着機構４３を動作させた後に昇圧用ガス導入系４２を動作させるよう構成されている。具体的には、制御部７はマイクロコンピュータを含む制御系であり、処理プログラムを入力する入力部と、入力部から入力された処理プログラムを記憶する記憶する記憶部と、記憶部からの読み出された処理プログラムに従って静電吸着機構の吸着用電源や昇圧用ガス導入系のバルブ等に順次動作信号を送る信号出力部等から構成されている。
【００３４】
また、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置は、マルチチャンバータイプの装置として構成されると好適である。マルチチャンバータイプの装置は、中央に搬送チャンバーを設け、その周囲に複数の処理チャンバーやロードロックチャンバーを気密に接続した構成である。そして、複数の処理チャンバーのうちの一つはベース薄膜８１を作成を行う（第一の工程を行う）スパッタチャンバーとして構成され、別の処理チャンバーの一つはリフロー薄膜８２の作成とリフロー（第二の工程を行う）スパッタチャンバーとして構成されると好適である。
この構成であると、第一の工程と第二の工程とが別々のスパッタチャンバーで行われるので、スループットが高くなる。尚、第一の工程と第二の工程との間では基板は搬送チャンバーを経由して真空中で搬送されるので、ベース薄膜８１の汚損の問題もない。
【００３５】
【実施例】
次に、高温リフロースパッタリング方法の発明の実施例の説明も兼ね、図３の二点鎖線で示す温度上昇パターンを達成する実施例の条件について説明する。
図３の二点鎖線の温度上昇パターンで高温リフロースパッタリングを行うためには、まず、プロセスガスとしてアルゴンを導入し、スパッタチャンバー内の圧力を０．５〜２ｍＴｏｒｒ程度に維持する。この状態で、スパッタ電源を１８ｋＷ程度の大出力で動作させてスパッタリングを行い、ベース薄膜８１を作成する第一の工程を行う。この際、ヒータ６は５００Ｗ程度の電力で動作しているが、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２は動作していない。この条件１０秒程度維持して、ベース薄膜８１を作成する。尚、１０秒程度経過後の基板９の温度は、図３に示す通り、５０℃程度である。
【００３６】
その後、第二の工程を行う。第二の工程では、スパッタ電源３を７ｋＷ程度の出力で動作させ、成膜速度を低くする。そして、吸着用電源４３２を動作させて一対の吸着電極４３１に５００Ｖ程度の電圧を印加する。これによって、基板９は基板ホルダー４に吸着される。５秒から１０秒程度の時間が経過して静電吸着が安定すると（Ｔ２Ａの期間の終了）、基板９の温度は図３に示す通り２００℃程度まで上昇する。
【００３７】
その後のＴ２Ｂの期間では、昇圧用ガス導入系４２を動作させ、昇圧用ガスとしてアルゴンガスを凹部４０に導入する。この結果、凹部４０内は１０Ｔｏｒｒ程度の圧力に上昇する。また、このＴ２Ｂの期間では、スパッタ電源３の出力は４ｋＷ程度とされる。この状態を２０秒程度維持すると（Ｔ２Ｂの期間の終了）、図３に示す通り、基板９の温度は５００℃程度まで上昇する。尚、以上の温度上昇の期間において、ヒータ６の出力は５００Ｗのまま一定であり、静電吸着機構４３のみの動作、静電吸着機構４３と昇圧用ガス導入系４２の動作という段階的な動作によって基板９の温度を段階的に上昇させている。
【００３８】
Ｔ２Ｂの期間が終了すると、ヒータ６による加熱は熱平衡に達し、基板９の温度は５００℃程度に安定する。そして、Ｔ２Ｃの期間としてこの５００℃程度の加熱温度を８０秒程度維持しながら、４ｋＷの電力でスパッタリングを継続すると、高温リフロースパッタリングによるホール９０内への金属材料の埋め込みが完了する。尚、以上の実施例の動作において、ターゲット２の材料はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、ホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金で埋め込まれる。
【００３９】
上述した実施例の構成によると、直径０．３μｍ深さ１μｍのホールに対して９０秒から１００秒程度の時間（図３のＴ１＋Ｔ２Ａ＋Ｔ２Ｂ＋Ｔ２Ｃ）で処理が完了する。図３に実線で示す従来の温度上昇パターンでは、Ｔ２の期間（第二の工程の期間）に２００秒から３００秒程度を要しており、本実施例の構成によると、１／２以下に処理時間が短縮されることが分かる。
【００４０】
尚、上述した実施形態及び実施例では、最適な温度上昇パターンを得る構成として、ヒータ６の電力は一定とし、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２を段階的に動作させる構成を採用している。しかしながら、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２を常時動作させておき、ヒータ６の電力を段階的に制御するようにしても良い。または、静電吸着機構４３の吸着用電源４３２の出力を段階的に高めたり、昇圧用ガス導入系４２によるガス導入量を段階的に多くして凹部内の圧力を段階的に高くしたりして、基板ホルダー４から基板９への熱の伝達効率を段階的に高めていくように制御することも可能である。但し、発明者の検討によると、これらの他の制御方法に比べると、静電吸着機構４３及び昇圧用ガス導入系４２を段階的に動作させる構成は、応答性に優れ、基板９の温度上昇パターンを高い精度で制御できるメリットがある。
【００４１】
上記説明では、金属材料としてアルミニウム又はアルミニウム合金を採り上げたが、銅又は銅合金等の他の金属材料の高温リフロースパッタリングにも本願発明は応用が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項の発明によれば、基板の急速加熱によって高温リフロースパッタリングに要する時間を短くしつつも、ベース薄膜の途切れによるボイドの発生が効果的に抑制された構成が提供され、良質な高温リフロースパッタリング処理を高い生産性で行うことができる。また、温度制御の応答性が高いため、温度上昇パターンを高い精度で制御することができ、さらに良質な処理が可能となる。
また、請求項２、３、４、７、８又は９の発明によれば、上記効果に加え、静電吸着機構が動作して基板の静電吸着が安定化した後に昇圧用ガス導入系が動作するので、基板が静電吸着されなくなってしまう問題が未然に防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の実施形態の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】 図１に示す基板ホルダー４の凹部４０の形状について説明する平面概略図である。
【図３】 従来の装置、本実施形態の装置及び参考例の装置を使用して行った高温リフロースパッタリングにおける基板の温度上昇パターンを示したものである。
【図４】 急速加熱時におけるボイド発生のメカニズムを説明した断面図であり、ボイドの発生のない正常な高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図である。
【図５】 急速加熱時におけるボイド発生のメカニズムを説明した断面図であり、ボイドが発生してしまう高温リフロースパッタリングの状況を示した断面図である。
【図６】 従来の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
２ ターゲット
３ スパッタ電源
４ 基板ホルダー
４０ 凹部
４２ 昇圧用ガス導入系
４３ 静電吸着機構
５ プロセスガス導入系
６ ヒータ
４７ 制御部
８１ ベース薄膜
８２ リフロー薄膜
８３ ボイド
９ 基板
９０ ホール
Claims (10)
- スパッタチャンバー内に基板ホルダーによって基板を所定位置に配置し、基板に形成された微細なホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリング方法であって、ホールの側面及び底面に金属材料のベース薄膜を薄く作成する第一の工程と、第一の工程の後、金属材料の薄膜をホール内にさらに堆積させてリフローさせることでホール内に金属材料を埋め込む第二の工程とよりなり、第一の工程では、作成されるベース薄膜の途切れを防止することが可能な第一の温度で基板を加熱し、第二の工程では、第一の温度よりも高い第二の温度で基板を加熱しながらリフローを行う方法であり、
前記基板ホルダーは、内部にヒータが設けられているとともに、基板を静電吸着する静電吸着機構と、基板配置面に設けられた凹部内に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系とを備えており、
前記第一第二の工程においてヒータを動作させるとともに、前記第一の工程では、静電吸着機構も昇圧用ガス導入系も動作させずに基板の温度を前記第一の温度とし、前記第二の工程において静電吸着機構及び昇圧用ガス導入系を動作させて基板の温度を前記第二の温度とすることを特徴とする高温リフロースパッタリング方法。 - 前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させ、その後、昇圧用ガス導入系を動作させることを特徴とする請求項１記載の高温リフロースパッタリング方法。
- 前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させた後、５秒から１０秒後に昇圧用ガス導入系を動作させることを特徴とする請求項２記載の高温リフロースパッタリング方法。
- 前記第一の工程と前記第二の工程において、ヒータに対して同じ電力を供給することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の高温リフロースパッタリング方法。
- 前記金属材料はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記第一の温度は１００℃以下であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の高温リフロースパッタリング方法。
- 微細なホールが形成された基板の表面にスパッタリングによって金属材料の薄膜を作成し、基板を加熱して薄膜をリフローさせてホール内に金属材料を埋め込んでホールを平坦化する高温リフロースパッタリング装置であって、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするためのスパッタ電源と、スパッタによって放出されたターゲットの材料が到達するスパッタチャンバー内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーと、所定位置に配置された基板を加熱するヒータと、装置全体を制御する制御部とを備えており、前記制御部は、ホールの側面及び底面に前記金属材料のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板が加熱されるよう制御し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱して金属材料の薄膜をホール内にさらに堆積させてリフローさせる第二の温度で基板が加熱されるように制御するものであり、
前記ヒータは、前記基板ホルダー内に設けられており、
前記基板ホルダーは、その基板配置面に凹部が形成されているとともにその凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系を有しており、さらに、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構が設けられており、前記制御部は、前記第一第二の工程においてヒータを動作させるとともに、前記第一の工程では静電吸着吸着機構も昇圧用ガス導入系も動作させず、前記第二工程では、静電吸着機構及び昇圧用ガス導入系を動作させるものであることを特徴とする高温リフロースパッタリング装置。 - 前記制御部は、前記第二の工程において、最初に静電吸着機構のみを動作させ、その後、昇圧用ガス導入系を動作させるものであることを特徴とする請求項６記載の高温リフロースパッタリング装置。
- 前記制御部は、最初に静電吸着機構のみを動作させた後、５秒から１ ０秒後に昇圧用ガス導入系を動作させるものであることを特徴とする請求項７記載の高温リフロースパッタリング装置。
- 前記制御部は、前記第一の工程と前記第二の工程において、ヒータに対して同じ電力を供給する制御を行うものであることを特徴とする請求項６乃至８いずれかに記載の高温リフロースパッタリング装置。
- 前記ターゲットはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、前記第一の温度は１００℃以下であることを特徴とする請求項６乃至９いずれかに記載の高温リフロースパッタリング装置。
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