成膜方法、等離子體成膜裝置和存儲介質的製作方法

2023-06-10 13:40:26

專利名稱：成膜方法、等離子體成膜裝置和存儲介質的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過等離子體濺射在半導體晶片等處理對象的表面形 成的微細凹部中嵌入金屬膜的技術。
背景技術：
為了製造半導體器件， 一般地，對半導體晶片重複地執行成膜處 理和圖案蝕刻處理等各種處理。響應於對半導體器件更高的集成化和 小型化的需求，線寬和孔徑已越來越微細化。結果，需要減小布線材 料和嵌入材料的電阻。因此，存在使用具有較小電阻並且比較便宜的 銅作為布線材料和嵌入材料的趨勢。當銅被用作布線材料和嵌入材料
時，鉭(Ta)金屬和/或氮化鉭(TaN)薄膜被用作阻擋層。
為了在晶片表面形成的凹部中嵌入銅， 一般地，通過使用等離子 體濺射裝置在包括凹部的內表面的晶片的整個表面上形成由銅膜製成 的薄的種膜。隨後，對包括凹部的內表面的晶片的整個表面執行鍍銅 處理以將薄膜完全嵌入凹部中。之後，通過化學機械拋光(CMP)處 理將存在於晶片表面上的薄銅膜的不必要的部分去除。
將參照圖9和圖10 (A)至10 (C)說明此方法。如圖9中所示， 在半導體晶片W上形成的絕緣層3中形成有呈具有矩形橫截面的細長 槽形式的凹部2和呈形成在凹部2的底部中的通孔或過孔形式的凹部 4。凹部4的下端與布線層6相連接。當導電材料嵌入凹部4中時，布 線層6和嵌入凹部2中的布線材料相互間電連接。這種結構被稱為雙 鑲嵌結構。僅可單獨形成溝(凹部2)或孔(凹部4)。近年來，由於 設計規則的精細化，凹部2的寬度和凹部4的直徑已顯著減小，結果， 凹部的縱向/橫向尺寸比(縱橫比)已增加，例如，接近於3至4。
將參照圖10說明將銅嵌入呈孔形式的凹部4中的方法。如圖10 (A)中所示，已通過等離子體濺射裝置在包括凹部4的內表面的半導 體晶片W的表面上形成具有由TaN膜和Ta膜組成的層疊結構的阻擋層8。由薄銅膜製成的種膜10形成在包括凹部4的內表面的晶片的整
個表面上。在形成種膜10的過程中，將高頻偏置電能施加到半導體晶 片上以高效地吸引銅金屬離子。接著，如圖10 (C)中所示，通過對 晶片表面執行三元銅合金鍍覆處理將例如由銅膜製成的金屬膜12嵌入 凹部4中。在此情況下，圖10 (A)至10 (C)中未示出的呈溝形式 的凹部2由鍍銅嵌埋。隨後，通過CMP處理去除存在於晶片W的表 面上的金屬膜12的不必要的部分、種膜10的不必要的部分和阻擋層8 的不必要的部分。
一般地，在通過等離子體濺射裝置成膜的情況下，通過對半導體 晶片施加偏置電能以促進對金屬離子的吸引來增加成膜速度。在此情 況下如果偏置電壓過大，則晶片的表面被從吸入處理空間中以生成等 離子體的例如氬氣的惰性氣體中得到的離子濺射，結果去除了一度沉 積的金屬膜。為了避免這種情況，偏置電能不設置到高等級。
當以上述方式形成由銅膜製成的種膜10時，如圖10 (B)中所示， 在凹部4的上開口端附近的種膜10中形成外伸部14以使凹部4的開 口變窄。在鍍覆處理過程中由於外伸部14的存在，鍍液未充分滲透進 凹部4。由於鍍液的不充分滲透，可在金屬膜12中形成孔隙16。
為了防止孔隙16，在鍍銅處理中向鍍液中加入各種添加劑以便促 進銅膜的沉積在凹部4的底面上從而以自下而上的方式嵌埋凹部4。盡 管緊接著鍍銅處理後在銅鍍膜中剩餘少量的添加劑，可通過一般在鍍 覆處理後執行的高溫退火處理去除剩餘的添加劑。
然而，如果線寬和孔徑不大於100 nm，則本可通過高溫退火容易 地去除的殘餘添加劑不能被充分地去除。如果添加劑殘留在銅膜中， 則布線的電阻變大，結果不能獲得設計的電特性。此外，剩餘的添加 劑在退火過程中抑制銅晶粒的增長並且降低銅膜的可靠性。
為了避免添加劑的問題，已經考慮僅通過等離子體濺射處理而不 執行鍍覆處理以銅膜嵌埋整個凹部4。然而，在此情況下，如上所述在 凹部4的上開口端附近形成外伸部14。因此，金屬粒子難以到達凹部 4的內部，並且將不可避免地形成空隙16。為了避免這一問題，如 JP10-74760A和JP10-214836A所示，可考慮使沉積的金屬膜在高溫下 熔化並回流以嵌埋凹部。如果嵌入材料為具有低熔點的鋁，則可執行回流處理。如果嵌入材料為具有高熔點的銅，則回流難以發生。因此 在銅的情況下上述回流處理不是實用的解決方案。

發明內容
本發明著重於上述問題並且設計以有效地解決該問題。本發明的 目的在於提供一種能夠僅通過等離子體濺射技術不產生空隙地、有效 且適當地嵌埋微細凹部的技術。
為了實現該目的，根據本發明的第一方面，提供了一種成膜方法， 其包括將處理對象放置在置於處理容器中的載置臺上的步驟，該基 板具有表面和開口於該表面中的凹部；成膜步驟，其包括通過在處理 容器中生成等離子體並由該等離子體濺射置於處理容器中的金屬目標 而在處理容器中生成金屬粒子的步驟，以及對載置臺施加偏置電能以 將金屬粒子吸入凹部中並將金屬粒子沉積在凹部中從而由金屬嵌埋凹 部的步驟，其中，成膜步驟在以下條件下執行，即，將偏置電能設置 成使得在處理對象的表面上，作為由金屬粒子的吸入產生的金屬沉積 速率的沉積速率基本上等於作為由等離子體產生的濺射蝕刻的速率的 蝕刻速率；擴散步驟，其將處理對象保持在預定溫度下，以保證在沒 有金屬粒子從金屬目標生成的條件下在沉積在凹部中的金屬膜中發生 表面擴散，從而使構成金屬膜的金屬原子朝向凹部的底部移動；以及 交替地並多次重複地執行成膜步驟和擴散步驟的步驟。
優選地，偏置電能具有保證已在執行所述成膜方法之前形成在凹 部的表面上的基層不被蝕刻的等級。優選地，預定溫度低於使構成金 屬膜的金屬原子發生體擴散的溫度。優選地，在擴散步驟中，處理對 象由等離子體與處理對象的碰撞所生成的碰撞能量加熱。優選地，擴 散步驟在其中執行成膜步驟的處理容器中執行。
優選地，凹部包括具有100 nm或更小寬度的槽，或具有100nm 或更小直徑的孔。優選地，在每個成膜步驟中形成的金屬膜的厚度為5 nm或更小。優選地，凹部包括用於布線的槽或用於布線的孔。
優選地，金屬膜由銅或銅合金製成。優選地，擴散步驟中的預定 溫度在200QC至400°C的範圍內。
在一個實施例中，凹部具有相對較小的下部空間和相對較大的上部空間，並且在通過重複執行成膜步驟和擴散步驟由金屬膜嵌埋下部 空間後執行由鍍層嵌埋上部空間的鍍覆步驟。在另一實施例中，凹部 具有相對較小的下部空間和相對較大的上部空間，並且通過重複執行 成膜步驟和擴散步驟由金屬膜嵌埋下部空間和上部空間。
根據本發明的第二方面，提供了一種成膜裝置，其包括適於被 抽真空的處理容器；用於在其上放置處理對象的載置臺；用於將處理 氣體引入到處理容器中的氣體引入裝置；用於在處理容器中生成等離 子體的等離子體源；置於處理容器中的金屬目標；用於提供對金屬目 標放電用的電能的直流電源；用於對載置臺提供偏置電能的偏置電源; 和用於控制所述成膜裝置的整體操作的裝置控制器，其中，裝置控制 器被配置成控制所述成膜裝置以使所述成膜裝置執行成膜步驟，其 包括通過在處理容器中生成等離子體並由等離子體濺射置於處理容器 中的金屬目標而在處理容器中生成金屬粒子的歩驟，以及對載置臺施 加偏置電能以將金屬粒子吸入形成在處理對象的表面中的凹部中並將 金屬粒子沉積在凹部中從而由金屬嵌埋凹部的步驟，其中，成膜步驟 在以下條件下執行，艮P，將偏置電能設置成使得在處理對象的表面上， 作為由金屬粒子的吸入產生的金屬沉積的速率的沉積速率基本上等於 作為由等離子體產生的濺射蝕刻的速率的蝕刻速率；擴散步驟，其將 處理對象保持在預定溫度下，以保證在沒有金屬粒子從金屬目標生成 的條件下在沉積在凹部中的金屬膜中發生表面擴散，從而使構成金屬 膜的金屬原子朝向凹部的底部移動；以及交替地並多次重複地執行成 膜步驟和擴散步驟的步驟。
在一個實施例中，載置臺具有用於冷卻處理對象的裝置。附加地 或可替換地，載置臺具有用於加熱處理對象的裝置。附加地或可替換 地，在載置臺的表面設置有導熱氣體流過的氣體槽。
根據本發明的第三方面，提供了一種存儲用於控制成膜裝置的程 序的存儲介質，該成膜裝置包括適於被抽真空的處理容器；用於在 其上放置處理對象的載置臺；用於將處理氣體引入到處理容器中的氣 體引入裝置；用於在處理容器中生成等離子體的等離子體源；置於處 理容器中的金屬目標；用於提供對金屬目標放電用的電能的直流電源； 用於對載置臺提供偏置電能的偏置電源；以及用於控制所述成膜裝置的整體操作的計算機形式的裝置控制器，其中，裝置控制器在執行程 序時控制成膜裝置執行成膜方法，該成膜方法包括成膜步驟，其包 括通過在處理容器中生成等離子體並由等離子體濺射置於處理容器中 的金屬目標而在處理容器中生成金屬粒子的步驟，以及對載置臺施加 偏置電能以將金屬粒子吸入形成在處理對象的表面中的凹部中並將金 屬粒子沉積在凹部中從而由金屬嵌埋凹部的步驟，其中，成膜步驟在 以下條件下執行，即，將偏置電能設置成使得在處理對象的表面上， 作為由金屬粒子的吸入產生的金屬沉積的速率的沉積速率基本上等於 作為由等離子體產生的濺射蝕刻的速率的蝕刻速率；擴散步驟，其將 處理對象保持在預定溫度下，以保證在沒有金屬粒子從金屬目標生成 的條件下在沉積在凹部中的金屬膜中發生表面擴散，從而使構成金屬 膜的金屬原子朝向凹部的底部移動；以及交替地並多次重複地執行成 膜步驟和擴散步驟的步驟。


圖1是本發明的一個實施例中的等離子體成膜裝置的示意性截面圖。
圖2是示出濺射蝕刻的角度依賴性的曲線圖。 圖3是示出偏置電能與晶片上表面上的成膜速率之間的關係的曲 線圖。
圖4是示出根據本發明的成膜方法的實例的流程圖。 圖5示出用於說明成膜方法的處理步驟的凹部的示意性截面圖。 圖6是用於說明擴散步驟的機制的示意性視圖。 圖7示出顯示實驗結果的電子顯微照片和示意性視圖。 圖8示出顯示實驗結果的電子顯微照片和示意性視圖。 圖9是在半導體晶片的表面形成的凹部的實例的截面/透視圖。 圖IO是用於說明在半導體晶片的表面形成的凹部中嵌入材料的常 規方法的示意性截面圖。
具體實施例方式
以下將參照

本發明的實施例。圖1是本發明的一個實施
10例中的等離子體成膜裝置的示意性截面圖，並且此處所示的等離子體 成膜裝置為ICP (感應耦合等離子體)濺射裝置。在圖1中，等離子體
成膜裝置22具有例如由鋁等製成的筒形處理容器24。處理容器24電 接地。在處理容器24的底壁26中設置有排氣口 28。排氣口 28通過調 整壓力用的節流閥30與真空泵32相連接，由此處理容器24的內部可 被抽空至期望的真空度。
由例如鋁製成的圓盤狀載置臺34設置於處理容器24中。載置臺 34具有載置臺本體34A和設置在載置臺本體34A的上表面上的靜電卡 盤34B，並且被配置成將作為處理對象的半導體晶片W吸著並保持在 靜電卡盤34B上。導熱氣體流過的氣體槽36形成在靜電卡盤34B的上 表面中。可通過按照需要向氣體槽36供應Ar氣等導熱氣體而改進晶 片W與載置臺34之間的導熱。按照需要對靜電卡盤34B施加直流電 壓用以吸著晶片W。載置臺34由從載置臺34底面的中心部分向下延 伸的支柱38支持。支柱38的下部延伸穿過處理容器24的底壁26。支 柱38和由此與之連接的載置臺34可通過圖1中未示出的提升機構垂 直移動。
可伸展的金屬波紋管40圍繞支柱38。金屬波紋管40的上端以氣 密方式連接到載置臺34的下表面，而金屬波紋管40的下端以氣密方 式連接到底壁26的上表面。因此，金屬波紋管40允許載置臺34垂直 移動同時保持處理容器24內部的氣密性。在載置臺34的載置臺本體 34A中形成有作為冷卻晶片W的裝置的冷卻介質循環路徑42。冷卻介 質通過設置在支柱38中的路徑(未示出)供應到冷卻介質循環路徑42， 然後從冷卻介質循環路徑42排出。在載置臺本體34A中設置有用於加 熱晶片W的裝置，例如電阻加熱器44，由此可按照需要加熱晶片W。 冷卻裝置42和加熱裝置44根據需要設置，並可根據所執行處理的 處理條件省略。多個，例如三個支承銷46 (圖1中僅示出兩個支承銷) 從處理容器24的底壁26向上延伸。在載置臺34中形成用於各支承銷 46的銷插入孔48。當載置臺34下降時，支承銷46穿過各銷插入孔48 並且晶片W由支承銷46的上端支持。在此狀態下，晶片W可在支承 銷46和從處理容器24的外部移動到處理容器24中的傳送臂(未示出) 之間進行傳遞。在處理容器24的側壁的下部設置有當傳送臂進入處理容器24時開放的閘閥50。
靜電卡盤34B通過配線52與偏置電源54相連接。偏置電源54能 夠對載置臺34施加具有例如13.56 MHz的預定頻率的高頻偏置電能。 可按照需要控制從偏置電源54輸出的電能。
透過板56通過0形圈等密封元件58以氣密方式附裝於處理容器 24的頂部。透過板56由例如氧化鋁的介電材料形成並且具有高頻波滲 透性。設置等離子體源62以向處理容器24中的處理空間60中供應將 用於生成等離子體的例如Ar氣的氣體(此後稱為"等離子氣體")轉 化為等離子體所必需的激發能量。替代Ar氣，可使用例如He氣或Ne 氣的另一種惰性氣體作為等離子氣體。具體地，等離子體源62具有設 置在透過板56上方的電感線圈64，並且電感線圈64與供應用於等離 子體生成的具有例如13.56 MHz的預定頻率的電能的高頻電源66相連 接。可通過從高頻電源66向電感線圈64施加高頻電能(用於等離子 體生成的電能)將高頻電磁場通過透過板56引入處理空間60中。從 高頻電源66輸出的用於等離子體生成的電能也可按照需要進行控制。
擋板68設置在透過板56的正下方，並且由例如鋁製成以擴散所 引入的高頻波。設置在擋板68下方的是金屬目標70，其具有直徑隨著 靠近擋板68而減小的環形，或者截錐形的錐面的形狀，並且圍繞處理 空間60的上部區域。金屬目標70連接至用於供應放電用電能的可變 直流電源72。從可變直流電源72輸出的直流電能也可按照需要進行控 制。例如鉭或銅的金屬可被用作金屬目標70。金屬目標70被包含在等 離子體中的氬離子濺射，由此從金屬目標70釋放出金屬原子或金屬原 子團，且它們中的多數在通過等離子體的過程中被離子化而變為金屬 離子。
圓筒形保護罩74設置在金屬目標70的下方以圍繞處理空間60。 保護罩74由例如鋁製成。保護罩74電接地。保護罩74的下部向內彎 曲並且延伸至載置臺34的側部附近。氣體進入口 76設置在處理容器 24的底壁中並且用作用於將所需氣體引入處理容器24中的氣體引入 裝置。例如Ar氣的等離子氣體和例如N2氣的其它所需氣體從處理氣 體源(未示出)通過包括氣體流量控制器、閥門等的氣體控制單元78 供應到氣體進入口 76中。包括在成膜裝置22中的各種功能元件(裝置、單元)連接到裝置 控制器80，其包括例如計算機並且控制各功能元件的操作。具體地，
裝置控制器80控制例如偏置電源54、用於等離子體生成的高頻電源 66、可變直流電源72、氣體控制單元78、節流閥30、真空泵32等的 功能元件的操作，以使成膜裝置22執行根據後述的本發明的金屬膜成 膜處理。
首先，在裝置控制器80的控制下，真空泵32操作以在處理容器 24中形成真空，在氣體控制單元78操作的狀態下向其中供應Ar氣， 並且控制節流閥30以使處理容器24的內部保持在預定的真空度。隨 後，可變直流電源72向金屬目標70施加直流電能。高頻電源66向電 感線圈64施加高頻電能(用於等離子體生成)。此外，裝置控制器80 向偏置電源54傳送指令以對載置臺34施加預定的偏置電能。
在前述條件下的處理容器24中，通過施加於金屬目標70和電感 線圈64的等離子體電能將Ar氣轉化為等離子體。存在於等離子體中 的氬離子撞擊金屬目標70，由此濺射金屬目標70。從金屬目標70釋 放出金屬粒子，具體地為金屬原子和金屬原子團，並且它們中的多數 在通過等離子體的過程中被離子化而變為金屬離子。也就是，包含金 屬離子和電中性的金屬原子的金屬粒子向下飛濺。金屬離子由施加於 載置臺34的偏置電能吸引，高指向性地入射到晶片W上，並沉積在 晶片W上。
如隨後所述，如果裝置控制器80向偏置電源54提供指示偏置電 源54輸出高功率的指令，則存在於等離子體中的Ar離子也可被吸引 到載置臺34上，由此可使成膜(沉積)和濺射蝕刻同時發生在晶片W 上。通過裝置控制器80在執行存儲在存儲介質82中的控制程序時生 成的控制信號或指令信號，來實現裝置控制器80對成膜裝置22中的 各種功能元件的控制。控制程序被配置成保證成膜裝置22中的各種功 能元件可實現在用於形成金屬膜的處理配方中所限定的各種處理條 件。任何在計算機技術中公知的存儲介質可用於存儲控制程序。例如， 軟盤(FD)(註冊商標)、光碟(CD)(註冊商標)、閃速存儲器、硬碟 驅動器等可被用作存儲介質。
接下來，將說明使用等離子體成膜裝置22執行的根據本發明的成膜方法。
以下說明的成膜方法的特徵是交替且多次重複地執行成膜步驟和 擴散步驟，其中，成膜步驟通過等離子體濺射在晶片w的表面中所設 置的凹部4中沉積金屬膜，擴散步驟使構成在成膜步驟中沉積的金屬 膜的金屬原子擴散以朝向凹部4 (參見圖10)的底部移動金屬原子。
成膜步驟生成等離子體(等離子氣體的離子，例如，Ar離子)，由生成 的等離子體濺射金屬目標70以生成金屬粒子(金屬離子、中性金屬原 子、和中性金屬原子團)，並且通過偏置電能將金屬粒子特別是金屬離 子吸入到凹部4中，其中將偏置電能設置成使得在晶片W的表面上， 作為由於金屬粒子的吸入而產生的金屬沉積的速率的沉積速率基本上 等於作為由等離子體濺射蝕刻的速率的蝕刻速率。擴散步驟是通過將 晶片W保持在預定溫度以保證在不從金屬目標生成金屬粒子的條件下 在凹部4中所沉積的金屬膜中發生表面擴散而執行的。
在本說明書中，在晶片W上己形成附加層(圖5中的絕緣層3和 阻擋層8)的情況下，經常用於說明成膜步驟的術語"晶片W的表面 (上表面)"通常表示"除凹部的表面之外的最上層(圖5中的阻擋層 8)的表面(上表面)"，換言之"凹部以外的處理對象(包括晶片W和 其上的附加層)的表面(上表面)"。應該注意的是，術語"晶片W的 表面(上表面)"用於避免這樣的複雜表述。
在成膜步驟中，將包括偏置電能、直流電能和等離子體電能的電 能參數控制到適當值(隨後詳細說明)以保證(i)金屬粒子的沉積和 由等離子體進行的濺射同時發生，以及(ii)將金屬膜沉積在凹部4中， 特別是在凹部4的底部上，而使金屬膜幾乎不沉積在晶片W的表面(上 表面)上，即凹部4以外的晶片W的部分，或者沉積非常少量的金屬 膜。具體地，將偏置電能設置為一定的值，以保證在晶片W的表面上， 金屬粒子沉積的速率基本上等於由等離子體(Ar+離子)濺射蝕刻的速 率(換言之，薄膜增長速率為零或非常小)。
在以下說明中，術語"沉積速率"表示假定不發生濺射蝕刻而實 現的沉積速率；並且術語"濺射蝕刻速率"表示假定不沉積金屬粒子 而實現的蝕刻速率。另外，術語"薄膜增長速率"表示從沉積速率中 減去濺射蝕刻速率所獲得的值，換言之，表觀沉積速率。現將詳細說明以上內容。首先，將不考慮金屬粒子的沉積而說明 等離子體濺射蝕刻的特性。圖2是示出濺射表面角與蝕刻速率之間的 關係的曲線圖。術語"濺射表面"表示被濺射的表面。術語"濺射表
面角"表示在濺射表面的法線與等離子體(Ar離子)入射到濺射表面 上的方向(圖1的實例中的垂直方向)之間形成的角度。晶片W的表 面(晶片W的上表面，g口，凹部以外的部分)的濺射表面角和凹部4 的底面的濺射表面角為0度，而凹部4的側面的濺射表面角為90度。
由圖2中所示的曲線圖顯而易見，在晶片W的表面上(濺射表面 角=0度) 一定程度上發生濺射蝕刻，而在凹部的側面上(濺射表面 角=90度)幾乎不發生濺射蝕刻。從圖2中所示的曲線圖還清楚可見， 濺射蝕刻激烈地發生在凹部的入口的拐角處，即，凹部的開口端附近 (濺射表面角=40至80度)。
圖3是示出在如圖1中所示的ICP濺射裝置(成膜裝置)中，當 等離子體電能和施加於金屬目標70的直流電能恆定時，施加於晶片W (載置臺)的偏置電能與晶片W的表面上的薄膜增長速率(沉積速率 減去濺射蝕刻速率)之間的關係的曲線圖。圖3中所示的曲線圖表示 出當目標為銅且晶片的尺寸為200 mm時所建立的關係。儘管當目標的 材料或晶片的尺寸改變時縱坐標軸和橫坐標軸的值可不同，然而曲線 圖中顯示的曲線的趨勢保持基本相同。從圖3中所示的曲線圖清楚可 見，當偏置電能不很大時，金屬粒子(金屬離子和中性金屬原子)的 沉積速率大於蝕刻速率，從而產生高的薄膜增長速率。然而，隨著偏 置電能的增加，由偏置電能加速的、由從等離子氣體獲得的離子(Ar 離子)濺射蝕刻的蝕刻速率的增加變得大於金屬粒子的沉積速率的增 加，從而導致薄膜增長速率的減小。
當金屬粒子的沉積速率變得與濺射蝕刻速率相同時，沉積與蝕刻 相抵，使得晶片的表面(上表面)上的表觀沉積速率即薄膜增長速率 變為零。參照圖3中所示的點X1 (偏置電能=150W)。當等離子體電 能和直流電能改變時，圖3中所示的曲線圖的實線所表示的關係變為 例如由交替的長短虛線表示的關係或由交替的一條長虛線和兩條短虛 線表示的關係。
當使用此類濺射裝置成膜時， 一般使用與圖3中所示的區域Al相對應的成膜條件，即偏置電能不很高以便實現高的薄膜增長速率的成 膜條件。具體地，在濺射蝕刻速率可忽略地小並且抽取的金屬離子量 為最大的條件下成膜。在此情況下，可在凹部的底部實現相當高的薄 膜增長速率。相反，本實施例中的成膜步驟是在以下條件下執行的 抽取的金屬離子和抽取的中性金屬原子的沉積與等離子體濺射蝕刻同 時發生；並且幾乎不在晶片W的表面(上表面)上成膜，而在凹部4 中成膜，儘管成膜量較小。
更詳細地，在成膜步驟中，如上所述，在與圖3中所示的曲線圖
的區域A2相對應的成膜條件下執行成膜，以保證在晶片的表面(上表
面)上，金屬粒子的沉積速率基本上等於等離子體濺射蝕刻的蝕刻速 率。在本說明書中，術語"基本上相等"不僅包括晶片表面上的薄膜
增長速率為零的情況，還包括以在對應於圖3中所示的曲線圖的區域 Al的成膜條件下成膜的薄膜增長速率的最多十分之三(3/10)的速率 在晶片表面上成膜的情況。在此情況下，在凹部4中特別是在凹部4 的底部上形成一定量的薄膜。
以下將說明在成膜條件下，儘管金屬膜幾乎不在晶片W的表面上 增長，然而金屬膜在晶片W的表面中形成的凹部4中沉積的原因。當 一度沉積在晶片的表面(上表面)上的金屬膜被等離子體濺射時，金 屬粒子飛濺而到達處理容器24的內壁面和保護罩74的內壁面。另一 方面，當一度沉積在(具有例如100nm或更小的寬度或直徑的(參見 圖10))微細凹部4上的金屬膜被等離子體濺射時，金屬粒子不能離開 凹部4並且再次附著於凹部4的內壁面和凹部4的底部。結果，較大 量的金屬膜沉積在凹部4的內壁面上，特別是凹部4的底部上。
在對上述現象理解的基礎上，將參照圖4至6進一步說明根據本 發明的方法。首先，將圖1中所示的載置臺34向下移動並將閘閥50 打開。隨後將晶片W送入處理容器24中並支撐在支承銷46上。然後， 將載置臺34向上移動並將晶片W放置於載置臺34的上表面上。通過 靜電卡盤34B將晶片W吸著到載置臺34的上表面上。
接下來，開始成膜步驟。在晶片W的表面(上表面)上，即在此 情況下，在晶片W上形成的絕緣層3的表面(上表面)中已形成分別 具有圖9和10中所示結構的凹部2和4。上凹部2為溝或細長槽。下凹部4形成在凹部2的底面中，成為通孔或過孔並延伸至布線層6。換 言之，在晶片W的表面中形成整體來看具有相對較寬的上部空間(2) 和相對較窄的下部空間(4)的臺階式凹部。注意，為了簡化附圖和說 明，圖5僅示出下凹部4。以下，將在圖5中所示的凹部4中成膜的假 設下說明成膜步驟。
首先，形成阻擋層。具有圖1中所示結構的成膜裝置可被用於阻 擋層的形成。在此情況下，鉭(Ta)被用作金屬目標70。在將處理容 器24抽空至預定真空後，將等離子體電能施加於等離子體源62的電 感線圈64，並且通過偏置電源54將預定的偏置電能施加於載置臺34 的靜電卡盤34B。另外，通過可變直流電源72將預定的直流電能施加 於金屬目標70。為了首先形成TaN膜，將例如Ar氣的用於等離子體 生成的氣體和例如N2氣的氮化氣體通過氣體進入口 78供應到處理容 器24中。這樣，不僅在晶片W的上表面上而且在凹部4的側面和底 面上基本均勻地形成TaN膜。可通過常規方法形成TaN膜。也就是， 將偏置電能設置在對應於圖3中所示的區域Al的範圍內，即大約100W (瓦)。
在完成TaN膜的形成後，執行Ta膜的成膜。除停止供應氮化氣體 (N2氣)之外，在與用於TaN膜的形成相同的條件下將Ta膜沉積在 TaN膜上。可通過常規方法形成Ta膜。也就是，將偏置電能設置在對 應於圖3中所示的區域A1的範圍內。以lt匕方式，形成由TaN膜和Ta 膜組成的阻擋層8作為基層(圖4中的步驟Sl和圖5 (A))。阻擋層8 可具有僅由Ta膜組成的單層結構。
隨後，將形成有阻擋層8的晶片W傳送到與用於形成阻擋層8的 成膜裝置不同的用於銅(Cu)膜成膜的其它成膜裝置中(也具有圖1 所示的結構)。在不使晶片W暴露於大氣環境的情況下進行晶片W的 傳送。優選地，用於阻擋層形成的成膜裝置和用於Cu膜形成的成膜裝 置通過可抽真空的傳送腔相互連接。因此，可在成膜裝置之間的真空 環境中傳送晶片W而不使其暴露於大氣環境。
為了執行Cu膜成膜步驟，將銅用作金屬目標70。在將處理容器 24的內部抽真空至預定壓力後，將等離子體電能施加於等離子體源62 的電感線圈64，並且通過偏置電源54將預定的偏置電能施加於載置臺34的靜電卡盤34B。另夕卜，通過可變直流電源72將預定的直流電能施 加於金屬目標70。此外，將例如Ar氣的用於等離子體生成的氣體通過 氣體進入口 78供應至處理容器24。
在此情況下，如前所述，將偏置電能設置在與圖3中所示的曲線 圖的區域A2相對應的範圍內，以保證在晶片的表面(上表面)上，金 屬粒子的沉積速率基本上等於等離子體濺射蝕刻速率。這樣，如圖5 (B)中所示，由銅組成的金屬膜90形成在凹部4的內壁面上(圖4 中的步驟S2)。如前所述，當一度沉積在晶片W的上表面上的金屬膜 被等離子體離子撞擊時，金屬膜被濺射使得金屬粒子由其飛濺。金屬 粒子幾乎不再次附著於晶片W的上表面。這樣，沉積在晶片的上表面 上的金屬膜90的厚度H1幾乎等於零或非常小的值。注意，如果上凹 部2的寬度比100 rnn大很多，則可在晶片W的上表面上沉積一定量 的金屬膜。
另一方面，由於進入具有100nm或更小的寬度或直徑的狹窄凹部 4中的等離子體離子的濺射而生成的飛濺的金屬粒子再次附著並沉積 在凹部4的內壁面或底部上。結果，沉積在凹部4的側面上的金屬膜 90的厚度H2變為一定程度，並且沉積在底面上的金屬膜90的厚度 H3變為最大。因此，厚度關係"H1<H2<H3"成立。
將成膜時間設定為一定的值，以保證沉積在凹部4的側面上的金 屬膜卯的厚度H2為5 nm或更小，優選地為1到2 nm。如果沉積在 凹部4的側面上的金屬膜90的厚度大於5 nm，則在擴散步驟中發生 Cu聚集，而不能成功地執行Cu金屬膜90的擴散處理。在此情況下， 僅在沉積在凹部4的側面上的金屬膜90的表層部分發生表面擴散，而 金屬膜的深層部分保持在其原始位置。如果重複這樣的處理，則可產 生類似於由常規成膜方法所形成的空隙(參見圖10 (C))。如果在成 膜步驟中偏置電能過高，則由TaN膜和Ta膜構成的阻擋層8，即，基 層會被蝕刻。因此，優選地，將偏置電能設定為保證阻擋層8不被蝕 刻的值。具體地，優選地將偏置電能設定在從與晶片的上表面上的成 膜速率為零的(圖3中的曲線圖上的)點XI相對應的值或近似150W 到與阻擋層8被蝕刻的(圖3中的曲線圖上的)點X2相對應的值或近 似200W的範圍內。優選地，在成膜步驟中在冷卻介質循環路徑42中流過冷卻介質以冷卻載置臺34。
在完成成膜步驟後，執行擴散步驟(圖4中的步驟S3)。擴散步驟 在成膜步驟中所使用的成膜裝置的處理容器24中執行。在擴散步驟中， 將晶片的溫度升高至發生Cu金屬膜90的表面擴散的預定值，然後將 晶片溫度保持在該預定值，從而如圖5 (c)中所示，使包含在金屬膜 90中的Cu原子朝向凹部4的底部移動。在此情況下，將可變直流電 源72關閉以防止從金屬目標70釋放金屬(Cu)粒子。
在擴散步驟中，將高頻電源66和偏置電源54保持在ON狀態， 並且持續Ar氣的供應。這樣，在處理容器24中持續地生成從Ar氣獲 得的等離子體，即，氬離子P。氬離子P被偏置電能吸引到晶片W上 並與晶片W碰撞。晶片W被碰撞所產生的熱能加熱。將偏置電源54 供應的電能設定為使得沉積的Cu膜不被再次蝕刻的較小值。
在此情況下，將晶片W的溫度設定為發生Cu原子的表面擴散而 不發生體積擴散的值，即，將晶片W的溫度設定為處於200°C至400°C 範圍內的值。如圖6中示意性所示，當發生Cu原子的表面擴散時，包 含在沉積在凹部4的側面上的金屬膜90中的金屬原子(Qi原子)90A 被吸入到位於凹部4的底部並且具有較大質量的金屬膜90中，由此在 凹部4的底部的膜厚從H3增加到H4 (參見圖5 (C))。同時，包含在 沉積在凹部4以外的晶片W的上表面上的金屬膜90中的金屬原子(Cu 原子)90B也被吸入到凹部4中。因此，通過成膜歩驟和後續的擴散 步驟凹部4的底部被優先嵌埋。
在擴散步驟中，如果等離子體(Ar離子)的動能過高，則晶片W 可被過度加熱至例如400°C或更高的溫度。因此期望將偏置電能設定 為防止過度加熱晶片W的較低值。另外，如果晶片被加熱至使構成金 屬膜90的Cu原子發生體積擴散的溫度，則熔化的銅結塊。因此期望 將偏置電能設定為防止這種現象發生的較低值。為了促進擴散歩驟中 晶片W的溫度的增加，可通過停止將導熱氣體供應到氣體槽36中而 在氣體槽36中建立真空狀態來抑制從晶片W向載置臺34的導熱。可 替換地，可通過向電阻加熱器44施加電流來加熱載置臺34。擴散步驟 以上述方式執行預定的時間，例如，幾十秒。注意，在成膜歩驟中沉 積在凹部4的側面上的金屬膜的厚度為5 nm或更少的情況下，載置臺34不需要被冷卻，因為即使載置臺34不被冷卻，在凹部4的側面上也 不會發生金屬膜的結塊。在此情況下，可提高載置臺34的溫度使得在 成膜步驟中發生表面擴散。
使成膜步驟S2和擴散歩驟S3交替執行預定次數(循環)(圖4中 的步驟S4中為否)。如圖5 (D)中所示，在第二回成膜步驟中再次形 成Cu金屬膜90。隨後如圖5 (E)中所示，在第二回擴散步驟中，構 成在第二回成膜步驟中形成的Cu金屬膜90的Cu原子擴散並移動使得 它們被吸入到凹部4的底部中。在成膜步驟S2和擴散步驟S3己分別 重複執行了預定次數，例如幾十次後(圖4中的步驟S4中為是)，如 圖5 (F)中所示，凹部4基本上完全由Cu嵌埋。在達到此狀態後， 完成了成膜處理。
成膜步驟S2和擴散步驟S3中的詳細處理條件如下 [成膜步驟S2〗
處理壓力30至100mTorr，例如，50 mTorr (6.7 Pa)
用於等離子體生成的高頻電源66的輸出功率4至5.3 kW，例如，5.25 kW
可變直流電源72的輸出功率0.5至2kW，例如，1.2 kW 偏置電源54的輸出功率120至170 W，例如，150 W 處理時間例如，20秒(根據沉積的薄膜的厚度而變化) [擴散步驟S3]
處理壓力30至100mTorr，例如，50 mTorr (6.7 Pa) 用於等離子體生成的高頻電源66的輸出功率4至5.3 kW，例如，5.25 kW
可變直流電源72的輸出功率0 偏置電源54的輸出功率50W或更少，例如，35 W 處理時間例如，30秒(根據沉積的薄膜的厚度而變化) [成膜步驟S2+擴散步驟S3的循環次數] 大約20次循環(根據凹部的大小而變化)
根據本實施例，可通過重複且交替地執行上述成膜步驟和擴散步 驟，從凹部4的底部連續地由金屬膜嵌埋微細凹部4而不產生例如空 隙的缺陷。根據本實施例，可僅通過等離子體濺射處理而不進行鍍覆處理由例如銅的金屬嵌埋微細凹部4。因此，可避免在通過鍍覆處理執 行嵌埋的情況下可發生的任何問題(例如，由於包含在鍍液中的添加 劑而抑制Cu晶粒的增長)。因此，可由充分增長的Cu晶粒形成布線膜， 從而提高布線膜的可靠性。
在由Cu合金而不是Cu嵌埋凹部4的情況下，可使用Cu合金目 標。儘管前述說明僅說明了狹窄的下凹部4的嵌埋，然而可在完成圖5 (F)中所示的處理步驟後通過交替且重複地執行成膜步驟S2和擴散 步驟S3來嵌埋上凹部2。如果上凹部2較寬，例如，如果上凹部2具 有大於100nm的寬度或直徑，則可在圖5 (F)中所示的處理步驟後通 過使用嵌入下凹部4的金屬膜90作為下部電極執行鍍Cu處理而將金 屬膜嵌入上凹部2。如果上凹部2具有大的寬度或大的直徑，則可通過 在鍍覆處理後執行退火處理從金屬膜中去除包含在鍍液中的添加劑。
本發明不限於上述實施例，並且可在不偏離本發明的實質和範圍 的情況下進行多種改變。例如，高頻電源的頻率不限於13.56 MHz並 且可為其它頻率，例如27.0MHz。用於等離子體生成的惰性氣體不限 於Ar氣，並且可為其它惰性氣體，例如He氣或Ne氣。被處理對象 不限於半導體晶片，並且可為LCD基板、玻璃基板、陶瓷基板等。 [實驗]
使用根據本發明的成膜方法將銅嵌入微細凹部。以下將說明結果。 首先，將銅嵌入具有100nm寬度的槽(溝)中。結果示於圖7中。 圖7 (A)對應於常規方法(沒有擴散步驟)，而圖7 (B)對應於根據 本發明的方法(表示嵌入過程中的狀態)。在圖7中，電子顯微照片顯 示在上側，用於說明電子顯微照片的示意圖顯示在下側。根據本發明 的方法的處理條件與之前所述的詳細的處理條件相同。
如圖7 (A)中所示，採用常規方法，在凹部的開口端附近生成外 伸部從而形成橋，並且在橋下產生空隙。相反，如圖7 (B)中所示， 採用根據本發明的方法，明顯地，銅從凹部的底側成功嵌入凹部而沒
有空隙。
此外，通過使用根據本發明的成膜方法將銅嵌入具有100 nm寬度 的溝和具有100 nm直徑的孔。結果顯示在圖8中。圖8 (A)顯示出 溝嵌埋的結果，而圖8 (B)顯示出孔嵌埋的結果。在圖8 (A)、 (B)中，電子顯微照片顯示在上側左側電子顯微照片顯示出在成膜步驟 和擴散步驟執行IO次循環後的橫截面；中間電子顯微照片顯示出在成 膜步驟和擴散步驟執行20次循環後的橫截面；而右側電子顯微照片是 在成膜步驟和擴散步驟執行20次循環後從傾斜角度拍攝的照片，並且 用於說明各電子顯微照片的示意圖顯示在其下方。
從圖8 (A)明顯可見，從第10次處理循環(成膜步驟+擴散步驟)
到第20次處理循環，銅從溝的底部連續成功嵌入溝中而未產生空隙。 此外，從圖8 (B)明顯可見，從第10次處理循環到第20次處理循環， 銅被成功嵌入孔中而未產生空隙。
權利要求
1. 一種成膜方法，包括將處理對象放置在設置於處理容器中的載置臺上的步驟，基板具有表面和開口在所述表面中的凹部；成膜步驟，包括通過在所述處理容器中生成等離子體並由所述等離子體濺射設置於所述處理容器中的金屬目標而在所述處理容器中生成金屬粒子的步驟，和對所述載置臺施加偏置電能以將所述金屬粒子吸入所述凹部中並將所述金屬粒子沉積在所述凹部中從而由金屬嵌埋所述凹部的步驟，其中，所述成膜步驟在以下條件下執行，即，將所述偏置電能設置成使得在所述處理對象的表面上，作為由所述金屬粒子的吸入產生的金屬沉積速率的沉積速率基本上等於作為由所述等離子體產生的濺射蝕刻的速率的蝕刻速率；擴散步驟，將所述處理對象保持在預定溫度下，以保證在沒有金屬粒子從所述金屬目標生成的條件下在沉積在所述凹部中的金屬膜中發生表面擴散，從而使構成所述金屬膜的金屬原子朝向所述凹部的底部移動；以及交替地且多次重複地執行所述成膜步驟和所述擴散步驟的步驟。
2. 如權利要求l所述的方法，其中所述偏置電能具有保證在執行 所述成膜方法之前已形成在所述凹部的表面上的基層不被蝕刻的等 級。
3. 如權利要求l所述的方法，其中所述預定溫度低於發生構成所 述金屬膜的所述金屬原子的體擴散的任何溫度。
4. 如權利要求l所述的方法，其中，在所述擴散步驟中，所述處 理對象由等離子體與所述處理對象的碰撞所生成的碰撞能量加熱。
5. 如權利要求1所述的方法，其中所述擴散步驟在執行所述成膜 步驟的所述處理容器中執行。
6. 如權利要求l所述的方法，其中所述凹部包括具有100 nm或 更小的寬度的槽，或者具有100nm或更小的直徑的孔。
7. 如權利要求1所述的方法，其中在各所述成膜步驟中形成的所 述金屬膜的厚度為5 nm或更小。
8. 如權利要求l所述的方法，其中所述凹部包括用於布線的槽或 者用於布線的孔。
9. 如權利要求1所述的方法，其中所述金屬膜由銅或銅合金製成。
10. 如權利要求9所述的方法，其中所述擴散歩驟中的所述預定 溫度在200°C至400°C的範圍內。
11. 如權利要求l所述的方法，其中所述凹部具有相對較小的下部空間和相對較大的上部空間， 所述方法還包括在通過重複執行所述成膜步驟和所述擴散步驟由所述金屬膜嵌埋所述下部空間後，由鍍層嵌埋所述上部空間的鍍覆步驟。
12. 如權利要求l所述的方法，其中所述凹部具有相對較小的下部空間和相對較大的上部空間，並且 通過重複執行所述成膜歩驟和所述擴散步驟由所述金屬膜嵌埋所 述下部空間和所述上部空間。
13. —種成膜裝置，包括 適於被抽真空的處理容器； 用於在其上放置處理對象的載置臺；用於將處理氣體引入所述處理容器中的氣體引入裝置；用於在所述處理容器中生成等離子體的等離子體源；設置於所述處理容器中的金屬目標；用於供應向所述金屬目標放電用的電能的直流電源 ，用於向所述載置臺供應偏置電能的偏置電源；和 用於控制所述成膜裝置的整體操作的裝置控制器，其中所述裝置控制器被配置成控制所述成膜裝置以使所述成膜裝 置執行成膜步驟，包括通過在所述處理容器中生成等離子體並由所述等 離子體濺射設置於所述處理容器中的金屬目標而在所述處理容器中生 成金屬粒子的步驟，和對所述載置臺施加偏置電能以將所述金屬粒子 吸入形成在所述處理對象的表面中的凹部中並將所述金屬粒子沉積在 所述凹部中從而由金屬嵌埋所述凹部的步驟，其中，所述成膜步驟在 以下條件下執行，即，將所述偏置電能設置成使得在所述處理對象的 表面上，作為由所述金屬粒子的吸入產生的金屬沉積速率的沉積速率 基本上等於作為由所述等離子體產生的濺射蝕刻的速率的蝕刻速率；擴散步驟，將所述處理對象保持在預定溫度下，以保證在沒有金 屬粒子從所述金屬目標生成的條件下在沉積在所述凹部中的金屬膜中 發生表面擴散，從而使構成所述金屬膜的金屬原子朝向所述凹部的底 部移動；以及交替地且多次重複地執行所述成膜步驟和所述擴散步驟的步驟。
14. 如權利要求13所述的裝置，其中所述載置臺具有用於冷卻所 述處理對象的裝置。
15. 如權利要求13所述的裝置，其中所述載置臺具有用於加熱所 述處理對象的裝置。
16. 如權利要求13所述的裝置，其中在所述載置臺的表面中設置 有導熱氣體流過的氣體槽。
17. —種存儲用於控制成膜裝置的程序的存儲介質，所述成膜裝 置包括適於被抽真空的處理容器；用於在其上放置處理對象的載置 臺；用於將處理氣體引入所述處理容器中的氣體引入裝置；用於在所 述處理容器中生成等離子體的等離子體源；設置於所述處理容器中的金屬目標；用於供應向所述金屬目標放電用的電能的直流電源；用於 向所述載置臺供應偏置電能的偏置電源；和用於控制所述成膜裝置的 整體操作的計算機形式的裝置控制器，其中所述裝置控制器在執行所述程序時控制所述成膜裝置執行成 膜方法，所述成膜方法包括成膜步驟，包括通過在所述處理容器中生成等離子體並由所述等 離子體濺射設置於所述處理容器中的金屬目標而在所述處理容器中生 成金屬粒子的步驟，和對所述載置臺施加偏置電能以將所述金屬粒子 吸入形成在所述處理對象的表面中的凹部中並將所述金屬粒子沉積在 所述凹部中從而由金屬嵌埋所述凹部的步驟，其中，所述成膜步驟在 以下條件下執行，即，將所述偏置電能設置成使得在所述處理對象的 表面上，作為由所述金屬粒子的吸入產生的金屬沉積速率的沉積速率 基本上等於作為由所述等離子體產生的濺射蝕刻的速率的蝕刻速率；擴散歩驟，將所述處理對象保持在預定溫度下，以保證在沒有金 屬粒子從所述金屬目標生成的條件下在沉積在所述凹部中的金屬膜中 發生表面擴散，從而使構成所述金屬膜的金屬原子朝向所述凹部的底 部移動；以及交替地且多次重複地執行所述成膜步驟和所述擴散步驟的步驟。
全文摘要
公開了一種僅通過等離子體濺射在例如半導體晶片W的處理對象的表面中所設置的凹部中嵌入金屬的技術。作為典型實例，金屬為銅。作為典型實例，凹部具有直徑或寬度為100nm或更小的微細孔或溝。使成膜步驟和擴散步驟交替執行多次。成膜步驟在凹部中沉積少量金屬膜。擴散步驟使沉積的金屬膜朝向凹部的底部移動。在成膜步驟中，將對用於支持晶片W的載置臺施加的偏置電能設定到一定的值，以保證在晶片W的表面上，由於金屬粒子的吸入而產生的金屬沉積速率基本上等於由等離子體進行的濺射蝕刻的速率。在擴散步驟中，將晶片W保持在允許發生沉積在凹部中的金屬膜的表面擴散的溫度。
文檔編號H01L21/768GK101421825SQ20078001276
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月9日 優先權日2006年2月9日
發明者佐久間隆, 松田司, 橫山敦, 水澤寧, 池田太郎, 波多野達夫 申請人:東京毅力科創株式會社