同軸型真空アーク蒸着源を用いた金属材料の埋め込み方法
【課題】微細な開口部、かつ高アスペクト比を持つトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込む方法の提供。
【解決手段】円筒状トリガ電極１３と蒸発材料部材１２ａを有する円柱状カソード電極１２とが、円筒状絶縁碍子１５を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、カソード電極の周りに同軸状にアノード電極１１が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源１を用い、トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させ、蒸発材料部材から生成される荷電粒子を真空チャンバー内に放出させ、トレンチ又はホール内へ金属材料を埋め込む。
【解決手段】円筒状トリガ電極１３と蒸発材料部材１２ａを有する円柱状カソード電極１２とが、円筒状絶縁碍子１５を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、カソード電極の周りに同軸状にアノード電極１１が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源１を用い、トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させ、蒸発材料部材から生成される荷電粒子を真空チャンバー内に放出させ、トレンチ又はホール内へ金属材料を埋め込む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同軸型真空アーク蒸着源を用いた金属材料の埋め込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置に配線パターンを形成する際には、スパッタ法やＣＶＤ法やメッキ法により、ＣｕやＡｌのような金属をトレンチやホールへ埋め込む技術が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の場合、ＣＶＤ法により第１の銅膜を形成し、その上にこの第１の銅膜を電極とした電解メッキ法により第２の銅膜を形成している。
【０００３】
しかし、配線パターンの微細化が進むにつれ、スパッタ法やＣＶＤ法による埋め込みの場合には、開口部が微細で、かつ３程度のアスペクト比を有するトレンチ又はホールであっても、その内部への埋め込みが困難となり、また、メッキ法による埋め込みの場合には、処理面上に溶剤の残留物が残り、その除去工程が必要になるという問題が生じている。例えば、スパッタ法による埋め込みの場合、埋め込まれた基板の断面ＳＥＭ像を観察すると、スパッタされて得られる金属粒子の有するエネルギーが小さいために、粒子に成長するものと島状になるものとが観察される。
【０００４】
また、配線の微細化に伴い、配線パターンの開口部が小さくなるので、アスペクト比が高くなるほど、メッキ法では、金属材料がトレンチやホールの底部に入り込み難くなってしまい、その結果、配線の信頼性が欠けてしまうという問題も生じている。さらに、スパッタ法では、金属材料で埋め込んでいくにつれて、開口部が塞がれてくると共に、ボイドが発生し、金属材料でトレンチやホールを完全に埋め込むことが出来ないといった問題もある。
【０００５】
さらに、高アスペクト比の穴の埋め込みを、誘導結合ＲＦ支援マグネトロンを備えたメタル配線スパッタ装置を用いて行う技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、被処理基板にバイアスを印加して、スパッタされた粒子を高アスペクト比の穴内に導入し、穴の埋め込みを行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８２５７２号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平１０−２０４６３４号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、真空中で、金属材料をトレンチ又はホール内へ埋め込む方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属材料の埋め込み方法は、被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込む方法において、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、同軸型真空アーク蒸着源を用いて、被処理基板上の絶縁膜などへ形成されたトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込んでいる。この同軸型真空アーク蒸着源は、スパッタ法に比べて、生成する荷電粒子の持つエネルギーが高いために、荷電粒子がホールなどの深部まで入り込むことができ、開口部が小さく、かつ高アスペクト比のトレンチ部、ホール部へも容易に金属材料を埋め込むことが可能となる。
【００１０】
前記金属材料の埋め込み方法において、被処理基板を熱源で加熱することなく、被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【００１１】
また、前記金属材料の埋め込み方法において使用する金属材料は、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の材料であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の金属材料の埋め込み方法はまた、真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間に６０Ｖ以上４００Ｖ以下の電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にコンデンサと直流電源とを接続して放電電圧を印加して間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【００１３】
カソード電極に印加する電圧が６０Ｖ未満であるとアーク放電しなくなり、４００Ｖを超えると膜応力が大きくなり、剥離が生じてしまう。
【００１４】
本発明の金属材料の埋め込み方法はまた、真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホールの底部及び側面の一部を前記金属材料で埋め込んで下地層を形成した後に、メッキ法によりトレンチ又はホール内の残りの部分を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、蒸着源として同軸型真空アーク蒸着源を用いることにより、トレンチ又はホール内を金属材料で容易に埋め込むことが出来るという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明によれば、蒸着源として同軸型真空アーク蒸着源を用いることにより、被処理基板を加熱することなく、トレンチ又はホール内を金属材料で容易に埋め込むことが出来るという効果を奏する。
【００１７】
さらに、本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を用いてトレンチ又はホールを埋め込む際に、真空排気された真空チャンバー内で実施するので、溶剤を使用する必要がなく、残留溶媒などの不純物のない低抵抗の膜を作製出来るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る金属材料の埋め込み方法の実施の形態によれば、真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料を埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、これらの金属材料から構成されている蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、トリガ電極とカソード電極との間に６０Ｖ以上４００Ｖ以下の電圧を印加してトリガ放電を発生させ、カソード電極とアノード電極との間に、３６０〜９０００μＦの容量を有するコンデンサと直流電源とを接続し、放電電圧を印加して間欠的にアーク放電を誘起させて、蒸発材料から生成される荷電粒子を真空チャンバー内に放出させ、真空チャンバー内に載置した被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むものである。
【００１９】
コンデンサ容量が３６０〜９０００μＦの範囲内であれば、所望のアーク放電を誘起させて、トレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことが出来る。この場合、同軸型真空アーク蒸着源をコンパクトにするためには、コンデンサ容量を１８００μＦ以下とすることが好ましく、この容量であっても、ショット数を上げることは出来、ナノ粒子の生成は可能である。
【００２０】
蒸着源として同軸型真空アーク蒸着源を用いて金属材料でトレンチ又はホールを埋め込むことにより、スパッタ法により埋め込む場合と比べて、金属粒子の持つエネルギーが高いために、トレンチ又はホールの深部まで入り込むことができるので、開口部が小さく、かつ高アスペクト比の微細なトレンチ又はホールの底部から上部へと容易に金属材料で埋め込むことが可能となる。また、真空中で成膜するので、溶剤を使用する必要もなく、残留溶媒などの不純物のない低抵抗の膜を作製出来る。この開口部が小さく、かつ高アスペクト比の微細なトレンチ又はホールとは、例えば、開口部が２０〜５０００ｎｍ程度で、アスペクト比が０．５〜６程度のものである。
【００２１】
本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源の一構造例について、図１を参照して、以下説明する。
【００２２】
同軸型真空アーク蒸着源１は、円筒状のアノード電極１１と円柱状のカソード電極１２と円筒状のトリガ電極１３とを有し、カソード電極１２とトリガ電極１３とは、アノード電極１１の内部にアノード電極の内周面と離間して同軸状に配置されている。
【００２３】
カソード電極１２は、円柱状であり、一端が蒸発材料部材１２ａで構成され、他端が棒状電極１２ｂで構成されている。この蒸発材料部材１２ａは、上記した埋め込み用金属材料で構成されており、棒状電極１２ｂの先端に取りつけられ、真空チャンバー（図示せず）内への放出口１４側に配置されている。このカソード電極１２は、円筒状のトリガ電極１３と円筒状の絶縁碍子（以下、ハット型絶縁碍子と呼ぶ）１５とに挿通されている。
【００２４】
かくして、本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源は、円筒状のトリガ電極１３と円柱状のカソード電極１２とが円筒状のハット型絶縁碍子１５を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、円柱状のカソード電極１２の周りに同軸状に円筒状のアノード電極１１が離間して配置されているように構成されている。
【００２５】
ハット型絶縁碍子１５は、蒸発材料部材１２ａとトリガ電極１３との間に配置されており、放出口１４側から、蒸発材料部材１２ａ、ハット型絶縁碍子１５、トリガ電極１３の順序で並び、棒状電極１２ｂは、トリガ電極１３よりも放出口１４から遠い位置に配置されている。
【００２６】
なお、カソード電極１２とハット型絶縁碍子１５とトリガ電極１３との３つの部品は、密着させ、図示していないが、ネジなどで固定させて取り付けられている。アノード電極１１はステンレス製である。
【００２７】
アノード電極１１とトリガ電極１３とカソード電極１２とは、相互に絶縁されており、カソード電極１２（棒状電極１２ｂ）とアノード電極１１との間には、直流電圧源１６ａとコンデンサユニット１６ｂとを有するアーク電源１６が接続され、トリガ電極１３にはトリガ電源１７が接続され、各電極１１、１２、１３には異なる電圧が印加できるように構成されている。
【００２８】
コンデンサユニット１６ｂの両端は、アノード電極１１とカソード電極１２とに接続され、コンデンサユニット１６ｂと直流電圧源１６ａとは、並列接続されている。
【００２９】
直流電圧源１６ａは４００Ｖで数Ａの電流を流す能力を有しており、コンデンサユニット１６ｂは、一定の充電時間で直流電圧源１６ａによって充電されるように構成されている。図１には３つのコンデンサを示してあるが、コンデンサの数は、適宜、増減可能である。
【００３０】
トリガ電源１７は、パルストランスからなり、入力２００Ｖのμ秒のパルス電圧を約１７倍に昇圧して３．４ｋＶ（数μＡ）にして出力できるように構成されており、昇圧された電圧を、カソード電極１２に対して正の極性で、トリガ電極１３に印加できるように接続されている。
【００３１】
上記したように構成されている同軸型真空アーク蒸着源１は、図示していないが、所定の真空排気系（例えば、ターボ分子ポンプとロータリポンプとで構成されている。）を有する真空チャンバーの壁面に、放出口１４をチャンバー内へ向けて取り付けられ、本発明の金属材料の埋め込みに用いられる。この同軸型真空アーク蒸着源１は、１つでも複数でも、適宜、設置すれば良い。
【００３２】
本発明によれば、真空排気し、所定の真空雰囲気が形成されている真空チャンバー内へ、同軸型真空アーク蒸着源１の作動により生成した金属材料の荷電粒子を放出口１４から放出して、真空チャンバー内に載置されている被処理基板上へ供給して、被処理基板上のトレンチ部やホール部内に金属材料を埋め込む。アノード電極１１と真空チャンバーとは接地電位に接続されている。
【００３３】
以下、本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源１の動作例について説明する。
【００３４】
先ず、コンデンサユニット１６ｂの容量を１８００μＦに設定し、直流電圧源１６ａから２００Ｖの電圧を出力し、その電圧でコンデンサユニット１６ｂを充電し、アノード電極１１とカソード電極１２との間にコンデンサユニット１６ｂの充電電圧を印加する。蒸発材料部材１２ａには、棒状電極１２ｂを介して、コンデンサユニット１６ｂが出力する負電圧が印加される。
【００３５】
上記したような電圧印加の状態で、トリガ電源１７から３．４ｋＶのパルス状のトリガ電圧を出力し、カソード電極１２とトリガ電極１３との間に印加すると、ハット型絶縁碍子１５の表面でトリガ放電（沿面放電）が発生する。カソード電極１２とハット型絶縁碍子１５のつなぎ目からは電子が放出される。
【００３６】
このトリガ放電によってアノード電極１１とカソード電極１２との間の耐電圧が低下し、アノード電極１１の内周面とカソード電極１２の外周面（側面）との間にアーク放電が誘起される。
【００３７】
コンデンサユニット１６ｂに充電された電荷の放電により、尖頭電流が１８００Ａ以上であるアーク電流が２００μ秒程度の時間流れ、カソード電極１２（すなわち、蒸発材料部材１２ａ）の側面から金属蒸気が放出され、金属のプラズマが形成される。この時、金属の原子状イオンや、クラスタ化した金属により、数ナノメータのナノ粒子が形成される。
【００３８】
上記したように、カソード電極１２の蒸発材料部材１２ａと棒状電極１２ｂとはアノード電極１１の中心軸線上に配置されており、アーク電源１６が、カソード電極１２の蒸発材料部材１２ａとは反対側の棒状電極１２ｂの端部に接続されているので、アーク電流は、棒状電極１２ｂの中心軸線上を流れ、アノード電極１１内に磁界が形成される。アノード電極１１内に放出された電子は、アーク電流によって形成される磁界により、電流が流れる向きとは逆向きのローレンツ力を受け、放出口１４から真空チャンバー内に放出される。
【００３９】
カソード電極１２の側面から放出された金属蒸気にはイオン（荷電粒子）と中性粒子とが含まれているが、電荷質量比の小さい（電荷が質量に比べて小さい）液滴などの巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極１１の壁面に衝突するが、電荷質量比の大きな荷電粒子は、クーロン力によって電子に引き付けられ、アノード電極１１の放出口１４から真空チャンバー内に放出される。
【００４０】
アノード電極１１の放出口１４から所定の距離離れた場所には、被処理基板が載置されており、真空チャンバー内に放出された金属蒸気イオンが被処理基板の表面に到達すると、ナノメータオーダーの金属粒子が被処理基板上のトレンチやホールを埋め込む。同軸型真空アーク蒸着源を用いると、メッキ法の場合と異なり、トレンチやホール内部を主体的に埋め込み、その周辺部に付着する量は少ないというメリットがある。
【００４１】
以上では、同軸型真空アーク蒸着源を用いれば、ヒーターなどの加熱手段である熱源で被処理基板を加熱することなく、開口部が小さく、かつアスペクト比が高い微細なトレンチやホール内を金属材料で埋め込むことが出来るということについて説明したが、熱源により所定の温度（例えば、常温〜３５０℃）に加熱した被処理基板を用いる場合でも、加熱することなく埋め込んだ場合と同様に、トレンチやホール内を金属材料で埋め込むことは出来る。
【００４２】
１回のトリガ放電でアーク放電が一回誘起され、アーク電流が３００μ秒流れる。上記コンデンサユニット１６ｂの充電時間が約１秒である場合、１Ｈｚの周期でアーク放電を誘起させることができる。アーク放電を所定の回数誘起させて、所定のショット数でトレンチやホールを埋め込む。この際、スパッタ法やＥＢ法による埋め込みの場合と比べて、トレンチやホールの周辺部分には、上記したように、ごくわずかな金属膜が形成されるだけであり、それらの余分な金属膜は容易に除去可能である。
【００４３】
本発明によれば、上記したようにしてトレンチやホール内を所望の金属材料で埋め込むことが出来るが、この埋め込み工程を途中で止めて、トレンチ又はホールの底部及び側面の一部を埋め込んで下地層を形成した後に、メッキ法により残りの部分を埋め込んでも良い。開口部が小さく、かつアスペクト比が高い微細なトレンチ又はホールを埋め込む場合でも、下地層を形成した後にメッキ法を用いれば、トレンチ又はホールの底部に入り込み難いというメッキ法の問題は、初めからメッキ法により埋め込む場合と比べて少ない。
【００４４】
このメッキ法には、電解メッキ法及び無電解メッキ法があるが、電解メッキ法の場合には、下地に電極としてのシード層が必要になる。いずれのメッキ法の場合も、本発明で用いる場合には、公知のメッキ条件で行えば良い。
【００４５】
例えば、同軸型真空アーク蒸着源を用いて被処理基板上のトレンチやホールの底部及び側面の一部を金属材料で埋め込み、トレンチ又はホール内に下地層を形成した基板を、所定の温度の無電解メッキ浴（例えば、金属材料がＣｕの場合は、硫酸銅を主成分とする公知のメッキ浴）中に所定の時間浸漬し、トレンチ又はホールの内部の残りの部分を埋め込めば良い。或いはまた、シード層としての下地層を形成した基板を、公知のメッキ液を使用して、所定の処理温度、所定の電流密度及び所定の処理時間などの条件により、電解メッキ法でトレンチ又はホール内の残りの部分を埋め込めば良い。
【００４６】
また、本発明においては、トレンチ又はホール内に金属材料を埋め込む際に、基板にバイアスを印加して、トレンチ又はホール内に金属材料を誘導して埋め込むこともできる。
【００４７】
以下、実施例を挙げて、本発明について詳細に説明する。以下の実施例では、金属材料にＣｕ、Ａｌ、Ｗを選び、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたトレンチ部、ホール部への埋め込みを行った。金属材料も被処理基板も、これらに限定されるものではなく、同様に埋め込みが可能である。
【実施例１】
【００４８】
同軸型真空アーク蒸着源（(株)アルバック製：ＡＲＬ−３００）を用いて、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたトレンチ部（開口部（幅）：２００ｎｍ、深さ：１．１μｍ、アスペクト比（Ａ／Ｒ）：５．５）へＣｕを埋め込んだ。この被処理基板を熱源で加熱せずに埋め込みを行い、放電条件は、２００Ｖ、１８００μＦに設定した。
【００４９】
かくして得られた成膜後の被処理基板の断面ＳＥＭ像を図２に示す。図２から明らかなように、高アスペクト比を持つトレンチ部へのＣｕ埋め込みが完全に出来ていることが確認できた。
【実施例２】
【００５０】
実施例１と同様の手法に従ってＡｌを埋め込み、被処理基板の断面ＳＥＭ像を観察したところ、実施例１の場合と同様に埋め込まれていることが確認できた。
【実施例３】
【００５１】
実施例１と同様の手法に従ってＷを埋め込み、被処理基板の断面ＳＥＭ像を観察したところ、実施例１の場合と同様に埋め込まれていることが確認できた。
【実施例４】
【００５２】
実施例１と同様に、同軸型真空アーク蒸着源（(株)アルバック製：ＡＲＬ−３００）を用いて、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたホール部（開口部（直径）：２００ｎｍ、深さ：１．１μｍ、アスペクト比：５．５）へのＣｕ埋め込みを行った。この際の放電条件は、実施例１と同様に、２００Ｖ、１８００μＦに設定した。
【００５３】
かくして得られた成膜後の被処理基板の断面ＳＥＭ像を確認したところ、実施例１の場合と同様にホール部へのＣｕ埋め込みが完全に出来ていることが確認できた。
【００５４】
（比較例１）
スパッタ法を用いて、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたトレンチ部（開口部（幅）：５００ｎｍ、深さ：１μｍ、アスペクト比：２）へのＣｕの埋め込みを行った。
【００５５】
かくして得られた成膜後の被処理基板の断面ＳＥＭ像を図３に示す。図３から明らかなように、Ｃｕがトレンチ部の上部を覆ってしまい、また、トレンチ内にボイドが形成されていることが分かった。開口部が大きく、アスペクト比の低いパターンにおいての上記結果から判断して、さらに微細で、かつ高アスペクト比のトレンチの場合には、埋め込みの早い段階でトレンチ内にボイドが形成されてしまい、埋め込むことが容易ではなくなってしまうことが予想される。
【実施例５】
【００５６】
実施例１と同様の手法に従って、トレンチ部の側面の一部及び底部をＣｕで埋め込み、トレンチ内に下地層を形成した基板（トレンチ部の側面の一部及び底部を埋め込んだ被処理基板の断面ＳＥＭ像を図４に示す）を、無電解メッキ浴（硫酸銅を主成分とする公知のメッキ浴）中に所定の時間浸漬し、トレンチ内部の残りの部分を埋め込んだ。被処理基板の断面ＳＥＭ像を観察したところ、実施例１の場合と同様に埋め込まれていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、半導体装置において微細化配線の形成された基板、すなわち、開口部の小さい、かつ高アスペクト比を持つ微細なトレンチやホールの形成された基板でも、トレンチやホール内を不純物の少ない金属材料で容易に埋め込むことが可能であるので、本発明は、例えば次世代半導体装置における配線技術への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源の一構成例を示す模式的構成図。
【図２】同軸型真空アーク蒸着源を用いてトレンチ部内をＣｕで埋め込んだ場合の被処理基板の断面ＳＥＭ像を示す写真。
【図３】スパッタ法によりトレンチ部内をＣｕで埋め込んだ場合の被処理基板の断面ＳＥＭ像を示す写真。
【図４】トレンチ部の側面の一部及び底部をＣｕで埋め込んだ場合の被処理基板の断面ＳＥＭ像を示す写真。
【符号の説明】
【００５９】
１ 同軸型真空アーク蒸着源 １１ アノード電極
１２ カソード電極 １２ａ 蒸発材料部材
１２ｂ 棒状電極 １３ トリガ電極
１４ 放出口 １５ ハット型絶縁碍子
１６ アーク電源 １６ａ 直流電圧源
１６ｂ コンデンサユニット １７ トリガ電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同軸型真空アーク蒸着源を用いた金属材料の埋め込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置に配線パターンを形成する際には、スパッタ法やＣＶＤ法やメッキ法により、ＣｕやＡｌのような金属をトレンチやホールへ埋め込む技術が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の場合、ＣＶＤ法により第１の銅膜を形成し、その上にこの第１の銅膜を電極とした電解メッキ法により第２の銅膜を形成している。
【０００３】
しかし、配線パターンの微細化が進むにつれ、スパッタ法やＣＶＤ法による埋め込みの場合には、開口部が微細で、かつ３程度のアスペクト比を有するトレンチ又はホールであっても、その内部への埋め込みが困難となり、また、メッキ法による埋め込みの場合には、処理面上に溶剤の残留物が残り、その除去工程が必要になるという問題が生じている。例えば、スパッタ法による埋め込みの場合、埋め込まれた基板の断面ＳＥＭ像を観察すると、スパッタされて得られる金属粒子の有するエネルギーが小さいために、粒子に成長するものと島状になるものとが観察される。
【０００４】
また、配線の微細化に伴い、配線パターンの開口部が小さくなるので、アスペクト比が高くなるほど、メッキ法では、金属材料がトレンチやホールの底部に入り込み難くなってしまい、その結果、配線の信頼性が欠けてしまうという問題も生じている。さらに、スパッタ法では、金属材料で埋め込んでいくにつれて、開口部が塞がれてくると共に、ボイドが発生し、金属材料でトレンチやホールを完全に埋め込むことが出来ないといった問題もある。
【０００５】
さらに、高アスペクト比の穴の埋め込みを、誘導結合ＲＦ支援マグネトロンを備えたメタル配線スパッタ装置を用いて行う技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、被処理基板にバイアスを印加して、スパッタされた粒子を高アスペクト比の穴内に導入し、穴の埋め込みを行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８２５７２号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平１０−２０４６３４号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、真空中で、金属材料をトレンチ又はホール内へ埋め込む方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属材料の埋め込み方法は、被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込む方法において、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、同軸型真空アーク蒸着源を用いて、被処理基板上の絶縁膜などへ形成されたトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込んでいる。この同軸型真空アーク蒸着源は、スパッタ法に比べて、生成する荷電粒子の持つエネルギーが高いために、荷電粒子がホールなどの深部まで入り込むことができ、開口部が小さく、かつ高アスペクト比のトレンチ部、ホール部へも容易に金属材料を埋め込むことが可能となる。
【００１０】
前記金属材料の埋め込み方法において、被処理基板を熱源で加熱することなく、被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【００１１】
また、前記金属材料の埋め込み方法において使用する金属材料は、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の材料であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の金属材料の埋め込み方法はまた、真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間に６０Ｖ以上４００Ｖ以下の電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にコンデンサと直流電源とを接続して放電電圧を印加して間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【００１３】
カソード電極に印加する電圧が６０Ｖ未満であるとアーク放電しなくなり、４００Ｖを超えると膜応力が大きくなり、剥離が生じてしまう。
【００１４】
本発明の金属材料の埋め込み方法はまた、真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホールの底部及び側面の一部を前記金属材料で埋め込んで下地層を形成した後に、メッキ法によりトレンチ又はホール内の残りの部分を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、蒸着源として同軸型真空アーク蒸着源を用いることにより、トレンチ又はホール内を金属材料で容易に埋め込むことが出来るという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明によれば、蒸着源として同軸型真空アーク蒸着源を用いることにより、被処理基板を加熱することなく、トレンチ又はホール内を金属材料で容易に埋め込むことが出来るという効果を奏する。
【００１７】
さらに、本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を用いてトレンチ又はホールを埋め込む際に、真空排気された真空チャンバー内で実施するので、溶剤を使用する必要がなく、残留溶媒などの不純物のない低抵抗の膜を作製出来るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る金属材料の埋め込み方法の実施の形態によれば、真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料を埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、これらの金属材料から構成されている蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、トリガ電極とカソード電極との間に６０Ｖ以上４００Ｖ以下の電圧を印加してトリガ放電を発生させ、カソード電極とアノード電極との間に、３６０〜９０００μＦの容量を有するコンデンサと直流電源とを接続し、放電電圧を印加して間欠的にアーク放電を誘起させて、蒸発材料から生成される荷電粒子を真空チャンバー内に放出させ、真空チャンバー内に載置した被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むものである。
【００１９】
コンデンサ容量が３６０〜９０００μＦの範囲内であれば、所望のアーク放電を誘起させて、トレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことが出来る。この場合、同軸型真空アーク蒸着源をコンパクトにするためには、コンデンサ容量を１８００μＦ以下とすることが好ましく、この容量であっても、ショット数を上げることは出来、ナノ粒子の生成は可能である。
【００２０】
蒸着源として同軸型真空アーク蒸着源を用いて金属材料でトレンチ又はホールを埋め込むことにより、スパッタ法により埋め込む場合と比べて、金属粒子の持つエネルギーが高いために、トレンチ又はホールの深部まで入り込むことができるので、開口部が小さく、かつ高アスペクト比の微細なトレンチ又はホールの底部から上部へと容易に金属材料で埋め込むことが可能となる。また、真空中で成膜するので、溶剤を使用する必要もなく、残留溶媒などの不純物のない低抵抗の膜を作製出来る。この開口部が小さく、かつ高アスペクト比の微細なトレンチ又はホールとは、例えば、開口部が２０〜５０００ｎｍ程度で、アスペクト比が０．５〜６程度のものである。
【００２１】
本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源の一構造例について、図１を参照して、以下説明する。
【００２２】
同軸型真空アーク蒸着源１は、円筒状のアノード電極１１と円柱状のカソード電極１２と円筒状のトリガ電極１３とを有し、カソード電極１２とトリガ電極１３とは、アノード電極１１の内部にアノード電極の内周面と離間して同軸状に配置されている。
【００２３】
カソード電極１２は、円柱状であり、一端が蒸発材料部材１２ａで構成され、他端が棒状電極１２ｂで構成されている。この蒸発材料部材１２ａは、上記した埋め込み用金属材料で構成されており、棒状電極１２ｂの先端に取りつけられ、真空チャンバー（図示せず）内への放出口１４側に配置されている。このカソード電極１２は、円筒状のトリガ電極１３と円筒状の絶縁碍子（以下、ハット型絶縁碍子と呼ぶ）１５とに挿通されている。
【００２４】
かくして、本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源は、円筒状のトリガ電極１３と円柱状のカソード電極１２とが円筒状のハット型絶縁碍子１５を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、円柱状のカソード電極１２の周りに同軸状に円筒状のアノード電極１１が離間して配置されているように構成されている。
【００２５】
ハット型絶縁碍子１５は、蒸発材料部材１２ａとトリガ電極１３との間に配置されており、放出口１４側から、蒸発材料部材１２ａ、ハット型絶縁碍子１５、トリガ電極１３の順序で並び、棒状電極１２ｂは、トリガ電極１３よりも放出口１４から遠い位置に配置されている。
【００２６】
なお、カソード電極１２とハット型絶縁碍子１５とトリガ電極１３との３つの部品は、密着させ、図示していないが、ネジなどで固定させて取り付けられている。アノード電極１１はステンレス製である。
【００２７】
アノード電極１１とトリガ電極１３とカソード電極１２とは、相互に絶縁されており、カソード電極１２（棒状電極１２ｂ）とアノード電極１１との間には、直流電圧源１６ａとコンデンサユニット１６ｂとを有するアーク電源１６が接続され、トリガ電極１３にはトリガ電源１７が接続され、各電極１１、１２、１３には異なる電圧が印加できるように構成されている。
【００２８】
コンデンサユニット１６ｂの両端は、アノード電極１１とカソード電極１２とに接続され、コンデンサユニット１６ｂと直流電圧源１６ａとは、並列接続されている。
【００２９】
直流電圧源１６ａは４００Ｖで数Ａの電流を流す能力を有しており、コンデンサユニット１６ｂは、一定の充電時間で直流電圧源１６ａによって充電されるように構成されている。図１には３つのコンデンサを示してあるが、コンデンサの数は、適宜、増減可能である。
【００３０】
トリガ電源１７は、パルストランスからなり、入力２００Ｖのμ秒のパルス電圧を約１７倍に昇圧して３．４ｋＶ（数μＡ）にして出力できるように構成されており、昇圧された電圧を、カソード電極１２に対して正の極性で、トリガ電極１３に印加できるように接続されている。
【００３１】
上記したように構成されている同軸型真空アーク蒸着源１は、図示していないが、所定の真空排気系（例えば、ターボ分子ポンプとロータリポンプとで構成されている。）を有する真空チャンバーの壁面に、放出口１４をチャンバー内へ向けて取り付けられ、本発明の金属材料の埋め込みに用いられる。この同軸型真空アーク蒸着源１は、１つでも複数でも、適宜、設置すれば良い。
【００３２】
本発明によれば、真空排気し、所定の真空雰囲気が形成されている真空チャンバー内へ、同軸型真空アーク蒸着源１の作動により生成した金属材料の荷電粒子を放出口１４から放出して、真空チャンバー内に載置されている被処理基板上へ供給して、被処理基板上のトレンチ部やホール部内に金属材料を埋め込む。アノード電極１１と真空チャンバーとは接地電位に接続されている。
【００３３】
以下、本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源１の動作例について説明する。
【００３４】
先ず、コンデンサユニット１６ｂの容量を１８００μＦに設定し、直流電圧源１６ａから２００Ｖの電圧を出力し、その電圧でコンデンサユニット１６ｂを充電し、アノード電極１１とカソード電極１２との間にコンデンサユニット１６ｂの充電電圧を印加する。蒸発材料部材１２ａには、棒状電極１２ｂを介して、コンデンサユニット１６ｂが出力する負電圧が印加される。
【００３５】
上記したような電圧印加の状態で、トリガ電源１７から３．４ｋＶのパルス状のトリガ電圧を出力し、カソード電極１２とトリガ電極１３との間に印加すると、ハット型絶縁碍子１５の表面でトリガ放電（沿面放電）が発生する。カソード電極１２とハット型絶縁碍子１５のつなぎ目からは電子が放出される。
【００３６】
このトリガ放電によってアノード電極１１とカソード電極１２との間の耐電圧が低下し、アノード電極１１の内周面とカソード電極１２の外周面（側面）との間にアーク放電が誘起される。
【００３７】
コンデンサユニット１６ｂに充電された電荷の放電により、尖頭電流が１８００Ａ以上であるアーク電流が２００μ秒程度の時間流れ、カソード電極１２（すなわち、蒸発材料部材１２ａ）の側面から金属蒸気が放出され、金属のプラズマが形成される。この時、金属の原子状イオンや、クラスタ化した金属により、数ナノメータのナノ粒子が形成される。
【００３８】
上記したように、カソード電極１２の蒸発材料部材１２ａと棒状電極１２ｂとはアノード電極１１の中心軸線上に配置されており、アーク電源１６が、カソード電極１２の蒸発材料部材１２ａとは反対側の棒状電極１２ｂの端部に接続されているので、アーク電流は、棒状電極１２ｂの中心軸線上を流れ、アノード電極１１内に磁界が形成される。アノード電極１１内に放出された電子は、アーク電流によって形成される磁界により、電流が流れる向きとは逆向きのローレンツ力を受け、放出口１４から真空チャンバー内に放出される。
【００３９】
カソード電極１２の側面から放出された金属蒸気にはイオン（荷電粒子）と中性粒子とが含まれているが、電荷質量比の小さい（電荷が質量に比べて小さい）液滴などの巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極１１の壁面に衝突するが、電荷質量比の大きな荷電粒子は、クーロン力によって電子に引き付けられ、アノード電極１１の放出口１４から真空チャンバー内に放出される。
【００４０】
アノード電極１１の放出口１４から所定の距離離れた場所には、被処理基板が載置されており、真空チャンバー内に放出された金属蒸気イオンが被処理基板の表面に到達すると、ナノメータオーダーの金属粒子が被処理基板上のトレンチやホールを埋め込む。同軸型真空アーク蒸着源を用いると、メッキ法の場合と異なり、トレンチやホール内部を主体的に埋め込み、その周辺部に付着する量は少ないというメリットがある。
【００４１】
以上では、同軸型真空アーク蒸着源を用いれば、ヒーターなどの加熱手段である熱源で被処理基板を加熱することなく、開口部が小さく、かつアスペクト比が高い微細なトレンチやホール内を金属材料で埋め込むことが出来るということについて説明したが、熱源により所定の温度（例えば、常温〜３５０℃）に加熱した被処理基板を用いる場合でも、加熱することなく埋め込んだ場合と同様に、トレンチやホール内を金属材料で埋め込むことは出来る。
【００４２】
１回のトリガ放電でアーク放電が一回誘起され、アーク電流が３００μ秒流れる。上記コンデンサユニット１６ｂの充電時間が約１秒である場合、１Ｈｚの周期でアーク放電を誘起させることができる。アーク放電を所定の回数誘起させて、所定のショット数でトレンチやホールを埋め込む。この際、スパッタ法やＥＢ法による埋め込みの場合と比べて、トレンチやホールの周辺部分には、上記したように、ごくわずかな金属膜が形成されるだけであり、それらの余分な金属膜は容易に除去可能である。
【００４３】
本発明によれば、上記したようにしてトレンチやホール内を所望の金属材料で埋め込むことが出来るが、この埋め込み工程を途中で止めて、トレンチ又はホールの底部及び側面の一部を埋め込んで下地層を形成した後に、メッキ法により残りの部分を埋め込んでも良い。開口部が小さく、かつアスペクト比が高い微細なトレンチ又はホールを埋め込む場合でも、下地層を形成した後にメッキ法を用いれば、トレンチ又はホールの底部に入り込み難いというメッキ法の問題は、初めからメッキ法により埋め込む場合と比べて少ない。
【００４４】
このメッキ法には、電解メッキ法及び無電解メッキ法があるが、電解メッキ法の場合には、下地に電極としてのシード層が必要になる。いずれのメッキ法の場合も、本発明で用いる場合には、公知のメッキ条件で行えば良い。
【００４５】
例えば、同軸型真空アーク蒸着源を用いて被処理基板上のトレンチやホールの底部及び側面の一部を金属材料で埋め込み、トレンチ又はホール内に下地層を形成した基板を、所定の温度の無電解メッキ浴（例えば、金属材料がＣｕの場合は、硫酸銅を主成分とする公知のメッキ浴）中に所定の時間浸漬し、トレンチ又はホールの内部の残りの部分を埋め込めば良い。或いはまた、シード層としての下地層を形成した基板を、公知のメッキ液を使用して、所定の処理温度、所定の電流密度及び所定の処理時間などの条件により、電解メッキ法でトレンチ又はホール内の残りの部分を埋め込めば良い。
【００４６】
また、本発明においては、トレンチ又はホール内に金属材料を埋め込む際に、基板にバイアスを印加して、トレンチ又はホール内に金属材料を誘導して埋め込むこともできる。
【００４７】
以下、実施例を挙げて、本発明について詳細に説明する。以下の実施例では、金属材料にＣｕ、Ａｌ、Ｗを選び、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたトレンチ部、ホール部への埋め込みを行った。金属材料も被処理基板も、これらに限定されるものではなく、同様に埋め込みが可能である。
【実施例１】
【００４８】
同軸型真空アーク蒸着源（(株)アルバック製：ＡＲＬ−３００）を用いて、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたトレンチ部（開口部（幅）：２００ｎｍ、深さ：１．１μｍ、アスペクト比（Ａ／Ｒ）：５．５）へＣｕを埋め込んだ。この被処理基板を熱源で加熱せずに埋め込みを行い、放電条件は、２００Ｖ、１８００μＦに設定した。
【００４９】
かくして得られた成膜後の被処理基板の断面ＳＥＭ像を図２に示す。図２から明らかなように、高アスペクト比を持つトレンチ部へのＣｕ埋め込みが完全に出来ていることが確認できた。
【実施例２】
【００５０】
実施例１と同様の手法に従ってＡｌを埋め込み、被処理基板の断面ＳＥＭ像を観察したところ、実施例１の場合と同様に埋め込まれていることが確認できた。
【実施例３】
【００５１】
実施例１と同様の手法に従ってＷを埋め込み、被処理基板の断面ＳＥＭ像を観察したところ、実施例１の場合と同様に埋め込まれていることが確認できた。
【実施例４】
【００５２】
実施例１と同様に、同軸型真空アーク蒸着源（(株)アルバック製：ＡＲＬ−３００）を用いて、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたホール部（開口部（直径）：２００ｎｍ、深さ：１．１μｍ、アスペクト比：５．５）へのＣｕ埋め込みを行った。この際の放電条件は、実施例１と同様に、２００Ｖ、１８００μＦに設定した。
【００５３】
かくして得られた成膜後の被処理基板の断面ＳＥＭ像を確認したところ、実施例１の場合と同様にホール部へのＣｕ埋め込みが完全に出来ていることが確認できた。
【００５４】
（比較例１）
スパッタ法を用いて、Ｓｉ被処理基板上にパターニングされたトレンチ部（開口部（幅）：５００ｎｍ、深さ：１μｍ、アスペクト比：２）へのＣｕの埋め込みを行った。
【００５５】
かくして得られた成膜後の被処理基板の断面ＳＥＭ像を図３に示す。図３から明らかなように、Ｃｕがトレンチ部の上部を覆ってしまい、また、トレンチ内にボイドが形成されていることが分かった。開口部が大きく、アスペクト比の低いパターンにおいての上記結果から判断して、さらに微細で、かつ高アスペクト比のトレンチの場合には、埋め込みの早い段階でトレンチ内にボイドが形成されてしまい、埋め込むことが容易ではなくなってしまうことが予想される。
【実施例５】
【００５６】
実施例１と同様の手法に従って、トレンチ部の側面の一部及び底部をＣｕで埋め込み、トレンチ内に下地層を形成した基板（トレンチ部の側面の一部及び底部を埋め込んだ被処理基板の断面ＳＥＭ像を図４に示す）を、無電解メッキ浴（硫酸銅を主成分とする公知のメッキ浴）中に所定の時間浸漬し、トレンチ内部の残りの部分を埋め込んだ。被処理基板の断面ＳＥＭ像を観察したところ、実施例１の場合と同様に埋め込まれていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、半導体装置において微細化配線の形成された基板、すなわち、開口部の小さい、かつ高アスペクト比を持つ微細なトレンチやホールの形成された基板でも、トレンチやホール内を不純物の少ない金属材料で容易に埋め込むことが可能であるので、本発明は、例えば次世代半導体装置における配線技術への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着源の一構成例を示す模式的構成図。
【図２】同軸型真空アーク蒸着源を用いてトレンチ部内をＣｕで埋め込んだ場合の被処理基板の断面ＳＥＭ像を示す写真。
【図３】スパッタ法によりトレンチ部内をＣｕで埋め込んだ場合の被処理基板の断面ＳＥＭ像を示す写真。
【図４】トレンチ部の側面の一部及び底部をＣｕで埋め込んだ場合の被処理基板の断面ＳＥＭ像を示す写真。
【符号の説明】
【００５９】
１ 同軸型真空アーク蒸着源 １１ アノード電極
１２ カソード電極 １２ａ 蒸発材料部材
１２ｂ 棒状電極 １３ トリガ電極
１４ 放出口 １５ ハット型絶縁碍子
１６ アーク電源 １６ａ 直流電圧源
１６ｂ コンデンサユニット １７ トリガ電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込む方法において、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする金属材料の埋め込み方法。
【請求項２】
前記被処理基板を熱源で加熱することなく、被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする請求項１記載の金属材料の埋め込み方法。
【請求項３】
前記金属材料が、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の材料であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属材料の埋め込み方法。
【請求項４】
真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間に６０Ｖ以上４００Ｖ以下の電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にコンデンサと直流電源とを接続して放電電圧を印加して間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする金属材料の埋め込み方法。
【請求項５】
真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホールの底部及び側面の一部を前記金属材料で埋め込んで下地層を形成した後に、メッキ法によりトレンチ又はホール内の残りの部分を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする金属材料の埋め込み方法。
【請求項１】
被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込む方法において、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする金属材料の埋め込み方法。
【請求項２】
前記被処理基板を熱源で加熱することなく、被処理基板上のトレンチ又はホール内を金属材料で埋め込むことを特徴とする請求項１記載の金属材料の埋め込み方法。
【請求項３】
前記金属材料が、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の材料であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属材料の埋め込み方法。
【請求項４】
真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間に６０Ｖ以上４００Ｖ以下の電圧を印加してトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にコンデンサと直流電源とを接続して放電電圧を印加して間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホール内を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする金属材料の埋め込み方法。
【請求項５】
真空雰囲気中で、被処理基板を熱源で加熱することなく、この被処理基板上の絶縁膜に形成されているトレンチ又はホール内を、Ｃ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＷから選ばれた少なくとも１種の金属材料で埋め込む方法であって、円筒状のトリガ電極と、前記金属材料からなる蒸発材料部材を有する円柱状のカソード電極とが円筒状の絶縁碍子を介して同軸状に隣接して固定されて配置され、前記円柱状のカソード電極の周りに同軸状に円筒状のアノード電極が離間して配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えた真空チャンバーからなる蒸着装置を用い、前記トリガ電極とカソード電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間に間欠的にアーク放電を誘起させて、前記蒸発材料部材から生成される荷電粒子を前記真空チャンバー内に放出させ、前記真空チャンバー内に載置した基板上のトレンチ又はホールの底部及び側面の一部を前記金属材料で埋め込んで下地層を形成した後に、メッキ法によりトレンチ又はホール内の残りの部分を前記金属材料で埋め込むことを特徴とする金属材料の埋め込み方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２４２８２５（Ｐ２００９−２４２８２５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８８１３４（Ｐ２００８−８８１３４）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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