導電性領域形成方法、導電性領域形成装置、導電性金属領域堆積制御装置及びバイアス機構
【課題】 基板の第１部分に導電性領域を形成する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、パルス変調電気バイアスの下で実質的に完全に電離した金属イオンのフィルタリングされたビームに第１部分を露出させる工程を含む。本方法は、ＦＣＶＡ(フィルタ処理陰極真空アーク)法を用いて、フィルタリングされたイオンビームを生成し、高アスペクト比のバイアおよびトレンチにおいてもコンフォーマルな金属コーティングの形成を可能にする。また本方法は、バイアおよびトレンチを充填した導電性配線の形成も可能にする。実施の形態は、銅イオンの堆積に関する。基板に金属を堆積する適応ＦＣＶＡ装置および基板に衝突するイオンビームを制御する制御装置も、開示される。制御装置は、既存のフィルタリングされたイオンビーム源内に組み込むのに適している。
【解決手段】 本方法は、パルス変調電気バイアスの下で実質的に完全に電離した金属イオンのフィルタリングされたビームに第１部分を露出させる工程を含む。本方法は、ＦＣＶＡ(フィルタ処理陰極真空アーク)法を用いて、フィルタリングされたイオンビームを生成し、高アスペクト比のバイアおよびトレンチにおいてもコンフォーマルな金属コーティングの形成を可能にする。また本方法は、バイアおよびトレンチを充填した導電性配線の形成も可能にする。実施の形態は、銅イオンの堆積に関する。基板に金属を堆積する適応ＦＣＶＡ装置および基板に衝突するイオンビームを制御する制御装置も、開示される。制御装置は、既存のフィルタリングされたイオンビーム源内に組み込むのに適している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相堆積法、好ましくはＦＣＶＡ(フィルタ処理陰極真空アーク)法を用いた基板への材料薄膜の堆積に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス、特に半導体産業では、配線材料としてのアルミニウムの使用が減少している。銅が好ましい配線材料となりつつある。アルミニウムの使用は、アルミニウムの比較的高い抵抗率（２．６５×１０−６Ω・ｃｍ）およびエレクトロマイグレーションという２つの主要な理由により、段階的に削減されつつある。
【０００３】
アルミニウムに代わる銅の使用は、抵抗率およびエレクトロマイグレーションの問題を両方ともある程度克服する。銅の抵抗率（１．６７×１０−６Ω・ｃｍ）は、アルミニウムより低く、また銅のほうが質量が大きく且つ融点が高い（Ａｌの６６０℃に対して１０８５℃）。そのため、銅は、エレクトロマイグレーションの影響を受けにくい。その結果、銅配線がアルミニウム配線に代わった場合に、ある集積密度において、より高い電流密度を許容できる。
【０００４】
１９８０年代に、集積回路におけるパーツの典型的なサイズは、ミクロンのオーダ（〜１μｍ）であった。当時の装置は、アルミニウム合金メタライゼーションの単一層または二重層のいずれかを備えていた。パーツのサイズが比較的大きいことは、低抵抗のアルミニウムからコンタクトを形成し得ること、および導電層間に形成される導電コネクタが、十分に広いので、スパッタリングされたアルミニウムを用いたカバレッジを可能としていることを意味していた（このような導電コネクタは普通「バイア」と呼ばれる）。
【０００５】
最近では、傾向は、より小さいパーツサイズ（２００１年時点で０．１３ミクロン）および多層メタライゼーションに向かっている。銅メタライゼーションは、好ましいメタライゼーションとして、アルミニウムに取って代わってきている。銅の実現可能な代替物は、銀である。
【０００６】
層数の増加（論理チップでは８層に達する）は、幅がますます小さくなっているバイアの信頼性をさらに圧迫している。孔（トレンチまたはバイア）のアスペクト比が、大きくなる傾向がある。ここで、アスペクト比は、孔の最も狭い幅に対するその孔の深さの比として定義される。最も顕著な信頼性要求は、下層の金属層にあることが多い。そこでは、ピッチおよびアスペクト比の条件が最も要求の厳しいものとなるからである。
【０００７】
しかし、銅は、完璧な材料ではなく、高い拡散速度を有するため、誘電体基板上に銅層を直接堆積するのは実用的でない。例えば、シリコンやＳｉＯ２などの基板への銅の拡散は、ディープレベルの欠陥や金属配線間の電気リークを生じることがあり、少なくとも基板の抵抗率を低下させる。通常、拡散バリア層が、銅が堆積されることになる領域にわたって堆積され、これによって、銅粒子による基板の特性の劣化が防止される。バリア層において用いられる材料は、一般的に耐熱金属またはその窒化物であり、例えばＴａ（Ｎ）、Ｔｉ（Ｎ）、Ｗ（Ｎ）、またはこれらの材料の組合せからなる多重層である。
【０００８】
完全金属層の選択された部分をエッチングする（減算型金属エッチングパターン形成法）のではなく、好ましいパターン形成方法は、いわゆるダマシンパターン形成プロセスである。バイアや金属線パターンは、誘電体層内にエッチングされる。次に、これらのエッチングされた孔に銅が充填される。両タイプの孔を同一堆積工程中に充填する場合、このパターン形成プロセスをデュアルダマシンプロセスという。
【０００９】
従来、集積回路基板への銅の堆積は、図１Ａに例示するような複数の工程からなる。まず、基板上に拡散バリアを設ける（１０２）。次に、一般にドライプロセス（例えば化学気相成長法（ＣＶＤ）やスパッタリング）を用いて、バリアの上に銅の薄いシード層を形成する（１０４）。シード層をコンフォーマルに被覆するために、無電解銅めっき法がしばしば使用される（１０８）。無電解銅めっき（しばしば硫酸銅を含むイオン性溶液からの）を行うためには、その前に、堆積用基板を触媒表面（金、白金またはパラジウム）によって活性化しなければならない（１０６）。活性化プロセス１０６の間、ＨＦ、ＨＣｌ、および酢酸のような毒性の強い試薬を含む触媒の前駆体の溶液に基板を曝し、触媒活性化層が基板に沈殿する。活性化後、無電解法を用いて基板はめっきされる（１０８）。次に、「ウェット」プロセスの電解銅めっき法（ＥＣＰ）で、補強導電性シード層を使用する（１１０）。過剰の銅堆積物を除去するため、化学機械研磨法（ＣＭＰ）として知られるプロセスを使用する（１１２）。通常、これは、研磨パッドをスラリー化合物とともに使用することを含む。したがって、ＣＭＰは、基板および金属への相当の機械的ストレスを伴う。
【００１０】
材料薄膜は、エレクトロニクスから光学および冶金コーティングに至るまでの多数の技術においてますます使用されている。理想的には、薄膜の機能特性は、バルク材料の機能特性以上でなければならない。これらの特性は、堆積プロセスで使用されるパラメータによって概ね決まる。しかし、最終用途が何であろうとも、すべての種類の薄膜において望ましい特性がある。このような特性としては、基板への良好な接着、再現性ならびに十分な機械的強度および硬度がある。最終用途によっては、さらなる制約が課される。例えば、光学フィルムの場合には良好な光学特性、耐摩耗層の場合には高い微小硬度、そして耐腐食コーティングの場合は稠密な無孔性フィルムである。
【００１１】
銅のコンフォーマルな薄膜シード層の形成は、基板内のトレンチまたはバイアの充填に適用する場合、特に重大である（図１Ｂ参照）。理解されるように、コンフォーマルとは専門用語である。コンフォーマルなコーティングは、表面の輪郭（すなわち、垂直、水平または斜め）にかかわらず基板表面を一様に被覆するコーティングである。
【００１２】
現在、半導体産業は、さまざまな真空被覆プロセスを使用しているが、真空被覆プロセスは、物理気相成長法（ＰＶＤ）および（プラズマ強化）化学気相成長法（（ＰＥ）ＣＶＤ）の２種類に大別される。両方の堆積法とも、比較的高温が必要なこと、およびしばしば毒性の原料を試用し、また副生成物が生成されることを特徴とする。
【００１３】
ＰＶＤプロセスは、主として蒸着およびスパッタリングからなる。真空蒸着は、比較的単純なプロセスであって、真空チャンバ、真空ポンプシステム、電源および加熱素子、及び部品をソースの上方に配置するための取付具を備えるシステムを含む。熱は、より高価な電子ビーム法によって発生させてもよい。
【００１４】
スパッタリングは、周知の多目的の薄膜堆積プロセスである。材料は、ソース（ターゲット）から基板上にスパッタリングされる。このプロセスは、一部真空環境で多くの種類の材料を生成する。蒸着に比べて、スパッタリングは、基板への接着が良好で且つより稠密なフィルムを生成する。また、スパッタリングは、スケールアップが容易である。
【００１５】
従来のマグネトロンスパッタリングは、電子と気体原子との間のエネルギ衝突からのイオン化の効率が低く、中性粒子が高い割合で残る。ウェハ表面およびトレンチに到達するコーティング種のほとんどが、電離しておらず、また、好ましい方向を持っていない（すなわち、スパッタリングされた中性粒子の速度分布は、実質的に等方性である）。到達角およびエネルギの幅広い分布は、コーティング種がトレンチ壁の上部を優先的に被覆し（いわゆるオーバーハング）、トレンチの底部やトレンチ壁の下部に到達する材料は、わずかであるようなシード層堆積パターンを生じる（図２Ａ参照）。
【００１６】
今日の半導体産業は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を利用したマグネトロンスパッタリングの一種を採用している。電磁コイルをプラズマ中に埋没させ、ＲＦ信号をコイルに印加することにより、スパッタリングされた中性粒子の大部分を電離させる二次プラズマを生成する。
【００１７】
ＩＣＰ利用法は、従来のマグネトロンスパッタリング堆積法に比べて、入射コーティング種のイオン化率および指向性を向上させようとするものである。ＩＣＰ法は、より狭い到達角分布を形成し、これがディープコンタクトホールの底部の被覆を改善する。トレンチ床コーティングおよびオーバーハングは、減少するが、依然として存在する（図２Ｂ参照）。
【００１８】
ＣＶＤプロセスは、比較的高い蒸気圧の気体の分解を用いて稠密な構造部品やコーティングを形成する方法である。堆積すべき材料の気体状化合物が、熱反応／堆積が起こる基板表面に輸送される。そして、反応の副生成物が、システムから排出される。このプロセスは、高純度コーティングを生成でき、複雑な物体を被覆するための良好なコンフォーマルプロセスである。しかし、プロセス温度は、通常、高温（２００〜１０００℃）である。ほとんど例外なく、前駆体は、腐食性、吸湿性、及び毒性があり、また、空気に対して敏感である。このため、ＣＶＤプロセスは、一般に閉鎖システムで実行される。
【００１９】
ＣＶＤおよびＰＶＤフィルムの品質は、相当改善の余地があり、代替プロセスが、継続的に開発されている。一代替法として、近年、陰極アーク堆積プロセスが、従来技術よりもはるかに高いイオン化を生じる能力のゆえに多くの注目を集めている。この方法を用いると、接着がより良好でより高密度のフィルムが得られる。この方法は、通常、機械工具に耐摩耗コーティングを施すために使用される。しかし、プロセスに伴う比較的大きく通常は中性のマルチアトムクラスタ（しばしばマクロ粒子と呼ばれる）の相当の分布が、その有用性を制限する。マクロ粒子は、陰極アーク法を用いて堆積されたフィルム中に光学顕微鏡下で見える特徴的な粒子である。
【００２０】
過去数年来、フィルタ処理陰極真空アーク（ＦＣＶＡ）と呼ばれる新しい堆積システムが開発されている。その名称が示唆するように、ＦＣＶＡは、プラズマとともに運搬されるマクロ粒子の数を実質的に減少させるフィルタリング工程を含むことにより、テトラヘドラルアモルファスカーボン（ｔａ−Ｃ）およびＡｌ２Ｏ３フィルムを含む高品質のコーティングおよびフィルムの生成を容易にする。堆積中、中性原子およびマクロ粒子を有するプラズマビームが、陰極真空アークプロセスによって陰極アークスポットから放出される。そして、不要なマクロ粒子および中性粒子は、交差電磁場によってフィルタリングされて除去される。十分に画定したエネルギ範囲内のイオンのみが基板に到達することが可能となる。この方法により、すべての用途の一般的要求、すなわち、堆積したフィルムが基板に良好に接着し、予測可能で再現性のある良好な特性を有するという要求を満たす高品質フィルムを生成できる。
【００２１】
従来のＰＶＤおよびＣＶＤ法に比べて、ＦＣＶＡは、十分に画定した調整可能なエネルギを有する１００％イオン化したコーティング種を生成する。この方法は、他の方法によっては生成できないｔａ−Ｃフィルムや高品質Ａｌ２Ｏ３フィルムのようなフィルムを生成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
銅でバイアおよびトレンチを充填または被覆することは、すべての周知の堆積法について問題を提起する。したがって、本発明の目的は、前述の問題を克服し、または少なくとも改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、基板の第１部分に導電性領域を形成する方法を提供する。この方法は、
パルス変調電気バイアス信号を発生する工程と、
バイアス信号を基板の近くに印加する工程と、
バイアス信号の作用により実質的に完全に電離した金属イオンのフィルタリングされたビームに第１部分を露出させる工程と
を含む。
【００２４】
第２工程で印加されるバイアス信号は、基板の近傍の導体に印加してもよく、または基板自体に直接に印加してもよい。
【００２５】
フィルタリングされたビームは、狭いエネルギ分布と、小さい範囲の入射角を有する。したがって最終工程は、基板の第１部分のトレンチまたはバイアが底部から上方へ充填され、確実に、側壁コーティングが実質的に一様になり、オーバーハングが減少する。
【００２６】
金属イオンは、好ましくは銅イオンである。平均電離度は、約＋２．５ｅが有効である。本方法は、銅層の接着、核生成および適合性の特性が、それぞれ従来の方法よりもはるかに改善されるという点で多くの利点を有する。さらに、パルス変調ＤＣ信号を用いてＦＣＶＡプロセスにバイアスをかけることは、銅堆積段階の少なくとも一部が省略可能であることを意味する。
【００２７】
本発明により被覆可能な基板の例としては、ポリマ（液状エポキシまたは樹脂層）、シリコン、窒化シリコン、または二酸化シリコンがある。金属イオンの堆積に加えて、本発明は、バイアス信号における変調パターンの選択を通じて、堆積された表面の研磨やエッチングを可能にするように適応可能である。
【００２８】
バイアス信号を生成する工程は、周波数、デューティサイクル、電圧および堆積時間を含む設定可能な信号特性を有する信号発生器を設ける工程と、堆積プログラムに従って信号特性を設定する工程とを含む。好ましくは、この工程は、複数の堆積プログラムが格納された堆積プログラムストアを設ける工程と、導電性領域を形成するために必要な堆積プログラムを決定する工程と、プログラムストアから予め決定された堆積プログラムにアクセスする工程と、予め決定された堆積プログラムに従って信号特性を設定する工程とをさらに含む。堆積プログラムは、フィードバックループによって提供することもできる。この場合、フィードバックループは、バイアス信号発生器に堆積ステータス情報をフィードバックする。
【００２９】
本発明の方法は、再スパッタリングにより過剰な銅を除去する工程をさらに含む。
【００３０】
好ましくは、プラズマビームは、基板の平面に実質的に直交する方向で基板に衝突するように平行光にされる。
【００３１】
本発明は、さらに、基板の第１部分に導電性領域を形成する方法を提供する。この方法は、陰極ターゲットから正に帯電した金属イオンを含む実質的に純粋なプラズマビームを生成する工程と、ビームを基板に向けて第１平面内で２０°以上の角度を有する第１湾曲部と第２平面内で２０°以上の角度を有する第２湾曲部とを有するプラズマダクトを通して通過させ、これによって、ビームから不要な粒子をフィルタリングする工程と、パルス変調電気バイアスの下でフィルタリングされたビームに基板の第１部分を露出させる工程とを含む。
【００３２】
パルス変調波パターンを使用してＦＣＶＡプロセスにおいて基板にバイアスをかけて銅粒子を堆積することによって、銅堆積プロセス工程の数が減少する（シード層を形成するための活性化／無電解めっきと電気めっきのプロセスとが、単一プロセスで置き換えられる）。
【００３３】
一実施の形態では、ＦＶＣＡの使用は、再スパッタリングによる過剰な銅の除去を可能にすることによって、最終ＣＭＰ工程さえも完全に不要にする。この工程数の削減により設備投資が節約され、さらに重要なこととして、全体的にはるかに環境に優しいプロセスを提供する。
【００３４】
別のバリア形成段階が、下にある基板内への銅の拡散を防ぐために必要であるが、ＦＣＶＡを、バリア層を堆積するための代替法として使用することが可能である。このためには、バリア形成に好適なターゲット材料（例えばＴａ、ＴｉまたはＷ（窒素とともに、および窒素なしで）を使用しなければならない。
【００３５】
本発明は、さらに、基板の第１部分に導電性領域を形成する装置を提供する。この装置は、陰極ターゲットから正に帯電したイオンを含むプラズマビームを生成するプラズマ発生器と、２つの湾曲部を有して見通し線や単一の戻り経路を持たずにイオンビームから不要な粒子をフィルタリングするフィルタダクトと、このダクトを通って基板上へプラズマビームを操作するビーム制御機構と、フィルタリングされたプラズマビームにパルス変調電気バイアスを印加するビームバイアス機構とを備える。
【００３６】
本発明は、現在のトレンチおよびバイアの規格に限定されない。ＦＶＣＡプロセスは、次世代半導体用途で予想される、より狭い目標トレンチ幅に適用可能である。また、本発明は、銅の堆積に限定されず、前述のように、銀堆積にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
【００３８】
真空中の陰極アークソースから発生する陽イオンを用いた薄膜形成が、ｔａ−ＣやＡｌ２Ｏ３のような硬質コーティングについて周知である。
【００３９】
陰極アークは、アークだけによって生成される金属プラズマ内で維持され、不活性ガスの添加を必要としない真空放電の一形式である。陰極アークシステムで使用される電流は、２８ボルト付近で通常１００アンペアのオーダである。アークによって発生する金属蒸気の大部分が放電によって電離され、アーク電流の一部分は、正に帯電したイオンを含むプラズマビームとしてリークする。この部分が制御され、任意にフィルタリングされて、遠方の基板にコーティングを形成する。従来の堆積方法における粒子に比べて、これらの陽イオンのエネルギが高いことが、アーク蒸着法によって、高密度で高接着性のフィルムが形成される理由と考えられている。フィルタリングされたアーク蒸着による薄膜の形成については、Ｐ．Ｊ．マーチンによる「表面及びコーティング技術」第５４／５５巻（１９９２）第１３６−１４２頁に記述され、さらに「表面エンジニアリング」第９巻（１９９３），第１号、第５１−５７頁に記載されている。
【００４０】
ＦＣＶＡは、工業用途に必要とされる要求に対処する際に、他の陰極真空アークシステムに改良を加える。例えば、ＦＣＶＡは、自動化され、容易に保守され、欠陥のない大被覆面積を生成できる。
【００４１】
プラズマビームからマクロ粒子をフィルタリングすることにより、ＦＣＶＡは、堆積されるコーティング中のマクロ粒子の存在による望ましくない副作用を取り除く。ＦＣＶＡ装置によって、当該分野で周知のコーティングを製造でき、その純度の向上によりコーティング特性を改善できる。
【００４２】
ＦＣＶＡによる銅またはアルミニウムの成膜は、堆積装置の慎重な配置を必要とする。陰極ターゲットは、実質的に水平に配置され、そこから陽イオンのプラズマビームが実質的に垂直に放出される。陰極ターゲットは、ガイドによって保持される。この配置により、陰極ターゲットは陰極アークの準備中に融解でき、故に、この構成は、銅やアルミニウムのような低融点ターゲットでの使用に適している。
【００４３】
ＦＣＶＡ以前には、陰極アークソースは、低融点ターゲットとの使用には種々の理由により適さなかった。第１に、陰極アークソースのレイアウトにより、ターゲットは垂直に保持されたり、または水平に対してある角度で保持されることを余儀なくされるため、低融点ターゲットを使用した場合、ターゲットが融解して陰極ステーションから流れ出したり、ソースの壁や底に滴り落ちてしまうことがあった。第２に、溶けた陰極ターゲットからのマクロ粒子の生成は、固体陰極ターゲットからのものよりも多い。従来技術の装置は、低融点金属の許容可能な品質のコーティングを溶けた陰極から得られることを可能にするような十分に有効なマクロ粒子のフィルタを備えていなかった。
【００４４】
ＦＣＶＡでは、陽極は、好ましくは水冷され、陰極アークソースは、数分から数時間の時間にわたり長時間使用される。その結果、本装置を用いて、低融点陰極、特に銅陰極のコーティングを得ることができる。
【００４５】
図３に示すＦＣＶＡ装置は、国際特許出願ＷＯ９６／２６５３１にさらに詳細に記載されている。本発明の目的に対し、この装置について以下のように説明する。
【００４６】
図３において、フィルタ処理陰極真空アーク装置３００は、基板上に稠密かつクリーンな薄膜を成膜するために純粋なプラズマを生成する。プラズマは、消耗陰極３０２の表面上の陰極アークスポットから放出され、（バイアス電源３０４により生成される）放射状電場および（磁気コイル３０６により生成される）曲線状軸性磁場によって、正にバイアスされたダブル湾曲トロイダルダクト３０８を通り、被覆用真空チャンバ内の基板へと導かれる。陰極からプラズマとともに放出された不要なマクロ粒子は、取り外し可能セラミック製バッフル３１０、取り外し可能ステンレススチールベローズ３１２およびダブルベンドトロイダルダクト３０８のセットによって、効果的にフィルタリングされて除去される。
【００４７】
ダクト３１４の出口において実質的にマクロ粒子のないクリーンなプラズマビームは、ビーム走査システム３１６、３１８によって１次元的に走査される。この走査ビームは、被覆用真空チャンバ内の回転基板ホルダと組み合わせて、大面積にわたり良好な一様性を有するフィルムを成膜できる。ここで、基板の温度は、例えば室温である。または、ビーム走査システム３１６、３１８は、２次元で一様な走査を行うように構成されてもよい。この代替走査システムは、静止ホルダまたは回転基板ホルダのいずれとともに組み合わせて設けることができる。後者の場合、基板の直径は３０〜４０ｃｍを超えても良い。金属、半導体、プラスチック、セラミックおよびガラスのような種々の基板に対してＤＣまたはＲＦバイアスを使用することにより、所望のエネルギを有する成膜材料のイオンをプラズマビームから抽出させることが可能である。
【００４８】
図４に、ダブル湾曲フィルタダクト３２０の第１端に配置されたターゲット材料からプラズマが発生する様子を概略的に示す。構成要素が図３の構成要素に対応する場合、同じ参照符号を使用する。
【００４９】
陰極ターゲットは、陽極コイル３２０によって包囲されている。フィルタダクト３０８の長さ方向に沿った磁気コイル３０６は、フィルタコイル３０６と呼ばれ、放射状電場と組み合わせられて、所定エネルギ範囲外のエネルギを有するマクロ粒子やプラズマ粒子のような不要な汚染物をフィルタリングして除去する。
【００５０】
フィルタダクト３０８から現れるプラズマの集団的挙動は、さらに３つのコイル、すなわち走査コイル３１８、集束コイル３２２、および拡大コイル３２４により誘導される磁場の影響を受ける。
【００５１】
次に、磁場は、制御されて、実質的に完全に電離したプラズマを基板３３０へと案内する。追加のコイルが、入射イオンを制御するために設けられる。追加のコイルとしては、ホルダ拡大コイル３２６および（任意に）後方拡大コイル３２８がある。バイアス信号モジュール３４０が、基板３３０または基板ホルダ３３２に、パルス変調バイアス信号３５０を印加する。
【００５２】
ＷＯ９６／２６５３１に記載されたＦＣＶＡ装置では、陽イオンの堆積により基板に生じる静電荷を逃がすために、バイアスが基板ホルダ３３２に印加される。このバイアスは、パルス化も変調もされない。
【００５３】
本発明によれば、バイアス信号モジュール３４０は、ＤＣパルス発生器を含む。他の実施の形態では、基板に印加されるバイアス信号３５０は、両極性にパルス化されたり、またはＲＦ変調されている。図６に示すように、バイアス信号３５０は、通常２０〜２００ｋＨｚの範囲の周波数６０２と、２０〜９５％の間のデューティサイクルとを有する負のバイアスである。したがって、パルス持続時間６０４は、マイクロ秒（μｓ）のオーダである。ピーク電圧（−Ｖ）６０６は、この図では一定値であるが、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の制御の下で変化させてもよい。
【００５４】
図５は、パルス変調バイアス信号３５０を生成するバイアス信号モジュール３４０を示す。適切なパルス発生器モジュール５０６は、ＤＣ電源５５２（１０００Ｖオーダのピーク電圧を有する）、スイッチング回路５５４（通常はトランジスタから構成される）およびＰＬＣ５５０を備える。電源５５２は、ＤＣ信号をパルス発生器５０６の出力部にスイッチング回路５５４経由で出力する。ＰＬＣ５５０は、電源５５２およびスイッチング回路５５４の両方に結合され、スイッチング回路５５４が出力信号をスイッチングすべき周波数およびデューティサイクルを規定する。また、ＰＬＣ５５０は、電源５５２に対して、動作すべきピーク電圧値を指示する。ＰＬＣ５５０の出力に従って、電源５５２により生成されるピーク電圧（−Ｖ）は、所定数の周波数サイクルにわたり変動することも可能である（ピーク電圧は、５０Ｖ程度またはそれ以上であってもよい）。
【００５５】
ＰＬＣ５５０自体は、コンピュータなどの処理装置５０４によって制御される。処理装置５０４は、各々が必要な電源およびスイッチング回路の設定に対応するコマンドのシーケンスを出力する。処理装置５０４は、ユーザ５０８による直接の制御の下にあってもよい。しかし、ＰＬＣコマンドの適当なプログラムのライブラリ５０２を構築することも有利であることが分かっている。これらのプログラムから、変調された出力信号パターン、例えば図７Ａのステップパターン、図７Ｂの鋸歯状パターンおよび図７Ｃの半正弦波パターンが得られる。
【００５６】
プログラムのライブラリ５０２は、電子データベースに格納され、処理装置５０４によってアクセスされる。あるプログラム、すなわちパターンの「レシピ」が、処理装置５０４によってＰＬＣ５５０に適用されると、例えば、基板上の銅薄膜の形成や高アスペクト比のトレンチまたはバイアの充填のような、基板上における特定の堆積効果を達成する。各プログラムは、例えばピーク電圧、デューティサイクルおよび周波数といった動作パラメータの値のいくつかの表として構築してもよい。各動作パラメータごとに、表は、一連の時刻ｔ１，ｔ２，...，ｔｎでのそのパラメータの必要な値を含む。したがって、各プログラム（レシピ）は、所定の堆積期間Ｔの間の任意の時刻に要求される各パラメータの値を規定する。実行すべきプログラムの選択も、ユーザが直接制御してもよく、ユーザは、所望の堆積効果に応じてプログラムを選択する。或いは、プログラムの実行は、自動化することもできる。
【００５７】
ライブラリ５０２に格納されるプログラムは、相異なる波形パターンに対応する。この波形パターンは、入射プラズマビームの特性に対して対応する効果を有する。その結果であるプラズマビーム特性の例としては、以下のものがある。
トレンチまたは基板表面のいずれかへ衝突する時のイオンエネルギ、
堆積と再スパッタリングの速度の比、
トレンチ充填の特性（すなわち、到達イオンが、オーバーハングもしくはコンフォーマルなコーティングを形成するか、それとも実際に「ボトムアップ式」にトレンチを充填するか）、
コーティングの一様性および厚さ。
【００５８】
前述のように、重要な動作パラメータとしては、電圧レベル、波形形状および周波数、デューティサイクル、ならびに堆積時間がある。最小電圧および最大電圧は、両方とも重要なパラメータである。その値の範囲は、接地レベルと１０００ボルトの間であり、大抵は、フローティングと３００ボルトの間の範囲である。本発明の好ましい実施の形態は、１００Ｖ〜３００Ｖの範囲の電圧で動作する。いずれの波形パターンにおいても、複数の異なる所定の電圧設定点がある（例えば図７Ｂの鋸歯状パターンを参照のこと）。
【００５９】
デューティサイクルは、２０％〜９５％まで変化するが、典型的には、７０％と９０％の間の範囲内の値が選択される。パルス周波数の好ましい範囲は、２０ｋＨｚと２００ｋＨｚとの間であり、大抵は、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数である。包絡線（すなわち変調）波形の周波数は、０．１〜１０００Ｈｚの範囲である。
【００６０】
図８〜図１０は、ホルダバイアス電位の増大の効果を示す。各図において、バイアス電位３５０の効果が、基板ホルダ３３２によって保持される基板３３０上に形成されるバイアについて示されている。
【００６１】
図８Ａ〜図８Ｃは、基板ホルダがバイアスをかけられておらずフローティング電位を有する場合に、バイア内に銅層が形成される様子の時間変化を示している（図８Ａが最初）。この系列の最後の図では、バイアのネック部がほとんどつぼまっていることが分かる。これは、電子部品においてオーバーハングにつながるボイドを形成するため望ましくない。バイアの残りの部分のコーティングは、業界で一般に要求される厚さを有する可能性がない。
【００６２】
図９Ａおよび９Ｂは、１８０ボルトの基板バイアス（周波数は５０ｋＨｚ、デューティサイクルは８５％）の効果を示している。最初は、堆積効果が優先し、バイアのネック部分が顕著に狭まっている。バイアスは、銅材料の再スパッタリングを促進する。再スパッタリングは、入射材料が前に被覆された材料に接着しないことと考えられている。再スパッタリングは、入射材料が基板上の材料と同一種である場合に最も効率的である。露出を継続すると、図９Ｂに示す分布パターンが得られる。ここで、スパッタリングおよび堆積の効果が結合して、満足なネックプロファイルならびに十分な厚さの側壁および底部の充填が得られる。
【００６３】
図１０は、再び高いバイアス電圧（２２０ボルト）で再スパッタリングした効果を示している。この場合も、周波数およびデューティサイクルは、図９に示すバイアスプロファイルの場合と同様、５０ｋＨｚおよび８５％である。さらにいっそう高いバイアス電圧を使用することにより、堆積効果は、再スパッタリングよりも相対的に弱くなり、バイアのネック部分は、ほとんど狭まらなくなる。再スパッタリングは、コーティングの必要な厚さがバイアの側壁および底部に行われることを保証する。
【００６４】
図９および１０における状態は、バイアス条件を調整することによるコーティングプロファイルの整形の様子を示している。異なる表面条件やバイアアスペクト比が、異なるバイアス機構を必要とするかもしれない。したがって、主要な条件に適したバイアスプロファイルのライブラリを構築することが重要である。
【００６５】
適当な変調パターンのライブラリを用いると、高アスペクト比のトレンチが、図１１Ａに示すように側壁シード層で被覆されたり、または図１１Ｂに示すように完全に充填されることが可能である。図１１Ａおよび１１Ｂは、同一周波数を有するが動作時間が異なるパルスを示している。図１１Ｂは、図１１Ａよりも実質的に長い時間の動作の結果である。パルス数の増加が、再スパッタリングを促進し、したがって、孔の充填を促進することが分かる。バイアス電圧の動作周波数自体は、ピーク電圧およびデューティサイクルと同様に変えることが可能である。
【００６６】
基板面積が増大すると、イオンビームの入射角は、垂直入射から実質的に外れる。例えば、直径３０ｃｍの基板の端に銅を配置する時、入射角は、７５度まで減少することがある。入射角は、主に磁力線の方向によって規定される。
【００６７】
図１２は、補償なしのコイル配置における磁場の挙動を示す。このコイル配置における磁力線は、基板からある距離で発散し始める。入射イオンビーム中のイオンは、発散する磁力線に実質的に束縛（トラップ）されるので、実質的に磁力線に平行に移動する。
【００６８】
プラズマビームは、ＦＣＶＡ装置によって生成されるので、ビームは、実質的に全部電離する。中性粒子がないため、実質的にビーム全体が、発散する磁力線によってトラップされる。
【００６９】
バイアの充填に対する実際の入射角の影響を図１３に示す。ここで、バイアの右側面は、バイアの右側の縁の陰になっているため、陰になっている側面上の材料の堆積が薄くなる。磁力線は、右上から左下に向かっている。すなわち、入射方向は実質的に力線に平行である。
【００７０】
銅のコンフォーマルな堆積を保証するためには、基板表面における磁力線は、基板の外側の端であっても基板表面の平面に垂直であることが理想的である。したがって、本発明のもう１つの概念では、プラズマビームを導くためにコリメータコイルが追加される。これらのコイル、特に拡大コイル３２４、ホルダ拡大コイル３２６および後方拡大コイル３２８が、図４に示され、詳細に図１４に示されている。拡大コイルは、好ましくは、信頼性のある動作を保証するために水冷される。
【００７１】
拡大コイル３２４、ホルダ拡大コイル３２６および後方拡大コイル３２８に流す電流を制御することによって、理想的な場のプロファイルをより正確に近似することができる。プラズマビームは、磁力線によって閉じ込められ、基板平面に実質的に直交する方向で基板に衝突する。高アスペクト比のバイアであってもコンフォーマルに充填または被覆され、「シャドーイング」効果は認められない。
【００７２】
動作時に、拡大コイル電流は、ＦＣＶＡソースの出口から基板へ向かう磁場を誘導するように予め設定される。銅イオンの堆積の場合、これは、Ｃｕイオンが基板表面で狭い入射角の範囲を有することを保証する。典型的な場の強さの範囲は２０〜１００ｍＴである。一般的には、拡大コイルの電流は堆積中に調整しないが、この電流は必要な時に調整してもよい。拡大コイルによる磁場は、通常電気的バイアスとは独立している。
【００７３】
プラズマビームは、完全に電離しているので、ビームは、磁力線によって決められる直交入射角にトラップされる。結果としてビームは、平行にされて狭くなり、側壁上にさらに基板表面全体にわたって一様なコーティングを形成する。
【００７４】
図１５は、垂直に入射する平行にされたイオンビームを用いて形成されたコーティングを示す。要求通りに、コーティングは、バイアの両側面で厚さが等しい。
【００７５】
コリメータコイルと基板に印加されるバイアス電圧とが協働して、既に基板上にある銅の再スパッタリングを促進する。十分な再スパッタリングが過剰な銅を除去し、故に、ＣＭＰ１１２（図１参照）は実質的に不要になる。
【００７６】
ＦＣＶＡ技術は、従来のプロセスフローのさらにもう１つの工程の代わりの役割を果た。もう一度図１Ａを参照すると、プロセスフローの一番最初の工程は、バリア層の堆積（１０２）による基板の準備である。前述したように、この層は、通常ＣＶＤまたはＰＶＤを用いて形成される。同一の（銅堆積）ＦＣＶＡ装置またはＴａ、ＴｉもしくはＷ（窒素とともに、および窒素なしで）をターゲット材料とする第２の専用のＦＣＶＡ装置のいずれかを使用すれば、ＦＣＶＡ技術を、既存のバリア層堆積プロセス（ＣＶＤまたはＰＶＤのいずれか）の代わりに使用することができる。
【００７７】
変調パルスバイアス信号源の代わりとして、バイアス信号モジュール３４０（図４参照）は、ＲＦ発生器を含んでもよい。その場合、バイアス信号はＲＦ変調される。ＲＦバイアス信号モジュール３４０は、さらに、堆積プログラムのデータベースおよびマッチングネットワークに結合した処理装置を備える。ＲＦデータベース内のプログラムは、例えばＲＦ電力設定および必要な全堆積時間などのＲＦ動作に必要なパラメータに相当する。ＲＦ発生器は、ＰＬＣを含み、処理装置は、必要なパラメータ設定をＰＬＣに送る。信号は、これらのパラメータ設定に従ってＲＦ発生器により生成され、その出力がマッチングネットワーク経由で基板に印加される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】銅成膜の従来プロセスを示す図である。
【図１Ｂ】バイアの充填に適用した場合の図１Ａのプロセスの各段階を示す図である。
【図２Ａ】従来のマグネトロンスパッタリングから得られる堆積パターンを示す図である。
【図２Ｂ】従来のイオン利用スパッタリングから得られる堆積パターンを示す図である。
【図３】フィルタリングされたプラズマビームを生成するＦＣＶＡ気相堆積装置を示す図である。
【図４】本発明による適応ＦＣＶＡ気相堆積装置を示す図である。
【図５】パルス変調バイアス信号を生成するバイアス信号モジュールのコンポーネントを示す図である。
【図６】ピーク電圧一定のＤＣパルスパターンを示す図である。
【図７Ａ】本発明による堆積プログラムに対応する変調パターンを示す図である。
【図７Ｂ】本発明による堆積プログラムに対応する変調パターンを示す図である。
【図７Ｃ】本発明による堆積プログラムに対応する変調パターンを示す図である。
【図８】フローティングバイアスのみによる、高アスペクト比バイアにおける銅の堆積の時間変化を示す図である。
【図９】本発明による１８０ボルトの基板バイアスの効果を示す図である。
【図１０】本発明による２２０ボルトの基板バイアスの効果を示す図である。
【図１１Ａ】第１パルス変調バイアス信号を用いた側壁シード層コーティングの形成を示す図である。
【図１１Ｂ】第２パルス変調バイアス信号を用いたトレンチの充填を示す図である。
【図１２】非コリメートコイル構成における磁力線の方向を示す図である。
【図１３】「シャドーイング」の証拠を示す不均一に充填されたバイアを示す図である。
【図１４】コリメートコイル構成における磁力線の方向を示す図である。
【図１５】図１４のコリメートコイル構成を用いて均一に充填されたバイアを示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相堆積法、好ましくはＦＣＶＡ(フィルタ処理陰極真空アーク)法を用いた基板への材料薄膜の堆積に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス、特に半導体産業では、配線材料としてのアルミニウムの使用が減少している。銅が好ましい配線材料となりつつある。アルミニウムの使用は、アルミニウムの比較的高い抵抗率（２．６５×１０−６Ω・ｃｍ）およびエレクトロマイグレーションという２つの主要な理由により、段階的に削減されつつある。
【０００３】
アルミニウムに代わる銅の使用は、抵抗率およびエレクトロマイグレーションの問題を両方ともある程度克服する。銅の抵抗率（１．６７×１０−６Ω・ｃｍ）は、アルミニウムより低く、また銅のほうが質量が大きく且つ融点が高い（Ａｌの６６０℃に対して１０８５℃）。そのため、銅は、エレクトロマイグレーションの影響を受けにくい。その結果、銅配線がアルミニウム配線に代わった場合に、ある集積密度において、より高い電流密度を許容できる。
【０００４】
１９８０年代に、集積回路におけるパーツの典型的なサイズは、ミクロンのオーダ（〜１μｍ）であった。当時の装置は、アルミニウム合金メタライゼーションの単一層または二重層のいずれかを備えていた。パーツのサイズが比較的大きいことは、低抵抗のアルミニウムからコンタクトを形成し得ること、および導電層間に形成される導電コネクタが、十分に広いので、スパッタリングされたアルミニウムを用いたカバレッジを可能としていることを意味していた（このような導電コネクタは普通「バイア」と呼ばれる）。
【０００５】
最近では、傾向は、より小さいパーツサイズ（２００１年時点で０．１３ミクロン）および多層メタライゼーションに向かっている。銅メタライゼーションは、好ましいメタライゼーションとして、アルミニウムに取って代わってきている。銅の実現可能な代替物は、銀である。
【０００６】
層数の増加（論理チップでは８層に達する）は、幅がますます小さくなっているバイアの信頼性をさらに圧迫している。孔（トレンチまたはバイア）のアスペクト比が、大きくなる傾向がある。ここで、アスペクト比は、孔の最も狭い幅に対するその孔の深さの比として定義される。最も顕著な信頼性要求は、下層の金属層にあることが多い。そこでは、ピッチおよびアスペクト比の条件が最も要求の厳しいものとなるからである。
【０００７】
しかし、銅は、完璧な材料ではなく、高い拡散速度を有するため、誘電体基板上に銅層を直接堆積するのは実用的でない。例えば、シリコンやＳｉＯ２などの基板への銅の拡散は、ディープレベルの欠陥や金属配線間の電気リークを生じることがあり、少なくとも基板の抵抗率を低下させる。通常、拡散バリア層が、銅が堆積されることになる領域にわたって堆積され、これによって、銅粒子による基板の特性の劣化が防止される。バリア層において用いられる材料は、一般的に耐熱金属またはその窒化物であり、例えばＴａ（Ｎ）、Ｔｉ（Ｎ）、Ｗ（Ｎ）、またはこれらの材料の組合せからなる多重層である。
【０００８】
完全金属層の選択された部分をエッチングする（減算型金属エッチングパターン形成法）のではなく、好ましいパターン形成方法は、いわゆるダマシンパターン形成プロセスである。バイアや金属線パターンは、誘電体層内にエッチングされる。次に、これらのエッチングされた孔に銅が充填される。両タイプの孔を同一堆積工程中に充填する場合、このパターン形成プロセスをデュアルダマシンプロセスという。
【０００９】
従来、集積回路基板への銅の堆積は、図１Ａに例示するような複数の工程からなる。まず、基板上に拡散バリアを設ける（１０２）。次に、一般にドライプロセス（例えば化学気相成長法（ＣＶＤ）やスパッタリング）を用いて、バリアの上に銅の薄いシード層を形成する（１０４）。シード層をコンフォーマルに被覆するために、無電解銅めっき法がしばしば使用される（１０８）。無電解銅めっき（しばしば硫酸銅を含むイオン性溶液からの）を行うためには、その前に、堆積用基板を触媒表面（金、白金またはパラジウム）によって活性化しなければならない（１０６）。活性化プロセス１０６の間、ＨＦ、ＨＣｌ、および酢酸のような毒性の強い試薬を含む触媒の前駆体の溶液に基板を曝し、触媒活性化層が基板に沈殿する。活性化後、無電解法を用いて基板はめっきされる（１０８）。次に、「ウェット」プロセスの電解銅めっき法（ＥＣＰ）で、補強導電性シード層を使用する（１１０）。過剰の銅堆積物を除去するため、化学機械研磨法（ＣＭＰ）として知られるプロセスを使用する（１１２）。通常、これは、研磨パッドをスラリー化合物とともに使用することを含む。したがって、ＣＭＰは、基板および金属への相当の機械的ストレスを伴う。
【００１０】
材料薄膜は、エレクトロニクスから光学および冶金コーティングに至るまでの多数の技術においてますます使用されている。理想的には、薄膜の機能特性は、バルク材料の機能特性以上でなければならない。これらの特性は、堆積プロセスで使用されるパラメータによって概ね決まる。しかし、最終用途が何であろうとも、すべての種類の薄膜において望ましい特性がある。このような特性としては、基板への良好な接着、再現性ならびに十分な機械的強度および硬度がある。最終用途によっては、さらなる制約が課される。例えば、光学フィルムの場合には良好な光学特性、耐摩耗層の場合には高い微小硬度、そして耐腐食コーティングの場合は稠密な無孔性フィルムである。
【００１１】
銅のコンフォーマルな薄膜シード層の形成は、基板内のトレンチまたはバイアの充填に適用する場合、特に重大である（図１Ｂ参照）。理解されるように、コンフォーマルとは専門用語である。コンフォーマルなコーティングは、表面の輪郭（すなわち、垂直、水平または斜め）にかかわらず基板表面を一様に被覆するコーティングである。
【００１２】
現在、半導体産業は、さまざまな真空被覆プロセスを使用しているが、真空被覆プロセスは、物理気相成長法（ＰＶＤ）および（プラズマ強化）化学気相成長法（（ＰＥ）ＣＶＤ）の２種類に大別される。両方の堆積法とも、比較的高温が必要なこと、およびしばしば毒性の原料を試用し、また副生成物が生成されることを特徴とする。
【００１３】
ＰＶＤプロセスは、主として蒸着およびスパッタリングからなる。真空蒸着は、比較的単純なプロセスであって、真空チャンバ、真空ポンプシステム、電源および加熱素子、及び部品をソースの上方に配置するための取付具を備えるシステムを含む。熱は、より高価な電子ビーム法によって発生させてもよい。
【００１４】
スパッタリングは、周知の多目的の薄膜堆積プロセスである。材料は、ソース（ターゲット）から基板上にスパッタリングされる。このプロセスは、一部真空環境で多くの種類の材料を生成する。蒸着に比べて、スパッタリングは、基板への接着が良好で且つより稠密なフィルムを生成する。また、スパッタリングは、スケールアップが容易である。
【００１５】
従来のマグネトロンスパッタリングは、電子と気体原子との間のエネルギ衝突からのイオン化の効率が低く、中性粒子が高い割合で残る。ウェハ表面およびトレンチに到達するコーティング種のほとんどが、電離しておらず、また、好ましい方向を持っていない（すなわち、スパッタリングされた中性粒子の速度分布は、実質的に等方性である）。到達角およびエネルギの幅広い分布は、コーティング種がトレンチ壁の上部を優先的に被覆し（いわゆるオーバーハング）、トレンチの底部やトレンチ壁の下部に到達する材料は、わずかであるようなシード層堆積パターンを生じる（図２Ａ参照）。
【００１６】
今日の半導体産業は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を利用したマグネトロンスパッタリングの一種を採用している。電磁コイルをプラズマ中に埋没させ、ＲＦ信号をコイルに印加することにより、スパッタリングされた中性粒子の大部分を電離させる二次プラズマを生成する。
【００１７】
ＩＣＰ利用法は、従来のマグネトロンスパッタリング堆積法に比べて、入射コーティング種のイオン化率および指向性を向上させようとするものである。ＩＣＰ法は、より狭い到達角分布を形成し、これがディープコンタクトホールの底部の被覆を改善する。トレンチ床コーティングおよびオーバーハングは、減少するが、依然として存在する（図２Ｂ参照）。
【００１８】
ＣＶＤプロセスは、比較的高い蒸気圧の気体の分解を用いて稠密な構造部品やコーティングを形成する方法である。堆積すべき材料の気体状化合物が、熱反応／堆積が起こる基板表面に輸送される。そして、反応の副生成物が、システムから排出される。このプロセスは、高純度コーティングを生成でき、複雑な物体を被覆するための良好なコンフォーマルプロセスである。しかし、プロセス温度は、通常、高温（２００〜１０００℃）である。ほとんど例外なく、前駆体は、腐食性、吸湿性、及び毒性があり、また、空気に対して敏感である。このため、ＣＶＤプロセスは、一般に閉鎖システムで実行される。
【００１９】
ＣＶＤおよびＰＶＤフィルムの品質は、相当改善の余地があり、代替プロセスが、継続的に開発されている。一代替法として、近年、陰極アーク堆積プロセスが、従来技術よりもはるかに高いイオン化を生じる能力のゆえに多くの注目を集めている。この方法を用いると、接着がより良好でより高密度のフィルムが得られる。この方法は、通常、機械工具に耐摩耗コーティングを施すために使用される。しかし、プロセスに伴う比較的大きく通常は中性のマルチアトムクラスタ（しばしばマクロ粒子と呼ばれる）の相当の分布が、その有用性を制限する。マクロ粒子は、陰極アーク法を用いて堆積されたフィルム中に光学顕微鏡下で見える特徴的な粒子である。
【００２０】
過去数年来、フィルタ処理陰極真空アーク（ＦＣＶＡ）と呼ばれる新しい堆積システムが開発されている。その名称が示唆するように、ＦＣＶＡは、プラズマとともに運搬されるマクロ粒子の数を実質的に減少させるフィルタリング工程を含むことにより、テトラヘドラルアモルファスカーボン（ｔａ−Ｃ）およびＡｌ２Ｏ３フィルムを含む高品質のコーティングおよびフィルムの生成を容易にする。堆積中、中性原子およびマクロ粒子を有するプラズマビームが、陰極真空アークプロセスによって陰極アークスポットから放出される。そして、不要なマクロ粒子および中性粒子は、交差電磁場によってフィルタリングされて除去される。十分に画定したエネルギ範囲内のイオンのみが基板に到達することが可能となる。この方法により、すべての用途の一般的要求、すなわち、堆積したフィルムが基板に良好に接着し、予測可能で再現性のある良好な特性を有するという要求を満たす高品質フィルムを生成できる。
【００２１】
従来のＰＶＤおよびＣＶＤ法に比べて、ＦＣＶＡは、十分に画定した調整可能なエネルギを有する１００％イオン化したコーティング種を生成する。この方法は、他の方法によっては生成できないｔａ−Ｃフィルムや高品質Ａｌ２Ｏ３フィルムのようなフィルムを生成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
銅でバイアおよびトレンチを充填または被覆することは、すべての周知の堆積法について問題を提起する。したがって、本発明の目的は、前述の問題を克服し、または少なくとも改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、基板の第１部分に導電性領域を形成する方法を提供する。この方法は、
パルス変調電気バイアス信号を発生する工程と、
バイアス信号を基板の近くに印加する工程と、
バイアス信号の作用により実質的に完全に電離した金属イオンのフィルタリングされたビームに第１部分を露出させる工程と
を含む。
【００２４】
第２工程で印加されるバイアス信号は、基板の近傍の導体に印加してもよく、または基板自体に直接に印加してもよい。
【００２５】
フィルタリングされたビームは、狭いエネルギ分布と、小さい範囲の入射角を有する。したがって最終工程は、基板の第１部分のトレンチまたはバイアが底部から上方へ充填され、確実に、側壁コーティングが実質的に一様になり、オーバーハングが減少する。
【００２６】
金属イオンは、好ましくは銅イオンである。平均電離度は、約＋２．５ｅが有効である。本方法は、銅層の接着、核生成および適合性の特性が、それぞれ従来の方法よりもはるかに改善されるという点で多くの利点を有する。さらに、パルス変調ＤＣ信号を用いてＦＣＶＡプロセスにバイアスをかけることは、銅堆積段階の少なくとも一部が省略可能であることを意味する。
【００２７】
本発明により被覆可能な基板の例としては、ポリマ（液状エポキシまたは樹脂層）、シリコン、窒化シリコン、または二酸化シリコンがある。金属イオンの堆積に加えて、本発明は、バイアス信号における変調パターンの選択を通じて、堆積された表面の研磨やエッチングを可能にするように適応可能である。
【００２８】
バイアス信号を生成する工程は、周波数、デューティサイクル、電圧および堆積時間を含む設定可能な信号特性を有する信号発生器を設ける工程と、堆積プログラムに従って信号特性を設定する工程とを含む。好ましくは、この工程は、複数の堆積プログラムが格納された堆積プログラムストアを設ける工程と、導電性領域を形成するために必要な堆積プログラムを決定する工程と、プログラムストアから予め決定された堆積プログラムにアクセスする工程と、予め決定された堆積プログラムに従って信号特性を設定する工程とをさらに含む。堆積プログラムは、フィードバックループによって提供することもできる。この場合、フィードバックループは、バイアス信号発生器に堆積ステータス情報をフィードバックする。
【００２９】
本発明の方法は、再スパッタリングにより過剰な銅を除去する工程をさらに含む。
【００３０】
好ましくは、プラズマビームは、基板の平面に実質的に直交する方向で基板に衝突するように平行光にされる。
【００３１】
本発明は、さらに、基板の第１部分に導電性領域を形成する方法を提供する。この方法は、陰極ターゲットから正に帯電した金属イオンを含む実質的に純粋なプラズマビームを生成する工程と、ビームを基板に向けて第１平面内で２０°以上の角度を有する第１湾曲部と第２平面内で２０°以上の角度を有する第２湾曲部とを有するプラズマダクトを通して通過させ、これによって、ビームから不要な粒子をフィルタリングする工程と、パルス変調電気バイアスの下でフィルタリングされたビームに基板の第１部分を露出させる工程とを含む。
【００３２】
パルス変調波パターンを使用してＦＣＶＡプロセスにおいて基板にバイアスをかけて銅粒子を堆積することによって、銅堆積プロセス工程の数が減少する（シード層を形成するための活性化／無電解めっきと電気めっきのプロセスとが、単一プロセスで置き換えられる）。
【００３３】
一実施の形態では、ＦＶＣＡの使用は、再スパッタリングによる過剰な銅の除去を可能にすることによって、最終ＣＭＰ工程さえも完全に不要にする。この工程数の削減により設備投資が節約され、さらに重要なこととして、全体的にはるかに環境に優しいプロセスを提供する。
【００３４】
別のバリア形成段階が、下にある基板内への銅の拡散を防ぐために必要であるが、ＦＣＶＡを、バリア層を堆積するための代替法として使用することが可能である。このためには、バリア形成に好適なターゲット材料（例えばＴａ、ＴｉまたはＷ（窒素とともに、および窒素なしで）を使用しなければならない。
【００３５】
本発明は、さらに、基板の第１部分に導電性領域を形成する装置を提供する。この装置は、陰極ターゲットから正に帯電したイオンを含むプラズマビームを生成するプラズマ発生器と、２つの湾曲部を有して見通し線や単一の戻り経路を持たずにイオンビームから不要な粒子をフィルタリングするフィルタダクトと、このダクトを通って基板上へプラズマビームを操作するビーム制御機構と、フィルタリングされたプラズマビームにパルス変調電気バイアスを印加するビームバイアス機構とを備える。
【００３６】
本発明は、現在のトレンチおよびバイアの規格に限定されない。ＦＶＣＡプロセスは、次世代半導体用途で予想される、より狭い目標トレンチ幅に適用可能である。また、本発明は、銅の堆積に限定されず、前述のように、銀堆積にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
【００３８】
真空中の陰極アークソースから発生する陽イオンを用いた薄膜形成が、ｔａ−ＣやＡｌ２Ｏ３のような硬質コーティングについて周知である。
【００３９】
陰極アークは、アークだけによって生成される金属プラズマ内で維持され、不活性ガスの添加を必要としない真空放電の一形式である。陰極アークシステムで使用される電流は、２８ボルト付近で通常１００アンペアのオーダである。アークによって発生する金属蒸気の大部分が放電によって電離され、アーク電流の一部分は、正に帯電したイオンを含むプラズマビームとしてリークする。この部分が制御され、任意にフィルタリングされて、遠方の基板にコーティングを形成する。従来の堆積方法における粒子に比べて、これらの陽イオンのエネルギが高いことが、アーク蒸着法によって、高密度で高接着性のフィルムが形成される理由と考えられている。フィルタリングされたアーク蒸着による薄膜の形成については、Ｐ．Ｊ．マーチンによる「表面及びコーティング技術」第５４／５５巻（１９９２）第１３６−１４２頁に記述され、さらに「表面エンジニアリング」第９巻（１９９３），第１号、第５１−５７頁に記載されている。
【００４０】
ＦＣＶＡは、工業用途に必要とされる要求に対処する際に、他の陰極真空アークシステムに改良を加える。例えば、ＦＣＶＡは、自動化され、容易に保守され、欠陥のない大被覆面積を生成できる。
【００４１】
プラズマビームからマクロ粒子をフィルタリングすることにより、ＦＣＶＡは、堆積されるコーティング中のマクロ粒子の存在による望ましくない副作用を取り除く。ＦＣＶＡ装置によって、当該分野で周知のコーティングを製造でき、その純度の向上によりコーティング特性を改善できる。
【００４２】
ＦＣＶＡによる銅またはアルミニウムの成膜は、堆積装置の慎重な配置を必要とする。陰極ターゲットは、実質的に水平に配置され、そこから陽イオンのプラズマビームが実質的に垂直に放出される。陰極ターゲットは、ガイドによって保持される。この配置により、陰極ターゲットは陰極アークの準備中に融解でき、故に、この構成は、銅やアルミニウムのような低融点ターゲットでの使用に適している。
【００４３】
ＦＣＶＡ以前には、陰極アークソースは、低融点ターゲットとの使用には種々の理由により適さなかった。第１に、陰極アークソースのレイアウトにより、ターゲットは垂直に保持されたり、または水平に対してある角度で保持されることを余儀なくされるため、低融点ターゲットを使用した場合、ターゲットが融解して陰極ステーションから流れ出したり、ソースの壁や底に滴り落ちてしまうことがあった。第２に、溶けた陰極ターゲットからのマクロ粒子の生成は、固体陰極ターゲットからのものよりも多い。従来技術の装置は、低融点金属の許容可能な品質のコーティングを溶けた陰極から得られることを可能にするような十分に有効なマクロ粒子のフィルタを備えていなかった。
【００４４】
ＦＣＶＡでは、陽極は、好ましくは水冷され、陰極アークソースは、数分から数時間の時間にわたり長時間使用される。その結果、本装置を用いて、低融点陰極、特に銅陰極のコーティングを得ることができる。
【００４５】
図３に示すＦＣＶＡ装置は、国際特許出願ＷＯ９６／２６５３１にさらに詳細に記載されている。本発明の目的に対し、この装置について以下のように説明する。
【００４６】
図３において、フィルタ処理陰極真空アーク装置３００は、基板上に稠密かつクリーンな薄膜を成膜するために純粋なプラズマを生成する。プラズマは、消耗陰極３０２の表面上の陰極アークスポットから放出され、（バイアス電源３０４により生成される）放射状電場および（磁気コイル３０６により生成される）曲線状軸性磁場によって、正にバイアスされたダブル湾曲トロイダルダクト３０８を通り、被覆用真空チャンバ内の基板へと導かれる。陰極からプラズマとともに放出された不要なマクロ粒子は、取り外し可能セラミック製バッフル３１０、取り外し可能ステンレススチールベローズ３１２およびダブルベンドトロイダルダクト３０８のセットによって、効果的にフィルタリングされて除去される。
【００４７】
ダクト３１４の出口において実質的にマクロ粒子のないクリーンなプラズマビームは、ビーム走査システム３１６、３１８によって１次元的に走査される。この走査ビームは、被覆用真空チャンバ内の回転基板ホルダと組み合わせて、大面積にわたり良好な一様性を有するフィルムを成膜できる。ここで、基板の温度は、例えば室温である。または、ビーム走査システム３１６、３１８は、２次元で一様な走査を行うように構成されてもよい。この代替走査システムは、静止ホルダまたは回転基板ホルダのいずれとともに組み合わせて設けることができる。後者の場合、基板の直径は３０〜４０ｃｍを超えても良い。金属、半導体、プラスチック、セラミックおよびガラスのような種々の基板に対してＤＣまたはＲＦバイアスを使用することにより、所望のエネルギを有する成膜材料のイオンをプラズマビームから抽出させることが可能である。
【００４８】
図４に、ダブル湾曲フィルタダクト３２０の第１端に配置されたターゲット材料からプラズマが発生する様子を概略的に示す。構成要素が図３の構成要素に対応する場合、同じ参照符号を使用する。
【００４９】
陰極ターゲットは、陽極コイル３２０によって包囲されている。フィルタダクト３０８の長さ方向に沿った磁気コイル３０６は、フィルタコイル３０６と呼ばれ、放射状電場と組み合わせられて、所定エネルギ範囲外のエネルギを有するマクロ粒子やプラズマ粒子のような不要な汚染物をフィルタリングして除去する。
【００５０】
フィルタダクト３０８から現れるプラズマの集団的挙動は、さらに３つのコイル、すなわち走査コイル３１８、集束コイル３２２、および拡大コイル３２４により誘導される磁場の影響を受ける。
【００５１】
次に、磁場は、制御されて、実質的に完全に電離したプラズマを基板３３０へと案内する。追加のコイルが、入射イオンを制御するために設けられる。追加のコイルとしては、ホルダ拡大コイル３２６および（任意に）後方拡大コイル３２８がある。バイアス信号モジュール３４０が、基板３３０または基板ホルダ３３２に、パルス変調バイアス信号３５０を印加する。
【００５２】
ＷＯ９６／２６５３１に記載されたＦＣＶＡ装置では、陽イオンの堆積により基板に生じる静電荷を逃がすために、バイアスが基板ホルダ３３２に印加される。このバイアスは、パルス化も変調もされない。
【００５３】
本発明によれば、バイアス信号モジュール３４０は、ＤＣパルス発生器を含む。他の実施の形態では、基板に印加されるバイアス信号３５０は、両極性にパルス化されたり、またはＲＦ変調されている。図６に示すように、バイアス信号３５０は、通常２０〜２００ｋＨｚの範囲の周波数６０２と、２０〜９５％の間のデューティサイクルとを有する負のバイアスである。したがって、パルス持続時間６０４は、マイクロ秒（μｓ）のオーダである。ピーク電圧（−Ｖ）６０６は、この図では一定値であるが、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の制御の下で変化させてもよい。
【００５４】
図５は、パルス変調バイアス信号３５０を生成するバイアス信号モジュール３４０を示す。適切なパルス発生器モジュール５０６は、ＤＣ電源５５２（１０００Ｖオーダのピーク電圧を有する）、スイッチング回路５５４（通常はトランジスタから構成される）およびＰＬＣ５５０を備える。電源５５２は、ＤＣ信号をパルス発生器５０６の出力部にスイッチング回路５５４経由で出力する。ＰＬＣ５５０は、電源５５２およびスイッチング回路５５４の両方に結合され、スイッチング回路５５４が出力信号をスイッチングすべき周波数およびデューティサイクルを規定する。また、ＰＬＣ５５０は、電源５５２に対して、動作すべきピーク電圧値を指示する。ＰＬＣ５５０の出力に従って、電源５５２により生成されるピーク電圧（−Ｖ）は、所定数の周波数サイクルにわたり変動することも可能である（ピーク電圧は、５０Ｖ程度またはそれ以上であってもよい）。
【００５５】
ＰＬＣ５５０自体は、コンピュータなどの処理装置５０４によって制御される。処理装置５０４は、各々が必要な電源およびスイッチング回路の設定に対応するコマンドのシーケンスを出力する。処理装置５０４は、ユーザ５０８による直接の制御の下にあってもよい。しかし、ＰＬＣコマンドの適当なプログラムのライブラリ５０２を構築することも有利であることが分かっている。これらのプログラムから、変調された出力信号パターン、例えば図７Ａのステップパターン、図７Ｂの鋸歯状パターンおよび図７Ｃの半正弦波パターンが得られる。
【００５６】
プログラムのライブラリ５０２は、電子データベースに格納され、処理装置５０４によってアクセスされる。あるプログラム、すなわちパターンの「レシピ」が、処理装置５０４によってＰＬＣ５５０に適用されると、例えば、基板上の銅薄膜の形成や高アスペクト比のトレンチまたはバイアの充填のような、基板上における特定の堆積効果を達成する。各プログラムは、例えばピーク電圧、デューティサイクルおよび周波数といった動作パラメータの値のいくつかの表として構築してもよい。各動作パラメータごとに、表は、一連の時刻ｔ１，ｔ２，...，ｔｎでのそのパラメータの必要な値を含む。したがって、各プログラム（レシピ）は、所定の堆積期間Ｔの間の任意の時刻に要求される各パラメータの値を規定する。実行すべきプログラムの選択も、ユーザが直接制御してもよく、ユーザは、所望の堆積効果に応じてプログラムを選択する。或いは、プログラムの実行は、自動化することもできる。
【００５７】
ライブラリ５０２に格納されるプログラムは、相異なる波形パターンに対応する。この波形パターンは、入射プラズマビームの特性に対して対応する効果を有する。その結果であるプラズマビーム特性の例としては、以下のものがある。
トレンチまたは基板表面のいずれかへ衝突する時のイオンエネルギ、
堆積と再スパッタリングの速度の比、
トレンチ充填の特性（すなわち、到達イオンが、オーバーハングもしくはコンフォーマルなコーティングを形成するか、それとも実際に「ボトムアップ式」にトレンチを充填するか）、
コーティングの一様性および厚さ。
【００５８】
前述のように、重要な動作パラメータとしては、電圧レベル、波形形状および周波数、デューティサイクル、ならびに堆積時間がある。最小電圧および最大電圧は、両方とも重要なパラメータである。その値の範囲は、接地レベルと１０００ボルトの間であり、大抵は、フローティングと３００ボルトの間の範囲である。本発明の好ましい実施の形態は、１００Ｖ〜３００Ｖの範囲の電圧で動作する。いずれの波形パターンにおいても、複数の異なる所定の電圧設定点がある（例えば図７Ｂの鋸歯状パターンを参照のこと）。
【００５９】
デューティサイクルは、２０％〜９５％まで変化するが、典型的には、７０％と９０％の間の範囲内の値が選択される。パルス周波数の好ましい範囲は、２０ｋＨｚと２００ｋＨｚとの間であり、大抵は、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数である。包絡線（すなわち変調）波形の周波数は、０．１〜１０００Ｈｚの範囲である。
【００６０】
図８〜図１０は、ホルダバイアス電位の増大の効果を示す。各図において、バイアス電位３５０の効果が、基板ホルダ３３２によって保持される基板３３０上に形成されるバイアについて示されている。
【００６１】
図８Ａ〜図８Ｃは、基板ホルダがバイアスをかけられておらずフローティング電位を有する場合に、バイア内に銅層が形成される様子の時間変化を示している（図８Ａが最初）。この系列の最後の図では、バイアのネック部がほとんどつぼまっていることが分かる。これは、電子部品においてオーバーハングにつながるボイドを形成するため望ましくない。バイアの残りの部分のコーティングは、業界で一般に要求される厚さを有する可能性がない。
【００６２】
図９Ａおよび９Ｂは、１８０ボルトの基板バイアス（周波数は５０ｋＨｚ、デューティサイクルは８５％）の効果を示している。最初は、堆積効果が優先し、バイアのネック部分が顕著に狭まっている。バイアスは、銅材料の再スパッタリングを促進する。再スパッタリングは、入射材料が前に被覆された材料に接着しないことと考えられている。再スパッタリングは、入射材料が基板上の材料と同一種である場合に最も効率的である。露出を継続すると、図９Ｂに示す分布パターンが得られる。ここで、スパッタリングおよび堆積の効果が結合して、満足なネックプロファイルならびに十分な厚さの側壁および底部の充填が得られる。
【００６３】
図１０は、再び高いバイアス電圧（２２０ボルト）で再スパッタリングした効果を示している。この場合も、周波数およびデューティサイクルは、図９に示すバイアスプロファイルの場合と同様、５０ｋＨｚおよび８５％である。さらにいっそう高いバイアス電圧を使用することにより、堆積効果は、再スパッタリングよりも相対的に弱くなり、バイアのネック部分は、ほとんど狭まらなくなる。再スパッタリングは、コーティングの必要な厚さがバイアの側壁および底部に行われることを保証する。
【００６４】
図９および１０における状態は、バイアス条件を調整することによるコーティングプロファイルの整形の様子を示している。異なる表面条件やバイアアスペクト比が、異なるバイアス機構を必要とするかもしれない。したがって、主要な条件に適したバイアスプロファイルのライブラリを構築することが重要である。
【００６５】
適当な変調パターンのライブラリを用いると、高アスペクト比のトレンチが、図１１Ａに示すように側壁シード層で被覆されたり、または図１１Ｂに示すように完全に充填されることが可能である。図１１Ａおよび１１Ｂは、同一周波数を有するが動作時間が異なるパルスを示している。図１１Ｂは、図１１Ａよりも実質的に長い時間の動作の結果である。パルス数の増加が、再スパッタリングを促進し、したがって、孔の充填を促進することが分かる。バイアス電圧の動作周波数自体は、ピーク電圧およびデューティサイクルと同様に変えることが可能である。
【００６６】
基板面積が増大すると、イオンビームの入射角は、垂直入射から実質的に外れる。例えば、直径３０ｃｍの基板の端に銅を配置する時、入射角は、７５度まで減少することがある。入射角は、主に磁力線の方向によって規定される。
【００６７】
図１２は、補償なしのコイル配置における磁場の挙動を示す。このコイル配置における磁力線は、基板からある距離で発散し始める。入射イオンビーム中のイオンは、発散する磁力線に実質的に束縛（トラップ）されるので、実質的に磁力線に平行に移動する。
【００６８】
プラズマビームは、ＦＣＶＡ装置によって生成されるので、ビームは、実質的に全部電離する。中性粒子がないため、実質的にビーム全体が、発散する磁力線によってトラップされる。
【００６９】
バイアの充填に対する実際の入射角の影響を図１３に示す。ここで、バイアの右側面は、バイアの右側の縁の陰になっているため、陰になっている側面上の材料の堆積が薄くなる。磁力線は、右上から左下に向かっている。すなわち、入射方向は実質的に力線に平行である。
【００７０】
銅のコンフォーマルな堆積を保証するためには、基板表面における磁力線は、基板の外側の端であっても基板表面の平面に垂直であることが理想的である。したがって、本発明のもう１つの概念では、プラズマビームを導くためにコリメータコイルが追加される。これらのコイル、特に拡大コイル３２４、ホルダ拡大コイル３２６および後方拡大コイル３２８が、図４に示され、詳細に図１４に示されている。拡大コイルは、好ましくは、信頼性のある動作を保証するために水冷される。
【００７１】
拡大コイル３２４、ホルダ拡大コイル３２６および後方拡大コイル３２８に流す電流を制御することによって、理想的な場のプロファイルをより正確に近似することができる。プラズマビームは、磁力線によって閉じ込められ、基板平面に実質的に直交する方向で基板に衝突する。高アスペクト比のバイアであってもコンフォーマルに充填または被覆され、「シャドーイング」効果は認められない。
【００７２】
動作時に、拡大コイル電流は、ＦＣＶＡソースの出口から基板へ向かう磁場を誘導するように予め設定される。銅イオンの堆積の場合、これは、Ｃｕイオンが基板表面で狭い入射角の範囲を有することを保証する。典型的な場の強さの範囲は２０〜１００ｍＴである。一般的には、拡大コイルの電流は堆積中に調整しないが、この電流は必要な時に調整してもよい。拡大コイルによる磁場は、通常電気的バイアスとは独立している。
【００７３】
プラズマビームは、完全に電離しているので、ビームは、磁力線によって決められる直交入射角にトラップされる。結果としてビームは、平行にされて狭くなり、側壁上にさらに基板表面全体にわたって一様なコーティングを形成する。
【００７４】
図１５は、垂直に入射する平行にされたイオンビームを用いて形成されたコーティングを示す。要求通りに、コーティングは、バイアの両側面で厚さが等しい。
【００７５】
コリメータコイルと基板に印加されるバイアス電圧とが協働して、既に基板上にある銅の再スパッタリングを促進する。十分な再スパッタリングが過剰な銅を除去し、故に、ＣＭＰ１１２（図１参照）は実質的に不要になる。
【００７６】
ＦＣＶＡ技術は、従来のプロセスフローのさらにもう１つの工程の代わりの役割を果た。もう一度図１Ａを参照すると、プロセスフローの一番最初の工程は、バリア層の堆積（１０２）による基板の準備である。前述したように、この層は、通常ＣＶＤまたはＰＶＤを用いて形成される。同一の（銅堆積）ＦＣＶＡ装置またはＴａ、ＴｉもしくはＷ（窒素とともに、および窒素なしで）をターゲット材料とする第２の専用のＦＣＶＡ装置のいずれかを使用すれば、ＦＣＶＡ技術を、既存のバリア層堆積プロセス（ＣＶＤまたはＰＶＤのいずれか）の代わりに使用することができる。
【００７７】
変調パルスバイアス信号源の代わりとして、バイアス信号モジュール３４０（図４参照）は、ＲＦ発生器を含んでもよい。その場合、バイアス信号はＲＦ変調される。ＲＦバイアス信号モジュール３４０は、さらに、堆積プログラムのデータベースおよびマッチングネットワークに結合した処理装置を備える。ＲＦデータベース内のプログラムは、例えばＲＦ電力設定および必要な全堆積時間などのＲＦ動作に必要なパラメータに相当する。ＲＦ発生器は、ＰＬＣを含み、処理装置は、必要なパラメータ設定をＰＬＣに送る。信号は、これらのパラメータ設定に従ってＲＦ発生器により生成され、その出力がマッチングネットワーク経由で基板に印加される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】銅成膜の従来プロセスを示す図である。
【図１Ｂ】バイアの充填に適用した場合の図１Ａのプロセスの各段階を示す図である。
【図２Ａ】従来のマグネトロンスパッタリングから得られる堆積パターンを示す図である。
【図２Ｂ】従来のイオン利用スパッタリングから得られる堆積パターンを示す図である。
【図３】フィルタリングされたプラズマビームを生成するＦＣＶＡ気相堆積装置を示す図である。
【図４】本発明による適応ＦＣＶＡ気相堆積装置を示す図である。
【図５】パルス変調バイアス信号を生成するバイアス信号モジュールのコンポーネントを示す図である。
【図６】ピーク電圧一定のＤＣパルスパターンを示す図である。
【図７Ａ】本発明による堆積プログラムに対応する変調パターンを示す図である。
【図７Ｂ】本発明による堆積プログラムに対応する変調パターンを示す図である。
【図７Ｃ】本発明による堆積プログラムに対応する変調パターンを示す図である。
【図８】フローティングバイアスのみによる、高アスペクト比バイアにおける銅の堆積の時間変化を示す図である。
【図９】本発明による１８０ボルトの基板バイアスの効果を示す図である。
【図１０】本発明による２２０ボルトの基板バイアスの効果を示す図である。
【図１１Ａ】第１パルス変調バイアス信号を用いた側壁シード層コーティングの形成を示す図である。
【図１１Ｂ】第２パルス変調バイアス信号を用いたトレンチの充填を示す図である。
【図１２】非コリメートコイル構成における磁力線の方向を示す図である。
【図１３】「シャドーイング」の証拠を示す不均一に充填されたバイアを示す図である。
【図１４】コリメートコイル構成における磁力線の方向を示す図である。
【図１５】図１４のコリメートコイル構成を用いて均一に充填されたバイアを示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第１部分に導電性領域を形成する方法であって、
パルス変調電気バイアス信号を生成する工程と、
前記基板の近くに前記バイアス信号を印加する工程と、
前記第１部分を前記バイアス信号の影響下で実質的に完全に電離した金属イオンのフィルタリングされたビームに露出させる工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記金属イオンは、銅イオンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記銅イオンの平均電離度は、約＋２．５ｅであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パルス変調電気バイアス信号は、２０〜２００ｋＨｚの範囲の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パルス変調電気バイアス信号は、５０〜１００ｋＨｚの範囲の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記パルス変調電気バイアス信号は、５０ｋＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パルス変調電気バイアス信号は、２０〜９５パーセントの範囲のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記パルス変調電気バイアス信号は、７０〜９０パーセントの範囲のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パルス変調電気バイアス信号は、８５パーセントのデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記パルス変調電気バイアス信号は、５０Ｖより大きいピーク電圧を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記パルス変調電気バイアス信号は、１２０Ｖ以上のピーク電圧を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記パルス変調電気バイアス信号は、２２０Ｖ以上のピーク電圧を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パルス変調電気バイアス信号は、接地レベルから３００Ｖまでの範囲の電圧を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記パルス変調電気バイアス信号は、１００Ｖ〜３００Ｖまでの範囲の電圧を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記バイアス信号を生成する工程は、
設定可能な信号特性を有する信号発生器を提供する工程と、
信号発生器を設ける工程と、
堆積プログラムに従って前記信号特性を設定する工程と
を含み、
前記信号特性は、周波数、デューティサイクル、ピーク電圧および堆積時間を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記バイアス信号を生成する工程は、
複数の堆積プログラムが格納された堆積プログラムストアを提供する工程と、
前記導電性領域を形成するために必要なプログラムを前記堆積プログラムから決定する工程と、
前記プログラムストアから前記予め決定された堆積プログラムにアクセスする工程と、
前記予め決定された堆積プログラムに従って前記信号特性を設定する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記堆積プログラムは、フィードバックループによって形成され、前記フィードバックループは、堆積ステータス情報を前記バイアス信号発生器にフィードバックすることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
再スパッタリングにより過剰な銅を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
プラズマを平行にしてプラズマが前記基板の面に実質的に直交する方向で前記基板に衝突させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
基板の第１部分に導電性領域を形成する方法であって、
陰極ターゲットから正に帯電した金属イオンを含む実質的に純粋なプラズマビームを生成する工程と、
第１平面内で２０°以上の角度を有する第１湾曲部および第２平面内で２０°以上の角度を有する第２湾曲部を有するプラズマダクトを通して前記基板へ向けて前記ビームを通過させて、前記ビームから不要な粒子をフィルタリングする工程と、
パルス変調電気バイアスの下で前記フィルタリングされたビームに前記基板の前記第１部分を露出させる工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
基板の第１部分に導電性領域を形成する装置であって、
陰極ターゲットから正に帯電したイオンを含むプラズマビームを生成するプラズマ発生器と、
内部を通過する見通し線および単一の戻り経路を持たない２つの湾曲部を有すると共に、前記イオンビームから不要な粒子をフィルタリングするフィルタダクトと、
前記ダクトを通って前記基板上へ前記プラズマビームを制御するビーム制御機構と、
パルス変調電気バイアスを前記フィルタリングされたプラズマビームに印加するビームバイアス機構と
を有することを特徴とする装置。
【請求項２２】
前記基板を前記フィルタリングされたプラズマビーム中に保持する基板ホルダをさらに備え、
前記バイアス機構は、陽イオンの堆積により前記基板に生じる静電荷を逃がすと共に、入射イオンのエネルギが所定エネルギ範囲内に確実に入るように動作することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ターゲットは、銅からなり、
前記基板の前記第１部分に銅の層を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
真空チャンバをさらに有し、
前記プラズマ発生器は、前記チャンバ内に配置されて、使用時に前記ターゲットにてアークを生成し、故に正に帯電したイオンを含むプラズマビームを生成し、
前記ターゲットから離れたところにある基板と、
前記ターゲットから前記ダクトを通って前記基板へ陽イオンを移動させる手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記ビーム制御機構は、前記プラズマダクトの少なくとも一部を包囲する磁気コイル構成を含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２６】
前記ダクトは、非磁性の取り外し可能なバッファライナで裏打ちされていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２７】
前記ビーム制御機構は、ライナバイアス機構を含み、故に電気バイアスが前記ライナに印加され、前記ライナバイアスは１０Ｖ〜５０Ｖの範囲内で変調されていることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記ダクトの前記２つの湾曲部は、第１平面内の第１湾曲部および第２平面内の第２湾曲部を備え、前記第１および第２平面は異なることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１平面と第２平面の間に少なくとも２０度の角度があることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記プラズマビームからのマクロ粒子の除去に実質的に適した二重湾曲トロイダルダクトを含むフィルタパスを備えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３１】
前記バイアス機構は、処理装置およびパルス発生器モジュールを備え、
前記パルス発生器モジュールは、前記パルス変調電気バイアスを前記処理装置の制御下で生成することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３２】
前記パルス発生器モジュールは、プログラマブルロジック装置、電源およびスイッチング回路を含み、前記スイッチング回路は、前記プログラマブルロジック装置によって制御され、
前記電源の出力は、前記スイッチング回路経由で前記基板に結合され、
前記プログラマブルロジック装置は、前記電源および前記スイッチング回路の両方の動作を制御することを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
金属堆積を制御する装置であって、複数の電磁コイルおよびコイル制御装置を備え、
前記電磁コイルは、使用時に、正に帯電した金属イオンを含むプラズマビームを基板へ導き、
前記コイル制御装置は、前記コイルに流れる電流を制御して前記プラズマビームを平行にして、前記プラズマビームを前記基板の面に実質的に直交する方向で前記基板に確実に衝突させることを特徴とする装置。
【請求項３４】
変調パルス電気バイアスをフィルタリングされたプラズマビームに印加するビームバイアス機構であって、
変調パルスバイアス信号を生成する発生器モジュールと、
所定変調に対応するコマンドを前記発生器モジュールに供給する処理装置と、
を備え、
前記発生器モジュールは、ＤＣバイアス信号を生成し、前記ＤＣ信号を、パルスＤＣ信号を生成するためにスイッチングし、前記パルスＤＣ信号に所定変調をかけて変調パルス電気バイアスを生成し、
前記処理装置は、前記パルスＤＣ信号にかけるべき変調を選択し、前記変調を行う順番を決定することによって、前記発生器モジュールの動作を制御し、故に、前記バイアス機構は、前記プラズマビーム内に所定の集団的挙動を誘導することを特徴とするビームバイアス機構。
【請求項３５】
前記発生器モジュールは、プログラマブルロジック装置、電源およびスイッチング回路を含み、前記電源および前記スイッチング回路は、両方とも前記プログラマブルロジック装置によって制御され、前記電源の出力は、前記スイッチング回路経由で基板に結合され、前記処理装置は、前記プログラマブルロジック装置の動作を制御し、故に前記パルスバイアス信号にかけられる変調を制御することを特徴とする請求項３４に記載のビームバイアス機構。
【請求項１】
基板の第１部分に導電性領域を形成する方法であって、
パルス変調電気バイアス信号を生成する工程と、
前記基板の近くに前記バイアス信号を印加する工程と、
前記第１部分を前記バイアス信号の影響下で実質的に完全に電離した金属イオンのフィルタリングされたビームに露出させる工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記金属イオンは、銅イオンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記銅イオンの平均電離度は、約＋２．５ｅであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パルス変調電気バイアス信号は、２０〜２００ｋＨｚの範囲の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パルス変調電気バイアス信号は、５０〜１００ｋＨｚの範囲の周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記パルス変調電気バイアス信号は、５０ｋＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パルス変調電気バイアス信号は、２０〜９５パーセントの範囲のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記パルス変調電気バイアス信号は、７０〜９０パーセントの範囲のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パルス変調電気バイアス信号は、８５パーセントのデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記パルス変調電気バイアス信号は、５０Ｖより大きいピーク電圧を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記パルス変調電気バイアス信号は、１２０Ｖ以上のピーク電圧を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記パルス変調電気バイアス信号は、２２０Ｖ以上のピーク電圧を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パルス変調電気バイアス信号は、接地レベルから３００Ｖまでの範囲の電圧を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記パルス変調電気バイアス信号は、１００Ｖ〜３００Ｖまでの範囲の電圧を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記バイアス信号を生成する工程は、
設定可能な信号特性を有する信号発生器を提供する工程と、
信号発生器を設ける工程と、
堆積プログラムに従って前記信号特性を設定する工程と
を含み、
前記信号特性は、周波数、デューティサイクル、ピーク電圧および堆積時間を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記バイアス信号を生成する工程は、
複数の堆積プログラムが格納された堆積プログラムストアを提供する工程と、
前記導電性領域を形成するために必要なプログラムを前記堆積プログラムから決定する工程と、
前記プログラムストアから前記予め決定された堆積プログラムにアクセスする工程と、
前記予め決定された堆積プログラムに従って前記信号特性を設定する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記堆積プログラムは、フィードバックループによって形成され、前記フィードバックループは、堆積ステータス情報を前記バイアス信号発生器にフィードバックすることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
再スパッタリングにより過剰な銅を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
プラズマを平行にしてプラズマが前記基板の面に実質的に直交する方向で前記基板に衝突させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
基板の第１部分に導電性領域を形成する方法であって、
陰極ターゲットから正に帯電した金属イオンを含む実質的に純粋なプラズマビームを生成する工程と、
第１平面内で２０°以上の角度を有する第１湾曲部および第２平面内で２０°以上の角度を有する第２湾曲部を有するプラズマダクトを通して前記基板へ向けて前記ビームを通過させて、前記ビームから不要な粒子をフィルタリングする工程と、
パルス変調電気バイアスの下で前記フィルタリングされたビームに前記基板の前記第１部分を露出させる工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
基板の第１部分に導電性領域を形成する装置であって、
陰極ターゲットから正に帯電したイオンを含むプラズマビームを生成するプラズマ発生器と、
内部を通過する見通し線および単一の戻り経路を持たない２つの湾曲部を有すると共に、前記イオンビームから不要な粒子をフィルタリングするフィルタダクトと、
前記ダクトを通って前記基板上へ前記プラズマビームを制御するビーム制御機構と、
パルス変調電気バイアスを前記フィルタリングされたプラズマビームに印加するビームバイアス機構と
を有することを特徴とする装置。
【請求項２２】
前記基板を前記フィルタリングされたプラズマビーム中に保持する基板ホルダをさらに備え、
前記バイアス機構は、陽イオンの堆積により前記基板に生じる静電荷を逃がすと共に、入射イオンのエネルギが所定エネルギ範囲内に確実に入るように動作することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ターゲットは、銅からなり、
前記基板の前記第１部分に銅の層を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
真空チャンバをさらに有し、
前記プラズマ発生器は、前記チャンバ内に配置されて、使用時に前記ターゲットにてアークを生成し、故に正に帯電したイオンを含むプラズマビームを生成し、
前記ターゲットから離れたところにある基板と、
前記ターゲットから前記ダクトを通って前記基板へ陽イオンを移動させる手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記ビーム制御機構は、前記プラズマダクトの少なくとも一部を包囲する磁気コイル構成を含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２６】
前記ダクトは、非磁性の取り外し可能なバッファライナで裏打ちされていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２７】
前記ビーム制御機構は、ライナバイアス機構を含み、故に電気バイアスが前記ライナに印加され、前記ライナバイアスは１０Ｖ〜５０Ｖの範囲内で変調されていることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記ダクトの前記２つの湾曲部は、第１平面内の第１湾曲部および第２平面内の第２湾曲部を備え、前記第１および第２平面は異なることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１平面と第２平面の間に少なくとも２０度の角度があることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記プラズマビームからのマクロ粒子の除去に実質的に適した二重湾曲トロイダルダクトを含むフィルタパスを備えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３１】
前記バイアス機構は、処理装置およびパルス発生器モジュールを備え、
前記パルス発生器モジュールは、前記パルス変調電気バイアスを前記処理装置の制御下で生成することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３２】
前記パルス発生器モジュールは、プログラマブルロジック装置、電源およびスイッチング回路を含み、前記スイッチング回路は、前記プログラマブルロジック装置によって制御され、
前記電源の出力は、前記スイッチング回路経由で前記基板に結合され、
前記プログラマブルロジック装置は、前記電源および前記スイッチング回路の両方の動作を制御することを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
金属堆積を制御する装置であって、複数の電磁コイルおよびコイル制御装置を備え、
前記電磁コイルは、使用時に、正に帯電した金属イオンを含むプラズマビームを基板へ導き、
前記コイル制御装置は、前記コイルに流れる電流を制御して前記プラズマビームを平行にして、前記プラズマビームを前記基板の面に実質的に直交する方向で前記基板に確実に衝突させることを特徴とする装置。
【請求項３４】
変調パルス電気バイアスをフィルタリングされたプラズマビームに印加するビームバイアス機構であって、
変調パルスバイアス信号を生成する発生器モジュールと、
所定変調に対応するコマンドを前記発生器モジュールに供給する処理装置と、
を備え、
前記発生器モジュールは、ＤＣバイアス信号を生成し、前記ＤＣ信号を、パルスＤＣ信号を生成するためにスイッチングし、前記パルスＤＣ信号に所定変調をかけて変調パルス電気バイアスを生成し、
前記処理装置は、前記パルスＤＣ信号にかけるべき変調を選択し、前記変調を行う順番を決定することによって、前記発生器モジュールの動作を制御し、故に、前記バイアス機構は、前記プラズマビーム内に所定の集団的挙動を誘導することを特徴とするビームバイアス機構。
【請求項３５】
前記発生器モジュールは、プログラマブルロジック装置、電源およびスイッチング回路を含み、前記電源および前記スイッチング回路は、両方とも前記プログラマブルロジック装置によって制御され、前記電源の出力は、前記スイッチング回路経由で基板に結合され、前記処理装置は、前記プログラマブルロジック装置の動作を制御し、故に前記パルスバイアス信号にかけられる変調を制御することを特徴とする請求項３４に記載のビームバイアス機構。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−９５２０５（Ｐ２００８−９５２０５Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２９９２１（Ｐ２００７−３２９９２１）
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【分割の表示】特願２００４−３６１９（Ｐ２００４−３６１９）の分割
【原出願日】平成１６年１月９日（２００４．１．９）
【出願人】（５０４０１３２１４）ナノフィルム テクノロジーズ インターナショナル ピーティーイー リミテッド (6)
【氏名又は名称原語表記】ＮＡＮＯＦＩＬＭ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＰＴＥ ＬＴＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【分割の表示】特願２００４−３６１９（Ｐ２００４−３６１９）の分割
【原出願日】平成１６年１月９日（２００４．１．９）
【出願人】（５０４０１３２１４）ナノフィルム テクノロジーズ インターナショナル ピーティーイー リミテッド (6)
【氏名又は名称原語表記】ＮＡＮＯＦＩＬＭ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＰＴＥ ＬＴＤ
【Ｆターム（参考）】
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