JPH0681144A - パッセージを充てんする方法および装置 - Google Patents

パッセージを充てんする方法および装置

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JPH0681144A
JPH0681144A JP5044437A JP4443793A JPH0681144A JP H0681144 A JPH0681144 A JP H0681144A JP 5044437 A JP5044437 A JP 5044437A JP 4443793 A JP4443793 A JP 4443793A JP H0681144 A JPH0681144 A JP H0681144A
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Henry J Grabarz
ヘンリー・ジョン・グラバーツ
Grill Alfred
アルフレッド・グリル
William M Holber
ウィリアム・マーティン・ホルバー
Joseph S Logan
ジョセフ・スキナー・ローガン
James T C Yeh
ジェイムス・ティエン−チェン・ヤー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気したチャンバを通じて所定の軸方向にマ
イクロ波エネルギーを直接送出して励起電子を発生させ
るための電子サイクロトロン共鳴プラズマ加熱装置シス
テムおよび方法を提供する。 【構成】 発生した励起電子は、ソレノイド１９によっ
て形成された磁界の磁界線の周りを螺旋状に、そして前
記軸に実質的に平行に周回する。金属原子蒸気源１８は
金属原子蒸気を、チャンバ１３の壁に設けたハウジング
の開口を通じてチャンバ内に送出する。ハウジング１７
に設けた金属原子蒸気源の位置は、基板２１を見通すこ
とができない位置となっている。金属原子は励起電子に
よってイオン化され、イオン化した金属原子はプラズマ
・コラム３２内に閉じ込められて、中性原子の影響をほ
とんど受けることなく、チャンバ内の基板に近づき、接
触する。そのため、イオン化した金属原子は実質的にチ
ャンバの壁に接触することがない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ・エレクトロ
ニクス回路が構成された半導体基板の金属メッキのため
の方法および装置に関するものである。特に本発明は、
半導体基板に予め形成されたアスペクト比の大きいパッ
セージ（ｐａｓｓａｇｅ）即ち穴を、電子サイクロトロ
ン共鳴（ＥＣＲ）加熱プラズマを用いて充てんする方法
および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、絶縁膜の上面や、配線層の間に金
属導電体パターンを形成する場合、蒸着や、マグネトロ
ン・スパッタリング、あるいはイオン注入などの方法を
用いて、集積回路ウェハ（通常、シリコンあるいはドー
ピングしたシリコンにより作製する）に金属フィルムを
堆積させている。そして絶縁膜はリフトオフ法あるいは
サブトラクティブ・エッチング法によってパターン化し
ている。ところで、金属配線パターンの密度が高くなる
に従って、配線パターンおよびバイア・パターンの両方
に関して、垂直方向に金属パターンを形成することが必
要となってきている。このような金属パターンを生成す
る１つの方法として、絶縁膜に垂直接続（バイア）パタ
ーンあるいは金属配線パターンをプリエッチングし、そ
の後、金属膜を堆積させ、そして凸部の金属を取り除く
ため、機械的研磨などの選択的除去プロセスを実施して
エッチング・パターン内の金属のみを残す（“Ｄａｍａ
ｓｃｅｎｅ”プロセス）という方法がある。
【０００３】この方法の１つの問題は、金属膜のアスペ
クト比（幅に対する深さの比率）が１．０に近づくかあ
るいは１．０を越えると、ボイドの発生無しに金属膜を
堆積させることが困難になるという点にある。ボイドが
発生しないようにするためには、金属膜の堆積において
高い方向性（基板面に対して直角）が必要である。蒸着
法でもある程度平行化した金属の蒸気流を生成すること
はできるが、通常充分ではなく、蒸気流の広がりのため
にエッジ部のわずかな影でボイドが生じてしまう。発生
するボイドの程度は、ボイドの位置がプレーナ基板上
で、蒸発装置の主軸（通常、蒸気源からの線に垂直）か
ら離れるほど大きくなる。投射距離を非常に長くするこ
とによってズレを小さくし、ボイドの発生を抑えること
は可能であるが、その場合には、堆積速度が低下するこ
とになる。マグネトロンなどのスパッタリング源を用い
た場合には、金属蒸気は極めて拡散したものとなるの
で、パターンの底部を、上部や側部と同じ速度で被覆す
ることはできず、開口部を塞いでしまう結果となる。
【０００４】米国特許第４，９１５，８０６号明細書
（Ｌａｒｄｏｎほか）には、蒸着法をスパッタリングと
いかに組み合せて、アスペクト比の大きい微細な空洞を
充てんするかについて記述されている。それによると、
電子ビームを磁気的に蒸発坩堝内に偏向させることによ
り、粒子ビームを生成するための粒子源を構成する。金
属粒子ビーム源の幅および投射距離は、粒子源が成す角
度が、充てんすべきすべての微細空洞から見て１０度以
下となるように選定する。ビームの散乱を防止するた
め、処理は真空中で行い、ビーム内粒子の平均自由距離
は、最小値が、粒子源から基板までの距離の３分の１と
なるようにする。最初の蒸着に続いて、アルゴンガスを
チャンバ内に入れ、基板とチャンバとの間に電圧を印加
する。その結果、部分スパッタリングにより、堆積金属
が微細空洞内でより均一に再分布され、ボイドが低減す
る。
【０００５】米国特許第４，９２５，５４２号明細書に
は、プラズマ・タイプの金属メッキ装置について記述さ
れており、その装置によって、チャンバ内の基板の領域
で、基板に入射する前にプラズマの長手方向の移動速度
を増すことができる。金属イオンは、磁界の方向に対し
て平行な速度成分と垂直な速度成分とを有し、基板に向
かって螺線状に進む。そして、長手方向の速度成分を選
択的に増加させることによって、従来のスパッタリング
技術の場合より平行化された金属源を得ている。
【０００６】上記米国特許（第４，９２５，５４２号）
では、電子サイクロトロン共鳴技術を用いてプラズマを
発生させている。金属源はチャンバ内で基板と対向させ
て配置する。チャンバ内に磁界を生成し、そしてマイク
ロ波によるエネルギー源を設置する。磁界強度と、電子
の周波数との関係は（１）式によって表される。
【数１】 ｆ＝（ｅ）（Ｂ）／［（２π）（ｍ）］ （１） ここで、 ｆ＝電子の周波数 Ｂ＝磁場強度（テスラ） ｅ＝電子の負荷 ｍ＝電子の質量 電磁エネルギーの周波数が電子の周波数に等しい場合に
は（共鳴）、共鳴放射エネルギーにより電子の温度が上
昇する。そして温度が上昇した電子は、チャンバ内の金
属原子をイオン化するためのエネルギーを供給し、プラ
ズマを発生させる。上記米国特許（第４，９２５，５４
２号）の場合、共鳴ゾーンは金属源に非常に近い場所に
位置している。
【０００７】上記米国特許（第４，９２５，５４２号）
にはまた、スパッタ源と基板との間に配置したグランド
・スクリーンについて記述されている。このグランド・
スクリーンにより、プラズマ電圧に影響を与えることな
く基板電圧を高めることができ、その結果、スクリーン
と基板との間に電界を生成することができる。この電界
によって、プラズマ・イオンのエネルギーが増し、長手
方向の速度を所望のレベルに高めることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】化学的蒸着法（ＣＶ
Ｄ）やプラズマ励起化学的蒸着法（ＰＥＣＶＤ）では、
合理的な堆積速度および低い抵抗値を得るためには、よ
り高い基板温度が必要であり、そのため有機絶縁材料に
は適用できないか、または製造プロセスとして経済的に
魅力的でない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、電子サイクロ
トロン共鳴プラズマ加熱タイプの金属メッキ装置を用い
て半導体基板に形成されたパッセージを充てんするため
の方法および装置である。この装置はチャンバを有し、
チャンバは所定の軸を備え、またチャンバの周りにはソ
レノイドが設けられている。ソレノイドは上記軸にほぼ
平行な磁界を生成する。金属原子は、基板を見通せない
位置に配置された金属原子源からチャンバ内に送出され
る。マイクロ波エネルギーは上記軸の方向に送出され、
磁界線の周りを螺旋状に周回する励起電子を発生する。
励起電子は金属原子をイオン化し、プラズマを形成す
る。イオン化した金属原子はほぼプラズマ内に閉じ込め
られ、基板付近の中性金属原子の影響をほとんど受けな
い。バイアス電圧によってプラズマは、チャンバ内を、
ソレノイドの磁界線に沿った軸方向に、基板に向かって
移動する。金属原子源の一例は、基板を見通せない位置
に配置された金属蒸気源である。
【００１０】基板に合金を堆積させるために、第２の金
属原子源を付加することもできる。例えば、基板面に第
２の金属のスパッタ・ターゲットを配置し、バイアス電
圧を印加する。第２の金属の原子は、プラズマによって
飛び出してイオン化し、基板上に第１の金属イオンと共
に堆積する。
【００１１】
【実施例】次に本発明の方法および電子サイクロトロン
共鳴プラズマ加熱装置の一例について説明する。
【００１２】まず構成について説明する。図１に電子サ
イクロトロン共鳴プラズマ加熱装置１０の断面図を示
す。装置１０内の主要な構造体はシリンダ状の真空チャ
ンバ１３である。真空チャンバ１３は超高真空ステンレ
ス・スチールによって形成されており、２×１０-7ｍｍ
Ｈｇ以下の圧力に耐えることができる。真空チャンバ１
３は排気口１５を有し、そこを通じてガスを排出する。
実際の装置は、所定の構造を有する、チャンバに対する
アクセスを可能とする収納部材や他の一般的な構成部材
をもちろん含んでいるが、それらの部材については、そ
の使い方と共に当業者には良く知られているので、図で
は省略した。
【００１３】マイクロ波エネルギーは、チャンバの一端
にあるマイクロ波エネルギー導波ホーン１２を通じて真
空チャンバ１３内に導かれる。導波ホーン１２にはマイ
クロ波導波曲管３１が接続されている。導波曲管３１に
は水晶真空窓３０が接続されている。真空チャンバ１
３、導波ホーン１２、導波曲管３１、ならびに水晶真空
窓３０は、真空圧に耐える気密空洞を形成している。大
気圧に接する水晶真空窓３０の一方の側に、マイクロ波
導波路１１が水晶真空窓３０とマイクロ波エネルギー源
３４との間のパスを形成している。エネルギー源３４と
してはクライストロン発振器を用いることができる。こ
の実施例では、マイクロ波エネルギー源３４は２．４５
ＧＨｚで動作する。導波路１１、水晶真空窓３０、なら
びに導波曲管３１の断面はすべて通常どうり長方形であ
る。ホーン１２の断面は長方形から円形に変化する形状
となっている。しかし、断面が他の形のものを用いるこ
とももちろん可能である。
【００１４】基板支持管２５は、マイクロ波エネルギー
導波ホーン１２とは反対側のチャンバ１３の端部に固定
されている。支持管２５の端部には、ＤＣ電源２４、Ｄ
Ｃ電圧コントローラ２６、ならびに基板ホルダ１４が設
けられている。ＤＣ電源２４は基板２１にバイアス電圧
を供給する。このバイアス電圧はＤＣ電圧コントローラ
２６によって調整される。基板支持管２５は、冷却水管
と、基板２１にバイアス電圧を印加するための通常のＤ
Ｃ配線（図示せず）とを含んでいる。
【００１５】基板ホルダ１４は基板２１を、その処理に
必要な位置に保持する。基板ホルダ１４には静電気チャ
ックを用いることができ、それに基板２１を取り付け
る。基板は基板ホルダ１４の静電気によって、機械的な
固定具を用いることなく、チャックにクランプされる。
導電性のリング３３は柔軟性のある接触部材の列を有
し、それらは周辺部で基板の表面に接し、基板を支え
る。マイクロ波導波曲管３１が設けられているので、マ
イクロ波エネルギー源３４および基板２１の位置からそ
れぞれを直接見通すことはできない。
【００１６】この実施例では、基板２１は直径１２５ｍ
ｍのシリコン・ウェハである。このシリコン・ウェハは
通常そうであるように、その上に複合絶縁膜を有し、そ
してエッチング・パターンを有している。エッチング・
パターンには金属を堆積させ、その後選択的に除去する
ことになる。プロセスによって金属膜が成長する間、基
板ホルダ１４の接触部材は金属膜への接続を維持する。
【００１７】適当なＲＦ電源を用いて、バイアス電圧を
供給することも可能であり、その場合には、基板２１上
の金属膜に対してＤＣ的な接触を維持することは不要と
なる。
【００１８】ハウジング１７は、真空チャンバ１３の端
部で、導波ホーン１２に隣接する位置に、真空チャンバ
１３から張り出す形で配置されている。ハウジング１７
の開口部２０は真空チャンバ１３に接続されている。ハ
ウジング１７の壁は、真空チャンバ１３と同様、超高真
空ステンレス・スチールにより形成されている。そして
ハウジング１７は、真空チャンバ１３内の真空を維持す
るため、密閉されている。通常の金属蒸発装置１６は、
開口部２０から離れた、ハウジング１７の端部に配置さ
れている。金属蒸発装置１６では、以前から知られてい
る方法、例えば加熱フィラメント、電子銃、ＲＦ誘導な
どの中の１つを用いて金属を加熱することができる。こ
の実施例では、加熱フィラメントを用いる。金属蒸発装
置１６は真空チャンバ１３への開口を有しており、それ
が金属蒸気源１８となっている。金属原子蒸気はその蒸
気源を通じて導入される。蒸気の流れは図１では、円錐
形の金属原子蒸気のプルーム（柱）として示している。
金属原子蒸気のプルーム２３が成す立体角は開口２０の
直径、および金属蒸気源１８と開口２０との間の最短距
離（直角）によって決る。この立体角によって円錐プル
ーム２３のアスペクト比が決る。すなわち、立体角が大
きくなると、開口２０の直径と、金属蒸気源１８・開口
間の距離との比も大きくなる。
【００１９】真空チャンバ１３およびハウジング１７の
それぞれのサイズは、基板２１が、金属原子蒸気プルー
ム２３が成す立体角の外に位置するように決める。図１
では、チャンバの中心付近でプルーム２３が終焉するよ
うに示したが、プラズマはその位置で形成される。プル
ーム２３外の金属原子蒸気（図示せず）の中の少量はイ
オン化されない。中性原子はプルーム２３内（上記立体
角内）を移動し、チャンバ１３の壁に到達する。中性原
子の移動方向は金属蒸発装置とハウジング１７によって
決り、中性原子が基板に衝突することはない。すなわ
ち、金属蒸発源１８あるいは基板２１の位置からそれぞ
れを直接見通すことはできない。
【００２０】この実施例では、ハウジング１７の形状は
シリンダ形であり、円形の開口２０を有しているが、ハ
ウジング１７の形状は、金属蒸発源１８および基板２１
が互いに見通せないという上記制約を満たす限りどのよ
うな形状であってもよい。ハウジング１７の断面の形
は、金属蒸発装置１６の取り付けが容易であるようなも
のとすればよい。
【００２１】チャンバ１３の内部が真空であることによ
り、チャンバ内での金属原子蒸気とガスとのランダムな
衝突が少なくなり、その結果、中性金属原子のプルーム
２３外への散乱が少なくなる。従って本発明では、中性
金属蒸気原子が基板２１に衝突することが防止される。
【００２２】真空チャンバ１３および導波ホーン１２は
複数のソレノイド（磁気コイル）１９によって取り囲ま
れている。ソレノイド１９は、真空チャンバの長軸２７
に沿って磁界強度を変えるため、一つ一つ制御する。磁
界強度は、装置の長手方向のほとんどの部分、すなわち
水晶真空窓３０から基板２１に近い位置までの範囲で、
共鳴に必要な強度を越えている（本例では８７５ガウ
ス）。基板２１を越えた位置では、磁界強度は共鳴値を
下回る。
【００２３】次に動作を説明する。以下に説明するよう
に、本発明によってアスペクト比が２の場合まで極めて
良好に穴を充てんすることができ、さらにアスペクト比
が４であってもわずかな有孔率に止どめることができ
る。
【００２４】基板２１は基板ホルダ１４に取り付ける。
基板２１に堆積させるための金属を金属蒸発装置１６に
挿入する。装置１０のすべての部品を組み上げ、密閉し
て、空気を真空チャンバ１３より排出口１５を通じて排
出する。この段階で、真空チャンバ内の圧力は２×１０
-7ｍｍＨｇにまで下げる。金属化を始める前の空気圧を
ここまで下げるのは、後でガスが発生した際に圧力が５
×１０-6ｍｍＨｇにまで上昇する恐れがあるからであ
る。基板２１に衝突するイオンの入射角は、ランダムな
衝突によって低下する傾向があるので、ランダムな衝突
を減らすために圧力を下げることは重要である。
【００２５】金属蒸発装置１６を加熱して、充分な密度
の安定した金属原子の束を真空チャンバ１３内に供給
し、所望の堆積速度を維持する。この実施例では、金属
には銅を用い、蒸発速度は１〜２グラム／分とし、発生
した蒸気は、ソレノイド１９の軸２７にほぼ直角の方向
でチャンバ１３内に導入する。蒸気原子の初期温度は、
０．２電子ボルト（ｅＶ）に相当する値以下とする。
【００２６】金属原子蒸気プルーム２３が所望の速度に
到達すると、磁界（Ｂ）をかけ、そしてマイクロ波パワ
ーを導入する。磁界は長軸２７に関してほぼ対称であ
る。図２に、軸２７から半径距離１ｃｍだけ離れた位置
からの、磁界線に沿った磁界強度の変化を、軸上の位置
の関数として示す。他の半径距離における磁界強度プロ
フィールも、図には示していないが、同様である。この
実施例では、マイクロ波エネルギー源３４は２．４５Ｇ
Ｈｚで動作する。（１）式より、８７５ガウスの磁界に
より、電子を共鳴周波数である２．４５ＧＨｚに励起す
ることができる。
【００２７】この実施例のような磁界プロフィールを用
いることにより有利な結果が得れる。本発明では、磁界
強度は、概ね水晶真空窓３０から基板２１の直前の位置
までの範囲で共鳴値を上回る値に設定する。図２に示す
ように、磁界強度は導波ホーン１２の位置に対応する距
離において最大となる。磁界強度を、共鳴値を大きく上
回る値とすることによって、導波ホーン１２でのマイク
ロ波エネルギーの局部的な吸収を避けることができる。
【００２８】８７５ガウスの局部共鳴ゾーン（図２には
示さず）は、金属蒸気源１８の上で、かつ軸２７から半
径方向に１２〜１５ｃｍ離れた位置にくるようにする。
共鳴ゾーンをこのような位置とすることにより、プルー
ム２３内の金属原子を、それらが真空チャンバ１３の壁
に到達する前にイオン化することができる。共鳴ゾーン
では、導波ホーン１２から発出したマイクロ波エネルギ
ーが、チャンバ内の電子２２により高率に吸収される。
その結果、電子は励起し、磁界線の周りを螺旋状に、そ
して軸２７にほぼ平行に進む。励起した電子２２が中性
の原子に衝突すると、それらはイオン化され、所望のプ
ラズマが発生する。このプラズマは正の銅イオンおよび
自由電子から成り、それらは軸２７の周りを移動する。
プラズマは、基板付近の中性金属原子の影響をほとんど
受けず、真空チャンバ１３の壁と同心のシリンダ状領域
である主プラズマ・コラム３２内にほぼ閉じ込められ
る。基板２１に銅を堆積させるためには、銅イオンを基
板に向かって加速することが望ましい。これは、ＤＣ電
源２４より負のバイアス電圧を導入することにより行え
る。
【００２９】図２に示すような、２つの共鳴ゾーンを有
する磁界強度プロフィールを用いることにより、基板２
１において強い金属イオン電流が得られる。金属イオン
電流は主に正の金属イオンから成り、それらは軸２７に
平行な方向に大きな速度成分を有して、磁界線の周りを
螺旋状に旋回する。この実施例では、マイクロ波の電力
を１５００Ｗ、基板２１のバイアス電圧を−５０Ｖとし
て、３Ａ、すなわち１ｃｍ2 当り９ｍＡの金属イオン電
流が得られる。このイオン電流により、１分当り４００
０オングストロームもの金属堆積速度が得られた。
【００３０】金属蒸発源１８および基板２１の位置から
はそれぞれを互いに見通すことはできないので、中性原
子は概ね基板に到達することはない。金属イオンの速度
は基板のバイアス電圧を変えることによって容易に制御
でき、従って本発明では、粒子を基板２１に対してほぼ
直角に、あるいは必要に応じて異なる角度で入射させる
ことができる。この機能は、高アスペクト比の穴を充て
んするのに充分に応用でき、多段堆積プロセスに有効に
用いることができる。
【００３１】図３に、パターンが形成されていない基板
に対する銅の堆積速度が、基板２１のバイアス電圧の関
数としていかに変化するかを示す。非パターン化基板に
対する堆積速度は、約２３０Ｖでほぼ０になる。同時
に、高電圧において高アスペクト比の穴の底部への有意
な堆積が観察される。より低い電圧では、低アスペクト
比の穴に対してより多くの量の堆積が観察される。本発
明の他の特徴は、単一基板のメッキにおいて高バイアス
電圧による堆積段と低いバイアス電圧による堆積段とを
結合できるという点にある。
【００３２】図４〜図６に２段の堆積プロセスの結果を
示す。堆積プロセスの最初の段は高バイアス電圧で行
い、パッセージ（穴）の底部を充てんする。さらに、こ
のプロセス段では、加速されて基板に衝突するイオンに
より、パッセージの上部材料の一部がスパッタ・エッチ
ングされる。この部分再スパッタリングにより、側部の
成長が低減し、金属膜の堆積の際に穴が閉じることが防
止される。第２のプロセス段は低いバイアス電圧（−１
００Ｖ）で行って、低アスペクト比の穴の充てんを完了
し、そして高アスペクト比の穴の上部を充てんする。そ
の際、高アスペクト比の穴は、底部が充てんされている
ので実際のアスペクト比は低下している。図４〜図６の
構造体を充てんする場合の条件は以下のようにする。す
なわち、まず−２３０Ｖのバイアス電圧を１０分間印加
し、次に−１００Ｖを７分間印加する。マイクロ波電力
は一定で１．５ｋＷとする。−２３０Ｖの期間で、基板
および基板ホルダにおける金属イオン電流として２．９
Ａが得られ、−１００Ｖの期間で２．７６Ａが得られ
る。図４〜図６からから分かるように、アスペクト比
１．４６（図４）および１．９５（図５）の場合に良好
な充てん結果が得られており、またアスペクト比４．２
（図６）の場合でも有孔率はごく低いものとなってい
る。これらの研磨した穴の断面は、低密度の領域、すな
わち穴の部分を明瞭に示すため、酸による弱いエッチン
グを施してある。
【００３３】図７に本発明の第２の実施例を示す。この
第２の実施例は以下の点で第１の実施例と異なってい
る。金属原子蒸気プルーム２３ａが成す立体角を小さく
するため、真空チャンバ１３ａ内に張り出す隔壁１０３
を設けている。この隔壁によって蒸気プルーム２３ａ内
の原子は、マイクロ波エネルギーが最もよく吸収される
共鳴領域へと導かれる。そしてこの隔壁が、金属蒸気源
１８ａと基板２１ａとの間で見通しが利かないようにす
る手段となっている。この隔壁のサイズは、導波ホーン
１０２と基板２１ａとの間の主プラズマ・コラム３２ａ
の妨げとなることがないように決める。
【００３４】第２の実施例では、マイクロ波導波ホーン
１２は、断面が長方形から正方形に変化する形のものと
なっている。導波ホーン１２の断面が正方形であること
によって生成されるマイクロ波エネルギー場に対応する
ため、図２とは若干異なる磁界プロフィールを用いてい
る。図８に第２の実施例の装置で用いる磁界プロフィー
ルのグラフを示す。図７の装置構成の場合、このような
プロフィールによって金属堆積がより均一になることが
実験的に分かった。第２の実施例では、図２のものとは
若干異なる磁界プロフィールを用いているが、一方、第
１の実施例の場合と同じ一般的な技術を用いて、導波ホ
ーン１０２内で、磁界強度が共鳴に必要な値を上回るよ
うにし、そして２つの共鳴ゾーンを設けている。第１の
共鳴ゾーンは金属原子蒸気プルーム２３ａ上に位置し、
第２の共鳴ゾーンは基板に近いところに位置している。
【００３５】第２の実施例の装置では、銅の堆積は若干
低い基板バイアス電圧で行うが、銅の蒸発速度およびマ
イクロ波の電力は同じであり、また第１の実施例の場合
と同様、２段階で処理を行う。第１のステップでは、−
２００ＶのＤＣバイアス電圧を２２分間印加し、その
後、−１００Ｖを８分間印加する。基板および基板ホル
ダにおける金属イオン電流は１．２４Ａとなる。図９〜
図１１にこのプロセスで充てんした穴の断面を示す。ア
スペクト比（ＡＲ）１．８（図９）および２．６（図１
０）の場合、充てんは良好に行われている。一方、アス
ペクト比３．０（図１１）の場合、小さいボイドが明か
に生じている。より大きいアスペクト比では、発生する
ボイドも大きくなる。
【００３６】図１２に本発明の第３の実施例を示す。図
１２の装置は図１および図２に示した装置と同種のもの
であるが、金属原子源がスパッタ・ターゲット４４０で
あるという点で異なっている。スパッタ・ターゲット４
４０は金属のリングであって、基板とほぼ同一の面に配
置されており、従ってその正面は基板４２１の方向には
向いていない。スパッタ・ターゲットの位置から基板を
見通すことはできず、またスパッタ・ターゲットと基板
との間に磁界結合はない。この実施例では金属蒸発装置
は用いない。
【００３７】本実施例において、プラズマを発生させる
ために、まず排気口４１５を通じてチャンバにアルゴン
などの不活性ガスを満たす。そしてバイアス電圧をター
ゲット４４０と基板４２１の両方に印加する。スパッタ
・ターゲット４４０には、支持管（図示せず）内のリー
ド線（図示せず）を通じてＤＣ電圧を印加する。リード
線４４２に印加する電圧は、基板４２１に印加する電圧
とは独立に変化させる。ターゲット４４０に印加した電
圧がガスのイオン化エネルギーのレベルに達すると、ガ
スから電子が放出される。このプラズマからの自由電子
はターゲットに向かって加速され、ターゲット金属の結
合エネルギーに打ち勝つ。そして金属原子がプラズマ・
コラム４３２内に飛び散る。ターゲット金属のイオン化
は自立的にに維持されるので、アルゴンをプラズマ状態
に維持することはもはや不要となる。
【００３８】スパッタ・ターゲット４４０にプラズマが
衝突すると、ターゲット４４０から２次電子が飛び出
す。スパッタ・ターゲット４４０は基板４２１と同じ面
にあるため、それらは互いに見通せる位置にはなく、ま
たそれらの間に磁界結合はない。従って、ターゲット４
４０からの２次電子は基板４２１に直接飛び込まず、そ
して基板が電子によって加熱されることが避けられる。
基板から飛び出し、プラズマ４３２内の自由電子によっ
てイオン化した金属原子だけが基板に堆積する。ターゲ
ットの金属イオンの、磁界Ｂに平行な速度成分は、磁界
Ｂに直角の速度成分に比べて大きく、金属イオンは（プ
ラズマより）基板４２１に向う。
【００３９】図１３に、合金の堆積を行う本発明の第４
の実施例を示す。第４の実施例の装置および方法は図１
および図２のものと同種である。図１および図２の実施
例について説明したように図１３の実施例でも、基板１
２１を見通せない位置に配置した蒸気源１１８から発し
た第１の金属のイオンによりプラズマ１２３を形成す
る。そして、リング状の第２の金属から成るスパッタ・
ターゲット１４０（図１２のターゲット４４０と同種）
を、その正面が金属蒸気プラズマ１３２の方向に向くよ
うにして、基板１２１とほぼ同一の面上に配置する。
【００４０】支持管（図示せず）内のリード線（図示せ
ず）を通じてＤＣバイアス電圧をスパッタ・ターゲット
１４０に印加する。リード線１４２に印加する電圧は基
板１２１に印加する電圧とは独立に変化させる。金属蒸
気プラズマ１３２によってスパッタ・ターゲット１４０
より金属原子が飛び出し、その結果、プラズマ１３２は
蒸気源１１８からの第１の金属のイオンと、ターゲット
１４０からの第２の金属のイオンとを含むようになる。
金属の放出を維持するためにガスを追加する必要はな
い。
【００４１】スパッタ・ターゲット１４０に印加したバ
イアス電圧を変化させることによって、基板１２１に堆
積させる合金材料の組成を調整する。スパッタ・ターゲ
ット１４０の電圧は、第１の金属のイオンがスパッタ・
ターゲット１４０に飛び込まないようにするため、充分
に高い電圧とし、所望量の第１の金属の原子がプラズマ
内に飛び出すようにする。
【００４２】プラズマがスパッタ・ターゲット１４０に
衝突すると、ターゲット１４０から２次電子１４４が飛
び出す。スパッタ・ターゲット１４０は基板１２１と同
じ面にあるため、それらは互いに見通せる位置にはな
く、またそれらの間に磁界結合はない。従って、ターゲ
ット１４０からの２次電子は基板１２１に直接飛び込ま
ず、そして基板が電子によって加熱されることが避けら
れる。基板から飛び出し、プラズマ１３２内の自由電子
によってイオン化した金属原子だけが基板に堆積する。
第２金属のイオンの、磁界Ｂに平行な速度成分は、磁界
Ｂに直角の速度成分に比べて大きく、金属イオンは（プ
ラズマより）基板１２１に向う。
【００４３】第２の金属から成るスパッタ・ターゲット
１４０をそれ自身、合金とすることもでき、それによっ
て基板１２１に堆積させる膜のレンジを拡大することが
できる。
【００４４】図１３のように蒸発装置１１６とスパッタ
・ターゲット１４０とを用いることにより、金属蒸発装
置１１６を追加することなく、種類の異なる金属イオン
から成るプラズマを容易に形成することができる。この
方式は、第２の金属の濃度が低い場合に特に有効であ
る。
【００４５】図１４は図１３の実施例の変形例であり、
図７および図８に示した第２の実施例の装置を基本構成
として含み、そして、蒸気源２１８のハウジング２０３
がチャンバ２１３に取り付けてある。ハウジング２０３
はチャンバ２１３内に充分に延びた壁を有しており、そ
れによって金属原子蒸気源２１８から基板２２１を見通
せないようになっている。プラズマに第２の金属のイオ
ンを追加するために、基板２２１とほぼ同一の面に、バ
イアス電圧を印加したスパッタ・ターゲット２４０を設
ける。プラズマ２３２の組成、および基板２２１に堆積
させる材料の組成はターゲット２４０のバイアス電圧を
変えることによって調整する。
【００４６】図１５に本発明の第５の実施例を示す。こ
の実施例では、２つの異なる蒸発装置３１６ａ，３１６
ｂおよび金属蒸気源３１８ａ，３１８ｂによりプラズマ
３３２に２種類の金属イオンを付加する。２つの蒸気源
３１８ａ，３１８ｂは互いに近接して配置し、図１の蒸
気源１８と同様、基板３２１を見通せない位置とする。
プラズマ３３２は、蒸気源３１８ａ，３１８ｂの両方か
らの原子をイオン化することにより形成される。基板３
２１上に堆積する材料の組成は、各金属蒸気源３１８
ａ，３１８ｂの蒸発速度を変えることにより調整する。
この実施例では図１３および図１４の第４の実施例に比
べ、ハードウェアを追加する必要があるが、第２の金属
の濃度が高い場合（例えば３０〜５０％）には有利であ
る。一般に、図１３および図１４のスパッタリング技術
によって第２の金属の濃度を高めることは困難である。
【００４７】上記実施例を種々に変形することはもちろ
ん可能である。ここではアスペクト比の大きい穴に発明
を適用する場合を説明したが、必要なら通常のアスペク
ト比の穴やパッセージに本発明を適用することも可能で
あり、その場合には冗長な装置を排除できる。本発明に
もとづく方法および装置は、アルミイオン，銀イオンな
ど他の金属イオンの堆積に用いることもできる。ただ
し、その場合にはコストおよび性能を考慮し、評価する
必要がある。
【００４８】さらに、半導体基板の穴を充てんするとい
う観点で本発明の方法および装置について一般的に説明
したが、本発明はマイクロ・エレクトロニクス集積回路
の作製における１つの工程として用いることもできる。
例えば、まず集積回路を既知の方法により、基板上の所
定の位置に作製する。次に、上述した本発明の方法に従
って、上記所定の位置にある穴を金属により充てんす
る。その後、集積回路に対してさらに、後処理としての
既知のメッキ手順により処理を行う（このメッキ手順は
集積回路の技術分野では既知であるので、ここでは詳し
い説明は省略する）。
【００４９】以下に、本発明の実施態様を示す。 （１）電子サイクロトロン共鳴プラズマ加熱タイプの金
属メッキ装置であり、所定の軸を有するチャンバを備え
た金属メッキ装置を用いて、半導体基板に予め形成され
たパッセージを充てんする方法において、（ａ）金属原
子を、基板を見通せない位置にある金属原子源から前記
チャンバ内に送出するステップと、（ｂ）磁界線が前記
軸に対して対称である磁界を発生するステップと、
（ｃ）前記チャンバを通じて前記軸の方向にマイクロ波
エネルギーを送出して、前記磁界線の周りを螺旋状に旋
回する励起電子を発生するステップと、（ｄ）前記励起
電子によって前記金属原子をイオン化して、プラズマを
形成するステップと、（ｅ）前記プラズマを前記チャン
バ内で前記基板の方向に向かわせるステップと、を含む
ことを特徴とするパッセージ充てん方法。 （２）前記金属原子源は金属蒸気源であり、前記ステッ
プ（ａ）は、前記金属原子を金属蒸気の形で送出するス
テップを含むことを特徴とする（１）記載のパッセージ
充てん方法。 （３）前記ステップ（ａ）に先立ち、不活性ガスを付加
することなく、前記チャンバを排気するステップを含む
ことを特徴とする（２）記載のパッセージ充てん方法。 （４）前記金属蒸気源により送出された前記金属原子は
第１の金属の原子であり、そして第２の金属の原子を前
記プラズマに付加して、前記第２の金属の原子をイオン
化し、前記プラズマが第１および第２の金属イオンを含
むようにするステップをさらに含むことを特徴とする
（２）記載のパッセージ充てん方法。 （５）第２の金属の原子を付加する前記ステップは、前
記チャンバ内のスパッタ・ターゲットにバイアス電圧を
印加するステップと、前記バイアス電圧を変化させて前
記プラズマの組成を制御するステップとを含むことを特
徴とする（４）記載のパッセージ充てん方法。 （６）前記バイアス電圧を、前記スパッタ・ターゲット
に衝突する前記第１の金属のイオンを除去する最小電圧
以上の電圧に維持するステップをさらに含むことを特徴
とする（５）記載のパッセージ充てん方法。 （７）前記基板と反対側の前記チャンバの端部で、電子
サイクロトロン共鳴値より大きい磁界強度を設定するス
テップと、前記基板の近くで、電子共鳴値の磁界強度を
設定するステップとをさらに含むことを特徴とする
（４）記載のパッセージ充てん方法。 （８）第２の金属の原子を付加する前記ステップは、前
記原子を第２の金属蒸気源より送出するステップを含む
ことを特徴とする（４）記載のパッセージ充てん方法。 （９）ステップ（ｅ）は、前記金属イオンを前記プラズ
マ内に実質的に閉じ込め、前記金属イオンが前記チャン
バの壁に実質的に接触しないようにするステップを含む
ことを特徴とする（１）記載のパッセージ充てん方法。 （１０）マイクロ波エネルギーを送出する前記ステップ
はさらに、前記マイクロ波エネルギーを前記軸に対して
対称となるように分布させるステップを含むことを特徴
とする（１）記載のパッセージ充てん方法。 （１１）前記基板と反対側の前記チャンバの端部で、電
子サイクロトロン共鳴値より大きい磁界強度を設定する
ステップと、前記基板の近くで、電子共鳴値の磁界強度
を設定するステップをさらに含むことを特徴とする
（１）記載のパッセージ充てん方法。 （１２）前記金属原子源は、基板との間に磁界結合を有
さないスパッタ・ターゲットであり、ステップ（ａ）
は、前記スパッタ・ターゲットより原子を飛び出させる
ステップを含むことを特徴とする（１）記載のパッセー
ジ充てん方法。 （１３）半導体基板に予め形成されたパッセージを充て
んするための電子サイクロトロン共鳴プラズマ加熱タイ
プの金属メッキ装置において、長手方向の軸を有するチ
ャンバと、基板を見通せない位置から、金属原子を前記
チャンバ内に送出する金属原子源手段と、磁界線が前記
チャンバの軸に関して対称である磁界を発生する手段
と、前記軸の方向にマイクロ波エネルギーを送出して、
前記磁界線の周りを螺旋状に旋回する励起電子を発生
し、その励起電子によって前記チャンバ内で前記金属原
子をイオン化して、プラズマを形成する手段と、前記プ
ラズマを前記軸の方向で前記基板に向かわせる手段と、
を備えたことを特徴とする金属メッキ装置。 （１４）前記金属原子源手段は、金属蒸気源であること
を特徴とする（１３）記載の金属メッキ装置。 （１５）前記金属原子源手段のための、前記チャンバに
取り付けられたハウジングをさらに備え、前記ハウジン
グは、前記金属原子源手段の位置から前記基板を見通せ
ないようにするため、前記チャンバ内に充分に張り出し
た壁を有することを特徴とする（１４）記載の金属メッ
キ装置。 （１６）前記金属原子源手段のための、前記チャンバに
取り付けられたハウジングをさらに備え、前記ハウジン
グは、前記金属原子を運ぶための壁と前記チャンバ内に
開いた開口とを有し、前記開口は前記原子源手段に対し
て立体角を成し、前記基板は前記立体角の外に配置され
ていることを特徴とする（１４）記載の金属メッキ装
置。 （１７）前記金属原子源手段は、第１の金属の原子を送
出し、第２の金属の原子を前記プラズマ内に送出する手
段をさらに備え、前記第２の金属の原子をイオン化し、
前記プラズマが第１および第２の金属イオンを含むよう
にすることを特徴とする（１４）記載の金属メッキ装
置。 （１８）前記原子送出手段は、前記基板とほぼ同一の面
に配置したスパッタ・ターゲットを有することを特徴と
する（１７）記載の金属メッキ装置。 （１９）前記第２の金属は合金であることを特徴とする
（１８）記載の金属メッキ装置。 （２０）前記金属原子源手段のための、前記チャンバに
取り付けられたハウジングをさらに備え、前記ハウジン
グは、前記金属原子源手段の位置から前記基板を見通せ
ないようにするため、前記チャンバ内に充分に張り出し
た壁を有することをことを特徴とする（１７）記載の金
属メッキ装置。 （２１）前記第２の金属原子を前記チャンバ内に蒸気の
形で送出する金属蒸気源手段を備え、この蒸気源手段の
位置からは前記基板を見通せないことを特徴とする（１
７）記載の金属メッキ装置。 （２２）マイクロ波エネルギーを送出するための手段
は、前記軸に対して対称にマイクロ波エネルギーを分布
させることを特徴とする（１３）記載の金属メッキ装
置。 （２３）前記磁界発生手段は、（１）前記基板と反対側
の前記チャンバの端部で、電子共鳴を誘起するために必
要な値より大きい磁界強度を設定する手段と、（２）前
記基板の近くで、電子共鳴の磁界強度を設定する手段
と、を有することを特徴とする（１３）記載の金属メッ
キ装置。 （２４）前記金属原子源手段は、基板とほぼ同一の面に
配置したスパッタ・ターゲットを有し、前記スパッタ・
ターゲットは前記基板との間に磁界結合を有さないこと
を特徴とする（１３）記載の金属メッキ装置。
【００５０】
【発明の効果】本発明により、電子サイクロトロン共鳴
プラズマ加熱タイプの金属メッキ装置を用いて半導体基
板に形成されたパッセージを充てんするための方法およ
び装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にもとづく電子サイクロトロン共鳴プラ
ズマ加熱装置の一例を示す図である。
【図２】図１に示した装置の長軸方向における磁界強度
のプロフィールを示すグラフである。
【図３】図１の装置における銅堆積速度の変化を基板バ
イアス電圧の関数として示すグラフである。
【図４】図１の装置を用いて銅により充てんした基板パ
ッセージの断面を示す顕微鏡写真である。
【図５】図１の装置を用いて銅により充てんした基板パ
ッセージの断面を示す顕微鏡写真である。
【図６】図１の装置を用いて銅により充てんした基板パ
ッセージの断面を示す顕微鏡写真である。
【図７】本発明にもとづく電子サイクロトロン共鳴プラ
ズマ加熱装置の他の例を示す図である。
【図８】図７の実施例で用いた装置の長軸方向における
磁界強度のプロフィールを示すグラフである。
【図９】図７に示した本発明の他の実施例を用いて銅に
より充てんした基板パッセージの断面を示す顕微鏡写真
である。
【図１０】図７に示した本発明の他の実施例を用いて銅
により充てんした基板パッセージの断面を示す顕微鏡写
真である。
【図１１】図７に示した本発明の他の実施例を用いて銅
により充てんした基板パッセージの断面を示す顕微鏡写
真である。
【図１２】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 電子サイクロトロン共鳴プラズマ加熱装置 １１ 導波路 １２ 導波ホーン １３ 真空チャンバ １４ 基板ホルダ １６ 金属蒸発装置 １７ ハウジング １９ ソレノイド ２４ 基板 ２５ 基板支持管 ２６ 電圧コントローラ ３０ 水晶真空窓 ３１ 導波曲管 ３４ マイクロ波エネルギー源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフレッド・グリル アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ホワイ ト プレイン ズ オーバールック ロー ド 85 (72)発明者 ウィリアム・マーティン・ホルバー アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ニュー ヨーク エイ ピーティー ９シー ウェ スト ナインティエイス ス トリート 255 (72)発明者 ジョセフ・スキナー・ローガン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ポウキ ープシ ハイ ポイント ドライブ 14 (72)発明者 ジェイムス・ティエン−チェン・ヤー アメリカ合衆国 ニューヨーク州 カトナ ー アールデ ィー ２ ベロニカ プレ イス（番地なし)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子サイクロトロン共鳴プラズマ加熱タイ
    プの金属メッキ装置であり、所定の軸を有するチャンバ
    を備えた金属メッキ装置を用いて、半導体基板に予め形
    成されたパッセージを充てんする方法において、 （ａ）金属原子を、基板を見通せない位置にある金属原
    子源から前記チャンバ内に送出するステップと、 （ｂ）磁界線が前記軸に対して対称である磁界を発生す
    るステップと、 （ｃ）前記チャンバを通じて前記軸の方向にマイクロ波
    エネルギーを送出して、前記磁界線の周りを螺旋状に旋
    回する励起電子を発生するステップと、 （ｄ）前記励起電子によって前記金属原子をイオン化し
    て、プラズマを形成するステップと、 （ｅ）前記プラズマを前記チャンバ内で前記基板の方向
    に向かわせるステップと、 を含むことを特徴とするパッセージ充てん方法。
  2. 【請求項２】前記金属原子源は金属蒸気源であり、前記
    ステップ（ａ）は、前記金属原子を金属蒸気の形で送出
    するステップを含むことを特徴とする請求項１記載のパ
    ッセージ充てん方法。
  3. 【請求項３】ステップ（ｅ）は、前記金属イオンを前記
    プラズマ内に実質的に閉じ込め、前記金属イオンが前記
    チャンバの壁に実質的に接触しないようにするステップ
    を含むことを特徴とする請求項１記載のパッセージ充て
    ん方法。
  4. 【請求項４】マイクロ波エネルギーを送出する前記ステ
    ップはさらに、前記マイクロ波エネルギーを前記軸に対
    して対称となるように分布させるステップを含むことを
    特徴とする請求項１記載のパッセージ充てん方法。
  5. 【請求項５】前記基板と反対側の前記チャンバの端部
    で、電子サイクロトロン共鳴値より大きい磁界強度を設
    定するステップと、 前記基板の近くで、電子共鳴値の磁界強度を設定するス
    テップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のパ
    ッセージ充てん方法。
  6. 【請求項６】前記金属原子源は、基板との間に磁界結合
    を有さないスパッタ・ターゲットであり、ステップ
    （ａ）は、前記スパッタ・ターゲットより原子を飛び出
    させるステップを含むことを特徴とする請求項１記載の
    パッセージ充てん方法。
  7. 【請求項７】半導体基板に予め形成されたパッセージを
    充てんするための電子サイクロトロン共鳴プラズマ加熱
    タイプの金属メッキ装置において、 長手方向の軸を有するチャンバと、 基板を見通せない位置から、金属原子を前記チャンバ内
    に送出する金属原子源手段と、 磁界線が前記チャンバの軸に関して対称である磁界を発
    生する手段と、 前記軸の方向にマイクロ波エネルギーを送出して、前記
    磁界線の周りを螺旋状に旋回する励起電子を発生し、そ
    の励起電子によって前記チャンバ内で前記金属原子をイ
    オン化して、プラズマを形成する手段と、 前記プラズマを前記軸の方向で前記基板に向かわせる手
    段と、を備えたことを特徴とする金属メッキ装置。
  8. 【請求項８】前記金属原子源手段は、金属蒸気源である
    ことを特徴とする請求項７記載の金属メッキ装置。
  9. 【請求項９】マイクロ波エネルギーを送出するための手
    段は、前記軸に対して対称にマイクロ波エネルギーを分
    布させることを特徴とする請求項７記載の金属メッキ装
    置。
  10. 【請求項１０】前記磁界発生手段は、 （１）前記基板と反対側の前記チャンバの端部で、電子
    共鳴を誘起するために必要な値より大きい磁界強度を設
    定する手段と、 （２）前記基板の近くで、電子共鳴の磁界強度を設定す
    る手段と、 を有することを特徴とする請求項７記載の金属メッキ装
    置。
  11. 【請求項１１】前記金属原子源手段は、基板とほぼ同一
    の面に配置したスパッタ・ターゲットを有し、前記スパ
    ッタ・ターゲットは前記基板との間に磁界結合を有さな
    いことを特徴とする請求項７記載の金属メッキ装置。
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