JPH10168565A - イオン化ｐｖｄ装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 垂直成長性の良好な成膜が可能なイオン化Ｐ
ＶＤ装置、特に、半導体基板のコンタクトホールにおい
て、中性金属原子による金属膜の形成割合を低減して、
ボトムカバレッジの良好な成膜が可能な比較的簡単な構
成のイオン化ＰＶＤ装置および、当該イオン化ＰＶＤ装
置を用いた半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 真空容器１外部に、真空容器１の中心軸
および中心軸の延長軸と同心をなすように、空芯コイル
ＭＧ１〜ＭＧ４が配設されている。空芯コイルＭＧ１〜
ＭＧ４は、真空容器１内に、その輪郭形状にほぼ沿った
Ｓ字形の磁場ＭＦを形成するための電磁石であり、空芯
コイルＭＧ１およびＭＧ４は、真空容器１の両端部近傍
の直線部分の磁場を形成するように、空芯コイルＭＧ２
およびＭＧ３は、真空容器１の屈曲部分の磁場を形成す
るように配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン化ＰＶＤ装置
および半導体装置の製造方法に関し、特に、垂直成長性
の良好な成膜が可能なイオン化ＰＶＤ装置および、当該
イオン化ＰＶＤ装置を用いた半導体装置の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】まず、図９を用いて、従来のイオン化Ｐ
ＶＤ（Physical Vapour Deposition）装置９０の構成を
説明する。図９は、イオン化ＰＶＤ装置９０の構成を説
明するための概略断面図である。

【０００３】イオン化ＰＶＤ装置９０は、図９に示すよ
うに有底、有蓋の筒状の真空容器２０を備え、当該真空
容器２０内には、高周波コイル（ＲＦコイル）２１、ス
パッタリングターゲット２２、ウエハサセプタ２３が組
み込まれている。

【０００４】高周波コイル２１は、その中心軸の方向と
真空容器２０の中心軸の方向が一致するように真空容器
２０内の中央部に配置され、２つの端部は、真空容器２
０の側壁部２０１に設けられた電流導入端子（フィード
スルー端子）２４Ａおよび２４Ｂを介して、それぞれ高
周波電源Ｒ１および接地電位ＧＮＤに電気的に接続され
ている。

【０００５】スパッタリングターゲット２２は、真空容
器２０の側壁部２０１から、電気絶縁体２５を介して電
気的に絶縁された蓋部２０２に取り付けられ、蓋部２０
２を介してＤＣ電源Ｄ１の負出力端子に電気的に接続さ
れている。なお、真空容器２０の側壁部２０１および底
部２０３は接地電位ＧＮＤに電気的に接続されている。

【０００６】また、スパッタリングターゲット２２の外
縁部はダークスペースシールド２７によって覆われる構
成となっている。

【０００７】ウエハサセプタ２３はウエハ３０を搭載
し、当該ウエハ３０に高周波バイアスを付加するための
装置であり、ウエハ３０を搭載する載置台２３１と、当
該載置台２３１を支持する支柱２３２とを備えている。
なお、支柱２３２は、真空容器２０の底部２０３を貫通
して高周波電源Ｒ２に接続される構成となっており、支
柱２３２は電気絶縁体２６によって底部２０３から電気
的に絶縁された構成となっている。

【０００８】次に、イオン化ＰＶＤ装置９０の動作につ
いて図９を参照しつつ説明する。まず、真空容器２０を
密閉し、図示しない排気口から真空容器２０内の空気を
排出し、真空容器２０内の圧力を所定値まで下げる。そ
して、図示しないガス導入口から希ガス、例えばアルゴ
ンガスなどを真空容器２０内に導入し、真空容器２０内
の圧力を所定値まで高める。

【０００９】ここで、スパッタリングターゲット２２は
蓋部２０２を介してＤＣ電源Ｄ１の負出力端子に電気的
に接続されているので、ＤＣ電源Ｄ１から電圧を印加す
ることで、カソードとして機能する。また、真空容器２
０の側壁部２０１は接地電位に接続されているのでアノ
ードとなり、ＤＣ電源Ｄ１の出力電圧が所定値に達する
と、真空容器２０内にプラズマＡＰが生成される。

【００１０】プラズマＡＰ中のアルゴンイオンは、負電
位であるスパッタリングターゲット２２に衝突し、当該
スパッタリングターゲット２２の構成材料、例えばチタ
ン（Ｔｉ）を中性原子として、あるいはチタンイオンと
して叩き出す（スパッタする）。なお、スパッタリング
ターゲット２２の材質は、後に説明するウエハ３０に形
成すべき所望の膜の組成に合わせて決定される。

【００１１】高周波コイル２１はプラズマＡＰの形成領
域を取り囲むように配置されており、当該高周波コイル
２１に高周波電源Ｒ１から高周波電流を流すことで、プ
ラズマＡＰ中に誘導電界が形成される。この誘導電界に
よりプラズマＡＰ中の電子が加速され、加速された電子
による電離作用でプラズマの密度（電離度）を高めるこ
とができる。

【００１２】ここで、スパッタリングターゲット２２か
ら叩き出されたチタンの中性原子あるいはイオンは、プ
ラズマＡＰ中に入り、中性原子は加速された電子により
イオン化されることになる。

【００１３】そして、チタンのイオンはプラズマＡＰ中
を移動し、ウエハ３０に接近する。ウエハ３０の表面と
プラズマＡＰとの間には、高周波電源Ｒ２からウエハサ
セプタ２３を介してウエハ３０に印加された高周波電圧
により誘起された、ウエハ−プラズマ間ＤＣ電界が存在
するので、当該ＤＣ電界によりチタンのイオンが加速さ
れ、ウエハ３０に対してほぼ垂直に入射することにな
る。

【００１４】チタンのイオンがウエハ３０に対してほぼ
垂直に入射すれば、ウエハ３０において形成された垂直
のコンタクトホール内では、ホールの底部（ボトム）に
のみチタン膜が形成され、ホールの壁面にはチタン膜が
形成されない、ボトムカバレッジの良好な成膜を行うこ
とができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、ウエハ３０に
垂直に入射する金属イオンにより形成される金属膜の割
合よりも、大きな角度広がりを有してウエハ３０に入射
する中性金属原子により形成される金属膜の割合が多け
れば、垂直成長性が悪くボトムカバレッジは劣化する。

【００１６】すなわち、コンタクトホールの底部だけで
なく、壁面にも金属膜が形成され、コンタクトホールが
塞がれることになる。

【００１７】その原因となる、中性金属原子はプラズマ
ＡＰ中にある。先に説明したように中性金属原子はスパ
ッタリングターゲット２２から供給されるが、その全て
がイオン化されるわけではなく、イオン化されるのは数
パーセント程度である。従って、プラズマＡＰ中には金
属イオン以上に中性金属原子が存在している。

【００１８】中性金属原子の全てがウエハ３０に入射す
るわけではないが、少なくとも、ウエハ方向の速度成分
を有する中性金属原子はウエハ３０に入射することにな
る。そして、上に説明したイオン化ＰＶＤ装置９０で
は、当該中性金属原子のウエハ３０への入射を防止する
構成は設けられていない。

【００１９】また、中性金属原子のイオン化率を飛躍的
に高めることができれば、中性金属原子の影響を低減で
きるが、イオン化ＰＶＤ装置９０に組み込まれている高
周波コイル２１では不十分であり、アーク放電によるプ
ラズマ生成機構や、スパッタリング以外の方法で中性金
属原子を供給する構成が必要であり、装置構成が複雑に
なる。

【００２０】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、垂直成長性の良好な成膜が可能な
イオン化ＰＶＤ装置、特に、半導体基板のコンタクトホ
ールにおいて、中性金属原子による金属膜の形成割合を
低減して、ボトムカバレッジの良好な成膜が可能な比較
的簡単な構成のイオン化ＰＶＤ装置を提供するととも
に、当該イオン化ＰＶＤ装置を用いた半導体装置の製造
方法を提供する。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載のイオン化ＰＶＤ装置は、輪郭形状が略Ｓ字形であっ
て、その両端が開口部となった真空容器と、半導体基板
が配置される一方の開口部側とは反対の、他方の開口部
側に配設されたスパッタリングターゲットと、前記スパ
ッタリングターゲットを負電極とし、前記真空容器を正
電極として、両電極間でプラズマを生成するプラズマ生
成手段と、前記半導体基板にバイアス電圧を印加するバ
イアス電圧印加手段と、前記真空容器の形状に合わせて
前記真空容器内に略Ｓ字形の磁場を形成するように、前
記真空容器の外部に配設された磁場形成手段とを備え、
前記真空容器は、互いに反対方向に屈曲した１組の屈曲
部を有し、前記一方および他方の開口部が、対面しない
位置関係となるように構成されている。

【００２２】本発明に係る請求項２記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置は、前記磁場形成手段が、複数の空芯コイルと、
前記複数の空芯コイルに電流を供給する電源とを備え、
前記複数の空芯コイルが、少なくとも前記真空容器の前
記１組の屈曲部を取り囲むように配設されている。

【００２３】本発明に係る請求項３記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置は、前記磁場形成手段が、前記真空容器の外壁
に、前記真空容器の形状に合わせてコイル材を巻き回し
て形成された一体形の空芯コイルと、前記一体形の空芯
コイルに電流を供給する電源とを備えている。

【００２４】本発明に係る請求項４記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置は、前記真空容器の前記一方の開口部を塞ぐこと
が可能な、着脱自在の第１の蓋と、前記真空容器の前記
他方の開口部を塞ぐことが可能な、着脱自在の第２の蓋
と、前記第１および第２の蓋と前記真空容器との間にそ
れぞれ介挿され、前記第１および第２の蓋と前記真空容
器を電気的に絶縁する第１および第２の電気絶縁体とを
備え、前記半導体基板が前記第１の蓋に取り付けられ、
前記スパッタリングターゲットが前記第２の蓋に取り付
けられている。

【００２５】本発明に係る請求項５記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置は、前記バイアス電圧印加手段が、その一方の出
力端子が前記第１の蓋に電気的に接続され、その他方の
出力端子が接地電位に接続された高周波電源と、前記第
１の蓋と前記高周波電源との間に介挿され、前記半導体
基板を直流的に絶縁する容量素子とを備えている。

【００２６】本発明に係る請求項６記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置は、前記真空容器の内壁に沿って配設され、前記
プラズマ中の中性粒子を捕捉する中性粒子捕捉手段をさ
らに備え、前記中性粒子捕捉手段は、中央部に所定の大
きさの開口部を有した複数の金属板と、前記複数の金属
板の主面間を接続し、前記複数の金属板の配列体を形成
する筒状の複数のフレキシブル板とを備えている。

【００２７】本発明に係る請求項７記載の半導体装置の
製造方法は、請求項１記載のイオン化ＰＶＤ装置を準備
する工程と、前記真空容器内の空気を排気して、前記真
空容器内の気圧を第１の圧力まで低減する工程と、前記
真空容器内に少なくとも１種類の気体を導入して、前記
真空容器内の気圧を第２の圧力まで高める工程と、前記
スパッタリングターゲットを負電極とし、前記真空容器
を正電極として、両電極間に直流電圧を印加して、前記
少なくとも１種類の気体のプラズマを生成する工程と、
前記半導体基板に前記バイアス電圧印加手段からバイア
ス電圧を印加する工程と、前記磁場形成手段により、前
記真空容器の形状に合わせて前記真空容器内に略Ｓ字形
の磁場を形成する工程とを備え、前記半導体基板上に、
前記スパッタリングターゲットの材質を主材料とする所
定の膜を形成する。

【００２８】本発明に係る請求項８記載の半導体装置の
製造方法は、前記半導体基板が、当該半導体基板の主面
に垂直に形成された少なくとも１のコンタクトホールを
有し、前記所定の膜は、前記少なくとも１のコンタクト
ホールの底部に形成され、バリアメタルとして機能する
膜である。

【００２９】本発明に係る請求項９記載の半導体装置の
製造方法は、前記少なくとも１種類の気体が、窒素ガ
ス、あるいはアンモニアガスを含み、前記バリアメタル
として機能する膜は、前記スパッタリングターゲットの
材質を主材料とする窒化膜で構成されている。

【００３０】

【発明の実施の形態】

＜Ａ．実施の形態＞ ＜１．装置構成＞本発明に係るイオン化ＰＶＤ（Physic
al Vapour Deposition）装置の実施の形態として、図１
にイオン化ＰＶＤ装置１００を示す。

【００３１】図１はイオン化ＰＶＤ装置１００の構成を
説明するための概略断面図である。イオン化ＰＶＤ装置
１００は、図１に示すように、輪郭形状が略Ｓ字形の真
空容器１を備えている。真空容器１の両端は開口部とな
っており、第１蓋２および第２蓋３で密閉する構成とな
っている。そして、第１蓋２の真空容器１側には、例え
ば半導体基板５（以後ウエハと呼称）を搭載するウエハ
サセプタ４が取り付けられ、第２蓋３の真空容器１側に
はスパッタリングターゲット６が取り付けられている。

【００３２】ウエハサセプタ４はウエハ５を搭載し、当
該ウエハ５に高周波バイアスを付加するための装置であ
り、第１蓋２を介して高周波電源Ｒ１０に接続される構
成となっている。なお、第１蓋２は電気絶縁体７によっ
て真空容器１から電気的に絶縁された構成となってい
る。また、第１蓋２と高周波電源Ｒ１０との間には、キ
ャパシタＣ１が電気的に介挿されている。

【００３３】スパッタリングターゲット６は、第２蓋３
を介してＤＣ電源Ｄ１０の負出力端子に電気的に接続さ
れている。なお、第２蓋３は電気絶縁体８によって真空
容器１から電気的に絶縁された構成となっている。ここ
で、真空容器１は接地電位ＧＮＤに電気的に接続されて
いる。

【００３４】また、ウエハサセプタ４およびスパッタリ
ングターゲット６の外縁部は、それぞれダークスペース
シールド９および１０によって覆われる構成となってい
る。ダークスペースシールド９および１０は、ウエハサ
セプタ４およびスパッタリングターゲット６の外縁部近
傍の第１蓋２および第２蓋３が、後に説明するプラズマ
に曝され、第１蓋２および第２蓋３の構成金属がプラズ
マ中に混入するのを防ぐための構成である。

【００３５】そして、図１において、真空容器１外部
に、真空容器１の中心軸および中心軸の延長軸と同心を
なすように、空芯コイルＭＧ１〜ＭＧ４（磁場形成手
段）が配設されている。空芯コイルＭＧ１〜ＭＧ４は、
真空容器１内に、その輪郭形状にほぼ沿ったＳ字形の磁
場ＭＦを形成するための電磁石であり、空芯コイルＭＧ
１およびＭＧ４は、真空容器１の両端部近傍の直線部分
の磁場を形成するように、空芯コイルＭＧ２およびＭＧ
３は、真空容器１の屈曲部分の磁場を形成するように配
設されている。なお、空芯コイルＭＧ１〜ＭＧ４は直流
電源に接続されているが、図中では省略する。

【００３６】＜１−１．空芯コイルの配置例＞なお、図
１に示すイオン化ＰＶＤ装置１００では、空芯コイルＭ
Ｇ１〜ＭＧ４は、それぞれが１個のコイルとして示され
ているが、必ずしも１個のコイルが配置されるとは限ら
れない。例えば、それぞれ真空容器１の屈曲部分の形状
によっては、１つの屈曲部分に１個のコイルでは、屈曲
部分の形状に沿った磁場を形成できないことがある。こ
のような場合には、空芯コイルＭＧ２およびＭＧ３に代
えて、屈曲部分の形状に合わせて複数のコイルを配置す
ることになる。この場合の配置例を図２に示す。

【００３７】図２において、空芯コイルＭＧ２に代わっ
て空芯コイルＭＧ２１、ＭＧ２２が配設され、空芯コイ
ルＭＧ３に代わって空芯コイルＭＧ３１、ＭＧ３２が配
設されている。

【００３８】また、図１においては真空容器１の中心軸
の延長軸と同心をなすように空芯コイルＭＧ１およびＭ
Ｇ４を配設した構成を示したが、真空容器１の中心軸と
同心をなすように（真空容器を取り囲むように）空芯コ
イルを配設しても良いことは言うまでもない。

【００３９】すなわち、図３に示すように真空容器１の
両端部近傍の直線部分を囲むように、空芯コイルＭＧ１
１およびＭＧ４１を配設しても良い。

【００４０】また、図４に示すように、空芯コイルＭＧ
１およびＭＧ４とともに、空芯コイルＭＧ１１およびＭ
Ｇ４１を配設した構成としても良い。

【００４１】なお、複数の空芯コイルにより磁場を形成
するので、空芯コイルの配置を変更することで磁場の形
状を変更でき、プラズマの状態が変化しても、対応する
ことができる。

【００４２】＜１−２．中性粒子トラップの構成例＞図
１のＡＡ’線における真空容器１の断面形状はリング状
であり、その内径は３００ｍｍ程度である。そして、真
空容器１の内壁に沿って中性粒子トラップ１１（中性粒
子捕捉手段）が配設されている。

【００４３】図５に、中性粒子トラップ１１の形状の一
例を断面斜視図として示す。図５に示すように、中性粒
子トラップ１１は、内径２００ｍｍ、外径３００ｍｍ、
厚み０．２ｍｍ程度の複数の金属リング１１１と、当該
複数の金属リング１１１の主面間を接続し、複数の金属
リング１１１の配列体を形成する複数の管状のフレキシ
ブル板１１２とで構成されている。従って、中性粒子ト
ラップ１１は自在に変形でき、真空容器１内に挿入する
ことで、金属リング１１１を真空容器１の直線部の壁面
はもちろん、屈曲部の壁面にも配設することができる。

【００４４】なお、以上の説明では真空容器１の断面形
状をリング状としたが、矩形状であっても良い。その場
合は、中性粒子トラップ１１も矩形状となり、金属リン
グ１１１およびフレキシブル板１１２も矩形となる。

【００４５】＜２．装置動作＞次に、イオン化ＰＶＤ装
置１００の動作について図１および図６を参照しつつ説
明する。図６はイオン化ＰＶＤ装置１００の真空機器お
よびガス導入機器の配置例を示す図である。

【００４６】まず、ウエハサセプタ４にウエハ５を取り
付けた第１蓋２および、スパッタリングターゲット６が
取り付けられた第２蓋３を真空容器１に取り付けて真空
容器２０を密閉する。

【００４７】そして、図６に示す真空排気装置１５によ
って真空容器１内の空気を排出し、真空測定器１６をモ
ニターしながら真空容器１内の圧力を１×１０^-7Torr程
度（第１の圧力）まで下げる。次に、ガス導入系１７か
らスパッタリングレートの高い希ガス、例えばアルゴン
ガスなどを真空測定器１６をモニターしながら真空容器
１に導入し、真空容器１内の圧力を２×１０^-3Torr程度
（第２の圧力）まで高める。

【００４８】ここで、スパッタリングターゲット６は第
２蓋３を介してＤＣ電源Ｄ１０の負出力端子に電気的に
接続されているので、ＤＣ電源Ｄ１０から電圧を印加す
ることで、カソードとして機能する。また、真空容器１
は接地電位に接続されているのでアノードとなり、ＤＣ
電源Ｄ１０の出力電圧が−５００Ｖ程度に達すると、真
空容器１内にプラズマＡＰが生成される。なお、プラズ
マは正確に描写することができないので、プラズマが形
成される領域を破線で示し、それをプラズマＡＰと呼称
する。

【００４９】ここで、図１に示すように、第１蓋２と高
周波電源Ｒ１０との間には、キャパシタＣ１が電気的に
介挿されているので、ウエハ５を介してプラズマＡＰの
電流（直流電流）が高周波電源Ｒ１０側に流れることが
防止され、プラズマ電流によるウエハ５の破損を防止で
きる。

【００５０】プラズマＡＰを構成する主たるイオンはア
ルゴンイオンであり、当該アルゴンイオンは負電位であ
るスパッタリングターゲット６に衝突し、当該スパッタ
リングターゲット６の構成材料、例えばチタン（Ｔｉ）
を中性原子として、あるいはチタンイオンとして叩き出
す（スパッタする）。なお、スパッタリングターゲット
６の材質は、後に説明するウエハ５に形成すべき所望の
膜の組成に合わせて決定される。

【００５１】ここで、スパッタリングターゲット６から
叩き出されたチタンの中性原子あるいはイオンは、プラ
ズマＡＰ中に入り、中性原子の一部はプラズマＡＰ中の
電子によりイオン化され、空芯コイルＭＧ１〜ＭＧ２に
図示しない電源から電流を流すことで形成されたＳ字形
の磁場ＭＦの磁力線にトラップされて、ウエハ５に導か
れる。

【００５２】なお、磁場ＭＦはチタンイオンをウエハ５
に導くだけでなく、プラズマＡＰが真空容器１の壁方向
に拡散するのを抑制して、すなわちプラズマを閉じこめ
て、プラズマの密度（電離度）を高める機能を有してい
る。

【００５３】一方、イオン化されなかったチタンの中性
原子は磁力線にトラップされないため、ほぼスパッタリ
ングターゲット６から叩き出された際の方向に直線的に
飛行し、真空容器１の壁面に配設された、中性粒子トラ
ップ１１に入射し捕捉される。

【００５４】ここで、真空容器１がＳ字形状であり、一
方の開口部と他方の開口部とは対面しない構成となって
おり、スパッタリングターゲット６とウエハ５とが対面
する構成ではないので、チタンの中性原子がウエハ５に
入射する割合は低減する。

【００５５】すなわち、スパッタリングターゲット６に
対して垂直に近い角度で叩き出されたチタンの中性原子
は、真空容器１の屈曲部の中性粒子トラップ１１に捕ら
えられ、上記以外の角度でスパッタリングターゲット６
から叩き出されたチタンの中性原子の大部分は、真空容
器１の両端部近傍の直線部分の中性粒子トラップ１１に
捕らえられるので、チタンの中性原子がウエハ５に入射
することが防止される。

【００５６】そして、ウエハ５の表面とプラズマＡＰと
の間には、高周波電源Ｒ１０からウエハサセプタ４を介
してウエハ５に印加された高周波電圧により誘起され
た、ウエハ−プラズマ間ＤＣ電界が存在するので、Ｓ字
形の磁場ＭＦを構成する磁力線にトラップされて、ウエ
ハ５に導かれたチタンイオンは、当該ＤＣ電界により加
速され、ウエハ５に対してほぼ垂直に入射することにな
る。

【００５７】チタンイオンはウエハ５に対してほぼ垂直
に入射するが、上に説明したようにチタンの中性原子が
ウエハ５に入射することが防止されるので、ウエハ５に
おいて形成された垂直のコンタクトホール内では、ホー
ルの底部（ボトム）にのみチタン膜が形成され、ホール
の壁面にはチタン膜が形成されない、ボトムカバレッジ
の良好な成膜を行うことができる。

【００５８】＜２−１．半導体装置の製造におけるイオ
ン化ＰＶＤ装置の位置付け＞コンタクトホールの底部に
のみ形成したチタン膜はバリアメタルとして作用する。
すなわち、コンタクトホールの底部がシリコン半導体層
の露出面であって、ホール内に例えばアルミニウム（Ａ
ｌ）の配線層を埋め込む場合、シリコン半導体層にアル
ミニウムが直接接触すると、アルミニウムおよびシリコ
ンの相互侵入により、シリコン半導体層およびアルミニ
ウム配線層に不具合が生じる。チタン膜はこのような不
具合を防止することができる。

【００５９】なお、バリアメタルとしては、タングステ
ン（Ｗ）や、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステンチタ
ン（ＴｉＷ）なども使用でき、所望のバリアメタルに合
わせてスパッタリングターゲット２２の材質や、導入す
るガスの種類を変えることで対応できる。

【００６０】例えば、図６に示すガス導入系１７からア
ルゴンガスとともに窒化ガス（窒素ガスあるいはアンモ
ニアガス）を導入し、アルゴンイオンと窒素イオンとを
主たる構成とするプラズマを生成することで、コンタク
トホールの底部に窒化チタン膜を形成することができ
る。

【００６１】また、コンタクトホールの底部にチタン膜
を形成した後、窒化ガス（窒素ガスあるいはアンモニア
ガス）中でウエハ５をアニールすることで、化学的な反
応によりコンタクトホールの底部に窒化チタン膜を形成
することができる。

【００６２】なお、ウエハ５のアニールは、コンタクト
ホールの底部にチタン膜を形成した後、ウエハ５をアニ
ール用の真空容器に移し替えて行う。その際に、ウエハ
５が酸素雰囲気（大気）に曝されないようにするため、
図１に示す真空容器１に、アニール用の真空容器を接続
し、ウエハ５の搬送が真空中で行われるようにする。

【００６３】なお、アニール用の真空容器には、ウエハ
５を加熱するためのハロゲンランプや、キセノンフラッ
シュランプなどを備えているが、アニール方法そのもの
は一般的であり、詳細な説明は省略する。

【００６４】また、アニール用の真空容器は、電気絶縁
体７に延長容器を接続し、当該延長容器に接続する構成
としても良いし、電気絶縁体７の壁面に接続口を設け、
そこにアニール用の真空容器を接続するようにしても良
い。

【００６５】＜２−２．Ｓ字形磁場による作用効果＞こ
こで、真空容器および磁場をＳ字形にしたことによるも
う１つの作用効果について説明する。Ｓ字形の真空容器
１は、構造的にスパッタリングターゲット６とウエハ５
とが対面しないので、チタンの中性原子がウエハ５に入
射する割合を低減できるが、このような構造はＳ字形以
外、例えば、Ｌ字形やＪ字形でも可能である。

【００６６】図７にＬ字形の輪郭形状を有する真空容器
１Ａを示す。真空容器１Ａの両端にスパッタリングター
ゲット６およびウエハ５を配置すれば、スパッタリング
ターゲット６とウエハ５とは対面しない。しかし、この
構造では以下に説明するような問題が生じる。

【００６７】すなわち、真空容器１Ａの屈曲部において
は、屈曲部の径方向外側に向かうほど、すなわち図７中
の矢印の方向に向かうほど磁場は弱くなって、磁場勾配
ができている。一般に磁場勾配が存在すると、荷電粒子
が磁場勾配に直角に移動する荷電粒子のドリフトという
現象が発生するが、荷電粒子の極性によって移動方向が
異なる。そして、正電荷の荷電粒子すなわちイオンと、
負電荷の荷電粒子すなわち電子とが分離する荷電分離現
象が発生し、それが原因で電場が形成されることにな
る。

【００６８】そして、電場と磁場が存在すると、イオン
と電子は電場と磁場の両方に垂直な１方向にドリフトす
る（Ｅ×Ｂドリフト）。その方向は磁場が弱くなってい
る方向であり、図７中の矢印の方向である。

【００６９】イオンと電子が移動するということは、プ
ラズマが移動することを意味し、真空容器１Ａの屈曲部
の径方向外側にプラズマの密度分布が偏ることになる。
図７において密度の高いプラズマ領域ＰＲを破線で模式
的に示す。

【００７０】このように偏った密度分布のプラズマにウ
エハ５が曝されると、密度の高いプラズマに曝された部
分には、厚い金属膜が形成され、密度の低いプラズマに
曝された部分には、薄い金属膜が形成されることにな
り、均一な成膜ができなくなる。

【００７１】Ｓ字形の真空容器１は、この問題を解消す
ることができる。図８に、Ｓ字形の真空容器１における
密度の高いプラズマ領域ＰＲを破線で模式的に示す。

【００７２】図８に示すように、真空容器１の第１の屈
曲部Ｌ１（スパッタリングターゲット６に近い側の屈曲
部）で生じたプラズマの偏りは、第２の屈曲部Ｌ２にお
いて反対方向に移動することになる。その際、プラズマ
密度の偏りが解消され、ウエハ５の近傍では、ほぼ均一
な分布となる。従って、ウエハ５において均一な成膜が
可能となる。

【００７３】このように、略Ｓ字形の真空容器を使用
し、略Ｓ字形の磁場を形成することで、ウエハ近傍にお
けるプラズマ密度が均一で、均一な成膜が可能なイオン
化ＰＶＤ装置を得ることができる。なお、真空容器およ
び磁場の形状は、略Ｓ字形に限定されず、互いに反対方
向に屈曲した屈曲部を同数ずつ有し、それらが屈曲部に
おけるプラズマ密度の偏りを解消できるように配置され
た構成であれば同様の効果を奏する。

【００７４】＜３．特徴的作用効果＞以上説明したよう
に本発明に係るイオン化ＰＶＤ装置によれば、スパッタ
リングターゲットから供給された金属の中性原子が、ウ
エハ（半導体基板）に入射することが防止されるので、
ウエハにおいて形成された垂直のコンタクトホール内で
は、ホールの底部にのみ所望の膜が形成され、ホールの
壁面には成膜されず、垂直成長性に優れ、ボトムカバレ
ッジの良好な成膜を行うことができる。

【００７５】また、Ｓ字形の真空容器を使用し、Ｓ字形
の磁場を形成することで、屈曲部におけるプラズマの偏
りが解消され、ウエハ近傍におけるプラズマ密度が均一
で、均一な成膜が可能なイオン化ＰＶＤ装置を得ること
ができる。

【００７６】また、一般的なＤＣ放電によるプラズマを
使用するので、プラズマ生成のための装置構成が比較的
簡単であり、空芯コイルを使用するとしても、装置の製
造コスト増加を抑制できる。

【００７７】＜Ｂ．実施の形態の変形例＞以上説明した
本発明に係る実施の形態では、複数の空芯コイルにより
Ｓ字形の磁場を形成する構成について説明したが、単一
の空芯コイルによってＳ字形の磁場を形成する構成とし
ても良い。

【００７８】すなわち、真空容器１の外壁を芯として、
真空容器１の形状に合わせてコイル材を巻き回して形成
した一体形の空芯コイルによりＳ字形の磁場を形成して
も良い。

【００７９】このような構成とすることで、真空容器１
の形状に良く一致したＳ字形の磁場を形成することがで
きる。

【００８０】なお、コイル材は真空容器１の外壁に直接
巻き付ける構成としても良いし、何らかの絶縁材を介し
て巻き付ける構成としても良い。

【００８１】また、一体形の空芯コイルを使用する場合
には、真空容器１においてガス導入ポートや真空排気ポ
ート、真空測定ポートを設けない構成にする必要があ
る。そのためには、例えば、第１蓋２あるいは第２蓋３
の代わりに、ガス導入ポート、真空排気ポート、真空測
定ポートを備えた別個の真空容器を接続する構成として
も良い。その場合には、ウエハ５あるいはスパッタリン
グターゲット６は、当該別個の真空容器と真空容器１と
の接続部分近傍に配置されることになる。

【００８２】また、以上説明した本発明に係る実施の形
態では、半導体基板のコンタクトホールのボトムに垂直
成長性の良好な金属膜を形成する構成について示した
が、イオン化ＰＶＤ装置の用途はこれに限定されるもの
ではなく、半導体装置の配線層の形成や、コンタクトホ
ールの埋め込みプラグの形成など、垂直成長を所望する
膜の形成に使用できることは言うまでもない。

【００８３】

【発明の効果】本発明に係る請求項１記載のイオン化Ｐ
ＶＤ装置によれば、一方および他方の開口部が、対面し
ない位置関係となるように構成された略Ｓ字形の真空容
器を使用し、その内部に形状に合わせた略Ｓ字形の磁場
を形成することで、真空容器内に形成されたプラズマの
イオンによるスパッタリングで放出された、スパッタリ
ングターゲット材料の中性原子が、半導体基板に入射す
ることが防止されるので、半導体基板には印加されたバ
イアス電圧によって垂直方向に加速された、スパッタリ
ングターゲット材料のイオンが入射する割合が増し、垂
直成長性に優れた成膜が可能なイオン化ＰＶＤ装置を提
供できる。従って、例えば、半導体基板のコンタクトホ
ール内では、ホールの底部にのみ所望の膜が形成され、
ホールの壁面には成膜されず、ボトムカバレッジの良好
な成膜を行うことができる。また、真空容器が、互いに
反対方向に屈曲した１組の屈曲部を有して略Ｓ字形とな
っているので、電場と磁場の存在によるプラズマのＥ×
Ｂドリフトに起因するプラズマの偏りが解消され、半導
体基板近傍におけるプラズマ密度が均一となり、均一な
成膜が可能なイオン化ＰＶＤ装置を得ることができる。
また、一般的なＤＣ放電によるプラズマを使用するの
で、プラズマ生成のための装置構成が比較的簡単であ
り、磁場形成手段が必要であるとしても、装置の製造コ
スト増加を抑制できる。

【００８４】本発明に係る請求項２記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置によれば、少なくとも真空容器の１組の屈曲部を
取り囲むように配設された複数の空芯コイルに電流を流
すことで略Ｓ字形の磁場を形成するので、空芯コイルの
配置を変更することで磁場の形状を変更でき、プラズマ
の状態が変化しても、半導体基板近傍におけるプラズマ
密度を最適に保つことができる。

【００８５】本発明に係る請求項３記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置によれば、一体形の空芯コイルに電流を流すこと
で略Ｓ字形の磁場を形成するので、真空容器の形状に良
く一致した磁場を形成することができる。

【００８６】本発明に係る請求項４記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置によれば、第１の蓋および第２の蓋を着脱するこ
とで、半導体基板およびスパッタリングターゲットの変
更が容易にできる。また、半導体基板およびスパッタリ
ングターゲットを、真空容器から電気的に絶縁する具体
的な構成が得られる。

【００８７】本発明に係る請求項５記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置によれば、半導体基板に印加されるバイアス電圧
が高周波で与えられるので、半導体基板の表面とプラズ
マとの間には、高周波電圧により誘起された、直流電界
が形成され、半導体基板には当該直流電界により加速さ
れたイオンをほぼ垂直に入射させることができる。ま
た、半導体基板を直流的に絶縁することができるので、
半導体基板を介してプラズマの電流（直流電流）が高周
波電源側に流れることが防止され、プラズマ電流による
半導体基板の破損を防止できる。

【００８８】本発明に係る請求項６記載のイオン化ＰＶ
Ｄ装置によれば、プラズマ中の中性粒子が半導体基板に
到達することが確実に防止される。また、中性粒子捕捉
手段は金属板の配列体の形状を可変できるので、真空容
器の屈曲部にも配置することが可能となり、中性粒子捕
捉の効果を高めることができる。

【００８９】本発明に係る請求項７記載の半導体装置の
製造方法によれば、真空容器内に形成されたプラズマの
イオンによるスパッタリングで放出された、スパッタリ
ングターゲット材料の中性原子が、半導体基板に入射す
ることが防止され、半導体基板に印加されたバイアス電
圧によって垂直方向に加速された、スパッタリングター
ゲット材料のイオンが入射する割合が増すことで、垂直
成長性に優れた成膜が可能なイオン化ＰＶＤ装置を使用
するので、スパッタリングターゲットの材質を主材料と
する所定の膜を半導体基板上に垂直方向に形成すること
ができる。

【００９０】本発明に係る請求項８記載の半導体装置の
製造方法によれば、半導体基板の主面に垂直に形成され
た少なくとも１のコンタクトホールの底部に、バリアメ
タルとして機能する膜が形成されることになり、バリア
メタルを必要とする半導体装置を得ることができる。

【００９１】本発明に係る請求項９記載の半導体装置の
製造方法によれば、バリアメタルとして機能する膜を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る実施の形態のイオン化ＰＶＤ装
置の概略構成を示す断面図である。

【図２】 本発明に係る実施の形態の空芯コイルの配置
例を説明する図である。

【図３】 本発明に係る実施の形態の空芯コイルの配置
例を説明する図である。

【図４】 本発明に係る実施の形態の空芯コイルの配置
例を説明する図である。

【図５】 本発明に係る実施の形態の中性粒子トラップ
の構成を説明する図である。

【図６】 本発明に係る実施の形態の真空機器およびガ
ス導入機器の配置例を示す図である。

【図７】 プラズマの偏りを説明する模式図である。

【図８】 本発明に係る実施の形態のプラズマの偏りを
説明する模式図である。

【図９】 従来のイオン化ＰＶＤ装置の概略構成を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ 真空容器、２ 第１蓋、３ 第２蓋、５ ウエハ、
６ スパッタリングターゲット、７，８ 電気絶縁体、
１１ 中性粒子トラップ、ＡＰ プラズマ、ＭＧ１〜Ｍ
Ｇ４ 空芯コイル、１１１ 金属リング、１１２ フレ
キシブル板。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 輪郭形状が略Ｓ字形であって、その両端
   が開口部となった真空容器と、 半導体基板が配置される一方の開口部側とは反対の、他
   方の開口部側に配設されたスパッタリングターゲット
   と、 前記スパッタリングターゲットを負電極とし、前記真空
   容器を正電極として、両電極間でプラズマを生成するプ
   ラズマ生成手段と、 前記半導体基板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧
   印加手段と、 前記真空容器の形状に合わせて前記真空容器内に略Ｓ字
   形の磁場を形成するように、前記真空容器の外部に配設
   された磁場形成手段とを備え、 前記真空容器は、 互いに反対方向に屈曲した１組の屈曲部を有し、 前記一方および他方の開口部が、対面しない位置関係と
   なるように構成されるイオン化ＰＶＤ装置。
2. 【請求項２】 前記磁場形成手段は、 複数の空芯コイルと、 前記複数の空芯コイルに電流を供給する電源とを備え、 前記複数の空芯コイルは、少なくとも前記真空容器の前
   記１組の屈曲部を取り囲むように配設される、請求項１
   記載のイオン化ＰＶＤ装置。
3. 【請求項３】 前記磁場形成手段は、 前記真空容器の外壁に、前記真空容器の形状に合わせて
   コイル材を巻き回して形成された一体形の空芯コイル
   と、 前記一体形の空芯コイルに電流を供給する電源とを備え
   る、請求項１記載のイオン化ＰＶＤ装置。
4. 【請求項４】 前記真空容器の前記一方の開口部を塞ぐ
   ことが可能な、着脱自在の第１の蓋と、 前記真空容器の前記他方の開口部を塞ぐことが可能な、
   着脱自在の第２の蓋と、 前記第１および第２の蓋と前記真空容器との間にそれぞ
   れ介挿され、前記第１および第２の蓋と前記真空容器を
   電気的に絶縁する第１および第２の電気絶縁体とを備
   え、 前記半導体基板は前記第１の蓋に取り付けられ、 前記スパッタリングターゲットは前記第２の蓋に取り付
   けられる、請求項１記載のイオン化ＰＶＤ装置。
5. 【請求項５】 前記バイアス電圧印加手段は、 その一方の出力端子が前記第１の蓋に電気的に接続さ
   れ、その他方の出力端子が接地電位に接続された高周波
   電源と、 前記第１の蓋と前記高周波電源との間に介挿され、前記
   半導体基板を直流的に絶縁する容量素子とを備える、請
   求項４記載のイオン化ＰＶＤ装置。
6. 【請求項６】 前記真空容器の内壁に沿って配設され、
   前記プラズマ中の中性粒子を捕捉する中性粒子捕捉手段
   をさらに備え、 前記中性粒子捕捉手段は、 中央部に所定の大きさの開口部を有した複数の金属板
   と、 前記複数の金属板の主面間を接続し、前記複数の金属板
   の配列体を形成する筒状の複数のフレキシブル板とを備
   える請求項１記載のイオン化ＰＶＤ装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載のイオン化ＰＶＤ装置を準
   備する工程と、 前記真空容器内の空気を排気して、前記真空容器内の気
   圧を第１の圧力まで低減する工程と、 前記真空容器内に少なくとも１種類の気体を導入して、
   前記真空容器内の気圧を第２の圧力まで高める工程と、 前記スパッタリングターゲットを負電極とし、前記真空
   容器を正電極として、両電極間に直流電圧を印加して、
   前記少なくとも１種類の気体のプラズマを生成する工程
   と、 前記半導体基板に前記バイアス電圧印加手段からバイア
   ス電圧を印加する工程と、 前記磁場形成手段により、前記真空容器の形状に合わせ
   て前記真空容器内に略Ｓ字形の磁場を形成する工程とを
   備え、 前記半導体基板上に、前記スパッタリングターゲットの
   材質を主材料とする所定の膜を形成する半導体装置の製
   造方法。
8. 【請求項８】 前記半導体基板は、当該半導体基板の主
   面に垂直に形成された少なくとも１のコンタクトホール
   を有し、 前記所定の膜は、前記少なくとも１のコンタクトホール
   の底部に形成され、バリアメタルとして機能する膜であ
   る請求項７記載の半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記少なくとも１種類の気体は、窒素ガ
   ス、あるいはアンモニアガスを含み、前記バリアメタル
   として機能する膜は、前記スパッタリングターゲットの
   材質を主材料とする窒化膜で構成される請求項８記載の
   半導体装置の製造方法。