JPH10237639A5 - - Google Patents
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- JPH10237639A5 JPH10237639A5 JP1997055550A JP5555097A JPH10237639A5 JP H10237639 A5 JPH10237639 A5 JP H10237639A5 JP 1997055550 A JP1997055550 A JP 1997055550A JP 5555097 A JP5555097 A JP 5555097A JP H10237639 A5 JPH10237639 A5 JP H10237639A5
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Description
【発明の名称】集積回路用バリア膜を作成するスパッタリング装置及びスパッタリング方法 [Title of Invention] Sputtering apparatus and sputtering method for creating barrier films for integrated circuits
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、各種半導体デバイス等の集積回路において相互拡散等を防止する集積回路用バリア膜の作成技術に関し、特にそのようなバリア膜を作成するスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関するものである。[0001]
[Technical Field to which the Invention Belongs]
The present invention relates to a technique for forming a barrier film for an integrated circuit that prevents interdiffusion in integrated circuits such as various semiconductor devices, and more particularly to a sputtering apparatus and sputtering method for forming such a barrier film.
【００１５】
このように、チタンと窒化チタンとを積層した構造のバリア膜については、イオン化スパッタをそのまま適用することは困難であり、ボトムカバレッジ率の向上の効果を十分に得ることはできない。
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものである。即ち、集積回路用バリア膜の作成において、イオン化スパッタの手法の応用を工夫して行うことで、高アスペクト比のホールに対して十分に成膜を行うことができるスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することを目的としている。[0015]
As described above, it is difficult to directly apply ionized sputtering to a barrier film having a structure in which titanium and titanium nitride are stacked, and the effect of improving the bottom coverage rate cannot be fully obtained.
The present invention has been made to solve these problems, and aims to provide a sputtering apparatus and a sputtering method that can adequately form a film in a high aspect ratio hole by devising an application of ionized sputtering techniques in the production of a barrier film for an integrated circuit.
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、チタンと窒化チタンとを積層した構造の集積回路用バリア膜を作成するスパッタリング装置において、
排気系を備えたスパッタチャンバーと、このスパッタチャンバー内に設けられたチタンよりなるターゲットと、このターゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタ放電のためにスパッタチャンバー内にガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたチタンをイオン化させるイオン化手段と、イオン化したチタンが入射する位置に基板を保持する基板ホルダーと、イオン化したチタンを基板に引き込むために基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段とを備え、
チタン薄膜が作成された基板を加熱しながらチタン薄膜の表面に窒素ガスを供給してチタン薄膜の表面を窒化させる窒素アニール手段を有しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、イオン化手段は、ターゲットから基板へのチタンの飛行経路において誘導結合型高周波プラズマを形成するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項１又は２の構成において、電界設定手段は、基板ホルダーに所定の高周波電圧を印加することで基板に負のバイアス電圧を与えるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１、２又は３の構成において、窒素アニール手段は、スパッタチャンバーとは別に設けられたアニールチャンバー、アニールチャンバー内に窒素ガスを導入するアニール用ガス導入手段と、アニールチャンバー内に搬入された基板が載置される加熱ステージとから構成され、前記スパッタチャンバーと当該アニールチャンバーとの間で真空中で基板を搬送する構造を有している。
また、上記解題を解決するため、請求項５記載の発明は、上記請求項１、２又は３の構成において、ガス導入手段は窒素ガスを導入する窒素ガス導入系を有し、基板ホルダーは基板を所定温度に加熱する加熱手段を内蔵しており、窒素アニール手段は、当該窒素ガス導入系と当該加熱手段によって構成されていて、チタン薄膜を作成したスパッタチャンバー内で連続して当該チタン薄膜の表面を窒化処理することが可能であるという構成を有する。
また、上記解題を解決するため、請求項６記載の発明は、チタンと窒化チタンとを積層した構造の集積回路用バリア膜を作成するスパッタリング方法において、
排気系を備えたスパッタチャンバー内にスパッタ放電のためにガスをガス導入手段により導入し、スパッタチャンバー内に設けられたチタンよりなるターゲットをスパッタ電極によりスパッタし、スパッタによってターゲットから放出されたチタンをイオン化手段によりイオン化させ、イオン化したチタンが入射する位置に基板ホルダーにより基板を保持するとともに、基板に垂直な方向に電界を電界設定手段により設定してイオン化したチタンを基板に引き込み、
チタン薄膜が作成された基板を、窒素アニール手段により加熱しながらチタン薄膜に窒素ガスを供給してチタン薄膜の表面を窒化させるという構成を有する。
また、上記解題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求項６の構成において、ターゲットから基板へのチタンの飛行経路において誘導結合型高周波プラズマが前記イオン化手段により形成されるという構成を有する。
また、上記解題を解決するため、請求項８記載の発明は、上記請求項６又は７の構成において、前記電界設定手段により、前記基板ホルダーに所定の高周波電圧が印加されて基板に負のバイアス電圧が与えられるという構成を有する。
また、上記解題を解決するため、請求項９記載の発明は、上記請求項６、７又は８の構成において、前記スパッタチャンバーとは別に設けられたアニールチャンバー内に搬入された基板は加熱ステージに載置され、この状態でアニールチャンバー内にアニール用ガス導入手段により窒素ガスが導入されて窒素アニールが行われる方法であり、前記スパッタ チャンバーと当該アニールチャンバーとの間で基板は真空中で搬送されるという構成を有する。
また、上記解題を解決するため、請求項１０記載の発明は、上記請求項６、７又は８の構成において、前記ガス導入手段は窒素ガスを導入する窒素ガス導入系を有し、前記基板ホルダーは基板を所定温度に加熱する加熱手段を内蔵しており、前記窒素アニール手段は、当該窒素ガス導入系と当該加熱手段によって構成されていて、チタン薄膜を作成したスパッタチャンバー内で連続して当該チタン薄膜の表面が窒化処理されるという構成を有する。 [0016]
[Means for solving the problem]
In order to solve the above problems, the present invention provides a sputtering apparatus for forming a barrier film for integrated circuits having a structure in which titanium and titanium nitride are laminated, comprising:
a sputtering chamber equipped with an exhaust system, a target made of titanium provided in the sputtering chamber, a sputtering electrode for sputtering the target, a gas introducing means for introducing gas into the sputtering chamber for sputtering discharge, an ionizing means for ionizing titanium released from the target by sputtering, a substrate holder for holding a substrate at a position where the ionized titanium is incident, and an electric field setting means for setting an electric field in a direction perpendicular to the substrate in order to attract the ionized titanium into the substrate;
The apparatus has a nitrogen annealing means for nitriding the surface of the titanium thin film by supplying nitrogen gas to the surface of the titanium thin film while heating the substrate on which the titanium thin film has been formed.
In order to solve the above problem, the invention described in claim 2 has the same configuration as claim 1, but in which the ionization means forms an inductively coupled high-frequency plasma in the flight path of titanium from the target to the substrate.
In addition, in order to solve the above problem, the invention described in claim 3 has the configuration of claim 1 or 2, in which the electric field setting means applies a negative bias voltage to the substrate by applying a predetermined high-frequency voltage to the substrate holder.
In order to solve the above problem, the invention described in claim 4 has the configuration of claim 1, 2 or 3, in which the nitrogen annealing means is composed of an annealing chamber provided separately from the sputtering chamber, an annealing gas introduction means for introducing nitrogen gas into the annealing chamber, and a heating stage on which a substrate carried into the annealing chamber is placed, and has a structure for transporting a substrate between the sputtering chamber and the annealing chamber in a vacuum.
Furthermore, in order to solve the above problem, the invention of claim 5 has the configuration of claim 1, 2 or 3, in which the gas introduction means has a nitrogen gas introduction system for introducing nitrogen gas, the substrate holder has built-in heating means for heating the substrate to a predetermined temperature, and the nitrogen annealing means is composed of the nitrogen gas introduction system and the heating means, and is configured so that the surface of the titanium thin film can be continuously nitrided within the sputtering chamber in which the titanium thin film was created.
In order to solve the above problem, the present invention provides a sputtering method for forming a barrier film for an integrated circuit having a structure in which titanium and titanium nitride are laminated, comprising the steps of:
A gas for sputtering discharge is introduced into a sputtering chamber equipped with an exhaust system by a gas introduction means, a target made of titanium provided in the sputtering chamber is sputtered by a sputtering electrode, the titanium released from the target by sputtering is ionized by an ionization means, a substrate is held by a substrate holder at a position where the ionized titanium is incident, and an electric field is set in a direction perpendicular to the substrate by an electric field setting means to attract the ionized titanium into the substrate,
The substrate on which the titanium thin film has been formed is heated by nitrogen annealing means while nitrogen gas is supplied to the titanium thin film to nitride the surface of the titanium thin film.
In order to solve the above problem, the invention described in claim 7 has the same configuration as claim 6, in which an inductively coupled high frequency plasma is formed by the ionization means in the flight path of titanium from the target to the substrate.
In addition, in order to solve the above problem, the invention described in claim 8 has a configuration in which, in the configuration of claim 6 or 7, the electric field setting means applies a predetermined high-frequency voltage to the substrate holder, thereby giving a negative bias voltage to the substrate.
In order to solve the above problem, the invention described in claim 9 is a method in which, in the configuration of claim 6, 7 or 8, a substrate is carried into an annealing chamber provided separately from the sputtering chamber and placed on a heating stage, and in this state, nitrogen gas is introduced into the annealing chamber by an annealing gas introduction means to perform nitrogen annealing, and the substrate is transported between the sputtering chamber and the annealing chamber in a vacuum.
Furthermore, in order to solve the above problem, the invention of claim 10 has the configuration of claim 6, 7 or 8, wherein the gas introduction means has a nitrogen gas introduction system for introducing nitrogen gas, the substrate holder has built-in heating means for heating the substrate to a predetermined temperature, the nitrogen annealing means is composed of the nitrogen gas introduction system and the heating means, and the surface of the titanium thin film is continuously nitrided within the sputtering chamber in which the titanium thin film was created.
【００４７】
次に、請求項６、７、８及び９の方法の発明の実施形態の説明も兼ね、上記構成に係る本実施形態のスパッタリング装置の全体の動作について、図１を使用して説明する。
まず、搬送チャンバー６内の搬送ロボット６１１は、ロードロックチャンバー６７内のカセット６７１から基板５０を一枚ずつ取り出し、まずプリヒートチャンバー６２に搬送する。プリヒートチャンバー６２で基板５０を４００℃で１〜２分程度加熱してプリヒートした後、搬送ロボット６１１は基板５０をスパッタチャンバー１に搬送する。
そして、スパッタチャンバー１内で上述の通りチタンのスパッタ成膜を行い、基板５０上のホール内にチタン薄膜を作成する。[0047]
Next, the overall operation of the sputtering apparatus of this embodiment having the above-described configuration will be described with reference to FIG. 1, which also serves as a description of the embodiments of the methods of the present invention as set forth in claims 6 , 7, 8 and 9.
First, the transfer robot 611 in the transfer chamber 6 takes out the substrates 50 one by one from the cassette 671 in the load lock chamber 67 and transfers them to the preheat chamber 62. After the substrates 50 are preheated in the preheat chamber 62 at 400° C. for about 1 to 2 minutes, the transfer robot 611 transfers the substrates 50 to the sputtering chamber 1.
Then, titanium is sputtered in the sputtering chamber 1 as described above to form a titanium thin film in the holes on the substrate 50 .
【００６０】
次に、請求項６、７、８及び１０の方法の発明の実施形態の説明の説明も兼ね、本実施形態の装置の動作を説明する。
まず、基板５０をスパッタチャンバー１に搬入して、第一の実施形態の場合と同様に、チタンの成膜を行う。即ち、ガス導入手段４によってアルゴンガスを導入しながらスパッタ電極３を動作させてターゲット２をスパッタするとともに、イオン化手段７を動作させてスパッタ粒子（チタン）をイオン化させ、電界設定手段８が設定する電界によってイオン化スパッタ粒子を基板５０に到達させて成膜を行う。
チタンの成膜を所定時間行い、膜厚が所定の厚さに達したら、アルゴンガスの導入、スパッタ電極３、イオン化手段７及び電界設定手段８の動作を停止し、スパッタチャンバー１内を再度所定圧力まで排気する。[0060]
Next, the operation of the device of this embodiment will be described , along with the description of the method of the invention of claims 6, 7, 8 and 10 .
First, the substrate 50 is loaded into the sputtering chamber 1, and a titanium film is formed in the same manner as in the first embodiment. That is, while argon gas is introduced by the gas introduction means 4, the sputtering electrode 3 is operated to sputter the target 2, and the ionization means 7 is operated to ionize the sputtered particles (titanium), and the ionized sputtered particles are caused to reach the substrate 50 by the electric field set by the electric field setting means 8, thereby forming a film.
After the titanium film is formed for a predetermined time and the film thickness reaches a predetermined value, the introduction of argon gas and the operation of the sputtering electrode 3, ionization means 7, and electric field setting means 8 are stopped, and the sputtering chamber 1 is again evacuated to a predetermined pressure.
【００６４】
【実施例】
次に、上記実施形態の発明の実施例を説明する。
第一の実施形態の装置及び方法並びに第二の実施形態の装置及び方法の双方に共通する条件として、以下のような条件でバリア膜を作成を行うことができる。
（１）プリヒート
・加熱温度：２５０〜３００℃
・保持時間：６０〜１２０秒
（２）チタンのスパッタ成膜
・アルゴンガスの流量：１００ｃｃ／分
・チャンバー内の圧力：３０ｍＴｏｒｒ
・スパッタ電極への投入電力：４ｋＷ
・高周波コイルへの投入電力：２ｋＷ
・基板バイアス電圧：−２０Ｖ
・成膜時の基板加熱：４００℃
・成膜時間：６０〜９０秒
・膜厚：１０００オングストローム
（２）窒素アニール処理
・窒素ガスの流量：１０００ｃｃ／分
・チャンバー内の圧力：２０〜４０Ｔｏｒｒ
・基板の加熱温度：６５０℃
・処理時間：１２０〜１８０秒
・表面窒化層の厚さ：３００オングストローム
即ち、上記実施例の条件によると、チタン層の厚さが約７００オングストロームで、窒化チタン層の厚さが約３００オングストロームであるバリア膜が作成される。[0064]
[Example]
Next, examples of the above-described embodiment of the invention will be described.
The barrier film can be formed under the following conditions, which are common to both the apparatus and method of the first embodiment and the apparatus and method of the second embodiment.
(1) Preheating temperature: 250 to 300°C
Holding time: 60 to 120 seconds (2) Titanium sputter deposition Argon gas flow rate: 100 cc/min Chamber pressure: 30 mTorr
Power input to sputtering electrode: 4 kW
・Power input to high frequency coil: 2 kW
Substrate bias voltage: -20V
Substrate heating during film formation: 400°C
Film formation time: 60 to 90 seconds Film thickness: 1000 angstroms (2) Nitrogen annealing treatment Nitrogen gas flow rate: 1000 cc/min Pressure in chamber: 20 to 40 Torr
Substrate heating temperature: 650°C
Treatment time: 120 to 180 seconds Thickness of surface nitride layer: 300 angstroms That is, according to the conditions of the above example, a barrier film is formed in which the titanium layer is about 700 angstroms thick and the titanium nitride layer is about 300 angstroms thick.
【００７１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項の発明によれば、イオン化スパッタのメリットを享受しつつ、十分な特性のバリア膜を高い生産性で作成することができる。
また、請求項４又は請求項９の発明によれば、上記効果に加え、スパッタチャンバーとは別に設けられたアニールチャンバーで窒素アニール処理が行われるので、さらに生産性を高くすることができる。
また、請求項５又は請求項１０の発明によれば、上記効果に加え、スパッタチャンバー内で窒素アニール処理が行われるので、バリア膜の膜質がさらに向上するという効果が得られる。[0071]
[Effects of the Invention]
As explained above, according to the inventions of the various claims of the present application, it is possible to obtain the advantages of ionized sputtering and to form a barrier film with sufficient properties with high productivity.
Furthermore, according to the invention of claim 4 or claim 9 , in addition to the above effects, the nitrogen annealing process is performed in an annealing chamber provided separately from the sputtering chamber, thereby further increasing productivity.
Furthermore, according to the fifth or tenth aspect of the present invention, in addition to the above-mentioned effects, the nitrogen annealing treatment is carried out in the sputtering chamber, so that the film quality of the barrier film is further improved.
Claims (10)
排気系を備えたスパッタチャンバーと、このスパッタチャンバー内に設けられたチタンよりなるターゲットと、このターゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタ放電のためにスパッタチャンバー内にガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたチタンをイオン化させるイオン化手段と、イオン化したチタンが入射する位置に基板を保持する基板ホルダーと、イオン化したチタンを基板に引き込むために基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段とを備え、
チタン薄膜が作成された基板を加熱しながらチタン薄膜の表面に窒素ガスを供給してチタン薄膜の表面を窒化させる窒素アニール手段を有していることを特徴とするスパッタリング装置。A sputtering apparatus for forming a barrier film for integrated circuits having a structure in which titanium and titanium nitride are laminated,
a sputtering chamber equipped with an exhaust system, a target made of titanium provided in the sputtering chamber, a sputtering electrode for sputtering the target, a gas introducing means for introducing gas into the sputtering chamber for sputtering discharge, an ionizing means for ionizing titanium released from the target by sputtering, a substrate holder for holding a substrate at a position where the ionized titanium is incident, and an electric field setting means for setting an electric field in a direction perpendicular to the substrate in order to attract the ionized titanium into the substrate;
A sputtering apparatus characterized by comprising a nitrogen annealing means for nitriding the surface of a titanium thin film by supplying nitrogen gas to the surface of the titanium thin film while heating the substrate on which the titanium thin film has been formed.
排気系を備えたスパッタチャンバー内にスパッタ放電のためにガスをガス導入手段により導入し、スパッタチャンバー内に設けられたチタンよりなるターゲットをスパッタ電極によりスパッタし、スパッタによってターゲットから放出されたチタンをイオン化手段によりイオン化させ、イオン化したチタンが入射する位置に基板ホルダーにより基板を保持するとともに、基板に垂直な方向に電界を電界設定手段により設定してイオン化したチタンを基板に引き込み、A gas for sputtering discharge is introduced into a sputtering chamber equipped with an exhaust system by a gas introduction means, a target made of titanium provided in the sputtering chamber is sputtered by a sputtering electrode, the titanium released from the target by sputtering is ionized by an ionization means, a substrate is held by a substrate holder at a position where the ionized titanium is incident, and an electric field is set in a direction perpendicular to the substrate by an electric field setting means to attract the ionized titanium into the substrate,
チタン薄膜が作成された基板を、窒素アニール手段により加熱しながらチタン薄膜に窒素ガスを供給してチタン薄膜の表面を窒化させることを特徴とするスパッタリング方法。A sputtering method characterized in that a substrate on which a titanium thin film has been formed is heated by nitrogen annealing means while nitrogen gas is supplied to the titanium thin film to nitride the surface of the titanium thin film.
Priority Applications (3)
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9055550A JPH10237639A (en) | 1997-02-24 | 1997-02-24 | Sputtering equipment for producing barrier films for integrated circuits |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10237639A JPH10237639A (en) | 1998-09-08 |
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Family
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Family Applications (1)
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| JP9055550A Pending JPH10237639A (en) | 1997-02-24 | 1997-02-24 | Sputtering equipment for producing barrier films for integrated circuits |
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