CN102245798A - 溅镀装置及溅镀方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种溅镀装置，对在基板表面上形成的长宽比很高的各微孔，可以覆盖性良好的成膜。该溅镀装置包括：配置有基板W的真空腔1；阴极单元C，面对基板安装在真空腔内，构成为将有底桶状的靶材4以靶材的底部侧先进入的方式安装在形成于托架2单侧上的至少一个凹部3内，同时组装上在靶材的内部空间产生磁场的磁场发生设备6；施加有正电压的阳极屏蔽层8；向真空腔内导入指定的溅射气体的气体导入设备12；向所述阴极单元中施加功率的电源；垂直磁场发生设备，其由在将所述阴极单元和基板连接起来的基准轴的周围，安装在真空腔壁上的线圈15，以及能向各线圈通电的电源构成；控制气体导入设备导入溅射气体的控制设备16。

Description

溅镀装置及溅镀方法
技术领域
本发明涉及一种用于在待处理基板表面成膜的溅镀装置及溅镀方法。
背景技术
在制作半导体器件的成膜工序中，举例说来，会使用溅镀(下称溅射)装置，随着近年来布线图越来越细微化，要求具有该用途的溅装置，在待处理基板的整个表面上，对于长宽比高的微孔可以覆盖性良好地成膜，即更要求提高覆盖效果。
在以往的溅镀装置中，靶后方(背对溅射面那侧)安装交替改变极性的多个磁铁所组成的磁铁组合体，通过这些磁铁组合体在靶前方(溅射面那侧)产生隧道状磁场，通过捕捉在靶前方电离的电子及溅射所产生的二次电子，来提高靶前方的电子密度，加大等离子密度。
用上述这种溅镀装置，在靶当中，处于受上述磁场影响的领域内的靶会优先受到溅射。因此，从放电的稳定性和提高靶的使用效率等观点出发，上述领域，例如在靶中央附近的话，溅射时靶的刻蚀量在其中央附近会增大。因此，在基板外围，从靶上溅射出的靶材粒子(例如金属粒子，以下称“溅射粒子”)将以倾斜的角度入射并附着。众所周知，其结果是用于上述用途的成膜时，基板的外围尤其会产生覆盖的非对称性问题。
例如，通过专利文献1，我们知道有一种溅镀装置用于解决上述问题，该装置包括：在真空腔内搭载有基板的平台上方，安装有略平行于平台表面的第1靶，同时在平台的斜上方与平台表面相对倾斜地安装有第2靶，即包括多个阴极单元。
然而，如上述专利文献1所述的在真空腔内安装多个阴极单元的话，装置的结构就会变得很复杂，并且，还必须根据靶的数量配备施加功率用的电源和磁铁组合体等，部件数量增加会导致成本升高的问题。
与之相对的，本申请的发明人们开发了一种阴极单元，该阴极单元构成为将有底桶状的靶材以靶材的底部侧先进入的方式安装在形成于托架单侧上的凹部内，进而，使该靶材的内部空间产生磁场。在本申请中指出：通过将该阴极单元应用在基板整个表面都作用有垂直磁场的溅镀装置中，可以在与靶材的开口相对的部分及其周边形成膜厚极为均匀的薄膜。(参考专利申请2008-167175号)。
然而，已探明，使用上述结构的装置，在对微孔进行Cu或Ta的防护膜成膜时，如果令其在靶材的内部空间里通过自放电溅射来成膜的话，就会产生溅射粒子形成的薄膜覆盖住微孔顶面开口将其封闭的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利公开2008-47661号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
鉴于上述内容，本发明提供一种溅镀装置及溅镀方法，对于在晶片等基板的表面上形成的高长宽比的各微孔，可以覆盖性良好地成膜。
解决技术问题的手段
要解决上述问题，本发明的溅镀装置的特征是具有：真空腔，其安装有待处理基板；阴极单元，该阴极单元面对基板安装在真空腔内，该阴极单元构成为将有底桶状的靶材以靶材的底部侧先进入的方式安装在托架单侧形成的至少一个凹部处，同时组装上在靶材的内部空间产生磁场的磁场发生设备；阳极屏蔽层，其上施加有正电压，安装时至少要覆盖住所述托架上与基板的相对面；气体导入设备，其向所述真空腔内导入指定的溅射气体；溅射电源，其向所述阴极单元中施加功率；垂直磁场发生设备，其由在将所述阴极单元和基板连接起来的基准轴周围，安装在真空腔壁上的线圈以及可以向各线圈通电的电源构成；控制设备，对所述气体导入设备导入的溅射气体进行通断控制。
使用本发明的话，将真空腔抽真空后，导入稀有气体构成的溅射气体，向阳极屏蔽层施加正电压的同时，向阴极单元施加负电压的话，就会从阴极单元的前方空间向靶材的内部空间产生辉光放电，通过磁场发生设备产生的磁场的作用，就能将等离子封闭在靶材的内部空间中(溅镀产生的二次电子尤其易于封闭)。在这种状态下停止导入溅射气体的话，靶材内部的空间中就会在低压力下自放电。而要想在靶材内部的空间中切实地持续自放电，优选产生500高斯以上磁场强度的磁场。
在自放电中，等离子中的溅射气体离子等撞击靶材的内壁面，进而实现对该内壁面的溅射，从靶材的开口处向阴极单元前方的空间，放出由此产生的、带有很强直线性的溅射粒子和溅射粒子的离子。而且，特别是带有正电荷的溅射粒子的方向被垂直磁场改变，略垂直于基板入射。如此，即使是对微孔也将覆盖性良好地附着、沉积。
此处，由于在这种自放电中，带有正电荷的溅射粒子呈支配状态，所以基板表面上与靶材开口处相对部分的溅射率有局部的增加，如依旧继续通过溅射形成薄膜的话，微孔的上面开口就有被溅射粒子形成的薄膜所覆盖而被封闭的可能。
此处，在溅射中，以指定的周期经气体导入设备以指定流量导入一定时间的溅射气体。在导入了溅射气体的状态下，再向基板表面上与靶材的开口相对部分供给在等离子中电离了的溅射气体的离子，该溅射气体的阴离子刻蚀基板表面的附着、沉积物。这种情况下，例如改变垂直磁场强度或惰性气体的气体流量的话，可以控制刻蚀的速度。而此时的气体流量在例如3～100sccm的范围内进行调节即可。
如此，通过在成膜时控制导入的溅射气体的通断，可以交替进行溅射粒子的沉积和蚀刻。其结果是将本发明的溅镀装置应用于制作半导体器件的成膜工序中的话，微孔的上面开口就不会被封闭，形成的薄膜可以很好涂覆(即很好覆盖)住长宽比很高的微孔。
本发明中，阳极屏蔽层可采用下述构造，包括：与靶材相对的开口部、在开口部边缘处形成的向基板侧延伸的筒状部。
再有，为解决上述课题，本发明的溅镀方法的特征在于：是一种用权利要求1或2所述的溅镀装置在待处理基板的表面成膜的溅镀方法，包括：通过所述垂直磁场发生设备，在靶材和基板表面之间产生以指定的间隔通有垂直的磁力线的垂直磁场，通过所述气体导入设备向真空腔内导入溅射气体，在阳极屏蔽层上施加正电压的同时，向阴极单元上施加负电压，溅镀靶材的内壁面，在溅镀中，通过所述控制设备以指定的间隔对导入的溅射气体进行通断。
这种情况下，向所述基板施加偏压的话，通过改变该偏压，可以调节成膜速度和气体导入时的刻蚀速度。
附图说明
[图1]说明本实施方式的溅镀装置的构造的剖面示意图。
[图2]说明图1的溅镀装置中使用的阴极单元的分解图。
[图3]示出导入的溅射气体和溅射率之间关系的图表。
[图4]示出线圈的通电电流和溅射率之间的关系的图表。
发明的实施方式
以下，参照附图，对具有本发明实施方式中的阴极单元的溅镀装置进行说明。如图1所示，溅镀装置M具有可形成真空气体环境的真空腔1，真空腔1的顶部装有阴极单元C。并且在下文中，将真空腔1的顶部侧设为“上”，其底部侧设为“下”来进行说明。
如图2所示，阴极单元C具有圆柱状的托架2，托架2由有导电性的材料、例如由与后文所述的靶材同一材料制成。在托架2的下面中央位置形成有1个凹部3。凹部的开口面积设定为
Figure BDA0000068411610000041
的范围，靶材4插在凹部3上。
靶材4根据要在待处理基板W上形成的薄膜的组成来选择适合材料，例如Cu、Ti或Ta材质，靶材4内部有用于放电的空间4a，故具有有底桶状的外形，从该底部侧自由装卸式地嵌插在凹部3上。靶材4的长度设定为其下面与托架2底面齐平。
在托架2的上面，开设有多个在其厚度方向上伸长的收容孔5，并插有制成圆柱状或棱柱状的磁铁6，从而构成磁场发生装置。本实施方式中，在托架2的周边上以45度间隔形成8个收容孔5，在各收容孔5上，沿托架2的厚度方向隔指定的间隔设置2个棱柱状的磁铁6，磁铁6交替改变靶材4侧的极性，在空间4a内产生500高斯以上的强磁场。
并且，将磁铁6装入收容孔5后，在托架2的上面上安装圆板状的支持体7，经省略图示的绝缘体安装阴极单元C。并且，托架2与作为溅射电源的DC电源E1相连接，溅射中，通过托架2进而向靶材4施加负的直流电压。而溅射电源并不仅限于此，还可使用其他公知的电源。
并且，在托架2的下侧，安装有具有导电性的阳极屏蔽层8。阳极屏蔽层8具有遮住整个托架2的下面的形状，包括与靶材4对应的开口部8a。开口部8a的边缘上，有向基板W侧延伸的中空的筒状部8b。
并且，阳极屏蔽层8与另一DC电源E2连接，溅射中，被施加正的直流电压。由此，筒状部8b可以起到协助溅射粒子的离子以高直线性从靶材4的空间向基板W放射的作用。
在真空腔1的底部上，面对阴极单元C安装平台9，能够定位并保持住硅晶片等材质的待处理基板W。平台9上，连接有高频电源E3，溅射中，通过平台9向基板W施加偏压，积极地将来自靶材4的溅射粒子的离子或溅射气体的离子吸入基板W。
在真空腔1的内壁上，安装上下成1对的防沉积板10u、10d，在真空腔1内划分出溅射室的同时，还防止溅射粒子附着在真空腔1的内壁等处。在真空腔1的侧壁上，连接有气管11，用用导入为氩气等稀有气体的溅射气体，另一端经流量控制器12与省略了图示的气源连通。这种情况下，这些部件构成气体导入设备，可以将流量受到控制的溅射气体导入真空腔1内。并且，在真空腔1的底部，连接有排气管14，排气管14与由涡轮分子泵或转子泵等构成的真空排气设备13相通。
在真空腔1的外壁面上，在将阴极单元C及基板W的中心连接起来的基准轴CL的周围，在上下方向上隔指定的间隔设置线圈15u及线圈15d，线圈15u及线圈15d的自由端分别与DC电源E4相连，上下的各线圈15u、15d和DC电源E4构成垂直磁场发生设备，垂直磁场发生设备从阴极单元C到基板W的整个面之间，以等间隔产生通有垂直的磁力线的垂直磁场。而且，溅射中，来自靶材4的溅射粒子或溅射粒子的离子由于垂直磁场的作用，其方向被改变，成为略垂直地入射并附着于基板W上。
此处，DC电源E4优选可以任意改变通入上下各线圈15u、15d的电流值及电流方向的构造，产生垂直磁场时，将通电电流(例如15A及其以下)设为磁场强度变为100高斯以上。变得比100高斯小的话，等离子失活无法很好成膜。并且，控制各线圈15u、15d上流通的电流的方向，以产生向上的垂直磁场，从而使等离子在垂直磁场的影响下不失去活性，高效地在基板整个面部形成厚度均匀的薄膜。再有，线圈的数目不受上述例子限制。
并且，溅镀装置M具有公知的控制设备16，设备16具有微型计算机和程序控制器等，通过控制设备16来统一管理上述各DC电源及高频电源E1到E4的运行、流量控制器12的运行及真空排气设备13的运行等。
接下来，以使用待成膜的基板W，通过溅射形成作为覆膜的Cu膜为例，来说明使用上述溅镀装置1成膜的方法。其中，该待成膜的基板W是在Si晶片表面形成硅氧化物膜(绝缘膜)后，在该硅氧化物膜中使用公知的方法来排布微孔，从而形成的基板。
首先，将靶材4嵌插在托架2的凹部3上的同时，从托架2的上侧将磁铁6安装在收容孔5上，之后安装上支持体7，组装出阴极单元C。而且，经绝缘体将阴极单元C安装在真空腔1的顶部。
接下来，将基板W搭载在面对阴极单元C的平台3上后，启动真空排气设备13，将真空腔1内抽到指定的真空度(例如10-5Pa)。真空腔1内的压力达到指定值的话，控制流量控制器12以指定流量向真空腔1内导入溅射气体。
而且，通过DC电源E4给上下的各线圈15u、15d通电，在从阴极单元C到基板W的整个面之间，以等间隔产生有垂直的磁力线通过的垂直磁场，由DC电源E2向阳极屏蔽层8施加正电压(例如5～150V)，由DC电源E1向托架2施加负电压(例如200～600V)，同时由高频电源E3向基板W施加负的偏压(例如100～600V)。
由此，从阴极单元C的前方空间向靶材4内部的空间发生辉光放电，并在磁铁6产生的磁场的作用下将等离子封入上述空间4a中。之后，控制流量控制器12停止导入溅射气体，则低气压下上述空间4a中发生自放电。
这种状态下，溅射等离子中的氩气离子等撞击靶材4的内壁面，进而实现对该内壁面的溅射，Cu原子飞散，从各靶材4下面的开口向基板W放出带有很强直线性的Cu原子或电离后的Cu离子，施加偏压与产生垂直磁场相互配合，因垂直磁场而改变了方向的溅射粒子或溅射粒子的离子以略垂直于基板W的角度，被积极地吸入并附着、沉积于基板W上。
此处，由于在这种自放电中，带有正电荷的溅射粒子呈支配状态，所以基板W的表面上与靶材开口处相对部分的溅射率有局部的增加，如依旧继续通过溅射形成薄膜的话，微孔的上面开口就有被溅射粒子形成的薄膜所覆盖而被封闭的可能。
此处，溅射中，通过控制设备16，以指定周期对流量控制器12进行通断控制，以指定流量向真空腔1内导入溅射气体。这种情况下，考虑气体排气速度等来设定溅射气体的导入周期。并且，考虑气体排气速度等，将溅射气体的导入时间设定在0.5～2.5sec的范围。
在再次导入了溅射气体的状态下，在阴离子中电离了的溅射气体的离子被吸向基板W方向，该离子刻蚀基板W 上的附着、沉积物。这种情况下，改变如垂直磁场强度或惰性气体的气体流量的话，就可以控制刻蚀速度。此时气体流量在例如3～100sccm的范围内调节即可。在3sccm及以下的流量的话，会出现气体流量的控制不稳定的问题，并且，流量超过100sccm，会出现气体排气时间变长的问题。
如此通过在溅射中对导入溅射气体进行断通控制，就会交替实施溅射粒子或溅射粒子的离子的沉积和刻蚀。其结果是微孔的上面开口不会被封闭，形成的薄膜能够很好地涂覆(即覆盖)住长宽比很高的微孔。
为确认上述效果，使用图1所示的溅镀装置，形成Cu膜。在的Si晶片整个表面都形成硅氧化物膜之后，在该硅氧化物膜中使用公知方法排布微孔(宽40nm，深40nm)，制成基板W。另一方面，靶材4采用组成比为99％的铜材质，板厚为5mm，下面的开口直径为30mm。
形成Cu膜的成膜条件如下：托架2底面和基板W之间的距离设定为300mm，设定向靶材4的施加功率为6.6kW(电流19.5A)，向阳极屏蔽层8的施加功率为150V，对上下的各线圈15u、15d的通电电流为30A，偏压功率为0kW，设定溅射时间为15秒。而且，使用Ar气作溅射气体，溅射成膜开始第1秒的时间里，以100sccm的流量导入溅射气体，之后，以0～100scccm的各个流量导入真空腔1内。
图3是示出了以上述条件成膜后的溅射率的测定值的图表。可以确认，溅射气体的流量比3sccm小的情况下，能得到超过3nm/sec的高溅射率，并且，阴极材4的开口正下方及其周边的薄膜厚度分布变得极为均匀。
另一方面，溅射气体的流量超过3sccm的话，可以确认，特别是靶材4的开口正下方的位置上的溅射率会变得尤其低，基板W表面附着、沉积的Cu膜受到刻蚀。这种情况下，可以一并确认，随着升高偏压功率，刻蚀量有所增加。
通过上述内容，可以得出结论，如果通过在成膜时对导入溅射气体进行通断控制，进而以指定的周期实施溅射粒子的沉积和刻蚀的话，微孔的上面开口将不会被封闭，可以形成能很好涂覆长宽比很高的微孔的薄膜。这种情况下。通过SEM照片来确认微孔的覆盖情况，可以确认微孔的壁面上形成有致密的薄膜。
接下来，进行确认垂直磁场影响的试验。该试验中，成膜开始的第1秒钟时间，以100sccm的流量来导入溅射气体，之后，停止导入气体之外，保持成膜条件与上述相同，使对上下的各线圈15u、15d的通电电流发生变化。
如此，可以确认，增加对上下各线圈15u、15d的通电电流的话，能够提高靶材4的开口正下方及其周围的溅射率。
到此为止，对本实施方式的溅镀装置及溅镀方法进行了说明，但本发明并不仅限于上述内容。例如，还可在托架2的整个下面密集地形成多个凹部，将靶材嵌插在各凹部上来构成阴极单元。
附图标记说明
M溅镀装置
1 真空腔
2 托架(阴极单元)
3 凹部
4 靶材(阴极单元)
6 磁铁(磁场发生设备)
11 气管(气体导入设备)
12 流量控制器(气体导入设备)
15u 上线圈(垂直磁场发生设备)
15d 下线圈(垂直磁场发生设备)
C 阴极单元
E1～E4 电源
W 基板

Claims (4)

1.一种溅镀装置，其特征在于，包括：
安装有待处理基板的真空腔；
阴极单元，其面对基板安装在真空腔内，所述阴极单元构成为将有底桶状的靶材以靶材的底部侧先进入的方式安装在形成于托架单侧上的至少一个凹部内，同时配置上在靶材的内部空间产生磁场的磁场发生设备；
阳极屏蔽层，其上施加有正电压，安装时至少要覆盖住所述托架上与基板的相对面；
气体导入设备，其向所述真空腔内导入指定的溅射气体；
溅射电源，其向所述阴极单元中施加电力；
垂直磁场发生设备，其由在将所述阴极单元和基板连接起来的基准轴周围，安装在真空腔壁上的线圈以及可以向各线圈通电的电源构成；
控制设备，对所述气体导入设备导入的溅射气体进行通断控制。
2.根据权利要求1所述的溅镀装置，其特征在于，所述阳极屏蔽层包括：与靶材相对的开口部、和在开口部边缘处形成的向基板侧延伸的筒状部。
3.一种溅镀方法，其特征在于：是一种用权利要求1或2所述的溅镀装置在待处理基板的表面成膜的溅镀方法，包括：通过所述垂直磁场发生设备，在靶材和基板表面之间以指定的间隔产生通有垂直的磁力线的垂直磁场，通过所述气体导入设备向真空腔内导入溅射气体，在向阳极屏蔽层上施加正电压的同时，向阴极单元上施加负电压，溅射靶材的内壁面，在溅射中，通过所述控制设备以指定的间隔对导入的溅射气体进行通断。
4.根据权利要求2所述的溅镀方法，其特征在于，向所述基板施加偏压。
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