CN111094618B - 溅射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可在基板表面上所形成的孔和沟道的内部具有良好对称性地且覆盖性良好地形成规定薄膜的溅射装置。本发明的溅射装置，其包括配置有靶的真空室，使圆形基板旋转规定转数，并进行溅射在基板表面形成薄膜，所述溅射装置具有：台架，其以基板中心距离靶中心在径向的一个方向上偏移规定间隔的状态旋转自如地保持该基板；以及挡板，其设置在靶和台架上的基板之间并覆盖该基板；挡板上形成开口部，其允许从靶飞散的溅射粒子通过到达基板侧，开口部具有的轮廓是：以基板中心区域为起点，从该起点开始朝着径向外方向使开口部的开口面积逐渐增加，开口面积的增加量根据靶和基板之间的距离来设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种在半导体装置的制造工序中在基板表面形成的孔和沟道(トレンチ)内部形成阻挡膜和籽晶层等薄膜的溅射装置，更具体而言，是涉及一种适于在孔和沟道的底表面以及侧表面上覆盖性良好地、且对孔和沟道对称性良好地(即以在孔和沟道的相对侧表面上形成的薄膜的膜厚相同的方式)形成薄膜的溅射装置。
背景技术
作为通常的溅射装置，例如为了得到良好的基板面内的均匀性，存在一种装置，其具有：配置有靶的真空室；以及台架，其在真空室内与靶相对配置并旋转自如地保持圆形基板；所述装置以基板的中心为旋转中心使基板旋转规定的转数，并对靶进行溅射且在基板表面形成薄膜。
再有，例如专利文献1中所示的装置，其中，以基板中心距离靶中心在径向的一个方向上偏移规定间隔的状态将基板旋转自如地保持在台架上，在靶和基板之间，通过配置有一部分开口部的挡板，而使用较小的靶在较大的基板的整个表面成膜。
但是，上述以往例子的装置中存在不能充分抑制从靶飞散的溅射粒子中的相对基板表面倾斜入射的粒子，随着孔开口部上突起的生长而产生覆盖性下降以及不对称性的问题，不能在孔和沟道的内部以近年来对精细图案的成膜所要求的良好覆盖性和良好对称性来成膜。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利公开平成9-213634号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
鉴于上述内容，本发明要解决的技术问题是提供一种可在基板表面上所形成的孔和沟道的内部具有良好对称性地且覆盖性良好地形成规定薄膜的溅射装置。
解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题，本发明的溅射装置，其包括配置有靶的真空室，使在真空室内与靶相对配置的圆形基板以其中心为旋转中心旋转规定转数，并对靶进行溅射且在基板表面形成薄膜，所述溅射装置的特征在于，其具有：台架，其以基板中心距离靶中心在径向的一个方向上偏移规定间隔的状态旋转自如地保持该基板；以及挡板，其设置在靶和台架上的基板之间并覆盖基板；挡板上形成开口部，其允许通过以规定放电压力对靶进行溅射而从靶飞散的溅射粒子通过到达基板侧，开口部具有的轮廓是：以基板中心区域为起点，从该起点开始朝着径向外方向使开口部的开口面积逐渐增加，开口面积的增加量根据靶和基板之间的距离来设置。
采用本发明，由于是在溅射粒子的平均自由程长的压力区域进行溅射，因此溅射粒子保持着从靶飞散的角度行进。在其行进过程中，由于从靶飞散的溅射粒子中的相对于基板表面倾斜入射的粒子被挡板遮挡，所以可在孔和沟道的底表面和侧表面上覆盖性良好地形成薄膜，并且可对孔和沟道对称性良好地形成薄膜。而且，通过根据靶和基板之间的距离设置开口部的开口面积的增加量，不会损害具有良好对称性地且覆盖性良好地形成规定薄膜这一功能，还可实现高成膜率。此外，在本发明中，为了获得孔和沟道中形成的薄膜的膜厚的良好均匀性和镀膜形状的对称性，靶的直径优选设置为基板半径两倍左右或更高。
在本发明中，优选当所述开口部具有扇形轮廓时，基板半径设为r、靶和基板之间的距离设为d、基板中心偏移为距离靶中心r/3及以上，所述开口部的面积设置为挡板导致的基板的被遮挡面积比大于1-(d÷2r/2.66)的值。这样的开口部的面积优选将所述开口部的中心角设置在60～120°的范围内。当中心角小于60°时，存在不能充分提高成膜率的情况，而当中心角大于120°时，存在相对于基板表面倾斜入射的溅射粒子的量增多、对称性和覆盖性变差的情况。
而当在开口部的起点周边的部分上成膜时，存在到达基板中心区域的溅射粒子的量减少的情况。此时，虽然可考虑更换挡板，但这需要使真空室内向大气开放，导致生产率降低。在本发明中，通过使挡板沿着基板相对于靶中心偏移的方向移动，可维持到达基板中心区域的溅射粒子的量，可防止位于该中心区域内的孔和沟道中所形成的膜厚变薄。
再有，当包括下述磁体单元和旋转单元时，即配置在靶的相对于基板的背面侧，且产生的漏磁场在靶和基板之间以及在靶中心和靶的外周部之间不均匀分布的磁体单元，以及以靶中心作为旋转中心使磁体单元旋转的旋转单元，如果磁体单元和台架的旋转同步，则会在基板面内产生无法以所需膜厚成膜的区域。在本发明中，通过设置控制装置，其分别控制磁体单元和台架的转数以使磁体单元和台架不同步，可在基板整面上形成所需的膜厚。
在本发明中，所述挡板和基板之间的距离优选是所述放电压力的平均自由程的2倍以内。当大于2倍时，存在的问题是：粒子彼此的散射导致倾斜入射基板表面的粒子数量增加，从而孔和沟道的开口部上的附着膜容易产生突起。
在本发明中，所述挡板的开口部优选使基板的中心区域露出。由此，通过将开口部设置在基板中心的正上方，位于基板中心区域的孔和沟道上形成的薄膜的膜厚不会变薄，可实现基板中心区域的覆盖性良好。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的磁控管溅射装置的剖视示意图。
图2是图1所示挡板的俯视示意图。
图3是示出确认本发明效果的实验结果的图。
图4是示出挡板的变形例的俯视示意图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式的溅射装置进行说明。以下以图1为基准，以真空室1的内顶部侧为“上”、以其底部侧为“下”进行说明。
如图1所示，溅射装置SM具有划分出处理室1a的真空室1。真空室1的侧壁上设置有排气口11，该排气口11上经排气管12连接有真空泵P，可将处理室1a抽真空到规定压力(例如1×10-5Pa)，真空泵P由涡轮分子泵和旋转泵等构成。真空室1侧壁上设置有气体导入口13，该气体导入口13上连接有气管15，可将由Ar等稀有气体构成的溅射气体以规定流量导入处理室1a内，气管15中介置有质量流量控制器14，并与未图示的气源相连通。
阴极单元C装卸自由地设置在真空室1的内顶部。阴极单元C由靶2和磁体单元3构成，靶2设置为面朝真空室1内(处理室1a)，磁体单元3配置在背对靶2溅射面2a的一侧并产生漏磁场，该漏磁场在靶2和基板W间且在靶2中心和靶2的外周部之间不均匀分布。靶2是根据要形成的薄膜的组分而适当选择的金属和金属化合物(绝缘物)等材料制成的，使用公知的方法制成为例如具有圆形轮廓。靶2上连接有来自作为溅射电源E的带有负电位的直流电源或高频电源的输出，在溅射时被接通电力。在背对靶2的溅射面2a的表面上，通过铟和锡等粘接材料接合背板21。背板21是热传导良好的Cu等金属制成的，可通过使制冷剂在未图示的制冷剂循环通道中循环来冷却靶2。对于磁体单元3，可使用公知产品，其具有磁性材料制成的板状的磁轭31；环形排列设置在磁轭31下表面的同磁化的多个第一磁体32；以及与第一磁体32同磁化的环形排列设置在第一磁体32周围的多个第二磁体33。磁轭31的上表面连接有旋转装置4的旋转轴41，对靶2进行溅射成膜期间，可使磁体单元3以靶2的中心为旋转中心进行旋转。
真空室1的底部上设置有台架5，台架5以距离靶2中心在径向的一个方向上偏移规定间隔的状态保持基板W。在台架5下表面中央处连接旋转单元6的旋转轴61，旋转轴61间隔省略图示的真空密封件穿通真空室1底壁，可使基板W以规定转数旋转。台架5上连接有作为偏置电源E2的高频电源的输出，溅射时接通偏置电力。此外，台架5具有省略图示的公知的静电卡盘，通过向该静电卡盘的电极施加规定电压，可使基板W以其成膜面朝上地吸附保持在台架5上。再有，也可以构成为台架5上连接有未图示的升降装置的驱动轴，可改变靶2和基板W之间的距离。
在靶2和台架5上的基板W之间，设置有覆盖基板W的挡板7。挡板7上形成有开口部71，开口部71允许从靶2飞散的溅射粒子通过到达基板W侧。再参照图2，例如开口部71使基板W中心区域露出，具有的轮廓是以该中心区域露出的部分作为起点72，开口部的面积从该起点开始朝径向的外方向逐渐增加，而开口面积的增加量根据靶2和基板W之间的距离d1设置。优选基板W和挡板7之间的距离d2设置在5～100mm的范围内。特别是考虑到穿过挡板7的开口部71后的溅射粒子与其他粒子碰撞，改变其行进方向这一现象，更优选基板W和挡板7之间的距离d2设置在相对于放电压力的平均自由程的2倍以内。再有，挡板7的侧表面上连接有移动单元8的驱动轴81，挡板7可沿着基板W相对于靶2中心的偏移方向(即图1中的右方)移动。
上述溅射装置SM具有公知的控制单元Ru，其具有微电脑和定序器等，统一控制真空泵P的运转、质量流量控制器14的运转、溅射电源E的运转、旋转单元4的运转、旋转单元6的运转和移动单元8的运转等。此外，当磁体单元3和台架5的旋转同步时，有时会在基板W面内产生未以需要的膜厚成膜的区域，但采用控制单元Ru，通过分别控制磁体单元3和台架5的转数而使得磁体单元3和台架5的旋转不同步，可在基板W整面上以所需薄膜厚度成膜。下面对使用上述溅射装置SM的成膜方法，以在形成于基板W表面的、省略图示的孔和沟道的内部形成Cu膜的情况为例，进行说明。
Cu制成的靶2配置在真空室1内，将真空室1内抽真空到规定真空度(例如1×10- 5Pa)，通过图外的运送机器人将基板W运送到真空室1内，将基板W转移台架5上，使基板W静电吸附并保持在台架5上。接着通过旋转单元6使台架5以规定转数(例如120rpm)旋转，从而使基板W旋转。并且，使用旋转单元4使磁体单元3旋转规定转数(例如52rpm)，并以例如0～20sccm的流量导入作为溅射气体的氩气(此时真空室1内的压力为2.0×10-1Pa以下)，从溅射电源E1向靶2接通直流电力(例如10～30kW)，通过从偏置电源E2向台架5接通施加13.56MHz的高频电力300W，在真空室1内形成等离子体。由此，对靶2的溅射面2a进行溅射，从靶2飞散的溅射粒子通过挡板7的开口部71，堆积附着在基板W表面上所形成的孔和沟道的底表面和侧表面上，形成Cu膜。
此时，由于从靶2飞散的溅射粒子中的相对于基板W表面倾斜入射的粒子被挡板7遮挡，即由于通过挡板7的开口部71的溅射粒子相对于基板W表面大致垂直地入射，因此可对孔和沟道对称性良好且覆盖性良好地形成Cu膜。再有，优选将挡板7设置为挡板7的开口部71位于基板W的中央区域的正上方。此时，到达基板W中央区域的溅射粒子不会减少，位于基板W中心区域的孔和沟道上形成的Cu膜的薄膜厚度不会局部变薄，可在基板W的整面形成具有大致形同的薄膜厚度的Cu膜。
而如果挡板7的开口部71的开口面积设置得小，则虽然可得到良好的对称性和覆盖性，但是有时成膜率会下降。另一方面，如果开口部71的开口面积设置得大，则虽然可提升成膜率，但有时对称性和覆盖性会变差。
因此，采用本实施方式，由于根据基板W和靶2之间的距离设置开口部71的开口面积的增加量，所以不会损害可在基板W表面上所形成的孔和沟道的内部具有良好对称性地且覆盖性良好地形成Cu膜的功能，可在基板W的整面以高成膜率形成具有相同薄膜厚度的Cu膜。具体而言，在开口部71具有扇形轮廓时，基板W的半径设为r、靶2和基板W之间的距离设为d1、基板W中心偏移为距离靶2中心r/2及以上，开口部71的面积设置得挡板7导致的基板W的被遮挡面积比大于1-(d1÷2r/2.66)的值。此时，优选开口部71的中心角θ设置在60～120°的范围内。
而当在开口部71的起点72周边的部分成膜时，有时到达基板W中心区域的溅射粒子的量减少。此时，通过移动单元8使挡板7沿基板W相对于靶2中心的偏移方向移动，从而可维持到达基板W中心区域的溅射粒子的量，可防止位于该中心区域的孔和沟道上形成的薄膜的薄膜厚度变薄。此外，也可预先获取基板W的处理块数与对上述部分的成膜量之间的关系，根据基板W的处理块数来移动挡板7。
接着，为了确认上述效果，使用上述溅射装置SM进行接下来的实验。即在本实验中，使用在
的圆形硅基板的表面上形成开口宽度是50nm、深度是200nm的沟道的基板作为基板W，使用
(基板W半径r的2.66倍)的Cu制成的靶作为靶2，基板W和靶2之间的距离(下称“T/S距离”)d1设置为400mm、基板W和挡板7之间的距离d2设置为50mm、距离靶2中心的基板W中心的偏移量Vo设置为r/2。使用
的SUS制成的挡板作为挡板7，在挡板7上开设开口部71，开口部71具有中心角θ是90°的扇形轮廓。并且，分别控制使得台架5的转数是120rpm、磁体单元3的转数是52rpm，向真空室1内导入氩气，并向靶接通直流电力，生成等离子体。之后，立即将氩气的流量调整为0sccm(此时的处理室1a内的压力是1×10- 5Pa)，接通给靶2的直流电力设置为23kW，并向台架5接通13.56MHz的高频电力300W，对靶2进行溅射并在沟道的内部形成Cu膜。根据成膜后的基板W的剖面SEM像评价在沟道的内部形成的Cu膜的对称性和覆盖性，与之结合，根据在基板W表面平坦部分(沟道以外的部分)上形成的Cu膜的薄膜厚度测量值评价成膜率。这些评价结果都在图3(a)中示出。图3(a)中也一并示出了使开口部71的中心角θ变化为45°、60°、120°、150°、180°时的评价结果。此外，对于图3所示的评价结果，分别显示“○”是对称性和覆盖性良好且成膜率高的情况、“Δ”是对称性和覆盖性良好且成膜率可用于批量生产的情况、“▲”是对称性和覆盖性可用于批量生产且成膜率高的情况、“×”是对称性和覆盖性NG(不适用批量生产)的情况。图3(a)中也一并示出了T/S距离d1变为200mm、300mm的情况的评价结果。
当能得到图3(a)所示的“○”、“Δ”和“▲”的评价结果时，满足挡板7导致的基板W的被遮挡面积比大于1-(d÷2r/2.66)的值这一条件。开口部71的面积设置为满足该条件，确认例如当T/S距离d1是200mm时，中心角θ可增大到90°、当T/S距离d1设置为300mm时，中心角θ可增大到120°、当将T/S距离d1设置为在400mm时，中心角θ可增大到180°。但是，当对覆盖性能要求高时，中心角θ优选设置为120°及以下，进而考虑到生产率优选设置为60°及以上。
对除使用
的基板W这点之外都采用与上述相同的方法形成Cu膜，其评价结果在图3(b)中示出。当得到图3(b)所示的“○”、“Δ”和“▲”的评价结果时，满足挡板7导致的基板W的被遮挡面积比大于1-(d÷2r/2.66)的值这一条件。开口部71的面积设置为满足该条件，确认了例如虽然T/S距离d1是200mm时，中心角θ设置为45°，但在将T/S距离d1设置为300mm时，中心角θ可增大到60°、在将T/S距离d1设置为400mm时，中心角θ可增大到90°、在将T/S距离d1设置为600mm时，中心角θ可增大到180°。但是，当对覆盖性能要求高时，中心角θ优选设置为120°及以下，进而考虑到生产率优选设置为60°及以上。
根据上述说明的实验，得知如果根据T/S距离d1设置中心角θ，则不会损害可对称性和覆盖性良好地成膜这一功能，可提升成膜率。
以上说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于上述内容。例如也可如图4所示，将挡板7的开口部71形成为缺口部。再有，虽然开口部71具有的轮廓是以中心区域作为起点，开口部的面积从该起点开始朝径向的外方向逐渐增加，但并不仅限于设置一个所谓的大致扇形或大致三角形形状的开口的情况，也可设置为分散的多个开口部，使这些开口部的总和满足上述条件。
再有，在上述实施方式中，以使用Cu制成的产品作为靶2并在基板W表面形成Cu膜的情况为例进行了说明，但并不仅限于此，也可适用于形成Cu膜以外的金属膜和使用由Al2O3、MgO、SiC、SiN等制成的绝缘材料靶形成绝缘膜的情况。
附图标记说明
SM.溅射装置、W.基板、1.真空室、2.靶、2a.溅射面、2c.靶2中心、3.磁体单元、5.台架、7.挡板、71.开口部、72.起点。
Claims (5)
1.一种溅射装置，其包括配置有靶的真空室，使在真空室内与靶相对配置的圆形基板以其中心为旋转中心旋转规定转数，并对直径与基板相同或更长的靶进行溅射且在基板表面形成薄膜，所述溅射装置的特征在于，其具有：
台架，其以基板中心距离靶中心在径向的一个方向上偏移规定间隔的状态旋转自如地保持该基板；以及挡板，其设置在靶和台架上的基板之间并覆盖基板；挡板上形成开口部，其允许通过以规定放电压力对靶进行溅射而从靶飞散的溅射粒子通过到达基板侧，
开口部具有的轮廓是：以基板中心区域为起点，从该起点开始朝着径向外方向使开口部的开口面积逐渐增加，开口面积的增加量根据靶和基板之间的距离来设置，
所述开口部具有扇形轮廓，
基板半径设为r、靶和基板之间的距离设为d，
基板中心偏移为距离靶中心r/3及以上，
所述开口部的面积设置为挡板导致的基板的被遮挡面积比大于1-(d÷2r/2.66)的值，
还具有移动单元，其使所述挡板可沿着基板相对于所述靶中心偏移的方向移动。
2.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于：
所述开口部的中心角设置在60～120°的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的溅射装置，其特征在于，包括：
磁体单元，其配置在靶相对于基板的背面侧，且产生的漏磁场在靶和基板之间以及在靶中心和靶的外周部之间不均匀分布：以及
旋转单元，其以靶中心作为旋转中心使磁体单元旋转，
还具有控制单元，其分别控制磁体单元和台架的转数以使磁体单元和台架不同步。
4.根据权利要求1或2所述的溅射装置，其特征在于：
所述挡板和基板之间的距离是所述放电压力的平均自由程的2倍以内。
5.根据权利要求1或2所述的溅射装置，其特征在于：
所述挡板的开口部使基板中心区域露出。
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