CN113227446A - 溅射装置及溅射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不损害在形成于被处理基板表面上的孔和沟槽的底面和侧面上以良好的覆盖性和对称性形成规定的薄膜这一功能并可提高靶的利用效率的溅射装置。本发明的溅射装置(SM)具有配置了靶(21)的真空室(1)，在真空室内形成等离子体气氛对靶进行溅射，使从靶飞散的溅射粒子附着、堆积在真空室内配置的被处理基板(Sw)表面上从而形成规定的薄膜，在从靶飞散的溅射粒子所附着的真空室内的规定位置上设置附着体(61)，所述附着体的至少溅射粒子的附着面(61a)设置为采用与靶同种类的材料制成，在附着体上连接偏置电源(62)，所述偏置电源在形成等离子体气氛时施加带负电位的偏置电压。

Description

溅射装置及溅射方法
技术领域
本发明涉及溅射装置及溅射方法，具体而言，涉及可提高靶的利用效率的溅射装置及溅射方法。
背景技术
在半导体器件的制造工序中，有在形成于被处理基板表面的孔和沟槽的底面和侧面上形成阻挡膜或晶种膜等薄膜的成膜工序，在这样的成膜中，通常使用溅射装置。例如在专利文献1中已知的溅射装置，其可在孔和沟槽的底面和侧面覆盖性良好且对于孔和沟槽对称性良好地(即在孔和沟槽的相对侧面上形成的薄膜的厚度相同地)形成薄膜。
上述以往例子的装置是所谓的LTS(长抛掷溅射(Long Throw Sputtering))方式的装置，具有可形成真空气氛的真空室，在真空室的上部配置有靶，在真空室内的下部与靶相对设置有安装了被处理基板的台架。此时，靶和台架上的被处理基板之间的距离(T/S距离)设定得比一般的溅射装置长。由此，可增加到达被处理基板表面的溅射粒子中带有前进稳定性(直進性)的溅射粒子的比例，从而能以良好的覆盖性和对称性成膜。
再有，在对靶进行溅射时，虽然溅射粒子从靶表面按规定的余弦法则飞散，但一部分溅射粒子也会朝被处理基板以外飞散。此时，位于真空室内的防附着板等部件上附着的溅射粒子通常只能被丢弃。并且，如上述以往例子那样，为了增加带有前进稳定性的溅射粒子的比例而使T/S距离设定得很长的话，附着到被处理基板以外的溅射粒子的量会增加，这样会存在靶的利用效率差的问题。
现有技术文献
【专利文献】
【专利文献1】日本专利公开平9-213634号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
鉴于以上内容，本发明要解决的技术问题是提供一种不损害在形成于被处理基板表面的孔和沟槽的底面和侧面上以良好的覆盖性和对称性形成规定的薄膜这一功能并可提高靶的利用效率的溅射装置及溅射方法。
解决技术问题的手段
为解决上述技术问题，本发明的溅射装置具有配置了靶的真空室，在真空室内形成等离子体气氛对靶进行溅射，使从靶飞散的溅射粒子附着、堆积在真空室内配置的被处理基板表面上并形成规定的薄膜，在从靶飞散的溅射粒子附着的真空室内的规定位置上设置附着体，所述附着体中至少溅射粒子的附着面设置为采用与靶同种类的材料制成，附着体连接偏置电源，所述偏置电源在形成等离子体气氛时施加带负电位的偏置电压。
采用本发明，例如当向真空排气了的真空室内以规定流量导入氩等稀有气体，对靶施加带负电位的规定电力时，在真空室内形成等离子体气氛，通过等离子体气氛中的稀有气体的离子，靶表面受到溅射而使溅射粒子飞散，其中一部分也附着到附着体的表面。此时，由于溅射粒子的附着面采用与靶同种类的材料制成，因此当在附着体上施加偏置电压时，通过等离子体气氛中的稀有气体的离子，附着面也受到溅射，与上述溅射粒子同种类的溅射粒子(以下将其称为“重溅射粒子”)飞散，其中一部分也附着到靶表面。像这样，在本发明中，朝被处理基板以外飞散的溅射粒子的一部分暂时附着到附着体上进行回收，也对附着了该溅射粒子的附着面进行溅射，包含附着的溅射粒子的重溅射粒子返回靶表面，从而可提高靶的利用效率。此外，当施加到附着体上的偏置电压比向靶施加的电压还高时，与靶的溅射相比，附着体的溅射占主导，会产生不能在被处理基板表面上形成规定的薄膜的问题。再有，向附着体的偏置电压的施加不只是在靶的溅射过程中，也可作为另一工序，在靶的溅射成膜结束后单独进行。
在本发明中，以第一靶作为所述靶，以采用与第一靶同种类的材料制成的板状的第二靶作为所述附着体，当第一靶和被处理基板在真空室内相对配置时，优选第二靶在第一靶和被处理基板之间的空间中与第一靶相对设置，第二靶上开设有贯通其板厚度方向且容许溅射粒子通过的第一通孔。
采用上述方式，通过使附着体即第二靶与第一靶相对，可使更多的从第一靶飞散的溅射粒子附着到第二靶上进行回收。因此，可使更多的重溅射粒子返回第一靶表面，可进一步提高第一靶的利用效率。再有，从第一靶飞散的溅射粒子通过第二靶上开设的第一通孔并入射到被处理基板上，因此可在被处理基板表面上薄膜厚度面内分布良好地形成薄膜。此时，如果第一通孔由多个通孔构成的话，则第二靶本身作为准直器发挥作用，即作为限制相对于在与被处理基板表面正交的方向上延伸的虚拟线超过规定角度而入射到被处理基板上的溅射粒子的准直器发挥作用，当在被处理基板表面上形成的孔和沟槽的底面和侧面上成膜时，能以良好的覆盖性和对称性形成规定的薄膜。由此，无需如上述LTS方式的溅射装置那样地将T/S距离设置得很长，不但能使装置结构小型化，还能提高成膜速率，是有利的。
在本发明中，以从所述被处理基板朝向所述第一靶的方向为上，优选将所述第一靶和所述被处理基板在与上下方向正交的方向上偏置，还具有旋转自由地保持所述被处理基板的台架，在第二靶和所述台架之间的空间中设置有分布板，其限制通过第二靶的第一通孔朝向被处理基板的溅射粒子的一部分。由此，通过分布板调整对被处理基板表面的溅射粒子的入射量，因此可在被处理基板表面的整面上薄膜厚度分布更加良好地成膜。
再有，在本发明中，优选在第二靶和所述台架之间的空间中，设置有接地电位的电极板，其开设有容许溅射粒子通过的第二通孔。由此，可防止在第二靶和被处理基板之间的空间中形成等离子体气氛而使第二靶下表面受到溅射的问题产生。
再有，为解决上述技术问题，使用上述溅射装置的本发明的溅射方法，其特征在于，包括：在对所述靶进行溅射使溅射粒子附着到所述附着体上的同时，向所述附着体施加比在所述靶上施加的电压低的偏置电位使所述附着体上附着的溅射粒子再次附着到所述靶上的工序。
再有，为解决上述技术问题，使用上述溅射装置的本发明的溅射方法，其特征在于，包括：对所述靶进行溅射，使溅射粒子附着到所述附着体上的第一工序；以及对所述附着体施加偏置电位，使所述附着体上附着的溅射粒子再次附着到所述靶上的第二工序。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的溅射装置的剖视示意图。
图2是图1示出的第二靶的俯视示意图。
图3是示出本发明的变形例涉及的溅射装置的剖视示意图。
图4是图3示出的分布板的俯视示意图。
具体实施方式
以下参照附图，采用Cu材质的靶作为靶，采用在硅晶片的表面以规定的薄膜厚度形成硅氧化物膜后在该硅氧化物膜上例如以规定的图案形成纵横比在3以上的细微凹部的产品(下称“基板Sw”)作为被处理基板，以在包括该凹部的底面和侧面的基板Sw表面上形成Cu膜的情况为例，说明本发明的溅射装置的实施方式。以下表示“上”“下”这类方向的用语以图1所示的溅射装置的设置姿态为基准。
参照图1，SM是本实施方式的溅射装置。溅射装置SM具有可形成真空气氛的真空室1。在真空室1的下部连接与涡轮分子泵或旋转泵等构成的真空排气装置Pu相通的排气管11。在真空室1的侧壁上连接向真空室1内导入溅射气体的气体导入管12。气体导入管12上间置有质量流量控制器13，与未图示的气源连通。溅射气体中不仅含有在形成等离子体气氛时导入到真空室1内的氩气等稀有气体，还包括氧气或氮气等反应气体。由此能使通过质量流量控制器13控制流量的溅射气体以规定的排气速度导入用真空排气装置Pu抽真空了的真空室1内，在成膜过程中，将真空室1内的压力(全压)保持为大致固定。
在真空室1的上表面开口上装卸自如地安装有阴极单元2。阴极单元2由金属材质(Cu材质)的靶21和配置在该靶21的上方的磁铁单元22构成。靶21根据基板Sw的轮廓形成为具有圆形轮廓，在结合于背板21a上的状态下，以溅射面21b设置在下方的状态，经设置在真空室1的侧壁上部的绝缘体31安装在真空室1的上部。
靶21上连接由直流电源或高频电源构成的溅射电源21c的输出21d，可施加带负电位的规定电力。磁铁单元22具有公知的封闭磁场或会切磁场结构，其在靶21的溅射面21b的下方空间中产生磁场，捕捉溅射时在溅射面21b的下方电离的电子等，使从靶21飞散出的溅射粒子有效地离子化，磁铁单元22例如可使用由磁性材料制成的板状的磁轭22a、在磁轭22a的下表面排列呈环状的同磁化的多个中心磁铁22b以及呈环状排列为围绕中心磁铁22b的周围的同磁化的多个周边磁铁22c构成的产品。在磁轭22a的上表面上连接电机23的旋转轴23a，在成膜过程中，能以靶21的中心作为旋转中心旋转磁铁单元22。
在真空室1的下部设置台架4，其以从靶21的中心向径向(图中左右方向)一侧以规定间隔偏置的状态保持基板Sw。此处，考虑靶21和基板Sw的尺寸适当设置通过靶21的中心在上下方向上延伸的虚拟线L1与通过基板Sw中心在上下方向上延伸的虚拟线L2之间的距离(偏置量)d。在台架4的上部设置组装有静电卡盘用的电极(未图示)的卡板41，通过对电极施加规定的直流电压，使基板Sw以其成膜面在上的方式静电吸附在卡板41表面上。在台架4的下表面中央经未图示的真空密封部件连结贯通真空室1的下壁的电机42的旋转轴42a，在成膜过程中，能以规定转数旋转基板Sw。此外，虽未特别图示说明，但在台架4上设置冷媒循环路径或加热器等，在成膜过程中，可将基板Sw控制在规定温度。
在真空室1内设置氧化铝或不锈钢等公知材料制成的防附着板5，其防止通过靶21的溅射而飞散的溅射粒子向真空室1的内壁面的附着。防附着板5具有筒状的轮廓，经设置在真空室1的侧壁上的锁止部32悬吊设置。
再有，在真空室1内设置从靶21飞散的溅射粒子所附着的附着体61，其在靶21和台架4之间的空间内与靶21正对设置，且至少溅射粒子的附着面61a采用与靶21同种类的金属材质。在本实施方式中，附着体61由与靶21(下面称为“第一靶21”)同种类的金属材质(Cu材质)的板状的第二靶61构成。第二靶61例如由在真空室1的侧壁上设置的绝缘体33支撑，从第一靶21的下表面(溅射面)21b到第二靶61的上表面(附着面)61a的距离设置在25mm～250mm的范围内。一方面，如果比25mm短，则会产生第二靶61的下表面受到溅射的问题，另一方面，如果比250mm长，则存在防附着板5上会附着更多溅射粒子的问题。
再有，如图2所示，在第二靶61中，开设有在其上下方向(板厚度方向)上贯通并容许溅射粒子通过的多个第一通孔61b。在本实施方式中，在第二靶61的中央开设一个第一通孔61b，在其径向外侧，沿周向等间隔地开设六个第一通孔61b。第一通孔61b的孔径和个数以及各第一通孔61b的配置考虑在基板Sw上成膜时的薄膜厚度分布而适当设置。此时，优选第一通孔61b的开口率设定在15％～75％。一方面，如果低于15％，则成膜速率过慢，不利于批量生产，另一方面，如果高于75％，则第二靶61的附着面61a上附着的溅射粒子的量会减少。再有，优选第一通孔61b的纵横比(＝第二靶61的厚度/第一通孔61b的孔径)设定为0.5以上。如果小于0.5，则不能使通过第二靶61的溅射粒子具有前进稳定性。此外，多个第一通孔61b也可开设为各自的孔径不同。
进而，在第二靶61上连接来自偏置电源62的输出62a，在成膜过程中，施加带有比在形成等离子体气氛时对第一靶21施加的直流电压低的负的直流电位(下称“偏置电压”)的偏置电力。此时，第二靶61上施加的偏置电压与直流电压的比设定在2％～90％的范围内。如果偏置电压与直流电压的比不在上述范围内的话，则例如与第一靶21的溅射相比，第二靶61的溅射占主导，有助于成膜的溅射粒子的量会减少，从而，使得或者不能以规定薄膜厚度形成Cu膜，或者成膜速率显著下降。此外，上述溅射装置SM具有包括了微机或定序器等的公知的控制装置(未图示)，统一控制真空排气装置Pu的工作、质量流量控制器13的工作、溅射电源21c的工作、电机23、42的工作、偏置电源62的工作和后面提到的移动装置72的工作等。以下以采用上述溅射装置SM在基板Sw表面上形成Cu膜的情况为例说明成膜方法。
在将第一靶21、第二靶61、防附着板5等各种部件安装到真空室1内后，使真空排气装置Pu工作对真空室1进行真空排气。接着，通过图外的真空运输机器人将基板Sw运输到台架4上，将基板Sw载置于台架4的卡板41上。在真空运输机器人退开后，对卡板41的电极施加规定电压，将基板Sw静电吸附到卡板41上。
当将真空室1内抽真空到规定压力(例如1×10-5Pa)时，经气体导入管12以固定的流量(例如氩分压是0.5Pa)导入作为溅射气体的氩气，与之配合地给第一靶21施加来自溅射电源21c的带负电位(例如600V)的规定电力(例如5～30kW)。由此，在真空室1内形成等离子体气氛，由等离子体中的氩气的离子对第一靶21的溅射面21b进行溅射，溅射粒子从第一靶21飞散出。溅射粒子通过第二靶61的第一通孔61b附着堆积在基板Sw表面上，形成Cu膜。
此处，虽然第一靶21的通过溅射而飞散的溅射粒子的一部分也会附着到第二靶61的上表面(附着面)61a上，但通过从偏置电源62向第二靶61施加偏置电压(例如100～150V)，第二靶61的附着面61a也会被等离子体中的氩气的离子溅射，重溅射粒子飞散，其一部分附着到第一靶21的溅射面21b上。该溅射面21b上附着的重溅射粒子被再次溅射，通过溅射而飞散的溅射粒子的一部分附着到基板Sw表面上。
采用以上的实施方式，使朝基板Sw飞散的溅射粒子的一部分暂时附着到第二靶61的附着面61a上进行回收，也对该溅射粒子所附着的附着面61a进行溅射，通过使包括附着的溅射粒子的重溅射粒子返回(还原)到第一靶21的溅射面21b上，可提高第一靶21的利用效率。并且，通过使第二靶61与第一靶21正对，可使从第一靶21飞散的溅射粒子中无助于成膜的粒子的大多数附着到第二靶61的附着面61a上进行回收。因此，可使更多的重溅射粒子返回到第一靶21的溅射面21b上，可进一步提高第一靶21的利用效率。
再有，由于从第一靶21飞散的溅射粒子通过第二靶61上开设的第一通孔61b入射到基板Sw上，因此第二靶61本身作为准直器、即限制相对于沿与基板Sw表面正交的方向延伸的虚拟线L1超过规定角度入射到基板Sw上的溅射粒子的准直器而发挥作用，当在基板Sw表面上形成的孔和沟槽这样的凹部的底面和侧面上成膜这样的情况下，能以良好的覆盖性和对称性形成规定的薄膜。从而，无需像上述LTS方式的溅射装置那样将T/S距离设定得很长，不但可使装置结构小型化，而且可提高成膜速率，是有利的。
以上说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，只要不脱离本发明的主旨，可进行各种变形。在上述实施方式中，根据第二靶61上第一通孔61b的配置等，有时基板Sw表面上形成的薄膜的薄膜厚度分布会产生偏差。因此，也可如图3所示的变形例涉及的溅射装置那样，在第二靶61和台架4之间的空间中设置分布板7，其限制通过第二靶61的第一通孔61b朝向基板Sw的溅射粒子的一部分。如图4所示地，在这样的分布板7上形成开口部71，其具有容许溅射粒子向基板Sw侧通过的扇形轮廓。即开口部71以分布板7的规定位置(例如与基板Sw中心对应的位置)作为起点71a，随着从该起点71a朝向径向外侧其开口面积逐渐增加。开口部71的中心角θ根据薄膜厚度分布而适当设置。该开口部71也可形成为切口部，再有，不限于设置在分布板7的一处的情况，也可离散设置为多个开口部。也可构成为在分布板7的侧面上连接移动装置72的驱动轴72a，可沿基板Sw相对于第一靶21中心的偏置方向(图1中的左右方向)移动分布板7。
再有，在第二靶61和台架4之间的空间(本变形例中是第二靶61的正下方)中与第二靶61相对设置接地电位的电极板8。由此，不会产生在第二靶61和基板Sw之间的空间中形成等离子体气氛，第二靶61的下表面受到溅射的问题。此外，电极板8上开设有多个第二通孔81，其与第二靶61的第一通孔61b对应，容许溅射粒子通过，来自第一靶21的溅射粒子通过第二靶61的第一通孔61b和电极板8的第二通孔81附着到基板Sw上。
在上述实施方式中，虽然以为了使用较小的第一靶21在较大的基板Sw表面上形成薄膜而使基板Sw从第一靶21的中心在径向一侧上偏置的情况为例进行了说明，但使第一靶21的中心和基板Sw的中心在同一直线上的情况也可适用本发明。这种情况下，由于第二靶61本身作为限制相对于连接基板Sw和第一靶21的中心的虚拟线超过规定角度入射到基板Sw上的溅射粒子的准直器而发挥作用，因此也无需将T/S距离设置得很长。
再有，在上述实施方式中，虽然以用Cu材质的靶作第一和第二靶21、61在基板Sw表面上形成Cu膜的情况为例进行了说明，但并不限于此，形成Cu膜以外的Al等金属膜的情况，或者形成氧化铝等绝缘物膜的情况也可适用本发明。
再有，根据第一靶21和第二靶61之间的距离或第二靶61上施加的偏置电压，有时第一靶21和第二靶61之间的放电会不稳定。这种情形，为了使放电稳定化，也可构成为通常接地电位的防附着板5与施加带正电位的电压的电源的输出连接，将防附着板5兼用作屏蔽板。
在上述实施方式中，虽然向附着体(第二靶)61施加偏置电压是在第一靶21的溅射过程中进行的，但也可作为另一工序，在第一靶21的溅射成膜结束后单独进行。即包括：溅射第一靶21并使溅射粒子附着到第二靶(附着体)61上的第一工序；以及对第二靶61施加偏置电位使第二靶61上附着的溅射粒子再次附着到第一靶上的第二工序。此时，给第二靶61施加的偏置电位无需低于给第一靶21施加的电压。
在上述实施方式中，虽然以将第二靶61设置为附着体的情况为例进行说明，但例如也可如防附着板5那样地以真空室1内配置在从第一靶21飞散的溅射粒子所附着的位置上的产品为附着体。此时，只要用与第一靶21同种类的材料形成防附着板5，或用与第一靶21同种类的材料覆盖防附着板5的溅射粒子附着的内周面(附着面)，使防附着板5上连接偏置电源即可。
附图标记说明
SM.溅射装置、Sw.基板(被处理基板)、1.真空室、21.靶，第一靶、4.台架、61.附着体，第二靶、61a.附着面、61b.第一通孔、62.偏置电源、7.分布板、8.电极板、81.第二通孔。

Claims (7)

1.一种溅射装置，其具有配置了靶的真空室，在真空室内形成等离子体气氛对靶进行溅射，使从靶飞散的溅射粒子附着、堆积在真空室内配置的被处理基板表面上形成规定的薄膜，所述溅射装置的特征在于：
在从靶飞散的溅射粒子所附着的真空室内的规定位置上设置附着体，所述附着体的至少溅射粒子的附着面设置为采用与靶同种类的材料制成；
在附着体上连接偏置电源，所述偏置电源在形成等离子体气氛时施加带负电位的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于：
以所述靶作为第一靶，以所述附着体作为与第一靶同种类的材料制成的板状的第二靶，第一靶和被处理基板在真空室内相对配置；
第二靶在第一靶和被处理基板之间的空间中与第一靶相对设置，第二靶上开设有贯通其板厚度方向从而容许溅射粒子通过的第一通孔。
3.根据权利要求2所述的溅射装置，其特征在于：
所述第一通孔由多个通孔构成。
4.根据权利要求2或3所述的溅射装置，其特征在于：
以从所述被处理基板朝向所述第一靶的方向为上，将所述第一靶和所述被处理基板在与上下方向正交的方向上偏置，所述溅射装置还具有旋转自由地保持所述被处理基板的台架；
在第二靶和所述台架之间的空间中设置有分布板，其限制通过第二靶的第一通孔朝向被处理基板的溅射粒子的一部分。
5.根据权利要求4所述的溅射装置，其特征在于：
在第二靶和所述台架之间的空间中，设置有接地电位的电极板，其开设有容许溅射粒子通过的第二通孔。
6.一种使用权利要求1记载的溅射装置的溅射方法，其特征在于，包括：
在对所述靶进行溅射使溅射粒子附着到所述附着体上的同时，向所述附着体施加比在所述靶上施加的电压低的偏置电位，从而使所述附着体上附着的溅射粒子再次附着到所述靶上的工序。
7.一种使用权利要求1记载的溅射装置的溅射方法，其特征在于，包括：
对所述靶进行溅射使溅射粒子附着到所述附着体上的第一工序；以及
向所述附着体施加偏置电位使所述附着体上附着的溅射粒子再次附着到所述靶上的第二工序。
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