JP2001214262A - スパッタ装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタリングを行う半導体ウエハ等の被処
理体に対して、常に損傷を与えない良好なスパッタリン
グ方法とその装置を提供すること。 【解決手段】 ターゲット９には、ターゲット９の周縁
部９ａに対向する位置に、ターゲットの周縁部９ａに堆
積した堆積物をクリーニングするクリーニング手段を設
ける。また、チャンバ１には、紫外光により電離を促進
する予備電離手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体等
に使用する金属膜を成膜するスパッタ装置と半導体装置
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタ装置は、真空チャンバ内にスパ
ッタガスを導入してプラズマを発生させ、スパッタガス
の正イオンを陰極であるターゲットに衝突させることに
より、そこからスパッタされるターゲット原子を陽極で
ある半導体ウエハ等の被処理体の表面上に堆積させて成
膜を行うものである。通常、マグネトロンスパッタ装置
では、放電前の電子供給方法としてスパーク放電が用い
られている。

【０００３】このようなスパッタ装置においては、ター
ゲット原子の散乱防止等の理由から、真空チャンバ内の
圧力を可能な限り減ずることが望ましいが、一般のスパ
ッタ装置では、電極間に所定の電圧を印加することによ
り真空チャンバ内にプラズマを発生させるという方法を
採っているため、真空チャンバ内の圧力を所定値（２〜
３ｍＴｏｒｒ）以下に減ずると、プラズマが発生しにく
い状態になる。

【０００４】そのため、従来においては、電磁コイルを
真空チャンバを囲むようにして設け、電磁コイルからの
電磁波によりスパッタガスの原子ないしは分子を励起し
てプラズマを発生させる手段や、熱電子銃を真空チャン
バ内に配置し、電子ビームによりプラズマを発生させる
手段が提案されている。

【０００５】また、スパッタ装置では、被処理体へのス
パッタリング中にターゲット以外で放電しないように、
ターゲット以外のスパッタを抑制している。このスパッ
タの抑制手段は、例えば、ターゲットエッジを一定の距
離を隔てた接地電位の金属（アースシールド）で覆うこ
とによっておこなわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スパー
クによる電子供給を行う機能を用いた場合、スパークし
た金属がダストとして被処理体である半導体ウエハに堆
積したりして、成膜時の金属汚染となる問題が発生す
る。

【０００７】また、スパークによる電子供給を用いない
場合には、放電開始電圧が高くなりアークが発生する。
このアークによりターゲットからスプラッシュがダスト
として発生し、被処理体である半導体ウエハに堆積する
問題が起こる。

【０００８】また、ターゲットエッジにスパッタされた
粒子が付着し、ターゲットの使用時間が長くなると付着
量が増加する。この付着物の密着力は弱くターゲット使
用とともに剥離し、落下して半導体ウエハ上にダストと
して堆積してしまう。

【０００９】このため、金属ターゲットを用いて金属配
線膜を成膜する場合、配線間を導通してしまう配線不良
を起こす問題が発生する。また、導通までは進展しなく
ても配線の形状不良となる場合が生じる。半導体や記録
媒体等ではこれらのダストによる微小欠陥は、直接的に
そのデバイスの不良となる。

【００１０】本発明はこれらの事情にもとづいてなされ
たもので、スパッタリングを行う半導体ウエハ等の被処
理体に対して、常に損傷を与えない良好なスパッタ装置
と半導体装置の製造方法を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、チャンバ内に設けられたターゲットと被処
理体を保持する保持手段との双方に電圧を印加して供給
された反応ガスをプラズマ化し、前記被処理体表面に薄
膜を形成するスパッタ装置において、前記ターゲットに
は、の周縁部と対向する位置に前記周縁部に堆積した堆
積物をクリーニングするクリーニング手段が設けられて
いることを特徴とするスパッタ装置である。

【００１２】また請求項２の発明による手段によれば、
前記クリーニング手段は、前記ターゲットの周縁部に対
向して設けられたリング状のアースシールド板とが該ア
ースシールド板を前記周縁部に対して接離方向に駆動さ
せる駆動機構ことを特徴とするスパッタ装置である。

【００１３】また請求項３の発明による手段によれば、
チャンバ内に設けられたターゲットと被処理体を保持す
る保持手段との双方に電圧を印加して供給された反応性
ガスをプラズマ化し、前記被処理体表面に薄膜を形成す
るスパッタ装置において、前記チャンバには、紫外光に
より供給された反応性ガスの電離を促進する予備電離手
段が設けられていることを特徴とするスパッタ装置であ
る。

【００１４】また請求項４の発明による手段によれば、
チャンバ内に設けられたターゲットと該ターゲットの周
縁部と対向する位置に設けられたアースシールド板とを
クリーニング用の所定距離に離間させる工程と、前記チ
ヤンバ内にクリーニング用ガスを供給する工程と、前記
ターゲットと前記チャンバ内に設けられた半導体ウエハ
を保持する保持手段とに電圧を印加して前記クリーニン
グ用ガスをプラズマ化して前記チャンバ内に付着した付
着物をクリーニングするクリーニング工程と、前記チャ
ンバ内を排気する工程と、前記ターゲットと前記アース
シールド板とを成膜用の所定距離に離間させる工程と、
前記保持手段に半導体ウエハを供給する工程と、前記チ
ャンバ内に成膜用の反応性ガスを供給する工程と、前記
ターゲットと前記保持手段とに電圧を印加して前記反応
性ガスをプラズマ化して前記半導体ウエハ表面に成膜す
る工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
法である。

【００１５】また請求項５の発明による手段によれば、
供給された前記反応性ガスに紫外光を照射して前記反応
性ガスの電離を促進する工程を有することを特徴とする
半導体装置の製造方法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態のスパッ
タ装置の一例を図面を参照して説明する。

【００１７】図１はプレーナマグネトロン法を用いたス
パッタ装置の概略模式図である。また、図２はスパッタ
装置のターゲット周縁部の構造を示す概略図である。

【００１８】密閉容器で形成されたチャンバ１の側壁２
にＡｒガス等のスパッタガス（反応性ガス）を、チャン
バ１内に導入する導入口３と、チャンバ１の下部にはチ
ャンバ１内のガスを排出する排気口４が設けられてい
る。また、チャンバ１の上部はカソード５が天板状に設
けられ、チャンバ１の側壁２の端部とカソード５とは絶
縁シール６を介してＯリング７で気密シールされてい
る。また、カソード５の側部とチャンバ１の側壁２と
は、テフロン等の絶縁材８により絶縁されている。

【００１９】また、カソード５の下面側にターゲット９
が密接して設けられている。このターゲット９は周縁部
９ａが中央部９ｂに比べて肉薄に形成されている。ター
ゲット９の材質は、例えば、ＳＵＳ板上にＡｌ層を形成
し更にその上にＴｉ層を形成したものや、ＳＵＳ板の表
面にサンドブラスト等で処理したもの、あるいは、ＳＵ
Ｓ板上にＣｕ層を形成したもの等を用いている。

【００２０】また、ターゲット９の周縁部９ａに対向し
た位置には、リング状の金属製アースシールド１０が設
けられている。このアースシールド１０は４本のプッシ
ャピン（駆動機構）１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに
よって上下動可能に設けられ、アースシールド１０はタ
ーゲット９との間隔を変更して、ターゲットエッジであ
る周縁部９ａと平面で接触する形状のクリーニング機構
を形成している。なお、プッシャピン１１ａ、１１ｂ、
１１ｃ、１１ｄは、図示しない駆動装置により側壁２の
端部より突没可能に設けられ、アースシールド１０を上
下させている。なお、プッシャピン１１ａ、１１ｂ、１
１ｃ、１１ｄの数は４本に限らず、アースシールド１０
を水平に上下方向に移動させることができるものであれ
ば、任意の複数本を用いることが出来る。

【００２１】また、チャンバ１の下方にはターゲット９
と対向する位置に半導体ウエハＷを保持するウエハホル
ダ（保持手段、陽極）１２が設けられている。また、チ
ャンバ１の側壁２には後述する予備電離機構が気密に設
けられている。なお、チャンバ１の側壁２のチャンバ１
内に入り込んだ上部２ａとウエハホルダ１２の間には防
着板１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが設けられチャン
バ１内のガスの流れを規制して、ターゲット９等から落
下するダスト等を、排気口４からチャンバ１外へ導くよ
うに配置されている。

【００２２】次に、クリーニング機構について更に詳述
する（図１及び図２を参照している）。すなわち、プレ
ーナマグネトロン法によるスパッタリングでは、高真空
のチャンバ１内に半導体ウエハＷと薄膜材料の円板をＳ
ＵＳ等のプレートに貼り付けたターゲット９とを対向さ
せて配置し、ターゲット９にはマイナスの高電圧（数Ｋ
ｖ）を印加してグロー放電させる。この状態でチャンバ
１内にＡｒ（アルゴンガス）を吹き込むと、高電界によ
りＡｒはプラズマ状態になりプラズマイオン化する。

【００２３】ターゲット９側を陰極、半導体ウエハＷ側
を陽極にして直流電圧を印加すると、高速に加速された
Ａｒイオンがターゲット９に衝突する。それにより、Ａ
ｒイオンに玉突きのように反跳されて、ターゲット９材
料の原子が飛び出し、飛び出した原子が半導体ウエハＷ
上に被着し、半導体ウエハＷ上に薄膜を成長させてい
る。

【００２４】この場合、スパッタリングの処理を繰り返
し行って、ターゲット９の使用時間が進むにと、それに
伴って、ターゲットエッジである周縁部９ａに密着力の
弱い膜が堆積する。そのため、定期的にターゲット９の
周縁部９ａのクリーニングを実施している。

【００２５】このターゲット９の周縁部９ａのクリーニ
ングは、まず、アースシールド１０を保持しているプッ
シャピン１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを駆動（下
げ）させ、アースシールド１０とターゲット９の周縁部
９ａとの間隙Ａが（１）式を満足するように調整する。

【００２６】 γ（ｅ^αｄ−１）≧１ （１） ただし、γ：係数、 ｅ：電圧 、α：電離係数、
ｄ：間隙である。

【００２７】つまり、この場合、カソード５に電圧ｅを
印加すると、ターゲット９とアースシールド１０間でプ
ラズマが形成される。このプラズマにより、ターゲット
９の周縁部９ａに付着した粒子がスパッタされてアース
シールド１０に堆積する。

【００２８】このアースシールド１０に成膜された膜の
密着力はターゲット９の周縁部９ａに堆積したときより
強くなる。この放電を数分間行った後に放電を停止さ
せ、プッシャピン１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを駆
動（上げ）させてクリーニング作業を終了する。

【００２９】なお、このクリーニングのタイミングは、
被処理体の大きさ等により異なるが、通常は、８０〜１
００枚程度の半導体ウエハＷをスパッタリング処理した
毎に行っている。

【００３０】また、アースシールド１０は、クリーニン
グを数回程度は繰り返して行うのに用いることができる
が、所定回数以上のクリーニング回数を行った後には新
規のものと交換する。

【００３１】このクリーニングによりターゲットの周縁
部に堆積した密着力の弱い粒子・膜はターゲットから除
去され、密着力の強い膜がアースシールドに堆積する。
なお、このターゲットの周縁部のクリーニングの際、半
導体ウエハの代わりに、基板としてダミー基板を配置し
成膜することでウエハホルダへの堆積を抑制している。

【００３２】なお、チャンバ内はスパッタリングを行っ
ている際には、常時、反応ガスが排気口へ流れているの
で、ターゲット等から落下したダストはそれらの流れに
よって、排気口からチャンバの外へ排出されている。

【００３３】次に、予備電離機構について図３および図
４を用いて説明する。図３はチャンバの側壁に設けられ
ている予備電離機構の横断面図であり、図４はその縦断
面図である。

【００３４】すなわち、チャンバ１の側壁２には外部側
に延在した開口部２１が形成され、この開口部２１は曲
面反射鏡Ａ２２を保持したフランジ２３と接合してい
る。曲面反射鏡Ａ２２の焦点の位置には紫外線ランプ２
４が設けられ、また、曲面反射鏡Ａ２２に向かい合うよ
うに曲面反射鏡Ｂ２５が設けられている。なお、フラン
ジ２３には、窓を形成する合成石英板２６がOリング２
７を介してチャンバ１の側壁２の開口部２１と気密に設
けられている。

【００３５】これらの構成により、チャンバ１の外に配
置した紫外線ランプ２４からの紫外光は曲面反射鏡Ａ２
２により平行光になる。この光は紫外線を透過する合成
石英板２６を透過してチャンバ１内に進入する。進入し
た紫外光はチャンバ１内部の曲面反射鏡Ｂ２５で反射さ
れ集光される。

【００３６】つまり、紫外線ランプからの紫外線を集光
してチャンバ内に入れることにより、多光子吸収を促進
してスパッタガスの電離を促進してイオン化効率を上げ
ることができる。

【００３７】これにより生成された電子が供給されるこ
とで放電開始電圧を低下させることができ、所定個所の
みでの正常な放電を行うことができるので、チャンバ内
でのダストの発生を防止することができる。

【００３８】なお、上述の場合は、チャンバに対して予
備電離機構を１個設けた例を示したが、予備電離機構を
チャンバに対して均等に複数個設ければ、より効果を高
めることができる。

【００３９】また、Ａｒガスの電離は７０ｎｍ程度の波
長で起こるため、上述のように光源から紫外光を用いた
予備電離機構でＡｒガスへの作用させる場合には、紫外
光の波長が２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度ので、厳密には
電離そのものの現象は起きていな。しかしながら、電子
が出やすくなっている状態に達しているので電離に準じ
る効果が得られている。そのため、予備電離機構の名称
を用いている。

【００４０】以上に述べたように、本発明によれば、タ
ーゲットの周縁部に堆積するダスト等の膜をクリーニン
グする機能を設け、また、スパッタリングの際に使用す
るＡｒ又はＮ_２ガスを効率よく電離する波長の紫外線を
チャンバ内に導入し、放電開始前の電子供給を行うよう
にしたので、異常パルス電流の発生を防ぐことができ
る。そのため、常に、良好な放電が行われて、ダストの
発生を少なく抑えることができる。

【００４１】また、発生したダストはアースシールドへ
付着させ、それをクリーニング機構でクリーニングする
ので、常に、ターゲットを良好な状態で維持できて、チ
ャンバ内にダストの少ない状態での良好なスパッタリン
グを行うことができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、スパッタ装置のターゲ
ットの堆積物を除去できるとともに、放電開始時のアー
クを抑制できる。それにより、成膜する基板に堆積する
ダスト数を低減したスパッタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタ装置の概略模式図。

【図２】本発明のスパッタ装置のターゲット周縁部の構
造を示す概略図。

【図３】本発明の予備電離機構の横断面図。

【図４】本発明の予備電離機構の縦断面図。

【符号の説明】

１…チャンバ、２…側壁、５…カソード、９…ターゲッ
ト、９ａ…周縁部、１０…アースシールド、１２…ウエ
ハホルダ、２２…曲面反射鏡Ａ、２４…紫外線ランプ、
２５…曲面反射鏡Ｂ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/304 ６４５ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６４５Ｃ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバ内に設けられたターゲットと被
   処理体を保持する保持手段との双方に電圧を印加して供
   給された反応ガスをプラズマ化し、前記被処理体表面に
   薄膜を形成するスパッタ装置において、 前記ターゲットには、の周縁部と対向する位置に前記周
   縁部に堆積した堆積物をクリーニングするクリーニング
   手段が設けられていることを特徴とするスパッタ装置。
2. 【請求項２】 前記クリーニング手段は、前記ターゲッ
   トの周縁部に対向して設けられたリング状のアースシー
   ルド板とが該アースシールド板を前記周縁部に対して接
   離方向に駆動させる駆動機構ことを特徴とする請求項１
   記載のスパッタ装置。
3. 【請求項３】 チャンバ内に設けられたターゲットと被
   処理体を保持する保持手段との双方に電圧を印加して供
   給された反応性ガスをプラズマ化し、前記被処理体表面
   に薄膜を形成するスパッタ装置において、 前記チャンバには、紫外光により供給された反応性ガス
   の電離を促進する予備電離手段が設けられていることを
   特徴とするスパッタ装置。
4. 【請求項４】 チャンバ内に設けられたターゲットと該
   ターゲットの周縁部と対向する位置に設けられたアース
   シールド板とをクリーニング用の所定距離に離間させる
   工程と、 前記チヤンバ内にクリーニング用ガスを供給する工程
   と、 前記ターゲットと前記チャンバ内に設けられた半導体ウ
   エハを保持する保持手段とに電圧を印加して前記クリー
   ニング用ガスをプラズマ化して前記チャンバ内に付着し
   た付着物をクリーニングするクリーニング工程と、 前記チャンバ内を排気する工程と、 前記ターゲットと前記アースシールド板とを成膜用の所
   定距離に離間させる工程と、 前記保持手段に半導体ウエハを供給する工程と、前記チ
   ャンバ内に成膜用の反応性ガスを供給する工程と、 前記ターゲットと前記保持手段とに電圧を印加して前記
   反応性ガスをプラズマ化して前記半導体ウエハ表面に成
   膜する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
5. 【請求項５】 供給された前記反応性ガスに紫外光を照
   射して前記反応性ガスの電離を促進する工程を有するこ
   とを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。