JP2004162138A - プラズマ支援スパッタ成膜装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プラズマ支援スパッタ成膜装置は時間が変化しても均一なスパッタ速度を作る。それは上部電極2および下部電極3を備えた反応容器1を有している。基板8は下部電極の上に置かれる。さらに当該装置はターゲット部材2a、複数のマグネット4および電源15,19を備える。マグネットはそれらの任意の2つの間で等しい距離を持ちかつ交互に代わる極性を持ち、それらはターゲット部材の上面の上で垂直方向に移動できるように設けられている。電源は上部電極に接続された10MHzから300MHzの範囲の周波数で動作するrf電源および/またはDC電源を含む。
【選択図】 図1
Description
【産業上の応用分野】
本発明はプラズマ支援スパッタ成膜装置に関し、特に、半導体産業における集積回路製造中で金属または誘電体材料のスパッタプロセスに有用な、時間の経過に伴ないターゲット部材の一定のスパッタ速度を与えることができる改善されたプラズマ源を有するプラズマ支援スパッタ成膜装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子産業での半導体装置の製造において磁気的に強化されたDCまたはrfのスパッタ装置は広く応用されている。プラズマの発生、プラズマの閉じ込め、プラズマ密度の増大、および成膜の均一性の増大の目的に応じて応用された多くの異なる種類のマグネット配列(または配置)が存在する。ポイントカスプマグネット応用スパッタ装置は上記特徴のすべてを支持するということが知られている。しかしながら、このマグネット配列は他のいかなるマグネット配列と同様にターゲット部材のエロージョン(侵食)に伴なってターゲット表面の磁界の強さが変化するという問題に直面している。このことは時間に伴なうスパッタ速度の変化が原因である。この問題を図4,5,6を参照して詳細に説明する。
【0003】
図4はポイントカスプ磁界を用いたプラズマ支援スパッタ装置の第1例の概略図である。反応容器100は、上部電極108、上部電極108の組込み部であるターゲット部材101、複数のマグネット102、マグネット102が設けられた金属シート(薄板)103、ギヤ装置(104a,104b)および上部電極108の中心軸周りにマグネット配列を回転させるモータ120、および下部電極105から構成されている。反応容器100は円筒形側壁114、ボトムプレート115およびトッププレート116によって形成されている。上部電極108は整合回路107を経由してrf発生器106からrf電流を供給される。rf電流の周波数は10MHzから300MHzの範囲で変わり得る。rf電流の代わりに、ターゲット部材101の下側の空間にプラズマを生成するため上部電極108にDC電力を与えるか、あるいは上部電極108に対してrfおよびDC電力を共に与えることができる。上部電極108は、2つの部材109a,109bを含む絶縁部材109の上に配置されることにより、反応容器100の残りの部分から電気的に絶縁されている。
【0004】
処理されるべき基板113が配置される下部電極105と上部電極108は反応容器100の一部を少なくとも横切るように互いに平行である。下部電極105は絶縁部材110の上に配置されており、反応容器から電気的に絶縁されている。下部電極105には整合回路112を経由してrf発生器111からrf電力が与えられている。しかしながら、これは本質的な条件ではなく、それ故に、rf電力発生器111および整合回路112を省略することも可能である。下部電極105は冷却または加熱用の機構を含むこともでき、それは図の明確性のため図4では図示されていない。
【0005】
円筒形側壁114、ボトムプレート115およびトッププレート116は金属で作られ、例えばステンレス鋼で作られており、電気的には接地されている。プロセスガスは複数のガス導入口117を通して反応容器100の中に供給され、出口118を通して排気される。
【0006】
金属シート103上の複数のマグネット102の平面配列は図5に示されている。マグネット102は例えば等しい距離(図6に示された“x”)で互いに配置されており、そして交互に代わる極性を有している。マグネット102の寸法および磁気的な強さは重要なことではなく、反応容器100の他の寸法に依存して選択される。マグネット102が図5において示されるように配置されるとき、複数のポイントカスプ磁界119がターゲット部材101の下側において、図4に示されるように生成される。マグネット配列に関する詳細な説明およびこのマグネット配列の特性(属性)は特許文献1および非特許文献1において与えられている。
【0007】
A−A’線に沿った2つのマグネットの間の磁界の強さの変化の仮想的な図が図6に示される。右側のグラフ122において特性曲線121によって示されるごとくポイントカスプ磁界119の強さは次第に最大値に向かって増大し、そしてそれからマグネット102の底部からの距離の増大に伴なって減少する。図6は、同様にまた、マグネット102の下方のターゲット108の位置を示す。なお、図6に示されたターゲット108の厚みは他の実験的なパラメータに依存して変化し得ることに注意すべきである。
【0008】
【特許文献1】
米国特許第6216632号明細書
【非特許文献1】
S.ウクラマナヤカおよびY.中川、「大面積ウェハー処理のための磁気的に強化された二周波容量結合型プラズマ源」、日本、応用物理、37、1999、6193頁
【0009】
【発明が解決しようとする問題】
rf電源(またはDC電源)が上部電極108に与えられたとき、プラズマはターゲット部材101の下側に生成される。プラズマにおける電子は磁界によって補足され、サイクロトロン回転を行う。磁界119の強さに依存して、サイクロトロン半径は変化する。磁界119の強さが強くなるほど、サイクロトロン半径はより小さくなり、電子は適当に閉じ込められる。より低い磁界の強さにおいてサイクロトロン半径はより大きくなり、電子は不充分に閉じ込められる。従ってターゲット部材101の下側の電子の閉じ込めは磁界の強さの変化に伴なって変化する。より高い電子の閉じ込めはターゲット部材101の下側のプラズマ密度を増大させ、他方、より低い電子の閉じ込めはより低いプラズマ密度という結果をもたらす。
【0010】
スパッタ成膜プロセス中、ターゲット部材101はスパッタリングされ、その結果、厚みの減少という結果をもたらす。ターゲット部材101とマグネット102は堅く固定されているので、ターゲットの厚みの減少はターゲット部材101の下面における磁界の強さの変化の原因となる。例えば図6を考慮すれば、ターゲット表面の下側の磁界の強さはターゲット表面のエロージョンに伴なって増大することになる。このことは(i)プラズマ密度の変化、および(ii)ターゲット部材101における自己バイアス電圧(VDC)の変化という結果をもたらす。両方のこれらの事実はターゲット部材101のスパッタ速度を変化させる。この現象の故に、成膜速度が時間の経過と共に変化し、その結果、膜厚の変化という結果をもたらす。このことは、膜厚の変化は不良デバイスの原因となるので、デバイス製造プロセスにとって良好なことではない。
【0011】
本発明の目的は、時間の経過に伴なってターゲット部材の一定のスパッタ速度を提供し、かつ変動しないプロセス条件を作ることのできるプラズマ支援スパッタ成膜装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決する手段】
本発明によるプラズマ支援スパッタ成膜装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【0013】
時間の経過に伴なって均一なスパッタ速度を生じさせるプラズマ支援スパッタ成膜装置は、一方の側の電極(例えば上部電極)、基板が配置される他方の側の電極(例えば下部電極)、ガス導入口、および真空排気口を有する反応容器を備える。さらに当該スパッタ成膜装置は、ターゲット部材、複数のマグネット、および電源を含んで成る。ターゲット部材は、一方の側の電極の組込み部である。マグネットは、それらの任意の2つの間で均しい距離を有し、交互に交代する極性を有し、かつターゲット部材の表面の全面にわたって所定の方向(例えば垂直方向)に移動できるように設けられている。電力源は、一方の側の電極に接続された、10MHzから300MHzの範囲での周波数で動作するrf電源および/またはDC電源を含んでいる。
【0014】
プラズマ支援スパッタ成膜装置において、複数のマグネットは、好ましくは、一方の側の電極の中心軸の周りに回転機構によってターゲット部材の表面に平行な平面において回転するようにされる。
【0015】
プラズマ支援スパッタ成膜装置において、マグネットが固定される平坦な金属シート(金属薄板)は、ターゲット平面に垂直にマグネットアッセンブリ(マグネット集合体)を移動させる目的で移動機構に連結されている。
【0016】
プラズマ支援スパッタ成膜装置において、複数のマグネットは、スパッタプロセスにより時間経過に伴いエロージョンを受けるターゲット部材の表面での一定な磁界を維持するために移動される。
【0017】
プラズマ支援スパッタ成膜装置において、それは、ターゲット部材の自己バイアス電圧をモニタし、当該自己バイアス電圧の値を移動機構に含まれるモータにフィードバックする電気的回路であって、ターゲット部材上での自己バイアス電圧を維持するためマグネットアッセンブリが適当に移動されるように、ターゲット平面に垂直にマグネットアッセンブリの動作を制御する電気的回路を有している。
【0018】
上で述べたように、垂直に移動可能なポイントカスプ磁界マグネット配列を備えたプラズマスパッタ成膜装置は、ターゲットの寿命の間、均一な成膜堆積速度を与える目的で発明された。ポイントカスプ磁界マグネット配列は、ターゲット表面上での一定なマグネット磁界を維持するため、あるいはターゲット表面上での一定の自己バイアス電圧VDCを維持するため電気機械的装置を用いることによって適当に垂直に移動される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に好ましい実施形態が添付図面に従って説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【0020】
本発明の第1実施形態が図1を参照して説明される。図1は第1実施形態の概略図を示す。反応容器1の構造は基本的に図1において示された従来の反応容器と同じである。反応容器1は、上部電極2、ターゲット部材2a、下部電極3、複数のマグネット4、円筒形の側壁5、ガス入口6、および排気のために使用される出口7を備えている。反応容器1は、円筒形の側壁5、ボトムプレート21およびトッププレート23によって形成されている。
【0021】
上部電極2は、上記のターゲット部材2aと、ターゲット部材2aを固定する金属部材2bとから構成されている。ターゲット部材2aは上部電極2の必須の部分である。金属部材2bは例えばアルミニウムによって作られている。金属部材2bの直径は重要な事項ではなく、処理されるべき基板8の直径に応じて選択される。例えば、基板8の直径がもし200mmであるならば、金属部材2bの直径は210mmから350mmの範囲にあることになる。ターゲット部材2aの直径は金属部材2bの直径と等しいかまたはそれよりも小さくなる。金属部材2bとターゲット部材2aの厚みは重要なことではなく、しかしながら、できる限り薄いものとして選択され、例えば各々10mmよりも小さく選択される。これはターゲット部材2aの下面上で強い磁界を持つためである。ターゲット部材2aは、Cu(銅)、Ti(チタン)、Ta(タンタル)のごとき金属で作られるかまたはSiO2のごとき誘電体部材で作られる。上部電極2は、反応容器1の残りの部分から電気的に絶縁されるようにするため、2つの部材17a,17bによって作られるリング形状の誘電体リング17の上に配置される。
【0022】
複数のマグネット4は、図1に示されるように金属シート9の下面の上に配置されている。マグネット4の平面的な配置(または配列)は基本的に図6に示されたそれと同じである。任意の2つの隣り合うマグネット4の間の間隔は同様にまた同じである。マグネット4の極性は図5に示されるように交互に変化させられている。マグネット4の端面は、通常、好ましくは円形形状であり、しかしながら、四角形状のマグネットを使用することもできる。マグネット4の寸法は重要なことではなく、基板8および反応容器1の各寸法に依存して選択される。通常、マグネット4の直径は5mmから50mmの範囲にあり、その高さは5mmから50mmの範囲にあり得る。マグネット4の間の間隔は重要なことではなく、ターゲット部材2aの下面における必要な磁界の強さに依存して選択される。ターゲット部材2aの下面での磁界の強さは、それは磁界の線119によって示されており、約400〜600ガウスであるように設定される。しかしながら、磁界のこの値は重要なことではなく、ターゲット部材2aの表面において異なる磁界の強さを用いることもできる。
【0023】
マグネット4が固定された金属シート9は、2つのギヤ10a,10bによって構成されるギヤ装置10に連結されている。ギヤ装置10のギヤ10aは絶縁ロッド12を介してモータ11に連結されており、リング形状の他のギヤ10bは金属シート9の外側の周縁に固定されている。モーター11および絶縁ロッド12と結合されたギヤ装置10は上部電極2の中心軸の周りに前述のマグネット配列を回転させることを容易にする。マグネット配列の回転速度は重要なことではなく、1Hzから100Hzの範囲にある。
【0024】
金属シート9はさらに他の絶縁ロッド14を介して第2のギヤ装置13に結合されている。この第2のギヤ装置13は同様にまたモータ22に結合されており、それによりマグネット4を備えた金属シート9は条件に従って適当に垂直方向に移動させることができる。マグネット配列の回転動作および垂直移動は図1に従って上記のごとく2つのギヤ装置を用いて説明されたが、マグネット配列の回転動作および垂直移動動作を行うための異なる電気機械的機構を採用することもできる。
【0025】
図1において、上部電極2、マグネット配列およびギヤ装置10,13は、明確に説明するため、および図の明確性のため、より簡単な構成で設けられている。しかしながら、同じ効果を得る目的でこれらのハードウェアを複雑な対応で設けることもできる。例えば、ターゲット部材2aの下面上での強い磁界を得るため、マグネット4は金属部材2bとターゲット部材2aとの間につくられたキャビティに設けることもできる。この場合において、ギヤ装置の配置は複雑にはなるが、非現実的になるのではない。
【0026】
上部電極2の金属部材2bは整合回路16を介してrf電源15に接続されている。rf電源15の周波数は重要なことではなく、10MHzから300MHzの範囲にあり得る。rf電源15に加えて、上部電極2は同様にまた同時にDC電源に接続されてもよい。第1実施形態の場合においてDC電源は省略されており、図1では図示されていない。
【0027】
下部電極3は金属で作られており、誘電体部材18の上に配置されることによって反応容器1の他の部分から電気的に絶縁されている。下部電極3は同様にまた整合回路20を介してrf電源19に接続されている。しかしながら、下部電極3にrf電力を与えることは必須なことではなく、これらのrf電源19および整合回路20を除くこともできる。前述の基板8は下部電極3の上に搭載される。
【0028】
反応容器を作る前述した側壁5、ボトムプレート21、およびトッププレート23は金属で作られており、かつ電気的に接地されている。反応容器1の内部にはプロセスガスを供給する目的でいくつかのガス入口6がある。低い圧力条件の下でrf電源15が上部電極2にrf電力を与えるとき、反応容器1における基板8の上側空間に容量結合型のメカニズムによってプラズマが生成される。プラズマにおける電子はターゲット部材2aの下側の磁界の存在によってサイクロトロン回転を行う。これはプラズマ密度を増大させ、基本的にターゲット部材2aの下側の領域にプラズマを閉じ込める。いったんプラズマが生成されると、ターゲット部材2aの上に負の自己バイアス電圧(VDC)が発生させられる。この電圧VDCのためプラズマにおけるイオンがターゲット部材2aの方向に加速されることによって付勢される。これらの高いエネルギを持ったイオンの衝突はターゲット部材2aのスパッタリングの原因となる。もし電圧VDCが、十分なスパッタ速度を得るためイオンを付勢するにあまりに低いときには、DC電源(図示されていない)からターゲット部材2aに対して負のDCバイアスを与えてもよい。ターゲット部材2aのスパッタリングによってその厚みは次第に減少する。例えば、50時間ごとの動作でターゲット部材2aの厚みは1mmごと減少する。ターゲット部材2aのエロージョン速度を概算するため正確なプロセス条件を伴なって予備的な実験を実行することができる。そのときマグネット配列は第2のギヤ装置13を用いることによってターゲットのエロージョンの割合に伴なって上方に移動される。それ故に、マグネット4の底部とターゲット部材2aの下面の間の距離は一定の値に維持される。このことはターゲット部材のライフタイム(寿命)の間を通してターゲット部材2aの下面における磁界をほとんど一定にするという結果をもたらす。結果として、プラズマの密度およびそれによるスパッタ速度は時間の経過に伴なって一定になる。
【0029】
次に図2に従って第2の実施形態が説明される。第2実施形態は第1実施形態の拡張である。第2実施形態において、上部電極2は第1実施形態で採用されたrf電力の代わりにDC電力供給器24からのDC電力が与えられる。この違いを除いて、その他のすべてのハードウェアおよび動作の仕方は第1実施形態で説明されたものと同じである。
【0030】
次に図3に従って第3の実施形態が説明される。第3実施形態のハードウェアの構成は電気回路25が付加されたことを除いて第1実施形態のそれと同じである。電気回路25は上部電極2およびモータ22に接続されており、それはマグネットアッセンブリ(4,9)の垂直動作を制御する。電気回路25は上部電極2の自己バイアス電圧(VDC)をモニタし、VDCの予めの設定値を維持する目的で金属シート9と共にマグネット配列4を上下動させるための適当な計算を行う。これらの計算によって、電気回路はマグネット4と金属シート9を上下動させるようにモータ22に対して適当な電流を供給する。従って電気回路25およびモータ22から成る当該電気機械的システムはスパッタリングプロセスによるエロージョンがあるにも拘らずそのライフタイムを通してターゲット部材2a上のVDCを容易に一定に維持する。
【0031】
前述した実施形態において、ターゲット、ウェハーホルダ、ウェハーは水平面に位置するように考慮されていた。しかしながら、それらは必ずしも水平面に設けられる必要はない。それらは垂直面あるいは例えば傾斜した面において配置されてもよい。ターゲット、ウェハーホルダ、ウェハー等が垂直な平面に配置されるとき、マグネットアッセンブリの上記の動きはそれらの配置に従って修正される。すなわち、マグネットアッセンブリはターゲット表面上に同じ磁界を維持する目的で水平に動かされる。いかなる配置においても、マグネットアッセンブリはターゲット平面に垂直となるような方向に動かされる。
【0032】
【発明の効果】
本発明に係るプラズマ処理装置は、スパッタリングを受けるターゲット部材の下側の磁界をほとんど一定に維持しかつターゲット部材上の電圧VDCを一定に維持することを容易にする。一定の磁界または一定の電圧VDCのため、ターゲットのスパッタ速度および基板上の成膜速度は時間が変化しても変化しない。それはSi(シリコン)基板の上に電子的デバイスを作ることにおいて重要な条件である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この図は第1実施形態のスパッタ装置の縦断面図である。
【図2】この図は第2実施形態のスパッタ装置の縦断面図である。
【図3】この図は第3実施形態のスパッタ装置の縦断面図である。
【図4】この図はポイントカスプ磁界を示す従来技術としての代表的成膜スパッタ装置の縦断面図である。
【図5】この図は図4において示されたプラズマ源に使用されるマグネット配列を示す平面図である。
【図6】この図は反対の極性を有する2つのマグネットの間の磁界の強さの変化を示す拡大された解説図である。
【参照符号の説明】
1 反応容器
2 上部電極
2a ターゲット
2b 金属部材
3 下部電極
4 マグネット
5 円筒形側壁
7 出口
8 基板
9 金属シート
10 ギヤ装置
11 モータ
13 ギヤ装置
15 rf発生器
17 誘電体部材
18 誘電体部材
19 rf発生器
22 モータ
24 DC電源
25 電気回路
119 磁界の線
Claims (5)
- 時間の経過に伴い均一なスパッタ速度を引き起こすプラズマ支援スパッタ成膜装置であり、
一方の側の電極、基板が配置される他方の側の電極、ガス導入口、および真空排気口を有する反応容器と、
前記一方の側の電極の組込み部であるターゲット部材と、
任意の2つの間で等距離を有しかつ交互の極性を有し、所定方向に移動することが可能となるよう前記ターゲット部材の表面の上方に配置された複数のマグネットと、
前記一方の側の電極に接続された、10MHzから300MHzの範囲の周波数で動作するrf電源および/またはDC電源と、
からなるプラズマ支援スパッタ成膜装置。 - 前記複数のマグネットは前記ターゲット部材の表面と平行な平面で回転機構によって前記一方の側の電極の中心軸の周りに回転するようにされた請求項1記載のプラズマ支援スパッタ成膜装置。
- 前記複数のマグネットが固定された平坦金属シートはターゲット平面に垂直にマグネットアッセンブリを移動させるため移動機構に連結されている請求項1または2記載のプラズマ支援スパッタ成膜装置。
- 前記複数のマグネットは、スパッタプロセスにより時間の経過に伴ってエロージョンを受ける前記ターゲット部材の表面上で一定磁界を維持するためターゲット平面に垂直に移動するようにされた請求項1〜3のいずれか1項に記載のプラズマ支援スパッタ成膜装置。
- 前記ターゲット部材の自己バイアス電圧をモニタし、自己バイアス電圧の値を前記移動機構に含まれるモータにフィードバックし、前記マグネットアッセンブリが前記ターゲット部材の上で一定の自己バイアス電圧を維持するため適当に動かされるようにターゲット平面に垂直に前記マグネットアッセンブリの動作を制御する電気的手段を有する請求項3記載のプラズマ支援スパッタ成膜装置。
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