JP2004269939A

JP2004269939A - スパッタ装置及びスパッタリング方法及び半導体装置

Info

Publication number: JP2004269939A
Application number: JP2003060249A
Authority: JP
Inventors: Keiji Takahashi; 圭二高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】２層以上の成膜を１つの処理チャンバーで行える効率の良いスパッタ装置及びスパッタリング方法及びこれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】処理チャンバ１０内上部のターゲット１５は、異なる２種類のスパッタ材料が区分けされ配されている。バッキングプレート１６の背後にはマグネット１９を配備したカソード側モジュール１８が装備されている。マグネット１９及びアーム機構２０、回転軸２１は冷却ユニット２３に納められ冷却水が循環する。マグネット１９はアーム機構２０の伸縮制御により、ターゲット１５の第１ターゲット材１５１または第２ターゲット材１５２上方で作用すべく配置を変えることができる。モータ駆動部２２は特に、マグネット１９が第２ターゲット材１５２上方に位置合わせされた際に回転軸２１を回転させる。これにより、マグネット１９は第２ターゲット材１５２全域に作用する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置製造に係り、特に処理チャンバに放電用ガスを導入しプラズマ化することによりイオン衝撃でターゲット原子をはじき出し、被処理基板に対し薄膜を形成するスパッタ装置及びスパッタリング方法及びこれを利用した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ装置は、スパッタ現象を利用して半導体ウェハ、ガラス基板などのウェハに薄膜を形成する装置である。すなわち、真空中にＡｒなど不活性原子の放電用ガスを導入し、電極に電圧を加えるとグロー放電が起こる。このとき、プラズマ中のＡｒイオンが陰極のターゲットに衝突してターゲット原子をはじき出す（スパッタする）。スパッタされた原子が陽極側に置かれたウェハ上に沈着して薄膜を形成する。ターゲット材料を選ぶことであらゆる材料の成膜が可能である。
【０００３】
図５は、従来のスパッタ装置の要部構成を示す概略図である。Ａｒなどの放電用ガスが導入される真空の処理チャンバ５１内にターゲット５２が置かれている。ターゲット５２に対向するように半導体ウェハが載置されるステージ５３が配されている。スパッタ電源５４によりターゲット５２−チャンバ５１間に負電圧が発生される。ステージ５３にはＲＦ（高周波）がバイアスされる。ターゲット５２は支持部材、いわゆるバッキングプレート５５に接合され、その背後に磁石（マグネット）が収容され冷却水が循環するマグネットユニット５６が配備されている。
【０００４】
上記構成において、負電圧が印加されるターゲット５２から放出された２次電子は、マグネットによる磁界の影響でサイクロイド運動し、Ａｒイオンを作り出す。Ａｒイオンはターゲット５２に衝突し、ターゲット原子をはじき出す（スパッタする）。スパッタされた原子はウェハＷａｆ上に沈着して薄膜を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成のような処理チャンバ５１が複数設けられるマルチチャンバータイプでは、２層以上の成膜が可能である。例えば２層の成膜を行う場合、第１のチャンバーにて１層目の成膜を達成し、第２のチャンバーにて２層目の成膜を達成する。
【０００６】
しかし、上述のように異なる多層膜を作製する場合、最大でもチャンバー数を越える成膜を達成することはできない。また、都度チャンバー間を移動する際に関る時間消費や基板温度低下、不必要な層間膜の生成が懸念される。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、２層以上の成膜を１つの処理チャンバーで行えるスパッタ装置及びスパッタリング方法及びこれを用いた半導体装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスパッタ装置は、
被処理基板を収容し真空中で少なくとも放電用ガス供給及び排気がなされる処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に設けられる少なくとも２つ以上のスパッタ材料が区分けされたターゲットと、
前記ターゲットの支持部材と、
前記支持部材を介して前記ターゲットに電圧を与え、前記放電用ガスの供給された前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるスパッタ電源と、
前記支持部材の背後で前記ターゲットのスパッタ材料の区分けに従ってマグネットが移動制御される軌道を有するカソード側モジュールと、
を具備したことを特徴とする。
【０００９】
上記本発明に係るスパッタ装置によれば、ターゲットは２つ以上のスパッタ材料が区分けされた形態で構成される。カソード側モジュールは、それぞれのスパッタ材料の背後にマグネットが移動制御されるように構成される。これにより、１つのチャンバーで２層以上の成膜構造が実現される。
【００１０】
上記本発明に係るスパッタ装置は、前記ターゲットは中央領域に第１スパッタ材料、その周辺に第２スパッタ材料を有していることを特徴とする。領域に無駄がなくカソード側モジュールにおけるマグネットの移動制御がし易い。
【００１１】
また、本発明に係るスパッタ装置は、上述のいずれかの特徴構成にさら次の特徴が従属される。スパッタ処理中に前記ターゲットのスパッタ材料の区分け及びマグネットの移動制御に従って対向するように前記被処理基板を移動制御する機構をさらに具備していることを特徴とする。基板側も移動制御させることにより、成膜の精度向上に寄与する。
【００１２】
また、本発明に係るスパッタ装置は、上述のいずれかの特徴構成にさら次の特徴が従属される。前記ターゲットの支持部材は、前記スパッタ材料毎に放電領域が区分けされる寸法を有することを特徴とする。放電領域をスパッタ材料毎に区分けすることにより、成膜の精度向上に寄与する。
【００１３】
また、本発明に係るスパッタ装置は、上述のいずれかの特徴構成にさら次の特徴が従属される。前記カソード側モジュールにおけるマグネットの移動制御はシリンダ駆動制御機構が含まれることを特徴とする。あるいは、ロボットアーム制御機構が含まれることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るスパッタリング方法は、
処理チャンバ内に２つ以上のスパッタ材料が区分けされたターゲットを配備し、２層以上の異なる金属部材を有する成膜を連続的に１つのスパッタ装置で達成することを特徴とする。
上記本発明に係るスパッタリング方法によれば、都度チャンバー間を移動する際に関る時間消費や基板温度低下、不必要な層間膜の生成の懸念が解消される。
【００１５】
上記本発明に係るスパッタリング方法において、前記金属部材として集積回路に用いられる配線層を形成することを特徴とする。配線層は多層構造が多く、特に有用である。
【００１６】
本発明に係る半導体装置は、上述のいずれかの特徴を有するスパッタ装置またはスパッタリング方法を用いて形成されることを特徴とする。品質の良い半導体装置の実現、量産性の向上に寄与する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１実施形態に係るスパッタ装置の要部構成を示す断面図である。図２は、図１中のターゲットの一例を示す平面図、図３は、図１中のマグネットの一例を示す平面図である。
スパッタ装置の処理チャンバ１０は、内部に半導体ウェハ、ガラス基板などの被処理基板１１を収容するステージ１２を有する。ステージ１２は、図示しないヒータ等温度調節機能が装備されている。ステージ１２は、ＲＦ（高周波）バイアスされる構成であってもよい。処理チャンバ１０は、少なくとも放電ガスの供給系１３及び排気系１４が繋がっている。
【００１８】
処理チャンバ１０内上部にターゲット（陰極）１５が設けられる。ここでのターゲット１５は、異なる２種類のスパッタ材料が区分けされ配されている。
図２にも示すように、ターゲット１５は、例えば中央部に第１ターゲット材１５１、その周辺に第２ターゲット材１５２が配されている。
このようなターゲット１５は、背後に支持部材、いわゆるバッキングプレート（冷却用銅板等）１６が接合されている。また、スパッタ電源１７は、バッキングプレート１６を介してターゲット１５に放電用の電圧を与える。
【００１９】
バッキングプレート１６の背後にはマグネット１９を配備したカソード側モジュール１８が装備されている。カソード側モジュール１８は、例えば次のように構成されている。図３にも示すように、マグネット１９は中央にＮ極表面が、周囲にＳ極表面が配置される。さらに、マグネット１９はシリンダ駆動により伸縮制御されるアーム機構２０に接続されている。回転軸２１はモータ駆動部２２に接続されている。これら、マグネット１９及びアーム機構２０、回転軸２１は冷却ユニット２３に納められ冷却水が循環する。
【００２０】
カソード側モジュール１８において、マグネット１９はアーム機構２０の伸縮制御により、ターゲット１５の第１ターゲット材１５１または第２ターゲット材１５２上方で作用すべく配置を変えることができる。マグネット１９の全体径Ｃは、第１ターゲット材１５１の径Ａ、第２ターゲット材１５２の幅Ｂにほぼ等しいか若干小さいように構成することが望ましい。放電領域の区分けを確実にするためには好ましくはＣ＜Ａであり、Ｃ＜Ｂである。第１ターゲット材１５１の径Ａモータ駆動部２２は特に、マグネット１９が第２ターゲット材１５２上方に位置合わせされた際に回転軸２１を回転させる。これにより、マグネット１９は第２ターゲット材１５２全域に作用する。
【００２１】
上記構成において、２層の金属層を形成する場合は次のようである。マグネット１９を第１ターゲット材１５１上方で作用させるべくアーム機構２０で移動制御する。次に、処理チャンバ１０内に放電ガスを供給し、第１ターゲット材１５１と被処理基板１１の電極間の電界に対して直交する磁界を印加し、マグネトロン放電によって第１ターゲット材１５１近傍に多量のイオンを作り蒸着速度を高める。これにより、被処理基板１１において第１ターゲット材１５１の物質が成膜される。
【００２２】
次に、処理チャンバ１０内にあった放電ガスを十分に排気し、クリーンにするそして、マグネット１９を第２ターゲット１５２上方で作用させるべくアーム機構２０で移動制御し、モータ駆動部２２により回転移動させる。次に、処理チャンバ１０内に放電ガスを供給し、第２ターゲット１５２と被処理基板１１の電極間の電界に対して直交する磁界を印加し、マグネトロン放電によって第２ターゲット１５２近傍に多量のイオンを作り蒸着速度を高める。これにより、被処理基板１１において第１ターゲット材１５１の物質の膜上に第２ターゲット材１５２の物質が成膜される。
【００２３】
上記構成によれば、処理チャンバ１０のシングルチャンバにて２層の成膜が可能である。しかも、チャンバ移動せずに連続的に２層構造が成膜できるので、時間短縮に寄与し、基板温度低下や不必要な層間膜の生成の心配がない。これにより、高品質の成膜と生産効率の向上が期待できる。
【００２４】
図４は、本発明の第２実施形態に係るスパッタ装置の要部構成を示す断面図である。前記第１実施形態と同様の箇所には同一の符号を付して説明する。この実施形態は、前記第１実施形態に比べて、被処理基板１１を収容するステージ４２の機構が異なっている。また、マグネット１９の配置制御は、シリンダ駆動に代わる他の一例としてロボットアーム駆動により伸縮制御されるアーム機構４０を示している。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００２５】
被処理基板１１を収容するステージ４２は、スパッタ処理中に第１、第２ターゲット材（１５１，１５２）の区分け及びマグネット１９の移動制御に従って対向するように被処理基板１１側も移動制御する機構を装備している。
【００２６】
すなわち、ステージ４２は、第１ターゲット材１５１と対向するチャンバ中央位置に固定される第１状態と、第２ターゲット材１５２と対向し、かつマグネット１９の移動に応じて対向するように位置が移動する第２状態を有する。例えばロボットアーム４３とモータ駆動部４４が配備され、第１、第２状態を実現する。
【００２７】
上記各実施形態の構成によれば、処理チャンバ１０のシングルチャンバにて２層の成膜が可能である。例えば配線層を形成する場合、第１ターゲット材をＴｉとし、第２ターゲット材をＡｌ合金とする。連続的に２層構造が成膜できるので、時間短縮に寄与し、基板温度低下や不必要な層間膜の生成の心配がない。これにより、高品質の成膜と生産効率の向上が期待できる。
【００２８】
なお、ターゲット１５の構成やマグネット１９を含むカソード側モジュール１８の機構は上記に限定されない。ターゲット１５はさらに多種のターゲット材を区分けして構成してもよいし、それに応じてカソード側モジュール１８の機構も変わる。マグネット１９の配置構造も他の様々な構成が考えられる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シングルチャンバにて２層以上の成膜が可能である。しかも、チャンバ移動せずに連続的に積層構造が成膜できるので、時間短縮に寄与し、基板温度低下や不必要な層間膜の生成の心配がない。これにより、高品質の成膜と生産効率の向上が期待できる。この結果、２層以上の成膜を１つの処理チャンバーで行える効率の良いスパッタ装置及びスパッタリング方法及びこれを用いた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るスパッタ装置の要部構成を示す断面図。
【図２】図１中のターゲットの一例を示す平面図。
【図３】図１中のマグネットの一例を示す平面図。
【図４】第２実施形態に係るスパッタ装置の要部構成を示す断面図。
【図５】従来のスパッタ装置の要部構成を示す概略図。
【符号の説明】
１０，５１…処理チャンバ、１１…被処理基板、１２，４２，５３…ステージ、１３…放電ガス供給系、１４…排気系、１５，５２…ターゲット（陰極）、１５１…第１ターゲット材、１５２…第２ターゲット材、１６，５５…支持部材（バッキングプレート）、１７，５４…スパッタ電源、１８…カソード側モジュール、１９…マグネット、２０，４０…アーム機構、２１…回転軸、２２，４４…モータ駆動部、２３…冷却ユニット、４３…ロボットアーム、５６…マグネットユニット。

Claims

被処理基板を収容し真空中で少なくとも放電用ガス供給及び排気がなされる処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に設けられる少なくとも２つ以上のスパッタ材料が区分けされたターゲットと、
前記ターゲットの支持部材と、
前記支持部材を介して前記ターゲットに電圧を与え、前記放電用ガスの供給された前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるスパッタ電源と、
前記支持部材の背後で前記ターゲットのスパッタ材料の区分けに従ってマグネットが移動制御される軌道を有するカソード側モジュールと、
を具備したことを特徴とするスパッタ装置。
前記ターゲットは中央領域に第１スパッタ材料、その周辺に第２スパッタ材料を有していることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
スパッタ処理中に前記ターゲットのスパッタ材料の区分け及びマグネットの移動制御に従って対向するように前記被処理基板を移動制御する機構をさらに具備していることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタ装置。
前記ターゲットの支持部材は、前記スパッタ材料毎に放電領域が区分けされる寸法を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか一つに記載のスパッタ装置。
前記カソード側モジュールにおけるマグネットの移動制御はシリンダ駆動制御機構が含まれることを特徴とする請求項１〜４いずれか一つに記載のスパッタ装置。
前記カソード側モジュールにおけるマグネットの移動制御はロボットアーム制御機構が含まれることを特徴とする請求項１〜４いずれか一つに記載のスパッタ装置。
処理チャンバ内に２つ以上のスパッタ材料が区分けされたターゲットを配備し、２層以上の異なる金属部材を有する成膜を連続的に１つのスパッタ装置で達成することを特徴とするスパッタリング方法。
前記金属部材として集積回路に用いられる配線層を形成することを特徴とする請求項７記載のスパッタリング方法。
上記請求項１〜８いずれかに示すスパッタ装置またはスパッタリング方法を用いて形成されることを特徴とする半導体装置。