JP2004277785A

JP2004277785A - スパッタリング装置

Info

Publication number: JP2004277785A
Application number: JP2003069127A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Makimoto; 貴彦牧元
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができるスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】第１シールド１１は、バッキングプレート４及び第２シールド１２から電気的に絶縁し得る距離を隔てて配置してあり、また、ターゲットＴは、その周縁が、第１シールド１１の内周縁と電気的に絶縁し得る距離を隔てるようにバッキングプレート４に固定してある。従って、第１シールド１１とバッキングプレート４との間の空間、第１シールド１１とターゲットＴとの間の空間は、絶縁層として機能している。更に、第１シールド１１は、絶縁材料を用いて形成した絶縁層９を介してチャンバ１に取付けてあり、これによって、第１シールド１１はフローティング状態になされている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットにプラズマを衝突させて被処理物の表面を成膜処理するスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来のスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図であり、かかるスパッタリング装置は、例えば後記する特許文献１に開示されている。被処理物たるウェーハＷを装入する箱状のチャンバ２０内には、銅等の熱伝導率が高い金属材料を用い、冷却水を通流する通水路を埋設してなるバッキングプレート２４が、チャンバ２０の底面から適宜距離を隔てて対向配置してあり、バッキングプレート２４とチャンバ２０の底面との間の所定領域は、スパッタリング処理を行う処理領域２５にしてある。
【０００３】
バッキングプレート２４の前記処理領域２５に対向する内面中央には、所要の膜材料を平板状に成型したターゲットＴが固定してある。ターゲットＴは、導電性板材の中央にターゲットＴに応じた穴を開設してなる第１シールド３１で囲繞してあり、第１シールド３１はバッキングプレート２４から僅かな間隙を隔てて配設してある。また、第１シールド３１は電気的に接地してある。これによって、バッキングプレート２４のターゲットＴに対向する部分以外の領域が、スパッタリングされることが防止される。
【０００４】
このバッキングプレート２４の外側には複数のマグネット２８，２８，…が、バッキングプレート２４から適宜距離を隔てて配置してあり、また、ターゲットＴには、バッキングプレート２４を介して直流電圧電源２６から負電圧が印加されるようになっている。
【０００５】
一方、チャンバ２０の底部近傍には、前記ターゲットＴの平面面積より少し小さい平面面積のウェーハＷが、ターゲットＴの中央部分に対向して、ターゲットＴと平行になるように載置台（図示せず）上に載置してあり、ウェーハＷの周囲には有底筒状の第２シールド３２が配設してある。第２シールド３２の底部中央には、ウェーハＷの直径より少し大きい直径の穴が開設してあり、この穴内にウェーハＷを装入してある。第２シールド３２は電気的に接地してあり、第２シールド３２によって、チャンバ２０の内周面及び底面がスパッタリングされることが防止される。
【０００６】
チャンバ２０には、図示しない真空ポンプに連通する排気管２２が連結してあり、排気管２２を介してチャンバ２０内から排気することによって、チャンバ２０内を所要の真空度まで減圧する。また、チャンバ２０には、図示しないガスボンベに連通するガス導入管２３も連結してあり、該ガス導入管２３からチャンバ２０内へ所要のガスを所定の流量で導入するようになっている。
【０００７】
このようなスパッタリング装置にあっては、排気管２２を介してチャンバ２０内から排気することによって、チャンバ２０内を所要の真空度まで減圧した後、アルゴン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ）の混合ガス等の所要組成のガスをガス導入管２３からチャンバ２０内へ導入しつつ、所定の負電圧をターゲットＴに印加することによって、例えば、導入したＡｒガスをＡｒ^＋と電子（ｅ⁻）とに電離して、Ａｒ^＋イオンのプラズマを生成する。このとき、生成した電子は、マグネット２８，２８，…にて形成された磁界によってターゲットＴ近傍に閉じ込められ、かかる電子がＡｒに衝突してなだれ式に前述した電離を招来させるため、高効率にプラズマが生成される。
【０００８】
このようにして生成されたプラズマがターゲットＴに衝突することによって、ターゲットＴからそれを構成する材料が飛散し、それがウェーハＷ表面に堆積してウェーハＷ表面に薄膜が生成される。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１５８６１５号公報（図１１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のスパッタリング装置にあっては、マグネット２８，２８，…にて形成された磁界が、ガスの電離によって生じた電子をターゲットＴ近傍に閉じ込めようとするが、電気的に接地してある第１シールド３１及び第２シールド３２内を電子が伝導するため、ターゲットＴ近傍の電子密度は、ターゲットＴの中央に対向する位置から両シールド３１，３２に近づくにしたがって低下する。これによって、図８に示した如く、プラズマＰの生成量は、ターゲットＴの中央部に対向する位置で多く、ターゲットＴの周縁部に向かうにしたがって減少するので、スパッタリング効率もターゲットＴの中央部から周縁部に向かうにしたがって低下し、従って、ウェーハＷの表面への成膜レートが低いという問題があった。また、ウェーハＷの表面内における膜厚の均一性が低いという問題もあった。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができるスパッタリング装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、チャンバ内に、ターゲットを囲む環状のシールドを取付けたスパッタリング装置において、前記シールドは負に帯電可能にしてあることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の本発明は、前記シールドは絶縁層を介して取付けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の本発明は、前記シールドに負電圧を印加する手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、前記シールドに、前記ターゲットを囲む筒部を前記チャンバ内の被処理物へ向けて形成したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明では、ウェーハ等の被処理物を装入するチャンバ内に、ターゲットを囲む環状のシールドが取付けてあり、ターゲットに電圧を印加してそれをスパッタリングすることによって被処理物を成膜処理する場合に、前記シールドは負に帯電可能にしてある。
【００１７】
図６は、シールドが異なる電気的状態にある場合のプラズマの生成状態を説明する説明図であり、図中、１１は本発明に係るスパッタリング装置に配設された第１シールド、３１は従来のスパッタリング装置に配設されたシールドである。図６から明らかな如く、従来のスパッタリング装置に配設されたシールド３１は接地されており、従って前述した如く、導入したＡｒガスの電離によって生じる電子（ｅ⁻）がシールド３１を介して接地されるため、Ａｒガスの電離効率が低く、シールド３１近傍の領域Ｒ_３１内におけるＡｒ⁻の生成密度も低い。
【００１８】
一方、本発明に係るスパッタリング装置に配設されたシールド１１は、例えば電気的にフローティング状態にすることによって、或いは負に帯電させた支持部材で支持することによって、負に帯電可能にしてあるため、例えば導入したＡｒガスの電離によって生じる電子（ｅ⁻）によってシールド１１は負に帯電し、新たに生じる電子（ｅ⁻）をシールド１１の近傍の領域Ｒ_１１へ閉じ込める効果を促進させる。従って、領域Ｒ_１１におけるＡｒガスの電離効率が高く、Ａｒ⁻の生成密度が高い。これによって、ターゲットの中央部分に対向する領域におけるＡｒ⁻の生成密度と、ターゲットの周縁部分に対向する領域におけるＡｒ⁻の生成密度とが略等しくなるため、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。なお、負に帯電させた支持部材でシールド１１を支持することによっても、シールド１１を負に帯電させることができる。
【００１９】
シールドを負に帯電可能にするには、前述したようにシールドを絶縁層を介してチャンバに取付けておくことによって、シールドは電気的にフローティング状態になし、導入したガスの電離によって生じる電子によってシールドを負に帯電させることができる。これによって、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる一方、比較的簡単な構成でかかる効果を得ることができ、装置製造コストの上昇を可及的に抑制することができる。
【００２０】
一方、前記シールドに負電圧を印加することによって、シールドを積極的に負に帯電させることもできる。これによって、導入したガスの電離によって生じる電子が、当該シールドへ移動することが阻止されるため、前同様、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００２１】
また、前記シールドに、前記ターゲットを囲む筒部をチャンバ内の被処理物に向けて形成しておくことによって、該筒部も負に帯電可能となる。換言すると、環状のシールドに、当該シールドの穴を囲むように垂下した筒部は、当該シールドの一部として一体的に、負に帯電可能となるのである。これによって、導入したガスの電離によって生じる電子がシールドの外周縁より外側へ移動することが阻止されるため、ガスの電離効率が向上し、ターゲットの周縁部近傍の領域内におけるプラズマの生成密度も更に高くなる。従って、被処理物の表面内において、更に、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００２２】
ところで、チャンバ内面をスパッタリングから保護すべく、被処理物を囲繞する筒部を有する他のシールドが前記シールドと同芯状に配設してある場合があるが、かかる場合は、他のシールドの筒部の内周面の一部を覆うように当該シールドの筒部を設けておく。
【００２３】
当該シールドの筒部によって他のシールドの筒部の内周面の一部を覆っていない場合、その近傍に生じる電子はシールドへ移動するため、シールドが接地されていると、導入したガスの電離によって生じる電子が他のシールドを介して接地されるので、ガスの電離効率が低く、ターゲットの周縁部近傍の領域内におけるプラズマの生成密度も低い。しかし、当該シールドに設けた筒部によって、他のシールドの筒部の内周面の一部を覆った場合、当該シールドの筒部によって、前述したように、他のシールドへの電子の移動が阻止されるため、ガスの電離効率が高く、ターゲットの周縁部近傍の領域内におけるプラズマの生成密度も高い。一方、他のシールドの状態に拘わらず、かかる効果を得ることができるため、装置コストの上昇を可及的に抑制することができる。
【００２４】
以下、本発明の内容を図面に基づいて詳述する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図であり、図中、１は、被処理物たるウェーハＷを装入する箱状のチャンバである。チャンバ１内には、銅等の熱伝導率が高い金属材料を用い、冷却水を通流する通水路を埋設してなるバッキングプレート４が、チャンバ１の底面から適宜距離を隔てて対向配置してあり、バッキングプレート４とチャンバ１の底面との間の所定領域は、スパッタリング処理を行う処理領域５にしてある。
【００２５】
バッキングプレート４の前記処理領域５に対向する内面中央には、所要の膜材料を平板状に成型したターゲットＴが固定してある。ターゲットＴは、導電性板材の中央にターゲットＴに応じた穴を開設してなる第１シールド１１で囲繞してあり、第１シールド１１はバッキングプレート４から僅かな間隙を隔てて配設してある。これによって、バッキングプレート４のターゲットＴに対向する部分以外の領域が、スパッタリングされることが防止される。
【００２６】
このバッキングプレート４の外側には複数のマグネット８，８，…が、バッキングプレート４から適宜距離を隔てて配置してあり、また、ターゲットＴには、バッキングプレート４を介して直流電圧電源６から負電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
一方、チャンバ１の底部近傍には、前記ターゲットＴの平面面積より少し小さい平面面積のウェーハＷが、ターゲットＴの中央部分に対向して、ターゲットＴと平行になるように載置台（図示せず）上に載置してあり、ウェーハＷの周囲には有底筒状の第２シールド１２が配設してある。第２シールド１２の底部中央には、ウェーハＷの直径より少し大きい直径の穴が開設してあり、この穴内にウェーハＷを装入してある。第２シールド１２は電気的に接地してあり、第２シールド１２によって、チャンバ１の内周面及び底面がスパッタリングされることが防止される。
【００２８】
チャンバ１には、図示しない真空ポンプに連通する排気管２が連結してあり、排気管２を介してチャンバ１内から排気することによって、チャンバ１内を所要の真空度まで減圧する。また、チャンバ１には、図示しないガスボンベに連通するガス導入管３も連結してあり、該ガス導入管３からチャンバ１内へ所要のガスを所定の流量で導入するようになっている。
【００２９】
前述した第１シールド１１は、バッキングプレート４及び第２シールド１２から電気的に絶縁し得る距離を隔てて配置してあり、また、ターゲットＴは、その周縁が、第１シールド１１の内周縁と電気的に絶縁し得る距離を隔てるようにバッキングプレート４に固定してある。従って、第１シールド１１とバッキングプレート４との間の空間、第１シールド１１とターゲットＴとの間の空間は、絶縁層として機能している。更に、第１シールド１１は、絶縁材料を用いて形成した絶縁層９を第１シールド１１とチャンバ１との間に介装させてチャンバ１に取付けてあり、これによって、第１シールド１１は電気的にフローティング状態になされている。
【００３０】
なお、かかる絶縁層９は、第１シールド１１のバッキングプレート４に対向する部分、及び、第１シールド１１のターゲットＴに対向する部分にも設けておいてもよい。これによって、スパッタリング中、電気的な絶縁効果を向上させることができる。
【００３１】
このようなスパッタリング装置にあっては、排気管２を介してチャンバ１内から排気することによって、チャンバ１内を所要の真空度まで減圧した後、アルゴン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ）の混合ガス等の所要組成のガスをガス導入管３からチャンバ１内へ導入しつつ、所定の負電圧をターゲットＴに印加することによって、例えば、導入したＡｒガスをＡｒ^＋と電子（ｅ⁻）とに電離して、Ａｒ^＋イオンのプラズマを生成する。
【００３２】
電離によって生成した電子は、マグネット８，８，…にて形成された磁界によってターゲットＴ近傍に閉じ込めようとされるが、このとき、第１シールド１１がフローティング状態であるため、第１シールド１１は負に帯電し、これによってターゲットＴ近傍への電子の閉じ込めが促進される。
【００３３】
これによって、図２に示した如く、プラズマＰの生成効率が、ターゲットＴの全面に対向して略均一化されると共に、プラズマＰの生成量が増大する。このようにして生成されたプラズマがターゲットＴに衝突することによって、ターゲットＴからそれを構成する材料が飛散し、それがウェーハＷ表面に堆積してウェーハＷ表面に薄膜が生成される。従って、ウェーハＷの表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係るスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図であり、電離によって生成した電子の閉じ込めを更に促進させるようにしてある。なお、図中、図１に示した部分に対応する部分には同じ番号を付してその説明を省略する。
【００３４】
図３に示した如く、第１シールド１１には、第２シールド１２の内周面の一部を囲繞する筒部１１ａが垂下してあり、該筒部１１ａと第２シールド１２の内周面との間は、電気的に絶縁し得る空間を設けてある。従って、かかる空間も絶縁層として機能しており、筒部１１ａも電気的にフローティング状態になっている。なお、このような絶縁空間を設けることなく、筒部１１ａの外周面と第２シールド１２の内周面との間に、絶縁材料を用いて形成した絶縁層を介装させてもよい。
【００３５】
チャンバ１内へ導入したガスの電離によって生じた電子は第２シールド１２へ移動し、第２シールド１２を介して接地されようとするが、電気的にフローティング状態にある筒部１１ａによって、第２シールド１２への電子の移動が阻止されるため、前述した電子の閉じ込めが更に促進され、ガスの電離効率が向上し、ターゲットＴの周縁部近傍の領域内におけるプラズマの生成密度も向上する。従って、ウェーハＷの表面内において、更に、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００３６】
また、第２シールド１２の状態に拘わらず、かかる効果を得ることができるため、装置コストの上昇を可及的に抑制することができる。
（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係るスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図であり、電離によって生じた電子の閉じ込めを積極的に促進させるようにしてある。なお、図中、図３に示した部分に対応する部分には同じ番号を付してその説明を省略する。
【００３７】
図４に示した如く、絶縁層を介してチャンバ１内に取付けてある第１シールド１１には、バイアス電源７から負電圧が印加されるようになっており、これによって、導入したガスの電離によって生じる電子に拘わらず、第１シールド１１は負に帯電する。このように、積極的に第１シールド１１を負に帯電させることによって、ターゲットＴの中央部分に対向する領域におけるプラズマの生成密度と、ターゲットＴの周縁部分に対向する領域におけるプラズマの生成密度とが、更に等しくなるように調整できるため、ウェーハＷの表面内において、更に均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、バイアス電源７から第１シールド１１に負電圧を印加するようにしてあるが、本発明はこれに限らず、直流電圧電源６の出力を所要の電圧に減じて第１シールド１１に印加するようにしてもよいことはいうまでもない。
【００３９】
次に、比較試験を行った結果について説明する。
【００４０】
図５は、比較試験を行った結果を説明する説明図であり、（ａ）は従来の装置によってスパッタリングした場合にウェーハＷ表面に生成された膜の厚さを測定した結果を、（ｂ）は図３に示した本発明に係る装置によってスパッタリングした場合にウェーハＷ表面に生成された膜の厚さを測定した結果をそれぞれ示している。図中に示した数値は、ウェーハＷ上の当該位置における膜厚（ｎｍ）を表している。なお、両装置にあっては、同じ条件でスパッタリングを行った。
【００４１】
図５（ａ）から明らかな如く、従来の装置によってスパッタリングした場合、ウェーハＷ表面に生成された膜の厚さは平均１２７ｎｍであり、膜厚均一性（膜厚均一性＝｛（最大膜厚−最小膜厚）／（最大膜厚＋最小膜厚）｝×１００）は７．７％であった。
【００４２】
これに対して、図５（ｂ）から明らかな如く、本発明に係る装置によってスパッタリングした場合、ウェーハＷ表面に生成された膜の厚さは平均１３８ｎｍであり、膜厚均一性は４．８％であり、従来の装置による結果よりいずれも向上していた。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、チャンバ内に、ターゲットを囲む環状のシールドを取付けたスパッタリング装置において、前記シールドは負に帯電可能にしてあるため、導入したガスの電離によって生じる電子を所要の領域へ閉じ込める効果を促進させる。従って、ターゲットの中央部分に対向する領域におけるプラズマの生成密度と、ターゲットの周縁部分に対向する領域におけるプラズマの生成密度とが略等しくなり、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００４４】
請求項２記載の本発明によれば、シールドは絶縁層を介して取付けてあるため、該シールドは電気的にフローティング状態になり、導入したガスの電離によって生じる電子で負に帯電する。これによって、新たに生じる電子を所要の領域へ閉じ込める効果を促進させ、前同様、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００４５】
請求項３記載の本発明によれば、シールドに負電圧を印加する手段を備えるため、導入したガスの電離によって生じる電子が、当該シールドへ移動することが阻止されるため、前同様、被処理物の表面内において、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる。
【００４６】
請求項４記載の本発明によれば、前記シールドに、前記ターゲットを囲む筒部を前記チャンバ内の被処理物へ向けて形成したため、該筒部も負に帯電可能となる。これによって、導入したガスの電離によって生じる電子がシールドの外周縁より外側へ移動することが阻止されるため、ガスの電離効率が向上し、ターゲットの周縁部近傍の領域内におけるプラズマの生成密度も更に高くなる。従って、被処理物の表面内において、更に、均一な厚さの成膜を高いレートで行うことができる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図である。
【図２】本発明に係るスパッタリング装置におけるプラズマの生成状態を説明する説明図である。
【図３】実施の形態２に係るスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図である。
【図４】実施の形態３に係るスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図である。
【図５】比較試験を行った結果を説明する説明図である。
【図６】シールドが異なる電気的状態にある場合のプラズマの生成状態を説明する説明図である。
【図７】従来のスパッタリング装置の要部構成を示す模式的側断面図である。
【図８】従来のスパッタリング装置におけるプラズマの生成状態を説明する説明図である。
【符号の説明】
１チャンバ
４バッキングプレート
９絶縁層
１１第１シールド
１２第２シールド
７バイアス電源
Ｔターゲット
Ｗウェーハ

Claims

チャンバ内に、ターゲットを囲む環状のシールドを取付けたスパッタリング装置において、
前記シールドは負に帯電可能にしてあることを特徴とするスパッタリング装置。
前記シールドは絶縁層を介して取付けた請求項１記載のスパッタリング装置。
前記シールドに負電圧を印加する手段を備えた請求項１又は２記載のスパッタリング装置。
前記シールドに、前記ターゲットを囲む筒部を前記チャンバ内の被処理物へ向けて形成した請求項１から３のいずれかに記載のスパッタリング装置。