JP2005226153A - プラズマ支援スパッタ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【発明の課題】 良好でかつ要求された特性を維持することができ、膜堆積の間停止状態にある温度制御性の良好なウェハーホルダを有するプラズマ支援スパッタ成膜装置を提供すること。
【解決手段】 プラズマ支援スパッタ成膜装置は次の構成からなる。プラズマの生成のため使用されるプロセスガスが導入される反応容器１と、プラズマによってスパッタされる物質で作られるドーナツ型電極であって、その下面はウェハーの表面に対し傾斜されているドーナツ型電極２と、ドーナツ型電極の上方の円の上を移動しながらその中心軸で回転する回転プレートであって、その下面に取付けられかつドーナツ型電極の表面に平行なマグネット配列４を含む回転プレート３と、ドーナツ型電極に接続された電力源１０と、そして膜堆積のためウェハー９を配置するためのウェハーホルダ５であって、膜堆積の間停止状態にあるウェハーホルダとから構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明はプラズマ支援スパッタ成膜装置に関し、特に、ウェハーの上に薄膜を堆積するためのプラズマ支援スパッタ成膜装置であって、ウェハーホルダは膜堆積の間停止しており、良好な膜の均一性を有し、高い精度の膜厚み制御を有するプラズマ支援スパッタ成膜装置に関する。

マグネトロンＤＣまたはマグネトロンＲＦのスパッタ装置は、半導体産業において用いられる基板の上に薄い膜を堆積させるため、広く応用されている。基板の上に膜を堆積することにおいて主要な要求の１つは、例えば、シリコンウェハーの上での膜の均一性である。より高い膜の均一性を備えて膜を堆積させるために、ウェハーの表面に関して、傾斜電極を有するＤＣスパッタリング装置が発明され、利用されている（特許文献１，２）。しかしながら、この装置は、基板温度を制御すること、堆積した膜が再びスパッタリングされること、パーティクルを減少させることにおいて、いくつかの問題を有している。これらの問題を図５を参照して詳細に説明する。

図５は、傾斜電極を有するＤＣスパッタリング装置の断面図を示す。反応容器１００は電極１０１、ウェハーホルダ１０２、ガス導入部１０３、およびガス排出部１０４から成っている。電極１０１は金属で作られ、スパッタされかつウェハー１１２の上に堆積される必要のある例えばＡｌ，Ｔｉ，Ｔａ等の金属で作られている。電極１０１は誘電体物質１０５を用いて反応容器１００から電気的に絶縁されている。一般的に、電極１０１の状面の上には、いくつかの特別な配列を有した複数のマグネット１０６が配置されている。さらに、電極１０１に設けられたマグネット１０６は電極１０１の偏り軸または中心軸の周りに回転されている。円形の矢印１２１は中心軸の周りの回転動作の状態を示す。電極１０１はＤＣ電力源１０７に接続されている。

通常、ウェハーホルダ１０２は、金属電極１０８、誘電体物質１０９、側壁１１０、および軸部１１１から構成されている。軸部１１１は、円形の矢印１２２で示されるごとくその中心軸でウェハーホルダ１０２を回転させるため、電気モータに接続されている。当該電気モータは、図において示されていない。

反応容器１００の中には、電極１０１にＤＣ電流を与えることによって、反応容器１００の内部を低い圧力に維持しながらＤＣプラズマが生成される。電極１０１のより高い負の電圧のために、プラズマの中のイオンは電極１０１に対して加速され、スパッタが行われる。これらのスパッタされた原子は、その後、プラズマを通り抜けて移動し、ウェハー１１２の上に堆積し、そしてプラズマに対して露出したその他の表面の上に堆積する。

傾斜電極１０１から到来するスパッタされた原子の流れはウェハーの表面の上で均一ではない。ウェハーの表面の上で均一な膜を得るために、ウェハーホルダ１０２はその中心軸の周りに回転させられる。このことは均一な膜をもたらす結果となる。

前述したＰＶＤ装置におけるすべての問題は、回転するようにされたウェハーホルダ１０２が原因となっている。

第１の問題は、膜堆積の間ウェハーの温度を制御することができないということである。このことは金属電極１０８に対して液体を基礎にした冷却機構を組込むことが難しいということが原因である。金属電極１０８に加熱機構を組込むことも同様に難しい。これらの困難性は機構的な難しさであり、ウェハーホルダ１０２の回転に起因して生じるものである。制御された温度で膜を堆積させることは望ましい物理的かつ電気的特性を備えた膜を得るために重要なことである。例えば、電気メッキのプロセスのため種になる層としてＣｕ（銅）の膜を堆積することは、より良い表面滑らかさを得るため、零度よりも低い温度で実行されなければならない。

第２の問題は、静電力を用いてウェハーをクランプするため金属電極１０８の上に静電チャック（ＥＳＣ）を作ることが、電気的接続を設計することの複雑性のため困難であるということである。ＥＳＣを用いてウェハーをクランプすることは、ウェハーの温度における制御が膜堆積プロセスの間必要とされる場合に重要である。

第３の問題は、金属電極１０８へＲＦ電流を供給することが、同様にまた、回転するウェハーホルダ１０２への電気的接続を作ることが困難である、という理由に基づき容易ではないということである。金属電極１０８へＲＦ電力を与えることは、膜堆積がソフトイオンの衝突で実行されなければならない場合、または堆積された膜が再びスパッタされる必要がある場合には必要である。

第４の問題は、ウェハーホルダ１０２の連続回転が原因で反応容器内にパーティクルが発生するということである。ウェハーホルダ１０２の回転はその外側部分および周辺部分の振動を生じさせる。これは、堆積した薄膜が振動する表面から薄片となって分離することを容易にし、そのことが最終的にウェハー表面におけるパーティクルコンタミネーションの原因となる。

加えて、ドーナツ型のカソードまたはターゲットに関する技術として次の特許文献３，４が挙げられる。
特開２００２−１６７６６１号公報 特開２００２−２９６４１３号公報 特開平７−１２６８４７号公報 特開平５−１８９７６２号公報

本発明の課題は、前述した４つの問題を解決することである。本発明によって提案されるマグネトロンＤＣまたはマグネトロンＲＦのスパッタリング装置において、ウェハーホルダは、電極および関連する部分の構造を変更しまたは改善することによって、ウェハーを処理している時に停止状態にある。

本発明の目的は、傾斜した表面を有するドーナツ型電極と、自転しかつ公転（衛星運動）するマグネットの構成と、そして膜の堆積の間停止状態にある温度の制御性が良好なウェハーホルダとを採用することによって、前述した問題を解決することができ、かつ膜の均一性および厚みの制御性の点で良好なかつ要求された品質を維持することが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。

本発明に係るプラズマ支援スパッタ成膜装置は、前述の目的を達成するため、次のように構成される。

プラズマ支援スパッタ成膜装置は次の構成から成る。プラズマの生成のため使用されるプロセスガスが導入される反応容器と、プラズマによってスパッタされる物質で作られるドーナツ型電極であって、その下面はウェハーの表面に対し傾斜されているドーナツ型電極と、ドーナツ型電極の上方の円の上を移動しながらその中心軸で回転する回転プレートであって、その下面に取付けられかつドーナツ型電極の表面に平行なマグネット配列を含む回転プレートと、ドーナツ型電極に接続された電力源と、そして膜堆積のためウェハーを配置するためのウェハーホルダであって、膜堆積の間停止状態にあるウェハーホルダとから構成される。

上記のプラズマ支援スパッタ成膜装置において、好ましくは、回転プレートの下面におけるマグネット配列は回転軸の周りに対称である。

上記のプラズマ支援スパッタ成膜装置において、好ましくは、回転プレートの下面に設けられたマグネット配列はその回転軸の周りに非対称である。

プラズマ支援スパッタ成膜装置は次の構成から成る。プラズマの生成のため使用されるプロセスガスが導入される反応容器と、プラズマによってスパッタされる物質で作られるドーナツ型電極であって、その下面はウェハーの表面に対し傾斜されているドーナツ型電極と、ドーナツ型電極の下側に１つまたはそれ以上の閉じたループ状磁束線を生成するため、電極に対向し、交互の磁極を有しかつ異なるに直径を持ち、ドーナツ型電極の上方に配置される２つまたはそれ以上の円形のマグネットと、ドーナツ型電極に接続された電力源と、そして膜堆積のためウェハーを配置するためのウェハーホルダであって、膜堆積の間停止状態にあるウェハーホルダとから構成される。

本発明によるプラズマ支援スパッタ成膜装置は、傾斜した表面を有するドーナツ型電極、自転しかつ公転するマグネット構成、そして膜堆積の間停止状態にある温度制御性の可能なウェハーホルダを採用することによって、膜の均一性および膜厚みの制御性のごとき良好なかつ要求された特性を維持することができる。

以下に、添付した図面に従って好ましい実施形態が説明される。当該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。

図１〜図３に従って本発明の第１実施形態が説明される。図１は、本発明のプラズマ支援スパッタ成膜装置の第１実施形態の縦断面図を示す。

反応容器１は、その天井壁１Ａに設けられた電極２と、その底板１７に設けられたウェハーホルダ５とを備えている。上側の支持壁１Ｂは天井壁１Ａを支持する。天井壁１Ａはリング形状の傾斜した周辺部分を有している。電極２は、天井壁１Ａのリング形状の傾斜した周辺部分に配置されている。

電極２は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ等のごとき、スパッタされる必要がありかつウェハーホルダ５の上に配置されたウェハー９の上に堆積される金属で作られている。電極２は誘電体物質８を用いて反応容器１から電気的に絶縁されている。電極２はＤＣ電力源１０が接続されている。

第１実施形態の反応容器１において、電極２はドーナツ型または円形リング形状の形態を有し、そして底板１７にはガス導入部６があり、そして底板１７の近くの側壁２０の下側部分にはガス排出部７がある。電極２の裏側の空間には、マグネット配列４が取付けられた回転プレートまたは回転ディスク３が存在する。

電極２はスパッタされかつウェハー９の上に堆積されるべき物質で作られている。電極２の形状は、図２に示されるごとく、中心に孔を有した円形である。電極２の内側直径および外側直径は重要な事項ではなく、ウェハーの直径およびウェハーから電極２までの高さを考慮することにより決定される。電極２の内側および外側の直径の中心、およびウェハー９の中心は同じ直線の上に存在する。電極２の表面は傾斜されており、これによってこれらの表面の延長されたものは円錐形の構造を作る。図１において“α”によって示される、電極表面と水平線との間の傾斜角度は重要な事項ではなく、一般的に４５度よりも小さいものである。図２において“ｔ”によって示された電極２の厚みは同様にまた重要な事項ではなく、２ｍｍから２０ｍｍの範囲にあるものである。より薄い電極２は、その下面でより強い磁束を作るので、好ましい。電極２は、反応容器１の残りの各部分から電気的に絶縁するため絶縁材８によって覆われており、そしてＤＣまたはｒｆの電力を与えられている。１つの例としてＤＣ電源１０が図１に示されている。

複数のマグネットから構成されるマグネット配列４は、回転プレート３に固定されている。回転プレート３は、通常、金属で作られている。回転プレート３の直径は、通常、図２で“ｄ”で示された電極２の幅よりも少しばかり短くなるように定められている。しかしながら、適当なハードウェアの変形を施して電極の幅“ｄ”よりもより大きい回転プレートを採用することもできる。

回転プレート３はその中心軸１６で絶えず回転している。加えて、マグネット配列４を備えた回転プレート３は電極２の上方の円形軌道で衛星運動に類似した運動で移動する。この場合において、回転プレート３はドーナツ型電極２の表面に平行である。これらの運動は、図３で模式的に示されている。図３において、矢印３１はスピン運動（自転運動）を示し、矢印３２は衛星運動（公転運動）を示している。スピン運動および衛星運動を作るための機構は、中心軸１６に結合されたモータ３３、上側支持壁１Ｂの側壁２０に固定されたギア機構を備えたリング形状ガイド部材、およびモータ３３とリング形状ガイド部材３４を連結するための連結部材から構成されている。モータ３３が動作する時、中心軸３５が回転され、モータ３３と回転プレート３を含むユニットは、ギア機構によってリング形状ガイド部材３４に沿って移動する。

回転プレート３の下側のマグネット配列４は重要な事項ではなく、いかなる対称または非対称の形態を有したマグネット配列であってもよい。

ウェハーホルダ５は底板１７に固定されている。それは金属電極１１、静電チャック（ＥＳＣ）１２、および絶縁体１３から構成されている。金属電極１１には、液体導入部１４および液体排出部１５を経由して温度制御液体が供給される。温度制御液体は金属電極１１において通常１００℃〜−１００℃の範囲で一定温度に維持するために用いられる。もし、より高い温度、一般的に１００℃を越える温度が必要とされるならば、金属電極１１の内部に電気的加熱システムを設けることができる。ＥＳＣを形成するために金属電極の上面の上に薄い誘電体層１２が存在する。この誘電体層１２の中に、ＥＳＣの一部として非常に薄い金属電極またはいくつかの電極を設けてもよい。さらに、ウェハー９とＥＳＣの間で熱的伝導性を増加させるためＥＳＣに対しガス供給機構を設けるようにしてもよい。ＥＳＣの構成についての詳細な説明は、一般的文献において利用可能であるので、ここでは与えない。ウェハーホルダ５は反応容器１の底板１７上に固定されている。このことが、電気的な配線、および冷却／加熱機構を設けることを容易にする。しかしながら、前述されたすべての装置構成を備えて垂直方向に移動するようにウェハーホルダ５を作ることも可能である。ウェハーホルダ５の重要な特徴は、従来技術で説明されたものに比較して、ウェハーおよびウェハーホルダが膜堆積の間停止状態にあるということである。すなわち、ウェハーホルダ５にはいかなる回転部分も存在しないということである。

前述した構造の作動を説明する。ウェハー搬入／搬出ドア１８を通して反応容器１の内部に導入されたウェハー９は、固定されたウェハーホルダ５の上に配置される。ウェハーホルダ５におけるウェハー９はＥＳＣの上に静電的にクランプされる。ＥＳＣは冷却媒体またはヒータによって支援されて一定温度になるよう維持されている。ガスが反応容器１の中に供給され、そして反応容器は所望の圧力に維持される。反応容器１の内部の圧力は重要な事項ではなく、０．１ミリトール（mTorr）から１００ミリトールの範囲において変化させることができる。ＤＣ電力がＤＣ電源１０から電極２に供給され、これによりプラズマを発生させ、維持する。電極２に供給されたＤＣ電流による電力は重要な事項ではなく、要求される成膜速度および他のパラメータによって決定される。特に、膜厚の正確な制御が必要とされる場合、成膜は例えば１０ｎｍ（ナノメートル）／分の低い速度で行われなければならない。この場合において、例えば５０ワット（Ｗ）の低いＤＣ電力が電極２に与えられる。たとえＤＣ電源１０によって与えられる同じ負電圧を電極２の全体が受けたとしても、プラズマが磁界によって閉じ込められるので、プラズマは回転プレート３の下側に集中する。この濃度の高いプラズマは、マグネット配列４を備えた回転プレート３の運動に伴って、電極２の下側で円形軌道上にて移動する。スパッタリングの現象は濃いプラズマが存在する場所において主に起き、そしてスパッタされた原子はウェハーの表面に角度を保って到達する。それ故に、成膜のプロセスは、従来技術の箇所で説明したそれとほとんど同じであり、非常に良好な膜均一性を備えた膜を生じさせるという結果となる。

ウェハーホルダ５における金属電極１１はｒｆ電流を与えられてもよいし、与えられなくてもよい。たとえｒｆ電力が与えられたとしても、ｒｆ電源３６からのｒｆ電流による電力は、通常、堆積した膜での過度のスパッタが起きないように低い値に保持される。

第１実施形態のスパッタリング装置は、ウェハーの温度を所望の値に維持できると共に、非常に高い精度で膜厚の制御性が良好な、非常に均一性のよい膜を作ることができる。さらに膜堆積は、ソフトなイオン衝突または再スパッタプロセスで行われる。

第１実施形態によれば、ウェハーホルダ５は停止された状態にあり、電極２の下側の領域に作られるプラズマは、回転プレート３のマグネット配列に対応し、回転プレート３の衛星運動（公転運動）と共に回転する。それ故に、ウェハーホルダ５がそれ自体が回転しなくても、均一な薄膜がウェハーホルダ５上のウェハー９の上に堆積する。

次に、図４を参照して第２実施形態が説明される。それは第１実施形態のわずかな変形例である。この装置における唯一の変形は、第１実施形態に比較して、上記の回転プレート３を用いることなく、マグネット配列４に対応するマグネット配列の新しい構造を用いることである。ここで、電極２の外側表面の上に２つまたはそれ以上の円形マグネット１９ａ，１９ｂが配置され、それらは電極の表面に対向し、交互に異なる極性を有している。それらは移動しない。図４では、例えば、２つの円形のマグネット１９ａ，１９ｂを有する構成が示されている。これらの２つのマグネット１９ａ，１９ｂは、永久的に、電極の上において固定され、または例えば１ｍｍの狭い間隔をあけて電極表面に平行にわずかばかり移動された状態で配置されている。２つの円形マグネット１９ａ，１９ｂの間には磁束線３７が存在する。当該磁束線３７は電極２を貫き、反応容器１の内部に至る。円形マグネット１９ａ，１９ｂのわずかな動きは、電極の利用効率の改善という結果をもたらす。

電極２に対してＤＣ電源またはｒｆ電源を応用することは第１実施形態で説明されたものと同じである。しかしながら、当該マグネット配列を用いることにより、電極２の下側に強いドーナツ型のプラズマが生成され、かつ同時にドーナツ型表面の上にスパッタリング現象が起きる。それ故に、この構成を用いると、成膜速度が増大することになる。

前述した変更された部分を除いて、その他のすべての構造、機能、手順、および結果は第１実施形態で説明されたそれらと同じである。

本発明は、ウェハーホルダを回転させないプラズマ支援マグネトロンスパッタリングに用いられ、膜の均一性および膜厚の制御性、そして温度制御性の良好なウェハー上の膜堆積に有用である。

この図は、本発明の第１実施形態の装置の縦断面図である。 この図は、ドーナツ型電極の斜視図である。 この図は、ドーナツ型電極に対する回転プレートの運動を伴った当該ドーナツ型電極の模式的平面図である。 この図は、本発明の第２実施形態の装置の縦断面図である。 この図は、従来の装置の縦断面図である。

符号の説明

１ 反応容器
２ ドーナツ型電極
３ 回転プレート
４ マグネット配列
５ ウェハーホルダ
８ 絶縁材
９ ウェハー
１０ ＤＣ電源
１１ 金属電極
１２ 誘電体層（ＥＳＣ）
１３ 誘電体層
１９ａ 円形マグネット
１９ｂ 円形マグネット

Claims (4)

1. プラズマの生成に使用されるプロセスガスが導入される反応容器と、
   前記プラズマによってスパッタされる必要のある物質で作られ、その下面がウェハーの表面に対して傾斜されたドーナツ型電極と、
   ドーナツ型電極の上側を円の上を移動しながらその中心軸で回転運動し、下面に取り付けられかつ前記ドーナツ型電極の表面に平行なマグネット配列を含む回転プレートと、
   前記ドーナツ型電極に接続された電力源と、そして、
   膜堆積のため前記ウェハーを配置し、膜堆積の間静止しているウェハーホルダと、
   から構成されるプラズマ支援スパッタ成膜装置。
2. 前記回転プレートの下面に設けられた前記マグネット配列は回転軸の周りに対称的である請求項１記載のプラズマ支援スパッタ成膜装置。
3. 回転プレートの下面に設けられた前記マグネット配列はその回転軸の周りに非対称である請求項１記載のプラズマ支援スパッタ成膜装置。
4. プラズマの生成に使用されるプロセスガスが導入される反応容器と、
   前記プラズマによってスパッタされる必要のある物質で作られ、その下面がウェハーの表面に対して傾斜されたドーナツ型電極と、
   前記ドーナツ型電極の下側に１つまたはそれ以上の閉じたループ状磁束線を生成するため、前記電極に対向し、交互の磁極を有しかつ異なるに直径を持ち、前記ドーナツ型電極の上方に配置される２つまたはそれ以上の円形のマグネットと、
   前記ドーナツ型電極に接続された電力源と、そして、
   膜堆積のため前記ウェハーを配置し、膜堆積の間静止しているウェハーホルダと、
   から構成されるプラズマ支援スパッタ成膜装置。
   

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