JP2006037209A - スパッタ装置及びそれを用いたスパッタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スパッタ装置を高コスト化・大型化させることなく、さらには製品の信頼性や歩留りを低下させることなく、ウェーハ上に膜厚分布の均一性の優れたスパッタ膜を形成することができるスパッタ装置及びそれを用いたスパッタ方法を提供する。
【解決手段】 本発明のスパッタ装置１は、ターゲット３とシャッタ１５の間に、スパッタ粒子を制御するためのスパッタ粒子制御板１６が配置されている。このスパッタ粒子制御板１６はステンレス等の材質からなり、その中央部に開口部１７が形成されている。この開口部１７は、ターゲット３から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した形状を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ（以下、ウェーハと言う）の処理面に薄膜形成を行なうスパッタ装置及びそれを用いたスパッタ方法に関し、特にウェーハ面内の膜厚分布を大きく向上することができるスパッタ装置及びそれを用いたスパッタ方法に関する。

ウェーハには、その目的に応じて種々の材料や成膜方法が選択される。成膜方法としては、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等があり、その中でスパッタリングは、ウェーハの金属薄膜（Ｔｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、ＷＳｉ等）の形成に多用されている。

図９は、従来のスパッタ装置の構成を示す断面図である。図９に示す従来のスパッタ装置９１は、スパッタ膜を形成する真空チャンバ９２と、真空チャンバ９２内の上方に配置されてターゲット９３を保持するターゲット保持部９４と、真空チャンバ９２内の下方に配置されてウェーハ９５を載置するパレット９６を備えている。また、ターゲット保持部９４の内部には磁力線を発生するマグネット９７が配置されるとともに、直流電源９８が接続され、パレット９６は接地されている。さらに、真空チャンバ９２には、Ａｒ等のスパッタガスを供給するためのガス供給源９９、ガス供給バルブ１００、ガス供給口１０１と、真空チャンバ９２内を真空排気するための真空ポンプ１０２、ガス排気バルブ１０３、ガス排気口１０４が接続されている。また、ターゲット９３とウェーハ９５の間には、ターゲット９３表面の不純物を取り除き、放電が安定するまで行う予備スパッタ用のシャッタ１０５が取り付けられている。

次に、従来のスパッタ装置９１を用いたスパッタ方法を説明する。先ず、ターゲット保持部９４にターゲット９３を固定し、ウェーハ９５をパレット９６に載置する。次に、ガス排気バルブ１０３を介して真空ポンプ１０２により真空チャンバ９２内を高真空にした後、ガス供給バルブ１００を介してガス供給源９９によりＡｒガス等のスパッタガスを真空チャンバ９２へ供給し、真空チャンバ９２内を所定の圧力に保持する。次に、直流電源９８によりターゲット保持部９４に直流電圧を印加してマグネトロン放電（プラズマ）を生じさせる。このプラズマは、マグネット９７の磁力線により収束されてターゲット９３表面に衝突し、ターゲット９３をスパッタリングする。その後、シャッタ１０５をウェーハ９５上部に静置した状態で、所定時間ターゲット９３表面の予備スパッタを行ない自然酸化膜等の不純物を取り除いた後、モータあるいはエアー等の駆動方法によりシャッタ１０５を矢印１０６の方向に移動させてウェーハ９５上にスパッタ膜を形成する。

しかし、この従来のスパッタ装置９１は、ウェーハ９５上に形成されるスパッタ膜の膜厚分布を均一にするために、ウェーハ９５の約２倍の直径を有するターゲット９３を使用していた。これは、ターゲット９３から飛散するスパッタ粒子の放出分布により、ターゲット９３の中央部ほどより多くのスパッタ粒子が放出され、外周部へいくに従って少なく放出されるからである。そのため、スパッタ装置９１が大型化し、装置コストや設置面積が増大するという問題があった。また、ウェーハ９５のサイズが大きくなるに従い、膜厚分布の均一性が悪化し、製品に特性ばらつきが生じていた。

これを解決するために、例えば、特開平５−８６４６７号公報には、他のスパッタ装置が開示されている。図１０（ａ）、（ｂ）は、このスパッタ装置の構成を示す断面図及びシャッタの平面図である。上述した図９と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

図１０（ａ）に示すスパッタ装置１１１は、ターゲット９３とウェーハ９５の間にシャッタ１１２を備えている。このシャッタ１１２には、図１０（ｂ）に示すように、その移動方向（矢印１１３）と垂直方向に矩形状のスリット１１４が形成されている。

次に、このスパッタ装置１１１を用いたスパッタ方法を説明する。シャッタ１１２をターゲット９３下部に静置した状態で、所定時間ターゲット９３表面の不純物を取り除く予備スパッタを行なうまでは、上述したスパッタ装置９１と同様である。予備スパッタ後、モータあるいはエアー等の駆動方法によりシャッタ１１２を矢印１１３の方向に移動させる。このとき、ターゲット９３から飛散するスパッタ粒子をスリット１１４に通過させ、さらに、シャッタ１１２の移動速度をウェーハ９５外周部で遅くし、中央部で早くすることにより、ウェーハ９５全面に亘って均一な膜厚を持った薄膜を形成することができる。
特開平５−８６４６７号公報（第２，３頁、０００２段落〜００１３段落、図１，図４）

しかしながら、図１０（ａ）に示すスパッタ装置１１１には、以下のような問題があった。

ウェーハ９５上に形成されるスパッタ膜の膜厚分布を均一にするために、シャッタ１１２の移動速度をウェーハ９５の外周部と中央部で変えているので、移動速度を連続的又は段階的に制御する制御機構が新たに必要となり、スパッタ装置１１１が高コスト化する。特に、同一装置にて複数のスパッタ膜を連続形成する場合には、ターゲット９３の種類や大きさによりスパッタ粒子の放出分布が変化するので、シャッタ１１２の移動速度をターゲット９３の種類や大きさに応じて厳密に制御する必要がある。

また、シャッタ１１２をターゲット９３下部に静置した状態で予備スパッタを行ない、ターゲット９３表面の不純物を取り除いた後、シャッタ１１２を水平移動させながら成膜を行なうので、従来の約２倍のシャッタ１１２面積が必要になり、スパッタ装置１１１が大型化する。

さらには、予備スパッタでシャッタ１１２のターゲット面側に付着した多量のスパッタ膜が、移動時の振動により剥がれてウェーハ９５上に落下・付着し、製品の信頼性や歩留りを低下させる。特に、ウェーハ９５の処理枚数が増えるほど、シャッタ１１２の表面に付着するスパッタ膜の量が多くなるので、膜応力が発生し、益々膜剥がれの可能性が大きくなる。

本発明は、上記問題を解決するために考えられたもので、スパッタ装置を高コスト化・大型化させることなく、さらには製品の信頼性や歩留りを低下させることなく、ウェーハ上に膜厚分布の均一性の優れたスパッタ膜を形成することができるスパッタ装置及びそれを用いたスパッタ方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のスパッタ装置は、真空チャンバ内に少なくともターゲット、シャッタ、半導体ウェーハを配置し、前記半導体ウェーハ上に薄膜を形成するスパッタ装置において、前記ターゲットと前記半導体ウェーハの間に、前記ターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有するスパッタ粒子制御板を配置し、前記半導体ウェーハを前記ターゲットに対して平行にスキャンさせながら、前記スパッタ粒子制御板の開口部を介して薄膜を形成することを特徴とする。

また、請求項２記載のスパッタ装置は、請求項１記載のスパッタ装置において、前記スパッタ粒子制御板の開口部は、中央部が外周部よりも開口面積が小さいことを特徴とする。

また、請求項３記載のスパッタ装置は、請求項２記載のスパッタ装置において、大きさの異なる相似形の開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板が、互いの中心と開口部の形成方向が一致するように重ねて配置されていることを特徴とする。

また、請求項４記載のスパッタ装置は、請求項２記載のスパッタ装置において、種類の異なる複数のターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板が、配置されていることを特徴とする。

また、請求項５記載のスパッタ装置は、請求項１記載のスパッタ装置において、前記スパッタ粒子制御板は、中央部に径の小さい孔と、外周部に径の大きい孔を有することを特徴とする。

また、請求項６記載のスパッタ装置は、請求項１〜５のいずれかに記載のスパッタ装置において、前記スパッタ粒子制御板を、ステンレス、又はチタン、タングステン、及びそれらの合金のいずれかで構成したことを特徴とする。

また、請求項７記載のスパッタ装置は、請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタ装置において、前記スパッタ粒子制御板の前記ターゲットに対向する面側に、膜剥離防止処理を施したことを特徴とする。

また、請求項８記載のスパッタ装置は、請求項７記載のスパッタ装置において、前記膜剥離防止処理が、サンドブラスト処理、銅溶射処理、レーザ加工処理、エッチング処理のいずれかであることを特徴とする。

また、請求項９記載のスパッタ方法は、真空チャンバ内に少なくともターゲット、シャッタ、半導体ウェーハを配置する工程と、前記ターゲットと前記半導体ウェーハの間に、スパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有するスパッタ粒子制御板を挿入する工程と、前記ターゲットと前記半導体ウェーハの間から前記シャッタを移動させる工程と、前記半導体ウェーハを前記ターゲットに対して平行にスキャンさせながら、前記スパッタ粒子制御板の開口部を介して薄膜を形成する工程とを有することを特徴とする。

また、請求項１０記載のスパッタ方法は、請求項９記載のスパッタ方法において、大きさの異なる相似形の開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板を、互いの中心と開口部の形成方向が一致するように重ねて配置し、前記ターゲットのスパッタレートの低下に応じて、開口部のより大きい前記スパッタ粒子制御板に切り替えることを特徴とする。

また、請求項１１記載のスパッタ方法は、請求項９記載のスパッタ方法において、種類の異なる複数のターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板を配置し、前記ターゲットの種類に応じて、前記スパッタ粒子制御板を切り替えることを特徴とする。

また、請求項１２記載のスパッタ方法は、請求項９記載のスパッタ方法において、中央部に径の小さい孔と、外周部に径の大きい孔を有する前記スパッタ粒子制御板を配置し、前記径の小さい孔と、前記径の大きい孔を介して薄膜を形成することを特徴とする。

以上述べたように、本発明のスパッタ装置及びそれを用いたスパッタ方法によれば、ターゲットとシャッタ又はシャッタとウェーハの間にスパッタ粒子制御板を配置し、さらにスパッタ粒子制御板にターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を形成するようにしたので、開口部を通過するスパッタ粒子量を均一化できる。これにより、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布を大きく向上させることができ、製品の信頼性や歩留りを向上させることができる。

また、１つのターゲットに対して複数のスパッタ粒子制御板を配置し、これらのスパッタ粒子制御板にターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した大きさの異なる相似形の開口部を形成するようにし、スパッタレートが減少した場合は、より開口部の大きいスパッタ粒子制御板を使用するようにしたので、スパッタ装置の長期稼動によりターゲットが消耗し、スパッタ粒子の放出分布やスパッタレートが変化しても、開口部を通過するスパッタ粒子量を均一化できる。これにより、成膜速度を低下させることなく、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布を大きく向上させることができる。

また、種類の異なるターゲットに対して個別にスパッタ粒子制御板を配置し、これらのスパッタ粒子制御板にターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を形成するようにしたので、異なる材料を連続スパッタする場合でも、開口部を通過するスパッタ粒子量を均一化でき、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布を大きく向上させることができる。

また、スパッタ粒子制御板は、中央部に径の小さい孔と、外周部に径の大きい孔を有するようにしたので、開口部を通過するスパッタ粒子量をさらに均一化でき、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布をさらに大きく向上させることができる。

また、スパッタ粒子制御板のターゲット面側に膜剥離防止処理を施すようにしたので、スパッタ粒子制御板とスパッタ膜の密着性が向上し、ウェーハの処理枚数の増加に伴ってスパッタ粒子制御板にスパッタ膜が厚く堆積しても、成膜中の膜剥がれを確実に防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施例であるスパッタ装置の構成を示す断面図及びスパッタ粒子制御板の平面図である。

図１（ａ）に示す本実施例のスパッタ装置１は、スパッタ膜を形成する真空チャンバ２と、真空チャンバ２内の上方に配置されてターゲット３を保持するターゲット保持部４と、真空チャンバ２内の下方に配置されてウェーハ５を載置するパレット６を備えている。また、ターゲット保持部４の内部には磁力線を発生するマグネット７が配置されるとともに、直流電源８が接続され、パレット６は接地されている。また、真空チャンバ２には、Ａｒ等のスパッタガスを供給するためのガス供給源９、ガス供給バルブ１０、ガス供給口１１と、真空チャンバ２内を真空排気するための真空ポンプ１２、ガス排気バルブ１３、ガス排気口１４が接続されている。また、ターゲット３とウェーハ５の間には、ターゲット３表面の不純物を取り除き、放電が安定するまで行う予備スパッタ用のシャッタ１５が取り付けられている。

さらに、本実施例のスパッタ装置１は、ターゲット３とシャッタ１５の間に、スパッタ粒子を制御するためのスパッタ粒子制御板１６が配置されている。このスパッタ粒子制御板１６はステンレス等の材質からなり、その中央部に開口部１７が形成されている。この開口部１７は、図１（ｂ）に示すように、ターゲット３から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した形状を有している。

次に、このスパッタ粒子制御板１６の開口部１７の形成方法を、図２（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、ステンレス板２１に１辺がＸとなる正方形の開口部２２を形成した後、ターゲット３下部に互いの中心が合うようにして固定し、ステンレス板２１の開口部２２を介してダミー基板２３上にスパッタ膜２４を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、ダミー基板２３上に形成されたスパッタ膜２４を複数に細分割（図中では、２４ａ〜２４ｅの５分割）し、各々の平均膜厚ｔ１〜ｔ５を測定する。次に、図２（ｃ）に示すように、スパッタ膜２４ａ〜２４ｅに対応するステンレス板２１の開口部２２を、複数に細分割（図中では、２２ａ〜２２ｅの５分割）し、スパッタ膜２４ａ〜２４ｅの平均膜厚ｔ１〜ｔ５に基づいて、ステンレス板２１の開口部２２の面積を補正する。例えば、所望の膜厚をｔとすると、開口部２２ａの横幅Ｘ１＝Ｘ×（ｔ／ｔ１）、開口部２２ｂの横幅Ｘ２＝Ｘ×（ｔ／ｔ２）、開口部２２ｃの横幅Ｘ３＝Ｘ×（ｔ／ｔ３）、開口部２２ｄの横幅Ｘ４＝Ｘ×（ｔ／ｔ４）、開口部２２ｅの横幅Ｘ５＝Ｘ×（ｔ／ｔ５）となる。つまり、スパッタ膜２４ａ〜２４ｅの平均膜厚ｔ１〜ｔ５が所望の膜厚ｔよりも大きければ、開口部２２ａ〜２２ｅの横幅Ｘ１〜Ｘ５を小さくし、逆に所望の膜厚ｔよりも小さければ横幅Ｘ１〜Ｘ５を大きくする。最後に、図２（ｄ）に示すように、補正後の開口部２２ａと２２ｂ、２２ｂと２２ｃ、２２ｃと２２ｄ、２２ｄと２２ｅの両端を結べば、スパッタ膜の放出分布に対応した（すなわち、スパッタ粒子の放射量が多い中央部では開口面積が小さく、スパッタ粒子の放射量が少ない外周部では開口面積が大きい）開口部１７を有するスパッタ粒子制御板１６が得られる。なお、成膜温度、印加電圧、ガス流量、成膜圧力等のスパッタ条件は、予備検討により良好な条件を予め選定しておく。また、図２（ａ）〜（ｄ）では、ダミー基板２３上のスパッタ膜２４とステンレス板２１の開口部２２を、横方向に細分割する場合について説明したが、横方向とともに縦方向にも細分割することにより、さらに高精度にスパッタ膜の放出分布に対応したスパッタ粒子制御板１６の開口部１７を形成するようにしてもよい。

次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）を用いて、本実施例のスパッタ装置１を用いたスパッタ方法を説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、ターゲット支持部４にターゲット３を固定し、ウェーハ５をパレット６に載置する。次に、ガス排気バルブ１３を介して真空ポンプ１２により真空チャンバ２内を高真空にした後、ガス供給バルブ１０を介してガス供給源９によりＡｒガス等のスパッタガスを真空チャンバ２へ供給し、真空チャンバ２内を所定の圧力に保持する。次に、直流電源８によりターゲット保持部４に直流電圧を印加してマグネトロン放電（プラズマ）を生じさせる。このプラズマは、マグネット７の磁力線により収束されてターゲット３表面に衝突し、ターゲット３をスパッタリングする。そして、シャッター１５をターゲット３下部に静置した状態で、所定時間ターゲット３表面の予備スパッタを行ない自然酸化膜等の不純物を取り除く。次に、図３（ｂ）に示すように、モータあるいはエア等の駆動方法によりスパッタ粒子制御板１６を移動させ、ターゲット３下部に静置させた後、シャッタ１５をターゲット３下部から移動させる。スパッタ粒子制御板１６には、図２（ｄ）で説明したように、ターゲット３から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応するように面積補正（中央部面積が小さく、外周部面積が大きい）された開口部１７が形成されている。次に図３（ｃ）に示すように、ウェーハ５を載置したパレット６を矢印３１方向に、ターゲット３に対して平行に一定速度でスキャンさせる。このとき、ターゲット３から飛散し、中央部が多く、外周部が少ない放出分布を持ったスパッタ粒子は、スパッタ粒子制御板１６の開口部１７により放出量が制御され、中央部と外周部で同等のスパッタ粒子量となり、ウェーハ５上に均一な膜厚を有するスパッタ膜が形成される。そして、所望の膜厚に到達した時に、再びシャッタ１５をターゲット３下部に移動させ、直流電源８をオフにして薄膜形成を終了させる。

本実施例のスパッタ装置１を用いて８インチのウェーハ５に成膜を行なったころ、図９に示したスパッタ粒子制御板１６を使用しない従来のスパッタ装置９１と比較して、スパッタ膜の膜厚ばらつきが約１／２となり、製品特性を大きく安定化させることができた。

また、本実施例のスパッタ装置１では、図１０に示した従来のスパッタ装置１１１のようにシャッタ１１２の移動速度を成膜中に可変する必要がないので、高価な制御機構が不要となり、スパッタ装置１を低コスト化、小型化することができる。さらに、成膜中にシャッタ１５やスパッタ粒子制御板１６を固定しているので、シャッタ１５やスパッタ粒子制御板１６に付着したスパッタ膜が振動により剥がれる確率が小さくなり、製品の信頼性や歩留りを向上させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について、図面を参照して説明する。図４（ａ）は第２実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図、図４（ｂ）〜（ｄ）はスパッタ粒子制御板の平面図である。なお、図４（ａ）〜（ｄ）において第１実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図４（ａ）に示す本実施例のスパッタ装置４１は、１つのターゲット４２と３つのスパッタ粒子制御板４３ａ〜４３ｃを備える。３つのスパッタ粒子制御板４３ａ〜４３ｃは、ターゲット４２とシャッタ１５の間に配置され、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ターゲット４２から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部４４ａ〜４４ｃが形成されている。これらの開口部４４ａ〜４４ｃは互いに相似形であり、各面積をＳ１〜Ｓ３とすると、Ｓ１<Ｓ２<Ｓ３の関係になっている。

次に、本実施例のスパッタ装置４１を用いたスパッタ方法を説明する。シャッタ１５をターゲット４２下部に静置した状態で、所定時間ターゲット４２表面の不純物を取り除く予備スパッタを行なうまでは、上述した第１実施例のスパッタ装置１と同様である。予備スパッタ後、モータあるいはエア等の駆動方法によりスパッタ粒子制御板４３ａ〜４３ｃを移動させ、ターゲット４２下部に静置させた後、シャッタ１５をターゲット４２下部から移動させる。次に、ウェーハ５を載置したパレット６を、ターゲット４２に対して平行に一定速度でスキャンさせる。スパッタ粒子制御板４３ａには、図４（ｂ）で示したように、ターゲット４２から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部４４ａが形成されているので、ターゲット４２から飛散し、中央部が多く、外周部が少ない放出分布を持ったスパッタ粒子は、この開口部４４ａにより放出量が制御され、中央部と外周部で同等のスパッタ粒子量となり、ウェーハ５上に均一な膜厚を有するスパッタ膜が形成される。そして、所望の膜厚に到達した時に、再びシャッタ１５をターゲット４２下部に移動させ、直流電源８をオフにして薄膜形成を終了させる。

そして、多数枚のウェーハ５を成膜処理していくと、ターゲット４２が消耗し、スパッタ粒子の放出分布が広がり、スパッタレートが低下する。ターゲット４２の消耗度はターゲット４２への積算電力量で監視しており、直流電源８に設けられた積算電力計（図示せず）が所定の積算電力量に達すると、スパッタ粒子制御板４３ａから４３ｂへ切り替え、スパッタ成膜を続行する。スパッタ粒子制御板４３ｂには、図４（ｃ）に示したように、消耗したターゲット４２から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部４４ｂが形成されている。この開口部４４ｂは開口部４４ａと相似形であり、開口部４４ｂの面積Ｓ２は、開口部４４ａの面積Ｓ１よりも大きく形成されているので、スパッタ粒子の放出分布の広がりやスパッタレートの低下に対応して、スパッタ量を調整することができる。これにより、ターゲット４２が消耗しても、成膜速度を低下させることなく、引き続きウェーハ５上に、均一な膜厚を有するスパッタ膜を形成することができる。

ターゲット４２がさらに消耗すれば、スパッタ粒子制御板４３ｂから図４（ｄ）に示すスパッタ粒子制御板４３ｃへ切り替え、同様方法でスパッタ成膜を続行する。

なお、本実施例では、３つのスパッタ粒子制御板４３ａ〜４３ｃを使用する場合について説明したが、４つ以上設けるようにすれば、より精密に放出分布やスパッタレートの変化に対応してスパッタ粒子を調整することができ、製品特性を大きく安定化させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について、図面を参照して説明する。図５（ａ）は第３実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図、図５（ｂ）、（ｃ）はスパッタ粒子制御板の平面図である。なお、図５（ａ）〜（ｃ）において第１実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図５（ａ）に示す本実施例のスパッタ装置５１は、種類の異なる２つのターゲット５２ａ、５２ｂと、２つのスパッタ粒子制御板５３ａ、５３ｂを備える。２つのスパッタ粒子制御板５３ａ、５３ｂは、ターゲット５２ａ、５２ｂとシャッタ１５の間に配置され、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、ターゲット５２ａ、５２ｂから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部５４ａ、５４ｂが形成されている。ターゲット５２ａ、５２ｂの種類によって最適な印加電圧、ガス流量、成膜圧力が異なり、スパッタ粒子の放出分布が異なるため、開口部５４ａ、５４ｂの形状も異なっている。また、ターゲット支持部４ａ、４ｂは、回転機構５５と回転軸５６により、回転自在に構成されている。

次に、本実施例のスパッタ装置５１を用いたスパッタ方法を説明する。先ず、シャッタ１５をターゲット５２ａ下部に静置した状態で、上述した第１実施例と同様の方法で所定時間、予備スパッタを行ない、ターゲット５２ａ表面の不純物を取り除く。予備スパッタ後、モータあるいはエアー等の駆動方法によりスパッタ粒子制御板５３ａを移動させ、ターゲット５２ａ下部に静置させた後、シャッター１５をターゲット５２ａ下部から移動させる。次に、ウェーハ５を載置したパレット６を、ターゲット５２ａに対して平行に一定速度でスキャンさせる。スパッタ粒子制御板５３ａには、図５（ｂ）で示したように、ターゲット５２ａから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部５４ａが形成されているので、ターゲット５２ａから飛散し、中央部が多く、外周部が少ない放出分布を持ったスパッタ粒子は、この開口部５４ａにより放出量が制御され、中央部と外周部で同等のスパッタ粒子量となり、ウェーハ５上に均一な膜厚を有するスパッタ膜が形成される。そして、所望の膜厚に到達した時に、再びシャッタ１５をターゲット５２ａ下部に移動させ、直流電源８をオフにして薄膜形成を終了させる。

次に、回転機構５５と回転軸５６により、ターゲット５２ａとターゲット５２ｂを回転させ、位置を変える。そして、シャッタ１５をターゲット５２ｂ下部に移動させ、直流電源８によりターゲット保持部４ｂに直流電圧を印加してマグネトロン放電（プラズマ）を生じさせ、ターゲット５２ｂの予備スパッタを行ない、ターゲット５２ｂ表面の不純物を除去する。次に、モータあるいはエア等の駆動方法によりスパッタ粒子制御板５３ｂを移動させ、ターゲット５２ｂ下部に静置させた後、シャッタ１５をターゲット５２ｂ下部から移動させる。次に、ウェーハ５を載置したパレット６を、ターゲット５２ｂに対して平行に一定速度でスキャンさせる。スパッタ粒子拡散板５３ｂには、図５（ｃ）で示したように、ターゲット５２ｂから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部５４ｂが形成されているので、ターゲット５２ｂから飛散し、中央部が多く、外周部が少ない放出分布を持ったスパッタ粒子は、この開口部５４ｂにより放出量が制御され、中央部と外周部で同等のスパッタ粒子量となり、ウェーハ５上に均一な膜厚を有するスパッタ膜が形成される。そして、所望の膜厚に到達した時に、再びシャッタ１５をターゲット５２ｂ下部に移動させ、直流電源８をオフにして薄膜形成を終了させる。

本実施例のスパッタ装置５１によれば、種類の異なる２つのターゲット５２ａ、５２ｂと、それらに対応するスパッタ粒子制御板５３ａ、５３ｂを個別に備えているので、ウェーハ５上に、均一な膜厚を有する異なるスパッタ膜を連続して形成することができる。

なお、本実施例では、２つのターゲット５２ａ、５２ｂと、２つのスパッタ粒子制御板５３ａ、５３ｂを使用する場合について説明したが、各々３つ以上設けるようにすれば、多種のスパッタ膜を連続して均一形成することができ、生産性をさらに向上させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について、図面を参照して説明する。図６（ａ）は第４実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図、図６（ｂ）はスパッタ粒子制御板の平面図である。なお図６（ａ）、（ｂ）において第１実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図６（ａ）に示す本実施例のスパッタ装置６１は、１つのターゲット６２と、１つのスパッタ粒子制御板６３を備える。スパッタ粒子制御板６３は、ターゲット６２とシャッタ１５の間に配置され、図６（ｂ）に示すように、ターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部６４が形成されている。この開口部６４は、第１開口領域６４ａ、第２開口領域６４ｂ及び第３開口領域６４ｃから構成され、これらの第１〜第３開口領域６４ａ〜６４ｃには、各々、円形状の孔６５ａ〜６５ｃが多数形成されている。また、円形状の孔６５ａ〜６５ｃの直径をＤ１、Ｄ２、Ｄ３とすると、Ｄ１<Ｄ２<Ｄ３の関係になっている。

次に、本実施例のスパッタ装置６１を用いたスパッタ方法を説明する。シャッター１５をターゲット６２下部に静置した状態で、所定時間ターゲット３表面の不純物を取り除く予備スパッタを行なうまでは、上述した第１実施例のスパッタ装置１と同様である。予備スパッタ後、モータあるいはエアー等の駆動方法によりスパッタ粒子制御板６３を移動させ、ターゲット６２下部に静置させた後、シャッタ１５をターゲット６２下部から移動させる。次に、ウェーハ５を載置したパレット６を、ターゲット６２に対して平行に一定速度でスキャンさせる。スパッタ粒子制御板６３には、図６（ｂ）で示したように、ターゲット６２から飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部６４が形成されているので、ターゲット６２中心部から飛散した放出量の多いスパッタ粒子は直径Ｄ１の小さい孔６５ａが形成された第１開口領域６４ａを通過し、ターゲット６２外周部から飛散した放出量の少ないスパッタ粒子は直径Ｄ３の大きい孔６５ｃが形成された第３開口領域６４ｃを通過する。これにより、スパッタ粒子制御板６３を通過するスパッタ粒子は、その放出量が制御され、全体として同等のスパッタ粒子量となり、ウェーハ５上に均一な膜厚を有するスパッタ膜が形成される。そして、所望の膜厚に到達した時に、再びシャッタ１５をターゲット６２下部に移動させ、直流電源８をオフにして薄膜形成を終了させる。

本実施例のスパッタ装置６１によれば、スパッタ粒子制御板６３の開口部６４がスパッタ粒子の放出分布に対応した形状を有することに加え、開口部６４内に直径の異なる円形状の孔６５ａ〜６５ｃを多数形成することによって、開口部６４の開口面積をさらに細かく調整しているので、ターゲット６２から飛散するスパッタ粒子の放出量をさらに均一に制御することができ、ウェーハ５上に形成されるスパッタ膜の膜厚分布をさらに向上させることができる。

本実施例のスパッタ装置６１を用いて８インチのウェーハ５に成膜を行なったところ、図９に示したスパッタ粒子制御板６３を使用しない従来のスパッタ装置９１と比較して、スパッタ膜の膜厚ばらつきが約１／４となり、製品特性をさらに大きく安定化させることができた。

なお、本実施例のスパッタ粒子制御板６３の開口部６４に形成される円形状の孔６５ａ〜６５ｃは、開口面積を調整するための方法の一例を示したものであり、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、スパッタ粒子制御板６３の開口部６４に線状の孔６６ａ〜６６ｃを形成するようにしてもよい。この場合、線状の孔６６ａ〜６６ｃの線幅Ｗ１〜Ｗ３を、Ｗ１<Ｗ２<Ｗ３とすることにより、開口面積を容易に調整することができる。また、本実施例では、開口部６４を第１〜第３開口領域６４ａ〜６４ｃの３つの領域で構成したが、４つ以上の開口領域で構成するようにしてもよい。このようにすれば、さらに細かく開口面積を調整することができ、スパッタ粒子の放出量をさらに一層均一化することができる。

また、上述した各実施例のスパッタ装置１、４１、５１、６１は、スパッタ粒子制御板１６、４３ａ〜４３ｃ、５３ａ、５３ｂ、６３のいずれもが成膜中に固定されているため、スパッタ粒子制御板１６、４３ａ〜４３ｃ、５３ａ、５３ｂ、６３に付着したスパッタ膜が振動により剥がれてウェーハ５上に落下・付着することを効果的に防止できる構成になっているが、ウェーハ５の処理枚数の増加に伴って厚膜化したスパッタ膜の剥がれをさらに効果的に防止するために、例えば、図８（ａ）に示すように、スパッタ粒子制御板８１のターゲット面側８１ａにサンドブラスト処理等の膜剥離防止処理を施し、微小な凹凸部８２を設けるようにしてもよい。また、図８（ｂ）に示すように、スパッタ粒子制御板８１のターゲット面側８１ａに銅を溶射して、銅膜８３の表面に凹凸部８４を形成するようにしてもよい。これにより、スパッタ粒子制御板８１とスパッタ膜の密着性が向上するので、スパッタ粒子制御板８１にスパッタ膜が厚く堆積しても、確実に成膜中の膜剥がれを防止することができ、製品の信頼性や歩留りを向上させることができる。また、この他に、レーザ加工処理、エッチング処理等により、スパッタ粒子制御板８１のターゲット面側８１ａに微小な凹凸部８２を形成するようにしてもよい。

さらに、上述した各実施例のスパッタ粒子制御板１６、４３ａ〜４３ｃ、５３ａ、５３ｂ、６３としてステンレスを使用したが、耐熱性が高く、機械的強度の高い材料であればよく、例えば、チタン、タングステン、及びその合金等が好適する。

また、スパッタ粒子制御板１６、４３ａ〜４３ｃ、５３ａ、５３ｂ、６３を、ターゲット３、４２、５２ａ、５２ｂ、６２とシャッタ１５の間に配置したが、シャッタ１５とウェーハ５の間に配置するようにしてもよい。

また、スパッタ方式としてターゲット３、４２、５２ａ、５２ｂ、６２の裏側にマグネット７を配置し、直流電圧を印加するＤＣマグネトロンスパッタ方式について説明したが、これに限定されるものではなく、その他のスパッタ方式、例えばＤＣ２極スパッタ、ＲＦ２極スパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、ＥＣＲスパッタ等の各方式にも適用することができる。また、このとき、ターゲット３、４２、５２ａ、５２ｂ、６２を真空チャンバ２内の下方に、ウェーハ５を上方に配置するようにしてもよい。

ターゲットとシャッタ又はシャッタとウェーハの間にスパッタ粒子制御板を配置し、さらにスパッタ粒子制御板にターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を形成することによって、開口部を通過するスパッタ粒子量を均一化できる。これにより、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布を大きく向上させることができ、製品の信頼性や歩留りを向上させることができる。

また、１つのターゲットに対して複数のスパッタ粒子制御板を配置し、これらのスパッタ粒子制御板にターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した大きさの異なる相似形の開口部を形成するようにし、スパッタレートが減少した場合は、より開口部の大きいスパッタ粒子制御板を使用することによって、スパッタ装置の長期稼動によりターゲットが消耗し、スパッタ粒子の放出分布やスパッタレートが変化しても、開口部を通過するスパッタ粒子量を均一化できる。これにより、成膜速度を低下させることなく、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布を大きく向上させることができる。

また、種類の異なるターゲットに対して個別にスパッタ粒子制御板を配置し、これらのスパッタ粒子制御板にターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を形成することによって、異なる材料を連続スパッタする場合でも、開口部を通過するスパッタ粒子量を均一化でき、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布を大きく向上させることができる。

また、スパッタ粒子制御板は、中央部に径の小さい孔と、外周部に径の大きい孔を有することによって、開口部を通過するスパッタ粒子量をさらに均一化でき、ウェーハ上に成膜されるスパッタ膜の膜厚分布をさらに大きく向上させることができる。

また、スパッタ粒子制御板のターゲット面側に膜剥離防止処理を施すことによって、スパッタ粒子制御板とスパッタ膜の密着性が向上し、ウェーハの処理枚数の増加に伴ってスパッタ粒子制御板にスパッタ膜が厚く堆積しても、成膜中の膜剥がれを確実に防止することができる。

本発明の第１実施例のスパッタ装置の断面図及びスパッタ粒子制御板の平面図 スパッタ粒子制御板の開口部の形成方法の説明図 本発明の第１実施例のスパッタ装置を用いたスパッタ方法の説明図 本発明の第２実施例のスパッタ装置の断面図及びスパッタ粒子制御板の平面図 本発明の第３実施例のスパッタ装置の断面図及びスパッタ粒子制御板の平面図 本発明の第４実施例のスパッタ装置の断面図及びスパッタ粒子制御板の平面図 本発明の第４実施例の他のスパッタ粒子制御板の平面図 本発明のスパッタ粒子制御板の断面図 従来のスパッタ装置の断面図 従来の他のスパッタ装置の断面図及びスパッタ粒子制御板の平面図

符号の説明

１ 本発明の第１実施例のスパッタ装置
２ 真空チャンバ
３ ターゲット
４ ターゲット支持部
５ ウェーハ
６ パレット
７ マグネット
８ 直流電源
９ ガス供給源
１０ ガス供給バルブ
１１ ガス供給口
１２ 真空ポンプ
１３ ガス排気バルブ
１４ ガス排気口
１５ シャッタ
１６ スパッタ粒子制御板
１７ 開口部
２１ ステンレス板
２２ 開口部
２２ａ〜２２ｅ 細分割された開口部
２３ ダミー基板
２４ スパッタ膜
２４ａ〜２４ｅ 細分割されたスパッタ膜
３１ 矢印
４１ 本発明の第２実施例のスパッタ装置
４２ ターゲット
４３ａ〜４３ｃ スパッタ粒子制御板
４４ａ〜４４ｃ 開口部
５１ 本発明の第３実施例のスパッタ装置
５２ａ、５２ｂ ターゲット
５３ａ、５３ｂ スパッタ粒子制御板
５４ａ、５４ｂ 開口部
５５ 回転機構
５６ 回転軸
６１ 本発明の第４実施例のスパッタ装置
６２ ターゲット
６３ スパッタ粒子制御板
６４ 開口部
６４ａ 第１開口領域
６４ｂ 第２開口領域
６４ｃ 第３開口領域
６５ａ〜６５ｃ 円形状の孔
６６ａ〜６６ｃ 線状の孔
８１ スパッタ粒子制御板
８１ａ ターゲット面側
８２ 凹凸部
８３ 銅膜
８４ 凹凸部
９１ 従来のスパッタ装置
９２ 真空チャンバ
９３ ターゲット
９４ ターゲット保持部
９５ ウェーハ
９６ パレット
９７ マグネット
９８ 直流電源
９９ ガス供給源
１００ ガス供給バルブ
１０１ ガス供給口
１０２ 真空ポンプ
１０３ ガス排気バルブ
１０４ ガス排気口
１０５ シャッタ
１０６ 矢印
１１１ 従来の他のスパッタ装置
１１２ シャッタ
１１３ 矢印
１１４ 矩形状のスリット

Claims (12)

1. 真空チャンバ内に少なくともターゲット、シャッタ、半導体ウェーハを配置し、前記半導体ウェーハ上に薄膜を形成するスパッタ装置において、前記ターゲットと前記半導体ウェーハの間に、前記ターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有するスパッタ粒子制御板を配置し、前記半導体ウェーハを前記ターゲットに対して平行にスキャンさせながら、前記スパッタ粒子制御板の開口部を介して薄膜を形成することを特徴とするスパッタ装置。
2. 前記スパッタ粒子制御板の開口部は、中央部が外周部よりも開口面積が小さいことを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
3. 大きさの異なる相似形の開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板が、互いの中心と開口部の形成方向が一致するように重ねて配置されていることを特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
4. 種類の異なる複数のターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板が、配置されていることを特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
5. 前記スパッタ粒子制御板は、中央部に径の小さい孔と、外周部に径の大きい孔を有することを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
6. 前記スパッタ粒子制御板を、ステンレス、又はチタン、タングステン、及びそれらの合金のいずれかで構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスパッタ装置。
7. 前記スパッタ粒子制御板の前記ターゲットに対向する面側に、膜剥離防止処理を施したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタ装置。
8. 前記膜剥離防止処理が、サンドブラスト処理、銅溶射処理、レーザ加工処理、エッチング処理のいずれかであることを特徴とする請求項７記載のスパッタ装置。
9. 真空チャンバ内に少なくともターゲット、シャッタ、半導体ウェーハを配置する工程と、前記ターゲットと前記半導体ウェーハの間に、スパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有するスパッタ粒子制御板を挿入する工程と、前記ターゲットと前記半導体ウェーハの間から前記シャッタを移動させる工程と、前記半導体ウェーハを前記ターゲットに対して平行にスキャンさせながら、前記スパッタ粒子制御板の開口部を介して薄膜を形成する工程とを有することを特徴とするスパッタ方法。
10. 大きさの異なる相似形の開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板を、互いの中心と開口部の形成方向が一致するように重ねて配置し、前記ターゲットのスパッタレートの低下に応じて、開口部のより大きい前記スパッタ粒子制御板に切り替えることを特徴とする請求項９記載のスパッタ方法。
11. 種類の異なる複数のターゲットから飛散するスパッタ粒子の放出分布に対応した開口部を有する複数の前記スパッタ粒子制御板を配置し、前記ターゲットの種類に応じて、前記スパッタ粒子制御板を切り替えることを特徴とする請求項９記載のスパッタ方法。
12. 中央部に径の小さい孔と、外周部に径の大きい孔を有する前記スパッタ粒子制御板を配置し、前記径の小さい孔と、前記径の大きい孔を介して薄膜を形成することを特徴とする請求項９記載のスパッタ方法。

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