JP2008214709A - マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜時のウエハの周辺部での非対称性の発生を抑制する。
【解決手段】処理室３を形成するチャンバー２の上部にバッキングプレート６が配置されその下面側にターゲットプレート８が取り付けられ、上部側にマグネトロン磁石９が配設される。処理室３の下部にはウエハを載置するサセプタ４が配設される。サセプタ４は高周波電源５から高周波電圧が印加される。バッキングプレート６は直流電源７から負電圧が印加される。チャンバー２外側の周囲に多数の磁石１０ａを放射状に配置して円弧状に配列して構成した回転磁石１０が配置される。回転磁石１０は、マグネトロン磁石９と同期して回転し、上下動も可能に構成され、処理室３内にカスプ磁場を形成し、ターゲットプレート８からチャンバー２の側壁に飛散する粒子の軌道をウエハ側に曲げるので、ウエハの周辺部での成膜の非対称性を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被処理基板上に、導電膜、半導体膜あるいは絶縁膜等の膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置に関する。

スパッタリング成膜方法は、膜の材料を含むターゲットプレートに電離イオンを衝突させることにより、ターゲットプレートから膜材料粒子を放出させ、これを被処理基板上に堆積成膜するための方法である。スパッタリング成膜方法は、その成膜速度が速いことや良好な膜質を得られる点から、半導体分野において広く用いられている。

例えば、現在市販されているマグネトロンスパッタ装置には、ＬＴＳ（Long Through Sputter）、ＩＭＰ（Ionized Metal Sputter）、非特許文献１に示すようなＳＩＳ（Self Ionized Sputter）、ＳＩＰ（Self Ionized Plasma）などがある。ＩＭＰ、ＳＩＳ、ＳＩＰはターゲットプレートから飛散する粒子を積極的にイオン化し、被処理基板にバイアス電位を印加した状態としイオン化した粒子を引き込むようにして、被処理基板の表面にスルーホールなどが形成している場合でも、その埋め込み性を向上させることができる。

しかしながら、上記したようなマグネトロンスパッタ装置においても、被処理基板の中央部においては良好な成膜が可能となるものの、周辺部においては埋め込み性の点で、非対称性の問題が残るものであった。被処理基板の表面にスルーホールやトレンチなどが形成されている場合に、その中央部側の壁面と外周部側の壁面とでは、飛散してくる粒子の角度が法線方向から大きく傾くため、到達し易い壁面と陰になって到達し難い壁面とができてしまうことになり、均一な成膜ができない不具合があった。
Narishi Gonohe、"Barrier/Seed Metal Formation for Cu Interconnection by New Sputter and CVD Technologies"、SEMICON Japan2000 Abstracts of SEMI Technology Symposium(STS) 2000,Session4, p.51-54

本発明は、ターゲットプレートと対向する被処理基板の外周部においても成膜の非対称性の発生を抑制することができるようにしたマグネトロンスパッタ装置を提供することを目的とする。

本発明のマグネトロンスパッタ装置は、処理室に載置された被処理基板上に膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置であって、前記処理室内の上部に配置されたターゲットと、前記ターゲットの上部において、前記ターゲットの表面を周回するように移動して磁場を形成するマグネトロン磁石と、前記処理室内の底部に位置し被処理基板を載置するための基板載置部と、前記処理室の外周部に対応した円環の一部に、複数のマグネットを隣接するもの同士が磁極が交互に前記処理室に対向するように円弧状に配置され、前記マグネトロン磁石と同期して回転することで前記処理室内にカスプ磁場を形成する回転磁石とを備え、前記ターゲットから飛散するスパッタ粒子のうち前記被処理基板の外周に到達するものの立体角を前記回転磁石によるカスプ磁場によって前記ターゲットからのものより小さい角度のものが多くなるようにしたところに特徴を有する。

本発明のマグネトロンスパッタ装置によれば、被処理基板への成膜において非対称性の発生を抑制することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図４面を参照しながら説明する。
図１は、被処理基板としてのウエハＷに成膜をするためのマグネトロンスパッタ装置１の模式的な縦断面構成を、また図２はマグネトロンスパッタ装置１の模式的な平面構成を示している。マグネトロンスパッタ装置１は、円筒形状をなすチャンバー２内に気密に設けられた処理室３を備えた構成である。チャンバー２の内側壁２ａは導電性材料からなり、グランドに接続されている。

チャンバー２には、図示しない排気ライン系統およびガス供給ライン系統が接続されている。排気ライン系統は、排気ポンプを主体とした構成で、処理室３内が所定範囲の減圧雰囲気となるように排気することができる。ガス供給ライン系統は、スパッタリング用の所定のガスとしてアルゴンなどのスパッタリングガスや酸素などの反応ガスを混合した状態で供給するように構成されている。

チャンバー２の底板上には、処理室３内に収容する被処理基板としてのシリコンウエハ（以下単にウエハと称す）Ｗを載置するために水平な載置面を有する基板ホルダ（基板載置部）であるサセプタ４が設けられている。サセプタ４は、平面形状がウエハＷよりも大きい円形であり、加熱および冷却機構が内蔵されていてウエハＷを所定の温度に設定することができる。また、サセプタ４は、高周波電源５から高周波電圧を印加されるように設けられている。

チャンバー２の天板部分にはバッキングプレート６が処理室３に対して露出するように設けられている。バッキングプレート６は、円盤状をなす形状でサセプタ４と対向するように配置されている。バッキングプレート６は、表面が保護層で被覆された導電性材料からなり、上側電極として機能する。バッキングプレート６には、直流電源７の陰極側の端子が接続され、正極側の端子はグランドに接続されている。

バッキングプレート６の下面には、ウエハＷにスパッタリングにより形成する膜の材料を含むターゲットプレート８が取り付けられている。ターゲットプレート８は、下面が水平で且つサセプタ４と平行な状態に対向している。

下側電極としてのサセプタ４と上側電極としてのバッキングプレート６との間に高周波電源５からの高周波電力を印加することで、処理室３内で処理ガスをプラズマに転化させるための電界が形成される。この電界により、プラズマ中のイオンをターゲットプレート８の下面に引き付けて衝突させることでターゲットプレート８から成膜材料の粒子を放出させ、対向配置されているウエハＷに到達させて成膜を行なう。

バッキングプレート６の上部には、マグネトロン磁石９が配設されている。マグネトロン磁石９は、磁気ヨーク９ａに複数の磁石９ｂが取り付けられたもので、磁石９ｂはＮ極およびＳ極の各磁極がバッキングプレート６に対向するように配置されている。このマグネトロン磁石９により磁場を形成し、ターゲットプレート８の下側のターゲットプレート８から少し離れた位置にプラズマ領域Ｐを形成することができる。マグネトロン９は、バッキングプレート６に対して偏心した位置にあり、これがバッキングプレート６上を円形状に回転（公転）移動するように構成されている。

チャンバー２の円筒状部分の外周には、複数例えば５個の磁石１０ａを円環の一部をなす円弧状に配置した回転磁石１０が、チャンバー２の周囲に対して回転および上下方向への移動が可能な状態に配設されている。回転磁石１０は、図２に示すように、５個の磁石１０ａを磁極が交互にチャンバー２の外周面に対向するように放射状に配置されたもので、その円弧は例えば９０度の範囲に設定している。これにより、図示のように処理室３内に隣接するＮ極からＳ極に磁束が通るように磁場ＭＦを形成する。このような磁場ＭＦはカスプ磁場と呼ばれている。回転磁石１０は、チャンバー２に対して、その外周部に沿ってマグネトロン磁石９の回転（公転）と同期した状態で同じ方向Ｂに回転するように構成されている。また、回転磁石１０は、図１中矢印Ａで示す方向つまり上下方向にも移動可能に設けられており、ターゲット種やスパッタ条件などの違いにより適宜必要な高さに位置が設定される。

次に、本実施形態の作用について図３、図４も参照して説明する。マグネトロンスパッタ装置１を用いて、被処理基板であるウエハＷにトレンチあるいはコンタクトホールやスルーホールなどの表面から窪んだ部分となる凹部Ｔを形成した状態の表面に金属膜を成膜する場合で説明する。

ウエハＷは、図３（ａ）に模式的な断面図で示すように、上面に全面に渡って所定深さ寸法の凹部Ｔが所定ピッチで形成されている。図３（ｂ）は、マグネトロンスパッタ装置１を用いてこのウエハＷの上面に銅（Ｃｕ）膜Ｆを形成した状態を模式的に示している。工程図としては、全面に渡り、均一な膜厚の銅膜Ｆが形成されているように示されるが、実際には、ウエハＷの中央部と周辺部とで成膜状態には後述するような差が発生する。

まず、マグネトロンスパッタ装置１の動作について概略的に説明する。処理室３内を排気系により排気して所定の減圧雰囲気にすると共に、内部に所定のガスを供給する。ターゲットプレート８には直流電源７からマイナスの電圧を印加し、サセプタ４には高周波電源５により高周波電圧を印加する。マグネトロン磁石９は、バッキングプレート６上を円を描くように回動移動される。

これにより、ターゲットプレート８の下部領域にプラズマ領域Ｐを形成し、発生したイオンをターゲットプレート８に到達させてターゲットプレート８をエロージョンさせる。これにより、ターゲットプレート８から成膜用の材料としてのスパッタ粒子が放出され、このスパッタ粒子が下方のサセプタ４上に載置されたウエハＷ上に到達して堆積する。

このとき、回転磁石１０は、チャンバー２の処理室３内のマグネトロン磁石９が位置する側にいわゆるカスプ磁場ＭＦを形成している。このカスプ磁場ＭＦにより、ターゲットプレート８から飛散したスパッタ粒子中のイオン化されたもののうち、ウエハＷの周辺部を超えて散逸する成分がその飛散する軌道が曲げられる。イオン化されたスパッタ粒子がカスプ磁場ＭＦを通過するときに、カスプ磁場ＭＦから反発されて外周方向の速度成分が弱められ、この結果ウエハＷに対して垂直に近い角度に軌道が曲げられ、結果として立体角が小さくなりウエハＷに上方から到達するようになる。これにより、ウエハＷの外周部において垂直方向から飛来する粒子（イオン）が増加するので、ウエハＷの表面に形成されている凹凸に起因した非対称性の発生を抑制することができるようになる。

また、回転磁石１０によるカスプ磁場ＭＦは、電子に対して閉じ込め効果を引き起こし、外周付近での電子の損失を抑制する作用があるので、これによってターゲットプレート８から飛散するスパッタ粒子のうちでイオン化されていない中性成分について、これがカスプ磁場ＭＦを通過する際にイオン化を促進させ、この部分にイオン化粒子群の領域Ｋが形成され、全体としてスパッタ粒子のイオン化率を向上させることができるようになる。このカスプ磁場ＭＦは処理室３内の外周部付近に集中している為、イオン化される粒子もウエハＷの外周付近に飛来する成分が多くなり、電子損失によって疎となっていた外周プラズマ密度を向上させることができる。

さらに、回転磁石１０は、チャンバー２側壁の外周でチャンバー中心を同心円としてマグネトロン磁石９と同期した状態で回転するので、チャンバー２の内部において外周部に発生させるカスプ磁場ＭＦをマグネトロン磁石９により発生させる磁場に対応させることができ、これによって、スパッタ粒子が多く発生する側にカスプ磁場ＭＦを形成して効率良くスパッタ粒子をウエハＷに導くことができる。

また回転磁石１０は、チャンバー２の側壁に沿って図１中Ａ方向に上下動させることができるので、ターゲットプレート８の材料によって飛散の方向が異なるスパッタ粒子であっても、その高さ方向の位置を調整することができ、これによってウエハＷの上面に形成する膜の面内成膜分布のばらつきを低減する効果を高めることができる。

図４は、実際にシリコン基板をウエハＷとして銅（Ｃｕ）膜Ｔを成膜したときの各部の成膜状態を示している。図４（ａ）、（ｂ）は本実施形態におけるマグネトロンスパッタ装置１を使用して成膜した場合のウエハＷの中央部と周辺部とで各断面の成膜状態を撮影したものを示している。比較のために、図４（ｃ）、（ｄ）には、現在市販されているマグネトロンスパッタリング装置にて、ターゲットプレートをエロージョンするマグネット（本実施形態のマグネトロン磁石９に相当）のみを用いて成膜した場合のウエハＷの中央部と周辺部とで各断面の成膜状態を撮影したものを示している。

この結果から、本実施形態におけるものでは、図４（ａ）の中央部では、凹部Ｔの上面部の膜Ｆａｃ１はやや膨らんだ状態に形成されるものの、左右はバランス良く形成されており、底面部の膜Ｆｂｃ１も均一な膜厚で形成されている。図４（ｂ）の周辺部においても、上面部の膜Ｆａｐ１、底面部の膜Ｆｂｐ１のいずれも中央部の対応する部分とほぼ同じ状態に形成されていることがわかる。

一方、従来方式で成膜したものでは、図４（ｃ）の中央部では、凹部Ｔの上面部の膜Ｆａｃ２、底面部の膜Ｆｂｃ２はいずれも本実施形態とほぼ同じ状態に形成されているが、図４（ｄ）の周辺部では、上面部の膜Ｆａｐ２は左右のバランスが崩れており、底面部の膜Ｆｂｐ２についても膜上面が傾斜した状態となり膜厚が大きく変動していることがわかる。これは、成膜に必要なスパッタ粒子が斜め方向から飛来してウエハＷの表面に付着するため、凹部Ｔの陰となる部分に遮られて一方側が薄く成膜されるためである。

これに対して、本実施例のものでは、ウエハＷの周辺部においてもスパッタ粒子がほぼ垂直方向から飛来する成分が増加するため、全体として均一な膜厚で成膜することができるものである。これによって、ウエハＷにトレンチやコンタクトホール、ビアホールなどの凹部Ｔを形成した状態であっても、ウエハＷの周辺部において成膜状態に非対称性が発生することを低減することができる。

このような本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、回転磁石１０により処理室３内の周辺部にカスプ磁場ＭＦを発生させることで、ターゲットプレート８からウエハＷを外れてチャンバー２の壁面に到達するスパッタ粒子を磁場ＭＦで軌道を曲げてウエハＷに到達させることができるようになる。この結果、ウエハＷの周辺部において到達するスパッタ粒子の入射角度を垂直方向の成分を増加させることができ、ウエハＷに凹部Ｔとしてトレンチ、コンタクトホール、ビアホールなどを形成している場合でも、均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

このことは、従来構成の電界を印加するタイプのマグネトロンスパッタ装置では、印加可能なパワーに限界があり、ウエハ周辺部での非対称性の改善に至らないため、上記したような本実施形態のもののようなイオンの軌道の変更の大きな効果を得ることができなかったのに対して改善を図ることができ、しかも、電界を印加する場合と異なり、永久磁石型のものを使用した場合には電力も不要となる利点がある。

第２に、回転磁石１０でカスプ磁場ＭＦを発生させることで、ターゲットプレート８から飛来するスパッタ粒子の中のイオン化されていな中性粒子をイオン化させることができるので、ウエハＷの周辺部に到達する成膜に寄与するスパッタ粒子を増加させることができ、これによっても非対称性を抑制してより均一な膜厚で成膜を行なうことができる。

第３に、回転磁石１０をマグネトロン磁石９の回転に同期した状態で回転させることで、マグネトロン磁石９により生成する磁場と対応する領域にカスプ磁場ＭＦを生成することができ、これによって、ウエハＷに効率良くスパッタ粒子を到達させることができるようになり、周辺に散逸する粒子を効率よく基板周辺部に導くことができ、非対称性の低減を図ることができるようになる。

第４に、回転磁石１０を上下させて所望の高さに設定することができるので、処理室３内部に発生させるカスプ磁場ＭＦの高さを調整することができ、これによってターゲット種に対する汎用性を高めることができるようになる。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、回転磁石（第１の回転磁石）１０に加えて、第２の回転磁石１１を設けたところである。すなわち、図５に示しているように、この実施形態においては、第１の回転磁石１０と同様の構成の第２の回転磁石１１を処理室３を挟んで対向する位置に配置し、これを同様にしてマグネトロン磁石９の回転に同期させた状態で回転移動させる構成である。

このような構成とすることで、マグネトロン磁石９により生成したスパッタ粒子がウエハＷの直下に位置する周辺部に到達する量を増大させることに加えて、ターゲットプレート８の中心Ｏを挟んで対向する側のウエハＷの外周部に到達するスパッタ粒子の量も増大させることができるようになる。この結果、第１の実施形態と同様にして、ウエハＷの周辺部において到達するスパッタ粒子の入射角度を垂直方向の成分を増加させることができ、ウエハＷに凹部Ｔとしてトレンチ、コンタクトホール、ビアホールなどを形成している場合でも、均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、回転磁石１０に代えて回転磁石１２を設ける構成としたところである。すなわち、図６に示しているように、この実施形態においては、配列する磁石１０ａを９個に増やして円弧角度を１８０度とした回転磁石１２を構成し、これをマグネトロン磁石９の磁場発生領域と反対側に位置するようにし、マグネトロン磁石９の回転に同期させた状態で回転移動させる構成である。

このような構成とすることで、マグネトロン磁石９により生成したスパッタ粒子がターゲットプレート８の中心Ｏを挟んで対向する側のウエハＷの外周部に到達するスパッタ粒子の量を増大させることができるようになる。この結果、第１の実施形態と同様にして、ウエハＷの周辺部において到達するスパッタ粒子の入射角度を垂直方向の成分を増加させることができ、ウエハＷに凹部Ｔとしてトレンチ、コンタクトホール、ビアホールなどを形成している場合でも、均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。

回転磁石１０は、円弧状配置の角度を９０度に限らず、９０度以上例えば１８０度などの大きい角度に設定することもできるし、９０度以下例えば４５度などの小さい角度に設定することもできる。

回転磁石の配置は、第２の実施形態において２個の回転磁石１０、１１を設ける構成を示したが、３個の回転磁石を配置する構成とすることもできる。さらには、円弧角度を小さくして４個以上に分けて配置することも可能である。

さらに、回転磁石の配置として、上下方向に適宜の高さに配置することでターゲット種やスパッタ条件などに適合した条件のカスプ磁場を形成することができる。
本装置により形成する膜種は、銅（Ｃｕ）以外に、他のメタル種や、絶縁膜あるいは半導体膜などを形成するターゲットを使用することができる。

回転磁石１０は、永久磁石で構成しても良いし、電磁石で構成しても良い。回転磁石１０の回転可能な構成や、上下動可能な構成については、必要に応じて適宜選択的に設けることができる。

本発明の第１の実施形態におけるマグネトロンスパッタ装置の原理的な構成を示す縦断面図 回転磁石の配置状態を説明する模式的な平面図 効果を確認するために使用したウエハの模式的な縦断面図 実際に成膜したものについて本実施形態のものと比較のための従来相当のものとの中央部および周辺部の断面を拡大して示す模式図 本発明の第２の実施形態を示す図２相当図 本発明の第３の実施形態を示す図２相当図

符号の説明

図面中、１はマグネトロンスパッタ装置、２はチャンバー、３は処理室、４はサセプタ（載置部）、５は高周波電源、６はバッキングプレート、７は直流電源、８はターゲットプレート、９はマグネトロン磁石、１０は回転磁石、Ｗはウエハ（被処理基板）である。

Claims (5)

1. 処理室に載置された被処理基板上に膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置であって、
   前記処理室内の上部に配置されたターゲットと、
   前記ターゲットの上部において、前記ターゲットの表面を周回するように移動して磁場を形成するマグネトロン磁石と、
   前記処理室内の底部に位置し被処理基板を載置するための基板載置部と、
   前記処理室の外周部に対応した円環の一部に、複数のマグネットを隣接するもの同士が磁極が交互に前記処理室に対向するように円弧状に配置され、前記マグネトロン磁石と同期して回転することで前記処理室内にカスプ磁場を形成する回転磁石とを備え、
   前記ターゲットから飛散するスパッタ粒子のうち前記被処理基板の外周に到達するものの立体角を前記回転磁石によるカスプ磁場によって前記ターゲットからのものより小さい角度のものが多くなるようにしたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
2. 請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
   前記回転磁石は、前記ターゲットの中心に対して前記マグネトロン磁石が配置される位置と同じ側の領域に前記カスプ磁場を形成するように配置されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
3. 請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
   前記回転磁石は、前記ターゲットの中心に対して前記マグネトロン磁石が配置される位置と対向する側の領域に前記カスプ磁場を形成するように配置されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
4. 請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
   前記回転磁石は、
   前記ターゲットの中心に対して前記マグネトロン磁石が配置される位置と同じ側の領域に前記カスプ磁場を形成するように配置されている第１の回転磁石と、
   前記ターゲットの中心に対して前記マグネトロン磁石が配置される位置と対向する側の領域に前記カスプ磁場を形成するように配置されている第２の回転磁石と
   から構成されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置において、
   前記回転磁石は、前記処理室の外周に沿って上下動可能に設けられていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。

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