JP2009057637A - ヘリカル磁気共振コイルを利用したイオン化物理的気相蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリカル磁気共振コイルを利用したイオン化物理的気相蒸着装置を提供する。
【解決手段】処理基板を支持する基板ホルダを有した工程チャンバと、工程チャンバに基板ホルダと対向するように設けられて処理基板上に蒸着される物質を提供する蒸着物質ソースと、工程チャンバ内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニットと、基板ホルダにバイアス電位を印加するためのバイアス電源と、工程チャンバ内部に蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させ、一端は接地されて他端は電気的に開放されたヘリカル磁気共振コイルと、ヘリカル磁気共振コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータとを備えるイオン化物理的気相蒸着装置である。これにより、ヘリカル磁気共振コイルにより非常に低い圧力下、例えばほぼ０．１ｍＴｏｒｒでもプラズマの点火及び保持が可能であり、従来に比べて高密度のプラズマを効率的に発生させられるので、蒸着物質のイオン化率が高まるようになる。
【選択図】図２

Description

本発明はイオン化物理的気相蒸着（ＩＰＶＤ：Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に係り、さらに詳細にはヘリカル磁気共振コイルを利用したＩＰＶＤ装置に関する。

現在半導体素子や平板ディスプレイ装置の製造のためには基板の微細加工のためのさまざまな装置が使われている。このような装置のうち物理的気相蒸着（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は半導体素子製造用ウェーハや平板ディスプレイ装置製造用基板の表面に所定の物質膜を物理的に蒸着するのに広く使われている。前記ＰＶＤ装置で代表的なものはマグネトロンスパッタリング装置であり、この他にも電子ビーム蒸発装置と熱的蒸発装置があるということはよく知られている。

前記の従来のＰＶＤ装置において、蒸着物質からなるターゲットから離れ出てきて基板上に蒸着される粒子、例えば金属原子または原子クラスタはほとんど中性を帯びている。これにより、基板上に蒸着される物質粒子の組織が緻密ではなくして蒸着された薄膜の膜質が良好ではなく、その表面も平坦でないという短所があった。このような短所を解消するために、従来は基板を所定温度に加熱したが、ガラス基板のように熱に弱い基板である場合には基板の加熱が困難である。

このような従来のＰＶＤ装置の短所を改善するために、ＩＰＶＤ装置が開発された。ＩＰＶＤ装置はターゲットから離れ出てきた蒸着物質の粒子を、プラズマを利用してイオン化させ、基板にバイアス電圧を印加して前記イオンを加速させられるように構成されている。従って、ＩＰＶＤ装置は基板上に優秀な膜質と平坦度とを有した薄膜を蒸着できるという長所を有していることが知らされている。

図１は従来のＩＰＶＤ装置の一例であり、特許文献１に開示されたマグネトロンスパッタリング装置の概略的な構成を図示した図面である。

図１を参照すれば、従来のマグネトロンスパッタリング装置１０は、プラズマ処理空間１１を覆い包む真空チャンバ１２を有する。真空チャンバ１２の内部下方には半導体ウェーハ１５を支持するサセプタ１４が設けられており、その上部側には負極組立体１７が設けられている。真空チャンバ１０の内部は真空ポンプ３９により所定の真空状態に保持される。真空チャンバ１０の内部にはガス供給源４０から流量制御器４１を介して工程ガスが供給される。負極組立体１７は磁石７６と蒸着物質からなるターゲット１６とターゲットホルダ１８とを有し、ターゲット１６は半導体ウェーハ１５と所定間隔をおいて対向するように配置される。ターゲット１６に負電位を印加するためのＤＣ電源２１がＲＦフィルタ２２を介して負極組立体１７に連結されている。そして、負極組立体１７には選択的なＲＦ電源２４が整合回路２５を介して接続されている。基板ホルダ１４にはウェーハ１５にバイアス電位を印加するためのバイアス電源２７が整合回路２８を介して接続されている。

前記真空チャンバ１２の周囲にはＲＦコイル３０が巻かれており、ＲＦコイル３０にはＲＦエネルギーを供給するためのＲＦ電源３２が整合回路３３を介して接続されている。ＲＦコイル３０は真空チャンバ１２の上部空間２６にＲＦエネルギーを供給して誘導結合プラズマを生成させる。生成されたプラズマはターゲット１６からウェーハ１５の表面にスパッタリングされる物質の粒子をイオン化させる。イオン化された粒子はバイアス電位が印加されたウェーハ１５方向を向いて加速され、前述のようにウェーハ１５の表面に優秀な膜質を有した薄膜を形成する。

前記ＲＦコイル３０の内側にはプラズマが生成される上部空間２６を密封するように誘電ウィンドウ６０が設けられている。そして、誘電ウィンドウ６０の内側にはターゲット１６からスパッタリングされた物質が誘電ウィンドウ６０の表面にコーティングされることを防止するためのシールド７０が設けられている。

ところで、前記の構成を有した従来のＩＰＶＤ装置は、蒸着物質のイオン化のためにＲＦコイル、すなわち非共振コイルにより発生する誘導結合プラズマを利用している。前記非共振コイルは１ｍＴｏｒｒないし数十ｍＴｏｒｒの圧力下ではプラズマを点火させられるが、それより低圧力下ではプラズマ点火が困難であるという短所がある。そして、非共振コイルによっては十分に高い密度のプラズマを発生させることが困難であり、プラズマによる蒸着物質のイオン化率が満足できるものではないという短所がある。

一方、特許文献２には静電シールドを有したプラズマ発生装置が開示されている。前記静電シールドはプラズマに結合される電磁気エネルギーを制御するためのものであり、貫通形成された多数の開口を有している。しかし、このような形態を有した静電シールドをＩＰＶＤ装置に適用する場合には、多数の開口を介して蒸着物質が静電シールド外部に巻かれたコイルにスパッタリングされたり、コイルをなす物質が基板上にスパッタリングされたりするという問題点がある。

前記のように、ＩＰＶＤ装置の開発においては非常に低い圧力下でも高密度のプラズマを効率的に発生させられるプラズマソースの開発が何よりも優先的に確保さるべき要素技術であると言える。
米国特許ＵＳ６，１１７，２７９号明細書 米国特許ＵＳ５，９０３，１０６号明細書

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために創出されたものであり、特に低い圧力下でも高密度のプラズマを効率的に発生させられるヘリカル磁気共振コイルを利用したＩＰＶＤ装置を提供するところにその目的がある。

前記の目的を達成するために本発明は、処理基板を支持する基板ホルダを有した工程チャンバと、前記工程チャンバに前記基板ホルダと対向するように設けられて前記処理基板上に蒸着される物質を提供する蒸着物質ソースと、前記工程チャンバ内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニットと、前記基板ホルダにバイアス電位を印加するためのバイアス電源と、前記工程チャンバ内部に前記蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させるものであり、一端は接地されて他端は電気的に開放されたヘリカル磁気共振コイルと、前記ヘリカル磁気共振コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータとを備え、前記工程チャンバ内部には前記ヘリカル磁気共振コイルの開放端に接続されるリング状の点火電極が設けられたＩＰＶＤ装置を提供する。

ここで、前記ＲＦジェネレータはＤＣ電源と共振増幅器とを含み、前記ＤＣ電源は前記共振増幅器にトリガパルスを印加し、前記共振増幅器はトリガパルスを増幅してその出力を前記ヘリカル磁気共振コイルに印加する。

前記ヘリカル磁気共振コイルの任意の地点には前記共振増幅器の出力が印加される第１タップが設けられ、前記ヘリカル磁気共振コイルの接地端と前記第１タップ間には前記共振増幅器の出力一部の正フィードバックに使われる第２タップが設けられうる。

前記ヘリカル磁気共振コイルは一定径で巻かれるか、あるいは前記基板ホルダ側に向かうにしたがって次第に径が大きくなるようにコーン状に巻かれうる。

前記点火電極と前記工程チャンバ間の放電を防止するためのフローティングシールドが前記工程チャンバ内に設けられることが望ましく、前記フローティングシールドは前記基板ホルダを覆い包む円筒状になされうる。

前記ガス注入ユニットは、ガス供給源と、前記工程チャンバの上端部に設けられて前記工程チャンバ内部に向かって開かれた多数のガス分配口を有したリング状のガスインジェクタとを含みうる。

そして、本発明によるＩＰＶＤ装置は、前記ヘリカル磁気共振コイルの内側に設けられてプラズマに結合される電磁気エネルギーを制御するファラデーシールドがさらに備えられる。

前記ファラデーシールドは、プラズマ発生空間を覆い包んで多数の内部スロットが形成された内部シールドと、前記内部シールドを覆い包んで多数の外部スロットが形成された外部シールドとを含み、前記内部スロットと外部スロットとは互い違いに配置されることが望ましい。

また、本発明によるＩＰＶＤ装置は、前記工程チャンバの周囲に沿って所定間隔をおいて配置された多数のマグネットがさらに備えられる。

前記工程チャンバは、下部チャンバと、前記下部チャンバの上端に組み付けられた上部チャンバとからなり、前記上部チャンバは前記下部チャンバから分離可能であることが望ましい。この場合、前記下部チャンバ内部に前記基板ホルダが配置され、前記上部チャンバ内部に前記ヘリカル磁気共振コイルが配置されうる。

前記蒸着物質ソースは、前記工程チャンバの上部に設けられたターゲットホルダと、前記基板ホルダと対向する前記ターゲットホルダの前面に付着されて前記蒸着物質からなるターゲットと、前記ターゲットホルダの背面に配置されたマグネットパックとを含む負極組立体と、前記負極組立体に連結されて前記ターゲットに負電位を印加する負極電源とが備えられる。

前記負極電源はＤＣ電源であり、前記ＤＣ電源はＲＦフィルタを介して前記負極組立体に電気的に接続されうる。

そして、本発明は、下部チャンバと、前記下部チャンバの上端に組み付けられた上部チャンバからなる工程チャンバと、前記下部チャンバ内部に配置されて処理基板を支持する基板ホルダと、前記上部チャンバの上部に設けられたターゲットホルダと、前記基板ホルダと対向する前記ターゲットホルダの前面に付着されて前記処理基板上に蒸着される物質を提供するターゲットと、前記ターゲットホルダの背面に配置されたマグネットパックとを含む負極組立体と、前記負極組立体に連結されて前記ターゲットに負電位を印加する負極電源と、前記工程チャンバ内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニットと、前記基板ホルダにバイアス電位を印加するためのバイアス電源と、前記工程チャンバ内部に前記蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させるものであり、前記上部チャンバ内部に設けられて一端は接地されて他端は電気的に開放されたヘリカル磁気共振コイルと、前記ヘリカル磁気共振コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータとを備え、前記上部チャンバ内部には前記ヘリカル磁気共振コイルの開放端に接続されるリング状の点火電極が設けられたＩＰＶＤ装置を提供する。

また、本発明は、処理基板を支持する基板ホルダを有した工程チャンバと、前記工程チャンバに前記基板ホルダと対向するように設けられて前記処理基板上に蒸着される物質を提供する蒸着物質ソースと、前記工程チャンバ内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニットと、前記基板ホルダにバイアス電位を印加するためのバイアス電源と、前記工程チャンバ内部に前記蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させるプラズマ発生器と、前記工程チャンバ内部に設けられてプラズマに結合される電磁気エネルギーを制御するファラデーシールドとを備え、前記ファラデーシールドは、プラズマ発生空間を覆い包んで多数の内部スロットが形成された内部シールドと、前記内部シールドを覆い包んで多数の外部スロットが形成された外部シールドとを含み、前記内部スロットと外部スロットとは互い違いに配置されたことを特徴とするＩＰＶＤ装置を提供する。

本発明によるＩＰＶＤ装置は次のような効果がある。

第一に、ヘリカル磁気共振コイルを利用することにより、非常に低い圧力下、例えばほぼ０．１ｍＴｏｒｒでもプラズマの点火及び保持が可能であり、従来に比べて高密度のプラズマを効率的に発生させられる。従って、蒸着物質の高いイオン化率を確保できる。

第二に、ヘリカル磁気共振コイルの内側に多数のスロットを有したファラデーシールドが設けられることにより、プラズマの電位を容易に制御できる。そして、ファラデーシールドの外側に設けられたヘリカル磁気共振コイルがファラデーシールド内側のプラズマ発生空間に直接的に露出されないので、多数のスロットを介して蒸着物質がヘリカル磁気共振コイルにコーティングされる従来の問題点が防止されうる。

第三に、工程チャンバが下部チャンバと上部チャンバとに分離されうるので、蒸着物質ソースとヘリカル磁気共振コイルとが配置された上部チャンバを多様な大きさの基板ホルダを有した下部チャンバに結合して使用できる。

第四に、工程チャンバの周囲に沿って多数のマグネットが設けられることにより、荷電粒子の壁体損失が少なくなって工程チャンバ内部の半径方向にさらに均一なプラズマ密度分布を確保できる。

第五に、ヘリカル磁気共振コイルがコーン状に巻かれた場合には、工程チャンバ内のプラズマ密度をさらに容易に制御できる。

以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を指す。そして、本発明はマグネトロンスパッタリング装置、電子ビーム蒸発装置及び熱的蒸発装置のような多種のＩＰＶＤ装置に適用されうるが、以下ではマグネトロンスパッタリング装置を基準に図示して説明する。

図２は本発明の望ましい第１実施形態によるヘリカル磁気共振コイルを利用したＩＰＶＤ装置であり、マグネトロンスパッタリング装置の構成を図示した垂直断面図であり、図３は図２に表示されたＡ−Ａ’線に沿ったマグネトロンスパッタリング装置の水平断面図である。

図２及び図３を共に参照すれば、本発明によるＩＰＶＤ装置は、ヘリカル磁気共振コイル１４０により低い圧力下で高密度に生成されたプラズマを利用して蒸着物質を効率的にイオン化させ、イオン化された蒸着物質を工程チャンバ１１０内にローディングされた処理基板、例えば半導体素子製造用シリコンウェーハＷの表面上に蒸着させるための半導体製造装置である。

前記ＩＰＶＤ装置は、工程チャンバ１１０と、ウェーハＷの表面に蒸着される物質を提供する蒸着物質ソース（図示せず）と、前記工程チャンバ１１０の内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニット（図示せず）と、前記基板ホルダ１２０にバイアス電位を印加するためのバイアス電源１２４と、前記工程チャンバ１１０の内部にプラズマを発生させるためのヘリカル磁気共振コイル１４０と、前記ヘリカル磁気共振コイル１４０にＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータとを備える。

前記工程チャンバ１１０は、下部チャンバ１１１と、前記下部チャンバ１１１の上端に組み付けられた上部チャンバ１１２とからなされうる。従って、下部チャンバ１１１と上部チャンバ１１２とは結合及び分離が可能になる。前記下部チャンバ１１１の内部空間、すなわち下部空間１１８にはウェーハＷを支持する基板ホルダ１２０が配置され、上部チャンバ１１２の内部空間、すなわち上部空間１１９には前記ヘリカル磁気共振コイル１４０が配置される。そして、前記蒸着物質ソースは上部チャンバ１１２の上部に設けられる。前記工程チャンバ１１０の内部は所定の真空状態に保持され、このために下部チャンバ１１１には真空ポンプ１１６に連結される真空吸入口１１５が形成される。

このように、本発明によれば工程チャンバ１１０が下部チャンバ１１１と上部チャンバ１１２とに分離されうる構造を有するので、蒸着物質ソースとヘリカル磁気共振コイル１４０とが配置された上部チャンバ１１２を多様な大きさの基板ホルダ１２０を有した下部チャンバ１１１に結合して使用できる長所がある。また、工程チャンバ１１０の内部の保守及び保持が容易になるという長所もある。

前記蒸着物質ソースはウェーハＷの表面に蒸着される物質を提供し、基板ホルダ１２０と対向するように上部チャンバ１１２の上部に設けられる。このような蒸着物質ソースとしては、前記のようにＩＰＶＤ装置の種類によってさまざまな構成を有することができる。本実施形態ではマグネトロンスパッタリング装置に使われる蒸着物質ソースとしてマグネトロン・ガンを例示する。

前記蒸着物質ソース、すなわちマグネトロン・ガンは蒸着物質からなるターゲット１６３を有した負極組立体１６０と、前記ターゲット１６３に負電位を印加するための負極電源１６６とを備える。上部チャンバ１１２の上部には前記ターゲット１６３を支持するターゲットホルダ１６２が設けられる。前記ターゲット１６３は前記ターゲットホルダ１６２の前面、すなわち基板ホルダ１２０と対向する面に付着されて支持される。前記ターゲットホルダ１６２の背面にはマグネットパック１６１が配置される。前記マグネットパック１６１は、負極組立体１６０により工程チャンバ１１０の内部に放出された電子をトラップするための磁場を形成させる複数の電磁石または永久磁石を含む。前記電磁石または永久磁石は固設されることもあり、回転または移動可能に設けられることもある。このように構成された負極組立体１６０はその外周に設けられた絶縁体１６９により上部チャンバ１１２と絶縁される。前記絶縁体１６９はセラミックからなりうる。そして、前記負極組立体１６０は前記の構成以外にも本発明の技術分野で公知の他の構成を有することもある。

前記負極電源１６６は前記負極組立体１６０に連結されて前記ターゲット１６３に負電位を印加し、一般的にＤＣ電源１６６が利用されうる。望ましくは、前記ＤＣ電源１６６はＲＦフィルタ１６５を介して負極組立体１６０に連結される。そして、選択的なエネルギーソースとしてＲＦ電源１６８が整合回路１６７を介して負極組立体１６０に接続されうる。

前記バイアス電源１２４は、後述のようにヘリカル磁気共振コイル１４０により生成されたプラズマによりイオン化された蒸着物質が基板ホルダ１２０に置かれたウェーハＷ側に移動できるように基板ホルダ１２０にバイアス電位を印加する役割を行う。すなわち、イオン化された蒸着物質は基板ホルダ１２０に印加されたバイアス電位によりウェーハＷ側に加速されて向かう。これにより、ウェーハＷの表面に優秀な膜質と平坦度とを有した薄膜が形成されうる。このようなバイアス電源１２４としてはＲＦ電源が使われうる。この場合、ＲＦ電力の伝達効率を高めるために、バイアス電源１２４と基板ホルダ１２０間に整合回路１２２が設けられうる。

前記ガス注入ユニットは、前記工程チャンバ１１０の内部に工程ガス、すなわちプラズマソースガスを注入するための装置である。このようなガス注入ユニットは、工程ガスを供給するガス供給源１７３と、上部チャンバ１１２の上端部に設けられて上部チャンバ１１２の内部に向かって開かれた多数のガス分配口１７１を有したリング状のガスインジェクタ１７０とを含む。前記ガス供給源１７３からガスインジェクタ１７０に供給される工程ガス、例えばアルゴンのような不活性ガスは流量制御器１７２によりその流量が制御されうる。

前記ヘリカル磁気共振コイル１４０は上部チャンバ１１２の内部に蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させる役割を行い、一端、例えば上側端に接地され、他端、例えば下側端は電気的に開放される。前記ヘリカル磁気共振コイル１４０は上部チャンバ１１２の内周面に隣接して多数のターンで巻かれ、各ターンはいずれも一定径を有しうる。そして、前記ヘリカル磁気共振コイル１４０は一般的に印加されるＲＦ電圧の波長の１／４に相応する長さを有する。

前記ＲＦジェネレータは前記ヘリカル磁気共振コイル１４０にＲＦ電力を供給するためのものであり、公知のさまざまな種類のＲＦジェネレータが使われうる。望ましくは、共振増幅器１４４とＤＣ電源１４６を含むＲＦジェネレータが使われうる。前記ＤＣ電源１４６は共振増幅器１４４にトリガパルスを印加し、前記共振増幅器１４４はトリガパルスを増幅してその出力をヘリカル磁気共振コイル１４０に印加する。

前記ヘリカル磁気共振コイル１４０は低い圧力下で効率的に高密度のプラズマの点火及び保持を可能にする長所を有する。従って、ヘリカル磁気共振コイル１４０を使用すれば、従来の誘導結合型ＲＦコイルに比べて蒸着物質のイオン化率が高まるようになる効果がある。

前記のヘリカル磁気共振コイル１４０と、共振増幅器１４４及びＤＣ電源１４６とを含むＲＦジェネレータについては後述する。

そして、前記上部チャンバ１１２の内部にはヘリカル磁気共振コイル１４０の開放端に接続されるリング状の点火電極１４２が設けられることが望ましい。前記点火電極１４２はヘリカル磁気共振コイル１４０と同軸的に設けられ、上部チャンバ１１２の下端部近くに配置される。

プラズマの点火はヘリカル磁気共振コイル１４０の開放端から始まって他の部位に伝播される。この時、さらに広い面積を有したリング状の点火電極１４２がヘリカル磁気共振コイル１４０の開放端に接続されているので、これによりプラズマがさらに均一であって広範囲に点火されうる。従って、上部チャンバ１１２内でのプラズマの密度分布がさらに均一になされる。

また、前記下部チャンバ１１１内には前記点火電極１４２と下部チャンバ１１１間の放電を防止するためのフローティングシールド１３０が設置されうる。前記フローティングシールド１３０は基板ホルダ１２０を覆い包む円筒状からなる。前記フローティングシールド１３０は上部チャンバ１１２の下端に設けられたセラミック絶縁体１１３に装着されて支持されうる。

前記の本発明によるＩＰＶＤ装置は、前記ヘリカル磁気共振コイル１４０の内側に設けられてプラズマに結合される電磁気エネルギーを制御するファラデーシールド１５０をさらに備えられる。

前記ファラデーシールド１５０は内部シールド１５１と外部シールド１５２とからなされうる。前記内部シールド１５１はプラズマ発生空間、すなわち上部空間１１９を覆い包む円筒状を有し、前記外部シールド１５２は内部シールド１５１から所定間隔離隔された状態で内部シールド１５１を覆い包む円筒状を有する。このようなファラデーシールド１５０の構造と作用とについては後述する。

また、本発明によるＩＰＶＤ装置は、前記工程チャンバ１１０の内部に磁場を形成するための手段であり、工程チャンバ１１０の外部に設けられた多数のマグネット１８０がさらに備えられる。具体的に、前記マグネット１８０は上部チャンバ１１２の周囲に沿って所定間隔をおいて多数個配置される。多数のマグネット１８０は円周方向に沿ってＮＳ極が交互になるように配置される。前記マグネット１８０としては永久磁石が使われうる。

前記のように配置された多数のマグネット１８０により上部チャンバ１１２の内側面近くには磁場が形成され、このような磁場はプラズマを監禁させる作用を行うが、これをマルチポール監禁と言う。すなわち、多数のマグネット１８０を上部チャンバ１１２の周囲にＮＳ極が交互になるように配置すれば、上部チャンバ１１２の内側面近くにマグネチックミラー効果が誘導され、これにより荷電粒子の壁体損失が少なくなる。従って、上部チャンバ１１２内部の半径方向にさらに均一なプラズマ密度分布を確保できるようになる。

図４は図２に図示されたヘリカル磁気共振コイルとＲＦジェネレータとの接続構造を示す概略図であり、図５は共振増幅器に印加されるトリガパルスとヘリカル磁気共振コイルに印加される入力電圧の波形を図示した波形図である。

図４を参照すれば、前述のようにヘリカル磁気共振コイル１４０にＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータはＤＣ電源１４６と共振増幅器１４４とを含みうる。前記ＤＣ電源１４６は図５に図示されたように、ほぼ１ｋＶのトリガパルス電圧Ｕ_１を所定のパルス持続時間τ及びパルス周期Ｔで前記共振増幅器１４４に印加する。前記共振増幅器１４４はトリガパルスを増幅してその出力を前記ヘリカル磁気共振コイル１４０に印加する。共振増幅器１４４の出力はヘリカル磁気共振コイル１４０の任意の地点、例えば最初のターンまたは第二のターンに設けられた第１タップ１４７を介してヘリカル磁気共振コイル１４０に印加される。そして、ヘリカル磁気共振コイル１４０の接地端と前記第１タップ１４７間には第２タップ１４８が設けられる。前記共振増幅器１４４の出力の一部は前記第２タップ１４８からさらに共振増幅器１４４に正フィードバックされる。これにより、図５に図示されたような波形を有した入力電圧Ｕ_２、すなわち共振増幅器１４４の出力電圧がヘリカル磁気共振コイル１４０に印加される。コイル１４０内でのＲＦ振動は点火電極１５０で入力電圧Ｕ_２よりはるかに高いＲＦ電圧Ｕ_３を誘導してコイル１４０の内側にプラズマを点火させる。前記のような構成を有したＲＦジェネレータはトランスフォーマと整合回路とを備えないので、消費電力の大部分がプラズマに吸収されて消費電力対応プラズマ発生効率が高まる。

前記ヘリカル磁気共振コイル１４０にＲＦ電力が印加されれば、ヘリカル磁気共振コイル１４０に流れる電流により時変化磁場が生成され、時変化磁場により電場が誘導される。誘導された電場はプラズマソースガスをイオン化してプラズマを生成する。この時、ヘリカル磁気共振コイル１４０のＲＦ電力印加地点から一方、すなわち接地端側にはインダクタンスが誘導され、他方、すなわち開放端側にはキャパシタンスが誘導され、それらの共振（ＬＣ共振）によりヘリカル磁気共振コイル１４０への効率的なエネルギー伝達が可能になる。従って、ヘリカル磁気共振コイル１４０を使用すれば高密度プラズマが生成され、このような高密度のプラズマは蒸着物質のイオン化率を上昇させる。

そして、プラズマソースガスとして供給される不活性ガスはプラズマの点火初期段階でだけ必要であり、その後には不活性ガスを供給しなくてもよいので、非常に低い圧力、ほぼ０．１ｍＴｏｒｒでも安定したプラズマの保持が可能になる。詳細に説明すれば、前記のように蒸着物質のイオン化率が高まることにより、プラズマ内に蒸着物質、例えば金属原子から離れ出てきた電子多くなる。これにより、プラズマソースガスがそれ以上供給されなくとも前記電子と金属原子との衝突による金属原子のイオン化が持続的に効率的になされうるためである。

一方、前記２つのタップ１４７，１４８はそれぞれヘリカル磁気共振コイル１４０に沿って移動可能になったことが望ましい。従って、２つのタップ１４７，１４８を移動させることによって最適の共振状態を得られるＲＦ電力印加地点を容易に見つけ出せるので、高密度プラズマを効率的に確保できる。

そして、前記トリガパルスの電圧、持続時間及び／または周期を変化させることによって追加的なプラズマ密度の制御と、これによる蒸着物質のイオン化率とを制御できる。

図６は図２に図示されたファラデーシールドの分解斜視図である。

図６を参照すれば、前記ファラデーシールド１５０は、前述のように内部シールド１５１と外部シールド１５２とからなる。前記内部シールド１５１は所定径の円筒状を有し、その円周に沿って所定間隔をおいて形成された多数の内部スロット１５４を有する。前記外部シールド１５２は内部シールド１５１の径より若干大径の円筒状を有し、その円周に沿って所定間隔をおいて形成された多数の外部スロット１５５を有する。

このような内部スロット１５４と外部スロット１５５とはファラデーシールド１５０に流れる誘導ＲＦ電流を減少させ、これによりプラズマ電位が低くなる。プラズマ電位が低くなれば、イオンエネルギーをさらに正確に制御できるようになるので、工程の精密度が高まる。すなわち、スロット１５４，１５５を有したファラデーシールド１５０により工程の条件に適切に対処して効率的で精密な工程実行が可能になる。

そして、前記内部スロット１５４と外部スロット１５５とは互い違いに配置される。このような構造を有したファラデーシールド１５０によれば、ファラデーシールド１５０に多数のスロット１５４，１５５が形成されても、ファラデーシールド１５０の外側に設けられたヘリカル磁気共振コイル１４０がファラデーシールド１５０内側のプラズマ発生空間、すなわち上部空間１１９に直接的に露出されない。従って、多数のスロット１５４，１５５を介して蒸着物質がヘリカル磁気共振コイル１４０にコーティングされる従来の問題点が防止されうる。

図７は本発明の望ましい第２実施形態によるＩＰＶＤ装置であり、コーン状のヘリカル磁気共振コイルを有したマグネトロンスパッタリング装置の構成を図示した垂直断面図である。

図７を参照すれば、本発明によるＩＰＶＤ装置において、ヘリカル磁気共振コイル２４０は基板ホルダ１２０側に行きつつだんだんと大径となるコーン状に巻かれうる。これにより、上部チャンバ２１２及びファラデーシールド２５０もコーン状を有することができる。残りの構成要素は前述した第１実施形態と同一なのでその説明は省略する。

このように、ヘリカル磁気共振コイル２４０がコーン状に巻かれれば、図２に図示された円筒状のコイルと異なってコイル２４０の各ターンの長さが変わるために、コイル２４０の垂直軸に沿う電流と電圧の分布が変わるようになる。このような事実、及びコイル２４０の各ターンが相異なる半径方向位置を有することのために、プラズマに結合されるＲＦ電力を変化させられるようになる。すなわち、垂直軸に対するヘリカル磁気共振コイル２４０の傾斜角度θを変化させることによって工程チャンバ１１０内のプラズマ密度分布を制御できるようになる。

図８及び図９は図２に図示された円筒状のコイル、及び図７に図示されたコーン状のコイルにおいて、電流と電圧の分布を示すグラフである。

図８と図９のグラフを見れば、円筒状コイルとコーン状コイルそれぞれの高さは１０ｃｍと同一に与えられた場合にも、各コイルにおける電流分布と電圧分布とが変わることが分かる。このように、コーン状のコイルはプラズマ密度を制御できる追加的な機会を提供する。

本発明は開示された実施形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者ならばこれから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点が理解されるであろう。例えば、本発明は前記でマグネトロンスパッタリング装置を基準に図示されて説明されたが、これ以外にも電子ビーム蒸発装置及び熱的蒸発装置のような多様な種類のＩＰＶＤ装置に適用できる。従って、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって決まるものである。

本発明のヘリカル磁気共振コイルを利用したＩＰＶＤ装置は、低圧力でも高密度のプラズマを効率よく発生させられ、例えば半導体素子や平板ディスプレイ装置の製造に効果的に適用可能である。

従来のＩＰＶＤ装置の一例であり、マグネトロンスパッタリング装置の概略的な構成を図示した図面である。 本発明の望ましい第１実施形態によるヘリカル磁気共振コイルを利用したＩＰＶＤ装置であり、マグネトロンスパッタリング装置の構成を図示した垂直断面図である。 図２に表示されたＡ−Ａ’線に沿ったマグネトロンスパッタリング装置の水平断面図である。 図２に図示されたヘリカル磁気共振コイルとＲＦジェネレータとの接続構造を示す概略図である。 共振増幅器に印加されるトリガパルスとヘリカル磁気共振コイルに印加される入力電圧の波形を図示した波形図である。 図２に図示されたファラデーシールドの分解斜視図である。 本発明の望ましい第２実施形態によるＩＰＶＤ装置であり、コーン状のヘリカル磁気共振コイルを有したマグネトロンスパッタリング装置の構成を図示した垂直断面図である。 図２に図示された円筒状のコイル、及び図７に図示されたコーン状のコイルにおいて、電流と電圧の分布を示すグラフである。 図２に図示された円筒状のコイル、及び図７に図示されたコーン状のコイルにおいて、電流と電圧の分布を示すグラフである。

符号の説明

１１０ 固定チャンバ、
１１１ 下部チャンバ、
１１２ 上部チャンバ、
１１３ セラミック絶縁体、
１１５ 真空吸入口、
１１６ 共振ポンプ、
１１８ 下部空間、
１１９ 上部空間、
１２０ 基板ホルダ、
１２２，１６７ 整合回路、
１２４ バイアス電源、
１３０ フローティングシールド、
１４０ 磁気共振コイル、
１４２ 点火電極、
１４４ 共振増幅器、
１４６ ＤＣ電源、
１５０ ファラデーシールド、
１６０ 負極組立体、
１６１ マグネットパック、
１６２ ターゲットホルダ、
１６３ ターゲット、
１６５ ＲＦフィルタ、
１６６ 負極電源、
１６８ ＲＦ電源、
１６９ 絶縁体、
１７０ ガスインジェクタ、
１７１ ガス分配口、
１７２ 流量制御器、
１７３ ガス供給源、
１８０ マグネット、
Ｗ ウェーハ。

Claims (33)

1. 処理基板を支持する基板ホルダを有した工程チャンバと、
   前記工程チャンバに前記基板ホルダと対向するように設けられて前記処理基板上に蒸着される物質を提供する蒸着物質ソースと、
   前記工程チャンバ内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニットと、
   前記基板ホルダにバイアス電位を印加するためのバイアス電源と、
   前記工程チャンバ内部に前記蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させるものであり、一端は接地されて他端は電気的に開放されたヘリカル磁気共振コイルと、
   前記ヘリカル磁気共振コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータと、
   を備え、
   前記工程チャンバ内部には前記ヘリカル磁気共振コイルの開放端に接続されるリング状の点火電極が設けられたことを特徴とするイオン化物理的気相蒸着装置。
2. 前記ヘリカル磁気共振コイルは前記工程チャンバ内部に設けられ、前記工程チャンバの内周面に隣接して巻かれたことを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
3. 前記ＲＦジェネレータはＤＣ電源と共振増幅器とを含み、前記ＤＣ電源は前記共振増幅器にトリガパルスを印加し、前記共振増幅器はトリガパルスを増幅してその出力を前記ヘリカル磁気共振コイルに印加することを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
4. 前記ヘリカル磁気共振コイルの任意の地点には前記共振増幅器の出力が印加される第１タップが設けられ、前記ヘリカル磁気共振コイルの接地端と前記第１タップ間には前記共振増幅器の出力一部の正フィードバックに使われる第２タップが設けられたことを特徴とする請求項３に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
5. 前記２つのタップはそれぞれ前記コイルに沿って移動可能であることを特徴とする請求項４に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
6. 前記トリガパルスの電圧、持続時間及び周期のうち少なくとも一つを変化させることにより、プラズマ密度と蒸着物質のイオン化率とを制御することを特徴とする請求項４に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
7. 前記ヘリカル磁気共振コイルは一定径で巻かれたことを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
8. 前記ヘリカル磁気共振コイルは前記基板ホルダ側に向かうにしたがって次第に径が大きくなるようにコーン状に巻かれたことを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
9. 前記点火電極と前記工程チャンバ間の放電を防止するためのフローティングシールドが前記工程チャンバ内に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
10. 前記フローティングシールドは前記基板ホルダを覆い包む円筒状からなることを特徴とする請求項９に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
11. 前記ガス注入ユニットは、
    ガス供給源と、
    前記工程チャンバの上端部に設けられ、前記工程チャンバ内部に向かって開かれた多数のガス分配口を有したリング状のガスインジェクタとを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
12. 前記バイアス電源は整合回路を介して前記基板ホルダに電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
13. 前記ヘリカル磁気共振コイルの内側に設けられてプラズマに結合される電磁気エネルギーを制御するファラデーシールドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
14. 前記ファラデーシールドは、プラズマ発生空間を覆い包んで多数の内部スロットが形成された内部シールドと、前記内部シールドを覆い包んで多数の外部スロットが形成された外部シールドとを含み、前記内部スロットと外部スロットとは互い違いに配置されたことを特徴とする請求項１３に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
15. 前記工程チャンバの周囲に沿って所定間隔をおいて配置された多数のマグネットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
16. 前記マグネットは永久磁石であることを特徴とする請求項１５に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
17. 前記工程チャンバは、下部チャンバと、前記下部チャンバの上端に組み付けられた上部チャンバとからなり、前記上部チャンバは前記下部チャンバから分離可能であることを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
18. 前記下部チャンバ内部に前記基板ホルダが配置され、前記上部チャンバ内部に前記ヘリカル磁気共振コイルが配置されたことを特徴とする請求項１７に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
19. 前記蒸着物質ソースは、
    前記工程チャンバの上部に設けられたターゲットホルダと、前記基板ホルダと対向する前記ターゲットホルダの前面に付着されて前記蒸着物質からなるターゲットと、前記ターゲットホルダの背面に配置されたマグネットパックとを含む負極組立体と、
    前記負極組立体に連結されて前記ターゲットに負電位を印加する負極電源とを備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
20. 前記負極電源はＤＣ電源であることを特徴とする請求項１９に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
21. 前記ＤＣ電源はＲＦフィルタを介して前記負極組立体に電気的に接続されることを特徴とする請求項２０に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
22. 下部チャンバと、前記下部チャンバの上端に組み付けられた上部チャンバとからなる工程チャンバと、
    前記下部チャンバ内部に配置されて処理基板を支持する基板ホルダと、
    前記上部チャンバの上部に設けられたターゲットホルダと、前記基板ホルダと対向する前記ターゲットホルダの前面に付着されて前記処理基板上に蒸着される物質を提供するターゲットと、前記ターゲットホルダの背面に配置されたマグネットパックとを含む負極組立体と、
    前記負極組立体に連結されて前記ターゲットに負電位を印加する負極電源と、
    前記工程チャンバ内部に工程ガスを注入するためのガス注入ユニットと、
    前記基板ホルダにバイアス電位を印加するためのバイアス電源と、
    前記工程チャンバ内部に前記蒸着物質をイオン化させるためのプラズマを発生させるものであり、前記上部チャンバ内部に設けられて一端は接地されて他端は電気的に開放されたヘリカル磁気共振コイルと、
    前記ヘリカル磁気共振コイルにＲＦ電力を供給するためのＲＦジェネレータと、
    を備え、
    前記上部チャンバ内部には前記ヘリカル磁気共振コイルの開放端に接続されるリング状の点火電極が設けられたことを特徴とするイオン化物理的気相蒸着装置。
23. 前記ＲＦジェネレータはＤＣ電源と共振増幅器とを含み、前記ＤＣ電源は前記共振増幅器にトリガパルスを印加し、前記共振増幅器はトリガパルスを増幅してその出力を前記ヘリカル磁気共振コイルに印加することを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
24. 前記ヘリカル磁気共振コイルの任意の地点には前記共振増幅器の出力が印加される第１タップが設けられ、前記ヘリカル磁気共振コイルの接地端と前記第１タップ間には前記共振増幅器の出力一部の正フィードバックに使われる第２タップが設けられたことを特徴とする請求項２３に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
25. 前記ヘリカル磁気共振コイルは一定径で巻かれたことを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
26. 前記ヘリカル磁気共振コイルは前記基板ホルダ側に向かうにしたがって次第に径が大きくなるようにコーン状に巻かれたことを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
27. 前記点火電極と前記下部チャンバ間の放電を防止するためのフローティングシールドが前記下部チャンバ内に設けられたことを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
28. 前記ガス注入ユニットは、
    ガス供給源と、
    前記上部チャンバの上端部に設けられ、前記上部チャンバ内部に向かって開かれた多数のガス分配口を有したリング状のガスインジェクタとを含むことを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
29. 前記ヘリカル磁気共振コイルの内側に設けられてプラズマに結合される電磁気エネルギーを制御するファラデーシールドをさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
30. 前記ファラデーシールドは、プラズマ発生空間を覆い包んで多数の内部スロットが形成された内部シールドと、前記内部シールドを覆い包んで多数の外部スロットが形成された外部シールドとを含み、前記内部スロットと外部スロットとは互い違いに配置されたことを特徴とする請求項２９に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
31. 前記上部チャンバの周囲に沿って所定間隔をおいて配置された多数のマグネットをさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
32. 前記負極電源はＤＣ電源であることを特徴とする請求項２２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。
33. 前記ＤＣ電源はＲＦフィルタを介して前記負極組立体に電気的に接続されることを特徴とする請求項３２に記載のイオン化物理的気相蒸着装置。

Images