JP2010031383A - プラズマ支援スパッタ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 時間の経過に伴なってターゲット部材の一定のスパッタ速度を提供し、かつ変動しないプロセス条件を作ることのできるプラズマ支援スパッタ成膜装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、上部電極２、下部電極３、ガス導入口、真空排気口を有する反応容器１と、ターゲット２ａと、複数のマグネット４と、マグネット支持金属シート９と、金属シートを上部電極の中心軸に沿う方向に移動させる移動機構（１３，１４，２２）と、ｒｆ電源（１５）と、移動機構の移動条件を決める電気回路（２５）とを備える。電気回路は、上部電極の自己バイアス電圧をモニタし、複数のマグネットを、スパッタプロセスによる時間の経過に伴ってエロージョンを受けるターゲット部材の表面上で一定磁界を維持するようターゲット平面に垂直に移動させる。
【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、半導体産業における集積回路製造中で金属または誘電体材料のスパッタプロセスに有用な、時間の経過に伴ないターゲット部材の一定のスパッタ速度を与えることができる改善されたプラズマ源を有するプラズマ支援スパッタ成膜装置に関するものである。

電子産業での半導体装置の製造において磁気的に強化されたＤＣまたはｒｆのスパッタ装置は広く応用されている。プラズマの発生、プラズマの閉じ込め、プラズマ密度の増大、および成膜の均一性の増大の目的に応じて応用された多くの異なる種類のマグネット配列（または配置）が存在する。ポイントカスプマグネット応用スパッタ装置は上記特徴のすべてを支持するということが知られている。しかしながら、このマグネット配列は他のいかなるマグネット配列と同様にターゲット部材のエロージョン（侵食）に伴なってターゲット表面の磁界の強さが変化するという問題に直面している。このことは時間に伴なうスパッタ速度の変化が原因である。この問題を図４，５，６を参照して詳細に説明する。

図４はポイントカスプ磁界を用いたプラズマ支援スパッタ装置の第１例の概略図である。反応容器１００は、上部電極１０８、上部電極１０８の組込み部であるターゲット部材１０１、複数のマグネット１０２、マグネット１０２が設けられた金属シート（薄板）１０３、ギヤ装置（１０４ａ，１０４ｂ）および上部電極１０８の中心軸周りにマグネット配列を回転させるモータ１２０、および下部電極１０５から構成されている。反応容器１００は円筒形側壁１１４、ボトムプレート１１５およびトッププレート１１６によって形成されている。上部電極１０８は整合回路１０７を経由してｒｆ発生器１０６からｒｆ電流を供給される。ｒｆ電流の周波数は１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲で変わり得る。ｒｆ電流の代わりに、ターゲット部材１０１の下側の空間にプラズマを生成するため上部電極１０８にＤＣ電力を与えるか、あるいは上部電極１０８に対してｒｆおよびＤＣ電力を共に与えることができる。上部電極１０８は、２つの部材１０９ａ，１０９ｂを含む絶縁部材１０９の上に配置されることにより、反応容器１００の残りの部分から電気的に絶縁されている。

処理されるべき基板１１３が配置される下部電極１０５と上部電極１０８は反応容器１００の一部を少なくとも横切るように互いに平行である。下部電極１０５は絶縁部材１１０の上に配置されており、反応容器から電気的に絶縁されている。下部電極１０５には整合回路１１２を経由してｒｆ発生器１１１からｒｆ電力が与えられている。しかしながら、これは本質的な条件ではなく、それ故に、ｒｆ電力発生器１１１および整合回路１１２を省略することも可能である。下部電極１０５は冷却または加熱用の機構を含むこともでき、それは図の明確性のため図４では図示されていない。

円筒形側壁１１４、ボトムプレート１１５およびトッププレート１１６は金属で作られ、例えばステンレス鋼で作られており、電気的には接地されている。プロセスガスは複数のガス導入口１１７を通して反応容器１００の中に供給され、出口１１８を通して排気される。

金属シート１０３上の複数のマグネット１０２の平面配列は図５に示されている。マグネット１０２は例えば等しい距離（図６に示された“ｘ”）で互いに配置されており、そして交互に代わる極性を有している。マグネット１０２の寸法および磁気的な強さは重要なことではなく、反応容器１００の他の寸法に依存して選択される。マグネット１０２が図５において示されるように配置されるとき、複数のポイントカスプ磁界１１９がターゲット部材１０１の下側において、図４に示されるように生成される。マグネット配列に関する詳細な説明およびこのマグネット配列の特性（属性）は特許文献１および非特許文献１において与えられている。

Ａ−Ａ’線に沿った２つのマグネットの間の磁界の強さの変化の仮想的な図が図６に示される。右側のグラフ１２２において特性曲線１２１によって示されるごとくポイントカスプ磁界１１９の強さは次第に最大値に向かって増大し、そしてそれからマグネット１０２の底部からの距離の増大に伴なって減少する。図６は、同様にまた、マグネット１０２の下方のターゲット１０８の位置を示す。なお、図６に示されたターゲット１０８の厚みは他の実験的なパラメータに依存して変化し得ることに注意すべきである。

米国特許第６２１６６３２号明細書

Ｓ．ウクラマナヤカおよびＹ．中川、「大面積ウェハー処理のための磁気的に強化された二周波容量結合型プラズマ源」、日本、応用物理、３７、１９９９、６１９３頁

ｒｆ電源（またはＤＣ電源）が上部電極１０８に与えられたとき、プラズマはターゲット部材１０１の下側に生成される。プラズマにおける電子は磁界によって補足され、サイクロトロン回転を行う。磁界１１９の強さに依存して、サイクロトロン半径は変化する。磁界１１９の強さが強くなるほど、サイクロトロン半径はより小さくなり、電子は適当に閉じ込められる。より低い磁界の強さにおいてサイクロトロン半径はより大きくなり、電子は不充分に閉じ込められる。従ってターゲット部材１０１の下側の電子の閉じ込めは磁界の強さの変化に伴なって変化する。より高い電子の閉じ込めはターゲット部材１０１の下側のプラズマ密度を増大させ、他方、より低い電子の閉じ込めはより低いプラズマ密度という結果をもたらす。

スパッタ成膜プロセス中、ターゲット部材１０１はスパッタリングされ、その結果、厚みの減少という結果をもたらす。ターゲット部材１０１とマグネット１０２は堅く固定されているので、ターゲットの厚みの減少はターゲット部材１０１の下面における磁界の強さの変化の原因となる。例えば図６を考慮すれば、ターゲット表面の下側の磁界の強さはターゲット表面のエロージョンに伴なって増大することになる。このことは（ｉ）プラズマ密度の変化、および（ii）ターゲット部材１０１における自己バイアス電圧（Ｖ_ＤＣ）の変化という結果をもたらす。両方のこれらの事実はターゲット部材１０１のスパッタ速度を変化させる。この現象の故に、成膜速度が時間の経過と共に変化し、その結果、膜厚の変化という結果をもたらす。このことは、膜厚の変化は不良デバイスの原因となるので、デバイス製造プロセスにとって良好なことではない。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、時間の経過に伴なってターゲット部材の一定のスパッタ速度を提供し、かつ変動しないプロセス条件を作ることの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、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

本発明に係るプラズマ支援スパッタ成膜装置（請求項１に対応）は、
第１の電極、第１の電極と離間して配置されると共に基板が配置されるようにされた第２の電極、ガス導入口、および真空排気口を有する反応容器と、
第１の電極の組込み部であるターゲット部材と、
ターゲット部材の表面の上方であって、ターゲット部材から見た平面視で、任意の隣り合う２つの間で等距離を有しかつ交互の極性を有するように、ターゲット部材の前面に対応する位置に配置された複数のマグネットと、
複数のマグネットを固定する板状の支持部材と、
支持部材とターゲット部材の距離を変化させるように支持部材を第１の電極の中心軸に沿う方向に移動させる移動機構と、
第１の電極に接続された、１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲の周波数で動作するｒｆ電源と、
移動機構の移動条件を決める電気回路部と、を備え、
電気回路部は、第１の電極の自己バイアス電圧をモニタし、当該自己バイアス電圧を予めの設定値に維持するように移動機構に供給電流を与え、この供給電流に基づき移動機構によって支持部材を移動させることにより、複数のマグネットは、スパッタプロセスによる時間の経過に伴ってエロージョンを受けるターゲット部材の表面上で一定磁界を維持するためターゲット平面に垂直に移動するようにされることを特徴とする。

本発明に係るプラズマ支援スパッタ成膜装置によれば、第１の電極の自己バイアス電圧をモニタする電気回路部によって、当該自己バイアス電圧を予めの設定値に維持するように移動機構に供給電流を与え、この供給電流に基づき移動機構によって支持部材を移動させ、これにより、複数のマグネットを、スパッタプロセスによる時間の経過に伴ってエロージョンを受けるターゲット部材の表面上で一定磁界を維持するようにターゲット平面に垂直に移動させたため、時間が経過してもターゲット部材の一定のスパッタ速度を提供し、かつ変動しないプロセス条件を作ることができる。
また本発明によれば、スパッタリングを受けるターゲット部材の下側の磁界をほとんど一定に維持しかつターゲット部材上の電圧Ｖ_ＤＣを一定に維持することを容易にする。一定の磁界または一定の電圧Ｖ_ＤＣのため、ターゲットのスパッタ速度および基板上の成膜速度は時間が変化しても変化しない。それはＳｉ（シリコン）基板の上に電子的デバイスを作ることにおいて重要な条件である。

第１実施形態のスパッタ装置の縦断面図である。 第２実施形態のスパッタ装置の縦断面図である。 第３実施形態のスパッタ装置の縦断面図である。 ポイントカスプ磁界を示す従来技術としての代表的成膜スパッタ装置の縦断面図である。 図４において示されたプラズマ源に使用されるマグネット配列を示す平面図である。 反対の極性を有する２つのマグネットの間の磁界の強さの変化を示す拡大された解説図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

本発明の第１実施形態が図１を参照して説明される。図１は第１実施形態の概略図を示す。反応容器１の構造は基本的に図１において示された従来の反応容器と同じである。反応容器１は、上部電極２、ターゲット部材２ａ、下部電極３、複数のマグネット４、円筒形の側壁５、ガス入口６、および排気のために使用される出口７を備えている。反応容器１は、円筒形の側壁５、ボトムプレート２１およびトッププレート２３によって形成されている。

上部電極２は、上記のターゲット部材２ａと、ターゲット部材２ａを固定する金属部材２ｂとから構成されている。ターゲット部材２ａは上部電極２の必須の部分である。金属部材２ｂは例えばアルミニウムによって作られている。金属部材２ｂの直径は重要な事項ではなく、処理されるべき基板８の直径に応じて選択される。例えば、基板８の直径がもし２００ｍｍであるならば、金属部材２ｂの直径は２１０ｍｍから３５０ｍｍの範囲にあることになる。ターゲット部材２ａの直径は金属部材２ｂの直径と等しいかまたはそれよりも小さくなる。金属部材２ｂとターゲット部材２ａの厚みは重要なことではなく、しかしながら、できる限り薄いものとして選択され、例えば各々１０ｍｍよりも小さく選択される。これはターゲット部材２ａの下面上で強い磁界を持つためである。ターゲット部材２ａは、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）のごとき金属で作られるかまたはＳｉＯ_２のごとき誘電体部材で作られる。上部電極２は、反応容器１の残りの部分から 電気的に絶縁されるようにするため、２つの部材１７ａ，１７ｂによって作られるリング形状の誘電体リング１７の上に配置される。

複数のマグネット４は、図１に示されるように金属シート９の下面の上に配置されている。マグネット４の平面的な配置（または配列）は基本的に図６に示されたそれと同じである。任意の２つの隣り合うマグネット４の間の間隔は同様にまた同じである。マグネット４の極性は図５に示されるように交互に変化させられている。マグネット４の端面は、通常、好ましくは円形形状であり、しかしながら、四角形状のマグネットを使用することもできる。マグネット４の寸法は重要なことではなく、基板８および反応容器１の各寸法に依存して選択される。通常、マグネット４の直径は５ｍｍから５０ｍｍの範囲にあり、その高さは５ｍｍから５０ｍｍの範囲にあり得る。マグネット４の間の間隔は重要なことではなく、ターゲット部材２ａの下面における必要な磁界の強さに依存して選択される。ターゲット部材２ａの下面での磁界の強さは、それは磁界の線１１９によって示されており、約４００〜６００ガウスであるように設定される。しかしながら、磁界のこの値は重要なことではなく、ターゲット部材２ａの表面において異なる磁界の強さを用いることもできる。

マグネット４が固定された金属シート９は、２つのギヤ１０ａ，１０ｂによって構成されるギヤ装置１０に連結されている。ギヤ装置１０のギヤ１０ａは絶縁ロッド１２を介してモータ１１に連結されており、リング形状の他のギヤ１０ｂは金属シート９の外側の周縁に固定されている。モーター１１および絶縁ロッド１２と結合されたギヤ装置１０は上部電極２の中心軸の周りに前述のマグネット配列を回転させることを容易にする。マグネット配列の回転速度は重要なことではなく、１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲にある。

金属シート９はさらに他の絶縁ロッド１４を介して第２のギヤ装置１３に結合されている。この第２のギヤ装置１３は同様にまたモータ２２に結合されており、それによりマグネット４を備えた金属シート９は条件に従って適当に垂直方向に移動させることができる。マグネット配列の回転動作および垂直移動は図１に従って上記のごとく２つのギヤ装置を用いて説明されたが、マグネット配列の回転動作および垂直移動動作を行うための異なる電気機械的機構を採用することもできる。

図１において、上部電極２、マグネット配列およびギヤ装置１０，１３は、明確に説明するため、および図の明確性のため、より簡単な構成で設けられている。しかしながら、同じ効果を得る目的でこれらのハードウェアを複雑な対応で設けることもできる。例えば、ターゲット部材２ａの下面上での強い磁界を得るため、マグネット４は金属部材２ｂとターゲット部材２ａとの間につくられたキャビティに設けることもできる。この場合において、ギヤ装置の配置は複雑にはなるが、非現実的になるのではない。

上部電極２の金属部材２ｂは整合回路１６を介してｒｆ電源１５に接続されている。ｒｆ電源１５の周波数は重要なことではなく、１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲にあり得る。ｒｆ電源１５に加えて、上部電極２は同様にまた同時にＤＣ電源に接続されてもよい。第１実施形態の場合においてＤＣ電源は省略されており、図１では図示されていない。

下部電極３は金属で作られており、誘電体部材１８の上に配置されることによって反応容器１の他の部分から電気的に絶縁されている。下部電極３は同様にまた整合回路２０を介してｒｆ電源１９に接続されている。しかしながら、下部電極３にｒｆ電力を与えることは必須なことではなく、これらのｒｆ電源１９および整合回路２０を除くこともできる。前述の基板８は下部電極３の上に搭載される。

反応容器を作る前述した側壁５、ボトムプレート２１、およびトッププレート２３は金属で作られており、かつ電気的に接地されている。反応容器１の内部にはプロセスガスを供給する目的でいくつかのガス入口６がある。低い圧力条件の下でｒｆ電源１５が上部電極２にｒｆ電力を与えるとき、反応容器１における基板８の上側空間に容量結合型のメカニズムによってプラズマが生成される。プラズマにおける電子はターゲット部材２ａの下側の磁界の存在によってサイクロトロン回転を行う。これはプラズマ密度を増大させ、基本的にターゲット部材２ａの下側の領域にプラズマを閉じ込める。いったんプラズマが生成されると、ターゲット部材２ａの上に負の自己バイアス電圧（Ｖ_ＤＣ）が発生させられる。この電圧Ｖ_ＤＣのためプラズマにおけるイオンがターゲット部材２ａの方向に加速されることによって付勢される。これらの高いエネルギを持ったイオンの衝突はターゲット部材２ａのスパッタリングの原因となる。もし電圧Ｖ_ＤＣが、十分なスパッタ速度を得るためイオンを付勢するにあまりに低いときには、ＤＣ電源（図示されていない）からターゲット部材２ａに対して負のＤＣバイアスを与えてもよい。ターゲット部材２ａのスパッタリングによってその厚みは次第に減少する。例えば、５０時間ごとの動作でターゲット部材２ａの厚みは１ｍｍごと減少する。ターゲット部材２ａのエロージョン速度を概算するため正確なプロセス条件を伴なって予備的な実験を実行することができる。そのときマグネット配列は第２のギヤ装置１３を用いることによってターゲットのエロージョンの割合に伴なって上方に移動される。それ故に、マグネット４の底部とターゲット部材２ａの下面の間の距離は一定の値に維持される。このことはターゲット部材のライフタイム（寿命）の間を通してターゲット部材２ａの下面における磁界をほとんど一定にするという結果をもたらす。結果として、プラズマの密度およびそれによるスパッタ速度は時間の経過に伴なって一定になる。

次に図２に従って第２の実施形態が説明される。第２実施形態は第１実施形態の拡張である。第２実施形態において、上部電極２は第１実施形態で採用されたｒｆ電力の代わりにＤＣ電力供給器２４からのＤＣ電力が与えられる。この違いを除いて、その他のすべてのハードウェアおよび動作の仕方は第１実施形態で説明されたものと同じである。

次に図３に従って第３の実施形態が説明される。第３実施形態のハードウェアの構成は電気回路２５が付加されたことを除いて第１実施形態のそれと同じである。電気回路２５は上部電極２およびモータ２２に接続されており、それはマグネットアッセンブリ（４，９）の垂直動作を制御する。電気回路２５は上部電極２の自己バイアス電圧（Ｖ_ＤＣ）をモニタし、Ｖ_ＤＣの予めの設定値を維持する目的で金属シート９と共にマグネット配列４を上下動させるための適当な計算を行う。これらの計算によって、電気回路はマグネット４と金属シート９を上下動させるようにモータ２２に対して適当な電流を供給する。従って電気回路２５およびモータ２２から成る当該電気機械的システムはスパッタリングプロセスによるエロージョンがあるにも拘らずそのライフタイムを通してターゲット部材２ａ上のＶ_ＤＣを容易に一定に維持する。

前述した実施形態において、ターゲット、ウェハーホルダ、ウェハーは水平面に位置するように考慮されていた。しかしながら、それらは必ずしも水平面に設けられる必要はない。それらは垂直面あるいは例えば傾斜した面において配置されてもよい。ターゲット、ウェハーホルダ、ウェハー等が垂直な平面に配置されるとき、マグネットアッセンブリの上記の動きはそれらの配置に従って修正される。すなわち、マグネットアッセンブリはターゲット表面上に同じ磁界を維持する目的で水平に動かされる。いかなる配置においても、マグネットアッセンブリはターゲット平面に垂直となるような方向に動かされる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係るプラズマ支援スパッタ成膜装置は、上部電極の自己バイアス電圧をモニタする電気回路部によって、当該自己バイアス電圧を予めの設定値に維持するように移動機構に供給電流を与え、複数のマグネットを、スパッタプロセスによる時間の経過に伴ってエロージョンを受けるターゲット部材の表面上で一定磁界を維持するようにターゲット平面に垂直に移動させ、時間が経過してもターゲット部材の一定のスパッタ速度を提供し、かつ変動しないプロセス条件を作ることに利用される。

１ 反応容器
２ 上部電極
２ａ ターゲット
２ｂ 金属部材
３ 下部電極
４ マグネット
５ 円筒形側壁
７ 出口
８ 基板
９ 金属シート
１０ ギヤ装置
１１ モータ
１３ ギヤ装置
１５ ｒｆ発生器
１７ 誘電体部材
１８ 誘電体部材
１９ ｒｆ発生器
２２ モータ
２４ ＤＣ電源
２５ 電気回路
１１９ 磁界の線

Claims (1)

1. 第１の電極、前記第１の電極と離間して配置されると共に基板が配置されるようにされた第２の電極、ガス導入口、および真空排気口を有する反応容器と、
   前記第１の電極の組込み部であるターゲット部材と、
   前記ターゲット部材の表面の上方であって、前記ターゲット部材から見た平面視で、任意の隣り合う２つの間で等距離を有しかつ交互の極性を有するように、前記ターゲット部材の前面に対応する位置に配置された複数のマグネットと、
   前記複数のマグネットを固定する板状の支持部材と、
   前記支持部材と前記ターゲット部材の距離を変化させるように前記支持部材を前記第１の電極の中心軸に沿う方向に移動させる移動機構と、
   前記第１の電極に接続された、１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲の周波数で動作するｒｆ電源と、
   前記移動機構の移動条件を決める電気回路部と、を備え、
   前記電気回路部は、前記第１の電極の自己バイアス電圧をモニタし、当該自己バイアス電圧を予めの設定値に維持するように前記移動機構に供給電流を与え、この供給電流に基づき前記移動機構によって前記支持部材を移動させることにより、前記複数のマグネットは、スパッタプロセスによる時間の経過に伴ってエロージョンを受ける前記ターゲット部材の表面上で一定磁界を維持するためターゲット平面に垂直に移動するようにされることを特徴とするプラズマ支援スパッタ成膜装置。

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