JP2010084212A - 反応性スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理基板Ｓと処理基板Ｓに対向するターゲット６とを配置した真空チャンバー１内にスパッタガスと反応ガスとを供給する手段を備える反応性スパッタリング装置において、処理基板Ｓが大径化しても、処理基板Ｓの全域に亘り均質な化合物の薄膜を形成できるようにする。
【解決手段】ターゲット６にガス導入孔１２を形成し、ガス導入孔１２から処理基板Ｓに向けて反応ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理基板に金属化合物等の薄膜を形成するのに使用する反応性スパッタリング装置に関する。

反応性スパッタリング装置は、処理基板と処理基板に対向するターゲットとを配置した真空チャンバー内にスパッタガスと反応ガスとを供給する手段を備え、ターゲットと処理基板との間でのグロー放電によりプラズマを形成して、スパッタガスのイオンによりターゲットをスパッタし、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子と反応ガスとの反応で生じる化合物から成る薄膜を処理基板上に形成するように構成されている。

ここで、従来の反応性スパッタリング装置において、スパッタガスと反応ガスの供給手段は、一般的に、真空チャンバー内のターゲットと処理基板との間の空間にその周囲からスパッタガスと反応ガスとを導入するように構成されている(例えば、特許文献１参照)。

ところで、最近は処理基板が大径化している。そして、従来の如くターゲットと処理基板との間の空間にその周囲から反応ガスを導入したのでは、大径化した処理基板の周辺部分において反応ガスがスパッタ粒子との反応で消費されてしまい、処理基板の中央部分では反応ガスが不足して、薄膜中の化合物の割合が低下してしまう。
特開平６−２４０４５３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、処理基板が大径化しても、処理基板の全域に亘り均質な化合物の薄膜を形成できるようにした反応性スパッタリング装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、処理基板と処理基板に対向するターゲットとを配置した真空チャンバー内にスパッタガスと反応ガスとを供給する手段を備える反応性スパッタリング装置において、反応ガスの供給手段は、ターゲットに形成したガス導入孔から処理基板に向けて反応ガスを供給するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットに形成したガス導入孔から処理基板に向けて反応ガスが供給されるため、処理基板が大径化しても、処理基板の全域に亘って均等に反応ガスを供給することができる。その結果、スパッタ粒子と反応ガスとの反応で生ずる化合物の薄膜を処理基板の全域に亘り均質に形成することができる。

尚、ガス導入孔がターゲットの中心部のみに形成されていると、処理基板が大径化し、且つ、ターゲットと処理基板との間の距離が短くなった場合、処理基板の周辺部まで反応ガスが拡散しにくくなる。一方、ガス導入孔が、ターゲットの中心から離れた位置に、周方向の間隔を存して複数形成されていれば、処理基板が大径化し、且つ、ターゲットと処理基板との間の距離が短くなった場合でも、処理基板の全域に亘って均等に反応ガスを供給することができ、有利である。

図１は本発明の実施形態の反応性スパッタリング装置を示している。このスパッタリング装置は、真空チャンバー１を備えている。真空チャンバー１には、図外の真空ポンプに連なる排気口２が設けられている。

真空チャンバー１内の下部には、ステージ３が設けられており、ステージ３上に半導体基板、ガラス基板等の処理基板Ｓが保持される。また、ステージ３は、絶縁部材３ａにより真空チャンバー１に対し電気的に絶縁されている。そして、ステージ３に、高周波電源４により例えば１３．５６ＭＨｚの高周波バイアス電圧を印加できるようにしている。

真空チャンバー１の天井部には、バッキングプレート５が設けられており、バッキングプレート５の下面に、処理基板Ｓに対向するＴｉ等の金属製のターゲット６が取り付けられている。また、バッキングプレート５は、絶縁部材５ａにより真空チャンバー１に対し電気的に絶縁されている。そして、バッキングプレート５に、直流電源７と高周波電源８とにより負の直流電圧と例えば６０ＭＨｚの高周波電圧とを重畳して印加できるようにしている。

バッキングプレート５の上方には、ターゲット６の表面近傍に電子を封じ込めてプラズマを高密度化するための磁気回路９が設けられている。磁気回路９は、図外のモータによりターゲット６と同心の軸回りに回転する回転板９ａに内外２重の磁石列９ｂ，９ｃを配置し、両磁石列９ｂ，９ｃ間に磁界が形成されるようにしたものである。磁石列９ｂ，９ｃは、回転板９ａが１回転したときにターゲット６の全ての場所でプラズマが同一時間存在するように渦巻き状にレイアウトされている。また、真空チャンバー１内には、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の空間を囲うようにして、上部シールド１０Ｕと下部シールド１０Ｌとが設けられている。

スパッタリングを行う際は、真空チャンバー１内を真空にした後、後記詳述する供給手段１１により真空チャンバー１内１にＡｒ等のスパッタガスと窒素、酸素等の反応ガスとを供給し、この状態でステージ３とバッキングプレート５とに上記の如く電圧を印加する。これによれば、ターゲット６と処理基板Ｓとの間でグロー放電を生じ、このグロー放電によりプラズマが形成される。そして、スパッタガスのイオンによりターゲット６がスパッタされ、ターゲット６から叩き出されたスパッタ粒子と反応ガスとの反応で生じる化合物から成る薄膜が処理基板Ｓ上に形成される。

ここで、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の空間にその周囲から反応ガスを供給したのでは、処理基板Ｓが大径のものである場合、処理基板Ｓの周辺部分において反応ガスがスパッタ粒子との反応で消費されてしまい、処理基板Ｓの中央部分では反応ガスが不足して、薄膜中の化合物の割合が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、ターゲット６にガス導入孔１２を形成し、このガス導入孔１２から処理基板Ｓに向けて反応ガスが供給されるように供給手段９を構成している。具体的には、ターゲット６の中心に、ターゲット６の表裏に貫通するガス導入孔１２を形成し、バッキングプレート５にガス導入孔１２に連通するガス供給路１３を設けて、このガス供給路１３にスパッタガス源１４及び反応ガス源１５からマスフローコントローラ１４ａ，１５ａを介してスパッタガス及び反応ガスを供給している。

これによれば、ターゲット６に形成したガス導入孔１２から処理基板Ｓに向けて反応ガスが供給されるため、処理基板Ｓが大径化しても、処理基板Ｓの全域に亘って均等に反応ガスを供給することができる。その結果、スパッタ粒子と反応ガスとの反応で生ずる化合物の薄膜を処理基板Ｓの全域に亘り均質に形成することができる。

以上の効果を確かめるため、本実施形態のスパッタリング装置を用い、処理基板Ｓ上にＴｉＮの薄膜を形成する試験を行った。試験条件は、処理基板Ｓの直径３００ｍｍ、Ｔｉから成るターゲット６の直径４４０ｍｍ、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の距離４５ｍｍ、スパッタガス(Ａｒ)の流量１００ｓｃｃｍ、反応ガス(Ｎ_２)の流量８ｓｃｃｍ、真空チャンバー１の内圧２０Ｐａ、高周波電源４からの供給電力４００Ｗ、直流電源７からの供給電力１４ｋＷ、高周波電源８からの供給電力０Ｗとした。また、比較のために、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の空間にその周囲からスパッタガス及び反応ガスを供給する従来のスパッタリング装置を用い、上記と同一の条件で処理基板Ｓ上にＴｉＮの薄膜を形成する試験を行った。そして、処理基板Ｓ上の各位置における薄膜の比抵抗を測定した。

図３のａ線は、本実施形態のスパッタリング装置で形成した薄膜の比抵抗の分布を示し、図３のｂ線は、従来のスパッタリング装置で形成した薄膜の比抵抗の分布を示している。尚、図３の横軸は処理基板Ｓの中心からの距離を示している。これから明らかなように、従来のスパッタリング装置でＴｉＮの薄膜を形成した場合は、処理基板Ｓの中央部において、Ｎ_２ガスが不足して薄膜中のＴｉＮの割合が減少して比抵抗が低下するのに対し、本実施形態のスパッタリング装置でＴｉＮの薄膜を形成した場合は、処理基板Ｓの全域に亘り比抵抗がほぼ均等になっている。これは、処理基板Ｓの全域に亘って均等にＮ_２ガスが供給され、ＴｉＮの薄膜が処理基板Ｓの全域に亘り均質に形成されたことを意味している。

ところで、処理基板Ｓ上に形成された微細なホール内に亘って薄膜を形成する場合、処理基板Ｓの周辺部では、処理基板Ｓの径方向内方側のホール内壁部分の膜厚が処理基板Ｓの径方向外方側のホール内壁部分の膜厚よりも薄くなり、ステップカバレージが悪くなることがある。ここで、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の距離を４５ｍｍ以下に短くすると、処理基板Ｓの周辺部でのステップカバレージを改善できることが判明した。

然し、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の距離を短くすると、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の空間にその周囲から反応ガスを供給する従来のスパッタリング装置では、反応ガスが処理基板Ｓの中央部分まで拡散しにくくなり、処理基板Ｓの中央部分での薄膜中の化合物の割合が低下する傾向が強くなる。これに対し、本実施形態のようにターゲット６に形成したガス導入孔１２から処理基板Ｓに向けて反応ガスを供給すれば、処理基板Ｓとターゲット６との間の距離を４５ｍｍ以下に短くしても、処理基板Ｓの中央部分で薄膜中の化合物の割合が低下することはない。

尚、上記第１実施形態の如くガス導入孔１２をターゲット６の中心にのみ形成したのでは、ターゲット６と処理基板Ｓとの間の距離が短く、且つ、処理基板Ｓが大径化した場合、処理基板Ｓの周辺部にまで反応ガスが拡散しにくくなる。この場合は、図２に示す第２実施形態の如く、ターゲット６の中心から離れた位置に、周方向の間隔を存して複数のガス導入孔１２を形成すればよい。これによれば、処理基板Ｓの周辺部にも十分に反応ガスが拡散し、処理基板Ｓの全域に亘り化合物の薄膜を均質に形成することができる。また、第２実施形態において、ターゲット６の中心にもガス導入孔を形成することも可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、ターゲット６に形成したガス導入孔１２から反応ガスに加えてスパッタガスも供給しているが、スパッタガスはターゲット６と処理基板Ｓとの間の空間にその周囲から供給してもよい。

本発明の第１実施形態の反応性スパッタリング装置を示す概略断面図。 本発明の第２実施形態の反応性スパッタリング装置を示す概略断面図。 処理基板上に形成された薄膜の比抵抗の分布を示すグラフ。

符号の説明

Ｓ…処理基板、１…真空チャンバー、６…ターゲット、１１…供給手段、１２…ガス導入孔。

Claims (2)

1. 処理基板と処理基板に対向するターゲットとを配置した真空チャンバー内にスパッタガスと反応ガスとを供給する手段を備える反応性スパッタリング装置において、
   反応ガスの供給手段は、ターゲットに形成したガス導入孔から処理基板に向けて反応ガスを供給するように構成されることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
2. 前記ガス導入孔は、前記ターゲットの中心から離れた位置に、周方向の間隔を存して複数形成されることを特徴とする請求項１記載の反応性スパッタリング装置。
   
   
   
   
   
   

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