JP2011231341A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのチャンバで組成の異なる膜をスパッタリングする場合であっても、基板面内のビアホールにおけるボトムカバレッジの均一性を確保することができるスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】同一の形状であり、かつ異種の材料からなるターゲットを、それぞれ複数のスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂ，２０４ａ，２０４ｂに取り付け、さらに、ターゲットにおける同種のものを、スパッタリング対象の基板８の回転中心を対称とした位置に設けられたスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂ，２０４ａ，２０４ｂに搭載する。これにより、基板８における内周と外周との両方において、基板８上方に異種のターゲットが対称位置に配置され、回転時の基板８面内に対するスパッタ粒子の入射角度を小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットが設置される複数のスパッタリングカソードを備えたスパッタリング装置に関するものである。

スパッタリング法は真空蒸着法に比べ、形成される膜厚の制御性が良く、また高融点材料や化合物の薄膜も容易に形成できる薄膜形成技術ということから、広く半導体，ディスプレイ，電子部品などを製造する工業分野に普及している。特に永久磁石や電磁石などを磁気回路として用いるマグネトロンスパッタ法は、薄膜の形成速度が真空蒸着法に比べ約１〜２桁遅いというスパッタリング法の課題を解決し、スパッタリング法による量産化を可能にしている。

従来の一般的なマグネトロンスパッタリングカソードと、そのカソードを搭載したスパッタリング装置およびスパッタリング法について、図１０〜図１２を参照しながら説明する。

図１０は従来の平板ターゲットを有するマグネトロンスパッタリングカソードの概略構成を示す平面図、図１１は図１０におけるＡ−Ａ断面図、図１２は図１０のマグネトロンスパッタリングカソードの全体斜視図である。

図１０において、１は平板状のターゲットであり、該ターゲット１は、インジウムなどのハンダ剤によりバッキングプレート２に接着され、カソード本体３上に設置される。ターゲット１の裏側にはマグネトロン放電用の磁気回路４が、閉じた磁力線５を形成し、かつ該磁力線５の一部がターゲット１の表面で平行になるように配置される。このためターゲット１表面には、図１２に示すように、トロイダル型の閉じたトンネル状の磁場６（網掛部）が形成される。

以上のように構成されたマグネトロンスパッタリングカソードを搭載したマグネトロンスパッタリング装置の動作原理について説明する。

図１３は前記スパッタリングカソードを搭載したスパッタリング装置の概略構成図である。

図１３において、スパッタリングカソード１０３は、通常、真空チャンバ１０７に絶縁材１０８を介して設置される。マグネトロンスパッタリング法による薄膜形成を行うには、真空チャンバ１０７を真空ポンプ１０９などの真空排気系にて高真空（１０^−４〜１０^−５Ｐａ程度）になるまで排気し、Ａｒなどの放電ガスを、ガス導入系のガス流量調整器１１０を通して真空チャンバ１０７に導入し、圧力調整バルブ１１１を調整して真空チャンバ内を１０^−１〜１０^−２Ｐａ程度の圧力に保つ。

ここで、直流もしくは交流構造のスパッタリング電極１１２により、ターゲット１を取り付けたスパッタリングカソード１０３に負の電圧を印加する。これにより、電場と磁気回路によるトロイダル型トンネル状磁場との周辺においてマグネトロン放電が生起する。そして、生起したマグネトロン放電により、ターゲット１がスパッタされ、スパッタ粒子が基板ホルダ７に設置された基板８に堆積し、基板８上に薄膜が形成される。

前記のようなターゲット１が１組のみ真空チャンバ１０７に設置された構成のスパッタリング装置では、基板８に複数の異種の膜を形成するためには、形成される膜の数量分に対応した数のスパッタリング装置が必要となる。

例えば、半導体製造過程などでは、Ｓｉ基板上にＴａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮなどからなるバリア膜と、このバリア膜の上にＣｕ，Ａｌなどからなる電気信号配線膜とを形成する。このような複数の異種の膜を形成する場合、膜の数量分に対応した数のスパッタリング装置が必要となり、設備コストが増大するという課題がある。また、複数の膜形成工程が必要となり、生産リードタイムが増加してしまう。

これらの課題を解決するために、例えば、特許文献１に記載されるような１つのチャンバ内に材料が異なる複数のスパッタリングターゲットを搭載する技術が提案されている。

以下、従来の技術について図１４，図１５を参照しながら説明する。

図１４，図１５において、１２０，１２１は材質が異なるターゲットであり、図１４に示すように、各ターゲット毎にそれぞれ裏面に互いに独立して制御可能に、それぞれのターゲット形状に応じた電磁石１２２，１２３が設けられている。

そして、所定のターゲットに設けられた電磁石のみをオン状態にすることにより、所望の薄膜材料のみのスパッタリングを行うことができるようにし、組成が異なる複数の膜を基板上に堆積することを可能にしている。

特開平８−９２７３６号公報

しかしながら、図１５に示す特許文献１に用いられるリング状のターゲットでは、例えば、ターゲット１２０から飛び出すスパッタ粒子が、基板外周に到達するときの角度、および基板中心に到達するときの角度がそれぞれ大きくなる。

半導体や電子部品などの基板に形成されたビアホールへの良好な段差被覆性（以下、ボトムカバレッジと称す）の要求に対しては、スパッタ粒子の入射角度が小さいことが必要となる。

ボトムカバレッジについて図１６を参照しながら説明する。図１６はビアホール１３０を有する基板８上にスパッタリングにより形成されたスパッタ膜１３１を示している。

ここで、ボトムカバレッジとは、ビアホール１３０の底におけるスパッタ膜の膜厚ａと基板８表面におけるスパッタ膜の膜厚ｂとの比率（ａ／ｂ×１００（％））のことである。

スパッタ粒子１３２がビアホール１３０に対して垂直に飛散すると、スパッタ粒子１３２の底における付着確率が増え、ボトムカバレッジが向上する。これに対して、基板８への入射角度が大きくなると、ビアホール１３０の底に対してスパッタ粒子１３２が到達しない。

そして、ビアホール１３０の底のスパッタ膜厚ａが薄くなると、バリア膜であればバリア性の低下、また信号配線膜であれば配線抵抗の増加に繋がる。

スパッタ粒子の基板に対する到達角度はターゲットの配置構成によっても影響を受ける。従来のようなターゲット配置では、前記のように入射角度が大きくなり、基板面内でのボトムカバレッジの均一性が悪化し、結果としてデバイス性能のばらつきや歩留低下に繋がるという課題を有する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、１つのチャンバで複数の異種の膜を形成する際、基板面内に形成されたビアホールにおけるボトムカバレッジの均一性を向上することができるスパッタリング装置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、本発明は、排気系とガス導入系を有する真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設置され、かつ異種の材料からなる第１ターゲットと第２ターゲットとが少なくとも２つずつ取付けられる複数のスパッタリングカソードと、処理対象の基板が載置され、かつ回転可能な基板ホルダと、前記スパッタリングカソードに接続されるスパッタリング用電極と、を備え、前記第１ターゲットおよび第２ターゲットは、前記基板ホルダの回転中心を中心対称として配置されたことを特徴としている。

本発明の構成によって、ターゲット毎において、基板全面で到達するスパッタ粒子の入射角度を小さくし、基板面内に形成されたビアホールにおいて、ボトムカバレッジの均一性を向上することができる。

本発明によれば、１つのチャンバで複数の異種の膜を形成するスパッタリング装置であっても、基板面内においてのボトムカバレッジの均一性を向上することが可能となる。

本発明の実施の形態１のスパッタリング装置においてスパッタリングカソードと基板との位置関係を示す平面図 実施の形態１のスパッタリングカソードを図１におけるＡ−Ａ線で断面して示す構成図 実施の形態１のスパッタリングカソードを搭載したスパッタリング装置の概略構成図 本発明のスパッタリング装置と従来例のスパッタ装置とにおける基板上に形成されたビアホールのボトムカバレッジの分布を示す図 本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態２におけるスパッタリングカソードと基板との位置関係を示す平面図 実施の形態２におけるターゲットと電磁石との位置関係の概略を示す平面図 図６に示す実施の形態２におけるＡ−Ａ断面図 実施の形態２の要部を示す説明図 図８の構成におけるＬ１１およびＬ１２の寸法とエロージョン−基板間の距離との関係の実数値を示す図 従来のマグネトロンスパッタリングカソードの概略構成を示す平面図 図１０の従来のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるＡ−Ａ断面図 図１０の従来のマグネトロンスパッタリングカソードの斜視図 図１０の従来のマグネトロンスパッタリングカソードを搭載した一般的なスパッタリング装置の概略構成図 複数の異種の膜を形成する従来のスパッタリング装置の概略構成図 図１４の従来の装置に用いられるターゲットを示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）断面図 一般的な基板におけるビアホールのカバレッジについての説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ部材については、同じ符号を用いて詳しい説明は省略する。また、その基本的な動作方法も従来のマグネトロンスパッタリング装置と同一であるので、詳細な説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１のスパッタリング装置においてスパッタリングカソードと基板との位置関係を示す平面図、図２は実施の形態１のスパッタリングカソードを図１におけるＡ−Ａ線で断面して示す構成図である。

図１，図２において、実施の形態１のスパッタリング装置は、４基のスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂ，２０４ａ，２０４ｂを搭載している。その内、内周スパッタリングカソード２０３ａに取り付けられたターゲット２０１ａと、外周スパッタリングカソード２０３ｂに取り付けられたターゲット２０１ｂとの材料を同一組成材料とする。また、ターゲット２０１ａ，２０１ｂ（第１ターゲット）とは異なる組成材料からなるターゲット２０２ａ，２０２ｂ（第２ターゲット）を、他の内周スパッタリングカソード２０４ａと外周スパッタリングカソード２０４ｂとに取り付けている。

ターゲット２０１ａとターゲット２０１ｂは同種の組成材料からなる。また、ターゲット２０２ａと２０２ｂは、ターゲット２０１とは異なる同種の組成材料からなる。

また、ターゲット２０１ａとターゲット２０２ａは同一形状であり、ターゲット２０１ｂとターゲット２０２ｂは同一形状である。また、スパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂと２０４ａ，２０４ｂの位置関係は、基板８の回転中心Ｏを中心として対称配置ある。さらにスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂと２０４ａ，２０４ｂの長手方向の長さＬ１は、基板８の直径よりも大きい。

実施の形態１におけるスパッタリング装置の全体構成を図３に示す。動作原理は、基本的に図１３にて説明したスパッタリング装置と同様である。

すなわち、真空ポンプなどからなる排気系１０９にて真空チャンバ１０７を高真空になるまで排気し、真空チャンバ１０７にガス流量調整器などからなるガス導入系１１０を通してＡｒなどの放電ガスを導入する。そして、直流もしくは交流構造のスパッタリング電極１１２により、ターゲット２０１ａ，２０１ｂまたは２０２ａ，２０２ｂを取り付けたスパッタリングカソード２０３，２０３ｂまたは２０４ａ，２０４ｂに負の電圧を印加する。

これにより、電場と磁気回路によるトロイダル型トンネル状磁場との周辺においてマグネトロン放電が生起する。そして、生起したマグネトロン放電により、ターゲット２０１ａ，２０１ｂまたは２０２ａ，２０２ｂがスパッタされ、スパッタ粒子が、モータなどの駆動部１０にて回転駆動される基板ホルダ７に載置された基板８に堆積し、基板８上に薄膜が形成される。

また、実施の形態１におけるターゲット２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂは、前述と同様に基板ホルダ７（あるいは基板８）の中心軸９に対して対称位置に配置する。また、基板８において、中心を通り両端点が円周にある線分を考えたとき、前記線分の少なくとも１本がターゲット２０１および２０２を交互に通過することとする。すなわち、基板８の回転時、基板８のスパッタ面が、異種の材料からなる各ターゲット２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂを交互に通過するようにする。

実施の形態１において、スパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂに取り付けたターゲット２０１ａ，２０１ｂによるスパッタリング成膜を行う場合、スパッタリング電極１１２および磁気回路４をオン状態にする。これにより、内周スパッタリングカソード２０３ａのターゲット２０１ａと、外周スパッタリングカソード２０３ｂのターゲット２０１ｂとの２つのターゲットから、基板ホルダ７上に載置された基板８にスパッタ粒子が放出される。

ここで、基板８が静止した状態について考えると、基板８に形成されたビアホールへのボトムカバレッジを考えると、ターゲット２０１ａおよび２０１ｂの直下においてはスパッタ粒子入射角度が小さくボトムカバレッジは大きいが、直下を外れる領域では入射角度が大きくなる。

しかしながら、本実施の形態１では、基板８を載置した基板ホルダ７を自転（基板ホルダ７の中心軸９を中心とした回転）させながらスパッタリングを行っている。そのため、この基板ホルダ７の自転を考慮すると、図１の状態においてターゲット直下を外れる領域は、１８０度回転した後、ターゲットの直下に到達することにより、入射角度の差が相殺され、その結果、基板８におけるスパッタ面の全面でボトムカバレッジの均一性が向上する。

さらに、本実施の形態１において、図１に示すように、内周スパッタリングカソード２０３ａのターゲット２０１ａの幅Ｌ２と、外周スパッタリングカソード２０３ｂのターゲット２０１ｂの幅Ｌ３との比率が、Ｌ２：Ｌ３＝４：３であることが、基板８上へ到達するスパッタ粒子の入射角度のばらつきが最も小さく、基板８全面でボトムカバレッジの均一性が向上する。

なお、前記幅Ｌ３が前記比率より大きくなると、基板８面内の内周におけるボトムカバレッジが向上する代わりに、外周におけるボトムカバレッジが低下する。

図４は本実施の形態１のビアホールにおけるボトムカバレッジの分布状態と、図１５に示す従来装置のビアホールにおけるボトムカバレッジの分布状態を示す図である。図４では、縦軸はボトムカバレッジの大小を示し、横軸は基板８中心からの直径方向の位置を示す。

図４において、２点鎖線２１１は、図１４と図１５に示す従来のターゲット１２０，１２１を用いた場合の基板８面内のビアホールにおけるボトムカバレッジの分布である。また、破線２１２は、図１４，図１５に示す従来のターゲット１２１を用いた場合の基板８面内のビアホールにおけるボトムカバレッジの分布である。さらに、実線２１０は、本実施の形態１のターゲット２０１ａ，２０１ｂおよび２０２ａ，２０２ｂの基板８面内のビアホールにおけるボトムカバレッジの分布である。

破線２１２では山状のボトムカバレッジ分布となり、二点鎖線２１１では谷状のボトムカバレッジ分布になることは、前述したスパッタ粒子の基板８への入射角度の関係から説明できる。実線２１０のボトムカバレッジ分布が平坦になる要因は、ターゲットが内周と外周との両方を覆っていることにより、基板８へ到達するスパッタ粒子の入射角度が小さくなることにある。

また、他の組成材料からなるターゲット２０２ａ，２０２ｂのスパッタリングを行う場合は、スパッタリングカソード２０４ａ，２０４ｂに接続されたスパッタリング電源１１２および電磁石４をオン状態にすることにより、ターゲット２０２ａ，２０２ｂのみのスパッタリング成膜を行うことができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置のスパッタリングカソードと基板との位置関係の概略を示す平面図である。

実施の形態２におけるスパッタリング装置が実施の形態１と異なる構成は、内周と外周との２基のスパッタリングカソード対２０３ａ，２０３ｂと２０４ａ，２０４ｂとを、カソード部材２０３ｃ（第１カソード部材），２０４ｃ(第２カソード部材)により接続したことにある。動作方法については実施の形態１と同様であるため省略する。

実施の形態２のターゲット配置においても、ターゲットは、基板ホルダ７の中心Ｏに対して対称位置に配置される。そして、実施の形態１にて説明したように、基板８において中心Ｏを通り両端点が円周にある線分を考えたとき、前記線分の少なくとも１本がスパッタリングカソード２０３，２０４に取り付けられたターゲット２０１および２０２を交互に通過することとする。

本実施の形態２においては、同一組成材料からなるターゲットの枚数を減らすことで、スパッタリングカソードに付随する機構を低減することができ、装置コストダウンに繋がる。

図６は本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置のスパッタリングカソードと電磁石との位置関係を示す平面図、図７は図６におけるＡ−Ａ断面図である。電磁石Ｎ極２０５は常にＯＮ状態にあるが、スパッタリングカソード２０３の電磁石Ｓ極２０６およびスパッタリングカソード２０４の電磁石Ｓ極２０７は、スパッタリング対象のターゲットに対応する電磁石のみをオン状態にすることにより、互いの磁場干渉を抑制している。

図８は本発明の実施の形態２における要部を示す説明図である。本実施の形態２では、基板８の直径を２００ｍｍとし、ターゲット２０１の幅Ｌ１０も２００ｍｍとする。ターゲット２０１，２０２の間には、アースシールド等の隙間Ｌ１１が必要となり、Ｌ１１＝２０ｍｍとする。

ここで、基板８内周を覆うターゲット辺ａの幅をＬ１１、基板８外周を覆うターゲット辺ｂの幅をＬ１２とする。さらに、図６に示す磁石配置を用いるとき、ターゲット上でのマグネトロン放電が生起する部位（以下、エロージョンと称す）の中心は縦方向ｙのみを考えた場合、前記Ｌ１１とＬ１２とではターゲット端から、それぞれ１／４と３／４の距離となる。

図９は図８の構成におけるＬ１１とＬ１２の寸法とエロージョン−基板間の距離との実数値を表化して示す図である。図８の基板８の中心点を座標（０，０）とし、縦方向ｙのみを示したものである。

図８におけるエロージョンから基板８における最も遠い点での距離は、Ｌ１１およびＬ１２を変化させることにより、辺ａと辺ｂとの間、あるいは辺ａより上側に存在する。このため、基板８全面での均一性向上を図るためには、両方の値が小さいことが求められる。

図８において、Ｌ１１＝４０ｍｍ，Ｌ１２＝３０ｍｍの条件において、辺ａと辺ｂとの間、および辺ａより上側の値の差が小さくなる。この条件でスパッタ粒子が基板８へ到達するときの入射角度を考えた場合、基板８とターゲット２０１間の高さ方向の距離を２８５ｍｍとすると、最大入射角度θは９．９５°となる。

例えば、１つのチャンバ内に組成の異なる長方形のターゲットを各１枚配置した場合の最大入射角度θは２１．８°となり、このときのボトムカバレッジを基板面内全体で約２０％とした場合、実施の形態２における１つのチャンバ内に組成の異なる『コの字』ターゲットを各１枚配置し、かつ図８と図９に示す実施の形態２の最適寸法を用いた場合、基板面内でのボトムカバレッジは、約１０ポイントアップして３０％程度となる。

本発明のスパッタリング装置は、１つのチャンバで、材料形成が異なる複数の薄膜を形成することができ、基板に形成されたビアホールへのボトムカバレッジの均一性を向上することが可能である。このため、半導体デバイスに利用されるバリア膜，電気信号配線膜を、安価で高品質・高歩留に生産する装置および方法に適用することができる。

４ 磁気回路
７ 基板ホルダ
８ 基板
１０７ 真空チャンバ
１０９ 排気系
１１０ ガス導入系
１１２，１１３ スパッタリング電極
１３０ ビアホール
１３１ スパッタ膜
１３２ スパッタ粒子
２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂ ターゲット
２０３ａ，２０３ｂ，２０４ａ，２０４ｂ スパッタリングカソード
２０３ｃ，２０４ｃ カソード部材

Claims (5)

1. 排気系とガス導入系を有する真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設置され、かつ異種の材料からなる第１ターゲットと第２ターゲットとが少なくとも２つずつ取付けられる複数のスパッタリングカソードと、
   処理対象の基板が載置され、かつ回転可能な基板ホルダと、
   前記スパッタリングカソードに接続されるスパッタリング用電極と、を備え、
   前記第１ターゲットおよび第２ターゲットは、前記基板ホルダの回転中心を中心対称として配置されたこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記基板のスパッタ面に平行な面に、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットとが、交互に配置されたこと
   を特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 複数の前記第１ターゲットが取付けられる複数の前記スパッタリングカソード同士が１カソード部材を介して接続され、
   複数の前記第２ターゲットが取付けられる複数の前記スパッタリングカソード同士が第２カソード部材を介して接続されていること
   を特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
4. 前記基板ホルダ回転時に、該基板のスパッタ面が異種の材料からなる前記各ターゲットを交互に通過する構造であること
   を特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のスパッタリング装置。
5. 前記各ターゲットをそれぞれ独立して制御する磁気回路を備えたこと
   を特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のスパッタリング装置。

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