JP4002317B2 - Plasma sputtering equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマスパッタ装置に関し、特に誘導結合プラズマ(ICP)方式のスパッタ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラズマスパッタプロセスにおいては、プラズマの高密度化という要請がある。かかる高密度プラズマ技術の一つとしてICP方式が研究されている。ICP方式のスパッタ装置としては、図5に示すように、一般的な直流2極又は高周波2極スパッタ装置の真空チャンバ2内にコイル4を設け、このコイル4に高周波電力を印加することで高密度プラズマを生成するものが考えられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述した型式のICPスパッタ装置においては、コイル4に印加された高周波によって生じる誘導電界の作用により、プラズマ密度がコイル近傍ほど高くなる傾向がある。これに対して、スパッタプロセスでは、プラズマ密度を均一にすることが求められる。また、高アスペクト比のホール等を確実に埋めるためには、スパッタ原子をイオン化しスパッタ原子に異方性を持たせるという手段があるが、その場合、特に被処理基板6の中心上方領域のイオン化率を高めることが必要となる。このような事情から、コイル4の内径を可能な限り小さくして、被処理基板6の近傍にコイル4を配置することが好ましいと考えられる。
【0004】
しかしながら、コイル4の内径を小さくした場合、従来のコイル4は銅製であったため、当該コイル4への金属膜の付着や再スパッタによる発塵等が問題となる。この問題はコイル4の内側に適当なシールドを設けることで解決され得るが、シールドの存在によりコイル4の内径が大きくなってしまう。
【0005】
本発明は、上記問題点を解決することのできる新規なICP方式のプラズマスパッタ装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、真空チャンバ内に誘導結合プラズマを発生させるプラズマスパッタ装置において、前記誘導結合プラズマを発生すべく真空チャンバ内に配置された略円筒形の一巻き型のコイルと、前記コイルに高周波電力を印加する高周波電源とを備えたことを特徴としている。
【0007】
本発明を2極スパッタ装置に適用した場合、前記コイルは基板支持手段とターゲットとの間に配置されるが、このコイルは略円筒形であるので、シールドを兼用させることが可能となり、コイルの内径を十分に小さくすることが可能となる。
【0008】
また、コイルを成膜材料と同一の導電性材料から構成し、或は、コイルの少なくとも内周面を成膜材料と同一の材料で被覆することで、スパッタ原子の付着や再スパッタによる発塵等の問題を抑制することができる。
【0009】
このようにコイルに成膜材料を用いた場合、コイルに負の電位を与えることで、コイル自体をターゲットとして用いることが可能となる。プラズマはコイルの内周面近傍に生成され、その位置で維持される傾向があるため、コイルからのスパッタ原子のイオン化率が向上される。基板支持手段は陽極となるため、イオン化されたスパッタ原子は異方性をもって支持手段上の基板に入射する。
【0010】
コイルの内周面近傍にプラズマを閉じ込めるためには、コイルの外側に複数の磁石を配置し、マグネトロン型とすることが好適である。エロージョンを一様化するために、これらの磁石はコイルの中心軸線を中心として回転駆動されてもよい。
【0011】
また、略円筒形の一巻き型コイルにより生じる誘導電界が弱い場合には、補助コイルとして、螺旋状のコイルを略円筒形コイルを囲うようにして配設し、直列に接続してもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明によるICP方式のスパッタ装置の第1実施形態を概略的に示したものである。図示のスパッタ装置はチタン(Ti)膜成膜用のものであり、真空チャンバ10を構成するステンレス鋼製のチャンバ本体12と、その上部開口部に絶縁リング14を介して配置されたTi製のターゲット16とを備えている。チャンバ本体12の内部には、ターゲット16と同軸に基板支持手段たるペディスタル18が配置されている。ペディスタル18は、その上面で被処理基板である半導体ウェハ20を支持するよう構成されている。また、ペディスタル18は導電性材料から成り、好ましくは、Tiスパッタプロセスに対して融和性の高いTiから作られている。このペディスタル18は、リフト機構22により、スパッタプロセスが行われるプロセス位置(図1において実線で示す位置)と、その下方の非プロセス位置(図1において二点鎖線で示す位置)との間で上下動可能となっている。
【0013】
このスパッタ装置における真空チャンバ10内には、スパッタプロセスに利用されるプラズマを発生するためのICPユニット24が配設されている。ICPユニット24は、図2に明示するように、略円筒形のコイル26と、このコイル26を囲むように配置された螺旋状のコイル28とから構成されている。
【0014】
コイル26はターゲット16と同じ導電性材料、すなわちTiから作られており、外観は略円筒体であるが、軸線方向に沿って入れられたスリット30により1回巻きコイルとして機能するようになっている。このコイル26は、ターゲット16及びペディスタル18の共通軸線と同軸に配置され、その内径は可能な限り小さくされている。また、コイル26は、ターゲット16の近傍からプロセス位置のペディスタル18の近傍まで延びており、スパッタ原子からチャンバ本体12等を保護するためのシールドとしても機能するよう構成されている。なお、図1において、符号32はコイル26では保護することができない下部部分を保護するためのシールドを示している。一方、外側のコイル28は、良導体、例えば銅製のチューブを適当回数、螺旋状に巻いて成るものであり、略円筒形のコイル26、及び、高周波電源34と整合回路36に直列に接続されている。
【0015】
また、ターゲット16には直流電源38の負端子が接続され、ペディスタルに18は高周波電源40が整合回路42を介して接続されている。更に、チャンバ本体12には、プロセスガスの供給手段としてのArガス供給源と、真空チャンバ10内を減圧するための真空ポンプとが接続されている。
【0016】
このような構成のスパッタ装置において、半導体ウェハ20の表面にTiを成膜する場合、まず、真空ポンプを作動させて真空チャンバ10内を所定の真空度まで減圧した後、Arガス供給源から所定流量でArガスを真空チャンバ10内に導入する。次いで、ペディスタル18の上面に半導体ウェハ20を載置し、ペディスタル18を上昇させてプロセス位置に配置する。
【0017】
この後、高周波電源34をオンにして、所定周波数(例えば2.0MHz)の高周波電力をコイル26,28に印加すると、これらのコイル26,28により囲まれた領域には高周波誘導磁場による誘導電界が生じる。この誘導電界により当該領域に存在する電子が加速され、これによってArガスの高密度プラズマが生成される。
【0018】
また、高周波電源40をオンにしてターゲット16及びペディスタル18間に所定周波数(例えば1.8MHz)の高周波電力を印加すると共に、直流電源38をオンにしてターゲット16に負のバイアスをかけると、プラズマ中の正のArイオンが、負に電荷しているターゲット16を衝撃する。Arイオンがターゲット16に衝突すると、ターゲット16からスパッタ原子、すなわちTi粒子がはじき出される。
【0019】
このTi粒子は、ICPユニット24により生成された高密度プラズマ中を通過する間にイオン化され、陽極であるペディスタル18に向い、その上に載置されている半導体ウェハ20上に異方性をもって堆積される。この作用については従来構成と同様であるが、前述したように、プラズマ生成領域を画する略円筒形のコイル26はシールドを兼ねているため、シールドが不要な分だけコイル26の内径を小さくすることができる。その結果、半導体ウェハ20の中央部の上方領域におけるプラズマも高密度化することが可能となり、従来においては不十分であった中央部のTi粒子のイオン化率が高められる。これはTi粒子の半導体ウェハ20への異方性を増し、底部カバレッジを改善することとなる。
【0020】
なお、図示実施形態のスパッタ装置はプレーナマグネトロンタイプであり、ターゲット16の上方に複数の磁石44が配設されている。これらの磁石44により形成される磁界は、電子にターゲット16の表面(下面)に沿ってトロコイド運動を行わせ、ターゲット16の近傍にプラズマを閉じ込めるよう作用する。これによっても、中央部におけるTi粒子のイオン化率が改善される。
【0021】
このスパッタプロセス時、コイル26の内周面にTi粒子が付着するが、コイル26はターゲット16と同一の材料から作られているため、Ti粒子の付着性は良好である。また、コイル26上で再スパッタが生じても、その再スパッタ原子は汚染粒子とはならずに、成膜材料として半導体ウェハ20上に堆積される。
【0022】
図3は、本発明によるICP方式のスパッタ装置の第2実施形態を概略的に示している。この実施形態は、ICPユニット24におけるTi製の略円筒形コイル26をターゲットとしても利用しようとするものである。このために、コイル26には、高周波電源34の他に、負の電位を与えるべく直流電源46の負端子が接続されている。
【0023】
また、チャンバ本体12の上部開口部にはシールド48が設けられている。このシールド48はTi製又は導電性のプレートにTiを被覆したものであり、切換えスイッチ50によりグラウンド又は直流電源52の負端子のいずれかに接続されるようになっている。
【0024】
更に、ICPユニット24の外側には複数の磁石54が周方向に沿って等間隔に配置されている。これらの磁石54は、ICPユニット24により発生されたプラズマを磁界によってコイル26の内周面近傍に閉じ込めるためのものである。なお、図示実施形態では、磁石54はチャンバ本体12の内壁面に固着されているが、チャンバ本体12の外側に配置してもよく、また、周方向に回転駆動するようにしてもよい。その他の構成については、図1のものと同様であり、同一又は相当部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0025】
このような構成においてTi膜を成膜する場合は、前述の第1実施形態と同様に、真空チャンバ10内を所定の真空度まで減圧し、Arガスを真空チャンバ10内に導入すると共に、半導体ウェハ20が載置されたペディスタル18をプロセス位置に配置する。そして、高周波電源34をオンにして高周波電力をコイル26,28に印加し、コイル26の内側に高密度プラズマを発生させる。この発生した高密度プラズマはICP方式の特性としてコイル26の内周面近傍に集まる傾向があるが、周囲の磁石54により形成される磁界の作用によって、コイル近傍での閉込め性は更に向上される。
【0026】
高周波電源34のオンと同時に直流電源46もオンとし、コイル26に負の電位を与えると、コイル26の内周面近傍に存するプラズマ中のArイオンがコイル26の内周面を叩き、Ti粒子をスパッタする。前述したように、コイル26の近傍ではプラズマが高密度で閉じ込められているため、スパッタ率は極めて高くなる。また、コイル26からスパッタされたTi粒子は、そのほぼ全てがコイル近傍の高密度プラズマ中を通過するため、非常に高い割合でイオン化される。この際、真空チャンバ10内の圧力を適度に上昇させると(数十mTorr〜百mTorr)、イオン化が更に促進され、且つ、真空チャンバ10の中央部にもTi粒子が散乱していくため、好適である。
【0027】
一方、高周波電源40をオンにしてシールド48とペディスタル18との間に高周波電力を印加すると、イオン化されたTi粒子は陽極であるペディスタル18上の半導体ウェハ20に異方性をもって堆積される。また、切換えスイッチ50を切り換えてシールド48に負の電位を与えると、シールド48の下面でもスパッタ現象が生じ、Ti粒子がシールド48の下面からも放出される。これにより、半導体ウェハ20の上方領域におけるTi粒子の分布を制御することが可能となる。
【0028】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、ペディスタル18とターゲット16又はシールド48との間に高周波を印加しているが、直流電圧を印加するようにしてもよい。
【0029】
また、上記実施形態ではコイル26はTiの無垢材から成るものであるが、導電性の略円筒形コイル部材にTiを被覆したものでもよい。勿論、成膜材料がTi以外のものでも本発明は適用可能である。
【0030】
更に、外側の螺旋状コイル28は補助的なものであり、巻数は適宜設定可能であり、このコイル28を省略することも可能である。
【0031】
更にまた、コイル26のスリット30は、シールド機能の確保や異常放電の防止、再デポによるショート対策等を考慮して種々の形状とすることができる。例えば、図4に示すように、スリット30を接線方向に対して斜めに形成した場合、スリット部分でのシールド効果の低下を抑制できる。
【0032】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ICPユニットのコイルを略円筒形としたため、シールドとしても利用することができる。従って、本発明のICPユニットを真空チャンバ内に設ける場合に、コイルの内径を相当に小さくすることができ、コイルの内側中央部でもプラズマの密度を高くすることが可能となる。これにより、従来の2極型スパッタ装置に本発明を適用した場合、ターゲット中央部からのスパッタ原子のイオン化率を向上させることができる。
【0033】
また、略円筒形のコイルを成膜材料から構成し或は成膜材料で被覆した場合には、当該コイルをターゲットとしても用いることができる。ICP方式で発生したプラズマはコイルの近傍に集まるため、コイルをターゲットとして用いた場合、コイルからスパッタされた原子はほぼ全て高密度プラズマ中を通過することとなり、そのイオン化率は極めて高いものとなる。
【0034】
イオン化されたスパッタ原子は、陽極となる支持手段上の基板に異方性をもって入射するため、本発明によりイオン化率が向上されると、底部カバレッジの改善効果が増大する。これは、半導体デバイスの高集積化、微細化の進展に対応した有効な技術となるものである。
【0035】
更に、略円筒形のコイルを成膜材料から構成し或は成膜材料で被覆した場合には、コイルに対するスパッタ原子の付着や再スパッタによる発塵等の問題も生じないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されたプラズマスパッタ装置の第1実施形態を示す概略図である。
【図2】図1のスパッタ装置で用いられるICPユニットの構成を概略的に示す斜視図である。
【図3】本発明が適用されたプラズマスパッタ装置の第2実施形態を示す概略図である。
【図4】略円筒形コイルのスリット形状の一例を示す部分平面図である。
【図5】従来のICP方式のプラズマスパッタ装置を示す概略図である。
【符号の説明】
10…真空チャンバ、12…チャンバ本体、14…絶縁リング、16…ターゲット、18…ペディスタル(支持手段)、20…半導体ウェハ、22…リフト機構、24…ICPユニット、26…略円筒形のコイル、28…螺旋状のコイル、30…スリット、34…高周波電源、38…直流電源、40…高周波電源、46…直流電源(バイアス手段)、48…シールド、54…磁石。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma sputtering apparatus, and more particularly to an inductively coupled plasma (ICP) type sputtering apparatus.
[0002]
[Prior art]
In the plasma sputtering process, there is a demand for higher density of plasma. The ICP method has been studied as one of such high-density plasma technologies. As shown in FIG. 5, the ICP type sputtering apparatus is provided with a
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described type of ICP sputtering apparatus, the plasma density tends to be higher in the vicinity of the coil due to the action of the induction electric field generated by the high frequency applied to the
[0004]
However, when the inner diameter of the
[0005]
An object of the present invention is to provide a novel ICP-type plasma sputtering apparatus that can solve the above problems.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a plasma sputtering apparatus that generates inductively coupled plasma in a vacuum chamber, and is a substantially cylindrical one-turn type disposed in the vacuum chamber to generate the inductively coupled plasma. A coil and a high-frequency power source for applying high-frequency power to the coil are provided.
[0007]
When the present invention is applied to a bipolar sputtering apparatus, the coil is disposed between the substrate support means and the target. However, since the coil is substantially cylindrical, it can be used as a shield. The inner diameter can be made sufficiently small.
[0008]
In addition, the coil is made of the same conductive material as the film-forming material, or at least the inner peripheral surface of the coil is covered with the same material as the film-forming material, thereby adhering spatter atoms and generating dust by resputtering. Etc. can be suppressed.
[0009]
When the film forming material is used for the coil as described above, the coil itself can be used as a target by applying a negative potential to the coil. Since plasma is generated near the inner peripheral surface of the coil and tends to be maintained at that position, the ionization rate of sputtered atoms from the coil is improved. Since the substrate support means becomes an anode, the ionized sputter atoms are incident on the substrate on the support means with anisotropy.
[0010]
In order to confine the plasma in the vicinity of the inner peripheral surface of the coil, it is preferable to arrange a plurality of magnets on the outside of the coil to be a magnetron type. In order to make erosion uniform, these magnets may be driven to rotate about the central axis of the coil.
[0011]
Further, when the induction electric field generated by the substantially cylindrical one-turn coil is weak, a spiral coil may be disposed as an auxiliary coil so as to surround the substantially cylindrical coil and connected in series.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows a first embodiment of an ICP sputtering apparatus according to the present invention. The illustrated sputtering apparatus is for forming a titanium (Ti) film, and is made of a stainless steel chamber
[0013]
An
[0014]
The
[0015]
Further, a negative terminal of a
[0016]
In the sputtering apparatus having such a configuration, when forming a Ti film on the surface of the
[0017]
Thereafter, when the high-
[0018]
When the high
[0019]
The Ti particles are ionized while passing through the high-density plasma generated by the
[0020]
Note that the sputtering apparatus of the illustrated embodiment is a planar magnetron type, and a plurality of
[0021]
During this sputtering process, Ti particles adhere to the inner peripheral surface of the
[0022]
FIG. 3 schematically shows a second embodiment of the ICP sputtering apparatus according to the present invention. In this embodiment, the Ti substantially
[0023]
A
[0024]
Further, a plurality of
[0025]
When the Ti film is formed in such a configuration, the
[0026]
When the high
[0027]
On the other hand, when the high
[0028]
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the above embodiment, a high frequency is applied between the
[0029]
In the above embodiment, the
[0030]
Further, the
[0031]
Furthermore, the
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the coil of the ICP unit has a substantially cylindrical shape, it can also be used as a shield. Therefore, when the ICP unit of the present invention is provided in the vacuum chamber, the inner diameter of the coil can be considerably reduced, and the plasma density can be increased even at the inner central portion of the coil. Thereby, when this invention is applied to the conventional bipolar sputtering apparatus, the ionization rate of the sputtered atoms from the center of the target can be improved.
[0033]
In addition, when a substantially cylindrical coil is made of a film forming material or coated with a film forming material, the coil can be used as a target. Since the plasma generated by the ICP method gathers in the vicinity of the coil, when the coil is used as a target, almost all the atoms sputtered from the coil pass through the high-density plasma, and the ionization rate becomes extremely high. .
[0034]
Since the ionized sputtered atoms are incident on the substrate on the supporting means serving as the anode with anisotropy, when the ionization rate is improved according to the present invention, the effect of improving the bottom coverage increases. This is an effective technique corresponding to the progress of high integration and miniaturization of semiconductor devices.
[0035]
Further, when the substantially cylindrical coil is made of a film forming material or coated with the film forming material, there is an effect that problems such as adhesion of sputtered atoms to the coil and generation of dust due to resputtering do not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of a plasma sputtering apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of an ICP unit used in the sputtering apparatus of FIG.
FIG. 3 is a schematic view showing a second embodiment of a plasma sputtering apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a partial plan view showing an example of a slit shape of a substantially cylindrical coil.
FIG. 5 is a schematic view showing a conventional ICP type plasma sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ターゲット、前記支持手段、及び前記略円筒形のコイルは、前記真空チャンバ内に配置され、 The target, the support means, and the substantially cylindrical coil are disposed in the vacuum chamber;
前記支持手段は、被処理基板を支持し、 The support means supports a substrate to be processed,
前記ターゲットは、成膜材料からなり、前記支持手段に対向配置され、 The target is made of a film forming material, and is disposed to face the support means.
前記略円筒形のコイルは、略円筒体であって軸線方向に沿って一つのスリットを有してなる一巻き型コイルであり、前記ターゲットと前記支持手段との間に該ターゲット及び該支持手段の共通軸線と同軸に配置され、前記ターゲットの近傍から前記支持手段の近傍まで延びており、 The substantially cylindrical coil is a one-turn coil having a substantially cylindrical body and having one slit along the axial direction, and the target and the support means are between the target and the support means. Is arranged coaxially with the common axis, and extends from the vicinity of the target to the vicinity of the support means,
前記高周波電源は、前記略円筒形のコイルに接続され、 The high frequency power source is connected to the substantially cylindrical coil,
前記略円筒形のコイルは、前記高周波電源から印加される高周波電力により誘導結合プラズマを発生させる、 The substantially cylindrical coil generates inductively coupled plasma by high frequency power applied from the high frequency power source.
プラズマスパッタ装置。Plasma sputtering equipment.
前記シールド、前記支持手段、及び前記略円筒形のコイルは、前記真空チャンバ内に配置され、 The shield, the support means, and the generally cylindrical coil are disposed within the vacuum chamber;
前記支持手段は、被処理基板を支持し、 The support means supports a substrate to be processed,
前記シールドは、導電性材料からなり、前記支持手段に対向配置され、 The shield is made of a conductive material, and is disposed to face the support means.
前記略円筒形のコイルは、略円筒体であって軸線方向に沿って一つのスリットを有してなる一巻き型コイルであり、前記シールドと前記支持手段との間に該シールド及び該支持手段の共通軸線と同軸に配置され、前記シールドの近傍から前記支持手段の近傍まで延びており、成膜材料からなり又は成膜材料で被覆され、 The substantially cylindrical coil is a one-turn coil having a substantially cylindrical body and having one slit along the axial direction, and the shield and the support means are provided between the shield and the support means. Is disposed coaxially with the common axis, extends from the vicinity of the shield to the vicinity of the support means, and is made of or coated with a film forming material,
前記高周波電源は、前記略円筒形のコイルに接続され、 The high frequency power source is connected to the substantially cylindrical coil,
前記直流電源は、前記円筒形のコイルに接続され該円筒形のコイルに負の電位を与え、 The DC power source is connected to the cylindrical coil and applies a negative potential to the cylindrical coil;
前記略円筒形のコイルは、前記高周波電源から印加される高周波電力により誘導結合プラズマを発生させる、 The substantially cylindrical coil generates inductively coupled plasma by high frequency power applied from the high frequency power source.
プラズマスパッタ装置。Plasma sputtering equipment.
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