JP4214806B2

JP4214806B2 - スパッタリング装置

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Publication number: JP4214806B2
Application number: JP2003081944A
Authority: JP
Inventors: 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004285453A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面波励起プラズマを利用したスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造プロセスにおける成膜工程にスパッタリングが多用されている。スパッタリングは、高エネルギーのイオンをターゲットに衝突させてその組成粒子である原子や分子を叩き出し（スパッタし）、これらを被処理基板上に堆積させる技術である。
スパッタリングには多数の方式があるが、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマを利用するスパッタリングは、高密度プラズマを生成し、プラズマ中のイオンをターゲットに引き付けて組成粒子をスパッタする方式の1つである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＥＣＲスパッタリングに用いられる装置は、成膜室とプラズマ室が隣接して設けられており、プラズマ室で生成したプラズマ中のイオンでターゲットの組成粒子をスパッタし、成膜室内の被処理基板上に堆積させる装置である。ＥＣＲプラズマは、プラズマ室内に導入されたマイクロ波電界とプラズマ室の外部に設けられた電磁石の高周波磁場により、プラズマ室内のガスが励起されて生成する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２００３７３号公報（第２頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＥＣＲスパッタリング装置では、プラズマ密度が高い大型プラズマを得るためには、プラズマ室内に広い強磁場領域を確保する必要がある。そのためには、大型で重量のある電磁コイル、磁場生成用の大電力および大量の冷却水を要する。このように、ＥＣＲスパッタリング装置では、プラズマ密度が高い大型プラズマを得ようとすると、装置の大型化やコストアップを招くという問題があるので、ターゲットのみを大きくしても意味がなく、大面積の被処理基板に対しては不向きである。
本発明は、大面積の被処理基板への成膜に適したスパッタリング装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１のスパッタリング装置は、誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、負の直流電圧または高周波電力が印加され、表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、基板保持部は、誘電体板の表面波伝播面に対向するように被処理基板を保持し、ターゲットは、誘電体板の表面波伝播面と被処理基板との中間に配設されていることを特徴とする。
（２）上記のスパッタリング装置において、ターゲットは、表面波励起プラズマ領域に配設されていることが好ましい。また、ターゲットに対し、負の直流電圧または高周波電力を可変に設定できることが好ましい。
（３）上記のスパッタリング装置において、ターゲットは、その表面の法線が誘電体板の表面波伝播面または該伝播面を拡張した仮想面と交差しないように配設されていることが好ましい。
（４）上記のスパッタリング装置において、基板保持部は、被処理基板を自転可能に保持しているのが一層好ましく、ターゲットは、自転可能に保持されていることが一層好ましい。
（５）請求項７のスパッタリング装置は、誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、負の直流電圧または高周波電力が印加され、表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、基板保持部は、ターゲットの表面と略平行になるように被処理基板を保持し、ターゲットと被処理基板は、誘電体板の表面波伝播面に沿って配列していることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるスパッタリング装置について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるスパッタリング装置を模式的に示す全体構成図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿って見た部分平面図である。図１に示されるスパッタリング装置は、マイクロ波導波管１、誘電体板２、チャンバー本体３、フランジ４、ターゲット５、ターゲットホルダ６および基板ホルダ７を備える。
【０００８】
マイクロ波導波管１は、誘電体板２の上面に載置されている。マイクロ波導波管１の底板１ａには、マイクロ波を誘電体板２へ導くスロットアンテナ１ｂが複数個形成されている。
誘電体板２は、フランジ４の下に気密を保って取り付けられている。誘電体板２のチャンバー本体３側の面は、表面波伝播面２０である。誘電体板２は、石英、アルミナ、ジルコニア、パイレックスガラス（米国コーニング社の登録商標）等の誘電性材料から製作される。マイクロ波導波管１と誘電体板２は、表面波励起プラズマを生成させるプラズマ生成部１０を構成する。
【０００９】
チャンバー本体３とフランジ４は、チャンバー１１を構成する。チャンバー本体３にはガス導入口８と真空排気口９が設けられている。ガス導入口８からＡｒ，Ｈｅ等のイオン源となるプロセスガスが導入される。プロセスガス中にＯ_２，Ｈ_２，Ｎ_２等のガスを添加することもできる。プロセスガスを導入しながら真空排気口９から排気することによって、チャンバー１１内の圧力は通常、０．１〜５０Ｐａ程度に保持される。
チャンバー１１は、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等の非磁性金属材料から製作される。
【００１０】
チャンバー１１内には、ターゲット５とこれを保持するターゲットホルダ６が複数組設けられている。また、チャンバー１１内には、誘電体板２に対向するように基板１００を保持する基板ホルダ７が設けられている。
図２を参照すると、基板１００および基板ホルダ７を取り囲むように、８組のターゲット５およびターゲットホルダ６が配設されている。基板１００から各ターゲット５まではほぼ等距離である。
【００１１】
ターゲット５は、ターゲットホルダ６を介して、負電位のＤＣまたはＲＦ電力が印加される。ターゲット５の材料としては、成膜物質に応じて、Ａｌ，Ｃｕ，Ｔａ等の金属や合金、Ｃ，Ｓｉ等の無機物およびＴａＮ、ＧａＡｓ，ＳｉＣ等の化合物が用いられる。各ターゲット５には異種材料を用いることもできる。ターゲット５が導電材料の場合は、負電位のＤＣでもＲＦでもスパッタは可能であり、ターゲット５が半導体材料や絶縁材料の場合は、ＲＦを用いた高周波スパッタが用いられる。
【００１２】
本実施の形態では、チャンバー１１内に導入されているプロセスガスはＡｒガスであり、ターゲット５の材料はＳｉである。図１に示すように、ターゲット５には、ターゲットホルダ６を介してコンデンサＣＯ、高周波電源ＲＦが接続されている。これにより、Ｓｉのような半導体でもスッパタすることができる。図示は省略するが、すべてのターゲット５にコンデンサＣＯ、高周波電源ＲＦが接続されている。
【００１３】
ターゲットホルダ６は、不図示の駆動系により駆動され、ターゲット５の位置、傾き及び回転角を変えることができる。対向するターゲット５の間隔は、各ターゲット５の表面上の中心点Ｃ同士を結ぶ線分２１の長さであり、距離ａで表される。線分２１と誘電体板２の表面波伝播面２０との間隔は、距離ｂで表される。距離ａとｂは、ターゲットホルダ６の移動により可変である。
また、ターゲット５の表面の法線２２，２３と線分２１とのなす角度をそれぞれα１，α２で表すと、角度α１，α２もターゲットホルダ６の移動により可変である。なお、通常、各ターゲット５は、線分２１が表面波伝播面２０と平行をなすように、角度α１とα２は等しくなるように配設される。
【００１４】
ターゲットホルダ６は、不図示の水冷ジャケットとアースシールドを有している。水冷ジャケットは、スパッタによるターゲット５の過熱を防止するためのものである。アースシールドは、ターゲット５の非スパッタ領域および水冷ジャケットをスパッタから保護するためのものである。
【００１５】
図１に示すように、通常、基板ホルダ７に保持される基板１００は、その表面が誘電体板２の表面波伝播面２０に対し平行に配置される。基板ホルダ７は、不図示の駆動系により移動し、基板１００の位置を変えることができる。基板１００の表面と線分２１との間隔は、距離ｃで表され、距離ｃは基板ホルダ７の移動により可変である。また、基板ホルダ７は、基板１００の傾きや回転角も可変とすることができる。
【００１６】
以上のように構成されたスパッタリング装置の作用について説明する。不図示のマイクロ波出力部から発振された例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、マイクロ波導波管１の内部を紙面の垂直方向に進行する。マイクロ波は、スロットアンテナ１ｂを通過して誘電体板２に入射し、表面波Ｓとなって誘電体板２の表面波伝播面２０を伝播し、瞬時に誘電体板２の全面に拡がる。この表面波エネルギーにより、チャンバー１１内にプラズマＰを生成させる。
【００１７】
表面波Ｓの伝播領域は、誘電体板２の表面の面積にほぼ等しい。従って、誘電体板２の面積を大きくすれば、大面積のプラズマＰを容易に生成させることができる。なお、ターゲット５とターゲットホルダ６は、プラズマＰ中に配設されているが、プラズマＰの外側にあってもよい。
【００１８】
プラズマＰは、表面波エネルギーによりＡｒガスが励起されて生成する。ターゲット５がＳｉ材料の場合、ターゲット５に高周波電力を印加すると、ターゲット５の表面は、交流電圧に負のバイアス電圧が重畳された電位となる。Ａｒイオンは、ターゲット５に引き付けられ、ターゲット５に衝突し、Ｓｉ原子をスパッタする。高周波電力を増加すれば、Ａｒイオンは、より高速で、すなわち高い運動エネルギーをもってターゲット５に衝突し、Ｓｉ原子のスパッタ率を増大させることができる。スパッタされたＳｉ原子は、基板１００上に堆積し、Ｓｉ膜を形成する。
高周波電力は、プロセスガス、ターゲット材料等に応じて、プラズマＰを生成するためのマイクロ波電力とは独立に変化させることができる。
【００１９】
表面波励起プラズマとＥＣＲプラズマを比較すると、表面波励起プラズマのプラズマ密度は、１０^１２／ｃｍ^３であり、ＥＣＲプラズマの１０^１１／ｃｍ^３よりも大きい。従って、プラズマＰ中には、より多くのＡｒイオンが生成されるので、多数のＳｉ原子をスパッタすることができ、大きな膜形成速度を得ることができる。
また、前述したように、表面波励起プラズマは大面積化が容易であるので、大面積のターゲットをプラズマ中に配設できる。従って、ターゲット５の全面にわたって高いスパッタ率でＳｉ原子をスパッタすることができ、大きな膜形成速度を得ることができる。さらに、大面積のターゲットを用いることができるので、基板１００を大きくしても膜厚の均一性は良好である。
すなわち、表面波励起プラズマ方式のスパッタリング装置は、プラズマ密度が高いこととターゲットの大面積化が図れることにより、大きな膜形成速度が得られる。
【００２０】
また、基板１００は、プラズマが存在すると基板電位をもつ。表面波励起プラズマの場合、基板電位は、数ｅＶであり、ＥＣＲプラズマの場合に比べると１／１０程度である。表面波励起プラズマの場合は、ＥＣＲプラズマに比べて基板電位が低いので、プラズマＰによる基板のダメージを大幅に低減できる利点がある。
【００２１】
図１において、ターゲット５の表面は、やや下向きに傾斜している。角度α１，α２を線分２１を基準にして測るものとすると、角度α１，α２は、０°〜９０°の範囲にある。図１から明らかなように、角度α１，α２が０°〜９０°の範囲であれば、法線２２，２３は、誘電体板２の表面波伝播面２０またはその仮想面２０Ａに交差せず、誘電体板２の表面波伝播面２０に向かうＳｉ原子の数を抑制することができる。角度α１，α２を９０°としたときに、抑制効果は最大になる。
【００２２】
図1に示された距離ａ，ｂおよびｃは可変であり、それぞれ以下の作用に寄与するので、所望の膜厚、膜質を得るための成膜条件に応じて調節することができる。距離ａは、基板１００の面積に応じて変えるのが望ましく、一般には、基板の面積が大きいほど距離ａを大きくする。また、距離ａを大きくすると、ターゲット５と基板１００との距離も大きくなるので、基板１００の膜形成速度は小さくなり、基板１００が受けるダメージも小さくなる。距離ｂを大きくすると、誘電体板２の表面波伝播面２０に蒸着するＳｉ原子の数を抑制することができる。距離ｃを大きくすると、ターゲット５と基板１００との距離も大きくなるので、基板１００の膜形成速度は小さくなり、膜厚均一性は向上し、基板１００が受けるダメージは小さくなる。距離ｃをさらに大きくして、基板１００をプラズマＰの領域外に設置すれば、膜形成速度とダメージは一層小さくなる。
また、基板ホルダ７を軸回りに回転して、基板１００を自転させることにより、特に大型の基板では、膜厚の均一性が改善できる。異種のターゲット材料を用いて同時スパッタリングを行った場合でも、薄膜の組成比率の均一化を図ることができる。
さらに、ターゲットホルダ６を軸回りに回転して、ターゲット５を自転させることにより、スパッタリングエロージョンの均一化を図り、ターゲット５の利用効率を向上させることができる。
【００２３】
本実施の形態のスパッタリング装置は、大面積の基板１００に対し、大きな膜形成速度で成膜することが可能となる。また、ＥＣＲプラズマに比べて、基板１００が受けるダメージは小さくなる。
ＥＣＲプラズマ方式では、大きな電磁石を使用しなければならず、大型プラズマを得ようとすると、装置の大型化とコスト上昇は避けられないが、本実施の形態で用いられる表面波励起プラズマ方式では、誘電体板２を大きくするだけで済む。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態によるスパッタリング装置を模式的に示す全体構成図である。図４は、図３のＩＩ−ＩＩ線に沿って見た部分平面図である。図３において、図１と同じ部品には同一符号を付し、説明を省略する。また、図３，４のスパッタリング装置が図１，２のスパッタリング装置と異なる点のみを説明する。
【００２５】
図４を参照すると、チャンバー１１内の中央には、ターゲット１５とこれを保持するターゲットホルダ１６が設けられている。また、ターゲット１５を挟み込むように基板１０１を保持する基板ホルダ１７が２組設けられている。ターゲット１５は、両面共にスパッタ面である。誘電体板２およびターゲット５は、マイクロ波進行方向（紙面の上下方向）に延びた形状であるから、大面積の横長形状の基板の処理が可能である。
ターゲットホルダ１６は、不図示の駆動系により移動し、ターゲット１５の位置や傾きを変えることができる。基板ホルダ１７は、不図示の駆動系により移動し、基板１０１の位置や傾きを変えることができる。
【００２６】
対向する基板１０１の間隔は、各基板１０１の表面上の中心点Ｄ同士を結ぶ線分３１の長さであり、距離ｄで表される。線分３１と誘電体板２の表面波伝播面２０との間隔は、距離ｅで表される。線分３１は、ターゲット１５の中心Ｃ１，Ｃ２を通る。距離ｄは、基板ホルダ１７の移動により可変である。距離ｅは、ターゲットホルダ１６および基板ホルダ１７の移動により可変である。通常、ターゲットホルダ１６の移動に追随して基板ホルダ１７を移動させる。
【００２７】
ターゲット１５の表面の法線３２，３３と線分３１とのなす角度をそれぞれβ１、β２と表すと、角度β１、β２は可変である。角度β１、β２を可変にするためには、断面形状の異なるいくつかのターゲット１５を交換してもよいし、ターゲット１５を２分割して互いのなす角度を駆動系によって変えるように構成してもよい。
【００２８】
基板１０１の表面の法線３４，３５と線分３１とのなす角度をそれぞれγ１、γ２と表すと、角度γ１、γ２も可変である。なお、通常、各基板１０１は、線分３１が表面波伝播面２０と平行をなすように配置され、角度γ１、γ２がそれぞれ角度β１、β２に等しくなるように配置される。この配置は、ターゲット１５の表面と基板１０１の表面とが平行になるので、基板１０１の膜厚分布向上に適している。
【００２９】
図３において、ターゲット１５の２つのスパッタ面は、いずれも下向きに傾斜している。すなわち、角度β１，β２を線分３１を基準にして測るものとすると、角度β１，β２は、０°〜９０°の範囲にある。図３から明らかなように、角度β１，β２が０°〜９０°の範囲であれば、法線３２，３３は、誘電体板２の表面波伝播面２０またはその仮想面２０Ａに交差せず、誘電体板２の表面波伝播面２０に向かうＳｉ原子の数を抑制することができる。角度β１，β２を９０°としたときに、抑制効果は最大になる。
【００３０】
また、図３に示された距離ｄおよびｅは可変であり、それぞれ以下の作用に寄与するので、所望の膜厚、膜質を得るための成膜条件に応じて調節することができる。距離ｄは、基板１０１の面積に応じて変えるのが望ましく、一般には、基板の面積が大きいほど距離ｄを大きくする。また、距離ｄを大きくすると、ターゲット１５と基板１０１との距離も大きくなるので、基板１０１の膜形成速度は小さくなり、膜厚均一性は向上し、基板１０１が受けるダメージは小さくなる。距離ｄをさらに大きくして、基板１０１をプラズマＰの領域外に設置すれば、膜形成速度とダメージは一層小さくなる。距離ｅを大きくすると、誘電体板２の表面波伝播面２０に蒸着するＳｉ原子の数を抑制することができる。
【００３１】
本実施の形態のスパッタリング装置は、第１の実施の形態と同様、大面積の基板１０１に対し、大きな膜形成速度で成膜することが可能となる。また、基板１０１が受けるダメージは小さくなる。さらに、本実施の形態のスパッタリング装置は、特に一方向に長い基板の処理に適する。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大面積の被処理基板への成膜に適したスパッタリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスパッタリング装置全体を模式的に示す概略構成図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿って見た部分平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るスパッタリング装置全体を模式的に示す概略構成図である。
【図４】図３のＩＩ−ＩＩ線に沿って見た部分平面図である。
【符号の説明】
１：マイクロ波導波管
２：誘電体板
３：チャンバー本体
４：フランジ
５，１５：ターゲット
６，１６：ターゲットホルダ
７，１７：基板ホルダ
１０：プラズマ生成部
１１：チャンバー
２０：表面波伝播面
１００，１０１：基板
Ｓ：表面波
Ｐ：プラズマ

Claims

誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
負の直流電圧または高周波電力が印加され、前記表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、
前記ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、
前記基板保持部は、前記誘電体板の表面波伝播面に対向するように前記被処理基板を保持し、
前記ターゲットは、前記誘電体板の表面波伝播面と前記被処理基板との中間に配設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
請求項１のスパッタリング装置において、
前記ターゲットは、前記表面波励起プラズマ領域に配設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
請求項１のスパッタリング装置において、
前記負の直流電圧または高周波電力を可変に設定する手段を有することを特徴とするスパッタリング装置。
請求項１のスパッタリング装置において、
前記ターゲットは、該ターゲットの表面の法線が前記誘電体板の表面波伝播面または該伝播面を拡張した仮想面と交差しないように配設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
請求項１のスパッタリング装置において、
前記基板保持部は、前記被処理基板を自転可能に保持していることを特徴とするスパッタリング装置。
請求項１のスパッタリング装置において、
前記ターゲットは、自転可能に保持されていることを特徴とするスパッタリング装置。
誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
負の直流電圧または高周波電力が印加され、前記表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、
前記ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、
前記基板保持部は、前記ターゲットの表面と略平行になるように前記被処理基板を保持し、前記ターゲットと前記被処理基板は、前記誘電体板の表面波伝播面に沿って配列していることを特徴とするスパッタリング装置。