JP4763857B2 - 均一膜厚分布のためのスパッタ装置の磁界制御 - Google Patents

Description

本発明はスパッタ装置に関し、特に、集積回路などの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膜厚、抵抗値分布に代表される薄膜特性が改善されるスパッタ装置に関するものである。

半導体装置などの電子部品の製造において磁気的に強化されたスパッタ装置は広く応用されている。従来から、プラズマの生成、プラズマの閉じ込め、プラズマ密度の増大、及び成膜の均一性改善の目的に応じて、種々の磁石配列を有する磁石装置をターゲットの背面側に配置することが知られている（例えば、非特許文献１や特許文献１）。
また、特許文献１では、ターゲット部材のエロージョン(侵食)に伴ってターゲット表面上の磁界が変化するのに対応させて、このような磁石装置のターゲットとの距離を調整することで、時間に伴うスパッタ速度の変動等を抑制する技術が開示されている。

特開２００４−１６２１３８号公報

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

しかしながら、特許文献１の方法では、エロージョン進行に伴うスパッタ速度変化を抑制することは可能になっても、膜厚分布は完全には平坦になることはなく、磁石配列等を反映して所定の分布で形成される。また、このような磁石配列等を反映した分布は、ターゲット材料毎に放出角度が変わると、偏りが大きくなることがあり、都度マグネット配列の最適化を実施する必要があった。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、所望の膜厚分布に調整可能な手段を提供することをその目的とする。

上述の課題に鑑み、本発明に係るスパッタリング装置は、被処理体を配置可能な処理室と、被処理体が配置される側にターゲットを取り付け可能なカソードと、前記カソードの前記ターゲットを取り付ける側とは反対側に位置し、前記ターゲット表面に磁界を形成する磁石装置と、前記磁石装置と前記カソードとの距離を調整可能な駆動手段と、前記カソードへの電力供給及び前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記磁石装置は、前記カソードに面した平面シート上に分散配置された複数のマグネットからなり、各マグネットは前記カソード面に垂直方向に対向した磁極を有しそして隣接するマグネットは互いに逆磁性となるよう配置されており、前記駆動手段は前記磁石装置を一体的に移動させるよう構成され、前記制御手段は前記駆動手段を制御して、前記磁石装置と前記ターゲットとの間を第１の距離に設定し、ターゲットのスパッタリングにより被処理体に成膜する第１制御と、前記磁石装置と前記ターゲットとの距離を、前記第１の距離で成膜した場合と膜厚分布のパターンが異なる第２の距離に設定し、前記ターゲットのスパッタリングにより前記被処理体に成膜する第２制御とを行っていることを特徴とする。

本発明によれば、膜厚分布(抵抗値分布)を調整することが可能となる。

第１実施形態に係るスパッタ装置の概略図である。 磁石装置を基板側から見た平面図である。 第１実施形態に係る成膜フローを示す図である。 ＭＴ距離の変更例を示す図である。 ＭＴ距離の変更例を示す図である。 各設定ＭＴ距離で達成される薄膜のシート抵抗分布を示すグラフである。 各設定ＭＴ距離で達成される薄膜のシート抵抗分布を示すグラフである。 磁石装置により形成される磁界の状態を示す図である。 第２実施形態に係る成膜フローを示す図である。 第３実施形態に係るスパッタ装置の概略図である。 磁石装置の他の例を示す図である。 実施例のシート抵抗分布を示すグラフである。

［第１実施形態］
図１に、第１実施形態の概略図を示す。

図１のスパッタ装置は、容量結合形のプラズマを生成するスパッタ装置であり、反応容器１内に、上部電極２ｂ、下部電極３、磁石装置４、円筒形の側壁５、ガス導入口６、および排気のために使用される排気口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。

カソードとしての上部電極２ｂには、下部電極３側にターゲット部材２ａが取り付けられており、上部電極２ｂは例えばアルミニウムによって作られている。上部電極２ｂの直径は、処理されるべき基板８の直径に応じて選択され、例えば、基板８の直径が２００ｍｍのとき、２１０ｍｍから３５０ｍｍの範囲に設定される。ターゲット部材２ａの直径は上部電極２ｂの直径と等しいかまたはそれよりも小さくなる。上部電極２ｂとターゲット部材２ａの厚みは、本発明で限定されないが、磁石装置４がターゲット部材２ａの下面（基板８が配置される側の面）上で強い磁界を形成できるような厚さ、例えば各々１０ｍｍ未満に設定される。ターゲット部材２ａは、本発明では特に限定されず、例えば、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミ）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）などの金属又は合金、ＳｉＯ_２のような誘電体部材で作られる。
上部電極２ｂ及びターゲット部材２ａは、反応容器１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。

図１の磁石装置４は、ポイントカスプ磁場を形成する磁石装置であり、ターゲット部材２ａと等しい又はそれよりも大きな平面形状を有する金属シート９に複数のマグネット４Ｎ，４Ｓを配列して構成され、ターゲット部材２ａの全面に磁界を形成可能に構成されている。図２は、磁石装置４を基板８側から見た平面図である。図２では、任意の２つの隣り合うマグネット４Ｎ，４Ｓの間隔は同じである。マグネット４Ｎ，４Ｓは、基板８に向く方の極性が、隣り合うもの同士で逆極性になるように配置されている。マグネット４Ｎ，４Ｓの端面は、好ましくは円形形状であるが、これに限らず、例えば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４Ｎ，４Ｓの寸法、マグネット間の距離、形状は、特に限定されず、各ターゲットの種類、基板８および反応容器１の各寸法等に応じ、所望の磁束密度にするために選択される。通常、マグネット４Ｎ，４Ｓ端面の直径は５ｍｍから５０ｍｍの範囲であり、その高さは５ｍｍから５０ｍｍの範囲である。マグネット４Ｎ，４Ｓの間隔も特に限定されず、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。

磁石装置４は、マグネット配列をターゲット部材２ａの中心軸の周りに面内方向に回転させるための回転機構１０に接続されている。具体的には、回転機構１０は、第１のモータ１１と、互いに噛み合う２つのギヤ１０ａ，１０ｂと、を備えて構成される。ギヤ１０ａは絶縁ロッド１２を介して第１のモータ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、ギヤ１０ａの回転力が伝達される。このように、マグネット配列を回転させることで、ターゲット部材２ａに均等な磁界を形成し、プラズマ密度が面内で均一になるようにしている。マグネット配列の回転速度は重要なことではなく、例えば１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲にある。

また、磁石装置４は、磁石装置４とターゲット部材２ａとの距離（以下、「ＭＴ距離」）を調整するＭＴ距離調整機構３０に接続されている。ＭＴ距離調整機構３０は、本実施形態では、第２のモータ２２と、第２のモータ２２の回転力を直動に変換する連結部材１３と、を備える。連結部材１３は、内側部材１３ａと、これに螺合する外側固定部材１３ｂと、を備えており、固定された第２のモータ２２に接続された外側固定部材１３ｂの回転により、内側部材１３ａが直動することで、絶縁ロッド１４を介して磁石装置４が駆動される。なお、内側部材１３ａは、絶縁ロッド１４の接続位置に軸受を内蔵しており、磁石装置４を回転可能に支持する。なお、ＭＴ距離調整機構３０による調整範囲は、磁石装置４やスパッタ装置の構成によるが、例えば、０．１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で可変させる。

図中では、図示の簡略化のために、絶縁ロッド１４を磁石装置４の回転中心から外れた位置に示しているが、実際には回転中心から延びている。また、他の図では、説明の簡略化のためＭＴ距離調整機構３０の詳細な図示を省略する。なお、マグネット配列の回転動作およびＭＴ距離の調整動作の機構は、図１の例に限定されない。

上部電極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、例えば１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲に設定できる。
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く、ＤＣ電源を単独で用いてもよい。本実施形態の上部電極２ｂは、本発明のカソードに相当する。

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導入口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。

制御装置２６は、予め定められたプロセスレシピに従って、各種の装置を制御して、スパッタリングによる成膜プロセスを実行させる。具体的には、本実施形態では、ＭＴ距離調整機構３０を駆動して、ＭＴ距離を所定に設定する。また、本実施形態ではＲＦ電源１５，１９による投入電力、磁石装置４の回転動作、ガス導入流量、排気速度などを所定値に制御する。制御装置２６は、例えば、シーケンサやコンピュータなどの演算処理装置と、データを各種の装置に出力可能な電気信号などに変換するドライバと、を備えて構成される。

図３に、制御装置２６により実行される本実施形態の成膜フローを示す。
本実施形態では、ＭＴ距離調整機構３０により磁石装置４を駆動して、ＭＴ距離を第１のＭＴ距離に設定した状態で（ステップＳ１０１）、放電させることで第１の成膜動作を実行する（ステップＳ１０２）。このときの第１のＭＴ距離は、例えば、予め定められた値を用い、図４（Ａ）に示すような距離とする。

次に、ＭＴ距離調整機構により磁石装置４を駆動してＭＴ距離を第２の距離に設定し（ステップＳ１０３）、放電させることで第２の成膜動作を実行する（ステップＳ１０４）。つまり、１層の膜の成膜中にＭＴ距離を変更し、２ステップの成膜を行う。第２のＭＴ距離は、例えば、予め定められた値を用い、図４（Ｂ）に示すように、第１の距離よりも小さく、磁石装置４とターゲット部材２ａとが近づいた状態とする。

図５に、第１及び第２のＭＴ距離で達成される薄膜のシート抵抗分布（膜厚の逆数）の例を示す。ＭＴ距離の違いによってシート抵抗分布は大きく変化し、ＭＴ距離が遠い場合には、図５（Ａ）のごとく基板中心付近でシート抵抗が小さく、端部に向かうに従ってシート抵抗が大きくなる谷形となる。一方、ＭＴ距離が近い場合には図５（Ｂ）のごとく基板中心付近でシート抵抗が大きく、端部に向かうに従ってシート抵抗が小さくなる山形となる。つまり、両者の分布は、対応する部分でシート抵抗の大小関係が反転した分布となっている。

図５（Ａ）と図５（Ｂ）のようなシート抵抗分布を取るＭＴ距離を一つのレシピ内に設定することで、山形と谷形の分布形状がキャンセルする形となり全体的にフラットな分布とすることができる。

図６に、磁石装置４により形成される磁界の状態を示す。

紙面右側の特性曲線１２１は、Ａ−Ａ’線に沿った２つのマグネット４Ｎ，４Ｓの間の磁束１１９による磁界の強さの変化の様子を示している。特性曲線１２１によって示されるように、ポイントカスプ磁界１１９の強さは、マグネット４Ｎ，４Ｓから離れるに従って次第に最大値Ｂ_ＭＡＸに向かって増大し、そしてそれからマグネット４Ｎ，４Ｓの底部からの距離の増大に伴なって減少する。Ａ−Ａ′線は、２つのマグネット４Ｎ，４Ｓの中央付近に位置し、この部分に２つのマグネット４Ｎ，４Ｓに働く水平方向の磁場がプラズマの閉じ込めに寄与する。従って、磁石装置４からどの程度の距離にターゲット部材４ａを配置させるかにより、ターゲット部材４ａ近傍に形成されるプラズマ密度の分布が２次元、３次元的に異なったものとなる。これにより、ターゲット表面へのイオンの衝突分布や入射角の違いによる放出角度の分布等が異なって、成膜分布の違いにつながると推測される。

従って、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、所定の薄膜をスパッタ方式によって形成する際に、異なるＭＴ距離２回以上用いることによって、薄膜のシート抵抗分布（膜厚分布も等しい）を改善することが可能である。このとき、ＭＴ距離は異なっても、例えば、山形分布で山の高さが異なるのみなど、分布傾向は同じで各部分の成膜特性の差の大きさのみが異なる分布であると、効果が得にくい。このため、第１のＭＴ距離の成膜分布に対して少なくとも一部において互いの成膜分布の偏りをキャンセルすることができる成膜分布となる第２のＭＴ距離を設定する。このようなＭＴ距離は、シーケンサやＰＣなどによって作成されるプロセスレシピによって任意に設定可能である。この設定値は、ターゲット材料の違い等によって変わる分布の違いをあらかじめ確かめられた実験結果によって指定することで、種々のターゲット材料において最適な成膜分布が得られ、開発及び条件検討時間を大幅に削減することが可能となる。

［第２実施形態］

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図７に、第２実施形態に係る制御装置２６のフローを示す。第２実施形態は、フローが異なる以外は、スパッタ装置の構成は第１実施形態と略同じである。
本実施形態では、まず第１及び第２のＭＴ距離の選択後（ステップＳ２０１）、この値に対し、ターゲットの表面状態に応じた補正を行う（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０１で取得する値は、例えば、ターゲットの経時変化にかかわらず設定された値である。
しかし、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ごと減少するため（エロージョン）、同じＭＴ距離でもエロージョンの深さによって表面に形成される磁束は異なり、成膜分布も異なったものとなる。従って、本実施形態では、エロージョンの進行の度合いを取得し、エロージョンの進行の度合いに応じて第１のＭＴ距離を補正する（ステップ２０２）。
エロージョンの進行の度合いを取得するための方法は、特に限定されないが、本実施形態ではエロージョン速度（単位時間に対するエロージョンの進行の度合い）を予め実験で求めておき、エロージョン速度と成膜累積時間に基づいてエロージョンの進行の度合いを演算する。そして、エロージョンの進行の度合いに応じた分だけＭＴ距離を増加させ、ターゲット部材２ａの表面における磁界がターゲット部材のライフタイム（寿命）の間を通してほとんど一定になるようにする。どの程度ＭＴ距離を調整するかは、予めマップや演算式などとして定めておく。

補正処理後、補正により求められた第１のＭＴ距離で第１成膜動作（ステップＳ２０３，Ｓ２０４）、第２のＭＴ距離にて第２成膜動作を行う（ステップＳ２０５，Ｓ２０６）。これにより、成膜分布形状はエロージョン進行に伴い変化することなく、ターゲットライフと言われるターゲット使いきりの状態まで維持される。また、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という効果もある。

［第３実施形態］

次に、第３実施形態について説明する。

図８に、第３実施形態に係るスパッタ装置の概略を示す。ＲＦ電源と共に放電用の電力を供給するための直流電源、及び、これに内蔵されるモニタ回路２５がある以外は図１で示したスパッタ装置の構成と略同じであり、制御装置２６による成膜フローは図７に示したフローに従う。

本実施形態では、モニタ回路２５によりターゲット部材２ａ表面の電流及び電圧を測定し、測定値を制御装置２６に出力し、制御装置２５により測定結果に基づきＭＴ距離の補正処理（図７のステップＳ２０２）を実行する。ＤＣ電源内にあるモニター回路２５で電極部に流れる電流と電圧を測定することが可能であり、これらを測定することで、ターゲット部材２ａ表面の電流及び電圧を測定するものである。制御装置２６は、ターゲット部材２ａ表面の電流及び電圧に基づき、エロージョンの進行の度合いを演算し、演算結果に基づいてＭＴ距離を補正する。ターゲット部材２ａ表面の電流及び電圧とエロージョンの進行の度合いとの対応関係は、予めマップ等により規定しておく。電力に基づき、補正を行ってもよい。

これにより、第２実施形態と同様に、ターゲットライフを通じて成膜分布形状が維持される。

以上、第２及び第３実施形態について説明したが、補正方法はこれに限定されない。なお、ＲＦ電力のみで放電する場合には、ＲＦモニター回路内に備えられたＶｐｐやＶｄｃのモニター値を測定することで同様にエロージョン進行の度合いを演算することが可能である。

上記実施形態では、第１のＭＴ距離を第１成膜動作中同じにしているが、第１成膜動作中にも補正を行って、ターゲット部材２ａ表面に形成される磁界が略一定になるようにしてもよい。

また、第２及び第３実施形態では、成膜分布パターンがエロージョンにかかわらず略同じになるようにＭＴ距離を補正しているが、エロージョンの進行の度合いに応じ分布パターンの組み合わせを変更するようにしてもよい。例えば、エロージョンの進行に従って第１成膜動作による成膜分布パターンが変化するのに対応して、これをキャンセルするために第２成膜動作により成膜させる分布のパターンも変更する。但し、上述のようにＭＴ距離を補正する方法を取ると、ターゲット部材２ａ表面に形成される磁界やプラズマ密度、スパッタ速度等を各回で略同じにすることができる。

また、第２及び第３実施形態では、エロージョンの進行の度合いを推定し、これに基づき補正を行っているが、プラズマ密度等を推定し、これに応じて互いに偏りをキャンセルしあう成膜分布パターンを実現するＭＴ距離を設定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、磁石装置４としてポイントカスプ磁場を形成するものを用いているが、これに限定されず、図９のごとくループ型に閉じたマグネット形状を使うことも本質的には問題ない。また外周マグネット５００は中心マグネット５０１とは異なる磁性を有するものであり、おのおのの極性がＮもしくはＳに限定されるものではない。また細かい寸法やマグネット間の距離についてもプラズマ源として最適な形状を達成するがごとく決められるもので、その値に対しては限定されるものではない。

次に、本発明の動作例について説明する。

図１に示すようなスパッタ装置を用い、高周波電力４０００Ｗに直流電圧４００Ｖを上部電極２ｂに印加して、成膜を実行した。この際、第１成膜動作ではＭＴ距離を２０ｍｍ、第２成膜動作ではＭＴ距離を１７ｍｍ（第１のＭＴ距離−３ｍｍ）で、各６０秒ずつ成膜した。このときの第１成膜動作におけるシート抵抗分布は図５（Ａ）、第２成膜動作におけるシート抵抗分布は図５（Ｂ）に示すような分布となり、全体の成膜後は図１０に示すように、両分布の偏りが打ち消され、均一な分布が得られた。

なお、成膜時間は各成膜動作の成膜レートや分布の形状により任意に設定可能である。

Claims (5)

1. 被処理体を配置可能な処理室、
   被処理体が配置される側にターゲットを取り付け可能なカソード、
   前記カソードの前記ターゲットを取り付ける側とは反対側に位置し、前記ターゲット表面に磁界を形成する磁石装置、
   前記磁石装置と前記ターゲットとの距離を調整可能な駆動手段及び、
   前記カソードへの電力供給及び前記駆動手段を制御する制御手段を備え、
   前記磁石装置は、前記カソードに面した平面シート上に分散配置された複数のマグネットからなり、各マグネットは前記カソード面に垂直方向に対向した磁極を有しそして隣接するマグネットは互いに逆磁性となるよう配置されており、前記駆動手段は前記磁石装置を一体的に移動させるよう構成され、
   前記制御手段は前記駆動手段を制御して、
   前記磁石装置と前記ターゲットとの間を第１の距離に設定し、ターゲットのスパッタリングにより被処理体に成膜する第１制御と、
   前記磁石装置と前記ターゲットとの距離を、前記第１の距離で成膜した場合と膜厚分布のパターンが異なる第２の距離に設定し、前記ターゲットのスパッタリングにより前記被処理体に成膜する第２制御とを行っているスパッタリング装置。
2. 前記第２の距離で成膜した場合の膜厚分布のパターンは、前記第１の距離で成膜した場合の成膜パターンに対し、被処理体の少なくとも一部において膜厚の大小関係が反転したパターンであ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。
3. 前記制御手段は、エロージョンの進行の度合いに応じて、前記第１及び第２の距離を補正する補正部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
4. カソードの正面側にターゲットを配置させ、前記カソードの背面側で前記ターゲットと第１の距離に磁石装置を位置させて前記ターゲットの表面に磁界を形成させ、前記ターゲットのスパッタリングにより被処理体に成膜する第１のステップと、
   前記第１のステップで成膜した場合と膜厚分布のパターンが異なる膜厚分布パターンの成膜がなされる前記ターゲットからの第２の距離に、前記磁石装置を前記カソードの背面側に位置させ、前記ターゲットのスパッタリングにより前記被処理体に成膜する第２のステップとからなり、
   前記磁石装置は、前記カソードに面した平面シート上に分散配置された複数のマグネットからなり、各マグネットは前記カソード面に垂直方向の磁極を有しそして隣接するマグネットは互いに逆磁性となるよう配置されており、前記磁石装置を一体的に移動させているスパッタリング方法。
5. 第１の距離はターゲットの表面状態に応じ補正し、該補正された第１の距離にて磁石装置の位置決めしている請求項４に記載のスパッタリング方法。

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