JP5373905B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents
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Description
本願は、2009年7月17日に出願された特願2009−169447号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
このような用途のスパッタリング装置においては、近年の配線パターンの微細化に伴い、処理すべき基板全面に、深さと幅の比が3を超えるような高アスペクト比の微細ホールに対して良好な被覆性で被膜を成膜することができること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。
このような場合、ターゲットからスパッタリングされたターゲット材粒子(例えば、金属粒子、以下、「スパッタ粒子」という)が基板の鉛直方向に対して傾斜した角度で入射して基板の外周部に付着する。
その結果、スパッタリング装置を上記用途の成膜工程に用いた場合には、特に、基板の外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が従来から知られている。即ち、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題があった。
その結果、半導体デバイスの製作における成膜工程で本発明の成膜装置を用いることにより、高アスペクト比のホール,トレンチ,又は微細パターンに対して高い被覆性で被膜を形成することができる。更に、被処理体の中央部における被覆性と同じレベルの被覆性で被処理体の外周部に被膜を形成することができる。また、処理体の外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が解消される。即ち、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題が解消される。
また、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
真空チャンバ2の天井部には、カソードユニットCが取り付けられている。
なお、以下の説明においては、真空チャンバ2の天井部に近い位置を「上」と称し、真空チャンバ2の底部に近い位置を「下」と称する。
更に、カソードユニットCは、ターゲット3のスパッタ面(下面)3aが露出される空間(スパッタ面3aの前方)にトンネル状の磁場を発生する第1磁場発生部4を備える。
ターゲット3は、処理すべき基板W(被処理体)に形成される薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、Cu,Ti,Al,又はTaで構成されている。
ターゲット3の形状は、処理すべき基板Wの形状に対応させて、スパッタ面3aの面積が基板Wの表面積より大きくなるように、公知の方法で所定形状(例えば、平面図において円形)に作製されている。
また、ターゲット3は、公知の構造を有するDC電源9(スパッタ電源、直流電源)に電気的に接続され、所定の負の電位が印加される。
第1磁場発生部4は、ターゲット3に平行に配置されたヨーク4aと、ヨーク4aの下面に設けられた磁石4b,4cとから構成されている。
ターゲット3に近い位置に配置された磁石4b,4cの先端の極性が交互に異なるように、磁石4b,4cは配置されている。
磁石4b,4cの形状又は個数は、放電の安定性又はターゲットの使用効率の向上等の観点から、スパッタ面3aが露出される空間(ターゲット3の前方)に形成される磁場(磁場の形状又は分布)に応じて適宜選択される。
磁石4b,4cの形状としては、例えば、薄片形状,棒形状,又はこれら形状が適宜組み合わされた形状が採用されてもよい。
また、第1磁場発生部4に移動機構が設けられてもよく、移動機構によって第1磁場発生部4がターゲット3の背面側において往復運動又は回転運動してもよい。
ステージ10上には基板Wが搭載され、ステージ10によって基板Wの位置が決定され、基板Wが保持される。
また、真空チャンバ2の側壁には、アルゴンガス等のスパッタガスを導入するガス管11(ガス導入部)の一端が接続されており、ガス管11の他端はマスフローコントローラ(不図示)を介してガス源に連通している。
更に、真空チャンバ2には、ターボ分子ポンプ又はロータリポンプ等からなる真空排気部12(排気部)に通じる排気管12aが接続されている。
上コイル13uは、真空チャンバ2の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体14を有し、コイル支持体14に導線15を巻回することによって構成されている。また、上コイル13uに電力を供給(通電)する電源装置16が上コイル13uに接続されている。下コイル13dは、真空チャンバ2の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体14を有し、コイル支持体14に導線15を巻回することによって構成されている。また、下コイル13dに電力を供給(通電)する電源装置16が下コイル13dに接続されている(図1,2A,2B参照)。
なお、本実施形態においては、上コイル13u及び下コイル13dの各々に供給される電流値及び電流の向きを任意に変更するため、上コイル13u及び下コイル13dの各々に別個の電源装置16が設けられた構造について説明した。本発明は、この構成を限定していない。同じ電流値及び同じ電流の向きで各コイル13u,13dに電力を供給する場合には、1個の電源装置によって各コイル13u,13dに電力を供給する構成が採用されてもよい。
図2A及び図2Bは、ターゲット3の全面及び基板Wの全面の間に通る垂直な磁力線M(M1,M2)を示す図である。
図2A及び図2Bにおいては、磁力線M1,M2は矢印を用いて図示されているが、この矢印は説明のために便宜的に示されており、磁場の方向を限定していない。即ち、磁力線M1,M2は、磁石のN極からS極に向う方向及び磁石のS極からN極に向う方向の両方を含んでいる。
図2Aは、上コイル13uに印加される電流値と、下コイル13dに印加される電流値とが同じである場合の磁力線M1を示している。
各コイルに同じ電流値を印加することによって、ターゲット3に近い位置で発生する磁束密度(ターゲット3近傍の磁束密度)と、基板Wに近い位置で発生する磁束密度(基板W近傍の磁束密度)とが均一にとなるように電流値が制御されている。一方、図2Bは、上コイル13uに印加される電流値と、下コイル13dに印加される電流値とが異なる場合の磁力線M2を示している。
即ち、図2Bにおいては、基板Wに近い位置に配置された下コイル13dに印加される電流(Id)よりも大きい電流(Iu)をターゲット3に近い位置に配置された上コイル13uに印加する。これによって、ターゲット3近傍の磁束密度が、基板W近傍の磁束密度よりも大きくなるように真空チャンバ2内の磁場が制御されている。
また、電流(Id)及び電流(Iu)の関係においては、関係式1<Iu/Id≦3を満たすように真空チャンバ2内の磁場が制御されている。即ち、Iuの大きさは、Idの大きさの3倍以上である。
特に、図2Bに示すように、下コイル13dに供給される電流よりも大きい電流を上コイル13uに印加することによって、基板Wの全面において、高アスペクト比の微細ホール及びトレンチHに所定の薄膜Lを良好な被覆性で成膜することができる。また、基板Wの外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が解消される。即ち、基板Wの外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題が解消される。これによって、微細ホール内の表面(露出面)に形成される被膜の厚さの均一性(面内均一性)が向上する。
また、成膜装置1においては、上コイル13u及び下コイル13dを真空チャンバ2の外側に設けただけであるため、複数のカソードユニットを用いるために装置構成を変更するような場合と比べて、本実施形態の装置構成は極めて簡単であり、既存の装置を改造することによって本実施形態の装置を実現することができる。
まず、被膜が形成される基板Wとして、Siウエハを準備する。このSiウエハの表面にはシリコン酸化物膜Iが形成されており、このシリコン酸化物膜Iには公知の方法を用いて配線用の微細ホール及びトレンチHが予めパターニングによって形成されている。
次に、成膜装置1を用いたスパッタリングにより、シード層であるCu膜LをSiウエハ上に成膜する場合について説明する。
次に、ステージ10に基板W(Siウエハ)を搭載し、それと同時に、電源装置16を作動させて上コイル13u及び下コイル13dに通電し、ターゲット3の全面及び基板Wの全面の間に垂直な磁力線Mを発生させる。
そして、真空チャンバ2内の圧力が所定値に達した後に、真空チャンバ2内にアルゴンガス等(スパッタガス)を所定の流量で導入しつつ、DC電源9よりターゲット3に所定の負の電位を印加(電力投入)する。
これによって、真空チャンバ2内にプラズマ雰囲気を生成する。
この場合、第1磁場発生部4によって発生した磁場によって、スパッタ面3aが露出される空間(前方空間)において電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子が捕捉され、スパッタ面3aが露出される空間においてプラズマが発生する。
このとき、特に、正電荷を有するCuが飛散する方向が、垂直磁場によって基板Wの鉛直方向に変更され、基板Wの全面においてスパッタ粒子が基板Wに対して略垂直に入射して付着する。これによって、基板Wの全面において微細ホール及びトレンチHに良好な被覆性で被膜が成膜される。
本実施例では、図1に示す成膜装置1を用いて、基板W上にCu膜を成膜した。
具体的に、φ300mmのSiウエハ表面全体にシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜に公知の方法で微細トレンチ(幅40nm、深さ140nm)がパターニングによって形成された基板Wを準備した。また、ターゲットとしては、Cuの組成比が99%で、スパッタ面の径がφ400mmに作製されたターゲットを用いた。ターゲットと基板との間の距離を400mmに設定すると共に、上コイル13uの下端とターゲット3との間の距離及び下コイル13dの上端と基板Wとの間の距離をそれぞれ50mmに設定した。
評価基準(評価項目)は、微細トレンチの側壁に成膜されたCu膜の被覆性、Cu膜が成膜された後の微細トレンチの最小開口、及びボトムカバレッジ(微細トレンチの底部に成膜されたCu膜の膜厚と微細ホールの周囲の面に成膜されたCu膜の膜厚の比)である。図3は、Cu膜が成膜された高アスペクト比の微細トレンチを模式的に示す断面図である。
図4は、各コイル13u,13dに印加される電流値を変化させた場合に、微細トレンチの側壁に形成されたCu膜を観察し、被覆性を評価した結果を示している。
図4において、横軸は下コイルに供給される電流値、縦軸は上コイルに供給される電流値を示す。
図4において、「◎」は、微細トレンチの側壁に形成されたCu膜の被覆率が60%以上であり、十分な膜厚が得られたことを示し、即ち、良好な評価結果が得られたことを示している。また、「○」は、微細トレンチの側壁に形成されたCu膜の被覆率が40%〜60%であることを示している。また、「△」は、微細トレンチの側壁に形成されたCu膜の被覆率が20%〜40%であることを示している。また、「×」は、微細トレンチの側壁に形成されたCu膜の被覆率が20%以下であることを示している。
この結果より、コイル13u,13dのいずれか一方に供給される電流値が25A以上であるか、コイル13u,13dの両方に供給される電流値が15A以上である場合、十分な膜厚を有するCu膜を微細トレンチの側壁に形成することができることが分かった。
また、両コイルに供給される電流値が15A以上である場合、特に、両コイルに供給される電流値25Aである場合において、Cu膜が成膜されている状態が良く、微細トレンチの側壁に形成されたCu膜の被覆性に関しては、電流値は高いほど高い被覆性が得られることが分かった。
最小開口とは、Cu膜が成膜された後の微細ホールHの開口部の直径Dを意味する(図3参照)。
図5は、各コイル13u,13dに印加される電流値を変化させた場合に、Cu膜が成膜された後の最小開口Dを評価した結果を示している。
図5において、横軸は下コイルに供給される電流値、縦軸は上コイルに供給される電流値を示す。
図5において、「◎」は、直径が30nm以上である十分な最小開口が得られていることを示し、即ち、良好な評価結果が得られたことを示している。また、「○」は、直径が20nm以上である最小開口が得られていることを示している。「△」は、最小開口の直径が10nm以下であることを示している。「×」は、開口が形成されなかったことを示している。
この結果より、下コイル13dに供給される電流値が15A以下であれば、基準を満たす最小開口、即ち、直径が30nm以上である十分な最小開口Dが形成されることが分かった。特に、下コイル13dに供給される電流値が5Aである場合に、良好な結果が得られた。
また、図5に示すように、下コイル13dに供給される電流(Id)及び上コイル13uに供給される電流(Iu)の関係においては、関係式1<Iu/Id≦3を満たすように電流が制御されている場合に、良好な評価結果が得られていることが分かった。
この評価においては、Cu凝集の評価及び微細トレンチの最小開口の評価が共に基準を満たし、特に、Cu凝集の評価において良好な結果が得られた条件ついてボトムカバレッジを算出した。
上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が15A及び15Aである条件と、25A及び15Aである条件は、Cu凝集及び最小開口の結果が共に良好であった。このため、これらの条件によって成膜された微細トレンチの底部のCu膜の膜厚と微細ホールの周囲の面のCu膜について、ボトムカバレッジを算出した。
図3に示した微細ホールの周囲の面に形成される膜の厚さTaと、微細ホールの底面に形成される膜の厚さをTbとをそれぞれ測定し、厚さTbを厚さTaで割った値、即ち、ボトムカバレッジ(Tb/Ta)を算出した。
表1は、基板Wの中央部(基板中心部から半径20mm以内の領域)及び外周部(基板中心から距離130mmだけ離れた基板の外側領域(外周部))におけるボトムカバレッジが算出された結果を示す。基板Wの中央部においては、微細ホールの底部中央部のボトムカバレッジ(Tb(1)/Ta)を測定した。
一方、基板Wの外周部においては、スパッタ粒子が傾斜した角度で入射、付着することが考えられ、微細ホールの底部の両端部におけるボトムカバレッジ(Tb(2)/Ta、Tb(3)/Ta)を測定した。
表1より、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が、25A及び15A(条件1)である場合のボトムカバレッジのパーセンテージは、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が、15A及び15A(条件2)である場合のボトムカバレッジのパーセンテージよりも高かった。
この結果より、上コイルに供給される電流値を下コイルに供給される電流値より大きくすることにより、図2Bに示すように、ターゲット近傍の磁束密度が、被処理体近傍の磁束密度よりも大きくなり、ターゲット近傍に飛散するスパッタ粒子が被処理体(基板W)に向けて効果的に誘導されるため、ボトムカバレッジが改善されることが分かった。
Claims (4)
- 成膜装置であって、
成膜面を有する被処理体とスパッタ面を有するターゲットとが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置される内部空間を有するチャンバと、
前記チャンバ内を減圧する排気部と、
前記スパッタ面が露出される前記内部空間に磁場を発生させる第1磁場発生部と、
前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、
前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、
Iuで定義された電流値が印加されて前記ターゲットに近い位置に配置された第1発生部と、Idで定義された電流値が印加されて前記被処理体に近い位置に配置された第2発生部とを有し、関係式Id<Iuを満たすように前記第1発生部及び前記第2発生部に電流を印加し、前記スパッタ面の全面と前記被処理体の前記成膜面の全面との間に所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、前記内部空間を有する前記チャンバの外壁部に設けられる第2磁場発生部と、
を含むことを特徴とする成膜装置。 - 請求項1に記載の成膜装置であって、
前記Iu及び前記Idは、関係式1<Iu/Id≦3を満たすことを特徴とする成膜装置。 - 成膜方法であって、
成膜面を有する被処理体とスパッタ面を有するターゲットとが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置される内部空間を有するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する排気部と、前記スパッタ面が露出される前記内部空間に磁場を発生させる第1磁場発生部と、前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、前記ターゲットに近い位置に配置された第1発生部と前記被処理体に近い位置に配置された第2発生部とを有し、前記スパッタ面の全面と前記被処理体の前記成膜面の全面との間に所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、前記内部空間を有する前記チャンバの外壁部に設けられる第2磁場発生部とを含む成膜装置を準備し、
Iuで定義された電流値を前記第1発生部に印加し、
Idで定義された電流値を前記第2発生部に印加し、
関係式Id<Iuを満たすように、前記第1発生部及び前記第2発生部に印加される前記電流値を制御することを特徴とする成膜方法。 - 請求項3に記載の成膜方法であって、
前記Iuと前記Idは、関係式1<Iu/Id≦3を満たすように、前記第1発生部及び前記第2発生部に供給される電流値を制御することを特徴とする成膜方法。
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