JP5773346B2 - セルフイオンスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、セルフイオンスパッタリング装置に関する。

例えば、高アスペクト比の微細ホールに対してカバレッジよくＣｕシード層を形成するために、所謂セルフイオンスパッタリング装置（以下、「セルフスパッタ装置」という）が利用されている。従来のセルフスパッタ装置としては、真空チャンバ内で処理すべき基板に対向配置されるＣｕ製のターゲットと、このターゲットに負の直流電位を印加するＤＣ電源（スパッタ電源）と、ターゲットの前方空間を囲うように配置され、正の電位が印加されるアノードシールドと、真空チャンバ内にＡｒ等のスパッタガスを導入するガス導入手段と、基板にバイアス電位を印加するバイアス電源とを備えたものが特許文献１で知られている。

上記特許文献１記載のものでは、スパッタにより成膜開始時、ガス導入手段を介してスパッタガスを真空チャンバ内に導入する。この状態で、ＤＣ電源によりターゲットに所定の負の電位を印加すると共に、他のＤＣ電源によりアノードシールドに正電位を印加すると、ターゲットのスパッタ面前方の空間にグロー放電が生じる。その後、マスフローコントローラを制御してスパッタガスの導入を停止すると、上記空間にて低圧力下で自己放電する。そして、プラズマ中のＡｒイオンがターゲットのスパッタ面に衝突してスパッタされ、Ｃｕ原子が飛散し、適宜アノードシールドにて反射されてＣｕ原子や電離したＣｕイオンが、ターゲットから基板に向かって放出され、バイアス電位が印加された基板に向かって強い直進性を持って引き込まれて付着、堆積し、Ｃｕからなるシード層が形成される。

ここで、一般のスパッタ装置に用いられるスパッタ電源では、通常、アーク抑制回路が備えられている。そして、ＤＣ電源からの出力電圧や出力電流をモニターし、何らかの原因でアーク放電が発生してプラズマインピーダンスが変化することで出力電圧や出力電流が変化し、所定範囲を超えると、例えば逆電圧を印加して放電維持操作、または再放電操作が自動的に行われるようになっている。

然し、上記セルフスパッタ装置では、アーク放電発生後に上記操作が行われても、放電維持や再放電に必用なスパッタガスが供給されていないため、放電切れが生じてしまうという不具合がある。このような場合、手動または自動でスパッタガスを真空チャンバ内に導入して再放電させる操作を行うことが考えられるが、これでは、スパッタ時間を厳密に管理できず、製品歩留りが低下するという不具合が生じる。

他方で、高純度Ｃｕに、ＡｇやＡｕのＣｕとイオン化率の異なる材料をその合計含有量が0.005〜500ppmの範囲となるように混入させたターゲットを用い、放電切れが生じないようにプラズマを安定させることが特許文献２で知られている。然し、このようなターゲットでは、その製作コストが高くなり、その上、その製作も面倒である。

特開２００２−８０９６２号公報 特開２００１−３４２５６０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、何らかの原因でアーク放電が発生したときでも放電切れを防止できるようにした低コストのセルフスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のセルフイオンスパッタリング装置は、処理すべき基板が配置される真空チャンバと、前記基板に対向配置されるターゲットと、前記ターゲットに負の直流電位を印加するスパッタ電源と、前記ターゲットの前方空間を囲うように配置され、正の電位が印加されるアノードシールドと、前記真空チャンバ内に所定のスパッタガスを導入するガス導入手段とを備え、前記ガス導入手段は、真空チャンバにスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してターゲットとアノードシールドとで囲繞された空間に放電を発生させた後、当該スパッタガスの導入を停止し、この空間にて自己放電させ、前記直流電源からターゲットへの出力回路に並列にＬＣ共振回路を有し、ＬＣ共振回路は、そのコイルとして５〜２００μＨの範囲内のものを用い且つそのコンデンサとして０．１０〜０．４４μＦの範囲内のものを用い、自己放電中にアーク放電が発生すると、前記スパッタ電源からの出力電位を共振させて出力電位の低下を抑制して前記自己放電を維持するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、何らかの原因でアーク放電が発生した場合、プラズマのインピーダンスが急激に小さくなることに起因して急激な電圧低下が起こり、それに伴って電流が増加するが、直流電源からターゲットへの出力回路に並列にＬＣ共振回路を有するため、出力電流が共振することで出力電圧が必要以上に低下することが防止されて放電が維持されるようになる。

このように本発明では、ＬＣ共振回路の追加だけで、Ｃｕとイオン化率の異なる材料を添加した特別なターゲットを必要とせず、簡単な構成でアーク放電が発生したときでも放電切れを防止でき、低コストの放電切れ対策となる。

本発明においては、ターゲットへの出力回路にノイズがのらないように、前記直流電源からターゲットへの出力にノイズフィルターを更に備えることが望ましい。

本発明の実施形態のセルフイオンスパッタリング装置を模式的な説明図。 ターゲットに直流電位を印加するスパッタ電源の出力回路を説明する図。 （ａ）は、発明品でのアーク放電発生時の出力波形を示す図、（ｂ）は、従来品でのアーク放電発生時の出力波形を示す図。

以下、図面を参照して、Ｃｕからなるシード層を形成することに適した本発明の実施形態のセルフイオンスパッタリング装置（以下、「セルフスパッタ装置」という）を説明する。

図１に示すように、セルフスパッタ装置Ｍは真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。なお、以下においては、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上側に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、処理すべき基板Ｗに形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、Ｃｕ以外ではＴｉやＴａ製とすることができ、公知の方法で形成される。また、ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１に取り付けられる。一方、磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。ターゲット２はスパッタ電源たるＤＣ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の直流電位が印加される。

ここで、ＤＣ電源Ｅ１は、アーク抑制回路を備えた公知の構造のものである。そして、ＤＣ電源Ｅ１からターゲット２に通じる出力Ｅｋの電圧や電流をモニターし（図２参照）、何らかの原因でアーク放電が発生してプラズマインピーダンスが変化することで上記出力電圧や出力電流が変化し、所定範囲を超えると、例えば逆電圧を印加して放電維持操作や再放電操作が自動的に行われるようになっている。

真空チャンバ１内には導電性を有するアノードシールド４が配置されている。アノードシールド４は、ターゲット２の周囲を覆って下方に延びる筒状の部材である。アノードシールド４は他のＤＣ電源Ｅ２に接続され、スパッタ中、正の直流電位が印加される。そして、このアノードシールド４によって、イオン化したスパッタ粒子のイオンを反射し、強い直進性を持って基板Ｗへと放出されることをアシストする。

真空チャンバ１の底部には、カソードユニットＣに対向させてステージ５が配置され、シリコンウエハ等の処理すべき基板Ｗを位置決め保持できる。ステージ５は高周波電源Ｅ３に接続され、スパッタ中、ステージ５、ひいては基板Ｗにバイアス電位が印加され、特にスパッタ粒子のイオンを基板Ｗに積極的に引き込む。

真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスを導入するガス管６が接続され、このガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通する。そして、これらの部品がガス導入手段を構成し、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。また、真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる真空排気装置７に通じる排気管７ａが接続されている。なお、上記セルフスパッタ装置Ｍは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段（図示せず）を有し、制御手段により上記各ＤＣ電源及び高周波電源Ｅ１乃至Ｅ３の作動、マスフローコントローラ６ａの作動や真空排気装置７の作動等を統括管理するようになっている。

上記セルフスパッタ装置Ｍにて処理される基板Ｗとしては、Ｓｉウエハ表面にシリコン酸化物膜（絶縁膜）を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で配線用の微細ホールをパターニングして形成したものが用いられる。以下に、この基板Ｗに上記セルフスパッタ装置Ｍにてシード層たるＣｕ膜を成膜する場合を例にその作動を説明する。

カソードユニットＣに対向するステージ５に基板Ｗを載置した後、真空排気手段７を作動させて真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きする。真空チャンバ１内の圧力が所定値に達すると、マスフローコントローラ６ａを制御して真空チャンバ１内にＡｒガスを所定流量で導入する。そして、アノードシールド４にＤＣ電源Ｅ２より正電位（例えば１００Ｖ）を印加し、ターゲット２にＤＣ電源Ｅ１より負電位（例えば−５００Ｖ）を印加すると共に、基板Ｗに高周波電源Ｅ３より負のバイアス電位（例えば、投入電力３００Ｗ）を印加する。

これにより、スパッタ面２ａの下方であってアノードシールド４で囲繞された空間にグロー放電が生じ、磁石ユニット３にて発生した磁場でプラズマが封じ込められる。その後、マスフローコントローラ６ａを制御してスパッタガスの導入を停止すると、上記空間において低圧力下で自己放電する。

この状態では、プラズマ中のアルゴンイオン等がターゲット２のスパッタ面２ａに衝突してスパッタされ、Ｃｕ原子が飛散し、Ｃｕ原子や電離したＣｕイオンが、適宜アノードシールド４で反射されながら、強い直進性を持って基板Ｗに向かって放出され、バイアス電位を印加することでスパッタ粒子やスパッタ粒子のイオンが、積極的に基板Ｗに対して略垂直に引きこまれて付着、堆積する。

ところで、上記セルフスパッタ装置Ｍでは、自己放電中、スパッタガスの導入を停止しているため、アーク放電が発生し、ＤＣ電源Ｅ１にて放電維持や再放電の操作がなされても、必用なスパッタガスがない。このため、放電切れが生じないようにする必要がある。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、スパッタ電源Ｅ内においてターゲット２への出力Ｅｋと接地電位とからなる出力回路に並列にＬＣ共振回路８を設けた。この場合、ＬＣ共振回路８を構成するコイル８ａとしては、５〜２００μＨのものが用いられ、また、コンデンサ８ｂとしては、０．１０〜０．４４μＦのものが用いられる。また、ターゲット２への出力Ｅｋに、例えば、コイルからなるノイズフィルター９が設けられ、電源回路にノイズがのらないようにしている。この場合、ノイズフィルター９のコイルとしては、０．７μＨ〜５ｍＨのものが用いられる。なお、図２に示すように、ターゲットへの出力（ライン）に電圧計（電流計）が接続され、出力電流（または出力電圧）が測定できるようになっている。

上記構成を採用することで、何らかの原因でアーク放電が発生した場合、プラズマのインピーダンスが急激に小さくなることに起因して急激な電圧低下が起こり、それに伴って電流が増加するが、ＬＣ共振回路８を設けたことで出力電流が共振して出力電圧が必要以上に低下することが防止され、その結果、グロー放電が維持されるようになる。これにより、ＬＣ共振回路８の追加だけで、従来技術の如く、ＡｇやＡｕ等のＣｕとイオン化率の異なる材料を添加した特別なターゲットを必要とせず、簡単な構成で放電切れを防止できる。

以上の効果を確認するために、図２に示すＤＣ電源Ｅ１を用いたセルフスパッタ装置Ｍを用い（発明品）、Ｃｕ膜を成膜した。基板Ｗとして、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で微細ホール（幅４０ｎｍ、深さ１４０ｎｍ）をパターニングして形成したものを用いた。他方、カソード材として組成比９９．９９９９％のＣｕ製で、厚さが１２ｍｍに形成したものを用いた。

成膜条件として、ターゲット２のスパッタ面２ａと基板Ｗとの間の距離を３００ｍｍに設定し、ターゲット２への投入電力を１６ｋＷ（電流３８Ａ）、アノードシールド８への投入電圧１００Ｖ、バイアス電力３００Ｗに設定し、スパッタ時間を３０秒に設定してＣｕ膜の成膜を行った。そして、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタによる成膜開始当初３秒間は、１０ｓｃｃｍの流量でスパッタガスを導入した。比較実験として、ＬＣ共振回路を有しないＤＣ電源を用いることとした（従来品）。

図３を参照して説明すれば、従来品では、アーク放電が発生すると、急激な出力電圧が低下し、これに伴って出力電流が急激に上昇して放電切れが生じていることが判る（図３（ｂ）参照）。それに対して、発明品では、アーク放電が発生した当初、出力電圧の低下が見られるものの、出力電流が共振することで出力電圧の低下が抑制されて放電を維持できることが判る（図３（ａ）参照）。

以上、本発明の実施形態のセルフスパッタ装置Ｍについて説明したが、上記形態のものに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、１個のスパッタ電源Ｅ１を用いる場合を例に説明したが、マスター電源にスレーブ電源を接続して電源装置を構成するような場合にも本発明が適用でき、この場合には電源毎に上記ＬＣ共振回路が設けられる。

Ｍ…セルフイオンスパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、４…アノードシールド、６…ガス管（ガス導入手段）、８…ＬＣ共振回路、９…ノイズフィルター、Ｅ１…ＤＣ電源（スパッタ電源）、Ｅｋ…出力、Ｗ…基板

Claims (2)

1. 処理すべき基板が配置される真空チャンバと、前記基板に対向配置されるターゲットと、前記ターゲットに負の直流電位を印加するスパッタ電源と、前記ターゲットの前方空間を囲うように配置され、正の電位が印加されるアノードシールドと、前記真空チャンバ内に所定のスパッタガスを導入するガス導入手段とを備え、前記ガス導入手段は、真空チャンバにスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してターゲットとアノードシールドとで囲繞された空間に放電を発生させた後、当該スパッタガスの導入を停止してこの空間にて自己放電させるセルフイオンスパッタリング装置において、
   前記直流電源からターゲットへの出力回路に並列にＬＣ共振回路を有し、ＬＣ共振回路は、そのコイルとして５〜２００μＨの範囲内のものを用い且つそのコンデンサとして０．１０〜０．４４μＦの範囲内のものを用い、自己放電中にアーク放電が発生すると、前記スパッタ電源からの出力電位を共振させて出力電位の低下を抑制して前記自己放電を維持するように構成されることを特徴とするセルフイオンスパッタリング装置。
2. 前記スパッタ電源からターゲットへの出力にノイズフィルターを更に備えることを特徴とする請求項１記載のセルフイオンスパッタリング装置。
   

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