JP7138551B2 - スパッタリング方法及びスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリングによって成膜を行う装置に関し、特にＲＦ（高周波）スパッタリングによって成膜を行うスパッタリング装置の技術に関する。

近年、高性能化、高機能化によるデバイスの微細化に伴い、デバイスを構成する薄膜の膜厚が益々薄くなっている。そのため、以前にも増して膜厚を制御することが重要になっている。
高周波電力を用いるスパッタリング法によって薄膜を形成する場合、成膜速度の制御においてアノード電極の面積は大変重要な役割を果たす。

そこで、アノード電極の面積を増加させるため、従来より、基板を設置したステージの周囲に、ターゲットに対向するアノード電極部を設け、そのターゲットに対向する直径１０ｍｍ程度の円形の凹部構造（鉛筆立てのような構造）を形成する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

ところで、高周波電力を用いるスパッタリング法によって薄膜を形成する場合には、アノード電極からマッチングボックスまでのリターン回路のインピーダンスが高周波プラズマのプラズマ密度の分布に影響を与え、成膜速度ひいては膜厚分布に影響を与えることが知られている。

例えば、従来の高周波電力を用いるスパッタリング装置によって薄膜を形成する際においては、膜厚分布の偏りが発生して膜厚分布特性を低下させる場合があるという課題がある。

この原因としては、ウェハ（基板）を設置したステージに対してターゲットが傾いていること、ターゲットの背面に設置した回転可能な磁石装置の回転軸が傾いていること等による高周波プラズマのプラズマ密度分布が偏ることが考えられる。

また、高周波電力を用いるスパッタリング装置の場合、上記原因以外に真空槽の非対称性、すなわち、例えば真空槽の基板導入口及び真空排気口の存在によるリターン回路のインピーダンスの偏りによって高周波プラズマのプラズマ密度分布の偏りが原因になる場合もある。

特開２００２－３８２６３号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的とするところは、高周波電力を用いるスパッタリングによって成膜を行う場合に、放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度の分布を均一にして基板上に形成される膜の膜厚分布の均一化を図ることができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、真空中でカソード電極に保持されたターゲットに高周波電力を供給してアノード電極との間の放電空間内で放電させ、前記ターゲットをスパッタしてアノード電極上に配置された基板上に成膜を行うスパッタリング方法であって、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部を前記放電空間内に配置し、前記凹凸アノード電極部に、当該凹凸構造を構成する凹部として、前記基板上に形成される膜の膜厚分布の偏りに応じて前記アノード電極の面積を部分的に増加させるように構成されたアノード面積調整用凹部を設け、スパッタリング時の前記放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度を調整する工程を有するスパッタリング方法である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部に、前記基板上に形成される膜の膜厚が他の領域に比べて小さい領域の近傍に前記アノード面積調整用凹部を設け、前記アノード電極の面積を部分的に増加させることにより、スパッタリング時の前記放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度を調整するスパッタリング方法である。
本発明は、放電空間を有する真空槽と、前記真空槽内においてカソード電極に保持されたターゲットと、成膜対象である基板が配置され且つアノード電極を構成するステージと、前記カソード電極を介して前記ターゲットに高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空槽内の前記ターゲットと前記ステージとの間の放電空間内に設けられ、当該放電空間側の面に複数の凹部を有し、かつ、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位となる凹凸構造の凹凸アノード電極部とを備え、前記凹凸アノード電極部に、前記凹凸アノード電極部の凹凸構造を構成する凹部として、前記基板上に形成される膜の膜厚分布の偏りに応じて前記アノード電極の面積を部分的に増加させるように構成されたアノード面積調整用凹部が設けられているスパッタリング装置である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部の前記放電空間側の面における、前記基板上に形成される膜の膜厚が他の領域に比べて小さい領域の近傍に、前記アノード面積調整用凹部が設けられているスパッタリング装置である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部が、前記ステージの外側でこれを取り囲むように配置された外側凹凸アノード電極部と、前記外側凹凸アノード電極部の内側で、かつ、前記ステージに近接してこれを取り囲むように配置された基板側凹凸アノード電極部とを有し、前記外側凹凸アノード電極部の放電空間側の面にアノード面積を増加するためのアノード面積増加用凹部が設けられるとともに、前記基板側凹凸アノード電極部の放電空間側の面に前記アノード面積調整用凹部が設けられているスパッタリング装置である。
本発明は、前記基板側凹凸アノード電極部の放電空間側の面における、前記ステージに対して前記真空槽の真空排気口及び基板導入口側の位置に、前記アノード面積調整用凹部がそれぞれ設けられているスパッタリング装置である。

本発明にあっては、スパッタリング時にアノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部を放電空間内に配置し、凹凸アノード電極部に、当該凹凸構造を構成する凹部として、基板上に形成される膜の膜厚分布の偏りに応じて、例えば膜厚が薄くなる部分近傍のアノード電極の面積を部分的に増加させるように構成されたアノード面積調整用凹部を設けてスパッタリング時の放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度を局所的に増加させて例えば全体的に均一となるように調整することによって、高周波電力を用いるスパッタリングによって成膜を行う場合に、例えば基板を設置したステージに対してターゲットが傾いていたり、回転可能なマグネトロンスパッタ用の磁石装置の回転軸が基板表面に対して傾くことによって高周波プラズマのプラズマ密度分布に偏りが生じた場合であっても、放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度の分布を均一にして基板上に形成される膜の膜厚分布の均一化を図ることができる。

また、スパッタリングの際に基板上の例えば真空槽の真空排気口及び基板導入口の近傍の領域では、アノード電極からマッチングボックスまでのリターン回路のインピーダンスが大きくなることにより当該領域の高周波プラズマのプラズマ密度が低下するが、本発明によれば、凹凸アノード電極部の放電空間側の面において、例えばステージに対して真空槽の真空排気口及び基板導入口側の位置にアノード面積調整用凹部を設けることによって、基板上のこれらの領域の成膜速度を大きくして基板上に形成される膜の膜厚分布の均一化を図ることができる。

本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態の構成を示す断面図 （ａ）（ｂ）：本発明に用いる外側凹凸アノード電極部の例を示すもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線断面図 （ａ）（ｂ）：本発明に用いる基板側凹凸アノード電極部の例を示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ－Ｂ線断面図 本実施の形態の真空槽の内部構成を示す部分断面図

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態の構成を示す断面図である。
図２（ａ）（ｂ）は、本発明に用いる外側凹凸アノード電極部の例を示すもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。
図３（ａ）（ｂ）は、本発明に用いる基板側凹凸アノード電極部の例を示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ－Ｂ線断面図ある。
また、図４は、本実施の形態の真空槽の内部構成を示す部分断面図である。

図１及び図４に示すように、本実施の形態のスパッタリング装置１は、例えば円形状のステージ２ａの載置面２Ｓ上に例えば円形状の基板２０が配置されるように構成された真空槽２を有している。

この真空槽２は、真空排気口２Ａを介して図示しない真空排気装置に接続されるとともに、図示しないガス導入口を介してアルゴンガス等のプロセスガスを導入するように構成されている。

また、本実施の形態の真空槽２は、上述したステージ２ａを挟んで真空排気口２Ａの反対側に、基板２０を導入する基板導入口２Ｂが設けられている。

そして、この真空槽２は、接地されている。したがって、この真空槽２はアノード電極としての役割を果たす。

本実施の形態の場合、真空槽２内のステージ２ａは真空槽２と電気的に接続されて接地電位にされており、アノード電極としての役割を果たす。なお、ステージ２ａは、浮遊電位にされていてもよい。

この真空槽２内のステージ２ａの載置面２Ｓに対向する部分には、カソード電極としてのバッキングプレート３に保持された例えば酸化物、窒化物からなるターゲット４が設けられている。

そして、真空槽２の外部に設けられた高周波電源５からバッキングプレート３を介してターゲット４に高周波電力を供給するように構成されている。

なお、この高周波電源５は、図示しないマッチングボックスを有している。

本実施の形態では、バッキングプレート３を取り囲むように設けられ絶縁性材料からなるフランジ部材６によってバッキングプレート３が真空槽２に対して電気的に絶縁されている。

バッキングプレート３の背面側の部分には、マグネトロンスパッタリング用の磁石装置７が設けられている。この磁石装置７は、ステージ２ａの載置面２Ｓ（基板２０の表面）に対して直交方向に延びる回転軸Ｏを中心として回転移動可能に構成されている。

一方、真空槽２内のステージ２ａの近傍には、凹凸アノード電極部８０が設けられている。

本例の凹凸アノード電極部８０は、それぞれステージ２ａを取り囲むように設けられた、外側凹凸アノード電極部８と、基板側凹凸アノード電極部９とを有している。

図１、図２（ａ）又は図３（ａ）に示すように、外側凹凸アノード電極部８と、基板側凹凸アノード電極部９は、それぞれ貫通孔８Ａ、９Ａを有し上記回転軸Ｏを中心とする円筒形状に形成され、同心状に設けられている。

この場合、外側凹凸アノード電極部８がステージ２ａの外側でこれを取り囲むように配置され、この外側凹凸アノード電極部８の内側に、外側凹凸アノード電極部８の内径より小さな外径を有する基板側凹凸アノード電極部９が、外側凹凸アノード電極部８の内側で、かつ、ステージ２ａの側面に近接してこれを取り囲むように配置されている（図４参照）。

本実施の形態では、ステージ２ａの載置面２Ｓ（ターゲット４に対向する側の面）が平面状に形成されるとともに、外側凹凸アノード電極部８及び基板側凹凸アノード電極部９の放電空間側の面（以下、「放電空間側面」という。）８Ｓ、９Ｓも平面状に形成されている。

外側凹凸アノード電極部８及び基板側凹凸アノード電極部９は、それぞれ例えばアルミニウムからなるもので、真空槽２と電気的に接続されて接地電位にされており、アノード電極としての役割を果たす。

そして、外側凹凸アノード電極部８は、その放電空間側面８Ｓがステージ２ａの載置面２Ｓとほぼ面一（つらいち）に設けられ、この放電空間側面８Ｓに、有底の例えば円柱形状、すなわち、円形状の開口部を有する穴であるアノード面積増加用凹部８ａが設けられている（図２（ａ）（ｂ）参照）。

本例の外側凹凸アノード電極部８のアノード面積増加用凹部８ａは、ターゲット４に向かう方向、すなわち、例えば外側凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓに対して垂直に延びる形状に形成されている。

また、アノード面積増加用凹部８ａは、上述した磁石装置７の回転軸Ｏを中心とする円上に所定の間隔をおいて配置されている。

本例の基板側凹凸アノード電極部９は、その放電空間側面９Ｓがステージ２ａの載置面２Ｓとほぼ面一（つらいち）に設けられ、この放電空間側面９Ｓに、有底の例えば円柱形状、すなわち、開口部が円形状の穴であるアノード面積調整用凹部９ａが設けられている。

本発明の場合、基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａを設ける領域については特に限定されることはないが、スパッタリング時の放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度の均一性を向上させて基板２０上の膜厚の均一化を図る観点からは、基板２０上に形成される膜の膜厚が他の領域に比べて小さい領域の近傍にアノード面積調整用凹部９ａを設けることが好ましい。

本実施の形態の場合、基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａは、外側凹凸アノード電極部８の内側で、かつ、ステージ２ａの側面に近接して配置されているが、これは、アノード電極を構成するステージ２ａ並びに基板２０に近接させることにより、アノード面積調整用凹部９ａによるアノード面積の増加によって基板２０上における高周波プラズマのプラズマ密度を増加させる作用をより強めるためである。

また、本実施の形態では、真空槽２内において、基板側凹凸アノード電極部９の放電空間側面９Ｓにおける、ステージ２ａに対して真空槽２の真空排気口２Ａ及び基板導入口２Ｂ側の位置に、それぞれ複数（本例では３個づつ）のアノード面積調整用凹部９ａが設けられている（図１及び図４参照）。

これは、スパッタリングの際、真空槽２内の基板２０上の真空排気口２Ａ及び基板導入口２Ｂの近傍の領域では、アノード電極からマッチングボックスまでのリターン回路のインピーダンスが大きくなることに起因して当該領域の高周波プラズマのプラズマ密度が低下することを考慮し、当該領域の成膜速度を大きくして基板２０表面における膜厚分布の均一化を図ることを目的とするものである。

なお、基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａは、上述した磁石装置７の回転軸Ｏに対して同心円上に所定の間隔をおいて配置されている。

この場合、基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａの位置、大きさ、数等は、当該プロセスによって基板２０上に形成された膜の膜厚分布の測定結果や、当該プロセスによって基板２０上に形成される膜の膜厚分布のシミュレーション結果を予め取得しておき、これらの結果に応じて実験やシミュレーションを行うことによって基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａの位置、大きさ、数等を定めるとよい。

以上述べた本実施の形態では、スパッタリング時にアノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部８０（外側凹凸アノード電極部８及び基板側凹凸アノード電極部９）を放電空間内に配置し、基板側凹凸アノード電極部９に、基板２０上に形成される膜の膜厚が薄くなる部分近傍のアノード電極の面積を部分的に増加させるように構成されたアノード面積調整用凹部９ａを設けてスパッタリング時の放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度を局所的に増加させて全体的に均一となるように調整することによって、高周波電力を用いるスパッタリングによって成膜を行う場合に、例えば基板２０を設置したステージ２ａに対してターゲット４が傾いていたり、磁石装置７の回転軸Ｏが基板２０表面に対して傾くことによって高周波プラズマのプラズマ密度分布に偏りが生じた場合であっても、放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度の分布を均一にして基板２０上に形成される膜の膜厚分布の均一化を図ることができる。

また、スパッタリングの際に基板２０上における真空槽２の真空排気口２Ａ及び基板導入口２Ｂの近傍の領域では、アノード電極からマッチングボックスまでのリターン回路のインピーダンスが大きくなることによりこれらの領域の高周波プラズマのプラズマ密度が低下するが、本実施の形態によれば、基板側凹凸アノード電極部９の放電空間側面９Ｓにおける、ステージ２ａに対して真空槽２の真空排気口２Ａ及び基板導入口２Ｂ側の位置にアノード面積調整用凹部９ａが設けられていることから、基板２０上のこれらの領域の成膜速度を大きくして基板２０上に形成される膜の膜厚分布の均一化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施の形態では、外側凹凸アノード電極部８をステージ２ａの外側でこれを取り囲むように配置するとともに、外側凹凸アノード電極部８の内側に、基板側凹凸アノード電極部９をステージ２ａの側面に近接させてこれを取り囲むように配置するようにしたが、本発明はこれに限られず、上記実施の形態の外側凹凸アノード電極部８と基板側凹凸アノード電極部９と同等の構成の凹凸アノード電極部を有するものであれば、放電空間内のターゲット４の近傍に設けることもでき、また、ターゲット４とステージ２ａとの間に配置することもできる。

ここで、外側凹凸アノード電極部８と基板側凹凸アノード電極部９をターゲット４の近傍に設ける場合には、外側凹凸アノード電極部８のアノード面積増加用凹部８ａと基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａをそれぞれ放電空間側に向けて配置するとよい。

また、上記実施の形態では、外側凹凸アノード電極部８に開口部が円形状のアノード面積増加用凹部８ａを設けるとともに、基板側凹凸アノード電極部９に開口部が円形状のアノード面積調整用凹部９ａを設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、外側凹凸アノード電極部８のアノード面積増加用凹部８ａ及び基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａとして、種々の開口形状（楕円形状、多角形状、長穴形状）のものを採用することもでき、また、これらの数についても適宜変更することができる。

さらに、上記実施の形態では、基板側凹凸アノード電極部９の放電空間側面９Ｓにおける、ステージ２ａに対して真空槽２の真空排気口２Ａ及び基板導入口２Ｂ側の位置に、それぞれアノード面積調整用凹部９ａを設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、真空槽２内においてアノード電極からマッチングボックスまでのリターン回路のインピーダンスが大きくなる他の領域の近傍に基板側凹凸アノード電極部９のアノード面積調整用凹部９ａを設けることもできる。

さらにまた、基板側凹凸アノード電極部９にアノード面積調整用凹部として有底の穴ではなく溝状の切り欠きを設けることもできる。

さらに、上記実施の形態では、基板側凹凸アノード電極部９にはアノード面積調整用凹部９ａのみを設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、例えば、基板側凹凸アノード電極部９の一対のアノード面積調整用凹部９ａの間に外側凹凸アノード電極部８のアノード面積増加用凹部８ａと同等の形状でアノード面積増加用凹部８ａより小径の開口部を有するアノード面積増加用の凹部を設けることもできる。

ただし、このアノード面積増加用の凹部は、開口部の直径が５ｍｍ程度以下であるとプラズマが通過せずアノード電極として機能しなくなるため、開口部の直径を６ｍｍ以上に設定することが必要であり、より好ましい直径は１０ｍｍ以上である。

さらに、上記実施の形態では、凹凸アノード電極部として、別の部材である基板側凹凸アノード電極部９と外側凹凸アノード電極部８とで構成するようにしたが、本発明はこれに限られず、基板側凹凸アノード電極部９と外側凹凸アノード電極部８と同等の構成部分を有する一体的な凹凸アノード電極部を設けることもできる。

１……スパッタリング装置
２……真空槽（アノード電極）
２ａ…ステージ（アノード電極）
３……バッキングプレート（カソード電極）
４……ターゲット
５……高周波電源
８……外側凹凸アノード電極部
８ａ…アノード面積増加用凹部
８Ｓ…放電空間側の面
９……基板側凹凸アノード電極部
９ａ…アノード面積調整用凹部
９Ｓ…放電空間側の面
２０…基板
８０…凹凸アノード電極部

Claims (6)

1. 真空中でカソード電極に保持されたターゲットに高周波電力を供給してアノード電極との間の放電空間内で放電させ、前記ターゲットをスパッタしてアノード電極上に配置された基板上に成膜を行うスパッタリング方法であって、
   前記アノード電極とは別体の凹凸アノード電極部であって、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部を前記放電空間内に配置し、
   前記凹凸アノード電極部に、当該凹凸構造を構成する凹部として、前記基板上に形成される膜の膜厚分布の偏りに応じて表面積を部分的に増加させるように構成されたアノード面積調整用凹部を設け、スパッタリング時の前記放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度を調整する工程を有するスパッタリング方法。
2. 前記凹凸アノード電極部に、前記基板上に形成される膜の膜厚が他の領域に比べて小さい領域の近傍に前記アノード面積調整用凹部を設け、前記表面積を部分的に増加させることにより、スパッタリング時の前記放電空間内における高周波プラズマのプラズマ密度を調整する請求項１記載のスパッタリング方法。
3. 放電空間を有する真空槽と、
   前記真空槽内においてカソード電極に保持されたターゲットと、
   成膜対象である基板が配置され且つアノード電極を構成するステージと、
   前記カソード電極を介して前記ターゲットに高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記アノード電極とは別体の凹凸アノード電極部であって、前記真空槽内の前記ターゲットと前記ステージとの間の放電空間内に設けられ、当該放電空間側の面に複数の凹部を有し、かつ、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位となる凹凸構造の凹凸アノード電極部とを備え、
   前記複数の凹部は、前記凹凸アノード電極部の凹凸構造を構成する凹部として、前記基板上に形成される膜の膜厚分布の偏りに応じて表面積を部分的に増加させるように所定の間隔をおいて配置されたアノード面積調整用凹部であるスパッタリング装置。
4. 前記凹凸アノード電極部の前記放電空間側の面における、前記基板上に形成される膜の膜厚が他の領域に比べて小さい領域の近傍に、前記アノード面積調整用凹部が設けられている請求項３記載のスパッタリング装置。
5. 前記凹凸アノード電極部が、前記ステージの外側でこれを取り囲むように配置された外側凹凸アノード電極部と、前記外側凹凸アノード電極部の内側で、かつ、前記ステージに近接してこれを取り囲むように配置された基板側凹凸アノード電極部とを有し、前記外側凹凸アノード電極部の放電空間側の面にアノード面積を増加するためのアノード面積増加用凹部が設けられるとともに、前記基板側凹凸アノード電極部の放電空間側の面に前記アノード面積調整用凹部が設けられている請求項３又は４のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
6. 前記基板側凹凸アノード電極部の放電空間側の面における、前記ステージに対して前記真空槽の真空排気口及び基板導入口側の位置に、前記アノード面積調整用凹部がそれぞれ設けられている請求項５記載のスパッタリング装置。

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