JP7326106B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに所定電力を投入するスパッタ電源とを備え、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングすることで、真空チャンバ内に存する基板表面に誘電体膜を成膜するスパッタリング装置に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、基板の表面に酸化アルミニウム膜や酸化シリコン膜等の誘電体膜を成膜する工程があり、このような誘電体膜の成膜にスパッタリング装置が利用される場合がある（例えば、特許文献１参照）。このようなスパッタリング装置では、例えば放電の安定性のため、ターゲットの周囲を囲うように、アノードとして機能するリング状部材（アースシールド）が一般に設けられている。ここで、ターゲットをスパッタリングすると、ターゲットから飛散したスパッタ粒子やこれと反応ガスとの反応生成物が基板表面だけでなく、プラズマ雰囲気を臨むリング状部材の表面にも付着、堆積する。そして、リング状部材の表面が誘電体膜（絶縁性膜）で覆われると、所謂アノード消失が生じて放電が不安定になってしまい、これでは、良好な誘電体膜の成膜ができない。

上記従来例のものでは、リング状部材の表面に溝を凹設することで、溝内面（特に底面）へのスパッタ粒子または反応生成物の付着、堆積を可及的に抑制するようにしている。然し、リング状部材の表面が誘電体膜（絶縁性膜）で覆われたときにアノードとして機能する面積が小さく、結局、長時間に亘って（例えば、ターゲットライフまで）アノード消失を効果的に防止できないという問題がある。

特開２００１－１６４３６０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットのスパッタリングにより誘電体膜を成膜する場合に、長時間に亘ってアノード消失を効果的に抑制できるようにした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、ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに所定電力を投入するスパッタ電源とを備え、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングすることで、真空チャンバ内に存する基板表面に誘電体膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、ターゲットのスパッタリング時、アノードとして機能するリング状部材をターゲットの周囲を囲うように設け、ターゲットの厚み方向に沿うターゲットのスパッタ面側を上として、リング状部材は、その上面がターゲットのスパッタ面より下方に位置するように配置されると共に、ターゲットの周囲に設けてリング状部材の上面を部分的に覆うフローティング電位の防着板が設けられ、リング状部材を正の電位に保持する正電位保持手段を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットをスパッタリングすると、プラズマ雰囲気を臨むリング状部材に向けてスパッタ粒子やこれと反応ガスとの反応生成物が飛散するが、防着板によりリング状部材の上面が部分的に覆われているため、この防着板で覆われたリング状部材の上面部分へのスパッタ粒子や反応生成物の付着、堆積が可及的に抑制される。これに加えて、正電位保持手段によりリング状部材（ひいては、防着板で覆われてスパッタ粒子や反応生成物の付着、堆積がないリング状部材の上面部分）が正の電位に保持されることで、たとえリング状部材に誘電体膜が成膜されるような条件で真空チャンバ内にてスパッタリングにより成膜が実施されるような場合でも、長時間に亘って（例えば、ターゲットライフまで）アノード消失を効果的に防止できる。このとき、防着板をフローティング電位としたことで、アノードの選択性も改善できる。なお、防着板としては、環状の遮蔽板部を持つ構成を採用でき、このとき、その設置状態では、リング状部材の上面にプラズマ雰囲気を臨む環状の領域が露出されるようになる。

本発明において、前記スパッタ電源がパルスＤＣ電源で構成され、その負の出力が前記ターゲットに及びその正の出力が前記リング状部材に夫々接続されて前記スパッタ電源が正電位保持手段を兼用するように構成することが好ましい。これによれば、部品点数を減らして低コスト化を図ることができる。

本発明においては、リング状部材の熱変形を防止するために、前記リング状部材を冷却する冷却手段を更に備えることが好ましい。また、前記リング状部材の上面を除く部分に、スパッタガスの導入を可能とするガス導入手段が付設される構成を採用し、ターゲット近傍にスパッタガスを均一に供給できるようにしてもよい。尚、ガス導入手段が付設されることには、リング状部材の内部にガス通路が穿設されることが含まれるものとする。

本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式図。

以下、図面を参照して、基板を円形の輪郭を持つシリコンウエハ（以下「基板Ｓｗ」という）、ターゲットをアルミニウム製とし、基板Ｓｗの表面に、酸素ガスを導入した反応性スパッタリング法により酸化アルミニウム膜（以下「アルミナ膜」という）を成膜する場合を例に、本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１に示すスパッタリング装置ＳＭの設置姿勢を基準として説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどから構成される真空ポンプユニットＰｕに通じる排気管１１が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０^－５Ｐａ）まで真空排気できるようにしている。

真空チャンバ１にはターゲット２が設けられている。ターゲット２の下面には、図示省略のボンディング材を介して例えばＣｕ製のバッキングプレート２１が接合され、絶縁体Ｉｏ_１を介して真空チャンバ１の下壁に配置される。ターゲット２にはまた、スパッタ電源ＰｓとしてのパルスＤＣ電源からの負の出力が接続され、ターゲット２に対して負の電位を持つ所定電力が所定周波数で投入できるようにしている。パルスＤＣ電源Ｐｓとしては、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

真空チャンバ１内には、ターゲット２の周囲を囲うようしてリング状部材３が配置されている。リング状部材３は、ターゲット２のスパッタ面２ａと平行に配置される環状のアノード板部３１と、アノード板部３１の下面に一体に設けられた円筒状の脚部３２とで構成され、脚部３２を介して真空チャンバ１の下壁に配置される。この場合、脚部３２と真空チャンバ１との間には絶縁体Ｉｏ_２が設けられ、リング状部材３が真空チャンバ１と電気的に絶縁されている。真空チャンバ１の下壁からの脚部３２の高さｈ１は、後述する第１防着板６の位置を考慮して、その設置状態でアノード板部３１の上面３０がターゲット２のスパッタ面２ａより下方に位置するように定寸されている。

また、リング状部材３は、アノード板部３１の下面と脚部３２の内周面とにその全面に亘って夫々当接するように設けた環状の冷却ブロック４を備え、図外のチラーユニットにより冷却ブロック４内の通路に冷却水を循環できるようにしている。この冷却ブロック４が、本発明の冷却手段の実施形態を構成する。冷却ブロック４にはまた、ガス噴出口５１が所定間隔で形成されたガス導入管５が付設され、ガス導入管５には、スパッタガスのガス源に通じる、マスフローコントローラ５２等の流量制御弁が介設されたガス管５３が接続され、後述する第１防着板６と第２防着板７との間の隙間を介してターゲット２近傍にスパッタガスを所定の流量で均一に導入できるようにしている。これらガス導入管５及びマスフローコントローラ５２が、本発明のガス導入手段の実施形態を構成する。スパッタガスには、放電用の希ガスとしてのアルゴンガスと、反応ガスとしての酸素ガスとが含まれるものとする。尚、脚部３２内に冷却水を循環できる通路やスパッタガスの通路を穿設してもよい。

リング状部材３には更に、パルスＤＣ電源Ｐｓの正の出力が接続され、正の電位が所定周波数で印加されることで、常時、リング状部材３が正の電位に保持されるようになっている。本実施形態では、パルスＤＣ電源Ｐｓが正電位保持手段を兼用するが、これに限定されるものではなく、別個のＤＣ電源により、スパッタリング中、常時、正の電位をリング状部材３に印加するようにしてもよい。

真空チャンバ１内には、ターゲット２の周囲に囲うにようにして第１防着板６が設けられている。第１防着板６は、リング状部材３のアノード板部３１を部分的に覆う遮蔽板部６１と、遮蔽板部６１の下面に一体に設けられた円筒状の脚部６２とで構成され、バッキングプレート２１とリング状部材３との間の空間を通ってのびる脚部６２を介して真空チャンバ１の下壁に配置される。この場合、脚部６２と真空チャンバ１との間には絶縁体Ｉｏ_３が設けられ、第１防着板６が真空チャンバ１と電気的に絶縁されてフローティング電位となっている。真空チャンバ１の下壁からの脚部６２の高さｈ２は、所定の板厚を持つ遮蔽板部６１の上面６ａが未使用時のスパッタ面２ａと略同一平面上に位置すると共に、遮蔽板部６１の下面とアノード板部３１の上面３０との間に所定の隙間が形成されるように定寸されている。この隙間は、プラズマが回り込まないように適宜設定される。これにより、基板Ｓｗとターゲット２との間に位置する真空チャンバ１内の空間にプラズマ雰囲気を形成したときに、リング状部材３の上面３０にプラズマ雰囲気を臨む環状の領域３０ａが露出され、領域３０ａよりも内側の環状領域３０ｂは、遮蔽板部６１により覆われてプラズマ雰囲気から遮蔽される。第１防着板６の周囲には、間隔を存して例えば金属製の第２防着板７が設けられ、真空チャンバ１の内壁面への着膜を防止するようにしている。第２防着板７は、環状の平板部７１と、平板部７１の下面に一体に設けられた円筒状の脚部７２と、平板部７１の外縁から上方に起立する筒状の起立部７３とで構成され、脚部７２を介して真空チャンバ１の下壁に配置される。この場合、第２防着板７は、真空チャンバ１と同じ接地電位となるが、脚部７２と真空チャンバ１との間に絶縁体を設けて第２防着板７が真空チャンバ１と電気的に絶縁されてフローティング電位となるようにしてもよい。

真空チャンバ１内の上部には、基板Ｓｗをターゲット２に対向する位置に搬送可能な基板搬送手段８が設けられている。基板搬送手段８としては、例えば、基板Ｓｗの搬送方向（図１中、左右方向）にのびるレール部材８１と、このレール部材８１に摺動自在に係合するスライダ８２と、このスライダ８２に設けられて基板Ｓｗをその成膜面を下方に向けて保持するホルダー８３とを有する公知のものが利用できるため、詳細な説明を省略する。尚、上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、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を有し、この制御手段により、真空ポンプユニットＰｕの稼働、マスフローコントローラ５２の稼働、パルスＤＣ電源Ｐｓの稼働等を統括制御するようになっている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、基板Ｓｗ表面に反応性スパッタリングによりアルミナ膜を成膜する成膜方法について説明する。

先ず、基板搬送手段８を用いて基板Ｓｗをターゲット２に対向する位置に搬送した後、真空ポンプユニットＰｕを作動させて真空チャンバ１内を所定圧力（例えば、１×１０^－５Ｐａ）まで真空排気し、その後、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素ガスとを所定流量で導入すると共にパルスＤＣ電源Ｐｓからターゲット２に電力投入して、プラズマ雰囲気を形成する。プラズマ雰囲気中のアルゴンイオンによりターゲット２がスパッタリングされると、ターゲット２から飛散したスパッタ粒子が酸素ガスと反応し、その反応生成物が基板Ｓｗ表面に付着、堆積してアルミナ膜が成膜される。

このとき、プラズマ雰囲気を臨むリング状部材３に向けても反応生成物が飛散するが、第１防着板６の遮蔽板部６１によりリング状部材３の上面３０が部分的に覆われているため、遮蔽板部６１で覆われていない領域３０ａには反応生成物が付着、堆積する（アルミナ膜で覆われる）一方で、遮蔽板部６１で覆われたリング状部材３の領域３０ｂへの反応生成物の付着、堆積が可及的に抑制される。このため、上記従来例のように溝を形成する場合と比較して、アノードとして機能する面積を大幅に大きくすることができる。これに加えて、リング状部材３、ひいては、第１防着板６で覆われて反応生成物の付着、堆積がないリング状部材３の領域３０ｂを正の電位に保持することで、たとえリング状部材３の領域３０ａにアルミナ膜が成膜されるような条件で真空チャンバ１内にてスパッタリングにより成膜が実施されるような場合でも、長時間に亘って（例えば、ターゲットライフまで）アノード消失を効果的に防止できる。このとき、第１防着板６をフローティング電位としたことで、アノードの選択性も改善できる。尚、第２防着板７をもフローティング電位とすることで、アノード選択性を更に改善できる。

また、本実施形態では、スパッタ電源ＰｓをパルスＤＣ電源で構成し、その負の出力がターゲット２に及びその正の出力がリング状部材３に夫々接続されてスパッタ電源Ｐｓが正電位保持手段を兼用するように構成したため、部品点数を減らして低コスト化を図ることができる。

また、成膜中、リング状部材３が冷却ブロック４により冷却されることで、リング状部材３の熱変形をも防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、アルミニウム製のターゲット２を用いて反応性スパッタリングによりアルミナ膜を成膜する場合を例に説明したが、これに限らず、アルミナ製のターゲットを用いてアルミナ膜を成膜する場合にも本発明を適用することができる。この場合、第１防着板６の遮蔽板部６１で覆われたリング状部材３の領域３０ｂへのスパッタ粒子の付着、堆積が可及的に抑制される。また、誘電体膜はアルミナ膜に限定されず、例えばシリコン酸化膜等の他の誘電体膜を成膜する場合にも本発明を適用することができる。

上記実施形態では、ガス導入管５が冷却ブロック４の内周面に付設される場合を例に説明したが、ガス導入管５はリング状部材３の上面３０を除く部分に設ければよく、例えば、リング状部材３の脚部３２の外周面に付設してもよい。この場合も、第１防着板６と第２防着板７との間の隙間を通してターゲット２近傍にスパッタガスを導入することができる。

上記実施形態では、ターゲット２が真空チャンバ１内の下部に設けられた所謂デポアップ式のスパッタリング装置ＳＭを例に説明したが、所謂デポダウン式のものにも本発明を適用することができる。この場合、真空チャンバ内の下部にステージを設け、ステージ上面で基板を保持するように構成することができる。

Ｐｓ…パルスＤＣ電源（スパッタ電源，正電位保持手段）、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板、１…真空チャンバ、２…ターゲット、２ａ…スパッタ面、３…リング状部材、３０…リング状部材の上面、４…冷却ブロック（冷却手段）、５…ガス導入管（ガス導入手段）、５２…マスフローコントローラ（ガス導入手段）、６…第１防着板（防着板）。

Claims (3)

1. ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに所定電力を投入するスパッタ電源とを備え、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングすることで、真空チャンバ内に存する基板表面に誘電体膜を成膜するスパッタリング装置であって、
   ターゲットのスパッタリング時、アノードとして機能するリング状部材をターゲットの周囲を囲うように設けたものにおいて、
   ターゲットの厚み方向に沿うターゲットのスパッタ面側を上として、リング状部材は、その上面がターゲットのスパッタ面より下方に位置するように配置されると共に、ターゲットの周囲に設けてリング状部材の上面を部分的に覆うフローティング電位の防着板が設けられ、リング状部材を正の電位に保持する正電位保持手段を更に備え、
   前記リング状部材を冷却する冷却手段を更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
2. ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに所定電力を投入するスパッタ電源とを備え、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングすることで、真空チャンバ内に存する基板表面に誘電体膜を成膜するスパッタリング装置であって、
   ターゲットのスパッタリング時、アノードとして機能するリング状部材をターゲットの周囲を囲うように設けたものにおいて、
   ターゲットの厚み方向に沿うターゲットのスパッタ面側を上として、リング状部材は、その上面がターゲットのスパッタ面より下方に位置するように配置されると共に、ターゲットの周囲に設けてリング状部材の上面を部分的に覆うフローティング電位の防着板が設けられ、リング状部材を正の電位に保持する正電位保持手段を更に備え、
   前記リング状部材の上面を除く部分に、スパッタガスの導入を可能とするガス導入手段が付設されることを特徴とするスパッタリング装置。
3. 前記スパッタ電源がパルスＤＣ電源で構成され、その負の出力が前記ターゲットに及びその正の出力が前記リング状部材に夫々接続されて前記スパッタ電源が正電位保持手段を兼用するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。

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