JPH11140637A

JPH11140637A - スパッタ装置

Info

Publication number: JPH11140637A
Application number: JP31066197A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Tajima; 一久田島
Original assignee: NEC Kyushu Ltd
Current assignee: NEC Kyushu Ltd
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 1999-05-25
Anticipated expiration: 2017-11-12
Also published as: JP3105849B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ターゲットからウェハ上にスパッタ材の粒子が
飛来する際、広角となるため半導体ウェハ上の微細な凹
凸パターン上での段部カバーリッジが劣化する。この為
製品品質の低下や、ターゲット材の無駄な飛散によるチ
ャンバー側壁の汚染等により設備の稼働率が低下する。【解決手段】ウェハ１１の径より小さい柱状ターゲット
３を用い、半導体ウェハ上をナローギャップ状態を保た
せながら特定のパターン状にターゲットをスキャニング
させる機構と、ナローギャップ状態をモニタ制御する機
構と、回転式柱状ターゲット昇降機構とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程で用いられるスパッタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的なスパッタ装置について図８の構
成図を用いて説明する。

【０００３】陽極１に保持された半導体ウェハ（以下単
にウェハと云う）１１と、この陽極１に対向するターゲ
ット２０を同一チャンバー１６内に置く。そしてチャン
バー内にグロー放電が発生する環境を作り、弱電プラズ
マを発生させる事によりチャンバー内に流入するスパッ
タガス（例えば：Ａｒ）を電離させて＋イオン（例え
ば：Ａｒ⁺）とし、この＋イオンをグロー放電の陰極側
で発生する陰極降下層で加速して、ターゲット２０面へ
衝突させ、この運動エネルギーによりターゲット材（例
えば：Ａｌ）の固まりを跳ね飛ばし対面にある陽極側の
ウェハ１１に堆積するように構成されている。

【０００４】特開平４−２６７５９号公報での装置はこ
の基本構成に加え、回転フランジと回転フランジを周縁
部で回転可能にし、且つ周縁部を気密状態に支承するリ
ング状回転シール機構と、リング状もしくは短円筒状の
移動フランジと真空容器との間に軸方向に長さが伸縮す
るシール機構を介装させる事により、ターゲット自体を
回転フランジで回転させ、小さいターゲットで実質的に
大きなターゲットを用いた場合と同様に膜厚の均一性を
向上させるというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】第１の問題点は、従来
のスパッタ装置では、半導体ウェハ表面の凹凸にたいし
てその表面に均一に堆積させたいスパッタ膜の段部での
カバーリッジが悪い事である。

【０００６】その理由は、ウェハ上の凹凸パターンに対
してターゲット面が十分に大きいため、ターゲット上か
ら飛来するターゲット材の飛来角が大きくなる為であ
る。

【０００７】第２の問題点は、設備の構造に起因する半
導体ウェハの膜厚ムラ（中央部が厚く、周辺部が薄い）
が発生する事である。

【０００８】その理由は、半導体ウェハとターゲットが
図８のように相対する位置で固定されているため、ウェ
ハ中央部へのターゲット材の飛来確率が高くなるためで
ある。現状、半導体ウェハの径をターゲットの径より小
さくすることで影響を小さくしようとしているが、ウェ
ハとターゲット間距離が十分にあるため大きな効果が見
られない。

【０００９】この改善方法の一つとして特開平４−２６
７５９号公報に記載されているように、小さなターゲッ
トで大きなターゲットを用いたのと同じ効果を得るとい
う方法もあるが、これは回転フランジを中心とした疑似
的な大きいターゲットを作るものであり、膜の均一性は
幾分改善されるものの、膜厚ムラの傾向は変らない。し
かもスパッタレートやスパッタ効率が低下すると共に、
ターゲットの回転によるウェハ凹凸面に対するカーバレ
ッジの劣化が大きくなるという問題がある。

【００１０】第３の問題点は、半導体ウェハとターゲッ
ト間距離が十分にあるため、ターゲット表面でスパッタ
ガスにより四散したターゲット材の大部分が半導体ウェ
ハ表面以外のチャンバー側壁部に付着しパーティクルと
なりチャンバーを汚染する事である。

【００１１】第４の問題点は、ターゲット表面をスパッ
タする際、電界のムラがそのままターゲット表面に凹凸
として現れる（エロージョン）ことにより、本来のター
ゲット寿命よりも早期にターゲットを交換する必要が発
生する事である。また、ターゲットにしても、第３の問
題点の関係もあり、余りメンテナンス期間を長くできな
いためスパッタ材の層の薄い短時間仕様のものが使われ
ているが、そのことにより、メンテナンス頻度が過剰に
なり設備稼働率が低下する。

【００１２】その理由は、ターゲットとウェハが固定さ
れているため、ターゲット表面に発生する電界強度のム
ラにより電離したスパッタガスの衝突頻度と強度がター
ゲット面に、固定した凹凸のムラをつくるからである。

【００１３】そのため凹のターゲット膜厚でターゲット
寿命が制限される（ターゲット材の層の薄い構造のため
凸にあわせて使用すると凹部分はターゲット材を取り付
けている地金をスパッタしてしまうことになる）上に、
ターゲット表面の凹凸による半導体ウェハ面へのムラの
転写も危惧されることになる。

【００１４】本発明の第１の目的は、ウェハの凹凸面に
もカバレッジ良くスパッタ膜を形成できるスパッタ装置
を提供することにある。

【００１５】本発明の第２の目的は、チャンバー壁面か
らのパーティクルの発生を抑制できるスパッタ装置を提
供することにある。

【００１６】本発明の第３の目的は、ターゲット寿命の
低下によるメンテナンス頻度を少くできるスパッタ装置
を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のスパッタ装置
は、半導体ウェハを保持する陽極と、この陽極に対向し
て設けられ前記ウェハより径の小さい１つないし複数の
ターゲットと、前記ウェハの表面に対して一定のナロー
ギャップを保ちながら特定のパターン状に前記ターゲッ
トをスキャンさせるターゲットスキャン手段とを含むこ
とを特徴とするものである。

【００１８】本発明のスパッタ装置は、ターゲット径を
半導体ウェハより小さくし、ウェハ面上を特定のパター
ン状にスキャンニングさせる為、従来のウェハの中央部
が薄くなる設備構造に起因する問題を解決できる。

【００１９】本発明のスパッタ装置のように、ナローギ
ャップ状態で図７に示す様に、ピンポイントで見た場
合、ターゲットのヘッドに近いウェハ部分を中心として
同心円状にスパッタ膜が生成される。この際の同心円状
の膜厚分布を考慮したスキャンニングパターンと速度を
設定する事により、ウェハ面上に成長膜厚の均一なスパ
ッタ膜を形成できる。そのための装置動作状態のモニタ
リングファクタとして、ターゲットと半導体ウェハ間の
ギャップモニタを行う事により、ピンポイントのスパッ
タ量をモニタする機構を有している。

【００２０】また、対ウェハスパッタ材の飛来角を改善
するため及びスパッタ材以外のスパッタを防ぐ為に図６
（ａ）に示すように、ターゲット側面に絶縁シールド及
び電磁シールドからなる障壁を有している。

【００２１】この障壁の間口とターゲットスパッタ面の
位置関係により、対ウェハスパッタ材の飛来角を自在に
調整する事が可能となる。

【００２２】基本的に従来のターゲットより十分小さい
分飛来角は小さい上に、ターゲットのスパッタ面を周囲
の障壁面より下げる事により、ターゲット材の飛散方向
をウェハに垂直な方向のみに制限したり、電磁シールド
により垂直に近い方向に多少収束させる効果を有する。

【００２３】最後にターゲットのスパッタ面と半導体ウ
ェハ間をナローギャップ（数ｍｍ〜数ｃｍ）を保たせな
がらスパッタを行う事により、従来スパッタ材の無駄
（大部分は半導体ウェハ上以外の処理チャンバー側壁に
付着）を低減し、且つ柱状ターゲットと回転式ターゲッ
ト面調整機構により、ターゲット寿命を大幅に長くする
ことができるため、パーティクルの低減、メンテナンス
頻度の低下及び設備稼働率の向上を実現できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施
の形態を説明する為のスパッタ装置（ターゲット回転ス
キャン式）の構成図及びターゲット部の上面図である。

【００２５】図１（ａ），（ｂ）を参照すると第１の実
施の形態のスパッタ装置は、チャンバー１６内に設けら
れウェハ（試料）１１を保持する陽極１と、この陽極１
の下方に位置し陽極１に対向して設けられ、ウェハ１１
より径の小さい柱状ターゲット３と、慣性リング２とモ
ータ等からなる回転駆動機構７とターゲットベース９と
ターゲット１０等からなり、ウェハ１１の表面に対して
一定のナローギャップを保ちながら特定のパターン状に
柱状ターゲット３をスキャンさせるターゲットスキャン
手段と、ウェハ１１の表面とターゲット３の表面間の静
電容量にてギャップをモニタするギャップモニタ８、及
びターゲット駆動コントローラ１８とから主に構成され
ている。

【００２６】尚、図１において４はターゲットシール
ド、５はスパッタガス導入部、６は排気口、１９は防塵
シートである。又ギャップモニタとしてはマイケルソン
モーレの干渉計を用いたレーザ光ギャップ測定器やマイ
クロメータ等を用いることができる。

【００２７】このように構成された第１の実施の形態で
は、図１（ｂ）に示したように、ターゲットベースの慣
性リング２の中央をターゲットレール１０が走り、ター
ゲットベース９がそれに沿って移動する構造を持ち、慣
性リング２が回転し、ターゲットベース９がターゲット
レール１０上を移動する事で、同心円状のスパッタをウ
ェハ１１の表面方向に沿って実施できるようになってい
る。

【００２８】駆動コントローラ１８は、Ｘ・Ｙ方向のタ
ーゲットベース９の位置の検出及びそのターゲットベー
ス９の位置を制御する機能、並びに移動するターゲット
ベース９の回転軸からの距離に対してウェハ上のスキャ
ンスピード（線速度）が一定になる様にコントロールす
る機能を有している。故に、ターゲットベース９の移動
速度及び精度によりウェハ１１上に形成されるスパッタ
膜の膜厚ムラが決定される。

【００２９】駆動コントローラ１８の制御によりターゲ
ット３の描くパターンは、例えば図５（ａ）に示す様な
スキャニングパターンとなる。この際ウェハ上の均一な
スパッタ膜の成長が必要であるため、半導体ウェハ１１
の中心からの距離に応じてターゲットベースの慣性リン
グ２の回転数を調整し、常にウェハ１１と柱状ターゲッ
ト３のスパッタ面の相対スピードが一定（線速度一定）
となる様に調整することにより、図７に示す様に、ピン
ポイントでの膜厚を一定にすることで均一な同心円状の
スパッタ膜を成長できる。

【００３０】また、この構造の場合、ターゲットベース
９が回転しながらウェハ径の方向に移動するため、その
自重により回転動作が偏芯したり、振動したりして動作
精度に悪影響を及ぼすため大きな慣性質量を持つターゲ
ットベースの慣性リング２を取りつけることにより、こ
れらの悪影響をなくしている。

【００３１】柱状ターゲット３は、図４に示すように、
駆動部を持つターゲットベース９上に柱状ターゲット３
が乗っている構造となっている。この柱状ターゲット３
の下部に、陰極側ギャップモニタ電極１３及び回転式の
ターゲット昇降機１４がつく構造であり、柱状ターゲッ
ト３の周りを図６に示すように、電磁保護シールド４Ｃ
と絶縁シールド４Ａで囲む構造となっている。

【００３２】また、柱状ターゲット３は図４に示したよ
うに、ターゲット昇降用溝１５を持ち、回転式のターゲ
ット昇降機１４の回転、上下動作及びターゲット固定に
より、確実で正確なターゲットの上下動作が可能な機能
を持っている。

【００３３】次にターゲットスパッタ時の飛来角につい
て図６を用いて説明する。図６（ａ）に示す様に、柱状
ターゲット３の周りには、石英、テフロン、樹脂膜等か
らなる絶縁シールド４Ａとコイル等からなる電磁発生・
スパッタ保護シールド４Ｂから構成される障壁が形成さ
れている。

【００３４】電磁発生・スパッタ保護シールド４Ｂより
電磁波を発生させて電磁シールド４Ｃを形成し、柱状タ
ーゲット３の側壁をスパッタガスから庇護し、またスパ
ッタガスの衝突をターゲットスパッタ面に集中させ、前
述の様にターゲットスパッタ面から四散したスパッタ材
の粒子の飛散方向をターゲットスパッタ面と障壁部の開
口の高さの差を利用して横方向への四散を防止すること
により、スパッタ材の粒子を半導体ウェハ方向に制限す
る事が可能になる。

【００３５】すなわち、ターゲットのスパッタ面２１Ａ
が高い場合はスパッタ角は広くなり、スパッタ材の粒子
３Ａは広角に飛散する。破線で示すようにスパッタ面２
１Ｂを低くすると、スパッタ材の粒子３Ｂの広がりは狭
くなる。従って図９（ａ），（ｂ）に示す様に、半導体
ウェハ１１表面上への飛来角を小さくする事（θ₁＞θ
₂）で図９（ｂ）に示すように、微細な凹凸パターンで
のスパッタ膜２２のカバリッジ改善が実現できる。

【００３６】また、電磁シールド４Ｃにより障壁近傍へ
のスパッタガスの衝突頻度が減少するため、実作業状態
を想定するとターゲットスパッタ面２１Ａは、図６
（ｂ）のような形状となり、より半導体ウェハ方向への
ターゲット材の飛散が増える事になる。

【００３７】更に、ターゲットスパッタ面と半導体ウェ
ハとの間隔をナローギャップ化する事により、ターゲッ
ト材の無駄をなくしチャンバー側壁へのターゲット材の
付着によるパーティクル発生を低減させることができ
る。その上前述の柱状ターゲットの使用及び回転式ター
ゲットスパッタ面調整機構により、スパッタ面のエロー
ジョンの影響もなく長期ターゲットの利用が可能となる
ため、メンテナンス頻度の低減、設備稼働率の向上及び
パーティクルの低減等の効果が得られる。

【００３８】図２（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施
の形態を説明する為のスパッタ装置（ターゲットＸ・Ｙ
方向自走式）の構成図及びターゲット部の上面図であ
る。

【００３９】この第２の実施の形態は、第１の実施の形
態のように回転によるスキャンニングを行わず、図２
（ｂ）のようにＸ方向ターゲットレール１０Ｂ及びＹ方
向ターゲットレール１０Ａにより構成されるＸ・Ｙ方向
スキャニング機構を用いることで、図５（ｂ）に示す様
なターゲットのスキャンパターンにより均一なスパッタ
膜を形成する構造となっている。その他の構成は第１の
実施の形態とほぼ同一である。

【００４０】この第２の実施の形態は前述の様な構成及
び動作を行うため、図５（ｂ）の様なスキャニングパタ
ーンとなる。この際第１の実施の形態との違いは、回転
動作を行わず図２（ｂ）に示したＸ・Ｙ方向スキャニン
グ機構により半導体ウェハ上を均一にスキャニングする
ことにより、第１の実施の形態の場合と同様の効果を生
み出す。また、回転部分が無い分構造的に簡単なものに
なるが、動作的には複雑になるため精度が要求される。

【００４１】図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施
の形態を説明する為のスパッタ装置（ターゲットＸ・Ｙ
方向自走式試料回転型）の構成図、ターゲット部の上面
図及び陽極側ギャップモニタ電極の下面図である。

【００４２】この第３の実施の形態は、陽極側ギャップ
モニタ電極１２にウェハ１１を保持して回転させ、第１
及び第２の実施の形態のそれぞれのメリットを生かすよ
うにしたものである。

【００４３】構造としてはターゲット駆動コントローラ
１８により制御される陽極の回転駆動機構７Ａにより半
導体ウェハ１１自体を回転させ、ターゲットベース９は
図３（ｂ）に示すＸ・Ｙ方向スキャニング機構により回
転するウェハ上を任意のパターンでスキャニングできる
様にしたものである。第１の実施の形態では図１（ｂ）
に示したように、ターゲットベースの慣性リング２上に
ターゲットベース９があるために、回転による遠心力が
ターゲットベース９の動作に大きく影響を与えるが、本
第３の実施の形態では上記構造としたことで面内均一化
にたいする精度をより向上させることができる。また半
導体ウェハ１１自体を回転させ、更にターゲットベース
９をＸ・Ｙ方向にスキャニングできる様にしたため、更
に膜厚均一性に対して微妙な調整が可能である。

【００４４】尚、上記各実施の形態においてはウェハの
径より小さな径を有する１つの柱状ターゲットを用いて
説明したが、ウェハの径より小さな径を有する複数の柱
状ターゲットをターゲットベース上に固定して用いても
よい。１つのターゲットと同じ面積のスパッタ面を有す
る複数のターゲットを用いた場合、スパッタ膜のカバー
リッジはより改善されたものとなる。

【００４５】

【発明の効果】第１の効果は、半導体ウェハの凹凸部の
ターゲット材によるカバーリッジが改善されることであ
る。その理由は、前述の様にターゲット上から飛来する
ターゲット材の飛来角を小さくできるからである。

【００４６】第２の効果は、平板（マグネトロン）スパ
ッタ方式に起因する膜厚のムラを改善できることであ
る。その理由は原理的に半導体ウェハとターゲットが相
対する位置で固定されていないため、スパッタレートと
ギャップ固定膜厚均一性をターゲットのスキャン精度で
対応できるためである。

【００４７】第３の効果は、チャンバー内側壁部への余
分なスパッタ材の付着が少ないためパーティクルの発生
も少なく、メンテナンス期間が十分長くとれ稼働時間が
向上することである。その理由は、ナローギャップでス
パッタを行うため、チャンバーの側壁に回り込む無駄な
ターゲット材の飛散がほとんど無いためである。

【００４８】第４の効果は、ターゲット自体の使用期限
が大幅に伸び、第３の効果と併せてメンテナンス期間の
延長と稼働率の向上が望めることである。その理由は、
柱状ターゲットと、半導体ウェハ・ターゲット間のギャ
ップモニタと、回転式ギャップ調整機構の使用により、
ターゲット材の膜厚の問題とスパッタ面の凹凸固定によ
る問題が発生しないためである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する為のスパ
ッタ装置の構成図及びターゲット部の上面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態を説明する為のスパ
ッタ装置の構成図及びターゲット部の上面図。

【図３】本発明の第３の実施の形態を説明する為のスパ
ッタ装置の構成図、ターゲット部の上面図及び陽極側ギ
ャップモニタ電極の下面図。

【図４】実施の形態で用いる柱状ターゲットの構成図。

【図５】ターゲットのスキャニングパターンを示す図。

【図６】ターゲットのスパッタ面付近の構造を示す図。

【図７】スキャニングスパッタ時の膜成長モデルを示す
図。

【図８】従来のスパッタ装置の基本構成図。

【図９】スパッタ膜のカバーリッジを説明する為の図。

【符号の説明】

１陽極２慣性リング３柱状ターゲット４ターゲットシールド４Ａ絶縁シールド４Ｂ電磁発生・スパッタ保護シールド４Ｃ電磁シールド５スパッタガス導入部６排気口７回転駆動機構８ギャップモニタ９ターゲットベース１０ターゲットレール１１ウェハ（試料）１２陽極側ギャップモニタ電極１３陰極側ギャップモニタ電極１４ターゲット昇降機１５ターゲット昇降用溝１６チャンバー１８ターゲット駆動コントローラ１９防塵シールド２０ターゲット２１Ａ，２１Ｂターゲットのスパッタ面２２スパッタ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェハを保持する陽極と、この陽
極に対向して設けられ前記ウェハより径の小さい１つな
いし複数のターゲットと、前記ウェハの表面に対して一
定のナローギャップを保ちながら特定のパターン状に前
記ターゲットをスキャンさせるターゲットスキャン手段
とを含むことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】ターゲットは陽極の下方に設けられてい
る請求項１記載のスパッタ装置。
【請求項３】ウェハを回転させるウェハ回転手段を更
に含む請求項１又は請求項２記載のスパッタ装置。
【請求項４】ウェハとターゲット間のギャップをモニ
タするギャップモニタ手段を更に含む請求項１〜３いず
れか記載のスパッタ装置。
【請求項５】ターゲットは柱状に形成されている請求
項１〜４いずれか記載のスパッタ装置。
【請求項６】回転式ターゲット押し出し供給手段を更
に含む請求項５記載のスパッタ装置。
【請求項７】ターゲットの側面部には、ターゲット側
壁へのスパッタガスの衝突防止とスパッタ物質の飛来角
を制御する為の絶縁シールドと電磁シールドからなる障
壁が設けられている請求項５又は請求項６記載のスパッ
タ装置。