JPH11302838A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターゲット近傍で安定した高密度のプラズマ
を発生させると共に、スパッタ粒子の進路においてはガ
ス分子の数を低減することのできる新規なスパッタリン
グ装置を提供すること。 【解決手段】 本発明は、スパッタリング装置１０にお
いて、ターゲット１６とペディスタル２０との間の空間
を環状の区画手段により上下２つに区画したことを特徴
としている。この構成では、ペディスタルに近い空間５
４を減圧した場合、ターゲットに近い側の空間５２内の
圧力は空間５４よりも高くなる。これにより、空間５２
で発生するプラズマの密度を高く且つ安定に維持でき、
所望のスパッタ率を確保できる。また、スパッタ粒子
は、低圧の空間５４ではガス分子に邪魔される確率が低
いので、効率よく成膜される。この発明は、特にターゲ
ット１６とペディスタル２０間の距離が長いものに有効
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタリング装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体デバイスの高集積化に伴い
配線パターンの微細化が進み、スパッタリング法により
コンタクトホール等に効率よく成膜することが困難とな
ってきている。このため、コリメーションスパッタリン
グ法や低圧遠隔スパッタリング法等の技術が開発され
た。

【０００３】コリメーションスパッタリング法とは、タ
ーゲットと半導体ウェハとの間にコリメータと呼ばれる
多数の孔を有するプレートを設置し、スパッタ粒子をコ
リメータの孔に通すことで、本来無指向性であるスパッ
タ粒子に指向性をもたせ、半導体ウェハ上に主として垂
直方向成分のスパッタ粒子のみを堆積する技術をいう。

【０００４】また、低圧遠隔スパッタリング法は、ター
ゲットと半導体ウェハとの間の距離を従来のものに比し
て相当に長くする方法である。この方法では、半導体ウ
ェハに対して大きな角度で進むスパッタ粒子は半導体ウ
ェハの外側の領域に達し、ほぼ垂直方向に進むスパッタ
粒子のみが半導体ウェハに堆積することとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したコリメーショ
ンスパッタリング法及び低圧遠隔スパッタリング法のい
ずれもボトムカバレッジ率に優れ、配線パターンの微細
化に対応した成膜技術である。

【０００６】しかしながら、コリメーションスパッタリ
ング法においては、コリメータにスパッタ粒子が付着
し、その付着量が多くなると目詰まりを起こし、成膜の
均一性や堆積率の悪化を招くおそれがある。更に、コリ
メータに付着した膜が剥離した場合には、半導体ウェハ
上の異物となり、デバイス不良の原因となる。このた
め、定期的にコリメータを交換する必要があり、その作
業に要する保守時間が長く、装置の稼働率が悪いという
問題点がある。

【０００７】一方、低圧遠隔スパッタリング法の場合は
ターゲットと半導体ウェハとの間には何も存在しないた
め、コリメータの交換のような保守作業は必要ないが、
ターゲット・ウェハ間が長いため、堆積率が極端に悪い
という問題がある。また、スパッタ粒子を確実に垂直方
向に成膜するためには、スパッタ粒子が飛行している途
中でガス分子に衝突しないよう、放電圧力を可能な限り
低くしなければならない。このため、低圧状態でも安定
した放電が可能なように、専用のマグネトロンユニット
を用意しなければならず、装置が高価なものとなってい
た。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点を解決する
ことのできる新規なスパッタリング装置を提供すること
を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、真空チャンバと、この真空チャンバ内で
半導体ウェハを支持するための支持手段と、支持手段に
より支持された半導体ウェハの表面に対向するように設
けられたターゲットと、真空チャンバの内壁面をスパッ
タ粒子から保護すべくターゲット及び支持手段の間に設
けられたシールド手段と、真空チャンバ内にプロセスガ
スを供給するガス供給手段と、真空チャンバ内を減圧す
るための減圧手段と、真空チャンバ内に供給されたプロ
セスガスをプラズマ化するプラズマ化手段とを備えるス
パッタリング装置において、ターゲット、支持手段及び
シールド手段により画される空間をターゲット側の第１
の空間と支持手段側の第２の空間とに区画する区画手段
を更に備え、この区画手段は、ターゲットからスパッタ
されたスパッタ粒子が通過する開口部を有していること
を特徴としている。

【００１０】このような構成において、例えば真空チャ
ンバの下方から真空引きを行って減圧した場合には、第
１の空間内の圧力は第２の空間内の圧力よりも高くな
り、安定した放電が可能となる。

【００１１】この場合、プロセスガスを第１の空間に直
接供給することが、第１の空間内のガス圧を高め、放電
のより一層の安定化を図るために好ましい。かかる観点
から、区画手段の開口部の直径は可能な限り小さいこと
が望ましいが、半導体ウェハ全面にわたって均一な成膜
を行うためには、開口部の直径は少なくとも半導体ウェ
ハの直径と等しくする必要がある。

【００１２】また、第２の空間内を直接減圧するような
構成とすることにより、スパッタ粒子の飛行を妨げるガ
ス分子の数を低減することができる。

【００１３】更に、ボトムカバレッジ率を高めるため
に、前記ターゲットと前記支持手段との間の距離は十分
に大きくすることが好ましく、具体的には、前記半導体
ウェハの直径と同等又はそれ以上の大きさとすることが
望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の好適な
実施形態について詳細に説明するが、図中、同一又は相
当部分には同一符号を付する。

【００１５】図１は、本発明によるスパッタリング装置
の好適な実施形態を概略的に示している。図示するよう
に、このスパッタリング装置１０は、導電性材料から作
られたハウジング１２と、その上部に絶縁部材１４を介
して配置されたターゲット１６とを備え、これらにより
真空チャンバ１８が構成されている。真空チャンバ１８
内にはペディスタル（支持手段）２０が設けられてお
り、半導体ウェハ２２はこのペディスタル２０の上面で
支持され、ターゲット１６の下面に対して平行に対向配
置されるようになっている。

【００１６】ハウジング１６の側壁には排気ポート２４
が形成されている。この排気ポート２４にはクライオポ
ンプ等の真空ポンプ（図示せず）が接続されており、こ
れを駆動することにより真空チャンバ１８内が減圧され
る。また、図示しないガス供給源からプロセスガスとし
てアルゴンガスが真空チャンバ１８内に供給されるよう
になっている。

【００１７】ターゲット１６とペディスタル２０とには
それぞれ、直流電源２８の陰極端子と陽極端子が接続さ
れている。真空ポンプによって所定の真空度に減圧され
た真空チャンバ１８内にアルゴンガスを導入してターゲ
ット１６とペディスタル２０との間に電圧をかけると、
グロー放電が発生する。この時、プラズマ中のアルゴン
イオンがターゲット１６の下面に衝突し、ターゲット材
料の粒子をスパッタし、このスパッタ粒子がペディスタ
ル２０上の半導体ウェハ２２の表面に堆積して薄膜が形
成されるのである。

【００１８】ターゲット１６の上方には、真空チャンバ
１８内で発生したプラズマの密度を高めるために、マグ
ネトロンユニット３０が配置されている。このマグネト
ロンユニット３０は、駆動ユニット３２の回転軸に接続
された支持プレート３４と、その下面に所定配列で固定
された複数の磁石３６とを備えている。駆動ユニット３
２を作動させると、磁石３６はターゲット１６の上方で
回転される。これにより、真空チャンバ１８内の磁界が
回転するため、プラズマ密度が一カ所で偏ることが防止
される。

【００１９】図示実施形態のスパッタリング装置１０は
更に、スパッタ粒子から真空チャンバ１８の内壁面を保
護すべくシールド手段を備えている。このシールド手段
は、互いに同軸に配置された外側シールド３８と内側シ
ールド４０とから成る。これらのシールド３８，４０は
導電性材料から構成され、ハウジング１２に電気的に接
続されている。

【００２０】外側シールド３８は、ターゲット１６の外
周縁の近傍から処理位置のペディスタル２０の高さレベ
ルまで垂直方向に延びる円筒部分４２と、この円筒部分
４２の下端から処理位置のペディスタル２０の外周面近
傍に向かって内方に延びる環状部分４４とから構成され
ている。また、外側シールド３８の円筒部分４２には、
ハウジング１２の側壁の排気ポート２４に対向する位置
に開口部４６が形成されている。この開口部４６は、先
端が排気ポート２４内に入り込むノズル形状となってい
る。

【００２１】内側シールド４０は、外側シールド３８と
同様に、ターゲット１６の外周縁の近傍から垂直下方に
延びる円筒部分４８と、円筒部分４８の下端から内方に
延びる環状部分５０とから構成されているが、円筒部分
４８の高さは、外側シールド３８の円筒部分４２よりも
相当に小さくされている。具体的には、円筒部分４８の
下端は、外側シールド３８の開口部４６よりも高い位置
とされている。この結果として、環状部分５０は、ター
ゲット１６、ペディスタル２０及び外側シールド３８に
より画成される空間を上下２つの空間５２，５４に区画
している。なお、以下、上側の空間を第１の空間５２、
下側の空間を第２の空間５４という。

【００２２】また、環状部分５０の中央の開口部５６は
スパッタ粒子の通路となるものであり、半導体ウェハ全
面にわたり均一に成膜を行うため、少なくとも半導体ウ
ェハ２２の直径と同一の直径を有している。

【００２３】内側シールド４０の円筒部分４８の適所に
はガス管５８が接続されており、このガス管５８は外側
シールド３８及びハウジング１２を貫通し、外部のガス
供給源に連通している。

【００２４】このような構成において、アルゴンガスを
ガス供給源から供給すると共に、真空ポンプを駆動して
真空チャンバ１８内を減圧した場合、アルゴンガスは第
１の空間５２に直接供給され、且つまた、第２の空間５
４は真空ポンプに接続された排気ポート２４と連通して
いるため、第１の空間５２内の圧力は第２の空間５４内
の圧力よりも高くなる。

【００２５】従って、ターゲット表面に近い空間である
第１の空間５２におけるプラズマ密度を高く且つ安定し
た状態で維持することが可能となる。これにより、ハイ
パワーでのスパッタリングを行うことができ、スパッタ
率の向上を図ることができる。一方、第２の空間５４内
の圧力は、第１の空間５２内を比較的高圧に保ったまま
下げることができるので、スパッタ粒子の飛行の障害と
なるガス分子の数を低減することができる。

【００２６】なお、第１の空間５２内を高圧空間、第２
の空間５４を低圧空間となるよう明確に区画するために
は、内側シールド４０の開口部５６の直径を可能な限り
小さくすることが好ましい。しかし、この開口部５６は
スパッタ粒子の飛行経路となるものであるため、半導体
ウェハ全面に均一な成膜を行うためには、最小でも半導
体ウェハ２２の直径と同程度でなければならない。

【００２７】本発明による構成では上述したような作用
効果を発揮するので、ターゲット１６の下面とペディス
タル２０の上面との間の距離を、例えば従来の低圧遠隔
スパッタリング法と同等、具体的には半導体ウェハ２２
の直径と同等又はそれ以上に長く設定し、且つ、第２の
空間５４内の真空度を従来の低圧遠隔スパッタリング法
と同等程度に十分に高めた場合、第１の空間５２は比較
的に高圧に保たれるので、特別な構成のマグネトロンユ
ニットを用いなくとも高いプラズマ密度が得られ、所望
のスパッタ率を確保することができる。この場合のスパ
ッタリングはハイパワーで行われ、多量のスパッタ粒子
が高速で内側シールドの開口部を通って第２の空間に入
射される。ここで、図１において点線の矢印で示すよう
に、あまり勢いのない粒子や、勢いはあるが斜め成分の
粒子（半導体ウェハ２２の表面に対する入射角度が大き
いもの）は内側シールド４０の内壁面に付着し、開口部
５６から飛び出す確率は低い。そして、第２の空間５４
内に進んだ主として垂直成分のスパッタ粒子は、ガス分
子の少ない環境の中をそのまま進んで半導体ウェハ２２
に到達する確率が高くなり、十分なボトムカバレッジを
確保した成膜が可能となる。

【００２８】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上述した形態に限定されない
ことはいうまでもない。

【００２９】例えば、ターゲット１６とペディスタル２
０との間の空間を区画する手段としては、図２に示すよ
うに、シールド３８の内壁面に環状プレート６０を固定
した形態のもの等、他の種々の形態が考えられる。図３
に示すように、シールド７０の形状を、上部を大径、下
部を小径とした場合も、部分７２が空間５２，５４を区
画する手段として機能し、上記と同様な効果を奏する。
このような区画手段の位置は、開口部５６の大きさや真
空ポンプの能力、プロセスガスの供給流量、所望のプロ
セス密度等を考慮して適宜変更可能である。

【００３０】また、上記実施形態では外側シールド３８
の開口部４６と排気ポート２４とが連続するよう構成さ
れているが、このような開口部４６を設けなくとも、外
側シールド３８とペディスタル２０との間の隙間からガ
スが流出するような構成であれば、上述と同様な効果が
得られる。

【００３１】更に、スパッタリング装置の型式も上記の
ものに限られない。例えば、プラズマを発生させるため
の電源はＲＦ電源であってもよく、マグネトロンユニッ
トを有しないスパッタリング装置にも本発明は適用可能
である。

【００３２】更にまた、上記実施形態ではターゲット１
６とペディスタル２０との間の距離を十分にとっている
が、本発明は当該距離が短いスパッタリング装置にも適
用可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、タ
ーゲットとペディスタルとの間の空間を二分し、ターゲ
ットに近い側の空間の圧力を高く維持できるようにして
いるので、安定した高いプラズマ密度が得られ、所望の
スパッタ率を確保することができる。この場合、専用の
マグネトロンユニットも必要ないので、装置のコストア
ップを防止することができる。また、第１の空間から第
２の空間に飛行するスパッタ粒子は、大きなエネルギを
持ち、低圧となる第２の空間内ではガス分子に邪魔され
ることなく進み、高堆積率をもって半導体ウェハ上に堆
積される。従って、半導体ウェハの処理時間を短縮する
ことができ、プロセススループットが向上する。

【００３４】特に、本発明は、ターゲットとペディスタ
ルとの間の距離を長くした場合に有効であり、主として
垂直成分のスパッタ粒子を、効率良く半導体ウェハ上に
堆積させることができる。これにより、装置稼働率を低
下させるコリメータ等の部品を用いることなく、ボトム
カバレッジ率に優れたスパッタリング成膜が可能とな
る。

【００３５】このように、本発明は半導体デバイスの高
集積化、微細化に対応可能な優れた効果を有するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施形態を示す概略説明図であ
る。

【図２】本発明の別の実施形態を示す概略説明図であ
る。

【図３】本発明の更に別の実施形態を示す概略説明図で
ある。

【符号の説明】

１０…スパッタリング装置、１２…ハウジング、１６…
ターゲット、１８…真空チャンバ、２０…ペディスタ
ル、２２…半導体ウェハ、２４…排気ポート、２８…直
流電源、３０…マグネトロンユニット、３８…外側シー
ルド、４０…内側シールド、４６…開口部、５０…環状
部分（区画手段）、５２…第１の空間、５４…第２の空
間、５６…開口部、５８…ガス管、６０…環状プレート
（区画手段），７０…シールド、７２…部分（区画手
段）。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバと、 前記真空チャンバ内で半導体ウェハを支持するための支
   持手段と、 前記支持手段により支持された半導体ウェハに対向する
   ように設けられたターゲットと、 前記真空チャンバの内壁面をスパッタ粒子から保護すべ
   く前記ターゲット及び前記支持手段の間に設けられたシ
   ールド手段と、 前記真空チャンバ内にプロセスガスを供給するガス供給
   手段と、 前記真空チャンバ内を減圧するための減圧手段と、 前記真空チャンバ内に供給されたプロセスガスをプラズ
   マ化するプラズマ化手段とを備えるスパッタリング装置
   において、 前記ターゲット、前記支持手段及び前記シールド手段に
   より画される空間を前記ターゲット側の第１の空間と前
   記支持手段側の第２の空間とに区画する区画手段を更に
   備え、前記区画手段は、前記ターゲットからスパッタさ
   れたスパッタ粒子が通過する開口部を有していることを
   特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 前記シールド手段は、互いに同軸に配置
   された外側シールドと内側シールドとを備え、前記区画
   手段は、前記内側シールドの下端部に形成された環状部
   分であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリ
   ング装置。
3. 【請求項３】 前記ガス供給手段は、プロセスガスを前
   記第１の空間に直接供給するようになっていることを特
   徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 前記減圧手段は、前記第２の空間内を減
   圧するように設けられていることを特徴とする請求項１
   〜３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
5. 【請求項５】 前記区画手段の前記開口部の直径は、前
   記支持手段により支持される半導体ウェハの直径と実質
   的に等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
   項に記載のスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 前記ターゲットと前記支持手段との間の
   距離は、前記支持手段により支持される半導体ウェハの
   直径と同等又はそれ以上の大きさである請求項１〜５の
   いずれか１項に記載のスパッタリング装置。