JPH1161402A

JPH1161402A - スパッタ装置及びスパッタ処理方法

Info

Publication number: JPH1161402A
Application number: JP20611297A
Authority: JP
Inventors: Osahiro Kanayama; 修太金山; Ikuo Suzuki; 郁生鈴木
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-03-05
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JP3283797B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大型化されたターゲットに対しても所望のス
パッタをすること。【解決手段】本発明のＲＦマグネトロンスパッタ装置
１０は、真空チャンバ１２、真空チャンバ１２内で基板
Ｓを支持するためのサセプタ２０、サセプタ２０で支持
される基板Ｓの表面に対向するように設けられ、スパッ
タにより粒子を放出できる絶縁性のターゲット５２、タ
ーゲット５２とサセプタ２０との間の空間にプロセスガ
スを供給するＡｒガス供給源３５、空間に高周波電力を
印加するＲＦ電源６２、及び、ターゲット５２の周囲に
対してターゲット５２を負電位にできるＤＣ電源６４を
備えている。この構成では、大型化により低下したター
ゲット５２の自己バイアスをＤＣ電源６４が補償してい
る。この結果、プラズマ化されたプロセスガスのうち正
イオンとなったものをターゲット５２に向かわせる傾向
を高め、ターゲット５２のスパッタを促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマによるス
パッタ装置及びスパッタ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】素子が高集積化された半導体デバイスで
は、絶縁体からなる薄膜が備えられ、素子間をつなぐ多
層配線を電気的に分離する層間絶縁膜として重要な役割
を果たしている。一般に、このような薄膜は、電極間に
高周波（ＲＦ）電圧を印加するＲＦスパッタ法を用いて
成膜されている。ＲＦスパッタ法では、直流スパッタ法
と異なり、電極間にＲＦ電圧が印加されると、陰極とな
る電極上のターゲット表面に自己バイアスが形成される
ので、長時間にわたりスパッタ現象が生じるようになる
からである。また、ターゲット上でのプラズマ密度を高
めるために、上記ＲＦスパッタ法における電極間の電界
と、それと直交する磁界とを組み合わせたＲＦマグネト
ロンスパッタ法も、絶縁膜の成膜に多用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】最近になって、生産性
向上の観点から、基板の大型化が図られている。このと
き、基板上に成膜される絶縁体の薄膜の均一性が問題と
なるが、それを改善するために、ターゲットの大型化も
図られている。しかし、大型化されたターゲットのスパ
ッタをＲＦスパッタ法により行うと、ターゲット表面に
は極めて小さい負の自己バイアスしか発生しないことが
明らかとなった。その結果、スパッタが十分に行われず
に、成膜速度が極めて低くなってしまう。また、ターゲ
ット表面の自己バイアスが正になったりすることもあ
り、その結果、ターゲット以外のところがイオン衝撃を
受け、薄膜中へ不純物が混入するおそれがある。

【０００４】そこで、本発明は、大型化されたターゲッ
トに対しても所望のスパッタをすることができるスパッ
タ装置及びスパッタ処理方法を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明によるスパッタ装置は、真空チャンバと、真空
チャンバ内で基板を支持するための支持手段と、支持手
段により支持される基板の表面に対向するように設けら
れ、スパッタにより粒子を放出することができるターゲ
ットアセンブリと、ターゲットアセンブリと支持手段と
の間の空間にプロセスガスを供給するガス供給手段とを
有し、空間に供給されるプロセスガスをスパッタのため
にプラズマ化するものであって、ターゲットアセンブリ
と支持手段との間の空間に高周波電力を印加する高周波
電力印加手段と、ターゲットアセンブリの周囲に対して
ターゲットアセンブリを負電位にすることができる負電
位手段とを備えることを特徴としている。このような構
成では、負電位手段が、大型化により低下したターゲッ
トアセンブリの自己バイアスを補償することができる。
この結果、負電位手段は、プラズマ化されたプロセスガ
スのうち正イオンとなったものをターゲットアセンブリ
に向かわせる傾向を高め、ターゲットアセンブリのスパ
ッタを促進する。

【０００６】負電位手段としては、ターゲットアセンブ
リに陰極が接続された直流電源が考えられる。このよう
な直流電源は、高周波電力印加手段によりターゲットア
センブリに印加されるときの高周波の電圧を、負にバイ
アスさせることができるからである。

【０００７】また、負電位は−２０Ｖ以下であることが
好ましい。ターゲットアセンブリ以外のスパッタを防止
するためである。

【０００８】また、本発明のスパッタ装置が、真空チャ
ンバの内部にターゲットアセンブリを囲むように設けら
れ、真空チャンバの内壁面を保護するための筒状のシー
ルドを含んでいる場合、シールドが、上述の正イオンに
よってスパッタされないよう、プラズマ化されたプロセ
スガスの真空チャンバに電気的に接続され、真空チャン
バと同じ電位に保持されているのが好ましい。

【０００９】また、本発明のスパッタ装置が、上記空間
に配置され、ターゲットアセンブリからの粒子を選択的
に通過させるべく多数の孔を有するコリメータを有して
いる場合は、上記シールドと同様に、コリメータが真空
チャンバに電気的に接続され、真空チャンバと同じ電位
に保持されることが好ましい。

【００１０】このように、本発明によるスパッタ装置
は、負電位手段を用いてターゲットアセンブリのスパッ
タを促進するように構成されている。したがって、ター
ゲットアセンブリの周囲に対してターゲットアセンブリ
を負電位にして自己バイアスを補償することにより、タ
ーゲットアセンブリのスパッタを促進するスパッタ処理
方法も本発明にしたがっている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同
一又は相当部分には同一符号を付すこととする。

【００１２】図１は、本発明が適用される高周波（Ｒ
Ｆ）マグネトロンスパッタ装置（以下、「ＲＦマグネト
ロン装置」という）を概略的に示した構成図である。こ
のＲＦマグネトロン装置１０は、真空チャンバ１２、そ
の上部開口部に配置されたターゲットアセンブリ１４、
及び、ターゲットアセンブリ１４とその上部に設けられ
た上部プレート１６との間に設置されたマグネトロンア
センブリ１８を備えている。

【００１３】真空チャンバ１２の内部には、基板Ｓを支
持するための支持手段たるサセプタ２０が、真空チャン
バ１２から電気的に絶縁されて設けられている。より詳
細に述べると、このサセプタ２０には、垂直方向に延
び、垂直方向に滑動可能なピン２２を含む穴（図示せ
ず）が複数備えられている。また、サセプタ２０は、ベ
ローズ２４で保護された状態で、真空チャンバ１２底部
を通って垂直に延びたシャフト２６の頂部に取り付けら
れている。また、サセプタ２０下面と真空チャンバ１２
底部との間には、リフトオフプレート２８が設けられて
いる。このリフトオフプレート２８も、ベローズ２４で
保護された状態で、真空チャンバ１２底部を通って垂直
に延びたシャフト２６の頂部に取り付けられている。シ
ャフト２６はいずれも上下に移動可能で、その底部には
電動機駆動のリフト機構（図示せず）が取り付けられて
いる。リフトオフプレート２８とサセプタ２０との間の
距離が短くなって、ピン２２の下端部がリフトオフプレ
ート２８に接触し、ピン２２がサセプタ２０の穴を通っ
て垂直上方に移動するとき、ピン２２の上端部が基板Ｓ
下面と接触して基板Ｓを持ち上げることができる。な
お、サセプタには、アルゴン（Ａｒ）のような不活性ガ
スによる加熱の機能が備えられて基板を適当な温度に加
熱してもよい。

【００１４】真空チャンバ１２は、基本的には、真空チ
ャンバ本体３０と、その上部から配置されるプロセスキ
ット３２とから構成されている。真空チャンバ本体３０
は、導電性材料から構成されて大地に接続されている。
真空チャンバ本体３０の側壁部には真空排気口３４が設
けられ、図１の矢印のように真空チャンバ１２内部から
外部に向かって真空排気を行う真空ポンプ（図示せず）
と接続している。また、サセプタ２０とターゲットアセ
ンブリ１４との間の空間にＡｒのようなプロセスガスが
供給されうるよう、真空チャンバ１２にはプロセスガス
供給手段たるＡｒガス供給源３５が接続されている。

【００１５】また、上記のプロセスキット３２には、導
電性材料からなる環状の下部アダプタ３６が備えられ、
真空チャンバ本体３０の上端部に取り付けられている。
そして、この下部アダプタ３６の内周面には、真空チャ
ンバ本体３０の内壁面を保護するシールド３８が取り付
けられ、成膜処理が行われる処理位置のサセプタ２０外
周面の近傍まで延びている。シールド３８は導電性材料
からなり、好ましくはステンレス鋼からなる。

【００１６】シールド３８の自由縁部は上方に折り返さ
れており、その部分は、サセプタ２０が下降されて成膜
処理をしない非処理位置にあるときに、クランプリング
４０を支持することができる。クランプリング４０は、
処理位置にあるサセプタ２０上の基板Ｓがガスによって
加熱されるとき、基板Ｓをサセプタ２０に押さえ付け、
基板Ｓの裏面に圧力が均等に加え、熱伝達を均一にする
ためのものである。また、図示のプロセスキット３２で
は、ターゲットアセンブリ１４とサセプタ２０との間
に、従来から知られたコリメータ４２が配置され、真空
チャンバ本体３０等と同じ接地電位になっている。

【００１７】上述したターゲットアセンブリ１４には、
下部アダプタ３６の上に絶縁リング４６を介して設けら
れた環状の上部アダプタ４４が備えられている。詳細に
は、上部アダプタ４４は、内向きに突出した突出部４８
を有しており、その下面が、バッキングプレート５０を
サセプタ２０と同軸に且つ対向するように支持してい
る。また、サセプタ２０と同軸に且つ対向しているバッ
キングプレート５０の下面では、チタン酸バリウム（Ｂ
ａＴｉＯ₃）又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ
Ｏ₃）のような絶縁体からなるターゲット５２が保持さ
れている。

【００１８】つぎに、マグネトロンアセンブリ１８を説
明する。バッキングプレート５０の上部には、マグネッ
トアセンブリ５２が設けられている。マグネットアセン
ブリ５２は、円形のベースプレート５４を有しており、
その上には、下方に環状の磁界を形成する複数のＵ字状
の磁石５６が所定の配列で固定されている。Ｕ字状の各
磁石５６では、端部が下方に向いている。また、磁石５
６の背面は、ベースプレート５４と接触した状態で適当
な固定手段、例えばねじ（図示せず）等によりベースプ
レート５４に固定されている。また、マグネットアセン
ブリ５２には回転駆動ユニット５８が接続されている。
この回転駆動ユニット５８はＵ字状の磁石５６を回転さ
せ、バッキングプレート５０上での磁界の偏りを是正す
ることができる。

【００１９】さらに、このようなＲＦマグネトロン装置
１０では、絶縁体でできたターゲット５２のスパッタを
実現すべく、ターゲット５２には整合回路６０を介して
ＲＦ電源（高周波電力印加手段）６２が接続されてい
る。しかしながら、上記のような構成では、ターゲット
が大型化された場合に、接地面積とターゲット面積との
比が従来に比べて大きく変化するため、ターゲット表面
には極めて小さい負の自己バイアスしか発生しないこと
が見出された。その結果、スパッタが十分に行われず
に、成膜速度が極めて低くなるおそれがある。そこで、
本実施形態では、ＲＦ電源６２の他に、負電位手段たる
直流（ＤＣ）電源６４の陰極がバッキングプレート５０
に接続され、且つ、その陽極は大地に接続されている。
その結果、自己バイアスの低下したターゲット５２の電
位はバイアスされて、接地電位となったターゲット５２
の周囲に対して負となる。

【００２０】このように、ＤＣ電源により自己バイアス
の低下が補償されたターゲットの電位は、ＤＣ電源の出
力に依存する。図２は、真空チャンバ内の圧力が７mTor
rの場合、基板及びターゲットの直径がそれぞれ８イン
チ及びターゲットであるときに、ＤＣ電源の出力とター
ゲットの電位の関係を示したグラフ図である（これでよ
いですか？）。図２によれば、ＤＣ電源の出力の増大と
共に、ターゲットの電位は減少することが分かる。した
がって、ＤＣ電源の出力が適当に調整されることによ
り、ターゲットの電位を所望の値にすることができる。

【００２１】以上のように構成されたＲＦマグネトロン
装置１０を用いて、ターゲット５２が備える材料を基板
Ｓ上に成膜する。まず、基板Ｓをサセプタ２０の上面に
支持して、クランプリング４０で押さえ付ける。つぎ
に、図示されない真空ポンプにより真空チャンバ１２の
内部を真空排気し、所望の真空度まで減圧する。この状
態で、回転駆動ユニット５８によってマグネットアセン
ブリ５２を回転させ、環状の磁界を均一にターゲット５
２の下面上に形成する。

【００２２】その後、Ａｒガス供給源３５から、Ａｒガ
スを真空チャンバ内に供給する。この状態で、ＲＦ電源
６２を用いて所定のＲＦ出力をターゲット５２に印加
し、サセプタ２０とターゲット５２との間で、Ａｒガス
によるグロー放電を行う。また、ＤＣ電源６０を用いて
所望の出力をターゲットに印加する。

【００２３】この場合、上述したように、ターゲットの
周囲に対してターゲットの電位を所望の負の電位とする
ことができる。このため、グロー放電により生成された
Ａｒイオンはターゲットにのみ向かい、シールドや基板
等に向かうことはない。また、グロー放電では電子も生
成されるが、その大部分がマグネットアセンブリの磁界
によって、螺旋運動して閉じ込められるので、ターゲッ
ト下面上にはＡｒの密度が高くなる。したがって、ター
ゲットのスパッタを効率よく行い、基板上へのターゲッ
トの材料を成膜することができる。また、ターゲット以
外のスパッタが抑制又は解消されるので、基板上に形成
された絶縁膜に不純物が混入して膜の品質を低下させる
ことが防止される。

【００２４】図３は、チャンバ内の圧力が７mTorr，１
０mTorr及び２０mTorrの場合、直径が１３インチで、Ｂ
ａ_0.5Ｓｒ_0.5ＴｉＯ₃（ＢＳＴ）からなるターゲットの
種々の電位に対してスパッタを行ったときに、蛍光Ｘ線
分析法を用いて、直径が８インチの市販のシリコン基板
上の絶縁膜に含まれる鉄のピーク強度を測定した結果を
示すグラフ図である。蛍光Ｘ線分析法とは、強いＸ線に
より試料が照射されて励起された後に、放出される蛍光
Ｘ線のスペクトル線の波長から試料中の元素を同定し、
各線の強度から濃度を定量する物理的な非破壊分析法で
ある。図３によれば、いずれの場合も、ターゲットの電
位を約−２０Ｖまで低下させると、鉄のピーク強度はそ
れに応じて低下していることが分かる。また、ターゲッ
トの電位が−２０Ｖ以下のときは、そのピーク強度は、
市販のシリコン中の鉄のピーク強度である点線上にほぼ
一致している。このことは、ステンレス鋼からなるシー
ルドやコリメータに起因する鉄が、不純物として混入し
ていないことを示している。したがって、大型化された
基板の成膜をするときでも、ターゲットのみのスパッタ
を行い、基板上に成膜された絶縁膜の品質を向上させる
ことが可能となる。

【００２５】また、図４には、チャンバ内の圧力が７mT
orr及び１０mTorrの場合、直径が１３インチで、ＢＳＴ
からなるターゲットの種々の電位に対してスパッタを行
ったときに、８インチのシリコン基板上に成膜される絶
縁膜の成膜速度を測定した結果のグラフ図が示されてい
る。このグラフ図によれば、いずれの場合も、ＤＣ電源
の出力の増大に伴うターゲットの電位の低下と共に、成
膜速度が増大していることが分かる。これは、ターゲッ
トの電位の低下の結果、ターゲット上で行われるスパッ
タの頻度が増大しているためである。成膜速度の増大は
処理時間の低減につながり、スループットの向上をもた
らす。したがって、ＤＣ電源の出力の増大に伴いターゲ
ットの電位が低下すると、スループットが向上するよう
になる。また、図４から、ＤＣ電源の出力に応じて成膜
速度が変化していることが分かる。したがって、ＤＣ電
源の出力を適当に制御することにより、成膜速度を適当
に制御することができる。

【００２６】以上のように、本発明を実施形態に従って
説明したが、本発明はこれに限定されない。ターゲット
の直径は上記実施形態の場合に１３インチとなってい
る。しかし、本発明では、ターゲットの直径が８〜１３
インチになっていれば、接地面積とターゲット面積との
比が、８インチの場合と同一と見なすことができるの
で、図２と同様のターゲット電位を得ることができる。

【００２７】また、ターゲットを構成する材料は、上述
のＢＳＴのような絶縁体に限定されず、他の絶縁体、例
えば、ＢａＴｉＯ₃，ＳｒＴｉＯ₃，ＰＺＴ(チタン酸ジ
ルコン酸鉛），ＳｉＯ₂からなってもよく、さらに、絶
縁体に限らず導体であっても、上記のようなスパッタを
実現することができる。

【００２８】また、本発明は、本実施形態のようなＲＦ
マグネトロン装置に限定されず、マグネトロンを有しな
いＲＦスパッタ装置でもよいことは、当業者ならば想到
されよう。

【００２９】

【発明の効果】本発明では、大型化されたターゲット
に、ＲＦ電力だけでなくＤＣ電力をターゲットに印加し
て、それの大型化に伴う自己バイアスの低下を補償して
いる。その結果、スパッタがターゲットに対してのみ効
率よく行われるので、そのスパッタにより基板上に成膜
された薄膜には、ターゲット以外のスパッタに起因する
不純物が混入して薄膜の品質を低下させることが防止さ
れる。

【００３０】また、ＤＣ電源の出力の増大に伴うターゲ
ット電位の低下により、成膜速度を増大させスループッ
トを向上させることができる。さらに、ＤＣ電源の出力
の増減により成膜速度を変えることができる。これによ
り、成膜速度の制御が可能となり、安定した成膜を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＲＦマグネトロン装置を概略的に
示した構成図である。

【図２】ＤＣ電源の出力とターゲット電位との関係を示
すグラフ図である。

【図３】真空チャンバの種々の圧力に対して、ターゲッ
ト電位と基板上に成膜される薄膜中の鉄の濃度との関係
を示すグラフ図である。

【図４】真空チャンバの種々の圧力に対して、ターゲッ
ト電位と基板上に成膜される薄膜の成膜速度との関係を
示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０…ＲＦマグネトロン装置、１２…真空チャンバ、１
４…ターゲットアセンブリ、１６…上部プレート、１８
…マグネトロンアセンブリ、２０…サセプタ、２２…ピ
ン、２４ａ，２４ｂ…ベローズ、２６ａ，２６ｂ…シャ
フト、２８…リフトオフプレート、３０…真空チャンバ
本体、３２…プロセスキット、３４…真空排気口、３５
…Ａｒガス供給源、３６…下部アダプタ、３８…シール
ド、４０…クランプリング、４２…コリメータ、４４…
上部アダプタ、４６…絶縁リング、４８…突出部、５０
…バッキングプレート、５２…ターゲット、５４…ベー
スプレート、５６…磁石、５８…回転駆動ユニット、６
０…整合回路、６２…ＲＦ電源、６４…ＤＣ電源、Ｓ…
基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木郁生千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバと、前記真空チャンバ内で
基板を支持するための支持手段と、前記支持手段により
支持される基板の表面に対向するように設けられ、スパ
ッタにより粒子を放出することができるターゲットアセ
ンブリと、前記ターゲットアセンブリと前記支持手段と
の間の空間にプロセスガスを供給するガス供給手段とを
有し、前記空間に供給されるプロセスガスをスパッタの
ためにプラズマ化するスパッタ装置であって、前記ターゲットアセンブリと前記支持手段との間の前記
空間に高周波電力を印加する高周波電力印加手段と、前記ターゲットアセンブリの周囲に対して前記ターゲッ
トアセンブリを負電位にすることができる負電位手段
と、を備えることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】前記負電位手段が、前記ターゲットアセ
ンブリに陰極が接続された直流電源であることを特徴と
する請求項１に記載のスパッタ発生装置。
【請求項３】前記負電位が−２０Ｖ以下であることを
特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】前記ターゲットアセンブリが、直径が１
３インチの円板形状を有し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装置。
【請求項５】前記真空チャンバの内部に前記ターゲッ
トアセンブリを囲むように設けられ、前記真空チャンバ
の内壁面を保護するための筒状のシールドを含んでお
り、前記シールドが、前記真空チャンバに電気的に接続さ
れ、前記真空チャンバと同じ電位に保持されることを特
徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパッタ
装置。
【請求項６】前記空間に配置され、前記ターゲットア
センブリからの粒子を選択的に通過させるべく多数の孔
を有するコリメータを有しており、前記コリメータが、前記真空チャンバに電気的に接続さ
れ、前記真空チャンバと同じ電位に保持されることを特
徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパッタ
装置。
【請求項７】真空チャンバと、前記真空チャンバ内で
基板を支持するための支持手段と、前記支持手段により
支持される基板の表面に対向するように設けられ、スパ
ッタにより粒子を放出することができるターゲットアセ
ンブリとを有するスパッタ装置において、前記ターゲッ
トアセンブリのスパッタを促進するスパッタ処理方法で
あって、前記空間にプロセスガスを供給するプロセスガス供給ス
テップと、前記空間に高周波電力を印加する高周波電力印加ステッ
プと、前記ターゲットアセンブリの周囲に対して前記ターゲッ
トアセンブリを負電位にする負電位ステップと、を備え
ることを特徴とするスパッタ処理方法。
【請求項８】前記負電位ステップが、前記ターゲット
アセンブリに直流電圧を印加するステップを含むことを
特徴とする請求項１１に記載のスパッタ処理方法。
【請求項９】前記負電位を−２０Ｖ以下とする請求項
１１又は１２に記載のスパッタ処理方法。