JPWO2009157439A1 - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents

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Abstract

基板全面に亘って高アスペクト比の各微細ホールに対し被覆性よく成膜できるようにした簡単な構成かつ低コストのスパッタリング装置を提供する。真空チャンバ２内に設置した基板Ｗに対向配置されるターゲット３と、ターゲットのスパッタ面３ａ前方にトンネル状の磁場を発生させる磁石組立体４と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段７と、前記ターゲットに負の電位を印加するスパッタ電源５とを備える。ターゲットのスパッタ面及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線Ｍが通るように垂直磁場を発生させる磁場発生手段１１ｕ、１１ｄを備える。

Description

本発明は、処理すべき基板の表面に成膜するためのスパッタリング装置及スパッタリング方法に関し、特に、ＤＣマグネトロン方式のものに関する。
この種のＤＣマグネトロン方式のスパッタリング装置は、例えば半導体デバイスの製作における成膜工程で用いられており、このような用途のスパッタリング装置には、近年の配線パターンの微細化に伴い、高アスペクト比の微細ホールに対して、処理すべき基板全面に亘って被覆性よく成膜できること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。
一般に、上記のスパッタリング装置では、例えばターゲットの後方（スパッタ面と背向する側）に、交互に極性を変えて複数の磁石を設けた磁石組立体を配置し、この磁石組立体によりターゲットの前方（スパッタ面側）にトンネル状の磁場を発生させ、ターゲットの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲットの前方での電子密度を高めてプラズマ密度を高くしている。
このようなスパッタリング装置では、ターゲットのうち上記磁場の影響を受ける領域でターゲットが優先的にスパッタリングされる。このため、上記領域が、放電の安定性やターゲットの使用効率の向上等の観点から、例えばターゲット中央付近にあると、スパッタリング時のターゲットのエロージョン量はその中央付近で多くなる。このような場合、基板の外周部においては、ターゲットからスパッタリングされたターゲット材粒子（例えば金属粒子、以下、「スパッタ粒子」という）が傾斜した角度で入射、付着することになる。その結果、上記用途の成膜に用いた場合には、特に、基板の外周部でカバレッジの非対称性の問題が生じることが従来から知られている。
このような問題を解決するために、真空チャンバ内で基板が載置されるステージの上方に、ステージの表面と略平行に第１のスパッタリングターゲットを配置すると共に、ステージの斜め上方でステージ表面に対して斜めに第２のスパッタリングターゲットを配置したスパッタリング装置、つまり、複数のカソードユニットを備えたものが、例えば特許文献１で知られている。
然し、上記特許文献１記載のように複数のカソードユニットを真空チャンバ内に配置すると、装置構成が複雑となり、また、ターゲットの数に応じたスパッタ電源や磁石組立体が必要になる等、部品点数が増えることでコスト高を招くという不具合がある。さらに、ターゲット全体として使用効率も悪くなることから、製品製作のコスト高を招くという不具合もある。
特開２００８−４７６６１号公報
本発明は、以上の点に鑑み、基板全面に亘って高アスペクト比の各微細ホールに対し被覆性よく成膜できるようにした簡単な構成かつ低コストのスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することをその課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は、真空チャンバ内に設置した基板の表面に成膜するためのスパッタリング装置であって、前記基板に対向配置されるターゲットと、前記ターゲットのスパッタ面前方に磁場を発生させる磁石組立体と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、前記ターゲットに負の電位を印加するスパッタ電源とを備えたものにおいて、前記ターゲットのスパッタ面及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させる磁場発生手段を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、ターゲット及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させているため、スパッタリングによりターゲットのスパッタ面から飛散したスパッタ粒子は正電荷を有するので、上記垂直磁場によりその方向が変えられ、基板に対して略垂直に入射して付着するようになる。その結果、半導体デバイスの製作における成膜工程で本発明のスパッタリング装置を用いれば、高アスペクト比の微細ホールに対しても基板全面に亘って被覆性よく成膜できる。即ち、カバレッジの非対称性の問題が解消されて面内均一性が向上する。
このように本発明においては、ターゲットの優先的にスパッタリングされる領域を決める磁石組立体はそのままであるため、ターゲットの利用効率が低下するものではなく、しかも、上記従来技術のように複数のカソードユニットをスパッタリング装置自体に設けるものではないため、装置の製作コストやランニングコストを低くできる。
本発明においては、前記磁場発生手段は、前記ターゲットと基板とを結ぶ基準軸の回りで、かつ、前記基準軸の長手方向で所定の間隔を存して設けた少なくとも２個のコイルと、各コイルへの通電を可能とする電源装置とを備える構成を採用すれば、複数のカソードユニットを取付けるために装置構成を変更するような場合と比べて、その構成は極めて簡単であり、また、コイル相互間の距離、各コイルの巻数、コイルへの電流の向き及び電流値等を適宜変化させれば、ターゲットのスパッタ面及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線が通るように所定の磁場強度で垂直磁場を発生させることが実現できる。
また、上記課題を解決するために、本発明は、処理すべき基板の表面に成膜するためのスパッタリング方法であって、前記基板及びターゲットを対向配置した真空チャンバ内でターゲットのスパッタ面及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記ターゲットのスパッタ面前方に磁場を発生させた状態で前記ターゲットに負の直流電位を印加してプラズマ雰囲気を形成し、前記ターゲットをスパッタリングすることでスパッタ粒子を前記基板表面に付着、堆積させて成膜することを特徴とする。
本発明においては、ターゲット材粒子が垂直磁場の影響で失活せずに、効率よく基板全面に亘って均一な膜厚で成膜するには、前記垂直磁場をスパッタ面から基板への向きに発生させることが好ましい。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態のスパッタリング装置ついて説明する。図１に示すように、スパッタリング装置１は、ＤＣマグネトロンスパッタリング方式のものであり、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ２を備える。真空チャンバ２の天井部にはカソードユニットＣが取付けられている。なお、以下においては、真空チャンバ２の天井部側を「上」とし、その底部側を「下」として説明する。
カソードユニットＣは、ターゲット３とターゲット３のスパッタ面（下面）３ａ前方にトンネル状の磁場を発生する磁石組立体４とを備える。ターゲット３は、処理すべき基板Ｗに形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、Ｃｕ、ＴｉやＴａ製であり、処理すべき基板Ｗの形状に対応させて、スパッタ面３ａの面積が基板Ｗ表面積より大きくなるように公知の方法で所定形状（例えば、平面視円形）に作製されている。また、ターゲット３は、公知の構造を有するＤＣ電源（スパッタ電源）５に電気的に接続され、所定の負の電位が印加されるようになっている。
磁石組立体４は、スパッタ面３ａと背向する側（上側）に配置され、ターゲット３に平行に配置された円板状のヨーク４ａと、ヨーク４ａの下面にターゲット３側の極性を交互に変えて同心に配置したリング状の磁石４ｂ、４ｃとから構成されている。なお、磁石４ｂ、４ｃの形状や個数は、放電の安定性やターゲットの使用効率の向上等の観点からターゲット３の前方に形成しようとする磁場に応じて適宜選択され、例えば薄片状や棒状のものまたはこれらを適宜組合わせて用いるようにしてもよく、また、磁石組立体４がターゲット３の背面側で往復運動や回転運動するように構成してもよい。
真空チャンバ２の底部には、ターゲット３に対向させてステージ６が配置され、基板Ｗを位置決め保持できるようになっている。また、真空チャンバ２の側壁には、アルゴンガスなどのスパッタガスを導入するガス管７が接続され、その他端は、図示省略したマスフローコントローラを介してガス源に連通している。さらに、真空チャンバ２には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる真空排気手段８に通じる排気管８ａが接続されている。
ここで、上述の形態のままのスパッタリング装置において（従来例に相当する）、ターゲット３をスパッタリングすると、磁石組立体４により発生する磁場の影響を受ける領域でターゲット３が優先的にスパッタリングされ、ターゲット材粒子たるスパッタ粒子が飛散する。このため、上記領域が、例えばターゲットの中心と最外周との中間付近にあると、スパッタリングの際のターゲット３のエロージョン量Ｔｅはその中間付近で多くなる（図２参照）。このような場合、基板Ｗの外周部においては、スパッタ粒子が傾斜した角度で入射、付着することになる。
このような場合、成膜処理すべき基板Ｗが、Ｓｉウエハ表面にシリコン酸化物膜（絶縁膜）Ｉを形成した後、このシリコン酸化物膜中に高アスペクト比の微細ホールＨをパターニングして形成したものであり、この基板ＷにＣｕからなるシード層やＴｉまたはＴａからなるバリアメタル層等の薄膜Ｌを成膜するとき、基板Ｗの外周部でカバレッジの非対称性の問題が生じる（図２参照）。
そこで、本実施の形態では、ターゲット３のスパッタ面３ａ及び基板Ｗ全面に亘って垂直な磁力線Ｍが等間隔で通るように垂直磁場を発生させる磁場発生手段を設けた。磁場発生手段は、ターゲット３及び基板Ｗの中心間を結ぶ基準軸ＣＬの回りで、かつ、上下方向に所定の間隔を存して真空チャンバ２の外側壁に設けたリング状の２個のヨーク９にそれぞれ導線１０を巻回してなる上コイル１１ｕ及び下コイル１１ｄと、各コイル１１ｕ、１１ｄへの通電を可能とする電源装置１２とを備える（図１及び図３（ａ）参照）。
ここで、コイルの個数、導線１０の径や巻数は、例えばターゲット３の寸法、ターゲット３と基板Ｗとの間の距離、電源装置１２の定格電流値や発生させようとする磁場の強度（ガウス）に応じて適宜設定される（例えば、径１４ｍｍ、巻数１０）。また、本実施の形態のように２個の上下のコイル１１ｕ、１１ｄで垂直磁場を発生させる場合、成膜時の基板Ｗ面内における膜厚分布を略均一にする（スパッタレートを基板Ｗの径方向で略均一にする）ためには、上コイル１１ｕの下端とターゲット３との間の距離及び下コイル１１ｄの上端と基板Ｗとの間の距離Ｄ１、Ｄ２が、基準軸の中点Ｃｐまでの距離Ｄ３より短くなるように各コイル１１ｕ、１１ｄの上下方向の位置を設定することが好ましい。この場合、上コイル１０ｕの下端とターゲット３との間の距離及び下コイル１１ｄの上端と基板Ｗとの間の距離は必ずしも一致している必要はなく、装置構成によっては、上下の各コイル１１ｕ、１１ｄをターゲット３及び基板Ｗの背面側に設けるようにしてもよい。
電源装置１２は、上下の各コイル１１ｕ、１１ｄへの電流値及び電流の向きを任意に変更できる制御回路（図示せず）を備えた公知の構造のものである。この場合、コイル１１ｕ、１１ｄに通電して垂直磁場を発生させたとき、磁場強度が１００ガウス以下となるように通電電流（例えば、１５Ａ以下）が設定される。１００ガウスを超えると、スパッタ粒子が失活して良好に成膜できない。また、スパッタ粒子が垂直磁場の影響で失活せずに、効率よく基板全面に亘って均一な膜厚で成膜するには、下向きの垂直磁場が発生するように各コイル１１ｕ、１１ｄに流す電流の向きが制御される。なお、上下の各コイル１１ｕ、１１ｄへの電流値及び電流の向きを任意に変更するために別個の電源装置１２を設けたものについて説明したが、同一の電流値及び電流の向きで各コイル１１ｕ、１１ｄに通電するような場合には、１個の電源装置で通電するように構成してもよい。
上記のようにスパッタリング装置１を構成することで、ターゲット３をスパッタリングした場合に、ターゲット３から飛散したスパッタ粒子が正電荷を有していると、ターゲット３から基板Ｗへの垂直磁場によりその方向が変えられ、基板Ｗ全面でスパッタ粒子が基板Ｗに対して略垂直に入射して付着するようになる。その結果、半導体デバイスの製作における成膜工程で本実施の形態のスパッタリング装置１を用いれば、高アスペクト比の微細ホールＨに対しても基板Ｗ全面に亘って被覆性よく所定の薄膜Ｌを成膜できる（即ち、カバレッジの非対称性の問題が解消されて面内均一性が向上する（図３参照）。
このように本実施の形態のスパッタリング装置１では、ターゲット３の優先的にスパッタリングされる領域を決める磁石組立体４はそのままであり、磁場発生手段の各コイル１１ｕ、１１ｄでスパッタ粒子の向きを変えるようにしたことで、ターゲット３の利用効率が低下するものではなく、しかも、上記従来技術のように複数のカソードユニットを用いるものではないため、装置の製作コストやランニングコストを低くできる。また、上下のコイル１１ｕ、１１ｄを設けただけであるため、複数のカソードユニットを用いるために装置構成を変更するような場合と比べて、その構成は極めて簡単であり、既存の装置を改造して製作できる。
なお、本実施の形態のスパッタリング装置１においては、カバレッジの面内均一性を一層向上させるために、真空チャンバ２内でターゲット３とステージ６との間の空間を囲うようにアノード電極２１と接地電極２２、２３とを設けてもよい。そして、成膜の際に、ターゲット３側に位置するアノード電極２１には正の電圧を印加し、ステージ６側に位置し、相互に分割された接地電極２２、２３を接地電位に接続する。これにより、アノード電極２１で飛行方向が曲げられたスパッタ粒子の軌道が修正され、基板Ｗ表面に一層垂直に入射されるようにできる。この場合、ステージ６に、バイアス電源２４を接続するようにしてもよい。
次に、上記スパッタリング装置１を用いた成膜について、成膜される基板Ｗとして、Ｓｉウエハ表面にシリコン酸化物膜Ｉを形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で配線用の微細ホールＨをパターニングして形成したものを用い、スパッタリングによりシード層たるＣｕ膜Ｌの成膜する場合を例に説明する。
先ず、ステージ６に基板Ｗをセットした後、真空排気手段８を作動させて真空チャンバ２内を所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ）まで真空引きする。それと同時に、電源装置１２を作動させて上コイル１１ｕ及び下コイル１１ｄに通電し、ターゲット３及び基板Ｗ全面に亘って垂直な磁力線Ｍが等間隔で通るように所定の磁場強度で垂直磁場を発生させる。そして、真空チャンバ２内の圧力が所定値に達すると、真空チャンバ２内にアルゴンガス（スパッタガス）を所定の流量で導入しつつ、ＤＣ電源５よりターゲット３に所定の負の電位を印加（電力投入）して真空チャンバ２内にプラズマ雰囲気を形成する。この場合、磁石組立体４からの磁場でスパッタ面３ａ前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子が捕捉され、スパッタ面３ａ前方におけるプラズマが高密度となる。
プラズマ中のアルゴンイオンがスパッタ面３ａに衝突してスパッタ面３ａがスパッタリングされ、スパッタ面３ａから基板Ｗに向かってＣｕ原子やＣｕイオンが飛散する。このとき、特に、正電荷を有するＣｕが、垂直磁場により方向が変えられ、基板Ｗ全面でスパッタ粒子が基板Ｗに対して略垂直に入射して付着するようになり、基板Ｗ全面に亘って微細ホールＨに対して被覆性よく成膜される。
なお、本実施の形態では、上コイル１１ｕ及び下コイル１１ｄに通電して垂直磁場を発生させるものについて説明したが、ターゲット３及び基板Ｗ全面に亘って垂直な磁力線Ｍが等間隔で通るように垂直磁場を発生させることができるものであれば、その形態は問わず、公知の焼結磁石を真空チャンバの内外に適宜配置して垂直磁場を形成するようにしてもよい。
実施例１では、図１に示すスパッタリング装置（アノード電極２１と接地電極２２、２３とは使用せず）を用い、Ｃｕ膜を成膜した。基板Ｗとして、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で微細ホール（幅４０ｎｍ、深さ１４０ｎｍ）をパターニングして形成したものを用いた。また、ターゲットとして、Ｃｕの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ４００ｍｍに作製したものを用いた。ターゲットと基板との間の距離を４００ｍｍに設定すると共に、上コイル１０ｕの下端とターゲット３との間の距離及び下コイル１１ｄの上端と基板Ｗとの間の距離をそれぞれ５０ｍｍとした。
さらに、成膜条件として、スパッタガスとしてＡｒを用い、１５ｓｃｃｍの流量で導入するようにした。また、ターゲットへの投入電力を１８ＫＷ（電流３０Ａ）に設置すると共に、各コイルへの電流値を−１５Ａ（下向きの垂直磁場が発生する）に設定した。そして、スパッタ時間を１０秒に設定してＣｕ膜の成膜を行った。
上記実施例１に従いＣｕ膜の成膜を行った後、基板の中央部と外周部とにおける膜厚からスパッタレートを測定したところ、両者の差は、約１ｎｍ／Ｓであり、基板面内における膜厚分布の均一性が高くなることが確認できた。また、基板の中央部と外周部とにおける微細ホールのカバレッジをそれぞれＳＥＭ写真により確認したところ、微細ホールの内面全体に亘って高い緻密性のＣｕ膜がそれぞれ形成できていることが確認できた。
本発明の実施の形態によるスパッタリング装置の模式的断面図。 従来技術に係るスパッタリング装置を用いて成膜したときの状態を模式的説明する図。 本実施の形態に係るスパッタリング装置を用いて成膜したときの状態を模式的説明する図。
１ ＤＣマグネトロンスパッタリング装置
２ 真空チャンバ
３ ターゲット
３ａ スパッタ面
４ 磁石組立体
５ ＤＣ電源（スパッタ電源）
７ ガス管（ガス導入手段）
１１ｕ 上コイル（磁場発生手段）
１１ｄ 下コイル（磁場発生手段）
１２ 電源装置（磁場発生手段）
Ｃ カソードユニット
Ｍ 磁束
Ｗ 基板

Claims (4)

  1. 真空チャンバ内に設置した基板の表面に成膜するためのスパッタリング装置であって、前記基板に対向配置されるターゲットと、前記ターゲットのスパッタ面前方に磁場を発生させる磁石組立体と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、前記ターゲットに負の電位を印加するスパッタ電源とを備えたものにおいて、
    前記ターゲットのスパッタ面及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させる磁場発生手段を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 前記磁場発生手段は、前記ターゲットと基板とを結ぶ基準軸の回りで、かつ、前記基準軸の長手方向で所定の間隔を存して設けた少なくとも２個のコイルと、各コイルへの通電を可能とする電源装置とを備えることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
  3. 処理すべき基板の表面に成膜するためのスパッタリング方法であって、
    前記基板及びターゲットを対向配置した真空チャンバ内でターゲットのスパッタ面及び基板の全面に亘って所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、
    前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記ターゲットのスパッタ面前方に磁場を発生させた状態で前記ターゲットに負の直流電位を印加してプラズマ雰囲気を形成し、
    前記ターゲットをスパッタリングすることでスパッタ粒子を前記基板表面に付着、堆積させて成膜することを特徴とするスパッタリング方法。
  4. 前記垂直磁場をスパッタ面から基板への向きに発生させることを特徴とする請求項３記載のスパッタリング方法。
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