JPWO2011077653A1 - スパッタリング方法およびスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

実用的な条件下で放電可能で、かつプラズマ空間の圧力を均一に保持可能な電子デバイスの製造方法、及びそれに用いられるスパッタリング装置を提供する。電子デバイスの製造方法は、処理チャンバー内に設けられた防着板、基板ホルダー及び前記ターゲットによって画定されたスパッタリング空間に設けられた第１ガス導入口からプロセスガスを導入する第１ガス導入ステップ（Ｓ４０３）と、第１ガス導入ステップの後に、前記ターゲットに電圧を印加する電圧印加ステップ（Ｓ４０７）と、前記スパッタリング空間の外側に設けられた第２ガス導入口からプロセスガスを導入する第２ガス導入ステップ（Ｓ４０５）とを含む。

Description

本発明は、半導体素子等の作製に使用される電子デバイスの製造方法、およびスパッタリング装置に関する。

従来から、スパッタリング装置には、チャンバーの内壁にスパッタ粒子の付着を防止するための防着板が設けられている。チャンバーにプロセスガスを導入する方法として、防着板の外側からガスを導入する、いわゆる外ガス導入と、防着板の内側からガスを導入する、いわゆる内ガス導入とがある。

外ガス導入の例として、特許文献１には、真空チャンバー内にスパッタリング空間を画定する防着板を備え、前記真空チャンバー内のウエーハステージに搭載したウエーハの表面に、前記真空チャンバーに設けたスパッタターゲットから飛来した金属粒子の薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記真空チャンバー内にアルゴンと反応性ガスから構成されるスパッタガスを導入するチャンバー壁面に設けられたスパッタガス導入口と、チャンバー壁面とスパッタガス導入口を被覆するようにチャンバー壁面に沿って設置された複数の穴あきシールド板と、を具備するスパッタリング装置が開示されている。

また、内ガス導入の例として、特許文献２には、真空中でプラズマ放電を発生し基板の上に薄膜を堆積するスパッタリング装置において、前記プラズマ放電の発生空間を囲む筒型シールドを設け、この筒型シールドの内周面にガス吹出し口を備えるプロセスガス導入機構を設けたスパッタリング装置が開示されている。

特開平５−５５２０６号公報 特開平６−３４６２３４号公報

特許文献１に示すスパッタリング装置では、防着板にて画定された空間の外側にアルゴンガス等のプロセスガスを導入しているので、プラズマ着火に必要なターゲット近傍のガス圧力を得るためには多量のプロセスガスを導入しなければならない。このため、溜め込み式ポンプであるクライオポンプを頻繁に作動する必要が生じ、生産性が著しく低下する問題がある。また、供給すべきガスの量が多量になるため、原材料コストが上昇する問題がある。さらには、導入されたガスは前記画定された空間の外部から内部に拡散するが、プラズマ着火時に必要とされる圧力まで拡散させるためには、時間がかかってしまう。特にプラズマ着火時のようにプロセスガスが短時間に消費される場合には画定された空間内部の圧力が変動する問題がある。

一方、特許文献２に示すスパッタリング装置では、筒型シールドで囲まれたプラズマ空間の内側にガスを導入すると、プラズマ空間内のアルゴンガス密度は、シールド開口部（隙間）の大きさによって決まるため、シールドの加工ばらつきや組付けばらつきによりプラズマ空間の圧力が一定にならないという問題がある。さらに、近年、半導体デバイスの高性能化に伴い、薄膜の高品質化に対する要求が高まっている。しかし、シールド交換などのメンテナンスを行なうと、プロセスの再現性が得られず、高品質な膜を形成できないことが分かった。この原因について、発明者らは鋭意検討した結果、メンテナンス前後でプラズマ空間の圧力が変わってしまうためであると発見した。

そこで、本発明は、従来のスパッタリング装置が有する、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、実用的な条件下で放電可能で、かつシールド交換などのメンテナンスを行なっても、プラズマ空間の圧力を再現性よく保持可能な電子デバイスの製造方法及び、それに用いられるスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電子デバイスの製造方法は、処理チャンバー内のターゲットに電圧を印加してスパッタリングすることにより、電子デバイスを製造する電子デバイスの製造方法であって、処理チャンバー内に設けられた防着板、基板ホルダー及びターゲットによって画定されたスパッタリング空間に設けられた第１ガス導入口からプロセスガスを導入する第１ガス導入ステップと、第１ガス導入ステップの後に、ターゲットに電圧を印加する電圧印加ステップと、スパッタリング空間の外側に設けられた第２ガス導入口からプロセスガスを導入する第２ガス導入ステップとを含む。

また、本発明に係るスパッタリング装置は、処理チャンバーと、処理チャンバーに設けられた基板ホルダーと、処理チャンバーに設けられ、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーと、処理チャンバー内に設けられ、ターゲットホルダーと基板ホルダーとの間でスパッタリング空間を形成する防着板と、スパッタリング空間に設けられ、プロセスガスを導入するための第１ガス導入口と、スパッタリング空間の外側に設けられ、かつプロセスガスを導入する第２ガス導入口と、を備える。

本発明によれば、実用的な条件下で放電可能で、かつプラズマ空間の圧力を均一に保持可能な電子デバイスの製造方法及びそれに用いられるスパッタリング装置を提供することができる。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明に係る実施形態のスパッタリング装置の概略図である。 本発明に係る実施形態のスパッタリング装置の概略図である。 図１の排気チャンバーを詳細に説明するための拡大図である。 図３のＩ−Ｉ断面図である。 図３のＩＩ−ＩＩ断面図である。 本実施形態の製造方法を示すフローチャートである。 本実施形態の製造方法を示すフローチャートの変形例である。 本実施形態のシャッター収納器の内部に反応性ガスを導入する構成を説明するための拡大図である。 ターゲットと基板間の距離（ｍｍ）を変化させたときの、スパッタリング空間の圧力（Ｐａ）を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されない。

図１を参照して、本発明に係る実施形態のスパッタリング装置の全体構成について説明する。図１は、本発明に係る実施形態のスパッタリング装置の概略図である。スパッタリング装置１は、真空排気可能な真空チャンバー２と、真空チャンバー２と排気口を介して隣接して設けられた排気チャンバー８と、排気チャンバー８を介して真空チャンバー２内を排気する排気装置と、を備えている。ここで、排気装置はターボ分子ポンプ４８を有する。また、排気装置のターボ分子ポンプ４８には、更に、ドライポンプ４９が接続されている。なお、排気チャンバー８の下方に排気装置が設けられているのは、装置全体のフットプリント（占有面積）を出来るだけ小さくするためである。

真空チャンバー２内には、ターゲット４を、バックプレート５を介して保持するターゲットホルダー６が設けられている。ターゲットホルダー６の近傍には、カソードシャッター１４がターゲットホルダー６を覆うように設置されている。カソードシャッター１４は、回転シャッターの構造を有している。カソードシャッター１４は、基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を遮蔽する閉状態（遮蔽状態）、または基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を開放する開状態（退避状態）にするための遮蔽部材として機能する。カソードシャッター１４には、カソードシャッター１４の開閉動作を行うためのカソードシャッター駆動機構３３が設けられている。

排気チャンバー８の内部には、基板シャッター１９が真空チャンバー２から退避したときに、基板シャッター１９が収納されるシャッター収納部２３が設けられている。

ターゲットホルダー６とカソードシャッター１４の間における空間の、ターゲットホルダー６の周囲には、ターゲットホルダー６の周囲を取り囲むように筒状シールドであるチムニー９が取り付けられている。ターゲットホルダー６に取り付けられたターゲット４の、スパッタ面の前面のマグネトロン放電空間はチムニー９で取り囲まれ、シャッターの開状態においてはカソードシャッター１４の開口部に開口している。肉厚を有する円筒状のチムニー９内部には、ガス配管３４が設けられている。ガス配管３４は、第１ガス（不活性ガス）供給系５１を介して、第１ガス（不活性ガス）供給装置５２と接続されている。図１に示すように、カソードシャッター１４を閉じた状態で、第１ガス（不活性ガス）供給装置５２から、不活性ガスを導入することにより、ターゲット近傍のプラズマ密度を高く維持して着火しやすくすることができる。また、チャンバー２の天井壁（内壁）とカソードシャッター１４との間には、ガス導入口３５が設けられ、第２ガス（不活性ガス）供給系５３を介して、第２ガス（不活性ガス）供給装置５４に接続されている。

真空チャンバー２の内面は接地されている。防着板４０は、ターゲットホルダー６と基板ホルダー７の間の真空チャンバー２の内面には接地された筒状の防着板（防着板４０ａ、防着板４０ｂ）、および基板ホルダー７と相対したターゲットホルダー部以外の真空チャンバー２の内面を覆うように、天井の防着板４０ｃを有する（以下、防着板４０ａ、４０ｂ、４０ｃを単に「シールド」ともいう）。防着板４０ａ１の先端部はＵ字型に分割された凹形状部を有しており、Ｕ字部（凹形状部）の間に、Ｉ字型形状の防着板４０ｂ（凸形状部）が、非接触で嵌め込まれることにより、排気路４０１は、いわゆるラビリンス形状の排気路（隙間）として形成される。シールド４０ａ１とシールド４０ｂとの間に形成されている排気路４０１（第１の排気路）は、開口部３０３に対して上方の位置（成膜手段を構成するターゲットホルダー６側の位置）に、円筒状部材の円周方向の隙間として形成される。シールド４０ａ２とシールド２２との間に形成されている排気路４０３（第２の排気路）は、開口部３０３に対して下方の位置に、円筒状部材の円周方向の隙間として形成される。以上のように、防着板４０は１つ以上の部材で構成されるため、これらの部材からなる隙間が形成されている。

なお、ここでいう防着板とは、スパッタ粒子が真空チャンバー２の内面に直接付着するのを防止し、真空チャンバーの内面を保護するために真空チャンバー２とは別体で形成され、定期的に交換可能な部材をいう。

このように、スパッタリング装置１は、処理チャンバー２内に設けられた防着板４０、ターゲット４、及び基板ホルダー７によって画定されたスパッタリング空間内に設けられ、不活性ガスを処理チャンバー２内に導入する第１ガス導入口３４と、スパッタリング空間外に設けられ、不活性ガスを処置チャンバー２内に導入する第２ガス導入口３５と、を有している。なお、スパッタリング空間は、完全に密閉された空間ではなく、防着板４０によってなる隙間６０を通じてガスが相互に拡散できるような空間を言う。

スパッタ面から見たターゲット４の背後には、マグネトロンスパッタリングを実現するためのマグネット１３が配設されている。マグネット１３は、マグネットホルダー３に保持され、図示しないマグネットホルダー回転機構により回転可能となっている。ターゲットのエロージョンを均一にするため、放電中には、このマグネット１３は回転している。

ターゲット４は、基板１０に対して斜め上方に配置された位置（オフセット位置）に設置されている。すなわち、ターゲット４のスパッタ面の中心点は、基板１０の中心点の法線に対して所定の寸法ずれた位置にある。ターゲットホルダー６には、スパッタ放電用電力を印加する電源（電圧印加機構）１２が接続されている。電源１２によりターゲットホルダー６に電圧が印加されると、放電が開始され、スパッタ粒子が基板に堆積される。ターゲット４の中心を通る基板ホルダー７の上面を含む平面の法線が該平面と交差する交点とターゲット４の中心点との距離をＴ／Ｓ距離と定義すると、本例ではＴ／Ｓ距離は２４０ｍｍである。なお、本実施形態においては、図１に示す成膜装置１は、ＤＣ電源を備えているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＲＦ電源を備えていてもよい。ＲＦ電源を用いた場合は電源１２とターゲットホルダー６との間に整合器を設置する必要がある。

ターゲットホルダー６は、絶縁体により接地電位の真空チャンバー２から絶縁されており、またＣｕ等の金属製であるのでＤＣ又はＲＦの電力が印加された場合には電極となる。なお、ターゲットホルダー６は、図示しない水路を内部に持ち、図示しない水配管から供給される冷却水により冷却可能に構成されている。ターゲット４は、基板１０へ成膜したい材料成分を含んでいる。ターゲット４は、堆積する膜の純度に影響するため、高純度のものが望ましい。

ターゲット４とターゲットホルダー６との間に設置されているバックプレート５は、Ｃｕ等の金属から出来ており、ターゲット４を保持している。

また、真空チャンバー２内には、基板１０を載置するための基板ホルダー７と、基板ホルダー７とターゲットホルダー６の間に設けられた基板シャッター１９と、基板シャッター１９を開閉駆動する基板シャッター駆動機構３２と、を備えている。ここで、基板シャッター１９は、基板ホルダー７の近傍に配置され、基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を遮蔽する閉状態、または基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を開放する開状態にするための遮蔽部材として機能する。

基板ホルダー７の面上で、かつ基板１０の載置部分の外縁側（外周部）には、リング形状を有する遮蔽部材（以下、「カバーリング２１」という）が設けられている。カバーリング２１は、基板ホルダー７上に載置された基板１０の成膜面以外の場所へスパッタ粒子が付着することを防止する。ここで、成膜面以外の場所とは、カバーリング２１によって覆われる基板ホルダー７の表面のほかに、基板１０の側面や裏面が含まれる。基板ホルダー７には、基板ホルダー７を上下動し、所定の速度で回転するための基板ホルダー駆動機構３１が設けられている。基板ホルダー駆動機構３１は、基板ホルダー７を上下動させ、適切な位置に固定することで、ターゲットと基板間の距離（Ｔ／Ｓ）距離を、適宜調整することが可能である。

図２に示すスパッタリング装置１は、図１に示したスパッタリング装置１と基本的には同様な構成であり、同一の構成部材には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。この図２では、カソードシャッター１４が開放された状態を示している。

次に、図３、図４、図５を参照して、シャッター収納部の構成を、詳細に説明する。図３は、排気チャンバー８を詳細に説明するための拡大図である。図４は、図３のＩ−Ｉでの断面図である。図５は、図３のＩＩ−ＩＩでの断面図である。図３に示すように排気チャンバー８の内部には、基板シャッター１９が真空チャンバー２から退避したときに、基板シャッター１９が収納されるシャッター収納部２３が設けられている。シャッター収納部２３は、基板シャッター１９を出し入れするための開口部３０３を有しており、開口部３０３以外の部分は密閉されている。

図４に示すように、シャッター収納部２３の周辺に、メインバルブ４７を介して、ターボ分子ポンプ４８と連通している排気領域が形成されるように、シャッター収納部２３は、排気チャンバー８内に配置されている。

図５は、シャッター収納部２３の開口部３０３の周辺部を例示する図である。シールド４０ａ（４０ａ１、４０ａ２），シールド４０ｂ、及びシールド２２は、真空チャンバー２の内部において、円筒状に形成されている。シールド４０ａ１とシールド４０ｂとの間に形成されている排気路４０１（第１の排気路）は、開口部３０３に対して上方の位置（成膜手段を構成するターゲットホルダー６側の位置）に、円筒状部材の円周方向の隙間として形成される。シールド４０ａ２とシールド２２との間に形成されている排気路４０３（第２の排気路）は、開口部３０３に対して下方の位置に、円筒状部材の円周方向の隙間として形成される。

シールド４０ａは、シャッター収納部２３の開口部３０３に対応した位置に開口部（孔部）を有し、排気口を覆う第１のシールドとして機能する。シールド４０ｂは、シャッター収納部２３の開口部３０３の上方に設けられており、排気口を覆う第２のシールドとして機能する。そして、シールド２２は、シャッター収納部２３の開口部３０３の下方に設けられており、排気口を覆う第３のシールドとして機能する。基板ホルダー駆動機構３１による基板ホルダー７の移動に従って、排気路４０３の排気コンダクタンスは変更可能である。

図３、又は図５に示すようにシャッター収納部２３の開口部３０３の周囲には、排気チャンバー８の排気口３０１を覆うように、シールド４０ａ１が固定されている。シールド４０ａ１と、シールド４０ｂとにより、排気路４０１が形成される。

シールド４０ａ１の先端部はＵ字型に分割された凹形状部を有しており、Ｕ字部（凹形状部）の間に、Ｉ字型形状のシールド４０ｂ（凸形状部）が、非接触で嵌め込まれることにより、排気路４０１は、いわゆるラビリンス形状の排気路として形成される。

ラビリンス形状の排気路４０１は、非接触シールのシールとしても機能する。シールド４０ａ１の先端部に形成されたＵ字部（凹形状部）に、Ｉ字型形状のシールド４０ｂ（凸形状部）が嵌りあった状態で、非接触の状態、すなわち、凹形状部と凸形状部との間に一定の隙間が形成される。凹形状部と凸形状部とが嵌り合うことにより、シャッター収納部２３の排気口３０１が遮蔽される。そのため、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子が排気路４０１を通過して排気チャンバー８内へ進入するのを防止でき、結果的に排気チャンバー８の内壁にパーティクルが付着するのを防止することができる。

同様に、シャッター収納部２３の開口部３０３の周囲には、排気チャンバー８の排気口３０１を覆うように、シールド４０ａ２が固定されている。シールド４０ａ２と、基板ホルダー７に連結されているシールド２２とにより、排気路４０３が形成される。シールド２２の先端部はＵ字型に分割された凹形状部を有しており、Ｕ字部（凹形状部）の間に、Ｉ字型形状のシールド４０ａ２（凸形状部）が、非接触で嵌め込まれることにより、排気路４０３はラビリンス形状の排気路として形成される。シールド２２の凹形状部とシールド４０ａ２の凸形状部とが嵌り合うことにより、シャッター収納部２３の排気口３０１が遮蔽される。そのため、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子が排気路４０３を通過して排気チャンバー８内へ進入するのを防止でき、結果的に排気チャンバー８の内壁にパーティクルが付着するのを防止することができる。

図１に示すように基板ホルダーが上昇した位置において、排気路４０１の排気コンダクタンスは、排気路４０３の排気コンダクタンスより十分大きくなるように形成されている。すなわち、排気チャンバー８に流入するガスは、排気路４０３に比べて排気路４０１のほうが流れやすい構造になっている。２つの排気コンダクタンスが並列に接続されたとき、合成コンダクタンスは各排気コンダクタンスの和になる。したがって、一方の排気コンダクタンスが他方の排気コンダクタンスに比べて十分大きければ、小さいほうの排気コンダクタンスは無視できる。つまり、排気路４０３は、必須ではない。排気路４０１や排気路４０３のような構造の場合、排気コンダクタンスは排気路の隙間の幅とラビリンス形状の重なり距離（長さ）により調整することができる。

例えば、図３に示すように、排気路４０１と排気路４０３の隙間の幅が同じ程度であり、排気路４０１のラビリンス形状の重なり距離（長さ）は、排気路４０３のラビリンス形状の重なり距離（長さ）より短く形成されているので、排気路４０１の排気コンダクタンスは排気路４０３の排気コンダクタンスよりも大きくなっている。このためチャンバー２内のプロセス空間（シールドとターゲットで囲われたプラズマのある空間）に不活性ガス供給系１５や反応性ガス供給系１７から導入されたガスは、主に排気路４０１を通って排気される。従ってチャンバー２のプロセス空間から排気チャンバー８への排気コンダクタンスは、基板シャッター１９の開閉動作によって影響を受けない構造である。チャンバー２内のプロセス空間から排気チャンバー８への主な排気経路が、シャッターの開閉に影響を受けない位置に設けられているため、基板シャッター１９の開閉時にチャンバー２内のプロセス空間から排気チャンバー８への排気コンダクタンスが変化しない。従って、基板シャッター１９の開閉時にプラズマ生成に影響する真空チャンバー２内のプロセス空間のガス圧力を安定化することを可能にする。そのため、基板シャッター１９を開閉しても、真空チャンバー２内から排気チャンバー８への排気コンダクタンスの変化を抑制し、真空チャンバー２内の圧力を安定させることができ、高品質な成膜が可能になる。

図６を参照して、スパッタリング装置１を用いた、電子デバイスの製造方法を説明する。なお、スパッタリング装置１は、不図示の制御部によってスパッタ電源のオンオフ制御、ガス導入等が制御されている。ステップＳ４０１においては、制御部は、図１に示すようにカソードシャッター駆動機構３３を作動してカソードシャッター１４を閉鎖する。また、基板シャッター駆動機構３２を作動して基板シャッター１９を閉鎖しておく。

ステップＳ４０３（第１ガス導入ステップ）においては、制御部は、チムニーシールド９の先端に設けられた第１ガス配管３４から、プロセスガス（例えば、アルゴン）を導入する。プロセスガスは、カソードシャッター１４、ターゲットホルダー６、及び筒型シールド４０によって囲まれたターゲット空間に充満される。

ステップＳ４０５（第２ガス導入ステップ）においては、制御部は、第２ガス配管（第２不活性ガス導入口）３５ を作動して、プロセスガス（例えば、アルゴン）を、処理チャンバー２内に設けられた防着板４０、ターゲット４、及び基板ホルダー７によって画定されたスパッタリング空間の外側に導入する。つまり、カソードシャッター１４と処理チャンバーの内壁（天井壁）との間に導入される。なお、本ステップにおいては、プロセスガスだけでなく、内導入、即ち、第１ガス配管３４を用いて、反応性ガスを導入してもよい。

次に、ステップＳ４０７（電圧印加ステップ）において、制御部は、スパッタ電源を作動して、ターゲットホルダー６に電圧を印加する。図１に示すように、カソードシャッター１４を閉じた状態で、ターゲットホルダー６に電圧を印加することで、圧力が高く着火しやすい状態で放電を開始することができる。

ステップＳ４０９において、制御部は、第１ガス配管３４からのプロセスガス導入を停止する。ステップＳ４１１においては、カソードシャッター駆動機構３３を作動してカソードシャッター１４を開放し、次いで基板シャッター駆動機構３２を作動して基板シャッター１９を開放することで、ステップＳ４１３の成膜工程が開始される。なお、成膜工程が所定回数行なわれた後、防着板４０等が定期交換される。膜が付着した防着板４０は、別の新しい防着板と交換する場合、または、洗浄された後、再度利用される場合がある。

このように成膜工程中は、スパッタリング空間外からプロセスガスを導入する。導入されたプロセスガスはチャンバー内に拡散し、チャンバー内の全ての空間が均一な圧力になる。このことは前記画定されたスパッタ空間内においても同様であり、スパッタ空間の内外で同一の圧力になることを意味するのであって、防着板の交換など定期交換を行なって、隙間６０の大きさが変化してもスパッタ空間の圧力を安定化できる。

なお、本発明が適用できる電子デバイスに、特に限定はない。本発明が適用できる電子デバイスとしては、たとえば、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ（集積回路）、ディスプレイ、無線ＩＣタグ、光センサー、イメージセンサー、ガスセンサー、圧力センサー、レーザ素子、光スイッチング素子、エレクトロルミネッセントデバイス、液晶バックライト、液晶表示デバイスが挙げられる。

図７は、本実施形態の製造方法を示すフローチャートの変形例である。本変形例は、図３で示したフローチャートのステップＳ４０５とステップＳ４０７の順番が交換されている点が相違する。このように、ステップＳ４０７（電圧印加ステップ）においてターゲットホルダー６に電圧を印加した後、ステップＳ４０５（第２ガス導入ステップ）においてスパッタリング空間の外側にプロセスガスを導入するようにしても、同様にスパッタ空間の圧力を安定化することができる。なお、成膜工程が所定回数行なわれた後、防着板４０等が定期交換される。膜が付着した防着板４０は、別の新しい防着板と交換する場合、または、洗浄された後、再度利用される場合がある。

（変形例）
上記実施形態においては、カソードシャッター１４、ターゲットホルダー６、及び筒型シールド４０によって囲まれたターゲット空間に設けられた導入口３４からプロセスガスを導入したが、これに限定されず、スパッタリング空間内であればどこに第１ガス配管（第１不活性ガス導入口）を設けてもよい。また、第１ガス配管３４、及び第２ガス配管３５から導入するプロセスガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトンなどの不活性ガスでも、酸素、窒素などの反応性ガスであってもよい。また、第１ガス配管３４から導入するプロセスガスと、第２ガス配管３５から導入するプロセスガスは、同一のガスであっても、異種のガスであってもよい。さらに、上述の実施形態では、第１ガス導入口からプロセスガスを導入する第１ガス導入ステップの後に、スパッタリング空間の外側に設けられた第２ガス導入口からプロセスガスを導入する第２ガス導入ステップを実施したが、これに限定されず、流量を調整することで、例えば、第２ガス導入ステップの後、又は同時に、第１ガス導入ステップをおこなってもよい。

さらに、本実施形態の内ガス導入の変形例としては、シャッター収納器２３の内部にプロセスガス（アルゴンなど）を導入するための、ガス導入系１６１を設けるようにしてもよい。つまり、シャッター収納器２３の内部は、スパッタリング空間となる。

図８は、本実施形態のシャッター収納器２３の内部に反応性ガスを導入する構成を説明するための拡大図である。図８に示すように、シャッター収納器２３は、交換および洗浄時の洗浄の容易さの観点から蓋板２３ａと枠体２３ｂとから構成されている。ガス導入管１６１はチャンバー８の外部からチャンバー内にガスを導入するように設置され、さらにシャッター収納器２３の枠体２３ｂに設けられたガス導入用開口部１６２を通ってシャッター収納器２３内部に至る。ここで、ガス導入用開口部１６２は円形であり、その直径はガス導入管１６１より大きい。本実施例ではガス配管１６１の直径は６．３５ｍｍ、ガス導入用開口部１６２の直径は７ｍｍ、シャッター収納器２３内に突き出したガス配管の長さ１６５は１５ｍｍである。シャッター収納器２３の開口部１６２の高さ１６３は３３ｍｍ、開口部の幅は４５０ｍｍ（非図示）である。ガス導入管１６１と開口部１６２の直径差で作られる隙間は０．５ｍｍ程度であり、シャッター収納器２３の高さ１６３の３３ｍｍより十分小さい。ガスはコンダクタンス（ガスの流れ易さ）の大きな流路を流れるため、このように、シャッター収納器２３からプロセス空間へのコンダクタンスをガス導入管１６１と開口部１６２の隙間のコンダクタンスより十分大きくすることが望ましい。何故ならば、開口部１６２の形状の加工ばらつきや、シャッター収納容器２３の取り付け位置のばらつきがあっても、ガスがプロセス空間に確実に導入されるからである。ガスが確実に導入されることで成膜特性が安定する効果は、特に反応性ガスの場合に顕著である。

さらに、図示したように、ガス導入用開口部１６２の位置は、基板シャッター１９が退避状態にあるときの位置よりもシャッター収納器２３の開口部１６２と反対側にあることが望ましい。この位置は、スパッタ粒子が到達しにくい位置であるので、ガス導入管１６１を含む反応性ガス導入系のガス噴出口がスパッタ粒子で塞がれてしまったり、ガス管に付着したスパッタ粒子が剥離してチャンバー８内に飛散し、基板を汚染してしまうのを防止することができる。反応性ガス導入系には反応性ガスを供給するための反応性ガス供給装置（ガスボンベ）が接続されている。

さらに、図８に示すように、ガス導入用開口部１６２を覆い、ガス導入管１６１が貫通する開口部を持つコンダクタンス調整部材１６６を取り付け可能に設けても良い。この場合、ガス導入用開口部１６２の直径はガス管１６１の直径より十分大きい、例えば１２ｍｍ以上とし、コンダクタンス調整部材１６６のガス管が貫通する開口部の直径はガス管１６１の外径より僅かに大きくすることが望ましく、例えば７ｍｍとすることが望ましい。シャッター収納容器２３の取り付け方法は、まずシャッター収納器２３に設けられた開口部１６２にガス導入管１６１を差し込みながら支柱２４にネジ止めし、この後、コンダクタンス調整部材１６６をガス導入管１６１の周りを覆うように設置する。さらにこの後、シャッター収納器２３の蓋体２３aをシャッター収納器２３の枠体２３ｂの上部にネジ止め等により固定する。この手順により、シャッター収納容器２３ｂを取り付けるとき、ガス管１６１がシャッター収納器２３の枠体２３ｂと接触して発塵してしまったり、シャッター収納容器２３やガス導入管１６１が破損するのを防止できる。

以上のように、図６、図７を用いて前述した、第１ガス導入ステップ（ステップＳ４０３）では、第１ガス導入口３４の代わりに、ガス導入管１６１からプロセスガスを導入するようにしてもよい。さらに、第２ガス導入ステップ（ステップＳ４０５）では、第２ガス導入口３５からプロセスガスを導入するとともに、ガス導入管１６１（第３ガス導入口）から反応性ガスを導入してもよい。

図９は、本実施形態のスパッタリング装置１を用い、ターゲットと基板間の距離（ｍｍ）を変化させたときの、スパッタリング空間の圧力（Ｐａ）を示す図である。具体的には、図９は、基板ホルダー駆動機構３１により基板ホルダー７を移動させ、排気路４０３の排気コンダクタンスが変更した場合に、スパッタリング空間の圧力の変化を表している。これによると、内導入、すなわちスパッタリング空間に直接プロセスガスを導入する場合、ターゲットと基板間の距離が長くなる（排気コンダクタンスが大きくなる）につれて、スパッタリング空間の圧力が低下していることが分かる。一方、外導入、すなわち、スパッタリング空間の外側からプラズマガスを導入した場合、ターゲットと基板間の距離が長くなっても（排気コンダクタンスが大きくなっても）、ほとんどスパッタリング空間の圧力が変化していないことが分かる。ターゲットからスパッタリングされるスパッタ粒子は、ターゲット材料の種類によってその放出方向の傾向（放出角度分布とよばれる）が異なる。このため、基板に成膜された膜の膜厚分布を最適にするためにターゲットと基板間距離をターゲット材料によって変更する必要がある。ところが、この変更によってスパッタリング空間の圧力も変化してしまうので、電子デバイスの特性を確保する観点から、好ましくない。本実施形態によれば、ターゲットと基板間距離が変化しても圧力が変化しないため、このような問題が発生する事も無い。

以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面の参照により説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々な形態に変更可能である。

本願は、２００９年１２月２５日提出の日本国特許出願特願２００９−２９３６６４を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

本発明は、半導体素子等の作製に使用されるスパッタリング方法およびスパッタリング装置に関する。

そこで、本発明は、従来のスパッタリング装置が有する、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、実用的な条件下で放電可能で、かつシールド交換などのメンテナンスを行なっても、プラズマ空間の圧力を再現性よく保持可能なスパッタリング方法及び、それに用いられるパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係るスパッタリング方法は、処理チャンバー内のターゲットに電圧を印加してスパッタリングする方法であって、処理チャンバー内に設けられた防着板、基板ホルダー及びターゲットによって画定されたスパッタリング空間に設けられた第１ガス導入口からプロセスガスを導入する第１ガス導入ステップと、第１ガス導入ステップの後、ターゲットに電圧を印加する電圧印加ステップと、スパッタリング空間の外側に設けられた第２ガス導入口からプロセスガスを導入する第２ガス導入ステップと、を含む。

また、本発明に係るスパッタリング装置は、処理チャンバーと、処理チャンバーに設けられた基板ホルダーと、処理チャンバーに設けられ、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーと、処理チャンバー内に設けられ、ターゲットホルダーと基板ホルダーとの間でスパッタリング空間を形成する防着板と、スパッタリング空間に設けられ、プロセスガスを導入するための第１ガス導入口と、スパッタリング空間の外側に設けられ、かつプロセスガスを導入する第２ガス導入口と、第１ガス導入口からプロセスガスを導入する第１ガス導入ステップと、第１ガス導入ステップの後、前記ターゲットに電圧を印加する電圧印加ステップと、第２ガス導入口からプロセスガスを導入する第２ガス導入ステップと、を実行する制御部と、を備える。

本発明によれば、実用的な条件下で放電可能で、かつプラズマ空間の圧力を均一に保持可能なスパッタリング方法及びそれに用いられるスパッタリング装置を提供することができる。

ラビリンス形状の排気路４０１は、非接触シールのシールとしても機能する。シールド４０ａ１の先端部に形成されたＵ字部（凹形状部）に、Ｉ字型形状のシールド４０ｂ（凸形状部）が嵌りあった状態で、非接触の状態、すなわち、凹形状部と凸形状部との間に一定の隙間が形成される。凹形状部と凸形状部とが嵌り合うことにより、排気路４０１が遮蔽される。そのため、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子が排気路４０１を通過して排気チャンバー８内へ進入するのを防止でき、結果的に排気チャンバー８の内壁にパーティクルが付着するのを防止することができる。

同様に、シャッター収納部２３の開口部３０３の周囲には、排気チャンバー８の排気口３０１を覆うように、シールド４０ａ２が固定されている。シールド４０ａ２と、基板ホルダー７に連結されているシールド２２とにより、排気路４０３が形成される。シールド２２の先端部はＵ字型に分割された凹形状部を有しており、Ｕ字部（凹形状部）の間に、Ｉ字型形状のシールド４０ａ２（凸形状部）が、非接触で嵌め込まれることにより、排気路４０３はラビリンス形状の排気路として形成される。シールド２２の凹形状部とシールド４０ａ２の凸形状部とが嵌り合うことにより、排気路４０３が遮蔽される。そのため、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子が排気路４０３を通過して排気チャンバー８内へ進入するのを防止でき、結果的に排気チャンバー８の内壁にパーティクルが付着するのを防止することができる。

さらに、図示したように、ガス導入用開口部１６２の位置は、基板シャッター１９が退避状態にあるときの位置よりもシャッター収納器２３の開口部３０３と反対側にあることが望ましい。この位置は、スパッタ粒子が到達しにくい位置であるので、ガス導入管１６１を含む反応性ガス導入系のガス噴出口がスパッタ粒子で塞がれてしまったり、ガス管に付着したスパッタ粒子が剥離してチャンバー８内に飛散し、基板を汚染してしまうのを防止することができる。反応性ガス導入系には反応性ガスを供給するための反応性ガス供給装置（ガスボンベ）が接続されている。

さらに、図８に示すように、ガス導入用開口部１６２を覆い、ガス導入管１６１が貫通する開口部を持つコンダクタンス調整部材１６６を取り付け可能に設けても良い。この場合、ガス導入用開口部１６２の直径はガス導入管１６１の直径より十分大きい、例えば１２ｍｍ以上とし、コンダクタンス調整部材１６６のガス管が貫通する開口部の直径はガス導入管１６１の外径より僅かに大きくすることが望ましく、例えば７ｍｍとすることが望ましい。シャッター収納容器２３の取り付け方法は、まずシャッター収納器２３に設けられた開口部１６２にガス導入管１６１を差し込みながら支柱２４にネジ止めし、この後、コンダクタンス調整部材１６６をガス導入管１６１の周りに設置する。さらにこの後、シャッター収納器２３の蓋体２３aをシャッター収納器２３の枠体２３ｂの上部にネジ止め等により固定する。この手順により、シャッター収納容器２３ｂを取り付けるとき、ガス管１６１がシャッター収納器２３の枠体２３ｂと接触して発塵してしまったり、シャッター収納容器２３やガス導入管１６１が破損するのを防止できる。

Claims (13)

1. 処理チャンバー内のターゲットに電圧を印加してスパッタリングすることにより、電子デバイスを製造する電子デバイスの製造方法であって、
   前記処理チャンバー内に設けられた防着板、基板ホルダー及び前記ターゲットによって画定されたスパッタリング空間に設けられた第１ガス導入口からプロセスガスを導入する第１ガス導入ステップと、
   前記第１ガス導入ステップの後、前記ターゲットに電圧を印加する電圧印加ステップと、
   前記スパッタリング空間の外側に設けられた第２ガス導入口からプロセスガスを導入する第２ガス導入ステップと、を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
2. 前記ターゲットの前方には、カソードシャッターが設けられており、
   前記第１ガス導入口は、前記カソードシャッターと前記ターゲット、及び該ターゲットの周囲を囲むシールドとによって囲まれたターゲット空間に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
3. 前記第１ガス導入口は、前記ターゲットの周囲に設けられたシールドの先端に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
4. 前記第２ガス導入口は、前記カソードシャッターと前記処理チャンバーの内壁との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
5. さらに、前記防着板を、別の防着板に交換するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
6. さらに、前記防着板を取り外し、洗浄するステップと、洗浄された前記防着板を前記処理チャンバーに取り付けるステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
7. 前記スパッタリング空間に設けられた第３ガス導入口から反応性ガスを導入することを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
8. 処理チャンバーと、
   前記処理チャンバーに設けられた基板ホルダーと、
   前記処理チャンバーに設けられ、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーと、
   前記処理チャンバー内に設けられ、前記ターゲットホルダーと基板ホルダーとの間でスパッタリング空間を形成する防着板と、
   前記スパッタリング空間に設けられ、プロセスガスを導入するための第１ガス導入口と、
   前記スパッタリング空間の外側に設けられ、かつプロセスガスを導入する第２ガス導入口と、を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
9. 前記ターゲットホルダーの前方に設けられたカソードシャッターと、
   前記ターゲットホルダーの周囲を囲む筒状シールドと、を有し、
   前記第１ガス導入口は、前記カソードシャッター、前記ターゲットホルダー、及び前記筒型シールドによって囲まれたターゲット空間に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング装置。
10. 前記第１ガス導入口は、前記ターゲットの周囲に設けられた前記筒状シールドの先端に設けられていることを特徴とする請求項９に記載のスパッタリング装置。
11. 前記第２ガス導入口は、前記カソードシャッターと前記処理チャンバーの内壁との間に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング装置。
12. 前記防着板は１つ以上の部材で構成され、前記１つ以上の部材の隙間から前記第２ガス導入口からのプロセスガスが前記スパッタリング空間へ導入されることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング装置。
13. 前記スパッタリング空間に設けられ、反応性ガスを導入するため第３ガス導入口を備えることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング装置。

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