WO2011125292A1 - 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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Definitions

  • the present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method used for forming a predetermined thin film on a substrate such as glass or a silicon wafer.
  • wafer silicon wafer
  • sputtering an apparatus used.
  • a sputtering gas which is an inert gas such as argon
  • a target formed according to the composition of a thin film to be formed on the substrate surface is supplied with a DC power source or a high frequency power source. Electric power is applied to cause glow discharge to form plasma.
  • ions of inert gas such as argon ions ionized in the plasma collide with the target to release target atoms and molecules from the target, and these sputtered particles adhere to and deposit on the substrate surface to form a film.
  • the substrate to be processed is positioned and held by the substrate holding means arranged to face the target.
  • a chuck body having positive and negative electrodes, a rib portion on which the outer peripheral edge portion of the substrate can be brought into surface contact, and an internal space surrounded by the rib portion are provided with a predetermined interval.
  • a structure comprising a chuck plate as a dielectric having a plurality of support portions and a DC power source for applying a DC voltage between both electrodes is known (see, for example, Patent Document 1).
  • a sputtering apparatus for forming a predetermined thin film with a high bottom coverage ratio (ratio of film formation rate on the hole bottom surface to film formation rate on the surface surrounding the hole) for fine holes with a high aspect ratio, Cu
  • a target made of a metal material such as Ta or Ti
  • the sputtered particles generated by sputtering are ionized in the plasma, and a high frequency bias voltage is applied to the substrate so that the ionized sputtered particles are drawn into the substrate and incident.
  • Patent Document 2 Is known (see, for example, Patent Document 2).
  • the substrate holding means since the substrate is held by energizing the positive and negative electrodes, the electrons ionized in the plasma are charged on the substrate surface, and the potential on the substrate surface becomes negative. shift.
  • ions having a large mass compared to electrons cannot respond to a rapid change in the alternating electric field, and the electrons are charged on the substrate surface, causing the substrate surface potential to be negative. shift.
  • reverse sputtering occurs in which ions of the inert gas in the plasma are attracted to the substrate side, and what is deposited and deposited on the substrate surface is sputtered.
  • the amount of reverse sputtering can vary due to the atmosphere and sputtering time in the vacuum chamber during sputtering. For this reason, when the substrate is transported to a position facing the target and film formation is performed, even if a sputtering film is managed from the power input to the target, sputtering time, etc., and a thin film is formed on the substrate surface, for example,
  • the amount of reverse sputtering hereinafter referred to as reverse sputtering amount
  • the film cannot be formed with a desired film thickness, and the film thickness and the film quality vary depending on the case.
  • an object of the present invention is to provide a sputtering apparatus and a sputtering method that can suppress variations in film thickness between substrates.
  • a sputtering apparatus of the present invention includes a vacuum chamber in which a target is disposed, a power source for supplying power to the target, a gas introduction unit for introducing a predetermined sputtering gas into the vacuum chamber, and a vacuum.
  • An exhaust means for evacuating the chamber and a substrate holding means for holding a substrate to be processed in the vacuum chamber, wherein the substrate holding means has a chuck body having positive and negative electrodes, and an outer peripheral edge portion of the substrate.
  • a DC voltage is applied between the electrodes and a rib plate that can be brought into surface contact and a dielectric chuck plate having a plurality of support portions standing at predetermined intervals in an internal space surrounded by the rib portions.
  • a DC power source for supplying the AC power an AC power source for supplying an AC current passing through the electrostatic capacity of the chuck plate, and a measuring means for measuring the AC current at that time.
  • a predetermined gas is introduced into the chamber, power is applied to the target, the target is sputtered, and a predetermined thin film is formed on the substrate surface, the alternating current value measured by the measuring means is maintained at the predetermined value.
  • a control means for controlling the pressure in the vacuum chamber.
  • the vacuum chamber is evacuated.
  • a predetermined gas is introduced through the gas introduction unit, and the target is sputtered by applying power to the target, and the substrate is held on the substrate held by the substrate holding unit.
  • Film During sputtering, electrons are charged on the substrate surface and the potential on the substrate surface is shifted to the negative side. Accordingly, the ions of the sputtering gas in the plasma are attracted to the substrate side and attached and deposited on the substrate surface. It becomes sputtered.
  • the present inventors have conducted extensive research, and the potential of the substrate surface during sputtering depends on the pressure in the vacuum chamber (partial pressure of the inert gas), and the ions of the sputtering gas in the plasma are When the input energy is drawn into the substrate, it appears as a change in the alternating current passing through the electrostatic capacity of the chuck plate, and thus as a change in the impedance.
  • This impedance depends on the pressure in the vacuum chamber, and the impedance and the substrate surface potential We found that there is a correlation between them. In this case, for example, the reverse sputtering amount increases as the impedance decreases.
  • the alternating current value (impedance value) passing through the electrostatic capacity of the chuck plate is measured by the measuring means, and the pressure in the vacuum chamber (partial pressure of the inert gas) is controlled from the measured value.
  • the pressure in the vacuum chamber partial pressure of the inert gas
  • the film thickness between each substrate is controlled by controlling the pressure in the vacuum chamber (amount of sputter gas introduced) from the impedance. In some cases, variations in film quality can be suppressed.
  • the amount of sputtering gas introduced (the pressure in the vacuum chamber) is changed while the input power of the target is constant, the amount of sputtering of the target may also vary, but the reverse sputtering amount of the film formation rate on the substrate surface Since the change has a greater effect, variations in film thickness and film quality between the substrates can be minimized by maintaining the reverse sputtering amount constant.
  • control means may control the pressure in the vacuum chamber and thus the partial pressure of the inert gas by increasing or decreasing the gas introduction amount by the gas introduction means or the exhaust speed of the exhaust means.
  • the apparatus further includes a power source for supplying bias power to the substrate held by the substrate holding means, and a predetermined gas is introduced into the vacuum chamber by the gas introduction means, and power is supplied to the target.
  • the control means is configured so that the alternating current value measured by the measuring means is maintained at a predetermined value. Is preferably controlled with priority. Thereby, the dispersion
  • FIG. 1 The figure explaining the sputtering device of embodiment of this invention.
  • (A) And (b) is a graph explaining the relationship between a gas flow rate, an impedance, and a substrate potential.
  • (A) And (b) is a graph explaining the relationship between bias electric power, an impedance, and a film-forming rate.
  • the sputtering apparatus M includes a vacuum chamber 1 capable of forming a vacuum atmosphere, and a cathode unit C is attached to a ceiling portion of the vacuum chamber 1.
  • the direction facing the ceiling portion side of the vacuum chamber 1 is referred to as “up”, and the direction facing the bottom portion side is described as “down”.
  • the cathode unit C is composed of a target 2 and a magnet unit 3 arranged above the target 2.
  • the target 2 is made of a material appropriately selected according to the composition of the thin film to be formed on the wafer W to be processed, such as Cu, Ti, or Ta, and is formed in a circular shape or a rectangular shape in plan view by a known method.
  • the target 2 is attached to the vacuum chamber 1 via the insulator I in a state where the target 2 is mounted on a backing plate (not shown).
  • the magnet unit 3 generates a magnetic field in the space below the sputter surface 2a of the target 2, captures electrons etc. ionized below the sputter surface 2a during sputtering, and efficiently ionizes the sputtered particles scattered from the target 2. is there.
  • the target 2 is connected to a DC power source E1, which is a sputtering power source, and a negative DC potential is applied to the target 2 during sputtering.
  • the sputtering power source is not limited to the above, and a high frequency power source or the like may be used.
  • a conductive anode shield 4 is disposed.
  • the anode shield 4 is a cylindrical member that covers the periphery of the target 2 and extends downward.
  • another DC power source E2 may be connected to the anode shield 4 so that a positive DC potential can be applied during sputtering. Thereby, it is possible to assist the ions of the sputtered particles ionized by the anode shield 4 to be reflected and emitted to the substrate W with strong straightness.
  • a stage 5 is arranged at the bottom of the vacuum chamber 1 so as to face the cathode unit C.
  • a substrate holding device EC is provided above the stage.
  • the substrate holding device EC is a so-called electrostatic chuck, and includes a chuck main body 61 disposed on the stage 5 and a chuck plate 62 which is a dielectric provided on the upper surface of the chuck main body 61. Is done.
  • the chuck body 61 is made of, for example, aluminum nitride, and positive and negative electrodes 63a and 63b are incorporated through an insulating layer (not shown).
  • a DC voltage is supplied between the electrodes 63a and 63b from a DC power supply 64a in the power supply circuit 64. Is applied.
  • the chuck main body 61 is formed with a gas passage 65 penetrating in the vertical direction.
  • the lower end of the gas passage 65 is made of an inert gas via a gas pipe 65b provided with an APC (automatic pressure controller) 65a.
  • the gas source 65c containing the assist gas communicates.
  • a known mass flow meter 65d is provided downstream of the APC 65a so that the gas flow rate can be monitored.
  • the chuck body 61 also incorporates a resistance heating type heater 66 so that the wafer W can be heated and held at a predetermined temperature.
  • a cooling passage may be formed in the chuck body 61 so that the coolant can be circulated to cool the wafer W.
  • the chuck plate 62 is made of, for example, aluminum nitride, and is erected concentrically with an annular rib portion 62a whose outer peripheral edge on the back surface of the wafer W can come into surface contact and an internal space 62b surrounded by the rib portion 62a. And a plurality of rod-shaped support portions 62c.
  • the wafer W is attracted to the surface of the chuck plate 62 by electrostatic force generated by applying a DC voltage between the electrodes 63a and 63b via the DC power supply 64a. .
  • the outer peripheral edge portion of the back surface of the wafer W is in surface contact with the rib portion 62a over the entire circumference thereof, whereby the internal space 62b is substantially sealed (in this case, the wafer W is substantially parallel to the surface of the chuck plate 62).
  • a gas atmosphere is formed in the internal space 62b. Accordingly, by forming a gas atmosphere in the internal space 62b defined by the rib portion 62a and the back surface of the wafer W, heat transfer to the wafer W can be assisted and efficiently heated or cooled.
  • an AC power source 64b is connected in parallel to the DC power source 64a, an AC current passing through the electrostatic chuck capacitance is passed from the AC power source 64b, and the impedance value is monitored from the current value measured by the ammeter A. It can be done.
  • the ammeter A constitutes the measuring means of this embodiment.
  • an impedance value and a gas flow rate when the wafer W is substantially parallel to the surface of the chuck plate 62 are acquired in advance, and the wafer W is When at least one of the impedance value and the gas flow rate fluctuates beyond a predetermined range when newly attracted or during film formation by sputtering, the attracting force of the wafer W is changed by changing the attracting voltage from the DC power supply 64a.
  • the wafer W is controlled so that the wafer W is substantially parallel to the surface of the chuck plate 62, that is, the distance from the upper surface of the chuck body 61 to the rear surface of the wafer W is made to coincide with each other.
  • a load lock chamber is connected to the vacuum chamber via a gate valve so that the substrate can be sequentially transferred to the stage 5 in a vacuum atmosphere. ing.
  • a gas pipe 7 for introducing a sputtering gas which is an inert gas such as argon is connected to the side wall of the vacuum chamber 1, and the gas pipe 7 communicates with a gas source (not shown) via a mass flow controller 7a.
  • a gas source not shown
  • a mass flow controller 7a These components constitute gas introduction means, and a sputter gas whose flow rate is controlled can be introduced into the vacuum chamber 1.
  • an exhaust pipe 8 a communicating with a vacuum exhaust device 8 including a turbo molecular pump, a rotary pump, or the like is connected to the bottom of the vacuum chamber 1.
  • a high-frequency power source E3 is connected to the stage 5, and a bias potential is applied to the stage 5 and eventually the substrate W during sputtering. In particular, ions of sputtered particles are actively attracted to the substrate W.
  • the sputtering apparatus M has a control means 9 including a microcomputer, a memory, a sequencer, and the like.
  • the control means 9 controls the operation of each of the power supplies E1 to E3, the operation of the mass flow controller 7a for introducing the sputter gas, the operation of the vacuum exhaust device 8, and the like.
  • the control unit 9 also controls the operation of each power source 64b of the substrate holding unit EC and the operation of the APC 65a.
  • the impedance obtained when the wafer W is approximately parallel to the surface of the chuck plate 62 is acquired in advance. Values and gas flow rates are stored.
  • ions of the sputtering gas in the plasma are attracted to the wafer W side, and those deposited and deposited on the surface of the wafer W are reverse sputtered. Since this reverse sputtering amount can change due to the atmosphere and sputtering time in the vacuum chamber during sputtering, the wafers W are sequentially transferred to the stage 5 and are deposited between the wafers W during film formation. It is necessary to prevent the film quality from varying depending on the film thickness or in some cases.
  • the present inventors conducted an experiment as follows. That is, a Cu film was formed on the silicon substrate by using a target made of Cu as the target in the sputtering apparatus M and using argon as the sputtering gas. As sputtering conditions, the target input power was set to 5 kW, and the sputtering time was set to 60 seconds. The DC voltage applied between the electrodes 3a and 3b by the DC power source 64a was set to 0.8 kV. When the impedance value at this time was measured from the alternating current value from the ammeter A, it was about 17.5 k ⁇ .
  • the amount of sputter gas introduced during film formation by sputtering is controlled within the range of 8 to 40 sccm by appropriately controlling the mass flow controller 7a, and the impedance value at that time and the substrate surface potential (inserted into the vacuum chamber) are changed. Measured with a probe).
  • 3 (a) and 3 (b) are graphs showing the relationship between the amount of sputter gas introduced, the impedance value, and the substrate surface potential. According to this, it can be seen that as the gas introduction amount during sputtering is increased, the substrate potential increases (see FIG. 3A), but the impedance value also increases (see FIG. 3B). . Then, it can be seen that there is a correlation between the substrate potential and the impedance value that change according to the increase or decrease of the gas introduction amount (pressure in the vacuum chamber during film formation). In this case, when the film thickness of the Cu film formed on the substrate surface was measured, it was confirmed that as the impedance value decreased, the film thickness of the Cu film became thinner and the reverse sputtering amount increased.
  • a sputtering gas was introduced into the vacuum chamber 1 at 7 sccm, and then the introduction of the sputtering gas was stopped, and a Cu film was formed on the wafer W by Cu self-holding discharge.
  • the target input power was set to 18 kW, and the sputtering time was set to 60 seconds.
  • an experiment was performed in which a predetermined bias power was applied to the wafer W by the power source E3 during film formation by sputtering.
  • FIG. 4A and 4B show the bias power when the bias power is changed in the range up to 800 W, and the deposition rate of the Cu film formed on the substrate surface (calculated from the film thickness of the Cu film). ) And a change in impedance value.
  • the bias voltage is increased, the film formation rate is lowered (see FIG. 4A), but the impedance value is also lowered (see FIG. 4B).
  • the film formation rate that changes according to the increase or decrease of the bias power and the impedance value. In this case, it was confirmed that the reverse sputtering amount increased and the film formation rate decreased as the impedance value decreased.
  • the wafer W to be deposited is transferred to the substrate holding means EC of the vacuum chamber 1 in a vacuum atmosphere and placed in a positioned state.
  • the wafer W is attracted to the surface of the chuck plate 62 by electrostatic force generated by applying a DC voltage between the electrodes 63a and 63b via the DC power supply 64a.
  • an alternating current passing through the electrostatic capacity of the electrostatic chuck is supplied from the alternating current power supply 64b, and the alternating current value measured by the ammeter A at this time is output to the control means 9, and the control means 9 The value is obtained.
  • the direct current is set so that the acquired impedance value is within a predetermined range.
  • the suction voltage from the power source 64a is set. As a result, the wafer W is held in a state substantially parallel to the surface of the chuck plate 62.
  • sputtering gas is introduced by the gas introduction means 7 and 7a, and power is supplied only to the target 2 without supplying bias power to the wafer W.
  • the impedance value is continuously acquired via the ammeter A.
  • the control means 9 stores the relationship between the impedance value when the input voltage to the target 2 is constant and the amount of sputter gas introduced, and if the acquired impedance value exceeds a predetermined range, the mass flow controller The gas flow rate is changed by controlling 7a. That is, for example, when the acquired impedance is smaller than a predetermined range, it is determined that the potential of the wafer W is low (shifted to the negative side) and the reverse sputtering amount increases. In such a case, the reverse sputtering amount is reduced by increasing the gas introduction amount.
  • the substrate is adsorbed substantially horizontally by keeping the impedance value constant, and the sputtered particles from the target 2 reach the entire surface of the wafer W substantially uniformly.
  • the in-plane uniformity of the distribution is good, and the variation in the in-plane uniformity of the film thickness distribution between the substrates can be reduced.
  • the control means 9 stores in advance the relationship between the impedance value and the bias voltage, and the acquired impedance value is a predetermined value. If it exceeds the range, the control means 9 preferentially controls the bias power. That is, if the impedance value is low, the reverse sputtering amount increases and the film formation rate decreases, so the bias voltage is lowered accordingly. As a result, as described above, variations in film thickness and in some cases film quality between the substrates can be minimized.
  • the sputtering apparatus M according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above. Any sputtering apparatus may be used as long as film formation by sputtering is performed while the substrate is held by a substrate holding means that is a so-called electrostatic chuck. Moreover, in the said embodiment, in order to control the pressure in a vacuum chamber from an impedance value, although demonstrated as an example what changes the gas introduction amount, it is not limited to this. For example, a conductance valve can be provided in the exhaust pipe 8a that communicates with the vacuum exhaust device 8, and the pressure in the vacuum chamber can be controlled by controlling the conductance valve.
  • the film formation rate changes according to the correlation between the substrate potential and the impedance value which changes according to the increase or decrease of the gas introduction amount (pressure in the vacuum chamber at the time of film formation) and the increase or decrease of the bias power.
  • the correlation between the impedance value and the impedance value can be applied to an etching apparatus to control the etching rate.

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Abstract

　ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入する電源と、ガス導入手段と、排気手段と、処理すべき基板を保持する基板保持手段とを備え、基板保持手段が、正負の電極とを有するチャック本体と、基板の外周縁部が面接触可能なリブ部及びリブ部で囲繞された内部空間に所定間隔を存して立設された複数個の支持部を有するチャックプレートと、両電極間に直流電圧を印加する直流電源とを有するスパッタリング装置にて、基板間での膜厚のばらつきを抑制する。　チャックプレート６２の静電容量を通る交流電流を流す交流電源６４ｂ及びその交流電流を測定する測定手段Ａを有し、真空チャンバ１内に所定ガスを導入し、ターゲット２に電力投入してターゲットをスパッタし、基板表面に所定薄膜を形成するとき、測定手段により測定した交流電流値が所定値に保持されるように真空チャンバ内の圧力を制御する制御手段を備える。

Description

スパッタリング装置及びスパッタリング方法
　本発明は、ガラスやシリコンウエハ等の基板に所定の薄膜を形成するために用いられるスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
　半導体製造工程において所望のデバイス構造を得る際に、処理すべき基板たるシリコンウエハ（以下、「ウエハ」という）に対して成膜する工程があり、このような成膜工程にはスパッタリング（以下、「スパッタ」という）装置が従来から用いられている。
　このスパッタ装置では、真空雰囲気の真空チャンバにアルゴンなど不活性ガスたるスパッタガスを導入すると共に、基板表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて形成されたターゲットに、直流電源や高周波電源により所定電力を投入してグロー放電させてプラズマを形成する。そして、プラズマ中で電離したアルゴンイオン等の不活性ガスのイオンをターゲットに衝突させることでターゲットからターゲットの原子、分子を放出させ、これらスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積することで成膜される。この場合、処理すべき基板は、ターゲットに対向配置された基板保持手段にて位置決め保持される。
　基板保持手段としては、正負の電極とを有するチャック本体と、基板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートと、両電極間に直流電圧を印加する直流電源とから構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への成膜速度に対するホール底面への成膜速度の比）で所定の薄膜を形成するスパッタ装置として、Ｃｕ、ＴａやＴｉ等の金属材料からなるターゲットを用い、スパッタにより生じたスパッタ粒子をプラズマ中でイオン化すると共に、基板に高周波バイアス電圧を印加してイオン化されたスパッタ粒子を基板に引き込んで入射させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
　ここで、上記基板保持手段を備えたスパッタ装置では、正負の電極に通電して基板を保持しているため、プラズマ中で電離した電子が基板表面に帯電して基板表面の電位が負側にシフトする。また、基板に高周波バイアス電圧を印加すると、電子と比較して質量の大きいイオンは交流電場の早い変化に対応することができず、電子が基板表面に帯電して基板表面の電位が負側にシフトする。このように基板電位が負側にシフトすると、プラズマ中の不活性ガスのイオンが基板側にも引き込まれ、基板表面に付着、堆積したものがスパッタされるという所謂逆スパッタが発生する。この逆スパッタ量は、スパッタ時の真空チャンバ内に雰囲気やスパッタ時間に起因して変化し得るものである。このため、ターゲットに対向した位置に基板を搬送し、成膜を行うような場合に、ターゲットへの投入電力やスパッタ時間等からスパッタ条件を管理して基板表面に薄膜を形成しても、例えば、逆スパッタされる量（以下、逆スパッタ量）が多くなると、所望の膜厚で成膜できず、各基板間で膜厚や場合によっては膜質がばらつくという不具合がある。
特開平１－３２１１３６号公報 特開２００２－８０９６２号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、基板間での膜厚のばらつきを抑制することができる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ものである。
　上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、ターゲットが配置される真空チャンバと、このターゲットに電力投入する電源と、真空チャンバ内に所定のスパッタガスを導入するガス導入手段と、真空チャンバ内を真空排気する排気手段と、真空チャンバ内で処理すべき基板を保持する基板保持手段と、を備え、基板保持手段が、正負の電極とを有するチャック本体と、基板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートと、両電極間に直流電圧を印加する直流電源と、チャックプレートの静電容量を通る交流電流を流す交流電源及びそのときの交流電流を測定する測定手段とを有し、ガス導入手段により真空チャンバ内に所定のガスを導入し、ターゲットに電力投入してこのターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を形成するとき、測定手段により測定した交流電流値が所定値に保持されるように、真空チャンバ内の圧力を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする。
　本発明によれば、基板保持手段の両電極間に直流電圧を印加して基板を保持した後、真空チャンバを真空引きする。真空チャンバ内の圧力が所定値に達すると、ガス導入手段を介して所定のガスを導入すると共に、ターゲットに電力投入してターゲットをスパッタし、基板保持手段にて保持された基板に対して成膜する。スパッタ中、電子が基板表面に帯電して基板表面の電位が負側にシフトし、それに応じて、プラズマ中のスパッタガスのイオンが基板側に引き込まれて基板表面に付着、堆積したものが逆スパッタされるようになる。
　ここで、本発明者らは、鋭利研究を重ね、スパッタ時における基板表面の電位が真空チャンバ内の圧力（不活性ガスの分圧）に依存し、また、プラズマ中のスパッタガスのイオンが基板に引き込まれるときの入力エネルギーがチャックプレートの静電容量を通る交流電流の変化、ひいてはインピーダンスの変化としてあらわれることで、このインピーダンスが真空チャンバ内の圧力に依存し、インピーダンスと基板表面の電位との間に相関があることを知見した。この場合、例えば、インピーダンスが低くなるのに従い、逆スパッタ量が多くなる。
　そこで、本発明では、測定手段にてチャックプレートの静電容量を通る交流電流値（インピーダンス値）を測定し、この測定値から、真空チャンバ内の圧力（不活性ガスの分圧）を制御することで、逆スパッタ量を制御することが可能となる。これにより、ターゲットに対向した位置に基板を搬送し、成膜を行うような場合に、インピーダンスから真空チャンバ内の圧力（スパッタガスの導入量）を制御することで、各基板間における膜厚や場合によっては膜質のばらつきを抑制できる。なお、ターゲットの投入電力が一定下でスパッタガスの導入量（真空チャンバ内の圧力）を変化させると、ターゲットのスパッタ量も変動し得るが、基板表面での成膜レートにおいては逆スパッタ量の変化の方が大きく影響するため、この逆スパッタ量を一定に維持することで各基板間で膜厚や膜質のばらつきを最小限に抑制できる。
　なお、本発明において、前記制御手段は、ガス導入手段によるガス導入量または排気手段の排気速度を増減させて真空チャンバ内の圧力、ひいては、不活性ガスの分圧を制御すればよい。
　ところで、スパッタによる成膜中に基板にバイアス電力を投入し、イオン化されたスパッタ粒子を基板に引き込んで入射させて成膜する場合がある。このような場合、投入するバイアス電力を増減させると、逆スパッタ量が変化して基板表面の成膜レートが変化し、このバイアス電力が、インピーダンス値と相関があることが判明した。つまり、例えばインピーダンスが小さくなる程、基板表面での成膜レートが高くなる。そこで、本発明においては、前記基板保持手段にて保持された基板に対してバイアス電力を投入する電源を更に備え、ガス導入手段により真空チャンバ内に所定のガスを導入し、ターゲットに電力投入してこのターゲットをスパッタリングし、基板にバイアス電圧を投入しながら基板表面に所定の薄膜を形成するとき、測定手段により測定した交流電流値が所定値に保持されるように、前記制御手段はバイアス電力を優先的に制御することが好ましい。これにより、各基板間で膜厚や場合によっては膜質のばらつきを抑制できる。
本発明の実施形態のスパッタ装置を説明する図。 図１に示すスパッタ基板に用いられている基板保持装置を拡大して説明する図。 （ａ）及び（ｂ）は、ガス流量と、インピーダンス及び基板電位との関係を説明するグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、バイアス電力と、インピーダンス及び成膜レートとの関係を説明するグラフ。
　以下に図面を参照して、処理すべき基板をウエハＷとし、ウエハＷ表面に、Ｃｕ、ＴｉやＴａなどの薄膜を形成することに最適な本発明の実施形態のスパッタ装置を説明する。図１を参照して、スパッタ装置Ｍは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
　カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上側に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、処理すべきウエハ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、公知の方法で平面視円形や矩形に形成される。そして、ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１に取り付けられる。
　磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化するものである。なお、磁石ユニット３としては、種々の形態を有する公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。ターゲット２はスパッタ電源たるＤＣ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の直流電位が印加される。なお、スパッタ電源は上記に限定されるものではなく、高周波電源等を用いてもよい。
　真空チャンバ１内には導電性を有するアノードシールド４が配置されている。アノードシールド４は、ターゲット２の周囲を覆って下方に延びる筒状の部材である。この場合、アノードシールド４に他のＤＣ電源Ｅ２を接続し、スパッタ中、正の直流電位が印加できるようにしてもよい。これにより、アノードシールド４によってイオン化したスパッタ粒子のイオンが反射され、強い直進性を持って基板Ｗへと放出されることをアシストできる。
　真空チャンバ１の底部には、カソードユニットＣに対向させてステージ５が配置されている。ステージの上部には基板保持装置ＥＣが設けられている。図２に示すように、基板保持装置ＥＣは所謂静電チャックであり、ステージ５上に配置されるチャック本体６１と、このチャック本体６１の上面に設けられた誘電体たるチャックプレート６２とから構成される。チャック本体６１は、例えば窒化アルミ製であり、図示省略の絶縁層を介して正負の電極６３ａ、６３ｂが組み込まれ、両電極６３ａ、６３ｂ間には、電源回路６４内の直流電源６４ａから直流電圧が印加される。
　また、チャック本体６１には、上下方向に貫通するガス通路６５が形成され、このガス通路６５の下端は、ＡＰＣ（自動圧力コントローラ）６５ａを介設したガス管６５ｂを介して不活性ガスからなるアシストガスを収容したガス源６５ｃに連通する。この場合、ＡＰＣ６５ａの下流側には公知のマスフロメータ６５ｄが介設され、ガス流量を監視できるようになっている。チャック本体６１にはまた、抵抗加熱式のヒータ６６が内蔵され、ウエハＷを所定温度に加熱保持できるようになっている。なお、チャック本体６１に、冷却通路を形成して冷媒を循環させてウエハＷを冷却できる構成とすることもできる。他方、チャックプレート６２は、例えば窒化アルミ製であり、ウエハＷ裏面の外周縁部が面接触可能な環状のリブ部６２ａと、リブ部６２ａで囲繞された内部空間６２ｂで同心状に立設された複数個の棒状の支持部６２ｃとを備える。
　チャックプレート６２にウエハＷを載置した後、両電極６３ａ、６３ｂ間に、直流電源６４ａを介して直流電圧を印加することで発生する静電気力でウエハＷがチャックプレート６２の表面で吸着される。このとき、ウエハＷ裏面の外周縁部がリブ部６２ａとその全周に亘って面接触することで内部空間６２ｂが略密閉される（この場合、ウエハＷはチャックプレート６２表面に略平行な状態となる）。この状態で、ガス供給手段を介してアシストガスを供給すると内部空間６２ｂにガス雰囲気が形成される。これにより、リブ部６２ａとウエハＷ裏面とで画成される内部空間６２ｂにガス雰囲気を形成することで、ウエハＷへの熱伝達をアシストして効率よく加熱または冷却できる。
　チャック電源６４内で直流電源６４ａには交流電源６４ｂが並列接続され、交流電源６４ｂから静電チャックの静電容量を通る交流電流を流し、電流計Ａにて測定した電流値からインピーダンス値を監視できるようになっている。この場合、電流計Ａが本実施形態の測定手段を構成する。そして、上記のようにウエハＷをチャックプレート６２表面で吸着された場合、ウエハＷがチャックプレート６２表面に略平行な状態となるときのインピーダンス値及びガス流量を予め取得しておき、ウエハＷを新たに吸着した場合やスパッタによる成膜中に、インピーダンス値及びガス流量の少なくとも一方が所定の範囲を超えて変動すると、直流電源６４ａからの吸着電圧を変化させることでウエハＷの吸着力を変化させ、ウエハＷがチャックプレート６２表面に略平行な状態、即ち、チャック本体６１上面からウエハＷ裏面までの距離が相互に一致させるように制御されるようになっている。なお、本実施形態では、特に図示して説明しないが、例えば、真空チャンバにはゲートバルブを介してロードロック室が連結され、真空雰囲気中で基板をステージ５に対して順次搬送できるようになっている。
　また、真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の不活性ガスたるスパッタガスを導入するガス管７が接続され、このガス管７がマスフローコントローラ７ａを介して図示省略のガス源に連通する。そして、これらの部品がガス導入手段を構成し、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。また、真空チャンバ１の底部には、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装置８に通じる排気管８ａが接続されている。ステージ５には高周波電源Ｅ３が接続され、スパッタ中、ステージ５、ひいては基板Ｗにバイアス電位が印加され、特にスパッタ粒子のイオンを基板Ｗに積極的に引き込むようになっている。
　上記スパッタ装置Ｍは、マイクロコンピュータ、メモリやシーケンサ等を備えた制御手段９を有する。制御手段９は、上記各電源Ｅ１～Ｅ３の作動、スパッタガス導入用のマスフローコントローラ７ａの作動や真空排気装置８の作動等を統括制御するようになっている。また、制御手段９は、基板保持手段ＥＣの各電源６４ｂの作動やＡＰＣ６５ａの作動をも統括制御し、また、予め取得した、ウエハＷがチャックプレート６２表面に略平行な状態となるときのインピーダンス値及びガス流量が記憶されている。
　ところで、上記スパッタ装置Ｍの基板保持手段ＥＣにてウエハＷを吸着し、スパッタによる成膜を行うと、プラズマ中で電離した電子が基板表面に帯電して基板表面の電位が負側にシフトする。また、成膜中に、ウエハＷに電源Ｅ３を介して高周波バイアス電圧を印加すると、電子と比較して質量の大きいイオンが交流電場の早い変化に対応することができず、電子が基板表面に帯電して基板表面の電位が負側にシフトする。この場合、プラズマ中のスパッタガスのイオンがウエハＷ側にも引き込まれて、ウエハＷ表面に付着、堆積したものが逆スパッタされる。この逆スパッタ量は、スパッタ時の真空チャンバ内に雰囲気やスパッタ時間に起因して変化し得るものであるため、ステージ５に対してウエハＷを順次搬送し、成膜するときにウエハＷ間で膜厚や場合によっては膜質がばらつかないようにする必要がある。
　ここで、本発明者らは、次のように実験を行った。即ち、上記スパッタ装置ＭにてターゲットとしてＣｕ製のものを用い、スパッタガスとしてアルゴンを用い、シリコン基板にＣｕ膜を形成した。スパッタ条件として、ターゲットの投入電力を５ｋＷ、スパッタ時間を６０秒に設定した。また、直流電源６４ａにより両電極３ａ、３ｂ間に印加する直流電圧を０．８ｋＶに設定した。このときのインピーダンス値を電流計Ａからの交流電流値から測定すると、約１７．５ｋΩであった。そして、スパッタによる成膜時のスパッタガスの導入量をマスフローコントローラ７ａを適宜制御して８～４０ｓｃｃｍの範囲で変化させ、そのときのインピーダンス値の変化と、基板表面の電位（真空チャンバ内に挿入したプローブにより測定）とを測定した。
　図３（ａ）及び図３（ｂ）は、スパッタガスの導入量とインピーダンス値及び基板表面の電位との関係を示すグラフである。これによれば、スパッタ時のガス導入量を増加させていくと、基板電位は上昇する一方で（図３（ａ）参照）、インピーダンス値も上昇することが判る（図３（ｂ）参照）。そして、ガス導入量（成膜時の真空チャンバ内に圧力）の増減に応じて変化する基板電位とインピーダンス値との間には相関があることが判る。この場合、基板表面に形成したＣｕ膜の膜厚を測定すると、インピーダンス値が低くなるに従い、Ｃｕ膜の膜厚が薄くなり、逆スパッタ量が増加することが確認された。
　次に、上記スパッタ装置Ｍにて、真空チャンバ１内にスパッタガスを７ｓｃｃｍで導入し、その後、スパッタガスの導入を停止してＣｕ自己保持放電にてウエハＷにＣｕ膜を形成した。スパッタ条件として、ターゲットの投入電力を１８ｋＷ、スパッタ時間を６０秒に設定した。そして、スパッタによる成膜中、電源Ｅ３によりウエハＷに対して所定のバイアス電力を印加する実験を行った。
　図４（ａ）及び図４（ｂ）は、バイアス電力を８００Ｗまでの範囲で変化させたときのこのバイアス電力と、基板表面に形成したＣｕ膜の成膜レート（Ｃｕ膜の膜厚から算出）及びインピーダンス値の変化を示すグラフである。これによれば、バイアス電圧を増加させていくと、成膜レートが低下する一方で（図４（ａ）参照）、インピーダンス値も低下していることが判る（図４（ｂ）参照）。そして、バイアス電力の増減に応じて変化する成膜レートとインピーダンス値との間には相関があることが判る。この場合、インピーダンス値が低くなるに従い、逆スパッタ量が増加して成膜レートが低下することが確認された。
　そこで、本実施形態では、ガス導入手段７、７ａによりスパッタガスを導入し、ウエハＷにバイアス電力を投入することなく、ターゲット２のみに電力投入してスパッタによる成膜を行う際（成膜中を含む）、インピーダンスが所定値に保持されるように、制御手段９によりマスフローコントローラ７ａを介してガス導入量を制御し、真空チャンバ内の圧力（スパッタガスの分圧）を制御することとした。以下、本実施形態のスパッタによる成膜について説明する。
　即ち、真空雰囲気の真空チャンバ１の基板保持手段ＥＣに、成膜すべきウエハＷを搬送し、位置決めした状態で載置する。そして、両電極６３ａ、６３ｂ間に、直流電源６４ａを介して直流電圧を印加することで発生する静電気力でウエハＷをチャックプレート６２の表面で吸着する。この状態で、交流電源６４ｂから静電チャックの静電容量を通る交流電流を流し、このときの電流計Ａにて測定された交流電流値が制御手段９に出力され、制御手段９にてインピーダンス値が取得される。そして、制御手段９に予め記憶された、ウエハＷがチャックプレート６２表面に略平行な状態となるときの設定インピーダンス値と比較して、取得されたインピーダンス値が所定の範囲内に存するように直流電源６４ａからの吸着電圧が設定される。これにより、ウエハＷがチャックプレート６２表面に略平行な状態で保持される。
　次に、ガス導入手段７、７ａによりスパッタガスを導入し、ウエハＷにバイアス電力を投入することなく、ターゲット２のみに電力投入する。このとき、電流計Ａを介してインピーダンス値が引き続き取得される。ここで、制御手段９には、ターゲット２への投入電圧が一定下でのインピーダンス値とスパッタガス導入量との関係が記憶され、取得したインピーダンス値が所定の範囲を超えていると、マスフローコントローラ７ａを制御してガス流量を変更する。つまり、例えば、取得したインピーダンスが所定の範囲を超えて小さくなっているような場合には、ウエハＷの電位が低く（マイナス側によりシフトしている）、逆スパッタ量が多くなると判断し、このような場合には、ガス導入量を多くして逆スパッタ量を低減する。
　これにより、この逆スパッタ量を一定に維持することで各ウエハＷ間で膜厚や場合によっては膜質のばらつきを最小限に抑制できる。この場合、インピーダンス値を一定に保持することで基板が略水平に吸着されて、ターゲット２からのスパッタ粒子がウエハＷ全面に亘って略均等に到達するため、各ウエハＷ表面における薄膜の膜厚分布の面内均一性もよく、基板相互の間における膜厚分布の面内均一性のばらつきも小さくできる。
　他方、スパッタによる成膜時に、ウエハＷに、電源Ｅ３を介して高周波電力を投入する場合、制御手段９には、予めインピーダンス値とバイアス電圧との関係が記憶され、取得したインピーダンス値が所定の範囲を超えていると、制御手段９は、優先的にバイアス電力を制御する。つまり、インピーダンス値が低くなっていると、逆スパッタ量が増加して成膜レートが低下するため、それに応じてバイアス電圧を低くする。これにより、上記同様、各基板間で膜厚や場合によっては膜質のばらつきを最小限に抑制できる。
　以上、本発明の実施形態のスパッタ装置Ｍについて説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。所謂静電チャックたる基板保持手段にて基板を保持しながら、スパッタによる成膜を行うものであれば、スパッタ装置の形態は問わない。また、上記実施形態では、インピーダンス値から真空チャンバ内の圧力を制御するために、ガス導入量を変化させるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、真空排気装置８に通じる排気管８aにコンダクタンスバルブを設け、このコンダクタンスバルブを制御して真空チャンバ内の圧力を制御することもできる。
　また、本発明において、ガス導入量（成膜時の真空チャンバ内に圧力）の増減に応じて変化する基板電位とインピーダンス値との間の相関やバイアス電力の増減に応じて変化する成膜レートとインピーダンス値との間の相関を、エッチング装置に利用してエッチングレートを制御することに応用できる。
　Ｍ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、７、７ａ…ガス導入手段、８…真空排気装置、ＥＣ…基板保持装置（静電チャック）、６１…チャック本体、６２…チャックプレート、６２ａ…リブ部、６２ｂ…内部空間、６２ｃ…支持部、６３ａ、６３ｂ…（正負の）電極、Ｃ…制御手段、Ｅ１～Ｅ３…電源、６４…チャック用の電源回路、６４ａ…直流電源、６４ｂ…交流電源、Ａ…電流計、Ｗ…ウエハ（基板）。

Claims (3)

  1. 　ターゲットが配置される真空チャンバと、このターゲットに電力投入する電源と、真空チャンバ内に所定のスパッタガスを導入するガス導入手段と、真空チャンバ内を真空排気する排気手段と、真空チャンバ内で処理すべき基板を保持する基板保持手段と、を備え、　基板保持手段が、正負の電極とを有するチャック本体と、基板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートと、両電極間に直流電圧を印加する直流電源と、チャックプレートの静電容量を通る交流電流を流す交流電源及びそのときの交流電流を測定する測定手段とを有し、ガス導入手段により真空チャンバ内に所定のガスを導入し、ターゲットに電力投入してこのターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を形成するとき、測定手段により測定した交流電流値が所定値に保持されるように、真空チャンバ内の圧力を制御する制御手段を更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 　前記制御手段は、ガス導入手段によるガス導入量または排気手段の排気速度を増減させて真空チャンバ内の圧力を制御す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. 　前記基板保持手段にて保持された基板に対してバイアス電力を投入する電源を更に備え、ガス導入手段により真空チャンバ内に所定のガスを導入し、ターゲットに電力投入してこのターゲットをスパッタリングし、基板にバイアス電圧を投入しながら基板表面に所定の薄膜を形成するとき、測定手段により測定した交流電流値が所定値に保持されるように、前記制御手段は、バイアス電力を優先的に制御することを特徴とするスパッタリング装置。
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