WO2019049472A1 - スパッタリング装置 - Google Patents

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賢明 中野
寛寿 柳沼
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株式会社アルバック
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    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/283—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current
    • H01L21/285—Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation

Definitions

  • the present invention relates to a sputtering apparatus for forming a thin film such as a barrier film or a seed layer inside a hole or trench formed on a substrate surface in a manufacturing process of a semiconductor device, more specifically, on the bottom and side of the hole or trench.
  • Sputtering suitable for depositing thin films with good coverage and symmetry with respect to holes and trenches that is, thin films deposited on opposite sides of holes and trenches have the same thickness
  • a vacuum chamber in which the target is disposed in order to obtain good uniformity in the substrate surface, a vacuum chamber in which the target is disposed, and a stage which is disposed to face the target in the vacuum chamber and rotatably holds a circular substrate. And a target is sputtered to form a thin film on the surface of the substrate while rotating the substrate at a predetermined rotation speed about the center of rotation of the substrate.
  • Patent Document 1 discloses that a film is formed over the entire surface of a relatively large substrate by using a relatively small target.
  • the target is provided with a vacuum chamber in which the target is disposed, and a circular substrate placed opposite to the target in the vacuum chamber is rotated about its center at a predetermined rotation speed while the target is rotated.
  • the sputtering apparatus according to the present invention for sputtering and depositing a thin film on the surface of a substrate comprises: a stage rotatably holding the substrate in a state where the center of the substrate is offset at a predetermined interval radially from the center of the target; And a shield plate provided between the substrate on the stage and covering the substrate, and sputtering of the target at a predetermined discharge pressure on the shield plate allows passage of sputtered particles scattered from the target to the substrate side
  • the opening is formed from the central region of the substrate as a starting point radially outward from this starting point Has a contoured opening area of gradually increases, the amount of increase in opening area, characterized in that it is set according to the distance between the target and the substrate.
  • the sputtered particles travel while maintaining the angle scattered from the target.
  • those obliquely incident on the substrate surface are shielded by the shielding plate, so that a thin film can be formed on the bottom and side of the hole or trench with good coverage.
  • Thin films can be formed with good symmetry with respect to holes and trenches.
  • the diameter of the target is set to about twice or more of the substrate radius in order to obtain good uniformity of the film thickness of the thin film formed in the hole or trench and symmetry of the film formation shape. Is preferred.
  • the radius of the substrate is r
  • the distance between the target and the substrate is d
  • the center of the substrate is offset by r / 3 or more away from the center of the target.
  • the area of the opening is set such that the ratio of the area to be shielded of the substrate by the shielding plate is larger than the value of 1 ⁇ (d ⁇ 2r / 2.66).
  • the central angle of the opening it is preferable to set the central angle of the opening within a range of 60 to 120 °.
  • the central angle is smaller than 60 °, the deposition rate may not be sufficiently increased, while if the central angle is larger than 120 °, the amount of sputtered particles obliquely incident on the substrate surface increases. , Symmetry and coverage may be worse.
  • the amount of sputtered particles reaching the central region of the substrate may be reduced.
  • the shielding plate by moving the shield along the offset direction of the substrate with respect to the center of the target, the amount of sputtered particles reaching the central region of the substrate can be maintained, and holes or trenches present in the central region It can prevent that the film thickness of the thin film formed into a film becomes thin.
  • a magnet unit is disposed on the back side of the target substrate and generates a leakage magnetic field so as to be unevenly distributed between the target and the substrate and between the center of the target and the outer periphery of the target,
  • the rotation unit for rotating the magnet unit as the rotation center is provided, if the rotation of the magnet unit and the stage are synchronized, an area may not be formed with a desired film thickness in the substrate surface.
  • control means for controlling the number of times of the magnet unit and the stage so as not to synchronize the rotation of the magnet unit and the stage, a film can be formed with a desired film thickness over the entire surface of the substrate. it can.
  • the distance between the shielding plate and the substrate is within two times the mean free path of the discharge pressure. If it is larger than 2 times, scattering of particles increases the number of particles obliquely incident on the substrate surface, so that there is a problem that an adhesion film to an opening of a hole or a trench tends to cause an overhang.
  • the opening of the shielding plate exposes the central region of the substrate. According to this, by providing the opening just above the center of the substrate, the film thickness of the thin film formed in the holes and trenches present in the central region of the substrate is not reduced, and the coverage of the central region of the substrate Can be good.
  • the sputtering apparatus SM includes a vacuum chamber 1 that defines a process chamber 1a.
  • An exhaust port 11 is provided on the side wall of the vacuum chamber 1.
  • a vacuum pump P comprising a turbo molecular pump, a rotary pump, etc. is connected to the exhaust port 11 via an exhaust pipe 12, and the pressure in the processing chamber 1a (for example, The vacuum can be drawn up to 1 ⁇ 10 -5 Pa).
  • a gas inlet 13 is provided on the side wall of the vacuum chamber 1, and the gas inlet 13 communicates with a gas source (not shown) and is connected to a gas pipe 15 provided with a mass flow controller 14.
  • a sputtering gas composed of a rare gas can be introduced into the processing chamber 1a at a predetermined flow rate.
  • a cathode unit C is detachably provided on the ceiling of the vacuum chamber 1 .
  • the cathode unit C is disposed on the side facing the sputtering surface 2 a of the target 2 and the target 2 installed to face the inside of the vacuum chamber 1 (processing chamber 1 a), and between the target 2 and the substrate W and
  • the magnet unit 3 generates a leaked magnetic field so as to be unevenly distributed between the center of the target 2 and the outer peripheral portion of the target 2.
  • the target 2 is made of a material such as metal or metal compound (insulator) appropriately selected according to the composition of the thin film to be formed, and is manufactured to have, for example, a circular outline using a known method ing.
  • the target 2 is connected with an output from a DC power supply having a negative potential as a sputtering power supply E or a high frequency power supply, and is supplied with power at the time of sputtering.
  • a backing plate 21 is bonded to a surface of the target 2 facing away from the sputtered surface 2 a via a bonding material such as indium or tin.
  • the backing plate 21 is made of metal such as Cu, which has good thermal conductivity, and can cool the target 2 by circulating a refrigerant through a refrigerant circulation passage (not shown).
  • the rotating shaft 41 of the rotating means 4 is connected to the upper surface of the yoke 31 so that the magnet unit 3 can be rotated about the center of the target 2 as a center of rotation while sputtering the target 2 for film formation.
  • a stage 5 which holds the substrate W in a state of being offset at a predetermined interval in one radial direction from the center of the target 2.
  • the rotary shaft 61 of the rotation means 6 penetrating the bottom wall of the vacuum chamber 1 is connected via a vacuum seal member (not shown) so that the substrate W can be rotated at a predetermined number of rotations.
  • the stage 5 is connected to the output of a high frequency power source, which is a bias power source E2, and bias power is supplied at the time of sputtering.
  • the stage 5 has a known electrostatic chuck (not shown), and by applying a predetermined voltage to the electrodes of the electrostatic chuck, the substrate W can be adsorbed and held on the stage 5 with its film formation surface facing up. It is supposed to be. Further, the drive shaft of the lifting means (not shown) may be connected to the stage 5 so that the distance between the target 2 and the substrate W can be changed.
  • a shielding plate 7 covering the substrate W is provided between the target 2 and the substrate W on the stage 5.
  • the shielding plate 7 is formed with an opening 71 which allows passage of sputtered particles scattered from the target 2 to the substrate W side.
  • the opening 71 exposes, for example, the central region of the substrate W, and the opening area gradually increases from the starting point 72 with the exposed portion of the central area as the starting point 72.
  • the increase amount of the opening area is set in accordance with the distance d1 between the target 2 and the substrate W.
  • the distance d2 between the substrate W and the shielding plate 7 is preferably set in the range of 5 to 100 mm.
  • the distance d2 between the substrate W and the shielding plate 7 is a discharge More preferably, it is set within 2 times the mean free path for the pressure.
  • the drive shaft 81 of the moving means 8 is connected to the side surface of the shielding plate 7, and the shielding plate 7 can be moved along the offset direction of the substrate W with respect to the center of the target 2 (that is, rightward in FIG. 1). It is supposed to be.
  • the sputtering apparatus SM has a known control means Ru provided with a microcomputer, sequencer, etc., and operates the vacuum pump P, the mass flow controller 14, the sputtering power supply E, the rotation means 4, the rotation means 6
  • the central control of the operation of the vehicle and the operation of the moving means 8 is carried out. If the rotation of the magnet unit 3 and the stage 5 are synchronized, there may be a region where film formation with a desired film thickness does not occur within the surface of the substrate W. However, the magnet unit 3 and the stage 5 may be formed by the control means Ru. By controlling the number of times of the magnet unit 3 and the stage 5 respectively so that their rotations are not synchronized, it is possible to form a film with a desired film thickness over the entire surface of the substrate W.
  • a film forming method using the sputtering apparatus SM will be described by taking, as an example, a case where a Cu film is formed inside holes or trenches (not shown) formed on the surface of the substrate W.
  • the vacuum chamber 1 in which the Cu target 2 is disposed is evacuated to a predetermined degree of vacuum (for example, 1 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa), and the substrate W is transported into the vacuum chamber 1 by a transport robot (not shown).
  • the substrate W is delivered to the stage 5, and the substrate W is electrostatically attracted and held on the stage 5.
  • the substrate W is rotated by rotating the stage 5 at a predetermined rotation number (for example, 120 rpm) by the rotation means 6.
  • argon gas as a sputtering gas is introduced at a flow rate of 0 to 20 sccm, for example (in the vacuum chamber 1 at this time).
  • the pressure is 2.0 ⁇ 10 -1 Pa or less
  • DC power for example, 10 to 30 kW
  • a high frequency power 300 W of 13.56 MHz is supplied to the stage 5 from the bias power source E2.
  • plasma is formed in the vacuum chamber 1.
  • the sputtering surface 2a of the target 2 is sputtered, and sputtered particles scattered from the target 2 pass through the opening 71 of the shielding plate 7 and adhere to the bottom and side surfaces of holes and trenches formed on the surface of the substrate W Then, a Cu film is formed.
  • the shielding plate 7 Since the light is incident substantially perpendicularly to the surface, a Cu film can be formed with good symmetry and coverage with respect to holes and trenches. Moreover, it is preferable to install the shielding plate 7 so that the opening 71 of the shielding plate 7 exists right above the central region of the substrate W.
  • the amount of sputtered particles reaching the central region of the substrate W does not decrease, and the film thickness of the Cu film formed in the holes or trenches present in the central region of the substrate W does not locally decrease.
  • a Cu film having a substantially equal film thickness can be formed over the entire surface of W.
  • the opening area of the opening 71 of the shielding plate 7 is set small, good symmetry and coverage can be obtained, but the film forming rate may be low.
  • the opening area of the opening 71 is set large, the deposition rate can be increased, but the symmetry and the coverage may be deteriorated.
  • the increase amount of the opening area of the opening 71 is set according to the distance between the substrate W and the target 2, the inside of the hole or the trench formed on the surface of the substrate W is good. It is possible to form a Cu film having the same thickness over the entire surface of the substrate W at a high deposition rate without impairing the function of forming a Cu film with good coverage while having symmetry.
  • the opening 71 has a fan-shaped contour, the radius of the substrate W is r, the distance between the target 2 and the substrate W is d1, and the center of the substrate W is r / r from the center of the target 2.
  • the area of the opening 71 is set such that the area ratio of the area to be shielded of the substrate W by the shielding plate 7 becomes larger than the value of 1 ⁇ (d1 / 2r / 2.66) by being offset so as to be separated by 2 or more.
  • the central angle ⁇ of the opening 71 is preferably set in the range of 60 to 120 °.
  • the amount of sputtered particles reaching the central region of the substrate W may be reduced.
  • the shielding plate 7 along the offset direction of the substrate W with respect to the center of the target 2 by the moving means 8 the amount of sputtered particles reaching the central region of the substrate W can be maintained. It is possible to prevent the film thickness of a thin film formed in a hole or a trench present in the region from being reduced.
  • the relationship between the number of processed substrates W and the amount of film formation on the portion may be obtained in advance, and the shielding plate 7 may be moved according to the number of processed substrates W.
  • the following experiment was performed using the sputtering apparatus SM. That is, in this experiment, using a substrate W having a trench with an opening width of 50 nm and a depth of 200 nm formed on the surface of a circular silicon substrate of ⁇ 300 mm as the substrate W, ⁇ 400 mm as the target 2 (the radius r of the substrate W Distance between the substrate W and the target 2 (hereinafter referred to as "T / S distance") d1 is set to 400 mm, and the distance between the substrate W and the shielding plate 7 The d2 was set to 50 mm, and the offset amount Vo of the center of the substrate W from the center of the target 2 was set to r / 2.
  • An opening 71 having a fan-shaped contour with a central angle ⁇ of 90 ° was opened in the shield plate 7 using a SUS plate of ⁇ 400 mm as the shield plate 7. Then, the rotational speed of the stage 5 was controlled to 120 rpm, the rotational speed of the magnet unit 3 to 52 rpm, and argon gas was introduced into the vacuum chamber 1 and DC power was supplied to the target to generate plasma.
  • the flow rate of argon gas is immediately adjusted to 0 sccm (the pressure in the processing chamber 1a at this time is 1 ⁇ 10 -5 Pa), the DC power to be supplied to the target 2 is set to 23 kW, and 13.56 MHz for the stage 5 High frequency power of 300 W was applied, the target 2 was sputtered, and a Cu film was formed inside the trench.
  • the symmetry and coverage of the Cu film formed inside the trench are evaluated from the cross-sectional SEM image of the substrate W after film formation, and, together with this, the film is formed on a flat portion (other than the trench) of the surface of the substrate W
  • the deposition rate was evaluated from the measured film thickness of the Cu film.
  • FIG. 3A also shows the evaluation results when the central angle ⁇ of the opening 71 is changed to 45 °, 60 °, 120 °, 150 °, and 180 °.
  • ⁇ indicates that the symmetry and coverage are excellent and the deposition rate is high
  • ⁇ indicates that the symmetry and coverage are excellent and the deposition rate is mass-produced
  • ⁇ indicates that the symmetry and coverage are applicable for mass production and the deposition rate is high
  • ⁇ indicates that the symmetry and coverage are NG (not applicable for mass production). It represents.
  • FIG. 3A also shows the evaluation results when the T / S distance d1 is changed to 200 mm and 300 mm.
  • the ratio of the shielded area of the substrate W by the shielding plate 7 is 1 ⁇ (d ⁇ 2r / 2.66) It satisfies the condition that it becomes larger than the value of.
  • the area of the opening 71 is set to satisfy this condition.
  • the central angle ⁇ can be increased to 90 °, and the T / S distance d1 is set to 300 mm.
  • the central angle ⁇ can be increased to 120 °, and it is confirmed that when the T / S distance d1 is set to 400 mm, the central angle ⁇ can be increased to 180 °.
  • the central angle ⁇ is preferably 120 ° or less, and further preferably 60 ° or more in view of productivity.
  • FIG. 3B shows a result of evaluation of forming a Cu film in the same manner as described above except that the substrate W having a diameter of 450 mm is used.
  • the ratio of the shielded area of the substrate W by the shielding plate 7 is 1- (d ⁇ 2r / 2.66) It satisfies the condition that it becomes larger than the value of.
  • the area of the opening 71 is set to satisfy this condition. For example, when the T / S distance d1 is 200 mm, the central angle ⁇ is set to 45 °, but the T / S distance d1 is set to 300 mm.
  • the central angle ⁇ can be increased to 60 °, and setting the T / S distance d1 to 400 mm can increase the central angle ⁇ to 90 °, and setting the T / S distance d1 to 600 mm: It was confirmed that the central angle ⁇ was increased to 180 °.
  • the central angle ⁇ is preferably 120 ° or less, and further preferably 60 ° or more in view of productivity.
  • the opening 71 of the shielding plate 7 may be formed as a notch.
  • the opening 71 has a contour such that the opening area gradually increases from the central region as the starting point radially outward from the starting point, but the so-called substantially fan-shaped or substantially triangular shaped opening
  • the present invention is not limited to the case where the portion is provided at one place, and may be discretely provided as a plurality of openings, and the sum of the openings may satisfy the above condition.
  • the case of forming a Cu film on the surface of the substrate W using the Cu target as the target 2 has been described as an example, but the invention is not limited to this, and a metal film other than a Cu film is formed.
  • the present invention can also be applied to the case where an insulating film is formed using an insulator target made of Al 2 O 3 , MgO, SiC, SiN or the like.
  • SM sputtering apparatus
  • W substrate
  • 1 vacuum chamber
  • 2 target
  • 2a sputtering surface
  • 2c center of target 2
  • 3 magnet unit
  • 5 stage
  • 7 shielding plate
  • 71 opening
  • 72 ... Starting point.

Abstract

基板表面に形成されたホールやトレンチの内部に良好な対称性を持ちながら且つカバレッジ良く所定の薄膜が成膜できるスパッタリング装置を提供する。ターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内で、円形の基板Ｗを所定の回転数で回転させながらスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜するスパッタリング装置であって、基板の中心がターゲットの中心から径方向一方に所定間隔でオフセットされた状態でこの基板を回転自在に保持するステージと、ターゲットとステージ上の基板との間に設けられて基板を覆う遮蔽板とを備え、遮蔽板にはターゲットから飛散するスパッタ粒子の基板側への通過を許容する開口部が形成され、開口部は、基板の中心領域を起点としてこの起点から径方向外方へと向かうに従いその開口面積が次第に増加するような輪郭を持ち、開口面積の増加量がターゲットと基板との間の距離に応じて設定される。

Description

スパッタリング装置
　本発明は、半導体装置の製造工程において基板表面に形成されたホールやトレンチの内部にバリア膜やシード層等の薄膜を成膜するスパッタリング装置に関し、より詳しくは、ホールやトレンチの底面及び側面にカバレッジ良く、且つ、ホールやトレンチに対して対称性良く（即ち、ホールやトレンチの対向する側面に成膜された薄膜の膜厚が同等となるように）薄膜を成膜するのに適したスパッタリング装置に関する。
　一般的なスパッタリング装置として、例えば基板面内の良好な均一性を得るために、ターゲットが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内でターゲットに対向配置されて円形の基板を回転自在に保持するステージとを備え、基板をその中心を回転中心として所定の回転数で回転させながら、ターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜するものがある。
　また、基板の中心がターゲットの中心から径方向一方に所定間隔でオフセットされた状態でステージ上に基板を回転自在に保持し、ターゲットと基板との間に、一部開口部を持つ遮蔽板を配置することで、比較的小さなターゲットを用いて、比較的大きな基板の表面全体に亘って成膜するものが、例えば特許文献１で示されている。
　しかしながら、上記従来例のものでは、ターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち基板表面に対して斜めに入射するものを十分に抑制することができず、ホール開口部におけるオーバーハングの成長に伴うカバレッジの低下及び非対称性が発生するという問題があり、近年の微細パターンへの成膜に対して要求される良好なカバレッジや良好な対称性でホールやトレンチの内部に薄膜を成膜することができない。
特開平９－２１３６３４号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、基板表面に形成されたホールやトレンチの内部に良好な対称性を持ちながら且つカバレッジ良く所定の薄膜が成膜できるスパッタリング装置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、ターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内でターゲットに対向配置される、円形の基板をその中心を回転中心として所定の回転数で回転させながら、ターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、基板の中心がターゲットの中心から径方向一方に所定間隔でオフセットされた状態でこの基板を回転自在に保持するステージと、ターゲットとステージ上の基板との間に設けられて基板を覆う遮蔽板とを備え、遮蔽板に、ターゲットを所定の放電圧力でスパッタリングすることでターゲットから飛散するスパッタ粒子の基板側への通過を許容する開口部が形成され、開口部は、基板の中心領域を起点としてこの起点から径方向外方へと向かうに従いその開口面積が次第に増加するような輪郭を持ち、開口面積の増加量がターゲットと基板との間の距離に応じて設定されることを特徴とする。
　本発明によれば、スパッタ粒子の平均自由行程が長い圧力領域でスパッタリングを行うため、スパッタ粒子はターゲットから飛散した角度を保ったまま進行する。その進行する過程で、ターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち基板表面に対して斜めに入射するものが遮蔽板で遮蔽されるため、ホールやトレンチの底面及び側面にカバレッジ良く薄膜を成膜できると共に、ホールやトレンチに対して対称性良く薄膜を成膜することができる。しかも、ターゲットと基板との間の距離に応じて開口部の開口面積の増加量を設定することで、良好な対称性を持ちながら且つカバレッジ良く所定の薄膜が成膜できるという機能を損なうことなく、高い成膜レートを実現することができる。尚、本発明において、ホールやトレンチに成膜する薄膜の膜厚の良好な均一性及び着膜形状の対称性を得るため、ターゲットの直径は、基板半径の２倍程度かそれ以上に設定されることが好ましい。
　本発明において、前記開口部が扇形の輪郭を持つ場合、基板の半径をｒ、ターゲットと基板との間の距離をｄとし、基板の中心が、ターゲットの中心よりｒ／３以上離れるようにオフセットされ、遮蔽板による基板の被遮蔽面積比が、１－（ｄ÷２ｒ/２．６６）の値より大きくなるように前記開口部の面積が設定されることが好ましい。このような開口部の面積は、前記開口部の中心角を６０～１２０°の範囲で設定することが好ましい。中心角が６０°より小さいと、成膜レートを十分に高めることができない場合がある一方で、中心角が１２０°より大きいと、基板表面に対して斜めに入射するスパッタ粒子の量が多くなり、対称性やカバレッジが悪くなる場合がある。
　ところで、開口部の起点周辺の部分に成膜されると、基板の中心領域に到達するスパッタ粒子の量が減少する場合がある。この場合、遮蔽板を交換することが考えられるが、これでは、真空チャンバ内を大気開放する必要があり、生産性の低下を招来する。本発明では、ターゲットの中心に対する基板のオフセット方向に沿って遮蔽板を移動させることで、基板の中心領域に到達するスパッタ粒子の量を維持することができ、当該中心領域に存在するホールやトレンチに成膜される薄膜の膜厚が薄くなることを防止できる。
　また、ターゲットの基板との背面側に配置されてターゲットと基板との間で且つターゲットの中心とターゲットの外周部との間に偏在するように漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、ターゲットの中心を回転中心として磁石ユニットを回転させる回転手段とを備える場合、磁石ユニットとステージとの回転が同期していると、基板面内で所望の膜厚で成膜されない領域が生じることがある。本発明では、磁石ユニットとステージとの回転が同期しないように、磁石ユニット及びステージの回数数を夫々制御する制御手段を設けることで、基板全面に亘って所望の膜厚で成膜することができる。
　本発明において、前記遮蔽板と基板との間の距離が、前記放電圧力の平均自由工程の２倍以内であることが好ましい。２倍より大きいと、粒子同士の散乱によって、基板表面に斜めに入射する粒子の数が増えるため、ホールやトレンチの開口部への付着膜がオーバーハングを起こしやすいという不具合がある。
　本発明において、前記遮蔽板の開口部が、基板の中心領域を露出させていることが好ましい。これによれば、基板の中心の直上に開口部を設けることにより、基板の中心領域に存在するホールやトレンチに成膜される薄膜の膜厚が薄くなることがなく、基板の中心領域のカバレッジを良好にすることができる。
本発明の実施形態のマグネトロンスパッタリング装置を示す模式的断面図。 図１に示す遮蔽板の模式的平面図。 本発明の効果を確認する実験結果を示す図。 遮蔽板の変形例を示す模式的平面図。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。以下においては、図１を基準とし、真空チャンバ１の天井部側を「上」、その底部側を「下」として説明する。
　図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には排気口１１が設けられ、この排気口１１には排気管１２を介してターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプＰが接続され、処理室１ａを所定圧力（例えば１×１０－５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の側壁にはガス導入口１３が設けられ、このガス導入口１３には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１４が介設されたガス管１５が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスを処理室１ａ内に所定流量で導入できるようになっている。
　真空チャンバ１の天井部には、カソードユニットＣが着脱自在に設けられている。カソードユニットＣは、真空チャンバ１内（処理室１ａ）を臨むように設置されるターゲット２と、ターゲット２のスパッタ面２ａと背向する側に配置されてターゲット２と基板Ｗとの間で且つターゲット２の中心とターゲット２の外周部との間に偏在するように漏洩磁場を発生させる磁石ユニット３とで構成される。ターゲット２は、成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される金属や金属化合物（絶縁物）等の材料製であり、公知の方法を用いて例えば円形の輪郭を持つように作製されている。ターゲット２には、スパッタ電源Ｅとしての負の電位を持つ直流電源や高周波電源からの出力が接続され、スパッタリング時に電力投入される。ターゲット２のスパッタ面２ａと背向する面には、インジウムやスズ等のボンディング材を介してバッキングプレート２１が接合されている。バッキングプレート２１は、熱伝導の良いＣｕ等の金属製であり、図示省略の冷媒循環通路に冷媒を循環させることでターゲット２を冷却出来るようになっている。磁石ユニット３としては、磁性材料製の板状のヨーク３１と、ヨーク３１の下面に環状に列設した同磁化の複数個の第１の磁石３２と、第１の磁石３２の周囲を囲うように環状に列設した第１の磁石３２と同磁化の複数個の第２の磁石３３とを有する公知のものを用いることができる。ヨーク３１の上面には、回転手段４の回転軸４１が接続され、ターゲット２をスパッタリングして成膜する間、ターゲット２の中心を回転中心として磁石ユニット３を回転できるようになっている。
　真空チャンバ１の底部には、ターゲット２の中心から径方向一方に所定間隔でオフセットされた状態で基板Ｗを保持するステージ５が設けられている。ステージ５の下面中央には、図示省略の真空シール部材を介して真空チャンバ１底壁を貫通する回転手段６の回転軸６１が接続され、基板Ｗを所定の回転数で回転できるようになっている。ステージ５には、バイアス電源Ｅ２たる高周波電源の出力が接続されており、スパッタリング時にバイアス電力が投入される。尚、ステージ５は図示省略する公知の静電チャックを有し、この静電チャックの電極に所定電圧を印加することで、ステージ５上に基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。また、ステージ５に図示省略の昇降手段の駆動軸を接続し、ターゲット２と基板Ｗとの間の距離を変更できるように構成してもよい。
　ターゲット２とステージ５上の基板Ｗとの間には、基板Ｗを覆う遮蔽板７が設けられている。遮蔽板７には、ターゲット２から飛散するスパッタ粒子の基板Ｗ側への通過を許容する開口部７１が形成されている。図２も参照して、開口部７１は、例えば基板Ｗの中心領域を露出させ、この中心領域が露出した部分を起点７２としてこの起点から径方向外方へと向かうに従いその開口面積が次第に増加するような輪郭を持ち、開口面積の増加量がターゲット２と基板Ｗとの間の距離ｄ１に応じて設定されている。基板Ｗと遮蔽板７との間の距離ｄ２は、５～１００ｍｍの範囲に設定することが好ましい。特に遮蔽板７の開口部７１を通り抜けた後のスパッタ粒子が他の粒子と衝突して、その進行方向を変えるという事象を考えると、基板Ｗと遮蔽板７との間の距離ｄ２は、放電圧力に対する平均自由行程の２倍以内で設定されることがより好ましい。また、遮蔽板７の側面には移動手段８の駆動軸８１が接続され、ターゲット２の中心に対する基板Ｗのオフセット方向に沿って（即ち、図１中の右方向に）遮蔽板７を移動できるようになっている。
　上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段Ｒｕを有し、真空ポンプＰの稼働、マスフローコントローラ１４の稼働、スパッタ電源Ｅの稼働、回転手段４の稼働、回転手段６の稼働や移動手段８の稼働等を統括制御するようにしている。尚、磁石ユニット３とステージ５との回転が同期していると、基板Ｗ面内で所望の膜厚で成膜されない領域が生じることがあるが、制御手段Ｒｕにより、磁石ユニット３とステージ５との回転が同期しないように、磁石ユニット３及びステージ５の回数数を夫々制御することで、基板Ｗ全面に亘って所望の膜厚で成膜することができる。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた成膜方法について、基板Ｗ表面に形成された図示省略のホールやトレンチの内部にＣｕ膜を成膜する場合を例に説明する。
　Ｃｕ製のターゲット２が配置された真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０－５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、ステージ５に基板Ｗを受け渡し、ステージ５上に基板Ｗを静電吸着させて保持する。次いで、回転手段６によりステージ５を所定の回転数（例えば、１２０ｒｐｍ）で回転させることにより基板Ｗを回転させる。これと共に、回転手段４により磁石ユニット３を所定の回転数（例えば、５２ｒｐｍ）で回転させながら、スパッタガスたるアルゴンガスを例えば、０～２０ｓｃｃｍの流量で導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は２．０×１０－１Ｐａ以下）、スパッタ電源Ｅ１からターゲット２に直流電力（例えば、１０～３０ｋＷ）を投入し、バイアス電源Ｅ２からステージ５に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力３００Ｗを投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２のスパッタ面２ａがスパッタリングされ、ターゲット２から飛散したスパッタ粒子が遮蔽板７の開口部７１を通過し、基板Ｗ表面に形成されたホールやトレンチの底面及び側面に付着、堆積してＣｕ膜が成膜される。
　このとき、ターゲット２から飛散したスパッタ粒子のうち基板Ｗ表面に対して斜めに入射するものが遮蔽板７で遮蔽されるため、つまり、遮蔽板７の開口部７１を通過したスパッタ粒子が基板Ｗ表面に対して略垂直に入射するため、ホールやトレンチに対して対称性良く且つカバレッジ良くＣｕ膜を成膜することができる。また、基板Ｗの中央領域の直上には、遮蔽板７の開口部７１が存在するよう遮蔽板７を設置することが好ましい。この場合、基板Ｗの中央領域に到達するスパッタ粒子が少なくなることがなく、基板Ｗの中心領域に存在するホールやトレンチに成膜されるＣｕ膜の膜厚が局所的に薄くならず、基板Ｗの全面に亘って略同等の膜厚を持つＣｕ膜を成膜することができる。
　ところで、遮蔽板７の開口部７１の開口面積を小さく設定すると、良好な対称性及びカバレッジを得ることができるが、成膜レートが低くなる場合がある。その一方で、開口部７１の開口面積を大きく設定すると、成膜レートを高くすることができるが、対称性及びカバレッジが悪化する場合がある。
　そこで、本実施形態によれば、基板Ｗとターゲット２との間の距離に応じて開口部７１の開口面積の増大量を設定したため、基板Ｗ表面に形成されたホールやトレンチの内部に良好な対称性を持ちながら且つカバレッジ良くＣｕ膜が成膜できるという機能を損なうことなく、基板Ｗの全面に亘って同等の膜厚を持つＣｕ膜を高い成膜レートで成膜できる。具体的には、開口部７１が扇形の輪郭を持つ場合、基板Ｗの半径をｒ、ターゲット２と基板Ｗとの間の距離をｄ１とし、基板Ｗの中心が、ターゲット２の中心よりｒ／２以上離れるようにオフセットされ、遮蔽板７による基板Ｗの被遮蔽面積比が、１－（ｄ１÷２ｒ／２．６６）の値より大きくなるように開口部７１の面積が設定される。この場合、開口部７１の中心角θを６０～１２０°の範囲に設定することが好ましい。
　ところで、開口部７１の起点７２周辺の部分に成膜されると、基板Ｗの中心領域に到達するスパッタ粒子の量が減少する場合がある。この場合、移動手段８によりターゲット２の中心に対する基板Ｗのオフセット方向に沿って遮蔽板７を移動させることで、基板Ｗの中心領域に到達するスパッタ粒子の量を維持することができ、当該中心領域に存在するホールやトレンチに成膜される薄膜の膜厚が薄くなることを防止できる。尚、基板Ｗの処理枚数と上記部分への成膜量との関係を予め取得しておき、基板Ｗの処理枚数に応じて遮蔽板７を移動させるように構成してもよい。
　次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。即ち、本実験では、基板Ｗとしてφ３００ｍｍの円形のシリコン基板の表面に開口幅が５０ｎｍ、深さが２００ｎｍであるトレンチが形成されたものを用い、ターゲット２としてφ４００ｍｍ（基板Ｗの半径ｒの２．６６倍）のＣｕ製のものを用い、基板Ｗとターゲット２との間の距離（以下「Ｔ／Ｓ距離」という）ｄ１を４００ｍｍに設定し、基板Ｗと遮蔽板７との間の距離ｄ２を５０ｍｍに設定し、ターゲット２の中心からの基板Ｗの中心のオフセット量Ｖｏをｒ／２に設定した。遮蔽板７としてφ４００ｍｍのＳＵＳ製のものを用い、遮蔽板７に中心角θが９０°の扇形の輪郭を持つ開口部７１を開設した。そして、ステージ５の回転数を１２０ｒｐｍ、磁石ユニット３の回転数を５２ｒｐｍに夫々制御し、真空チャンバ１内にアルゴンガスを導入すると共にターゲットに直流電力を投入してプラズマを生成した。その後、直ちにアルゴンガスの流量を０ｓｃｃｍに調整し（このときの処理室１ａ内の圧力は１×１０－５Ｐａ）、ターゲット２に投入する直流電力を２３ｋＷに設定すると共にステージ５に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を３００Ｗ投入し、ターゲット２をスパッタリングしてトレンチの内部にＣｕ膜を成膜した。成膜後の基板Ｗの断面ＳＥＭ像からトレンチ内部に成膜されたＣｕ膜の対称性及びカバレッジを評価し、これと併せて、基板Ｗ表面の平坦な部分（トレンチ以外の部分）に成膜されたＣｕ膜の膜厚測定値から成膜レートを評価した。これらの評価結果を図３（ａ）に纏めて示す。図３（ａ）には、開口部７１の中心角θを４５°、６０°、１２０°、１５０°、１８０°に変化させた場合の評価結果も併せて示している。尚、図３に示す評価結果について、「○」は、対称性及びカバレッジが優れており且つ成膜レートが高い場合、「△」は、対称性及びカバレッジが優れており且つ成膜レートが量産適用可能である場合、「▲」は、対称性及びカバレッジが量産適用可能であり且つ成膜レートが高い場合、「×」は、対称性及びカバレッジがＮＧ（量産適用不可）である場合を夫々表している。図３(ａ)には、Ｔ／Ｓ距離ｄ１を２００ｍｍ、３００ｍｍに変化させた場合の評価結果も併せて示している。
　図３（ａ）に示す「○」、「△」及び「▲」との評価結果が得られる場合、遮蔽板７による基板Ｗの被遮蔽面積比が１－（ｄ÷２ｒ/２．６６）の値より大きくなるという条件を満たす。この条件を満たすように開口部７１の面積が設定され、例えば、Ｔ／Ｓ距離ｄ１が２００ｍｍの場合には、中心角θを９０°まで大きくすることができ、Ｔ／Ｓ距離ｄ１を３００ｍｍに設定すると、中心角θを１２０°まで大きくすることができ、Ｔ／Ｓ距離ｄ１を４００ｍｍに設定すると、中心角θを１８０°まで大きくすることができることが確認された。但し、カバレッジ性能が強く要求される場合には中心角θは１２０°以下とすることが好ましく、さらに生産性を鑑みて６０°以上とすることが好ましい。
　図３（ｂ）は、φ４５０ｍｍの基板Ｗを用いる点以外は、上記と同様の方法でＣｕ膜を成膜し、その評価結果を示している。図３（ｂ）に示す「○」、「△」及び「▲」との評価結果が得られる場合、遮蔽板７による基板Ｗの被遮蔽面積比が１－（ｄ÷２ｒ/２．６６）の値より大きくなるという条件を満たす。この条件を満たすように開口部７１の面積が設定され、例えば、Ｔ／Ｓ距離ｄ１が２００ｍｍの場合には、中心角θは４５°に設定されるが、Ｔ／Ｓ距離ｄ１を３００ｍｍに設定すると、中心角θを６０°まで大きくすることができ、Ｔ／Ｓ距離ｄ１を４００ｍｍに設定すると、中心角θを９０°まで大きくすることができ、Ｔ／Ｓ距離ｄ１を６００ｍｍに設定すると、中心角θを１８０°まで大きくすることが確認された。但し、カバレッジ性能が強く要求される場合には中心角θは１２０°以下とすることが好ましく、さらに生産性を鑑みて６０°以上とすることが好ましい。
　以上説明した実験によれば、Ｔ／Ｓ距離ｄ１に応じて中心角θを設定すれば、対称性及びカバレッジ良く成膜できるという機能を損なうことなく、成膜レートを高くすることができることが判った。
　以上、本発明の実施形態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。例えば、図４に示すように、遮蔽板７の開口部７１が切欠部として形成されていてもよい。また、開口部７１は、中心領域を起点としてこの起点から径方向外方へと向かうに従いその開口面積が次第に増加するような輪郭を有しているが、所謂略扇型や略三角形形状の開口部が１ヶ所に設けられている場合に限定されず、離散して複数の開口部として設けられ、それらの開口部の総和が上記条件を満たすようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、ターゲット２としてＣｕ製のものを用いて基板Ｗ表面にＣｕ膜を成膜する場合を例に説明したが、これに限らず、Ｃｕ膜以外の金属膜を成膜する場合やＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＣ，ＳｉＮ等で作製された絶縁物ターゲットを用いて絶縁膜を成膜する場合にも適用することができる。
　ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、２…ターゲット、２ａ…スパッタ面、２ｃ…ターゲット２の中心、３…磁石ユニット、５…ステージ、７…遮蔽板、７１…開口部、７２…起点。

Claims (7)

  1. 　ターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内でターゲットに対向配置される、円形の基板をその中心を回転中心として所定の回転数で回転させながら、ターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜するスパッタリング装置であって、
    　基板の中心がターゲットの中心から径方向一方に所定間隔でオフセットされた状態でこの基板を回転自在に保持するステージと、ターゲットとステージ上の基板との間に設けられて基板を覆う遮蔽板とを備え、遮蔽板に、ターゲットを所定の放電圧力でスパッタリングすることでターゲットから飛散するスパッタ粒子の基板側への通過を許容する開口部が形成されているものにおいて、
    　開口部は、基板の中心領域を起点としてこの起点から径方向外方へと向かうに従いその開口面積が次第に増加するような輪郭を持ち、開口面積の増加量がターゲットと基板との間の距離に応じて設定されることを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 　請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記開口部が扇形の輪郭を持つものにおいて、
    　基板の半径をｒ、ターゲットと基板との間の距離をｄとし、
    　基板の中心が、ターゲットの中心よりｒ／３以上離れるようにオフセットされ、
    　遮蔽板による基板の被遮蔽面積比が、１－（ｄ÷２ｒ／２．６６）の値より大きくなるように前記開口部の面積が設定されることを特徴とするスパッタリング装置
  3. 　前記開口部の中心角を６０～１２０°の範囲としたことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
  4. 　前記ターゲットの中心に対する基板のオフセット方向に沿って前記遮蔽板を移動可能な移動手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、ターゲットの基板との背面側に配置されてターゲットと基板との間で且つターゲットの中心とターゲットの外周部との間に偏在するように漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、ターゲットの中心を回転中心として磁石ユニットを回転させる回転手段とを備えるものにおいて、
    　磁石ユニットとステージとが同期しないように、磁石ユニット及びステージの回数数を夫々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。
  6. 　前記遮蔽板と基板との間の距離が、前記放電圧力の平均自由工程の２倍以内であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
  7. 　前記遮蔽板の開口部が、基板の中心領域を露出させていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
     
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