WO2020137027A1 - 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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賢明 中野
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株式会社アルバック
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Definitions

  • the present invention relates to a sputtering device and a sputtering method, and more particularly, to a device that can improve the utilization efficiency of a target.
  • a thin film such as a barrier film or a seed layer on the bottom surface and side surface of a hole or trench formed on the surface of a substrate to be processed.
  • a thin film with good coverage on the bottom and side surfaces of the hole or trench and with good symmetry with respect to the hole or trench (that is, so that the film thicknesses formed on the opposite side surfaces of the hole or trench are the same).
  • a sputtering apparatus capable of forming a film is known from Patent Document 1, for example.
  • the above-mentioned conventional example is a so-called LTS (Long Throw Sputtering) type, which has a vacuum chamber capable of forming a vacuum atmosphere, a target is arranged on the upper part of the vacuum chamber, and a lower part is formed inside the vacuum chamber. A stage is provided on which the substrate to be processed is set facing the target. In this case, the distance (T/S distance) between the target and the substrate to be processed on the stage is set longer than that of a general sputtering apparatus. As a result, it is possible to increase the proportion of the sputtered particles having a straight traveling property among the sputtered particles that reach the surface of the substrate to be processed, and as a result, it is possible to form a film with good coverage and symmetry.
  • LTS Long Throw Sputtering
  • the present invention does not impair the function of forming a predetermined thin film with good coverage and symmetry on the bottom and side surfaces of the holes and trenches formed on the surface of the substrate to be processed, and using the target. It is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus and a sputtering method capable of improving efficiency.
  • a substrate to be processed is provided with a vacuum chamber in which a target is arranged, a plasma atmosphere is formed in the vacuum chamber to sputter the target, and sputtered particles scattered from the target are arranged in the vacuum chamber.
  • the sputtering apparatus of the present invention for depositing and depositing on a surface to form a predetermined thin film is a material of the same kind as the target, at least at a predetermined surface in the vacuum chamber where the sputtered particles scattered from the target adhere to a predetermined position. It is characterized in that a manufactured adherend is provided, and a bias power source for applying a bias voltage having a negative potential when the plasma atmosphere is formed is connected to the adherent.
  • a rare gas such as argon is introduced at a predetermined flow rate into a vacuum chamber being evacuated and a target is supplied with a predetermined electric power having a negative potential, a plasma atmosphere is generated in the vacuum chamber.
  • the target surface is formed by the ions of the rare gas in the plasma atmosphere, the target surface is sputtered, and the sputtered particles are scattered, and a part of the sputtered particles also adheres to the surface of the adherend.
  • the attachment surface of the sputtered particles is made of the same material as that of the target, when a bias voltage is applied to the attachment body, the attachment surface is also sputtered by the ions of the rare gas in the plasma atmosphere and the above-mentioned sputtering is performed.
  • Sputtered particles of the same type as the particles (hereinafter, referred to as “resputtered particles”) scatter, and a part of them also adheres to the target surface.
  • resputtered particles Sputtered particles of the same type as the particles
  • resputtered particles scatter, and a part of them also adheres to the target surface.
  • a part of the sputtered particles scattered toward other than the substrate to be processed is once attached to the adherent and collected, and the adhering surface to which the sputtered particles are adhered is also sputtered to form the adhered sputtered particles.
  • the application of the bias voltage to the adherend can be performed not only during the sputtering of the target but also separately as a separate step after the film formation by the sputtering of the target is completed.
  • the target is a first target
  • the adherent is a plate-shaped second target made of the same material as the first target
  • the first target and the substrate to be processed are arranged to face each other in a vacuum chamber.
  • the second target is installed facing the first target in the space between the first target and the substrate to be processed, and allows the second target to penetrate the second target in the plate thickness direction and allow sputtered particles to pass therethrough. It is preferable that the first through hole is provided.
  • the second target which is an adherent
  • more of the sputter particles scattered from the first sputter particles can be adhered to the second target and collected. Therefore, more resputtered particles can be returned to the surface of the first target, and the utilization efficiency of the first target can be further enhanced.
  • the sputtered particles scattered from the first target pass through the first through hole formed in the second target and are incident on the substrate to be processed, a thin film is formed on the surface of the substrate to be processed with a good in-plane distribution of the film thickness.
  • the second target itself is incident on the substrate to be processed beyond a predetermined angle with respect to an imaginary line extending in a direction orthogonal to the surface of the substrate to be processed. It functions as a collimator to control the sputtered particles that can be formed and can form a predetermined thin film with good coverage and symmetry when forming a film on the bottom and side surfaces of holes and trenches formed on the surface of the substrate to be processed. ..
  • This is advantageous because it is not necessary to set a long T/S distance as in the LTS type sputtering apparatus described above, the apparatus configuration can be downsized, and the film formation rate can be improved.
  • the direction from the substrate to be processed toward the first target is an upward direction
  • the first target and the substrate to be processed are offset in a direction orthogonal to the vertical direction
  • the substrate to be processed is rotatable.
  • a space between the second target and the stage be provided with a ground potential electrode plate having a second through hole that allows passage of sputtered particles. According to this, it is possible to prevent a problem that a plasma atmosphere is formed in the space between the second target and the substrate to be processed and the lower surface of the second target is sputtered.
  • the sputtering method of the present invention using the above-mentioned sputtering apparatus, at the same time as the target is sputtered to deposit the sputtered particles on the adherent, the adherent is applied to the target. And applying a bias potential lower than a voltage to re-attach the sputtered particles attached to the attachment to the target.
  • the sputtering method of the present invention using the above-mentioned sputtering apparatus comprises a first step of sputtering the target to attach sputtered particles to the adherent, and a bias potential to the adherent. And a second step of re-attaching the sputtered particles attached to the attachment to the target.
  • the typical sectional view showing the sputtering device of an embodiment of the present invention The typical top view of the 2nd target shown in FIG.
  • the typical sectional view showing the sputtering device concerning the modification of the present invention The typical top view of the distribution plate shown in FIG.
  • a target is made of Cu
  • a silicon oxide film is formed on a surface of a silicon wafer as a target substrate with a predetermined thickness
  • the silicon oxide film has, for example, an aspect ratio of 3 or more.
  • the sputtering apparatus of the present invention will be described by taking as an example the case where a fine recess is formed in a predetermined pattern (hereinafter referred to as “substrate Sw”) and a Cu film is formed on the surface of the substrate Sw including the bottom surface and the side surface of the recess. Will be described.
  • terms indicating directions such as “up” and “down” are based on the installation posture of the sputtering apparatus shown in FIG. 1.
  • SM is the sputtering device of this embodiment.
  • the sputtering apparatus SM includes a vacuum chamber 1 capable of forming a vacuum atmosphere.
  • a vacuum evacuation unit Pu composed of a turbo molecular pump or a rotary pump is connected.
  • a gas introduction pipe 12 for introducing a sputtering gas into the vacuum chamber 1 is connected to the side wall of the vacuum chamber 1.
  • a mass flow controller 13 is provided in the gas introduction pipe 12 and communicates with a gas source (not shown).
  • the sputtering gas includes not only a rare gas such as argon gas introduced when forming a plasma atmosphere in the vacuum chamber 1, but also a reactive gas such as oxygen gas or nitrogen gas.
  • the sputter gas whose flow rate is controlled by the mass flow controller 13 can be introduced into the vacuum chamber 1 which is evacuated at a constant evacuation speed by the vacuum evacuation unit Pu, and the pressure in the vacuum chamber 1 (total Pressure) is kept substantially constant.
  • Cathode unit 2 is detachably attached to the upper opening of the vacuum chamber 1.
  • the cathode unit 2 is made up of a metal (Cu) target 21 and a magnet unit 22 arranged above the target 21.
  • the target 21 is formed to have a circular contour according to the contour of the substrate Sw, and an insulator provided on the upper side wall of the vacuum chamber 1 with the sputtering surface 21b facing downward in a state of being bonded to the backing plate 21a. It is attached to the upper part of the vacuum chamber 1 via 31.
  • the target 21 is connected to an output 21d from a sputtering power source 21c composed of a direct current power source and a high frequency power source so that a predetermined power having a negative potential can be supplied.
  • the magnet unit 22 generates a magnetic field in the space below the sputtering surface 21b of the target 21, captures the electrons and the like ionized below the sputtering surface 21b during sputtering, and efficiently ionizes the sputtered particles scattered from the target 21. It has a closed magnetic field or a cusp magnetic field structure.
  • a plate-shaped yoke 22a made of a magnetic material, a plurality of central magnets 22b of the same magnetization arranged in a ring on the lower surface of the yoke 22a, and a central magnet 22b. It is possible to use a magnet composed of a plurality of peripheral magnets 22c having the same magnetization and arranged in a ring so as to surround the periphery.
  • the rotation shaft 23a of the motor 23 is connected to the upper surface of the yoke 22a so that the magnet unit 22 can be rotated around the center of the target 21 during the film formation.
  • a stage 4 that holds the substrate Sw in a state of being offset from the center of the target 21 in one radial direction (left and right direction in the drawing) at a predetermined interval.
  • the distance (offset amount) d between the virtual line L1 that passes through the center of the target 21 and extends in the vertical direction and the virtual line L2 that passes through the center of the substrate Sw and extends in the vertical direction corresponds to the size of the target 21 and the substrate Sw. It is appropriately set in consideration.
  • a chuck plate 41 to which an electrode (not shown) for an electrostatic chuck is assembled is provided on the stage 4, and a substrate Sw is formed on the surface of the chuck plate 41 by applying a predetermined DC voltage to the electrode.
  • a rotation shaft 42a of a motor 42 that penetrates the lower wall of the vacuum chamber 1 is connected to the center of the lower surface of the stage 4 via a vacuum seal member (not shown) so that the substrate Sw can be rotated at a predetermined rotation speed during film formation. It has become.
  • the stage 4 is provided with a coolant circulation path, a heater, and the like, so that the substrate Sw can be controlled to a predetermined temperature during film formation.
  • a deposition preventive plate 5 made of a known material such as alumina or stainless steel is provided to prevent the sputtered particles scattered by the sputtering of the target 21 from adhering to the inner wall surface of the vacuum chamber 1.
  • the deposition-inhibitory plate 5 has a cylindrical contour and is suspended via a locking portion 32 provided on the side wall of the vacuum chamber 1.
  • the sputtered particles scattered from the target 21 are made to face the target 21 in the space between the target 21 and the stage 4, and at least the sputtered particle adhesion surface 61 a is the same as the target 21.
  • the metal attachment body 61 is provided.
  • the adhering body 61 is composed of a plate-shaped second target 61 made of the same metal (made of Cu) as the target 21 (hereinafter, referred to as “first target 21”).
  • the second target 61 is supported by, for example, an insulator 33 provided on the side wall of the vacuum chamber 1, and the distance from the lower surface (sputtering surface) 21b of the first target 21 to the upper surface (adhesion surface) 61a of the second target 61 is It is set in the range of 25 mm to 250 mm. If it is shorter than 25 mm, the problem that the lower surface of the second target 61 is sputtered occurs. On the other hand, if it is longer than 250 mm, a large amount of sputtered particles adhere to the deposition-inhibitory plate 5.
  • the second target 61 is provided with a plurality of first through holes 61b that penetrate the second target 61 in the vertical direction (plate thickness direction) and allow passage of sputtered particles.
  • one first through hole 61b is provided in the center of the second target 61, and six first through holes 61b are provided radially outside thereof in the circumferential direction at equal intervals.
  • the hole diameter and number of the first through holes 61b and the arrangement of the first through holes 61b are appropriately set in consideration of the film thickness distribution when the film is formed on the substrate Sw.
  • the aperture ratio of the first through hole 61b is preferably set to 15% to 75%.
  • the plurality of first through holes 61b may be opened so that the respective hole diameters are different.
  • bias voltage a negative DC potential (hereinafter referred to as “bias voltage”) lower than a DC voltage applied to the first target 21 during formation of a plasma atmosphere during film formation. That is, the bias power having the above) is input.
  • the bias voltage applied to the second target 61 is set so that the ratio to the DC voltage is in the range of 2% to 90%.
  • the ratio of the bias voltage to the DC voltage is out of the above range, for example, the sputtering of the second target 61 becomes more dominant than the sputtering of the first target 21, and the amount of sputtered particles contributing to the film formation decreases, and as a result, The Cu film may not be formed in a predetermined film thickness, or the film forming rate may be significantly reduced.
  • the sputtering apparatus SM has a known control means (not shown) including a microcomputer, a sequencer, etc., and operates the vacuum evacuation means Pu, the mass flow controller 13, the sputtering power supply 21c, the motor 23, The operation of 42, the operation of the bias power source 62, the operation of the moving means 72, which will be described later, and the like are collectively controlled.
  • the film forming method will be described below by taking the case of forming a Cu film on the surface of the substrate Sw by the sputtering apparatus SM as an example.
  • the vacuum exhaust means Pu is operated to exhaust the vacuum chamber 1 to vacuum.
  • the substrate Sw is transferred onto the stage 4 by a vacuum transfer robot (not shown), and the substrate Sw is placed on the chuck plate 41 of the stage 4.
  • a predetermined voltage is applied to the electrodes of the chuck plate 41 to electrostatically adsorb the substrate Sw on the chuck plate 41.
  • the argon gas as the sputtering gas is supplied through the gas introduction pipe 12 at a constant flow rate (for example, the argon partial pressure is 0. 5 Pa) and at the same time, a predetermined electric power (for example, 5 to 30 kW) having a negative potential (for example, 600 V) is applied to the first target 21 from the sputtering power source 21c.
  • a predetermined electric power for example, 5 to 30 kW
  • a negative potential for example, 600 V
  • a part of the sputtered particles scattered by the sputtering of the first target 21 also adheres to the upper surface (adhesion surface) 61a of the second target 61, but a bias voltage (for example, from the bias power supply 62) to the second target 61 (for example, 100 to 150 V), the adhesion surface 61a of the second target 61 is also sputtered by the ions of the argon gas in the plasma, and the resputtered particles are scattered, part of which is the sputter surface 21b of the first target 21. Adhere to. The resputtered particles attached to the sputter surface 21b are again sputtered, and a part of the sputtered particles scattered by the sputtering adheres to the surface of the substrate Sw.
  • a bias voltage for example, from the bias power supply 62
  • a part of the sputtered particles scattered toward the substrate Sw is once attached to the attachment surface 61a of the second target 61 and collected, and the attachment surface 61a to which the sputtered particles are attached is also sputtered. Then, by returning (reducing) the resputtered particles including the attached sputtered particles to the sputtering surface 21b of the first target 21, it is possible to improve the utilization efficiency of the first target 21. Moreover, since the second target 61 faces the first target 21, most of the sputtered particles scattered from the first target 21 that do not contribute to film formation are attached to the attachment surface 61a of the second target 61. It can be recovered. Therefore, more resputtered particles can be returned to the sputtering surface 21b of the first target 21, and the utilization efficiency of the first target 21 can be further enhanced.
  • the second target 61 itself is in a direction orthogonal to the surface of the substrate Sw. It functions as a collimator that regulates sputtered particles that enter the substrate Sw beyond a predetermined angle with respect to the imaginary line L1 that extends to the bottom surface and side surfaces of recesses such as holes and trenches formed on the surface of the substrate Sw. In such a case, a predetermined thin film can be formed with good coverage and symmetry. As a result, unlike the LTS type sputtering apparatus, it is not necessary to set a long T/S distance, the apparatus configuration can be downsized, and the film formation rate can be improved, which is advantageous.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the film thickness distribution of the thin film formed on the surface of the substrate Sw may be uneven depending on the arrangement of the first through holes 61b in the second target 61 and the like. Therefore, as in the sputtering device according to the modified example shown in FIG. 3, sputtered particles passing through the first through holes 61b of the second target 61 toward the substrate Sw in the space between the second target 61 and the stage 4.
  • a distribution plate 7 may be provided to regulate a part of the. As shown in FIG.
  • the distribution plate 7 is formed with an opening 71 having a fan-shaped contour that allows passage of sputtered particles to the substrate Sw side. That is, the opening 71 has its opening area gradually increasing outward from the starting point 71a at a predetermined position (for example, a position corresponding to the center of the substrate Sw) of the distribution plate 7 in the radial direction. There is.
  • the central angle ⁇ of the opening 71 is appropriately set according to the film thickness distribution.
  • the opening 71 may be formed as a notch, and the opening 71 is not limited to being provided at one location of the distribution plate 7, and may be provided as a plurality of openings separately.
  • the drive shaft 72a of the moving means 72 is connected to the side surface of the distribution plate 7 so that the distribution plate 7 can be moved along the offset direction of the substrate Sw with respect to the center of the first target 21 (left-right direction in FIG. 1). May be.
  • the electrode plate 8 at the ground potential is provided facing the second target 61. This prevents a problem that a plasma atmosphere is formed in the space between the second target 61 and the substrate Sw and the lower surface of the second target 61 is sputtered.
  • the electrode plate 8 is provided with a plurality of second through holes 81 corresponding to the first through holes 61b of the second target 61 and allowing passage of the sputter particles. Is attached to the substrate Sw through the first through hole 61b of the second target 61 and the second through hole 81 of the electrode plate 8.
  • the substrate Sw in order to form a thin film on the surface of the relatively large substrate Sw using the relatively small first target 21, the substrate Sw may be offset from the center of the first target 21 in the radial direction.
  • the present invention can be applied to the case where the center of the first target 21 and the center of the substrate Sw are located on the same line.
  • the second target 61 itself functions as a collimator that restricts sputtered particles that enter the substrate Sw beyond a predetermined angle with respect to an imaginary line that connects the centers of the substrate Sw and the first target 21. It is not necessary to set the T/S distance long.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention can be applied to the case of forming a metal film such as Al other than the above, or the case of forming an insulator film such as alumina.
  • the discharge between the first target 21 and the second target 61 becomes unstable. There are cases. In this case, in order to stabilize the discharge, an output of a power supply that applies a voltage having a positive potential is connected to the deposition-inhibiting plate 5 which is normally at the ground potential so that the deposition-inhibiting plate 5 also serves as a shield. You may comprise.
  • the bias voltage is applied to the adherend (second target) 61 during the sputtering of the first target 21, but as a separate step, after the film formation by the sputtering of the first target 21 is completed, it is performed independently. It can also be done in. That is, the first step of sputtering the first target 21 to attach the sputtered particles to the second target (adhesive body) 61, and applying the bias potential to the first target 21 to the second target 61 to the second target 61. A second step of redepositing the sputtered particles attached to the first target onto the first target. In this case, the bias potential applied to the second target 61 does not need to be lower than the voltage applied to the first target 21.
  • the deposition preventive plate 5 is formed of the same kind of material as the first target 21, or the inner peripheral surface (adhesion surface) of the deposition preventive plate 5 to which the sputtered particles adhere is covered with the same kind of material as the first target 21, A bias power source may be connected to the deposition preventing plate 5.
  • SM... Sputtering apparatus Sw... Substrate (processed substrate), 1... Vacuum chamber, 21... Target, 1st target, 4... Stage, 61... Adhesive body, 2nd target, 61a... Adhesion surface, 61b... 1st transparent Holes, 62... Bias power supply, 7... Distribution plate, 8... Electrode plate, 81... Second through holes.

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Abstract

被処理基板表面に形成されたホールやトレンチの底面及び側面に良好なカバレッジや対称性で所定の薄膜が成膜できるという機能を損なうことなく、ターゲットの利用効率を向上させることができるスパッタリング装置を提供する。　ターゲット２１が配置される真空チャンバ１を備え、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成してターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を真空チャンバ内に配置される基板Ｓｗ表面に付着、堆積させて所定の薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置ＳＭは、ターゲットから飛散したスパッタ粒子が付着する真空チャンバ内の所定位置に、少なくともスパッタ粒子の付着面６１ａをターゲットと同種の材料製とした付着体６１を設け、付着体に、プラズマ雰囲気の形成時に負の電位を持ったバイアス電圧を印加するバイアス電源６２が接続される。

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、スパッタリング装置及びスパッタリング方法に関し、より詳しくは、ターゲットの利用効率を向上させることができるものに関する。
　半導体デバイスの製造工程には、被処理基板表面に形成されたホールやトレンチの底面及び側面にバリア膜やシード層等の薄膜を成膜する工程があり、このような成膜にはスパッタリング装置が一般に利用される。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る薄膜の膜厚が同等となるように）薄膜を成膜することができるスパッタリング装置は例えば特許文献１で知られている。
　上記従来例のものは、所謂ＬＴＳ（Long Throw Sputtering）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を有し、真空チャンバの上部にターゲットが配置され、真空チャンバ内の下部にはターゲットに対峙させて被処理基板がセットされるステージが設けられている。この場合、ターゲットとステージ上の被処理基板との間の距離（Ｔ／Ｓ距離）は、一般のスパッタリング装置より長く設定されている。これにより、被処理基板表面に到達するスパッタ粒子のうち直進性を持つスパッタ粒子の割合を増やすことができ、その結果、良好なカバレッジや対称性での成膜が可能となる。
　ところで、ターゲットをスパッタリングすると、ターゲット表面から所定の余弦則に従ってスパッタ粒子が飛散するが、スパッタ粒子の一部は被処理基板以外にも向けて飛散する。この場合、真空チャンバ内に存する防着板などの部品に付着したスパッタ粒子は、通常、廃棄されるだけである。そして、上記従来例の如く、直進性を持つスパッタ粒子の割合を増やすためにＴ／Ｓ距離が長く設定されていると、被処理基板以外に付着するスパッタ粒子の量が多くなり、これでは、ターゲットの利用効率が悪いという問題がある。
特開平９－２１３６３４号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板表面に形成されたホールやトレンチの底面及び側面に良好なカバレッジや対称性で所定の薄膜が成膜できるという機能を損なうことなく、ターゲットの利用効率を向上させ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、ターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成してターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を真空チャンバ内に配置される被処理基板表面に付着、堆積させて所定の薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、ターゲットから飛散したスパッタ粒子が付着する真空チャンバ内の所定位置に、少なくともスパッタ粒子の付着面をターゲットと同種の材料製とした付着体を設け、付着体に、プラズマ雰囲気の形成時に負の電位を持ったバイアス電圧を印加するバイアス電源が接続されることを特徴とする。
　本発明によれば、例えば、真空排気されている真空チャンバ内に、アルゴンなどの希ガスを所定流量で導入し、ターゲットに負の電位を持つ所定電力を投入すると、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気が形成され、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンによりターゲット表面がスパッタリングされてスパッタ粒子が飛散し、その一部が付着体の表面にも付着するようになる。このとき、スパッタ粒子の付着面がターゲットと同種の材料製で構成されているため、付着体にバイアス電圧が印加されると、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンにより付着面もスパッタリングされて上記スパッタ粒子と同種のスパッタ粒子（以降、これを「リスパッタ粒子」という）が飛散し、その一部がターゲット表面にも付着するようになる。このように本発明では、被処理基板以外に向けて飛散したスパッタ粒子の一部を一旦付着体に付着させて回収し、このスパッタ粒子が付着した付着面をもスパッタリングして、付着したスパッタ粒子を含むリスパッタ粒子をターゲット表面に戻すことで、ターゲットの利用効率を高めることが可能になる。尚、付着体に印加するバイアス電圧がターゲットへの印加電圧よりも高いと、ターゲットのスパッタリングよりも付着体のスパッタリングが支配的となり、被処理基板表面に所定の薄膜を成膜できないという不具合が生じる。また、付着体へのバイアス電圧の印加は、ターゲットのスパッタリング中だけでなく、別工程として、ターゲットのスパッタリングによる成膜終了後に単独で行うこともできる。
　本発明において、前記ターゲットを第１ターゲット、前記付着体を第１ターゲットと同種の材料製である板状の第２ターゲットとし、第１ターゲットと被処理基板とが真空チャンバ内で対向配置される場合、第２ターゲットは、第１ターゲットと被処理基板との間の空間で第１ターゲットに対向させて設置され、第２ターゲットに、その板厚方向に貫通してスパッタ粒子の通過を許容する第１透孔が開設されていることが好ましい。
　以上によれば、付着体たる第２ターゲットを第１ターゲットと対向させることで、第１スパッタ粒子から飛散するスパッタ粒子のより多くを第２ターゲットに付着させて回収することができる。このため、より多くのリスパッタ粒子を第１ターゲット表面に戻すことができ、第１ターゲットの利用効率をより一層高めることができる。また、第１ターゲットから飛散するスパッタ粒子は、第２ターゲットに開設された第１透孔を通過して被処理基板に入射するため、被処理基板表面に膜厚の面内分布よく薄膜を成膜することができる。この場合、第１透孔を複数の透孔で構成しておけば、第２ターゲット自体が、被処理基板表面と直交する方向にのびる仮想線に対して所定角度を超えて被処理基板に入射するスパッタ粒子を規制するというコリメータとして機能し、被処理基板表面に形成されたホールやトレンチの底面及び側面に成膜するような場合に、良好なカバレッジや対称性で所定の薄膜が成膜できる。これにより、上記ＬＴＳ方式のスパッタリング装置のように、Ｔ／Ｓ距離を長く設定する必要はなく、装置構成を小型化できるだけでなく、しかも、成膜レートを向上させることができ、有利である。
　本発明においては、前記被処理基板から前記第１ターゲットに向かう方向を上方向とし、前記第１ターゲットと前記被処理基板とが上下方向に直交する方向にオフセットされ、前記被処理基板を回転自在に保持するステージを更に備え、第２ターゲットと前記ステージとの間の空間に、第２ターゲットの第１透孔を通過して被処理基板に向かうスパッタ粒子の一部を規制する分布板を設けることが好ましい。これによれば、分布板により被処理基板表面へのスパッタ粒子の入射量が調整されるため、被処理基板表面の全面に亘ってより膜厚分布よく成膜することができる。
　また、本発明においては、第２ターゲットと前記ステージとの間の空間に、スパッタ粒子の通過を許容する第２透孔が開設された接地電位の電極板が設けられることが好ましい。これによれば、第２ターゲットと被処理基板との間の空間にプラズマ雰囲気が形成されて第２ターゲット下面がスパッタリングされるという不具合が生じることを防止できる。
　また、上記課題を解決するために、上記スパッタリング装置を用いた本発明のスパッタリング方法は、前記ターゲットをスパッタリングして前記付着体にスパッタ粒子を付着させると同時に、前記付着体に前記ターゲットに印加される電圧より低いバイアス電位を印加して前記付着体に付着したスパッタ粒子を前記ターゲットに再付着させる工程を含むことを特徴とする。
　また、上記課題を解決するために、上記スパッタリング装置を用いた本発明のスパッタリング方法は、前記ターゲットをスパッタリングして前記付着体にスパッタ粒子を付着させる第１の工程と、前記付着体にバイアス電位を印加して前記付着体に付着したスパッタ粒子を前記ターゲットに再付着させる第２の工程とを含むことを特徴とする。
本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式的断面図。 図１に示す第２ターゲットの模式的平面図。 本発明の変形例に係るスパッタリング装置を示す模式的断面図。 図３に示す分布板の模式的平面図。
　以下、図面を参照して、ターゲットをＣｕ製のものとし、被処理基板をシリコンウエハの表面にシリコン酸化物膜を所定の膜厚で形成した後にこのシリコン酸化物膜に例えばアスペクト比が３以上である微細な凹部を所定パターンで形成したもの（以下「基板Ｓｗ」という）とし、この凹部の底面及び側面を含む基板Ｓｗ表面にＣｕ膜を成膜する場合を例に、本発明のスパッタリング装置の実施形態を説明する。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１に示すスパッタリング装置の設置姿勢を基準とする。
　図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の下部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどから構成される真空排気手段Ｐｕに通じる排気管１１が接続されている。真空チャンバ１の側壁には、真空チャンバ１内にスパッタガスを導入するガス導入管１２が接続されている。ガス導入管１２にはマスフローコントローラ１３が介設され、図示省略のガス源に連通している。スパッタガスには、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが含まれる。これにより、マスフローコントローラ１３により流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐｕにより一定の排気速度で真空引きされている真空チャンバ１内に導入でき、成膜中、真空チャンバ１内の圧力（全圧）が略一定に保持されるようにしている。
　真空チャンバ１の上面開口にはカソードユニット２が着脱自在に取付けられている。カソードユニット２は、金属製（Ｃｕ製）のターゲット２１と、このターゲット２１の上方に配置される磁石ユニット２２とで構成されている。ターゲット２１は、基板Ｓｗの輪郭に応じて円形の輪郭を持つように形成され、バッキングプレート２１ａに接合した状態で、スパッタ面２１ｂを下方にした姿勢で真空チャンバ１の側壁上部に設けた絶縁体３１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。
　ターゲット２１には、直流電源や高周波電源で構成されるスパッタ電源２１ｃからの出力２１ｄが接続され、負の電位を持つ所定電力が投入できるようになっている。磁石ユニット２２は、ターゲット２１のスパッタ面２１ｂの下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２１ｂの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２１から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、例えば、磁性材料製の板状のヨーク２２ａと、ヨーク２２ａの下面に環状に列設した同磁化の複数個の中心磁石２２ｂと、中心磁石２２ｂの周囲を囲うように環状に列設した同磁化の複数個の周辺磁石２２ｃとで構成されるものを用いることができる。ヨーク２２ａの上面にはモータ２３の回転軸２３ａが接続され、成膜中、ターゲット２１の中心を回転中心として磁石ユニット２２を回転できるようになっている。
　真空チャンバ１の下部には、ターゲット２１の中心から径方向（図中の左右方向）一方に所定間隔でオフセットされた状態で基板Ｓｗを保持するステージ４が設けられている。ここで、ターゲット２１の中心を通り上下方向にのびる仮想線Ｌ１と、基板Ｓｗ中心を通り上下方向にのびる仮想線Ｌ２との間の距離（オフセット量）ｄは、ターゲット２１や基板Ｓｗのサイズを考慮して適宜設定される。ステージ４の上部には、静電チャック用の電極（図示省略）を組付けたチャックプレート４１が設けられ、電極に所定の直流電圧を印加することで、チャックプレート４１表面に基板Ｓｗがその成膜面を上にして静電吸着されるようになっている。ステージ４の下面中央には、図示省略する真空シール部材を介して真空チャンバ１の下壁を貫通するモータ４２の回転軸４２ａが接続され、成膜中、基板Ｓｗを所定回転数で回転できるようになっている。なお、特に図示して説明しないが、ステージ４には、冷媒循環路やヒータ等が設けられ、成膜中に基板Ｓｗを所定温度に制御できるようにしている。
　真空チャンバ１内には、ターゲット２１のスパッタリングにより飛散するスパッタ粒子の真空チャンバ１の内壁面への付着を防止する、アルミナやステンレス等の公知の材料製の防着板５が設けられている。防着板５は、筒状の輪郭を持ち、真空チャンバ１の側壁に設けた係止部３２を介して吊設されている。
　また、真空チャンバ１内には、ターゲット２１から飛散したスパッタ粒子が付着する、ターゲット２１とステージ４との間の空間でターゲット２１に正対させて少なくともスパッタ粒子の付着面６１ａをターゲット２１と同種とした金属製の付着体６１が設けられている。本実施形態では、付着体６１が、ターゲット２１（以降、「第１ターゲット２１」という）と同種の金属製（Ｃｕ製）で板状の第２ターゲット６１で構成されている。第２ターゲット６１は、例えば真空チャンバ１の側壁に設けた絶縁体３３により支持され、第１ターゲット２１の下面（スパッタ面）２１ｂから第２ターゲット６１の上面（付着面）６１ａまでの距離は、２５ｍｍ～２５０ｍｍの範囲に設定される。２５ｍｍより短いと、第２ターゲット６１の下面がスパッタリングされるという不具合が発生する一方で、２５０ｍｍより長いと、防着板５により多くのスパッタ粒子が付着してしまうという問題がある。
　また、図２に示すように、第２ターゲット６１には、その上下方向（板厚方向）に貫通してスパッタ粒子の通過を許容する第１透孔６１ｂが複数開設されている。本実施形態では、第２ターゲット６１の中央に１個の第１透孔６１ｂが開設され、その径方向外側に６個の第１透孔６１ｂが周方向に等間隔で開設されている。第１透孔６１ｂの孔径や個数及び各第１透孔６１ｂの配置は、基板Ｓｗに成膜したときの膜厚分布を考慮して適宜設定される。この場合、第１透孔６１ｂの開口率は１５％～７５％に設定することが好ましい。１５％より低くなると、成膜レートが遅くなり過ぎて量産に不向きになる一方で、７５％より高くなると、第２ターゲット６１の付着面６１ａに付着するスパッタ粒子の量が少なくなる。また、第１透孔６１ｂのアスペクト比（＝第２ターゲット６１の厚さ／第１透孔６１ｂの孔径）は０．５以上に設定することが好ましい。０．５よりも小さいと、第２ターゲット６１を通過したスパッタ粒子に直進性を持たせることができない。尚、複数の第１透孔６１ｂは、夫々の孔径が異なるように開設されていてもよい。
　更に、第２ターゲット６１には、バイアス電源６２からの出力６２ａが接続され、成膜中、プラズマ雰囲気の形成時に第１ターゲット２１に印加する直流電圧より低い負の直流電位（以下「バイアス電圧」という）を持つバイアス電力が投入されるようにしている。この場合、第２ターゲット６１に印加するバイアス電圧は、直流電圧に対する比が２％～９０％の範囲となるように設定される。直流電圧に対するバイアス電圧の比が上記範囲を外れると、例えば第１ターゲット２１のスパッタリングよりも第２ターゲット６１のスパッタリングが支配的となり、成膜に寄与するスパッタ粒子の量が少なくなり、結果として、Ｃｕ膜を所定膜厚で成膜できなくなったり、成膜レートが著しく低下したりする。尚、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（図示省略）を有し、真空排気手段Ｐｕの作動、マスフローコントローラ１３の作動、スパッタ電源２１ｃの作動、モータ２３，４２の作動、バイアス電源６２の作動や後述する移動手段７２の作動等を統括制御するようにしている。以下に、上記スパッタリング装置ＳＭによって基板Ｓｗ表面にＣｕ膜を成膜する場合を例に成膜方法を説明する。
　真空チャンバ１内に、第１ターゲット２１、第２ターゲット６１や防着板５などの各種の部品をセットした後、真空排気手段Ｐｕを作動させて真空チャンバ１を真空排気する。次に、図外の真空搬送ロボットによりステージ４上へと基板Ｓｗを搬送し、ステージ４のチャックプレート４１上に基板Ｓｗを載置する。真空搬送ロボットが退避すると、チャックプレート４１の電極に対して所定電圧を印加し、チャックプレート４１上に基板Ｓｗを静電吸着する。
　真空チャンバ１内が所定圧力（例えば、１×１０－５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入管１２を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスを一定の流量（例えば、アルゴン分圧が０．５Ｐａ）で導入し、これに併せて第１ターゲット２１にスパッタ電源２１ｃから負の電位（例えば、６００Ｖ）を持つ所定電力（例えば、５～３０ｋＷ）を投入する。これにより、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気が形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンで第１ターゲット２１のスパッタ面２１ｂがスパッタリングされ、第１ターゲット２１からスパッタ粒子が飛散する。スパッタ粒子は、第２ターゲット６１の第１透孔６１ｂを通って基板Ｓｗ表面に付着、堆積してＣｕ膜が成膜される。
　ここで、第１ターゲット２１のスパッタリングにより飛散したスパッタ粒子の一部は、第２ターゲット６１の上面（付着面）６１ａにも付着するが、第２ターゲット６１にバイアス電源６２からバイアス電圧（例えば、１００～１５０Ｖ）が印加されることで、プラズマ中のアルゴンガスのイオンで第２ターゲット６１の付着面６１ａもスパッタリングされて、リスパッタ粒子が飛散し、その一部が第１ターゲット２１のスパッタ面２１ｂに付着する。このスパッタ面２１ｂに付着したリスパッタ粒子は再度スパッタリングされ、スパッタリングにより飛散したスパッタ粒子の一部が基板Ｓｗ表面に付着する。
　以上の実施形態によれば、基板Ｓｗに向けて飛散したスパッタ粒子の一部を一旦第２ターゲット６１の付着面６１ａに付着させて回収し、このスパッタ粒子が付着した付着面６１ａをもスパッタリングして、付着したスパッタ粒子を含むリスパッタ粒子を第１ターゲット２１のスパッタ面２１ｂに戻す（還元する）ことで、第１ターゲット２１の利用効率を高めることが可能になる。しかも、第２ターゲット６１を第１ターゲット２１に正対させていることで、第１ターゲット２１から飛散するスパッタ粒子のうち、成膜に寄与しないものの多くを第２ターゲット６１の付着面６１ａに付着させて回収することができる。このため、より多くのリスパッタ粒子を第１ターゲット２１のスパッタ面２１ｂに戻すことができ、第１ターゲット２１の利用効率をより一層高めることができる。
　また、第１ターゲット２１から飛散するスパッタ粒子が第２ターゲット６１に開設された第１透孔６１ｂを通過して基板Ｓｗに入射するため、第２ターゲット６１自体が、基板Ｓｗ表面と直交する方向にのびる仮想線Ｌ１に対して所定角度を超えて基板Ｓｗに入射するスパッタ粒子を規制するというコリメータとして機能し、基板Ｓｗ表面に形成されたホールやトレンチのような凹部の底面及び側面に成膜するような場合に、良好なカバレッジや対称性で所定の薄膜が成膜できる。その結果、上記ＬＴＳ方式のスパッタリング装置のように、Ｔ／Ｓ距離を長く設定する必要はなく、装置構成を小型化できるだけでなく、しかも、成膜レートを向上させることができ、有利である。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、第２ターゲット６１における第１透孔６１ｂの配置等によっては、基板Ｓｗ表面に成膜された薄膜の膜厚分布に偏りが生じる場合がある。そこで、図３に示す変形例に係るスパッタリング装置のように、第２ターゲット６１とステージ４との間の空間に、第２ターゲット６１の第１透孔６１ｂを通過して基板Ｓｗに向かうスパッタ粒子の一部を規制する分布板７が設けられてもよい。このような分布板７には、図４に示すように、スパッタ粒子の基板Ｓｗ側への通過を許容する扇状の輪郭を持つ開口部７１が形成されている。即ち、開口部７１は、分布板７の所定位置（例えば基板Ｓｗ中心に対応する位置）を起点７１ａとしてこの起点７１ａ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になっている。開口部７１の中心角θは、膜厚分布に応じて適宜設定される。この開口部７１は切欠部として形成されていてもよく、また、分布板７の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てもよい。分布板７の側面に移動手段７２の駆動軸７２ａを接続し、第１ターゲット２１の中心に対する基板Ｓｗのオフセット方向（図１中の左右方向）に沿って分布板７を移動できるように構成してもよい。
　また、第２ターゲット６１とステージ４との間の空間（本変形例では、第２ターゲット６１の直下）には、第２ターゲット６１と対向させて接地電位の電極板８が設けられている。これにより、第２ターゲット６１と基板Ｓｗとの間の空間にプラズマ雰囲気が形成されて第２ターゲット６１の下面がスパッタリングされるという不具合が生じないようにしている。尚、電極板８には、第２ターゲット６１の第１透孔６１ｂに対応させてスパッタ粒子の通過を許容する複数の第２透孔８１が開設されており、第１ターゲット２１からのスパッタ粒子は第２ターゲット６１の第１透孔６１ｂと電極板８の第２透孔８１を通って基板Ｓｗに付着する。
　上記実施形態では、比較的小さな第１ターゲット２１を用いて比較的大きな基板Ｓｗ表面に薄膜を成膜するために、第１ターゲット２１の中心から径方向一方に基板Ｓｗがオフセットされている場合を例に説明したが、第１ターゲット２１の中心と基板Ｓｗの中心とが同一線上に位置する場合にも本発明を適用することができる。この場合も、第２ターゲット６１自体が、基板Ｓｗと第１ターゲット２１との中心を結ぶ仮想線に対して所定角度を超えて基板Ｓｗに入射するスパッタ粒子を規制するというコリメータとして機能するため、Ｔ／Ｓ距離を長く設定する必要はない。
　また、上記実施形態では、第１及び第２のターゲット２１，６１としてＣｕ製のものを用いて基板Ｓｗ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Ａｌ等の金属膜を成膜する場合や、アルミナなどの絶縁物膜を成膜する場合にも本発明を適用することができる。
　また、第１ターゲット２１と第２ターゲット６１との間の距離や、第２ターゲット６１に印加するバイアス電圧によっては、第１ターゲット２１と第２ターゲット６１との間での放電が不安定になる場合がある。この場合、放電を安定化するために、通常接地電位の防着板５に正の電位を持った電圧を印加する電源の出力を接続して、防着板５がシールドとして兼用されるように構成してもよい。
　上記実施形態では、付着体（第２ターゲット）６１へのバイアス電圧の印加は、第１ターゲット２１のスパッタリング中に行っているが、別工程として、第１ターゲット２１のスパッタリングによる成膜終了後に単独で行うようにすることもできる。即ち、第１ターゲット２１をスパッタリングして第２ターゲット（付着体）６１にスパッタ粒子を付着させる第１の工程と、第２ターゲット６１に第１ターゲット２１にバイアス電位を印加して第２ターゲット６１に付着したスパッタ粒子を第１ターゲットに再付着させる第２の工程とを含む。この場合、第２ターゲット６１へ印加するバイアス電位は、第１ターゲット２１へ印加する電圧よりも低くする必要はない。
　上記実施形態では、付着体として第２ターゲット６１を設置する場合を例に説明したが、例えば防着板５のように真空チャンバ１内で第１ターゲット２１から飛散するスパッタ粒子が付着する位置に配置されるものを付着体とすることができる。この場合、防着板５を第１ターゲット２１と同種の材料で形成するか、防着板５のスパッタ粒子が付着する内周面（付着面）を第１ターゲット２１と同種の材料で覆い、防着板５にバイアス電源を接続すればよい。
　ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板（被処理基板）、１…真空チャンバ、２１…ターゲット，第１ターゲット、４…ステージ、６１…付着体，第２ターゲット、６１ａ…付着面、６１ｂ…第１透孔、６２…バイアス電源、７…分布板、８…電極板、８１…第２透孔。

Claims (7)

  1. 　ターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成してターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を真空チャンバ内に配置される被処理基板表面に付着、堆積させて所定の薄膜を成膜するスパッタリング装置において、
    　ターゲットから飛散したスパッタ粒子が付着する真空チャンバ内の所定位置に、少なくともスパッタ粒子の付着面をターゲットと同種の材料製とした付着体を設け、
    　付着体に、プラズマ雰囲気の形成時に負の電位を持ったバイアス電圧を印加するバイアス電源が接続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、前記ターゲットを第１ターゲット、前記付着体を第１ターゲットと同種の材料製である板状の第２ターゲットとし、第１ターゲットと被処理基板とが真空チャンバ内で対向配置されるものにおいて、
    　第２ターゲットは、第１ターゲットと被処理基板との間の空間で第１ターゲットに対向させて設置され、第２ターゲットに、その板厚方向に貫通してスパッタ粒子の通過を許容する第１透孔が開設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
  3. 　前記第１透孔が、複数の透孔から構成される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. 　請求項２または請求項３記載のスパッタリング装置であって、前記被処理基板から前記第１ターゲットに向かう方向を上とし、前記第１ターゲットと前記被処理基板とが上下方向に直交する方向にオフセットされ、前記被処理基板を回転自在に保持するステージを更に備えるものにおいて、
    　第２ターゲットと前記ステージとの間の空間に、第２ターゲットの第１透孔を通過して被処理基板に向かうスパッタ粒子の一部を規制する分布板が設けられることを特徴とするスパッタリング装置。
  5. 　第２ターゲットと前記ステージとの間の空間に、スパッタ粒子の通過を許容する第２透孔が開設された接地電位の電極板が設けられることを特徴とする請求項４記載のスパッタリング装置。
  6. 　請求項１記載のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法であって、
    　前記ターゲットをスパッタリングして前記付着体にスパッタ粒子を付着させると同時に、前記付着体に前記ターゲットに印加される電圧より低いバイアス電位を印加して前記付着体に付着したスパッタ粒子を前記ターゲットに再付着させる工程を含むことを特徴とするスパッタリング方法。
  7. 　請求項１記載のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法であって、
    　前記ターゲットをスパッタリングして前記付着体にスパッタ粒子を付着させる第１の工程と、
    　前記付着体にバイアス電位を印加して前記付着体に付着したスパッタ粒子を前記ターゲットに再付着させる第２の工程とを含むことを特徴とするスパッタリング方法。
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