CN102066604A - 阴极单元及具有该阴极单元的溅射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阴极单元及具有该阴极单元的溅射装置，该阴极装置可在整个基板面上针对高纵横比的各个微孔被覆性良好地成膜，该阴极单元具有结构简单和制造成本低的特点。该阴极单元包括一托架(3)，托架的一侧表面上形成有至少一个凹部(4)；具有底部为筒状的靶部件(5)，该靶部件从其底部一侧装入与其分别对应的凹部中；以及，磁场发生装置(7)，其组装为在该靶部件的内部空间中产生磁场。

Description

阴极单元及具有该阴极单元的溅射装置
技术领域
本发明涉及在处理基板表面上成膜时使用的阴极单元以及具有该阴极单元的溅射装置。
背景技术
多年来，在制作半导体器件的成膜工序中一直使用溅射装置，在这种溅射装置之中，随着近年来的布线图形的细微化，针对高纵横尺寸比的微孔，强烈要求在整个处理基板的表面成膜具有良好的被覆性，即强烈要求提高敷层质量。
在上述溅射装置中，通常采用在靶的后方(溅蚀面的反面一侧)设置交替改变极性由多块磁铁构成的磁铁组件，利用该磁铁组件使之在靶的前方(溅蚀面一侧)产生隧道形的磁场，捕捉靶前方电离的电子以及由溅射生成的次级电子，通过提高靶前方的电子密度来提高等离子密度。
众所周知，这种溅射装置存在以下问题：在溅射靶上受到上述磁场影响的区域内溅射靶优先溅射。因此，从放电的稳定性及提高靶的使用效率的角度考虑，若上述区域位于靶中央附近，则溅射时的靶的被溅蚀量大多集中在中央附近。这种情况下，在基板的外缘，从靶上溅射出的靶材颗粒(例如金属颗粒，下文称之为“溅射颗粒”)是以倾斜的角度入射并附着的，其结果是当用于上述用途的成膜时，尤其是在基板的外缘出现了敷层的非对称性。
专利文献1中公开了一种可解决该问题的多阴极单元，其在真空室内放置基板的载物台上方设置了与载物台表面基本平行的第1溅射靶，同时在载物台的斜上方，相对于载物台表面倾斜设置了第2溅射靶。
然而，若将上述专利文献1所述的多阴极单元设置于真空室内，必然导致装置结构复杂化，此外，还需要设置与靶数量相对应的溅射电源以及磁铁组等，由于部件数量增加，因而存在成本加大的问题。
专利文献1：特开2008-47661号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种阴极单元以及设置有该阴极单元的溅射装置，该溅射装置可在整个基板面上针对高纵横比的各个微孔被覆性良好地成膜，该装置结构简单，且成本低。
为了解决上述问题，本发明的阴极单元具有下述构成：一托架，该托架的一侧表面上形成有至少一个凹部；具有底部的筒状靶部件，该靶部件从其底部一侧装入与各自相对应的凹部中；以及，磁场发生装置，其组装为在所述靶部件的内部空间中产生磁场。
若采用本发明，把该阴极单元安装到溅射装置的真空室内，把该真空室抽真空后，导入稀有气体等溅射气体，一给前述阴极单元外加例如规定的负电位，即在从阴极单元前方空间到靶部件的内部空间内发生辉光放电，利用磁场发生装置产生的磁场可将等离子封闭进靶部件的内部空间中(尤其容易封闭溅射产生的次级电子)，若在该状态下停止导入溅射气体，就会在靶部件的内部空间内产生低压力条件下的自我放电。并且，等离子中的溅射气体离子等撞击靶的内壁产生溅射，该溅射产生的溅射微粒及溅射微粒的离子从靶部件的开口飞出，强有力地径直朝阴极单元前方的空间飞去。
因此，如果在真空室内与靶相对的位置上设置基板，就能以极高的膜厚均匀性在与靶部件的开口相对的部分及其周边区域上成膜。也就是说，以倾斜角度入射并附着在基板表面的情况得到抑制。其结果是若在制作半导体器件的工序中使用本发明的溅射装置，即便是高纵横比的微孔，仍可被覆性良好地成膜。而要想使靶部件内部有效地持续自我放电，最好使之以500高斯以上的磁场强度产生磁场。
此外，在本发明中，前述凹部在前述托架上呈同样的口径以及规定的间隔的形态设置，前述磁场发生装置是在连接彼此相邻的各凹部的中心的线上沿该凹部的深度方向设置的棒状磁铁，若采用在前述托架的与形成前述凹部的表面相反的表面上开设可收容前述磁铁的收容孔的结构，就可在整个基板面上针对高纵横比的微孔被覆性良好地成膜，也就是说，通过解决敷层的非对称性问题，即可提高面内的均匀性，而且仅仅靠把靶部件及磁铁插设在托架的凹部及收容孔内就可简单地组装出阴极单元。
另一方面，也可采用下述结构，前述凹部在前述托架的整个表面上呈同样的口径和规定间隔的形态设置，前述磁场发生装置是围绕在各凹部周围的环形磁铁，在前述托架的与形成前述凹部的表面相反的表面上开设形成可收容前述磁铁的环形的收容槽。
而如果将前述各磁铁安装在一个整体的支持板上，就可在该支持板和托架的与形成前述凹部的表面相反的表面接合时，使各磁铁插设在前述收容孔或收容槽内，使其设置到前述凹部周围，就能更加简单地组装出阴极单元。
还有，为了解决上述问题，本发明的溅射装置设置有权利要求1～4中的任一项所述的阴极单元；内部设置有前述阴极单元的真空室；将规定的溅射气体导入前述真空室内的气体导入装置；以及，给前述阴极单元提供电力的溅射电源。
若采用本发明，由于不必像现用技术那样在溅射装置自身内设置多个阴极单元，利用一个阴极单元就能以极好的膜厚均匀性成膜，与为了使用多个阴极单元而改变装置结构时相比，结构简单，此外还可降低装置的制造成本。
在此情况下，如果采用以下构成：在连接前述阴极单元和基板的基准轴周围设置绕在真空室壁面上的线圈，以及设置可给各线圈通电的电源装置，就可通过给线圈通电，使等间隔且垂直的磁力线穿过阴极单元及整个基板，产生垂直磁场，如果在该状态下成膜，从靶部件上溅射出的溅射微粒因上述垂直磁场而改变其方向，以相对于基板更加垂直的方向入射并附着。其结果是若在制作半导体器件的成膜工序中使用本发明的溅射装置，即便是针对高纵横比的微孔仍可在整个基板上更加被覆性良好地成膜。
具体实施方式
下面参照附图说明根据本发明的一种实施方式的设置有阴极单元的溅射装置。正如图1所示，该溅射装置1具有可在其内部形成真空气氛的真空室2，在真空室2的顶部安装一阴极单元c。下文的说明中将真空室2的顶部一侧定义为“上”侧，将其底部一侧定义为“下”侧。
正如图2及图3所示，该阴极单元c具有圆盘形的托架3，其采用导电材料，例如采用与后述的靶部件相同的材料制作。该托架3的底面上以相同的开口面积形成多个横截面为圆形的向托架内部凹陷的凹部4。在本实施方式中，首先在托架3的中心Cp的位置上形成一个与之同心的凹部4，再以该凹部4为基准，在其周围的一个假想圆周Vc上形成等间隔设置的六个凹部4。接着再以该假想圆周Vc上的各个直径相同的凹部4为基准，在各自周围的与假象圆周Vc具有相同直径的假想圆周上形成包括位于中心处的凹部在内的六个等间隔配置的凹部4。以这种方式，直至托架径向外侧无法形成凹部4时为止，这样即可在托架3的整个下面密集形成多个凹部4。
各凹部4的开口面积可在直径为20～60mm的范围内设定，与之相对应，托架3的底面面积可根据使在径向上位于托架3最外侧的凹部4的中心在径向上位于基板w的外周边内侧的要求来确定尺寸。此外，各凹部4彼此间的径向间隔可设置为大于后述的圆筒形磁铁的直径，且在托架3的强度可以保持整体结构的范围内设定。各凹部4内可插设靶部件5。
靶部件5可选择使用与将在待处理基板W上形成的薄膜成分相对应的材料制作，例如Cu、Ti或者Ta等，该靶部件5呈具有底部的筒状外形，以使其内部存在放电用的空间5a。该靶部件5可以从其底部一侧以灵活装卸的方式配合安装于各个凹部4中。此时，靶部件5的长度使得其底面与托架3的底面平齐。此外，将靶配合到托架3的各个凹部4中之后，可在托架3的底面上安装开口面积比靶部件5的开口面积小的罩盖(未图示)，以防把阴极单元c安装到真空室2的顶部时各靶5从凹部4中脱落。此时，罩盖可用与靶部件相同的材料制作。
在托架3的顶面上开设有沿其厚度方向延伸的多个收容孔6，收容孔6中可***呈圆柱形或角柱形的棒状磁铁7。在本实施方式中，该收容孔6设置为使得六根磁铁7等间隔地排列于某一凹部的周围，且位于连接彼此相邻的凹部4的中心的线上(参照图3)。此外，该收容孔6距托架3顶面的深度设置为使得磁铁7处于从靶部件5的底部算起至少为三分之一左右深度的位置上。
各磁铁7设定为设置在各凹部4周围时可在靶部件5的内部空间5a内产生500高斯以上的强磁场。各磁铁7极性一致(例如将支持板8一侧的极性设为N极)，垂直设置在圆盘形支持板8的规定位置上。进而，在使该支持板8与托架3的顶面接合时，即可将各磁铁7***与各自相对应的收容孔6中，以及使磁铁7设置在各凹部4的周围。支持板8也由具有导电性的材料制成，二者接合后，使用螺栓和螺母等紧固件(未图示)固定。还可在支持板8的内部空间内设置制冷结构，使之在溅射期间起到冷却***了靶5的托架3的垫板作用。
阴极单元C与具有公知结构的DC电源(溅射电源)9电连接，外加规定的负电位。此外在真空室2的底部与阴极单元相对的位置上设置了载物台10，通过该载物台10可定位并保持硅片之类待处理基板W。此外，在真空室2的侧壁上，连接着导入氩气等溅射气体的气体导管11，该气体导管11的另一端经由未图示的流量控制器与气源连通。该真空室2还连接着排气管12a，其与由涡轮分子泵、回转泵等构成的抽真空装置12连通(参照图1)。
下面，举例说明使用上述溅射装置1的成膜过程：对于成膜基板W，使用在硅片表面形成硅氧化物膜(绝缘膜)之后，在该硅氧化物膜中使用公知方法将布线用的微孔图形化后的基板，采用溅射法形成作为掩膜的Cu膜。
首先，在托架3底面的各凹部4内嵌入靶部件5，同时将其上垂直设置有磁铁7的支持板8以各磁铁7可***托架3的与各自相对应的收容孔6中的形态与托架3的顶面结合，用未图示的螺栓和螺母固定后组装出阴极单元C。然后将阴极单元C安装到真空室2的顶部。
接着，在将基板W承载到与阴极单元3相对的载物台上之后，启动抽真空装置12，将真空室2内抽真空到规定的真空度(例如10-5Pa)。当真空室2内的压力一达到规定值时，即以规定流量向真空室2内导入氩气等溅射气体，同时利用DC电源9给阴极单元C外加规定值的负电位(提供电力)。
一给阴极单元C外加负电位，即在从托架3内的各靶部件5的空间5a到阴极单元C前方的空间内产生辉光放电，这时，利用磁铁7产生的磁场可将等离子封闭在空间5a内。在该状态下，一旦停止导入溅射气体，空间5a内即产生自我放电。并且，等离子中的氩离子等撞击靶部件5的内壁而产生溅射，Cu原子飞溅，Cu原子以及电离的Cu离子从各靶部件5的底面飞出，强有力地径直朝基板W飞去(参照图4)。
其结果是在各靶部件5的开口正下方的位置(含靶部件5的开口面对的区域及其周边区域)上，能够以极好的膜厚均匀性成膜，由于这些靶部件是彼此密集分布的，因而可在整个基板W表面即便针对高纵横比的微孔仍可被覆性良好地成膜。也就是说通过解决敷层的非对称性问题提高了面内的均匀性。
如上所述，在本发明中，由于不必像现用技术那样在溅射装置自身内设置多个阴极单元，用一个阴极单元C就可解决敷层的非对称性问题，因而与为使用多个阴极单元而改变装置结构时相比，其结构简单，此外还可降低装置的制造成本。
在本实施方式中，对于磁铁7是以使用棒状的为例进行说明的，但只要是能在靶部件5的空间5a内产生500高斯以上的强磁场的磁铁，其形状无关紧要。正如图5(a)及(b)所示，也可使用环形磁铁20，以环绕靶部件5的空间5a以及靶部件5的形态设置。此时，可在托架30的顶面上开设可收容环形磁铁20的环形收容槽21。另外，也可设置为把两个棒状磁铁20中间隔着非磁性材料的隔片，以在靶部件一侧的极性彼此相反、上下布置的形态插设在收容孔6中，用上下一对磁铁使靶部件5的空间5a内产生磁场(参照图6)。
此外，本实施方式是在考虑到批量生产性以及靶的使用效率的前提下，针对可在托架3内灵活装卸靶部件5的情况加以说明的，但也可把托架3本身设定为具有靶的功能。也就是说，也可采用以下构成：仅在托架3的底面上形成凹部，在该凹部周围内置磁铁，以溅射该凹部的内壁。
还有，在本实施方式的溅射装置中，还可设定为：在连接阴极单元C以及基板W中心的基准轴CL周围，在真空室的外壁上绕置线圈13以及设置可给该线圈13提供电力的电源装置14(参照图1)，使等间隔且垂直的磁力线穿过从阴极单元C到基板W的整个空间，产生垂直磁场，从而在该状态下成膜。
这样一来，从靶部件5上溅射出的溅射颗粒在上述垂直磁场作用下改变其方向，以基本垂直角度入射并附着到基板W上。其结果是若在制作半导体器件的成膜工序中使用本发明的溅射装置，即便是针对高纵横比的微孔，仍可在整个基板上被覆性更好地成膜。
此外，也可设定为：载物台与具有公知结构的高频电源(未图示)电连接，溅射期间，可给载物台，进而言之可给基板W外加规定的偏压电位，在形成Cu掩膜层之类的情况下，可将铜离子积极地引导到基板上，可提高溅射效率。
实施例1：
实施例1使用图1所示的溅射装置，形成Cu膜。作为基板W，使用的是在φ300mm的硅片的整个表面形成硅氧化物膜之后，用公知的方法在该硅氧化物膜中通过图形化形成微孔(宽40nm深140nm)的基板。
此外，作为阴极单元使用了图6所示的Cu的组分占99％，制作成φ200mm的Cu制托架。在阴极单元的底面的中央处形成口径φ40mm、深50mm的凹部，将其同时作为靶部件使用。此外，在凹部周围的圆周方向上等间隔内置了6个磁铁，作为实施例1使用的阴极单元C1。在此情况下，磁铁部件以两个磁铁在靶部件一侧的极性彼此相反(下侧的磁铁为N极、上侧为S极)，且在凹部的整个深度上基本均有磁铁的形态沿垂直方向上下布置的方式设置，设定为使之在凹部空间内产生500高斯的磁场强度。在将如此制作出的阴极单元C1安装到真空室2的顶部之后，用屏遮件M遮盖托架底面的除凹部开口的部分。
对于成膜条件，将托架底面和基板间的距离设定为300mm，将提供给靶的电力设定为8kW(电流17.5A)，将溅射时间设为60秒，在该成膜条件下进行Cu膜的成膜。
图6中一并示出在上述条件下成膜时的基板径向的溅射速率的分布。由此可知从基板中心到径向上一半的位置上获得了相当的溅射速率(基板中心处为0.99nm/s，距基板中心75mm的位置上为0.90及0.86nm/s)，在托架3的开口正下方及其周边区域，膜厚分布的均匀性极高。此外，当用电子显微镜观察微孔的敷层时，在上述位置微孔的壁面上形成了致密的薄膜，解决了非对称性问题，确认面内的均匀性得到了提高。
附图说明
图1是设置了根据本发明一种实施方式的阴极单元的溅射装置的剖面图。
图2是分解说明阴极单元的剖面图。
图3是阴极单元的横剖面图。
图4是说明在靶部件内部空间内溅射的局部放大剖面图。
图5(a)及(b)是说明根据本发明另一种实施方式的阴极单元的剖面图。
图6是说明实施例1中使用的阴极单元的剖面图。
附图标记说明：
1、溅射装置，2、真空室，C、C1、阴极单元，4、凹部，5、靶部件，5a、放电用空间，6、收容孔，7、磁铁(磁场发生装置)，9、DC电源，11、气体导管(气体导入装置)，12、抽真空装置，W、基板。

Claims (6)

1.一种阴极单元，其特征在于包括：
一托架，所述托架的一侧表面上形成有至少一个凹部；具有底部的筒状靶部件，所述靶部件从其底部一侧装入与其分别对应的凹部中；以及，磁场发生装置，其组装为在所述靶部件的内部空间中产生磁场。
2.根据权利要求1所述的阴极单元，其特征在于：所述凹部在所述托架的整个表面上以具有同样的口径和互相隔规定间隔的方式进行设置；所述磁场发生装置是在连接彼此相邻的各凹部的中心的线上沿该凹部的深度方向设置的棒状磁铁，所述托架的与形成所述凹部的表面相反的表面上开设有可***述磁铁的收容孔。
3.根据权利要求1所述的阴极单元，其特征在于：所述凹部在所述托架的整个表面上以具有同样的口径和互相隔规定间隔的方式进行设置；所述磁场发生装置是围绕在各凹部周围的环形磁铁，所述托架的与形成所述凹部的表面相反的表面上开设有可收容前述磁铁的环形的收容槽。
4.根据权利要求2或3所述的阴极单元，其特征在于：所述各磁铁安装在一整体的支持板上，各磁铁设置为在使该支持板和托架的与形成所述凹部的表面相反的表面接合时，可***所述收容孔或收容槽内，以将各磁铁设置到所述凹部周围。
5.一种溅射装置，其特征在于，设置有：根据权利要求1～4中任一项所述的阴极单元；真空室，在其内部设置述阴极单元；用于将规定的溅射气体导入所述真空室内的气体导入装置；以及，用于给所述阴极单元提供电力的溅射电源。
6.根据权利要求5所述的溅射装置，其特征在于，还设置有在连接前述阴极单元和基板的基准轴周围设置的绕在真空室壁面上的线圈，以及给各线圈通电的电源装置。
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