JP2005097647A - 成膜方法及びスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上に形成される膜の膜質及び膜厚の均一性を向上できるようにした成膜方法及びスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】 真空チャンバ１１内で金属ターゲット材１５ｂにアルゴンイオンを衝突させ、当該金属ターゲット材１５ｂから放出された金属クラスタをシリコンウエーハ５０上に堆積させて金属膜を形成するスパッタリング装置において、
金属ターゲット材１５ｂから任意の方向に放出された金属クラスタの表面をイオン化するプレーナーターゲット１３と、金属ターゲット材１５ｂから放出されて特定方向に進む金属クラスタ４０ａ〜４０ｃだけを通過させ、その他の方向に進む金属クラスタを捕獲するコリメータ２３と、このコリメータ２３を通過した金属クラスタ４０ａ〜４０ｃの進行経路上にある空間３１に特定方向と交わる向きの電界Ｅを形成する一対の電極板２５とを備えたことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成する成膜方法及びスパッタリング装置に関するものである。

従来から、半導体装置の製造工程では、シリコンウエーハ上に電極や、配線用の金属膜を形成する成膜装置として、スパッタリング装置が使用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。この種のスパッタリング装置は、真空状態を維持することが可能な真空チャンバと、この真空チャンバ内に配置された金属ターゲットと、この真空チャンバ内で金属ターゲットと向かい合うように配置された基板ホルダと、この真空チャンバ内で基板ホルダと金属ターゲットとの間に配置されたコリメータ等から構成されている。

これらの中で、コリメータは、金属ターゲットから任意の方向に放出された金属の粒子（以下で、金属クラスタという）を、その進行方向に応じてフィルタリングする装置である。具体的には、このコリメータは、アルゴンイオン（Ａｒ^＋）等の衝突により金属ターゲットから放出されて当該コリメータの表面にほぼ垂直な入射角度で入ってきた金属クラスタの垂直成分だけを通過させ、斜めの入射角度で入ってきた金属クラスタの斜め成分を捕獲する。

従来のスパッタリング装置では、特許文献１等に記載されているように、このコリメータが基板ホルダと金属ターゲットの両方に対してそれぞれ平行となるように、当該金属ターゲットと該基板ホルダとの間に配置されている。このような構成により、金属ターゲットから放出された金属クラスタの垂直成分だけをシリコンウエーハ上に堆積して、金属膜を形成することができた。
特開平１０−９２７６７号公報 特開２００１−３０３２４７号公報

ところで、上記の従来例に係るスパッタリング装置によれば、金属ターゲットから放出された金属クラスタの垂直成分だけを選別し、この選別された金属クラスタだけをシリコンウエーハ上に堆積させて金属膜を形成していた。これにより、金属膜のカバレッジ特性を向上させることができ、例えばアスペクト比の大きい接続孔の底部に対して金属膜を十分な膜厚に形成することができた。

しかしながら、アルゴンイオン等の衝突によってターゲットから放出される金属クラスタは通常１０〜１０^３個の金属原子が集合した粒子であり、この金属クラスタの大きさ（質量）には正規分布で現されるようなバラツキがある。
このため、従来例のスパッタリング装置では、この正規分布の中央に相当する正常な大きさ（質量）の金属クラスタに混じって、正規分布の裾に相当するような異常な大きさ（質量）の金属クラスタもシリコンウエーハ上に堆積してしまうという問題があった。このような正規分布の裾に相当するような異常な大きさ（質量）の金属クラスタがシリコンウエーハ上の金属膜に含まれてしまうと、この金属膜の膜厚と膜質の均一性が低下してしまうおそれがある。

そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、基板上に形成される膜の膜質及び膜厚の均一性を向上できるようにした成膜方法及びスパッタリング装置の提供を目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明に係る成膜方法によれば、真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成する成膜方法において、前記ターゲットから放出されて特定方向に進む前記粒子をその質量別に選別し、選別された前記粒子のうち所望の質量を有する前記粒子を前記基板上に集めて堆積させることを特徴とするものである。

ここで、所定のイオンとは、例えばアルゴンイオンのことである。また、ターゲットとは、例えばアルミ、又はタングステン等の金属ターゲットのことである。このアルゴンイオン等の衝突によって金属ターゲットから放出される粒子（金属クラスタ）は、通常１０〜１０^３個の金属原子が３次元に集合した集合体であり、この金属クラスタの大きさ（質量）にはばらつきがある。

本発明に係る成膜方法によれば、ほぼ同質量の粒子だけを基板上に集めて堆積し膜を形成するので、この膜の膜質及び膜厚の均一性を向上させることができる。
本発明に係る第１のスパッタリング装置は、真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲットから放出されて特定方向に進む前記粒子だけを通過させ、その他の方向に進む前記粒子を捕獲する粒子選別手段と、前記粒子選別手段によって選別された前記粒子が次に通る前記チャンバ内の空間に前記特定方向と交わる向きの電界を形成する電界形成手段と、前記電界形成手段によって前記電界が形成される前記空間に前記粒子が到達する前に、当該粒子の表面をイオン化する粒子イオン化手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る第１のスパッタリング装置によれば、粒子イオン化手段によって表面がイオン化された粒子は、その大きさ（質量）が大きいものほどその内部にイオン化されていない原子を多く含むことになるので、粒子の大きさ（質量）が大きいものほどその単位質量当りの電荷量は小さい。従って、ターゲットから放出されて特定方向に進む粒子に当該特定方向と交わる向きの電界をかけることで、その進行方向をその大きさ（質量）に応じて変化させることができ、この粒子をその大きさ（質量）別に選別することができる。これにより、ほぼ同質量の粒子だけを基板上に集めて堆積し膜を形成することができるので、この膜の膜質及び膜厚の均一性を向上させることができる。

本発明に係る第２のスパッタリング装置は、真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲットから放出されて特定方向に進む前記粒子だけを通過させ、その他の方向に進む前記粒子を捕獲する粒子選別手段と、前記粒子選別手段によって選別された前記粒子が次に通る前記チャンバ内の空間に前記特定方向と交わる向きの磁界を形成する磁界形成手段と、前記磁界形成手段によって前記磁界が形成される前記空間に前記粒子が到達する前に、当該粒子の表面をイオン化する粒子イオン化手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る第２のスパッタリング装置によれば、ターゲットから放出されて特定方向に進む粒子に当該特定方向と交わる向きの磁界をかけることで、その進行方向をその大きさ（質量）に応じて変化させることができ、この粒子をその大きさ（質量）別に選別することができる。これにより、ほぼ同質量の粒子だけを基板上に集めて堆積し膜を形成することができるので、この膜の膜質及び膜厚の均一性を向上させることができる。

本発明に係る第３のスパッタリング装置は、上述した第１、第２のスパッタリング装置において、前記特定方向と交わる向きとは、当該特定方向と直交する向きであることを特徴とするものである。
本発明に係る第３のスパッタリング装置によれば、上述した第１、第２のスパッタリング装置において、特定方向に進む粒子に当該特定方向と直交する向きの力を最も効率良く伝えることができるので、この粒子の進行方向をその大きさ（質量）に応じて効率良く変化させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る成膜方法及びスパッタリング装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスパッタリング装置１００の構成例を示す概念図である。このスパッタリング装置１００は、真空チャンバ内で金属ターゲット材にアルゴンイオン等を衝突させ、当該金属ターゲット材から放出された金属クラスタをシリコンウエーハ上に堆積させて金属膜を形成する装置である。図１に示すように、このスパッタリング装置１００は、真空チャンバ１１と、マッチングボックス１３と、プレーナーターゲット１５と、高周波電源２１と、コリメータ２３と、一対の電極板２５と、基板ホルダ２７等から構成されている。

これらの中で、真空チャンバ１１は、例えば０．１〜１．０[Ｐａ]程度の真空状態を維持可能な成膜処理室である。この真空チャンバ１１は、図示しないロードロック室と、ガス供給系と、ガス排気系等に接続している。シリコンウエーハ上に金属膜を形成する場合には、密閉された真空チャンバ１１の内側にガス供給系を介してアルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。

また、図１に示すように、マッチングボックス１３は、真空チャンバ１１の内側に取り付けられている。このマッチングボックス１３は高周波電源に接続しており、プレーナーターゲット１５に高周波電圧をその値を制御しながら印加するものである。さらに、プレーナーターゲット１５は、真空チャンバ１１の内側に取り付けられており、マグネット１５ａと、このマグネット１５ａ上に取り付けられた金属ターゲット材１５ｂとから構成されている。この金属ターゲット材１５ｂは、例えばアルミ、又はタングステン等の金属材料からなるものである。

このマッチングボックス１３からプレーナーターゲット１５に高周波電圧が印加されると、このプレーナーターゲット１５から飛び出した電子が磁力線１７によって当該プレーナーターゲット１５の表面近傍にトラップされ、このプレーナーターゲット１５の表面近傍に高密度のプラズマ１９が形成される。アルゴンイオンの衝突によって任意の方向に放出された金属クラスタは、このプラズマ１９によってその表面近傍（表面及びその近傍）がイオン化される。この実施形態では、例えば、金属ターゲット材１５がアルミからなり、このプラズマによってアルミからなるクラスタがＡｌ^＋にイオン化したとする。

また、図１に示すコリメータ２３は、真空チャンバ１１内側の金属ターゲット材１５ｂと向かう位置に取り付けられている。このコリメータ２３は、金属ターゲット材１５ｂから放出されて当該コリメータ２３の入射口にほぼ垂直な入射角度で入ってきた金属クラスタの垂直成分だけを通過させ、斜めの入射角度で入ってきた金属クラスタの斜め成分を捕獲するものである。プラズマ１９によって、表面近傍がイオン化された金属クラスタは、このコリメータ１９にその入射口から入る。そして、このコリメータ１９に入った金属クラスタのうち、その垂直成分だけが当該コリメータ１９の内部を通過し出射口から出て、電極板２５に挟まれた空間３１へ進む。

図１に示すように、電極板２５は、正（＋）の電極板２５ａと、負（−）の電極板２５ｂとから構成されている。この電極板２５は、例えばコリメータ２３を挟んで金属ターゲット材１５ｂと向かい合う位置の空間３１を両サイドから挟み込むように、真空チャンバ１１の内側に取り付けられている。電極板２５ａ及び２５ｂ間の電圧値は、任意に設定することが可能である。

ところで、アルゴンイオン等の衝突によって金属ターゲット材から放出される多数の金属クラスタは、当該金属クラスタを構成する原子の数、即ち、当該クラスタの大きさ（質量）がそれぞれ異なる。この種の金属クラスタは、通常１０〜１０^３個の金属原子が３次元に集合した集合体であり、金属クラスタの大きさ（質量）には、例えば正規分布で現されるようなばらつきがある。

図３は、金属クラスタの大きさ（質量）のばらつきの一例を示す図である。図３において、横軸は金属クラスタの大きさ（質量）を示し、縦軸は金属クラスタの分布率を示す。図３において、例えば、金属クラスタの大きさ（質量）が平均値±３σの範囲内にあるものを金属クラスタ４０ｂとする。また、その大きさ（質量）が、平均値−３σよりも小さいものを金属クラスタ４０a、平均値＋３σよりも大きいものを金属クラスタ４０ｃとする。これらの金属クラスタ４０ａ〜４０ｃは、プラズマ１９（図１参照）によってその表面近傍がイオン化された状態で、図２に示すように、電極板２５ａ及び２５ｂに挟まれた空間３１へ進む。

ここで、金属クラスタ４０ａ〜４０ｃは、その大きさ（質量）が大きいものほどその内部にイオン化されていない原子を多く含んでいることが多く、金属クラスタ４０ａ〜４０ｃの単位質量当りの電荷量は、通常、その質量の大きいものほど小さい傾向がある。
具体的には、金属クラスタ４０ａの質量をＭ_ａとし、金属クラスタ４０ｂの質量をＭ_ｂとし、金属クラスタ４０ｃの質量をＭ_ｃとする。また、金属クラスタ４０ａが持つ電荷量をＱ_ａとする。金属クラスタ４０ｂが持つ電荷量をＱ_ｂとし、金属クラスタ４０ｃが持つ電荷量をＱ_ｃとする。このとき、金属クラスタ４０ａ〜４０ｃの単位質量当りの電荷量Ｑ/Ｍには、（Ｑ_ｃ／Ｍ_ｃ）＜（Ｑ_ｂ／Ｍ_ｂ）＜（Ｑ_ａ／Ｍ_ａ）の関係が成り立つ。そして、単位質量当りの電荷量Ｑ／Ｍが大きい金属クラスタほど、電界から影響を受け易い。

従って、図２に示すように、大きさ（質量）の小さい金属クラスタ４０ａは電界Ｅによってその進行方向が（−）側に大きく曲がり、大きさ（質量）の大きい金属クラスタ４０ｃはその進行方向があまり曲がらない。これにより、金属クラスタ４０ａ〜４０ｂをその大きさ（質量）別に選別することができる。
図２に示すように、スパッタリング装置１００では、大きさ（質量）が平均値±３σの範囲内にある金属クラスタ４０ｂの電界Ｅによって曲げられた進行方向の先に基板ホルダ２７が配置されている。また、この金属クラスタ４０ｂの電界Ｅによって曲げられた後の進行方向と、基板ホルダ２７上に配置されるシリコンウエーハ５０の表面とが直交するように、この基板ホルダ２７の傾きが調整されている。これにより、金属クラスタ４０ｂは、シリコンウエーハ５０の表面に対して垂直方向から当該シリコンウエーハ５０上に堆積する。また、異常な大きさ（質量）の金属クラスタ４０ａ及び４０ｃは、そのほとんどが基板ホルダ２７上から逸れるので、シリコンウエーハ５０上にほとんど堆積しない。

このように、本発明に係るスパッタリング装置１００によれば、プラズマ１９によって表面がイオン化された金属クラスタ４０ａ〜４０ｃは、その大きさ（質量）が大きいものほどその内部にイオン化されていない金属原子を多く含むので、金属クラスタの質量が大きいものほどその単位質量当りの電荷量は小さい。
従って、金属ターゲット材１５ｂから放出されて特定方向に進む金属クラスタ４０ａ〜４０ｃに当該特定方向と交わる向きの電界Ｅをかけることで、これらの金属クラスタ４０ａ〜４０ｃの進行方向をその大きさ（質量）に応じて変化させることができ、金属クラスタ４０ａ〜４０ｃをその大きさ（質量）別に選別することができる。これにより、ほぼ同質量の金属クラスタ４０ｂだけをシリコンウエーハ５０上に集めて堆積し金属膜を形成することができるので、この金属膜の膜質及び膜厚の均一性を向上させることができる。

この実施形態では、真空チャンバ１１が本発明のチャンバに対応し、金属ターゲット材１５ｂが本発明のターゲットに対応している。また、この金属ターゲット材１５に衝突させるアルゴンイオンが本発明の所定のイオンに対応し、特定方向に進む粒子が本発明の金属クラスタ４０ａ〜４０ｂに対応している。また、シリコンウエーハ５０が本発明の基板に堆積し、金属膜が本発明の膜に対応している。さらに、コリメータ２３が本発明の粒子選別手段に対応し、一対の電極板２５が本発明の電界形成手段に対応している。また、プレーナーターゲット１５が本発明の粒子イオン化手段に対応し、スパッタリング装置１００が本発明のスパッタリング装置に対応している。

なお、この実施形態では、特定方向に進む金属クラスタ４０ａ〜４０ｃに、当該特定方向と直交するような電界Ｅをかけて、その進行方向をそれぞれ別方向に曲げる場合について説明した。しかしながら、図４に示すように、これらの金属クラスタ４０ａ〜４０ｃに、特定方向と直交するような電界Ｅではなく、特定方向と直行するような磁界Ｂをかけても良い。この場合でも、上記の実施形態と同様に、金属クラスタ４０ａ〜４０ｂをその大きさ（質量）別に選別することができる。この磁界Ｂは、例えば図示しない永久磁石等によって発生させると良い。

実施形態に係るスパッタリング装置１００の構成例を示す概念図。 特定方向に進む金属クラスタ４０ａ〜４０ｂの一例を示す図。 金属クラスタの大きさ（質量）のばらつきの一例を示す図。 スパッタリング装置１００の他の構成例を示す概念図

符号の説明

１１ 真空チャンバ、１３ マッチングボックス、１５ プレーナーターゲット、１５ａ マグネット、１５ｂ 金属ターゲット材、１７ プラズマ、２１ 高周波電源、２３ コリメータ、２５ 電極板、２５ａ 電極板（＋）、２５ｂ 電極板（−）、２７ 基板ホルダ、３１ 空間、４０ａ〜４０ｃ、（特定方向に進む）金属クラスタ、５０ シリコンウエーハ、１００ スパッタリング装置

Claims (4)

1. 真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成する成膜方法において、
   前記ターゲットから放出されて特定方向に進む前記粒子をその質量別に選別し、
   選別された前記粒子のうち所望の質量を有する前記粒子を前記基板上に集めて堆積させることを特徴とする成膜方法。
2. 真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成するスパッタリング装置において、
   前記ターゲットから放出されて特定方向に進む前記粒子だけを通過させ、その他の方向に進む前記粒子を捕獲する粒子選別手段と、
   前記粒子選別手段によって選別された前記粒子が次に通る前記チャンバ内の空間に前記特定方向と交わる向きの電界を形成する電界形成手段と、
   前記電界形成手段によって前記電界が形成される前記空間に前記粒子が到達する前に、当該粒子の表面をイオン化する粒子イオン化手段と、を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
3. 真空状態のチャンバ内でターゲットに所定のイオンを衝突させ、当該ターゲットから放出された粒子を基板上に堆積させて膜を形成するスパッタリング装置において、
   前記ターゲットから放出されて特定方向に進む前記粒子だけを通過させ、その他の方向に進む前記粒子を捕獲する粒子選別手段と、
   前記粒子選別手段によって選別された前記粒子が次に通る前記チャンバ内の空間に前記特定方向と交わる向きの磁界を形成する磁界形成手段と、
   前記磁界形成手段によって前記磁界が形成される前記空間に前記粒子が到達する前に、当該粒子の表面をイオン化する粒子イオン化手段と、を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
4. 前記特定方向と交わる向きとは、当該特定方向と直交する向きであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスパッタリング装置。

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