JP2005232554A - スパッタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 埋め込み特性を向上させてステップカバレジを改善できるのみならず、金属ターゲット部材の片減りを抑制できるスパッタ装置を提供する。
【解決手段】 被処理体Ｗの表面にスパッタによって薄膜を形成するスパッタ装置において、真空引き可能になされた処理容器２２と、被処理体を保持するための保持台２６と、保持台に対向させて配置された平板状の金属ターゲット部材５４と、金属ターゲット部材に所定の電圧を印加する直流電源５６と、金属ターゲット部材の保持台に対向する面とは反対側の面側に配置されて処理容器内へ磁界を形成するための磁石手段５８と、磁石手段を前記金属ターゲット部材の実質的に全面に亘って移動させる磁石移動手段６２とを有し、磁石手段は、中心に位置される中心磁石部材６４と、中心磁石部材の極性とは反対の極性を有して中心磁石部材の周囲に配置された周辺磁石部材６６とよりなり、中心磁石部材と周辺磁石部材の内のいずれか一方の磁石部材の総磁気量を他方の磁石部材の総磁気量よりも大きく設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面に金属の薄膜を堆積させるスパッタ装置に関する。

一般に、半導体集積回路を製造するには、半導体ウエハ等の被処理体に、成膜処理、エッチング処理、熱処理、改質処理、結晶化処理等の各種の枚葉処理を繰り返し行って所望する集積回路を形成するようになっている。このような各種の処理の中で、例えば金属の薄膜を形成する場合には、主としてスパッタ装置が用いられている。このスパッタ装置は、グロー放電中においてアルゴン等の不活性ガスのイオンが陰極である金属ターゲットに衝突し、そこからスパッタされる金属粒子が対向して配置された半導体ウエハ（陽極）上に堆積する現象を利用して成膜する装置である。そして、最近のスパッタ装置では磁石を用い、この磁石からの磁界でプラズマを金属ターゲットの近傍に閉じ込めてスパッタ効率を高めるようになっている（例えば特許文献１）。

ここで従来のスパッタ装置の一例を説明する。図９は従来のスパッタ装置を示す概略構成図である。図示するように、このスパッタ装置では、真空排気が可能になされた処理容器２内に被処理体である例えば半導体ウエハＷを保持する保持台４を設け、この保持台４に対向させて成膜すべき金属材料よりなる金属ターゲット部材６を配置し、この金属ターゲット部材６に直流電源８よりマイナスの電圧を印加している。そして、この金属ターゲット部材６は非磁性の金属よりなり、この上面側に例えば回転可能に複数の磁石１０を設けて、この磁石１０の磁界１２を処理容器２内に形成するようになっている。そして、処理容器２内に、Ａｒガス等を導入すると、グロー放電によって発生するＡｒガスのプラズマが上記磁界１２に閉じ込められ、プラズマ中のＡｒガスのイオンが金属ターゲット部材６に衝突すると金属粒子が叩き出されてこれがウエハＷの表面に堆積して薄膜を形成するようになっている。

特開２００１−７７０５２号公報

ところで、上記したようなスパッタ装置では、金属ターゲット部材６の上面側に配置された磁石１０は固定的に定まった軌跡に沿ってしか移動できず、このため、例えば半導体ウエハ表面のビアホールやスルホール等の凹凸部分を埋め込む場合に、埋め込み特性、すなわちステップカバレジが劣化するという問題があるのみならず、金属ターゲット部材６の下面の特定の部位１４が大きく削られてしまい、金属ターゲット部材６の片減りが生じてこの交換頻度が多くなってしまう、といった問題もあった。
上記問題を解決するために、前述した特許文献１では、金属ターゲット部材６に面している磁石１０のＮ極とＳ極との総磁気量を異ならせた技術（非平衡型マグネット）も開示されているが、十分な解決策ではなかった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、埋め込み特性を向上させてステップカバレジを改善できるのみならず、金属ターゲット部材の片減りを抑制できるスパッタ装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被処理体の表面にスパッタによって薄膜を形成するスパッタ装置において、真空引き可能になされた処理容器と、前記被処理体を保持するために前記処理容器内に設けた保持台と、前記保持台に対向させて配置された平板状の金属ターゲット部材と、前記金属ターゲット部材に所定の電圧を印加する直流電源と、前記金属ターゲット部材の前記保持台に対向する面とは反対側の面側に配置されて前記処理容器内へ磁界を形成するための磁石手段と、前記磁石手段を前記金属ターゲット部材の実質的に全面に亘って移動させる磁石移動手段とを有し、前記磁石手段は、中心に位置される中心磁石部材と、前記中心磁石部材の極性とは反対の極性を有して前記中心磁石部材の周囲に配置された周辺磁石部材とよりなり、前記中心磁石部材と前記周辺磁石部材の内のいずれか一方の磁石部材の総磁気量を他方の磁石部材の総磁気量よりも大きく設定するように構成したことを特徴とするスパッタ装置である。

このように、磁石手段として中心磁石部材とこれを囲むようにして周辺磁石部材とを設け、いずれか一方の磁石部材の総磁気量を、他方の磁石部材の総磁気量よりも大きく設定し、この磁石手段を金属ターゲット部材の実質的に全面に亘って移動させるようにしたので、埋め込み特性を向上させてステップカバレジを改善できるのみならず、金属ターゲット部材の片減りを抑制してこの交換頻度を少なくできる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記中心磁石部材の他端と前記周辺磁石部材の他端とは磁性材料よりなる連結板により取り付けられている。
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記周辺磁石部材は、前記中心磁石部材を囲むようにしてリング状に配列された複数の磁石よりなる。
この場合、例えば請求項４に規定するように、前記周辺磁石部材は、円筒体状に成形された１つの筒体状磁石よりなる。

この場合、例えば請求項５に規定するように、前記移動手段は、前記磁石手段を渦巻き状に移動させる。
この場合、例えば請求項６に規定するように、前記移動手段は、前記磁石手段を実質的に線速度が一定となるように移動させる。
この場合、例えば請求項７に規定するように、前記保持台には、加熱ヒータが設けられる。

この場合、例えば請求項８に規定するように、前記保持台には、静電チャックが設けられる。
この場合、例えば請求項９に規定するように、前記保持台には、バイアス電圧が印加されている。
この場合、例えば請求項１０に規定するように、前記移動手段は、前記金属ターゲット部材の中心部に回転可能に配置された回転基台と、前記回転基台より前記金属ターゲット部材の半径方向に延びて正逆回転可能になされたスクリュー棒と、前記磁石手段を保持すると共に前記スクリュー棒に螺合されて前記スクリュー棒の回転によって移動する移動体と、よりなる。

本発明に係るスパッタ装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
磁石手段として中心磁石部材とこれを囲むようにして周辺磁石部材とを設け、いずれか一方の磁石部材の総磁気量を、他方の磁石部材の総磁気量よりも大きく設定し、この磁石手段を金属ターゲット部材の実質的に全面に亘って移動させるようにしたので、埋め込み特性を向上させてステップカバレジを改善できるのみならず、金属ターゲット部材の片減りを抑制してこの交換頻度を少なくできる。

以下に、本発明に係るスパッタ装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るスパッタ装置の一例を示す構成図、図２は磁石移動手段に取り付けられている磁石手段を示す概略側面図、図３は磁石手段を示す下面図、図４は磁石移動手段の一例を示す構成図である。
図示するように、このスパッタ装置２０は、真空ポンプ（図示せず）により真空引き可能になされた筒体状の処理容器２２を有しており、この処理容器２２は例えばアルミニウムやステンレスチール等により形成されて、アースされている。この処理容器２２の底部の周辺部には、図示しない排気系に接続される排気口２４が設けられ、これより処理容器２２内が真空引きされる。また，この処理容器２２内には、例えばアルミニウム等よりなる保持台２６が容器底部より起立させて設けた支柱２８上に取り付けられており、この保持台２６の上面側に被処理体として例えば半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。

上記保持台２６には、複数、例えば３つのピン挿通孔３０（図示例では２つのみ記す）が形成されており、各ピン挿通孔３０には、その下端部が円弧状の支持部材３２に支持されたリフトピン３４が上方へ出没可能に設けられている。上記支持部材３２は、容器底部を貫通する昇降ロッド３６に連結されており、この昇降ロッド３６を上下に昇降させることによって上記リフトピン３４を保持台２６上から出没させて、上記ウエハＷの持ち上げ、持ち下げを行ってウエハＷの受け渡しができるようになっている。また上記昇降ロッド３６の容器底部に対する貫通部には、伸縮可能になされた金属製のベローズ３８が設けられており、容器内の気密性を維持しつつ上記昇降ロッド３６の昇降を許容するようになっている。

また処理容器２２の側壁には、ウエハＷを処理容器２２内へ搬出入する際に開閉されるゲートバルブ４０が設けられると共に、不活性ガスとして例えばＡｒガスを導入するガス導入手段であるガス導入ノズル４２を設けて、処理容器２２内へＡｒガスを導入するようになっている。上記不活性ガスとしては、Ａｒガスに代えて、ＨｅガスやＮｅガスやＫｒガスやＸｅガス等も用いることができる。また反応性スパッタを行う時には、Ｎ_２ ガス等を導入することになる。
そして、処理容器２２の天井部には、絶縁材４４を介して例えばアルミニウム等よりなる天井板４６が気密に設けられており、この中央部には大口径のターゲット取付口４８が形成されている。この天井板４６の内側周縁部には、いわゆるダークスペースシールド４９が形成されている。またターゲット取付口４８には、ターゲット取付治具５０がＯリング等のシール部材５２により気密に設けられ、このターゲット取付治具５０に上記保持台２６に対向させるようにして平板状の金属ターゲット部材５４が着脱可能に取り付けられている。この金属ターゲット部材５４の直径は、ウエハＷの直径よりも大きく設定される。

また金属ターゲット部材５４はウエハＷ上に成膜すべき金属材料よりなり、例えばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ等より必要に応じて選択されるが、ここでは例えばＡｌが用いられる。そして、この金属ターゲット部材５４には、これに所定の可変になされた直流の電圧を印加するための直流電源５６が接続されており、−２００Ｖ〜−１５００Ｖの負電圧を必要に応じて印加できるようになっている。
そして、金属ターゲット部材５４の上面側、すなわち上記保持台２６に対向する面とは反対側面に本発明の特徴とする磁石手段５８が配置されており、処理容器２２内の処理空間Ｓに磁界６０（図２参照）を形成するようになっている。この磁石手段５８は、磁石移動手段６２に取り付けられており、この磁石手段５８を上記金属ターゲット部材５４の実質的に全面に亘って移動できるようになっている。

具体的には、上記磁石手段５８は、図２及び図３に示すように中心に位置される中心磁石部材６４と、この中心磁石部材６４の周囲に配置された周辺磁石部材６６とにより形成されている。図示例では、上記中心磁石部材６４は直径の大きな１本の棒状の永久磁石６４Ａよりなり、そのＳ極を金属ターゲット部材５４に接近させて配置している。これに対して、上記周辺磁石部材６６は、上記中心磁石部材６４の周囲を囲むようにしてリング状に配列された直径の小さな複数、図示例では８本の棒状の永久磁石６６Ａよりなり、上記永久磁石６４Ａとは逆にそのＮ極を金属ターゲット部材５４に接近させて配置している。上記永久磁石６６Ａの数は８本に限定されないし、Ｎ極の外周を磁性体金属で囲むようにしてもよい。

ここで重要な点は、金属ターゲット部材５４に接近している磁極において、Ｎ極の極性の磁石部材、すなわちここでは周辺磁石部材６６のＮ極の総磁気量を、Ｓ極の極性の磁石部材、すなわちここでは中心磁石部材６４のＳ極の総磁気量よりも大きく設定している。換言すれば、Ｎ極の総磁気量（総磁束数）をＳ極の総磁気量（総磁束数）よりも大きく設定して非平衡状態としている。例えばＮ極は５０〜２０００ガウス程度であるのに対して、Ｓ極はその１／３〜１／４程度の大きさに設定している。このように、Ｎ極とＳ極との総磁気量を非平衡状態に設定することにより、下方のウエハＷ側へ直接的に向かう磁束が多くなる。また上記中心磁石部材６４の他端である上端と周辺磁石部材６６の他端である上端は、磁性材料よりなる速結板６８にそれぞれ取り付け固定されている。

一方、上記磁石移動手段６２は、上記金属ターゲット部材５４の中心部に回転可能に配置された回転基台７０と、この回転基台７０より上記金属ターゲット部材５４の半径方向に延びて正逆回転可能になされたスクリュー棒７２と、上記スクリュー棒７２に螺合されてこのスクリュー棒７２の回転によって移動する移動体７４とにより主に構成されており、この移動体７４に上記磁石手段５８を取り付け固定している。具体的には、図４に示すように上記回転基台７０は、箱状に形成されており、この回転基台７０は、間に軸受７６を介して互いに回転自在になされた２軸同軸構造の下端部に取り付けられている。ここで図１にも示すように、２軸同軸構造の外軸８０Ａは、歯車機構７８を介して正逆回転可能な第１モータ８０に連結され、中軸８０Ｂは正逆回転可能な第２モータ８２に連結されている。

また図４に示すように、上記スクリュー棒７２の基端部側は、軸受８４を介して回転基台７０に対して回転自在に取り付け、このスクリュー棒７２の基端と上記中軸８０Ｂの下端とは傘歯車機構８６を介して回転力を伝達するように構成されている。従って、上記外軸８０Ａを回転させることによって上記スクリュー棒７２は、上記金属ターゲット部材５４の中心部の上方においてその基端部を支点として旋回し、また、中軸８０Ｂを正逆回転させると上記磁石手段５８がスクリュー棒７２に沿って往復移動し、結果的に、磁石手段５８を金属ターゲット部材５４の全面に亘って移動させることができるようになっている。

次に、以上のように構成されたスパッタ装置の動作について図５及び図６も参照して説明する。
図５は磁石手段の移動軌跡の一例を示す図、図６は磁石手段からの磁束の方向と成膜レートとの関係を示す模式図である。まず図１に示すように、半導体ウエハＷを処理容器２２内に搬入してこれを保持台２６上に載置する。そして処理容器２２内を真空引きしつつガス導入ノズル４２より不活性ガスとして例えばＡｒガスを導入して処理容器２２内を所定の圧力に維持する。そして、これと同時に、直流電源５６より金属ターゲット部材５４にマイナスの電圧を印加してグロー放電を部分的に生ぜしめてここにプラズマを立ててスパッタ成膜を開始する。ここでマイナスの印加電圧は、グロー放電の着火時は例えば−６００〜−１５００Ｖ程度の電圧であり、安定時は例えば−２００〜−６００Ｖ程度の電圧である。スパッタ成膜時には、磁石移動手段６２を駆動して磁石手段５８を、金属ターゲット部材５４の略全面に亘って移動させる。この時の移動軌跡の一例は、図５に示されており、例えば図５（Ａ）に示すように渦巻き状に外から内へ、或いは逆に内から外へ往復移動させるようにしてもよいし、図５（Ｂ）に示すように、同心円状に移動させるようにしてもよく、実質的に全面に移動できるならば、その移動軌跡は問わない。そして磁石手段５８の磁界により部分的に発生しているプラズマは、金属ターゲット部材５４の近傍に閉じ込められ、このプラズマ中のＡｒイオンが金属ターゲット部材５４をスパッタすると金属粒子が叩き出され、この金属粒子がウエハ表面に堆積して金属薄膜が形成される。

ここで図２及び図６に示すように、上記磁石手段５８は前述したように周辺磁石部材６６のＮ極の総磁気量を中心磁石部材６４のＳ極の総磁気量よりも大きく設定しているので、ウエハＷの方向に直線的に向かう磁界６０Ａの成分が多くなり、この磁界６０Ａに沿って旋回運動する電子が金属粒子イオンと引き込み、そのままプラス極であるウエハＷの表面に引き込まれて行くことになる。従って、本発明の非平衡型マグネット式の装置は、Ｎ極とＳ極の総磁気量が同じである従来の平衡型マグネット式のスパッタ装置に比べて、指向性の高い金属粒子が生ずるので、上記磁石手段５８の直下の成膜レート（図６参照）がその周辺部の成膜レートよりも大きくなる。この結果、このような成膜レートの指向性の高い磁石手段５８を金属ターゲット部材５４の略全表面に亘って移動させるので、ウエハ表面の凹凸の埋め込み特性を向上させてステップカバレジを改善することができ、しかも金属ターゲット部材５４が片減りするのを抑制することができる。従って、金属ターゲット部材５４のメンテナンス頻度も少なくすることができる。

この時のプロセス条件は、プロセス圧力は例えば０．１ｍＴｏｒｒ（０．０１３３Ｐａ）〜１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）程度の範囲である。また上記磁石手段５８の直径Ｌ１（図２参照）は金属ターゲット部材５４の半径Ｒ１（図１参照）の１／２〜１／４程度の範囲が望ましい。また、図５に示すように磁石手段５８を渦巻き状、或いは同心円状に動かす場合には、第１及び第２モータ８０、８２の回転数を制御して、磁石手段５８の移動の線速度を略一定にして単位面積当たりの滞在時間を均一化させるのが、膜厚の面内均一性を向上させる上から好ましい。
上記実施例では、図２及び図３に示すように周辺磁石部材６６として複数の棒状の永久磁石６６Ａを用いたが、これに限定されず、図７に示すように周辺磁石部材６６として、例えば円筒体状に成形された１つの円筒体状磁石９０を用いるようにしてもよい。この場合にも、Ｓ極よりもＮ極の極性の総磁気量が大きくなるように設定するのは勿論である。

また図２及び図３に示す磁石手段５８では、中心磁石部材６４にＳ極を配置し、周辺磁石部材６６としてＮ極を配置したが、図８に示すようにこれらを逆に配列してもよい。図８は磁石手段の他の変形例を示す図であり、図８（Ａ）は概略側面図を示し、図８（Ｂ）は下面図を示す。すなわち、図８に示す磁石手段５８では、中心磁石部材６４として下方がＮ極となる棒状の永久磁石６４Ｃを配置し、その周囲に、周辺磁石部材６６として下方がＳ極となる複数の棒状の永久磁石６４Ｄをリング状に配置している。尚、この周辺磁石部材６６を円筒状の１つの永久磁石で構成してもよいのは前述した通りである。この場合にも、Ｎ極の総磁気量はＳ極の総磁気量よりも大きくなるように設定し、この結果、磁石手段５８から下方のウエハに向けて直線的に延びる磁界が多くなる。

更に、今まではＮ極の総磁気量がＳ極の総磁気量よりも大きい場合について述べてきたが、このらの関係は逆であってもよい。すなわち、Ｓ極の総磁気量がＮ極の総磁気量よりも大きくなるように設定してもよい。この場合には、ウエハＷの方向に直線的に向かう磁界６０Ａの向きが反対になり、この磁界６０Ａに沿って旋回運動する電子の回転方向が逆向きになるだけである。
また図４に示す磁石移動手段６２は単に一例を示したに過ぎず、磁石手段５８を金属ターゲット部材５４の略全面に移動できる構成ならば、どうのような構成でもよい。更には、保持台２６には、ウエハＷを加熱する加熱ヒータを設けるようにしてもよいし、更には保持台２６の表面にウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャックを設けるようにしてもよい。また更には、この保持台２６に高周波、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧のバイアス電圧を印加して、金属粒子の引き込み力を大きくしてウエハへの成膜レートを向上させるようにしてもよい。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも本発明を適用し得るのは勿論である。

本発明に係るスパッタ装置の一例を示す構成図である。 磁石移動手段に取り付けられている磁石手段を示す概略側面図である。 磁石手段を示す下面図、図４は磁石移動手段の一例を示す構成図である。 磁石移動手段の一例を示す構成図である。 磁石手段の移動軌跡の一例を示す図である。 磁石手段からの磁束の方向と成膜レートとの関係を示す模式図である。 磁石手段の周辺磁石部材の変形例を示す斜視図である。 磁石手段の他の変形例を示す図である。 従来のスパッタ装置を示す概略構成図である。

符号の説明

２０ スパッタ装置
２２ 処理容器
２６ 保持台
４２ ガス導入ノズル（ガス導入手段）
５４ 金属ターゲット部材
５６ 直流電源
５８ 磁石手段
６２ 磁石移動手段
６４ 中心磁石部材
６４Ａ 永久磁石
６６ 周辺磁石部材
６６Ａ 永久磁石
６８ 連結板
７０ 回転基台
７２ スクリュー棒
７４ 移動体
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (10)

1. 被処理体の表面にスパッタによって薄膜を形成するスパッタ装置において、
   真空引き可能になされた処理容器と、
   前記被処理体を保持するために前記処理容器内に設けた保持台と、
   前記保持台に対向させて配置された平板状の金属ターゲット部材と、
   前記金属ターゲット部材に所定の電圧を印加する直流電源と、
   前記金属ターゲット部材の前記保持台に対向する面とは反対側の面側に配置されて前記処理容器内へ磁界を形成するための磁石手段と、
   前記磁石手段を前記金属ターゲット部材の実質的に全面に亘って移動させる磁石移動手段とを有し、
   前記磁石手段は、
   中心に位置される中心磁石部材と、
   前記中心磁石部材の極性とは反対の極性を有して前記中心磁石部材の周囲に配置された周辺磁石部材とよりなり、
   前記中心磁石部材と前記周辺磁石部材の内のいずれか一方の磁石部材の総磁気量を他方の磁石部材の総磁気量よりも大きく設定するように構成したことを特徴とするスパッタ装置。
2. 前記中心磁石部材の他端と前記周辺磁石部材の他端とは磁性材料よりなる連結板により取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
3. 前記周辺磁石部材は、前記中心磁石部材を囲むようにしてリング状に配列された複数の磁石よりなることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタ装置。
4. 前記周辺磁石部材は、円筒体状に成形された１つの筒体状磁石よりなることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタ装置。
5. 前記移動手段は、前記磁石手段を渦巻き状に移動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスパッタ装置。
6. 前記移動手段は、前記磁石手段を実質的に線速度が一定となるように移動させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスパッタ装置。
7. 前記保持台には、加熱ヒータが設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスパッタ装置。
8. 前記保持台には、静電チャックが設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のスパッタ装置。
9. 前記保持台には、バイアス電圧が印加されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のスパッタ装置。
10. 前記移動手段は、
    前記金属ターゲット部材の中心部に回転可能に配置された回転基台と、
    前記回転基台より前記金属ターゲット部材の半径方向に延びて正逆回転可能になされたスクリュー棒と、
    前記磁石手段を保持すると共に前記スクリュー棒に螺合されて前記スクリュー棒の回転によって移動する移動体と、よりなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のスパッタ装置。
    
    

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