JP2009120868A

JP2009120868A - Sputtering apparatus

Info

Publication number: JP2009120868A
Application number: JP2007293056A
Authority: JP
Inventors: Yasuhei Takahashi; 泰平高橋
Original assignee: Eiko Engineering Co Ltd
Current assignee: Eiko Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-06-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To deposit a thin film of a uniform thickness on a substrate by unifying the pressure of gas molecules ionized in a discharge area between a substrate 5 and a target 3, and uniformly colliding the ionized charged particles with the target 3. <P>SOLUTION: In a sputtering apparatus, the target 3 is arranged in a vacuum chamber 1, gas is fed into the vacuum chamber 1 to form a lean gas atmosphere, the lean gas is ionized, ionized charged particles are collided with the target 3, and thus, the particles generated from the target 3 are deposited on the substrate 5 opposing the target 3 to deposit a thin film. An orifice 22 having a large number of small holes are provided in a nozzle 9 for feeding the lean gas into the vacuum chamber 1. The diameter of the small holes of the orifice 22 is adequately 0.5-1 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、真空チャンバ内で高エネルギーの粒子をターゲットに衝突し、これによりターゲットからそれを構成する材料分子を発射させるスパッタリング装置に関し、放電領域内において電離するガスの圧力を均等化し、基板上に均一な膜厚の薄膜を形成することが出来るようにしたスパッタリング装置に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus in which high-energy particles collide with a target in a vacuum chamber, thereby firing material molecules constituting the target from the target, and the pressure of gas ionized in the discharge region is equalized on the substrate. The present invention relates to a sputtering apparatus capable of forming a thin film having a uniform film thickness.

スパッタリング法により、半導体ウエハ等の基板の上に薄膜を形成する場合、真空チャンバ内において、ターゲットをスパッタリングし、基板上に成膜する。従来において、前述のようにターゲットをスパッタリングして成膜する場合、予め真空チャンバの中にターゲットを配置し、真空チャンバ内にアルゴン等の不活性ガスを導入すると共に、グロー放電、プラズマ放電或いはマグネトロン放電により希薄ガスを電離し、発生したイオンをカソード側に配置したターゲットに衝突させる。イオンが衝突したターゲットからスパッタリング現象により粒子が放出され、この粒子が基板の表面状に凝着して薄膜を形成する。 When a thin film is formed on a substrate such as a semiconductor wafer by sputtering, a target is sputtered in a vacuum chamber to form a film on the substrate. Conventionally, when a target is formed by sputtering as described above, the target is previously placed in a vacuum chamber, an inert gas such as argon is introduced into the vacuum chamber, and glow discharge, plasma discharge, or magnetron is introduced. The diluted gas is ionized by discharge, and the generated ions collide with a target disposed on the cathode side. Particles are released from the target bombarded by the ions by a sputtering phenomenon, and these particles adhere to the surface of the substrate to form a thin film.

このようなスパッタリング装置は、半導体ウエハ等の基板上に薄膜パターンを形成するために使用されている。半導体ウエハ等の製造プロセスでは、基板が年々大面積化する傾向にある。そこで問題となるのが、基板上の薄膜の膜厚分布である。半導体デバイス等の均質性を確保するためには、半導体ウエハ等の基板の全表面にわたって均質で且つ均等な膜厚を有する薄膜を形成する必要がある。 Such a sputtering apparatus is used to form a thin film pattern on a substrate such as a semiconductor wafer. In the manufacturing process of semiconductor wafers and the like, the substrate tends to increase in area year by year. Therefore, the problem is the film thickness distribution of the thin film on the substrate. In order to ensure the homogeneity of a semiconductor device or the like, it is necessary to form a thin film having a uniform and uniform film thickness over the entire surface of a substrate such as a semiconductor wafer.

基板上に均等な膜厚の薄膜を形成するための条件の一つとして、基板とターゲットとの間の放電領域に均等な圧力の希薄ガス雰囲気を形成することが必要である。従来のスパッタリング装置では、マスフローコントローラにより精密に流量制御してガスを真空チャンバ内に導入している。しかし、従来のスパッタリング装置におけるガス導入流路は、単なるパイプ状のものであったり、基板とターゲットとの間の放電領域を囲むように配置したリング状のものであった。
しかし、こられらのガス導入流路により放電領域に導入されたガスは、基板とターゲットとの間の放電領域において圧力が偏在化する。その結果、基板上に均一な膜厚の薄膜を形成することが困難であった。 As one of the conditions for forming a thin film with a uniform thickness on the substrate, it is necessary to form a rare gas atmosphere with a uniform pressure in the discharge region between the substrate and the target. In the conventional sputtering apparatus, the gas is introduced into the vacuum chamber by precisely controlling the flow rate with a mass flow controller. However, the gas introduction flow path in the conventional sputtering apparatus has a simple pipe shape or a ring shape arranged so as to surround the discharge region between the substrate and the target.
However, the pressure of the gas introduced into the discharge region by these gas introduction channels is unevenly distributed in the discharge region between the substrate and the target. As a result, it was difficult to form a thin film having a uniform thickness on the substrate.

特開平５−２３０６４０号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-230640 特開平７−１６９７０３号公報JP 7-169703 A 特開平８−１７７３５号公報JP-A-8-17735

本発明は、このような従来のスパッタリング装置における課題に鑑み、基板とターゲットとの間の放電領域内において電離するガス分子の圧力を均等化し、これにより電離した荷電粒子をターゲットに均等の衝突させて、基板上に均等な膜厚の薄膜を形成することが出来るスパッタリング装置を提供することを目的とする。 In view of the problems in such a conventional sputtering apparatus, the present invention equalizes the pressure of gas molecules to be ionized in the discharge region between the substrate and the target, thereby causing the ionized charged particles to uniformly collide with the target. An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus capable of forming a thin film having a uniform thickness on a substrate.

本発明では前記の目的の目的を達成するため、ノズル９に設けた多数の小孔を有するオリフィス２２を通して真空チャンバ１内に希薄ガスを供給し、この希薄ガスをターゲット３と基板５が対向する放電領域中に均一に分散し、電離して発生した荷電粒子をターゲット３に衝突させ、ターゲット３から放出される粒子により、基板上に均等な膜厚の薄膜を形成するようにした。 In the present invention, in order to achieve the above object, a rare gas is supplied into the vacuum chamber 1 through an orifice 22 having a large number of small holes provided in the nozzle 9, and the target 3 and the substrate 5 face each other. Charged particles that were uniformly dispersed in the discharge region and generated by ionization collided with the target 3, and a thin film having a uniform thickness was formed on the substrate by the particles emitted from the target 3.

本発明によるスパッタリング装置は、真空チャンバ１内にターゲット３を配置し、同真空チャンバ１内にガスを供給して希薄ガス雰囲気とすると共に、この希薄ガスを電離し、電離した荷電粒子を前記ターゲット３に衝突させて、これによりターゲット３から発生して粒子をターゲット３と対向する基板５上に堆積させて薄膜を形成するものである。ここで、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設ける。オリフィス２２の小孔の径は０．５μｍ〜１μｍが適当である。 In the sputtering apparatus according to the present invention, a target 3 is arranged in a vacuum chamber 1 and a gas is supplied into the vacuum chamber 1 to form a diluted gas atmosphere. The diluted gas is ionized, and the ionized charged particles are extracted from the target. 3, thereby generating particles from the target 3 and depositing particles on the substrate 5 facing the target 3 to form a thin film. Here, an orifice 22 having a large number of small holes is provided in the nozzle 9 for supplying a rare gas into the vacuum chamber 1. The diameter of the small hole of the orifice 22 is suitably 0.5 μm to 1 μm.

このような本発明によるスパッタリング装置では、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設けることにより、ターゲット３と基板５が対向する放電領域に希薄ガス分子を均一に分散することが出来る。これにより、放電領域の希薄ガス分子を均一に電離してイオン化し、これをターゲット３に衝突させることが出来る。このため、ターゲットから発生する均一な粒子を基板５に飛来させることが可能となり、基板５の全面にわたって均一な膜厚の薄膜を形成することが出来る。 In such a sputtering apparatus according to the present invention, an orifice 22 having a large number of small holes is provided in the nozzle 9 for supplying a dilute gas in the vacuum chamber 1, so that a dilute gas molecule is formed in a discharge region where the target 3 and the substrate 5 face each other. Can be uniformly dispersed. As a result, the rare gas molecules in the discharge region can be uniformly ionized and ionized, and collide with the target 3. For this reason, uniform particles generated from the target can be made to fly to the substrate 5, and a thin film having a uniform film thickness can be formed over the entire surface of the substrate 5.

以上説明した通り、本発明によるスパッタリング装置では、基板５の全面にわたって均一な膜厚の薄膜を形成することが出来ることにより、大きな面積の基板５においても、膜厚分布のバラツキが無く、最大膜厚と最小膜厚の差を小さくすることが出来る。これにより、大きな面積の基板５に均等な膜厚の薄膜を形成することが可能となり、生産性の向上を図ることが出来る。 As described above, the sputtering apparatus according to the present invention can form a thin film having a uniform film thickness over the entire surface of the substrate 5. The difference between the thickness and the minimum film thickness can be reduced. This makes it possible to form a thin film with a uniform thickness on the substrate 5 having a large area, and to improve productivity.

本発明では、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設け、放電領域中の希薄ガス分子を均一に電離してイオン化し、基板５の全面にわたって均等な膜厚の薄膜を形成することを可能とした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。 In the present invention, an orifice 22 having a large number of small holes is provided in a nozzle 9 for supplying a rare gas into the vacuum chamber 1, and the rare gas molecules in the discharge region are uniformly ionized and ionized, and evenly over the entire surface of the substrate 5. It was possible to form a thin film with a sufficient thickness.
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to examples.

図１は、本発明の一実施例であるスパッタリング装置を示す概略断面図である。
真空チャンバ１の内部には、ターゲット３が配置される。このターゲット３は、真空チャンバ１の下の外部から上下運動を導入する形式の上下移動機構２の上に載せられ、基板５と対向する位置に設けられたターゲットホルダまで搬送され、同ホルダに保持される。 FIG. 1 is a schematic sectional view showing a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
A target 3 is disposed inside the vacuum chamber 1. The target 3 is placed on a vertical movement mechanism 2 of a type that introduces vertical movement from the outside under the vacuum chamber 1, transported to a target holder provided at a position facing the substrate 5, and held by the holder. Is done.

真空チャンバ１の中の前記ターゲット３ホルダ１７の真上には、基板ホルダが配置され、この基板ホルダの下面に基板５が保持される。この基板５は、前記ターゲット３と上下に対向する。ホルダ５は、真空チャンバ１の上の外部から上下運動を導入する形式の昇降機構７により上下動される。さらに、基板５の下には、シャッタ６が設けられ、このシャッタ６は駆動機構８により開閉操作される。
スパッタリング装置には図示していないスパッタ電源を備えており、ターゲット３はその電源のカソード側の配置され、基板５はアノード側に配置される。 A substrate holder is disposed immediately above the target 3 holder 17 in the vacuum chamber 1, and the substrate 5 is held on the lower surface of the substrate holder. The substrate 5 faces the target 3 in the vertical direction. The holder 5 is moved up and down by an elevating mechanism 7 of a type that introduces up and down movement from outside the vacuum chamber 1. Further, a shutter 6 is provided below the substrate 5, and the shutter 6 is opened and closed by a drive mechanism 8.
The sputtering apparatus includes a sputtering power source (not shown), the target 3 is disposed on the cathode side of the power source, and the substrate 5 is disposed on the anode side.

真空チャンバ１の側方には、フランジ継手１９を介してターボ分子ポンプ１６とロータリーポンプ１７が接続され、これらの排気手段により真空チャンバ１内が高度の真空状態に排気される。また、真空チャンバ１の側方には、フランジ継手１８を介して真空ゲージ１５が接続され、真空チャンバ１内の真空度が計測、監視される。 A turbo molecular pump 16 and a rotary pump 17 are connected to the side of the vacuum chamber 1 via a flange joint 19, and the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated to a high vacuum state by these exhaust means. A vacuum gauge 15 is connected to the side of the vacuum chamber 1 via a flange joint 18 to measure and monitor the degree of vacuum in the vacuum chamber 1.

また真空チャンバ１の側方には、フランジ継手２０を通してノズル２１が挿入されている。このノズル２１の先端部９は、ターゲット３と基板５が対向する放電領域の近傍に挿入されている。このノズル２１には、マスフローコントローラ１１を介して流量制御されながら、ガス供給源１４からアルゴンガス等の不活性ガスが真空チャンバ１内のターゲット３と基板５が対向する放電領域に導入される。マスフローコントローラ１１の前後にはガスの供給を開放・遮断するバルブ１０、１２が設けられ、さらにマスフローコントローラ１１を通らないバイパス流路にもバルブ１４が設けられている。 A nozzle 21 is inserted on the side of the vacuum chamber 1 through a flange joint 20. The tip 9 of the nozzle 21 is inserted in the vicinity of the discharge region where the target 3 and the substrate 5 face each other. An inert gas such as argon gas is introduced into the nozzle 21 from the gas supply source 14 into the discharge region where the target 3 and the substrate 5 in the vacuum chamber 1 face each other while the flow rate is controlled via the mass flow controller 11. Before and after the mass flow controller 11, valves 10 and 12 for opening and shutting off the gas supply are provided, and a valve 14 is also provided in a bypass channel that does not pass through the mass flow controller 11.

図２は、このノズル２１の先端部９の構造を示す分解斜視図である。
ノズル２１の先端部９には、ネジ継手２３が設けられ、このネジ継手２３に通されたノズル２１の先端部に円板状のオリフィス２２が取り付けられる。このオリフィス２２はフランジ付円筒状の押え部材２４によりノズル２１に押えられ、これが雌ネジ付キャップ状の固定部材２５の内側に嵌め込まれ、この固定部材２５が前記ネジ継手２３にねじ込まれることにより、オリフィス２２がノズル２１の先端面に固定される。 FIG. 2 is an exploded perspective view showing the structure of the tip 9 of the nozzle 21.
A screw joint 23 is provided at the tip 9 of the nozzle 21, and a disc-shaped orifice 22 is attached to the tip of the nozzle 21 that is passed through the screw joint 23. The orifice 22 is pressed against the nozzle 21 by a cylindrical holding member 24 with a flange, which is fitted inside a cap-like fixing member 25 with a female screw, and the fixing member 25 is screwed into the screw joint 23. The orifice 22 is fixed to the tip surface of the nozzle 21.

オリフィス２２は、薄い金属板に細かい多数の小孔を穿孔したもので、この金属板がリング状のフランジの中に張られている。小孔の径は０．５μｍ〜１μｍであり、この小孔を通してノズル２１側から真空チャンバ１内にアルゴン等の不活性ガスが導入される。小孔の径が０．５μｍ以下であると、アルゴン等の不活性ガスの通りが悪く、ターゲット３と基板５が対向する放電領域に必要とする十分な不活性ガスを供給することが出来ない。このため、成膜速度が極端に遅くなる。小孔の径が０．５μｍ以上であれば、このような問題は無く、放電領域に必要とする十分な不活性ガスを供給することが出来る。他方、小孔の径が１μｍを越えると、オリフィス２２によるガスの分散効果が無くなり、基板５の膜厚分布が悪くなる。すなわち、基板５上の最大膜厚と最小膜厚の差を小さくすることが出来ない。 The orifice 22 is formed by drilling a large number of small holes in a thin metal plate, and this metal plate is stretched in a ring-shaped flange. The diameter of the small hole is 0.5 μm to 1 μm, and an inert gas such as argon is introduced into the vacuum chamber 1 from the nozzle 21 side through the small hole. If the diameter of the small hole is 0.5 μm or less, the inert gas such as argon is poorly passed, and sufficient inert gas necessary for the discharge region where the target 3 and the substrate 5 face each other cannot be supplied. . For this reason, the film-forming speed becomes extremely slow. If the diameter of the small hole is 0.5 μm or more, there is no such problem, and a sufficient inert gas necessary for the discharge region can be supplied. On the other hand, when the diameter of the small holes exceeds 1 μm, the gas dispersion effect by the orifice 22 is lost, and the film thickness distribution of the substrate 5 is deteriorated. That is, the difference between the maximum film thickness and the minimum film thickness on the substrate 5 cannot be reduced.

図３は、本発明によるスパッタリング装置の一実施例において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、その膜厚分布を示したグラフである。基板の中心を通る径方向の線に沿って膜厚分布を示しており、基板の中心を０とし、基板の中心からの距離をそれぞれ±（ｍｍ）で位置を表している。この図３から明らかな通り、膜厚分布は約１６．５μｍ〜約１６．９μｍであり、そのばらつきは約２％である。 FIG. 3 is a graph showing a film thickness distribution of a thin film formed by sputtering on a substrate having a diameter of 100 mm in an example of the sputtering apparatus according to the present invention. The film thickness distribution is shown along a radial line passing through the center of the substrate. The center of the substrate is 0, and the distance from the center of the substrate is represented by ± (mm). As apparent from FIG. 3, the film thickness distribution is about 16.5 μm to about 16.9 μm, and the variation is about 2%.

図４と図５は、オリフィスを設けていない従来のスパッタリング装置において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、同様してその膜厚分布を示したグラフである。何れも膜厚分布のばらつきは約３０％を越えており、本発明とは際だった相違が見られる。 4 and 5 are graphs showing the film thickness distribution of a thin film formed by sputtering on a substrate having a diameter of 100 mm in a conventional sputtering apparatus without an orifice. In any case, the variation in the film thickness distribution exceeds about 30%, which is a remarkable difference from the present invention.

本発明は、半導体デバイス等の薄膜形成により製造されるデバイスの製造プロセスにおいて、広い面積の基板上に均等な膜厚の薄膜を形成出来るので、基板の中心部と周辺部とにおいて、均質なチップデバイスを製造出来ることになり、その生産性の向上のために利用することが出来る。 The present invention can form a thin film having a uniform thickness on a substrate having a large area in a manufacturing process of a device manufactured by forming a thin film such as a semiconductor device, so that a uniform chip can be formed at the central portion and the peripheral portion of the substrate. Devices can be manufactured and can be used to improve productivity.

本発明の一実施例であるスパッタリング装置を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the sputtering device which is one Example of this invention. 本発明の一実施例であるスパッタリング装置に使用するノズルの先端部の構造を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the structure of the front-end | tip part of the nozzle used for the sputtering device which is one Example of this invention. 本発明によるスパッタリング装置の一実施例において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、その膜厚分布を示したグラフである。In one Example of the sputtering device by this invention, it is the graph which formed the thin film by sputtering method on the substrate of diameter 100mm, and showed the film thickness distribution. オリフィスを設けていない従来のスパッタリング装置において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、同様してその膜厚分布を示したグラフである。In the conventional sputtering apparatus which does not provide an orifice, it is the graph which formed the thin film by sputtering method on the substrate of diameter 100mm, and showed the film thickness distribution similarly. オリフィスを設けていない従来のスパッタリング装置において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、同様してその膜厚分布を示したグラフである。In the conventional sputtering apparatus which does not provide an orifice, it is the graph which formed the thin film by sputtering method on the substrate of diameter 100mm, and showed the film thickness distribution similarly.

符号の説明Explanation of symbols

１真空チャンバ
３ターゲット
５基板
９ノズル
２２オリフィス 1 Vacuum chamber 3 Target 5 Substrate 9 Nozzle 22 Orifice

Claims

真空チャンバ（１）内にターゲット（３）を配置し、同真空チャンバ（１）内にガスを供給してを希薄ガス雰囲気とすると共に、希薄ガスを電離し、この電離した荷電粒子を前記ターゲット（３）に衝突させて、これによりターゲット（３）から発生した粒子をターゲット（３）と対向する基板（５）上に堆積させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、真空チャンバ（１）内に希薄ガスを供給するノズル（９）に多数の小孔を有するオリフィス（２２）を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。 A target (3) is disposed in the vacuum chamber (1), and a gas is supplied into the vacuum chamber (1) to form a diluted gas atmosphere. The diluted gas is ionized, and the ionized charged particles are extracted from the target. In a sputtering apparatus that collides with (3) and thereby deposits particles generated from the target (3) on a substrate (5) facing the target (3) to form a thin film, the vacuum chamber (1) A sputtering apparatus characterized in that an orifice (22) having a large number of small holes is provided in a nozzle (9) for supplying a dilute gas.

オリフィス（２２）の小孔の径が０．５μｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the diameter of the small hole of the orifice (22) is 0.5 µm to 1 µm.