JP4164154B2

JP4164154B2 - イオン化スパッタリング装置

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Publication number: JP4164154B2
Application number: JP12227398A
Authority: JP
Inventors: 雅夫佐々木; 清彦船戸
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1998-05-01
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: JPH11315376A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置に関し、特に、スパッタ粒子をイオン化する機能を備えたイオン化スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種メモリやロジック等の半導体デバイスでは、各種配線膜の作成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の作成の際にスパッタリングプロセスを用いており、スパッタリング装置が多用されている。このようなスパッタリング装置に要求される特性は色々あるが、基板の表面に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく被覆できることが最近強く求められている。
具体的に説明すると、例えばバリア膜の場合、ホール外の面に対するホールの底面への成膜速度の比であるボトムカバレッジ率の向上が最近強く要請されている。というのは、集積度の増加を背景として、コンタクトホール等のホールはそのアスペクト比（ホールの開口の大きさに対するホールの深さの比）が年々高くなってきており、このような高アスペクト比のホールに対しては、従来のスパッタリングの手法では、ボトムカバレッジ率よく成膜が行えないことが多いからである。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底面でバリア膜が薄くなり、ジャンクションリーク等のデバイス特性に致命的な欠陥を与える恐れがある。
【０００３】
ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタリングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタ等の手法がこれまで開発されてきた。コリメートスパッタは、ターゲットと基板との間に基板に垂直な方向の穴を多数開けた板（コリメーター）を設け、基板にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子のみを選択的に基板に到達させる手法である。また、低圧遠隔スパッタは、ターゲットと基板との距離を長くして、基板にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子を相対的に多く基板に入射させるようにするとともに、通常より圧力を低くして平均自由行程を長くすることでこれらのスパッタ粒子が散乱されないようにする手法である。
【０００４】
しかしながら、コリメートスパッタでは、コリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるために成膜速度が低下する問題があり、また、低圧遠隔スパッタでは圧力を低くしターゲットと基板の距離を長くするため本質的に成膜速度が低下する問題がある。このような問題のため、コリメートスパッタでは６４メガビットまで、低圧遠隔スパッタでは２５６メガビットの第一世代程度までが限界であると予測されており、２５６メガビット以上の次世代のデバイス製作に利用可能な実用的な手法の模索が行われている。
【０００５】
このような要求に応えるものとして、イオン化スパッタの手法が有力ではないかと考えられている。イオン化スパッタは、ターゲットから放出されるスパッタ粒子をイオン化し、イオンの作用によってホール内に効率よくスパッタ粒子を到達させる方法である。イオン化スパッタによると、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタに比べて遥かに高いボトムカバレッジ率が得られることが確認されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者の研究によると、イオン化スパッタでは基板の周辺部において成膜が不均一になる問題があることが分かってきた。この問題は、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタではみられなかったことであり、イオン化スパッタに特有の問題である。
本願の発明は、このイオン化スパッタに特有な基板周辺部での成膜の不均一性の問題を解消することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入系と、スパッタチャンバー内に被スパッタ面が露出するようにして設けられたターゲットと、ターゲットに高周波電圧を印加してターゲットをスパッタするスパッタ電源と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーと、イオン化したスパッタ粒子を基板により垂直に入射させ、基板の表面に形成された微細なホールの底面への成膜速度を高める電界を設定する電界設定手段とを備え、基板の表面に形成された微細なホールの内面に薄膜を作成するイオン化スパッタリング装置であって、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板との間のスパッタ粒子飛行空間にプラズマを形成してスパッタ粒子をイオン化させるものであり、前記スパッタチャンバーの内部には、スパッタによって放出されたスパッタ粒子が基板以外の場所に付着するのを防ぐための防着シールドが設けられており、
前記防着シールドは、基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍ以内で、かつ基板の表面に垂直な方向で前記プラズマが形成される側に５０ｍｍ以内の空間領域である禁止領域を占めることがない寸法形状及び配置位置となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記防着シールドは、前記基板ホルダーに保持された基板の周囲を取り囲むリング状のホルダー側シールドであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項３記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記防着シールドは、前記ターゲットと前記基板ホルダーとの間の空間を取り囲む筒状の主シールドであり、この主シールドの内側の縁は、基板ホルダーに保持された基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍを越える位置に位置しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項３記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記防着シールドは二つ設けられていて、そのうちの一つは前記ターゲットと前記基板ホルダーとの間の空間を取り囲む筒状の主シールドであり、もう一つは前記基板ホルダーに保持された基板の周囲を取り囲むリング状のホルダー側シールドであり、
ホルダー側シールドは、スパッタ粒子が主シールドと前記基板ホルダーとの間の空間を通過して付着するのを防止する部材であり、
主シールドの内側の縁は、基板ホルダーに保持された基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍを越える位置に位置しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項５記載の発明は、上記請求項２又は４の構成において、前記ホルダー側シールドは、前記基板ホルダーから離間して設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項６記載の発明は、上記請求項５の構成において、前記基板ホルダーに固定された固定シールドが設けられており、固定シールドは前記禁止領域を占めることがない寸法形状及び配置位置であって、前記ホルダー側シールドから離間して設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項７記載の発明は、上記請求項６の構成において、前記ホルダー側シールドと前記固定シールドとの間に形成される空間は、折れ曲がった隘路となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項８記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記防着シールドのうち、基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍ以内を占める部分のうちのプラズマが形成される側の表面は、基板の表面と面一の面からプラズマが形成される側とは逆側の１５ｍｍ以内の位置に位置しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項９記載の発明は、上記請求項２、４、５、６又は７の構成において、前記ホルダー側シールドのうちのプラズマが形成される側の表面は、基板の表面と面一の面からプラズマが形成される側とは逆側の１５ｍｍ以内の位置に位置しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項１０記載の発明は、上記請求項１乃至９いずれかの構成において、前記排気系は、前記薄膜を作成する際の前記スパッタチャンバー内が２０ｍＴｏｒｒ以上１００ｍＴｏｒｒ以下の範囲の圧力となるよう排気を行うものであるという構成を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態のイオン化スパッタリング装置の概略構成を示す正面断面図である。図１に示すイオン化スパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、スパッタチャンバー１内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２をスパッタするためのスパッタ電源３と、スパッタチャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系４と、スパッタによってターゲット２から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子（以下、イオン化スパッタ粒子）が入射する位置に基板９を保持する基板ホルダー５と、イオン化スパッタ粒子を基板９により垂直に入射させる垂直入射用電界を設定する電界設定手段とを備えている。
【０００９】
スパッタチャンバー１は気密な容器であり、電気的には接地されている。スパッタチャンバー１には不図示のゲートバルブが設けられており、不図示の搬送チャンバーやロードロックチャンバーを経由して大気側との基板９の搬入搬出が行われる。排気系１１は、ターボ分子ポンプやクライオポンプ等の真空ポンプを備えており、スパッタチャンバー１内を１０^-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能に構成されている。
【００１０】
ターゲット２は絶縁材２１を介してスパッタチャンバー１に取り付けられている。ターゲット２の材質は、本実施形態ではチタンである。
スパッタ電源３には、本実施形態では、高周波電源が採用されている。この高周波電源は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで、出力１０ｋＷ程度のものである。また、ターゲット２とスパッタ電源３の間には、反射波の発生を防止するため、インピーダンス整合回路３１が設けられている。
【００１１】
ターゲット２の背後には、磁石機構２２が設けられている。磁石機構２２は、放電の効率のよいマグネトロンスパッタを行うために備えられている。具体的には、磁石機構２２は、中心磁石２２１と、中心磁石２２１を周状に取り囲む周辺磁石２２２と、中心磁石２２１及び周辺磁石２２２を繋ぐ円盤状のヨーク２２３とから構成されている。
【００１２】
スパッタ放電に必要なプロセスガスは、プロセスガス導入系４によって導入される。プロセスガス導入系４は、所定のプロセスガスを溜めたガスボンベ４１と、スパッタチャンバー１とガスボンベ４１とをつなぐ配管４２と、配管４２に設けられたバルブ４３や流量調整器４４とから主に構成されている。プロセスガスとしては、アルゴンや窒素等のガスが使用される。
【００１３】
プロセスガス導入系４によって所定のプロセスガスが所定の流量でスパッタチャンバー１内に導入されている状態で、スパッタ電源３が動作すると、ターゲット２を介してスパッタチャンバー１内に高周波電界が設定される。この結果、導入されたガスに高周波放電が生じ、プラズマが形成される。この際、スパッタ電源３とターゲット２との間には適当なキャパシタンスが存在しており、このキャパシタンスによってターゲット２に負の自己バイアス電圧が生じる。この負の自己バイアス電圧によってプラズマ中から正イオンが引き出されてターゲットを衝撃し、ターゲット２がスパッタされるようになっている。尚、このキャパシタンスは、インピーダンス整合回路３１中のコンデンサが該当している場合もあるし、自己バイアス電圧用の専用のコンデンサが設けられる場合もある。尚、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子のイオン化のみで放電が維持される場合、プロセスガスが導入されない場合もある。
【００１４】
一方、上記スパッタによって放出されたスパッタ粒子が到達する位置で基板９を保持する基板ホルダー５は、全体が台状のものであり、上面に基板９を載置して保持するようになっている。そして、この基板ホルダー５は、その基板載置面に基板９を静電的に吸着させるための静電吸着機構５３を備えている。静電吸着機構５３は、基板ホルダー５の一部として設けられた誘電体ブロック５３１内に埋設された吸着電極５１と、吸着電極５１に負の直流電圧を印加するための吸着電源５２とから主に構成されている。
吸着電源５２によって例えば２００〜１０００Ｖ程度の直流電圧を吸着電極５１に与えると、誘電体ブロック５３１が誘電分極して基板載置面に静電気が誘起される。この静電気によって、基板９は誘電体ブロック５３１に静電吸着されるようになっている。
【００１５】
基板ホルダー５は、基板９を加熱するためのヒータ５４を備えている。ヒータ５４としては、抵抗加熱方式のヒータを基板ホルダー５内に埋設する構成が採用できる。このヒータ５４により、基板９は室温から５００℃程度までの所定の温度に加熱されるようになっている。このヒータ５４の別の構成としては、輻射加熱方式のものにしてもよい。
【００１６】
イオン化手段は、本実施形態では、プラズマを利用してスパッタ粒子をイオン化させるものが採用されている。即ち、イオン化手段は、ターゲット２から基板９へのスパッタ粒子の飛行経路にプラズマを形成し、スパッタ粒子がプラズマ中を通過する際にプラズマ中の電子やイオンに衝突させてスパッタ粒子をイオン化させるものとなっている。本実施形態では、ターゲット２をスパッタする際に形成するプラズマによって上述したイオン化が行えるようになっており、イオン化手段には、前述したスパッタ電源３とプロセスガス導入系４とが兼用されている。
【００１７】
スパッタ電源３としては、負の直流電源を用いる場合もあるが、イオン化手段に兼用することを考えると、本実施形態のように高周波電源であることが好ましい。高周波電源の場合、ターゲット２と基板ホルダー５との間に高周波電界が設定され、この高周波電界によってプラズマ中のイオンや電子が逆向きに交互に加速される。このため、プラズマ振動と呼ばれる荷電粒子の周期的な運動が生じ、この結果、荷電粒子が中性スパッタ粒子に衝突して中性スパッタ粒子をイオン化させる頻度が増す。
【００１８】
また、イオン化手段に兼用されるプロセスガス導入系４としては、比較的高い圧力を維持してスパッタチャンバー２内にプロセスガスを導入できるものが好ましい。即ち、イオン化スパッタを行うためには、プラズマ中の荷電粒子と中性スパッタ粒子の衝突頻度を高くすることが必要である。このためには、比較的高い圧力でスパッタ放電を行うことが好ましい。具体的には、２０〜１００ｍＴｏｒｒ程度の範囲である。２０ｍＴｏｒｒ以下になると、中性スパッタ粒子のイオン化が十分でなくなる恐れがある。また、１００ｍＴｏｒｒ以上になると、プロセスガスの分子の数があまりにも多くなり、スパッタ粒子がイオン化してもプロセスガス分子との衝突によって多くが散乱され、基板９に十分到達できない問題が発生する。尚、プロセスガス導入系４の流量調整器４４は、上記圧力の範囲で十分な精度で流量調整できるものが使用される。
【００１９】
また一方、上述のようにイオン化したスパッタ粒子を基板９により垂直に入射させる垂直入射用電界を設定する電界設定手段としては、本実施形態では、プラズマと基板９との間に適切なシース電界が形成されるようにするものが使用されている。具体的には、この電界設定手段には、上述した基板ホルダー５の一部である誘電体ブロック５３１が兼用されている。
【００２０】
より具体的に説明すると、上述のようにスパッタ放電によって形成されたプラズマは、スパッタチャンバー１内を拡散し、基板ホルダー５付近に達する。特に、スパッタ電源３として高周波電源が使用されているため、直流電源に比べてプラズマの拡散が大きくなる傾向がある。ここで、プラズマに接するようにして誘電体が配置されていると、プラズマ中の電子とイオンの移動度の違いから、周知のように誘電体の表面は浮遊電位と呼ばれる負の電位を帯びる。一方、プラズマの空間電位は殆ど０Ｖであり、従って、プラズマと誘電体との間にシース電界が形成される。
【００２１】
本実施形態においても、基板９の静電吸着用に設けた誘電体ブロック５３１の表面は、プラズマが形成された際に浮遊電位を帯び、プラズマと誘電体ブロック５３１との間にはシース電界が形成される。このシース電界は、誘電体ブロック５３１に向かって徐々に電位が下がる電界であり、プラズマから正イオンを引き出す効果がある。
そして、前述のように誘電体ブロック５３１の表面に基板９が載置されると、シース電界の向きは基板９にほぼ垂直であり、イオン化スパッタ粒子を基板９により垂直に入射させるよう機能する。具体的な数値について説明すると、圧力が６０ｍＴｏｒｒで、スパッタ電源３が周波数１３．５６ＭＨｚ出力３ｋＷのものであるとすると、誘電体ブロック５３１の表面は−１０Ｖ程度の浮遊電位になる。
上記のようにイオン化スパッタ粒子を基板９により垂直に入射させると、アスペクト比の高いホールの底面にまで多くのスパッタ粒子が到達できるようになる。このため、高アスペクト比のホールに対しても高いボトムカバレッジ率で成膜が行える。
【００２２】
本実施形態の装置の大きな特徴点は、スパッタ粒子が基板９以外の場所に付着するのを防ぐために設けた防着シールドの構成にある。スパッタ粒子が基板９以外の場所に不必要に付着すると、経時的に薄膜に成長する。この薄膜の厚さがある程度に達すると、自重や内部ストレスによって剥離する。薄膜は、この剥離によって、ある程度大きな粒径のパーティクルとなり、スパッタチャンバー１内を浮遊する。このパーティクルが基板９の表面に達すると、局所的な膜厚異常等の欠陥を生じさせる。このため、本実施形態の装置では、スパッタ粒子が基板９以外の場所に不必要に付着するのを防ぐための防着シールドを設けている。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の装置では、複数の防着シールド６１，６２，６３が設けられている。複数の防着シールドの一つは、ターゲット２と基板ホルダー５との間のスパッタ粒子飛行空間を取り囲む防着シールド（以下、主シールド）６１である。また、ターゲット２の周囲にはリング状の防着シールド（以下、ターゲット側シールド）６２が設けられている。そして、基板ホルダー５の周囲にもリング状の防着シールド（以下、ホルダー側シールド）６３が設けられている。
これらの防着シールド６１，６２，６３の表面には、堆積する薄膜の剥離を防止する凹凸が形成されている。また、これらの防着シールド６１，６２，６３はいずれも交換可能に設けられており、堆積した薄膜が所定の厚さになったら交換されるようになっている。
【００２４】
本実施形態の装置の大きな特徴点は、上記防着シールド６１，６２，６３が、基板９に対する成膜処理を不均一にさせる空間領域として設定された禁止領域を占めない寸法形状及び配置位置となっている点である。禁止領域は、本実施形態では、基板ホルダー５に保持された基板９の表面の方向（以下、成膜面方向）で基板９の周縁から５０ｍｍ以内の空間領域であるとともに、成膜面方向に対して垂直な方向（以下、垂直方向）でプラズマが形成される側（以下、プラズマ形成側）に５０ｍｍ以内の空間領域である。この禁止領域は、基板９と同軸の円筒状の空間領域である。
【００２５】
上記禁止領域の設定は、以下に説明する発明者の研究に基づいている。発明者は、イオン化スパッタリング装置の実験機を用いて種々の実験を行う過程で、通常のスパッタでは見られなかった基板９の周辺部での成膜の不均一性の問題があることを発見した。この点をまず図２を使用して説明する。
図２は、イオン化スパッタリング装置の実験機を用いた際の基板の周辺部での成膜の不均一性を示す図であり、基板上に作成した薄膜のシート抵抗値の分布を示すものである。この図２に示す実験では、チタン製のターゲットを使用し、直径１００ｍｍの半導体ウェーハに対しててチタン薄膜の作成実験が行われた。図２中の点線が実験機を使用した場合のシート抵抗値の分布である。
【００２６】
図２に示すように、実験機で作成したチタン薄膜のシート抵抗値は、基板９の周辺部で高くなっている。チタンが導電体であることから考えると、実験機によると基板９の周辺部でチタン薄膜の厚さが薄くなっていると判断される。
発明者は、このような基板９の周辺部における膜厚低下の原因について鋭意検討を行ったところ、基板ホルダー５の周辺の部材の配置が原因していることが分かってきた。この点を、図３及び図４を使用して説明する。図３は、実験機における基板ホルダー及び基板ホルダー周辺の部材の配置を示す正面断面部分図である。また、図４は、図３に示す実験機におけるプラズマの拡散状況を示す図である。
【００２７】
図３に示すように、実験機では、ホルダー側シールド６３は、基板９の表面の高さより少し高い位置、即ち、ターゲット２側に位置していた。発明者の研究によると、このような位置にホルダー側シールド６３のような部材が存在すると、プラズマＰの広がりを空間的に規制し、これが原因で基板９の周辺部で成膜が不均一になることが分かってきた。
【００２８】
より具体的に説明すると、前述したように、高周波電源を使用するイオン化スパッタリング装置では、プラズマＰは基板ホルダー５付近にまで広く拡散する。この際、上述した位置にホルダー側シールド６３が配置されていると、基板９の径方向の外側に向けてのプラズマＰの拡散は、このホルダー側シールド６３によって空間的に規制される。従って、プラズマＰは基板９の付近で基板９の周縁よりも外側にはあまり拡散せず、図４に示すような拡散領域の形状になる。
【００２９】
一方、前述したように、イオン化スパッタリング装置では、イオン化スパッタ粒子を基板９により垂直に引き出して入射させることでボトムカバレッジ率を高めている。このイオン化スパッタ粒子は、イオンであるから、プロセスガスのイオンとともにプラズマＰを構成する粒子である。この場合、基板９に入射するイオン化スパッタ粒子の分布は、プラズマＰ中に存在するイオン化スパッタ粒子の分布に依存する。プラズマＰ中のイオン化スパッタ粒子の分布は、そのプラズマ密度の分布に依存する。従って、図２に示すような基板９の周辺部での成膜の不均一性は、基板９の表面の方向でプラズマ密度の分布の不均一性に起因しているものと考えられる。即ち、基板９の周辺部近傍ではプラズマ密度が低く、基板９に入射するスパッタ粒子が少ないため、成膜速度が低下する傾向にあるものと考えられる。
【００３０】
また、前述したように、プラズマＰ中のイオン化スパッタ粒子はプラズマの境界部分に形成されるシース電界Ｅによって加速されて基板９に入射する。この場合、図３に示すように拡散領域が制限された状態では、基板９の中央部分ではシース電界Ｅの向きは基板９にほぼ垂直になるものの、基板９の周辺部では、シース電界Ｅの向きは斜め外側に向いた状態となる。このため、イオン化スパッタ粒子は、この向きのシース電界Ｅに加速されて斜め外側に進み、基板９に到達できなかったり、到達できても、基板９に垂直に入射しないため、ホールの底面に到達できなかったりするものと考えられる。このようなことから、基板９の周辺部で成膜速度が低下し、これが原因でシート抵抗値の増大のような成膜の不均一性が生ずるものと考えられる。
【００３１】
本願の発明者は、このような考察のもと、プラズマＰの拡散を規制して基板９の周辺部での成膜に影響を与える空間領域としての禁止領域を設定し、この領域を防着シールドが占めないよう改良を加えた。図５は、このように改良されたイオン化スパッタリング装置の要部を示すものであり、図１に示す本実施形態の装置における基板ホルダー及び基板ホルダー周辺の部材の配置を示す正面断面部分図である。また、図６は、本実施形態の装置におけるプラズマの拡散状況を示す図である。
【００３２】
本願の発明者の研究によると、上述したような成膜の不均一性を生じさせるプラズマＰの拡散が規制されるのを防止するには、成膜面方向で基板９の周縁から５０ｍｍ以内、垂直方向のプラズマ形成側に５０ｍｍ以内の空間領域において何もプラズマを規制する部材を配置しないようにすれば良いことが分かってきた。このようにして設定された領域は、前述した禁止領域であり、図５に斜線で示された領域ａである。
【００３３】
成膜面方向で基板９の周縁から５０ｍｍを越える空間領域では、どの位置に防着シールド６１，６２，６３が配置されていても、基板９から離れた位置であるため、基板９の成膜に影響を与えることは殆どない。また、成膜面方向で基板９の周縁から５０ｍｍ以内の領域であっても、垂直方向のプラズマ形成側に５０ｍｍを越えると、やはり基板９から離れた位置であるため、どの位置に防着シールド６１，６２，６３が配置されていても基板９の周辺部で成膜を不均一にするような影響はない。尚、成膜する基板９の表面を底面とし、垂直方向のプラズマ形成側を高さとする柱状の空間にいずれかの防着シールド６１，６２，６３が配置されると、ターゲット２からの基板９へのスパッタ粒子を遮蔽することになるため、当然のことながら防着シールド６１，６２，６３はこの空間を占めることがないよう配置される。
【００３４】
防着シールド６１，６２，６３の寸法形状及び配置位置についてより詳しく説明すると、主シールド６１は円筒状であって、基板９の中心を垂直方向に貫く軸と同軸状に配置されている。基板９が直径２００ｍｍの半導体ウェーハである場合、主シールド６１の内直径は３００ｍｍ程度とされる。即ち、主シールド６１の内面は、成膜面方向で見ると、基板９の周縁から５０ｍｍを越える位置に位置している。
【００３５】
また、ホルダー側シールド６３は、図５に示すような断面形状のリング状である。この断面形状では、リングの内縁が少し下方（プラズマ形成側とは反対側）に傾斜したテーパ状となっている。また、リングの外縁には、垂直方向のプラズマ形成側に突出した突起が形成されている。突起は、主シールド６１より外側に位置しており、従って、基板９の周縁から５０ｍｍを越える位置に位置している。
図５に示すホルダー側シールド６３の断面形状で、中央部分は、基板９の周縁から５０ｍｍ以内に位置している。しかしながら、図５に示す通り、その部分の上面（垂直方向のプラズマ形成側の面）は、成膜面よりも僅かに低い位置（例えば１５ｍｍ程度低い位置）に位置している。従って、ホルダー側シールド６３は、上記禁止領域ａを占めることがない寸法形状及び配置となっている。尚、ターゲット側シールド６２は、基板９から離れたターゲット２を取り囲む位置であるため、禁止領域ａを占めることはない。
【００３６】
このように、本実施形態の装置では、防着シールド６１，６２，６３が禁止領域ａを占めることが無いので、プラズマＰの拡散が規制されず、図６に示すようにプラズマＰは基板９の周縁から離れた外方まで広く拡散する。このため、基板９の周辺部において、図４に示すようにシース電界Ｅの向きが斜め外側に向いてしまうことがなく、シース電界Ｅは中央部と同様に基板９に対して垂直の向きである。従って、基板９の周辺部にも中央部と同様の量のイオン化スパッタ粒子が入射し、均一に成膜が行われる。
【００３７】
このような成膜均一性改善の効果を確認した実験の結果が、図２に併せて示されている。図２中の実線が実施形態の装置を使用して作成したチタン薄膜のシート抵抗値の分布を示すものである。この結果から分かる通り、本実施形態の装置によれば、基板９の周辺部でのシート抵抗値の異常な増大が見られず、均一な成膜が行える。
【００３８】
尚、図５に示すように、基板ホルダー５は固定シールド５５を備えている。固定シールド５５は、基板ホルダー５に固定されている。固定シールド５５は、誘電体ブロック５３１の側端面や基板ホルダー５の露出面がプラズマに晒されるのを防止するものである。
そして、ホルダー側シールド６３は、基板ホルダー５の一部である固定シールド５５に接近しているが、固定シールド５５には接触しないようにして設けられている。即ち、基板ホルダー５とは別に設けられた支柱６３１によってホルダー側シールド６３は固定されている。尚、基板９の搬入搬出の際に、このホルダー側シールド６３を上昇させ、ホルダー側シールド６３の下側から基板９を搬入搬出させるよう構成してもよい。
【００３９】
また、ホルダー側シールド６３は、固定シールド５５に接触していないため、基板ホルダー５とは無関係に任意の電位を取り得る。このため、例えばホルダー側シールド６３を接地電位にして放電シールドとしての機能も持たせることができる。尚、発明者の実験によると、ホルダー側シールド６３を接地した場合でも、また接地電位から絶縁した場合でも、上述した成膜均一化の効果は殆ど変わらないことが確認されている。
【００４０】
また、ホルダー側シールド６３と固定シールド５５との間に形成される空間は、図５に示すように、複雑に折れ曲がった隘路となっている。このため、この空間にスパッタ粒子が飛来してきてもこの空間を通過することが困難であり、スパッタ粒子がこの空間を通過してスパッタチャンバー１の内面に達して薄膜を堆積することが効果的に防止されている。
【００４１】
次に、本実施形態のイオン化スパッタリング装置の全体の動作について説明する。
不図示の搬送チャンバー又はロードロックチャンバーとスパッタチャンバー１とが所定の圧力まで排気された状態で、不図示のゲートバルブが開き、基板９がスパッタチャンバー１内に搬入される。基板９は基板ホルダー５に載置され、ゲートバルブが閉じられる。静電吸着機構５３が動作し、基板９が基板ホルダー５に静電吸着される。基板ホルダー５内のヒータ５４が予め動作しており、基板９は基板ホルダー５に静電吸着されることによって所定温度に加熱される。
【００４２】
この状態でプロセスガス導入系４が動作し、所定のプロセスガスがスパッタチャンバー１内に導入される。そして、スパッタ電源３が動作して前述したように高周波放電プラズマが形成され、ターゲット２に生ずる自己バイアス電圧によってターゲット２がスパッタされる。スパッタによってターゲット２から放出されたスパッタ粒子が基板９に到達し、基板９の表面に所定の薄膜が作成される。この際、スパッタ粒子は、プラズマ中を通過する際にイオン化し、前述した垂直入射用電界によって基板９により垂直に引き出されて基板９に入射する。この結果、基板９の表面に形成されたホールの底面に効率よく膜が堆積し、ボトムカバレッジ率の高い成膜が行える。そして、基板９の周辺部の近傍でプラズマの拡散が規制されないので、基板９の周辺部まで均一に成膜が行える。
【００４３】
成膜の一例について説明すると、例えば異種層の相互拡散を防止するために介在されるバリア膜を作成する場合、最初にアルゴンをプロセスガスとして導入してチタン薄膜を作成する。その後、窒素ガスに切り替えてスパッタを行い、チタンと窒素との反応を利用しながら窒化チタン薄膜を作成する。これによって、チタン薄膜の上に窒化チタン薄膜を積層したバリア膜の構造が得られる。
【００４４】
このようにして所定時間成膜を行った後、スパッタ電源３及びプロセスガス導入系４の動作を停止させる。そして、スパッタチャンバー１内を再度排気するとともに静電吸着機構５３の動作を停止させた後、基板９をスパッタチャンバー１から搬出する。その後、基板９は、搬送チャンバーやロードロックチャンバーを経由して大気側に取り出される。このような動作を繰り返して、基板９に対して一枚ずつ成膜処理が行われる。
【００４５】
上述した実施形態の説明では、イオン化手段は、ターゲット２に高周波電圧を印加するスパッタ電源３が兼用されたが、スパッタ電源３とは別に設けた高周波電源によってプラズマを形成してイオン化させるようにしてもよい。この場合、例えば、ターゲット２と基板ホルダー５との間に筒状又はコイル状の電極を設け、これに対し高周波電圧を印加する構成を採用する場合がある。
また、電界設定手段としては、誘電体ブロック５３１に生ずる浮遊電位を利用する場合の他、基板ホルダー５全体に高周波電圧を印加し、基板９に自己バイアス電圧を与えることで垂直入射用電界を設定する構成を採用する場合もある。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の発明によれば、イオン化スパッタに特有な基板の周辺部での成膜の不均一性の問題が解消され、高アスペクト比のホールに対する高ボトムカバレッジ率の成膜の効果を基板の表面の全域に亘って均一に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態のスパッタリング装置の概略構成を示す正面断面図である。
【図２】イオン化スパッタリング装置の実験機を用いた際の基板の周辺部での成膜の不均一性を示す図であり、基板上に作成した薄膜のシート抵抗値の分布を示すものである。
【図３】実験機における基板ホルダー及び基板ホルダー周辺の部材の配置を示す正面断面部分図である。
【図４】図３に示す実験機におけるプラズマの拡散状況を示す図である。
【図５】図１に示す本実施形態の装置における基板ホルダー及び基板ホルダー周辺の部材の配置を示す正面断面部分図である。
【図６】本実施形態の装置におけるプラズマの拡散状況を示す図である。
【符号の説明】
１スパッタチャンバー
２ターゲット
３スパッタ電源
４プロセスガス導入系
５基板ホルダー
６１主シールド
６２ターゲット側シールド
６３ホルダー側シールド
６３１支柱
９基板
Ｐプラズマ
Ｅシース電界

Claims

排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入系と、スパッタチャンバー内に被スパッタ面が露出するようにして設けられたターゲットと、ターゲットに高周波電圧を印加してターゲットをスパッタするスパッタ電源と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーと、イオン化したスパッタ粒子を基板により垂直に入射させ、基板の表面に形成された微細なホールの底面への成膜速度を高める電界を設定する電界設定手段とを備え、基板の表面に形成された微細なホールの内面に薄膜を作成するイオン化スパッタリング装置であって、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板との間のスパッタ粒子飛行空間にプラズマを形成してスパッタ粒子をイオン化させるものであり、前記スパッタチャンバーの内部には、スパッタによって放出されたスパッタ粒子が基板以外の場所に付着するのを防ぐための防着シールドが設けられており、
前記防着シールドは、基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍ以内で、かつ基板の表面に垂直な方向で前記プラズマが形成される側に５０ｍｍ以内の空間領域である禁止領域を占めることがない寸法形状及び配置位置となっていることを特徴とするイオン化スパッタリング装置。
前記防着シールドは、前記基板ホルダーに保持された基板の周囲を取り囲むリング状のホルダー側シールドであることを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタリング装置。
前記防着シールドは、前記ターゲットと前記基板ホルダーとの間の空間を取り囲む筒状の主シールドであり、この主シールドの内側の縁は、基板ホルダーに保持された基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍを越える位置に位置していることを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタリング装置。
前記防着シールドは二つ設けられていて、そのうちの一つは前記ターゲットと前記基板ホルダーとの間の空間を取り囲む筒状の主シールドであり、もう一つは前記基板ホルダーに保持された基板の周囲を取り囲むリング状のホルダー側シールドであり、
ホルダー側シールドは、スパッタ粒子が主シールドと前記基板ホルダーとの間の空間を通過して付着するのを防止する部材であり、
主シールドの内側の縁は、基板ホルダーに保持された基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍを越える位置に位置していることを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタリング装置。
前記ホルダー側シールドは、前記基板ホルダーから離間して設けられていることを特徴とする請求項２又は４記載のイオン化スパッタリング装置。
前記基板ホルダーに固定された固定シールドが設けられており、固定シールドは前記禁止領域を占めることがない寸法形状及び配置位置であって、前記ホルダー側シールドから離間して設けられていることを特徴とする請求項５記載のイオン化スパッタリング装置。
前記ホルダー側シールドと前記固定シールドとの間に形成される空間は、折れ曲がった隘路となっていることを特徴とする請求項６記載のイオン化スパッタリング装置。
前記防着シールドのうち、基板の表面の方向で基板の周縁から５０ｍｍ以内を占める部分のうちのプラズマが形成される側の表面は、基板の表面と面一の面からプラズマが形成される側とは逆側の１５ｍｍ以内の位置に位置していることを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタリング装置。
前記ホルダー側シールドのうちのプラズマが形成される側の表面は、基板の表面と面一の面からプラズマが形成される側とは逆側の１５ｍｍ以内の位置に位置していることを特徴とする請求項２、４、５、６又は７記載のイオン化スパッタリング装置。
前記排気系は、前記薄膜を作成する際の前記スパッタチャンバー内が２０ｍＴｏｒｒ以上１００ｍＴｏｒｒ以下の範囲の圧力となるよう排気を行うものであることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。