JP4364335B2

JP4364335B2 - Sputtering equipment

Info

Publication number: JP4364335B2
Application number: JP02355799A
Authority: JP
Inventors: 雅仁石原; 清梨本
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2019-02-01
Also published as: JP2000223440A

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及び高周波を利用して基板の表面に所定の処理を施す基板処理装置に関する。
【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等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。
【０００３】
具体的に説明すると、例えばＤＲＡＭ等で多用されているＦＥＴ（電界効果トランジスタ）では、拡散層の上に設けたコンタクトホールの内面にバリア膜を設けてコンタクト配線層と拡散層とのクロスコンタミネーションを防止する構造が採用される。また、各モメリセルの配線を行う多層配線構造では、下層配線と上層配線とをつなぐため、層間絶縁膜にスルーホールを設けこのスルーホール内を層間配線で埋め込むことが行われるが、この際にも、スルーホール内にバリア膜を作成して、クロスコンタミネーションを防止した構造が採られる。
【０００４】
このようなホールは、集積度の増加を背景として、そのアスペクト比（ホールの開口の直径又は幅に対するホールの深さの比）が年々高くなってきている。例えば、６４メガビットＤＲＡＭでは、アスペクト比は４程度であるが、２５６メガビットでは、アスペクト比は５〜６程度になる。
バリア膜の場合、ホールの周囲の面への堆積量に対して１０から１５％の量の薄膜をホールの底面に堆積させる必要があるが、高アスペクト比のホールについては、ボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への成膜速度に対するホール底面への堆積速度の比）を高くして成膜を行うことが困難である。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底面での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。
【０００５】
一方、スパッタリングプロセスにおいては、下地である基板の表面に対する薄膜の密着性や電気特性等を向上させるため、成膜に先だって基板の表面をエッチングによってクリーニングすることが行われている。例えば基板の表面には自然酸化膜や表面保護膜が形成されている場合があり、このような膜の上に薄膜を作成すると、薄膜の密着性が低下したり、比抵抗等の電気特性が悪くなったりする場合がある。そこで、このような自然酸化膜等をエッチングによって除去するクリーニングが予め行われる。
【０００６】
従来のスパッタリング装置では、上記成膜前のエッチングによるクリーニング（以下、前工程エッチング）をプラズマの作用によって行っている。図４は、従来のスパッタリング装置における前工程エッチングを行うための構成について説明した正面断面概略図である。図４に示すように、従来のスパッタリング装置は、スパッタリングを行うスパッタチャンバーとは別の処理チャンバー２００と、この処理チャンバー２００内に設けられた基板ホルダー２０１と、この処理チャンバー２００内に所定のガスを導入するガス導入手段２０２と、ガス導入手段２０２により導入されたガスにエネルギーを与えて基板ホルダー２０１を臨む処理チャンバー２００内のプラズマ形成空間にプラズマＰを形成するプラズマ形成手段２０３とを備えている。
【０００７】
プラズマ形成手段２０３は、基板ホルダー２０１を介してプラズマ形成空間に高周波電界を設定するようになっており、ガス導入手段２０２により導入されたガスに高周波放電を生じさせてプラズマＰを形成するようになっている。プラズマＰが形成されると、プラズマＰと高周波との相互作用により、負の直流分の電圧である自己バイアス電圧が基板ホルダー２０１の表面に与えられ、この自己バイアス電圧により正イオンが基板９の表面に入射する。この結果、基板９の表面の自然酸化膜等がスパッタエッチングされ、クリーニングされる。
【０００８】
上記クリーニングの際、基板９の表面から削り取られたもの（以下、削除物と総称して呼ぶ）が、処理チャンバー２００内の構造物の表面（処理チャンバー２００自体の内面も含む）に付着すると、経時的に薄膜へと成長する。そして、この薄膜がある程度の厚さに達すると、自重や内部応力等によって剥離落下することがある。剥離落下する薄膜は、ある程度の大きさの微粒子となり、処理チャンバー２００内を漂う。そして、時として基板９の表面に到達してしまう。この結果、基板９の表面が汚損されてしまうことになる。特に、微粒子が絶縁物である場合には、基板９の表面に既に形成されている回路を断線させてしまったりする重大な問題を招く場合がある。
【０００９】
このような問題を未然に防止するため、削除物が処理チャンバー２００内の構造物の表面に到達するのを防止するシールド２０４が従来から設けられている。シールド２０４は、基板９から放出される削除物が処理チャンバー２００の内面等に付着するのを防止するためのものであるから、基板９の表面を覆う構成のものである。但し、上述したプラズマＰが形成される空間が得られるよう、シールド２０４は大きな内部空間を有している。即ち、図４に示すように、シールド２０４は、全体としては一端が閉じているほぼ円筒状の部材であり、他端の開口を塞ぐように基板ホルダー２０１が設けられている。
【００１０】
また、シールド２０４は、プラズマＰが不必要に拡散したり放電が不必要な場所で生じないようにする目的でも設けられている。例えばプラズマＰが処理チャンバー２００の内面付近にまで拡散したり内面付近で放電が生じたりすると、処理チャンバー２００の内面がスパッタエッチングされる恐れがある。処理チャンバー２００の内面がスパッタエッチングされると、処理チャンバー２００の内面が削られて摩耗してしまう問題がある。特に問題なのは、スパッタエッチングされて放出された処理チャンバー２００の材料が基板９の表面に到達すると、基板９の表面を汚損し、回路不良等の製品欠陥を招くことである。
【００１１】
このような問題を防止するため、シールド２０４によってプラズマＰが不必要に拡散したり放電が不必要な場所で生じないようにしている。具体的には、シールド２０４は、アルミ等の金属製であり、処理チャンバー２００に短絡されていて接地電位に維持されるようになっている。このため、シールド２０４と処理チャンバー２００とは同電位であり、その間の空間には放電が生じないようになっている。また、図４に示すように、シールド２０４はプラズマＰを形成する空間を基板ホルダー２０１とともに取り囲む形状となっている。従って、シールド２０４外へのプラズマＰの拡散が抑制されている。
【００１２】
上述したようにシールド２０４は削除物を閉じ込めるものであるから、シールド２０４の内面には当然のことながら削除物が付着し、経時的に薄膜に成長する。この薄膜が剥離落下すると、前述したように基板９を汚損する微粒子となる。そこで、シールド２０４の内面には、薄膜の剥離落下を防止する構成が採用されている。具体的には、シールド２０４の内面をブラスト処理等によって凹凸面とし、薄膜が内面に捕捉されるようにして剥離落下を防止している。薄膜の剥離落下が防止されているとはいえ、薄膜がある程度以上の厚さになると、自重等により剥離落下する恐れがある。このため、所定回数の前工程エッチングを繰り返した後、シールド２０４は処理チャンバー２００から取り出され、新品又は薄膜を除去したものと交換されるようになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のスパッタリング装置において、前工程エッチングを行う処理チャンバー２００内に設けられたシールド２０４には、基板９の出し入れためのスペースである開口２０５が設けられている。シールド２０４は、プラズマＰの拡散を防止するためのものであるものの、この開口２０５からプラズマＰが拡散してしまう問題があった。開口２０５からプラズマＰが拡散すると、開口２０５の位置の内側付近でその分だけプラズマ密度が低下する。このため、そのプラズマ密度が低下した部分の下方に位置する基板９の表面上の箇所では、スパッタエッチングの速度が低下してしまう。つまり、処理が不均一になる問題があった。
【００１４】
開口２０５からのプラズマＰの拡散を防止するには、開口２０５を塞ぎ板によって塞ぐ構成も考えられる。しかしながら、このような構成によってもプラズマＰの拡散は完全には防止できない。開口２０５は基板９の出し入れのためのスペースであるから、ある程度の大きさが必要であり、開口２０５を設ける以上、プラズマの拡散は避けられなかった。
【００１５】
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、前工程エッチングのような処理を行うのに実用的な構成を備えた装置を提供する技術的意義がある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明は、スパッタリングによって基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタチャンバー及び処理チャンバーを有するスパッタリング装置であって、前記処理チャンバーの内部に設けられている基板を保持するための基板ホルダー、前記処理チャンバーにガスを導入するためのガス導入手段、前記ガス導入手段により導入されたガスをプラズマ化するプラズマ形成手段、前記処理チャンバー内に位置し、前記プラズマ形成手段により形成されるプラズマを覆う一端が閉じていて他端が開口であり、前記他端の開口以外には開口が無い筒状の形状のシールド及び前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面によって前記シールドの他端の開口が閉じられる位置又はプラズマが進入しない程度の僅かな隙間を残して前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁に接近した位置である閉位置と、前記基板ホルダーに前記基板を保持させる動作及び前記基板ホルダーから前記基板を取り去る動作が可能となるように前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁から所定距離離間した位置である開位置との間で、前記基板ホルダーを移動させる移動機構を有し、前記プラズマ形成手段は、前記基板ホルダーの一部として設けられた高周波電極に整合器を介して高周波を印加してプラズマを形成するものであり、前記移動機構は、前記基板ホルダーと整合器とを一体に移動させるもの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に、本願の請求項２記載の発明は、スパッタリングによって基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタチャンバー及び処理チャンバーを有するスパッタリング装置であって、前記処理チャンバー内部に設けた基板を保持するための基板ホルダー、前記処理チャンバーにガスを導入するためのガス導入手段、前記ガス導入手段により導入されたガスをプラズマ化するプラズマ形成手段、前記処理チャンバー内に位置し、前記プラズマ形成手段により形成されるプラズマを覆う一端が閉じていて他端が開口であり、前記他端の開口以外には開口が無い筒状の形状のシールド及び前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面によって前記シールドの他端の開口が閉じられる位置又はプラズマが進入しない程度の僅かな隙間を残して前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁に接近した位置である閉位置と、前記基板ホルダーに前記基板を保持させる動作及び前記基板ホルダーから前記基板を取り去る動作が可能となるように前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁から所定距離離間した位置である開位置との間で、前記基板ホルダーを移動させる移動機構を有し、前記移動機構は、前記ガス導入手段が前記ガスを導入した後に前記基板ホルダーを閉位置に移動させるものであり、前記プラズマ形成手段は、基板ホルダーの一部として設けられた高周波電極に整合器を介して高周波を印加してプラズマを形成するものであり、前記移動機構は、前記基板ホルダーと整合器とを一体に移動させるものであるという構成を有する。
【００１７】
【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スパッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。図１に示すスパッタリング装置は、マルチチャンバータイプの装置であり、中央に配置されたセパレーションチャンバー１と、セパレーションチャンバー１の周囲に設けられた複数の処理チャンバー２及び二つのロードロックチャンバー３とからなるチャンバー配置になっている。各チャンバー１，２，３は、専用又は兼用の排気系によって排気される真空容器である。各チャンバー１，２，３同士の接続個所には不図示のゲートバルブが設けられている。
【００１８】
セパレーションチャンバー１は、各処理チャンバー２を相互に気密に分離して内部雰囲気の相互汚染を防止するとともに、各処理チャンバー２やロードロックチャンバー３への基板搬送の経由空間となるものである。即ち、セパレーションチャンバー１内には、搬送ロボット１１が設けられている。搬送ロボット１１は、一方のロードロックチャンバー３から基板９を一枚ずつ取り出し、各処理チャンバー２に送って順次処理を行うようになっている。そして、最後の処理を終了した後、他方のロードロックチャンバー３に戻すようになっている。
【００１９】
処理チャンバー２の一つは、スパッタチャンバー２Ａとして構成される。スパッタチャンバー２Ａ内には、成膜する材料よりなるターゲット、ターゲットをスパッタするための電力印加機構やガス導入手段、マグネトロンスパッタリングのための磁石機構、所定位置に基板を保持する基板ホルダー等が設けられる。
また、他の処理チャンバー２の一つは、スパッタリングの前に基板９を予備加熱するプリヒートチャンバー２Ｂとして構成され、さらに他の処理チャンバー２の一つは、スパッタリング後に基板９を冷却する冷却チャンバー２Ｃ等として構成される。
さらに、他の処理チャンバー２の一つは、前工程エッチングを行うエッチングチャンバー２Ｄとして構成される。本実施形態の大きな特徴点は、このエッチングチャンバー２Ｄにある。
【００２０】
図２は、図１に示すスパッタリング装置におけるエッチングチャンバー２Ｄの構成を説明する正面断面概略図である。図２に示すように、本実施形態のスパッタリング装置は、排気系２０を備えたエッチングチャンバー２Ｄと、エッチングチャンバー２Ｄ内に設けられた基板ホルダー５と、エッチングチャンバー２Ｄ内に所定のガスを導入するガス導入手段６と、ガス導入手段６により導入されたガスにエネルギーを与えて基板ホルダー５を臨むエッチングチャンバー２Ｄ内の空間にプラズマＰを形成するプラズマ形成手段７とを備えている。
【００２１】
エッチングチャンバー２Ｄは、側壁部分にゲートバルブ２１を備えた気密な真空容器である。エッチングチャンバー２Ｄは、電気的には接地されている。排気系２０は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプを備えてエッチングチャンバー２Ｄ内を１０^−７Ｔｏｒｒ程度まで排気可能に構成される。
【００２２】
基板ホルダー５は、高さの低いほぼ円柱状の外観を有する部材であり、エッチングチャンバー２Ｄ内の下側位置に配置されている。この基板ホルダー５は、基板９より大きな径の円盤状のホルダーステージ５１と、ホルダーステージ５１の上に設けられた高周波電極５２と、ホルダーステージ５１を支えるホルダー支柱５３と、高周波電極５２に高周波を導入するための高周波導入棒５４とから主に構成されている。
ホルダーステージ５１は、ステンレス等の金属製であり、電気的には接地されている。また、高周波電極５２は、図１に示すように断面凸状の円板状である。高周波電極５２の上面は、基板９の直径より少し小さい。この高周波電極５２は、アルミ等の金属で形成されている。また、高周波電極５２の表面には全面にわたって絶縁膜が形成されている。従って、高周波電極５２とホルダーステージ５１とは絶縁されている。
【００２３】
尚、高周波電極５２の周囲には、ホルダーシールド５５が設けられている。このホルダーシールド５５は、高周波電極５２の固定とともに高周波電極５２の周囲での不要な放電を防止するためのものである。即ち、ホルダーシールド５５は金属製であって、ホルダーステージ５１とともに接地されている。このため、高周波電極５２の周囲に放電が生じてプラズマが回り込むのが防止される。この部分にプラズマが回り込むと、高周波電極５２の周縁部分の絶縁膜がエッチングされる問題がある。エッチングされた絶縁膜の材料が基板９に付着すると、基板９の汚損の原因となる。
【００２４】
ホルダー支柱５３は、内部が空洞になっている。そして、高周波導入棒５４は、このホルダー支柱５３の内部に配置されているとともに、ホルダーステージ５１を貫通して先端が高周波電極５２に達している。高周波導入棒５４は、銅等の金属で形成された丸棒状の部材である。この高周波導入棒５４の周囲は、円筒状の絶縁管５６で覆われている。また、ホルダー支柱５３内に位置する高周波導入棒５４の部分の周囲には、アース管５７が設けられている。アース管５７は、ホルダーステージ５１の下面から下方に延びるよう設けられ、ホルダーステージ５１に短絡されている。アース管５７と高周波導入棒５４との間には絶縁管５６が介在している。また、高周波導入棒５４の先端は、高周波電極５２に対して溶接されている。従って、高周波導入棒５４と高周波電極５２とは短絡されている。高周波導入棒５４には、高周波電源７１が接続されており、高周波導入棒を介して高周波電極５２に高周波が導入されるようになっている。
【００２５】
上述のように、本実施形態では、基板ホルダー５全体に高周波電圧を印加するのではなく、基板ホルダー５の一部である高周波電極５２のみに高周波導入棒５４を介して高周波電圧を印加している。このため、基板ホルダー５に設けるホルダーシールド５５の構成が簡略化できている。即ち、基板ホルダー５全体に高周波電圧が印加されると、不要な場所での放電を防止するため、基板載置面を除く基板ホルダー５のほぼ全面をホルダーシールド５５で覆う必要がある。しかしながら、本実施形態では、高周波電極５２のみに高周波電圧を印加しているため、高周波電極５２の周囲のみをホルダーシールド５５で覆えばよく、ホルダーシールド５５の構成が簡略化される。
【００２６】
尚、基板ホルダー５には、基板９を静電気によって吸着する静電吸着機構が必要に応じて設けられる。静電吸着機構は、例えば高周波電極５２として一対の電極を採用し、この一対の電極に直流電圧を与えて直流電圧を高周波に重畳させる直流電源を設けることで構成できる。
【００２７】
一方、基板ホルダー５の上方には、プラズマ形成空間を取り囲むシールド８１が設けられている。シールド８１は、図４に示す従来の装置におけるシールド２０４と同様、削除物のエッチングチャンバー２Ｄ内面等への付着防止とプラズマＰの拡散防止のためのものである。シールド８１はアルミ等の金属で形成されており、エッチングチャンバー２Ｄに短絡されている。従って、シールド８１も接地電位であり、シールド８１とエッチングチャンバー２Ｄとの間には電界は設定されない。このため、この部分での放電が抑制されてプラズマＰの拡散が防止される。本実施形態の大きな特徴点の一つは、シールド８１が一端が閉じていて他端が開口である円筒状の部材であり、他端の開口以外には開口が無い点である。
【００２８】
また一方、ガス導入手段６は、プラズマ形成手段７によってプラズマ化されるガスをエッチングチャンバー２Ｄ内に導入するものである。本実施形態では、アルゴンガスをエッチングチャンバー２Ｄ内に導入するようになっている。アルゴンガスのプラズマ中では、アルゴンのイオンが生成され、このイオンが基板９に入射することでエッチングが行われる。ガス導入手段６は、具体的には、アルゴンガスを貯めた不図示のガスボンベ、ガスボンベとエッチングチャンバー２Ｄとを繋ぐ配管に設けたバルブや流量調整器等によって構成される。
【００２９】
プラズマ形成手段７は、基板ホルダー５内の高周波導入棒５４及び高周波電極５２を経由してエッチングチャンバー２Ｄ内のガスに高周波エネルギーを与えるようになっている。具体的には、プラズマ形成手段７は、基板ホルダー５内の高周波導入棒５４に高周波電力を供給する高周波電源７１と、高周波電源７１からの高周波の供給路に設けられた整合器７２とから主に構成されている。
高周波電源７１としては、本実施形態では、ＶＨＦ(Very High Frequency) 帯に属する高周波とＭＦ(Medium Frequency)帯に属する高周波とを重畳させて供給できるようになっている。具体的には、６０ＭＨｚと４００ｋＨｚとを重畳させている。整合器７２は、負荷側のインピーダンスを調整して反射波等を低減させるものである。
【００３０】
また、エッチングチャンバー２Ｄの上側には、磁石８２が設けられている。磁石８２は、基板９への前工程エッチングの分布を調整するものである。図３を使用してこの磁石８２の効果について説明する。図３は、図２に示す磁石８２の効果を説明する正面概略図である。
例えば、磁石８２として、基板９より少し大きな径の円盤状の永久磁石が使用される。このような磁石８２を使用すると、図３に示すように、プラズマから基板９に向かう磁力線８３が設定される。この磁力線８３は、外側に向けて拡散していく分布を有している。従って、プラズマ中のイオンを基板９の表面の周辺部分に向けて効率よく導く作用が得られる。このため、磁石８２を配置しないと基板９の中心部分でエッチングが効率的に進み周辺部分であまり進まないエッチング分布である場合、磁石８２の作用によってこれが補正されて周辺部分のエッチングの効率が向上してエッチング分布が均一になる。
【００３１】
磁石８２の構成は、磁石８２を配置しない場合のエッチング分布がどのような形状であるかによって決まる。エッチング分布を均一化させる磁場が得られるような磁石の構成が採用される。例えば、リング状の永久磁石や電磁石等が用いられる場合もある。
【００３２】
本実施形態のスパッタリング装置のもう一つの大きな特徴点は、基板ホルダー５に移動機構５８が設けられている点である。再び図２を使用してこの点を具体的に説明する。移動機構５８は、基板ホルダー５のホルダー支柱５３を保持した保持アーム５８１と、保持アーム５８１に連結された上下駆動源５８２とから主に構成されている。
図２に示すように、エッチングチャンバー２Ｄの下面には開口が形成されており、ホルダー支柱５３はこの開口に挿通されている。そして、ホルダー支柱５３の下端には、アーム取り付け板５８３が固定されている。保持アーム５８１の先端は、このアーム取り付け板５８３に固定されている。
【００３３】
上下駆動源５８２は、例えば保持アーム５８１が螺合する上下方向に長い精密ねじと、精密ねじを回転させるサーボモータ等から構成される。上下駆動源５８２が駆動すると、精密ねじが回転して保持アーム５８１が上下動する。この結果、基板ホルダー５が全体に上下動する。尚、エッチングチャンバー２Ｄの下面の開口の縁とアーム取り付け板５８３との間には、ベローズ５８４が気密に設けられている。このため、ホルダー支柱５３の上下動を許容しつつエッチングチャンバー２Ｄの下面の開口の部分の気密封止が図られている。
【００３４】
上記移動機構５８は、プラズマＰが進入しない程度の僅かな隙間を残して基板ホルダー５の基板９を保持する側の面がシールド８１の他端の開口の縁に接近した位置である閉位置と、基板ホルダー５の基板９を保持する側の面がシールド８１の他端の開口の縁から所定距離離間した位置である開位置との間で、基板ホルダー５を移動させるものである。
【００３５】
即ち、移動機構５８は、基板ホルダー５を上昇させて閉位置に位置させる。この位置は図２に点線で示す位置であり、この位置では、基板ホルダー５の基板９を保持する側の面とシールド８１の他端の開口の縁とは、１〜２ｍｍ程度の僅かな隙間を残して接近している。プラズマはある程度小さな空間になるとその空間には進入しない性質を有しており、この隙間を通ってのプラズマＰの拡散が防止されるようになっている。尚、隙間がどの程度小さければプラズマが拡散しないかは圧力にも依存する。本実施形態のような装置が通常使用する圧力範囲では、隙間の大きさが２ｍｍ以下であれば、問題となるプラズマＰの拡散は生じない。
【００３６】
また、隙間がゼロ即ち基板ホルダー５の基板９を保持する側の面によってシールド８１の他端の開口が閉じられるような構成であっても構わない。この場合は、基板ホルダー５の基板９を保持する側の面とシールド８１の他端の開口の縁との衝突による破損を防止するため、緩衝材をどちらかに設けるとよい。緩衝材は、ステンレス等の耐プラズマ性を有する材料である必要がある。
【００３７】
また一方、移動機構５８は、基板ホルダー５を下降させて、開位置に位置させる。この位置は図２に実線で示す位置であり、この開位置では、基板ホルダー５に基板９を保持させる動作及び前記基板ホルダーから基板９を取り去る動作が可能となる。即ち、図１に示すセパレーションチャンバー１内の搬送ロボット１１のアームは、ゲートバルブ２１を通してエッチングチャンバー２Ｄ内に進入し、基板ホルダー５に基板９を配置したり、基板ホルダー５から基板９を取り去ったりすることができる。尚、「基板ホルダーの基板を保持する側の面」とは、基板を実際に保持している面のみを意味する表現ではなく、「基板ホルダー又は基板ホルダーに一体的に取り付けられた他の部材の表面のうち基板を保持する側に位置している表面」という意味である。
【００３８】
また、上述した整合器７２が基板ホルダー５と一体に移動する構成は、高周波電極５２に印加する高周波のインピーダンスマッチングを行う上で極めて好ましい構成となっている。即ち、整合器７２が基板ホルダー５から離れた場所にあり、基板ホルダー５のみが移動する構成である場合、整合器７２と基板ホルダー５との間の高周波の線路長が基板ホルダー５の移動によって変化してしてしまう。このため、整合器７２の構成を最適化してインピーダンスマッチングを行っても、基板ホルダー５を移動させると整合器７２から負荷側のインピーダンスが変化するため、最適な整合条件から外れてしまうことがある。
しかしながら、本実施形態では、整合器７２が基板ホルダー５と一体に移動するので、このような問題がない。即ち、基板ホルダー５を移動させても整合条件が大きく変化することはなく、インピーダンスマッチングが最適に維持される。
【００３９】
次に、上記構成に係る本実施形態のスパッタリング装置の動作について説明する。
まず、図１に示す一方の外部カセット４０に収容された所定数の未処理の基板９が、オートローダ４によって一方のロードロックチャンバー３内のロック内カセット３１に収容される。セパレーションチャンバー１内の搬送ロボット１１は、ロック内カセット３１から基板９を一枚ずつ取り出し、エッチングチャンバー２Ｄに送る。尚、エッチングチャンバー２Ｄに送られる前又は後に、基板９は必要に応じてプリヒートチャンバー２Ｂに送られて予備的に加熱される。
【００４０】
エッチングチャンバー２Ｄは、排気系によってセパレーションチャンバー１と同程度まで予め排気されており、図２に示すゲートバルブ２１が開けられて基板９がエッチングチャンバー２Ｄ内に搬入される。移動機構５８は基板ホルダー５を予め前述した開位置に移動させており、搬送ロボット１１は、基板９を基板ホルダー５の上に載置する。
ゲートバルブ２１を閉じた後、エッチングチャンバー２Ｄ内を１０^−７Ｔｏｒｒ程度まで排気し、その後、ガス導入手段６を動作させる。ガス導入手段６は、アルゴンガスを１０〜４０ｃｃ／分程度の流量で導入する。その後、移動機構５８は基板ホルダー５を上昇させ、基板ホルダー５を前述した閉位置に位置させる。
【００４１】
次に、プラズマ形成手段７を動作させる。即ち、高周波電源７１から整合器７２を介して高周波導入棒５４に高周波電力を供給する。例えば、周波数６０ＭＨｚの高周波が１５００Ｗ程度、周波数４００ｋＨｚの高周波が３００Ｗ程度で供給される。高周波電力は、高周波電極５２に伝わり、高周波電極５２に与えられる高周波電圧によって上方のプラズマ形成空間に高周波電界が設定される。ガス導入手段６によって導入されたガスは、この高周波電界からエネルギーが与えられ、プラズマＰが形成される。そして、プラズマＰ中で生成されるイオンが基板９に入射し、基板９の表面がエッチングされる。尚、プラズマＰと高周波との相互作用により、基板９には所定の負の自己バイアス電圧が与えられる。このため、プラズマＰ中の正イオンが効率よく基板９に入射し、前工程エッチングが効率よく行われる。
【００４２】
このような前工程エッチングを所定時間行った後、プラズマ形成手段７及びガス導入手段６の動作を停止する。そして、移動機構５８は基板ホルダー５を閉位置から開位置に移動させる。その後、エッチングチャンバー２Ｄ内を再度１０^−５Ｔｏｒｒ程度まで排気した後、基板９をエッチングチャンバー２Ｄから搬出する。即ち、ゲートバルブ２１が開いて、セパレーションチャンバー１内の搬送ロボット１１が基板９を基板ホルダー５から取り去ってエッチングチャンバー２Ｄから運び出す。
【００４３】
ゲートバルブ２１が閉じた後、基板９は、図１に示すスパッタチャンバー２Ａに搬入される。スパッタチャンバー２Ａでは、マグネトロンスパッタリングによって基板９の表面に所定の薄膜が作成される。例えば、バリア膜を作成する場合、チタンよりなるターゲットを使用して最初にアルゴンガスでスパッタリングを行い、チタン薄膜を作成する。その後、ガスを窒素に代えてスパッタリングを行い、窒化チタン薄膜をチタン薄膜の上に作成する。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。尚、チタン薄膜の作成と窒化チタン薄膜の作成とは別の処理チャンバー２で行うこともある。この方が、生産性は高くなる。
【００４４】
このようなスパッタリングを行った後、基板９は、必要に応じて冷却チャンバー２Ｃで冷却された後、一方又は他方のロードロックチャンバー３に送られ、ロック内カセット３１に収容される。上記のような処理を、ロック内カセット３１から基板９を一枚ずつ取り出して行う。すべての基板９が処理されて一方又は他方のロック内カセット３１に収容されると、図１に示すオートローダ４が動作し、一方又は他方のロック内カセット３１の処理済みの基板９を一方又は他方の外部カセット４０に収容する。これで、装置の一連の動作が終了する。
【００４５】
上記動作に係る本実施形態のスパッタリング装置では、シールド８１が他端の開口以外に開口を有しない形状であり、この開口は、プラズマＰが拡散しない程度の小さな隙間を残して基板ホルダー５によって閉じられるので、従来のようなプラズマＰの拡散によるプラズマ密度の不均一化が生じない。このため、前工程エッチングを高い均一性で行うことができる。
【００４６】
上記動作において、ガスを導入した後に基板ホルダー５を閉位置に移動させるのは、プラズマ形成空間内へのガスのコンダクタンスを十分確保する意味で好適な構成となっている。即ち、基板ホルダー５を閉位置に移動させてからガス導入を開始すると、プラズマ形成空間へのガスの進入経路としては、基板ホルダー５とシールド８１の他端の開口の縁との間の小さな隙間しかないので、十分なコンダクタンスが得られず、プラズマ形成空間に十分にガスを導入することができない。しかしながら、ガスを導入した後に基板ホルダー５を閉位置に移動させると、このような問題がない。同様に、処理後にエッチングチャンバー２Ｄ内を排気する場合も、排気のコンダクタンスを充分確保する意味から、基板ホルダー５を開位置に移動させてから排気するようにしている。
また、前工程エッチングをエッチングチャンバー２Ｄで行った後、真空中で基板９を搬送してスパッタチャンバー２Ａで成膜を行うので、クリーニングされた基板９の表面が大気で汚損されることがなく、清浄な表面に成膜が行える。この点でも、本実施形態の装置は、良質な薄膜の作成ができるようになっている。
【００４７】
次に、基板処理装置の発明について補足的に説明する。
整合器７２が基板ホルダー５と一体に移動する構成は、上述した通り、基板ホルダー５が移動しても整合器７２から負荷側のインピーダンスが大きく変化しないという点で極めて好適な構成となっている。このような構成は、上述したスパッタリング装置に限らず、基板ホルダー５に高周波を印加するすべての基板処理装置に該当する。例えば、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）装置等の多くのプラズマを利用した基板処理装置では、プラズマと高周波との相互作用によって基板９に負の自己バイアス電圧を与えるため、基板ホルダー５に高周波電圧を印加している。この場合でも、基板ホルダー５のみを移動させると、整合器７２から見た負荷側のインピーダンスが変化してしまい、最適なインピーダンスマッチングが得られてない恐れがある。従って、このような基板ホルダー５に高周波電圧を印加するすべての基板処理装置に上記移動機構５８の構成は有効である。
【００４８】
尚、上記実施形態のスパッタリング装置は、スパッタリングチャンバー２Ａとは別のエッチングチャンバー２Ｄにおいて前工程エッチングを行うよう構成されたが、スパッタリングチャンバー２Ａ内で前工程エッチングを行うよう構成することも可能である。この場合は、スパッタリングのためのターゲット等を備えたスパッタリングチャンバー２Ａ内に前述した構成の基板ホルダー５、移動機構５８及びプラズマ形成手段７等を設ければよい。
【００４９】
また、前述した装置の動作の説明では、バリア膜の作成を例に採り上げたが、配線用のアルミニウム合金膜や銅膜等の作成についても同様に実施できることはいうまでもない。
さらに、成膜の対象物である基板９としては、各種半導体デバイスを作成するための半導体ウェーハの他、液晶ディスプレイやその他の各種電子製品の製作に利用される各種基板を対象とすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１のスパッタリング装置によれば、シールドが他端の開口以外に開口を有しない形状であり、この開口は、プラズマが拡散しないよう基板ホルダーによって閉じられるので、従来のようなプラズマの拡散によるプラズマ密度の不均一化が生じない。このため、前工程エッチングを高い均一性で行うことができる。
また、請求項２のスパッタリング装置によれば、上記請求項１の効果に加え、ガスが導入された後に基板ホルダーが閉位置に移動するので、プラズマ形成空間へのガスの導入が不十分になることが無いという効果が得られる。
また、請求項３のスパッタリング装置によれば、上記請求項１又は２の効果に加え、整合器が基板ホルダーと一体に移動するので、基板ホルダーを移動させても整合条件が大きく変化することはなく、インピーダンスマッチングが最適に維持される。このため、高周波電力の供給効率が高く維持されるという効果が得られる。
また、請求項４の基板処理装置によれば、整合器が基板ホルダーと一体に移動するので、基板ホルダーを移動させても整合条件が大きく変化することはなく、インピーダンスマッチングが最適に維持される。このため、高周波電力の供給効率が高く維持されるという効果が得られる。
【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構成を説明する平面概略図である。
【図２】図１に示すスパッタリング装置におけるエッチングチャンバー２Ｄの構成を説明する正面断面概略図である。
【図３】図２に示す磁石８２の効果を説明する正面概略図である。
【図４】従来のスパッタリング装置における前工程エッチングを行うための構成について説明した正面断面概略図である。
【符号の説明】
２Ｄエッチングチャンバー
２０排気系
２１ゲートバルブ
５基板ホルダー
５１ホルダーステージ
５２高周波電極
５３ホルダー支柱
５４高周波導入棒
５５ホルダーシールド
５８移動機構
５８１保持アーム
５８２上下駆動機構
５８４ベローズ
６ガス導入手段
７プラズマ形成手段
７１高周波電源
７２整合器
８１シールド
８２磁石
９基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a predetermined thin film on the surface of a substrate and a substrate processing apparatus for performing a predetermined process on the surface of a substrate using a high frequency.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor devices such as various memories and logics, a sputtering process is used when creating various wiring films and barrier films for preventing mutual diffusion of different layers, and sputtering apparatuses are often used. Although there are various characteristics required for such a sputtering apparatus, it has recently been strongly demanded that the inner surface of a hole formed in a substrate can be coated with good coverage.
[0003]
Specifically, for example, in an FET (field effect transistor) frequently used in a DRAM or the like, a cross-contamination between the contact wiring layer and the diffusion layer is provided by providing a barrier film on the inner surface of the contact hole provided on the diffusion layer. A structure is used to prevent this. In addition, in the multilayer wiring structure for wiring each mole cell, in order to connect the lower layer wiring and the upper layer wiring, a through hole is provided in the interlayer insulating film, and the inside of the through hole is buried with the interlayer wiring. A structure in which a barrier film is formed in the through hole to prevent cross contamination is employed.
[0004]
Such holes have an increasing aspect ratio (ratio of hole depth to hole diameter or width) every year against the backdrop of increasing integration. For example, in a 64 megabit DRAM, the aspect ratio is about 4, but in 256 megabit, the aspect ratio is about 5-6.
In the case of a barrier film, it is necessary to deposit a thin film of 10 to 15% on the bottom surface of the hole with respect to the amount deposited on the surface around the hole. It is difficult to form a film by increasing the ratio of the deposition rate on the bottom surface of the hole to the deposition rate on the peripheral surface of the hole. When the bottom coverage rate is lowered, the barrier film on the bottom surface of the hole becomes thin, and there is a risk of giving fatal defects to device characteristics such as junction leakage.
[0005]
On the other hand, in the sputtering process, the surface of the substrate is cleaned by etching prior to film formation in order to improve the adhesion and electrical characteristics of the thin film to the surface of the substrate that is the base. For example, a natural oxide film or a surface protective film may be formed on the surface of the substrate. When a thin film is formed on such a film, the adhesion of the thin film is reduced, or electrical characteristics such as specific resistance are reduced. It may get worse. Therefore, cleaning for removing such a natural oxide film or the like by etching is performed in advance.
[0006]
In a conventional sputtering apparatus, cleaning by etching before film formation (hereinafter referred to as pre-process etching) is performed by the action of plasma. FIG. 4 is a schematic front sectional view illustrating a configuration for performing a pre-process etching in a conventional sputtering apparatus. As shown in FIG. 4, a conventional sputtering apparatus has a processing chamber 200 different from a sputtering chamber for performing sputtering, a substrate holder 201 provided in the processing chamber 200, and a predetermined gas in the processing chamber 200. Gas introducing means 202 for introducing gas, and plasma forming means 203 for applying energy to the gas introduced by the gas introducing means 202 to form plasma P in the plasma forming space in the processing chamber 200 facing the substrate holder 201. Yes.
[0007]
The plasma forming unit 203 sets a high frequency electric field in the plasma forming space via the substrate holder 201, and generates plasma P by generating high frequency discharge in the gas introduced by the gas introducing unit 202. It has become. When the plasma P is formed, a self-bias voltage, which is a negative DC component voltage, is applied to the surface of the substrate holder 201 due to the interaction between the plasma P and the high frequency, and positive ions are applied to the substrate 9 by the self-bias voltage. Incident on the surface. As a result, the natural oxide film on the surface of the substrate 9 is sputter-etched and cleaned.
[0008]
At the time of the cleaning, if the material scraped from the surface of the substrate 9 (hereinafter collectively referred to as a deleted material) adheres to the surface of the structure in the processing chamber 200 (including the inner surface of the processing chamber 200 itself) It grows into a thin film over time. When this thin film reaches a certain thickness, it may be peeled off due to its own weight or internal stress. The thin film that peels and falls becomes fine particles of a certain size and floats in the processing chamber 200. And sometimes it reaches the surface of the substrate 9. As a result, the surface of the substrate 9 is soiled. In particular, when the fine particles are an insulator, there may be a serious problem that a circuit already formed on the surface of the substrate 9 is disconnected.
[0009]
In order to prevent such a problem in advance, a shield 204 is conventionally provided to prevent the deleted material from reaching the surface of the structure in the processing chamber 200. The shield 204 is configured to cover the surface of the substrate 9 because it prevents the deleted material released from the substrate 9 from adhering to the inner surface of the processing chamber 200 or the like. However, the shield 204 has a large internal space so as to obtain a space in which the plasma P described above is formed. That is, as shown in FIG. 4, the shield 204 is a substantially cylindrical member having one end closed as a whole, and a substrate holder 201 is provided so as to close the opening at the other end.
[0010]
The shield 204 is also provided for the purpose of preventing the plasma P from unnecessarily diffusing and discharging from being unnecessary. For example, if the plasma P diffuses to the vicinity of the inner surface of the processing chamber 200 or discharge occurs near the inner surface, the inner surface of the processing chamber 200 may be sputter etched. When the inner surface of the processing chamber 200 is sputter-etched, there is a problem that the inner surface of the processing chamber 200 is scraped and worn. Particularly problematic is that when the material of the processing chamber 200 released by the sputter etching reaches the surface of the substrate 9, the surface of the substrate 9 is soiled and product defects such as circuit defects are caused.
[0011]
In order to prevent such problems, the shield 204 prevents the plasma P from being unnecessarily diffused or discharged from being unnecessary. Specifically, the shield 204 is made of a metal such as aluminum and is short-circuited to the processing chamber 200 so as to be maintained at the ground potential. For this reason, the shield 204 and the processing chamber 200 are at the same potential, so that no discharge occurs in the space between them. As shown in FIG. 4, the shield 204 has a shape surrounding the space for forming the plasma P together with the substrate holder 201. Therefore, the diffusion of the plasma P outside the shield 204 is suppressed.
[0012]
As described above, since the shield 204 confines the deleted material, the deleted material naturally adheres to the inner surface of the shield 204 and grows into a thin film over time. When this thin film is peeled and dropped, it becomes fine particles that pollute the substrate 9 as described above. Therefore, a configuration for preventing the thin film from being peeled and dropped is adopted on the inner surface of the shield 204. Specifically, the inner surface of the shield 204 is formed into an uneven surface by blasting or the like, and a thin film is captured on the inner surface to prevent peeling and dropping. Although the thin film is prevented from being peeled and dropped, when the thin film has a thickness of a certain level or more, it may be peeled off due to its own weight or the like. For this reason, after repeating the pre-process etching a predetermined number of times, the shield 204 is removed from the processing chamber 200 and replaced with a new one or a thin film removed.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional sputtering apparatus, the shield 204 provided in the processing chamber 200 for performing the pre-process etching is provided with an opening 205 as a space for taking in and out the substrate 9. Although the shield 204 is for preventing the diffusion of the plasma P, there is a problem that the plasma P diffuses from the opening 205. When the plasma P diffuses from the opening 205, the plasma density is reduced by that much near the inside of the position of the opening 205. For this reason, the sputter etching rate is reduced at a location on the surface of the substrate 9 located below the portion where the plasma density is reduced. That is, there is a problem that the processing becomes uneven.
[0014]
In order to prevent the diffusion of the plasma P from the opening 205, a configuration in which the opening 205 is closed by a closing plate is also conceivable. However, even with such a configuration, the diffusion of the plasma P cannot be completely prevented. Since the opening 205 is a space for taking in and out of the substrate 9, a certain size is necessary, and as long as the opening 205 is provided, plasma diffusion is inevitable.
[0015]
The invention of the present application has been made in order to solve such problems, and has technical significance to provide an apparatus having a practical configuration for performing a process such as pre-process etching.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 of the present application isA sputtering apparatus having a sputtering chamber and a processing chamber for forming a predetermined thin film on a surface of a substrate by sputtering, a substrate holder for holding a substrate provided in the processing chamber, and a gas in the processing chamber A gas introducing means for introducing, a plasma forming means for converting the gas introduced by the gas introducing means into plasma, and one end which is located in the processing chamber and covers the plasma formed by the plasma forming means is closed A position where the opening at the other end of the shield is closed by a cylindrical shield having no opening other than the opening at the other end and a surface of the substrate holder on the side holding the substrate, or plasma Hold the substrate of the substrate holder leaving a slight gap that does not penetrate A closed position where the side surface is close to the edge of the opening at the other end of the shield, an operation for holding the substrate on the substrate holder, and an operation for removing the substrate from the substrate holder. A moving mechanism for moving the substrate holder between an open position where a surface of the substrate holder holding the substrate is a predetermined distance away from an opening edge of the other end of the shield; The forming means applies a high frequency to a high frequency electrode provided as a part of the substrate holder via a matching device to form plasma, and the moving mechanism integrally forms the substrate holder and the matching device. Is to be movedIt has the structure of.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 2 of the present application is a sputtering apparatus having a sputtering chamber and a processing chamber for forming a predetermined thin film on the surface of a substrate by sputtering, and is provided inside the processing chamber. A substrate holder for holding the provided substrate, a gas introducing means for introducing gas into the processing chamber, a plasma forming means for converting the gas introduced by the gas introducing means into plasma, and located in the processing chamber; One end covering the plasma formed by the plasma forming means is closed, the other end is an opening, and the cylindrical shield having no opening other than the opening at the other end is held, and the substrate of the substrate holder is held. The position at which the opening at the other end of the shield is closed by the side surface, or a small amount that does not allow plasma to enter. A closed position in which a surface of the substrate holder that holds the substrate with a small gap is close to the edge of the opening at the other end of the shield, an operation of holding the substrate on the substrate holder, and the substrate Between the open position where the surface on the side of holding the substrate of the substrate holder is a predetermined distance away from the edge of the opening at the other end of the shield so that the operation of removing the substrate from the holder is possible, A moving mechanism for moving the substrate holder, wherein the moving mechanism moves the substrate holder to a closed position after the gas introduction means introduces the gas; A plasma is formed by applying a high frequency to a high-frequency electrode provided as a part via a matching unit, and the moving mechanism unites the substrate holder and the matching unit. It has a configuration that is to move to.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic plan view illustrating the configuration of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. The sputtering apparatus shown in FIG. 1 is a multi-chamber type apparatus, and includes a separation chamber 1 disposed in the center, a plurality of processing chambers 2 provided around the separation chamber 1, and two load lock chambers 3. It is a chamber arrangement. Each chamber 1, 2, 3 is a vacuum vessel that is evacuated by a dedicated or dual-purpose exhaust system. A gate valve (not shown) is provided at a connection point between the chambers 1, 2, and 3.
[0018]
The separation chamber 1 separates the processing chambers 2 from each other in an airtight manner to prevent cross-contamination of the internal atmosphere, and serves as a space for transporting the substrate to the processing chambers 2 and the load lock chamber 3. That is, a transfer robot 11 is provided in the separation chamber 1. The transfer robot 11 takes out the substrates 9 one by one from one load lock chamber 3 and sends them to each processing chamber 2 for sequential processing. And after finishing the last process, it returns to the other load lock chamber 3.
[0019]
One of the processing chambers 2 is configured as a sputtering chamber 2A. In the sputtering chamber 2A, there are provided a target made of a material to be deposited, a power application mechanism and gas introduction means for sputtering the target, a magnet mechanism for magnetron sputtering, a substrate holder for holding the substrate in a predetermined position, and the like. .
One of the other processing chambers 2 is configured as a preheating chamber 2B for preheating the substrate 9 before sputtering, and one of the other processing chambers 2 is a cooling chamber 2C for cooling the substrate 9 after sputtering. And so on.
Furthermore, one of the other processing chambers 2 is configured as an etching chamber 2D that performs pre-process etching. A major feature of the present embodiment is the etching chamber 2D.
[0020]
FIG. 2 is a schematic front sectional view illustrating the configuration of the etching chamber 2D in the sputtering apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 2, the sputtering apparatus of this embodiment introduces a predetermined gas into the etching chamber 2D provided with the exhaust system 20, the substrate holder 5 provided in the etching chamber 2D, and the etching chamber 2D. A gas introducing means 6 and a plasma forming means 7 for applying energy to the gas introduced by the gas introducing means 6 to form a plasma P in a space in the etching chamber 2D facing the substrate holder 5 are provided.
[0021]
The etching chamber 2D is an airtight vacuum vessel provided with a gate valve 21 on a side wall portion. The etching chamber 2D is electrically grounded. The exhaust system 20 includes a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and the inside of the etching chamber 2D is 10%.^-7It is configured to be able to exhaust to about Torr.
[0022]
The substrate holder 5 is a member having a substantially cylindrical appearance with a low height, and is disposed at a lower position in the etching chamber 2D. The substrate holder 5 includes a disk-shaped holder stage 51 having a diameter larger than that of the substrate 9, a high-frequency electrode 52 provided on the holder stage 51, a holder column 53 that supports the holder stage 51, and a high-frequency electrode 52. It is mainly composed of a high-frequency introduction rod 54 for introduction.
The holder stage 51 is made of a metal such as stainless steel and is electrically grounded. Further, the high-frequency electrode 52 has a disk shape with a convex cross section as shown in FIG. The upper surface of the high frequency electrode 52 is slightly smaller than the diameter of the substrate 9. The high frequency electrode 52 is formed of a metal such as aluminum. An insulating film is formed on the entire surface of the high frequency electrode 52. Therefore, the high frequency electrode 52 and the holder stage 51 are insulated.
[0023]
A holder shield 55 is provided around the high-frequency electrode 52. thisHolder shield 55These are for fixing the high frequency electrode 52 and preventing unnecessary discharge around the high frequency electrode 52. That is, the holder shield 55 is made of metal and is grounded together with the holder stage 51. For this reason, it is possible to prevent the discharge from being generated around the high-frequency electrode 52 and the plasma from flowing around. When the plasma wraps around this part, there is a problem that the insulating film at the peripheral part of the high-frequency electrode 52 is etched. If the etched insulating film material adheres to the substrate 9, it causes the substrate 9 to become dirty.
[0024]
The holder column 53 is hollow inside. The high-frequency introduction rod 54 is disposed inside the holder column 53 and penetrates through the holder stage 51 to reach the high-frequency electrode 52. The high-frequency introduction rod 54 is a round bar-shaped member made of metal such as copper. The periphery of the high-frequency introduction rod 54 is covered with a cylindrical insulating tube 56. An earth pipe 57 is provided around the portion of the high-frequency introduction rod 54 located in the holder column 53. The earth pipe 57 is provided so as to extend downward from the lower surface of the holder stage 51 and is short-circuited to the holder stage 51. An insulating tube 56 is interposed between the ground tube 57 and the high-frequency introduction rod 54. The tip of the high-frequency introduction rod 54 is welded to the high-frequency electrode 52. Therefore, the high frequency introducing rod 54 and the high frequency electrode 52 are short-circuited.A high-frequency power supply 71 is connected to the high-frequency introduction rod 54 so that a high frequency is introduced into the high-frequency electrode 52 through the high-frequency introduction rod.
[0025]
As described above, in the present embodiment, the high frequency voltage is not applied to the entire substrate holder 5, but only the high frequency electrode 52 that is a part of the substrate holder 5 is applied via the high frequency introducing rod 54. Yes. For this reason, the structure of the holder shield 55 provided in the substrate holder 5 can be simplified. That is, when a high-frequency voltage is applied to the entire substrate holder 5, it is necessary to cover almost the entire surface of the substrate holder 5 except the substrate mounting surface with the holder shield 55 in order to prevent discharge at an unnecessary place. However, in the present embodiment, since the high-frequency voltage is applied only to the high-frequency electrode 52, it is only necessary to cover the periphery of the high-frequency electrode 52 with the holder shield 55, and the configuration of the holder shield 55 is simplified.
[0026]
The substrate holder 5 is provided with an electrostatic adsorption mechanism for adsorbing the substrate 9 by static electricity as necessary. The electrostatic attraction mechanism can be configured, for example, by adopting a pair of electrodes as the high-frequency electrode 52 and providing a direct-current power source that applies a direct-current voltage to the pair of electrodes and superimposes the direct-current voltage on the high frequency.
[0027]
On the other hand, a shield 81 surrounding the plasma forming space is provided above the substrate holder 5. As with the shield 204 in the conventional apparatus shown in FIG. 4, the shield 81 is for preventing adhesion of the deleted material to the inner surface of the etching chamber 2D and preventing diffusion of the plasma P. The shield 81 is formed of a metal such as aluminum and is short-circuited to the etching chamber 2D. Therefore, the shield 81 is also at the ground potential, and no electric field is set between the shield 81 and the etching chamber 2D. For this reason, the discharge in this portion is suppressed and the diffusion of the plasma P is prevented. One of the major features of this embodiment is that the shield 81 is a cylindrical member having one end closed and the other end opened, and there is no opening other than the opening at the other end.
[0028]
On the other hand, the gas introducing means 6 introduces the gas that is converted into plasma by the plasma forming means 7 into the etching chamber 2D. In the present embodiment, argon gas is introduced into the etching chamber 2D. In the argon gas plasma, argon ions are generated, and the ions are incident on the substrate 9 for etching. Specifically, the gas introduction means 6 includes a gas cylinder (not shown) that stores argon gas, a valve provided in a pipe that connects the gas cylinder and the etching chamber 2D, a flow rate regulator, and the like.
[0029]
The plasma forming means 7 applies high frequency energy to the gas in the etching chamber 2 </ b> D via the high frequency introducing rod 54 and the high frequency electrode 52 in the substrate holder 5. Specifically, the plasma forming means 7 is mainly composed of a high-frequency power source 71 that supplies high-frequency power to the high-frequency introduction rod 54 in the substrate holder 5 and a matching unit 72 provided in a high-frequency supply path from the high-frequency power source 71. It is configured.
In the present embodiment, the high frequency power supply 71 can supply a high frequency belonging to the VHF (Very High Frequency) band and a high frequency belonging to the MF (Medium Frequency) band in a superimposed manner. Specifically, 60 MHz and 400 kHz are superimposed. The matching unit 72 adjusts the impedance on the load side to reduce reflected waves and the like.
[0030]
A magnet 82 is provided above the etching chamber 2D. The magnet 82 adjusts the distribution of the pre-process etching on the substrate 9. The effect of the magnet 82 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic front view for explaining the effect of the magnet 82 shown in FIG.
For example, a disk-shaped permanent magnet having a slightly larger diameter than the substrate 9 is used as the magnet 82. When such a magnet 82 is used, as shown in FIG. 3, a line of magnetic force 83 from the plasma toward the substrate 9 is set. The magnetic lines of force 83 have a distribution that diffuses outward. Therefore, the effect | action which guide | induces efficiently the ion in plasma toward the peripheral part of the surface of the board | substrate 9 is acquired. For this reason, if the etching distribution is such that etching proceeds efficiently in the central portion of the substrate 9 and does not proceed much in the peripheral portion unless the magnet 82 is arranged, this is corrected by the action of the magnet 82 and the etching efficiency in the peripheral portion is improved. As a result, the etching distribution becomes uniform.
[0031]
The configuration of the magnet 82 is determined by the shape of the etching distribution when the magnet 82 is not disposed. A magnet configuration is employed that provides a magnetic field that makes the etching distribution uniform. For example, a ring-shaped permanent magnet or an electromagnet may be used.
[0032]
Another major feature of the sputtering apparatus of the present embodiment is that the substrate holder 5 is provided with a moving mechanism 58. This point will be described specifically with reference to FIG. The moving mechanism 58 mainly includes a holding arm 581 that holds the holder column 53 of the substrate holder 5, and a vertical drive source 582 that is connected to the holding arm 581.
As shown in FIG. 2, an opening is formed in the lower surface of the etching chamber 2D, and the holder column 53 is inserted through this opening. An arm attachment plate 583 is fixed to the lower end of the holder column 53. The distal end of the holding arm 581 is fixed to the arm attachment plate 583.
[0033]
The vertical drive source 582 includes, for example, a precision screw that is long in the vertical direction to which the holding arm 581 is screwed, a servo motor that rotates the precision screw, and the like. When the vertical drive source 582 is driven, the precision screw rotates and the holding arm 581 moves up and down. As a result, the substrate holder 5 moves up and down as a whole. A bellows 584 is airtightly provided between the edge of the opening on the lower surface of the etching chamber 2D and the arm attachment plate 583. For this reason, hermetic sealing of the opening portion of the lower surface of the etching chamber 2D is achieved while allowing the holder column 53 to move up and down.
[0034]
The moving mechanism 58 has a closed position where the surface of the substrate holder 5 that holds the substrate 9 is close to the edge of the opening at the other end of the shield 81, leaving a slight gap that does not allow the plasma P to enter. The substrate holder 5 is moved between an open position where the surface of the substrate holder 5 that holds the substrate 9 is a predetermined distance away from the edge of the opening at the other end of the shield 81.
[0035]
That is, the moving mechanism 58 raises the substrate holder 5 and positions it in the closed position. This position is a position indicated by a dotted line in FIG. 2, and in this position, a slight gap of about 1 to 2 mm is formed between the surface of the substrate holder 5 that holds the substrate 9 and the edge of the opening of the other end of the shield 81. Is approaching, leaving. The plasma has a property that it does not enter the space when it becomes small to some extent, and the diffusion of the plasma P through the gap is prevented. Note that how small the gap is and whether the plasma does not diffuse also depend on the pressure. In the pressure range normally used by the apparatus as in the present embodiment, if the size of the gap is 2 mm or less, the problematic diffusion of the plasma P does not occur.
[0036]
Further, the opening of the other end of the shield 81 may be closed by the surface where the gap is zero, that is, the side of the substrate holder 5 that holds the substrate 9. In this case, in order to prevent damage due to collision between the surface of the substrate holder 5 that holds the substrate 9 and the edge of the opening of the other end of the shield 81, a cushioning material may be provided on either side. The buffer material needs to be a material having plasma resistance such as stainless steel.
[0037]
On the other hand, the moving mechanism 58 lowers the substrate holder 5 and positions it in the open position. This position is a position indicated by a solid line in FIG. 2. In this open position, an operation for holding the substrate 9 on the substrate holder 5 and an operation for removing the substrate 9 from the substrate holder are possible. That is, the arm of the transfer robot 11 in the separation chamber 1 shown in FIG. 1 enters the etching chamber 2D through the gate valve 21 and places the substrate 9 on the substrate holder 5 or removes the substrate 9 from the substrate holder 5. can do. Note that “the surface of the substrate holder that holds the substrate” does not mean only the surface that actually holds the substrate, but “the substrate holder or other member that is integrally attached to the substrate holder”. This means “the surface located on the side holding the substrate”.
[0038]
Further, the above-described configuration in which the matching unit 72 moves integrally with the substrate holder 5 is a very preferable configuration for performing high-frequency impedance matching applied to the high-frequency electrode 52. That is, when the matching unit 72 is located away from the substrate holder 5 and only the substrate holder 5 moves, the high-frequency line length between the matching unit 72 and the substrate holder 5 is changed by the movement of the substrate holder 5. It will change. For this reason, even if impedance matching is performed by optimizing the configuration of the matching unit 72, the impedance on the load side changes from the matching unit 72 when the substrate holder 5 is moved, so that it may deviate from the optimal matching condition. .
However, in this embodiment, since the aligner 72 moves integrally with the substrate holder 5, there is no such problem. That is, even if the substrate holder 5 is moved, the matching condition does not change greatly, and the impedance matching is optimally maintained.
[0039]
Next, the operation of the sputtering apparatus of this embodiment according to the above configuration will be described.
First, a predetermined number of unprocessed substrates 9 accommodated in one external cassette 40 shown in FIG. 1 are accommodated in an in-lock cassette 31 in one load lock chamber 3 by the autoloader 4. The transfer robot 11 in the separation chamber 1 takes out the substrates 9 one by one from the in-lock cassette 31 and sends them to the etching chamber 2D. Before or after being sent to the etching chamber 2D, the substrate 9 is sent to the preheating chamber 2B as necessary and preliminarily heated.
[0040]
The etching chamber 2D is evacuated in advance to the same level as the separation chamber 1 by an exhaust system, and the gate valve 21 shown in FIG. 2 is opened to carry the substrate 9 into the etching chamber 2D. The moving mechanism 58 moves the substrate holder 5 to the above-described open position in advance, and the transfer robot 11 places the substrate 9 on the substrate holder 5.
After closing the gate valve 21, the inside of the etching chamber 2D is set to 10^-7After exhausting to about Torr, the gas introducing means 6 is operated. The gas introduction means 6 introduces argon gas at a flow rate of about 10 to 40 cc / min. Thereafter, the moving mechanism 58 raises the substrate holder 5 and positions the substrate holder 5 in the closed position described above.
[0041]
Next, the plasma forming means 7 is operated. That is, high-frequency power is supplied from the high-frequency power source 71 to the high-frequency introduction rod 54 via the matching unit 72. For example, a high frequency with a frequency of 60 MHz is supplied at about 1500 W, and a high frequency with a frequency of 400 kHz is supplied at about 300 W. The high frequency power is transmitted to the high frequency electrode 52, and a high frequency electric field is set in the upper plasma forming space by the high frequency voltage applied to the high frequency electrode 52. The gas introduced by the gas introduction means 6 is given energy from this high frequency electric field, and plasma P is formed. Then, ions generated in the plasma P enter the substrate 9 and the surface of the substrate 9 is etched. A predetermined negative self-bias voltage is applied to the substrate 9 by the interaction between the plasma P and the high frequency. For this reason, positive ions in the plasma P are efficiently incident on the substrate 9 and the pre-process etching is efficiently performed.
[0042]
After such pre-process etching is performed for a predetermined time, the operations of the plasma forming means 7 and the gas introducing means 6 are stopped. Then, the moving mechanism 58 moves the substrate holder 5 from the closed position to the open position. Thereafter, the inside of the etching chamber 2D is again 10^-5After exhausting to about Torr, the substrate 9 is unloaded from the etching chamber 2D.That is,The gate valve 21 is opened, and the transfer robot 11 in the separation chamber 1 removes the substrate 9 from the substrate holder 5 and carries it out of the etching chamber 2D.
[0043]
After the gate valve 21 is closed, the substrate 9 is carried into the sputtering chamber 2A shown in FIG. In the sputtering chamber 2A, a predetermined thin film is formed on the surface of the substrate 9 by magnetron sputtering. For example, when a barrier film is formed, a titanium thin film is formed by first performing sputtering with argon gas using a target made of titanium. Thereafter, sputtering is performed by replacing the gas with nitrogen, and a titanium nitride thin film is formed on the titanium thin film. Thereby, a barrier film structure in which a titanium nitride thin film is laminated on a titanium thin film is obtained. Note that the titanium thin film and the titanium nitride thin film may be formed in different processing chambers 2. This is more productive.
[0044]
After performing such sputtering, the substrate 9 is cooled in the cooling chamber 2C as necessary, and then sent to one or the other load lock chamber 3, wherecassette31. The above processing is performed by taking out the substrates 9 one by one from the cassette 31 in the lock. When all the substrates 9 are processed and accommodated in one or the other in-lock cassette 31, the autoloader 4 shown in FIG. 1 operates, and the processed substrate 9 in one or the other in-lock cassette 31 is moved to one or the other. In the external cassette 40. This completes a series of operations of the apparatus.
[0045]
In the sputtering apparatus of the present embodiment related to the above operation, the shield 81 has a shape having no opening other than the opening at the other end, and this opening is closed by the substrate holder 5 leaving a small gap to the extent that the plasma P does not diffuse. Therefore, the plasma density non-uniformity due to the diffusion of the plasma P does not occur. For this reason, the pre-process etching can be performed with high uniformity.
[0046]
In the above operation, moving the substrate holder 5 to the closed position after introducing the gas is a preferable configuration in terms of ensuring sufficient gas conductance into the plasma formation space. That is, when gas introduction is started after the substrate holder 5 is moved to the closed position, a small gap between the substrate holder 5 and the edge of the opening at the other end of the shield 81 is used as the gas entry path into the plasma formation space. Therefore, sufficient conductance cannot be obtained, and sufficient gas cannot be introduced into the plasma formation space. However, when the substrate holder 5 is moved to the closed position after introducing the gas, there is no such problem. Similarly, when the inside of the etching chamber 2D is evacuated after the processing, the substrate holder 5 is moved to the open position and then evacuated in order to ensure a sufficient conductance of the evacuation.
In addition, after the pre-process etching is performed in the etching chamber 2D, the substrate 9 is transported in vacuum and film formation is performed in the sputtering chamber 2A, so that the surface of the cleaned substrate 9 is not contaminated with the atmosphere. Films can be formed on a clean surface. Also in this respect, the apparatus of the present embodiment can produce a high-quality thin film.
[0047]
Next, the invention of the substrate processing apparatus will be supplementarily described.
The configuration in which the matching unit 72 moves integrally with the substrate holder 5 is a very suitable configuration in that the impedance on the load side from the matching unit 72 does not change greatly even when the substrate holder 5 moves as described above. . Such a configuration is applicable not only to the above-described sputtering apparatus but also to all substrate processing apparatuses that apply a high frequency to the substrate holder 5. For example, in a substrate processing apparatus using many plasmas such as a plasma CVD (chemical vapor deposition) apparatus, a negative self-bias voltage is applied to the substrate 9 by the interaction between the plasma and the high frequency, so that a high frequency voltage is applied to the substrate holder 5. is doing. Even in this case, when only the substrate holder 5 is moved, the impedance on the load side as viewed from the matching unit 72 changes, and there is a possibility that optimum impedance matching cannot be obtained. Therefore, the configuration of the moving mechanism 58 is effective for all substrate processing apparatuses that apply a high-frequency voltage to the substrate holder 5.
[0048]
In addition, although the sputtering apparatus of the said embodiment was comprised so that a pre-process etching might be performed in the etching chamber 2D different from the sputtering chamber 2A, it is also possible to comprise so that a pre-process etching may be performed within the sputtering chamber 2A. . In this case, the substrate holder 5, the moving mechanism 58, the plasma forming means 7 and the like having the above-described configuration may be provided in the sputtering chamber 2A provided with a sputtering target and the like.
[0049]
In the above description of the operation of the apparatus, the creation of the barrier film is taken as an example, but it goes without saying that the production of an aluminum alloy film, a copper film, etc. for wiring can be similarly performed.
Furthermore, as the substrate 9 as a film formation target, it is possible to target various substrates used for manufacturing a liquid crystal display and other various electronic products in addition to a semiconductor wafer for forming various semiconductor devices. .
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the sputtering apparatus of claim 1 of the present application, the shield has a shape having no opening other than the opening at the other end, and this opening is closed by the substrate holder so that the plasma is not diffused. Such plasma non-uniformity due to plasma diffusion does not occur. For this reason, the pre-process etching can be performed with high uniformity.
Further, according to the sputtering apparatus of the second aspect, in addition to the effect of the first aspect, since the substrate holder moves to the closed position after the gas is introduced, the introduction of the gas into the plasma forming space becomes insufficient. The effect that there is nothing is obtained.
Moreover, according to the sputtering apparatus of claim 3, in addition to the effect of claim 1 or 2, the aligner moves integrally with the substrate holder, so that the alignment condition greatly changes even if the substrate holder is moved. And impedance matching is optimally maintained. For this reason, the effect that the supply efficiency of high frequency electric power is maintained high is acquired.
According to the substrate processing apparatus of the fourth aspect, since the matching unit moves integrally with the substrate holder, the matching condition does not change greatly even if the substrate holder is moved, and the impedance matching is maintained optimally. . For this reason, the effect that the supply efficiency of high frequency electric power is maintained high is acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view illustrating a configuration of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic front sectional view for explaining the configuration of an etching chamber 2D in the sputtering apparatus shown in FIG.
3 is a schematic front view for explaining the effect of the magnet 82 shown in FIG. 2; FIG.
FIG. 4 is a schematic front sectional view illustrating a configuration for performing a pre-process etching in a conventional sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
2D etching chamber
20 Exhaust system
21 Gate valve
5 Board holder
51 Holder stage
52 High frequency electrode
53 Holder column
54 High-frequency introduction rod
55 Holder Shield
58 Movement mechanism
581 Holding arm
582 Vertical drive mechanism
584 Bellows
6 Gas introduction means
7 Plasma forming means
71 high frequency power supply
72 Matching device
81 Shield
82 Magnet
9 Board

Claims

スパッタリングによって基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタチャンバー及び処理チャンバーを有するスパッタリング装置であって、
前記処理チャンバーの内部に設けられている基板を保持するための基板ホルダー、
前記処理チャンバーにガスを導入するためのガス導入手段、
前記ガス導入手段により導入されたガスをプラズマ化するプラズマ形成手段、
前記処理チャンバー内に位置し、前記プラズマ形成手段により形成されるプラズマを覆う一端が閉じていて他端が開口であり、前記他端の開口以外には開口が無い筒状の形状のシールド及び
前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面によって前記シールドの他端の開口が閉じられる位置又はプラズマが進入しない程度の僅かな隙間を残して前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁に接近した位置である閉位置と、前記基板ホルダーに前記基板を保持させる動作及び前記基板ホルダーから前記基板を取り去る動作が可能となるように前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁から所定距離離間した位置である開位置との間で、前記基板ホルダーを移動させる移動機構を有し、
前記プラズマ形成手段は、前記基板ホルダーの一部として設けられた高周波電極に整合器を介して高周波を印加してプラズマを形成するものであり、前記移動機構は、前記基板ホルダーと整合器とを一体に移動させるものであることを特徴とするスパッタリング装置。 A sputtering apparatus having a sputtering chamber and a processing chamber for forming a predetermined thin film on the surface of a substrate by sputtering,
A substrate holder for holding a substrate provided in the processing chamber;
Gas introduction means for introducing gas into the processing chamber;
Plasma forming means for converting the gas introduced by the gas introducing means into plasma;
A cylindrical shield located within the processing chamber, covering one end of the plasma formed by the plasma forming means, closed, the other end being an opening, and having no opening other than the opening at the other end;
A position where the opening of the other end of the shield is closed by a surface of the substrate holder that holds the substrate or a surface of the substrate holder that holds the substrate leaving a slight gap that does not allow plasma to enter. The closed position which is a position close to the edge of the opening at the other end of the shield, the operation of holding the substrate on the substrate holder and the operation of removing the substrate from the substrate holder are possible. A movement mechanism for moving the substrate holder between an open position where the surface on the side holding the substrate is a predetermined distance away from the edge of the opening at the other end of the shield;
The plasma forming means forms a plasma by applying a high frequency to a high frequency electrode provided as a part of the substrate holder via a matching unit, and the moving mechanism includes the substrate holder and the matching unit. A sputtering apparatus characterized by being moved together.

スパッタリングによって基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタチャンバー及び処理チャンバーを有するスパッタリング装置であって、
前記処理チャンバー内部に設けた基板を保持するための基板ホルダー、
前記処理チャンバーにガスを導入するためのガス導入手段、
前記ガス導入手段により導入されたガスをプラズマ化するプラズマ形成手段、
前記処理チャンバー内に位置し、前記プラズマ形成手段により形成されるプラズマを覆う一端が閉じていて他端が開口であり、前記他端の開口以外には開口が無い筒状の形状のシールド及び
前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面によって前記シールドの他端の開口が閉じられる位置又はプラズマが進入しない程度の僅かな隙間を残して前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁に接近した位置である閉位置と、前記基板ホルダーに前記基板を保持させる動作及び前記基板ホルダーから前記基板を取り去る動作が可能となるように前記基板ホルダーの前記基板を保持する側の面が前記シールドの他端の開口の縁から所定距離離間した位置である開位置との間で、前記基板ホルダーを移動させる移動機構を有し、
前記移動機構は、前記ガス導入手段が前記ガスを導入した後に前記基板ホルダーを閉位置に移動させるものであり、
前記プラズマ形成手段は、基板ホルダーの一部として設けられた高周波電極に整合器を介して高周波を印加してプラズマを形成するものであり、前記移動機構は、前記基板ホルダーと整合器とを一体に移動させるものであることを特徴とするスパッタリング装置。 A sputtering apparatus having a sputtering chamber and a processing chamber for forming a predetermined thin film on the surface of a substrate by sputtering,
A substrate holder for holding a substrate provided in the processing chamber;
Gas introduction means for introducing gas into the processing chamber;
Plasma forming means for converting the gas introduced by the gas introducing means into plasma;
A cylindrical shield located within the processing chamber, covering one end of the plasma formed by the plasma forming means, closed, the other end being an opening, and having no opening other than the opening at the other end;
A position where the opening of the other end of the shield is closed by a surface of the substrate holder that holds the substrate or a surface of the substrate holder that holds the substrate leaving a slight gap that does not allow plasma to enter. The closed position which is a position close to the edge of the opening at the other end of the shield, the operation of holding the substrate on the substrate holder and the operation of removing the substrate from the substrate holder are possible. A movement mechanism for moving the substrate holder between an open position where the surface on the side holding the substrate is a predetermined distance away from the edge of the opening at the other end of the shield;
The moving mechanism is to move the substrate holder to a closed position after the gas introduction means introduces the gas,
The plasma forming means forms a plasma by applying a high frequency to a high frequency electrode provided as a part of a substrate holder via a matching device, and the moving mechanism integrally forms the substrate holder and the matching device. A sputtering apparatus characterized by being moved to a position.