JP5373905B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、被処理体の表面に被膜を形成するために用いられる成膜装置及び成膜方法に関し、特に、薄膜形成方法の一種であるスパッタリング法を用いたＤＣマグネトロン方式の成膜装置及び成膜方法に関する。
本願は、２００９年７月１７日に出願された特願２００９−１６９４４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２００９年７月１７日に出願された特願２００９−１６９４４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、例えば、半導体デバイスの製作における成膜工程においては、スパッタリング法を用いた成膜装置（以下、「スパッタリング装置」という。）が用いられている。
このような用途のスパッタリング装置においては、近年の配線パターンの微細化に伴い、処理すべき基板全面に、深さと幅の比が３を超えるような高アスペクト比の微細ホールに対して良好な被覆性で被膜を成膜することができること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。
このような用途のスパッタリング装置においては、近年の配線パターンの微細化に伴い、処理すべき基板全面に、深さと幅の比が３を超えるような高アスペクト比の微細ホールに対して良好な被覆性で被膜を成膜することができること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。
一般に、上記のスパッタリング装置においては、例えば、ターゲットの後方（ターゲットにおいてスパッタ面とは反対側）に、極性を交互に異ならせた複数の磁石によって構成された磁石組立体が配置されている。この磁石組立体により、ターゲットの前方（スパッタ面が露出される空間）にトンネル状の磁場を発生させ、ターゲットの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲットの前方における電子密度を高め、プラズマ密度を高くしている。
このようなスパッタリング装置では、ターゲットのうち上記磁場の影響を受ける領域が優先的にスパッタリングされる。このため、放電の安定性又はターゲットの使用効率の向上等の観点から、上記領域が、例えば、ターゲット中央付近に存在すると、スパッタリングの際のターゲットのエロージョン量はその中央付近で多くなる。
このような場合、ターゲットからスパッタリングされたターゲット材粒子（例えば、金属粒子、以下、「スパッタ粒子」という）が基板の鉛直方向に対して傾斜した角度で入射して基板の外周部に付着する。
その結果、スパッタリング装置を上記用途の成膜工程に用いた場合には、特に、基板の外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が従来から知られている。即ち、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題があった。
このような場合、ターゲットからスパッタリングされたターゲット材粒子（例えば、金属粒子、以下、「スパッタ粒子」という）が基板の鉛直方向に対して傾斜した角度で入射して基板の外周部に付着する。
その結果、スパッタリング装置を上記用途の成膜工程に用いた場合には、特に、基板の外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が従来から知られている。即ち、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題があった。
このような問題を解決するために、真空チャンバ内で基板が載置されるステージの上方にステージの表面と略平行に第１スパッタリングターゲットが配置され、更にステージの斜め上方でステージ表面に対して斜め方向に向く第２のスパッタリングターゲットが配置されたスパッタリング装置、つまり、複数のカソードユニットを備えた装置が、例えば、特許文献１で知られている。
しかしながら、上記特許文献１に記載されているように複数のカソードユニットを真空チャンバ内に配置すると、装置構成が複雑となり、また、ターゲットの数に応じたスパッタ電源又は磁石組立体が必要になる等、部品点数が増え、コストが増加する不具合がある。更に、ターゲットの使用効率も悪くなり、製造コストが増加する不具合もある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、基板に形成された高アスペクト比のホール，トレンチ，又は微細パターンに対して高い被覆性で被膜を形成し、かつ、基板外周部においても基板の中央部と同レベルの被覆性を確保できる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
本発明の第１態様の成膜装置は、成膜面を有する被処理体とスパッタ面を有するターゲット（被膜の母材）とが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置（収納）される内部空間を有するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する排気部と、前記スパッタ面が露出される前記内部空間（スパッタ面の前方）に磁場を発生させる第１磁場発生部と、前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、Ｉｕで定義された電流値が印加されて前記ターゲットに近い位置（ターゲット近傍）に配置された第１発生部と、Ｉｄで定義された電流値が印加されて前記被処理体に近い位置（被処理体近傍）に配置された第２発生部とを有し、関係式Ｉｄ＜Ｉｕを満たすように前記第１発生部及び前記第２発生部に電流を印加し、前記スパッタ面の全面と前記被処理体の前記成膜面の全面との間に所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させる第２磁場発生部とを含む。
本発明の第１態様の成膜装置においては、前記Ｉｕ及び前記Ｉｄは、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすことが好ましい。
本発明の第２態様の成膜方法は、成膜面を有する被処理体とスパッタ面を有するターゲットとが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置される内部空間を有するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する排気部と、前記スパッタ面が露出される前記内部空間に磁場を発生させる第１磁場発生部と、前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、前記ターゲットに近い位置に配置された第１発生部と前記被処理体に近い位置に配置された第２発生部とを有し、前記スパッタ面の全面と前記被処理体の前記成膜面の全面との間に所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させる第２磁場発生部とを含む成膜装置を準備し、Ｉｕで定義された電流値を前記第１発生部に印加し、Ｉｄで定義された電流値を前記第２発生部に印加し、関係式Ｉｄ＜Ｉｕを満たすように、前記第１発生部及び前記第２発生部に印加される前記電流値を制御する。
本発明の第２態様の成膜方法においては、前記Ｉｕと前記Ｉｄは、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすように、前記第１発生部及び前記第２発生部に供給される電流値を制御することが好ましい。
本発明によれば、ターゲットの全面と被処理体の全面との間で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させているため、スパッタリングによりターゲットのスパッタ面から飛散した正電荷を有するスパッタ粒子の方向は、上記垂直磁場によって変化する。これによって、スパッタ粒子は、被処理体に対して略垂直に入射して付着する。
その結果、半導体デバイスの製作における成膜工程で本発明の成膜装置を用いることにより、高アスペクト比のホール，トレンチ，又は微細パターンに対して高い被覆性で被膜を形成することができる。更に、被処理体の中央部における被覆性と同じレベルの被覆性で被処理体の外周部に被膜を形成することができる。また、処理体の外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が解消される。即ち、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題が解消される。
その結果、半導体デバイスの製作における成膜工程で本発明の成膜装置を用いることにより、高アスペクト比のホール，トレンチ，又は微細パターンに対して高い被覆性で被膜を形成することができる。更に、被処理体の中央部における被覆性と同じレベルの被覆性で被処理体の外周部に被膜を形成することができる。また、処理体の外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が解消される。即ち、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題が解消される。
本発明においては、第２磁場発生部において、ターゲットに近い位置に配置された第１発生部に印加される電流値（第１電流）をＩｕと定義し、被処理体に近い位置に配置された第２発生部に印加される電流値（第２電流）をＩｄと定義した場合、関係式Ｉｄ＜Ｉｕを満たすように第２磁場発生部に電流を印加している。これによって、ターゲットに近い位置における磁束密度が、被処理体に近い位置における磁束密度よりも大きくなり、ターゲットに近い位置において飛散しているスパッタ粒子が被処理体に向けて効果的に誘導される。このため、基板に形成された高アスペクト比のホール，トレンチ，又は微細パターンに対して高い被覆性で被膜を形成することができる。
以下、本発明に係る成膜装置及び成膜方法の実施形態について、図面に基づき説明する。
また、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
また、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
図１に示すように、成膜装置１は、ＤＣマグネトロンスパッタリング方式の成膜装置であり、真空雰囲気の生成が可能な真空チャンバ２（チャンバ）を備える。
真空チャンバ２の天井部には、カソードユニットＣが取り付けられている。
なお、以下の説明においては、真空チャンバ２の天井部に近い位置を「上」と称し、真空チャンバ２の底部に近い位置を「下」と称する。
真空チャンバ２の天井部には、カソードユニットＣが取り付けられている。
なお、以下の説明においては、真空チャンバ２の天井部に近い位置を「上」と称し、真空チャンバ２の底部に近い位置を「下」と称する。
カソードユニットＣは、ターゲット３を備え、ターゲット３はホルダ５に取り付けられている。
更に、カソードユニットＣは、ターゲット３のスパッタ面（下面）３ａが露出される空間（スパッタ面３ａの前方）にトンネル状の磁場を発生する第１磁場発生部４を備える。
ターゲット３は、処理すべき基板Ｗ（被処理体）に形成される薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ，又はＴａで構成されている。
ターゲット３の形状は、処理すべき基板Ｗの形状に対応させて、スパッタ面３ａの面積が基板Ｗの表面積より大きくなるように、公知の方法で所定形状（例えば、平面図において円形）に作製されている。
また、ターゲット３は、公知の構造を有するＤＣ電源９（スパッタ電源、直流電源）に電気的に接続され、所定の負の電位が印加される。
更に、カソードユニットＣは、ターゲット３のスパッタ面（下面）３ａが露出される空間（スパッタ面３ａの前方）にトンネル状の磁場を発生する第１磁場発生部４を備える。
ターゲット３は、処理すべき基板Ｗ（被処理体）に形成される薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ，又はＴａで構成されている。
ターゲット３の形状は、処理すべき基板Ｗの形状に対応させて、スパッタ面３ａの面積が基板Ｗの表面積より大きくなるように、公知の方法で所定形状（例えば、平面図において円形）に作製されている。
また、ターゲット３は、公知の構造を有するＤＣ電源９（スパッタ電源、直流電源）に電気的に接続され、所定の負の電位が印加される。
第１磁場発生部４は、ホルダ５においてターゲット３（スパッタ面３ａ）が配置される位置とは反対の位置（上側、ターゲット３又はホルダ５の背面側）に配置されている。
第１磁場発生部４は、ターゲット３に平行に配置されたヨーク４ａと、ヨーク４ａの下面に設けられた磁石４ｂ，４ｃとから構成されている。
ターゲット３に近い位置に配置された磁石４ｂ，４ｃの先端の極性が交互に異なるように、磁石４ｂ，４ｃは配置されている。
磁石４ｂ，４ｃの形状又は個数は、放電の安定性又はターゲットの使用効率の向上等の観点から、スパッタ面３ａが露出される空間（ターゲット３の前方）に形成される磁場（磁場の形状又は分布）に応じて適宜選択される。
磁石４ｂ，４ｃの形状としては、例えば、薄片形状，棒形状，又はこれら形状が適宜組み合わされた形状が採用されてもよい。
また、第１磁場発生部４に移動機構が設けられてもよく、移動機構によって第１磁場発生部４がターゲット３の背面側において往復運動又は回転運動してもよい。
第１磁場発生部４は、ターゲット３に平行に配置されたヨーク４ａと、ヨーク４ａの下面に設けられた磁石４ｂ，４ｃとから構成されている。
ターゲット３に近い位置に配置された磁石４ｂ，４ｃの先端の極性が交互に異なるように、磁石４ｂ，４ｃは配置されている。
磁石４ｂ，４ｃの形状又は個数は、放電の安定性又はターゲットの使用効率の向上等の観点から、スパッタ面３ａが露出される空間（ターゲット３の前方）に形成される磁場（磁場の形状又は分布）に応じて適宜選択される。
磁石４ｂ，４ｃの形状としては、例えば、薄片形状，棒形状，又はこれら形状が適宜組み合わされた形状が採用されてもよい。
また、第１磁場発生部４に移動機構が設けられてもよく、移動機構によって第１磁場発生部４がターゲット３の背面側において往復運動又は回転運動してもよい。
真空チャンバ２の底部には、ターゲット３に対向するようにステージ１０が配置されている。
ステージ１０上には基板Ｗが搭載され、ステージ１０によって基板Ｗの位置が決定され、基板Ｗが保持される。
また、真空チャンバ２の側壁には、アルゴンガス等のスパッタガスを導入するガス管１１（ガス導入部）の一端が接続されており、ガス管１１の他端はマスフローコントローラ（不図示）を介してガス源に連通している。
更に、真空チャンバ２には、ターボ分子ポンプ又はロータリポンプ等からなる真空排気部１２（排気部）に通じる排気管１２ａが接続されている。
ステージ１０上には基板Ｗが搭載され、ステージ１０によって基板Ｗの位置が決定され、基板Ｗが保持される。
また、真空チャンバ２の側壁には、アルゴンガス等のスパッタガスを導入するガス管１１（ガス導入部）の一端が接続されており、ガス管１１の他端はマスフローコントローラ（不図示）を介してガス源に連通している。
更に、真空チャンバ２には、ターボ分子ポンプ又はロータリポンプ等からなる真空排気部１２（排気部）に通じる排気管１２ａが接続されている。
図３は、成膜装置１を用いて被膜が形成される基板の一部を示しており、基板上に成膜された高アスペクト比の微細ホール及びトレンチの構造を模式的に示す断面図である。図３において、符号Ｈは高アスペクト比の微細ホールであり、符号Ｌは基板上に成膜された薄膜である。成膜処理すべき基板Ｗにおいては、Ｓｉウエハ表面にシリコン酸化物膜（絶縁膜）Ｉが形成された後、このシリコン酸化物膜中に高アスペクト比の微細ホールＨがパターニングによって形成されている。
ところで、従来の成膜方法においては、ターゲット３をスパッタリングすると、ターゲット３のうち第１磁場発生部４により発生する磁場の影響を受ける領域が優先的にスパッタリングされ、このスパッタリングによってターゲット材粒子であるスパッタ粒子が飛散する。この場合、ターゲットにおいては、上記のように磁場の影響を受ける領域にエロージョンが生じる。また、ターゲットから飛散したスパッタ粒子は、基板Ｗの鉛直方向に対して傾斜した角度で基板Ｗの外周部に入射し、基板Ｗに付着する。
このような従来の成膜方法によってターゲット３をスパッタリングすることにより基板ＷにＡｌ又はＣｕからなるシード層、又はＴｉまたはＴａからなるバリアメタル層等の薄膜Ｌを成膜すると、基板Ｗの外周部に位置する微細ホールにおいて非対称なカバレッジが形成されるという問題が生じる。即ち、基板Ｗの鉛直方向に対して傾斜した角度でスパッタ粒子が基板Ｗの外周部に入射して付着することにより、基板の外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまう。
これに対し、本実施形態の成膜装置１においては、図２Ａに示すように、ターゲット３のスパッタ面３ａの全面及び基板Ｗの全面の間に垂直な磁力線Ｍを発生させる第２磁場発生部１３が設けられている。第２磁場発生部１３は、ターゲット３に近い位置に配置された上コイル１３ｕ（第１発生部）と、基板Ｗに近い位置に配置された下コイル１３ｄ（第２発生部）とを含む。上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄは、ターゲット３及び基板Ｗの中心間を結ぶ基準軸ＣＬの周りに真空チャンバ２の外側壁に設けられている。上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄは、真空チャンバ２の上下方向において、所定の間隔で隔てられている。
上コイル１３ｕは、真空チャンバ２の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体１４を有し、コイル支持体１４に導線１５を巻回することによって構成されている。また、上コイル１３ｕに電力を供給（通電）する電源装置１６が上コイル１３ｕに接続されている。下コイル１３ｄは、真空チャンバ２の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体１４を有し、コイル支持体１４に導線１５を巻回することによって構成されている。また、下コイル１３ｄに電力を供給（通電）する電源装置１６が下コイル１３ｄに接続されている（図１，２Ａ，２Ｂ参照）。
上コイル１３ｕは、真空チャンバ２の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体１４を有し、コイル支持体１４に導線１５を巻回することによって構成されている。また、上コイル１３ｕに電力を供給（通電）する電源装置１６が上コイル１３ｕに接続されている。下コイル１３ｄは、真空チャンバ２の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体１４を有し、コイル支持体１４に導線１５を巻回することによって構成されている。また、下コイル１３ｄに電力を供給（通電）する電源装置１６が下コイル１３ｄに接続されている（図１，２Ａ，２Ｂ参照）。
コイルの個数、導線１５の径，又は導線１５の巻数は、例えば、ターゲット３の寸法、ターゲット３と基板Ｗとの間の距離、電源装置１６の定格電流値又は発生させる磁場の強度（ガウス）に応じて適宜設定される。
電源装置１６は、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に供給される電流値及び電流の向きを任意に変更できる制御回路（図示せず）を備えた公知の構造を有する。本実施形態においては、通電によって上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に磁場を発生させ、その磁場が合成された合成磁場が真空チャンバ２の内部空間内で垂直な磁場を形成するように、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に供給される電流値及び電流の向きが選択される（例えば、コイル電流が１５Ａで、内部空間における垂直磁場が１００ガウス）。
なお、本実施形態においては、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に供給される電流値及び電流の向きを任意に変更するため、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に別個の電源装置１６が設けられた構造について説明した。本発明は、この構成を限定していない。同じ電流値及び同じ電流の向きで各コイル１３ｕ，１３ｄに電力を供給する場合には、１個の電源装置によって各コイル１３ｕ，１３ｄに電力を供給する構成が採用されてもよい。
なお、本実施形態においては、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に供給される電流値及び電流の向きを任意に変更するため、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄの各々に別個の電源装置１６が設けられた構造について説明した。本発明は、この構成を限定していない。同じ電流値及び同じ電流の向きで各コイル１３ｕ，１３ｄに電力を供給する場合には、１個の電源装置によって各コイル１３ｕ，１３ｄに電力を供給する構成が採用されてもよい。
また、本実施形態の成膜装置１は、上コイル１３ｕに印加される電流値が下コイル１３ｄに印加される電流値と異なるように、コイル１３ｕ，１３ｄに印加される電流を制御することができる。
図２Ａ及び図２Ｂは、ターゲット３の全面及び基板Ｗの全面の間に通る垂直な磁力線Ｍ（Ｍ１，Ｍ２）を示す図である。
図２Ａ及び図２Ｂにおいては、磁力線Ｍ１，Ｍ２は矢印を用いて図示されているが、この矢印は説明のために便宜的に示されており、磁場の方向を限定していない。即ち、磁力線Ｍ１，Ｍ２は、磁石のＮ極からＳ極に向う方向及び磁石のＳ極からＮ極に向う方向の両方を含んでいる。
図２Ａは、上コイル１３ｕに印加される電流値と、下コイル１３ｄに印加される電流値とが同じである場合の磁力線Ｍ１を示している。
各コイルに同じ電流値を印加することによって、ターゲット３に近い位置で発生する磁束密度（ターゲット３近傍の磁束密度）と、基板Ｗに近い位置で発生する磁束密度（基板Ｗ近傍の磁束密度）とが均一にとなるように電流値が制御されている。一方、図２Ｂは、上コイル１３ｕに印加される電流値と、下コイル１３ｄに印加される電流値とが異なる場合の磁力線Ｍ２を示している。
即ち、図２Ｂにおいては、基板Ｗに近い位置に配置された下コイル１３ｄに印加される電流（Ｉｄ）よりも大きい電流（Ｉｕ）をターゲット３に近い位置に配置された上コイル１３ｕに印加する。これによって、ターゲット３近傍の磁束密度が、基板Ｗ近傍の磁束密度よりも大きくなるように真空チャンバ２内の磁場が制御されている。
また、電流（Ｉｄ）及び電流（Ｉｕ）の関係においては、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすように真空チャンバ２内の磁場が制御されている。即ち、Ｉｕの大きさは、Ｉｄの大きさの３倍以上である。
図２Ａ及び図２Ｂは、ターゲット３の全面及び基板Ｗの全面の間に通る垂直な磁力線Ｍ（Ｍ１，Ｍ２）を示す図である。
図２Ａ及び図２Ｂにおいては、磁力線Ｍ１，Ｍ２は矢印を用いて図示されているが、この矢印は説明のために便宜的に示されており、磁場の方向を限定していない。即ち、磁力線Ｍ１，Ｍ２は、磁石のＮ極からＳ極に向う方向及び磁石のＳ極からＮ極に向う方向の両方を含んでいる。
図２Ａは、上コイル１３ｕに印加される電流値と、下コイル１３ｄに印加される電流値とが同じである場合の磁力線Ｍ１を示している。
各コイルに同じ電流値を印加することによって、ターゲット３に近い位置で発生する磁束密度（ターゲット３近傍の磁束密度）と、基板Ｗに近い位置で発生する磁束密度（基板Ｗ近傍の磁束密度）とが均一にとなるように電流値が制御されている。一方、図２Ｂは、上コイル１３ｕに印加される電流値と、下コイル１３ｄに印加される電流値とが異なる場合の磁力線Ｍ２を示している。
即ち、図２Ｂにおいては、基板Ｗに近い位置に配置された下コイル１３ｄに印加される電流（Ｉｄ）よりも大きい電流（Ｉｕ）をターゲット３に近い位置に配置された上コイル１３ｕに印加する。これによって、ターゲット３近傍の磁束密度が、基板Ｗ近傍の磁束密度よりも大きくなるように真空チャンバ２内の磁場が制御されている。
また、電流（Ｉｄ）及び電流（Ｉｕ）の関係においては、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすように真空チャンバ２内の磁場が制御されている。即ち、Ｉｕの大きさは、Ｉｄの大きさの３倍以上である。
上記のように構成された成膜装置１においては、ターゲット３をスパッタリングした時にターゲット３から飛散したスパッタ粒子が正電荷を有している場合、ターゲット３から基板Ｗに向う垂直磁場によって、スパッタ粒子が飛散する方向が変化する。これによって、基板Ｗの全面において、スパッタ粒子が基板Ｗに対して略垂直に入射して付着する。
特に、図２Ｂに示すように、下コイル１３ｄに供給される電流よりも大きい電流を上コイル１３ｕに印加することによって、基板Ｗの全面において、高アスペクト比の微細ホール及びトレンチＨに所定の薄膜Ｌを良好な被覆性で成膜することができる。また、基板Ｗの外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が解消される。即ち、基板Ｗの外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題が解消される。これによって、微細ホール内の表面（露出面）に形成される被膜の厚さの均一性（面内均一性）が向上する。
特に、図２Ｂに示すように、下コイル１３ｄに供給される電流よりも大きい電流を上コイル１３ｕに印加することによって、基板Ｗの全面において、高アスペクト比の微細ホール及びトレンチＨに所定の薄膜Ｌを良好な被覆性で成膜することができる。また、基板Ｗの外周部において非対称なカバレッジが形成されるという問題が解消される。即ち、基板Ｗの外周部に形成された微細ホールの断面において、微細ホールの底部と一方の側壁との間に形成された被膜の形状と、その底部と他方の側壁との間に形成された被膜の形状とが異なってしまうという問題が解消される。これによって、微細ホール内の表面（露出面）に形成される被膜の厚さの均一性（面内均一性）が向上する。
このような本実施形態の成膜装置１においては、優先的にスパッタリングされるターゲット３の領域を決める第１磁場発生部４はそのままであり、第２磁場発生部１３の各コイル１３ｕ，１３ｄによって生成される磁場が、スパッタ粒子が飛散する向きを変えている。これによって、ターゲット３の利用効率を低下させずに、しかも、上記従来技術のような複数のカソードユニットを用いる構造を用いずに、成膜装置の製作コスト又は成膜装置のランニングコストを低くすることができる。
また、成膜装置１においては、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄを真空チャンバ２の外側に設けただけであるため、複数のカソードユニットを用いるために装置構成を変更するような場合と比べて、本実施形態の装置構成は極めて簡単であり、既存の装置を改造することによって本実施形態の装置を実現することができる。
また、成膜装置１においては、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄを真空チャンバ２の外側に設けただけであるため、複数のカソードユニットを用いるために装置構成を変更するような場合と比べて、本実施形態の装置構成は極めて簡単であり、既存の装置を改造することによって本実施形態の装置を実現することができる。
次に、上記成膜装置１を用いた成膜方法と、この方法によって形成された被膜とについて説明する。
まず、被膜が形成される基板Ｗとして、Ｓｉウエハを準備する。このＳｉウエハの表面にはシリコン酸化物膜Ｉが形成されており、このシリコン酸化物膜Ｉには公知の方法を用いて配線用の微細ホール及びトレンチＨが予めパターニングによって形成されている。
次に、成膜装置１を用いたスパッタリングにより、シード層であるＣｕ膜ＬをＳｉウエハ上に成膜する場合について説明する。
まず、被膜が形成される基板Ｗとして、Ｓｉウエハを準備する。このＳｉウエハの表面にはシリコン酸化物膜Ｉが形成されており、このシリコン酸化物膜Ｉには公知の方法を用いて配線用の微細ホール及びトレンチＨが予めパターニングによって形成されている。
次に、成膜装置１を用いたスパッタリングにより、シード層であるＣｕ膜ＬをＳｉウエハ上に成膜する場合について説明する。
まず、真空排気部１２を作動させて、真空チャンバ２内の圧力が所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ台）となるように減圧する。
次に、ステージ１０に基板Ｗ（Ｓｉウエハ）を搭載し、それと同時に、電源装置１６を作動させて上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄに通電し、ターゲット３の全面及び基板Ｗの全面の間に垂直な磁力線Ｍを発生させる。
そして、真空チャンバ２内の圧力が所定値に達した後に、真空チャンバ２内にアルゴンガス等（スパッタガス）を所定の流量で導入しつつ、ＤＣ電源９よりターゲット３に所定の負の電位を印加（電力投入）する。
これによって、真空チャンバ２内にプラズマ雰囲気を生成する。
この場合、第１磁場発生部４によって発生した磁場によって、スパッタ面３ａが露出される空間（前方空間）において電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子が捕捉され、スパッタ面３ａが露出される空間においてプラズマが発生する。
次に、ステージ１０に基板Ｗ（Ｓｉウエハ）を搭載し、それと同時に、電源装置１６を作動させて上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄに通電し、ターゲット３の全面及び基板Ｗの全面の間に垂直な磁力線Ｍを発生させる。
そして、真空チャンバ２内の圧力が所定値に達した後に、真空チャンバ２内にアルゴンガス等（スパッタガス）を所定の流量で導入しつつ、ＤＣ電源９よりターゲット３に所定の負の電位を印加（電力投入）する。
これによって、真空チャンバ２内にプラズマ雰囲気を生成する。
この場合、第１磁場発生部４によって発生した磁場によって、スパッタ面３ａが露出される空間（前方空間）において電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子が捕捉され、スパッタ面３ａが露出される空間においてプラズマが発生する。
プラズマ中のアルゴンイオン等の希ガスイオンがスパッタ面３ａに衝突し、これによってスパッタ面３ａがスパッタリングされ、スパッタ面３ａから基板Ｗに向かってＣｕ原子又はＣｕイオンが飛散する。
このとき、特に、正電荷を有するＣｕが飛散する方向が、垂直磁場によって基板Ｗの鉛直方向に変更され、基板Ｗの全面においてスパッタ粒子が基板Ｗに対して略垂直に入射して付着する。これによって、基板Ｗの全面において微細ホール及びトレンチＨに良好な被覆性で被膜が成膜される。
このとき、特に、正電荷を有するＣｕが飛散する方向が、垂直磁場によって基板Ｗの鉛直方向に変更され、基板Ｗの全面においてスパッタ粒子が基板Ｗに対して略垂直に入射して付着する。これによって、基板Ｗの全面において微細ホール及びトレンチＨに良好な被覆性で被膜が成膜される。
なお、本実施形態においては、上コイル１３ｕ及び下コイル１３ｄに通電して垂直磁場を発生させる装置を説明したが、ターゲット３の全面及び基板Ｗの全面の間に垂直な磁力線Ｍを発生させることができる装置であれば、本発明は、装置構造を限定しない。例えば、公知の焼結磁石を真空チャンバの内側又は外側に適宜配置することによって真空チャンバ内に垂直磁場を形成してもよい。
次に、本発明の成膜装置及び成膜方法の実施例を説明する。
本実施例では、図１に示す成膜装置１を用いて、基板Ｗ上にＣｕ膜を成膜した。
具体的に、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体にシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜に公知の方法で微細トレンチ（幅４０ｎｍ、深さ１４０ｎｍ）がパターニングによって形成された基板Ｗを準備した。また、ターゲットとしては、Ｃｕの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ４００ｍｍに作製されたターゲットを用いた。ターゲットと基板との間の距離を４００ｍｍに設定すると共に、上コイル１３ｕの下端とターゲット３との間の距離及び下コイル１３ｄの上端と基板Ｗとの間の距離をそれぞれ５０ｍｍに設定した。
本実施例では、図１に示す成膜装置１を用いて、基板Ｗ上にＣｕ膜を成膜した。
具体的に、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体にシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜に公知の方法で微細トレンチ（幅４０ｎｍ、深さ１４０ｎｍ）がパターニングによって形成された基板Ｗを準備した。また、ターゲットとしては、Ｃｕの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ４００ｍｍに作製されたターゲットを用いた。ターゲットと基板との間の距離を４００ｍｍに設定すると共に、上コイル１３ｕの下端とターゲット３との間の距離及び下コイル１３ｄの上端と基板Ｗとの間の距離をそれぞれ５０ｍｍに設定した。
更に、成膜条件として、スパッタガスとしてＡｒを用い、このガスを１５ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ内に導入した。また、ターゲットに供給される投入電力を１８ｋＷ（電流３０Ａ）に設定した。各コイル１３ｕ，１３ｄに供給される電流値として、下向きの垂直磁場が真空チャンバ内に発生するようにマイナス極性の電流値を印加した。また、コイル１３ｕ，１３ｄに供給される電流値の各々は、電流値を変化させることによる被覆性の変化を確認するために、−５Ａ〜−４０Ａの間で変化させた。そして、スパッタ時間を１０秒に設定し、微細トレンチが形成されている基板Ｗ上にＣｕ膜を成膜した。なお、以下の説明及び図４，５に示された電流値は、絶対値を用いて表記されている。
上述したように、各コイル１３ｕ，１３ｄに供給される電流値を変化させて基板Ｗ上にＣｕ膜を形成し、形成されたＣｕ膜を評価した。
評価基準（評価項目）は、微細トレンチの側壁に成膜されたＣｕ膜の被覆性、Ｃｕ膜が成膜された後の微細トレンチの最小開口、及びボトムカバレッジ（微細トレンチの底部に成膜されたＣｕ膜の膜厚と微細ホールの周囲の面に成膜されたＣｕ膜の膜厚の比）である。図３は、Ｃｕ膜が成膜された高アスペクト比の微細トレンチを模式的に示す断面図である。
評価基準（評価項目）は、微細トレンチの側壁に成膜されたＣｕ膜の被覆性、Ｃｕ膜が成膜された後の微細トレンチの最小開口、及びボトムカバレッジ（微細トレンチの底部に成膜されたＣｕ膜の膜厚と微細ホールの周囲の面に成膜されたＣｕ膜の膜厚の比）である。図３は、Ｃｕ膜が成膜された高アスペクト比の微細トレンチを模式的に示す断面図である。
まず、基板Ｗの外周部において、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆性評価を行った。
図４は、各コイル１３ｕ，１３ｄに印加される電流値を変化させた場合に、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜を観察し、被覆性を評価した結果を示している。
図４において、横軸は下コイルに供給される電流値、縦軸は上コイルに供給される電流値を示す。
図４において、「◎」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が６０％以上であり、十分な膜厚が得られたことを示し、即ち、良好な評価結果が得られたことを示している。また、「○」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が４０％〜６０％であることを示している。また、「△」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が２０％〜４０％であることを示している。また、「×」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が２０％以下であることを示している。
この結果より、コイル１３ｕ，１３ｄのいずれか一方に供給される電流値が２５Ａ以上であるか、コイル１３ｕ，１３ｄの両方に供給される電流値が１５Ａ以上である場合、十分な膜厚を有するＣｕ膜を微細トレンチの側壁に形成することができることが分かった。
また、両コイルに供給される電流値が１５Ａ以上である場合、特に、両コイルに供給される電流値２５Ａである場合において、Ｃｕ膜が成膜されている状態が良く、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆性に関しては、電流値は高いほど高い被覆性が得られることが分かった。
図４は、各コイル１３ｕ，１３ｄに印加される電流値を変化させた場合に、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜を観察し、被覆性を評価した結果を示している。
図４において、横軸は下コイルに供給される電流値、縦軸は上コイルに供給される電流値を示す。
図４において、「◎」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が６０％以上であり、十分な膜厚が得られたことを示し、即ち、良好な評価結果が得られたことを示している。また、「○」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が４０％〜６０％であることを示している。また、「△」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が２０％〜４０％であることを示している。また、「×」は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆率が２０％以下であることを示している。
この結果より、コイル１３ｕ，１３ｄのいずれか一方に供給される電流値が２５Ａ以上であるか、コイル１３ｕ，１３ｄの両方に供給される電流値が１５Ａ以上である場合、十分な膜厚を有するＣｕ膜を微細トレンチの側壁に形成することができることが分かった。
また、両コイルに供給される電流値が１５Ａ以上である場合、特に、両コイルに供給される電流値２５Ａである場合において、Ｃｕ膜が成膜されている状態が良く、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆性に関しては、電流値は高いほど高い被覆性が得られることが分かった。
次に、Ｃｕ膜が成膜された後の微細トレンチの最小開口の評価を行った。
最小開口とは、Ｃｕ膜が成膜された後の微細ホールＨの開口部の直径Ｄを意味する（図３参照）。
図５は、各コイル１３ｕ，１３ｄに印加される電流値を変化させた場合に、Ｃｕ膜が成膜された後の最小開口Ｄを評価した結果を示している。
図５において、横軸は下コイルに供給される電流値、縦軸は上コイルに供給される電流値を示す。
図５において、「◎」は、直径が３０ｎｍ以上である十分な最小開口が得られていることを示し、即ち、良好な評価結果が得られたことを示している。また、「○」は、直径が２０ｎｍ以上である最小開口が得られていることを示している。「△」は、最小開口の直径が１０ｎｍ以下であることを示している。「×」は、開口が形成されなかったことを示している。
この結果より、下コイル１３ｄに供給される電流値が１５Ａ以下であれば、基準を満たす最小開口、即ち、直径が３０ｎｍ以上である十分な最小開口Ｄが形成されることが分かった。特に、下コイル１３ｄに供給される電流値が５Ａである場合に、良好な結果が得られた。
また、図５に示すように、下コイル１３ｄに供給される電流（Ｉｄ）及び上コイル１３ｕに供給される電流（Ｉｕ）の関係においては、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすように電流が制御されている場合に、良好な評価結果が得られていることが分かった。
最小開口とは、Ｃｕ膜が成膜された後の微細ホールＨの開口部の直径Ｄを意味する（図３参照）。
図５は、各コイル１３ｕ，１３ｄに印加される電流値を変化させた場合に、Ｃｕ膜が成膜された後の最小開口Ｄを評価した結果を示している。
図５において、横軸は下コイルに供給される電流値、縦軸は上コイルに供給される電流値を示す。
図５において、「◎」は、直径が３０ｎｍ以上である十分な最小開口が得られていることを示し、即ち、良好な評価結果が得られたことを示している。また、「○」は、直径が２０ｎｍ以上である最小開口が得られていることを示している。「△」は、最小開口の直径が１０ｎｍ以下であることを示している。「×」は、開口が形成されなかったことを示している。
この結果より、下コイル１３ｄに供給される電流値が１５Ａ以下であれば、基準を満たす最小開口、即ち、直径が３０ｎｍ以上である十分な最小開口Ｄが形成されることが分かった。特に、下コイル１３ｄに供給される電流値が５Ａである場合に、良好な結果が得られた。
また、図５に示すように、下コイル１３ｄに供給される電流（Ｉｄ）及び上コイル１３ｕに供給される電流（Ｉｕ）の関係においては、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすように電流が制御されている場合に、良好な評価結果が得られていることが分かった。
次に、微細トレンチの底部に成膜されたＣｕ膜の膜厚と微細ホールの周囲の面に成膜されたＣｕ膜の膜厚に基づいて、ボトムカバレッジを算出し、評価した。
この評価においては、Ｃｕ凝集の評価及び微細トレンチの最小開口の評価が共に基準を満たし、特に、Ｃｕ凝集の評価において良好な結果が得られた条件ついてボトムカバレッジを算出した。
上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が１５Ａ及び１５Ａである条件と、２５Ａ及び１５Ａである条件は、Ｃｕ凝集及び最小開口の結果が共に良好であった。このため、これらの条件によって成膜された微細トレンチの底部のＣｕ膜の膜厚と微細ホールの周囲の面のＣｕ膜について、ボトムカバレッジを算出した。
図３に示した微細ホールの周囲の面に形成される膜の厚さＴａと、微細ホールの底面に形成される膜の厚さをＴｂとをそれぞれ測定し、厚さＴｂを厚さＴａで割った値、即ち、ボトムカバレッジ（Ｔｂ／Ｔａ）を算出した。
この評価においては、Ｃｕ凝集の評価及び微細トレンチの最小開口の評価が共に基準を満たし、特に、Ｃｕ凝集の評価において良好な結果が得られた条件ついてボトムカバレッジを算出した。
上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が１５Ａ及び１５Ａである条件と、２５Ａ及び１５Ａである条件は、Ｃｕ凝集及び最小開口の結果が共に良好であった。このため、これらの条件によって成膜された微細トレンチの底部のＣｕ膜の膜厚と微細ホールの周囲の面のＣｕ膜について、ボトムカバレッジを算出した。
図３に示した微細ホールの周囲の面に形成される膜の厚さＴａと、微細ホールの底面に形成される膜の厚さをＴｂとをそれぞれ測定し、厚さＴｂを厚さＴａで割った値、即ち、ボトムカバレッジ（Ｔｂ／Ｔａ）を算出した。
表１にボトムカバレッジを算出した結果を示す。
表１は、基板Ｗの中央部（基板中心部から半径２０ｍｍ以内の領域）及び外周部（基板中心から距離１３０ｍｍだけ離れた基板の外側領域（外周部））におけるボトムカバレッジが算出された結果を示す。基板Ｗの中央部においては、微細ホールの底部中央部のボトムカバレッジ（Ｔｂ（１）／Ｔａ）を測定した。
一方、基板Ｗの外周部においては、スパッタ粒子が傾斜した角度で入射、付着することが考えられ、微細ホールの底部の両端部におけるボトムカバレッジ（Ｔｂ（２）／Ｔａ、Ｔｂ（３）／Ｔａ）を測定した。
表１より、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が、２５Ａ及び１５Ａ（条件１）である場合のボトムカバレッジのパーセンテージは、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が、１５Ａ及び１５Ａ（条件２）である場合のボトムカバレッジのパーセンテージよりも高かった。
この結果より、上コイルに供給される電流値を下コイルに供給される電流値より大きくすることにより、図２Ｂに示すように、ターゲット近傍の磁束密度が、被処理体近傍の磁束密度よりも大きくなり、ターゲット近傍に飛散するスパッタ粒子が被処理体（基板Ｗ）に向けて効果的に誘導されるため、ボトムカバレッジが改善されることが分かった。
表１は、基板Ｗの中央部（基板中心部から半径２０ｍｍ以内の領域）及び外周部（基板中心から距離１３０ｍｍだけ離れた基板の外側領域（外周部））におけるボトムカバレッジが算出された結果を示す。基板Ｗの中央部においては、微細ホールの底部中央部のボトムカバレッジ（Ｔｂ（１）／Ｔａ）を測定した。
一方、基板Ｗの外周部においては、スパッタ粒子が傾斜した角度で入射、付着することが考えられ、微細ホールの底部の両端部におけるボトムカバレッジ（Ｔｂ（２）／Ｔａ、Ｔｂ（３）／Ｔａ）を測定した。
表１より、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が、２５Ａ及び１５Ａ（条件１）である場合のボトムカバレッジのパーセンテージは、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が、１５Ａ及び１５Ａ（条件２）である場合のボトムカバレッジのパーセンテージよりも高かった。
この結果より、上コイルに供給される電流値を下コイルに供給される電流値より大きくすることにより、図２Ｂに示すように、ターゲット近傍の磁束密度が、被処理体近傍の磁束密度よりも大きくなり、ターゲット近傍に飛散するスパッタ粒子が被処理体（基板Ｗ）に向けて効果的に誘導されるため、ボトムカバレッジが改善されることが分かった。
以上の結果より、上コイル及び下コイルの各々に供給される電流値が２５Ａ及び１５Ａである条件で基板Ｗ上に成膜されたＣｕ膜は、微細トレンチの側壁に形成されたＣｕ膜の被覆性、Ｃｕ膜が成膜された後の微細トレンチの最小開口、及びボトムカバレッジの評価において、良好な膜であることが分かった。
本発明は、被処理体の表面に被膜を形成するために用いられる成膜装置及び成膜方法に広く適用可能であり、特に、薄膜形成方法の一種であるスパッタリング法を用いたＤＣマグネトロン方式の成膜装置及び成膜方法に適用可能である。
Ｃ…カソードユニット、Ｗ…基板（被処理体）、１…成膜装置、２…真空チャンバ、３…ターゲット、３ａ…スパッタ面、４…第１磁場発生部、４ａ…ヨーク、４ｂ，４ｃ…磁石、９…ＤＣ電源（スパッタ電源）、１０…ステージ、１１…ガス管、１２…真空排気部、１２ａ…排気管、１３…第２磁場発生部、１３ｕ…上コイル（第１発生部）、１３ｄ…下コイル（第２発生部）、１４…コイル支持体、１５…導線、１６…電源装置。
Claims (4)
- 成膜装置であって、
成膜面を有する被処理体とスパッタ面を有するターゲットとが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置される内部空間を有するチャンバと、
前記チャンバ内を減圧する排気部と、
前記スパッタ面が露出される前記内部空間に磁場を発生させる第１磁場発生部と、
前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、
前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、
Ｉｕで定義された電流値が印加されて前記ターゲットに近い位置に配置された第１発生部と、Ｉｄで定義された電流値が印加されて前記被処理体に近い位置に配置された第２発生部とを有し、関係式Ｉｄ＜Ｉｕを満たすように前記第１発生部及び前記第２発生部に電流を印加し、前記スパッタ面の全面と前記被処理体の前記成膜面の全面との間に所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、前記内部空間を有する前記チャンバの外壁部に設けられる第２磁場発生部と、
を含むことを特徴とする成膜装置。 - 請求項１に記載の成膜装置であって、
前記Ｉｕ及び前記Ｉｄは、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすことを特徴とする成膜装置。 - 成膜方法であって、
成膜面を有する被処理体とスパッタ面を有するターゲットとが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置される内部空間を有するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する排気部と、前記スパッタ面が露出される前記内部空間に磁場を発生させる第１磁場発生部と、前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、前記ターゲットに近い位置に配置された第１発生部と前記被処理体に近い位置に配置された第２発生部とを有し、前記スパッタ面の全面と前記被処理体の前記成膜面の全面との間に所定の間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、前記内部空間を有する前記チャンバの外壁部に設けられる第２磁場発生部とを含む成膜装置を準備し、
Ｉｕで定義された電流値を前記第１発生部に印加し、
Ｉｄで定義された電流値を前記第２発生部に印加し、
関係式Ｉｄ＜Ｉｕを満たすように、前記第１発生部及び前記第２発生部に印加される前記電流値を制御することを特徴とする成膜方法。 - 請求項３に記載の成膜方法であって、
前記Ｉｕと前記Ｉｄは、関係式１＜Ｉｕ／Ｉｄ≦３を満たすように、前記第１発生部及び前記第２発生部に供給される電流値を制御することを特徴とする成膜方法。
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