JP6509553B2 - スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、スパッタリング装置に関し、より詳しくは、高アスペクト比を有する微細なホールの内面にカバレッジよく薄膜を成膜することに適したものに関する。
半導体デバイスの製造工程には、所定のアスペクト比を有するビアホールやコンタクトホールの内面（内壁面及び底面）にＣｕ膜からなるシード層を成膜する工程があり、このようなＣｕ膜の成膜に用いる成膜装置として、スパッタリング装置が例えば特許文献１で知られている。このものでは、処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して基板とターゲットとの間にプラズマを形成し、ターゲットをスパッタリングして飛散したスパッタ粒子（ＣｕラジカルやＣｕイオン）を基板に付着、堆積することでＣｕ膜が成膜される。
近年の半導体デバイスの更なる高集積化や微細化に伴い、Ｃｕ膜が成膜されるホールにはアスペクト比が３以上である高アスペクト比のものがある。高アスペクト比のホールの内面にＣｕ膜を成膜する場合、基板のエッジ部ではターゲット中央部から飛散したスパッタ粒子が斜入射し、エッジ部のホール内面にカバレッジ（被覆性）よく成膜することができない。上記従来例のものでは、基板とターゲットとの間に、スパッタ粒子の基板への入射角度を所定範囲の角度に規制する複数の透孔を有する規制板を配置し、エッジ部でのスパッタ粒子の斜入射を防止している。
しかしながら、上記従来例のように規制板を配置すると、成膜レートが著しく低下することが判明した。そこで、本願発明の発明者は、鋭意研究を重ね、規制板がアース電位に保持されていると、規制板でＣｕイオンが失活し、Ｃｕイオンの指向性が低下することに起因するとの知見を得た。
本発明は、上記点に鑑み、基板エッジ部へのスパッタ粒子の斜入射を防止するという機能を損なうことなく、規制板におけるイオンの失活を抑制してイオンの指向性を向上させることができるスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。
上記課題を解決するために、処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して基板とターゲットとの間にプラズマを形成し、ターゲットをスパッタリングして飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させる本発明のスパッタリング装置は、基板とターゲットとの間に、スパッタ粒子の基板への入射角度を所定範囲の角度に規制する複数の透孔を有する規制板を備え、ターゲットと規制板との間に、規制板の透孔の孔軸と同じ孔軸を有する透孔が複数開設された電極板と、電極板の電位を規制板の電位よりも高く保持する保持手段とを更に備えることを特徴とする。
本発明によれば、ターゲットと規制板との間に配置した電極板の電位を規制板の電位よりも高く保持することで、電極板と規制板との間に電位差が形成される。この電位差により、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を構成するイオンが加速され、規制板の透孔を通過してホール内面を含む基板表面に到達するため、イオンが規制板において失活することを抑制でき、イオンの指向性を向上させることができる。しかも、電極板と規制板に夫々開設された透孔を通過したスパッタ粒子は、基板への入射角度が所定の角度範囲に規制されるため、基板エッジ部へのスパッタ粒子の斜入射を防止できるという機能は損なわれない。
本発明において、前記電極板の板厚は、前記規制板の板厚よりも薄いことが好ましく、前記電極板の板厚は５〜１５ｍｍの範囲内であることが好ましい。また、前記保持手段は、電極板と規制板との間の電位差が７０Ｖ以上１６０Ｖ以下になるように前記電極板の電位を保持することが好ましい。
以下、図面を参照して、処理すべき基板Ｗを、シリコンウェハの表面にシリコン酸化物膜を所定の膜厚で形成し、このシリコン酸化物膜にアスペクト比が３以上である微細なホールを形成したものとし、このホールの内面にＣｕ膜を形成する場合に用いられるものを例として、本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。
図１を参照して、ＳＭは、マグネトロン方式のスパッタ装置であり、このスパッタ装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の天井部にはカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
カソードユニットＣは、ターゲットアッセンブリ２と、ターゲットアッセンブリ２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲットアッセンブリ２は、基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形の板状に形成されたＣｕ製のターゲット２１と、ターゲット２１の上面にインジウム等のボンディング材（図示省略）を介して接合されるバッキングプレート２２とで構成され、スパッタによる成膜中、バッキングプレート２２の内部に冷媒（冷却水）を流すことでターゲット２１を冷却できるようになっている。ターゲット２１を装着した状態でバッキングプレート２２下面の周縁部が、絶縁体Ｉ１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。ターゲット２１にはＤＣ電源や高周波電源等のスパッタ電源Ｅ１からの出力が接続され、成膜時、ターゲット２１に負の電位を持った電力が投入される。
磁石ユニット３は、ターゲット２１の下面をスパッタ面２１ａとし、スパッタ面２１ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２１から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。
真空チャンバ１内には、ターゲット２の周囲を覆って下方に延びる筒状のシールド部材４が配置され、スパッタ粒子のイオンが基板Ｗへと放出されることをアシストしている。
真空チャンバ１の底部には、ターゲット２１のスパッタ面２１ａに対向させてステージ５が配置され、基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようにしている。ステージ５は高周波電源Ｅ２に接続され、ステージ５ひいては基板Ｗにバイアス電位が印加され、スパッタ粒子のイオンを基板Ｗに引き込む役割を果たす。尚、ターゲット２１と基板Ｗとの間の間隔は、生産性や散乱回数等を考慮して４５〜８００ｍｍの範囲に設定することができる。
真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管１１が接続されている。また、真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスを導入するガス管１２が接続され、ガス管１２にはマスフローコントローラ１２ａが介設され、図示省略のガス源に連通している。これにより、流量制御されたスパッタガスが、後述する真空排気手段Ｐにより一定の排気速度で真空引きされている処理室１ａ内に導入でき、成膜中、処理室１ａの圧力（全圧）が略一定に保持されるようにしている。
また、基板Ｗとターゲット２１との間には、スパッタ粒子の通過を許容する透孔６１が複数開設された規制板６が配置され、スパッタ粒子の基板Ｗへの入射角度を所定の角度範囲に規制し、これにより、基板Ｗのエッジ部へのスパッタ粒子の斜入射を防止している。規制板６の板厚は、３０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲に設定することができる。規制板６は、真空チャンバ１の側壁内側に配置された防着板７ａの内面に支持部材６２を介して固定されている。防着板７ａを接地することにより、規制板６は接地電位に保持される。尚、防着板７ａの下方には、他の防着板７ｂ，７ｃが配置されている。
ここで、規制板６を配置することで基板Ｗのエッジ部へのスパッタ粒子の斜入射を防止できるものの、規制板６が接地電位に保持されると、規制板６にてＣｕイオンが失活してＣｕイオンの指向性が低下する。本実施形態では、ターゲット２１と規制板６との間に、規制板６の透孔６１の孔軸６１ａと同じ孔軸８１ａを有する透孔８１が複数開設された電極板８を配置した。電極板８は、シールド部材４の内面に固定され、シールド部材４に直流電源Ｅ３から正の電位を印加することで、電極板８の電位を規制板６の電位よりも高く保持している。直流電源Ｅ３が本発明の「保持手段」を構成する。電極板８と規制板６との間の電位差は、例えば２０Ｖ〜１６０Ｖの範囲に設定することができる。電極板８の板厚は、規制板６の板厚よりも薄くすることが好ましく、例えば、３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲に設定することができる。電極板８は、その上面が処理室１ａでプラズマが形成される領域よりも下方に位置するように配置することが好ましい。電極板８と規制板６との間の隙間ｄは、例えば、５ｍｍ〜４５ｍｍの範囲に設定することが好ましく、１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定することがより好ましい。隙間ｄが５ｍｍより短いと規制板６に堆積したＣｕにより、Ｃｕイオンの透過特性の変動が顕著になるという不具合がある一方で、４５ｍｍより長いとＣｕイオンが規制板６で失活するという不具合がある。
尚、透孔６１，８１の平面視の形状は、任意であり、例えば円で構成したり、また六角形で構成してハニカム構造とすることができる。また、規制板６は、その中央部の透孔６１の深さがエッジ部の透孔６１の深さよりも深くなるように構成して、成膜レートの面内分布を向上させてもよい。
上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段９を有し、制御手段９により電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の稼働、マスフローコントローラ１２ａの稼働や真空排気手段Ｐの稼働等を統括管理するようになっている。
次に、処理すべき基板Ｗをアスペクト比が３以上のホールが形成されたシリコンウェハとし、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて上記ホールの内面を含む基板Ｗ表面にＣｕ膜を成膜する場合を例に成膜方法について説明する。
先ず、ターゲット２１が組み付けられた真空チャンバ１内のステージ５に基板Ｗをセットし、その後、真空排気手段Ｐを作動させて処理室１ａ内を所定の真空度（例えば、１×１０−５Ｐａ）まで真空引きする。処理室１ａ内が所定圧力に達すると、マスフローコントローラ１２ａを制御してアルゴンガスを所定の流量で導入する。アルゴンガスの流量は０〜２０ｓｃｃｍの範囲に設定することができる（このとき、処理室１ａの圧力は約１×１０−５Ｐａ〜０．４Ｐａの範囲となる）。これと併せて、スパッタ電源Ｅ１からターゲット２１に負の電位を持つ直流電力を例えば１０〜３０ｋＷ投入して処理室１ａ内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２１のスパッタ面２１ａをスパッタし、飛散したスパッタ粒子が基板Ｗに向かって飛行する。
本実施形態によれば、電極板８の電位を規制板６の電位よりも高く保持することで、両者の間に電位差が形成され、この電位差によりターゲット２１からのスパッタ粒子を構成するＣｕイオンが加速され、規制板６の透孔６１を通過してホール内面を含む基板Ｗ表面に到達する。このため、Ｃｕイオンが規制板６において失活することを抑制でき、Ｃｕイオンの指向性を向上させることができる。しかも、電極板８の透孔８１と規制板６の透孔６１とを通過したスパッタ粒子（Ｃｕ粒子）は基板Ｗへの入射角度が所定の角度範囲に規制されるため、基板エッジ部への斜入射を防止できるという機能は損なわれない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、Ｃｕターゲット２１をスパッタしてＣｕ膜を成膜する場合について説明したが、スパッタ粒子にイオンが多く含まれるようなターゲット、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷから選択される金属または合金からなるターゲットを用いる場合にも本発明を適用することができる。
次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、上記スパッタリング装置ＳＭを用いてＣｕ膜をスパッタリング法により成膜する場合において、規制板６におけるＣｕイオンの透過率と、規制板６の透孔６１からのＣｕイオンの吹き出し角度（発散角、つまり、基板Ｗへの入射角度）との電位差依存性をシミュレーションにより求めた。ここで、規制板６の板厚を４５ｍｍ、電極板８の板厚を１５ｍｍとし、両者の隙間ｄを１５ｍｍとし、透孔６１，８１の径を１３ｍｍとし、アルゴンガスの流量を２０ｓｃｃｍ（このときの処理室１ａ内の圧力は０．４Ｐａ）、ターゲット２１に投入する直流電力を２０ｋＷ、基板Ｗに投入するバイアス電力を１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗに設定した。そして、規制板６と電極板８との間の電位差を４０〜１６０Ｖで変化させて求めたＣｕイオンの透過率及び吹き出し角度を図２に示す。これによれば、電位差を７０Ｖ〜１００Ｖ程度に設定すれば、７５％以上の透過率と１°前後の吹き出し角度を実現できることが判った。電極板８の板厚を１５ｍｍから５ｍｍに変更した点を除き、上記と同様にシミュレーションを行った結果を図３に示す。これによれば、電位差を７０Ｖ以上に設定すれば１００％の透過率を実現できる、すなわち、規制板６でのＣｕイオンの失活を防止できることが判った。また、電位差を７０〜１６０Ｖに設定すれば、２°以下の吹き出し角度を実現でき、９０Ｖ〜１１０Ｖに設定すれば、０．５°以下の吹き出し角度を実現できることが判った。
ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、６…規制板、６１…規制板６の透孔、６１ａ…透孔６１の孔軸、８…電極板、８１…電極板８の透孔、８１ａ…透孔８１の孔軸、Ｅ３…保持手段。
Claims (3)
- 処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して基板とターゲットとの間にプラズマを形成し、ターゲットをスパッタリングして飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させるスパッタリング装置であって、
基板とターゲットとの間に、スパッタ粒子の基板への入射角度を所定の角度範囲に規制する複数の透孔を有する規制板を備えるものにおいて、
ターゲットと規制板との間に、規制板の透孔の孔軸と同じ孔軸を有する透孔が複数開設された電極板と、電極板の電位を規制板の電位よりも高い正の電位に保持する保持手段とを更に備え、
前記電極板の板厚は３〜５ｍｍの範囲内であり、
前記保持手段は、電極板と規制板との間の電位差が９０Ｖ以上１１０Ｖ以下になるように前記電極板の電位を保持することを特徴とするスパッタリング装置。 - 処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して基板とターゲットとの間にプラズマを形成し、ターゲットをスパッタリングして飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させるスパッタリング装置であって、
基板とターゲットとの間に、スパッタ粒子の基板への入射角度を所定の角度範囲に規制する複数の透孔を有する規制板を備えるものにおいて、
ターゲットと規制板との間に、規制板の透孔の孔軸と同じ孔軸を有する透孔が複数開設された電極板と、電極板の電位を規制板の電位よりも高い正の電位に保持する保持手段とを更に備え、
前記保持手段は、電極板と規制板との間の電位差が７０Ｖ以上１６０Ｖ以下になるように前記電極板の電位を保持することを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記ターゲットの周囲を覆って下方に延びる筒状のシールド部材を更に備え、前記シールド部材の内面に前記電極板が固定され、前記保持手段は、前記シールド部材に正の電位を印加する電源であることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタリング装置。
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