特開 2015-178653 スパッタリング装置及びスパッタリング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-178653(P2015-178653A)

(43)【公開日】2015年10月8日

(54)【発明の名称】スパッタリング装置及びスパッタリング方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20150911BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20150911BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20150911BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/34 T

   H01L21/285 S

   H01L21/90 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-56071(P2014-56071)

(22)【出願日】2014年3月19日

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】森本 直樹

(72)【発明者】

【氏名】近藤 智保

【テーマコード（参考）】

4K029

4M104

5F033

【Ｆターム（参考）】

4K029AA24

4K029AA29

4K029BA08

4K029BD02

4K029CA05

4K029CA13

4K029DA01

4K029DA04

4K029DA10

4K029DC28

4K029DC34

4K029DC39

4K029DE05

4K029EA04

4K029JA08

4M104BB04

4M104DD39

4M104DD40

4M104DD41

4M104HH13

4M104HH14

5F033HH11

5F033PP14

5F033PP21

5F033XX02

5F033XX04

(57)【要約】

【課題】ターゲットのスパッタ面から飛散する中性のスパッタ粒子の基板への入射を効果的に抑制できる構造を持つスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】処理室１１と、処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段６と、処理室を臨むように設けられるターゲットＴに電力投入するスパッタ電源Ｅ１とを備える。処理室が両端開口部Ｃｓ１，Ｃｓ２にターゲットと基板とが夫々配置される筒状体１で画成され、筒状体は、少なくとも一箇所の湾曲部１２を有して処理室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してスパッタリングしたときにターゲットから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板に到達しないように構成される。筒状体の周囲に、ターゲットと基板との間に筒状体の輪郭に対応する磁力線が通るように磁場を発生させる磁場発生手段５，Ｅ３を設けてイオン化したスパッタ粒子が基板に到達するように構成する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空引きされる処理室と、処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、処理室を臨むように設けられるターゲットに電力投入するスパッタ電源と、を備えるスパッタリング装置において、
処理室が両端開口部にターゲットと処理すべき基板とが夫々配置される筒状体で画成され、筒状体は、少なくとも一箇所の湾曲部を有して処理室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してスパッタリングしたときにターゲットから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板に到達しないように構成され、
筒状体の周囲に、ターゲットと基板との間に筒状体の輪郭に対応する磁力線が通るように磁場を発生させる磁場発生手段を設けてイオン化したスパッタ粒子が基板に到達するように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。

【請求項2】

前記筒状体はＬ字状の輪郭を有することを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。

【請求項3】

前記筒状体は、前記イオン化したスパッタ粒子を前記基板に向けて収束させる電位発生手段を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。

【請求項4】

前記電位発生手段は、前記筒状体の内面を覆うように設けた導電性の板状部材と、板状部材に正の電位を印加する電源とを備えることを特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。

【請求項5】

前記基板の一方の面を開放して保持し、この基板を一定の回転速度で回転駆動するステージを更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。

【請求項6】

請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法において、
磁場発生手段による磁場を発生させない磁場発生手段の稼働停止状態にて、真空引きされた処理室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してスパッタリングする第１工程と、ターゲットへの電力投入を維持したままスパッタガスの導入を停止する第２工程と、磁場発生手段を稼働させ、イオン化したスパッタ粒子を基板に到達させて基板の一方の面にイオン化したスパッタ粒子を付着、堆積させて成膜する第３工程とを含むことを特徴とするスパッタリング方法。

【請求項7】

第３工程にて電位発生手段を稼働させ、前記イオン化したスパッタ粒子を前記基板に向けて収束させる工程を更に含むことを特徴とする請求項６記載のスパッタリング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、スパッタリング装置は、例えば半導体デバイスの製作工程で種々の薄膜を成膜するために用いられ、その中で、高アスペクト比の微細孔を備える処理すべき基板に対して銅膜等をボトムカバレッジよく成膜できる、ＳＩＳ（Self-Ionized Sputtering）技術を利用したものが例えば特許文献１で知られている。

【0003】

このものは、真空引きされる処理室と、処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、処理室に設けた基板に対向配置されるターゲットに電力を投入するスパッタ電源とを備える。また、このものは、ターゲットのスパッタ面側を下とし、ターゲットの下方に磁場を発生させる磁石ユニットと、ターゲットのスパッタ面と、ターゲットに対向配置される基板との全面に亘って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磁場発生手段とを更に備えている。

【0004】

スパッタリングによる成膜時、垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させた状態でターゲットに例えば負の電位を持った所定電力を投入してこのターゲットをスパッタリングすると、スパッタ面から飛散したスパッタ粒子のイオン化が促進され、このイオン化したスパッタ粒子は正電荷を有するので、上記垂直磁場によりその方向が変えられ、基板に対して略垂直に入射して付着するようになる。この場合、上記従来例のものでは、スパッタリングの開始時、処理室に希ガスからなるスパッタガスを導入することでスパッタ面の下方空間にプラズマを発生させ、磁石ユニットによりスパッタ面の下方に発生させた磁場でプラズマが封じ込められると、スパッタガスの導入を停止し、低圧力下で自己放電させている（所謂自己保持放電）。

【0005】

これにより、ターゲット等で反射したスパッタガスが基板に入射することを抑制しつつ、スパッタ粒子のイオン化率を高め、垂直な成分を持って基板に入射するイオン化したスパッタ粒子の割合を増加させている。然し、上記従来例のものでは、主として、自己保持放電させるまでの間に、ターゲットのスパッタ面から大きな角度広がりを持って飛散する中性のスパッタ粒子がそのまま基板に付着する割合が多く、微細孔の形態によっては、ボトムカバレッジが劣化する（つまり、コンタクトホールなどの微細孔が塞がれてしまう）という問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】再表２００９／１５０９９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットのスパッタ面から飛散する中性のスパッタ粒子の基板への入射を効果的に抑制できる構造を持つスパッタリング装置及びこれを用いたスパッタリング方法を提供することをその課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、真空引きされる処理室と、処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、処理室を臨むように設けられるターゲットに電力投入するスパッタ電源と、を備える本発明のスパッタリング装置は、処理室が両端開口部にターゲットと処理すべき基板とが夫々配置される筒状体で画成され、筒状体は、少なくとも一箇所の湾曲部を有して処理室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してスパッタリングしたときにターゲットから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板に到達しないように構成され、筒状体の周囲に、ターゲットと基板との間に筒状体の輪郭に対応する磁力線が通るように磁場を発生させる磁場発生手段を設けてイオン化したスパッタ粒子が基板に到達するように構成したことを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、筒状体の両端開口部に処理すべき基板とターゲットとを夫々セットした後、処理室を真空引きする。処理室が所定圧力に到達すると、希ガスからなるスパッタガスを導入し、ターゲットに例えば負の電位を持った所定電力を投入すると、ターゲットと基板との間の空間にプラズマが発生し、ターゲットがスパッタリングされる。このとき、ターゲットのスパッタ面から飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板に到達しない位置関係となるように筒状体が湾曲部を有しているため、中性のスパッタ粒子の基板への入射を効果的に抑制することができる。

【0010】

そして、磁場発生手段によりターゲットと基板との間に筒状体の輪郭に対応する磁力線が通るように磁場を発生させると、スパッタ面から飛散したスパッタ粒子のイオン化が促進される一方で、基板にもこの基板の成膜面に対して垂直な磁力線が通るようになり、イオン化されたスパッタ粒子は、磁場に沿ってその方向が変えられて基板に対して略垂直に入射して付着、堆積して成膜される。その結果、処理すべき基板が高アスペクト比の微細孔を備えるような場合に、垂直な成分を持って基板に入射するイオン化したスパッタ粒子のみで成膜することができ、ボトムカバレッジを向上することができる。

【0011】

本発明においては、前記筒状体はＬ字状の輪郭を有することが好ましい。これにより、筒状体の簡単な構造で、ターゲットから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板に到達しない構成を実現することができる。なお、本発明の湾曲部には、ターゲットのスパッタ面と基板の成膜面とが直交するように筒状体を９０°屈曲させているような場合も含まれる。

【0012】

また、本発明においては、筒状体に、前記イオン化したスパッタ粒子を前記基板に向けて収束させる電位発生手段を更に備えることが好ましい。これにより、垂直な成分を持って基板に入射するイオン化したスパッタ粒子の総量が増加し、成膜レートが向上して量産性を高めることができる。この場合、電位発生手段として、前記筒状体の内面を覆うように設けた導電性の板状部材と、板状部材に正の電位を印加する電源とを備える構成を採用すればよい。

【0013】

ところで、筒状体が少なくとも一箇所の湾曲部を有することで、ターゲットと基板との間にこの筒状体の輪郭に対応する磁力線が通るように磁場を発生させたときに磁場勾配が生じていると、基板の膜厚分布の面内均一性が損なわれる虞がある。このような場合には、基板の一方の面を開放して保持し、この基板を一定の回転速度で回転駆動するステージを更に備えることが好ましい。

【0014】

また、上記課題を解決するために、上記スパッタリング装置を用いた本発明のスパッタリング方法は、磁場発生手段による磁場を発生させない磁場発生手段の稼働停止状態にて、真空引きされた処理室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してスパッタリングする第１工程と、ターゲットへの電力投入を維持したままスパッタガスの導入を停止する第２工程と、磁場発生手段を稼働させ、イオン化したスパッタ粒子を基板に到達させて基板の一方の面にイオン化したスパッタ粒子を付着、堆積させて成膜する第３工程とを含むことを特徴とする。

【0015】

これによれば、所謂自己保持放電するまでは磁場発生手段を稼働させないことで、ターゲットのスパッタ面から飛散するイオン化されたスパッタ粒子以外のものの基板への入射をより確実に防止することができる。この場合、第３工程にて電位発生手段を稼働させ、前記イオン化したスパッタ粒子を前記基板に向けて収束させる工程を更に含むことが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明のスパッタリング装置の構成を示す斜視図。

【図2】図１のスパッタリング装置の内部構造を示す模式断面図。

【図3】本発明の実験結果を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照して、ターゲットＴを銅製のものとし、処理すべき基板Ｗを一方の面に高アスペクト比の微細孔が複数形成されたものとし、この一方の面にＣｕ膜を成膜する場合を例に本発明のスパッタリング装置の実施形態について説明する。以下において、「上」、「下」、「左」、「右」といった方向を示す用語は図２を基準とする。

【0018】

図１及び図２を参照して、ＳＭは、所謂自己保持放電が可能なＤＣマグネトロンスパッタリング方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、処理室１１を画成する真空チャンバとしての筒状体１を備える。なお、筒状体１の断面形状は円形に限らず、矩形等であってもよい。筒状体１の中央部には、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板Ｗに到達しない位置関係となるように単一の湾曲部１２が形成されて略Ｌ字状の輪郭を有している。そして、筒状体１は、一端開口部１３ａが図１中右方を向くと共に他端開口部１３ａが下方を向く姿勢で支持台１４で支持されている。

【0019】

筒状体１の一端開口部１３ａには、ターゲットＴが処理室１１を臨むようにカソードユニットＣが取付けられている。カソードユニットＣは、筒状体１の一端開口部１３ａを閉塞する蓋兼用の第１の支持体Ｃｓ１を備え、第１の支持体Ｃｓ１でターゲットＴが支持される。なお、ターゲットＴは、銅製のものに限定されるものではなく、処理すべき基板Ｗに形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択されるものであり、例えば、タングステン、タンタルやチタン製とすることもでき、公知の方法で所定形状に作製される。そして、スパッタ面Ｔｐと背向する面にバッキングプレートＢｐをボンディングした状態で第１の支持体Ｃｓ１に絶縁体Ｉｓを介して取り付けられる。ターゲットＴは、スパッタ電源としてのＤＣ電源Ｅ１に接続され、負の電位を持つ所定電力（例えば、１７〜２０ｋＷ）が投入される。

【0020】

また、カソードユニットＣは、第１の支持体Ｃｓ１の大気側（図２中、右側）に位置させて、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐ左前方に磁界を形成する磁石ユニットＭｕを備える。磁石ユニットＭｕは、スパッタ面Ｔｐと背向する側（ターゲットＴの右側）に、ターゲット側の極性を互いに変えて列設した複数の磁石Ｍｇで構成される。なお、磁石ユニットＭｕ自体は、磁石の形状、個数やその配置を含め、公知の構造のものを用いることもできるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0021】

筒状体１の他端開口部１３ｂには、筒状体１の他端開口部１３ｂを閉塞する蓋兼用の第２の支持体Ｃｓ２が取り付けられ、第２の支持体Ｃｓ２でステージ２が支持され、ステージ２上に基板がその成膜面を上側に向けてセットされる。また、ステージ２には、第２の支持体Ｃｓ２の大気側（図２中、下側）に位置させて設けたモータ等の駆動手段３の駆動軸３１が連結され、ステージ２、ひいては基板Ｗを所定回転数で回転できるようにしている。なお、ステージ２を図外の高周波電源に接続し、スパッタリング中、ステージ２、ひいては基板Ｗに所定のバイアス電位が印加できるようにしてもよい。

【0022】

筒状体１内には、内周面をその略全面に亘って覆うように、図示省略の絶縁体を介して導電性の板状部材４が着脱自在に設けられている。板状部材４には、電源としての他のＤＣ電源Ｅ２に接続され、所定の正の電位（例えば、５０〜１５０Ｖ）が印加されるようになっている。この場合、板状部材４は、中性及びイオン化されたスパッタ粒子が筒状体１内面に付着することを防止する防着板としての役割も果たす。本実施形態では、板状部材４とＤＣ電源Ｅ２とが、イオン化したスパッタ粒子を基板Ｗに向けて収束させる電位発生手段を構成する。

【0023】

筒状体１の外周には、磁性材料からなるリング状のヨークに導線を巻回してなるコイル５が、筒状体１の全長に亘って所定間隔で複数設けられている。この場合、各コイル５は、筒状体１の外周面に立設した支柱５１で支持されている。そして、各コイル５に公知の構造のＤＣ電源Ｅ３から通電すると、ターゲットＴと基板Ｗとの間に筒状体１の輪郭に対応し、かつ、基板Ｗの成膜面に対して垂直に磁力線Ｍｆが通るように磁場が発生する。本実施形態では、各コイル５とＤＣ電源Ｅ３とが磁場発生手段を構成する。なお、筒状体１の外周に設けるコイル５の個数や各コイル５相互の間隔等は、図２中に示す形態ものに限定されるものではなく、上記の如く磁場を発生させることができるものであれば、特に制限はなく、単一のコイルで構成することもできる。

【0024】

更に、筒状体１には、アルゴンガスなどの希ガス（スパッタガス）を導入するガス導入管６が接続され、その他端は、マスフローコントローラ６１を介して図外のガス源に連通している。また、筒状体１には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる真空ポンプ７に通じる排気管７１が接続されている。

【0025】

以下に、上記スパッタリング装置ＳＭを用いたスパッタリングによる成膜を説明する。先ず、ステージ２に基板Ｗをセットした後、真空ポンプ７を稼働させて処理室１１内を所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きする。このとき、各コイル５には通電せず、磁場を発生させない状態とする（磁場発生手段の稼働停止状態）。処理室１１の圧力が所定値に達すると、処理室１１内にアルゴンガスを所定の流量で導入し、ＤＣ電源Ｅ１よりターゲットＴに所定の負の電位を持った所定電力を投入する。これにより、処理室１１内のターゲットＴと基板Ｗとの間にプラズマが形成される。そして、主に磁石ユニットＭｕによる磁場で処理室１１内にプラズマが封じ込められると、スパッタガスの導入を停止し、低圧力下で自己放電させる（所謂自己保持放電）。

【0026】

次に、ＤＣ電源Ｅ３によりコイル５に通電して磁場発生手段を稼働させ、ターゲットＴと基板Ｗとの間に筒状体１の輪郭に対応し、かつ、基板Ｗの成膜面に対して垂直に磁力線Ｍｆが通るように磁場を発生させると共に、ＤＣ電源Ｅ２により板状部材４に所定の正の電位（例えば、５０〜１５０Ｖ）を印加する。このとき、ステージ２を所定回転数で回転させてもよい。これにより、イオン化したスパッタ粒子が、磁場に沿ってその方向が変えられ、かつ、基板Ｗに向けて収束されながら基板Ｗに対して略垂直に入射して付着、堆積して成膜される。

【0027】

以上説明したように、本実施形態によれば、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板Ｗに到達しない位置関係となるように筒状体１が湾曲部を有し、しかも、自己保持放電するまでは各コイル５に通電しないため、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐから広い角度範囲も持って飛散する中性のスパッタ粒子は、殆ど基板Ｗに入射することがなく、イオン化されたスパッタ粒子のみが基板Ｗに対して略垂直に入射して付着、堆積して成膜される。その結果、基板Ｗが高アスペクト比の微細孔を備えるような場合にボトムカバレッジを向上することができる。このとき、電位発生手段４，Ｅ２を設けたことで基板Ｗに入射するイオン化したスパッタ粒子の総量が増加し、成膜レートが向上して量産性を高めることができる。また、成膜中、ステージ２を回転させることで、筒状体１が少なくとも一箇所の湾曲部１２を有することで、ターゲットＴと基板Ｗとの間に発生させた磁場に勾配が生じているような場合でも、基板Ｗの膜厚分布の面内均一性が損なわれることはない。

【0028】

以上の効果を確認するため、上記実施形態のスパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。ターゲットＴとして組成比９９．９９９％の銅製のものを用い、また、筒状体１として、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐと基板Ｗの成膜面との間の距離が９２０ｍｍで、スパッタ面Ｔｐから６００ｍｍの個所でＬ字状に湾曲させたものを用いた。スパッタリングの条件として、ターゲットＴへの投入電力を１８ｋＷ、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタによる成膜中、１０ｓｃｃｍの流量でスパッタガスを導入した。そして、各コイル５への通電電流を０〜２０Ａの間で段階的に変化させて、基板Ｗへの成膜レートを測定し、その結果を図３に示す。

【0029】

これによれば、各コイル５への通電電流がゼロのとき（つまり、磁場発生手段の稼働停止状態のとき）、基板に銅が成膜されておらず、これにより、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐから飛散する中性のスパッタ粒子が直接基板に到達していないことが確認された。そして、各コイル５に通電すると、基板Ｗに銅が成膜されていき、その通電電流を増加させていくと、成膜レートが増加した。これにより、イオン化したスパッタ粒子のみを基板Ｗに到達させて成膜することができることが確認された。

【0030】

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、筒状体１が単一の湾曲部１２を有するものを例に説明したが、湾曲部１２は複数あってもよく、また、本発明の湾曲部には、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｐと基板Ｗの成膜面とが直交するように筒状体１を９０°屈曲させているような場合も含む。なお、筒状体１が単一の湾曲部１２を有する場合、ターゲットＴと基板Ｗとが対面しないように湾曲させているだけでは不十分であり、広い角度範囲を持ってターゲットＴから飛散する中性のスパッタ粒子が確実に基板Ｗに到達しないように、例えば、湾曲部１２から両端開口部１３ａ，１３ｂまでの距離を適宜設計する必要がある。

【0031】

また、上記実施形態では、イオン化したスパッタ粒子を基板Ｗに向けて収束させる電位発生手段として、筒状体１内に設けた板状部材４と他のＤＣ電源Ｅ２とで構成したものを例に説明したが、これに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0032】

ＳＭ…スパッタリング装置、１…筒状体、１１…処理室、１２…湾曲部、２…ステージ、４…板状部材（電位発生手段）、Ｅ２…ＤＣ電源（電位発生手段）、６…ガス導入管（ガス導入手段）、Ｍｆ…磁力線、Ｔ…ターゲット、Ｔｐ…スパッタ面、Ｗ…基板。

【図1】

【図2】

【図3】