特許 7262235 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-13

(45)【発行日】2023-04-21

(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 20060101AFI20230414BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20230414BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 U

H01L21/285 S

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019016405

(22)【出願日】2019-01-31

(65)【公開番号】P2020122211

(43)【公開日】2020-08-13

【審査請求日】2022-01-13

(73)【特許権者】

【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】弁理士法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】浅川 慶一郎

【審査官】篠原 法子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２５３９５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５８０７４６７（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６６００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２０３８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０６０３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１７９２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８

Ｈ０１Ｌ ２１／２８－２１／２８８

Ｈ０１Ｌ ２１／４４－２１／４４５

Ｈ０１Ｌ ２９／４０－２９／５１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

銅製のターゲットと被処理基板とが対向配置される真空チャンバと銅製のターゲットに電力投入するスパッタ電源とを備え、銅製のターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成して銅製のターゲットをスパッタリングすることで、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子を被処理基板の表面に付着、堆積させて成膜するスパッタリング装置であって、
被処理基板から銅製のターゲットに向かう方向を上として、被処理基板と銅製のターゲットの間の空間に配置されて、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち上下方向に対して所定角を超えて被処理基板の表面に斜入射するものを規制するコリメータと、被処理基板に対してバイアス電力を投入する第１電源とを更に備えるものにおいて、
銅製のターゲットをスパッタリングして成膜するときの真空チャンバ内の圧力を０．８×１０ ^－２ Ｐａ～１．６×１０ ^－２ Ｐａの範囲、スパッタ電源から投入する電力を２０ｋＷ～２５ｋＷの範囲、第１電源から投入するバイアス電力を１００Ｗ～６００Ｗの範囲とし、コリメータは、電気的にフローティング状態で配置され、このコリメータに正電位を印加する第２電源を更に備えて、成膜中、前記第２電源により前記コリメータの電位を＋４０Ｖ以下の正電位に保持することを特徴とするスパッタリング装置。

【請求項2】

真空チャンバ内に銅製のターゲットと被処理基板とを対向配置し、スパッタ電源により銅製のターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成して銅製のターゲットをスパッタリングすることで、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子を基板表面に付着、堆積させて成膜するスパッタリング方法であって、
被処理基板から銅製のターゲットに向かう方向を上として、銅製のターゲットのスパッタリングによる成膜中、被処理基板と銅製のターゲットの間の空間に配置されたコリメータを通して、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち上下方向に対して所定角を超えて被処理基板の表面に斜入射するものを規制すると共に、被処理基板に対してバイアス電力を投入するものにおいて、
銅製のターゲットをスパッタリングして成膜するときの真空チャンバ内の圧力を０．８×１０ ^－２ Ｐａ～１．６×１０ ^－２ Ｐａの範囲、スパッタ電源から投入する電力を２０ｋＷ～２５ｋＷの範囲、第１電源から投入するバイアス電力を１００Ｗ～６００Ｗの範囲とし、銅製のターゲットのスパッタリングによる成膜中、電気気的にフローティング状態で配置されたコリメータを＋４０Ｖ以下の正電位に保持することを特徴とする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、ターゲットと被処理基板とが対向配置される真空チャンバを備え、この真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成してターゲットをスパッタリングすることで、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を基板表面に付着、堆積させて成膜するスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関し、より詳しくは、表面にビアホールやトレンチといった凹部が予め形成された被処理基板に対してボトムカバレッジよく成膜するに適したものに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造工程には、例えば、表面にビアホールやトレンチといった凹部を形成したシリコンウエハを被処理基板とし、その凹部内面（内側壁及び底面）を含む被処理基板の表面にシード層としてのＣｕ膜を成膜する工程がある。このような成膜に用いられるスパッタリング装置は例えば特許文献１で知られている。この従来例のスパッタリング装置は、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバを備える。真空チャンバの上壁部分には、成膜しようとする薄膜に応じて選択されるターゲットが設けられると共に、真空チャンバ内には、ターゲットに対向させて被処理基板を保持するステージが配置される。そして、ステージに被処理基板をセットした後、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットに例えば負の電位を持った電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成し、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンによりターゲットをスパッタリングし、凹部内面を含む被処理基板の表面にターゲットから飛散したスパッタ粒子を付着、堆積させて所定の薄膜が成膜される。

【0003】

ここで、ターゲットをスパッタリングしたとき、このターゲット表面から所定の余弦則に従ってスパッタ粒子が飛散するが、上下方向に対して所定角を超えて被処理基板の表面に斜入射するスパッタ粒子の量が増加すると、所謂オーバーハングが生じてボトムカバレッジが低下することが一般に知られている。このような問題の解決策として、ターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち上下方向に対して所定角を超えて被処理基板の表面に斜入射するものを規制するコリメータを被処理基板とターゲットとの間に配置することや、スパッタリングによる成膜中、ステージ、ひいては被処理基板にバイアス電力を投入することが一般に知られている。

【0004】

ところで、被処理基板とターゲットとの間にコリメータを設けると共に、スパッタリングによる成膜中に被処理基板に所定のバイアス電力を投入した状態で成膜すると、ボトムカバレッジが却って悪化する場合があることが判明した。そこで、本願発明者は、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。

【0005】

即ち、ターゲットから飛散したスパッタ粒子がプラズマ雰囲気を経てコリメータを通過し、被処理基板の表面に到達する過程において、特にプラズマ雰囲気中で電離したスパッタ粒子のイオン（例えば、Ｃｕイオン）がコリメータを通過するとき、その軌道が曲げられ、本来コリメータで規制されるはずの角度で斜入射するスパッタ粒子が増加することで、ボトムカバレッジが却って悪化することを知見するのに至った。これは、被処理基板とターゲットとの間に配置されるコリメータが電気的にフローティング状態で配置されていると、プラズマ雰囲気中のスパッタ粒子のイオン（例えば、Ｃｕイオン）がコリメータに流入（または帯電）することでコリメータ自体が正電位になることに起因すると考えた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１０－１１１８９２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、上記知見に基づきなされたものであり、表面に凹部を形成した被処理基板に対してボトムカバレッジよく成膜することができるスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することをその課題とするものである。

【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、銅製のターゲットと被処理基板とが対向配置される真空チャンバと銅製のターゲットに電力投入するスパッタ電源とを備え、銅製のターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成して銅製のターゲットをスパッタリングすることで、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子を被処理基板の表面に付着、堆積させて成膜する本発明のスパッタリング装置は、被処理基板から銅製のターゲットに向かう方向を上として、被処理基板と銅製のターゲットの間の空間に配置されて、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち上下方向に対して所定角を超えて被処理基板の表面に斜入射するものを規制するコリメータと、被処理基板に対してバイアス電力を投入する第１電源とを更に備え、銅製のターゲットをスパッタリングして成膜するときの真空チャンバ内の圧力を０．８×１０ ^－２ Ｐａ～１．６×１０ ^－２ Ｐａの範囲、スパッタ電源から投入する電力を２０ｋＷ～２５ｋＷの範囲、第１電源から投入するバイアス電力を１００Ｗ～６００Ｗの範囲とし、コリメータは、電気的にフローティング状態で配置され、このコリメータに正電位を印加する第２電源を更に備えて、成膜中、前記第２電源により前記コリメータの電位を＋４０Ｖ以下の正電位に保持することを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、スパッタリングによる成膜中、第２電源により所定の正電位を印加してコリメータ自体を正電位に保持することで、特に、プラズマ雰囲気中で電離したスパッタ粒子のイオン（例えば、Ｃｕイオン）がコリメータを通過するときに、その軌道が曲げられることを抑制することができる。これに加えて、第１電源により被処理基板に所定のバイアス電力を投入することで、コリメータを通過したスパッタ粒子のイオンはそのままの直進性をもって被処理基板に引き込まれるようになる。結果として、表面に凹部を形成した被処理基板に対してボトムカバレッジよく成膜することができる。

【0010】

なお、本発明において、前記第２電源は、前記コリメータの電位を＋４０Ｖ以下の正電位に保持することが好ましい。これによれば、スパッタ粒子のイオン（例えば、Ｃｕイオン）がコリメータを通過するときに、その軌道が曲げられることを確実に抑制することができる。この場合、＋４０Ｖを超える正電位がコリメータに印加されていると、コリメータを通過する際にスパッタ粒子のイオン（例えば、Ｃｕイオン）が反発して軌道が大きく変わってしまうという不具合が生じる。なお、コリメータが０Ｖより低い負電位になっていると、コリメータを通過する際にスパッタ粒子のイオン（例えば、Ｃｕイオン）がトラップされ、ボトムカバレッジよく成膜できないという不具合が生じる。

【0011】

また、上記課題を解決するために、真空チャンバ内に銅製のターゲットと被処理基板とを対向配置し、スパッタ電源により銅製のターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成して銅製のターゲットをスパッタリングすることで、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子を基板表面に付着、堆積させて成膜する本発明のスパッタリング方法は、被処理基板から銅製のターゲットに向かう方向を上として、銅製のターゲットのスパッタリングによる成膜中、被処理基板と銅製のターゲットの間の空間に配置されたコリメータを通して、銅製のターゲットから飛散したスパッタ粒子のうち上下方向に対して所定角を超えて被処理基板の表面に斜入射するものを規制すると共に、被処理基板に対してバイアス電力を投入し、銅製のターゲットをスパッタリングして成膜するときの真空チャンバ内の圧力を０．８×１０ ^－２ Ｐａ～１．６×１０ ^－２ Ｐａの範囲、スパッタ電源から投入する電力を２０ｋＷ～２５ｋＷの範囲、第１電源から投入するバイアス電力を１００Ｗ～６００Ｗの範囲とし、銅製のターゲットのスパッタリングによる成膜中、電気気的にフローティング状態で配置されたコリメータを＋４０Ｖ以下の正電位に保持することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式的断面図。

【図2】本発明の実験結果を示すグラフ。

【図3】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の効果を示すＳＥＭ写真。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、ターゲットを銅、被処理基板（以下、単に「基板Ｓｂ」という）をシリコンウエハの表面にシリコン酸化物膜を所定膜厚で形成した後にこのシリコン酸化物膜に例えばアスペクト比が３以上の微細な凹部を所定パターンで形成したものとし、この凹部の内面を含む基板Ｓｂ表面に銅膜を形成する場合を例に本発明の実施形態のスパッタリング装置及びスパッタリング方法を説明する。以下においては、図１に示す姿勢でスパッタリング装置が設定されるものとし、方向を示す用語は図１を基準とする。

【0014】

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空チャンバ１を備える。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構成される真空排気手段Ｐｕ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（スパッタガス）を導入するガス導入管１２が接続されている。ガス導入管１２にはマスフローコントローラ１３が介設され、流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐｕにより一定の排気速度で真空引きされている真空チャンバ１内に導入できるようになっている。なお、図１中、符号２で示すものは、真空チャンバ１内壁面等へのスパッタ粒子の付着、堆積を防止する防着板である。

【0015】

真空チャンバ１の上部には、銅製のターゲット３１と磁石ユニット３２とを備えるカソードユニット３が設けられている。ターゲット３１は、基板Ｓｂより大きい輪郭（本実施形態では、平面視円形）を持つように公知の方法で製作されたものである。ターゲット３１上面にはインジウム等のボンディング材（図示省略）を介してＣｕ製のバッキングプレート３３が接合されている。そして、ターゲット３１は、そのスパッタ面３１ａが真空チャンバ１内方（下方）を臨む姿勢で絶縁体１４を介して真空チャンバ１の上面開口に取り付けられる。ターゲット３１にはまた、ＤＣ電源から構成されるスパッタ電源４からの出力が接続され、ターゲット３１に負の電位を持った所定電力が投入されるようになっている。ターゲット３１の上方に配置される磁石ユニット３２は、スパッタ面３１ａの下方空間に漏洩磁場を発生させるものであり、このような磁石ユニット３２自体は公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0016】

真空チャンバ１の底部には、ターゲット３１に対向させた姿勢で基板Ｓｂを保持できるステージ５が絶縁体１５を介して設けられている。ステージ５は、例えばアルミニウム製の基台５１と基台５１の上面に設けられた静電チャック５２とで構成され、基板Ｓｂをその成膜面を上側にしてセットした後、吸着保持できるようになっている。また、基台５１には、交流電源から構成される第１電源６からの出力が接続され、基台５１、ひいては基板Ｓｂに所定のバイアス電力を投入できるようになっている。なお、静電チャック５２自体は公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、基台５１に、静電チャック５２で吸着保持された基板Ｓｂを加熱または冷却する公知の機構が設けられていてもよい。

【0017】

真空チャンバ１内でターゲット３１とステージ５との間の空間には、後述するように、ターゲット３１から飛散したスパッタ粒子のうち、上下方向にのびる基準線Ｂｌに対して所定角を超えて基板Ｓｂの表面に斜入射するものを規制するコリメータ７が電子的にフローティング状態で設けられている。コリメータ７は、所定の板厚を持つ金属製の板状部材を有し、板状部材の所定位置には上下方向に貫通する複数の透孔７１が形成されている。コリメータ７自体は公知のものが利用できるため、その透孔７１の構成や、基板Ｓｂとの間の距離等の具体的な説明はここでは省略する。コリメータ７には、ＤＣ電源から構成される第２電源８からの出力が接続され、コリメータ７に正電位が印加されて、ターゲット３１のスパッタリングによる成膜中、コリメータ７が＋４０Ｖ以下の正電位に保持されるようにしている。この場合、＋４０Ｖを超える正電位がコリメータ７に印加されていると、コリメータ７を通過する際にＣｕイオンが反発して軌道が大きく変わってしまうという不具合が生じる。なお、コリメータ７が０Ｖより低い負電位になっていると、コリメータ７を通過する際にＣｕイオンがトラップされ、ボトムカバレッジよく成膜できないという不具合が生じる。

【0018】

また、上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段９を有し、スパッタ電源４、第１電源６、第２電源８、マスフローコントローラ１３や真空排気手段Ｐｕの稼働等を統括制御できるようになっている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いたスパッタリング法による基板ＳｂへのＣｕ膜の成膜を説明する。

【0019】

先ず、真空チャンバ１内のステージ５に基板Ｓｂをセットした後、真空排気手段Ｐｕを作動させて真空チャンバ１内を真空引きする。真空チャンバ１内の圧力が所定値（例えば、１×１０^－５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ１３を制御してアルゴンガスを所定の流量（例えば、１０～２０ｓｃｃｍ）で導入する（このとき、真空チャンバ１内の圧力は、０．８×１０^－2～１．６×１０^－2Ｐａとなる）。これと併せて、スパッタ電源４からＣｕ製のターゲット３１に負の電位を持つ所定電力（例えば、２０～２５ｋＷ）を投入すると共に、ステージ５に第１電源６から所定のバイアス電力（例えば、１００～６００Ｗ）を投入する。すると、真空チャンバ１内（例えば、スパッタ面３１ａの下方であって、コリメータ７の上方に位置する空間）にプラズマ雰囲気Ｐｌが形成され、プラズマ雰囲気Ｐｌ中のアルゴンイオンによりターゲット３１のスパッタ面３１ａがスパッタリングされる。そして、スパッタ面３１ａから飛散したスパッタ粒子は、プラズマ雰囲気Ｐｌとコリメータ７の透孔７１とを通って、バイアス電力が投入された、表面に所定パターンで形成された微細な凹部の内面を含む基板Ｓｂの表面に付着、堆積してＣｕ膜が成膜される。

【0020】

ここで、ターゲット３１のスパッタ面３１ａから飛散したスパッタ粒子がプラズマ雰囲気Ｐｌを経てコリメータ７の透孔７１を通過し、基板Ｓｂの表面に到達する過程において、特にプラズマ雰囲気Ｐｌ中で電離したＣｕイオンがコリメータ７の透孔７１を通過するとき、その軌道が曲げられたのでは、本来コリメータ７の透孔７１で規制されるはずの角度で斜入射するスパッタ粒子が増加し、ボトムカバレッジの悪化を招来する。それに対して、本実施形態では、ターゲット３１のスパッタリングによる成膜中、コリメータ７の電位が＋４０Ｖ以下の正電位に保持されるように、第２電源８によってコリメータ７に対して電圧を印加する。

【0021】

以上によれば、成膜中、第２電源８により所定の正電位を印加してコリメータ７自体を正電位に保持することで、特にプラズマ雰囲気Ｐｌ中で電離したＣｕイオンがコリメータ７を通過するときに、その軌道が曲げられることを抑制することができる。そして、第１電源６により基板Ｓｂに所定のバイアス電力を投入することで、コリメータ７の透孔７１を通過したＣｕイオンはそのままの直進性をもって基板Ｓｂに引き込まれるようになる。結果として、表面に凹部を形成した基板Ｓｂに対してボトムカバレッジよく成膜することができる。

【0022】

次に、本発明の効果を確認するため、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、基板Ｓｂ表面にＣｕ膜を成膜する以下の実験を行った。本実験では、基板Ｓｂを、φ３００ｍｍのシリコンウエハに、アスペクト比が３である凹部を所定パターンで形成したものとし、凹部の含む基板Ｓｂ表面に、Ｃｕ膜の成膜に先立って他のスパッタリング装置により下地層としてのＴａ膜を所定の膜厚で成膜したものとした（なお、Ｔａ膜とＣｕ膜の成膜は、真空雰囲気中で適宜搬送して実施している）。Ｃｕ膜の成膜条件として、コリメータ７として高さが７５ｍｍのものを用い、基板ＳｂとＣｕ製のターゲット３１との間の距離を４００ｍｍ、コリメータ７と基板Ｓｂとの間の距離を５５ｍｍに設定した。また、真空チャンバ１内に導入するアルゴンガスの流量を１０ｓｃｃｍ（このときの圧力は０．８×１０^－２Ｐａ）、ターゲット３１への投入電力を２１ｋＷ、基板Ｓｂに投入するバイアス電力を３００Ｗに設定した。そして、第２電源８によりコリメータ７の電位を－５Ｖ～＋６０Ｖの範囲の所定電位に夫々保持し（コリメータ７に通電を行わないとき、成膜中のコリメータ７の電位は＋６０Ｖであった）、上記条件でＣｕ膜を成膜して成膜後のボトムカバレッジを夫々評価し、これらのボトムカバレッジの評価結果を図２に示す。これによれば、コリメータ７が＋４０Ｖ以下の正電位に保持されていれば、ボトムカバレッジを６０％以上にできることが確認された。この場合、好ましくは、コリメータ７を＋５Ｖ～＋４０Ｖの範囲の正電位に、より好ましくは、＋１０Ｖ～＋３０Ｖの範囲の正電位に保持すればよいことが判る。

【0023】

次に、バイアス電力を３００Ｗとし、コリメータ７に通電を行わないとき（コリメータ７の電位が＋６０Ｖのとき：従来例に相当するもの）と、コリメータ７を＋２０Ｖの正電位に保持して成膜したとき（本発明によるもの）の、成膜後の凹部のＳＥＭ写真の比較を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。これによれば、図３（ｂ）に示す従来例によるものと比較して、図３（ａ）に示すものでは、オーバーハングが抑えられてボトムカバレッジよく成膜できていることが判る。これは、成膜中、コリメータ７の電位が＋６０Ｖから＋２０Ｖに下がることにより、Ｃｕイオンがコリメータ７を通過するときに、反発してその軌道が曲げられる影響が軽減されるためであると考えられる。

【0024】

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製のターゲット３１を用いてＣｕ膜を成膜するものを例に説明したが、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。

【符号の説明】

【0025】

Ｓｂ…被処理基板、ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、６…第１電源、７…コリメータ、８…第２電源、３１…ターゲット。

【図1】

【図2】

【図3】