(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理すべき基板が配置される真空チャンバと、 
真空チャンバ内で基板に対向配置され、ホルダの片面に形成された少なくとも１個の凹部に有底筒状のターゲット材をその底部側から装着すると共にターゲット材の内部空間に磁場を発生させる磁場発生手段を組み付けてなるカソードユニットと、 
前記ホルダのうち基板との対向面を少なくとも覆うように配置され、正電位が印加されるアノードシールドと、
前記真空チャンバ内に所定のスパッタガスを導入するガス導入手段と、 
前記カソードユニットに電力投入するスパッタ電源と、 
前記カソードユニットと基板とを結ぶ基準軸の回りで真空チャンバの壁面に設けたコイル及び各コイルへの通電を可能とする電源とからなる垂直磁場発生手段と、
前記ガス導入手段からのスパッタガスの導入をオンオフ制御する制御手段とを備えたことを特徴とするスパッタリング装置。 
【請求項２】
アノードシールドは、ターゲット材を臨む開口部と、開口部の周縁に形成された基板側に向かって延出する筒状部とを備え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】
請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置にて処理すべき基板の表面に成膜するスパッタリング方法であって、前記垂直磁場発生手段によりターゲット材と基板表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、前記ガス導入手段により真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、アノードシールドに正電位を印加すると共にカソードユニットに負電位を印加してターゲット材の内壁面をスパッタリングし、スパッタリング中、前記制御手段によりスパッタガスの導入を所定の間隔でオンオフすることを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項４】
前記基板にバイアス電位を印加することを特徴とする請求項３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、処理すべき基板表面に成膜するための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】
半導体デバイス製作における成膜工程では、例えばスパッタリング（以下、「スパッタ」という）装置が用いられ、この用途のスパッタ装置には、近年の配線パターンの微細化に伴い、高アスペクト比の微細ホールに対して、処理すべき基板全面に亘って被覆性よく成膜できること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。【０００３】
従来のスパッタ装置では、ターゲットの後方（スパッタ面と背向する側）に、交互に極性を変えて複数の磁石を設けた磁石組立体を配置し、この磁石組立体によりターゲットの前方（スパッタ面側）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により生じた二次電子を捕捉することで、ターゲットの前方での電子密度を高めてプラズマ密度を高くしている。【０００４】
上記種のスパッタ装置では、ターゲットのうち上記磁場の影響を受ける領域でターゲットが優先的にスパッタされる。このため、上記領域が放電の安定性やターゲットの使用効率の向上等の観点から例えばターゲット中央付近にあると、スパッタ時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。このため、基板の外周部では、ターゲットからスパッタ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）が傾斜した角度で入射、付着することになる。その結果、上記用途の成膜に用いた場合、特に基板の外周部でカバレッジの非対称性の問題が生じることが知られている。【０００５】
上記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のターゲットを配置すると共に、ステージの斜め上方でステージ表面に対して斜めに第２のターゲットを配置したスパッタ装置、つまり、複数のカソードユニットを備えたものが例えば特許文献１で知られている。【０００６】
然し、上記特許文献１記載の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電力投入用の電源や磁石組立体が必要になる等、部品点数が増えることでコスト高を招くという不具合がある。【０００７】
これに対し、本願発明者らは、ホルダの片面に形成された凹部に有底筒状のターゲット材をその底部側から装着すると共にターゲット材の内部空間に磁場を発生させるようにしたカソードユニットを開発し、このカソードユニットを基板表面全体に亘って垂直磁場が作用するスパッタ装置に適用することで、ターゲット材の開口に対向する部分及びその周辺で極めて高い膜厚均一性を持って成膜できることを知見するに至った（特願２００８−１６７１７５号参照）。【０００８】
しかしながら、上記構成のものを用いて、微細ホールにＣｕやＴａのバリア膜を成膜する場合に、ターゲット材の内部空間内で自己放電させてスパッタによる成膜を行うと、微細ホールの上面開口がスパッタ粒子からなる薄膜で覆われて閉塞される不具合が生じることが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−４７６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑み、ウエハ等の基板表面に形成した高アスペクト比の各微細ホールに対し被覆性よく成膜できるようにした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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明のスパッタリング装置は、処理すべき基板が配置される真空チャンバと、真空チャンバ内で基板に対向配置され、ホルダの片面に形成された少なくとも１個の凹部に有底筒状のターゲット材をその底部側から装着すると共にターゲット材の内部空間に磁場を発生させる磁場発生手段を組み付けてなるカソードユニットと、前記ホルダのうち基板との対向面を少なくとも覆うように配置され、正電位が印加されるアノードシールドと、前記真空チャンバ内に所定のスパッタガスを導入するガス導入手段と、前記カソードユニットに電力投入するスパッタ電源と、前記カソードユニットと基板とを結ぶ基準軸の回りで真空チャンバの壁面に設けたコイル及び各コイルへの通電を可能とする電源とからなる垂直磁場発生手段と、前記ガス導入手段からのスパッタガスの導入をオンオフ制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。【００１２】
本発明によれば、真空チャンバを真空引きした後、希ガスからなるスパッタガスを導入し、アノードシールドに正電位を印加すると共に、カソードユニットに負電位を印加すると、カソードユニットの前方空間からターゲット材内部の空間にグロー放電が生じ、磁場発生手段により発生させた磁場によりターゲット材内部の空間にプラズマが封じ込められる（特に、スパッタリングにより生じた二次電子が封じ込められ易くなる）。この状態でスパッタガスの導入を停止すると、ターゲット材内部の空間において低圧力下で自己放電するようになる。なお、ターゲット材内部の空間で確実に自己放電が継続するようにするには、５００ガウス以上の磁場強度で磁場を発生させることが好ましい。【００１３】
自己放電中、プラズマ中のスパッタガスイオン等がターゲット材の内壁面に衝突してスパッタされ、これにより生じたスパッタ粒子やスパッタ粒子のイオンが、ターゲット材の開口から強い直進性を持ってカソードユニット前方の空間に放出される。そして、特に正電荷を持つスパッタ粒子が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する。これにより、微細ホールに対しても被覆性よく付着、堆積するようになる。【００１４】
ここで、このような自己放電中では、正電荷を持つスパッタ粒子が支配的な状態となるため、基板表面のうちターゲット材の開口に対向した部分でのスパッタレートが局所的に増加し、このままスパッタによる成膜を継続すると、微細ホールの上面開口がスパッタ粒子からなる薄膜で覆われて閉塞される虞がある。【００１５】
そこで、スパッタリング中、所定の周期でガス導入手段を介してスパッタガスを所定流量で一定時間導入する。スパッタガスを導入した状態では、プラズマ中で電離したスパッタガスのイオンもまた基板表面のうちターゲット材の開口に対向した部分に供給され、このスパッタガスのイオンにより基板表面に付着、堆積したものがエッチングされる。この場合、例えば垂直磁場強度や不活性ガスのガス流量を変化させれば、エッチング速度を制御できる。なお、このときガス流量は例えば３〜１００ｓｃｃｍの範囲で調節すればよい。  【００１６】
このように成膜中にスパッタガスの導入をオンオフ制御することで、スパッタ粒子の堆積とエッチングとが交互に行われるようになる。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スパッタリング装置を適用すれば、微細ホールの上面開口が閉塞されることなく、高アスペクト比の微細ホールに対しても被覆性よく（即ち、カバレッジよく）成膜できる。【００１７】
本発明において、アノードシールドは、ターゲット材を臨む開口部と、開口部の周縁に形成された基板側に向かって延出する筒状部とを備える構成を採用してもよい。【００１８】
また、上記課題を解決するため、本発明のスパッタリング方法は、請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置にて処理すべき基板の表面に成膜するスパッタリング方法であって、前記垂直磁場発生手段によりターゲット材と基板表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、前記ガス導入手段により真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、アノードシールドに正電位を印加すると共にカソードユニットに負電位を印加してターゲット材の内壁面をスパッタリングし、スパッタリング中、前記制御手段によりスパッタガスの導入を所定の間隔でオンオフすることを特徴とする。【００１９】
この場合、前記基板にバイアス電位を印加するようにしておけば、このバイアス電位を変化させて、成膜速度やガス導入時のエッチング速度を調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態のスパッタ装置の構成を模式的に説明する断面図。
【図２】図１のスパッタ装置に用いられるカソードユニットを説明する分解図。
【図３】スパッタガス導入とスパッタレートとの関係を示すグラフ。
【図４】コイルへの通電電流とスパッタレートとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態のカソードユニットを備えたスパッタ装置について説明する。図１に示すように、スパッタ装置Ｍは真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。なお、以下においては、真空チャンバ１の天井部側を「上」とし、その底部側を「下」として説明する。
【００２２】
図２に示すように、カソードユニットＣは、導電性を有する材料、例えば後述するターゲット材と同一材料から作製された円柱状のホルダ２を備える。ホルダ２の下面中央には１個の凹部３が形成されている。凹部３の開口面積は、φ３０〜５０ｍｍの範囲に設定され、凹部３にはターゲット材４が挿設されている。 
【００２３】
ターゲット材４は、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た材料、例えば、Ｃｕ、ＴｉやＴａ製であり、内部に放電用の空間４ａが存するように有底筒状の外形を有し、その底部側から凹部３に着脱自在に嵌挿される。ターゲット材４の長さは、その下面がホルダ２下面と面一となるように設定されている。
【００２４】
ホルダ２の上面には、その厚さ方向に延びる収容孔５が複数開設され、円柱状や角柱状に成形したマグネット６が挿設され、磁場発生手段を構成する。本実施の形態では、収容孔５がホルダ２の周方向で４５度間隔で８箇所形成されており、各収容孔５には、ホルダ２の厚さ方向で所定の間隔を存して２個の角柱状のマグネット６がターゲット材４側の極性を交互に変えて設けられ、空間４ａ内に５００ガウス以上の強磁場を発生させる。
【００２５】
また、ホルダ２の上面には、収容孔５内にマグネット６を収容した後、円板状の支持体７が装着され、図示省略の絶縁体を介してカソードユニットＣが装着される。また、ホルダ２は、スパッタ電源たるＤＣ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ホルダ２、ひいてはターゲット材４に負の直流電位が印加される。なお、スパッタ電源は、これに限定されるものではなく、他の公知のものを用いることができる。
【００２６】
また、ホルダ２の下側には、導電性を有するアノードシールド８が配置されている。アノードシールド８は、ホルダ２の下面全体を覆う形状を有し、ターゲット材４が臨む開口部８ａを備えている。開口部８ａの周縁には、基板Ｗ側に向かって延出する中空の筒状部８ｂが形成されている。
【００２７】
また、アノードシールド８は他のＤＣ電源Ｅ２に接続され、スパッタ中、正の直流電位が印加される。これにより、筒状部８ｂが、スパッタ粒子のイオンがターゲット材４の空間４ａから強い直進性を持って基板Ｗへと放出されることをアシストする役割を果たす。  
【００２８】
真空チャンバ１の底部には、カソードユニットＣに対向させてステージ９が配置され、シリコンウエハ等の処理すべき基板Ｗを位置決め保持できる。ステージ９には、高周波電源Ｅ３が接続され、スパッタ中、ステージ９、ひいては基板Ｗにバイアス電位が印加され、ターゲット材４からのスパッタ粒子のイオンやスパッタガスのイオンが基板Ｗに積極的に引き込まれる。 
【００２９】
真空チャンバ１の内壁には、上下一対の防着板１０ｕ、１０ｄが設けられ、真空チャンバ１内にスパッタ室を画成しつつ、真空チャンバ１の内壁等へのスパッタ粒子の付着を防止している。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１１が接続され、その他端がマスフローコントローラ１２を介して図示省略したガス源に連通する。この場合、これらの部品がガス導入手段を構成し、流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できる。また、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ポンプなどからなる真空排気手段１３に通じる排気管１４が接続されている。
【００３０】
真空チャンバ１の外壁面には、カソードユニットＣ及び基板Ｗの中心を結ぶ基準軸ＣＬの回りで、上下方向に所定の間隔を存して上コイル１５ｕ及び下コイル１５ｄが設けられ、その自由端がＤＣ電源Ｅ４にそれぞれ接続され、上下の各コイル１５ｕ、１５ｄとＤＣ電源Ｅ４がカソードユニットＣから基板Ｗの全面に亘って等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垂直磁場発生手段を構成する。そして、スパッタ中、ターゲット材４からのスパッタ粒子やスパッタ粒子のイオンが垂直磁場でその方向が変えられ、基板Ｗに対して略垂直に入射して付着するようになる。
【００３１】
ここで、ＤＣ電源Ｅ４は、上下の各コイル１５ｕ、１５ｄへの電流値及び電流の向きを任意に変更できる構成のものが好ましく、垂直磁場を発生させたとき、磁場強度が１００ガウス以上となるように通電電流（例えば、１５Ａ以下）が設定される。１００ガウスより小さくなると、プラズマが失活して良好に成膜できない。また、プラズマが垂直磁場の影響で失活せずに、効率よく基板全面に亘って均一な膜厚で成膜するには、上向きの垂直磁場が発生するように上下の各コイル１５ｕ、１５ｄに流す電流の向きが制御される。なお、コイルの数は上記に限定されるものではない。
【００３２】
また、スパッタ装置Ｍは、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１６を備え、制御手段１６により上記各ＤＣ電源及び高周波電源Ｅ１乃至Ｅ４の作動、マスフローコントローラ１２の作動や真空排気手段１３の作動等が統括管理される。   
【００３３】
次に、上記スパッタ装置１を用いた成膜について、成膜される基板Ｗとして、Ｓｉウエハ表面にシリコン酸化物膜（絶縁膜）を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で配線用の微細ホールをパターニングして形成したものを用い、スパッタによりシード膜たるＣｕ膜を成膜する場合を例に説明する。 
【００３４】
先ず、ホルダ２の凹部３にターゲット材４を嵌挿すると共に、その上側から収容孔５にマグネット６を配置した後、支持体７を取り付けてカソードユニットＣを組み付ける。そして、カソードユニットＣを真空チャンバ１の天井部に絶縁体を介して装着する。
【００３５】
次に、カソードユニットＣに対向するステージ９に基板Ｗを載置した後、真空排気手段１３を作動させて真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ）まで真空引きする。真空チャンバ１内の圧力が所定値に達すると、マスフローコントローラー１２を制御して真空チャンバ１内にスパッタガスを所定流量で導入する。
【００３６】
そして、ＤＣ電源Ｅ４により上下の各コイル１５ｕ、１５ｄに通電してカソードユニットＣから基板Ｗの全面に亘って等間隔で垂直な磁力線が通るように垂直磁場を発生させ、アノードシールド８にＤＣ電源Ｅ２より正電位（例えば、５〜１５０Ｖ）を印加し、ホルダ２にＤＣ電源Ｅ１より負電位（例えば、２００〜６００Ｖ）を印加すると共に、高周波電源Ｅ３により基板Ｗに負のバイアス電位（例えば、１００〜６００Ｖ）を印加する。  
【００３７】
これにより、カソードユニットＣの前方空間からターゲット材４内部の空間４ａにグロー放電が生じ、マグネット６により生じた磁場で上記空間４ａにプラズマが封じ込められる。その後、マスフローコントローラ１２を制御してスパッタガスの導入を停止すると、上記空間４ａにて低圧力下で自己放電する。
【００３８】
この状態では、プラズマ中のアルゴンイオン等がターゲット材４の内壁面に衝突してスパッタされ、Ｃｕ原子が飛散し、Ｃｕ原子や電離したＣｕイオンが、各ターゲット材４下面の開口から強い直進性を持って基板Ｗに向かって放出され、バイアス電位を印加することと、垂直磁場を発生させていることとが相俟って、垂直磁場でその方向が変えられたスパッタ粒子やスパッタ粒子のイオンが、積極的に基板Ｗに対して略垂直に引きこまれて付着、堆積する。
【００３９】
ところで、このような自己放電中では、正電荷を持つスパッタ粒子が支配的な状態となるため、基板Ｗ表面のうちターゲット材４の開口に対向した部分でのスパッタレートが局所的に増加し、このまま成膜を継続すると、微細ホールの上面開口がスパッタ粒子からなる薄膜で覆われて閉塞される虞がある。
【００４０】
そこで、スパッタ中、制御手段１６によりマスフローコントーラ１２を所定の周期でオンオフ制御し、真空チャンバ１内にスパッタガスを所定流量で導入することとした。この場合、スパッタガスの導入の周期は、ガス排気速度等を考慮して設定される。また、スパッタガス導入時間は、ガス排気速度等を考慮して０．５〜２．５ｓｅｃの範囲で設定される。
【００４１】
スパッタガスが再導入された状態では、プラズマ中で電離したスパッタガスのイオンが基板Ｗに向かって引き込まれ、このイオンにより基板Ｗに付着、堆積したものがエッチングされるようになる。この場合、例えば垂直磁場強度や不活性ガスのガス流量を変化させれば、エッチング速度を制御できる。このときガス流量は、例えば３〜１００ｓｃｃｍの範囲で調節すればよい。３ｓｃｃｍ以下の流量では、ガス流量制御が不安定になるという不具合があり、また、１００ｓｃｃｍを超えた流量では、ガス排気時間が長くなるという不具合が生じる。
【００４２】
このようにスパッタ中にスパッタガスの導入をオンオフ制御することで、スパッタ粒子やスパッタ粒子のイオンの堆積とエッチングとが交互に行われるようになる。その結果、微細ホールの上面開口が閉塞されることなく、高アスペクト比の微細ホールに対しても被覆性よく（即ち、カバレッジよく）成膜できる。
【００４３】
以上の効果を確認するために、図１に示すスパッタ装置を用い、Ｃｕ膜を成膜した。基板Ｗとして、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で微細ホール（幅４０ｎｍ、深さ１４０ｎｍ）をパターニングして形成したものを用いた。他方、ターゲット材４として組成比９９％のＣｕ製で、肉厚が５ｍｍ、下面の開口径が３０ｍｍに形成したものを用いた。
【００４４】
成膜条件として、ホルダ２下面と基板Ｗとの間の距離を３００ｍｍに設定し、ターゲット材４への投入電力を６．６ｋＷ（電流１９．５Ａ）、アノードシールド８への投入電圧１５０Ｖ、上下の各コイル１５ｕ、１５ｄへの通電電流３０Ａ、バイアス電力０ｋＷに設定し、スパッタ時間を１５秒に設定してＣｕ膜の成膜を行った。そして、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタによる成膜開始当初１秒間は、１００ｓｃｃｍの流量でスパッタガスを導入し、その後、０〜１００ｓｃｃｃｍの各流量で真空チャンバ１内に導入することとした。
【００４５】
図３は、上記条件で成膜したときのスパッタレートの測定値を示すグラフである。これによれば、スパッタガスの流量が３ｓｃｃｍより小さい場合には、３ｎｍ／ｓｅｃを超える高いスパッタレートが得られ、また、カソード材４の開口直下及びその周辺では、膜厚分布の均一性が極めて高くなることが確認できた。
【００４６】
他方で、スパッタガスの流量が３ｓｃｃｍを超えると、特に、ターゲット材４の開口直下の位置でのスパッタレートが極端に低下し、基板Ｗ表面に付着、堆積したＣｕ膜がエッチングされていくことが確認できた。この場合、バイアス電力を高くするのに従い、エッチング量が増加することが併せて確認できた。
【００４７】
以上より、成膜中にスパッタガスの導入をオンオフ制御することで、スパッタ粒子の堆積とエッチングとを所定の周期で行えば、微細ホールの上面開口が閉塞されることなく、高アスペクト比の微細ホールに対しても被覆性よく成膜できることが判る。この場合、微細ホールのカバレッジをＳＥＭ写真で確認したところ、微細ホールの壁面に緻密な薄膜が形成されていることが確認できた。
【００４８】
次に、垂直磁場の影響を確認する試験を行った。この試験では、成膜開始当初１秒間は、１００ｓｃｃｍの流量でスパッタガスを導入し、その後、ガスの導入を停止する以外は上記と成膜条件を同一とし、上下の各コイル１５ｕ、１５ｄへの通電電流を変化させた。  
【００４９】
これによれば、上下の各コイル１５ｕ、１５ｄへの通電電流を多くすれば、ターゲット材４の開口直下及びその周辺のスパッタレートを高くなることが確認された。
【００５０】
以上、本実施形態のスパッタ装置及びスパッタ方法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。例えば、ホルダ２の下面全体に亘って密集させて多数の凹部を形成し、各凹部にターゲット材を嵌挿してカソードユニットを構成してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
Ｍ  スパッタ装置 
１  真空チャンバ 
２  ホルダ（カソードユニット） 
３  凹部 
４  ターゲット材（カソードユニット） 
６  マグネット（磁場発生手段） 
１１  ガス管（ガス導入手段） 
１２  マスフローコントローラ（ガス導入手段） 
１５ｕ  上コイル（垂直磁場発生手段） 
１５ｄ  下コイル（垂直磁場発生手段） 
Ｃ  カソードユニット 
Ｅ１乃至Ｅ４  電源 
Ｗ  基板 
【図１】
0005550565.tif 000002
【図２】
0005550565.tif 000003
【図３】
0005550565.tif 000004
【図４】
0005550565.tif 000005