(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタターゲットと薄膜を形成する基板との間に設置され前記スパッタターゲットからのスパッタ粒子を通過させる開口部が設けられたことにより前記スパッタ粒子の飛散方向を制御するシールド部材を備えたスパッタリング成膜装置において、
前記シールド部材が、中央に前記開口部が設けられるとともに前記スパッタターゲット側に向く内面全体が凹状の湾曲面とされたシールド部材本体と、該シールド部材本体と前記スパッタターゲットの間に配置され、該シールド部材本体の開口部の径よりも小さい内径を有するカバーリングと、該カバーリングを前記シールド部材本体に結合する接合部材と、を有することを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリング成膜装置において、
前記カバーリングが複数に分割されたことを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のスパッタリング成膜装置において、前記シールド部材が装置内のシールド部材保持部分に対して断熱材を介して固定されたことを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項４】
請求項１記載のスパッタリング成膜装置に、スパッタターゲットおよび薄膜を形成すべき基板を搭載してスパッタリングによる成膜を行うことを特徴とするスパッタリング成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体装置の製造工程において、配線等に用いる各種薄膜を形成するためのスパッタリング成膜装置（以下、スパッタ装置と称する）およびこれを用いた成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスパッタ装置の構成を図９に示す。形成する薄膜の母材であるスパッタターゲット１（以下、単にターゲットと記す）を搭載した電極２と、薄膜を形成しようとする基板である例えばシリコンウェハー３を保持した電極４がチャンバー５内に所定の間隔で対向配置されている。成膜を行う際には、排気管６からチャンバー５内を真空引きした後、ガス導入管７から例えばＡｒガスを所定の流量で導入し、例えば直流電源８により電極２、４間に電圧を印加する。すると、生成したプラズマ中で加速されたＡｒイオンがターゲット１の表面をスパッタし、ウェハー３上にスパッタ粒子を堆積させることにより薄膜が形成される。
【０００３】
この時、スパッタ粒子がチャンバー５内でウェハー３表面以外の不必要な方向へ飛散しないように、チャンバー５内にはシールド部材９が設けられている。このシールド部材９は、開口部９ａを有するリング状のカバーであり、ターゲット１周縁部の下方および外方を覆うように配置されている。したがって、シールド部材９の開口部９ａは、ウェハー３の方向に向かって進行するスパッタ粒子のみを通過させ、他の方向に進行するスパッタ粒子をシールド部材９の内壁に付着させることによりチャンバー５内の他の箇所への飛散を防止する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスパッタ装置１０においては、スパッタ膜の形成に伴いウェハー３の表面にパーティクルが付着し、製品歩留まりの低下を引き起こしてきた。通常、ウェハー３上に付着するパーティクルの数はシールド部材９の使用時間の経過とともに上昇し始め、ある使用時間経過後、パーティクル数は急激に増加する、という傾向があり、この段階でシールド部材９の交換およびチャンバー５内のクリーニングが必要となる。このような理由により、ウェハー３に付着するパーティクルの低減やシールド部材９の交換までの時間の延長による歩留まりおよび生産性の向上が望まれていた。
【０００５】
そこで、この問題に関して鋭意研究を重ねた結果、パーティクル数の増加は、シールド部材９の内壁に付着した堆積膜が剥離することによりもたらされることが判明した。
【０００６】
本発明は、堆積膜剥離の原因を究明した結果に基づいてシールド部材の構造を工夫し、上述したウェハーに付着するパーティクルの低減、シールド部材の交換までの時間の延長による歩留まりおよび生産性の向上を図ることのできるスパッタ装置および成膜方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のスパッタ装置は、スパッタターゲットと薄膜を形成する基板との間に設置されスパッタターゲットからのスパッタ粒子を通過させる開口部が設けられたことによりスパッタ粒子の飛散方向を制御するシールド部材を備えたスパッタ装置において、シールド部材が、中央に開口部が設けられるとともにスパッタターゲット側に向く内面全体が凹状の湾曲面とされたシールド部材本体と、シールド部材本体とスパッタターゲットの間に配置され、シールド部材本体の開口部の径よりも小さい内径を有するカバーリングと、カバーリングをシールド部材本体に結合する接合部材とを有することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の成膜方法は、上記のスパッタ装置に、スパッタターゲットおよび薄膜を形成すべき基板を搭載してスパッタリングによる成膜を行うことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１〜図７を参照して説明する。
図１は本実施の形態のスパッタ装置１２の構成を示す図であるが、本スパッタ装置１２が従来の装置と異なる点はシールド部材周辺の構成のみであるため、他の構成要素については図９と同一の符号を付し、具体的な説明を省略する。
【００１０】
図２は本スパッタ装置１２のシールド部材１３を示す図である。この図に示すように、シールド部材１３は、シールド部材本体１４と、接合柱１５（接合部材）を介してシールド部材本体１４に結合されたカバーリング１６とから構成されている。シールド部材本体１４は、中央にスパッタ粒子を通過させる開口部１４ａが設けられたシールド部１４ｂと、シールド部１４ｂ周縁のフランジ部１４ｃからなり、シールド部１４ｂの内面は凹状の湾曲面とされている。そして、シールド部材１３全体はフランジ部１４ｃによりチャンバー５の壁部に固定されるようになっている。
【００１１】
カバーリング１６は、シールド部材本体１４の開口部１４ａの径よりも小さい内径を有する環状の板材であり、シールド部材本体１４に対してその中心軸が一致するように接合柱１５を介して、例えばねじ止め等より固定されている。なお、接合柱１５は、例えばカバーリング１６の周方向に沿って一定間隔おきに複数個（本実施の形態の場合は８個）、設けられている。
【００１２】
また、図１に示すように、シールド部材１３が前記フランジ部１４ｃでチャンバー５に固定される際には、フランジ部１４ｃとチャンバー５の壁部との間に断熱材１７が介装され、シールド部材１３はチャンバー５から熱的に遮断されている。
【００１３】
解析、考察の結果、シールド部材を上記の構成とするに至った理由について以下、説明する。
【００１４】
図４は、従来用いられていたシールド部材９の断面（図４（ａ））、および付着した堆積膜１９の状態（図４（ｂ））を概念的に示した図である。図４（ｂ）に示すように、堆積膜１９の剥離は、シールド部材９端部の堆積膜１９が最も厚い部分から起きている。
【００１５】
この部分の堆積膜１９は、Ｘ線回折法による内部応力評価の結果から、非常に大きな引張応力が存在していること、また、膜の断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察から、結晶は柱状晶の状態で成長していることが判明した。柱状晶成長のため、内部応力を解放する際、クラックが粒界を通じてシールド部材９との界面から膜表面にかけて延び、膜全体が剥離しやすい状況になっている。また、シールド部材９の端部にある、ターゲットに対して凸の曲率を持つ表面９ｂ上から柱状成長するため、引張応力が膜中に生じやすいと考えられる。
【００１６】
そこで、本実施の形態のシールド部材１３の場合、図３（ａ）に示すように、まず、ターゲット１側に向くシールド部材本体１４の内面全体を凹状の湾曲面とする。この形状については従来のシールド部材９にも当てはまるものであるが、例えば、実施例の項に後述するように、図５に示すターゲット１に対して凸状の部分２１ａを有するシールド部材２１を用いたときには、上述した理由によりその凸状部分２１ａから剥離が生じること、また、従来のシールド部材９でも凹状の部分からの剥離は全く認められないことから、凹状の形状とすることは剥離防止にとって非常に重要な要因となる。
【００１７】
次に、従来のシールド部材９を用いたときに最も膜が堆積しやすい部分であるシールド部材本体１４の端部１４ｄにカバーリング１６を配置する。この部分１４ｄは、ターゲット１の下方にあたるため、元来、膜が最も堆積しやすい部分であると同時に、ターゲット１に対して凸の形状を持っているが、カバーリング１６を用いることにより、
（１）堆積面積の増大に伴う堆積速度の減少が見込まれること、
（２）事実上凸部のない構造とすることで膜が剥離しにくくなること、
の２つの効果からシールド部材１３の寿命を改善することができる。したがって、シールド部材１３を交換するまでの時間を延長できるため、生産性を向上させることができる。
【００１８】
また、カバーリング１６自体について言えば、その大きさおよび取り付け位置は適宜変えられるが、例えば幅２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ程度の寸法であり、その内径をシールド部材本体１４の開口部１４ａの径よりも小さくすることにより、シールド部材本体１４の端部１４ｄより中心に向かって３〜８ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍ程度はみ出すように取り付ける。こうすることにより、ターゲット１から見るとシールド部材本体１４の端部１４ｄはカバーリング１６の影となり、最も剥離しやすいシールド部材本体１４の端部１４ｄへの膜の堆積が抑えられる。
【００１９】
ここで、図３（ｂ）に示すカバーリング１６上に同時に堆積される膜１９の剥離について考える。カバーリング１６は、シールド部材本体１４とは接合柱１５を介しているだけであり接触面積が小さいため、プラズマから与えられる熱が効率的に蓄えられる。その結果、温度上昇したカバーリング１６上に堆積される膜１９は柱状晶から粒状晶成長となるため、引張応力の緩和およびクラック伝播の抑制が図れ、膜１９は剥離しにくくなる。また、カバーリング１６上の堆積量が増え、カバーリング１６が変形したような場合でも、カバーリング１６のみ取り外して交換できるため、経済的にも有利である。カバーリング１６の肉厚については特に規定しないが、熱容量が小さくなるように１〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。薄すぎると変形しやすく、厚すぎると温度が上がりにくくなるためである。
【００２０】
また、カバーリング１６は、上述したような一体型のものでも充分な効果を上げることができるが、図６に示すように、周方向で複数（この場合、８個）に分割したカバーリング２２をシールド部材本体１４上に取り付けることもできる。このようにすると、カバーリング２２上に堆積した膜の内部応力が緩和されることで膜の剥離が防止される。後述する実施例に示すが、一体型、分割型のどちらの場合でも同等の効果を得ることができる。
【００２１】
次に、シールド部材１３とチャンバー５壁部間に装入される断熱材１７としては、例えばバイトン製のものが用いられる。そして、シールド部材１３は冷却されたチャンバー５から熱的に遮断されることにより、プラズマから与えられる熱がシールド部材１３に効果的に蓄えられることになる。この結果、上述したように、温度上昇したシールド部材１３上に堆積される膜は柱状晶から粒状晶成長となるため、引張応力の緩和およびクラック伝播の抑制が図れ、膜は剥離しにくくなる。
【００２２】
シールド部材１３やカバーリング１６の材質は、ターゲット１の材質との兼ね合いから一義的に決まるものではなく、密着性や熱膨張係数等を考慮して決定される。どのような材質を用いた場合でも、本発明によるシールド部材の構造に関わる効果は損なわれるものではない。
【００２３】
また、熱膨張係数を考慮に入れたシミュレーションから、堆積膜の内部に発生する応力を評価することができ、膜の剥離に対して望ましいシールド部材本体の形状を予測することができる。例えば、ステンレス製のシールド部材本体を用いてＴｉＷ膜をスパッタリングする場合、図７（ａ）に示す角張った形状のシールド部材本体２３よりも図７（ｂ）に示す丸型のシールド部材本体２４の方が望ましく、肉厚は均一で薄い方が有利である。この形状は、用いるシールド部材本体の材質とスパッタ膜の種類、または製造の容易さ等により変化するものであり、諸条件を考慮して適宜決定される。
【００２４】
シールド部材本体１４の肉厚は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。１ｍｍ以下では強度が弱いため、例えば使用後の再生処理でショットブラストのようなクリーニングにかけると変形してしまったり、材質によっては使用中に変形が生じ、本来のスパッタ粒子のシールドとしての役割が損なわれる。また、１０ｍｍ以上では、熱容量が大きくなりすぎてしまい、成膜中の温度上昇が期待できなくなってしまう。したがって、肉厚は、材質に応じて変形しない程度にできるだけ薄い肉厚とすることが望ましい。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図８を参照して説明する。
本実施例は、シールド部材およびその取り付け方法を代えたスパッタ装置を用いてスパッタリングを行った際のパーティクル発生量を評価したものである。
【００２６】
（実施例１）
図４（ａ）に示す従来型のシールド部材９と、図３（ａ）に示す本実施の形態のシールド部材１３をステンレスを用いて加工製作し、本実施の形態の方のみは断熱材１７を介してスパッタ装置１２に取り付けた上で、ＴｉＷ膜のスパッタリングを行い、その時の積算電力とウェハー上に発生するパーティクル数の関係を調べた。その結果を図８に示す。なお、本実施の形態のシールド部材１３は２つ製作し、１つは一体型、他の１つは分割型とした。図８に示すように、パーティクル数は、従来型のシールド部材９を用いた場合と比べて、約１／３に低減されることがわかった。また、一体型と分割型ではほぼ同一のパーティクル数を示した。
【００２７】
（実施例２）
従来型のシールド部材９と実施例１と同様のシールド部材１３を用いてＴｉ膜のスパッタリングを行った。図８には示していないが、ウェハー上に発生するパーティクル数は、従来型のシールド部材を用いた場合と比べて、約１／２に低減されることがわかった。すなわち、形成する膜の種類を変えても本発明の効果が得られることがわかった。
【００２８】
（実施例３）
本実施の形態のシールド部材１３において、熱的な遮断をせずに、すなわち断熱材１７を設けることなく、装置１２の冷却部分にシールド部材１３を直接取り付けた状態でＴｉＷ膜のスパッタリングを行った。その際の積算電力とウェハー上に発生するパーティクル数の関係を図８に合わせて示す。断熱材１７を装入した場合（実施例１の場合）に比べるとパーティクル数は若干多いが、従来型のシールド部材９の場合と比べると非常に少なくなることがわかった。
【００２９】
（比較例１）
比較例として、図５に示すように、シールド部材の端部における堆積量を減らす目的でカバーリング１６を設け、さらに断熱材１７による熱的な遮断も施されているが、シールド部材本体の形状として一部にターゲットに対して凸状の部分２１ａを有するシールド部材２１をステンレスで製作し、実施例１と同様、ＴｉＷ膜のスパッタリングを行った。その際の積算電力とウェハー上に発生するパーティクル数の関係を図８に合わせて示す。パーティクルの数は、従来型のシールド部材９の場合と比べて減少するものの、凸状部分２１ａにおける膜の剥離が発生するため、実施例１および３による程の効果は認められなかった。
【００３０】
本実施例の評価によって、本発明のシールド部材を備えたスパッタ装置の使用により、パーティクルの発生を大幅に抑制できることが実証された。
【００３１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態で用いたシールド部材本体１４のフランジ部１４ｃまたは接合柱１５等の形状や数等、シールド部材各部の具体的な形状やチャンバーへの取付方法については種々の変更を加えることができる。また、スパッタ装置内のターゲットと基板の上下の位置関係は逆であってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、シールド部材上に堆積する膜の剥離が抑えられ、基板上に付着するパーティクルの数を低減することができるため、本発明のスパッタ装置を用いて製造する半導体装置等の製造歩留まりを向上させることができる。さらに、シールド部材を交換するまでの時間を延長できるため、生産性を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるスパッタ装置の全体構成を示す図である。
【図２】同装置のシールド部材の構成を示す斜視図である。
【図３】同シールド部材の端部の、（ａ）膜が堆積されていない状態、（ｂ）膜が堆積された状態、をそれぞれ示す断面図である。
【図４】従来のシールド部材の端部の、（ａ）膜が堆積されていない状態、（ｂ）膜が堆積された状態、をそれぞれ示す断面図である。
【図５】一部にターゲットに対して凸状の部分を有するシールド部材を示す断面図である。
【図６】本実施の形態のシールド部材の変形例である、分割型カバーリングを有するシールド部材の平面図である。
【図７】（ａ）角張った形状、（ｂ）丸型のシールド部材、をそれぞれ示す断面図である。
【図８】本発明の実施例である、スパッタリング時の積算電力とウェハー上に発生するパーティクル数の関係を示す図である。
【図９】従来のスパッタ装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１  スパッタターゲット
３  シリコンウェハー（基板）
５  チャンバー
１２  スパッタ装置
１３  シールド部材
１４  シールド部材本体
１４ａ  開口部
１５  接合柱（接合部材）
１６  カバーリング
１７  断熱材
１９  堆積膜
２２  分割型カバーリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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