(57)【要約】  この成膜装置（１）は、被膜（Ｌ）が形成される被処理体（Ｗ）とスパッタ面（３ａ）を有するターゲット（３）とが対向するように前記被処理体（Ｗ）及び前記ターゲット（３）の両方が配置される内部空間と、側壁とを有するチャンバ（２）と、前記チャンバ（２）内を減圧する排気部（１２）と、前記スパッタ面（３ａ）が露出されている前記内部空間に磁場を発生させる第１磁場発生部（４）と、前記ターゲット（３）に負の直流電圧を印加する直流電源（９）と、前記チャンバ（２）内にスパッタガスを導入するガス導入部（１１）と、前記ターゲット（３）に近い位置に配置され、前記ターゲット（３）に隣接する位置において垂直な磁力線が通るように磁場を発生させる第２磁場発生部（１３）と、前記被処理体（Ｗ）に近い位置に配置され、前記磁力線を前記チャンバ（２）の前記側壁に誘導するように磁場を発生させる第３磁場発生部（１８）とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜装置であって、
被膜が形成される被処理体とスパッタ面を有するターゲットとが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置される内部空間と、側壁とを有するチャンバと、
前記チャンバ内を減圧する排気部と、
前記スパッタ面が露出されている前記内部空間に磁場を発生させる第１磁場発生部と、
前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、
前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、
前記ターゲットに近い位置に配置され、前記ターゲットに隣接する位置において垂直な磁力線が通るように磁場を発生させる第２磁場発生部と、
前記被処理体に近い位置に配置され、前記磁力線を前記チャンバの前記側壁に誘導するように磁場を発生させる第３磁場発生部と、
を含むことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
請求項１に記載の成膜装置であって、
前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部は、前記チャンバの周囲において互いに所定の間隔で離間して設けられ、かつ、電源装置を備えたコイルであり、
前記第２磁場発生部に印加される電流の極性と前記第３磁場発生部に印加される電流の極性とが互いに反対となるように、前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部に電流が印加されること
を特徴とする成膜装置。
【請求項３】
請求項２に記載の成膜装置であって、
前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部によって形成された磁力線を前記チャンバに誘導することを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体の表面に被膜を形成するために用いられる成膜装置に関し、特に、薄膜形成方法の一種であるスパッタリング法を用いたＤＣマグネトロン方式の成膜装置に関する。
本願は、２００９年７月１７日に出願された特願２００９−１６９４４９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体デバイスの製作における成膜工程においては、スパッタリング法を用いた成膜装置（以下、「スパッタリング装置」という。）が用いられている。
このような用途のスパッタリング装置においては、近年の配線パターンの微細化に伴い、処理すべき基板全面に、高アスペクト比のホール又はトレンチ及び微細パターンに対して良好な被覆性で被膜を成膜できることが強く要求されている。【０００３】
一般的なスパッタリング装置においては、スパッタリングガスが導入された真空チャンバ内にターゲットが配置されており、ターゲットに負の電圧を印加することによってスパッタリングガス（例えば、アルゴンガス）をイオン化させてターゲットに衝突させている。この衝突によってターゲットの表面からスパッタ粒子が飛び出す。
ターゲットは、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉ，又はＴａ等の材料（薄膜の配線を構成する材料）によって形成されている。このため、スパッタ粒子としてＣｕ，Ａｌ，Ｔｉ，又はＴａ原子がターゲットから飛び出し、この材料が基板に付着し、薄膜が基板上に形成される。
真空チャンバ内において、薄膜が形成される基板とターゲットとは所定の間隔で離間し、対向配置されている。【０００４】
また、ＤＣマグネトロン方式のスパッタリング装置においては、ターゲット裏面に設けられた磁場発生部（例えば、永久磁石等）によって、ターゲット表面に磁界が形成される。
このように磁界が発生されている状態で、ターゲットに負の電圧を印加することにより、スパッタリングガスイオンがターゲット表面に衝突し、ターゲット材を構成する原子及び二次電子がターゲットから放出される。
この二次電子をターゲット表面に形成された磁界中で周回させることによって、スパッタリングガス（アルゴンガス等の不活性ガス）と二次電子とのイオン化衝突の頻度を増大させ、プラズマ密度を高くし、薄膜が基板上に形成されている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
しかしながら、上記スパッタリング装置においては、磁場発生部によってターゲット表面に形成された磁界による束縛を脱した電子，アルゴンイオン，或いはメタルイオン（Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ等）が基板に到達し、基板が損傷するという問題があった。また、電子が基板に衝突することで、基板表面の温度が上昇し、基板の品質が下がるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４４４１２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、上記の課題を解決するためになされたものであって、アルゴンイオン，メタルイオン，及び電子の入射方向を制御することにより、基板への損傷を防ぎ、かつ、基板の温度上昇を防ぐことを可能にする成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様の成膜装置は、被膜が形成される被処理体とスパッタ面を有するターゲット（被膜の母材）とが対向するように前記被処理体及び前記ターゲットの両方が配置（収納）される内部空間と、側壁とを有するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する排気部と、前記スパッタ面が露出されている前記内部空間（スパッタ面の前方）に磁場を発生させる第１磁場発生部と、前記ターゲットに負の直流電圧を印加する直流電源と、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入部と、前記ターゲットに近い位置（ターゲットの近傍側）に配置され、前記ターゲットに隣接する位置において（ターゲットの近傍において）垂直な磁力線が通るように磁場を発生させる第２磁場発生部と、前記被処理体に近い位置（被処理体の近傍側）に配置され、前記磁力線を前記チャンバの前記側壁に誘導するように磁場を発生させる第３磁場発生部とを含む。
本発明の態様の成膜装置においては、前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部は、前記チャンバの周囲において互いに所定の間隔で離間して設けられ、かつ、電源装置を備えたコイルであり、前記第２磁場発生部に印加される電流の極性と前記第３磁場発生部に印加される電流の極性とが互いに反対となるように、前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部に電流が印加されることが好ましい。
本発明の態様の成膜装置においては、前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部によって形成された磁力線を前記チャンバに誘導することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明においては、前記ターゲットに近い位置に配置された前記第２磁場発生部と、前記被処理体に近い位置に配置された前記第３磁場発生部とが用いられている。また、前記第２磁場発生部は、前記ターゲットに隣接する位置において垂直な磁力線が通るように磁場を発生させる。前記第３磁場発生部は、前記磁力線を前記チャンバの側壁に誘導するように磁場を発生させる。これによって、メタルイオン，アルゴンイオン，及び電子の入射方向を制御することが可能となり、基板に到達するメタルイオン，アルゴンイオン，及び電子が減少するので、基板の損傷及び基板の温度上昇を防ぐことが可能となる。
本発明によれば、前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部は、電源装置を備えたコイルである。また、前記第２磁場発生部に印加される電流の極性と前記第３磁場発生部に印加される電流の極性とが互いに反対となるように、前記第２磁場発生部及び前記第３磁場発生部に電流が印加される。これによって、簡単な構成で所望の磁場を発生させることが可能となる。また、コイル（第２磁場発生部と第３磁場発生部）の相互間の距離、各コイルの巻数、各コイルに供給される電流値等を適宜変化させる（制御する）ことにより、所望の磁力線を形成するような磁場を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る成膜装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る成膜装置において垂直磁場を発生させた状態を示す模式図であり、上下コイルの各々に同方向に電流を印加した場合を示す図である。
【図３】本発明に係る成膜装置において垂直磁場を発生させた状態を示す模式図であり、上コイルに流れる電流の方向に対して反転する方向に電流を下コイルに印加した場合を示す図である。
【図４】基板上に成膜された高アスペクト比の微細ホール及びトレンチの構造を模式的に示す断面図である。
【図５】基板に到達するイオン及び電子の量を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る成膜装置の実施形態について、図面に基づき説明する。
また、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
【００１２】
図１に示すように、成膜装置１は、ＤＣマグネトロンスパッタリング方式の成膜装置であり、真空雰囲気の生成が可能な真空チャンバ２（チャンバ）を備える。
真空チャンバ２の天井部には、カソードユニットＣが取り付けられている。
なお、以下の説明においては、真空チャンバ２の天井部に近い位置を「上」と称し、真空チャンバ２の底部に近い位置を「下」と称する。
【００１３】
カソードユニットＣは、ターゲット３を備え、ターゲット３はホルダ５に取り付けられている。更に、カソードユニットＣは、ターゲット３のスパッタ面（下面）３ａが露出されている空間（スパッタ面３ａの前方）にトンネル状の磁場を発生する第１磁場発生部４を備える。
ターゲット３は、処理すべき基板Ｗ（被処理体）に形成される薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ，又はＴａで構成されている。
ターゲット３の形状は、処理すべき基板Ｗの形状に対応させて、スパッタ面３ａの面積が基板Ｗの表面積より大きくなるように、公知の方法で所定形状（例えば、平面図において円形）に作製されている。
また、ターゲット３は、公知の構造を有するＤＣ電源９（スパッタ電源、直流電源）に電気的に接続され、所定の負の電位が印加される。
【００１４】
第１磁場発生部４は、ホルダ５においてターゲット３（スパッタ面３ａ）が配置される位置とは反対の位置（上側、ターゲット３又はホルダ５の背面側）に配置されている。第１磁場発生部４は、ターゲット３に平行に配置されたヨーク４ａと、ヨーク４ａの下面に設けられた磁石４ｂ，４ｃとから構成されている。ターゲット３に近い位置に配置された磁石４ｂ，４ｃの先端の極性が交互に異なるように、磁石４ｂ，４ｃは配置されている。
磁石４ｂ，４ｃの形状又は個数は、放電の安定性又はターゲットの使用効率の向上等の観点から、スパッタ面３ａが露出されている空間（ターゲット３の前方）に形成される磁場（磁場の形状又は分布）に応じて適宜選択される。磁石４ｂ，４ｃの形状としては、例えば、薄片形状，棒形状，又はこれら形状が適宜組み合わされた形状が採用されてもよい。また、第１磁場発生部４に移動機構が設けられてもよく、移動機構によって第１磁場発生部４がターゲット３の背面側において往復運動又は回転運動してもよい。
【００１５】
真空チャンバ２の底部には、ターゲット３に対向するようにステージ１０が配置されている。ステージ１０上には基板Ｗが搭載され、ステージ１０によって基板Ｗの位置が決定され、基板Ｗが保持される。また、真空チャンバ２の側壁には、スパッタガスとしてアルゴンガスを導入するガス管１１（ガス導入部）の一端が接続されており、ガス管１１の他端はマスフローコントローラ（不図示）を介してガス源に連通している。更に、真空チャンバ２には、ターボ分子ポンプ又はロータリポンプ等からなる真空排気部１２（排気部）に通じる排気管１２ａが接続されている。
【００１６】
メタルイオン，アルゴンイオン，及び電子の入射方向を制御するために用いられる第２磁場発生部１３及び第３磁場発生部１８は、真空チャンバ２の周囲（外周、側壁の外側）に設置されている。
第２磁場発生部１３及び第３磁場発生部１８は、ターゲット３及び基板Ｗの中心間を結ぶ垂直軸ＣＬの周りに、真空チャンバ２の外側壁に設けられている。第２磁場発生部１３及び第３磁場発生部１８は、真空チャンバ２の上下方向において、所定の間隔で隔てられている。
第２磁場発生部１３は、真空チャンバ２の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体１４と、コイル支持体１４に導線１５を巻回することによって構成された第２コイル１６と、第２コイル１６に電力を供給する電源装置１７とを備える。
第３磁場発生部１８は、真空チャンバ２の外側壁に設けられたリング状のコイル支持体１９と、コイル支持体１９に導線２０を巻回することによって構成された第３コイル２１と、第３コイル２１に電力を供給する電源装置２２とを備える。
【００１７】
コイルの個数，導線１５の径，又は導線１５の巻数は、例えば、ターゲット３の寸法、ターゲット３と基板Ｗとの間の距離、電源装置１７，２２の定格電流値又は発生させる磁場の強度（ガウス）に応じて適宜設定される。
【００１８】
電源装置１７，２２は、第２コイル１６及び第３コイル２１に供給される電流値及び電流の向きを任意に変更できる制御回路（図示せず）を備えた公知の構造を有する。本実施形態においては、メタルイオン，アルゴンイオン，及び電子の入射方向を制御するために、真空チャンバ２内において下向きの垂直磁場が発生するようにマイナスの電流値を第２コイル１６に印加している。一方、真空チャンバ２内において上向きの垂直磁場が発生するようにプラスの電流値を第３コイル２１に印加している。即ち、上コイル１６の電流値の極性に対して下コイル２１の電流値の極性が反転されている。このように、第２コイル１６に印加される電流の極性と第３コイル２１に印加される電流の極性とが互いに反対となるように第２コイル１６及び第３コイル２１に電流を印加することによって、図３に示すように、磁力線の向きは、基板Ｗに対して垂直とはならず、真空チャンバ２内において屈折し、真空チャンバ２の側壁に向かっている。
【００１９】
図２及び図３は、第２磁場発生部１３及び第３磁場発生部１８によって形成される磁力線Ｍ１，Ｍ２を示す図である。
図２及び図３においては、磁力線Ｍ１，Ｍ２は矢印を用いて図示されているが、この矢印は説明のために便宜的に示されており、磁場の方向を限定していない。即ち、磁力線Ｍ１，Ｍ２は、磁石のＮ極からＳ極に向う方向及び磁石のＳ極からＮ極に向う方向の両方を含んでいる。
図２は、各コイル１６，２１共にマイナスの電流値を印加した場合の磁力線Ｍ１を示している。各コイル両方にマイナスの電流値を印加することによって、ターゲット３を基板Ｗとの間には磁力線Ｍ１が通るように磁場が発生する。
一方、図３は、第２コイル１６にマイナス、第３コイル２１にプラスの電流値を印加した場合の磁力線Ｍ２を示している。
第３コイル２１に印加される電流の極性に対して第２コイル１６に印加される電流の極性が逆になるように各コイル１６，２１に電流を印加することによって、ターゲット３の近傍では、基板Ｗとターゲット３との間に垂直な磁力線が発生する。しかし、この磁力線の方向を維持するように磁力線は基板Ｗに向けて進まず、磁力線は、基板Ｗから真空チャンバ２の側壁に向うように逸れる。即ち、磁力線の方向は、基板Ｗに対して垂直な方向から、真空チャンバ２の中央から真空チャンバ２の側壁に向う方向に変換される。
【００２０】
次に、上記成膜装置１を用いた成膜方法と、この方法によって形成された被膜とについて、図４を参照して説明する。
まず、被膜が形成される基板Ｗとして、Ｓｉウエハを準備する。このＳｉウエハの表面にはシリコン酸化物膜Ｉが形成されており、このシリコン酸化物膜Ｉには公知の方法を用いて配線用の微細ホールＨが予めパターニングによって形成されている。
次に、成膜装置１を用いたスパッタリングにより、シード層であるＣｕ膜ＬをＳｉウエハ上に成膜する場合について説明する。
【００２１】
まず、真空排気部１２を作動させて、真空チャンバ２内の圧力が所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ台）となるように減圧する。
次に、ステージ１０に基板Ｗ（Ｓｉウエハ）を搭載し、それと同時に、電源装置１７，２２を作動させて第２コイル１６及び第３コイル２１に通電し、ターゲット３及び基板Ｗの間に磁場を発生させる。そして、真空チャンバ２内の圧力が所定値に達した後に、真空チャンバ２内にアルゴンガス等（スパッタガス）を所定の流量で導入しつつ、ＤＣ電源９よりターゲット３に所定の負の電位を印加（電力投入）する。これによって、真空チャンバ２内にプラズマ雰囲気を生成する。
この場合、第１磁場発生部４によって発生した磁場によって、スパッタ面３ａが露出されている空間（前方空間）において電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子が捕捉され、スパッタ面３ａが露出されている内部空間においてプラズマが発生する。
【００２２】
第１磁場発生部４によって生成された磁界の束縛を逃れた電子及びアルゴンイオンは、第３磁場発生部１８によって形成された、真空チャンバ２の中央から真空チャンバ２の側壁に向かう磁力線によって、逸らされる。
これによって、基板Ｗにスパッタ粒子を入射させながら、アルゴンイオン及び電子が基板Ｗに入射することを防ぐことができる。
一方、プラズマ中のアルゴンイオンがスパッタ面３ａに衝突し、これによってスパッタ面３ａがスパッタリングされ、スパッタ面３ａから基板Ｗに向かってＣｕ原子又はＣｕイオンが飛散する。このＣｕ原子又はＣｕイオンが飛散する方向は、ターゲット３の近傍に発生した垂直磁場によって変更され、Ｃｕ原子又はＣｕイオンは、基板Ｗに向かって誘導される。
このとき、特に、適切な上コイル１６及び下コイル２１に印加される電流量及び極性を制御し選択することにより、真空チャンバ２の中央から真空チャンバ２の側壁に向かう磁力線によって、アルゴンイオンと同様に正電荷を有するＣｕが基板へ入射することを防ぐことができる。
【００２３】
図５に、基板Ｗに流入するイオン及び電子電流を計測した結果を示す。
イオン（電子）電流は、基板Ｗのスパッタ粒子が衝突する場所に所定のプローブを固定して測定されている。この電流は、図５において、基板イオン・電子電流によって示されている。
このイオン（電子）電流値が高いほど、基板Ｗにイオン及び電子が到達している、つまり、基板Ｗが損傷したり、基板Ｗが加熱されたりすることを意味している。
【００２４】
図５においては、第２コイル１６にマイナスの電流値を印加して第３コイル２１にプラスの電流値を印加した場合（電流反転）のイオン電流と、第２コイル１６及び第３コイル２１の両方にマイナスの電流値を印加した場合（同方向電流）のイオン電流と、第２コイル１６及び第３コイル２１の両方に電流を印加しなかった場合（コイルなし）のイオン電流とを測定し、これらのイオン電流を互いに比較した。
その結果、同方向電流の場合は、コイル無しの場合と比較して、イオン電流が大幅に増加した。
これは、垂直磁場Ｍ１（図２参照）によって、コイル無しの場合よりも多く電子が基板Ｗに到達することによって生じた結果であると考えられる。
一方、電流反転の場合においては、同方向電流と比較してイオン電流が減少し、更にコイル無しの場合と比較してもイオン電流は減少した。
これは、第３コイル２１の電流の極性に対して第２コイル１６の電流の極性を逆転させ、第２コイル１６に起因する磁力線に対して第３コイル２１に起因する磁力線を反転させることにより、基板Ｗに到達する電子が積極的に排除された結果であると考えられる。
【００２５】
以上の結果より、第２コイル１６の電流の極性に対して第３コイル２１の電流の極性を反転させることによって、基板Ｗに到達するアルゴンイオン及び電子を減少させることができ、更に、基板Ｗの損傷、及び基板Ｗの温度上昇を防止することが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、被処理体の表面に被膜を形成するために用いられる成膜装置に広く適用可能であり、特に、薄膜形成方法の一種であるスパッタリング法を用いたＤＣマグネトロン方式の成膜装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
Ｃ…カソードユニット、Ｗ…基板（被処理体）、１…成膜装置、２…真空チャンバ、３…ターゲット、３ａ…スパッタ面、４…第１磁場発生部、４ａ…ヨーク、４ｂ，４ｃ…磁石、５…ホルダ、９…ＤＣ電源（スパッタ電源）、１０…ステージ、１１…ガス管、１２…真空排気部、１２ａ…排気管、１３…第２磁場発生部、１４、１９…コイル支持体、１５、２０…導線、１６，２１…電源装置、１８…第３磁場発生部。
【図１】
2011007830.tif 000003
【図２】
2011007830.tif 000004
【図３】
2011007830.tif 000005
【図４】
2011007830.tif 000006
【図５】
2011007830.tif 000007
【国際調査報告】
2011007830.tif 000008
2011007830.tif 000009
2011007830.tif 000010
2011007830.tif 000011