(57)【要約】【課題】本発明は高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような３次元形状の基板に対して、小型装置にて面内の高い膜厚均一性かつ高スループットが達成できるスパッタリング装置を提供するものである。【解決手段】真空容器と、前記真空容器内に配置されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入しながら排気するガス調整手段と、前記ターゲットに対向して配置され、かつ、基板を載置する回転可能な基板保持台によって構成され、スパッタガスまたは、スパッタガスと反応性ガスを導入することにより、前記ターゲットにてターゲット材料または、ターゲット材料の反応生成物を基板上に堆積することができるスパッタリング方法において、前記ターゲットを前記基板に対してずらして配置し、かつ、イオンを前記基板に対して、垂直および斜め方向から入射する複数のイオン発生機構を配置する。【選択図】図１
2011208185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、前記真空容器内に配置されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入しながら排気するガス調整手段と、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダとを備え、前記ターゲットにて前記基板ホルダに保持された基板を成膜するスパッタリング装置において、
前記ターゲットの中心と前記基板ホルダの中心がずらして配置され、
前記基板に対して垂直および斜め方向からイオンを照射する複数のイオン発生機構を備えたこと
を特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記ターゲットと前記イオン発生機構の間に正の電位を印加した防着板を配置したこと
を特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記防着板は、その材質が磁性体、または、表面に磁性体が形成されたものであること
を特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記防着板は第１防着板と第２防着板から構成され、ターゲット側の第１防着板よりも前記イオン発生機構側の第２防着板に印加される正の電位が大きいこと
を特徴とする請求項２または３に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記防着板は第１防着板と第２防着板から構成され、ターゲット側の第１防着板よりも前記イオン発生機構側の第２防着板の方が基板ホルダとの距離が大きいこと
を特徴とする請求項２から４いずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記防着板の表面は曲面になっており、防着板とターゲットの距離がターゲットの外側に対してターゲットの内側が大きくなっていること
を特徴とする請求項２から５いずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記防着板とターゲットの距離が基板に近づくにつれて大きくなること
を特徴とする請求項２から６いずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記基板ホルダは負の電位が印加されること
を特徴とする請求項２から７いずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタにより基板上に薄膜を形成するためのスパッタリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（以下、ＩＣと称す）の製造工程では、金属及び誘電体の成膜が種々行われる。成膜の処理方法としては、たとえば、ＣＶＤ，ドライエッチング，スパッタリング等が用いられている。近年、ＩＣの小型化が進んでおり、これに対応するために、更なる微細化や３次元的に半導体を形成することが検討されており、高アスペクトビアへの高均一な成膜が求められている。
【０００３】
更に、近年、レンズの薄型化や枚数削減のために、立体形状（凹凸面）レンズへの反射防止膜やエッジフィルタ等の光学薄膜の高均一な形成も検討されている。これらの光学デバイスは、通常、低屈折率材料（ＳｉＯ２，ＭｇＦ等）と高屈折率材料（Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５等）、その中間の屈折率を有する材料（Ａｌ２Ｏ３等）の膜の積層構造であり、各層の光学膜厚（屈折率×物理膜厚）がデバイス特性を決定するために、高い膜厚均一性と高い膜厚制御性が必要である。これら光学薄膜は蒸着で形成されるのが主流であったが、膜質の観点からスパッタリングによる形成が検討されている。
【０００４】
また、近年、ニーズの多様化により、商品の多品種少量化が進んでおり、従来の大型装置を用いた大ロット生産から小ロット生産への変換が求められている。また、商品の在庫削減を目的とした商品管理サイクルの短縮化等に伴い、生産リードタイムの短縮も求められている。以上の要望に対応するためにも、スパッタリングを用いた小型成膜装置による高品質・低コストかつ効率的な生産が検討されている。
【０００５】
図１０に従来のマグネトロンスパッタリング装置の概略構成図を示す。今回は半導体向けの電極形成用マグネトロンスパッタリング装置を例に示す。以下、この従来のスパッタリング装置を説明する。
【０００６】
従来のスパッタリング装置９０は、真空引き可能な真空容器９１でスパッタ室を形成し、真空容器９１の上方にはターゲット９２が下部電極９３に固定保持され、アース電位となるアースシールド９２０が外周を覆っている。更にターゲット９２の裏面にはそれぞれ内側磁石９６とそれを取り囲むように内側磁石９６とは反対の磁化成分を持つ外側磁石９８が配置され、両磁石（９６、９８）はヨーク９１０で磁気的に結合されている。この磁石（９６、９８）により、導電性のターゲット９２表面には弧状の磁力線９１２が形成される。下部電極９３は容器９１とは電気的に絶縁されている。そして下部電極９３は、ターゲット９２の温度が上昇するのを防ぐために水冷機構（図示せず）を内蔵する。
【０００７】
そして、真空容器９１の下方には、基板ホルダ９１４が下部電極９３に対向して５０ｍｍの距離にて平行に配置される。そして、この基板ホルダ９１４は真空容器９１と電気的に絶縁されており、浮遊電位である。そして、基板ホルダ９１４上に基板例えば半導体のウェハ（基板９１５）が載置される。そして、基板ホルダ９１４は、基板９１５を所定の温度に維持するための冷却もしくは加熱機構（図示せず）を内蔵する。
【０００８】
そして、下部電極９３と真空容器９１間の電源９１７により、所定のＤＣ電力が与えられる。
【０００９】
このスパッタリング装置９０で成膜処理を行うには基板ホルダ９１４上に基板９１５を載置し、排気口（図示せず）につながる真空ポンプ（図示せず）により真空容器９１内を真空に引き、次にガス導入口（図示せず）から反応性ガスを含む所定のガス（例えば、Ａｒガス）を所定流量導入しつつ排気口と真空ポンプとの間に介在する可変コンダクタンスバルブ（図示せず）を調節して所定の圧力に調節する。また、高い面内均一性を確保する必要がある場合には、基板ホルダ９１４に結合された基板ホルダ回転機構９１６にて基板ホルダ９１４を回転させる。また、本成膜前のダミー放電時に基板へスパッタ粒子が付着しないようにするための基板シャッター９１９を基板上に配置している。
【００１０】
そして、ターゲット９２に負のＤＣ電圧を印加することでグロー放電を起こし、プラズマを発生させる。発生したプラズマ中の電子はターゲット９２裏面に配置された磁石（９６、９８）により発生する弧状の磁力線９１２にトラップされ、更に電離を促進しプラズマ密度を向上させる。発生したプラズマ中の＋イオン（例えば、Ａｒ＋、Ｏ２＋等）は負のＤＣ電圧によりターゲット９２に引き込まれターゲット９２の構成原子をスパッタリングする。ターゲット９２からスパッタリングされたスパッタ粒子はコサイン則に従い、拡散し、基板９１５上に堆積していく。この際、スパッタ粒子はスパッタリング装置９０内の防着板等の部材にも付着する。高アスペクトのビアに対して成膜をした場合、直進成分が少ないため、ビアの表面および表面近傍の側面に膜は付着し、ビアの底面には成膜されにくい。また、凹凸面のレンズに対しても、上記の理由により、高均一な膜形成は困難である。
【００１１】
それに対して、スパッタ粒子の直進性を高め、高アスペクトのビア内への膜付着を促進させるために、以下の文献が公開されている。
【００１２】
特許文献１、２では、ターゲットと基板間の距離を大きくしたり、ターゲットと基板間にコリメータを配置することで、スパッタ粒子の直進成分の割合を多くしている。
【００１３】
また、特許文献３では、スパッタリング成膜と同時にイオン発生機構からのイオンシャワー照射によりエッチングし、表面を改質している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平８−３１６１４７号公報
【特許文献２】特開２００４−２５６８４９号公報
【特許文献３】特開平１−１１９６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２の方法では、装置が大型化・複雑化すると共に、スループットも低下してしまう。
【００１６】
また、特許文献３の方法では、スパッタリング成膜とイオン発生機構の干渉が大きく、面内を高均一に処理することが困難である。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであって、３次元形状の測定物に対し均一性の高いエッチングができ、高均一な膜の作成かつ高効率な生産を行うことが可能なスパッタリング装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明のスパッタリング装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入しながら排気するガス調整手段と、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダとを備え、前記ターゲットにて前記基板ホルダに保持された基板を成膜するスパッタリング装置において、前記ターゲットの中心と前記基板ホルダの中心がずらして配置され、前記基板に対して垂直および斜め方向からイオンを照射する複数のイオン発生機構を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明のスパッタリング装置は、高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような３次元形状の測定物に対して面内均一性が高く、高均一な膜の形成かつ高効率な生産が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１のマグネトロンスパッタ装置の概略構成図
【図２】本実施の形態１のマグネトロンスパッタ装置において、基板、ターゲット、イオンビーム発生装置の相関を示す図
【図３】（ａ）本実施の形態１においてスパッタリング成膜のみでのエッチングの模式図、（ｂ）実施の形態１においてスパッタリング成膜のみでのビア内の膜付着形状の模式図
【図４】（ａ）本実施の形態１においてスパッタリング成膜とイオンビーム発生装置１２２でのエッチングの模式図、（ｂ）実施の形態１においてスパッタリング成膜とイオンビーム発生装置１２２でのビア内の膜付着形状の模式図
【図５】（ａ）本実施の形態１においてスパッタリング成膜とイオンビーム発生装置１２２とイオンビーム発生装置１２１でのエッチングの模式図、（ｂ）実施の形態１においてスパッタリング成膜とイオンビーム発生装置１２２とイオンビーム発生装置１２１でのビア内の膜付着形状の模式図
【図６】本実施の形態１において、防着板を設置しない場合の磁界によるイオンビームの軌道の模式図
【図７】本実施の形態１において、イオンビームの直進性を確保するために設置された防着板１２３による磁界遮断の模式図
【図８】防着板１２３とターゲット１２の距離を外側より内側を大きくした装置構成を示した図
【図９】防着板１２３を防着板１２３とＣｕターゲット１２の距離が基板１１５に近づくにつれて大きくなるように斜めにした装置構成を示した図
【図１０】従来のマグネトロンスパッタ装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１のスパッタリング装置の概略構成図を示す。なお、図において、配置関係を明確にするために、各図にｘｙｚ軸を図示している。
【００２２】
このスパッタリング装置１０は、開口径φ１０μｍ、深さ３０μｍのビアのパターン（図示せず）を有したＳｉの基板１１５を、真空容器１１に投入し、スパッタリングにより導電体であるＣｕ薄膜を形成しながら、イオンビームによりエッチングするＤＣマグネトロンスパッタリング装置の例である。
【００２３】
真空容器１１の下部に外径３００ｍｍ×１００ｍｍの矩形のＣｕのターゲット１２及び下部電極１３を配置し、ターゲット１２−基板１１５間の距離１００ｍｍでＳｉの基板１１５を配置している。ここで、基板トレイ１１４の中心とターゲット中心間距離は７０ｍｍである。ターゲット１２の外周には接地電位のアースシールド１２０を配置した。また、半径φ１００ｍｍの垂直方向入射用のイオンビーム発生装置１２１を、基板１１５の中心からターゲット１２の反対側に７０ｍｍずらし、基板１１５との距離を１００ｍｍの高さに配置した。また、このイオンビーム発生装置（イオン発生機構）１２１は、基板１１５に対して最適な角度に設定できるように可動可能である。図２に示すように、半径φ１００ｍｍの斜め入射用のイオンビーム発生装置１２２を基板１１５の中心からターゲット１２の反対側に９０ｍｍずらし、さらに、基板１１５の中心をその中心として周方向に４５°ずらし、基板１１５に対して３０°斜めにし、基板１１５から５０ｍｍの高さに配置した。さらに、ターゲット１２とイオンビーム発生装置１２１との間に２枚の防着板１２３、１２４を配置した。
【００２４】
ターゲット１２側の防着板１２３は加工性に優れる磁性体材料ＳＰＣＣで構成され、その底辺と基板１１５との距離を５０ｍｍにて設置した。また、低コストの非磁性のＳＵＳ３０４で構成される防着板１２４は、底辺と基板１１５との距離を７０ｍｍにて設置した。
【００２５】
この真空容器１１をターボ分子ポンプ（図示せず）とロータリーポンプ（図示せず）で５×１０−４Ｐａまで排気した後に、Ａｒガスを５０ｓｃｃｍ導入した。真空容器１１内圧力は可変コンダクタンスバルブ（図示せず）を調整することにより０．５Ｐａで一定に保った。
【００２６】
次に、基板１１５を回転させ、ＤＣパルス電源１１７により３ｋＷの電力をターゲット１２の裏面の下部電極１３に印加した。これにより、ターゲット１２上にグロー放電が発生し、スパッタリングを開始できる。それと同時にイオンビーム発生装置１２１、１２２により、印加電圧を５００Ｖ、電流を２０ｍＡに設定し、基板１１５上にイオンビームを照射し、エッチングを行った。
【００２７】
スパッタリング成膜のみでの基板１１５上のビア１２５内への膜付着形状を図３（ａ）、（ｂ）に示す。ビア１２５とは、図３（ａ）に示すような基板１１５表面に複数個、任意の形状・配置にて形成されている穴のことである。基板１１５に対してターゲット１２をずらして配置しているため、基板外側１１５ｂのビア１２５は、ビア内側面の内側および外側に偏りが少ないが、基板内側１１５ａのビア１２５は、ビア内側面の内側に対して外側が薄くなっている。
【００２８】
ここで、イオンビーム発生装置１２２による斜め入射のみでのエッチングの模式図を図４（ａ）、（ｂ）に示す。斜め入射のため、基板１１５の表面およびビア内側面の内側のみエッチングされてしまう。基板内側１１５ａのビア１２５は均一になるが、基板外側１１５ｂのビア１２５はビア内側面の内側のみエッチングされるために、逆に偏りができてしまう。さらに、イオンビーム発生装置１２１を追加したエッチングの模式図を図５（ａ）、（ｂ）に示す。イオンビーム発生装置１２１が水平に配置されている時は、基板１１５表面およびビア内の底面の付着した膜をエッチングする。イオンビーム発生装置１２１が基板１１５の外側方向１５°に傾いている時は、基板１１５表面および基板外側１１５ｂのビア内側面の外側をエッチングする。以上の効果により、本発明では、表面の面内かつビア内で均一な膜形成が可能になる。
【００２９】
また、ターゲット１２とイオンビーム発生装置１２１間に設置した防着板１２３を磁性体材料にすることで、磁石１６，１８からの磁界を遮断し、イオンビームが磁界により、軌道が曲げられることを防止でき、狙いの箇所を効率的にエッチングできる。防着板１２３がないときの模式図を図６に示し、防着板１２３があるときの模式図を図７に示す。
【００３０】
さらに、ターゲット１２とイオンビーム発生装置１２１間に設置した防着板１２３、１２４に正の電位を印加することで、プラズマ中とイオンビーム中の正イオンの干渉を小さくできる。防着板１２３にはプラズマ中の正イオンのイオンビーム中への拡散を防止するために、放電電圧の１０％以下である＋２０Ｖを印加した。その際に、２重の防着板にてそれぞれ単独で印加電圧を制御し、プラズマ側の防着板１２３への印加電圧より防着板１２４への印加電圧を小さくし、かつ、防着板１２４を防着板１２３よりも基板１１５側から遠く設置することで、正の電位を持つイオンビームが正の電位を印加した防着板１２４に反発し大きく曲げられることを抑制し、狙い通りの箇所に照射できる。
【００３１】
以上の理由により、防着板１２４には＋１０Ｖを印加した。この際、防着板１２４への印加電圧はイオンビーム発生装置１２１に印加されている電圧の５％以下かつ防着板１２４への印加電圧より小さく設定すれば十分な効果は得られる。
【００３２】
また、防着板１２３への印加電圧を放電電圧の１０％以上にするとプラズマへの影響が大きくなってしまい、放電が不均一になってしまうため、防着板１２３への印加電圧は十分な効果が得られる放電電圧の５％〜１０％が望ましい。
【００３３】
基板１１５と防着板１２３、１２４の配置については、防着板１２３は基板シャッター１１９と干渉しない位置、かつ基板１１５から３０ｍｍ以上かつ磁界及びプラズマを十分遮断できる５０ｍｍ以下にて設定するのが好ましく、本実施例では５０ｍｍとした。また、防着板１２４はイオンビーム発生装置１２１への影響を小さくできるのに十分な距離である７０ｍｍを基板１１５から離して設置した。また、防着板１２３、１２４を絶縁するために、テフロン（登録商標）やセラミック等の絶縁体をそれらの間に挿入してもよい。
【００３４】
さらに、電位が小さく磁性体材料の防着板１２３を、電位が大きい防着板１２４より基板１１５側方向に長くすることで、基板１１５近傍で防着板１２４に印加している電位やスパッタカソードの磁場によりイオンビームが曲げられないようにしている。
【００３５】
さらに、図８に示すように防着板１２３とターゲット１２の距離を、ターゲット１２の外側に対して、ターゲット１２の内側を大きくすることで、防着板１２３への膜付着量を均一にすることができる。
【００３６】
さらに、図９に示すように防着板１２３を、防着板１２３とターゲット１２の距離が基板１１５に近づくにつれて大きくなるように斜めにすることで膜の付着量を削減することもできる。
【００３７】
さらに、基板ホルダ１１４において、負の電位を印加することで、イオンビームのエネルギー・直進性をさらに向上させることができ、エッチングレート向上及び形状の最適化ができる。
【００３８】
さらに、イオンビーム以外のイオンシャワー等のイオン発生機構を用いても本発明と同様の効果が得られる。
【００３９】
さらに、基板形状や要求仕様によって、スパッタリング成膜の成膜条件、装置構成とイオンビームのイオン種、照射条件および間欠等の照射方法を最適化することで本発明と同様の効果が得られる。
【００４０】
以上のことにより、１つの真空容器内にターゲットと複数のイオン発生機構を配置し、スパッタリング成膜しながら同時に複数のイオン発生機構により垂直方向および斜め方向からエッチングすることで、高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような３次元形状の基板に対して、小型装置にて面内の高い膜厚均一性かつ高スループットが達成できる。これにより、高均一かつ生産性の向上が実現できる小型スパッタリング装置を提供することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明にかかるスパッタリング装置は、高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような３次元形状の基板に対して、小型装置にて面内の高い膜厚均一性かつ高スループットが達成できるので、スパッタリングにより薄膜を形成するための方法として有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１０，９０  スパッタリング装置
１１，９１  真空容器
１２，９２  ターゲット
１３，９３  下部電極
１６，１８，９６，９８  磁石
１１０，９１０  ヨーク
１１２，９１２  磁力線
１１４，９１４  基板ホルダ
１１５，９１５  基板
１１６，９１６  基板ホルダ回転機構
１１７，９１７  電源
１１９，９１９  基板シャッター
１２０，９２０  アースシールド
１２１、１２２  イオンビーム発生装置
１２３、１２４  防着板
【図１】
2011208185.tif 000003
【図２】
2011208185.tif 000004
【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】
2011208185.tif 000009
【図８】
2011208185.tif 000010
【図９】
2011208185.tif 000011
【図１０】
2011208185.tif 000012