(57)【要約】【課題】生産性、ターゲット寿命、製品歩留り及び信頼性を低下させることなく、高アスペクト比のコンタクトホール内に優れたステップカバレッジを有するスパッタ膜を形成することができるスパッタリング装置を提供する。【解決手段】本発明のスパッタリング装置１には、真空チャンバ２内の一端側に被処理物であるウェーハ３を載置したステージ４が設けられており、ステージ４と対向する側にＡｌからなる第１及び第２ターゲット５ａ、５ｂと、その背面に高電圧を印加してプラズマを発生させるための第１及び第２ターゲットホルダ６ａ、６ｂが設けられている。第１ターゲット５ａは、ウェーハ３と略同一径の円板形状を有し、ウェーハ３との距離Ｘが２００〜３００ｍｍとなる位置に配置されている。また、第２ターゲット５ｂは、ウェーハ３よりも大きい中空円板形状を有し、ウェーハ３との距離Ｙが５０〜１００ｍｍとなる位置に配置されている。【選択図】  図１
2004256849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内にターゲットとウェーハとを対向して配置させ、前記ターゲットをスパッタして前記ウェーハ上に薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲットを円板状の第１ターゲットと中空円板状の第２ターゲットの２つに分割したことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記第１ターゲットはウェーハの上部に距離２００〜３００ｍｍ離して配置され、前記第２ターゲットはウェーハの周辺上部に距離５０〜１００ｍｍ離して配置されるとともに、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間に捕捉板が設けられてい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】
前記第１ターゲットに昇降機構が設けられ、ウェーハに対して上下に昇降可能であることを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記第１ターゲット及び前記第２ターゲットの両方に昇降機構が設けられ、ウェーハに対して上下に昇降可能であることを特徴とする請求項２記載にスパッタリング装置。
【請求項５】
前記昇降機構に発塵防止機構が設けられていることを特徴とする請求項３又は４記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ（以下、ウェーハと言う）の処理面に薄膜形成を行なうスパッタ装置に関し、特に高アスペクト比を有するコンタクトホールのステップカバレッジを改善することができるスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェーハには、その目的に応じて種々の材料や成膜方法が選択される。成膜方法としては、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等があり、その中でスパッタリング装置は、ウェーハの金属薄膜（ＡｌやＴｉ等）の形成に多用されており、例えば、特開平１０−２９８７４４号公報に開示されている。
【０００３】
図５は、従来の通常のスパッタリング方式の説明図及びステップカバレッジの説明図である。図５（ａ）に示すように、従来の通常のスパッタリング方式におけるプロセス中のターゲット５１とステージ５２に載置されたウェーハ５３の距離５４は４０〜７０ｍｍ程度である。この方式において、図示しない真空チャンバー中でプラズマを発生させると、ターゲット５１に衝突したガスイオンによりスパッタ粒子５５が放射状に飛び出し、ウェーハ５３へ到達する。また、ステージ５２は、ウェーハ５３の搬送中においては上下に移動する場合もあるが、スパッタリング中に距離５４を可変させる機構は持っていない。図５（ｂ）は、この方式により形成したスパッタ膜のステップカバレッジの説明図であり、５６はウェーハ５３に形成された半導体層、５７は層間絶縁膜、５８は半導体層５６上に開口されたコンタクトホール、５９はコンタクトホール５８内に形成されたスパッタ膜である。
【０００４】
近年の半導体製品の高集積化に伴なって、素子が微細化され、下層配線と上層配線を接続するためのコンタクトホール５８が狭くて深い、すなわちアスペクト比（深さ／径）が大きいものが用いられるようになっている。このような高アスペクト比のコンタクトホール５８にスパッタ膜５９を形成しようとすると、図５（ｂ）に示すようにコンタクトホール５８の上部に堆積したスパッタ膜５９がオーバーハング５９ａを形成し、コンタクトホール５８の開口面積が小さくなるため、コンタクトホール５８の底面に到達するスパッタ粒子の量が減少して、ボトムカバレッジが低下するという問題が発生していた。ボトムカバレッジが低下すると、スパッタ膜５９に膜切れが生じ、断線という大きな問題が生じる。
【０００５】
この欠点を補うために、ロングスロースパッタリング方式が開発されている。図６は、従来のロングスロースパタリング方式の説明図及びステップカバレッジの説明図である。図６（ａ）に示すように、従来のロングスロースパッタリング方式におけるプロセス中のターゲット６１とステージ６２に載置されたウェーハ６３の距離６４は２００〜３００ｍｍ程度であり、かつ圧力が１ｍＴｏｒｒ以下の低圧状態に維持されている。これは、低圧にすることによってスパッタ粒子６５の平均自由工程を大きくし、放電用ガスとの衝突によるスパッタ粒子６５の散乱を低減して、ウェーハ６３に対して斜めに入射する（以下、高入射角と言う）スパッタ粒子６５ａを減らし、略垂直に入射する（以下、低入射角と言う）スパッタ粒子６５ｂを多くしようとするものである。図６（ｂ）は、このロングスロースパタリング方式により形成したスパッタ膜のステップカバレッジの説明図であり、６６はウェーハ６３に形成された半導体層、６７は層間絶縁膜、６８は半導体層６６上に開口されたコンタクトホール、６９はコンタクトホール６８内に形成されたスパッタ膜である。
【０００６】
図６（ｂ）に示すように、この方法により形成されたスパッタ膜６９は、低入射角のスパッタ粒子６５ｂを多くしているので、良好なボトムカバレッジは得られるが、コンタクトホール６８側面への膜付きが不十分になり、側面カバレッジが低下するという新たな問題が生じる。また、成膜速度が非常に遅いために大量生産向きではない欠点も有する。
【０００７】
このような問題を解決するため、図７に示すように、成膜プロセス中にターゲット７１に対して、ステージ７２に載置されたウェーハ７３をステッピングモータの回転数制御により上下動させることにより、ターゲット７１とウェーハ７３間の距離７４を連続的、または段階的に変えて成膜を行なう方式が提案されている。この方式は、上述した２つの方式を組合わせたもので、成膜プロセス初期はターゲット７１とウェーハ７３間の距離を長くすることによりンタクトホールの底面にスパッタ膜を形成し、次第に距離を短くすることによりコンタクトホールの側面にスパッタ膜を形成して、良好なステップカバレッジのスパッタ膜を得ようとするものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２９８７４４号公報（第２，３頁、０００２段落〜０００４段落，００１３段落〜００１７段落、図１〜図６）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のスパッタリング方式は、成膜プロセス初期に低入射角のスパッタ粒子を得るために、従来のロングスロースパッタリング法と同様に放電圧力を１ｍＴｏｒｒ以下に下げる必要があり、成膜速度が低く、生産性が悪いという問題があった。また、放電圧力が小さいため、ターゲット表面に電界強度のムラが生じ、ターゲット表面が凹凸になってターゲット寿命が短くなるという問題もあった。これにより、ターゲットの交換頻度が増え、製造コストに多大な影響を及ぼすとともに、装置の稼働率も低下することになる。
【００１０】
また、スパッタリング中にウェーハを載置したステージを上下動させているので、パーティクルが発生し易く、ウェーハに付着して製品の歩留りや信頼性を低下させるという問題もあった。
【００１１】
本発明は、前記問題点を解決するために考えられたもので、生産性、ターゲット寿命、製品歩留り及び信頼性を低下させることなく、高アスペクト比のコンタクトホール内に優れたステップカバレッジを有するスパッタ膜を形成することができるスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のスパッタリング装置は、真空チャンバ内にターゲットとウェーハとを対向して配置させ、前記ターゲットをスパッタして前記ウェーハ上に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、前記ターゲットを円板状の第１ターゲットと中空円板状の第２ターゲットの２つに分割したことを特徴とする。この構成によれば、２つのターゲットにより、ウェーハに到達するスパッタ粒子の入射角を独立して制御できるので、高アスペクト比のコンタクトホールの底面及び側面に対し、同時にステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。
【００１３】
また、請求項２記載のスパッタリング装置は、請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記第１ターゲットはウェーハの上部に距離２００〜３００ｍｍ離して配置され、前記第２ターゲットはウェーハの周辺上部に距離５０〜１００ｍｍ離して配置されるとともに、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットの間に捕捉板が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、第１ターゲットから主に低入射角のスパッタ粒子を放出し、第２ターゲットから主に高入射角のスパッタ粒子を放出するので，高アスペクト比のコンタクトホールの底面及び側面に対し、同時にステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。さらに、捕捉板により第１ターゲットから放出される高入射角のターゲット粒子を捕捉できるので、放電圧力を下げる必要がなく、成膜速度が上がって生産性が向上する。また、電界強度が安定してターゲット寿命が延びる効果もある。
【００１４】
また、請求項３記載のスパッタリング装置は、請求項２記載のスパッタリング装置であって、前記第１ターゲットに昇降機構が設けられ、ウェーハに対して上下に昇降可能であることを特徴とする。この構成によれば、昇降機構により第１ターゲットとウェーハの距離を調整することができ、コンタクトホールのアスペクト比に応じて、第１ターゲットからウェーハに到達するスパッタ粒子の入射角を制御できる。これにより、種々のアスペクト比を有するコンタクトホールに対して、ステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。
【００１５】
また、請求項４記載のスパッタリング装置は、請求項２記載のスパッタリング装置であって、前記第１ターゲット及び前記第２ターゲットの両方に昇降機構が設けられ、ウェーハに対して上下に昇降可能であることを特徴とする。この構成によれば、昇降機構により第２ターゲットとウェーハの距離を調整することができ、コンタクトホールのアスペクト比に応じて、第２ターゲットからウェーハに到達するスパッタ粒子の入射角を制御できる。これにより、種々のアスペクト比を有するコンタクトホールに対して、ステップカバレッジの優れたスパッタ膜を、より容易に形成することができる。
【００１６】
また、請求項５記載のスパッタリング装置は、請求項３又は４記載のスパッタリング装置であって、前記昇降機構に発塵防止機構が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、昇降機構から発生するパーティクルを発塵防止機構により遮断できるので、パーティクルがウェーハに付着することがない。これにより、製品歩留りや信頼性を低下させることなく、ステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例のスパッタリング装置１を示す概略断面図である。本実施例の特徴は、ターゲットを、主にウェーハに対して低入射角のターゲット粒子を放出する第１ターゲットと、主に高入射角のターゲット粒子を放出する第２ターゲットに分割したことである。
【００１８】
本発明のスパッタリング装置１には、真空チャンバ２内の一端側に被処理物であるウェーハ３を載置したステージ４が設けられており、ステージ４と対向する側にＡｌからなる第１及び第２ターゲット５ａ、５ｂと、その背面に高電圧を印加してプラズマを発生させるための第１及び第２ターゲットホルダ６ａ、６ｂが設けられている。この第１及び第２ターゲットホルダ６ａ、６ｂ内には、第１及び第２ターゲット５ａ、５ｂの表面近傍にプラズマを閉じ込め、高密度の放電プラズマを集中させて高速スパッタリングを行なうための図示しないプラズマ制御用のマグネットやターゲットを冷却する冷却機構が配置されている。また、真空チャンバ２には、プラズマを発生させるためにスパッタ率の高い不活性ガス、例えばＡｒガス等を導入するガス導入管７と、真空チャンバ２内を真空にするための排気系に接続されたガス排気管８が設けられている。
【００１９】
本実施例の特徴である第１ターゲット５ａは、ウェーハ３と略同一径の円板形状を有し、ウェーハ３との距離Ｘが２００〜３００ｍｍとなる位置に配置されている。また、第２ターゲット５ｂは、ウェーハ３よりも大きい中空円板形状を有し、ウェーハ３との距離Ｙが５０〜１００ｍｍとなる位置に配置されている。
【００２０】
さらに、第１ターゲット５ａと第２ターゲット５ｂの間には、ステンレス等の金属からなる捕捉板９が設けられている。この捕捉板９は、第１ターゲット５ａから放出されたスパッタ粒子が、第２ターゲット５ｂや第２ターゲットホルダ６ｂに付着するのを防止するとともに、第１ターゲット５ａから放出された高入射角のスパッタ粒子を捕捉し、主に低入射角のスパッタ粒子のみをウェーハに到達させる役目をする。従って、従来のスパッタリング方式よりも放電圧力を高くすることができ、成膜速度が上がり、生産性を向上させることができる。また、第１ターゲット５ａ表面の電界強度が安定するので、表面が均一にスパッタされ、ターゲット寿命が延びる効果もある。
【００２１】
このような本実施例のスパッタリング装置１による成膜方法は、ウェーハ３をステージ４に載置し、真空チャンバ２をガス排気管８より排気して真空にした後、ガス導入管７から不活性ガス、例えばスパッタ率の高いＡｒガスを導入し、真空チャンバ２内の放電圧力を２〜５ｍＴｏｒｒ程度に設定する。次に、第１及び第２ターゲットホルダ６ａ、６ｂに高電圧を印加して、第１及び第２ターゲット５ａ、５ｂの面上に高密度の放電プラズマを発生させてスパッタリングを行ない、ウェーハ３上のコンタクトホール内にＡｌ配線膜を形成する。
【００２２】
図２は、本実施例のスパッタリング装置１により形成したＡｌ配線膜のステップカバレッジの説明図である。図２において、１０はウェーハ３に形成された半導体層、１１は層間絶縁膜、１２は半導体層１０上に開口されたコンタクトホール、１３はコンタクトホール１２内に形成されたＡｌ配線膜である。
【００２３】
図２に示すように、第１ターゲット５ａから放出された高入射角のスパッタ粒子１４ａは捕捉板９で捕捉され、主として低入射角のスパッタ粒子１４ｂのみがウェーハ３に到着し、コンタクトホール１２の底面にＡｌ配線膜１３が堆積する。同時に、第２ターゲット５ｂから放出された高入射角のスパッタ粒子１５ａは、コンタクトホール１２の側面に堆積する。その結果、コンタクトホール１２の底面及び側面に対し、同時にステップカバレッジの優れたＡｌ配線膜１３が形成される。
【００２４】
このように、本実施例では、２つに分割した第１及び第２ターゲット５ａ、５ｂから放出されるスパッタ粒子の入射角を利用して、コンタクトホール１２の底面及び側面への成膜を同時に行なうことができるので、膜形成が短時間ですみ、スループットが向上する。また、第１ターゲット５ａから放出される高入射角のターゲット粒子１４ａを捕捉板９で捕捉するので、放電圧力を下げる必要がなく、成膜速度が上がり、これによっても生産性が向上する。
【００２５】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を参照して説明する。図３は、本発明の第２実施例のスパッタリング装置２１を示す概略断面図である。なお、図３において第１実施例と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。本実施例の特徴は、中心に配置された第１ターゲットに昇降機構を設け、第１ターゲットとウェーハの距離を適宜調整可能とするとともに、昇降機構に発塵防止機構を設けたことである。
【００２６】
具体的には、図３に示すように、第１ターゲットホルダ６ａの後部に、昇降機構としてシリンダ２２を配設されるとともに、シリンダ２２を囲むように、真空チャンバ２と第１スパッタガン６ａの間に、発塵防止機構として伸縮自在な金属製のベローズ２３が気密性を保つように配設されている。このシリンダ２２を駆動して、第１ターゲットホルダ６ａ及び第１ターゲット５ａをウェーハ３に対して上下に昇降させ、第１ターゲット５ａ−ウェーハ３間の距離Ｘを、コンタクトホールのアスペクト比に応じて適宜調整する。
【００２７】
アスペクト比が小さい場合は、第１ターゲット５ａを下降させ、ウェーハ３との距離Ｘを短く設定する。これにより、第１ターゲット５ａから低入射角のスパッタ粒子い加えて高入射角のスパッタ粒子も多く放出されるようになり、コンタクトホールの底面と側面に十分な厚さのＡｌ配線膜を形成することができ、成膜速度がより向上させることができる。逆にアスペクト比が大きい場合は、第１ターゲット５ａを上昇させ、ウェーハ３との距離を長く設定する。これにより、第１ターゲット５ａから低入射角のスパッタ粒子が多く放出され、コンタクトホールの底面に十分な厚さのＡｌ配線膜を形成することができる。このとき、第１ターゲットホルダ６ａに印加する電圧を高めて、成膜速度をより速くするようにしてもよい。
【００２８】
本実施例によれば、同一装置にて種々のアスペクト比を有するコンタクトホールに対応してステップカバレッジの優れたスパッタ膜の形成が可能となる。さらに、シリンダ２２を囲むように、伸縮自在な金属製のベローズ２３が設けてあるので、シリンダ２２の摺動により発生するパーティクルがウェーハ３に付着することを完全に防止することができる。これにより、製品歩留りや信頼性を低下させることなく、高アスペクト比のコンタクトホール内部に、ステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。
【００２９】
また、図４に示すスパッタリング装置３１のように、第１ターゲット５ａのみならず、第２ターゲット５ｂにも昇降機構としてシリンダ３２を設け、そのシリンダ３２を囲むように、真空チャンバ２と第２ターゲットホルダ６ｂの間に、発塵防止機構として伸縮自在な金属製のベローズ３３を気密性を保つように設けるようにしてもよい。第２ターゲット５ｂを昇降させる際には、捕捉板９も連動して昇降させるようにする。このようにすれば、第１ターゲット５ａ−ウェーハ３間の距離のみならず、第２ターゲット５ｂ−ウェーハ３間の距離も適宜調整することができ、種々のアスペクト比を有するコンタクトホールに、より厳密に対応することができる。
【００３０】
以上、本発明では、コンタクトホール内にＡｌ配線膜を形成する場合について説明したが、それ以外にもＡｌと半導体層の相互拡散を防止するためのバリアメタル層としてのＴｉ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉ２、ＴｉＷ等を形成する場合や、絶縁層としてＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等を形成する場合にも適用できる。また、スパッタリング方式として、上述したマグネトロンスパッタリング以外にも平行平板二極ＤＣスパッタリング、ＲＦスパッタリング、反応性スパッタリング等にも適用できる。また、ターゲットの昇降機構として、上述したシリンダ以外にもステッピングモータとボールネジを組合わせたものでもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスパッタリング装置は、ターゲットを第１ターゲットと第２ターゲットに分割し、第１ターゲットから放出される低入射角のスパッタ粒子をコンタクトホールの底面に成膜し、第２ターゲットから放出される高入射角のスパッタ粒子をコンタクトホールの側面に成膜するようにしたので、高アスペクト比のコンタクトホールに対しても、ステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。
【００３２】
また、第１ターゲット及び第２ターゲットを昇降可能とし、第１ターゲット及び第２ターゲットとウェーハの距離を、コンタクトホールのアスペクト比に合わせて適宜調整できるようにしたので、あらゆるアスペクト比のコンタクトホールに対しても、ステップカバレッジの優れたスパッタ膜を形成することができる。
【００３３】
また、昇降機構に発塵防止機構を付加したので、第１ターゲット及び第２ターゲットの昇降時に発生したパーティクルがウェーハに付着することがなく、製品歩留りや信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のスパッタリング装置を示す概略断面図
【図２】本発明の第１実施例のスパッタリング装置により形成したＡｌ配線膜のステップカバレッジの説明図
【図３】本発明の第２実施例のスパッタリング装置を示す概略断面図
【図４】本発明の第２実施例の変形例のスパッタリング装置を示す概略断面図
【図５】従来の通常のスパッタリング方式の説明図及びスパッタ膜のステップカバレッジの説明図
【図６】従来のロングスロースパッタリング方式の説明図及びスパッタ膜のステップカバレッジの説明図
【図７】従来の改良されたスパッタリング方式の説明図
【符号の説明】
１  本発明の第１実施例のスパッタリング装置
２  真空チャンバ
３  ウェーハ
４  ステージ
５ａ  第１ターゲット
５ｂ  第２ターゲット
６ａ  第１ターゲットホルダ
６ｂ  第２ターゲットホルダ
７  ガス導入管
８  ガス排気管
Ｘ  第１ターゲットとウェーハの距離
Ｙ  第２ターゲットとウェーハの距離
９  捕捉板
１０  半導体層
１１  層間絶縁膜
１２  コンタクトホール
１３  Ａｌ配線膜
１４ａ  第１ターゲットから放出される高入射角のスパッタ粒子
１４ｂ  第１ターゲットから放出される低入射角のスパッタ粒子
１５ａ  第２ターゲットから放出される高入射角のスパッタ粒子
２１  本発明の第２実施例のスパッタリング装置
２２  シリンダ
２３  ベローズ
３１  本発明の第２実施例の変形例のスパッタリング装置
３２  シリンダ
３３  ベローズ
５１  ターゲット
５２  ステージ
５３  ウェーハ
５４  ターゲットとウェーハの距離
５５  スパッタ粒子
５６  半導体層
５７  層間絶縁膜
５８  コンタクトホール
５９  スパッタ膜
５９ａ  オーバーハング
６１  ターゲット
６２  ステージ
６３  ウェーハ
６４  ターゲットとウェーハの距離
６５  スパッタ粒子
６５ａ  高入射角のスパッタ粒子
６５ｂ  低入射角のスパッタ粒子
６６  半導体層
６７  層間絶縁膜
６８  コンタクトホール
６９  スパッタ膜
７１  ターゲット
７２  ステージ
７３  ウェーハ
７４  ターゲットとウェーハの距離
７５  スパッタ粒子
【図１】
2004256849.tif 000003
【図２】
2004256849.tif 000004
【図３】
2004256849.tif 000005
【図４】
2004256849.tif 000006
【図５】
2004256849.tif 000007
【図６】
2004256849.tif 000008
【図７】
2004256849.tif 000009