JP3846970B2 - イオン化スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、各種半導体デバイスの製作に使用されるスパッタリング装置に関し、特に、スパッタ粒子をイオン化する機能を備えたイオン化スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種メモリやロジック等の半導体デバイスでは、各種配線膜の形成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の作成等の際にスパッタリングプロセスを用いており、スパッタリング装置が多用されている。このようなスパッタリング装置に要求される特性は色々あるが、基板に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく被覆できることが、最近強く求められている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えばバリア膜の場合、ホールの周囲の面に対するホールの底面への成膜速度の比であるボトムカバレッジ率の向上が最近特に強く要請されている。というのは、集積度の増加を背景として、コンタクトホール等のホールはそのアスペクト比（ホールの開口の大きさに対するホールの深さの比）が年々高くなってきており、このような高アスペクト比のホールに対しては、従来のスパッタリングの手法では、ボトムカバレッジ率よく成膜が行えないことが多いからである。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底面でバリア膜が薄くなり、ジャンクションリーク等のデバイス特性に致命的な欠陥を与える恐れがある。
【０００４】
ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタリングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタ等の手法がこれまで開発されてきた。これらの手法の詳細な説明は省略するが、いずれも中性スパッタ粒子を多く基板に垂直に入射させようとする試みである。
【０００５】
しかしながら、コリメートスパッタではコリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるために成膜速度が低下する問題があり、また、低圧遠隔スパッタでは、圧力を低くしターゲットと基板との距離を長くするため本質的に成膜速度が低下する問題がある。このような問題のため、コリメートスパッタでは６４メガビットまで、低圧遠隔スパッタでは２５６メガビットの第一世代程度までが限界であると予測されており、２５６メガビット以上の次世代のデバイス製作に利用可能な実用的な手法の模索が行われている。
【０００６】
このような要求に応えるものとして、イオン化スパッタの手法が有力ではないかと最近考えられている。イオン化スパッタは、ターゲットから放出されるスパッタ粒子をイオン化し、イオンの作用によってホール内に効率よくスパッタ粒子を到達させる手法である。イオン化スパッタによると、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタに比べて遥かに高いボトムカバレッジ率が得られることが確認されている。
【０００７】
イオン化スパッタの典型的な構成としては、基板とターゲットの間のスパッタ粒子の飛行経路上にプラズマを形成し、スパッタ粒子がプラズマを通過する際にイオン化するようにする。プラズマとしては、誘導結合型プラズマが通常形成される。具体的には、飛行経路上のイオン化を行う空間（以下、イオン化空間）を取り囲むようにして高周波コイルを設け、この高周波コイルに所定の高周波を供給して高周波コイルの内部にプラズマを形成するようにする。プラズマ中には高周波電流が流れ、プラズマと高周波コイルは誘導性結合する。このため、誘導結合型プラズマと呼ばれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者の検討によると、上記イオン化スパッタの構成では、以下のような課題を抱えていることが判明した。
まず第一に、充分な強度の高周波電界をイオン化空間に設定するため、高周波コイルは通常スパッタチャンバーの内部に配設されるが、プラズマによって高周波コイルがスパッタされ、スパッタされた高周波コイルの材料が基板に達する結果、基板を汚損する問題がある。
第二に、スパッタチャンバー内をガスは拡散していくため、高周波コイルの外側でもプラズマが形成される場合があり、このような場所に形成されるプラズマはイオン化に不要なものであるのみならず、その場所に配置されている部材に損傷を与える場合がある。
第三に、プラズマを形成する場合、スパッタ放電のためのガスを導入するガス導入手段を兼用するが、スパッタ放電のために最適なガス導入とイオン化用のプラズマ形成のために最適なガス導入の構成とは異なる。このため、プラズマ形成のために効率よくガスが供給できず、プラズマ形成効率が悪い。
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、イオン化スパッタが抱えるこのような問題を解決し、次世代のデバイスの製作に有効な実用的なイオン化スパッタリング装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置であって、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャンバー内に設けられた高周波コイルと、この高周波コイルに所定の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導結合型プラズマを形成する高周波電源とから構成されており、
当該高周波コイルの外側には、高周波コイルの内側にプラズマを閉じ込めるシールドが設けられており、
このシールドは、金属製の部材で形成され電気的に接地されているとともに、このシールドは、高周波コイルが延びる方向に同様に延びるものであって、断面で見ると、高周波コイルの各部をそれぞれ外側から取り囲んで覆うとともに、内側にイオン化空間に向けて高周波が放射されるよう高周波通過用開口を設けた形状であり、
高周波通過用開口は、高周波コイルの全長にわたって形成されたスリットであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記シールドは、高周波コイルを臨む表面が、高周波コイルから放射される電界の等電位面に沿った形状になるように形成されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項１又は２の構成において、前記シールドは、高周波コイルから高周波通過用開口を通しては基板上のいずれの点も見通せない形状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１又は２の構成において、前記シールドは、高周波コイルから高周波通過用開口を通しては基板上及びターゲットの被スパッタ面上のいずれの点も見通せない形状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記シールドの内面には、当該内面への堆積膜が落下しないようにする凹凸が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、上記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記高周波コイルは、基板に作成する薄膜の材料であるターゲットの材料と同一の材料で形成されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記イオン化したスパッタ粒子を基板に引き込むために基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段とを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、上記請求項１乃至７いずれかの構成において、前記高周波コイルは、内部が中空であって前記イオン化空間を臨む内側面にガス吹き出し穴が均等に形成されており、前記ガス導入手段の補助チャンバー内配管が接続されてガス吹き出し穴から所定のガスをイオン化空間に導入することができるようになっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、上記請求項８の構成において、前記ガス導入手段は、前記高周波コイルに供給するガスの温度を所定温度に維持する温度調節器を有し、高周波コイルの温度調節をすることが可能となっているという構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。まず、第一の実施形態について説明する。図１は、本願発明の第一の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
図１に示すように、本実施形態のスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、このスパッタチャンバー１内に設けられたターゲット２と、このターゲット２をスパッタするスパッタ電極３と、スパッタチャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入手段４と、スパッタによってターゲット２から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段６と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板５０を保持する基板ホルダー５と、イオン化したスパッタ粒子を基板５０に引き込むために基板５０に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段７とを備えている。
【００１１】
まず、スパッタチャンバー１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。このスパッタチャンバー１は、ステンレス等の金属製であり、電気的には接地されている。
排気系１１は、ターボ分子ポンプや拡散ポンプ等を備えた多段の真空排気システムで構成されており、スパッタチャンバー１内を１０-8〜１０-9Ｔｏｒｒ程度まで排気可能になっている。また、排気系１１は、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器を備え、排気速度を調整することが可能になっている。
【００１２】
ターゲット２は、例えば厚さ６ｍｍ、直径３００ｍｍ程度の円板状であり、不図示のターゲットホルダーを介してスパッタ電極３に取付けられている。
スパッタ電極３は、磁石機構を備えたマグネトロンカソードになっている。磁石機構は、中心磁石３１と、この中心磁石３１を取り囲む周辺磁石３２と、中心磁石３１及び周辺磁石３２とを繋ぐ円板状のヨーク３３とから構成されている。尚、各磁石は、いずれも永久磁石であるが、電磁石でこれらを構成することも可能である。
スパッタ電極３はスパッタチャンバー１に対して絶縁された状態で取り付けられており、スパッタ電源３５が接続されている。このスパッタ電源３５は、所定の負の高電圧又は高周波電圧をスパッタ電極３に印加するよう構成される。チタンのスパッタの場合、６００Ｖ程度の負の直流電圧を印加するよう構成されることが多い。
【００１３】
ガス導入手段４は、アルゴン等のスパッタ放電用のガスを溜めたガスボンベ４１と、ガスボンベ４１とスパッタチャンバー１とをつなぐ配管４２と、配管４２に設けられたバルブ４３や流量調整器４４と、配管４２の先端に接続されれたチャンバー内配管４５と、チャンバー内配管４５の先端に接続されたガス分配器４６とから主に構成されている。
ガス分配器４６は、円環状に形成したパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成した構成等が採用され、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間に均一にガスを導入するようにする。
【００１４】
イオン化手段６は、本実施形態では、ターゲット２から基板５０へのチタンの飛行経路において誘導結合型高周波プラズマを形成するものが採用されている。具体的には、イオン化手段６は、ターゲット２と基板ホルダー５との間のイオン化空間を取り囲むようにして設けられた高周波コイル６１と、この高周波コイル６１に整合器６３を介して接続された高周波電源６２とから主に構成されている。
【００１５】
高周波コイル６１は、太さ１０ｍｍ程度の金属の棒をほぼ螺旋状に形成したものであり、スパッタチャンバー１の中心軸からの高周波コイル６１までの半径距離は１５０〜２５０ｍｍ程度である。また、本実施形態では、高周波コイル６１に、後述するコイルシールド６４が設けられているので、高周波コイル６１の材質は特に制限がない。高周波コイル６１は、高周波を効率よく励振する材質のものが使用され、例えばチタン等である。
【００１６】
高周波電源６２は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで出力５ＫＷ程度のものが使用され、整合器６３を介して高周波コイル６１を高周波電力を供給する。高周波コイル６１によって、イオン化空間に高周波電界が設定され、ガス導入手段４によって導入されたガスがこの高周波電界によってプラズマ化してプラズマＰが形成されるようになっている。プラズマＰ中には高周波電流が流れ、プラズマＰと高周波コイル６１は誘導性結合する。
【００１７】
ターゲット２から放出されたスパッタ粒子は、プラズマＰ中を通過する際にプラズマＰ中の電子と衝突し、イオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、後述する電界によって加速されて基板５０に到達するようになっている。
【００１８】
基板ホルダー５は、ターゲット２に対して平行に基板５０を保持するようになっている。基板ホルダー５には、基板５０を静電気によって吸着する不図示の静電吸着機構や成膜中に基板５０を加熱して成膜を効率的にする不図示の加熱機構等が設けられる場合がある。
【００１９】
電界設定手段７は、本実施形態では、基板ホルダー５に所定の高周波電圧を印加することで基板５０に負のバイアス電圧を与えるものである。即ち、電界設定手段７は、基板ホルダー５にブロッキングコンデンサ７２を介して接続された基板バイアス用高周波電源７１によって構成されている。
【００２０】
基板バイアス用高周波電源７１は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚ出力３００Ｗ程度のものである。基板バイアス用高周波電源７１によって基板５０に高周波電圧が印加されると、基板５０の表面にはプラズマ中の荷電粒子が周期的に引き寄せられる。このうち、移動度の高い電子は正イオンに比べて多くが基板５０の表面に引き寄せられ、その結果、基板５０の表面は負の電位にバイアスされたのと同じ状態になる。具体的には、上述した例の基板バイアス用高周波電源７１の場合、平均値で−１００Ｖ程度のバイアス電圧を基板５０に与えることができる。
【００２１】
上記基板バイアス電圧が与えられた状態は、直流二極放電でプラズマを形成した場合の陰極シース領域と同様であり、プラズマと基板５０との間に基板５０に向かって下がる電位傾度を有する電界（以下、引き出し用電界）が設定された状態となる。この引き出し用電界によって、イオン化スパッタ粒子（正イオンのチタン）は、プラズマから引き出されて基板５０に効率良く到達するようになっている。
【００２２】
上記基板ホルダー５は、ターゲット２が金属である場合にはターゲット２と同一の金属材料、ターゲット２が誘電体である場合、ステンレス等の耐熱性のある金属で形成されている。いずれにしろ、基板ホルダー５は金属製であり、従って、基板ホルダー５の載置面内には直流分の電界は原理的に存在しない。よって、上記引き出し用電界は基板５０に対して垂直な向きの電界であり、基板５０に対して垂直にイオン化スパッタ粒子を加速するよう作用する。この結果、基板５０に形成されたホールの底面まで効率よくイオン化スパッタ粒子を到達させることができるようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態の装置の大きな特徴点であるコイルシールド６４の構成について説明する。本実施形態の装置では、高周波コイル６１がスパッタされて放出される高周波コイル６１の材料が基板５０に到達するのを遮蔽するコイルシールド６４が設けられている。
【００２４】
図１に示すように、コイルシールド６４は、高周波コイル６１の内側部分を残して高周波コイル６１の周囲を覆った形状になっている。より具体的には、コイルシールド６４は、高周波コイル６１の断面形状と同心の円周状の断面形状になっている。コイルシールド６４は、高周波コイル６１が延びる方向に同様に延びており、高周波コイル６１の全長にわたって高周波コイル６１を覆った形状である。
【００２５】
そして、高周波コイル６１の内側には開口６４０が形成されており、この開口６４０から高周波を通過させるようになっている（以下、この開口を高周波通過用開口と呼ぶ。）。高周波通過用開口６４０は、高周波コイル６１の全長にわたって形成されているので、形状としては螺旋状のスリットになっている。
【００２６】
図２を使用してコイルシールド６４の具体的な寸法例について説明する。図２は、図１の装置に使用されたコイルシールド６４の具体的寸法の説明図である。図２において、高周波コイル６１の太さｄ１が１０ｍｍ程度である場合、コイルシールド６４と高周波コイル６１の表面との距離ｄ２は３〜５ｍｍ程度、高周波通過用開口６４０の幅ｄ３は１０ｍｍ程度である。尚、高周波通過用開口６４０の大きさを、高周波コイル６１の太さの中心からの見込み角θで表すと、θは７０°程度である。
【００２７】
尚、この高周波通過用開口６４０の幅ｄ３の選定は、プラズマ形成の効率の問題とコイルシールド６４内へのプラズマの拡散の問題との双方から重要な技術事項である。即ち、イオン化空間により多く高周波を放射させてプラズマ形成効率を高める意味からは、高周波通過用開口６４０の幅ｄ３は大きくすることが好ましい。しかしながら、ｄ３を大きくすると、コイルシールド６４内へのプラズマの拡散の問題が顕在化する。
【００２８】
つまり、ｄ３が大きくなると、コイルシールド６４内にプラズマが拡散してコイルシールド６４内で高周波放電が生ずるようになる。これは丁度高周波ホロー放電の場合と同様であるが、コイルシールド６４内で放電が生ずると、当該放電に高周波エネルギーが多く使用され、高周波コイル６１の内側のイオン化空間に充分なエネルギーが供給されず、結果的にプラズマ形成効率が低下してしまう。また、高周波コイル６１のスパッタも激しくなり、高周波コイル６１の損傷等の問題も大きくなる。
【００２９】
従って、このような点を勘案して、プラズマがコイルシールド６４内に拡散しない範囲で出来るだけ大きな値をｄ３に与えるべきである。この値は、圧力やプラズマ密度によっても変わってくるので、これらのパラメーターも考慮に入れるべきである。
【００３０】
このようなコイルシールド６４は、ステンレス又はアルミニウム等の金属製であり、電気的には接地されている。コイルシールド６４の表面（内面及び外面）は、アルマイト処理等の耐熱性及び耐プラズマ性を考慮した表面処理が施されている。
【００３１】
また、コイルシールド６４の内面即ち高周波コイル６１を臨む表面には、堆積した薄膜の落下を防止する凹凸が形成されている。というのは、プラズマによって高周波コイル６１の表面がスパッタされ、スパッタされた高周波コイル６１の材料がコイルシールド６４の表面に堆積する。そして、この堆積膜がある程度の量に達すると自重により落下してパーティクルとなってスパッタチャンバー内を浮遊し、時として基板上に付着して基板を汚損する原因となる。このため、コイルシールド６４の表面堆積膜が容易には落下しないように凹凸を形成して膜の密着性を高めているのである。
【００３２】
次に、図１を使用して、本実施形態のイオン化スパッタリング装置の動作について説明する。
基板５０が不図示のゲートバルブを通してスパッタチャンバー１内に搬入され、基板ホルダー５上に載置される。スパッタチャンバー１内は予め１０-8〜１０-9Ｔｏｒｒ程度まで排気されおり、基板５０の載置後にガス導入手段４が動作して、アルゴン等のプロセスガスが所定の流量で導入される。このプロセスガスは、スパッタ放電用のガスでもあり、イオン化空間でのプラズマ形成用のガスでもある。
【００３３】
排気系１１の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内を例えば３０〜４０ｍＴｏｒｒ程度に維持し、この状態でスパッタ電極３を動作させる。即ち、スパッタ電源３５によってスパッタ電極３に所定の電圧を与え、マグネトロンスパッタ放電を生じさせる。
【００３４】
同時に、イオン化手段６も動作させ、高周波電源６２によって高周波コイル６１に高周波電圧を印加し、イオン化空間に高周波電界を設定する。スパッタ放電用ガスはイオン化空間にも拡散し、スパッタ放電用ガスが電離してプラズマＰが形成される。また同時に電界設定手段７も動作し、基板バイアス用高周波電源７１によって基板５０に所定のバイアス電圧が印加され、プラズマＰとの間に引き出し用電界が設定される。
【００３５】
スパッタ放電によってターゲット２がスパッタされ、スパッタされたチタンは、基板５０に向けて飛行する。その飛行の途中、イオン化空間のプラズマＰを通過する際にイオン化する。イオン化したチタンは、引き出し電界によってプラズマから効率良く引き出され、基板５０に入射する。基板５０に入射したチタンは、ホールの底面や側面に達して膜を堆積し、効率良くホール内を被覆する。
所定の厚さで膜が作成されると、電界設定手段７、イオン化手段６、スパッタ電極３、及びガス導入手段４の動作をそれぞれ停止させ、基板５０をスパッタチャンバー１から搬出する。
【００３６】
上記動作において、プラズマＰから飛来する主にプロセスガスのイオン（稀にスパッタ粒子のイオンの場合もある）によって高周波コイル６１の表面がスパッタされる。しかしながら、このスパッタによって放出された高周波コイル６１の材料よりなるスパッタ粒子は、殆どがコイルシールド６４に遮蔽されるため、基板５０やターゲット２に到達することがない。従って、スパッタされた高周波コイル６１の材料による基板５０の汚損の問題は、本実施形態では殆ど無くなっている。尚、高周波コイル６１の材料よりなるスパッタ粒子がターゲット２に付着すると、再スパッタされて基板５０に到達する場合があるので、基板５０のみならず、ターゲット２に対しても遮蔽することが重要である。
【００３７】
尚、このような接地されたコイルシールド６４を高周波コイル６１の外側に設けた場合でも、高周波コイル６１の内側に充分なエネルギーの高周波を蓄えることができ、必要な密度のプラズマをイオン化空間に形成できることが確認されている。
【００３８】
次に、上記実施形態におけるコイルシールド６４内の電界の状態について補足的に説明する。図３は、図１のコイルシールド６４内における電界の状態について説明した断面概略図である。
上述したように、コイルシールド６４は高周波コイル６１の断面形状と同心円周状の断面を有している。そして、コイルシールド６４自体は、接地されている。従って、図３に示すように、高周波コイル６１に供給された高周波電圧による電気力線６１０は、図２に示すように高周波コイル６１の太さの中心点を中心として放射状に延びる状態となる。そして、高周波コイル６１から放射される電界の等電位面６１１は、中心から同心円周状に広がる状態となる。このため、コイルシールド６４内で高周波電界が乱されることなく誘起され、高周波通過用開口６４０から安定して高周波が放射され、イオン化空間に安定したプラズマを形成することができる。
【００３９】
次に、好適な構成のシールドを有する別の実施形態について補足的に説明する。図４は、図１のコイルシールド６４の好適な構成について説明する断面概略図である。
上述したように、コイルシールド６４は、高周波コイル６１の外側を覆うものであり、スパッタされて放出される高周波コイル６１の材料が基板５０に到達するのを遮蔽するものである。高周波コイル６１から基板５０へのスパッタ粒子の遮蔽ということを最も効果的にするには、コイルシールド６４から高周波通過用開口６４０を通しては基板５０上及びターゲット２の被スパッタ面上のいずれの点も見通せない構成にすることが好適である。
【００４０】
図４を使用してより具体的に説明する。一例として、図面上右側に位置する高周波通過用開口６４０について説明する。図４に示すように、この高周波通過用開口６４０の下縁を通り高周波コイル６１の上側の面に接する接線（以下、第一接線）６４１が、基板５０の左側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口６４０を通しては基板５０上のいずれの点も見通せないことになる。尚、基板５０は円形であることを想定している。
【００４１】
また、この高周波通過用開口６４０の上縁を通り高周波コイル６１の下側の面に接する接線（以下、第二接線）６４２が、ターゲット２の被スパッタ面の左側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口６４０を通してはターゲット２の被スパッタ面上のいずれの点も見通せないことになる。尚、ターゲット２の被スパッタ面とは、ターゲットホルダー等に固定されるターゲット２の表面領域を除いて、スパッタ電極３によって専らスパッタされる表面領域を意味している。
【００４２】
図４上で左側に位置する高周波通過用開口６４０も同様であり、第一接線６４１が基板５０の右側の縁より外側を通り、第二接線６４２がターゲット２の被スパッタ面の右側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口６４０を通しては基板５０上及びターゲット２の被スパッタ面上のいずれの点も見通せないことになる。
【００４３】
高周波通過用開口６４０の幾何学的な配置を上記のように構成することで、高周波コイル６１から基板５０へのスパッタ粒子の遮蔽という効果を最も良好に得ることができる。但し、上述した通り、高周波の通過効率の点からは高周波通過用開口６４０はできるだけ大きい方が良いので、第一接線６４１が基板５０の縁に接し、第二接線６４２がターゲット２の被スパッタ面の縁に接するような臨界的な配置が採られる場合もある。
【００４４】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。図５は、本願発明の第二の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
この第二の実施形態の装置では、基板５０に作成する薄膜の材料であるターゲット２の材料と同一の材料で高周波コイル６１が形成されている点と、高周波コイル６１の外側には補助シールド６５が設けられている点が大きな特徴点になっている。
【００４５】
まず、高周波コイル６１をターゲット２と同一材料とすることは、上述したスパッタされた高周波コイル６１の材料による基板５０の汚損という問題を第一の実施形態とは別な考え方によって解決するものである。つまり、高周波コイル６１の材料が基板５０に付着したとしても問題にならない材料で高周波コイル６１を形成するという考え方である。具体的には、バリア膜を作成する場合、ターゲット２はチタン製であり、高周波コイル６１も同様にチタン製とされる。
尚、高周波コイル６１は経時的にスパッタされて消耗するので、交換容易な状態でスパッタチャンバー１内に取付けられていると好適である。
【００４６】
高周波コイル６１の外側の補助シールド６５は、第一の実施形態のコイルシールド６４とは若干目的が異なっている。高周波コイル６１はターゲット２と同一材料であるので、高周波コイル６１からのスパッタ粒子を遮蔽する必要性はこの第二の実施形態ではそれほどない。この補助シールド６５の主な目的は、高周波コイル６１の外側でのエネルギー供給を防止して、高周波コイル６１の内側にプラズマを閉じ込めることである。
【００４７】
即ち、この補助シールド６５が無いと、高周波コイル６１の外側にも高周波が放射され、高周波コイル６１の外側に存在するガス分子にエネルギーを与えて放電を生じ、高周波コイル６１の外側にもプラズマを形成してしまう。このため、プラズマは、高周波コイル６１の内側から外側に広がって形成されてしまう。高周波コイル６１の外側に形成されたプラズマは、ターゲットからのスパッタ粒子をイオン化させるのには殆ど役に立たない。このような不要な領域にプラズマが形成されると、その領域に存在する部材を不必要にスパッタする等の色々な問題を派生させる。しかしながら、本実施形態では、補助シールド６５によって高周波コイル６１の外側でのプラズマ形成が抑制されているので、このような問題は生じない。
【００４８】
また、図４に示す補助シールド６５は、図３に示すコイルシールド６４と同様に、高周波コイル６１の太さの中心と同心円周状の断面形状を有している。このため、補助シールド６５の高周波コイル６１を臨む表面が、高周波コイル６１から放射される電界の等電位面に沿った形状になる。このため、高周波コイル６１と補助シールド６５との間の電界の分布は中心対称的なものになり、イオン化空間での安定した高周波電界の設定に貢献している。
【００４９】
補助シールド６５は、コイルシールド６４と同様に、ステンレスやアルミニウム等の金属で形成され、電気的には接地されている。また、補助シールド６５の表面をアルマイト処理したり、堆積膜の落下を防止する凹凸を設けたりすると良い点も同様である。
尚、前述した第一の実施形態におけるコイルシールド６４も、この補助シールド６５と同様の効果を有しているのは勿論である。また、この補助シールド６５についても、コイルシールド６４と同様に、高周波コイル６１からのスパッタ粒子の遮蔽効果を持たせるようにしてもよい。
【００５０】
次に、請求項７及び８の発明に対応した第三の実施形態について説明する。図６は、本願発明の第三の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
この第三の実施形態の装置は、コイルシールド６４が設けられている点は第一の実施形態と同様であるが、高周波コイル６１がイオン化空間へのガス導入機能を有している点が大きく異なっている。即ち、第三の実施形態における高周波コイル６１は、内部が中空になっており、イオン化空間を臨む内側の面にガス吹き出し穴６１２が均等に形成されている。
【００５１】
高周波コイル６１は、例えば内径６ｍｍ外径１０ｍｍのパイプ状の部材を螺旋状に形成したものである。ガス吹き出し穴６１２は、例えば直径０．２ｍｍ程度の円形で、２０ｍｍ程度の間隔で設けることができる。尚、ガス吹き出し穴６１２をあまり大きくすると、ガス吹き出し穴６１２を通して高周波コイル６１の内部にプラズマが進入する問題があるので、あまり大きくするべきではない。
【００５２】
このような高周波コイル６１は、ガス導入手段４の配管４２に接続されている。具体的には、配管４２から分岐するようにして補助配管４７が設けられており、補助配管４７に補助チャンバー内配管４８が接続されている。そして、補助チャンバー内配管４８の先端に高周波コイル６１が接続されている。この結果、ガス分配器４６から導入されるガスと同じガスが高周波コイル６１からも導入されるようになっている。
【００５３】
このような高周波コイル６１の構成は、高周波エネルギーが多く供給される場所に多くのガスを供給することでプラズマ形成効率を高める作用を有している。即ち、高周波コイル６１からは、内側のイオン化空間に高周波エネルギーが最も多く供給されるが、ガス分配器４６のみの構成であると、ガス分配器４６からイオン化空間までは距離があるので、イオン化空間に達する前にガスは拡散してしまい充分な量のガスが供給されない恐れがある。
一方、高周波コイル６１のガス吹き出し穴６１２からガス供給を行うようにすると、イオン化空間はその目の前であるので、充分な量のガスが供給される。このため、プラズマの形成効率が高くなる。
【００５４】
尚、スパッタ電極３へのガス供給については、ガス分配器４６を用いずに高周波コイル６１からのガス供給で足りる場合があり、この場合はガス分配器４６及びチャンバー内配管４５は省略される。
また、高周波コイル６１を接続した補助配管４７には、高周波コイル６１に供給するガスの温度調節器４９が設けられている。温度調節器４９は、具体的にはガスを所定温度に冷却する冷却器である。
【００５５】
高周波コイル６１は、イオン化空間に形成されるプラズマからの電子衝撃や表面に流れる高周波電流に伴うジュール熱によって加熱される。高周波コイル６１が限度以上に加熱されると、高周波コイル６１に熱的な損傷が発生したり、高周波コイル６１への膜堆積が促進されてしまう問題がある。
そこで、本実施形態では、高周波コイル６１に供給するガスを温度調節器４９によって所定温度に冷却し、ガスの冷却効果によって高周波コイル６１の温度上昇を所定温度以下に抑えている。このため、熱的損傷や過剰な膜堆積等の問題が高周波コイル６１に生じないようになっている。
【００５６】
温度調節器４９は、高周波コイル６１の冷却以外の目的でも用いることができる。例えば、イオン化空間に供給するガスの温度を何らかの事情で温度調節する必要がある場合、温度調節器４９が好適に使用される。
尚、この第三の実施形態における高周波コイル６１についても、第二の実施形態と同様にターゲット２と同一材料とすることが可能である。また、コイルシールド６４に代えて第二実施形態の補助シールド６５を採用することも可能である。
【００５７】
上記各実施形態では、イオン化手段６としては、高周波誘導結合型プラズマを形成してスパッタ粒子をイオン化する構成を採用したが、これ以外にも多くの構成が考えられる。例えば、プラズマを形成するものとしては、高周波容量結合型プラズマや直流二極放電プラズマ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、ヘリコン波プラズマ等を形成するものが採用できる。また、イオン化空間に正イオンを照射してスパッタ粒子から電子を奪ってイオン化させるイオン源等も、イオン化手段６として採用できる。
【００５８】
また、上記各実施形態では、イオン化したスパッタ粒子を基板５０に引き出すための電界を設定するための電界設定手段７を使用しているが、このような電界設定手段７を設けなくともイオン化スパッタリングの効果が得られる場合がある。例えば、高周波コイル６１が与える高周波電界によって加速されて効果的にイオンを基板５０に入射させることが可能な場合があり、このような場合には電界設定手段７は不要とされる。
【００５９】
さらに、高周波コイル６１の構成としては、前述した螺旋状の他、リング状の部材のみからなる単巻コイルや、二本（又は三本以上）リング状の部材を上下に所定間隔をおいて配置してコネクティングロッドでつないだ構成等も、高周波コイル６１の構成として採用できる。
尚、本願発明のスパッタリング装置は、各種半導体デバイスの他、液晶ディスプレイやその他の各種電子製品の製作に利用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、高周波コイルの外側にプラズマが不必要に形成されることによる問題が生じない。加えて、高周波通過用開口を通してプラズマがシールド内に拡散しないようにしたり、またはスパッタによって放出されたスパッタ粒子の殆どがコイルシールドに遮蔽されるようにしたりすることができる。
また、請求項２の発明によれば、上記効果に加え、シールド内の電界が中心対称的なものになり、イオン化空間に安定して高周波を放射させてイオン化を安定して行うことができるという効果が得られる。
また、請求項３の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルからのスパッタ粒子の遮蔽効果が高くなるという効果が得られる。
また、請求項４の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルからのスパッタ粒子の遮蔽効果が最も高くなるという効果が得られる。
また、請求項５の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルの表面の堆積膜の落下により基板が汚損されるのが防止される。
また、請求項６の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルがスパッタされ、高周波コイルの材料が基板に付着したとしても問題にはならないという効果が得られる。
また、請求項７の発明によれば、上記効果に加え、イオン化スパッタの効果をさらに向上させることができる。
また、請求項８の発明によれば、上記効果に加え、高周波エネルギーが多く供給されるイオン化空間に多くのガスを供給できるので、プラズマ形成効率を高めることが可能となる。
また、請求項９の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルを所定温度に冷却することで高周波コイルの熱的損傷や過剰な膜堆積等の問題を防止するような温度調節を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図２】図１の装置に使用されたコイルシールド６４の具体的寸法の説明図である。
【図３】図１のコイルシールド６４内における電界の状態について説明した断面概略図である。
【図４】図１のコイルシールド６４の好適な構成について説明する断面概略図である。
【図５】本願発明の第二の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
【図６】本願発明の第三の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
１１ 排気系
２ ターゲット
３ スパッタ電極
４ ガス導入手段
４１ ガスボンベ
４２ 配管
４３ バルブ
４４ 流量調整器
４５ チャンバー内配管
４６ ガス分配器
４７ 補助配管
４８ 補助チャンバー内配管
４９ 温度調節器
５ 基板ホルダー
５０ 基板
６ イオン化手段
６１ 高周波コイル
６２ 高周波電源
６３ 整合器
６４ コイルシールド
６５ 補助シールド
７ 電界設定手段
７１ 基板バイアス用高周波電源
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、各種半導体デバイスの製作に使用されるスパッタリング装置に関し、特に、スパッタ粒子をイオン化する機能を備えたイオン化スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種メモリやロジック等の半導体デバイスでは、各種配線膜の形成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の作成等の際にスパッタリングプロセスを用いており、スパッタリング装置が多用されている。このようなスパッタリング装置に要求される特性は色々あるが、基板に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく被覆できることが、最近強く求められている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えばバリア膜の場合、ホールの周囲の面に対するホールの底面への成膜速度の比であるボトムカバレッジ率の向上が最近特に強く要請されている。というのは、集積度の増加を背景として、コンタクトホール等のホールはそのアスペクト比（ホールの開口の大きさに対するホールの深さの比）が年々高くなってきており、このような高アスペクト比のホールに対しては、従来のスパッタリングの手法では、ボトムカバレッジ率よく成膜が行えないことが多いからである。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底面でバリア膜が薄くなり、ジャンクションリーク等のデバイス特性に致命的な欠陥を与える恐れがある。
【０００４】
ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタリングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタ等の手法がこれまで開発されてきた。これらの手法の詳細な説明は省略するが、いずれも中性スパッタ粒子を多く基板に垂直に入射させようとする試みである。
【０００５】
しかしながら、コリメートスパッタではコリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるために成膜速度が低下する問題があり、また、低圧遠隔スパッタでは、圧力を低くしターゲットと基板との距離を長くするため本質的に成膜速度が低下する問題がある。このような問題のため、コリメートスパッタでは６４メガビットまで、低圧遠隔スパッタでは２５６メガビットの第一世代程度までが限界であると予測されており、２５６メガビット以上の次世代のデバイス製作に利用可能な実用的な手法の模索が行われている。
【０００６】
このような要求に応えるものとして、イオン化スパッタの手法が有力ではないかと最近考えられている。イオン化スパッタは、ターゲットから放出されるスパッタ粒子をイオン化し、イオンの作用によってホール内に効率よくスパッタ粒子を到達させる手法である。イオン化スパッタによると、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタに比べて遥かに高いボトムカバレッジ率が得られることが確認されている。
【０００７】
イオン化スパッタの典型的な構成としては、基板とターゲットの間のスパッタ粒子の飛行経路上にプラズマを形成し、スパッタ粒子がプラズマを通過する際にイオン化するようにする。プラズマとしては、誘導結合型プラズマが通常形成される。具体的には、飛行経路上のイオン化を行う空間（以下、イオン化空間）を取り囲むようにして高周波コイルを設け、この高周波コイルに所定の高周波を供給して高周波コイルの内部にプラズマを形成するようにする。プラズマ中には高周波電流が流れ、プラズマと高周波コイルは誘導性結合する。このため、誘導結合型プラズマと呼ばれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者の検討によると、上記イオン化スパッタの構成では、以下のような課題を抱えていることが判明した。
まず第一に、充分な強度の高周波電界をイオン化空間に設定するため、高周波コイルは通常スパッタチャンバーの内部に配設されるが、プラズマによって高周波コイルがスパッタされ、スパッタされた高周波コイルの材料が基板に達する結果、基板を汚損する問題がある。
第二に、スパッタチャンバー内をガスは拡散していくため、高周波コイルの外側でもプラズマが形成される場合があり、このような場所に形成されるプラズマはイオン化に不要なものであるのみならず、その場所に配置されている部材に損傷を与える場合がある。
第三に、プラズマを形成する場合、スパッタ放電のためのガスを導入するガス導入手段を兼用するが、スパッタ放電のために最適なガス導入とイオン化用のプラズマ形成のために最適なガス導入の構成とは異なる。このため、プラズマ形成のために効率よくガスが供給できず、プラズマ形成効率が悪い。
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、イオン化スパッタが抱えるこのような問題を解決し、次世代のデバイスの製作に有効な実用的なイオン化スパッタリング装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置であって、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャンバー内に設けられた高周波コイルと、この高周波コイルに所定の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導結合型プラズマを形成する高周波電源とから構成されており、
当該高周波コイルの外側には、高周波コイルの内側にプラズマを閉じ込めるシールドが設けられており、
このシールドは、金属製の部材で形成され電気的に接地されているとともに、このシールドは、高周波コイルが延びる方向に同様に延びるものであって、断面で見ると、高周波コイルの各部をそれぞれ外側から取り囲んで覆うとともに、内側にイオン化空間に向けて高周波が放射されるよう高周波通過用開口を設けた形状であり、
高周波通過用開口は、高周波コイルの全長にわたって形成されたスリットであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記シールドは、高周波コイルを臨む表面が、高周波コイルから放射される電界の等電位面に沿った形状になるように形成されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項１又は２の構成において、前記シールドは、高周波コイルから高周波通過用開口を通しては基板上のいずれの点も見通せない形状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１又は２の構成において、前記シールドは、高周波コイルから高周波通過用開口を通しては基板上及びターゲットの被スパッタ面上のいずれの点も見通せない形状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記シールドの内面には、当該内面への堆積膜が落下しないようにする凹凸が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、上記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記高周波コイルは、基板に作成する薄膜の材料であるターゲットの材料と同一の材料で形成されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記イオン化したスパッタ粒子を基板に引き込むために基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段とを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、上記請求項１乃至７いずれかの構成において、前記高周波コイルは、内部が中空であって前記イオン化空間を臨む内側面にガス吹き出し穴が均等に形成されており、前記ガス導入手段の補助チャンバー内配管が接続されてガス吹き出し穴から所定のガスをイオン化空間に導入することができるようになっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、上記請求項８の構成において、前記ガス導入手段は、前記高周波コイルに供給するガスの温度を所定温度に維持する温度調節器を有し、高周波コイルの温度調節をすることが可能となっているという構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。まず、第一の実施形態について説明する。図１は、本願発明の第一の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
図１に示すように、本実施形態のスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、このスパッタチャンバー１内に設けられたターゲット２と、このターゲット２をスパッタするスパッタ電極３と、スパッタチャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入手段４と、スパッタによってターゲット２から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段６と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板５０を保持する基板ホルダー５と、イオン化したスパッタ粒子を基板５０に引き込むために基板５０に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段７とを備えている。
【００１１】
まず、スパッタチャンバー１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。このスパッタチャンバー１は、ステンレス等の金属製であり、電気的には接地されている。
排気系１１は、ターボ分子ポンプや拡散ポンプ等を備えた多段の真空排気システムで構成されており、スパッタチャンバー１内を１０-8〜１０-9Ｔｏｒｒ程度まで排気可能になっている。また、排気系１１は、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器を備え、排気速度を調整することが可能になっている。
【００１２】
ターゲット２は、例えば厚さ６ｍｍ、直径３００ｍｍ程度の円板状であり、不図示のターゲットホルダーを介してスパッタ電極３に取付けられている。
スパッタ電極３は、磁石機構を備えたマグネトロンカソードになっている。磁石機構は、中心磁石３１と、この中心磁石３１を取り囲む周辺磁石３２と、中心磁石３１及び周辺磁石３２とを繋ぐ円板状のヨーク３３とから構成されている。尚、各磁石は、いずれも永久磁石であるが、電磁石でこれらを構成することも可能である。
スパッタ電極３はスパッタチャンバー１に対して絶縁された状態で取り付けられており、スパッタ電源３５が接続されている。このスパッタ電源３５は、所定の負の高電圧又は高周波電圧をスパッタ電極３に印加するよう構成される。チタンのスパッタの場合、６００Ｖ程度の負の直流電圧を印加するよう構成されることが多い。
【００１３】
ガス導入手段４は、アルゴン等のスパッタ放電用のガスを溜めたガスボンベ４１と、ガスボンベ４１とスパッタチャンバー１とをつなぐ配管４２と、配管４２に設けられたバルブ４３や流量調整器４４と、配管４２の先端に接続されれたチャンバー内配管４５と、チャンバー内配管４５の先端に接続されたガス分配器４６とから主に構成されている。
ガス分配器４６は、円環状に形成したパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成した構成等が採用され、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間に均一にガスを導入するようにする。
【００１４】
イオン化手段６は、本実施形態では、ターゲット２から基板５０へのチタンの飛行経路において誘導結合型高周波プラズマを形成するものが採用されている。具体的には、イオン化手段６は、ターゲット２と基板ホルダー５との間のイオン化空間を取り囲むようにして設けられた高周波コイル６１と、この高周波コイル６１に整合器６３を介して接続された高周波電源６２とから主に構成されている。
【００１５】
高周波コイル６１は、太さ１０ｍｍ程度の金属の棒をほぼ螺旋状に形成したものであり、スパッタチャンバー１の中心軸からの高周波コイル６１までの半径距離は１５０〜２５０ｍｍ程度である。また、本実施形態では、高周波コイル６１に、後述するコイルシールド６４が設けられているので、高周波コイル６１の材質は特に制限がない。高周波コイル６１は、高周波を効率よく励振する材質のものが使用され、例えばチタン等である。
【００１６】
高周波電源６２は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで出力５ＫＷ程度のものが使用され、整合器６３を介して高周波コイル６１を高周波電力を供給する。高周波コイル６１によって、イオン化空間に高周波電界が設定され、ガス導入手段４によって導入されたガスがこの高周波電界によってプラズマ化してプラズマＰが形成されるようになっている。プラズマＰ中には高周波電流が流れ、プラズマＰと高周波コイル６１は誘導性結合する。
【００１７】
ターゲット２から放出されたスパッタ粒子は、プラズマＰ中を通過する際にプラズマＰ中の電子と衝突し、イオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、後述する電界によって加速されて基板５０に到達するようになっている。
【００１８】
基板ホルダー５は、ターゲット２に対して平行に基板５０を保持するようになっている。基板ホルダー５には、基板５０を静電気によって吸着する不図示の静電吸着機構や成膜中に基板５０を加熱して成膜を効率的にする不図示の加熱機構等が設けられる場合がある。
【００１９】
電界設定手段７は、本実施形態では、基板ホルダー５に所定の高周波電圧を印加することで基板５０に負のバイアス電圧を与えるものである。即ち、電界設定手段７は、基板ホルダー５にブロッキングコンデンサ７２を介して接続された基板バイアス用高周波電源７１によって構成されている。
【００２０】
基板バイアス用高周波電源７１は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚ出力３００Ｗ程度のものである。基板バイアス用高周波電源７１によって基板５０に高周波電圧が印加されると、基板５０の表面にはプラズマ中の荷電粒子が周期的に引き寄せられる。このうち、移動度の高い電子は正イオンに比べて多くが基板５０の表面に引き寄せられ、その結果、基板５０の表面は負の電位にバイアスされたのと同じ状態になる。具体的には、上述した例の基板バイアス用高周波電源７１の場合、平均値で−１００Ｖ程度のバイアス電圧を基板５０に与えることができる。
【００２１】
上記基板バイアス電圧が与えられた状態は、直流二極放電でプラズマを形成した場合の陰極シース領域と同様であり、プラズマと基板５０との間に基板５０に向かって下がる電位傾度を有する電界（以下、引き出し用電界）が設定された状態となる。この引き出し用電界によって、イオン化スパッタ粒子（正イオンのチタン）は、プラズマから引き出されて基板５０に効率良く到達するようになっている。
【００２２】
上記基板ホルダー５は、ターゲット２が金属である場合にはターゲット２と同一の金属材料、ターゲット２が誘電体である場合、ステンレス等の耐熱性のある金属で形成されている。いずれにしろ、基板ホルダー５は金属製であり、従って、基板ホルダー５の載置面内には直流分の電界は原理的に存在しない。よって、上記引き出し用電界は基板５０に対して垂直な向きの電界であり、基板５０に対して垂直にイオン化スパッタ粒子を加速するよう作用する。この結果、基板５０に形成されたホールの底面まで効率よくイオン化スパッタ粒子を到達させることができるようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態の装置の大きな特徴点であるコイルシールド６４の構成について説明する。本実施形態の装置では、高周波コイル６１がスパッタされて放出される高周波コイル６１の材料が基板５０に到達するのを遮蔽するコイルシールド６４が設けられている。
【００２４】
図１に示すように、コイルシールド６４は、高周波コイル６１の内側部分を残して高周波コイル６１の周囲を覆った形状になっている。より具体的には、コイルシールド６４は、高周波コイル６１の断面形状と同心の円周状の断面形状になっている。コイルシールド６４は、高周波コイル６１が延びる方向に同様に延びており、高周波コイル６１の全長にわたって高周波コイル６１を覆った形状である。
【００２５】
そして、高周波コイル６１の内側には開口６４０が形成されており、この開口６４０から高周波を通過させるようになっている（以下、この開口を高周波通過用開口と呼ぶ。）。高周波通過用開口６４０は、高周波コイル６１の全長にわたって形成されているので、形状としては螺旋状のスリットになっている。
【００２６】
図２を使用してコイルシールド６４の具体的な寸法例について説明する。図２は、図１の装置に使用されたコイルシールド６４の具体的寸法の説明図である。図２において、高周波コイル６１の太さｄ１が１０ｍｍ程度である場合、コイルシールド６４と高周波コイル６１の表面との距離ｄ２は３〜５ｍｍ程度、高周波通過用開口６４０の幅ｄ３は１０ｍｍ程度である。尚、高周波通過用開口６４０の大きさを、高周波コイル６１の太さの中心からの見込み角θで表すと、θは７０°程度である。
【００２７】
尚、この高周波通過用開口６４０の幅ｄ３の選定は、プラズマ形成の効率の問題とコイルシールド６４内へのプラズマの拡散の問題との双方から重要な技術事項である。即ち、イオン化空間により多く高周波を放射させてプラズマ形成効率を高める意味からは、高周波通過用開口６４０の幅ｄ３は大きくすることが好ましい。しかしながら、ｄ３を大きくすると、コイルシールド６４内へのプラズマの拡散の問題が顕在化する。
【００２８】
つまり、ｄ３が大きくなると、コイルシールド６４内にプラズマが拡散してコイルシールド６４内で高周波放電が生ずるようになる。これは丁度高周波ホロー放電の場合と同様であるが、コイルシールド６４内で放電が生ずると、当該放電に高周波エネルギーが多く使用され、高周波コイル６１の内側のイオン化空間に充分なエネルギーが供給されず、結果的にプラズマ形成効率が低下してしまう。また、高周波コイル６１のスパッタも激しくなり、高周波コイル６１の損傷等の問題も大きくなる。
【００２９】
従って、このような点を勘案して、プラズマがコイルシールド６４内に拡散しない範囲で出来るだけ大きな値をｄ３に与えるべきである。この値は、圧力やプラズマ密度によっても変わってくるので、これらのパラメーターも考慮に入れるべきである。
【００３０】
このようなコイルシールド６４は、ステンレス又はアルミニウム等の金属製であり、電気的には接地されている。コイルシールド６４の表面（内面及び外面）は、アルマイト処理等の耐熱性及び耐プラズマ性を考慮した表面処理が施されている。
【００３１】
また、コイルシールド６４の内面即ち高周波コイル６１を臨む表面には、堆積した薄膜の落下を防止する凹凸が形成されている。というのは、プラズマによって高周波コイル６１の表面がスパッタされ、スパッタされた高周波コイル６１の材料がコイルシールド６４の表面に堆積する。そして、この堆積膜がある程度の量に達すると自重により落下してパーティクルとなってスパッタチャンバー内を浮遊し、時として基板上に付着して基板を汚損する原因となる。このため、コイルシールド６４の表面堆積膜が容易には落下しないように凹凸を形成して膜の密着性を高めているのである。
【００３２】
次に、図１を使用して、本実施形態のイオン化スパッタリング装置の動作について説明する。
基板５０が不図示のゲートバルブを通してスパッタチャンバー１内に搬入され、基板ホルダー５上に載置される。スパッタチャンバー１内は予め１０-8〜１０-9Ｔｏｒｒ程度まで排気されおり、基板５０の載置後にガス導入手段４が動作して、アルゴン等のプロセスガスが所定の流量で導入される。このプロセスガスは、スパッタ放電用のガスでもあり、イオン化空間でのプラズマ形成用のガスでもある。
【００３３】
排気系１１の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内を例えば３０〜４０ｍＴｏｒｒ程度に維持し、この状態でスパッタ電極３を動作させる。即ち、スパッタ電源３５によってスパッタ電極３に所定の電圧を与え、マグネトロンスパッタ放電を生じさせる。
【００３４】
同時に、イオン化手段６も動作させ、高周波電源６２によって高周波コイル６１に高周波電圧を印加し、イオン化空間に高周波電界を設定する。スパッタ放電用ガスはイオン化空間にも拡散し、スパッタ放電用ガスが電離してプラズマＰが形成される。また同時に電界設定手段７も動作し、基板バイアス用高周波電源７１によって基板５０に所定のバイアス電圧が印加され、プラズマＰとの間に引き出し用電界が設定される。
【００３５】
スパッタ放電によってターゲット２がスパッタされ、スパッタされたチタンは、基板５０に向けて飛行する。その飛行の途中、イオン化空間のプラズマＰを通過する際にイオン化する。イオン化したチタンは、引き出し電界によってプラズマから効率良く引き出され、基板５０に入射する。基板５０に入射したチタンは、ホールの底面や側面に達して膜を堆積し、効率良くホール内を被覆する。
所定の厚さで膜が作成されると、電界設定手段７、イオン化手段６、スパッタ電極３、及びガス導入手段４の動作をそれぞれ停止させ、基板５０をスパッタチャンバー１から搬出する。
【００３６】
上記動作において、プラズマＰから飛来する主にプロセスガスのイオン（稀にスパッタ粒子のイオンの場合もある）によって高周波コイル６１の表面がスパッタされる。しかしながら、このスパッタによって放出された高周波コイル６１の材料よりなるスパッタ粒子は、殆どがコイルシールド６４に遮蔽されるため、基板５０やターゲット２に到達することがない。従って、スパッタされた高周波コイル６１の材料による基板５０の汚損の問題は、本実施形態では殆ど無くなっている。尚、高周波コイル６１の材料よりなるスパッタ粒子がターゲット２に付着すると、再スパッタされて基板５０に到達する場合があるので、基板５０のみならず、ターゲット２に対しても遮蔽することが重要である。
【００３７】
尚、このような接地されたコイルシールド６４を高周波コイル６１の外側に設けた場合でも、高周波コイル６１の内側に充分なエネルギーの高周波を蓄えることができ、必要な密度のプラズマをイオン化空間に形成できることが確認されている。
【００３８】
次に、上記実施形態におけるコイルシールド６４内の電界の状態について補足的に説明する。図３は、図１のコイルシールド６４内における電界の状態について説明した断面概略図である。
上述したように、コイルシールド６４は高周波コイル６１の断面形状と同心円周状の断面を有している。そして、コイルシールド６４自体は、接地されている。従って、図３に示すように、高周波コイル６１に供給された高周波電圧による電気力線６１０は、図２に示すように高周波コイル６１の太さの中心点を中心として放射状に延びる状態となる。そして、高周波コイル６１から放射される電界の等電位面６１１は、中心から同心円周状に広がる状態となる。このため、コイルシールド６４内で高周波電界が乱されることなく誘起され、高周波通過用開口６４０から安定して高周波が放射され、イオン化空間に安定したプラズマを形成することができる。
【００３９】
次に、好適な構成のシールドを有する別の実施形態について補足的に説明する。図４は、図１のコイルシールド６４の好適な構成について説明する断面概略図である。
上述したように、コイルシールド６４は、高周波コイル６１の外側を覆うものであり、スパッタされて放出される高周波コイル６１の材料が基板５０に到達するのを遮蔽するものである。高周波コイル６１から基板５０へのスパッタ粒子の遮蔽ということを最も効果的にするには、コイルシールド６４から高周波通過用開口６４０を通しては基板５０上及びターゲット２の被スパッタ面上のいずれの点も見通せない構成にすることが好適である。
【００４０】
図４を使用してより具体的に説明する。一例として、図面上右側に位置する高周波通過用開口６４０について説明する。図４に示すように、この高周波通過用開口６４０の下縁を通り高周波コイル６１の上側の面に接する接線（以下、第一接線）６４１が、基板５０の左側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口６４０を通しては基板５０上のいずれの点も見通せないことになる。尚、基板５０は円形であることを想定している。
【００４１】
また、この高周波通過用開口６４０の上縁を通り高周波コイル６１の下側の面に接する接線（以下、第二接線）６４２が、ターゲット２の被スパッタ面の左側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口６４０を通してはターゲット２の被スパッタ面上のいずれの点も見通せないことになる。尚、ターゲット２の被スパッタ面とは、ターゲットホルダー等に固定されるターゲット２の表面領域を除いて、スパッタ電極３によって専らスパッタされる表面領域を意味している。
【００４２】
図４上で左側に位置する高周波通過用開口６４０も同様であり、第一接線６４１が基板５０の右側の縁より外側を通り、第二接線６４２がターゲット２の被スパッタ面の右側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口６４０を通しては基板５０上及びターゲット２の被スパッタ面上のいずれの点も見通せないことになる。
【００４３】
高周波通過用開口６４０の幾何学的な配置を上記のように構成することで、高周波コイル６１から基板５０へのスパッタ粒子の遮蔽という効果を最も良好に得ることができる。但し、上述した通り、高周波の通過効率の点からは高周波通過用開口６４０はできるだけ大きい方が良いので、第一接線６４１が基板５０の縁に接し、第二接線６４２がターゲット２の被スパッタ面の縁に接するような臨界的な配置が採られる場合もある。
【００４４】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。図５は、本願発明の第二の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
この第二の実施形態の装置では、基板５０に作成する薄膜の材料であるターゲット２の材料と同一の材料で高周波コイル６１が形成されている点と、高周波コイル６１の外側には補助シールド６５が設けられている点が大きな特徴点になっている。
【００４５】
まず、高周波コイル６１をターゲット２と同一材料とすることは、上述したスパッタされた高周波コイル６１の材料による基板５０の汚損という問題を第一の実施形態とは別な考え方によって解決するものである。つまり、高周波コイル６１の材料が基板５０に付着したとしても問題にならない材料で高周波コイル６１を形成するという考え方である。具体的には、バリア膜を作成する場合、ターゲット２はチタン製であり、高周波コイル６１も同様にチタン製とされる。
尚、高周波コイル６１は経時的にスパッタされて消耗するので、交換容易な状態でスパッタチャンバー１内に取付けられていると好適である。
【００４６】
高周波コイル６１の外側の補助シールド６５は、第一の実施形態のコイルシールド６４とは若干目的が異なっている。高周波コイル６１はターゲット２と同一材料であるので、高周波コイル６１からのスパッタ粒子を遮蔽する必要性はこの第二の実施形態ではそれほどない。この補助シールド６５の主な目的は、高周波コイル６１の外側でのエネルギー供給を防止して、高周波コイル６１の内側にプラズマを閉じ込めることである。
【００４７】
即ち、この補助シールド６５が無いと、高周波コイル６１の外側にも高周波が放射され、高周波コイル６１の外側に存在するガス分子にエネルギーを与えて放電を生じ、高周波コイル６１の外側にもプラズマを形成してしまう。このため、プラズマは、高周波コイル６１の内側から外側に広がって形成されてしまう。高周波コイル６１の外側に形成されたプラズマは、ターゲットからのスパッタ粒子をイオン化させるのには殆ど役に立たない。このような不要な領域にプラズマが形成されると、その領域に存在する部材を不必要にスパッタする等の色々な問題を派生させる。しかしながら、本実施形態では、補助シールド６５によって高周波コイル６１の外側でのプラズマ形成が抑制されているので、このような問題は生じない。
【００４８】
また、図４に示す補助シールド６５は、図３に示すコイルシールド６４と同様に、高周波コイル６１の太さの中心と同心円周状の断面形状を有している。このため、補助シールド６５の高周波コイル６１を臨む表面が、高周波コイル６１から放射される電界の等電位面に沿った形状になる。このため、高周波コイル６１と補助シールド６５との間の電界の分布は中心対称的なものになり、イオン化空間での安定した高周波電界の設定に貢献している。
【００４９】
補助シールド６５は、コイルシールド６４と同様に、ステンレスやアルミニウム等の金属で形成され、電気的には接地されている。また、補助シールド６５の表面をアルマイト処理したり、堆積膜の落下を防止する凹凸を設けたりすると良い点も同様である。
尚、前述した第一の実施形態におけるコイルシールド６４も、この補助シールド６５と同様の効果を有しているのは勿論である。また、この補助シールド６５についても、コイルシールド６４と同様に、高周波コイル６１からのスパッタ粒子の遮蔽効果を持たせるようにしてもよい。
【００５０】
次に、請求項７及び８の発明に対応した第三の実施形態について説明する。図６は、本願発明の第三の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
この第三の実施形態の装置は、コイルシールド６４が設けられている点は第一の実施形態と同様であるが、高周波コイル６１がイオン化空間へのガス導入機能を有している点が大きく異なっている。即ち、第三の実施形態における高周波コイル６１は、内部が中空になっており、イオン化空間を臨む内側の面にガス吹き出し穴６１２が均等に形成されている。
【００５１】
高周波コイル６１は、例えば内径６ｍｍ外径１０ｍｍのパイプ状の部材を螺旋状に形成したものである。ガス吹き出し穴６１２は、例えば直径０．２ｍｍ程度の円形で、２０ｍｍ程度の間隔で設けることができる。尚、ガス吹き出し穴６１２をあまり大きくすると、ガス吹き出し穴６１２を通して高周波コイル６１の内部にプラズマが進入する問題があるので、あまり大きくするべきではない。
【００５２】
このような高周波コイル６１は、ガス導入手段４の配管４２に接続されている。具体的には、配管４２から分岐するようにして補助配管４７が設けられており、補助配管４７に補助チャンバー内配管４８が接続されている。そして、補助チャンバー内配管４８の先端に高周波コイル６１が接続されている。この結果、ガス分配器４６から導入されるガスと同じガスが高周波コイル６１からも導入されるようになっている。
【００５３】
このような高周波コイル６１の構成は、高周波エネルギーが多く供給される場所に多くのガスを供給することでプラズマ形成効率を高める作用を有している。即ち、高周波コイル６１からは、内側のイオン化空間に高周波エネルギーが最も多く供給されるが、ガス分配器４６のみの構成であると、ガス分配器４６からイオン化空間までは距離があるので、イオン化空間に達する前にガスは拡散してしまい充分な量のガスが供給されない恐れがある。
一方、高周波コイル６１のガス吹き出し穴６１２からガス供給を行うようにすると、イオン化空間はその目の前であるので、充分な量のガスが供給される。このため、プラズマの形成効率が高くなる。
【００５４】
尚、スパッタ電極３へのガス供給については、ガス分配器４６を用いずに高周波コイル６１からのガス供給で足りる場合があり、この場合はガス分配器４６及びチャンバー内配管４５は省略される。
また、高周波コイル６１を接続した補助配管４７には、高周波コイル６１に供給するガスの温度調節器４９が設けられている。温度調節器４９は、具体的にはガスを所定温度に冷却する冷却器である。
【００５５】
高周波コイル６１は、イオン化空間に形成されるプラズマからの電子衝撃や表面に流れる高周波電流に伴うジュール熱によって加熱される。高周波コイル６１が限度以上に加熱されると、高周波コイル６１に熱的な損傷が発生したり、高周波コイル６１への膜堆積が促進されてしまう問題がある。
そこで、本実施形態では、高周波コイル６１に供給するガスを温度調節器４９によって所定温度に冷却し、ガスの冷却効果によって高周波コイル６１の温度上昇を所定温度以下に抑えている。このため、熱的損傷や過剰な膜堆積等の問題が高周波コイル６１に生じないようになっている。
【００５６】
温度調節器４９は、高周波コイル６１の冷却以外の目的でも用いることができる。例えば、イオン化空間に供給するガスの温度を何らかの事情で温度調節する必要がある場合、温度調節器４９が好適に使用される。
尚、この第三の実施形態における高周波コイル６１についても、第二の実施形態と同様にターゲット２と同一材料とすることが可能である。また、コイルシールド６４に代えて第二実施形態の補助シールド６５を採用することも可能である。
【００５７】
上記各実施形態では、イオン化手段６としては、高周波誘導結合型プラズマを形成してスパッタ粒子をイオン化する構成を採用したが、これ以外にも多くの構成が考えられる。例えば、プラズマを形成するものとしては、高周波容量結合型プラズマや直流二極放電プラズマ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、ヘリコン波プラズマ等を形成するものが採用できる。また、イオン化空間に正イオンを照射してスパッタ粒子から電子を奪ってイオン化させるイオン源等も、イオン化手段６として採用できる。
【００５８】
また、上記各実施形態では、イオン化したスパッタ粒子を基板５０に引き出すための電界を設定するための電界設定手段７を使用しているが、このような電界設定手段７を設けなくともイオン化スパッタリングの効果が得られる場合がある。例えば、高周波コイル６１が与える高周波電界によって加速されて効果的にイオンを基板５０に入射させることが可能な場合があり、このような場合には電界設定手段７は不要とされる。
【００５９】
さらに、高周波コイル６１の構成としては、前述した螺旋状の他、リング状の部材のみからなる単巻コイルや、二本（又は三本以上）リング状の部材を上下に所定間隔をおいて配置してコネクティングロッドでつないだ構成等も、高周波コイル６１の構成として採用できる。
尚、本願発明のスパッタリング装置は、各種半導体デバイスの他、液晶ディスプレイやその他の各種電子製品の製作に利用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、高周波コイルの外側にプラズマが不必要に形成されることによる問題が生じない。加えて、高周波通過用開口を通してプラズマがシールド内に拡散しないようにしたり、またはスパッタによって放出されたスパッタ粒子の殆どがコイルシールドに遮蔽されるようにしたりすることができる。
また、請求項２の発明によれば、上記効果に加え、シールド内の電界が中心対称的なものになり、イオン化空間に安定して高周波を放射させてイオン化を安定して行うことができるという効果が得られる。
また、請求項３の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルからのスパッタ粒子の遮蔽効果が高くなるという効果が得られる。
また、請求項４の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルからのスパッタ粒子の遮蔽効果が最も高くなるという効果が得られる。
また、請求項５の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルの表面の堆積膜の落下により基板が汚損されるのが防止される。
また、請求項６の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルがスパッタされ、高周波コイルの材料が基板に付着したとしても問題にはならないという効果が得られる。
また、請求項７の発明によれば、上記効果に加え、イオン化スパッタの効果をさらに向上させることができる。
また、請求項８の発明によれば、上記効果に加え、高周波エネルギーが多く供給されるイオン化空間に多くのガスを供給できるので、プラズマ形成効率を高めることが可能となる。
また、請求項９の発明によれば、上記効果に加え、高周波コイルを所定温度に冷却することで高周波コイルの熱的損傷や過剰な膜堆積等の問題を防止するような温度調節を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図２】図１の装置に使用されたコイルシールド６４の具体的寸法の説明図である。
【図３】図１のコイルシールド６４内における電界の状態について説明した断面概略図である。
【図４】図１のコイルシールド６４の好適な構成について説明する断面概略図である。
【図５】本願発明の第二の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
【図６】本願発明の第三の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
１１ 排気系
２ ターゲット
３ スパッタ電極
４ ガス導入手段
４１ ガスボンベ
４２ 配管
４３ バルブ
４４ 流量調整器
４５ チャンバー内配管
４６ ガス分配器
４７ 補助配管
４８ 補助チャンバー内配管
４９ 温度調節器
５ 基板ホルダー
５０ 基板
６ イオン化手段
６１ 高周波コイル
６２ 高周波電源
６３ 整合器
６４ コイルシールド
６５ 補助シールド
７ 電界設定手段
７１ 基板バイアス用高周波電源
Claims (9)
- 排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置であって、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャンバー内に設けられた高周波コイルと、この高周波コイルに所定の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導結合型プラズマを形成する高周波電源とから構成されており、
当該高周波コイルの外側には、高周波コイルの内側にプラズマを閉じ込めるシールドが設けられており、
このシールドは、金属製の部材で形成され電気的に接地されているとともに、このシールドは、高周波コイルが延びる方向に同様に延びるものであって、断面で見ると、高周波コイルの各部をそれぞれ外側から取り囲んで覆うとともに、内側にイオン化空間に向けて高周波が放射されるよう高周波通過用開口を設けた形状であり、
高周波通過用開口は、高周波コイルの全長にわたって形成されたスリットであることを特徴とするイオン化スパッタリング装置。 - 前記シールドは、高周波コイルを臨む表面が高周波コイルから放射される電界の等電位面に沿った形状になるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記シールドは、高周波コイルから高周波通過用開口を通しては基板上のいずれの点も見通せない形状であることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記シールドは、高周波コイルから高周波通過用開口を通しては基板上及びターゲットの被スパッタ面上のいずれの点も見通せない形状であることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記シールドの内面には、当該内面への堆積膜が落下しないようにする凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記高周波コイルは、基板に作成する薄膜の材料であるターゲットの材料と同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記イオン化したスパッタ粒子を基板に引き込むために基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段とを備えていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記高周波コイルは、内部が中空であって前記イオン化空間を臨む内側面にガス吹き出し穴が均等に形成されており、前記ガス導入手段の補助チャンバー内配管が接続されてガス吹き出し穴から所定のガスをイオン化空間に導入することができるようになっていることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記ガス導入手段は、前記高周波コイルに供給するガスの温度を所定温度に維持する温度調節器を有し、高周波コイルの温度調節をすることが可能となっていることを特徴とする請求項８記載のイオン化スパッタリング装置。
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