CN102471879B - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

该成膜装置(1)，包括：腔室(2)，具有内部空间和侧壁，在所述内部空间中，以欲形成覆膜(L)的被处理体(W)与具有溅射面(3a)的靶(3)相对置的方式配置有所述被处理体(W)和所述靶(3)这两者；排气部(12)，对所述腔室(2)内进行减压；第一磁场产生部(4)，在露出所述溅射面(3a)的所述内部空间中产生磁场；直流电源(9)，向所述靶(3)施加负的直流电压；气体导入部(11)，向所述腔室(2)内导入溅射气体；第二磁场产生部(13)，配置在靠近所述靶(3)的位置，产生磁场使垂直的磁力线在与所述靶(3)相邻的位置上通过；以及第三磁场产生部(18)，配置在靠近所述被处理体(W)的位置，产生磁场以将所述磁力线向所述腔室(2)的所述侧壁诱导。

Description

成膜装置

技术领域

本发明涉及用于在被处理体的表面形成覆膜的成膜装置，特别地，涉及使用作为薄膜形成方法的一种的溅射法的DC磁控方式的成膜装置。

本申请基于2009年7月17日申请的特愿2009-169449号主张优先权，在此援用其内容。

背景技术

以往，例如在半导体设备的制作过程中的成膜工序中，利用使用了溅射法的成膜装置（以下称为“溅射装置”）。

在这种用途的溅射装置中，近年来伴随着布线图案的微细化，强烈要求能够在应处理的基板的整个面上，对于高深宽比的孔或槽以及微细图案，以良好的被覆性形成覆膜。

在普通的溅射装置中，在导入有溅射气体的真空腔室内配置靶，通过向靶施加负的电压从而使溅射气体（例如，氩气）离子化并与靶碰撞。溅射粒子通过该碰撞从靶的表面飞出。

靶由Cu、Al、Ti或者Ta等材料（构成薄膜的布线的材料）形成。因此，Cu、Al、Ti或者Ta原子作为溅射粒子从靶飞出，这种材料附着于基板上，从而在基板上形成薄膜。

在真空腔室内，欲形成薄膜的基板与靶以规定的间隔隔开并对置配置。

另外，在DC磁控方式的溅射装置中，通过设置在靶背面的磁场产生部（例如，永久磁铁等），在靶表面形成磁场。

在如此产生磁场的状态下，通过向靶施加负的电压，从而溅射气体离子与靶表面碰撞，构成靶材的原子和二次电子从靶中释放。

通过使该二次电子在形成于靶表面的磁场中围绕旋转，而使溅射气体（氩气等惰性气体）与二次电子之间的离子化碰撞的频率增大，从而提高等离子体密度，在基板上形成薄膜（例如，参照专利文献1）。

然而，在上述溅射装置中存在以下问题，即挣脱了由磁场产生部在靶表面形成的磁场的束缚的电子、氩离子或者金属离子（Cu、Al、Ti、Ta等）到达基板，而导致基板损伤。另外，存在因电子与基板碰撞，导致基板表面的温度上升，使得基板的质量有所下降的问题。

专利文献1：特开2000-144412号公报

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种通过控制氩离子、金属离子以及电子的入射方向，从而能够防止对基板的损伤，并且能够防止基板的温度上升的成膜装置。

本发明的技术方案的成膜装置，包括：腔室，具有内部空间和侧壁，在所述内部空间中，以欲形成覆膜的被处理体与具有溅射面的靶（覆膜的母材）相对置的方式配置（收纳）有所述被处理体和所述靶这两者；排气部，对所述腔室内进行减压；第一磁场产生部，在露出所述溅射面的所述内部空间（溅射面的前方）中产生磁场；直流电源，向所述靶施加负的直流电压；气体导入部，向所述腔室内导入溅射气体；第二磁场产生部，设置在具有所述内部空间的所述腔室的外侧壁，配置在靠近所述靶的位置（靶的附近一侧），产生磁场而使垂直的磁力线在与所述靶相邻的位置上（在靶的附近）通过；以及第三磁场产生部，设置在具有所述内部空间的所述腔室的外侧壁，配置在靠近所述被处理体的位置（被处理体的附近一侧），产生磁场以将所述垂直的磁力线从所述腔室的中央向所述腔室的所述侧壁诱导，所述垂直的磁力线以朝向所述腔室的所述侧壁的方式偏离。

优选地，在本发明的技术方案的成膜装置中，所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部在所述腔室的周围以规定的间隔相互隔开而设置，且为具有电源装置的线圈，以施加于所述第二磁场产生部的电流的极性与施加于所述第三磁场产生部的电流的极性彼此相反的方式，在所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部中施加有电流。

优选地，在本发明的技术方案的成膜装置中，将由所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部所形成的磁力线向所述腔室诱导。

在本发明中，使用在靠近所述靶的位置配置的所述第二磁场产生部以及在靠近所述被处理体的位置配置的所述第三磁场产生部。而且，所述第二磁场产生部产生磁场使垂直的磁力线在与所述靶相邻的位置上通过。所述第三磁场产生部产生磁场以将所述磁力线向所述腔室的侧壁诱导。据此，能够控制金属离子、氩离子以及电子的入射方向，由于到达基板的金属离子、氩离子以及电子减少，因此能够防止基板的损伤以及基板的温度上升。

根据本发明，所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部为具有电源装置的线圈。另外，以施加于所述第二磁场产生部的电流的极性与施加于所述第三磁场产生部的电流的极性相反的方式，向所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部施加电流。据此，能够以简单的结构产生所希望的磁场。另外，通过使线圈（第二磁场产生部与第三磁场产生部）相互之间的距离、各线圈的匝数、向各线圈供给的电流值等适当变化（控制），从而能够产生形成所希望的磁力线那样的磁场。

附图说明

图1是示意性地示出本发明所涉及的成膜装置的结构的剖视图。

图2是示出在本发明所涉及的成膜装置中产生垂直磁场后的状态的示意图，且是示出向上下线圈中的每一个在同方向上施加电流时的情况的图。

图3是示出在本发明所涉及的成膜装置中产生垂直磁场后的状态的示意图，且是示出相对于流过上线圈的电流的方向，在反向的方向上向下线圈施加电流时的情况的图。

图4是示意性地示出在基板上成膜的高深宽比的微细孔和槽的结构的剖视图。

图5是示出对到达基板的离子和电子的数量进行测量后的结果的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明所涉及的成膜装置的实施方式进行说明。

另外，在以下说明所使用的各图中，为了将各结构要素设为可在附图上识别的程度的大小，适当使各结构要素的尺寸和比率与实际有所不同。

如图1所示，成膜装置1为DC磁控溅射方式的成膜装置，包括能够生成真空气氛的真空腔室2（腔室）。

在真空腔室2的顶板部安装有阴极单元C。

此外，在以下的说明中，将靠近真空腔室2的顶板部的位置称为“上”，将靠近真空腔室2的底部的位置称为“下”。

阴极单元C包括靶3，靶3安装于保持器5。进而，阴极单元C包括第一磁场产生部4，该第一磁场产生部4在露出靶3的溅射面（下表面）3a的空间（溅射面3a的前方）中产生隧道状的磁场。

靶3由按照在应处理的基板W（被处理体）上形成的薄膜的组成而适当选择的材料（例如Cu、Ti、Al或者Ta）构成。

使靶3的形状与应处理的基板W的形状相对应，以溅射面3a的面积大于基板W的表面面积的方式，采用公知方法制作为规定的形状（例如，在俯视中为圆形）。

另外，靶3与具有公知结构的DC电源9（溅射电源、直流电源）电连接，并被施加规定的负的电位。

第一磁场产生部4配置在与保持器5中配置有靶3（溅射面3a）的位置相反的位置（上侧、靶3或者保持器5的背面侧）。第一磁场产生部4由与靶3平行配置的轭4a以及在轭4a的下表面设置的磁铁4b、4c构成。磁铁4b、4c被配置为，使磁铁4b、4c的被配置在靠近靶3的位置的前端的极性交互不同。

磁铁4b、4c的形状或个数，从放电的稳定性或提高靶的使用效率等观点来看，按照在露出溅射面3a的空间（靶3的前方）中形成的磁场（磁场的形状或分布）来适当选择。作为磁铁4b、4c的形状，例如还可以采用薄片形状、棒状或者适当组合了这些形状之后的形状。另外，还可以在第一磁场产生部4设置移动机构，通过移动机构，第一磁场产生部4可以在靶3的背面侧往返运动或者旋转运动。

在真空腔室2的底部，以与靶3对置的方式配置有工作台10。在工作台10上搭载基板W，通过工作台10来确定基板W的位置，并保持基板W。另外，在真空腔室2的侧壁，连接有用于导入作为溅射气体的氩气的气体管11（气体导入部）的一端，气体管11的另一端经由质量流量控制器（未图示）与气体源连通。进而，在真空腔室2中，连接有通往由涡轮分子泵或回转泵等构成的真空排气部12（排气部）的排气管12a。

用于控制金属离子、氩离子以及电子的入射方向的第二磁场产生部13和第三磁场产生部18设置在真空腔室2的周围（外周、侧壁的外侧）。

第二磁场产生部13和第三磁场产生部18围绕连结靶3和基板W的中心之间的垂直轴CL而设置在真空腔室2的外侧壁。第二磁场产生部13和第三磁场产生部18在真空腔室2的上下方向上以规定的间隔隔开。

第二磁场产生部13具有在真空腔室2的外侧壁设置的环状的线圈支撑体14、通过在线圈支撑体14上匝绕导线15而构成的第二线圈16，以及向第二线圈16供给电力的电源装置17。

第三磁场产生部18具有在真空腔室2的外侧壁设置的环状的线圈支撑体19、通过在线圈支撑体19上匝绕导线20而构成的第三线圈21，以及向第三线圈21供给电力的电源装置22。

线圈的个数、导线15的直径或者导线15的匝数按照例如靶3的尺寸、靶3与基板W之间的距离、电源装置17、22的额定电流值或欲产生的磁场的强度（高斯）来适当设定。

电源装置17、22具有包括控制电路（未图示）的公知结构，该控制电路能够任意地变更向第二线圈16和第三线圈21供给的电流值以及电流方向。在本实施方式中，为了控制金属离子、氩离子以及电子的入射方向，向第二线圈16施加负的电流值以在真空腔室2内产生向下的垂直磁场。另一方面，向第三线圈21施加正的电流值以在真空腔室2内产生向上的垂直磁场。即，相对于上线圈16的电流值的极性，下线圈21的电流值的极性反转。如此，通过以使施加于第二线圈16的电流的极性与施加于第三线圈21的电流的极性相反的方式向第二线圈16和第三线圈21施加电流，从而如图3所示，磁力线的方向相对于基板W并不垂直，而是在真空腔室2内弯曲，朝向真空腔室2的侧壁。

图2和图3是示出由第二磁场产生部13和第三磁场产生部18所形成的磁力线M1、M2的图。

在图2和图3中，磁力线M1、M2用箭头示出，但该箭头是为了便于说明而示出的，并不限定磁场的方向。即，磁力线M1、M2包含从磁铁的N极朝向S极的方向以及从磁铁的S极朝向N极的方向这两者。

图2示出向各线圈16、21均施加负的电流值时的磁力线M1。通过向各线圈双方施加负的电流值，从而产生磁场使磁力线M1在靶3与基板W之间通过。

另一方面，图3示出向第二线圈16施加负的电流值、向第三线圈21施加正的电流值时的磁力线M2。

通过以使施加于第二线圈16的电流的极性相对于施加于第三线圈21的电流的极性相反的方式向各线圈16、21施加电流，从而在靶3的附近，在基板W与靶3之间产生垂直的磁力线。但是，磁力线并未以维持该磁力线的方向的方式向基板W前进，磁力线从基板W朝向真空腔室2的侧壁偏离。即，磁力线的方向从相对于基板W垂直的方向转变为从真空腔室2的中央朝向真空腔室2的侧壁的方向。

接着，参照图4对使用了上述成膜装置1的成膜方法以及根据该方法而形成的覆膜进行说明。

首先，作为欲形成覆膜的基板W，准备Si晶片。在该Si晶片的表面形成有硅氧化物膜I，在该硅氧化物膜I中，采用公知方法并通过制作图样而预先形成有布线用的微细孔H。

接着，对于通过使用成膜装置1来进行的溅射，在Si晶片上形成作为晶种层的Cu膜L的情况进行说明。

首先，使真空排气部12动作以进行减压，使真空腔室2内的压力成为规定的真空度（例如，10^-5Pa左右）。

接着，在工作台10上搭载基板W（Si晶片），与此同时，使电源装置17、22动作以向第二线圈16和第三线圈21通电，在靶3和基板W之间产生磁场。然后，当真空腔室2内的压力达到规定值以后，向真空腔室2内以规定的流量导入氩气等（溅射气体），并且通过DC电源9向靶3施加（投入功率）规定的负的电位。据此，在真空腔室2内生成等离子体气氛。

在这种情况下，通过由第一磁场产生部4产生的磁场，在露出溅射面3a的空间（前方空间）中捕捉电离的电子和因溅射产生的二次电子，从而在露出溅射面3a的内部空间中产生等离子体。

脱离了由第一磁场产生部4生成的磁场的束缚的电子和氩离子因由第三磁场产生部18形成的、从真空腔室2的中央朝向真空腔室2的侧壁的磁力线而偏离。

据此，能够使溅射粒子射入基板W，同时防止氩离子和电子射入基板W。

另一方面，等离子体中的氩离子与溅射面3a碰撞，据此溅射面3a被溅射，Cu原子或Cu离子从溅射面3a朝向基板W飞散。该Cu原子或Cu离子飞散的方向因在靶3的附近产生的垂直磁场而被改变，Cu原子或Cu离子向基板W被诱导。

此时，特别是通过适当地控制并选择向上线圈16和下线圈21施加的电流量和极性，能够通过从真空腔室2的中央朝向真空腔室2的侧壁的磁力线，防止与氩离子同样具有正电荷的Cu向基板射入。

图5示出对流入到基板W的离子和电子电流进行测量后的结果。

离子（电子）电流是将规定的探针固定在基板W的溅射粒子发生碰撞的场所来测量的。在图5中，该电流由基板离子·电子电流示出。

该离子（电子）电流值越高，越意味着离子和电子到达基板W、也就是基板W发生损伤或基板W被加热。

在图5中，测量向第二线圈16施加负的电流值并向第三线圈21施加正的电流值时（电流反向）的离子电流、向第二线圈16和第三线圈21这两者施加负的电流值时（同方向电流）的离子电流，以及不向第二线圈16和第三线圈21这两者施加电流时（无线圈）的离子电流，并相互比较了这些离子电流。

其结果是同方向电流时，与没有线圈时相比，离子电流大幅增加。

我们认为这是通过垂直磁场M1（参照图2），使得相比于没有线圈时大量电子到达基板W而产生的结果。

另一方面，在电流反向时，与同方向电流相比，离子电流减少，进而与没有线圈时相比离子电流也减少。

我们认为这是通过使第二线圈16的电流极性相对于第三线圈21的电流极性逆转，使因第三线圈21而引起的磁力线相对于因第二线圈16而引起的磁力线反转，从而积极地排除到达基板W的电子的结果。

根据以上结果，通过使第三线圈21的电流的极性相对于第二线圈16的电流的极性反转，从而能够使到达基板W的氩离子和电子减少，进而，能够防止基板W的损伤以及基板W的温度上升。

产业上的利用可能性

本发明能够广泛应用在用于在被处理体的表面形成覆膜的成膜装置中，特别是，能够应用在使用了作为薄膜形成方法中一种的溅射法的DC磁控方式的成膜装置中。

符号说明

C…阴极单元、W…基板（被处理体）、1…成膜装置、2…真空腔室、3…靶、3a…溅射面、4…第一磁场产生部、4a…轭、4b、4c…磁铁、5…保持器、9…DC电源（溅射电源）、10…工作台、11…气体管、12…真空排气部、12a…排气管、13…第二磁场产生部、14、19…线圈支撑体、15、20…导线、16、21…电源装置、18…第三磁场产生部。

Claims (3)

1.一种成膜装置，其特征在于，包括：

腔室，具有内部空间和侧壁，在所述内部空间中，以欲形成覆膜的被处理体与具有溅射面的靶相对置的方式配置有所述被处理体和所述靶这两者；

排气部，对所述腔室内进行减压；

第一磁场产生部，在露出所述溅射面的所述内部空间中产生磁场；

直流电源，向所述靶施加负的直流电压；

气体导入部，向所述腔室内导入溅射气体；

第二磁场产生部，设置在具有所述内部空间的所述腔室的外侧壁，配置在靠近所述靶的位置，产生磁场而使垂直的磁力线在与所述靶相邻的位置上通过；以及

第三磁场产生部，设置在具有所述内部空间的所述腔室的外侧壁，配置在靠近所述被处理体的位置，产生磁场以将所述垂直的磁力线从所述腔室的中央向所述腔室的所述侧壁诱导，

所述垂直的磁力线以朝向所述腔室的所述侧壁的方式偏离。

2.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于，

所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部在所述腔室的周围以规定的间隔相互隔开而设置，且为具有电源装置的线圈，

以施加于所述第二磁场产生部的电流的极性与施加于所述第三磁场产生部的电流的极性彼此相反的方式，在所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部中施加有电流。

3.根据权利要求2所述的成膜装置，其特征在于，

将由所述第二磁场产生部和所述第三磁场产生部所形成的磁力线向所述腔室诱导。

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