JP4326895B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明はスパッタリング装置に関し、特に、同じ反応容器の内部で２つまたはそれ以上のカソードが配置され、それらを用いてスパッタによる成膜を行うプラズマ支援スパッタ成膜装置であり、この装置ではターゲットからのスパッタ原子がプラズマ領域内でイオン化され、自己バイアス電圧によってウェハーの表面上に対し加速され、サブミクロンの大きさにおける孔またはトレンチを有するウェハーの表面に堆積する。

マグネトロンスパッタリング装置は、半導体産業で使用される基板またはウェハーの上に薄膜を堆積するため、広く応用されている。ウェハー、例えばシリコンウェハーの上に膜を堆積することにおいて、主要条件の１つは膜の均一性である。より高い均一性をもって膜を堆積するため、マルチカソードスパッタリング装置が発明され、用いられている。しかしながら、この装置は、パターンを有するウェハーの上、例えばミクロンの大きさの深い孔や溝を有する表面の上に膜を堆積する際、厳しい問題を持っている。この問題を図８〜図１１を参照して詳細に説明する。

図８は従来のマルチカソードスパッタリング装置の縦断面図を示し、他方、図９は所定配置の仕方で配置されたいくつかのカソードを備える上壁を内側から見た図を示す。ウェハー処理チャンバとして使用される反応容器１００は，マルチカソード１０１ａ〜１０１ｄ、ウェハーホルダ１０２、ガス導入部１０３およびガス排出部１０４から構成されている。図８において、例えば、カソードの数は４つであり、そしてこれらの４つのカソード１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃおよび１０１ｄは、傾斜状態で設けられている。各カソード１０１ａ〜１０１ｄは例えばＡｌ，Ｔｉ，Ｔａ等の金属で作られている。これらのカソードはスパッタされ、ウェハーホルダ１０２の上に搭載されたウェハー１１２上に膜を堆積させる。カソード１０１ａ〜１０１ｄは誘電体物質１０５を用いて反応容器１００から電気的に絶縁されている。一般的に、各カソードの上面には、或る特別な配置を有する複数のマグネット１０６が配置されている。さらに各カソード上に設けられたマグネット１０６は、回転機構（図示されず）によって、関連するカソード１０１の中心よりずれた軸または中心軸の周りに回転させられる。各カソード１０１はＤＣ電力源（図示されず）に接続されている。

ウェハーホルダは金属電極１０８、誘電体物質１０９、側壁１１０、およびシャフト１１１から構成されている。ウェハー１１２は図８に示されるごとく金属電極１０８の上に水平に配置されている。シャフト１１１は電気的モータ（図示されず）に連結されており、これによってウェハーホルダ１０２をその中心軸１０２ａの周りに回転させる。

１つまたはいくつかのカソード１０１ａ〜１０１ｄに電力を与えながら、他方で反応容器１００の内部圧力を適切な圧力に維持することによって、プラズマが反応容器１００の内部に作られる。カソード１０１ａ〜１０１ｄのより高い負電圧のために、プラズマ中のイオンは加速されカソードに向かいスパッタリングが行われる。これらのスパッタされた原子はその後プラズマを通って移動し、ウェハー１１２の上、およびプラズマが接触しない他の表面領域の上に堆積する。

傾斜したカソード１０１ａ〜１０１ｄの各々から水平なウェハー１１２に向かって到来するスパッタ原子の流れはウェハー１１２の表面上で径方向に均一ではない。カソード１０１ａからの仮想的なスパッタ原子の流れは、図１０で例えば矢印１１３によって示されている。ウェハーの表面上で均一な薄膜を得るため、ウェハーホルダ１０２は、前述したごとくその中心軸の周りに回転させられる。これが均一な膜という結果をもたらす。

カソードからのスパッタ原子は中性の状態にある。スパッタリングに関しては非常に低い圧力、例えば１０mTorr（１．３Ｐａ）よりも低い圧力が用いられているので、スパッタ原子はウェハー表面上に堆積する前に気相中で僅かな回数の衝突を受けることになる。たとえプラズマ中に衝突によってスパッタ原子をイオン化できるＡｒ⁺およびＡｒ^*励起状態原子があるとしても、スパッタ原子はより少ない数の気相衝突によってイオン化されることは少ないように思われる。従って、ウェハー表面上での堆積の大部分は中性原子によって起きる。

中性原子による膜堆積は当該膜が平板状の表面上に堆積する場合には有用である。しかしながら、孔または溝（トレンチ）があるとき、特にサブミクロンの大きさでそのようなものがあるとき、中性原子による膜堆積は制限を受けることになる。このことは図１０および図１１を参照して説明される。スパッタ原子はウェハーの表面に対し角度を持って到来するので、孔または溝１１５の内部に堆積する膜１１４の大部分は、図１０で概略的に示されるように、原子の流れに対面する壁の部分に起きる。このことは図１１に示すごとく孔または溝１１５の側壁上に非対称の膜堆積をもたらすという結果になる。さらに孔の直径または溝の幅がサブミクロンの大きさであってより高いアスペクト比を有する場合、膜は孔または溝１１５の底に向かってだんだんと薄くなる。何故ならば、ほんのわずかな原子のみが孔または溝１１５の底に到達するからである。このことは孔または溝の側壁上の膜を不連続にさせる原因となる。それ故に、前述したスパッタリング装置をパターンを有するウェハーに応用することは制限を受ける。

下記の特許文献１はマルチカソードスパッタウェハー処理チャンバの一例を開示している。マルチカソードスパッタウェハー処理チャンバは天井部分において傾斜された４つのカソードを有している。要求される磁気多層膜は４つのカソードの各々を適宜にスパッタすることによってウェハーホルダ上に搭載されたウェハーに膜を堆積する。
特開２００２−１６７６６１

本発明の課題は、スパッタリングによって傾斜カソードまたはターゲットで発生する中性原子を用いてウェハー表面に作られた孔または溝の内側表面に全体として均一な膜を堆積させることである。さらにウェハーがより高いアスペクト比を有するパターン化された深い孔または溝を有するときに、スパッタされた中性原子を用いることで開口部の入口から底に至るまで良好なカバレッジ（被覆率）を有する膜を堆積させることである。

本発明の目的は、傾斜したマルチカソードの各々でスパッタされた中性原子を用いることでウェハー表面のパターン化された孔または溝でより良い側壁および底部のカバレッジを形成できるスパッタリング装置を提供することにある。

本発明に係るスパッタリング装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１のスパッタリング装置は、反応容器と、前記反応容器内に設置した回転可能なウェハーホルダーと、前記反応容器内に設置した複数のカソードであって、前記ウェハーホルダーに対し、傾斜したカソードと、前記カソードに接続した第１ＲＦ発生器と、前記第１ＲＦ発生器と前記カソードとの間に直列接続させて設置した整合回路と、ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構と、前記ウェハーホルダーに組み込まれた下部電極と、を備え、前記反応容器内にプラズマを発生するように為したイオン化物理的気相成膜装置であって、前記下部電極は、非接地、非ＲＦ接続状態、および非ＤＣ接続状態を有し、前記ウェハーホルダー上のウェハーは電気的に浮遊状態にあり、前記圧力制御機構は、前記反応容器内の内部圧力を５Ｐａ（パスカル）より高い圧力に制御し、前記プラズマが前記第１ＲＦ発生器のＲＦ電力の容量的結合によって生成されるとき、選択されたカソードの上に負の自己バイアス電圧が生成し、前記カソードから放出されたスパッタ原子をイオン化し、前記負バイアス電位により加速するように為した、ことを特徴とする。

第２のスパッタリング装置は、上記の構成において、前記カソードは、前記第１ＲＦ発生器と、さらに、ＤＣ電流源とに接続されている、ことを特徴とする。

第３のスパッタリング装置は、上記の構成において、前記カソードは、Ｈｉｇｈ−ｋ誘電体材料をターゲットとして備えている、ことを特徴とする。

第４のスパッタリング装置は、上記の構成において、前記Ｈｉｇｈ−ｋ誘電体材料は、ＨｆＳｉＯＮであることを特徴とする。

本発明に係るスパッタリング装置によれば、より高いアスペクト比を有するパターン化された孔または溝を有するウェハーに、より良い側壁カバリッジおよび底部カバレッジの状態で膜を堆積することができる。

以下に、添付した図面に従って好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通して、本発明の詳細は明らかにされる。
［実施形態１］

図１から図４に従って本発明の第１の実施形態が説明される。マルチカソードスパッタ成膜反応容器１０の縦断面図が図１に示される。マルチカソードの配列の下面図は図２に示される。反応容器１０は側壁１０a、上壁１０ｂ、および底壁１０ｃによって形成され、機密構造を有している。さらに反応容器１０はターゲットとして用いられる２つまたはいくつかのカソード（例えば４つのカソード１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、ウェハーホルダ１２と、ウェハーホルダ１２の中に組み込まれた部分である下部電極１５と、反応容器１０のその他の部分からカソードと下部電極１５を電気的に絶縁するための絶縁物質１３，１４を備えている。カソードの数は好ましくは４つである。４つのカソード１１ａ〜１１ｄは反応容器１０の上壁の内面に絶縁物質１３を介して傾斜状態で固定されている。４つのカソード１１ａ〜１１ｄは上壁の円形外縁に沿って等しい間隔で配置されている。

反応容器１０の内部には、反応容器１０内に単体のガスまたは混合体のガスを導入するための複数のガス導入部１６およびガス排出部１７がある。ガス導入部１６はガス供給装置（図示されず）に接続されており、かつガス排出部１７は真空ポンプ（図示されず）に接続されている。こうして、反応容器１０は、ガス導入部１６およびガス排出部１７等を含んで成る圧力制御機構を有しており、これは内部圧力を所望の圧力に制御するためのものである。

４つのカソード１１ａ〜１１ｄは、下部電極１５に平行な、上壁１０ｂの中央部分に傾斜をつけて設けられている。カソードの直径は重要な事項ではなく、反応容器１０の他の寸法に従って選択される。例えば、もし反応容器１０が直径３００ｍｍのウェハーを処理するように設計されているならば、カソード１１ａ〜１１ｄの直径は２００〜４００ｍｍの範囲にある。

カソードの材質またはターゲットの材質は、通常、Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｎ等のごとき金属である。さらにターゲットとして半導体または誘電体の材料でさえ用いることもできる。誘電体材料によって作られたターゲットは、例えば、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，ＨｆＯＮまたはＨｆＳｉＯＮのごときhigh-k誘電体材料である。すべてのカソード１１ａ〜１１ｄは同じ材料で作られるか、または異なる材料によって作られる。

カソード１１ａ〜１１ｄの各々の外側表面の上でどのようなマグネット配列を設けてもよいし、設けなくてもよい。図１において、各カソードの外側表面上に設けられた複数の分離したマグネット１８が示されている。通常、これらのマグネット配列は、カソードにおけるずれた軸で、または中央軸で回転させられる。マグネット１８に関してはいかなる特別の配列もない。マグネット配列の構成はターゲット利用上の効率および膜の均一性を考慮することによって選択することができる。

各カソード（１１ａ〜１１ｄ）は整合回路２０を介してｒｆ発生器１９に接続されている。ｒｆ発生器１９の周波数は重要なことではなく、１０〜３００ＭＨｚの範囲である。さらに、カソード１１ａ〜１１ｄのすべては、同じ周波数でまたは異なる周波数で動作するｒｆ電流を与えてもよい。

ウェハーホルダ１２は反応容器１０の底壁の上に設けられ、最も近いカソードの下側で少なくとも５０ｍｍの距離にて配置されている。ウェハーホルダ１２はシャフト２１に固定されており、このシャフト２１は電気モータ（図示せず）を用いることによって回転するようになっている。下部電極１５は、通常、Ａｌのごとき金属で作られており、整合回路２３を経由してｒｆ発生器２２に接続されている。しかしながら、ｒｆ発生器２２から下部電極１５へのｒｆ電力の応用はこの発明の目的にとって本質的なことではない。もしｒｆ電流が下部電極１５に与えられるならば、ｒｆ電流の周波数は重要な事項ではなく、１００ＫＨｚ〜５０ＭＨｚの範囲にある。膜が堆積されるウェハー２４は下部電極１５の上に搭載されている。

次に上記のマルチカソードスパッタ成膜装置の作用が説明される。第１に、プロセスガス、通常ではＡｒが、ガス導入部１６を通じて反応容器１０の中に供給される。反応容器１０の内部の圧力は５Ｐａ（パスカル）よりもより高く維持される。反応容器１０において、プラズマは、１つの選択されたカソードまたはいくつかの選択されたカソードにｒｆ電流を与えることによって生成される。ｒｆ電流は、通常、スパッタされるべき必要のある選択されたカソードに与えられる。従って、もし２つの異なる材質が同時にスパッタされることが必要であるならば、ｒｆ電流は同時に両方のカソードに与えられる。

プラズマがｒｆ電力の容量的結合によって生成されるとき、選択されたカソードの上に負の自己バイアス電圧が生成される。適用されたｒｆ電力に依存してｒｆ電流の周波数および圧力自己バイアス電圧の値は変化する。この負の自己バイアス電圧はカソード（１１ａ〜１１ｄ）の表面の上にＤＣ電界を生成し、このＤＣ電界はプラズマにおけるイオン、例えばＡｒ⁺イオンを加速する。カソード表面における高エネルギイオンの衝突はカソード材料をスパッタリングし、そのスパッタ物をプラズマ中にもたらす原因となる。

カソードから放出されるスパッタ原子は中性の状態にある。採用されたより高い圧力のために、これらのスパッタ原子はウェハー２４の上または反応容器１０の内部の他の表面に堆積する前に非常に多くの衝突を受けることになる。Ａｒ⁺イオンおよびＡｒ^*励起状態との衝突はスパッタ原子のイオン化という結果をもたらす。従ってスパッタ原子の一部は気相中でイオン化する。スパッタ原子のイオン化された部分は、カソード（１１ａ〜１１ｄ）とウェハー２４の間の距離、圧力、そして反応容器１０内のプラズマ密度に依存している。

もし下部電極１５にｒｆ電流が与えられるのであるならば、負の自己バイアス電圧はウェハー２４の表面に生成される。この負の自己バイアス電圧はイオン化されたスパッタ原子をウェハーの表面に加速するＤＣ電界を発生する。

下部電極１５がｒｆ電流を与えられずかつ同様にまた接地に接続されていないならば、ウェハー２４は電気的に浮遊の状態にある。この状態において、ウェハーの電圧は浮遊電圧（Ｖｆ）として与えられる。この浮遊電圧（Ｖｆ）は常にプラズマの電圧（Ｖｐ）よりも低い。それ故にＶｐ−Ｖｆによって定義される電圧差（電界）が存在する。この電圧差はウェハー２４に向かって電界を発生する。この電界はプラズマ中のイオン化されたスパッタ原子をウェハーの表面に向かって加速する。それ故にイオン化されたスパッタ原子はほとんどウェハーの表面に垂直に到達する。

前述した現象は概略的に図３において示される。図３で、ウェハー２４の表面の近くの点線２５はカソード１１ａからの原子またはイオンの流れ（flux）の半径方向の輪郭形状を示し、領域２６はプラズマを示す。さらに上記の電界（Ｅ）は電圧差（Ｖｐ−Ｖｆ）に基づいて矢印で示されるごとくウェハー２４の表面に向かって生成される。プラズマ２６において、カソード１１ａから放出されたスパッタ原子は通路２７によって示されるごとく移動する。スパッタ原子の移動進路２７に従ってイオン化されたスパッタ原子はウェハー表面に加速され、ほとんどウェハーの表面に垂直に到達する。こうして当該作用は図４に示されるごとくウェハー２４における孔や溝２９において均一な側壁カバレッジおよびより良好なボトムカバレッジという結果をもたらす。

しかしながら、イオン化された原子または中性の原子の流れはウェハー表面において均一ではない。それは図３の線２５によって示されるごとく高度に非対称的なパターンである。線１５はカソード１１ａに関しての原子またはイオン化された原子の流れの密度を表している。しかしながら、図１に示されるごとくウェハー２４はその中心軸２４ａの周りに回転されているので、結果として得られる膜は良好な均一性を示す。

次に、上述したｒｆ発生器１９の代わりに、カソード１１ａ〜１１ｄにＤＣ電圧を供給するためのＤＣ電源を用いることもできる。カソードにＤＣ電圧を与える目的はカソードの負の電圧を増大させることによってカソードまたはターゲットのスパッタ速度を増加させることである。加えて、ｒｆ発生器またはＤＣ電源の使用はカソードの材料に依存して決定されてもよい。

第１の実施形態によれば、その効果は、ウェハー表面における孔または溝におけるより良い側壁カバレッジおよび底カバレッジを与えることである。
［実施形態２］

図５および図６に従って本発明の第２の実施形態が説明される。第２の実施形態において、図５および図６は、それぞれ、図１および図２に対応する。第１実施形態のマルチカソードスパッタ成膜装置に比較して、第２実施形態の装置では、下部電極１５に平行な中央カソード１１ｅが追加されている。中央電極１１ｅは、前述した傾斜カソード１１ａ〜１１ｄと実質的に同じ構造を有しており、同じ機能を有している。中央カソードの直径または大きさは傾斜カソードのそれと同じである必要は必ずしもない。中央カソードとこれに関連する構成に関する上記付加を除いて、他のハードウェアのすべては第１実施形態で説明されたものと同じである。それ故に、図５および図６において、第１実施形態で説明された要素と実質的に同じ要素は同じ参照番号が付されている。第２実施形態において得られる動作の方法および利点は、同様にまた、第１実施形態で説明されたものと同じである。
［実施形態３］

図７に従って本発明の第３実施形態が説明される。図７は、第２実施形態の図５に対応している。ここにおいて唯一の違いは、第２実施形態と比較すると、各カソード１１ａ〜１１ｅがｒｆ電力供給部に加えてＤＣ電力供給部３１に接続されていることである。それ故に、動作の間、１つまたはすべてのカソードにｒｆ電力に加えてＤＣ電力が与えられる。カソードへの付加的なＤＣ電力の応用は、その負の電圧の増加をもたらす。これはカソード１１ａ〜１１ｅのスパッタ速度を増加させる。ＤＣ電源３１を上記のごとく追加すること以外、すべてのハードウェアは、第１または第２の実施形態で説明されたものと同じである。それ故に、図７において、第１または第２の実施形態で説明された要素と実質的に同一な要素には同じ参照番号が付されている。得られる動作の方法および利点は同様にまた第１または第２の実施形態において述べられたそれらと同じである。

本発明はＰＶＤスパッタリング装置において傾斜されたマルチカソードの各々においてスパッタされた中性原子を用いることでウェハーの表面でのパターン化された深い孔または溝の側壁および底部のより良いカバレッジを形成するのに利用される。

この図は、本発明の第１実施形態の装置の縦断面図である。 この図は、図１で示された反応容器におけるカソード配列を示す下面図である。 この図は、カソードからウェハー表面へのスパッタされた原子の進路を示す説明図である。 この図は、ウェハー表面での孔または溝における仮想的な側部および底部のカバレッジを示す縦断面図である。 この図は、本発明の第２実施形態の装置の縦断面図である。 この図は、図５で示した反応容器でのカソード配列の底面図である。 この図は、本発明の第３実施形態の装置の縦断面図である。 この図は、従来装置の縦断面図である。 この図は、図８に示した反応容器でのカソード配列の底面図である。 この図は、スパッタ原子の流れの方向を示す説明図である。 この図は、図８で示された反応容器を用いた薄膜成膜の後の孔または溝の縦断面図である。

符号の説明

１０ 反応容器
１１ａ〜１１ｅ カソード
１２ ウェハーホルダ
１５ 下部電極
１８ マグネット
１９ ｒｆ発生器

Claims (4)

1. 反応容器と、
   前記反応容器内に設置した回転可能なウェハーホルダーと、
   前記反応容器内に設置した複数のカソードであって、前記ウェハーホルダーに対し、傾斜したカソードと、
   前記カソードに接続した第１ＲＦ発生器と、
   前記第１ＲＦ発生器と前記カソードとの間に直列接続させて設置した整合回路と、
   ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構と、
   前記ウェハーホルダーに組み込まれた下部電極と、
   を備え、前記反応容器内にプラズマを発生するように為したイオン化物理的気相成膜装置であって、
   前記下部電極は、非接地、非ＲＦ接続状態、および非ＤＣ接続状態を有し、前記下部電極上のウェハーは電気的に浮遊状態にあり、前記圧力制御機構は、前記反応容器内の内部圧力を５Ｐａ（パスカル）より高い圧力に制御し、前記プラズマが前記第１ＲＦ発生器のＲＦ電力の容量的結合によって生成されるとき、選択されたカソードの上に負の自己バイアス電圧が生成し、前記カソードから放出されたスパッタ原子をイオン化し、前記負バイアス電位により加速するように為した、ことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記カソードは、前記第１ＲＦ発生器と、さらに、ＤＣ電流源とに接続されている、ことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記カソードは、Ｈｉｇｈ−ｋ誘電体材料をターゲットとして備えている、ことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 前記Ｈｉｇｈ−ｋ誘電体材料は、ＨｆＳｉＯＮであることを特徴とする請求項３に記載のスパッタリング装置。

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