TW201009105A - Sputtering apparatus and sputtering method - Google Patents

Description

201009105 六、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，係有關於用以對應處理之基板表面進行成膜 的濺鍍裝置以及濺鍍方法，特別是，係有關於DC磁控管 方式者。 【先前技術】 φ 此種之DC磁控管方式的濺鍍裝置，例如係在半導體 裝置之製作中的成膜工程中被作使用，在此種用途之濺鍍 裝置中，伴隨於近年之配線圖案的細微化，係要求有：對 於高縱橫比之細微孔，而能夠涵蓋應處理之基板全面地來 以良好被覆性而作成膜，亦即是，係強烈地被要求有覆蓋 率（coverage )的提升。 一般而言，在上述之濺鍍裝置中，例如係在標靶之後 方（與濺鍍面相背向之側）處，而交互改變極性地配置設 # 置有複數之磁石的磁石組裝體，並藉由此磁石組裝體，而 在標靶之前方（濺鍍面側）來產生通道狀之磁場，而將在 標靶之前方所電離之電子以及經由濺鍍所產生之二次電子 作捕捉，藉由此，來將標靶前方處之電子密度提高，並提 升電漿密度。 在此種濺鍍裝置中，於標靶中之受到有上述磁場之影 響的區域處，標靶係優先地被濺鍍。因此，若是從放電之 安定性或是標靶之使用效率的提升等之觀點上，而使上述 區域位在標靶中央附近’則濺鍍時之標靶的侵蝕量，係在 -5- 201009105 該中央附近而變多。於此種情況，在基板之外.周部處，從 標靶而被濺鍍之標靶材粒子（例如，金屬粒子，以下，稱 爲「濺鍍粒子」），係成爲以傾斜的角度而入射並附著。 其結果，在使用於上述用途之成膜中的情況時，特別是在 基板之外周部處，會產生覆蓋率之非對稱性的問題，此 事，係從先前起便已被週知。 爲了解決此種問題’例如*藉由專利文獻1 5係週知 有以下之濺鍍裝置：在真空處理室內的被載置有基板之平 _ 台的上方，配置有與平台之表面略平行的第1濺鍍標靶， 同時，在平台之斜上方處，配置有相對於平台表面而爲傾 斜之第2濺鍍標靶，亦即是，係提案有一種具備複數之陰 極單元的濺鍍裝置。 然而，若是如同上述專利文獻1所記載一般而將複數 之陰極單元配置在真空處理室內，則裝置構成係成爲複 雜，又，係成爲需要對應於標靶之數量的濺鍍電源或是磁 石組裝體等，而會有由於構件數量之增加而導致成本提升 ο 的問題。進而，對於標靶全體，其使用效率亦變差，因 此，亦會有導致製品製作之成本提升的問題。 [專利文獻1]日本特開20 08-4 7661號公報 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 本發明，係有鑑於以上之點，而以提供一種：成爲能 夠涵蓋基板全面而對於高縱橫比之各細微孔來以良好被覆 -6 - 201009105 性而成膜，且裝置構成係爲簡單且低成本之濺鍍裝置以及 濺鍍方法爲課題。 [用以解決課題之手段] 爲了解決上述課題，本發明，係爲一種用以在設置於 真空處理室內之基板的表面上成膜之濺鍍裝置，並爲具備 有：被與前述基板作對向配置之標靶；和在前述標靶之濺 Φ 鍍面前方而使磁場產生之磁石組裝體；和將濺鍍氣體導入 至前述真空處理室中之氣體導入手段；和對前述標靶施加 負的電位之濺鍍電源者，其特徵爲：該濺鍍裝置，係具備 有：磁場產生手段，其係以涵蓋前述標靶之濺鍍面以及基 板之全面而以特定之間隔來通過有垂直之磁力線的方式， 而產生垂直磁場。 若藉由本發明，則由於係以涵蓋標靶以及基板之全面 而以特定之間隔來通過有垂直之磁力線的方式而產生有垂 直磁場，因此，由於藉由濺鍍而從標靶之濺鎪面所飛散之 濺鍍粒子係具備有正電荷，故而藉由上述垂直磁場，該濺 鍍粒子之方向係被改變，並成爲對於基板而略垂質地入射 並附著。其結果，若是在半導體裝置之製作中的成膜工程 處而使用本發明之濺鍍裝置，則就算是對於高縱橫比之細 微孔，亦能夠涵蓋基板全面而以良好的被覆性來成膜。亦 即是，覆蓋率之非對稱性的問題係被解除，而面內均一性 係提升。 如此這般，在本發明中，由於對於標靶之優先被濺鍍 -7- 201009105 的區域作決定之磁石組裝體，係維持原樣而並未改變，因 此，並不會使標靶之利用效率降低，並且，由於係並非爲 如同上述先前技術一般而在濺鍍裝置本身中設置複數之陰 極單元者，因此，係能夠將裝置之製作成本或是運轉成本 降低。 在本發明中，若是採用以下之構成，亦即是：前述磁 ~ 場產生手段，係具備有：在將前述標靶與基板作連結之基 準軸的周圍，且在前述基準軸之長度方向上，空出有特定 n 之間隔地設置的至少2個的線圈；和能夠對於各線圈而進 行通電之電源裝置，則相較於像是爲了安裝複數之陰極單 元而對裝置構成作變更的情況，其構成係極爲簡單，又，

只要對於線圈相互間之距離、各線圏之捲繞數、對於線圈 之電流的方向以及電流値等，作適宜的變化，則係能夠對 於以涵蓋標靶之濺鍍面以及基板之全面而以特定之間隔來 通過有垂直之磁力線的方式，而以特定之磁場強度來產生 垂直磁場一事，加以實現。 Q 又，爲了解決上述課題，本發明，係爲一種用以在應 處理之基板的表面上進行成膜之濺鍍方法，其特徵爲：在 將前述基板以及標靶作了對向配置之真空處理室內，以涵 ^ 蓋標靶之濺鍍面以及基板全面而以特定之間隔來使垂直之 磁力線通過的方式，而產生垂直磁場，將濺鍍氣體導入至 前述真空處理室內，並在於前述標靶之濺鍍面前方而產生 有磁場的狀態下，來對前述標靶施加負的直流電位，而形 成電漿氛圍，藉由對前述標靶作濺鍍，而使濺鍍粒子附 -8- 201009105 著•堆積在前述基板之表面上並進行成膜。 在本發明中，爲了不使標靶材粒子由於垂直磁場之影 響而失活，並有效率地涵蓋基板全面地以均一之膜厚來成 膜，係以在從濺鍍面而朝向基板前進之方向上來使前述垂 直磁場產生爲理想。 【實施方式】 φ 以下，參考圖面，針對本發明之實施形態的濺鍍裝置 作說明。如圖1中所示一般，濺鍍裝置1，係爲DC磁控 管濺鍍方式者，並具備有可形成真空氛圍之真空處理室 2。於真空處理室2之頂面部，係被安裝有陰極單元C。 另外，於以下，係將真空處理室2之頂面部側設爲 「上」，並將其之底部側設爲「下」，來進行說明。 陰極單元C，係具備有：標靶3、和在標靶3之濺鍍 面（下面）3a前方而產生通道狀之磁場的磁石組裝體4。 φ 標靶3，係由因應於欲在應處理之基板W上所形成的薄膜 之組成而被作適宜選擇的材料所製，例如係爲Cu、Ti或 Ta製，並對應於應處理之基板W的形狀，而以使濺鍍面 3a之面積成爲較基板W之表面積爲更大的方式，來藉由 週知之方法而被製作爲特定之形狀（例如，俯視呈圓 形）。又，標靶3，係被電性連接於具備有週知構造的 DC電源（濺銨電源）5處，並成爲被施加有特定之負的 電位。 磁石組裝體4，係被配置在與濺鍍面3a相背向之側 -9 - 201009105 (上側），並由與標靶3相平行地被配置之圓板狀的軛 4a、和在軛4a之下面而將標靶3側之極性交互作變更地 作同心狀配置之環狀的磁石4b、4c所構成。另外，磁石 4b、4c之形狀或個數，係因應於從放電之安定性或是標 靶之使用效率的觀點來看而欲在標靶3之前方所欲形成的 磁場來適宜地作選擇，例如，係可使用薄片狀或棒狀者， ' 亦可使用將此些作了適宜組合者，又，亦可構成爲使磁石 組裝體4在標靶3之背面側作往返運動或是旋轉運動。 ^ 在真空處理室2之底部處，係與標靶3相對向地而被 配置有平台6，並成爲能夠將基板W作定位並保持。又， 在真空處理室2之側壁處，係被連接有將氬氣等之濺鍍氣 體作導入的氣體管7，而該氣體管之另外一端，係經由省 略圖示之質量流控制器而與氣體源相通連。進而，在真空 處理室2處，係透過由渦輪分子幫浦或是旋轉幫浦等所成 之真空排氣手段8而被連接有排氣管8a。 於此，若是於維持在上述型態之濺鍍裝置中（相當於 @ 先前技術例），對標靶3作濺鍍，則在受到藉由磁石組裝 體4所產生之磁場的影響之區域處的標靶3,係優先被作 濺鍍，而身爲標靶材粒子之濺鍍粒子係飛散。因此，上述 區域，若是例如存在於標靶之中心與最外週之間的中間附 近，則濺鍍時之標靶3的侵蝕量Te，係在該中間附近處 而變多（參考圖2)。於此種情況，在基板W之外週部 處，濺鍍粒子係成爲以傾斜了的角度而入射•附著。 於此種情況，應進行成膜處理之基板W，係爲在Si -10- 201009105 晶圓表面上形成了矽氧化物膜（絕緣膜）I之後，再於此 矽氧化物膜中將高縱橫比之細微孔Η作圖案化並形成 者，而當在此基板W上成膜由Cu所成之種晶層或是由Ti 或Ta所成之阻障金屬層等的薄膜L時，於基板W之外週 處係會產生有覆蓋率（coverage)之非對稱性的問題（參 考圖2)。 因此，在本實施型態中，係設置有：以涵蓋標靶3之 φ 濺鍍面3a以及基板W全面地來使垂直之磁力線Μ以等間 隔來通過的方式，而產生垂直磁場之磁場產生手段。磁場 產生手段，係具備有：上線圈llu以及下線圈lid、和使 對於各線圈llu、lid之通電成爲可能的電源裝置12(參 考圖1以及圖3(a))，該上線圈llu以及下線圈lid， 係爲在位於將標靶3以及基板W之中心間作連結的基準 軸CL之周圍處且在上下方向處空出有特定之間隔地而設 置在真空處理室2之外側壁處的環狀之2個的轭9處，分 ❹ 別捲繞導線1 〇所形成者。 於此，線圈之個數、導線10之直徑或捲繞數，例如 係因應於標靶3之尺寸、標靶3與基板W間之距離、電 源裝置12之額定電流値、或是欲產生之磁場的強度（高 斯），而被適宜作設定（例如，直徑14mm，捲繞數 10)。又，當如同本實施型態一般而藉由2個的上下之線 圈llu、lid來產生垂直磁場的情況時，爲了使成膜時之 在基板面內的膜厚分佈成爲略均一（使濺鍍速率在基板W 之直徑方向上成爲略均一），較理想，係將上線圈llu之 -11 - 201009105 下端與標靶3之間的距離以及下線圈lid之上端與基板W 間之距離D1、D2，以使其成爲較基準軸之直到中點Cp 爲止的距離D3更短的方式，來設定各線圈llu、lid之 上下方向的位置。於此情況，上線圈l〇u之下端與標靶3 之間的距離、以及下線圈lid之上端與基板W間之距 離，係並不一定需要爲一致，依存於裝置之構成，亦可設 爲將上下之各線圈llu、lid設置在標靶3以及基板W之 背面側。 電源裝置12，係爲具備有能夠將對於上下之各線圈 1 lu、1 Id的電流値以及電流方向作任意改變的控制電路 (未圖示）之週知構造者。於此情況，當對線圈llu、 lid通電並使垂直磁場產生時，係以使磁場強度成爲100 高斯以下的方式，來對通電電流（例如，15A以下）作設 定。若是超過1〇〇高斯，則濺鍍粒子係失活，而無法進行 -良好的成膜。又，爲了使濺鍍粒子不會因爲垂直磁場之影 響而失活，並有效率地涵蓋基板全面而以均一之膜厚來成 膜，係以產生朝向下方之垂直磁場的方式，來對在各線圈 1 1 u、1 1 d中所流動之電流的方向作控制。另外，雖係針 對爲了將對於上下之各線圈llu、lid的電流値以及電流 方向作任意改變而設置有另外的電源裝置12者來作了說 明，但是，在像是以相同之電流値以及電流方向來對於各 線圏llu、lid作通電一般的情況時，係亦可構成爲藉由 1個的電源裝置來作通電。 藉由如同上述一般地而構成濺鍍裝置1，在對標靶3 201009105 作了濺鍍的情況時，若是從標靶3所分散了的濺鍍粒子係 具備有正電荷，則藉由從標靶3而朝向基板W之垂直磁 場，濺鍍粒子之方向係被改變，在基板W全面上，濺鍍 粒子係成爲對於基板W而以略垂直來入射並附著。其結 果，若是在半導體裝置之製作中的成膜工程處，使用本實 施型態之濺鍍裝置1，則就算是對於高縱橫比之細微孔 Η，亦能夠涵蓋基板W全面地以良好被覆性來成膜特定之 φ 薄膜L (亦即是，覆蓋率之非對稱性的問題係被解決，而 面內均一性係提升（參考圖3))。 如此這般，在本實施型態之濺鍍裝置1中，對於標靶 3之優先被作濺鍍的區域作決定之磁石組裝體4係維持原 狀而並未改變，並設爲藉由磁場產生手段之各線圈llu、 lid來使濺鍍粒子之方向作改變，藉由此，標靶3之利用 效率係不會降低，並且，並非爲如同上述先前技術一般之 使用有複數之陰極單元者，因此，能夠使裝置之製作成本 « 或是運轉成本降低。又，由於係僅設置有上下之線圈 llu、lid，因此，相較於爲了使用複數之陰極單元而對裝 置構成作變更一般之情況，其構成係極爲簡單，而能夠對 既存之裝置作改造而製作之。 另外，在本實施型態之濺鍍裝置1中，爲了將覆蓋率 之面內均一性更進一步的提升，亦可在真空處理室2內， 以將標靶與平台6之間的空間作包圍的方式，來設置陽極 電極21與接地電極22、23。而，在成膜時，在位置於標 靶3側之陽極電極21處，係施加正的電壓，並將位置於 -13- 201009105 平台6側且相互被分割之接地電極22、23，連接於接地 電位。藉由此，經由陽極電極21而飛行方向被作了彎折 的濺鍍粒子之軌道係被修正，並能構成爲對於基板W表 面而更爲垂質地入射。於此情況，亦可設爲在平台6處連 接偏壓電源24。 接著，針對使用有上述濺鍍裝置1之成膜，以下述例 子來作說明：作爲被成膜之基板W，而使用在Si晶圓表 面上形成了矽氧化物膜I後，再藉由週知之方法來在此矽 氧化物膜中對於配線用之細微孔Η進行圖案化而作了形 成者，並對於該基板，藉由濺鍍來成膜相當於種晶膜之 Cu 膜 L。 首先，在將基板W載置於平台6上後，使真空排氣 手段動作並將真空處理室2內真空抽取爲特定之真空度 (例如，l(T5Pa)。與此同時地，使電源裝置12動作並 對上線圈llu以及下線圈lid通電，而以涵蓋標靶3以及 基板W全面地來以等間隔而使垂直之磁力線Μ通過的方 式，來以特定之磁場強度而產生垂直磁場。而後，若是真 空處理室2內之壓力到達了特定値，則一面將氬氣（濺鍍 氣體）以特定之流量來導入至真空處理室2內，一面藉由 DC電源5來對標靶3施加特定之負的電位（電力投 入）’而在真空處理室2內形成電漿氛圍。於此情況，藉 由從磁石組裝體4而來之磁場，在濺鍍面3a前方所電離 了的電子以及經由濺鍍所產生之二次電子，係被捕捉，在 濺鍍面3a前方之電漿係成爲高密度。 -14- 201009105 電漿中之氬離子係與濺鍍面3a衝突，而濺鍍面3a係 被作濺鍍，Cu原子或Cu離子，係從濺鍍面3a而朝向基 板W飛散。此時，特別是具備有正電荷之Cu，係藉由垂 直磁場而使方向被改變，在基板W全面，濺鍍粒子係成 爲對於基板W而以略垂直來入射並附著，並涵蓋基板W 全面地而對於細微孔Η來以良好被覆性而成膜。 另外，在本實施型態中，雖係針對使上線圈llu以及 φ 下線圈lid通電並使垂直磁場產生者作了說明，但是，只 要是能夠以涵蓋標靶3以及基板W全面地而使垂直之磁 力線Μ以等間隔來通過的方式而使垂直磁場產生者，則 並不對於其之型態作限定，亦可設爲將週知之燒結磁石在 真空處理室之內外適宜作配置並形成垂直磁場的構成。 [實施例1] 在實施例1中，使用圖1中所示之濺鍍裝置（並不使 Ο 用陽極電極21與接地電極22、23)，而成膜了 Cu膜。 作爲基板W，係使用：涵蓋φ 300mm之Si晶圓表面全體 而形成了矽氧化物膜，而後，在此矽氧化物膜中，藉由週 知的方法而對於細微孔（寬幅40nm，深度140nm)進行 圖案化並作了形成者。又，作爲標靶，係使用有Cu之組 成比爲99%並將濺鍍面之直徑製作爲Φ 400mm者。將標靶 與基板間之距離設定爲400mm，同時，將上線圈10u之 下端與標靶3之間的距離、以及下線圈lid之上端與基板 W之間的距離，分別設定爲50mm。 -15- 201009105 進而’作爲成膜條件，使用Ar作爲濺鍍氣體，並設 爲以15sCcm之流量來作導入。又，將對於標靶之投入電 力設置爲18KW (電流30A)，同時，將對於各線圈之電 流値設定爲-15A(產生朝下之垂直磁場）。而後，將濺鏟 時間設定爲10秒，而進行了 Cu膜之成膜。 在依據上述實施例1而進行了 Cu膜之成膜後，由在 基板之中央部與外週部處之膜厚，來對濺鍍速率作測定， 其結果，兩者之差，係爲約lnm/S，而能夠確認到：在基 H 板面內之膜厚分佈的均一性係變高。又，在對於基板之中 央部以及外週部處的細微孔之覆蓋率分別藉由SEM照片 而作了確認後，能夠確認到：涵蓋細微孔之內面全體，而 分別被形成有高緻密性之C u膜。 【圖式簡單說明】 [圖1]本發明之實施形態所致之濺鍍裝置的模式性剖 面圖 Θ [圖2]對於使用先前技術之濺鍍裝置而作了成膜時之 狀態作模式性說明的圖。 [圖3]對於使用本實施型態之濺鎪裝置而作了成膜時 之狀態作模式性說明的圖。 【主要元件符號說明】 1 : DC磁控管濺鍍裝置 2 :真空處理室 -16- 201009105 :標靶 a :濺鏟面 4 ： 磁石組裝體 5 ： DC電源（濺鍍電源） 7 : 氣體管（氣體導入手段） 111 1:上線圏（磁場產生手段） lid:下線圈（磁場產生手段） ❹ 12 :電源裝置（磁場產生手段） C : 陰極單元 Μ ： 磁通量 W : :基板 參 -17-

Claims (1)

1. 201009105 七、申請專利範面 1. 一種濺鍍裝置，係爲用以在設置於真空處理室內 之基板的表面上成膜之濺鍍裝置，並爲具備有：被與前述 基板作對向配置之標靶；和在前述標靶之濺鍍面前方而使 磁場產生之磁石組裝體；和將濺鍍氣體導入至前述真空處 理室中之氣體導入手段；和對前述標靶施加負的電位之濺 鍍電源者， 其特徵爲：該濺鍍裝置，係具備有： @ 磁場產生手段，其係以涵蓋前述標靶之濺鍍面以及基 板之全面而以特定之間隔來使垂直之磁力線通過的方式， 而產生垂直磁場。 2. 如申請專利範圍第1項所記載之濺鍍裝置，其 中，前述磁場產生手段，係具備有： 在將前述標靶與基板作連結之基準軸的周圍，且在前 述基準軸之長度方向上，空出有特定之間隔地設置的至少 2個的線圈；和 . 能夠對於各線圈而進行通電之電源裝置。 3. —種濺鍍方法，係爲用以在應處理之基板的表面 上進行成膜之濺鍍方法，其特徵爲： 在將前述基板以及標靶作了對向配置之真空處理室 內，以涵蓋標靶之濺鍍面以及基板全面而以特定之間隔來 使垂直之磁力線通過的方式，而產生垂直磁場， 將濺鍍氣體導入至前述真空處理室內，並在於前述標 靶之濺鍍面前方而產生有磁場的狀態下，來對前述標靶施 -18- 201009105 加負的直流電位，而形成電漿氛圍， 藉由對前述標靶作濺鍍而使濺鍍粒子附著•堆積在前 述基板之表面上並進行成膜。 4.如申請專利範圍第3項所記載之濺鍍方法，其 中，使前述垂直磁場在從濺鍍面而朝向基板之方向上來產 生。

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