溅射装置及溅射方法
阅读：326发布：2020-05-12
专利汇可以提供溅射装置及溅射方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种建设装置，该装置结构简单，成本低廉，在该溅射装置中，可以对具有大高径比的微孔上以良好的 覆盖 特性成膜。该溅射装置具有设置在 真空 室2内的一靶3和衬底W，该靶与该衬底相对设置；在所述靶的溅射面3a前方产生隧道状 磁场 的磁 铁 组件4、将溅射气体导入于所述真空室内的气体导入装置7，以及对所述靶施加负的电位的溅射电源5。还具备有用以产生一垂直磁场的磁场产生装置11u，11d，该磁场的 磁 力 线 M垂直的通过所述靶的溅射面及整个衬底的表面，且磁力线之间有规定的间距。，下面是溅射装置及溅射方法专利的具体信息内容。
1.一种溅射装置，用于对设置于真空室内的衬底的表面成膜，该装置包括：与所述衬底相对设置的靶，在所述靶的溅射面前方产生磁场的磁铁组件，将溅射气体导入所述真空室内的气体导入装置，以及对所述靶施加负电位的溅射电源，其特征在于：还具有用以产生一垂直磁场的磁场产生装置，该磁场的磁力线垂直通过所述靶的溅射面及整个衬底的表面，且磁力线之间有规定的间距。
2.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于：所述磁场产生装置还包括：设置在连接所述靶和衬底的基准轴的周围，且在所述基准轴的长度方向上保持规定的间隔的至少两个线圈；以及给各线圈通电的电源装置。
3.一种溅射方法，用于在待处理的衬底的表面成膜，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在相对设置有所述衬底及靶的真空室内，产生磁力线间有规定间距且磁力线垂直的垂直地通过靶的溅射面及整个衬底的表面的垂直磁场；
通过将溅射气体导入于所述真空室内，在所述靶的溅射面前方产生了磁场的状态下对所述靶施加负的直流电位，从而形成等离子体气氛；以及
通过使所述靶溅射，从而使溅射粒子在所述衬底表面附着、沉积而成膜。
4.根据权利要求3所述的溅射方法，其特征在于：在从溅射面向衬底的朝向上产生所述垂直磁场。
溅射装置及溅射方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于在待处理的衬底的表面成膜的溅射装置及溅射方法；本发明特别涉及一种DC磁控方式的溅射装置及溅射方法。
背景技术
[0002] 这种DC磁控方式的溅射装置，例如在半导体设备的制作中的成膜工序中使用。随着近年来配线图案的细微化，对于这种用途的溅射装置强烈要求提高覆盖度，即要求针对具有大纵横比(aspect ratio)的细微空穴(via holes)，能够在待处理衬底的整个表面上覆盖性良好地成膜。
[0003] 一般而言，对于上述溅射装置，在例如靶的后方(背向溅射面的一侧)，配置有包括以交替改变极性的方式而设置多个磁铁的磁铁组件；通过该磁铁组件在靶的前方(溅射面侧)产生隧道状的磁场，在靶的前方捕捉电离的电子及因溅射而产生的二次电子，从而提高靶前方的电子密度并提高等离子体密度。
[0004] 对于这样的溅射装置，在靶中的受到上述磁场影响的区域优先溅射。由此，如果从放电稳定性、提高靶的使用效率等方面考虑，上述区域处于例如靶中央区域附近，那么溅射时的靶的侵蚀量在该中央区域附近变大。在这种情况下，从靶溅射的靶材粒子(例如金属粒子，以下称为“溅射粒子”)便以倾斜的角度入射并附着在衬底的外周部。其结果是，在用上述靶成膜的情况下，已知具有如下问题：即在衬底的外周部位的覆盖度呈非对称性。
[0005] 为了解决这种问题，例如专利文献1公开了一种具有多个阴极单元的溅射装置。在该溅射装置的真空室内，载物台载置有衬底的，在该载物台下方与载物台的表面大致平行地配置有第1溅射靶，并且在载物台的斜上方相对于载物台表面倾斜地配置有第2溅射靶。
[0006] 但是，如上述专利文献1记载的那样，如果在真空室内配置多个阴极单元，那么装置的结构就会变复杂。另外，还需要与靶的数量相应的的溅射电源、磁铁组件等，这也会造成部件数量增加，成本增高。进一步地，由于靶整体的使用效率降低，还会导致制品的制作成本高。
[0007] 专利文献1：日本特开2008-47661号公报
发明内容
[0008] 发明要解决的问题
[0009] 鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种结构简单且低成本的溅射装置及溅射方法，所述溅射装置及溅射方法可在整个衬底表面的具有大纵横比的各细微空穴上覆盖性良好地成膜。
[0010] 解决问题的技术方案
[0011] 为了解决上述问题，本发明提供了一种溅射装置，用于在一置于真空室内的衬底的表面上成膜，该装置具有：与前述衬底相对设置的靶、在前述靶的溅射面前方产生磁场的磁铁组件、将溅射气体导入前述真空室内的气体导入装置、对前述靶施加负电位的溅射电源；所述溅射装置的特征在于还具有：用以产生一垂直磁场的磁场产生装置，该磁场的磁力线垂直通过所述靶的溅射面及整个衬底的表面，且磁力线之间有规定的间距。
[0012] 根据本发明，由于产生垂直磁场的磁力线相距规定的间距并垂直的垂直地通过靶及整个衬底的表面，并且由于通过溅射而从靶的溅射面飞散的溅射粒子具有正电荷，因而在上述垂直磁场作用下溅射粒子的方向被改变，其会趋向于大致垂直地入射至衬底并附着于其上。这样的结果是：如果在半导体设备的制作中的成膜工序中使用本发明的溅射装置，那么即使针对大的纵横比的细微空穴而言，也可在整个衬底表面覆盖性良好地成膜。即，覆盖度的非对称性问题得到解决，面内均匀性得到提高。
[0013] 基于本发明，由于决定靶的优先溅射区的磁铁组件没有改变，因此靶的利用效率不会降低，而且，由于不像上述现有技术那样在溅射装置本身中设置有多个阴极单元，因此装置的制作成本和运行成本也会降低。
[0014] 在本发明中优选的是，所述磁场产生装置具有：在连接前述靶和衬底的基准轴的周围、且在前述基准轴的长度方向上保持规定的间隔而设置的至少两个线圈，以及可对各线圈通电的电源装置。对于这种设置，与因安装多个阴极单元而使装置结构改变的情况相比，本发明的结构极其简单；另外，如果适当变化线圈的间距、各线圈的匝数、通过线圈的电流的流向以及电流值等，则可实现以规定的磁场强度来产生通过靶的溅射面及整个衬底的表面的、磁力线的间距固定的垂直磁场。
[0015] 另外，为了解决上述问题，本发明还提供了一种溅射方法，用于在待处理的衬底的表面成膜，其特征在于：在相对设置有前述衬底及靶的真空室内，在靶的溅射面以及整个衬底的表面、产生磁力线垂直的且相距规定间隔的垂直磁场；通过将溅射气体导入于前述真空室内，在前述靶的溅射面前方产生了磁场的状态下对前述靶施加负直流电位，从而形成等离子体气氛；通过使前述靶溅射，使溅射粒子在前述衬底表面附着、沉积并成膜。
[0017] 图1：本发明的实施方式的溅射装置的示意剖视图。
[0018] 图2：使用现有技术中的溅射装置成膜时的状态的示意图。
[0019] 图3：使用本实施方式中的溅射装置成膜时的状态的示意图。
[0020] 附图标记说明
[0022] 2 真空室
[0023] 3 靶
[0024] 3a 溅射面
[0025] 4 磁铁组件
[0026] 5 DC电源(溅射电源)
[0027] 7 气体管(气体导入装置)
[0028] 11u 上线圈(磁场产生装置)
[0029] 11d 下线圈(磁场产生装置)
[0030] 12 电源装置(磁场产生装置)
[0031] C 阴极单元
[0032] M 磁力线
[0033] W 衬底
具体实施方式
[0034] 下面参照附图来说明本发明的实施方式的溅射装置。如图1所示，溅射装置1为采用DC磁控溅射方式的溅射装置；其具有可形成真空气氛的真空室2。在真空室2的顶部安装有阴极单元C。需要说明的是，下面将真空室2的顶部作为“上”、将其底部作为“下”来进行说明。
[0035] 阴极单元C具有靶3和在靶3的溅射面(底面)3a前方产生隧道状磁场的磁铁组件4。靶3材料可以根据在待处理的衬底W上所要形成的薄膜的成分而适当的选择，例如，为Cu、Ti或Ta。靶3与待处理的衬底W的形状相对应，其可通过公知的方法制作成规定的形状(例如，俯视为圆形)，但要保证溅射面3a的面积比衬底W表面积大。另外，靶3电连接于具有公知结构的DC电源(溅射电源)5上，DC电源用于为靶提供规定的负电位。
[0036] 磁铁组件4配置于背向溅射面3a的一侧(上侧)，其由与靶3平行设置的圆板状轭4a，以及交替改变靶3侧极性并与轭4a的底面同心配置的环状磁铁4b、4c构成。需要说明的是，磁铁4b、4c的形状和数量是根据在靶3的前方所要形成的磁场适当选择的，但要考虑放电稳定性、靶的使用效率提高等方面，例如可使用薄片状或棒状磁铁或是两者的组合。另外，磁铁组件4也可配置为可以在靶3的背面侧进行往复运动或旋转运动。
[0037] 在真空室2的底部，与靶3相对设置有载物台6，载物台6可保持使衬底W定位。另外，在真空室2的侧壁连接有导入如氩气等溅射气体的气体管7，该气体管的另一端通过图中未示出的质量流量控制器(mass flow controller)与气体源连通。进一步的，在真空室2连接有与涡轮分子泵(turbo molecular pump)、旋转泵等真空排气装置8连通的排气管8a。
[0038] 此处，对于具有上述实施方式所述状态的溅射装置(相对传统的溅射装置)而言，如果靶3被溅射，那么在受到由磁铁组件4产生的磁场的影响的区域的靶3会优先被溅射，作为溅射粒子的靶材粒子趋于飞散。由此，如果上述区域处于例如靶的邻近中心与边缘之间的区域，那么溅射时的靶3的侵蚀量Te在该区域附近变大(参照图2)。这样的情况下，在衬底W的外周部，溅射粒子便以倾斜了的角度入射、附着。
[0039] 现在，通过在Si晶片表面形成了硅氧化物膜(绝缘膜)I之后，对该硅氧化物膜中的大纵横比的细微空穴H进行图案化而形成待处理的衬底W；在该衬底W上成膜出由Cu形成的籽晶层(seed layer)、或由Ti或Ta形成的势垒金属层(barrier metal layer)等薄膜L时，会产生在衬底W的外周部处的覆盖度的非对称性问题(参照图2)。
[0040] 因此，本实施方式中，设置有产生垂直磁场的磁场产生装置，该垂直磁场的磁力线M等间隔且垂直的垂直地穿过靶3的溅射面3a及整个衬底W的表面。该磁场产生装置具备分别在两个轭9上卷绕导线10而分别形成的上线圈11u及下线圈11d、以及可对各线圈11u、11d进行通电的电源装置12(参照图1和图3(a))；所述两轭9为围绕连接靶3及衬底W的中心的连线的基准轴CL的、设置于真空室2的外侧壁的，并在上下方向上保持规定的间隔的环状的轭9。
[0041] 此处，线圈的个数、导线10的直径以及匝数是根据例如靶3的尺寸、靶3与衬底W之间的距离、电源装置12的额定电流值、所要产生的磁场的强度(高斯)等来适当设定的(例如，直径14mm、匝数10)。另外，如本实施方式所述的那样，在由两个(上、下)线圈11u、11d产生垂直磁场的情况下，为了在成膜时使衬底W面内的膜厚部分布为大致均匀(在衬底W的直径方向上使溅射率为大致均匀)，优选按照上线圈11u的下端与靶3之间的距离以及下线圈11d的上端与衬底W之间的距离D1、D2比两者分别到基准轴的中点Cp的距离D3短的方式，来设定各线圈11u、11d的上下方向的位置。在此情况下，不一定需要使上线圈10u的下端与靶3之间的距离以及下线圈11d的上端与衬底W之间的距离为一致；根据装置的结构，也可将上、下线圈11u、11d分别设置于靶3及衬底W的背面。
[0042] 电源装置12为公知结构，其具备一控制电路，该控制电路可任意变更分别供应于上、下线圈11u、11d的电路的电流值及电流方向的(未图示)。在本案中，这样的设定激励电流(例如，15A以下)，即当对线圈11u、11d进行通电而产生了垂直磁场时，得到的磁场强度为100高斯以下。如果超过100高斯，那么溅射粒子会失活而无法良好地成膜。另外，为了使溅射粒子不在垂直磁场的影响下失活，并高效地在整个衬底表面以均匀的膜厚来成膜，可以按照产生朝下的垂直磁场的方式来控制流动在各线圈11u、11d的电流的方向。需要说明的是，虽然说明了可以为了任意变更分别供应于上、下线圈11u、11d的电流值及电流方向而设置另一个电源装置12的情况，但如果是仅需为上、下线圈11u、11d提供具有相同的电流值以及电流方向的电流，那么，可仅由一个电源装置通电的方式来构成。
[0043] 通过依照前述方式构成的溅射装置1，在靶3被溅射的情况下，由于从靶3飞散的溅射粒子具有正电荷，因此在从靶3向衬底W的垂直磁场的作用下其方向被改变，溅射粒子便会在衬底W的整个表面，大致垂直于衬底W地入射并附着。其结果是，如果在半导体设备的制作中的成膜工序中使用本实施方式的溅射装置1，那么即使对于大的纵横比的细微空穴H，也可在整个衬底W的表面覆盖性良好地成膜出规定的薄膜L(即，覆盖度的非对称性问题得到解决且面内均匀性得到提高(参照图3)。
[0044] 如此地，对于本实施方式的溅射装置1，由于决定靶3的优先溅射的区域的磁铁组件4没有改变，且溅射粒子的溅射方向被磁场产生装置的各线圈11u、11d改变，因此靶3的利用效率不会降低，而且由于如上述现有技术那样不使用多个阴极单元，还可降低装置的制作成本、运行成本。另外，由于仅设置有上、下线圈11u、11d，因此与为了使用多个阴极单元而将装置结构变更的情况相比，其结构极其简单，并可通过改造已有的装置来制作。
[0045] 需要说明的是，对于本实施方式的溅射装置1，为了进一步提高覆盖度的面内均匀性，可在真空室2内设置包围靶3与载物台6之间的空间的阳极电极21和接地电极22、23。而且，在成膜时，给位于靶3一侧的阳极电极21施加正电压；将位于载物台6一侧并且相互分离的接地电极22、23连接于接地电位。由此，飞行方向被阳极电极21弯曲的溅射粒子的运动轨迹得到修正，从而可以更垂直地入射于衬底W表面。在此情况下，也可用一偏压(bias)电源24连接载物台6。
[0046] 下面将对使用上述溅射装置1的成膜过程用以下示例进行说明，在本例中：作为成膜的衬底W为通过在Si晶片表面形成了硅氧化物膜I的衬底，之后再利用公知方法而对该硅氧化物膜作图形化处理以形成出配线用的细微空穴H；再通过溅射来成膜出相当于籽晶层的Cu膜L。
[0047] 首先，将衬底W定位在载物台6上后，使真空排气装置8动作而将真空室2内吸真空至规定的真空度(例如，10-5Pa)。与此同时，使电源装置12动作而为上线圈11u及下线圈11d通电，从而形成穿过靶3及整个衬底W表面的磁力线M垂直且间距相等的垂直磁场。而且，如果真空室2内的压力达到规定值，那么一边按照规定的流量将氩气(溅射气体)导入于真空室2内，一边从DC电源5向靶3施加(供电)规定的负的电位，从而在真空室2内形成等离子体气氛。在此情况下，通过源自磁铁组件4的磁场在溅射面3a前方捕捉电离了的电子以及因溅射而产生的二次电子，溅射面3a前方的等离子体的密度因此而变高。
[0048] 等离子体中的氩气离子冲撞于溅射面3a而使溅射面3a发生溅射，Cu原子、Cu离子从溅射面3a朝向衬底W飞散。此时，具有正电荷的Cu在垂直磁场作用下方向被改变，溅射粒子便会趋于垂直于衬底W地向整个衬底W表面入射并附着于其上，从而在衬底W整个表面对于细微空穴H而覆盖性良好地成膜。
[0049] 需要说明的是，本实施方式中，虽然说明了对上线圈11u及下线圈11d进行通电而产生垂直磁场的溅射装置，但是只要是可在靶3及衬底W整个表面、按照垂直的磁力线M以相等间距通过的方式来产生垂直磁场的溅射装置都是可以的，也就是说并不拘于其具体实施方式。例如，也可将公知的烧结磁铁适宜地配置于真空室的内、外侧以形成垂直磁场。
[0050] 实施例1
[0051] 在实施例1中，使用图1所示的溅射装置(不使用阳极电极21和接地电极22、23)形成Cu膜。使用通过在直径为300mm的Si晶片表面整体形成了硅氧化物膜之后、，利用公知方法在该硅氧化物膜中图案化形成出细微空穴(宽度40nm、深度140nm)而形成的衬底作为衬底W。另外，使用Cu的组份比例为99％、且溅射面的直径制成为400mm的靶。将靶与衬底之间的距离设定为400mm，并且分别将上线圈10u的下端与靶3之间的距离以及下线圈11d的上端与衬底W之间的距离设为50mm。
[0052] 进一步，作为成膜条件之一，使用Ar作为溅射气体，以15sccm的流量导入。另外，将对靶的供电电源设置为18KW(电流30A)，并且将供应给各线圈的电流值设定为-15A(产生朝下的垂直磁场)。而且，将溅射时间设定为10秒，再进行Cu膜的成膜。
[0053] 按照上述实施例1进行了Cu膜的成膜之后，根据衬底的中央部和外周部处的膜厚而测定了溅射率，结果可确认出：双方的差为约1nm/S，衬底面内的膜厚部分布的均匀性变高。另外，皆通过SEM照相来确认衬底的中央部和外周部处的细微空穴的覆盖度，结果可确认出：在整个细微空穴的内表面，皆形成有高的致密性的Cu膜。
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