JPH093639A

JPH093639A - Ｐｖｄ装置

Info

Publication number: JPH093639A
Application number: JP15785395A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Tanaka; 洋一郎田中
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-01-07

Abstract

(57)【要約】【目的】低圧下で行われるＰＶＤプロセスに対してプ
ラズマイグニッション及びプラズマの維持を可能にし、
且つ安定に良質の膜を堆積できるＰＶＤプロセス。【構成】平坦なスパッタリング表面を有するターゲッ
トと、ターゲットのスパッタリング表面に対向するよう
にウエハを保持するサセプタと、ターゲットの周囲を包
囲しターゲットからウエハへ向かう方向へと伸びるシー
ルドと、ターゲットのサセプタの側とは反対の側に設置
されるマグネットとを備え、ターゲットからサセプタに
向かう方向に対して、シールドが、ターゲットのスパッ
タリング表面より手前からターゲットより離れるよう
に、凹型湾曲部を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタリング等のＰ
ＶＤに用いられる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＶＤプロセスに用いられる装置は、圧
力を一定に保持するチャンバ内部に、成膜の目的とする
物質から成るターゲットと、ターゲット外周に磁場を形
成するためのマグネットと、成膜されるウエハを保持す
るウエハホルダー（サセプタ）とを備える。通常、ター
ゲットとサセプタとは電極を兼ねており、ターゲットと
サセプタの間にＤＣ電力を印加して、プラズマを形成す
る。このとき、マグネットをターゲットの裏側に配置す
ることにより、ターゲットとウエハとの間に直交電磁界
を形成してプラズマをターゲット近傍の空間に閉じ込
め、プラズマ密度を高めて効率良くスパッタするマグネ
トロンスパッタリングが多用されている。このマグネト
ロンスパッタリングを用いれば、堆積速度を高めること
により生産性が向上し、更には残留不純物の少ない高品
質の膜を得ることができる。

【０００３】近年研究開発が進んでいるＴｉＮの成膜に
おいては、反応性スパッタリングによる成膜方法が採用
されることが多く、膜質やのステップカバレージを向上
させるためには、比較的低圧に維持したチャンバ内で成
膜を行う必要がある。

【０００４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ＰＶＤ装置
の一部の断面図であり、ターゲット周囲に設置されるシ
ールドの形状が図示される。図４（ａ）及び図４（ｂ）
に示されるように、スパッタされたターゲットの材料は
ランダムな方向に飛翔するため、ターゲットの周囲には
チャンバ壁を汚染させないためのシールドが配置され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＰＶＤ装置のシ
ールドは、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるよう
に、ターゲット端から垂直に伸びた構造、あるいは、タ
ーゲットの外周より内側へ入り込むような構造を有して
いる。

【０００６】ところが、このシールドの構造に起因し
て、ターゲット周囲の磁場がシールドに重なるため、電
子がシールドへと逃げてしまいがちになる。そのため、
低圧力の条件下では、プラズマイグニッション（プラズ
マ点火）及びプラズマの維持が困難になる問題点があっ
た。

【０００７】また、ターゲット外周部からシールドにか
けて発生する電場のベクトルの方向が、ターゲットに対
して傾いた方向になり、そのため、イオン照射によるシ
ールドへの蓄熱や、スパッタされたターゲット材料の原
子の飛翔方向がウエハ表面に対する垂直方向から遠ざか
る等の影響を及ぼしている。そのため、成膜プロセスが
不安定になり、ウエハの膜質が均一でなくなるという問
題点があった。

【０００８】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、低圧下で行われるＰＶＤプロセスに対してプ
ラズマイグニッション及びプラズマの維持を可能にし、
且つ安定に良質の膜を堆積できるＰＶＤプロセスを提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のＰＶＤ装置は、
平坦なスパッタリング表面を有するターゲットと、ター
ゲットのスパッタリング表面に対向するようにウエハを
保持するサセプタと、ターゲットの周囲を包囲しターゲ
ットからウエハへ向かう方向へと伸びるシールドと、タ
ーゲットのサセプタの側とは反対の側に設置されるマグ
ネットとを備え、ターゲットからサセプタに向かう方向
に対して、シールドが、ターゲットのスパッタリング表
面より手前からターゲットより離れるように、凹型湾曲
部を有することを特徴とする。

【００１０】また、本発明のＰＶＤ装置は、ターゲット
からサセプタに向かう方向に対して、前記凹型湾曲部
が、前記ターゲット表面から３ｍｍ〜３０ｍｍ手前から
始まることを特徴としてもよい。

【００１１】また、本発明のＰＶＤ装置は、ターゲット
を構成するターゲット材料が、Ｔｉと、ＴｉＷと、Ａｌ
合金と、Ｗと、ＷＳｉと、ＭｏＳｉと、Ｓｉと、Ｃｕと
から成る群より選択される物質を備えることを特徴とし
てもよい。

【００１２】

【作用】本発明のＰＶＤ装置のシールドは、ターゲット
のスパッタリング表面の手前から外側に湾曲する部分を
有するため、マグネットによりターゲットの外側に形成
される磁場に対して影響しない。また、ターゲットのス
パッタリング表面の近傍にシールドが存在しないため、
プラズマ中の電子がシールド（グラウンドとして作用す
る）へ移動することが防止される。

【００１３】また、シールドの凹型湾曲部は、ターゲッ
ト側面の途中からターゲットから離れる方向（外側方
向）に伸びた後、チャンバ壁の近くをターゲットからサ
セプタへと向かう方向に伸び、そして、再び内側に伸び
る形状を有する。この構造により、ターゲット外周近傍
の電界の向きがターゲットに対して垂直になり、スパッ
タされたターゲット材料の原子又はイオンの飛翔方向も
ターゲットに対して垂直な方向、即ちウエハ表面に対し
て垂直な方向に制御される。そのため、ウエハへ堆積さ
れる膜の品質が向上する。

【００１４】更に、上記のように湾曲した形状を有する
シールドがターゲット附近に配置されることにより、タ
ーゲットに電力を印加して形成される電界の向きと、マ
グネットによる磁界の向きとがなす角度が小さくなる。
従って、マグネットによるターゲット近傍のプラズマ閉
じ込めの効果が更に向上する。

【００１５】

【実施例】以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の
実施例を説明する。尚、添付した図面においては、同一
の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略す
る。

【００１６】図１は、円筒形のＰＶＤ装置のチャンバ１
０の縦断面図であり、本発明に従ったＰＶＤ装置の一例
を示す。図１に示されるように、ＰＶＤチャンバ１０
は、厚さ１１ｍｍのターゲット１２と、ターゲット１２
の周囲を囲むアッパーシールド１４と、ウエハを保持す
るサセプタ１６と、サセプタ１６に設置されて、ターゲ
ット１２とサセプタ１６との間の空間を閉鎖するロワー
シールド１８とを備える。アッパーシールド１４の材質
は、ＡＬ５０５２又はＳＵＳ３０４などの非磁性の材料
であり、ロワーシールド１８の材質も同様である。ター
ゲット１２は、ターゲットホルダー２０に支持されてい
る。また、アッパーシールド１４は、ビス２２ａ，ｂに
よりターゲットホルダー２０に固着されている。図示の
都合で図１ではビスは２つしか示されていないが、円周
上に沿って８点でアッパーシールド１４は支持される。
図１によれば、ロワーシールド１８はアッパーシールド
１４と密着して図示されているが、ロアーシールド１８
とアッパーシールド１４との関係は異なっていてもよ
い。例えば、操作圧力及びターゲット１０を構成する物
質によっては、ロアーシールド１８とアッパーシールド
１４との間に、一定のクリアランスを設けてもよい。

【００１７】図１には本発明のロアーシールド１８とア
ッパーシールド１４との２つのシールドが示されている
が、本発明の特徴がアッパーシールド１４の形状、構成
であり、以下の説明が主にアッパーシールドに関するた
め、以下、特別な指示がない限り、アッパーシールド１
４のことを単に「シールド１４」と称する。

【００１８】図１に示されるように、シールド１４は、
ターゲット１２の裏側からターゲットのスパッタリング
表面１２１の方向へと伸びる。このときシールド１４
は、ターゲットホルダー２０及びターゲット１２との間
に一定のクリアランスを有する。ターゲットホルダー２
０及びターゲット１２の端面が、垂直方向に対して１５
゜傾斜しているため、これらと一定のクリアランスを保
つため、シールド１４のターゲット１２側の端面も垂直
方向に対して１５゜傾斜している。

【００１９】図１に示されるように、シールド１４は、
ターゲット１２のスパッタリング表面１２１のレベルの
６ｍｍ手前で、スパッタリング表面１２１と平行な方向
に曲り、ターゲット１２から離れるように伸びる。この
ときシールド１４の下面は、シールド１４の最上部から
３０．０ｍｍ下方のところである。ターゲット１２と離
れるように水平方向に伸びている途中で、シールド１４
はビス２２により、ターゲットホルダー２０に支持され
る。シールド１４の外側端面が、シールド１４の最上部
の水平位置を基準にすれば１８ｍｍ水平方向外側まで伸
びたところで、シールド１４は垂直方向に曲り、下方に
向かって伸びる。そのまま３６．６ｍｍ下方に伸びロワ
ーシールド１８に接するところで再びシールド１４は垂
直に曲り、水平方向に少々伸びた後、円弧上に下方に曲
り、垂直方向下方に伸びたところで終わる。このよう
に、シールド１４は、ターゲット１２からサセプタ１６
に向かう方向に対して、ターゲット１２のスパッタリン
グ表面の手前から外側に凹型に突出す形状を有してい
る。また、凹型の形状の下方には更に垂直下方に向かっ
て湾曲する形状を有している。

【００２０】シールド１４はこのように外側に向かって
凹型に湾曲した形状を有するため、図１に示されるよう
に、ターゲット１２とウエハを保持するサセプタ１６と
の間のスパッタリング空間２４は、両サイドに大きな空
間を有する。

【００２１】次に、本発明に従ったＰＶＤ装置のシール
ドにより、ターゲット附近の磁場及び電場がどのように
形成されるかを説明する。図２は、シールド１４を含む
部分を拡大した模式的な断面図であり、ターゲット１２
のサイド附近に形成される磁場を模式的に表した図であ
る。図２に示されるように、ターゲット１２の裏側に設
置されたマグネット２６ａ，ｂにより、ターゲット１２
の下方には点線で図示されるように磁場が形成されてい
る。このとき、シールド１４が、ターゲット１２スパッ
タリング表面１２１よりも手前から外側に湾曲している
ため、磁場はシールド１４にはかからない。そのため、
プラズマの閉じ込めのためターゲットの下方に形成され
る磁場が、汚染防止ためのシールドに影響されなくな
る。

【００２２】このことは、従来から用いられているシー
ルドと比較することにより、更に明確になる。図４は、
従来から用いられるシールドを備えるＰＶＤ装置のチャ
ンバの断面図であり、２種類のシールドの形状を
（ａ），（ｂ）に表す。図４（ａ）及び（ｂ）共に、シ
ールド１４１及びシールド１４２はターゲット１２のス
パッタリング表面１２１の附近で外側に湾曲した部分を
有しておらず、図４（ａ）のようにターゲット１２及び
ターゲットホルダー２０の端面と同じ１５゜の傾斜を保
ったまま下方に伸びるか、あるいは、図４（ｂ）に示さ
れるように、スパッタリング表面１２１附近から垂直方
向下方に伸びる形状を有している。このとき、図２に示
されるＰＶＤチャンバと同じ強度の磁場が、図２に示さ
れた装置と同様に配置されたマグネット２６ａ，ｂによ
って形成された場合、図４（ａ），（ｂ）に示されるよ
うに、磁場は従来から用いられるシールド１４１及び１
４２にかかってしまう。即ち、これらの従来のシールド
がプラズマ閉じ込めのための磁場を乱し、プラズマイグ
ニッション及びプラズマの維持に多大な影響を与えるこ
とがわかる。一方、本発明に従って外側に湾曲する部分
を有するシールドを用いれば、形成された磁場はシール
ドに乱されることがないため、良好なプラズマイグニッ
ション及びプラズマの維持を行うことができる。

【００２３】更に、図２、３及び４を参照して、この本
発明に従ったシールドの利点を示すため、プラズマの閉
じ込め効果を詳細に説明する。

【００２４】ターゲット近傍に生成したプラズマ中の電
子の閉じ込め方（即ち、プラズマの閉じ込め方）は、マ
グネットにより形成される磁界の向きと、ターゲットと
シールドとの間に形成される電界の向きとにより決定さ
れる。ここで、ターゲットからシールドに向かって加速
された電子の電荷にはローレンツ力が作用し、その軌道
が曲げられる。このローレンツ力は電界Ｅと磁束密度Ｂ
とのベクトル積に依存し電界強度が強いほど強くなる。
ローレンツ力により軌道を曲げられた電子は半円を描
き、ローレンツ力が強くなるほどこの半円は小さくな
る。次いで、電子はターゲット方向に軌道を変え、電界
とは反対に減速する。このように、プラズマ中の電子は
磁場により、上記の運動を繰り返すいわゆるサイクロイ
ド運動をする。

【００２５】まず、ターゲット外周附近に関して考察す
る。ターゲット外周部で電界が「寝て」いて磁界が垂直
に近ければ近いほど、即ち電界Ｅと磁束密度Ｂとの角度
が９０゜に近付くほど、電子のサイクロイド運動の半径
は小さくなる。そのため、気体分子（Ａｒ及びＮ₂）と
の電子の衝突確率が高められプラズマの発生率が高くな
ることが期待される。しかし、接地されたシールドがタ
ーゲットの近くに存在すれば、このような運動を得てい
る電子はシールドへと逃げやすくなり、期待された気体
分子との衝突確率の高さは達成されない。従って、ター
ゲット外周では、電界の向きと磁界の向きとをターゲッ
ト面に対してできるだけ垂直に近く保つことが必要であ
る（従来例の図２と本発明の図３を参照）。

【００２６】これに対して、ターゲット中心部附近で
は、ＥとＢとのなす角が垂直に近くなれば、図３に示さ
れるようにプラズマの閉じ込めが効率よく行われるよう
になり、効率よくプラズマが発生できるようになる。

【００２７】以上のように、本発明のシールドは、従来
型のシールドと比較して、ターゲット附近の電子のトラ
ップ防止とプラズマの閉じ込めに大きな効果を発揮す
る。

【００２８】次に、本発明のシールドを備えたＰＶＤ装
置より、低圧下で良好なプラズマイグニッションを行う
ことが出来たことを示す。

【００２９】図１に示されるチャンバ１０内に、以下に
示す条件のガスを流入させて、プラズマイグニッション
可能な最低の圧力を調べた。また同時に、図４（ａ）に
示される従来型シールドを有するチャンバを用いた結果
を、本発明との比較のために示す。更に、図１に示され
るシールド１４と同様の凹型湾曲部を有する形状なが
ら、ターゲット１２のスパッタリング表面１２１と同じ
水平レベルから湾曲部が開始する構成のＰＶＤ装置を用
いた例も、本発明の構成との比較のため、併せて示す。
用いたシールド及び条件は以下の通りである：（１）本発明のシールド（図１），Ａｒ流量１６ｓｃｃ
ｍ，印加電力５．０ｋＷ；（２）本発明のシールド（図１），Ａｒ流量１６ｓｃｃ
ｍ，印加電力９．０ｋＷ；（３）本発明のシールド（図１），Ａｒ流量３ｓｃｃ
ｍ，Ｎ₂流量２８ｓｃｃｍ，Ｎ₂分圧９３％，印加電力
５．０ｋＷ；（４）本発明のシールド（図１），Ａｒ流量５ｓｃｃ
ｍ，Ｎ₂流量４５ｓｃｃｍ，Ｎ₂分圧９５％，印加電力
５．０ｋＷ；（５）従来のシールド（図４（ａ）），Ａｒ流量７３ｓ
ｃｃｍ，印加電力５．０ｋＷ；（６）湾曲がスパッタリング表面と同じ水平レベルから
始まるシールド，Ａｒ流量６８ｓｃｃｍ，印加電力５．
０ｋＷ。

【００３０】これらの条件で、プラズマイグニッション
が可能な最低のチャンバ圧力を、実験により求めた結果
は以下の通りである：（１）の条件では、０．９ｍＴｏ
ｒｒ；（２）の条件では、０．９ｍＴｏｒｒ；（３）の
条件では、１．５ｍＴｏｒｒ；（４）の条件では、２．
１ｍＴｏｒｒ；（５）の条件では、３．７ｍＴｏｒｒ；
（６）の条件では、３．４ｍＴｏｒｒ。

【００３１】以上の実験結果より、図１に示されるよう
に、本発明に従ってターゲットのスパッタリング表面の
手前から湾曲する凹型湾曲部を有するシールドを有する
ＰＶＤ装置は、図４（ａ）に示されるような直線的にタ
ーゲットの側にまで入り込むシールドや、同様の湾曲部
を持ちながらターゲットのスパッタリング表面と同じ水
平レベルから湾曲が始まる構成のシールドを有するＰＶ
Ｄ装置に比べて、プラズマイグニッション可能な圧力を
低くすることが可能になることが示された。

【００３２】尚、本発明は以上の実施例に限定されるこ
とはなく、本発明のクレームに従って様々な変形が可能
である。例えば、シールドの湾曲部の中で、ターゲット
のスパッタリング表面の手前から水平方向にターゲット
と離れていく部分は、スパッタリング表面と厳密に平行
である必要はなく、ターゲットの下側のサイドに空間を
設けられれば、多少の角度があっても、本実施例と同様
の効果を得ることができる。また、シールドの材質は、
非磁性材料であれば、ＡＬ５０５２やＳＵＳ３０４以外
の材料を用いることも可能である。また、湾曲部により
どれくらいの空間を空ければよいかは、用いるマグネッ
トの磁束密度、マグネットの配置、ターゲットに印加す
る電力、用いるガス種等に依存するが、簡単な成膜試行
実験によりこの空間の最適化が可能である。また、図示
されたシールドの湾曲部の直線部分は、なだらかな曲線
であってもよい。また、本発明のＰＶＤ装置には、Ｔｉ
と、ＴｉＷと、Ａｌ合金と、Ｗと、ＷＳｉと、ＭｏＳｉ
と、Ｓｉと、Ｃｕとから成る群より選択される物質を備
えるターゲットを用いることにより、これらの物質の成
膜及びこれらと別の物質との化合物の成膜を安定且つ高
い膜質で行うことが可能となる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のＰ
ＶＤ装置は、磁界の乱れ防止、ターゲット近傍の電子の
逃げ防止及びプラズマ閉じ込めの向上が実現される。

【００３４】従って、低圧下で行われるＰＶＤプロセス
に対してプラズマイグニッション及びプラズマの維持を
可能にし、且つ安定に良質の膜を堆積できるＰＶＤプロ
セスが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ったＰＶＤ装置の縦断面図である。

【図２】本発明に従ったＰＶＤ装置の縦断面図であり、
本発明のシールドの廻りの磁界を模式的に表す。

【図３】本発明に従ったＰＶＤ装置の縦断面図であり、
本発明のシールドの廻りの磁界及び電界を模式的に表
す。

【図４】従来から用いられるシールドを備えたＰＶＤ装
置の断面図である。

【符号の説明】

１０…チャンバ、１２…ターゲット、１４…アッパーシ
ールド、１６…サセプタ、１８…ロワーシールド、２０
…ターゲットホルダー、２２…ビス、２４…スパッタリ
ング空間、２６…マグネット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平坦なスパッタリング表面を有するター
ゲットと、前記ターゲットの前記スパッタリング表面に対向するよ
うにウエハを保持するサセプタと、前記ターゲットの周囲を包囲し前記ターゲットから前記
ウエハへ向かう方向へと伸びるシールドと、前記ターゲットの前記サセプタの側とは反対の側に設置
されるマグネットとを備え、前記ターゲットから前記サ
セプタに向かう方向に対して、前記シールドが、前記タ
ーゲットの前記スパッタリング表面より手前から前記タ
ーゲットより離れるように、凹型湾曲部を有することを
特徴とするＰＶＤ装置。
【請求項２】前記ターゲットから前記サセプタに向か
う方向に対して、前記凹型湾曲部が前記ターゲット表面
よりも３ｍｍ〜３０ｍｍ手前から始まることを特徴とす
る請求項１に記載のＰＶＤ装置。
【請求項３】前記ターゲットを構成するターゲット材
料が、Ｔｉと、ＴｉＷと、Ａｌ合金と、Ｗと、ＷＳｉ
と、ＭｏＳｉと、Ｓｉと、Ｃｕとから成る群より選択さ
れる物質を備えることを特徴とする請求項１又は請求項
２のいずれかに記載のＰＶＤ装置。