JP4526139B2

JP4526139B2 - Substrate processing apparatus and sputtering apparatus

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Publication number: JP4526139B2
Application number: JP29065299A
Authority: JP
Inventors: 信行高橋; 恵子角田
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-10-13
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JP2001107229A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板の表面に各種処理を施す基板処理装置に関し、特に、プラズマを形成し、プラズマ中のイオンを基板に入射させて利用するタイプの基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板の表面に各種の処理を施す基板処理装置には、ドライエッチング装置やスパッタリング装置等、様々な装置がある。このような基板処理装置には、基板の表面にイオンを入射させて処理を行うタイプの装置がある。このようなタイプの装置は、プラズマを形成し、プラズマ中のイオンを基板の表面に入射させて処理を行う場合がある。以下、スパッタリング装置を例に説明する。図３は、基板処理装置の一例としての従来のスパッタリング装置を示す断面概略図である。
【０００３】
図３に示す装置は、排気系１１を備えた処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に被スパッタ面が露出するようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２に電圧を印加してスパッタ放電を生じさせてターゲット２をスパッタリングするスパッタ電源２１と、スパッタ放電のための所定のスパッタ用ガスを導入するガス導入系２２と、スパッタリングによって所定の薄膜が作成される処理チャンバー１内の所定の位置に基板９を保持する基板ホルダー３と、基板ホルダー３に基板９を静電吸着させるための静電吸着機構４とを備えている。
【０００４】
基板ホルダー３は、ホルダー本体３１と、ホルダー本体３１に接して設けられた誘電体ブロック３２とから構成されている。そしてこの誘電体ブロック３２の表面が基板保持面になっている。
図３に示す装置では、基板９は、基板ホルダー３の基板保持面に載置され保持される。静電吸着機構４の吸着用電源４１が動作して吸着電極４２に所定の電圧が印加されると、基板９は基板保持面に静電吸着される。排気系１１によって処理チャンバー１内を所定の圧力に排気するとともに、ガス導入系２２によってスパッタ用ガスを処理チャンバー１内に導入する。この状態で、スパッタ電源２１が動作してターゲット２に電圧を印加してターゲットをスパッタリングするとスパッタ放電が生じ、処理チャンバー１内にプラズマが形成される。スパッタリングによりターゲットから放出されたスパッタ粒子が基板９に到達し、薄膜が作成される。
【０００５】
薄膜が作成される基板９の表面には、微細なホールが形成されている場合がある。具体的に説明すると、ＦＥＴ（薄膜トランジスタ）構造を有する多くの半導体デバイスの製造では、チャンネルの上側に形成した絶縁層にコンタクトホールを設け、このコンタクトホール内を導電膜で埋め込んでチャンネル配線とすることが行われている。このようなチャンネル配線の形成工程では、配線用の導電膜と下地であるチャンネルとの相互拡散等を防止するため、コンタクトホールの内面（底面及び側面）にバリア膜を作成することが行われる。また、多層配線構造を採るデバイスの製造でも、層間配線用のスルーホールの内面に同様のバリア膜を設け、層間配線と下地配線層との相互拡散を防止する場合がある。
【０００６】
このようなコンタクトホールやスルーホール等の微細なホールの内面にスパッタリングによって薄膜の作成を行うと、ホールの開口の縁にスパッタ粒子が堆積してしまうため、内面に十分な厚さの薄膜を作成するのは困難である。図４を用いて、この点を具体的に説明する。図４は、ホールの開口の縁及びホールの内面に薄膜が作成される状況を示した図である。
【０００７】
まず、図４（１）に示すように、薄膜の作成が開始されると、スパッタ粒子はホール９１の開口の縁の部分に堆積し、次第に盛り上がるようになってくる。盛り上がるように堆積した膜８１はオーバーハングと呼ばれるが、このオーバーハング８１が生じるとホール９１の開口の面積が小さくなるためホール９１内にスパッタ粒子が到達しにくくなる。
微細なホールの内面への成膜の指標として、ボトムカバレッジ率という指標がある。ボトムカバレッジ率は、ホールの周囲の面（ホール外の面）への成膜速度に対するホールの底面への成膜速度の比である。上述した微細なホールでは、オーバーハング８１が形成されることによりスパッタ粒子がホール９１の内面に到達しにくいため、ボトムカバレッジ率が低下し、ホール外の面に比べホールの底面の膜厚が薄くなってしまう。例えば作成される薄膜がバリア膜である場合、膜厚が薄いとバリア特性が低下し、相互拡散防止の効果が充分に得られなくなってしまう。
【０００８】
また、ホール内に金属材料を埋め込む埋め込み配線を行う場合、オーバーハング８１が大きくなりホール９１の開口を塞いでしまうことがある。この場合、図４（２）に示すようにホール９１の内部にはボイド８２と呼ばれる空洞ができてしまう。ホール９１内にボイド８２が形成されてしまうと、配線抵抗の増加や回路の断線等の製作されたデバイスの不良や欠陥を生じさせる原因となっている。
【０００９】
従来の装置では、プラズマ中のイオンを基板９に入射させることによって、ボトムカバレッジ率の低下やボイドの発生を防いでいる。具体的には、図３に示す装置の基板ホルダー３には、高周波電源５が備えられている。この高周波電源５は、基板ホルダー３全体に高周波電圧を印加するようになっている。高周波電源５によって、プラズマと基板９との間に高周波電界を設定し、プラズマと高周波電界との相互作用により基板９の表面に自己バイアス電圧を生じさせるようになっている。
【００１０】
より詳しく説明すると、高周波電源５は、処理チャンバー１内にプラズマが形成された状態で、所定の高周波電圧を基板ホルダー３に印加する。基板ホルダー３に高周波電圧が印加されると、高周波の正の半周期においてプラズマから電子が基板９に入射し、負の半周期においてイオンが入射する。この際、電子とイオンの移動度の違いによって、基板ホルダー３上に保持された基板９の表面は高周波電圧の正弦波の上に負の直流電圧が重畳されたような電位変化となる。この負の直流分の電圧が自己バイアス電圧である。プラズマの空間電位は０〜４０ボルト程度の正の電位であり、自己バイアス電圧が生じた基板９とプラズマとの間に基板９に向かって徐々に電位が下がる電界が設定される。プラズマ中のイオンはこの電界によって加速され、基板９に入射する。
【００１１】
プラズマから基板９に向かって入射したイオンは、図４（３）に示すようにオーバーハング８１を再スパッタする。再スパッタによって放出されたスパッタ粒子がホール内に到達することにより、ホールの内面への薄膜の作成は促進され、ボトムカバレッジ率が向上する。また、オーバーハングが再スパッタされることにより、ホールの開口が塞がれることがない。このため、ボイドが形成されることがない。
【００１２】
基板ホルダー３に高周波電圧を印加すると、接地電位に維持された処理チャンバー１との間に電位差ができ、この電位差によって基板ホルダー３と処理チャンバー１との間に放電が生じてしまう。基板ホルダー３と処理チャンバー１との間に放電が生じると、ホルダー本体３１や処理チャンバー１の表面が削られ、削られた破片は処理チャンバー１内にパーティクル（基板９の表面を汚損する微粒子の総称）となって浮遊してしまう。この放電が生じるのを防ぐため、基板ホルダー３の基板保持面以外の処理チャンバー１と向き合った面に、処理チャンバー１と同じ接地電位に維持されたホルダーシールド３０を設けている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスパッタリング装置では、上述したように基板の表面に自己バイアス電圧を生じさせてイオンを入射させることによってオーバーハングを再スパッタし、ホール内の成膜を促進させている。
しかしながら、半導体デバイスの分野では、デバイスの高集積度化や高機能化に伴い、配線構造の微細化、複雑化が進んでおり、上述したコンタクトホールやスルーホールのアスペクト比（ホールの開口の直径又は幅に対するホールの深さの比）は、どんどん高くなる傾向にある。そして、ホールのアスペクト比が高くなるにつれ、ボトムカバレッジ率を低下させることなくホール内に薄膜を作成することが従来の装置では困難になってきている。
具体的には、ホールのアスペクト比は、従来２〜３程度であったが４〜５と高くなっている。ホールの内面には、約５０％のボトムカバレッジ率が必要とされるが、図３に示す装置では、５００Å毎分で基板に薄膜を作成した場合、アスペクト比５のホールのボトムカバレッジ率は１０％にしか達していなかった。
【００１４】
このように低いボトムカバレッジ率を向上させるため、自己バイアス電圧を高くすることによりイオンの入射エネルギーを高くすることが考えられる。自己バイアス電圧を高くするには、基板ホルダーに印加する高周波電力を大きくすることが有効である。しかしながら、従来の装置では、ホルダーシールドを介してアース側に流れる分が損失になっている。このため、高周波電源の出力を大きくしても、自己バイアス電圧はそれほど高くできず、電力損失が大きくなる問題がある。
【００１５】
一方、基板の表面にイオンを入射させて基板の処理を行うドライエッチング装置等においても、入射するイオンのエネルギーを高くすることにより、エッチング速度等の処理速度をさらに高めたりすることができると考えられる。しかし、イオンの入射エネルギーを高くするため印加する高周波電力を高くすると、同様に自己バイアス電圧はそれほど高くできずに電力損失が大きくなる問題がある。
【００１６】
本願の発明は、上述したようなイオンの入射エネルギーを利用して基板の表面に処理を施す装置の課題を解決するために成されたものであって、自己バイアス電圧を生じさせるために供給する高周波電力の損失を少なくしつつ自己バイアス電圧を高くするという技術的意義を有している。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、内部で基板に対して所定の処理が行われる処理チャンバーと、処理チャンバー内にプラズマを形成するプラズマ形成手段と、前記処理チャンバー内で基板を保持する基板ホルダーと、プラズマと基板との間に高周波電界を設定してプラズマと高周波電界との相互作用により基板の表面に自己バイアス電圧を生じさせる高周波電源とを備えており、
前記基板ホルダーは、ホルダー本体とホルダー本体に接して設けられた誘電体ブロックとから構成され、この誘電体ブロックの表面が基板保持面になっているとともに、基板保持面に静電気を誘起させて基板を静電吸着させる静電吸着機構の吸着電極が誘電体ブロックの内部に設けられており、
前記ホルダー本体は金属製であって接地電位に維持されており、
前記ホルダー本体内には絶縁管が貫通して設けられており、この絶縁管には金属製の棒状の導入部材が挿通されているとともに、絶縁管と導入部材との間に真空のリークを防止する封止部材が設けられており、
前記導入部材の一端は前記吸着電極に接続されおり、他端には前記高周波電源が発生させた高周波電力を伝送する伝送線が接続されており、前記高周波電源が発生させた高周波電圧は前記導入部材によって前記吸着電極に印加されるとともに前記絶縁管により絶縁されて前記ホルダー本体には印加されないようになっており、
前記誘電体ブロックの側面には、当該側面と前記処理チャンバーとの間での放電を防止するシールドが設けられており、このシールドは、前記ホルダー本体の側面全体を覆うことなく前記誘電体ブロックの側面を覆うものであという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記シールドは、前記プラズマによってスパッタされた場合でも基板を汚損する微粒子を発生させないものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の構成において、前記吸着電極は、基板と同様の板状であって、基板の外形より１〜２ｍｍ小さい大きさを有しており、前記吸着電極の中心軸が、前記基板保持面に保持された際の基板の中心軸と同じになるように前記吸着電極が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項４記載の発明は、排気系を備えた処理チャンバーと、処理チャンバー内に被スパッタ面が露出するようにして設けられたターゲットと、ターゲットに電圧を印加してスパッタ放電を生じさせてターゲットをスパッタリングするスパッタ電源と、処理チャンバー内で基板を保持する基板ホルダーと、プラズマと基板との間に高周波電界を設定してスパッタ放電により形成されたプラズマと高周波電界との相互作用により基板の表面に自己バイアス電圧を生じさせる高周波電源とを備え、
前記基板の表面に作成された微細なホール内に薄膜を作成するとともに、前記自己バイアス電圧を生じさせた際にプラズマと基板との間に設定される電界によりプラズマ中のイオンを加速して基板に入射させることで、ホールの開口の縁に盛り上がるように堆積した薄膜を再スパッタしてホール内の成膜速度を向上させるスパッタリング装置であって、
前記基板ホルダーは、ホルダー本体とホルダー本体に接して設けられた誘電体ブロックとから構成され、この誘電体ブロックの表面が基板保持面になっているとともに、基板保持面に静電気を誘起させて基板を静電吸着させる静電吸着機構の吸着電極が誘電体ブロックの内部に設けられており、
前記ホルダー本体は金属製であって接地電位に維持されており、
前記ホルダー本体内には絶縁管が貫通して設けられており、この絶縁管には金属製の棒状の導入部材が挿通されているとともに、絶縁管と導入部材との間に真空のリークを防止する封止部材が設けられており、
前記導入部材の一端は前記吸着電極に接続されおり、他端には前記高周波電源が発生させた高周波電力を伝送する伝送線が接続されており、前記高周波電源が発生させた高周波電圧は前記導入部材によって前記吸着電極に印加されるとともに前記絶縁管により絶縁されて前記ホルダー本体には印加されないようになっており、
前記誘電体ブロックの側面には、当該側面と前記処理チャンバーとの間での放電を防止するシールドが設けられており、このシールドは、前記ホルダー本体の側面全体を覆うことなく前記誘電体ブロックの側面を覆うものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項５記載の発明は、請求項４記載の構成において、前記シールドは、前記プラズマによってスパッタされた場合でも基板を汚損する微粒子を発生させないものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の構成において、前記吸着電極は、基板と同様の板状であって、基板の外形より１〜３ｍｍ小さい大きさを有しており、前記吸着電極の中心軸が、前記基板保持面に保持された際の基板の中心軸と同じになるように前記吸着電極が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、本願の請求項７記載の発明は、請求項１乃至６いずれかに記載の構成において、前記絶縁管は断面円形であり、前記導入部材は断面円形の棒状であって前記絶縁管の内径に適合する外径を有しているという構成を有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、前述したのと同様に、基板の表面にイオンを入射させながら薄膜を作成するタイプのスパッタリング装置を例に説明する。図１は、本願発明の基板処理装置の実施形態であるスパッタリング装置を示す断面概略図である。
【００１９】
図１に示す装置は、排気系１１を備えた処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に被スパッタ面が露出するようにして設けられたターゲット２と、ターゲット２に電圧を印加してスパッタ放電を生じさせてターゲット２をスパッタリングするスパッタ電源２１と、スパッタ放電のための所定のスパッタ用ガスを導入するガス導入系２２と、スパッタリングによって所定の薄膜が作成される処理チャンバー１内の所定の位置に基板９を保持する基板ホルダー３と、基板ホルダー３に保持された基板９を静電吸着させるための静電吸着機構４と、プラズマと基板９との間に高周波電界を設定してプラズマと高周波電界の相互作用により基板９の表面に自己バイアス電圧を生じさせる高周波電源５とを備えている。
【００２０】
本実施形態の大きな特徴点は、基板９の表面に自己バイアス電圧を生じさせる高周波電源５が、基板ホルダー３の誘電体ブロック３２の内部に設けられた吸着電極４２のみに高周波電圧を直接印加するようになっていることである。以下、この点について説明する。
【００２１】
本実施形態においても、基板ホルダー３は、ホルダー本体３１と誘電体ブロック３２から構成されている。そして、ホルダー本体３１の内部には、上下に延びるようにして絶縁管３３が設けられている。絶縁管３３は、ホルダー本体３１を構成する支柱３１２の下端から誘電体ブロック３２まで延びるようにして設けられている。そして、絶縁管３３内には金属製の導入部材３４が設けられている。導入部材３４の下端は、絶縁管３３の下端から突出しており、この突出した部分に、高周波電源５からの線路が接続されている。
また、導入部材３４の上端は、誘電体ブロック３２の開口にはめ込まれ、吸着電極４２に接続されている。導入部材３４とホルダー本体３１とは、絶縁管３３で絶縁されており、従って、高周波電源５はホルダー本体３１には直接高周波電圧を印加せず、吸着電極４２のみに直接印加するようになっている。
【００２２】
絶縁管３３は、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂又はセラミックス等の絶縁材料で形成されている。絶縁管３３は断面円形の管であり、ホルダー本体３１は絶縁管３３の外径に適合する径の貫通孔が形成されている。絶縁管３３は、この貫通孔に挿通させた状態で設けられている。尚、絶縁管３３の外面と貫通孔の縁との間の隙間からのリークが発生しないよう、両者の間にはＯリングが設けられている。
【００２３】
また、導入部材３４は、ステンレス又は銅のような金属で形成されている。導入部材３４は、絶縁管３３の内径に適合する外径の断面円形の棒状である。導入部材３４は、絶縁管３３内に挿通された状態で設けられている。そして、絶縁管３３の内面と導入部材３４との間にも、リークを防止するためのＯリングが設けられている。
高周波電源５は、整合器５１を介して導入部材３４に接続されている。本実施形態では、４００ｋＨｚ程度の周波数のものが高周波電源５に使用されている。高周波電源５の出力は、１０〜２００Ｗ程度である。
【００２４】
誘電体ブロック３２は、セラミックス等の材料で形成されており、基板保持面であるその上面は基板９より少し小さいものとなっている。吸着電極４２は、基板９と同様の形状の板状であって、基板９の外形より１〜３ｍｍ小さい大きさを有している。誘電体ブロック３２の中心軸は、基板保持面に保持された基板９の中心軸と同じになるようになっている。
ホルダー本体３１は、ステンレスなどの金属製であり、電気的には接地されている。処理チャンバー１の底板部分は開口を有し、この開口にホルダー本体３１の支柱３１２が挿通されている。この開口の縁には、Ｏリングのような封止部材が設けられている。
【００２５】
吸着電極４２とともに静電吸着機構４を構成する吸着用電源４１は、１００〜４００Ｖ程度の負の直流電圧を吸着電極４２に供給するようになっている。
また、上述した静電吸着機構４の吸着用電源４１は、高周波電源５と同じ経路で静電吸着用の電圧を導入するようになっている。即ち、吸着用電源４１からの線路は高周波電源５からの線路に結線されて導入部材３４に接続されている。
尚、高周波から吸着用電源４１を保護するため、フィルター回路４４が設けられている。フィルター回路４４は、高周波電源５が発生させた高周波を遮断し、吸着用電源４１を高周波から保護する。
【００２６】
また、本実施形態では、ホルダーシールド３０の構成は、従来とは大きく異なっている。即ち、図１に示すように、本実施形態におけるホルダーシールド３０は、図３に示すように基板ホルダー３の側面全体を覆うのではなく、主に誘電体ブロック３２の側面のみを覆う構成となっている。これは、高周波電源５が前述したように吸着電極４２のみに高周波電圧を印加するようになっていてホルダー本体３１がアースされているため、ホルダー本体３１と処理チャンバー１の器壁との間では本質的に放電が生じないからである。誘電体ブロック３２の側面については、吸着電極３２に印加された高周波電圧の影響によって放電が生じてスパッタされる恐れがあるため、ホルダーシールド３０で覆っている。ホルダーシールド３０は、スパッタされてもパーティクルを発生させない材料、例えばシリコン単結晶、シリコン多結晶、石英（酸化シリコン）等の材料で形成されている。
【００２７】
尚、図１では、絶縁管３３及び導入部材３４は、ホルダー本体３１の中心軸を外れた位置にある。但し、吸着電極４２の全体に均一に高周波電圧を印加するためには、吸着電極４２の中心軸上に導入部材３４を設けた方が好適である。
【００２８】
次に、装置のその他の構成について説明する。
排気系１１は、クライオポンプ等の真空ポンプを備え、処理チャンバー１内を１０^-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能に構成されている。ターゲット２は、絶縁材２０を介して処理チャンバー１に取り付けられている。ターゲット２の材質は、本実施形態ではチタンである。従って、作成される薄膜はチタン薄膜であって、バリア膜として利用される。スパッタ電源２１には、例えば９ｋＷ程度の負の直流電源が採用されている。
【００２９】
スパッタ放電に必要なスパッタ用ガスを導入するガス導入系２２は、スパッタ用ガスを溜めたガスボンベ２２１と、ガスボンベ２２１と処理チャンバー１とを繋ぐ配管２２２と、配管２２２上に設けられたバルブ２２３や流量調整器２２４とから主に構成されている。本実施形態では、スパッタ電源２１とガス導入系２２とがプラズマ形成手段を構成している。
【００３０】
ターゲット２の背後には、磁石機構２３が設けられている。磁石機構２３は、放電の効率の良いマグネトロンスパッタを行うために設けられている。磁石機構２３は、中心磁石２３１と、中心磁石２３１を周状に取り囲む周辺磁石２３２と、中心磁石２３１及び周辺磁石２３２をつなぐヨーク２３３とから構成されている。
【００３１】
処理チャンバー１内のプラズマが形成される空間を取り囲むようにしてプラズマシールド６が設けられている。プラズマシールド６は、プラズマが拡散してしまうのを防ぐとともに、プラズマによって処理チャンバー１の器壁がスパッタされてしまうのを防ぐものである。
【００３２】
次に、本実施形態のスパッタリング装置全体の動作について説明する。まず、処理チャンバー１内が予め排気系１１によって所定の圧力まで排気されている状態で、基板９が処理チャンバー１内に搬入され、基板ホルダー３上に載置され保持される。次に、ガス導入系２が動作し、所定のスパッタ用ガスが処理チャンバー１内に導入される。そして、スパッタ電源２１が動作し、スパッタ放電が生じた後、静電吸着機構４の吸着用電源４１が動作して、基板９が基板保持面に静電吸着される。スパッタ放電によってターゲット２がスパッタリングされ、基板９の表面にはターゲット２からスパッタ粒子が到達し、薄膜が作成される。
【００３３】
この際、高周波電源５が動作し、吸着電極４２に高周波電圧が印加される。この結果、上述したように基板９の表面に自己バイアス電圧が生じる。プラズマ中のイオンが基板９に入射することによって、基板９に形成されたホールの開口の縁に生じたオーバーハングが再スパッタされる。前述したように、再スパッタ粒子はホール内に落下し、ホール内の薄膜の作成が促進される。スパッタリングを所定時間行った後、スパッタ電源２１、ガス導入系２２等の動作を止め、処理チャンバー１内を排気した後、基板９を処理チャンバー１から取り出す。
【００３４】
本実施形態のスパッタリング装置では、高周波電源５が吸着電極４２のみに高周波電圧を印加するため、従来の装置に比べ損失する電力を少なくすることができる。従来の装置では、基板ホルダー３全体に高周波電圧を印加していたため、基板ホルダー３とホルダーシールド３０との間のキャパシタンスを介してホルダーシールド３０に高周波電流が流れ、この分が大きな損失となっていた。本実施形態では、吸着電極４２のみに高周波電圧を印加し、ホルダーシールド３０を介してアース側に高周波電流が流れることがないため、このような電力の損失がない。高周波電力は自己バイアス電圧を生じさせるためのみに消費され、電力効率が大きく向上する。
【００３５】
また、電力効率が向上することから、同じ電力でも自己バイアス電圧発生用に消費される分の電力が大きくなる。このため、自己バイアス電圧を高くできる。つまり、基板９に入射する電子とイオンの量の差も大きくなり、自己バイアス電圧が高くなる。これによりプラズマから基板９へ向かう電界が強くなり、基板９へのイオンの入射エネルギーを高くすることができる。
【００３６】
本実施形態のようなイオンを入射させながら成膜するスパッタリングにおいては、基板９の表面ではスパッタ粒子の入射による成膜とイオンの入射による再スパッタとが競合現象として生じている。イオンの入射エネルギーを高くすると、ホールの内面では、上述したように再スパッタ粒子がホール内に落下し、薄膜の作成が促進される。一方、ホール以外の面では、スパッタ粒子により薄膜が作成される速度よりも入射するイオンにより薄膜が再スパッタされる速度の方が大きくなり、成膜速度が低下することがあると予想される。
【００３７】
成膜速度の低下は一般的には好ましくないことであるが、本実施形態のような成膜プロセスではかえって好都合である場合もあると考えられる。というのは、ホール以外の面での成膜速度の低下によって全体の成膜時間が長くなった場合、ホールの底面ではオーバーハングからの再スパッタ粒子の到達によってホール以外の面ほどは成膜速度が低下しないか、又は、成膜速度が高くなると考えられる。従って、ホール以外の面の膜厚が厚くなり過ぎないうちに十分な厚さの薄膜をホールの底面に作成することができる。従来の構成であると、ホールの底面に充分な厚さで成膜される前にホール以外の面で膜が厚くなり過ぎ、膜厚の過多による抵抗の増大等の問題が発生する恐れがある。
【００３８】
本実施形態では、処理チャンバー１内の圧力を５０ｍＴｏｒｒに維持した状態でスパッタ電源２１が９ｋＷの電力をターゲット２に供給し、高周波電源５によって２５Ｗの高周波電力を吸着電極４２に供給した状態で基板９に薄膜の作成を行う。これにより、アスペクト比４のホールに対してボトムカバレッジ率を４４％に向上させることができた。
【００３９】
また、本実施形態では、ホルダーシールド３０が主に誘電体ブロック３２のみを覆う非常に小型のものであるため、処理チャンバー１内の排気特性を向上させることができる。以下、この点について図２を用いて説明する。図２は、従来の装置と本実施形態の装置の排気特性の差を示した図である。
基板９に対して良質な処理を行うには、より低い到達圧力に処理チャンバー１内を排気してから処理を開始することが望ましい。しかし、処理チャンバー１内の部材の表面から吸蔵ガスが放出されるため、到達圧力を低くすることには限界がある。
【００４０】
従来の装置では、基板ホルダー４の側面全体を覆う形状のホルダーシールド３０が設けられており、このホルダーシールド３０の表面積は大きく、吸蔵ガスの放出は比較的多い。一方、本実施形態では、本実施形態ではホルダーシールド３０が非常に小型化され表面積が小さくなっている。このため、吸蔵ガスの放出が非常に少なくなり、到達圧力をより低くすることができる。具体的には、図２に示すように、従来の装置では到達圧力が９．９×１０^-9Ｔｏｒｒ程度であったが、本実施形態の装置では到達圧力を７×１０^-9Ｔｏｒｒ程度にすることができた。このように、本実施形態では排気特性を向上させることができるため、より品質の良い処理を基板９に対して行うことができる。
【００４１】
また、吸着電極４は、基板９の外形より１〜３ｍｍ小さい大きさとなっている。基板９の表面の全域に垂直な電界を生じさせイオンを垂直に入射させるためには、吸着電極４２はできるだけ大きい方が良い。しかし、あまり吸着電極４２があまり大きくなると、基板ホルダー４が大型化して装置全体の占有面積が大きくなる欠点がある。吸着電極４２が基板９の外形より１〜３ｍｍ程度小さい大きさであれば、基板９の表面の全域に充分に垂直な電界を生じさせることができ、また、基板ホルダー４の大型化の問題も生じない。
【００４２】
上述した実施形態では、スパッタリング装置を例に説明したが、その他にリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等を行うドライエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置においても本願発明を実施することができる。これらの装置で、例えば高周波放電によってプラズマを形成する場合、高周波電源及びガス導入系がプラズマ形成手段を構成する。そして、これらの装置においても、吸着電極にのみ高周波電圧を印加することにより、電力の損失が大幅に低減し、自己バイアス電圧を高くすることができる。これにより、基板に入射するイオンのエネルギーが高くなり、処理速度が高くなる。例えば、入射イオンのエネルギーを反応性ガスの反応に利用してエッチングするＲＩＥでは、入射イオンのエネルギーを高くしてエッチング速度を高くすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、自己バイアス電圧を生じさせるための高周波電源が吸着電極のみに高周波電力を供給するため、高周波電力の損失を少なくしつつ自己バイアス電圧を高くすることができる。これにより、イオンの入射エネルギーが高くなり、イオンが基板に入射した際の作用を高く得ることができる。
また、請求項３の発明によれば、上記請求項１の効果に加え、プラズマから基板に向かう電界が基板の表面全体で均一になり、基板に対する処理を均一に行うことができる。
また、請求項４の発明によれば、自己バイアス電圧を生じさせるための高周波電源が吸着電極のみに高周波電力を供給するため、高周波電力の損失を少なくすることができるとともに自己バイアス電圧を高くすることができる。これにより、イオンの入射エネルギーが高くなり、基板に入射するイオンによってオーバーハングが再スパッタされホール内の成膜が促進される。従って、ホールのボトムカバレッジ率を向上させることができる。
また、請求項６の発明によれば、上記請求項４の効果に加え、プラズマから基板に向かう電界が基板の表面全体で均一になり、基板に対する処理を均一に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態のスパッタリング装置を示す断面概略図である。
【図２】従来の装置と本実施形態の装置の排気特性の差を示した図である。
【図３】基板処理装置の一例としての従来のスパッタリング装置を示す断面概略図である。
【図４】ホールの開口の縁及びホールの内面に薄膜が作成される状況を示した図である。
【符号の説明】
１処理チャンバー
２ターゲット
２１スパッタ電源
２２ガス導入系
２３磁石機構
３基板ホルダー
３１ホルダー本体
３２誘電体ブロック
３３絶縁管
３４導入部材
４静電吸着機構
４１吸着用電源
４２吸着電極
５高周波電源
５１整合器
９基板
９１ホール[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a substrate processing apparatus that performs various types of processing on the surface of a substrate, and more particularly to a type of substrate processing apparatus that uses plasma by forming plasma and making ions in the plasma incident on the substrate.
[0002]
[Prior art]
There are various types of substrate processing apparatuses that perform various processes on the surface of a substrate, such as a dry etching apparatus and a sputtering apparatus. Such a substrate processing apparatus includes a type of apparatus that performs processing by making ions enter the surface of the substrate. In such a type of apparatus, there is a case where processing is performed by forming plasma and causing ions in the plasma to be incident on the surface of the substrate. Hereinafter, a sputtering apparatus will be described as an example. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a conventional sputtering apparatus as an example of a substrate processing apparatus.
[0003]
The apparatus shown in FIG. 3 includes a processing chamber 1 having an exhaust system 11, a target 2 provided so that a surface to be sputtered is exposed in the processing chamber 1, and a sputtering discharge by applying a voltage to the target 2. Sputtering power source 21 for sputtering target 2 generated, gas introduction system 22 for introducing a predetermined sputtering gas for sputtering discharge, and a predetermined position in processing chamber 1 where a predetermined thin film is formed by sputtering. A substrate holder 3 for holding the substrate 9 and an electrostatic adsorption mechanism 4 for electrostatically adsorbing the substrate 9 to the substrate holder 3 are provided.
[0004]
The substrate holder 3 includes a holder main body 31 and a dielectric block 32 provided in contact with the holder main body 31. The surface of the dielectric block 32 is a substrate holding surface.
In the apparatus shown in FIG. 3, the substrate 9 is placed and held on the substrate holding surface of the substrate holder 3. When the suction power source 41 of the electrostatic suction mechanism 4 is operated and a predetermined voltage is applied to the suction electrode 42, the substrate 9 is electrostatically attracted to the substrate holding surface. The inside of the processing chamber 1 is exhausted to a predetermined pressure by the exhaust system 11, and a sputtering gas is introduced into the processing chamber 1 by the gas introduction system 22. In this state, when the sputtering power source 21 is operated to apply a voltage to the target 2 to sputter the target, sputtering discharge occurs, and plasma is formed in the processing chamber 1. Sputtered particles emitted from the target by sputtering reach the substrate 9 to form a thin film.
[0005]
In some cases, fine holes are formed on the surface of the substrate 9 on which the thin film is formed. Specifically, in the manufacture of many semiconductor devices having an FET (Thin Film Transistor) structure, a contact hole is provided in an insulating layer formed above the channel, and the contact hole is filled with a conductive film to form a channel wiring. Has been done. In such a channel wiring formation process, a barrier film is formed on the inner surface (bottom surface and side surface) of the contact hole in order to prevent mutual diffusion between the wiring conductive film and the underlying channel. Also in the manufacture of a device having a multilayer wiring structure, a similar barrier film may be provided on the inner surface of an interlayer wiring through hole to prevent interdiffusion between the interlayer wiring and the underlying wiring layer.
[0006]
When a thin film is created by sputtering on the inner surface of such a fine hole such as a contact hole or a through hole, sputtered particles are deposited on the edge of the hole opening, so a thin film with sufficient thickness is created on the inner surface. It is difficult to do. This point will be specifically described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing a state in which a thin film is formed on the edge of the hole opening and the inner surface of the hole.
[0007]
First, as shown in FIG. 4 (1), when the production of the thin film is started, the sputtered particles accumulate on the edge portion of the opening of the hole 91 and gradually rise. The film 81 deposited so as to rise is called an overhang. If this overhang 81 occurs, the area of the opening of the hole 91 becomes small, so that the sputtered particles hardly reach the hole 91.
As an index of film formation on the inner surface of a fine hole, there is an index called a bottom coverage rate. The bottom coverage ratio is a ratio of the film formation rate on the bottom surface of the hole to the film formation rate on the surface around the hole (surface outside the hole). In the fine hole described above, since the overhang 81 is formed, it is difficult for the sputtered particles to reach the inner surface of the hole 91, so that the bottom coverage rate is lowered and the film thickness on the bottom surface of the hole is thinner than the surface outside the hole. turn into. For example, when the thin film to be created is a barrier film, if the film thickness is thin, the barrier characteristics are deteriorated, and the effect of preventing mutual diffusion cannot be obtained sufficiently.
[0008]
In addition, when a buried wiring in which a metal material is embedded in the hole is performed, the overhang 81 may be increased and the opening of the hole 91 may be blocked. In this case, as shown in FIG. 4 (2), a cavity called a void 82 is formed inside the hole 91. If the void 82 is formed in the hole 91, it causes a defect or a defect in the manufactured device such as an increase in wiring resistance or disconnection of the circuit.
[0009]
In the conventional apparatus, ions in plasma are incident on the substrate 9 to prevent the bottom coverage rate from being lowered and the generation of voids. Specifically, the substrate holder 3 of the apparatus shown in FIG. The high frequency power source 5 applies a high frequency voltage to the entire substrate holder 3. A high frequency electric field 5 sets a high frequency electric field between the plasma and the substrate 9, and a self-bias voltage is generated on the surface of the substrate 9 by the interaction between the plasma and the high frequency electric field.
[0010]
More specifically, the high frequency power supply 5 applies a predetermined high frequency voltage to the substrate holder 3 in a state where plasma is formed in the processing chamber 1. When a high frequency voltage is applied to the substrate holder 3, electrons from the plasma enter the substrate 9 in the positive half cycle of the high frequency, and ions enter in the negative half cycle. At this time, due to the difference in mobility between electrons and ions, the surface of the substrate 9 held on the substrate holder 3 has a potential change such that a negative DC voltage is superimposed on a sine wave of a high-frequency voltage. This negative DC component voltage is the self-bias voltage. The spatial potential of the plasma is a positive potential of about 0 to 40 volts, and an electric field that gradually decreases toward the substrate 9 is set between the substrate 9 where the self-bias voltage is generated and the plasma. Ions in the plasma are accelerated by this electric field and enter the substrate 9.
[0011]
The ions incident from the plasma toward the substrate 9 resputter the overhang 81 as shown in FIG. When the sputtered particles released by resputtering reach the inside of the hole, creation of a thin film on the inner surface of the hole is promoted, and the bottom coverage rate is improved. Further, since the overhang is re-sputtered, the opening of the hole is not blocked. For this reason, no void is formed.
[0012]
When a high frequency voltage is applied to the substrate holder 3, a potential difference is generated between the substrate holder 3 and the processing chamber 1, and a potential difference is generated between the substrate holder 3 and the processing chamber 1. When a discharge occurs between the substrate holder 3 and the processing chamber 1, the surfaces of the holder main body 31 and the processing chamber 1 are scraped, and the scraped pieces are removed from the processing chamber 1 in the form of particles (particles that contaminate the surface of the substrate 9). It becomes a generic name) and floats. In order to prevent this discharge from occurring, a holder shield 30 that is maintained at the same ground potential as the processing chamber 1 is provided on the surface of the substrate holder 3 that faces the processing chamber 1 other than the substrate holding surface.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional sputtering apparatus, as described above, a self-bias voltage is generated on the surface of the substrate to cause ions to enter, thereby resputtering the overhang and promoting film formation in the hole.
However, in the field of semiconductor devices, along with higher integration and higher functionality of devices, the wiring structure is becoming finer and more complex, and the above aspect ratios of contact holes and through holes (diameter of hole openings). (Or the ratio of the depth of the hole to the width) tends to be higher. As the aspect ratio of holes increases, it becomes difficult for conventional devices to form a thin film in the holes without reducing the bottom coverage rate.
Specifically, the aspect ratio of holes has been as high as 4 to 5 although it has been about 2 to 3 in the past. A bottom coverage ratio of about 50% is required on the inner surface of the hole. However, in the apparatus shown in FIG. Only reached%.
[0014]
In order to improve the low bottom coverage rate in this way, it is conceivable to increase the ion incident energy by increasing the self-bias voltage. In order to increase the self-bias voltage, it is effective to increase the high-frequency power applied to the substrate holder. However, in the conventional apparatus, the part flowing to the ground side through the holder shield is a loss. For this reason, even if the output of the high-frequency power supply is increased, the self-bias voltage cannot be increased so much that power loss increases.
[0015]
On the other hand, even in a dry etching apparatus that processes a substrate by making ions incident on the surface of the substrate, it is considered that the processing speed such as an etching rate can be further increased by increasing the energy of the incident ions. It is done. However, when the high-frequency power applied to increase the ion incident energy is increased, the self-bias voltage cannot be increased so much, and the power loss increases.
[0016]
The invention of the present application was made to solve the problem of the apparatus for processing the surface of the substrate using the incident energy of ions as described above, and is supplied for generating a self-bias voltage. It has the technical significance of increasing the self-bias voltage while reducing the loss of high-frequency power.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 of the present application includes a processing chamber in which a predetermined process is performed on a substrate, plasma forming means for forming plasma in the processing chamber,In the processing chamberA substrate holder that holds the substrate, and a high-frequency power source that sets a high-frequency electric field between the plasma and the substrate and generates a self-bias voltage on the surface of the substrate by the interaction between the plasma and the high-frequency electric field,
  The substrate holder includes a holder main body and a dielectric block provided in contact with the holder main body. The surface of the dielectric block is a substrate holding surface, and static electricity is induced on the substrate holding surface to form a substrate. The electrostatic adsorption mechanism adsorption electrode that electrostatically adsorbs is provided inside the dielectric block,
  The holder body is made of metal and is maintained at ground potential,
An insulating tube is provided through the holder body, and a metal rod-shaped introduction member is inserted into the insulation tube, and a vacuum leak is prevented between the insulation tube and the introduction member. A sealing member is provided,
  One end of the introduction member is connected to the adsorption electrode, and the other end is connected to a transmission line that transmits high-frequency power generated by the high-frequency power source, and the high-frequency voltage generated by the high-frequency power source is the introduction Applied to the adsorption electrode by a member and insulated by the insulating tube so as not to be applied to the holder body,
A shield that prevents discharge between the side surface and the processing chamber is provided on a side surface of the dielectric block, and the shield does not cover the entire side surface of the holder body. Covers the sidesIt has the structure of.
  In order to solve the above problem, the invention according to claim 2 of the present application is the configuration according to claim 1,The shield does not generate fine particles that pollute the substrate even when sputtered by the plasma.It has the structure of.
  In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 3 of the present application is the configuration according to claim 1 or 2, wherein the adsorption electrode has a plate shape similar to the substrate, and The suction electrode is provided so that the center axis of the suction electrode is the same as the center axis of the substrate when held on the substrate holding surface. .
  In order to solve the above problem, the invention according to claim 4 of the present application is directed to a processing chamber provided with an exhaust system, a target provided so that a surface to be sputtered is exposed in the processing chamber, and a voltage applied to the target. A sputtering power source for sputtering the target by applying a sputtering dischargeIn the processing chamberA substrate holder that holds the substrate, and a high-frequency power source that sets a high-frequency electric field between the plasma and the substrate and generates a self-bias voltage on the surface of the substrate by the interaction between the plasma formed by sputtering discharge and the high-frequency electric field. Prepared,
  A substrate is formed by accelerating ions in the plasma by an electric field set between the plasma and the substrate when the self-bias voltage is generated while forming a thin film in a fine hole formed on the surface of the substrate. A sputtering apparatus that re-sputters a thin film deposited so as to rise to the edge of the opening of the hole and increases the film formation rate in the hole by being incident on the hole,
  The substrate holder includes a holder main body and a dielectric block provided in contact with the holder main body. The surface of the dielectric block is a substrate holding surface, and static electricity is induced on the substrate holding surface to form a substrate. The electrostatic adsorption mechanism adsorption electrode that electrostatically adsorbs is provided inside the dielectric block,
  The holder body is made of metal and is maintained at ground potential,
An insulating tube is provided through the holder body, and a metal rod-shaped introduction member is inserted into the insulation tube, and a vacuum leak is prevented between the insulation tube and the introduction member. A sealing member is provided,
  One end of the introduction member is connected to the adsorption electrode, and the other end is connected to a transmission line that transmits high-frequency power generated by the high-frequency power source, and the high-frequency voltage generated by the high-frequency power source is the introduction Applied to the adsorption electrode by a member and insulated by the insulating tube so as not to be applied to the holder body,
A shield that prevents discharge between the side surface and the processing chamber is provided on a side surface of the dielectric block, and the shield does not cover the entire side surface of the holder body. Covers the sidesIt has the structure of.
  In order to solve the above problem, the invention according to claim 5 of the present application is the structure according to claim 4, wherein the shield does not generate fine particles that pollute the substrate even when sputtered by the plasma. It has the structure of.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 6 of the present application is the configuration according to claim 4 or 5, wherein the adsorption electrode has a plate shape similar to that of the substrate, The adsorption electrode is provided so that the center axis of the adsorption electrode is the same as the central axis of the substrate when held on the substrate holding surface. .
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 7 of the present application is the configuration according to any one of claims 1 to 6, wherein the insulating tube has a circular cross section, and the introduction member has a rod shape with a circular cross section. And having an outer diameter that matches the inner diameter of the insulating tube.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. In the following description, as described above, a sputtering apparatus of a type that forms a thin film while making ions enter the surface of the substrate will be described as an example. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a sputtering apparatus which is an embodiment of a substrate processing apparatus of the present invention.
[0019]
The apparatus shown in FIG. 1 has a processing chamber 1 provided with an exhaust system 11, a target 2 provided so that a surface to be sputtered is exposed in the processing chamber 1, and a sputtering discharge by applying a voltage to the target 2. Sputtering power source 21 for sputtering target 2 generated, gas introduction system 22 for introducing a predetermined sputtering gas for sputtering discharge, and a predetermined position in processing chamber 1 where a predetermined thin film is formed by sputtering. A substrate holder 3 for holding the substrate 9, an electrostatic adsorption mechanism 4 for electrostatically adsorbing the substrate 9 held by the substrate holder 3, and a high frequency electric field is set between the plasma and the substrate 9 to set the plasma and the high frequency And a high-frequency power source 5 that generates a self-bias voltage on the surface of the substrate 9 by the interaction of electric fields.
[0020]
A major feature of the present embodiment is that the high-frequency power source 5 that generates a self-bias voltage on the surface of the substrate 9 directly applies the high-frequency voltage only to the suction electrode 42 provided inside the dielectric block 32 of the substrate holder 3. It is like that. Hereinafter, this point will be described.
[0021]
Also in the present embodiment, the substrate holder 3 includes a holder body 31 and a dielectric block 32. An insulating tube 33 is provided inside the holder body 31 so as to extend vertically. The insulating tube 33 is provided so as to extend from the lower end of the column 312 constituting the holder body 31 to the dielectric block 32. A metal introducing member 34 is provided in the insulating tube 33. The lower end of the introduction member 34 protrudes from the lower end of the insulating tube 33, and a line from the high frequency power source 5 is connected to the protruding portion.
The upper end of the introduction member 34 is fitted into the opening of the dielectric block 32 and connected to the adsorption electrode 42. The introduction member 34 and the holder main body 31 are insulated by the insulating tube 33. Therefore, the high frequency power source 5 does not directly apply a high frequency voltage to the holder main body 31, but directly applies only to the adsorption electrode 42. Yes.
[0022]
The insulating tube 33 is formed of an insulating material such as a fluororesin such as polytetrafluoroethylene or ceramics. The insulating tube 33 is a tube having a circular cross section, and the holder body 31 is formed with a through-hole having a diameter that matches the outer diameter of the insulating tube 33. The insulating tube 33 is provided in a state of being inserted through the through hole. Note that an O-ring is provided between the two in order to prevent leakage from the gap between the outer surface of the insulating tube 33 and the edge of the through hole.
[0023]
The introduction member 34 is formed of a metal such as stainless steel or copper. The introduction member 34 is a rod having a circular cross section with an outer diameter that matches the inner diameter of the insulating tube 33. The introduction member 34 is provided in a state of being inserted into the insulating tube 33. An O-ring for preventing leakage is also provided between the inner surface of the insulating tube 33 and the introduction member 34.
The high frequency power source 5 is connected to the introduction member 34 via the matching unit 51. In the present embodiment, a high frequency power supply 5 having a frequency of about 400 kHz is used. The output of the high frequency power source 5 is about 10 to 200 W.
[0024]
The dielectric block 32 is made of a material such as ceramics, and its upper surface, which is a substrate holding surface, is slightly smaller than the substrate 9. The adsorption electrode 42 is a plate having the same shape as the substrate 9, and has a size 1 to 3 mm smaller than the outer shape of the substrate 9. The central axis of the dielectric block 32 is the same as the central axis of the substrate 9 held on the substrate holding surface.
The holder body 31 is made of metal such as stainless steel and is electrically grounded. The bottom plate portion of the processing chamber 1 has an opening, and the support column 312 of the holder main body 31 is inserted into the opening. A sealing member such as an O-ring is provided at the edge of the opening.
[0025]
The suction power source 41 that constitutes the electrostatic suction mechanism 4 together with the suction electrode 42 supplies a negative DC voltage of about 100 to 400 V to the suction electrode 42.
Further, the above-described suction power source 41 of the electrostatic suction mechanism 4 introduces a voltage for electrostatic suction through the same path as the high-frequency power source 5. That is, the line from the suction power supply 41 is connected to the line from the high frequency power supply 5 and connected to the introduction member 34.
A filter circuit 44 is provided to protect the suction power supply 41 from high frequencies. The filter circuit 44 cuts off the high frequency generated by the high frequency power source 5 and protects the suction power source 41 from the high frequency.
[0026]
In the present embodiment, the configuration of the holder shield 30 is greatly different from the conventional one. That is, as shown in FIG. 1, the holder shield 30 in the present embodiment is configured not to cover the entire side surface of the substrate holder 3 as shown in FIG. 3, but mainly to cover only the side surface of the dielectric block 32. ing. This is because the high-frequency power source 5 applies a high-frequency voltage only to the adsorption electrode 42 as described above, and the holder main body 31 is grounded, and therefore, between the holder main body 31 and the wall of the processing chamber 1. This is because essentially no discharge occurs. The side surface of the dielectric block 32 is covered with the holder shield 30 because there is a possibility that discharge will occur due to the influence of the high frequency voltage applied to the adsorption electrode 32 and it will be sputtered. The holder shield 30 is formed of a material that does not generate particles even when sputtered, such as a material such as silicon single crystal, silicon polycrystal, or quartz (silicon oxide).
[0027]
In FIG. 1, the insulating tube 33 and the introduction member 34 are at a position off the central axis of the holder body 31. However, in order to apply a high-frequency voltage uniformly to the entire adsorption electrode 42, it is preferable to provide the introduction member 34 on the central axis of the adsorption electrode 42.
[0028]
Next, other configurations of the apparatus will be described.
The exhaust system 11 includes a vacuum pump such as a cryopump, and the inside of the processing chamber 1 is 10^-8It is configured to be able to exhaust to about Torr. The target 2 is attached to the processing chamber 1 via an insulating material 20. The material of the target 2 is titanium in this embodiment. Therefore, the thin film to be created is a titanium thin film and is used as a barrier film. For the sputtering power source 21, for example, a negative DC power source of about 9 kW is employed.
[0029]
A gas introduction system 22 that introduces a sputtering gas necessary for sputtering discharge includes a gas cylinder 221 that stores a sputtering gas, a pipe 222 that connects the gas cylinder 221 and the processing chamber 1, a valve 223 provided on the pipe 222, The flow rate regulator 224 is mainly configured. In the present embodiment, the sputtering power source 21 and the gas introduction system 22 constitute plasma forming means.
[0030]
A magnet mechanism 23 is provided behind the target 2. The magnet mechanism 23 is provided for performing magnetron sputtering with high discharge efficiency. The magnet mechanism 23 includes a central magnet 231, a peripheral magnet 232 that surrounds the central magnet 231 in a circumferential shape, and a yoke 233 that connects the central magnet 231 and the peripheral magnet 232.
[0031]
A plasma shield 6 is provided so as to surround a space in the processing chamber 1 where plasma is formed. The plasma shield 6 prevents the plasma from diffusing and prevents the wall of the processing chamber 1 from being sputtered by the plasma.
[0032]
Next, operation | movement of the whole sputtering device of this embodiment is demonstrated. First, the substrate 9 is carried into the processing chamber 1 while being evacuated to a predetermined pressure by the exhaust system 11 in advance, and is placed and held on the substrate holder 3. Next, the gas introduction system 2 operates, and a predetermined sputtering gas is introduced into the processing chamber 1. Then, after the sputtering power source 21 operates and sputter discharge occurs, the suction power source 41 of the electrostatic suction mechanism 4 operates to electrostatically attract the substrate 9 to the substrate holding surface. The target 2 is sputtered by sputtering discharge, and sputtered particles reach the surface of the substrate 9 from the target 2 to form a thin film.
[0033]
At this time, the high-frequency power source 5 operates and a high-frequency voltage is applied to the adsorption electrode 42. As a result, a self-bias voltage is generated on the surface of the substrate 9 as described above. When ions in the plasma are incident on the substrate 9, the overhang generated at the edge of the opening of the hole formed in the substrate 9 is resputtered. As described above, the resputtered particles fall into the hole, and the creation of a thin film in the hole is promoted. After performing the sputtering for a predetermined time, the operations of the sputtering power source 21 and the gas introduction system 22 are stopped, the inside of the processing chamber 1 is evacuated, and then the substrate 9 is taken out from the processing chamber 1.
[0034]
In the sputtering apparatus of this embodiment, since the high-frequency power source 5 applies a high-frequency voltage only to the adsorption electrode 42, power loss can be reduced as compared with the conventional apparatus. In the conventional apparatus, since a high-frequency voltage is applied to the entire substrate holder 3, a high-frequency current flows through the holder shield 30 via the capacitance between the substrate holder 3 and the holder shield 30, and this is a large loss. It was. In this embodiment, since a high frequency voltage is applied only to the adsorption electrode 42 and no high frequency current flows to the ground side via the holder shield 30, there is no such power loss. The high frequency power is consumed only for generating the self-bias voltage, and the power efficiency is greatly improved.
[0035]
Further, since the power efficiency is improved, the power consumed for generating the self-bias voltage is increased even with the same power. For this reason, the self-bias voltage can be increased. That is, the difference between the amount of electrons and ions incident on the substrate 9 also increases, and the self-bias voltage increases. As a result, the electric field from the plasma toward the substrate 9 becomes strong, and the incident energy of ions on the substrate 9 can be increased.
[0036]
In sputtering where ions are incident as in this embodiment, film formation by the incidence of sputtered particles and re-sputtering by the incidence of ions occur on the surface of the substrate 9 as a competitive phenomenon. When the incident energy of ions is increased, the resputtered particles fall into the hole on the inner surface of the hole as described above, and the formation of the thin film is promoted. On the other hand, on the surface other than the hole, it is expected that the rate at which the thin film is re-sputtered by the incident ions becomes larger than the rate at which the thin film is formed by the sputtered particles, and the film formation rate may be reduced.
[0037]
Although a decrease in the film formation rate is generally not preferable, it is considered that the film formation process as in this embodiment may be more convenient. The reason is that if the overall deposition time is increased due to a decrease in the deposition rate on the surface other than the hole, the deposition rate on the bottom surface of the hole is higher than the surface other than the hole due to the arrival of resputtered particles from the overhang. Is not decreased, or the film forming rate is considered to be high. Therefore, a thin film having a sufficient thickness can be formed on the bottom surface of the hole before the film thickness on the surface other than the hole becomes too thick. With the conventional configuration, before the film is formed with a sufficient thickness on the bottom surface of the hole, the film becomes too thick on the surface other than the hole, which may cause problems such as increased resistance due to excessive film thickness. .
[0038]
In this embodiment, the sputtering power source 21 supplies 9 kW of power to the target 2 while maintaining the pressure in the processing chamber 1 at 50 mTorr, and the high frequency power source 5 supplies 25 W of high frequency power to the adsorption electrode 42. 9. Create a thin film. As a result, the bottom coverage rate for a hole with an aspect ratio of 4 could be improved to 44%.
[0039]
Further, in the present embodiment, the holder shield 30 is a very small one that mainly covers only the dielectric block 32, so that the exhaust characteristics in the processing chamber 1 can be improved. Hereinafter, this point will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a difference in exhaust characteristics between the conventional device and the device of this embodiment.
In order to perform a high-quality process on the substrate 9, it is desirable to start the process after the process chamber 1 is evacuated to a lower ultimate pressure. However, since the occluded gas is released from the surface of the member in the processing chamber 1, there is a limit to lowering the ultimate pressure.
[0040]
In the conventional apparatus, a holder shield 30 having a shape covering the entire side surface of the substrate holder 4 is provided. The surface area of the holder shield 30 is large, and the release of occluded gas is relatively large. On the other hand, in this embodiment, the holder shield 30 is very miniaturized and the surface area is small in this embodiment. For this reason, the release of the occluded gas is greatly reduced, and the ultimate pressure can be further reduced. Specifically, as shown in FIG. 2, in the conventional apparatus, the ultimate pressure is 9.9 × 10^-9Although it was about Torr, in the apparatus of this embodiment, the ultimate pressure is 7 × 10.^-9It could be about Torr. As described above, in the present embodiment, the exhaust characteristics can be improved, so that processing with higher quality can be performed on the substrate 9.
[0041]
Further, the adsorption electrode 4 is smaller by 1 to 3 mm than the outer shape of the substrate 9. In order to generate a vertical electric field across the entire surface of the substrate 9 and allow ions to enter vertically, the adsorption electrode 42 should be as large as possible. However, if the attracting electrode 42 becomes too large, the substrate holder 4 becomes large and the area occupied by the entire apparatus increases. If the suction electrode 42 is about 1 to 3 mm smaller than the outer shape of the substrate 9, a sufficiently vertical electric field can be generated over the entire surface of the substrate 9, and there is a problem of increasing the size of the substrate holder 4. Does not occur.
[0042]
In the above-described embodiment, the sputtering apparatus has been described as an example, but the present invention can also be implemented in a dry etching apparatus or a plasma CVD apparatus that performs reactive ion etching (RIE) or the like. In these apparatuses, for example, when plasma is formed by high-frequency discharge, a high-frequency power source and a gas introduction system constitute plasma forming means. Also in these devices, by applying a high-frequency voltage only to the adsorption electrode, the power loss can be greatly reduced and the self-bias voltage can be increased. This increases the energy of ions incident on the substrate and increases the processing speed. For example, in RIE in which the energy of incident ions is used for the reaction of a reactive gas for etching, the energy of incident ions can be increased to increase the etching rate.
[0043]
【The invention's effect】
  As explained above,Claim 1According to the invention, since the high-frequency power source for generating the self-bias voltage supplies the high-frequency power only to the suction electrode, the self-bias voltage can be increased while reducing the loss of the high-frequency power. Thereby, the incident energy of ions is increased, and the action when ions are incident on the substrate can be increased.
  According to the invention of claim 3, the aboveClaim 1In addition to the effect, the electric field from the plasma toward the substrate becomes uniform over the entire surface of the substrate, so that the substrate can be processed uniformly.
  Also,Claim 4According to the invention, since the high-frequency power source for generating the self-bias voltage supplies the high-frequency power only to the attracting electrode, the loss of the high-frequency power can be reduced and the self-bias voltage can be increased. Thereby, the incident energy of ions is increased, and the overhang is re-sputtered by the ions incident on the substrate, and the film formation in the holes is promoted. Therefore, the bottom coverage rate of the hole can be improved.
  According to the sixth aspect of the invention, in addition to the effect of the fourth aspect, the electric field from the plasma toward the substrate becomes uniform over the entire surface of the substrate, so that the processing on the substrate can be performed uniformly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a difference in exhaust characteristics between a conventional device and the device of the present embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a conventional sputtering apparatus as an example of a substrate processing apparatus.
FIG. 4 is a view showing a state in which a thin film is formed on the edge of the hole opening and the inner surface of the hole.
[Explanation of symbols]
1 Processing chamber
2 Target
21 Sputter power supply
22 Gas introduction system
23 Magnet mechanism
3 Substrate holder
31 Holder body
32 Dielectric block
33 Insulation tube
34 Introduction member
4 Electrostatic adsorption mechanism
41 Power supply for adsorption
42 Adsorption electrode
5 High frequency power supply
51 Matching device
9 Board
91 holes

Claims

A processing chamber in which a predetermined process is performed on the substrate inside, a plasma forming means for forming plasma in the processing chamber, a substrate holder for holding the substrate in the processing chamber, and a high frequency between the plasma and the substrate A high-frequency power source that sets an electric field and generates a self-bias voltage on the surface of the substrate by the interaction between the plasma and the high-frequency electric field;
The substrate holder includes a holder main body and a dielectric block provided in contact with the holder main body. The surface of the dielectric block is a substrate holding surface, and static electricity is induced on the substrate holding surface to form a substrate. The electrostatic adsorption mechanism adsorption electrode that electrostatically adsorbs is provided inside the dielectric block,
The holder body is made of metal and is maintained at ground potential,
An insulating tube is provided through the holder body, and a metal rod-shaped introduction member is inserted into the insulation tube, and a vacuum leak is prevented between the insulation tube and the introduction member. A sealing member is provided,
One end of the introduction member is connected to the adsorption electrode, and the other end is connected to a transmission line that transmits high-frequency power generated by the high-frequency power source, and the high-frequency voltage generated by the high-frequency power source is the introduction Applied to the adsorption electrode by a member and insulated by the insulating tube so as not to be applied to the holder body,
A shield that prevents discharge between the side surface and the processing chamber is provided on a side surface of the dielectric block, and the shield does not cover the entire side surface of the holder body. A substrate processing apparatus which covers a side surface.

2. The substrate processing apparatus according to claim 1, wherein the shield does not generate fine particles that contaminate the substrate even when sputtered by the plasma.

The adsorption electrode has a plate shape similar to that of the substrate, has a size smaller by 1 to 3 mm than the outer shape of the substrate, and the substrate when the central axis of the adsorption electrode is held on the substrate holding surface The substrate processing apparatus according to claim 1, wherein the adsorption electrode is provided so as to be the same as a central axis of the substrate.

A processing chamber equipped with an exhaust system, a target provided so that a surface to be sputtered is exposed in the processing chamber, a sputtering power source for applying a voltage to the target to cause sputtering discharge and sputtering the target, and processing A substrate holder that holds the substrate in the chamber, and a high frequency that generates a self-bias voltage on the surface of the substrate by the interaction between the plasma and the high frequency electric field formed by sputtering discharge by setting a high frequency electric field between the plasma and the substrate With power supply,
A substrate is formed by accelerating ions in the plasma by an electric field set between the plasma and the substrate when the self-bias voltage is generated while forming a thin film in a fine hole formed on the surface of the substrate. A sputtering apparatus that re-sputters a thin film deposited so as to rise to the edge of the opening of the hole and increases the film formation rate in the hole by being incident on the hole,
The substrate holder includes a holder main body and a dielectric block provided in contact with the holder main body. The surface of the dielectric block is a substrate holding surface, and static electricity is induced on the substrate holding surface to form a substrate. The electrostatic adsorption mechanism adsorption electrode that electrostatically adsorbs is provided inside the dielectric block,
The holder body is made of metal and is maintained at ground potential,
An insulating tube is provided through the holder body, and a metal rod-shaped introduction member is inserted into the insulation tube, and a vacuum leak is prevented between the insulation tube and the introduction member. A sealing member is provided,
One end of the introduction member is connected to the adsorption electrode, and the other end is connected to a transmission line that transmits high-frequency power generated by the high-frequency power source, and the high-frequency voltage generated by the high-frequency power source is the introduction Applied to the adsorption electrode by a member and insulated by the insulating tube so as not to be applied to the holder body,
A shield that prevents discharge between the side surface and the processing chamber is provided on a side surface of the dielectric block, and the shield does not cover the entire side surface of the holder body. A sputtering apparatus characterized by covering a side surface.

5. The sputtering apparatus according to claim 4, wherein the shield does not generate fine particles that pollute the substrate even when sputtered by the plasma.

The adsorption electrode has a plate shape similar to that of the substrate, has a size smaller by 1 to 3 mm than the outer shape of the substrate, and the substrate when the central axis of the adsorption electrode is held on the substrate holding surface The sputtering apparatus according to claim 4, wherein the adsorption electrode is provided so as to be the same as a central axis of the sputtering apparatus.

7. The insulating tube according to claim 1, wherein the insulating tube has a circular cross section, and the introduction member has a rod shape with a circular cross section and has an outer diameter that matches the inner diameter of the insulating tube. Sputtering equipment.