JP2001220671A - スパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 基板の表面にわたって均一な大面積高密度の
プラズマを作り、更に、ターゲットプレート上への膜の
両付着を防止できるプラズマ処理装置を提供する。 【解決手段】 スパッタ処理応用のためのプラズマ処理
装置は、上部および下部の電極と呼ばれる２つの平行な
容量結合型電極１１，１４、上部電極の外側領域にわた
って多極マグネット配列を備える反応容器１０によって
構成される。マグネット２１は上部電極の上で回転する
ため金属リングの上に組み付けられる。ターゲットプレ
ート１８は、高周波ｒｆ電流のみが与えられる、または
高周波ｒｆ電流とＤＣ電圧が共に与えられる上部電極に
固定される。基板１９が配置される下部電極は、基板の
表面上のコンタクトホールを満たすイオン化されたスパ
ッタ原子を取り出すため、下部電極上に負の自己バイア
ス電圧を生成するようにＭＦ，ＨＦまたはＶＨＦのｒｆ
電流が与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の応用分野】本発明は、スパッタ成膜応用のた
めのプラズマ処理装置に関し、特に、半導体産業におけ
る集積回路の製造の工程で金属や誘電体材料のスパッタ
リングプロセスに役立つｒｆ（高周波ＡＣ）電極でプラ
ズマイオン密度とイオンエネルギを独立して制御できる
改善されたプラズマ源を備えるプラズマ支援スパッタリ
ング装置のごときプラズマ処理装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】より高い半径方向の均一性を備えた大面
積かつ高密度のプラズマ源が、基板の表面上に作られた
デバイスに電荷誘導ダメージを与えることなく大面積基
板を処理するため、大いに要求されている。特に、堆積
膜の均一性を高める、金属と誘電体材料のスパッタリン
グプロセスのための新たなプラズマ源の開発が、重要で
ある。従来のプラズマ源で前述の特性を得ることの困難
性は、図１０〜図１３に示された２つの従来の構成を用
いて説明され、これらの従来の構成は、通常、２００ｍ
ｍウェハーまたはフラットパネルのプラズマ処理装置に
応用される。

【０００３】図１０は、半導体産業でスパッタ成膜応用
のため用いられる簡略化された従来のマグネトロン型プ
ラズマ源を示す。反応容器１０１は非磁性金属で作られ
た上部電極１０２、円筒形側壁１０３、下部電極１０４
から構成されている。上部電極１０２は反応容器１０１
のトッププレートを形成し、下部電極１０４は反応容器
１０１のボトムプレート１０５の上に設けられている。
上部電極１０２と下部電極１０４は少なくとも反応容器
１０１の一部を横切るように互いに平行になっている。
側壁１０３とボトムプレート１０５は金属、例えばステ
ンレス鋼で作られている。側壁１０３の上側部分は絶縁
材料１０６で作られ、その上には上部電極１０２が配置
されている。スパッタされるべき材料で作られたターゲ
ットプレート１０７は上部電極１０２の下面に固定され
ている。通常、ターゲットプレート１０７は上部電極１
０２に比較して少しばかりより小さい寸法を有してい
る。トッププレートとしての上部電極１０２の上側表面
の上に、図１０と図１１に示されるごとく円形とリング
形のマグネット１０８ａ，１０８ｂが同心円の位置関係
で配置されている。中央のマグネット１０８ａは図１１
に示されるごとくいかなるキャビティも有さず円柱形の
形状を有している。外側のマグネット１０８ｂはリング
形状である。マグネット１０８ａ，１０８ｂの各々の高
さおよび幅は重要な事項ではなく、反応容器１０１の他
の寸法に従って選択される。マグネット１０８ａ，１０
８ｂは上部電極１０２の上に反応容器１０１の内側に対
向する反対の磁極を有するように配置されている。マグ
ネット１０８ａ，１０８ｂのこの配置はこれら２つのマ
グネットの間に湾曲した磁界１０９を生成する。

【０００４】上部電極１０２は整合回路１１１を介して
高周波のＡＣ（ｒｆ）電力源１１０に接続されている。
ｒｆ電力源１１０の周波数は通常１３．５６ＭＨｚであ
る。ｒｆ電力が上部電極１０２に与えられるとき、プラ
ズマが容量結合型メカニズムによって生成される。いっ
たんプラズマが作られると、プラズマの中の電子は湾曲
した磁界の中に閉じ込められ、これが、その領域におい
てプラズマ密度の増加をもたらす。

【０００５】基板１１２は下部電極１０４の上に配置さ
れ、この下部電極１０４は絶縁材料１１３を介してボト
ムプレート１０５から電気的に絶縁されている。下部電
極１０４はｒｆ電源からｒｆ電力を与えられてもよい
し、与えられなくてもよい。もし整合回路１１５を介し
てｒｆ電力源１１４によって下部電極１０４にｒｆ電力
が与えられるとすると、図１０に示されるごとく、ｒｆ
電力源１１４の周波数は、通常、ＭＦ領域に存在する。
下部電極１０４にｒｆ電流が与えられるとき、それは、
負のバイアスを作り、基板１１２の表面の上にイオン衝
撃をもたらす。イオン衝撃は、基板１１２上に堆積され
た膜の上へのエッチングプロセスの原因となるけれど
も、膜堆積速度が基板１１２上の膜エッチング速度を越
えるように下部電極１０４の自己バイアス電圧ガ制御さ
れる。

【０００６】図１２に示された他の従来のマグネトロン
型スパッタリング源は、前述した図１０に与えられたプ
ラズマ源を少し変形させたものである。ここでは中央マ
グネット１０８ａは、上部電極１０２の下側に非対称磁
界を作るため、その軸が偏位したモードで配置されてい
る。このマグネットの配列の上面図が図１３に示されて
いる。このマグネット構成は、上部電極１０２の中心軸
（図１２において破線１１６として示される）の周りに
回転させられる。図１２と図１３に示されたマグネット
１０８ａ，１０８ｂによって形成されるマグネット配列
は非対称に回転する。

【０００７】

【発明が解決しようとする問題】図１０に示された平行
平板プラズマ反応容器は、平行電極の間の大面積プラズ
マ、プラズマの容易な発火、下部電極の表面でのプラズ
マイオンのエネルギを制御することの可能性、のごとき
いくつかの利点を有している。図１０で与えられたマグ
ネットの配列では、上部電極１０２の下側にドーナツ形
状をした湾曲の磁界が生成される。プラズマがいったん
発生すると、ドーナツ形状のより高い密度のプラズマ
が、電子の磁界閉じ込めが原因で、上部電極１０２の下
側に形成される。このより高い密度のプラズマは、マグ
ネット１０８ａ，１０８ｂの磁極の間の領域内に主に閉
じ込められるので、当該磁極の近傍では低いプラズマ密
度が存在する。

【０００８】さらに磁界の強さは磁極に向って増加す
る。これは、マグネット１０８ａ，１０８ｂの磁極での
低い電子密度という結果をもたらす電子のミラー反射が
原因である。電子密度が低いとき、イオンはプラズマに
おいて電子で生成された静電界によってトラップされる
ので、イオン密度も同様にまた低くなる。

【０００９】上で説明された２つの理由によって、磁極
でのイオン流束はより小さくなり、低いスパッタリング
速度という結果をもたらす。しかしながら、マグネット
１０８ａ，１０８ｂの各々の磁極の間のドーナツ形状の
領域においてより高い密度のプラズマが存在するので、
当該２つのマグネットの間の領域に対応するターゲット
プレート１０７の面積部分は強くスパッタされるように
なる。これらのスパッタされた原子の一部が、ガス分子
による散乱が原因で、反射され、再びターゲットプレー
ト１０７に堆積する。磁極に対応するターゲットプレー
トの表面個所でのスパッタ速度は相対的により小さいの
で、スパッタされた原子のこれらの個所での堆積は支配
的なものとなる。しかしながら、再度堆積した膜は、低
い密度を有し、ターゲットプレート１０７上で緩く付着
するので、これはパーティクルとして容易に離れ得る。

【００１０】ターゲットプレート１０７上でのスパッタ
物質の再付着を避けるために、図１２に示されるごと
く、マグネット１０８ａ，１０８ｂが非対称に配置さ
れ、上部電極１０２の中心軸１１６の周りに回転され
る。磁極に対応する場所にたとえスパッタされた物質の
再付着があったとしても、当該再付着の膜はマグネット
の回転によってプラズマの中へ即座にスパッタされ、戻
される。従ってプラズマにおけるパーティクルの源は除
去される。

【００１１】しかしながら、図１２において与えられた
構成で生成されるプラズマは半径方向に不均一である。
このことは基板１１２の表面に不均一なイオン流束を生
じさせる原因となる。特に仮に下部電極１０４にｒｆ電
力を与えることによって基板１１２が負にバイアスされ
ているときには、これは基板の表面上に局所的電荷蓄積
をもたらし、そしてそれは、最終的に基板１０７の上の
サブミクロンの規模の素子の電気的破壊を起こす結果と
なる。

【００１２】本発明の目的は、基板の表面上におけるよ
り高いイオン集中、より高いイオン流束の均一性を伴
い、そしてスパッタされて戻された物質がターゲットプ
レート上に再堆積しないようにしたスパッタ成膜応用の
ため磁気的に高められた容量結合型プラズマ処理装置を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決する手段】本発明によるスパッタ成膜応用
のためのプラズマ処理装置は、反応容器の少なくとも一
部を横切って互いに向かい合う平行な容量結合型の上部
と下部の電極を含む上記反応容器を備える。処理される
べき基板は下部電極の上に搭載され、プラズマによって
スパッタされるターゲットプレートは上部電極の内側
（下側）の面に取り付けられる。さらに、プラズマ処理
装置は上部電極および／または下部電極にそれぞれＡＣ
電力を供給するための高周波ＡＣ電力源を有する。上部
電極のための当該ＡＣ電力源は好ましくはＨＦまたはＶ
ＨＦの領域で動作する。下部電極のためのＡＣ電力源
は、ＭＦ、ＨＦまたはＶＨＦの領域で動作する。複数の
マグネットが上部電極の外側の領域にて半径方向に向け
て設けられ、そしてそれらは上部電極の中心軸の周りに
予め定められた機構によって回転させられる。前述のプ
ラズマ処理装置において、好ましくは、ローパスフィル
タを介して上部電極に付加的なＤＣ電源が接続され、当
該フィルタは上部電極に印加されるＡＣ電流をカットオ
フする。前述のプラズマ処理装置において、好ましく
は、上部電極は非磁性金属で作られ、そしてマグネット
は、反応容器の内側に向うマグネットの磁極を交互に変
えることによって、上部電極の内側表面の近くに閉じた
磁束を有する磁界を生成する。前述のプラズマ処理装置
において、好ましくは、他の複数のマグネットが、プラ
ズマの周縁領域で電子を閉じ込めるため、半径方向に配
列されたマグネットを囲む円の線に沿って設けられてい
る。前述のプラズマ処理装置において、好ましくは、半
径方向に配列されたＮ型のマグネットと、円線に沿って
配列された他のマグネットとは、連続して線状に並べら
れている。前述のプラズマ処理装置において、好ましく
は、マグネットは、反応容器の内部に面するＮ極を有
し、上部電極の境界に向かって延びる曲線形状の第１マ
グネットと、反応容器の内部に面するＳ極を有し、直線
形状の第２マグネットとを含み、そして第１マグネット
と第２マグネットは交互に配置され、その結果、第１と
第２のマグネットの間の磁気ラインカスプ内のプラズマ
中の電子がＥ×Ｂドリフトのために半径方向外方に移動
させられ、それから曲げられ、磁気ラインカスプを通っ
て半径方向内方にドリフトされる。前述のプラズマ処理
装置において、好ましくは、Ｎ極を備えた第１マグネッ
トはＳ極を備えた第２マグネットよりも長い。前述のプ
ラズマ処理装置において、好ましくは、マグネットは、
反応容器の内部に面するＳ極を有し、上部電極の境界に
向かって延びる曲線形状の第１マグネットと、反応容器
の内部に面するＮ極を有し、直線形状の第２マグネット
とを含み、そして第１マグネットと第２マグネットは交
互に配置され、その結果、第１と第２のマグネットの間
の磁気ラインカスプ内のプラズマ中の電子がＥ×Ｂドリ
フトのために半径方向外方に移動させられ、それから曲
げられ、磁気ラインカスプを通って半径方向内方にドリ
フトされる。前述のプラズマ処理装置において、好まし
くは、Ｓ極を備えた第１マグネットはＮ極を備えた第２
マグネットよりも長い。前述のプラズマ処理装置におい
て、好ましくは、複数のマグネットは、上部電極とマグ
ネットの間に小さな隙間を有するようにして、円形の金
属リング上に組み付けられている。前述のプラズマ処理
装置において、好ましくは、複数のマグネットは上部電
極に直接的に配置されている。前述のプラズマ処理装置
において、好ましくは、マグネットの各々は一つの片と
して作られること。前述のプラズマ処理装置において、
好ましくは、マグネットの各々はいくつかのマグネット
要素からなる。前述のプラズマ処理装置において、好ま
しくは、半径方向上に存するマグネットの各々の幅は、
半径方向において変化される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、好ましい実施形態が添付
図面に従って説明される。実施形態の説明を通して本発
明の詳細が明らかにされる。

【００１５】本発明の第１の実施形態は図１と図２を参
照して説明される。図１と図２は第１実施形態のプラズ
マ処理装置のために使用されるプラズマ源の図を示す。
このプラズマ処理装置において、１０は反応容器を示
し、１１は上部電極を示し、１２は円筒形の側壁を示
し、１３はボトムプレートを示し、１４は下部電極を示
し、そして１５は基板ホルダを示す。上部電極１１は、
非磁性金属、例えばＡｌで作られ、そして誘電体材料、
例えばセラミックで作られたリング１６の上に配置され
ている。上部電極１１は円形の形状を有する。上部電極
１１の寸法は、重要な事項ではなく、処理されるべき基
板の大きさに依存する。円筒形の側壁１２とボトムプレ
ート１３は両方とも金属で作られ、電気的に接地されて
いる。

【００１６】誘電体のリング１６が側壁１２の内側の段
差部１２ａの上に配置されるリング金属支持部材１７に
よって支持される。丸い形状を有するターゲットプレー
ト１８は、上部電極１１とターゲットプレート１８の間
にいかなる隙間をつくることなく、上部電極１１の下面
に固定されている。ターゲットプレート１８の下面は、
基板ホルダ１５の上に搭載された基板１９と、空間をあ
けて向かい合っている。

【００１７】上部電極１１の外側（あるいは周縁）の部
分１１ｂはその中央部分１１ａよりも薄くなっている。
外側部分１１ｂの厚みは、反応容器１０の内側空間にて
有効な磁界をつくるためだけでなく、反応容器１０の外
側と内側の間の圧力差に耐え得る範囲内で、できる限り
小さくなるように定められている。上部電極１１の中央
部分１１ａは、上部電極を通して通路２０を作るため、
所要の厚みを有している。冷却媒体入口２０ａを通して
導入された冷却媒体は上部電極１１を冷却するため中央
部分１１ａの通路２０に流れ込み、そして冷却媒体出口
２０ｂを通って外へ流れ出す。より厚い中央部分１１ａ
の直径は、上部電極１１の効率的な冷却を行うためにで
きる限り大きく設定されている。上部電極１１の冷却プ
ロセスは、動作中、ターゲットプレート１８上に与えら
れるより高いエネルギのイオン流束が原因で上部電極１
１とターゲットプレート１８が加熱されるので、重要で
ある。

【００１８】ターゲットプレート１８は、スパッタされ
る材料、例えばＴｉ、ＴｉＮ、あるいはＳｉＯ₂ で作ら
れる。ターゲットプレート１８の直径は少しばかり上部
電極１８の直径よりも小さくなっている。ターゲットプ
レート１８の厚みは、通常、５ｍｍから１０ｍｍの範囲
にある。

【００１９】上部電極１１が配置された誘電体のリング
１６の最も内側の縁は、図１と図２に示されるごとく、
ターゲットプレート１８の縁を覆うように延ばされてい
る。誘電体のリング１６における延ばされた部分とター
ゲットプレート１８との間には、通常、約１〜３ｍｍの
小さな間隔が存在する。誘電体のリング１６の最も内側
の縁はシールディングリングと呼ばれる。たとえ、誘電
体のリング１６が第１実施形態においてシールディング
リングを形成するように変更されたとしても、一般的に
異なる適当な構成を有する他の異なるシールディングリ
ングを用いることができる。

【００２０】複数のマグネット２１が、上部電極１１の
上側（または外側）にて、中央部分１１ａの周りのリン
グ形状の領域で等間隔で設けられている。マグネット２
１の各々は例えばロッド形状を有し、マグネット２１の
すべては上部電極１１の半径方向に沿って（または半径
方向に接するように）配置されている。つまり、複数の
マグネット２１は当該電極１１の外側にて径方向に向か
って設けられている。マグネット２１の垂直断面の形状
は好ましくは正方形の形状あるいは長方形の形状であ
る。マグネット２１の断面の寸法は重要な事項ではな
く、広い範囲、例えば５×５ｍｍから３０×３０ｍｍの
領域で変わり得るものである。マグネット２１の長さは
同様にまた重要な事項ではない。通常、マグネットの長
さは実験的に決定される。いったん圧力、ｒｆ電力など
のごときプロセスパラメータが決定されると、マグネッ
ト２１の長さは、基板ホルダ１５の基板ステージのレベ
ルで均一なプラズマ密度が得られるまで変えることがで
きる。加えて、所定の長さを有するマグネット２１は、
組み合わせられたマグネット要素によって形成すること
も可能である。

【００２１】マグネット２１は、隣り合うマグネットの
間で閉じた磁束を形成するように交互の極性（Ｎ型また
はＳ型）を備えて配列される。この場合において、Ｎ型
マグネットは反応容器１０の内部に面するＮ極を有する
マグネットを意味し、Ｓ型マグネットは反応容器１０の
内部に面するＳ極を有するマグネットを意味する。この
閉じた磁束はターゲットプレート１８の下面の下側へ通
過する。マグネット２１の上面は金属リング２２ａに取
り付けられ、この金属リング２２ａは、通常、図２に示
されるごとく軟鉄で作られている。金属リング２２ａの
外側の縁は、上部電極１１の上を滑らかに回転するため
のボールベアリング２３の上に置かれた他の金属（また
は誘電体）のリング２２ｂに固定される。金属のリング
２２ａ，２２ｂは複数の半径方向のロッド形マグネット
２１を支持するための部材２２を形作る。こうして、複
数のマグネット２１が、上部電極１１とマグネット２１
の間に小さな間隔を設けて支持部材２２の円形の金属リ
ング２２ａに組み付けられている。金属リング２２ａの
外側領域の１つの点は、モータ２５によって回転させら
れるゴムのローラ２４に接触している。２５ａは動力伝
達シャフトを示している。従って、モータ２５に電力を
供給することによって、マグネット２１によって形成さ
れた多極マグネット配列が例えば０．５Ｈｚよりも小さ
い回転周波数で回転させられる。モータ２５に与えられ
る電力を制御することによって、多極マグネット配列の
回転速度は変化させられる。こうしてマグネット２１は
支持部材２２の回転によって回転させられる。前述した
構造において、複数のマグネット２１は上部電極１１の
上に直接に配置してもよい。この場合において、マグネ
ット２１を回転させるためには、プラズマ処理装置は上
部電極１１を回転するための機構を持つ。

【００２２】通常、例えばアルミニウムのごとき金属で
作られたカバープレート２６が上部電極１１の上で複数
のマグネット２１を覆うように配置されている。カバー
プレート２６は上部電極１１の上側かつ最も外側の縁に
強固に固定されている。ＨＦまたはＶＨＦの電流が金属
導体２７を通して上部電極１１の中央部分１１ａに与え
られるとき、当該電流はカバープレート２６の表面を越
えて流れ、そして上部電極１１（またはターゲットプレ
ート１８）の下面に流れ込む。こうしてマグネット２１
の表面に渡ってＨＦまたはＶＨＦの電流が通電すること
が避けられる。これは、マグネット２１の可能性のある
加熱、そしてマグネット２１と上部電極１１の間の可能
性のある電気的火花を排除する。しかしながら、カバー
プレート２６を用いることは本発明のプラズマ源にとっ
て本質的なことではない。

【００２３】プロセスガス（好ましくはＡｒ）は円筒形
の側壁１２に作られたガス導入部分（示されず）を通し
て反応容器１２に供給される。反応容器１０の内部圧力
はガスの流量とガス出口部分２８に配置された良く知ら
れた可変オリフィス（示されず）を調整することによっ
て制御される。反応容器１０の内部圧力は１mTorrから
１００mTorrに至るまでプラズマ処理のタイプに依存し
て変わり得る。

【００２４】２９は整合回路３０を通して上部電極１１
の中央部分１１ａに対しＨＦまたはＶＨＦの電流を供給
するためのＡＣ（ｒｆ）電力源を示す。ＡＣ電力源２９
によって供給されるＨＦまたはＶＨＦの電流の周波数は
約１０〜１００ＭＨｚの範囲にあり、そしてこの領域に
おける代表的な周波数は１３．５６ＭＨｚまたは６０Ｍ
Ｈｚである。ＡＣ電力源２９は通常低いインピーダン
ス、代表的には約５０オームのインピーダンスを有し、
そして０．５ｋＷから５ｋＷのｒｆ電力を作ることがで
きる。ＡＣ電力源２９の出力は上部電極１１に与えられ
る。

【００２５】３１は下部電極１４にＡＣ電流を与えるた
めの他のＡＣ（ｒｆ）電力源を示す。第２のＡＣ電力源
３１によって供給されるＡＣ電流の周波数は、好ましく
はＭＦ，ＨＦ，ＶＨＦの領域に存する。ＡＣ電力源３１
は同様にまた低いインピーダンス、代表的には５０オー
ムのインピーダンスを有し、そして１ｋＷに至るまでの
ＡＣ電力を作ることができる。このＡＣ電力は整合回路
３２を通して基板ホルダ１５内の下部電極１４に与えら
れる。直列に接続されたインダクタ３４とキャパシタ３
５からなるハイパスフィルタ３３の一端は下部電極１４
と整合回路３２の間の導電線に接続されている。ハイパ
スフィルタ３３の他の端は接地されている。ハイパスフ
ィルタ３３を用いる目的は、下部電極１４から到来する
ＨＦまたはＶＨＦの電流のための接地の通路を作ること
である。この方法は、高周波ＡＣ電流による可能性のあ
るダメージからＡＣ電力源３１を保護する。

【００２６】前述のプラズマ源に基づく反応容器１０に
おけるプラズマ生成のメカニズムが説明される。ＨＦま
たはＶＨＦの領域で動作するｒｆ電流が所定条件の下で
上部電極１１に与えられるとき、プラズマはｒｆ電力の
容量結合型のメカニズムによって生成される。磁界が存
在する領域において電子はサイクロトロンの回転を受け
る。これは電子の移動路の長さを増加し、それによっ
て、プラズマ密度を増大させる原因となるガス分子との
間の衝突の回数が増加する。マグネット２１が上部電極
１１の外側領域においてのみ設けられているので、相対
的に低い密度のプラズマで埋め込まれたドーナツ形状の
高密度プラズマが作られる。ドーナツ形状の高密度プラ
ズマにおいて、電荷粒子はそのとき下流に流れ出しなが
ら半径方向の内側と外側に拡散する。この拡散のプロセ
スのため、下流における基板１９が配置された個所にお
いて、半径方向に均一なプラズマが形成される。ターゲ
ットプレート１８からの半径方向に均一なプラズマまで
の距離は主としてドーナツ形状のプラズマの半径とプラ
ズマ密度の両方によって決定される。ドーナツ形状のプ
ラズマの半径は多極マグネット配列の内側と外側の半径
によって決定されるので、所望のレベルにおけるプラズ
マの均一性は、上部電極１１の中心から適当な距離でマ
グネット２１を配置すること、あるいはマグネット２１
の適当な長さを選択することによって制御され得る。

【００２７】いったんプラズマが発火されると、上部電
極１１は、電子がイオンよりもより熱速度を持つという
事実によって負にバイアスされる。上部電極１１の自己
バイアス電圧は大きくプラズマ励起周波数に依存する。
プラズマ励起周波数の増加は自己バイアス電圧の減少と
プラズマ密度の減少の原因となる。上部電極１１におけ
る負のバイアス電圧の値は、同様にまた、アノード面積
に対する上部電極の表面面積の比に依存する。ここでア
ノード面積は接地されたすべての表面の全体の表面積の
ことである。通常、プラズマ源の大部分において、アノ
ード面積は上部電極（カソード）の表面面積よりも大き
い。このことは上部電極１１における負の自己バイアス
電圧を開発することの原因となる。この負の自己バイア
ス電圧のため、プラズマにおけるイオンはターゲットプ
レート１８の方向に加速され、ターゲットプレート１８
を作る物質をスパッタしプラズマ中にもたらす。より高
いスパッタリング割合を得るためにイオン密度と上部電
極１１の自己バイアス電圧の両方が増加されなければな
らない。ＡＣ電力源２９から供給されるｒｆ電力の増加
はプラズマイオン密度と自己バイアス電圧の両方を増加
させる。

【００２８】ターゲットプレート１８からスパッタされ
た原子のイオン化の割合はプラズマ密度の増加によって
増加される。従って、上部電極１１に与えられるｒｆ電
力の増加は、スパッタリングの割合の増加と、スパッタ
された原子のイオン化の増加とをもたらす。さらにイオ
ン化された原子は、ＡＣ（ｒｆ）電流の適用によって下
部電極１４の上に生成されたバイアス電位によって加速
され、基板１９の表面に集められる。もし下部電極１４
に与えられたｒｆ電流がＶＨＦ領域に存するならば、高
密度プラズマが下部電極１４の近くで生成される。これ
はスパッタされた原子のイオン化割合を高め、より高い
成膜速度をもたらす。

【００２９】従来技術において説明されたように、同様
に、マグネット２１の磁極に対応する個所にて、スパッ
タされた原子の再付着が、このマグネット配列でも起る
可能性がある。しかしながら、この実施形態の多極マグ
ネット配列は回転しているので、再付着による膜は即座
に高密度プラズマによってスパッタされる。加えて当該
マグネット配列で生成された磁界の線（磁束線）は上部
の基板１１あるいは反応容器１０の半径方向の線に対し
て垂直となるように存在している。すなわち、反応容器
の径方向において磁束線は全く存在していない。その理
由によって、ターゲットプレート１８の中央領域におい
ては磁束線がない。こうして、ターゲットプレート１８
の上に電子を衝突させる斥力のメカニズムは存在しな
い。それ故に、ターゲットプレート１８上での自己バイ
アス電圧はどこにおいても同じであるので、プラズマに
おけるイオンはドーナツ形状のプラズマ領域でそれらが
衝撃を与えるのと同じエネルギで中央領域の上に衝撃を
与える。しかしながら、中央領域におけるイオン流束
は、多極マグネット配列の下側で生成されるプラズマに
比較して低い。それ故に、中央領域で作られる当該スパ
ッタリングは外側の領域に比較して低い。これは、基板
の表面で均一なスパッタ原子あるいはイオン化原子の流
束を得ることにおいて要求される条件である。

【００３０】次に本発明の第２の実施形態が図３によっ
て説明される。図３はプラズマ処理装置の断面図であ
り、図２に類似したものである。上部電極に対する付加
的なＤＣバイアス供給の構成を除いてすべての他の構成
は第１実施形態において与えられたものと同じである。
図２に示された要素で、第１実施形態で説明されたそれ
らと実質的な同じものは、それぞれ同じ参照番号によっ
て示されている。

【００３１】上部電極１１は、第１実施形態と同様に、
整合回路３０を介してＨＦまたはＶＨＦの領域において
動作するＡＣ電力源２９に接続されている。ＡＣ電力源
２９などに関する詳細は、第１実施形態において与えら
れたものと同じである。加えて、上部電極１１はインダ
クタ（Ｌ）４２を通してＤＣ電圧供給源４１に接続され
ている。さらに、キャパシタ（Ｃ）４３の１つの端子が
インダクタ４２と上部電極１１の間の伝送線に接続さ
れ、一方、キャパシタ４３の他の端子は接地されてい
る。ＬとＣの値は上部電極１１に与えられるｒｆ電流が
ＤＣ電圧供給源４１を通って流れないように選択され
る。この電気的接続要素はＤＣ電圧供給源４１を寄生的
なｒｆ電流から保護する。ＤＣ電圧供給源４１は電圧を
−１０００ボルトに至るまで供給することができる。

【００３２】プラズマは容量結合型のメカニズムによっ
て生成され、上部電極１１の外側領域におけるプラズマ
密度は、第１実施形態で説明されたごとく、複数のマグ
ネット２１に基づく磁界によって高められる。プラズマ
密度は、与えられるｒｆ電力を変化させることによって
制御される。ＤＣ電圧供給源４１はターゲット１８の上
に対しイオンを加速するために上部電極１１に対し所望
の負のＤＣバイアスを与えるために使用される。イオン
は加速のプロセスによってより高いエネルギを得る。こ
のことはスパッタリング割合を増加するという結果をも
たらす。上部電極１１の上にＤＣ電圧供給源４１の負の
ＤＣバイアスを応用することはプラズマの電位に何ら影
響を与えない。従って、プラズマのイオン密度と上部電
極１１のバイアス電圧は独立に第２実施形態の構成によ
って制御され得る。

【００３３】次に、図４に従って第３の実施形態が説明
される。この第３の実施形態において、主たるハードウ
エアの構成は前述した実施形態のそれと同じである。第
３実施形態はマグネットの配列に関して特別な特徴を持
っている。それ故に、図４は上部電極１１の上方に配置
された複数のマグネット（５１，５２）によって形成さ
れるマグネットの配列のみを示している。マグネット５
１の１つの組は前述した実施形態のそれらと同様に交互
の極性（Ｎ型またはＳ型）にて半径線に沿って配列され
ている。反応容器の内部に面するＮ極を有するマグネッ
ト５１と反応容器の内部に面するＳ極を有するマグネッ
ト５１は交互に配置されている。マグネット５１は実質
的にマグネット２１に等しい。マグネット５２の他の組
は円形の線５３に沿って配列されており、この円形の線
の直径は上部電極１１の直径に大体等しいものである。
従って、半径の線に沿って設けられたマグネット５１
は、図４に示されるごとく、円形の線５３に沿って設け
られたマグネット５２によって定められる円形の領域内
に位置している。円形の線５３に沿って配置されたマグ
ネット５２は、反応容器１０の内側に向う同じ極性（例
えばＮ極）を有している。さらに円形の線５３上の各マ
グネット５２は半径の線の上にあるマグネット５１に垂
直になるように設けられ、それらのマグネット５１は反
応容器１０の内側に向う反対の極性（Ｓ極）を有してい
る。マグネット（５１，５２）の長さあるいはマグネッ
ト（５１，５２）の間の間隔は重要な事項ではない。円
形の線５３の上にある２つのマグネット５２の間の間隔
は、通常、マグネット５２の長さの１／２として設定さ
れている。マグネット５２の長さは、半径の線の上にあ
る２つの隣り合うマグネット５１の間の間隔に依存して
いる。上記のごとく説明されたマグネットの配列は、第
１あるいは第２の実施形態と同様に回転させられる。

【００３４】上部電極１１の近傍の電子はＥ×Ｂのドリ
フトを受ける、ここでＥとＢはそれぞれ上部電極１１に
おけるＤＣ電界と磁界の強さである。電子のＥ×Ｂドリ
フトのため、前述の実施形態において与えられたマグネ
ット配列が用いられるならば、電子の一部は上部電極の
領域から逃れる。マグネットが第３実施形態のごとく配
列されるとき、電子は上部電極の領域の内部に適当に閉
じ込められる。このマグネット配列は、電界の方向が上
部電極の方向に向いていること、そしてマグネット５
１，５２の極性が図４に示されるごとくラベルをつけら
れることを考えると、代表的な配列として模式的に図４
に示される。図４におけるＥ×Ｂのドリフトの方向は、
先端に矢印を有する線５４において示されている。ター
ゲットプレートの領域内の電子の閉じ込めのため、プラ
ズマの密度は、第１と第２の実施形態で得られたそれに
比較して、さらに増加される。さらに、このマグネット
配列は、同様にまたマグネット５１，５２が回転させら
れるので、ターゲットプレート上にスパッタされた膜を
再び付着させない。

【００３５】図５は図４に示した第３実施形態の変形例
である。この変形例では、第３実施形態のマグネット配
列に比較して、磁石の極性が反対になるように変更され
ている。すなわち、図５に示されるごとく、Ｎ型とＳ型
の磁石５１が交互に半径線５５に沿って配列されてい
る。さらに、反応容器の内部に向かうＳ極を有する複数
のマグネット５６が円形線５３に沿って配置され、この
円形線の直径は上部電極１１の直径にほぼ等しい。半径
線に沿って配列されたマグネット５１は、円形線５３に
沿って配列されたＳ型マグネットにより定められた円形
領域内に存在している。さらに円形線５３に沿う各マグ
ネット５６は、半径線５５上のＮ型マグネット５１に対
して直交するように設けられている。この例のその他の
構造は、第３実施形態と同じである。Ｎ型マグネット５
１の周りに形成された矢印線５７はこの例のマグネット
配列に基づくＥ×Ｂドリフトの方向を示している。

【００３６】図６は本発明の第４の実施形態を示す。こ
の実施形態は最も実用的な構造としての図４に示された
第３実施形態のマグネット配列を変形したものである。
この例において、特に、Ｎ磁極を形成するマグネットが
変更される。図６において６１はＳ磁極内側表面を有す
るマグネット集合体を有し、６２はＮ磁極内側表面を有
するマグネット集合体を示し、２２ａは金属リングを示
す。金属リング２２ａの縁の外形輪郭は前述した円形の
線５３にほぼ一致する。図６に示された構造によれば、
９つのマグネット集合体６１，６２が等しい間隔にて半
径方向に設けられている。Ｓ型のマグネット集合体６１
は図６に示されるように一列状に並べられたいくつかの
マグネット要素６１ａによって形成され、その下側（内
側）の表面がＳ磁極を有するＳ型のマグネット５１に対
応している。Ｎ型のマグネット集合体６２は図６に示さ
れるように連続して線状に並べられたいくつかのマグネ
ット要素６２ａで形成され、Ｎ磁極内側表面を有する半
径方向のＮ型マグネット５１と円形の線５３に沿うマグ
ネット５２との組み合わせに対応している。マグネット
集合体６２は半径方向の部分と円形の線５３に沿った部
分を含む。反応容器の内部に面したＮ極を有するマグネ
ット集合体６２は、上部電極の外部または金属リング２
２ａの外側端へ延びる直線形状と当該外側端での曲線形
状とからなる。マグネット集合体６１とマグネット集合
体６２によって形成されるマグネット配列は第３の実施
形態で説明されたものと同様な機能を有し、同じ技術的
な効果を有している。

【００３７】図７は本発明の第４実施形態の変形を示
す。第４実施形態の変形によれば、Ｎ型とＳ型のマグネ
ットの配列と形状は実質的に図６に示されたものと同じ
である。図７に示されたマグネットは、反応容器１０の
内部に面するＮ極を有する第１マグネット６２２を含
み、これらは上部電極１１または金属リング２２ａの境
界に向かって延びまたは当該境界で曲げられた形状を有
するものであり、そして反応容器１０の内部に面するＳ
極を有する第２マグネット６１１を含み、これらは真直
ぐな形状を有するものである。マグネット６１１，６２
２は交互に配置され、その結果、第１と第２のマグネッ
トの間の磁気ラインカスプ６１２内のプラズマ中の電子
はＥ×Ｂドリフトで半径方向外方に移動され、それから
曲げられ、磁気ラインカスプ６１２を通って半径方向内
方にドリフトさせられる。図７に示されるごとく、Ｎ極
を有する第１マグネット６２２は、Ｓ極を有する第２マ
グネット６１１よりも長い。

【００３８】図８は本発明の第４実施形態の他の変形を
示す。第４実施形態のこの変形によれば、図７に示され
た変形と比較すると、Ｎ型とＳ型のマグネットの配列と
形状が反対になっている。図８に示されたマグネット
は、反応容器１０の内部に面するＳ極を有する第１マグ
ネット６３３を含み、これらは上部電極１１または金属
リング２２ａの境界に向かって延びまたは当該境界で曲
げられた形状を有するものであり、そして反応容器１０
の内部に面するＮ極を有する第２マグネット６４４を含
み、これらは実質的に真直ぐな形状を有するものであ
る。マグネット６３３，６４４は交互に配置され、その
結果、第１と第２のマグネットの間の磁気ラインカスプ
内のプラズマ中の電子はＥ×Ｂドリフトで半径方向外方
に移動され、それから曲げられ、磁気ラインカスプを通
って半径方向内方にドリフトさせられる。矢印の線６３
４はＥ×Ｂドリフトの方向を示す。図８に示されるごと
く、Ｓ極を有するマグネット６３３は、Ｓ極を有するマ
グネット６４４よりも長い。

【００３９】次に本発明の第５の実施形態が図９に従っ
て説明される。この実施形態のハードウエア的な構成は
前述の実施形態のそれと同じである。この実施形態は同
様にまた上部電極の上側のマグネット配列に関して特別
な特徴を持っている。それ故に図９はマグネット配列の
みを示している。

【００４０】多くのマグネット７１は仮想の四角７２の
コーナーの箇所に交替的な極性で配列されている。マグ
ネットの配列領域７３の外径は上部電極１１の直径にほ
とんど等しい。マグネット７１は図９に示されるように
半径ｒ１とｒ２によって含まれる領域内のみに配置され
ている。マグネット７１の直径と高さは重要な事項では
ない。当該直径は５ｍｍから３０ｍｍの範囲にあればよ
く、高さは４ｍｍから３０ｍｍで変わり得る。２つのマ
グネット７１の間の間隔も重要な事項ではなく、１５ｍ
ｍから４０ｍｍの範囲で変えることができる。複数のマ
グネット７１は前述の金属リング２２に固定され、第１
実施形態で説明されたように回転される。

【００４１】マグネット７１が上で説明されたように配
列されるとき、ターゲットプレート１８の下に点状カス
プ磁界が生成される。これらの磁界のために、第１実施
形態で説明されたようにプラズマ密度が増加する。それ
故に、このマグネット配列も同様にまた第１実施形態に
おいて説明されたごとく基板全体の表面にわたり均一な
膜堆積を作り出す。

【００４２】半径方向にて上部電極の上に配置された前
述の実施形態で説明されたマグネットの各々は、好まし
くは、いくつかのマグネット要素から構成され、または
一つの片として作られる。加えて、半径線の上に存在す
る各マグネットの幅は半径方向において変化し得る。

【００４３】

【発明の効果】本発明によるプラズマ処理装置は、複数
のマグネットが上部電極の上側の領域にて半径方向へ配
列され、それらはその中心軸の周りに回転させられるの
で、イオン密度とイオンエネルギの独立した制御に基づ
いて基板の表面にわたって均一に拡散された大面積高密
度のプラズマを作ることができる。さらに、ターゲット
プレートの上への膜の再付着がマグネット回転構造によ
って防止される。加えて、基板の表面の上に均一なイオ
ン流束が存在するので、膜は、基板上のデバイスに電荷
誘導ダメージを与えることなく堆積させられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この図は容量結合型電極、ターゲットプレー
ト、そしてマグネット配列を示す第１実施形態の斜視図
である。

【図２】この図は第１実施形態の縦断面図である。

【図３】この図は第２実施形態の縦断面図である。

【図４】この図は第３実施形態に用いられるマグネット
配列を示す。

【図５】この図は第３実施形態で用いられる他のマグネ
ット配列を示す。

【図６】この図は第４実施形態において用いられるマグ
ネット配列を示す。

【図７】この図は第４実施形態において用いられる他の
マグネット配列を示す。

【図８】この図は第４実施形態において用いられる他の
マグネット配列を示す。

【図９】この図は第５実施形態において用いられるマグ
ネット配列を示す。

【図１０】この図はプラズマ処理に用いられる第１の従
来のプラズマ源を示す概略図である。

【図１１】この図は図１０に示された上部電極の上面図
である。

【図１２】この図はプラズマ処理に用いられた第２の従
来のプラズマ源を示す概略図である。

【図１３】この図は図１２に示された上部電極の上面図
である。

【図面における参照符号の説明】

１０ 反応容器 １１ 上部電極 １２ 円筒形側壁 １３ ボトムプレート １４ 下部電極 １５ 基板ホルダ １８ ターゲットプレート １９ 基板 ２１ マグネット ２２ａ 金属リング ２２ｂ 金属（あるいは誘電体）リング ２５ モータ ５１，５２ マグネット ７１ マグネット

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行な容量結合型の上部および下部の電
   極を含む反応容器であり、前記電極は前記反応容器の少
   なくとも一部を横切って互いに向かい合い、処理される
   べき基板が前記下部電極の上に搭載され、かつターゲッ
   ト部材が前記上部電極の下側に設けられる前記反応容器
   と、 前記上部電極と前記下部電極にＡＣ電力をそれぞれ供給
   するＡＣ電力源と、 前記上部電極の外側領域で半径方向に設けられた複数の
   マグネットと、そして前記上部電極の中心軸の周りに前
   記複数のマグネットを移動させる機構と、 からなることを特徴とするスパッ成膜応用のためのプラ
   ズマ処理装置。
2. 【請求項２】 付加的なＤＣ電力源が、前記上部電極に
   与えられるＡＣ電流をカットオフするローパスフィルタ
   を介して前記上部電極に接続されることを特徴とする請
   求項１記載のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装
   置。
3. 【請求項３】 前記上部電極は非磁性金属で作られ、前
   記マグネットは、前記反応容器の内部に面する前記マグ
   ネットの磁極を交互に変えることによって前記上部電極
   の内側表面の近くで閉じた磁束を伴う磁界を生成するこ
   とを特徴とする請求項１記載のスパッタ成膜応用のため
   のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 プラズマの周縁領域で電子を閉じ込める
   ため、前記の半径方向に設けられたマグネットを囲む円
   の線に沿って設けられた他の複数のマグネットを有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   スパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記の半径方向に設けられたＳ型または
   Ｎ型のいずれかのマグネットと円の線に沿って設けられ
   た前記他のマグネットとが連続して線状になるように配
   列されたことを特徴とする請求項４記載のスパッタ成膜
   応用のためのプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 前記マグネットは、前記反応容器の内部
   に面するＮ極を有し、前記上部電極の境界に向かって延
   びる曲線形状の第１マグネットと、前記反応容器の内部
   に面するＳ極を有し、直線形状の第２マグネットとを含
   み、そして前記第１マグネットと前記第２マグネットは
   交互に配置され、その結果、前記第１と前記第２のマグ
   ネットの間の磁気ラインカスプ内のプラズマ中の電子が
   Ｅ×Ｂドリフトのために半径方向外方に移動させられ、
   それから曲げられ、前記磁気ラインカスプを通って半径
   方向内方にドリフトされることを特徴とする請求項３記
   載のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 Ｎ極を備えた前記第１マグネットはＳ極
   を備えた前記第２マグネットよりも長いことを特徴とす
   る請求項６記載のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処
   理装置。
8. 【請求項８】 前記マグネットは、前記反応容器の内部
   に面するＳ極を有し、前記上部電極の境界に向かって延
   びる曲線形状の第１マグネットと、前記反応容器の内部
   に面するＮ極を有し、直線形状の第２マグネットとを含
   み、そして前記第１マグネットと前記第２マグネットは
   交互に配置され、その結果、前記第１と前記第２のマグ
   ネットの間の磁気ラインカスプ内のプラズマ中の電子が
   Ｅ×Ｂドリフトのために半径方向外方に移動させられ、
   それから曲げられ、前記磁気ラインカスプを通って半径
   方向内方にドリフトされることを特徴とする請求項３記
   載のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】 Ｓ極を備えた前記第１マグネットはＮ極
   を備えた前記第２マグネットよりも長いことを特徴とす
   る請求項６記載のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処
   理装置。
10. 【請求項１０】 前記複数のマグネットは、前記上部電
    極と前記マグネットの間に小さな間隔を有するように、
    円形の金属リングの上に組付けられることを特徴とする
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のスパッタ成膜応用
    のためのプラズマ処理装置。
11. 【請求項１１】 前記複数のマグネットは前記上部電極
    の上に直接に配置されることを特徴とする請求項１〜９
    のいずれか１項に記載のスパッタ成膜応用のためのプラ
    ズマ処理装置。
12. 【請求項１２】 前記マグネットの各々は一つの片とし
    て作られることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１
    項に記載のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装
    置。
13. 【請求項１３】 前記マグネットの各々はいくつかのマ
    グネット要素からなることを特徴とする請求項１〜９の
    いずれか１項に記載のスパッタ成膜応用のためのプラズ
    マ処理装置。
14. 【請求項１４】 半径方向上に存する前記マグネットの
    各々の幅は、半径方向において変化されることを特徴と
    する請求項１〜９のいずれか１項に記載のスパッタ成膜
    応用のためのプラズマ処理装置。