JP2607582B2 - スパッタによる成膜方法及びその装置 - Google Patents

スパッタによる成膜方法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスパッタ成膜にかかわり、特に多層配線構造
を持つ集積回路における配線用導体膜の好適なスパッタ
膜を形成できるスパッタによる成膜方法及びその装置に
関するものである。
〔従来の技術〕
従来技術としては、特開昭61−117273号に記載された
ものが知られていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術においてはフィルタに電気的入力がある
ので常に大きな基板流入電流を確保しようとすると、フ
ィルタが過熱されるという課題があった。
本発明の目的は実効的なフィルタへの電気的入力を低
減しながら、且つ大きなバイアススパッタ効果を確保で
きるようにしたスパッタによる成膜方法及びその装置を
提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成するために、基板及びフィ
ルタに付与する電位を共に周期性を有するようにしたの
で同期して増減させることが可能となった。即ち本発明
は大きな基板流入電流が必要な時にのみ、フィルタを強
く電気的に励起することにある。そこで基板電極印加電
源のパルス的な増減に同期して、フィルタ電源の出力も
パルス的に増減する。このようなパルス的信号を発生す
る電源をつくり、これによってフィルタ用の高周波電源
も制御されるようにする。
〔作用〕
このように基板及びフィルタに同期させて電位を付与
したことにより基板バイアス電力(流入電流)を増加さ
せてもフィルタの変形はみうけられず、安定した付き廻
り性の良好なスパッタ成膜を行うことができる。
〔実施例〕
第1図は本発明に係るスパッタによる成膜方法を実施
するスパッタ装置の一実施例を示したものである。1は
特開昭61−117273〜117275号公報に記載されているよう
に、周知のプレーナマグネトロンスパッタ電極である。
2はターゲット、3はフィルタ、4は防着シールド板、
5は基板電極、6は基板(ウェハ)、7は基板バイアス
用直流電源、8は電圧計、9は基板流入電流計である。
10はブロッキングコンデンサ、11は通過型電力計、12
はパルス電源、13は13.56MHz等の高周波電源であり、変
調入力としてパルス電源12の信号を用いることができ
る。
基板電極5には、直流基板バイアス電源7により負の
電圧が印加されており、その電圧と電流は、それぞれ電
圧計8及び電流計9にて監視される。直流基板バイアス
電源7にはパルス電源12が接続されており、お互いの電
圧が重畳されて、基板電極5に印加される。これから説
明する実験条件では、直流基板バイアス電源7の出力は
常時−70Vとした。パルス電源12の出力は、−110Vピー
クであり、両電源の合成出力は第2図に示す如き波形を
しており、繰り返し周波数50KHz、パルス印加のデュー
ティ(第2図中のt1/t2)はほぼ50%程度で使用する。
基板電極5の上に基板6を固定する。基板6は直径10
0φmmのシリコンウェハである。基板6は基板電極5か
らの爪の如き金具によって固定され、アルミ成膜中に
は、アルミ膜と電気的接触を確保している。
フィルタ電源13は、13.56MHzのものであり、マッチン
グボックス(図示せず)を介し印加する。フィルタ3へ
の印加電力は通過型電力計11にて監視する。
フィルタ3には第3図の模式図に示すごとく井桁状の
薄板(厚さ1mm)を用いた。井桁の大きさは約9mm×約9m
mの正方形の開口を持ち、スパッタ粒子の進行方向への
長さは約10mmとした。フィルタ全体の直径はφ160mmで
ある。
基板6は直径100mmのシリコンウェハであり本発明に
係わる成膜方法の付き廻り性の調査のためには多層配線
構造にある配線層間の接続孔(以下スルーホール)を模
したテスト形状を持つサンプルウェハを用いた。基板6
は基板電極5上に金属性のツメのごとき金具(図示せ
ず)で固定されA1成膜中には基板6上のA1幕は基板電極
5と電気的な接触を保つ。
基板6とフィルタ3の基板側端面との距離及びターゲ
ット2とフィルタ3のスパッタ電極側端面との距離はと
もに約30mmとした。ターゲット2には直接8インチ(約
φ200mm)のA1−1.5%Siをもちいた。
スパッタ装置として動作させるには真空槽(図示せ
ず)を適当な真空ポンプによって高真空(10-7〜10-8To
rr台)にまで排気する。その後アルゴンガスを導入し、
約3.5mTorrの圧力とした。一方13.56MHzの高周波電源13
は整合回路(図示せず)とブロッキングキャパシタ10と
を介してフィルタ3に接続されており、通過型電力計11
によりフィルタ3に印加されている電力をモニタするこ
とができる。
スパッタ電源には負の電圧を印加し(図示せず)スパ
ッタ電圧約500V,スパッタ電流10Aで放電を行なった。こ
のときのスパッタガス圧力(アルゴンガス圧力)は約3.
5mtorrである。
最初に基板電極5の電位をパルス的に駆動したときの
実験について説明する。このときフィルタ用の高周波電
源13は50wの出力に固定した。
基板電極5に印加される電圧波形を第2図に示す。基
板直流電源の出力は常時−70Vであり、パルス電源の出
力は波高値−110Vである。従って第2図に示す如く尖頭
値は−180Vのパルス列的波形となる。
パルスの繰り返し周期は第2図に示す如くt2秒であ
り、そのt2秒のうちt1秒だけ基板バイアス電圧は−180V
となる。基板バイアス電圧が最大値となっている時間の
比、t1/t2をデューティファクタと呼ぶことにする。デ
ューティファクタが0%から100%へと増すにつれ、基
板バイアス電圧の最大値が印加されている時間が長くな
る。
このデューティファクタをパラメータとしてスルーホ
ールへの付き廻り性を評価した結果、一定の−180Vの基
板バイアスではスルーホール中にボイドが残り、埋め込
むことができないが、間欠的にこの電圧を加えるのであ
れば、0〜20%のデューティファクタでもボイドの発生
はなく、30〜60%のデューティでは完全に埋め込むこと
ができる。デューティファクタを70%以上にしてゆく
と、逆にボイドが発生し、一定の−180Vの状態と等価と
なる。
以上の如く、確実に埋め込むためにやや過剰な基板バ
イアス電圧を印加し、デューティファクタの制御で巾広
く適正な条件を設定することができる。更にパルス電源
12の出力はフィルタ用高周波電源13に供給されており、
パルス電源12の出力が負で大きくなると、高周波電源13
の出力も増大する。
パルス電源12の繰り返えし周波数50MHz,デューティフ
ァクタ50%,スパッタ電力10A×500V,アルゴン圧力3.5n
Torr,フィルタ3には、開口9×9mm2,深さ10mm,フィル
タ内の板厚1mmで実験を行った。フィルタ用高周波電源1
3の出力を常に100Wとしていた場合にはフィルタ3の変
形が認められたが、上記条件での使用では変形は発生し
なかった。
第4図はフィルタ3に印加する13.56MHzの電力と基板
流入電流との関係を示したもので、10Wでは曲線C10W,20
Wでは曲線C20W,50Wでは曲線C50W,100Wでは曲線C100Wと
なる。従ってスルホールにAl膜を埋め込みができるよう
に大きな基板流入電流(例えば100W)を与えてもフィル
タ3の変形は発生しない。
このように本実施例では、出来るだけAl粒子の透過率
を低下させないように薄い板により組み立てられたフィ
ルタ3の筒状の形を利用し、スパッタ粒子の飛行方向の
指向性を与えるとともに、その筒の中でポーカソード放
電を発生させ、基板電極5に負の電圧を印加した時に、
大きな基板流入電流を得、良好な付き廻り性のスパッタ
成膜を行う。基板印加電圧波形はパルス状にして基板6
の過熱を防ぐ。この場合ターゲット2の材料(スパッタ
材料)は、比較的融点の低い金属材料(具体的にはアル
ミ,アルミ合金)が適している。
そこで第4図に示すように大きな基板流入電流を得る
には、フィルタ3にそれぞれ比例して大きな電力印加を
おこなわなければならない。通常の使用状態では数10W
〜200W程度である。しかし基板バイアス直流電圧に同期
させてフィルタ3に印加する負の電位を増減させている
ので、大きな基板流入電流が得られるようにしてもフィ
ルタ3が昇温によって変形されることはなく、安定して
スルホールへの付き廻り性をよくして成膜することがで
きる。
またプレーナマグネトロンバイアススパッタにおいて
フィルタ3に電気的な励起を与えることにより、系内に
新たにフィルタ3を第3の電極とした第2の放電を発生
させる事によって果たすことができる。この時フィルタ
材料のスパッタリングの発生を抑止するためにできるだ
け低い電圧にて放電が発生するように、フィルタ3に筒
状の形状を持たさせ、フィルタ内でのホローカソード放
電を利用する。
また増大させ得るようになった基板流入電流すなわち
アルゴンイオン電流によってアルミ原子の移動が活性化
されるようにイオンによる成膜中のアルミ膜の衝撃を有
効に行うことであるが、本発明に係るスパッタ装置では
常時基板電位を十分に大きな電流密度を得るように印加
する必要はなく、たとえば間欠的に印加すれば良い。具
体的には間欠的に大きな負の電位になるように基板電極
に電圧を印加してやれば良い。基板の温度が徒に高いと
アルミのフローはスルーホールの中に有効に入っていか
ない。スルーホールへの付き廻り性を向上させるにはス
ルーホール周縁にスルーホールを塞ぐごとく成長するオ
ーバハングを抑制することが大切であり、本発明に係る
技術であればオーバハングが少し成長した時点で瞬間的
に基板バイアスを印加し、オーバハング部分のアルミ膜
をフローさせることで足りる。このような間欠的な基板
電圧の印加による付き廻り性の改善はフィルタによる指
向性の付与によってもともとオーバハングの成長が遅い
ということを前提として、その上で本発明によって初め
て大きな効果を実現することができる。これにより必要
以上のアルゴンイオンの流入が無く、徒に基板温度を上
昇させることがない。
また基板上に均一なアルゴンイオン電流密度を保つこ
とは基板に対するプラズマの発生位置を相対的に移動せ
しめ、アルゴンイオンの流入を時間平均として基板上で
均一化することにより達成できる。ウエハの中心と同軸
状に配置した電磁石型のマグネトロンスパッタ電極であ
り発生するプラズマリングの径を変化させうるものは、
プラズマリング径が小さい時にはウェハ基板の中心部分
で高いイオン電流密度が得られ、逆にプラズマリング径
が大きい時にはウェハ基板の外周部分で高いイオン電流
密度が得られる。これら2つの電流密度とその時に同時
に得られるそれぞれに対応した成膜速度の比は必ずしも
よく一致しない。即ちイオン電流密度が一様となるよう
にスパッタ電力をプラズマリングの移動に伴って変化さ
せると、今度は平坦な成膜速度分布が得られないという
結果になる。このとき本発明に係る技術ではフィルタの
電位を同時に制御することで、成膜速度分布とイオン電
流密度分布とを適切に設定することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、フィルタでの電
力損失が低減できるので、フィルタの大掛りな水冷を必
要とせず、安定したスルホールへの付き廻り性をよくし
たスパッタ成膜を行うことができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す図、第2図は基板バイ
アス印加電圧波形の一例を示す図、第3図はフィルタの
構造を示す図、第4図はフィルタの励振高周波電力と基
板流入電流との関係を示す図である。 1……マグネトロンスパッタ電極 2……ターゲット 3……フィルタ 5……基板電極 6……基板 7……基板バイアス用直流電源 10……ブロッキングコンデンサ 12……基板パルスバイアス電源 13……高周波電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川人 道善 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 藤田 昌洋 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 米岡 雄二 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 亀井 常彰 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−76668(JP,A) 特開 昭61−156804(JP,A) 特開 昭61−264174(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スパッタ電極から出たスパッタ粒子に対し
    てフィルタによって飛行方向に指向性を与え、基板に間
    欠的に基板バイアスを付与して基板に成膜を行うスパッ
    タによる成膜方法において、上記フィルタに間欠的に上
    記基板バイアスに同期させてフィルタ電圧を印加し、基
    板に成膜を行うことを特徴とするスパッタによる成膜方
  2. 【請求項2】スパッタ電源と、成膜対象である基板に電
    位を付与するための基板電極と、該基板電極に周期性の
    電位を付与するための基板電極電源と、スパッタ電極か
    ら出てスパッタ粒子が基板に付着するまでの飛行空間に
    設けられ、スパッタ粒子の飛行方向に指向性を付与する
    フィルタと、該フィルタに周期性の電位を付与するため
    のフィルタ電源とを備えたことを特徴とするスパッタ装
    置。
  3. 【請求項3】上記基板電極電源と上記フィルタ電源とが
    各々出力を同期して増減すべく構成したことを特徴とす
    る請求項2記載のスパッタ装置。
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