JP2621728B2 - スパッタリング方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造工程におい
て、処理基板上にスパッタリングにより薄膜を形成する
スパッタリング方法及びその装置に係る。 【０００２】 【従来の技術】以下に、スパッタ成膜方法に関する従来
の技術を説明する。 【０００３】スパッタ成膜は、陰極上におかれたターゲ
ット材料に、所定のエネルギ以上のイオンを衝突させ、
これにより放出されるターゲット材料の構成原子又は粒
子を基板上に付着堆積させ薄膜を形成する成膜方法であ
る。 【０００４】上記スパッタ成膜を行うスパッタリング装
置としては、特公昭５３−１９３１９号に記載のように
ターゲット材料を有する陰極のターゲット材料と反対側
に磁気装置の一対の磁極を設け、これによって生ずる弧
状の磁力線をターゲット上に形成し、該陰極に電圧を印
加しプラズマを発生させ、該プラズマの荷電粒子を前記
磁力線によりサイクロトロン運動させ該磁力線内に閉込
めることにより高密度のプラズマを得、２極スパッタリ
ング装置に比べ高い成膜速度を得る方法が知られてい
る。 【０００５】更に、上記装置のイオン衝突エネルギを低
減する方法の１つとして、特開昭５８−７５８３９に示
されるプラズマ発生電力として高密度プラズマの発生が
可能なマイクロ波を用いたものがある。 【０００６】この方法は前記の特公昭５３−１９３１９
号に記載のスパッタリング装置にマイクロ波発生源を設
置したものである。 【０００７】また、マイクロ波によるプラズマを応用し
たスパッタリング装置の他の例としては、特開昭５９−
４７７２８号に記載のものがある。これは、マイクロ波
によって発生させたプラズマを発散磁界により輸送し、
このプラズマ輸送用窓の近傍にターゲットを載置した陰
極を設置し、該陰極に電力を印加しターゲットへイオン
を衝突させ、これによって放出されたターゲット材料の
原子又は粒子を、上記スパッタに使用したプラズマによ
りイオン化しこれを基板上に堆積させるものである。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】特公昭５３−１９３１
９号に示されたような方法では、プラズマ領域がリング
状の狭い領域となり、また陰極に印加した電力によりプ
ラズマ発生とターゲットへのイオン衝突エネルギの両方
を供給しているため、成膜速度を上げるために印加電力
を大きくしていくと、プラズマ密度はある限界があるた
めイオンの数の増加が止まりイオンのターゲットへの衝
突エネルギのみが増加する傾向となる。このような状態
でスパッタ成膜すると、ターゲットの侵食領域がプラズ
マ領域とほゞ一致したリング状の狭い領域となるうえさ
らに高エネルギのイオンの衝突により、ターゲット表面
の限られた範囲の表面温度が急激に上昇しターゲット内
に大きな熱ストレスが発生してターゲットの割れやはが
れが発生し成膜ができなくなる。また上記成膜方法で
は。、ターゲットの侵食領域が狭い領域となるため、タ
ーゲット利用効率が低く、ターゲット当りの基板処理枚
数が少なかった。 【０００９】また、特開昭５８−７５８３９に示される
ような、プラズマ発生電力としてマイクロ波を用いた方
法では、プラズマの高密度化はマイクロ波により行われ
るため、プラズマ密度の限界は前記装置に比べ高くでき
るが、イオンがターゲットに衝突する領域すなわち侵食
領域は前記と同様のため陰極への印加電力を大きくして
いくとイオン衝突によりターゲットの限られた範囲の表
面温度が上昇し、熱ストレスによるターゲットの割れや
はがれが発生し成膜できなくなる。また、プラズマ領域
は前記と同様にリング状の狭い領域となり、ターゲット
の利用効率も低いものであった。 【００１０】更に、特開昭５９−４７７２８号に記載さ
れたマイクロ波によるプラズマを応用したスパッタリン
グ装置のような方法では、イオン衝突によるターゲット
の侵食はほゞターゲット全域になるがターゲットから放
出された原子又は粒子をイオン化して成膜するため、タ
ーゲットは基板とは対向しておらずターゲットから放出
された原子又は粒子がプラズマ中に飛び込むよう構成さ
れている。ターゲットから放出された原子又は粒子の放
出角度分布は一般に余弦法則に従うことが知られてお
り、このことから上記方法では、ターゲットから放出さ
れた原子又は粒子が直接基板に堆積する量はわずかとな
り、成膜はイオン化された原子又は粒子によるものと云
える。このことから、成膜速度は、ターゲットから放出
された原子又は粒子のイオン化効率によって左右され、
イオン化率は一般に低いと云われており、小さいものと
なる。また上記方法では、ターゲット寸法を大きくした
場合、ターゲット面上ではプラズマを閉込めていないた
め、プラズマ密度は、プラズマ輸送窓の近傍では高い
が、ここから離れるにつれ低くなってしまい、これにス
パッタ成膜するとターゲットの中心部のみ多く侵食され
外周部はほとんど侵食されないことになる。この結果、
陰極への印加電力を大きくしていくと、ターゲット中心
部にイオン衝突が集中しターゲット内に熱ストレスが生
じ、高速成膜を得る上での熱ストレスとターゲットの利
用効率向上の問題がある。 【００１１】従って、スパッタリング成膜において高速
成膜を可能ならしめ、かつターゲット利用効率を増大さ
せるためには、ターゲット表面のほゞ全域に高密度プラ
ズマを発生させてターゲットのほゞ全域を侵食領域と
し、かつイオンの衝突エネルギを極端に大きくすること
なくターゲット内熱ストレスも小さい状態でスパッタリ
ング成膜を行なうことにより、高速成膜を可能としかつ
ターゲット利用効率を増大させることが必要である。 【００１２】本発明の目的は、上記したスパッタリング
装置の例に示したように、タ−ゲット電極と基板電極と
の間に、広い領域に渡って高密度のプラズマを発生させ
ることができるプラズマ処理装置を提供することにあ
る。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、スパッタリング方法において、マイクロ
波発生源で発生させたマイクロ波を電子サイクロトロン
共鳴させてプラズマを発生させ、この発生させたプラズ
マを処理室内の基板を載置する基板電極とこの基板電極
に対向して設けたターゲット電極との間に導入し、基板
電極とターゲット電極との間にカスプ磁場を形成してこ
のカスプ磁場中にプラズマを閉じ込め、ターゲット電極
に第１の高周波電力を印加し基板電極に前記第１の高周
波電力よりも小さい第２の高周波電力をそれぞれ印加す
ることにより基板上にスパッタ成膜を行なう方法とし
た。また、スパッタリング装置を、マイクロ波を発生さ
せて搬送するマイクロ波発生手段と、このマイクロ波発
生手段と接続する処理室と、マイクロ波発生手段と処理
室とを接続する部分に設けたマイクロ波を電子サイクロ
トロン共鳴させてプラズマを発生させるプラズマ発生手
段と、処理室の内部にあって被処理基板を載置する基板
電極手段と、処理室の内部で基板電極手段と対向して設
けられたターゲット電極手段と、このターゲット電極手
段に第１の高周波電力を印加する第１の高周波電力印加
手段と、基板電極手段に前記第１の高周波電力よりも小
さい第２の高周波電力を印加する第２の高周波電力印加
手段と、基板電極手段とターゲット電極手段との間にカ
スプ磁場を形成するカスプ磁場発生手段とを備えて構成
した。 【００１４】 【作用】先ず、マイクロ波による放電を用いた高密度プ
ラズマの発生であるが、これにはマイクロ波がいかに有
効にプラズマに吸収されるかが重要で、この条件により
プラズマ密度が限定されてしまう。 【００１５】すなわち、静磁界のないプラズマ中での電
磁波は波数ベクトルＫが ここで ω：入射電磁波周波数 ωｐ：プラズマ周波数 で与えられ、ω＜ωｐではＫが虚となり電磁波はプラズ
マ中には伝搬しえない。言い換えれば、例えば2.45ＧHz
のマイクロ波ではプラズマ密度が7.4×10¹⁰／cm³を越え
るプラズマ中には伝搬しえない、すなわち2.45ＧHzのマ
イクロ波で生成するプラズマは磁場がない状態ではプラ
ズマ密度は7.4×10¹⁰／cm³以上にはならないことがわか
る。 【００１６】また、静磁界のあるプラズマ中での電磁波
は、その電磁波の進行方向と磁界とのなす角度により伝
搬状態が異なり、特に磁界と平行になるように電磁波を
プラズマ中に入射した場合は、右回り円偏波の分散式
は、 ここで ωce：電子サイクロトロン周波数 ωci：イオンサイクロトロン周波数 で与えられ、０＜ω＜ωceとなる周波数の電磁波はプラ
ズマ密度に関係なくプラズマ中を伝搬する。 【００１７】すなわち、静磁界を設け、かつこの静磁界
と平行にマイクロ波を入射し、この静磁界の強度を電子
サイクロトロン共鳴条件（マイクロ波周波数2.45ＧHZで
は磁界強度875ガウス）以上とすることにより、右円偏
波はプラズマ中を伝搬し、マイクロ波電力をプラズマに
供給するため、プラズマ周波数ωｐは、ωｐ＞ωとな
り、プラズマ密度は7.4×10¹⁰／cm³よりはるかに大きな
値（10¹²／cm³以上）になる。 【００１８】また、上記の様にして発生させたプラズマ
は、磁気装置により抱束していなければプラズマは発散
してしまい、マイクロ波電力の損失が大きくなりかつプ
ラズマも高密度化できない。またこのプラズマを磁気装
置により抱束し長い距離輸送すると輸送中のプラズマの
拡散により、プラズマ密度は距離が離れるに従って低下
する。 【００１９】以上のことから、本発明は、プラズマ発生
部に磁気装置を設け、この磁気装置でミラー磁場を形成
し、この磁場の磁気装置の１方の側からこの磁界と並行
にマイクロ波を入射し、この静磁界の強度を電子サイク
ロトロン共鳴条件以上とし高密度プラズマを発生させ
る。 【００２０】ここで、ミラー磁場を形成する磁気装置の
一方にターゲットを載置した陰極を配し、残り一方から
マイクロ波を入射させる。このターゲットに対向して基
板及び第３の磁気装置を設け、この第３の磁気装置と前
記ターゲットに近接した磁気装置とでカスプ磁場を形成
することにより、ミラー磁場内で発生した高密度プラズ
マを、このカスプ磁場内に輸送し、この磁場で閉込める
ことにより、ターゲット表面ほぼ全域にわたって高密度
プラズマでおおう構成とした。 【００２１】また、本発明では、基板側にも電力（高周
波電力）を印加できる構成とし、ターゲットを載置した
陰極に電力を印加してスパッタ成膜する際に基板側にも
電力を印加し基板表面をスパッタエッチングできる構成
とした。 【００２２】また、ターゲット裏面の磁気装置を複数個
の磁気回路で構成することによりターゲット上での磁力
線の強度分布、形状等を制御可能な構成とした。 【００２３】 【実施例】以下本発明の一実施例を図１から図６により
説明する。図１、図２は、第１の一実施例のスパッタリ
ング装置の構造を示す断面図である。ターゲット１と基
板２は平面対向しており、ターゲット１は裏面にバッキ
ングプレート３を介して陰極４に密接して設置され、該
陰極４は絶縁物５を介して真空槽６に設置される。ま
た、前記絶縁物５の外周には陽極７が絶縁板８を介して
真空槽６に設置されている。この陰極４と陽極７の間に
電源９が設置される。ここでターゲット１の中央部１０
は空洞となっており、この部分にプラズマ発生室１１が
設置され、該プラズマ発生室１１の外周には導波管１２
が絶縁物１３を介して陰極４に設置してある。前記導波
管１２にはフランジ１４で別の導波管１５が取付けら
れ、該導波管１５の他端にはマイクロ波発生源１６が設
置されている。更に、前記導波管１５のフランジ１４の
外周に磁気装置１７が設置され、また、前記陰極４の裏
面に別の磁気装置１８が設置され、該磁気装置１８は複
数個の磁気コイル１８ａ、１８ｂ、１８ｃより構成され
る。ここで前記プラズマ室１１は、マイクロ波は通過す
るが真空は保持する材料（例えば石英、アルミナ磁器な
ど）から成り、前記陰極４へは真空を保持しうるように
設置される。 【００２４】また、基板２は、基板ホルダ１９上に載置
され該基板ホルダ１９は軸２０により絶縁物２１を介し
て電気的に絶縁されかつ真空を保持するようにフランジ
２２に設置され、該フランジ２２は、磁気装置２３を包
み込んだリング状の罐２４が取付いたコイルフランジ２
５に設置され、該コイルフランジ２５は真空槽６にそれ
ぞれ真空を保持しうるように設置される。また、前記基
板ホルダ１９の軸２０には、電源２６が設置され、基板
２に高周波電力が印加できる構成となっている。 【００２５】以上の構成において、磁気装置１７、１８
はミラー磁場を構成し、また磁気装置１８、２３はカス
プ磁場を構成する。これらの磁気装置により発生する磁
力線は、図２に示すように、磁気装置１７、１８での磁
力線２７は、該磁気装置１７、１８の中間で磁束密度が
小さくなり広がって、磁気装置１７、１８のそれぞれの
中心で絞り込まれ、さらに磁気装置１８からターゲット
１側へ出た磁力線２８は、基板２側の磁気装置２３の磁
力線２９と反発しあいカスプ磁場を形成する。ここで磁
気装置１７の磁場強度を磁気装置１８の磁場強度より大
きくすることにより、該ミラー磁場で発生したプラズマ
はカイプ磁場内へ輸送される。また、スパッタ成膜室３
０は、不活性ガス（例えばアルゴンガスなど）雰囲気の
所定の真空状態（10~²から10~⁴Ｔorr程度）としてお
く。 【００２６】以上において、マイクロ波発生源１６より
マイクロ波を発振すると、マイクロ波は導波管１５によ
り導かれ、導波管１２へ送られプラズマ発生室１１へ入
る。磁気装置１７、１８により作られる静磁界によって
マイクロ波はプラズマ発生室内の雰囲気ガスを電離しプ
ラズマ状態とする。この磁場強度を電子サイクロトロン
共鳴条件以上とすることにより、プラズマ発生室１１内
は高密度のプラズマ（プラズマ密度ne＝10¹¹〜10¹³／cm
³）状態となる。また、上記磁気装置１７の磁場強度を
磁気装置１８の磁場強度より高くすることにより、プラ
ズマ発生室１１内のプラズマは磁力線２８に沿ってター
ゲット１面上へ送られる。このプラズマは、磁気装置１
８と２３とによって作られるカスプ磁場によってターゲ
ット１と基板２の間に閉込られ、ターゲット１面上を高
密度プラズマ状態とする。ここで陰極４に電源９により
電力を印加し、ターゲット１面に負の電界を発生させ、
これによりプラズマ中のイオンを加速してターゲット１
表面に衝突させ、該ターゲット１表面から順次その原子
又は粒子をはじき出し、これを基板２の表面上に堆積し
て薄膜を形成する。ここで、電源９は、ターゲット１の
材質により直流または高周波を選択する。以上のよう
に、ターゲット１面上のプラズマは、ターゲット１表面
の全域にわたりかつ高密度であるためターゲット１の侵
食領域もターゲット１の全域となる。また、プラズマ密
度も高く、ターゲツトへ衝突するイオンの数が多く、高
エネルギイオンがターゲットに衝突することなく、ター
ゲット１内の熱ストレスも小さいものとなる。 【００２７】また、上記のスパッタ成膜において、電源
２６により基板ホルダ１９に高周波電力を印加し、基板
２表面に負の電界を発生させ、この電界によりプラズマ
中のイオンを加速して基板２表面に衝突させ基板表面に
堆積した薄膜をスパッタエッチングする。このときの基
板状態を図３と図４に示す。図３（ａ）は、溝を有する
基板３１にスパッタ成膜した状態を示し、溝幅が小さく
なるとスパッタ成膜により堆積した膜３２は、先に成膜
された膜３３の角の部分でオーバハング３４し、溝３５
の開口部３６は成膜の進行に伴い益々狭くなり、溝３５
の成膜ができなくなる。そこで、上記の基板側に電力を
印加し、スパッタエッチングをスパッタ成膜と同時に行
うと、図３（ｂ）に示すように、スパッタエッチング特
性から（ａ）のオーバハング３４が他の部分よりエッチ
ングされやすく、溝３５の開口部３６は３６′のように
なり溝への成膜が可能となる。また、スパッタ成膜中に
基板をスパッタエッチングしながら、更に成膜した状態
を図４に示す。スパッタエッチングはイオンの入射角と
エッチングされる面の法線の角度が６０°〜７０゜でエ
ッチングの最大値を示すことから、角度を持った部分３
７が他の部分より多くエッチングされ、図４（ａ）のよ
うになり、更には図４（ｂ）のように堆積した膜３２の
表面が平坦になることが知られている。これらの従来装
置ではプラズマの密度が低く、成膜中の基板のスパッタ
エッチングを高速に行うために印加電力を大きくする
と、イオンの数が少ないため衝突するイオンのエネルギ
が増大して、基板または素子にダメージを与えるが本発
明の装置は、ターゲットと基板間に高密度プラズマを閉
込めているため、基板印加電力を増加してもイオンのエ
ネルギは増大せず基板へのイオン衝突ダメージが低減で
き、高速成膜での溝埋込および平坦化成膜が可能とな
る。 【００２８】図５、図６は、本発明の第２の一実施例の
スパッタリング装置の構造を示す断面図である。本実施
例は、陰極４′、絶縁物５′、バッキングプレート３′
およびターゲット１′の形状が円錐形をしている以外は
第１の一実施例と同様であり、該実施例と同一の効果が
ある。本実施例によれば、第１の実施例に加え、さらに
ターゲット１′が円錐状をしており、このターゲット
１′の面が基板をかこむように傾斜しているため、ター
ゲット１′表面からイオンの衝突によりはじき出された
原子又は粒子の放出角度分布が余弦法則に従うことから
（例えば、東京大学出版会、金原粲著「スパッタリング
現象」（１９８４年３月発行））、前記放出された原子
又は粒子の基板２表面への付着堆積する割合が向上し、
ターゲット１に同一電力を供給した場合での基板への薄
膜の堆積速度が増大する。 【００２９】 【発明の効果】以上の実施例に示したように、本発明を
スパッタリング装置に適用すれば、マイクロ波と磁気装
置を組合せ高密度プラズマ（プラズマ密度ne＝10¹¹〜10
¹³／cm³）を発生させ、これを短い距離にてターゲット
表面に輸送すると共に、該プラズマをターゲットと基板
間に磁気装置により閉込め、ターゲット表面のほぼ全域
にわたり高密度プラズマ状態とするため、陰極への電力
印加によりターゲットへ衝突するイオンの数を増大でき
大電力を印加してもイオンの衝突エネルギを低くおさえ
られかつターゲット全域にイオンが衝突し、ターゲット
への熱ストレスを低減でき高速成膜とターゲットの利用
率向上が可能となる。 【００３０】また、基板に電力を印加し、スパッタ成膜
中に基板表面をスパッタエッチングする場合にもプラズ
マ密度が高いため、基板表面に衝突するイオンのエネル
ギを低くでき、基板又は素子にダメージを与えることな
く微細溝への高速埋込と平坦化膜の高速成膜ができる。
またターゲット形状を円錐形にすることにより、スパッ
タによりはじき出された原子又は粒子の基板への付着堆
積割合を向上できる。更に、プラズマ発生はマイクロ波
を用いイオンのターゲットへの衝突エネルギには別電源
を使用するため、ターゲトへの衝突イオン数とそのエネ
ルギを個別制御でき、ターゲット材質にあったスパッタ
リング条件の設定ができる。 【００３１】以上本発明によれば、プラズマを発生させ
るための電源と成膜などの基板を処理するための電源と
を分離してそれぞれ独立に制御できるようにし、かつ発
生したプラズマを基板と基板に対向する位置に設置した
電極との間に磁場で閉じ込めることにより高密度化でき
るようにしたので、基板を高速に且つ低ダメ−ジで処理
でき、生産効率及び材料使用効率及び使用電力効率の向
上と素子へのダメージの低減効果がある。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１の一実施例のスパッタリング装置
の断面図。 【図２】図１の磁力線を表わす断面図。 【図３】スパッタ成膜中の基板を示す断面図。 【図４】スパッタ成膜中の基板を示す断面図。 【図５】本発明の第２の一実施例のスパッタリング装置
の断面図。 【図６】図５の磁力線を表わす断面図である。 【符号の説明】 １，１′…ターゲット、 ２…基板、 ４，４…陰極、 ７，７′…陽極、 １４，１５…導波管、 ９…電源、 １６…マイクロ波発生源、 １７，１８，２３…磁気装置、 ２６…電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/3065 21/31 Ｄ 21/31 21/302 Ｂ (72)発明者 清水 保 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 相内 進 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

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を電子サ
   イクロトロン共鳴させてプラズマを発生させ、該発生さ
   せたプラズマを処理室内の基板を載置する基板電極と該
   基板電極に対向して設けたターゲット電極との間に導入
   し、前記基板電極と前記ターゲット電極との間にカスプ
   磁場を形成して該カスプ磁場中に前記プラズマを閉じ込
   め、前記ターゲット電極に第１の高周波電力を印加し前
   記基板電極に前記第１の高周波電力よりも小さい第２の
   高周波電力をそれぞれ印加することにより前記基板上に
   スパッタ成膜を行なうことを特徴とするスパッタリング
   方法。 ２．特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング方法で
   あって、前記プラズマは前記処理室内のミラー磁場中で
   発生させ、該プラズマを前記基板上に形成したカスプ磁
   場中に輸送して、該カスプ磁場中に閉じ込めて該プラズ
   マを高密度化し、該高密度化したプラズマにより前記第
   ２の高周波電力を印加した基板電極に載置した基板に対
   して処理を行なうことを特徴とするスパッタリング方
   法。 ３．マイクロ波を発生させて搬送するマイクロ波発生手
   段と、該マイクロ波発生手段と接続する処理室と、該マ
   イクロ波発生手段と処理室とを接続する部分に設けた前
   記マイクロ波を電子サイクロトロン共鳴させてプラズマ
   を発生させるプラズマ発生手段と、前記処理室の内部に
   あって被処理基板を載置する基板電極手段と、前記処理
   室の内部で前記基板電極手段と対向して設けられたター
   ゲット電極手段と、該ターゲット電極手段に第１の高周
   波電力を印加する第１の高周波電力印加手段と、前記基
   板電極手段に前記第１の高周波電力よりも小さい第２の
   高周波電力を印加する第２の高周波電力印加手段と、前
   記基板電極手段と前記ターゲット電極手段との間にカス
   プ磁場を形成するカスプ磁場発生手段とを備えたことを
   特徴とするスパッタリング装置。 ４．特許請求の範囲第３項に記載のスパッタリング装置
   であって、前記プラズマ発生手段の近傍にミラー磁場発
   生手段を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。