JP3231900B2 - 成膜装置 - Google Patents

成膜装置

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JP3231900B2
JP3231900B2 JP16257393A JP16257393A JP3231900B2 JP 3231900 B2 JP3231900 B2 JP 3231900B2 JP 16257393 A JP16257393 A JP 16257393A JP 16257393 A JP16257393 A JP 16257393A JP 3231900 B2 JP3231900 B2 JP 3231900B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に半導体及び電子機
器の製造工程で基板上の微細な穴埋めを行うのに使用さ
れる成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】半導体や電子機器等の製造工程では多層配
線を行うために薄膜上の小さな穴に金属を埋め込む技術
が重要となってきている。この穴埋めの方法としては従
来スパッタリング法やCVD 法等が知られている。特に、
基板上に開いた微細な穴を埋めるには後者のCVD 法が有
効であるが、金属材料のうちガス化できないものには使
用できないという欠点がある。すなわちCVD 法はガスの
反応により基板上に膜を堆積させるもので、微細な穴で
も埋めることができる。しかしながら、CVD 法では、反
応して堆積物を生成できるガスを作ることが前提条件と
なる。例えば、Si基板上にTiN 膜を成長させる場合にTi
膜はTiN ／Ti／Siのサンドイッチ構造として必要な膜で
あるが、Ti膜を成長できるようなガス源は現在のところ
提供されてない。そのためこのような場合には物理的な
方法であるスパッタリング法に頼るしかないのが実状で
ある。スパッタリング法においては、真空槽内に成膜さ
せたい物質のターゲットと基板とを対向させて配置し、
真空槽内には放電ガスを導入すると共に真空槽内を一定
の減圧状態に維持し、ターゲット側に負電圧を印加して
放電を起こさせ、放電中の電離されたガス分子（イオ
ン）が負電圧で加速されてターゲットに入射し、ターゲ
ット表面の原子を叩き出し、こうしてターゲットから叩
き出され、余弦則によって様々な方向に飛び出していく
原子の内の一部が基板上に堆積して薄膜を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図５のＡにはスパッタ
リング法でターゲットから叩き出された原子が基板１上
の微細な各穴２に入る様子を示し、ターゲット原子は矢
印３で示すように様々の方向から基板に入射して堆積し
ていく。その結果微細な各穴２の部分の堆積は図５のＢ
に示すように基板１に対して斜め方向から入射してきた
原子が穴の開口部付近に堆積し、穴の底の部分にはほと
んど堆積しない。従ってこれを加熱してリフローイング
しても図５のＣに示すように穴２の中にボイドが発生し
てしまう。またバイアスを掛けた場合でも同様に図５の
Ｄに示すように穴２の中にボイドが発生してしまう。従
って従来のスパッタリング法では完全な穴埋めはできな
いという問題があった。すなわち、従来のスパッタリン
グ装置ではターゲットと基板との間隔は、使用するター
ゲットの寸法にもよるが数cmから10cm程度までが多く、
ほとんどの場合使用される基板の直径より短い。このた
め基板上に斜めに入射する成分が多くなり上述のような
問題が生じていた。図６を参照して基板１対して斜めに
入射する場合について考察すると、最も大きな影響の出
るのは図５のＡに示すようにターゲット４の一端から飛
び出した原子が基板１の他端に入射する場合であり、そ
の時の入射角Θは最も小さくなる。図６のＢに示すよう
に入射角Θで基板１に入射してくる原子は基板１上の穴
２に飛び込むが、その際穴２の径ａと深さｂとの比ｂ／
ａと入射角Θとの関係がｂ／ａ＞tan Θにある場合には
穴２に入射した原子は穴２の側壁に付着してしまうもの
が支配的となる。そこで穴２に入射する原子を全て穴２
の底に付着させるためには の関係が成り立たなければ成らない。またターゲット４
から出たターゲット原子は実際には基板１に到達するま
でにガス分子と衝突し、進行方向が変わることになる。
従来のスパッタリング装置ではスパッタリングは１×10
-1Pa以上のガス圧力で行われており、１×10-1Pa以上の
ガス圧力の時の原子の平均自由行程は数cmであり、これ
は従来のスパッタリング装置におけるターゲットと基板
との間隔にほぼ等しい値である。そのため、ターゲット
４から出た原子は一回衝突するかしないかのうちに基板
１に到達することになる。平均自由行程がターゲットと
基板との間隔より小さな値の場合には、ターゲット原子
は基板に到達する前に多数回ガス分子に散乱され、成膜
速度が落ちてしまう。
【０００４】この問題を解決して有効な穴埋めを実施で
きるようにするために、ターゲットと基板との間に、細
長い穴を多数設けたフィルタを配置し、基板上の微細な
穴に対して垂直方向の気体分子のみを入射させるように
した成膜装置が提案されている（米国特許第4,824,544
号明細書参照）。しかしながら、このような装置ではタ
ーゲットから飛び出したスパッタ原子の大部分がターゲ
ットと基板との間に設けたフイルタに付着し、これが基
板上に剥がれ落ちてダストとなる問題があった。
【０００５】そこで、本発明は、従来のスパッタリング
法による微細な穴埋めに伴う上記の問題点を解決して、
ダストの発生等の問題なしに基板上の微細な穴埋めを有
効に実施できる成膜装置を提供することを目的としてい
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１の発明によれば、スパッタリングに
より基板上の微細な穴埋めを行うようにした成膜装置に
おいて、内部を真空排気する真空排気部及び内部に放電
ガスを導入する放電ガス導入部を備え、スパッタリング
成膜時には１×１０-1Ｐａ以下の圧力に維持される真空
槽と、真空槽内に対向して配置され、それぞれターゲッ
ト及び基板が装着され、ターゲットから飛び出した原子
が基板に対して垂直に近い角度で入射するようにターゲ
ットと基板との距離を少なくとも基板の直径より大きく
して位置決めされたターゲット電極及び基板電極とを有
する。本発明の第１の発明では、ターゲット電極に負電
圧を印加して高周波・直流結合バイアススパッタリング
を行わせる直流電源及び高周波電源が設けら得る。ま
た、 基板電極は、基板を加熱する基板加熱手段を備え
ることができる。さらに、本発明の第１の発明では、基
板電極に高周波バイアス電圧を印加する高周波バイアス
電源が設けら得る。また、本発明の第２の発明によれ
ば、スパッタリングにより基板上の微細な穴埋めを行う
ようにした成膜装置において、内部を真空排気する真空
排気部及び内部に放電ガスを導入する放電ガス導入部を
備え、スパッタリング成膜時には１×１０-1Ｐａ以下の
圧力に維持される真空槽と、真空槽内に対向して配置さ
れ、それぞれターゲット及び基板が装着され、しかも基
板上の微細な穴の径をａ、深さをｂとし、ターゲットか
らのターゲット原子の基板に対する入射角をΘとしたと
き、 の関係が成り立つような位置にターゲットと基板とを位
置させ、かつターゲットと基板との距離が少なくとも基
板の直径より大きくなるように位置決めされたターゲッ
ト電極及び基板電極とを有する。本発明の第２の発明に
よる装置では、ターゲット電極に負電圧を印加して高周
波・直流結合バイアススパッタリングを行わせる直流電
源及び高周波電源が設けられ得る。また、基板電極は、
基板を加熱する基板加熱手段を備えることができる。さ
らに、本発明の第２の発明による装置では、基板電極に
高周波バイアス電圧を印加する高周波バイアス電源が設
けられ得る。
【０００７】
【作用】本発明による成膜装置においては、ターゲット
と基板との距離を少なくとも基板の直径より大きく設定
したことにより、ターゲットから飛び出した原子が基板
に対して垂直に近い角度で入射する確率は増大し、それ
により基板上の微細な穴の開口周囲への堆積は減少さ
れ、穴の底への堆積を増大させることができるようにな
る。また、スパッタリング成膜時の真空槽内の圧力を１
×10-1Pa以下に維持することにより、スパッタ原子の平
均自由行程は長くなり、スパッタ原子がターゲットから
出て基板へ到達するまでの飛行中に衝突する確率を低く
抑えることができるようになる。さらに、基板を加熱す
る基板加熱手段または基板電極に高周波バイアス電圧を
印加する高周波バイアス電源を設けることにより、前者
の場合には基板を加熱してリフローイングさせることま
た後者の場合にはバイアスを印加することによって基板
の穴の中まで完全に穴埋めすることができるようにな
る。
【０００８】
【実施例】以下添付図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。図１には本発明の一実施例を示し、５は
真空槽で、放電ガス導入口６及び真空排気口７を備えて
いる。真空槽５内にはターゲット８の装着されるターゲ
ット電極９と基板10の装着される基板ホルダ11が対向し
て配置されている。ターゲット電極９は一方では高周波
フィルタ12を介して直流電源13にまた整合回路14を介し
て高周波電源15に接続されている。ターゲット電極９の
裏面には磁石16が配置されている。図示実施例では、タ
ーゲット８は直径250mm 、基板10は直径150mm の寸法で
あり、ターゲット８と基板10との距離は、基板10の直径
150mm より長く、150mm 〜1000mmになるように設定され
ている。真空槽１内は真空排気口７を介して真空ポンプ
（図示してない）により減圧状態にされ、そして放電ガ
ス導入口６からはアルゴンガスが導入され、真空槽１内
が２〜５×10-2Pa台となるように排気速度とガス導入量
とが調節される。ターゲット電極９には直流電源12から
直流負電圧約400V、電流約10A がまた高周波電源14から
は100MHz、1.5KW の高周波電力が印加されるように構成
されている。
【０００９】このように構成した図示装置の動作につい
て説明すると、高周波−直流結合バイアスによるマグネ
トロン放電が発生され、これにより雰囲気ガスすなわち
アルゴンガスのイオン化が促進される。イオン化された
アルゴンガスは、負電圧によって加速され、ターゲット
８に入射し、ターゲット８の表面の原子をスパッタす
る。こうして叩き出された原子は余弦則によって種々の
方向へ飛んで行くことになり、その一部は基板10上に堆
積して膜を形成する。ここでターゲット８と基板10との
距離が1000mmの場合には基板10上に入射するターゲット
原子の入射角Θは約85°となる。しかもスパッタリング
中の圧力が十分に低いため、ターゲット８から飛び出し
たターゲット原子の平均自由行程は長くなり、雰囲気ガ
スと衝突する確率は低下し、その結果基板10に対してほ
ぼ垂直に叩き出された原子はそのまま基板10に入射する
確率が高くなる。それにより基板10の穴の開口付近の堆
積は減少し、穴の底の部分に基板の表面上の堆積膜の厚
さとほぼ同じ厚さに堆積させることができる。
【００１０】成膜圧力を従来のスパッタリング装置で使
用されている３×10-1Paにした場合と本発明に従って３
×10-2Paにした場合とにおいてターゲット８と基板10と
の種々の距離における成膜速度を下表に例示する。 距 離 ３×10-1Pa ３×10-2Pa ７７mm 5600オングストローム／分 4000オングストローム／分 ３００mm 500オングストローム／分 1000オングストローム／分 １０５０mm １オングストローム／分 35オングストローム／分 この表に示されるようにターゲット８と基板10との距離
が７７mmの時（これは通常のスパッタリング装置の場合
と同じ程度）には圧力３×10-1Paでは平均自由行程と同
程度となるので３×10-2Paの場合と比較して成膜速度に
はあまり差がないことが認められる。距離が３００mmに
なると、圧力３×10-1Paの場合には平均自由行程より十
分に長い距離となるので、ターゲットから基板に到達す
るまでにターゲット原子は散乱され、３×10-2Paの場合
と比較して成膜速度が落ちている。本発明では成膜圧力
を低く設定することにより、ターゲットから基板に到達
するまでに散乱されて基板に入射しなくなるのを低減す
ると共に、散乱されて基板に対して斜めに入射するター
ゲット原子を低減することができる。
【００１１】図２には本発明の別の実施例を示し、図１
の装置に対応した部分は図１と同じ符号で示す。この実
施例では、基板10の表面及び各穴内に堆積した膜をリフ
ローイングさせて各穴の中まで完全に穴埋めするため、
基板ホルダ11に基板加熱用のヒータ17が組み込まれ、こ
のヒータ17は外部ヒータ電源18によって付勢されるよう
に構成されている。
【００１２】図３には本発明のさらに別の実施例を示
し、図１の装置に対応した部分は図１と同じ符号で示
す。この実施例では、基板10の各穴の中まで完全に穴埋
めするため、基板ホルダ11にバイアス電圧を掛けてい
る。すなわち基板ホルダ11には整合回路19を介して高周
波バイアス電源20が接続され、高周波電力が印加される
ように構成されている。
【００１３】図４には上記各実施例による装置を用いて
成膜、穴埋めした状態を示し、Ａは成膜中の状態であ
り、またＢは穴埋め後の状態である。これらの図面から
穴中にボイドを生じることなしに完全に穴埋めされてい
るのが認められる。
【００１４】ところで図１及び図２に示す実施例ではRF
-DC 結合バイアススパッタリング装置として構成してい
るが、１×10-1Pa以下の真空雰囲気中でも放電を維持で
きるように構成した装置であればいかなる方式のスパッ
タリング装置として構成してもよい。
【００１５】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
成膜装置においては、ターゲットと基板との距離を少な
くとも基板の直径より大きく設定するかまたは基板上の
微細な穴の径をａ、深さをｂとし、ターゲットからのタ
ーゲット原子の基板に対する入射角をΘとしたとき、 の関係が成り立つように設定し、しかもスパッタリング
成膜時の真空槽内の圧力を１×10-1Pa以下に維持してい
るので、スパッタ原子の平均自由行程が長くなり、スパ
ッタ原子がターゲットから出て基板へ到達するまでの飛
行中に衝突する確率を低く抑えることができることによ
ってターゲットから飛び出した原子が基板に対して垂直
に近い角度で入射する確率が増大され、その結果基板上
の微細な穴の開口付近への堆積は減少され、穴の底への
堆積を増大させることができるようになり、基板上の微
細な穴埋めを有効に行うことができる。また本発明によ
る成膜装置においては、基板を加熱してリフローイング
させたり、或いは基板に高周波バイアスをかけることに
より、基板上の微細な穴をボイドを生じることなしに完
全に穴埋めすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す要部の概略部分断面
図。
【図２】 本発明の別の実施例を示す要部の概略部分断
面図。
【図３】 本発明のさらに別の実施例を示す要部の概略
部分断面図。
【図４】 本発明により基板に成膜、穴埋めした状態を
示す拡大部分断面図。
【図５】 Ａは従来のスパッタリング装置において基板
上の微細な穴へ飛来してくるターゲット原子の様子を示
す拡大部分断面図。Ｂは従来のスパッタリング装置にお
いて基板上の微細な穴の穴埋め状態を示す拡大部分断面
図。Ｃは従来のスパッタリング装置において加熱処理に
よるリフローイングで得られた基板上の微細な穴の穴埋
め状態を示す拡大部分断面図。Ｄは従来のスパッタリン
グ装置において高周波バイアスにより得られた基板上の
微細な穴の穴埋め状態を示す拡大部分断面図。
【図６】 Ａはターゲットから基板へ入射する原子の最
小入射角を示す概略正面図。Ｂは原子の入射角と基板上
の微細な穴の寸法との関係を示す拡大部分断面図。
【符号の説明】
５：真空槽 ６：放電ガス導入口 ７：真空排気口 ８：ターゲット ９：ターゲット電極 10：基板 11：基板ホルダ 12：高周波フィルタ 13：直流電源 14：整合回路 15：高周波電源 16：磁石 17：基板加熱用ヒータ 18：ヒータ電源 19：整合回路 20：高周波バイアス電源
フロントページの続き (72)発明者 豊田 聡 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真 空技術株式会社内 (72)発明者 門倉 好之 静岡県裾野市須山1220−14 日本真空技 術株式会社富士裾野工場内 (56)参考文献 特開 昭62−250171（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−168271（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−210271（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−50461（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−43481（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スパッタリングにより基板上の微細な穴埋
    めを行うようにした成膜装置において、 内部を真空排気する真空排気部及び内部に放電ガスを導
    入する放電ガス導入部を備え、スパッタリング成膜時に
    は１×１０-1Ｐａ以下の圧力に維持される真空槽と、 真空槽内に対向して配置され、それぞれターゲット及び
    基板が装着され、ターゲットから飛び出した原子が基板
    に対して垂直に近い角度で入射するようにターゲットと
    基板との距離を少なくとも基板の直径より大きくして位
    置決めされたターゲット電極及び基板電極とを有するこ
    とを特徴とする成膜装置。
  2. 【請求項２】ターゲット電極に負電圧を印加して高周波
    ・直流結合バイアススパッタリングを行わせる直流電源
    及び高周波電源が設けられている請求項１に記載の成膜
    装置。
  3. 【請求項３】基板電極が、基板を加熱する基板加熱手段
    を備えている請求項１に記載の成膜装置。
  4. 【請求項４】基板電極に高周波バイアス電圧を印加する
    高周波バイアス電源が設けられている請求項１に記載の
    成膜装置。
  5. 【請求項５】スパッタリングにより基板上の微細な穴埋
    めを行うようにした成膜装置において、 内部を真空排気する真空排気部及び内部に放電ガスを導
    入する放電ガス導入部を備え、スパッタリング成膜時に
    は１×１０-1Ｐａ以下の圧力に維持される真空槽と、 真空槽内に対向して配置され、それぞれターゲット及び
    基板が装着され、しかも基板上の微細な穴の径をａ、深
    さをｂとし、ターゲットからのターゲット原子の基板に
    対する入射角をΘとしたとき、 の関係が成り立つような位置にターゲットと基板とを位
    置させ、かつターゲットと基板との距離が少なくとも基
    板の直径より大きくなるように位置決めされたターゲッ
    ト電極及び基板電極とを有することを特徴とする成膜装
    置。
  6. 【請求項６】ターゲット電極に負電圧を印加して高周波
    ・直流結合バイアススパッタリングを行わせる直流電源
    及び高周波電源が設けられている請求項５に記載の成膜
    装置。
  7. 【請求項７】基板電極が、基板を加熱する基板加熱手段
    を備えている請求項５に記載の成膜装置。
  8. 【請求項８】基板電極に高周波バイアス電圧を印加する
    高周波バイアス電源が設けられている請求項５に記載の
    成膜装置。
JP16257393A 1992-10-28 1993-06-30 成膜装置 Expired - Lifetime JP3231900B2 (ja)

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