JP3343620B2 - マグネトロンスパッタリングによる薄膜形成方法および装置 - Google Patents

マグネトロンスパッタリングによる薄膜形成方法および装置

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    • H01J37/3405—Magnetron sputtering

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、マグネトロンスパッ
タリングによって、基板（半導体ウェハー等）の表面に
薄膜を形成する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図４に示したようなマグネトロン
スパッタリング装置が知られている。
【０００３】図において、１は真空容器、２はターゲッ
ト、３は永久磁石、４は基板ホルダー、５は永久磁石、
６は基板、７は直流電源である。ターゲット２と永久磁
石３でカソードが構成され、基板ホルダー４、永久磁石
５および基板６でアノードが構成されて、ターゲット２
と基板６の対向空間には、直流電源７で印加された電圧
の電界が形成されると共に、永久磁石３、５による、電
界と直交する磁界が形成されるようになっている。真空
容器１内を真空排気系（図示していない）を通して排気
すると共に、ガス導入系（図示していない）を通してア
ルゴンガスなどのプロセスガスを導入し、圧力を数 mm
Torr〜数１０ mm Torrにすると、ターゲット２と基板６
の対向空間に、放電によるプラズマ８が形成され、プラ
ズマ中のイオンがターゲット２をスパッタし、スパッタ
粒子による薄膜が基板６の表面に堆積するものである。
尚、スパッタリング中、前記永久磁石３は、ターゲット
２と垂直な軸の回りで回転させて、基板６に堆積する薄
膜の膜厚分布が向上するようにしている。
【０００４】このようなスパッタリング装置は、特に半
導体デバイスの製造に良く利用されており、例えばター
ゲット２をチタンで構成し、プロセスガスをアルゴンと
して、チタン薄膜の形成をしたり、ターゲット２をチタ
ンで構成し、プロセスガスを窒素ガス、または窒素ガス
とアルゴンガスの混合ガスとして窒化チタン膜の形成を
するのに利用されている。
【０００５】前記真空容器１を複数設置したマルチチャ
ンバー方式として、連続処理による多層膜を基板表面に
形成できるようにし、膜の品質を向上すると共に、生産
性の向上も図られるに至っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図５に、半導体デバイ
スの製造で採用されている多層膜の例を示す。図中９
は、基板６表面のＢＰＳＧ（boro-phospho silicate gl
ass ）膜１０に形成されたコンタクトホールであり、こ
のようなコンタクトホール９に対して、第１層として、
チタン膜と窒化チタン膜でなるＴｉ／ＴｉＮ膜のバリア
メタル層１１を成膜し、第２層としてアルミニウム合金
膜１２を成膜し、第三層としてシリコン膜１３を成膜し
たものである。
【０００７】前記バリアメタル層１１のＴｉ／ＴｉＮ膜
は、同一の真空容器１内で、プロセスガスのガス組成を
変化して成膜をするのが望ましいが、この場合、Ｔｉ膜
の基板６内における膜厚分布と、ＴｉＮ膜の膜厚分布
に、均一性を得るのが難しい問題点があった。
【０００８】一般的な傾向として、ターゲット２をチタ
ンとし、プロセスガスをアルゴンガスとして成膜したＴ
ｉ膜と、プロセスガスを窒素ガスとして成膜したＴｉＮ
膜は、同一の真空容器１内で、ターゲット２と基板６の
距離（Ｔ／Ｓ距離とも言う）を同一としても、実用的な
膜厚分布（±３〜５％）で成膜することができるが、Ｔ
ｉＮ膜の成膜の際のプロセスガスをアルゴンガスと窒素
ガスの混合ガス（組成比１：１）とすると、実用的な膜
厚分布を得る為には、Ｔ／Ｓ距離を、Ｔｉ膜成膜時より
も大きくする必要があり、同一の真空容器１で連続成膜
することができなかった。
【０００９】前記のようにプロセスガスの組成によっ
て、基板内の膜厚分布が異なるのは、ターゲット表面の
変化の度合が微妙に異なる為と指摘されている。
【００１０】このような膜厚分布の変化を図に表わす
と、図６の通りである。横軸はＴ／Ｓ距離をターゲット
径で割って得たＴ／Ｓ比であり、縦軸は基板内における
膜厚分布である。ターゲット径を３００ mm φとする
と、横軸でＴ／Ｓ比が１／５、１／３は、夫々、Ｔ／Ｓ
距離が６０ mm 、１００ mm となる。
【００１１】Ｔ／Ｓ比が１／５の場合、Ｔｉ薄膜の膜厚
分布が５％以下とできるが、ＴｉＮ薄膜（アルゴンガス
と窒素ガスの組成比 (以下Ａｒ／Ｎ2 ) が１／１）の膜
厚分布は１０％を超えてしまう。一方Ｔ／Ｓ比が１／３
の場合、ＴｉＮ薄膜（Ａｒ／Ｎ2 ＝１／１）の膜厚分布
が５％以下となるが、Ｔｉ薄膜の膜厚分布は、逆に１０
％以上となってしまう。このように、両方の膜厚分布に
均一性を得ることが難しかった。両方の膜厚分布に均一
性が得られるのは、Ｔ／Ｓ比を約１／４（ターゲット径
３００ mm φではＴ／Ｓ距離を約７５ mm とする）の場
合であるが、膜厚分布は５％を超えており、実用性がな
かった。
【００１２】点線で示した曲線は、Ａｒ／Ｎ2 ＝０／１
の組成比でＴｉ薄膜で成膜した場合であり、Ｔｉ薄膜の
特性と近いものであり、Ｔ／Ｓ比を１／５とすることで
膜厚分布に均一性を得ることができるものであったが、
Ｔｉ／ＴｉＮ膜で成るバリアメタル層の膜質および電気
特性の面で好ましくなく、ＴｉＮ膜はプロセスガスの組
成をＡｒ／Ｎ2 ＝１／１で成膜することが必要であっ
た。
【００１３】
【課題を解決する為の手段】この発明は、以上のような
問題点に鑑みてなされたもので、同一の真空容器内で、
プロセスガスを変化させることにより、異なる薄膜を連
続して成膜する場合に、各薄膜の基板内膜厚分布間で均
一性が得られるようにしたマグネトロンスパッタリング
による薄膜形成方法および装置を提供することを目的と
している。
【００１４】斯る目的を解決するこの発明は、ターゲッ
トと基板を対向させた空間の磁場の強度変化によって、
Ｔ／Ｓ距離を変化させた場合と同様の効果を膜厚分布に
与えることができるという知見に基づいてなされたもの
である。
【００１５】即ちこの発明のマグネトロンスパッタリン
グによる薄膜形成方法は、ターゲットと基板を対向させ
た空間に、直交する電界と磁界を作用させると共に、プ
ロセスガスを導入してプラズマを形成し、ターゲットか
らスパッタされた粒子を含む薄膜を基板の表面に堆積さ
せるマグネトロンスパッタリングによる薄膜形成方法で
あって、プロセスガスの組成を変化させて、ターゲット
からスパッタされた粒子による薄膜の形成と、ターゲッ
トからスパッタされた粒子を含む薄膜の形成とを連続的
に行う方法において、ターゲットと基板の距離を一定に
保ったまま、前記プロセスガスの組成の変化に従って、
前記磁界の磁束密度を、ターゲットからスパッタされた
粒子による薄膜の形成が行われるときよりも、ターゲッ
トからスパッタされた粒子を含む薄膜の形成が行われる
ときの方が弱くなるように変化させることを特徴とする
ものである。
【００１６】前記において、磁界は、ターゲットの裏面
側に設置した永久磁石と、基板の裏面側に設置した電磁
石で作用させ、電磁石の励磁電流で磁界の磁束密度を変
化させるようにすることができる。
【００１７】また、ターゲットをチタンで構成し、プロ
セスガスは、アルゴンガスからアルゴンガスおよび窒素
ガスの混合ガス（組成比１：１）に変化させることがで
きる。
【００１８】次に、この発明のマグネトロンスパッタリ
ングによる薄膜形成装置は、プロセスガス導入手段と、
真空排気系が備えられている真空容器内に、ターゲット
と永久磁石とから構成され直流電源が接続されているカ
ソードと、基板が取り付けられる基板ホルダーとが対向
して配置されているマグネトロンスパッタリングによる
薄膜形成装置であって、前記基板ホルダーの裏面側に
は、可変直流電源に接続された電磁石が備えられてお
り、ターゲットからスパッタされた粒子による薄膜の形
成に供されるプロセスガスがプロセスガス導入手段から
真空容器内に導入されているときよりも、ターゲットか
らスパッタされた粒子を含む薄膜の形成に供されるプロ
セスガスがプロセスガス導入手段から真空容器内に導入
されているときの方が、前記電磁石を励磁することによ
って前記ターゲットと基板ホルダーとの間の対向空間に
作用する磁場の磁束密度が弱くなるように、可変直流電
源から電磁石に供給される電流が調整されることを特徴
とするものである。
【００１９】前記において、ターゲットの裏面側に設置
される永久磁石と、基板ホルダーの裏面側に設置される
電磁石とで、磁界形成手段を構成することができる。
【００２０】
【作用】この発明のマグネトロンスパッタによる薄膜形
成方法および装置によれば、ターゲットと基板を対向さ
せた空間に作用させた磁界の磁束密度を調整して、対向
空間に形成されるプラズマの状態を微妙に変化させるこ
とができ、この結果、基板表面１に堆積する薄膜の膜厚
分布を調整することができる。
【００２１】実験によれば、前記磁束密度を弱くするこ
とと、Ａｒ／Ｎ2 ＝１／１としたプロセスガスによるＴ
ｉＮ膜成膜時にＴ／Ｓ距離を増加させることが、膜厚分
布に関して、等価であることが確かめられた。
【００２２】
【実施例】以下、この発明の実施例を図を参照して説明
する。図１に実施例の薄膜形成装置の構成図を示した。
図４に示した従来装置と略同様の構成であって、真空容
器１内に、ターゲット２と永久磁石（回転）３でなるカ
ソードと、基板ホルダー４が対向して設置してあり、基
板ホルダー４に基板６が取付けられるようになってい
る。そして、基板ホルダー４内には、基板６の径に略等
しい外径としたソレノイドコイルでなる電磁石１４が設
置してあり、電磁石１４に可変直流電源１５が接続して
ある。
【００２３】カソード側には、直流電源７が接続され、
また、真空容器１には、図示しないガス導入系および真
空排気系が接続されているのは、従来装置と同様であ
る。
【００２４】上記の実施例を動作させるには、真空容器
１内にアルゴンガスなどのプロセスガスをガス導入系を
通して導入し乍ら、真空排気系を介して排気して数 mm
Torr〜数１０ mm Torrの圧力にし、可変直流電源１５を
介して電磁石１４を励磁すると共に、直流電源７でター
ゲット２に電圧を印加する。ターゲット２と基板６の対
向空間でマグネトロン放電が起り、プラズマ８中のアル
ゴンイオンがターゲット２をスパッタし、基板６の表面
に、スパッタされた粒子の薄膜が堆積する。この動作
中、電磁石１４の励磁電流を変化させることによって、
ターゲット２と基板６の対向空間に作用している磁場の
磁束密度を変化させることができ、基板６に堆積する薄
膜の膜厚分布に関して、Ｔ／Ｓ距離を変化させたのと同
等の作用を働かせることができる。
【００２５】図２および図３は、ターゲット２の材料を
Ｔｉとし、プロセスガスには、アルゴンガスと、窒素ガ
スを用いて、基板６にＴｉ膜とＴｉＮ膜を連続して成膜
する時のプロセス例を説明するものである。
【００２６】始めにＴｉ膜の成膜を行い、続いてＴｉＮ
膜の成膜を行う。直流電源７で投入する電力は、Ｔｉ膜
成膜時に比べて、ＴｉＮ膜成膜時の投入電力を大きくす
る。
【００２７】プロセスガスの流量は、Ｔｉ膜成膜時は、
アルゴンガス１００％とし、ＴｉＮ膜成膜時にアルゴン
ガス５０％、窒素ガス５０％とする（Ａｒ／Ｎ2 ＝１／
１）。
【００２８】そして、電磁石１４を励磁する電流は、Ｔ
ｉ膜成膜時にはターゲット２と基板６の対向空間におけ
る磁束密度が図３に示したように強くなるように、大き
な電流とし、ＴｉＮ膜成膜時には、磁束密度が、Ｔｉ膜
成膜時よりも弱くなるように、小さな電流とする。
【００２９】８インチφの半導体ウェハーに対して、Ｔ
ｉ膜とＴｉＮ膜を連続して成膜した場合の主要諸元と結
果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】尚、上記実施例では、基板ホルダー４側に
電磁石１４を設置し、この電磁石１４を介して、ターゲ
ット２と基板６の対向する空間に作用する磁界の磁束密
度を変化するようにしたが、基板ホルダー４側は、図４
の従来装置と同様の永久磁石５とし、カソード側の回転
する永久磁石３側に電磁石を組込んで、この電磁石に対
する励磁電流を調整して磁束密度を変化させたり、基板
ホルダー４側およびカソード側に夫々電磁石を組込ん
で、両方の電磁石を介して磁束密度を変化させるように
することもできる。
【００３２】
【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、ターゲットと基板が対向する空間に作用させた磁界
の磁束密度を変化させて、基板表面に堆積する薄膜の膜
厚分布を制御するようにしたので、同一の真空容器内で
異なる薄膜を連続して成膜できると共に、各薄膜の基板
内膜厚分布を均一にできる効果がある。
【００３３】従って、半導体デバイスなどの製造に利用
して、生産性を向上し、コスト低減を図ることが可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の装置の構成図である。
【図２】同じく実施例のプロセスチャートを示す図であ
る。
【図３】同じく実施例の磁束密度分布を示した図であ
る。
【図４】従来装置の構成図である。
【図５】基板表面に形成された多層膜の一例を示した、
拡大断面図である。
【図６】従来装置のＴ／Ｓ距離と膜厚分布の関係を示し
たグラフである。
【符号の説明】
１ 真空容器 ２ ターゲット ３ 永久磁石 ４ 基板ホルダー ６ 基板 ７ 直流電源 ８ プラズマ １４ 電磁石 １５ 可変直流電源
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−208072（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−107064（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−156536（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−7364（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ターゲットと基板を対向させた空間に、直
    交する電界と磁界を作用させると共に、プロセスガスを
    導入してプラズマを形成し、ターゲットからスパッタさ
    れた粒子を含む薄膜を基板の表面に堆積させるマグネト
    ロンスパッタリングによる薄膜形成方法であって、プロ
    セスガスの組成を変化させて、ターゲットからスパッタ
    された粒子による薄膜の形成と、ターゲットからスパッ
    タされた粒子を含む薄膜の形成とを連続的に行う方法に
    おいて、ターゲットと基板の距離を一定に保ったまま、
    前記プロセスガスの組成の変化に従って、前記磁界の磁
    束密度を、ターゲットからスパッタされた粒子による薄
    膜の形成が行われるときよりも、ターゲットからスパッ
    タされた粒子を含む薄膜の形成が行われるときの方が弱
    くなるように変化させることを特徴とするマグネトロン
    スパッタリングによる薄膜形成方法。
  2. 【請求項２】磁界は、ターゲットの裏面側に設置した永
    久磁石と、基板の裏面側に設置した電磁石で作用させ、
    電磁石の励磁電流で磁界の磁束密度を変化させる請求項
    １記載のマグネトロンスパッタリングによる薄膜形成方
    法。
  3. 【請求項３】ターゲットをチタンで構成し、プロセスガ
    スは、アルゴンガスからアルゴンガスおよび窒素ガスの
    混合ガス（組成比１：１）に変化させる請求項１又は２
    記載のマグネトロンスパッタリングによる薄膜形成方
    法。
  4. 【請求項４】プロセスガス導入手段と、真空排気系が備
    えられている真空容器内に、ターゲットと永久磁石とか
    ら構成され直流電源が接続されているカソードと、基板
    が取り付けられる基板ホルダーとが対向して配置されて
    いるマグネトロンスパッタリングによる薄膜形成装置で
    あって、 前記基板ホルダーの裏面側には、可変直流電源に接続さ
    れた電磁石が備えられており、 ターゲットからスパッタされた粒子による薄膜の形成に
    供されるプロセスガス がプロセスガス導入手段から真空
    容器内に導入されているときよりも、ターゲットからス
    パッタされた粒子を含む薄膜の形成に供されるプロセス
    ガスがプロセスガス導入手段から真空容器内に導入され
    ているときの方が、前記電磁石を励磁することによって
    前記ターゲットと基板ホルダーとの間の対向空間に作用
    する磁場の磁束密度が弱くなるように、可変直流電源か
    ら電磁石に供給される電流が調整される ことを特徴とす
    るマグネトロンスパッタリングによる薄膜形成装置。
JP11680592A 1992-04-09 1992-04-09 マグネトロンスパッタリングによる薄膜形成方法および装置 Expired - Fee Related JP3343620B2 (ja)

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