JP3523962B2 - スパッタリング装置及びホール内へのスパッタリングによる薄膜作成方法 - Google Patents
スパッタリング装置及びホール内へのスパッタリングによる薄膜作成方法Info
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Description
に、半導体集積回路等の製作の際の成膜工程で使用され
るスパッタリング装置に関し、また、基板の表面に形成
されたホール内にスパッタリングにより成膜する方法に
関する。
高集積化した半導体デバイスの製作における成膜工程に
用いられるスパッタリングでは、高アスペクト比の微細
ホール底部へ被覆性よく成膜すること、即ちボトムカバ
レッジ率(ホール上面の膜厚に対するホール底面の膜
厚)の向上が強く求められている。例えば、64メガビ
ット、256メガビット、1ギガビットと集積回路の集
積度が高まるにつれ、ホールのアスペクト比(ホールの
深さ/ホールの直径又は幅)は2〜4にも達し、このよ
うな高アスペクト比の微細ホールに対して高ボトムカバ
レッジ率で被覆することが求められている。
パッタ粒子のみを微細ホールに入射させて成膜する工夫
がなされてきた。この一つが、コリメートスパッタと呼
ばれるものである。図4は、ボトムカバレッジ率を向上
させた従来のスパッタリング装置の一例であるコリメー
トスパッタリング装置の概略を説明した図である。図4
に示す装置は、真空容器1内にカソード2と基板ホルダ
3とを対向配置している。カソード2は、磁石機構4
と、磁石機構4の前側に配設されたターゲット5とから
構成され、基板ホルダ3の前面には成膜する基板30が
載置される。
の空間には、コリメーター6が設けられる。コリメータ
ー6は、基板30に対して垂直な方向(以下、軸方向)
が高さ方向となるような小さな筒状の部材をセグメント
状に多数配置した構造であり、軸方向に沿ったスパッタ
粒子の流路がセグメント状に多数形成されるようにして
いる。このような構造であり、しばしば「格子状」又は
「蜂の巣状」等と称せられる。ターゲット5から放出さ
れるスパッタ粒子は余弦則に従う分布を持っているた
め、コリメーター6には入射角の大きなスパッタ粒子も
多く入射する。しかし、このようなスパッタ粒子の多く
は、コリメーター6の各流路の壁面の部分に付着するた
め、結果的にコリメーター6の部分を出射するスパッタ
粒子は、出射角の小さなものがほとんどとなる。このた
め、基板30には入射角の小さなもののみが入射するよ
うになり、基板30の表面に形成された微細ホールの底
部に対する被覆性が向上する。
置では、コリメーター6へのスパッタ粒子の付着によっ
て、コリメーター6の各流路の断面積が小さくなり、コ
リメーター6を通過できるスパッタ粒子の量が経時的に
減少する。このため、スパッタ速度が経時的に低下して
しまう。
率のスパッタリング装置として、ターゲット−基板間の
距離(以下、TS距離)を長く(従来比3〜6倍)した
低圧遠隔スパッタリング装置と呼ばれる装置が最近開発
されている。図5は、従来のスパッタリング装置の他の
例である低圧遠隔スパッタリング装置の概略を説明した
図である。
1の内部にカソード2と基板ホルダ3を対向配設し、磁
石機構4の前側にターゲット5を設けるとともに基板ホ
ルダ3の前面に基板30を載置するようにする。TS距
離は、例えば150mm〜360mm程度とされる。ま
た、真空容器1内の圧力は、従来より低く1mTorr
程度以下としている。これは、スパッタ粒子の平均自由
行程を長くしてスパッタ粒子の散乱を少なくするためで
ある。スパッタ粒子の散乱が少なくなる結果、基板30
にほぼ垂直な向きに多くスパッタ粒子を入射させること
が可能になり、微細ホールのボトムカバレッジ率を向上
させることができる。
スパッタは、通常のスパッタはもとより、コリメートス
パッタに比べても優れている。例えばアスペクト比2の
微細ホールに対するスパッタリングのボトムカバレッジ
率は、通常のスパッタでは約5〜7%、コリメートスパ
ッタで約15〜20%であるが、TS距離340mm、
圧力0.3mTorrの条件での低圧遠隔スパッタの場
合、約40〜45%ものボトムカバレッジ率が得られ
る。
化する次世代のデバイスに要求される高ボトムカバレッ
ジ率を達成するものとして最も注目されているスパッタ
プロセスであるといえる。しかしながら、低圧遠隔スパ
ッタでも解決されない問題が残っている。それは、基板
の周辺部分に位置する微細ホールへのカバレッジに関
し、底面のカバレッジ率に片寄りが見られることであ
る。
は、基板の周辺部分に位置する微細ホールのボトムカバ
レッジ率の片寄りに関する説明図である。図6に示す通
り、基板の中心軸付近に位置する微細ホールに対して
は、ホールの底面に全面にわたってほぼ均等に膜が堆積
する。しかしながら、中心軸から離れた周辺部分に位置
する微細ホールの底面に対しては、中心軸から遠い側の
側壁との角部(以下、外側角部)に厚く膜が堆積するも
のの、中心軸に近い側の側壁との角部(以下、内側角
部)の膜厚は極端に薄くなってしまう。
部カバレッジ率)を、ボトムカバレッジ率と同様にホー
ル上面の膜厚に対するものとして求めると、それぞれの
角部カバレッジ率は、(外側角部の膜厚t1/ホール上
面の膜厚T)×100(%),(内側角部の膜厚t2/
ホール上面の膜厚T)×100(%)と表せる。前述し
たTS距離340mm及び圧力0.3mTorrの条件
での低圧遠隔スパッタで、アスペクト比2の微細ホール
に対して成膜を行った場合、各角部カバレッジ率は、以
下の表1のようになる。
おけるボトムカバレッジ率の片寄りは、基板に飛来する
スパッタ粒子の飛行の向きが大きく影響していると考え
られる。即ち、基板の周辺部分の微細ホールに入射する
スパッタ粒子の多くは、基板の中心軸側から基板の周縁
側に向かって斜めに飛行するものであり、逆方向即ち基
板の周縁側から中心軸側に向かって飛行するスパッタ粒
子は極端に少ない。このため、上述したような周辺部分
の微細ホールのカバレッジ率に片寄りが生ずるものと考
えられる。
は、デバイス性能上の重大な欠陥となる恐れがあり、歩
留まり低下の原因となっている。例えば、微細ホールが
コンタクトホール(又はスルーホール)として形成さ
れ、ホール内に埋め込まれる配線材料と下地材料との相
互拡散を防止するバリア膜として上述のようなスパッタ
膜を作成する場合、ボトムカバレッジ率の片寄りが生ず
ると、膜厚の薄い内側角部においてジャンクションリー
クといった電気特性を劣化させる現象が生じ、デバイス
性能を著しく劣化させてしまう。
スの数を多くして生産性を向上させる等の目的から、基
板は大型化する傾向があるが、基板が大型化すると、上
述した基板の周辺部分でのホール内ボトムカバレッジ率
の片寄りは、より深刻な問題となる。つまり、ターゲッ
トに対して相対的に基板が大きくなると、基板の表面領
域のうちターゲットの径よりも外側の部分では、外側か
ら中心軸側に向かって斜めに飛行するスパッタ粒子が入
射することが全く期待できないくなり、上記内側角部の
膜厚は殆どゼロになってしまうからである。
になされたものであり、基板の周辺部分に多く見られる
ホール内ボトムカバレッジ率の片寄りを解消することの
できるスパッタリング装置を提供し、高アスペクト比の
微細ホールを有する各種デバイスについても充分な歩留
まりで生産することを可能にすることを目的にしてい
る。
め、本願の請求項1記載の発明は、排気系を備えた真空
容器と、真空容器内に配設されるとともに前面にターゲ
ットを備えたカソードと、ターゲットに対して同軸上に
平行して対向させて基板を配置するための基板ホルダと
を具備したスパッタリング装置であって、基板の表面に
形成されたホールの内面に薄膜を堆積させることが可能
なスパッタリング装置において、前記カソードが備える
ターゲットの大きさをDt、基板の大きさをDsとした
とき、Dt>Dsであり、ターゲットは、薄膜を堆積さ
せるホールの開口の縁の直径又は幅をA、当該ホールの
深さをB、ターゲットと基板との距離をLとしたとき、
tanQ1=(Dt−Ds)/2Lなる角度Q1と、t
anQ2=A/Bなる角度Q2との間で、Q1=N・Q
2であってNが0.7以上1.2以下となるような関係
が成立するDtを有しているという構成を有する。ま
た、上記目的を達成するため、請求項2記載の発明は、
上記請求項1の構成において、前記ホールは溝であり、
前記Aはこの溝の幅であるという構成を有する。また、
上記目的を達成するため、請求項3記載の発明は、上記
請求項1の構成において、前記ホールの開口は長方形で
あり、前記Aはこの長方形の短辺の方向での幅であると
いう構成を有する。また、上記目的を達成するため、請
求項4記載の発明は、請求項1乃至3いずれかに記載の
スパッタリング装置を使用し、基板の周辺部に形成され
たホール内にスパッタリングにより薄膜を作成する方法
であって、前記真空容器内の圧力を0.1mTorr以
下とし、前記ターゲットと前記基板との距離を150m
m以上360mm以下として装置を動作させるという構
成を有する。
いて説明する。図1は、本願発明の実施形態に係るスパ
ッタリング装置の概略構成を説明する図である。図1に
示すスパッタリング装置は、排気系11を備えた真空容
器1と、真空容器1内に配設されるとともに前面にター
ゲット5を備えたカソード2と、真空容器1内において
ターゲット5に対して同軸上に平行に対向して基板30
を配置するための基板ホルダ3とを具備している。
よう、真空容器1内を3×10-8Torr程度の圧力ま
で排気できるよう構成される。尚、真空容器1には、不
図示のロードロックチャンバー又は搬送チャンバーが気
密に接続され、真空容器1内への基板30の搬入搬出の
際でも真空容器1内は大気に開放されないようになって
いる。
ネトロンスパッタリングを行うものであり、カソード2
はマグネトロンカソードになっている。即ち、カソード
2は、中央に配設された中心磁石41と、中心磁石41
を取り囲む環状の周辺磁石42と、中心磁石41及び周
辺磁石42を保持した板状のヨーク43とからなる磁石
機構4を有しており、磁石機構4の前面を覆うようにし
てターゲット5が設けられている。また、カソード2に
は、スパッタリングに必要な電圧をカソード2に印加す
るカソード電源21が接続されている。カソード電源2
1は、所定の負の直流電圧又は高周波電圧をカソード2
に対して印加する。
勢で真空容器1内の上側位置に配設されており、基板ホ
ルダ3は、ターゲット5の下側に水平な姿勢で基板30
を保持するよう構成されている。基板ホルダ3に保持さ
れた状態では、同軸上即ち基板30の中心軸とターゲッ
ト5の中心軸とが一致するようになっている。また、基
板ホルダ3には、基板30を加熱する加熱手段31が設
けられている。さらに、基板ホルダ3に高周波電圧を印
加して基板30に所定のバイアス電圧を与える基板バイ
アス電源(不図示)が必要に応じて基板ホルダ3に接続
される。また、本実施形態の装置は、真空容器1内に所
定のガスを導入するガス導入系7を有する。ガス導入系
7は、例えばスパッタ放電に必要なアルゴン等の放電用
ガスを導入するものである。
示のゲートバルブを通して基板30を真空容器1内に搬
入して基板ホルダ3上に載置し、ガス導入系7を動作さ
せて放電用ガスを導入した後、カソード電源21を動作
させてカソード2に所定の電圧を与えてターゲット5を
スパッタする。これによって、基板ホルダ3上の基板3
0に所定の薄膜が作成される。薄膜が所定の厚さに達し
たら、カソード電源21及びガス導入系7の動作を停止
して、基板30を真空容器1から搬出する。
成膜する基板30の大きさ、アスペクト比、TS距離等
に応じて最適な大きさのターゲット5を使用する点であ
る。この点を図2及び図3を使用して説明する。図2及
び図3は、図1のスパッタリング装置におけるターゲッ
トの大きさの選定に関して説明するための図であり、図
2は基板上の微細ホールについて説明する断面概略図、
図3はターゲットの大きさDt、基板の大きさDs、T
S距離Lの各パラメータを説明する模式図である。尚、
以下の説明では、ターゲット5も基板30も円形の板状
であるとして例示的に説明する。
01が形成されている。この微細ホール301は、FE
T(電界効果トランジスタ)等のコンタクトホールであ
ったり、層間配線用のスルーホールであったりする。こ
のような微細ホール301のアスペクト比は、図2に示
す微細ホール301の開口の直径又は幅をA、当該微細
ホール301の深さをBとしたとき、B/Aで表され
る。尚、以下の説明では、微細ホール301の開口の形
状を例示的に円形とし、Aは開口の直径とする。
ペクト比の微細ホール301を有する基板30に対して
スパッタ成膜する場合、基板30の周辺部分に存在する
微細ホール301に対しても前述したようなホール内ボ
トムカバレッジ率の片寄り無しに成膜するためには、少
なくとも基板30よりも大きなターゲット5を使用しな
ければならない。即ち、基板30の直径をDs、ターゲ
ット5の直径をDtとした場合、Dt>Dsでなけれ
ば、基板30の周辺部分に存在する微細ホール301に
対して、外側から中心軸側に向かって斜め方向に飛行し
て入射するスパッタ粒子が殆ど無くなってしまうからで
ある。
にDt>Dsにするだけでは不十分であり、Dsに対し
てDtがある一定以上大きくなければ、基板30の周辺
部分に存在する微細ホール301に対して充分なボトム
カバレッジ率が得られないことが分かった。この点を、
図3を使用してさらに詳しく説明する。基板30の直径
Dsに対してターゲット5の直径Dtをどの程度大きく
しなければならないかは、ターゲット5の周縁上の点か
ら基板30の周辺上の点を最短距離で結んだ線分が中心
軸方向に対して成す角Q1 をどの程度大きくしなければ
ならないかという問題に置き換えられる。
被覆が最も厳しい条件となるのは、その微細ホール30
1が中心軸からより離れた周辺部分に位置する場合であ
る。従って、最も厳しい条件は、現実には有り得ないこ
とであるが、基板30の周縁上に存在する微細ホール3
01に対しても充分なボトムカバレッジ率で被覆するこ
とであり、これができれば、それより内側の(中心軸に
近い)微細ホール301に対しても充分なボトムカバレ
ッジ率が得られると考えられる。
ホール301に対して入射するスパッタ粒子の入射角度
を考えてみると、上記Q1 という角度は、周辺上の微細
ホール301に対して外側から中心軸側に向かって斜め
に入射するスパッタ粒子の内の最も入射角の大きなもの
の入射角(以下、最大入射角)に相当している。
ペクト比を有する微細ホール301に対して、前述した
ようなホール内ボトムカバレッジ率の片寄りを無くすに
は、ホール底面の内側角部302とホール開口の縁上の
反対側の点303とを結んだ直線がホール深さ方向に対
して成す角Q2程度まで、最大入射角Q1が大きければ
良い。最大入射角Q1がQ2より小さい場合、内側角部
302に達するスパッタ粒子の量が相対的に少なくなる
ので、内側角部302のボトムカバレッジ率が低下す
る。また、最大入射角Q1がQ2より大きい場合、Q2
より大きい角度で入射するスパッタ粒子は、内側角部3
02に達せず側壁に付着してしまうので、内側角部30
2のカバレッジにとって無駄となる。従って、最大入射
角Q1がQ2に等しい場合、基板30の周縁上に位置す
る微細ホールに301に対して無駄なく最高の角部カバ
レッジ率が得られるのである。
逆数であるA/BはtanQ2 に等しいから、 tanQ1 =A/B=tanQ2 ……(1) ということになる。そして、基板30の直径Ds、ター
ゲット5の直径Dt、TS距離Lを利用して上記式
(1)を書き加えると、 tanQ1 =A/B=tanQ2 =(Dt−Ds)/2L……(2) ということになる。
実験をした結果、上記式(2)が成立する条件を含んだ
一定の範囲内で、優れたホール内ボトムカバレッジ率均
一性が得られることを見い出した。次の表2は、この実
験の結果を概略的に示したものである。まず、ターゲッ
ト5の直径Dtを選定する上から上記式(2)を一般化
し、 tanQ1 =(Dt−Ds)/2L tanQ2 =A/B である角度Q1 ,Q2 について、Q1 ,=N・Q2 なる
関係が成立するとする。つまり、上記式(2)は、 tanQ1 =A/B=tan(N・Q2 )=(Dt−Ds)/2L……(3 ) と一般化できる。表2に示す実験は、この式(3)の係
数Nを0〜1.5の範囲で変化させ、微細ホール301
の底面のカバレッジ率を調べたものである。尚、表2に
示されていない実験条件は、以下の通りである。 圧力:0.3mTorr ターゲット材質:チタン 基板温度:250℃ カソード電圧:−700V
の場合に、内側角部302においても40%のボトムカ
バレッジ率が得られており、好適であることが分かる。
尚、表2には示されていないが、0<N<0.7の範囲
では、内側角部302のボトムカバレッジ率が40%を
大きく下回り、不適である。また、表2中の成膜速度
は、実際に得られた成膜速度を、カソード2への供給電
力をターゲット5の前面の面積で割った単位面積当たり
の電力密度で換算したものである。すなわち、単位とし
ては(オングストローム/秒)/(ワット/mm2)で
ある。また尚、表2では、この換算された成膜速度の値
を、N=1のときの値を基準にした相対値で示してい
る。
れて成膜速度が低下している。これは、ターゲット5を
大きくすると、電力密度で換算した成膜速度が低下する
ことを意味しており、ターゲット5を大きくした場合、
それに見合う以上に電力密度を大きくしなければ成膜速
度が低下してしまうことを示している。表2にはデータ
が示されていないが、Nが1.2を越えた場合の成膜速
度の低下は急激であり、従って、Nを1.2以下にする
ことがエネルギー効率の点からは好ましい。また、Nが
1.2を越えるような大型のターゲットを用いること
は、ターゲットの交換等の保守作業を困難にし、またタ
ーゲットの取り付けに必要な部品が多くなりかつ複雑に
なる欠点がある。
いて、0.7≦N≦1.2とすることが、充分なボトム
カバレッジ率をエネルギー効率良く得るために好ましい
という結論になる。従って、Nがこの範囲に入るよう
に、与えられた条件に従ってターゲット5の直径Dtを
選択するのである。具体的には、アスペクト比B/A
は、製作するデバイスの設計によって決まるし、TS距
離は、低圧遠隔スパッタの効果が得られるよう、圧力と
の関係で適宜決定される。また、基板30の直径Dsも
当然のことながら予め決まっている。従って、これら予
め与えられた条件から、Nが0.7≦N≦1.2となる
ように上記式(3)に従ってDtを決定するのである。
られた周辺部分の微細ホール301におけるホール内ボ
トムカバレッジ率の片寄りが解消し、微細ホール301
の底面の全面にわたって均一で充分なボトムカバレッジ
率を得ることができる。尚、周辺部分の微細ホール30
1におけるホール内ボトムカバレッジ率の片寄りは、低
圧遠隔スパッタ以外の方式のスパッタにおいても一般的
に見られる現象であり、従って、上記条件を満たすDt
の構成は、低圧遠隔スパッタ以外の各種の方式のスパッ
タリング装置についても有効である。
口は円形であるとし、Aは開口の直径であるとしたが、
それ以外の場合もあり得る。例えば、微細ホールが特定
の方向に延びる溝状である場合、その溝の幅がAとな
る。また、円形でも溝でもない場合、開口の所定の方向
での幅をAとする。この場合、アスペクト比が最も厳し
くなるような(高くなるような)方向で幅Aを設定する
ことが、微細ホールの底面の全面にわたる高ボトムカバ
レッジ率の被覆という点で好適である。例えば、微細ホ
ールの開口の形状が長方形である場合、短辺の方向での
長さを幅Aとし、この方向で見たアスペクト比の逆数A
/Bについて、前述した条件を満たすようにDtを選定
するようにする。
して、円形以外のものである場合、上記DsやDtは、
やはり一番厳しい条件となるように決めるべきである。
即ち、図3に示すように、平行に且つ同軸上に基板30
とターゲット5とを配置した状態で、ターゲット5の幅
と基板30の幅との差が最も小さくなる方向を求め、そ
の方向における当該ターゲット5の幅をDtとし、当該
基板30の幅をDsとする。そして、(Dt−Ds)/
2Lが前述した条件を満たすように、予め与えられるD
sに対して必要なDtの値を算出するのである。具体的
な形状としては、液晶ディスプレイ用の基板の場合、方
形の板状の場合が多く、この場合、ターゲット5はその
方形に適合した形状(多くの場合相似形)となる。
路等のデバイスや液晶ディスプレイ等の他、ハードディ
スク等の情報記録媒体用の基板などについても用いるこ
とが可能である。また、スパッタリングの方式として
は、前述したマグネトロン方式の他、平行平板二極DC
スパッタやRFスパッタ、反応性ガスを導入して行うリ
アクティブスパッタ等の各種の方式を採用することが可
能である。
明によれば、従来見られた周辺部分の微細ホールにおけ
るホール内ボトムカバレッジ率の片寄りが解消し、微細
ホールの底面の全面に亘って均一で充分なボトムカバレ
ッジ率を得ることができる。また、エネルギー効率を極
端に悪化させることなく、且つ、ターゲットの保守作業
や取り付け構造を簡易にしながら、上記効果を得ること
ができる。また、請求項2の発明は、微細ホールの底面
の全面に亘る高ボトムカバレッジ率の被覆という点でさ
らに好適である。また、請求項3の発明は、微細ホール
の底面の全面に亘る高ボトムカバレッジ率の被覆という
点でさらに好適である。また、請求項4の発明によれ
ば、ホール内のボトムカバレッジ率の片寄りが無いの
で、デバイス性能上の重大な欠陥を招いたり歩留まり低
下の原因となったりすることがない。
略構成を説明する図である。
の大きさの選定に関して説明するための図であり、基板
上の微細ホールについて説明する断面概略図である。
の大きさの選定に関して説明するための図であり、ター
ゲットの大きさDt、基板の大きさDs、TS距離Lの
各パラメータを説明する模式図である。
ートスパッタリング装置の概略を説明した図である。
遠隔スパッタリング装置の概略を説明した図である。
カバレッジ率の片寄りに関する説明図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 排気系を備えた真空容器と、真空容器内
に配設されるとともに前面にターゲットを備えたカソー
ドと、ターゲットに対して同軸上に平行して対向させて
基板を配置するための基板ホルダとを具備したスパッタ
リング装置であって、基板の表面に形成されたホールの
内面に薄膜を堆積させることが可能なスパッタリング装
置において、 前記カソードが備えるターゲットの大きさをDt、基板
の大きさをDsとしたとき、Dt>Dsであり、 ターゲットは、 薄膜を堆積させるホールの開口の縁の直
径又は幅をA、当該ホールの深さをB、ターゲットと基
板との距離をLとしたとき、tanQ1=(Dt−D
s)/2Lなる角度Q1と、tanQ2=A/Bなる角
度Q2との間で、Q1=N・Q2であってNが0.7以
上1.2以下となるような関係が成立するDtを有して
いることを特徴とするスパッタリング装置。 - 【請求項2】 前記ホールは溝であり、前記Aはこの溝
の幅であることを特徴とする請求項1記載のスパッタリ
ング装置。 - 【請求項3】 前記ホールの開口は長方形であり、前記
Aはこの長方形の短辺の方向での幅であることを特徴と
する請求項1記載のスパッタリング装置。 - 【請求項4】 請求項1乃至3いずれかに記載のスパッ
タリング装置を使用し、基板の周辺部に形成されたホー
ル内にスパッタリングにより薄膜を作成する方法であっ
て、 前記真空容器内の圧力を0.1mTorr以下とし、前
記ターゲットと前記基板との距離を150mm以上36
0mm以下として装置を動作させることを特徴とするホ
ール内へのスパッタリングによる薄膜作成方法。
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