JP3610289B2 - スパッタ装置及びスパッタ方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスなどの製造において使用する成膜装置および成膜方法に関するものであり、特に、スパッタ粒子をイオン化して基板表面に堆積膜を形成するスパッタ装置及びスパッタ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種半導体デバイスでは、配線の形成や層間絶縁膜、および光磁気ディスクの磁性層等を形成する際に成膜プロセスが用いられている。その際に使用される成膜装置には種々の性能が求められるが、最近、基板に形成されたホールの内面、特にボトム部分のカバレージ性の改善が求められている。
【０００３】
具体的に磁壁移動型の光磁気ディスクの例をとり説明する。従来の光磁気ディスクやコンパクトディスクでは、ディスク上に溝（グルーブ）が同心円状に形成されており、その溝の部分は情報を記録するために使用されていなかった。しかしながら、磁壁移動型の光ディスクでは溝の底のボトム部分（グルーブ）も記録する部分とするために、溝以外の平坦部分（ランド）と同様機能膜を形成する必要がある。しかも、グルーブとランドの間で干渉しないように境界面である溝側面では光磁気信号がでないようにしなければならず、溝側壁面への着膜量を可能な限り少なくしなければならない。
【０００４】
すなわち、磁壁移動型の光磁気ディスクではボトムカバレッジ率（溝の周囲の面への成膜速度に対する溝底面への成膜速度の比）の高い膜形成が必要とされている。
【０００５】
ボトムカバレッジ率の高い成膜の手法として、低圧遠隔スパッタやコリメートスパッタ、および特開平１０−２５９４８０号公報で提案されている高周波プラズマアシストイオン化スパッタ（略称）等の手法が開発されてきた。
【０００６】
低圧遠隔スパッタ法は、通常のスパッタ法の圧力よりも低くして平均自由行程を長くしスパッタ粒子が散乱せずまっすぐに飛行するようにするとともに、ターゲットと基板との距離を長くして基板に垂直に飛行しているスパッタ粒子を基板に堆積させる手法である。
【０００７】
コリメートスパッタ法は、ターゲットと基板との間に基板に垂直の方向に多数の穴が空いた円筒状の筒（コリメーター）を設置し、基板に垂直に飛行するスパッタ粒子のみを基板に到達、堆積させる手法である。
【０００８】
また、高周波プラズマアシストイオン化スパッタ法は、基板に高周波電圧を印加し基板近傍でプラズマを形成し飛行してくるスパッタ粒子をプラズマ空間内でイオン化して、プラズマにより基板表面に発生するマイナス電圧（セルフバイアス）でイオン化したスパッタ粒子を基板に対して垂直の方向に引き込み、堆積させる手法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低圧遠隔スパッタ法は基板との距離を長くするため成膜速度が低下し、原材料（ターゲット）の利用効率が低いという問題があり、量産ではアスペクト比で４程度までのデバイスが限界であるといわれている。
【００１０】
また、コリメートスパッタ法はコリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるため成膜速度が低下し、原材料の利用効率が低いという問題があり、アスペクト比３程度までのデバイスが限界である。
【００１１】
高周波プラスマアシストイオン化スパッタ法は、基板に高周波電圧を印加しプラズマを発生させるため、プラズマ中の荷電粒子が基板に飛び込み基板を加熱してしまうことから、コンパクトディスクや光磁気ディスク等で基板材料として用いられている樹脂等の低融点材料に成膜することができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、熱陰極イオン化機構を用いたイオン化スパッタ方法において、基板への堆積膜を形成する速度を向上すること、および成腹中の基板の昇温を防止することにより基板材質を問わずに成膜を可能とするイオン化スパッタ装置及びイオン化スパッタ方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のスパッタ装置は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、前記スパッタチャンバー内にプロセスガスを導入するためのガス導入手段と、前記スパッタチャンバー内に配置されたターゲットとを備え、前記ターゲットから蒸発させたスパッタ粒子を基板表面に堆積させるスパッタ装置であって、前記ターゲットと前記基板との間に配置され、前記スパッタ粒子をイオン化させる熱陰極方式のイオン化手段と、イオン化した前記スパッタ粒子が前記基板に入射されるよう、前記基板近傍に電界を形成するための電界発生手段とを備え、前記イオン化手段近傍に磁場発生手段を配置して、前記磁場発生手段により発生させた磁場により、前記イオン化手段から発生させた熱電子を前記ターゲット側へ導くようにしている。
【００１４】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記磁場発生手段は、前記ターゲットと前記基板を結ぶ方向に磁力線を形成する機能を有する。
【００１５】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記磁場発生手段は、前記ターゲットと前記イオン化手段との間に設けられた第１の磁石と、前記ターゲットに対して前記基板と反対側の位置に設けられた第２の磁石とから構成されている。
【００１６】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記ターゲットは前記基板に対向して配置され、前記イオン化手段、前記第１の磁石及び前記ガス導入手段を前記基板と前記ターゲットとの間に配置し、前記ターゲット側へ導いた電子により前記ガス導入手段から導入される前記プロセスガスを励起するようにしている。
【００１７】
本発明のスパッタ装置の一態様例においては、前記ガス導入手段が前記ターゲットと前記磁場印加手段との間、あるいは当該磁場印加手段と前記イオン化機構の間に設けられている。
【００１８】
本発明のスパッタ装置の一態様例においては、前記ガス導入手段が円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造で、前記イオン化空間の中心部を取り囲むように配置されている。
【００１９】
本発明のスパッタ装置の一態様例においては、前記第１の磁石と前記ターゲットの間であって前記ターゲットの中心から３０ｍｍの位置における前記磁場の磁束密度を、１５０ガウス以上３００ガウス以下としている。
【００２０】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記電界発生手段は、接地電位に対して０又は負極性の周期的に変動する電圧を与えられて前記電界を形成する。
【００２１】
本発明のスパッタ方法は、ターゲットから蒸発させたスパッタ粒子をイオン化し、基板表面に形成された電界に沿って前記スパッタ粒子を基板に入射させて前記基板表面に堆積膜を形成させるスパッタ方法であって、前記イオン化を行うイオン化空間の近傍に磁場を形成し、前記イオン化空間の近傍に形成した磁場により、前記イオン化空間にて生成された熱電子を前記ターゲットの方向に導き、前記イオン化空間に形成されるプラズマが前記基板方向に拡散することを防止しながら前記堆積膜を形成するようにしている。
【００２３】
本発明のスパッタ方法の一態様例においては、前記磁場を、前記ターゲットと前記基板を結ぶ方向の磁力線によって構成している。
【００２４】
本発明のスパッタ方法の一態様例においては、ガス導入手段が前記ターゲットと前記磁場印加手段との間、あるいは当該磁場印加手段と前記イオン化機構の間に設けられ、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスを励起させ、前記堆積膜を形成する。
【００２５】
本発明のスパッタ方法の一態様例においては、前記ガス導入手段が円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造で、前記イオン化空間の中心部を取り囲むように配置され、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスを励起させ、前記堆積膜を形成する。
【００２８】
【作用】
本発明は上記技術手段より成るので、イオン化手段から発生させた熱電子が磁場発生手段によってターゲットの方向に導かれることとなり、主としてターゲット側でプロセスガスの励起が行われるため、基板側へのプラズマの拡散が抑止されることとなる。従って、ターゲット近傍におけるスパッタ粒子が増加して、スパッタの効率を向上するため基板表面における成膜速度を高めることができ、且つ、基板近傍へのプラズマの拡散を抑止することにより、基板温度の上昇を最小限に抑えることが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を適用した具体的な実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係るイオン化スパッタ装置を説明する模式図である。
【００３０】
イオン化スパッタのメカニズムは、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子をイオン化機構６でイオン化し、基板９表面のマイナス電界１１によりイオン化されたスパッタ粒子を基板面に垂直に入射させ、基板の温度を上昇させることなくボトムカバレッジ良く成膜する手法である。
【００３１】
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係るイオン化スパッタ装置の構成について説明する。スパッタチャンバー１はステンレス又はアルミ等の金属製容器であり、電気的に接地されており、不図示のゲートバルブにより気密が保てるようになっている。
【００３２】
排気系１６は、大気圧から少なくとも１．３３×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり、不図示のオリフィスまたはコンダクタンスバルブ等の排気速度調整器により排気速度の調整が可能となっている。
【００３３】
ターゲット２は、例えば厚さ３ｍｍ、直径３インチ（７６．２ｍｍ）程度の円盤形状とされ、バッキングプレートおよび絶縁物を介してスパッタチャンバー１内に設置されている。バッキングプレートは水冷により冷却されている。ターゲット２の背後には磁石機構３が設置されており、マグネトロンスパッタを行なえるようになっている。
【００３４】
スパッタ電源４は所定の電力をターゲット２に印加するものであり、電圧は２００〜６００（Ｖ）のマイナスの直流電圧が印加されるようになっている。
【００３５】
ガス導入手段５は、アルゴン（Ａｒ）等のスパッタ放電用のガス（プロセスガス）を導入するもので、円環状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成した構造となっており、ターゲット２直上に均一にガスが供給されるように配置されている。
【００３６】
イオン化機構６はペニング電離を利用したものであり、ターゲット２から基体９へのスパッタ粒子の飛行経路に設定されたイオン化空間６０ｆにおいて、熱陰極から放出された熱電子をスパッタ粒子及びスパッタ放電用のガスの粒子に衝突させてスパッタ粒子をイオン化するものである。詳しくは、スパッタ粒子のイオン化は、熱陰極より放出された熱電子がスパッタ粒子に衝突してイオン化される。また、別のスパッタ粒子は、熱電子がスパッタ放電用のガス粒子に衝突し、生成されたスパッタ放電用のガスの励起種またはイオンがスパッタ粒子に衝突することによりイオン化されるものである。
【００３７】
図２は、イオン化スパッタ装置の別の例を示す模式図である。図２の例では、イオン化機構６と磁石機構７の間にガス導入手段５を配置している。イオン化機構６、磁石機構７及びガス導入手段５の各機能は図１のイオン化スパッタ装置と同様である。
【００３８】
図３はイオン化機構６の構造を示す平面図である。具体的には、イオン化機構６は、直列につながれたフィラメント６０ａに直流電源６０ｄより電流を流し加熱して熱電子を放出させる。グリッド６０ｂは網目構造であり、直流電源６０ｅによりプラスの電圧が印加されることにより、フィラメント６０ａから放出された熱電子がグリッド６０ｂに向かって加速される。
【００３９】
加速された熱電子は、グリッド６０ｂを通り抜けスパッタ粒子の軌道であるイオン化空間６０ｆに至り、ターゲット２方向に導かれながらスパッタ粒子及びアルゴン粒子と衝突し、スパッタ粒子及びアルゴン粒子をイオン化又は励起した後に最終的にターゲット２直上のシース部およびグリッド６０ｂに捕捉される。
【００４０】
熱電子の衝突により活性化されたアルゴン粒子がターゲット２から放出されたスパッタ粒子に衝突し、スパッタ粒子をイオン化する。
【００４１】
なお、フィラメント６０ａの材質はＲｅＷ，Ｗ、等の熱電子放出係数の大きなものが採用され、グリッド６０ｂは巾１ｍｍ、ピッチ３ｍｍ程度の網目構造のものが採用されている。
【００４２】
また、フィラメント６０ａ、およびグリッド６０ｂの片側、磁石機構７はケーシング６０ｃと同電位であり、ケーシング６０ｃは直流電源６０ｇにより任意の直流電圧を印加することが可能な構成となっており、本実施形態ではマイナスの直流電圧を印加している。
【００４３】
次に、本実施形態の大きな特徴点である磁石機構７の機能について詳細に説明する。本実施形態の磁石機構７は中心部分が空洞のドーナツ型の電磁石であり、ターゲット２とイオン化機構６の間に配置されており、イオン化機構６に固定されている。
【００４４】
ターゲット２から放出されたスパッタ粒子は、磁石機構７の中心の空洞部を通り、イオン化空間に至りイオン化され基板９に堆積する。磁石機構７により形成される磁場は、本実施形態においてはターゲット２側がＮ極、イオン化機構６側がＳ極となっている。
【００４５】
磁石機構７の近傍に強磁性体および他の磁石が存在しない場合に磁石機構７により形成される磁場は図４に示すようになり、同心円状の磁力線３８が形成されるが、本実施形態においてはマグネトロンスパッタ用の磁石機構３が近傍に存在するため、図５に示すような磁力線４８が形成される。
【００４６】
なお、本実施形態においては磁石機構７に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。
【００４７】
フィラメント６０ａより放出された熱電子はグリッド６０ｂに向かって加速され高エネルギーの電子となり、磁力線４８に沿って螺旋運動をしながらターゲット２の方向に導かれアルゴン粒子と衝突しアルゴンイオンおよびアルゴン励起種を生成する。
【００４８】
生成されたアルゴンイオンは全てがスパッタ粒子のイオン化に使われるのではなく、一部はアルゴンイオンのまま電子の動きに追従し、ターゲット２の方向に導かれる。従って、ターゲット２近傍のアルゴンイオンの密度が増しターゲットに入射するアルゴンイオンの数が増加することから、スパッタされるスパッタ粒子の量が増加し、結果として基板９の成膜速度を大きくする効果が得られる。
【００４９】
また、磁力線４８により熱電子およびアルゴンイオンがターゲット２方向に導かれることから、基板９方向へのプラズマの拡散が防止され、イオン化空間６０ｆにおいて高密度プラズマが維持されている。
【００５０】
同様に、基板９方向へのプラズマの拡散が防止されていることから、基板９への電子の入射が防止され基板９の昇温が抑制される効果がある。
【００５１】
なお、磁石機構７の配置位置は図１に示したとおりイオン化機構６の下部に接するかたちか、あるいはイオン化機構６の外周に接する状態で配置することが望ましく、ターゲット２表面より２０ｍｍ〜８０ｍｍ程度の距離を隔てて配置することが望ましい。また、磁場強度については、ターゲット２の中心より３０ｍｍ程イオン化機構６側の位置において、１５０ガウス〜３００ガウス程度の磁束密度の磁場を設定することが望ましい。
【００５２】
基板ホルダー１０は、絶縁体を介してスパッタチャンバー１に気密に設置されており、ターゲット２に対して平行に基板９を保持できるようになっている。基板ホルダー１０と基板９との間には絶縁物を介して、好ましくは基板９に対して平行に引込電極１２が取付けられている。
【００５３】
引込電極１２は信号発生器（ファンクションシンセサイザー）１３と電力増幅器１４により構成された電圧印加手段が接続されている。この電圧印加手段により基準電位である接地電位に対して負極性の周期的に変動する矩形波の電圧が引込電極１２に印加される。図６は、引込電極１２に印加されるバイアス電圧の一例を示している。バイアス電圧は、所定の周期で、０又は負極性の最小電圧（基準電位に対して振幅が最小になる電圧）Ｖ１と、負極性の最大電圧（基準電圧に対して振幅が最大になる電圧）Ｖ２とに変化する電圧である。このバイアス電圧により、基体表面に基板９に垂直な方向に電界１１が形成され、イオン化したスパッタ粒子が電界１１に沿って（基体７に対して垂直に）加速され基板９に到達するようになっている。
【００５４】
なお、電界１１は負極性の周期的に変動する電圧により形成されていることから、基板９として誘電体基板を用いてもチャージアップ現象が発生せず電界１１が形成され、イオン化したスパッタ粒子を基板９に対して垂直に引き込むことが可能となっている。
【００５５】
次に、図１を参照しながら、本発明のイオン化成膜方法の動作について説明する。基板ホルダー１０に基板９をセットし複合排気系１６によりスパッタチャンバー内を少なくとも５．０×１０−５Ｐａ程度まで排気する。次に磁石機構７を動作させ磁力線８を形成するとともにイオン化機構６を動作させる。
【００５６】
すなわち、電磁石用電源７０１を動作しターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点において１５０ガウス〜３００ガウス程度の磁束密度が得られるように設定するとともに、フローティング用直流電源６０ｇを動作し任意の値に設定し、フィラメント用直流電源６０ｄを動作しフィラメント６０ａを加熱し、グリッド用直流電源６０ｅによりグリッド６０ｂに１０Ｖ〜２００Ｖ程度のプラスの直流電圧を印加し、イオン化空間６０ｆに熱電子を放出させる。
【００５７】
なお、スパッタの速度により条件は変わるが、スパッタ粒子が十分にイオン化されるようにグリッド６０ｂに流れ込む電流（エミッション）の値は成膜中において５Ａ以上に設定することが望ましい。
【００５８】
次に、ガス導入手段５によりアルゴンガス等のプロセスガスを導入し、複合排気系１６の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内を０．２Ｐａ〜１０Ｐａ程度に維持し、スパッタ電源４を動作しスパッタリング放電を生じさせ、スパッタを開始する、同時に、信号発生器１３と電力増幅器１４を動作し引込電極１２に高周波電圧を印加し、基板表面で基板９に垂直な方向に引込み用電界１１を形成する。
【００５９】
この時、引込電極１２に印加する電圧は、例えば前述したように図６に示すような矩形波を用い、矩形波の基準電圧０Ｖに近い負の最小電圧Ｖ１では電子が入射可能となるように浮遊電位（電気的に絶縁された基体がプラズマ中に置かれた場合にプラズマにより発生する基体の電位である。本実施形態では引込電極１２に電圧を印加しない場合に基体７に発生する電位）よりも若干正になるようにする。具体的には負の最小電圧Ｖ１の値を０Ｖから−１０Ｖの範囲から選択するとよい。矩形波の負の最大電圧Ｖ２は逆スパッタの効果が発生し成膜速度が著しく減少しないようにするため−２０Ｖから−１００Ｖの範囲から選択される値に設定することが望ましい。また、基体のチャージアップを防止しながらイオンを効率良く入射させるために、周波数は１００ＫＨｚ以上とし、更には波形のデューティーは１対５０以上、即ち、Ｖ２に印加している時間に対するＶ１を印加している時間の比が５０分の１以下となるように設定することが望ましい。
【００６０】
次に、数分間そのままの状態でプレスパッタを行なった後に、基板シャッター１５を開け成膜を開始する。スパッタ放電によりスパッタされた粒子は、イオン化空間６０ｆでイオン化されて基板９に向かって飛行し、基板表面の引込電界１１により加速され基板９に対して垂直に引き込まれ、基板９に形成されている溝の底面に効率よく堆積する。
【００６１】
堆積した薄膜が所定の厚さまで成膜された後、シャッター１５を閉じ、信号発生器１３、電力増幅器１４、スパッタ用電源４、およびガス導入手段５を停止させ、次に、イオン化機構６のフィラメント電源６０４、グリッド電源６０５、フローティング電源６０７、電磁石用電源７０１を停止させる。最後に不図示のゲートバルブを閉じスパッタチャンバー１をリークさせ、基板９を基板ホルダー１０より取り外す。
【００６２】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では、上述した実施形態において以下のような条件でスパッタを行った。
・ターゲット２の材質：アルミニウム
・ターゲット寸法：φ７６．２＊ｔ３ｍｍ
・ターゲット２への投入電力：３００Ｗ
・ターゲット⇔基板間距離：１５５ｍｍ
・基板：Ｓｉウエハ
・基板寸法：φ７６．２ｍｍ
・膜厚：２０００Å
・スパッタチャンバー内圧力：１．０Ｐａ
・プロセスガス種：アルゴン
・プロセスガス流量：１４３ｓｃｃｍ
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：１５Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極交流電圧：最小値０Ｖ、最大値−３０Ｖ
・引込電極交流電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極交流電圧デューティー：１対１００
【００６３】
図７は、実施例１の条件において電磁石用電源７０ａを可変し、イオン化機構６の近傍に形成される磁場を変えて成膜を行ない、基板温度を測定した値を示した図である。図中の横軸は、ターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点における磁束密度の値である。図７に示すとおり、本発明の実施形態のイオン化スパッタ方法およびイオン化スパッタ装置によると、成腹中の基板温度の上昇が大幅に軽減されている。例えば、Ａ点における磁束密度を１５０Ｇ以上とした場合では基板温度を５０℃以下で成膜することが可能である。この結果は、低融点材料の基板への成膜が可能であることを意味しており、低融点材料の基板磁壁移動型光磁気ディスク等の製作において極めて有効であることを示している。
【００６４】
（実施例２）
実施例２では、実施例１の条件において、同様に電磁石用電源７０ａを可変しイオン化機構６の近傍に形成される磁場を変えて成膜を行ない、基板９に堆積する膜の形成速度を測定した。
【００６５】
この結果を図８に示す。図８において、横軸はターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点における磁束密度の値を示しており、縦軸は堆積膜の形成速度を示している。図８に示すとおり、本発明の実施形態のイオン化スパッタ方法およびイオン化スパッタ装置によれば、Ａ点における磁束密度を所定の値に設定することにより、堆積膜の形成速度を向上させることができる。例えば、Ａ点における磁束密度を１５０Ｇ以上とした場合では、磁場を形成しない場合と比較して５０％以上堆積膜の形成速度が増加している。
【００６６】
（実施例３）
実施例３では、実施例１の条件において、基板のボトムカバレッジ率を測定した。具体的には、イオン化機構６の近傍に形成される磁場をターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点において２００Ｇとし、ボトム幅０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基板に成膜を行ない、基板のボトムカバレッジ率を測定したところ、４０％と良好なボトムカバレッジ率が得られた。
【００６７】
図９は、ボトムカバレッジ率が向上した状態を示す概略断面図である。図９に示すように、溝１０４が高アスペクト比で形成された基板９に成膜した場合であっても、本実施形態によるイオン化スパッタ装置によれば、凸部１０３上にスパッタ膜１００を形成するとともに、溝１０４の底面及び側面１０１にもスパッタ膜１０２を確実に形成することができ、良好なボトムカバレッジ率を得ることができた。
【００６８】
（実施例４）
実施例３の条件においてターゲット２としてＳｉＯ２、Ａｌを用い、リアクティブイオンエッチングにより形成されたボトム巾０．２５μｍでアスペクト比４の溝が形成されているＡｌ基板のサンプルに、ＳｉＯ２：１０００Å、Ａｌ：２０００Åの順番でイオン化スパッタを行い、Ａｌ基板と上層のＡｌ膜との間の絶縁耐圧を測定したところ、５０Ｖと良好な絶縁耐圧が得られた。
【００６９】
（実施例５）
以下のような条件でＦｅ膜を作製した。
・ターゲット２の材質：Ｆｅ
・ターゲット寸法：φ７６．２×ｔ３ ｍｍ
・ターゲット２への投入電力：４００Ｗ
・ターゲット⇔基体間距離：１５５ｍｍ
・基体寸法：φ２” （５０．８ｍｍ）
・膜厚：２０００Å
・スパッタチャンバー内圧力：１Ｐａ
・スパッタ放電用ガス種：アルゴン
・Ａ点における磁束密度：２００Ｇ
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：２０Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極電圧：最小値０Ｖ、最大値−６０Ｖ
・引込電極電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極電圧デューティー：１対１００
・Ａ点における磁場強度：１５０Ｇ
【００７０】
上述の条件において、アルゴンガスの導入量及び複合排気系１６のコンダクタンスバルブを固定することによりスパッタチャンバー１内の圧力Ｐを２Ｐａ、アルゴンガスのスパッタチャンバー１内の滞留時間τを０．３ｓｅｃとして、ボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作成した。
【００７１】
また、ガス導入手段５の位置をターゲット２と磁場発生手段７間のターゲット２の直上に移動したことを除いて、上記の実施例５と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基板に試料を作成した。
【００７２】
（実施例５−１）
ガス導入手段5の位置をイオン化機構6と基体ホルダー10の間に移動したことを除いて、上記の実施例5と同じ条件にてボトム巾0.25μm、アスペクト比４のサンプル基板に試料を作成した。
【００７３】
（実施例５−２）
ガス導入手段5を円環状の構造とせず、一つの穴から噴出す構造としたこと除いて、上記の実施例5と同じ条件にてボトム巾0.25μm、アスペクト比4のサンプル基板に試料を作成した。
【００７４】
（実施例５−３）
ガス導入手段5の位置を磁場発生手段7の外周より10cm離れたところに移動したことを除いて、上記の実施例5-2と同じ条件にてボトム巾0.25μm、アスペクト比４のサンプル基板に試料を作成した。
【００７５】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００７６】
表１は結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、比較例よりもボトムカバレッジ率が向上している。また従来例の低圧遠隔スパッタでボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４の基板に成膜した場合には、ボトムカバレッジ率は１６％程度となり、低圧遠隔スパッタと比較しても高ボトムカバレッジ率の膜が得られていることがわかる。
【００７７】
【表１】
【００７８】
（実施例６）
実施例５の条件において、ターゲットにＣｕ（銅）を用い、同様に成膜を行った。
【００７９】
（実施例６−１）
実施例5の実施例5-1，5-2、及び5-3の条件において、ターゲットにCu（銅）を用い、同様に成膜を行った。
【００８０】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００８１】
表２に結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、ボトムカバレッジ率が向上している。
【００８２】
【表２】
【００８３】
（実施例７）
実施例５の条件において、ターゲットにＴｂＦｅＣｏの３元合金のターゲットを用いて同様に成膜を行った。
【００８４】
（実施例７−１）
実施例５の実施例5-1，5-2、及び5-3の条件において、ターゲットにTbFeCoの3元合金を用い、同様に成膜を行った。
【００８５】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００８６】
表３に結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、ボトムカバレッジ率が向上している。
【００８７】
【表３】
【００８８】
（実施例８）
実施例５の条件において、スパッタ用電源４にＲＦ電源、ターゲットにＳｉＯ２を用いて同様に成膜を行なった。
【００８９】
（実施例８−１）
実施例5の実施例5-1，5-2、及び5-3の条件において、スパッタ用電源４にRF電源、ターゲットにSiO2を用い、同様に成膜を行った。
【００９０】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００９１】
表４に結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、ボトムカバレッジ率が向上している。
【００９２】
【表４】
【００９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、イオン化機構６から発生させた熱電子を磁石機構３，７によって形成した磁場（磁力線４８）によって、ターゲット２の方向に導くため、ターゲット２の近傍におけるプロセスガスの励起を促進してターゲット２の近傍にてプラズマを集中的に生成することができる。これにより、基板９の近傍にプラズマが拡散することを抑止することができ、基板９の温度の上昇を低減することができ、また、ターゲット２近傍におけるプラズマの生成を促進することによりスパッタの効率を向上させることが可能となる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱陰極イオン化機構を用いたイオン化スパッタにおいて、基板への堆積膜を形成する速度が向上し、成腹中の基板の昇温を防止することにより基板材質を問わずに成膜が可能となる。これにより、高アスペクト比の溝又はホールを形成することができ、良好なボトムカバレッジ率が求められるデバイスヘの堆積膜の形成を効率良く行なうことができる。従って、特に次世代ＤＲＡＭ等のデバイス、及び磁壁移動型の光磁気ディスク等の製作に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置の別の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置におけるイオン化機構の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、ターゲットとイオン化機構との間に配置された磁石機構が単体で形成する磁力線を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、ターゲットとイオン化機構との間に配置された磁石機構と、ターゲットの下部に配置された磁石機構により形成される磁力線を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、引込電極に印加する交流電圧の波形を示す特性図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、具体的な実験例の評価結果を示す特性図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、具体的な実験例の評価結果を示す特性図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置による成膜により、ボトムカバレッジ率が向上した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
２ ターゲット
３ 磁石機構
４ スパッタリング電源
５ ガス導入手段
６ イオン化機構
７ 磁石機構
８ 磁力線
９ 基板
１０ 基板ホルダー
１１ 引込電界
１２ 引込電極
１３ 信号発生器
１４ 電力増幅器
１５ 基板シャッター
１６ 複合排気系
３８，４８ 磁力線
６０ａ フィラメント
６０ｂ グリッド
６０ｃ ケース
６０ｄ フィラメント用直流電源
６０ｅ グリッド用直流電源
６０ｆ イオン化空間
６０ｇ フローティング用直流電源
７０ａ 電磁石用電源
１００，１０２ スパッタ膜
１０１ （溝の）側面
１０３ 凸部
１０４ 溝
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスなどの製造において使用する成膜装置および成膜方法に関するものであり、特に、スパッタ粒子をイオン化して基板表面に堆積膜を形成するスパッタ装置及びスパッタ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種半導体デバイスでは、配線の形成や層間絶縁膜、および光磁気ディスクの磁性層等を形成する際に成膜プロセスが用いられている。その際に使用される成膜装置には種々の性能が求められるが、最近、基板に形成されたホールの内面、特にボトム部分のカバレージ性の改善が求められている。
【０００３】
具体的に磁壁移動型の光磁気ディスクの例をとり説明する。従来の光磁気ディスクやコンパクトディスクでは、ディスク上に溝（グルーブ）が同心円状に形成されており、その溝の部分は情報を記録するために使用されていなかった。しかしながら、磁壁移動型の光ディスクでは溝の底のボトム部分（グルーブ）も記録する部分とするために、溝以外の平坦部分（ランド）と同様機能膜を形成する必要がある。しかも、グルーブとランドの間で干渉しないように境界面である溝側面では光磁気信号がでないようにしなければならず、溝側壁面への着膜量を可能な限り少なくしなければならない。
【０００４】
すなわち、磁壁移動型の光磁気ディスクではボトムカバレッジ率（溝の周囲の面への成膜速度に対する溝底面への成膜速度の比）の高い膜形成が必要とされている。
【０００５】
ボトムカバレッジ率の高い成膜の手法として、低圧遠隔スパッタやコリメートスパッタ、および特開平１０−２５９４８０号公報で提案されている高周波プラズマアシストイオン化スパッタ（略称）等の手法が開発されてきた。
【０００６】
低圧遠隔スパッタ法は、通常のスパッタ法の圧力よりも低くして平均自由行程を長くしスパッタ粒子が散乱せずまっすぐに飛行するようにするとともに、ターゲットと基板との距離を長くして基板に垂直に飛行しているスパッタ粒子を基板に堆積させる手法である。
【０００７】
コリメートスパッタ法は、ターゲットと基板との間に基板に垂直の方向に多数の穴が空いた円筒状の筒（コリメーター）を設置し、基板に垂直に飛行するスパッタ粒子のみを基板に到達、堆積させる手法である。
【０００８】
また、高周波プラズマアシストイオン化スパッタ法は、基板に高周波電圧を印加し基板近傍でプラズマを形成し飛行してくるスパッタ粒子をプラズマ空間内でイオン化して、プラズマにより基板表面に発生するマイナス電圧（セルフバイアス）でイオン化したスパッタ粒子を基板に対して垂直の方向に引き込み、堆積させる手法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低圧遠隔スパッタ法は基板との距離を長くするため成膜速度が低下し、原材料（ターゲット）の利用効率が低いという問題があり、量産ではアスペクト比で４程度までのデバイスが限界であるといわれている。
【００１０】
また、コリメートスパッタ法はコリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるため成膜速度が低下し、原材料の利用効率が低いという問題があり、アスペクト比３程度までのデバイスが限界である。
【００１１】
高周波プラスマアシストイオン化スパッタ法は、基板に高周波電圧を印加しプラズマを発生させるため、プラズマ中の荷電粒子が基板に飛び込み基板を加熱してしまうことから、コンパクトディスクや光磁気ディスク等で基板材料として用いられている樹脂等の低融点材料に成膜することができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、熱陰極イオン化機構を用いたイオン化スパッタ方法において、基板への堆積膜を形成する速度を向上すること、および成腹中の基板の昇温を防止することにより基板材質を問わずに成膜を可能とするイオン化スパッタ装置及びイオン化スパッタ方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のスパッタ装置は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、前記スパッタチャンバー内にプロセスガスを導入するためのガス導入手段と、前記スパッタチャンバー内に配置されたターゲットとを備え、前記ターゲットから蒸発させたスパッタ粒子を基板表面に堆積させるスパッタ装置であって、前記ターゲットと前記基板との間に配置され、前記スパッタ粒子をイオン化させる熱陰極方式のイオン化手段と、イオン化した前記スパッタ粒子が前記基板に入射されるよう、前記基板近傍に電界を形成するための電界発生手段とを備え、前記イオン化手段近傍に磁場発生手段を配置して、前記磁場発生手段により発生させた磁場により、前記イオン化手段から発生させた熱電子を前記ターゲット側へ導くようにしている。
【００１４】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記磁場発生手段は、前記ターゲットと前記基板を結ぶ方向に磁力線を形成する機能を有する。
【００１５】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記磁場発生手段は、前記ターゲットと前記イオン化手段との間に設けられた第１の磁石と、前記ターゲットに対して前記基板と反対側の位置に設けられた第２の磁石とから構成されている。
【００１６】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記ターゲットは前記基板に対向して配置され、前記イオン化手段、前記第１の磁石及び前記ガス導入手段を前記基板と前記ターゲットとの間に配置し、前記ターゲット側へ導いた電子により前記ガス導入手段から導入される前記プロセスガスを励起するようにしている。
【００１７】
本発明のスパッタ装置の一態様例においては、前記ガス導入手段が前記ターゲットと前記磁場印加手段との間、あるいは当該磁場印加手段と前記イオン化機構の間に設けられている。
【００１８】
本発明のスパッタ装置の一態様例においては、前記ガス導入手段が円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造で、前記イオン化空間の中心部を取り囲むように配置されている。
【００１９】
本発明のスパッタ装置の一態様例においては、前記第１の磁石と前記ターゲットの間であって前記ターゲットの中心から３０ｍｍの位置における前記磁場の磁束密度を、１５０ガウス以上３００ガウス以下としている。
【００２０】
本発明のスパッタ装置の一態様例において、前記電界発生手段は、接地電位に対して０又は負極性の周期的に変動する電圧を与えられて前記電界を形成する。
【００２１】
本発明のスパッタ方法は、ターゲットから蒸発させたスパッタ粒子をイオン化し、基板表面に形成された電界に沿って前記スパッタ粒子を基板に入射させて前記基板表面に堆積膜を形成させるスパッタ方法であって、前記イオン化を行うイオン化空間の近傍に磁場を形成し、前記イオン化空間の近傍に形成した磁場により、前記イオン化空間にて生成された熱電子を前記ターゲットの方向に導き、前記イオン化空間に形成されるプラズマが前記基板方向に拡散することを防止しながら前記堆積膜を形成するようにしている。
【００２３】
本発明のスパッタ方法の一態様例においては、前記磁場を、前記ターゲットと前記基板を結ぶ方向の磁力線によって構成している。
【００２４】
本発明のスパッタ方法の一態様例においては、ガス導入手段が前記ターゲットと前記磁場印加手段との間、あるいは当該磁場印加手段と前記イオン化機構の間に設けられ、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスを励起させ、前記堆積膜を形成する。
【００２５】
本発明のスパッタ方法の一態様例においては、前記ガス導入手段が円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造で、前記イオン化空間の中心部を取り囲むように配置され、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスを励起させ、前記堆積膜を形成する。
【００２８】
【作用】
本発明は上記技術手段より成るので、イオン化手段から発生させた熱電子が磁場発生手段によってターゲットの方向に導かれることとなり、主としてターゲット側でプロセスガスの励起が行われるため、基板側へのプラズマの拡散が抑止されることとなる。従って、ターゲット近傍におけるスパッタ粒子が増加して、スパッタの効率を向上するため基板表面における成膜速度を高めることができ、且つ、基板近傍へのプラズマの拡散を抑止することにより、基板温度の上昇を最小限に抑えることが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を適用した具体的な実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係るイオン化スパッタ装置を説明する模式図である。
【００３０】
イオン化スパッタのメカニズムは、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子をイオン化機構６でイオン化し、基板９表面のマイナス電界１１によりイオン化されたスパッタ粒子を基板面に垂直に入射させ、基板の温度を上昇させることなくボトムカバレッジ良く成膜する手法である。
【００３１】
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係るイオン化スパッタ装置の構成について説明する。スパッタチャンバー１はステンレス又はアルミ等の金属製容器であり、電気的に接地されており、不図示のゲートバルブにより気密が保てるようになっている。
【００３２】
排気系１６は、大気圧から少なくとも１．３３×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり、不図示のオリフィスまたはコンダクタンスバルブ等の排気速度調整器により排気速度の調整が可能となっている。
【００３３】
ターゲット２は、例えば厚さ３ｍｍ、直径３インチ（７６．２ｍｍ）程度の円盤形状とされ、バッキングプレートおよび絶縁物を介してスパッタチャンバー１内に設置されている。バッキングプレートは水冷により冷却されている。ターゲット２の背後には磁石機構３が設置されており、マグネトロンスパッタを行なえるようになっている。
【００３４】
スパッタ電源４は所定の電力をターゲット２に印加するものであり、電圧は２００〜６００（Ｖ）のマイナスの直流電圧が印加されるようになっている。
【００３５】
ガス導入手段５は、アルゴン（Ａｒ）等のスパッタ放電用のガス（プロセスガス）を導入するもので、円環状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成した構造となっており、ターゲット２直上に均一にガスが供給されるように配置されている。
【００３６】
イオン化機構６はペニング電離を利用したものであり、ターゲット２から基体９へのスパッタ粒子の飛行経路に設定されたイオン化空間６０ｆにおいて、熱陰極から放出された熱電子をスパッタ粒子及びスパッタ放電用のガスの粒子に衝突させてスパッタ粒子をイオン化するものである。詳しくは、スパッタ粒子のイオン化は、熱陰極より放出された熱電子がスパッタ粒子に衝突してイオン化される。また、別のスパッタ粒子は、熱電子がスパッタ放電用のガス粒子に衝突し、生成されたスパッタ放電用のガスの励起種またはイオンがスパッタ粒子に衝突することによりイオン化されるものである。
【００３７】
図２は、イオン化スパッタ装置の別の例を示す模式図である。図２の例では、イオン化機構６と磁石機構７の間にガス導入手段５を配置している。イオン化機構６、磁石機構７及びガス導入手段５の各機能は図１のイオン化スパッタ装置と同様である。
【００３８】
図３はイオン化機構６の構造を示す平面図である。具体的には、イオン化機構６は、直列につながれたフィラメント６０ａに直流電源６０ｄより電流を流し加熱して熱電子を放出させる。グリッド６０ｂは網目構造であり、直流電源６０ｅによりプラスの電圧が印加されることにより、フィラメント６０ａから放出された熱電子がグリッド６０ｂに向かって加速される。
【００３９】
加速された熱電子は、グリッド６０ｂを通り抜けスパッタ粒子の軌道であるイオン化空間６０ｆに至り、ターゲット２方向に導かれながらスパッタ粒子及びアルゴン粒子と衝突し、スパッタ粒子及びアルゴン粒子をイオン化又は励起した後に最終的にターゲット２直上のシース部およびグリッド６０ｂに捕捉される。
【００４０】
熱電子の衝突により活性化されたアルゴン粒子がターゲット２から放出されたスパッタ粒子に衝突し、スパッタ粒子をイオン化する。
【００４１】
なお、フィラメント６０ａの材質はＲｅＷ，Ｗ、等の熱電子放出係数の大きなものが採用され、グリッド６０ｂは巾１ｍｍ、ピッチ３ｍｍ程度の網目構造のものが採用されている。
【００４２】
また、フィラメント６０ａ、およびグリッド６０ｂの片側、磁石機構７はケーシング６０ｃと同電位であり、ケーシング６０ｃは直流電源６０ｇにより任意の直流電圧を印加することが可能な構成となっており、本実施形態ではマイナスの直流電圧を印加している。
【００４３】
次に、本実施形態の大きな特徴点である磁石機構７の機能について詳細に説明する。本実施形態の磁石機構７は中心部分が空洞のドーナツ型の電磁石であり、ターゲット２とイオン化機構６の間に配置されており、イオン化機構６に固定されている。
【００４４】
ターゲット２から放出されたスパッタ粒子は、磁石機構７の中心の空洞部を通り、イオン化空間に至りイオン化され基板９に堆積する。磁石機構７により形成される磁場は、本実施形態においてはターゲット２側がＮ極、イオン化機構６側がＳ極となっている。
【００４５】
磁石機構７の近傍に強磁性体および他の磁石が存在しない場合に磁石機構７により形成される磁場は図４に示すようになり、同心円状の磁力線３８が形成されるが、本実施形態においてはマグネトロンスパッタ用の磁石機構３が近傍に存在するため、図５に示すような磁力線４８が形成される。
【００４６】
なお、本実施形態においては磁石機構７に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。
【００４７】
フィラメント６０ａより放出された熱電子はグリッド６０ｂに向かって加速され高エネルギーの電子となり、磁力線４８に沿って螺旋運動をしながらターゲット２の方向に導かれアルゴン粒子と衝突しアルゴンイオンおよびアルゴン励起種を生成する。
【００４８】
生成されたアルゴンイオンは全てがスパッタ粒子のイオン化に使われるのではなく、一部はアルゴンイオンのまま電子の動きに追従し、ターゲット２の方向に導かれる。従って、ターゲット２近傍のアルゴンイオンの密度が増しターゲットに入射するアルゴンイオンの数が増加することから、スパッタされるスパッタ粒子の量が増加し、結果として基板９の成膜速度を大きくする効果が得られる。
【００４９】
また、磁力線４８により熱電子およびアルゴンイオンがターゲット２方向に導かれることから、基板９方向へのプラズマの拡散が防止され、イオン化空間６０ｆにおいて高密度プラズマが維持されている。
【００５０】
同様に、基板９方向へのプラズマの拡散が防止されていることから、基板９への電子の入射が防止され基板９の昇温が抑制される効果がある。
【００５１】
なお、磁石機構７の配置位置は図１に示したとおりイオン化機構６の下部に接するかたちか、あるいはイオン化機構６の外周に接する状態で配置することが望ましく、ターゲット２表面より２０ｍｍ〜８０ｍｍ程度の距離を隔てて配置することが望ましい。また、磁場強度については、ターゲット２の中心より３０ｍｍ程イオン化機構６側の位置において、１５０ガウス〜３００ガウス程度の磁束密度の磁場を設定することが望ましい。
【００５２】
基板ホルダー１０は、絶縁体を介してスパッタチャンバー１に気密に設置されており、ターゲット２に対して平行に基板９を保持できるようになっている。基板ホルダー１０と基板９との間には絶縁物を介して、好ましくは基板９に対して平行に引込電極１２が取付けられている。
【００５３】
引込電極１２は信号発生器（ファンクションシンセサイザー）１３と電力増幅器１４により構成された電圧印加手段が接続されている。この電圧印加手段により基準電位である接地電位に対して負極性の周期的に変動する矩形波の電圧が引込電極１２に印加される。図６は、引込電極１２に印加されるバイアス電圧の一例を示している。バイアス電圧は、所定の周期で、０又は負極性の最小電圧（基準電位に対して振幅が最小になる電圧）Ｖ１と、負極性の最大電圧（基準電圧に対して振幅が最大になる電圧）Ｖ２とに変化する電圧である。このバイアス電圧により、基体表面に基板９に垂直な方向に電界１１が形成され、イオン化したスパッタ粒子が電界１１に沿って（基体７に対して垂直に）加速され基板９に到達するようになっている。
【００５４】
なお、電界１１は負極性の周期的に変動する電圧により形成されていることから、基板９として誘電体基板を用いてもチャージアップ現象が発生せず電界１１が形成され、イオン化したスパッタ粒子を基板９に対して垂直に引き込むことが可能となっている。
【００５５】
次に、図１を参照しながら、本発明のイオン化成膜方法の動作について説明する。基板ホルダー１０に基板９をセットし複合排気系１６によりスパッタチャンバー内を少なくとも５．０×１０−５Ｐａ程度まで排気する。次に磁石機構７を動作させ磁力線８を形成するとともにイオン化機構６を動作させる。
【００５６】
すなわち、電磁石用電源７０１を動作しターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点において１５０ガウス〜３００ガウス程度の磁束密度が得られるように設定するとともに、フローティング用直流電源６０ｇを動作し任意の値に設定し、フィラメント用直流電源６０ｄを動作しフィラメント６０ａを加熱し、グリッド用直流電源６０ｅによりグリッド６０ｂに１０Ｖ〜２００Ｖ程度のプラスの直流電圧を印加し、イオン化空間６０ｆに熱電子を放出させる。
【００５７】
なお、スパッタの速度により条件は変わるが、スパッタ粒子が十分にイオン化されるようにグリッド６０ｂに流れ込む電流（エミッション）の値は成膜中において５Ａ以上に設定することが望ましい。
【００５８】
次に、ガス導入手段５によりアルゴンガス等のプロセスガスを導入し、複合排気系１６の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内を０．２Ｐａ〜１０Ｐａ程度に維持し、スパッタ電源４を動作しスパッタリング放電を生じさせ、スパッタを開始する、同時に、信号発生器１３と電力増幅器１４を動作し引込電極１２に高周波電圧を印加し、基板表面で基板９に垂直な方向に引込み用電界１１を形成する。
【００５９】
この時、引込電極１２に印加する電圧は、例えば前述したように図６に示すような矩形波を用い、矩形波の基準電圧０Ｖに近い負の最小電圧Ｖ１では電子が入射可能となるように浮遊電位（電気的に絶縁された基体がプラズマ中に置かれた場合にプラズマにより発生する基体の電位である。本実施形態では引込電極１２に電圧を印加しない場合に基体７に発生する電位）よりも若干正になるようにする。具体的には負の最小電圧Ｖ１の値を０Ｖから−１０Ｖの範囲から選択するとよい。矩形波の負の最大電圧Ｖ２は逆スパッタの効果が発生し成膜速度が著しく減少しないようにするため−２０Ｖから−１００Ｖの範囲から選択される値に設定することが望ましい。また、基体のチャージアップを防止しながらイオンを効率良く入射させるために、周波数は１００ＫＨｚ以上とし、更には波形のデューティーは１対５０以上、即ち、Ｖ２に印加している時間に対するＶ１を印加している時間の比が５０分の１以下となるように設定することが望ましい。
【００６０】
次に、数分間そのままの状態でプレスパッタを行なった後に、基板シャッター１５を開け成膜を開始する。スパッタ放電によりスパッタされた粒子は、イオン化空間６０ｆでイオン化されて基板９に向かって飛行し、基板表面の引込電界１１により加速され基板９に対して垂直に引き込まれ、基板９に形成されている溝の底面に効率よく堆積する。
【００６１】
堆積した薄膜が所定の厚さまで成膜された後、シャッター１５を閉じ、信号発生器１３、電力増幅器１４、スパッタ用電源４、およびガス導入手段５を停止させ、次に、イオン化機構６のフィラメント電源６０４、グリッド電源６０５、フローティング電源６０７、電磁石用電源７０１を停止させる。最後に不図示のゲートバルブを閉じスパッタチャンバー１をリークさせ、基板９を基板ホルダー１０より取り外す。
【００６２】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では、上述した実施形態において以下のような条件でスパッタを行った。
・ターゲット２の材質：アルミニウム
・ターゲット寸法：φ７６．２＊ｔ３ｍｍ
・ターゲット２への投入電力：３００Ｗ
・ターゲット⇔基板間距離：１５５ｍｍ
・基板：Ｓｉウエハ
・基板寸法：φ７６．２ｍｍ
・膜厚：２０００Å
・スパッタチャンバー内圧力：１．０Ｐａ
・プロセスガス種：アルゴン
・プロセスガス流量：１４３ｓｃｃｍ
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：１５Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極交流電圧：最小値０Ｖ、最大値−３０Ｖ
・引込電極交流電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極交流電圧デューティー：１対１００
【００６３】
図７は、実施例１の条件において電磁石用電源７０ａを可変し、イオン化機構６の近傍に形成される磁場を変えて成膜を行ない、基板温度を測定した値を示した図である。図中の横軸は、ターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点における磁束密度の値である。図７に示すとおり、本発明の実施形態のイオン化スパッタ方法およびイオン化スパッタ装置によると、成腹中の基板温度の上昇が大幅に軽減されている。例えば、Ａ点における磁束密度を１５０Ｇ以上とした場合では基板温度を５０℃以下で成膜することが可能である。この結果は、低融点材料の基板への成膜が可能であることを意味しており、低融点材料の基板磁壁移動型光磁気ディスク等の製作において極めて有効であることを示している。
【００６４】
（実施例２）
実施例２では、実施例１の条件において、同様に電磁石用電源７０ａを可変しイオン化機構６の近傍に形成される磁場を変えて成膜を行ない、基板９に堆積する膜の形成速度を測定した。
【００６５】
この結果を図８に示す。図８において、横軸はターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点における磁束密度の値を示しており、縦軸は堆積膜の形成速度を示している。図８に示すとおり、本発明の実施形態のイオン化スパッタ方法およびイオン化スパッタ装置によれば、Ａ点における磁束密度を所定の値に設定することにより、堆積膜の形成速度を向上させることができる。例えば、Ａ点における磁束密度を１５０Ｇ以上とした場合では、磁場を形成しない場合と比較して５０％以上堆積膜の形成速度が増加している。
【００６６】
（実施例３）
実施例３では、実施例１の条件において、基板のボトムカバレッジ率を測定した。具体的には、イオン化機構６の近傍に形成される磁場をターゲット２とイオン化機構６の間のＡ点において２００Ｇとし、ボトム幅０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基板に成膜を行ない、基板のボトムカバレッジ率を測定したところ、４０％と良好なボトムカバレッジ率が得られた。
【００６７】
図９は、ボトムカバレッジ率が向上した状態を示す概略断面図である。図９に示すように、溝１０４が高アスペクト比で形成された基板９に成膜した場合であっても、本実施形態によるイオン化スパッタ装置によれば、凸部１０３上にスパッタ膜１００を形成するとともに、溝１０４の底面及び側面１０１にもスパッタ膜１０２を確実に形成することができ、良好なボトムカバレッジ率を得ることができた。
【００６８】
（実施例４）
実施例３の条件においてターゲット２としてＳｉＯ２、Ａｌを用い、リアクティブイオンエッチングにより形成されたボトム巾０．２５μｍでアスペクト比４の溝が形成されているＡｌ基板のサンプルに、ＳｉＯ２：１０００Å、Ａｌ：２０００Åの順番でイオン化スパッタを行い、Ａｌ基板と上層のＡｌ膜との間の絶縁耐圧を測定したところ、５０Ｖと良好な絶縁耐圧が得られた。
【００６９】
（実施例５）
以下のような条件でＦｅ膜を作製した。
・ターゲット２の材質：Ｆｅ
・ターゲット寸法：φ７６．２×ｔ３ ｍｍ
・ターゲット２への投入電力：４００Ｗ
・ターゲット⇔基体間距離：１５５ｍｍ
・基体寸法：φ２” （５０．８ｍｍ）
・膜厚：２０００Å
・スパッタチャンバー内圧力：１Ｐａ
・スパッタ放電用ガス種：アルゴン
・Ａ点における磁束密度：２００Ｇ
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：２０Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極電圧：最小値０Ｖ、最大値−６０Ｖ
・引込電極電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極電圧デューティー：１対１００
・Ａ点における磁場強度：１５０Ｇ
【００７０】
上述の条件において、アルゴンガスの導入量及び複合排気系１６のコンダクタンスバルブを固定することによりスパッタチャンバー１内の圧力Ｐを２Ｐａ、アルゴンガスのスパッタチャンバー１内の滞留時間τを０．３ｓｅｃとして、ボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作成した。
【００７１】
また、ガス導入手段５の位置をターゲット２と磁場発生手段７間のターゲット２の直上に移動したことを除いて、上記の実施例５と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基板に試料を作成した。
【００７２】
（実施例５−１）
ガス導入手段5の位置をイオン化機構6と基体ホルダー10の間に移動したことを除いて、上記の実施例5と同じ条件にてボトム巾0.25μm、アスペクト比４のサンプル基板に試料を作成した。
【００７３】
（実施例５−２）
ガス導入手段5を円環状の構造とせず、一つの穴から噴出す構造としたこと除いて、上記の実施例5と同じ条件にてボトム巾0.25μm、アスペクト比4のサンプル基板に試料を作成した。
【００７４】
（実施例５−３）
ガス導入手段5の位置を磁場発生手段7の外周より10cm離れたところに移動したことを除いて、上記の実施例5-2と同じ条件にてボトム巾0.25μm、アスペクト比４のサンプル基板に試料を作成した。
【００７５】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００７６】
表１は結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、比較例よりもボトムカバレッジ率が向上している。また従来例の低圧遠隔スパッタでボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４の基板に成膜した場合には、ボトムカバレッジ率は１６％程度となり、低圧遠隔スパッタと比較しても高ボトムカバレッジ率の膜が得られていることがわかる。
【００７７】
【表１】
（実施例６）
実施例５の条件において、ターゲットにＣｕ（銅）を用い、同様に成膜を行った。
【００７９】
（実施例６−１）
実施例5の実施例5-1，5-2、及び5-3の条件において、ターゲットにCu（銅）を用い、同様に成膜を行った。
【００８０】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００８１】
表２に結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、ボトムカバレッジ率が向上している。
【００８２】
【表２】
（実施例７）
実施例５の条件において、ターゲットにＴｂＦｅＣｏの３元合金のターゲットを用いて同様に成膜を行った。
【００８４】
（実施例７−１）
実施例５の実施例5-1，5-2、及び5-3の条件において、ターゲットにTbFeCoの3元合金を用い、同様に成膜を行った。
【００８５】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００８６】
表３に結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、ボトムカバレッジ率が向上している。
【００８７】
【表３】
（実施例８）
実施例５の条件において、スパッタ用電源４にＲＦ電源、ターゲットにＳｉＯ２を用いて同様に成膜を行なった。
【００８９】
（実施例８−１）
実施例5の実施例5-1，5-2、及び5-3の条件において、スパッタ用電源４にRF電源、ターゲットにSiO2を用い、同様に成膜を行った。
【００９０】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００９１】
表４に結果を示しており、ガス導入手段の位置を本実施例の位置に設置すること、また円環状の複数穴の開いた構造にすることによって、ボトムカバレッジ率が向上している。
【００９２】
【表４】
以上説明したように、本実施形態によれば、イオン化機構６から発生させた熱電子を磁石機構３，７によって形成した磁場（磁力線４８）によって、ターゲット２の方向に導くため、ターゲット２の近傍におけるプロセスガスの励起を促進してターゲット２の近傍にてプラズマを集中的に生成することができる。これにより、基板９の近傍にプラズマが拡散することを抑止することができ、基板９の温度の上昇を低減することができ、また、ターゲット２近傍におけるプラズマの生成を促進することによりスパッタの効率を向上させることが可能となる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱陰極イオン化機構を用いたイオン化スパッタにおいて、基板への堆積膜を形成する速度が向上し、成腹中の基板の昇温を防止することにより基板材質を問わずに成膜が可能となる。これにより、高アスペクト比の溝又はホールを形成することができ、良好なボトムカバレッジ率が求められるデバイスヘの堆積膜の形成を効率良く行なうことができる。従って、特に次世代ＤＲＡＭ等のデバイス、及び磁壁移動型の光磁気ディスク等の製作に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置の別の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置におけるイオン化機構の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、ターゲットとイオン化機構との間に配置された磁石機構が単体で形成する磁力線を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、ターゲットとイオン化機構との間に配置された磁石機構と、ターゲットの下部に配置された磁石機構により形成される磁力線を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、引込電極に印加する交流電圧の波形を示す特性図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、具体的な実験例の評価結果を示す特性図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置において、具体的な実験例の評価結果を示す特性図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るイオン化スパッタ装置による成膜により、ボトムカバレッジ率が向上した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
２ ターゲット
３ 磁石機構
４ スパッタリング電源
５ ガス導入手段
６ イオン化機構
７ 磁石機構
８ 磁力線
９ 基板
１０ 基板ホルダー
１１ 引込電界
１２ 引込電極
１３ 信号発生器
１４ 電力増幅器
１５ 基板シャッター
１６ 複合排気系
３８，４８ 磁力線
６０ａ フィラメント
６０ｂ グリッド
６０ｃ ケース
６０ｄ フィラメント用直流電源
６０ｅ グリッド用直流電源
６０ｆ イオン化空間
６０ｇ フローティング用直流電源
７０ａ 電磁石用電源
１００，１０２ スパッタ膜
１０１ （溝の）側面
１０３ 凸部
１０４ 溝
Claims (12)
- 排気系を備えたスパッタチャンバーと、
前記スパッタチャンバー内にプロセスガスを導入するためのガス導入手段と、
前記スパッタチャンバー内に配置されたターゲットとを備え、
前記ターゲットから蒸発させたスパッタ粒子を基板表面に堆積させるスパッタ装置であって、
前記ターゲットと前記基板との間に配置され、前記スパッタ粒子をイオン化させる熱陰極方式のイオン化手段と、
イオン化した前記スパッタ粒子が前記基板に入射されるよう、前記基板近傍に電界を形成するための電界発生手段とを備え、
前記イオン化手段近傍に磁場発生手段を配置して、前記磁場発生手段により発生させた磁場により、前記イオン化手段から発生させた熱電子を前記ターゲット側へ導くようにしたことを特徴とするスパッタ装置。 - 前記磁場発生手段は、前記ターゲットと前記基板を結ぶ方向に磁力線を形成する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
- 前記磁場発生手段は、前記ターゲットと前記イオン化手段との間に設けられた第１の磁石と、前記ターゲットに対して前記基板と反対側の位置に設けられた第２の磁石とから構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
- 前記ターゲットは前記基板に対向して配置され、
前記イオン化手段、前記第１の磁石及び前記ガス導入手段を前記基板と前記ターゲットとの間に配置し、
前記ターゲット側へ導いた電子により前記ガス導入手段から導入される前記プロセスガスを励起するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のスパッタ装置。 - 前記ガス導入手段が前記ターゲットと前記磁場印加手段との間、あるいは当該磁場印加手段と前記イオン化機構の間に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のスパッタ装置。
- 前記ガス導入手段が円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造で、前記イオン化空間の中心部を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
- 前記第１の磁石と前記ターゲットの間であって前記ターゲットの中心から３０ｍｍの位置における前記磁場の磁束密度を、１５０ガウス以上３００ガウス以下としたことを特徴とする請求項３又は４に記載のスパッタ装置。
- 前記電界発生手段は、接地電位に対して０又は負極性の周期的に変動する電圧を与えられて前記電界を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載のスパッタ装置。
- ターゲットから蒸発させたスパッタ粒子をイオン化し、基板表面に形成された電界に沿って前記スパッタ粒子を基板に入射させて前記基板表面に堆積膜を形成させるスパッタ方法であって、
前記イオン化を行うイオン化空間の近傍に磁場を形成し、前記イオン化空間の近傍に形成した磁場により、前記イオン化空間にて生成された熱電子を前記ターゲットの方向に導き、前記イオン化空間に形成されるプラズマが前記基板方向に拡散することを防止しながら前記堆積膜を形成するようにしたことを特徴とするスパッタ方法。 - 前記磁場を、前記ターゲットと前記基板を結ぶ方向の磁力線によって構成したことを特徴とする請求項９に記載のスパッタ方法。
- ガス導入手段が前記ターゲットと前記磁場印加手段との間、あるいは当該磁場印加手段と前記イオン化機構の間に設けられ、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスを励起させ、前記堆積膜を形成することを特徴とする請求項９に記載のスパッタ方法。
- 前記ガス導入手段が円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造で、前記イオン化空間の中心部を取り囲むように配置され、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスを励起させ、前記堆積膜を形成することを特徴とする請求項１１に記載のスパッタ方法。
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