JP3852967B2 - 低圧スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低圧スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリングは、薄膜形成手段としては広範囲の材料の薄膜を形成することができること、均質で均一の膜を得ることができること、基板に対する膜の付着力が強いこと、合金や化合物薄膜を比較的容易に形成できること、制御性、応答性、再現性がよいこと、長時間の連続した成膜が可能なこと等の特徴を持っており、種々の方式のものが提案され、その中でも高周波スパッタリングや、電界と磁界が直交するマグネトロン放電を利用したマグネトロンスパッタリング等が広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリング装置においては処理すべき基板の大型化に伴い使用するターゲット及びカソードも大型となってきている。例えば処理すべき基板がφ２００ｍｍのウエハである場合には、使用するターゲットは一般にはφ３５０ｍｍ程度である。このまま推移すると、φ３００ｍｍのウエハではφ５２５ｍｍ近くの寸法のターゲットが必要となってくる。しかしながら、そうなるとターゲット自体が重くて大きく扱い難いだけでなく、ターゲット材質によっては大き過ぎて製作できないとか、できても非常に高価となるという問題点がある。
【０００４】
一方、スパッタリングによって得られる膜厚分布はターゲットから飛び出されるスパッタ粒子のスパッタ角度分布やスパッタ粒子のガス分子との衝突等によって変化する。ターゲットからスパッタリングされたスパッタ粒子の飛び出す方向はターゲット面の法線を中心にして一般的に余弦則に従う、すなわちスパッタ粒子は一般的に余弦則に従った角度分布をもってターゲット材の被スパッタ面から射出されることが知られており、ターゲット径より小さな領域においてしか均一な膜厚分布が得られない。また、膜厚分布はターゲットと基板との距離によって大きく変化することも知られている。
【０００５】
近年、スパッタリング法はアスペクト比の高いコンタクトホールに対する成膜プロセスにも利用されてきており、例えば図４の（Ａ）に示すように、ターゲットＡの表面が平坦である場合には基板Ｂの外周に近い穴ではターゲットＡの領域ａから飛来するスパッタ粒子より領域ｂ、ｃ、ｄから飛来するスパッタ粒子の方が多くなり、その結果、図４の（Ｂ）に示すように穴の底及び側面におけるカバレージが非対称となっていた。そのため基板の全面におけるコンタクトホールのボトムカバレージを高くする目的でスパッタ粒子の基板への入射角度をできるだけ垂直に近づける必要があり、そのための手段としてスリット状のコリメータをターゲットと基板との間に挿置するコリメーションスパッタ法やターゲットと基板との間隔を大きく取り垂直方向のスパッタ粒子のみが基板に入射するようにした遠距離スパッタ法が提案されている。前者の方法ではスリット状のコリメータへの膜の付着や付着した膜の剥離、コリメータの寿命などの問題があり、またいずれの方法でも処理すべき基板自体が大きくなってくるとそれにつれて使用するターゲットも大きくする必要がある。
【０００６】
このような観点からターゲットの表面形状を変えてスパッタ粒子の飛び出す方向を制御し、膜厚分布の均一性を改善できるようにしたスパッタリングターゲット材が提案されてきた（特公平７−１５１４４号公報参照）。
【０００７】
しかしながら、一般にガス原子（分子）の平均自由行程λ（cm）はほぼ１０−２／ｐ（Ｔｏｒｒ）であり、そしてスパッタの行われる圧力は２〜５×１０−３Ｔｏｒｒであり、従ってλは約２〜５ｃｍということになる。一方ターゲットと処理すべき基板との距離は通常約６〜８ｃｍ程度であり、遠距離スパッタ法では更にターゲットと基板との距離を離す。従ってスパッタ粒子の多くはターゲットから出て基板に到達するまでに平均すれば少なくとも１回以上の衝突をしていることになる。そのためスパッタ粒子の飛び出す方向を制御できるようにしたターゲットにおいても制御された飛び出し方向をもつスパッタ粒子の多くはガス原子と衝突した後飛行方向が変ってしまい、実質的に膜厚分布の改善やカバレージの対称性における効果は得られていないのが実情である。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の課題を解決して基板の寸法が増大しても膜厚分布やカバレージの対称性を改善できる低圧スパッタリング装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【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、本発明による低圧スパッタリング装置は、スパッタリング中１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の内部圧力に維持するようにされた真空チャンバと、真空チャンバ内に直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板を位置決めする手段と、真空チャンバ内に基板と８０ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットとを有し、スパッタリングターゲットが処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板に対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、上記スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端していることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添附図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１の（Ａ）には、本発明のターゲットの一つの実施の形態を示し、図示ターゲット１は円形の輪郭形状に構成され、処理すべき基板２と対向する表面のほぼ中央部に外周に向かって傾斜した傾斜面３をもつ中高部が形成されている。ターゲット１の直径は処理すべき基板２の直径のほぼ１．５倍以下に設定される。例えば、φ２００ｍｍの基板に対してはターゲット１の直径はφ３００ｍｍ以下に設定され、またφ３００ｍｍの基板に対してはターゲット１の直径はφ４５０ｍｍ以下に設定され得る。また、ターゲット１の表面の傾斜面３の傾斜角度や大きさはターゲット１の大きさ、ターゲット１と処理すべき基板２との距離等に応じて適当に選定され得る。
【００１１】
このように構成した本発明の一つの実施の形態によるターゲット１では、基板２の外周に近い微細な穴への成膜は傾斜面３の領域ｃから飛来するスパッタ粒子を低減させることができる。また、ｄの領域は遠く離れているので飛来するスパッタ粒子の数は少ない。それにより、主にａ、ｂからの飛来粒子により成膜されることになり、図１の（Ｂ）に拡大して示すように基板２の表面上の微細な孔の内面に一様に成膜することができ、ボトムカバレージ及びステップカバレージの左右の非対称性をなくすことができるようになる。
【００１２】
図２は本発明のターゲットを利用した低圧マグネトロンスパッタ装置の実施の形態を示し、４はターゲット１と処理すべき基板２とが対向して配置されている真空チャンバであり、この真空チャンバ４内はターゲット１から飛び出したスパッタ粒子が基板２に達するまでにガス原子と衝突する機会を低減するために１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の低圧に維持するようにされる。すなわち、このような低圧にすると、ガス原子（分子）の平均自由行程λは10cm以上となり、ターゲット１と処理すべき基板２と間を、一回もガス原子（分子）と衝突せずに基板２に到達するスパッタ粒子が支配的となる。
【００１３】
このようにターゲット１と処理すべき基板２とが配置される真空チャンバ４内を低圧に保つことにより、ターゲット１から飛び出す方向を制御されたスパッタ粒子は、途中方向を変えられることなく基板２へ到達することができるようになる。
【００１４】
ターゲット１の裏面側において真空チャンバ４の外側には回転マグネット５が配置され、この回転マグネット５は駆動モータ６により回転駆動される。これによりターゲット１は全面的にエロージョンされることになる。
【００１５】
ところで図示した本発明の実施の形態ではターゲット１は一部中高で他の表面部分は平坦に形成されるが、傾斜部分以外の表面部分は必ずしも平坦である必要はなく外周部から内側に向かって傾斜していてもよい。
【００１６】
【実施例】
以下実施例について説明する。
図１に示す構造の凸条のターゲット（直径φ２５０ｍｍ）と直径φ２００ｍｍの基板を用意し、これらの間隔を８０ｍｍに設定して種々の圧力レベルで膜厚分布を測定した結果を従来の平板ターゲットを用いた場合と比較して示す。
真空チャン 平板ターゲットの 本発明のターゲット
バ内の圧力 場合の膜厚分布 の場合の膜厚分布
５×１０−３Torr ±２５％ ±２５％
２×１０−３Torr ±２４％ ±２３％
１×１０−３Torr ±２０％ ±１５％
５×１０−４Torr ±２０％ ±１０％
【００１７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による低圧スパッタリング装置においてはスパッタリング中真空チャンバの内部圧力を１×１０−３Ｔｏｒｒ以下に維持するように構成し、スパッタリングターゲットが直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板と８０ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端するように構成しているので、表面から飛び出すスパッタ粒子の飛出し方向を制御でき、基板の寸法の増大にも十分対応できるようになると共に、膜厚分布やカバレージの対称性を大幅に改善できるようになる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による低圧スパッタリング装置においてはスパッタリング中真空チャンバの内部圧力を１×１０−３Ｔｏｒｒ以下に維持するように構成し、スパッタリングターゲットが直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板と少なくとも８０ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端するように構成しているので、表面から飛び出すスパッタ粒子の飛出し方向を制御でき、基板の寸法の増大にも十分対応できるようになると共に、膜厚分布やカバレージの対称性を大幅に改善できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は本発明の一つの実施の形態によるターゲットを示す概略図。
（Ｂ）は（Ａ）に示す基板の外周部における微細な穴の部分の成膜状 態を示す部分断面図。
【図２】 図１に示すターゲットを利用した低圧マグネトロンスパッタ装置を示す概略線図。
【図３】 基板の微細な穴におけるボトムカバレージ及び対称性を説明する断面図。
【図４】 （Ａ）は従来の平板ターゲットを示す概略図。
（Ｂ）は（Ａ）に示す基板の外周部における微細な穴の部分の成膜状態を示す部分断面図。
【符号の説明】
１：ターゲット
２：処理すべき基板
３：傾斜面
４：真空チャンバ
５：回転マグネット
６：駆動モータ
【発明の属する技術分野】
本発明は低圧スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリングは、薄膜形成手段としては広範囲の材料の薄膜を形成することができること、均質で均一の膜を得ることができること、基板に対する膜の付着力が強いこと、合金や化合物薄膜を比較的容易に形成できること、制御性、応答性、再現性がよいこと、長時間の連続した成膜が可能なこと等の特徴を持っており、種々の方式のものが提案され、その中でも高周波スパッタリングや、電界と磁界が直交するマグネトロン放電を利用したマグネトロンスパッタリング等が広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリング装置においては処理すべき基板の大型化に伴い使用するターゲット及びカソードも大型となってきている。例えば処理すべき基板がφ２００ｍｍのウエハである場合には、使用するターゲットは一般にはφ３５０ｍｍ程度である。このまま推移すると、φ３００ｍｍのウエハではφ５２５ｍｍ近くの寸法のターゲットが必要となってくる。しかしながら、そうなるとターゲット自体が重くて大きく扱い難いだけでなく、ターゲット材質によっては大き過ぎて製作できないとか、できても非常に高価となるという問題点がある。
【０００４】
一方、スパッタリングによって得られる膜厚分布はターゲットから飛び出されるスパッタ粒子のスパッタ角度分布やスパッタ粒子のガス分子との衝突等によって変化する。ターゲットからスパッタリングされたスパッタ粒子の飛び出す方向はターゲット面の法線を中心にして一般的に余弦則に従う、すなわちスパッタ粒子は一般的に余弦則に従った角度分布をもってターゲット材の被スパッタ面から射出されることが知られており、ターゲット径より小さな領域においてしか均一な膜厚分布が得られない。また、膜厚分布はターゲットと基板との距離によって大きく変化することも知られている。
【０００５】
近年、スパッタリング法はアスペクト比の高いコンタクトホールに対する成膜プロセスにも利用されてきており、例えば図４の（Ａ）に示すように、ターゲットＡの表面が平坦である場合には基板Ｂの外周に近い穴ではターゲットＡの領域ａから飛来するスパッタ粒子より領域ｂ、ｃ、ｄから飛来するスパッタ粒子の方が多くなり、その結果、図４の（Ｂ）に示すように穴の底及び側面におけるカバレージが非対称となっていた。そのため基板の全面におけるコンタクトホールのボトムカバレージを高くする目的でスパッタ粒子の基板への入射角度をできるだけ垂直に近づける必要があり、そのための手段としてスリット状のコリメータをターゲットと基板との間に挿置するコリメーションスパッタ法やターゲットと基板との間隔を大きく取り垂直方向のスパッタ粒子のみが基板に入射するようにした遠距離スパッタ法が提案されている。前者の方法ではスリット状のコリメータへの膜の付着や付着した膜の剥離、コリメータの寿命などの問題があり、またいずれの方法でも処理すべき基板自体が大きくなってくるとそれにつれて使用するターゲットも大きくする必要がある。
【０００６】
このような観点からターゲットの表面形状を変えてスパッタ粒子の飛び出す方向を制御し、膜厚分布の均一性を改善できるようにしたスパッタリングターゲット材が提案されてきた（特公平７−１５１４４号公報参照）。
【０００７】
しかしながら、一般にガス原子（分子）の平均自由行程λ（cm）はほぼ１０−２／ｐ（Ｔｏｒｒ）であり、そしてスパッタの行われる圧力は２〜５×１０−３Ｔｏｒｒであり、従ってλは約２〜５ｃｍということになる。一方ターゲットと処理すべき基板との距離は通常約６〜８ｃｍ程度であり、遠距離スパッタ法では更にターゲットと基板との距離を離す。従ってスパッタ粒子の多くはターゲットから出て基板に到達するまでに平均すれば少なくとも１回以上の衝突をしていることになる。そのためスパッタ粒子の飛び出す方向を制御できるようにしたターゲットにおいても制御された飛び出し方向をもつスパッタ粒子の多くはガス原子と衝突した後飛行方向が変ってしまい、実質的に膜厚分布の改善やカバレージの対称性における効果は得られていないのが実情である。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の課題を解決して基板の寸法が増大しても膜厚分布やカバレージの対称性を改善できる低圧スパッタリング装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【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、本発明による低圧スパッタリング装置は、スパッタリング中１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の内部圧力に維持するようにされた真空チャンバと、真空チャンバ内に直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板を位置決めする手段と、真空チャンバ内に基板と８０ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットとを有し、スパッタリングターゲットが処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板に対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、上記スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端していることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添附図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１の（Ａ）には、本発明のターゲットの一つの実施の形態を示し、図示ターゲット１は円形の輪郭形状に構成され、処理すべき基板２と対向する表面のほぼ中央部に外周に向かって傾斜した傾斜面３をもつ中高部が形成されている。ターゲット１の直径は処理すべき基板２の直径のほぼ１．５倍以下に設定される。例えば、φ２００ｍｍの基板に対してはターゲット１の直径はφ３００ｍｍ以下に設定され、またφ３００ｍｍの基板に対してはターゲット１の直径はφ４５０ｍｍ以下に設定され得る。また、ターゲット１の表面の傾斜面３の傾斜角度や大きさはターゲット１の大きさ、ターゲット１と処理すべき基板２との距離等に応じて適当に選定され得る。
【００１１】
このように構成した本発明の一つの実施の形態によるターゲット１では、基板２の外周に近い微細な穴への成膜は傾斜面３の領域ｃから飛来するスパッタ粒子を低減させることができる。また、ｄの領域は遠く離れているので飛来するスパッタ粒子の数は少ない。それにより、主にａ、ｂからの飛来粒子により成膜されることになり、図１の（Ｂ）に拡大して示すように基板２の表面上の微細な孔の内面に一様に成膜することができ、ボトムカバレージ及びステップカバレージの左右の非対称性をなくすことができるようになる。
【００１２】
図２は本発明のターゲットを利用した低圧マグネトロンスパッタ装置の実施の形態を示し、４はターゲット１と処理すべき基板２とが対向して配置されている真空チャンバであり、この真空チャンバ４内はターゲット１から飛び出したスパッタ粒子が基板２に達するまでにガス原子と衝突する機会を低減するために１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の低圧に維持するようにされる。すなわち、このような低圧にすると、ガス原子（分子）の平均自由行程λは10cm以上となり、ターゲット１と処理すべき基板２と間を、一回もガス原子（分子）と衝突せずに基板２に到達するスパッタ粒子が支配的となる。
【００１３】
このようにターゲット１と処理すべき基板２とが配置される真空チャンバ４内を低圧に保つことにより、ターゲット１から飛び出す方向を制御されたスパッタ粒子は、途中方向を変えられることなく基板２へ到達することができるようになる。
【００１４】
ターゲット１の裏面側において真空チャンバ４の外側には回転マグネット５が配置され、この回転マグネット５は駆動モータ６により回転駆動される。これによりターゲット１は全面的にエロージョンされることになる。
【００１５】
ところで図示した本発明の実施の形態ではターゲット１は一部中高で他の表面部分は平坦に形成されるが、傾斜部分以外の表面部分は必ずしも平坦である必要はなく外周部から内側に向かって傾斜していてもよい。
【００１６】
【実施例】
以下実施例について説明する。
図１に示す構造の凸条のターゲット（直径φ２５０ｍｍ）と直径φ２００ｍｍの基板を用意し、これらの間隔を８０ｍｍに設定して種々の圧力レベルで膜厚分布を測定した結果を従来の平板ターゲットを用いた場合と比較して示す。
真空チャン 平板ターゲットの 本発明のターゲット
バ内の圧力 場合の膜厚分布 の場合の膜厚分布
５×１０−３Torr ±２５％ ±２５％
２×１０−３Torr ±２４％ ±２３％
１×１０−３Torr ±２０％ ±１５％
５×１０−４Torr ±２０％ ±１０％
【００１７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による低圧スパッタリング装置においてはスパッタリング中真空チャンバの内部圧力を１×１０−３Ｔｏｒｒ以下に維持するように構成し、スパッタリングターゲットが直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板と８０ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端するように構成しているので、表面から飛び出すスパッタ粒子の飛出し方向を制御でき、基板の寸法の増大にも十分対応できるようになると共に、膜厚分布やカバレージの対称性を大幅に改善できるようになる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による低圧スパッタリング装置においてはスパッタリング中真空チャンバの内部圧力を１×１０−３Ｔｏｒｒ以下に維持するように構成し、スパッタリングターゲットが直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板と少なくとも８０ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端するように構成しているので、表面から飛び出すスパッタ粒子の飛出し方向を制御でき、基板の寸法の増大にも十分対応できるようになると共に、膜厚分布やカバレージの対称性を大幅に改善できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は本発明の一つの実施の形態によるターゲットを示す概略図。
（Ｂ）は（Ａ）に示す基板の外周部における微細な穴の部分の成膜状 態を示す部分断面図。
【図２】 図１に示すターゲットを利用した低圧マグネトロンスパッタ装置を示す概略線図。
【図３】 基板の微細な穴におけるボトムカバレージ及び対称性を説明する断面図。
【図４】 （Ａ）は従来の平板ターゲットを示す概略図。
（Ｂ）は（Ａ）に示す基板の外周部における微細な穴の部分の成膜状態を示す部分断面図。
【符号の説明】
１：ターゲット
２：処理すべき基板
３：傾斜面
４：真空チャンバ
５：回転マグネット
６：駆動モータ
Claims (1)
- スパッタリング中１×１０−３Ｔｏｒｒ以下の内部圧力に維持するようにされた真空チャンバと、真空チャンバ内に直径２００ｍｍ以上の処理すべき基板を位置決めする手段と、真空チャンバ内に基板と８０ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で対向して配置されたスパッタリングターゲットとを有し、スパッタリングターゲットが処理すべき基板の直径の１．５倍以下の外径をもつスパッタリング面をもち、かつ基板に対向して配置されたスパッタリングターゲットのスパッタリング面の外周部に向って傾斜した中高部を含み、上記スパッタリングターゲットの傾斜した中高部がスパッタリング表面の中央部に位置し、外周部の内側で終端している
ことを特徴とする低圧スパッタリング装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17882295A JP3852967B2 (ja) | 1995-07-14 | 1995-07-14 | 低圧スパッタリング装置 |
| DE69627249T DE69627249T2 (de) | 1995-07-14 | 1996-07-12 | Hochvakuum-Sputter-Vorrichtung und zu behandelndes Substrat |
| US08/679,219 US5753090A (en) | 1995-07-14 | 1996-07-12 | Small size sputtering target and high vacuum sputtering apparatus using the same |
| EP96111283A EP0753600B1 (en) | 1995-07-14 | 1996-07-12 | High vacuum sputtering apparatus and a substrate to be processed |
| KR1019960028388A KR100278158B1 (ko) | 1995-07-14 | 1996-07-13 | 소형 스퍼터링 타게트를 이용한 고진공 스퍼터링 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17882295A JP3852967B2 (ja) | 1995-07-14 | 1995-07-14 | 低圧スパッタリング装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0931637A JPH0931637A (ja) | 1997-02-04 |
| JP3852967B2 true JP3852967B2 (ja) | 2006-12-06 |
Family
ID=16055275
Family Applications (1)
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