JP4355036B2 - イオン化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】
本願の発明は、各種半導体デバイス等の製作に使用されるスパッタリング装置に関し、特に、スパッタ粒子をイオン化する機能を備えたイオン化スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種メモリやロジック等の半導体デバイスでは、各種配線膜の作成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の作成等の際にスパッタリングプロセスを用いており、スパッタリング装置が多用されている。このようなスパッタリング装置に要求される特性は色々あるが、基板に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく被覆できることが、最近強く求められている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えばＤＲＡＭで多用されているＣＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）では、拡散層の上に設けたコンタクトホールの内面にバリア膜を設けてコンタクト配線層と拡散層とのクロスコンタミネーションを防止する構造が採用される。また、各モメリセルの配線を行う多層配線構造では、下層配線と上層配線とをつなぐため、層間絶縁膜にスルーホールを設けこのスルーホール内を層間配線で埋め込むことが行われるが、この際にも、スルーホール内にバリア膜を作成して、クロスコンタミネーションを防止した構造が採られる。
【０００４】
このようなホールは、集積度の増加を背景として、そのアスペクト比（ホールの開口に対するホールの深さの比）が年々高くなってきている。例えば、６４メガビットＤＲＡＭでは、アスペクト比は４程度であるが、２５６メガビットでは、アスペクト比は５〜６程度になる。
【０００５】
バリア膜の場合、ホールの周囲の面への堆積量に対して１０から１５％の量の薄膜をホールの底面に堆積させる必要があるが、高アスペクト比のホールについては、ボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への成膜速度に対するホール底面への堆積速度の比）を高くして成膜を行うことが困難である。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底面でのバリア膜が薄くなり、ジャンクションリーク等のデバイス特性に致命的な欠陥を与える恐れがある。
【０００６】
ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタリングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタ等の手法がこれまで開発されてきた。コリメートスパッタは、ターゲッットと基板との間に基板に垂直な方向の穴を多数開けた板（コリメーター）を設け、基板にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子のみを選択的に基板に到達させる手法である。また、低圧遠隔スパッタは、ターゲットと基板との距離を長くして（通常の約３倍から５倍）基板にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子を相対的多く基板に入射させるようにするとともに、通常より圧力を低くして（０．８ｍＴｏｒｒ程度以下）平均自由行程を長くすることでこれらのスパッタ粒子が散乱されないようにする手法である。
【０００７】
しかしながら、コリメートスパッタで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に成膜速度が低下する問題があり、また、低圧遠隔スパッタでは、圧力を低くしターゲットと基板との距離を長くするため本質的に成膜速度が低下する問題がある。このような問題のため、コリメートスパッタは、アスペクト比が３程度までの１６メガビットのクラスの量産品に使用されるのみであり、低圧遠隔スパッタでもアスペクト比４程度までのデバイスが限界とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願の発明は、上述のような従来の状況をふまえ、アスペクト比４を越えるホールの内面にボトムカバレッジ率よく成膜を行えるようにすることを解決課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電源と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置であって、
ターゲットの基板ホルダーが設けられた側とは反対側には、マグネトロンスパッタのためのターゲット側磁石機構が設けられており、
前記スパッタ電源は、ターゲットと基板ホルダーとの間に第一のプラズマを形成するものであり、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間の領域であってターゲットと基板ホルダーとの間の中央より基板ホルダーに寄った位置に設定されたイオン化空間に、スパッタ電源によって形成される第一のプラズマとは別の第二のプラズマを形成するよう構成されており、この第二のプラズマが形成される位置は、第一のプラズマの位置より基板ホルダーに近い位置であり、
さらに、前記イオン化手段は、イオン化空間からのプラズマの拡散を防止してプラズマ密度を高くする磁場を設定する基板側磁石機構を備えており、この基板側磁石機構は、ターゲットと基板ホルダーとの間の中央よりも基板ホルダーに寄った位置に配置された第一の磁石を有しており、この磁石によって設定される磁力線によって前記イオン化空間を周状に取り囲むものであるという構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。まず、請求項１、２及び３の発明に対応した第一の実施形態について説明する。図１は、請求項１、２及び３の発明に対応した第一の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【００１１】
本実施形態の装置は、イオン化スパッタを行うものである。イオン化スパッタは、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子をイオン化し、イオンの作用によってホール内に効率よくスパッタ粒子を到達させる手法である。イオン化スパッタによると、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタに比べて遥かに高いボトムカバレッジ率が得られる。
【００１２】
具体的には、本実施形態のスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、このスパッタチャンバー１内に設けられたターゲット２と、このターゲット２をスパッタするスパッタ電源３と、スパッタチャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入手段４と、スパッタによってターゲット２から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段６と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板５０を保持する基板ホルダー５と、イオン化空間からスパッタチャンバー１の器壁に拡散することによるプラズマの損失を抑制する磁場を設定する磁石機構８とを備えている。
【００１３】
まず、スパッタチャンバー１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。このスパッタチャンバー１は、ステンレス等の金属製であり、電気的には接地されている。
排気系１１は、ターボ分子ポンプや拡散ポンプ等を備えた多段の真空排気システムで構成されており、スパッタチャンバー１内を１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能になっている。また、排気系１１は、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器を備え、排気速度を調整することが可能になっている。
【００１４】
ターゲット２は、例えば厚さ６ｍｍ、直径３００ｍｍ程度の円板状であり、金属製のターゲットホルダー２１及び絶縁体２２を介してスパッタチャンバー１に取付けられている。
ターゲット２の背後には、磁石機構３０が設けられており、マグネトロンスパッタを行うようになっている。磁石機構３０は、中心磁石３１と、この中心磁石３１を取り囲む周辺磁石３２と、中心磁石３１及び周辺磁石３２とを繋ぐ円板状のヨーク３３とから構成されている。尚、各磁石３１，３２は、いずれも永久磁石であるが、電磁石でこれらを構成することも可能である。
スパッタ電源３は、所定の負の高電圧をターゲット２に印加するよう構成される。例えばチタンのスパッタの場合、５００Ｖ程度の負の直流電圧を印加するよう構成されることが多い。
【００１５】
ガス導入手段４は、アルゴン等のスパッタ放電用のガスを溜めたガスボンベ４１と、ガスボンベ４１とスパッタチャンバー１とをつなぐ配管４２と、配管４２に設けられたバルブ４３や流量調整器４４と、配管４２の先端に接続されれたチャンバー内配管４５と、チャンバー内配管４５の先端に接続されたガス分配器４６とから主に構成されている。
ガス分配器４６は、円環状に形成したパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成した構成等が採用され、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間に均一にガスを導入するようにする。
【００１６】
イオン化手段６は、本実施形態では、ターゲット２から基板５０へのチタンの飛行経路に設定されたイオン化空間に高周波プラズマを形成するものが採用されている。具体的には、イオン化手段６は、基板ホルダー５に接続された高周波電源６１から構成されている。
高周波電源６１は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで出力２００Ｗ程度のものが使用され、不図示の整合器を介して基板ホルダー５に高周波電力を供給する。高周波電源６１によって基板ホルダー５を介してイオン化空間に高周波電界が設定され、ガス導入手段４によって導入されたガスがこの高周波電界によってプラズマ化してプラズマＰが形成されるようになっている。
【００１７】
ターゲット２から放出されたスパッタ粒子は、プラズマＰ中を通過する際にプラズマＰ中の電子やイオンと衝突し、イオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、後述する電界によって加速されて基板５０に到達するようになっている。
【００１８】
基板ホルダー５は、絶縁体５３を介してスパッタチャンバー１に気密に設けられており、ターゲット２に対して平行に基板５０を保持するようになっている。基板ホルダー５には、基板５０を静電気によって吸着する静電吸着機構が設けられる。静電吸着機構は、基板ホルダー５内に設けられた吸着電極５１と、吸着電極５１に直流電圧を印加する吸着電源５２とから構成されている。尚、成膜中に基板５０を加熱して成膜を効率的にする不図示の加熱機構等が基板ホルダー５内に設けられる場合がある。
【００１９】
上記イオン化手段６の高周波電源６１は、本実施形態では、基板ホルダー５に所定の高周波電圧を印加することで基板５０に負のバイアス電圧を与える基板バイアス用電源としての機能も有している。即ち、高周波電源６１によって基板５０に高周波電圧が印加されると、基板５０の表面にはプラズマ中の荷電粒子が周期的に引き寄せられる。このうち、移動度の高い電子は正イオンに比べて多くが基板５０の表面に引き寄せられ、その結果、基板５０の表面は負の電位にバイアスされたのと同じ状態になる。具体的には、上述した例の高周波電源６１の場合、平均値で−３０〜−１００Ｖ程度のバイアス電圧を基板５０に与えることができる。
【００２０】
上記基板バイアス電圧が与えられた状態は、直流二極放電でプラズマを形成した場合の陰極シース領域と同様であり、プラズマと基板５０との間に基板５０に向かって下がる電位傾度を有する電界（以下、引き出し用電界）が設定された状態となる。この引き出し用電界によって、イオン化スパッタ粒子（正イオンのチタン）は、プラズマから引き出されて基板５０に効率良く到達するようになっている。
【００２１】
上記引き出し用電界は基板５０に対して垂直な向きの電界であり、基板５０に対して垂直にイオン化スパッタ粒子を加速するよう作用する。この結果、基板５０に形成されたホールの底面まで効率よくイオン化スパッタ粒子を到達させることができるようになっている。
【００２２】
尚、本実施形態の装置は、スパッタ粒子の不必要な場所への付着を防止する防着シールド９がスパッタチャンバー１内に設けられている。防着シールド９は円筒状の部材であり、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間を取り囲むようにして設けられている。
【００２３】
スパッタ粒子がスパッタチャンバー１の器壁等の不必要な場所に付着すると、経時的に薄膜を堆積する。この薄膜がある程度の量に達すると内部ストレス等によって剥離し、スパッタチャンバー１内をパーティクルとなって浮遊する。このパーティクルが基板５０に達すると、局部的な膜厚異常等の不良を発生させる。このため、本実施形態の装置は、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間を防着シールド９によって取り囲み、不要な場所へのスパッタ粒子の付着を防止している。
【００２４】
次に、本実施形態の装置の大きな特徴点である磁石機構８の構成について説明する。図２は、図１に示す装置における磁石機構８の構成を説明する平面概略図である。
本実施形態の装置では、磁石機構８は、複数の永久磁石８１から構成されている。各永久磁石８１は、直方体状の外形を有し、円筒状の防着シールド９の周囲に周状に等間隔をおいて配置されている。防着シールド９の外径３００ｍｍ程度である場合、８個程度の各永久磁石８１が設けられ、その配置間隔は５０ｍｍ程度になる。
【００２５】
そして、各永久磁石８１の内側面（イオン化空間を臨む面）はＳ極になっており、内側面とは反対側の外側面はＮ極になっている。従って、防着シールド９を通して図２に示すようなカスプ磁場状の磁力線８１１が設定される。尚、防着シールド９は、ステンレスやアルミ等の透磁率の低い材料で形成される。
【００２６】
本実施形態における磁場は、次のような二つのメカニズムによってイオン化空間のプラズマの拡散を防止している。まず、各々の永久磁石８１の間の部分の防着シールド９の内側領域（以下、中間領域）では、磁力線８１１を横切る方向にプラズマが拡散するのが困難なことを利用してプラズマの拡散防止を行っている。即ち、中間領域では、防着シールド９の器壁の内側において、磁力線８１１がプラズマの拡散方向に交差する向きになっており、これによって防着シールド９へのプラズマの拡散を防止している。
【００２７】
また、各々の永久磁石８１の部分の防着シールド９の内側領域（以下、磁石領域）では、ミラー磁場と同様なメカニズムによってプラズマの拡散を防止している。即ち、磁石領域では、各永久磁石８１に近づくに従って磁力線が両側から集まり徐々に密になっている。
このような磁力線８１１の配置は、ミラー磁場による場合と同様であり、各永久磁石８１１に向かって飛行する荷電粒子は、磁力線８１１が密になる部分で折り返し、スパッタチャンバー１の中心軸よりに向かって帰って来る。このため、スパッタチャンバー１の器壁へのプラズマの拡散が防止される。
【００２８】
このようなプラズマの拡散防止作用のため、防着シールド９又はスパッタチャンバー１の器壁での損失が抑制され、イオン化空間に高密度のプラズマが維持できるようになっている。尚、各々の永久磁石８１の配置位置は、高密度プラズマの維持の観点から重要である。この配置位置は、高周波電源６１が与える高周波の周波数等に応じて変わるが、１３．５６ＭＨｚの場合、基板ホルダー５の表面から２０〜３０ｍｍ程度高い位置に設定される。また、具体的な磁場強度について例示すると、各永久磁石８１の間の中間位置であって、かつ、防着シールド９から例えば５０ｍｍ程度内側の位置（図２中点Ｍで示す）において、２００〜３００ガウス程度の磁束密度の磁場を設定すると好適である。尚、スパッタ粒子のイオン化は、上述したように高密度プラズマによって行われ、高密度プラズマを得るのに磁石機構８が利用されている。したがって、磁石機構８はイオン化手段６の構成要素である。
【００２９】
次に、図１を使用して、本実施形態のイオン化スパッタリング装置の動作について説明する。
基板５０が不図示のゲートバルブを通してスパッタチャンバー１内に搬入され、基板ホルダー５上に載置される。スパッタチャンバー１内は予め１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気されおり、基板５０の載置後にガス導入手段４が動作して、アルゴン等のプロセスガスが所定の流量で導入される。このプロセスガスは、スパッタ放電用のガスでもあり、イオン化空間でのプラズマ形成用のガスでもある。
【００３０】
排気系１１の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内を例えば２０〜４０Ｔｏｒｒ程度に維持し、この状態でスパッタ放電を始動させる。即ち、スパッタ電源３によってターゲット２に所定の電圧を与え、マグネトロンスパッタ放電を生じさせる。これによって、スパッタ放電が生じ、ターゲット２の下方にプラズマＰ’が形成される。
【００３１】
同時に、イオン化手段６も動作させ、高周波電源６１によってイオン化空間に高周波電界を設定する。プロセスガスはイオン化空間にも拡散し、プロセスガスが電離してプラズマＰが形成される。また前述したように高周波電源６１によって基板５０に所定のバイアス電圧が印加され、プラズマＰとの間に引き出し用電界が設定される。
【００３２】
スパッタ放電によってターゲット２がスパッタされ、スパッタされたチタンは、基板５０に向けて飛行する。その飛行の途中、イオン化空間のプラズマＰを通過する際にイオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、引き出し用電界によってプラズマＰから効率良く引き出され、基板５０に入射する。基板５０に入射したスパッタ粒子は、基板５０に形成されたホールの底面や側面に達して膜を堆積し、効率良くホール内を被覆する。
【００３３】
所定の厚さで膜が作成されると、イオン化手段６、スパッタ電源３、及び、ガス導入手段４の動作をそれぞれ停止させ、基板５０をスパッタチャンバー１から搬出する。
尚、バリア膜を作成する場合、チタン製のターゲットを使用し、最初にプロセスガスとしてアルゴンを導入してチタン薄膜を成膜する。そして、その後プロセスガスとして窒素ガスを導入してチタンと窒素との反応を補助的に利用しながら窒化チタン薄膜を作成する。
【００３４】
上記動作において、イオン化空間におけるプラズマＰは、磁石機構８によって拡散が抑制されて高密度プラズマになっている。従って、ターゲット２から飛来するスパッタ粒子はこの高密度プラズマ中で高効率でイオン化される。このため、スパッタ粒子の多くがイオン化して、引き出し用電界で引き出されて多く基板５０に入射するようになっている。この結果、イオン化スパッタリングの効果がより高く得られる。この第一の実施形態の装置を実際に製作してイオン化効率を測定したところ、６５％程度であった。
【００３５】
尚、スパッタ中のスパッタチャンバー１内の圧力は、１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲内に維持されることが好ましい。２０ｍＴｏｒｒ以下であると、プロセスガスの量が少なくてプラズマ密度が低くなり、スパッタ粒子のイオン化が不十分となる。また、１００ｍＴｏｒｒ以上になると、高密度プラズマによってイオン化効率は高くなるが、多量のプロセスガスの分子によってスパッタ粒子が散乱されてしまい、基板５０に到達するスパッタ粒子の量が減ってかえって成膜速度が低下したりボトムカバレッジ率が低下したりする問題がある。
【００３６】
次に、上記第一の実施形態と同様に請求項１、２及び３の発明に対応した実施形態である第二の実施形態について説明する。図３は、請求項１、２及び３の発明に対応した第二の実施形態のイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する平面概略図である。
【００３７】
この第二の実施形態のイオン化スパッタリング装置では、図２に示す第一の実施形態における永久磁石８１の代わりに電磁石８２を用いている。各電磁石８２は、第一の実施形態の永久磁石８１の配置位置に設けられており、各電磁石８２による磁力線８２１がスパッタチャンバー１の中心軸に向かう向きになるような磁場を設定するようになっている。
【００３８】
この第二の実施形態においても、各電磁石８２によって防着シールド９を通して図３に示すようなカスプ磁場状の磁力線が設定される。そして、各々の磁力線８２１はイオン化空間のプラズマの拡散方向に対して垂直な方向成分を有するとともに、この方向成分によってイオン化空間を取り囲んだ配置になっている。このため、第一の実施形態の場合と同様に、イオン化空間から防着シールド９又はスパッタチャンバー１の器壁へのプラズマの拡散が抑制され、イオン化空間に高密度のプラズマが形成される。従って、同様にイオン化スパッタリングの効果がより高く得られることになる。
【００３９】
次に、請求項４、５及び６の発明に対応した第三の実施形態について説明する。図４は、第三の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
この第三の実施形態も、磁石機構８の構成が前述した各実施形態と異なっている。即ち、第三の実施形態における磁石機構８は、イオン化空間のプラズマ中でイオン化したスパッタ粒子を基板５０に導く磁場を設定するものになっている。
【００４０】
具体的には、磁石機構８は、イオン化空間の周囲に設けられた第一の磁石８３と、基板ホルダー５の下方に設けられた第二の磁石８４とから構成されている。第一の磁石８３は、防着シールド９の外側においてイオン化空間を取り囲むように設けられたリング状の永久磁石である。第一の磁石８３の防着シールド９側の面（以下、内側面）はＳ極になっており、内側面とは反対側の面（以下、外側面）はＮ極になっている。
【００４１】
また、第二の磁石８４は、基板ホルダー５の下方においてスパッタチャンバー１の中心軸と同軸状に配置されたリング状の永久磁石である。第二の磁石８４の上面はＮ極になっており、下面はＳ極になっている。
このため、第一の磁石８３の内側面と第二の磁石８４の上面との間に図４に示すような磁力線８５が設定されるようになっている。この磁力線８５は、イオン化空間を経由して基板５０の表面に達するものである。
【００４２】
イオン化空間のプラズマＰ中でイオン化したスパッタ粒子は、前述の通り引き出し用電界によって影響を受ける。しかし、スパッタ粒子がイオン化した際、当該スパッタ粒子の初期運動方向が基板５０に向かっていることは少ない。この場合、引き出し用電界によって徐々に基板５０に向かって軌道を修正しながら飛行することになるが、上記第一の磁石８３と第二の磁石８４との間の磁力線８５は、この軌道修正を速める効果を有する。
【００４３】
即ち、電子やイオンは磁場がある場所では磁力線の回りを旋回しながら螺旋状に飛行する性質を持つ。従って、スパッタ粒子がイオンされると、磁力線８５の回りを旋回して磁力線８５に捉えられた状態となる。この状態で引き出し用電界の影響で基板５０に向けて飛行する。磁力線８５は基板５０に向かっているから、イオン化したスパッタ粒子の多くが効率よく基板５０に向けて軌道を変えることになる。このため、イオン化スパッタリングの効果がさらに高く得られることになる。
【００４４】
このような磁石機構８の効果は、第一の磁石８３の内側面をＮ極、第二の磁石８４の上面をＳ極としても同様である。イオン化空間を挟んで異なる磁極が現れるようになっていればよい。尚、磁場の強さとしては、基板５０の表面付近で１００ガウス程度の磁束密度で良い。
【００４５】
また、この第三の実施形態においても、磁石機構８は、イオン化空間からのプラズマの拡散防止作用を有している。即ち、図４に示すように、イオン化空間から第一の磁石８３に入射する磁力線８５は、第一の磁石８３に向かうに従って集まって徐々に密度が高くなっている。このため、第一第二の実施形態の場合と同様に、荷電粒子を折り返してイオン化空間に高い密度のプラズマを維持できるようになっている。この第三の実施形態の装置を実際に製作してイオン化効率を測定したところ、８０％程度であった。
【００４６】
この第三の実施形態において、第一の磁石８３を複数の磁石からなる第一の磁石群とし、第二の磁石８４を複数の磁石からなる第二の磁石群とすることもできる。第一の磁石群は、第一の実施形態における複数の永久磁石又は第二の実施形態における複数の電磁石と同様の構成とすることができる。
また、第二の磁石群は、第一の磁石群の同数の永久磁石又は電磁石を同軸円周上に均等間隔をおいて配置する構成が採用できる。この際、第一の磁石群の各磁石の周方向の位置と第二の磁石群の各磁石の周方向の位置とを合わせるようにしておくとよい。
【００４７】
次に、請求項７の発明に対応した第四の実施形態について説明する。図５は、請求項７の発明に対応した第四の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
この第四の実施形態の装置も、磁石機構８の構成が大きく異なっている。即ち、この実施形態の装置では、スパッタ粒子の不必要な場所への付着を防止する防着シールド９の一部が、磁石機構８の一部を構成している。
【００４８】
即ち、防着シールド９の基板ホルダー５側の約半分の部分９１は、磁性材料で形成されている（以下、磁性体部という）。具体的には、磁性体部９１は、磁性ステンレス又は表面にニッケルメッキ等の腐食防止処理をした鉄等から形成されている。尚、防着シールド９の表面は、付着した薄膜の剥離を防止するため、ショットブラスト法等により表面を粗くして凹凸を設けた構成になっている。
【００４９】
一方、基板ホルダー５の下方には、第三の実施形態における第二の磁石８４と同様の補助磁石８６が設けられている。防着シールド９の磁性体部９１は、この補助磁石８６による磁場の磁路を形成するとともに経時的に磁化され、磁石機構８を構成するようになっている。磁性体部９１及び補助磁石８６による磁力線８７は、第三の実施形態の場合と同様に、イオン化空間のプラズマＰ中でイオン化したスパッタ粒子を効果的に基板５０に導くよう作用し、イオン化スパッタリングの効果がより高められる。また、磁性体部９１に向かって磁力線８６が徐々に集まっているので、イオン化空間からのプラズマの拡散防止効果もある。
【００５０】
尚、前述した第一の実施形態の磁石機構８についても、防着シールド９の一部として設けた磁性体部によって構成することができる。具体的には、防着シールド９の基板ホルダー５側の端部に周状に方形の穴を所定間隔をおいて複数設け、この穴を直方体状の磁石で埋めるようにする。そして、この磁石の磁極を第一の実施形態における永久磁石８１と同様にすることによって、同様のプラズマ拡散防止効果が得られる。
【００５１】
【実施例】
上述した各実施形態に共通した条件として、以下のような条件でイオン化スパッタリングを行うことができる。
・プロセスガスの種類：アルゴン
・プロセスガスの流量：１００ｃｃ／分
・ターゲット２の材質：チタン
・ターゲット２への投入電力：４ｋＷ
・スパッタチャンバー１内の圧力：３０ｍＴｏｒｒ
・高周波電源６１：１３．５６ＭＨｚ２００Ｗ
【００５２】
図６は、上記条件により動作させた第一の実施形態の装置によって得られたボトムカバレッジ率を示した図である。参考のため、従来の低圧遠隔スパッタ装置で得られたボトムカバレッジ率を併せて示している。図６中、●マーカーで示す曲線が第一の実施形態の装置によるもの、□マーカーで示す曲線が従来の低圧遠隔スパッタ装置によるものである。
【００５３】
図６に示す通り、第一の実施形態の装置によると、従来の装置に比べ、ボトムカバレッジ率が大きく向上している。例えば、アスペクト比５のホールの場合、従来の低圧遠隔スパッタ装置では、１２％程度のボトムカバレッジ率にとどまっていたが、第一の実施形態では３５％程度のボトムカバレッジ率が得られている。このような結果は、アスペクト比が４を越える２５６メガビット以降の次世代ＤＲＡＭの製作に本願発明が極めて有効であることを示している。
【００５４】
上記各実施形態では、イオン化手段６として、基板ホルダー５に高周波電圧を印加する高周波電源６１が使用されたが、イオン化空間を取り囲むように高周波コイル又はリング状のアンテナを設け、この高周波コイル又はアンテナに高周波電圧を印加するようにしてもよい。また、直流二極放電プラズマ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、ヘリコン波プラズマ等を形成するものも、イオン化手段６として採用できる。さらに、イオン化空間に正イオンを照射してスパッタ粒子から電子を奪ってイオン化させるイオン源等も、イオン化手段６として採用できる。
尚、本願発明のイオン化スパッタリング装置は、各種半導体デバイスの他、液晶ディスプレイやその他の各種電子製品の製作に利用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願発明によれば、イオン化空間からのプラズマの拡散が防止されてイオン化空間に高密度のプラズマが維持される。このため、スパッタ粒子のイオン化効率が効率が高くなり、高アスペクト比のホールに対してボトムカバレッジ率よく成膜できるイオン化スパッタリングの効果がより高く得られる。従って、アスペクト比４を越える次世代のデバイスの製作に大きな威力を発揮する。
また、請求項６又は７の発明によれば、上記効果に加え、イオン化空間のプラズマ中でイオン化したスパッタ粒子が効率よく基板に導かれて飛行する。このため、イオン化スパッタリングの効果がより高く得られ、同様に次世代のデバイスの製作に極めて有効である。
また、請求項８の発明によれば、上記効果に加え、防着シールドが設けられているので、良質な成膜が行えるとともに、防着シールドの一部が磁石機構の一部を構成しているので、磁石機構の構成が簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１、２及び３の発明に対応した第一の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図２】図１に示す装置における磁石機構８の構成を説明する平面概略図である。
【図３】請求項１、２及び３の発明に対応した第二の実施形態のイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する平面概略図である。
【図４】請求項４、５及び６の発明に対応した第三の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図５】請求項７の発明に対応した第四の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図６】 第一の実施形態の装置によって得られたボトムカバレッジ率を示した図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
１１ 排気系
２ ターゲット
３ スパッタ電源
４ ガス導入手段
５ 基板ホルダー
５０ 基板
６ イオン化手段
６１ 高周波電源
８ 磁石機構
８１ 永久磁石
８１１ 磁力線
８２ 電磁石
８２１ 磁力線
８３ 第一の磁石
８４ 第二の磁石
８５ 磁力線
８６ 補助磁石
８７ 磁力線
９ 防着シールド
９１ 磁性体部
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、各種半導体デバイス等の製作に使用されるスパッタリング装置に関し、特に、スパッタ粒子をイオン化する機能を備えたイオン化スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種メモリやロジック等の半導体デバイスでは、各種配線膜の作成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の作成等の際にスパッタリングプロセスを用いており、スパッタリング装置が多用されている。このようなスパッタリング装置に要求される特性は色々あるが、基板に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく被覆できることが、最近強く求められている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えばＤＲＡＭで多用されているＣＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）では、拡散層の上に設けたコンタクトホールの内面にバリア膜を設けてコンタクト配線層と拡散層とのクロスコンタミネーションを防止する構造が採用される。また、各モメリセルの配線を行う多層配線構造では、下層配線と上層配線とをつなぐため、層間絶縁膜にスルーホールを設けこのスルーホール内を層間配線で埋め込むことが行われるが、この際にも、スルーホール内にバリア膜を作成して、クロスコンタミネーションを防止した構造が採られる。
【０００４】
このようなホールは、集積度の増加を背景として、そのアスペクト比（ホールの開口に対するホールの深さの比）が年々高くなってきている。例えば、６４メガビットＤＲＡＭでは、アスペクト比は４程度であるが、２５６メガビットでは、アスペクト比は５〜６程度になる。
【０００５】
バリア膜の場合、ホールの周囲の面への堆積量に対して１０から１５％の量の薄膜をホールの底面に堆積させる必要があるが、高アスペクト比のホールについては、ボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への成膜速度に対するホール底面への堆積速度の比）を高くして成膜を行うことが困難である。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底面でのバリア膜が薄くなり、ジャンクションリーク等のデバイス特性に致命的な欠陥を与える恐れがある。
【０００６】
ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタリングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタ等の手法がこれまで開発されてきた。コリメートスパッタは、ターゲッットと基板との間に基板に垂直な方向の穴を多数開けた板（コリメーター）を設け、基板にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子のみを選択的に基板に到達させる手法である。また、低圧遠隔スパッタは、ターゲットと基板との距離を長くして（通常の約３倍から５倍）基板にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子を相対的多く基板に入射させるようにするとともに、通常より圧力を低くして（０．８ｍＴｏｒｒ程度以下）平均自由行程を長くすることでこれらのスパッタ粒子が散乱されないようにする手法である。
【０００７】
しかしながら、コリメートスパッタで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に成膜速度が低下する問題があり、また、低圧遠隔スパッタでは、圧力を低くしターゲットと基板との距離を長くするため本質的に成膜速度が低下する問題がある。このような問題のため、コリメートスパッタは、アスペクト比が３程度までの１６メガビットのクラスの量産品に使用されるのみであり、低圧遠隔スパッタでもアスペクト比４程度までのデバイスが限界とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願の発明は、上述のような従来の状況をふまえ、アスペクト比４を越えるホールの内面にボトムカバレッジ率よく成膜を行えるようにすることを解決課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電源と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置であって、
ターゲットの基板ホルダーが設けられた側とは反対側には、マグネトロンスパッタのためのターゲット側磁石機構が設けられており、
前記スパッタ電源は、ターゲットと基板ホルダーとの間に第一のプラズマを形成するものであり、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間の領域であってターゲットと基板ホルダーとの間の中央より基板ホルダーに寄った位置に設定されたイオン化空間に、スパッタ電源によって形成される第一のプラズマとは別の第二のプラズマを形成するよう構成されており、この第二のプラズマが形成される位置は、第一のプラズマの位置より基板ホルダーに近い位置であり、
さらに、前記イオン化手段は、イオン化空間からのプラズマの拡散を防止してプラズマ密度を高くする磁場を設定する基板側磁石機構を備えており、この基板側磁石機構は、ターゲットと基板ホルダーとの間の中央よりも基板ホルダーに寄った位置に配置された第一の磁石を有しており、この磁石によって設定される磁力線によって前記イオン化空間を周状に取り囲むものであるという構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。まず、請求項１、２及び３の発明に対応した第一の実施形態について説明する。図１は、請求項１、２及び３の発明に対応した第一の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【００１１】
本実施形態の装置は、イオン化スパッタを行うものである。イオン化スパッタは、ターゲット２から放出されるスパッタ粒子をイオン化し、イオンの作用によってホール内に効率よくスパッタ粒子を到達させる手法である。イオン化スパッタによると、コリメートスパッタや低圧遠隔スパッタに比べて遥かに高いボトムカバレッジ率が得られる。
【００１２】
具体的には、本実施形態のスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、このスパッタチャンバー１内に設けられたターゲット２と、このターゲット２をスパッタするスパッタ電源３と、スパッタチャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入手段４と、スパッタによってターゲット２から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段６と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板５０を保持する基板ホルダー５と、イオン化空間からスパッタチャンバー１の器壁に拡散することによるプラズマの損失を抑制する磁場を設定する磁石機構８とを備えている。
【００１３】
まず、スパッタチャンバー１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。このスパッタチャンバー１は、ステンレス等の金属製であり、電気的には接地されている。
排気系１１は、ターボ分子ポンプや拡散ポンプ等を備えた多段の真空排気システムで構成されており、スパッタチャンバー１内を１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能になっている。また、排気系１１は、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器を備え、排気速度を調整することが可能になっている。
【００１４】
ターゲット２は、例えば厚さ６ｍｍ、直径３００ｍｍ程度の円板状であり、金属製のターゲットホルダー２１及び絶縁体２２を介してスパッタチャンバー１に取付けられている。
ターゲット２の背後には、磁石機構３０が設けられており、マグネトロンスパッタを行うようになっている。磁石機構３０は、中心磁石３１と、この中心磁石３１を取り囲む周辺磁石３２と、中心磁石３１及び周辺磁石３２とを繋ぐ円板状のヨーク３３とから構成されている。尚、各磁石３１，３２は、いずれも永久磁石であるが、電磁石でこれらを構成することも可能である。
スパッタ電源３は、所定の負の高電圧をターゲット２に印加するよう構成される。例えばチタンのスパッタの場合、５００Ｖ程度の負の直流電圧を印加するよう構成されることが多い。
【００１５】
ガス導入手段４は、アルゴン等のスパッタ放電用のガスを溜めたガスボンベ４１と、ガスボンベ４１とスパッタチャンバー１とをつなぐ配管４２と、配管４２に設けられたバルブ４３や流量調整器４４と、配管４２の先端に接続されれたチャンバー内配管４５と、チャンバー内配管４５の先端に接続されたガス分配器４６とから主に構成されている。
ガス分配器４６は、円環状に形成したパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成した構成等が採用され、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間に均一にガスを導入するようにする。
【００１６】
イオン化手段６は、本実施形態では、ターゲット２から基板５０へのチタンの飛行経路に設定されたイオン化空間に高周波プラズマを形成するものが採用されている。具体的には、イオン化手段６は、基板ホルダー５に接続された高周波電源６１から構成されている。
高周波電源６１は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで出力２００Ｗ程度のものが使用され、不図示の整合器を介して基板ホルダー５に高周波電力を供給する。高周波電源６１によって基板ホルダー５を介してイオン化空間に高周波電界が設定され、ガス導入手段４によって導入されたガスがこの高周波電界によってプラズマ化してプラズマＰが形成されるようになっている。
【００１７】
ターゲット２から放出されたスパッタ粒子は、プラズマＰ中を通過する際にプラズマＰ中の電子やイオンと衝突し、イオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、後述する電界によって加速されて基板５０に到達するようになっている。
【００１８】
基板ホルダー５は、絶縁体５３を介してスパッタチャンバー１に気密に設けられており、ターゲット２に対して平行に基板５０を保持するようになっている。基板ホルダー５には、基板５０を静電気によって吸着する静電吸着機構が設けられる。静電吸着機構は、基板ホルダー５内に設けられた吸着電極５１と、吸着電極５１に直流電圧を印加する吸着電源５２とから構成されている。尚、成膜中に基板５０を加熱して成膜を効率的にする不図示の加熱機構等が基板ホルダー５内に設けられる場合がある。
【００１９】
上記イオン化手段６の高周波電源６１は、本実施形態では、基板ホルダー５に所定の高周波電圧を印加することで基板５０に負のバイアス電圧を与える基板バイアス用電源としての機能も有している。即ち、高周波電源６１によって基板５０に高周波電圧が印加されると、基板５０の表面にはプラズマ中の荷電粒子が周期的に引き寄せられる。このうち、移動度の高い電子は正イオンに比べて多くが基板５０の表面に引き寄せられ、その結果、基板５０の表面は負の電位にバイアスされたのと同じ状態になる。具体的には、上述した例の高周波電源６１の場合、平均値で−３０〜−１００Ｖ程度のバイアス電圧を基板５０に与えることができる。
【００２０】
上記基板バイアス電圧が与えられた状態は、直流二極放電でプラズマを形成した場合の陰極シース領域と同様であり、プラズマと基板５０との間に基板５０に向かって下がる電位傾度を有する電界（以下、引き出し用電界）が設定された状態となる。この引き出し用電界によって、イオン化スパッタ粒子（正イオンのチタン）は、プラズマから引き出されて基板５０に効率良く到達するようになっている。
【００２１】
上記引き出し用電界は基板５０に対して垂直な向きの電界であり、基板５０に対して垂直にイオン化スパッタ粒子を加速するよう作用する。この結果、基板５０に形成されたホールの底面まで効率よくイオン化スパッタ粒子を到達させることができるようになっている。
【００２２】
尚、本実施形態の装置は、スパッタ粒子の不必要な場所への付着を防止する防着シールド９がスパッタチャンバー１内に設けられている。防着シールド９は円筒状の部材であり、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間を取り囲むようにして設けられている。
【００２３】
スパッタ粒子がスパッタチャンバー１の器壁等の不必要な場所に付着すると、経時的に薄膜を堆積する。この薄膜がある程度の量に達すると内部ストレス等によって剥離し、スパッタチャンバー１内をパーティクルとなって浮遊する。このパーティクルが基板５０に達すると、局部的な膜厚異常等の不良を発生させる。このため、本実施形態の装置は、ターゲット２と基板ホルダー５との間の空間を防着シールド９によって取り囲み、不要な場所へのスパッタ粒子の付着を防止している。
【００２４】
次に、本実施形態の装置の大きな特徴点である磁石機構８の構成について説明する。図２は、図１に示す装置における磁石機構８の構成を説明する平面概略図である。
本実施形態の装置では、磁石機構８は、複数の永久磁石８１から構成されている。各永久磁石８１は、直方体状の外形を有し、円筒状の防着シールド９の周囲に周状に等間隔をおいて配置されている。防着シールド９の外径３００ｍｍ程度である場合、８個程度の各永久磁石８１が設けられ、その配置間隔は５０ｍｍ程度になる。
【００２５】
そして、各永久磁石８１の内側面（イオン化空間を臨む面）はＳ極になっており、内側面とは反対側の外側面はＮ極になっている。従って、防着シールド９を通して図２に示すようなカスプ磁場状の磁力線８１１が設定される。尚、防着シールド９は、ステンレスやアルミ等の透磁率の低い材料で形成される。
【００２６】
本実施形態における磁場は、次のような二つのメカニズムによってイオン化空間のプラズマの拡散を防止している。まず、各々の永久磁石８１の間の部分の防着シールド９の内側領域（以下、中間領域）では、磁力線８１１を横切る方向にプラズマが拡散するのが困難なことを利用してプラズマの拡散防止を行っている。即ち、中間領域では、防着シールド９の器壁の内側において、磁力線８１１がプラズマの拡散方向に交差する向きになっており、これによって防着シールド９へのプラズマの拡散を防止している。
【００２７】
また、各々の永久磁石８１の部分の防着シールド９の内側領域（以下、磁石領域）では、ミラー磁場と同様なメカニズムによってプラズマの拡散を防止している。即ち、磁石領域では、各永久磁石８１に近づくに従って磁力線が両側から集まり徐々に密になっている。
このような磁力線８１１の配置は、ミラー磁場による場合と同様であり、各永久磁石８１１に向かって飛行する荷電粒子は、磁力線８１１が密になる部分で折り返し、スパッタチャンバー１の中心軸よりに向かって帰って来る。このため、スパッタチャンバー１の器壁へのプラズマの拡散が防止される。
【００２８】
このようなプラズマの拡散防止作用のため、防着シールド９又はスパッタチャンバー１の器壁での損失が抑制され、イオン化空間に高密度のプラズマが維持できるようになっている。尚、各々の永久磁石８１の配置位置は、高密度プラズマの維持の観点から重要である。この配置位置は、高周波電源６１が与える高周波の周波数等に応じて変わるが、１３．５６ＭＨｚの場合、基板ホルダー５の表面から２０〜３０ｍｍ程度高い位置に設定される。また、具体的な磁場強度について例示すると、各永久磁石８１の間の中間位置であって、かつ、防着シールド９から例えば５０ｍｍ程度内側の位置（図２中点Ｍで示す）において、２００〜３００ガウス程度の磁束密度の磁場を設定すると好適である。尚、スパッタ粒子のイオン化は、上述したように高密度プラズマによって行われ、高密度プラズマを得るのに磁石機構８が利用されている。したがって、磁石機構８はイオン化手段６の構成要素である。
【００２９】
次に、図１を使用して、本実施形態のイオン化スパッタリング装置の動作について説明する。
基板５０が不図示のゲートバルブを通してスパッタチャンバー１内に搬入され、基板ホルダー５上に載置される。スパッタチャンバー１内は予め１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気されおり、基板５０の載置後にガス導入手段４が動作して、アルゴン等のプロセスガスが所定の流量で導入される。このプロセスガスは、スパッタ放電用のガスでもあり、イオン化空間でのプラズマ形成用のガスでもある。
【００３０】
排気系１１の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内を例えば２０〜４０Ｔｏｒｒ程度に維持し、この状態でスパッタ放電を始動させる。即ち、スパッタ電源３によってターゲット２に所定の電圧を与え、マグネトロンスパッタ放電を生じさせる。これによって、スパッタ放電が生じ、ターゲット２の下方にプラズマＰ’が形成される。
【００３１】
同時に、イオン化手段６も動作させ、高周波電源６１によってイオン化空間に高周波電界を設定する。プロセスガスはイオン化空間にも拡散し、プロセスガスが電離してプラズマＰが形成される。また前述したように高周波電源６１によって基板５０に所定のバイアス電圧が印加され、プラズマＰとの間に引き出し用電界が設定される。
【００３２】
スパッタ放電によってターゲット２がスパッタされ、スパッタされたチタンは、基板５０に向けて飛行する。その飛行の途中、イオン化空間のプラズマＰを通過する際にイオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、引き出し用電界によってプラズマＰから効率良く引き出され、基板５０に入射する。基板５０に入射したスパッタ粒子は、基板５０に形成されたホールの底面や側面に達して膜を堆積し、効率良くホール内を被覆する。
【００３３】
所定の厚さで膜が作成されると、イオン化手段６、スパッタ電源３、及び、ガス導入手段４の動作をそれぞれ停止させ、基板５０をスパッタチャンバー１から搬出する。
尚、バリア膜を作成する場合、チタン製のターゲットを使用し、最初にプロセスガスとしてアルゴンを導入してチタン薄膜を成膜する。そして、その後プロセスガスとして窒素ガスを導入してチタンと窒素との反応を補助的に利用しながら窒化チタン薄膜を作成する。
【００３４】
上記動作において、イオン化空間におけるプラズマＰは、磁石機構８によって拡散が抑制されて高密度プラズマになっている。従って、ターゲット２から飛来するスパッタ粒子はこの高密度プラズマ中で高効率でイオン化される。このため、スパッタ粒子の多くがイオン化して、引き出し用電界で引き出されて多く基板５０に入射するようになっている。この結果、イオン化スパッタリングの効果がより高く得られる。この第一の実施形態の装置を実際に製作してイオン化効率を測定したところ、６５％程度であった。
【００３５】
尚、スパッタ中のスパッタチャンバー１内の圧力は、１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲内に維持されることが好ましい。２０ｍＴｏｒｒ以下であると、プロセスガスの量が少なくてプラズマ密度が低くなり、スパッタ粒子のイオン化が不十分となる。また、１００ｍＴｏｒｒ以上になると、高密度プラズマによってイオン化効率は高くなるが、多量のプロセスガスの分子によってスパッタ粒子が散乱されてしまい、基板５０に到達するスパッタ粒子の量が減ってかえって成膜速度が低下したりボトムカバレッジ率が低下したりする問題がある。
【００３６】
次に、上記第一の実施形態と同様に請求項１、２及び３の発明に対応した実施形態である第二の実施形態について説明する。図３は、請求項１、２及び３の発明に対応した第二の実施形態のイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する平面概略図である。
【００３７】
この第二の実施形態のイオン化スパッタリング装置では、図２に示す第一の実施形態における永久磁石８１の代わりに電磁石８２を用いている。各電磁石８２は、第一の実施形態の永久磁石８１の配置位置に設けられており、各電磁石８２による磁力線８２１がスパッタチャンバー１の中心軸に向かう向きになるような磁場を設定するようになっている。
【００３８】
この第二の実施形態においても、各電磁石８２によって防着シールド９を通して図３に示すようなカスプ磁場状の磁力線が設定される。そして、各々の磁力線８２１はイオン化空間のプラズマの拡散方向に対して垂直な方向成分を有するとともに、この方向成分によってイオン化空間を取り囲んだ配置になっている。このため、第一の実施形態の場合と同様に、イオン化空間から防着シールド９又はスパッタチャンバー１の器壁へのプラズマの拡散が抑制され、イオン化空間に高密度のプラズマが形成される。従って、同様にイオン化スパッタリングの効果がより高く得られることになる。
【００３９】
次に、請求項４、５及び６の発明に対応した第三の実施形態について説明する。図４は、第三の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
この第三の実施形態も、磁石機構８の構成が前述した各実施形態と異なっている。即ち、第三の実施形態における磁石機構８は、イオン化空間のプラズマ中でイオン化したスパッタ粒子を基板５０に導く磁場を設定するものになっている。
【００４０】
具体的には、磁石機構８は、イオン化空間の周囲に設けられた第一の磁石８３と、基板ホルダー５の下方に設けられた第二の磁石８４とから構成されている。第一の磁石８３は、防着シールド９の外側においてイオン化空間を取り囲むように設けられたリング状の永久磁石である。第一の磁石８３の防着シールド９側の面（以下、内側面）はＳ極になっており、内側面とは反対側の面（以下、外側面）はＮ極になっている。
【００４１】
また、第二の磁石８４は、基板ホルダー５の下方においてスパッタチャンバー１の中心軸と同軸状に配置されたリング状の永久磁石である。第二の磁石８４の上面はＮ極になっており、下面はＳ極になっている。
このため、第一の磁石８３の内側面と第二の磁石８４の上面との間に図４に示すような磁力線８５が設定されるようになっている。この磁力線８５は、イオン化空間を経由して基板５０の表面に達するものである。
【００４２】
イオン化空間のプラズマＰ中でイオン化したスパッタ粒子は、前述の通り引き出し用電界によって影響を受ける。しかし、スパッタ粒子がイオン化した際、当該スパッタ粒子の初期運動方向が基板５０に向かっていることは少ない。この場合、引き出し用電界によって徐々に基板５０に向かって軌道を修正しながら飛行することになるが、上記第一の磁石８３と第二の磁石８４との間の磁力線８５は、この軌道修正を速める効果を有する。
【００４３】
即ち、電子やイオンは磁場がある場所では磁力線の回りを旋回しながら螺旋状に飛行する性質を持つ。従って、スパッタ粒子がイオンされると、磁力線８５の回りを旋回して磁力線８５に捉えられた状態となる。この状態で引き出し用電界の影響で基板５０に向けて飛行する。磁力線８５は基板５０に向かっているから、イオン化したスパッタ粒子の多くが効率よく基板５０に向けて軌道を変えることになる。このため、イオン化スパッタリングの効果がさらに高く得られることになる。
【００４４】
このような磁石機構８の効果は、第一の磁石８３の内側面をＮ極、第二の磁石８４の上面をＳ極としても同様である。イオン化空間を挟んで異なる磁極が現れるようになっていればよい。尚、磁場の強さとしては、基板５０の表面付近で１００ガウス程度の磁束密度で良い。
【００４５】
また、この第三の実施形態においても、磁石機構８は、イオン化空間からのプラズマの拡散防止作用を有している。即ち、図４に示すように、イオン化空間から第一の磁石８３に入射する磁力線８５は、第一の磁石８３に向かうに従って集まって徐々に密度が高くなっている。このため、第一第二の実施形態の場合と同様に、荷電粒子を折り返してイオン化空間に高い密度のプラズマを維持できるようになっている。この第三の実施形態の装置を実際に製作してイオン化効率を測定したところ、８０％程度であった。
【００４６】
この第三の実施形態において、第一の磁石８３を複数の磁石からなる第一の磁石群とし、第二の磁石８４を複数の磁石からなる第二の磁石群とすることもできる。第一の磁石群は、第一の実施形態における複数の永久磁石又は第二の実施形態における複数の電磁石と同様の構成とすることができる。
また、第二の磁石群は、第一の磁石群の同数の永久磁石又は電磁石を同軸円周上に均等間隔をおいて配置する構成が採用できる。この際、第一の磁石群の各磁石の周方向の位置と第二の磁石群の各磁石の周方向の位置とを合わせるようにしておくとよい。
【００４７】
次に、請求項７の発明に対応した第四の実施形態について説明する。図５は、請求項７の発明に対応した第四の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
この第四の実施形態の装置も、磁石機構８の構成が大きく異なっている。即ち、この実施形態の装置では、スパッタ粒子の不必要な場所への付着を防止する防着シールド９の一部が、磁石機構８の一部を構成している。
【００４８】
即ち、防着シールド９の基板ホルダー５側の約半分の部分９１は、磁性材料で形成されている（以下、磁性体部という）。具体的には、磁性体部９１は、磁性ステンレス又は表面にニッケルメッキ等の腐食防止処理をした鉄等から形成されている。尚、防着シールド９の表面は、付着した薄膜の剥離を防止するため、ショットブラスト法等により表面を粗くして凹凸を設けた構成になっている。
【００４９】
一方、基板ホルダー５の下方には、第三の実施形態における第二の磁石８４と同様の補助磁石８６が設けられている。防着シールド９の磁性体部９１は、この補助磁石８６による磁場の磁路を形成するとともに経時的に磁化され、磁石機構８を構成するようになっている。磁性体部９１及び補助磁石８６による磁力線８７は、第三の実施形態の場合と同様に、イオン化空間のプラズマＰ中でイオン化したスパッタ粒子を効果的に基板５０に導くよう作用し、イオン化スパッタリングの効果がより高められる。また、磁性体部９１に向かって磁力線８６が徐々に集まっているので、イオン化空間からのプラズマの拡散防止効果もある。
【００５０】
尚、前述した第一の実施形態の磁石機構８についても、防着シールド９の一部として設けた磁性体部によって構成することができる。具体的には、防着シールド９の基板ホルダー５側の端部に周状に方形の穴を所定間隔をおいて複数設け、この穴を直方体状の磁石で埋めるようにする。そして、この磁石の磁極を第一の実施形態における永久磁石８１と同様にすることによって、同様のプラズマ拡散防止効果が得られる。
【００５１】
【実施例】
上述した各実施形態に共通した条件として、以下のような条件でイオン化スパッタリングを行うことができる。
・プロセスガスの種類：アルゴン
・プロセスガスの流量：１００ｃｃ／分
・ターゲット２の材質：チタン
・ターゲット２への投入電力：４ｋＷ
・スパッタチャンバー１内の圧力：３０ｍＴｏｒｒ
・高周波電源６１：１３．５６ＭＨｚ２００Ｗ
【００５２】
図６は、上記条件により動作させた第一の実施形態の装置によって得られたボトムカバレッジ率を示した図である。参考のため、従来の低圧遠隔スパッタ装置で得られたボトムカバレッジ率を併せて示している。図６中、●マーカーで示す曲線が第一の実施形態の装置によるもの、□マーカーで示す曲線が従来の低圧遠隔スパッタ装置によるものである。
【００５３】
図６に示す通り、第一の実施形態の装置によると、従来の装置に比べ、ボトムカバレッジ率が大きく向上している。例えば、アスペクト比５のホールの場合、従来の低圧遠隔スパッタ装置では、１２％程度のボトムカバレッジ率にとどまっていたが、第一の実施形態では３５％程度のボトムカバレッジ率が得られている。このような結果は、アスペクト比が４を越える２５６メガビット以降の次世代ＤＲＡＭの製作に本願発明が極めて有効であることを示している。
【００５４】
上記各実施形態では、イオン化手段６として、基板ホルダー５に高周波電圧を印加する高周波電源６１が使用されたが、イオン化空間を取り囲むように高周波コイル又はリング状のアンテナを設け、この高周波コイル又はアンテナに高周波電圧を印加するようにしてもよい。また、直流二極放電プラズマ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、ヘリコン波プラズマ等を形成するものも、イオン化手段６として採用できる。さらに、イオン化空間に正イオンを照射してスパッタ粒子から電子を奪ってイオン化させるイオン源等も、イオン化手段６として採用できる。
尚、本願発明のイオン化スパッタリング装置は、各種半導体デバイスの他、液晶ディスプレイやその他の各種電子製品の製作に利用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願発明によれば、イオン化空間からのプラズマの拡散が防止されてイオン化空間に高密度のプラズマが維持される。このため、スパッタ粒子のイオン化効率が効率が高くなり、高アスペクト比のホールに対してボトムカバレッジ率よく成膜できるイオン化スパッタリングの効果がより高く得られる。従って、アスペクト比４を越える次世代のデバイスの製作に大きな威力を発揮する。
また、請求項６又は７の発明によれば、上記効果に加え、イオン化空間のプラズマ中でイオン化したスパッタ粒子が効率よく基板に導かれて飛行する。このため、イオン化スパッタリングの効果がより高く得られ、同様に次世代のデバイスの製作に極めて有効である。
また、請求項８の発明によれば、上記効果に加え、防着シールドが設けられているので、良質な成膜が行えるとともに、防着シールドの一部が磁石機構の一部を構成しているので、磁石機構の構成が簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１、２及び３の発明に対応した第一の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図２】図１に示す装置における磁石機構８の構成を説明する平面概略図である。
【図３】請求項１、２及び３の発明に対応した第二の実施形態のイオン化スパッタリング装置の要部の構成を説明する平面概略図である。
【図４】請求項４、５及び６の発明に対応した第三の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図５】請求項７の発明に対応した第四の実施形態のイオン化スパッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
【図６】 第一の実施形態の装置によって得られたボトムカバレッジ率を示した図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー
１１ 排気系
２ ターゲット
３ スパッタ電源
４ ガス導入手段
５ 基板ホルダー
５０ 基板
６ イオン化手段
６１ 高周波電源
８ 磁石機構
８１ 永久磁石
８１１ 磁力線
８２ 電磁石
８２１ 磁力線
８３ 第一の磁石
８４ 第二の磁石
８５ 磁力線
８６ 補助磁石
８７ 磁力線
９ 防着シールド
９１ 磁性体部
Claims (9)
- 排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電源と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置であって、
ターゲットの基板ホルダーが設けられた側とは反対側には、マグネトロンスパッタのためのターゲット側磁石機構が設けられており、
前記スパッタ電源は、ターゲットと基板ホルダーとの間に第一のプラズマを形成するものであり、
前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間の領域であってターゲットと基板ホルダーとの間の中央より基板ホルダーに寄った位置に設定されたイオン化空間に、スパッタ電源によって形成される第一のプラズマとは別の第二のプラズマを形成するよう構成されており、この第二のプラズマが形成される位置は、第一のプラズマの位置より基板ホルダーに近い位置であり、
さらに、前記イオン化手段は、イオン化空間からのプラズマの拡散を防止してプラズマ密度を高くする磁場を設定する基板側磁石機構を備えており、この基板側磁石機構は、ターゲットと基板ホルダーとの間の中央よりも基板ホルダーに寄った位置に配置された第一の磁石を有しており、この磁石によって設定される磁力線によって前記イオン化空間を周状に取り囲むものであることを特徴とするイオン化スパッタリング装置。 - 前記基板側磁石機構は、前記第一の磁石を複数有していることを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記イオン化手段は、前記基板ホルダーに接続された高周波電源によって構成されており、この高周波電源は、前記第二のプラズマにおいてイオン化したスパッタ粒子を引き出して基板に入射させる引き出し用電界を設定する手段でもあることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記基板側磁石機構は、イオン化空間から遠ざかるに従って磁束密度が高くなる磁場を設定するものであって、ミラー磁場と同様の作用によってプラズマをイオン化空間に閉じ込めるものであることを特徴とする請求項１、２又は３記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記第一の磁石は、前記ターゲットと前記基板ホルダーとを結ぶ方向の側方へのプラズマの拡散を防止するものであり、第一の磁石によって設定される磁場は、側方の方向と交差する磁力線を有するものであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記基板側磁石機構は、前記第二のプラズマ中でイオン化したスパッタ粒子を基板に導く第二の磁石を有していることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記第二の磁石は、前記基板ホルダーの基板が保持される側とは反対側に配置されており、前記第一の磁石と前記第二の磁石との間に、前記イオン化したスパッタ粒子を導く磁力線が設定されることを特徴とする請求項６記載のイオン化スパッタリング装置。
- スパッタ粒子の不必要な場所への付着を防止する防着シールドがターゲットと基板ホルダーとの間の空間を取り囲むようにして設けられており、当該防着シールドの一部は磁性材料又は磁石で形成され、前記第一の磁石の一部又は全部を構成していることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
- 前記第一の磁石は、前記基板ホルダーの表面から前記ターゲットの側に２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下離れた場所に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載のイオン化スパッタリング装置。
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