JPH01116068A

JPH01116068A - バイアススパッタ装置

Info

Publication number: JPH01116068A
Application number: JP27009587A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Shimizu; 保清水; Tsuneo Ogawa; 小川　恒雄; Katsuhiro Iwashita; 岩下　克博
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1989-05-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はスパッタリングによプ物体の表面に被膜物を形
成するバイアススパッタ装置に係シ、特にＬＳＩの多１
配線膜、絶縁膜等を形成する際に基板の段差部や層内を
結ぶ配線接続穴部等に均一の被膜を形成するに好適なバ
イアススパッタ装置に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの装置には多層配線形成技術が必要であり、下部
配線と上部配線とを接続する微小孔に被膜することが必
要である。この被膜手段としてバイアススパッタ法が従
来より採用されている。

バイアススパッタ法には大別して２つのモードが知られ
ている。第１のモードは基板に比較的高い負電圧（一般
には接地電位に対しマイナス数百ボルト以上）を印加す
るもので、特長としては膜形成しながら同時に付着した
膜をイオンで削る所謂スパッタエツチングを行うもので
ある。成膜速度は遅いが、凹凸面上に平坦な膜と形成す
ることができる。前記第１のモードの詳細内容は例えば
雑誌「真空」第２７巻、第１０号（１９８７）（Ｄ　Ｐ
２Ｓ５からＰ７６７に示されている。第２のモードは基
板に比較的低い負電圧（一般には接地電圧に対しマイナ
ス百ないし２百ボルト以下）を印加するもので、特長と
しては膜形式を行いながら同時に低エネルギのイオン衝
撃によって基板に付着した膜の粒子に表面を移動させる
だけのエネルギを与えるもので、前記第１のモードの如
く削シ取シがないため成膜速度が早く、膜粒子を表面移
動させる九め成膜粒子の入つにくい微細穴にも被膜し得
るものである。第２のモードの詳細内容は例えばジャー
ナルオプバキュームサイエンステクノロジＡ４（３）、
　　Ｍａｙ／Ｊｕｎ、　（ｔ９８６）　Ｐ４６ＯＫ示さ
れている（　Ｊ＊Ｖａｃ　−８ｃｉ、　Ｔｅｃｈｎｏｌ
、　Ａ、　ＶＯ１４、Ｎｏ３　Ｍａｙ／　Ｊｕｎ＋９８
６　　）。

第２のモードに属する従来技術の１つとして特開昭６０
−２２１５６５号公報に開示されるものがある。

これはプレーナマグネトロン型スパッタ電極と被膜され
る基板とを対向させて配置し、基板表部に負の電圧を印
加すると共にスパッタ電極側にターゲツト面上での磁束
密度を制御可能にする可に磁束カンードを形成したもの
で、バイアス作用を営むイオン量を基板電圧を高めるこ
となく制御し、十分なバイアス効果を発揮するようにし
たものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記ｉｔのモードによるバイアススパッタ法は基板に入
射するイオンのエネルギが高く、アルミ合金等の膜形成
に利用すると、膜中にそのイオンが取シ込まれ、とシ込
まれたイオンが次工程で膜中から放出され、膜はがれ中
腰中に空孔が生ずる等の膜劣化が有るため近年ではアル
ミ合金のバイアススパッタ法としては第２のモードが主
に採用されている・しかしながら爲２のモードによるバ
イアススパッタ法でも基板に均一の厚さの膜（約±５％
）と形成することは巨視的に可能であるか基板の段差側
壁部（基板の外周に向う［）や穴部の膜厚は不均一のも
のとなる問題点があった。

第５図は従来のプレーナマグネトロン屋のバイアススパ
ッタ装置を示すもので、基板３と対崎する位置に円板状
のターゲット１を配置し、ターゲット１上にドーナツ状
のプラスワング２を発生させ、基板３上に膜４を形成す
るものである◎１示の如く基板３の直径をｔ　５０　ｍ
ｍ　、基板５とターゲット１間の距離を７５ｍｍ、ター
ゲット１のグラズマリング２のリング径を１４４ｍｍと
することＫより基板３の平坦部には±５％以下の膜分布
を得ることができる。しかしながら基板３のリング径１
４４ｍｍよりも大きい外周側圧仮に穴が設けられていた
場合、第４図に示す如く、穴５の被膜は偏向し、外向側
壁部７には入射する成膜粒子量が少なくなシ、内向ｇ８
壁部６に較べて薄い被膜しか形成されない。被膜特性値
は基板３上の平均ＦＡ庫に対する各部の膜厚の比の膜被
膜率で表わされるが外向側壁部７の膜被膜率は　２／ｄ
１＜＜１となる。

従来技術の場合、前記膜被膜率を向上し、穴５の膜厚を
均一にするにはイオンを不均一に入射する必要があ）、
実際上は不可能である。

以上の問題点は孔に限らず基板の外周側の段差部にも生
ずる。特に以上の現象はＬＳＩのウニ八等の外周部分に
顕著に見られる。不均一の被膜形成のあるＬＳＩは均一
のものに較べ配線寿命が短く、歩留シも低下する問題点
があった。

本発明はスパッタリングされる基板の位置に関係なく、
均一の被膜の形成され、特に穴部９段差部にも均一の被
膜形成が行われるバイアススパッタ装置を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

前記問題点は基板上にスパッタ電極側から色々の角度で
イオン入射を可能にすべく傾斜角度の相異するす９鉢状
のターゲットを前記スパッタ電極側に形成し、エネルギ
のイオンを基板全面にわたって均一に入射せしめると共
に、更に基板側に負の直流電圧を印加する電源を形成し
てなるパイアススバッタ装置を構成することにより解決
される。

〔作用〕

まず、従来のプレーナマグネトロン型スパッタ電極と比
較すべく基板に対して等方向に成膜粒子を入射させる方
法について述べる。ターゲットを複数のす）はち面を有
する軸対称回転体形とし、このすシばち面に複数のプラ
ズマリングｔ−同時に発生させる。これら複数のプラズ
マリングのウチ少なくとも１組は基板よ）も大きい径の
プラズマリングを小さい径のプラズマリングによりなる
。

すシばち面の開き角と放出量の制御により基板面円のど
の位置においてもほぼ同一の成膜粒子の入射分布となる
様にする０この様にして巨視的にも微視的にも基板全面
にわたって均一な膜を形成できる。この成膜特性のもと
で、基板１１１１に負の電圧を印加すると、成膜中にイ
オンによって衝撃を受ける為、穴部入口にオーバーハン
グが形成されることなく成膜が行なわれる。この結果、
穴部の側壁部や底部にも膜粒子が入射し、また低エネル
ギのイオンを照射することによって膜表面の膜粒子に表
面移動をおこさせて、穴部の膜被覆率を向上させること
ができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明す
る。

第１図に示す如く、基板ホルダ１１上に載置される基板
３と対向する位ｆｌＫは中心軸を一致させてスパッタ電
極が配設される。スパッタ電極は真空容器１６内に収容
されてお）（図示せず０）、センタヨーク１７と、外側
コイル１８と、内側コイル１９と、中間ヨーク２０と、
外周ヨーク２１と、円板ヨーク２２と環状ヨーク２３と
、外側ターゲット２４と、内側ターゲット２５と、外側
バッキングプレート２６ト、内側バッキングプレート２
７と、碍子２８．２９　と、直流電源５１．５２とを備
えて構成されている。

前記センタヨーク１７．中間ヨーク２０．外周ヨーク２
１１円板３．−り２２および環状ヨーク２５は、軟鉄等
の磁性体で構成されている。

前記内側コイル１９と外側コイル１８とは、センタヨー
ク１７を中心軸として同心円状に巻かれている。

前記中間ヨーク２０は、円環状に形成され、内側コイル
ｔ９と外側コイル１８間に設けられている〇前記外周ヨ
ーク２１は、円環状に形成され、外側コイル１Ｂの外周
部に設けられている。

前記センタヨーク１７．中間ヨーク２０および外周ヨー
ク２１は、円板ヨーク２２に一体く連結されていて、磁
路を形成するようになっている。

前記環状ヨーク２３は、ボルト等の固定手段（図示せず
）により外周ヨーク２１に固定されている・前記外側タ
ーゲット２４は、中間ヨーク２０と外周ヨーク２１との
間に配置されてお夛、かつ外側バッキングプレート２６
に１ｆｊ、＃）付けられている。この外側ターゲット２
４は、基板５の直径よりも十分大きく、かつセンタヨー
ク１７の中心線を対称軸とする軸対称回転体形に形成さ
れていて、大プラズマリング５６を発生し得るようにな
っている。また、外側ターゲット２４の！１１Ｉ２４’
は、前記対称軸に対して傾斜角θ１、傾斜させ九すシば
ち状に形成されている。

前記内側ターゲット２５は、センタヨーク１７と中間ヨ
ーク２０との間に配置されておシ、かつ内側バッキング
プレート２７に取シ付けられている０また、この内側タ
ーゲット２５は基板５の直径よりも小さく、かつセンタ
ヨーク１７の中心線を対称軸とする軸対称回転体形に形
成されていて、小プラズマリンス３７を発生させ得るよ
うになっている。そして、この内側ターゲット２５の面
２５′は、前記対称軸に対して傾斜角θ２、傾斜させた
すシばち状に形成されている。

前記中間ヨーク２０と外周ヨーク２１間と、センタヨー
ク１７と中間ヨーク２０とに１　同時に磁界５４．５５
を形成するため、中間ヨーク２０は外側ターゲット２４
の傾斜した面２４′の低い位置と内側ターゲット２５の
傾斜した面２５′の高い位置間に納まる高さに形成され
、外周ヨーク２１は外側ターゲット２４の傾斜し丸面２
４′の高い位置よ）、さらに少し高く形成されている。

さらに１前記外側コイル１８による磁束と、内側コイル
１９による磁束が中間ヨーク２０内で同一方向に流れる
ように、外側コイル１８と内側コイル１９への通電電流
の方向が決められている・そして各コイルへの通電電流
を適当に設定することにより中間ヨーク２０と外周ヨー
ク２１間に、外側ターゲット２４の傾斜した面２４′か
ら出て再び傾斜した面２４′に入るトンネル状の磁界３
４を形成するようになっている。

また、センタヨーク１７と中間ヨーク２０間に１内備タ
ーゲツト２５の傾斜した′＠２５′から出て再び傾斜し
た面２５′に入るトンネル状の磁界５５を形成するよう
になっている。

前記外側バッキンググレート２６と内側バッキングプレ
ート２７は、外側ターゲット２４と内側ターゲット２５
にそれぞれ独立に電力を供給し得るように、銅等の導電
性材料により形成され、かつ互いに電気的に絶縁されて
いる。また、外側バッキングプレート２６と内側バッキ
ングプレート２７とは冷却水により冷却されている。

上記したターゲツト面上の磁場はヨーク形状を最適化す
ることによって永久磁石でも構成できるが、電磁石の万
が好ましい・その理由は、ターゲットの消耗に伴い磁束
密度が増加し、放電インピーダンスが低下すると電力効
率（単位電力投入時のターゲットでのスパッタリング量
）が低下するので、その時に最大電力効率が得られるよ
うに、電磁石は放電インピーダンスを所定の範囲に設定
可能に、磁場を制御できるからである。

ところで、前記外側ターゲット２４と内側ターゲット２
５の最適形状について、膜厚分布９段差の膜ｗａ率、成
膜速度の三つの観点から計算シミエレーシ冒ンにより求
めると、次のようになる◇すなわち、基板３の直径＝２
００ｍｍの場合、大プラズマリング６６を発生させる外
側ターゲット２４の直２４′の傾斜角θ、＝４０°、小
プラズマリング５７を発生させる内側ターゲット２５の
面２５′の傾斜角θ＝２０°である。そして、大プラズ
マリング３６の直径＝　２６０ｍｍ、小プラズマリング
３７の直径＝１２０ｍｍである。ま九、基板３の伽から
の大プラズマリング５６の距離＝４５ｍｍ、小プラズマ
リング３７の距離＝６５ｍｍである。

前記実施例のスパッタ電極は、次のように使用され、作
用する。

まず、センタヨーク１７の中心蔵の延長上に、予め決め
られた距離をおいて、基板３をターゲットに対向させて
配置する。

ついで、直流電源（図示せず）を通じて外側コイル１８
と内側コイル１９に電流を供給すると、外周ヨーク２１
と中間ヨーク２０間に、外側ターゲット２４の傾斜した
面２４′から出て再び傾斜した面２４′に入るトンネル
状の磁界６４が形成され、センタヨーク１７と中間ヨー
ク２０間に、内側ターゲット２５の傾斜した伽２ダから
出て再び傾斜した面２５′に入るトンネル状の磁界５５
が形成される。さらに外側ターゲット２４、内側ターゲ
ット２５にそれぞれ直流電源３１．　３２によって電力
を供給すると、基板３の直径より十分大きく形成され九
外側ターゲット２４の傾斜した面２４′上には大プラズ
マリング３６が発生し、内側ターゲット２５の傾斜した
ｊｌ！ｆｉ　２５’上には小プラズマリング３７が同時
に発生する。そして、この実施例では大プラズマリング
６６を発生させる外側ターゲット２４の面２４′をター
ゲットの中心軸に対して傾斜角θ、（例えばθ、＝４０
度）だけ傾斜させたすシ鉢ち状に形成させている。した
がって基板３の外周部に存在する段差部や穴部における
外向（１１１１１部７（基板の中心と逆方向を向いた壁
面）への成膜に寄与するターゲット面積を大きくし、か
つ外向側壁部７への成膜に寄与するターゲットを見込む
立体角も大きくすることができる。

一方、小プラズマリング５７を発生させる内側ターゲッ
ト２５の面２５′をターゲットの中心軸に対して傾斜面
θ２（例えばθ２＝２０度）だけ傾斜させたすシ鉢状に
形成している。この様にして基板５の中央付近に存在す
る段差部や穴部に成膜する。

以上、すシ鉢面に大、小のプラズマを発生させて成膜す
ることにより、基板３に等方向に成膜粒子９を入射させ
ることが可能と座る。

第２図（Ｃ）は前記作用を説明するもので基板３の穴５
の位置く関係なく、成膜粒子９を大側壁部へ均一に移動
させることが出き、均一の被膜が得られる。但しこの場
合図示の如く穴５の入口部には穴径を縮める方向に出張
るオーバリング８が形成される。以上の如き成膜特性を
有するスパッタ電極を用いると共に、更に基板５側に高
周波電源１５をマツチングボックス１４を介し連結し、
高周波電力を印加することにより基板３に負のセルフバ
イアス電圧を誘起させ、この誘起電圧によってイオン１
０（第２図（ｂ））を基板へ引き込ませる。基板５が導
体の場合には直流電源によって負の電圧を印加してもよ
い。この様にしてバイアススパッタ成膜を行なうと、第
２凶（ａ）に示す如く微細穴の入口部にバイアスを印加
しないときに形成される様なオーバーハング８を形成す
ることなく膜が形成でき、また穴５の入口部に従来に比
べ等１的に成膜粒子が入射するので、基板面内における
穴の位置によらず、大側壁部へ均一に成膜粒子９を移動
させることができる。第４幽と比較すると分かる様に本
実施例によれば、穴部の内、外向側壁面７でほぼ同様の
裏張膜特性を有し、かつ穴部の膜被覆率の均一化と向上
かは・かられる。この特性は段差部についてもあてはま
る。成膜粒子９の移動を助長する為、基板３を加熱する
ことはｇ黴ａ率向上に有効である。

また、逆にバイアススパッタ時に基板３へのイオン入射
によって基板３が高温になシ、基板表面で極端な結晶成
長が起こることが知られておシ、この場合には、基板５
を冷却することが必要となる。すなわち、実際の成膜に
おいては、基板温度や成膜時の残留ガス分圧等のプロセ
ス条件を適当に設定する必要があるのは衆知のところで
ある。

本実施例ではターゲットとして外側のターゲット２４と
内側ターゲット２５の２９類のターゲットを採用し、タ
ーゲット２４を基＆５より犬径に１　ターゲット２５を
小径にそれぞれ形成したが、ターゲットの数は勿論２種
類に限定するものでない。更に多くのターゲットを適宜
位置に、傾斜角をそれぞれ相異せしめて配設することＫ
より均一の被膜形成が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれは、凹凸のある基板の段差部や穴部に成膜
粒子を従来のブレーナマグネトロン型に比べ、より等号
的に入射させることができるので、段差部や穴部内壁に
均一に膜を形成でき、かつ膜被覆率を向上させる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例のスパッタ装置の縦断面図、
第２図（ａ）ｔ　（ｂ）は本発明によるバイアススパッ
タ装置による穴部の成膜状態を示す一部断面。図、第３図は従来のプレーナマグネトロン型電極と基板
との位置関係を示す説明用図、第４図は第３凶のＡ部拡
大図である０１・・・ターゲット、２・・・プラズマリング、３・・
・基板、４・・・膜、５・・・穴、６・・・内向側壁面
、７・・・外向側壁面、８・・・オーバハング、９・・
・成膜粒子、１０・・・イオン、１１・・・基板ホルダ
、１４・・・マツチングボックス、１５・・・高周波電
源、１６・・・真空容器、１７・・・センタヨーク、１
８・・・外側コイル、１９・・・内側コイル、２０・・
・中間ヨーク、２１・・・外周ヨーク、２２・・・内板
ヨーク、２５・・・環状ヨーク、２４・・・外側ターゲ
ット、２５・・・内側ターゲット、２６・・・外側パッ
チングプレート、２７・・・内側パッチングプレート、
２Ｂ、　２９．５０・・・碍子、５１゜３２・・・直流
電源、３４．３５・・・磁界、３６・・・大プラズマリ
ング、３７・・・小プラズマリング０第　１図／ｑ・　ｊ１イリ゛１コイル？４・・ダトイ」１ターゲツト２５・・１召イ＠＋１ターヂシト？と２月３０−゛ジ１等　１− Ｊｌ、３；’−直テ友を諌第３図第４図７°グｌ（１剣ぜ部寸　　　　η

Claims

【特許請求の範囲】１、基板と対向する位置に中心軸を一致させてスパッタ
電極を配置し、スパッタリングにより前記基板を被膜す
るバイアススパッタ装置において、前記スパッタ電極に
、前記中心軸を回転軸としこれと傾斜する傾斜面を有す
る複数個のすり鉢状のターゲットを形成し、該ターゲッ
トの内の少くとも２つを前記基板より大径および小径の
ものから形成すると共に、前記ターゲットの傾斜角度を
それぞれ相異せしめて形成することを特徴とするバイア
ススパッタ装置。２、基板と対向する位置に中心軸を一致させてスパッタ
電極を配置し、スパッタリングにより前記基板を被膜す
るバイアススパッタ装置において、前記スパッタ電極に
、前記中心軸を回転軸としこれと傾斜する傾斜面を有す
る複数個のすり鉢状のターゲットを形成し、該ターゲッ
トの内の少くとも２つを前記基板より大径および小径の
ものから形成し、前記ターゲットの傾斜角度をそれぞれ
相異せしめて形成すると共に、前記基板に負の直流電圧
を印加する電源を連結することを特徴とするバイアスパ
ッタ装置。