JPH01270321A - スパッタリング装置 - Google Patents

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、半導体装置等の製造において、基板上に膜付
けを行うときに用いる枚葉処理型のスパッタリング装置
に関する。

（従来の技術と本発明が解決しようとする問題点）従来
この種の装置は、第６図に示されるように、スパッタリ
ングカソード３に取り付けられた１個のスパッタリング
ターゲット１と、被膜されるべき１枚の基板２とを、そ
れぞれの表面が平行になるように対向させ、かつ、ター
ゲット１の中心軸４と基板２の中心軸５が一致するよう
に配置し、膜付は処理中は基板２を静止させるような構
成がとられている。特に半導体用薄膜製造のためのスパ
ッタリング装置では生産性を上げるとともに、良質な薄
膜を再現性良く生産するために、カセット・トウ・カセ
ット方式の枚葉処理型スパッタリング装置が発達し、第
１図の配置でシリコン基板上に一枚づつ薄膜を形成する
ことが行われている。

この種の枚葉処理型スパッタリング装置の大きな長所は
２つある。

１つは、基板１枚づづの膜付は処理であるために成膜速
度が大きくとれ、不純物ガスの影響を低く抑えることが
できる点であり、良質な薄膜を生産することが可能であ
る。他の長所は、基板１枚毎に同じ仕方で膜付けが行わ
れるため、基板毎の処理の管理が可能でよく行き届き、
形成される薄膜の基板内のプロフィルがすべての基板で
同一になる点である。

しかし、半導体技術の急速な進歩は、この装置で作製さ
れる薄膜でもなお満足せず、より高品質な薄膜が要求さ
れるようになっている。現在この種のスパッタリング装
置が直面している最大の問題は、基板内の膜質の均一性
向上である。特に膜厚分布及びステップカバレッジ（段
差被覆度）の均一性向上が重要な課題となっている。

例えば、現在この種の装置では、基板内膜厚分布は±δ
％程度のものが得られているが、将来はこの値が±１％
程度になることが要求される見通しにある。

また、第７図に示すように、基板２の上に高さ２２、立
上がり角度ψを持った段差２１があり、この段差部多こ
スパッタリング法で薄膜２０を被膜段差部での膜厚が薄
くなる現象を生ずる。この場合の平坦部での膜厚２３に
対する段差部２１の最も薄い部分の膜厚２４の割合をス
テップカバレッジと呼んでいる。半導体薄膜ではステッ
プカバレッジが大きいこと、すなわち段差部での最小膜
厚２４が平坦部での膜厚２３に比べて極端に薄くならな
いことが重要である。現在の半導体技術では、段差の高
さ２２が０．５〜１μｍ程度、立上がり角度ψは７０＃
〜８０°程度に作られているが、半導体素子の微細化が
進むに従い、立上がり角度ψは８０°〜９０°と、より
急角度になり、ステップカバレッジが低下する傾向にあ
る。ステップカバレッジが低下する場合には、段差部２
１に施された配線の信頼性が低下する。すなわち、段差
部２１で膜厚２４等が薄くなるため、この部分の電流密
度が増加し、その結果、配線寿命が短くなるのである。

従って、段差部２１への被膜環すなわちステップカバレ
ッジをできる限り大きくすることがこれらの半導体製造
技術では重要なテーマとなってくる。

さらに、段差部の被覆では、現在の装置は第８図に示さ
れるような問題もかかえている。すなわち基板２０表面
上に形成された段のうち、基板中央部に形成された段３
１と基板の外周近くに形成された段３２のステップカバ
レッジが互いに異なるという問題である。基板中央部に
形成された段３１の左右の段差３３．３４に対するステ
ップカバレッジは殆どその差を生じない。ところが、基
板外周近くに形成された段３２の左右の段差３５．３６
に対しては、基板中心方向の段差３５のステップカバレ
ッジと基板外周方向の段差３６のステップカバレッジと
では大差が生じ、基板外周方向の段差３６のステップカ
バレッジが低下する。この理由は、基板の中心方向から
飛来するスパッタ原子３７の量に比べて基板外周方向か
ら飛来するスパッタ原子３８の量が少なくなるためであ
る。

このスパッタ原子の飛来量の差は、第４図におけるター
ゲット１と基板２の位置関係を見れば明白である。

更に付言すると、半導体技術の急速な進歩は基板の径を
も急速に大きくしている。その結果、大きい基板上に均
一な膜を形成するためには大径の基板に見合うだけの大
径のカソード、大径のターゲットを必要とし、必然的に
装置の大型化を招く。

従って、如何にすれば小形の装置で大径のウェハ上に均
一な膜、均一なステップカバレッジを形成するかは、大
きい技術課題となフている。

このような課題を解決する技術的手段として、次に掲げ
る発明が既に知られている。これらはいづれも基板をタ
ーゲツト面とある角度を持たせて回転させるようにした
ものである。

■特開昭６１−１９７７４号 「スパッタリング装置」 ■特開昭６２−１１６７６４号 「工作物表面へのフィルム析出方法と装置Ｊこれらの従
来の発明は、基板面とターゲツト面とがなす角度を一定
（例えば３０度）に固定していた。これにより、従来の
課題である基板面内の膜厚の均一性、ステップカバレッ
ジの向上はある程度達成された。しかし、半導体デバイ
スの微細化がより一層進むと、これらの方法だけでは不
十分になってきた。

例えば、はぼ垂直な段差をもつ幅２〜３μｍ、高さ１μ
ｍのライン／スペースに対してのステップカバレッジは
基板とターゲットが平行で静止対向する状態で成膜を行
うと２０〜３０％のステップカバレッジであるのに対し
、基板面とターゲツト面とがなす角度を３０度に固定し
、基板を１０〜２　Ｏｒ、ｐ、ｍ、程度で回転すること
により、４０〜５０％に改善することができた。しかし
、この方法も怪力ｔ１μｍ、高さが１μｍ程度のコンタ
クトホールに対しては充分なステップカバレッジを与え
ることができなくなっている。

更に第７図は、はぼ垂直な段差を持つ微細なコンタクト
ホール４０に対し、基板をターゲットに対して一定の角
度（約３０°）で傾けて回転しながら膜付けを行った時
のカバレッジを示したものである。この場合、２つの問
題点を指摘することができる。

ングを持つことである。このようなオーバーハングは後
工程での障害となる。

■コンタクトホールの底への付着膜４２の厚みが極端に
少ない。

これら２つの問題点は基板を傾け、斜め入射粒子の量４
３を増したことに起因する。

（本発明の目的） 本発明の目的は、現在の枚葉処理型スパッタリング装置
が直面している前述の問題点を解決し、小型の装置で大
径の基板上に均一な膜厚、均一なステップカバレッジの
膜を形成できるスパッタリング装置を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために次のように構成さ
れている。すなわち１．１個のスパッタリングターゲッ
トと、該スパッタリングターゲットから飛来するスパッ
タリング原子によって被膜されるべき１枚の基板とが対
向配置され、該基板はその表面と直交する回転軸の回り
に所定の速度で回転せしめ、該スパッタリングターゲッ
トの中心からその表面に立てた垂線は、該回転運動をす
る基板表面と交叉せしめ、該基板と該スパッタリングタ
ーゲットとを非平行に対向配置したスパッタリング装置
において、前記基板へ膜付けを行っている間に、前記垂
線と該基板表面のなす角度を断続的又は連続的に変化さ
せるようにしたことを特徴としている。

（作用） 上記のように、基板へ膜付けを行っている間に、前記垂
線と該基板表面のなす角度を断続的又は連続的に変化さ
せるようにすることによって、ターゲツト材の種類また
はターゲツト材の消耗に伴って異なるスパッタリング粒
子の角度放出分布を補正することができる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例であり、基板２は、スパッタリ
ングカソード３に取り付けられたスパッタリングターゲ
ット１と対向配置されているが、従来の装置と違って、
基板２０表面とスパッタリングターゲット１の表面は平
行ではない。又、基板２は、その中心５１を通り、基板
表面に垂直な回転軸５０の周りに一定速度で回転してい
る。この基板２の中心５１は、スパッタリングターゲッ
ト１の中心軸４の延長線上に置かれ、基板の回転軸５０
はスパッタリングターゲットの中心軸４に対して角度θ
だけ傾いている。この角度θは、基板２内の膜厚分布及
びステップカバレッジが最良になるよう、スパッタリン
グ中に矢印５８で示す方向へ適宜自由に変えることがで
きるようにしている。

この構成によれば、基板中央部に入射するスパッタリン
グ原子５２の量及び角度と、基板外周部に入射するスパ
ッタリング原子５３の平均入射角度および平均入射量を
ほぼ等しくすることができ、前述したステップカバレッ
ジ分布の問題を解決することができる。基板２は回転軸
５０の周囲を一定速度で回転しているため、基板上半径
方向の膜厚分布は、従来よりもはるかに均一にすること
ができる。また、基板２の加熱及び基板２へのバイアス
電力の印加を基板２０回転と同時に行うようにしている
。

ところで、ステップカバレッジに対する最適なスパッタ
リング原子の入射角度については、Ｉ・Ａ−Ｂ　１　ｅ
　ｃ　ｈ　（ｓｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ／日本版／Ｍａｒｃｈ　１９８４）に詳細な報告
があり、そのデータを参考にしてその最適値を決定する
ことができる。Ｉ−Ａ−ＢｌｅＣｈによれば最適なステ
ップカバレッジを得るためには、スパッタリング原子の
入射角度の分布を表す気相分布関数を求め、その中心角
（気相分布関数のピークとなる入射角度−最も多くの原
子が入射してくる角度）及び半値角（気相分布関数の広
がりを示す角度）を適値に設定すべきである。

それらの値は、段差の形状によっても異なるが、中心角
は３０″〜６０″、半値角は４０°〜６０・°程度が良
いとしている。この値を本発明にあてはめると、中心角
は回転軸５０と中心軸４のなす角θに相当し、半（直角
は、スパッタリングターゲット１の大きさ、スパッタリ
ングターゲット１と基板２との距離、そしてスパッタリ
ングガスの圧力によって変化する量となる。すなわち、
回転軸５０と中心軸４のなす角度θは３０°〜６０°の
間の任意の値に設定すれば良く、一方、半値角は、スパ
ッタリングターゲット１の大きさ、スパッタリングター
ゲット１と基板２との距離、そしてスパッタリングガス
の圧力等によ）て適値を選定することになる。

次に本実施例にかかるスパッタリング装置による膜付は
プロセスについて説明する。

第４図に示すように、先ず、基板に対して垂直な成分４
４を持つ粒子がより多く入射する様に基板の傾斜角度θ
を固定し、膜２０１を形成する。

この結果、コンタクトホールの底への堆積量４３は第９
図に比べて増加する。更に段差側面へ堆積する膜４１は
オーバーハングを生じない。しかし、これだけでは段差
側面に付着する膜４１の量が少なく、断線などの問題を
引き起こす。

そこで、次に第５図に示すように、基板に対して斜めの
成分４３を持つ粒子が主体となるよう、基板の中心５１
を支点とし、基板２を矢印５８方向に連続的又は断続的
に動かすことにより基板２の傾斜角度θを変化させなが
ら膜２０２を形成する。この結果、今度は段差側面へ、
より膜が堆積することになる。

このように膜形成中に連続的又は断続的に基板の傾斜角
度θを変えて、−層目の膜２０１と二層目の膜２０２を
連続形成することにより、第９図に示した膜２０の欠点
を補うことができる。

当該傾斜角度θの調整に関しては、上記の組合わせだけ
でなく、ターゲツト材の種類又は消耗に伴って異なるス
パッタリング粒子の角度放出分布に対応させるなど、目
的に応じて色々変化させることができる。

また、基板内膜厚分布対しても、スパッタリングターゲ
ット１の大きさ、スパッタリングターゲラ）１と基板２
との距離等によって膜厚分布が最良となるような角度θ
を設定する。但し、この場合の角度θは、先に述べた３
０＠〜６０″とは必ずしも一致しないが、両者の間には
障害を生ずるほどの相違は見られない。

基板の回転に関して言えば、基板内の径方向に対する膜
質の均一化を図るためには、膜付は処理の開始から終了
までに、数回転〜数十回転することが望ましく、例えば
膜付は時間が１分間径度であれば、回転速度は毎分数回
転から数十回転の速度を採用すべきである。

第２図は本発明の第２実施例であり、第１実施例と同様
に、基板２はその中心５１を通り基板表面に垂直な回転
軸５０を軸にして一定速度で回転し、回転軸５０はスパ
ッタリングターゲット１の中心軸４とは角度θだけ傾い
ている。さらに、膜付は中に基板の傾斜角度θを変化さ
せるようにしている。

この実施例が先の第１実施例と異なる点は、中心軸４の
延長線が基板２の中心５１を外れて点５５を通過するこ
とである。この構成により、基板内の膜厚分布及びステ
ップカバレッジ分布の均一化をより精度のよいものにす
ることができる。

第３図は、本発明の第３実施例であり、先の二つの実施
例と同様に基板２はその中心５１を通り、基板表面に垂
直な回転軸５０を軸にして一定速度で回転し、回転軸５
０はスパッタリングターゲット１の中心軸４とは角度θ
だけ傾いており、さらに、膜付は中に基板の傾斜角度θ
を変化させるようにしている。第３図の実施例が第１図
の実施例と異なる点は、先ず、第゛２図のときと同様に
、中心軸４の延長線が基板２の中心５１と外周５４を結
ぶ直線の中央付近５６を通過することである。

そしてこれに加えて、本実施例の場合は、スパッタリン
グターゲット１の径が約半分の大きさよりも若干大きい
程度の小径になり装置を小型化している。この構成の装
置による処理では、基板２上には、スパッタリングター
ゲット１に面した部分にのみ膜が形成されることになる
が、基板２は回転軸５１を中心に回転しているため、結
果的には基板面全面に均一な膜を付けることができる。

第４図に示した従来例あるいは第１図に示した本発明の
第１実施例では、均一な膜質を得るためにスパッタリン
グターゲット１の径は基板２の径の約２倍径度の大きさ
であることが必要である。

これに対して第３図の実施例の構成では、ステップカバ
レッジの分布に関しては、第１実施例で述べたと同程度
の性能を維持したまま、スパッタリングターゲット１の
形状を小さくすることができる。

更にこの図の実施例においては、上記のほかに、スパッ
タリングターゲット１と基板２の間にスパッタ原子を遮
蔽する遮蔽板５７を設けている。この付設によっては、
これが無い場合に較べて、膜厚分布、ステップカバレッ
ジ分布を（１正補償することができ、均一化を一層高め
る効果が生まれる。

この遮蔽板５７の付設は、第１図、第２図の実施例の場
合にも効果を生じる。しかし最も効果が大きいのは第３
図の実施例の場合である。

（発明の効果） 本発明の請求項によれば、基板内の膜厚分布、ステップ
カバレッジ分布の均一化が図れるとともに、基板が大き
くなった場合にでも、ターゲットを大きくすることなく
、小形の装置で良質のスパッタリング膜を得ることがで
きる

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の枚葉処理型スパッタリ
ング装置のスパッタリングターゲットと基板の位置関係
を表した断面図、第２図は、第２実施例の同様の図、第
３図は、第３実施例の同様な図、第４及び５図は、上記
実施例によるコンタクトホールへの付着膜のステップカ
バレッジを説明する断面図、第６図は、従来の装置の同
種の図、第７及び８図は基板上に形成されている段差に
対する薄膜のステップカバレッジの分布を示す断面図、
第９図は、従来装置によるコンタクトホールへの付着膜
のステップカバレッジを説明する断面図。 １・・・スパッタリングターゲット、２・・・基板、４
・・・スパッタリングターゲットの中心線、５０・・・
基板の回転軸、５１・・・基板の中心、５８・・・基板
の傾斜が変わる方向、θ・・・基板の傾斜角。 特許出願人　日電アネルバ株式会社 代理人　　　弁理士　村上　健次

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　１個のスパッタリングターゲットと、該スパッタリン
   グターゲットから飛来するスパッタリング原子によって
   被膜されるべき１枚の基板とが対向配置され、該基板は
   その表面と直交する回転軸の回りに所定の速度で回転せ
   しめ、該スパッタリングターゲットの中心からその表面
   に立てた垂線は、該回転運動をする基板表面と交叉せし
   め、該基板と該スパッタリングターゲットとを非平行に
   対向配置したスパッタリング装置において、前記基板へ
   膜付けを行っている間に、前記垂線と該基板表面のなす
   角度を断続的又は連続的に変化させるようにしたことを
   特徴とするスパッタリング装置。