JPH0151542B2 - - Google Patents

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JPH0151542B2
JPH0151542B2 JP59008939A JP893984A JPH0151542B2 JP H0151542 B2 JPH0151542 B2 JP H0151542B2 JP 59008939 A JP59008939 A JP 59008939A JP 893984 A JP893984 A JP 893984A JP H0151542 B2 JPH0151542 B2 JP H0151542B2
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target
wafer
magnet assembly
thin film
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Yoichi Hirukawa
Toshuki Nozaki
Naokichi Hosokawa
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Canon Anelva Corp
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は真空中で薄膜を作製するためのスパツ
タリング電極の構造に関するものである。更に具
体的には本発明は半導体IC製造に用いられるシ
リコン・ウエハ等のように表面に極めて微細な凹
凸を備えた平板状基体の表面に均一で被覆性のす
ぐれた薄膜を形成するための改良されたスパツタ
電極の構造を提供するものである。
半導体ICの製造においては電極形成と電極間
の配線のためにシリコン・ウエハなどの基板上に
金属薄膜を形成したり、電極及び配線間の絶縁隔
離のために絶縁体薄膜を形成する工程がある。こ
れらの工程は当分野ではメタライゼイシヨン、層
間絶縁、およびパシベーシヨンなどと呼ばれてお
り真空蒸着、スパツタリング、CVD、塗布等各
種薄膜作製技術が利用されている。この中でスパ
ツタリングは自動化が容易なこと、膜組成制御性
がすぐれていること、緻密な膜を得易い等の理由
で近年多く使われるようになつている。ICのメ
タライゼーシヨン等の薄膜形成過程ではウエハ上
に全面にわたつて巨視的な意味で均一な厚みの膜
形成が必要なことは当然である。ところが巨視的
には平板状にみえるウエハの表面には高さ約1μ
ｍ程度の微小な凹凸が全面にわたつて生じており
この凹凸面に沿つて微視的にも均一な被覆が望ま
しい。後者の微視的な被覆性は後述するようにス
テツプカベレジという言葉で定量的に表示するこ
とができる。本発明はウエハ全面にわたる巨視的
な均一性とステツプカベレジのすぐれた微視的な
均一性の双方を充たすような被覆を行うためのス
パツタ電極を提供するものである。
第１図はスパツタ装置に組込まれた従来のスパ
ツタ電極と薄膜を被覆されるべきウエハの相対的
位置関係を示す。真空容器１０の壁面１１にカソ
ード組立３０がＯリングシール１２及び１４とそ
の中間にはさまれた絶縁体１３を介して図示され
ていない機構により取付けられかつ気密が保持さ
れている。カソード組立３０はボデイー３１とタ
ーゲツト３２及びターゲツトの裏側に設けられた
磁石組立４０とを含み、ボデイー３１とターゲツ
ト３２の裏面に包囲された空間に磁石組立４０が
配置させられると共にこの空間を冷却水が充た
す。Ｏリングシール３３はターゲツト３２とボデ
イー３１の間の気密を保持する。磁石組立４０は
中心部磁石４１、外周磁石４２、それらの磁石を
結合するヨーク４３から成り、ターゲツト３２の
表面近傍の空間にターゲツト中心部から出発して
外周部に達するような弧状磁力線４４をその中心
軸４５のまわりにほぼ回転対称となるように発生
せしめる。カソード組立３０の真空容器の内部側
にはターゲツト３２の周辺に沿つてアースシール
ド５０がカソード組立３０と一定の距離を隔てて
設けられ、ターゲツト３２の表面以外の面がイオ
ン衝撃を受けることを防止する。真空容器１０の
内部には更にターゲツト３２から一定の距離隔て
られた位置に基板ホルダー２０が設けられ、その
ターゲツトに対向する面にウエハ２１が図示され
ていない手段により保持される。プレーナーマグ
ネトロンカソードにおける放電とスパツタリング
の状況については既によく知られており、例えば
1978年出版（アカデミツク・プレス社）のJ.L.ボ
ツセンとW.ケルンの編集した単行本「薄膜プロ
セス」の中に詳しく述べられている（J.L.
Vossen and W.Kern ed.Thin Film Processes、
Academic press、1978）。ターゲツト３２の表
面と弧状磁力線４４の包囲する回転対称の半ドー
ナツ状空間に密度の高いプラズマが生じてここに
接するターゲツト表面が頻度の高いイオン衝撃を
受ける。その結果この半ドーナツ状空間に境界を
接するターゲツト面上の円環状領域からスパツタ
原子が放出されウエハ２１の表面に飛来し薄膜が
形成される。
第２図は第１図におけるターゲツト３２を長時
間スパツタリングした後の断面形状を示す。イオ
ン衝撃頻度の高い円環状領域は徐々に浸蝕されて
環状の溝３２１が形成される。
第３図は第１図におけるウエハ２１の上の径方
向の巨視的な膜厚分布を示す。ウエハの全面の平
均膜厚を100％としたときに、ウエハ２１とター
ゲツト３２の間隔を適切に選ぶならば曲線ａで示
すように±５％以内の均一性の厚み分布を得るこ
とができる。
第４図は第１図の装置によつて薄膜が表面に形
成されたウエハの局部的に拡大された断面を示
す。ウエハ２１の表面の突起２１１の高さは約１
ミクロン程度でありウエハの直径は一般に100ミ
リメートル乃至200ミリメートルである。ウエハ
表面に付着した薄膜２１２の厚みは突起から充分
離れた距離ではT0であり、突起に極めて近い場
合では極小値t1及びt2となる。矢印２００はウエ
ハの中心を向くものとする。
当然のことであるが突起が皆無のウエハでは微
視的な厚みはすべてT0である。突起の近傍にお
ける薄膜の被覆の程度を示す値としてt1／T0、
t2／T0がステツプカベレジとして定義される。集
積回路を製造する工程の技術上の理由によつて現
在ウエハ上のこのような微視的な突起あるいは陥
没は除くことができない。図示の如く一般にt1／
T0、t2／T0は共に１より小さい値をとる。例え
ば薄膜２１２が金属であり配線の役目を果すとす
れば図示のような場合突起の近傍で配線の断面積
が小さくなり集積回路の特性上好ましくない現象
を引き起こし易い。このほかの理由によつてもス
テツプカベレジはできる限り１に近い値をとるこ
とが望ましい。
第５図は第１図におけるウエハ２１の径方向の
ステツプカベレジの分布を示すグラフである。曲
線ｂはウエハの中心に対して突起の内側近傍のス
テツプカベレジt1／T0を示す。曲線ｃはウエハの
中心に対して突起の外側のステツプカベレジt2／
T0を示す。ウエハの外周で外側のステツプカベ
レジが低い値となることに注意されたい。
以上の説明の如く従来技術においてはウエハと
ターゲツトの間隔を適切に選定することにより巨
視的な膜厚分布の均一性は達成できたが微視的な
膜厚分布であるステツプカベレジが殊にウエハ周
辺部で低い値となつていた。
これら欠点を改良するために従来いくつかのス
パツタ電極の構造が提唱されている。例えば特公
昭58−10989（特願昭53−69024）は逆円錐形の内
面をもつターゲツトを用いているがこの方式が巨
視的膜厚分布の点で大きな欠点をもつことは同じ
出願人の特開昭58−96873（特願昭57−202255）に
より分布改良のためのブロツキングシールドが設
けられていることから容易に推察できる。ところ
でこのブロツキングシールドはスパツタ原子の大
半をその上に付着してしまうので非常に効率が悪
いことは該分野の技術者にとつては明らかであ
る。他方または特開昭58−3975（特願昭56−
99659）、特開昭58−3976（特願昭56−99660）、特
開昭58−71372（特願昭56−168671）、特開昭58−
71372（特願昭56−168671）はいずれもターゲツト
の均一消費とウエハ基板上における巨視的な膜厚
分布の均一化を目的として一枚の平板状ターゲツ
トに複数の磁石組立を設ける構造を提唱してい
る。しかしこれらの構造では微視的な膜厚分布の
改良は達成できない。
本発明では巨視的な膜厚分布を均一に保ちなが
らウエハ全面にわたり大きな値のステツプカベレ
ジを与えるようなスパツタ電極の構造を与える。
このために本発明では後述の如くスパツタ電極を
央部の平面状表面部とその外周部に位置する逆錐
面状表面部を有するターゲツトで構成した。平面
状表面部は主として内側ステツプカベレジの向上
に寄与し、逆錐面状ターゲツトは主として外側ス
テツプカベレジの向上に寄与することを目的とし
ている。以下図面にて詳細に説明する。
第６図は本発明の実施例であり第１図と同じ真
空容器の壁を介してカソード組立３０が取付けら
れている。ボデイー３１には平面状表面Ａをもつ
円板状ターゲツトＡ１とそれをとり囲こみ内側に
傾斜したほぼ回転対称な表面Ｂをもつ円環状ター
ゲツトＢ１とが取付けられている。ターゲツトＡ
１＋ターゲツトＢ１で本装置のターゲツトは構成
される。ターゲツトＡ１の裏側には中心部磁石４
１、外周磁石４２、およびヨーク４３とから成る
中心部磁石組立４０が配置され、ターゲツトＡ１
の表面Ａの中心部から出発して外周部に達するよ
うな弧状磁力線４４をその中心軸４５のまわりに
ほぼ回転対称となるように発生せしめる。他方タ
ーゲツトＢ１の外周には円環状磁石４１′、上部
外周ヨーク４２′、低部外周ヨーク４３′から成る
外周部磁石組立４０′が配置され、ターゲツトＢ
１の表面Ｂの外周部から内周部に達するような弧
状磁力線４４′をその中心軸４５のまわりにほぼ
回転対称となるように発生せしめる。この結果弧
状磁力線４４と平面状平面Ａに面するほぼ回転対
称な空間と、弧状磁力線４４′と環状平面Ｂの包
囲するほぼ回転対称な空間のそれぞれにプラズマ
が発生しイオンがそれぞれの境界を形成するター
ゲツト面を衝撃する。それ故表面Ａからは複数の
矢印３２２で代表して示される方向にスパツタ原
子が飛び出し、一方表面Ｂからは複数の矢印３２
３で代表して示される方向にスパツタ原子が飛び
出し、それぞれのターゲツトから飛出したスパツ
タ原子はここに図示されていない基板ホルダー上
のウエハの表面に同時に到達する。表面Ａから矢
印３２２の方向に飛出すスパツタ原子はウエハの
表面に垂直に入射する速度成分とウエハの中心か
ら外周へ向う速度成分を持ち、従つてウエハの中
心側の突起段差部（第４図のt1部分）の均一な被
覆に寄与する。表面Ｂから矢印３２３の方向に飛
出すスパツタ原子は主としてウエハの外周から中
心に向う速度成分を持ちウエハの外側をむいた突
起段差部（第４図のt2部分）の均一な被覆に寄与
する。ターゲツトＢ１のステツプカベレジへの寄
与の量はターゲツトＢ１のターゲツトＡ１に対す
るスパツタ原子の放出量の比、及びターゲツトＢ
１の傾斜した面Ｂと表面Ａの平面のなす角度αに
よつて制御することができる。それらは表面Ａ及
び表面Ｂの幾何学的配置とそれぞれの表面近傍の
空間に形成される磁界の強さを適切に選らぶこと
によりウエハ表面における巨視的な膜厚分布の均
一性とステツプカベレジの高さを共に満足できる
ものにすることができる。
第７図は本発明の別の実施例である。第６図の
場合とターゲツトＡ１及びターゲツトＢ１の相対
的配置が異る。第６図の場合はウエハ側から眺め
たカソード組立はターゲツトＡ１とターゲツトＢ
１の間の間隙に僅かではあるがカソードボデイー
の一部４９が見えるのでその領域がイオン衝撃を
受け膜中に不純物の混入をもたらす危険性があ
る。第７図の場合にはシールドに包囲された領域
内ではターゲツトＡ１及びＢ１の表面だけがイオ
ン衝撃を受けるのでより安全である。
第８図は本発明の別の実施例である。第７図の
場合とは、カソード組立が絶縁スペーサー１３′
を介して内側カソード組立３０と外側カソード組
立３０′に分割されている点が異る。２個のカソ
ード組立にはスパツタ電極６０からそれぞれ電流
計６１及び６２を経て電力が供給される。表面Ａ
を叩くイオンに起因する電流IA及び表面Ｂを叩く
イオンに起因する電流IBは各独立に測定され自動
的に回路６３でその比を計算することができる。
外側磁石４１′の励磁電流は例えばターゲツト電
流の比IA／IBがそれぞれ所定値をとるように自動
的に回路６３の信号により電磁石４１′の励磁電
源７０が制御される。
ターゲツトＡ１及びＢ１の幾何学的形状と磁石
組立４０の発生する磁界の強さをあらかじめ適切
にしておくときは上記の方式によつてある程度の
スパツタリング圧力の変動とターゲツトの消耗状
態の範囲内で巨視的な膜厚分布とステツプカベレ
ジとの両者を共に適値に保つことが自動的に行わ
れる。
次に、本発明に係る従来型電極とで効果上顕著
な差異があることについて実測値をもつて説明す
る。
上記ターゲツトB1の傾斜した面と表面Ａの平
面のなす傾斜角αを30度とし、ターゲツトB1の
外形250mm、ターゲツトA1のエロージヨン直径
100mm、ターゲツトB1のエロージヨン直径230mm、
ターゲツトA1とウエハ２１との距離80mm、そし
て、ターゲツト電流比IA／IB＝３／７とした。
スパツタリング条件は、アルゴン圧力８ｍ
Torr（1.1Pa）、予備加熱400℃（２分間）、スパツ
タ時基板温度200℃とした。
ウエハは、平坦なSiウエハ及び段差パターン付
きSiウエハを用いた。段差はほぼ垂直で、高さ
1μ、線幅2.5μ、線間幅10μのパターンを用いた。
そして、スパツタ成膜後のステツプカバレツジ
は、膜断面のSEM観察により求めた。
上記のような実施条件で実験を行つた結果、ウ
エハ半径100mm内では、±4.5％の膜厚分布が得ら
れた。そして、第１０図に示すように、ウエハ半
径100mm内の突起内側ステツプカバレツジb′及び
ウエハ半径75mm内の突起外側ステツプカバレツジ
c′については、ほぼ均一で40％前後を得た。
これに対し、ターゲツト外形を254mmとした従
来型電極を用いて上記実施例と同様なスパツタ条
件で測定した結果、突起外側ステツプカバレツジ
ｂは、半径40mm以上の領域で低下した。
このことから、本発明によれば、突起外側ステ
ツプカバレツジの均一性が従来型に比べ、著しく
改善されていることが明かになつた。これは、傾
斜したスパツタ面をもつ円環状ターゲツトB1か
らのスパツタ原子が、基板外周から中心に向かう
速度成分をもつて、ウエハ２１上の段差パターン
に入射するためと考えられる。
以上で本発明の具体的実施例を示したが、この
カソード組立の構成法には別の方式がある。即ち
第６図では磁力線４４を表面Ａの中心部から周辺
部に向うものとして示したが、この向きは反対で
あつてもよく、この変更は磁石４１及び磁石４２
の極性を反対にすることで達成される。また図に
はターゲツト３２、ターゲツトＡ１の直接裏面に
冷却水が接する方式を示したが、ターゲツトを間
接的に冷却する方式もよく知られている。
第８図では、電気的に絶縁された表面Ａと表面
Ｂとに１台のスパツタ電源６０から電力を供給し
各表面に流入する電流の比を所定の値とするため
に、磁石組立を調整する例を示したが両表面Ａ，
Ｂに個別のスパツタ電源を接続し、各表面の電位
を調整しても同じ効果が得られる。
勿論電位の調整と磁石組立の調整は併用でき
る。また第６図乃至第８図の本発明の実施例では
ターゲツトＡ１及びターゲツトＢ１を設けターゲ
ツトを独立した２個の切り離された構成で示した
が、これは組立の便宜又は電流の個別検知の要請
からなされたものである。
第９図には単純に一体化された場合のターゲツ
トを示す。ウエハ基板に対向する面は円形状の平
面Ａとその外周に接する内側に傾斜したほぼ回転
対称な表面Ｂとで構成されている。ターゲツトと
して２個の個体を用いる場合にくらべて第９図の
ように単体で形成する方が取扱いは容易になる。
更にまた、上述の実施例では電磁石を表面Ｂの
内側に用いているが、これは表面Ａの内側であつ
てもよく、または、それら内部の磁石の一部に用
いるものであつてもよい。勿論磁石組立をすべて
永久磁石で構成してもよい。更にまた、上述の自
動調整は永久磁石の移動又は磁気回路の磁気抵抗
の変更を機械的手段で行なうものであつてもよ
い。
本発明のスパツタリング電極によれば、巨視的
な膜厚分布を均一に保ちながらウエハ前面にわた
り大きな値のステツプカバレツジを得ることがで
き、良質の半導体装置を歩面りよく製作する上で
威力を発揮するものである。
工業上極めて有為の発明ということができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のスパツタ電極とウエハの相対的
位置関係を示す図。第２図は第１図のターゲツト
の長時間スパツタリング継続後の断面図。第３図
は第１図におけるウエハ上の巨視的な膜厚分布を
示すグラフ。第４図は第１図におけるウエハの局
部的に拡大された断面図、第５図は第１図におけ
るウエハ上のステツプカベレジの分布を示すグラ
フ、第６図は本発明の実施例、第７図は本発明の
別の実施例、第８図も本発明の別の実施例、第９
図は本発明における一体化されたターゲツトの断
面図、第１０図は本発明と従来例とのウエハ上の
ステツプカバレツジの分布を示したグラフであ
る。 図において１０……真空容器、１１……容器
壁、２０……基板ホルダー、３０，３０′……カ
ソード組立、４０，４０′……磁石組立、５０…
…シールド、６０……スパツタ電源、７０……励
磁電源、３２……ターゲツト、Ａ……ターゲツト
の平面状表面、Ｂ……ターゲツトの内側に傾斜し
た環状面。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 央部を構成する平面状表面Ａ及び該表面Ａの
    周囲を包囲し内側に向つて傾斜する環状表面Ｂの
    両表面をもつターゲツトと、該表面Ａの中心部と
    周辺部を結ぶ弧状の磁力線及び該表面Ｂの外周部
    と内周部を結ぶ弧状の磁力線を発生する磁石組立
    を具えたことを特徴とする薄膜作製用のスパツタ
    リング電極。 ２ 該磁石組立の少くとも一部が電磁石で構成さ
    れている第１項記載のスパツタリング電極。 ３ 央部を構成する平面状表面Ａ及び該表面Ａの
    周囲を包囲し内側に向つて傾斜する環状表面Ｂの
    両表面をもつターゲツトと、該表面Ａの中心部と
    周辺部を結ぶ弧状の磁力線及び該表面Ｂの外周部
    と内周部を結ぶ弧状の磁力線を発生する磁石組立
    と、該表面Ａに流入する電流と該表面Ｂに流入す
    る電流を検知してそれら電流がそれぞれ所定の値
    をとるように、該表面Ａ，Ｂの電位の少くとも一
    方及び該磁石組立の少くとも一方を自動的に調整
    する手段、を具えたことを特徴とする薄膜作製用
    のスパツタリング電極。 ４ 該磁石組立の少くとも一部が電磁石で構成さ
    れており、該自動的に調整する手段が該電磁石の
    励磁電流を調整するものであることを特徴とする
    第３項記載のスパツタリング電極。
JP59008939A 1984-01-20 1984-01-20 スパツタリング電極 Granted JPS60152671A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59008939A JPS60152671A (ja) 1984-01-20 1984-01-20 スパツタリング電極
US06/692,837 US4604180A (en) 1984-01-20 1985-01-18 Target assembly capable of attaining a high step coverage ratio in a magnetron-type sputtering device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59008939A JPS60152671A (ja) 1984-01-20 1984-01-20 スパツタリング電極

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