JPH02143521A - スパッタリング方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタリング方法に関する。

（従来の技術） 一般に、スパッタ装置はイオン化するスパッタガスを導
入した気密容器内で、プラズマ中のイオンが負電圧の例
えばアルミニウム材等のターゲットに衝突してスパッタ
が行われ、陽極に設けられた半導体ウェハ等の試料の表
面に薄膜を形成するものである。ここで、半導体チップ
としてＤＲＡＭを例に挙げれば、ＩＭ−ＤＲＡＭの量産
が開始されつつあり、近い将来には４Ｍ−ＤＲＡＭの量
産に移行することが予定されている。このように、半導
体チップの高密度化に伴い、半導体ウェハの微細処理に
対する対応が迫られている。

このような状況下にあって、スパッタ装置にて例えば半
導体ウェハにアルミ配線を行う場合には、第４図に示す
ようにアルミを充填すべきホール１００の穴径がサブミ
クロンのオーダとなっている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のように半導体ウェハの微細処理化に伴い、各イン
チサイズの半導体ウェハに対するステップカバレッジを
確保しつつ、かつ、その範囲でのスパッタによって形成
される膜厚の均一性（ユニホームティ）を数％に確保す
ることが困難となっている。

このような膜厚の均一性を確保するための従来の対策と
しては、ターゲットの直径を大きくするか、あるいは直
径の異なる２種のターゲットを配置し、両者に対するデ
ポジョンパワーを変化させてスパッタする対策等が提供
されていた。

しかしながら、上記のように対策しても、スパッタ粒子
が一般に散乱して半導体ウェハ上に付着することになる
ので、第５図に示すように半導体ウェハの中心領域のホ
ール１００に充填されるスパッタ粒子は、左右からの散
乱成分により比較的平坦な膜を形成することになるが、
半導体ウェハの両端部側のホール１００に充填されるス
パッタ粒子は、一方向の散乱成分が多いためにホール１
００内にて左右非対象の膜厚となってしまう問題があっ
た。

そこで、本発明の目的とするところは、スパッタ粒子の
飛翔方向性を制御可能とすることで、膜厚の均一性を大
幅に向上することができるスパッタリング方法を提供す
ることにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、真空室内のスパッタガス雰囲気に配置したタ
ーゲット近傍にプラズマを誘起し、試料上に薄膜を形成
するスパッタリング方法において、 上記試料とターゲットとの間の圧力の低い領域に、圧力
補正用のスパッタガスを導入するものである。

（作　用） ターゲットより飛び出すスパッタ粒子は、散乱されて試
料上に到達することになるので、試料の中心領域程スパ
ッタ粒子が集中する傾向にある。

このように、スパッタ粒子がその中心領域に集中すると
、この集中されたスパッタ粒子によって試料、ターゲッ
ト間の中心領域のスパッタガスが飛ばされ、その領域の
スパッタガスが稀薄となって圧力が低下することになっ
てしまう。そうすると、試料、ターゲット間では、その
両端部側の領域の圧力が比較的高くなり、その中心領域
の圧力が低くなるため、その両端側の領域のスパッタ粒
子がさらに中心領域に集中する現象が助長され、試料上
に形成される膜厚の均一性を悪化していた。

そこで、本発明では、試料、ターゲット間の比較的圧力
が低くなる領域である中心領域に、圧力補正用のスパッ
タガスを導入するようにしている。

この結果、この圧力の低い領域（真空度が高い領域）に
スパッタガスを余分に導入することで、この部分の圧力
をその両端側の圧力とほぼ同等に設定することが可能と
なり、試料、ターゲット間の圧力勾配を除去することが
可能となる。このように、試料、ターゲット間の圧力勾
配を減少することにより、試料の中心領域にスパッタ粒
子が集中することを防止し、換言すればスパッタ粒子の
飛翔方向性を制御することにより、試料上に形成される
膜厚の均一性を向上することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明方法の一実施例について図面を参照して具
体的に説明する。

第１図は、スパッタ装置の一例としてプレートマグレト
ロン形スパッタ装置を示すもので、図示しない真空容器
内には、半導体ウェハｌとターゲット２とが対向して配
置されている。前記半導体ウェハ１は、ウェハ加熱機構
３を含む試料台４に支持されている。

前記ウェハ１の上方に配置される前記ターゲット２は、
保持部材５によって保持されている。このターゲット２
は、ウェハ１に形成すべき材料に応じてその母材が選択
され、例えばアルミニウム。

シリコン、タングステン、チタン、モリブデン。

クロム、コバルト、ニッケル等、あるいはこれらを素材
とする合金で形成され、場合によっては焼結金属等の熱
伝導性の悪い材料も用いられる。このターゲット２には
、負の直流電圧が印加され、カソード電極を構成するも
のである。

前記保持部材５のさらに上方には、この保持部材５を支
持し、かつ、後述するマグネット１ｏを回転自在に支持
するための基台６が設けられている。この基台６の中央
部には、中空筒状の円筒部６ａが形成され、その最下端
が前記保持部材５と接面している。そして、前記円筒部
６ａの周囲にはベアリング７が配置され、このベアリン
グ７によって回転円盤８が回転自在に支持されている。

そして、この回転円盤８の偏心した位置に前記マグネッ
ト１０が固着されている。一方、前記基台６の上面には
マグネット回転用モータ１１が固定され、このモータ１
１の出力軸には第１のギア１２が固着されている。また
、前記回転円盤８と同心にて第２のギア１３が固着され
、この第１゜第２のギア１２．１３が噛合するようにな
っている。この結果、前記マグネット回転用モータ１１
を駆動することで、この回転出力は第１のギア１２、第
２のギア１３を介して前記回転円盤８に伝達され、前記
マグネット１０を回転駆動することが可能なる。

前記保持部材５は、ターゲット２を冷却可能に保持する
ものであり、このために、保持部材５の内部には複数の
冷却ジャケット１５が配置されている。そして、この冷
却ジャケット１５内に冷却媒体例えば冷却水を循環させ
ることで、保持部材５を冷却し、この保持部材５とター
ゲット２との間の熱交換によってプラズマ発生時のター
ゲット２の昇温を抑制するようになっている。

尚、前記ターゲット２の周囲には、絶縁体１６を介して
アノード電極１７が設けられ、さらに、ウェハ１とター
ゲット２との間を必要に応じて遮ぎることか可能なよう
にシャッタ１８が設けられ、このシャッタ１８をシャッ
タ駆動機構１９によって駆動可能としている。

前記ターゲット２は、第３図に示すように、後述するガ
ス導入管２０用の穴２ａを有する段付きの円板状に形成
され、スパッタリング面を有する大径部２１と、この大
径部２１の裏面側中央にて突出形成された小径部２２と
から構成されている。

尚、上記大径部２１の周縁部２１ａ、の直径を！とし、
小径部２゛２の周縁部２２ａの直径を１２とする。一方
、前記ターゲット２を保持するための保持部材５は段付
き穴形状となっていて、前記ターゲット２の大径部２１
に対応する大径穴２４と、前記小径部２２に対応する小
径穴２５とを有している。尚、大径穴２４の内周面２４
ａの直径をｉ３とし、小径穴２５の内周面２５ａの直径
を１４とする。そして、上記ターゲット２及び保持部材
５の大きさについては、常温下にあっては１〜！４の関
係が以下のようになっている。

！、＜１．．１２＜１４ ここで、前記大径部２１と大径穴２４との直径方向のギ
ャップ及び小径部２２と小径穴２２との直径方向のギャ
ップは、それぞれ以下のように設定されている。

すなわち、ターゲット２はプラズマ発生時の昇温により
熱膨張するため、前記大径部２１の直径方向の熱膨張長
さが、前記大径部２１．大径穴２４の直径方向の間隙と
ほぼ同一となっている。

同様に、ターゲット２の熱膨張による前記小径部２２の
熱膨張長さは、この小径部２２．小径穴２５の直径方向
の間隙とほぼ同一となっている。

したがって、ターゲット２の熱膨張により、大径部２１
の周縁部２１ａ及び小径部２２の周縁部２２ａがそれぞ
れ膨張し、前記大径穴２４．小径穴２５のそれぞれの内
周面２４ａ、２５ａにほぼ同様の密閉度で密着すること
になる。尚、同一温度の下にあっては、前記大径部２１
と小径部２２の膨張長さが相違するため、これらの周縁
部２１ａ、２２ａとこれに対向する穴部の内周面２４　
ａ、　　２５１間のギャップ距離はそれぞれ相違してい
る。このように、ターゲット２の各段の周縁部２１ａ、
２２ａと保持部材５の対向する内周面２４ａ、２５ａと
の密着を確保するようにして、ターゲット２の効率良い
冷却を可能としている。

また、ターゲット２と保持部材５とのクランプを、ター
ゲットの中央部裏面側にて実施している。

すなわち、ターゲット２の前記小径部２２の周縁部２２
ａには、それぞれ相対向する位置にて直径方向で外側に
突出する係止用ピン２３．２３が形成されている。一方
、保持部材５の前記大径穴２４の底面２４ｂには、小径
穴２５の相対向する位置に連通し前記係止用ピン２３．
２３を挿入可能な所定深さの挿入用スリット２６．２６
が設けられ、さらにこの挿入用スリット２６．２６の下
端側にて連通し、同一回転方向に伸びる横溝から構成さ
れる係止用溝２７．２７を有している。この結果、前記
ターゲット２の小径部２２を保持部材５の小径穴２５に
対して前記係止用ビン２３゜２３が挿入用スリット２６
．２６に挿入されるように配置し、この後、このターゲ
ット２を回転が許容される方向に所定角度回転すること
により、前記係止用ピン２３．２３を保持部材５の係止
用溝２７．２７の末端に配置することができる。

このようなりランプにより、ターゲット２の昇温が著し
く反りの発生しやすい中心領域を機械的にクランプする
ことで、ターゲット２の裏面と保持部材５との密着性を
も確保し、冷却効率を高めている。また、上記クランプ
によってワンタッチな交換が可能となり、しかもクラン
プ部材がターゲット２の表面に露出しないので、ターゲ
ット全面をエロージョンエリアとして有効に利用するこ
とができる。

次に、上記実施例装置にて本発明方法を実施するための
構成について説明する。

この本発明方法を発明を実施するために、本実施例装置
では前記基台６の円筒部６ａの中心を貫通し、さらに保
持部材５の中心部を貫通してターゲット２の前記穴２ａ
を介してスパッタリング面に臨むガス導入管２０を有し
ている。このガス導入管２０は、前記ウェハ１とターゲ
ット２との間に、主スパッタガスと同一種類の圧力補正
用のスパッタガスを導入するものである。

次に、作用について説明する。

このスパッタ装置にてスパッタリングを行うために、ウ
ェハ１及びターゲット２をそれぞれ支持した状態で、こ
れらが配置される真空容器（図示せず）内の真空度を例
えば１０−Ｉ〜１０−３Ｔｏｒｒに荒引きする。次に、
上記真空容器内の真空度を１０−５〜１０−８Ｔｏｒｒ
台に高真空引きし、その後この真空容器内に主スパッタ
ガス例えばＡｒガスを導入し、真空容器内を１０−２〜
１０−３Ｔｏｒｒ台に設定する。ここで、ターゲット２
に負電圧を印加すると、このターゲット２のスパッタリ
ング面側にプラズマが形成され、さらにこのターゲット
２の裏面側にてマグネット１０を回転駆動することによ
り、このプラズマを磁界によって閉込めたプラズマリン
グ３０を形成することができる。このプラズマリング３
０の形成によりイオン化率が向上し、ターゲット２のス
パッタリング面での所定二ローションエリアにてスパッ
タが実行されることになる。

ここで、本実施例では上記のようなスパッタ時に、前記
ガス導入管２０より、ウェハ１とターゲット２との間の
中心領域に、圧力補正用スパッタガスを導入している。

この理由は下記の通りである。すなわち、散乱されてウ
ェハ１上に到達するスパッタ粒子は、左右両側の散乱成
分によってウェハ１の中心領域に集中する傾向にあり、
集中されたスパッタ粒子によってウェハ１．ターゲット
２間の中心領域のスパッタガスが飛ばされ、その領域の
スパッタガスが稀薄となって圧力が低下することになる
。そしてさらに、中心領域の圧力低下によってその両端
側の領域のスパッタ粒子がさらに中心領域に集中する現
象が助長され、ウェハ１上に形成される膜厚の均一性が
悪化してしまう。この際の、中心領域の圧力は３〜５ｍ
Ｔｏ　ｒ　ｒとすれば、その両側の圧力は７　ｍ　Ｔｏ
ｒｒ程度と予想される。

そこで、ウェハ１．ターゲット２間の比較的圧力が低く
なる領域である中心領域に、圧力補正用のスパッタガス
を導入し、ウェハ１．ターゲット２間の圧力勾配を除去
している。このように、ウェハ１．ターゲット２間の圧
力勾配を減少することにより、ウェハ１の中心領域にス
パッタ粒子が集中することを防止するようにスパッタ粒
子の飛翔方向を制御し、ウェハ１に形成される膜厚の均
一性を向上することが可能となる。

ここで、このうよなスパッタリング方法によって、サブ
ミクロンオーダのホール１００にアルミ配線を行った場
合には、第２図に示すように、半導体ウェハ１の中心領
域１両端領域のいずれのホール１００についても、はぼ
左右対称の膜厚とすることが可能となった。

特に、数十能のウェハ１／ターゲツト２間距離を有する
高速スパッタ装置においては、上記圧力勾配の形成が著
しいので、このような装置にて上記方法を適用すれば良
好な結果を得ることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、圧力補正用のスパッタガスの導入方法について
は上記実施例のようにターゲット２の中央領域より一本
のガス導入管２０によって実施するものに限らず、他の
箇所から導入するものあるいは複数本のガス導入管を用
いて実施するものであってもよい。

また、圧力補正用ガスの流量を時間毎に制御するもので
あっても良く、あるいは圧力センサでの検出結果に基づ
きガス流量を調整するものでも良い。また、ターゲット
の形状としては、上記実施例のような段付き形状の他、
円板形状あるいは円錐形状の各種形状とすることができ
る。そのターゲットと保持部材との間に不活性ガスを導
入することによって、同様に効果を期待することができ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明方法によれば試料、ターゲ
ット間の圧力勾配を減少することで、スパッタ粒子が試
料の中心領域に集中することを防止して、膜厚の均一性
を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法が実施されるスパッタ装置の一例
を示す概略断面図、第２図は、第１図の実施例装置によ
ってホール内にアルミ配線した場合の膜厚状態を説明す
るための概略説明図、第３図は、ターゲット、保持部材
の取り付は構造を説明するための概略斜視図、第４図は
、スパッタ装置によってアルミ配線されるホールの概略
説明図、第５図は、従来方法によってホールにアルミ配
線した場合の膜厚の状態を説明するための概略説明図で
ある。 ｌ・・・試料、２・・・ターゲット、 ５・・・保持部材、２０・・・ガス導入管。 代理人　弁理士　井　　上　　　−（他１名）第１図 第２区 ウェハ＾λ５ 中・Ｃ ２石締 ２／’ 第 図 ウェハ、’＝ｊｆｎ 第 図 第 因 １７’＋ｉ −石場

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空室内のスパッタガス雰囲気に配置したターゲ
   ット近傍にプラズマを誘起し、試料上に薄膜を形成する
   スパッタリング方法において、上記試料とターゲットと
   の間の圧力の低い領域に、圧力補正用のスパッタガスを
   導入することを特徴とするスパッタリング方法。