JPH02194174A - 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］ この発明は、半導体集積回路などの電子デバイスにおけ
る基板上に金属や金属化合物の薄膜を形成する場合に適
用されるもので、詳しくはプラズマを利用して薄膜を形
成するスパッタリング装置に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は、例えば特開昭５９−４７７２８号公報に開示
された従来のスパッリング装置の概略構成図を示し、同
図において、（１）はプラズマを発生するためのプラズ
マ生成室、（２）はプラズマ反応室で、上記プラズマ生
成室（１）の下側に接続して配置され、ステージ（３）
に薄膜を形成するための基板（４）を載置する。（５）
は上記プラズマ生成室（１）内にマイクロ波電力を導入
するための導波管、（６）はプラズマ生成室（１）の周
囲に配置されて、このプラズマ生成室（１）内に発散磁
場を形成するためのソレノイドコイル、（８）はスパッ
タリング材料によるターゲットで、上記プラズマ生成室
（１）内で生成されて上記基板（４）側に向かって輸送
されるプラズマ流（７）中のイオンによりスパッタリン
グされる。（９）は上記プラズマ流（７）中のイオンを
上記ターゲット（８）に向けて加速させるために、ター
ゲット（８）を負電位にするターゲット電極、　（１０
）は設置電位にして上記ターゲット（８）の異常放電あ
るいは不要なイオンの入射を防止させるためのシールド
、（１１）は上記ターゲット電極（９）に接続されたタ
ーゲット電源、（１２）は上記プラズマ生成室（１）内
にガスを供給するガス供給管、（１３）は上記プラズマ
反応室（２）からの排気管である。また、（１４）は電
子サイクロトロン共鳴領域である。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

プラズマ生成室（１）の内部には、ソレノイドコイル（
６）の励磁によって電子サイクロトロン共鳴を実現する
のに必要な磁場強度を有し、かつ軸方向の磁場強度が基
板（４）に向かって適当な勾配をもって減少する発散磁
場が形成されている。また、上記プラズマ生成室（１）
内へ導波管（５）によりマイクロ波電力が供給されると
ともに、ガス供給管（１２）を通してプラズマ生成室（
１）内へガスが供給される。

ところで、電子は静磁場（Ｂ）の中では磁力線の回りに
サイクロトロン運動をする。このときのサイクロトロン
周波数（ωＣ）はωｃ＝ｅＢ／ｍで表わされる。ただし
、ｍは電子の質量、ｅは電荷である。

この電子のサイクロトロン周波数（ωＣ）がマイクロ波
の周波数（ω）と一致する共鳴条件が成立すれば、マイ
クロ波のエネルギは電子に連続的に供給されて電子のエ
ネルギは増大する。

このようなサイクロトロン共鳴条件下で、上記プラズマ
生成室（１）内にガス供給管（１２）を通してガスを導
入すると、予備放電状態で発生した電子は、マイクロ波
から効率よくエネルギを得て高いエネルギ状態になり、
この電子と中性粒子との衝突過程を通してプラズマが発
生し、この発生したプラズマにさらに共鳴条件のもとで
マイクロ波電力が注入される。

一方１発散磁場の下で電子は磁場勾配に比例する力を受
けて基板（４）の方向に加速される。これにともなって
プラズマが卒中性の条件を満足するように発生した電場
によってイオンも基板（４）の方向に力を受け、プラズ
マ全体としてプラズマ反応室（２）内に磁力線に沿うプ
ラズマ流（７）が発生する。

さらに、プラズマ流（７）を取り囲む形状でこのプラズ
マ流（７）に接触するように、スパッタリング材料によ
るターゲット（８）が配置されており、このターゲット
（８）に接触しているターゲット電極（８）が負電位と
なるようにターゲット電源（１１）と接続されている０
例えば、ガス供給管（１２）からアルゴン（Ａｒ）ガス
を導入してプラズマを生成した場合、第４図に示してい
るように、プラズマ流（７）中のアルゴンイオン（Ａ　
ｒ’　）がターゲット（８）の負電位によって加速され
てターゲット（８）の表面に入射・衝撃し、ターゲット
（８）を構成する金属（Ｍ）の原子がスパッタされてプ
ラズマ流（７）中に飛び出す、このスパッタされた金属
原子（Ｍ）はプラズマ流〔７）中でイオン化されて（Ｍ
ｌ）となり、上述したようにプラズマ流（７）中に発生
した電場により、基板（４）の方に向かって輸送されて
、基板（４）に付着し、これが堆積して金属（Ｍ）の膜
が形成される。

ここで、ガスの種類、ターゲット材料を適当に選ぶこと
ばより、金属膜、化合物膜、合金膜などきわめて広範囲
の材料の薄膜を形成することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のスパッタリング装置は、以上のように構成されて
いるので、次に述べる２つの理由によりスパッタされた
原子が基板上に堆積する速度、つまり薄膜の形成速度を
大きくできない欠点があった。

すなわち、第１に、スパッタさせるターゲットを中心付
近に比べてプラズマ密度が小さいプラズマ流の周囲に接
触するように配置しているため、ターゲットに入射する
イオン束の量が中心付近のイオン束の量に比べて小さく
なる。

第２に、ターゲットに入射するイオン束の量はプラズマ
流中の電子温度の平方根にも比例するので、イオン束の
量を大きくするためには、電子温度も高い方がよい、し
かし、上記従来の装置では、電子の加熱が起こる電子サ
イクロトロン共鳴領域（１４）から離れた位置にターゲ
ット（８）を配置しているので、電子サイクロトロン共
鳴領域（１４）で加熱された電子は、中性粒子、イオン
との衝突過程を通じてエネルギを失い、ターゲット付近
の電子温度は低くなる。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、高温かつ高密度のプラズマ流をターゲット近
傍に局所的に生成してターゲットのスパック効率を高め
ることで、薄膜の形成速度を高めることができるスパッ
タリング装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るスパッタリング装置は、表面にスパッタ
リング材料をコーティングしたターゲット電極を、電子
サイクロトロン共鳴領域の近傍でプラズマ生成室の中心
軸上に配置するとともに、上記ターゲット電極の近傍に
発散磁場にに対して垂直な電場を発生させるように構成
したことを特徴とする。

［作用］ この発明によれば、表面のスパッタリング材料をプラズ
マ流中のイオンによる衝撃でスパッタさせるターゲット
電極をプラズマ密度が最大となる位置で、さらに局所的
に電子温度が高くなる電子サイクロトロン共鳴領域の近
傍に配置しているので、ターゲットに入射するイオン束
の量を大きくすることができる。また、ターゲットの表
面付近には発散磁場に対して垂直な電場が発生されてい
るので、ターゲットから飛び出した２次電子およびプラ
ズマ流中の電子はターゲットの近傍に捕捉され、いわゆ
るマグネトロン放電を起こし、ターゲットの近傍で局所
的に高密度プラズマを生成することができる。このこと
によってもターゲットに入射するイオン束の量を大きく
することができる。

以上の相乗作用により、ターゲットをスパッタする単位
時間あたりの割合を増加させ、その結果、基板上への薄
膜形成速度を上昇させることができる。

［発明の実施例コ 以下、この発明の一実施例を図面にもとづいて説明する
。

第１図はこの発明の一実施例によるスパッタリング装置
を示す概略構成図であり、同図において、第３図の従来
例と同一の構成には同一の符号を付して、これらの説明
を省略する。

第１図において、（１５）はターゲット電極で、このタ
ーゲット電極（１５）はプラズマ生成室（り内の中心軸
上で、サイクロトロン共鳴領域（１４）の近傍に配置さ
れており、その表面に第２図で示すように、スパッタリ
ング材料によるターゲット（１８）を円筒状にコーティ
ングしている。上記ターゲット電極（１５）に負の電位
を発生させるように、このターゲット電極（１５）を外
部に設置されたターゲット電源（ｔＢに接続する。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

プラズマ生成室（１）内に導波管を通じてマイクロ波電
力が供給されており、このマイクロ波電力とソレノイド
コイル（６）により発生される磁場との相互作用により
電子サイクロトロン共鳴を受け、高エネルギ状態になっ
た電子が存在している。このよ”うな高エネルギ状態に
なった電子がガス粒子と衝突し、これをイオン化させイ
オンを生成している。この生成されたイオンは、プラズ
マ生成室（１）の壁で再結合過程を経て消滅するので、
プラズマの密度分布はプラズマ生成室（１）の中心軸上
で最大密度となり、プラズマ生成室（１）の壁に向かっ
てプラズマ密度は減少し、壁の表面でゼロとなっている
。このことから、ターゲット（１６）に入射するイオン
束の量を大きくするためには、プラズマ生成室（１）の
中心軸上にターゲット（１Ｂ）を配置すればよいことが
わかる。

つぎに、電子サイクロトロン共鳴領域（１４）で電子の
加熱およびプラズマの生成がおこなわれるので、ターゲ
ット（１８）に入射するイオン束の量を大きくするため
には、プラズマ密度を大きくシ、電子温度も高くすれば
よいので、ターゲラ）　（１Ｂ）を電子サイクロトロン
共鳴領域（１４）に近づける方がよい、また、第１図に
示しているように、ターゲット電極（１５）の位置を電
子サイクロトロン共鳴領域（１４）に対して導波管（５
）の反対側に配置しているので、導波管（５）を通じて
供給されたマイクロ波が電子サイクロトロン共鳴領域（
１４）で強く減衰されるため、ターゲット電極（１５）
の存在によりモードを乱すことはない。

つぎに、ターゲラ）　（１Ｂ）の表面の近傍では、第２
図に示しているように、ソレノイドコイル（６）により
発生した磁場（Ｂ）に対して垂直な方向に均一な強さの
電場（Ｅ）が発生する。この電場（Ｅ）と磁場（Ｂ）の
存在により、ターゲラ）　（１８）の表面近傍では、プ
ラズマ流（７）中の電子およびターゲラ）　（１８）か
ら飛び出した２次電子はＥＸＢの方向、つまり、第２図
の矢印（ａ）で示すように、回転角方向にドリフト運動
をおこなう、このようにして、ターゲラ）　（１Ｂ）の
表面の近傍では電子の捕捉が起こり、中性粒子をイオン
化させる確率が大きくなり、ターゲット（１Ｂ）の表面
近傍に高密度プラズマが生成される。その結果、ターゲ
ラ）　（１Ｂ）に入射するイオン束の量が増加する。

以上のように、プラズマ生成室（１）内の電子サイクロ
トロン共鳴領域（１４）の近傍でプラズマ生成室（１）
の中心軸上にスパッタリング材料によるターゲット（１
６）を表面にコーティングしたターゲット電極（１５）
を配置することにより、ターゲット（１６）に入射して
、このターゲット（１６）をスパッタさせるイオン束の
量を大きくすることができ、その結果、スパッタされた
ターゲット原子およびイオンを基板（４）上に高速に堆
積させることが可能となる。

なお、上記実施例では、棒状のターゲット電極（１５）
の表面に円筒状にターゲット（１８）をコーティングし
たもので示したが、棒状のターゲットを電極としても上
記実施例と同様の効果を奏する。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、スパッタリング材料
をコーティングしたターゲット電極をプラズマ密度が最
大で電子温度も高い位置に配置しており、さらにコイル
により発生した磁場に対して垂直な方向の電場を均一に
発生しているので。

ターゲットの表面の近傍に電子の捕捉が起こり、ターゲ
ット表面近傍に局所的に高密度のプラズマを生成するこ
とができる。これにより、ターゲットに入射するイオン
束の量を十分に大きくすることが可能となり、基板上へ
の薄膜形成の速度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスパッタリング装置
を示す概略構成図、第２図は第１図で示すスパッタリン
グ装置の原理を示す平面図、第３図は従来のスパッタリ
ング装置の概略構成図、第４図は従来装置のプラズマ付
着の原理説明図である。 （１）・・・プラズマ生成室、（２）・・・プラズマ反
応室、（０・・・基板、（５）・・・導波管、（６）・
・・ソレノイドコイル、（７）・・・プラズマ流、　（
１２）・・・ガス供給管、（１４）・・・電子サイクロ
トロン共鳴領域、（１５）・・・ターゲット電極、（１
８）・・・ターゲット。 なお１図中の同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ生成室と、このプラズマ生成室内にガス
   を供給するガス供給管と、上記プラズマ生成室内にマイ
   クロ波電力を供給する導波管と、上記プラズマ生成室内
   に発散磁場を形成するコイルと、スパッタリング材料に
   よるターゲットと、このターゲットを負電位とするター
   ゲット電極と、上記プラズマ生成室に接続され上記スパ
   ッタリング材料の薄膜を形成するための基板を収納する
   プラズマ反応室とを備え、上記マイクロ波電力と磁場と
   の相互作用により上記プラズマ生成室内に生成されたプ
   ラズマ流中のイオンで上記ターゲットをスパッタし、そ
   のスパッタされたターゲット原子およびイオンを含むプ
   ラズマ流を基板に向かつて輸送してその基板に付着する
   ように構成したスパッタリング装置において、表面にス
   パッタリング材料をコーティングしたターゲット電極を
   、電子サイクロトロン共鳴領域の近傍で上記プラズマ生
   成室の中心軸上に配置するとともに、上記ターゲット電
   極の近傍に上記磁場に対して垂直な電場を発生させるよ
   うに構成したことを特徴とするスパッタリング装置。