JPH0250957A

JPH0250957A - スパッタリング装置

Info

Publication number: JPH0250957A
Application number: JP20137588A
Authority: JP
Inventors: Nobumasa Suzuki; 伸昌鈴木; Atsushi Yamagami; 山上　敦士
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1990-02-20

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】〔発明の属する技術分野〕本発明は、半導体素子製造に用いるスパッタリング装置
、特に、平坦な配線用Ａρ膜を低ダメージで高速に形成
するスパッタリング装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来配線用人７！膜の形成にはスパッタリング装置が用
いられてきた。第３図に、代表的なスパンタリング法で
ある平行平板型スパンタリング法を示す。３０１は真空
室、３０２は３１などの基板、３０３は基板３０２の支
持体、３０４はＡｒなどの雰囲気ガスの導入管、３０５
は排気口、３０６は高周波電源、３０７は高周波型ａｓ
　Ｏ６に接続された電極、３０８は電極３０７に載置さ
れたターゲットである。電極３０７に載置されたターゲ
ット３０８の対向位置にある基板支持体３０３」二に基
板３０２を置いて、電極３０７に高周波電力を印加し、
プラズマ反応で生成した雰囲気ガスのイオンによりター
ゲット３０８をスパッタリングして基板３０２上に薄膜
を形成するものである。

しかし、素子のパターンの微細化に伴ない、下地層間絶
縁膜の開孔部のアスペクト比（亮さ７幅）が０．５以上
になってくると、スパンタリング法ではいわゆるセルフ
シャドウィング効果、すなわち段差上部特にエッヂ部分
に厚く堆積した膜が段差下部への堆積を妨げる為、段差
被覆性が極端に悪くなり、信顛性が低下するという問題
があった。第５図は従来例のスパンタリング法による段
差被覆性を示す成膜後の基板の断面図である。ｆａｔは
平行平板型スバ・ツクリング法によるもの、［ｂ）はバ
イアススパッタリング法によるもの、（Ｃ１は格子状フ
ィルタを用いたバイアススパッタリング法によるもので
あり、５０１はＳｉ基板、５０２はＳ　ｉ　Ｏ２パター
ン（幅］、　２　ｐ　ｍ、高さ０．６μｍ）、５０３は
堆積したＡｌ膜である。第５図（ａ＋に示される平行平
板型スパッタリング法による段差被覆性は非常に悪い。

この問題を解決する装置としてハイアススパソタリング
装置が開発されてきた。

バイアススパッタリング法は第３図において、基板３０
２に負のバイアスを高周波又は直流電圧により印加しつ
つ、通常スパッタリング法と同様にターゲソ１−をスパ
ッタリングする方法であり、堆積と同時に段差下部への
堆積を妨げている段差上部特にエッヂ部分に堆積した膜
のエツチングを行なうことにより、段差被覆性を改善し
ようとするものであり、−１００〜−５００Ｖ程度のバ
イアスで、第５図（ｂ）に示されるように極めて良好な
段差被覆性か得られている。

しかしこの方法は堆積速度が遅い点や充分な段差被覆性
を得る為に憂いバイアスを印加し、イオンエネルギーを
高めると、イオン衝撃により下地基板がダメージをうけ
素子の電気的特性か劣化するという欠点があった。

一方、格子状フィルタを用いてＡ４粒子の基板への入射
角を制御し、段差下部への堆積を増加させて段差被覆性
を改善する装置が検討されている。

例えば、昭和６３年春季応用物理学関係連合講演会講演
予稿集第２巻　Ｐ、６４０　講演番号２９ＰＶ−４に示
されている。

第４図に格子イノＳフィルタを用いたハイアススパソタ
リング装置を示し、４０１は真空室、４０２はＳｉなど
の基板、４０３は基板４０２の支持体、４０４はＡｒな
どの雰囲気ガスの導入管、４０５は排気口、４０６は高
周波電源、４０７は高周波電源４０６に接続された電極
、４０８は電極４０７に載置されたクーゲット、４０９
は基板イ０２に負バイアスを印加する直流電源、４１０
は被スパツタリング粒子の基板への入射角を制限する格
子状フィルタである。基板４０２上方に基板４０２に垂
直に近い入射角をもつ被スパツタリング粒子のみを通す
格子状フィルタ４１０を設置しつつ、通常スパッタリン
グ法と同様にターゲットをスパッタリングする装置であ
り、段差下部への堆積が増加するので、比較的低いバイ
アスで、第５図ｔｃ＋に示されるように良好な段差被覆
性が得られている。

しかしながら上記従来例では、（１）高角度入射成分がフィルタにけられる為、その分
堆積速度が低下する。

（ｉｉ　）フィルタを用いない場合よりはましだが、１
００Ｖ以上のバイアスが必要でダメージが発生しやすく
、堆積速度もバイアスを印加しない場合よりは低下する
。

などの問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、従来の格子状フィルタを用いるバイアススパ
ッタリング法置における問題点を解決し、段差被覆性に
優れた薄膜形成を基板ダメージの発生なく高速に行なう
装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成・効果〕

格子状フィルタを用いたバイアススパンタリング装置に
よる前述の問題点は、被スパツタリング粒子の多くが電
気的に中性であり、入射方向を容易に制御できる電気的
手段を用いることができず、不要な入射角をもつ粒子を
遮へいするという物理的手段を用いざるを得ないことに
起因している。

そこで本発明者らは、被スパツタリング粒子を帯電する
手段の検討を行なった。

そして、Ａ４粒子に２００ｎｍよりも短かい波長をもつ
光を照射することにより有効にイオン化することを見い
出した。又、他に、熱フィラメント（グリッド付）や電
子ビームによってもイオン化しやすかった。

本発明は上述の知見に基づいて完成されたものであり、
従来の格子状フィルタを用いたハイアススパソタリング
装置による前述の問題点を解決し、前記目的を達成する
ものである。

即ち、本発明によれば、スパンクリング装置に、スパッ
タリング粒子を帯電する手段と帯電粒子の基板への入射
方向を電気的に制御する手段を設けることにより、段差
被覆性に優れた薄膜形成を基板ダメージの発生なく高速
に行なうことを可能にしたものである。

以下に、本発明の内容を図面の実施例により説明する。

装置例１第１図は本発明の第１の実施例を示す装置の断面図であ
り、１０１は真空室、１０２はＳｉなどの基板、１０３
は基板１０２の支持体、１０４はＡｒなどの雰囲気ガス
の導入管、１０５は排気口、１０６は通常１３．５６Ｍ
Ｈｚの周波数をもつ高周波電源、１０７は高周波電源１
０６に接続された電極、１０８は電極１０７に載置され
た被スパッタリングターゲット、１０９はスパッタリン
グ粒子をイオン化する光を発生ずる光源、１）０は光を
反応室１０１に導入する窓、１）１は光を反射するミラ
ー、１）２は基板にバイアスを印加する直流電源である
。

まず、支持体１０３上に基板１０２を置き、排気手段（
不図示）により真空室１０１内を１Ｏ−７Ｔ　ｏｒｒ以
下まで排気した後、Ａｒなどの雰囲気ガスを導入管１０
４から反応室１０１に導入し、排気口１０５とポンプ間
に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調節し
、圧を１０−４〜１０”’Ｔｏｒｒ　、望ましくは１０
−３〜１０−２Ｔｏｒｒに保つ。高周波電源１０６から
の高周波電圧を電極１０７に印加し、プラズマスパッタ
リングによりＡｊ２などのターゲツト材１０８からスパ
ッタリング粒子を放出する。放出されたスパッタリング
粒子は、窓１）０を通して反応室１０１内に導入された
光源１０９からの光によりイオン化される。

光の波長はスパッタリング粒子のイオン化電位に対応す
る波長より短かく、例えばＡｌの場合はＡｒＦエキシマ
レーザの１９３ｎｍが適している。ミラー１）１は窓１
）０の部分を除いた反応室１０１の内壁に円筒状に設け
られ、光を多重反射し、スパッタリング粒子のイオン化
効率を上げる役割を担う。基板１０２には支持体１０３
を通して直流電源１）２から一１０Ｖ台のバイアスが印
加される。イオン化されたスパッタリング粒子は基板の
負バイアスにより加速され基板に垂直に入射する成分が
増大する。したがって深い溝や穴の中にも膜が堆積しや
すくなる。プラズマ中のイオンエネルギーは高々数Ｖな
ので、入射方向を基板にほぼ垂直にする為には一１０Ｖ
台の基板バイアスで充分であり、イオンダメージは問題
にならない。

装置例１による膜堆積例ターゲットとしてＡｌを用い、表１に示された条件で成
膜したところ、基板上に形成された幅０．８μｍ、深さ
１．６μｍの溝中にも他の部分と同様に堆積し、堆積速
度は１．１μｍ／ｍｉｎ、であった。

第６図は本発明の薄膜形成方法による段差被覆性を示す
成膜後の基板の断面図である。（ａｌは実施例１による
もの、（ｂ）は実施例２によるものであり、６０１はＳ
ｉ暴基板６０２ばＳ　ｉ　０２パターン、６０３は堆積
したＡｌ膜である。第６図（ａｌに示される実施例１に
よる段差被覆性は、溝中にもよく堆積しており良好であ
る。又、基板としてＭＯ３構造上にＰＳＧ膜をコートし
たものを用い、Ａｆｆ成膜前後のフラットハンド電圧の
ソフトをｃ−■特性測定より求めたところ、０．２Ｖ以
下と良好だった。第７図は使用した基板と測定法を示し
、７０１はｎ’ｓｉ基板、７０２は５１０２ゲート酸化
膜（２０ｎｍ厚）、７０３はｐｏｌｙ　−Ｓ　ｉゲート
電極（３００ｎｍ厚）、７０４はＰＳＧ膜（１、ｃａｍ
厚）、７０５はｃ−ｖ測定系、７０６は堆積したＡ／膜
で、ＡＩ成膜０Ｇの堆積前後にｃ−ｖ特性を測定し、イ
オン衝撃によって生しる電荷捕獲準位を反映したフラン
１−ハンド電圧のシフトにより、成膜中のダメージを評
価した。

表　　　　１旦漣幻外第４図の格子状フィルタを用いたハイアススパンタリン
グ装置を用いて本発明と同様のカバレージを得る為表２
に示された条件で成膜したところ、堆積速度０．７μｍ
／ｍｉｎ以下、フラットハンド電圧のシフ）２Ｖ以上で
あり、本発明の方が明らかに優れている。

表　　　　２装置例２第２図は本発明の第２の実施例を示す装置の断面図であ
り、２０１は真空室、２０２はＳｉなどの基板、２０３
は基板２０２の支持体、２０４はＡｒなどの雰囲気ガス
の導入管、２０５は排気口、２０６は通常１３．５６Ｍ
Ｈｚの周波数をもつ高周波電源、２０７は高周波型ａ２
０６に接続された電極、２０８は電極２０７に載置され
た被スパッタリングターゲソｌ−１２０９はスパンタリ
ング粒子をイオン化するＷなど熱フィラメント、２１４
は熱フィラメント２０９の電源、２１０はプラズマをク
ーゲット付近に閉し込めるメソシュシールド板、２１）
は基板２０２に垂直に設置された平行平板電極、２１２
は平行平板電極２１）の直流電源、２１３は基板２０２
に直流バイアスを印加する電源である。

まず支持体２０３上に基板２０２を設置し、排気手段（
不図示）により真空室２０２内を１Ｏ−７Ｔｏｒｒ以下
まで排気した後、まずＡｒなどの雰囲気ガスを導入管２
０４から反応室２０１に導入し、排気口２０５とポンプ
間に設けられたコンダククンスパルブ（不図示）を調節
し、圧を１０−４〜１０−’　Ｔｏｒｒ、望ましくは１
０−３〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒに保つ。高周波電源２０６か
らの高周波電圧を電ａｉ２０７に印加し、プラズマスパ
ンタリングによりＡβなどのターゲツト材２０８からス
パンタリング粒子を放出する。放出されたスパンタリン
グ粒子は、電源２１４により加熱されたフィラメント２
０９から発生した熱電子によりイオン化される。平行平
板電極２１）間と基板２０２−シールド板２１０間には
それぞれ直流電源２１２，２１３からの電圧Ｖ　＋　、
　Ｖ　ｚが印加される。Ｖ、、Ｖ２はダメージの発生を
抑える為−１０Ｖ台に定める。イオン化されたスパンタ
リング粒子は生じた電界によって並進方向がそろえられ
、２ｄで求められる入射角をもって基板２０２に入射する。基
板２０２は回転され、堆積の非対称性を解消する。以上
の結果、段差の側壁の被覆性が向上する。入射角を二つ
の電圧の比によって又、入射エネルギーも電圧の絶対値
によって制御できるので、様々な段差に最適な条件を選
択することができる。又、従来例のようにけられがなく
効率よく成膜できる。

装置例２による膜堆積例ターゲットとしてＡβを用い、表３に示される条件で成
膜したところ、基板上に形成された幅０．６μｍ、高さ
０．６μｍのＳｉＯ□段差の側壁にも第５図（ｂ）に示
されるようによく堆積し、堆積速度は０．９μｍ／ｍｉ
ｎ、であった。又、フラットハンド電圧のシフトも０．
２Ｖ以下と良好で、前述の従来例より明らかに優れてい
る。

表　　　　３〔発明の効果の概要〕以上説明したように、スパッタリング装置に、スパッタ
リング装置を帯電する手段と帯電粒子の基板への入射方
向を電気的に制御する手段を設けることにより、低ダメ
ージで高速に段差被覆性にすくれた薄膜形成が可能にな
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の装置の断面図、第２図は本
発明の実施例２の装置の断面図である。第３図は従来の（バイアス）スパッタリング装置の断面
図、第４図は従来の格子状フィルターを用いたバイアス
スパッタリング装置の断面図、第５図は従来例による段
差被覆性を示す基板の断面図、第６図は本発明による段
差被覆性を示す基板の断面図である。第７図はダメージ
評価の陸用いた基板の断面図である。図において、１０１，２０１，３０１，４０１・・・真
空室、１０２，２０２．３０２．４０２・・・基板、１
０３，２０３，３０３．４０３・・・支持体、１．０４
，２０４，３０４，４０４・・・ガス導入管、１０５．
２０５，３０５，４０５・・・排気口、１０６．２０６
．３０６，４０６・・・高周波電源、１０７．２０７．
３０７，４０７・・電極、１０８゜２０８．３０８．４
０８・・・ターゲット、１０９・・・光源、１）０・・
・窓、１）１・・・ミラー、１）２２１３．４０９・・
・基板にバイアスを印加する電源、２１４・・・フィラ
メント・グリッド電源、２０９・・・熱フィラメント、
２１０・・・グリッド、２１）・・・平行平板電極、２
１２・・・平行平板電極に電圧を印加する電源、４１０
・・・格子状フィルタ、５０１．６０１，７０１・・・
Ｓｉ基板、５０２６０２・・・ＳｉＯ。パターン、５０
３，６０３，７０６・・・堆積したＡρ膜、７０２・・
・ゲート酸化膜、７０３・・・ｐｏｌｙ−３ｉゲート電
極、７０４・・・ＰＳＧ膜、７０５・・・Ｃ−Ｖ測定器
。第１図

Claims

【特許請求の範囲】（１）被スパッタリングターゲットを載置した電極に交
流もしくは負の直流電圧を印加する手段を有するスパッ
タリング装置において、該ターゲットからのスパッタリ
ング粒子を帯電させる手段と該帯電粒子の基板への入射
方向を電気的に制御する手段を有することを特徴とする
スパッタリング装置。（２）前記帯電手段が、スパッタリング粒子のイオン化
エネルギーに対応する波長よりも短波長の光を照射する
ことによるものである請求項（１）に記載のスパッタリ
ング装置。（３）前記帯電手段が、スパッタリング粒子
を熱フィラメントにさらすことによるものである請求項
（１）に記載のスパッタリング装置。（４）前記帯電手段が、スパッタリング粒子に電子ビー
ムを照射することによるものである請求項（１）に記載
のスパッタリング装置。（５）前記入射方向制御手段が、基板に交流もしくは負
の直流バイアスを印加することによるものである請求項
（１）乃至（４）のいずれかに記載のスパッタリング装
置。（６）前記入射方向制御手段が、基板に平行と垂直に二
組の平行平板電極を設け、該平行平板電極のそれぞれに
印加する直流電圧の比を制御することによるものである
請求項（１）乃至（４）のいずれかに記載のスパッタリ
ング装置。