JPH04131374A - 薄膜形成方法 - 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】 〔概要〕 薄膜形成方法に関し、 成膜の高速化及びターゲットの高温化を行うことができ
、高品質の薄膜を安定に成膜することができる薄膜形成
方法を提供することを目的とし、ターゲットを減圧に排
気したチャンバー内に配置して直流または交流電圧を印
加し、該チャンバー内に導入したガスを放電させて生じ
る正イオンによりターゲットをスパッターさせて基板上
に薄膜を形成する方法において、被スパッター材となる
第１の金属部材と、該第１の金属部材を支持する支持部
となる熱伝導率が該第１の金属部材よりも大きい第２の
金属部材とが直接または該第１の金属部材よりも高融点
のスペーサを介し接合して一体化され、熱交換媒体が該
第２の金属部材内または該第１の金属部材と接する面と
は反対側の該第２の金属部材面側に設けられ、該第２の
金属部材がカソード部分に対してシール及び着脱可能、
かつ電気的に接続可能に構成されてなるターゲットを用
い、該ターゲット温度を１５０°Ｃ以上、またはパワー
密度を２８Ｗ／ｃｍ以上にしてスパッター成膜する工程
を含むように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、主として半導体・磁気デバイス・光学デバイ
ス分野で使用する非磁性或いは磁性金属、及び絶縁物の
薄膜をスパッター法で堆積する方法に係わり、特に基板
上に高品質の金属及び絶縁物の薄膜を形成することがで
きる薄膜形成方法に関する。

主として、半導体や磁気デバイス・光学デバイス分野で
使用する非磁性、或いは磁性の金属、或いは絶縁物薄膜
はスパッター法で成膜されている。

ところで、その薄膜の性質は成膜時の雰囲気に非常に敏
感であり、スパッター処理室内の水等の膜質を劣化させ
る残留ガス成分はクライオポンプやターボモレキュラー
ポンプといった高真空ポンプを使用して徹底的に排除し
た状態で成膜が行われている。

最近では、上記の金属薄膜の性質に対する要求が一層厳
しくなっており、より高品質の膜が望まれている。例え
ば、低抵抗化や低ストレス化、高寿命化が代表的な要求
である。このような要求に応えるためには、通常の不活
性ガス（例えば、アルゴン）を用いたスパッターによる
成膜において、スパッター処理室内の残留ガスを少なく
して処理を短時間に、つまり高速で成膜を行う方法が必
要になっている。

一方、窒化物や酸化物の薄膜をスパッターによって形成
する場合には、不活性ガスだけでなく反応性に富む活性
なガス（例えば窒素や酸素）を導入して行うことが多い
が、この場合に高品質の膜を得るためには、上記の高速
で成膜を行う方法の検討だけでなく、処理室に導入する
活性ガス量に対する配慮が更に必要である。つまり、高
速に成膜するためには、スパッター速度に比例した反応
性ガスが必要であり、一方、反応性ガスは放電開始を圧
がアルゴンガスに比べて高いために、活性ガス量が過剰
になると放電し難く、場合によっては異常放電を起こす
ことが知られている。このため、薄膜形成に必要な活性
ガス量を最適量に調整して成膜する方法が必要になって
いる。

ところで、成膜の高速化はスパッターターゲットに投入
する電力（直流・交流）を大きくすれば可能ではあるが
、過大な電力を投入するとターゲットの熱変形や溶融が
始まり安定な成膜を維持できなくなる。そこで、効率的
にターゲットの温度を所定温度に維持しながら高速でス
パッター成膜することができる薄膜形成方法が要求され
ている。

〔従来の技術〕

従来の薄膜形成方法では、被スパッター材となるターゲ
ット本体を熱伝導率の大きな金属部材からなる支持板に
低融点ロー材からなる半田材を用いて貼りつけたターゲ
ットが最もよく使用されている。第３図はこうしたター
ゲットの構造を説明するだめの模式断面図である。第３
図において、３１はターゲット本体、３２は水等の冷却
媒体となる熱交換媒体、３３は支持板、３４は低融点ロ
ー材からなる半田材である。

この構造のターゲットは、スパッターターゲット本体３
１がその支持板３３として機能する銅又は銅合金に低融
点（ターゲット本体３１よりも低融点）ロー材からなる
半田材３４を用いて貼りつけてあり、かつ支持板３３が
その裏面で冷却媒体である熱交換媒体３２と接するよう
に構成されている。低融点口−材からなる半田材３４と
しては、通常融点が２００°Ｃ程度の材料（インジウム
或いはスズの合金）を用いている。

ところで、低融点ロー材からなる半田材を使用しない方
法としては、支持板の代わりに熱交換媒体で冷却した支
持枠にスパンターターゲットを嵌合挿入して、電力を印
加した時にターゲットを熱膨張させてその側面部で支持
枠に密着させて冷却を図るものがある。

次に、第４図は低融点ロー材からなる半田材を使用しな
い他の従来例を説明するためのターゲットの模式断面図
である。第４図において、第３図と同一符号は同一また
は相当部分を示し、４１はパツキン、４２は支持枠であ
る。

この方法は、ターゲット３１を熱交換媒体３２で直接冷
却するところから、一般に直冷法と呼称されており、タ
ーゲット３１は裏面周縁部が支持枠４２にパツキン４１
　（例えばＯリング）を介して気密に固定されて真空雰
囲気を保持し、裏面から熱交換媒体３２の直接の接触に
より冷却されるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した第３図に示す低融点ロー材からなる半田材を使
用する従来の薄膜形成方法では、■ロー材の融点が低い
ため過大な電力を投入すると、低融点ロー材が溶融し始
めて真空雰囲気を汚染し成膜中の薄膜の品質を劣化させ
、場合によってはターゲット本体が剥離し始めて異常放
電を起こしターゲットが支持板から滑り落ちることがあ
り、ターゲットに投入できる電力とロー材からなる半田
材が溶解しない範囲（実際には半田材が溶解する温度よ
りも低くターゲット昇温で１５０℃未満）程度に限られ
ていて、成膜の高速化によって膜質を向上させることに
限界がある、 ■低融点ロー材からなる半田材を使用しているため、ス
パッター装置の到達真空度を高くできない（これも膜質
を向上させることができない原因）、 といった欠点がある。

一方、上記した低融点ロー材からなる半田材の無い一体
型ターゲットを使用する従来例で熱膨張を利用している
ターゲットを用いた薄膜形成方法の場合、ターゲットと
支持枠との間で冷却を安定に行うことがかなり困難であ
る。具体的には、ターゲットは膨張収縮を繰り返すため
にその上の付着物が剥がれ易くなること、ターゲットと
支持枠の間の微少な間隙内のガスが排気し難く、高真空
にまで排気するのに時間を要し、被スパッター材によっ
てはターゲットに加工し難いこと等の問題が有り、膜質
を向上させることに限界がある。

また、上記した第４図に示す直冷式のターゲットを用い
た薄膜形成方法の場合、支持板もターゲツト材と同じ材
料で作成しており、投入可能な電力がこの材料の熱伝導
率で規定されるため、熱伝導率の小さいターゲツト材（
例えば、シリコン）からなる薄膜のＷＡ質を向上させる
ことには限界がある。

次に、窒化物や酸化物の薄膜をスパッターによって形成
する従来の薄膜形成方法では、ターゲット温度を上記の
理由（低融点ロー材の使用・ターゲットからの熱伝導の
制限）で上げられないため、スパッターチャンバーに導
入する活性ガス量を多くして活性ガスの分圧を大きくし
ないと、ターゲット表面に物理吸着した活性ガス分子が
反応しない。このため、高速で成膜するために投入パワ
ーを太き（して活性ガス量を成膜速度に比例して増加さ
せていくと、あるパワーで活性ガス量だけでスパッター
しなければ一定の組成の膜が得られなくなり、それ以上
の高速成膜ができなくなる。更に、活性ガスは一般に放
電し難いため、必要最少量の活性ガス量で成膜を行うこ
とが望まれている。

しかし、この従来の薄膜形成方法では、活性ガス量を薄
膜形成に必要な最少量に調整して成膜することは困難で
ある。

上記したように、従来の薄膜形成方法では各々問題があ
り、高品質の薄膜を安定して成膜することが困難である
。

そこで、本発明は、成膜の高速化及びターゲットの高温
化を行うことができ、高品質の薄膜を安定に成膜するこ
とができる薄膜形成方法を提供することを目的としてい
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的達成のため、ターゲットを減圧に排
気したチャンバー内に配置して直流または交流電圧を印
加し、該チャンバー内に導入したガス（Ａｒ、ＯｌＮ等
のガス）を放電させて生じる正イオンによりターゲット
をスパッターさせて基板上に薄膜を形成する方法におい
て、第１図に示すように、被スパッター材となる第１の
金属部材１ａと、第１の金属部材１ａを支持する支持部
となる熱伝導率が第１の金属部材１ａよりも大きい第２
の金属部材１ｂとが第１図（ａ）に示す如く直接、また
は第１図（ｂ）に示す如く第１の金属部材１ａよりも融
点の高いスペーサＩＣを介し接合して一体化され、熱交
換媒体２ａ、２ｂが第１図（ｃ）に示す如く第２の金属
部材ｌｂ内（熱交換を速く行うことができ好ましい）、
または第１図（ａ）、（ｂ）に示す如く第１の金属部材
１ａと接する面とは反対側の第２の金属部材１５面側に
設けられ、第２の金属部材１ｂがカソード部分に対して
シール、着脱及び電気的に接続可能に構成されてなるタ
ーゲット１を用い（第２図）、ターゲツト１温度を１５
０°Ｃ以上、またはパワー密度を２８Ｗ／ｄ以上にして
スパッター成膜する工程を含むもである。

本発明に係る第１の金属部材には、アルミ又はアルミを
主成分とする合金、チタン・ジルコニウム・タングステ
ン・モリブデン・金・タンタル・ニオブ・パラジウム・
マンガン・銀・亜鉛・ルテニウム・テルル、及び上記の
金属を主成分とする合金、クロム・ニッケル、及びその
合金からなる金属、若しくはパーマロイ等の磁性を有す
る金属、チタン・タングステン・モリブデンのシリコン
化合物、シリコン、及び上記の酸化膜（酸化クロム・石
英・アルミナ等）等の絶縁物の内の少なくとも一つから
構成される被スパッター材等が挙げられる。

本発明に係る第２の金属部材には、銅・チタン・鉄・ア
ルミ、又は前記の金属を主成分とする合金系等が挙げら
れ、この場合熱伝導が良好で機械的強度が大きく好まし
い。

本発明に係る熱交換媒体には、水、エチレングリコール
等の熱容量が大きい液体、Ｈｅガス、Ｎ２ガス等の熱交
換器に接続される気体等が挙げられ、冷却させるだけで
なく一定温度に保つ機能を有するものが好ましい。

本発明においては、第１の金属部材と反応する反応性ガ
スを導入してスパッター成膜させる場合であってもよ（
、この場合、反応効率を向上させることができ好ましい
。

〔作用〕

本発明の薄膜形成方法では、第１図に示すように、被ス
パッター材から構成される第１の金属部材１ａと、その
支持部として機能し、かつ熱交換媒体２ａ、２ｂと接す
る構造（熱交換媒体２ａ、２ｂが第２の金属部材１ｂ内
または第１の金属部材１ａと接する面とは反対側の第２
の金属部材１５面側に設けられる構造）となっている第
２の金属部材１ｂとが直接またはターゲット１よりも高
融点のスペーサＩＣを介し接合一体化して構成されてな
るターゲットを使用し、ターゲット温度が１５０°Ｃ以
上であるか、或いは２８Ｗ／ｄ以上のパワー密度で、し
かも被スパッター材となる第１の金属部材１ａが少なく
とも溶融しない温度領域でスパッター成膜して薄膜を形
成している。

このように、接合のための低融点ロー材からなる半田材
を使用していないため、本発明ではこの温度範囲の中で
ターゲットに投入するパワー密度を増加することで高速
に薄膜を成膜でき、ターゲットを高温にすることでその
表面に物理吸着した活性ガス分子と効率的に反応でき（
表面に吸着した主として水からなる吸着ガス成分を速や
かに除去することができる）、反応性ガスを少量導入す
るだけで、高品質の薄膜形成を行うことができる。

なお、従来の低融点ロー材からなる半田材を使用してい
る場合ではターゲットを高温にできなかったため（１５
０°Ｃ未満）、ターゲット表面の吸着ガスのクリーニン
グに時間を要していた。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の一実施例を実施した時のターゲット部
断面図である。第２図において、第１図と同一符号は同
一または相当部分を示し、３は磁石等を含むカソードア
センブリ全体の支持枠、３ａはフランジ、４はパツキン
（Ｏリング）、５はｔ磁石、６は水等の熱交換媒体２ａ
の流路、６ａは熱交換媒体２ａ入口、６ｂは熱交換媒体
２ａ出口である。

ターゲット１は被スパッター材から構成される外径２０
０ａ＋ｍ・厚さ６ｍｎ１のアルミ材からなる第１の金属
部材１ａと、その支持部として機能する外径２００ｍｍ
・厚さ１ｍｔａの銅材からなる第２の金属部材１ｂとか
らなり、図の上面がスパッター面であり、第２の金属部
材１ｂの裏面側は通常は冷却水からなる熱交換媒体２ａ
と接するような構造となっており、スパッター時に発生
する熱量を系外に効率的に除去できるように構成されて
いる。一方、４インチの基板は、ターゲット１０対向位
置に５０〜７０開離して配置される（図示せず）。スパ
ッターは筐体をなす支持枠３内部の永久磁石、又は電磁
石５によって作られる磁界によって公知のマグネトロン
スパッター法の原理を利用してプラズマをターゲット１
のスパッター面近傍に閉じ込めた状態で行われる。ター
ゲット１の支持部となる第２の金属部材１ｂを図示の向
きに筐体を気密にすべくパツキン４を介してフランジ３
ａに固定する。

更に、フランジ３ａを図示しないスパッターチャンバー
に固定して、１０−８〜１０−９ＴｏｒｒＯ高真空にな
るまでスパッターチャンバーをクライオポンプやターボ
モレキュラーポンプといった高真空ポンプ（図示せず）
を使用して排気する。次に、ターゲット１をスパンター
するために、一定流量（１０〜１５０ｓｅｃｍ　）のア
ルゴンガスをマスフロー等（図示せず）を使用して、ス
パッターチャンバーに導入して、スパッター圧力を１〜
１５　ｍＴｏｒｒになるように調整する。スパッターは
、磁石などを含むカソードアセンブリ全体の支持枠３を
経由してターゲットｉに接続した直流電源から、所定の
電力を投入して行う。

スパッターターゲットの熱収支についての簡単なモデル
をたててシュミレーションをして被スパッター材と鋼材
の界面の最高温度を求めてみると、投入電力が８　（Ｋ
Ｗ）の時には１５７°Ｃであった。

なお、ここでは、冷却水の流量は標準的な値である８（
１７分）を用いて計算している。この時のパワー密度は
２８Ｗ／ｃｄであり、低融点ロー材からなる半田材を用
いて界面を接合したターゲットを使用して行う薄膜形成
方法の限界であると考えられる。

更に、アルミからなる第１の金属部材１ａの外径が２９
０ｍｍ・厚さ１０ｍｍで、その支持部の銅からなる第２
の金属部材１ｂの外径２９０ｍ−・厚さ８１Ｉｍの場合
では、低融点ロー材からなる半田材を用いたターゲット
を使用して行う薄膜形成方法の限界は２５Ｗ／ｃｊであ
った。

一方、本発明の上記実施例では被スパッター材となる第
１の金属部材１ａと鋼材からなる第２の金属部材１ｂの
界面を爆着法等の機械的・熱的方法で直接に接合してい
るため、少なくとも被スパッター材からなる第１の金属
部材１ａが溶融し始める温度になってスパッターされな
くなるまではパワー密度を大きく投入できるため、高速
な成膜が可能となる。このアルミターゲットの場合に、
表面温度が４００″Ｃまでは安定にスパッターできると
仮定すると、パワー密度を７０Ｗ／ｃｄまで投入できる
ため、成膜速度は約３μｍ／分と従来の方法に比べて約
３倍の高速成膜を行うことができる。

上記実施例では、半導体回路で配線材料として使用され
ているアルミ合金について主としてそのスパッター条件
を説明した０本発明による方法で得られたアルミ膜の性
質について、従来の方法（第３図参照）によって得られ
た結果の比較を次に説明する。

なお、ここではアルミターゲットとして、純アルミ、Ａ
ｊ！−１％５ｉＳＡｊ！−Ｌ％Ｓ　ｉ　−０，５％Ｃｕ
等がよく使用されるが、Ａｆ−１％Ｓｉの場合の結果で
ある。

■この高速で成膜したアルミ膜を、周知の写真食刻方法
でバターニングして得られた配線では、膜中に取り込ま
れる真空装置内の残留ガス量が減少した結果、そのエレ
クトロマイグレーション耐性を示す平均寿命ＭＴ　Ｆ　
（Ｍｅａｎ　−Ｔｉ１Ｉｅ　−Ｔｏ　−Ｆａｉｌｕｒ　
）が約−指向上した。因みに、エレクトロマイグレーシ
ョンとは、アルミ配線を１５０〜２５０°Ｃに保持して
一定電流を通電し続けると、アルミ配線の抵抗が著しく
増加して、最終的にはアルミ配線の破断に至る現象をい
う。

■この高速で基板温度を３５０〜４５０°Ｃで堆積した
時には成膜中のアルミの流動性が増加するため、基板表
面に形成された段差に対する被覆形状が改善され、アル
ミ膜は平坦になっていることが確認された。

■直冷式のターゲット−ｓ用いた成膜方法の場合と比較
して、ターゲットの支持部材の熱伝導率が約６０％増加
するため、成膜速度は約３０％向上した。更に、低融点
ロー材からなる半田材を用いた成膜方法の場合との比較
では、成膜速度は約３倍に向上した。

次に、反応性ガスを用いて窒化物や酸化物の薄膜を形成
した他の実施例について説明する。従来の成膜方法では
、低融点ロー材の使用・ターゲットからの熱伝導の制限
等の理由でターゲット温度（１５０°Ｃ未満）を上げら
れないため、スパッターチャンバーに導入する活性ガス
量を多（しないと、ターゲット表面に物理吸着した活性
ガス分子が反応しない。一方、本発明では少なくとも被
スパッター材からなる第１の金属部材が溶融し始める温
度になってスパッターされなくなるまでは、ヒーター等
の外部の加熱源や高温ガス等の熱交換媒体によってター
ゲットを高温にすることで、その表面に物理吸着した活
性ガス分子を効率的に反応させられるため、反応性ガス
を少量導入するだけで、高品質の薄膜形成を行うことが
できる。具体例として、アルミナ、酸化クロム及び窒化
チタンの例について次に説明する。

外径１３１ｍｍ＋の円板上の前記の金属ターゲット（純
アルミ、又はクロム、チタンからなるターゲット）を使
用して、約Ｌｏｏｍｍ離れた基板上に１．ＯＫＷ、圧力
５．ＱｍＴｏｒｒの一定条件で、各々Ａ／！□０．、Ｃ
ｒ、０．及びＴｉＮに近い組成の酸化膜、窒化膜を成膜
する時に必要な酸素、窒素分圧は、ターゲット温度に次
のように依存している。すなわち、アルミナでは、ター
ゲット温度が１５０’Ｃの時には５０°Ｃの場合に比較
して約１／４に減少し、酸化クロムの場合にはターゲッ
ト温度が３００°Ｃの時には１５０°Ｃの場合に比較し
て約１／３に減少し、窒化チタンの場合にはターゲット
温度が３００°Ｃの時には５０°Ｃの場合に比較して約
１／２に減少した。

なお、本発明においては、第１の金属部材と第２の金属
部材間にスペーサを有するターゲットを用いる場合であ
ってもよい。具体的には、アルミを主成分とする合金（
アルミ合金）で、２％（重量％）以上のシリコンを少な
くとも含む場合（Ａ１−３　ｉ、　Ａｊ！−３１−Ｘ）
や１〜１０％のマグネシウム（，６／！−Ｍｇ、ｌ！−
Ｍｇ−Ｘ）を含むターゲツト材となるターゲット本体の
場合のように、硬い材料では銅の支持板に対して爆着接
合し難い。

特にこのような場合、純アルミ・銀・チタンからなるス
ペーサを第１の金属部材と第２の金属部材間に挿入して
爆着接合する。この時、スペーサの方がターゲツト材と
なる第１の金属部材より融点は高い。接合工程はターゲ
ツト材の汚染を防ぐために、最初に銅の第２の金属部材
とスペーサを爆着により接合した後、ターゲツト材とな
る第１の金属部材を爆着接合する。また、高純度のアル
ミ合金からなる第１の金属部材と純度の低い純アルミか
らなる第２の金属部材及びスペーサを爆着接合する場合
であってもよい。

本発明は、爆着接合したターゲットに限定されるもので
はなく、例えばホットロール法により接合するターゲッ
トの場合であってもよく、具体的にはアルミ合金ターゲ
ツト材からなる第１の金属部材と銅の第２の金属部材の
間に両者に対して馴染みのよい材料、例えば純銀・チタ
ン・ニッケルからなるスペーサを用いてホットロール接
合してもよい。

〔発明の効果］ 本発明によれば、成膜の高速化及びターゲットの高温化
を行うことができ、高品質の薄膜を安定に成膜すること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いるターゲットの構造を示す模式断
面図、 第２図は本発明の一実施例を実施した時のターゲット部
断面図、 第３図は従来の成膜方法で使用したターゲットの模式断
面図、 第４図は他の従来の成膜方法で使用したターゲットの模
式断面図である。 １ａ・・・・・・第１の金属部材、 １ｂ・・・・・・第２の金属部材、 １・・・・・・ターゲット、 （ｂ） Ｄ （Ｃ） 本発明で用いるターゲットの構造を示す模式断面図第１
図 ２ａ、 ｂ・・・・・・熱交換媒体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲットを減圧に排気したチャンバー内に配置
   して直流または交流電圧を印加し、該チャンバー内に導
   入したガスを放電させて生じる正イオンによりターゲッ
   トをスパッターさせて基板上に薄膜を形成する方法にお
   いて、 被スパッター材となる第１の金属部材（１ａ）と、該第
   １の金属部材（１ａ）を支持する支持部となる熱伝導率
   が該第１の金属部材（１ａ）よりも大きい第２の金属部
   材（１ｂ）とが直接または該第１の金属部材（１ａ）よ
   りも高融点のスペーサ（１ｃ）を介し接合して一体化さ
   れ、熱交換媒体（２ａ、２ｂ）が該第２の金属部材（１
   ｂ）内または該第１の金属部材（１ａ）と接する面とは
   反対側の該第２の金属部材（１ｂ）面側に設けられ、 該第２の金属部材（１ｂ）がカソード部分に対してシー
   ル及び着脱可能、かつ電気的に接続可能に構成されてな
   るターゲット（１）を用い、該ターゲット（１）温度を
   １５０℃以上、またはパワー密度を２８Ｗ／ｃｍ＾２以
   上にしてスパッター成膜する工程を含むことを特徴とす
   る薄膜形成方法。
2. （２）前記第１の金属部材（１ａ）と反応する反応性ガ
   スを導入してスパッター成膜させることを特徴とする請
   求項１記載の薄膜形成方法。