JPH042772A - 成膜装置および成膜方法 - 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〕 半導体デバイスの製造等に用いられるプレーナマグネト
ロン方式の成膜装置と、その装置を使用した成膜方法に
関し、 成膜の均質性と均一性およびステップカバレッジの向上
と共に、ターゲットを長寿命化し、溜め込み式真空ポン
プの吸着性持続時間を延長せしめることを目的とし、 ターゲットの裏面に電磁石を具えたプレーナマグネトロ
ン方式の成膜装置であって、 該電磁石が巻径を変えることによって適当な間隔で同心
に配置された３個以上の環状コイルと、最小巻径の該コ
イルを貫通し該ターゲットの裏面の中心部に対向するヨ
ークと、該コイルの隣接間に嵌合し該ターゲットの裏面
に対向する環状ヨークとを具え、 該コイルに電流を流すことによって該ターゲットの厚さ
方向に極性をもつ該ヨークが、該ターゲットの半径方向
の配設順に逆極性となるように、該コイルが巻回されて
なること、 さらに、巻径の異なる前記コイルが大、中、小の３個で
あることを特徴とする成膜装置、並びに、前記コイルに
流す電流を周期的に変化せしめ、前記ターゲットの表面
に形成される磁束分布を変化させること、 さらに、巻径の異なる大、中、小３個の前記コイルを使
用した成膜装置において、巻径が中のコイルに流す電流
を一定とし、巻径が大および小のコイルに流す電流を逆
方向へ周期的に変化せしめ、前記ターゲットの表面に形
成される磁束分布を変化させることを特徴とし後輩する
成膜方法である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体デバイスの製造等に用いられる成膜装
置と成膜方法、特に、プレーナマグネトロン方式のスパ
ッタリングによる成膜装置の構造と、その装置を使用し
た成膜方法に関する。

半導体デバイスの高集積化に伴って、薄膜より形成され
る配線に関してもその微細化と長寿命化、シリコン基板
および他の金属配線とのコンタクト部における適合性、
高アスベスト比ホールへの埋め込み性等に対する要求が
厳しくなり、そのような配線を形成すべき薄膜は、−層
の均質性と均一性およびステップカバレージを改善する
と共に、生産性向上のためターゲットを長寿命化し、溜
め込み式真空ポンプの吸着性持続時間を延長せしめる必
要がある。

〔従来の技術〕

スパッタリングによる成膜は、Ａｒ、Ｎｔ、Ｏｚ等のス
パッタリング用ガスを１０−　”〜１０−　”Ｔｏｒｒ
程度の圧力下において電離させ、正イオンを負電位に保
った金属ターゲットに衝突せしめ、該衝突によってター
ゲットから放出される金属粒子を基板に被着させるもの
である。

第９図は従来のプレーナマグネトロン式スパッタリング
による成膜装置の要部を示す模式図である。

第９図において、成膜装置要部１は、バッキングプレー
ト２の表面にターゲット３を固定し、バッキングプレー
ト２の裏面には、その中心部にＮ極面が接する永久磁石
４および周縁部にＳ極面が接するリング状の永久磁石５
と、永久磁石４のＳ極面と永久磁石５のＮ極面およびバ
ッキングプレート２の下面とに接するヨーク６を設けて
なる。

なお図中において、７はバッキングプレート２およびタ
ーゲット３の周縁部を覆う防着板、８はチャンバの構成
部材、９はチャンバの構成部材８とヨーク６との間に介
在する絶縁部材である。

かかる要部１を具えた成膜装置は、荷電粒子をターゲッ
ト３上の磁場内に閉じ込め高密度のプラズマが作られる
ため成膜速度が速く、被成膜基板の電子損傷も少ないの
で、最近はスパッタリングによる成膜装置の主流となっ
ている。

第１０図はターゲット３の表面に形成される磁束分布で
あり、磁束Φは図中に複数の矢印で示す如くターゲット
３の中心部より放射状に不変であり、ターゲット３の寿
命はその表面に形成される環状の浸食領域（金属粒子が
叩き出される領域）１０によって決まる。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上説明したように従来のプレーナマグネトロン式成膜
装置は、放射状磁束Φによって荷電粒子を閉じ込める動
作圧力（成膜チャンバ内のガス圧力）を１０−’Ｔｏｒ
ｒの低圧力にすると、荷電粒子の閉じ込めが不十分とな
って成膜が困難である。従って、１０−’Ｔｏｒｒ程度
のガス圧力にて成膜するため成膜に不純物が含まれると
いう問題点があった。

また、ターゲット３については、浸食領域１０を拡げる
ことができないため、効率的に使用され難いという問題
点があった。

従来のプレーナマグネトロン式成膜装置は、真空蒸着に
比べて動作圧力（成膜チャンバ内のガス圧力）が高く、
金属粒子の平均自由行程が短いため、金属粒子の回り込
みが良く、ステップカバレッジが良いとされていたが、
その回り込みの良さによるシャドウィングによって、微
細穴のステップカバレッジが悪くなる。

第１１図は従来の成膜装置による微細穴のステップカバ
レッジを示す断面図であり、被成膜基板１１の上に下部
導体１２を形成し、下部導体１２を覆って厚さ１μｍ程
度に被着した絶縁膜１３に直径１μｍ程度のビィアホー
ル１４を形成し、その上に上部導体形成用金属膜１５を
被着させると、ビィアホール１４に対する金属膜１５の
ステップカバレッジは、金属粒子の廻り込みの良さから
のシャドウィングによって図示する如く悪くなる。

また、従来のプレーナマグネトロン式成膜装置は動作圧
力が１０−　”Ｔｏｒｒであり、高品質の成膜には一層
の低圧動作が望まれるが、単純に動作圧力を１０−’Ｔ
ｏｒｒに下げると、ターゲットの上に形成される磁束は
放射状であり荷電粒子の閉じ込めか、特に分布が粗にな
る磁束外側部分で不十分となるため、成膜速度が著しく
低下する。

さらに、ターゲットは浸食領域１０を拡げられないため
、ターゲットの寿命が浸食領域１０の消耗によって寿命
が決まるターゲットは、浸食領域１０を拡げられないた
め長寿命化できない。溜め込み式真空ポンプを使用し動
作圧力を１０−３Ｔｏｒｒにするには、ポンプのアップ
タイム（稼動時間）向上のためコンダクタンスバルブに
て排気口を絞る必要があり、そのため排気速度が低下し
、成膜品質に悪影響があった。

本発明の目的は、プレーナマグネトロン式成膜装置にお
いて、従来装置より高密度のプラズマが作られるように
することにより、１０”　’Ｔｏｒｒの低ガス圧力での
成膜を可能とし膜品位と厚さ分布を向上せしめると共に
、微細かつ高アスペクト比穴に対するステップカバレッ
ジを良くすること、ターゲットの浸食領域を拡張し長寿
命化せしめることである。

［課題を解決するための手段］ 本発明による成膜装置はその実施例における要部を示す
第１図によれば、ターゲット３の裏面に電磁石２２を具
えたプレーナマグネトロン方式の成膜装置であって、 電磁石２２が巻径を変えることによって適当な間隔で同
心に配置された３個の環状コイル２３，２４．２５と、
最小巻径のコイル２３を貫通しターゲット３の裏面の中
心部に対向するヨーク２７と、コイル２３，２４．２５
の隣接間に嵌合しターゲット３の裏面に対向する環状ヨ
ーク２８．２９とを具え、 コイル２３，２４．２５に電流を流すことによってター
ゲット３の厚さ方向に極性をもつヨーク２７，２８．２
９が、ターゲット３の半径方向の配設順に逆極性となる
ように、コイル２３，２４．２５が巻回されてなること
を特徴とし、 さらに、最大径のコイル２５の外側に環状のヨーク３０
を設けたことを特徴とした成膜装置、並びに、コイル２
３，２４．２５を具えた装置においてコイル２３，２４
．２５に流す電流を周期的に変化せしめ、ターゲット３
の表面に形成される磁束分布を変化させること、 巻径が中のコイル２４に流す電流を一定とし、巻径が大
および小のコイル２３．２５に流す電流を逆方向へ周期
的に変化せしめ、ターゲット３の表面に形成される磁束
分布を変化させることを特徴とし構成する成膜方法であ
る。

〔作用〕

成膜時のシャドウィング効果は、金属粒子の平均自由行
程と該粒子の放出角度分布に大きく依存するが、放出角
度分布はターゲットの材質が有する本質的なものである
ため、ステップカバレッジを改善するためシャドウィン
グ効果を抑制するには、平均自由行程を大きくすること
、そのためには動作圧力を低くすればよいことになる。

そこで、本発明は円弧状磁束によってターゲット上に荷
電粒子を閉じ込める装置構成とし、従来より高密度のプ
ラズマが作られるようにしたことにより、１０−’Ｔｏ
ｒｒでの動作圧力における成膜を可能にすると共に、そ
のことによって均質かつ均一厚さの膜が得られ、コンダ
クタンスバルブによる排気抑制が不要となり真空ポンプ
のアップタイムを長期化せしめ、さらに、少なくとも３
個のコイルに流す電流を適当に制御せしめることによっ
て、ターゲットの浸食領域を拡張可能とし、ターゲット
の長寿命化が実現される。

〔実施例〕

以下に、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例によるプレーナマグネトロン
式スパッタリング成膜装置の要部を示す模式断面図、第
２図は第１図に示す電磁石の斜視図、第３図は第１図に
示す要部を具えた成膜装置の概略を示す模式断面図、第
４図は本発明の実施例により電磁石に流す電流の変化例
、第５図は第４図に示す電流変化に伴って発生するター
ゲット上の磁束分布、第６図はターゲットに平行方向の
磁束密度とその分布図である。

第９図と共通部分に同一符号を使用した第１図において
、成膜装置要部２１はバッキングプレート２の表面にタ
ーゲット３を固定し、バッキングプレート２の裏面に電
磁石２２を設ける。

第１図および第２図において電磁石２２は、巻径が異な
ることによって同心に配置される３個の環状コイル２３
，２４．２５と、純鉄等の軟磁性材料にてなる磁路構成
体２６にてなる。

磁路構成体２６は、最小巻径のコイル２３に嵌合しター
ゲット３の中心部に対向するヨーク２７．コイル２３と
２４の間に嵌合しターゲット３の裏面に対向する環状ヨ
ーク２８．コイル２４と２５の間に嵌合しターゲット３
の裏面に対向するヨーク２９．コイル２５の外側に嵌合
しターゲット３の裏面に対向するするヨーク３０を一体
に形成してなる。

コイル２５はターゲット３の外側にてターゲット３の裏
面に対向し、コイル２４に対しコイル２３．２５の巻回
方向は逆であり、コイル２３．２４．２５に所定の電流
を流したとき、例えばヨーク２７と２９の上面がＮ極で
あれば、ヨーク２８とヨーク３０の上面はＳ極になる。

従って、コイル２３．２４．２５に所定の電流を流した
ときターゲット３の表面には第１図に矢印で示す如く、
コイル２３の上方の磁束Φ、と、コイル２４の上方の磁
束Φ２と、コイル２４の上方の磁束Φ３が形成される。

第３図に示す成膜装置３１において、３３は成膜チャン
バ、３４はチャンバ３３にスパッタリングガスを導入す
る導入管、３５はチャンバ３３の排気管、３６はチャン
バ３３内に設けた絶縁体、３７は絶縁体３６に直立する
試料台、３８は試料台３６に固着された防着板、３９は
電磁石２２をチャンバ３３に装着せしめるフランジ、４
０はチャンバ３３とフランジ３９との間に嵌装された絶
縁体、４１はチャンバ３３と防着板７との間に嵌装され
た絶縁体である。

防着板３８の上に搭載された被成膜基板３２はターゲッ
ト３に対向し、コイル２３，２４．２５に所定の電流を
流すことによってターゲット３には第１図に示す如き磁
束Φ、Φ２．Φ、が形成され、該磁束Φ１゜Φ２．Φ３
に荷電粒子が閉じ込められ、被成膜基板３２にはターゲ
ット３より叩き出された金属粒子の膜が被着される。

基板３２の成膜に寄与する磁界Φ１とΦ２は、放射状で
ある従来の磁界Φと異なり円弧状となるため、チャンバ
３３内を１０−　’Ｔｏｒｒの低圧力にしても荷電粒子
の閉じ込めが十分であり、被成膜基板３２には１０−　
’Ｔｏｒｒのガス圧で行う従来装置の成膜と同程度の効
率で成膜が被着されるようになる。

第４図において、コイル２４には図中に実線で示すよう
に５アンペアの一定電流を流し、コイル２３には図中に
破線で示すように２８秒周期で３−→０゜８アンペアに
変化する電流を流し、コイル２５には図中に一点鎖線で
示すように２８秒周期で１−→４アンペアに変化する電
流を流す。ただし、コイル２３に流す電流の増減は、コ
イル２５に流す電流の増減に対して逆方向にする。

そこで、コイル２５に流す電流が４アンペアでコイル２
３に流す電流が０．８アンペアである時間帯領域をＡ、
コイル２５に流す電流が４アンペアから１アンペアに減
少しコイル２３に流す電流が０．８アンペアから３アン
ペアに増加する時間帯領域をＢ、コイル２５に流す電流
が１アンペアでコイル２３に流す電流が３アンペアであ
る時間帯領域をＣとしたとき、ターゲット３の上面に形
成される磁束分布は、２８秒周期で変動するようになる
。

第５図（イ）は時間帯領域Ａにおいてターゲット３の上
面に形成される磁束の分布図、第５図（ａ）は時間帯領
域Ｂにおいてターゲット３の上面に形成される磁束の分
布図、第５図（ハ）は時間帯領域Ｃにおいてターゲット
３の上面に形成される磁束の分布図であり、このように
コイル２４には一定電流を流しコイル２３．２５に流す
電流を変えることによって磁束Φ１．Φ２．Φ３の広が
りが変化し、その変化と共にターゲット３の浸食領域１
０も変化するため、ターゲット３は従来より広い範囲に
分散し浸食されるようになる。

第６図において、継軸はターゲット３と平行方向の磁束
密度（ガウス）、横軸は直径が２００ｍｍであるターゲ
ット３の中心から半径方向の距離（ｍｍ）であり、ター
ゲット３の上面には、時間帯領域Ａに対し実線で示す磁
束密度分布が、時間帯領域Ｂに対し破線で示す磁束密度
分布が、時間帯領域Ｃに対し一点鎖線示す磁束密度分布
が形成される。

第７図は本発明方法による成膜のステップカバレッジを
示す断面図であり、厚さ１μｍの絶縁膜１３に形成され
たビィアホール１４を覆うように被着した成膜４３は、
ビィアホール１４の側壁および底面をほぼ均等に覆うよ
うになり、ステップカバレッジに優れたものとなる。

第８図は本発明の他の実施例としてアノードを設けた成
膜装置要部の模式断面図であり、装置要部４４において
冷却液４６の流通路４７を有するアノード４５は、ター
ゲット３．バッキングプレート２゜コア２３の中心にあ
けた透孔を貫通し、ターゲット３の表面に突出する。

なお、前記実施例において直径が２００ｍｍのターゲッ
ト３を使用した装置要部２１は、３個の環状コイル２３
，２４．２５とヨーク３０を具えた構成であるが、３個
以上例えば４個の環状コイルを組み込むおよび、ヨーク
３０をなくすことができる。即ち、ターゲット３がより
大型のときには３個以上、例えば４個の環状コイルを組
み込むことによって、荷電粒子の閉じ込めおよび成膜磁
束の変動を効果的にすることが可能であり、ヨーク３０
をなくすことで磁束Φ、はコア２９からその外側に向け
て放射状になるが、磁束Φ、の内側の磁束Φ２は円弧状
となり荷電粒子の閉じ込めに効果的である。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、成膜速度を低減さ
せることなく　１０−’Ｔｏｒｒでの成膜を可能にし、
そのことによって微細かつ高アスペクト比穴のステップ
カパレ・ノジを改善し、成膜を均質化し、従来１０％程
度であった成膜厚さ分布を３％以下にすると共に、溜め
込み式真空ポンプのアップタイムを従来の２倍以上に長
期化せしめ、さらに、ターゲットの長寿命化を果たし得
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による装置要部、第２図は第
１図に示す電磁石、 第３図は第１図に示す要部を具えた成膜装置、第４図は
本発明の実施例による電磁石に流す電流の変化例、 第５図は本発明の実施例によるターゲット上の磁束分布
、 第６図はターゲット上の磁束密度とその分布、第７図は
本発明装置、方法による成膜のステップカバレンジ、 第８図は本発明の他の実施例による装置要部、第９図は
従来装置の要部、 第１０図は従来装置のターゲット上の磁束分布、第１１
図は従来の成膜装置によるステップカバレッジ、 である。 図中において、 ３はターゲット、 ２１．４４は成膜装置要部、 ２２は電磁石、 ２３．２４．２５はコイル、 ２７．２８．２９はコア、 ３０はヨーク、 ３１は成膜装置、 を示す。 代理人　弁理士　井　桁　貞　−： 第 図 第 凹 本発明の実Ｍ！、例によるターゲット上の穆束分布第５
図 本発明の他の実施伊］ｌごよる装置雫部第　８　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲット（３）の裏面に電磁石（２２）を具え
   たプレーナマグネトロン方式の成膜装置であって、該電
   磁石（２２）が巻径を変えることによって適当な間隔で
   同心に配置された３個以上の環状コイル（２３，２４，
   ２５）と、最小巻径の該コイル（２３）を貫通し該ター
   ゲット（３）の裏面の中心部に対向するヨーク（２７）
   と、該コイル（２３，２４，２５）の隣接間に嵌合し該
   ターゲット（３）の裏面に対向する環状ヨーク（２８，
   ２９）とを具え、 該コイル（２３，２４，２５）に電流を流すことによっ
   て該ターゲット（３）の厚さ方向に極性をもつ該ヨーク
   （２７，２８，２９）が、該ターゲット（３）の半径方
   向の配設順に逆極性となるように、該コイル（２３，２
   ４，２５）が巻回されてなることを特徴とする成膜装置
   。
2. （２）巻径の異なる前記コイル（２３，２４，２５）が
   大，中，小の３個であることを特徴とする前記請求項１
   記載の成膜装置。
3. （３）最大径の前記コイル（２５）の外側に環状のヨー
   ク（３０）を設けたことを特徴とする前記請求項１記載
   の成膜装置。
4. （４）請求項１記載の成膜装置において、前記コイル（
   ２３，２４，２５）に流す電流を周期的に変化せしめ、
   前記ターゲット（３）の表面に形成される磁束分布を変
   化させることを特徴とする成膜方法。
5. （５）請求項２記載の成膜装置において、巻径が中の前
   記コイル（２４）に流す電流を一定とし、巻径が大およ
   び小の前記コイル（２３，２５）に流す電流を逆方向へ
   周期的に変化せしめ、前記ターゲット（３）の表面に形
   成される磁束分布を変化させることを特徴とする成膜方
   法。