JPH0529257A - スパツタリング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理体の微細パターン（凹部）におけるス
パッタ粒子の堆積形状の改善を図ること。 【構成】 真空チャンバ１内にウエハの径とほぼ同じ径
のターゲット２を設置し、その周縁部を下方側に突出さ
せる。ターゲット２をカソードとしてチャンバ１とター
ゲット２との間に直流電圧を印加すると共に、永久磁石
部材５により磁場を形成してプラズマを発生させ、ター
ゲット２からスパッタ粒子を放出させる。このときスパ
ッタ粒子の角度分布形状について、面方向の長さに対す
るその垂直方向の長さの比λが１．７以上となるように
ウエハの表面に成膜を行なう。この角度分布形状の制限
は、シュミレーション結果から得られたものであり、従
ってこのように角度分布形状を制御することにより、パ
ターンの堆積形状が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリングにより成膜処理する方法
は、被膜の密着性が優れている上、コントロール因子も
少ないためウエハを大量処理するのに適している。この
方法は例えばＤＲＡＭのビット線を形成する場合などに
適用されており、この場合真空チャンバ内にアルゴンガ
スなどの不活性ガスを導入し、例えばアルミニウムより
なるターゲットをカソードとしてチャンバ及びターゲッ
ト間に電圧を印加すると共に永久磁石部材などによりタ
ーゲットの近傍に磁場を形成して、不活性ガスをプラズ
マ化し、これによりターゲットからアルミニウム粒子を
叩き出してウエハの微細パターンに成膜している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで最近では半導
体デバイスの集積化が一段と進み、ＤＲＡＭについて
は、４Ｍから１６Ｍ、３２Ｍへと大容量化が図られよう
としている。このように回路パターンが微細化してくる
と、例えばＤＲＡＭのメモリセル構造部のビット線埋め
込みホールのアスペクト比も増加するが、この場合ホー
ル内に例えばアルミニウムを隙間なく埋め込むことが困
難になってくると考えられる。その理由は、アスペクト
比が大きくなると、ホールの奥までスパッタ粒子が届き
にくくなるので、ホールの入口に近い側壁にて堆積が進
み、この部分が閉塞して内部に空洞を形成するといった
ことが起こり得るからである。

【０００４】このようにホール内のビット線に空洞が形
成されると、ＦＥＴ電極部との所定のコンタクトがとれ
ないなどの問題が起こるが、このような点については十
分考慮されていないのが実情である。

【０００５】本発明はこのような事情のもとになされた
ものであり、その目的は、線状の溝部やホールなどの凹
部（微細パターン）に成膜するにあたって堆積形状を改
良することのできるスパッタリング方法を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成するために、ターゲットから放出されるスパッタ粒子
の角度分布形状（ターゲット上のあるポイントに着目し
たときに放出されるスパッタ粒子の流束ベクトルの集
合）と凹部内の堆積形状との関係を把握し、この関係に
もとづいてスパッタ粒子の角度分布形状を規定したもの
である。

【０００７】具体的には本発明は、ターゲットに粒子を
衝突させて放出されたスパッタ粒子により、被処理体の
凹部を含む被処理面に対して成膜処理を行うスパッタリ
ング方法において、ターゲットから放出されるスパッタ
粒子の角度分布形状について、ターゲットの面方向の長
さに対する、前記面方向に垂直な方向の長さの比が１．
７以上とすることを特徴とする。

【０００８】

【作用】ターゲットから放出されるスパッタ粒子の角度
分布形状と被処理物の凹部における堆積形状とが関連し
ており、角度分布形状が縦長になる程凹部の側壁におけ
るスパッタ粒子の堆積量が均一になる。従って角度分布
形状の縦／横の比をシミュレーション結果から１．７以
上に規定することにより、凹部の側壁における堆積量の
均一性があるレベル以上に補償され、この結果堆積形状
が改善される。

【０００９】

【実施例】図１は本発明に用いられるスパッタリング装
置の一例を示す略解図である。真空チャンバ１は、イオ
ン化ガスである例えばアルゴンガスを導入するためのガ
ス導入口及び排気口（各々図示せず）を備えており、こ
のチャンバ１内には、円板部２１の周縁下部に突壁部２
２を有する、例えばアルミニウムよりなるターゲット２
が設置されると共に、このターゲット２の下方側にはウ
エハ支持台３が配置され、チャンバ１とターゲット２と
の間には、ターゲット２がカソードとなるように直流電
源４が接続されている。更に前記チャンバ１の上面に
は、例えばＳ極部の周囲にリング状にＮ極部を形成して
なる永久磁石部材５がターゲットＴの中心軸を中心とし
て公転するように設置されており、この永久磁石部材５
により形成された磁場によって、例えばアルゴンガスを
トラップしてプラズマ領域を形成している。

【００１０】前記ターゲット２としては突壁部２２を備
えた構造に限定されないが、突壁部２２を設けてターゲ
ット２の径（内側の径）をウエハＷの径と同程度の大き
さとすることにより、当該突壁部２２の内面の下方側に
放出されるスパッタ粒子の量が増え、その放出方向にウ
エハＷの周縁部が位置するため、ウエハＷの周縁部にお
いても中央部と同程度の膜厚（堆積量）を確保すること
ができるので有利である。この場合実施例の如く磁場を
形成すれば、ターゲット２の外縁に近い部分のエロージ
ョンのために発生させたプラズマにより突壁部２２の内
面（側壁）からスパッタ粒子が叩き出されるため、突壁
部２２専用のプラズマを別途発生させなくて済む。

【００１１】また突壁部２２は、円板部２１と一体であ
ってもよいが別体であってもよく、その内面の向きは、
鉛直方向に向いていても、あるいは下方に向かうにつれ
て広がるように傾斜していてもよく、更にはまた実施例
のように傾斜面と鉛直面が組み合わさった構造としても
よい。

【００１２】次に上述の装置によるスパッタリングにつ
いて説明すると、先ずチャンバ１内を真空引きした後、
例えばアルゴンガスを図示しないガス導入口からチャン
バ１内に導入すると共に図示しない排気口から排気しな
がらチャンバ１内を所定の真空度例えば１．０ｍＴｏｒ
ｒに維持し、永久磁石部材５を先述の如く公転させなが
らチャンバ１及びターゲット２間に直流電圧を印加して
アルゴンガスのプラズマを発生させ、これによりターゲ
ット２の表面から例えばアルミニウム粒子を叩き出し
て、ウエハＷ表面における例えばＤＲＡＭのホールであ
る、ポリシリコンを底面としかつシリコン酸化膜を側壁
とする凹部（微細パターン）に対して成膜処理を行う。

【００１３】そしてこのようなプロセスにおいて、ター
ゲット２から放出されるスパッタ粒子（アルミニウム粒
子）の角度分布形状が次の条件を満足するように制御条
件を設定する。即ち図２に示すように角度分布形状にお
けるターゲット２の面方向の長さ（ａ）に対する、ター
ゲット２の表面に垂直な方向の長さ（ｂ）の比をλとす
ると、λを１．７以上とする。

【００１４】このような条件は、コンピュータによるシ
ミュレーションによってスパッタ粒子の角度分布形状と
ウエハＷの成膜すべき凹部におけるスパッタ粒子の堆積
形状との関係から把握したものである。即ち堆積形状に
ついては、下記の数式１で表される堆積速度式をターゲ
ット表面で積分すると共に、凹部の各位置において堆積
に寄与する入射角の範囲を求め、ひとつの入射方向が前
記入射角の範囲に含まれるか否かを判断するプロセスを
組み込むことにより求めた。

【００１５】

【数式１】 数式１中の各記号の表している事項は以下の通りであ
る。 Ｊ：ターゲット上の一点からウエハ上の一点に達するベ
クトル Ｎ：スパッタ粒子の主な放出方向を表す単位ベクトル ｎ_１〜ｎ_３：ウエハに固定されて、ウエハと共に動く座
標系の各座標軸の表す単位ベクトル （Ｒ，ω）：極座標形式によるターゲット上の位置の指
定。Ｒは径、ωは角度である。 ｈ（Ｒ）：エロージョンの速度のターゲット上での分布
関数 図３はウエハ径を８インチ、ターゲット径を３２０ｍ
ｍ、ウエハとターゲットとの離間距離を８０ｍｍ、成膜
すべき凹部のアスペクト比を１に設定すると共に、前記
スパッタ粒子の角度分布形状を余弦分布形状、即ちｒ
（θ）＝ｃｏｓ^ｎθで表される形状とし、ｎの値を１〜
１０の間で変化させて上述のシミュレーションを実行す
ることにより得られたウエハセンター上の堆積形状を表
わす図である。図３中（１）はｎ＝１、（２）はｎ＝
３、（３）はｎ＝４、（４）はｎ＝５、（５）はｎ＝
７、（６）はｎ＝１０の場合に夫々相当する。ただし計
算の簡略化のためにエロージョンの速度の分布はターゲ
ットの表面にて均一であるとして取り扱っている。

【００１６】図３の結果から、ｎの値が大きくなる程、
つまり前記角度分布形状が縦長になる程ウエハ上の凹部
の側壁にスパッタ粒子が均一に堆積して内方側への膨ら
み方が小さくなって、ｎ＝４あたりから可成り均一にな
ると共に、底部への堆積量が増加することが理解され、
従ってウエハ上の凹部の側壁における堆積量の均一化を
図るためには、ｎ＝４以上とすること、即ちスパッタ粒
子の角度分布形状をｒ＝ｃｏｓ^４θで表されるコサイン
分布形状よりも縦長にすることが必要であることが把握
できた。

【００１７】更にアスペクト比が２及び４の場合につい
て同様のシミュレーションを実行したところ夫々図４の
（１）、（２）に示す堆積形状が得られた。ただしアス
ペクト比が２の場合には、ｎ＝２、３、４、７、１０、
１５の６個の値の夫々における堆積形状を表わし、ｃ、
ｄは夫々ｎ＝２、ｎ＝１５の値に対応するものである。
またアスペクト比が４の場合にはｎ＝４、７、１０、１
５の４個の値の夫々における堆積形状を表わし、ｅ、ｆ
は夫々ｎ＝４、ｎ＝１５の値に対応するものである。

【００１８】図４（１）、（２）のいずれについても、
アスペクト比が１の結果と同様にｎの値が大きくなるに
つれて凹部側壁の堆積物の膨らみが小さくなっている。
この結果からみれば、アスペクト比が２以上になると、
ｎ＝４における堆積形状はアスペクト比が１の場合に比
べて悪くなってるが、従来では前記角度分布形状につい
ては着目されていないので、ｎ＝４以上と規定すること
により堆積形状が従来に比べて改善される。しかしなが
ら図４の結果からみて、アスペクト比が２以上の場合に
はｎの下限値を４よりも大きくすることが望ましい。

【００１９】なお余弦分布形状（ｒ＝ｃｏｓ^ｎθで表わ
される形状）がｎの値により変化していく様子は図５に
示す通りであり、その形状はｎが大きくなるにつれて縦
長になっていく。

【００２０】以上においてスパッタ粒子の角度分布形状
は、べき乗余弦分布形状に限られるものではなく、例え
ば楕円形状であってもよく、膨らみの度合については、
一般的に図２に示すようにターゲットの面方向の長さ
（ａ）に対する前記面方向に垂直な方向の長さ（ｂ）の
比λにより表わすことができる。そしてｎ＝４をλに換
算すると、λ＝１．７となり、従ってλを１．７以上と
すれば、つまりスパッタ粒子の角度分布形状を、λ＝
１．７で規定される形状よりも縦長の形状とすれば凹部
の側壁に均一にスパッタ粒子を堆積することができると
共に、底部への堆積量を増加させることができる。ここ
である制御条件を設定した場合に、ターゲットの表面か
ら放出されるスパッタ粒子の角度分布形状を調べるため
には、その制御条件における入射イオンのエネルギーと
同じエネルギーのイオンを制御条件と同じ温度のターゲ
ットの表面の一点に照射すると共に、ターゲットに対向
してスパッタ粒子の被着面を例えば半球状の形状に設置
しておき、被着面における面方向の堆積量分布から換算
して角度分布形状を調べればよい。

【００２１】本発明者はターゲットを構成する結晶の最
密面をターゲットの表面にとることにより、ターゲット
を構成する粒子が法線方向に優先的に放出され、上余弦
分布の傾向、つまり角度分布形状の縦長の傾向が強くな
ると共に、更に放電電圧を高めてイオンの入射エネルギ
ーを高めることにより上余弦分布の傾向がより一層強く
なることを把握している。従ってこうした手法を用いて
角度分布形状を所定の形状とすることができ、例えば８
インチのウエハについてアスペクト比が１のホールをア
ルミニウムにより成膜する場合、アルミニウムの結晶の
最密面をターゲットの表面にとり、磁場の強さを４００
〜６００Ｇ、放電電圧を１ＫＶ、ターゲット温度を３０
０°Ｋ付近に設定することにより、λの値が１．７〜
２．０である角度分布形状でスパッタリグを行うことが
できる。

【００２２】一方上述の数式１で表わされる堆積速度式
においてスパッタ粒子の反射及び表面拡散効果を考慮し
てシミュレーションを行ったところ、夫々図６及び図７
に示すように、反射及び表面拡散の効果が大きいほど、
共によりなだらかな堆積形状が得られる。図６中ｇ、
ｈ、ｉは夫々付着係数が１．０、０．８、０．５に相当
するデータであり、また図７中ｊ、ｋ、ｌ、ｍは夫々深
さ１ミクロンに対する拡散距離（ミクロン）が５．０、
２．５、１．０、０．５に相当するデータである。

【００２３】この結果から、表面拡散については、この
効果が大きい程初期の凹部の形状を反映した堆積形状に
より一層近づき、また凹部上での粒子の反射の効果が大
きくなる程見かけ上凹部の底部における堆積量が増加し
ていく。従ってこのようなことにもとづいて、実際にス
パッタリングを行って得られた堆積形状が表面拡散また
は反射のうちのいずれの影響をより大きく受けているか
を判定する一つの基準を作成することができる。具体的
には例えば以下に述べる量を定義して、その量にもとづ
いて判定することができる。

【００２４】即ち、反射の効果については、図８に示す
凹部の両端間に相当する区間ｐ（凹部の上方部分も含
む）における、シミュレーションによる堆積量（体積）
及び実際の堆積量を夫々Ｖ１、Ｖ２、とすると、下記
（２）式で示すＡの値が大きいほど反射の効果が大きい
と判定する。尚図８中ｏ、ｎはそれぞれシミュレーショ
ンの堆積形状及びＳＥＭ写真による実際の堆積形状であ
る。

【００２５】 Ａ＝（Ｖ_２−Ｖ_１）／Ｖ_ｍ …（２） ただしＶ_ｍはＶ_１若しくはＶ_２または（Ｖ_１＋Ｖ_２）／
２である。この判定方法は、底部の堆積量が多い程反射
の結果が大きいという考え方にもとずいている。 また
表面拡散の効果については、ＳＥＭ写真で見た実際の堆
積形状において図９に示すように側壁における膜厚の最
大値、最小値を夫々ｐ_ｍａｘ、ｐ_ｍｉｎとし、凹部以外
の部分の膜厚をｑとすると、下記の（３）式で示すＢの
値または下記の（４）式で示すＣの値が小さい程、表面
拡散の効果が大きいと判断する。

【００２６】 Ｂ＝（ｐ_ｍａｘ−ｐ_ｍｉｎ）／｛（ｐ_ｍａｘ＋ｐ_ｍｉｎ）／２｝…（３） Ｃ＝１−｛（ｐ_ｍａｘ＋ｐ_ｍｉｎ）／２｝／ｑ …（４） Ｄ＝｜ｌｏｇ_ｘ｛（ｐ_ｍａｘ＋ｐ_ｍｉｎ）／２ｑ｝｜ …（５） なおＣの値の代わりに（５）式（式中ｘは任意の値）で
示すＤの値を用いてもよい。

【００２７】この判定方法は、初期の凹部の形状を大き
く反映している程表面拡散の効果が大きいという考え方
にもとずいている。

【００２８】以上において本発明では、ＤＲＡＭなどの
ホールの埋め込みのみならず、ライン状の凹部に対する
成膜処理にも適用でき、また配線金属膜の形成のみなら
ず、例えば層間絶縁膜や、または多層構造の場合は上部
のＩＶ族の元素の層などに適用してもよい。

【００２９】更にターゲットとしては、アルミニウムの
他にタングステンやモリブテン、タンタルなどを用いて
もよいし、イオン化ガスとしてはアルゴンガスに限らず
クリプトンガスなどを用いてもよい。

【００３０】そしてまた本発明は、不活性ガスをイオン
化してスパッタリングを行う方法以外に、例えば活性ガ
ス中で化合物膜を作る反応スパッタリング法に適用して
もよい。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ターゲッ
トから放出されるスパッタ粒子の角度分布形状と被処理
体上の微細パターン（凹部）の堆積形状との関係を見い
出し、先述したλ（ターゲットの面方向の長さに対する
面方向に垂直な方向の長さの比）が１．７以上となるよ
うに角度分布形状を制御してスパッタリングを行うよう
にしているため、シミュレーション結果からも明らかな
ように、微細パターンに対して側壁へのスパッタ粒子の
堆積を均一化し、かつ底部への堆積量を多くすることが
でき、従って凹部における堆積形状の改善を図ることが
でき、この結果例えば配線と凹部底面の電極部とのコン
タクトが確実なものになるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に用いられる装置の一例を示す説明
図である。

【図２】スパッタ粒子の角度分布形状を示す説明図であ
る。

【図３】スパッタ粒子の角度分布形状を変化させたとき
の凹部の堆積形状を示す説明図である。

【図４】スパッタ粒子の角度分布形状を変化させたとき
の凹部の堆積形状を示す説明図である。

【図５】余弦分布側を変えたときのスパッタ粒子の角度
分布形状の変化を示す説明図である。

【図６】表面拡散の程度と凹部の堆積形状との関係を示
す説明図である。

【図７】反射の程度と凹部の堆積形状との関係を示す説
明図である。

【図８】反射の効果の判定方法の数式を説明するための
説明図である。

【図９】表面拡散の効果の判定方法の数式を説明するた
めの説明図である。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ ターゲット ３ 支持部材 ４ 直流電源 ５ 永久磁石部材 Ｗ ウエハ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ターゲットに粒子を衝突させて放出され
   たスパッタ粒子により、被処理体の凹部を含む被処理面
   に対して成膜処理を行うスパッタリング方法において、 ターゲットから放出されるスパッタ粒子の角度分布形状
   について、ターゲットの面方向の長さに対する、前記面
   方向に垂直な方向の長さの比が１．７以上とすることを
   特徴とするスパッタリング方法。