JPH059720A - Bias sputtering method - Google Patents

Bias sputtering method

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JPH059720A
JPH059720A JP18357291A JP18357291A JPH059720A JP H059720 A JPH059720 A JP H059720A JP 18357291 A JP18357291 A JP 18357291A JP 18357291 A JP18357291 A JP 18357291A JP H059720 A JPH059720 A JP H059720A
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JP
Japan
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sputtering
gas
target
substrate
sputtering method
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP18357291A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoyuki Uchiyama
朋幸 内山
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a bias sputtering method which can easily control a sputtering speed and an etching speed. CONSTITUTION:A gas introducing pipe 14 is provided with two introducing pipes 14a, 14b. The introducing pipe 14a introduces gaseous argon (Ar) and the introducing pipe 14b introduces gaseous xenon (Xe). The gaseous argon and the gaseous xenon are mixed at a prescribed volumetric ratio and the gaseous mixture composed thereof is fed into a static chamber 12 by opening valves 16a, 16b. The gaseous mixture is ionized to generate a glow discharge, by which sputtering is generated.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に電極配線
用等の薄膜を形成するバイアススパッタリング法に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bias sputtering method for forming a thin film for electrode wiring on a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路のメタライゼーション技
術には、主にスパッタリング法が用いられている。スパ
ッタリング法は金属膜を容易に形成することができると
いう特徴があるが、ステップカバレージが悪いという欠
点がある。スパッタリング法のうちバイアススパッタリ
ング法は、この欠点を改善するのに有効な方法であり、
基板に対して負のバイアス電圧を加えることにより、基
板に堆積した膜をエッチングしつつ、成膜するものであ
る。
2. Description of the Related Art A sputtering method is mainly used as a metallization technique for semiconductor integrated circuits. The sputtering method has a feature that a metal film can be easily formed, but has a drawback that the step coverage is poor. Among the sputtering methods, the bias sputtering method is an effective method for improving this drawback,
By applying a negative bias voltage to the substrate, the film deposited on the substrate is etched and formed.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ターゲット
に一個のイオンが入射したときにターゲット表面から飛
び出る原子の数(スパッタリング率)は、イオンの種類
やエネルギーの大きさ、イオン入射角度、ターゲット材
料及びターゲット結晶構造や面方位等により変化する。
このスパッタリング率が異なれば当然、スパッタ速度
(単位時間当たりの成膜膜厚)及びイオンのスパッタ効
果を利用したエッチング速度も異なる。従来のバイアス
スパッタリング法では、一種類の正イオンがターゲット
をスパッタすると共に、基板に堆積した膜をエッチング
するため、スパッタ速度を最適な速度にするようにイオ
ンの種類等を決めてしまうと、それに対応してエッチン
グ速度も決まってしまい、エッチング速度についてはコ
ントロールすることができなかった。このように従来の
方法では、スパッタ速度とエッチング速度のそれぞれが
最適の速度となるように個別に制御することはできず、
したがってバイアススパッタリング法でも、ステップカ
バレージの問題は残っている。
By the way, the number of atoms (sputtering rate) jumping out from the target surface when one ion is incident on the target depends on the type of ion and the energy, the ion incident angle, the target material, and It changes depending on the target crystal structure and plane orientation.
If the sputtering rate is different, naturally, the sputtering rate (film formation film thickness per unit time) and the etching rate using the ion sputtering effect also differ. In the conventional bias sputtering method, one type of positive ions sputters the target and etches the film deposited on the substrate, so if you decide the type of ions to make the sputtering rate optimal, Correspondingly, the etching rate was also determined, and the etching rate could not be controlled. As described above, in the conventional method, it is not possible to individually control each of the sputtering rate and the etching rate to be the optimum rate,
Therefore, even in the bias sputtering method, the problem of step coverage remains.

【0004】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、スパッタ速度とエッチング速度を容易に制御す
ることができるバイアススパッタリング法を提供するこ
とを目的とするものである。
The present invention has been made under the above circumstances, and an object thereof is to provide a bias sputtering method capable of easily controlling the sputtering rate and the etching rate.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、真空室内で放電しイオンをターゲットに
衝突させて該ターゲットを構成する粒子を基板に堆積す
ると共に、前記基板にバイアス電圧を加えることにより
前記薄膜をエッチングするバイアススパッタリング法に
おいて、前記真空室内に複数種類の希ガスを導入して前
記放電を行うことを特徴とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION To achieve the above object, the present invention is directed to discharging ions in a vacuum chamber to cause ions to collide with a target to deposit particles constituting the target on a substrate and to bias the substrate. In the bias sputtering method in which the thin film is etched by applying a voltage, a plurality of kinds of rare gases are introduced into the vacuum chamber to perform the discharge.

【0006】[0006]

【作用】本発明は前記の構成によって、放電ガスとして
複数種類の希ガスを混合したものを用いている。複数種
類の希ガスを使用した場合、スパッタ速度とエッチング
速度は希ガスの体積比に依存するので、使用する希ガス
の体積比を変えることにより、スパッタ速度とエッチン
グ速度を容易にコントロールできる。
According to the present invention, as the discharge gas, a mixture of plural kinds of rare gases is used. When a plurality of types of rare gases are used, the sputtering rate and the etching rate depend on the volume ratio of the rare gas. Therefore, the sputtering rate and the etching rate can be easily controlled by changing the volume ratio of the rare gas used.

【0007】[0007]

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図1は本発明の一実施例であるバイアススパッ
タリング法において使用するバイアススパッタリング装
置の概略構成図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a bias sputtering apparatus used in a bias sputtering method which is an embodiment of the present invention.

【0008】図1に示すバイアススパッタリング装置
は、スパッタチャンバー(真空室)12と、スパッタチ
ャンバー12内に放電ガスを導入するガス導入管14
と、スパッタチャンバー12内の放電ガスを排気する排
気管18と、シリコンウエハ上に二酸化シリコン膜が堆
積された基板24と、基板24を保持する基板ホルダー
26と、アルミニウム(Al)で形成したターゲット2
8と、ターゲット28を保持するターゲットホルダー3
2と、開口部を有するアノード34と、直流電源36,
38とを備えるものである。
The bias sputtering apparatus shown in FIG. 1 includes a sputtering chamber (vacuum chamber) 12 and a gas introducing pipe 14 for introducing a discharge gas into the sputtering chamber 12.
An exhaust pipe 18 for exhausting the discharge gas in the sputtering chamber 12, a substrate 24 having a silicon dioxide film deposited on a silicon wafer, a substrate holder 26 for holding the substrate 24, and a target formed of aluminum (Al). Two
8 and a target holder 3 for holding the target 28
2, an anode 34 having an opening, a DC power supply 36,
And 38.

【0009】ガス導入管14は2種類の混合ガスを導入
することができ、導入管14aはアルゴン(Ar)ガス
を、導入管14bはキセノン(Xe)ガスを導入するも
のである。導入管14a,14bにはそれぞれアルゴン
ガス、キセノンガスの流量を調節するバルブ16a,1
6bが設けられている。排気管18は真空ポンプ22に
繋げられ、真空ポンプ22はスタックチャンバー12内
の圧力を小さくして所定の真空状態を維持する。
The gas introducing pipe 14 can introduce two kinds of mixed gas, and the introducing pipe 14a introduces argon (Ar) gas and the introducing pipe 14b introduces xenon (Xe) gas. Valves 16a and 1 for adjusting the flow rates of argon gas and xenon gas are provided in the introduction pipes 14a and 14b, respectively.
6b is provided. The exhaust pipe 18 is connected to a vacuum pump 22, and the vacuum pump 22 reduces the pressure in the stack chamber 12 to maintain a predetermined vacuum state.

【0010】基板ホルダー26、ターゲット28及びア
ノード34は互いに平行に配置され、基板ホルダー26
とターゲット28はカソードとしての役割を果たす。直
流電源36はグロー放電を発生させるための電源であ
り、アノード34とターゲット28に接続される。アノ
ード34は接地されている。一方、直流電源38はアノ
ード34と基板ホルダー26に接続され、基板ホルダー
26に負のバイアス電圧を加えるものである。また、イ
オンや原子の衝突により基板24及びターゲット28の
温度が急激に上昇するのを抑えるために、基板ホルダー
26及びターゲットホルダー32には図示しない冷却装
置が設けられている。尚、基板ホルダー26は回転可能
な構成としてもよい。
The substrate holder 26, the target 28 and the anode 34 are arranged parallel to each other, and the substrate holder 26
The target 28 serves as a cathode. The DC power supply 36 is a power supply for generating glow discharge, and is connected to the anode 34 and the target 28. The anode 34 is grounded. On the other hand, the DC power source 38 is connected to the anode 34 and the substrate holder 26 and applies a negative bias voltage to the substrate holder 26. Further, in order to prevent the temperature of the substrate 24 and the target 28 from rapidly rising due to collision of ions and atoms, the substrate holder 26 and the target holder 32 are provided with a cooling device (not shown). The substrate holder 26 may be rotatable.

【0011】次に、本実施例のバイアススパッタリング
装置を用いて基板に薄膜を形成する動作を説明する。ま
ず、バルブ16a,16bを開けて、アルゴンガスとキ
セノンガスを所定の体積比で混合し、この混合ガスをス
パッタチャンバー12内に送り込む。真空ポンプ22に
よりスパッタチャンバー12内のガス圧力を10-2〜1
-1Torrにして、アノード34とターゲット28の
間及びアノード34と基板ホルダー26の間に直流電力
を印加する。基板ホルダー26とターゲット28の間に
グロー放電が発生し、アルゴンガスとキセノンガスは解
離する。正イオンのアルゴンイオン(Ar+ )とキセノ
ンイオン(Xe+ )の大部分はカソードであるターゲッ
ト28の表面に衝突し、アルミニウム原子をはじき出
す。はじき出されたアルミニウム原子は、アルゴンイオ
ンとキセノンイオンにより充分なエネルギーを得て、基
板24に向かって飛行し、基板24の表面に膜として付
着する。また、基板ホルダー26にはアノード34に対
して負のバイアス電圧が加えられているので、アルゴン
イオンとキセノンイオンの一部は基板ホルダー26に流
れ込む。これらのイオンは基板24の表面に衝突し、ス
パッタ効果により基板24に堆積したアルミニウム膜を
エッチングする。このようにバイアススパッタリング法
では、基板24にアルミニウム膜を形成すると同時にエ
ッチングしつつ成膜過程が進行する。尚、放電ガスとし
て希ガスに限定しているのは、他の種類のガスはターゲ
ット28を構成する原子と反応を起こすため、スパッタ
リング率が低いからである。
Next, the operation of forming a thin film on a substrate using the bias sputtering apparatus of this embodiment will be described. First, the valves 16a and 16b are opened, argon gas and xenon gas are mixed at a predetermined volume ratio, and this mixed gas is sent into the sputtering chamber 12. The gas pressure in the sputtering chamber 12 is set to 10 −2 to 1 by the vacuum pump 22.
Direct current power is applied between the anode 34 and the target 28 and between the anode 34 and the substrate holder 26 at 0 −1 Torr. Glow discharge is generated between the substrate holder 26 and the target 28, and the argon gas and the xenon gas are dissociated. Most of the positive ion argon ions (Ar + ) and xenon ions (Xe + ) collide with the surface of the target 28 which is the cathode, and repel aluminum atoms. The ejected aluminum atoms obtain sufficient energy by the argon ions and the xenon ions, fly toward the substrate 24, and adhere to the surface of the substrate 24 as a film. Since a negative bias voltage is applied to the substrate holder 26 with respect to the anode 34, part of the argon ions and the xenon ions flow into the substrate holder 26. These ions collide with the surface of the substrate 24 and etch the aluminum film deposited on the substrate 24 due to the sputtering effect. As described above, in the bias sputtering method, the film formation process proceeds while the aluminum film is formed on the substrate 24 and simultaneously etched. The discharge gas is limited to the rare gas because the other types of gas react with the atoms forming the target 28, and the sputtering rate is low.

【0012】本実施例のバイアススパッタリング法で
は、放電ガスとして2種類の希ガスを所定の体積比で混
合したものを用いている。スパッタリング率はイオンの
種類により変化し、希ガスで極大となり、原子番号が大
きくなると全体的に大きくなる傾向がある。複数のガス
を混合した場合は、スパッタリング率は各イオンのスパ
ッタリング率に各ガスの体積の割合を重みとして掛けて
和をとったものになる。このため、各希ガスの種類や希
ガスの体積比を変えることにより、単位時間当たりのア
ルミニウムの成膜膜厚であるスパッタ速度とアルミニウ
ム膜のエッチング速度を変えることができる。しかも、
スパッタ速度とエッチング速度では各希ガスの種類や希
ガスの体積比に対する依存性が異なる。したがって、成
膜作業において希ガスの体積比を変えることにより、ス
パッタ速度とエッチング速度を容易にコントロールし、
全体的な成膜速度を最適な速度に調節することができ
る。すなわち本実施例によれば、適切な希ガスを選択
し、各希ガスの体積比を調整することにより、特にエッ
チング速度を最適速度にコントロールすることができる
ので、従来のバイアススパッタリング法に比べてステッ
プカバレージの向上を図ることができる。
In the bias sputtering method of this embodiment, a discharge gas containing two kinds of rare gases mixed at a predetermined volume ratio is used. The sputtering rate changes depending on the type of ions, has a maximum in a rare gas, and tends to increase as the atomic number increases. When a plurality of gases are mixed, the sputtering rate is the sum of the sputtering rate of each ion multiplied by the volume ratio of each gas as a weight. Therefore, by changing the type of each rare gas or the volume ratio of the rare gas, the sputtering rate, which is the film thickness of the aluminum film per unit time, and the etching rate of the aluminum film can be changed. Moreover,
The sputter rate and the etching rate have different dependences on the type of each rare gas and the volume ratio of the rare gas. Therefore, the sputtering rate and etching rate can be easily controlled by changing the volume ratio of the rare gas in the film forming operation.
The overall deposition rate can be adjusted to the optimum rate. That is, according to the present embodiment, by selecting an appropriate rare gas and adjusting the volume ratio of each rare gas, it is possible to control the etching rate to an optimum rate, so that compared to the conventional bias sputtering method. The step coverage can be improved.

【0013】また、本実施例では、基板ホルダー、ター
ゲット及びアノードを互いに平行に配置しているため、
アルゴンイオンとキセノンイオンによりはじき出された
アルミニウム原子は基板上に均等に付着する。また、ア
ルゴンイオンとキセノンイオンによりアルミニウム膜の
エッチングも均一に行われるので、成膜の均一性を一
層、向上させることができる。更に、本実施例のバイア
ススパッタリング法を実施するには、従来のバイアスス
パッタリング装置に複数の導入管を有するガス導入管を
設けるだけでよいので、簡易な構成で容易に本発明を実
施することができる。
Further, in this embodiment, since the substrate holder, the target and the anode are arranged in parallel with each other,
Aluminum atoms repelled by argon ions and xenon ions are evenly attached to the substrate. Further, since the aluminum film is uniformly etched by the argon ions and the xenon ions, the uniformity of film formation can be further improved. Furthermore, in order to carry out the bias sputtering method of the present embodiment, it is only necessary to provide a conventional bias sputtering apparatus with a gas introducing pipe having a plurality of introducing pipes, so that the present invention can be easily implemented with a simple configuration. it can.

【0014】尚、本実施例では、カソード部に磁場を印
加していない場合を説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、カソード内部に磁石を配置したマグ
ネトロンタイプのカソードを用いてもよい。
In the present embodiment, the case where the magnetic field is not applied to the cathode part has been described, but the present invention is not limited to this, and a magnetron type cathode in which a magnet is arranged inside the cathode is used. May be.

【0015】また、上記の実施例では、放電ガスとして
2種類の希ガスを混合したものを用いた場合について説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、放
電ガスとして3種類以上の希ガスを混合したものを用い
てもよい。
In the above embodiment, the case where the discharge gas is a mixture of two kinds of rare gases has been described, but the present invention is not limited to this, and three or more kinds of discharge gases are used. You may use the mixture of these rare gases.

【0016】更に、上記の実施例では、グロー放電を発
生させるのに、電極間に直流電圧を印加するバイアスス
パッタリング装置を用いた場合について説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、電極間に高周波
電圧を印加するスパッタリング装置を使用してもよい。
Further, in the above embodiment, the case where the bias sputtering apparatus for applying the DC voltage between the electrodes is used to generate the glow discharge has been described, but the present invention is not limited to this. Alternatively, a sputtering device that applies a high frequency voltage between the electrodes may be used.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、放
電ガスとして数種類の希ガスを混合したものを用いたこ
とにより、希ガスの体積比を変えて、スパッタ速度とエ
ッチング速度を容易にコントロールすることができるの
で、全体的な成膜速度をコントロールすることができる
とともに、従来の装置に比べて均一に薄膜を形成するこ
とができるバイアススパッタリング法を提供することが
できる。
As described above, according to the present invention, by using a mixture of several kinds of rare gases as the discharge gas, the volume ratio of the rare gases can be changed to facilitate the sputtering rate and the etching rate. Since it can be controlled, it is possible to provide a bias sputtering method capable of controlling the overall film formation rate and forming a thin film more uniformly than in the conventional apparatus.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例であるバイアススパッタリン
グ法において使用するバイアススパッタリング装置の概
略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a bias sputtering apparatus used in a bias sputtering method which is an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12 スパッタチャンバー 14 ガス導入管 14a,14b 導入管 16a,16b バルブ 18 排気管 22 真空ポンプ 24 基板 26 基板ホルダー 28 ターゲット 32 ターゲットホルダー 34 アノード 36,38 直流電源 12 sputter chamber 14 gas introduction pipe 14a, 14b introduction pipe 16a, 16b valve 18 exhaust pipe 22 vacuum pump 24 substrate 26 substrate holder 28 target 32 target holder 34 anode 36, 38 DC power supply

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 真空室内で放電しイオンをターゲットに
衝突させて該ターゲットを構成する粒子を基板に堆積す
ると共に、前記基板にバイアス電圧を加えることにより
前記薄膜をエッチングするバイアススパッタリング法に
おいて、前記真空室内に複数種類の希ガスを導入して前
記放電を行うことを特徴とするバイアススパッタリング
法。
Claim: What is claimed is: 1. Discharge in a vacuum chamber to collide ions with a target to deposit particles constituting the target on a substrate and to apply a bias voltage to the substrate to etch the thin film. In the bias sputtering method, the discharge is performed by introducing a plurality of kinds of rare gases into the vacuum chamber, and the discharge is performed.
JP18357291A 1991-06-28 1991-06-28 Bias sputtering method Withdrawn JPH059720A (en)

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Legal Events

Date Code Title Description
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Effective date: 19980903