JPH0611029B2 - スパツタタ−ゲツトおよびスパツタリング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、試料表面に薄膜を形成するための技術に関す
るもので、特にアノードとカソード間に発生したイオン
を、スパッタターゲットに衝突せしめ、その衝突のエネ
ルギーにより放出したスパッタターゲットの構成原子や
分子を飛散させて、試料表面に膜を形成するのに利用し
て有効な技術に関するものである。

［背景技術］ 従来、半導体装置を形成するのに用いられるウエハ表面
に電極配線材料の膜を形成するために、アノード、カソ
ード間のプラズマ放電により励起され発生するたとえば
アルゴンイオンを、スパッタターゲット表面に衝突さ
せ、ターゲットを構成する原子を飛散させて成膜するい
わゆるスパッタ法が用いられている（工業調査会１９８
２年版・電子材料別冊参照）。この方法を用いて、Ａ１
合金やＭｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）等の高
融点金属に薄膜の形成を行っていた。

しかしながら、Ａ１合金は低融点であるため、高温プロ
セスでは使用できず、またＭｏ、Ｗ等は酸化しやすく、
さらに加工性が悪いため近年、高融点金属とシリコンの
合金（シリサイド）をゲート電極として用いようとする
傾向にある。そこで、前述したスパッタ法を用いてウエ
ハ上面にシリサイド膜を形成するためには、次の２つの
方法が考えられる。

(1)．シリサイド膜を形成するのに必要な金属ごとに、
スパッタターゲットを構成して、その各々をスパッタ電
極に載置して同時にスパッタする方法。

(2)．複数の金属の粉末を一定の比率で混ぜ合わせ、触
媒にて焼結し、それをターゲットとしてスパッタする方
法。

しかしながら、前者の方法にあっては、各々の金属のス
パッタ飛散速度が異なるため、一定の合金比率を得るた
めには、スパッタ電極への印加電圧や成膜時間を精密に
コントロールする必要があり、技術的かつ作業性はきわ
めて困難である。後者の方法では、複数の金属粉を焼結
するために触媒を用いる必要性があるため、触媒自身が
合金に含まれてしまい、スパッタしたときに触媒をもス
パッタして、触媒を構成する原子がウエハ表面に飛着
し、薄膜の純度を低下させてしまう。

また、特開昭５７−１４５９８２号公報には、ターゲッ
ト基材の一部に、該ターゲット基材とは別個のターゲッ
ト材を埋め込んだスパッタターゲットが開示されてい
る。

ところが、このスパッタターゲットにおいては、ターゲ
ット材がターゲット基材の一部に埋め込まれているの
で、各スパッタ材料の組成比は必然的に各ターゲット毎
に決まってしまい、所望の合金組成比よりなる薄膜を試
料表面上に形成するためには何種類もの組成比のスパッ
タターゲットを用意しなければならないという問題があ
る。また、このスパッタターゲットを製造するために
は、高価な複数の単一スパッタ材料を精密に切削加工し
なければならず、製造が面倒で、材料の無駄も多い等の
問題があることを本発明者は見い出した。

［発明の目的］ 本発明の目的は、試料表面上に形成される膜の合金組成
比を容易に制御し、所望の特性の膜を形成できるスパッ
タ技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、スパッタ材料の無駄をなくすこと
のできるスパッタ技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

［発明の概要］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、ターゲット材は平板状の大面積の第１ターゲ
ット材と、この第１ターゲット材の表面に沿って移動自
在に配置されたメッシュ状の小面積の第２ターゲット材
と、この第２ターゲット材の表面に沿って移動自在に配
置されたメッシュ状の小面積の第３ターゲット材とによ
り形成されており、第３ターゲット材を移動させること
により、第１および第２ターゲット材の露出面積比を容
易に変えることができ、試料表面上に形成される膜の合
金組成比、ひいては膜の特性を所望通りに容易に制御で
きるものである。

さらに、第２および第３ターゲット材を移動させること
により、第１ターゲット材と第２ターゲット材の露出位
置を変化させることができ、スパッタ材料の無駄をなく
すことができる。

次に、本発明を実施例に基づいて説明する前に、本発明
の前提技術について、第１図〜第６図を参照して説明す
る。

第１図はスパッタ装置の概略断面図、第２図はターゲッ
ト材の前提技術を示す正面図、第３図(a)〜(d)はターゲ
ット材の配列の様々の例を示す平面図である。

この場合において、スパッタ装置は内部を気密に保った
チャンバ１内に、アノードとしての上部電極２とカソー
ドとしての下部電極３を対向配置し、下部電極３には高
周波電源４が接続されている。

下部電極３の下側には絶縁材５が設けられる一方、その
上面にはスパッタターゲット６が載置される。また、こ
のスパッタターゲット６と対向する上部電極２の下面に
は、たとえばウエハの如き膜形成用の試料７が図示しな
い治具等で保持される。

さらに、両電極２，３の間には、シールド８が設けら
れ、該シールド８の中央部はスパッタリングのために開
口している。そして、チャンバ１内には、アルゴンガス
等のガス供給口９、およびチャンバ１内を所望の圧力
（真空度）とする排気口１０が接続されている。

前記スパッタターゲット６は第２図および第３図にも示
すように、下部電極３の上に載置された大面積の一方の
ターゲット材１１の上に部分的に分散された小面積の他
方のターゲット材１２とからなる。本実施例では、ター
ゲット材１１はシリコン（Ｓｉ）の単一材料で構成され
た円板状の構造よりなり、ターゲット材１２はモリブデ
ン（Ｍｏ）の単一材料を四角形に切断した小板片状の構
造よりなる。ターゲット材１１はターゲット材１２の上
に単に載せられているだけであり、ターゲット材１２上
におけるターゲット材１１の部分的分散配置は第３図
(a)〜(d)にも例示するように、成膜される合金組成比に
応じて両ターゲット材１１と１２の面積比を変えるよう
自由に選ぶことができる。なお、第３図の破線の円は実
際にスパッタされる領域を表す。

ここで、ターゲット材１１と１２の面積比を決定する場
合について説明すると、次の通りである。すなわち、タ
ーゲット材１１と１２を前記の如くそれぞれＳｉとＭｏ
で構成するとした場合、これらのターゲット材１１，１
２により試料７の上に形成される膜の質は、スパッタ源
としてＡｒ⁺（アルゴンイオン）を用い、かつ高周波電
源４で電極２，３間に電圧を印加したとすれば、Ａｒ⁺
の衝突エネルギーとイールドの関係は第４図に示すよう
になる。（Handbook of Thin Film Technology,1970参
照）。第４図のグラフによれば、Ａｒ⁺の衝突エネルギ
ーが増すにつれて、ＭｏもＳｉもイールドは増加し、そ
の値はＭｏの方が大きく、たとえば高周波電源４から印
加される高周波電圧が２ｋＶの場合には、ＭｏとＳｉの
イールドはそれぞれ1.3と0.9になる。

そしてターゲット材１１と１２の面積比および原子数比
とＭｏシリサイド膜の特性との関係は第５図に示す通り
であり、面積比および原子数比が大きくなるにつれてＭ
ｏシリサイド膜の比抵抗が減少し、その傾向は熱処理前
（破線）も熱処理後（実線）も同じであるが、熱処理後
の方が熱処理前よりも比抵抗の低下が少ないことが第５
図からわかる。

したがって、このようなスパッタ装置においては、大面
積のターゲット材１１上に部分的に分散載置される小面
積のターゲット材１２の個数を所望に応じて変えるだけ
で所要の特性のＭｏシリサイド膜等の薄膜をスパッタ形
成することができ、ターゲット材１２がターゲット材１
１上に単に載置されているだけであるので、ターゲット
材１２の配置換えや追加等は極めて容易である。

上述したスパッタターゲットを用いて第１図のスパッタ
装置でスパッタリングを行う場合、まず、大面積のター
ゲット材１１の上に小面積のターゲット材１２を部分的
に分散させて載置したスパッタターゲット６をチャンバ
１内の下部電極３の上にセットし、スパッタターゲット
６の外周部および側方を遮蔽するシールド８を設置し、
電極２と３の間の距離を所定の距離に調整する。

次に、チャンバ１内をスパッタ雰囲気に変換し、試料７
を加熱する。また、排気口１０を経てチャンバ１内を所
定の圧力で排気し、ガス供給口９から高純度のアルゴン
ガスをチャンバ１内に導入する。

そして、高周波電源４により電極２，３間に高周波電力
を印加すると、チャンバ１内に生じたアルゴンイオンが
スパッタターゲット６に衝突し、ターゲット材１１から
Ｓｉ原子、ターゲット材１２からはＭｏ原子が飛散し、
試料７の対向面にＭｏシリサイド膜を形成する。

その場合、スパッタターゲット６におけるターゲット材
１１上のターゲット材１１の個数を所望に応じて変える
ことにより、ターゲット材１１と１２との面積比を所望
の値に調整すると、試料７に形成される薄膜の合金比を
所望の値に調整し、所望の特性を得ることができる。

また、大面積のターゲット材１１の表面のうち、小面積
のターゲット材１２を載置されていない部分はスパッタ
リングの進行につれてスパッタされるが、ターゲット材
１２で覆われたターゲット材１１の部分はスパッタされ
ていないので、ターゲット材１２を並べ換えれば、以前
にターゲット材１２で覆われていなかったターゲット材
１１の部分を新たなスパッタ面として利用でき、スパッ
タ材料の無駄をなくすこともできる。

第６図は、さらに他の前提技術であるスパッタターゲッ
トを示す図である。

この場合には、スパッタターゲット６は前述した場合と
は逆に試料７の上方に配置されるものであり、試料７と
スパッタターゲットの上下関係は何れでも良い。

また、第６図に示す場合には、小面積のターゲット材１
２はたとえばＭｏをメッシュ状に構成した構造よりな
り、その外周部にはガードリング１３が設けられてい
る。そして、この場合における大面積のターゲット材１
１は前記メッシュ状構造のターゲット材１２の上に載置
されている。

この場合においても、スパッタターゲット６は小面積の
ターゲット材１２上に大面積のターゲット材１１を載置
するだけで容易に構成できる。また、たとえばターゲッ
ト材１２を水平方向に移動可能とすれば、ターゲット材
１１のスパッタ面を全面的に有効利用できる。

次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第７図は本発明の一実施例であるスパッタターゲットを
示す図である。

第７図に示すように、スパッタターゲットは３種類の異
なるスパッタ材料が使用されており、この場合には第６
図に示した場合と同様に、試料７の上方に配置した場合
を示す。

図示するように、スパッタターゲット６は最上方の平板
状の大面積の第１ターゲット材１１と、この表面に沿っ
て矢印で示すように移動自在に配置された小面積のメッ
シュ状の第２ターゲット材１２Ａと、さらにこの表面に
沿って矢印で示すように移動自在に配置された小面積の
メッシュ状の第３ターゲット材１２Ｂとを有している。

小面積の２つのターゲット材１２Ａ，１２Ｂは、上述し
たようにメッシュ状構造となっているとともに、相互に
食い違い状に重ね合わせられるようになっている。

この場合のスパッタ材料としては、たとえば第１ターゲ
ット材１１をＳｉ、第２ターゲット材１２ＡをＭｏ、第
３ターゲット材１２Ｂをタングステン（Ｗ）で構成する
ことができる。

第７図に示すように、メッシュ状のターゲット材１２Ａ
と１２Ｂとの一方または両方を互いに水平方向つまり第
１ターゲット材１１の表面に沿って相対移動させること
により、大面積の第１ターゲット材１１および小面積の
第２ターゲット材１２Ａのスパッタ面の面積、言い換え
れば各ターゲット材１１，１２Ａの面積比を所望の値に
調整することができる。

また、第２ターゲット材１２Ａを第１ターゲット材１１
の表面に沿って相対移動することにより、第１ターゲッ
ト材１１の露出位置が変化し、さらに、第３ターゲット
材１２Ｂを第２ターゲット材１２Ａの表面に沿って相対
移動することにより、第２ターゲット材１２Ａの露出位
置が変化する。このようにして、第１と第２のターゲッ
ト材１１，１２Ａの露出位置を変化させることにより、
それぞれのターゲット材１１，１２Ａの全てをターゲッ
ト材として使用することができ、スパッタ材料の無駄を
なくすことができる。

第７図に示すスパッタターゲットを使用した場合でも、
第１図に示したスパッタ装置により試料７に対して上述
した前提技術と同様の手順によりスパッタリングがなさ
れる。

図示する場合には、前述した場合と同様に、Ｍｏ、Ｗ、
Ｓｉ等のターゲット材を不活性雰囲気中でスパッタリン
グがなされるが、本発明においてはさらに酸化性雰囲気
等の活性雰囲気を用いた反応性スパッタにも応用するこ
とができる。

その例としては、大面積の基板として３００℃に加熱さ
れたＳｎを用い、小面積の基板としてＳｂを用い、Ａｒ
中に２０％のＯ₂を付加した１×１０^-2Torrの雰囲気中
で2.5〜７ＫＶの電圧でスパッタを行い、２７００〜４
４００Åの導電性酸化膜を得ることもできる。

〔効果〕

(1)．第３ターゲット材を第１ターゲット材と第２ター
ゲット材に沿って相対移動させることにより、第１ター
ゲット材と第２ターゲット材の露出面積比を変化させ
て、所望の合金組成比よりなる所望の特性の膜を試料に
形成することができる。

(2)．第２ターゲット材を移動することにより、第１タ
ーゲット材の露出位置が変化し、第３ターゲット材を移
動することにより第２ターゲット材の露出位置が変化
し、それぞれのターゲット材の全面をスパッタ材料とし
て利用し得ることから、スパッタ材料の無駄をなくすこ
とができる。

(3)．スパッタ材料の無駄をなくすべくターゲット材の
露出位置を変化させる際には、露出面積比を変化させる
ことなく、ターゲット材の露出位置を変化させることが
できる。

(4)．ターゲット材が互いに一体的に固着されるものに
比べてターゲット材の加工が少なくて済み、スパッタ材
料の無駄をなくすことができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

たとえば、各ターゲット材の形状や材料、配置、あるい
はそれらの面積比等は他のものとすることもできる。

また、メッシュ状のターゲット材の他に、多孔板の如き
貫通空隙付きの構造よりなるものを小面積のターゲット
材として利用することもできる。

さらに、本発明を適用するスパッタ装置としては、高周
波二極スパッタ装置の他、マグネトロンスパッタ装置、
さらにはコンベンショナルダイオードスパッタ装置等を
用いることもできる。

［利用分野］ 以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である半導体装置を形成す
るためのスパッタ技術に適用した場合について説明した
が、それに限定されるものではなく、たとえば、磁気テ
ープやその他の物品に薄膜を形成する場合に用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる技術のスパッタ装置を示す
概略断面図、 第２図は第１図に示したスパッタターゲットを示す正面
図、 第３図(a)〜(d)はターゲット材の配列の様々の例を示す
平面図、 第４図はＡｒ⁺の衝突エネルギーとイールドの関係を示
す図、 第５図はターゲット材の面積比および原子数比と膜の比
抵抗の関係を示す図、 第６図は前提技術のスパッタターゲットを示す概略側面
図、 第７図は本発明の一実施例であるスパッタターゲットを
示す概略側面図である。 １……チャンバ、２……上部電極、３……下部電極、４
……高周波電源、５……絶縁材、６……スパッタターゲ
ット、７……試料、８……シールド、９……ガス供給
口、１０……排気口、１１……第１ターゲット材、１２
Ａ……第２ターゲット材、１２Ｂ……第３ターゲット
材、１３……ガードリング。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を保持する第１電極に対向してターゲ
   ット材を保持する第２電極を配置し、ターゲット材をス
   パッタリングして前記試料表面に薄膜を形成させるスパ
   ッタターゲットであって、 平板状大面積の第１ターゲット材と、 当該第１ターゲット材の前記試料に対向する表面に当該
   表面に沿って相対移動自在に配置され、前記第１ターゲ
   ット材の露出位置を変化させるメッシュ状の小面積の第
   ２ターゲット材と、 前記第２ターゲット材の表面に当該表面に沿って相対移
   動自在に配置され、前記第１ターゲット材と前記第２タ
   ーゲット材の露出位置および露出面積比を変化させるメ
   ッシュ状の小面積の第３ターゲット材とにより前記ター
   ゲット材を形成したことを特徴とするスパッタターゲッ
   ト。
2. 【請求項２】前記第１ターゲット材はシリコンであり、
   前記第２ターゲット材はモリブデンであり、前記第３タ
   ーゲットはタングステンである特許請求の範囲第１項記
   載のスパッタターゲット。
3. 【請求項３】相互に対向する第１電極と第２電極のうち
   の一方に試料を保持し、平板状大面積の第１ターゲット
   材と、当該第１ターゲット材の前記試料に対向する表面
   に当該表面に沿って相対移動自在に配置されたメッシュ
   状の小面積の第２ターゲット材と、前記第２ターゲット
   材の表面に当該表面に沿って相対移動自在に配置された
   メッシュ状の小面積の第３ターゲット材とからなるター
   ゲット材を他方の電極に保持して前記両電極間に電力を
   印加し、 前記ターゲット材をスパッタリングして前記試料の表面
   上に薄膜を形成し、 前記第２ターゲット材を前記第１ターゲット材の前記試
   料に対向する表面に沿って移動して前記第１ターゲット
   材の露出位置を変化させ、 前記第２ターゲット材の表面に沿って前記第３ターゲッ
   ト材を移動して前記第１ターゲット材と前記第２ターゲ
   ット材の露出位置および露出面積比を変化させるように
   したことを特徴とするスパッタリング方法。
4. 【請求項４】前記第１ターゲット材はシリコンであり、
   前記第２ターゲット材はモリブデンであり、前記第３タ
   ーゲットはタングステンである特許請求の範囲第３項記
   載のスパッタリング方法。