JPH06136527A

JPH06136527A - スパッタリング用ターゲットおよびそれを用いたスパッタリング装置とスパッタリング法

Info

Publication number: JPH06136527A
Application number: JP17890093A
Authority: JP
Inventors: Masaya Hosaka; 真弥保坂; Hideo Niwa; 秀夫丹羽; Naoki Yamada; 直樹山田; Tsutomu Hosoda; 勉細田; Mitsuhiro Togashi; 光浩富樫
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1994-05-17

Abstract

(57)【要約】【目的】ＵＬＳＩ装置の配線等を形成するためのスパ
ッタリング用ターゲットおよびそれを用いたスパッタリ
ング装置とスパッタリング法に関し、微細な開口内にも
被覆性よく安定にスパッタ膜を形成する手段を提供す
る。【構成】ターゲット本体１とその前面に配置された隔
壁状のコリメータ２を電気的に接続するか、一体に形成
する。この場合、コリメータ２のアスペクト比を１以上
にし、あるいは、コリメータ２のアスペクト比を１以上
にすると同時にスパッタリング圧力を１０^-3Ｔｏｒｒ未
満にして、ターゲット本体１の表面から放出され、ウェ
ハ５に入射するスパッタ粒子の入射角を調節して、ウェ
ハ５の微細な開口内に被覆性よく、安定にターゲット本
体１の材料からなるスパッタ膜を形成する。コリメータ
２を構成する板状体を傾斜させてスパッタ粒子に方向性
を与え、コリメータ２をスパッタ空間に出し入れして、
カバレージと堆積速度を改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＵＬＳＩ装置の配線等
を形成するためのスパッタリング用ターゲットおよびそ
れを用いたスパッタリング装置とスパッタリング法に関
する。スパッタリングによる成膜の最大の問題は、コン
タクトホール等の段差上の堆積膜の被覆性（カバレー
ジ）が悪い点である。今やスパッタリングによる堆積膜
のカバレージを向上することが、最新半導体装置の必須
要件であるといえる。

【０００２】特に、近年の高集積回路装置においては、
コンタクトホール径はサブミクロンオーダーにまで微小
化されており、コンタクトホール内のカバレージはかな
り厳しい状態である。カバレージが悪い場合には、エレ
クトロマイグレーションの劣化や、コンタクトホール内
や段差上での配線の高抵抗化あるいは断線が問題にな
る。

【０００３】

【従来の技術】スパッタリング法は、不活性ガスあるい
は活性ガスのイオンをスパッタリング用ターゲットに衝
突させ、ターゲットから放出されるスパッタ粒子を基板
上に付着させる方法であり、ＵＬＳＩ装置の金属配線の
形成等に用いられている。

【０００４】しかし、例えば、ＵＬＳＩ装置において、
その構造が微細化されるにつれて下地とのコンタクトを
とるための開口（ビアホール）での配線層のカバレージ
に問題が生じ始めてきた。

【０００５】図１３は、従来のスパッタリング法の説明
図であり、（Ａ）は従来のスパッタリング法におけるス
パッタ粒子のターゲットからの放出角度分布を示してお
り、（Ｂ）は従来のスパッタリング法により形成した堆
積膜の構造を示している。この図において、１１１はタ
ーゲット面、１１２はガスイオン、１１３はスパッタ粒
子、１１４は下地、１１５は酸化膜、１１６は開口、１
１７は堆積膜である。

【０００６】従来のスパッタリング法によると、平板状
のターゲット面１１１にガスイオン１１２を衝突させ
て、ターゲットを構成する材料のスパッタ粒子１１３を
放出させる場合、スパッタ粒子１１３は、図１３（Ａ）
に示されているように広い放出角度分布をもって放出さ
れる。

【０００７】このように広い放出角度分布を有するスパ
ッタ粒子１１３を、例えば、ＵＬＳＩ装置の下層配線等
の下地１１４の上の酸化膜１１５のコンタクトホール等
の開口１１６を含む全面に堆積して堆積膜１１７を形成
すると、図１３（Ｂ）に示されているように、開口１１
６の上縁部に厚い堆積膜１１７が形成されて、開口１１
６内への堆積膜１１７の形成が阻止されるため、開口１
１６の側壁に膜厚が薄い部分が生じ、この部分での高抵
抗化や断線を生じる恐れがある。

【０００８】アスペクト比の厳しい部分のカバレージを
改善する方法には、従来から、Ａｌ膜の場合には、約４
５０℃でＡｌをスパッタリングしてコンタクトホール中
に埋め込む高温スパッタリング法が知られているが、こ
の方法は、高融点金属には適用できず、高価な装置が必
要であり、膜質に悪影響がでる等の問題がある。

【０００９】そこで、この問題を解決するために、ター
ゲットと被堆積基板であるウェハの間に、開口を有する
コリメータを配置して、スパッタ粒子の放出角度を狭く
すること（コリメータ法）が考えられた。この方法は、
ターゲットと被堆積基板の間に板状体を格子状に組み合
わせたコリメータ、または、複数の開口を有するコリメ
ータを配置し、ターゲットから放出されるスパッタ粒子
に方向性を与えるもので、開口に対して真上からスパッ
タ粒子が飛来してくるため、開口の底面にスパッタ粒子
が付着しやすくなる。

【００１０】図１４は従来の改良したスパッタリング法
の説明図であり、（Ａ）はコリメータを用いたスパッタ
リング法を示し、（Ｂ）はコンタクトホール中の堆積膜
の構造を示している。この図において、１２１はターゲ
ット本体、１２２はコリメータ、１２３，１２６は被堆
積基板、１２４，１２５はスパッタ粒子、１２７は酸化
膜、１２８は開口、１２９は堆積膜である。

【００１１】この方法は、図１４（Ａ）に示されるよう
に、ターゲット本体１２１と被堆積基板１２３であるウ
ェハの間に、板状体を格子状に組み合わせたコリメータ
１２２を配置して、ターゲット本体１２１に対してほぼ
垂直なスパッタ粒子１２４のみを被堆積基板１２３の上
に堆積し、他の角度を有するスパッタ粒子１２５をコリ
メータ１２２に付着させるというものである。

【００１２】図１４（Ｂ）は、ターゲット本体と被堆積
基板の間に隔壁状のコリメータを配置した図１４（Ａ）
に示された従来のスパッタリング法により形成された堆
積膜１２９の断面構造を示している。この図にみられる
ように、広い放出角度分布をもって放出されたスパッタ
粒子１２５のうち、ターゲット面にほぼ垂直に放出され
るスパッタ粒子１２４だけをＵＬＳＩ装置の下層配線等
が形成された被堆積基板１２６上の酸化膜１２７の開口
１２８を含む全面に堆積して堆積膜１２９を形成する
と、開口１２８の側壁に必要な膜厚が確保され、この部
分で高抵抗化や断線が発生するのを防ぐことができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このコリメ
ータ法によると、スパッタ粒子がコリメータ自体に堆積
するため、スパッタリングを繰り返すと、コリメータの
開口部のアスペクト比が変化して安定して堆積膜を形成
することができないことと、このようにコリメータに付
着した堆積膜が剥がれ落ちてゴミの原因となることが見
出された。

【００１４】本発明は、堆積膜を微細なコンタクトホー
ル等の開口内にもカバレージよく安定に、大きい堆積速
度で形成する手段を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるスパッタ
リング用ターゲットにおいては、ターゲット本体とコリ
メータが電気的に接続されている構成を採用した。この
場合、コリメータのアスペクト比を１以上にすることが
できる。

【００１６】また、本発明にかかるスパッタリング装置
においては、ターゲット本体とコリメータが電気的に接
続されているスパッタリング用ターゲットを用い、この
スパッタリング用ターゲットに直流電源が接続された構
成を採用した。この場合も、コリメータのアスペクト比
を１以上にすることができる。

【００１７】また、本発明にかかるスパッタリング法に
おいては、ターゲット本体とコリメータが電気的に接続
されて両者が同電位に保たれたスパッタリング用ターゲ
ットを用い、スパッタリング空間のガス圧を１０^-3Ｔｏ
ｒｒ未満にする工程を採用した。この場合も、コリメー
タのアスペクト比を１以上にすることができる。

【００１８】また、本発明にかかるスパッタリング法に
おいては、ターゲット本体と被堆積基板の間に、板状体
を格子状に組み合わせたコリメータを配置し、該コリメ
ータの板状体を傾斜させた状態で、該コリメータを回転
させてスパッタリングを行うことによって、スパッタ粒
子に方向性を与え、開口内にカバレージよく堆積膜を形
成する工程を採用した。

【００１９】また、本発明にかかるスパッタリング装置
においては、ターゲット本体と被堆積基板の間に、スパ
ッタ粒子に方向性を与えるための板状体を格子状に組み
合わせたコリメータを配置し、該コリメータの板状体を
傾斜させる手段と、該コリメータを回転させる手段を設
けた構成を採用した。

【００２０】また、本発明にかかるスパッタリング装置
においては、コリメータの開口の径をスパッタ粒子の平
均自由行程の５倍以内にし、該開口の深さをスパッタ粒
子の平均自由行程の５倍以上にし、スパッタ粒子の平均
自由行程を調節することによって、該コリメータ自体に
スパッタ粒子を遮断するシャッター機能をもたせる構成
を採用した。

【００２１】この場合、コリメータのアスペクト比を１
以上にし、スパッタリング空間のガス圧を２０ｍＴｏｒ
ｒ以上にすることにより、コリメータ自体にスパッタ粒
子を遮断するシャッター機能をもたせることができる。

【００２２】また、本発明にかかるスパッタリング装置
においては、ターゲット本体と被堆積基板の間の空間
に、スパッタ粒子に方向性を与えるためのターゲット側
コリメータと被堆積基板側コリメータが配置され、該タ
ーゲット側コリメータが接地され、該被堆積基板側コリ
メータにはプラズマを発生させるための高周波電圧が印
加される構成を採用した。

【００２３】この場合、ターゲット側コリメータによ
り、被堆積基板側コリメータによって生成される高周波
電界を遮蔽してスパッタリング空間の電界を最適化する
ことができる。また、この場合、ターゲット本体とター
ゲット側コリメータの間の空間と、被堆積基板と被堆積
基板側コリメータの間の空間を独立に排気する機構をも
ち、それぞれの空間に異なるガスを導入して、それぞれ
の空間でガス分圧の異なるプラズマを生成することがで
きる。

【００２４】また、この場合、ターゲット本体をＴｉと
し、ターゲット本体とターゲット側コリメータの間の空
間にはアルゴンを導入し、被堆積基板と被堆積基板側コ
リメータの間の空間に窒素を導入して、被堆積基板上に
窒化チタン膜を成膜することができる。また、この場
合、ターゲット本体のスパッタリングを高い効率を有す
るＤＣマグネトロンスパッタで行い、被堆積基板にブロ
ッキングコンデンサーを介してＲＦ電圧を印加すること
ができる。

【００２５】また、本発明にかかるスパッタリング装置
においては、ターゲット本体と被堆積基板の間の空間に
移動し、あるいは、該空間から退避することができるコ
リメータを有する構成を採用した。また、ターゲット本
体と被堆積基板の間の空間に移動し、あるいは、該空間
から退避することができるコリメータと、該ターゲット
本体と被堆積基板の間の空間に移動し、あるいは、該空
間から退避することができるシャッターを有する構成を
採用した。

【００２６】また、本発明にかかるスパッタリング法に
おいては、コリメータをターゲット本体と被堆積基板の
間の空間に移動してスパッタリングを行い、該コリメー
タを該空間から退避させてスパッタリングを行うことに
よって、カバレージよく、高い堆積速度で堆積膜を形成
する工程を採用した。この場合、堆積膜をＴｉ＋Ｔｉ
Ｎ、または、Ａｌにすることができる。

【００２７】

【作用】本発明のように、ターゲット本体とコリメータ
を電気的に接続すると、スパッタリングが行われるとき
に、ターゲット本体とともにコリメータ自身もスパッタ
リングされて削られるため、コリメータへのスパッタ膜
の付着によるアスペクト比の変化、コリメータに付着し
たスパッタ膜の剥離を抑制することができる。

【００２８】また、この場合、コリメータのアスペクト
比を１以上にすると、ＵＬＳＩ装置において用いられて
いるアスペクト比が１程度のコンタクトホールに被覆性
よくスパッタ膜を形成することができる。

【００２９】また、ターゲット本体とコリメータが電気
的に接続されているスパッタリングターゲットを用い、
スパッタリング圧力を１０^-3Ｔｏｒｒ未満とすると、ス
パッタ粒子がガス分子と衝突する確率を低減して、スパ
ッタ粒子の方向を所望の角度に維持することができる。

【００３０】また、板状体を格子状に組み合わせたコリ
メータを用い、このコリメータの板状体を傾斜させた状
態で、コリメータを回転させてスパッタリングを行うこ
とによって、スパッタ粒子に方向性を与え、被堆積基板
の開口内にカバレージよく堆積膜を形成することでき
る。

【００３１】また、コリメータの開口の径をスパッタ粒
子の平均自由行程の５倍以内にし、コリメータの開口の
深さをスパッタ粒子の平均自由行程の５倍以上にし、ス
パッタ粒子の平均自由行程を調節することによって、コ
リメータ自体にスパッタ粒子を遮断するシャッター機能
をもたせることができる。

【００３２】また、ターゲット本体と被堆積基板の間
に、スパッタ粒子に方向性を与えるための、ターゲット
側コリメータと被堆積基板側コリメータが配置され、タ
ーゲット側コリメータを接地し、被堆積基板側コリメー
タにプラズマを発生させるための高周波を印加すること
によって、堆積膜のカバレージと堆積速度を改善するこ
とができる。

【００３３】また、ターゲット本体と被堆積基板の間の
空間に移動し、あるいは、この空間から退避することが
できるコリメータを用いることによって、堆積膜のカバ
レージと堆積速度を改善することができる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。（第１実施例）図１は第１実施例のスパッタリング用タ
ーゲットの説明図であり、（Ａ）は断面を示し、（Ｂ）
はその平面を示している。この図において、１はターゲ
ット本体、２はコリメータである。

【００３５】この実施例のスパッタリング用ターゲット
においては、ターゲット本体１と隔壁状のコリメータ２
が一体的に形成されており、当然のことながら両者間は
電気的に接続されている。この場合、ターゲット本体１
とコリメータ２を必ずしも一体的に形成する必要はな
く、両者間が電気的に接続されていることのみが必要で
ある。

【００３６】この構成を有するスパッタリング用ターゲ
ットを用いてスパッタリングを行うことによって、図１
４（Ａ）に示されている従来のコリメータ法による場合
と同様に、広い放出角度分布をもって放出されたスパッ
タ粒子のうち、ターゲット面に垂直な方向から外れて放
出されたスパッタ粒子を隔壁状のコリメータ２によって
遮断し、ターゲット面にほぼ垂直に放出されるスパッタ
粒子だけを、被堆積基板であるウェハに走行させて、ウ
ェハ上の酸化膜の開口の底面と側壁に必要な膜厚の堆積
膜を形成することができる。

【００３７】そして、これに加えて、ターゲット本体１
とコリメータ２の間が電気的に接続されているため、コ
リメータ２自体にガスイオンが衝突してコリメータ２が
削られるため、コリメータ自身にスパッタ粒子が付着す
ることによるアスペクト比の変化を防ぎ、したがって、
従来問題になっていたコリメータに付着したスパッタ膜
の剥離による問題を除くことができる。

【００３８】図２は第１実施例のスパッタリング用ター
ゲットを用いたスパッタリング装置の説明図であり、
（Ａ）はスパッタリング装置全体を、（Ｂ）はコリメー
タを示している。この図において、１はターゲット本
体、２はコリメータ、３は真空チャンバ、４はサセプ
タ、５はウェハ、６はガス導入口、７は絶縁体、８は磁
石、９は直流電源、１０は排気ユニットである。

【００３９】この実施例のスパッタリング装置において
は、図２（Ａ）に示されているように、ターゲット本体
１と、アスペクト比（Ｂ／Ａ）が１以上の隔壁状のコリ
メータ２を一体的に形成したスパッタリング用ターゲッ
トを、底面にサセプタ４を有する真空チャンバ３内の絶
縁体７を介して気密状態で取付け、この真空チャンバ３
に、ガス導入口６と排気ユニット１０が設置されてい
る。

【００４０】そして、排気ユニット１０によってこの真
空チャンバ３を排気し、ガス導入口６からＡｒ等の不活
性ガス、あるいは、Ｎ₂，Ｏ₂等の活性ガスを１０^-3Ｔ
ｏｒｒ未満の圧力になるように導入し、ウェハ５を載置
したサセプタ４とターゲット本体１の間に、直流電源９
によって、ターゲット本体１が負になるように直流電圧
を印加して、サセプタ４とターゲット本体１の間に放電
を生起させ、この放電によって発生した正電荷を有する
ガスイオンを負電位のターゲット本体１とコリメータ２
に衝突させてターゲット本体１からスパッタ粒子を放出
させ、サセプタ４上に載置されたウェハ５上に堆積す
る。

【００４１】なお、磁石８は、ガスイオンを放射状の磁
界によって螺旋運動させてイオン化確率を高くするため
に設置されている。

【００４２】本発明、あるいはこの実施例において、コ
リメータ開口のアスペクト比を１以上にした理由を、図
２（Ｂ）を用いて説明する。コリメータのアスペクト比
が１であり、ターゲット上のＸ点からスパッタされたス
パッタ粒子が対向するウェハに向かってｃｏｓｉｎｅ則
に従って放出されると考える。

【００４３】図の角度φより大きい角度で放出されるス
パッタ粒子はコリメータと衝突して付着するため、ウェ
ハにはｃｏｓφ（−ｔａｎ^-1０．５≦φ≦ｔａｎ^-1０．
５）の角度に限定されたスパッタ粒子のみが走行する。

【００４４】一方、ウェハ上の任意の開口（ビアホー
ル）において、上述の法則に従いターゲットから放出さ
れ、開口に入射するスパッタ粒子の中で最も大きい角度
φをもつスパッタ粒子を考える。なお、この角度はター
ゲットから放出されるスパッタ粒子の最大角度と同じで
ある。

【００４５】開口のアスペクト比がどの程度ならば、こ
の最大入射角をもつスパッタ粒子が開口底部中央部に到
達できるかを計算してみる。開口のアスペクト比を入射
角φで表すと、アスペクト比は１／２ｔａｎφとなるか
ら、最大角であるφ＝ｔａｎ^-1０．５を代入すると、ア
スペクト比≒１となる。

【００４６】次世代の集積回路装置において用いられる
開口（ビアホール）のアスペクト比は１程度であるか
ら、コリメータのアスペクト比が１以上であれば前記の
最大入射角を小さくでき、１以上のアスペクト比をもつ
開口の底面までスパッタ粒子を堆積することができる。

【００４７】また、本発明あるいはこの実施例におい
て、スパッタリング圧力を１０^-3Ｔｏｒｒ未満に設定し
た理由を説明する。

【００４８】図３はスパッタ空間のガス圧対スパッタ粒
子とガス分子の衝突確率関係図である。現用の典型的に
スパッタリング装置でのスパッタリング圧力は１０^-3Ｔ
ｏｒｒ程度の圧力であり、その時スパッタリングされた
スパッタ粒子の平均自由行程はおよそ１０^-1ｍ程度であ
る。

【００４９】このガス圧における分子イオン間の衝突確
率Ｐｃは次のように簡単な式で表すことができる。Ｐｃ＝１−ｅｘｐ（−Ｌ／λ）ここでＬ：電極間隔、λ：平均自由工程である。通常の
装置の場合、Ｌの値は１０^-1ｍ台であるから、図３に示
されているように、スパッタ粒子の衝突確率は６０％程
度になる。ガス圧を一桁低い１０^-4ｍ台にすると、平均
自由行程は１ｍ台になり、衝突確率は１０％となる。さ
らに、一桁圧力を下げると１％程度となる。

【００５０】すなわち、現用のスパッタリング装置にお
ける圧力より一桁以上圧力を下げることにより、スパッ
タ粒子の衝突する確率が大幅に減少することになる。現
用のスパッタリング装置のガス圧でスパッタリングを行
うと、折角コリメータによって方向を整えたスパッタ粒
子も６０％程度がガス分子と衝突するためウェハの開口
への入射は等方的になってしまうことがある。コリメー
タを用いた特徴を活かすためにはスパッタリング圧力を
１０^-3ｍ未満にすることが望ましい。

【００５１】（第２実施例）図４は第２実施例のスパッ
タリング装置の説明図であり、（Ａ）はコリメータが垂
直である場合、（Ｂ）はコリメータが傾斜している場合
を示している。この図において、１１はコリメータ、１
２はコリメータの一方向の板状体、１３はコリメータの
他方向の板状体、１４はターゲット粒子、１５はコンタ
クトホール、１６は第１の堆積膜、１７は第２の堆積膜
である。

【００５２】この実施例のスパッタ装置に用いるコリメ
ータ１１においては、コリメータの一方向の板状体１２
を垂直に固定し、コリメータの他方向の板状体１３を傾
動しうるようにしている。このスパッタ装置を用いて、
まず、コリメータの他方向の板状体１３を垂直にした状
態でスパッタを行い、ターゲット粒子１４を基板に形成
されたコンタクトホール１５の上に堆積して第１の堆積
膜１６を形成する。

【００５３】この第１段階のスパッタによって、基板の
表面の上と、コンタクトホール１５の底面にのみに第１
の堆積膜１６が形成されるが、所定の膜厚が形成された
後に、コリメータの他方向の板状体１３を、コンタクト
ホール１５のアスペクト比に応じて設定された角度だけ
傾斜させ、コリメータ全体を回転させながらスパッタを
継続する。

【００５４】この第２段階のスパッタによって、基板の
表面上と、コンタクトホール１５の側面にのみ第２の堆
積膜１７が堆積される。

【００５５】その結果、第１の堆積膜１６と第２の堆積
膜１７の合計厚さによって、基板の表面の上と、コンタ
クトホール１５の底面、側面にカバレージの良好な堆積
膜が形成され、堆積膜が電極や配線である場合は、段切
れによる断線等を生じることがなく、絶縁膜である場合
は、薄い部分やピンホールを生じることがない。

【００５６】図５は第２実施例のスパッタリング装置の
コリメータの説明図である。この図において、１１はコ
リメータ、１２はコリメータの一方向の板状体、１３は
コリメータの他方向の板状体、１８₁，１８₂は駆動体
である。

【００５７】この実施例のスパッタリング装置に用いる
コリメータ１１は、平行に延びるように垂直に配置され
た複数のコリメータの一方向の板状体１２と、このコリ
メータの一方向の板状体１２を受容するスリットを有す
るコリメータの他方向の板状体１３を格子状に組み合わ
せて構成されている。そして、各コリメータの他方向の
板状体１３には、例えば、針金のような細い線である駆
動体１８₁，１８₂が連結され、この駆動体１８₁，１
８₂をスパッタ装置の外部から機械的または電気的に操
作することによって、コリメータの他方向の板状体１３
の傾斜角を制御できるようになっている。

【００５８】図６は第２実施例のスパッタリング装置の
コリメータの駆動機構説明図であり、（Ａ）は平面を示
し、（Ｂ）は断面を示している。この図において、２１
はコリメータ、２２はコリメータの一方向の板状体、２
３はコリメータの他方向の板状体、２４はリング状枠
体、２５は駆動体、２６はコリメータ側磁石、２７はチ
ャンバ壁、２８は駆動用磁石である。

【００５９】この実施例のスパッタリング装置に用いる
コリメータ２１は、主として図６（Ａ）に示されている
ように、コリメータの一方向の板状体２２と、このコリ
メータの一方向の板状体２２を受容するスリットを有す
るコリメータの他方向の板状体２３を格子状に組み合わ
せ、コリメータの一方向の板状体２２をリング状枠体２
４に固定し、コリメータの他方向の板状体２３の傾斜角
を駆動体２５によって制御できるように構成されてい
る。

【００６０】そして、図６（Ｂ）に示されているよう
に、このコリメータ２１のリング状枠体２４には複数の
コリメータ側磁石２６が設けられ、チャンバ壁２７に回
転可能な状態で支持され、コリメータ側磁石２６をチャ
ンバ壁２７の外側に設けられた駆動用磁石２８を回転す
ることによって駆動し、コリメータ２１を回転するよう
になっている。

【００６１】この場合、チャンバ壁２７の外側に設けら
れた駆動用磁石２８を実際に回転させなくても、これら
の駆動用磁石２８を複数の電磁石によって構成し、順次
磁力を変化させることによってコリメータ２１を回転さ
せることもできる。また、このコリメータの他方向の板
状体２３が垂直である場合は、コリメータ２１を回転さ
せる必要がないため、このとき、針金状の駆動体２５を
機械的に駆動することによって、コリメータの他方向の
板状体２３の傾斜角を変えることができ、また、電気的
手段を用いることによって、コリメータ２１が回転して
いるときでも、コリメータの他方向の板状体２３の傾斜
角を変えることができる。

【００６２】（第３実施例）スパッタ工程において、タ
ーゲットを交換した直後にターゲットの表面の汚染物質
を除去する間、ロット処理前にスパッタを安定化する
間、および、例えばＴｉ膜とＴｉＮ膜を連続的に堆積す
る場合のように、異なるスパッタ行程を連続的に施す際
の移行期間に、ターゲットからのスパッタ粒子を被堆積
基板上に飛来するのを防ぐ、いわゆる、から飛ばしを行
う必要が生じる。

【００６３】この目的を達成するため、従来のスパッタ
装置においては、コリメータと被堆積基板の間にシャッ
ターを設け、必要に応じてスパッタ粒子が基板上に飛来
するのを阻止する手段が講じられていた。

【００６４】図７は従来のシャッターを有するスパッタ
リング装置の説明図である。この図において、３１はチ
ャンバ、３２はターゲット、３３はスパッタ粒子、３４
はコリメータ、３５はシャッター、３６はシャッター駆
動手段、３７は被堆積基板、３８は排気手段である。

【００６５】従来のシャッターを有するスパッタリング
装置においては、チャンバ３１内に、ターゲット３２、
コリメータ３４、シャッター３５、被堆積基板３７がこ
の順に配置され、チャンバ３１内を排気手段３８によっ
て排気した後、Ａｒ等のガスを導入し、Ａｒイオンをタ
ーゲット３２に衝突させてターゲット３２からスパッタ
粒子３３を弾き出し、コリメータ３４によってスパッタ
粒子３３に方向性を与えて被堆積基板３７上に堆積し、
スパッタ粒子３３を被堆積基板３７上に堆積させる必要
がない場合には、シャッター３５をシャッター駆動手段
３６によってスパッタ空間に移動し、スパッタ粒子３３
をシャッター３５によって遮断するようにしていた。

【００６６】このようにコリメータ３４と被堆積基板３
７の間にシャッター３５を挟む構造を採ると、コリメー
タ３４と被堆積基板３７の間の距離が制約され、シャッ
ター３５が回転するため、不所望な部分へのスパッタ粒
子の被着を防ぐ防着板（図示されていない）の構造を単
純化することができないという問題があり、また、シャ
ッター３５の可動部等から発塵が起こる等の問題があっ
た。この実施例のスパッタ装置はこれらの問題を解決す
るためにシャッターレス化することを目的とする。

【００６７】図８は第３実施例のスパッタリング装置の
コリメータの説明図であり、（Ａ）は平面を、（Ｂ）は
断面を示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＸ−
Ｘ’，Ｙ−Ｙ’線上の断面図である。この図において、
４１はコリメータ、４２は開口、ａは開口の直径、ｂは
コリメータの厚さである。

【００６８】このコリメータ４１に形成された開口４２
が円形である場合はその直径、開口４２が多角形である
場合はその外接円の直径ａを、スパッタ粒子の平均自由
行程（ｍｆｐ）の５倍以内にし、コリメータの厚さ、す
なわち開口４２の深さｂを、スパッタ粒子のｍｆｐの５
倍以上にして、開口４２のアスペクト比を１より大きく
し、スパッタ粒子のｍｆｐを調節することによって、コ
リメータ４１自体にスパッタ粒子を遮断するシャッター
機能をもたせることができる。そして、このスパッタ粒
子のｍｆｐは、スパッタ装置のチャンバ内のスパッタ空
間のガス圧によって制御することができる。

【００６９】図９はスパッタリング装置のチャンバ内の
ガス圧とスパッタ粒子の堆積速度の説明図である。この
図は、図８におけるコリメータ４１の開口４２のアスペ
クト比を１にした場合の、スパッタリング装置のチャン
バ内のガス圧（横軸）とスパッタ粒子の堆積速度（縦
軸）の関係を示している。

【００７０】この図にみられるように、スパッタ装置の
チャンバ内のガス圧を漸増していくとスパッタ粒子の堆
積速度は急激に減少し、２０ｍＴｏｒｒ以上になると堆
積速度が零になるから、コリメータ４１自体に、スパッ
タ粒子に対するシャッター機能をもたせることができる
ことが分かる。

【００７１】この実施例のスパッタリング装置による
と、スパッタ粒子のｍｆｐ、チャンバ内のガス圧、パワ
ー等を適切に選択することによって、コリメータから被
堆積基板上へのスパッタ粒子の飛び出しを制御して、ス
パッタリング装置をシャッターレス化することができ、
従来のスパッタリング装置のようにシャッターからの発
塵や、スパッタリング装置の構造の自由度を拡大するこ
とができる。

【００７２】（第４実施例）コリメータを用いた従来の
スパッタリング法、または前記の実施例のスパッタリン
グ法においては、コリメータを設けることによって、堆
積速度がコリメータを用いない場合の１／１０〜１／２
０まで低下してしまう。このような堆積速度の低下は、
反応性スパッタによって成膜する場合にはさらに深刻な
問題となる。

【００７３】例えば、コリメータを使用せず、チタンタ
ーゲットを用いて、アルゴンと窒素の混合ガスのプラズ
マによって窒化チタンの成膜を行う場合には、アルゴン
でチタンをスパッタする場合の１／５まで堆積速度が低
下する。これに加えて、前記のようにコリメータを用い
る場合には、１／５０〜１／１００にまで堆積速度が低
下してしまう。

【００７４】このような堆積速度の低下は処理能力の低
下を引き起こしてしまう。この実施例は、コリメータを
設けた反応性スパッタにおいても、堆積速度を高くする
ことができるスパッタリング法を提供する。

【００７５】図１０は第４実施例のスパッタリング装置
の説明図である。この実施例のスパッタ装置を基板上に
窒化チタン膜を形成する場合を例にして説明する。この
図において、５１は真空チャンバ、５１_Tはターゲット
側チャンバ、５１ _Sは基板側チャンバ、５２はチタンタ
ーゲット、５３はＤＣ電源、５４は基板ホルダ、５５は
ブロッキングコンデンサ、５６はＲＦ電源、５７は半導
体基板、５８はターゲット側コリメータ、５９は基板側
コリメータ、６０はＲＦ電源、６１はターゲット側排気
系、６２は基板側排気系、６３はターゲット側ガス導入
管、６４は基板側ガス導入管である。

【００７６】この実施例のスパッタリング装置において
は、真空チャンバ５１が、ターゲット側コリメータ５８
と基板側コリメータ５９によってターゲット側チャンバ
５１ _Tと基板側チャンバ５１_S分けられ、ターゲット側
コリメータ５８は接地され、基板側コリメータ５９は、
プラズマを生成するための１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源
６０に接続されている。

【００７７】そして、ターゲット側チャンバ５１_Tの左
側の壁面にはチタンターゲット５２が配置され、このチ
タンターゲット５２はＤＣ電源５３に接続され、このタ
ーゲット側チャンバ５１_Tは、例えばクライオポンプで
あるターゲット側排気系６１によって排気され、ターゲ
ット側ガス導入管６３からアルゴンが導入される。

【００７８】他方、基板側チャンバ５１_Sの右側の壁面
には、半導体基板５７を保持する基板ホルダ５４が配置
され、この基板ホルダ５４は、ブロッキングコンデンサ
５５を介して１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源５６に接続さ
れ、この基板側チャンバ５１ _Sは、例えばクライオポン
プである基板側排気系６２によって排気され、基板側ガ
ス導入管６４から窒素が導入される。

【００７９】なお、ターゲット側コリメータ５８と基板
側コリメータ５９は、それぞれ１辺が１５ｍｍの６角形
を組み合わせたハニカム構造を有し、その厚さは１０ｍ
ｍである。そして、ターゲット側コリメータ５８と基板
側コリメータ５９の間のギャップは放電を抑制するため
に約２ｍｍに設定されている。また、チタンターゲット
５２とターゲット側コリメータ５８間の距離、および、
半導体基板５７と基板側コリメータ５９間の距離は、そ
れぞれ３５ｍｍに設定されている。

【００８０】このスパッタリング装置を用い、スパッタ
条件として、ターゲット側チャンバ５１_TのＡｒ圧力を
５ｍＴｏｒｒとし、基板側チャンバ５１_SのＮ₂圧力を
３ｍＴｏｒｒにして、スパッタを生じさせるためのＤＣ
電源５３のＤＣパワーを１０ｋＷ、基板側コリメータ５
９のＲＦ電源６０のＲＦパワーを３００Ｗ、半導体基板
５７をバイアスするＲＦ電源５６のＲＦパワーを５０Ｗ
として成膜を行った場合、窒化チタン膜の成長速度は１
０００Å／ｍｉｎであり、コリメータを用いない通常の
反応性スパッタによる窒化チタンの成長速度と同等の堆
積速度が得られた。また、この条件で堆積された膜質
も、従来の窒化チタン膜と同等であった。

【００８１】この構造を採ると、ターゲット側コリメー
タ５８によって基板側コリメータ５９に印加される高周
波を遮蔽して、Ａｒイオンをチタンターゲット５２に加
速するＤＣ電源５３によって形成される電界に悪影響を
防ぐことができる。また、ターゲット側チャンバ５１_T
と基板側チャンバ５１_Sを独立に排気し、それぞれのチ
ャンバに異なるガスを導入して、それぞれのチャンバで
ガス分圧の異なるプラズマを生成する最適条件を実現す
ることができる。ターゲット側チャンバ５１_Tと基板側
チャンバ５１_Sに導入されるガスの混合は、コリメータ
のコンダクタンスに依存するが、独立排気系を有する場
合は特に問題にならない。

【００８２】また、この実施例の構成を採ることによ
り、チタンターゲット５２のスパッタを効率が高いＤＣ
マグネトロンスパッタで行い、このＤＣ電圧に関係な
く、ブロッキングコンデンサ５５を介して半導体基板５
７にチタンと窒素の反応を制御するためのバイアス用Ｒ
Ｆ電源５６のＲＦパワーを供給することができるため、
それぞれの条件を最適化して高い堆積速度を得ることが
できる。

【００８３】（第５実施例）前記のように、近年、集積
回路装置の微細化に伴い、コンタクトホールのアスペク
ト比は厳しくなる一方であり、スパッタによってコンタ
クトホール内に形成しているバリアメタル（Ｔｉ＋Ｔｉ
Ｎ）やＡｌ膜のステップカバレージも悪くなっている。

【００８４】そのため、前記の実施例のスパッタリング
装置のように、ターゲットと被堆積基板の間にコリメー
タを配置してスパッタ粒子の方向を制御して、コンタク
トホール等のステップカバレージを向上する方法が考え
られているが、スパッタ空間にコリメータを配置すると
堆積速度が〜１／１０と著しく遅くなって、スループッ
トが問題になってくる。

【００８５】この実施例のスパッタリング装置は、コン
タクトホール等のステップカバレージを向上するととも
に、コリメータを配置することによる堆積速度の減少を
可能な限り少なくすることを目的とする。

【００８６】図１１は第５実施例のスパッタリング装置
の説明図である。７１はチャンバ、７２はターゲット、
７３はコリメータ、７４はコリメータ駆動手段、７５は
シャッター、７６はシャッター駆動手段、７７は被堆積
基板、７８，７９はスパッタ粒子である。

【００８７】この実施例のスパッタ装置においては、チ
ャンバ７１中に、ターゲット７２、コリメータ７３、シ
ャッター７５、被堆積基板７７が配置され、コリメータ
７３には、コリメータ７３をスパッタ空間に移動し、あ
るいは、スパッタ空間から退避させるコリメータ駆動手
段７４が設けられ、シャッター７５には、シャッター７
５をスパッタ空間に移動し、あるいは、スパッタ空間か
ら退避させるシャッター駆動手段７６が設けられてい
る。

【００８８】そして、ターゲット７２から多方向にスパ
ッタされたスパッタ粒子７８を、コリメータ７３を通す
ことによって方向性を与え、また、コリメータ７３を通
過したスパッタ粒子７９を、シャッター７５によって遮
蔽するようになっている。また前記のように、コリメー
タ７３は、コリメータ駆動手段７４によって駆動され
て、スパッタ空間に移動し、スパッタ空間から退避させ
るようになっており、シャッター７５は、シャッター駆
動手段７６によって駆動されて、スパッタ空間に移動
し、スパッタ空間から退避させるようになっている。

【００８９】この実施例のスパッタリング装置を用いる
と、コリメータ７３の開閉とシャッター７５の開閉を組
み合わせることによって、堆積膜のカバレージを向上す
るとともに、必要膜厚の堆積膜を形成する時間を短縮し
てスループットを向上することができる。

【００９０】なお、このスパッタリング装置において
は、スパッタ電源をオンオフ制御することによってシャ
ッター７５を除去することができる。また、コリメータ
駆動手段７４として、従来から知られていたシャッター
駆動手段７６と同様に、コリメータ７３を、その面に垂
直な軸の回りに回転することによってスパッタ空間に移
動し、スパッタ空間から退避させる回転手段、コリメー
タ７３の面を垂直方向に起立させることによってスパッ
タ空間に移動し、スパッタ空間から退避させる回転手段
等を用いることができる。

【００９１】図１２はコンタクトホールのアスペクト比
とカバレージ率の関係図であり、（Ａ）はコリメータが
無い場合、（Ｂ）はコリメータが有る場合を示してい
る。この図にみられるように、コンタクトホールのアス
ペクト比とカバレージ率の傾向が、コリメータを使用し
ない場合とコリメータを使用する場合で異なるため、コ
リメータの有無を組み合わせるスパッタリングを行うこ
とによって、コンタクトホール中および周辺の堆積膜の
堆積速度を制御し、カバレージを改善することが可能に
なる。また、コリメータを使用しない場合の堆積速度を
最大限度利用することによってスループットを向上する
ことができる。

【００９２】以下、この実施例に係わる実験結果を示
す。堆積速度コリメータが無い場合５．０Å／ｋＷ・ｓｅｃコリメータが有る場合０．５Å／ｋＷ・ｓｅｃコリメータによって堆積速度は１／１０に低下する。

【００９３】実施例の実験結果ＴｉＮ膜を堆積する場合で、コンタクトホールのアスペ
クト比が１．０で、最低膜厚を４００Åとした。第１回のスパッタ工程コリメータを用い、供給電力を７．５ＫＷとして１３秒
間スパッタして水平面上に膜厚５００ÅのＴｉＮ膜を堆
積した。その結果、ＴｉＮ膜が、コンタクトホールの底
面に３００Å、側壁に７５Å堆積された。

【００９４】第２回のスパッタ工程コリメータを用いないで、供給電力を７．５ＫＷとして
２７秒間スパッタして水平面上に膜厚１０００ÅのＴｉ
Ｎ膜を堆積した。その結果、ＴｉＮ膜が、コンタクトホ
ールの底面に３３０Å、側壁に３５０Å堆積された。

【００９５】したがって、ＴｉＮ膜の合計膜厚は、表面
上で１５００Å、コンタクトホールの底面に６３０Å、
側壁に４２５Å堆積された。このように、必要最低限の
膜厚により、図１２の関係図から各アスペクトのカバレ
ージ率を算出してスパッタリングを行うことができる。
上記の説明はＴｉＮ膜に関するものであったが、Ａｌ等
その他の材料についても同様である。

【００９６】上記と同様に、この実施例のスパッタ装置
を用いて、下記のようにすることもできる。１．シャッターを用いないで、開閉可能なコリメータを
用いて同一真空チャンバ内でスパッタを行ってＴｉ＋Ｔ
ｉＮ，Ａｌ等を成膜する。この場合、シャッターの開閉
機能は、スパッタ電源をオン、オフすることによって代
替する。２．開閉可能なシャッターと開閉可能なコリメータを用
いて同一真空チャンバ内でスパッタを行ってＴｉ＋Ｔｉ
Ｎ，Ａｌ等を成膜する。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
スパッタ粒子が付着することによるコリメータのアスペ
クト比の変化と、コリメータへのスパッタ膜の剥離の問
題を解消することができ、被堆積基板上の開口における
堆積膜のカバレージを改善することができ、また、コリ
メータの開口の形状とスパッタ粒子のｍｆｐを調節する
ことによってシャッターレス化することができ、シャッ
ターからの発塵防止や装置構造の自由度を拡大すること
ができ、堆積速度を高速化することができるため、集積
回路の配線形成技術分野等において寄与するところが大
きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のスパッタリング用ターゲットの説
明図であり、（Ａ）は断面を示し、（Ｂ）はその平面を
示している。

【図２】第１実施例のスパッタリング用ターゲットを用
いたスパッタリング装置の説明図であり、（Ａ）はスパ
ッタリング装置全体を、（Ｂ）はコリメータを示してい
る。

【図３】スパッタ空間のガス圧対スパッタ粒子とガス分
子の衝突確率関係図である。

【図４】第２実施例のスパッタリング装置の説明図であ
り、（Ａ）はコリメータが垂直である場合、（Ｂ）はコ
リメータが傾斜しいてる場合を示している。

【図５】第２実施例のスパッタリング装置のコリメータ
の説明図である。

【図６】第２実施例のスパッタリング装置のコリメータ
の駆動機構説明図であり、（Ａ）は平面を示し、（Ｂ）
は断面を示している。

【図７】従来のシャッターを有するスパッタリング装置
の説明図である。

【図８】第３実施例のスパッタリング装置のコリメータ
の説明図であり、（Ａ）は平面を、（Ｂ）は断面を示し
ている。

【図９】スパッタリング装置のチャンバ内のガス圧とス
パッタ粒子の堆積速度の説明図である。

【図１０】第４実施例のスパッタリング装置の説明図で
ある。

【図１１】第５実施例のスパッタリング装置の説明図で
ある。

【図１２】コンタクトホールのアスペクト比とカバレー
ジ率の関係図であり、（Ａ）はコリメータがない場合、
（Ｂ）はコリメータがある場合を示している。

【図１３】従来のスパッタリング法の説明図であり、
（Ａ）は従来のスパッタリング法におけるスパッタ粒子
のターゲットからの放出角度分布を示しており、（Ｂ）
は従来のスパッタリング法により形成した堆積膜の構造
を示している。

【図１４】従来の改良したスパッタリング法の説明図で
あり、（Ａ）はコリメータを用いたスパッタリング法を
示し、（Ｂ）はコンタクトホール中の堆積膜の構造を示
している。

【符号の説明】

１ターゲット本体２コリメータ３真空チャンバ４サセプタ５ウェハ６ガス導入口７絶縁体８磁石９直流電源１０排気ユニット１１コリメータ１２コリメータの一方向の板状体１３コリメータの他方向の板状体１４ターゲット粒子１５コンタクトホール１６第１の堆積膜１７第２の堆積膜１８₁，１８₂ 駆動体２１コリメータ２２コリメータの一方向の板状体２３コリメータの他方向の板状体２４リング状枠体２５駆動体２６コリメータ側磁石２７チャンバ壁２８駆動用磁石３１チャンバ３２ターゲット３３スパッタ粒子３４コリメータ３５シャッター３６シャッター駆動手段３７被堆積基板３８排気手段４１コリメータ４２開口ａ開口の直径ｂコリメータの厚さ５１真空チャンバ５１_T ターゲット側チャンバ５１_S 基板側チャンバ５２チタンターゲット５３ＤＣ電源５４基板ホルダ５５ブロッキングコンデンサ５６ＲＦ電源５７半導体基板５８ターゲット側コリメータ５９基板側コリメータ６０ＲＦ電源６１ターゲット側排気系６２基板側排気系６３ターゲット側ガス導入管６４基板側ガス導入管７１チャンバ７２ターゲット７３コリメータ７４コリメータ駆動手段７５シャッター７６シャッター駆動手段７７被堆積基板７８，７９スパッタ粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細田勉神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者富樫光浩神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲット本体とコリメータが電気的に
接続されていることを特徴とするスパッタリング用ター
ゲット。
【請求項２】ターゲット本体とコリメータが電気的に
接続されているスパッタリング用ターゲットを有し、該
スパッタリング用ターゲットが直流電源に接続されてい
ることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】ターゲット本体とコリメータが電気的に
接続されて両者が同電位に保たれたスパッタリング用タ
ーゲットを用い、スパッタリング空間のガス圧を１０^-3
Ｔｏｒｒ未満にすることを特徴とするスパッタリング
法。
【請求項４】コリメータのアスペクト比が１以上であ
ることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれ
か１項に記載されたスパッタリング用ターゲット。
【請求項５】ターゲット本体と被堆積基板の間に、板
状体を格子状に組み合わせたコリメータを配置し、該コ
リメータの板状体を傾斜させた状態で該コリメータを回
転させてスパッタリングを行うことによって、スパッタ
粒子に方向性を与え、該被堆積基板の開口内に堆積膜を
形成することを特徴とするスパッタリング法。
【請求項６】ターゲット本体と被堆積基板の間に、ス
パッタ粒子に方向性を与えるための板状体を格子状に組
み合わせたコリメータが配置され、該コリメータの板状
体を傾斜させる手段と、該コリメータを回転させる手段
を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項７】コリメータの開口の径をスパッタ粒子の
平均自由行程の５倍以内にし、該コリメータの開口の深
さをスパッタ粒子の平均自由行程の５倍以上にし、スパ
ッタ粒子の平均自由行程を調節することによって、該コ
リメータ自体にスパッタ粒子を遮断するシャッター機能
をもたせることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項８】コリメータのアスペクト比を１以上に
し、スパッタリング空間のガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以上
にすることにより、コリメータ自体にスパッタ粒子を遮
断するシャッター機能をもたせることを特徴とする請求
項７に記載されたスパッタリング装置。
【請求項９】ターゲット本体と被堆積基板の間に、ス
パッタ粒子に方向性を与えるための、ターゲット側コリ
メータと被堆積基板側コリメータが配置され、該ターゲ
ット側コリメータは接地され、該被堆積基板側コリメー
タにはプラズマを発生させるための高周波電圧が印加さ
れることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項１０】ターゲット側コリメータにより、被堆
積基板側コリメータによって生成される高周波電界を遮
蔽することを特徴とする請求項９に記載されたスパッタ
リング装置。
【請求項１１】ターゲット本体とターゲット側コリメ
ータの間の空間と、被堆積基板と被堆積基板側コリメー
タの間の空間を独立に排気する機構を有し、それぞれの
空間に異なるガスを導入し、それぞれの空間でガス分圧
が異なるプラズマを生成することを特徴とする請求項９
に記載されたスパッタリング装置。
【請求項１２】ターゲット本体のスパッタリングをＤ
Ｃマグネトロンスパッタリングで行い、被堆積基板にブ
ロッキングコンデンサーを介してＲＦ電圧を印加するこ
とを特徴とする請求項９に記載されたスパッタリング装
置。
【請求項１３】ターゲット本体と被堆積基板の間の空
間に移動し、あるいは、該空間から退避することができ
るコリメータを有することを特徴とするスパッタリング
装置。
【請求項１４】ターゲット本体と被堆積基板の間の空
間に移動し、あるいは、該空間から退避することができ
るコリメータと、該ターゲット本体と被堆積基板の間の
空間に移動し、あるいは、該空間から退避することがで
きるシャッターを有することを特徴とするスパッタリン
グ装置。
【請求項１５】コリメータをターゲット本体と被堆積
基板の間の空間に移動してスパッタリングを行い、該コ
リメータを該空間から退避させてスパッタリングを行う
ことによって、カバレージよく、かつ、高い堆積速度で
堆積膜を形成することを特徴とするスパッタリング法。