JPH06200375A - 中空形状マグネトロンスパッタ電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スパッタ粒子の飛翔方向が制御できるととも
に処理空間全体のスパッタガス圧を高めることなく安定
したプラズマを発生でき、簡単な構造のターゲットを用
いてターゲットの冷却が行える手段を提供する。 【構成】 一端が開口し他端が閉じた中空部２２を有す
るとともに該中空部にプラズマ生成ガスを供給するガス
供給孔２３を設けたターゲット３と、該ターゲットを挿
入する空間と冷却手段２４を設けたターゲット冷却ブロ
ック１３と、該ターゲット内に磁気回路を構成する磁石
１５およびアノード８ならびにヨーク１９とから中空形
状マグネトロンスパッタ電極を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば半導体ウェハに薄
膜を蒸着するためのスパッタ装置に用いるマグネトロン
スパッタ電極の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術および問題点】従来のマグネトロンスパッ
タ電極のターゲットは、基盤（ウエーハ）に対向して設
けられた、一般的には平板型または緩い勾配を有する逆
円錐型のスパッタ面を有するものが用いられ、概してウ
エーハより大きな口径のものが用いられている。近年、
ＩＣの集積度が高くなるにしたがって、ビアホールまた
はコンタクトホールの口径が例えば０．５ミクロンと小
さくなる一方、各層の厚みはそれほど変化しないので、
ビアホールまたはコンタクトホールのアスペクト比が大
きなものとなってきている。

【０００３】このように高密度化されたウェハを処理す
るには、従来の平板状のターゲットを用いたときには、
以下、図６に示すような問題が生じる。即ち、平板状の
ターゲットを用いた構成のスパッタ装置では、ターゲッ
トの表面からたたきだされるスパッタ粒子は円３０に示
されるようにさまざまな方向の成分を有している。４Ｍ
−ＤＲＡＭ以上の高集積度のＵＬＳＩの直径が０．５ミ
クロンで深さが１ミクロンの、すなわち、アスペクト比
２のビアホールまたはコンタクトホール２５にスパッタ
処理をするときには、ビアホールまたはコンタクトホー
ルには垂直方向からのスパッタ粒子だけでなく、あらゆ
る角度からスパッタ粒子が入射するので、コンタクトホ
ールの肩の部分でのスパッタ粒子の堆積が大きくなりコ
ンタクトホールの入り口を塞いでしまいコンタクトホー
ル内面に十分な厚みの導電膜を形成することができなく
なり、コンタクトホール内には０．１ミクロン程度の膜
が作られるにすぎず、ステップカバレージ（段差の被覆
率、換言すれば堆積率）は１０％以下となっている。即
ち、ＵＬＳＩ、特に０．５ミクロン以下のコンタクトホ
ール又はビアホールにおいて従来の平板型スパッタガン
では、ステップカバレージ（段差の被覆率）及びホール
底部への堆積量が低下することが指摘されている。

【０００４】また、プラズマの発生はスパッタガス圧力
が１ｍＴｏｒｒより高い圧力でないと安定しないため、
処理空間全体を安定する圧力に高めなければならず、ス
パッタ粒子とスパッタガス粒子との衝突が無視できない
量となりスパッタ効率を低減させる原因となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の問題に鑑み、本
発明の目的は、スパッタ粒子の飛翔方向を制御すること
によって、高集積度のウェハにおいてもホール内にスパ
ッタ粒子の堆積量を増加可能な手段を提供するととも
に、小型で簡単な構造のターゲットを用いてターゲット
の冷却が行える手段を提供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、プラズマ領域に濃度
の高いプラズマ生成ガスを供給できる手段を提供するこ
とである。さらに、本発明の目的は、処理空間全体のス
パッタガス圧を高めることなく安定したプラズマを発生
できる手段を提供することにある。本発明の他の目的
は、ターゲットの交換が容易にできるとともに作動中の
ターゲットが固定される手段を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】複数のスパッタ電極を配
列したスパッタガン組立体に用いるスパッタ装置の中空
形状マグネトロンスパッタ電極であって、一端が開口し
他端が閉じた中空部を有するとともに該中空部にプラズ
マ生成ガスを供給するガス供給孔を設けたターゲット
と、該ターゲットを挿入する空間と冷却手段を設けたタ
ーゲット冷却ブロックと、該ターゲット内に磁気回路を
構成する磁石およびアノードならびにヨークとから中空
形状マグネトロンスパッタ電極を構成する。

【０００８】中空形状マグネトロンスパッタ電極のター
ゲットに設けられたガス供給孔を該中空部の底部の中央
部に開口させる。中空形状マグネトロンスパッタ電極の
ターゲットの中空部の形状を開口部に向かってその断面
積を大きくした。該中空形状マグネトロンスパッタ電極
のターゲットの外周面と該ターゲット冷却ブロックの内
周面との間にターゲットが容易に脱着できるとともにタ
ーゲットの熱膨張により密着する程度のクリアランスを
設けた。

【０００９】

【作用】ターゲットの形状を中空形状のブロックとする
ことによって、スパッタ粒子の飛翔方向を制御し、ビア
ホールまたはコンタクトホールに対して大多数のスパッ
タ粒子を垂直成分として供給できる。

【００１０】ターゲットの中空部分の底部の中心部のス
パッタガス供給孔を上記中空部分より小さく設けること
により供給されるスパッタガスの圧力勾配が形成され、
低圧で上記中空部分にプラズマを形成できる。ターゲッ
トの上記中空部分の断面積を開口端にむけて大きくする
ことによってプラズマ生成ガスの圧力勾配がさらに形成
され、処理空間全体のガス圧を高めずに安定したプラズ
マを発生できる。ターゲットとターゲット冷却ブロック
との間にクリアランスを設けることによって、ターゲッ
トの着脱が容易にできるとともに、ターゲットの熱によ
ってターゲット冷却ブロックに密着するので冷却手段の
構造が簡単になる。

【００１１】

【実施例】本発明のターゲットの構造を図１を用いて説
明する。図１は、スパッタガン組立体を構成する一つの
スパッタガンの構造を示している。スパッタガンはター
ゲット３、アノード８、ターゲットクランプ組立体１
２、ターゲット冷却ブロック１３、絶縁材１４、磁石１
５、ヨーク１９とから構成されている。ターゲット３は
成膜材料例えばアルミニウム、銅、チタニウム、窒化チ
タン等から構成され、ウエハーに対向する面に開口を持
ち他端が閉じられた中空部２２を有するコップ型の形状
をしており、この中空部の底部にはプラズマガスを供給
するガス供給孔２３が設けられている。ターゲット３の
背面には磁石１５が配置され、ターゲット３と磁石１５
およびアノード８と磁石１５との間はヨーク１９によっ
て磁気的な閉回路が構成される。この結果ターゲットの
開口面側に設けられたアノード８との間に磁力線９が形
成される。アノード８は、ターゲット３の開口部と同等
またはこれよりも大きな開口を有している。

【００１２】ターゲット３は、冷却流体空間２４を有す
るターゲット冷却ブロック１３に設けた空間の中に嵌合
保持され、その開口端側はターゲットクランプ組立体１
２によって固定されている。アノード８は、ヨーク１９
およびアノードに設けた切欠き部分２１にピン２０を挿
入して固定され、ターゲットクランプ組立体はターゲッ
トクランプ組立体およびターゲット冷却ブロックに設け
た切欠き部分２１にピン２０を挿入して固定される。タ
ーゲットとアノードとは絶縁材１４によって電気的に絶
縁されている。ターゲット冷却ブロック３の冷却流体空
間２４に冷却水給排水管１７を介して冷媒を供給してタ
ーゲットを冷却するように構成されている。ターゲット
３には直流電源１８から−３００〜−８００Ｖの電圧が
印加され、アノード８は接地されている。この構成のタ
ーゲット３の中空部２２にガス導入口１６からガス導入
孔２３を通じてアルゴン等のプラズマ生成ガスを供給す
ると、中空部２２内にプラズマが発生する。このターゲ
ット３の小さなガス導入孔２３から中空部２２にかけて
コンダクタンスを大きくすることにより導入ガスの圧力
勾配が形成され処理空間２８が低圧でもプラズマを安定
して発生する。

【００１３】プラズマ領域１１の電子２７は磁力線９に
よって中空部２２内に閉じ込められ、プラズマ中のイオ
ン例えばアルゴンイオンがターゲットの壁に衝突してス
パッタ粒子４をたたき出す。スパッタ粒子はターゲット
の開口部からウェーハの方向にたたき出されるが、ター
ゲットの中空部の壁に当ったスパッタ粒子は再びターゲ
ット上に堆積するが再度アルゴンイオンによってスパッ
タされ、ターゲットの開口方向に沿って放出され、飛し
ょう方向の制御されたスパッタ粒子４の流れが得られ
る。ターゲット３はスパッタ粒子の発生により徐々に消
耗しスパッタ部１０は破線で示すように大きくなってゆ
く。

【００１４】ターゲット３はターゲット冷却ブロック１
３の空間に容易に嵌め込まれるように空間の大きさより
少し小さめの大きさに作られている。即ち、ターゲット
外周面と冷却装置の内周面との間には、ターゲットを容
易に脱着でき、かつターゲットの熱膨張によりターゲッ
ト冷却ブロックの内周面に密着する程度のクリアランス
を有する様に構成される。したがって、消耗したターゲ
ットを交換するときにはターゲットは低温になり縮小し
ているので、ターゲットとターゲット冷却ブロックとの
間には間隙が存在し、極めて容易にターゲット冷却ブロ
ックからターゲットを取外しまた新たなターゲットを取
り付けることができる。このターゲット電極を動作させ
ると、熱によってターゲットおよびターゲット冷却ブロ
ックが膨張し、両者は確実に固定され、ターゲットの熱
はターゲット冷却ブロックに伝えられるのでターゲット
自体に冷却手段を設けることなくターゲットを冷却する
ことができる。したがって、ターゲットはガスの供給孔
を設けるだけの簡単な構成とすることができ、ターゲッ
ト冷却ブロックへの冷却水給排水手段は一度固定すれば
着脱する必要のないものであるから冷却水の給排水手段
も簡単なものとすることができる。

【００１５】次に本発明のターゲットを用いたスパッタ
装置について図２および図３を用いて説明する。真空チ
ャンバー６内の基板加熱ヒータ５の上にウェハ１が載置
される。ウェハの上方には、シャッター７を介して本発
明のターゲット３を用いて構成されるスパッタガン組立
体２が位置している。スパッタガン組立体には図３に示
すようにターゲット３が等間隔に配置構成される。ター
ゲット３からのスパッタ粒子４の大部分はウェハに垂直
な方向の成分から構成されているので、ウェハのホール
にはスパッタ粒子が上方から照射され、コンタクトホー
ルの壁面に十分に成膜できる。この状況を図４に示す。
図６と同様に、直径０．５ミクロンで深さが１ミクロン
のコンタクトホール２５に本発明のターゲットガンを用
いてスパッタ処理するときには、斜め方向からのスパッ
タ粒子が少ないのでコンタクトホールの肩部に張出しが
できずコンタクトホール内に十分にスパッタ粒子が到達
する。したがって、ウェハ表面に１ミクロンの膜を形成
するとコンタクトホール内には０．８ミクロンの膜を形
成すること、すなわち、８０％以上の堆積率を得ること
ができた。

【００１６】図５にターゲット３の形状の変形例を示
す。図５（ａ）は、中空部２２の形状を円筒とこれにつ
らなる漏斗状の底部とした例であり、その底部の中心部
にガス供給孔２３が開口している。図５（ｂ）は、中空
部２２の形状を円錐とそれにつらなる半球状の底部とし
た例であり、前記例と同様にその底部の中心にガス供給
孔２３が開口している。図５（ｃ）は、中空部２２の形
状を頂部を切断した円錐形または四角錐とした例であ
り、ガス供給孔２３は前記例と同様に中空部の底部の中
心に開口している。

【００１７】ターゲットの形状をこのようにすることに
よって、ターゲットの中空部内にプラズマを閉じ込める
ことができ、プラズマ領域１１内の圧力を安定してプラ
ズマが生成できる圧力、例えば１ｍｍＴｏｒｒ台とし、
スパッタ粒子４が移動する空間内では、スパッタ粒子が
ガスに衝突する機会を減少できる圧力、例えば０．１ｍ
ｍＴｏｒｒ台とすることができる。スパッタガン組立体
への複数のスパッタガンの配列は図３に示されるものが
好ましいが、この配列に捕らわれることなくウェハの大
きさやスパッタガンの開口の大きさ等種々の条件によっ
て適宜変更できることは勿論である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、スパッタガンから制御
された方向にスパッタ粒子を飛翔させることができるの
で、高集積度のＵＬＳＩの製造に当たってもビアホール
またはコンタクトホール内に制御されたコンタクトを形
成することができる。すなわち、０．５ミクロン径アス
ペクト２のサイズのビアホールまたはコンタクトホール
では、従来のマグネトロンスパッタ電極が１０％程度の
堆積率しか得られなかったのに対し、本発明の中空形状
マグネトロンスパッタ電極ではスパッタ粒子の堆積率が
大幅に改善され８０％以上の堆積率が確認された。

【００１９】また、プラズマ領域の奥からプラズマ生成
ガスを供給し同領域におけるガスの圧力を開口部に向け
て減少するような勾配を持たせたために、処理空間にお
けるガス圧を低く維持できることとなり、放電圧力も従
来のマグネトロンスパッタ電極に比べて一桁低い０．１
ｍｍＴｏｒｒ台のスパッタガス圧力で放電可能となっ
た。従って、処理空間において生じるスパッタ粒子とス
パッタガス粒子との衝突が無視出来る程度に少なくなる
ためスパッタ粒子の散乱が軽減し、ビアホールまたはコ
ンタクトホールに対するスパッタ粒子の垂直成分の増加
が可能になるとともに、スパッタ粒子の堆積効率も向上
した。さらに、スパッタ粒子の回り込みも少なくなった
ためシードル板の形状も小さくかつコンダクタンスを大
きくとれ従来の排気装置を大型化することなしに排気能
力を一桁増加することが出来たため、放電圧力の低下と
の相乗効果によりバックグランド圧力が二桁改善され、
膜質を向上させることが可能となった。さらに、ターゲ
ットの構造を小型で簡単なものとすることができ、その
交換も極めて簡便にできるようになったので装置の稼働
率および経済効率を向上することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタガンの構造を示す断面図。

【図２】本発明のスパッタガンを複数個用いたスパッタ
ガン組立体を使用したスパッタ装置の概念図。

【図３】本発明のスパッタガンを用いたスパッタガン組
立体の図２Ａ−Ａ線の断面図。

【図４】本発明のスパッタガンを用いてコンタクトホー
ルにコンタクトを形成する状態を示す説明図。

【図５】本発明のターゲットの形状の変形例を示す断面
図。

【図６】従来の平板状スパッタガンを用いてコンタクト
ホールにコンタクトを形成する状態を示す説明図。

【符号の説明】

１ ウェハ、 ２ スパッタガン組立体、 ３ ターゲ
ット、 ４ スパッタ粒子、 ５ 基板加熱ヒータ、
６ 真空チャンバー、 ７ シャッター、 ８アノー
ド、 ９ 磁力線、 １０ スパッタ部、 １１ プラ
ズマ領域、 １２ ターゲットクランプ組立体、 １３
ターゲット冷却ブロック、 １４ 絶縁材、 １５
磁石、 １６ ガス導入口、 １７ 冷却水の給配水
管、 １８直流電源、 １９ ヨーク、 ２０ ピン、
２１ 切欠き部、 ２２ 中空部、 ２３ ガス供給
孔、 ２４ 冷却剤空間、 ２５ コンタクトホール、
２６ スパッタ成膜層、 ２７ 電子、 ２８ 処理空
間。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスパッタ電極を配列したスパッタ
   ガン組立体に用いるスパッタ装置の中空形状マグネトロ
   ンスパッタ電極であって、一端が開口し他端が閉じた中
   空部を有するとともに該中空部にプラズマ生成ガスを供
   給するガス供給孔を設けたターゲットと、該ターゲット
   を挿入する空間と冷却手段を設けたターゲット冷却ブロ
   ックと、該ターゲット内に磁気回路を構成する磁石およ
   びアノードならびにヨークとからなることを特徴とする
   中空形状マグネトロンスパッタ電極。
2. 【請求項２】 該ターゲットに設けられたガス供給孔を
   該中空部の底部の中央部に開口させたことを特徴とする
   請求項１に記載の中空形状マグネトロンスパッタ電極。
3. 【請求項３】 該ターゲットの中空部の形状を開口部に
   向かってその断面積が大きくなるように構成したことを
   特徴とする請求項１または２に記載の中空形状マグネト
   ロンスパッタ電極。
4. 【請求項４】 該ターゲットの外周面と該ターゲット冷
   却ブロックの内周面との間にターゲットが容易に脱着で
   きるとともにターゲットの熱膨張により密着する程度の
   クリアランスを設けたことを特徴とする請求項１ないし
   ３のいずれかに記載の中空形状マグネトロンスパッタ電
   極。