JPH0647723B2 - Sputtering method and apparatus - Google Patents

Sputtering method and apparatus

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JPH0647723B2
JPH0647723B2 JP20991185A JP20991185A JPH0647723B2 JP H0647723 B2 JPH0647723 B2 JP H0647723B2 JP 20991185 A JP20991185 A JP 20991185A JP 20991185 A JP20991185 A JP 20991185A JP H0647723 B2 JPH0647723 B2 JP H0647723B2
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magnetic field
substrate
plasma
sputtering
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裕 斉藤
秀造 佐野
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進 相内
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体装置等の薄膜製造工程におけるスパッ
タリング装置に係り、特に成膜速度およびターゲット寿
命の増大、また微細な溝等への埋込および膜表面の平坦
な成膜に好適なスパッタ装置及びその方法に関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a sputtering apparatus in a thin film manufacturing process for a semiconductor device or the like, and particularly to an increase in film formation rate and target life, and burying in fine grooves and the like. The present invention relates to a sputtering apparatus and method suitable for forming a flat film surface.

〔発明の背景〕[Background of the Invention]

スパッタ成膜は、陰極上におかれたターゲット材料に、
所定のエネルギ以上のイオンを衝突させ、これにより放
出されるターゲット材料の構成原子又は粒子を基板上に
付着堆積させ薄膜を形成する成膜方法である。
Sputter deposition is performed on the target material placed on the cathode.
This is a film forming method in which ions having a predetermined energy or more are made to collide with each other, and constituent atoms or particles of the target material emitted thereby are attached and deposited on a substrate to form a thin film.

上記スパッタ成膜を行うスパッタリング装置としては、
特公昭53-19319 号公報に記載のようにターゲット材料
を有する陰極のターゲット材料と反対側に磁気装置の一
対の磁極を設け、これによって生ずる弧状の磁力線をタ
ーゲット上に形成し、該陰極に電圧を印加しプラズマを
発生させ、該プラズマの荷電粒子を前記磁力線によりサ
イクロトロン運動させ該磁力線内に閉込めることにより
高密度のプラズマを得、2極スパッタリング装置に比べ
高い成膜速度を得る方法が知られている。
As a sputtering device for performing the above sputter film formation,
As described in Japanese Patent Publication No. 53-19319, a pair of magnetic poles of a magnetic device is provided on the side opposite to the target material of the cathode having the target material, and arc-shaped magnetic lines of force are formed on the target, and a voltage is applied to the cathode. Is applied to generate plasma, and charged particles of the plasma are subjected to cyclotron motion by the magnetic force lines to be confined within the magnetic force lines to obtain high-density plasma, and a method of obtaining a high film formation rate as compared with a two-pole sputtering apparatus is known. Has been.

しかし、この方法ではプラズマ領域がリング状の狭い領
域となり、また陰極に印加した電力によりプラズマ発生
とターゲットへのイオン衝突エネルギの両方を供給して
いるため、成膜速度を上げるために印加電力を大きくし
ていくと、プラズマ密度はある限界があるためイオンの
数の増加が止まりイオンのターゲットへの衝突エネルギ
のみが増加する傾向となる。このような状態でスパッタ
成膜すると、ターゲットの侵食領域がプラズマ領域とほ
ゞ一致したリング状の狭い領域となるうえさらに高エネ
ルギのイオンの衝突により、ターゲット表面の限られた
範囲の表面温度が急激に上昇しターゲット内に大きな熱
ストレスが発生してターゲットの割れやはがれが発生し
成膜ができなくなる。また上記成膜方法では、ターゲッ
トの侵食領域が狭い領域となるため、ターゲット利用効
率が低く、ターゲット当りの基板処理枚数が少なかっ
た。
However, in this method, the plasma region becomes a ring-shaped narrow region, and since both the plasma generation and the ion collision energy to the target are supplied by the power applied to the cathode, the applied power is increased to increase the film formation speed. If it is increased, the plasma density has a certain limit, and the increase in the number of ions stops, and only the collision energy of the ions to the target tends to increase. When sputter deposition is performed in such a state, the erosion region of the target becomes a ring-shaped narrow region that almost coincides with the plasma region, and the collision of high-energy ions causes the surface temperature of the target surface in a limited range to rise. The temperature rises sharply, large thermal stress is generated in the target, cracking or peeling of the target occurs, and it becomes impossible to form a film. Further, in the above film forming method, the target erosion area is narrow, so that the target utilization efficiency is low and the number of substrates processed per target is small.

上記装置のイオン衝突エネルギを低減する方法の1つと
して、特開昭58-75839号公報に示されるプラズマ発生電
力として高密度プラズマの発生が可能なマイクロ波を用
いたものがある。
As one of the methods for reducing the ion collision energy of the above device, there is a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-75839 that uses microwave capable of generating high density plasma as the plasma generating power.

この方法は前記の特公昭53-19319号公報に記載のスパッ
タリング装置にマイクロ波発生源を設置したもので、プ
ラズマ領域は前記と同様にリング状の狭い領域となる。
この方法では、プラズマの高密度化はマイクロ波により
行われるため、プラズマ密度の限界は前記装置に比べ高
くできるが、イオンがターゲットに衝突する領域すなわ
ち侵食領域は前記と同様のため陰極への印加電力を大き
くしていくとイオン衝突によりターゲットの限られた範
囲の表面温度が上昇し、熱ストレスによるターゲットの
割れやはがれが発生し成膜できなくなる。また、ターゲ
ットの利用効率も低いものであった。
In this method, a microwave generation source is installed in the sputtering device described in the above Japanese Patent Publication No. 19319/1983, and the plasma region is a ring-shaped narrow region as in the above.
In this method, since the density of plasma is increased by microwaves, the limit of plasma density can be made higher than that of the above-mentioned device, but since the region where the ions collide with the target, that is, the erosion region is the same as that described above, it is applied to the cathode. When the electric power is increased, the surface temperature of the target in a limited range rises due to the ion collision, and the target is cracked or peeled off due to the thermal stress, so that the film cannot be formed. Also, the utilization efficiency of the target was low.

マイクロ波によるプラズマを応用したスパッタリング装
置の他の例としては、特開昭59-47728号公報に記載のも
のがある。これは、マイクロ波によって発生させたプラ
ズマを発散磁界により輸送し、このプラズマ輸送用戻の
近傍にターゲットを載置した陰極を設置し、該陰極に電
力を印加しターゲットへイオンを衝突させ、これによっ
て放出されたターゲット材料の原子又は粒子を、上記ス
パッタに使用したプラズマによりイオン化しこれを基板
上に堆積させるものである。この方法では、イオン衝突
によるターゲットの侵食はほゞターゲット全域になるが
ターゲットから放出された原子又は粒子をイオン化して
成膜するため、ターゲットは基板とは対向しておらずタ
ーゲットから放出された原子又は粒子がプラズマ中に飛
び込むよう構成されている。ターゲットから放出された
原子又は粒子の放出角度分布は一般に余弦法則に従うこ
とが知られており、このことから上記方法では、ターゲ
ットから放出された原子又は粒子が直接基板に堆積する
量はわずかとなり、成膜はイオン化された原子又は粒子
によるものと云える。このことから、成膜速度は、ター
ゲットから放出された原子又は粒子のイオン化効率によ
って左右され、イオン化率は一般に低いと云われてお
り、小さいものとなる。また上記方法では、ターゲット
寸法を大きくした場合、ターゲット面上ではプラズマを
閉込めていないため、プラズマ密度は、プラズマ輸送窓
の近傍では高いが、ここから離れるにつれ低くなってし
まい、これにスパッタ成膜するとターゲットの中心部の
み多く侵食され外周部はほとんど侵食されないことにな
る。この結果、陰極への印加電力を大きくしていくと、
ターゲット中心部にイオン衝突が集中しターゲット内に
熱ストレスが生じる。従って上記方法においても高速成
膜を得る上での熱ストレスとターゲットの利用効率向上
の問題は解決されていない。
As another example of the sputtering apparatus to which the plasma by the microwave is applied, there is one described in JP-A-59-47728. This is because plasma generated by microwaves is transported by a divergent magnetic field, a cathode on which a target is placed is installed in the vicinity of the plasma transport return, and electric power is applied to the cathode to cause ions to collide with the target. Atoms or particles of the target material emitted by the above are ionized by the plasma used for the above-mentioned sputtering, and these are deposited on the substrate. In this method, the erosion of the target due to ion collision is almost all over the target, but since the atoms or particles emitted from the target are ionized to form a film, the target does not face the substrate and is emitted from the target. The atoms or particles are configured to jump into the plasma. It is known that the emission angle distribution of the atoms or particles emitted from the target generally follows the cosine law, which means that the amount of atoms or particles emitted from the target directly deposited on the substrate is small in the above method, The film formation can be said to be based on ionized atoms or particles. From this, the film formation rate depends on the ionization efficiency of the atoms or particles emitted from the target, and the ionization rate is generally said to be low, and is small. Further, in the above method, when the target size is increased, the plasma is not confined on the target surface, so the plasma density is high in the vicinity of the plasma transport window, but becomes lower as the distance from the plasma transport window increases, and the sputter deposition rate increases. When the film is formed, only the central part of the target is eroded much and the peripheral part is hardly eroded. As a result, when the power applied to the cathode is increased,
Ion collision concentrates in the center of the target, causing thermal stress in the target. Therefore, even in the above method, the problems of thermal stress and improvement of target utilization efficiency in obtaining high-speed film formation have not been solved.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明の目的は、ターゲット表面のほゞ全域に高密度プ
ラズマを発生させターゲットのほゞ全域を侵食領域とし
て、イオンの衝突エネルギを極端に大きくすることなく
ターゲット内熱ストレスも小さい状態で高速成膜を可能
としかつターゲット利用効率を増大させ、また基板にも
電力を印加することにより微細な溝への埋込および膜表
面を平坦に高速成膜するスパッタリング装置及びその方
法を提供することにある。
The object of the present invention is to generate a high-density plasma over the entire surface of the target and use the entire area of the target as an erosion region to achieve high-speed growth with a small thermal stress in the target without extremely increasing the ion collision energy. (EN) A sputtering apparatus and method capable of forming a film, increasing target utilization efficiency, and applying electric power to a substrate to fill a fine groove and form a film surface at a high speed evenly. .

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明は、上記した目的を達成するために、真空容器の
内部でターゲットをスパッタして前記ターゲットと対向
する基板電極上に載置した基板の表面に薄膜を形成する
スパッタリング方法において、ターゲットの中央部に開
口を設け、ターゲットと基板電極との間にカスプ磁場を
形成し、ターゲットに電力を印加すると共に、カスプ磁
場を形成する磁力線が1点に細く絞られる側、即ち点カ
スプの側からターゲット中央部の開口を通してターゲッ
トと基板電極との間にマイクロ波と磁場との相互作用に
より発生させた高密度のプラズマを導入してカスプ磁場
で高密度のプラズマを広い範囲に渡って閉じ込めること
により、ターゲットの広い範囲をスパッタリングして基
板上に薄膜を形成するようにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention is a sputtering method in which a target is sputtered inside a vacuum container to form a thin film on the surface of a substrate placed on a substrate electrode facing the target, in the center of the target. An opening is provided in the portion, a cusp magnetic field is formed between the target and the substrate electrode, power is applied to the target, and the magnetic field lines that form the cusp magnetic field are narrowed to one point, that is, the point cusp side. By introducing a high-density plasma generated by the interaction between the microwave and the magnetic field between the target and the substrate electrode through the opening in the central part and confining the high-density plasma in a cusp magnetic field over a wide range, A wide range of the target is sputtered to form a thin film on the substrate.

先ず、マイクロ波による放電を用いた高密度プラズマの
発生であるが、これにはマイクロ波がいかに有効にプラ
ズマに吸収されるかが重要で、この条件によりプラズマ
密度が限定されてしまう。
First, the generation of high-density plasma using microwave discharge is important. How effectively the microwave is absorbed by the plasma is important for this, and this condition limits the plasma density.

すなわち、静磁界のないプラズマ中での電磁波は波数ベ
クトルKが ここで ω:入射電磁波周波数ωp:プラズマ周波数で与えら
れ、ω<ωpではKが虚となり電磁波はプラズマ中には
伝搬しえない。言い換えれば、例えば2.45GHzのマイク
ロ波ではプラズマ密度が7.4×1010/cm3を越えるプラズ
マ中には伝搬しえない、すなわち2.45GHzのマイクロ波
で生成するプラズマは磁場がない状態ではプラズマ密度
は7.4×1010/cm3以上にはならないことがわかる。
That is, the electromagnetic wave in the plasma without static magnetic field has wave vector K Here, ω is the incident electromagnetic wave frequency ωp is given by the plasma frequency, and when ω <ωp, K becomes imaginary and the electromagnetic wave cannot propagate into the plasma. In other words, for example, the microwave of 2.45 GHz cannot propagate into the plasma whose plasma density exceeds 7.4 × 10 10 / cm 3 , that is, the plasma generated by the microwave of 2.45 GHz has a plasma density of It can be seen that the value does not exceed 7.4 × 10 10 / cm 3 .

また、静磁界のあるプラズマ中での電磁波は、その電磁
波の進行方向と磁界とのなす角度により伝搬状態が異な
り、特に磁界と平行になるように電磁波をプラズマ中に
入射した場合は、右回り円偏波の分散式は、 ここで ωce:電子サイクロトロン周波数 ωci:イオンサイクロトロン周波数 で与えられ、0<ω<ωceとなる周波数の電磁波はプ
ラズマ密度に関係なくプラズマ中を伝搬する。
In addition, electromagnetic waves in a plasma with a static magnetic field have different propagation states depending on the angle between the traveling direction of the electromagnetic waves and the magnetic field. Especially, when the electromagnetic waves enter the plasma in parallel to the magnetic field, they rotate clockwise. Circular polarization dispersion formula is Here, ωce is an electron cyclotron frequency, ωci is an ion cyclotron frequency, and an electromagnetic wave having a frequency of 0 <ω <ωce propagates in plasma regardless of the plasma density.

すなわち、静磁界を設け、かつこの静磁界と平行にマイ
クロ波を入射し、この静磁界の強度を電子サイクロトロ
ン共鳴(2.45GHzでは875G)以上とすることにより、
右円偏波はプラズマ中を伝搬し、マイクロ波電力をプラ
ズマに供給するため、プラズマ周波数ωpは、ωp>ω
となり、プラズマ密度は7.4×1010/cm3よりはるかに大
きな値(1012/cm3以上)になる。
That is, by providing a static magnetic field, and injecting microwaves in parallel with the static magnetic field, and setting the intensity of the static magnetic field to electron cyclotron resonance (875 G at 2.45 GHz) or more,
Since the right-hand circularly polarized wave propagates in the plasma and supplies microwave power to the plasma, the plasma frequency ωp is ωp> ω
And the plasma density is much larger than 7.4 × 10 10 / cm 3 (10 12 / cm 3 or more).

また、上記の様にして発生させたプラズマは、磁気装置
により抱束していなければプラズマは発散してしまい、
マイクロ波電力の損失が大きくなりかつプラズマも高密
度化できない。またこのプラズマを磁気装置により抱束
し長い距離輸送すると輸送中のプラズマの拡散により、
プラズマ密度は距離が離れるに従って低下する。
Further, the plasma generated as described above will diverge unless it is bound by a magnetic device,
The loss of microwave power becomes large and the plasma cannot be densified. Also, if this plasma is bound by a magnetic device and transported for a long distance, due to the diffusion of plasma during transport,
Plasma density decreases with increasing distance.

以上のことから、本発明は、プラズマ発生部に磁気装置
を設け、この磁気装置がまた成膜部におけるプラズマ閉
込み用の磁気装置を構成する構造とすることで、プラズ
マ発生部とスパッタ成膜部の距離を短かくしプラズマの
輸送中の拡散を小さくし発生部のプラズマ密度と成膜部
のプラズマ密度をほゞ等しくなるようにする。
From the above, according to the present invention, a magnetic device is provided in the plasma generating part, and this magnetic device also constitutes a magnetic device for confining the plasma in the film forming part. The distance between the parts is shortened to reduce the diffusion during the transportation of plasma so that the plasma density of the generation part and the plasma density of the film formation part are almost equal.

即ち、成膜部には、上記プラズマ発生部の磁気装置と組
をなす磁気装置をターゲットの裏側に設け、ターゲット
と対向して基板を保持する基板ホルダの周辺に前記組を
なす磁気装置と対をなす磁気装置を設けてターゲットと
基板ホルダとの間にカスプ磁場(互いの磁力線が反対と
なる1対の磁気装置の組合せにより構成される磁場)を
形成するようにすることでプラズマ発生部の磁気装置が
カスプ磁場を構成する磁気装置を兼ね、プラズマ発生部
とスパッタ成膜部(ターゲット面)との距離を短くし
た。このような構成とすることにより、プラズマ発生部
の磁気装置はプラズマ発生部内にカスプ磁場を構成する
磁力線が細く絞られた点、即ち点カスプを形成し、この
点カスプの近傍でマイクロ波と磁場との相互作用による
放電により高密度プラズマを発生させる。この高密度プ
ラズマを、カスプ磁場を形成する磁力線にそってターゲ
ット上へ輸送し、この磁力線により構成されるカスプ磁
場により、プラズマを閉込めターゲット表面ほゞ全域に
わたって高密度プラズマでおゝう構成とした。
That is, the film forming unit is provided with a magnetic device paired with the magnetic device of the plasma generation unit on the back side of the target, and is paired with the magnetic device paired around the substrate holder which holds the substrate facing the target. Of the plasma generator by forming a cusp magnetic field (a magnetic field formed by a combination of a pair of magnetic devices having mutually opposite lines of magnetic force) between the target and the substrate holder. The magnetic device also serves as a magnetic device that forms a cusp magnetic field, and the distance between the plasma generation unit and the sputtering film formation unit (target surface) is shortened. With such a configuration, the magnetic device of the plasma generating unit forms a point where the magnetic field lines forming the cusp magnetic field are narrowed down, that is, a point cusp in the plasma generating unit, and the microwave and the magnetic field are generated in the vicinity of this point cusp. High-density plasma is generated by the discharge caused by the interaction with. This high-density plasma is transported onto the target along the magnetic field lines that form the cusp magnetic field, and the cusp magnetic field formed by these magnetic field lines confine the plasma to create a high-density plasma over the entire target surface. did.

また、本発明では、基板側にも電力(高周波電力)を印
加できる構成とし、ターゲットを載置した陰極に電力を
印加してスパッタ成膜する際に基板側にも電力を印加し
基板表面をスパッタエッチングできる構成とした。
Further, in the present invention, the structure is such that power (high frequency power) can be applied also to the substrate side, and power is also applied to the substrate side when applying the power to the cathode on which the target is placed to form a film by sputtering. The structure is such that sputter etching can be performed.

またターゲット裏面の磁気装置を複数個の磁気回路で構
成することによりターゲット上での磁力線の強度分布,
形状等を制御可能な構成とした。
In addition, by configuring the magnetic device on the back of the target with multiple magnetic circuits, the intensity distribution of the magnetic lines of force on the target,
The shape and the like can be controlled.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下本発明の一実施例を第1図から第6図により説明す
る。第1図,第2図は第1の実施例のスパッタリング装
置の構造を示す断面図である。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. 1 and 2 are sectional views showing the structure of the sputtering apparatus of the first embodiment.

ターゲット1と基板2は平面対向しており、ターゲット
1は裏面にバッキングプレート3を介して陰極4に密接
して設置され、該陰極4は絶縁物5を介して真空槽6に
設置される。また前記絶縁物5の外周にはアースシール
ド7が真空槽6に設置される。この陰極4と真空槽6の
間に電源9が設置される。ここでターゲット1の中央部
10は空洞となっており、この部分にプラズマ発生室11が
設置され、該プラズマ発生室11の外周には導波管12が絶
縁物13を介して陰極4に設置してある。前記導波管12に
はフランジ14で別の導波管15が取付けられ、該導波管15
の他端にはマイクロ波発生源16が設置される。また、前
記陰極4の裏面には磁気装置18が設置され、該磁気装置
18は複数個の磁気コイル18a,18b,18cより構成される。
ここで前記プラズマ室11は、マイクロ波は透過するが真
空は保持する材料(例えば石英,アルミナ磁器など)か
ら成り、前記陰極へは真空を保持しうるように設置され
る。
The target 1 and the substrate 2 face each other in a plane, and the target 1 is installed on the back surface of the target 4 in close contact with the cathode 4 via the backing plate 3, and the cathode 4 is installed in the vacuum chamber 6 via the insulator 5. Further, an earth shield 7 is installed in the vacuum chamber 6 on the outer circumference of the insulator 5. A power source 9 is installed between the cathode 4 and the vacuum chamber 6. Here is the center of target 1
Reference numeral 10 denotes a cavity, and a plasma generation chamber 11 is installed in this portion, and a waveguide 12 is installed on the outer periphery of the plasma generation chamber 11 on the cathode 4 via an insulator 13. Another waveguide 15 is attached to the waveguide 12 with a flange 14, and the waveguide 15
A microwave generation source 16 is installed at the other end of the. A magnetic device 18 is installed on the back surface of the cathode 4, and the magnetic device 18
18 is composed of a plurality of magnetic coils 18a, 18b, 18c.
Here, the plasma chamber 11 is made of a material (for example, quartz, alumina porcelain, etc.) that transmits microwaves but retains a vacuum, and is installed so that the cathode can retain the vacuum.

また、基板2は、基板ホルダ19上に載置され該基板ホル
ダ19は軸20により絶縁物21を介して電気的に絶縁されか
つ真空を保持しうるようにフランジ22に設置され、該フ
ランジ22は、磁器装置23を包み込んだリング状の罐24が
取付いたコイルフランジ25に設置され、該コイルフラン
ジ25は真空槽6にそれぞれ真空を保持しうるように設置
される。また、前記基板ホルダ19の軸20には、電源26が
設置され、基板2に高周波電力が印加できる構成となっ
ている。
The substrate 2 is placed on the substrate holder 19, and the substrate holder 19 is electrically insulated by the shaft 20 via the insulator 21 and installed on the flange 22 so as to hold a vacuum. Is installed on a coil flange 25 to which a ring-shaped can 24 enclosing the porcelain device 23 is attached, and the coil flange 25 is installed in the vacuum chamber 6 so as to be able to hold a vacuum. A power source 26 is installed on the shaft 20 of the substrate holder 19 so that high frequency power can be applied to the substrate 2.

以上の構成において、磁気装置18,23はカスプ磁場を構
成し、これらの磁気装置により発生する磁力線は、第2
図に示すように、磁気装置18からターゲット側へ出た磁
力線28は、基板2側の磁気装置23の磁力線29と反発しあ
いターゲット1と基板ホルダ19との間に線カスプL、
磁気装置18の中心部に点カスプPを形成するカスプ磁
場を構成する。ここで磁気装置18の中心部27(即ち点カ
スプP)の磁場強度を電子サイクロトロン共鳴条件(マ
イクロ波周波数2.45GHzでは磁場強度875ガウス)以上
とし、ここにマイクロ波を導入し高密度のプラズマを発
生させ、該プラズマを点カスプPから磁力線28によって
カスプ磁場内へ輸送する構成とする。
In the above configuration, the magnetic devices 18 and 23 form a cusp magnetic field, and the magnetic force lines generated by these magnetic devices are
As shown in the figure, the magnetic force line 28 extending from the magnetic device 18 to the target side repels the magnetic force line 29 of the magnetic device 23 on the substrate 2 side, and a line cusp L between the target 1 and the substrate holder 19,
A cusp magnetic field forming a point cusp P is formed at the center of the magnetic device 18. Here, the magnetic field strength of the central portion 27 (that is, the point cusp P) of the magnetic device 18 is set to electron cyclotron resonance conditions (magnetic field strength of 875 Gauss at a microwave frequency of 2.45 GHz) or more, and microwaves are introduced here to generate high-density plasma. The plasma is generated and transported from the point cusp P into the cusp magnetic field by the magnetic field lines 28.

以上において、スパッタ成膜室30は、不活性ガス(例え
ばアルゴンガスなど)雰囲気の所定の真空状態(10-2
ら10-4Torr程度)としておく。ここに、マイクロ波発生
源16よりマイクロ波を発振すると、マイクロ波は導波管
15により導びかれ、導波管12へ送られプラズマ発生室11
へ入る。磁気装置18により作られる静磁界によってマイ
クロ波はプラズマ発生室内の雰囲気ガスを電離し高密度
のプラズマ(プラズマ密度ne=10111013cm3)状態とす
る。このプラズマ発生室11内のプラズマは磁力線28に沿
ってターゲット1面上へ送られ、磁気装置18,23によっ
て作られるカスプ磁場によってターゲット1と基板2の
間に閉込められ、ターゲット1面上を高密度プラズマ状
態とする。ここで陰極4に電源9により電力を印加し、
ターゲット1面に負の電界を発生させ、これによりプラ
ズマ中のイオンを加速してターゲット1表面に衝突さ
せ、該ターゲット1表面から順次その原子又は粒子をは
じき出し、これを基板2の表面上に堆積して薄膜を形成
する。ここで電源9は、ターゲット1の材質により直流
または高周波を選択する。
In the above, the sputtering film forming chamber 30 is kept in a predetermined vacuum state (about 10 −2 to 10 −4 Torr) in an inert gas (eg, argon gas) atmosphere. When microwaves are oscillated from the microwave source 16 here, the microwaves are guided by the waveguide.
It is guided by 15 and sent to the waveguide 12 and the plasma generation chamber 11
Enter The static magnetic field generated by the magnetic device 18 causes the microwaves to ionize the atmospheric gas in the plasma generation chamber to form a high-density plasma (plasma density ne = 10 11 10 13 cm 3 ). The plasma in the plasma generation chamber 11 is sent to the surface of the target 1 along the lines of magnetic force 28, and is confined between the target 1 and the substrate 2 by the cusp magnetic field generated by the magnetic devices 18 and 23, so that the plasma is generated on the surface of the target 1. A high density plasma state is set. Here, power is applied to the cathode 4 from the power source 9,
A negative electric field is generated on the surface of the target 1, which accelerates the ions in the plasma to collide with the surface of the target 1 and sequentially eject the atoms or particles from the surface of the target 1, which are deposited on the surface of the substrate 2. To form a thin film. Here, the power source 9 selects DC or high frequency depending on the material of the target 1.

以上のようにターゲット1面上のプラズマは、マイクロ
波による電子サイクロトロン共鳴条件以上の静磁界のも
とでプラズマ発生室11で発生し、この発生部27の磁力線
がプラズマ閉込めのカスプ磁場の磁力線であり、プラズ
マ発生部とターゲット1面が接近しておりプラズマ輸送
距離が短かいため、ターゲット1表面の全域にわたりか
つ高密度である。そのため、ターゲット1の侵食領域も
ターゲット1の全域となり、ターゲットへ衝突するイオ
ンの数も多く高エネルギイオンがターゲットに衝突する
ことなく、ターゲット1内の熱ストレスも小さいものと
なる。
As described above, the plasma on the surface of the target 1 is generated in the plasma generation chamber 11 under the static magnetic field higher than the electron cyclotron resonance condition by the microwave, and the magnetic line of force of the generating part 27 is the magnetic field line of the cusp magnetic field for confining the plasma. Since the plasma generation part and the surface of the target 1 are close to each other and the plasma transport distance is short, the density is high over the entire surface of the target 1. Therefore, the erosion region of the target 1 is also the entire region of the target 1, the number of ions colliding with the target is large, high-energy ions do not collide with the target, and the thermal stress in the target 1 is small.

また、上記のスパッタ成膜において、電源26により基板
ホルダ19に高周波電力を印加し、基板2表面に負の電界
を発生させ、この電界によりプラズマ中のイオンを加速
して基板2表面に衝突させ基板表面に堆積した薄膜をス
パッタエッチングする。このときの基板状態を第3図と
第4図に示す。第3図(a)は、溝を有する基板31にスパ
ッタ成膜した状態を示し、溝幅が小さくなるとスパッタ
成膜により堆積した膜32は、先に成膜された膜33の角の
部分でオーバハング34し、溝35の開口部36は成膜の進行
に伴い益々狭くなり、溝35の成膜ができなくなる。そこ
で、上記の基板側に電力を印加し、スパッタエッチング
をスパッタ成膜と同時に行うと、第3図(b)に示すよう
に、スパッタエッチング特性から(a)のオーバハング34
が他の部分よりエッチングされやすく、溝35の開口部36
は36′のようになり溝への成膜が可能となる。また、ス
パッタ成膜中に基板をスパッタエッチングしながら、更
に成膜した状態を第4図に示す。スパッタエッチングは
イオンの入射角とエッチングされる面の法線の角度が70
゜〜80゜でエッチングの最大値を示すことから、角度を
持った部分37が他の部分より多くエッチングされ、第4
図(a)のようになり、更には第4図(b)のように堆積した
膜32の表面が平坦になることが知られている。これらの
従来装置ではプラズマの密度が低く、成膜中の基板のス
パッタエッチングを高速に行うために印加電力を大きく
すると、イオンの数が少ないため衝突するイオンのエネ
ルギが増大して、基板または素子にダメージを与えるが
本発明の装置は、ターゲットと基板間に高密度プラズマ
を閉込めているため、基板印加電力を増加してもイオン
のエネルギは増大せず基板へのイオン衝突ダメージが低
減でき、高速成膜での溝埋込および平坦化成膜が可能と
なる。
Further, in the above sputtering film formation, high-frequency power is applied to the substrate holder 19 by the power source 26 to generate a negative electric field on the surface of the substrate 2, and the electric field accelerates ions in the plasma to collide with the surface of the substrate 2. The thin film deposited on the substrate surface is sputter etched. The state of the substrate at this time is shown in FIGS. 3 and 4. FIG. 3 (a) shows a state in which the substrate 31 having a groove is formed by sputtering, and when the groove width is reduced, the film 32 deposited by sputtering is a corner portion of the previously formed film 33. The overhang 34 and the opening 36 of the groove 35 become narrower as the film formation progresses, and the film formation of the groove 35 becomes impossible. Therefore, if electric power is applied to the substrate side and sputter etching is performed simultaneously with sputter film formation, as shown in FIG. 3B, the overhang 34 of FIG.
Are more easily etched than other parts, and the opening 36 of the groove 35
As shown in 36 ', it becomes possible to form a film on the groove. Further, FIG. 4 shows a state in which a film is further formed while the substrate is being sputter-etched during the sputter film formation. In sputter etching, the angle between the incident angle of ions and the normal to the surface to be etched is 70
Since the maximum etching value is shown in the range of 80 ° to 80 °, the angled portion 37 is etched more than other portions, and the fourth
It is known that the state becomes as shown in FIG. 4A and the surface of the deposited film 32 becomes flat as shown in FIG. 4B. In these conventional devices, the plasma density is low, and when the applied power is increased in order to perform the sputter etching of the substrate during film formation at a high speed, the energy of the colliding ions increases due to the small number of ions, and the substrate or element However, since the device of the present invention confines high-density plasma between the target and the substrate, the ion energy does not increase even when the power applied to the substrate is increased, and ion collision damage to the substrate can be reduced. Thus, it becomes possible to perform groove filling and flattening film formation at high speed film formation.

第5図,第6図は、本発明の第2の実施例のスパッタリ
ング装置の構造を示す断面図である。本実施例は、陰極
4′,絶縁物5′,バッキングプレート3′およびター
ゲット1′の形状が円錐形をしている以外は第1の一実
施例と同様であり、該実施例と同一の効果がある。本実
施例によれば、第1の実施例に加え、さらにターゲット
1′が円錐状をしており、このターゲット1′の面が基
板をかこむように傾斜しているため、ターゲット1′表
面からイオンの衝突によりはじき出された原子又は粒子
の放出角度分布が余弦法則に従うことから(例えば、東
京大学出版会、金原粲著「スパッタリング現象」(1984
年3月 発行))、前記放出された原子又は粒子の基板
2表面への付着堆積する割合が向上し、ターゲット1に
同一電力を供給した場合での基板への導膜の堆積速度が
増大する。
5 and 6 are sectional views showing the structure of the sputtering apparatus according to the second embodiment of the present invention. This embodiment is the same as the first embodiment except that the cathode 4 ', the insulator 5', the backing plate 3'and the target 1'are conical in shape, and is the same as the first embodiment. effective. According to this embodiment, in addition to the first embodiment, the target 1'has a conical shape and the surface of the target 1'is inclined so as to enclose the substrate. Because the emission angle distribution of atoms or particles that are repelled by the collision of the particles follows the cosine law (see, for example, "Sputtering Phenomenon" by Takeshi Kanehara, University of Tokyo Press (1984).
March issue))), the rate at which the released atoms or particles adhere to and deposit on the surface of the substrate 2 is improved, and the deposition rate of the conductive film on the substrate is increased when the target 1 is supplied with the same power. .

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、マイクロ波と磁気装置を組合せ高密度
プラズマ(プラズマ密度ne=1011〜1013/cm3)を発生さ
せ、このプラズマ発生磁気装置とプラズマ閉込め磁気装
置の1方が同一でありプラズマ発生部とターゲットが接
近しており輸送によるプラズマ損失が小さく、またこの
プラズマをターゲットと基板間に磁気装置により閉込
め、ターゲット表面のほゞ全域にわたり高密度プラズマ
状態とするため、陰極への電力印加によりターゲットへ
衝突するイオンの数を増大でき大電力を印加してもイオ
ンの衝突エネルギを低くおさえられかつターゲット全域
にイオンが衝突するためターゲットへの熱ストレスを低
減できるので高速成膜とターゲットの利用率向上が可能
となる。
According to the present invention, a microwave and a magnetic device are combined to generate high-density plasma (plasma density ne = 10 11 to 10 13 / cm 3 ), and one of the plasma generating magnetic device and the plasma confining magnetic device is the same. Since the plasma generation part and the target are close to each other, the plasma loss due to transportation is small, and this plasma is confined between the target and the substrate by a magnetic device to create a high density plasma state over almost the entire surface of the target. By applying electric power to the target, the number of ions colliding with the target can be increased, and even if a large amount of power is applied, the collision energy of the ions can be suppressed, and since the ions collide with the entire target area, thermal stress on the target can be reduced, so high-speed It is possible to improve the utilization rate of the film and the target.

また基板に電力を印加し、スパッタ成膜中に基板表面を
スパッタエッチングする場合にも、プラズマ密度が高い
ため、基板表面に衝突するイオンのエネルギを低くで
き、基板または素子にダメージを与えることなく微細溝
への高速埋込と平坦化膜の高速成膜ができる。
Also, when power is applied to the substrate and the surface of the substrate is sputter-etched during sputter deposition, the energy of ions colliding with the surface of the substrate can be lowered because the plasma density is high, and the substrate or element is not damaged. High-speed embedding in fine grooves and high-speed flattening film formation are possible.

またターゲット形状を円錐形にすることにより、スパッ
タによりはじき出された原子又は粒子の基板への付着堆
積割合を向上できる。
Further, by making the shape of the target into a conical shape, it is possible to improve the deposition rate of the atoms or particles that are repelled by sputtering on the substrate.

さらにプラズマ発生はマイクロ波を用いイオンのターゲ
ットへの衝突エネルギには別電源を使用するため、ター
ゲットへの衝突イオンの数(ターゲットへの入射イオン
電流)とそのエネルギ(ターゲットへの入射イオン電
圧)を個別制御でき、ターゲット材質にあったスパッタ
リング条件が設定できる。
Further, since plasma is generated by using a microwave and a separate power source is used for ion collision energy to the target, the number of collision ions to the target (incident ion current to the target) and its energy (incident ion voltage to the target) Can be controlled individually, and the sputtering conditions suitable for the target material can be set.

以上本発明によれば、生産効率及び材料使用効率及び使
用電力効率の向上と素子へのダメージの低減効果があ
る。
As described above, according to the present invention, the production efficiency, the material usage efficiency, and the power usage efficiency are improved and the damage to the element is reduced.

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

第1図は本発明の第1の実施例のスパッタリング装置の
断面図、第2図は第1図の磁力線を表わす断面図、第3
図,第4図はスパッタ成膜中の基板を示す断面図、第5
図は本発明の第2の実施例のスパッタリング装置の断面
図、第6図は第5図の磁力線を表わす断面図である。 1,1′……ターゲット、2……基板 4,4′……陰極、7,7′……アースシールド 14,15……導波管、9……電源 16……マイクロ波発生源 18,23……磁気装置 26……電源
1 is a sectional view of a sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing magnetic lines of force in FIG. 1, and FIG.
4 and 5 are cross-sectional views showing the substrate during sputtering film formation, and FIG.
FIG. 6 is a sectional view of a sputtering apparatus according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a sectional view showing magnetic lines of force in FIG. 1,1 '... Target, 2 ... Substrate 4,4' ... Cathode, 7,7 '... Earth shield 14,15 ... Waveguide, 9 ... Power supply 16 ... Microwave source 18, 23 …… Magnetic device 26 …… Power supply

フロントページの続き (72)発明者 相内 進 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−47728(JP,A) 特開 昭57−91734(JP,A) 特開 昭61−194174(JP,A)Front page continuation (72) Inventor Susumu Aiuchi 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture Production Technology Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) Reference JP-A-59-47728 (JP, A) JP-A-SHO 57-91734 (JP, A) JP-A-61-194174 (JP, A)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】真空容器の内部でターゲットをスパッタし
て前記ターゲットと対向する基板電極上に載置した基板
の表面に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、
前記ターゲットは中央に開口部を有し、前記ターゲット
と前記基板電極との間にカスプ磁場を形成し、前記開口
部に接続するマイクロ波導入部の前記開口部付近に形成
される前記カスプ磁場の点カスプの近傍においてマイク
ロ波と磁場との相互作用により高密度のプラズマを発生
させ、該高密度のプラズマを前記カスプ磁場の磁力線に
沿って前記ターゲットと前記基板電極との間に導入して
前記カスプ磁場で広い範囲に渡って閉じ込めると共に、
前記ターゲットに電力を印加することにより、前記ター
ゲットの広い範囲をスパッタリングして前記基板上に薄
膜を形成することを特徴とするスパッタリング方法。
1. A sputtering method for forming a thin film on the surface of a substrate placed on a substrate electrode facing the target by sputtering a target inside a vacuum container, comprising:
The target has an opening in the center, forms a cusp magnetic field between the target and the substrate electrode, and the cusp magnetic field formed near the opening of the microwave introduction part connected to the opening. The high density plasma is generated by the interaction between the microwave and the magnetic field in the vicinity of the point cusp, and the high density plasma is introduced between the target and the substrate electrode along the magnetic line of force of the cusp magnetic field. While confining a wide range with a cusp magnetic field,
By applying electric power to the target, a wide range of the target is sputtered to form a thin film on the substrate.
【請求項2】前記ターゲットをスパッタリングすると同
時に前記基板電極にバイアス電力を印加することにより
前記基板上で再スパッタしながら薄膜を形成することを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載のスパッタリング
方法。
2. The sputtering method according to claim 1, wherein a thin film is formed on the substrate by re-sputtering by applying bias power to the substrate electrode at the same time as sputtering the target. .
【請求項3】真空容器の内部に薄膜を形成する材料から
なるターゲットと、該ターゲットを支持する電極手段
と、該電極手段に電力を印加する電力印加手段と、前記
ターゲットと所定の間隔を隔てて対向する基板電極手段
と、前記ターゲットの裏側の第1の磁場発生部と前記基
板電極の側の第2の磁場発生部とを有し前記ターゲット
と前記基板電極との間にカスプ磁場を発生させる磁場発
生手段と、前記ターゲットと前記電極手段との中央に設
けた開口部を通して前記真空容器の外部からマイクロ波
を供給するマイクロ波供給手段とを有し、前記カスプ磁
場は前記マイクロ波供給手段の前記開口部の付近に点カ
スプを形成し、該点カスプの近傍で前記マイクロ波と前
記磁場との相互作用により高密度のプラズマを発生さ
せ、該高密度のプラズマを前記カスプ磁場の磁力線に沿
って前記カスプ磁場中に供給して前記カスプ磁場中の広
い範囲に渡って閉じ込めると共に、前記電力印加手段に
より前記電極手段に電力を印加することにより前記ター
ゲットをスパッタし、前記基板電極手段の上に載置した
基板の表面に薄膜を形成することを特徴とするスパッタ
リング装置。
3. A target made of a material for forming a thin film inside a vacuum container, electrode means for supporting the target, power applying means for applying power to the electrode means, and a predetermined distance from the target. And a substrate electrode means facing each other, a first magnetic field generator on the back side of the target, and a second magnetic field generator on the substrate electrode side to generate a cusp magnetic field between the target and the substrate electrode. Magnetic field generating means and microwave supplying means for supplying microwaves from the outside of the vacuum container through an opening provided at the center of the target and the electrode means, and the cusp magnetic field is the microwave supplying means. Point cusps are formed in the vicinity of the opening of the plasma, and high-density plasma is generated in the vicinity of the point cusps due to the interaction between the microwave and the magnetic field. Is supplied into the cusp magnetic field along the magnetic field lines of the cusp magnetic field to confine it over a wide range in the cusp magnetic field, and the target is sputtered by applying power to the electrode means by the power applying means. A sputtering apparatus, wherein a thin film is formed on a surface of a substrate placed on the substrate electrode means.
【請求項4】前記基板電極手段は、前記スパッタリング
中にバイアス電力を印加するバイアス電力印加手段を備
え、該バイアス電力印加手段により前記スパッタリング
中に前記基板電極手段にバイアス電力を印加することに
より前記基板の表面で再スパッタしながら薄膜を形成す
ることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のスパッ
タリング装置。
4. The substrate electrode means comprises bias power applying means for applying bias power during the sputtering, and the bias power applying means applies bias power to the substrate electrode means during the sputtering. The sputtering apparatus according to claim 3, wherein the thin film is formed on the surface of the substrate by re-sputtering.
【請求項5】前記点カスプの磁場強度が前記マイクロ波
の周波数に応じた電子サイクロトロン共鳴条件を満たす
臨界磁場強度以上であることを特徴とする特許請求の範
囲第4項記載のスパッタリング装置。
5. The sputtering apparatus according to claim 4, wherein the magnetic field strength of the point cusp is equal to or higher than a critical magnetic field strength satisfying an electron cyclotron resonance condition corresponding to the frequency of the microwave.
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