JPH0713295B2

JPH0713295B2 - スパツタリング装置

Info

Publication number: JPH0713295B2
Application number: JP3260485A
Authority: JP
Inventors: 裕斉藤; 康道鈴木; 秀造佐野; 保清水; 進相内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-02-22
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS61194174A

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ツ
タリング装置に係り、特に成膜速度およびターゲツト寿
命の増大、また微細な溝等への埋込および平坦な成膜に
好適なスパツタ装置に関する。

〔発明の背景〕

スパツタ成膜は、陰極上におかれたターゲツト材料に、
所定のエネルギ以上のイオンを衝突させ、これにより放
出されるターゲツ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。

上記スパツタ成膜を行うスパツタリング装置としては、
特公昭53−19319号に記載のようにターゲツト材料を有
する陰極のターゲツト材料と反対側に磁気装置の一対の
磁極を設け、これによつて生ずる弧状の磁力線をターゲ
ツト上に形成し、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極スパツ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。

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
とターゲツ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ツ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ツタ
成膜すると、ターゲツ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、ターゲツト表面の限られた
範囲の表面温度が急激に上昇しターゲツト内に大きな熱
ストレスが発生してターゲツ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、ターゲツ
トの侵食領域が狭い領域となるため、ターゲツト利用効
率が低く、ターゲツト当りの基板処理枚数が少なかっ
た。

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。

この方法は前記の特公昭53−19319号に記載のスパツタ
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、イオンがターゲツ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ツトの限られた範囲
の表面温度が上昇し、熱ストレスによるターゲツトの割
れやはがれが発生し成膜できなくなる。また、ターゲツ
トの利用効率も低いものであつた。

マイクロ波によるプラズマを応用したスパツタリング装
置の他の例としては、特開昭59−47728号に記載のもの
がある。これは、マイクロ波によつ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窓の近
傍にターゲツトを載置した陰極を設置し、該陰極に電力
を印加しターゲツトへイオンを衝突させ、これによつて
放出されたターゲツト材料の原子又は粒子を、上記スパ
ツ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
よるターゲツトの侵食はほゞターゲツト全域になるがタ
ーゲツ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、ターゲツトは基板とは対向しておらずター
ゲツ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。ターゲツ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、ターゲツ
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
ツトから放出された原子又は粒子のイオン化効率によつ
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、ターゲツト寸法
を大きくした場合、ターゲツ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、プロズマ輸送窓の近
傍では高いが、ここから離れるにつれ低くなつてしま
い、これにスパツタ成膜するとターゲツトの中心部のみ
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、
ターゲツト中心部にイオン衝突が集中しターゲツト内に
熱ストレスが生じる。従がつ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ツトの利用効率向
上の問題は解決されていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ターゲツト表面のほゞ全域に高密度プ
ラズマを発生させターゲツ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
ターゲツト内熱ストレスも小さい状態で高速成膜を可能
としかつターゲツ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ツタリング装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記した目的を達成するため、プラズマ発生
はマイクロ波による放電を用い、プロズマを高密度かつ
大面積に保持するため磁気装置を用い、また微細溝への
埋込みおよび膜表面の平坦化成膜にはスパツタ成膜中に
基板に電力を印加し成膜しながら基板表面をスパツタエ
ツチングするようにしたものである。

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。

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。

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。

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。

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つて低下する。

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、この磁気装置でミラー磁場を形成し、この磁場
の磁気装置の１方の側からこの磁界と並行にマイクロ波
を入射し、この静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴
条件（マイクロ波周波数2.45GHzでは磁界強度875ガウ
ス）以上とし高密度プラズマを発生させる。

ここで、ミラー磁場を形成する磁気装置の一方にターゲ
ツトを載置した陰極を配し、残り一方からマイクロ波を
入射させる。このターゲツトに対向して基板及び第３の
磁気装置を設け、この第３の磁気装置と前記ターゲツト
に近接した磁気装置とでカスプ磁場を形成することによ
り、ミラー磁場内で発生した高密度プラズマを、このカ
スプ磁場内に輸送し、この磁場で閉込めることにより、
ターゲツト表面ほぼ全域にわたつて高密度プラズマでお
おう構成とした。

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、ターゲツトを載置した陰極に電力を
印加してスパツタ成膜する際に基板側にも電力を印加し
基板表面をスパツタエツチングできる構成とした。

また、ターゲツ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ツ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。

〔発明の実施例〕

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の一実施例のスパツタリン
グ装置の構造を示す断面図である。ターゲツト１と基板
２は平面対向しており、ターゲツト１は裏面にバツキン
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に介して真空槽６に設置される。また、
前記絶縁物５の外周には陽極７が絶縁板８を介して真空
槽６に設置されている。この陰極４と陽極７の間に電源
９が設置される。ここでターゲツト１の中央部10は空洞
となつており、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が設置されている。更に、前記導
波管15のフランジ14の外周に磁気装置17が設置され、ま
た、前記陰極４の裏面に別の磁気装置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、マイクロ波は通過
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４へは真空を保持しうるよう
に設置される。

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
つ真空を保持するようにフランジ22に設置され、該フラ
ンジ22は、磁気装置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つて
いる。

以上の構成において、磁気装置17,18はミラー磁場を構
成し、また磁気装置18,23はカスプ磁場を構成する。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17,18での磁力線27は、該磁気装置17,
18の中間で磁束密度が小さくなり広がつて、磁気装置1
7,18のそれぞれの中心で絞り込まれ、さらに磁気装置18
からターゲツト１側へ出た磁力線28は、基板２側の磁気
装置23の磁力線29と反発しあいカスプ磁場を形成する。
ここで磁気装置17の磁場強度を磁気装置18の磁場強度よ
り大きくすることにより、該ミラー磁場で発生したプラ
ズマはカスプ磁場内へ輸送される。また、スパツタ成膜
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から10^-4Torr程度）としてお
く。

以上において、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17,18
により作られる静磁界によつ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プラズマ状態とする。この
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）以上とすることに
より、プラズマ発生室11内は高密度のプラスマ（プラズ
マ密度ne＝10¹¹〜10¹³/cm³）状態となる。また、上記磁
気装置17の磁場強度を磁気装置18の磁場強度より高くす
ることにより、プラズマ発生室11内のプラズマは磁力線
28に沿つてターゲツト１面上へ送られる。このプラズマ
は、磁気装置18と23とによつて作られるカスプ磁場によ
つてターゲツト１と基板２の間に閉込られ、ターゲツト
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、ターゲツト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
ーゲツト１表面に衝突させ、該ターゲツト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
ゲツト１の材質により直流または高周波を選択する。以
上のように、ターゲツト１面上のプラズマは、ターゲツ
ト１表面の全域にわたりかつ高密度であるためターゲツ
ト１の侵食領域もターゲツト１の全域となる。また、プ
ラズマ密度も高く、ターゲツトへ衝突するイオンの数が
多く、高エネルギイオンがターゲツトに衝突することな
く、ターゲツト１内の熱ストレスも小さいものとなる。

また、上記のスパツタ成膜において、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
パツタエツチングする。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
パツタ成膜した状態を示し、溝幅が小さくなるとスパツ
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、スパツタエツチン
グをスパツタ成膜と同時に行うと、第３図（ｂ）に示す
ように、スパツタエツチング特性から（ａ）のオーバハ
ング34が他の部分よりエツチングされやすく、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、スパツタ成膜中に基板をスパツタエツチングしなが
ら、更に成膜した状態を第４図に示す。スパツタエツチ
ングはイオンの入射角とエツチングされる面の法線の角
度が60゜〜70゜でエツチングの最大値を示すことから、
角度を持つた部分37が他の部分より多くエツチングさ
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
膜中の基板のスパツタエツ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、ターゲツトと基板間に
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。

第５図，第６図は、本発明の第２の一実施例のスパツタ
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′，バツキングプレート３′およびタ
ーゲツト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、さらにターゲツ
ト１′が円錐状をしており、このターゲツト１′の面が
基板をかこむように傾斜しているため、ターゲツト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「スパツタリング現象」（19
84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、ターゲツト１に
同一電力を供給した場合での基板への薄膜の堆積速度が
増大する。

〔発明の効果〕

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、これを短かい距離にてターゲツト表面に輸送すると
共に、該プラズマをターゲツトと基板間に磁気装置によ
り閉込め、ターゲツト表面のほぼ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
ツ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ツ
ト全域にイオンが衝突し、ターゲツトへの熱ストレスが
低減でき高速成膜とターゲツトの利用率向上が可能とな
る。また、基板に電力を印加し、スパツタ成膜中に基板
表面をスパツタエツ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、基板又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。またター
ゲツト形状を円錐形にすることにより、スパツタにより
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。さらにプラズマ発生はマイクロ波を用いイ
オンのターゲツトへの衝突エネルギには別電源を使用す
るため、ターゲツトへの衝突イオン数とそのエネルギを
個別制御でき、ターゲツト材質にあつたスパツタリング
条件の設定ができる。

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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の一実施例のスパツタリング装置
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図はスパツタ成膜中の基板を示す断面図、第
５図は本発明の第２の一実施例のスパツタリング装置の
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′……ターゲツト、２……基板 4,4′……陰極、7,7′……陽極 12,15……導波管、９……電源 16……マイクロ波発生源 17,18,23……磁気装置 26……電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水保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 (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)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発生手段と、プラズマ発生室手段と、前記マイクロ波発生手段で発生したマイクロ波を前記プ
ラズマ発生室手段に搬送するマイクロ波搬送手段と、前記プラズマ発生室手段と接続し、且つ前記プラズマ発
生室手段と対向する位置に薄膜を形成すべき基板を載置
するための基板電極手段を有する真空容器手段と、該真空容器手段の内部で前記プラズマ発生室手段の側に
あって、中央部に窓部を有するターゲット電極手段と、前記プラズマ発生室手段の外周部に位置する第一の磁場
発生手段と、前記ターゲット電極手段の側と前記基板電極手段の側と
に対向して位置する一組のコイルよりなる第二の磁場発
生手段とを備え、プラズマ発生室手段の外周部に位置する第一の磁場発生
手段によってミラー磁場を、ターゲット電極手段の側と
前記基板電極手段の側とに対向して設けられた一組のコ
イルよりなる第二の磁場発生手段によってカスプ磁場
を、それぞれ形成するように構成したことを特徴とする
スパッタリング装置。
【請求項２】特許請求の範囲第第１項記載のスパッタリ
ング装置において、前記第一の磁場発生手段は、前記プ
ラズマ発生室手段の外周部で前記真空容器手段と反対の
側に位置する第一のコイルと、前記プラズマ発生室手段
の外周部で前記真空容器手段の側に位置する第二のコイ
ルから成り、前記第一のコイルは前記第二のコイルより
も強い磁場を発生し、かつ、前記第一のコイルと前記第
二のコイルとは、導入するマイクロ波の周波数に応じて
電子サイクロトロン共鳴条件を満足する磁場強度を前記
プラズマ発生室手段の内部に発生させることを特徴とす
るスパッタリング装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載のスパッタリン
グ装置において、前記第一の磁場発生手段は、前記プラ
ズマ発生室手段の外周部で前記真空容器手段と反対の側
に位置する第一のコイルと、前記プラズマ発生室手段の
外周部で前記真空容器手段の側に位置する第二のコイル
から成り、前記第二の磁場発生手段は、前記ターゲット
電極手段の側に位置する第一のコイルと、前記基板電極
手段の側に位置する第二のコイルから成り、前記第一の
磁場発生手段の第二のコイルと前記第二の磁場発生手段
の第一のコイルとは共通のコイルであることを特徴とす
るスパッタリング装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載のスパッタリン
グ装置において、前記ターゲット電極手段は第一の電力
印加手段に接続され、前記基板電極手段は第二の電力印
加手段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５】特許請求の範囲第１項記載のスパッタリン
グ装置において、前記ターゲット電極手段の表面が、直
円錐台の側面であることを特徴とするスパッタリング装
置。
【請求項６】特許請求の範囲第３項記載のスパッタリン
グ装置において、共通であるところの前記第一の磁場発
生手段の前記第二のコイルと前記第二の磁場発生手段の
前記第一のコイルは、複数個からなり、それぞれ個別に
制御されるように構成したことを特徴とするスパッタリ
ング装置。