JPH0774436B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents

薄膜形成方法

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JPH0774436B2
JPH0774436B2 JP2252528A JP25252890A JPH0774436B2 JP H0774436 B2 JPH0774436 B2 JP H0774436B2 JP 2252528 A JP2252528 A JP 2252528A JP 25252890 A JP25252890 A JP 25252890A JP H0774436 B2 JPH0774436 B2 JP H0774436B2
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 薄膜形成方法に関し、 成膜の高速化及びターゲットの高温化を行うことがで
き、高品質の薄膜を安定に成膜することができる薄膜形
成方法を提供することを目的とし、 ターゲットを減圧に排気したチャンバー内に配置して直
流または交流電圧を印加し、該チャンバー内に導入した
ガスを放電させて生じる正イオンによりターゲットをス
パッターさせて基板上に薄膜を形成する方法において、
被スパッター材となる第１の金属部材と、該第１の金属
部材を支持する支持部となる熱伝導率が該第１の金属部
材よりも大きい第２の金属部材とが直接または該第１の
金属部材よりも高融点のスペーサを介し接合して一体化
され、熱交換媒体が該第２の金属部材内または該第１の
金属部材と接する面とは反対側の該第２の金属部材面側
に設けられ、該第２の金属部材がカソード部分に対して
シール及び着脱可能、かつ電気的に接続可能に構成され
てなるターゲットを用い、該ターゲット温度を150℃以
上、またはパワー密度を28W/cm2以上にしてスパッター
成膜する工程を含むように構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、主として半導体・磁気デバイス・光学デバイ
ス分野で使用する非磁性或いは磁性金属、及び絶縁物の
薄膜をスパッター法で堆積する方法に係わり、特に基板
上に高品質の金属及び絶縁物の薄膜を形成することがで
きる薄膜形成方法に関する。
主として、半導体や磁気デバイス・光学デバイス分野で
使用する非磁性、或いは磁性の金属、或いは絶縁物薄膜
はスパッター法で成膜されている。ところで、その薄膜
の性質は成膜時の雰囲気に非常に敏感であり、スパッタ
ー処理室内の水等の膜質を劣化させる残留ガス成分はク
ライオポンプやターボセレキュラーポンプといった高真
空ポンプを使用して徹底的に排除した状態で成膜が行わ
れている。
最近では、上記の金属薄膜の性質に対する要求が一層厳
しくなっており、より高品質の膜が望まれている。例え
ば、低抵抗化や低ストレス化、高寿命化が代表的な要求
である。このような要求に応えるためには、通常の不活
性ガス（例えば、アルゴン）を用いたスパッターによる
成膜において、スパッター処理室内の残留ガスを少なく
して処理を短時間に、つまり高速で成膜を行う方法が必
要になっている。
一方、窒化物や酸化物の薄膜をスパッターによって形成
する場合には、不活性ガスだけでなく反応性に富む活性
なガス（例えば窒素や酸素）を導入して行うことが多い
が、この場合に高品質の膜を得るためには、上記の高速
で成膜を行う方法の検討だけでなく、処理室に導入する
活性ガス量に対する配慮が更に必要である。つまり、高
速に成膜するためには、スパッター速度に比例した反応
性ガスが必要であり、一方、反応性ガスは放電開始電圧
がアルゴンガスに比べて高いために、活性ガス量が過剰
になると放電し難く、場合によっては異常放電を起こす
ことが知られている。このため、薄膜形成に必要な活性
ガス量を最適量に調整して成膜する方法が必要になって
いる。
ところで、成膜の高速化はスパッターターゲットに投入
する電力（直流・交流）を大きくすれば可能ではある
が、過大な電力を投入するとターゲットの熱変形や溶融
が始まり安定な成膜を維持できなくなる。そこで、効率
的にターゲットの温度を所定温度に維持しながら高速で
スパッター成膜することができる薄膜形成方法が要求さ
れている。
〔従来の技術〕
従来の薄膜形成方法では、被スパッター材となるターゲ
ット本体を熱伝導率の大きな金属部材からなる支持板に
低融点ロー材からなる半田材を用いて貼りつけたターゲ
ットが最もよく使用されている。第３図はこうしたター
ゲットの構造を説明するための模式断面図である。第３
図において、31はターゲット本体、32は水等の冷却媒体
となる熱交換媒体、33は支持板、34は低融点ロー材から
なる半田材である。
この構造のターゲットは、スパッターターゲット本体31
がその支持板33として機能する銅又は銅合金に低融点
（ターゲット本体31よりも低融点）ロー材からなる半田
材34を用いて貼りつけてあり、かつ支持板33がその裏面
で冷却媒体である熱交換媒体32と接するように構成され
ている。低融点ロー材からなる半田材34としては、通常
融点が200℃程度の材料（インジウム或いはスズの合
金）を用いている。
ところで、低融点ロー材からなる半田材を使用しない方
法としては、支持板の代わりに熱交換媒体で冷却した支
持枠にスパッターターゲットを嵌合挿入して、電力を印
加した時にターゲットを熱膨張させてその側面部で支持
枠に密着させて冷却を図るものがある。
次に、第４図は低融点ロー材からなる半田材を使用しな
い他の従来例を説明するためのターゲットの模式断面図
である。第４図において、第３図と同一符号は同一また
は相当部分を示し、41はパッキン、42は支持枠である。
この方法は、ターゲット31を熱交換媒体32で直接冷却す
るところから、一般に直冷法と呼称されており、ターゲ
ット31は裏面周縁部が支持枠42にパッキン41（例えばＯ
リング）を介して気密に固定されて真空雰囲気を保持
し、裏面から熱交換媒体32の直接の接触により冷却され
るようになっている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記した第３図に示す低融点ロー材からなる半田材を使
用する従来の薄膜形成方法では、 ロー材の融点が低いため過大な電力を投入すると、低
融点ロー材が溶融し始めて真空雰囲気を汚染し成膜中の
薄膜の品質を劣化させ、場合によってはターゲット本体
が剥離し始めて異常放電を起こしターゲットが支持板か
ら滑り落ちることがあり、ターゲットに投入できる電力
とロー材からなる半田材が溶解しない範囲（実際には半
田材が溶解する温度よりも低くターゲット昇温で150℃
未満）程度に限られていて、成膜の高速化によって膜質
を向上させることに限界がある、 低融点ロー材からなる半田材を使用しているため、ス
パッター装置の到達真空度を高くできない（これも膜質
を向上させることができない原因）、 といった欠点がある。
一方、上記した低融点ロー材からなる半田材の無い一体
型ターゲットを使用する従来例で熱膨張を利用している
ターゲットを用いた薄膜形成方法の場合、ターゲットと
支持枠との間で冷却を安定に行うことがかなり困難であ
る。具体的には、ターゲットは膨張収縮を繰り返すため
にその上の付着物が剥がれ易くなること、ターゲットと
支持枠の間の微少な間隙内のガスが排気し難く、高真空
にまで排気するのに時間を要し、被スパッター材によっ
てはターゲットに加工し難いこと等の問題が有り、膜質
を向上させることに限界がある。
また、上記した第４図に示す直冷式のターゲットを用い
た薄膜形成方法の場合、支持板もターゲット材と同じ材
料で作成しており、投入可能な電力がこの材料の熱伝導
率で規定されるため、熱伝導率の小さいターゲット材
（例えば、シリコン）からなる薄膜の膜質を向上させる
ことには限界がある。
次に、窒化物や酸化物の薄膜をスパッターによって形成
する従来の薄膜形成方法では、ターゲット温度を上記の
理由（低融点ロー材の使用・ターゲットからの熱伝導の
制限）で上げられないため、スパッターチャンバーに導
入する活性ガス量を多くして活性ガスの分圧を大きくし
ないと、ターゲット表面に物理吸着した活性ガス分子が
反応しない。このため、高速で成膜するために投入パワ
ーを大きくして活性ガス量を成膜速度に比例して増加さ
せていくと、あるパワーで活性ガス量だけでスパッター
しなければ一定の組成の膜が得られなくなり、それ以上
の高速成膜ができなくなる。更に、活性ガスは一般に放
電し難いため、必要最少量の活性ガス量で成膜を行うこ
とが望まれている。しかし、この従来の薄膜形成方法で
は、活性ガス量を薄膜形成に必要な最少量に調整して成
膜することは困難である。
上記したように、従来の薄膜形成方法では各々問題があ
り、高品質の薄膜を安定して成膜することが困難であ
る。
そこで、本発明は、成膜の高速化及びターゲットの高温
化を行うことができ、高品質の薄膜を安定に成膜するこ
とができる薄膜形成方法を提供することを目的としてい
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記目的達成のため、ターゲットを減圧に排
気したチャンバー内に配置して直流または交流電圧を印
加し、該チャンバー内に導入したガス（Ar、Ｏ、Ｎ等の
ガス）を放電させて生じる正イオンによりターゲットを
スパッターさせて基板上に薄膜を形成する方法におい
て、第１図に示すように、被スパッター材となる第１の
金属部材1aと、第１の金属部材1aを支持する支持部とな
る熱伝導率が第１の金属部材1aよりも大きい第２の金属
部材1bとが第１図（ａ）に示す如く直接、または第１図
（ｂ）に示す如く第１の金属部材1aよりも融点の高いス
ペーサ1cを介し接合して一体化され、熱交換媒体2a、2b
が第１図（ｃ）に示す如く第２の金属部材1b内（熱交換
を速く行うことができ好ましい）、または第一図
（ａ）、（ｂ）に示す如く第１の金属部材1aと接する面
とは反対側の第２の金属部材1b面側に設けられ、第２の
金属部材1bがカソード部分に対してシール、着脱及び電
気的に接続可能に構成されてなるターゲット１を用い
（第２図）、ターゲット１温度を150℃以上、またはパ
ワー密度を28W/cm2以上にしてスパッター成膜する工程
を含むもである。
本発明に係る第１の金属部材には、アルミ又はアルミを
主成分とする合金、チタン・ジルコニウム・タングステ
ン・モリブデン・金・タンタル・ニオブ・パラジウム・
マンガン・銀・亜鉛・ルテニウム・テルル、及び上記の
金属を主成分とする合金、クロム・ニッケル、及びその
合金からなる金属、若しくはパーマロイ等の磁性を有す
る金属、チタン・タングステン・モリブデンのシリコン
化合物、シリコン、及び上記の酸化膜（酸化クロム・石
英・アルミナ等）等の絶縁物の内の少なくとも一つから
構成される被スパッター材等が挙げられる。
本発明に係る第２の金属部材には、銅・チタン・鉄・ア
ルミ、又は前記の金属を主成分とする合金系等が挙げら
れ、この場合熱伝導が良好で機械的強度が大きく好まし
い。
本発明に係る熱交換媒体には、水、エチレングリコール
等の熱容量が大きい液体、Heガス、N2ガス等の熱交換器
に接続される気体等が挙げられ、冷却させるだけでなく
一定温度に保つ機能を有するものが好ましい。
本発明においては、第１の金属部材と反応する反応性ガ
スを導入してスパッター成膜させる場合であってもよ
く、この場合、反応効率を向上させることができ好まし
い。
〔作用〕
本発明の薄膜形成方法では、第１図に示すように、被ス
パッター材から構成される第１の金属部材1aと、その支
持部として機能し、かつ熱交換媒体2a、2bと接する構造
（熱交換媒体2a、2bが第２の金属部材1b内または第１の
金属部材1aと接する面とは反対側の第２の金属部材1b面
側に設けられる構造）となっている第２の金属部材1bと
が直接またはターゲット１よりも高融点のスペーサ1cを
介し接合一体化して構成されてなるターゲットを使用
し、ターゲット温度が150℃以上であるか、或いは28W/c
m2以上のパワー密度で、しかも被スパッター材となる第
１の金属部材1aが少なくとも溶融しない温度領域でスパ
ッター成膜して薄膜を形成している。
このように、接合のための低融点ロー材からなる半田材
を使用していないため、本発明ではこの温度範囲の中で
ターゲットに投入するパワー密度を増加することで高速
に薄膜を成膜でき、ターゲットを高温にすることでその
表面に物理吸着した活性ガス分子と効率的に反応でき
（表面に吸着した主として水からなる吸着ガス成分を速
やかに除去することができる）、反応性ガスを少量導入
するだけで、高品質の薄膜形成を行うことができる。な
お、従来の低融点ロー材からなる半田材を使用している
場合ではターゲットを高温にできなかったため（150℃
未満）、ターゲット表面の吸着ガスのクリーニングに時
間を要している。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
第２図は本発明の一実施例を実施した時のターゲット部
断面図である。第２図において、第１図と同一符号は同
一または相当部分を示し、３は磁石等を含むカソードア
センブリ全体の支持枠、3aはフランジ、４はパッキン
（Ｏリング）、５は電磁石、６は水等の熱交換媒体2aの
流路、6aは熱交換媒体2a入口、6bは熱交換媒体2a出口で
ある。
ターゲット１は被スパッター材から構成される外径200m
m・厚さ6mmのアルミ材からなる第１の金属部材1aと、そ
の支持部として機能する外径200mm・厚さ7mmの銅材から
なる第２の金属部材1bとからなり、図の上面がスパッタ
ー面であり、第２の金属部材1bの裏面側は通常は冷却水
からなる熱交換媒体2aと接するような構造となってお
り、スパッター時に発生する熱量を系外に効率的に除去
できるように構成されている。一方、４インチの基板
は、ターゲット１の対向位置に50〜70mm離して配置され
る（図示せず）。スパッターは筐体をなす支持枠３内部
の永久磁石、又は電磁石５によって作られる磁界によっ
て公知のマグネトロンスパッター法の原理を利用してプ
ラズマをターゲット１のスパッター面近傍に閉じ込めた
状態で行われる。ターゲット１の支持部となる第２の金
属部材1bを図示の向きに筐体を気密にすべくパッキン４
を介してフランジ3aに固定する。更に、フランジ3aを図
示しないスパッターチャンバーに固定して、10-8〜10-9
Torrの高真空になるまでスパッターチャンバーをクライ
オポンプやターボモレキュラーポンプといった高真空ポ
ンプ（図示せず）を使用して排気する。次に、ターゲッ
ト１をスパッターするために、一定流量（10〜150scc
m）のアルゴンガスをマスフロー等（図示せず）を使用
して、スパッターチャンバーに導入して、スパッター圧
力を１〜15mTorrになるように調整する。スパッター
は、磁石などを含むカソードアセンブリ全体の支持枠３
を経由してターゲット１に接続した直流電源から、所定
の電力を投入して行う。
スパッターターゲットの熱収支についての簡単なモデル
をたててシュミレーションをして被スパッター材と銅材
の界面の最高温度を求めてみると、投入電力が８（KW）
の時には157℃であった。なお、ここでは、冷却水の流
量は標準的な値である８（l/分）を用いて計算してい
る。この時のパワー密度は28W/cm2であり、低融点ロー
材からなる半田材を用いて界面を接合したターゲットを
使用して行う薄膜形成方法の限界であると考えられる。
更に、アルミからなる第１の金属部材1aの外径が290mm
・厚さ10mmで、その支持部の銅からなる第２の金属部材
1bの外径290mm・厚さ8mmの場合では、低融点ロー材から
なる半田材を用いたターゲットを使用して行う薄膜形成
方法の限界は25W/cm2であった。
一方、本発明の上記実施例では被スパッター材となる第
１の金属部材1aと銅材からなる第２の金属部材1bの界面
を爆着法等の機械的・熱的方法で直接に接合しているた
め、少なくとも被スパッター材からなる第１の金属部材
1aが溶融し始める温度になってスパッターされなくなる
まではパワー密度を大きく投入できるため、高速な成膜
が可能となる。このアルミターゲットの場合に、表面温
度が400℃までは安定にスパッターできると仮定する
と、パワー密度を70W/cm2まで投入できるため、成膜速
度は約３μm/分と従来の方法に比べて約３倍の高速成膜
を行うことができる。
上記実施例では、半導体回路で配線材料として使用され
ているアルミ合金について主としてそのスパッター条件
を説明した。本発明による方法で得られたアルミ膜の性
質について、従来の方法（第３図参照）によって得られ
た結果の比較を次に説明する。
なお、ここではアルミターゲットとして、純アルミ、Al
−１％Si、Al−１％Si−0.5％Cu等がよく使用される
が、Al−１％Siの場合の結果である。
この高速で成膜したアルミ膜を、周知の写真食刻方
法でパターニングして得られた配線では、膜中に取り込
まれる真空装置内の残留ガス量が減少した結果、そのエ
レクトロマイグレーション耐性を示す平均寿命MTF（Mea
n-Time-To-Failur）が約一桁向上した。因みに、エレク
トロマイグレーションとは、アルミ配線を150〜250℃に
保持して一定電流を通電し続けると、アルミ配線の抵抗
が著しく増加して、最終的にはアルミ配線の破断に至る
現象をいう。
この高速で基板温度を350〜450℃で堆積した時には
成膜中のアルミの流動性が増加するため、基板表面に形
成された段差に対する被覆形状が改善され、アルミ膜は
平坦になっていることが確認された。
直冷式のターゲットを用いた成膜方法の場合と比較
して、ターゲットの支持部材の熱伝導率が約60％増加す
るため、成膜速度は約30％向上した。更に、低融点ロー
材からなる半田材を用いた成膜方法の場合との比較で
は、成膜速度は約３倍に向上した。
次に、反応性ガスを用いて窒化物や酸化物の薄膜を形成
した他の実施例について説明する。従来の成膜方法で
は、低融点ロー材の使用・ターゲットからの熱伝導の制
限等の理由でターゲット温度（150℃未満）を上げられ
ないため、スパッターチャンバーに導入する活性ガス量
を多くしないと、ターゲット表面に物理吸着した活性ガ
ス分子が反応しない。一方、本発明では少なくとも被ス
パッター材からなる第１の金属部材が溶融し始める温度
になってスパッターされなくなるまでは、ヒーター等の
外部の加熱源や高温ガス等の熱交換媒体によってターゲ
ットを高温にすることで、その表面に物理吸着した活性
ガス分子を効率的に反応させられるため、反応性ガスを
少量導入するだけで、高品質の薄膜形成を行うことがで
きる。具体例として、アルミナ、酸化クロム及び窒化チ
タンの例について次に説明する。
外径131mmの円板上の前記の金属ターゲット（純アル
ミ、又はクロム、チタンからなるターゲット）を使用し
て、約100mm離れた基板上に1.0KW、圧力5.0mTorrの一定
条件で、各々Al2O3、Cr2O3及びTiNに近い組成の酸化
膜、窒化膜を成膜する時に必要な酸素、窒素分圧は、タ
ーゲット温度に次のように依存している。すなわち、ア
ルミナでは、ターゲット温度が150℃の時には50℃の場
合に比較して約1/4に減少し、酸化クロムの場合にはタ
ーゲット温度が300℃の時には150℃の場合に比較して約
1/3に減少し、窒化チタンの場合にはターゲット温度が3
00℃の時には50℃の場合に比較して約1/2に減少した。
なお、本発明においては、第１の金属部材と第２の金属
部材間にスペーサを有するターゲットを用いる場合であ
ってもよい。具体的には、アルミを主成分とする合金
（アルミ合金）で、２％（重量％）以上のシリコンを少
なくとも含む場合（Al−Si、Al−Si−Ｘ）や１〜10％の
マグネシウム（Al−Mg、Al−Mg−Ｘ）を含むターゲット
材となるターゲット本体の場合のように、硬い材料では
銅の支持板に対して爆着接合し難い。特にこのような場
合、純アルミ・銀・チタンからなるスペーサを第１の金
属部材と第２の金属部材間に挿入して爆着接合する。こ
の時、スペーサの方がターゲット材となる第１の金属部
材より融点は高い。接合工程はターゲット材の汚染を防
ぐために、最初に銅の第２の金属部材とスペーサを爆着
により接合した後、ターゲット材となる第１の金属部材
を爆着接合する。また、高純度のアルミ合金からなる第
１の金属部材と純度の低い純アルミからなる第２の金属
部材及びスペーサを爆着接合する場合であってもよい。
本発明は、爆着接合したターゲットに限定されるもので
はなく、例えばホットロール法により接合するターゲッ
トの場合であってもよく、具体的にはアルミ合金ターゲ
ット材からなる第１の金属部材と銅の第２の金属部材の
間に両者に対して馴染みのよい材料、例えば純銀・チタ
ン・ニッケルからなるスペーサを用いてホットロール接
合してもよい。
〔発明の効果〕
本発明によれば、成膜の高速化及びターゲットの高温化
を行うことができ、高品質の薄膜を安定に成膜すること
ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明で用いるターゲットの構造を示す模式断
面図、 第２図は本発明の一実施例を実施した時のターゲット部
断面図、 第３図は従来の成膜方法で使用したターゲットの模式断
面図、 第４図は他の従来の成膜方法で使用したターゲットの模
式断面図である。 1a……第１の金属部材、1b……第２の金属部材、１……
ターゲット、2a、2b……熱交換媒体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/31

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ターゲットを減圧に排気したチャンバー内
    に配置して直流または交流電圧を印加し、該チャンバー
    内に導入したガスを放電させて生じる正イオンによりタ
    ーゲットをスパッターさせて基板上に薄膜を形成する方
    法において、 被スパッター材となる第１の金属部材（1a）と、該第１
    の金属部材（1a）を支持する支持部となる熱伝導率が該
    第１の金属部材（1a）よりも大きい第２の金属部材（1
    b）とが直接または該第１の金属部材（1a）よりも高融
    点のスペーサ（1c）を介し接合して一体化され、 熱交換媒体（2a、2b）が該第２の金属部材（1b）内また
    は該第１の金属部材（1a）と接する面とは反対側の該第
    ２の金属部材（1b）面側に設けられ、 該第２の金属部材（1b）がカソード部分に対してシール
    及び着脱可能、かつ電気的に接続可能に構成されてなる
    ターゲット（１）を用い、 該ターゲット（１）温度を150℃以上、またはパワー密
    度を28W/cm2以上にしてスパッター成膜する工程を含む
    ことを特徴とする薄膜形成方法。
  2. 【請求項２】前記第１の金属部材（1a）と反応する反応
    性ガスを導入してスパッター成膜させることを特徴とす
    る請求項１記載の薄膜形成方法。
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