JPH0774437B2

JPH0774437B2 - 薄膜堆積装置

Info

Publication number: JPH0774437B2
Application number: JP61014186A
Authority: JP
Inventors: 誠関根; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-01-25
Filing date: 1986-01-25
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPS62174375A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、マグネトロン放電を利用した薄膜堆積装置の
改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、集積回路は微細化の一途を辿り、最近では最小寸
法が１［μｍ］以下の超微細素子も試作されるに至って
いる。このような微細なパターンを持つ集積回路では、
高密度は素子間の配線を従来のように１層の導電膜をパ
ターニングして行うだけでは足りず、絶縁膜を挟み２〜
３層の配線層を形成しなければならない。

導電膜或いは絶縁膜を形成する手法としては、CVD（化
学気相成長）法，スパッタ法，電子ビーム蒸着法等があ
る。この中でスパッタ法、特に磁界を用いたマグネトロ
ンスパッタ法は、高速で比較的均一に、且つ低温，低照
射損傷で膜形成が行える技術と考えられている。

ところで、この種の配線形成に用いる堆積技術において
の重大な問題点として、下層の素子によって上層に生じ
た段差部分で導通不良がある。これは、第11図に示す如
く段差５を持ったウェハ（被薄膜堆積基板）１の表面に
導電膜６を堆積する際に、段差部分５或いはその側壁部
分での堆積速度が平面上と異なることに起因する。これ
を防ぐためには、多くの堆積種７がウェハ１に対し垂直
方向より供給され、傾いた速度成分を持った堆積種７が
少ないことが要求される。

従来使用されているマグネトロン放電利用の薄膜堆積装
置においては、第12図に示す如くターゲット（堆積物質
源）２を配置する陰極４の裏面側に磁石20を配置し、高
周波電力により生じた高周波放電をマグネトロン放電に
より高密度化し、この高密度プラズマ32中のイオンによ
るスパッタによりターゲット原子を気相中へ飛ばし、対
向電極（陽極）３に配置されたウェハ１の表面に堆積膜
を形成している。この場合、ターゲット２上の特定部分
８のみがスパッタされることになり、堆積の均一性は良
くない。また、磁石20を往復走査して均一性向上をはか
ったものもあるが、その効果は十分ではない。

また、堆積源としては点源に近く、ウェハ表面へ向かう
堆積種の速度成分はウェハ表面に斜めに入射するものが
多い。従って、段差部での被覆形状（ステップカバーレ
ッジ）は良くない。また、第13図に示す如くNS磁極を構
成し、円環状のマグネトロン放電を形成し、さらにウェ
ハ１を自・公転させて均一性，ステップカバーレッジを
改良したものもあるが、その効果は十分とは言えなかっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、高速で均一な薄膜堆積を行うことがで
き、高アスペクト比の微細溝にあっても良好な埋込み形
状を実現し得る薄膜堆積装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、堆積物ターゲット載置の陰極側でな
く、被薄膜堆積基板を載置した陽極側にマグネットを配
置し、このマグネットにより各電極間にマグネトロン放
電を生じさせることにある。

即ち本発明は、マグネトロンスパッタにより薄膜堆積を
行う薄膜堆積装置において、表面側に堆積物ターゲット
が配置される陰極及びこの陰極とそれぞれの表面が対向
するよう設置されその表面側に被薄膜堆積基板が配置さ
れる陽極を備えた容器と、この容器内にガスを導入する
手段と、前記陰極に高周波或いは直流電力を印加する手
段と、前記陽極の裏面側に配置され前記各電極間に磁場
を印加する磁場印加機構とを設けるようにしたものであ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、磁場印加機構を陽極の裏面側に設けて
いるので、ターゲット上では均一性の良い分布を持つマ
グネトロン放電領域が形成される。このため、ターゲッ
ト全体を非常に均一にスパッタし、ターゲットに対向す
る基板表面に均一に、且つ高速に薄膜堆積を行うことが
できる。しかも、電極間に印加する磁界を走査すること
により、ターゲット上のマグネトロン放電領域をより均
一化することができ、より均一性良い薄膜堆積を行うこ
とができる。また、このような均一なマグネトロン放電
による均一なスパッタリングでは、堆積膜の供給源が面
全体から均一に堆積種を供給する面ソースとなり、被堆
積基板に対し垂直に入射する堆積種の成分が大となり、
高アスペクト比の微細溝であっても良好な堆積特性が得
られる。

〔発明の実施例〕

実施例を説明する前に、本発明の基本原理について説明
する。

第１図は本発明の原理を説明するための模式図である。
陰極４面上に発生する水平磁界Ｐとこれに直交する陰極
４面上に発生する陰極降下電界Ｑとにより電子は紙面に
垂直方向にドリフト運動を繰返し、導入された気体分子
と多数回衝突してこれを効率良く解離，イオン化する。
従って、NS電極間隙付近に高密度プラズマ32が生成され
ることになる。31は外周のグロープラズマを示す。この
時、前記陰極４上に発生する電界Ｑは、イオンシース９
と呼ばれている陰極暗部に発生するため、前記磁界Ｐは
この領域で電界Ｑと直交していることが望ましい。

ここで、高密度プラズマ32中のイオン化した気体分子或
いは原子は、陰極４上に発生する電界Ｑによって陰極４
側へ加速され、堆積物ターゲット２に衝突してターゲッ
ト原子をスパッタし、これにより陽極３に配置された被
薄膜堆積基板１に薄膜が形成される。

第２図は陽極３面上の水平磁界の等磁曲線の一例を示す
図である。図中に示した数字は、磁極面上の各高さにお
ける水平磁界強度を示している。この結果から、磁極面
から約30［mm］離れてもなお100［Ｇ］近い水平磁界が
存在することが判る。

第３図は電極間隙を変えた時のAlの堆積速度を調べた結
果である。Arガスを20［cc/分］導入し５×10^-3［tor
r］に圧力を保ち、高周波電力13.56［MHz］,1［W/cm²］
を印加した。その結果、電極幅が広がると、堆積速度は
急速に低下することが判った。即ち、この結果はターゲ
ット２上の水平磁界強度の低下に起因すると考えられ
る。

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第４図は本発明の一実施例に係わる薄膜堆積装置を示す
概略構成図である。図中11は接地された容器であり、こ
の容器11内は平板体12により堆積室13とマグネット収容
室14とに分離されている。堆積室13には、スパッタガ
ス、例えばArガスを導入するためのガス導入口13a及び
上記ガスを排気するためのガス排気口13bがそれぞれ設
けられている。堆積室13の底部には陰極４が設けられて
おり、この陰極４にはマッチング回路15を介して高周波
電源16からの高周波電力が印加される。また、陰極４は
水冷管17により冷却されており、この水冷管17は上記電
力印加のリードとして用いられている。そして、堆積物
ターゲット２は堆積室13内の陰極４の上面（表面）側に
配置されるものとなっている。なお、平板体12の陰極４
に対向する部分３は陽極として作用するもので、この陽
極３には電源18によってバイアス電圧が印加される。そ
して、半導体ウェハ等の被薄膜堆積基板１は陽極３の下
面（表面）側に配置されるものとなっている。

一方、マグネット収容室14内には、NSの磁極間隙を有す
る複数の永久磁石（マグネット）が無限軌道を描くよう
に配列されている。即ち、複数の永久磁石20が無限軌道
を形成したベルト（搬送体）21に一定間隔で取着され、
各磁石20は回転機構22,23により軌道の一方向に移動せ
られるものとなっている。ここで、永久磁石20は第５図
に示す如く棒状に形成されたもので、その長手方向長さ
は前記ターゲット２の長径よりも長い。そして、磁石20
はその長手方向が前記移動方向と直交するよう配置さ
れ、下方側に存在する磁石20は陽極３の上面（裏面）と
対向するものとなっている。

また、前記マグネット収容室14にはガス排気口14aが設
けられており、このマグネット収容室14内は前記磁石20
による放電を防止するための排気口14aを介して10^-4［t
orr］以下、或いは堆積室13よりも高真空に排気されて
いる。さらに、マグネット収容室14と前記堆積室13との
間には、電磁弁24及びその駆動機構25が設けられてお
り、堆積膜形成時に各室13,14間が遮断されるものとな
っている。なお、図中26は絶縁物を示し、27はＯリング
シールを示している。

このように構成された本装置の作用について説明する。

まず、ガス導入口13aから堆積室13内にスパッタガス、
ターゲットArを導入し、堆積室13内を10^-3［torr］に保
持したのち、陰極４に高周波電力（1KW,13,56MHz）を印
加すると、陰極４と陽極３との間にグロー放電31が生じ
る。

これと同時に各磁極間隙で互いに直交する電界Ｅと磁界
Ｂとの作用によりマグネトロン放電が生じ、電子が（Ｅ
×Ｂ）方向にサイクロイド運動を行いながらAr原子と多
数回衝突を繰返すことによって高密度のプラズマ領域32
が磁極間隙に沿って発生する。この高密度プラズマ領域
32は永久磁石20を前記無限軌道の一方向に走査すること
により、ターゲット２上を移動する。これにより、基板
１、例えば半導体ウェハ表面に高速度（5000Å／分）で
ターゲット材よりスパッタされた堆積種が堆積されるこ
とになる。このとき、高密度プラズマ領域32は、ターゲ
ット２上での磁界Ｂの分布を反映し比較的均一に分布し
ており、さらにマグネットの走査によりターゲット２の
スパッタの均一性は極めて良好となり、従って被薄膜堆
積基板１への堆積速度の均一性は非常に良好となる。

つまり、ターゲット２側（陰極の裏面側）にマグネット
を配置した従来例ではターゲット２上の磁界分布が不均
一となり、スパッタ速度及びこれに伴う堆積速度の均一
性も左程高くないが、本装置では基板１側にマグネット
を配置したことにより堆積速度を十分に均一化するこが
できる。さらに、従来装置では磁石の往復走査でウェハ
の大口径化により走査幅が増大した場合、堆積速度の低
下を招くことになるが、本装置ではターゲット２が常に
高密度プラズマに晒されるため、走査に伴う堆積速度の
低下は極めて小さい。即ち、前記磁極間隙を静止させた
ときの堆積速度に近い値を得ることができる。従って、
従来装置に比して堆積速度の大幅な高速化及び均一化を
はかり得る。

ここで、均一性について従来例と比較した結果を説明す
る。第６図は被薄膜堆積基板１上の堆積速度の分布を示
した図である。堆積物はAlで従来例のように陰極裏面に
磁石を配置した場合Ａ、本実施例の陽極側に磁石を配置
した場合B,Cで比較した。なお、Ｂは電極間距離15［m
m］、A,Cは電極間距離25［mm］とした。また、比較のた
め磁石の走査は行っていない。図より明らかなように、
従来方式では磁極間隙に高密度のプラズマが集中し且つ
この高密度プラズマがターゲットに近いため、その部分
に対向した基板上の堆積速度が著しく速くなっている。
一方、本実施例では高密度プラズマがターゲットと比較
的離れているので、ターゲットのスパッタ速度分布が均
一化され堆積速度も比較的均一となる。さらに、電極間
距離を25［mm］以上にすれば磁石の走査なしでも均一性
は良好である。このことから、本実施例による堆積速度
の均一性向上は明らかである。

第７図は本発明の他の実施例を示す概略構成図である。
なお、第４図と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。この実施例が先に説明した実施例
と異なる点は、ポテンシャル制御系を付加したことにあ
る。即ち、前記陰極４には陰極面上に生じるポテンシャ
ルの大きさを制御するポテンシャル制御系71が接続され
ている。

このような構成であれば、先の実施例と同様な効果が得
られるのは勿論のこと、ポテンシャル制御系71の作用に
より、ターゲット２上のプラズマ内に存在する正の加速
エネルギーを可変することができる。このため、均一性
の最適化，堆積速度の制御を行うことができる。さら
に、陽極３側にバイアス電圧を印加することで基板に入
射する堆積種或いは不活性ガス（Ar）イオンの加速エネ
ルギーが可変となる。これにより、この堆積はスパッタ
を受けながら進行する所謂バイアスパッタモードとな
り、段差部分での被覆形状は更に改善され、堆積膜表面
を平坦化することも可能となる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記マグネットの配置空間は必ずしも減
圧下に限るものではなく、第８図に示す如く大気中であ
ってもよい。また、マグネットとして第９図に示す如く
閉じた磁極間隙を有する磁石90を用い、これを複数個並
べ、一方向に往復走査するようにしてもよい。さらに、
前記無限軌道はその軌道が形成する面が陽極面に直交す
るものに限らず、第10図に示す如く平行なものであって
もよい。また、磁極間隙，磁場の強さ及び磁石の個数等
は、仕様に応じて適宜定めればよい。さらに、永久磁石
の代わりに電磁石を用いることも可能である。

また、陰極と陽極との間隙は15［mm］,25［mm］に何等
限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能で
ある。但し、薄膜堆積速度の十分な均一化を得るために
は10［mm］以上が望ましい。さらに、堆積速度の十分な
高速化を得るためには、本実施例に用いた磁石を使用し
た場合は50［mm］以下が望ましい。しかし、この間隙は
用いる磁石の仕様により変化するものであり、基本的に
はターゲットの表面で100ガウス以上の磁界が得られれ
ばよい。また、ターゲットとしてAl等の導電体を用いる
場合は、高周波電力の代わりに陰極に直流電力を印加す
るようにしてもよい。さらに、Alの堆積に限らず、Si
O₂,W,MoSi₂，TiSi₂，TiO₂等、各種被膜の堆積に適用で
きるのは勿論のことである。また、堆積速度をより高速
化するために、陽極を加熱するようにしてもよい。

また、堆積種の供給手段としてターゲットを用いるので
はなく、堆積種を含むガスを本装置に導入し、プラズマ
により分解して基板上に堆積膜を形成することも可能で
ある。この場合、堆積ガスとしてテトラエトキシシラン
或いはテトラメチルシラン＋酸素（SiO₂）,6弗化タング
ステン（Ｗ），トリメチルアルミニウム（Al），金属カ
ルボニル＋シラン（MoSi₂やTiSi₂等）を用いることによ
り、それぞれ括弧に示した膜形成が行える。この場合、
陰極面上、つまりターゲットの位置には厚い石英板等を
配置しておけば、その表面上の電場はプラズマポテンシ
ャル程度となり、陰極側でスパッタが起きても堆積に影
響を与えることはない。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概要を説明するための模式図、第２図
は陽極面上の水平磁界の等磁曲線の一例を示す特性図、
第３図は電極間隙を可変したときのAlの堆積速度変化を
示す特性図、第４図は本発明の一実施例に係わる薄膜堆
積装置を示す概略構成図、第５図は上記実施例に用いた
磁石を示す斜視図、第６図は上記実施例の作用を説明す
るためのもので堆積速度の変化を示す特性図、第７図は
本発明の他の実施例を示す概略構成図、第８図乃至第10
図はそれぞれ変形例を説明するための図、第11図乃至第
13図はそれぞれ従来の問題点を説明するための図であ
る。１……被薄膜堆積基板、２……堆積物ターゲット、３…
…陽極、４……陰極、11……真空容器、12……平板体、
13……堆積室、14……マグネット収容室、16……高周波
電源、18……直流電源、20,90……永久磁石（マグネッ
ト）、21……ベルト、22,23……回転機構、31……高密
度プラズマ領域、71……ポテンシャル制御系。

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面側に堆積物ターゲットが配置される陰
極及びこの陰極とそれぞれの表面が対向するよう設置さ
れその表面側に被薄膜堆積基板が配置される陽極を備え
た容器と、この容器内にガスを導入する手段と、前記陰
極に高周波或いは直流電力を印加する手段と、前記陽極
の裏面側に配置され前記各電極間にマグネトロン放電を
生起するために電極の対向方向と直交する方向の磁場を
印加する磁場印加機構とを具備してなることを特徴とす
る薄膜堆積装置。
【請求項２】前記磁場印加機構は、所定の磁極間隙を有
する複数の永久磁石からなるものであり、該磁石は前記
陽極の裏面に沿って移動せられることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の薄膜堆積装置。
【請求項３】前記永久磁石を移動する手段は、該磁石を
前記陽極の裏面に沿って一方向に往復移動するものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の薄膜堆
積装置。
【請求項４】前記永久磁石は前記陽極の裏面側に設けら
れた無限軌道状のベルト上に配設され、上記永久磁石を
移動する手段は該磁石を上記無限軌道の一方向に沿って
移動し、該磁石を上記陽極の裏面に順次対向せしめるも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
薄膜堆積装置。
【請求項５】前記磁場印加機構は、電磁石からなるもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄
膜堆積装置。
【請求項６】前記陰極及び陽極の少なくとも一方は、該
電極面上のポテンシャルを制御するポテンシャル制御系
が接続されたものであることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の薄膜堆積装置。
【請求項７】前記陰極表面の磁界の該陰極と平行な成分
が、100ガウス以上であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の薄膜堆積装置。
【請求項８】前記陰極には冷却機構が設けられ、前記陽
極には加熱機構が設けられていることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の薄膜堆積装置。