JPH0791639B2 - Spatter method - Google Patents

Spatter method

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JPH0791639B2
JPH0791639B2 JP62000363A JP36387A JPH0791639B2 JP H0791639 B2 JPH0791639 B2 JP H0791639B2 JP 62000363 A JP62000363 A JP 62000363A JP 36387 A JP36387 A JP 36387A JP H0791639 B2 JPH0791639 B2 JP H0791639B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜のスパッタ成膜技術に係り、特に半導体装
置等の基板表面の微細な段差、溝あるいは穴に、成膜材
料をつき回り良く付着させるスパッタ方法に関するもの
である。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film sputter film forming technique, and in particular, it allows a film forming material to easily cover minute steps, grooves or holes on a substrate surface of a semiconductor device or the like. The present invention relates to a sputtering method for depositing.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

スパッタリング成膜技術において、ターゲット表面に平
行な成分の磁界を強くして、成膜対象へ流入する電流を
増加させる試みは、例えば特開昭60−221563号に記載さ
れている。即ち、マグネトロン型スパッタ電極と、基板
とを対向させ、基板表面に負のバイアス電圧を印加する
ことにより、マグネトロン型スパッタ電極上に発生する
プラズマ中のイオンの一部を、基板表面に流入させる、
一種のバイアススパッタ装置となっている。
In the sputtering film formation technique, an attempt to increase the magnetic field of a component parallel to the target surface to increase the current flowing into the film formation target is described in, for example, JP-A-60-221563. That is, by facing the magnetron-type sputter electrode and the substrate and applying a negative bias voltage to the substrate surface, some of the ions in the plasma generated on the magnetron-type sputter electrode flow into the substrate surface,
It is a kind of bias sputtering device.

一方、米国特許USP3,325,394号にカスプ磁界を用いたス
パッタリング成膜技術が記載されている。即ち、スパッ
タ電極と成膜対象基板とを対向配置し、2組の電磁石に
より、その間にカスプ磁界を形成してプラズマ密度を向
上させ、成膜速度の向上を計るものである。成膜速度向
上のためには上記カスプ磁界の補助によったスパッタリ
ング成膜法よりは、その後に公知となったマグネトロン
スパッタ成膜法の方が装置構成が簡単で効果が大きいた
め、カスプ磁界を用いることは顧みられなかった。
On the other hand, US Pat. No. 3,325,394 describes a sputtering film forming technique using a cusp magnetic field. That is, the sputtering electrode and the film formation target substrate are arranged to face each other, and a cusp magnetic field is formed between the two sets of electromagnets to improve the plasma density and improve the film formation speed. In order to improve the deposition rate, the magnetron sputter deposition method, which has become publicly known after that, has a simpler device configuration and is more effective than the sputtering deposition method assisted by the cusp magnetic field. Its use was neglected.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

バイアススパッタ法とは基板に成膜材料を堆積しなが
ら、同時に基板表面に負のバイアス電圧を印加し、プラ
ズマ中のイオンを入射させ、イオンのエネルギを成膜粒
子に与え成膜粒子の表面移動度を高めることにより、
溝、穴へのつき回り性を向上させるものである。したが
って基板に入射するイオンのエネルギーを向上させるこ
とが重要であり、この手段としては、基板上のプラズマ
密度を向上させ基板に流入するイオン電流を向上させる
こと、あるいはバイアス電圧を向上させることが考えら
れる。
Bias sputtering method deposits a film-forming material on a substrate and at the same time applies a negative bias voltage to the surface of the substrate to cause ions in the plasma to enter and apply the ion energy to the film-forming particles to move the surface of the film-forming particles. By increasing the degree,
It improves the throwing power to the grooves and holes. Therefore, it is important to improve the energy of the ions incident on the substrate. As a means for this, it is considered to improve the plasma density on the substrate to improve the ion current flowing into the substrate, or to improve the bias voltage. To be

従来のマグネトロンスパッタ電極はプラズマを基板に向
かいあったスパッタ電極表面に閉じ込めるものであるた
め、単に基板表面にバイアス電圧を印加しただけでは基
板上のプラズマ密度は十分には向上しない。我々の予備
実験では、バイアス電圧−100Vの時、基板上のプラズマ
密度は2×1010cm-3程度であり、この時基板に流入する
イオン電流は0.5A/φ125程度で、また1.0μm角の深さ
1.0μmの穴への成膜材料(Al)のつき回りは十分では
なかった。
Since the conventional magnetron sputter electrode confines plasma on the surface of the sputter electrode facing the substrate, simply applying a bias voltage to the substrate surface does not sufficiently improve the plasma density on the substrate. In our preliminary experiment, when the bias voltage was -100V, the plasma density on the substrate was about 2 × 10 10 cm -3 , the ion current flowing into the substrate was about 0.5A / φ125, and 1.0μm square. Depth of
The adhesion of the film forming material (Al) to the 1.0 μm hole was not sufficient.

一方、バイアス電圧を高くするとスパッタ膜に吸蔵され
るArガス量が増えることが知られている。我々の予備実
験から、スパッタ後アニールすることにより、高いバイ
アス電圧で成膜したスパッタ膜にボイド、膨れが発生す
ること、この発生下限は140V程度であることが判った。
On the other hand, it is known that increasing the bias voltage increases the amount of Ar gas stored in the sputtered film. From our preliminary experiments, it was found that annealing after sputtering causes voids and swelling in the sputtered film formed at a high bias voltage, and the lower limit of this occurrence is about 140V.

本発明の目的はボイド、膨れなどの膜不良を生じない低
バイアス電圧で、微細な段差、溝あるいは穴に成膜材料
をつき回りよく付着させるために、基板に流入するイオ
ン電流を向上させるスパッタ方法を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to improve the ion current flowing into a substrate by a low bias voltage that does not cause film defects such as voids and swelling, and to adhere a film forming material well to fine steps, grooves or holes, in order to improve the ion current flowing into the substrate. To provide a method.

またバイアス電圧を制御することにより、基板に流入す
るイオン量をほぼ一定に保つたまま、基板に入射するイ
オンエネルギを制御できるスパッタ方法を提供すること
にある。
Another object of the present invention is to provide a sputtering method in which the ion energy incident on the substrate can be controlled by controlling the bias voltage while keeping the amount of ions flowing into the substrate substantially constant.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的は、カスプ磁界を用いたプラズマの高密度化
と、基板側電極にバイアスを印加するバイアススパッタ
を結びつけて達成される。
The above object is achieved by combining the high density of plasma using a cusp magnetic field and bias sputtering for applying a bias to the substrate-side electrode.

〔作用〕[Action]

スパッタ電極と基板電極とを対向して配置し、その間に
カスプ磁界を形成することにより、高密度プラズマがス
パッタ電極表面から基板表面近傍まで発生する。さらに
基板表面に負のバイアス電圧を印加することにより、基
板表面近傍のプラズマ中の高密度イオンが膜不良を生じ
ない低バイアス電圧で基板にひきこまれ、基板流入イオ
ン電流が向上する。この結果、基板表面に付着したスパ
ッタ粒子の、基板表面での移動度が向上し、若しくは、
基板表面の段差上部の角、溝、穴入口の角に付着した膜
材料がスパッタされ、段差下部、溝、穴底面へ再付着す
る。このため膜不良を生じることなく段差、溝、穴への
スパッタ材料のつき回りを向上させることができる。
By disposing the sputter electrode and the substrate electrode so as to face each other and forming a cusp magnetic field between them, high-density plasma is generated from the sputter electrode surface to the vicinity of the substrate surface. Furthermore, by applying a negative bias voltage to the substrate surface, high density ions in the plasma near the substrate surface are attracted to the substrate at a low bias voltage that does not cause film defects, and the substrate inflow ion current is improved. As a result, the mobility of the sputtered particles adhering to the substrate surface on the substrate surface is improved, or
The film material adhered to the corners of the upper part of the step, the groove, and the corners of the hole entrance on the substrate surface is sputtered and redeposited to the lower part of the step, the groove, and the bottom surface of the hole. Therefore, it is possible to improve the spread of the sputtered material on the step, the groove, and the hole without causing a film defect.

また高密度プラズマの発生とは独立にバイアス電圧を設
定できるので、基板に流入するイオン電流をほぼ一定に
保ったまま、基板に入射するイオンエネルギを制御でき
る。
Since the bias voltage can be set independently of the generation of high-density plasma, the ion energy incident on the substrate can be controlled while keeping the ion current flowing into the substrate substantially constant.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明の一実施例を第1図により説明する。初めに
本実施例の構成を述べる。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. First, the configuration of this embodiment will be described.

真空容器1の上部の開口2に、絶縁物3を介してスパッ
タ電極4が取付けられている。該スパッタ電極4の真空
室側にはスパッタ成膜材料より成るターゲット5、大気
側には磁界発生用のターゲットコイル6およびヨーク7
が、さらに該ターゲット5の外周には該ターゲットとの
間に放電を生じない距離だけターゲットより隔てて、絶
縁体8を介して真空容器1にアノード28が取付けられて
いる。
A sputter electrode 4 is attached to the opening 2 at the top of the vacuum container 1 via an insulator 3. A target 5 made of a sputtering film forming material is provided on the vacuum chamber side of the sputtering electrode 4, and a target coil 6 and a yoke 7 for generating a magnetic field are provided on the atmosphere side.
However, an anode 28 is attached to the vacuum container 1 via an insulator 8 on the outer periphery of the target 5 at a distance from the target that does not cause discharge to the target.

ヨーク7はターゲットコイル6により発生する漏えい磁
束密度を強めるために用いられている。
The yoke 7 is used to enhance the leakage magnetic flux density generated by the target coil 6.

アノード28の電位は必要に応じて、フローティング、ア
ースあるいは任意の正、負の電位となるよう配線されて
いる。
The potential of the anode 28 is wired so as to be floating, ground, or any positive or negative potential, if necessary.

該真空容器1の下部の開口9には基板25を載置する基板
電極10があり、基板電極10の周囲には真空シール機能を
持つ絶縁体11を介して、ターゲット5と基板電極10の表
面に垂直な方向に移動可能な基板押え12が、さらに基板
押え12の周囲には真空シール機能を持つ絶縁体13を介し
てシールド14が、真空容器1に対して固定で取付けられ
ている。また真空容器1の下部の他の開口15には、真空
容器1に対して真空シールされた状態に取付けられたコ
イル容器16の中に基板コイル17が取付けられている。
A substrate electrode 10 on which a substrate 25 is placed is provided in an opening 9 at the bottom of the vacuum container 1, and the surfaces of the target 5 and the substrate electrode 10 are surrounded by an insulator 11 having a vacuum sealing function. A substrate retainer 12 movable in a direction perpendicular to the substrate retainer 12 and a shield 14 around the substrate retainer 12 are fixedly attached to the vacuum container 1 via an insulator 13 having a vacuum sealing function. A substrate coil 17 is attached to another opening 15 at the bottom of the vacuum container 1 in a coil container 16 which is attached to the vacuum container 1 in a vacuum-sealed state.

真空容器1内は排気手段18により真空排気されるととも
にガス導入手段19によりガスが導入されて、主として10
-3Torr台の圧力に保たれる。
The inside of the vacuum container 1 is evacuated by the evacuation means 18 and the gas is introduced by the gas introduction means 19, and mainly 10
-3 Torr Pressure is maintained.

スパッタ電極4、基板電極10、基板押え12、ターゲット
コイル6、基板コイル17には各々スパッタ電源20、高周
波電源21、直流電源22、ターゲットコイル電源23、基板
コイル電源24が、また真空容器1はアースに接続されて
いる。
A sputtering power source 20, a high frequency power source 21, a DC power source 22, a target coil power source 23, a substrate coil power source 24, and a vacuum container 1 are attached to the sputtering electrode 4, the substrate electrode 10, the substrate retainer 12, the target coil 6, and the substrate coil 17, respectively. It is connected to earth.

基板表面に直流バイアス電圧を印加する場合は高周波電
源21が、高周波バイアス電圧を印加する場合には直流電
源22が各々不要である。また高周波バイアス電圧を印加
する場合には基板押え12は高周波プラズマのシールドの
ため、絶縁物で作られる。
The high frequency power supply 21 is not required when applying a DC bias voltage to the substrate surface, and the DC power supply 22 is not required when applying a high frequency bias voltage. When a high frequency bias voltage is applied, the substrate retainer 12 is made of an insulating material to shield high frequency plasma.

ターゲットコイル6とターゲットコイル電源23および基
板コイル17と基板コイル電源24はこれら電磁石に限ら
ず、これと等価な磁界を発生する永久磁石を用いてもよ
い。
The target coil 6 and the target coil power supply 23 and the substrate coil 17 and the substrate coil power supply 24 are not limited to these electromagnets, and permanent magnets that generate a magnetic field equivalent thereto may be used.

スパッタ成膜処理を受ける基板25は、基板押え12がター
ゲット5側に、基板電極10より離間した状態で、図示し
ない搬送機構により基板電極10上に載置された後、基板
押え12で保持される。
The substrate 25 to be subjected to the sputtering film formation process is held on the substrate retainer 12 after being placed on the substrate electrode 10 by the transport mechanism (not shown) with the substrate retainer 12 being separated from the substrate electrode 10 on the target 5 side. It

以上の構成の本実施例は以下のように動作する。The present embodiment having the above configuration operates as follows.

真空容器1の図示しない入口より搬送された基板25は、
基板電極10上に載置された後、基板押え12により固定さ
れる。排気手段18により真空容器1内を高真空排気した
後、ガス導入手段19によりArガスを導入し、所定のスパ
ッタ圧に保つ。ターゲットコイル電源23及び基板コイル
電源24により、それぞれターゲットコイル6及び基板コ
イル17に、相互に逆向きの磁界を発生するようにコイル
電流を印加すると第1図に示す磁力線26の形状のカスプ
磁界が発生する。さらにスパッタ電源20よりスパッタ電
極4にスパッタ電圧を印加すると、磁力線26と同形状の
高密度プラズマ27が、ターゲット5の表面から基板25の
表面近傍まで発生する。直流電源22より基板押え12を介
して基板25の表面に直流バイアスを印加するか、もしく
は高周波電源21より基板電源10に高周波電力を印加し基
板25上にさらに高周波プラズマを発生させ、基板25の表
面にバイアス電圧を誘起することにより、基板表面を負
のバイアス電位に保ち、プラズマ27中のイオンを基板25
上に流入される。
The substrate 25 transferred from the inlet (not shown) of the vacuum container 1 is
After being placed on the substrate electrode 10, it is fixed by the substrate retainer 12. After the inside of the vacuum container 1 is evacuated to a high vacuum by the evacuation means 18, Ar gas is introduced by the gas introduction means 19 to maintain a predetermined sputtering pressure. When a coil current is applied to the target coil 6 and the substrate coil 17 by the target coil power source 23 and the substrate coil power source 24 so as to generate mutually opposite magnetic fields, a cusp magnetic field having the shape of the magnetic force line 26 shown in FIG. 1 is generated. Occur. Further, when a sputtering voltage is applied to the sputtering electrode 4 from the sputtering power source 20, a high density plasma 27 having the same shape as the magnetic force lines 26 is generated from the surface of the target 5 to the vicinity of the surface of the substrate 25. A direct current bias is applied from the direct current power source 22 to the surface of the substrate 25 through the substrate retainer 12, or a high frequency power is applied to the substrate power source 10 from the high frequency power source 21 to further generate high frequency plasma on the substrate 25. By inducing a bias voltage on the surface, the substrate surface is kept at a negative bias potential, and the ions in plasma 27 are transferred to the substrate 25.
Is flowed over.

以上のように本実施例ではカスプ磁界により高密度プラ
ズマを基板25の近傍まで発生させることができるため、
膜不良を生じない低バイアス電圧においても、段差、
溝、穴にスパッタ材料をつき回りよく成膜するだけの十
分なイオン電流を得ることができる。
As described above, in this embodiment, since the high-density plasma can be generated up to the vicinity of the substrate 25 by the cusp magnetic field,
Even at a low bias voltage that does not cause a film defect, a step,
It is possible to obtain a sufficient ionic current for depositing a sputtering material on the grooves and holes and forming a film well.

本実施例での流入電流の測定例を第2図に示す。第2図
は、基板バイアス電圧:−100V,基板と、ターゲットの
間隔:50mmでのデータである。基板コイル電流/ターゲ
ットコイル電流の比が小さい時はプラズマリングの中心
径は基板の径より大きい。この比を大きくするとプラズ
マリングの中心径を基板の径と等しくできる。そして従
来技術に比べ約5倍の1×1011cm-3のプラズマ密度と、
約2倍の1・1Aの基板流入電流(φ125内)が得られ
た。
An example of measurement of the inflow current in this embodiment is shown in FIG. FIG. 2 shows data when the substrate bias voltage is −100 V and the distance between the substrate and the target is 50 mm. When the ratio of substrate coil current / target coil current is small, the center diameter of the plasma ring is larger than the diameter of the substrate. By increasing this ratio, the center diameter of the plasma ring can be made equal to the diameter of the substrate. And a plasma density of 1 × 10 11 cm -3 , which is about 5 times that of the prior art,
About twice as much as 1.1A substrate inflow current (within φ125) was obtained.

基板流入イオン電流を変えて、バイアススパッタ法で微
細穴へAlを成膜した時のAlのつき回り性をSEM写真から
判定した結果を第1表に示す(穴深さは約1μm,成膜速
度は1200mm/min)。○印は穴側面へのAl付着が平坦部膜
厚の概ね40%以上であることを示す。このようにイオン
電流が1A/φ125で1.0平方μmの穴へのAlつき回りが十
分であることを確認できた。
Table 1 shows the results of determining the throwing power of Al from the SEM photograph when Al was deposited on the fine holes by the bias sputtering method while changing the ion current flowing into the substrate (hole depth: approx. 1 μm, film formation The speed is 1200 mm / min). The mark ○ indicates that Al adhesion to the side surface of the hole is approximately 40% or more of the film thickness of the flat portion. As described above, it was confirmed that when the ion current was 1 A / φ125, the Al coverage with the 1.0 square μm hole was sufficient.

また第3図に本実施例でのバイアス電圧と流入電流の関
係を示す(縦軸は相対単位である)。第2図と同様、基
板とターゲットの間隔は50mmである。バイアス電圧を−
100Vから−40Vまで変えても流入イオン電流はほぼ一定
である。すなわち基板に流入するイオン電流をほぼ一定
に保ったまま、基板に入射するイオンエネルギー総量を
幅広く制御することができる。
Further, FIG. 3 shows the relationship between the bias voltage and the inflow current in this embodiment (the vertical axis is a relative unit). As in FIG. 2, the distance between the substrate and the target is 50 mm. Bias voltage
The inflowing ionic current is almost constant even if the voltage is changed from 100V to -40V. That is, it is possible to widely control the total ion energy incident on the substrate while keeping the ion current flowing into the substrate substantially constant.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば低バイアス電圧で高い基板流入イオン電
流を得ることができるので、ボイド、フクレなどの膜不
良を生ずることなく、段差、溝、穴につき回りよくスパ
ッタ膜を付着させることができる。また高密度プラズマ
の発生とは独立に基板バイアス電圧を設定できるので、
基板に流入するイオン量をほぼ一定に保ったまま、イオ
ンエネルギを制御することができ、膜質制御の余裕度が
向上する。
According to the present invention, it is possible to obtain a high substrate inflowing ion current with a low bias voltage, and therefore it is possible to adhere a sputtered film around steps, grooves, and holes without causing film defects such as voids and blisters. Also, because the substrate bias voltage can be set independently of the generation of high-density plasma,
The ion energy can be controlled while the amount of ions flowing into the substrate is kept substantially constant, and the margin of film quality control is improved.

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

第1図は本発明の一実施例の縦断面図、第2図は本発明
の実施例での基板流入電流データを示す図、第3図は本
発明の実施例でのバイアス電圧と流入電流データを示す
図である。 1……真空容器、2……開口、3……絶縁物、4……ス
パッタ電極、5……ターゲット、6……ターゲットコイ
ル、7……ヨーク、8……絶縁体、9……開口、10……
基板電極、11……絶縁体、12……基板押え、13……絶縁
体、14……シールド、15……開口、16……コイル容器、
17……基板コイル、18……排気手段、19……ガス導入手
段、20……スパッタ電源、21……高周波電源、22……直
流電源、23……ターゲットコイル電源、24……基板コイ
ル電源、25……基板、26……磁力線、27……プラズマ、
28……アノード。
1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing substrate inflow current data in the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a bias voltage and inflow current in the embodiment of the present invention. It is a figure which shows data. 1 ... vacuum container, 2 ... opening, 3 ... insulator, 4 ... sputtering electrode, 5 ... target, 6 ... target coil, 7 ... yoke, 8 ... insulator, 9 ... opening, Ten……
Substrate electrode, 11 ... Insulator, 12 ... Substrate retainer, 13 ... Insulator, 14 ... Shield, 15 ... Opening, 16 ... Coil container,
17 ... Substrate coil, 18 ... Exhaust means, 19 ... Gas introduction means, 20 ... Sputtering power source, 21 ... High frequency power source, 22 ... DC power source, 23 ... Target coil power source, 24 ... Substrate coil power source , 25 …… substrate, 26 …… magnetic field lines, 27 …… plasma,
28 …… Anode.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電圧が印加されたスパッタ電極に載置され
たターゲットと、該ターゲットと所定の間隔を隔てて対
面する試料基板との間に、カスプ磁界を形成することに
より高密度プラズマを発生させ、試料基板へスパッタす
るようになしたスパッタ方法において、前記基板表面に
−140Vより小さい負のバイアス電圧を印加し、基板表面
にイオンを入射させながら、ターゲットからはじき出さ
れたスパッタ材料を基板に付着させて成膜することを特
徴とするスパッタ方法。
1. A high-density plasma is generated by forming a cusp magnetic field between a target placed on a sputter electrode to which a voltage is applied and a sample substrate facing the target with a predetermined gap. Then, in the sputtering method adapted to sputter on the sample substrate, a negative bias voltage smaller than −140 V is applied to the substrate surface, and while the ions are incident on the substrate surface, the sputtering material ejected from the target is applied to the substrate. A sputtering method characterized by depositing and forming a film.
【請求項2】前記バイアス電圧を、−100V〜−40Vとな
したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のスパ
ッタ方法。
2. The sputtering method according to claim 1, wherein the bias voltage is −100V to −40V.
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