JPH0791640B2 - マグネトロン方式のバイアススパツタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマグネトロン方式のバイアススパッタ装置に係
り、とくにVLSIの多層配線膜形成に好適なマグネトロン
方式のバイアススパッタ装置に関する。

〔従来の技術〕

1MDRAMを初めとするVLSIの製造には多層配線形成技術が
必須である。またICの集積度が増すのに伴なって下部配
線と上部配線とを接続する孔（一般にスルーホール，コ
ンタクトホール，ビアホールなどと呼ばれる）は微小で
かつほぼ垂直な側壁を有するものとなってきている。こ
のような微細穴への膜形成法としては、被膜基板にバイ
アス電圧を印加し、電離気体中のイオンによって基板表
面をスパッタリングしながら同時に膜形成を行なういわ
ゆるバイアススパッタリング法が提案されている。たと
えば、ジャーナルオブエレクトロケミカルソサイエテ
ィ，ソリッドステートテクノロジー，（1985年６月）第
1466頁乃至第1472頁〔J.Electrochem.Soc.SOLID−STATE
S SCIENCE AND TECHNOLOGY（Jun.1985）PP1466乃至147
2〕に論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記の従来技術では、Al系金属配線膜の形成に用いる場
合、イオンエネルギが充分に高いとバイアススパッタに
よる微細穴への埋め込みは可能となるが、膜中にイオン
化ガス（一般にはアルゴンイオン）を取り込み膜形成後
の後処理においてこの取り込まれたイオン化ガスが膜内
で集合したり、膜外に放出されるため、膜フクレ，ハガ
レおよびボイドなどの問題が発生している。これらの問
題は、入射するイオンのエネルギが大きいため、膜中深
く侵入するものと思われる。この点については、たとえ
ばセミコンニュース（1986年５月）第34頁乃至第39頁；
マーコム・インターナショナル社刊では、基板バイアス
電圧が100Vを越えるあたりからAl膜中にボイドが発生す
ることを指摘している。

そこで、従来、前記イオンのエネルギを低く抑制するた
め基板を載置している電極への高周波電力を少なくした
りあるいはターゲット側に印加する電力を増加させ、タ
ーゲット側で発生する高密度プラズマを利用するなどの
方法が実施されている。

しかるに、基板電極への高周波電力を少なくする方法で
は、流入するイオン量が少なくなってバイアススパッタ
を行なわせるのに必要なイオン量を得ることができなく
なる。

またターゲット側に印加する電力を増加させる方法で
は、ターゲットから放出される成膜粒子の方が基板に入
射するイオン量よりもその増加率が大きくなるため、相
対的にイオン量が減少して結局効果的なバイアススパッ
タを行なうことができない。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、基板
に高速でかつ均一な膜厚のバイアススパッタ膜を形成可
能とするマグネトロン方式バイアススパッタ装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の目的は、成膜材料からなるターゲットと、該ター
ゲット用の電源と、ターゲットの背面側に配置されたタ
ーゲット側磁場発生手段と、ターゲットの表面と間隔を
おいて対向配置された被膜形成基板と、該基板を支持す
る基板ホルダと、基板ホルダに電力を供給する電源と、
基板ホルダの外周位置に配置された基板側磁場発生手段
とを有するバイアススパッタ装置において、前記ターゲ
ット側磁場発生手段は、ターゲットの背面側において、
該ターゲットの軸線上に配置された第１磁極体と、該第
１磁極体の周囲に同心上に配置された互いに径の異なる
第２及び第３磁極体と、第１磁極体及び第２磁極間に配
置された第１コイルと、第２磁極体及び第３磁極体間に
配置された第２コイルとを同一平面上に有し、前記基板
側磁場発生手段は、基板ホルダの外周位置に該基板ホル
ダと同軸上に配置された第３コイルと、該第３コイルの
外周を取り囲む第４磁極体とを有し、ターゲット及び被
膜形成基板間において、ターゲット面上には磁力線がタ
ーゲットから一旦出て該ターゲットに入射するトンネル
状の磁界を形成する一方、被膜形成基板上には、その外
周部分に磁力線がほぼ平行に、かつその中心部に磁力線
がほぼ垂直になるラッパ状の磁界を形成すると共に、そ
の中心部より外周部分での磁場強度が強くなるように構
成したことによって達成される。

〔作 用〕

本発明においては、被膜形成基板側に形成した大むね該
被膜形成基板に平行な磁場により該被膜形成基板に入射
する電子の移動速度を低くする。

またイオンは電子よりも質量が大きい（アルゴンイオン
の場合約７万倍）ため、磁場の影響をほとんど受けな
い。

その結果、前記被膜形成基板への移動速度はイオンと電
子との差が等価的に少なくなってプラズマと該被膜形成
基板との間の電位差が小さくなるとともに、この電位差
により該被膜形成基板に入射するイオンエネルギも低く
なる。

前記被膜形成基板の中心部と外周部とでは、外周部の方
の磁場を強くし、磁力線が中心部から外周部に向く磁場
では該被膜形成基板上で発生したプラズマはラッパ状に
閉じ込められて高密度化される。この場合、磁力線の方
向は逆でもプラズマは閉じ込められ、高密度が得られ
る。

その結果、前記被膜形成基板に入射するイオン量を増加
することが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を示す第１図乃至第３図につい
て説明する。第１図は本発明の実施例であるバイアスス
パッタ装置の縦断面図、第２図は第１図に示す被膜形成
基板の裏面に設けたコイルへの通電電流と、該被膜形成
基板に発生する直流電位との関係を示す図、第３図
（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第２図に示すターゲット側コイ
ルの通電電流条件A,B,Cに対応する被膜形成基板上での
磁界分布を示す図である。

第１図に示す如く、被スパッタ材料からなる軸対称回転
形のターゲット１の裏面側にはターゲット用磁場発生手
段を設けている。該ターゲット用磁場発生手段は、ター
ゲット１の中心軸の延長線上に第１磁極体２を配置し、
この第１磁極体２の周囲同心上に環状をした２個の第２
磁極体３および第３磁極体４を配置し、これら３個の磁
極体2,3,4の後端部を直流または高周波電源５に接続す
る平板磁極体６にて磁気的に結合している。また前３個
の磁極体2,3,4間には、前記第１磁極体２と同心上に２
個の環状をしたコイル7,8を介挿するとともにその先端
部に前記ターゲット１を保持するパッキングプレート９
を結合している。さらに前記第３磁極体４はその外周に
固定されたフランジ部4aを絶縁スペーサ10を介して支持
体11に載置するとともに絶縁リング12を介して嵌挿する
ネジ13により前記支持体11に締着されている。この支持
体11はその下端面に下端部を内方に折り曲げてＬ形状に
形成されたアノード14を締着している。

なお前記パッキングプレート９は図示していないが、従
来のスパッタ電極と同様水冷されている。

前記ターゲット１の表面に対向して配置された被膜形成
基板15は基板ホルダ16に保持されている。この基板ホル
ダ16は直流または高周波電源５に接続し、その周囲には
前記ターゲット１と前記被膜形成基板15との間以外にプ
ラズマが発生するのを防止するためのアースシールド17
を設け、このアースシールド17の周囲には前記被膜形成
基板15上に軸対称形の磁場を形成するために基板側磁場
発生手段を設けている。該基板側磁場発生手段は、前記
基板ホルダ16の中心軸と同心状に配置された第３コイル
18と、この第３コイル18の外周面および下端面を覆って
前記基板ホルダ16の周囲に不必要な磁場が発生しないよ
うにするための磁性材料からなる第４磁極体19とを設け
ている。

本発明によるバイアススパッタ装置は、前記の如く構成
されているから、つぎにバイアススパッタ成膜方法につ
いて述べる。

ターゲット１の裏面にある２個のコイル7,8と第３コイ
ル18に適当な値の通電電流を印加すると、前記ターゲッ
ト１の表面には磁力線20aが一旦出て再び入る閉じたト
ンネル状の磁界を形成するので、前記ターゲット１に入
力された電力によって発生するプラズマは前記トンネル
状磁界の磁力線20aが該ターゲット１の表面に平行にな
る位置に高密度のプラズマが閉じ込められる。

したがって前記ターゲット１の表面にはドーナツ状の高
密度のプラズマ21が形成される。

このプラズマ21のドーナツ径は被膜形成基板15の面上で
の膜厚分布が均一になるように前記ターゲット１と前記
被膜形成基板15との間隔との関連において決定される。
つまり所定のプラズマ21の径が得られるように磁場を形
成する。

ついで前記被膜形成基板15の表面上での磁界は、該被膜
形成基板15の中心では前記ターゲット１側のコイル7,8
によって形成される磁場の影響を受け、第１図に示す如
く、互いに逆方向の磁界が発生するように各コイル7,8
への印加電流の方向を決めると、互いに反発して弱い磁
場が形成される。

一方、このとき、被膜形成基板15の外周部では、磁界の
方向が一致するので、強い磁界が形成され、これによっ
て該被膜形成基板15の表面上には、ラッパ状の磁界20b
が形成される。

したがって、基板ホルダ16に高周波電力を加えることに
よって発生したプラズマは、前記ターゲット１と前記被
膜形成基板15との間の空間にとじ込められ、該ターゲッ
ト１のドーナツ状のプラズマ21よりも低密度ではある
が、一般の高周波グロー放電プラズマよりも高密度のプ
ラズマ22を得ることが可能となる。

また、前記被膜形成基板15の表面上のラッパ状の磁界20
bのうち、該被膜形成基板15の表面に対して平行な磁場
成分は、電子が該被膜形成基板15に流れ込む速度を低下
させる。

一方イオンは電子に比べて質量が大きいため、磁場の影
響を受けにくいので、前記被膜形成基板15の表面のプラ
ズマ22に対する電流電位差V_DCは、該被膜形成基板15の
表面に垂直な磁場成分のみの場合に比較して小さくな
る。

すなわち、第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）はターゲット１側
コイル７と被膜形成基板15側のコイル18への通電電流の
値を３種類に制御した場合の被膜形成基板15の表面上の
磁場分布を示し（コイル７への通電電流は6A一定、コイ
ル８の通電電流は０〜5Aと制御）、第２図は第３図
（ａ）（ｂ）（ｃ）の場合における被膜形成基板15とプ
ラズマとの直流電位差を示すものであるが、第３図
（ｂ）に示すように被膜形成基板15の外周部において、
該被膜形成基板15の表面に平行に磁力線20が作用してラ
ッパ状の磁界を構成するようにすれば、直流電位を最低
にすることが可能である。

これに対して第３図（ｃ）に示す場合には、磁力密度分
布が被膜形成基板15の表面に対して水平に作用する成分
が少ないので、被膜形成基板15に流れ込む電子量が増加
するため、膜形成基板15のプラズマに対する直流電位差
が大きくなる。

たとえば、従来、直流電位V_DEを200V以下にするために
は、投入電力を200W以下にする必要があったが、第３図
（ｂ）の場合には、300Wまで投入することが可能にな
り、その結果、直流電位V_DCを低く保持したまま被膜形
成基板15への投入電力を増加してプラズマ密度を上げる
ことが可能になるので、被膜形成基板15への入射イオン
量を増加することができる。

また高周波電力および磁界の強さを変えることによって
被膜形成基板15への入射イオン量を制御することができ
る。

つぎに本実施例において、ターゲット１側に２個のコイ
ル7,8を設けた理由について述べる。

すなわち前記第２図および第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示すように直流電位を最低にするには被膜形成基板15の
外周部において、被膜形成基板15の表面に対して垂直に
作用する磁束分布成分をほぼ０にする必要があることは
既に述べたとおりである。

ところがこのとき、ターゲット１の表面上でのトンネル
状磁界がこれによって形成されるドーナツ状プラズマ21
の径が必ずしも被膜形成基板15の表面上での膜厚分布を
均一にする大きさになっていない場合がある。このよう
な場合、たとえばターゲット１側に１個のコイル７もし
くは８を設けるかあるいは磁場を可変することができな
い永久磁石を設けたときには、ターゲット１の表面上に
形成するドーナツ状磁場と、被膜形成基板15上に形成す
るラッパ状磁場とを別個に制御することができない。

したがって本実施例のようにターゲット１側に２個のコ
イル7,8を設け、被膜形成基板15側に１個のコイル18を
設けることはバイアススパッタ装置においてはそれなり
の理由を有するのである。勿論前記コイル7,8,18の個数
を増すことは差支えないことは云う迄もないところであ
る。

また第４図に示す本発明の他の一実施例であるバイアス
スパッタ装置のように、ターゲット側磁場発生手段とし
て、前述した第１図に示す実施例の第１磁極体２と第２
磁極体３とコイル７とを永久磁石７′で構成しても、第
１図に示す実施例と同様の作用効果を得ることができ
る。

以上述べたる如く、本発明によるバイアススパッタ装置
においては、被膜形成基板に入射するイオンのエネルギ
を低く保持しながらイオン量を多くとることができ、こ
のイオンにより被膜形成基板の表面に形成された膜材料
の再放出および表面移動を促進することができるので、
従来では埋め込みができなかった微細穴にも十分な厚さ
の膜を形成することができる。

またイオンエネルギが低いので、Al系の膜などで問題と
なっていたボイドおよびフクレなどの問題が発生しない
状態で微細穴部および側壁部に必要な膜厚の膜を形成す
ることができる。

とくにAl系の膜の場合には、成膜時に熱を加えるとさら
に穴部の埋め込み性がよくなるので、基板ホルダ内部に
ヒータを設けたり、基板ホルダと被膜形成基板との間に
ガスを供給して基板ホルダと被膜形成基板との間の熱伝
達率を向上させたりして被膜形成基板を所定の温度に制
御することが望ましい。

さらに前記のように低イオンエネルギでかつ高イオン量
を得ることができるので、従来よりも高速でバイアスス
パッタ成膜をすることができる。

すなわち、従来は、イオンエネルギを低く保持するため
に被膜形成基板への投入電力が制限され、被膜形成基板
でのスパッタエッチング速度が低くなる問題があった。

バイアススパッタ成膜では、ターゲットから飛んでくる
成膜粒子量と被膜形成基板でのスパッタエッチング速度
とを上手に対応させないと、微細穴の底部および側壁部
での膜の被覆率が低下することになる。

すなわち低いエッチング速度に合わせてターゲットから
飛んでくる成膜粒子量を少なくする必要があり、その結
果、バイアススパッタ成膜時の成膜速度が低下する問題
があった。

本発明においてはこの点についても解決することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被膜基板面上に基板とプラズマ間の電
位差を低く抑えたまま高密度のプラズマを形成できるの
で、基板に入射するイオンエネルギを低く保ちながら、
そのイオン量を増すことができ、その結果、高速でバイ
アススパッタ成膜が可能となる。

またAl系の材料を形成する場合、低イオンエネルギでバ
イアススパッタ成膜ができるので、ボイドやフクレの無
い膜を形成できる。

さらにバイアススパッタ成膜において、基板面でのスパ
ッタエッチング分布と基板面にターゲットから飛んでく
る成膜粒子の流入分布とをそれぞれ独立に制御できるの
で、基板面内で膜厚の均一な膜が形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるバイアススパッタ装置
の縦断面図、第２図は第１図に示す被膜形成基板の裏面
に設けたコイルへの通電電流と、該被膜形成基板に発生
する直流電位との関係を示す図、第３図（ａ）（ｂ）
（ｃ）は、それぞれ、第２図に示すターゲット側コイル
の通電電流条件A,B,Cに対応する被膜形成基板上での磁
界分布を示す図、第４図は本発明の他の一実施例である
バイアススパッタ装置の縦断面図である。 １……ターゲット、２……第１磁極体、３……第２磁極
体、４……第３磁極体、５……直流または高周波電源、
６……平板磁極体、７……第１コイル、８……第２コイ
ル、９……パッキングプレート、15……被膜形成基板、
16……基板ホルダ、17……アースシールド、18……第３
コイル、19……第４磁極体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成膜材料からなるターゲットと、該ターゲ
   ット用の電源と、ターゲットの背面側に配置されたター
   ゲット側磁場発生手段と、ターゲットの表面と間隔をお
   いて対向配置された被膜形成基板と、該基板を支持する
   基板ホルダと、基板ホルダに電力を供給する電源と、基
   板ホルダの外周位置に配置された基板側磁場発生手段と
   を有するマグネトロン方式のバイアススパッタ装置にお
   いて、前記ターゲット側磁場発生手段は、ターゲットの
   背面側において、該ターゲットの軸線上に配置された第
   １磁極体と、該第１磁極体の周囲に同心上に配置された
   互いに径の異なる第２及び第３磁極体と、第１磁極体及
   び第２磁極間に配置された第１コイルと、第２磁極体及
   び第３磁極体間に配置された第２コイルとを同一平面上
   に有し、前記基板側磁場発生手段は、基板ホルダの外周
   位置に該基板ホルダと同軸上に配置された第３コイル
   と、該第３コイルの外周を取り囲む第４磁極体とを有
   し、ターゲット及び被膜形成基板間において、ターゲッ
   ト面上には磁力線がターゲットから一旦出て該ターゲッ
   トに入射するトンネル状の磁界を形成する一方、被膜形
   成基板上には、その外周部分に磁力線がほぼ平行に、か
   つその中心部に磁力線がほぼ垂直になるラッパ状の磁界
   を形成すると共に、その中心部より外周部分での磁場強
   度が強くなるように構成したことを特徴とするマグネト
   ロン方式のバイアススパッタ装置。
2. 【請求項２】前記ターゲット側磁場発生手段における第
   １磁極体と、第２磁極体と、第１コイルとを一個の永久
   磁石で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のマグネトロン方式のバイアススパッタ装置。