JPH0885871A - スパッタ法およびスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スパッタターゲットの消耗を均一化でき、ま
た、異常放電の発生を防止し得るスパッタ法を提供する
こと。 【構成】第１の磁界Ｈ１によりスパッタターゲット４の
周囲にプラズマ化されたスパッタガスを集中させ、この
プラズマ化されたスパッタガス中の正イオンとスパッタ
ターゲット４とを衝突させ、被処理基体２上に膜を形成
する際に、第１の磁界Ｈ１に第２の磁界Ｈ２に与え、第
１の磁界Ｈ１と第２の磁界Ｈ２との合成磁界により、プ
ラズマ化されたスパッタガス中の２次電子のサイクロイ
ド運動の軌跡を渦巻状にすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタ法およびスパ
ッタ装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュ−タ−や通信機器の重要
部分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達
成するようにむすびつけ、１チップ上に集積化して形成
した大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。この
ため、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結
び付いている。ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高め
ること、つまり、素子の微細化により実現できる。

【０００３】素子の微細化には種々の技術が要求される
が、その一つとして半導体や金属や絶縁膜などの各種膜
を薄く形成するという薄膜技術がある。薄膜形成方法と
しては、ＣＶＤ法やスパッタ法や電子ビーム蒸着法など
の成膜方法が広く用いられている。

【０００４】スパッタ法は、ＣＶＤ法に比べて操作性が
容易で、また、電子ビーム蒸着法に比べて化合物薄膜の
形成に関しても優れている。スパッタ法のうちで最も一
般に用いられているのがマグネトロンスパッタ法であ
る。これはスパッタターゲット近傍のプラズマ密度を高
くでき、デポジションレートを高くできるからである。

【０００５】図７は、従来のマグネトロンスパッタ装置
の概略構成を示す模式図である。図中、８１は成膜室を
示しており、この成膜室８１にはスパッタガスを導入す
るためのガス導入口８９、また、成膜室８１内のガス等
を排気するための排気口９０が設けられている。

【０００６】成膜室８１の下部には、被処理基体８２が
載置され、アースされた支持台８３が設けられている。
一方、成膜室８１の上部には被処理基体８２と対向する
ようにスパッタターゲット８４が設けられている。

【０００７】このスパッタターゲット８４には負の電圧
が印加されるようになっている。これにより、電界方向
がスパッタターゲット８４の表面に対して垂直な電界が
形成されることになる。

【０００８】スパッタターゲット８４の中央部には永久
磁石８５が設けられ、また、スパッタターゲット８４の
端部には磁気ヨーク８６，８７が設けられ、これら磁気
ヨーク８６，８７および永久磁石８５はスパッタターゲ
ット８４と磁気ヨーク８８とにより挾持され、一体化さ
れている。

【０００９】これにより、磁界方向がスパッタターゲッ
ト８４の中心から外側に向かう磁界Ｈが形成されること
になる。すなわち、上記電界に垂直な磁界Ｈが形成さ
れ、直交電磁界が形成される。また、これら一体化され
たスパッタターゲット８４、永久磁石８５および磁気ヨ
ーク８６，８７，８８は図示しない手段により、成膜室
８１の上部に固定されている。

【００１０】このように構成されたマグネトロンスパッ
タ装置によれば、直交電磁界により、プラズマ中の二次
電子がサイクロイド運動し、スパッタターゲット８４の
近傍に捕らえられ、イオン化効率が高くなる。この結
果、スパッタターゲット８４の近傍に多くの正イオンが
形成され、スパッタ効率が高くなり、成膜速度が速ま
る。しかしながら、この種の従来のマグネトロンスパッ
タ装置には以下のような問題がある。

【００１１】すなわち、従来のマグネトロンスパッタ装
置では、電子のサイクロイド運動が円周方向に限定され
ることに伴い、正イオンの分布領域が幅の狭いドーナツ
状に限定されるため、スパッタターゲット８４には狭い
エロージョン領域が形成され、スパッタターゲット８４
の消耗が不均一になるという問題がある。

【００１２】また、スパッタターゲット８４として、合
金により形成されたスパッタターゲット（合金スパッタ
ターゲット）を用いた場合には以下のような問題があ
る。すなわち、合金スパッタターゲットの表面には、析
出物が存在することがあるので、従来の正イオンの分布
領域がドーナツ状に限定されたマグネトロンスパッタ装
置では、上記析出物が正イオンの分布領域以外に存在す
ると、スパッタされずに残存することがあり、この残存
した析出物により異常放電が生じるという問題がある。

【００１３】また、合金スパッタターゲットとして、特
にシリサイドにより形成されたスパッタターゲット（シ
リサイドスパッタターゲット）を用いた場合には以下の
ような問題がある。

【００１４】すなわち、シリサイドなどの焼結体のスパ
ッタターゲット（焼結体スパッタターゲット）を用いる
と、その場合、結晶面によってスパッタレートが異なる
ので、焼結体スパッタターゲット表面に析出物（微粒
子、微小結晶）が残存し、異常放電が生じ易いという問
題がある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のマ
グネトロンスパッタ装置では、電子のサイクロイド運動
が円周方向に限定されることに伴い、正イオンの分布領
域が幅の狭いドーナツ状に限定されるため、スパッタタ
ーゲットの消耗が不均一になったり、スパッタされずに
残存した析出物等により異常放電が生じるという問題が
あった。

【００１６】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、スパッタターゲットの
消耗を均一化でき、また、異常放電の発生を防止し得る
スパッタ法およびスパッタ装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のスパッタ法（請求項１）は、第１の磁界
によりスパッタターゲットの周囲にプラズマを集中さ
せ、このプラズマ中の正イオンを前記スパッタターゲッ
トにを衝突させ、被処理基体上に膜を形成するスパッタ
法において、前記第１の磁界に第２の磁界与えることよ
り、前記プラズマ中の電子の前記スパッタターゲット上
の軌跡を、時間的に変化させることを特徴とする。

【００１８】また、本発明のスパッタ装置装置（請求項
２）は、被処理基体が収容される処理室と、前記処理室
内に設けられたスパッタターゲットと、前記処理室内に
スパッタガスを導入するガス導入手段と、前記スパッタ
ガスをプラズマ化するプラズマ化手段と、前記処理室内
に電場を形成し、前記プラズマ化したスパッタガスを前
記スパッタターゲットに衝突させる衝突手段と、前記電
場の方向に対して垂直な方向の第１の磁場を形成する第
１の磁場形成手段と、前記第１の磁場の方向を変化させ
る第２の磁場形成手段とを備えたことを特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明（請求項１）によれば、第１の磁界と第
２の磁界との合成磁界により、プラズマ化されたスパッ
タガス中の荷電粒子（特に２次電子）の軌跡が時間的に
変化するので、例えば、スパッタターゲット上における
電子のサイクロイド運度が渦巻状になるようにすれば、
従来よりも広い領域にわたって２次電子が存在するよう
になる。これに伴って正イオンの分布領域も渦巻状にな
り、正イオンの分布領域が広くなるので、エロージョン
領域が広まり、スパッタターゲットの消耗を均一化でき
るようになる。

【００２０】また、正イオンの分布領域が渦巻状になる
ことにより、正イオンの分布領域が円状の場合に比べ
て、スパッタターゲットは種々の方向からスパッタされ
るようになるので、スパッタターゲット表面に残存する
析出物の量を大幅に低減でき、異常放電を防止できるよ
うになる。

【００２１】また、本発明（請求項１〜３）によれば、
上記スパッタ法を実施できるスパッタ装置を実現できる
ようになる。特に、本発明（請求項２）に係るスパッタ
装置によれば、基本的には、従来のスパッタ装置に導体
棒を付加するだけで済むので、容易に上記スパッタ法を
実施できるようになる。

【００２２】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係るマグネトロン
スパッタ装置の概略構成を示す模式図である。

【００２３】図中、１は成膜室を示しており、この成膜
室１にはスパッタガスを導入するためのガス導入口９、
また、成膜室１内のガス等を外部に排気するための排気
口１０が設けられている。

【００２４】成膜室１の下部には、被処理基体２が載置
され、アースされた支持台３が設けられている。一方、
成膜室１の上部には被処理基体２と対向するようにスパ
ッタターゲット４が設けられている。

【００２５】このスパッタターゲット４には負の電圧が
印加されるようになっている。これにより、電界方向が
スパッタターゲット４の表面に対して垂直な電界が形成
されることになる。

【００２６】すなわち、支持台３とスパッタターゲット
４との間に形成される電界により、スパッタガスがプラ
ズマ化されるとともに、このプラズマ中の正イオンが負
電位のスパッタターゲット４に引き込まれて衝突し、被
処理基体２上に膜が形成される。

【００２７】スパッタターゲット４の中央部には永久磁
石５が設けられ、また、スパッタターゲット４の端部に
は磁気ヨーク６，７が設けられている。これら磁気ヨー
ク６，７および永久磁石５はスパッタターゲット４と磁
気ヨーク８とにより挾持され、一体化されている。

【００２８】これにより、磁界方向がスパッタターゲッ
ト４の中心から外側に向かう第１の磁界Ｈ１が形成され
ることになる。すなわち、上記電界に垂直な第１の磁界
Ｈ１が形成され、直交電磁界が形成される。なお、磁気
ヨーク６，７の代わりに永久磁石を用いても良い。

【００２９】さらに、本実施例の場合、従来存在しなか
った導体棒１１を備えており、この導体棒１１は永久磁
石５を貫通しており、その長手方向はスパッタターゲッ
ト４の表面に対して垂直な方向である。この導体棒１１
には大電流が流れるようになっている。

【００３０】これにより、導体棒１１の周囲には右ネジ
の法則に従って第２の磁界Ｈ２が形成されることにな
る。なお、導体棒１１のうちプラズマにさらされる部分
を絶縁物により被覆しても良い。また、導体棒１１とし
て、例えば、高温超電導体からなる導体棒や、冷水金属
パイプを用いれば、大電流を流すことが可能となる。

【００３１】上記スパッタターゲット４、永久磁石５、
磁気ヨーク６，７，８および導体棒１１は図示しない手
段により、成膜室１の上部に設けられている。図２
（ａ）は、導体棒１１に電流を流さないときの成膜室１
内の電子のサイクロイド運動の軌跡Ｓ、つまり、従来装
置の場合の電子のサイクロイド運動の軌跡を示す図で、
スパッタターゲット４の表面に対して垂直な方向から見
た場合のものである。図２（ａ）から円周方向のサイク
ロイド運動しか存在しないことが分かる。

【００３２】図２（ｂ）は、導体棒１１に電流を流した
ときの成膜室１内の電子のサイクロイド運動の軌跡Ｓを
示す図で、スパッタターゲット４の表面に対して垂直な
方向から見た場合のものである。図２（ｂ）から電子の
サイクロイド運動の軌跡Ｓは渦巻状のものとなることが
分かる。なお、図中、点線Ｈ１２は第１の磁界Ｈ１と第
２の磁界Ｈ２との合成磁界を示している。

【００３３】図３は、電子のサイクロイド運動の第２の
磁界Ｈ２の依存性を示す図である。図３（ａ）は第２の
磁界Ｈ２がゼロの場合、図３（ｂ）は第２の磁界Ｈ２が
０．１（任意単位）の場合、図３（ｃ）は第２の磁界Ｈ
２が０．５（任意単位）の場合、図３（ｄ）は第２の磁
界Ｈ２が１．０（任意単位）の場合、図３（ｅ）は第２
の磁界Ｈ２が３．０（任意単位）の場合の電子のサイク
ロイド運動の軌跡Ｓを示している。

【００３４】すなわち、図３から第２の磁界Ｈ２が存在
すると、第１の磁界Ｈ１と第２の磁界Ｈ２との合成磁界
Ｈ１２により、電子のサイクロイド運動は、スパッタタ
ーゲットの中心から内側から外側に向かう渦巻状のもの
となる。そして、第２の磁界Ｈ２の割合が高いほどスパ
ッタターゲット上での電子の滞在時間が長くなる。な
お、導電棒１１に流れる電流の向きが逆なると、電子の
サイクロイド運動は、スパッタターゲットの外側から中
心に向かう渦巻状のものとなる。

【００３５】したがって、スパッタターゲット上での電
子の滞在時間が長くなることにより、換言すれば、電子
のサイクロイド運動の軌跡の距離が長くなり、２次電子
によるイオン化効率（正イオンの発生効率）が高くな
り、これによりスパッタ効率が高くなり、そして、成膜
速度が速くなる。

【００３６】また、合金スパッタターゲットや焼結体ス
パッタターゲット等のスパッタターゲットを用いても、
本実施例の場合、２次電子のサイクロイド運動が渦巻状
になることに伴い、正イオンの分布領域も渦巻状のもの
となるので、正イオンの分布領域が円状の場合に比べ
て、スパッタターゲットは種々の方向からスパッタされ
るようになるので、合金スパッタターゲットや焼結体ス
パッタターゲット等のスパッタターゲット表面の析出物
（微粒子）等を効果的に除去でき、よって異常放電の発
生を防止できるようになる。

【００３７】また、第１の磁界Ｈ１だけの場合、磁力線
の始端であるスパッタターゲットの中央部と磁力線の終
端であるスパッタターゲットの端部の磁力線の方向は電
界のそれと平行になる。したがって、サイクロイド運動
による２次電子のトラップがなくなるので、プラズマは
持続しない。

【００３８】しかし、本実施例の場合、プラズマが発生
しやすいところで発生した２次電子が、合成磁界Ｈ１２
により、渦巻状にサイクロイド運動しながら、プラズマ
が発生しにくいところ（スパッタターゲットの中央部、
端部）まで移動するので、従来よりもプラズマが維持で
きる領域（放電維持領域）が広くなり、エロージョン領
域が拡大し、スパッタターゲットの消耗が均一化され
る。

【００３９】図４は、本発明の第２の実施例に係るマグ
ネトロンスパッタ装置の要部を示す模式図である。本実
施例のマグネトロンスパッタ装置が第１の実施例のそれ
と異なる点は、導体棒が、スパッタターゲット４の表面
に対して垂直な第１の導体棒１１₁ と、スパッタターゲ
ット４の表面に平行に放射状に配置された第２の導体棒
１１₂ とから構成されていることにある。

【００４０】すなわち、第２の磁場Ｈ２を生じさせる電
流ｉが、スパッタターゲット４を貫通するのではなく、
電流ｉがスパッタターゲット４の中心から外側に向かっ
て放射状に流れるようになっている。本実施例でも先の
実施例と同様な効果が得られる。

【００４１】図５は、本発明の第３の実施例に係るマグ
ネトロンスパッタ装置の要部を示す模式図である。本実
施例のマグネトロンスパッタ装置が第１の実施例のそれ
と異なる点は、スパッタターゲット４の東西南北にソレ
ノイド２１〜２４を設けたことにある。ソレノイド２１
〜２４に適切な電流を流すことにより、所望の向きの第
２の磁界Ｈ２を形成できる。

【００４２】例えば、回転する第２の磁界Ｈ２を発生さ
せるには、ソレノイド２１に第１の正弦波の電流を与
え、ソレノイド２２には第１の正弦波の電流に対して位
相が９０度ずれた第２の正弦波の電流を与える。

【００４３】図６は、回転する第２の磁界Ｈ２を形成前
後の電子のサイクロイド運動の軌跡を示す図である。第
１の実施例の場合と同様に、サイクロイド運動の軌跡が
時間的に変化することが分かる。

【００４４】このように時間的に第２の磁界Ｈ２の方向
を変化させ、時間的に電子のサイクロイド運動の軌跡を
変化させることにより、ターゲット４の消耗を容易に均
一化できるようになる。また、本実施例では第２の磁界
Ｈ２の方向だけを時間的に変えたが、第２の磁界Ｈ２の
大きさも同時に変えても良いし、あるいは大きさだけを
変えても良い。

【００４５】次に本発明の第４の実施例に係るマグネト
ロンスパッタ法について説明する。本実施例の方法で
は、図４の第２の実施例のマグネトロンスパッタ装置を
使用する。

【００４６】スパッタターゲット４としてはＡｌ−１％
Ｓｉ製のものを用いる。また、スパッタターゲット４の
直径は例えば２０ｃｍとし、放射状に流れる前の電流ｉ
は２０〜３０Ａ程度する。この条件では、図３におい
て、サイクロイド運動の軌跡はＨ２＝０．１よりも緩や
かな渦巻状のものとなる。すなわち、電子はサイクロイ
ド運動しながら、非常に多数回スパッタターゲット４上
で回転した後に、スパッタターゲット４の外に抜けるこ
とになる。

【００４７】上記条件でスパッタターゲット４をプリス
パッタする。すなわち、スパッタターゲット４が空気に
さらされたことにより、スパッタターゲット４の表面に
形成された酸化物等をスパッタ除去する。

【００４８】本実施例の方法によれば、従来よりも少な
い時間（１／２）で、所定の電流特性が得られる。つま
り、短時間で酸化物を除去できる。一方、従来のプリス
パッタでは、酸化物がほとんど除去された後、一部の残
った酸化物を除去するために、過剰にスパッタを行な
う。つまり、プリスパッタの時間は本実施例に比べて長
くなる。このため、従来のプリスパッタでは、スパッタ
ターゲット表面が荒れしまうという問題がある。

【００４９】なお、Ａｌ・Ｓｉ製のスパッタターゲット
４の場合、Ｓｉの割合が高いほど、析出物が発生する可
能性が高いので、本実施例の効果は特にＳｉの割合が高
いＡｌ・Ｓｉ製のスパッタターゲット４を用いた場合に
顕著になる。また、本実施例のプリスパッタ後に、本来
のスパッタを行なったところ、スパッタターゲット電圧
が低くても、安定にスパッタが進行することを確認し
た。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、プ
ラズマ中の荷電粒子のスパッタターゲット上の軌跡を時
間的に変化させることにより、スパッタターゲットの消
耗の不均一化や、異常放電の発生を防止できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るマグネトロンスパ
ッタ装置の概略構成を示す模式図

【図２】第２の磁界の有無によるサイクロイド運動の軌
跡に違いを説明するための図

【図３】サイクロイド運動の第２の磁界Ｈ２の依存性を
示す図

【図４】本発明の第２の実施例に係るマグネトロンスパ
ッタ装置の要部を示す模式図

【図５】本発明の第３の実施例に係るマグネトロンスパ
ッタ装置の要部を示す模式図

【図６】回転する第２の磁界の形成前後の電子のサイク
ロイド運動の軌跡を示す図

【図７】従来のマグネトロンスパッタ装置の要部を示す
模式図

【符号の説明】

１…成膜室（処理室） ２…被処理基体 ３…支持台（プラズマ化手段、衝突手段） ４…スパッタターゲット（プラズマ化手段、衝突手段） ５…永久磁石 ６…磁気ヨーク（第１の磁場形成手段） ７…磁気ヨーク（第１の磁場形成手段） ８…磁気ヨーク（第１の磁場形成手段） ９…ガス導入口（ガス導入手段） １０…排気口 １１…導体棒（第２の磁場形成手段） ２１…ソレノイド ２２…ソレノイド ２３…ソレノイド ２４…ソレノイド Ｓ…２次電子のサイクロイド運動の軌跡 Ｈ１…第１の磁界 Ｈ２…第２の磁界 Ｈ１２…合成磁界

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の磁界によりスパッタターゲットの周
   囲にプラズマを集中させ、このプラズマ中の正イオンを
   前記スパッタターゲットに衝突させ、被処理基体上に膜
   を形成するスパッタ法において、 前記第１の磁界に第２の磁界に与えることにより、前記
   プラズマ中の荷電粒子の前記スパッタターゲット上の軌
   跡を、時間的に変化させることを特徴とするスパッタ
   法。
2. 【請求項２】被処理基体が収容される処理室と、 前記処理室内に設けられたスパッタターゲットと、 前記処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段
   と、 前記スパッタガスをプラズマ化するプラズマ化手段と、 前記処理室内に電場を形成し、前記プラズマ化したスパ
   ッタガス中の荷電粒子を前記スパッタターゲットに衝突
   させる衝突手段と、 前記電場の方向に対して垂直な方向の第１の磁場を形成
   する第１の磁場形成手段と、 前記第１の磁場の方向を変化させる第２の磁場形成手段
   とを具備してなることを特徴とするスパッタ装置装置。
3. 【請求項３】前記第２の磁場形成手段は、前記スパッタ
   ターゲットを貫通し、長手方向が前記第１の磁場の方向
   に対して垂直な導体棒であることを特徴とする請求項２
   に記載のスパッタ装置。
4. 【請求項４】前記第２の磁場形成手段は、前記スパッタ
   ターゲットの周囲に、相対向する２つのソレノイドを２
   組直交配置してなることを特徴とする請求項２に記載の
   スパッタ装置。