JPH09241842A - スパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アスペクト比の高い孔内を、十分良好な埋込特
性で埋め込み、接続孔部における信頼性を向上させる。 【解決手段】最稠密原子配列方向がほぼ揃ったターゲッ
トを用い、ターゲットの全面から均一に原子を射出する
ようにして基板上のどの位置でも垂直入射成分の多い原
子束が基板表面上に到達して堆積されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパッタリング方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化に対応するため、
多層配線が多く用いられている。多層配線では、上層と
下層の配線を接続するための接続孔や、半導体基板内に
形成された能動部分の電極との接続孔は、集積度の増加
とともに直径が小さくなって、アスペクト比（深さ／径
の比）が高くなっている。

【０００３】現在の代表的な金属膜形成法であるスパッ
タリング法では、このようにアスペクト比の高い接続孔
に、十分な被覆率を有する膜を形成することが困難であ
り、下記のように、いくつかの新しい方法もしくは従来
法を改良した方法が提案され、その一部は適用され始め
ている。

【０００４】 ＣＶＤ法によってブランケットＷもし
くはＡｌ膜を形成する。

【０００５】 選択ＣＶＤ法によってＷもしくはＡｌ
からなるプラグ電極配線を形成する。

【０００６】 バイアスもしくは高温スパッタリング
法を用い、Ａｌ合金で凹部を埋め込む。

【０００７】 膜形成後の高温処理により、Ａｌ合金
によって凹部を埋め込む。

【０００８】 スリットを用いるか、ターゲット基板
間の距離を大きくしてスパッタリング粒子の指向性を高
める。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしこれらの方法
は、実用上十分ではなく、下記のようにそれぞれ、問題
がある。

【００１０】の方法では接着層が必要で、得られたＷ
膜の抵抗が大きく、表面の凹凸も大きい。

【００１１】の方法では選択的堆積の条件範囲が狭
く、プロセスマージンが小さい。下地材料も限られる。

【００１２】の方法ではバイアスの制御が困難で、膜
質が劣化しやすく、しかも埋込特性も低い。

【００１３】の方法では埋込特性が低い。

【００１４】の方法では成膜速度が著しく低下す
る。

【００１５】すなわち、上記方法は、埋込特性（ア
スペクト比の高い孔をどれだけ埋め込めるか）は相対的
に良いが、プロセスの制御性が不良である。方法は
プロセスそのものは比較的簡単であるが、埋込特性が低
く、一長一短である。方法はプロセス制御性は良く、
埋込特性も比較的良好であるが、上記のように、成膜速
度が著しく低下するため、処理能力が不十分である。

【００１６】本発明の目的は、上記方法の内、特に方法
について、その問題を解決し、プロセスが簡単で制御
性が良く、かつ高アスペクト比の孔を良好に埋め込むこ
との出来るスパッタリング法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はターゲットからスパッタされて射出される
原子の量は、ターゲットの結晶格子の特定の方向に多い
という性質を利用する。

【００１８】すなわち、ターゲットの方向を、原子が最
も射出されやすい原子の最稠密方向にする、および、基
板に入射する原子が、ほぼ、この最稠密方向に射出され
た原子のみになるように、ターゲットと基板の配置を規
定し、必要に応じて、遮蔽物等を設けるものである。こ
のようにすると、ターゲット表面の場所によるスパッタ
量の差があると、それを反映して基板に堆積形成される
膜の厚さが不均一になる。これを防ぐため磁場を変化さ
せることで、ターゲット表面のスパッタリング状態（エ
ロージョン領域）を変化させ、時間平均として十分広い
領域から実質的に均一なスパッタリングを起こるように
する。このようにすれば基板に形成される膜の厚さも均
一にすることができる。

【００１９】原子のスパッタリングのされ方（射出方
向）については次のように説明できる。金属結晶からス
パッタされて射出する原子の量は、結晶格子の特定の方
向に多いことが、ジャーナル オブ アプライド フィ
ジックス第26巻(1955年)第1056頁（Journal of Appli
ed Physics, Volume 26(1955), pp.1056)に示されて
おり、それが、結晶内のフォーカシング コリジョン(F
ocusing Collision）に起因していることがジャーナル
オブ アプライド フィジックス第31巻（1960年)第2
305頁に示されている。

【００２０】すなわち、Ａｌ合金など、面心立方格子の
結晶では、〈１１０〉方向に最も多く原子が射出され、
次に〈１００〉方向が多い。また、Ｗなど、体心立方格
子の結晶では、〈１１１〉方向に最も多く射出され、次
に〈１００〉方向が多い。

【００２１】従って、ターゲット材料が面心立方結晶の
場合は〈１１０〉、体心立方結晶の場合は〈１１１〉方
向を、その上に薄膜を形成すべき基板面に、それぞれほ
ぼ垂直にして、これらの方向に射出された原子が基板に
垂直に入射するようにすれば、基板に入射される原子の
量は最大になり、成膜速度は非常に大きくなる。しか
も、基板の表面にほぼ垂直に入射されるので、アスペク
ト比の高い溝内も、良好に埋め込まれる。

【００２２】さらに、ターゲット結晶の〈１００〉方向
や、面心立方結晶の場合は等価な〈１１０〉、体心立方
結晶の場合は等価な〈１１１〉方向など、他の最稠密配
列方向に射出された原子が、基板に入射しないようにす
る。ターゲットの方向を、ターゲット内原子の最稠密方
向に揃えておけば、スパッタされて射出する原子の方向
が揃うため、遮蔽物等を設けても、成膜速度をあまり減
少することなしに膜を形成できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

〈実施例１〉図１は本実施例に用いた薄膜形成装置の説
明図である。図１において、真空ポンプ系３２によって
排気される真空槽３１の中には、スパッタカソード１１
および基板ホルダ２１が対向して配置され、基板２２が
基板ホルダ２１上に保持されている。カソード１１へ
は、真空槽外に配置された電源１３から、スパッタを行
うためのエネルギーが供給される。また、スパッタ中の
雰囲気ガスを制御するため、マスフローガス導入系３３
を備えている。ここでスパッタされた金属は、カソード
１１上に固定されたターゲット１２から射出され、基板
２２上に堆積する。

【００２４】ターゲット１２は図２に示す構造のものを
用いた。このターゲットはアルミニウム（Ａｌ）の多結
晶であり、数μｍ〜数十μｍの結晶粒の集合体である。
従来はこの結晶粒の向きを揃えず、全ての方向を向いた
結晶粒が平均的に存在するように作られてきた。本発明
ではターゲットの結晶粒の向きを、図２の拡大図部分に
示すように揃えている。すなわち、同図（ａ）に示すよ
うに、ターゲット表面に沿った方向については全くラン
ダムで一様であるが、同図（ｂ）に示すようにターゲッ
ト表面に垂直な方向には、大部分の粒子についてＡｌの
稠密方向である〈１１０〉が角度数度以内に揃えてあ
る。

【００２５】図３と図４は上述のターゲットを備えたカ
ソード１１とその近傍について２種類の構造を示してい
る。図３では高密度のプラズマを維持するためのマグネ
ット１４をターゲット表面に垂直な軸の回りに自公転さ
せプラズマ１５を移動させてターゲット全面からスパッ
タリングが起こるようにしている。通常の自公転方式で
はターゲット全体から均一なスパッタリングとはなら
ず、粒子量のばらつきがある。これを補正するために遮
蔽物４１を設け、基板位置でのばらつきを修正する。通
常のターゲットを使う場合には射出粒子の方向が広い角
度範囲に広がっているため遮蔽物を設けなくても基板上
では平均化されて均一な厚さの膜が形成される。

【００２６】遮蔽物４１の代わりになんらかの方法で磁
場の強さを変化させても良い。図４はその方法の一例を
示している。即ち、マグネットの自転軸を傾斜させてタ
ーゲット中心部ではマグネットがターゲットから離れる
ようにすれば中心部でのプラズマ１５の密度が下がり、
これに対応してスパッタ速度も低下するため、ターゲッ
ト内の位置による“むら”を減らすことができる。ここ
に示す以外にも、ターゲット裏面に厚さを変えた金属を
挾みこむことにより同様の効果を得ることもできる。

【００２７】次にこのように構成した装置を用いてスパ
ッタリングした結果を示す。図５は基板（ウエハ）上に
形成したＡｌ膜の膜厚分布、図６はターゲットから射出
した原子の（遮蔽物がある場合は遮蔽物を通過後の）射
出方向分布である。比較のために次の表１に示すよう
に、従来の方法でもスパッタリングを行った。

【００２８】

【表１】

【００２９】結果を図５及び図６に示す。図中の（ａ）
〜（ｄ）が表１の記号と対応する。（ａ）の従来法で
も、基板への入射粒子の方向をできるだけ垂直近くに揃
えるため、ターゲットと基板との距離を離している。こ
れによりターゲットと基板とが近い場合に比べて、基板
に到着する原子の数が減少している。

【００３０】本発明の実施例である（ｂ）〜（ｄ）では
これが大幅に改善されている。即ち、図５に示すように
形成される膜厚は、数倍程度に改善される（改善効果は
装置によって異なる）。ただ、（ｂ）のように膜厚の
“むら”が大きく現われるため（従来３％程度であった
ものが１５％程度になった）、通常は何らかの膜厚修正
機構が必要になる。（ｃ）（ｄ）はこれを施したもの
で、多少、膜厚を犠牲にしてばらつきを抑制している。

【００３１】粒子の角度分布も図６に示すようによく揃
っており、高アスペクト比の孔や溝を埋め込むのに好都
合であった。

【００３２】隣接する最稠密方向からの粒子が基板に浅
い角度で入射するのを防ぐため、図１におけるターゲッ
トと基板の配置関係を考慮した。簡単に述べれば、角度
Θ（角ＰＯＱ）を隣合う最稠密方向間の角度より大きく
すれば良く、今の場合４５度以上になるように配置し
た。４５度は〈１１０〉と〈１００〉とのなす最小角度
である。なお、ターゲットと基板間で粒子がガス原子と
衝突して方向が代わるのをできるだけ防ぐため１ｍTorr
以下の圧力でスパッタリングを行っている。

【００３３】本実施例では、面心立方構造の金属につい
て、Ａｌを用いたが、Ａｌ−Ｓｉ合金はもちろん、Ａｌ
−Ｃｕ（−Ｓｉ）合金、さらにＣｕやＣｕを主成分とす
る合金でも、面心立方構造もしくはこれに近い構造にな
るものは、ほぼ同程度の埋込特性を得ることができた。
また、ＷやＴｉに代表される体心立方構造の金属合金に
ついてもほぼ同程度の埋込特性を得ることができた。

【００３４】なお、ターゲット全面でなく、ターゲット
の一部から原子をスパッタする場合は、スパッタすべき
部分のみが、上記のように配置されていれば良い。

【００３５】〈実施例２〉図７は本実施例に用いたカソ
ードの説明図である。ある瞬間のターゲット１２表面の
プラズマもしくはエロージョン（スパッタされる領域）
１６を示している。エロージョン１６は今の場合ターゲ
ット中心Ｏ′を中心として回転し、ターゲットの全域か
らのスパッタを行う。エロージョン領域の回転は当然の
ことながらターゲット裏面に設けた磁石の回転による。
このようにしてスパッタを行う際、ターゲット表面の位
置によるスパッタ量がほぼ均一になるようにエロージョ
ン領域１６の形状を決めることができる。今の場合、
Ｏ′を中心とする極座標表示で次のような式で表わされ
る曲線の一部（αの範囲π分。近似的にα＝π／２〜３
π／２）を取りだし、鏡像反転した曲線をつくり元の曲
線と合成したものになっている。

【００３６】

【数１】 α＝（ｒ＊ｒ−１）＊＊（１／２） ＋ＡｒｃＴａｎ［（ｒ＊ｒ−１）＊＊（−１／２）］ …（数１） （α：回転角 ｒ：極からの距離 ただし、＊は積、＊
＊は累乗を表わす。） この曲線の接線は、回転中心に近いところでは垂直に近
く中心から離れるに従い、円周方向に傾くようになって
おり、ターゲット上のどの位置でも（中心部と外周部を
除く）プラズマの滞在時間が等しくなっている。このタ
ーゲットを用いて銅のスパッタリングを行ったところ図
５，図６の（ｃ）または（ｄ）と同等の良好な成膜特性
を得た。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、高アスペクト比の接続
孔を、スパッタリング法を用いて、良好な埋込特性で埋
め込むことができ、接続孔部における配線の信頼性向上
を実現できるので、集積密度の高い各種半導体装置の実
現に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す説明図。

【図２】本発明におけるターゲットの一例を示す説明
図。

【図３】本発明におけるカソードの一例を示す説明図。

【図４】本発明におけるカソードの一例を示す説明図。

【図５】本発明の実施例を示す成膜の厚さ分布の特性
図。

【図６】本発明の実施例を示すスパッタ粒子強度分布の
特性図。

【図７】本発明の実施例を示す平面図。

【符号の説明】

１１…スパッタカソード、１２…ターゲット、１４，１
４ａ…マグネット、１５，１５ａ…プラズマ。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内に配置されたターゲットにイオ
   ンを照射して、上記真空容器内に置かれた基板表面の所
   定領域上に、上記ターゲットを構成する材料を堆積する
   方法において、上記堆積は、上記ターゲットの少なくと
   も上記基板に対向する領域から実質的に均一に、上記タ
   ーゲットから射出された原子を、上記所定領域に入射さ
   せることによって行われることを特徴とするスパッタリ
   ング方法。
2. 【請求項２】ターゲット表面で移動する磁場を利用して
   プラズマを制御するスパッタリング装置で移動速度の遅
   い領域では磁場を弱める等の方法によりスパッタリング
   速度を相対的に低下させることにより上記ターゲットの
   少なくとも上記基板に対向する領域から実質的に均一に
   原子を射出させる請求項１のスパッタリング方法。
3. 【請求項３】ターゲット表面に設けた磁場を利用してプ
   ラズマを制御するスパッタリング装置で、上記ターゲッ
   トから射出した原子の一部が基板に到達するのを遮るこ
   とにより、上記ターゲットからの不均一な原子の射出を
   修正し、基板上に実質的に均一に原子を到着させる請求
   項１のスパッタリング方法。
4. 【請求項４】永久磁石を回転させてターゲット表面で移
   動する磁場を発生させるスパッタリング方法において、
   回転軸をターゲット表面の垂直方向から傾けること、も
   しくはターゲット裏面に設ける個体の種類もしくは厚さ
   を変え、磁場強度を変化させスパッタリング速度を変え
   ることにより上記ターゲットの少なくとも上記基板に対
   向する領域から実質的に均一に原子を射出させる請求項
   １のスパッタリング方法。
5. 【請求項５】永久磁石を回転させてターゲット表面で移
   動する磁場を発生させるスパッタリング方法において、
   ほぼ等強度の磁場のターゲット表面での配置形状を回転
   中心からの距離に依存して変えることにより上記ターゲ
   ットの少なくとも上記基板に対向する領域から実質的に
   均一に原子を射出させる請求項１のスパッタリング方
   法。
6. 【請求項６】ターゲットから射出する原子を所望の方向
   の割合が多くなるようにターゲットを構成する結晶粒組
   織を制御することを特徴とするスパッタリング方法。
7. 【請求項７】ターゲットを構成する結晶粒の最稠密方向
   の一つを、原子を射出させたい所望の方向に揃えた請求
   項６のスパッタリング方法。
8. 【請求項８】所望の方向以外に射出した原子が堆積させ
   たい基板に届かぬよう遮蔽する機構もしくは配置関係を
   利用して行う請求項６または７のスパッタリング方法。
9. 【請求項９】上記ターゲットがアルミニウム（Ａｌ），
   銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金(Ａｕ)，ニッケル（Ｎ
   ｉ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム
   （Ｒｈ），イリジウム（Ｉｒ）もしくはこれらを主成分
   とする面心立方の合金結晶で構成され、最稠密方向の一
   つが〈１１０〉もしくは〈１１０〉であるか、タングス
   テン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），クロム（Ｃｒ)，バ
   ナジウム（Ｖ)，ニオブ(Ｎｂ)，タンタル（Ｔａ），チ
   タン（Ｔｉ），ジルコニウム(Ｚｒ)，ハフニウム(Ｈｆ)
   もしくはこれらを主成分とする体心立方構造の結晶で構
   成され、最稠密方向の一つが〈１１１〉もしくは〈１０
   ０〉である請求項６，７または８のスパッタリング方
   法。
10. 【請求項１０】請求項１，２，３，４または５に掲げる
    上記ターゲットからの均一な原子の射出と請求項６，
    ７，８または９に掲げる上記射出粒子の方向を制御する
    スパッタリング方法。