JPH09310174A

JPH09310174A - スパッタリング装置

Info

Publication number: JPH09310174A
Application number: JP8150041A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kobayashi; 正彦小林; Nobuyuki Takahashi; 信行高橋
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 1997-12-02
Also published as: KR970077156A; KR100270457B1; US6045672A

Abstract

(57)【要約】【課題】大型の基板の場合でも、必要な成膜速度を維
持してボトムカバレッジ率を向上させることができるよ
うにする。【解決手段】カソード２を構成する磁石機構４は、タ
ーゲット５の表面のある場所から出てターゲット５の表
面の他の場所に入る漏洩磁力線をターゲット５の表面上
に周状に連ねて周状磁界を複数設定する、これによって
磁石機構４の静止時には周状となるエロージョン領域５
０が交差せずに複数形成される。エロージョン領域５０
のうちのエロージョン最深部から最も大きな入射角でス
パッタ粒子が基板３０に入射する箇所のその入射角は、
一つのエロージョン領域の場合に比べて小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願の発明は、スパッタリン
グ装置、特に、半導体集積回路等の製作の際の成膜工程
で使用されるスパッタリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリングによる薄膜作成、とりわ
け高集積化した半導体デバイスの製作における成膜工程
に用いられるスパッタリングでは、高アスペクト比の微
細ホール底部へ被覆性よく成膜すること、即ちボトムカ
バレッジ率の向上が強く求められている。こうした要求
に対して、入射角の小さなスパッタ粒子のみを微細ホー
ルに入射させて成膜する工夫がなされてきた。この一つ
が、コリメートスパッタと呼ばれるものである。

【０００３】図９は、ボトムカバレッジ率を向上させた
従来のスパッタ装置の一例であるコリメートスパッタ装
置の概略を説明した図である。図９に示す装置は、真空
容器１内にカソード２と基板ホルダ３とを対向配置して
いる。カソード２は、磁石機構４と、磁石機構４の前側
に配設されたターゲット５とから構成され、基板ホルダ
３の前面には成膜する基板３０が載置される。そして、
カソード２と基板ホルダ３との間の空間には、コリメー
ター６が設けられる。コリメーター６は、基板３０に対
して垂直な方向（以下、軸方向）が高さ方向となるよう
な小さな筒状の部材をセグメント状に多数配置した構造
であり、軸方向に沿ったスパッタ粒子の流路がセグメン
ト状に多数形成されるようにしている。このような構造
であり、しばしば「格子状」又は「蜂の巣状」等と称せ
られる。

【０００４】ターゲット５から放出されるスパッタ粒子
は余弦則に従う分布を持っているため、コリメーター６
には入射角の大きなスパッタ粒子も多く入射する。しか
し、このようなスパッタ粒子の多くは、コリメーター６
の各流路の壁面の部分に付着するため、結果的にコリメ
ーター６の部分を出射するスパッタ粒子は、出射角の小
さなものがほとんどとなる。このため、基板３０には入
射角の小さなもののみが入射するようになり、基板３０
の表面に形成された微細ホールの底部に対する被覆性が
向上する。しかしながら、上記コリメートスパッタ装置
では、コリメーター６へのスパッタ粒子の付着によっ
て、コリメーター６の各流路の断面積が小さくなり、コ
リメーター６を通過できるスパッタ粒子の量が経時的に
減少する。このため、スパッタ速度が経時的に低下して
しまう。

【０００５】このような問題のない高ボトムカバレッジ
率のスパッタ装置として、ターゲット−基板間の距離
（以下、ＴＳ距離）を長く（従来比３〜６倍）した低圧
遠隔スパッタ装置と呼ばれる装置が最近開発されてい
る。図１１は、従来のスパッタ装置の他の例である低圧
遠隔スパッタ装置の概略を説明した図である。図１１に
示す装置は、図１０と同様、真空容器１の内部にカソー
ド２と基板ホルダ３を対向配設し、磁石機構４の前側に
ターゲット５を設けるとともに基板ホルダ３の前面に基
板を載置するようにする。ＴＳ距離は、例えば１５０ｍ
ｍ〜３６０ｍｍ程度とされる。また、真空容器１内の圧
力は、従来より低く１ｍＴｏｒｒ程度以下としている。
これは、スパッタ粒子の平均自由行程を長くしてスパッ
タ粒子の散乱を少なくするためである。スパッタ粒子の
散乱が少なくなる結果、基板にほぼ垂直な向きに多くス
パッタ粒子を入射させることが可能になり、微小ホール
のボトムカバレッジ率を向上させることができる。具体
例を述べると、例えば特開平７−２９２４７４号公報で
は、ターゲット直径２５０ｍｍ、基板直径２００ｍｍ、
ＴＳ距離３００ｍｍ、圧力３×１０^-2Ｐａの条件で、ボ
トムカバレッジ率の向上が見られるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報の表３に記載されている通り、ボトムカバレッジ率向
上のためＴＳ距離を長くすると、成膜速度が大幅に減少
する。このため、低圧遠隔スパッタは、２５６メガビッ
ト以降のプロセス（線幅０．２５μｍ，アスペクト比４
〜６）における微細ホールへの成膜に有効であるとされ
つつも、生産性の点で課題を残している。成膜速度を上
げるためＴＳ距離を近づけると、ボトムカバレッジ率が
低下するため、２５６メガビット以降のプロセスへの適
用が困難となる。つまり、低圧遠隔スパッタにおいて、
成膜速度とボトムカバレッジ率は、トレードオフの関係
にあり、両立しない。

【０００７】一方、スパッタプロセスに要請されている
別の点は、基板の大型化への対応である。上述のような
半導体デバイスのプロセスでは、一枚の基板から産出さ
れるデバイスの数を多くして生産性を向上させるため、
基板サイズは大型化する傾向がある。また、液晶ディス
プレイを製作する際のガラス基板へのスパッタプロセス
でも、表示面積を大きくするため基板が大型化する傾向
がある。このような基板サイズの大型化は、上記低圧遠
隔スパッタにおけるＴＳ距離や成膜速度のファクターに
複雑に絡み合ってくる。まず、基板サイズが大型化する
と、前述のような低圧遠距離スパッタでも、中心から離
れた基板の周辺部では、ボトムカバレッジ率が不十分に
なるという問題が生ずる。この点を図１２及び図１３を
使用して説明する。

【０００８】図１２及び図１３は、図１１に示す装置を
使用して、大型の基板に成膜する場合の問題点を説明し
た図であり、図１２は装置中のターゲットと基板の部分
図、図１３は、基板の中心付近及び周辺部のボトムカバ
レッジ率を示した断面図である。図１２に示すように、
ターゲット５と基板３０とは平行に対向して配置され、
その中心軸２０（中心を通り表面に垂直な軸）は同一直
線上に位置する。尚、図１２には、中心軸２０から片側
の部分が例示されている。

【０００９】スパッタが行われると、ターゲット５の表
面には図１２に斜線で示すようなエロージョン（侵食）
が生ずる。この際、基板３０に形成された微小ホール３
０１への成膜の状態は、中心付近と周辺部とでは、図１
３に示すように異なる。即ち、図１３（Ａ）に示すよう
に、基板３０の中心付近では、微小ホール３０１の底部
に被覆性よく膜３０２が堆積する。しかしながら、ター
ゲット５の径より大きな部分の基板３０の周辺部では、
図１３（Ｂ）に示すように、中心軸側から大きな入射角
で入射するスパッタ粒子が多くなるため、微細ホール３
０１のうち、基板３０の周縁側の壁面には膜３０２が堆
積するものの、中心軸側の壁面や底面には堆積しない状
態となる。このような状態は、コンタクトホール内面へ
のバリアメタル（拡散防止膜）の形成などの場合に致命
的な欠陥となってしまう。従って、基板が大型化する場
合、それに応じてターゲットを大型化させなければなら
ない。

【００１０】さて、このような基板の大型化の問題が、
前述した成膜速度とボトムカバレッジ率のために必要な
ＴＳ距離との非両立性の問題に複雑に絡み合い、問題を
さらに増長させる。この点を、出願人の社内的なデータ
を使用しながら説明する。図１４から図１７は、低圧遠
隔スパッタに関する実験データを示したものである。こ
のうち図１４は、ボトムカバレッジ率の圧力及びＴＳ距
離依存性を示すデータであり、図１５は、得られた薄膜
のシート抵抗分布の圧力及びＴＳ距離依存性を示すデー
タである。また、図１６及び図１７は、アスペクト比に
対するボトムカバレッジ率の関係を示すデータであり、
図１６がＴＳ距離３４０ｍｍ、図１７がＴＳ距離が２６
０ｍｍの場合のデータである。尚、これらのデータは、
基板直径６インチ、ターゲット直径２６９ｍｍの条件で
得られている。

【００１１】まず、図１４に示すように、低圧側におい
てボトムカバレッジ率の向上が見られ、ＴＳ距離６５ｍ
ｍに比べＴＳ距離１００ｍｍの場合に高いボトムカバレ
ッジ率が得られている。また、基板の中心付近に比べ、
周辺部において高いボトムカバレッジ率が得られてい
る。また、図１５に示すように、ＴＳ距離を長くすると
シート抵抗分布の均一性が悪化する傾向があるが、圧力
を低くするとこの傾向は緩和される。即ち、２．０ｍＴ
ｏｒｒ以下にすると、ＴＳ距離を長くしてもシート抵抗
分布は殆ど変化していない。

【００１２】次に、アスペクト比とボトムカバレッジ率
の関係を見ると、図１６に示す様に、アスペクト比２に
おいて４０〜４５％のボトムカバレッジ率が得られてい
る。一般的にボトムカバレッジ率は１５％程度あればデ
バイスの諸特性において問題が無いといわれており、こ
のようなことからも低圧遠隔スパッタ法は格段に優れた
技術であることが分かる。ちなみに、図１０に示すよう
なコリメートスパッタ装置による場合、ボトムカバレッ
ジ率は１５％程度であり、これと比べると低圧遠隔スパ
ッタ法の優秀性が改めて分かる。

【００１３】尚、図１６中、○印は基板の中心付近のボ
トムカバレッジ率を示し、●印は周辺部のボトムカバレ
ッジ率を示している。両データとも殆ど同一線上に並ん
でおり、基板の面内におけるボトムカバレッジ率は高い
均一性を維持していることが分かる。尚、成膜速度は、
コリメートスパッタ法と同程度の６００オングストロー
ム毎分程度であり、従来のスパッタに比べて約１／３〜
１／４程に低下してしまっている。一方、ＴＳ距離を２
６０ｍｍに縮めると、成膜速度は１０００オングストロ
ーム毎分に改善されるが、図１７に示すように、ボトム
カバレッジ率はアスペクト比２で２８〜３５％程度まで
減少してしまう。ただ、この場合でも、コリメートスパ
ッタ法の１５％よりは高い。

【００１４】さて、これらの結果から、基板が大型化し
て例えば直径３００ｍｍになった場合、ボトムカバレッ
ジ率や成膜速度がどうなるかを検討する。図１８は、基
板の大型化がボトムカバレッジ率及び成膜速度に与える
影響について検討した結果の図である。尚、図１８にお
いて、ターゲット５におけるエロージョンの断面形状が
斜線で示されている。まず、図１７に示した通り、ター
ゲット直径２６９ｍｍ、ＴＳ距離３４０ｍｍの条件によ
り、優れたボトムカバレッジ率が得られる（図１８
（ａ））。これは、基板３０がターゲット５より小さい
直径８インチの場合も同様である。次に、基板３０がタ
ーゲット５よりも大きい３００ｍｍになった場合、前述
したようにターゲット５も基板３０と同程度まで大型化
させる必要がある。この場合、同様のボトムカバレッジ
率を得るためには、ＴＳ距離をさらに長くしなければな
らないと考えられる。

【００１５】上記の点を、エロージョン最深部からのス
パッタ粒子の飛行経路に代表させて説明する。多くのス
パッタリングでは、ターゲット上のエロージョンが生ず
る領域（以下、エロージョン領域）のうち、ターゲット
の径方向における特定の部分が最も深く侵食される傾向
があり（以下、この部分をエロージョン最深部とよ
ぶ）、この部分から放出されるスパッタ粒子が成膜状況
に最も支配的な影響を与える。このようなエロージョン
最深部の形状は、現在主流である平板マグネトロンスパ
ッタリング等では、エロージョン領域が周状であること
から、多くの場合周状の形状を描く。図１９及び図２０
は、エロージョン最深部が周状となる点について説明し
た図であり、図１９が従来の装置における磁石機構の斜
視概略図、図２０が従来の装置におけるカソードの斜視
概略図である。図１０や図１１のような装置では、平板
状のターゲット５の裏側に配設された磁石機構４は、円
盤状のヨーク４１１の上に固定された中央の柱状の中心
磁石４１２と中心磁石４１２を間隙をおいて取り囲む筒
状の周辺磁石４１３とから構成されている。

【００１６】中心磁石４１２の前面と周辺磁石４１３の
前面とは異なる磁極が現れるようようになっておいる。
例えば中心磁石４１２がＮ極であり、周辺磁石４１３が
Ｓ極である場合、中心磁石４１２から出た磁力線は、タ
ーゲット５を透過してターゲット５の表面のある場所か
ら出て漏洩し、図１９及び図２０に示すように弧状に膨
らんだ後、ターゲット５の表面の他の場所に入り、ター
ゲット５を透過して周辺磁石４１３に達する。そして、
このような漏洩磁力線は、中心磁石４１２と周辺磁石４
１３との間隙部分の形状に沿って連なり、図１９及び図
２０に示すような周状磁界が形成される。

【００１７】マグネトロンスパッタリングなど、磁界の
作用を利用したスパッタリングでは、磁界によって電子
を捉えて、気体分子の電離効率を向上させている。従っ
て、イオンによってターゲット５がスパッタされる領域
即ちエロージョン領域５０の形状は、磁界の形状に相応
したものとなり、周状磁界を設定する上記の例では周状
になる。また、マグネトロンスパッタリングでは、電界
と磁界が直交する部分で電子がマグネトロン運動を行
い、電離効率は最高となる。従って、図１９及び図２０
に示すような構成では、弧状の漏洩磁力線の頂上の部分
で電界と磁界の直交関係が成立し、この部分の下方の部
分に強いエロージョンを生ずる傾向がある。つまり、エ
ロージョン最深部は、弧状の漏洩磁力線の頂上部分の下
方に位置する周状の形状を描くことになる。

【００１８】さて、前述したようにエロージョン最深部
からは盛んにスパッタ粒子が放出されるので、エロージ
ョン最深部の幾何学的配置は基板上への成膜の状態に最
も影響を与えると考えられる。ここで、図１０や図１１
に示すようにターゲット５と基板３０とが同軸上に対向
配置されている場合、ターゲット５の片側の半周分のエ
ロージョン最深部は、基板３０の同じ側の半分の領域に
対する成膜に影響を与え、反対側の半分の領域への成膜
には影響を与えないと考えられる。その反対側の基板３
０の表面には、やはりターゲット５の反対側の半周分の
エロージョンが影響を与えるからである。この半周分の
エロージョン最深部から放出されるスパッタ粒子を考え
ると、基板３０に入射する入射角が最も大きくなるの
は、基板３０の中心付近に入射するスパッタ粒子であ
る。エロージョン最深部の半径がターゲット５の半径の
１／２以下であるときは、基板３０の周辺部に入射する
スパッタ粒子が最も入射角が小さくなるが、このような
場合はまれである。

【００１９】さて、前述したターゲット直径２６９ｍｍ
である図１８（ａ）の例において、エロージョン最深部
が中心軸２０から例えば７０ｍｍ（直径１４０ｍｍ）の
位置に発生した場合、基板３０の中心付近へのスパッタ
粒子への入射角θは、ＴＳ距離３４０ｍｍの条件から、
１１．６°程度となる。一方、基板３０が大型化して３
００ｍｍになった場合、前述したようにターゲット５も
同様なサイズまで大型化させなければならない。図１８
（ｂ）に示すように、基板３０より少し大きな直径３１
４ｍｍのターゲット５を用い、エロージョン最深部が直
径１６３ｍｍの位置に生じた場合、ＴＳ距離を同一とす
ると、中心付近へのスパッタ粒子の入射角θは１３．５
°程度まで拡大してしまう。従って、図１８（ａ）の場
合と同様の入射角にして同様のボトムカバレッジ率を得
るためには、ＴＳ距離を実に３９７ｍｍにまで拡大しな
ければならなくなる。ここまでＴＳ距離を長くすると、
成膜速度は実用化不可能な程度迄低下してしまう。

【００２０】そこで、図１８（ｄ）に示すように、ＴＳ
距離を実用的な範囲である３０３ｍｍ（基板直径と同程
度）にすると、中心付近への入射角θは、１５．０°と
なり、図１８（ｂ）の場合に比べ、（１５．０／１１．
３）＝１．３倍程度まで拡大する。この１５．０°とい
う入射角は、従前の２６９ｍｍサイズのターゲット５
（エロージョン最深部直径１４０ｍｍ）を使用する場
合、ＴＳ距離を２６０ｍｍ程度にするのと同じである
（図１８（ｃ））。この構成は、図１７のデータが得ら
れたスパッタリングそのものであり、アスペクト比２の
微小ホールに対して２８〜３５％程度のボトムカバレッ
ジ率しか得られない。このように、基板が大型化してい
く中、必要な成膜速度を維持してボトムカバレッジ率を
向上させることは、低圧遠隔スパッタといえどもこれま
での構成では困難であった。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願の請求項１の発明は、排気系を備えた真空容器
と、真空容器内の所定の位置に配置されたターゲット
と、ターゲットの表面側に磁界を設定する磁石機構とを
具備し、ターゲットに対向させて基板を配置し、前記磁
石機構が作る磁界によってイオンを捉えながらターゲッ
トをスパッタして基板の表面に所定の薄膜を作成するス
パッタリング装置であって、前記磁石機構は、ターゲッ
トの表面のある場所から出てターゲットの表面の他の場
所に入る漏洩磁力線を設定するとともにこのような漏洩
磁力線をターゲットの表面上に周状に連ねて形成される
周状磁界を設定するものであり、当該磁石機構がターゲ
ットに対して相対的に静止している場合には周状となる
エロージョン領域がこの周状磁界によってターゲットの
表面上に形成されるスパッタリング装置において、前記
磁石機構は、ターゲットの表面上に前記周状磁界を複数
設定して前記周状となるエロージョン領域を交差しない
ようにして複数形成するものであるという構成を有す
る。同様に上記課題を解決するため、請求項２記載の発
明は、上記請求項１の構成において、前記磁石機構は、
前記周状となるエロージョン領域のうちの最深部の周上
の２点を結んだ長さが最も短い部分で基板の直径以下と
なるよう前記周状磁界を複数設定するものであるという
構成を有する。同様に上記課題を解決するため、請求項
３記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記磁
石機構は、前記周状となるエロージョン領域のうちの最
深部の周上の２点を結んだ長さが最も短い部分でターゲ
ットと基板の離間距離以下となるよう前記周状磁界を複
数設定するものであるという構成を有する。同様に上記
課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求
項１、２又は３の構成において、前記磁石機構は、前記
周状となる複数のエロージョン領域の離間距離が、当該
エロージョン領域の最深部の周上の２点を結んだ長さの
うちの最も短い長さの半分より小さくなるよう前記周状
磁界を複数設定するものであるという構成を有する。同
様に上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、
上記請求項１、２、３又は４の構成において、前記磁石
機構は、複数の電磁石から構成され、それら複数の電磁
石への供給電流量は、少なくとも二つの群の電磁石につ
いて独立して制御可能に構成されている。同様に上記課
題を解決するため、請求項６記載の発明は、上記請求項
１、２、３、４又は５の構成において、前記磁石機構を
ターゲットの中心軸の周りに回転させる回転機構を具備
しているという構成を有する。同様に上記課題を解決す
るため、請求項７記載の発明は、上記請求項６の構成に
おいて、前記磁石機構は、ターゲットの表面の中心部分
を前記周状となるエロージョン領域のいずれかが含むよ
う前記周状磁界を複数設定するものであるという構成を
有する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態につ
いて説明する。図１は、本願発明の第一の実施形態に係
るスパッタリング装置の概略を説明する図である。図１
に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えた真空
容器１と、真空容器１内に対向して配置されたカソード
２及び基板ホルダ３と、真空容器１内に所定のガスを導
入するガス導入系７と、カソード２に所定の電圧を与え
るカソード電源２１等から主に構成されている。図１の
装置は、カソード２の構成に大きな特徴がある。図２及
び図３は、図１の装置におけるカソード２の構成を説明
する図であり、図２は磁石機構４の構成を説明する斜視
概略図、図３は図２の磁石機構４によるターゲット５上
の周状磁界の構成を説明する斜視概略図である。

【００２３】カソード２は、磁石機構４と磁石機構４の
前側に配設されたターゲット５とから構成され、カソー
ド電源２１によって所定の電圧が印加される。本実施形
態の特徴的な点は、ターゲット５の表面上に周状磁界を
複数設定して周状となるエロージョン領域が交差しない
ようにして複数形成されるようにする点である。具体的
に説明すると、磁石機構４は、円盤状のヨーク４２１
と、このヨーク４２１の上に固定された一つのＮ極磁石
４２２及び二つのＳ極磁石４２３，４２４とから構成さ
れている。Ｎ極磁石４２２は、図２に示すように、ヨー
ク４２１の周縁に沿って延びるリング状の外周部と、中
心から外れた位置で外周部の内側の空間を仕切るように
延びる直線部とからなる形状である。また、二つのＳ極
磁石のうちの一方は、外周部によって仕切られた空間の
うち大きい方の空間の中央に位置する第一Ｓ極磁石４２
３であり、他方は、小さい方の空間の中央に位置する第
二Ｓ極磁石４２４になっている。尚、中心軸２０は、第
一Ｓ極磁石４２３とＮ極磁石４２４の直線部との間の間
隙の中心付近を通るよう構成されている。

【００２４】上記構成に係る磁石機構４によると、図３
に示すようにターゲット５表面上に大きさの異なる周状
磁界が二つ設定される。即ち、Ｎ極磁石４２２から出て
第一Ｓ極磁石４２３に達する弧状の漏洩磁力線は、第一
Ｓ極磁石４２３の周囲の上方に周状に連なって第一の周
状磁界が設定され、Ｎ極磁石４２２から出て第二Ｓ極磁
石４２４に達する弧状の漏洩磁力線は、第二Ｓ極磁石４
２４の周囲の上方に周状に連なって第二の周状磁界を設
定する。そして、このような二つの周状磁界によって、
図３に示すような二つの周状となるエロージョン領域５
０が交差せずに形成されるのである。

【００２５】尚、本実施形態における磁石機構４は、後
述するように回転機構２２によって回転させられるが、
上記エロージョン領域５０の複数形成は、いうまでもな
く磁石機構４の静止時の状態である。磁石機構４が回転
すると、エロージョン領域５０が中心軸２０の周りに回
転するので、エロージョン領域はターゲット５のほとん
ど全面に広がる（領域の数としては一つ）。さて、この
ように周状となるエロージョン領域５０がターゲット５
上に交差せずに複数形成されると、そのエロージョン領
域５０のエロージョン最深部の直径（エロージョン最深
部の形状が円形でない場合、周上の任意の２点を結んだ
長さのうち最も短いものとする）は、エロージョン領域
５０が一つである従来のエロージョン最深部の直径に比
べ、常に小さくなる。そして、エロージョン最深部の直
径が小さくなると、ＴＳ距離を拡大することなしにスパ
ッタ粒子の入射角が小さくできる。

【００２６】上記の点を、図４を利用して詳しく説明す
る。図４は、図１から図３に示す実施形態の作用効果を
説明する断面概略図である。図４に斜線で示したターゲ
ット５のエロージョンの断面形状において、エロージョ
ン最深部から基板３０を見込んだとき、最も入射角が大
きくなる基板３０の表面上の箇所は、図１８に示すのと
同様に、周状のエロージョン最深部の中心部分と同軸上
に位置する箇所である。そして、エロージョン最深部か
らこの箇所に入射するスパッタ粒子の入射角θは、図１
８に示すような一つのエロージョン領域の場合に比べ明
らかに小さくなる。

【００２７】このように、本実施形態の構成によれば、
ＴＳ距離を長くすることなしにスパッタ粒子の入射角を
小さくすることができる。このため、必要な成膜速度を
確保しつつボトムカバレッジ率の向上を図ることがで
き、さらに高集積化する次世代の集積回路用の実用的な
成膜技術として最適なものとなる。尚、二つのエロージ
ョン領域５０の離間距離が大きくなると、その離間部分
に対向する基板３０上の箇所において最も入射角が大き
くなることがあり得る。従って、エロージョン領域５０
の離間距離はできるだけ小さくすべきであり、エロージ
ョン最深部の直径の１／２以下にすることが理想的であ
る。

【００２８】また、各々のエロージョン最深部の直径
は、基板直径以下とすることがボトムカバレッジ率改善
の点から好ましい。基板３０の直径以上になった場合、
従来と同様にスパッタ粒子の入射角が限度以上に大きく
なってしまう。但し、基板に比べて異常に大きなターゲ
ットを使用したり、ターゲットに比して異常に小さな基
板を使用したりしなければ、このような事態にはならな
いと想定される。さらに、ＴＳ距離に対する各々のエロ
ージョン最深部の直径の大きさの限度は、被覆する微小
ホールのアスペクト比等によって決まる。図５は、ＴＳ
距離に対する各々のエロージョン最深部の直径の大きさ
とアスペクト比との関係について説明した図である。

【００２９】前述のように、２５６メガビット以降の集
積回路の製作には、アスペクト比２以上の微小ホールに
対する成膜が求められている。ここで、ＴＳ距離に等し
いエロージョン最深部によってアスペクト比２の微小ホ
ール３０１に成膜する場合を考えると、図５に示す通
り、エロージョン最深部から出たスパッタ粒子はホール
の開口の縁３０３の付近を通ってホール底部の反対側の
縁３０４に達する。つまり、アスペクト比２の微小ホー
ルに対する成膜では、（エロージョン最深部直径）＝
（ＴＳ距離）が限度であり、それ以上にエロージョン最
深部の直径が大きくなると、ボトムカバレッジ率が著し
く低下する。従って、アスペクト比２以上の次世代の成
膜技術のためには、エロージョン最深部の直径をＴＳ距
離以下とすることが望ましい。

【００３０】次に、本実施形態のその他の部分の構成及
び全体の動作について簡単に説明する。まず、排気系１
１は、１０^-8Ｔｏｒｒ程度まで排気可能なものが採用さ
れ、成膜時には、真空容器１内にアルゴン等の放電用ガ
スを導入して０．３ｍＴｏｒｒ程度の真空圧力を維持
し、前述した低圧遠隔スパッタと同様にスパッタ粒子散
乱防止効果が得られるようにする。真空容器１の器壁
は、不図示のゲートバルブが設けられ、ゲートバルブを
通して基板３０を搬入搬出する不図示の搬送系が備え付
けられている。また、真空容器１には、不図示のロード
ロックチャンバがゲートバルブを介して並設され、真空
容器１から隔絶されたロードロックチャンバ内におい
て、基板３０を大気圧雰囲気に戻すようになっている。

【００３１】カソード２の構成は上述の通りであるが、
本実施形態では、カソード２を中心軸２０の周りに回転
させる回転機構２２が付設されている。回転機構２２
は、ターゲット５上のエロージョンを均一にするもので
あり、ヨーク４２１の裏面に接続された中心軸２０と同
軸上の回転軸２２１と、回転軸２２１を回す駆動源２２
２などから構成されている。尚、前述した通り、ターゲ
ット５の中心軸２０付近がエロージョン領域５０に含ま
れるので、磁石機構４を回転させた際にこの部分がエロ
ージョンされずに残ってしまうことが防止され、さらに
ターゲット５の利用効率が向上する。

【００３２】基板ホルダ３には、基板３０を静電吸着に
よって吸着保持する機構や成膜中に基板３０を所定温度
まで加熱する加熱機構が設けられる。また、基板３０に
所定のバイアス電圧を与えるためのバイアス用電源が必
要に応じて基板ホルダ３に接続される。ガス導入系７
は、スパッタ放電に必要なガスを真空容器１内に導入す
るものであり、不図示のボンベに繋がれた配管７１と、
配管上に設けられた流量調整器７２やバルブ７３などで
構成される。また、反応性スパッタ等を行う場合、反応
性のガスを放電用のガスに混ぜて導入する場合がある。

【００３３】カソード電源２１は、スパッタ放電に必要
な所定の負の直流電圧又は高周波電圧をカソード２に印
加するよう構成される。ターゲット５が金属の場合には
負の直流電圧が印加され、誘電体等の場合には高周波電
圧が印加される場合が多い。尚、真空容器１やバイアス
をかけない場合の基板ホルダ３などは接地され、電気的
には接地電位に保たれる。カソード２に与えられた電圧
は、これらの部材との間で電界を発生させて、この電界
によってスパッタ放電が生じるようになっている。

【００３４】上記構成に係る本実施形態のスパッタリン
グ装置では、基板３０は不図示の搬送系によって不図示
のゲートバルブを通して真空容器１内に搬送され、基板
ホルダ３上に載置される。次に、ガス導入系７を動作さ
せて所定のガスを真空容器１内に導入しながら、カソー
ド電源２１を動作させて所定の電圧をカソード２に印加
し、上述の通りスパッタ放電を生じさせる。これによっ
てターゲット５からはスパッタ粒子が放出され、このス
パッタ粒子３０板に到達して堆積することにより所定の
成膜が行われる。

【００３５】ここで、上述の通り本実施形態では、直径
の小さなエロージョン領域５０がターゲット５上に形成
されるので、基板３０に入射するスパッタ粒子の入射角
が小さくなる。従って、微小ホールへのボトムカバレッ
ジ率が従来に比べ格段に向上する。次に、本願発明の第
二の実施形態について説明する。図６は、本願発明の第
二の実施形態におけるカソードの構成を説明する斜視概
略図である。この第二の実施形態では、図６に示す通り
三つの周状磁界が設定されるようになっている。即ち、
本実施形態では、カソード２を構成する磁石機構４は、
ヨーク４３１上に固定されたＮ極磁石４３２と三つのＳ
極磁石４３３とからなり、Ｎ極磁石４３２は、ヨーク４
３１の周縁に沿ったリング状の外周部と、外周部の内部
を三つの空間に区画部とから構成された形状を有してい
る。そして、外周部内の三つの空間の中心位置には、そ
れぞれＳ極磁石４３３が配設されている。

【００３６】図６に示す三つの周状磁界によって、ター
ゲット５上には三つのエロージョン領域５０が交差せず
に形成される。従って、エロージョン最深部の直径はこ
の第二の実施形態においても小さくなり、第一の実施形
態と同様にスパッタ粒子の入射角の低減作用が得られ
る。また、第一の実施形態と比較すると、三つの周状磁
界を設定する本実施形態では、二つの周状磁界の場合に
比べてエロージョン領域５０の直径をさらに小さくでき
る場合が多い。磁石機構４の部分以外は、前述した第一
の実施形態と同様に構成できるので、説明を省略する。

【００３７】次に、本願発明の第三の実施形態について
説明する。図７及び図８は本願発明の第三の実施形態を
説明する図であり、図７は平面図、図８は側断面図であ
る。前述した第一第二の実施形態では、磁石機構４が永
久磁石から構成されていたが、この第三の実施形態で
は、電磁石によって構成されている。即ち、磁石機構４
は、板状の鉄心体４４１と、鉄心体４４１の上に固定さ
れターゲット５上に磁力線を漏洩させる第一から第五の
五つの磁極体４４２，４４３，４４４，４４５，４４６
と、鉄心体４４１に巻かれた磁界コイル４４７とから主
に構成されている。

【００３８】鉄心体４４１は、長方形の板状の部材であ
り、ターゲット５と平行に配置される。五つの磁極体４
４２，４４３，４４４，４４５，４４６は、幅方向をタ
ーゲット５に向かう側に向けて配置された帯板状の部材
であり、それぞれ鉄心体４４１の表面に溶接等により固
定される。五つの磁極体４４２，４４３，４４４，４４
５，４４６は、長方形の鉄心体４４１の短辺の方向が長
さ方向になる姿勢で固定されている。具体的には、鉄心
体４４１の向かい合う短辺の部分の縁にＮ極となる第一
及び第五の磁極体４４２，４４６がそれぞれ固定され、
長辺の方向の中程より第五磁極体４４６よりの位置に、
同じくＮ極となる第三磁極体４４４が固定されている。
そして、第一磁極体４４２と第三磁極体４４４との中間
の位置にＳ極となる第二磁極体４４３が固定され、第三
磁極体４４４と第五磁極体４４６との中間の位置に同じ
くＳ極となる第四磁極体４４５が固定されている。

【００３９】また、第一磁極体４４２と第二磁極体４４
３の間、第二磁極体４４３と第三磁極体４４４の間、第
三磁極体４４４と第四磁極体４４５の間、及び、第四磁
極体４４５と第五磁極体４４６の間の鉄心体４４１の部
分には、それぞれ磁界コイル４４７が巻かれている。そ
して、それぞれの磁界コイル４４７に所定の向きの直流
電流が流されることによって、Ｎ極である第一磁極体４
４２及び第三磁極体４４４から出てＳ極である第二磁極
体４４３に達する第一の漏洩磁力線と、Ｎ極である第三
磁極体４４４及び第五磁極体４４６から出てＳ極である
第四磁極体４４５に達する第二の漏洩磁力線とがそれぞ
れ設定される。

【００４０】また、上記鉄心体４４１の両側には、図８
に示すように八つの補助鉄心体４５１，４５２，４５
３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８が配設さ
れている。八つの補助鉄心体４５１，４５２，４５３，
４５４，４５５，４５６，４５７，４５８は、四分割の
扇状のような形状の板状を成している。それぞれの補助
鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５
６，４５７，４５８は、扇の周縁の部分に沿って固定さ
れた帯板状の周縁磁極体４５９と扇の中心部分に固定さ
れた柱状の中心磁極体４６０とを備えている。

【００４１】八つの補助鉄心体の４５１，４５２，４５
３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８うち、第
一から第四の四つの補助鉄心体４５１，４５２，４５
３，４５４は、第一第三の磁極体４４２，４４４と第二
の磁極体４４３の離間距離にほぼ等しい半径のものであ
り、第五から第八の補助鉄心体４５５，４５６，４５
７，４５８は、第三第五の磁極体４４４，４４６と第四
磁極体４４５の離間距離にほぼ等しい半径のものになっ
ている。また、各々の補助鉄心体４５１，４５２，４５
３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８には、弧
状の漏洩磁力線が周縁磁極体４５９と中心磁極体４６０
にまたがって設定されるよう磁界コイル４４７が巻かれ
ている。

【００４２】そして、図７に示すように、第一から第四
の補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４は、それ
らの中心磁極４６０が第二磁極体４４３の両端付近に位
置するとともに、それらの周縁磁極体４５９が第一磁極
体４４２及び第三磁極体４４３とともに周状を成すよう
配置されている。同様に、第五から第八の補助鉄心体４
５５，４５６，４５７，４５８は、それらの中心磁極体
４６０が第四磁極体４４５の両端付近に位置するととも
に、それらの周縁磁極体４５９が第三磁極体４４４及び
第五磁極体４４６とともに周状を成すよう配置されてい
る。このような配置によって、各磁極体によって設定さ
れる弧状の磁力線が周状に連なり、周状磁界が二つ並設
されるようになっている。そして、第二磁極体４４３と
第三磁極体４４４との間の中間部分が中心軸２０になる
ようにしてターゲット５を同軸上に配置すれば、図２に
示す磁石機構４とほぼ等価なカソード２の構成が電磁石
によって達成される。この第三実施形態においても、中
心軸２０の周りに磁石機構４を回転させれば、エロージ
ョンの均一化が図られ、ターゲット５の利用効率が向上
できる。

【００４３】電磁石を用いた上述の第三実施形態では、
各々の磁界コイル４４７への供給電流を制御することで
磁界分布を調整し、膜厚分布の改善等を図ることができ
る。この点を図９を用いて説明する。図９は、図７及び
図８に示す第三実施形態において、各磁界コイルへの供
給電流を独立して制御する電流制御手段を付加した応用
例の説明図である。この例における電流制御手段は、各
々の磁界コイル４４７Ａ，４４７Ｂ，……４４７Ｌに直
流電流を供給する直流電源４４８と、直流電源４４８か
らの磁界コイル４４７Ａ，４４７Ｂ，……４４７Ｌへの
各供給回路上に設けられた電流調整器４４９と、電流調
整器４４９を制御して各磁界コイル４４７Ａ，４４７
Ｂ，……４４７Ｌへの電流供給量を調整するプログラマ
ブルコントローラ４５０とから主に構成されている。

【００４４】図７及び図８に示すカソード２を使用して
成膜を行った場合、例えば基板３０の周辺部分の成膜速
度が中心部分に比べて低く、膜厚分布の面内均一性が充
分でないと判断される場合、八つの補助鉄心体４５１，
４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４
５８に巻かれた磁界コイル４４７への電流供給量を相対
的に多くするよう制御する。例えば、電流調整器４４９
として、サイリスタ等を用いて所定周期で電流をオンオ
フできるようなものを採用し、プログラマブルコントロ
ーラ４５０からの信号によって、そのオンオフ周期を調
整するようにする。そして、図７に示す鉄心体４４１に
巻かれた四つの磁界コイル４４７への電流のオン周期に
比べ、補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４
５５，４５６，４５７，４５８に巻かれた八つの磁界コ
イル４４７への電流のオン周期を相当程度長くする。こ
れによって、補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５
４，４５５，４５６，４５７，４５８の部分の漏洩磁力
線の磁束密度が相対的に高くなり、ターゲット５の周辺
部分のエロージョンが強化される結果、基板３０の周辺
部の成膜速度が改善され膜厚分布の面内均一性が向上す
る。

【００４５】このような供給電流量の独立制御は、二つ
の周状磁界を設定する二つの電磁石の群同士で独立制御
可能としてもよいし、個々の電磁石すべてについて独立
制御可能としてもよい。少なくとも二つの群について独
立制御可能であれば、何らかの磁界分布調整機能が発揮
される。上述した各実施形態の構成において、周状磁界
の数は２又は３であったが、４もしくはそれ以上であっ
てもよい。周状磁界の数を多くすれば同一ＴＳ距離にお
けるスパッタ粒子の入射角は一般的には小さくなるの
で、ボトムカバレッジ率向上の点から好適である。

【００４６】また、回転機構２２は、磁石機構４を回転
させる代わりにターゲット５を回転するようにしてもよ
い。さらに、磁石機構４の中心軸２０をターゲット５の
中心軸から所定距離偏心させて配置し、ターゲット５の
中心軸の周りに磁石機構４を回転させる場合もある。
尚、本明細書における「周状」は最も広い意味を有し、
円周状、楕円周状、長円周状、角周状、波線のように入
りくんだ周状等のあらゆる形状を含む。また、完全につ
ながった周状でなくともよく、一部にとぎれている場合
もよい。例えば一部にとぎれた部分がある周状磁界や周
状のエロージョン領域５０ではあっても、それに起因す
る膜厚不均一化等の問題が限度以下であればかまわな
い。

【００４７】また、エロージョン最深部は、線状ではな
くて帯状即ち相当の幅を有する場合がある。さらに、最
深部分の深さから相当程度浅い部分までをエロージョン
最深部とすることがある。エロージョン最深部は、エロ
ージョン領域のどの部分が成膜に最も影響を与えている
かをみる概念なので、成膜への影響度に応じて適宜決定
される。また尚、エロージョン領域とは、磁界の作用に
よって実質的なエロージョンが生じている場所のことで
ある。エロージョン領域外に拡散して基板に到達したご
く少数のイオンがターゲットをたたくことによって、エ
ロージョン領域以外でも経時的にごく浅いエロージョン
が生ずることがあるが、そのようなエロージョンは、成
膜の状況に影響を与えるものではないので、実質的なエ
ロージョンではないと判断される。例えば、エロージョ
ン領域の平均エロージョン速度を１００とした場合、５
％以下の速度のエロージョンが生じている領域は、実質
的にはエロージョン領域ではないとされる。

【００４８】

【実施例】次に、上記第一の実施形態に属する実施例に
ついて例示して説明する。第一の実施形態において、ターゲット直径：３１４ｍｍ、ＴＳ距離：３０３ｍｍ、基板直径：３００ｍｍ、圧力：０．３ｍＴｏｒｒ、カソードへの供給電圧：−６００Ｖ、Ｎ極磁石の直線部の偏心距離（図２の距離ｄ）：４０ｍ
ｍ、第一のエロージョン最深部の直径（図４のφ１）：２０
０ｍｍ、第二のエロージョン最新部の直径（図４のφ２）：１０
０ｍｍ、磁石機構の回転速度：２００ｒｐｍ、基板温度：３００℃、ターゲット材料：チタン、放電用ガス：アルゴン、の条件でスパッタリングを行ったところ、アスペクト比
２の微小ホールに対してボトムカバレッジ率４０〜４５
％で成膜が行えることが確認された。またその際の成膜
速度は１０００オングストローム毎分であった。

【００４９】

【発明の効果】以上説明した通り、本願の請求項１記載
の発明によれば、大型の基板に対しても必要な成膜速度
を維持してボトムカバレッジ率を向上させることができ
るので、次世代の集積回路用の実用的な成膜技術として
最適なものとなる。また、請求項２記載の発明によれ
ば、上記請求項１の効果に加え、微小ホールに対するボ
トムカバレッジ率がさらに向上するという効果がある。
また、請求項３記載の発明によれば、上記請求項１の効
果に加え、アスペクト比２以上の微小ホールに対しても
ボトムカバレッジ率よく成膜できるという効果がある。
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１、２又は
３の効果に加え、周状となる複数のエロージョン領域の
離間距離が小さいので、離間部分に対向する基板上の箇
所において最も入射角が大きくなるようなことがなく、
この部分におけるボトムカバレッジ率の低下が防止され
る。また、請求項５記載の発明によれば、上記請求項
１、２、３又は４の効果に加え、ターゲット上の磁界分
布を調整することが可能であり、膜の基板面内分布の改
善等を行うことができる。また、請求項６記載の発明に
よれば、上記請求項１、２、３、４又は５の効果に加
え、ターゲットのエロージョンが均一化され、ターゲッ
トの利用効率の向上が図れる。さらに、請求項７記載の
発明によれば、上記請求項６の効果に加え、ターゲット
の中心軸付近がエロージョン領域に含まれるので、磁石
機構を回転させた際にこの部分がエロージョンされずに
残ってしまうことが防止され、さらにターゲットの利用
効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリン
グ装置の概略を説明する図である。

【図２】図１の装置におけるカソードの構成を説明する
図であり、磁石機構の構成を説明する斜視概略図であ
る。

【図３】図１の装置におけるカソードの構成を説明する
図であり、磁石機構によるターゲット上の周状磁界の構
成を説明する斜視概略図である。

【図４】図１から図３に示す実施形態の作用効果を説明
する図であり、図２のＸ−Ｘの方向での断面図である。

【図５】ＴＳ距離に対する各々のエロージョン最深部の
直径の大きさとアスペクト比との関係について説明した
図である。

【図６】本願発明の第二の実施形態におけるカソードの
構成を説明する斜視概略図である。

【図７】本願発明の第三の実施形態を説明する平面図で
ある。

【図８】本願発明の第三の実施形態を説明する側断面図
である。

【図９】図７及び図８に示す第三実施形態において、各
磁界コイルへの供給電流を独立して制御する電流制御手
段を付加した応用例の説明図である。

【図１０】ボトムカバレッジ率を向上させた従来のスパ
ッタ装置の一例であるコリメートスパッタ装置の概略を
説明した図である。

【図１１】従来のスパッタ装置の他の例である低圧遠隔
スパッタ装置の概略を説明した図である。

【図１２】図１１に示す装置を使用して大型の基板に成
膜する場合の問題点を説明した図であり、装置中のター
ゲットと基板の部分図である。

【図１３】図１２と同様に、図１１に示す装置を使用し
て大型の基板に成膜する場合の問題点を説明した図であ
り、基板の中心付近及び周辺部のボトムカバレッジ率を
示した断面図である。

【図１４】低圧遠隔スパッタに関する実験データを示す
ものであり、ボトムカバレッジ率の圧力及びＴＳ距離依
存性を示すデータである。

【図１５】同じく低圧遠隔スパッタに関する実験データ
を示すものであり、得られた薄膜のシート抵抗分布の圧
力及びＴＳ距離依存性を示すデータである。

【図１６】同じく低圧遠隔スパッタに関する実験データ
を示すものであり、ＴＳ距離が３４０ｍｍの場合のアス
ペクト比に対するボトムカバレッジ率の関係を示すデー
タである。

【図１７】同じく低圧遠隔スパッタに関する実験データ
を示すものであり、ＴＳ距離が２６０ｍｍの場合のアス
ペクト比に対するボトムカバレッジ率の関係を示すデー
タである。

【図１８】基板の大型化がボトムカバレッジ率及び成膜
速度に与える影響について検討した結果の図である。

【図１９】エロージョン最深部が周状となる点について
説明した図であり、従来の装置における磁石機構の斜視
概略図である。

【図２０】エロージョン最深部が周状となる点について
説明した図であり、従来の装置におけるカソードの斜視
概略図である。

【符号の説明】

１真空容器１１排気系２カソード２０中心軸２２回転機構３基板ホルダ３０基板４磁石機構５ターゲット５０エロージョン領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気系を備えた真空容器と、真空容器内
の所定の位置に配置されたターゲットと、ターゲットの
表面側に磁界を設定する磁石機構とを具備し、ターゲッ
トに対向させて基板を配置し、前記磁石機構が作る磁界
によってイオンを捉えながらターゲットをスパッタして
基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置
であって、前記磁石機構は、ターゲットの表面のある場所から出て
ターゲットの表面の他の場所に入る漏洩磁力線を設定す
るとともにこのような漏洩磁力線をターゲットの表面上
に周状に連ねて形成される周状磁界を設定するものであ
り、当該磁石機構がターゲットに対して相対的に静止し
ている場合には周状となるエロージョン領域がこの周状
磁界によってターゲットの表面上に形成されるスパッタ
リング装置において、前記磁石機構は、ターゲットの表面上に前記周状磁界を
複数設定して前記周状となるエロージョン領域を交差し
ないようにして複数形成するものであることを特徴とす
るスパッタリング装置。
【請求項２】前記磁石機構は、前記周状となるエロー
ジョン領域のうちの最深部の周上の２点を結んだ長さが
最も短い部分で基板の直径以下となるよう前記周状磁界
を複数設定するものであることを特徴とする請求項１記
載のスパッタリング装置。
【請求項３】前記磁石機構は、前記周状となるエロー
ジョン領域のうちの最深部の周上の２点を結んだ長さが
最も短い部分でターゲットと基板の離間距離以下となる
よう前記周状磁界を複数設定するものであることを特徴
とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項４】前記磁石機構４は、前記周状となる複数
のエロージョン領域の離間距離が、当該エロージョン領
域の最深部の周上の２点を結んだ長さのうちの最も短い
長さの半分より小さくなるよう前記周状磁界を複数設定
するものであることを特徴とする請求項１、２又は３記
載のスパッタリング装置。
【請求項５】前記磁石機構４は、複数の電磁石から構
成され、それら複数の電磁石への供給電流量は、少なく
とも二つの群の電磁石について独立して制御可能に構成
されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記
載のスパッタリング装置。
【請求項６】前記磁石機構をターゲットの中心軸の周
りに回転させる回転機構を具備していることを特徴とす
る請求項１、２、３、４又は５記載のスパッタリング装
置。
【請求項７】前記磁石機構は、ターゲットの表面の中
心部分を前記周状となるエロージョン領域のいずれかが
含むよう前記周状磁界を複数設定するものであることを
特徴とする請求項６記載のスパッタリング装置。