JPH10251849A - スパッタリング装置 - Google Patents

スパッタリング装置

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JPH10251849A
JPH10251849A JP9070431A JP7043197A JPH10251849A JP H10251849 A JPH10251849 A JP H10251849A JP 9070431 A JP9070431 A JP 9070431A JP 7043197 A JP7043197 A JP 7043197A JP H10251849 A JPH10251849 A JP H10251849A
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auxiliary electrode
sputtering apparatus
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Tadahiro Omi
忠弘 大見
Masaki Hirayama
昌樹 平山
Haruyuki Takano
晴之 高野
Yusuke Hirayama
祐介 平山
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ターゲットに対するプラズマ密度
の均一化を図り、基体上に均一な膜質を有する堆積膜の
形成が可能なスパッタリング装置を提供することを目的
とする。 【解決手段】 本発明のスパッタリング装置は、内部が
減圧可能な容器の中に、平行平板型の２つの電極Ｉと電
極ＩＩを備え、前記電極Ｉの上にはスパッタリングされ
るターゲットと、前記電極ＩＩの上には膜を堆積させる
基体とが、それぞれ対向して配置してあり、ガス供給シ
ステムから前記容器中にプロセスガスを導入し、少なく
とも前記電極Ｉを介して前記ターゲットに高周波電力を
印加して、電極Ｉと電極ＩＩとの間にプラズマを生起さ
せるスパッタリング装置において、少なくとも前記ター
ゲットのスパッタリングされる面に対して水平な磁場を
導入する手段が、前記容器の外部に設けてあることを特
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、スパッタリング装置に
係る。より詳細には、ターゲットのスパッタリングされ
る面に対して水平な磁場を導入する手段を設けたことに
より、ターゲットの全面にわたって均一なスパッタリン
グを可能とするスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＤＲＡＭやＭＰＵなどのチップサ
イズの大型化に伴い、その基体として用いられるシリコ
ン基板も大口径化される傾向にある。このような大口径
の基体上にスパッタリングによって薄膜を形成する場
合、基体サイズに対応した大口径のターゲットを用い、
基体上に均一な膜厚で均質な堆積膜を形成できるスパッ
タリング装置の開発が望まれている。
【０００３】従来のスパッタリング装置としては、平行
平板型の電極を有し、ＲＦバイアスをターゲットに印加
してターゲットをスパッタするＲＦスパッタ装置（図
６）や、ターゲットの裏面にあたる部分から磁場を発生
させる構造を有し、この磁場を加えながらターゲットに
ＲＦバイアスを印加することにより、ターゲット表面に
より密度の高いプラズマを生成するマグネトロンスパッ
タ装置（図７）が挙げられる。
【０００４】図９は、上述したＲＦスパッタ装置とマグ
ネトロンスパッタ装置のスパッタリング能力を調べた結
果である。Ａｌターゲット（１５０ｍｍφ）に高周波電
力（１３．５６ＭＨｚ）を１００時間印加した後、ター
ゲット表面上を直径方向に２０ｍｍ間隔で８箇所、ター
ゲットの削れ量を調べた結果である。この結果から、マ
グネトロンスパッタ装置は、ＲＦスパッタ装置に比べて
高いスパッタリング能力を有することが分かる。しかし
ながら、図８に示すようにマグネトロンスパッタ装置
は、ターゲット表面上に生じる磁界方向が一様ではない
ため、ターゲット表面では磁力線に囲まれた制限された
空間にのみ強いプラズマが生成されてしまうという問題
点がある。
【０００５】この問題点を回避する方法としては、ヨー
クの構造などを工夫する方法やターゲット裏面部の磁石
機構を回転させる方法などが公知である。しかしなが
ら、ヨークの構造を工夫する場合はハードウェアの複雑
化につながるという課題や、磁石機構を回転させる場合
はプラズマが回転することにより基板への成膜物がスト
レス耐性の弱いものになってしまうという課題があると
ともに、必ずしも基体上に均一な膜質の堆積膜が得られ
ないという問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ターゲット
に対するプラズマ密度の均一化を図り、基体上に均一な
膜質を有する堆積膜の形成が可能なスパッタリング装置
を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のスパッタリング
装置は、内部が減圧可能な容器の中に、平行平板型の２
つの電極Ｉと電極ＩＩを備え、前記電極Ｉの上にはスパ
ッタリングされるターゲットと、前記電極ＩＩの上には
膜を堆積させる基体とが、それぞれ対向して配置してあ
り、ガス供給システムから前記容器中にプロセスガスを
導入し、少なくとも前記電極Ｉを介して前記ターゲット
に高周波電力を印加して、電極Ｉと電極ＩＩとの間にプ
ラズマを生起させるスパッタリング装置において、少な
くとも前記ターゲットのスパッタリングされる面に対し
て水平な磁場を導入する手段が、前記容器の外部に設け
てあることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るスパッタリ
ング装置の一例を示す模式的な断面図である。
【０００９】図１において、１００は内部が減圧可能な
容器、１０１は磁場を導入する手段、１０２は電極Ｉ、
１０３はターゲット、１０４は補助電極Ａ、１０５は基
体、１０６は電極ＩＩ、１０７は補助電極Ｂ、１０８〜
１１０はバンドエリミネータ（Ｂ．Ｅ．）、１１１、１
１２はローパスフィルタ、１１３〜１１５は交流電源、
１１６〜１１８は整合回路、１１９、１２０は直流電
源、１２１はガス供給システム、１２２はターボ分子ポ
ンプ、１２３はドライポンプ、１２４は排気システムで
ある。
【００１０】図１の容器１００は、その内部においてプ
ラズマプロセスが行える程度に減圧可能な容器である。
ガス供給システム１２１によりプラズマを励起するため
のガスを容器１００の中に導入し、排気システム１２４
により内部を減圧することができるようになっている。
【００１１】容器１００の壁面材料としてはＡｌ合金な
どを用いるが、金属薄膜などの成膜の際に、チャンバ壁
面などから放出される水分が被成膜材料と被処理基体と
の密着性を劣化させる要因となることや、被処理ターゲ
ット基体以外の材料がスパッタされることを考慮して、
窒化処理をした材料（ＡｌＮなど）を使用することが望
ましい。これはチャンバ壁面のみにあらず、電極や他の
チャンバ内材料なども、熱的、電気的および機械的に制
限を受けない範囲に於いて可能な限り水分を放出しない
材料およびプラズマ耐性の高い材料を用いる必要があ
る。導電性材料としてはグラッシーカーボンやＳｉＣな
ど、絶縁性のものではＡｌＮやＳｉＮなどが候補に挙が
る。材料の選定は熱伝導率や表面での電界強度比などを
考慮して決定する。
【００１２】磁場を導入する手段１０１は、容器１００
の外部に設置されており、上下方向および回転方向に移
動可能であり、ターゲット１０３のスパッタリングされ
る面に対して水平な磁場を導入することにより、ターゲ
ット１０３の上に均一な磁場を形成する。
【００１３】電極Ｉ１０２は、ターゲット１０３を保持
する機能を有するとともに、プラズマを励起するための
電極である。この電極Ｉ１０２には、整合回路１１６を
介して交流電源１１３が、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
を介してＤＣ電源が、電気的に接続してある。これはタ
ーゲット１０３に照射されるイオンのエネルギを制御す
るために設けてあり、ターゲットが導電性材料でない場
合には接続されている高周波電源の周波数または電力を
変化させてこのエネルギを制御する。
【００１４】ターゲット１０３は、対向した位置に設け
た基体１０５の上に堆積膜を形成するために用いる母材
である。ターゲット１０３としては、例えばＳｉなどの
半導体材料、Ｗ、Ｔａなどの金属材料、ＳｉＯ2などの
絶縁体材料が好適に用いられる。また、ターゲット１０
３に用いる材料は、直接成膜したい材料に限定される必
要はなく、例えば化学組成の異なる材料や、成膜したい
材料の組成の一部であるような材料を用いて、プラズマ
中に存在するガスと反応させて所望の堆積膜を形成して
も構わない。このような堆積膜の形成方法、すなわち反
応性スパッタ法を行えば、例えば、ターゲット１０３と
してＳｉを用い、プラズマを生起するためのガスとして
Ｎ2を用いることによりＳｉＮ膜の形成が可能である。
【００１５】補助電極Ａ１０４は、ターゲットの外周端
より外側の領域に、電極Ｉ１０２と接して設けてある。
電極Ｉ１０２と補助電極Ａ１０４との接合状態は、電気
的に導通させた状態でも、あるいはコンデンサ等を介し
て電気容量をもたせて接合させた状態でも構わない。特
に後者の場合には、補助電極Ａ１０４がスパッタリング
されにくいという利点も有する。補助電極Ａ１０４は、
ターゲット１０３上に生起されたプラズマの生成空間を
面内方向に拡大する効果があり、従来技術において磁場
を導入するための手段として用いられている磁性材料で
構成されたヨークとは機能的に大きく異なるものであ
る。
【００１６】基体１０５は、ターゲット１０３からスパ
ッタされた粒子など受け止めて、膜を堆積させる基板で
あり、例えばＳｉ基板、ＳｉＣ基板およびガラス基板な
どが用いられるが、これらに限定されるわけではない。
【００１７】電極ＩＩ１０６は、基体１０５を保持する
機能を有するとともに、整合回路１１７を介して交流電
源１１４が接続されており、かつローパスフィルタ（Ｌ
ＰＦ）１１２を介して直流電源１２０が接続されてい
る。これは基体１０５に自己バイアスを与えるためであ
り、基体１０５が導電性でその上に成膜する材料が導電
性の場合には直流電源１２０のみでもよく、どちらかが
絶縁性材料である場合には直流電源１２０は必要なく、
交流電源１１４のみ接続されていれば良い。
【００１８】補助電極Ｂ１０７は、基体１０５の外周端
より外側の領域で、基体１０５及び電極ＩＩ１０６とは
離間した位置に配置してある。そして、補助電極Ｂ１０
７には、高周波電力を印加するため、整合回路１１８を
介して交流電源１１５を接続してある。これは磁場が印
可されていることによるプラズマの偏りを緩和する目的
で設置してある。
【００１９】バンドエリミネータ（Ｂ．Ｅ．）１０８〜
１１０は、帯域阻止フィルタであり、それぞれに印可さ
れる高周波が互いに影響をおよぼさないように、その接
続されている電極に印可したい高周波電力の周波数のみ
が効率よく印加されるように適宜設定した。
【００２０】
【実施例】以下、図面を参照して本発明に係るスパッタ
リング装置を説明するが、本発明はこれらの実施例に限
定されるものではない。
【００２１】（実施例１）本例では、図１に示したスパ
ッタリング装置を用い、磁場を導入する手段１０１を変
えて、スパッタリング能力を調べた。スパッタリング能
力は、Ａｌターゲット（１５０ｍｍφ）に高周波電力
（１３．５６ＭＨｚ）を１００時間印加した後、ターゲ
ット表面上を直径方向に２０ｍｍ間隔で８箇所、ターゲ
ットの削れ量で評価した。
【００２２】磁場を導入する手段１０１としては、図２
に示した磁石配置の場合と、図３に示した磁石配置の場
合を検討した。図２の磁石配置では、スパッタリング装
置の容器２００を挟むように１対の永久磁石２３０ａ、
２３０ｂを平行して配置してある。図３の磁石配置は、
スパッタリング装置の容器３００を囲むように複数個の
永久磁石３３０を配置した、通称ダイポールリングマグ
ネット（ＤＲＭ）を利用した場合である。図３におい
て、各永久磁石の中に記載した矢印の向きは磁化の方向
を示す。
【００２３】但し、本例では、図１に示した補助電極Ａ
１０４と補助電極Ｂ１０７は設置しなかった。
【００２４】図４は、ターゲットの削れ量を示すグラフ
である。比較例として、図９に示した従来のマグネトロ
ンスパッタリング装置の結果も図４に記載した。
【００２５】図４から、以下の点が明らかとなった。 （１）ターゲット表面上に水平磁場を導入することで、
ターゲットの削れ量が従来より均一になる。 （２）図３の磁石配置の方が、図２の磁石配置よりさら
にターゲットの削れ量を均一にすることができる。
【００２６】（実施例２）本例では、図１に示したスパ
ッタリング装置における磁場を導入する手段１０１とし
て図３に示した磁石配置を用い、補助電極Ａ１０４と補
助電極Ｂ１０７を設置しない場合と、補助電極Ａ１０４
と補助電極Ｂ１０７を設置した場合、における堆積膜の
膜質を調べた。
【００２７】また、補助電極Ｂ１０７を設置した場合に
は、補助電極Ｂ１０７に交流電源１１５から印加する高
周波の周波数依存性を調べた。周波数としては、３８０
ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、４０ＭＨｚ及び１００ＭＨ
ｚの４種類を用いた。
【００２８】基体１０５としては、単結晶Ｓｉウェハ
（３３ｍｍφ）を複数枚、電極ＩＩ１０６の上に配置し
た。ターゲット１０３としてはＮ型Ｓｉ（Ｐドープ）
を、Ａｒガスを用いてスパッタリングすることにより、
基体１０５の上にＳｉ膜を堆積させた。堆積した膜の膜
質としては、比抵抗を評価した。
【００２９】図５は、比抵抗の測定結果を纏めたグラフ
である。図５において、○印は補助電極Ａ１０４と補助
電極Ｂ１０７を設置しない場合、△印は補助電極Ｂ１０
７に４０ＭＨｚの高周波を印加した場合、▲印は補助電
極Ｂ１０７に１００ＭＨｚの高周波を印加した場合、の
結果である。図５の縦軸に示した比抵抗の値は、基体番
号１で観測された比抵抗の値で規格化して示した。
【００３０】図５から、以下の点が明らかとなった。
【００３１】（１）補助電極Ａ１０４と補助電極Ｂ１０
７を設置しない場合（○印）に比べて、補助電極Ａ１０
４と補助電極Ｂ１０７を設置した場合（△印、▲印）の
方が比抵抗のバラツキが小さくなる。
【００３２】（２）電極Ｉ１０２を介してターゲット１
０３に印加した周波数ｆ（１３．５６ＭＨｚ）に比べ
て、補助電極Ｂ１０７に印加した周波数ｆｃを十分大き
くした場合の方が（すなわち４０ＭＨｚより１００ＭＨ
ｚの方が）、より比抵抗のバラツキが小さくなる。
【００３３】（３）電極Ｉ１０２を介してターゲット１
０３に印加した周波数ｆ（１３．５６ＭＨｚ）に比べ
て、補助電極Ｂ１０７に印加した周波数ｆｃが小さい場
合（３８０ｋＨｚ）や等しい場合（１３．５６ＭＨｚ）
には、比抵抗のバラツキは改善せず、補助電極Ａ１０４
と補助電極Ｂ１０７を設置しない場合（○印）と同様の
結果であった。
【００３４】（４）特に、電極Ｉ１０２を介してターゲ
ット１０３に印加した周波数ｆ（１３．５６ＭＨｚ）と
補助電極Ｂ１０７に印加した周波数ｆｃとが等しい場合
（１３．５６ＭＨｚ）には、プラズマが干渉してしま
い、放電が不安定となった。
【００３５】従って、補助電極Ｂに印加する高周波電力
の周波数ｆｃが、前記電極Ｉを介して前記ターゲットに
印加する高周波電力の周波数ｆより大きいとき、堆積し
た膜の膜質を均質化できると考えた。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ターゲットのスパッタリングされる面に対して水平な磁
場を導入することにより、ターゲットの削れ量を均一に
することが可能なスパッタリング装置がえられる。
【００３７】また、ターゲットの外周端より外側の領域
に、電極Ｉと接して補助電極Ａを設け、基体の外周端よ
り外側の領域で、前記基体及び前記電極ＩＩとは離間し
た位置に、高周波電力が印加される補助電極Ｂを設ける
ことにより、堆積した膜の膜質を均質化が達成できる。
その際、補助電極Ｂに印加する高周波電力の周波数ｆc
は、前記電極Ｉを介して前記ターゲットに印加する高周
波電力の周波数ｆより大きいほど好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスパッタリング装置の一例を示す
模式的な断面図である。
【図２】図１に示した磁場を導入する手段として、１対
の永久磁石を用いた場合を示す模式的な平面図である。
【図３】図１に示した磁場を導入する手段として、ダイ
ポールリングマグネット（ＤＲＭ）を用いた場合を示す
模式的な平面図である。
【図４】本発明に係るスパッタリング装置において、タ
ーゲットの削れ量を調べた結果を示すグラフである。
【図５】堆積膜の比抵抗を示すグラフである。
【図６】従来のＲＦスパッタ装置の一例を示す模式的な
断面図である。
【図７】従来のマグネトロンスパッタ装置のターゲット
周辺部の一例を示す模式的な断面図である。
【図８】図７のマグネトロンスパッタ装置における磁場
発生状態を示した模式的な断面図である。
【図９】従来のスパッタリング装置において、ターゲッ
トの削れ量を調べた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ 容器、 １０１ 磁場を導入する手段、 １０２ 電極Ｉ、 １０３ ターゲット、 １０４ 補助電極Ａ、 １０５ 基体、 １０６ 電極ＩＩ、 １０７ 補助電極Ｂ、 １０８、１０９、１１０ バンドエリミネータ（Ｂ．
Ｅ．）、 １１１、１１２ ローパスフィルタ、 １１３、１１４、１１５ 交流電源、 １１６、１１７、１１８ 整合回路、 １１９、１２０ 直流電源、 １２１ ガス供給システム、 １２２ ターボ分子ポンプ、 １２３ ドライポンプ、 １２４ 排気システム、 ２００ 容器、 ２３０ａ、２３０ｂ 永久磁石、 ３００ 容器、 ３０３ ターゲット、 ３３０ 永久磁石、 ６０１ スパッタ室、 ６０２ 陽極、 ６０３ ターゲット、 ６０４ シャッタ、 ６０５ シールド、 ６０６ ガス供給口、 ６０７ 排気口、 ６０８ マッチング回路、 ６０９ ＲＦ電源、 ６１０ マッチングボックス、 ７０３ ターゲット、 ７０４ エロージョン位置、 ７０５ シールド、 ７０６ 磁石、 ７０７ 磁石支持体、 ７０８ 電力供給ライン、 ７０９ 冷却水導入口、 ７１０ 冷却水排出口、 ７１１ 絶縁物、 ８０３ ターゲット、 ８０６ 磁石、 ８０７ 磁石支持体、 ８１２ 漏れ磁束。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野 晴之 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉（無番地) 東北大学工学部電子工学科内 (72)発明者 平山 祐介 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉（無番地) 東北大学工学部電子工学科内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部が減圧可能な容器の中に、平行平板
    型の２つの電極Ｉと電極ＩＩを備え、 前記電極Ｉの上にはスパッタリングされるターゲット
    と、前記電極ＩＩの上には膜を堆積させる基体とが、そ
    れぞれ対向して配置してあり、 ガス供給システムから前記容器中にプロセスガスを導入
    し、 少なくとも前記電極Ｉを介して前記ターゲットに高周波
    電力を印加して、電極Ｉと電極ＩＩとの間にプラズマを
    生起させるスパッタリング装置において、 少なくとも前記ターゲットのスパッタリングされる面に
    対して水平な磁場を導入する手段が、前記容器の外部に
    設けてあることを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 【請求項２】 前記ターゲットの外周端より外側の領域
    に、前記電極Ｉと接して補助電極Ａを設けたことを特徴
    とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
  3. 【請求項３】 前記基体の外周端より外側の領域で、前
    記基体及び前記電極ＩＩとは離間した位置に、高周波電
    力が印加される補助電極Ｂを設けたことを特徴とする請
    求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
  4. 【請求項４】 前記補助電極Ｂに印加する高周波電力の
    周波数ｆｃが、前記電極Ｉを介して前記ターゲットに印
    加する高周波電力の周波数ｆより大きいことを特徴とす
    る請求項３に記載のスパッタリング装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001220672A (ja) * 1999-11-30 2001-08-14 Tadahiro Omi 成膜装置および成膜方法
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