JPH10289887A - イオン化スパッタリング装置 - Google Patents

イオン化スパッタリング装置

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JPH10289887A
JPH10289887A JP9111902A JP11190297A JPH10289887A JP H10289887 A JPH10289887 A JP H10289887A JP 9111902 A JP9111902 A JP 9111902A JP 11190297 A JP11190297 A JP 11190297A JP H10289887 A JPH10289887 A JP H10289887A
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coil
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正彦 小林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波コイルのスパッタによる問題を解決
し、不要なプラズマ形成を防止し、プラズマ形成のため
の最適なガス供給の構成を提供することでプラズマ形成
効率を改善して、実用的なイオン化スパッタリング装置
を提供する。 【解決手段】 ターゲット2と基板ホルダー5との間の
イオン化空間を取り囲むように設けられた高周波コイル
61には、スパッタによって放出される材料が基板50
に到達するのを遮蔽するコイルシールド64が設けられ
る。コイルシールド64は金属製であり、接地されて不
要な場所でのプラズマ形成を防止する。コイルシールド
64は中空であり、イオン化空間を臨む内側面にガス吹
き出し穴が均等に形成されて、イオン化空間に向けてガ
スが吹き出るよう構成される。

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、各種半導体デ
バイスの製作に使用されるスパッタリング装置に関し、
特に、スパッタ粒子をイオン化する機能を備えたイオン
化スパッタリング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】各種メモリやロジック等の半導体デバイ
スでは、各種配線膜の形成や異種層の相互拡散を防止す
るバリア膜の作成等の際にスパッタリングプロセスを用
いており、スパッタリング装置が多用されている。この
ようなスパッタリング装置に要求される特性は色々ある
が、基板に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく
被覆できることが、最近強く求められている。
【0003】具体的に説明すると、例えばバリア膜の場
合、ホールの周囲の面に対するホールの底面への成膜速
度の比であるボトムカバレッジ率の向上が最近特に強く
要請されている。というのは、集積度の増加を背景とし
て、コンタクトホール等のホールはそのアスペクト比
(ホールの開口の大きさに対するホールの深さの比)が
年々高くなってきており、このような高アスペクト比の
ホールに対しては、従来のスパッタリングの手法では、
ボトムカバレッジ率よく成膜が行えないことが多いから
である。ボトムカバレッジ率が低下すると、ホールの底
面でバリア膜が薄くなり、ジャンクションリーク等のデ
バイス特性に致命的な欠陥を与える恐れがある。
【0004】ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタ
リングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔ス
パッタ等の手法がこれまで開発されてきた。これらの手
法の詳細な説明は省略するが、いずれも中性スパッタ粒
子を多く基板に垂直に入射させようとする試みである。
【0005】しかしながら、コリメートスパッタではコ
リメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になる
ために成膜速度が低下する問題があり、また、低圧遠隔
スパッタでは、圧力を低くしターゲットと基板との距離
を長くするため本質的に成膜速度が低下する問題があ
る。このような問題のため、コリメートスパッタでは6
4メガビットまで、低圧遠隔スパッタでは256メガビ
ットの第一世代程度までが限界であると予測されてお
り、256メガビット以上の次世代のデバイス製作に利
用可能な実用的な手法の模索が行われている。
【0006】このような要求に応えるものとして、イオ
ン化スパッタの手法が有力ではないかと最近考えられて
いる。イオン化スパッタは、ターゲットから放出される
スパッタ粒子をイオン化し、イオンの作用によってホー
ル内に効率よくスパッタ粒子を到達させる手法である。
イオン化スパッタによると、コリメートスパッタや低圧
遠隔スパッタに比べて遥かに高いボトムカバレッジ率が
得られることが確認されている。
【0007】イオン化スパッタの典型的な構成として
は、基板とターゲットの間のスパッタ粒子の飛行経路上
にプラズマを形成し、スパッタ粒子がプラズマを通過す
る際にイオン化するようにする。プラズマとしては、誘
導結合型プラズマが通常形成される。具体的には、飛行
経路上のイオン化を行う空間(以下、イオン化空間)を
取り囲むようにして高周波コイルを設け、この高周波コ
イルに所定の高周波を供給して高周波コイルの内部にプ
ラズマを形成するようにする。プラズマ中には高周波電
流が流れ、プラズマと高周波コイルは誘導性結合する。
このため、誘導結合型プラズマと呼ばれる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発明者
の検討によると、上記イオン化スパッタの構成では、以
下のような課題を抱えていることが判明した。まず第一
に、充分な強度の高周波電界をイオン化空間に設定する
ため、高周波コイルは通常スパッタチャンバーの内部に
配設されるが、プラズマによって高周波コイルがスパッ
タされ、スパッタされた高周波コイルの材料が基板に達
する結果、基板を汚損する問題がある。第二に、スパッ
タチャンバー内をガスは拡散していくため、高周波コイ
ルの外側でもプラズマが形成される場合があり、このよ
うな場所に形成されるプラズマはイオン化に不要なもの
であるのみならず、その場所に配置されている部材に損
傷を与える場合がある。第三に、プラズマを形成する場
合、スパッタ放電のためのガスを導入するガス導入手段
を兼用するが、スパッタ放電のために最適なガス導入と
イオン化用のプラズマ形成のために最適なガス導入の構
成とは異なる。このため、プラズマ形成のために効率よ
くガスが供給できず、プラズマ形成効率が悪い。本願の
発明は、このような課題を解決するためになされたもの
であり、イオン化スパッタが抱えるこのような問題を解
決し、次世代のデバイスの製作に有効な実用的なイオン
化スパッタリング装置を提供することを目的としてい
る。
【0009】
【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記載の発明は、排気系を備えたスパ
ッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられた
ターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッタ電極
と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入するガス
導入手段と、スパッタによってターゲットから放出され
たスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、イオ
ン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を保持する
基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリング装置で
あって、前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダ
ーとの間のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャ
ンバー内に設けられた高周波コイルと、この高周波コイ
ルに所定の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導
結合型プラズマを形成する高周波電源とから構成されて
おり、高周波コイルには、当該高周波コイルがスパッタ
されて放出される高周波コイルの材料よりなるスパッタ
粒子が基板に到達するのを遮蔽するコイルシールドが設
けられているという構成を有する。また、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、イオン化したチタンを基板に引き込むため
に基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段とを
備えているという構成を有する。また、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又は2
の構成において、コイルシールドは、金属製の部材で形
成されていて電気的に接地されており、かつ、高周波コ
イルの一部を覆うよう配置されているとともに、高周波
コイルを臨む表面が、高周波コイルから放射される電界
の等電位面に沿った形状になるように形成されていると
いう構成を有する。また、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、コイルシールドは、高周波コイルの外側を覆
い、イオン化空間に向けて高周波が放射されるように高
周波コイルの内側に高周波通過用開口を設けた形状であ
り、かつ、コイルシールドから高周波通過用開口を通し
ては基板上及びターゲットの被スパッタ面上のいずれの
点も見通せない形状であるという構成を有する。また、
上記課題を解決するため、請求項5記載の発明は、排気
系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー
内に設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタす
るスパッタ電極と、スパッタチャンバー内に所定のガス
を導入するガス導入手段と、スパッタによってターゲッ
トから放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン
化手段と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に
基板を保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッ
タリング装置であって、前記イオン化手段は、ターゲッ
トと基板ホルダーとの間のイオン化空間を取り囲むよう
にスパッタチャンバー内に設けられた高周波コイルと、
この高周波コイルに所定の高周波を供給してイオン化空
間に高周波誘導結合型プラズマを形成する高周波電源と
から構成されており、前記高周波コイルは、基板に作成
する薄膜の材料であるターゲットの材料と同一の材料で
形成されており、かつ、当該高周波コイルの外側には補
助シールドが設けられており、この補助シールドは、金
属製の部材で形成されて電気的に接地されており、高周
波コイルの内側にプラズマを閉じ込めるものであるとい
う構成を有する。また、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5の構成において、補助
シールドは、高周波コイルを臨む表面が、高周波コイル
から放射される電界の等電位面に沿った形状になるよう
に形成されているという構成を有する。また、上記解題
を解決するため、請求項7記載の発明は、排気系を備え
たスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設け
られたターゲットと、ターゲットをスパッタするスパッ
タ電極と、スパッタチャンバー内に所定のガスを導入す
るガス導入手段と、スパッタによってターゲットから放
出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段
と、イオン化したスパッタ粒子が入射する位置に基板を
保持する基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタリン
グ装置であって、前記イオン化手段は、ターゲットと基
板ホルダーとの間のイオン化空間を取り囲むようにスパ
ッタチャンバー内に設けられた高周波コイルと、この高
周波コイルに所定の高周波を供給してイオン化空間に高
周波誘導結合型プラズマを形成する高周波電源とから構
成されており、高周波コイルは、内部が中空であってイ
オン化空間を臨む内側面にガス吹き出し穴が均等に形成
されており、前記ガス導入手段の補助チャンバー内配管
が接続されてガス吹き出し穴から所定のガスをイオン化
空間に導入することができるようになっているという構
成を有する。また、上記課題を解決するため、請求項8
記載の発明は、上記請求項7の構成において、ガス導入
手段は、高周波コイルに供給するガスの温度を所定温度
に維持する温度調節器を有し、高周波コイルの温度調節
をすることが可能となっているという構成を有する。
【0010】
【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。まず、請求項1、2及び3の発明に対応
した第一の実施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のスパッタリング装置の構成を説明
する正面概略図である。図1に示すように、本実施形態
のスパッタリング装置は、排気系11を備えたスパッタ
チャンバー1と、このスパッタチャンバー1内に設けら
れたターゲット2と、このターゲット2をスパッタする
スパッタ電極3と、スパッタチャンバー1内に所定のガ
スを導入するガス導入手段4と、スパッタによってター
ゲット2から放出されたスパッタ粒子をイオン化させる
イオン化手段6と、イオン化したスパッタ粒子が入射す
る位置に基板50を保持する基板ホルダー5と、イオン
化したスパッタ粒子を基板50に引き込むために基板5
0に垂直な方向に電界を設定する電界設定手段7とを備
えている。
【0011】まず、スパッタチャンバー1は、不図示の
ゲートバルブを備えた気密な容器である。このスパッタ
チャンバー1は、ステンレス等の金属製であり、電気的
には接地されている。排気系11は、ターボ分子ポンプ
や拡散ポンプ等を備えた多段の真空排気システムで構成
されており、スパッタチャンバー1内を10-8〜10-9
Torr程度まで排気可能になっている。また、排気系
11は、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調
整器を備え、排気速度を調整することが可能になってい
る。
【0012】ターゲット2は、例えば厚さ6mm、直径
300mm程度の円板状であり、不図示のターゲットホ
ルダーを介してスパッタ電極3に取付けられている。ス
パッタ電極3は、磁石機構を備えたマグネトロンカソー
ドになっている。磁石機構は、中心磁石31と、この中
心磁石31を取り囲む周辺磁石32と、中心磁石31及
び周辺磁石32とを繋ぐ円板状のヨーク33とから構成
されている。尚、各磁石は、いずれも永久磁石である
が、電磁石でこれらを構成することも可能である。スパ
ッタ電極3はスパッタチャンバー1に対して絶縁された
状態で取り付けられており、スパッタ電源35が接続さ
れている。このスパッタ電源35は、所定の負の高電圧
又は高周波電圧をスパッタ電極3に印加するよう構成さ
れる。チタンのスパッタの場合、600V程度の負の直
流電圧を印加するよう構成されることが多い。
【0013】ガス導入手段4は、アルゴン等のスパッタ
放電用のガスを溜めたガスボンベ41と、ガスボンベ4
1とスパッタチャンバー1とをつなぐ配管42と、配管
42に設けられたバルブ43や流量調整器44と、配管
42の先端に接続されれたチャンバー内配管45と、チ
ャンバー内配管45の先端に接続されたガス分配器46
とから主に構成されている。ガス分配器46は、円環状
に形成したパイプの中心側面にガス吹き出し穴を形成し
た構成等が採用され、ターゲット2と基板ホルダー5と
の間の空間に均一にガスを導入するようにする。
【0014】イオン化手段6は、本実施形態では、ター
ゲット2から基板50へのチタンの飛行経路において誘
導結合型高周波プラズマを形成するものが採用されてい
る。具体的には、イオン化手段6は、ターゲット2と基
板ホルダー5との間のイオン化空間を取り囲むようにし
て設けられた高周波コイル61と、この高周波コイル6
1に整合器63を介して接続された高周波電源62とか
ら主に構成されている。
【0015】高周波コイル61は、太さ10mm程度の
金属の棒をほぼ螺旋状に形成したものであり、スパッタ
チャンバー1の中心軸からの高周波コイル61までの半
径距離は150〜250mm程度である。また、本実施
形態では、高周波コイル61に、後述するコイルシール
ド64が設けられているので、高周波コイル61の材質
は特に制限がない。高周波コイル61は、高周波を効率
よく励振する材質のものが使用され、例えばチタン等で
ある。
【0016】高周波電源62は、例えば周波数13.5
6MHzで出力5KW程度のものが使用され、整合器6
3を介して高周波コイル61を高周波電力を供給する。
高周波コイル61によって、イオン化空間に高周波電界
が設定され、ガス導入手段4によって導入されたガスが
この高周波電界によってプラズマ化してプラズマPが形
成されるようになっている。プラズマP中には高周波電
流が流れ、プラズマPと高周波コイル61は誘導性結合
する。
【0017】ターゲット2から放出されたスパッタ粒子
は、プラズマP中を通過する際にプラズマP中の電子と
衝突し、イオン化する。イオン化したスパッタ粒子は、
後述する電界によって加速されて基板50に到達するよ
うになっている。
【0018】基板ホルダー5は、ターゲット2に対して
平行に基板50を保持するようになっている。基板ホル
ダー5には、基板50を静電気によって吸着する不図示
の静電吸着機構や成膜中に基板50を加熱して成膜を効
率的にする不図示の加熱機構等が設けられる場合があ
る。
【0019】電界設定手段7は、本実施形態では、基板
ホルダー5に所定の高周波電圧を印加することで基板5
0に負のバイアス電圧を与えるものである。即ち、電界
設定手段7は、基板ホルダー5にブロッキングコンデン
サ72を介して接続された基板バイアス用高周波電源7
1によって構成されている。
【0020】基板バイアス用高周波電源71は、例えば
周波数13.56MHz出力300W程度のものであ
る。基板バイアス用高周波電源71によって基板50に
高周波電圧が印加されると、基板50の表面にはプラズ
マ中の荷電粒子が周期的に引き寄せられる。このうち、
移動度の高い電子は正イオンに比べて多くが基板50の
表面に引き寄せられ、その結果、基板50の表面は負の
電位にバイアスされたのと同じ状態になる。具体的に
は、上述した例の基板バイアス用高周波電源71の場
合、平均値で−100V程度のバイアス電圧を基板50
に与えることができる。
【0021】上記基板バイアス電圧が与えられた状態
は、直流二極放電でプラズマを形成した場合の陰極シー
ス領域と同様であり、プラズマと基板50との間に基板
50に向かって下がる電位傾度を有する電界(以下、引
き出し用電界)が設定された状態となる。この引き出し
用電界によって、イオン化スパッタ粒子(正イオンのチ
タン)は、プラズマから引き出されて基板50に効率良
く到達するようになっている。
【0022】上記基板ホルダー5は、ターゲット2が金
属である場合にはターゲット2と同一の金属材料、ター
ゲット2が誘電体である場合、ステンレス等の耐熱性の
ある金属で形成されている。いずれにしろ、基板ホルダ
ー5は金属製であり、従って、基板ホルダー5の載置面
内には直流分の電界は原理的に存在しない。よって、上
記引き出し用電界は基板50に対して垂直な向きの電界
であり、基板50に対して垂直にイオン化スパッタ粒子
を加速するよう作用する。この結果、基板50に形成さ
れたホールの底面まで効率よくイオン化スパッタ粒子を
到達させることができるようになっている。
【0023】次に、本実施形態の装置の大きな特徴点で
あるコイルシールド64の構成について説明する。本実
施形態の装置では、高周波コイル61がスパッタされて
放出される高周波コイル61の材料が基板50に到達す
るのを遮蔽するコイルシールド64が設けられている。
【0024】図1に示すように、コイルシールド64
は、高周波コイル61の内側部分を残して高周波コイル
61の周囲を覆った形状になっている。より具体的に
は、コイルシールド64は、高周波コイル61の断面形
状と同心の円周状の断面形状になっている。コイルシー
ルド64は、高周波コイル61が延びる方向に同様に延
びており、高周波コイル61の全長にわたって高周波コ
イル61を覆った形状である。
【0025】そして、高周波コイル61の内側には開口
640が形成されており、この開口640から高周波を
通過させるようになっている(以下、この開口を高周波
通過用開口と呼ぶ。)。高周波通過用開口640は、高
周波コイル61の全長にわたって形成されているので、
形状としては螺旋状のスリットになっている。
【0026】図2を使用してコイルシールド64の具体
的な寸法例について説明する。図2は、図1の装置に使
用されたコイルシールド64の具体的寸法の説明図であ
る。図2において、高周波コイル61の太さd1が10
mm程度である場合、コイルシールド64と高周波コイ
ル61の表面との距離d2は3〜5mm程度、高周波通
過用開口640の幅d3は10mm程度である。尚、高
周波通過用開口640の大きさを、高周波コイル61の
太さの中心からの見込み角θで表すと、θは70°程度
である。
【0027】尚、この高周波通過用開口640の幅d3
の選定は、プラズマ形成の効率の問題とコイルシールド
64内へのプラズマの拡散の問題との双方から重要な技
術事項である。即ち、イオン化空間により多く高周波を
放射させてプラズマ形成効率を高める意味からは、高周
波通過用開口640の幅d3は大きくすることが好まし
い。しかしながら、d3を大きくすると、コイルシール
ド64内へのプラズマの拡散の問題が顕在化する。
【0028】つまり、d3が大きくなると、コイルシー
ルド64内にプラズマが拡散してコイルシールド64内
で高周波放電が生ずるようになる。これは丁度高周波ホ
ロー放電の場合と同様であるが、コイルシールド64内
で放電が生ずると、当該放電に高周波エネルギーが多く
使用され、高周波コイル61の内側のイオン化空間に充
分なエネルギーが供給されず、結果的にプラズマ形成効
率が低下してしまう。また、高周波コイル61のスパッ
タも激しくなり、高周波コイル61の損傷等の問題も大
きくなる。
【0029】従って、このような点を勘案して、プラズ
マがコイルシールド64内に拡散しない範囲で出来るだ
け大きな値をd3に与えるべきである。この値は、圧力
やプラズマ密度によっても変わってくるので、これらの
パラメーターも考慮に入れるべきである。
【0030】このようなコイルシールド64は、ステン
レス又はアルミニウム等の金属製であり、電気的には接
地されている。コイルシールド64の表面(内面及び外
面)は、アルマイト処理等の耐熱性及び耐プラズマ性を
考慮した表面処理が施されている。
【0031】また、コイルシールド64の内面即ち高周
波コイル61を臨む表面には、堆積した薄膜の落下を防
止する凹凸が形成されている。というのは、プラズマに
よって高周波コイル61の表面がスパッタされ、スパッ
タされた高周波コイル61の材料がコイルシールド64
の表面に堆積する。そして、この堆積膜がある程度の量
に達すると自重により落下してパーティクルとなってス
パッタチャンバー内を浮遊し、時として基板上に付着し
て基板を汚損する原因となる。このため、コイルシール
ド64の表面堆積膜が容易には落下しないように凹凸を
形成して膜の密着性を高めているのである。
【0032】次に、図1を使用して、本実施形態のイオ
ン化スパッタリング装置の動作について説明する。基板
50が不図示のゲートバルブを通してスパッタチャンバ
ー1内に搬入され、基板ホルダー5上に載置される。ス
パッタチャンバー1内は予め10-8〜10-9Torr程
度まで排気されおり、基板50の載置後にガス導入手段
4が動作して、アルゴン等のプロセスガスが所定の流量
で導入される。このプロセスガスは、スパッタ放電用の
ガスでもあり、イオン化空間でのプラズマ形成用のガス
でもある。
【0033】排気系11の排気速度調整器を制御してス
パッタチャンバー1内を例えば30〜40mTorr程
度に維持し、この状態でスパッタ電極3を動作させる。
即ち、スパッタ電源35によってスパッタ電極3に所定
の電圧を与え、マグネトロンスパッタ放電を生じさせ
る。
【0034】同時に、イオン化手段6も動作させ、高周
波電源62によって高周波コイル61に高周波電圧を印
加し、イオン化空間に高周波電界を設定する。スパッタ
放電用ガスはイオン化空間にも拡散し、スパッタ放電用
ガスが電離してプラズマPが形成される。また同時に電
界設定手段7も動作し、基板バイアス用高周波電源71
によって基板50に所定のバイアス電圧が印加され、プ
ラズマPとの間に引き出し用電界が設定される。
【0035】スパッタ放電によってターゲット2がスパ
ッタされ、スパッタされたチタンは、基板50に向けて
飛行する。その飛行の途中、イオン化空間のプラズマP
を通過する際にイオン化する。イオン化したチタンは、
引き出し電界によってプラズマから効率良く引き出さ
れ、基板50に入射する。基板50に入射したチタン
は、ホールの底面や側面に達して膜を堆積し、効率良く
ホール内を被覆する。所定の厚さで膜が作成されると、
電界設定手段7、イオン化手段6、スパッタ電極3、及
びガス導入手段4の動作をそれぞれ停止させ、基板50
をスパッタチャンバー1から搬出する。
【0036】上記動作において、プラズマPから飛来す
る主にプロセスガスのイオン(稀にスパッタ粒子のイオ
ンの場合もある)によって高周波コイル61の表面がス
パッタされる。しかしながら、このスパッタによって放
出された高周波コイル61の材料よりなるスパッタ粒子
は、殆どがコイルシールド64に遮蔽されるため、基板
50やターゲット2に到達することがない。従って、ス
パッタされた高周波コイル61の材料による基板50の
汚損の問題は、本実施形態では殆ど無くなっている。
尚、高周波コイル61の材料よりなるスパッタ粒子がタ
ーゲット2に付着すると、再スパッタされて基板50に
到達する場合があるので、基板50のみならず、ターゲ
ット2に対しても遮蔽することが重要である。
【0037】尚、このような接地されたコイルシールド
64を高周波コイル61の外側に設けた場合でも、高周
波コイル61の内側に充分なエネルギーの高周波を蓄え
ることができ、必要な密度のプラズマをイオン化空間に
形成できることが確認されている。
【0038】次に、請求項3の発明に対応した実施形態
について補足的に説明する。図3は、図1のコイルシー
ルド64内における電界の状態について説明した断面概
略図である。上述したように、コイルシールド64は高
周波コイル61の断面形状と同心円周状の断面を有して
いる。そして、コイルシールド64自体は、接地されて
いる。従って、図3に示すように、高周波コイル61に
供給された高周波電圧による電気力線610は、図2に
示すように高周波コイル61の太さの中心点を中心とし
て放射状に延びる状態となる。そして、高周波コイル6
1から放射される電界の等電位面611は、中心から同
心円周状に広がる状態となる。このため、コイルシール
ド64内で高周波電界が乱されることなく誘起され、高
周波通過用開口640から安定して高周波が放射され、
イオン化空間に安定したプラズマを形成することができ
る。
【0039】次に、請求項4の発明に対応した実施形態
について補足的に説明する。図4は、図1のコイルシー
ルド64の好適な構成について説明する断面概略図であ
る。上述したように、コイルシールド64は、高周波コ
イル61の外側を覆うものであり、スパッタされて放出
される高周波コイル61の材料が基板50に到達するの
を遮蔽するものである。高周波コイル61から基板50
へのスパッタ粒子の遮蔽ということを最も効果的にする
には、コイルシールド64から高周波通過用開口640
を通しては基板50上及びターゲット2の被スパッタ面
上のいずれの点も見通せない構成にすることが好適であ
る。
【0040】図4を使用してより具体的に説明する。一
例として、図面上右側に位置する高周波通過用開口64
0について説明する。図4に示すように、この高周波通
過用開口640の下縁を通り高周波コイル61の上側の
面に接する接線(以下、第一接線)641が、基板50
の左側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口
640を通しては基板50上のいずれの点も見通せない
ことになる。尚、基板50は円形であることを想定して
いる。
【0041】また、この高周波通過用開口640の上縁
を通り高周波コイル61の下側の面に接する接線(以
下、第二接線)642が、ターゲット2の被スパッタ面
の左側の縁より外側を通る場合、この高周波通過用開口
640を通してはターゲット2の被スパッタ面上のいず
れの点も見通せないことになる。尚、ターゲット2の被
スパッタ面とは、ターゲットホルダー等に固定されるタ
ーゲット2の表面領域を除いて、スパッタ電極3によっ
て専らスパッタされる表面領域を意味している。
【0042】図4上で左側に位置する高周波通過用開口
640も同様であり、第一接線641が基板50の右側
の縁より外側を通り、第二接線642がターゲット2の
被スパッタ面の右側の縁より外側を通る場合、この高周
波通過用開口640を通しては基板50上及びターゲッ
ト2の被スパッタ面上のいずれの点も見通せないことに
なる。
【0043】高周波通過用開口640の幾何学的な配置
を上記のように構成することで、高周波コイル61から
基板50へのスパッタ粒子の遮蔽という効果を最も良好
に得ることができる。但し、上述した通り、高周波の通
過効率の点からは高周波通過用開口640はできるだけ
大きい方が良いので、第一接線641が基板50の縁に
接し、第二接線642がターゲット2の被スパッタ面の
縁に接するような臨界的な配置が採られる場合もある。
【0044】次に、請求項5及び6の発明に対応した第
二の実施形態について説明する。図5は、本願発明の第
二の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部
の構成を説明する正面概略図である。この第二の実施形
態の装置では、基板50に作成する薄膜の材料であるタ
ーゲット2の材料と同一の材料で高周波コイル61が形
成されている点と、高周波コイル61の外側には補助シ
ールド65が設けられている点が大きな特徴点になって
いる。
【0045】まず、高周波コイル61をターゲット2と
同一材料とすることは、上述したスパッタされた高周波
コイル61の材料による基板50の汚損という問題を第
一の実施形態とは別な考え方によって解決するものであ
る。つまり、高周波コイル61の材料が基板50に付着
したとしても問題にならない材料で高周波コイル61を
形成するという考え方である。具体的には、バリア膜を
作成する場合、ターゲット2はチタン製であり、高周波
コイル61も同様にチタン製とされる。尚、高周波コイ
ル61は経時的にスパッタされて消耗するので、交換容
易な状態でスパッタチャンバー1内に取付けられている
と好適である。
【0046】高周波コイル61の外側の補助シールド6
5は、第一の実施形態のコイルシールド64とは若干目
的が異なっている。高周波コイル61はターゲット2と
同一材料であるので、高周波コイル61からのスパッタ
粒子を遮蔽する必要性はこの第二の実施形態ではそれほ
どない。この補助シールド65の主な目的は、高周波コ
イル61の外側でのエネルギー供給を防止して、高周波
コイル61の内側にプラズマを閉じ込めることである。
【0047】即ち、この補助シールド65が無いと、高
周波コイル61の外側にも高周波が放射され、高周波コ
イル61の外側に存在するガス分子にエネルギーを与え
て放電を生じ、高周波コイル61の外側にもプラズマを
形成してしまう。このため、プラズマは、高周波コイル
61の内側から外側に広がって形成されてしまう。高周
波コイル61の外側に形成されたプラズマは、ターゲッ
トからのスパッタ粒子をイオン化させるのには殆ど役に
立たない。このような不要な領域にプラズマが形成され
ると、その領域に存在する部材を不必要にスパッタする
等の色々な問題を派生させる。しかしながら、本実施形
態では、補助シールド65によって高周波コイル61の
外側でのプラズマ形成が抑制されているので、このよう
な問題は生じない。
【0048】また、図4に示す補助シールド65は、図
3に示すコイルシールド64と同様に、高周波コイル6
1の太さの中心と同心円周状の断面形状を有している。
このため、補助シールド65の高周波コイル61を臨む
表面が、高周波コイル61から放射される電界の等電位
面に沿った形状になる。このため、高周波コイル61と
補助シールド65との間の電界の分布は中心対称的なも
のになり、イオン化空間での安定した高周波電界の設定
に貢献している。
【0049】補助シールド65は、コイルシールド64
と同様に、ステンレスやアルミニウム等の金属で形成さ
れ、電気的には接地されている。また、補助シールド6
5の表面をアルマイト処理したり、堆積膜の落下を防止
する凹凸を設けたりすると良い点も同様である。尚、前
述した第一の実施形態におけるコイルシールド64も、
この補助シールド65と同様の効果を有しているのは勿
論である。また、この補助シールド65についても、コ
イルシールド64と同様に、高周波コイル61からのス
パッタ粒子の遮蔽効果を持たせるようにしてもよい。
【0050】次に、請求項7及び8の発明に対応した第
三の実施形態について説明する。図6は、本願発明の第
三の実施形態に係るイオン化スパッタリング装置の要部
の構成を説明する正面概略図である。この第三の実施形
態の装置は、コイルシールド64が設けられている点は
第一の実施形態と同様であるが、高周波コイル61がイ
オン化空間へのガス導入機能を有している点が大きく異
なっている。即ち、第三の実施形態における高周波コイ
ル61は、内部が中空になっており、イオン化空間を臨
む内側の面にガス吹き出し穴612が均等に形成されて
いる。
【0051】高周波コイル61は、例えば内径6mm外
径10mmのパイプ状の部材を螺旋状に形成したもので
ある。ガス吹き出し穴612は、例えば直径0.2mm
程度の円形で、20mm程度の間隔で設けることができ
る。尚、ガス吹き出し穴612をあまり大きくすると、
ガス吹き出し穴612を通して高周波コイル61の内部
にプラズマが進入する問題があるので、あまり大きくす
るべきではない。
【0052】このような高周波コイル61は、ガス導入
手段4の配管42に接続されている。具体的には、配管
42から分岐するようにして補助配管47が設けられて
おり、補助配管47に補助チャンバー内配管48が接続
されている。そして、補助チャンバー内配管48の先端
に高周波コイル61が接続されている。この結果、ガス
分配器46から導入されるガスと同じガスが高周波コイ
ル61からも導入されるようになっている。
【0053】このような高周波コイル61の構成は、高
周波エネルギーが多く供給される場所に多くのガスを供
給することでプラズマ形成効率を高める作用を有してい
る。即ち、高周波コイル61からは、内側のイオン化空
間に高周波エネルギーが最も多く供給されるが、ガス分
配器46のみの構成であると、ガス分配器46からイオ
ン化空間までは距離があるので、イオン化空間に達する
前にガスは拡散してしまい充分な量のガスが供給されな
い恐れがある。一方、高周波コイル61のガス吹き出し
穴612からガス供給を行うようにすると、イオン化空
間はその目の前であるので、充分な量のガスが供給され
る。このため、プラズマの形成効率が高くなる。
【0054】尚、スパッタ電極3へのガス供給について
は、ガス分配器46を用いずに高周波コイル61からの
ガス供給で足りる場合があり、この場合はガス分配器4
6及びチャンバー内配管45は省略される。また、高周
波コイル61を接続した補助配管47には、高周波コイ
ル61に供給するガスの温度調節器49が設けられてい
る。温度調節器49は、具体的にはガスを所定温度に冷
却する冷却器である。
【0055】高周波コイル61は、イオン化空間に形成
されるプラズマからの電子衝撃や表面に流れる高周波電
流に伴うジュール熱によって加熱される。高周波コイル
61が限度以上に加熱されると、高周波コイル61に熱
的な損傷が発生したり、高周波コイル61への膜堆積が
促進されてしまう問題がある。そこで、本実施形態で
は、高周波コイル61に供給するガスを温度調節器49
によって所定温度に冷却し、ガスの冷却効果によって高
周波コイル61の温度上昇を所定温度以下に抑えてい
る。このため、熱的損傷や過剰な膜堆積等の問題が高周
波コイル61に生じないようになっている。
【0056】温度調節器49は、高周波コイル61の冷
却以外の目的でも用いることができる。例えば、イオン
化空間に供給するガスの温度を何らかの事情で温度調節
する必要がある場合、温度調節器49が好適に使用され
る。尚、この第三の実施形態における高周波コイル61
についても、第二の実施形態と同様にターゲット2と同
一材料とすることが可能である。また、コイルシールド
64に代えて第二実施形態の補助シールド65を採用す
ることも可能である。
【0057】上記各実施形態では、イオン化手段6とし
ては、高周波誘導結合型プラズマを形成してスパッタ粒
子をイオン化する構成を採用したが、これ以外にも多く
の構成が考えられる。例えば、プラズマを形成するもの
としては、高周波容量結合型プラズマや直流二極放電プ
ラズマ、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ、
ヘリコン波プラズマ等を形成するものが採用できる。ま
た、イオン化空間に正イオンを照射してスパッタ粒子か
ら電子を奪ってイオン化させるイオン源等も、イオン化
手段6として採用できる。
【0058】また、上記各実施形態では、イオン化した
スパッタ粒子を基板50に引き出すための電界を設定す
るための電界設定手段7を使用しているが、このような
電界設定手段7を設けなくともイオン化スパッタリング
の効果が得られる場合がある。例えば、高周波コイル6
1が与える高周波電界によって加速されて効果的にイオ
ンを基板50に入射させることが可能な場合があり、こ
のような場合には電界設定手段7は不要とされる。
【0059】さらに、高周波コイル61の構成として
は、前述した螺旋状の他、リング状の部材のみからなる
単巻コイルや、二本(又は三本以上)リング状の部材を
上下に所定間隔をおいて配置してコネクティングロッド
でつないだ構成等も、高周波コイル61の構成として採
用できる。尚、本願発明のスパッタリング装置は、各種
半導体デバイスの他、液晶ディスプレイやその他の各種
電子製品の製作に利用することができる。
【0060】
【発明の効果】以上説明した通り、本願の請求項1の発
明によれば、スパッタによって放出された高周波コイル
の材料よりなるスパッタ粒子は、殆どがコイルシールド
に遮蔽されるため、基板やターゲットに到達することが
ない。従って、スパッタされた高周波コイルの材料によ
る基板の汚損の問題が無くなる。また、請求項2の発明
によれば、上記請求項1の効果に加え、イオン化スパッ
タの効果をさらに向上させることができる。また、請求
項3の発明によれば、上記請求項1又は2の効果に加
え、コイルシールド内の電界が中心対称的なものにな
り、イオン化空間に安定して高周波を放射させてイオン
化を安定して行うことができるという効果が得られる。
また、請求項4の発明によれば、上記請求項1、2又は
3の効果に加え、高周波コイルからのスパッタ粒子の遮
蔽効果が最も高くなるという効果が得られる。また、請
求項5の発明によれば、高周波コイルの材料による基板
の汚損の問題が無くなるとともに、不要な場所でのプラ
ズマ形成を抑制することができる。また、請求項6の発
明によれば、上記請求項5の効果に加え、補助シールド
65内の電界が中心対称的なものになり、イオン化空間
に安定して高周波を放射させてイオン化を安定して行う
ことができるという効果が得られる。また、請求項7の
発明によれば、高周波エネルギーが多く供給されるイオ
ン化空間に多くのガスを供給できるので、プラズマ形成
効率を高めることが可能となる。また、請求項8の発明
によれば、上記請求項7の効果に加え、高周波コイルを
所定温度に冷却することで高周波コイルの熱的損傷や過
剰な膜堆積等の問題を防止するような温度調節を容易に
行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の第一の実施形態のスパッタリング装
置の構成を説明する正面概略図である。
【図2】図1の装置に使用されたコイルシールド64の
具体的寸法の説明図である。
【図3】図1のコイルシールド64内における電界の状
態について説明した断面概略図である。
【図4】図1のコイルシールド64の好適な構成につい
て説明する断面概略図である。
【図5】本願発明の第二の実施形態に係るイオン化スパ
ッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図であ
る。
【図6】本願発明の第三の実施形態に係るイオン化スパ
ッタリング装置の要部の構成を説明する正面概略図であ
る。
【符号の説明】
1 スパッタチャンバー 11 排気系 2 ターゲット 3 スパッタ電極 4 ガス導入手段 41 ガスボンベ 42 配管 43 バルブ 44 流量調整器 45 チャンバー内配管 46 ガス分配器 47 補助配管 48 補助チャンバー内配管 49 温度調節器 5 基板ホルダー 50 基板 6 イオン化手段 61 高周波コイル 62 高周波電源 63 整合器 64 コイルシールド 65 補助シールド 7 電界設定手段 71 基板バイアス用高周波電源

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気系を備えたスパッタチャンバーと、
    スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ター
    ゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタチャン
    バー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッ
    タによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイ
    オン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒
    子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備
    えたイオン化スパッタリング装置であって、 前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間
    のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャンバー内
    に設けられた高周波コイルと、この高周波コイルに所定
    の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導結合型プ
    ラズマを形成する高周波電源とから構成されており、 高周波コイルには、当該高周波コイルがスパッタされて
    放出される高周波コイルの材料よりなるスパッタ粒子が
    基板に到達するのを遮蔽するコイルシールドが設けられ
    ていることを特徴とするイオン化スパッタリング装置。
  2. 【請求項2】 前記イオン化したチタンを基板に引き込
    むために基板に垂直な方向に電界を設定する電界設定手
    段とを備えていることを特徴とする請求項1記載のイオ
    ン化スパッタリング装置。
  3. 【請求項3】 前記コイルシールドは、金属製の部材で
    形成されていて電気的に接地されており、かつ、前記高
    周波コイルの一部を覆うよう配置されているとともに、
    高周波コイルを臨む表面が、高周波コイルから放射され
    る電界の等電位面に沿った形状になるように形成されて
    いることを特徴とする請求項1又は2記載のイオン化ス
    パッタリング装置。
  4. 【請求項4】 前記コイルシールドは、高周波コイルの
    外側を覆い、イオン化空間に向けて高周波が放射される
    ように高周波コイルの内側に高周波通過用開口を設けた
    形状であり、かつ、コイルシールドから高周波通過用開
    口を通しては基板上及びターゲットの被スパッタ面上の
    いずれの点も見通せない形状であることを特徴とする請
    求項1、2又は3記載のイオン化スパッタリング装置。
  5. 【請求項5】 排気系を備えたスパッタチャンバーと、
    スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ター
    ゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタチャン
    バー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッ
    タによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイ
    オン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒
    子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備
    えたイオン化スパッタリング装置であって、 前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間
    のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャンバー内
    に設けられた高周波コイルと、この高周波コイルに所定
    の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導結合型プ
    ラズマを形成する高周波電源とから構成されており、 前記高周波コイルは、基板に作成する薄膜の材料である
    ターゲットの材料と同一の材料で形成されており、か
    つ、当該高周波コイルの外側には補助シールドが設けら
    れており、この補助シールドは、金属製の部材で形成さ
    れて電気的に接地されており、高周波コイルの内側にプ
    ラズマを閉じ込めるものであることを特徴とするイオン
    化スパッタリング装置。
  6. 【請求項6】 前記補助シールドは、前記高周波コイル
    を臨む表面が、高周波コイルから放射される電界の等電
    位面に沿った形状になるように形成されていることを特
    徴とする請求項5記載のイオン化スパッタリング装置。
  7. 【請求項7】 排気系を備えたスパッタチャンバーと、
    スパッタチャンバー内に設けられたターゲットと、ター
    ゲットをスパッタするスパッタ電極と、スパッタチャン
    バー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッ
    タによってターゲットから放出されたスパッタ粒子をイ
    オン化させるイオン化手段と、イオン化したスパッタ粒
    子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーとを備
    えたイオン化スパッタリング装置であって、 前記イオン化手段は、ターゲットと基板ホルダーとの間
    のイオン化空間を取り囲むようにスパッタチャンバー内
    に設けられた高周波コイルと、この高周波コイルに所定
    の高周波を供給してイオン化空間に高周波誘導結合型プ
    ラズマを形成する高周波電源とから構成されており、 高周波コイルは、内部が中空であって前記イオン化空間
    を臨む内側面にガス吹き出し穴が均等に形成されてお
    り、前記ガス導入手段の補助チャンバー内配管が接続さ
    れてガス吹き出し穴から所定のガスをイオン化空間に導
    入することができるようになっていることを特徴とする
    イオン化スパッタリング装置。
  8. 【請求項8】 前記ガス導入手段は、前記高周波コイル
    に供給するガスの温度を所定温度に維持する温度調節器
    を有し、高周波コイルの温度調節をすることが可能とな
    っていることを特徴とする請求項7記載のイオン化スパ
    ッタリング装置。
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