JPH1092767A - スパッタリング用コリメータ及びスパッタリング装置並びにこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、成膜速度の低下を最低限に抑え
つつ、かつコリメータの長寿命化を実現できる技術を提
供することを目的とする。 【解決手段】 この発明のコリメータは、真空反応室内
のターゲット４と基板５との間に配設され、前記基板に
ほぼ垂直な成分のみを通過させるコリメータ１０であっ
て、コリメータ１０が入射成分の流れの方向に対して複
数のコリメータ部材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを積層して
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】この発明は、スパッタリング
用コリメータ及びスパッタリング装置並びにこれを用い
た半導体装置に係り、半導体装置の製造プロセスにおけ
る金属薄膜の形成の際に用いるコリメータに関するもの
である。更に、詳しくはコリメータの長寿命化を実現
し、プロセスの安定性を向上させるための技術に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高速化、大容量化を実現す
るためにも半導体装置の高集積化が必要となり、それら
を達成するために設計寸法の微細化が進んでいる。その
結果、コンタクトホールやヴィアホールといった接続孔
の径は微細になるものの、その深さはほとんど変わらな
いために、ホール径と深さの比率、すなわち、アスペク
ト比が増加するのは避けられないというのが現状であ
る。

【０００３】このようなアスペクト比の大きい接続孔の
底部に対して高融点金属等の導電性材料を形成する際
に、これまで主に用いられてきたスパッタリング法で
は、そのカバレッジ特性が低いために、接続孔の肩部に
オーバーハングが生じ、接続孔の底部に対して十分な膜
厚を形成することは不可能である。その結果、電気特性
や信頼性に対して大きな問題となってきている。

【０００４】このような問題を解決する方法として、特
開平１−１１６０７０号公報に開示されているように、
ターゲットからのスパッタ粒子のうち垂直成分のみを基
板に優先的に到達せしめるフィルタ（いわゆるコリメー
タ）をターゲットと基板との間に設置して用いる技術が
提案されている。ここでのフィルタ装置は、被加工物の
法線方向に対してある角度以上の入射角度を持つスパッ
タ粒子を捕獲し、ほぼ垂直な入射角度を持つスパッタ粒
子のみを通過させる役目を果たす、いわゆるコリメータ
である。

【０００５】この方法は、上記したように、垂直成分の
みを基板に優先的に到達せしめるために、斜め成分のス
パッタ粒子をこのフィルタで捕獲してしまうというもの
である。ここでの捕獲は、斜め成分による膜をコリメー
タのターゲット側に堆積させてしまうことに他ならない
ことは明白である。

【０００６】しかし、この斜め成分による膜の堆積は、
当然使用時間と共に増加するものであり、膜の堆積が進
めば実効的な開口面積が減少し基板に対する成膜速度が
低下することは避けられない。

【０００７】このときの様子を図８に模式的に示す。こ
の図８のように、成膜時間の積算と共に図中の寸法ｂ
（開口寸法）が使用時間と共に小さくなり、成膜速度の
低下を招く。いわゆる目詰まりを起こすことになる。更
に、一般的なスパッタリング法では、垂直成分に比較し
て、圧倒的に斜め成分のスパッタ粒子が多いために、こ
の成膜速度の低下は、無視できないほど大きく、それ
が、プロセスの不安定性の原因となり、また、コリメー
タの寿命が短くなくなることによるメンテナンスコスト
の増加や、マシンダウンタイムの増加によるスループッ
トの低下といった大きな問題を引き起こすことになる。
この特許公開公報においては、これらの問題について、
その解決策についてはもちろん、そのような問題の存在
そのものについても何ら言及していない。

【０００８】これらの問題を解決する方法が、特開平５
−３２６４２６号公報に開示されている。この方法は、
コリメータの厚さ方向における貫通孔の断面形状を階段
状とし、かつサンプル側の開口面積は反対側の開口面積
よりも小さくするものである。このような構造とするこ
とにより、斜め成分による膜をコリメータのターゲット
側に堆積させ、垂直成分のみを基板に優先的に到達させ
る際に、不要な成分である斜め成分によるスパッタ粒子
をターゲット側の開口面積の大きい領域ほど多く堆積さ
せることで、サンプル側の開口面積の小さい領域にまで
影響を与えるまでにはある程度の時間を必要とさせるも
のである。この効果によりコリメータの長寿命化が図れ
るというものである。

【０００９】しかしながら、上記した特開平５−３２６
４２６号公報に開示された方法においても次のような問
題点がある。それは、貫通孔の配置密度は、ターゲット
側の開口面積の大きい領域の寸法で制約を受ける。つま
り、ターゲット側から見れば全体の開口面積は大きいよ
うに見えるが、サンプル側から見た開口面積、すなわち
実質的な開口面積はかなり小さいものとなる。このこと
は初期の成膜速度がかなり小さいことを意味する。

【００１０】このため、この従来技術によれば、コリメ
ータの長寿命化を実現するために、初期の成膜速度をか
なり小さくせざるを得ないという問題を同時に併せ持つ
ものである。

【００１１】また、別の従来技術として特開平７−４１
９４３号公報に開示されている技術がある。この従来技
術は複数個の四角形を開口した２枚のコリメータを重ね
て構成し、重なり合った開口部によって掲載された新た
な（実質的な）開口部を利用するものである。つまり、
このようにすることにより、実質的な開口部の面積を制
御することが可能となり、スパッタ膜が付着することに
より開口面積が小さくなるような変化をしても、開口部
の大きさを初期状態に保つことができるというのが特徴
である。

【００１２】しかしながら、この特開平７−４１９４３
号公報に記載された技術においても次のような問題があ
る。それは、この技術を実現しようとすれば、実質的な
開口面積が非現実的に小さく成らざるを得ないというこ
とである。おそらく開口率は１／１０〜１／２０程度に
なるものと予想される。

【００１３】一般的な場合として、通常の（開口率：約
８０％〜９０％）コリメータを設置しただけでも、成膜
速度は１／５〜１／１０程度に減少するのが一般的であ
るのに、この従来技術を用いれば、現実的な成膜速度は
到底得られないことは明白である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記した
従来の種々の問題点を解消し、成膜速度の低下を最低限
に抑えつつ、かつコリメータの長寿命化を実現できる技
術を提供することをその目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明のコリメータ
は、真空反応室内のターゲットと基板との間に配設さ
れ、前記基板にほぼ垂直な成分のみを通過させるコリメ
ータであって、前記コリメータが入射成分の流れの方向
に対して複数のコリメータ部材を積層して構成されるこ
とを特徴とする。

【００１６】この発明によれば、複数のコリメータが積
層されて構成されているために、コリメータのアスペク
ト比や開口率などの設計の自由度が向上し、必要とする
プロセスに対して最適な設定ができる。

【００１７】また、前記コリメータを構成する複数のコ
リメータ部材において、入射成分の流れに対して上流側
にあるコリメータ部材ほど、単位開口セルの開口領域の
面積が大きくなっているように構成すると良い。

【００１８】上記のように、入射成分の流れに対して上
流側にあるコリメータほど、単位開口セルの開口領域の
面積が大きくなっているために、斜め成分の強いものほ
ど上流側で捕獲され、実質的に成膜速度を支配する最も
下流側への影響を最小限に抑えることができコリメータ
の長寿命化が図れる。

【００１９】さらに、前記コリメータ部材の単位開口セ
ルの形状が三角形又は四角形であり、かつ開口領域の面
積が大きいコリメータ部材の単位開口セル寸法は、開口
領域の面積の小さいものの整数倍の大きさに構成すると
良い。

【００２０】上記のように単位開口セルの形状を三角形
又は四角形にすると、コリメータ面内に効率よく単位セ
ルを配置することができる。

【００２１】また、前記コリメータを構成する複数のコ
リメータ部材の各単位開口セルを形成する隔壁が最も多
く重なるような位置関係で各コリメータ部材を積層配置
すると良い。

【００２２】上記のように、複数のコリメータの各単位
開口セルを形成する隔壁がお互いの開口領域をできるだ
け遮蔽しないような位置関係で積層されていることによ
り、開口率の低下を極力最小限にすることができ、成膜
速度の低下の影響を低減することができる。

【００２３】また、この発明のスパッタリング装置は、
真空反応室内のターゲットと基板との間にコリーメータ
を配設し、スパッタ粒子を基板に対し垂直方向に飛散さ
せるスパッタリング装置であって、前記コリメータとし
て上記に記載したコリメータを用いたことを特徴とす
る。

【００２４】上記したこの発明のスパッタリング装置に
よれば、半導体装置の製造に用いた際には、安定性、及
び再現性の高いプロセスを実現することができる。

【００２５】この発明の半導体装置は、上記のスパッタ
リング装置を用いて、チタンまたはその合金をホール径
０．８ｕｍ以下で、アスペクト比１．５以上のホールの
底部及び側壁に形成したことを特徴とする。

【００２６】上記したこの発明の半導体装置であれば、
その電気特性及び、信頼性は非常に優れたものが得られ
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
き図面を参照して説明する。図１は、この発明のコリメ
ータを用いたスパッタリング装置の一例を示す概略断面
図である。図２はこの発明の代表的な構成の要部を示す
断面図である。

【００２８】図１において、真空反応室１は真空ポンプ
などを備えたガス排気系２により高真空に排気される。
この真空反応室１内にアルゴン（Ａｒ）などのスパッタ
ガスがガス供給系３より導入される。陰極であるターゲ
ット４と半導体基板５を載置した陽極である基板ホルダ
ー６との間に、この発明に係るコリメータ１０が配置さ
れる。このコリメータ１０は、入射成分の流れの方向に
対して複数のコリメータ部材が設置されている。

【００２９】図２に示すように、この発明のコリメータ
１０はターゲット４と基板５の間に複数のコリメータ部
材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを設置している。また、この
実施の形態においては、図２からわかるように、ターゲ
ット４に近いコリメータ部材ほど単位開口セルの開口面
積が大きくなっている。

【００３０】また、図示はしていないが、例えば、図２
で示すところのコリメータ部材１０Ｂを三層積層して用
いてもこの発明の一つの効果は得られるものである。つ
まり、本来コリメータ部材１０Ｂの３倍の厚みを持つコ
リメータを利用して所望の効果を発揮するというような
場合、その厚み方向に三等分して３つの部品に分割後、
改めて三層積層して使用する場合を考えると、斜め成分
の強いスパッタ粒子が堆積して目詰まりを起こすコリメ
ータ部材は、最もターゲットに近いコリメータ部材１個
のみとなるので、コリメータ部材の交換は１個で済むこ
ととなりコストダウンの効果が得られる。

【００３１】更に、この発明の特徴について以下に説明
する。図２におけるコリメータ部材１０Ａ、１０Ｂ、１
０Ｃについて、図３から図５に詳細に記載した。図３は
コリメータ部材１０Ａを、図４はコリメータ部材１０Ｂ
を、図５はコリメータ部材１０Ｃを示し、それぞれ
（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。これらの図で
用いているコリメータ部材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは説
明を容易にするために、単位開口セルの形状を正方形と
している。また、これらの図で用いたコリメータ部材１
０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの単位開口セルの寸法比は、１０
Ａ：１０Ｂ：１０Ｃ＝４：２：１の関係を持つコリメー
タ部材として説明している。

【００３２】このように複数のコリメータ部材１０Ａ、
１０Ｂ、１０Ｃを積層し、かつ、ターゲット４に近いコ
リメータ部材ほど単位開口セルの開口面積が大きくなる
ように設置してあることにより、ターゲット４からのス
パッタ粒子のうち、斜め成分の強いスパッタ粒子は、ま
ずコリメータ部材１０Ａに捕獲される。しかし、コリメ
ータ部材１０Ａが開口面積が大きいために、斜め成分の
強いスパッタ粒子を主に捕獲し、それよりも斜め成分の
弱いスパッタ粒子、すなわち、垂直成分にわずかに近い
スパッタ粒子はコリメータ部材１０Ａは通過し、コリメ
ータ部材１０Ｂに捕獲されることになる。また、更に垂
直成分に近いスパッタ粒子はコリメータ部材１０Ａ、１
０Ｂ共に通過し、コリメータ部材１０Ｃに捕獲されるこ
とになるが、ここに到達するスパッタ粒子はほぼ垂直成
分とみなすことができるために、実質的にはコリメータ
部材１０Ｃに捕獲されるスパッタ粒子は、ごくわずかと
なる。

【００３３】このような構成のコリメータ１０の場合、
最終的に成膜速度を支配するのは、ここでいうコリメー
タ部材１０Ｃのような最も開口面積の小さい部分である
と考えられる。最終的に成膜速度を支配する部分へのい
わゆる目詰まりをできるだけ低減できることがこの発明
の大きな特徴である。

【００３４】この効果により、同じアスペクト比で考え
た場合でも、従来に比べてコリメータの寿命を大きくの
ばすことができる。

【００３５】更に、この発明の大きな特徴は、単位開口
セルの形状を四角形又は三角形とすることによりセルの
配置密度を向上させることができ、コリメータ１０全体
の開口率を向上させることができるものであると同時
に、更に複数のコリメータ部材において、単位開口セル
の寸法を最小セルの寸法の整数倍とすることにより、そ
れらの複数のコリメータ部材を積層した場合にお互いの
セルの隔壁が他のコリメータの開口領域を極力遮蔽せず
に設置できるというところにある。成膜速度の確保と、
コリメータの長寿命化を同時に実現できるというところ
が、先に従来技術としてあげて説明した技術と大きく異
なる点である。

【００３６】尚、ここでいう四角形とは正方形、長方
形、平行四辺形を含み、また三角形とは正三角形と直角
二等辺三角形を含むものである。

【００３７】図２はスパッタリング装置の真空反応室１
内にコリメータ部材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを積層して
設置した様子を示している。コリメータ部材１０Ａ、１
０Ｂ、１０Ｃの積層の仕方は、図２の示した如くお互い
のセルの隔壁が他のコリメータ部材の開口領域を極力遮
蔽しないように設置した。図２におけるコリメータ部材
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを以下のような寸法で作製し
た。

【００３８】

【表１】 材質はいずれもチタン（Ｔｉ）で作成した。

【００３９】以下の表２に示す条件でウェハ１枚あたり
３分間成膜する実験を１０ロット（２５０枚）連続して
行い、得られたサンプルの膜厚からＴｉの成膜速度を求
め、積算成膜時間による成膜速度の変化を評価した。な
お、ターゲット４は純Ｔｉ（８インチ）、サンプル５は
６インチシリコンウエハを用いた。

【００４０】

【表２】

【００４１】上記の条件で成膜したサンプルの１枚目の
成膜速度は０．６５Å／ｋＷ・ｓｅｃであり、２５０枚
目の成膜速度は０．４５Å／ｋＷ・ｓｅｃであった。比
較のためにほぼアスペクト比が同じとなるような従来型
のコリメータを用いて実験を行ったところ、１枚目の成
膜速度は０．６６Å／ｋＷ・ｓｅｃであり２５０枚目の
成膜速度は０．３０Å／ｋＷ・ｓｅｃであった。この結
果を図６に示す。

【００４２】この結果から、この発明を用いれば、初期
の成膜速度は従来型のコリメータとほぼ同様でありなが
ら、その経時変化は従来型に比較して小さくなることが
わかる。つまり、コリメータの長寿命化が図れ、同時に
部品交換の頻度も低減できることからコストダウンも期
待できる。

【００４３】この現象の違いの理由を図７及び図８に従
い説明する。図７はこの発明によるコリメータを用いて
ある時間成膜を行った後のコリメータに堆積した膜の様
子を示してある。

【００４４】前記したように、この発明では、斜め成分
の強いスパッタ粒子ほどターゲット側に近いコリメータ
で捕獲し、そこを通過したある程度の斜め成分のスパッ
タ粒子を次の段で捕獲する。従って、図７に示したよう
に捕獲されるスパッタ粒子はこの実施例の場合３個のコ
リメータに分散されることになり、最も膜が付着して狭
くなる開口部の寸法＝ａはそれほど 大きな変化はな
い。

【００４５】これに対し、従来型のコリメータの場合に
は、図８に示した如く、斜め成分の強いスパッタ粒子は
ほとんど全て、コリメータのターゲット側の端部に集中
して堆積することになる。その結果、本来ならば（コリ
メータ使用初期時であれば）通過するはずのスパッタ粒
子までもが捕獲されることとなり、膜が付着して狭くな
る開口部の寸法＝ｂの寸法の変化は急激に変化する。す
なわち、この発明と従来型の成膜時間による成膜速度の
変化の違いは、開口部の寸法ａ、ｂの変化の仕方の違い
によるものである。

【００４６】このように、この発明によれば、コリメー
タの長寿命化が図れ、安定性、再現性に優れたプロセス
が得られると同時に、大きなコストダウンも期待できる
技術が得られるものである。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のコリメ
ータは、複数のコリメータが積層されて構成されている
ために、コリメータのアスペクト比や開口率などの設計
の自由度が向上し、必要とするプロセスに対して最適な
設定ができる。

【００４８】また、コリメータの交換作業を考えた場
合、一度に全てのコリメータを交換する必要がなくトー
タルな面でコストダウンが図れる。

【００４９】更に、入射成分の流れに対して上流側にあ
るコリメータほど、単位開口セルの開口領域の面積が大
きくなるように構成することにより、斜め成分の強いも
のほど上流側で捕獲され、実質的に成膜速度を支配する
最も下流側への影響を最小限に抑えることができコリメ
ータの長寿命化が図れる。

【００５０】また、単位開口セルの形状を三角形又は四
角形にすることで、コリメータ面内に効率よく単位セル
を配置することができる。

【００５１】更に、複数のコリメータの各単位開口セル
を形成する隔壁がお互いの開口領域をできるだけ遮蔽し
ないような位置関係で積層することにより、開口率の低
下を極力最小限にすることができ、成膜速度の低下の影
響を低減することができる。

【００５２】また、この発明のコリメータを具備したス
パッタリング装置でれば、半導体装置の製造に用いた際
には、安定性、及び再現性の高いプロセスを実現するこ
とができる。

【００５３】更に、この発明のスパッタリング装置を用
いて、Ｔｉないしはその合金をホール径０．８ｕｍ以下
で、アスペクト比１．５以上のホールの底部及び側壁に
形成したことを特徴とする半導体装置であるために、そ
の電気特性及び、信頼性は非常に優れたものが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のコリメータを用いたスパッタリング
装置の一例を示す概略断面図である。

【図２】この発明のコリメータの代表的な構成の要部を
示す断面図である。

【図３】この発明のコリメータ部材を示し、（ａ）は上
面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。

【図４】この発明のコリメータ部材を示し、（ａ）は上
面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。

【図５】この発明のコリメータ部材を示し、（ａ）は上
面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線断面図である。

【図６】この発明と従来例との成膜速度の経時変化を示
す図である。

【図７】この発明によるコリメータを用いてある時間成
膜を行った後のコリメータに堆積した膜の様子を示す模
式図である。

【図８】従来のコリメータを用いてある時間成膜を行っ
た後のコリメータに堆積した膜の様子を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１ 真空反応室 ４ ターゲット ５ 基板 ６ 基板ホルダー １０ コリメータ １０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ コリメータ部材

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空反応室内のターゲットと基板との間
   に配設され、前記基板にほぼ垂直な成分のみを通過させ
   るコリメータであって、前記コリメータが入射成分の流
   れの方向に対して複数のコリメータ部材を積層して構成
   されることを特徴とするコリメータ。
2. 【請求項２】 前記コリメータを構成する複数のコリメ
   ータ部材において、入射成分の流れに対して上流側にあ
   るコリメータ部材ほど、単位開口セルの開口領域の面積
   が大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の
   コリメータ。
3. 【請求項３】 前記コリメータ部材の単位開口セルの形
   状が三角形又は四角形であり、かつ開口領域の面積が大
   きいコリメータ部材の単位開口セル寸法は、開口領域の
   面積の小さいものの整数倍の大きさになっていることを
   特徴とする請求項１または２に記載のコリメータ。
4. 【請求項４】 前記コリメータを構成する複数のコリメ
   ータ部材の各単位開口セルを形成する隔壁が最も多く重
   なるような位置関係で各コリメータ部材が積層されてい
   ることを特徴とする請求項１、２または３のいずれかに
   記載のコリメータ。
5. 【請求項５】 真空反応室内のターゲットと基板との間
   にコリーメータを配設し、スパッタ粒子を基板に対し垂
   直方向に飛散させるスパッタリング装置であって、前記
   コリメータとして請求項１から４に記載のコリメータを
   用いたことを特徴とするスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のスパッタリング装置を
   用いて、チタンまたはその合金をホール径０．８ｕｍ以
   下で、アスペクト比１．５以上のホールの底部及び側壁
   に形成したことを特徴とする半導体装置。