JPH111770A - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents

スパッタリング装置及びスパッタリング方法

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JPH111770A
JPH111770A JP9165214A JP16521497A JPH111770A JP H111770 A JPH111770 A JP H111770A JP 9165214 A JP9165214 A JP 9165214A JP 16521497 A JP16521497 A JP 16521497A JP H111770 A JPH111770 A JP H111770A
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auxiliary electrode
substrate
plasma
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Masahiko Kobayashi
正彦 小林
Nobuyuki Takahashi
信行 高橋
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Anelva Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アスペクト比４以上のホールの内面にボトム
カバレッジ率よく成膜を行えるようにする。 【解決手段】 排気系１１を備えたスパッタチャンバー
１内に設けられたターゲット２をスパッタするスパッタ
電源３は、ターゲット２に対して所定の高周波電力を印
加するものであり、ターゲット２と基板５０との間のス
パッタ粒子の飛行経路を取り囲むように補助電極６が設
けら、補助電極６は高周波電力が印加されたターゲット
２と容量性結合するよう浮遊電位に維持されるか、同一
の周波数の高周波電力が印加される。補助電極６の内側
にはプラズマＰ’が形成され、ターゲット２から放出さ
れたスパッタ粒子がイオン化され、電界設定手段８が設
定した引き出し用電界で導かれて基板５０に垂直に入射
する。

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
バイス等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、各種配線膜の作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ＤＲＡＭで多
用されているＣＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）では、拡散層の上に設けたコンタクトホールの内面
にバリア膜を設けてコンタクト配線層と拡散層とのクロ
スコンタミネーションを防止する構造が採用される。ま
た、各モメリセルの配線を行う多層配線構造では、下層
配線と上層配線とをつなぐため、層間絶縁膜にスルーホ
ールを設けこのスルーホール内を層間配線で埋め込むこ
とが行われるが、この際にも、スルーホール内にバリア
膜を作成して、クロスコンタミネーションを防止した構
造が採られる。
【０００４】このようなホールは、集積度の増加を背景
として、そのアスペクト比（ホールの開口の直径又は幅
に対するホールの深さの比）が年々高くなってきてい
る。例えば、６４メガビットＤＲＡＭでは、アスペクト
比は４程度であるが、２５６メガビットでは、アスペク
ト比は５〜６程度になる。
【０００５】バリア膜の場合、ホールの周囲の面への堆
積量に対して１０から１５％の量の薄膜をホールの底面
に堆積させる必要があるが、高アスペクト比のホールに
ついては、ボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への
成膜速度に対するホール底面への堆積速度の比）を高く
して成膜を行うことが困難である。ボトムカバレッジ率
が低下すると、ホールの底面での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。
【０００６】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。コリメート
スパッタは、ターゲッットと基板との間に基板に垂直な
方向の穴を多数開けた板（コリメーター）を設け、基板
にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子（通常は、スパッタ
原子）のみを選択的に基板に到達させる手法である。ま
た、低圧遠隔スパッタは、ターゲットと基板との距離を
長くして（通常の約３倍から５倍）基板にほぼ垂直に飛
行するスパッタ粒子を相対的多く基板に入射させるよう
にするとともに、通常より圧力を低くして（０．８ｍＴ
ｏｒｒ程度以下）平均自由行程を長くすることでこれら
のスパッタ粒子が散乱されないようにする手法である。
【０００７】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は、ア
スペクト比が３程度までの１６メガビットのクラスの量
産品に使用されるのみであり、低圧遠隔スパッタでもア
スペクト比４程度までのデバイスが限界とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本願の発明は、上述の
ような従来の状況をふまえ、アスペクト比４以上のホー
ルの内面にボトムカバレッジ率よく成膜を行えるように
することを解決課題としている。
【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、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源と、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、前記スパッタ電源は、
前記ターゲットに対して所定の高周波電力を印加するも
のであり、前記ターゲットと基板との間のスパッタ粒子
の飛行経路を取り囲むように補助電極が設けられてお
り、この補助電極は、前記高周波電力が印加されたター
ゲットと容量性結合するよう浮遊電位に維持され、、前
記ターゲットに印加された高周波電力によって当該補助
電極の内側にプラズマが形成されるよう構成されてい
る。また、上記課題を解決するため、請求項２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源と、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、前記スパッタ電源は、前記
ターゲットに対して所定の高周波電力を印加するもので
あり、前記ターゲットと基板との間のスパッタ粒子の飛
行経路を取り囲むように補助電極が設けられており、こ
の補助電極には、補助高周波電源が接続されて前記スパ
ッタ電源と同一の周波数の高周波電力が印加されるよう
になっており、当該補助電極と前記ターゲットとが容量
性結合して当該補助電極の内側にプラズマが形成される
よう構成されている。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、前記補助電極の内側に形成されたプラズマからイ
オンを引き出して基板に入射させるための基板に垂直な
電界を設定する電界設定手段が設けられている。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、前記補助電極の内
側にプラズマを捉えるための磁場を設定する磁場設定手
段が設けられている。また、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４の構成において、
前記補助電極は、磁性体又は磁石で形成されており、前
記磁場設定手段の一部又は全部は当該補助電極によって
構成されている。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１、２、３、４又は５の
構成において、前記補助電極の表面は、ターゲットと同
一の材料又は基板を汚損しない材料となっているという
構成を有する。また、上記課題を解決するため、請求項
７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、前記補助電極の表面は、耐プラズマ処理が
施されているで覆わ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８記載の発明は、
スパッタチャンバー内に設けられたターゲットに所定の
高周波電力を印加して当該ターゲットをスパッタし、当
該ターゲットから放出されたスパッタ粒子を基板に到達
させて基板の表面に所定の薄膜を堆積させるスパッタリ
ング方法であって、ターゲットと基板との間のスパッタ
粒子の飛行経路を取り囲むように設けた補助電極に対
し、前記ターゲットに印加された高周波電力を容量性結
合させるとともに、スパッタチャンバー内を１０ｍＴｏ
ｒｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲の所定の圧力に維持す
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９記載の発明は、スパッタチャンバー内に設
けられたターゲットに所定の高周波電力を印加して当該
ターゲットをスパッタし、当該ターゲットから放出され
たスパッタ粒子を基板に到達させて基板の表面に所定の
薄膜を堆積させるスパッタリング方法であって、ターゲ
ットと基板との間のスパッタ粒子の飛行経路を取り囲む
ように設けた補助電極に対し、前記ターゲットに印加さ
れた高周波電力を容量性結合させるとともに、成膜中の
スパッタチャンバー内の圧力を、ターゲットと基板との
距離に比べて平均自由行程が充分短くなるような圧力に
維持す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のスパッタリング装置の
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、請求項１の発明に対応した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、スパッタチャンバー１内に設けら
れたターゲット２と、ターゲット２をスパッタするスパ
ッタ電源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が入射する位置に基板
５０を保持する基板ホルダー５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１０-8Ｔｏｒｒ
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、金属製のターゲットホ
ルダー２１及び絶縁体２２を介してスパッタチャンバー
１に取付けられている。ターゲット２の背後には、磁石
機構３０が設けられており、マグネトロンスパッタを行
うようになっている。磁石機構３０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３１，３２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。
【００１３】スパッタ電源３は、所定の高周波をターゲ
ット２に印加するよう構成される。具体的には、スパッ
タ電源３は、周波数１３．５６ＭＨｚ程度の高周波を６
ｋＷ程度の電力で供給するよう構成される。スパッタ電
源３とターゲット２の間には不図示の整合器が設けら
れ、インピーダンスマッチングが行われる。
【００１４】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とから主
に構成されている。
【００１５】基板ホルダー５は、絶縁体５３を介してス
パッタチャンバー１に気密に設けられており、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が設けられる。静電吸着機
構は、基板ホルダー５内に吸着電極を設け、吸着電極に
直流電圧を印加することによって構成される。尚、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
熱機構等が基板ホルダー５内に設けられる場合がある。
【００１６】さて、本実施形態の装置の大きな特徴点
は、ターゲット２と基板５０との間のスパッタ粒子の飛
行経路を取り囲むように補助電極６が設けられている点
である。補助電極６は円筒状であり、ターゲット２及び
基板５０と同軸上に設けられている。より具体的な寸法
を示すと、補助電極６は、板厚２ｍｍ程度の円筒状であ
り、内径は３５０〜４００ｍｍ程度、高さ５０ｍｍ程度
である。このような補助電極６は、絶縁体６１を介して
スパッタチャンバー１に保持されている。従って、スパ
ッタ放電によって形成されるプラズマＰに対しては、補
助電極６は浮遊電位となる。
【００１７】そして、補助電極６は、スパッタ電源によ
ってターゲット２に高周波が印加されてプラズマＰが形
成された際、放電空間の容量を介してターゲット２と補
助電極６とは容量性結合するようになっている。即ち、
補助電極６は、ターゲット２の周期的な電位変化に応じ
て周期的に電位が変化し、補助電極６の内側に高周波電
界が設定される。この高周波電界によって、補助電極６
の内側にプラズマＰ’が補助的に形成されるようになっ
ている。
【００１８】尚、スパッタ放電によって形成されるＰと
補助電極６の作用によって形成されるプラズマＰ’と
は、空間的に連続している場合があり、見かけ上区別で
きない場合がある。つまり、スパッタ放電によって形成
されるプラズマＰが補助電極６の内側の空間に拡散した
ように見えることもある。プラズマＰが拡散するか、別
途形成されたプラズマＰ’がプラズマＰと連続するか
は、本質的な違いではない。というのは、プラズマＰが
拡散する場合も、その拡散した場所で十分な密度のプラ
ズマが維持されるのは、補助電極６の作用によるからで
あり、補助電極６によって別途プラズマが形成されるの
と本質的に変わらないからである。
【００１９】また、図１に示す装置では、補助電極６の
内側にプラズマを捉えるための磁場を設定する磁場設定
手段７が設けられている。具体的には、磁場設定手段７
は、補助電極６の外側を取り囲むようにスパッタチャン
バー１内に配置された第一の磁石７１と、基板ホルダー
５の下方に配置された第二の磁石７２とから構成されて
いる。
【００２０】第一の磁石７１は、補助電極６と同軸上に
配置された円筒状の永久磁石であり、内面と外面とに互
い異なる磁極が現れるようになっている。この第一の磁
石７１は、金属製の保持部材７１１を介してスパッタチ
ャンバー１に取り付けられており、従って、電気的には
接地電位である。第一の磁石７１の大きさは、ターゲッ
ト２や基板５０の大きさによっても変わるが、直径３０
０ｍｍのターゲット２を使用する場合、第一の磁石７１
は内径３５０ｍｍ程度、外径４００ｍｍ程度、高さ４０
ｍｍ程度とされる。尚、第一の磁石７１は、内側の面の
表面で例えば５００ガウス程度の強さのものが使用され
る。
【００２１】また、第二の磁石７２は、基板ホルダー５
よりも小さい径の円筒状の永久磁石であり、第一の磁石
７１と同心状に配置されている。第二の磁石７２では、
上端面と下端面に互いに異なる磁極が現れるようになっ
ている。第二の磁石７２の大きさは基板５０の大きさに
よって異なるが、例えば直径８インチの基板を使用する
場合、内径約１４０ｍｍ、外径約１８０ｍｍ、高さ約３
０ｍｍのものが第二の磁石７２として使用される。尚、
第二の磁石７２の強さは、上端面の表面で例えば１００
ガウス程度である。
【００２２】そして、第一の磁石７１の内面の磁極と第
二の磁石７２の上端面の磁極とは互いに異なり、第一の
磁石７１の外面と第二の磁石７２の下端面とは互いに異
なる磁極になっている。このため、図１に示すような磁
力線７３がスパッタチャンバー１に設定されるようにな
っている。
【００２３】上記磁場設定手段７は、プラズマ中の主に
電子を捉えてプラズマＰ’の拡散を防止し、補助電極６
の内側に高密度のプラズマＰ’を形成できるようにして
いる。即ち、プラズマＰ’中に磁場が設定されると、プ
ラズマＰ’中の主に電子が磁力線に捉えられ、拡散が防
止される。このため、プラズマ密度が高くなる。本実施
形態では、図１に示すような磁力線７３が設定されるた
め、基板ホルダー５の外側の領域に向けてプラズマＰ’
が拡散するのが特に防止され、補助電極６の内側に高密
度プラズマが維持されるようになっている。
【００２４】また、本実施形態の装置では、補助電極６
の内側に形成されたプラズマＰ’からイオンを引き出し
て基板５０に入射させるための基板５０に垂直な電界を
設定する電界設定手段８が設けられている。電界設定手
段８は、基板５０に高周波電圧を印加して高周波とプラ
ズマＰ’との作用により基板５０にセルフバイアス電圧
を与える基板バイアス用高周波電源８１から構成されて
いる。
【００２５】基板バイアス用高周波電源８１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Ｐ’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５
０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８１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。
【００２６】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Ｐ’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。尚、こ
の引き出し用電界は基板５０に対して垂直な向きの電界
である。
【００２７】また、本実施形態の装置では、スパッタ粒
子の不必要な場所への付着を防止する防着シールド９が
スパッタチャンバー１の器壁の内側に設けられている。
スパッタ粒子がスパッタチャンバー１の器壁に付着する
と、経時的に薄膜を堆積する。この薄膜がある程度の量
に達すると内部ストレス等によって剥離し、スパッタチ
ャンバー１内をパーティクルとなって浮遊する。このパ
ーティクルが基板５０に達すると、局部的な膜厚異常等
の不良を発生させる。
【００２８】このため、本実施形態の装置は、スパッタ
チャンバー１の器壁の内側を防着シールド９で覆い、器
壁へのスパッタ粒子の付着を防止している。防着シール
ド９はスパッタチャンバー１の器壁の形状に沿った形状
であり、スパッタチャンバー１に対し着脱自在に設けら
れている。また、防着シールド９の表面には、堆積した
薄膜の剥離を防止する凹凸が設けられており、薄膜が所
定の限度の厚さまで堆積したら、スパッタチャンバー１
から取り外して新品のものと交換するようになってい
る。
【００２９】次に、図１を使用して、本実施形態のスパ
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ー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。
【００３０】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２０ｍＴｏｒｒ〜４０ｍ
Ｔｏｒｒ程度に維持し、この状態でスパッタ電源３を動
作させる。また、基板バイアス用高周波電源８１も同時
に動作させる。スパッタ電源３によってターゲット２に
所定の高周波電圧が与えられてマグネトロンスパッタ放
電が生じ、これによって、ターゲット２の下方にプラズ
マＰが形成される。この際、ターゲット２と補助電極６
とは放電空間の容量を介して容量性結合し、ターゲット
２に印加された高周波は補助電極６に伝搬する。この結
果、補助電極６の内側にプラズマＰ’が形成される。ま
た、基板バイアス用高周波電源８１によって基板バイア
ス電圧が基板５０に与えられ、この結果、プラズマＰ’
と基板５０との間に引き出し用電界が設定される。
【００３１】ターゲット２から放出されたスパッタ粒子
は、基板５０に到達してターゲット２の材料よりなる薄
膜を堆積する。薄膜が所定の厚さに達すると、スパッタ
電源３、基板バイアス用高周波電源８１、ガス導入系４
の動作をそれぞれ停止し、スパッタチャンバー１内を再
度排気した後、基板５０をスパッタチャンバー１から取
り出す。
【００３２】尚、バリア膜を作成する場合、チタン製の
ターゲット２を使用し、最初にプロセスガスとしてアル
ゴンを導入してチタン薄膜を成膜する。そして、その後
プロセスガスとして窒素ガスを導入してチタンと窒素と
の反応を補助的に利用しながら窒化チタン薄膜を作成す
る。これによって、チタン薄膜の上に窒化チタン薄膜を
積層したバリア膜が得られる。
【００３３】上記動作において、ターゲット２から放出
されるスパッタ粒子の多くは、プラズマＰ’中を通過す
る際にイオン化し、イオン化スパッタ粒子となる。この
イオン化スパッタ粒子は、引き出し用電界によって効率
良くプラズマＰ’から引き出され、効率よく基板５０に
入射する。このイオン化スパッタ粒子は、基板５０の表
面に形成されたホールの内部まで効率よく到達し、ホー
ル内をボトムカバレッジ率良く成膜するのに貢献してい
る。この点をさらに詳しく説明する。
【００３４】図２は、イオン化スパッタ粒子の作用を説
明する断面概略図である。図２（ａ）に示すように、基
板５０の表面に形成された微細なホール５００内に薄膜
５１０を堆積させる際、ホール５００の開口の縁５０３
の部分に薄膜５１０が盛り上がって堆積する傾向があ
る。この盛り上がりの部分の薄膜５１０は「オーバーハ
ング」と呼ばれるが、オーバーハングが形成されると、
ホール５００の開口が小さくなって見かけ上アスペクト
比が高くなってしまう。このため、ホール５００内に達
するスパッタ原子の量が少なくなり、ボトムカバレッジ
率が低下してしまう。
【００３５】ここで、図２（ｂ）に示すように、イオン
化スパッタ粒子２０が基板５０に達すると、このイオン
化スパッタ粒子２０はオーバーハングの部分の薄膜５１
０を再スパッタして崩し、ホール５００内に落とし込む
ように作用する。このため、ホール５００の開口が小さ
くなるのを防止するとともに、ホール５００の底面への
膜堆積を促進するため、ボトムカバレッジ率が向上す
る。尚、このようなオーバーハングの再スパッタは、イ
オン化スパッタ粒子２０のみならず、スパッタ放電のた
めに導入したプロセスガスのイオンによっても生じ得
る。
【００３６】また、本実施形態の装置では、電界設定手
段８によって基板５０に垂直な基板５０に向かって電位
が下がる引き出し用電界が設定されるので、上記イオン
化スパッタ粒子２０は、この引き出し用電界によって導
かれて基板５０に垂直に入射し易くなる。このため、イ
オン化スパッタ粒子２０は深いホール５００の底面にま
で到達し易くなり、この点もボトムカバレッジ率の向上
に貢献する。
【００３７】具体的な成膜条件について説明すると、タ
ーゲット２に供給する高周波電力を１３．５６ＭＨｚ６
ｋＷ、基板バイアス用高周波電源８１がターゲットに与
える高周波電力を１３．５６ＭＨｚ２００Ｗ、スパッタ
チャンバー１内の圧力を３０ｍＴｏｒｒとすると、例え
ばアスペクト比４のホールに対して５０％程度のボトム
カバレッジ率で成膜が行える。
【００３８】上記成膜圧力の条件は、イオン化スパッタ
粒子の効果を好適に得る上で重要である。成膜圧力が１
０ｍＴｏｒｒを下回ると、スパッタ粒子をイオン化する
ための充分なイオンが生成されず、上記イオン化スパッ
タ粒子の効果を充分に得ることは困難である。また、成
膜圧力が１００ｍＴｏｒｒを越えると、スパッタ粒子の
イオン化は充分に行われるが、スパッタ粒子の飛行経路
に多数のガス分子が存在するため、イオン化したスパッ
タ粒子がガス分子によって散乱され、基板５０にまで充
分届かない問題がある。従って、一般的には、成膜圧力
は１０ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲に設定する
ことが好ましい。
【００３９】また、上記成膜圧力の条件は、イオン化ス
パッタ粒子の平均自由行程との関係からも最適化される
必要がある。即ち、イオン化スパッタ粒子の効果を好適
に得るためには、スパッタ粒子がターゲット２から放出
されて基板５０に到達する際、スパッタ粒子が電子やイ
オンに高い確率で衝突する必要がある。つまり、ターゲ
ット２と基板５０との距離に比べて、スパッタ粒子の平
均自由行程を充分短くすることが重要である。
【００４０】この際の平均自由行程は、正確にはスパッ
タ粒子がプラズマ中のイオンに衝突する際の平均自由行
程であるが、大まかにはプロセスガス同士の平均自由行
程で近似してもよい。プロセスガス同士が頻繁に衝突す
るときは、プロセスガスに対してスパッタ粒子も頻繁に
衝突するからである。上記実施形態の例でいうと、ター
ゲット２と基板５０との距離を１２０ｍｍ程度とし、成
膜圧力を３０ｍＴｏｒｒとすると、平均自由行程は５ｍ
ｍ以下となり、ターゲット２と基板５０の距離に比べて
充分に短い長さの平均自由行程となる。このため、スパ
ッタ粒子が頻繁にイオンと衝突してイオン化が促進さ
れ、上記イオン化スパッタ粒子の効果をより高く得るこ
とができる。
【００４１】上述したように、本実施形態の装置は、ス
パッタ粒子を効率良くイオン化させて基板５０に垂直に
入射できるので、高アスペクト比のホールに対して高い
ボトムカバレッジ率で成膜が行える。この際、イオン化
のためのプラズマＰ’をターゲット２に投入された電力
の一部を利用して形成しているので、別途電源が不要で
あってコストの面で有利である。尚、前述した条件で
は、ターゲット２に印加された高周波電力の３０％程度
が補助電極６に伝搬するものと推定される。
【００４２】上述した実施形態の装置において、補助電
極６はプラズマＰ’に露出した状態となり、補助電極６
自体もスパッタされる恐れがある。補助電極６がスパッ
タされると、スパッタされた補助電極６が基板５０に達
して基板５０を汚損する問題が生ずる。この問題を解決
するには、補助電極６をターゲット２と同一又はそれに
近い材料で形成すると良い。例えば、ターゲット２がチ
タン製の場合、補助電極６もチタン又はチタン合金等で
形成する。尚、「ターゲットの材料に近い材料」とは、
「基板を汚損しない材料」という意味である。
【００４３】また、補助電極６の表面をターゲット２と
同一の材料で被覆するようにしてもよい。同様にターゲ
ット２がチタン製の場合、補助電極６の表面に例えば１
００μ程度の厚さでチタン膜を形成しておく。このよう
な被覆は、電解メッキやスパッタリング等によって行え
る。そして、成膜処理の回数が進んで下地の材料が露出
しそうになったら、新品の補助電極６と交換するように
する。さらには、補助電極６の表面にアルマイト処理の
ような耐プラズマ化する表面処理を施し、プラズマＰ’
によってスパッタされないようにしてもよい。
【００４４】また、上述した磁場設定手段７の構成にお
いて、第一の磁石７１と第二の磁石７２とを繋ぐように
設定される磁力線は、プラズマＰ’から基板５０に達し
ている。この構成は、プラズマ中から電子やイオンを引
き出して利用するのに適している。但し、基板５０に対
する電子衝撃が問題となるときは、以下のように磁場設
定手段７の構成を変更するとよい。
【００４５】図３は、図１の装置において磁場設定手段
７の構成を変更した例を説明する正面概略図である。こ
の図３の例では、第一の磁石７１の内面と第二の磁石７
２の上端面とは同一の例えばＳ極になっており、第一の
磁石７１の外面と第二の磁石７２の下端面とは同一の例
えばＮ極になっている。このため、図３に示すような磁
力線７４がスパッタチャンバー１に設定される。この図
３に示す磁場形状では、プラズマＰ’から直接基板５０
に到達する磁力線が少ないので、プラズマから電子やイ
オンが引き出される効果は図１の場合よりは少ない。し
かしながら、その分、電子衝撃による基板５０の損傷等
の問題は少なくなっている。
【００４６】次に、請求項２のスパッタリング装置の発
明に対応した第二の実施形態について説明する。図４
は、請求項２の発明に対応した第二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。この
第二の実施形態の装置が第一の実施形態の装置と異なる
のは、補助電極６に高周波電力が印加されるようになっ
ている点である。即ち、補助電極６には、補助高周波電
源６２が接続されている。この補助高周波電源６２は、
例えば周波数４００ｋＨｚで出力５００Ｗ程度である。
【００４７】補助高周波電源６２は、不図示の絶縁材を
介在させてスパッタチャンバー１を気密に貫通させた同
軸ケーブル等の伝送線６３によって補助電極６に接続さ
れている。本実施形態では、補助電極６の上端面に伝送
線６３が接続されているが、外側面等でも良い。また、
補助電極６を保持した絶縁体６１を管状とし、内部に同
軸ケーブルを設けて補助電極６に接続する構成や、高周
波を伝搬させることが可能な同軸管等によって補助電極
６の保持を行う構成等も採用し得る。同軸管がスパッタ
チャンバー１に固定される場合、同軸管とスパッタチャ
ンバー１とは絶縁されることは言うまでもない。
【００４８】また一方、この第二の実施形態では、ター
ゲット２に対して高周波電圧と負の直流電圧とを切り替
えて印加できるようになっている。即ち、ターゲット２
には、高周波電力を印加する第一のスパッタ電源３４
と、負の直流電圧を印加する第二のスパッタ電源３５が
接続され、切り替え器３６によってどちらか一方を選択
できるようになっている。高周波電力を印加する第一の
スパッタ電源３４は、前述した第一の実施形態における
スパッタ電源３と同一のものを使用することができる。
但し、第一のスパッタ電源３と補助高周波電源６２とが
同一の周波数の高周波を印加するようになっていること
が必要である。また、第二のスパッタ電源３５として
は、例えば−６００Ｖ程度の電圧を印加するものが使用
される。
【００４９】この第二の実施形態において、第一のスパ
ッタ電源３４を使用してターゲット２に高周波電圧を印
加すると、ターゲット２と補助電極６とが放電空間の容
量を介して容量性結合し、補助電極６の内側に効率良く
プラズマＰ’が形成される。この実施形態では、補助高
周波電源６２が必要になるため、コスト高となる欠点が
あるが、より高い密度のプラズマＰ’を形成できる。こ
のため、スパッタ粒子のイオン化効率が向上し、前述し
たイオン化スパッタ粒子の効果をより高く得ることがで
きる。より具体的には、第一の実施形態と同じ圧力条件
下において、例えばアスペクト比４のホールに対して約
６０％程度のボトムカバレッジ率が得られる。
【００５０】次に、請求項５の発明に対応した第三の実
施形態について説明する。図５は、第三の実施形態のス
パッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
この実施形態の装置が前述した各実施形態の装置と異な
るのは、補助電極６が磁場設定手段７の一部を構成して
いる点である。即ち、補助電極６の基板ホルダー５側の
約半分の部分６０１は、磁性材料で形成されている（以
下、磁性体部という）。具体的には、磁性体部６０１
は、磁性ステンレス又は表面にニッケルメッキ等の腐食
防止処理をした鉄等から形成されている。
【００５１】一方、基板ホルダー５の下方には、第一の
実施形態における第二の磁石７２と同様の補助磁石７５
が設けられている。補助電極６の磁性体部６０１は、こ
の補助磁石による磁場の磁路を形成するとともに経時的
に磁化され、第二の磁石７５とともに磁場設定手段７を
構成するようになっている。
【００５２】この第三の実施形態においても、図１に示
す場合と同様、補助電極６の内側にプラズマＰ’が捉え
られるため、高い密度のプラズマＰ’を得て前記イオン
化スパッタ粒子の効果をより高く得ることができる。そ
して、補助電極６によって磁場設定手段７の一部が兼用
されるので、コストの点でも有利である。尚、上記構成
では、補助電極６の一部を磁性体としたが、全部が磁性
体であっても良いことは勿論である。また、磁性体は当
初から磁化されていても、即ち、磁石であってもよいこ
とも勿論である。
【００５３】次に、請求項５の発明に対応した第四の実
施形態について説明する。図６は、第四の実施形態のス
パッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。
この実施形態の装置では、磁場設定手段７の全部が補助
電極６で形成されている。この実施形態における補助電
極６は、スパッタチャンバー１の高さ方向に長い角棒状
の部材であり、図６に示すように、円周上に等間隔をお
いて複数設けられている。各補助電極６は、磁化された
磁性体即ち磁石で形成されている。
【００５４】そして、各補助電極６の内側の表面は同一
の磁極（例えばＳ極）になっており、各補助電極６の外
側の表面は他の同一の磁極（例えばＮ極）になってい
る。このため、各補助電極６の内側には、図５に示すよ
うなカスプ磁場が周状に形成されるようになっている。
このカスプ磁場において、プラズマＰ’は磁力線７６を
横切る方向に拡散することが困難なため、各補助電極６
のうち側にプラズマＰ’が捉えられ、高密度のプラズマ
Ｐ’が形成されるようになっている。この結果、同様に
スパッタ粒子のイオン化が効率的に行われ、前述したイ
オン化スパッタ粒子の効果が高く得られる。また、各補
助電極６に向けてのプラズマＰ’の拡散が防止されるた
め、各補助電極６のプラズマＰ’によるスパッタや損傷
さらには電子衝撃による加熱等も抑制される。
【００５５】また、図６に示すように二つの補助電極２
に対して一つの補助高周波電源６２を設け、二分割器を
使用して伝送線を分岐させて各補助電極２に高周波電力
を供給している。但し、各補助電極６に専用の補助高周
波電源６２を設けてもよいし、一つの補助高周波電源６
２から分岐させて各補助電極６に高周波電力を供給して
もよい。さらに、各補助電極６の配置間隔を調整して、
隣り合う補助電極６同士で高周波が結合するようにする
と、電力の供給箇所は一ヶ所で済むので、分岐は不要と
なる。この場合、各補助電極６において高周波が共振し
ているとさらに好適である。
【００５６】尚、本願発明のイオン化スパッタリング装
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。
【００５７】
【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、補助電極の内側に形成されたプラズマ中で
スパッタ粒子がイオン化されるので、高アスペクト比の
ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜が行え
る。この際、ターゲットへの投入電力の一部を使用して
プラズマを形成するので、別途電源を設けることは不要
であり、コストも安くできる。また、請求項２の発明に
よれば、容量性結合する補助電極に補助高周波電源から
高周波が印加されるので、上記イオン化スパッタ粒子の
効果をより高く得ることができる。また、請求項３の発
明によれば、上記効果に加え、引き出し用電界によって
イオン化スパッタ粒子が引き出されて基板に垂直に入射
し易くなるため、イオン化スパッタ粒子がホールの底面
まで効率よく達する。従って、高アスペクト比のホール
に対してさらに高いボトムカバレッジ率で成膜を行うこ
とができる。また、請求項４の発明によれば、補助電極
の内側のプラズマが磁場設定手段によって捉えられるの
で、プラズマ密度が高くなる。このため、上記イオン化
スパッタ粒子の効果がさらに高く得られる。また、請求
項５の発明によれば、上記効果に加え、磁場設定手段の
一部又は全部が補助電極によって構成されているので、
構造が簡略化されコストの面でも有利となる。また、請
求項６の発明によれば、上記効果に加え、補助電極がス
パッタされることによって基板が汚損される問題が防止
される。また、請求項７の発明によれば、上記請求項６
の効果とともに、補助電極の損傷等が防止される。さら
に、請求項８又は９の発明によれば、上記請求項１又は
２の効果を得るに際して成膜圧力の条件が最適化され、
ボトムカバレッジ率を向上させる効果を充分に得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明に対応した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】イオン化スパッタ粒子の作用を説明する断面概
略図である。
【図３】図１の装置において磁場設定手段の構成を変更
した例を説明する正面概略図である。
【図４】請求項２の発明に対応した第二の実施形態のス
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５】第三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６】第四の実施形態のスパッタリング装置の構成を
説明する平面概略図である。
【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 スパッタ電源 ３４ 第一のスパッタ電源 ３５ 第二のスパッタ電源 ３６ 切り替え器 ４ ガス導入手段 ５ 基板ホルダー ５０ 基板 ６ 補助電極 ６０１ 磁性体部 ６２ 補助高周波電源 ７１ 第一の磁石 ７２ 第二の磁石 ８ 電界設定手段 ８１ 基板バイアス用高周波電源 ９ 防着シールド

Claims (9)

    【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源と、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、 前記スパッタ電源は、前記ターゲットに対して所定の高
    周波電力を印加するものであり、前記ターゲットと基板
    との間のスパッタ粒子の飛行経路を取り囲むように補助
    電極が設けられており、この補助電極は、前記高周波電
    力が印加されたターゲットと容量性結合するよう浮遊電
    位に維持され、、前記ターゲットに印加された高周波電
    力によって当該補助電極の内側にプラズマが形成される
    よう構成されていることを特徴するスパッタリング装
    置。
  2. 【請求項２】 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源と、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、 前記スパッタ電源は、前記ターゲットに対して所定の高
    周波電力を印加するものであり、前記ターゲットと基板
    との間のスパッタ粒子の飛行経路を取り囲むように補助
    電極が設けられており、この補助電極には、補助高周波
    電源が接続されて前記スパッタ電源と同一の周波数の高
    周波電力が印加されるようになっており、当該補助電極
    と前記ターゲットとが容量性結合して当該補助電極の内
    側にプラズマが形成されるよう構成されていることを特
    徴するスパッタリング装置。
  3. 【請求項３】 前記補助電極の内側に形成されたプラズ
    マからイオンを引き出して基板に入射させるための基板
    に垂直な電界を設定する電界設定手段が設けられている
    ことを特徴とする請求項１又は２記載のスパッタリング
    装置。
  4. 【請求項４】 前記補助電極の内側にプラズマを捉える
    ための磁場を設定する磁場設定手段が設けられているこ
    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。
  5. 【請求項５】 前記補助電極は、磁性体又は磁石で形成
    されており、前記磁場設定手段の一部又は全部は当該補
    助電極によって構成されていることを特徴とする請求項
    ４記載のスパッタリング装置。
  6. 【請求項６】 前記補助電極の表面は、ターゲットと同
    一の材料又は基板を汚損しない材料となっていることを
    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。
  7. 【請求項７】 前記補助電極の表面は、耐プラズマ処理
    が施され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。
  8. 【請求項８】 スパッタチャンバー内に設けられたター
    ゲットに所定の高周波電力を印加して当該ターゲットを
    スパッタし、当該ターゲットから放出されたスパッタ粒
    子を基板に到達させて基板の表面に所定の薄膜を堆積さ
    せるスパッタリング方法であって、ターゲットと基板と
    の間のスパッタ粒子の飛行経路を取り囲むように設け補
    助電極に対し、前記ターゲットに印加された高周波電力
    を容量性結合させるとともに、スパッタチャンバー内を
    １０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒの範囲の所定の圧
    力に維持することを特徴とするスパッタリング装置。
  9. 【請求項９】 スパッタチャンバー内に設けられたター
    ゲットに所定の高周波電力を印加して当該ターゲットを
    スパッタし、当該ターゲットから放出されたスパッタ粒
    子を基板に到達させて基板の表面に所定の薄膜を堆積さ
    せるスパッタリング方法であって、 ターゲットと基板との間のスパッタ粒子の飛行経路を取
    り囲むように設けた補助電極に対し、前記ターゲットに
    印加された高周波電力を容量性結合させるとともに、成
    膜中のスパッタチャンバー内の圧力を、ターゲットと基
    板との距離に比べてスパッタ粒子の平均自由行程が充分
    短くなるような圧力に維持することを特徴とするスパッ
    タリング方法。
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