JPH11340166A - スパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板上の微小な深い溝の入口部を狭くすること
なく、底部への成膜量が多く、側壁への成膜をすること
ができるスパッタ装置。 【解決手段】スパッタ粒子の平均飛行距離がターゲット
と基板間の距離より大きくなるようにガス圧力を小さく
し、成膜初期においてターゲットの中央部から射出量が
大きくなるようにし、成膜後期においてターゲットの周
辺部からの射出量が大きくなるように成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造過程で
半導体基板表面に金属膜を形成させるスパッタ装置に係
わり、特に半導体基板上に形成された微小な深い溝の底
部や側壁に多くの金属膜を形成させるのに優れたスパッ
タ装置及びそれを用いて製造した半導体装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】スパッタ法にて基板上の微小な溝の底部
や側壁に金属膜を形成する従来のスパッタ装置として、
例えば特開平6−88219号公報にあるようにスパッタ装置
内部のガス圧力を２回段階的に高い圧力から低い圧力に
変化させて成膜する方法があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術は、ガ
ス圧力が高い時に溝の側壁への付着量が多くなり、一方
ガス圧力が小さい時に溝の底部への付着量が多くなるこ
とを利用したものである。しかし、ガス圧力が高い時に
は溝の側壁において入口部の付着量が底部への付着量よ
り多いため、溝の入口部が狭くなってしまうという問題
があり、溝の底部への成膜量を多くすることに対して十
分でなかった。

【０００４】本発明の目的は、溝の入口部を狭くするこ
となく、溝の底部への成膜量を多くしたままで側壁へも
成膜するスパッタ装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、スパッタ粒子とガス分子との衝突によるスパッタ
粒子の平均飛行距離（平均自由行程）がスパッタターゲ
ットと基板との間の距離以上（望ましくは２倍以上）に
なるようにスパッタ装置内のガス圧力を小さく設定し、
スパッタターゲットの直径を基板直径より大きくし（望
ましくは１.５倍以上）、スパッタターゲットからのス
パッタ粒子の射出分布を成膜の途中で変化させるものと
し、成膜初期においてはスパッタターゲットの中央部か
らの射出量を多くし、成膜後期においてはスパッタター
ゲットの周辺部からの射出量を多くする。

【０００６】スパッタ粒子の平均飛行距離がスパッタタ
ーゲットと基板との間の距離以上であるため、スパッタ
ターゲットから射出されたスパッタ粒子の多くは飛行方
向が衝突によって曲げられることなく、スパッタターゲ
ットの射出位置から基板付着位置への飛行方向のままで
基板上に付着される。成膜初期においてはスパッタター
ゲットの中央部からの射出量が多いため、基板上の溝の
入口部を狭くすることなく溝の底部に多く成膜され、溝
の側壁のうちスパッタターゲットの中央部に面した側壁
に成膜される。成膜後期においてはスパッタターゲット
の周辺部からの射出量が多くなるように射出されるため
基板上の溝の側壁のうちスパッタターゲットの周辺部に
面した側壁に成膜される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例を図
１から図３により説明する。ここでは、スパッタ装置に
て、溝１のあるシリコン基板（ウエハ）２上に銅膜３を
成膜させる際に、溝の底部４と側壁５，６に多くの銅膜
を成膜させる方法について述べる。基板の直径は例えば
２００mmであり、溝の幅や深さは１μｍ程度であり、銅
の成膜量も１μｍ程度である。溝は基板の全面にわたっ
て多数形成されているが、その中で基板の周辺部にて、
溝の長手方向が基板の周方向になっている溝について説
明する。

【０００８】図１は本発明の第１の実施例を適用したス
パッタ装置の垂直断面図の模式図を示す。スパッタ装置
に円板状の銅製のターゲット７が設けられている。ター
ゲット７に対向して円板状のホルダ８に乗せられたシリ
コン基板２が設置されている。図２は基板２の拡大垂直
断面図を示す。基板２の表面に微小な溝１が形成されて
いる。この基板２の表面に銅膜を成膜する装置である。

【０００９】ターゲット７の上部にマグネット９が設け
られている。ホルダ８とターゲット７の間に電圧を与え
て放電を起こし、放電によって生じたプラズマ１０をマ
グネット９の磁力によってターゲット７の近くに存在さ
せ、プラズマ粒子がターゲット７に衝突することによっ
て、スパッタ粒子（銅の分子）が飛び出し、それは基板
２に銅膜となって付着するものである。ターゲット７と
基板２との間の距離は基板２の直径以上が望ましい。

【００１０】スパッタ装置６の内部にはアルゴンなどの
低圧ガスが存在する。スパッタ装置６の内部のガス圧力
は次式で計算されるスパッタ粒子とガス分子との衝突に
よるスパッタ粒子の平均飛行距離（平均自由行程）がタ
ーゲット７と基板２との間の距離以上（望ましくは２倍
以上）になるように設定する。

【００１１】

【数１】 Ｌ＝Ｖ₀Ｐ₀／｛ＮＰπ（ｒ₁＋ｒ₂)²} …（数１） ここで、Ｌはスパッタ粒子の平均飛行距離（ｍ）、ｐは
ガス圧力（Ｐａ）、ｒ₁ はガス分子の半径（アルゴンの
場合ｒ₁ ＝１.９×１０^-10ｍ）、ｒ２は銅分子の半径
（ｒ₂ ＝１.３×１０^-10ｍ）、Ｖ₀ は１気圧での１モル
のガスの体積（Ｖ₀ ＝０.０２２４ｍ³）、Ｐ₀ は１気圧
（Ｐ₀＝１０⁵Ｐａ）、Ｎは１モルの分子数(Ｎ＝６.０２
×１０²³個）である。例えば、ターゲット７と基板２と
の間の距離が２００mmの場合、スパッタ粒子の平均飛行
距離を４００mm以上にするには、圧力を０.０２５Ｐａ
以下にすることと計算される。

【００１２】ターゲット７の直径は基板２の直径より大
きく（望ましくは１.５ 倍以上に）する。ターゲット７
の近くに形成するプラズマ１０の分布によって、ターゲ
ット７からのスパッタ粒子の射出分布が決まる。基板２
への成膜プロセスにおいて、成膜初期にターゲットの中
央部（基板２の直径以内の部分）の射出量が多くなるよ
うな状態に中央に密度の高いプラズマ１０を形成し成膜
させる。それ以降の成膜後期にはターゲット周辺部（基
板の直径以上の部分）の射出量が多くなるような状態で
周辺部に密度の高いプラズマ１０を形成し成膜を行う。

【００１３】次に本実施例の作用を説明する。基板２の
周辺部にある溝１１について説明する。図３にスパッタ
粒子の飛行軌跡を矢印で示す。ガス圧力が低くスパッタ
粒子の平均飛行距離がターゲットと基板間の距離以上で
あるためターゲットから射出されたスパッタ粒子が基板
に到着するまでにガス分子との衝突が１回未満であり、
衝突によって飛行方向を曲げられることなくターゲット
から基板に到着する。

【００１４】成膜初期においては、ターゲット７の中央
部の射出量が多くなるような状態で成膜しているため、
溝１１において、矢印１２のように飛行して来た粒子が
溝の底部４に多く成膜され、さらに溝の側壁のうちター
ゲット７の中央部に面した側壁５に多く成膜される。タ
ーゲットと基板間の距離は基板の直径以上であるため、
基板に入射する粒子は基板に対してほぼ垂直方向であ
り、溝の入口部を狭くすることがない。

【００１５】成膜後期においては、ターゲット７の周辺
部の射出量が多くなるような状態で成膜しているため、
溝１１において、矢印１３のように飛行して来た粒子が
溝の底部に成膜されると共に、溝の側壁のうちターゲッ
ト７の周辺部に面した側壁６に多く成膜される。この場
合、矢印１４のように飛行する粒子はウエハ表面に対し
て傾斜が急であるため、溝の底部４よりは溝の側壁５の
入口部に多く付着するが、成膜後期であるため溝入口部
を狭めることはない。

【００１６】コンピュータを用いた数値シミュレーショ
ンにより、本実施例の効果を求めた結果を次に示す。計
算条件として、基板直径２００mm，銅製のターゲットの
直径３００mm，基板とターゲット間の距離２００mm，溝
の幅１μｍ，深さ１.３μｍ，装置内のアルゴンのガス
圧力０.０２５Ｐａ，成膜時間６分，成膜量１.２μｍと
する。ターゲットからの射出分布として成膜開始から４
分間はターゲットの中心部にて直径１００mm以内の部分
の射出のみとし、成膜後期の２分間はターゲットの直径
２００mmから３５０mmまでの部分の射出のみとする。

【００１７】ターゲットからの射出方向は垂直方向が最
も多いような余弦則の分布とする。計算手法としてモン
テカルロ法を用い、ターゲットから１００万個以上の粒
子を射出させ、ガス分子との衝突による飛行方向の変化
も計算し、その粒子が基板上の溝表面に付着する位置を
求め、溝の各位置の成膜量を計算した。図４は本実施例
を用いた基板の周辺部に位置する溝への成膜形状変化の
計算結果を示す。

【００１８】図５は従来の成膜の１つである、常にター
ゲット全面から一様射出される場合の成膜形状変化の計
算結果を示す。図４は図５に比較して、溝の内部への成
膜量が多くなることがわかる。また、図５は溝の入口部
が狭くなっている。図６は従来の成膜の１つである、常
にターゲット中央部が多くなるように射出される場合の
成膜形状変化の計算結果を示す。図６は溝の片方の側壁
の成膜がほとんどなくて下地面が出ているが、図４は溝
の側壁にも成膜がある。

【００１９】スパッタ後に基板を約４５０℃に加熱し
て、スパッタにより成膜した銅膜を溝の中に流入させる
熱処理を行うが、本実施例では熱処理前に溝の底部に多
くの成膜があり、かつ側壁にも成膜されているため、溝
の中への流入がすみやかに行われ、短時間の熱処理です
み、生産効率が良い。

【００２０】また、ターゲットからの射出場所が固定で
なく変化するため、ターゲットの消耗割合がターゲット
の１部分のみでなく、ターゲットの利用効率が高くなる
効果がある。スパッタにより成膜する膜の材料として、
銅の他に、アルミニウム，タングステン，ＳｉＯ₂ など
でも本発明の効果は同じである。

【００２１】本発明の第２の実施例を適用したスパッタ
装置の垂直断面図の模式図を図７，図８に示す。スパッ
タ装置の中央部の周辺部にリング状のしゃへい板１５が
ある。成膜初期には図７に示すようにしゃへい板１５が
作用して、ターゲット７の中央部から射出された粒子の
みが基板２に付着する。成膜後期には図８に示すように
しゃへい板１５が後退してターゲット７の全面から射出
された粒子が基板２に付着する。スパッタ装置に設ける
しゃへい物体の構造として、移動するリング状構造の他
に円筒状構造や開閉度が変化できるスリット構造であっ
ても良い。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、スパッタ装置において
基板にある溝の入口部を狭くすることなく、溝の底部へ
の成膜量を多くしたままで側壁への成膜をすることがで
きる。その結果、スパッタ後の熱処理工程での熱処理時
間を短縮でき、生産効率が向上し、半導体装置を安価で
製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のスパッタ装置の垂直断
面図の模式図を示す。

【図２】基板上の溝を拡大した垂直断面図を示す。

【図３】スパッタ粒子が基板に付着する飛行軌跡の模式
図を示す。

【図４】本発明の効果を示す溝の成膜形状変化の計算結
果を示す特性図である。

【図５】従来のスパッタ装置による溝の成膜形状変化の
計算結果を示す特性図である。

【図６】従来のスパッタ装置による溝の成膜形状変化の
計算結果を示す特性図である。

【図７】本発明の第２の実施例のスパッタ装置の垂直断
面図の模式図を示す。

【図８】本発明の第２の実施例のスパッタ装置の垂直断
面図の模式図を示す。

【符号の説明】

１…溝、２…基板、３…銅膜、４…溝底部、５，６…溝
側壁、７…ターゲット、８…ホルダ、９…マグネット、
１０…プラズマ、１１…溝、１２，１３，１４…スパッ
タ粒子の飛行の軌跡、１５…しゃへい板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スパッタ装置内のスパッタターゲットに対
   向するように半導体基板を設置し、上記の半導体基板の
   表面に膜を形成するスパッタ装置において、スパッタタ
   ーゲットの直径を半導体基板の直径より大きくし、成膜
   時にスパッタターゲットの中央部から基板に到着するス
   パッタ粒子数とスパッタターゲットの周辺部から基板に
   到着するスパッタ粒子数の比率をスパッタ成膜途中で変
   化させることを特徴とするスパッタ装置。