JPH1180947A

JPH1180947A - イオン化スパッタ装置

Info

Publication number: JPH1180947A
Application number: JP25136797A
Authority: JP
Inventors: Masao Sasaki; 雅夫佐々木; Noriki Tobe; 了己戸部
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】アスペクト比４を越える微小なホールに対し
てボトムカバレッジ率よく成膜できる実用的なスパッタ
リング装置を提供する【解決手段】排気系１１によってスパッタチャンバー
１内を所定の圧力に排気した後、ガス導入手段２によっ
てアルゴン等のガスを導入し、高周波アンテナとして兼
用されたターゲット３にプラズマ用高周波電源４１から
高周波電力を供給する。高周波によってプラズマＰが形
成されてターゲット３がスパッタされるとともに、ター
ゲット３から放出されたスパッタ粒子がプラズマＰ中で
イオン化する。電界設定手段８は基板ホルダー５に高周
波電圧を印加して基板９に負の自己バイアス電圧を与
え、プラズマＰと基板９との間に基板にほぼ垂直な引き
出し用電界を設定する。この引き出し用電界によってイ
オン化スパッタ粒子がプラズマＰから引き出されて基板
９にほぼ垂直に入射する。

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装置に関し、特
に、スパッタ粒子をイオン化して成膜に利用するイオン
化スパッタ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プロセスを用いてお
り、スパッタ装置が多用されている。このようなスパッ
タ装置に要求される特性は色々あるが、基板に形成され
たホールの内面特に底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てい
る。また、拡散層とコンタクト配線層との界面抵抗の低
減のため、コンタクトホールの底面にシリサイド膜を形
成する場合もある。また、各メモ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。将来、このスルー
ホール内への配線に銅が使用されると、銅は絶縁層とし
ての酸化シリコン中に拡散し易いため、スルーホールの
側面等にバリア膜を形成することが行われると考えられ
る。さらに、スルーホールの底面がシリコンでありシリ
コンと銅の導通を図る場合は、シリコンの上にＣｏ等の
シリサイド膜が形成されると考えられる。

【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。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％以上の量の薄膜をホー
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。

【０００５】ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタ
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（０．８ｍＴｏｒｒ
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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】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。本願の発明は、このような課題を解決
するためなされたものであり、アスペクト比４を越える
微小なホールに対してボトムカバレッジ率よく成膜でき
る実用的なスパッタリング装置を提供することを目的と
している。

【０００７】

【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所定のガス
を導入するガス導入手段と、スパッタチャンバー内に配
置されたターゲットと、前記ターゲットをスパッタする
とともにその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プラズマを形成するプ
ラズマ形成手段と、イオン化したスパッタ粒子が到達す
るスパッタチャンバー内の所定位置に基板を配置するた
めの基板ホルダーとを備えたイオン化スパッタ装置であ
って、前記プラズマ形成手段は、前記ターゲットを高周
波アンテナとして兼用してスパッタチャンバー内に高周
波電界を設定してプラズマを形成するものであり、プラ
ズマと基板との間に基板にほぼ垂直な引き出し用電界を
設定する電界設定手段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、前記基板の表面
には微小なホールが形成されており、このホールの内面
に薄膜を形成す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、前記ターゲット
は、チタン又は窒化チタンからなるものであり、前記薄
膜は、バリア膜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、前記ターゲットは、中
空のパイプからなるコイル状であり、内部に冷媒が流さ
れて冷却され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５記載の発明は、上記
請求項１、２、３又は４の構成において、前記電界設定
手段は、前記基板ホルダーに高周波電圧を印加するもの
であり、高周波とプラズマとの相互作用により基板に負
の自己バイアス電圧を与えて前記引き出し用電界を設定
するものであるという構成を有する。

【０００８】

【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。図１は、本願発明の実施形態のイオン化
スパッタ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内に所定のガスを
導入するガス導入手段２と、スパッタチャンバー内に配
置されたターゲット３と、ターゲット３をスパッタする
とともにそのスパッタによってターゲット３から放出さ
れたスパッタ粒子をイオン化させるプラズマを形成する
プラズマ形成手段４と、イオン化したスパッタ粒子が到
達するスパッタチャンバー１内の所定位置に基板９を配
置するための基板ホルダー５とを備えている。

【０００９】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
や拡散ポンプ等の多段の真空ポンプ１１１を備えた高真
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^-9Ｔｏｒｒ程度まで排気可能になっている。
排気管上には、主排気バルブ１１２やバリアブルオリフ
ィス１１３等の排気速度調整器を備えている。

【００１０】ガス導入手段２は、アルゴン等の所定のガ
スを溜めたガスボンベ２１と、ガスボンベ２１とスパッ
タチャンバー１とをつなぐ配管２２と、配管２２に設け
られたバルブ２３や流量調整器２４とから主に構成され
ている。配管２２の先端は、スパッタチャンバー１の上
部壁面からスパッタチャンバー１内に進入しており、上
方からスパッタチャンバー１内に所定のガスを導入する
ようになっている。

【００１１】さて、本実施形態の大きな特徴点を成すプ
ラズマ形成手段は、ターゲット３を高周波アンテナとし
て兼用してスパッタチャンバー１内に高周波電界を設定
してプラズマを形成するようになっている。まず、ター
ゲット３は、中空のパイプを丸めて１ターンのコイル状
としたものである。丸めた両端は少し離間しており、上
方に折り曲げられている。この折り曲げられた両端は、
各々絶縁端子３１を介在させてスパッタチャンバー１の
上壁部を気密に貫通している。そして、この折り曲げら
れた一端にプラズマ用高周波電源４１が接続され、他端
はバイアス用コンデンサ４３を介して接地されている。

【００１２】図２は、図１に装置に使用された絶縁端子
３１の構成を示す斜視概略図である。尚、図２では、絶
縁端子３１の形状を理解し易くするため、一部をカット
して示してある。絶縁端子３１は、図２に示すように、
中央に円形の開口を有する円盤状の部材に同心円筒状の
複数のフィンを形成した構成である。この絶縁端子３１
は、基板を汚損することのない絶縁材料例えば石英ガラ
スで形成されている。上記絶縁端子３１には、ターゲッ
ト３からのスパッタ粒子が飛来して経時的に薄膜が堆積
する。この薄膜が剥離すると、パーティクルとなってス
パッタチャンバー１内を浮遊し、基板９に付着して局部
的な膜厚異常等の不良を引き起こす。しかしながら、絶
縁端子３１はフィンを有して複雑な凹凸が形成されてい
るので、堆積した薄膜が剥離しづらく、相当程度スパッ
タを繰り返してもパーチィクルを発生させることがな
い。

【００１３】この絶縁端子３１の中央の開口には、ター
ゲット３の端部が気密に填め込まれる。そして、この絶
縁端子３１は、スパッタチャンバー１の上壁部の開口に
気密に填め込まれる。尚、ターゲット３はスパッタによ
って削られて消耗するため交換する必要がある。ターゲ
ット３を交換する場合、絶縁端子３１に填め込まれた状
態でターゲット３を絶縁端子３１と一体に上壁部から取
り外して交換するようになっている。

【００１４】また、ターゲット３には、内部に冷媒を流
す冷却機構７が設けられている。冷却機構７は、ターゲ
ット３の一端に接続された冷媒供給管７１と、ターゲッ
ト３の他端に接続された冷媒排出管７２と、冷媒供給管
７１と冷媒排出管７２とを繋ぐようにして設けたサーキ
ュレータ７３とから主に構成されている。このような冷
却機構７により、ターゲット３は、プラズマＰからの加
熱や通電によるジュール熱が除去され、所定温度に維持
されるようになっている。尚、冷媒としては、例えば水
道水が使用される。

【００１５】上記ターゲット３に高周波電力を供給する
プラズマ用高周波電源４１は、例えば周波数１３．５６
ＭＨｚで出力３ｋＷ程度のものが使用される。プラズマ
用高周波電源４１とターゲット３との間には整合器４２
が設けられており、インピーダンスマッチングが行われ
るようになっている。

【００１６】また、バイアス用コンデンサ４３は、ター
ゲット３を接地電位から絶縁させてターゲット３に負の
自己バイアス電圧を与えるものである。即ち、ターゲッ
ト３がバイアス用コンデンサ４３によって接地電位から
絶縁されていると、ターゲット３に高周波電力が供給さ
れた際、イオンと比較した電子の高い移動度のため、タ
ーゲット３には数十ボルトから百数十ボルト程度の負の
自己バイアス電圧が生ずる。この負の自己バイアス電圧
によってプラズマＰから正イオンが引き出されターゲッ
ト３に入射し、ターゲット３がスパッタされる。例え
ば、バイアス用コンデンサ４３として５００ｐＦ程度の
ものを使用すると、ターゲット３には−１６０Ｖ程度の
負の自己バイアス電圧が生じて、ターゲット３のスパッ
タが可能となる。

【００１７】尚、ターゲット３に負の直流電源を接続
し、上記バイアス用コンデンサ４３による負の自己バイ
アス電圧に加えてさらに負の直流電圧を重畳させるよう
にしてもよい。負の直流電源は、例えばバイアス用コン
デンサ４３と並列に接続することができる。また、負の
直流電源の前後に所定のリアクタンスを設けて負の直流
電源を高周波から保護すると好適である。

【００１８】また、基板ホルダー５は、絶縁体５１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。この基板ホルダー５には、ターゲット２の下
方に形成されたプラズマＰからイオン化スパッタ粒子を
引き出して基板５０に入射させるための電界（以下、引
き出し用電界）を設定する電界設定手段８が設けられて
いる。

【００１９】電界設定手段８としては、本実施形態で
は、基板ホルダー５に高周波電圧を印加して高周波とプ
ラズマＰとの相互作用により基板９に負の自己バイアス
電圧を与える基板用高周波電源８１が採用されている。
基板用高周波電源８１としては、例えば１３．５６ＭＨ
ｚ出力３００Ｗ程度のものが使用できる。また、基板用
高周波電源８１と基板ホルダー５との間には、整合器８
２が設けられている。さらに、基板９及び基板ホルダー
３４がいずれも導体である場合、高周波の伝送経路に所
定のコンデンサが設けられ、コンデンサを介して基板９
に高周波電圧を印加するよう構成される。

【００２０】コンデンサ等のキャパシタンスを介して基
板９に高周波電圧を印加すると、キャパシタンスの充放
電にプラズマ中の電子と正イオンが作用し、電子と正イ
オンの移動度の違いによって基板９に負の自己バイアス
電圧が生じる。図３は、負の自己バイアス電圧の説明図
である。図３において、Ｖ₁ はキャパシタンスの基板高
周波電源８１側の電圧、Ｖ₂ はキャパシタンスのプラズ
マＰ側の電圧（基板９の表面の電圧）を示している。図
２に示すように、基板用高周波電源８１によってキャパ
シタンスを介して高周波電圧を基板９に印加すると、キ
ャパシタンスのプラズマ側では、高周波とプラズマとの
相互作用により、高周波電圧Ｖ₁ に負の直流電圧（自己
バイアス電圧Ｖ_b ）を重畳したような波形の高周波電圧
Ｖ₂ が与えられる。

【００２１】一方、プラズマＰの空間電位（以下、プラ
ズマ電位）は、ほぼ接地電位に等しい。従って、プラズ
マＰと基板９との間には、プラズマＰから基板９に近づ
くに従って電位が下がる電界である引き出し用電界が設
定される。この電界の向きに基板９に対してほぼ垂直で
あり、プラズマＰ中から基板９にほぼ垂直な方向にイオ
ンを引き出す作用がある。

【００２２】尚、基板用高周波電源８１の周波数は、１
３．５６ＭＨｚには特に限定されず、１００ｋＨｚから
１５００ＭＨｚの範囲で適宜選定される。特に、基板用
高周波電源８１の周波数をプラズマ用高周波電源４１の
それとは異なるものにしておくと、高周波の干渉が防止
できるので好適である。また、１００ｋＨｚを下回る周
波数であると、整合器８２の設計が難しくなり、実用上
の問題が生ずる。また、周波数が１５００ＭＨｚを越え
ると、表皮効果が高くなるため、図１に示すような基板
ホルダー５を介しての基板９への高周波印加は大変難し
くなる。

【００２３】また、電界設定手段８として基板用高周波
電源８１を使用する場合、基板９に入射するイオンのエ
ネルギーの分布は、基板用高周波電源８１が与える高周
波の周波数により異なってくる。一般に、プラズマＰの
イオン振動数よりも基板９に印加する高周波の周波数が
低い場合、基板９に印加される高周波電界の変化にイオ
ンは追従して運動することができる。このため、イオン
のエネルギーは高周波電界の波高値の大きさにより決ま
る。このことから、イオンのエネルギー分布は高エネル
ギー成分から低エネルギー成分まで広いエネルギー分布
を持つ。

【００２４】一方、プラズマＰのイオン振動数よりも基
板９に印加する高周波の周波数が大きい場合、基板９に
印加される高周波電界の変化にイオンは追従して運動す
ることができない。このため、イオンのエネルギーは高
周波電界の波高値の大きさによって決まらず、基板９に
誘起される自己バイアス電圧とプラズマ電位との差によ
って決まる。このことから、イオンのエネルギー分布は
狭く、基板９へのイオン入射を高い制御性をもって制御
することができる。

【００２５】また、基板ホルダー５内には、基板９を所
定温度に加熱するヒータ５２が設けられている。ヒータ
５２には、通電によりジュール熱を発生させる抵抗加熱
方式のものが採用される。基板９の温度を検出する熱電
対５３が設けられており、この熱電対からの信号によっ
てヒータ５２が制御される。尚、基板ホルダー５には、
基板ホルダー５の表面に静電気を誘起して基板９を静電
吸着する静電吸着機構が必要に応じて設けられる。

【００２６】また、本実施形態の装置では、スパッタチ
ャンバー１の側壁部分の内側にマルチカスプ磁場を設定
してプラズマ密度の向上は図っている。図４は、図１に
示す装置で設定されるマルチカスプ磁場の構成を説明す
る平面図である。図１及び図４に示すように、スパッタ
チャンバー１の側壁部分の外側には、永久磁石６が複数
設けられている。各永久磁石６は、角棒状の磁石であ
り、上下方向に延びるように等間隔でスパッタチャンバ
ー１の周囲に配置されている。隣り合う永久磁石６の内
側面（スパッタチャンバー１側の面）は互いに異なる磁
極になっており、これらの永久磁石によってカスプ磁場
が周状に連なるマルチカスプ磁場が形成されるようにな
っている。

【００２７】このマルチカスプ磁場は、スパッタチャン
バー１の側壁へのプラズマＰの拡散を抑制し、プラズマ
密度をより高く保つ効果がある。即ち、プラズマＰがス
パッタチャンバー１の側壁まで拡散すると、接地電位で
ある側壁にイオンや電子が入射してプラズマＰはその部
分で消滅する。イオンや電子は磁力線を横切る方向には
移動が困難であるから、マルチカスプ磁場があると、ス
パッタチャンバー１の側壁までプラズマが拡散するのが
防止され、側壁部分でのプラズマＰの損失が防止されて
プラズマＰが高密度化する。

【００２８】次に、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９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^-8Ｔｏｒｒ程度まで排気されおり、基板９の載置後
にガス導入手段２が動作して、アルゴン等のガスが所定
の流量で導入される。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内を所定の圧力に維持す
る。そして、プラズマ用高周波電源４１を動作させ、基
板用高周波電源８１も同時に動作させる。

【００２９】プラズマ用高周波電源４１によって整合器
４２を介して高周波電力がターゲット３に供給される
と、ターゲット３を通してスパッタチャンバー３内に高
周波電界が設定される。ガス導入手段２によって導入さ
れたガスは、この高周波電界によって放電し、プラズマ
Ｐが形成される。そして、ターゲット３に生じる負の自
己バイアス電圧によってプラズマＰから正イオンが引き
出されてターゲット３に入射する。この結果、ターゲッ
ト３がスパッタされてスパッタ粒子（通常は原子の状
態）が放出される。

【００３０】放出されたスパッタ粒子は、プラズマＰ中
を通過する際にイオン化する（以下、イオン化スパッタ
粒子）。このイオン化は、主にペニング・イオン化によ
るものであると考えられる。即ち、プラズマＰ中の励起
状態にある原子や分子にスパッタ粒子が衝突して、その
原子や分子が基底状態に戻るとともにスパッタ粒子がイ
オン化するものと考えられる。そして、イオン化スパッ
タ粒子は、電界設定手段８が与える引き出し用電界によ
って加速され、基板９に到達する。基板９に到達したイ
オン化スパッタ粒子は、基板９の表面に堆積してターゲ
ット９の材料よりなる薄膜が作成される。薄膜が所定の
厚さに達すると、プラズマ用高周波電源４１、基板用高
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９をス
パッタチャンバー１から取り出す。

【００３１】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、最初にアルゴンガスを導入して
チタン薄膜を成膜する。そして、その後窒素ガスを導入
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。尚、
窒化チタン薄膜を作成する場合、窒素ガスを導入してチ
タン製のターゲット３をスパッタし、チタンと窒素とを
反応させる反応性スパッタリングの手法を使用する。

【００３２】上記動作において、電界設定手段８が設定
する引き出し用電界は、基板９にほぼ垂直なので、イオ
ンは基板９にほぼ垂直に入射する。従って、基板９に形
成された微小なホールの底面までイオンが到達し易くな
り、ボトムカバレッジ率の高い成膜が可能となる。ま
た、基板９に入射するイオンは、ホールの縁に堆積する
オーバーハングを再スパッタしてホール内に落とし込む
作用も有している。この点を図５を使用して説明する。
図５は、イオンによる再スパッタの説明図である。

【００３３】基板９に図５に示すような微小なホール９
０が形成されている場合、図５（ａ）に示すように、ホ
ール９０の開口の縁の部分にスパッタ粒子９１は堆積し
易く、縁の部分が図５に示すように盛り上がってしまう
傾向がある。この盛り上がって堆積する薄膜９２はオー
バーハングと呼ばれる。このオーバーハング９２がある
と、ホール９０の開口がより小さくなり、ホール９０の
アスペクト比が見かけ上さらに高くなる。この結果、ボ
トムカバレッジ率がさらに低下してしまう。しかしなが
ら、図５（ｂ）に示すように、基板９にイオン化スパッ
タ粒子９３が入射する場合、このイオン化スパッタ粒子
９３はオーバーハング９２を再スパッタして崩し、ホー
ル９０内に落とし込むよう作用する。このため、この落
とし込まれる薄膜によってホール９０内の成膜が進むの
に加え、ホール９０の開口も大きくなるのでボトムカバ
レッジ率も高くできる。

【００３４】上述した動作に係る本実施形態の装置で
は、イオン化のためのプラズマを形成するプラズマ形成
手段４は、ターゲット３を高周波アンテナとして兼用し
ている。このため、部品点数が少なく低コストとなる。
また、スパッタチャンバー１内に高周波アンテナが配置
されるので、高周波のカットオフの問題もない。即ち、
誘電体窓等を通して外部から高周波を導入する構成で
は、誘電体窓等の内面に薄膜が堆積して高周波を遮蔽し
てしまう問題があるが、本実施形態の装置ではそのよう
な問題はない。

【００３５】また、本実施形態の装置では、高周波アン
テナとして用いたターゲット３とプラズマＰとが誘導性
結合するので、低圧でも高密度のプラズマを形成するこ
とができる。即ち、プラズマＰ中には、ターゲット３中
を流れる高周波電流による電磁誘導により誘導電流が流
れ、プラズマＰとターゲット３とはインダクタンスを介
して高周波結合する。プラズマＰ中に流れる高周波電流
は、ガスの電離効率を上昇させるので、１００ｍＴｏｒ
ｒ以下の低圧でも１０¹⁰個／ｃｍ³ 以上の高密度プラズ
マを形成することが可能となる。尚、プラズマ密度の単
位である「個／ｃｍ³ 」は、単位体積あたりの電子密度
を表している。高周波によってプラズマを形成する方式
には、上記誘導性結合方式の他、容量性結合方式があ
る。容量性結合方式は、プラズマ形成空間を挟んで対向
させた一対の平行平板電極に高周波電力を供給する例が
典型的である。本願発明において、このような構造を採
用することも可能であるが、このような構造では１００
ｍＴｏｒｒ以下で１０¹⁰個／ｃｍ³ 以上の高密度プラズ
マを形成することは一般的に難しい。低圧高密度プラズ
マを形成するには、プラズマＰ中に大きな誘導電流が流
れる誘導性結合方式が有利である。

【００３６】尚、上述した本実施形態の装置において、
スパッタチャンバー１内への不必要な場所へのスパッタ
粒子を付着を防止する不図示の防着シールドが必要に応
じて設けられる。防着シールドは、ターゲット３と基板
ホルダー５との間の空間を取り囲む円筒状の部材とされ
る。また、基板ホルダー５の下側に磁石を設け、基板９
にほぼ垂直に向かう磁力線を設定すると、イオン化スパ
ッタの効果が促進される。即ち、イオンは磁力線に沿っ
て移動する傾向があるため、より効率的に多くのイオン
を基板９にほぼ垂直に入射させることができる。

【００３７】

【実施例】上記実施形態に属する実施例であってバリア
膜用のチタン薄膜を作成する実施例として、以下のよう
な条件でスパッタを行うことができる。プラズマ用高周波電源：１３．５６ＭＨｚ出力３ｋＷターゲットの材質：チタンターゲットの自己バイアス電圧：−１６０Ｖ程度プロセスガスの種類：アルゴンプロセスガスの流量：６５ｃｃ／分成膜時の圧力：２ｍＴｏｒｒ基板用高周波電源：１３．５６ＭＨｚ出力３００Ｗ基板：直径１５０ｍｍのシリコンウェーハ成膜時の基板ホルダー５の温度：２５０℃ 上記条件で成膜を行うと、３５オングストローム／分程
度の成膜速度で成膜を行うことができた。

【００３８】次に、上記実施例の条件での成膜によるボ
トムカバレッジ率の向上について説明する。図６及び図
７は、ボトムカバレッジ率の向上について説明する図で
あり、図６は実施例の条件で基板用高周波電源８１を動
作させない場合のボトムカバレッジ率、図７は実施例の
条件で基板用高周波電源８１を動作させた場合のボトム
カバレッジ率をそれぞれ示している。図６から分かる通
り、基板用高周波電源８１を動作させない場合のボトム
カバレッジ率は、アスペクト比１のホールでは１００％
であるが、アスペクト比２程度のホールでは６０〜７０
％程度に低下している。従って、アスペクト比４のホー
ルでは、５０％以下になってしまうものと考えられる。
一方、図７から分かる通り、基板用高周波電源８１を動
作させた場合、ボトムカバレッジ率は、アスペクト比１
〜３までは１００％以上、アスペクト４のホールでも１
００％程度となっている。従って、アスペクト４を越え
るホールに対しても、５０％を越える高いボトムカバレ
ッジ率が得られるものと推定される。尚、１００％を越
えるボトムカバレッジ率は、ホールの周囲の面よりもホ
ールの底面の方が成膜速度が高いことを示している。従
って、この成膜プロセスは、ホールの内面に薄膜を薄く
作成するバリア膜のみならず、ホール内を薄膜で埋め込
む平坦化膜の作成にも応用できる可能性がある。

【００３９】上述したボトムカバレッジ率の差は、基板
９の負の自己バイアス電圧の差に起因していることは明
らかである。上記実施例の条件において、基板用高周波
電源８１を動作させないで基板９の電位を測定してみる
と、−４Ｖ程度であった。これは、基板用高周波電源８
１を動作させない場合でも、基板ホルダー５は整合器８
２中のコンデンサ等によって接地電位から絶縁されてい
るためと考えられる。つまり、基板９は接地電位から絶
縁されて浮遊電位となっており、−４Ｖ程度の負にバイ
アスされるものと考えられる。尚、基板用高周波電源８
１等を設けない場合は、基板ホルダー５は通常スパッタ
チャンバー１に短絡されるので、基板９の電位は０Ｖと
なる。一方、基板用高周波電源８１を動作させた場合、
基板９の電位は−１６Ｖ程度となり、４倍程度に絶対値
が大きくなった。従って、引き出し用電界の強度も大幅
に大きくなり、効率よくイオンをプラズマＰから引き出
せるようになった。これが原因で、上記ボトムカバレッ
ジ率の向上が達成されているものと判断される。

【００４０】上述した実施形態及び実施例では、ターゲ
ット３として１ターンのコイル状のものが使用された
が、これに以外にも様々な形状のターゲットを使用する
ことができる。図８は、ターゲット３の形状について説
明する斜視概略図である。ターゲット３としては、図８
（Ａ）に示すような２ターンのコイル状のもの、また、
図８（Ｂ）に示すような渦巻き状のもの、図８（Ｃ）に
示すような方形の板状のもの、さらに図８（Ｄ）に示す
ような円板状のものを使用することができる。尚、図８
（Ｃ）又は（Ｄ）の場合、スパッタチャンバー１の上壁
部に絶縁材を介在させて気密に貫通させて固定した導入
棒３２によって固定され、この導入棒３２を介して高周
波電力が供給される。

【００４１】さらに、電界設定手段８の構成としては、
前述した基板用高周波電源８１を用いる場合の他、負の
直流電源を基板ホルダーに接続する構成でもよい。基板
ホルダー５に負の直流電圧を与えると、接地電位に近い
プラズマＰとの間でやはり引き出し用電界が設定され、
イオンが基板９に向けて垂直に引き出される。

【００４２】尚、上記実施形態及び実施例の説明では、
バリア膜用のチタン薄膜や窒化チタン薄膜の作成を例に
採り上げたが、配線用のアルミニウム合金膜や銅膜等の
作成についても同様に実施できることはいうまでもな
い。また、成膜の対象物である基板９としては、各種半
導体デバイスを作成するための半導体ウェーハの他、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さ
れる各種基板を対象とすることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明した通り、本願の各請求項の発
明によれば、ターゲットから放出されるスパッタ粒子が
プラズマによってイオン化されてイオン化スパッタ粒子
となり、これが引き出し用電界で基板にほぼ垂直に引き
出されて基板にほぼ垂直に入射するので、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を行
うことができる。また、プラズマを形成するプラズマ形
成手段が、スパッタチャンバー内に配置されたターゲッ
トを高周波アンテナとして兼用しているので、低コスト
となり、高周波のカットオフの問題も生じない。また、
請求項４の発明によれば、上記効果に加え、ターゲット
が冷却されるので、ターゲットの熱的な損傷を未然に防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施形態のイオン化スパッタ装置の
構成を説明する正面概略図である。

【図２】図１に装置に使用された絶縁端子３１の構成を
示す斜視概略図である。

【図３】負の自己バイアス電圧の説明図である。

【図４】図１に示す装置で設定されるマルチカスプ磁場
の構成を説明する平面図である。

【図５】イオンによる再スパッタの説明図である。

【図６】ボトムカバレッジ率の向上について説明する図
であり、実施例の条件で基板用高周波電源８１を動作さ
せない場合のボトムカバレッジ率を示している。

【図７】ボトムカバレッジ率の向上について説明する図
であり、実施例の条件で基板用高周波電源８１を動作さ
せた場合のボトムカバレッジ率を示している。

【図８】ターゲット３の形状について説明する斜視概略
図である。

【符号の説明】

１スパッタチャンバー１１排気系２ガス導入手段３ターゲット３１絶縁端子４プラズマ形成手段４１プラズマ用高周波電源４２整合器５基板ホルダー５１ヒータ６永久磁石７冷却機構８電界設定手段８１基板用高周波電源８２整合器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/203 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｓ 21/285 21/285 Ｓ

Claims

【特許請求の範囲】

【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所定のガスを導入するガス導入
手段と、スパッタチャンバー内に配置されたターゲット
と、前記ターゲットをスパッタするとともにそのスパッ
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
オン化させるプラズマを形成するプラズマ形成手段と、
イオン化したスパッタ粒子が到達するスパッタチャンバ
ー内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーと
を備えたイオン化スパッタ装置であって、前記プラズマ形成手段は、前記ターゲットを高周波アン
テナとして兼用してスパッタチャンバー内に高周波電界
を設定してプラズマを形成するものであり、プラズマと
基板との間に基板にほぼ垂直な引き出し用電界を設定す
る電界設定手段が設けられていることを特徴とするスパ
ッタリング装置。
【請求項２】前記基板の表面には微小なホールが形成
されており、このホールの内面に薄膜を形成するもので
あることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装
置。
【請求項３】前記ターゲットは、チタンからなるもの
であり、前記薄膜は、チタン薄膜又は窒化チタン薄膜で
あることを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装
置。
【請求項４】前記ターゲットは、中空のパイプからな
るコイル状であり、内部に冷媒が流されて冷却されるも
のであ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。
【請求項５】前記電界設定手段は、前記基板ホルダー
に高周波電圧を印加するものであり、高周波とプラズマ
との相互作用により基板に負の自己バイアス電圧を与え
て前記引き出し用電界を設定するものであることを特徴
とする請求項１、２、３又は４記載のスパッタリング装
置。