JPS61194174A - スパツタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体装置等の薄膜製造工程におけるスパッ
タリング装置に係り、特に成膜速度およびターゲット寿
命の増大、また微細、な溝等ヘの埋込および平坦な成膜
に好適なスパッタ装置に関する。

〔発明の背景〕

スパッタ成膜は、陰極上におかれたターゲット材料に、
所定のエネルギ以上のイオンを衝突させ、これにより放
出されるターゲット材料の構成原子又は粒子を基板上に
付着堆積させ薄膜を形成する成膜方法である。

上記スパッタ成膜を行うスパッタリング装置としては、
特公昭５３−１９５１９号に記載のようにターゲット材
料を有する陰極のターゲット材料と反対側に磁気装置の
τ対の磁極を設け、これによって生ずる弧状の磁力線を
ターゲット上に形成し、該陰極に電圧を印加しプラズマ
を発生させ、該プラズマの荷電粒子を前記磁力線により
サイクロトロン運動させ該磁力線内に閉込めることによ
り高密度のプラズマを得、２極スパツタリング装置に比
べ高い成膜速度を得る方法が知られている。

しかし、この方法ではプラズマ領域がリング状の狭い領
域となり、また陰極に印加した電力によりプラズマ発生
とターゲットへのイオン衝突エネルギの両方を供給して
いるため、成膜速度を上げるために印加電力を大きくし
ていくと、プラズマ密度はある限界があるためイオンの
数の増加が止まりイオンのターゲットへの衝突エネルギ
のみが増加する傾向となる。このような状態でスパッタ
成膜すると、ターゲットの侵食領域がプラズマ領域とは
ｙ一致したリング状の狭い領域となるうえさらに高エネ
ルギのイオンの衝突により、ターゲット表面の限られた
範囲の表面温度が急激に上昇しターゲット内に大きな熱
ストレスが発生してターゲットの割れやはがれが発生し
成膜ができなくなる。また上記成膜方法では、ターゲッ
トの侵食領域が狭い領域となるため、ターゲット利用効
率が低く、ターゲット当りの基板処理枚数が少なかった
。

上記装置のイオン衝突エネルギを低減する方法の１つと
して、特開昭５８−７５８３９に示されるプラズマ発生
電力として高密度プラズマの発生が可能なマイクロ波を
用いたものがある。

この方法は前記の特公昭５Ｍ−１９５１９号に記載のス
パッタリング装置にマイクロ波発生源を設置したもので
、プラズマ領域は前記と同様にリング状の狭い領域とな
る。この方法では、プラズマの高密度化はマイクロ波に
より行われるため、プラズマ密度の限界は前記装置に比
べ高くできるが、イオンがターゲットに衝突する領域す
なわち侵食領域は前記と同様のため陰極へ“の印加電力
を大キくシていくとイオン衝突によりターゲットの限ら
れた範囲の表面温度が上昇し、熱ストレスによるターゲ
ットの割れやはがれが発生し成膜でき々くなる。また、
ターゲットの利用効率も低いものであった。

マイクロ波によるプラズマを応用したスパッタリング装
置の他の例としては、特開昭５９−４７７２８号に記載
のものがある。これは、マイクロ波によって発生させた
プラズマを発散磁界により輸送し、このプラズマ輸送用
窓の近傍にターゲットを載置した陰極を設置し、該陰極
に電力を印加しターゲットへイオンを衝突させ、これに
よって放出されたターゲット材料の原子又は粒子を、上
記スパッタに使用したプラズマによりイオン化しこれを
基板上に堆積させるものである。この方法で社、イオン
衝突によるターゲットの侵食ははツタ−ゲット全域にな
るがターゲットから放出され六原子又は粒子をイオン化
して成膜するため、ターゲットは基板とは対向しておら
ずターゲットから放出された原子又は粒子がプラズマ中
に飛び込むよう構成されている。ターゲットか□ら放出
され九原子又は粒子の放出角度分布は一般に余弦法則に
従うことが知られており、このことから上記方法では、
ターゲットから放出された原子又は粒子が直接基板に堆
積する量はわずかとなり、成膜はイオン化された原子又
は粒子によるものと云える。

このことから、成膜速度は、ターゲットから放出され六
原子又は粒子のイオン化効率に−よって左右され、イオ
ン化率は一般に低いと云われており、小さいものとなる
。また上記方法では、ターゲット寸法を大きくした場合
、ターゲツト面上ではプラズマを閉込めていないため、
プラズマ密度は、プラズマ輸送窓の近傍では高い力ζこ
こから離れるにつれ低くなってしまい、これにスパッタ
成膜するとターゲットの中心部のみ多く侵食され外周部
はほとんど侵食されないことになる。この結果、陰極へ
の印加電力を大きくしていくと、ターゲット中心部にイ
オン衝突が集中しターゲット内に熱ストレスが生じる。

従がって上記方法においても高速成膜を得る上での熱ス
トレスとターゲットの利用効率向上の問題は解決されて
いない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ターゲット表面のはｙ全域に高密度プ
ラズマを発生させターゲットのはソ全域を侵食領域とし
て、イオンの衝突エネルギを極端に大きくすることなく
ターゲット内熱ストレスも小さい状態で高速成膜を可能
としかつターゲット利用効率を増大させ、また基板にも
電力を印加することにより微細な溝への埋込および膜表
面を平坦に高速成膜するスパッタリング装置Ｍを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記した目的を達成するため、プラズマ発生
はマイクロ波による放電を用い、プラズマを高密度かつ
大面積に保持するため磁気装置を用い、また微細溝への
埋込みおよび膜表面の平坦化成膜にはスパッタ成膜中に
基板に電力を印加し成膜しながら基板表面をスパッタエ
ツチングするようにしたものである。

先ず、マイクロ波による放電を用いた高密度プラズマの
発生であるが、これにはマイクロ波がいかに有効にプラ
ズマに吸収されるかが重要で、この条件によりプラズマ
密度が限定されてしまう。

すなわち、靜磁界のないプラズマ中での電磁波は波数ベ
クトルＫが ここで ω：入射電磁波周波数　ωｐ：プラズマ周波数で与えら
れ、ωくωｐではＫが虚となり電磁波はプラズマ中には
伝搬しえない。言い換えれば、例えば２．４５　Ｇ　Ｈ
ｚのマイクロ波ではプラズマ密度が７．４Ｘ１０”／ｃ
ｒ／ｌを越えるプラズマ中には伝搬しえない、すなわち
２．４５０ＲＺのマイクロ波で生成するプラズマは磁場
がない状態ではプラズマ密度は７．４　Ｘ　１０１０／
ｃｍ以上にはならないことがわかる０ また、静磁界のあるプラズマ中での１磁波は、その電磁
波の進行方向と磁界とのなす角度により伝搬状態が異な
り、特に磁界と平行になるように電磁波をプラズマ中に
入射した場合は、右回９円偏波の分散式は、 ここで ωＣｅ：電子サイクロトロン周波数 ωＣ１：イオンサイクロトロン周波数 で与えられ、０くωくωｃｅとなる周波数の電磁波はプ
ラズマ密度に関係なくプラズマ中を伝搬する。

すなわち、靜磁界を設け、かつこの靜磁界と平行にマイ
クロ波を入射し、この靜磁界の強度を電子サイクロトロ
ン共鳴（２，４５Ｇ　ＨｚでＦｉ８７５Ｇ）以上とする
ことにより、右円偏波はプラズマ中を伝搬し、マイクロ
波電力をプラズマに供給するため、プラズマ周波数ωｐ
は、ωｐ〉ωとなり、プラズマ密度は７．４　Ｘ　１０
　ｌＯ／　ａｄよりはるかに大きな値（１ｏ１２／ｃｒ
ｄ以上）になる。

また、上記の様にして発生させたプラズマは、磁気装置
により抱束していなければプラズマは発散してしまい、
マイクロ波電力の損失が大きくなりかつプラズマも高密
度化できない。またこのプラズマを磁気製置により抱束
し長い距離輸送すると輸送中のプラズマの拡散により、
プラズマ密度は距離が離れるに従って低下する。

以上のことから、本発明は、プラズマ発生部に磁気装置
を設け、この磁気装置でミラー磁場を形成し、この磁場
の磁気装置の１方の側からこの磁界と並行にマイクロ波
を入射し、この靜磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴
条件（マイクロ波周波数２．４５　Ｇ　Ｈｚでは磁界強
度８７５ガウス）以上とし高密度プラズマを発生させる
０ここで、ミラー磁場を形成する磁気装置の一方にター
ゲットを載置した陰極を配し、残り一方からマイクロ波
を入射させる。このターゲットに対向して基板及び第３
の磁気装置を設け、この第５の磁気装置と前記ターゲッ
トに近接し九磁気装置とでカスプ磁場を形成することに
より、ミラー磁場内で発生した高密度プラズマを、この
カスプ磁場内に輸送し、この磁場で閉込めることにより
、ターゲット１側はぼ全域にわたって高密度プラズマで
おおう構成とした０また、本発明では、基板側にも電力
（高周波電力）を印加できる構成とし、ターゲットを載
置した陰極に電力を印加してスパッタ成膜する際に基板
側にも電力を印加し基板表面をスノ（ツタエツチングで
きる構成とした０ また、ターゲット裏面の磁気装置を複数個の磁気回路で
構成することによりターゲット上での磁力線の強度分布
、形状等を制御可能な構成とした。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図から第６図により説明す
る０第１図、第２図は、第１の一実施例のスパッタリン
グ装置の構造を示す断面図である。ターゲット１と基板
２は平面対向しており、ターゲット１は裏面にバッキン
グプレート５を介して陰極４に密接して設置され、該陰
極４は絶縁物５を介して真空槽６に設置される。

また、前記絶縁物５の外周には陽極７が絶縁板８を介し
て真空槽６に設置されている。この陰極４と陽極７０間
に電源９が設置される。ここでターゲット１の中央部１
０は空洞となっており、この部分にプラズマ発生室１１
が設置され、該プラズマ発生室１１の外周には導波管１
２が絶縁物１３を介して陰極４に設置しである。前記導
波管１２にはフランジ１４で別の導波管１５が取付けら
れ、該導波管１５の他端にはマイクロ波発生源１６が設
置されている。更に、前記導波管１５の７ランジ１４の
外周に磁気装置１７が設置され、また、前記陰極４の裏
面に別の磁気装置１Ｂが設置され、該磁気装置１８は複
数個の磁気コイル１８ａ　、　１８ｂ　。

１８ｃより構成される。ここで前記プラズマ室１１は、
マイクロ波は通過するが真空は保持する材料（例えば石
英、アルミナ磁器など）から成り、前記陰極４へは真空
を保持しうるように設置される。

また、基板２は、基板ホルタ１９上に載置され該基板ホ
ルダ１９は軸２０により絶縁物２１を介して電気的に絶
縁されかつ真空を保持するように７ランジ２２に設置さ
れ、該フランジ２２は、磁気装［２３を包み込んだリン
グ状の罐２４が取付いたコイル７ランジ２５に設置され
、該コイル７ランジ２５は真空槽６にそれぞれ真空を保
持しうるように設置される。また、前記基板ホルダ１９
の軸２０には、電源２６が設置され、基板２に高周波電
力が印加できる構成となっている。

以上の構成において、磁気装！１７．１８はミラー磁場
を構成し、また磁気装置１８．２５はカスプ磁場を構成
する。これらの磁気装置により発生する磁力線は、第２
図に示すように、磁気装置１７、１８での磁力線２７は
、該磁気装置１７．１８の中間で磁束密度が小さくなり
広がって、磁気装置１７、１８のそれぞれの中心で絞り
込まれ、さらに磁気装置１８からターゲット１側へ出た
磁力線２８は、基板２側の磁気装置２５の磁力線２９と
反発しあいカスプ磁場を形成する。ここで磁気装置１７
の磁場強度を磁気装置１８の磁場強度より大きくするこ
とにより、該ミラー磁場で発生したプラズマはカスプ磁
場内へ輸送される。また、スパッタ成膜室５０は、不活
性ガス（例えばアルゴンガスなど）雰囲気の所定の真空
状態（１ｏ−２から１０−’　Ｔｏｒｒ程度）としチオ
く。

以上において、マイクロ波発生源１６よりマイクロ波を
発振すると、マイクロ波は導波管１５により導びかれ、
導波管１２へ送られプラズマ発生室１１へ入る。磁気装
置１７．１８により作られる靜磁界によってマイクロ波
はプラズマ発生室内の雰囲気ガスを電離しプラズマ状態
とする。この磁場強度を電子サイクロトロン共鳴条件（
マイクロ波周波数２．４５　Ｇ　Ｈｚでは磁場強度８７
５ガウス）以上とすることにより、プラズマ発生室１１
内は高密度のプラズマ（プラズマ密度ｎｅ＝１０１３〜
１０１３／７）状態となる。また、上記磁気装置１７の
磁場強度を磁気装置１８の磁場強度より高くすることに
より、プラズマ発生室１１内のプラズマは磁力線２８に
沿ってターゲット１面上へ送られる。このプラズマは、
磁気装置１８と２３とによって作られるカスプ磁場によ
ってターゲット１と基板２の間に閉込られ、ターゲット
１面上を高密度プラズマ状態とする。ここで陰極４に電
源９により電力を印加し、ターゲット１面に負の電界を
発生させ、これによりプラズマ中のイオンを加速してタ
ーゲット１表面に衝突させ、該ターゲット１表面から順
次その原子又は粒子をはじき出し、これを基板２０表面
上に堆積して薄膜を形成する。ここで、電源９は、ター
ゲット１の材質により直流または高周波を選択する。

以上のように、ターゲット１面上のプラズマは、ターゲ
ット１表面の全域にわたりかつ高密度でおためターゲッ
ト１の侵食領域もターゲット１の全域となる。また、プ
ラズマ密度も高く、ターゲットへ衝突するイオンの数が
多く、高エネルギイオンがターゲットに衝突することな
く、ターゲット１内の熱ストレスも小さいものとなる０ また、上記のスパッタ成膜において、電源２６により基
板ホルダ１９に高周波電力を印加し、基板２表面に負の
電界を発生させ、この電界によりプラズマ中のイオンを
加速して基板２表面に衝突させ木板表面に堆積した薄膜
をスパッタエツチングする。このときの基板状態を第３
図と第４図に示す。第３図（ａ）は、溝を有する基板３
１にスパッタ成膜した状態を示し、溝幅が小さくなると
スパッタ成膜により堆積した膜５２は、先に成膜された
膜３３０角の部分でオーバハング３４し、溝５５の開口
部３６は成膜の進行に伴い益々狭くなり、溝３５の成膜
ができなくなる。そこで、上記の基板側に電力を印加し
、スパッタエツチングをスパッタ成膜と同時に行うと、
第３図伽）に示ｔように、スパッタエツチング特性から
（ａ）のオーバハング３４が他の部分よりエツチングさ
れやすく、溝３５の開口部５６は３６′のようになり溝
への成膜が可能となる。また、スパッタ成膜中に基板を
スパッタエツチングしながら、更に成膜した状態を第４
図に示す。スパッタエツチングはイオンの入射角とエツ
チングされる面の法線の角度が７０°〜８０°でエツチ
ングの最大値を示すことから、角度を持った部分５７が
他の部分より多くエツチングされ、第４図（ａ）のよう
になり、更には第４図Φ）のように堆積した膜３２の表
面が平坦になることが知られている。これらの従来装置
ではプラズマの密度が低く、成膜中の基板のスパッタエ
ツチングを高速に行うために印加電力を大きくすると、
イオンの数が少ないため衝突するイオンのエネルギが増
大して、基板または素子にダメージを与えるが本発明の
装置は、ターゲットと基板間に高密度プラズマを閉込め
ているため、基板印加電力を増加してもイオンのエネル
ギは増大せず基板へのイオン衝突ダメージが低減でき、
高速成膜での溝埋込および平坦化成膜が可能となる。

第５図、第６図は、本発明の第２の一実施例のスパッタ
リング装置の構造を示す断面図である。本実施例は、陰
極４′、絶縁物ダ、バッキングプレート３′およびター
ゲット１′の形状が円錐形をしている以外は第１の一実
施例と同様であり、該実施例と同一の効果がある。本実
施例によれば、第１の実施例に加え、さらにターゲット
１′が円錐状をしており、このターゲット１′の面が基
板をかこむように傾斜しているため、ターゲツト１′表
面からイオンの衝突によりはじき出された原子又は粒子
の放出角度分布が余弦法則に従うことから（例えば、東
京大学出版会、金原簗著「スパッタリング現象Ｊ（１９
８４年３月発行））、前記放出された原子又は粒子の基
板２表面への付着堆積する割合が向上し、ターゲット１
に同一電力を供給した場合での基板への薄膜の堆積速度
が増大する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波と磁気装置を組合せ高密度
プラズマ（プラズマ密度ｎｅ＝１０”〜１０１３／に）
を発生させ、これを短かい距離にてターゲット表面に輸
送すると共に、該プラズマをターゲットと基板間に磁気
装置により閉込め、ターゲット表面のほぼ全域にわたり
高密度プラズマ状態とするため、陰極への電力印加によ
りターゲットへ衝突するイオンの数を増大でき大電力を
印加してもイオンの衝突エネルギを低くおさえられかつ
ターゲット全域にイオンが衝突し、ターゲットへの熱ス
トレスを低減でき高速成膜とターゲットの利用率向上が
可能となる。

また、基板に電力を印加し、スパッタ成膜中に基板表面
をスパッタエツチングする場合にもプラズマ密度が高い
ため、基板表面に衝突するイオンのエネルギを低くでき
、基板又は素子にダメージを与えることなく微細溝への
高速埋込と平坦化膜の高速成膜ができる。またターゲッ
ト形状を円錐形にすることにより、スパッタによりはじ
き出された原子又は粒子の基板への付着堆積割合を向上
できる。さらにプラズマ発生はマイクロ波を用いイオン
のターゲットへの衝突エネルギには別電源を使用するた
め、ターゲットへの衝突イオン数とそのエネルギを個別
制御でき、ターゲツト材質にあったスパッタリング条件
の設定ができる。

以上本発明によれば、生産効率及び材料使用効率及び使
用電力効率の向上と素子へのダメージの低減効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の一実施例のスパッタリング装置
の断面図、第２図は第１図の磁力線を表わす断面図、第
３図、第４図はスパッタ成膜中の基板を示す断面図、第
５図は本発明の第２の一実施例のスパッタリング装置の
断面図、第６図は第５図の磁力線を表わす断面図である
。 、１′・・・ターゲット　２・・・基板４．４′・・・
陰極　　　　７．７′・・・陽極１４、１５・・・導波
管　　　９川電源１６・・・マイクロ波発生源 １７、１８．２５・・・磁気装置 ２６・・・電源 第１　図 第２　図 片３　図 （′２）（し） 第４図 （ａ）　　　　　　　　　（し） 第５　図 躬６　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導入するマイクロ波の周波数に応じて、電子サイク
   ロトロン共鳴条件を満足する磁場強度を有し、かつ生じ
   たプラズマを制限するミラー磁場を発生せしめる第１の
   コイルであつて、該ミラー磁場を発生せしめる第２のコ
   イルよりも強い磁場を発生するものと、前記ミラー磁場
   を発生せしめる第２のコイル近傍に位置し、該ミラー磁
   場から流入するプラズマを通過せしめる窓を中央に有す
   るターゲットであつて、第１の高周波電力を印加される
   ものと、前記ターゲットの中央の窓から流入した前記プ
   ラズマを該ターゲット全面に保持する磁場を発生し、か
   つ、前記ミラー磁場を発生せしめる第２のコイルと、前
   記ターゲットに対向して配置され、前記第２のコイルに
   より発生した磁場と共にカスプ磁場を形成するような磁
   場を発生する第３のコイルを周辺に有する試料台であつ
   て、第２の高周波電力を印加されるものとを有するスパ
   ッタリング装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装置に
   おいて、前記ターゲットの形状は直円錐台の側面である
   スパッタリング装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装置に
   おいて、前記ターゲットの窓の大きさは、前記マイクロ
   波に対する遮断寸法以下であつて、実質上該マイクロ波
   の電力が伝播し得る大きさ以上であるスパッタリング装
   置４、特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装置
   において、前記第２のコイルは複数個から成り、それぞ
   れ個別に制御可能であるスパッタリング装置。