JPS62174375A

JPS62174375A - 薄膜堆積装置

Info

Publication number: JPS62174375A
Application number: JP1418686A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sekine; 誠関根; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-01-25
Filing date: 1986-01-25
Publication date: 1987-07-31
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPH0774437B2

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】〔発明の技術分野〕本発明は、マグネトロン放電を利用したｒｒＪ　Ｉ！　
１１１積装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、ｔＩｌ積回路は微細化の一途を辿り、最近ではＤ
小寸法が１［μＴｒＬ］以下の超微細素子も試作される
に至っている。このような微細なパターンを持つ集積回
路では、高密度な素子間の配線を従来のように１層の導
電膜をパターニングして行うだけでは足りず、絶縁膜を
挟み２〜３層の配線層を形成しなければならない。

導電膜或いは絶縁膜を形成する手法としては、ＣＶＤ（
化学気相成長）法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等が
ある。この中でスパッタ法、特に磁界を用いたマグネト
ロンスパッタ法は、高速で比較的均一に、且つ低温、低
照射損傷で膜形成が行える技術と考えられている。

ところで、この種の配線形成に用いる堆積技術において
の重大な問題点として、下層の素子によって上層に生じ
た段差部分での導通不良がある。

これは、第１１図に示す如く段差５を持ったウェハ（被
薄膜堆積基板）１の表面に導電膜６を堆積する際に、段
差部分５或いはその側壁部分での堆積速度が平面上と異
なることに起因する。これを防ぐためには、多くの堆積
種７がウェハ１に対し垂直方向より供給され、傾いた速
度成分を持った堆積種７が少ないことが要求される。

従来使用されているマグネトロン放電利用の薄膜堆積装
置においては、第１２図に示す如くターゲット（堆積物
質源）２を配置する陰極４の裏面側に磁石２０を設置し
、高周波電力により生じた高周波放電をマグネトロン放
電により高密度化し、この高密度プラズマ３２中のイオ
ンによるスパッタによりターゲット原子を気相中へ飛ば
し、対向電極（陽極）３に配置されたウェハ１の表面に
堆積膜を形成している。この場合、ターゲット２上の特
定部分８のみがスパッタされることになり、堆積の均一
性は良くない。また、磁石２０を往復走査して均一性向
上をはかったものもあるが、その効果は十分ではない。

また、堆積源としては点源に近く、ウェハ表面へ向かう
堆積種の速度成分はウェハ表面に斜めに入射するものが
多い。従って、段差部での被覆形状（ステップカバーレ
ッジ）は良くない。また、第１３図に示す如＜Ｎ５Ｉｉ
ｔｉｆｆｉを構成し、円環状のマグネトロン放電を形成
し、ざらにウェハ１を自・公転させて均一性、ステップ
カバーレッジを改良したものもあるが、その効果は十分
とは言えなかった。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、高速で均一な薄膜堆積を行うことがで
き、高アスペクト比の微［にあっても良好な埋込み形状
を実現し得る薄膜堆積装置を提供することにある。

（発明の概要）本発明の骨子は、堆積物ターゲット載置の陰極側でなく
、被薄膜堆積基板を載置した陽（Φ側にマグネットを設
置し、このマグネットにより各Ｗ４４間にマグネトロン
放電を生じさせることにある。

即ち本発明は、マグネトロンスパッタにより薄膜堆積を
行う薄膜堆８Ｎ装置において、表面側に堆積物ターゲッ
トが配置される陰極及びこの陰極とそれぞれの表面が対
向するよう設置されその表面側に被薄膜堆積基板が配置
される陽極を備えた容器と、この容器内にガスを導入す
る手段と、前記陰極に高周波或いは直流電力を印加する
手段と、前記陽極の裏面側に配置され前記各電極間に磁
場を印加する磁場印加機構とを設けるようにしたもので
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、磁場印加機構を陽極の裏面側に設けて
いるので、ターゲット上では均一性の良い分布を持つマ
グネトロン放電領域が形成される。

このため、ターゲラｊ・全体を非常に均一にスパッタし
、ターゲットに対向する基板表面に均一に、且つ高速に
ＩＩＩ堆積を行うことができる。しかも、電極間に印加
する磁界を走査することにより、ターゲット上のマグネ
ット放電領域をより均一化することができ、より均一性
良い薄膜堆積を行うことができる。また、このような均
一なマグネトロン放電による均一なスパッタリングでは
、堆ｔｉｕａの供給源が面全体から均一に堆積種を供給
する面ソースとなり、被堆積基板に対し垂直に入射する
堆積種の成分が大となり、高アスペクト比の微細溝であ
っても良好な堆積特性が得られる。

〔発明の実施例）実施例を説明する前に、本発明の基本原理について説明
する。

第１図は本発明の詳細な説明するための模式図である。

陰極４面上に発生する水平磁界Ｐとこれに直交する陰極
４面上に発生する陰極陪下電界Ｑとにより電子は紙面に
垂直方向にドリフト運動を繰返し、導入された気体分子
と多数回衝突してこれを効率良く解離、イオン化する。

従って、ＮＳ磁極間隙付近に高密度プラズマ３２が生成
されることになる。３１は外周のグロープラズマを示す
。

この時、前記陰極４上に発生する電界Ｑは、イオンシー
ス９と呼ばれている陰極暗部に発生するため、前記磁界
Ｐはこの領域で電界Ｑと直交していここで、高密度プラ
ズマ３２中のイオン化した気体分子或いは原子は、陰惨
４上に発生する電界Ｑによって陰極４側へ加速され、堆
積物ターゲット２に衝突してターゲット原子をスパッタ
し、これにより陽極３に配置された被薄膜１１積基板１
に薄膜が形成される。

第２図は陽極３面上の水平磁界の等磁曲線の一例を示す
図である。図中に示した数字は、磁極面上の各高さにお
ける水平磁界強度を示している。

この結果から、８１極面から約３０［ｍ］ｌｌｉ［れて
もなお１００［Ｇ］近い水平磁界が存在することが判る
。

第３図は電極間隔を変えた時のＡＱの堆積速度を調べた
結果である。Ａｒガスを２０［ｃｃ／分］導入し５　Ｘ
　１０’　［ｔｏｒｒｌに圧力を保ち、高周波電力１３
．５６　［ＭＨ２］、１　［Ｗ／Ｃｌ１１２］を印加し
た。その結果、電極幅が広がると、堆積速度は急速に低
下することが判った。即ち、この結果はターゲット２上
の水平磁界強度の低下に起因すると考えられる。

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第４図は本発明の一実施例に係わる渭Ｉｌｌ堆積装置を
示す概略構成図である。図中１１は接地された容器であ
り、この容器１１内は平板体１２により堆積至１３とマ
グネット収容室１４とに分離されている。ｆｌｔｆａ室
１３には、スパッタガス、例えばＡｒガスを導入するた
めのガス導入口１３ａ及び上記ガスを排気するためのガ
ス排気口１３ｂがそれぞれ設けられている。堆積至１３
の底部には陰極４が設けられており、この陰極４にはマ
ツチング回路１５を介して高周波電源１６からの高周波
電力が印加される。また、陰極４は水冷管１７により冷
却されており、この水冷管１７は上記電力印加のリード
として用いられている。そして、１ｆｊ偵物ターゲッ１
−２はＪｔＩ積至１３内の陰イル４の上面（表面）側に
配置されるものとなっている。なお、平板体１２の陰極
４に対向する部分３はｐＡ極として作用するもので、こ
のＦＩＪｔΦ３には電源１８によってバイアス電圧が印
加される。そして、半導体ウェハ等の被薄膜堆積基板１
は陽圃３の下面（表面）側に配置されるものとなってい
る。

一方、マグネット収容室１４内には、ＮＳの磁極間隙を
有する複数の永久磁石（マグネット）が無限軌道を描く
ように配列されている。即ち、複数の永久磁石２０が無
限軌５ｅｉを形成したベルト＜ｍ送体）２１に一定間隔
で取着され、各磁石２０は回転１１１１１２２．２３に
より軌道の一方向に移動せられるものとなっている。こ
こで、永久磁石２０は第５図に示す如く棒状に形成され
たもので、その長手力向長さは前記ターゲット２の長径
よりも長い。そして、磁石２０はその長手方向が前記移
動方向と直交するよう配置され、下方側に存在する磁石
２０は陽極３の上面（＠面）と対向するものとなってい
る。

また、前記マグネット収容室１４にはガス排気口１４ａ
が設けられており、このマグネット収容室１４内は前記
磁石２０による放電を防止するための排気口１４ａを介
して１０′４［ｔＯｒｒ］以下、或いは堆積室１３より
も高真空に排気されている。

さらに、マグネット収容室１４と前記堆積室１３との間
には、電磁弁２４及びその駆１Ｆｌｌｉ構２５が設けら
れており、堆積膜形成時に各室１３．１４間が遮断され
るものとなっている。なお、図中２６は絶縁物を示し、
２７は０リングシールを示している。

このように構成された本装置の作用について説明する。

まず、ガス導入口１３ａから堆積室１３内にスパッタガ
ス、例えばＡｒを導入し、堆積室１３内を１０　’　［
ｔｏｒｒ］に保持したのち、陰極４に高周波電力（ＩＫ
Ｗ、１３．５６ＭＨｚ）を印加すると、陰極４と陽極３
との間にグロー放′Ｒ３１が生じる。

これと同時に各磁極間隙では互いに直交する電界Ｅと磁
界Ｂとの作用によりマグネトロン放電が生じ、電子が（
ＥＸＢ）方向にサイクロイド運動を行いながらＡｒ原子
と多数回衝突を繰返すことによって高密度のプラズマ領
域３２が磁極間隙に沿って発生する。この高密度プラズ
マ領域３２は永久磁石２０を前記無限軌道の一方向に走
査することにより、ターゲット２上を移動する。これに
より、基板１、例えば半導体ウェハ表面に高速度（５０
００人／分）でターゲツト材よりスパッタされた堆積種
が堆積されることになる。このとき、高密度プラズマ領
域３２は、ターゲット２上での磁界Ｂの分布を反映し比
較的均一に分布しており、さらにマグネットの走査によ
りターゲット２のスパッタの均一性は極めて良好となり
、従って被薄膜１ｆ１積基板１への堆積速度の均一性は
非常に良好となる。

つまり、ターゲット２側（陰極の裏面側）にマグネット
を配置した従来例ではターゲット２上の磁界分布が不均
一となり、スパッタ速度及びこれに伴う堆積速度の均一
性も左程高くないが、本装置ではターゲット２側にマグ
ネットを配置したことにより堆積速度を十分に均一化す
ることができる。さらに、従来装置では磁石の往復走査
でウェハの大口径化により走査幅が増大した場合、堆積
速度の低下を招くことになるが、本装置ではターゲット
２が常に高密度プラズマに晒されるため、走査に伴う堆
積速度の低下は極めて小さい。即ち、前記磁極間隙を静
止させたときの堆積速度に近い値を得ることができる。

従って、従来装置に比して堆積速度の大幅な高速化及び
均一化をはかり得る。

ここで、均一性について従来例と比較した結果を説明す
る。第６図はｗＩ薄、映堆ｆａ基板１上の堆積速度の分
布を示した図である。堆積物はＡλで従来例のように陰
極実部に磁石を配置した場合Ａ、本実施例の陽極側に磁
石を配置した場合Ｂ、Ｃで比較した。なお、Ｂは電極開
路ｌ！ｔ１５［ｍｌ、Ａ。

Ｃは電極開路＃２５［＃］とした。また、比較のため磁
石の走査は行っていない。図より明らかなように、従来
方式では磁極間隙に高密度のプラズマが集中し且つこの
高密度プラズマがターゲットに近いため、その部分に対
向した基板上のＭ　ｆ−ａ速度が著しく速くなっている
。一方、本実施例では高密度プラズマがターゲットと比
較的離れているので、ターゲットのスパッタ速度分布が
均一化され堆積速度も比較的均一となる。さらに、電極
間距離を２５［ｓ］以上にすれば磁石の走査なしでも均
一性は良好である。このことから、本実施例による堆積
速度の均一性向上は明らかである。

第７図は本発明の他の実施例を示す概略構成図≠ である。なお、第６図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明し
た実施例と異なる点は、ポテンシャルＩｔＩ１１１ｉｌ
Ｉ系を付加したことにある。即ち、前記陰極４には陰極
面上に生じるポテンシャルの大きざを制御するポテンシ
ャル制御系７１が接続されている。

このような構成であれば、先の実施例と同様な効果が得
られるのは勿論のこと、ポテンシャル制御Ｉ系７１の作
用により、ターゲット２上のプラズマ内に存在する正の
加速エネルギーを可変することができる。このため、均
一性の最適化、堆積速度の制御を行うことができる。さ
らに、１１ｆｆ１３側にバイアス電圧を印加することで
基板に入射する堆積種或いは不活性ガス（Ａｒ）イオン
の加速エネルギーが可変となる。これにより、この堆積
はスパッタを受けながら進行する所謂バイアススパッタ
モードとなり、段差部分での？！！！Ｎ形状は更に改善
され、堆積膜表面を平坦化することも可能となる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記マグネットの配置空間は必ずしも減
圧下に限るものではなく、第８図に示す如く大気中であ
ってもよい。また、マグネットとして７Ｊ４９図に示す
如く閉じた磁極間隙を有する磁ｃ１９０を用い、これを
複数個並べ、一方向に往復走査するようにしてもよい。

さらに、前記無限軌道はその軌道が形成する面が陽極面
に直交するものに限らず、第１０図に示す如く平行なも
のであってもよい。また、磁橿間隙、磁場の強さ及び磁
石の個数等は、仕様に応じて適宜窓めればよい。さらに
、永久磁石の代わりに電磁石を用いることも可能である
。

また、陰極と陽極との間隔は１５［ｍｌ、２５［ｍｌに
回答限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可
能である。但し、薄膜堆積速度の十分な均一化を１ｑる
ためには１０［ｙ＊］以上が望ましい。さらに、堆積速
度の十分な高速化を（ｑるためには、本実施例に用いた
磁石を使用した場合は５０［ｓ］以下が望ましい。しか
し、この間隔は用いる磁石の仕様により変化するもので
あり、基本的にはターゲットの表面で１００ガウス以上
の磁界が得られればよい。また、ターゲットとしてＡＲ
等の導電体を用いる場合は、高周波電力の代わりに陰極
に直流電力を印加するようにしてもよい。さらに、Ａ２
の堆積に限らず、ＳｉＯ２゜Ｗ、ＭＯＳｉ２．ＴｉＳｉ
２．ＴｉＯ２等、各種被膜の堆積に適用できるのは勿論
のことである。

また、堆積速度をより高速化するために、陽極を加熱す
るようにしてもよい。

また、堆積種の供給手段としてターゲットを用いるので
はなく、堆積種を含むガスを本装置に導入し、プラズマ
により分解して基板上に堆積膜を形成することも可能で
ある。この場合、堆積ガスとしてテトラエトキシシラン
或いはテトラメチルシラン＋酸素（ＳｉＯ２）、６弗化
タングステン（Ｗ＞、Ｉ−リメチルアルミニウム（Ａｆ
ｆｉ＞、金属カルボニル士シラン（ＭＯＳｉ２やＴｉ３
ｉ２等〉を用いることにより、それぞれ括弧に示した膜
形成が行える。この場合、陰極面上、つまりターゲット
の位置には厚い石英板等を配置しておけば、゛その表面
上の％ｔｊｉはプラズマポテンシャル程度となり、陰極
側でスパッタが起きても堆積に影響を与えることはない
。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の詳細な説明するための模式図、第２図
は陽極面上の水平磁界の等磁曲線の一例を示す特性図、
第３図は電１少間隙を可変したときのＡＲのｊ「積速度
変化を示す特性図、第４図は本発明の一実施例に係わる
薄膜堆積装置を示す概略構成図、第５図は上記実施例に
用いた磁石を示す斜視図、第６図は上記実施例の作用を
説明するためのもので堆積速度の変化を示す特性図、第
７図は本発明の他の実施例を示す概略構成図、第８図乃
至第１０図はそれぞれ変形例を説明するための図、第１
１図乃至第１３図はそれぞれ従来の問題点を説明するた
めの図である。１・・・被薄膜堆積基板、２・・・Ｍ１Ｍ４物ターゲッ
ト、３・・・陽極、４・・・陰極、１１・・・真空容器
、１２・・・平板体、１３・・・１「積重、１４・・・
マグネット収容至、１６・・・高周波電源、１８・・・
直流電源、２０．９０・・・永久磁石（マグネット）、
２１・・・ベルト、２２゜２３・・・回転’ａ＠、３１
・・・高密度プラズマ領域、７１・・・ポテンシャル制
御系。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦＝第１図２柚（高）方向→ 第２図マ掻閏距鮪（ｍｍ）　　− 第３図第５図第８図？Ａ１０図第１１図第１２図第１３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面側に堆積物ターゲットが配置される陰極及び
この陰極とそれぞれの表面が対向するよう設置されその
表面側に被薄膜堆積基板が配置される陽極を備えた容器
と、この容器内にガスを導入する手段と、前記陰極に高
周波或いは直流電力を印加する手段と、前記陽極の裏面
側に配置され前記各電極間に磁場を印加する磁場印加機
構とを具備してなることを特徴とする薄膜堆積装置。
（２）前記磁場印加機構は、所定の磁極間隙を有する複
数の永久磁石からなるものであり、該磁石は前記陽極の
裏面に沿つて移動せられることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の薄膜堆積装置。
（３）前記永久磁石を移動する手段は、該磁石を前記陽
極の裏面に沿つて一方向に往復移動するものであること
を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の薄膜堆積装置
。
（４）前記永久磁石は前記陽極の裏面側に設けられた無
限軌道状のベルト上に配設され、上記永久磁石を移動す
る手段は該磁石を上記無限軌道の一方向に沿つて移動し
、該磁石を上記陽極の裏面に順次対向せしめるものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の薄膜堆
積装置。
（５）前記磁場印加機構は、電磁石からなるものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜堆積
装置。
（６）前記陰極及び陽極の少なくとも一方は、該電極面
上のポテンシャルを制御するポテンシャル制御系が接続
されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の薄膜堆積装置。
（７）前記陰極表面の磁界の電界の電極と平行な成分が
、１００ガウス以上であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の薄膜堆積装置。
（８）前記陰極には冷却機構が設けられ、前記陽極には
加熱機構が設けられていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の薄膜堆積装置。