JPS62260055A - スパツタリングタ−ゲツト - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体製造プロセスに使用される薄膜形成用ス
パッタ装置に係り１％に段差被覆特性の良好なスパッタ
成膜を可能とするスパッタ装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体製造プロセスにおいて１％に配線膜形成手段とし
て、プレーナマグ茅トロン型スパッタ成膜が主流となっ
ている（特開昭５７−１２６９６９号公報）。

元来、スパッタ成膜では第２図に示すごとく、スパッタ
粒子が概略、余弦則（ｔ、ｆｆｊＬｔＬ４−　Ｊａ＝−
ｉに従ってターゲツト面から飛び出しているので、基板
へ飛翔するスパッタ粒子の入射角度はランダムである。

半導体素子の配線に関し２μｍルールまでは、スパッタ
粒子がランダムなことが段差部での被覆特性を満足させ
ていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術ではメガビットＤＦＬＡＭ級のサブミクロ
ン平方のスルーホールを十分に埋め込むことが困難であ
る。その理由はスルーホール開孔部付近に斜入射するス
パッタ粒子により、スルーホール開孔部を塞ぐように形
成されるオーバーハングＡ形状が、スルーホール内部へ
の成膜を妨げるためである。この結果、スルーホールを
介した多層配線の接続信頼性が十分でなかった。

本発明の目的は、オーバーハングの形成を抑制すること
で、スルーホール内部への成膜を向上させることにより
、スルーホール段差部被覆特性が良好なスパッタ成膜装
置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、スパッタ粒子に方向性を持たせるべく、ス
パッタターゲットに溝を設けろことで解決できる。

より具体的には、底膜対象となるスルーホールの寸法に
応じて溝の深さ１幅、密度を適当に設定することで達成
される。この際、スパッタ粒子への方向性付与の度合に
応じて、■プラズヤ中を運動する電子にとって十分な運
動空間を上記の溝に於て確保すること、■放電の陰極暗
部を形成できる空間を用意することが必要である。

プレーナマグネトロン型スパッタリングでは。

動作圧力にもよるが、陰極暗部は数關必賛である。

このため溝の深さは数鵡以上深くなければならな℃１゜ また溝の幅は、溝の両側壁面に陰極Ｉｆｌｆ部を形成さ
せるため、溝の深さの２倍以上必要であるが。

鎌述のように、２倍より小さくても安定した放電が生起
し、スパッタ粒子の方向性付与に有益である。

一方、を子の運動空間については、概略１次式で与えら
れる。プラズマ中での電子の回転半径より十分大きい空
間を必要とする。

ここでＣは電子の素電荷（１，６Ｘ　１０−”（：’　
）、雇は電子の質量（９，Ｉ　Ｘ　１０−”匂）、Ｂは
磁束密度の大きさ、Ｅは電界の大きさである。例えば、
Ｂ＝１ｏ。

ガウス、Ｅ＝　ｉｏｏ　Ｖ／ｃｍと見積ると電子の回転
半径は約ｃＬ６ｍｍとなり、即ち少なくとも直径１．２
　ａｍの円が余裕をもって入る空間が必要となる。

〔作用〕

オーバーハングの形成因子は、第２図に示したスパッタ
粒子の飛び出し角β（基板への入射角度αと同角度）の
大きい粒子が存在することにあり。

この角度−の大きいスパッタ粒子をできるだけ除去する
必要がある。

これを実現する手段として本発明では第４図に示すごと
く平板状のターゲットに、凸形状を設け、凸形状の側壁
面に飛び出し角度−の大きいスパッタ粒子を付着させ、
基板へは飛び出し角度βの小さいスパッタ粒子を選択的
に入射させている。

またターゲットのスパッタ面２０１側に断面が凹状の溝
を磁束の作るトンネル形状に沿って閉じたループとなる
ように形成することでも達成できる。

本発明の作用を従来例との比較により次に詳述する。

第３図に従来のプレーナマグネトロン方式のプラズマ中
での電子の運動を模式的に示す。図示しないプラズマは
、ターゲツト面上に形成するトンネル状磁場に沿りて発
生する。プラズマ中の電子は磁束に巻き付くようにらせ
ん運動をすると同時に、磁場Ｂとターゲットに印加した
高負電位による゛磁場Ｅとの外積ベクトル方向（トンネ
ルに沿だ方向）にドリフトする。トンネル状ａ場では１
通常、磁束はターゲット上面を弧状に貫くので、磁束に
沿ってらせん運動する電子は、しだいにターゲットに近
づくが、ターゲットが高負電位であることから電子は反
撥されトンネル状磁場の中央部にもどされる。電子はこ
の運動を繰り返えすので。

全体としての電子の運動はトンネル状磁場に束縛される
ように運動しながら、トンネル状磁場の中をトンネル形
状に沿って移動する。よって、上記ａ場により電子を束
縛することで、実効的電子の数が増大するので、磁場を
用いない場合に比べ強力な放電を連続的に発生させるこ
とができるとされる。

次に本発明のスパッタ粒子に方向性を持たせる原理につ
いて説明する。

第４図は前記凸形状ＩＱ１により形成される１対以上の
対向する側壁面１０２と前記ターゲットのスパッタ面２
０１とに囲まれる空間における電子の運動の様子とスパ
ッタ粒子への方向性の付与について模式的に示した図で
ある。ターゲット１のスパッタ面２０１上にはトンネル
状の磁場が発生しており、磁束を横ぎる方向に対向する
側壁面１０２を配設し、スパッタリングにおいて陰極と
なるターゲット１と凸形状ＩＱ１を同電位にする。上記
空間は。

磁束のトンネルに沿ってターゲット１の上で閉ループを
形成する。上記空間中の電子は、上記磁束および電界に
関係して、らせん、ドリフトおよび反撥運動を繰り返え
す。電子が上記側壁１０２またはターゲット１に近ずく
と、側壁面１０２およびターゲット１は高負電位である
から側壁面１０２およびターゲット１から反撥され、上
記空間の中央部に押し戻される。この結果上記空間内の
電子は。

磁場Ｂ、側壁面１０２およびターゲート１のスパッタ面
２０１に束縛され、上記空間中央部をトンネル状磁場に
沿って自由に移動する実効的な電子の数が側壁面１０２
のない場合に比べて飛躍的に増大することになる。結果
として、上記空間内でさらに強力なプラズマを連続的に
発生させることができる。

また凸形状１０１の上面１０５とターゲット１のスパッ
タ面２０１とを比較すると、磁束密度が当該スパッタ面
２０１の方が大きいので、凸形状１０１の上面１０３付
近の空間で運動する電子により励起されるプラズマに比
べ、上記ターゲット１のスパッタ面２０１付近で励起さ
れるプラズマの方がはるかに強力である。

以上の理由により上記ターゲット１のスパッタ面２０１
からスパッタされるスパッタ粒子の量が。

上記凸形状１０１の上面１０３や側壁面１０２からスパ
ッタされるスパッタ粒子の量より圧倒的に多いため、そ
のスパッタ粒子のうち飛び出し角度の大きい粒子を凸形
状１０１の側壁面１０２により制限する効果を増大させ
、スパッタ粒子に方向性を付与することを可能としてい
る。

本発明の他の作用は、ターゲット１のスパッタ面２０１
付近での電子の実効的密度が大きいため。

凸形状１０１が無い場合に比べ、スパッタ時の放電イン
ピーダンスおよび放電電圧を低下させることができると
共に、従来のプレーナマグネトロン方式のスパッタ成膜
で用いる不活性ガス圧力より低圧力で動作させることが
可能である。

上記凸形状１０１により形成される少なくとも１対以上
の対向する側壁面１０２と前記ターゲット１のスパッタ
面２０１とに囲まれる空間は、平板状ターゲットのスパ
ッタ面側に前記トンネル状磁場のトンネル形状に沿って
形状した断面が凹状の閉塞状の少なくとも１本以上の溝
で構成することが可能である。

次にスパッタ粒子に方向性を付与した場合のスルーホー
ル部の段差被覆特性について説明する。

第５図は従来のスパッタ法で成膜したスルーホール部の
段差被覆形状を模式的に示した断面図である。下層配線
８の上面に眉間絶縁膜９を設け、該層間絶縁＠９にスル
ーホールを開孔し、該スルーホールを介して前記下層配
線８及び層間絶縁膜９上に上層配線１０を形成して、前
記上下両層配線の電気的接続をとるプセスを考える。

この場合スルーホール開孔部で上層配線１０はオーバー
ハング１１を形成しており、オーバー／’％ング部１１
が形成されると、シャドウィング効果により。

スルーホール内部へ入射できるスパッタ粒子は少なくな
り、結果としてスルーホール内の成膜量が減少する。第
２図で述べた如く成膜対象基板への入射角度αの大きい
粒子はスルーホール底部には入射できずスルーホール開
孔部付近にだけ入射する。このため、スルーホール開孔
部の成膜速度は大きくなり、スルーホール開孔部のオー
バーハングを形成するに至る。本発明では、前記凸形状
の側壁面により成膜対象基板への入射角度αの大きいス
パッタ粒子をカットしているため、当該オーバーハング
の形成量が小さくなりスルーホール内への成膜量の向上
を計れる。

〔実施例〕

以下本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の１実施例を示す。ターゲートの中央の
スパッタ面と反対側に第１の磁極体３１とその周囲に環
状の第２の磁極体３２とを具備したプレーナマグネトロ
ン方式のスパッタ装置において。

上記第１及び第２の磁極体の先端に発生させる環状トン
ネル状磁場に沿って凸形状１０１を環状に複数個配設す
ることにより、前記トンネル状磁場を貫く形で、凸形状
が形成する対向する側壁面と上記ターゲット１のスパッ
タ面２０１とに囲まれる空間を設けた。凸形状の高さは
１０驕１幅は５Ｒｍで凸形状同士の間隔は１０闘とした
。この装置を用いてアルゴンガス圧１．５ｍＴＯγｒで
スパッタを行なった結果、スパッタ電流とスパッタ電圧
の関係は第６図のとおりとなり、およそ３００ｖでの安
定な放電が得られた。スパッタ電流１０人、スパッタ電
圧３２０Ｖの条件で、ターゲットとおよそ５０■の位置
に静止対向配置された直径５インチのシリコンウエノ１
に対する成膜速度は、　６００ｖｍ／分である。シリコ
ンウェハ上に形成したスルーホールに対してスノ（ツタ
成膜した際の被覆特性をスルーホール断面をもって第７
図に示す。第７図に示すごとく、スルーホール内の最小
膜厚ｄ１と平坦部の膜厚ｄｏとの比を被覆率”／ｅｔａ
とすると、第８図曲線１２のとおりとなる。第８図にお
ける横軸は、スルーホールの平面形状、すなわち第７図
のｔｌを示しており、スルーホールの深さ、すなわち、
第７図のｔ２の値は全て１μｍである。第８図から１ミ
クロン平方、１μｍ深さのスルーホールに対し、　”／
ｄｏは０．５５となり、比較のため示した従来法による
”１ｅｔａ値（第８図曲線１５）、０．１２に比べ大幅
に段差被覆率が向上した。

また、従来のスパッタ法では４００−５００　Ｖの放電
電圧となるのに対し１本実施例では３００ｖ前後と約１
００〜２００ｖ低い放電電圧で安定な放電が推持できる
。高集積半導体の製造プロセスでは、スパッタ成膜中に
ウェハに流入する電子やアルゴンガスイオン等による特
性変動を配置する必要があるが１本発明によるスパッタ
成膜では、スパッタ時の放電電圧が低いので、その点で
も有利である。

第９図から第１４図は１本発明を具現化する際に用いる
凸形状のターゲツト面への配役方法に関する他の実施例
の平面図を示しており、いずれの場合においても、閉塞
状の凸形状に沿ってトンネル状磁場を発生させている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、′＠小ススルーホールの段差被覆特性
の良好な成膜が可能であり、加えて、低アルゴンガス圧
力下で低いスパッタ電圧で放電が推持できるので、微小
スルーホールを介した上下配線の接続信頼性を大幅に向
上でき、しかも、素子への影響が極めて少ない等の効果
がある。さらに本発明は、従来のプレナマグネトロン方
式のスパッタターゲットを加工するのみで実用可能であ
り一従来装置との互換性にも優れており経衝的効果も大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を応用したスパッタ装置の断面図、第２
図はスパッタ粒子の飛翔の模式図、第３図はプレーナマ
グネトロン型スパッタリングの基本概念図、第４図は本
発明の原理説明図、第５図はスルーホール部の断面形状
を示す図、第６図は本発明を応用したスパッタ成膜時の
放電特性を示す図、第７図は本発明を応用して成膜した
ときのスルーホール部の断面形状を示す図、第８図は段
差被覆率を示す図、第９図から第１４図は本発明の別の
実施例を示す平面図である。 １・・・ターゲット２２・・・バッキングプレート。 １０１・・・凸形状、１０２・・・凸形状側面、１０３
・・・凸形状上面、２０１・・・スパッタ面、３１・・
・第１の磁極体、５２・・・第２の磁極体、４・・・ア
ノード、５・・・成膜対象基板（ウェハ）、８・・・下
層配線、９・・・層間絶縁膜。 拓ｌ凶 ｓ−一＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 第２月 名　６０ ズハ゛１７ぞす曳（、’Ｉ） 尋７１２１ ８８　図 ！！　（、ｙＭ′） 璃７１２Ｉ　　　　　　　　　第１０已第、ｌ閃　　　
　　　あ／２凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プレーナマグネトロン型スパッタ成膜装置に用いら
   れるスパッタターゲットにおいて、 電子の回転半径及び放電の陰極暗部の厚さで定まる溝を
   設けたことを特徴とするスパッタターゲット。