JPS6270569A - スパッタリング方法及びその装置 - 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、また微細な溝等への埋込および膜表面の平坦
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５５−１９５１９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
一対の磁極を設け、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
のみが増加する畑面となる。このような状、明でスパッ
タ成膜すると、ターゲットの侵食領域がプラズマ領域と
はソ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
ットの浸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、％開昭５８−７５８５９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５５−１９５１９号に記載のス
バッタリ／り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
大きくし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なくなる。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。この方法では、イオン
衝突によるターゲットの侵食ははｙターゲット全域にな
るがターゲットから放出された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
れた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た
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が、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Ｋ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ソ全域に高密度プ
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バツタエ
ヴチングするようべしたものである。

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〈ωｐではＫが虚となりｔｉ波はプラズマ中には伝
搬しえない。言い換えれば、例えば２．４５ＧＨ２のマ
イクロ波ではプラズマ密度が７４Ｘ１０’／ｄを越える
プラズマ中には伝搬しえない、すなわち２．４５（ｊＨ
ｚ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７４　Ｘ　１０”／ｃｆｄ以上には
ならないことがわかる。

また、靜磁界のあるプラズマ中での電磁波は、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、右回り円偏波の分散式は、 ここで ωＣｅ：電子サイクロトロン周波数 ωＣｉ：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、かっこの静磁界と平行にマイ
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（２，４５ＧＨ２では８７５ｑ）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７．４Ｘ１０’°／−
よりはるかに大きな値（１０Ｉ２／洲以上）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
贋化できない。またこのプラズマを磁気装置により抱束
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
を設げ、この磁気装置がまた成膜部におけるプラズマ閉
込め用の磁気装置を構成するｌｌｖ造とすることで、プ
ラズマ発生部とスパッタ成膜部の距離を短かくしプラズ
マの輸送中の拡散を小さくし発生部のプラズマ密度と成
膜部のプラズマ密度なはソ等しくなるようにする。

このため、成膜部には、上記プラズマ発生部の磁気装置
と１対となる磁気装置を設け、この磁気装置によりカス
プ磁場（互いの磁力線が反対−となる１対の磁気装置の
組合せにより構成される磁場）によりプラズマを閉込め
る構成とし、上記プラズマ発生部の磁気装置の対となる
磁気装置のある側にターゲットを載置した陰極を配し、
この磁気装置のもう一方の側からマイクロ波を入射させ
る構造とし、上記ターゲットに対向して基板と前記のカ
スプ磁場を構成する磁気装置を設け、カスプ磁場の一方
を構成するターゲット側の磁気装置の磁場内でマイクロ
波放電により高密度プラズマを発生させ、このプラズマ
を前記磁気装置の磁力線にそってターゲット上へ輸送し
、この磁力ＩＷ］［より構成されるカスグミ場により、
プラズマを閉込めターゲット表面はソ全域にわたって高
密ずプラズマでお＼う構成とした。

また、本発明では、本機側にも電力（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茶飯側にも電力を印加し
基板表面をスパッタエツチングできる構成とした。

−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
、形状等を側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。第１図、第２図は第１の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を介しズ陰極４に密接
して設置され、該陰極４は絶縁物５を介して真空槽乙に
設置される。また前記絶縁物５の外周にはアースシール
ド７が真空槽６に設置される。この陰極４と真空槽６の
間に電源９が設置される。ここでターゲット１の中央部
１０は全洞となっており、この部分にプラズマ発生室１
１が設置され、該プラズマ発生室１１の外周には導波管
１２が絶縁物１５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
設置される。また、前記陰極４の裏面には磁気装置１１
８が設置され、該磁気装置１８は複数個の磁気コイル１
８ａ、１８ｂ、１８ｃより構成される。ここで前記プラ
ズマ室１１は、マイクロ波は透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、基板ホルダ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しうるようにフランジ２２に設置
され、該フランジ２２は、磁気装置２５を包み込んだリ
ング状のｗ２４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＠置１８　、２５はカスプ磁
場内源 生する出力線は、第２図に示すように、磁気装置ｉ１８
からターゲット側へ出た磁力線２８は、基板２側の磁気
製［２５の磁力＠２９と反発しあいカスプ磁場を形成す
る。ここで磁気装置１８の中心部２７の出湯強度を電子
サイクロトロン共鳴条件（マイクロ波周波数２．４５（
ｊＨ２では磁場強度８７５ガウス）以上とし、ここにマ
イクロ波を導入し高密度のプラズマを発生させ、該プラ
ズマを磁力９２８によってカスプ磁場内へ輸送する構成
とする。

以上において、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（１１
ｊ″′２から１０’Ｔｏｒｒ程度）としておく。ここＫ
、マイクロ波発生源１６よりマイクロ波を見損すると、
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高密度のプラズマ（プラズマ密度
ｎｅ＝１０１１〜１０１３／〜）状態とする。このプラ
ズマ発生室１１内のプラズマは磁力線２日に沿ってター
ゲット１面上へ送られ、磁気装置１８．２５　　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
間に閉込められ、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Ｋ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２の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、マイクロ
波による電子サイクロトロン共鳴条件以上の静磁界のも
とでプラズマ発生室１１で発生し、この発生部２７の磁
力線がプラズマ閉込めのカスプ磁場の磁力線であり、プ
ラズマ発生部とターゲット１面が接近しておりプラズマ
輸送距離が短かいため、ターゲット１表面の全域にわた
りかつ高密度である。そのため、ターゲット１の侵食領
域もターゲット１の全域となり、ターゲットへ衝突する
イオンの数も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。

また、上記のスパッタ成膜において、′８Ｉ源２６によ
り基板ホルダ１９１Ｃ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表面に衝突させ基板表面に堆積し
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５図（ａ）は、溝を有する
基板５１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３５の角の部分でオーバハング３４し、＠５５
の開口部５６は成膜の進行に伴い益々狭くなり、溝５５
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５図（ｂ）に示すように、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５６′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３７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（ｂ）のように堆積した
膜５２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、高速成嗅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ＫＭ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拠従うことか
ら（例えば、東京大学出版会、金原榮著「スパッタリン
グ現象Ｊ　（１９８４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７１ｃ＝　１０”〜１０”／ｍ
）を発生させ、このプラズマ発生母気装置とプラズマ閉
込め磁気装置の１方が同一でありプラズマ発生部とター
ゲットが接近しており輸送によるプラズマ損失が小さく
、またこの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、ターゲット表面のはソ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するためターゲットへの熱スト
レスを低減できるので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
、基板また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洸は別電源を使用するため、ター
ゲットへの衝突イオンの数（ターゲットへの入射イオン
電流）とそのエネルギ（ターゲットへの入射イオン電圧
）を個別制御でき、ターゲツト材質にあったスパッタリ
ング条件が設定できる。

以上本発明によれば、生産効率及び材料便用効率及び使
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。 １．１′・・・ターゲット　　２・・・基板４．４′・
・・陰極７．７’・・・アースシールド１４．１５・・
・導波管　　　９・・・電源１６・・・マイクロ波発生
源 １８．２３・・・磁気装置 ２６・・・電源 第　１　力 ワ 第３０ （とｚ＞　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　ｔｂ）（（：Ｌン　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　＜ｔａｒ〕第　５　口 第　６０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料基板と所定の間隔を隔てて対面する成膜材料で
   あるターゲットを載置した陰極と該陰極に電力を印加す
   る電源とを有するスパッタリング装置において、上記タ
   ーゲット及び陰極の中央にプラズマが通過する窓を設け
   、該陰極の裏面に磁気装置とマイクロ波の発生源とを組
   合せたプラズマ発生機械を設け、かつ前記磁気装置と共
   にカスプ磁場を形成するような磁場を発生する第２の磁
   気装置を設けたことを特徴と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、上記陰極裏面の磁気装置のプラズマ発生部での
   磁場強度が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以上の強度であるこ
   とを特徴とす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形状は直円錐台の側面であるス
   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、試料台に高周波電力を印加しうる構造を有する
   スパッタリング装置。 ５、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、前記陰極裏面の磁気装置は複数個のコイルから
   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。