JPS63223173A - 基板処理方法およびその装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜のスパッタ成膜技術に係り、特に半導体装
置等の基板表面の微細な段差、溝あるいは穴に、成膜材
料を高速かつ均一につき回ねり良く付着させるスパッタ
方法に関するものである。

〔従来の技術〕 本発明に最も近い従来技術としては、米国特許第３，３
２５，３９４号明細書及び図面、特開昭６０−１２１２
６８号公報、及び特開昭６１−８７８６８号公報がある
。

従来スパッタによる高速薄膜形成法としては、米国特許
第３，３２５，３９４号明細書及び図面、特開昭６０−
１２１２６８号公報に記載のように、ターゲット電極と
基板電極を対向に配置し、二組の磁気装置によりカスプ
磁界を形成しターゲットと基板の間にプラズマを閉込め
るものがある。上記技術は、ターゲット電極に印加した
電界により発生した雰囲気ガスのプラズマをカスプ磁界
によりターゲット電極上に広範囲にかつ高密度に閉込め
、ターゲットの利用効率を高め、成膜速度を向上させる
ものである。　　゛ また特開昭６１−８７８６８号公報に記載のように、カ
スプ磁界利用の電極構成において、基板電極に負電圧を
印加し基板表面に付着堆積した薄膜表面にイオンを衝突
させ、１ＭＫ表面を再スパツタしたり、付着粒子に衝突
してエネルギを与えることで付着粒子のマイグレーショ
ン性を向上させるバイアススパッタ法がある。上記技術
は、カスプ磁界によりウェハ上にも高密度プラズマを閉
じ込めるので大量のイオンを基板表面に衝突させること
ができ、成膜表面の再スパツタおよびマイグレーション
性能を向上させるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、成膜速度・ターゲット利用効率・基板
への流入イオン量の向上等に優れているが、カスプ磁界
中にターゲット電極と基板電極を対向して配置している
ため、基板側磁気装置により形成される磁力線は、ター
ゲット側磁気装置より発せられた磁力線をターゲット前
面に圧着させた後に基板電極中央へ集束し基板を横切る
形となる。プラズマ中の荷電粒子、中でも質量の小さい
電子は、磁界中では磁力線に沿ったサイクロトロン運動
をする。このため、プラズマ中の電子は前記基板側磁気
装置より発生する磁力線に沿って基板中央に集中入射す
る。

これに類することは、ジャーナル　オブ　アプライド　
フィジックスボリューム３４．４．（１９６３年）第７
６０頁から第７６８頁（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌ
ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ、３４　Ｎｏ　、４　
　（１９６３）ＰＰ７６０〜７６８）に記載されている
６上記文献によれば、基板をアノードとしてスパッタ成
膜した場合、基板の中心部に電流が集中し、この部分が
異常に昇温する。

我々の実験において基板への入射電子エネルギ密度及び
入射イオン電流密度の測定を行った結果を第６図に示す
。これにより、基板中央部に高エネルギ電子の集中入射
が起り、イオン電流も周辺部の２倍が中心部に集まって
いることが明らかとなった。これは特にＡ１等の低融点
物質を成膜する場合に中央部の溶融や、膜質の不均一と
いった問題をおこす。さらに、基板電極に負電圧を印加
し、イオンを基板表面に入射させるバイアススパッタ法
においても、基板電極上中央部に集中する電子に伴い、
入射イオン密度も中央部が高くなりバイアス電力の不均
一が生じ、中央部での異常昇温の問題能に、バイアス電
力に依るマイグレーション性能が位置により異なり成膜
の信頼性に問題があつた・ 本発明の目的は、高エネルギ電子の基板中央部への集中
入射による基板中央部での異常昇温を防止し、かつバイ
アススパッタにおいても基板へのイオン入射の均一化を
図り、膜質が均一でかつ充分なマイグレーション性能を
基板全面にわたり均一に有するスパッタ方法およびその
装置を提供することにある。

〔問題を解決するための手段〕

上記目的は、対向に配置したターゲット電極と基板電極
との間に、プラズマを閉じ込めるようにターゲット側、
基板側に配置された磁気装置により形成されるカスプ磁
界において、プラズマを閉じ込めている磁力線のうち基
板側の磁気装置により作られる磁力線が、基板中央部を
横切らないように基板の周辺に導くことにより達成され
る。

〔作用〕

ターゲット電極と基板電極を対向配置し、ターゲット側
と基板側の磁気装置により前記電極間にカスプ磁界を形
成し、該磁気装置において前記電極間にプラズマを閉じ
込める構成において、前記の基板側の磁気装置の磁力線
が基板中央部を横切ること無く基板の周辺に導かれる様
な磁気装置を構成することにより、ターゲット側磁気装
置の磁力線は基板側磁気装置の磁力線によりターゲット
上に押し込められてターゲット上の磁力線はターゲット
表面に沿うように形成され、ターゲット上に高密度のプ
ラズマを広い範囲に渡り閉じ込め、このターゲット側磁
気装置の磁力線をターゲットに押し込めた基板側の磁気
装置の磁力線は基板中央部を横切ること無く基板周辺へ
導かれるため、ターゲット上に閉じ込められたプラズマ
中の電子は基板には集中入射しない。このプラズマによ
りターゲットがスパッタにより侵食される領域も広い範
囲となりターゲットの利用効率の向上と高速成膜・良好
な膜厚分布が得られる。

〔実施例〕

本発明の第一の実施例を第１図により、以下に説明する
。

真空容器１の開口２に絶縁物３を介しターゲット電極４
が取り付けられている。該ターゲット電極４の真空室側
には成膜材料より成るターゲット５、大気側には磁界発
生用のターゲットコイル６、およびヨーク７が、さらに
該ターゲット５の外周には該ターゲットとの間に放電を
生じない距離だけターゲットより隔てて、絶縁物８を介
して真空容器１にアノード２８が取り付けられている。

ヨーク７はターゲットコイル６により発生する漏えい磁
束密度を強めるために用いられる。アノード２８の電位
は必要に応じて、フローティング、アースあるいは任意
の正負の電圧とする。

該真空容器１の一方の開口９には基板２５を載置する基
板電極１０があり、基板電極１ｏの周囲には真空シール
機能を持つ絶縁体１１を介して、ターゲット５と基板電
極１０表面に垂直な方向に移動可能な基板押え１２が、
さらに該基板押え１２の周囲には真空シール機能を持つ
絶縁体１３を介してシールド１４が、真空容器１に固定
されている。また基板電極１０を中心として、真空容器
１に真空シールされた状態で取り付けられるコイル容器
１６の中に基板外コイル１７が取り付けられている。さ
らに基板電極１０の内部には、基板内コイル３０が収納
されている。基板電極１ｏは水冷もしくは加熱され一定
温度に保たれる。基板電極１０の中心には冷却ガス導入
管２９があり、基板２５と基板電極１０との間にＡｒな
どの温度制御用ガスが導入される。

真空容器１内は排気手段１８により真空排気されるとと
もに、ガス導入手段１９により典型的には１０’Ｔｏｒ
ｒ台の圧力に保たれる。

ターゲット電極４．基板電極１０、基板押え１２、ター
ゲットコイル６、基板外コイル１７基板内コイル３０に
は各々スパッタ電源２０、高周波電源２１、直流電源２
２、ターゲットコイル電源２３、基板外コイル電源２４
、基板内コイル電源３１が、また真空容器１はアースに
接続されている。

基板表面に直流バイアス電圧を印加する場合は高周波電
源２１が、高周波バイアスを印加する場合には直流電源
２２が各々不要である。また高周波バイアス電圧を印加
する場合には、基板押え１２は高周波プラズマのシール
ドのため、絶縁物で作られる。

ターゲットコイル６とターゲットコイル電源２３は電磁
石に限らず、これと等価な磁界を発生する永久磁石を用
いてもよい。

スパッタ成膜処理を受ける基板２５は、基板押え１２が
ターゲット５側に移動した状態で図示しない搬送機構に
より基板電極１０上に載置された後、基板押え１２で保
持される。

以上の構成の本実施例は以下のように動作する。

図示しない搬送機構により搬送された基板２５は、基板
電極１０に載置された後、基板押え１２により固定され
る。排気手段１５により、真空容器１内を高真空排気し
た後、ガス導入手段１９によりＡｒガスを導入し、所定
のスパッタ圧に保つ。

直流電源２２より基板押さえ１２を介して基板２５の表
面に直流バイアス電圧を印加するか、高周波電源２１よ
り基板電極１０に高周波電力を印加し、基板２５上に高
周波プラズマを発生させ。

バイアス電圧を誘起することにより基板表面を負のバイ
アス電位に保つ。また、ターゲットコイル電源２３、基
板外コイル電源２４、基板内コイル電源３１より、各々
ターゲットコイル６、基板内コイル３０が同じ方向に磁
界を発生し、それらとは逆方向に基板外コイル１４が磁
界を発生するように電流を印加することにより、磁力線
２６が形成される。磁力線２６のシミュレーション計算
結果を第２図に示す。主な計算条件は、ターゲットコイ
ル６の中心磁束密度は３３８Ｇ、基板内コイル３０では
２８０Ｇ、基板外コイル１７では２５０Ｇである。基板
側の内・外コイルの間より発する磁束Ｃの影響により、
ターゲットコイル６のヨーク７の中央先端より発生・す
る磁束ａ及びｂの内、磁束ａはターゲット５表面に沿う
ように形成され、磁束すは基板内コイル３０の内側へ入
射するように形成される０次にターゲット電極４にター
ゲット電源２ｏよりスパッタ電力を印加することにより
、ターゲット５から基板電極１０の表面にかけて、電界
と直交する磁束ａ及び磁束Ｃに閉じ込められるように高
密度プラズマが発生する。このときターゲット５上では
、磁束すの領域より磁束ａの領域の方がプラズマ密度の
高いことが観測出来た。主に磁束ａの領域のプラズマか
らのイオン入射によりターゲットから大量の２次電子が
発生し、該２次電子はターゲット・プラズマ間の電位差
（数百Ｖ）により高速に加速されプラズマ中に放出され
る、この高エネルギ電子はプラズマ中を通る磁力線ａ及
びＣに沿ってらせん運動をしながら移動するが、磁束ａ
ではターゲット上で弧状をしているため衝突による損失
の他は電子はこの磁束中に閉じ込められる。磁束Ｃ中の
電子は磁束Ｃに沿って基板２５側に流れるが、磁束Ｃが
基板２５上を通ることなく基板２５外周を横切るため基
板２５中に高エネルギ電子が入射することはない。

一方磁束す中の電子は、磁束ａ上の高エネルギ電子がイ
オンや中性粒子等との衝突により拡散して来たものが主
であり、電子は十分低速になっている。この電子は磁束
すに沿って基板２５上に移動するが、磁束すはターゲツ
ト５中央部の十分小さい面積より基板２５上にほぼ均一
な磁束密度で広がるため、電子の基板２５への入射は平
均化される。また基板２５上に均一な密度で磁束すが入
射するため、バイアス電位が印加されている基板２５表
面にプラズマ２７から磁束すに沿って入射するイオン量
も平均化される。さらにターゲット上での磁界は磁束ａ
が磁束Ｃにより圧着された形となり高密度プラズマを広
い範囲で形成できる。

次に第３図に基板内コイル３０の中心磁束密度に対する
基板２５上に流入するイオン電流及び電子エネルギ密度
を示す。基板には一１００Ｖのバイアス電圧を印加し、
ターゲットコイルの中心磁束密度は３３８Ｇ、基板外コ
イルの中心磁束密度は２４８Ｇである。基板内コイルの
磁束密度がＯの場合は従来のカスブ磁界と同様の磁界分
布であり、基板内コイルの中心磁束密度を高めるに従い
中心への偏りは解消されて行き、２６０Ｇを越えた所で
イオン入射量は均一となり、高エネルギ電子の入射は無
くなる。さらに一定温度に保たれている基板電極１０と
基板２５との間に温度制御用ガスを導入することにより
基板２５の温度を制御し、膜質を維持できる。

以上述べた構成により、従来のカスプ磁界形バイアスス
パッタ法で生じた基板中央の異常昇温。

入射イオン量偏在による微細段差・穴への材料何回り性
不拘−を解消し、成膜速度が高く、膜質が均一で、かつ
充分なマイグレーション性能を基板全面に均一に有する
バイアススパッタ方法および装置を実現することができ
た。

第４図に本発明の第二の実施例を示す。前記第一の実施
例゛に対し、基板内コイル３０、同外コイル１７以外は
同じ構成である０本実施例では、基板側磁気装置として
基板２５の背面で基板２５を囲むような環状に形成され
た基板側永久磁石３３を用いる。永久磁石３３は環状の
外側に発する磁力線によりターゲットコイル６と協調し
てカスブ磁界を形成するとともに、環状の内側に発する
磁力線により第１図と同様の磁力線分布を得られ、第一
の実施例と同様の効果を得ることができる。

第５図に本発明の第三の実施例を示す、前記第一の実施
例に対し、基板内コイル３０、同外コイル１７以外は同
じ構成である。本実施例では、基板側磁気装置として基
板コイル１７′を設置し、該基板コイル１７′の内側お
よび基板コイル１７′の、ターゲット５と反対面側に位
置する基板側ヨーク３２を載置する。これにより基板コ
イル１７′により発生する磁力線の内基板コイル１７′
の中心軸側磁力線は基板側ヨーク３２に引きつけられる
結果、第１図と同様の磁力線分布が得られ、第一の実施
例と同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ターゲット上の広い範囲にプラズマを
発生させるため、ターゲットの利用率を向上させ、成膜
速度を高めるとともに、ガス媒体による基板の温度制御
により、膜質を向上させ。

さらに基板側磁気装置により作られる磁力線が、基板中
央部を横切らないように基板の周辺に導く改良形カスブ
磁界により、基板に入射するイオン量、熱量を均一にし
、膜質が均一でかつ充分なマイグレーション性能を基板
全面にわたり均一に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の縦断面図、第２図は本
発明の第一の実施例でターゲット基板間の磁界分布を示
す図、第３図は本発明の第一の実施例での基板流入イオ
ン電流密度と、流入電子エネルギ密度のデータを示す図
、第４図は本発明の第二の実施例の縦断面図、第５図は
本発明の第三の実施例の縦断面図、第６図は従来のカス
プ磁界スパッタ装置でのイオン電流及び流入電子エネル
ギ分布データを示す図である。 符号の説明 １・・・真空容器、３・・・絶縁物、４・・・スパッタ
電極５・・・ターゲット、６・・・ターゲットコイル７
・・・ヨーク、８・・・絶縁物、９・・・開口、１０・
・・基板電極、１１・・・絶縁物、１２・・・基板押え
１３・・・絶縁物、１４・・・シールド、１５・・・開
口１６・・・コイル容器、１７・・・基板外コイル１８
・・・排気手段、１９・・・ガス導入手段２０・・・タ
ーゲット電源、２１・・・高周波電源２２・・・直流電
源、２３・・・ターゲットコイル電源２４・・・基板外
コイル電源、２５・・・基板、２６・・・磁力線２７・
・・プラズマ、２８・・・アノード２９・・・冷却ガス
導入管、３０・・・基板内コイル３１・・・基板内コイ
ル用電源、３３・・・永久磁石毫　１　図 ７：ヨーク 第２図 第３図 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ターゲット側磁気装置と基板側磁気装置との協調に
   より電圧が印加されたターゲット電極に載置されたター
   ゲットと基板間にカスプ磁界を形成し、上記基板側磁気
   装置により作られる磁力線が、基板中央部を横切らない
   ように基板の周辺に導き、上記ターゲットの成膜材料を
   、所定の間隔を隔てて対面する上記基板へスパッタする
   ことを特徴とするスパッタ成膜方法。 ２、上記基板表面に電圧を印加させることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のスパッタ成膜方法。 ３、上記基板は、温度制御されたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のスパッタ成膜方法。 ４、基板を載置する部材と、該基板の堆積面と所定の間
   隔を隔てて対面する成膜材料より成るターゲットと、該
   ターゲットを載置するターゲット電極と、該ターゲット
   間に磁界を発生させるターゲット側磁気装置と、該ター
   ゲット側磁気装置と協調して基板とターゲット間にカス
   プ磁界を形成し、磁力線が、基板中央部を横切らないよ
   うに基板の周辺に磁力線を発生させる基板側磁気装置と
   を備えたことを特徴とするスパッタ成膜装置。 ５、上記基板側磁気装置は、基板の周辺に位置する外電
   磁石と、該外電磁石の内側に位置する内電磁石とから構
   成したことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のス
   パッタ成膜装置。 ６、上記基板側磁気装置は、１組の永久磁石により構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のスパ
   ッタ成膜装置。 ７、上記部材には、基板表面に電圧を発生させる電圧印
   加手段を有する特許請求の範囲第４項記載のスパッタ成
   膜装置。 ８、上記基板側磁気装置は、基板の周辺に位置する電磁
   石と、該電磁石の内側に位置するヨークとから構成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のスパッタ
   成膜装置。９、基板を載置し、載置される面が一定温度
   に制御された基板電極と、該基板電極と基板の間に温度
   制御用ガス導入手段と、該基板の堆積面と所定の間隔を
   隔てて対面する成膜材料より成るターゲットと、該ター
   ゲットを載置するターゲット電極と、該ターゲット間に
   磁界を発生させるターゲット側磁気装置と、該ターゲッ
   ト側磁気装置と協調して基板とターゲット間にカスプ磁
   界を形成し、磁力線が、基板中央部を横切らないように
   基板の周辺に磁力線を発生させる基板側磁気装置とを備
   えたことを特徴とするスパッタ成膜装置。