JPS63247364A - スパツタ成膜方法と装置 - 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、ｉ［のスパッタ成膜方法と装置に係り、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つき回りよ（付着させるに好
適なスパッタ成膜方法と装置に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの藁集積化に伴い、Ｍ配線の微細化および多層化
が進み、Ｍを深穴につき回りよ“（成膜することが必要
である。

半導体装置の基板表面の微細な段差、溝あるいは穴に成
膜材料をつき回りよ（付着させる従来技術としては、　
ＵＳＰ、５，５２５，５９４号に記載されるカスブ磁界
スパッタ法および特開昭６０−２２１５６５号に記載さ
れるものが上げられる。前者はスパッタ電極と基板とを
対峙して配設せしめ、それぞれに係合する電磁石により
、両者間にカスブ磁界ケ形成するものである。カスブ磁
界はプラズマ密度を向上させ、成膜速度を早める効果を
有するものである。

一方、他の成膜方法としてバイアススパッタ法が上げら
れる。これはスパッタ′電極（マグネトロン型スパッタ
電極）と基板とを対向させ、基板に膜材料を堆積させな
がら基板表面に負のバイアス電圧を印加せしめて、スパ
ッタ電極上に発生するプラズマ中のイオンの一部を基板
表面に流入させて成膜を行うものである。バイアススパ
ッタ方法は前記のカスプ磁界を発生さセる方法に較べ、
装部構造が簡単のため、スパッタ成膜方法としてはバイ
アススパッタ法が従来より一般に使用されていた。但し
、この方法により効果的な成膜を行うには基板に印加す
るバイアス電圧を太き（する必要があるが、バイアス電
圧な鍋くすると基板が発熱すると共に基板表面がイオン
突入により破損する問題点が生ずる。このため前記の特
開昭６１−２２１５６５号に開示した技術はターゲット
に係合するカソードを磁束密度制御可能な可変磁束カソ
ードから構成せしめ、バイアス電圧を高めることな（流
入イオン量を高めるようにしたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

基板表面につき回りよ（成膜するには基板に入射するイ
オン量を高める必要がある。このためには前記した如く
、バイアス電圧を向上させることが必要であるが、この
方法はスパッタ電極表面に閉じ込まれたプラズマを基板
表面に負のバイアス電圧を印加することにより基板側に
プラズマ中のイオンを引き寄せるもので、電圧が低い場
合には単に基板表面にバイアス電圧を印加しただけでは
基板表面上のプラズマ密度を十分に向上することはでき
ない。またバイアス′亀圧を高めると前記の如き問題点
が生ずる。

以上のことをより具体的に説明すると、バイアス電圧が
一１００ｖの時、基板上のプラズマ督度は２Ｘ　１０”
　ｃｍ−８程度であり、この時に基板に流入するイオン
電流は０．５Ｖψ１２５程度である。この条件では１．
０μｍ×１．０μｍの深角穴へのＭのつき回りは十分で
ないことが判った。一方、バイアス電圧を高めるとスパ
ッタ膜に吸蔵されるＡｒガス量が増加するが、スパッタ
膜にボイド、７クレが発生しバイアス電圧としては一１
４０■が限度であることが判った。

本発明はバイアス電圧を高めることな（、基板表面の微
細な段差、溝、穴等に成膜材料をつき回りよく付着させ
ると共に高品質の薄膜を形成し得るスパッタ成膜方法と
装置を提供することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

前記問題点は真空容器内の試料基板とターゲット間にカ
スプ磁界を形成すると共に、スパッタ電極側に電圧印加
して高密度のプラズマをターゲット表面から前記試料基
板表面近傍まで発生せしめ更に試料基板の表面に直流バ
イアスを印加するか、又は高周波電力を印加して基板表
面を負のバイアス電位し、かつ前記試料基板を温度制御
手段により所定温度にガス冷却し、その発熱を防止する
ようにしたスパッタ成膜方法と装置により解決される。

〔作　用〕

カスプ磁界の形成により高密度プラズマをスパッタ電極
から試料基板表面近傍まで発生させる。

またカスプ磁界とは独立に試料表面に膜不良を生じさせ
ない負の低バイアス電圧等を印加しミプラズマ中の高密
度イオンを試料基板側に引き込む。

これにより基板流入イオン電流が向上すると共に試料基
板表面に付滑したスパッタ粒子の基板表面上での移動度
を向上することができる。この結果段差、溝、穴等への
スパッタ材料のつき回りを同上させることができる。更
に試料基板を一定温度に制御することにより膜品負を一
定に保持することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

第１図に示す如く、真空容器１の上方の開口２には絶縁
物５を介しスパッタ電極４が取付けられ、スパッタ電極
４の真空容器１側にはスパッタ成膜材料より成るターゲ
ット５が取付けられると共にその大気側にはターゲット
コイル６およびこれを覆うヨーク７が設けられている。

ターゲットコイ／Ｉ／６にはターゲットコイ／Ｌ／電源
２３が連結する。なおヨーク７はターゲットコイル６に
より発生する漏洩磁束そ度を強めるためのものである。

またスパッタ電極４にはスパッタ電源２０が連結スる。

ターゲット５の外周にはターゲット５から放電が生じな
い間隙を隔てアノード２８が設けられ、アノード２８は
絶縁体８を介し真空容器１に固定される。

なおアノード２Ｂの電位は必要に応じ、フローティング
、アース又は任意の正又は負の電圧に設定される。

真空容器１の下方の開口９には適宜間隔を隔てターゲッ
ト５と対峙して配設される試料＆板２５（以下、基板２
５という）を載置する基板電極１０が設げられる。基板
電極１０は基板５を載置する基板支持部１０Ａとこれか
ら図の下方に伸延する伸延部１０Ｂとから形成される。

基板を極１０の周囲には真空シール機能を持つ絶縁体１
１を介し、基板おさえ１２が基板電極１０を周縁すると
共に基板２５０周縁を保持して配設される。なお基板お
さえ１２は基板２６の表面と垂直方向（図の上下方向）
に移動可能に形成される（移動手段は図示せず）。基板
おさえ１２の周囲には同じく真空シール機能を持つ絶縁
体１５を介しシールド１４が基板おさえ１２を囲繞して
設けられ、シールド１４は真空容器１の開口９に固定さ
れる。基板コイＮ１７は真空容器１の下方の開口１５に
固定するコイル容器１６内に設げられ、真空容器１と真
空シールされる。また基板コイル１７には基板コイル電
源２４が連結する。基板電極１０および基板おさえ１２
には高周波電源２１および直流′電源２２が連結される
。なお基板２５の表面に直流バイアス電圧のみを印加す
る場合には高周波電源２１が不要であり、高周波バイア
ス電圧のみを印加する場合には直流１４７Ｌ源２２がそ
れぞれ不要となる。また高履波バイアス電圧を印加する
場合には基板おさえ１２は絶縁物で作られ、高周波プラ
ズマをシールドする。

真空容器１にはガス導入手段１９を介しＡｙガス等の不
活性ガスが導入され、排気手段１８により真空排気され
る０なおその圧力は約１０−”　Ｔｏｒｒの圧力に保持
される。

前記温度制御手段は基板２５を冷却するもので、本実施
例では基板電極１０の基板支持部１０Ａおよび伸延部１
０Ｂの中心に穿設され、基板２５＃Ｉおよび反対側に開
放する貫通孔内に嵌入されるガス導入管２９およびガス
導入管２９内に真空容器１内に充填されるガス（Ａｒガ
ス等１と）と同一性状の冷却ガスを導入する図示しない
導入装置およびガス温度をコントロールする図示しない
調温装置等とから形成される。

第２図は基板２５を支持する基板電極１００基準支持ｇ
１ｏＡの詳細構造を示すものである。

基準支持部１０Ａの基板２５と接する部分は図示の如（
基板２５側に盛り上るゆるい凸面状（正確には一球面状
）に形成される。これは次の理由による。

基板２５は前記の如（基板おさえ１２により周縁を保持
されると共に、ガス導入管２９よりの冷却ガスが下面に
当るように配設される。基板２５の上方側（真空容器１
側）はＩＱ”Ｔａｒｒ程度の真空になっているため、冷
却ガスの導入により基板２５の中央部１００μｍ程たわ
む。一方、基板２５と基板電極１０間の熱伝達率を一定
に保持するには、基板２５と基板電極１０との隙間を１
０μ扉以下にし密着係合することが必要である。従って
予め基板２５がガス圧によりたわむ相当分だけ基準支持
部１０Ａを凸状に形成することにより基板２５と基板電
極との密着性を保持することができる。

次に、本実施例の作用を更に詳しく説明する。

スパッタ成膜処理を受ける基板２５は真空容器１の図示
しない入口から挿入され、基板電極１０の基板支持部１
０Ａ上に載置される。この場合、基板ねさえ１２は基板
電極１０から離隔したターゲット５側に位置決めされる
。基板２５が載置されると基板おさえ１２が図示しない
搬送機構により基板２５側に移動し、この周縁に係合し
基板２５を保持する。排気手段１８により真空容器１内
の高真空を排気した後、ガス導入手段１９およびガス導
入管２９よりＡｒガスを導入し所定のスパッタ圧に保持
する。ターゲットコイル電源２３および基板コイル電源
２４によりターゲットコイル６および基板コイル１７に
両者の磁界が逆向きになるようにコイル電流を印加する
。これにより第１図に示す磁力線２６の如き形状のカス
プ磁界が発生する。次にスパッタ電源２０によりスパッ
タ電極４にスパッタ電圧を印加すると、磁力線２６と同
形状の高密度のプラズム２７がターゲット５の表面から
基板２５の表面近傍まで発生する。次に、直流電源２２
により基板おさえ１２を介して基板２５０表面に直流バ
イアスを印加するか、又は高周波電源２１により基板電
極１０に高周波′電力を印加し基板２５の上に更に高周
波プラズマを発生させ、基板２５０表面にバイアス電圧
と該起して基板２５０表面を負のバイアス電位に保ち、
プラズマ２７中のイオンを基板２５に流入させる。この
際ガス導入管２９より導入されたＡｒガスにより基板２
５は所定の温度に制御保持される。

次に、本実施例の装置によりＡｌ！材料を成膜した結果
を第５図および第４図により説明する。

第５図は横軸に基板コイル電流とターゲットコイル電流
との比をとり、縦軸に成膜速度（＝／ｍｉｎ　）および
膜厚分布（％）を表示したものである（線図上実線は成
膜速度点線は膜厚分布を示す鬼コイル電流比を高めると
、カスプ磁界の磁力線２６がターゲット５側に押し付け
られ、プラズマのターゲット上の領域は基板２５の外径
よりも大きい範囲から次第に中心側に移動し、成膜速度
は上昇すると共に、膜厚分布は基板２５０周縁が厚い凹
分布形から基板中心の厚い凸分布形のものに変化する。

今、目標の成膜速度を１０００ｒＩＬｍ／ｒｎｉｎ以上
とし、膜厚分布を±５％以下とすると、この条件を満コ
イル電流比は０．９５以上となる。

第４図は成膜速度１１８０ｍｍ／ｒｎｉ　ｎ　（１００
０ｍｍ／ｒｎｉ　ｎ以上・）でコイル電流比を０．９５
としたときの基板昇温特性を示すものである。横軸には
成膜開始後の時間（Ｓ）、縦軸には基板２５の温度（’
Ｃ）を示す。成膜開始後ＺＯ８を経過すると基板２５は
３５０℃になり、温度制御手段による基板２５の冷却が
行われないと点線の如（、上昇をつづけ、膜厚１．２μ
ｍを得るに必要な時間６０Ｓ後には約６５０℃になる。

一方、Ｍの融点が約６５０℃のため、該温度では成膜さ
れたＭ材料の一部が溶けてしまう不具合が生ずる。そこ
で成膜後２０８程経過したのち基板温度制御手段により
ガス冷却を開始すると、成膜開始後６０Ｓたっ℃も基板
２５は約５５０℃に保持される。以上の如く、基板をガ
ス冷却しながら基板２５０表面近傍まで高密度プラズム
を発生せしめることにより、膜不良を生じさせない低バ
イアス電圧で、スパッタ材料を基板表面の段差、溝、深
穴等につき回りよ（成膜することができると共に、基板
の発熱とイオンによる破損等が防止され、高品質の薄膜
を形成することができる。

本実施例において、ターゲットコイル６、基板コイル１
７を電磁石としたが、これに限定するものでなくこれ等
と等価な磁界を発生する永久磁石であってもよい。また
本実施例では基板温度制御手段は基板２５を冷却するも
のとしたが、これに限定するものでな（、成膜速度がお
そく、基板２５への熱入力が少ない場合には、逆に基板
’に極１０を高温に維持すべ（ガス媒体により成膜中の
基板を加熱することも行われる。

〔発明の効果〕

以上の説明によって明らかな如（、本発明によれば低バ
イアス電圧で高い基板流入イオン電流を得ることができ
るので、ボイド、フクレまでの膜不良を生ずることなく
、段差、溝、穴につき回りよ（スパッタ膜を付着させる
ことができる。また高密度プラズマの発生とは独立した
基板バイアス電圧を設定できるので、基板に流入するイ
オン量をほぼ一定に保ったまま、イオンエネルギを制御
することができる。更に基板を一定温度上制御できるの
で膜の高品質化がはかれる。

【図面の簡単な説明】 拓１図は本発明の一実施例の縦線面図、第２図は第１図
の部分拡大図、第５図は本発明の一実施例による成膜特
性を示す線図、第４図は基板昇温特性を示す線図である
。 １・・・真空容器、２．１５・・・開口、５・・・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、８，１１，１
５・・・絶縁体、９・・・開口、１０・・・基板電極、
１２・・・基板おさえ、１４・・・シールド、１６・・
・コイル容器、１７・・・基板コイル、１８・・・排気
手段、１９・・・ガス等人手段、２０・・・スパッタ電
源、２１・・・高周波電源、２２・・・直流゛電源、２
６・・・ターゲットコイル電源、２４・・・基板コイル
電源、２５・・・基板、２６・・・磁力線、２７・・・
プラズマ、２８・・・アノード、２９・・・ガス尋人管
。 第　１　口 １′ｔ：ｌｉ；吸村工 第　２　口 躬３区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ａｒガス等の不活性ガスが充填される真空容器内に
   、スパッタ電極に接合する被スパッタ部質たるターゲッ
   トと試料基板とを対峙して配設し、該試料基板と前記タ
   ーゲット間に逆向きの磁界を形成し、両者間にカスプ磁
   界を形成すると共に、前記スパッタ電極に電圧印加し、
   高密度のプラズマを前記ターゲット表面から前記試料基
   板表面近傍まで発生せしめ、更に前記試料基板表面に直
   流バイアスを印加するか、又は高周波電力を印加し、該
   試料基板表面を負のバイアス電位に保持し、前記プラズ
   マを前記試料基板内に流入せしめ、かつ前記試料基板を
   適温に温度制御することを特徴とするスパッタ成膜方法
   。 ２、Ａｒガス等の不活性ガスが充填される真空容器と、
   該真空容器内に対峙して配設される試料基板およびスパ
   ッタ電極に接合する被スパッタ物質たるターゲットと、
   前記試料基板およびターゲットに逆磁界を発生させる磁
   性手段と、前記スパッタ電極に電圧印加する電源と、前
   記試料基板に電流バイアス、又は高周波電力を印加する
   電源と、前記試料基板に前記不活性ガスと同一のガスを
   供給しこれを所定温度に温度調節する基板温度制御手段
   とを設けることを特徴とするスパッタ成膜装置。