JPS63247365A - スパツタ成膜装置 - 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、半導体素子等の薄膜形成工程において用いら
れるスパッタ成膜装置にかかわり、特に高集積化素子等
の微細な溝や穴を有する半導体素子上への成膜および膜
質の向上に好適なスパッタ成膜装置に関する。

〔従来の技術〕

スパッタ成膜は、陰極上に置かれたターゲット材料に、
所定値（スパッタリングのしきい値）板上のエネルギー
を有するプラズマイオンを衝突させ、これにより放出さ
れるターゲット材料の構成原子または粒子が半導体基板
上に付着堆積して薄膜を形成することにより行なわれる
。

スパッタ成膜を行なう装置としては、特公昭５５−１９
５１９号公報に記載されたものがある。こＯ装置によれ
ば、陰極のターゲット材料面の兼備に磁気装置の一対の
磁極を設け、前記陰極面に沿って前記磁気装置によって
生ぜしめられる弧状の磁力線を形成する。セして陰極に
電圧を印加して発生させたプラズマの荷電粒子を前記磁
力巌によりサイクロトロン運動させて拘束することによ
り、２極スパツタリング装置に比較して高密度プラズマ
を生ぜしめ、高い成膜速度と１０＝Ｔｏ−ｒｒ台の低−
啼成膜圧力が得られるようになっている。

特公昭５５−１９５１９号よりも更に進んだ従来技かと
してマイクロ波を用いた特開昭６１−１０４０７４号が
上げられる。この方法では、マイクロ波発生部と、該マ
イクロ波によるプラス１発生部と、該プラズマをターゲ
ット上に導入するための陰極及びターゲットに設けられ
た開口部とを備えていることを特徴としており、マイク
ロ波により発生した高密度プラズマをターゲット上に輸
送することにより、１０４ないし１０″′４Ｔ０ｒｒの
より低い圧力で安定。

したスパッタを行なうことができる。この結果、ターゲ
ットより放出された粒子は雰囲気ガス分子と衝突するこ
となしに、基板上に到達できるため、膜中への雰囲気ガ
スの混入や微細な溝内部での空胴の発生はなくなり、さ
らにターゲット上でのイオン密度が上ったため、供給電
力を増加させても、個々のイオン衝突エネルギーは増え
ずにイオンの数が増すため、ターゲット加熱のないより
効率のよいスパッタが可能となった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記特公昭５５−１９５１９号公報に記載する方法では
次の如き問題点がある。すなわち（１）基板上に形成す
る膜厚分布を均一化するために、ターゲットと基板との
距離を６０ｍｒｌＬから７Ｑｒｎｎｃ程度離してお（た
め、スパッタされてターゲットから放出された原子又は
粒子は雰囲気ガス分子と５回から６回程度衝突して基板
上に到達し、基板上に形成する膜午に雰囲気ガスが混入
し、膜質を悪くする。（２）前記衝突により、ターゲッ
トから放出された原子又は・粒子の基板への入射角度も
太き（なり、微細な溝等が基板の下地にあると、入射粒
子はこれら溝ａ入口角部へ付着堆積し、溝部が微細、に
なると、溝入口角部への付着のため、溝内部が入射粒子
で完全に埋る前に入口部の両角部に堆積した膜が接合し
、溝内部に空胴が発生する。（３）ターゲット上ら被ス
パツタ領域がリング状となり限られているため、ターゲ
ット材料の一部が成膜に寄与するのみで、かつターゲッ
ト寿命が短い。（４）成膜速度を上げる目的で陰極への
供給電力を増加させると、イオンのターゲットへの衝突
エネルギーが過大となり熱伝導率の小さいターゲットで
は表面の温度上昇を招き、大きな温度ストレスに帰因す
るターゲットの破壊が起こる等の問題が生じた。

また特開昭６１−１０４０７４号公報に示すものは、タ
ーゲット上に開口部を設けているために、ターゲットの
利用効率が悪く、また基板上に付着堆積させる膜厚分布
もターゲット上の開−口部からのスパッタ粒子がないた
め、ターゲットと基板間が近いと不均一を生じ、基板を
ターゲットから離さなければ良い結果を出すことができ
ず、そのためスパッタされた粒子と雰囲気ガス分子との
衝突回「が増えるという問題があった。

また、他の場所で発生させたプラズマを輸送してターゲ
ット上に送るために、輸送過程でプラズマ密度が非常に
下がってしまい、マイクロ波プラズマの高密度性という
利点を生かしきってすな（℃という問題点があった。

本発明はターゲット上の開口を極力小さくし、その利用
効率を向上させると共に、マイクロ波プラズマの高密度
性を保持し、微細な溝や穴への膜付性能を向上し、スパ
ッタ粒子等の不純物の成膜内への進入を防止するスパッ
タ成膜装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

前記問題点はＡｒガス等の不活性ガスを充填した真空容
器内に適宜間隙を隔て対峙して配設される試料基板およ
びターゲットと、該ターゲットに接合して配置される陰
極およびこの電源と、前記ターゲットに係合し、該ター
ゲットの中心部から外周側に向けて拡がる磁力線を形成
する磁気装置と、前記ターゲット、陰極および１！ｌｉ
気装置の中心を業通し、その一端側を前記真空容器内に
配置し、他端側をマイクロ波発生源に連結される導波管
内に挿入し、その先端部を前記導波管外に露出してなる
マイクロ波導入アンテナとを設けたスパッタ成膜装置に
より達成され、更に、前記スパッタ成膜装置に前記基板
にバイアス電圧を付加するバイアス電源を設けたもの、
前記磁気装置と逆向きの磁・場を形成してカスプ磁界を
生じさせる磁気装置を設けたもの等からなるスパッタ成
膜装置により達成される。

〔作　用〕 プラズマの発生は、ターゲット中央に設置されたマイク
ロ波導入アンテナより放射されるマイクロ波ニより１ｏ
〜４から１０−’　Ｔｏｒｒ台の低い雰囲気圧力下で高
密度プラズマの発生を行なう。ここで発生したプラズマ
は、磁気回路によりターゲット上。

に閉じ込められ、上記高真を雰囲気中でスパッタリング
成膜を行ない、ターゲットから放出された粒子を雰囲気
ガスと衝突させることな（基板上に付着堆積するスパッ
タリングを可能とするものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図により説明
する。

第１図は、第１の発明の実施例のスパッタ成膜装置のス
パッタ成膜部の構造を示す縦断面図である。

図において、ターゲット１と基板２とは適宜間隙を隔て
対峙して配設される。ターゲット１は、陰極５と密接し
て設置され、陰極５は絶縁物４を介してフランジ２２に
設置される。フランジ２２は真空容器５に固定される。

ターゲット１．陰極５の周囲には、アースシールド６が
７ランジ２２に固定され℃いる。ここでターゲット１．
陰極５．絶縁物４および７ランジ２２の中央部に貫通穴
が設けられ、この部分にターゲットと同材質のマイクロ
波導入アンテナ７が設置される。マイクロ波導入アンテ
ナ７は絶縁物８によりターゲット１．陰極３絶縁物４フ
ランジ２２より絶縁保持されている。マイクロ波導入ア
ンテナ７の他端は、導口管１０に連結する同軸管内を通
り導波管１０の中心で直角に曲・げられ、マイクロ波の
管内波長の１／４の距離をおいて該導波管１０の壁面に
短絡し、貫通して外部に露出している。アンテナ７は中
空同軸の２重管になっており冷却水導入口９より水を流
すことで、該アンテナ７を酵却することができる。また
等波管１０の他端ＩＣは整合器１１が接続されている。

整合器１１の他端にはマイクロ波発生源１５が設置され
ている。さらに同軸管１２の外周には磁気装置１４が設
置され、該磁気装置１４を囲繞して配置されるヨーク１
５はマイクロ波発生源１５と磁気装置１４とを画成する
。

また試料基板２（以下、基板２という）は基板ホルダ１
６上に載置され、基板ホルダ１６は軸１７に取付げられ
ており、軸１７は絶縁物１８を介して前記真空容器５に
保持される。さらに陰極５には電源１９・が接続されて
いる。

磁気製［１４は、その磁力線２１がターゲット１の中央
部から拡がって行き、ターゲット１の外周部でターゲッ
ト１を通過してヨーク１５の端部へ入り−込むように構
成しておく。ここでスパッタ成膜室２０は、雰囲気ガス
（例えばアルゴンガスなどの不活性ガス）の所定の真空
状態１０″から１０−’　Ｔｏｒｒに保持される。

次に本実施例の作用を更に詳細に説明する。

マイクロ波発生源１５からマイクロ波を発振するとマイ
クロ波は整合器１１によりインピーダンス整合をとった
のち、導波管１０へ送られマイクロ波導入アンテナ７に
到達する。マイクロ波導入アンテナ７よりスパッタ成膜
室２０中に放射されたマイクロ波は、スパッタ成膜室２
０内の１０−’から１０−’　Ｔｏｒｒ台の雰囲気ガス
を電離し、プラズマ状態にする。

ターゲット１表面上の磁力線２１がターゲット１表面の
広範囲においてほぼ平行であるため、陰極３に印加され
た電圧により生ずるターゲット１表面上の電界により、
プラズマ中のイオンは、磁力線２１に沿ってサイクロト
ロン運動しながらターゲット１表面に閉じ込められるた
め、ターゲット１表面のプラズマを高密度化する。

さらに陰極５に電源１９による電力を印加することでタ
ーゲット１表面に発生する負の電場はターゲット１表面
上のプラズマ中のイオンを加速し・これをターゲット１
表面に衝突させる。この衝突により、ターゲット１表面
からはじき出された原子または粒子が基板２０表面上に
付着／堆積し、薄膜を形成する。

前記の成膜において、ターゲット１表面からはじき出さ
れた原子または粒子が基板２０表面に到達するまでの間
に雰囲気ガスと衝突するかどうかは、分子の平均自由行
程によりわかる。平均自由行程λは、分子の直径、温度
および雰囲気圧力により定まり、次式で表わされる。

λ＝　２．５５１　Ｘ　１０−’　Ｔ／Ｐ（’ここで、
Ｔは分子温度（ｏＫ）、Ｐは圧力（Ｔｏｒｒ　）ζは分
子直径である。アルゴンガスでは、１５℃７６０Ｔｏｒ
ｒで平均自由行程λ：　６．７　Ｘ　１０−”ｍであり
、雰囲気圧力をＩ　Ｘ　１（１’Ｔａｒｒとすると、λ
＝５．１Ｘ１０−’ｍつまり衝突なしで５ＱＱｍｓ移動
することがわかる。

一方、ターゲット１表面からはじき出されたＶ子が雰囲
気ガスと衝突することなく、移動しうる距離は、ターゲ
ット１の材質すなわちターゲット１を構成する分子の直
径により異なるが、雰囲気圧力ｌＸ１０’″’　ＴＯｒ
ｒでは１０Ｑｍｎ程度はあると考えられる。

従って本実施例によれば、ターゲットからはじき出され
た粒子は、はとんど衝突することなしに基板に到達する
ため、基板へのスパッタ粒子の入射角度も小さな角度と
なり、基板上の微細な溝についても溝内へのスパッタ粒
子の入り込みがよ（なる。また基板表面に付着堆積した
膜中への雰匝気ガス分子の取り込みも少なくなる。

第２図は第２の発明の実施例の成膜部の構造を・示す断
面図である。

本実施例では基板２及び基板ホルダ１６は軸１７を介し
てバイアス電源２５に接続される。バイアス電源２５よ
り電力を供給される以外は前記実施例と同様に構成され
、前記実施例とほぼ同一の効果が上げられる。本実施例
によれば、第１７の実施例に力ｎえ基板ホルダ１６及び
基板２にも電力が印加されているため、基板２に対しタ
ーゲット１の前面に拡。

がるプラズマ中のイオンが流入する。これにより基板２
上に堆積したスパッタ粒子は再スパツタリングあるいは
マイクレージ１ン現象を起し、溝や穴への埋込性の藁い
成膜を行なうことができる。

さらに本実施例では、ターゲット１の前面に発生するプ
ラズマの密度が高いため、基板２ｖｃ引き込まれるイオ
ンの数も多く、個々のイオンのエネルギーを低（おさえ
ることができる。それにより従来装置の場合のように高
エネルギーイオンの基板への衝突による素子ダーメジや
雰囲気ガスの膜中への吸蔵といった問題を防ぐことがで
きる。

第５図は、第５の発明の実施例の成膜部の構造を示す断
面図である。

本実施例は、第１の磁気回路１４Ａの他にターゲット１
に対向して基板側に第２の磁気装置２４が設置される以
外は、前記実施例と同様であり、前記実施例とはぼ同一
の効果が上げられる。第１の磁気装置１４Ａと第２の磁
気装置２４でそれぞれ発生される磁場は互に逆向きであ
り、磁力線２１詩されるようなカスプ磁場を形成する。

このように本実。

流側では、ターゲット前面に広い領域にわたり高。

磁束密度の磁場を形成す、ることかできるため、広範囲
にわたり高密度プラズマを形成することができ、ターゲ
ットの利用効率を向上することができ５る。さらに本実
施例では、ターゲット前面の磁場強度を′成子サイクロ
トロン共鳴条件（マイクロ波周波数２　、４５ＧＨ２で
は磁気強度８７５ガウス）以上とすることにより、プラ
ズマへのマイクロ波吸収効率を増大させ１０１ｍないし
１０１１　Ｋ７７Ｌ’という高密度プラズマをターゲッ
ト前面で発生することができ、スパッタ効率を高め、成
膜速度カミ向上する。またプラズマ密度の向上によりタ
ーゲットに入射するイオン量がふえ、高エネルギーのイ
オンがターゲットに衝突することなくターゲット１の熱
ストレスも小さくできる。

第４図は、第４の発明の実施例の成膜部の構造を示す断
面図である。′ 本実施例は、第５の発明の実施例のものにバイアス電源
２５を軸１７を介して基板ホルダ１６に凝絖したもので
ある。本実施例では第２の発明の実施例の穴や溝の埋込
性向上の効果を第５の発明の実施例で述べたカスプ磁界
による高密度プラズマの発生により大量の低エネルギー
イオンを基板に流入させることで、より一層向上させる
ことができる。

〔発明の効果〕

以上の発明によればマイクロ波をターゲット上に直接放
射しプラズマを発生させターゲット上に出湯により荷電
粒子を閉じ込めるために、１０−４から１０−１台の雰
囲気圧力で高密反プラズマを発生することができるので
、ターゲットからはじき出される粒子が雰囲気ガス分子
と衝突することなしに基板上に付着堆積し、基板へのス
パッタ粒子への入射角度が小さく、溝部を有する基板へ
の成膜性能が向上するとともに、基板上に付着堆積した
薄膜中への雰囲気ガスの取り込みがなく膜質が向上する
。またマイクロ波導入にアンテナを用いたため、ターゲ
ット上に大きな開口部を設ける必要がなくターゲットを
有効に利用できるという効果が・ある。また基板に電力
を印加して、スパッタ成膜【中に基板をスパッタエツチ
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ーを低（でき、基板又は素子
にダメージを与えることな（、微細溝への埋込性を向上
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の実施例のスパッタ成膜装置の断面
図、第２図は第２の発明の実施例のスパッタ成膜装置の
断面図、第３図は第５の発明の実〜流側のスパッタ成膜
装置の断面図、第４図は第４の発明の実施例のスパッタ
成膜装置の断面図である。 １・・・ターゲット、２・・・試料基板、５・・・陰極
、５・・・真空容器、７・−マイクロ波導入アンテナ、
１３・・・マイクロ波発生源、１４・・・磁気装置、１
４Ａ・・・抑１のｍ気装置、１５・・・ヨーク、２０・
・・スパッタ成膜室、２１・・・磁力線、２５・・・バ
イアス電源、２４・・・第２の磁気装置。 第　１　口 １：ブーケ”・−ト ２；１杯 ３；随時 ！（＋−入／１°−一９ｔ＼’ＲｊＴｉ第　２　ロ 第　３　膓

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
   適宜間隙を隔て対峙して配設される試料基板およびター
   ゲットと、該ターゲットに接合して配置される陰極およ
   びこの電源と、前記ターゲットに係合し、該ターゲット
   の中心部から外周側に向って拡がる磁力線を形成する磁
   気装置と、前記ターゲット、陰極および磁気装置の中心
   を貫通すると共にこれ等と絶縁されるアンテナであって
   、その一端側を前記真空容器内に配置し、他端側導波管
   内に挿入してその先端部を前記導波管外に露出するマイ
   クロ波導入アンテナと、前記導波管に連結するマイクロ
   波発生源とを設けることを特徴とするスパッタ成膜装置
   。 ２、Ａｒガス等の不活性ガスが充填される真空容器内に
   適宜間隙を隔て対峙して配設される試料基板およびター
   ゲットと、該ターゲットに接合して配置される陰極およ
   びこの電源と、前記ターゲットに係合し、該ターゲット
   の中心部から外周側に向って拡がる磁力線を形成する磁
   気装置と、前記ターゲット、陰極および磁気装置の中心
   を貫通すると共にこれ等と絶縁されるアンテナであって
   、その一端側を前記真空容器内に配置し、他端側導波管
   内に挿入してその先端部を前記導波管外に露出するマイ
   クロ波導入アンテナと、前記導波管に連結するマイクロ
   波発生源と、前記試料基板に電力を供給するバイアス電
   源とを設けることを特徴とするスパッタ成膜装置。 ３、Ａｒガス等の不活性ガスが充填される真空容器内に
   適宜間隙を隔て対峙して配設される試料基板およびター
   ゲットと、該ターゲットに接合して配置される陰極およ
   びこの電源と、前記ターゲットに係合し、該ターゲット
   の中心部から外周側に向って拡がる磁力線を形成する第
   １の磁気装置と前記ターゲット、陰極および磁気装置の
   中心を貫通すると共にこれ等と絶縁されるアンテナであ
   って、その一端側を前記真空容器内に配置し、他端側導
   波管内に挿入してその先端部を前記導波管外に露出する
   マイクロ波導入アンテナと、前記導波管に連結するマイ
   クロ波発生源と、前記第１の磁気装置と対向して前記試
   料基板側に設けられ、前記第１の磁気装置と逆向きの磁
   場を形成する第２の磁気装置とを設けることを特徴とす
   るスパッタ成膜装置。 ４、Ａｒガス等の不活性ガスが充填される真空容器内に
   適宜間隙を隔て対峙して配設される試料基板およびター
   ゲットと、該ターゲットに接合して配置される陰極およ
   びこの電源と、前記ターゲットに係合し、該ターゲット
   の中心部から外周側に向つて拡がる磁力線を形成する第
   １の磁気装置と、前記ターゲット、陰極および磁気装置
   の中心を貫通すると共にこれこれ等と絶縁されるアンテ
   ナであって、その一端側を前記真空容器内に配置し、他
   端側導波管内に挿入してその先端部を前記導波管外に露
   出するマイクロ波導入アンテナと、前記導波管に連結す
   るマイクロ波発生源と、前記第１の磁気装置と対向して
   前記試料基板側に設けられ、前記第１の磁気装置と逆向
   きの磁場を形成する第２の磁気装置と、前記試料基板に
   電力を供給するバイアス電源とを設けることを特徴とす
   るスパッタ成膜装置。