JPS634065A - 高周波放電により材料をスパッタリングする方法および装置 - 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、少な（とも２個の電極のうち少な（とも−方
の電極がスパッタリングされる材料を保持し、少なくと
も他方の電極が対向電極を形成する少なくとも２個の電
極を具備するようにし、高周波放電により材料をスパッ
タリングする方法及び装置に関する。本発明による方法
は、例えば電極に支持される半導体基板等の基板の表面
にスパッタリングによるエツチングを施すために用いら
れる。またスパッタリングによる材料を被覆として被着
させることも可能である。

〔従来技術、および発明が解決しようとする問題点〕

スパッタリング装置においてスパッタリング空間におけ
るプラズマ密度を高めるために、以前から磁界が使用さ
れている。まず第一に、スパッタリングの方向が電界の
極性により明確に決定される直流電流スパッタリングを
行なうこのような装置が開発された。これはスパッタリ
ングされる負に帯電されたカソードであり、このためし
ばしばカソードスパッタリングについて述べられている
。

放電空間における磁界の助けにより電子軌道が延長され
、これにより一つの電子につき発生されるイオン数が増
加させられる。米国特許第４１６６０１８号明細書（Ｃ
ｈａｐｉｎ）において始めて平坦な電極を具備する装置
、すなわち磁力線がカソード面から出て再びカソード回
巻無我に入り、したがってカソード面上に一種のトンネ
ルを形成するいわゆる平板型マグネトロン装置が記載さ
れている。プラズマの電子はこのトンネル内に幾分か包
囲され、負に帯電したカソードから反発される。さらに
、カソード面における磁界トンネルが閉じられている場
合には、トンネル内の電子の大部分は無限の軌道に保持
することができる。このような装置は、直流電圧により
カソードスパッタリングをする経済的な可能性を提示し
ている。

高周波によりスパッタリングを行なうことも知られてい
る。この場合、極性が絶えず交番する高周波電圧を使用
するにもかかわらず、スパッタリングの優先方向が発生
する、より詳細にいうとその方向は経験上京に、優先的
にスパッタ飛散される（ａｂｇｅｓｔＷｕｂｔ　ｗｉｒ
ｄ）より小なる電極面側である（ＩＢＭ　Ｊ、　Ｒｅｓ
、　Ｄｅｖｅｌｏｐ、１９７０年３月、第１６８頁）。

勿論、スパッタ飛散がより小なる電極側に厳密に制限さ
れず、プラズマ電位とより大きな電極の電位との間の差
がスパッタリングしきい値を超える場合には、同時によ
り大きな電極面からもスパッタ飛散が現われる。より大
きな電極面とより小なる電極面との面積比が小であれば
ある程、１：１の比において画電極面の一方がスパッタ
飛散する方向に関してもはや優先されな（なる迄、より
大きな電極面からも益々多くのスパッタ飛散が起る。

磁界維持装置について従来の構造形式（スパッタリング
されるべきより小なる電極における磁界）においては、
より大きな電極からのスパフタリングが、１０：１の面
積比においてさえ、やはり、現われる。

真空室において高周波スパッタリングする際に、−方の
側からのみのスパッタ飛散が保証されるこのような両電
極の面積比を得るために、これ迄は屡々真空室自体の壁
が対向電極として使用され、その対向電極面がスパッタ
リングされるべき物質を保持する電極に対して実質的に
１０：１よりも大きく、このため真空室壁のスパッタリ
ングをもはや気遣う必要はない。

米国特許第３６６１７６１号明細書に記載された他の可
能性は、真空室の電極面をスパッタリングされるべき物
質を保持する電極に対し相応して拡大するために、スパ
ッタ飛散されるべきでない真空室における電極に突起部
分を具備するようにしたことにある。

高周波スパッタリングする際にも、より大きなスパッタ
リング比を得るために、プラズマ密度を高めるための磁
界が既に適用されている。このような装置は、例えば米
国特許第３３６９９９１号明細書に示されている。この
米国特許における第１図に示す装置においては、スパッ
タリングされるべき物質Ｔを保持する電極２２には、対
向電極として被覆されるべき基板に対する支持装置８０
が対設され、この際に磁石９０が設けられ、その磁力線
は基板ならびにスパッタ飛散されるべきターゲツト面Ｔ
を実際に垂直方向に透過する。ターゲツト面のみのスパ
ッタリングを保証するために、支持装置と同一電位を有
するその面は、少なくとも真空室の金属底板がアースさ
れた部分と並んで付加的にさらに電極面として作用する
ことにより、より大きく形成されている。上記米国特許
の第１図からは、スパッタリングされるべきでないアー
スされた電極面の全面積がスパッタリングされるべき物
質を保持する電極面Ｔの全面積に対し、確実に１０：、
１よりも実質的に大なる比を有し、したがって電極面Ｔ
からのみスパッタ飛散が行なわれているということが判
断される。

したがって前述したように、１０：１よりも大きな電極
面積比にて高周波スパッタリングする際には、より大き
な電極面の実質的に一諸にスパッタリングすること（Ｍ
ｉＬｚｅｒｓｔ′１ｕｂｅｎ）をもはや気遣う必要はな
い。１０：１からおよそ５；１迄の範囲においては、特
に高いスパッタリング電圧で作動される場合には、ノイ
ズ効果が現われる。しかしながら、半導体技術において
そして光学的目的のために薄層を屡々製造する際にも既
に面積比率が５：ｌよりも大になっており、これ以下の
比において、両電極からのスパッタ飛散は、処理される
べき面またはその上に設けられるべき層を汚染するとい
った危険があるため、もはや益々耐え難いものとなって
いる。両方からのスパッタ飛散は、ガス放電エネルギー
の一部が対向電極の希望しないスパッタリングに費消さ
れるため、実質的に劣った効率をも生じてしまう。

英国特許第１３５８４１１号明細書からは、−方の電極
がスパッタリングされるべき物質を、他方の電極がコー
ティングされるべき基板を保持する２個の電極の間で高
周波スパッタリングする装置において、弱い軸方向磁界
（この磁界は低圧におけるガス放電を持続する）を保持
し、そして基板またはこの上に生長する層を電子照射に
対して保持するために、基板を保持する作業台の前のす
ぐ近くの領域に比較的強力な付加的磁界を発生し、その
磁力線が基板面上にアーチを形成するということが認め
られる。代表的には、最初に挙げた磁界は１００ガウス
のみの強度を有し、−方、第２の磁界は１０００ガウス
の磁束密度を有している。両磁界の協動により、ガス放
電において形成された電子が作業台の中央領域（ここに
基板が位置している）から偏位され、これにより基板の
電子照射が抑制される。しかしながら、この公知の装置
によると、電極の面積比が１０：１より小である場合に
は、両電極のうちより大きな電極も一緒にスパッタリン
グされるのを抑制することは、もはや不可能である。

したがって本発明は、不利な面積比においてもより大き
な電極面が一諸にスパッタリングされることを最大限抑
制し、高周波により物質をスパッタリングするための方
法および装置を実現するという課題に対して提供される
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の本発明の課題は、特許請求の範囲に規定される方
法および装置により解決される。

より大きな面を有する対向電極のスパッタリングを抑制
する本発明に従う磁界装置の作用は、対向電極から出て
この電極に入り、この電極上にアーーＡ成する磁力線に
より電子わな （Ｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎｆａｌｌｅ）が形成されるとい
うことに基礎を置いている。（従来の直流電圧スパッタ
リング装置のカソード上におけると同様。）これにより
、スパッタリングされるべきでない電極の前の荷電粒子
密度の実質的増大が得られ、そして意外にも上述の電極
の高められたスパッタ飛散を、スパッタリング比を実質
的に高める、平板型マグネトロン装置におけるカソード
の前での公知の磁気的電子わなの作用に基づいて期待さ
れるべきであったように、決して生じることがなく、経
験から本発明に従う装置で確認されるように、スパッタ
飛散を大いに抑制する。このことは、おそらくは、スパ
ッタリングされるべきでない面の前での高められた荷電
粒子密度により、この面の磁界の存在なしに現われると
きよりも実質的に小なる電圧降下が発生するということ
により、説明される。したがって、この電極側でのスパ
ッタリング作用も実際的に完全に抑制されることができ
る。その他に、より大きな電極とより小なる電極との面
積比が１０：１以下でももはやスパッタリングは現われ
ない。スパッタリングされるべきでない電極面とスパッ
タリングされるべき電極面との比が１：１より小である
場合にはじめて、これ以後、より小なる電極の高周波ス
パッタリングが磁界によってももはや阻止されない。こ
の最後に述べた事項は、スパッタリングされるべき面が
対向電極として役立つスパッタリング室の内壁よりも実
質的に小である公知の平板型プラズマ装置においても存
在している。したがって、直流電圧カソードスパッタリ
ングにおいてカソードの前の電子わながスパッタリング
比の向上に役立つのに、本発明による電子わなはより大
きな電極の側でのスパッタリングの阻止を生じる。この
阻止は、放電空間における電圧配分の変化に基因するも
のである。

磁界変化および放電空間の幾何学的形状の相応する大き
さにおいて（第１図）、本発明による磁石装置によると
、磁界で支持された高周波放電の公知の利点が不利な面
積比においても得られる。

このことはとりわけ、より低い放電電圧およびより低い
ガス圧において、スパッタリングされるべき面における
より高い比に関係している。また、従来スパッタリング
されるべき面に対して相対的に動く磁界によってのみ可
能となっていたこの面における非常に均質な侵蝕輪郭を
生じることが可能となる。

本発明によれば、公知の装置（スパッタリングされるべ
き面の領域に磁界が形成されるもの）においても、面に
関しより大きな電極のスパッタリングが確実に阻止され
る。本発明による方法を最適に実行するには、磁界の作
用の下で発生する電子わなにおけるプラズマ密度が同一
場所にて、しかも磁界の作用なしで、その他は同一条件
の下で現われるプラズマ密度よりも少なくとも１／３だ
け大となるように、対向電極の領域における磁束密度を
調整することが推奨される。したがって、最初に磁界を
加えてプラズマ密度を測定し、磁界なしでその他は同一
条件の下で第２回目の測定を行なうことにより、磁界の
調整が正しいか否かを事前に調査することができる。こ
の調整のための非常に有利な別のパラメータは、対向電
極と放電空間におけるプラズマとの間の直流電圧−電位
差である。磁界は、この直流電圧−電位差が１００ボル
トよりもより少ない値をとるように、調整される。

高周波により物質をスパッタリングするための実証され
た本発明による装置は、対向電極面を透過する磁束の絶
対値の和｜φ｜とその記号を配慮した、対向電極面を透
過する磁束の和φとの比｜φ｜／φが２：１よりも大で
あることにより特徴づけられる。

以下余白 〔実施例〕 以下に実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

第１図において、１は上方部分２および底板３からなり
、真空ポンプに接続されている排気管４を介して排気可
能な真空室を示している。底板３は、真空空間に向けら
れた側の上にスパッタリングされるべき、すなわちここ
ではエツチングされるべき、基板５′を保持する電極５
として形成されており、この電極５にはスパッタリング
されるべきでない対向電極としての釣鐘型の電極６が対
設している。第１図装置は電極５に支持される基板５′
にスパッタリングによるエツチングを施すために用いら
れる。対向電極は、操作の際に真空室壁を気密に貫通す
る高周波電圧供給部７を介し、コンデンサ８をその間に
接続して外部の高周波電源に接続されている。真空室は
、第１図から一層明らかとなるように、電磁石または永
久磁石９により囲まれており、電極６０円筒部分１１の
内側の上にて真空室内に延びる磁力線は、少なくとも磁
力線１０の実質的部分が面１１から出て再びこの面に入
ることにより、本発明における意味におけるトンネル状
のアーチを形成する。

高周波電圧供給部７は絶縁板１３により保持されている
電圧供給導体１２を具備し、絶縁板１３はこの側でフラ
ンジリング１４によりそしてリングバッキング１５を用
いて真空室１の壁の開口に気密に螺着され、この際導体
１２は開口を通って真空室内に延び、ここで電極６に対
する支持体１７として形成されている。絶縁体１８およ
び金属性す７ト１９は、リングバッキング２３を導体１
２および絶縁板１３に押圧させるのに役立つ。

上述した装置は、半導体製造装置における個々のウェー
ハを連続して処理するために使用される。

この装置においては、同一の真空室において本来のコー
ティングが行なわれる前に、数１０ナノメートル（ｎｍ
）の酸化物がウェーハ表面からエツチングされて除去さ
れるべきである。第１図に従う装置により、シリコン（
Ｓｔ）ウェーハ上における２酸化シリコン（ＳｉＯ□）
に対し３０ナノメートル／分（ｎ＋＊／ｗｉｎ）以上の
エツチング比が得られた。

この場合、１５．２４　ｃｓ　（６インチ）ウェーハ上
において±５％よりもより良好な均一性が得られ、そし
て圧力０．５Ｐａで１３．５６ＭＨｚのアルゴン放電に
おいて約１．２Ｗ／ｊの電力密度でわずかに直流６００
ボルト（りの自己バイアス電圧が現われるということが
決定的となる。

およそ３０ｎｍ／ｗｉｎのはゾ同一のエツチング比は、
これ迄は非常に高いおよそ２ＫＶの電圧および圧力ＩＰ
ａによってのみ得られた。このような高い電圧または高
い圧力の使用は、半導体の製造において従来問題を提起
していたが、該問題は本発明により、今後解消されるも
のと思われる。

上述の装置において、スパッタリングされるべきでない
対向電極に対し、例えば３．５の｜φ｜／φの比が測定
された、この際、ｌψ１は７Ｘ１０−’ボルト秒（Ｖｓ
ｅｃ）の値を、φは２Ｘ１０−’ボルト秒（Ｖｓｅｃ）
の値を示した。この磁束の決定は、ホールプローブ、例
えばベル磁束計モデル６２０、により全電極面を点状に
測定することにより行なわれた。

下記の表は、表形式表示にて上記の測定と他の２つの例
を示すものである。

ここに磁束値はすべて１Ｏ−４ボルト秒単位であられさ
れる。ここに、１０−４ボルト秒＝１０−’つ工−バ；
１ウェーバ＝１ボルト秒である。

本発明による磁石装置により得られる効果に対する尺度
として、放電空間におけるプラズマとスパフタリ・ソゲ
されるべきでない電極との間の電位差が測定され、この
電位差は３つの実施例においてすべて１００ボルト以下
であった。

第１図は、この方法に基づいて磁界を維持する公知の直
流電圧−カソードスパッタリング装置におけると同様な
、スパッタリング比を高める作用を付加的に達成するた
めと、スパッタリングされるべき基板を保持する電極５
の背面（下方）にも磁石２０が設けられうる別の形成可
能性を示している。この場合において、スパッタ飛散さ
れるべき面の上にも、高められた荷電粒子密度と、これ
と同時に上述したように高められたスパッタリング比と
を結果として生じるトンネル状の磁力線が発生される。

電極面５またはスパッタリングされるべき基板の面が対
向電極面よりも実質的に小であるから、ここではすべて
の場合、磁石２０の磁界により抑制することができない
スパッタリングが行なわれる。しかしながら、対向電極
６が行なうことができるスパッタリングは、この装置に
おいても本発明によると磁界１０により阻止される。

第２図および第３図において、本発明に関して同一機能
を付与する部分は以下の同一参照記号を付されている。

２５はスパッタリングされるべき面を保持する電極、２
６はスパッタリングされるべきでない対向電極を示すも
のであって、対向電極２６の近傍にはそれぞれ磁石２７
が設けられ、その磁力線２、特許請求の範囲に従い少く
とも部分的には上述の電極から出て再び同一の電極に入
り、したがって電極面上にトンネルを形成する。

真空室壁は２９、排気管は３０、高周波供給部は３１、
高周波発生器は３２で示されている。第２図において、
真空室壁の下の部分はスパッタリングされるべきでない
対向電極を示す。これに反し第３図においては、真空室
壁の下方部分はスパッタリングされるべき電極またはス
パッタリングされるべき物質の支持体である。第２図の
装置に対し第３図の装置は、スパッタリングされるべき
有効電極面および対向電極が面積的に同一の大きさを有
し、それにもかかわらず対向電極の背面における本発明
に従う磁石装置のため、対向電極のスパッタリングが大
幅に阻止されるということによっても優れている。（−
方、従来技術のレベルによれば、同一大きさの電極面に
おいて、高周波を用いる際に画電極が一様にスパッタリ
ングを受ける）。

本明細書における意味における有効な電極は、放電電流
が流れるこのような電極部分と解される。

スパッタリング空間から離れた電極背面に、例えば第２
図において３３で示すシールド体を設けることが合理的
である、これにより背面における放電が抑制される（そ
れ自体公知の方法で）。このようないわゆる暗部空間シ
ールドに関しては、第１図および第３図に示すように真
空室壁部分にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての高周波放電により材
料をスパッタリングする装置を示す図であって、スパッ
タリングされるべき面を接地電位におき、トンネル状の
磁力線により作用を及ぼされる対向電極が高周波電源に
接続されているエツチング装置を示すもの、第２閣は高
周波の供給がスパッタリングされるべき側にて行なわれ
、これに対しスパッタリングされるべきでない対向電極
が真空室の接地された壁面により形成されている装置を
示す図、第３図はスパッタリングされるべき電極の有効
面が対向電極の面と同一の大きさを有する装置を示す図
である。 １・・・真空室、　　　　２・・・上方部分、３・・・
底板、　　　　　４・・・排気管、５・・・基板保持電
極、　５′・・・基板、６・・・対向電極、　　　７・
・・高周波電圧供給部、８・・・コンデンサ、　　　９
・・・磁石、１０・・・磁力線、 １１・・・対向電極の円筒部分、 １２・・・電圧供給導体、 １３・・・絶縁板、　　　　１４・・・フランジリング
、１５・・・リングバッキング、 １７・・・支持体、　　　１８・・・絶縁体、１９・・
・ナツト、　　　　２０・・・磁石、２３・・・リング
バッキング。 以下余白

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２個の電極のうち少なくとも一つの電
   極がスパッタリングされる材料を担持し、他方の電極が
   スパッタリングされない対向電極を形成し、この際該対
   向電極の領域において磁界が発生され、該磁界の磁力線
   が該対向電極上の実質的部分にアーチを形成し、該対向
   電極から出て再び該対向電極に入るものであって、上記
   少なくとも２個の電極間の高周波放電により材料をスパ
   ッタリングする方法において、 該対向電極（６、１１、２６）の領域における磁束密度
   （１０、２８）が、該対向電極の前に電子わなを形成す
   るように、調整されることを特徴とする高周波放電によ
   り材料をスパッタリングする方法。
2. （２）該対向電極の領域における磁束密度は、磁界の作
   用の下で発圧する電子わなにおけるプラズマ密度が同一
   場所にて、しかも磁界の作用なしでその他は同一条件の
   下で現われるプラズマ密度よりも少なくとも１／３だけ
   大となるように、調整されることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の高周波放電における材料のスパッタ
   リング方法。
3. （３）該磁界は、対向電極（６、１１、２６）と放電空
   間におけるプラズマとの間の直流電圧差が１００ボルト
   よりもより少ない値をとるように、調整されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の高周波放電による
   材料のスパッタリング方法。
4. （４）少なくとも一方の電極がスパッタリングされる材
   料を保持し、他方の電極がスパッタリングされるべきで
   ない対向電極を形成する少なくとも２個の電極と、 該対向電極面上の磁力線の実質的部分がアーチを形成し
   、該対向電極から出て再び該対向電極に入るように配設
   された該対向電極の領域に磁界を発生するための磁石と
   、 を具備して高周波により材料をスパッタリングする装置
   において、 放電に有効的に関与する上記対向電極面Ｆの全面積とス
   パッタリングされる材料を保持する電極面の全面積Ｆ′
   との比Ｆ／Ｆ′が最大で１０：１となることを特徴とす
   る高周波により材料をスパッタリングする装置。
5. （５）該対向電極面を透過する磁束の絶対値の和｜φ｜
   と、 該対向電極面を透過し、その符号を配慮した磁束の和φ
   との比｜φ｜／φが２：１よりも大であることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の高周波により材料をス
   パッタリングする装置。
6. （６）電極（５、６、１１、２５、２６）が排気および
   相互の電気的絶縁に役立つ間隙に至る迄放電空間を実際
   的に完全に囲むことを特徴とする特許請求の範囲第４項
   記載の高周波により材料をスパッタリングする装置。
7. （７）該スパッタリングされる材料（５′）を保持する
   電極（５）に同様に磁界が加えられ、該磁界の磁力線が
   少なくとも部分的に上記電極から出て再び該電極に入る
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の高周波に
   より材料をスパッタリングする装置。