JP2003289070A

JP2003289070A - スパッタリング方法及びスパッタリング装置

Info

Publication number: JP2003289070A
Application number: JP2003036780A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Horiike; 靖浩堀池; Takayuki Fukazawa; 孝之深沢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2003-10-10
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP3887605B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理体表面にある高いアスペクト比の溝，
穴内に，スパッタリングによって堆積種を埋め込むにあ
たり，ボイドを発生させずにその底部から堆積させる。【解決手段】減圧自在に構成された石英管６３内にタ
ーゲット７６とウェハＷを対向配置させ，ウェハＷに対
して低電圧バイアスを印加させると共にアンテナ８５に
四って高密度のヘリコン波プラズマをターゲット７６と
ウェハＷとの間に発生させる。ウェハＷはプラズマ領域
Ｐの下側境界外に近接させて配置する。堆積種は，プラ
ズマ領域Ｐ中でイオン化され，垂直方向に加速されてウ
ェハＷに入射，堆積するので，ウェハＷ表面の溝の底部
から堆積していく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスパッタリング方法、及
びスパッタリング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造プロセスを
例にとって説明すると、従来から半導体ウエハなどの被
処理体に対して電極やパターンを形成したり、素子分離
のための絶縁膜等を形成するために、所定の減圧雰囲気
に設定された処理室内に、当該被処理体と、所望の電
極、パターン材料、絶縁材料からなるターゲットと対向
配置させ、グロー放電等によって前記ターゲットからは
じき出された堆積粒子（堆積種）を、被処理体に堆積さ
せるスパッタリング方法が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで今日、半導体
デバイスの高集積化に伴い、半導体デバイスの製造プロ
セスにおいても、より微細な加工を正確に行う技術の確
立が求められており、例えば内部配線形成プロセスにお
いては、開口部が小さくかつ高さの深い高アスペクト比
の溝内に、所定の配線用堆積種やあるいは絶縁用堆積種
を充填させる必要が生じてきている。

【０００４】かかる場合、従来のスパッタリング方法、
装置では、ターゲットからはじき飛ばされた堆積種の飛
翔方向が揃っておらず、即ち飛翔する各粒子の垂直方向
成分と水平方向成分の比率が区々となっており、そのた
め被処理体表面に形成されたアスペクト比の高い溝、穴
の底部から堆積させようとしても、これら溝、穴の開口
周縁部に堆積する数が多くなってしまう。その結果、
溝、穴の底部や内部にボイドが発生し、断線不良や、絶
縁不良が発生するおそれがあった。

【０００５】かかる事態を防止するには、被処理体に向
かって飛翔する堆積種の水平方向成分を減少させて、垂
直方向で溝、穴に入射、堆積させることが望ましい。こ
の点、例えば複数の円形孔やハニカム状の透孔を垂直方
向に有するコリメータを、ターゲットと被処理体との間
に設置し、ターゲットから飛翔する堆積種の被処理体へ
の入射を規制する方法が提案されているが、かかる方法
によれば入射する堆積種の数が減少するので、堆積レー
トが低下し、また目詰まりが原因でコリメータ自身にデ
ポが生じ、それが剥がれて処理室内を汚染するパーティ
クルが発生する可能性があった。

【０００６】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、被処理体に対して垂直異方性の優れたスパッタリ
ングが実現可能なスパッタンリング方法、並びにその装
置を提供して、高いアスペクト比を有する溝、穴内への
堆積を確実ならしめることを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従来のスパッタリング方
法においては、いわゆる平行平板型プラズマ装置や、マ
グネトロン方式など、比較的プラズマ密度の低いプラズ
マ装置を用いていたため、ターゲットから飛翔して堆積
種となる分子や原子が電気的に中性のものを多く含んで
いるため、前記したような問題が発生していた。そこで
本発明では、基本的に例えばヘリコン波プラズマやその
他ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマなど、高密度でプ
ラズマが発生する方式を採用すると共に、さらに当該高
密度プラズマで、堆積種が効果的にイオン化されて被処
理体に対して垂直方向に入射、堆積させるような構成を
採ったものである。

【０００８】即ちまず請求項１によれば、減圧自在に構
成された処理容器内にターゲットと被処理体を対向配置
し、前記処理容器内にガスを導入しつつプラズマを発生
させて、前記ターゲットからの堆積種又はターゲットか
らの粒子と前記ガスとの結合堆積種を前記被処理体に堆
積させるスパッタリング方法において、前記結合堆積種
をイオン化させるためにアンテナ手段によって処理容器
内にプラズマを発生させてプラズマ領域を形成するよう
にし，前記ターゲットは少なくとも当該プラズマ領域内
に位置させ、前記被処理体は当該プラズマ領域境界外方
近傍に位置させ，さらに前記プラズマ領域を通過する前
記結合堆積種のイオン化割合が中性種よりも多くなるよ
うに前記ターゲットから当該プラズマ領域の境界までの
長さを設定すると共に、前記被処理体にはバイアス電圧
を印加させることを特徴とするスパッタリング方法が提
供される。この場合、アンテナ手段によって発生させる
プラズマとは、他に例えばヘリコン波プラズマやＥＣＲ
プラズマ、誘導結合プラズマが挙げられる。

【０００９】また，スパッタリング方法の参考例とし
て、減圧自在に構成された処理容器内にターゲットと被
処理体を対向配置し、前記処理容器内にガスを導入しつ
つプラズマを発生させて、前記ターゲットからの堆積種
又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種を
前記被処理体に堆積させるスパッタリング方法におい
て、前記プラズマはヘリコン波によって発生させるよう
にし、前記ターゲットは少なくとも当該プラズマ領域内
に位置させ、さらに前記被処理体は当該プラズマ領域境
界外方近傍に位置させると共に、この被処理体にはバイ
アス電圧を印加させるようなスパッタリング方法が提案
できる。

【００１０】これらの各スパッタリング方法において、
請求項２に記載したように、処理容器内に磁場を形成し
て、処理容器内に発生した前記プラズマ領域の被処理体
側境界を規制して前記被処理体を前記プラズマ領域境界
外方近傍に位置させるように構成してもよく、あるいは
請求項３に記載したように、処理容器内に流すガスの流
れによって、処理容器内に発生した前記プラズマ領域の
被処理体側境界を規制して前記被処理体を前記プラズマ
領域境界外方近傍に位置させるように構成してもよい。
また，前記スパッタリング方法は，前記処理容器内に磁
場を形成し，該磁場が形成される範囲内に前記プラズマ
領域を形成させるように構成してもよい。この場合，前
記ターゲットから前記プラズマ領域の前記被処理体側の
境界までの長さは，堆積種の平均自由行程の１０倍とし
てもよい。

【００１１】また，スパッタリング方法の参考例とし
て、プラズマを用いたスパッタリングを利用してターゲ
ットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガス
との結合堆積種を被処理体に堆積させるスパッタリング
方法において、前記プラズマは高密度プラズマとし、タ
ーゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記
ガスとの結合堆積種をこの高密度プラズマ中でイオン化
させ、被処理体表面における高アスペクト比をもった微
細な溝の底に、低誘電率の絶縁膜又はＡｌ、ＴｉＮ等の
膜を異方的に堆積させるようなスパッタリング方法が提
案できる。なお，本発明のスパッタリング方法における
前記結合堆積種は、絶縁膜又はＡｌ系、ＴｉＮ，Ｃｕ系
の膜であってもよい。

【００１２】スパッタリング方法の参考例として，プラ
ズマを用いたスパッタリングを利用してターゲットから
の堆積種、又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結
合堆積種を被処理体に堆積させるスパッタリング方法に
おいて、石英管内に直流の負電位が印加されるＳｉのタ
ーゲットを設けると共に、前記ターゲットと対向する位
置には、高周波電力が印加されるＳｉの被処理体を設
け、ヘリコン波プラズマを用いて前記石英管内にプラズ
マを発生させ、前記発生したプラズマをコイル磁場で一
定の領域内に閉じこめると共に、当該プラズマ発生領域
中に前記ターゲットが位置するように設定し、かつ被処
理体は当該プラズマ領域の境界外方近傍に位置させるよ
うにし、前石英管内に酸素とアルゴンとの混合ガスを導
入して、前記被処理体の表面の溝内にＳｉＯ_２を堆積さ
せるようなスパッタリング方法が提案できる。

【００１３】以上の各スパッタリング方法におけるプラ
ズマは、請求項６に記載したように、１０^１１cm^−３以
上の電子密度を有するようにすることが好ましい。ま
た，前記アンテナ手段は，一巻きのループ形状を有して
いてもよい。さらに，前記ガスは前記処理容器の軸方向
一側から導入して他側から排気され、前記処理容器内に
おいて前記被処理体は前記ガス流の上流側に配置し，前
記ターゲットは，当該ガス流の下流側に配置し，さらに
前記アンテナ手段は，前記ターゲットよりも前記ガス流
の下流側に配置されていてもよい。また，前記アンテナ
手段によって発生するプラズマは，ＥＣＲプラズマ又は
誘導結合プラズマであってもよい。

【００１４】スパッタリング装置としては、まず請求項
１０に記載したように，減圧自在に構成された処理容器
内に、ターゲットと被処理体を対向配置し、前記処理容
器内にガスを導入しつつプラズマを発生させて、前記タ
ーゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記
ガスとの結合堆積種を前記被処理体に堆積させる如く構
成されたスパッタリング装置において、前記処理容器を
略円筒形に構成すると共に、前記結合堆積種をイオン化
するためにアンテナ手段によって前記処理容器内にプラ
ズマを発生させてプラズマ領域を形成するようにし、前
記プラズマ領域を通過する前記結合堆積種のイオン化割
合が中性種よりも多くなるように前記ターゲットから前
記プラズマ領域の前記被処理体側の境界までの長さを設
定し，さらに前記ガスはこの処理容器の軸方向一側から
導入して他側から排気するように構成し、前記被処理体
に対してバイアス電圧を印加自在となるように構成した
ことを特徴とするスパッタリング装置が提供される。

【００１５】また，請求項１１に記載したように前記ア
ンテナ手段によって発生したプラズマが前記処理容器の
軸方向に沿って少なくとも被処理体側に拡散するのを防
止するための磁場形成手段を処理容器外周に設けてもよ
い。

【００１６】本発明のスパッタリング装置は，請求項１
２に記載したように前記ターゲットと前記被処理体との
各中心を結ぶ軸線と直交する面に磁場を形成する磁場形
成手段を備えていてもよい。この場合、請求項１３のよ
うに前記磁場形成手段にヨークを付加した構成とした
り、さらに請求項１４のように前記磁場形成手段によっ
て発生する最大磁場が、ターゲットと被処理体との間の
ほぼ中心に位置するように設定してもよい。

【００１７】そして以上のように構成される各スパッタ
ンリング装置において、請求項１５のようにターゲット
を冷却する冷却手段を備えたり、請求項１６のように被
処理体を冷却する冷却手段を備えれば、さらに好ましい
結果が得られる。

【００１８】プラズマ密度自体については、請求項１７
のように１０^１１cm^−３以上の電子密度を有するプラズ
マを発生させる如く構成すれば、なお好ましく、この場
合、ヘリコン波によってプラズマを発生させるようにし
てもよい。そしてプラズマを発生させるためのアンテナ
手段については、処理容器内部に設けるようにしてもよ
い。また，前記アンテナ手段は，ループ形状を有してい
てもよく，そのアンテナ手段は，一巻のループ形状を有
していてもよい。また，被処理体に堆積させる結合堆積
種が導電性物質の場合，前記アンテナ手段の材質は，導
電性物質と同一の物質で構成されていてもよい。前記ア
ンテナ手段によって発生するプラズマは，ＥＣＲプラズ
マであってもよいし，誘導結合プラズマであってもよ
い。前記処理容器内において，前記被処理体は前記ガス
流の上流側に配置され，前記ターゲットは，当該ガス流
の下流側に配置されており，前記アンテナ手段は，前記
ターゲットよりも前記ガス流の下流側に設けられていて
もよい。前記磁場形成手段の前記ヨークは，２つ備えら
れ，コ字型で前記処理容器を挟んで開口部が互いに向き
合うように対向配置されていてもよい。

【００１９】

【作用】請求項１の場合、アンテナ手段によって発生さ
れる例えばＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマなどのプ
ラズマは、高密度プラズマである。従って、スパッタリ
ングによってターゲットから放出された分子、原子など
の堆積種は、この高密度プラズマを通過する際にイオン
化される。従って、被処理体にバイアス電圧を印加させ
ることにより、当該イオン化された活性種は、垂直方向
に加速されてそのまま被処理体に向かって飛翔し、被処
理体表面に堆積する。また堆積レートを低下させること
もない。この場合、被処理体はプラズマ領域境界外方近
傍に位置させているので、プラズマ自体による影響、例
えばエッチングなどが施されるおそれはない。

【００２０】また参考例のスパッタリング方法によれ
ば、ヘリコン波によって発生されるプラズマを用いてい
るので、ターゲットから放出された中性の堆積種を効果
的にイオン化することが可能である。

【００２１】請求項２によれば、処理容器内に形成した
磁場によって、請求項３の場合には、処理容器内に流す
ガスの流れによって、そのようなプラズマ領域の被処理
体側境界を規制している。従って、所定の位置に境界設
定することが容易であり、特に請求項３の場合には、格
別にかかる境界規制手段を設けることなく、処理容器内
に導入する通常の処理ガスの流れによって、かかるプラ
ズマ領域の被処理体側境界を規制することが可能になっ
ている。

【００２２】また別の参考例のスパッタリング方法によ
れば、ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒
子と前記ガスとの結合堆積種をこの高密度プラズマ中で
イオン化させ、被処理体表面における高アスペクト比を
もった微細な溝の底に、低誘電率の絶縁膜又はＡｌ、Ｔ
ｉＮ等の膜を異方的に堆積させるので、堆積後の前記溝
内にボイド等が発生するおそれはない。

【００２３】さらに別の参考例のスパッタリング方法に
よれば、スパッタされたＳｉが運動量をもち、しかも高
密度ヘリコン波プラズマ中でイオン化が促進され、さら
にバイアスによって被処理体に対して直角に加速される
ので、底部から堆積が進み、前記被処理体の表面の溝内
に堆積したＳｉＯ_２中に、ボイド等が発生することはな
い。

【００２４】そして請求項６のように、以上の各スパッ
タリング方法におけるプラズマを１０^１１cm^−３以上の
密度に設定すれば、プラズマ中を通過する堆積種は、そ
の大部分がイオン化される。

【００２５】請求項１０に記載したスパッタリング装置
によれば、アンテナ手段によって処理容器内に高密度の
プラズマが発生する。そして，例えば被処理体をガス流
の上流側に配置し、ターゲットを当該ガス流の下流側に
配置した場合、ガス流の制御によって、被処理体を前記
プラズマ領域の境界外方近傍に位置させ、かつターゲッ
トを前記プラズマ領域内に配置させることが可能であ
る。従って、前記ターゲットからの堆積種又はターゲッ
トからの粒子と前記ガスとの結合堆積種は、前記プラズ
マ領域中でイオン化させる一方、プラズマによって被処
理体自体が例えばエッチングされることなどを防止でき
る。そして被処理体にバイアス電圧を印加させることに
より、イオン化された堆積種はこの被処理体に対して直
角に入射、堆積する。

【００２６】この点請求項１１によれば、発生したプラ
ズマが処理容器の軸方向に沿って少なくとも被処理体側
に拡散するのを防止するための磁場形成手段が設けられ
ているので、被処理体を前記プラズマ領域の境界外方近
傍に位置させ、かつターゲットを前記プラズマ領域内に
配置させることが可能である。

【００２７】請求項１２によれば、ターゲットと被処理
体との各中心を結ぶ軸線と直交する面に磁場を形成する
磁場形成手段を備えているので、被処理体を前記プラズ
マ領域の境界外方近傍に位置させ、かつターゲットを前
記プラズマ領域内に配置させることが可能である。また
この点、請求項１３に記載したように、ヨークを付設す
れば、簡易な手段で磁場強度の制御が容易であり、さら
に請求項１４のように、前記磁場形成手段によって発生
する最大磁場が、ターゲットと被処理体との間のほぼ中
心に位置するように設定すれば、被処理体にプラズマが
ダメージを与えるようなことはない。

【００２８】請求項１５のように、ターゲットを冷却す
る冷却手段を備えたり、請求項１６のように、被処理体
を冷却する冷却手段を備えれば、ターゲットや被処理体
の温度が異常に上昇するのを抑えて、適切なスパッタリ
ング処理を実施することが可能である。

【００２９】そして請求項１７に記載したように、１０
^１１cm^−３以上の電子密度を有するプラズマを発生させ
る如く構成すれば、堆積種のイオン化が適切に行われ、
電気的に中性の堆積種の割合を大幅に減少させることが
できる。この場合、ヘリコン波によってプラズマを発生
させるようにすれば、かかる高密度のプラズマを容易に
得ることができる。

【００３０】請求項２０に記載したように、処理容器内
部にアンテナ手段を設ければ、導電性の堆積種をスパッ
タリングによって被処理体表面に堆積させる処理を実施
するにあたり、処理容器の内周壁にかかる堆積種が付着
しても、プラズマの発生に支障をきたさない。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図について説明する
と、図１は第１実施例にかかるスパッタリング装置１の
断面を模式的に示しており、このスパッタリング装置１
における処理容器２は、図示される如く、略円筒形状の
石英管によって構成されている。そしてスパッタリング
処理される被処理体、例えば半導体ウエハ（以下、「ウ
エハ」という）Ｗは、前記処理容器２の底部に設置され
た導電性のサセプタ３の上に、例えば静電チャック（図
示せず）を介して保持されるようになっている。

【００３２】このサセプタ３は下部電極を構成し、処理
容器２外部に設置された高周波電源４、整合装置５を介
して、この高周波電源４からのバイアス電圧、例えば１
００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波が印加自在なよ
うに構成されている。またこのサセプタ３内には、適宜
の冷却空間６が形成されており、この冷却空間６内を、
導入管７、排出管８を通じて、例えば室温程度（２０〜
２５゜Ｃ）の冷却水が循環するようになっており、前記
ウエハＷは所定の温度にまで冷却、維持されるようにな
っている。

【００３３】前記処理容器２の底部近傍には、真空ポン
プなどの排気手段１１に通ずる排気管１２が設けられて
おり、この排気手段１１の作動によって、この処理容器
２内は、０．１mmＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒまでの任意の
減圧度に調節自在となっている。

【００３４】一方前記サセプタ３と対向する処理容器２
内の上部には、上部電極２１が設けられており、この上
部電極２１の下面、即ち、前記サセプタ３と対向する面
に、ターゲット２２が設けられている。本実施例におい
ては、Ｓｉのターゲットを用いている。この上部電極２
１は、支持材２３によって支持されており、この支持材
２３を貫設した導入管２４、排出管２５によって、冷却
水が上部電極２１内の冷却空間２６内を循環し、前記タ
ーゲット２２を所定の温度にまで冷却するように構成さ
れている。そして上部電極２１には、処理容器２外部に
設置された直流電源２７から、所定の負のバイアス電
圧、例えば３００Ｖの直流電圧が印加されるように構成
されている。

【００３５】前記処理容器２の上部近傍には、処理ガス
導入管３１が設けられており、この処理ガス導入管３１
には、バルブ３２、３３及びマスフローコントローラ３
４、３５を介して、処理ガス供給源３６、３７が接続さ
れている。本実施例においては、処理ガス供給源３６に
Ａｒガスが、処理ガス供給源３７にはＯ_２ガスが用意さ
れている。

【００３６】前記処理容器２の上部外周には、ヘリコン
波を発生させる図２に示したようなループ状のアンテナ
４１が配置されている。そしてこのアンテナ４１には、
整合装置４２を介して、高周波電源４３からの高周波、
例えば１３．５６ＭＨｚの高周波が印加されるように構
成されている。

【００３７】前記アンテナ４１と、サセプタ３との間に
おける前記処理容器２の外周には、側面が略「コ」字型
のヨーク５１、５２が、図１、図２に示したように、処
理容器２を挟んで開口部が向き合うように対向配置され
ており、さらにこれら各ヨーク５１、５２には、それぞ
れコイル５３、５４が巻き付けられており、所定の電源
（図示せず）からの電流がこれらコイル５３、５４を流
れると、前記各ヨーク５１、５２の上部延出部５１ａ、
５２ａ間、下部延出部５１ｂ、５２ｂ間に磁束（図１に
おける破線で示す）が形成され、処理容器２内に磁場が
形成されるようになっている。なお本実施例で使用した
ヨーク５１、５２は、同形同大であって、その材質は、
透磁率の高い冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）からなってい
る。もちろんこれに限らず、高い透磁率を有する材質の
ヨークを適宜選択して使用でき、また前記したように、
２つのヨークを用意して必ずしも対向させる必要はな
い。

【００３８】本実施例にかかるスパッタリング装置１は
以上の構成を有しており、本装置を用いて、図３に示し
たようにウエハＷ表面に形成された高アスペクト比の溝
Ｄ内に、ＳｉＯ_２の絶縁膜を埋め込む処理について説明
すると、まず排気手段１１によって処理容器２内を減圧
し、さらに処理ガス供給源３６からＡｒガスを、処理ガ
ス供給源３７からＯ_２ガスを導入して、処理容器２内を
５mmＴｏｒｒの減圧度に維持する。なおＡｒガスとＯ_２
ガスの流量比は、Ａｒガスが８０％、Ｏ_２ガスを２０％
とした。

【００３９】そして前記サセプタ３に高周波電源４から
高周波バイアスを印加すると共に、ターゲット２２に対
しても直流電源２７によって直流の電圧（負電位）を印
加させる。またアンテナ４１に対しては、高周波電源４
３からの高周波を印加してヘリコン波を発生させ、処理
容器２内に高密度のプラズマを発生させる。一方コイル
コイル５３、５４に対しても通電して、処理容器２内の
所定領域に磁場を形成させる。なおこのときの発生した
磁場強度と、ターゲット２２、ウエハＷとの位置関係
は、図４のグラフに示した通りである。かかる磁場が処
理容器２内に形成されると、発生したプラズマはこの磁
場の中に閉じこめられ、図１に示したようなプラズマ領
域Ｐが形成される。

【００４０】そうすると、処理ガス中のＡｒガス粒子が
プラズマによって解離して、Ｓｉのターゲット２２に向
けて飛翔し、それによってターゲット２２からＳｉ粒子
がはじき飛ばされ、処理ガス中のＯ_２と結合して堆積種
ＳｉＯ_２が発生する。前記プラズマ領域Ｐは、ヘリコン
波によって生成された高密度のプラズマであるから、発
生したＳｉＯ_２は、このプラズマ領域Ｐを通過する際に
その大部分がイオン化される。他方、被処理体であるウ
エハＷには、高周波電源４によってバイアスがかけられ
ているから、この堆積種ＳｉＯ_２は当該ウエハＷに向け
て垂直方向に加速される。

【００４１】従って、図５に示したように、堆積種Ｓｉ
Ｏ_２はウエハＷ表面に形成された溝Ｄ内に垂直方向に入
射し、その底部から堆積していく。そのゆえ溝Ｄの深さ
が大きく、開口部が小さい高アスペクト比であっても、
その底部から堆積させることができるので、埋め込まれ
たＳｉＯ_２中に、ボイドが生ずるおそれはないものであ
る。またコリメータを使用していないので、堆積レート
が低下することもない。

【００４２】なお前記処理における堆積種のイオン化過
程を鑑みれば、プラズマ領域通過中に、堆積種のイオン
化を促進してイオン化された堆積種の割合を多くする必
要があるが、前記スパッタリング装置１においては、ヨ
ーク５１、５２によってプラズマ領域Ｐの幅（処理容器
２の軸方向の長さ）を適切に設定させられるので、かか
るイオン化を十分に実現させることが可能となってい
る。その場合、前記プラズマ領域Ｐの幅（処理容器２の
軸方向の長さ）、より厳密にいえば、ターゲット２２か
らプラズマ領域Ｐの下側境界までの軸方向の長さは、堆
積種の平均自由行程の約数倍〜１０倍程度の長さがあれ
ば、ヘリコン波プラズマ通過中に堆積種のイオン化割合
を中性種よりも多くすることが可能であり、所期の異方
性の高い堆積が実現できる。また発生したプラズマもヘ
リコン波による高密度プラズマであるから、堆積種のイ
オン化が効果的になされている。

【００４３】また図１に示したように、被処理体である
ウエハＷは、プラズマ領域Ｐの中に位置していないた
め、プラズマ中に曝されることはなく、ウエハＷ表面の
溝Ｄ自体がプラズマによってエッチングされることはな
い。そしてこのウエハＷに対しては、高周波電源４によ
ってバイアス電圧が印加されているので、イオン化され
ない堆積種が溝Ｄの開口周縁部に堆積しても、これを削
り落とすことができる。従って、溝Ｄ内への堆積種の入
射を阻害させることはなく、ボイドを生じさせることな
く溝Ｄ内に堆積種を堆積させることが可能である。

【００４４】なお前記処理は、堆積種をＳｉＯ_２とし
て、ウエハＷ表面に形成された溝Ｄ内にＳｉＯ_２の絶縁
パターンを形成する例であったが、もちろん前記スパッ
タリング装置１によれば、処理ガス、ターゲットの種類
を変えて他の処理についても適用できる。例えばターゲ
ット２２にはＳｉを使用したまま、処理ガスにＡｒガス
とＮ_２ガスとの混合ガスを用いれば、コンタクトホール
などに用いられる、Ｓｉ_３Ｎ_４の堆積種を被処理体表面
の溝、穴に堆積させることが可能であり、ターゲット２
２にＴｉを使用すれば、同じくＡｒガスとＮ_２ガスを用
いることにより、被処理体表面の溝、穴にＴｉＮを堆積
させることができる。いずれの場合にも前記したＳｉＯ
_２の場合と同様、垂直方向の入射率の高い堆積処理を実
施することができ、溝、穴内にその底部からＳｉ
_３Ｎ_４、ＴｉＮを埋め込むことが可能である。従って、
これら溝、穴がアスペクト比の高いものであってもボイ
ドのない堆積処理を実施することができる。

【００４５】その他、例えば処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８、
ＣＦ_４等のＣＦ系のガスを用いれば、堆積種ＣＦ^＋を、
被処理体に向けて垂直に入射させて対応する堆積処理を
実施させることができる。なおこの場合は、被処理体に
印加するバイアス電圧のパワーは前記した実施例よりも
小さくする方が好ましい。

【００４６】なお例えばＡｌ系、Ｃｕ系の導電性物質
を、例えばウエハＷ表面の溝、穴内に堆積させて埋め込
む処理を実施する場合、前記実施例にかかるスパッタリ
ング装置１におけるアンテナ４１を処理容器２内部に配
置し、アンテナ４１の材質も、これら導電性物質と同一
の物質で構成すればよい。そうすると、Ａｌ系、Ｃｕ系
の導電性物質が、処理容器２内面やアンテナ４１自体に
付着しても、アンテナ４１の機能をなんら損ねることな
く、処理容器２内に高密度のプラズマを発生させること
が可能である。

【００４７】前記実施例にかかるスパッタリング装置１
においては、プラズマ領域Ｐを規制するため、ヨーク５
１、５２を使用したが、かかる手段を用いなくとも、本
発明を実施することができる。図６は、そのようなヨー
クを持たない構成を有する第２実施例にかかるスパッタ
リング装置６１の構成の概略を模式的に示しており、こ
のスパッタリング装置６１の処理容器６２は、直径６０
mm、長さ５０cmの石英管６３の上下にシール材６４を介
して排気チャンバ６５、給気チャンバ６６を備えた構成
を有している。前記排気チャンバ６５は、排気手段６７
に通ずる排気管６８を具備し、給気チャンバ６６は、バ
ルブ６９、７０、マスフローコントローラ７１、７２を
介して処理ガス供給源７３、７４に通ずる給気管７５を
具備している。そしてこのスパッタリング装置６１にお
いても、処理ガス供給源７３にＡｒガスが、処理ガス供
給源７４にＯ_２ガスがそれぞれ充填されている。

【００４８】前記石英管６３内の上部には、排気チャン
バ６５を気密に貫設した上部電極７５が配置されてお
り、その下端部の水冷基盤上にＩｎで付着させた単結晶
Ｓｉのターゲット７６が設けられている。この上部電極
７５には、外部の直流電源から直流電圧（負電位）が印
加される構成となっている。

【００４９】一方前記石英管６３内の下部には、給気チ
ャンバ６６を気密に貫設した下部電極８１が、前記上部
電極７５と対向して配置されている。そしてこの下部電
極８１の上端部に基盤８２が設けられ、被処理体である
ＳｉのウエハＷは、この基盤８２上に設けられている。
なお基盤８２とターゲット７６間の距離は、３cmに設定
してある。そしてこの下部電極８１に対しては、整合器
８３を介して高周波電源８４から１００ｋＨｚの高周波
が印加されるようになっている。

【００５０】前記石英管６３の外周には、ターゲット７
６から４cm上方に位置した部分に、アンテナ８５が配置
されている。このアンテナ８５は、一巻きのループ形状
をなしており、整合装置８６を介して高周波電源８７に
接続され、この高周波電源８７によって、周波数が１
３．５６ＭＨｚの高周波が印加されると、石英管６３内
にヘリコン波プラズマを発生させる構成となっている。
そしてこのアンテナ８４の上方には、磁場を形成させる
ためのコイル８８が配置されている。

【００５１】第２実施例にかかるスパッタリング装置６
１は、以上の構成を有しており、次にウエハＷ表面に形
成された溝内にＳｉＯ_２を堆積させる処理について説明
すると、石英管６３内に処理ガスとして、Ａｒガスを８
０％、Ｏ_２ガスを２０％の割合で導入し、石英管６３内
の減圧度を５mmＴｏｒｒに設定する。そしてコイル８６
による磁場強度を１８０Ｇａｕｓｓ、アンテナ８３に印
加する高周波電力を１．２ｋＷに設定し、さらに上部電
極７５に−３００ｖを印加すると共に、下部電極８１に
１００ｋＨｚ・５０ｖの高周波バイアスを印加させる。

【００５２】そうすると、図６に示したように、石英管
６３内に高密度（１×１０^１２cm⁻ ^３）のヘリコン波プ
ラズマが発生するが、ウエハＷの下方に位置する給気チ
ャンバ６６から導入される前記ＡｒガスとＯ_２ガスとの
混合ガスのガス流により、プラズマ領域Ｐの下方側境界
は、ウエハＷのすぐ上の位置になるように設定すること
が可能である。

【００５３】そしてこの状態でスパッタリングを実施す
れば、前出スパッタリング装置１の場合と同様、堆積種
であるＳｉＯ_２がプラズマ領域Ｐ通過中にイオン化され
て、垂直方向に加速され、ウエハＷ表面の溝内に入射、
堆積するのである。実際に前記稼働条件の下で、このス
パッタリング装置６１を用いてＳｉの半導体ウエハに対
して処理を行ったところ、例えば幅１．２μｍ、深さ３
μｍの溝に対しても、ボイドのないＳｉＯ_２の埋め込み
を実施することができた。またこの場合の堆積速度は、
約１０００オングストローム／分であった。従って、堆
積速度を損ねることなく、前記した高アスペクト比の溝
内に、ＳｉＯ_２を空隙なく埋め込むことができる。

【００５４】しかもかかる作用を実現させる際の、下部
電極８１へ印加するバイアス電圧は、５０ｖと極めて低
圧でよく、従ってウエハＷに対してダメージを与えるお
それもないものである。

【００５５】なお前記各実施例は、いずれも被処理体と
して半導体ウエハを選択してスパッタリングを実施した
例であったが、もちろん例えば他の被処理体、例えばＬ
ＣＤ基盤を被処理体としても、本発明は適用可能であ
る。

【００５６】

【発明の効果】請求項１〜請求項９によれば、スパッタ
リングによってターゲットから放出された分子、原子な
どの堆積種は、この高密度プラズマを通過する際にイオ
ン化され、被処理体に対して直角方向に加速されてその
まま被処理体に向かって飛翔し、被処理体表面に堆積す
る。従って、被処理体表面に形成された微細な溝、穴の
底部から堆積種を堆積させることができ、堆積後のこれ
ら溝、穴内には、ボイドが発生することはない。従っ
て、例えばウエハ内部の微細なパターン、微少なコンタ
クトホールに接続不良、絶縁不良などの配線不良が発生
するおそれはない。しかも従来のコリメータを使用する
方法に比べても、デポを発生させずに堆積レートを向上
させている。もちろん被処理体自体がプラズマによって
ダメージを受けるおそれもないものである。

【００５７】特にプラズマにヘリコン波を用いた場合、
イオン化される割合が多くなっており、活性種の垂直入
射率はさらに向上している。

【００５８】請求項２、３によれば、プラズマ領域の被
処理体側境界を規制が制御でき、堆積レートの低下を招
くことなく、適切な被処理体の設置位置を設定できる。
特に請求項４の場合には、格別にかかる境界規制手段を
設けることなく、処理容器内に導入する通常の処理ガス
の流れによって、かかるプラズマ領域の被処理体側境界
を規制することが可能になっており、装置として構成し
た場合、その分簡素化できる。

【００５９】また、被処理体表面における高アスペクト
比をもった微細な溝の底に、低誘電率の絶縁膜又はＡ
ｌ、ＴｉＮ等の膜を異方的に堆積させるので、堆積後の
前記溝内にボイド等が発生するおそれはない。

【００６０】被処理体表面における高アスペクト比をも
った微細な溝などの底の部分からボイドのないＳｉＯ_２
を堆積させることが可能である。

【００６１】請求項６によれば、プラズマ中を通過する
堆積種のイオン化割合を多くすることができ、その結果
被処理体に直角に入射、堆積する堆積種の割合をさらに
向上させることが可能である。

【００６２】請求項１０〜請求項２５に記載したスパッ
タリング装置によれば、被処理体に対してプラズマによ
るダメージ、エッチング等を与えることなく、被処理体
表面に対して直角に堆積種を堆積させることが可能であ
る。従って、被処理体表面に形成された溝、穴の底部か
ら堆積種を堆積させることができ、微細な溝であっても
その内部にボイド等を発生させることなく、堆積種でこ
れら溝、穴等を充填させることが可能である。

【００６３】また特に請求項１１、１２、１３、１４に
よれば、磁場形成手段によって被処理体を前記プラズマ
領域の境界外方近傍に位置させることが容易であり、プ
ラズマによるエッチング、ダメージを防止して、適切な
スパッタリングを実施することが可能である。特に請求
項１３の場合、ヨークを用いているので、簡易な構成に
よって磁場強度、範囲の設定等が容易であり、所望のプ
ラズマ領域の設定も簡単となっている。

【００６４】そして請求項１５のように、ターゲットを
冷却する冷却手段を備えたり、請求項１６のように、被
処理体を冷却する冷却手段を備えれば、ターゲットや被
処理体の温度の異常上昇を抑えて、適切なスパッタリン
グ処理を実施することが可能である。

【００６５】請求項１７によれば、堆積種のイオン化が
適切に行われ、電気的に中性の堆積種の割合を大幅に減
少させて、垂直異方性にすぐれたスパッタリングを実施
することができる。

【００６６】そして請求項２０に記載したように、処理
容器内部にアンテナ手段を設ければ、導電性の堆積種を
スパッタリングによって被処理体表面に堆積させる処理
を実施するにあたり、処理容器の内周壁にそのような堆
積種が付着しても、プラズマの発生に支障をきたさな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第実施例にかかるスパッタリング装置
の断面を模式的に示した説明図である。

【図２】図１のスパッタリング装置におけるアンテナの
平面形態を示す平面説明図である。

【図３】被処理体である半導体ウエハ表面に形成された
高アスペクト比の溝の断面説明図である。

【図４】図１のスパッタリング装置におけるターゲット
とウエハとの間の磁場強度を示すグラフである。

【図５】図１のスパッタリング装置を用いて図３の溝内
にＳｉＯ_２を入射、堆積させている様子を示す断面説明
図である。

【図６】本発明の第２実施例にかかるスパッタリング装
置の断面を模式的に示した説明図である。

【符号の説明】

１スパッタリング装置２処理容器３サセプタ４高周波電源６、２６冷却空間９排気管１１排気手段２１上部電極２２ターゲット２７直流電源３１処理ガス導入管３６、３７処理ガス供給源４１アンテナ４３高周波電源５１、５２ヨーク５３、５４コイルＷウエハ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/76 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｋ (72)発明者深沢孝之山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の１東京エレクトロン山梨株式会社内Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA46 BA58 BD01 CA06 DC03 DC34 DC35 4M104 AA01 BB02 BB04 BB30 DD38 DD39 DD41 HH13 5F032 AA35 AA44 DA07 5F033 HH08 HH11 HH33 MM01 PP17 RR04 SS08 XX02 XX04 5F045 AA19 AB32 AB33 AC11 AC15 AC16 AD04 AE15 BB19 DP03 DQ10 EH11 EH16 EJ03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧自在に構成された処理容器内にター
ゲットと被処理体を対向配置し、前記処理容器内にガス
を導入しつつプラズマを発生させて、前記ターゲットか
らの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結
合堆積種を前記被処理体に堆積させるスパッタリング方
法において、前記結合堆積種をイオン化させるためにアンテナ手段に
よって処理容器内にプラズマを発生させてプラズマ領域
を形成するようにし，前記ターゲットは少なくとも当該
プラズマ領域内に位置させ、前記被処理体は当該プラズ
マ領域境界外方近傍に位置させ，さらに前記プラズマ領
域を通過する前記結合堆積種のイオン化割合が中性種よ
りも多くなるように前記ターゲットから当該プラズマ領
域の境界までの長さを設定すると共に、前記被処理体に
はバイアス電圧を印加させることを特徴とする、スパッ
タリング方法。
【請求項２】処理容器内に磁場を形成して、処理容器
内に発生した前記プラズマ領域の被処理体側境界を規制
して前記被処理体を前記プラズマ領域境界外方近傍に位
置させるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載
のスパッタリング方法。
【請求項３】処理容器内に流すガスの流れによって、
処理容器内に発生した前記プラズマ領域の被処理体側境
界を規制して前記被処理体を前記プラズマ領域境界外方
近傍に位置させるようにしたことを特徴とする、請求項
１に記載のスパッタリング方法。
【請求項４】前記処理容器内に磁場を形成し，該磁場
が形成される範囲内に前記プラズマ領域を形成したこと
を特徴とする，請求項１に記載のスパッタリング方法。
【請求項５】前記結合堆積種は、絶縁膜又はＡｌ系、
ＴｉＮ，Ｃｕ系の膜であることを特徴とする、請求項
１，２，３又は４のいずれかに記載のスパッタリング方
法。
【請求項６】前記プラズマ領域のプラズマは、１０
^１１cm^−３以上の電子密度を有することを特徴とする、
請求項１、２、３、４又は５に記載のスパッタリング方
法。
【請求項７】前記アンテナ手段は，一巻きのループ形
状を有することを特徴とする，請求項１，２，３，４，
５又は６のいずれかに記載のスパッタリング方法。
【請求項８】前記ガスは前記処理容器の軸方向一側か
ら導入して他側から排気され、前記処理容器内において
前記被処理体は前記ガス流の上流側に配置し，前記ター
ゲットは，当該ガス流の下流側に配置し，さらに前記ア
ンテナ手段は，前記ターゲットよりも前記ガス流の下流
側に配置されることを特徴とする，請求項１，２，３，
４，５，６又は７のいずれかに記載のスパッタリング方
法。
【請求項９】前記アンテナ手段によって発生するプラ
ズマは，ＥＣＲプラズマ又は誘導結合プラズマであるこ
とを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７又
は８のいずれかに記載のスパッタリング方法。
【請求項１０】減圧自在に構成された処理容器内に、
ターゲットと被処理体を対向配置し、前記処理容器内に
ガスを導入しつつプラズマを発生させて、前記ターゲッ
トからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスと
の結合堆積種を前記被処理体に堆積させる如く構成され
たスパッタリング装置において、前記処理容器を略円筒
形に構成すると共に、前記結合堆積種をイオン化するた
めにアンテナ手段によって前記処理容器内にプラズマを
発生させてプラズマ領域を形成するようにし、前記プラ
ズマ領域を通過する前記結合堆積種のイオン化割合が中
性種よりも多くなるように前記ターゲットから前記プラ
ズマ領域の前記被処理体側の境界までの長さを設定し，
さらに前記ガスはこの処理容器の軸方向一側から導入し
て他側から排気するように構成し、前記被処理体に対し
てバイアス電圧を印加自在となるように構成したことを
特徴とする、スパッタリング装置。
【請求項１１】前記アンテナ手段によって発生したプ
ラズマが前記処理容器の軸方向に沿って少なくとも被処
理体側に拡散するのを防止するための磁場形成手段を処
理容器外周に設けたことを特徴とする、請求項１０に記
載のスパッタリング装置。
【請求項１２】前記ターゲットと前記被処理体との各
中心を結ぶ軸線と直交する面に磁場を形成する磁場形成
手段を備えたことを特徴とする、請求項１０に記載のス
パッタンリング装置。
【請求項１３】前記磁場形成手段に、ヨークを備えた
ことを特徴とする、請求項１２に記載のスパッタンリン
グ装置。
【請求項１４】前記磁場形成手段によって発生する最
大磁場が、ターゲットと被処理体との間のほぼ中心に位
置するように設定したことを特徴とする、請求項１２又
は１３に記載のスパッタリング装置。
【請求項１５】ターゲットを冷却する冷却手段を備え
たことを特徴とする、請求項１０、１１，１２，１３又
は１４に記載のスパッタリング装置。
【請求項１６】被処理体を冷却する冷却手段を備えた
ことを特徴とする、請求項１０、１１、１２，１３，１
４又は１５に記載のスパッタリング装置。
【請求項１７】１０^１１cm^−３以上の電子密度を有す
るプラズマを発生させる如く構成したことを特徴とす
る、請求項１０、１１、１２、１３，１４，１５又は１
６に記載のスパッタリング装置。
【請求項１８】前記アンテナ手段は，ループ形状を有
することを特徴とする，請求項１０，１１，１２，１
３，１４，１５，１６又は１７のいずれかに記載のスパ
ッタリング装置。
【請求項１９】前記アンテナ手段は，一巻のループ形
状を有することを特徴とする，請求項１８に記載のスパ
ッタリング装置。
【請求項２０】前記アンテナ手段は処理容器内部に設
けられたことを特徴とする、請求項１０、１１、１２、
１３、１４，１５，１６，１７，１８又は１９に記載の
スパッタリング装置。
【請求項２１】被処理体に堆積させる結合堆積種が導
電性物質の場合，前記アンテナ手段の材質は，導電性物
質と同一の物質で構成されていることを特徴とする，請
求項２０に記載のスパッタリング装置。
【請求項２２】前記アンテナ手段によって発生するプ
ラズマは，ＥＣＲプラズマであることを特徴とする，請
求項１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１
７，１８，１９，２０又は２１のいずれかに記載のスパ
ッタリング装置。
【請求項２３】前記アンテナ手段によって発生するプ
ラズマは，誘導結合プラズマであることを特徴とする，
請求項１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１
７，１８又は１９のいずれかに記載のスパッタリング装
置。
【請求項２４】前記処理容器内において，前記被処理
体は前記ガス流の上流側に配置され，前記ターゲット
は，当該ガス流の下流側に配置されており，前記アンテ
ナ手段は，前記ターゲットよりも前記ガス流の下流側に
設けられていることを特徴とする，請求項１０，１１，
１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２
０，２１，２２又は２３のいずれかに記載のスパッタリ
ング装置。
【請求項２５】前記ヨークは，２つ備えられ，コ字型
で前記処理容器を挟んで開口部が互いに向き合うように
対向配置されていることを特徴とする，請求項１３に記
載のスパッタリング装置。