JPH0250958A - スパッタリング法による成膜装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、半導体素子の製造の一工程である薄膜形成に
用いられるスパッタリング法による成膜装置、特にター
ゲットの利用効率を高めるスパッタリング法による成膜
装置に関する。

〔従来技術の説明） 従来半導体用Ａｆｌ配線などの金属薄膜の形成にはスパ
ッタ成膜装置か、−船釣に用いられてきた。代表的には
、平行平板型マグネトロンスパッタ成膜装置が用いられ
た。これは、カソード電極上に載置されたターゲットに
対し、対向位置に、またターゲットに対し平行にあるア
ノード電極上に被薄膜形成基板を置く。この時、アノー
ド電極は、電気的にアースに接続されている。そしてカ
ソード電極に高周波電力、主に１３．５６ＭＨｚを印加
する。すると、両電極間にプラズマ放電が起こる。する
と、プラズマ中のイオンかターゲ・ソトをスパッタし、
ターゲット物質が被薄膜形成基板に付着し、薄膜を形成
する。しかし、成膜速度を増す為ターゲットを載せた電
極表面にプラズマを集中させる必要があり磁界がターゲ
ット表面の一部分を覆うようになっている。

この為、ターゲット表面の、磁界によりプラズマが集中
している部分のみしか成膜に利用されていない。また、
スパッタされたターゲット粒子が、一方向がらのみ飛来
するため、基板表面の段差部では成膜速度に片寄りが生
じる。さらに、被薄膜形成基板が、プラズマに曝らされ
るため、プラズマダメージを受は易い等の問題点があっ
た。

これらの問題点を解決するために、対向ターゲット型ス
パッタ法が提案されている。これは、平面ターゲットを
２枚対向させ、被薄膜形成基板を対向ターゲットの外側
に設置し、基板表面を対向ターゲットの隙間に向けたも
のである。この方法で、基板プラズマダメージは大きく
減少できた。

しかし、対向ターゲットと基板の隙間がらスパッタされ
たターゲット粒子が漏れてしまうため、ターゲットの使
用効率の悪さと、対向ターゲットと基板の隙間がら漏れ
た′ターゲット粒子による反応室内の汚染という問題点
が残った。

そしで、この問題を解決するために、基板の斜め方向に
円筒型内面ターゲットを配置し、対向磁場により、プラ
ズマをターゲット付近に閉し込め、基板がら離した円筒
ターゲット対向スパッタ成膜装置か提案されている（特
開昭６３−１００１７６号公報）。

第３（１）乃至（２）図は上記従来の装置（特開昭６３
−１００１７６号公報）による円筒ターゲット対向スパ
ッタ成膜装置の構造を説明する断面図と側断面図である
。

第３図においで、真空容器１は排気口３より排気され１
　ｘ　１０−”　ｔｏｒｒ程度まで減圧された後カス導
入口２よりアルゴン（Ａｒ）等のスパッタリングカスな
導入し、数ｍ　ｔｏｒｒの圧力にする。

真空容器１内には、アルミニウム（ＡＩｌ）、銅（Ｃｕ
）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、チタン
（Ｔ　ｉ　）　、シリコン（Ｓｌ）等よりなる両端解放
で、円筒型のターゲット４か真空容器１と電気的に絶縁
して置れている。

ターゲット４の外側に、かつ円筒の中心軸にほぼ垂直に
被薄膜形成基板７を保持するアノード電極８が真空容器
１とともに電気的にアースに接続されている。

ターゲット４に負電位（−５００〜−数Ｋｖ）を直流電
源９より印加することにより発生したプラズマ中のイオ
ンがターゲットをスパッタし、基板に薄膜を形成する。

ターゲット４の外周には、磁石５が配置され円筒の直径
に平行な方向に磁力線を発生し、プラズマを閉じ込め、
高密度化している。ターゲットの磁石に近い部分はプラ
ズマ密度が高く、スパッタされ易いため磁石５は、円筒
の回転軸の周りを回転しターゲット４のエロージョンを
円周方向に均一にしてターゲット４の使用効率を上げて
いる。

ターゲット４の外周には、ターゲット冷却用の冷却水套
１０が設けられている。

このような構造ではターゲットがらのスパッタされた散
乱粒子が基板に斜め方向より飛来しで、段差側壁にも堆
積し段差被覆性の良好な被膜を形成することができる。

また、ターゲットと基板の隙間が少ないため成膜に寄与
せずに、ターゲットと基板の外側にターゲット粒子が漏
れる量も非常に少ない。

プラズマは磁力線によってターゲット付近に閉じ込めら
れるため、基板はプラズマがら離れている、このため基
板はプラズマダメージを受けにくい等の利点が得られた
。

しかしながら、従来の装置の円筒ターゲット対向型スパ
ッタ成膜装置では、磁力線がターゲットの中央がら端部
に向かって離れるに従い減少する。この為、プラズマが
ターゲット円筒の中心に集中しやすく、ターゲットのエ
ロージョンもターゲット円筒の中心部で大きく、端部に
向かって少なくなる。従っで、ターゲット両端部の使用
効率が悪い。

〔発明の目的〕

本発明は、従来のスパッタリング法による成膜装置にお
ける上述の問題点を解決しで、成膜を効率よく行いうる
ようにした改善されたスパッタリング法による成膜装置
を提供することを目的とするものである。

本発明の他の目的は、ターゲットのエロージョンによる
上述の従来の問題生起を排除しで、ターゲットの使用効
率をよくし、効率的な成膜を可能にするスパッタリング
法による成膜装置を提供することにある。

〔発明の構成・効果〕

本発明は、従来のスパッタリング装置における上述の問
題点を解決しで、前記本発明の目的を達成するものであ
っで、本発明によるスパッタリング法による成膜装置は
、「両端解放で、円筒型又は多角柱型の内面ターゲット
を有し、且つ該ターゲットの回転軸を中心にターゲット
に対し回転させる手段を備えたターゲット保持筒と、該
ターゲットの回転軸方向に、複数の磁石を設置してなる
ことを」骨子とするものである。

前記のところを骨子とする本発明のスパッタリング法に
よる成膜装置は、下達する実験を介して完成に至ったも
のである。

火箸ユ 第３図に図示した従来の装置では、磁石５が１対のもの
である。この磁石５の代わりに、等しい磁界を発生させ
る磁石を等間隔で５個配置した。

この時のターゲットのエロージョン形状を第５図に示し
た。斜線部はエロージョン領域及び磁石を示す。従来の
装置と同様にターゲットの中心部はどエロージョンは深
く、ターゲット端部ではエロージョンは浅い、という問
題点は多少の改善は得られたが、解決には至らなかった
。

笑覧ス 実験１の結果より、ターゲットのエロージョン深さ分布
を均一化する為には、磁石５の分割はある程度有効なこ
とがわかった。

以上のことがら、分割された個々の磁石の磁界をエロー
ジョン速度の分布により制御することを考えた。すなわ
ち、ターゲットの回転軸方向に分割して配置された磁石
と等間隔にターゲット表面にレーサー変位センサーを配
置し、ターゲット表面とレーザー変位センサー間の距離
を測定できるようにした。スパッタリング中にターゲッ
ト表面かスパッタされることで、上記の距離か変化する
。この変化がらエロージョン速度をＣＰＵて算出し、５
個の測定地点の平均値と比較し、エロージョン速度が平
均値より小さい地点に位置する電磁石の磁界を強くなる
ようにした。またエロージョン速度が平均値より大きい
地点に位置する電磁石の磁界を小さくなるようにした。

この結果、ターゲットのエロージョン分布が第２図に示
したように大きく向上した。図中斜線部かターゲットの
エロージョン領域及び電磁石の位置を示す。

以上の実験結果を介して得た事実を基に完成に至った本
発明のスパッタリング法による成膜装置を図示の実施例
により以下に説明する。

即ち、第１（１）乃至１（３）図は、本発明によるスパ
ッタリング法による成膜装置の内容を示すものである。

第１図においで、１０１は真空容器、１０２はスパッタ
リングガス導入管、１０３は排気口、１０４はＡｌ１．
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ等よりなる両端解放て円筒
形のターゲット、１０５は１０４のターゲット保持用筒
、１０６は被薄膜成長基板の保持を兼ねたアノード電極
をそれぞれ示す。また１０７は被薄膜成長基板、１０８
は１０６の電極及び１０７の基板を回転運動させるモー
ター、１０９は磁界を発生させるための電磁石、１１０
は円筒ターゲットを保持・回転させるためのローラーを
それぞれ示す。更に、１１１はターゲットのエロージョ
ン深さを測定するためのレーザーを変位センサー　１１
２はターゲット１０４を回転させるためのモーター、１
１３はモーターの電源、１１４はプラズマ発生用直流電
源（１３，５６ＭＨｚの高周波でも良い）、１１５は、
電磁石１０９によって作られた磁力線、１１６は、モー
ター１０８用電源をそれぞれ示す。なお、図中Ａは第１
　（３）図に示す電磁石１０９の電源回路を示す。１１
７は、Ａ／Ｄコンバータで、センサー１１１で測定した
変位量か電圧で出力されるため、これをデジタル量に変
換するものである。１１８はＩ／Ｆコンバーターで、Ｄ
／Ａコンバーター１１７がらの信号をＣＰＵ用の信号に
変換するものである。１１９はＣＰＵで、センサー１１
１て測定したターゲットのエロージョン深さの単位時間
あたりの変化率がらエロージョン速度を算出し、エロー
ジョン速度に応じて各電磁石１０９の磁界を制御するも
のである。１２０はＩ／Ｆコンバーターで、ＣＰＵがら
の信号を各電磁石１０９のコントローラーに伝えるもの
である。そしで、１２１は電磁石１０９の電源コン１〜
ローラー、１２２は各電磁石１０９の電源をそれぞれ示
す。

第１　（１）乃至１（３）図に図示の本発明のスパッタ
リング法による成膜装置での成膜操作は、例えは、次の
ようにして行う。即ち、排気口３より、真空容器１０１
内を排気する。次にスパッタリングカス導入口１０２が
らスパッタリングガスを真空容器１０１内に導入する。

ターゲット１０４及び被薄膜形成基板１０７を回転させ
ながら、直流電源１１４により、ターゲット１０４に負
電位を与えると、ターゲット１０４と電極１０６０間に
放電が起きプラズマか発生する。この時、電磁石１０９
に電源回路Ａがら電力を供給し、ターゲット内に磁力線
１１５を発生させると、プラズマは磁力線１１５によっ
てターゲット１０４の内部に閉し込められる。

プラズマ中のイオン化されたスパッタリングカス粒子は
、シース電圧により加速されてターゲット表面をスパッ
タリングする。ターゲットがらスパッタリングされたタ
ーゲット物質は被薄膜形成基板に付着し薄膜を形成する
。

スパッタリングが始まると、磁力線１１５の分布等に起
因したプラズマ密度の不均一性等により、ターゲット１
０４の表面のターゲット１０４の回転軸方向にエロージ
ョンの不均一性が発生す１す る。この時、センサー１１１でセンサー１１１がらター
ゲット１０４表面までの距離を測定している。ＣＰＵ１
１９は、単位時間あたりのセンサー１１１とターゲット
表面との距離の変化率がら各センサー１１１測定ポイン
トのエロージョン速度分布を算出する。そしで、この分
布の平均値よりエロージョン速度の小さい測定ポイント
のプラズマ密度が増加するように、この部分の電磁石電
源コントローラー１２１に信号を送る。エロージョン速
度が平均値より大きい測定ポイントでは、プラズマ密度
を減少させるようにする。

以上のように操作する本発明の装置においては、ターゲ
ット１０４表面における回転軸方向のプラズマ密度が変
化し、エロージョン速度も均一化される。

上述の内容の本発明の装置においては、上述のところで
使用するターゲット及び第１図中の電磁石１０９の代わ
りに第４図中の磁石と同じ形状の磁石を用いることがで
きる。その場合、ターゲットのエロージョンの回転軸方
向の分布は第２図及び第４図に示すようになる。

本発明によるターゲットの使用効率と、従来の装置の磁
石を用いた時のターゲットの使用効率についで、実験し
たところ、両者の関係は表１に示すようになった。表１
に示す結果がら明らかなように、本発明の装置は、従来
の装置に比べて顕著に優れた効果をもたらすものである
ことが理解される。

表１ 〔発明の効果の概要〕 以上説明したように、円筒ターゲットの円筒軸に対して
垂直に複数の電磁石を設置し、それぞれターゲットのエ
ロージョンに合わせ発生する磁界を制御することで、プ
ラズマ密度を調整し、タケットの円筒軸方向のエロージ
ョンを均一化できる。そしで、ターゲットか回転運動を
行うことで、プラズマが集中する領域もターゲット表面
を回転運動する。

この結果、ターゲットは円周方向にもエロージョンか均
一化し、前記の効果と合わせで、全面を効率良く使用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１（１）、１　（２）及び１（３）図は、本発明によ
るスパッタリング法による成膜装置の構造説明図である
。なお第１　（１）図は断面略図、同１　（２）図は側
断面略図、モして同１　（３）図は、電磁石制御系のブ
ロック略図である。 第２図は、第１図に図示の装置におけるターゲットの断
面略図である。 第３（１）乃至（２）図は、従来のスパッタリング法に
よる装置（特開昭６３−１００１７６号公報）の説明図
である。なお、第３（１）図は断面略図であり、第３（
２）図は側断面略図である。 第４図は、第３図に図示の従来の装置における磁石を第
１図に図示の装置に使用した場合のターゲットの断面略
図である。 第５図は、第１図に図示の装置においで、同じ大きさの
磁界を発生させる磁石を使用した場合のターゲットの断
面略図である。 第１図においで、 １０１は真空容器、１０２はガス導入口、１０３は排気
口、１０４はターゲット、１０５はターゲット保持筒、
１０６はアノード電極及びステージ、１０７は被薄膜形
成基板、１０８はモーター、１０９は電磁石、１１０は
ターゲットの保持及び回転用ローラー、１１１はレーザ
ー変位センサー、１１２はモーター、１１３はモーター
用電源、１１４はプラズマ用直流電源、１１５は磁力線
、１１６はモーター用電源、１１７はＡ／Ｄコンバータ
ー　１１８はＩ／Ｆコンバーター１１９はＣＰＵ、１２
０はＩ／Ｆコンバーター１２１はコイル電源コントロー
ラー　１２２はコイル電源。 第３図においで、 １は真空容器、２はガス導入口、３は排気口、４はター
ゲット、５は磁石、６は磁力線、７は被薄膜形成基板、
８は電極、９は直流電源、１０はターゲット冷却水套。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）両端解放で、円筒型又は多角柱型の内面ターゲッ
   トを有し、且つ該ターゲットの回転軸を中心にターゲッ
   トに対し回転させる手段を備えたターゲット保持筒と、
   該ターゲットの回転軸方向に、複数の磁石を設置してな
   ることを特徴とするスパッタリング法による成膜装置。
2. （２）前記磁石が磁界の強さを制御できる電磁石である
   請求項（１）に記載のスパッタリング法による成膜装置
   。
3. （３）前記ターゲットの回転軸方向のエロージョン深さ
   を測定するためのセンサーと、該センサーの測定値がら
   エロージョン速度を算出する回路と、該エロージョン速
   度に応じて前記磁石の磁界の強さを制御する回路とを備
   えてなる請求項（１）または（２）に記載のスパッタリ
   ング法による成膜装置。
4. （４）前記被薄膜形成基板を、前記内面ターゲットの外
   側であって該ターゲットの回転軸に垂直に保持し、さら
   に該被薄膜形成基板を回転させる手段を備えた請求項（
   １）、（２）または（３）に記載のスパッタリング法に
   よる成膜装置。