JPH049864B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜材料をスパツタリングによつて成
膜するスパツタリングによる成膜方法及びその装
置に関するものである。

スパツタリング技術は、低圧の雰囲気ガスをグ
ロー放電を起こしてイオン化（プラズマ状）し、
陰極電極間に印加された電圧により、そのプラズ
マ状イオンが加速されて、陽陰極におかれたター
ゲツト材料の平板に衝突させられる。

衝突させられたイオンにより飛び出されたター
ゲツト材料の構成原子又は粒子は、陽極近傍に設
けられた基板上に付着堆積して、ターゲツト材料
の薄膜を形成する技術である。

この場合、クロー放電によつて発生したイオン
は、空間内に高密度に閉じ込め、これをターゲツ
ト材料平板上に有効に運び込むことが、堆積速度
を改善し、電子による基板の損傷を低減する上で
重要となつている。

そのために前記のイオンをターゲツト材料平板
上の空間領域に閉じ込め高密度化を図ることが有
効である。そして、磁界構成が検討されて来てい
る。

特にプレーナマグネトロン方式スパツタリング
装置は、その堆積速度が従来の抵抗加熱型真空蒸
着装置に匹敵する程度になるに及び、近年薄膜集
積回路や半導体デバイス用の薄膜の形成装置とし
て、その生産用成膜工程に多用されるに到つた。

第１図は良く知られた従来技術によるプレーナ
マグネトロン方式スパツタリング装置のターゲツ
ト材料平板近傍の構造を示す概念説明断面図であ
る。ターゲツト材料平板（以下ターゲツトとい
う）１の裏面にヨーク６により磁気結合されたリ
ング状磁極２と、そのリング状磁極２の中心部に
円柱状磁石３とが、磁気回路を構成して配置され
ている。これらの磁極２，３によつてターゲツト
１の表面側（第１図の下側）の空間に磁束線の分
布、換言すれば円環体（Torus）の高さ方向に垂
直な平面で半裁し、その半裁面がターゲツト１の
表面に平行におかれたトンネル状磁界分布１１が
発生する。このトンネル状磁界分布１１によつ
て、その内部に上記プラズマ状イオンが高濃度に
閉じ込められる（図示せず）。このプラズマ状イ
オンは、さらに陽極１０とターゲツト裏面に設置
された陰極７に印加された高電圧により発生し
た。ターゲツト１の表面にほぼ垂直な電界によつ
て加速され、ターゲツト１表面に衝突し、その結
果、ターゲツト１表面から順次、その原子又は粒
子がはじき出され、侵食領域１２が形成される。

この侵食領域１２は、以上の説明から推定され
るように、スパツタリング工程の時間経過に伴な
つて侵食度が進むが、この侵食は通常第１図に示
す構成のターゲツト構造体では、ターゲツトの特
定の領域に限定されて進行するために、実効的に
は侵食領域の体積程度しか使用できないとされ
る。

したがつて初期的には目的とする均一な膜厚分
布が得られても、さらに、かかる侵食領域の形成
によつて、はじき出されるターゲツト材料の原子
のはじき出され方向及び量が変化するために、試
料基板表面上の被堆積薄膜の厚さ分布が均一にな
らず、ほぼ下に凸な２次曲線分布あるいは上に凸
な２次曲線状分布になつてしまう。

そのために大きな膜厚を得たいとか、長時間の
スパツタリング工程の実行したい場合にその実行
が不可能であり、これが従来のスパツタリングタ
ーゲツトの限界とされていたのである。その後、
この欠点を除くために、上記侵食領域１２がター
ゲツト１表面上に広面積で発生するように磁界分
布１１を変化してやることが提案された。

この従来のプレーナマグネトロン方式スパツタ
装置において最大のターゲツト侵食は、磁力線が
ターゲツト板に平行になる上記の点或は領域に揃
い且つこの領域の下に横たわつている領域におい
て発生するにあり、かくして磁界発生手段に対し
て前記の源に垂直な方向に補助的な可変磁界を発
生させ、補助的な可変磁界を変化させてその合成
磁力線が前記の源と平行になる位置を連続的に移
動させるものである。

このように従来の装置では、該中空空間におけ
る磁界分布の変化に従つて、グロー放電は移動す
るが、当該ターゲツト平板上中央附近において発
生するグロー放電またはグロー放電の１部は、陽
極よりも相対的に離れ、放電電流としての荷電粒
子の一部である電子は、試料基板側にも多く流入
することがある。このような電子線の流入が試料
基板に対し存在すると、当該試料基板上にすでに
形成されている半導体素子に永久的な損傷を与え
ることがあり、製品不良を起こす欠点があつた。

本発明の目的は、上記従来の欠点をなくし、均
一な成膜が行えると共に、成膜対象である試料基
板に流入する負に帯電した荷電粒子の量を大幅に
低減し、荷電粒子の流入による試料へ与える損傷
を低減するスパツタリングによる成膜方法及びそ
の装置を提供するにある。

即ち本発明は、磁力線が一の磁力線源から発生
した場合には、その性質として交鎖することがな
く、磁力線相互にmaxwell応力なる引力ないし
付力が作用することに鑑み、複数の磁極を有する
一の磁力線源を構成し、その一部の磁極に発生す
る磁力線を制御して、他の残りの磁極に発する磁
力線分布の立つ位置、すなわちプラズマの立つ領
域の位置を移動させる励磁手段（電磁石）を具備
したプレーナマグネトロン電極を用い、上記励磁
手段に所定の周期をもつた電流を流し、上記電極
の周囲と中央部とに設けられた陽極に接地に近い
電位を与えて成膜対象基板への荷電粒子の流入を
低減させた状態で、環状のプラズマ発生領域を所
定の周期で少くとも１回以上移動させてそれぞれ
の環状プラズマ発生領域においてえられる成膜膜
厚を合成して上記成膜対称基板に成膜をすること
を特徴とすることにある。

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

第２図は本発明に係わるプレーナマグネトロン
方式スパツタリング装置のターゲツト構造体の一
実施例の断面構造図である。

第２図で２１は被スパツタ材料からなるターゲ
ツト円盤状平板で、Al−２％Si（純度99.999％）
直径8″ψ、板厚20mmｔの材料および形状のものを
使用した。２２は第１の磁極端で、軟磁性材料
（高透磁率磁性材料）からなる。２３は第２の磁
極端で、永久磁石からなる。２４は本発明に係わ
る第３の磁極端で、軟磁性材料からなる。２４ａ
は同じく本発明に係わる励磁用コイルで、第１の
磁極端２２と第３の磁極端２４との中間空間に
300回巻回した円環体状コイル、２５はターゲツ
ト円盤状平板２１を冷却する媒質、ここでは水の
導入出管、２６は第１、第２および第３の磁極端
を全体的に磁気的に結合するヨークで、軟磁性体
材料からなるもの、２７は陰極、２８は絶縁材層
板、３２は侵食領域である。２９と３０は接地附
近の電圧が印加された第１の陽極と第２の陽極で
あり、ターゲツト材平板２１の周囲とターゲツト
材平板２１の中央にターゲツト平板２１と電気的
に絶縁されて設けられている。第２の陽極３０は
第２図のスパツタ電極構造体を中央で貫く、冷却
媒質（ここでは水）を導入、導出するための、同
軸構造をとつた管路により冷却され、また電気的
に本構造体裏面に引き出されている。

第３図及び第４図はともに第２図図示のプレー
ナマグネトロン方式スパツタリング装置のスパツ
タ電極構造体の動作説明図で、ターゲツト材料平
板２１上の磁束分布を示している。第３図、第４
図におけるそれぞれの３０１，４０１は、ターゲ
ツト材料平板２１上の高さ（mm）、また３０２，
４０２はターゲツト材料円盤の中心からの半径方
向の距離（mm）を示している。

第３図及び第４図はともに励磁用コイル２４ａ
には、第２の磁極端２２における磁極の極性が、
永久磁石によるターゲツト材料平板側の極性と反
対になる向きに、制御用電流を通ずる。

第３図は、この制御励磁電流を0Aとして流さ
ない場合のものである。また第４図はこの制御用
励磁電流を7Aとした時の磁束分布である。

よく知られているように、プレーナマグネトロ
ンスパツタ電極では、ターゲツト材料平板に対し
て、ターゲツト材料平板上の磁力線が平行になる
点を中心として、プラズマ領域が形成され、した
がつて、このプラズマ領域から一番近い距離にあ
るターゲツト材の平板３２が侵食される。

第３図、第４図にあるように本発明になるスパ
ツタ電極では、励磁コイルに通ずる電流を変化さ
せることで、磁力線がターゲツト材料平板に平行
となる点を移動させることができ、したがつて侵
食領域３２をも移動させうることがわかる。

ちなみに、永久磁石２３は、第３の磁極端に付
属する励磁コイル２４ａに通ずる制御電流を流さ
ぬ時に、200〜300ガウス（0.02Wb／m²）以上の
磁場を、第３，第４図におけるターゲツト平板上
の磁力線が、ターゲツト平板と平行になる点で得
られる強さのものとした。

以下簡単にスパツタリング工程中にくり込まれ
ている様子をスパツタリング工程の説明で示すこ
とにする。

まず、本発明に係わるターゲツト構造体を図示
しないが、良く知られた真空排気系とシヤツタ
と、Arガス導入系を有し２ケのゲートバルブを
有し、ウエハを連続的に搬送できる搬送手段をも
つ真空槽の一方の壁面に取りつける。づきにター
ゲツト円盤状平板２１の磁束線が形成されている
空間の上側に（第３図の天地を逆にした配置）タ
ーゲツト円盤平板２１の表面に静止対向して距離
70mmの位置に、その表面に平行に成膜対象となる
基板を良く知られた保持手段により設置保持す
る。つぎにこの真空槽を１〜３×10^-7Torr程度
まで真空排気し、排気后Arガスを上記Arガス導
入系より導入し、Arガス圧を２〜20ｍTorrに設
定する。

次にターゲツト構造体２１の第２の陽極３０
に、０〜＋50V、陰極２７に−400Vを印加し、
第１の陽極２９、真空槽（図示せず）をアースに
接続すると、Arガスはグロー放電を起こすが、
この時、励磁コイル２４ａに流す励磁電流を、０
〜7A程度変化させると、第３図、第４図に示さ
れた磁力線がターゲツト平板と平行になる点が移
動することで予想されたように、Ar原子がイオ
ン化し、閉じ込められたプラズマ領域が、移動す
ることを目視によつて、実験的に確認することが
できた。

第５図は、本実施例によつて可能となつた最大
の技術を開示するもので、スパツタにより得られ
る膜厚分布を基板中心に対して任意の膜厚分布を
形成する膜厚分布の制御性を獲得したことであ
る。

第５図は、その一部の実験結果を示したもので
あつて、励磁コイル２４ａに流す制御電流を変化
させた場合の基板中心からの半径方向の距離に対
する基板内膜厚分布の変化を示したものである。
実線５０１（□印）は下に凸な膜厚分布、実線５
０４（○印）はほぼ均一な膜厚分布、実線５０５
（○印）は上に凸な膜厚分布を示すものである。

以上の実験結果をふまえ、励磁コイル２４ａに
通ずる電流を12秒を一周期とし、一周期の４秒間
励磁電流を7A、残りの８秒間励磁電流を0Aとす
る電流波形とした。

次にターゲツト平板の第１の主平面に正対する
ように成膜対象となる基板を搬送し、ターゲツト
構造体用シヤツタ（図示せず）を開き、陰極電圧
350V、陰極電流15Aで、ターゲツト材料のAl−
２％Siを２分間基板上に成膜した。

ちなみにこの時の成膜対象基板とターゲツト平
板の第１の主面との距離は70mmとした。

予定の堆積時間経過後に、シヤツタを閉じ、
Al−２％Si膜を堆積した基板（Siウエハ）をゲ
ードバルブを開いて取り出した。以上、同工程を
繰り返えし、実質的に繰り返えた実験の結果を
100時間以上にわたつてチエツクした。

第６図はその実験結果の一部を示すもので６０
１は従来のウエハ内膜厚分布を、６０２は本発明
に係わるターゲツト構造体を使用したウエハ内膜
厚分布の経時変化を示す。本発明の効果は明らか
である。また、こうして形成したAl−２％Si膜
は半導体配線用膜として良好な電気的特性を示し
た。

かかる良好なウエハ内膜厚分布および電気的特
性は、ターゲツト円盤状平板のウエハ対向表面に
おける侵食領域の形状に極めて強く依存している
ことは発明者らの研究結果からも明らかにされた
が、第１図における侵食領域３２が局所的に侵食
が進むために極めて狭く、時間経過によつてその
侵食領域３２の局所的侵食領域の中心が、優先的
に侵食されてゆき、ついにターゲツト円盤状平板
２１の板厚に達し、ターゲツト円盤状平板２１が
使用できなくなる。

これに対して、第２図における侵食領域３２は
励磁コイル２４ａに通ずる電流波形をえらびプラ
ズマ領域を周期的に移動させることにより長時間
にわたり、均一で良好な成膜分布特性を維持しつ
つ、ターゲツト材料平板の広い面積にわたり、比
較的均一に侵食領域を形成させることができた。

これは高価格のターゲツト材料平板２１の長寿
命を保証しつつ、また生産プロセス上大きなあい
路となるターゲツト材料平板の取り替えに主に起
因する大きな死時間の削減をもたらす効果が生じ
たのである。

第７図は本発明にかかわる陽極の効果を示した
ものである。本願スパツタ電極においては励磁コ
イルに通ずる電流を大とすると、プラズマ領域を
ターゲツト平面上の中心に収縮させられる。しか
し、この場合には、放電電流の一部が基板に流入
し、基板上の半導体素子に損傷を与えることがあ
る。

第７図中の曲線７０１は、本発明にかかわる陽
極を設けない場合の、１基板上の素子の不良率を
表している。プラズマリングの半径が50mm以下で
あると、不良率が増大する。本発明にかかわる陽
極が設置された場合の一基板上の素子の不良率は
同図中の曲線７０２に示されているが、本発明に
かかわる陽極の効果は明らかである。

第８図は本発明によるプレーナマグネトロン方
式スパツタリング装置のターゲツト構造体の他の
実施例の断面構成図である。第８図において、第
２図における構成と異なる点は、第２の磁極端３
１に永久磁石を用いずに、軟磁性材料からなるも
のに、第２の多数巻きした励磁コイル３１ａを設
けた点である。他の記号については第２図ないし
第５図における記号と全く同じ意味である。

本願発明の技術的思想には、本実施例における
構成も含まれるものであつて、本実施例における
動作で第２図のそれと異なる点は上述した構成上
のちがいから、第２の磁極端３１と第３の磁極端
２４による磁束が、ともに制御できることであ
る。他のプラズマ領域の発生に致る過程は同じで
ある。

第９図は、第２図及び第８図に示す電極構造体
の励磁用電源の概略構成を示したものである。該
励磁電源部の主たる構成としては、内側電磁石コ
イル３１ａ、外側電磁石コイル２４ａ、を全く別
に制御するために、電流供給回路が、２つ組み込
まれている。該励磁電源部・該内側および外側磁
石コイル３１ａ，２４ａに印加する電流を全く任
意に、すなわち、時間的に変化せぬ一定電流また
は、一定の周期をもつた矩形波状、三角波状等の
電流波形に設定することができるようにマイクロ
プロセツサ４１と、メモリ４２を用いており、キ
ーボード４３、または適当な外部記憶装置４０
（例えば磁気テープ、磁気ディスク）から、所定
の電流波形に関する情報を与え、マイクロプロセ
ツサ４１の出力をデジタル−アナログ信号変換器
４４ａ，４４ｂ（Ｄ−Ａコンバータ）に加え、こ
れをさらに電流増幅器４５ａ，４５ｂにて該内、
外側電磁石コイル２４，２５を励磁できるだけの
所定の強度にまで増幅する。

第９図の該励磁電源部は、制御対象としては、
該内、外側電磁石コイル３１ａ，２４ａを扱うの
で、定電流特性をもつ電源であり、また出力電流
検出部４６ａ，４６ｂにより、出力電流すなわち
該各電磁石電流値を検出し、これをＤ／Ａ変換器
４４ａ，４４ｂが出力される所定の電流値と比較
し、補正を行うために、電流増幅器４５ａ，４５
ｂに情報を帰還する手段をもつている。すなわち
電磁石コイル２４，２５に一定の電流または一定
の矩形波電流が印加されるように構成されてい
る。

スパツタリングを行わせしめる放電々力を供給
するための高圧電源、すなわちスパツタ電源には
従来からよく知られているように、０〜800V程
度の出力電圧と０〜15A程度の出力電流をもつも
のを用いた。またよく知られているように、グロ
ー放電へ投入する電力を制御するために、この高
圧電源は定電流出力特性を持つものである。

上記の構成によつて、磁性体材料を磁気的に飽
和させ、それ以上容易に制御性をもたせて過剰の
磁束線を使用することができる（第２磁極端１１
が永久磁石では、板厚が薄いものに限られるた
め、実用的には使用不可能とみられる）効果が生
ずる。したがつて、従来には磁性材料のスパツタ
膜堆積は対向ターゲツト方式スパツタリング装置
でしか可能でなかつたのが、本発明によつてプレ
ーナマグネトロン方式スパツタリング装置でも実
用的に可能となつた。

なお、以上に述べたことは、第１磁極端、第２
磁極端、第３磁極端について特別な場合に関する
ものであるが、各磁極端を永久磁石および軟磁性
材料（高透磁率磁性材料）と励磁コイルとからな
る磁界制御手段との任意の組み合わせにより実現
する磁界制御技術はすべて本発明の技術的思想に
含まれるものであることは明らかである。

以上述べた如く、本発明によれば、ターゲツト
円盤状平板の長寿命化がはかれ、しかも任意の堆
積膜厚分布が得られ、更に荷電粒子の試料への流
入が大幅に低減でき、試料の損傷を低減すること
が出来る効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプレーナマグネトロン方式スパ
ツタリング装置の電極構造体を示す断面構造図、
第２図は本発明によるプレーナマグネトロン方式
スパツタリング装置の電極構造体の一実施例を示
す断面構造図、第３図及び第４図は第２図のスパ
ツタ電極構造体による成磁束分布測定図、第５図
は第２図に示すスパツタ電極構造体による成膜々
厚分布を示す図、第６図は従来スパツタ電極と、
本発明の実施例による成膜々厚分布の経時変化特
性を示す図、第７図は本発明による第２の陽極を
設置することの効果を示した例、第８図は本発明
のプレーナマグネトロン方式スパツタリング装置
の電極構造体の他の実施例を示す断面構造図、第
９図は第２図及び第８図の電極構造体の励磁用電
源を示した図である。 ２１……ターゲツト円盤状平板、２４……第３
の磁極端、２４ａ……第１の励磁コイル、２６…
…ヨーク、２７……陰極、２９……第１の陽極、
３０……第２の陽極、３１……中央磁極端。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも三つの磁極を有し、且つ少くとも２
   つの磁界発生手段を有し、この磁界発生手段のう
   ち少くとも１つは電磁石を備えたプレーナマグネ
   トロン電極を用い、上記電磁石に電流を流し、上
   記電極の周囲と中央部とに設けられた陽極に接地
   に近い電位を与えて、成膜対象基板への荷電粒子
   の流入を低減させた状態で、環状のプラズマ発生
   領域を内側と外側の少くとも２個所に発生させて
   それぞれの環状プラズマ発生領域においてえられ
   る成膜膜厚を合成して上記成膜対象基板に成膜を
   することを特徴とするスパツタリングによる成膜
   方法。 ２ 少くとも三つの磁極を有し、且つ少くとも２
   つの磁界発生手段を有し、この磁界発生手段のう
   ち少くとも１つは電磁石を備えたプレーナマグネ
   トロン電極を設け、上記電磁石に電流を流す制御
   手段を設け、上記電極の周囲と中央部とに接地に
   近い電位が与えられた陽極を設けたことを特徴と
   するスパツタリングによる成膜装置。