JPH05125531A - Sputtering deposition apparatus and sputtering cathode - Google Patents

Sputtering deposition apparatus and sputtering cathode

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JPH05125531A
JPH05125531A JP21078291A JP21078291A JPH05125531A JP H05125531 A JPH05125531 A JP H05125531A JP 21078291 A JP21078291 A JP 21078291A JP 21078291 A JP21078291 A JP 21078291A JP H05125531 A JPH05125531 A JP H05125531A
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JP
Japan
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cathode
sputtering
holes
plasma
dimension
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Pending
Application number
JP21078291A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jerome J Cuomo
ジエローム・ジヨン・クオモ
Mark Rosnagel Stephen
ステイーブン・マーク・ロスナゲル
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International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Publication date
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

PURPOSE: To impart directivity to the release direction of the atoms released from a target by sputtering with a sputter deposition apparatus for forming thin films.
CONSTITUTION: A work 16 and a sputtering target cathode 20 are arranged opposite to each other approximately in parallel in a vacuum chamber 10 of the low-pressure sputter deposition apparatus and a strong electromagnetic field is established by magnetron between both to form plasma 30. This plasma is formed in proximity to the surface of the cathode but apart from the surface of the cathode by a thickness size (d) of the dark part region of the plasma. Plural holes 22 are previously formed in congestion at the cathode over the entire area of its release surface. The aspect ratio h/w (h = depth, w = diameter size) is specified to ≥1.5 so that only the release from the bases of the holes jumps out of the cathode. The min. diameter size of the holes is so set as to be ≤2 times the thickness size of the dark parts, by which the intrusion of the plasma into the holes is averted.
COPYRIGHT: (C)1993,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成のための材料
のデポジションに関する。より詳しくは、本発明は、薄
膜を形成するスパッタ・デポジションのための改良した
装置に関し、また特に、その種のスパッタ・デポジショ
ン装置に用いる、独特のスパッタ・ターゲット・カソー
ドに関するものである。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to the deposition of materials for thin film formation. More particularly, the present invention relates to an improved apparatus for thin film forming sputter deposition apparatus, and more particularly to a unique sputter target cathode for use in such sputter deposition apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】種々の材料の薄膜の形成処理(即ちデポ
ジション)は、半導体工業にとって非常に重要なもので
ある。一般的に、何らかの機能を持った集積回路を製作
するためには、デポジションした材料に対して、パタン
形成処理を施し、それを、様々なライン、パッド、バイ
ア(via )、ないしはその他の、その集積回路の機能に
関係した構造体にする必要がある。これらのデポジショ
ン並びにパタン形成の処理工程は、集積回路上の回路密
度を高める上での制約となっている。即ち、構造体を微
細に形成するほど、集積回路の密度を高くすることがで
き、従ってチップ1個あたりの回路数を増やすことがで
きるのである。
2. Description of the Related Art The process of forming (or depositing) thin films of various materials is of great importance to the semiconductor industry. Generally, in order to fabricate an integrated circuit having some function, the deposited material is subjected to a pattern forming treatment, which is applied to various lines, pads, vias, or other The structure needs to be related to the function of the integrated circuit. These deposition and pattern forming process steps are a constraint for increasing the circuit density on the integrated circuit. That is, the finer the structure, the higher the density of the integrated circuit, and thus the number of circuits per chip can be increased.

【0003】集積回路上の個々の構造部分のパターン形
成を行なう上で利用可能な方法には次の3種類の方法が
ある。その第1は、リフト・オフ・デポジションを利用
した方法、第2は、反応性イオン・エッチングを利用し
た方法、第3は、溝/孔充填処理(トレンチ・アンド・
ホール・フィリング)の後に、物理的ないし化学的な研
磨処理をするようにした方法である。
There are three types of methods available for patterning individual structural portions on an integrated circuit. The first is a method using lift-off deposition, the second is a method using reactive ion etching, and the third is a groove / hole filling process (trench and
After the hole filling), a physical or chemical polishing process is performed.

【0004】リフト・オフ・デポジションとは、薄膜を
形成した後に、特殊な形に形成しておいた表面マスク構
造体を除去するようにした、半導体デバイスの製作方法
である。このマスク構造体を形成するためには、一般的
に、先ず、ウェーハ上に感光性ポリマー(フォトレジス
ト)の均一な層をコーティングする。このフォトレジス
トに対して、表面上のパタンの形で、選択的に紫外線を
露光すると、露光された部分のフォトレジストは、その
化学的構造がやや異なった形態に変化する。そのフォト
レジストの2種類の領域のうちの一方(露光領域か非露
光領域かのいずれか一方)を、適当な溶剤を用いて除去
することによって、ウェーハ表面に、適当なパタンに形
成したフォトレジスト製マスクを残すことができる。こ
の工程において重要なことは、形成したそのフォトレジ
スト製マスク構造体のエッジ部分が、僅かにアンダーカ
ットした形状となっているようにしておくことである。
次の工程は、ウェーハの表面とフォトレジスト製マスク
の表面との両方に、均一な薄膜の層をデポジションする
工程である。このとき、堆積するために次々と飛び込ん
でくる原子の飛来方向が、表面に対して略々垂直であれ
ば、それらの原子によって、フォトレジスト製マスクの
エッジ部分の下面がコーティングされることはない。こ
のデポジションの処理の後に、フォトレジスト製マスク
を適当な溶剤中で溶解すれば、フォトレジストと、その
上に堆積した薄膜とを共に除去することができる。以上
によって、平坦面上に、然るべきパタンの、堆積形成薄
膜(デポジション)を形成することができる。ここで重
要なことは、デポジション・フラックス(堆積するため
に飛び込んでくる飛来原子束)が表面へ到達するときの
角度を、極めて垂直に近い角度とし、しかも発散した
り、気体散乱が起こらないようにしておくことであり、
これらは、単に重要というよりも、実際には必須ですら
ある。もし発散ないし気体散乱が起こったならば、マス
クの下面がコーティングされてしまい、それによって、
溶剤が浸透してフォトレジストを溶解することが不可能
となってしまう。過去においては、一般的に、上の基準
要件を満たし得るものは、低圧蒸着法だけであった。ス
パッタリングを利用したデポジション方法では、多くの
場合、満足の行く結果は得られておらず、その原因とし
ては、(1) スパッタされて放出される原子は、その放出
の形態が垂直放出でないこと、(2) スパッタリング・ソ
ースがある程度の大きさを持っていること、また、(3)
一般的なスパッタリング・システムは運転圧力が高圧で
あり、そのため気体散乱が生じること、等が存在してい
る。これらのいずれの影響を受けた場合も、マスク構造
体の下面がコーティングされてしまうのである。
Lift-off deposition is a method of manufacturing a semiconductor device in which a surface mask structure formed in a special shape is removed after a thin film is formed. To form this mask structure, a wafer is generally first coated with a uniform layer of a photosensitive polymer (photoresist). When this photoresist is selectively exposed to ultraviolet light in the form of a pattern on the surface, the exposed portion of the photoresist changes its chemical structure to a slightly different form. A photoresist formed in an appropriate pattern on the wafer surface by removing one of the two types of areas of the photoresist (either the exposed area or the unexposed area) with an appropriate solvent. You can leave the mask made. What is important in this step is that the edge portion of the formed photoresist mask structure has a slightly undercut shape.
The next step is to deposit a uniform thin film layer on both the surface of the wafer and the surface of the photoresist mask. At this time, if the flying directions of the atoms that jump in one after another for deposition are substantially perpendicular to the surface, those atoms do not coat the lower surface of the edge portion of the photoresist mask. .. After this deposition process, the photoresist and the thin film deposited thereon can be removed together by dissolving the photoresist mask in an appropriate solvent. As described above, a deposition forming thin film (deposition) having an appropriate pattern can be formed on the flat surface. What is important here is that the angle at which the deposition flux (flying atomic flux that jumps in to deposit) reaches the surface is extremely close to the vertical, and there is no divergence or gas scattering. Is to keep
These are actually essential, rather than just important. If divergence or gas scattering occurs, the underside of the mask will be coated, thereby
The penetration of the solvent makes it impossible to dissolve the photoresist. In the past, low pressure vapor deposition was generally the only one that could meet the above criteria requirements. In many cases, the deposition method using sputtering does not give satisfactory results. (1) The atoms emitted by sputtering are not vertical emission. , (2) The sputtering source has a certain size, and (3)
A typical sputtering system has a high operating pressure, which causes gas scattering and the like. If any of these influences are applied, the lower surface of the mask structure will be coated.

【0005】最近、スパッタ・デポジション・システム
を用いてリフト・オフ・デポジション処理を行なうこと
を可能にする、2種類の装置が開発された。その第1の
ものは、中空カソード強化マグネトロンであり(参考文
献1、2)、これは、中空カソードとして形成した電子
ソースを使用して、スパッタリング・ソースが超低圧下
でも動作できるようにしたものである。スパッタリング
・ソースを充分に小さくし、それを被加工物から充分に
遠く離れた位置に配置すれば、蒸着法の場合と良く似た
状況を現出することができ、従って、リフト・オフ・デ
ポジション処理を行なえるようになる。一方、第2の装
置は、中空カソード・マグネトロンを改造したものであ
り、スパッタリング・ソースと被加工物との間に、物理
的な平行化機構(コリメータ)を配置したものである
(参考文献3)。このコリメータは多数の細長いチュー
ブから成るアレイとして構成されており、それらチュー
ブのために、スパッタされて放出された原子のうち、狭
い角度範囲内の原子だけが、このコリメータを通り抜け
て移動することができるようになっている。この後者の
装置によれば、広い領域に亙るリフト・オフ・デポジシ
ョンを、大きなスパッタリング・ソースを使用して、し
かもスパッタリング・ソースと被加工物との間の距離を
近接させて行なうことができる。
Recently, two types of devices have been developed which allow a lift-off deposition process to be performed using a sputter deposition system. The first of which is a hollow cathode reinforced magnetron (references 1 and 2), which uses an electron source formed as a hollow cathode to allow the sputtering source to operate under ultra-low pressure. Is. If the sputtering source is small enough and placed far enough away from the work piece, a situation similar to that of the vapor deposition method can be achieved, and thus the lift-off de- vice. You will be able to perform position processing. On the other hand, the second device is a modification of a hollow cathode magnetron, in which a physical collimating mechanism (collimator) is arranged between the sputtering source and the workpiece (Reference 3). ). The collimator is configured as an array of many elongated tubes, which allows only those atoms within the narrow angular range of the sputtered and ejected atoms to move through the collimator. You can do it. With this latter device, lift-off deposition over a large area can be performed using a large sputtering source and with a close distance between the sputtering source and the work piece. ..

【0006】反応性イオン・エッチング(RIE)を利
用したパターン形成法は、リフト・オフ・デポジション
とは逆の手順で処理を進めるものである。このRIEを
利用したパタン形成の処理手順においては、先ず、表面
に均一な薄膜を形成する。この薄膜を形成するための手
段は何であっても良く、その種類は重要でない。次の工
程では、フォトレジストの薄膜を形成する。このフォト
レジストの薄膜に対して、紫外線で選択的に露光を施
し、そしてその薄膜の一部分を除去することによって、
先に形成した金属製の薄膜の表面上に、マスク構造体を
形成することができる。次に、反応性イオン衝撃法を用
いて、そのマスク構造体の開放部分を通して、先に形成
した薄膜の露出している領域を除去する。この工程の後
に、残っているフォトレジストを、化学的な手段を用い
て除去すれば、マスク構造体によって被覆されていた領
域に、パタン形成された金属構造体が得られる。
The pattern forming method utilizing reactive ion etching (RIE) advances the processing in the reverse procedure of lift-off deposition. In the processing procedure for pattern formation using RIE, first, a uniform thin film is formed on the surface. Any means can be used to form this thin film, the type of which is not important. In the next step, a thin film of photoresist is formed. By selectively exposing the thin film of this photoresist to ultraviolet light and removing a portion of the thin film,
The mask structure can be formed on the surface of the metal thin film formed previously. The reactive ion bombardment method is then used to remove the exposed areas of the previously formed thin film through the open portions of the mask structure. After this step, the remaining photoresist is removed by chemical means to obtain a patterned metal structure in the area covered by the mask structure.

【0007】第3のパタン形成法は、ウェーハ基板の表
面に、溝ないし孔を刻設することを要件とした方法であ
る。それらの溝ないし孔を刻設するには、上で説明した
反応性イオン・エッチングと同様の技法を用いれば良
い。溝ないし孔を形成したならば、その溝ないし孔に、
然るべき導電性材料を充填する必要があり、この導電性
材料は、多くの場合、金属材料である。この充填のため
のデポジション処理は、溝ないし孔の構造の全てを、い
かなる空洞、間隙、条痕も残すことなく、完全に充填す
ることのできるものでなければならない。このデポジシ
ョン処理が終了した時には、デポジションした材料が、
ウェーハの、刻設したある溝ないし孔と、その他の溝な
いし孔との間の領域にも、存在しているのが普通であ
る。次の工程は、その種の領域を覆っている、そのコー
ティング部分を、物理的な手段を用いて除去する工程で
ある。一般的には、この除去は研磨によって行なうよう
にしており、この物理的研磨は、研磨剤の中に弱い化学
的エッチング剤を混入しておくことによって能率的に行
なうことができる。この研磨法は、半導体工業において
化学腐食研磨(ケミ・エッチ・ポリッシング)と呼ばれ
ている。
The third pattern forming method is a method which requires the formation of grooves or holes in the surface of the wafer substrate. To engrave those trenches or holes, a technique similar to the reactive ion etching described above may be used. If you have formed a groove or hole,
It is necessary to fill it with an appropriate electrically conductive material, which is often a metallic material. The filling process for this filling must be such that the entire structure of the groove or hole can be completely filled without leaving any cavities, gaps or streaks. When this deposition process is completed, the deposited material is
It is also usually present in the region of the wafer between one groove or hole and the other groove or hole. The next step is to remove, by physical means, the coating that covers such areas. Generally, this removal is performed by polishing, and this physical polishing can be efficiently performed by mixing a weak chemical etching agent into the polishing agent. This polishing method is called chemical corrosion polishing (chemi-etch polishing) in the semiconductor industry.

【0008】溝ないし孔を充填するために必要とされて
いるデポジション処理は、空洞ないし条痕を全く含まな
い、稠密な薄膜を形成できるものでなければならない。
そのために、しばしば採用されているのは、当業界にお
いて、化学蒸着法(ChemicalVapor Deposition:CV
D)と呼ばれている技法や、プラズマ強化CVD(PE
CVD)と呼ばれている技法である。これらの技法は、
ウェーハ表面に、薄膜を気相から生成させることによっ
て、実質的に全ての表面を均一にコーティングするもの
である。従って、溝ないし孔の側面に対してもコーティ
ングが行なわれて充填がなされる。これが適切に実行さ
れれば、溝等の構造の内部には、非常に細い条痕しか残
らない。しかしながら、この種の技法は、複雑な化学作
用が関与しているために、一般的に、僅かな種類の金属
から成る金属群についてのみ実行し得るに過ぎない。最
も一般的に使用されている金属は、タングステン及びシ
リコンであるが、ただし、アルミニウムや銅に関して
も、予備的な研究の成果が発表され始めている。
The deposition process required to fill the grooves or holes must be capable of forming a dense film that contains no cavities or streaks.
Therefore, the chemical vapor deposition (CV) method that is often adopted in the art is
D) and plasma enhanced CVD (PE
It is a technique called CVD). These techniques are
By forming a thin film from the vapor phase on the wafer surface, substantially all the surface is uniformly coated. Therefore, the side surface of the groove or hole is also coated and filled. If this is done properly, only very fine streaks will be left inside the structure such as grooves. However, this type of technique can generally only be performed on a group of metals consisting of a small number of metals due to the complex chemistry involved. The most commonly used metals are tungsten and silicon, but also for aluminum and copper, preliminary research results are beginning to be published.

【0009】溝ないし孔の構造を充填するには、物理的
な蒸着法を用いることもできる。即ち、低圧下で物理的
な蒸着を行なうと、原子が付着する表面に到達したとき
の角度はその表面に対して垂直になっており、従って溝
ないし孔の構造を、その底部から次第に上へ充填してい
くことができる。ただし、蒸気の状態の原子が、その表
面に到達するときの速度が小さいため、溝ないし孔の構
造の側壁部の最上部において、僅かな、横方向への堆積
によるせり出しが発生し、その結果、その溝ないし孔の
構造の外縁部において、僅かな程度ながら、その溝ない
し孔の構造が自身の上に影を落とすという現象が生じ
る。これによって、その溝ないし孔の構造の側壁部の上
部に空隙が形成されることになる。更に加えて、物理的
な蒸着は、一般的に、複数個の被加工物を一度に処理す
る種類のプロセス、即ち、当業界において「バッチ」処
理と呼ばれているプロセスである。しかるに、現在の当
業界における趨勢は、付加的な制御を行なえるようにす
ることと、損失を減らすこととを目的として、ウェーハ
を一度に1枚ずつ処理する方向へ向かっており、従って
一般的には、物理的な蒸着法は、望ましい方法とはいえ
ない。
Physical vapor deposition may also be used to fill the structure of the trench or hole. That is, when physical vapor deposition is carried out under low pressure, the angle at which the atoms reach the surface to which they are attached is perpendicular to the surface, and therefore the structure of the groove or hole is gradually increased from the bottom to the top. Can be filled. However, since the atom in the vapor state reaches the surface at a low velocity, a slight lateral deposition occurs at the top of the side wall of the groove or hole structure, which results in At the outer edge of the structure of the groove or hole, a phenomenon occurs in which the structure of the groove or hole casts a shadow on itself at a slight degree. As a result, a void is formed in the upper portion of the side wall of the groove or hole structure. In addition, physical vapor deposition is generally a type of process that treats multiple workpieces at once, a process referred to in the art as a "batch" process. However, the current trend in the industry is to process wafers one at a time for the purpose of gaining additional control and reducing losses, and thus general However, physical vapor deposition is not a desirable method.

【0010】スパッタリング法を用いて、溝/孔充填を
するのは、容易なことではない。その原因は、リフト・
オフ・デポジションに関して上で列挙した問題と、同じ
問題が存在していることにある。即ち、スパッタリング
によって原子を放出させているときには、その放出に非
垂直成分が含まれていること、殆どのスパッタリング・
ソースはかなりの大きさを持っていること、それに、圧
力が高いため、気体散乱が高率で発生すること、という
原因が存在するために、被加工物へ飛来する原子は、一
般的にその速度が等方性を有しており、即ち、それらの
原子は大きな非垂直成分を持っている。その結果、溝な
いし孔の側壁部の上方部分に、横方向へのせり出しが急
速に形成されることになる。デポジションを続行する
と、一般的に、そのような側壁部どうしが互いに近付く
ように成長し、それによって、コーティングした膜の下
に、空隙が取り込まれることになる。この空隙は、半導
体関係の用途においては、極めて許容し難いものであ
る。一般的には、スパッタリング法が利用されるのは、
その溝ないし孔が、非常に幅が広く、しかも浅い場合で
あって、そのアスペクト比(幅に対する深さの比)が、
0.5ないしはそれ以下のときである。
Groove / hole filling using a sputtering method is not easy. The cause is the lift
There is the same problem as listed above regarding off deposition. That is, when an atom is emitted by sputtering, the emission contains non-vertical components, and most of the sputtering
Atoms that fly to the work piece are generally dominated by the fact that the source has a considerable size, and because of the high pressure, gas scattering occurs at a high rate. The velocities are isotropic, that is, their atoms have a large non-vertical component. As a result, a lateral protrusion is rapidly formed in the upper portion of the side wall of the groove or hole. Continued deposition generally causes such sidewalls to grow closer together, thereby introducing voids under the coated film. This void is extremely unacceptable for semiconductor-related applications. Generally, the sputtering method is used
If the groove or hole is very wide and shallow, and the aspect ratio (ratio of depth to width) is
When it is 0.5 or less.

【0011】にもかかわらず、スパッタ・デポジション
法は、半導体工業においては、薄膜を形成するための方
法として広く採用されている。従って、スパッタリング
法を改良して、リフト・オフ・デポジションと、溝/孔
充填との双方における、薄膜の形成のために、このスパ
ッタリング法を利用し得るようにすることを望む、明白
な要望が存在しているといえる。上で述べた、低圧下に
おいてスパッタリングを実行し、しかもそれに平行化を
施すという方法(参考文献3)は、これらの要求事項を
満足するものであり、また実際に、実用化にも成功して
いる。しかしながら、平行化機構(コリメータ)をスパ
ッタリング・ターゲットと被加工物との間に配置してい
るため、そのコリメータの表面に厚い膜が堆積し、それ
がやがては細片となって剥れ落ちることによって、ウェ
ーハの微粒子汚染を引き起こすおそれがある。従って、
この方法を改良して、コリメータを間に介挿せずとも良
いようにし、且つ、スパッタリング・ターゲットを改良
して、リフト・オフ法や、溝/孔充填法の用途に適合し
た薄膜を、充分に形成できるようにすることが、望まれ
ているといえる。
Nevertheless, the sputter deposition method is widely adopted as a method for forming a thin film in the semiconductor industry. Therefore, there is a clear desire to improve the sputtering method so that it can be used for the formation of thin films for both lift-off deposition and groove / hole filling. Can be said to exist. The above-described method of performing sputtering under a low pressure and performing parallelization thereof (Reference Document 3) satisfies these requirements, and in fact, has been successfully commercialized. There is. However, since the collimating mechanism (collimator) is placed between the sputtering target and the work piece, a thick film is deposited on the surface of the collimator, which eventually becomes a strip and falls off. May cause particle contamination of the wafer. Therefore,
This method is improved so that a collimator does not need to be interposed, and the sputtering target is improved so that a thin film suitable for the lift-off method and the groove / hole filling method can be sufficiently used. It would be desirable to be able to form them.

【0012】以上の説明における参考文献は次のとおり
である。 1.米国特許第4588490号(1986年5月13
日)、発明者:クォモら(Cuomo et al.)、発明の名
称:「中空カソード強化マグネトロン式スパッタリング
装置(Hollow Cathode Enhanced Magnetron Sputtering
Device )」。 2.論文、題名:「中空カソード強化マグネトロン(Ho
llow Cathode Enhanced Magnetron )」、著者:J・ク
ォモら(J. Cuomo et al. )、掲載誌:「真空科学技術
ジャーナル(Journal of Vacuum Science andTechnolog
y (1986), VolA4, pp. 393-396)」。 3.米国特許第4824544号(1989年4月25
日)、発明者:ミカレーゼン及びロスナーゲル(Mikale
sen and Rossnagel )、発明の名称:「広面積カソード
のリフト・オフ・スパッタ・デポジション装置(Large
Area Cathode Lift-off Sputter Deposition Device
)」。
References in the above description are as follows. 1. U.S. Pat. No. 4,588,490 (May 13, 1986)
Sun), inventor: Cuomo et al., Title of invention: "Hollow Cathode Enhanced Magnetron Sputtering
Device) ". 2. Paper, Title: "Hollow cathode reinforced magnetron (Ho
llow Cathode Enhanced Magnetron), Author: J. Cuomo et al., Publication: "Journal of Vacuum Science and Technolog"
y (1986), VolA4, pp. 393-396) ". 3. U.S. Pat. No. 4,824,544 (April 25, 1989)
Sun), inventors: Mikalesen and Rosnagel (Mikale
sen and Rossnagel), title of invention: "Large-area cathode lift-off sputter deposition apparatus (Large
Area Cathode Lift-off Sputter Deposition Device
) ”.

【0013】以下の参考文献は、以上に列挙した参考文
献の補足であり、また、それらは、米国特許商標庁にお
いて行なわれた広範な先行技術調査の結果、発見された
ものである。以下の説明から明らかとなるように、それ
ら引用文献は、一般的な背景技術としての性質を持った
ものでしかなく、なぜならば、それら引用文献のいかな
る部分にも、薄膜を形成するための、高指向性デポジシ
ョン・ソースを提供する独特の構成を有するスパッタ・
ターゲットは示唆されていないからである。
The following references are in addition to the references listed above and are the result of extensive prior art search conducted in the United States Patent and Trademark Office. As will be apparent from the following description, the cited documents have only the property as a general background art, because for forming a thin film on any part of the cited documents, Sputter with a unique configuration that provides a highly directional deposition source
This is because the target has not been suggested.

【0014】ディマレイら(Demaray et al.)による米
国特許第4834860号は、マグネトロン用のターゲ
ットを示しており、そのターゲットは、その表面の侵食
領域に溝を備えている。この溝は、スパッタリング電圧
に影響を及ぼすと共に、この溝に近接した部分の局部的
侵食パタンにも影響を及ぼす。これらの影響が生じる理
由は、その溝によって、カソード表面からの電子放出
(2次電子放出)の局部的な放出形態が変化するためで
あり、この放出形態の変化によって、カソードの近傍に
おけるイオン生成過程が変化し、その結果、プラズマの
抵抗が異なったものとなるのである。
US Pat. No. 4,834,860 to Demaray et al. Shows a target for a magnetron, which target is provided with grooves in the eroded region of its surface. This groove has an effect on the sputtering voltage and also on the local erosion pattern near the groove. The reason why these influences occur is that the groove changes the local emission form of the electron emission (secondary electron emission) from the cathode surface. Due to this change in the emission form, ion generation in the vicinity of the cathode is caused. The process changes, resulting in different plasma resistances.

【0015】この溝が持っているもう1つの重要な作用
は、時間の経過と共に、この溝が侵食されて形状を変え
るということにある。本質的に、この米国特許の全体
は、溝が侵食されるにつれて、その溝が、ターゲット/
カソードの、通常部分(溝を形成していない部分)の侵
食パタンを、変化させて行くという事実に基づいたもの
である。これによって、カソードが侵食によって背面ま
で突き抜けてしまうまでの間に、そのカソードからスパ
ッタして放出させることのできる材料の総量を、20〜
30%増大させている。このエッチ「トラック」の改良
が、この米国特許の基本的な権利請求対象となってい
る。
Another important function of this groove is that it erodes and changes its shape over time. In essence, the entirety of this U.S. Pat.
This is based on the fact that the erosion pattern of the normal part (the part where the groove is not formed) of the cathode is changed. As a result, the total amount of material that can be sputtered and released from the cathode is 20 to 20 before the cathode penetrates to the back surface due to erosion.
30% increase. This etch "track" improvement is the subject of the basic claims of this US patent.

【0016】本発明と比較した場合、この米国特許は、
粒子の放出分布形態に関係したものではないということ
がいえる。これに対して、本発明の主眼は、スパッタさ
れた原子の「放出形態」を、カソード表面の顕微鏡的な
(微小寸法の)構造によって規制し得るようにするとい
うことにある。深い形状の構造体の底面から放出される
原子のうち、表面に対して垂直に近い方向に運動してい
ないものは、その構造体の側壁部によって回収されるよ
うにしてある。従って、本発明は特に、スパッタされて
放出された原子に対する、この種のフィルタ作用に関す
るものである。このフィルタ作用を得るためには、複数
の孔から成る比較的深い形状の構造体を備え、その構造
体の底面からスパッタリングによって原子を放出するよ
うにするだけで良いのである。
In comparison with the present invention, this US patent
It can be said that it is not related to the release distribution form of particles. In contrast, the focus of the present invention is to allow the "emissive morphology" of sputtered atoms to be controlled by the microscopic (small size) structure of the cathode surface. Among the atoms emitted from the bottom surface of the deep-shaped structure, those which do not move in a direction nearly perpendicular to the surface are collected by the side wall of the structure. The invention therefore particularly relates to a filtering action of this kind for sputtered and ejected atoms. In order to obtain this filtering effect, it suffices to provide a structure having a relatively deep shape composed of a plurality of holes and to emit atoms from the bottom surface of the structure by sputtering.

【0017】サカタら(Sakata et al. )による米国特
許第4610774号は、「合金」ターゲット、即ち2
成分ターゲットの組成を制御することを目的としたもの
であることが明らかである。この米国特許の明細書に
は、基本的には同一の形状構成である、複数の並べ換え
の態様が記載されている。この米国特許は、2種類の異
なった材料(AとB)から構成されるターゲットの組成
を制御して、長寿命のものにしようとしているのであ
る。この米国特許によれば、それら2種類の材料のうち
の一方を、幅広の溝(V字形の溝)の形状に形成するよ
うにしており、そのようにした理由は、それによって、
この溝の領域からの原子の放出の、長期安定性に影響を
及ぼすことができるからである。
US Pat. No. 4,610,774 by Sakata et al., Describes an "alloy" target, namely 2.
It is clear that the purpose is to control the composition of the component target. The specification of this U.S. patent describes a plurality of permutation aspects, which are basically of the same geometry. This U.S. patent seeks to control the composition of a target composed of two different materials (A and B) for long life. According to this US patent, one of the two materials is formed in the shape of a wide groove (V-shaped groove), the reason for doing this is
This is because it is possible to affect the long-term stability of the emission of atoms from the groove region.

【0018】この米国特許と、本発明との間には、幾つ
かの明瞭な相違が存在している。先ず第1に、この米国
特許に開示されている構造体は、デポジション処理を合
金モードで行なうということに特に関心を持ったもので
はない。単一成分のみから成るターゲットを用いること
もあれば、合金ターゲットを用いることもあり、目的と
しているのは、同一組成の薄膜を形成することである。
第2に、このサカタらの米国特許における、溝等の構造
体の寸法的な大きさは、極めて大きなものである。すな
わち、プラズマが、溝の中へ入り込むことによって、そ
の方向が傾けられるようにし、それによって材料の侵食
を制御して、長寿命が達成されるようにしたものであ
る。この点については、上述のディマレイらの米国特許
と幾分類似しているといえる。また、第3に、このサカ
タらの米国特許のカソードが動作する時には、プラズマ
の侵食領域は、一般的に、材料Aの領域と材料Bの領域
とに分割される。
There are some distinct differences between this US patent and the present invention. First of all, the structure disclosed in this U.S. patent is not particularly interested in performing the deposition process in alloy mode. A target composed of only a single component may be used, or an alloy target may be used. The purpose is to form a thin film having the same composition.
Second, the dimensional size of structures such as grooves in the U.S. patent of Sakata et al. Is extremely large. That is, when the plasma enters the groove, its direction is tilted, thereby controlling the erosion of the material and achieving a long life. In this regard, it can be said that the US patent of Dimaray et al. Third, when the cathode of the Sakata et al. Patent operates, the plasma erosion region is generally divided into a material A region and a material B region.

【0019】本発明は、以上に指摘したいずれの点にお
いても相違している。第1に、本発明は、相対的成分率
を調節するようにした合金には、関係していない。第2
に、本発明は、プラズマがカソードの表面構造の中にま
で入り込むようにはしていない。それどころか、それと
は正反対に、プラズマがカソードの孔の中へ入り込まな
いようにするということを重要な点としている。そし
て、第3に、本発明はエッチ・トラックを備えていな
い。
The present invention is different in any of the points pointed out above. First, the present invention is not related to alloys that are adapted to control relative proportions. Second
Moreover, the present invention does not allow the plasma to penetrate into the surface structure of the cathode. On the contrary, on the contrary, it is important to prevent the plasma from entering the cathode pores. And third, the present invention does not include an etch track.

【0020】バンブルら(Bumble et al. )による米国
特許第4637853号は、「バケット」形の中空カソ
ードを示しているが、ただし、それは、スパッタ・ター
ゲットではなく、また、プラズマが、そのバケット即ち
孔の「内部」に存在するようにすることを要件としたも
のである。プラズマがその孔の中へ入り込むと、その孔
の中においてプラズマ密度が局部的にしかも顕著に上昇
し、またそれに対応して、バケットの内壁面へのイオン
衝撃の強度も局部的に増大する。バケットの側壁部は、
バケットの底面と比較して相対的に広い面積を持ってい
る。バケットの側壁部からスパッタされて放出された原
子は、主として、そのバケットの反対側の側壁部の表面
に堆積する。それら原子のうちの非常に僅かな部分のみ
が目的を達するようにしてあり、実際の分布は計算によ
り算出することができる。
US Pat. No. 4,637,853 to Bumble et al. Shows a hollow cathode in the form of a "bucket", provided that it is not a sputter target and the plasma is in its bucket or The requirement is to be present "inside" the hole. When the plasma enters the hole, the plasma density locally and significantly increases in the hole, and the intensity of ion bombardment on the inner wall surface of the bucket locally increases correspondingly. The side wall of the bucket is
It has a relatively large area compared to the bottom of the bucket. The atoms sputtered and ejected from the side wall of the bucket are mainly deposited on the surface of the side wall opposite to the bucket. Only a very small part of those atoms is intended to reach its purpose, and the actual distribution can be calculated.

【0021】この米国特許第4637853号と本発明
との間の決定的な差異は、本発明では、プラズマが決し
て孔の中に入り込まないようにしているということにあ
る。プラズマが入り込めないように、孔を小さくしてあ
るのである。暗部、即ち、プラズマの自己遮蔽距離(外
殻領域の厚さ)が、孔の寸法と比べて大きなものとなる
ようにしている。従って、バケットの場合のような、中
空カソード強化は行なわれない。これに対して、この米
国特許では、プラズマが孔の中へ入り込むようにしてお
くことが重要な点とされている。
The decisive difference between this US Pat. No. 4,637,853 and the present invention is that the present invention ensures that the plasma never enters the pores. The holes are made small so that plasma cannot enter. The dark portion, that is, the plasma self-shielding distance (thickness of the outer shell region) is set to be larger than the size of the hole. Therefore, there is no hollow cathode reinforcement as in the case of buckets. On the other hand, in this U.S. patent, it is important that the plasma is allowed to enter the holes.

【0022】[0022]

【発明の概要及び目的】従って本発明の主たる目的は、
顕著な改良を施したスパッタリング処理装置を提供する
ことにある。また、もう1つの目的として、高指向性を
有するデポジション・ソースを生成することのできる、
その種の装置を提供するということがある。本発明の更
なる目的は、スパッタリング・ターゲット・カソード構
造体であって、スパッタリングの実行中に発生するその
表面からの放出の放出分布形態が、そのターゲット・カ
ソードの特有の構造のために、変形した放出分布形態と
なるようにした、スパッタリング・ターゲット・カソー
ド構造体を提供することにある。本発明の更なる目的
は、その種のスパッタリング・ターゲットであって、そ
のターゲットの放出形態を、そのターゲットの表面に対
して略々直角を成す形態とすることによって、格段の薄
膜形成能力を備えるようにした、スパッタリング・ター
ゲットを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the main object of the present invention is to
It is an object of the present invention to provide a sputtering processing apparatus which has been significantly improved. Also, as another purpose, it is possible to generate a deposition source having high directivity,
Sometimes we provide such a device. A further object of the present invention is a sputtering target cathode structure, wherein the emission distribution morphology of the emission from its surface generated during the sputtering is modified due to the unique structure of the target cathode. Another object of the present invention is to provide a sputtering target / cathode structure having an emission distribution morphology. A further object of the present invention is a sputtering target of that kind, which has a remarkable thin film forming ability by making the emission form of the target substantially perpendicular to the surface of the target. The present invention is to provide a sputtering target.

【0023】本発明の以上の目的は、概略的に述べるな
らば、0.5ミリトール以下の圧力下で運転するように
した、低圧の薄膜スパッタ・デポジション装置によって
達成される。この装置による処理は、イオン化が可能な
ガスを導入するための手段を備えたチャンバを、真空状
態にした中で実行される。この装置は、例えばマグネト
ロンやRF二極管等の、強い電磁界を確立する手段を備
えており、この電磁界確立手段は、アノード、或いはア
ノードとして機能することのできるチャンバの壁部と、
スパッタリング・ターゲット・カソードとの間に配置し
てある。この電磁界によって、イオン化したガスのプラ
ズマが、カソード表面に近接して、ただしそのカソード
表面から、その厚さがdの暗部領域だけ離れて形成され
る。カソードは、曲ったり反ったりしていない平坦な表
面を有しており、処理用のチャンバの中に、被加工物の
構造部の表面と実質的に平行になるように配設してお
く。このカソードは更に、密集させて連続して形成した
複数の孔を、その放出表面の全域に亙って備えている。
それらの孔は、そのアスペクト比h/w(h=深さ、w
=差し渡し)が1.5以上であるという特徴を持つ。ま
た、それらの孔は、極めて稠密に密集させてあり、隣接
する孔どうしの間の間隔は、構造体の強度を維持できる
極限付近にまで小さくしてあり、約0.02インチ(約
0.5ミリメートル)程度としてある。孔の最小差し渡
し寸法wは、個々のデポジション処理のパラメータによ
って定まる距離(d)である、暗部の厚さ寸法dの2倍
以下となるようにしている。
The above objects of the present invention are generally achieved by a low pressure thin film sputter deposition apparatus adapted to operate at a pressure of 0.5 mTorr or less. The processing by this apparatus is carried out in a vacuum state of a chamber equipped with a means for introducing an ionizable gas. This device comprises means for establishing a strong electromagnetic field, such as a magnetron or an RF dipole tube, the electromagnetic field establishing means being an anode, or a wall of a chamber which can function as an anode,
It is arranged between the sputtering target and the cathode. The electromagnetic field causes a plasma of ionized gas to form close to the cathode surface, but away from the cathode surface by a dark area having a thickness of d. The cathode has a flat surface that is not curved or warped, and is disposed in the processing chamber so as to be substantially parallel to the surface of the structural portion of the workpiece. The cathode further comprises a plurality of closely-spaced and continuously formed holes throughout its emission surface.
The holes have an aspect ratio h / w (h = depth, w
== Handover) is 1.5 or more. Also, the holes are very densely packed and the spacing between adjacent holes is small, close to the limit where the strength of the structure can be maintained, about 0.02 inches. It is about 5 mm. The minimum passing dimension w of the holes is set to be equal to or less than twice the thickness dimension d of the dark portion, which is the distance (d) determined by the parameters of each deposition process.

【0024】[0024]

【実施例】本発明は、プラズマを用いたスパッタリング
法、ないしはイオン・ビーム・スパッタリング法に使用
することのできる、従来のスパッタリング・ターゲット
・カソードに改造を加えたものである。一般的に、この
種のターゲットは、平坦な平面形状の表面を備えてい
る。プラズマを用いたスパッタリング法を実行する場合
には、この種のターゲットは、プラズマを生成するため
の、カソードの機能も果たす。プラズマが、このターゲ
ット/カソードに接触すると、その接触境界面に厚さの
薄い外殻状部分、即ち暗部が形成される。プラズマから
のイオンは、この暗部を横切るように加速され、カソー
ドに高速で衝突し、これによって、表面の原子が放出さ
れる。一方、イオン・ビーム・スパッタリング装置にお
いては、ターゲットとは、イオン・ビームの射出経路中
に置かれた、単なる材料である。ビーム中のイオンがそ
の表面に高速で衝突すると、同様に、表面の原子が放出
される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is a modification of a conventional sputtering target cathode which can be used in a sputtering method using plasma or an ion beam sputtering method. Generally, this type of target has a flat planar surface. When carrying out a plasma-assisted sputtering process, this kind of target also serves as the cathode for generating the plasma. When the plasma contacts the target / cathode, a thin shell or dark portion is formed at the contact interface. Ions from the plasma are accelerated across this dark space and strike the cathode at high velocity, which expels surface atoms. On the other hand, in the ion beam sputtering apparatus, the target is simply a material placed in the ion beam emission path. When the ions in the beam strike the surface at high velocity, the surface atoms are similarly ejected.

【0025】本発明は、ターゲットの表面が平面形状で
あったものを改造して、ターゲットの表面に機械加工、
或いはその他の方法で形成した、比較的深さの深い複数
の構造体から成るアレイとしたものである。プラズマを
用いたスパッタリング法において一般的に必要とされる
要件は、それら構造体の差し渡し寸法が、プラズマの暗
部即ち外殻状部分の厚さの、2倍以下になるようにする
ということである。この条件が満たされれば、プラズマ
はその構造体の中へ入り込むことができない。プラズマ
からのイオンは、外殻状部分を横切る方向へ加速され、
主として、このターゲットの表面に形成した構造体の底
面に衝突する。一方、これに対応したイオン・ビーム・
スパッタリング法の場合には、イオン・ビームからのイ
オンの方向が、このターゲットに対して略々垂直である
ようにすることによって、そのイオンが、同様に、ター
ゲットの表面の構造体の底面に衝突するようにすること
ができる。
According to the present invention, a target having a flat surface is remodeled, and the target surface is machined,
Alternatively, it is an array composed of a plurality of relatively deep structures formed by another method. A generally required requirement in the plasma-based sputtering method is that the cross-sectional dimension of the structures is not more than twice the thickness of the dark portion or outer shell portion of the plasma. .. If this condition is met, the plasma cannot penetrate into the structure. Ions from the plasma are accelerated across the outer shell,
Mainly, it collides with the bottom surface of the structure formed on the surface of this target. On the other hand, the corresponding ion beam
In the case of the sputtering method, the direction of the ions from the ion beam is approximately perpendicular to this target so that they also strike the bottom surface of the structure on the surface of the target. You can

【0026】スパッタされてスパッタ・ターゲットのこ
の構造部の底面から放出される原子の放出分布は、他の
普通の表面からスパッタされて放出される原子の通常の
放出分布と変わらず、この分布は、通常、「余弦」分布
と呼ばれているものである。ただし、深い形状とした構
造体の側壁部が、実際にターゲットから飛び出すことの
できる原子の放出角度を制限するように働く。即ち、原
子が垂直に放出された場合には、その原子は、構造体の
開口部を通り抜けて飛び出すことができる。一方、原子
が、垂直からかなり外れた角度に放出された時には、そ
の原子は、この構造体の内壁部によって回収される。
The emission distribution of the atoms sputtered and emitted from the bottom surface of this structure of the sputter target is the same as the normal emission distribution of the atoms sputtered and emitted from other ordinary surfaces. , Which is usually called the "cosine" distribution. However, the side wall portion of the structure having a deep shape acts to limit the emission angle of atoms that can actually fly out from the target. That is, if an atom is emitted vertically, the atom can escape through the opening in the structure. On the other hand, when the atom is ejected at an angle that is far from the vertical, the atom is collected by the inner wall of the structure.

【0027】カソード表面のこの構造体のアスペクト比
によって、放出される原子の放出分布が決定される。こ
の点に関する重要な要件は、プラズマを用いたスパッタ
リング方法においては、開口部の差し渡し寸法が、プラ
ズマの外殻状部分即ち暗部の厚さ寸法の、2倍を超えて
はならないということである。RF二極管ないしDC二
極管によるスパッタリング法では、この暗部の厚さ寸法
は、圧力条件と放電の出力条件とに応じて、数ミリメー
トルから約1センチメートル程度になる。またマグネト
ロンを用いたデポジションの場合には、この暗部の厚さ
寸法は、0.5〜1.5ミリメートル程度になる。
The aspect ratio of this structure on the cathode surface determines the emission distribution of the emitted atoms. An important requirement in this regard is that in a plasma-based sputtering method, the crossover dimension of the openings must not exceed twice the thickness dimension of the outer shell or dark portion of the plasma. In the sputtering method using an RF diode or a DC diode, the thickness of the dark portion is about several millimeters to about 1 centimeter depending on the pressure condition and the discharge output condition. Further, in the case of deposition using a magnetron, the thickness of this dark portion is about 0.5 to 1.5 mm.

【0028】この改造したカソードを使用することによ
って、放出分布を顕著に変化させることができ、それが
可能であるのは、堆積するために飛び出す原子の非垂直
成分を、カソードの表面において吸収してしまうからで
ある。これによって改良したデポジション法における更
なる要件として、スパッタリングを実行するチャンバの
中の圧力を低圧にして、スパッタされた原子がスパッタ
リング・ターゲットからウェーハ表面まで飛んで行く間
に気相衝突をしないようにしておくということがある。
もしその種の衝突が発生したならば、垂直方向の方向性
が失われ、そのために、リフト・オフ処理の場合には、
マスクの下面がコーティングされてしまい、また、溝/
孔充填処理においては、空隙が形成されてしまうことに
なる。プラズマを用いた種々のスパッタリング法の、そ
の大部分のものにとっては、この要件は、プラズマが低
圧(0.5ミリトール以下)でも機能できるように、プ
ラズマを強化することが要求されていることに他ならな
い。この強化のための方法のうちの1つに、既述の如く
(参考文献1、2)、中空カソードを使用するという方
法がある。ただし、特別の設計とすることによって、中
空カソード以外の、その他のプラズマ・ソースを使用す
ることも可能である。その場合の特別の要件は、スパッ
タされた原子の平均自由行程が、ターゲットから被加工
物までの距離より長くなるようにすることである。従っ
て、その動作圧力を0.5ミリトール以下の範囲にまで
低下させることができさえすれば、様々なマグネトロン
装置をそのまま使用することができ、また、例えば、電
子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonanc
e:ECR)プラズマ装置等の、その他の装置も使用する
ことができる。
By using this modified cathode, the emission distribution can be changed significantly, which is possible by absorbing non-vertical components of the atoms that fly out to deposit on the surface of the cathode. Because it will be. A further requirement of this improved deposition method is that the pressure in the chamber in which the sputtering is carried out is low so that sputtered atoms do not undergo vapor phase collisions while flying from the sputtering target to the wafer surface. There is a thing to leave.
If such a collision occurs, the vertical orientation is lost, so that in the case of lift-off processing,
The lower surface of the mask is coated, and the groove /
Voids are formed in the hole filling process. For most of the various plasma-assisted sputtering methods, this requirement requires that the plasma be enhanced so that it can function at low pressures (below 0.5 mTorr). Nothing else. One of the methods for this strengthening is to use a hollow cathode, as described above (References 1 and 2). However, it is also possible to use other plasma sources than the hollow cathode, with a special design. The special requirement in that case is that the mean free path of the sputtered atoms is longer than the distance from the target to the work piece. Therefore, as long as the operating pressure can be reduced to a range of 0.5 mTorr or less, various magnetron devices can be used as they are, and for example, electron cyclotron resonance (Electron Cyclotron Resonanc
Other devices such as e: ECR) plasma devices can also be used.

【0029】以下に、図面を参照しつつ、好適実施例に
ついて説明する。図1について説明すると、同図は、低
圧スパッタ・デポジション装置の模式的な断面図を示し
たものである。この装置を用いて行なう処理は、ポート
12を介して適当な真空ポンプに接続されているチャン
バ10を、真空状態にした中で実行する。プラズマ形成
用ガスとしては、例えばアルゴン等を使用し、これを。
開口14を介して導入する。コーティングを施す被加工
物16は、チャンバ10と同一の電位に接続した、適当
な支持構造18の上に載置しておく。スパッタ・ターゲ
ット・カソード20は、被加工物16から少しだけ離れ
た位置に、被加工物16に対して略々平行な姿勢となる
ように配置されている。このカソード20の表面には、
その放出表面の全域に亙って、複数の小孔22をドリル
で穿設してある。従ってそれら複数の孔22の底面が、
このカソードの放出表面を形成しており、また、既に説
明したように、それら複数の孔22の底面から発せられ
る放出は、このカソードの表面に対して実質的に垂直な
放出となる。更に、このカソードを運転中に冷却するた
めに、ウォータ・ジャケット24を備えている。このウ
ォータ・ジャケット24は、冷却水の流入口と流出口と
を備えているが、それらは図を見易くするために不図示
としてある。
Preferred embodiments will be described below with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, the figure shows a schematic cross-sectional view of a low pressure sputter deposition apparatus. The process performed using this apparatus is performed while the chamber 10 connected to an appropriate vacuum pump via the port 12 is in a vacuum state. As the plasma forming gas, for example, argon or the like is used, and this is used.
It is introduced through the opening 14. The work piece 16 to be coated is placed on a suitable support structure 18 connected to the same potential as the chamber 10. The sputter target cathode 20 is arranged at a position slightly apart from the workpiece 16 so as to be in a posture substantially parallel to the workpiece 16. On the surface of this cathode 20,
A plurality of small holes 22 are drilled all over the emission surface. Therefore, the bottom surfaces of the plurality of holes 22 are
The emission that forms the emission surface of the cathode and, as already explained, the emission emitted from the bottom surface of the plurality of holes 22 is an emission substantially perpendicular to the surface of the cathode. In addition, a water jacket 24 is provided to cool the cathode during operation. The water jacket 24 has an inlet and an outlet for cooling water, which are not shown for the sake of clarity.

【0030】電源を備えており、これを引用符号26で
示してある。この電源は、単なる高電圧DC電源とする
こともあり、また、RF電源とすることもある。この電
源によって、この装置を通常の二極管プラズマ装置とし
て動作させることができるようにしてある。更に、引用
符号28で示したように、カソード20に近接した位置
に、中空カソードを備えている。この中空カソード28
は、低圧下におけるプラズマ形成を強化するためのもの
であり、この点については、先に言及した米国特許第4
588490号に記載してあるとおりである。引用符号
30は、イオン化したガスのプラズマを示している。こ
のプラズマはカソード20から距離dだけ離れている。
既述の如く、この距離dの部分が、暗部領域である。こ
れらを具体的にどのようなものとするかは、デポジショ
ンに使用する材料の種類や、この装置で実行する処理手
順の細目に従って決定すべきものである。また更に、中
空カソード強化を採用することは、好ましいことではあ
るが、絶対的に必要なことではない。これに対し、圧力
が0.5ミリトール以下であるということは、この装置
で実行する処理手順に取って必要なことである。
A power supply is provided and is designated by the reference numeral 26. This power supply may be simply a high voltage DC power supply or an RF power supply. This power supply enables the device to operate as a normal dipole plasma device. Further, as indicated by reference numeral 28, a hollow cathode is provided at a position close to the cathode 20. This hollow cathode 28
Is to enhance plasma formation under low pressure, and in this regard, US Pat.
As described in No. 588490. Reference numeral 30 indicates a plasma of ionized gas. This plasma is separated from the cathode 20 by a distance d.
As described above, the portion of this distance d is the dark area. The specifics of these should be determined according to the type of material used for the deposition and the details of the processing procedure executed by this apparatus. Still further, the adoption of hollow cathode reinforcement, although preferred, is not absolutely necessary. On the other hand, the pressure of 0.5 mTorr or less is necessary for the processing procedure executed by this apparatus.

【0031】図2について説明すると、同図は、カソー
ド構造体の小部分の詳細構造を断面図で示すと共に、プ
ラズマの外殻状領域の一部分を合わせて示したものであ
り、それらによって、外殻状領域の最も近接した位置と
カソードとの間の間隙を図示している。この間隙が、暗
部dと呼ばれているものである。既述の如く、本発明に
とっては、この暗部dが存在していることが、即ち、プ
ラズマが孔の中に入り込んでいないということが重要で
あり、また更に、種々の形状の孔の最小差し渡し寸法を
決定する上で、この暗部dの厚さ寸法が重要である。
Referring to FIG. 2, this figure shows a detailed structure of a small portion of the cathode structure in a sectional view and also shows a part of the outer shell-like region of the plasma. The gap between the closest position of the shell-like region and the cathode is illustrated. This gap is called the dark part d. As described above, it is important for the present invention that the dark portion d exists, that is, that the plasma does not penetrate into the holes, and furthermore, the minimum crossover of the holes of various shapes. The thickness dimension of the dark portion d is important in determining the dimension.

【0032】図3のA、B、C、及びDは、本発明が教
示する指向性放出の機能を、充分に提供することのでき
る、幾つかの種類の孔の構造、即ち孔の形状の、詳細図
である。図3のAは、非常に稠密に密集させて連続して
形成した複数の円筒形の孔から成る構造であって、この
構造は、例えばドリル加工や、その他の微細切削加工等
によって制作することができる。図3のB、C、及びD
の形態は、夫々、正方形、長方形、及び六角形の、連続
して形成した複数の孔としたものであり、これらの構造
は、例えば、電子侵食切削加工法や、超精密鋳造法等に
よって制作することができる。
FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D show some types of pore structures, or pore shapes, that are sufficient to provide the directed emission function taught by the present invention. FIG. FIG. 3A shows a structure composed of a plurality of cylindrical holes which are formed extremely densely and densely and continuously, and this structure is produced by, for example, drilling or other fine cutting. You can B, C, and D of FIG.
Is a square, rectangular, and hexagonal continuous hole, and these structures are produced by, for example, the electronic erosion cutting method or the ultra-precision casting method. can do.

【0033】図4は、図3のAの実施例の、より小さな
部分を示した詳細図であり、寸法wを示した図である。
この寸法wは暗部の厚さ寸法の2倍以下でなければなら
ず、この暗部とは、既述の如く、カソードの表面からプ
ラズマまでの距離のことである。
FIG. 4 is a detailed view of the smaller portion of the embodiment of FIG. 3A showing the dimension w.
This dimension w must be less than twice the thickness dimension of the dark portion, and the dark portion is the distance from the surface of the cathode to the plasma as described above.

【0034】図5は、密集させて連続して形成した複数
の正方形の孔から成る図3のBの構成を、更に詳細に示
した図である。この構成においても、寸法wを、暗部の
厚さ寸法の2倍以下となるように定めるようにしてい
る。
FIG. 5 is a more detailed view of the arrangement of FIG. 3B consisting of a plurality of square holes that are closely packed and formed in series. Also in this configuration, the dimension w is determined so as to be not more than twice the thickness dimension of the dark portion.

【0035】図4と図5との双方において、孔どうしの
間の間隔、即ち壁厚の寸法sは、絶対的に小さな値とし
てあり、それによって、カソードからの全体放出量に対
する表面からの放出量の割合を、できる限り小さな割合
に抑えるようにしている。一般的には、この壁厚の寸法
は、カソードの製作法が許す限り最大限に薄くすべきで
あり、そうした場合、実際的には、0.02インチ
(0.5ミリメートル)程度になることが判明してい
る。
In both FIGS. 4 and 5, the spacing between the holes, ie the dimension s of the wall thickness, is an absolutely small value, so that the emission from the surface relative to the total emission from the cathode is small. We try to keep the volume ratio as small as possible. In general, this wall thickness dimension should be as thin as the cathode fabrication method allows, in which case practically it will be on the order of 0.02 inches (0.5 millimeters). Is known.

【0036】次に示すのは、ここに開示した、本発明の
独特のターゲット・カソードを用いたスパッタ・デポジ
ション装置を、図1に示したシステムにおいて使用した
場合に、処理のパラメータとして適当であることが判明
した値である。 圧力範囲: 0.001〜0.5ミリトール プラズマ生成用ガス: 好ましくはアルゴンであるが、
その他の適当な処理用ガスでも同様に良好に機能する。 エネルギ源: マグネトロン、DC二極管、R
F二極管 マグネトロン出力: 最大30キロワット 暗部の厚さ寸法: 1〜10ミリメートル、0.5
ミリメートルに近いことが好ましい 孔のアスペクト比: h/w≧1.5 孔の寸法: w=1〜2ミリメートル(ここ
でwは、夫々の形状の孔の、最小差し渡し寸法である)
深さ=3〜6ミリメートル 孔の間隔: s≦0.02インチ(0.5ミ
リメートル)
The following are suitable processing parameters when the sputter deposition apparatus using the unique target cathode of the present invention disclosed herein is used in the system shown in FIG. It is a value found to be present. Pressure range: 0.001-0.5 mTorr Plasma generating gas: Argon is preferred,
Other suitable processing gases work equally well. Energy source: magnetron, DC dipole, R
F dipole magnetron output: maximum 30 kW dark space thickness: 1-10 mm, 0.5
Preferably close to millimeters Aspect ratio of holes: h / w ≧ 1.5 Hole dimensions: w = 1 to 2 millimeters (where w is the minimum across dimension of each shaped hole)
Depth = 3-6 mm Hole spacing: s ≤ 0.02 inch (0.5 mm)

【0037】以上の基準の全てが満足されれば、プラズ
マからのイオンは、カソードの表面構造がどのような種
類のものであっても、その構造の底面に衝突する。そし
て、その表面構造の側壁部が、(その構造の孔の底面か
ら)スパッタされて放出された原子のうち、カソードの
表面に対して垂直に近い角度で放出されていない原子を
回収する。スパッタされて放出された材料(原子)のう
ち、回収されなかったものは全て、高度の指向性を有す
るビームとなってカソードから外へ飛び出し、このビー
ムが被加工物に衝突する。これによって、この処理によ
る利点の全てが得られ、それら利点については、既に説
明したとおりである。
If all of the above criteria are met, the ions from the plasma will hit the bottom surface of the cathode whatever the surface structure of the cathode is. Then, the side wall portion of the surface structure collects, from the atoms emitted by sputtering (from the bottom surface of the hole of the structure), the atoms that are not emitted at an angle close to perpendicular to the surface of the cathode. Of the materials (atoms) that are sputtered and emitted, all that has not been recovered becomes a beam having a high degree of directivity and jumps out from the cathode, and this beam collides with the workpiece. This gives all the advantages of this process, which have already been explained.

【0038】孔の形状として本明細書に開示した様々な
例は、最良の選択であると考えられているところのもの
である。しかしながら、容易に理解されるように、その
他の形状を採用することも可能であり、例えば五角形、
八角形、等々の形状とすることもできる。また更に、有
効な指向性放出を得るための基準は、既述の如く、任意
の形状の孔において、その孔の最小差し渡し寸法wが、
暗部の厚さ寸法の2倍以下となるようにすることであ
り、また、その孔の深さが少なくとも1であるようにす
ることである。
The various examples disclosed herein for the shape of the holes are what are considered to be the best choice. However, as will be readily appreciated, other shapes may be employed, such as a pentagon,
It can also have an octagonal shape or the like. Still further, the criterion for obtaining effective directional emission is that, as described above, in a hole having an arbitrary shape, the minimum crossover dimension w of the hole is
The thickness of the dark portion is not more than twice the thickness dimension, and the depth of the hole is at least 1.

【0039】以上に説明したカソードは、カソード・ス
パッタリング・ターゲットを必要としている種々のシス
テムに使用可能であることが判明しており、また、種類
の異なる、例えば平面形状のターゲットに替えて、良好
に使用することができ、それによって行なわれる指向性
スパッタリングは、格段に改良されたものであることが
判明している。
It has been found that the cathode described above can be used in a variety of systems that require a cathode sputtering target, and that it is a good alternative to different types of targets, for example planar targets. The directional sputtering carried out by means of the following has proved to be a significant improvement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】改良したスパッタ・デポジション処理を実行す
るための装置の模式的断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an apparatus for performing an improved sputter deposition process.

【図2】カソード構造体とイオン化しているプラズマと
に関係した重要な寸法を説明するための、スパッタリン
グ・ターゲット・カソードを通る断面に沿って切断した
断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cross-section through the sputtering target cathode to illustrate the important dimensions associated with the cathode structure and the ionizing plasma.

【図3】Aは密集させて連続して形成した複数の円筒形
の孔を備えた本発明の好適実施例の平面図であり、Bは
個々の孔の断面形状を正方形とした本発明の別実施例の
平面図であり、Cは個々の孔の断面形状を長方形とした
本発明の更に別の実施例の平面図であり、Dは個々の孔
の断面形状を六角形とした本発明の更なる別実施例の平
面図である。
FIG. 3A is a plan view of a preferred embodiment of the present invention having a plurality of cylindrical holes that are densely and continuously formed, and B is a plan view of the present invention in which each hole has a square sectional shape. FIG. 6 is a plan view of another embodiment, C is a plan view of yet another embodiment of the present invention in which the cross-sectional shape of each hole is rectangular, and D is the present invention in which the cross-sectional shape of each hole is hexagonal. It is a top view of another example of further.

【図4】図3のAに示した構造の詳細図であって、重要
な寸法を説明するための図である。
FIG. 4 is a detailed view of the structure shown in FIG. 3A for explaining important dimensions.

【図5】図3のBに示した本発明の実施例の詳細図であ
って、この別実施例の構造における重要な寸法を説明す
る図である。
FIG. 5 is a detailed view of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3B, illustrating important dimensions in the structure of this alternative embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 チャンバ 12 ポート 14 ガス導入開口 16 被加工物 18 支持構造 20 スパッタ・ターゲット・カソード 22 孔 24 ウォータ・ジャケット 26 電源 28 中空カソード 30 プラズマ 10 chamber 12 port 14 gas introduction opening 16 workpiece 18 support structure 20 sputter target cathode 22 hole 24 water jacket 26 power supply 28 hollow cathode 30 plasma

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステイーブン・マーク・ロスナゲル アメリカ合衆国10603、ニユーヨーク州 ホワイト・プレインズ、ノース・マナー・ ドライブ 11番地 ─────────────────────────────────────────────────── ————————————————————————————————————————————————————— stephenmark Rosnagel Inventor Stephen Mark Rosnagel 11 North Manor Drive, White Plains, NY 10603, USA

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 低圧スパッタ・デポジション処理に用い
るスパッタ・デポジション装置において、 処理用チャンバから排気して該チャンバ内に0.5ミリ
トール以下の真空を確立するための手段と、 前記チャンバ内へイオン化可能なガスを導入するための
手段と、 いずれも前記チャンバ内に配置されている、アノードと
スパッタリング・ターゲット・カソードとの間に、高強
度の電磁界を確立するための手段と、を備え、 前記電磁界は、イオン化したガスのプラズマの領域が、
前記カソードに近接して、ただし該カソードから距離d
だけ離れて、形成されるようにする電磁界であり、 前記カソードは、平坦な表面を有すると共に、密集させ
て連続して形成した複数の孔を、その放出表面の全域に
亙って備えており、 前記複数の孔は、そのアスペクト比h/w(ここで、h
=深さ、w=差し渡し寸法である)が少なくとも1.5
であり、且つ、それら孔どうしの間の間隔は、前記カソ
ードの構造体としての物理的強度を維持するために必要
なだけの幅としてあり、 前記孔は、その最小差し渡し寸法(w)を、プラズマの
イオン化領域と前記カソードの表面との間の空間の厚さ
寸法である、暗部厚さ寸法の2倍より小さくすることに
よって、イオン化したプラズマが前記孔の中へ入り込む
ことを阻止するようにし、また、前記カソードからの放
出が主として前記孔の底面からの放出であるようにし
た、スパッタ・デポジション装置。
1. A sputter-deposition apparatus used for low-pressure sputter-deposition processing, a means for exhausting from a processing chamber to establish a vacuum of 0.5 mTorr or less in the chamber; Means for introducing an ionizable gas, and means for establishing a high-intensity electromagnetic field between the anode and the sputtering target cathode, both arranged in the chamber The electromagnetic field is a region of plasma of ionized gas,
Close to the cathode, but at a distance d from the cathode
The cathode has a flat surface and is provided with a plurality of closely-spaced and continuously formed pores over its entire emission surface. And the plurality of holes have an aspect ratio h / w (here, h / w)
= Depth, w = across dimension) is at least 1.5
And the spacing between the holes is as wide as necessary to maintain the physical strength of the cathode as a structure, and the holes have their minimum crossover dimension (w), The thickness dimension of the space between the ionization region of the plasma and the surface of the cathode should be less than twice the thickness dimension of the dark part to prevent ionized plasma from entering the holes. Also, the sputter deposition apparatus, wherein the emission from the cathode is mainly from the bottom surface of the hole.
【請求項2】 イオン化のためのエネルギ源がマグネト
ロンから成ることを特徴とする請求項1記載のスパッタ
・デポジション装置。
2. The sputter deposition apparatus according to claim 1, wherein the energy source for ionization comprises a magnetron.
【請求項3】 イオン化のためのエネルギ源がRF二極
管から成ることを特徴とする請求項1記載のスパッタ・
デポジション装置。
3. Sputtering apparatus according to claim 1, characterized in that the energy source for ionization comprises an RF dipole tube.
Deposition device.
【請求項4】 低圧(0.5ミリトール以下)スパッタ
・デポジション装置に使用するスパッタリング・カソー
ドであって、イオン化ガスのプラズマが、このカソード
に近接して、ただしこのカソードから、イオン化されて
いない暗部の厚さdだけ離れて形成される、スパッタリ
ング・カソードにおいて、 前記カソードは、平坦な表面を有すると共に、密集させ
て連続して形成した複数の孔を、その放出表面の全域に
亙って備えており、 前記複数の孔は、そのアスペクト比h/w(ここで、h
=深さ、w=差し渡し寸法である)が少なくとも1.5
であり、且つ、それら孔どうしの間の間隔は、前記カソ
ードの構造体としての物理的強度を維持するために必要
なだけの幅としてあり、 前記孔は、その最小差し渡し寸法(w)を、プラズマの
イオン化領域と前記カソードの表面との間の空間の厚さ
寸法である、暗部厚さ寸法の2倍より小さくすることに
よって、イオン化したプラズマが前記孔の中へ入り込む
ことを阻止するようにし、また、前記カソードからの放
出が主として前記孔の底面からの放出であるようにし
た、スパッタリング・カソード。
4. A sputtering cathode for use in a low pressure (0.5 millitorr or less) sputter deposition apparatus, wherein a plasma of ionized gas is not ionized proximate to the cathode but from the cathode. In a sputtering cathode formed with a thickness d of the dark space, the cathode has a flat surface and a plurality of closely-spaced and continuously formed holes over its entire emission surface. And the aspect ratio h / w (where h
= Depth, w = across dimension) is at least 1.5
And the spacing between the holes is as wide as necessary to maintain the physical strength of the cathode as a structure, and the holes have their minimum crossover dimension (w), The thickness dimension of the space between the ionization region of the plasma and the surface of the cathode should be less than twice the thickness dimension of the dark part to prevent ionized plasma from entering the holes. And a sputtering cathode, wherein the emission from the cathode is predominantly from the bottom surface of the hole.
【請求項5】 前記複数の孔の各々の断面形状を円形と
したことを特徴とする、請求項4記載の低圧スパッタリ
ング装置に使用するスパッタリング・カソード。
5. The sputtering cathode used in the low pressure sputtering apparatus according to claim 4, wherein each of the plurality of holes has a circular cross-sectional shape.
【請求項6】 前記複数の孔の各々の断面形状を正方形
としたことを特徴とする、請求項4記載の低圧スパッタ
リング装置に使用するスパッタリング・カソード。
6. The sputtering cathode used in the low pressure sputtering apparatus according to claim 4, wherein each of the plurality of holes has a square cross-sectional shape.
【請求項7】 前記複数の孔の各々の断面形状を六角形
としたことを特徴とする、請求項4記載の低圧スパッタ
リング装置に使用するスパッタリング・カソード。
7. The sputtering cathode for use in a low pressure sputtering apparatus according to claim 4, wherein each of the plurality of holes has a hexagonal cross-sectional shape.
【請求項8】 前記複数の孔の各々の断面形状を長方形
としたことを特徴とする、請求項4記載の低圧スパッタ
リング装置に使用するスパッタリング・カソード。
8. The sputtering cathode used in the low pressure sputtering apparatus according to claim 4, wherein each of the plurality of holes has a rectangular cross-sectional shape.
【請求項9】 前記カソードの表面における前記複数の
孔のうちの隣接する孔どうしの間の距離を、構造的安定
性が得られる最小の値である約0.02インチ(約0.
05ミリメートル)程度としたことを特徴とする、請求
項4記載の低圧スパッタリング装置に使用するスパッタ
リング・カソード。
9. The distance between adjacent pores of the plurality of pores on the surface of the cathode is about 0.02 inch, which is the minimum value for structural stability.
The sputtering cathode used in the low-pressure sputtering apparatus according to claim 4, wherein the sputtering cathode has a diameter of about 05 mm.
JP21078291A 1990-10-23 1991-08-22 Sputtering deposition apparatus and sputtering cathode Pending JPH05125531A (en)

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US60202690A 1990-10-23 1990-10-23
US602026 1990-10-23

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011132867A3 (en) * 2010-04-21 2012-01-26 Park Young-Chun Sputter target having stepped structure and sputtering device using same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61117276A (en) * 1984-11-14 1986-06-04 Hitachi Ltd Target for sputtering
JPS6277459A (en) * 1985-09-30 1987-04-09 Hitachi Ltd sputter electrode

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