JPH05125531A

JPH05125531A - スパツタ・デポジシヨン装置及びスパツタリング・カソード

Info

Publication number: JPH05125531A
Application number: JP21078291A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1993-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】薄膜を形成するスパッタ・デポジション装置
において、スパッタされてターゲットから放出される原
子の放出方向に指向性を付与する。【構成】低圧スパッタ・デポジション装置の真空チャ
ンバ１０の中に、被加工物１６とスパッタリング・ター
ゲット・カソード２０とを、対向させて略々平行に配置
し、それらの間にマグネトロンによって強い電磁界を確
立して、プラズマ３０を形成する。プラズマは、カソー
ドの表面に近接して、ただし、カソードの表面からプラ
ズマの暗部領域の厚さ寸法ｄだけ離れて形成される。カ
ソードにはその放出表面の全域に亙って複数の孔２２を
密集して形成しておく。孔のアスペクト比ｈ／ｗ（ｈ＝
深さ、ｗ＝差し渡し寸法）を１．５以上にして、孔の底
面からの放出だけがカソードから飛び出すようにする。
孔の最小差し渡し寸法を、暗部の厚さ寸法の２倍以下で
あるようにして、プラズマが孔に入り込まないようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
）」。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。