JPH05179438A

JPH05179438A - スパッタ装置

Info

Publication number: JPH05179438A
Application number: JP35977691A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Kanao; 寛人金尾; Takashi Akahori; 孝赤堀
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-12-28
Filing date: 1991-12-28
Publication date: 1993-07-20

Abstract

(57)【要約】【目的】高アスペクト比の段差部にステップカバレッ
ジ良く、均一に成膜が可能で、しかもターゲットの利用
効率の高い成膜を可能とする。【構成】プラズマ生成領域２と試料配置領域３との境
界領域にターゲット４を設置し、該ターゲット４は、前
記プラズマ生成領域と試料配置領域との間を連通させる
べく、複数の孔を有するあるいは複数の筒体で構成され
ており、さらに試料台に高周波又は直流電界を加える手
段及び前記試料台を回転する機構を備えたスパッタ装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造におけ
る薄膜の形成装置、特に凹凸面を持つ半導体基板上に薄
膜を形成する装置であって、より詳しくは、半導体基板
上に配線材料、バリアメタルあるいは絶縁材料の薄膜を
形成するための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】LSI の高集積化に伴いデバイス構造が３
次元化し多層配線技術が用いられるようになってきてい
る。この多層配線技術においては段差部への成膜技術及
び成膜平坦化技術が重要である。特に、高集積化に伴い
配線構造のアスペクト比（深さ／幅）が増大し、微細で
かつアスペクト比の大きいスルーホール、コンタクトホ
ールへの配線材料の埋め込み技術及び層間絶縁膜の成膜
平坦化技術が重要となっている。

【０００３】この埋め込み技術、平坦化技術の一つとし
て、バイアススパッタ法が知られている。図４は従来の
平行平板型バイアススパッタ装置の模式的縦断面図であ
る。配線材料であるAlのコンタクトホールの埋め込みは
以下のように行われる。反応室31内の試料台32に試料Ｓ
を載置し、反応室１内を図示せざる排気系により真空に
排気し、ガス導入系36よりArガスを導入しAlターゲット
33に高周波電源35により高周波電界を付加しプラズマを
生成しターゲット33をスパッタし試料ＳにAlを成膜す
る。

【０００４】試料台32にも高周波電源34により高周波電
界が印加されているため、Arイオンは試料Ｓにも入射す
る。そのため試料Ｓ上に付着したAl原子のうち、イオン
の入射角が大きな部分に付着したAl原子は再スパッタさ
れ、高周波電界を印加しない場合にくらべステップカバ
レッジ良く成膜する。また絶縁膜SiＯ₂の平坦化はター
ゲット33としてSiＯ₂を用いることにより行われる。こ
の場合も同様に、試料台に加えられる高周波電界により
Arイオンは試料Ｓに入射し、ArイオンによるSiＯ₂膜の
エッチング速度が基板に平行な面を持つ部分よりも傾斜
した部分の方が速いためSiＯ₂膜表面が平坦化されるの
である。

【０００５】しかし、この平行平板型の装置は、スルー
ホール・コンタクトホールの配線材料の埋め込みまた絶
縁膜の平坦化においては、ともにアスペクト比 (深さ／
幅)が大きくなるとステップカバレッジが悪くなりボイ
ドを生じるという問題がある。これは動作圧力が高いた
めにターゲットよりスパッタされた粒子が途中で衝突し
段差に対し斜めに入射するためである。試料台に加えら
れる高周波電界による再スパッタではステップカバレッ
ジの回復が不十分になる。

【０００６】これに対して、マイクロ波を用いてECR(電
子サイクロトロン共鳴) を利用したECR バイアススパッ
タ装置 (特開昭61-218134 号) が提案されている。図５
は従来のECR バイアススパッタ装置の模式的縦断面図で
ある。プラズマ生成室41と試料Ｓを配置する試料室42か
らなり、両者の間にプラズマ引出窓43を設け、このプラ
ズマ引出窓の周囲に円筒状のターゲット44を配置してい
る。またターゲット44には負の直流電源50が、試料Ｓを
載置する試料台には高周波電源49が接続されている。

【０００７】このECR バイアススパッタ装置の動作につ
いて説明する。まずプラズマ生成室41、試料室42を図示
せざる排気系により真空に排気し、プラズマ生成室41内
にガス導入系47を通じてAr等を導入する。励磁コイル46
によりプラズマ生成室内41にECR に必要な磁界を形成
し、導波管45を介してマイクロ波を導入しプラズマ生成
室41内にプラズマを生成する。この生成したプラズマは
励磁コイルによる発散磁界により試料室42内に引き出さ
れ、途中円筒状のターゲット44をスパッタする。発生し
たスパッタ粒子は試料Ｓ上に導かれ薄膜を形成するので
ある。この薄膜形成時に試料台に高周波電界を印加する
ことにより、ステップカバレッジは向上する。

【０００８】このようなECR スパッタ装置においては、
平行平板型の装置に比べ、低ガス圧で動作することが可
能であるためスパッタされた粒子は指向性が良く、スル
ーホール・コンタクトホールの埋め込みにおいても、ア
スペクト比 (深さ／幅) が１以上の場合においてもステ
ップカバレッジ良く成膜することが可能である。またプ
ラズマ生成電力とスパッタ電力が独立しているため、タ
ーゲット44への衝突イオン数とプラズマエネルギーを独
立に制御できるために、ターゲット44の材質に適したス
パッタ条件の設定が可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来のECR バイアススパッタ装置は、従来のECR スパッタ
装置に共通する問題を有している。即ち、ターゲットの
口径が大きいため、ターゲットから飛び出したスパッタ
粒子は試料外へ飛ぶものも多いために試料に付着する割
合が低く、またターゲットの口径の大きさに比べ表面積
が小さいためターゲットの利用効率が悪く、更にターゲ
ットの位置が試料Ｓの周縁部にあるために成膜の面内均
一性も悪い等の問題である。本発明はこのような問題点
を解決することを目的とするものであり、高アスペクト
比に対応し、均一な成膜が可能で、しかもターゲットの
利用効率が高い装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は先に、ECR ス
パッタ装置において、プラズマ生成領域と試料配置領域
とを連通する複数の孔を有するターゲットを用いる、あ
るいはプラズマ生成領域と試料配置領域とを連通する複
数の筒体でターゲットを構成することによって、ターゲ
ットの利用効率を高くすることができるとともに、高い
成膜速度で指向性、均一性が良く成膜できることを発見
し、この知見をもとに特許出願を行った。 (特願平3-26
7237号)

【００１１】そして、この知見を生かして、ECR バイア
ススパッタ装置の主な問題点である均一性、ターゲット
利用効率を改善することを試みた。すなわち、ECR バイ
アススパッタ装置にこの改良型のターゲットを用いた
が、この改良型ターゲットを組み込んだECR スパッタ装
置の試料台に単純に高周波又は直流電界を加えた場合、
試料上のプラズマ密度分布はターゲットの陰になるか否
かで若干異なるために、試料台に高周波又は直流電界を
加えた時に生じるバイアス電位が試料内の位置により異
なるという結果となり、もって試料の位置により成膜速
度・ステップカバレッジが異なるという別の問題が生じ
ることがわかった。

【００１２】本発明者は、試料台に高周波又は直流電界
を加えると同時に試料台を回転すると、試料に加わるバ
イアス電位が均一化されるので、アスペクト比の高い構
造に対してもステップカバレッジ良く成膜できることを
見いだしこれを解決した。すなわち、本発明は、次の通
りである。

【００１３】(1) マイクロ波による電界と電磁コイル又
は永久磁石による磁界とを利用してプラズマを発生させ
るプラズマ発生領域と、試料を載置する試料台を備えた
試料配置領域と、前記プラズマ発生領域と前記試料配置
領域との間にターゲット支持体に支持されたターゲット
とを具備するスパッタ装置において、前記ターゲット
は、前記プラズマ発生領域と前記試料配置領域とを連通
する複数の孔を有し、前記試料台に高周波電界又は直流
電界を加える手段及び前記試料台を回転させる回転機構
を有することを特徴とするスパッタ装置。

【００１４】(2) マイクロ波による電界と電磁コイル又
は永久磁石による磁界とを利用してプラズマを発生させ
るプラズマ発生領域と、試料を載置する試料台を備えた
試料配置領域と、前記プラズマ発生領域と前記試料配置
領域との間にターゲット支持体に支持されたターゲット
とを具備するスパッタ装置において、前記ターゲットは
前記プラズマ発生領域と前記試料配置領域とを連通する
複数の筒体で構成されており、前記試料台に高周波電界
又は直流電界を加える手段、及び前記試料台を回転させ
る回転機構を有することを特徴とするスパッタ装置。

【００１５】

【作用】ターゲットがプラズマ生成領域と試料配置領域
とを連通する複数の孔を有する場合 (図２) あるいはタ
ーゲットがプラズマ生成領域と試料配置領域とを連通す
る複数の筒体で構成されている場合 (図３) の効果を、
複数の孔を有する場合で代表して説明する。図６はター
ゲットよりスパッタされた粒子の軌跡の方向を簡単に示
したものである。図６(a) は従来のECR スパッタ装置の
ターゲットの場合、図６(b) は本発明の複数の孔を有す
るターゲットの場合である。この図より本発明の複数の
孔を有するターゲットの方がスパッタ粒子の指向性が高
くなり、試料に入射する確率も高くなることがわかる。
また単位長さ当たりのターゲットの表面積も１つ１つの
孔の表面積は小さいが個数が多いことにより全体として
大きくなっており、ターゲットの利用効率が高くなって
いる。また、従来のスパッタ装置に比べターゲットの有
する孔の位置と大きさを組み合わせることにより、試料
上での成膜速度の均一化が可能である。

【００１６】さらに、高周波又は直流電界を試料台に加
えることにより、イオンを試料に入射させる。これによ
り試料Ｓ上に付着したスパッタ粒子のうち、イオンの入
射角が大きな部分に付着したスパッタ粒子を再スパッタ
し側壁部に再付着させ、ステップカバレッジを向上させ
るのである。

【００１７】しかし、本来このターゲットのECR スパッ
タ装置は非常に均一に成膜できるものではあるが、高周
波又は直流電界を加えた時にはこの均一性が悪化する。
それは、ターゲットの形状に対して試料上で陰になるか
否かで若干のプラズマの分布の変化がありこれが高周波
電界等を加えたとき位置によるバイアス電位の違いとな
って強調され、これが成膜速度及びステップカバレッジ
の分布の均一性の悪化となって現れるためである。即ち
ターゲットの陰になる部分はプラズマ密度が小さいた
め、試料に飛び込むイオンの量が少なく、またバイアス
電位が小さくなるために、スパッタ粒子による成膜は進
むが、再スパッタが減るために、成膜速度は速いがステ
ップカバレッジに劣り、逆に、陰でない部分は、成膜速
度は遅いがステップカバレッジが良いという結果になる
ためである。これを、試料台を回転をしながら高周波又
は直流電界を加えることにより、バイアス電位の分布を
均一化し均一性の悪化を防ぐのである。

【００１８】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき具体的
に説明する。図１は本発明の一実施例であるスパッタ装
置の模式的断面図であり、図中１は反応容器を示してい
る。反応容器１は内部にECR プラズマ発生領域２と、試
料Ｓを載置する試料台12を配置する試料配置領域３から
なっており、両者の境界部分にはターゲット４が配設さ
れている。

【００１９】プラズマ発生領域２の上部には導波管５を
介してマイクロ波発振器６が接続される構成になってい
る。さらに反応容器の上部の周囲には磁場を発生するた
めの励磁コイル７が、また反応容器の上部には反応容器
内にガスを供給するためのガス導入系８が配設されてい
る。そして、試料配置領域内には電極13を有する試料台
12が配設され、この電極13には高周波電源14が、試料台
12には試料台12を回転させるための駆動用モータ15が接
続されている。また、試料配置領域の周囲壁にもガス導
入系９が接続されている。ターゲット４にはイオンを引
き込むための直流電源10が接続されている。ターゲット
４の上部にはターゲットの上面が不必要なスパッタを受
けないようにプラズマ遮蔽板11が配設されている。

【００２０】次に動作について説明する。反応容器１を
図示せざる排気系に排気しArガスをガス導入系８より反
応器１に導入し所定の真空度に設定する。試料Ｓを試料
台12に載置し駆動モータ15にて試料台12を回転させる。
そして、プラズマ発生領域２の圧力が、10^-4〜10^-2Torr
の圧力領域において、励磁コイル７によりプラズマ発生
領域にECR(電子サイクロトロン共鳴) に必要な磁場を発
生させ、マイクロ波発生源６からマイクロ波を導波管５
を介してプラズマ生成領域２に導入し、ECR によりプラ
ズマを生成する。このプラズマ中のArイオンは発散磁界
により試料方向に引き出され、ターゲット４に付加され
た直流電源による負の電位により、Arイオンはターゲッ
ト４に引き寄せられ、ターゲット４をスパッタし試料Ｓ
上に薄膜を形成させる。そしてこの薄膜形成の際、試料
台電極13に高周波電界を印加することにより再スパッタ
を同時に行うことにより、ステップカバレッジ良く薄膜
を形成するのである。

【００２１】次にAlターゲットを用いた、試料であるSi
基板上のSiＯ₂コンタクトホールの埋め込みについて具
体的に説明する。ターゲットとしては、図２の複数の孔
を有するものを用いた。試料であるSi基板Ｓを試料台12
上に載置し、試料台12を５rpm で回転した。そして、Ar
ガスを43sccmの流量でプラズマ発生領域２にガス導入系
８を通じて導入し、プラズマ発生領域２内の圧力を１×
10^-3Torrに設定した。そして励磁コイル７によりECR に
必要な磁場を印加し、マイクロ波電力 (周波数2.45GHz)
を2.0kW導入し、ECR によりプラズマを発生させスパッ
タ成膜をおこなった。Alターゲット４には直流電源10に
より−600Vの電圧を印加した。試料台には高周波電力(1
3.56MHz)を150W印加した。

【００２２】図７はこれにより得られた薄膜の成膜速度
の面内分布を示すものである。縦軸は成膜速度 (Å／mi
n)、横軸は中心からの位置(mm)である。図中○はＸ軸方
向の分布を、図中□はＹ軸方向の分布を示している。Ｘ
軸は図２のターゲットのＸＸ′方向であり、Ｙ軸はそれ
に垂直な方向であり、原点は試料の中心である。試料の
面内の成膜速度の均一性はＸ軸、Ｙ軸方向夫々±4.6
％, ±4.2 ％であった。

【００２３】図８は試料台に高周波電力を150W印加した
が、試料台を回転しなかった場合の結果である。面内の
成膜速度の均一性はＸ軸、Ｙ軸方向夫々±4.8 ％, ±9.
8 ％であった。Ｙ軸方向の均一性が悪くなったのは、Ｙ
軸方向のＹ＝25mm付近がターゲットの陰であるために、
成膜速度が速くなっているためである。この２つの結果
より、回転を加えることにより面内分布の均一性が悪化
することを防ぐことができたことがわかる。

【００２４】図９、図１０、図１１は改良型ターゲット
を用いた装置において、本発明の試料台に高周波を印加
しつつ試料台を回転する場合、従来の試料台に高周波印
加しない場合、試料台に高周波は印加するが試料台を回
転しない場合、の夫々の場合に得られたコンタクトホー
ル部の断面を示す図である。夫々(a),(b) はＸ＝25mm,
Ｙ＝25mmの位置のものである。また加えた高周波電力は
150Wであった。この結果より高周波電界を印加すること
によりステップカバレッジが改善されることが、また試
料台を回転することにより面内分布の均一性が改善する
ことがわかる。

【００２５】またこれらの結果より、従来のECR バイア
ススパッタ装置に比べ、均一性及びステップカバレッジ
が向上した、ことがわかる。なお、本実施例は、磁場発
生手段として励磁コイルを用いたが、コイルの代わりに
永久磁石を用いても良い。また、本実施例はECR の場合
であるが、特にECRとしなくとも、磁場を加えることに
おいてプラズマ発生の低圧力化は可能であり、その低圧
力化による効果がある。

【００２６】また、試料台に加える高周波電界の周波数
として13.56MHzを用いたが、試料にバイアス電位を与え
られる周波数であれば良く、他の周波数２MHz,400kHz等
を用いても効果は得られる。また、試料台の回転数とし
て５rpm を用いたが、他の回転数でもよく、また回転角
度についても、試料上の点から見て、ターゲットが対称
となる回転角度 (本実施例では30°) の往復回転でも良
い。回転の中心に関しても、試料中心でなくても良く、
逆に回転の中心をずらすことはバイアス電位の均一化に
関して効果的である。

【００２７】なお、本実施例はAlのコンタクトホール埋
め込みであり、ターゲットとしてAlを用いたが、これ以
外の材料の薄膜作成に用いるために、ターゲットとして
Al以外の他の材料、例えばAl合金 (Ai−Si−Cu),Cu,
Ｗ，ＷSi₂，Ti, TiＮ，TiSi₂，TiＷ，Ta, Si、SiＯ₂
等）を用いても良く、またこれらのターゲットととも
に、プラズマ発生領域に導入するガスをAr＋Ｏ₂とする
と、上記のターゲット材料の酸化物、例えばAlターゲッ
トの場合にはAl₂Ｏ₃、Siターゲットの場合にはSi
Ｏ₂、Taターゲットの場合にはTa₂Ｏ₅の薄膜が形成で
きる。同様にしてAr＋Ｎ₂又はAr＋ＮＨ₃を導入した場
合には、Alターゲットの場合にはAlＮ、Siターゲットの
場合にはSi₃Ｎ₄、Tiターゲットの場合にはTiＮの薄膜
を形成しうる。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く本発明装置にあっては、ター
ゲットがプラズマ生成領域と試料配置領域とを連通する
複数の孔を有するため、あるいはターゲットがプラズマ
生成領域と試料配置領域とを連通する複数の筒体で構成
されているため、ターゲットの利用効率が高く、高い成
膜速度で成膜することが可能であり、さらに試料台を回
転しながら高周波あるいは直流電界を加えられる構造と
したために、成膜速度の均一性を落とすことなくステッ
プカバレッジの良い成膜を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のスパッタ装置の模式図である。

【図２】本発明実施例に用いられた複数の孔を有するタ
ーゲットの模式図であり、(a)上面図、(b) Ｘ−Ｘ′断
面図である。

【図３】本発明の他の実施例の複数の筒体からなるター
ゲットの模式図であり、(a) 上面図、(b) Ｘ−Ｘ′断面
図である。

【図４】従来の平行平板型のバイアススパッタ装置の模
式図である。

【図５】従来のECR バイアススパッタ装置の模式図であ
る。

【図６】スパッタされる粒子の飛翔する方向の模式図で
あり、(a) 従来型のターゲット、(b) 本発明のターゲッ
トである。

【図７】本発明の実施例における成膜速度の分布を示す
図である。

【図８】本発明者の以前に提案したECR スパッタ装置に
おいて試料台に高周波電力のみを印加した場合の成膜速
度の分布を示す図である。

【図９】本発明の実施例におけるコンタクトホールの断
面を示す図であり、(a) Ｘ＝25mmの位置、(b) Ｙ＝25mm
の位置である。

【図１０】本発明者の以前に提案したECR スパッタ装置
におけるコンタクトホールの断面を示す図であり、(a)
Ｘ＝25mmの位置、(b) Ｙ＝25mmの位置である。

【図１１】本発明者の以前に提案したECR スパッタ装置
において試料台に高周波電力のみを印加した場合におけ
るコンタクトホールの断面を示す図であり、(a) Ｘ＝25
mm位置、(b) Ｙ＝25mmの位置である。

【符号の説明】

１反応容器２プラズマ発生領域３試料配置領域４ターゲット５導波管６マイクロ波発振器７励磁コイル８ガス導入系９ガス導入系 10 直流電源 11 プラズマ遮蔽板 12 試料台 13 電極 14 高周波電源 15 駆動用モータ 21 複数の孔を有するターゲット 22 ターゲット単体 (孔) 23 ターゲット単体 (孔) 24 複数の筒体からなるターゲット 25 ターゲットケース 26 ターゲット筒体 27 ターゲット筒体 31 反応室 32 試料台 33 ターゲット 34 高周波電源 35 高周波電源 36 ガス導入系 41 プラズマ生成室 42 試料室 43 プラズマ引出窓 44 ターゲット 45 導波管 46 励磁コイル 47 ガス導入系 48 試料台 49 高周波電源 50 直流電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波による電界と電磁コイル又は
永久磁石による磁界とを利用してプラズマを発生させる
プラズマ発生領域と、試料を載置する試料台を備えた試料配置領域と、前記プラズマ発生領域と前記試料配置領域との間にター
ゲット支持体に支持されたターゲットとを具備するスパ
ッタ装置において、前記ターゲットは、前記プラズマ発生領域と前記試料配
置領域とを連通する複数の孔を有し、前記試料台に高周
波電界又は直流電界を加える手段及び前記試料台を回転
させる回転機構を有することを特徴とするスパッタ装
置。
【請求項２】マイクロ波による電界と電磁コイル又は
永久磁石による磁界とを利用してプラズマを発生させる
プラズマ発生領域と、試料を載置する試料台を備えた試料配置領域と、前記プラズマ発生領域と前記試料配置領域との間にター
ゲット支持体に支持されたターゲットとを具備するスパ
ッタ装置において、前記ターゲットは前記プラズマ発生領域と前記試料配置
領域とを連通する複数の筒体で構成されており、前記試
料台に高周波電界又は直流電界を加える手段、及び前記
試料台を回転させる回転機構を有することを特徴とする
スパッタ装置。