JPH0647723B2

JPH0647723B2 - スパッタリング方法及びその装置

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Publication number: JPH0647723B2
Application number: JP20991185A
Authority: JP
Inventors: 裕斉藤; 秀造佐野; 康道鈴木; 進相内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-09-25
Filing date: 1985-09-25
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPS6270569A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、半導体装置等の薄膜製造工程におけるスパッ
タリング装置に係り、特に成膜速度およびターゲット寿
命の増大、また微細な溝等への埋込および膜表面の平坦
な成膜に好適なスパッタ装置及びその方法に関する。

〔発明の背景〕

スパッタ成膜は、陰極上におかれたターゲット材料に、
所定のエネルギ以上のイオンを衝突させ、これにより放
出されるターゲット材料の構成原子又は粒子を基板上に
付着堆積させ薄膜を形成する成膜方法である。

上記スパッタ成膜を行うスパッタリング装置としては、
特公昭53-19319 号公報に記載のようにターゲット材料
を有する陰極のターゲット材料と反対側に磁気装置の一
対の磁極を設け、これによって生ずる弧状の磁力線をタ
ーゲット上に形成し、該陰極に電圧を印加しプラズマを
発生させ、該プラズマの荷電粒子を前記磁力線によりサ
イクロトロン運動させ該磁力線内に閉込めることにより
高密度のプラズマを得、２極スパッタリング装置に比べ
高い成膜速度を得る方法が知られている。

しかし、この方法ではプラズマ領域がリング状の狭い領
域となり、また陰極に印加した電力によりプラズマ発生
とターゲットへのイオン衝突エネルギの両方を供給して
いるため、成膜速度を上げるために印加電力を大きくし
ていくと、プラズマ密度はある限界があるためイオンの
数の増加が止まりイオンのターゲットへの衝突エネルギ
のみが増加する傾向となる。このような状態でスパッタ
成膜すると、ターゲットの侵食領域がプラズマ領域とほ
ゞ一致したリング状の狭い領域となるうえさらに高エネ
ルギのイオンの衝突により、ターゲット表面の限られた
範囲の表面温度が急激に上昇しターゲット内に大きな熱
ストレスが発生してターゲットの割れやはがれが発生し
成膜ができなくなる。また上記成膜方法では、ターゲッ
トの侵食領域が狭い領域となるため、ターゲット利用効
率が低く、ターゲット当りの基板処理枚数が少なかっ
た。

上記装置のイオン衝突エネルギを低減する方法の１つと
して、特開昭58-75839号公報に示されるプラズマ発生電
力として高密度プラズマの発生が可能なマイクロ波を用
いたものがある。

この方法は前記の特公昭53-19319号公報に記載のスパッ
タリング装置にマイクロ波発生源を設置したもので、プ
ラズマ領域は前記と同様にリング状の狭い領域となる。
この方法では、プラズマの高密度化はマイクロ波により
行われるため、プラズマ密度の限界は前記装置に比べ高
くできるが、イオンがターゲットに衝突する領域すなわ
ち侵食領域は前記と同様のため陰極への印加電力を大き
くしていくとイオン衝突によりターゲットの限られた範
囲の表面温度が上昇し、熱ストレスによるターゲットの
割れやはがれが発生し成膜できなくなる。また、ターゲ
ットの利用効率も低いものであった。

マイクロ波によるプラズマを応用したスパッタリング装
置の他の例としては、特開昭59-47728号公報に記載のも
のがある。これは、マイクロ波によって発生させたプラ
ズマを発散磁界により輸送し、このプラズマ輸送用戻の
近傍にターゲットを載置した陰極を設置し、該陰極に電
力を印加しターゲットへイオンを衝突させ、これによっ
て放出されたターゲット材料の原子又は粒子を、上記ス
パッタに使用したプラズマによりイオン化しこれを基板
上に堆積させるものである。この方法では、イオン衝突
によるターゲットの侵食はほゞターゲット全域になるが
ターゲットから放出された原子又は粒子をイオン化して
成膜するため、ターゲットは基板とは対向しておらずタ
ーゲットから放出された原子又は粒子がプラズマ中に飛
び込むよう構成されている。ターゲットから放出された
原子又は粒子の放出角度分布は一般に余弦法則に従うこ
とが知られており、このことから上記方法では、ターゲ
ットから放出された原子又は粒子が直接基板に堆積する
量はわずかとなり、成膜はイオン化された原子又は粒子
によるものと云える。このことから、成膜速度は、ター
ゲットから放出された原子又は粒子のイオン化効率によ
って左右され、イオン化率は一般に低いと云われてお
り、小さいものとなる。また上記方法では、ターゲット
寸法を大きくした場合、ターゲット面上ではプラズマを
閉込めていないため、プラズマ密度は、プラズマ輸送窓
の近傍では高いが、ここから離れるにつれ低くなってし
まい、これにスパッタ成膜するとターゲットの中心部の
み多く侵食され外周部はほとんど侵食されないことにな
る。この結果、陰極への印加電力を大きくしていくと、
ターゲット中心部にイオン衝突が集中しターゲット内に
熱ストレスが生じる。従って上記方法においても高速成
膜を得る上での熱ストレスとターゲットの利用効率向上
の問題は解決されていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ターゲット表面のほゞ全域に高密度プ
ラズマを発生させターゲットのほゞ全域を侵食領域とし
て、イオンの衝突エネルギを極端に大きくすることなく
ターゲット内熱ストレスも小さい状態で高速成膜を可能
としかつターゲット利用効率を増大させ、また基板にも
電力を印加することにより微細な溝への埋込および膜表
面を平坦に高速成膜するスパッタリング装置及びその方
法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記した目的を達成するために、真空容器の
内部でターゲットをスパッタして前記ターゲットと対向
する基板電極上に載置した基板の表面に薄膜を形成する
スパッタリング方法において、ターゲットの中央部に開
口を設け、ターゲットと基板電極との間にカスプ磁場を
形成し、ターゲットに電力を印加すると共に、カスプ磁
場を形成する磁力線が１点に細く絞られる側、即ち点カ
スプの側からターゲット中央部の開口を通してターゲッ
トと基板電極との間にマイクロ波と磁場との相互作用に
より発生させた高密度のプラズマを導入してカスプ磁場
で高密度のプラズマを広い範囲に渡って閉じ込めること
により、ターゲットの広い範囲をスパッタリングして基
板上に薄膜を形成するようにしたものである。

先ず、マイクロ波による放電を用いた高密度プラズマの
発生であるが、これにはマイクロ波がいかに有効にプラ
ズマに吸収されるかが重要で、この条件によりプラズマ
密度が限定されてしまう。

すなわち、静磁界のないプラズマ中での電磁波は波数ベ
クトルＫがここで ω：入射電磁波周波数ωｐ：プラズマ周波数で与えら
れ、ω＜ωｐではＫが虚となり電磁波はプラズマ中には
伝搬しえない。言い換えれば、例えば2.45ＧHzのマイク
ロ波ではプラズマ密度が7.4×10¹⁰／cm³を越えるプラズ
マ中には伝搬しえない、すなわち2.45ＧHzのマイクロ波
で生成するプラズマは磁場がない状態ではプラズマ密度
は7.4×10¹⁰／cm³以上にはならないことがわかる。

また、静磁界のあるプラズマ中での電磁波は、その電磁
波の進行方向と磁界とのなす角度により伝搬状態が異な
り、特に磁界と平行になるように電磁波をプラズマ中に
入射した場合は、右回り円偏波の分散式は、ここで ωｃｅ：電子サイクロトロン周波数 ωｃｉ：イオンサイクロトロン周波数で与えられ、０＜ω＜ωｃｅとなる周波数の電磁波はプ
ラズマ密度に関係なくプラズマ中を伝搬する。

すなわち、静磁界を設け、かつこの静磁界と平行にマイ
クロ波を入射し、この静磁界の強度を電子サイクロトロ
ン共鳴（2.45ＧHzでは875Ｇ）以上とすることにより、
右円偏波はプラズマ中を伝搬し、マイクロ波電力をプラ
ズマに供給するため、プラズマ周波数ωｐは、ωｐ＞ω
となり、プラズマ密度は7.4×10¹⁰/cm³よりはるかに大
きな値（10¹²/cm³以上）になる。

また、上記の様にして発生させたプラズマは、磁気装置
により抱束していなければプラズマは発散してしまい、
マイクロ波電力の損失が大きくなりかつプラズマも高密
度化できない。またこのプラズマを磁気装置により抱束
し長い距離輸送すると輸送中のプラズマの拡散により、
プラズマ密度は距離が離れるに従って低下する。

以上のことから、本発明は、プラズマ発生部に磁気装置
を設け、この磁気装置がまた成膜部におけるプラズマ閉
込み用の磁気装置を構成する構造とすることで、プラズ
マ発生部とスパッタ成膜部の距離を短かくしプラズマの
輸送中の拡散を小さくし発生部のプラズマ密度と成膜部
のプラズマ密度をほゞ等しくなるようにする。

即ち、成膜部には、上記プラズマ発生部の磁気装置と組
をなす磁気装置をターゲットの裏側に設け、ターゲット
と対向して基板を保持する基板ホルダの周辺に前記組を
なす磁気装置と対をなす磁気装置を設けてターゲットと
基板ホルダとの間にカスプ磁場（互いの磁力線が反対と
なる１対の磁気装置の組合せにより構成される磁場）を
形成するようにすることでプラズマ発生部の磁気装置が
カスプ磁場を構成する磁気装置を兼ね、プラズマ発生部
とスパッタ成膜部（ターゲット面）との距離を短くし
た。このような構成とすることにより、プラズマ発生部
の磁気装置はプラズマ発生部内にカスプ磁場を構成する
磁力線が細く絞られた点、即ち点カスプを形成し、この
点カスプの近傍でマイクロ波と磁場との相互作用による
放電により高密度プラズマを発生させる。この高密度プ
ラズマを、カスプ磁場を形成する磁力線にそってターゲ
ット上へ輸送し、この磁力線により構成されるカスプ磁
場により、プラズマを閉込めターゲット表面ほゞ全域に
わたって高密度プラズマでおゝう構成とした。

また、本発明では、基板側にも電力（高周波電力）を印
加できる構成とし、ターゲットを載置した陰極に電力を
印加してスパッタ成膜する際に基板側にも電力を印加し
基板表面をスパッタエッチングできる構成とした。

またターゲット裏面の磁気装置を複数個の磁気回路で構
成することによりターゲット上での磁力線の強度分布，
形状等を制御可能な構成とした。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図から第６図により説明す
る。第１図，第２図は第１の実施例のスパッタリング装
置の構造を示す断面図である。

ターゲット１と基板２は平面対向しており、ターゲット
１は裏面にバッキングプレート３を介して陰極４に密接
して設置され、該陰極４は絶縁物５を介して真空槽６に
設置される。また前記絶縁物５の外周にはアースシール
ド７が真空槽６に設置される。この陰極４と真空槽６の
間に電源９が設置される。ここでターゲット１の中央部
10は空洞となっており、この部分にプラズマ発生室11が
設置され、該プラズマ発生室11の外周には導波管12が絶
縁物13を介して陰極４に設置してある。前記導波管12に
はフランジ14で別の導波管15が取付けられ、該導波管15
の他端にはマイクロ波発生源16が設置される。また、前
記陰極４の裏面には磁気装置18が設置され、該磁気装置
18は複数個の磁気コイル18a,18b,18cより構成される。
ここで前記プラズマ室11は、マイクロ波は透過するが真
空は保持する材料（例えば石英，アルミナ磁器など）か
ら成り、前記陰極へは真空を保持しうるように設置され
る。

また、基板２は、基板ホルダ19上に載置され該基板ホル
ダ19は軸20により絶縁物21を介して電気的に絶縁されか
つ真空を保持しうるようにフランジ22に設置され、該フ
ランジ22は、磁器装置23を包み込んだリング状の罐24が
取付いたコイルフランジ25に設置され、該コイルフラン
ジ25は真空槽６にそれぞれ真空を保持しうるように設置
される。また、前記基板ホルダ19の軸20には、電源26が
設置され、基板２に高周波電力が印加できる構成となっ
ている。

以上の構成において、磁気装置18，23はカスプ磁場を構
成し、これらの磁気装置により発生する磁力線は、第２
図に示すように、磁気装置18からターゲット側へ出た磁
力線28は、基板２側の磁気装置23の磁力線29と反発しあ
いターゲット１と基板ホルダ１９との間に線カスプＬ、
磁気装置１８の中心部に点カスプＰを形成するカスプ磁
場を構成する。ここで磁気装置18の中心部27（即ち点カ
スプＰ）の磁場強度を電子サイクロトロン共鳴条件（マ
イクロ波周波数2.45ＧHzでは磁場強度875ガウス）以上
とし、ここにマイクロ波を導入し高密度のプラズマを発
生させ、該プラズマを点カスプＰから磁力線28によって
カスプ磁場内へ輸送する構成とする。

以上において、スパッタ成膜室30は、不活性ガス（例え
ばアルゴンガスなど）雰囲気の所定の真空状態（10^-2か
ら10^-4Torr程度）としておく。ここに、マイクロ波発生
源16よりマイクロ波を発振すると、マイクロ波は導波管
15により導びかれ、導波管12へ送られプラズマ発生室11
へ入る。磁気装置18により作られる静磁界によってマイ
クロ波はプラズマ発生室内の雰囲気ガスを電離し高密度
のプラズマ（プラズマ密度ne＝10¹¹10¹³cm³）状態とす
る。このプラズマ発生室11内のプラズマは磁力線28に沿
ってターゲット１面上へ送られ、磁気装置18,23によっ
て作られるカスプ磁場によってターゲット１と基板２の
間に閉込められ、ターゲット１面上を高密度プラズマ状
態とする。ここで陰極４に電源９により電力を印加し、
ターゲット１面に負の電界を発生させ、これによりプラ
ズマ中のイオンを加速してターゲット１表面に衝突さ
せ、該ターゲット１表面から順次その原子又は粒子をは
じき出し、これを基板２の表面上に堆積して薄膜を形成
する。ここで電源９は、ターゲット１の材質により直流
または高周波を選択する。

以上のようにターゲット１面上のプラズマは、マイクロ
波による電子サイクロトロン共鳴条件以上の静磁界のも
とでプラズマ発生室11で発生し、この発生部27の磁力線
がプラズマ閉込めのカスプ磁場の磁力線であり、プラズ
マ発生部とターゲット１面が接近しておりプラズマ輸送
距離が短かいため、ターゲット１表面の全域にわたりか
つ高密度である。そのため、ターゲット１の侵食領域も
ターゲット１の全域となり、ターゲットへ衝突するイオ
ンの数も多く高エネルギイオンがターゲットに衝突する
ことなく、ターゲット１内の熱ストレスも小さいものと
なる。

また、上記のスパッタ成膜において、電源26により基板
ホルダ19に高周波電力を印加し、基板２表面に負の電界
を発生させ、この電界によりプラズマ中のイオンを加速
して基板２表面に衝突させ基板表面に堆積した薄膜をス
パッタエッチングする。このときの基板状態を第３図と
第４図に示す。第３図(a)は、溝を有する基板31にスパ
ッタ成膜した状態を示し、溝幅が小さくなるとスパッタ
成膜により堆積した膜32は、先に成膜された膜33の角の
部分でオーバハング34し、溝35の開口部36は成膜の進行
に伴い益々狭くなり、溝35の成膜ができなくなる。そこ
で、上記の基板側に電力を印加し、スパッタエッチング
をスパッタ成膜と同時に行うと、第３図(b)に示すよう
に、スパッタエッチング特性から(a)のオーバハング34
が他の部分よりエッチングされやすく、溝35の開口部36
は36′のようになり溝への成膜が可能となる。また、ス
パッタ成膜中に基板をスパッタエッチングしながら、更
に成膜した状態を第４図に示す。スパッタエッチングは
イオンの入射角とエッチングされる面の法線の角度が70
゜〜80゜でエッチングの最大値を示すことから、角度を
持った部分37が他の部分より多くエッチングされ、第４
図(a)のようになり、更には第４図(b)のように堆積した
膜32の表面が平坦になることが知られている。これらの
従来装置ではプラズマの密度が低く、成膜中の基板のス
パッタエッチングを高速に行うために印加電力を大きく
すると、イオンの数が少ないため衝突するイオンのエネ
ルギが増大して、基板または素子にダメージを与えるが
本発明の装置は、ターゲットと基板間に高密度プラズマ
を閉込めているため、基板印加電力を増加してもイオン
のエネルギは増大せず基板へのイオン衝突ダメージが低
減でき、高速成膜での溝埋込および平坦化成膜が可能と
なる。

第５図，第６図は、本発明の第２の実施例のスパッタリ
ング装置の構造を示す断面図である。本実施例は、陰極
４′，絶縁物５′，バッキングプレート３′およびター
ゲット１′の形状が円錐形をしている以外は第１の一実
施例と同様であり、該実施例と同一の効果がある。本実
施例によれば、第１の実施例に加え、さらにターゲット
１′が円錐状をしており、このターゲット１′の面が基
板をかこむように傾斜しているため、ターゲット１′表
面からイオンの衝突によりはじき出された原子又は粒子
の放出角度分布が余弦法則に従うことから（例えば、東
京大学出版会、金原粲著「スパッタリング現象」（1984
年３月発行））、前記放出された原子又は粒子の基板
２表面への付着堆積する割合が向上し、ターゲット１に
同一電力を供給した場合での基板への導膜の堆積速度が
増大する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波と磁気装置を組合せ高密度
プラズマ（プラズマ密度ne＝10¹¹〜10¹³/cm³）を発生さ
せ、このプラズマ発生磁気装置とプラズマ閉込め磁気装
置の１方が同一でありプラズマ発生部とターゲットが接
近しており輸送によるプラズマ損失が小さく、またこの
プラズマをターゲットと基板間に磁気装置により閉込
め、ターゲット表面のほゞ全域にわたり高密度プラズマ
状態とするため、陰極への電力印加によりターゲットへ
衝突するイオンの数を増大でき大電力を印加してもイオ
ンの衝突エネルギを低くおさえられかつターゲット全域
にイオンが衝突するためターゲットへの熱ストレスを低
減できるので高速成膜とターゲットの利用率向上が可能
となる。

また基板に電力を印加し、スパッタ成膜中に基板表面を
スパッタエッチングする場合にも、プラズマ密度が高い
ため、基板表面に衝突するイオンのエネルギを低くで
き、基板または素子にダメージを与えることなく微細溝
への高速埋込と平坦化膜の高速成膜ができる。

またターゲット形状を円錐形にすることにより、スパッ
タによりはじき出された原子又は粒子の基板への付着堆
積割合を向上できる。

さらにプラズマ発生はマイクロ波を用いイオンのターゲ
ットへの衝突エネルギには別電源を使用するため、ター
ゲットへの衝突イオンの数（ターゲットへの入射イオン
電流）とそのエネルギ（ターゲットへの入射イオン電
圧）を個別制御でき、ターゲット材質にあったスパッタ
リング条件が設定できる。

以上本発明によれば、生産効率及び材料使用効率及び使
用電力効率の向上と素子へのダメージの低減効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のスパッタリング装置の
断面図、第２図は第１図の磁力線を表わす断面図、第３
図，第４図はスパッタ成膜中の基板を示す断面図、第５
図は本発明の第２の実施例のスパッタリング装置の断面
図、第６図は第５図の磁力線を表わす断面図である。 1,1′……ターゲット、２……基板 4,4′……陰極、7,7′……アースシールド 14,15……導波管、９……電源 16……マイクロ波発生源 18,23……磁気装置 26……電源

フロントページの続き (72)発明者相内進神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開昭59−47728（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−91734（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−194174（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器の内部でターゲットをスパッタし
て前記ターゲットと対向する基板電極上に載置した基板
の表面に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、
前記ターゲットは中央に開口部を有し、前記ターゲット
と前記基板電極との間にカスプ磁場を形成し、前記開口
部に接続するマイクロ波導入部の前記開口部付近に形成
される前記カスプ磁場の点カスプの近傍においてマイク
ロ波と磁場との相互作用により高密度のプラズマを発生
させ、該高密度のプラズマを前記カスプ磁場の磁力線に
沿って前記ターゲットと前記基板電極との間に導入して
前記カスプ磁場で広い範囲に渡って閉じ込めると共に、
前記ターゲットに電力を印加することにより、前記ター
ゲットの広い範囲をスパッタリングして前記基板上に薄
膜を形成することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項２】前記ターゲットをスパッタリングすると同
時に前記基板電極にバイアス電力を印加することにより
前記基板上で再スパッタしながら薄膜を形成することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング
方法。
【請求項３】真空容器の内部に薄膜を形成する材料から
なるターゲットと、該ターゲットを支持する電極手段
と、該電極手段に電力を印加する電力印加手段と、前記
ターゲットと所定の間隔を隔てて対向する基板電極手段
と、前記ターゲットの裏側の第１の磁場発生部と前記基
板電極の側の第２の磁場発生部とを有し前記ターゲット
と前記基板電極との間にカスプ磁場を発生させる磁場発
生手段と、前記ターゲットと前記電極手段との中央に設
けた開口部を通して前記真空容器の外部からマイクロ波
を供給するマイクロ波供給手段とを有し、前記カスプ磁
場は前記マイクロ波供給手段の前記開口部の付近に点カ
スプを形成し、該点カスプの近傍で前記マイクロ波と前
記磁場との相互作用により高密度のプラズマを発生さ
せ、該高密度のプラズマを前記カスプ磁場の磁力線に沿
って前記カスプ磁場中に供給して前記カスプ磁場中の広
い範囲に渡って閉じ込めると共に、前記電力印加手段に
より前記電極手段に電力を印加することにより前記ター
ゲットをスパッタし、前記基板電極手段の上に載置した
基板の表面に薄膜を形成することを特徴とするスパッタ
リング装置。
【請求項４】前記基板電極手段は、前記スパッタリング
中にバイアス電力を印加するバイアス電力印加手段を備
え、該バイアス電力印加手段により前記スパッタリング
中に前記基板電極手段にバイアス電力を印加することに
より前記基板の表面で再スパッタしながら薄膜を形成す
ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のスパッ
タリング装置。
【請求項５】前記点カスプの磁場強度が前記マイクロ波
の周波数に応じた電子サイクロトロン共鳴条件を満たす
臨界磁場強度以上であることを特徴とする特許請求の範
囲第４項記載のスパッタリング装置。