JPH09209138A

JPH09209138A - スパッタリング方法

Info

Publication number: JPH09209138A
Application number: JP1348296A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yamashita; 雄士山下
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-12

Abstract

(57)【要約】【課題】スパッタリング電圧の掛け方を改善してステ
ップカバレッジを改善する。【解決手段】可変に電圧を印加する電源を有し、真空
容器内に配置された基体表面に成膜するスパッタリング
装置を用いて段差を有する基体表面に成膜する方法であ
って、スパッタリング電圧を高電圧Ａ印加の後に低電圧
Ｂ印加する期間を有するスパッタリング方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に段差を有す
る半導体装置製造等に用いるスパッタリング方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化、集積度向上にとも
ない、表面を立体的構造にして、表面積を広くする必要
がある。このために、縦方向に段差を大きくし、しかも
この段も垂直にして、垂直面も表面層として利用してい
る。

【０００３】この段差のある表面層への電気的配線の形
成に用いるスパッタ装置の１例を図２から説明する。

【０００４】図において、６１は真空容器、６２は真空
容器６１の下部に配設された上面６２ａが平坦な陽極、
６３は陽極６２の上面に成膜される面を上を向けて載置
された表面に段差（図示せず）を有する集積回路ウェー
ハで、６３ａは集積回路ウェーハ６３の中心近傍、６３
ｂは集積回路ウェーハ６３の左端近傍である。６４は陽
極の上面６２ａに平行に一定間隔離して配設した集積回
路ウェーハ６３より大きなアルミニウムターゲットで、
６４ａはアルミニウムターゲットの中心近傍、６４ｂは
アルミニウムターゲットの左端近傍、６４ｃはアルミニ
ウムターゲットの右端近傍である。６５はターゲット６
４を密着して保持し、内部に給水管６５ａから冷却水を
流し、アルミニウムターゲット６４を冷却するターゲッ
トホルダ（図示しないが冷却水の排水管が別にある）
で、かつ陰極である。

【０００５】６６は真空容器６１とターゲットホルダ６
５間を絶縁する絶縁リング、６７はターゲットホルダ６
５と真空容器６１間の放電を防止するシールド板、６８
は陽極６２と陰極６５間にプラズマを閉じ込める電磁石
である。６９は真空容器６１の下部に配設された図示し
ないが排気ポンプに接続された排気管、７０は真空容器
６１にアルゴンガスを供給するガス配管である。

【０００６】この装置の稼働方法を以下に説明する。ま
ず、アルミニウムターゲット６４表面と陽極６２間を略
６５ｍｍ離して平行に配設する。つづいて、排気管６９
から真空ポンプで排気したのちに、アルゴンガスをガス
配管７０から供給し１０-2Ｔｏｒｒに保つ。つづいて、
ターゲットホルダ６５に冷却水を流す。つづいて、電磁
石に通電し、ターゲットホルダ６５と陽極６２間に一定
電圧を一定時間印加する。

【０００７】図２のスパッタリング装置を用いて、半導
体ウェーハ表面に垂直段差を有する集積回路ウェーハの
中心部近傍（図２の６３ａ）へのスパッタリングによる
蒸着膜の形成状態を図３（ａ）、（ｂ）から説明する。
このとき、図２も合わせて用いて説明する。

【０００８】図３（ａ）において、１は集積回路ウェー
ハ、２は集積回路ウェーハ１の中心部近傍（図２の６３
ａ）にドライエッチングで垂直に形成した凹部で、集積
回路ウェーハ表面１ａから凹部の底面２ａまでの深さは
１μｍ、凹部の左側側面２ｂと右側側面２ｃ間の幅は１
μｍ、３はスパッタリングで形成した厚さ０．８μｍの
アルミニウム電極で、凹部の側面２ｂ、２ｃでは凹部の
底面２ａに近付くほど薄くなっている。また、凹部の底
面２ａは中間部が最も厚く凹部の側面２ｂ、２ｃに近付
くほど薄くなっている。また、凹部２の上方にアルミニ
ウム電極３が最も凹部２の内側に突出した左側突出部３
ａおよび右側突出部３ｂが形成される。この凹部の底面
２ａと凹部の側面２ｂ、２ｃの境界２ｄ近傍ではアルミ
ニウム電極３は非常に薄く、ときとして接続されていな
い場合がある。

【０００９】スパッタリングで集積回路ウェーハ６３の
中心近傍６３ａの凹部２のアルミニウム電極が図３
（ａ）のように形成される理由を説明する。アルミニウ
ムターゲットの中心近傍６４ａから垂直方向にスパッタ
リングされたアルミニウムは集積回路ウェーハの中心近
傍６３ａにアルミミニウム電極を形成する。垂直にスパ
ッタリングされたアルミニウムは、集積回路ウェーハ表
面１ａと凹部の底面２ａにアルミニウム電極３を形成す
る。凹部２内に飛翔してきたアルミニウムの一部はアル
ゴンイオンと衝突して、飛翔方向を変えて凹部の側面２
ｂ、２ｃに薄いアルミニウム電極３を形成する。

【００１０】また、斜め方向にスパッタリングされたア
ルミニウムは大部分は直線的に進むので、アルミニウム
の飛び出す位置によってアルミニウムターゲットの左端
近傍６４ｂから中心近傍６４ａに向かうにつれて、凹部
の右側側面２ｃの表面１ａ近傍のみから底面２ａ方向に
深い位置までアルミニウム電極３が形成する。アルミニ
ウムターゲットの右端近傍６４ｃから中心近傍６４ａは
直進する成分では凹部の右側側面２ｃにはアルミニウム
電極３を形成しない。しかし、アルミニウムの一部はア
ルゴンイオンと衝突して、飛翔方向を変えて凹部２の影
の部分にも付着する。凹部の左側側面２ｂにも同じ理由
で同様のアルミニウム電極３が形成される。

【００１０】つづいて、開口部の広い凹部へのアルミニ
ウム電極の形成状態を図３（ｂ）から説明する。図３
（ｂ）において、１１は集積回路ウェーハ、１２は集積
回路ウェーハ１１の中心部近傍（図２の６３ａ）にドラ
イエッチングで垂直に形成した凹部で、集積回路ウェー
ハ表面１１ａから凹部の底面１２ａまでの深さは１μ
ｍ、凹部の左側側面１２ｂと右側側面１２ｃ間の幅は２
μｍ、１３はスパッタリングで形成した厚さ０．８μｍ
のアルミニウム電極で、凹部の側面１２ｂ、１２ｃでは
凹部の底面１２ａに近付くほど薄くなっている。また、
凹部の底面１２ａは中間部が最も厚く凹部の側面１２
ｂ、１２ｃに近付くほど薄くなっている。また、凹部１
２の上方にアルミニウム電極１３が最も凹部１２の内側
に突出した左側突出部１３ａおよび右側突出部１３ｂが
形成される。この凹部の底面１２ａと凹部の側面１２
ｂ、１２ｃの境界１２ｄ近傍でアルミニウム電極１３は
非常に薄く、ときとしては、接続されていない場合があ
る。しかし、図３（ａ）の場合よりは発生しにくい。

【００１１】スパッタリングで集積回路ウェーハ６３の
中心近傍６３ａの凹部１２のアルミニウム電極が図３
（ｂ）のように形成される理由を説明する。アルミニウ
ムターゲットの中心近傍６４ａから垂直方向にスパッタ
リングされたアルミニウムは集積回路ウェーハの中心近
傍６３ａにアルミニウム電極を形成する。垂直にスパッ
タリングされたアルミニウムは、集積回路ウェーハ表面
１１ａと凹部の底面１２ａにアルミニウム電極１３を形
成する。凹部１２内に飛翔してきたアルミニウムの一部
はアルゴンガスと衝突して、飛翔方向を変えて凹部の側
面１２ｂ、１２ｃに薄いアルミニウム電極１３を形成す
る。

【００１２】また、斜め方向にスパッタリングされたア
ルミニウムは大部分は直線的に進むので、アルミニウム
の飛び出す位置がアルミニウムターゲットの左端近傍６
４ｂから中心近傍６４ａに向かうにつれて、飛び出した
アルミニウムは凹部の右側側面１２ｃの表面１１ａ近傍
のみから底面１２ａ方向に深い位置までアルミニウム電
極１３が形成する。アルミニウムターゲットの右端近傍
６４ｃから中心近傍６４ａは凹部の右側側面１２ｃには
アルミニウム電極１３を付着はしない。しかし、アルミ
ニウムの一部はアルゴンガスと衝突して、飛翔方向を変
えて凹部１２の影の部分にも付着する。凹部の左側側面
１２ｂにも同じ理由で同様のアルミニウム電極１３が形
成される。

【００１３】しかし、凹部の側面１２ｂ、１２ｃ間が図
３（ａ）より広いために、アルミニウムターゲット中心
近傍６４ａから図３（ａ）と同じ距離ターゲット左端近
傍６４ｂ側に離れても、凹部の右側側面１２ｃのより凹
部の底面１２ａ近くまでアルミニウムが付着してアルミ
ニウム電極１３が形成される。したがって、凹部の底面
１２ａと凹部の側面１２ｂ、１２ｃとの境界１２ｄでの
アルミニウム電極１３が断線する確率は少なくなる。

【００１４】これは、凹部の側面１２ｂ、１２ｃ間が広
いために、凹部の左側側面１２ｂにはアルミニウムター
ゲット６４のより右端近傍６４ｃに近いところからスパ
ッタリングされたアルミニウムが付着するためである。
凹部の右側側面１２ｃも同様である。

【００１５】ここで、深さ／幅をアスペクト比と言い、
この比が集積回路の微細化、集積度の向上にともない最
近は大きくなってきて１以上になっている。ここで、ア
スペクト比は図３（ａ）では１、図３（ｂ）では０．５
である。

【００１６】また、このような垂直段差を有する半導体
集積回路ウェーハの周辺部のうち左辺部近傍へのスパッ
タリングの蒸着膜の形成状態を図４から説明する。この
とき、図２も合わせて用いて説明する。図４において、
２１は集積回路ウェーハ、２２は集積回路ウェーハ２１
の左端近傍（図２の６３ｂ）にドライエッチングで垂直
に形成した凹部で、集積回路ウェーハ表面２１ａから凹
部の底面２２ａまでの深さは１μｍ、凹部の左側側面２
２ｂと右側側面２２ｃ間の幅は１μｍ、２３はスパッタ
リングで形成した厚さ０．８μｍのアルミニウム電極
で、凹部の側面２２ｂ、２２ｃは凹部の底面２ａに近付
くほど薄くなっている。しかも、右側側面２２ｃが、左
側側面２２ｂより同じ凹部２２の深さでのアルミニウム
電極２３の厚さが薄い。また、凹部の底面２２ａは中間
部が最も厚く凹部の側面２２ｂ、２２ｃに近付くほど薄
くなっている。また、凹部２２の上方にアルミニウム電
極２３が最も凹部２２の内側に突出した左側突出部２３
ａおよび右側突出部２３ｂが形成される。この凹部の底
面２２ａと凹部の側面２２ｂ、２２ｃの境界２２ｄ近傍
でアルミニウム電極３が接続されていない場合がある。
このとき、凹部の右側側面２２ｃのアルミニウム電極２
３が薄く、この部分で接続されていない確率が高い。

【００１７】スパッタリングで集積回路ウェーハ６３の
左端近傍６３ｂの凹部２２のアルミニウム電極２３が図
４のように形成される理由を説明する。アルミニウムタ
ーゲットの左端近傍６４ｂから垂直方向にスパッタリン
グされたアルミニウムは集積回路ウェーハの左端近傍６
３ｂのにアルミミニウム電極を形成する。垂直にスパッ
タリングされるために、集積回路ウェーハ表面２１ａと
凹部の底面２２ａにアルミニウム電極を形成する。凹部
２２内に飛翔してきたアルミニウムの一部はアルゴンイ
オンと衝突して、飛翔方向を変えて凹部の側面２ｂ、２
ｃにより薄いアルミニウム電極３を形成する。

【００１８】また、斜め方向にスパッタリングされたア
ルミニウムは大部分は直線的に進むので、アルミニウム
の飛び出した位置によりアルミニウムターゲットの右端
近傍６４Ｃから左端近傍６４ｂに向かうにつれて、凹部
の左側側面２２ｂの表面２１ａ近傍のみから底面２２ａ
方向に深い位置までアルミニウム電極２３が形成され
る。アルミニウムターゲットの右端近傍６４ｃから左端
近傍６４ｂまではアルミニウム直進成分としては凹部の
右側側面２２ｃにはアルミニウム電極２３を付着しな
い。しかし、アルミニウムターゲット６４からアルミニ
ウムターゲットの左端近傍６４ｂにスパッタしたアルミ
ニウムの一部はアルゴンガスと衝突して、スパッタリン
グ方向を変えて凹部の右側側面２２ｃにも極小量付着し
アルミニウム電極３が形成される。

【００１９】しかし、低電圧になると、垂直方向成分は
すくなくなり、傾斜してスパッタリングされる量が多く
なる。また、スパッタリングされたアルミニウムのエネ
ルギーが小さく、アルゴン原子と衝突してスパッタリン
グ方向が変わりやすい。したがって、アルミニウムター
ゲットの右端近傍６４ｃから左端近傍６４ｂまでからス
ッパッタリングされたアルミニウムは凹部の右側側面２
２ｃにも付着してアルミニウム電極２３を形成する。

【００２０】したっがって、低電圧では凹部の両側面２
２ｂ、２２ｃに略等量アルミニウムが付着し成膜を形成
する。

【００２１】スパッタリング物質により、垂直方向成分
の多い電圧と少ない電圧は異なり、垂直方向成分の比率
も異なる。

【００２２】本説明では、１枚づつスパッタリングする
装置について説明したが、多数枚を一度にスパッタリン
グする場合も同様である。ウェーハの左端近傍が、陽極
の左端近傍のウェーハと言う具合に異なるのみである。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】凹部を有する集積回路
ウェーハにスパッタリング法で成膜するときに、図３
（ａ）に示したように、アスペクト比が大きくなると側
面２ｂの底面２ａ近傍の電極金属が薄くなり、ついには
断線すると言う問題があった。

【００２４】また高電圧では垂直にスパッタリングされ
る成分が多くなり、底面２ａにも、比較的付着しやすく
なるものの、スパッタされた粒子の直進性が強く、ウェ
ーハ外周部における凹部２２の外側の側面２２ｂと内側
の側面２２ｃとの付着の差が著しくなり内側の側面２２
ｃで極端に薄くなる。

【００２５】また低電圧では傾斜してスパッタリングさ
れる成分が多く、エネルギーが小さいために、アルゴン
と衝突して散乱し、凹部の側面にスパッタリングされた
物質が多く付着し、凹部の開口部を塞ぎ凹部の底面には
スパッタリングされた物質の付着が少ない。

【００２６】このように、スパッタリングは複雑な表面
の形態をもつ集積回路の全面を一様に覆うことはかなり
難しい。それは突起の影の部分に原子が入り込めないシ
ャドーイングがおこるからである。とくに階段状に形態
が変化しているところで、階段の側面まで薄膜をつける
こと即ちステップカバレッジは重要な課題になってい
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために提案されたもので、可変に電圧を印加する電
源を有し、真空容器内に配置された基体表面に成膜する
スパッタリング装置を用いて段差を有する基体表面に成
膜する方法であって、スパッタリング電圧を高電圧印加
の後に低電圧印加するスパッタリング方法を提供する。

【００２８】また、高電圧印加のまえに、高電圧に上昇
する印加電圧上昇期間を有するスパッタリング方法を提
供する。

【００２９】また、スパッタリング電圧が高電圧印加か
ら低電圧印加に低下する印加電圧低下期間を有するスパ
ッタリング方法を提供する。

【００３０】また、高電圧印加を一定期間継続する印加
電圧一定期間の後に低電圧印加に低下する印加電圧低下
期間を有するスパッタリング方法を提供する。

【００３１】また、印加電圧低下期間に時間の経過とと
もにスパッタリング電圧を低下させるスパッタリング方
法を提供する。

【００３２】また、スパッタリング電圧が複数の印加電
圧一定期間を有し、高電圧の印加電圧一定期間の後に低
電圧の印加電圧一定期間を有するスパッタリング方法を
提供する。

【００３３】また、高電圧の印加電圧一定期間後に直ち
に低電圧の印加電圧一定期間に移るスパッタリング方法
を提供する。

【００３４】また、高電圧と前記低電圧の比が１．３以
上であるスパッタリング方法を提供する。

【００３５】上記の「高い電圧」とか「低い電圧」の文
語は絶対的な基準により与えられるものではない。ター
ゲットの材質により、同じスパッタリング電圧でもスパ
ッタ方向が垂直な成分の比率が異なり、適正な効果を効
果を上げるためには材料ごとにスパッタ電圧を選択する
必要がある。

【００３６】いずれの材料においてもスパッタリング電
圧が高いほど、垂直にスパッタされる比率が増加するの
で、成膜の早い段階で比較的高い電圧でスパッタを行
い、後の段階でより低い電圧でスパッタすることを意味
している。

【００３７】

【発明の実施の形態】直流スパッタリング装置でアルミ
ニウムスパッタリングする場合の本発明に係わるスパッ
タリング電圧と時間の関係を図１に示す。図１（ａ）は
アルミニウム電極に最初は垂直方向成分の多い高電圧Ａ
を印加し、徐々に電圧を下げながらスパッタリングして
印加電圧低下期間であるｔ1 時間で低電圧Ｂまで低下さ
せる。

【００３８】最初に集積回路ウェーハ表面および凹部の
底面にスパッタリング物質を堆積させる垂直方向への飛
翔成分の多い高電圧Ａを印加し、つづいて、垂直方向へ
の飛翔成分の少ない低電圧Ｂまで徐々に下げることによ
り、徐々に垂直方向への飛翔成分を減少させる。傾斜し
た方向へ飛翔してスパッタリングされたアルミニウムや
アルゴンガスとの衝突で飛翔方向を変えたアルミニウム
を増加させ、凹部の側面に付着させ、凹部の側面と底面
との間に切れ目のないアルミニウム電極を形成する。

【００３９】図１（ｂ）は最初は垂直方向への飛翔成分
の多い高電圧Ａを高電圧印加一定期間としてｔ2 時間印
加し、つづいて、徐々に垂直成分の少ない低電圧Ｂまで
印加電圧低下期間（ｔ3 −ｔ2 ）かけて徐々に下げるこ
とにより、徐々に垂直方向への飛翔成分を減少させる。
傾斜した方向へ飛翔してスパッタリングされたアルミニ
ウムやアルゴンガスとの衝突で飛翔方向を変えたアルミ
ニウムを増加させ、凹部の側面に付着させ、凹部の側面
と底面との間に切れ目のないアルミニウム電極を形成す
る。

【００４０】図１（ｃ）は最初は垂直方向への飛翔成分
の多い高電圧Ａを印加電圧一定期間としてｔ4 時間連続
印加し、つづいて、垂直方向への飛翔成分の少ない低電
圧Ｂを印加電圧一定期間として（ｔ5 −ｔ4 ）時間印加
する。傾斜した方向へ飛翔してスパッタリングされたア
ルミニウムやアルゴンガスとの衝突で飛翔方向を変えた
アルミニウムを増加させ、凹部の側面に付着させ、凹部
の側面と底面との間に切れ目のないアルミニウム電極を
形成する。

【００４１】上記の高電圧を最初に印加する必要はな
く、設備の特性を考慮して低電圧印加から短時間で印加
電圧を上昇させて高電圧印加にしてもよい。

【００４２】高電圧と低電圧の比を１．３以上にすれば
ステップカバレッジ不良の低減に効果がある。

【００４３】最初の垂直方向への飛翔成分の多い高電圧
で集積回路ウェーハ表面および凹部の底面にアルミニウ
ムを一定時間堆積させ、つづいて、垂直方向成分の少な
い低電圧を一定時間印加することにより、傾斜してスパ
ッタリングされたアルミニウムをアルゴンイオンとの衝
突で飛翔方向を変えて、凹部の側面に付着させ、凹部の
側面と底面の間に切れ目のないアルミニウム電極を形成
する。すなわち、ステップカバレッジが改善される。

【００４４】本発明は、アルミニウムのスパッタリング
に限定されるものではなく、他の金属や金属以外にも適
用できる。

【００４５】また、集積回路ウェーハに限定されるもの
ではなく、表面に凹凸を有するものに適用できる。

【００４６】また、スパッタリング装置は直流スパッタ
リング装置に限るものではない。

【００４７】

【実施例】本発明の方法をアルミニウムのスパッタリン
グに適用した実施例を図１（ｂ）から説明する。従来は
１２ＫＷで５０秒印加していた。このときの、ステップ
カバレッジの不具合に起因する特性不良が略２％あっ
た。

【００４８】一方、アルミニウム電極と集積回路ウェー
ハの位置関係を、従来と同様にアルミニウム電極と集積
回路ウエーハの間隔を略６５ｍｍの間隔で略平行に保持
した場合に、本発明の印加電圧と時間の関係は、最初２
０ＫＶの電圧を５秒加え、その後電圧を徐々に低下させ
ながら３０秒で１０ＫＶまで下げる。

【００４９】従来の一定電圧を印加する方法でステップ
カバレッジに起因する特性不良が２％あったが、本実施
例の電圧印加方法では０％になった。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、スパッタリング電圧を
垂直方向成分の多い高電圧にして、集積回路ウェーハ表
面および凹部の底へのスパッタリング量を多くしたの
ち、スパッタリング電圧を垂直方向成分の少ない低電圧
に下げる。このことにより、傾斜してスパッタリングさ
れたアルミニウムやアルゴンガスとの衝突で飛翔方向を
変えたアルミニウムを増加して、凹部の側面に付着さ
せ、凹部の側面と底面の間に切れ目のないアルミニウム
電極を形成する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタリング電圧と時間の関係

【図２】スパッタリング装置の断面図

【図３】従来の集積回路ウェーハの中心部近傍の凹部
の断面図

【図４】従来の集積回路ウェーハの左端近傍の凹部の
断面図

【符号の説明】

Ａ高電圧Ｂ低電圧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可変に電圧を印加する電源を有し、真空容
器内に配置された基体表面に成膜するスパッタリング装
置を用いて段差を有する基体表面に成膜する方法であっ
て、スパッタリング電圧を高電圧印加の後に低電圧印加
することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項２】前記高電圧印加のまえに、前記高電圧に上
昇する印加電圧上昇期間を有することを特徴とする請求
項１記載のスパッタリング方法。
【請求項３】前記スパッタリング電圧が前記高電圧印加
から前記低電圧印加に低下する印加電圧低下期間を有す
ることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパ
ッタリング方法。
【請求項４】前記高電圧印加を一定期間継続する印加電
圧一定期間の後に前記低電圧印加に低下する印加電圧低
下期間を有することを特徴とする請求項３記載のスパッ
タリング方法。
【請求項５】前記印加電圧低下期間に時間の経過ととも
に前記スパッタリング電圧を低下させることを特徴とす
る請求項３または請求項４記載のスパッタリング方法。
【請求項６】前記スパッタリング電圧が複数の印加電圧
一定期間を有し、前記高電圧の印加電圧一定期間の後に
前記低電圧の印加電圧一定期間を有することを特徴とす
る請求項１または請求項２記載のスパッタリング方法。
【請求項７】前記高電圧の印加電圧一定期間後に直ちに
前記低電圧の印加電圧一定期間に移ることを特徴とする
請求項６記載のスパッタリング方法。
【請求項８】前記高電圧と前記低電圧の比が１．３以上
であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項
３、請求項４、請求項５、請求項６および請求項７に記
載のスパッタリング方法。