JPS5871372A - スパッタリングによる成膜方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜材料をスパッタリングによってａｌｌｉｆ
るスパッタリングによる成膜方法及びその装置に関する
ものである。

スパッタリング技術は、低圧の雰囲気ガスをグロー放電
を起こしてイオン化（プラズマ状）し、陰陽電極間に印
加されｆｃ′Ｉｔ圧によシ、そのプラズマ状イオンが加
速されて１ｗ＃陰極におかれたターゲット材料の平板に
衝突させられる。

衝突させられたイオンによシ飛び出されたターゲット材
料の構成数子又は粒子は、＊極近傍に設けられ九基板上
に付着堆積して、ターゲット材料の薄膜を形成する技術
である。

この場合、グロー放電によって発生したイオンは、空間
内に高＠度に閉じ込め、これをターゲット材料平板上に
有効に運び込むことが、堆積速度を改善し、１［子によ
る基板の損傷を低減する上で重要となっている。

その九めに前記のイオンをターゲット材料平板面上の空
間領域に閉じ込め高密度化を図ることが有効である。そ
して、Ｆｉ！ｉ界構成が検討されて来ている。

特にプレーナマグネトロン方式スパッタリング装置は、
その堆積速度が従来の抵抗加熱型真空蒸着装置に匹敵す
る程度になるＫ及び、近年薄膜集積回路や半導体デバイ
ス用の薄膜の形成装置として、その生産用成膜工程に多
用されるに到っ九。

第１図は良く知られ几従来技術によるプレーナマグネト
ロン方式スパッタリング装置のターゲット材料平板近傍
の構造を示す概念説明断面図である。ターゲット材料平
板（以下ターゲットという）１の裏面にヨーク６によシ
磁気結合されたリング状磁慣２と、そのリング状磁極２
の中心部に円柱状磁石３とが、ｆＢ気回路ｔｓｙａりて
ターゲット１０表面側（第１図の下側）の空間に磁束線
の分布、換菖すれば円環体（Ｔｏｎｗ）の高さ方向に喬
厘な平面で半裁し、その半裁面がターゲット１０表面に
平行におかれたトンネル状磁界分布１１が発生する。こ
のトンネル状磁界分布１１によって、その内部に上記プ
ラズマ状イオンが高濃［＆Ｃ閉じ込められる（図示せず
）。

このプラズマ状イオンは、さらに＠＆１０とターゲット
裏面に設置されたｌ［７に印加された高電圧によシ発生
した。ターゲット１０表面には）Ｙ　＊厘な電界によっ
て加速され、ターゲット１表面に衝突し、その結果、タ
ーゲット１表面から順次、その原子又は粒子がはじき出
され、侵食領域１２が形成される。

この侵食領域１２は１以上の説明から推定されるように
、スパッタリング工程の時間経過に伴って侵食度が進む
が、この侵食は通常第１図に示す構成のターゲット構造
体で４．ターゲットの特定の領域に限定されて進行する
ために、！ｊ！効的には侵食領域の体積程度しか使用で
きないとされる。

したがって初期的には目的とする均一な膜厚分布が得ら
れても、さらに、かかる侵食領域の形成によって、はじ
き出されるターゲット材料の原子のはじき出され方向及
び量が変化するために、試料基板表面上の被堆積薄膜の
厚さ分布が均一にならず、はぼ下に凸な２次曲線状分布
あるいは上に凸な２次曲線状分布になってしまう。

その皮めに大きな膜厚を得たいとか、長時間のスパッタ
リング工程の実行したい場合にその実行が不可能であり
、これが従来のスパッタリングターゲットの限界とされ
てい友のである。

その後、この欠点を除くために、上記侵食領域１２がタ
ーゲット１表面上に広面積で発生するようＫｔＢ界分布
１１ｔ−変化してやることが提案され九。

この従来のブレーナマグネトロン方式のスパッタ装置に
おいて最大のターゲット侵食は、磁力線がターゲツト板
に平行くなる上記の点或は領域に揃い且つこの領域の下
に横たわっている領域において発生するにあり、かくし
て磁界発生手段に対して前記の源に垂直な方向に補助的
表可変磁界奮発生させ、補助的な可変磁界を変化させて
その合成磁力線が前記の源と平行になる位ｔ”を連続的
に移動させる奄のである。

このように従来の装置では、核中空空間における磁界分
布の変化に従って、グロー放電は移動するが、当該ター
ゲット平板上中央附近において発生するグロー放電ま几
社グロー放電の１部は、陽極よ〕も相対的に離れ、放電
電流としての荷電粒子の一部である電子は、試料基板側
にも多く流入することがある。このような電子線の流入
が試料基板に対し存在すると１、当該試料基板上にすで
に形成されている半導体素子に永久的な損傷を与えるこ
とがＩり、製品不良を起こす欠点があった。

本発明の目的は、上記従来の欠点をなくシ。

均一な、成膜が行えると共に、成膜対象である試料基板
に流入する負に帯電した荷電粒子の量を大幅に低減し、
荷電粒子の流入による試料へ与える損傷を低減するスパ
ッタリングによる成膜方法及びその１ｕｉｔ−提供する
にある。

即ち本発明は、磁力線が−の磁力線源から発生した場合
には、その性質として交鎖することがなく、磁力線相互
Ｉ／ｃｍａ’ｘｗａｌｌ応力なる引力ないし付方が作用
することに鑑み、複数の磁極を有する−の磁力線源を構
成し、その一部の磁極に発生する磁力線を制御して、他
の残シの磁極に発する磁力線分布の立つ位置、すなわち
プラズマの立つ領域の位置を移動させる励磁手段（電磁
石）を具備したプレーナマグネトロン電極を用い、上記
励磁手段に所定の周期をもつ死重流を、流し、上記電極
の周囲と中央部とに設ｄられた陽極に接地に近い電位を
与えて底膜対象基板への荷電粒子の流入を低減させた状
態で。

環状のプラズマ発生領域を所定７０周期で少くとも１回
以上移動させてそ些ぞれの環状プラス１発生領域におい
てえられる成ｉｉｍ厚を合成してることＫある。

以下に本発明の実施例を図面を用いて杵細に′説明する
。

ｇ２図は本発明忙係わるプレーナマグネトロン方式スパ
ッタリング装置のターゲット構造体の一実施例の断面構
造図である。

９２図で２１は被スパツタ材料からなるターゲット円盤
状平板で、　Ａｔ−２％Ｓｉ　（純度９９．９９９％）
直径８″ψ、板厚２Ｄｒｎｒｎｔの材料および形状のも
のを使用した。２２は第１のｆｆｉ極端で、軟磁性材料
Ｃ高透磁率磁性材料）からなる、２３は第２の磁極端で
、永久磁石からなる。２４は本発明に係わる第Ｓのａ極
端で、軟ａ性材料からなる。２４ａは同じく本発明に係
わる励磁用コイルで、第１の磁極端２２と第３０ａ極端
２４との中間空間に３００回巻回した円環体状コイル、
２５はターゲット円盤状平板２１を冷却する媒質、ここ
では水の導入出管、　２６Ｆｉ第１．第２および第３の
磁極端を全体的に磁気的に結合するヨークで、軟磁性体
材料からなるもの、２７は陰極、２８は絶縁材層板。

３２＃ｉ侵食領域である。２９と３０は接地附近の電圧
が印加された第１の陽極と第２の陽極であり。

ターゲツト材平板２１の周囲とターゲツト材平板２１の
中央にターゲット平板２１と電気的に絶縁さ・れて設け
られている。第２の陽極３０は第２図のスパッタ電極構
造体を中央で買〈、冷却媒質（ここでは水）を導入、−
導出するための、同軸構造をとった管路によシ冷却され
、また電気的に本構造体裏面に引き出されている。

ｗＣ３図及び第４図はともに第２図図示のプレーナマグ
ネトロン方式スパッタ装置のスパッタ電撓構遺体の動作
説明図で、ターゲット材料平板２１上の磁束分布を示し
てトる。第３図、第４図におけるそれぞれの！５０１．
４０１は、ターゲット材料平板２１上の高さくＷ）、ま
た！０２，４０２はターゲット材料円盤の中心からの半
径方向の距離−を示している。

第３図及び第４図はともに励磁用コイル２４ｇには、第
２の磁極端２２におけるｇｉ極の極性が。

永久磁石によるターゲット材料平板側の極性と反対とな
る向きに、制御用電流を通ずる。

第３図は、この制御励磁電流をＯＡとして流さない場合
のものである。また＠４図はこの制御用励磁電流を７Ａ
とし友時の磁束分布である。

よく知られているように、プレーナマグネトロンスパッ
タ電極では、ターゲット材料平板に対して、ターゲット
材料平板上の磁力線が平行罠なる点を中心として、プラ
ズマ領域が形成され、したがって、このプラズマ領域か
ら一番近い距離にあるターゲツト材の平板３２が侵食さ
れる。

第３図、第４図にあるように本発明になるスパッタ電極
では、励磁コイルに通ずる電流を変化させることで、磁
力線がターゲット材料平板に平行となる点を移動させる
ことができ、したがって侵食領域３２ヲも移動させうろ
ことがわかる。

ちなみに、永久磁石２３は、第３の磁極端に付属する励
磁コイル２４ｇに通ずる制御電流を流さぬ時に、　　２
００〜３００ガウス（αｏｙｂ、鷹）以上Ｏ磁場を、第
３．第４図におけるターゲット平板上の磁力線が、ター
ゲット平板と平行になる点で得られる強貞のものとした
。

以下簡単にスパッタリング工程中にくシ込まれている様
子ｔスパッタリング工程の説明で示すことにする。

まず１本発明に係わるターゲット構造体を図示しないが
、良く知られた真壁排気系とシャッタと、Ａｒガス導入
系を有し２ケのゲートパル１を有し、ウェハを連続的に
搬送できる搬送手段をもつ真空槽の一部の壁面に取シつ
ける。つぎにターゲット円盤状平板２１の磁束線が形成
されている９間の上９ＪＨＫ（第５図の天地を逆にした
配置）ターゲット円盤状平板２１の表面に静止対向して
距離７０關の位置に、その表面に平行に成膜対象となる
基板を良く知られた保持手段によシ設置保持する。つぎ
にこの真空槽ｔ−１〜５Ｘ１０　＝Ｔｏｒｒ　　程度ま
で＾全排気し、排気后、４ｒガスを上記、４ｒガス導入
系より導入し、　Ａｒガス圧ｔ−２〜２０惰Ｔｏｒｒに
設定する。

次にターゲット構造体２１の第２の陽極５０に、０〜＋
５０Ｖ、陰極２７に一４００Ｖを印加し、第１の陽極２
９．真空槽（図示せずンをアースに接続すると、Ａｒガ
スはグロー放電を起こすが、この時、励磁コイル２４ｇ
に流すＦｉＪ磁電流を、０〜７Ａ程度変化させると、第
５図、第４図に示された磁力線がターゲット平板と平行
になる点が移動することで予想されたよう紀、Ａｒ原子
がイオン化し、閉じ込められたプラズマ領域が、移動す
ることを目視によりて、実験的にＮｕすることができた
。

第５図は１本実施例によって可能となった最大の技術を
開示するもので、スパッタにより得られる膜厚分布を基
板中心に対して任意の膜厚分布を形成するｌ［厚分布の
制御性を獲得したことである。

纂５図扛、その一部の実験結果會示したものであって、
励磁コイル２４ａに流す制御電流を変化させた場合の基
板中心からの半径方向の距離に対する基板内膜厚分布の
変化を示し友ものである。実線５０１（０印）は下に凸
な膜厚分布。

実線５Ｑ４（○印）はほぼ均一な膜厚分布、実線５０５
（○印）は上に凸な膜厚分布を示すものである。

以上の実験結果をふまえ、励磁コイル２４Ｇに通ずる電
流を１２秒を一絢期とし、−絢期の４秒間励磁電＃Ｌを
７Ａ、残シの８秒間励磁電流をＯＡとする電流波形とし
友。

次にターゲット平板の第１の主平面に正対するように成
膜対象となる基板を搬送し、ターゲット構造体用シャッ
タ（図示せず）ｔ−開き、陰極電圧３５０Ｖ　、陰極電
流１５／Ｉで、ターゲット材料のＡｔ−２％Ｓｉ　ｔ−
２分間基板上に成膜し比。

ちなみにこの時の成膜対象基板とターゲット平板の第１
の主面との距離は７０５ｍとした。

予定の堆積時間経過後に、シャッタを閉じ、Ａｔ−２％
Ｓｔ験全堆積し九基板（Ｓｉウェハ）をゲートバルブを
開いて取シ出した１以上、同工程を繰シ返えし、実質的
にｍル返え几爽験の結果を１００時間以上にわたってチ
ェックした。

第６図はその実験結果の一部を示すもので６０１は従来
のウェハ内膜厚分布を、６０２は本発明に係わるターゲ
ット構造体を使用したウェハ内膜厚分布の経時変化を示
す。本発明の効果は明らかである。また、こうして形成
したＡｔ−２％ＳＬ膜は半導体配線用膜として良好な電
気的特性を示した。

かかる良好なりエバ内膜岸分布および電気的％性は、タ
ーゲット円盤状平板のウニ八対向表面における侵食′領
域の形状に極めて強く依存していることは発明者らの研
究結礒からも明らかＫされたが、第１図における侵食領
域３２が局所的に侵食が進む九めに極めて狭く、時間経
過によってその侵食領域３２０局所的侵食領域の中心が
、優先的に侵食されてゆき、ついにターゲット円盤状平
板２１の板厚に達し、ターゲット円盤状平板２１が使用
できなくなる。

これに対して、第２図における侵食領域３２は励磁コイ
ル２４ａに通ずる電流波形をえらびプラズマ領域を周期
的に移動させることにより長時間にわたυ、均一で良好
な成膜分布特性を維持しつつ、ターゲット材料平板の広
匹面積にわたシ、比較的均一に侵食領域を形成させるこ
とができた。

これは高価格のターゲット材料平板２１の長寿命を保証
しつつ、また生産プロセス上大きなあい路となるターゲ
ット材料平板の取シ替えに主に起因する大きな死時間の
削減をもたらす効果が生じ九のである。

第７図は本発明にかかわる陽極の効果を示したものであ
る。本願スパッタ電極においては励磁コイルに通ずる電
流を大とすると、プラズマ領域をターゲット平面上の中
心に収縮させられる。しかし、この場合には、放電電流
の一部が基板、に流入し、基板上の半導体素子に損傷を
与えることがある。

第７図中の曲線７０１は、本発明にかかわる陽極を設け
ない場合の、１基板上の素子の不良率を表している。プ
ラズマリングの半径が５０Ｗ以下であると、不良率が増
大する。本発明にかかわる陽極が設置された場合の一基
板上の素子の不良率は同図中の曲線７０２に示されてい
るが、本発明にかかわる陽極の効果は明らかである。

第８図は本発明によるグレナーマグネトロン方式スパッ
タリング′ｆ装置のターゲット構造体の他の実施例の断
面構成図である。第８図において、第２図における構成
と異表る点は、第２の磁極端３１に永久磁石を用いずに
、軟磁性材料からなるものに、第２の多数巻きし九励磁
コイル３１ｇを設は次点である。他の記号については第
２図表いし第５図における記号と全く同じ意味である。

本願発明の技術的思想には１本実施例における構成も含
まれる亀のであって、本実施例における２動作で第２図
のそれと異なる点は上述し皮溝成上のちがいから、Ｗ１
２の磁極端３１と第３の磁極端２４による磁束が、とも
に制御できることである。他のプラズマ領域の発生に到
る過程は同じである。

第９図は、第２図及び第８図に示す電極構造体の励磁用
電Ｗの概略構成を示したものである。

該励磁電源部の主九る構成としては、内側電磁石コイル
３１α、外側電磁石コイル２４ａ、を全く別に制御する
ために、電流供給回路が、２つ組み込まれている。該励
磁電源部＃核内側および外側電磁石コイル３１α、２４
αに印加する電流を全く任意に、すなわち、時間的に変
化せぬ一定電＃Ｌまたは、一定の周期をもった矩形波状
、三角波状等の電流波形に設定することができるように
！イクロゾロセッサ４１と、メモリ４２を用いており、
キーボード４３、または適洛な外部記憶装置４０（例え
は磁気テープ、磁気ディスク）から、所定の電流波形に
関する情報を与え、マイクロプロセッサ４１の出力をデ
ジタル−アナログ信号変奥器４４へ４４ｂ（Ｄ−Ａコン
バータ）に加え、これをへらに電流増幅器４５ａ、　４
５ｂにて該内、外側電磁石コイル２４．２５を励磁でき
るだけの所定の強度にまで増幅する。

第９図の該励磁電源部は、制御対象としては該内、外側
電磁石コイル３１へ２４αを扱うので、定電流特性をも
つ電源であシ、また出力電流検出部４６６．４６６によ
シ、出力電流すなわち該各電磁石電流値を検出し、これ
をＤμ変換器４４へ４４ｂが出力される所定の電流値と
比較し、補正を行うために、電流増幅器４５Ｇ、４５ｂ
に情報を帰還する手段をもっている。すなわち電磁石コ
イル２４２５に一定の電流ま友は一定の矩形波電流が印
加されるようＫＪＩＩ成されている。

スパッタリングを行わせしめる放電々力を供給するため
の高圧電源、すなわちスパッタ電源には従来からよく知
られているように、０−ａ００Ｖ程区の出力電圧と０〜
１５Ａ程度の出力電流をもつものを用いた。またよく知
られているように、グロー放電へ投入する電力を制御す
るために、こＯ高圧電源は定電流出力特性をもつ本ので
ある。

上記の構成によって、磁性体材料を磁気的に飽和させ、
それ以上容易に制御性をもたせて過剰の磁束線を使用す
ることができる（第２磁極端１１が永久磁石では、板厚
が薄いものに限られるため、実用的には使用不可能とみ
られる）効果が生ずる。したがって、従来には磁性材料
のスパッタ膜堆積は対向ターゲット方式スパッタリング
装置でしか可能でなかったのが、本発明によってプレー
ナマグネトロン方式スパッタリング装置でも実用的に可
能とな−）７ｔ０なお、以上に述べたことは、第１ＶＢ
極端、ｇ２磁極端、第３ｆｆｌ極端について特別な場合
に関するものであるが、各磁極端を永久磁石および軟磁
性材料（高速ａＳＳ性材料）と励磁コイルとからなる磁
界制御手段との任意の組み合わせにより実現する磁界制
御技術はすべて本発明の技術的思想に含まれるものであ
ることは明らかである。

助上述べた如く、本発明によれば、ターゲット円盤状平
板の長寿命化がはかれ、しかも任意の堆積膜厚分布が得
られ４ｊ！に荷電粒子の試料への流入が大幅に低減でき
、試料の損傷を低減することが出来る効果を奏する。

第１図は従来のプレーナマグネトロン方式スパッタリン
グ装置の電極構造体を示す断面構造図、第２図は本発８
ＡＫよるプレーナマグネトロン方式スパッタリング装置
の電極構造体の一夾ＩＭ例を示す断面構造図、第５図及
び第４図は第２図のスパッタ電極構造体による成磁束分
布測定図、ｍｓ図は第２図に示すスパッタ電極構造体に
よる成膜々厚分布を示す図、第６図は従来スパッタ電極
と、本発明の実施例によるａ膜々厚分布の経時変化特性
を示す図、第７図は本発明による第２の陽極を設置する
ことの効果を示し友釣、第８図は本発明のプレーナマグ
ネトロン方式スパッタリング装置の電極構造体の他の実
施例を示す断面構造図、第９図は第２図及び第８９図の
電極構造体の励磁用電源を示した図である。

２１・・・ターゲット円盤状平板 ２４・・・第３の磁極端　　　２４ｇ・・・第１の励磁
コイル２６・・・ヨーク　　　　　　２７・・・陰極２
９・・・第１の陽極３０・・・第２の陽極３１・・・中
央磁極端 ３１　国 ス １２　記 第３　口 不４困 ０２ １５記 ターゲ°ット消耗時間Ｅ時間〕 第ｒ７図 ’　　　　　　５０　　　　　１００ プラズマリン’）’半＜＋　　［処帆〕ｎ′ｉ３　　口 第　′１Ｉ２ｉ］ 第１頁の続き ０発　明　者　清水保 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 ０発　明　者　立石秀樹 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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１少くとも三つの磁極を有し、旦夕くとも２つの磁
   界発生手段を有し、この磁界発生手段のうち少くとも１
   つは電磁石を備えたプレーナマグネトロン電極を用い、
   上記電磁石に所定の周りをもった電流を流し、上記電極
   の周囲と中央部とに設けられた陽極に接地に近い電位を
   与えて、成膜対象基板への荷電粒子の流入を低減させた
   状態で、環状のプラズマ発生・領域を所定の周期で少く
   とも１回以上移動させてそれぞれの環状プラズマ発生領
   域においてえられる成膜膜厚を合成して上記成膜対象基
   板に成膜をすることを特徴とするスパッタリングによる
   成膜方法。 （２）　　少くとも三つの磁極を有し、旦夕くとも２つ
   の磁界発生手段ｔ−有し、この磁界発生手段のうち少く
   とも１つはｔ磁石を備え九プレーナマグネトｃ１／電極
   ｆ：設け、上記電磁石に所定の周期をもった電流を流す
   制御手段を設け。 上記電極の周囲と中央部とに接地に近い電位が与えられ
   た陽極を設けたことを特徴とするスパッタリングによる
   成ｍ装置。