JPS5922788B2 - プレ−ナマグネトロン方式のスパッタリング装置及びその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜材料のスパツタ装置で使用するターゲツト
平板の長寿命化と試料表面上の堆積膜厚分布を制御する
ことを図つたプレーナ−マグネトロン方式のスパツタリ
ング装置及びその方法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
加された電圧により、そのプラズマ状イオンが加速され
て、陰極におかれたターゲツ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り飛び出されたターゲット材
料の構成原子又は粒子は、陽極近傍に設けられた基板上
に付着堆積して、ターゲツト材料の薄膜を形成する技術
である。

この場合、グロー放電によつて発生したイオンを空間内
に高密度に閉じ込め、これをターゲツト材料平板上に有
効に運び込むことが、堆積速度を改善し、電子による基
板の損傷を低減する上で重要となつている。

そのために前記のイオンをターゲツ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、磁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ツタリング装置は、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
るに及び、近年薄膜集積回路み半導体デバイス用の薄膜
形成装置として、その生産用成膜工程に多用されるに到
つた。

第１図は良く知られた従来技術によるプレーナ−マグネ
トロン方式スパツ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。ターゲツト材料
平板（以下ターゲツト平板という）１の裏面にヨーク６
により磁気結合されたリング状磁極２と、そのリング状
磁極２の中心部に円柱状磁石３とが、磁気回路を構成し
て配置されている。これらの磁極２，３によつてターゲ
ツト１の表面側（第１図１の下側）の空間に磁力線の分
布、換言すれば円環体（ＴＯｒｕｓ）の高さ方向に垂直
な平面で半裁し、その半裁面がターゲット平板１の表面
に平行におかれた半円環状磁界分布、通称トンネル状磁
界分布１１が発生する。このトンネル状磁界分布１１に
よつて、その内部に上記プラズマ状イオンが高濃度に閉
じ込められる（図示せず）。このプラズマ状イオンは、
さらに陽極１０とターゲツト平板１の裏面に設置された
陰極７間に印加された高電圧により発生しているターゲ
ツト平板１の表面にほぼ垂直な電界によつて加速され、
ターゲツト平板１表面に衝突し、その結果、ターゲツト
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、以上の
説明から推定されるように、スパツタリング工程の時間
経過に伴つて侵食度が進むが、この侵食は通常第１図に
示す構成のターゲツト平板構造体では、ターゲツト平板
の特定の領域に限定されて進行するために、実効的には
侵食領域の体積程度しか使用できないとされる。

したがつ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つて、はじ
き出されるターゲツト材料の原子のはじき出される方向
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、自然発生的にほぼ下に凸な
２次曲線状分布あるいは上に凸な２次曲線状分布になつ
てしまう。

そのために大きな膜厚を得たいとか、長時間のスパツタ
リング工程を実行したい場合にその実行が不可能となり
、これが従来のスパツタリング工程の限界とされていた
のである。

その後、この欠点を除くために上記侵食領域１２が広面
積でターゲツト平板１表面土に発生するように磁界分布
１１を変化してやることが提案された（特開昭５１−８
６０８３、特開昭５３−７５８６）。この技術の理論的
背景ないし、技術的思想は、特開昭５１−８６０８３号
分報の第２頁、右下の欄、第１９行目から第３頁、左上
の欄、第２行目にある如く、「最大のターゲツト侵食は
、磁力線がターゲツト板に平行に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つている領域において
発生する」にあるとされ、かくして特開昭５１−８６０
８３号公報においては、その特許請求の範囲の第１項に
記載された文言にあるごとく、第１の磁界手段に対して
、前記の源に垂直な方向に補助的な可変磁界を発生させ
、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置を連続的に移動させる第２の磁石
手段を具備したものであるとし、具体的な技術として図
面の第４図に示す電磁石を孤立的に配置した実施例を開
示している。他方、特開昭５３−７５８６号公報におい
ては、その技術は端的に述べれば、磁石手段そのものを
機械的に移動するものである。しかるに、本願発明者ら
は上記の公知例中の技術的思想に対しても、本願発明者
の実験事実に照らし合わせて再検討し、上記公知例に示
された技術的手段よりも一層その効果が改善され、さら
に新たに、堆積した薄膜の膜厚およびその分布をほぼ任
意に制御できる技術を実現することができた。本発明の
目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、ターゲツト
平板の長寿命化、すなわちスパツタリング工程の連続化
、長時間化、自動化、を図ることの可能なプレーナ−マ
グネトロン方式スパツタリング装置のターゲツト構造体
を提供するにある。本発明の他の目的は、上記した従来
技術の欠点をなくし、ターゲツト平板の長寿命化を図る
と同時に、堆積薄膜の厚さおよびその膜厚分布の制御を
可能とするプレーナ−マグネトロン方式スパツタリング
装置のターゲツト構造体を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は、上記した従来技術の欠点を
なくし、ターゲツト平板の長寿命化、堆積薄膜の膜厚、
およびその膜厚分布を制御するために、スパッタリング
工程中、中空空間のターゲツト平板面上に立つプラズマ
領域を制御する磁束制御方法を提供するにある。

本発明の要点とするところは、磁束線が一の磁束源から
発生した場合には、その性質として磁束同志は交鎖する
ことがなく、磁束線相互にＭａｘｗｅｌｌ応力なる引力
ないし斤力が作用していることに鑑み、三つの磁極面を
有する一の磁束源を構成し、その一部の磁極面に発生す
る磁束量を制御して、残りの他の磁極面に発する磁束量
およびその分布の立つ位置、すなわちプラズマの立つ領
域を移動させるようにしたプレーナ−マグネトロン方式
スパツタリング装置のターゲツト構造体である。

さらに第２の要点は、三つの磁極体を有して一つの磁束
線源を構成し、その一部の磁極体に設けた励磁手段にス
パツタリング工程中直流ないし周期的に変化する交流の
電流を流してプラズマ領域を静的な扁平領域ないし、プ
ラズマ領域を時間的に移動させるようにして、ターゲツ
ト平板の長寿命化、膜厚制御、膜厚分布の制御を行なわ
しめる磁束を形成・制御するプレーナ−マグネトロン方
式スパツタリング装置のターゲツト構造体の磁束制御方
法である。以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

第２図は本発明に係わるプレーナ−マグネトロン方式ス
パツタリング装置のターゲツト構造体の一実施例の断面
構造図である。第２図で１は被スパツタ材料からなるタ
ーゲツト円盤状平板で、Ａｌ−２％Ｓｉ（純度９９．９
９９％）直径８″φ、板厚２０ｍ７！Ｌの材料および形
状のものを使用した。２は第２の磁極体で、軟磁性材料
（高透磁率磁性材料）からなる。

３は第１の磁極体で、永久磁石からなる。

第２の磁極体２および第１の磁極体３で主磁束発生手段
を構成する。４は本発明に係わる第３の磁極体で、軟磁
性材料からなる。

４ａは同じく本発明に係わる励磁用コイルで、第２の磁
極体２と第３の磁極体４との中間空間に設置した多数巻
した円環体状コイルで磁束分布制御手段を構成している
。

５はターゲツト平板１を冷却する媒質、ここでは水の導
入出管、６は第１、第２、および第３の磁極体を全体的
に磁気的に結合する第１の磁束通過手段としてのヨーク
で、軟磁性材料からなるもの、６ａは本発明に係わる軟
磁性材料からなる第２の磁束通過手段としてのヨーク部
、７は陰極、８は絶縁材層板、９はシールド、１０は陽
極、１２は侵食領域である。

第３図は第２図図示のプレーナ−マグネトロン方式スパ
ツタリング装置のターゲット構造体の動作説明図で、主
磁束発生手段である第２磁極体２の下側方向にＳ極が、
第１磁極体３の下側方向にＮ極が、磁束分布制御手段で
ある第３磁極体４の下側にＳ極が生じている場合である
。

かかる構造体においては、第１磁極体（永久磁石）３に
発した磁束はヨーク６を経由して一部は第２磁極体２、
残りぱ第３磁極体４のそれぞれのＳ極からよく知られた
磁束線図を描いて、第２磁極体３のＮ極に集束される。
すなわち、この磁束は代表的磁束線１１ａ，１１ｂにて
示される分布を形成されるが、第３磁極体４に付属する
励磁コイル４ａに通する磁束制御電流（図示しない）に
よつて、この全体の磁束分布すなわち、磁束線分布の形
が制御される。そこで、かかる磁束線分布の形が制御さ
れることに鑑み、ターゲツト平板１上にある高さ部分に
広い扁平状の磁界領域を設けることができる。かかる磁
界領域は、良く知られた磁気回路の計算によつてもその
目安を得ることができるが、実験的には］その目安は容
易に直接的に得ることができる。以下簡単にスパツタリ
ング工程中にくり込まれている様子をスパツタリング工
程の説明で示すことにする。

まず、本発明に係わるターゲツト構造体を、図示しない
が、良く知られた真空排気系とｚヤツタ、Ａｒガス導入
系、２ケのゲートバルブを有し、ウエハを連続的に搬送
できる搬送手段をもつ真空槽の、一方の壁面に取りつけ
る。

つぎにターゲツト平板１の磁束線１１ａ，１１ｂが形成
されている空間の上側（第３図の天地を逆転した配置）
にターゲツト平板１の表面に対向して距離６０Ｕの位置
に、その表面に平行にＳｉウエフア（４２φ）を良く知
られた保持手段により設置保持する。つぎにこの真空槽
を１〜３Ｘ１０−７ＴＯｒｒ程度まで真空排気し、排気
后Ａｒガスを上記Ａｒガス導入系より導入し、Ａｒガス
圧を２〜１０ｍＴ０ｒｒに設定する。つぎに本発明に係
わるターゲツト構造体の励磁コイル４ａに制御電流を流
し、磁界強度２００ないし３００Ｇａｕｓｓと所定の空
間磁束分布を得るように電流の大きさと向きとを調整す
る。つぎにターゲツト構造体１の陽極１０と陰極７間に
直流電圧４００〜７００Ｖを印加するとＡｒガスはグロ
ー放電を起こし、上記磁束線１１ａ，１１ｂによつて代
表される領域に、Ａｒ原子ないし粒子がイオン化し閉じ
込められたプラズマ領域が発生する。本発明に係わるタ
ーゲツト構造体において、上記した制御電流の向きおよ
び大きさによつてこのＡｒ原子ないし粒子がイオン化し
、閉じ込められたプラズマ領域の縮小、拡大を目視的に
実験的に調整することができる。つぎにターゲツト構造
体用シヤツタ（図示せず）を閉じ、約３０分間のプリス
パッタを行つた後、同シヤツタを開き、スパツタレート
約５０００λ／―でＳｉウエハ上にターゲツト材料のＡ
ｌ２％Ｓｉの薄膜を約１μｍ堆積した。

予定の堆積時間経過後に、シヤツタを閉じ、Ａｌ−２％
Ｓｉ膜を堆積したＳｉウエハをゲートバルブを開いて取
り出した。以上、同工程を繰り返えし、実質的に繰り返
えた実験の結果を１５０時間以上にわたつてチエツクし
た。第８図はその実験結果の一部を示すもので、１３は
従来のウエハ内膜厚分布を、１４は本発明に係わるター
ゲツト構造体を使用したウエ・・内膜厚分布を示す。

本発明の効果は明らかである。また、こうして形成した
Ａｌ−２％Ｓｉ膜は半導体配線用膜として良好な電気的
特性を示した。かかる良好なウエハ内膜厚分布および電
気的特性は、ターゲツト平板１のウエハ対向表面におけ
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
者らの研究結果からも明らかにされている。

第１図における従来技術による侵食領域１２は局所的に
侵食が進むために極めて狭く、時間経過によつてさらに
一層その侵食領域１２の局所化が進み、その侵食領域の
中心が、優先的に侵食されてゆき、ついにターゲツト平
板１の板厚に達し、ターゲツト平板１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１２は、励
磁コイルによる磁束線分布をターゲツト平板１の中央部
から周辺部に広がる扁平状に形成することにより、広い
面積にわたつて比較的均一に侵食領域を形成することが
できた。以上は静的な扁平磁界分布を利用した場合であ
るが、本発明の技術的思想に含まれる他の技術の実施例
は第４図に示す如きものである。

第４図は、第３図に示された各磁極体配置に対して、第
３磁極体４の磁極を励磁コイル４ａによりＮ極に変更し
たものである。

第４図における他の記号は第３図に示したものと同じも
のを意味する。第４図の代表的磁束線１１ａ，１１ｂは
、第１磁極体２の磁極端より発生し、第２の磁極体３と
第３の磁極体４に磁束の吸入端を有するような磁界分布
を形成する。この結果、磁束は２分割され、二つのＮ極
から吸入されヨーク６（この一部に本発明の構成要素で
あるヨーク部６ａを含む）から第１磁極体２に回帰する
。

そこで、第３磁極体４を、励磁コイル４ａを流れる制御
電流を正方向電流から負方向電流に一定の振幅値と周期
をもたしめて、制御して、Ｍａｘｗｅｌｌの応力関係か
ら磁束分布が時間的に変化し、すなわちプラズマ領域が
上記所与の制御電流によつて、堆積時間内で多数回、縮
小、拡大ないし移動が繰り返えされ、時間的には均一な
侵食領域が形成された。

これは高価格のターゲツト平板１の長寿命を保証し、ま
たプロセス上の大きな隘路となるターゲツト平板１の取
り換えに主に起因する大きな死時間の削減をもたらす大
きな効果を生じせしめたのである。

第５図は本発明によるプレーナ−マグネトロン方式スパ
ツタリング装置のターゲツト構造体の他の実施例の断面
構成図である。

第５図において、第２図における構成と異なる点は、第
１の磁極体３として永久磁石を用いずに軟磁性材料から
なるものを使用し、それに第２の多数巻きした励磁コイ
ル３ａを設けた点である。他の記号については第２図な
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、本実施例における構成も含まれる
ものであつて、本実施例における動作で第２図のそれと
異なる点は上述した構成上のちがいから、第１の磁極体
３と第３の磁極体４による磁束が、ともに同時に制御で
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、本実施例によつて可能となつた、最大の技術を開
示するもので、スパツタリング工程で得られる膜厚分布
を単に均一にすることに限らず、ウエ・・中心に対して
任意の膜厚分布を形成する膜厚分布の制御性を獲得した
ことである。

第９図は、その一部の実験結果を示したものであつて、
第２の励磁コイル３ａに流す磁束制御電流（第９図では
内側電流）を一定にし、第１の励磁コイル４ａを流す磁
束制御電流（第９図で外側電流）を変化させた場合のウ
エハ中心からの半径方向の距離に対するウエ・・内膜厚
分布の変化を示したものである。実線１５（口印）は下
に凸な膜厚分布、実線１６（△印）はほぼ均一な膜厚分
布、実線１７（○印）は上に凸な膜厚分布を示すもので
ある。他にも２つの磁束制御電流値を適宜組合せて、同
様の結果を得た。また、従来、ターゲツト平板１が磁性
体材料である場合、磁束線１１ａ，１１ｂがターゲツト
平ノ板１に吸収され、プラズマ領域を保持する磁界分布
を形成することが困難であり、磁性体材料の実用になる
任意の厚さのターゲツト平板１を使用する磁性体材料の
スパツタリング工程は実用的に不可能であつた。

しかしながら本実施例の如き構成によつて、磁性体材料
を磁気的に飽和させ、それ以上に過剰の磁束線１１ａ，
１１ｂを容易な制御性をもつて使用することができる（
第２磁極体３が永久磁石の場合では、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。したがつて、従来には磁性材料のスパッタ膜
堆積は対向ターゲツト方式スパツタリング装置でして可
能でなかつたのが、本発明によつてプレーナ−マグネト
ロン方式スパツタリング装置でも実用的に可能となつた
のである。なお、以上に述べたことは、第１磁極体、第
２磁極体、第３磁極体について特別な場合に関するもの
であるが、この磁極体を増加したり各磁極体を永久磁石
および軟磁性材料（高透磁率磁性材料）と励磁コイルと
からなる磁束分布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。

また、磁束分布制御手段に上記の電磁石様磁極体を使用
し、そこに流す磁束制御電流が、フーリエ展開関数群の
一つであつてもよいことは明らかである。以上述べた如
く、従来のプレーナ−マグネトロン方式スパツタリング
装置のターゲツト構造によれば、ターゲツト平板の表面
における侵食が極めて狭い局所的な領域で起きるために
、ターゲツト平板の寿命が短かく、その侵食領域形状に
起因する堆積膜の膜厚分布に不均一性を生ずる極めて大
きい影響を与えていたのに対し、本発明に係わるプレー
ナ−マグネトロン方式スパツタリーング装置のターゲツ
ト構造体およびその磁束制御方法によれば、上記の従来
技術の欠点をすべて解消し、ターゲツト平板の長寿命化
に限らず堆積膜厚の任意形状の分布の確保が可能となる
ので、今後ますます要求が強まるプレーナ−マグネトロ
ン方式スパツタリング装置のパーフオマンスに対する本
発明技術の与える寄与には、極めて大きいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプレーナ−マグネトロン方式スバツタリ
ング装置のターゲツト構造体を示す断面構造図、第２図
は本発明によるプレーナ−マグネトロン方式スパツタリ
ング装置のターゲツト構造体の実施例を示す断面構造図
、第３図、第４図はその動作説明のための断面構造図、
第５図は本発明の同装置のターゲツト構造体の他の実施
例を示す断面構造図、第６図、第７図はこの動作説明の
ための断面構造図、第８図は本発明のプレーナ−マグネ
トロン方式スパツタリング装置のターゲツト構造体と、
従来のそれとのスパツタリング工程のターゲツト平板消
費時間に対するウエハ内膜厚分布測定図、第９図は第二
の実施例におけるウエハ中心からの距離に対するウエハ
内膜厚分布プロフアイルの、第一および第二の制御電流
（外側および内側）依存性を示す実測分布図である。 １：ターゲツト平板、３ａ：第２の励磁コイル（内側コ
イル）、４：第３の磁極体、４ａ：第１の励磁コイル（
外側コイル）、６：ヨーク、６ａ：ヨーク部、１１ａ，
１１ｂ：代表的磁束線、１２：侵食領域、１３：従来技
術によるウエハ内膜厚分布曲線、１４：本発明の技術に
よるウエハ内膜厚分布曲線、１５，１６，１７：外側電
流値１。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置に
   おいて、ターゲットの中心に設けられた第１の磁極体と
   、その周囲に設けられた環状の第２の磁極体と、その周
   囲に設けられた環状の第３の磁極体とを配置し、これら
   磁極体の先端はターゲット板に近接もしくは接触対面さ
   れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板状体に
   磁気的に接続され、上記第１及び第２の磁極体の先端に
   環状のトンネル状の主磁束を発生させる主磁束発生手段
   を有し、上記第２の磁極体と第３の磁極体との間にこれ
   ら磁極体の先端に形成されるプラズマリングの径を変化
   させるための環状の第１の電磁石コイルを設置し、一体
   化磁束源を構成したことを特徴とするプレーナマグネト
   ロン方式のスパッタリング装置。 ２ 上記主磁束発生手段として、上記第１の磁極体と第
   ２の磁極体との間に環状の第２の電磁石コイルを配置し
   て構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のプレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置。 ３ プレーナマグネトロン方式のスパッタリング方法に
   おいて、ターゲットの中心に設けられた第１の磁極体と
   、その周囲に設けられた環状の第２の磁極体と、その周
   囲に設けられた環状の第３の磁極体とを配置し、これら
   磁極体の先端はターゲット板に近接もしくは接触対面さ
   れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板状体に
   磁気的に接続され、主磁束発生手段によつて上記第１及
   び第２の磁極体の先端にプラズマリングをとじ込める環
   状のトンネル状の主磁束を発生させ、上記第２の磁極体
   と第３の磁極体との間に設置された環状の第１の電磁石
   コイルに流す電流値を制御してこれら磁極体の先端に合
   成して形成されるプラズマリングの径を変化させること
   を特徴とするプレーナマグネトロン方式のスパッタリン
   グ方法。 ４ 上記第１の電磁石コイルに流す電流値が周期性を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のプレ
   ーナマグネトロン方式のスパッタリング方法。