JP2634339B2

JP2634339B2 - スパッタ装置

Info

Publication number: JP2634339B2
Application number: JP3263778A
Authority: JP
Inventors: 勝己森田
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1991-10-11
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JPH05102036A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜形成に使用されるス
パッタ装置、特に半導体素子形成における気相中での物
理的（化学的補助反応を含む）薄膜堆積に用いられるス
パッタ装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来のスパッタ技術では良好な堆積膜を得
るためには、チャンバー内の圧力をなるべく低くする
（高真空にする）必要がある。この高真空化により粒子
の平均自由工程は長くなり、堆積膜へのガス吸蔵も減る
ため膜質は向上するが、逆にプラズマが安定して発生し
にくくなり、またターゲットをスパッタするためのイオ
ン数が減るため、堆積速度は低下することになる。

【０００３】この問題を解決するため電場と直交する方
向に磁場をかけて電子のサイクロイド運動を利用してプ
ラズマ密度を上げて堆積速度の低下を防いでいる。この
技術はマグネトロンスパッタ技術と呼ばれている。この
マグネトロンスパッタ装置の理想的な形状は一般に同軸
円筒電極型マグネトロンスパッタ装置と呼ばれている
が、この形状では半導体製造装置に適用するには問題が
ある。即ち、図７において電極上に半導体基板（ウエー
ハ）を載せる訳であるが、半導体技術の向上と共にウエ
ーハは大型化しており円筒型形状の電極ではこの場合不
都合である。

【０００４】そこで、今日ではウエーハの製造には図８
に示すように平行平板型のスパッタ装置が一般的になっ
ている。しかしながら、この場合平板形状のターゲット
上に均一な磁場を作ることは難しく、通常は図９のよう
な磁石の配置をとりリング状のプラズマを発生させて使
用している。スパッタは主にこのリング部分でしか発生
せず、従って大面積のターゲット板といえども利用可能
な部分は一部だけでありターゲットの利用効率が悪いと
言う問題がある。またターゲットの消耗等によりウエー
ハ上への堆積膜が均一性にならない等の問題もある。更
に、他の問題点としては、図１０（ａ）に示すような横
断面の構造の表面形状をもったウエーハにスパッタ成膜
を行うと、同図（ｂ）に示すように、粒子はウエーハに
垂直方向から入射するためにエッジ部分での散乱が大き
くなり、最終的には同図（ｃ）のような被膜形状とな
る。このように従来のスパッタ法では段差部分での膜厚
が薄くなり、断線などが発生し易いためスッテプカバレ
ッジの悪い技術であると言われてきた。

【０００５】

【本発明の解決すべき課題】本発明は上述した従来の欠
点を除去し、(1) 高真空度のチャンバー条件を維持しつ
つターゲット間隙中のガス密度を高く保つことにより、
高いプラズマ密度を得ることができ、従って高いスパッ
タ効率（高い堆積速度）を得ること、(2) ターゲット材
全面を有効に利用できること、(3) カバレッジを向上さ
せること、(4) ウエーハが更に大型化しても対向ターゲ
ットの数を増加するだけでよく、対応が簡単であるこ
と、(5) ウエーハを載せるサセプターを電極とせず、ウ
エーハのプラズマダメージを少なくすることなどを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空チャンバ
ー内に複数のターゲットを成膜物質の供給源として互い
に対向して配置し、真空チャンバーの外部に設けられた
高周波電源からターゲットに電力を供給すると共に、こ
の高周波電源による電界に対して直交する磁界を与え、
更に、ターゲットとターゲットの間に形成される間隙内
に放電用ガスを供給するものである。半導体基板を載置
するサセプターは膜厚及び膜質を均一にするため回転可
能にする。また、本発明は必要に応じて半導体基板を目
的温度に加熱するためのヒーター及び過熱を防止するた
めの冷却手段を設けることができる。

【０００７】

【実施例】図１乃至図４は本発明の構成を四面図的に示
したものである。図１は真空チャンバー内に配列された
ターゲット本体を下から（ウエーハ側から）見たところ
を示す。図２は本装置の上面図である。図３及び図４は
それぞれ図２のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線の断面図である。

【０００８】図１乃至図４において、本発明のスパッタ
装置は真空チャンバー内に配置されたターゲット本体、
サセプター、冷却装置、加熱装置及び外部に設けられた
電源装置、磁界装置等から成る。そして本発明のターゲ
ット本体は複数のターゲット１から構成される。個々の
ターゲットはサセプター上に載置されたウエーハ８に向
かって先が細くなる台形状（図５参照）をしている。即
ち、隣接するターゲットの間隔はウエーハに向かって拡
大している。このような断面形状をしたターゲットを２
個組み合わせて一対のターゲットを形成し、更にこのタ
ーゲット対を複数個配列してターゲット本体を形成して
いる。ターゲット本体はチャンバー内部において、水冷
機構２に密着しており過熱するのを防止することができ
る。複数のターゲット対の間に形成された間隙に、その
上方に配置されたディスパージョンチューブ５から、流
量調節器６を介してガスが供給される。これら個々のタ
ーゲット１にはチャンバー外部の高周波電源３から交番
電圧が加えられるようになっている。即ち、対向する一
対のターゲットの一方及び他方を一対の電極として、高
周波電源に接続されている。また、チャンバーの外部に
は高周波電源により加えられる電界と直交する磁界が与
えられるように電磁石４が配置されている。ターゲット
本体の下方には回転機構１０により回転するサセプター
があり、その上にはウエーハ８が載置されている。サセ
プターの下部にはウエーハを加熱するヒーター９が設け
られている。更に、チャンバーは排気孔１１に接続され
た真空ポンプ（図示せず）により高真空度に維持され
る。

【０００９】ターゲット１の電極に印加される電圧は半
周期ごとに反転するのでターゲットのチャージアップは
起こらない。従って、ターゲット材には導体の他に半導
体、絶縁体など種々のものが使用可能である。図１にお
いて、対向するターゲットには交番電位が加えられてお
り紙面横方向に電界を作っている。また真空チャンバー
外の電磁石４により紙面縦方向に磁界を作ることがで
き、直交する電界と磁界を簡単に作ることができ、サイ
クロイド運動を利用して高いプラズマ密度を得ることが
できる。

【００１０】図４において、複数のディスパージョンチ
ューブ５によりチャンバー内に、ガスが供給される。対
向するターゲットの作る間隙部分にガス流量調整器６に
より制御された流量のガスが流される。このときガスの
流れはターゲットに沿って上から下へ流れるため電界、
磁界、ガス流がそれぞれ直交することになり、ガスを効
率良くイオン化するこができる。またディスパージョン
チューブ５のガス流入量を適当に調節することにより、
任意の部分のプラズマ密度を上げスパッタの効率を良く
し、膜厚の均一性を微調整することもできる。

【００１１】複数配列されたターゲットからウエーハ８
までの空間は広い容積をもっており高真空に保たれる
が、ターゲット間の間隙部分ではガスの密度は比較的高
く、従ってプラズマ密度は高く保たれ、スパッタ効率は
従来の装置より良くなる。図５に示すように、ターゲッ
ト１間の空間はウエーハに向かって開いた形状に形成さ
れているので、スパッタはターゲット１全面で行われる
がウエーハへの成膜に寄与するのはターゲット１の先端
部分だけである。他の部分でスパッタされた粒子は対向
ターゲットに再堆積されるので無駄にならない。ターゲ
ット材はこのスパッタと再堆積による物質移動を繰り返
してターゲット先端部分に移動して最終的にウエーハ上
に成膜されることになる。またターゲットよりスパッタ
された粒子の大部分はウエーハに対して斜めの方向から
入射するので、図６に示すように段差をもったウエーハ
では段差部分での散乱が少なく、ステップカバレッジが
向上する。更に、ウエーハ８をウエーハ回転機構１０に
より回転すれば、図６(c) にしめすようにウエーハ全面
においてカバレッジの良い成膜が可能となる。

【００１２】図３から判るように、本発明の電磁石４は
好ましくは上下方向に３分割されており、周期的に上、
中、下の磁力の強さを変えることができるようにしてこ
のターゲット物質の移動を助ける。これによりターゲッ
ト全面に用意されたターゲット材がほぼ全量有効に使用
することができるのでターゲット効率を良くすることが
できる。電磁石が３分割に限られる訳ではないことは勿
論である。

【００１３】

【発明の効果】以上、説明した本発明の構成により、
(1) 高真空のチャンバー条件を維持しつつターゲット間
に設けられた間隙中のガス密度を高く保つことにより、
高いプラズマ密度ができ、従って高いスパッタ効率（高
い堆積速度）を得ることができる。(2) ターゲット材全
面を有効に利用できる。(3) ウエーハが更に大型化して
も対向ターゲットの数を増加するだけでよく、対応が簡
単である。(4) スパッタされた粒子はウエーハに対した
斜めに入射するのでカバレッジが向上する。(5) ウエー
ハを載せるサセプターを電極としていないので、ウエー
ハへのプラズマダメージが少ない。(6) 導体、半導体、
絶縁体の全ての材料が利用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置のターゲットの平面的配置図
で下から上に向かってみた図

【図２】本発明による装置のターゲットの上面図

【図３】本発明による装置の図２のＡ−Ａ線に沿った断
面図

【図４】本発明による装置の図２のＢ−Ｂ線に沿った断
面図

【図５】本発明におけるターゲット間の空間を移動する
粒子の様子を示した図

【図６】段差のあるウエーハに本発明を適用した場合の
成膜状態を示す図

【図７】従来の同軸円筒電極型スパッタ装置

【図８】従来の平行平板型スパッタ装置

【図９】従来の平行平板型スパッタ装置におけるターゲ
ットのスパッタ領域及び磁界分布を示す図

【図１０】従来のスパッタ装置による成膜状態を示す図

【符号の説明】

１ターゲット２水冷機構３高周波電源４電磁石５ディスパージョンチューブ６ガス流量調整器７整流板８ウエーハ９ヒーター１０ウエーハ回転機構１１排気口１２真空チャンバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−55379（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−158380（ＪＰ，Ａ) 特開平１−191776（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−76185（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−119284（ＪＰ，Ａ) 特開平２−110919（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置した半導体基板を載置する
サセプターと、前記真空チャンバー内に成膜物質の供給源として配置さ
れ、断面形状が前記サセプター上に配置された半導体基
板に向かって先が細くなるターゲットを間隙を設けて対
向して配置した、半導体基板に向かって開いた傾斜を有
するターゲット対を複数配列したターゲット本体と、前記複数のターゲット対に形成された間隙を通して放電
用ガスを供給する手段と、前記複数のターゲット対に電力を供給する高周波電源
と、前記高周波電源による電界に対して直交する磁界を与え
る磁界発生手段、を有するスパッタ装置。
【請求項２】真空チャンバーと、前記真空チャンバー内の上部に、成膜物質の供給源とし
て間隙を設けて対向して配置された少なくとも一対のタ
ーゲットと、前記ターゲットから空間を隔てて、前記真空チャンバー
内の下方に配置した半導体基板を載置するサセプター
と、前記一対のターゲットの上方から下方に向かって、前記
一対のターゲットに形成された間隙を通して流れる放電
用ガスを供給する手段と、前記一対のターゲットに電力を供給する高周波電源であ
って、上記放電用ガスの流れに対して直交する電界を与
える高周波電源と、前記放電用ガスの流れの向きおよび前記高周波電源によ
る電界の向きのそれぞれに対して直交する磁界を与える
磁界発生手段と、を有するスパッタ装置。