JP2688831B2 - スパッタリング法による成膜装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、半導体素子の製造の一工程である薄膜形成
に用いられるスパッタリング法による成膜装置、特にタ
ーゲットの利用効率を高めるスパッタリング法による成
膜装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来半導体用Al配線などの金属薄膜の形成にはスパッ
タ成膜装置が、一般的に用いられてきた。代表的には、
平行平板型マグネトロンスパッタ成膜装置が用いられ
た。これは、カソード電極上に載置されたターゲットに
対し、対向位置に、またターゲットに対し平行にあるア
ノード電極上に被薄膜形成基板を置く。この時、アノー
ド電極は、電気的にアースに接続されている。そしてカ
ソード電極に高周波電力、主に13.56MHzを印加する。す
ると、両電極間にプラズマ放電が起こる。すると、プラ
ズマ中のイオンがターゲットをスパッタし、ターゲット
物質が被薄膜形成基板に付着し、薄膜を形成する。しか
し、成膜速度を増す為ターゲットを載せた電極表面にプ
ラズマを集中させる必要があり磁界がターゲット表面の
一部分を覆うようになっている。

この為、ターゲット表面の、磁界によりプラズマが集
中している部分のみしか成膜に利用されていない。ま
た、スパッタされたターゲット粒子が、一方向からのみ
飛来するため、基板表面の段差部では成膜速度に片寄り
が生じる。さらに、被薄膜形成基板が、プラズマに曝ら
されるため、プラズマダメージを受け易い等の問題点が
あった。

これらの問題点を解決するために、対向ターゲット型
スパッタ法が提案されている。これは、平面ターゲット
を２枚対向させ、被薄膜形成基板を対向ターゲットの外
側に設置し、基板表面を対向ターゲットの隙間に向けた
ものである。この方法で、基板プラズマダメージは大き
く減少できた。しかし、対向ターゲットと基板の隙間か
らスパッタされたターゲット粒子が漏れてしまうため、
ターゲットの使用効率の悪さと、対向ターゲットと基板
の隙間から漏れたターゲット粒子による反応室内の汚染
という問題点が残った。

そして、この問題を解決するために、基板の斜め方向
に円筒型内面ターゲットを配置し、対向磁場により、プ
ラズマをターゲット付近に閉じ込め、基板から離した円
筒ターゲット対向スパッタ成膜装置が提案されている
（特開昭63−100176号公報）。

第３（１）乃至（２）図は上記従来の装置（特開昭63
−100176号公報）による円筒ターゲット対向スパッタ成
膜装置の構造を説明する断面図と側断面図である。

第３図において、真空容器１は排気口３より排気され
１×10^-5torr程度まで減圧された後ガス導入口２よりア
ルゴン（Ar）等のスパッタリングガスを導入し、数m to
rrの圧力にする。

真空容器１内には、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、
モリブデン（Mo）、タングステン（Ｗ）、チタン（T
i）、シリコン（Si）等よりなる両端解放で、円筒型の
ターゲット４が真空容器１と電気的に絶縁して置れてい
る。

ターゲット４の外側に、かつ円筒の中心軸にほぼ垂直
に被薄膜形成基板７を保持するアノード電極８が真空容
器１とともに電気的にアースに接続されている。

ターゲット４に負電位（−500〜−数Kv）を直流電源
９より印加することにより発生したプラズマ中のイオン
がターゲットをスパッタし、基板に薄膜を形成する。

ターゲット４の外周には、磁石５が配置され円筒の直
径に平行な方向に磁力線を発生し、プラズマを閉じ込
め、高密度化している。ターゲットの磁石に近い部分は
プラズマ密度が高く、スパッタされ易いため磁石５は、
円筒の回転軸の周りを回転しターゲット４のエロージョ
ンを円周方向に均一にしてターゲット４の使用効率を上
げている。

ターゲット４の外周には、ターゲット冷却用の冷却水
套10が設けられている。

このような構造ではターゲットからのスパッタされた
散乱粒子が基板に斜め方向より飛来して、段差側壁にも
堆積し段差被覆性の良好な被膜を形成することができ
る。

また、ターゲットと基板の隙間が少ないため成膜に寄
与せずに、ターゲットと基板の外側にターゲット粒子が
漏れる量も非常に少ない。

プラズマは磁力線によってターゲット付近に閉じ込め
られるため、基板はプラズマから離れている、このため
基板はプラズマダメージを受けにくい等の利点が得られ
た。

しかしながら、従来の装置の円筒ターゲット対向型ス
パッタ成膜装置では、磁力線がターゲットの中央から端
部に向かって離れるに従い減少する。この為、プラズマ
がターゲット円筒の中心に集中しやすく、ターゲットの
エロージョンもターゲット円筒の中心部で大きく、端部
に向かって少なくなる。従って、ターゲット両端部の使
用効率が悪い。

〔発明の目的〕

本発明は、従来のスパッタリング法による成膜装置に
おける上述の問題点を解決して、成膜を効率よく行いう
るようにした改善されたスパッタリング法による成膜装
置を提供することを目的とするものである。

本発明の他の目的は、ターゲットのエロージョンによ
る上述の従来の問題生起を排除して、ターゲットの使用
効率をよくし、効率的な成膜を可能にするスパッタリン
グ法による成膜装置を提供することにある。

〔発明の構成・効果〕

本発明は、従来のスパッタリング装置における上述の
問題点を解決して、前記本発明の目的を達成するもので
あって、本発明によるスパッタリング法による成膜装置
は、「両端解放で、円筒型又は多角柱型の内面ターゲッ
トを有し、且つ該ターゲットの回転軸を中心にターゲッ
トに対し回転させる手段を備えたターゲット保持筒と、
該ターゲットの回転軸方向に、複数の磁石を設置してな
ることを」骨子とするものである。

前記のところを骨子とする本発明のスパッタリング法
による成膜装置は、下述する実験を介して完成に至った
ものである。

実験１ 第３図に図示した従来の装置では、磁石５が１対のも
のである。この磁石５の代わりに、等しい磁界を発生さ
せる磁石を等間隔で５個配置した。この時のターゲット
のエロージョン形状を第５図に示した。斜線部はエロー
ジョン領域及び磁石を示す。従来の装置と同様にターゲ
ットの中心部ほどエロージョンは深く、ターゲット端部
ではエロージョンは浅い、という問題点は多少の改善は
得られたが、解決には至らなかった。

実験２ 実験１の結果より、ターゲットのエロージョン深さ分
布を均一化する為には、磁石５の分割はある程度有効な
ことがわかった。

以上のことから、分割された個々の磁石の磁界をエロ
ージョン速度の分布により制御することを考えた。すな
わち、ターゲットの回転軸方向に分割して配置された磁
石と等間隔にターゲット表面にレーザー変位センサーを
配置し、ターゲット表面とレーザー変位センサー間の距
離を測定できるようにした。スパッタリング中にターゲ
ット表面がスパッタされることで、上記の距離が変化す
る。この変化からエロージョン速度をCPUで算出し、５
個の測定地点の平均値と比較し、エロージョン速度が平
均値より小さい地点に位置する電磁石の磁界を強くなる
ようにした。またエロージョン速度が平均値より大きい
地点に位置する電磁石の磁界を小さくなるようにした。

この結果、ターゲットのエロージョン分布が第２図に
示したように大きく向上した。図中斜線部がターゲット
のエロージョン領域及び電磁石の位置を示す。

以上の実験結果を介して得た事実を基に完成に至った
本発明のスパッタリング法による成膜装置を図示の実施
例により以下に説明する。

即ち、第１（１）乃至１（３）図は、本発明によるス
パッタリング法による成膜装置の内容を示すものであ
る。

第１図において、101は真空容器、102はスパッタリン
グガス導入管、103は排気口、104はAl,Cu,Mo,W,Ti,Si等
よりなる両端解放で円筒形のターゲット、105は104のタ
ーゲット保持用筒、106は被薄膜成長基板の保持を兼ね
たアノード電極をそれぞれ示す。また107は被薄膜成長
基板、108は106の電極及び107の基板を回転運動させる
モーター、109は磁界を発生させるための電磁石、110は
円筒ターゲットを保持・回転させるためのローラーをそ
れぞれ示す。更に、111はターゲットのエロージョン深
さを測定するためのレーザーを変位センサー、112はタ
ーゲット104を回転させるためのモーター、113はモータ
ーの電源、114はプラズマ発生用直流電源（13.56MHzの
高周波でも良い）、115は、電磁石109によって作られた
磁力線、116は、モーター108用電源をそれぞれ示す。な
お、図中Ａは第１（３）図に示す電磁石109の電源回路
を示す。117は、A/Dコンバーターで、センサー111で測
定した変位量が電圧で出力されるため、これをデジタル
量に変換するものである。118はI/Fコンバーターで、D/
Aコンバーター117からの信号をCPU用の信号に変換する
ものである。119はCPUで、センサー111で測定したター
ゲットのエロージョン深さの単位時間あたりの変化率か
らエロージョン速度を算出し、エロージョン速度に応じ
て各電磁石109の磁界を制御するものである。120はI/F
コンバーターで、CPUからの信号を各電磁石109のコント
ローラーに伝えるものである。そして、121は電磁石109
の電源コントローラー、122は各電磁石109の電源をそれ
ぞれ示す。

第１（１）乃至１（３）図に図示の本発明のスパッタ
リング法による成膜装置での成膜操作は、例えば、次の
ようにして行う。即ち、排気口３より、真空容器101内
を排気する。次にスパッタリングガス導入口102からス
パッタリングガスを真空容器101内に導入する。

ターゲット104及び被薄膜形成基板107を回転させなが
ら、直流電源114により、ターゲット104に負電位を与え
ると、ターゲット104と電極106の間に放電が起きプラズ
マが発生する。この時、電磁石109に電源回路Ａから電
力を供給し、ターゲット内に磁力線115を発生させる
と、プラズマは磁力線115によってターゲット104の内部
に閉じ込められる。

プラズマ中のイオン化されたスパッタリングガス粒子
は、シース電圧により加速されてターゲット表面をスパ
ッタリングする。ターゲットからスパッタリングされた
ターゲット物質は被薄膜形成基板に付着し薄膜を形成す
る。

スパッタリングが始まると、磁力線115の分布等に起
因したプラズマ密度の不均一性等により、ターゲット10
4の表面のターゲット104の回転軸方向にエロージョンの
不均一性が発生する。この時、センサー111でセンサー1
11からターゲット104表面までの距離を測定している。C
PU119は、単位時間あたりのセンサー111とターゲット表
面との距離の変化率から各センサー111測定ポイントの
エロージョン速度分布を算出する。そして、この分布の
平均値よりエロージョン速度の小さい測定ポイントのプ
ラズマ密度が増加するように、この部分の電磁石電源コ
ントローラー121に信号を送る。エロージョン速度が平
均値より大きい測定ポイントでは、プラズマ密度を減少
させるようにする。

以上のように操作する本発明の装置においては、ター
ゲット104表面における回転軸方向のプラズマ密度が変
化し、エロージョン速度も均一化される。

上述の内容の本発明の装置においては、上述のところ
で使用するターゲット及び第１図中の電磁石109の代わ
りに第４図中の磁石と同じ形状の磁石を用いることがで
きる。その場合、ターゲットのエロージョンの回転軸方
向の分布は第２図及び第４図に示すようになる。

本発明によるターゲットの使用効率と、従来の装置の
磁石を用いた時のターゲットの使用効率について、実験
したところ、両者の関係は表１に示すようになった。表
１に示す結果から明らかなように、本発明の装置は、従
来の装置に比べて顕著に優れた効果をもたらすものであ
ることが理解される。

〔発明の効果の概要〕 以上説明したように、円筒ターゲットの円筒軸に対し
て垂直に複数の電磁石を設置し、それぞれターゲットの
エロージョンに合わせ発生する磁界を制御することで、
プラズマ密度を調整し、ターゲットの円筒軸方向のエロ
ージョンを均一化できる。そして、ターゲットが回転運
動を行うことで、プラズマが集中する領域もターゲット
表面を回転運動する。

この結果、ターゲットは円周方向にもエロージョンが
均一化し、前記の効果と合わせて、全面を効率良く使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１（１）,1（２）及び１（３）図は、本発明によるス
パッタリング法による成膜装置の構造説明図である。な
お第１（１）図は断面略図、同１（２）図は側断面略
図、そして同１（３）図は、電磁石制御系のブロック略
図である。 第２図は、第１図に図示の装置におけるターゲットの断
面略図である。 第３（１）乃至（２）図は、従来のスパッタリング法に
よる装置（特開昭63−100176号公報）の説明図である。
なお、第３（１）図は断面略図であり、第３（２）図は
側断面略図である。 第４図は、第３図に図示の従来の装置における磁石を第
１図に図示の装置に使用した場合のターゲットの断面略
図である。 第５図は、第１図に図示の装置において、同じ大きさの
磁界を発生させる磁石を使用した場合のターゲットの断
面略図である。 第１図において、 101は真空容器、102はガス導入口、103は排気口、104は
ターゲット、105はターゲット保持筒、106はアノード電
極及びステージ、107は被薄膜形成基板、108はモータ
ー、109は電磁石、110はターゲットの保持及び回転用ロ
ーラー、111はレーザー変位センサー、112はモーター、
113はモーター用電源、114はプラズマ用直流電源、115
は磁力線、116はモーター用電源、117はA/Dコンバータ
ー、118はI/Fコンバーター、119はCPU、120はI/Fコンバ
ーター、121はコイル電源コントローラー、122はコイル
電源。 第３図において、 １は真空容器、２はガス導入口、３は排気口、４はター
ゲット、５は磁石、６は磁力線、７は被薄膜形成基板、
８は電極、９は直流電源、10はターゲット冷却水套。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端解放で、円筒型又は多角柱型の内面タ
   ーゲットを有し、且つ該ターゲットの回転軸を中心にタ
   ーゲットに対し回転させる手段を備えたターゲット保持
   筒と、該ターゲットの回転軸方向に、複数の磁石を設置
   してなることを特徴とするスパッタリング法による成膜
   装置。
2. 【請求項２】前記磁石が磁界の強さを制御できる電磁石
   である請求項（１）に記載のスパッタリング法による成
   膜装置。
3. 【請求項３】前記ターゲットの回転軸方向のエロージョ
   ン深さを測定するためのセンサーと、該センサーの測定
   値からエロージョン速度を算出する回路と、該エロージ
   ョン速度に応じて前記磁石の磁界の強さを制御する回路
   とを備えてなる請求項（１）または（２）に記載のスパ
   ッタリング法による成膜装置。
4. 【請求項４】前記被薄膜形成基板を、前記内面ターゲッ
   トの外側であって該ターゲットの回転軸に垂直に保持
   し、さらに該被薄膜形成基板を回転させる手段を備えた
   請求項（１）、（２）または（３）に記載のスパッタリ
   ング法による成膜装置。