JP3094050B2 - マグネトロンスパッタリング装置及びスパッタリングガン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体ウェハに
薄膜を蒸着するためのマグネトロンスパッタリング装置
及びスパッタリングガンに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】マグネ
トロンスパッタリング装置は、真空チャンバ内に薄膜が
形成されるべき基板（例えば半導体ウェハ）及びスパッ
タリングガンが設けられ、スパッタリングガンは基板に
対向するように設けられたターゲットとスパッタリング
電極とを有している。

【０００３】スパッタリングに際しては、真空チャンバ
内がｍTorrオーダー程度のスパッタリングガス（一般的
にはアルゴンガスが用いられる）雰囲気に維持されると
共に、スパッタリングターゲットに冷却機構を有するス
パッタリング電極を介して一般的には直流電源から負の
電圧が印加される。一方、スパッタリングターゲット及
びスパッタリング電極と数ｍｍの間隙を介して接するア
ノード及びシールド等の部材は、一般的には真空チャン
バーと共に接地電位に維持される。スパッタリングター
ゲット裏面に近接して磁気回路が設けられ、これにより
スパッタリングターゲット表面に平行磁界が印加され
る。従って、スパッタリングターゲット表面部分には直
交電磁界が形成されることとなり、これによってプラズ
マ内の電子にサイクロン運動が生じ、比較的低い圧力で
安定したスパッタリングを行うことができる。

【０００４】従来のスパッタリングガンのターゲットと
しては、一般的には、平板型のものまたは緩い勾配を有
する逆円錐型のスパッタ面を有するものであって、ウエ
ーハより大きな口径のものが用いられている。

【０００５】近年、ＩＣの集積度が高くなるにしたがっ
て、ビアホールまたはコンタクトホールの口径が例えば
０．５ミクロンと小さくなる一方、各層の厚みはそれほ
ど変化しないので、ビアホールまたはコンタクトホール
のアスペクト比が大きなものとなってきている。このよ
うに高密度化されたウェハに薄膜を形成する場合におい
て、従来の平板状のターゲットを用いたときには、以下
のような問題が生じる。

【０００６】即ち、図１０に示すように、平板状のター
ゲット２を用いた構成のスパッタ装置では、ターゲット
２の表面から叩き出されるされるスパッタ粒子はターゲ
ット２の各部分において近似的に円３に示されるよう
に、さまざまな方向の成分を有している。

【０００７】基板として用いられる４Ｍ−ＤＲＡＭ以上
の高集積度のＵＬＳＩ１は直径が０．５ミクロンで深さ
が１ミクロン（すなわち、アスペクト比２）のコンタク
トホール（又はビアホール）５が形成されており、この
ようなＵＬＳＩ１にスパッタリングにより導電膜４を形
成するときには、コンタクトホール５には垂直方向から
のスパッタ粒子だけでなく、あらゆる角度からスパッタ
粒子が入射するので、コンタクトホール５の肩の部分に
おけるのスパッタ粒子の堆積が大きくなってコンタクト
ホール５の入り口を塞いでしまい、結果としてコンタク
トホール５内面に十分な厚みの導電膜を形成することが
できなくなる。特に、０．５ミクロン以下のコンタクト
ホール又はビアホールにおいて従来の平板型スパッタガ
ンでは、段差の被覆率（以下、ステップカバレージと呼
ぶ）、特にホール底部への堆積量（以下、ボトムカバレ
ージと呼ぶ）が１０％以下に低下することが指摘されて
いる。

【０００８】また、従来のマグネトロンスパッタリング
装置では、プラズマの発生はスパッタガス圧力が１mTor
r より高い圧力でないと安定せず、処理空間全体を安定
する圧力に高めなければならないため、スパッタ粒子と
スパッタガス粒子との衝突が無視できない量となってし
まう。従って、従来のマグネトロンスパッタリング装置
ではスパッタ効率が十分とはいえない。

【０００９】一方、半導体の分野では、ＴｉＮやＴｉＮ
Ｏ膜等の化合物膜をリアクティブスパッタリングにより
成膜している。リアクティブスパッタリングは、一般的
に、アルゴンガス等の不活性ガスと反応ガスとしての窒
素又は窒素及び酸素の混合ガスとを用い、スパッタリン
グ粒子と反応ガスとを反応させて膜を形成する。

【００１０】しかし、このような反応ガスを用いたリア
クティブスパッタリングにおいては、以下に示すような
新たな問題が生じる。すなわち、このように窒素ガスの
ような反応ガスを用いてスパッタリングを行うと、不活
性ガス（アルゴンガス）単独の場合と比較してスパッタ
リング効率が１／５程度に低下してしまう。また、電極
間に堆積した膜が剥離しやすく、異常放電を生じさせる
原因となっている。

【００１１】この発明はかかる事情に鑑みてなされたも
のであって、高集積度のウェハのホール内にも十分な量
のスパッタ粒子を堆積することができ、スパッタリング
処理空間全体のスパッタガス圧を低く維持した状態でス
パッタリングすることが可能であり、さらに高効率でリ
アクティブスパッタリングを実施することができるマグ
ネトロンスパッタリング装置及びスパッタリングガンを
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１に真空
容器と、この真空容器内に配置された被処理体と、前記
真空容器の内部に配置され、スパッタ粒子を射出するた
めのスパッタリングガンとを具備し、前記スパッタリン
グガンは、凹部状ターゲットを有し、その凹部の先端部
が円筒で底部が漏斗状または凹部の先端部が円錐状で底
部が半球状もしくは凹部の底部を切断した円錐状または
四角錐状であり、前記凹部状ターゲットの底部からスパ
ッタリングガスを凹部状ターゲット内に供給するスパッ
タリングガス供給手段と、前記凹部状ターゲットに電力
を印加して前記スパッタリングガスでプラズマを生成
し、前記凹部状ターゲット内に電界を形成するための電
界形成手段と、前記凹部状ターゲット内に形成された前
記電界に対して直交する成分を含む磁界を形成する磁界
形成手段とを有したことを特徴とするマグネトロンスパ
ッタリング装置を提供する。第２に、真空容器と、この
真空容器の内部に配置され、スパッタ粒子を射出するた
めのスパッタリングガンと、前記真空容器内において薄
膜を形成すべき被処理体を支持するための支持体と、前
記真空容器内に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と
を具備し、前記スパッタリングガンは、凹部状ターゲッ
トを有し、その凹部の先端部が円筒で底部が漏斗状また
は凹部の先端部が円錐状で底部が半球状もしくは凹部の
底部を切断した円錐状または四角錐状であり、前記凹部
状ターゲットの底部からスパッタリングガスを凹部状タ
ーゲット内に供給するスパッタリングガス供給手段と、
前記凹部状ターゲットに電力を印加して前記スパッタリ
ングガスでプラズマを生成し、前記凹部状ターゲット内
に電界を形成するための電界形成手段と、前記凹部状タ
ーゲット内に形成された前記電界に対して直交する成分
を含む磁界を形成する磁界形成手段とを有し、前記反応
ガスは、前記凹部状ターゲットと隔離した領域に供給さ
れ、前記凹部状ターゲット内から前記プラズマで生成さ
れたスパッタ粒子と反応して反応生成物を前記被処理体
上に堆積することを特徴とするマグネトロンスパッタリ
ング装置を提供する。

【００１３】この発明は第３に、凹部の先端部が円筒で
底部が漏斗状または凹部の先端部が円錐状で底部が半球
状もしくは凹部の底部を切断した円錐状または四角錐状
の凹部状ターゲットと、前記凹部状ターゲットの底部か
らスパッタリングガスを凹部状ターゲット内に供給する
スパッタリングガス供給手段と、前記凹部状ターゲット
に電力を印加して前記スパッタリングガスでプラズマを
生成し、前記凹部状ターゲット内に電界を形成するため
の電界形成手段と、前記凹部状ターゲット内に形成され
た前記電界に対して直交する成分を含む磁界を形成する
磁界形成手段とを有したことを特徴とするスパッタリン
グガンを提供する。第４に、凹部の先端部が円筒で底部
が漏斗状または凹部の先端部が円錐状で底部が半球状も
しくは凹部の底部を切断した円錐状または四角錐状の凹
部状ターゲットと、前記凹部状ターゲットの底部からス
パッタリングガスを凹部状ターゲット内に供給するスパ
ッタリングガス供給手段と、前記凹部状ターゲットに電
力を印加して前記スパッタリングガスでプラズマを生成
し、前記凹部状ターゲット内に電界を形成するための電
界形成手段と、前記凹部状ターゲット内に形成された前
記電界に対して直交する成分を含む磁界を形成する磁界
形成手段とを有し、前記プラズマと隔離した位置におい
て前記プラズマによって前記凹部状ターゲットから叩き
出されたスパッタ粒子に反応ガスを供給する反応ガス供
給手段を備え、前記凹部状ターゲット内から前記プラズ
マで生成されたスパッタ粒子を射出させることを特徴と
するスパッタリングガンを提供する。

【００１４】

【作用】この発明においては、スパッタリングガンのタ
ーゲットに凹部を設け、その中にプラズマを形成してス
パッタ粒子を射出させるので、スパッタ粒子は極めて高
い指向性をもって射出される。従って、高集積度のウェ
ハのホール内にも十分な量のスパッタ粒子を堆積するこ
とができる。また、凹部にガスを供給する際に、凹部の
基端側から先端側にかけてスパッタリングガスの圧力勾
配を形成させることができるので、真空チャンバー内の
処理空間を低圧に維持した状態でもスパッタリングを行
うことができる。従って、スパッタ粒子が移動する処理
空間内においてスパッタ粒子がガスに衝突する機会を減
少させることができ、極めてスパッタリング効率が高
い。さらに、反応ガスはプラズマが生成される凹部と離
隔した位置においてスパッタ粒子に供給されるので、高
効率でリアクティブスパッタリングを行うことができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施例
について説明する。

【００１６】図１は、この発明の一実施例に係るマグネ
トロンスパッタリング装置を示す概略構成図である。こ
のマグネトロンスパッタリング装置は、その中で成膜処
理が行われる真空チャンバー１０と、マグネトロンスパ
ッタリングガン３０の組立体１２と、スパッタリングガ
ン３０にスパッタリングガス（例えばアルゴンガス）を
供給するためのスパッタリングガス供給源１８と、被処
理体としての半導体ウェハＷを支持するための支持体１
４と、真空チャンバー１０内に反応ガス（例えば窒素ガ
ス）を供給するため反応ガス供給手段を備えている。

【００１７】真空チャンバー１０の側壁には排気口１０
ａが形成されており、この排気口１０ａには真空ポンプ
１１が接続されている。そして、この真空ポンプ１１に
よりチャンバー１０内を排気することにより、チャンバ
ー１０内が所望の真空度に保持される。

【００１８】支持体１４は真空チャンバー１０の底部に
設けられており、加熱機能を有している。この支持体１
４の上方には組立体１２が配置される。組立体１２に組
み込まれたスパッタリングガン３０は凹部３２を有する
ターゲット３１を備えており、このターゲット３１は上
述のガス供給源１８から供給されたスパッタリングガス
のプラズマによりスパッタされる。これにより、スパッ
タ粒子がウェハＷに向けて射出される。なお、スパッタ
リングガン３０の詳細な構造は後述する。

【００１９】組立体１２と支持体１４上のウェハＷとの
間にはシャッター１７が設けられており、シャッター１
７を閉じた状態で予備スパッタリングを行い、実際のス
パッタリング処理はシャッター１７を開けた状態で行わ
れる。

【００２０】真空チャンバー１０の排気口１０ａと反対
側の側壁には反応ガス供給管１５が接続されており、こ
の供給管１５に上述した反応ガス供給源１６が接続され
ている。そして、反応ガス供給源１６から反応ガス供給
管１５を介して窒素ガス等の反応ガスがチャンバ１０内
に供給される。

【００２１】組立体１２を構成するスパッタリングガン
３０は、例えば図２のように構成される。すなわち、ス
パッタリングガン３０はターゲット３１、アノード３
４、ターゲットクランプ組立体３５、ターゲット冷却ブ
ロック３６、絶縁材３７、磁石３８、ヨーク３９とから
構成されている。

【００２２】ターゲット３１は、成膜材料例えばアルミ
ニウム、銅、チタン、窒化チタン等から構成され、ウエ
ハＷに対向する面に開口する凹部３２が形成されてい
る。凹部３２は開口端に向かうに従って口径が大きくな
る逆テーパ形状を呈している。この凹部３２の底部には
ガス供給孔４０が形成されており、上述ガス供給源１８
からガス供給孔４０を介して凹部３２にアルゴンガスな
どのスパッタリングガス（プラズマガス）が供給され
る。

【００２３】磁石３８はターゲット３１の上方、すなわ
ちターゲット３１の背面に配置されており、磁石３８の
ターゲット３１側には、ガス流路を規定するように磁性
体からなるポールピース４１が設けられている。ヨーク
３９はスパッタリングガン３０の外側を規定するように
設けられており、このヨーク３９によって、ターゲット
３１と磁石３８との間およびアノード３４と磁石３８と
の間が磁気的な閉回路となる。この結果ターゲット３１
の開口部側に設けられたアノード３４と磁石３８との間
に磁力線Ｍが形成される。すなわち、凹部３２に磁界が
形成される。

【００２４】アノード３４は例えばアルミニウムで構成
され、ターゲット３１の開口部と同等またはこれよりも
大きな開口を有している。そして、スパッタ粒子をシー
ルドするシールドリングとしての役割も兼備する。

【００２５】ターゲット冷却ブロック３６は冷媒通路４
２を有し、略円筒状を呈しており、その内側の空間にタ
ーゲット３１が嵌合されている。そして、その開口端側
において、ターゲットクランプ組立体３５によってター
ゲット３１との間が固定されている。アノード３４は、
ヨーク３９およびそれ自体に設けられた切欠き部分４３
にピン４４を挿入して固定され、ターゲットクランプ組
立体３５はそれ自体およびターゲット冷却ブロック３６
に設けられた切欠き部分４３にピン４４を挿入して固定
される。ターゲットとアノードとは絶縁材３７によって
電気的に絶縁されている。

【００２６】ターゲット冷却ブロック３６の冷媒通路４
２には冷媒給排水管４２ａ、４２ｂを通って冷媒が供給
され、これによりターゲット３１が冷却される。なお、
ヨーク３９の外側には冷却リング４６が設けられてお
り、その中の冷媒通路４７には冷却水給排管４７ａ，４
７ｂを介して冷媒が供給され、これによりヨーク３９も
冷却される。

【００２７】ターゲット３１は直流電源４５に接続され
ており、この電源４５から例えば−３００〜−８００Ｖ
の電圧が印加される。また、アノード３４は接地されて
いる。従って、アノード３４とターゲット３１との間、
すなわち凹部３２には電界が形成され、その中に形成さ
れた磁界のうち電界に直交する成分により直交電磁界が
形成される。

【００２８】このように構成されるマグネトロンスパッ
タリング装置においては、先ず、支持体１４上に被処理
体としての半導体ウェハＷを載置し、真空ポンプ１１に
より、真空チャンバー１０内を例えば１０^-9Torr台に真
空排気する。そして、移動機構２０により、スパッタリ
ングガン３０と被処理体としての半導体ウェハＷとの間
に相対的移動を生じさせた状態でスパッタリングを行
う。

【００２９】スパッタリングに際しては、スパッタリン
グガン３０におけるターゲット３１の凹部３２に、ガス
供給源１８からガス導入孔４０を通じてＡｒガス等のス
パッタリングガスすなわちプラズマ生成ガスを供給し
て、０．０５〜１０mTorr の圧力に保持して、ターゲッ
ト３１とアノード３４との間に−３００〜−８００Ｖの
電圧を印加する。これにより、凹部３２内にスパッタリ
ングガスのプラズマが生成される。

【００３０】プラズマ領域３３の電子４８は磁力線Ｍと
ターゲットに印加される電界によって形成される直交電
磁界によりサイクロン運動し、中性アルゴン粒子と衝突
する確率が高まり、イオン化が促進される。イオン化し
たスパッタリングガスは電界によってターゲット３１の
壁に衝突する。これにより、スパッタ粒子Ｓがターゲッ
ト３１から叩出される。叩き出されたスパッタ粒子Ｓは
ターゲットの開口部から射出されるが、ターゲット３１
の壁に当ったスパッタ粒子は再びターゲット上に堆積す
る。しかし、このように堆積されたスパッタ粒子も再度
アルゴンイオンによってスパッタされ、ターゲットの開
口から下方に射出され、結果として指向性の高いスパッ
タ粒子Ｓの流れが得られる。

【００３１】この場合に、ターゲット３１のガス導入孔
４０は径が小さく、凹部３２の開口端に向かって径が大
きくなっているので、ガス導入基端からスパッタリング
処理空間６０に向かって導入ガスの圧力勾配が形成さ
れ、処理空間６０が低圧でもプラズマが安定して生成さ
れる。例えば、プラズマ生成領域３３ではプラズマが安
定して生成可能な圧力、例えば１mTorr オーダーとし、
処理空間６０ではスパッタ粒子がガスに衝突する機会を
減少できる圧力、例えば０．１mTorr オーダーとするこ
とができる。また、凹部３２内の圧力が従来より１オー
ダー低い０．１mTorr オーダー、例えば０．２mTorr で
もプラズマを生成させることが可能である。この場合に
は、処理空間６０の圧力をさらに低下させることができ
る。

【００３２】このように、スパッタリング処理空間６０
の圧力が低い状態で、高い指向性を有するスパッタ粒子
によりスパッタリングを行うことができる。従って、コ
ンタクトホールが形成されたウェハにスパッタリング処
理を行う場合においても、高いステップカバレージ及び
ボトムカバレージをもって高効率で薄膜を形成すること
ができる。

【００３３】リアクティブスパッタリングを行う場合に
は、反応ガス供給源１６から反応ガス供給管１５を介し
て真空チャンバー１０の処理空間６０に反応ガス、例え
ば窒素ガスが導入される。スパッタリングガン３０から
のスパッタ粒子Ｓは処理空間６０を通ってウェハＷに向
かうから、反応ガスはスパッタ粒子に向かって供給され
ることとなる。スパッタ粒子に向かって供給された反応
ガスはスパッタ粒子と反応し、これにより反応生成物が
生成され、この反応生成物がウェハＷ上に堆積されるこ
ととなる。例えば、スパッタ粒子がチタンで反応ガスが
窒素ガスの場合には、ウェハＷ上にＴｉＮが形成される
こととなる。この場合に、反応ガスは、スパッタリング
ガスのプラズマが形成される凹部３２から離隔した領域
に供給されるので、高効率のリアクティブスパッタリン
グが達成される。

【００３４】なお、スパッタ粒子の指向性は、ターゲッ
ト３１の先端側に設けられたアノード３４の長さを変え
ることによって調節することができる。すなわち、アノ
ード３４はシールドリングとしても機能する。例えば、
スパッタ粒子の指向性をより高めたい場合には、アノー
ド３４を長くする。

【００３５】このようなスパッタリング処理を繰り返す
と、ターゲット３１はスパッタ粒子の発生により徐々に
消耗しスパッタ部４９は破線４９ａで示すように大きく
なっていく。しかし、この場合には凹部３２の大きさが
変化するのみで、上述の機能が低下することはない。

【００３６】なお、ターゲット３１はターゲット冷却ブ
ロック３６の空間に容易に嵌め込まれるように空間の大
きさより少し小さめの大きさに作られる。即ち、ターゲ
ット３１外周面と冷却装置の内周面との間には、ターゲ
ット３１を容易に脱着でき、かつターゲット３１の熱膨
張によりターゲット冷却ブロック３６の内周面に密着す
る程度のクリアランスを有する様に構成される。したが
って、消耗したターゲットを交換するときにはターゲッ
トは低温になり縮小しているので、ターゲット３１とタ
ーゲット冷却ブロック３６との間には間隙が存在し、極
めて容易にターゲット冷却ブロック３６からターゲット
３１を取外しまた新たなターゲットを取り付けることが
できる。そして、ターゲット電極に電圧を印加するとプ
ラズマが発生し、その際に発生する熱によってターゲッ
ト３１およびターゲット冷却ブロック３６が膨張し、両
者は確実に固定される。従って、ターゲット３１の熱は
ターゲット冷却ブロック３６に伝えられるのでターゲッ
ト３１自体に冷却手段を設けることなくターゲット３１
を冷却することができる。従って、ターゲット３１はガ
スの供給孔４０を設けるだけの簡単な構造とすることが
できる。また、ターゲット冷却ブロック３６への冷却水
給排水管は一度固定すれば着脱する必要のないものであ
り、冷却水の給排水機構も簡単なものとすることができ
る。

【００３７】ターゲット３１の凹部３２の形状としては
種々のものを採用することができる。例えば、図３の
（ａ）〜（ｃ）に示す構造を採用することができる。
（ａ）では、凹部３２の先端部が円筒で底部が漏斗状と
なっており、その底部の中心部にガス供給孔４０が形成
されている。（ｂ）では、凹部３２の先端部が円錐状で
底部が半球状となっており、（ａ）の例と同様に底部の
中心部にガス供給孔４０が開口している。（ｃ）では、
凹部３２の底部を切断した円錐状（四角錐でもよい）と
なっており、ガス供給孔４０はやはり底部の中心に形成
されている。次に、組立体として複数のスパッタリング
ガンを有するものを用いた場合について説明する。

【００３８】被処理体が８インチウェハ以上に大型化し
てくると、被処理体の全ての領域に短時間で薄膜を形成
するために複数のスパッタリングガンが必要となる。こ
の場合の装置構成を図４に示す。図４の装置は、図１の
装置と比較して、組立体１２の代わりに複数のスパッタ
リングガン３０を有する組立体１２ａが設けられている
他、支持体１４を移動する移動機構２０を備えている点
で異なっているが、それ以外の点は実質的に同一であ
る。

【００３９】移動機構２０は、支持体１４の下方に設け
られており、支持体１４と駆動軸１４ａで連結されてい
る。この移動機構２０は、支持体１４を垂直移動（Ｚ方
向）及び回転移動（θ方向）させる第１の移動部２１、
並びに水平移動させる第２の移動部２２を備えている。

【００４０】第１の移動部２１は、例えばモーターの回
転をボールねじ機構等により直線駆動力に変換し、駆動
軸１４ａに連結された載置台１４を上下に移動させ、ま
た、モータの回転により支持体１４を回転させることが
可能となっている。

【００４１】第２の移動部２２は、Ｘテーブル２３、Ｘ
テーブル用レール２４、Ｙテーブル２５、Ｙテーブル用
レール２６及び基台２７を備えている。Ｘテーブル２３
はレール２４上を第１の駆動部２１と共にＸ方向に移動
可能となっている。また、Ｙテーブル２５は、基台２７
上に設けられたＹテーブル用レール２６上を第１の移動
部２１及びＸテーブル２３と共にＹ方向（Ｘ方向に直交
する方向）に移動可能となっている。

【００４２】なお、上述のように、第１の移動部２１、
Ｘテーブル２３、Ｙテーブル２５はそれぞれ独立に移動
することができるため、駆動軸１４ａに連結された載置
台１４は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ方向にそれぞれ独立に移動す
ることが可能となる。

【００４３】移動機構２０は真空チャンバー１０の外部
に設けられているため、駆動機構から発生する熱及び埃
が真空チャンバー１０内の真空状態に与える悪影響を防
ぐことができる。

【００４４】支持体１４の底部と、真空チャンバー１０
の底部との間には、ベローズ２８が設けられている。ベ
ローズ２８は、支持体１４がＺ方向に移動する際に伸縮
し、Ｘ，Ｙ方向に移動する際には鉛直軸に対して傾いた
方向に変形する。従って、支持体１４が移動機構５０に
よりＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動しても、真空チャンバ
ー内の真空状態を維持することができる。

【００４５】組立体１２ａは、例えば７つのスパッタリ
ングガン３０で構成され、それらのターゲットは図５に
示すように配列される。図５において、７つのターゲッ
ト３１は、スパッタガン組立体１２ａの中心Ａ及びこの
中心Ａを重心とする正六角形の各頂点に配列される。こ
の配列によれば、スパッタリングガン３０を最密に配列
することが可能になる。従って一定の大きさを有するス
パッタリングガン３０を用いて、スパッタガン組立体１
２ａを最小にすることが可能となり、スペース効率の点
で有利である。ただしスパッタリングガン３０の配列
は、この配列に限らず、ウエハＷの大きさやスパッタリ
ングガン３０の開口の大きさ等種々の条件により適宜決
定可能である。このように複数のスパッタリングガン３
０を有する組立体１２ａを設けた場合に、移動機構２０
が必要な理由を以下に説明する。

【００４６】スパッタリングガン３０のターゲット３１
には凹部３２が形成されているため、上述したように、
スパッタ粒子Ｓは高い指向性をもって射出される。従っ
て、ターゲット３１の口径の範囲と対向する位置に存在
するホールには、ほぼ垂直方向より飛翔する多くのスパ
ッタ粒子Ｓが成膜に供される。しかし、ウェハＷが固定
であると、二つの隣接するターゲット３１の中間位置に
対向するウェハ位置に向かうスパッタ粒子は少なくな
る。また、スパッタ粒子の垂直成分が減少する。すなわ
ち、ウェハＷが固定の場合には、スパッタ粒子のウェハ
Ｗ面内での堆積量や入射角度のばらつきが生じる。従っ
て、このような不都合を回避するために移動機構２０に
よってスパッタリングガン３０とウェハＷとの間に相対
移動を生じさせるのである。このような相対移動の例を
図５及び図６を参照して説明する。

【００４７】一例として、図６に示すウェハＷの主面と
平行な方向であるＸ方向及びＹ方向にウェハＷをラスタ
スキャンするようにする。この場合のラスタスキャン
は、例えば図５に示すように互いに隣接する二つのター
ゲット３１の中心位置ＡとＢとの距離Ｌ１とＣとＣ´と
の距離Ｌ２の１／２の範囲で図中矢印に沿ってラスタス
キャンさせる。これにより、ウェハＷをほぼ同じ条件で
十分な量のスパッタ粒子を均一に堆積させることが可能
となる。

【００４８】次に、図６において、Ｚ方向にウェハＷを
移動した場合について説明する。この場合、スパッタガ
ン組立体１２をウエハＷに接近させると、コンタクトホ
ールから見たターゲット１８に対する見込み角が増加
し、コンタクトホールの肩部に、より多くのスパッタ粒
子が堆積される。また逆に、スパッタガン組立体１２を
遠ざけると、見込み角が減少して、コンタクトホール内
に、より多くのスパッタ粒子が堆積される。従って、Ｚ
方向にウェハＷを移動させることにより、膜の形状の制
御が可能となる。

【００４９】この場合のＺ方向の移動を行なう範囲は、
例えば１００ｍｍ〜２５０ｍｍであり、この範囲内なら
ば真空チャンバー１０の容積を変更させることなくＺ方
向への移動が可能となる。

【００５０】なお、Ｘ，ＹおよびＺ方向の移動は、前述
したようにそれぞれ独自に移動が可能であり、必要に応
じていずれか一方向のみでもよく、これらの移動方向を
組み合わせてもよい。これらを組み合わせることによ
り、より均一性の高い膜を形成することが可能になる。

【００５１】なお、このようなＸ，ＹおよびＺ方向の移
動の他に、ウエハＷの中心を回転軸とする回転移動させ
てもよい。この回転移動により、ターゲット１８の中心
を結ぶ円周上において、膜形成の均一性を向上させるこ
とが可能となる。なお、ウェハＷの回転移動は、Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸方向の移動のいずれか１以上と組み合わせて行
ってもよいし、回転移動のみを単独で行ってもよい。

【００５２】また、ウエハＷの中心よりオフセットされ
た偏心軸を中心軸とする偏心回転移動をさせてもよい。
上述のようにウエハＷの中心を回転軸とする回転移動を
させる場合には、半径方向の膜形成の均一性を向上させ
ようとすれば、周辺に位置するターゲットの中心からの
距離を別個異なるものとする必要がある。このようにし
た場合、スパッタガン組立体におけるターゲット３１の
配列を最密構造とすることが困難となり、さらに装置構
造が煩雑にならざるを得ない。しかしこのように偏心回
転移動を行えば、ターゲット３１の配列を図５に示す最
密構造としたまま、装置構造を煩雑化することなく、円
周方向に加えて半径方向の膜形成の均一性を向上させる
ことが可能となる。なお、この場合にも、ウェハＷの回
転移動はをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動のいずれか１以上と
組み合わせて行ってもよいし、回転移動のみを単独で行
ってもよい。

【００５３】さらに、組立体１２ａの中心軸の位置とウ
ェハＷの中心軸の位置をずらして、双方を夫々を回転さ
せるようにしてもよい。このような回転移動を生じさせ
ることにより、広い２次元平面で、膜形成の均一性を向
上させることが可能となる。以上のような回転移動を行
う場合には、気密シールとして磁気シール、Ｏリングそ
の他の回転を許容する気密シールを採用すればよい。

【００５４】なお、スパッタリングガンとウェハＷとの
相対移動は、上述の態様に限るものではなく、Ｘ，Ｙ，
Ｚ方向、円運動、偏心運動、及び自公転運動を種々組み
合わせて行うことができる。また、このような相対移動
は、ステップモータを用いて間欠的に行ってもよいし、
連続的な移動であってもよい。

【００５５】次に、スパッタリングガンの変形例につい
て説明する。この発明で用いるスパッタリングガンとし
ては、図２の構造のものに限らず、例えば図７及び図８
に示すような構造のものを採用することができる。

【００５６】図７は、ヨークを用いずに複数の磁石を用
いたものであり、図８は磁界形成手段として電磁石を用
いたものである。なお、図７，８において、図２と実質
的に同一なものには同一の符号を付して説明を省略す
る。

【００５７】図７のスパッタリングガンは、ターゲット
３１の上方、すなわち背面側に円柱状の磁石６１が配置
され、ターゲット３１の先端側に環状の磁石６２が配置
されている。磁石６１のターゲット３１側には、ガス流
路を規定するように磁性体からなるポールピース６３が
接続されている。ポールピース６３の先端部６３ａはね
じが形成されており、ポールピースの本体にねじ固定さ
れ、先端部６３ａのみ交換可能となっている。磁石６１
からポールピース６３を介して磁石６２へ磁力線が形成
され、結果として図２のスパッタリングガンと同様に、
凹部３２に磁界が形成される。ターゲット冷却ブロック
３６には螺旋形の冷媒通路６８ａが設けられており、冷
媒給排水管６８を通って冷媒が供給される。また、ポー
ルピース６３の周囲にはポールピース用の冷却リング６
６が設けられており、この冷却リング６６には冷媒通路
６７ａが形成されていて、冷媒給配水管６７を通って冷
媒が供給される。さらに、アノード３４の周囲にはアノ
ード用冷却リング６９が設けられ、その中に冷媒通路６
９ａが形成されている。このスパッタリングガンの外周
はステンレススチール部材７１で囲撓されており、ステ
ンレススチール部材７１とターゲット冷却ブロック３６
との間は、絶縁部材７２で絶縁されている。なお、参照
符号６５はターゲット３１と冷却ブロック３６との間に
介在された巣ぺーサーであり、６４は絶縁部材、７０は
クランプ部材である。

【００５８】図８のスパッタリングガンは、図２におけ
る永久磁石３８を電磁石８０に置き換えた以外、基本的
に図３のものと同じ構造を有している。このように電磁
石８０を用いることにより、ターゲットの消耗に応じて
電流を変化させ、磁界の大きさを変化させることができ
る。

【００５９】次に、この発明の他の態様について説明す
る。上記態様においては、窒素などの反応ガスをチャン
バ１０から処理空間６０に導入するようにしたが、ここ
では、反応ガス供給手段をスパッタリングガン自体に設
けた例について説明する。

【００６０】図９は反応ガス供給手段を備えたスパッタ
リングガンを示す断面図である。図９のスパッタリング
ガンは基本構成は図７と同様であり、図７と同じものに
は同じ符号を付している。図９において、参照符号９３
は窒素ガス等の反応ガスを供給するための反応ガス供給
源である。この反応ガス供給源９３からの反応ガスは、
スパッタガンに形成された反応ガス供給孔９４を通っ
て、アノード３４の中空部に導入される。

【００６１】一方、スパッタリングガスとしてのアルゴ
ンガスは、ガス供給導入孔４０を介して凹部３２へ供給
される。この場合にアルゴンガスはプラズマ領域を通過
するためイオン化効率が高く、スパッタリング効率が高
い。凹部３２において生成されたプラズマにより叩き出
されたスパッタ粒子は、凹部３２からアノード３４の中
空部を経て処理空間６０にへ飛翔する。そして、アノー
ド３４の中空部においてスパッタ粒子に反応ガスが供給
されることとなり、これらは凹部３２からアノード３４
に向かう電子の作用等により反応して反応生成物粒子が
形成され、この反応生成物粒子がウェハに堆積され、リ
アクティブスパッタリングが実現される。例えば、スパ
ッタ粒子がＴｉで反応ガスがＮ₂ の場合にはＴｉＮを堆
積させることができる。この態様においても、反応ガス
はスパッタリングガスのプラズマが形成される凹部３２
から離隔した領域に供給されるので、高効率のリアクテ
ィブスパッタリングが達成される。

【００６２】また、この例での他の利点としては、反応
ガスをターゲットとアノードとの隙間から導入するた
め、電極間へのスパッタ粒子の回り込みを防ぐことがで
きるということが挙げられる。さらに処理空間６０の圧
力が低いためスパッタ粒子の導入ガスによる散乱がなく
なり、かつ回り込みも少なくなったため、処理空間回り
のシールド板を小さくすることもできる。

【００６３】さらにまた、スパッタリングガスのコンダ
クタンスを大きくとることができ、排気装置を大型化す
ることなく排気能力を一桁増加することができるため、
放電圧力の低下との相乗効果によりバックグランド圧力
が二桁改善され、膜質の改善に大きく寄与する。

【００６４】なお、ここでは基本的に図７のスパッタリ
ングガンに反応ガス供給手段を設けた例を示したが、図
２及び図８のスパッタリングガンにも同様な反応ガス供
給手段を設けることができることは言うまでもない。

【００６５】窒素ガスのみでスパッタリングを行う場合
の成膜レートは、アルゴンガスのみでスパッタリングを
行う場合の約１／５であるが、上述のようにスパッタ粒
子が飛翔している領域に窒素ガスを供給した場合には窒
素ガスのみのスパッタリングに比較して３倍以上の成膜
レートである。

【００６６】また、膜質の観点からは、通常のスパッタ
リングにおいて行われているように、被処理体に負の直
流バイアス又は負の交流バイアス、又はこれらの両方を
印加することが好ましい。これにより、形成される膜が
稠密となって膜質が一層向上する。形成する膜がＴｉＮ
の場合には、これにより膜の低抵抗化を図ることができ
る。

【００６７】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
となく種々変形可能である。例えば、上記実施例は被処
理体として半導体ウェハを用いた例について示したが、
これに限定されるものでなく、例えばＬＣＤ基板、磁気
ディスク及び磁気テープ等にも適用可能である。また、
移動機構により支持体を移動するようにしたが、被処理
体とスパッタリングガンとの間の相対移動が生じればよ
く、スパッタリングガンを移動させてもよい。

【００６８】

【発明の効果】この発明によれば、高集積度のウェハの
ホール内にも十分な量のスパッタ粒子を堆積することが
でき、スパッタリング処理空間全体のスパッタガス圧を
低く維持した状態でスパッタリングすることが可能であ
り、さらに高効率でリアクティブスパッタリングを実施
することができるマグネトロンスパッタリング装置及び
スパッタリングガンが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るマグネトロンスパッタ
リング装置を示す断面図。

【図２】図１の装置に用いられるスパッタリングガンの
一態様を示す断面図。

【図３】ターゲットの形状の例を示す断面図。

【図４】本発明の他の実施例に係るマグネトロンスパッ
タリング装置を示す断面図。

【図５】図４の装置の組立体におけるターゲットの配列
を模式的に示す図。

【図６】図４の装置におけるウェハとスパッタリングガ
ンとの間の相対移動を説明する模式図。

【図７】本発明のマグネトロンスパッタリング装置に用
いられるスパッタリングガンの他の例を示す図。

【図８】本発明のマグネトロンスパッタリング装置に用
いられるスパッタリングガンのさらに他の例を示す図。

【図９】本発明の一実施例に係るスパッタリングガンを
示す断面図。

【図１０】従来の平板状スパッタリングガンを用いてコ
ンタクトホールに薄膜を形成する状態を示す図。

【符号の説明】

１０…真空チャンバ、 １２，１２ａ…組立体、１
４…支持体、 １５…反応ガス供給管、１６，９３
…反応ガス供給源、 １８…スパッタリングガス供給
源、３０…スパッタリングガン、 ３１…ターゲッ
ト、３２…凹部、 ３４…アノ−ド、 ３８…
磁石、３９…ヨーク、 ４０…スパッタリングガス
供給孔、４５…電源、 ９４…反応ガス供給孔、
Ｓ…スパッタ粒子 Ｗ…ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203 H01L 21/31

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、この真空容器内に配置され
   た被処理体と、前記真空容器の内部に配置され、スパッ
   タ粒子を射出するためのスパッタリングガンとを具備
   し、 前記スパッタリングガンは、凹部状ターゲットを有し、
   その凹部の先端部が円筒で底部が漏斗状または凹部の先
   端部が円錐状で底部が半球状もしくは凹部の底部を切断
   した円錐状または四角錐状であり、 前記凹部状ターゲットの底部からスパッタリングガスを
   凹部状ターゲット内に供給するスパッタリングガス供給
   手段と、前記凹部状ターゲットに電力を印加して前記ス
   パッタリングガスでプラズマを生成し、前記凹部状ター
   ゲット内に電界を形成するための電界形成手段と、前記
   凹部状ターゲット内に形成された前記電界に対して直交
   する成分を含む磁界を形成する磁界形成手段とを有した
   ことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 真空容器と、この真空容器の内部に配置
   され、スパッタ粒子を射出するためのスパッタリングガ
   ンと、前記真空容器内において薄膜を形成すべき被処理
   体を支持するための支持体と、前記真空容器内に反応ガ
   スを供給する反応ガス供給手段とを具備し、 前記スパッタリングガンは、凹部状ターゲットを有し、
   その凹部の先端部が円筒で底部が漏斗状または凹部の先
   端部が円錐状で底部が半球状もしくは凹部の底部を切断
   した円錐状または四角錐状であり、 前記凹部状ターゲットの底部からスパッタリングガスを
   凹部状ターゲット内に供給するスパッタリングガス供給
   手段と、前記凹部状ターゲットに電力を印加して前記ス
   パッタリングガスでプラズマを生成し、前記凹部状ター
   ゲット内に電界を形成するための電界形成手段と、前記
   凹部状ターゲット内に形成された前記電界に対して直交
   する成分を含む磁界を形成する磁界形成手段とを有し、 前記反応ガスは、前記凹部状ターゲットと隔離した領域
   に供給され、前記凹部状ターゲット内から前記プラズマ
   で生成されたスパッタ粒子と反応して反応生成物を前記
   被処理体上に堆積することを特徴とするマグネトロンス
   パッタリング装置。
3. 【請求項３】 凹部の先端部が円筒で底部が漏斗状また
   は凹部の先端部が円錐状で底部が半球状もしくは凹部の
   底部を切断した円錐状または四角錐状の凹部状ターゲッ
   トと、 前記凹部状ターゲットの底部からスパッタリングガスを
   凹部状ターゲット内に供給するスパッタリングガス供給
   手段と、前記凹部状ターゲットに電力を印加して前記ス
   パッタリングガスでプラズマを生成し、前記凹部状ター
   ゲット内に電界を形成するための電界形成手段と、前記
   凹部状ターゲット内に形成された前記電界に対して直交
   する成分を含む磁界を形成する磁界形成手段とを有した
   ことを特徴とするスパッタリングガン。
4. 【請求項４】 凹部の先端部が円筒で底部が漏斗状また
   は凹部の先端部が円錐状で底部が半球状もしくは凹部の
   底部を切断した円錐状または四角錐状の凹部状ターゲッ
   トと、 前記凹部状ターゲットの底部からスパッタリングガスを
   凹部状ターゲット内に供給するスパッタリングガス供給
   手段と、前記凹部状ターゲットに電力を印加して前記ス
   パッタリングガスでプラズマを生成し、前記凹部状ター
   ゲット内に電界を形成するための電界形成手段と、前記
   凹部状ターゲット内に形成された前記電界に対して直交
   する成分を含む磁界を形成する磁界形成手段とを有し、 前記プラズマと隔離した位置において前記プラズマによ
   って前記凹部状ターゲットから叩き出されたスパッタ粒
   子に反応ガスを供給する反応ガス供給手段を備え、前記
   凹部状ターゲット内から前記プラズマで生成されたスパ
   ッタ粒子を射出させることを特徴とするスパッタリング
   ガン。
5. 【請求項５】 前記被処理体に負の直流バイアスを導入
   する手段をさらに有することを特徴とする請求項１また
   は２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 前記被処理体に負の交流バイアスを導入
   する手段をさらに有することを特徴とする請求項１また
   は２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
7. 【請求項７】 前記被処理体に負の直流及び交流バイア
   スを導入する手段をさらに有することを特徴とする請求
   項１または２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
8. 【請求項８】 前記凹部状ターゲットの基端側から先端
   側にかけて前記凹部内に圧力勾配が形成されることを特
   徴とする請求項３または４記載のスパッタリングガン。
9. 【請求項９】 前記凹部状ターゲットの開口部側にアノ
   ードが設置され、このアノードに環状の磁石を設けたこ
   とを特徴とする請求項３または４記載のスパッタリング
   ガン。
10. 【請求項１０】 前記凹部状ターゲットの開口部側にア
    ノードが設置され、このアノードの中空部を長くするこ
    とで指向性を高めたことを特徴とする請求項３または４
    記載のスパッタリングガン。
11. 【請求項１１】 前記真空容器内に設置され、被処理体
    を設置する支持体は移動機構を備えていることを特徴と
    する請求項１または２記載のマグネトロンスパッタリン
    グ装置。
12. 【請求項１２】 前記スパッタリングガンは、被処理体
    との間で相対移動可能であることを特徴とする請求項１
    または２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
13. 【請求項１３】 前記スパッタリングガンを組立体に複
    数有することを特徴とする請求項１または２記載のマグ
    ネトロンスパッタリング装置。