JPS60152671A - スパツタリング電極 - 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】 本発明は真空中で薄膜を作製するだめのスパッタリング
電極の構造に関するものである。更に具体的には本発明
は、半導体ＩＣ製造に用いられるシリコン・ウェハ等の
ように表面に極めて微細な凹凸を備えた平板状基体の表
面に均一で被覆性のすぐれた薄膜を形成するための改良
されたスパッタ電極の構造を提供するものである。

半導体ＩＣの製造においては重積形成と電極間の配線の
ためにシリコン・ウェハ女どの基板上に金属薄膜を形成
したり、電極及び配線間の絶縁隔離のために絶縁体薄膜
を形成する工程がある。これらの工程は当分野ではメタ
ライゼイション１層間絶縁、およびパシベーションなど
と呼ばれており真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、塗
布等各種薄膜作製技術が利用されている。この中でスパ
ッタリングは自動化が容易彦こと、膜組成制御性がすぐ
れていること、緻密な膜を得易い等の理由で近年多く使
われるようになっている。ＩＣのメタライゼーション婢
の薄膜形成過程ではウェハ上に全面にわたって巨視的か
意味で均一な厚みの膜形成が必要なことは当然である。

ところが巨視的には平板状にみえるウェハの表面には高
さ約１μｍ程度の微小な凹凸が全面にわたって生じてお
シこの凹凸面に治って微視的にも均一な被覆が望ましい
。後者の微視的な被覆性は彼達するようにステップカベ
レジという言葉で定量的に表示することができる。本発
明はウェハ全面にわたる巨視的な均一性と　−　°　・
　・　・　−１鞠＝尋寺ステツプカベレジのすぐれた倣
押、的な均一性の双方を充たすような被覆を行うための
スパッタ電極を提供するものである。

第１図はスパッタ装置に組込まれた従来のスパッタ電極
と薄膜を被覆されるべきウェハの相対的位置関係を示す
。真空容器１０の壁面１１にカソード組立３０が０リン
グシール１２及び１４とその中間にはさまれた絶縁体１
３を介して図示されていない機構により取付けられかつ
気密が保持され） ノ３２の裏面に包囲された空間に磁石組立４ｏが配置さ
せられると共にこの空間を冷却水が充たす。

０リングシール３３はターゲット３２とボディー３１の
間の気密を保持する。磁石組立４０は中心部磁石４１．
外周磁石４２．それらの磁石を結合するヨーク４３から
成り、ターゲット３２の表面近傍の空間にターゲット中
心部から出発して外周部に達するような弧状磁力線４４
をその中心軸４５のまわりにはクホ回転対称となるよう
に発生せしめる。カソード組立３０の真空容器の内部側
にはターゲット３２の周辺に治ってアースシールド５０
がカソード組立３０と一定の距離を隔てて設けられ、タ
ーゲット３２の表面以外の面がイオン衝撃を受けること
を防止する。真空容器１ｏの内部には更にターゲット３
２から一定の距離隔てられた位置に基板ホルダー２０が
設けられ、そのターゲットに対向する面にウェハ２１が
図示されていない手段により保持される。プレーナーマ
グネトロンカソードにおける放電とスパッタリングの状
況についＷ、Ｋｅｒｎ　ｅｄ、　Ｔｈ１ｎ　Ｆｉｌｍ　
Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　＋Ａｃａｄｅｍｉｃ　ｐｒｅｓｓ
　、　１９７８　）　。ターゲット３２０表面と弧状磁
力＃４４の包囲する回転対称の半ドーナツ状空間に密度
の高いプラズマが生じてここに接するターゲット表面が
頻度の高いイオン衝撃を受ける、その結果この半ドーナ
ツ状空間に境界を接するターゲツト面上の円環状＠竣か
らスパッタ原子が放出されウェハ２１の表面に飛来し薄
膜が形成される。

第２図は第１図におけるターゲット３２を長時間スパッ
タリングした後の断面形状を示す。イオン衝撃頻度の高
い円環状領域は徐々に浸蝕されて環状の溝３２１が形成
される。

第３図は第１図におけるウェハ２１の上の径方向の巨視
的な膜厚分布を示す。ウェハの全面の平均膜厚を１００
チとしたときに、ウェハ２１とターゲット３２の間隔を
適切に選ぶならば曲線ａで示ロン程度であシウエハの直
径は一般に１ｏｏミリメートル及至２００ミリメートル
である。ウニへ表面に付着した薄膜２１２の厚みは突起
から光分離れた距離ではＴｏであシ　、突起に極めて近
い場合では極小値ｔ１及びｔ！となる。矢印２００はウ
ェハの中心を向くものとする。

当然のことであるが突起が皆無のウェハでは微視的な厚
みはすべてＴｏである。突起の近傍における薄膜の被覆
の程度を示す値としてｔ＋　／　Ｔｎ　＋ｔｔ／Ｔｏが
ステップカベレジとして定義される。

集積回路を製造する工程の技術上の理由によって現在ウ
ェハ上のこのような微視的な突起あるいは陥没は除くこ
とができない。図示の如く一般にＦ　／　Ｔｏ　＋　ｔ
ｔ　／　Ｔｏ　は共に１より小さい値をとる。

例えば薄膜２１２が金属であり配線の役目を果すとすれ
ば図示のような場合突起の近傍で配線の断面積が小さく
寿り集積回路の特性上好ましくないステップカベレジの
分布を示すグラフである。曲線すはウェハの中心に対し
て突起の内側近傍のステップカベレジｔ＋／Ｔｏを示す
。曲線Ｃはウェハの中心に対して突起の外側のステップ
カベレジを鵞／Ｔｏを示す。ウェハの外周で外側のステ
ップカベレジが低い値となることに注量されたい。

以上の訝明の如〈従来技術においてはウェハとターゲッ
トの間隔を適切に選定するととによシ巨視的な膜厚分布
の均一性は達成できたが＊ｉ、的な膜厚分布であるステ
ップカベレジが殊にウェハ周辺部で低い仙となっていた
。

これら欠点を改良するために従来いくつかのスパッタ電
極の構造が提唱されている。例えば特公昭５５８−１Ｏ
９８９（願昭５３−６９０２４）は逆円錐面 形の内向をもつターゲットを用いているがこの方式が巨
視的膜厚分布の点で大きな欠点をもつことは同じ出願人
の特開昭５８−９６８７３（特願昭皐７−２０２２５５
　）によシ分布改良のためのプロツキ（特願昭５６−９
９６５９　）、特開昭５８−３９７６（特願昭５６−９
９６６０）、％開明５８−７１３７２（特願昭５６−１
６８６７１　）、特開昭５８−７１３７２分布の均一化
を目的と１〜て一枚の平板状ターゲットに複数の磁石組
立を設ける構造を提唱している。

しかしこれらの構造では微視的な膜厚分布の改良は達成
できない。

本発明では巨視的な膜厚分布を均一に保ちながらウェハ
全面にわたり大きな値のステップカベレジを与えるよう
なスパッタ電極の構造を与える。

このために本発明では後述の如くスパッタ電極を央部の
平面状表面部とその外周部に位置する逆錐面状表面部を
有するターゲットで構成した、平面状表面部は主として
内側ステップカベレジの向上に寄与し、逆錐面状ターゲ
ットは主として外側ス第６図は本発明の実施例であり第
１図と同じ真空容器の壁を介してカソード組立３０が皐
付けられている。ボディー３１には平面状表面Ａをもつ
円板状ターゲラ）ＡＩとそれをとシ囲こみ内側に部磁石
組立４０が配置され、ターゲラ）ＡＩの表面Ａの中心部
から出発して外周部に達するような弧状磁力線４４をそ
の中心軸４５のまわりにほぼ回転対称となるように発生
せしめる。他方ターゲラ）Ｂｌの外周には円環状磁石４
１′、上部外周ヨーク４２′、低部外周ヨーク４３′か
ら成る外周部磁石組立４０′が配置され、ターゲラ）Ｂ
ｌの表面Ｂの外周部から出発して内周部に達するよう力
弧状磁力線４４′をその中心軸４５のまわシにほぼ回転
対称となるように発生せしめる。この結果弧状磁力線４
４と平面状平面Ａに面するほぼ回転対称な空間と、弧状
磁力線４４′と環状表面Ｂの包囲するほぼ回転対称な空
間のそれぞれにプラズマが発生しイオンがそれぞれの境
界を形成するターゲット面を衝撃する。それ故表面Ａか
らは複数の矢印３２２で代表して示される方向にスパッ
タ原子が飛び出［７，−刃表面Ｂからは複数の矢印３２
３で代表し、／ 方向に飛出すスパッタ原子はウェハの表面に垂直に入射
する速度成分とウェハの中心から外周へ向う速度成分を
持ち、従ってウェハの中心側の突起段差部（第４図のｔ
１部分）の均−力被覆に寄与する。表面Ｂから矢印３２
３の方向に飛出すスパッタ原子は主としてウェハの外周
から中心に向う速度成分を持ちウェハの外側をむいた突
起段差部（第４図のｔｓ部分）の均一な被覆に寄与する
。ターゲラ）Ｂｌのステップカベレジへの寄与のｌ・は
ターゲットＢ１のターゲラ）ＡＩに対するスパッタ原子
の放出量の比それぞれの放出量、及びターゲラ）Ｂｌの
傾斜した面Ｂと表面Ａの平面のなす角度αによって制御
することができる。それらは表面Ａ及び表面Ｂの幾何学
的配置とそれぞれの表面近傍の空間に形成される磁昇の
強さを適切に選らぶことによりウェハ表面における巨視
的な膜厚分布の均一性とステップカベレジの高さを共に
満足できるものにすることができる。

１の間の間隙に僅かではあるがカソードボディーの一部
４９が見えるのでその領域がイオン衝撃を受け膜中に不
純物の混入をもたらす危険性がある。

第７図の場合にはシールドに包囲された便域内ではター
ゲラ）ＡＩ及びＢ１の表面だけがイオン衝撃を受けるの
でより安全である。

第８図は本発明の別の実施例である８第７図の場合とは
、カソード組立が絶縁スペーサー１３′を介して内側カ
ソード組立３０と外側カソード組立３０′に分割されて
いる点が異る。２個のカソード組立にはスパッタ電源６
０からそれぞれ電流計６１及び６２を経て電力が供給さ
れる。表面Ａを叩くイオンに起因する電流工、及び表面
Ｂを叩くイオンに起因する電流１．は各独立に測定され
自動的に回 向路６３でその和及び比を計算することができる。

外側磁石４１′の励磁電流は例えばターゲット電流の和
及び比Ｉム／１．がそれぞれ所定値をとるように自動的
に回路６３の信号により’ｉｇ４石４１′の励スパッタ
リング圧力の変動とターゲットの消耗状態の範囲内で巨
視的な膜〃分布とステップカベレジとの両者を共に適値
に保つことが自動的に行われる。

以上で本発明の具体的実施例を示したが、このカソード
組立の構成法には別の方式がある。即ち第６図では磁力
線を表面Ａの中心部から周辺部に向うものとして示した
が、この向きは反対であってもよく、この変更はすべて
の図示され九Ｎ極をＳ極にかえてまたすべての図示され
たＳ極をＮ極に変更することで達成される。また図には
ターゲット３２．ターゲットＡ１の直接裏面に冷却水が
接する方式を示したが、ターゲットを間接的に冷却する
方式もよく知られている。

第８図では、電気的に絶縁された表面Ａと表面Ｂとに１
台のスパッタ電源６０から電力を供給し各表面に流入す
る電流の和及び比を所定の値とするために、磁石組立を
調整する例を示したが画表勿論電位の調整と磁石組立の
調整は併用できる。

マ左第６図乃至第８図の本発明の実施例ではターゲラ）
ＡＩ及びターゲットＢ１を設はターゲットを独立した２
個の切シ離された構成で示したが。

これは組立の便宜又は電流の個別検知の要請からなされ
たものである。

第９図には単純に一体化された場合のターゲッ対称な表
面Ｂとで構成されている。ターゲットとして２個の個体
を用いる場合にくらべて第９図のように単体で形成する
方がを扱いは容易に寿る。

更にまた。上述の実施例では電磁石を表面Ｂの内側に用
いているが、これは表面Ａの内側１であってもよく、ま
たは、それら内部の磁石の一部に用いるものでおっても
よい。勿論磁石組立をすべて永久磁石で構成［７てもよ
い。Ｖ（にまた、上述の自動調整は永久磁石の移動又は
磁勿回路の磁気抵抗の変更を機械的手段で行なうもので
あってもよい。

本発明のスパッタリング市、極は以上説明の通り鈎工業
上極めて有為の発明ということができる。

ン

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスパッタ市、極とウェハの相対的位置間
を示す図。第２図は第１図のターゲットの長時間スパッ
タリング継続後の断面図。第３図は第に拡大された断面
図、第５図は第１図におけるウェハ上のステップカベレ
ジの分布を示すグラフ。 第６図は本発明の実施例、第７図は本発明の別の実施例
、第８図も本発明の別の実施例、第９図は本発明におけ
る一体化されたターゲットの防１面図である。 ６０・・・・・・スパッタ電源、７０・・・・・・励磁
電源、３２・・曲ターゲット、Ａ・・曲ターゲットの平
面状表面。 Ｂ・・・・・・ターゲットの内側に傾斜した塊状面。 、−１０ 直感　（ｐ／（Ｉｌ　止旬 立訪　中・Ｃ立た ＦＩＧ、９

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）央部を構成する平面状表面Ａ及び該表面Ａの周囲
   を包囲し内側に向って傾斜する環状表面Ｂの両表面をも
   つターゲットと、該表面Ａの中心部と周辺部を結ぶ弧状
   の磁力線及び該表面Ｂの外周部と内周部を結ぶ弧状の磁
   力線を発生する磁石組立を具えたことを特徴とする薄膜
   作製用のスパッタリング電極。
2. （２）該磁石組立の少くとも一部が電磁石で構成されて
   いる第１項記載のスパッタリング雷、極。
3. （３）　央部を構成する平面状表面Ａ及び該表面Ａの周
   囲を包囲し内側に向って傾斜する環状表面Ｂ１７）両表
   面をもつターゲットと、該表面Ａの中心部と周辺部を結
   ぶ弧状の磁力線及び該表面Ｂの外周部と内周部を結ぶ弧
   状の磁力線を発生する磁石組立と、該表面Ａに流入する
   電流と該表面Ｂに流入する電流を検知してそれら電流が
   それぞれ所定の値をとるように、該表面Ａ、Ｂの電位の
   少くとも一方及び該磁石組立の少くとも一方を自動的に
   調整′励磁電流を調整するものであることを特徴とする
   第３項記載のスパッタリング電極。