JP2781165B2 - Sputtering equipment - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、微細な構造を有す
る基板表面に薄膜を形成するスパッタリング装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】半導体集積回路を製造する工程の中に、
基板表面に回路の配線を形成するための導電性薄膜を堆
積させるなどの薄膜形成の工程がある。この薄膜の形成
にはスパッタリング法が多く用いられているが、回路の
集積度が高まるにつれて、アスペクト比の高い深い溝や
コンタクトホール等の深い穴の底部に、配線等のために
特定物質を堆積させて薄膜を作るなどの過酷な条件の成
膜の要求が高まっている。 【０００３】スパッタリング法は、真空容器よりなるス
パッタチャンバーにガスを導入してこれを放電によって
イオン化し、成膜すべき物質で作られたターゲットをこ
のイオン化ガスで衝撃して成膜物質の分子または原子を
飛び出させ、これを基板表面に付着堆積させる成膜方法
であるが、周知のように、ターゲットより飛び出したス
パッタ原子はほぼランバートの余弦則に説明される角度
分布を持っている（株式会社アグネ発行、「真空蒸着」
Ｐ２５参照）。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】図８は、従来のスパッ
タリング装置によって、アスペクト比１．０のコンタク
トホールを持つ基板に薄膜を堆積させた場合のコンタク
トホール部の状態をシミュレーションによって求めて示
した断面図である。図において１はスパッタリングによ
る堆積膜、１０はそのうちの薄膜、２は基板である。図
８に示すように、ターゲットより基板へ到達するスパッ
タ原子は様々な入射角度を持っているおり、ホール段差
部の作る影およびセルフシャドウイング効果（これに関
しては次の文献即ち、伊藤他「ＶＬＳＩの薄膜技術」丸
善。および、I. A. Belch et al. J. Appl. Phys. 54
(6)1983 参照）のため、ホールの底部へは殆ど膜堆積が
なされない。本発明はこの問題を解決し、上記のように
従来の技術では到底不可能とされてきた高アスペクト比
のコンタクトホールの底面などへの膜堆積を可能にする
スパッタリング装置の提供を目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願の請求項１記載の発明は、基板の表面に設けら
れた溝又は穴に薄膜を堆積させるスパッタリング装置に
おいて、ターゲットと該基板との間の空間に、該基板表
面に向かって飛行するスパッタ粒子の飛行方向を、該溝
又は穴の深さ方向に規制する方向規制装置が設けられ、
該方向規制装置は導電体で作られているとともにアース
電位に保持されるものであり、さらに、該方向規制装置
をアースに接続する連絡部には放電観測用の計測器が接
続されているという構成を有する。また同様に上記目的
を達成するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１
の構成において、該堆積する薄膜が導電体であるという
構成を有する。また同様に上記目的を達成するため、請
求項３記載の発明は、上記請求項１又は２の構成におい
て、該方向規制装置が、該溝又は穴の深さ方向に平行な
壁面を持つ筒の蜂の巣状集合体であるという構成を有す
る。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態につ
いて説明する。図１は、本願発明の実施形態のスパッタ
リング装置の概略構成を示す正面断面図であって、３は
真空容器、４はカソード、５はターゲット、６は本実施
形態の特徴をなす方向規制装置、７は基板である。 【０００７】真空容器３は、不図示の排気系を備えた気
密な容器であり、基板７の出し入れを行う不図示のゲー
トバルブ及びスパッタリングのためのガスを導入する不
図示のガス導入系を備えている。カソード４は、真空容
器３の器壁に気密に接続されており、負の直流電圧又は
場合によっては所定の高周波電圧を印加するスパッタ電
源が接続されている。カソード４の前面は真空容器３内
の空間を臨み、その前面にターゲット５が取り付けられ
ている。例えばマグネトロン放電によりスパッタリング
を行う場合、カソード４内には一対の磁石が配設され、
ターゲット５を通して閉じた磁界を漏洩させるよう構成
される。 【０００８】ターゲット５は、成膜する材料を主成分と
した板状のものであり、例えば配線用としてＡｌの成膜
を行う場合には、Ａｌ又はＡｌ合金のターゲット５が使
用される。尚、カソード４の周囲には、不要な放電を防
止するためのシールドが設けられている。基板７は、例
えば半導体ウエハ等であり、真空容器３内においてター
ゲット５に平行に対向するように配置される。基板７
は、その表面にコンタクトホール等の所定の溝又は穴が
形成されており、本実施形態では、その溝又は穴は基板
７の表面にほぼ垂直な方向が深さ方向となるように形成
されている。そして、図１に示すように、基板７が水平
な姿勢で保持された場合、溝又は穴の深さ方向は鉛直方
向ということになる。 【０００９】不図示のガス導入手段を動作させて真空容
器３内へアルゴンガス等の希ガスを導入し、スパッタ電
源によってカソード４に電圧を印加すると放電によって
プラズマが生成されターゲット５がスパッタリングされ
る。 【００１０】このときターゲット５より放出されるスパ
ッタ粒子は、前記したように、余弦則に従う様々な放出
角度をもっているが、本装置ではターゲット５と基板７
の間の空間に、基板７の表面を覆って、図２に要部を示
すような、上下両端が開口になっている多数の円筒の蜂
の巣状集合体からなる方向規制装置６が配置されてい
る。この方向規制装置６をスパッタ粒子が通り抜ける際
に、その円筒の形状即ち、円筒の長さｌと円筒の直径ｄ
の比ｌ／ｄによって決まる一定角度の誤差を許容してほ
ぼ単一方向に飛行方向成分の揃ったスパッタ粒子６１だ
けが基板７の表面に向かって飛行できるようになってい
る。 【００１１】この実施形態では、基板７の表面に設けら
れたコンタクトホールの壁が殆ど基板７の表面に垂直で
ある即ちコンタクトホールの深さ方向が基板７の表面に
殆ど垂直であることを考慮して、上記方向規制装置６の
円筒の壁面を基板７の表面に垂直にしているため、ほぼ
垂直な入射角を持つスパッタ粒子６２だけが基板７の表
面に入射することになる。従って、コンタクトホール等
の溝や穴の段差部による影、およびセルフシャドウイン
グの効果は発生しにくく、高アスペクト比を持つコンタ
クトホール等の底部へも極めて有効に膜堆積が行われ
る。 【００１２】本発明における方法規制装置は、本実施形
態のような円筒の集合体に限らず、種々の形状・構造が
可能である。図３から図６は、本発明の別の実施形態に
おける方向規制装置の斜視概略図である。図３には両端
が開口になっている角筒を並べて蜂の巣状に集合した構
造のもの、図４には複数の円筒を同心円状に配置した構
成のものが示されている。また、図５には、図４の装置
において、円筒の半径方向が幅方向になるようにして配
置された長方形の板によって各円筒を繋いで補強した構
成のものを示し、更に図６には、単に短冊状の平板を並
べただけの構成の方向規制装置を示す。図４や図６の方
向規制装置では、壁面に平行な方向についてのみ方向規
制が行われるものであるが、集積回路等の半導体装置の
構成や溝の種類等によっては、かかる構成のものでも十
分に、もしくは、他では得られない特殊な効果を挙げる
ことが出来るものである。 【００１３】尚、上記は方向規制が基板表面に垂直な方
向に行われるものばかりであるが、半導体装置の構成に
よっては、方向規制を故意に斜め方向にして効果を挙げ
ることがある。 【００１４】本実施形態は、方向規制装置６の設置に特
徴があるが、方向規制装置６には上記以外の副次的効果
が存在する。即ち、方向規制装置６はステンレス等の導
電体で作られているとともにアースに接続されてアース
電位に保持されている。このため、主放電プラズマはカ
ソード４と方向規制装置６との間に閉じ込められ、プラ
ズマによる基板７のダメージを大いに抑制することがで
きる。 【００１５】そしてまた、方向規制装置６をアースに接
続する連絡部１０には放電観測用の計測器が接続されて
おり、成膜中のプラズマを観測して必要なデータをとる
ことが可能となっている。即ち、プラズマ中の電子又は
イオンが方向規制装置６に到達すると連絡部１０を通っ
てアースに流れる電流が発生するが、計測器として電流
計を採用してこの電流の大きさを計測することでプラズ
マや放電の状態を観測することができる。このため、十
分な密度のプラズマや十分な強度の放電が生じているか
などを確認しながら成膜を行うことができる。また、主
放電が基板７の表面から隔離されるので、基板７を搬送
しても、基板７の運動によって放電の安定性を損なうこ
とが無いという長所もある。 【００１６】 【実施例】次に、上記実施形態の発明の実施例を説明す
る。直径１０インチのカソードと１％のＳｉを含むＡｌ
のターゲットを用い、Ｓｉよりなる基板を４００℃に保
持して、様々な「アスペクト比」の穴をもつ基板表面に
膜堆積を行った。方向規制装置としては、ステンレス製
の内径３０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ１０，１５，２７ｍ
ｍの円筒５５個を図２に示すように蜂の巣状に溶接した
ものを使用している。 【００１７】図７に、その実験結果を示す。縦軸は、
「コンタクトホールの底部の堆積膜膜厚」／「平坦部の
堆積膜膜厚」、即ち「ボトムカバレッジ値」を示し、横
軸は、コンタクトホールの深さ」／「ホール底部の直
径」、即ち「アスペクト比」を示す。黒丸は方向規制装
置を持たない従来装置による膜堆積の各値をプロットし
たもの、白抜きの丸は上記実施例の装置による膜堆積の
各値をプロットしたものである。 【００１８】従来の方法ではアスペクト比１．０におい
てはコンタクトホール底部へは殆ど膜堆積は行われない
が、本発明の方向規制装置を用いる場合は、ボトムカバ
レッジ７０％の優れた膜堆積が可能となっている。本発
明のスパッタリング装置は、前記したように配線用導電
性薄膜の堆積で特に顕著な効果を現すが、絶縁性または
半導体の薄膜の形成にも実用上大きい効果が期待できる
ものである。また、基板としては半導体ウエハの他、液
晶基板や太陽電池用の基板等についても応用が可能であ
る。 【００１９】 【発明の効果】以上説明したように、本発明のスパッタ
リング装置によれば、方向規制装置を採用することによ
り、高アスペクト比のコンタクトホール等の溝又は穴の
底面に対しても十分に薄膜を堆積させることができ、さ
らに、その方向規制装置を利用してプラズマや放電の状
態を観察しながら良好な膜堆積を行うことができるとい
う効果がある。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate having a fine structure. 2. Description of the Related Art During a process of manufacturing a semiconductor integrated circuit,
There is a thin film forming process such as depositing a conductive thin film for forming circuit wiring on the substrate surface. Sputtering is often used to form this thin film, but as the degree of circuit integration increases, specific substances are deposited at the bottom of deep holes such as deep grooves and contact holes with a high aspect ratio for wiring and other purposes. There is an increasing demand for film formation under severe conditions such as forming a thin film. In the sputtering method, a gas is introduced into a sputtering chamber formed of a vacuum vessel, ionized by discharge, and a target made of a material to be formed is bombarded with the ionized gas to form a molecule or a molecule of the film forming material. This is a film forming method in which atoms are ejected and adhered and deposited on the surface of the substrate. As is well known, sputtered atoms ejected from a target have an angular distribution almost described by Lambert's cosine law. Agune issued, "vacuum deposition"
P25). FIG. 8 shows the state of a contact hole when a thin film is deposited on a substrate having a contact hole with an aspect ratio of 1.0 by simulation using a conventional sputtering apparatus. FIG. In the figure, 1 is a deposited film by sputtering, 10 is a thin film thereof, and 2 is a substrate. As shown in FIG. 8, the sputtered atoms reaching the substrate from the target have various angles of incidence, and the shadow formed by the step portion of the hole and the self-shadowing effect (for this, refer to the following literature, ie, "VLSI Thin Film Technology ”Maruzen, and IA Belch et al. J. Appl. Phys. 54
(Refer to (6) 1983), little film is deposited on the bottom of the hole. An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that solves this problem and that enables a film to be deposited on the bottom surface of a contact hole having a high aspect ratio, which has been impossible with the conventional technology as described above. [0005] In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 of the present application is directed to a sputtering apparatus for depositing a thin film in a groove or a hole provided on a surface of a substrate. In the space between the substrate, the direction of flight of the sputter particles flying toward the surface of the substrate, a direction regulating device for regulating the depth direction of the groove or hole is provided,
The direction restricting device is made of a conductor and is held at a ground potential, and a measuring device for observing a discharge is connected to a connecting portion for connecting the direction restricting device to the ground. Having a configuration. Similarly, in order to achieve the above object, the invention described in claim 2 is based on claim 1.
Has a configuration in which the deposited thin film is a conductor. Similarly, in order to achieve the above object, the invention according to claim 3 is characterized in that, in the structure of claim 1 or 2, the direction regulating device is a cylinder having a wall surface parallel to a depth direction of the groove or hole. It has a configuration that it is a honeycomb-shaped aggregate. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a front sectional view showing a schematic configuration of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention, wherein 3 is a vacuum vessel, 4 is a cathode, 5 is a target, 6 is a direction regulating apparatus which is a feature of this embodiment, 7 is a substrate. The vacuum vessel 3 is an airtight vessel provided with an exhaust system (not shown), and has a gate valve (not shown) for taking the substrate 7 in and out, and a gas introduction system (not shown) for introducing a gas for sputtering. ing. The cathode 4 is air-tightly connected to the wall of the vacuum vessel 3 and is connected to a sputtering power supply for applying a negative DC voltage or a predetermined high-frequency voltage in some cases. The front surface of the cathode 4 faces the space inside the vacuum vessel 3, and a target 5 is attached to the front surface. For example, when sputtering is performed by magnetron discharge, a pair of magnets are provided in the cathode 4,
It is configured to leak a closed magnetic field through the target 5. [0008] The target 5 is a plate-like material whose main component is a material for forming a film. For example, when forming an Al film for wiring, a target 5 of Al or an Al alloy is used. In addition, a shield for preventing unnecessary discharge is provided around the cathode 4. The substrate 7 is, for example, a semiconductor wafer or the like, and is disposed in the vacuum vessel 3 so as to face the target 5 in parallel. Substrate 7
A predetermined groove or hole such as a contact hole is formed on the surface thereof. In the present embodiment, the groove or hole is formed such that a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate 7 is a depth direction. I have. Then, as shown in FIG. 1, when the substrate 7 is held in a horizontal posture, the depth direction of the groove or hole is the vertical direction. When a rare gas such as an argon gas is introduced into the vacuum vessel 3 by operating gas introducing means (not shown), and a voltage is applied to the cathode 4 by a sputtering power source, plasma is generated by discharge and the target 5 is sputtered. . At this time, the sputtered particles emitted from the target 5 have various emission angles according to the cosine law, as described above.
A direction regulating device 6 composed of a large number of cylindrical honeycombs having openings at both upper and lower ends as shown in FIG. I have. When the sputtered particles pass through the direction regulating device 6, the shape of the cylinder, that is, the length l of the cylinder and the diameter d of the cylinder
Is allowed to fly toward the surface of the substrate 7 only with an error of a fixed angle determined by the ratio l / d of the sputtered particles 61, the flying direction components of which are almost uniform in a single direction. In this embodiment, it is considered that the wall of the contact hole provided on the surface of the substrate 7 is almost perpendicular to the surface of the substrate 7, that is, the depth direction of the contact hole is almost perpendicular to the surface of the substrate 7. Since the wall surface of the cylinder of the direction regulating device 6 is perpendicular to the surface of the substrate 7, only the sputtered particles 62 having a substantially perpendicular incident angle enter the surface of the substrate 7. Therefore, shadows due to the step portions of the grooves and holes such as contact holes and the effect of self-shadowing hardly occur, and film deposition can be performed very effectively also on the bottom portions of contact holes and the like having a high aspect ratio. The method regulating device according to the present invention is not limited to the cylindrical aggregate as in the present embodiment, but may have various shapes and structures. 3 to 6 are schematic perspective views of a direction regulating device according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a structure in which rectangular cylinders having openings at both ends are arranged side by side and assembled in a honeycomb shape, and FIG. 4 shows a structure in which a plurality of cylinders are arranged concentrically. Further, FIG. 5 shows a configuration in which the cylinders are connected and reinforced by a rectangular plate arranged so that the radial direction of the cylinders is the width direction in the apparatus of FIG. 4, and FIG. 1 shows a direction regulating device having a configuration in which strip-shaped flat plates are simply arranged. 4 and 6, the direction is restricted only in the direction parallel to the wall surface. However, depending on the configuration of the semiconductor device such as an integrated circuit and the type of groove, such a configuration may be sufficient. Or special effects that cannot be obtained otherwise. In the above description, the direction regulation is performed only in the direction perpendicular to the substrate surface. However, depending on the configuration of the semiconductor device, the direction regulation may be deliberately performed in an oblique direction. The present embodiment is characterized by the installation of the direction control device 6, but the direction control device 6 has other secondary effects other than those described above. That is, the direction restricting device 6 is made of a conductor such as stainless steel and is connected to the ground to be kept at the ground potential. For this reason, the main discharge plasma is confined between the cathode 4 and the direction regulating device 6, and the damage of the substrate 7 by the plasma can be greatly suppressed. Further, a measuring instrument for observing electric discharge is connected to the connecting portion 10 for connecting the direction regulating device 6 to the ground, so that it is possible to observe the plasma during film formation and obtain necessary data. Has become. That is, when the electrons or ions in the plasma reach the direction control device 6, a current flows to the ground through the connecting portion 10, and the magnitude of this current is measured by using an ammeter as a measuring device. The state of plasma and discharge can be observed. For this reason, film formation can be performed while checking whether plasma having a sufficient density or discharge having a sufficient intensity is generated. In addition, since the main discharge is isolated from the surface of the substrate 7, there is an advantage that even when the substrate 7 is transported, the stability of the discharge is not impaired by the movement of the substrate 7. Next, an example of the present invention will be described. Al with 10 inch diameter cathode and 1% Si
Using the target described above, a substrate made of Si was kept at 400 ° C., and a film was deposited on the surface of the substrate having holes having various “aspect ratios”. As the direction regulating device, stainless steel inner diameter 30 mm, thickness 1 mm, length 10, 15, 27 m
As shown in FIG. 2, 55 cylinders of m are welded in a honeycomb shape. FIG. 7 shows the results of the experiment. The vertical axis is
"The thickness of the deposited film at the bottom of the contact hole" / "the thickness of the deposited film at the flat portion", that is, "bottom coverage value", and the horizontal axis is the depth of the contact hole / "the diameter of the bottom of the hole", that is, Indicates “aspect ratio”. The black circles plot the values of the film deposition by the conventional apparatus without the direction regulating device, and the white circles plot the values of the film deposition by the apparatus of the above embodiment. In the conventional method, almost no film is deposited on the bottom of the contact hole when the aspect ratio is 1.0. However, when the direction regulating device of the present invention is used, excellent film deposition with a bottom coverage of 70% is possible. It has become. As described above, the sputtering apparatus of the present invention exhibits a particularly remarkable effect in depositing a conductive thin film for wiring, but is expected to have a practically large effect in forming an insulating or semiconductor thin film. In addition to the semiconductor wafer, the substrate can be applied to a liquid crystal substrate, a substrate for a solar cell, and the like. As described above, according to the sputtering apparatus of the present invention, by employing the direction control device, the bottom surface of a groove or a hole such as a contact hole having a high aspect ratio can be sufficiently formed. In addition, there is an effect that a good film can be deposited while observing the state of plasma or discharge using the direction regulating device.

【図面の簡単な説明】 【図１】本願発明の実施形態に係るスパッタリング装置
の概略構成を示す正面断面図である。 【図２】図１の実施形態における方向規制装置の斜視概
略図である。 【図３】本発明の別の実施形態における方向規制装置の
斜視概略図である。 【図４】本発明の別の実施形態における方向規制装置の
斜視概略図である。 【図５】本発明の別の実施形態における方向規制装置の
斜視概略図である。 【図６】本発明の別の実施形態における方向規制装置の
斜視概略図である。 【図７】従来および本発明の実施例の装置のボトムカバ
レッジ値対アスペクト比のグラフである。 【図８】従来のスパッタリング装置によって、アスペク
ト比１．０のコンタクトホールを持つ基板に薄膜を堆積
させた場合のコンタクトホール部の状態をシミュレーシ
ョンによって求めて示した断面図である。 【符号の説明】 １ 薄膜 ２ 基板 ３ 真空容器 ４ カソード ５ ターゲット ６ 方向規制装置 ７ 基板BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a front sectional view showing a schematic configuration of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view of the direction regulating device in the embodiment of FIG. 1; FIG. 3 is a schematic perspective view of a direction control device according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic perspective view of a direction regulating device according to another embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic perspective view of a direction regulating device according to another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic perspective view of a direction regulating device according to another embodiment of the present invention. FIG. 7 is a graph of bottom coverage value versus aspect ratio for conventional and inventive devices. FIG. 8 is a sectional view showing a state of a contact hole portion obtained by simulation when a thin film is deposited on a substrate having a contact hole having an aspect ratio of 1.0 by a conventional sputtering apparatus. [Description of Signs] 1 Thin film 2 Substrate 3 Vacuum container 4 Cathode 5 Target 6 Direction regulating device 7 Substrate

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 14/34 H01L 21/203,21/285Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. ⁶ , DB name) C23C 14/34 H01L 21 / 203,21 / 285

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 １．基板の表面に設けられた溝又は穴に薄膜を堆積させ
るスパッタリング装置において、ターゲットと該基板と
の間の空間に、該基板に向かって飛行するスパッタ粒子
の飛行方向を、該溝又は穴の深さ方向に規制する方向規
制装置が設けられ、該方向規制装置は導電体で作られて
いるとともにアース電位に保持されるものであり、さら
に、該方向規制装置をアースに接続する連絡部には放電
観測用の計測器が接続されていることを特徴とするスパ
ッタリング装置。 ２．該堆積する薄膜が導電体であることを特徴とする請
求項１記載のスパッタリング装置。 ３．該方向規制装置が、該溝又は穴の深さ方向に平行な
壁面を持つ筒の蜂の巣状集合体であることを特徴とする
請求項１又は２記載のスパッタリング装置。(57) [Claims] In a sputtering apparatus for depositing a thin film in a groove or a hole provided on a surface of a substrate, a flying direction of a sputtered particle flying toward the substrate is set in a space between a target and the substrate by a depth of the groove or a hole. A direction regulating device for regulating the direction is provided, the direction regulating device is made of a conductor and is held at a ground potential, and further, a communication portion for connecting the direction regulating device to the ground is provided. A sputtering apparatus to which a measuring instrument for observing discharge is connected. 2. 2. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the deposited thin film is a conductor. 3. 3. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the direction restricting device is a cylindrical honeycomb-shaped assembly having a wall surface parallel to a depth direction of the groove or the hole.