JPH01123064A - スパッタ装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜形成を行なうスパッタ装置、特に半導体素
子製造プロセス等に用いられるスパッタ装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

現在半導体素子の配線用金属薄膜は、おもにスパッタ装
置を用いて形成している。このスパッタ装置の中でマグ
ネトロンスパッタ装置が、膜形成速度が、太き（取れる
ため主流となっている。

マグネトロンスパッタ装置は、例えば特開昭６２−２１
６２２８号公報に記載されている。このマグネトロンス
パッタ装置を第３図を用いて説明する。

接地された真空室２２内を排気系２４により、真空度２
〜６Ｔｏ　、、に減圧し、ガス導入口４４がらスパッタ
リングガスとしてアルゴン（Ａｒ）を導入する。数ｋＶ
の負電圧を印加したターゲット１６と接地電位とした試
料基板１４との間に、プラズマ領域を形成する。このプ
ラズマ中で発生したＡｒ＋イオンはターゲット１６に衝
突し、このターゲット１６をスパッタリングすることに
より、試料基板１４に薄膜を形成する。ターゲット１６
の裏面には永久磁石２８を配置する。この永久磁石２８
により発生した磁力線４６と、ターゲット１６に印加し
た負電圧とによる、磁界と電界とを直交させることによ
って、電子を閉じ込める環状領域４８を形成する。この
結果ターゲット１６表面近傍のイオン化率が向上し、環
状領域４８を中心にプラズマが高密度に集中するため、
膜形成速度が向上する。

しかしターゲット１６は、環状領域４８の高密度プラズ
マ領域のみがスパッタリングされるため、ターゲット１
６の使用効率は３０％以下となり、さらに形成された薄
膜の試料内膜厚分布に不均一性が生じる。

その上負電圧を印加したターゲット１６と、接地電位と
した試料基板１４との電位差によりプラズマ状態を維持
しているため、ターゲット１６に印加する電圧は独立に
制御することはできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的はターゲットの使用効率を上げ試料内膜厚
分布が均一で、さらに高速成膜が可能で、その上プラズ
マ状態とは独立にターゲットに印加する電圧を制御可能
なスパッタ装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

上記目的のため本発明のスパッタ装置は、ビーム状のプ
ラズマを発生するプラズマビーム源と、このプラズマビ
ーム源に対して正の電圧が印加されかつプラズマビーム
源に対して対向配置する対向電極と、この対向電極に対
して負の電圧が印加されかつプラズマビーム源と対向電
極との間に形成するプラズマ領域から離れた位置に配置
するターゲットと、このプラズマ領域を薄い板状に整形
する手段と、薄い板状のプラズマ領域を介してこのター
ゲットと対向配置する試料基板とにより構成する。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）および第１図１ｂ）は本発明の実施例にお
けるスパッタ装置を示し、第１図ｔａＪは装置要部の平
面配置の説明図、＠１図ｔｂ＋は装置要部の側面配置の
説明図である。第２図は本発明の実施例におけるスパッ
タ装置に用いるプラズマビーム源を示す断面図である。

以下第１図（ａ）、［ｂＪおよび第２図を交互に参照し
て説明する。

真空室２２内の圧力を排気系２４により真空度１０”−
’Ｔｏｒｒ程度に真空排気した後、アルゴン等スパッタ
リングガスな真空室２２内に導入して、真空室２２の真
空度を１０−３〜１０−’　Ｔｏｒｒ　に保持する。真
空室２２の壁面にビーム状のプラズマを発生するプラズ
マビーム源１０と永久磁石２８とを設け、さらにプラズ
マビーム源１０に対して正の電圧が印加されかつプラズ
マビーム源１０と対向配置する水冷された対向電極１２
を設ける。

このプラズマビーム源１０と対向電極１２との間にプラ
ズマを発生させる。

対向電極１２の裏面には、図示しないが対向電極用永久
磁石を配置して、この対向電極用永久磁石と真空室２２
の外に設けた一対の集束コイル２６との磁界により、発
生したプラズマを対向電極１２に集束させる。さらにプ
ラズマビーム源１０の出口と、真空室２２０入口との間
にＮ極を対向配置した一対の永久磁石２８０反発磁界に
より、プラズマの厚さを圧縮して、広がりを持つ薄い板
状に整形した高密度の破線２ｏで示すプラズマ領域１８
を形成する。すなわち真空室２２の外に設けた一対の集
束コイル２６と、プラズマビーム源１０の出口と真空室
２２０入口との間に設けた一対の永久磁石２８とを、プ
ラズマを薄い板状に整形する手段として用いる。

ターゲット１６は薄い板状のプラズマ領域１８とほぼ平
行に、プラズマ領域１８から離れた位置に配置する。こ
のときターゲット１６は、対向電極１２に対して負の電
圧を印加する。このターゲット１６に印加する電圧は、
プラズマビーム源１０と対向電極１２との間に印加する
電圧と独立に制御する。さらにターゲット１６は温度上
昇を防ぐために水冷する。試料基板１４は薄い板状のプ
ラズマ領域１８を間に挾んで、ターゲット１６とほぼ平
行に対向配置する。

ビーム状のプラズマを発生させるプラズマビーム源１０
は第２図に示すように、水冷ボックス４０の中心部を貫
通してガス導入口を兼ねるタンタルパイプからなる補助
陰極３２と、円板状の六硼化ランタン（ＬａＢｅ）から
なる主陰極３４と、タングステンからなる円板状の熱板
３６と、モリブデンからなる外筒４２およびキャップ６
８と、中間電極６０とから構成される。

プラズマの発生はまず補助陰極６２と中間電極６０との
間で、導入したスパッタリングガスのアルゴンを放電さ
せ、この放電により主陰極３４が加熱され高温になると
、次に主陰極６４と中間電極３０との間の放電に移行す
る。この主陰極６４と中間電極３０との間の放電により
、高温の主陰極６４から大量の熱電子が放出され、中間
電極３０により加速される。

第１図（ａｌおよび（ｂｌに示す一対の集束コイル２６
と、対向電極１２の裏面に配置する対向電極用永久磁石
（図示せず）と、プラズマビーム源１０出口に配置する
永久磁石２８とにより形成される磁場ノ作用で、プラズ
マビーム源１０と対向電極１２との間に、高密度で広が
りを持つ板状のプラズマ領域１８が形成される。

プラズマ領域１８中で発生したＡｒ＋　イオンヲマ、対
向電極１２に対して負電圧が印加されたターゲット１６
に衝突する。

Ａｒ＋　イオンの衝撃によりターゲット１６はスパッタ
リングされ、ターゲット１６表面から構成分子や原子が
叩き出され、試料基板１４にターゲット材料が被着する
。

本発明のスパッタ装置は、高密度でしかも均一な板状の
プラズマ領域１８で発生した、均一な分布をもつＡｒ＋
　イオンによりターゲット１６がスパッタリングされる
ため、ターゲット１６の全面が均一に消耗する。したが
って形成される薄膜の試料内膜厚分布の均一性が高く、
またターゲット１６の使用効率は約１００％と極めて高
く、さらに膜質の均一な薄膜が本発明のスパッタ装置で
得られる。

さらにプラズマビーム源１０からの大量の熱電子の放出
と、プラズマビーム源１０の出口に配置した永久磁石２
８の磁界によりプラズマ領域１８を圧縮して、高密度の
プラズマ領域１８を形成している。このため５〜２ＱＯ
ｍＡ／ｃｃａ　　という高いイオン電流値が得られ、膜
形成速度が大きなスパッタ装置が得られる。

またプラズマビーム源１０と対向電極１２との間の放電
電流を制御することにより、このアルゴンイオンのイオ
ン電流値を制御することが可能であり、ターゲット１６
に印加する電圧と独立にイオン電流値を制御できるとい
う特徴も兼ね備えている。

また前述したように高いイオン電流値をもつプラズマ領
域１８が得られるため、従来のスパッタ装置では薄膜形
成が困難であったモリブテンやタングステン等の高融点
金属の薄膜形成も、本発明のスパッタ装置を用いること
により可能となる。

本発明のスパッタ装置は真空度が１０−’　Ｔｏｒｒ程
度の高真空でもプラズマの発生を維持できるため、膜質
を劣化させる不純物粒子が混入しない清浄な雰囲気で薄
膜形成を行なうことができ、その上アルミニウム等の酸
化されやすい薄膜形成においても良質の薄膜が得られる
。

さらにターゲット１６に印加する電圧と、プラズマ状態
を維持するためのプラズマビーム源１０と対向電極１２
間の印加電圧とが、独立に制御することが可能であるの
で、従来のマグネトロンスパッタ装置では不可能であっ
た、１００ｖ以下というような低電圧スパッタリングが
可能である。

さらにプラズマ領域１８で発生したＡｒ＋イオンで叩き
出されるターゲット１６の構成分子や原子の数、すなわ
ちスパッタ収量をターゲット１６に印加する電圧により
、プラズマ状態を変化させること無く調整することもで
きろ。

例えば合金ターゲットを用いた場合には、このターゲッ
トに印加する電圧を変化させることにより、試料上に形
成される薄膜の合金組成を変えることができる。さらに
スパッタリング中に、ターゲットに印加する電圧を制御
することにより、試料上に形成される薄膜の合金組成を
段階的に変化させることも可能である。

スパッタリングガス中に反応ガスを混入して、スパッタ
リング分子や原子との反応によって金属の酸化物や窒化
物等の化合物薄膜を形成する場合は、真空室２２にガス
導入口を設け、このガス導入口から反応ガスを導入する
。

プラズマ領域１８は、垂直方向に広がりをもつプラズマ
領域１８を形成して、このプラズマ領域１８を介して試
料基板１４とターゲット１６とを対向するよう垂直に配
置する例で説明したが、水平方向に広がりをもつプラズ
マ領域１８を形成して、プラズマ領域１８を介して上下
に試料基板１４とターゲット１６とを対向するよう水平
に配置しても良い。さらにプラズマビーム源１０と対向
電極１２とは、水平方向に対向配置する例で説明したが
、プラズマビーム源１０と対向電極１２とを上下方向に
配置して、垂直方向に広がりをもつ板状のプラズマ領域
１８を形成しても良い。

例えば半導体素子における金属配線を絶縁膜を介して多
層に形成する場合、上層と下層の金属配線を接続するた
めの層間接続穴形成によって露出した下層金属配線表面
に覆われた酸化膜を上層金属配線形成前に除去する等の
、いわゆるスパッタエツチングを行なうときは、試料基
板１４を対向電極１２に対して負電圧を印加して、試料
のスパッタエツチングを行なう。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、ターゲットの使用効率が
向上し試料内膜厚分布が均一で、しかも膜形成速度が大
きなスパッタ装置が得られる。さらにプラズマ状態とは
独立に、ターゲットに印加する電圧を制御することが可
能であり、合金薄膜の合金組成などを簡単にしかも制御
性良く変えることができる効果ももつ。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌは本発明の実施例におけるスパッタ装置の
要部の平面装置を示す説明図、第１図（ｂ）は本発明の
実施例におけるスパッタ装置の要部の側面配置を示す説
明図、第２図は本発明のスパッタ装置に用いるプラズマ
ビーム源を示す断面図、第３図は従来例におけるスパッ
タ装置を示す説明図である。 １０・・・・・・プラズマビーム源、 １２・・・・・・対向電極、 １４・・・・・・試料基板、 １６・・・・・・ターゲット、 １８・・・・・・プラズマ領域。 第１図 （ａ） １０、フＯラズマビーへ瀞、 １２　対向電極 １４　試料基板 １６　ターデッド １８　　プラズマ領域 第１図 （ｂ） 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ビーム状のプラズマを発生させるプラズマビーム源と
   、該プラズマビーム源に対して正の電圧が印加されかつ
   前記プラズマビーム源に対して対向配置する対向電極と
   、該対向電極に対して負の電圧が印加されかつ前記プラ
   ズマビーム源と対向電極との間に形成するプラズマ領域
   から離れた位置に配置するターゲットと、前記プラズマ
   領域を薄い板状に整形する手段と、前記薄い板状のプラ
   ズマ領域を介して該ターゲットと対向配置する試料基板
   とを有することを特徴とするスパッタ装置。