JPH0718006B2 - スパッタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明及びこれに牽連する第二の発明は、半導体製造
工程にて、基板上に一種類又は二種類以上の金属原子あ
るいは非金属原子を被着させて、金属被膜や酸化物被膜
を形成するためのスパッタ装置に係わり、特に、プラズ
マ雰囲気中に、被スパッタ原子を含有し、負電位に保た
れたターゲットと、被スパッタ原子が被着される基板と
が対向配置され、該ターゲットには、エロージョン領域
制御用マグネット群が配設されて成り、プラズマ雰囲気
中で電離生成された陽イオン粒子が、該マグネット群に
よりターゲットの付近に形成された磁界の影響を受けつ
つ、該ターゲットからの負電界に吸引されて、専ら、該
ターゲットのエロージョン領域に射突し、専ら、該領域
中の被スパッタ原子をスパッタし、該被スパッタ原子を
該基板上に被着させるようにしたスパッタ装置におけ
る、ターゲット中の被スパッタ原子の成分比と基板上の
被着層中の原子のそれとの不一致性（以下、原子成分比
のシフトという）を減少させるための改良に関するもの
である。

従前、この種のスパッタ装置としては、第１図及び第２
図に示されるような構成のものが多用されていた。

すなわち、例えば、モリブデン及びシリコンを被スパッ
タ原子として含有するターゲット１と被着層としてのモ
リブデン−シリサイド被膜２が形成されるべき基板３と
が対向配置され、ターゲット１には、図示されない直流
電源から負の電圧が供給されて、これが基板３に対して
負電位に保たれることから、ターゲット１〜基板３間に
は、プラズマ雰囲気が生成される。

ターゲット１の、基板３と反対側の面は、バッキングプ
レート1aで裏打ちされており、該プレート1a面上には、
その中心位置に突設された円筒状コア4aと、該コア4aを
同心状に囲む環状ヨーク4bとの間を放射状に跨ぐように
エロージョン領域制御用マグネット群５が配設される。
そして、被着（デポジション）処理に際しては、ターゲ
ット１〜基板３間に生成されたプラズマ雰囲気中の不活
性ガス、典型的には、アルゴンが電離されて生成された
陽イオン 粒子がターゲット１からの負電界に吸引されて該ターゲ
ットに射突し、被スパッタ原子としての、モリブデン及
びシリコンを叩き出（スパッタ）して、これを基板３上
に被着させて、モリブデン−シリサイド被膜２を生成す
るのであるが、陽イオン 粒子がターゲットに射突する際に、エロージョン制御用
マグネット群５により、ターゲット１の、基板３に対向
する面上付近に形成される磁界の影響を受けて、その射
突進路に偏りを生ずるので、第２図に示されるように、
ターゲット１の基板３に対向する面上に該磁界の影響に
より定まる環状のエロージョン領域6a、すなわち、一つ
の閉ループに形成されたエロージョン領域に対して、該
陽イオン粒子が専ら集中的に射突するように作られてい
る。

しかるところ、かかる従来のスパッタ装置では、原子成
分比のシフトが被膜の品質を悪化する要因として知られ
ている。

一例として、上述のように、モリブデン−シリサイド被
膜を生成する場合について詳述すれば、第３図に示され
るように、直径８インチの円板状の基板３（ナイトライ
ド／シリコン）を回転テーブル７上に載置して、該テー
ブル面から6cin上方に配置された直径８インチのターゲ
ット１（MoSi2.0合金）の下方投影面内を周速10in/se
c、5RPMにて通過させ、これにより、該投影面中の基板
３と、該基板に対して−600Vに保たれたターゲット１間
のアルゴン雰囲気（10mTorr）中に形成されたプラズマ
雰囲気中での間歇的なスパッタリングによる被着処理を
10分間、行った後、一つの基板３上に被着したモリブデ
ン−シリサイド被膜２の、基板直径方向に沿って、始点
Ａ（回転テーブル７の内側に面する基板３端部の位置）
から基板中心R_f（始点Ａからの距離が４インチの位置）
を経て終点Ｂ（回転テーブル３の外側に面する基板３端
部の位置）に至る線分上の各位置における抵抗率を測定
して、これを基板中心位置R_fでの抵抗率の値で基準化し
た比抵抗率の値を該線分上の各位置に対応させてプロッ
トすると第４図（Ｂ）の曲線で表わされるような変化傾
向が認められ、これに対応して、ターゲット１には、同
様に直径方向に沿って、第４図（Ａ）に示すようなスパ
ッタ深さの変化傾向も認められる。

この場合、同図に示される被抵抗率の測定に併せて、同
じモリブデン−シリサイド被膜２の膜厚のバラツキを測
定したところ、同図中でＡ〜Ｂ間の８インチの基板幅に
亙って、±５％の範囲内に平坦化されていることが判明
したので、同図の曲線がが表わす被膜２上の各位置ごと
の抵抗率の非一様性は、該被膜中のモリブデンとシリコ
ンの成分比がターゲット１中のそれに対して不一致であ
ること、すなわち、原子成分比のシフトに起因する現象
であると考えられた。そして、かかる現象は、基板１上
に被着される被膜の電気的特性を不適切なものとし、更
には、該基板上に生成される多数の半導体チップの各々
について、電気的特性の大幅なバラツキを生じさせると
いう欠点を伴うものであった。

かかる欠点を招来する根本原因であるところの、原子成
分比のシフトは、専ら、エロージョン領域制御用マグネ
ット群５からの漏洩磁束の影響を受けて、プラズマ雰囲
気中の陽イオン粒子が基板３上に反転射突して、該基板
上の被膜２を逆スパッタし、該被膜中の原子のうち、よ
り質量の軽いシリコンを運び去ってしまうことに起因し
て生起する現象であると考えられている。

即ち、第４図（Ｂ）から明らかなように、基板３上で、
ターゲット１のエロージョン領域6aに対向する部位の比
抵抗率に比べて、中心部位のそれが相対的に低くなって
おり、このことは、中心部位でのシリコン原子の成分比
が減少し、所謂、メタルリッチになっていることを示し
ている。かかるシリコン原子の成分比のシフト、ひいて
は、基板３上での部位ごとの比抵抗率の変化を生ずるの
は、ターゲット１のエロージョン領域6aを形成すべく、
第１図に示されるように、円筒状コア4aと環状ヨーク4b
間に放射状に配設されているエロージョン領域制御用マ
グネット群５の円筒状コア4a付近、つまり、ターゲット
１の中心部位に形成されたＮ極から下方に延びる漏洩磁
束が、僅か6cm下方で対向する基板３の中心部位に達す
るので、ここでの漏洩磁束による電界に沿って、電子が
回転運動し、その結果、Ar⁺イオンが遊離し、このイオ
ンの基板３表面への射突により、逆スパッタ作用を受け
て、比重の軽いシリコン原子が、選択的に基板３から運
び去られてしまうことに起因するものであると考えられ
ている。

しかるところ、従来装置におけるエロージョン領域制御
用マグネット群５は、上述の逆スパッタ現象を全く考慮
することなく、専ら、スパッタ処理速度と被膜厚さの均
一性とを改善する観点から、第２図に示される形状のエ
ロージョン領域を形成するために必要な磁界分布が、タ
ーゲット１近傍にて生成されるように配設されているも
のであった。

そこで、本発明者は、ターゲットのエロージョン領域の
形状が原子成分比のシフトに対して強い相関を持ってい
るという経験上の知見に基づいて、エロージョン領域を
形成するための磁界の漏洩磁束によって、逆スパッタの
度合いとその作用領域をも制御し、もって、エロージョ
ン領域から射突する原子の被膜中での原子成分比シフト
を均一化するような逆スパッタ作用を伴うエロージョン
領域の形状についての探索を着想し、種々実験を重ねた
結果、二以上の閉ループに形成されたエロージョン領域
が上記原子成分比シフトの均一化に有効であることを見
い出して、この発明を完成するに至ったものである。

更に、本発明者は、基板上の被膜中での原子成分比シフ
トには、専ら、該基板の移動方向に直交する方向（回転
テーブル７の半径方向）に関して現われ、該基板の移動
方向（回転テーブル７の円周方向）に関しては、殆ど現
われないという性向があることに着眼し、上記この発明
に係わるエロージョン領域を有するターゲット下方投影
面上に収まる平面内での基板の運動につき、種々実験を
重ねた結果、基板をターゲット該平面内で回転又は往復
動させることが、原子成分比シフトの均一化に有効であ
ることを見い出して、この発明に牽連する第二の発明を
完成するに至ったものである。

したがって、この発明の目的は、従前のスパッタ装置に
おける原子成分比シフトの問題点に鑑み、専ら、ターゲ
ットのエロージョン領域からスパッタされて基板上に被
着される被膜の原子成分比シフトを均一化するような逆
スパッタ作用を伴うエロージョン領域を形成することに
より、前記欠点を除去し、基板上に被着される被膜、換
言すれば、基板上に生成される半導体の電気的特性の悪
化を防止し、更には、基板上に生成される多数の半導体
チップの各々についての電気的特性を均一化できる優れ
たスパッタ装置を提供せんとするものである。

上記目的に沿うこの発明の構成は、プラズマ雰囲気中に
ターゲットと基板を対向配置し、ターゲット上のエロー
ジョン領域が、該ターゲット面内で、二以上の閉ループ
を形成するように、該ターゲットの、基板と反対側の面
上にエロージョン領域制御用マグネット群を配設したこ
とを要旨とするものであり、この発明に牽連する第二の
発明の構成は、上記この発明の構成要素であるターゲッ
トに対向する基板を、該ターゲット下方投影面上で該タ
ーゲットの中心位置に合致する回転軸に対して回転可能
に、又は、該ターゲット直下で往復運動可能に配設した
ことを要旨とするものである。

第５図及び第６図に基づいて、この発明の一実施例を説
明すれば、以下の通りである。

MoSi2.0合金から成るターゲット１の、基板（図示せ
ず）と反対側のバッキングプレート面には、第５図中点
線で示されるように、該ターゲットの中心位置に円筒状
コア4aが突設され、これを囲むように、透磁性体から成
る第一の環状ヨーク4cが突設され、更に、その外周に
は、該ヨーク4cを囲むように、同様に透磁性体から成る
第二の環状ヨーク4dが突設される。

そして、円筒状コア4aと第一の環状ヨーク4cとの間を放
射状に跨ぐように、第一エロージョン領域制御用マグネ
ット群5aが配設され、更に、第一の環状ヨーク4cと第二
の環状ヨーク4dとの間を放射状に跨ぐように、第二のエ
ロージョン領域制御用マグネット群5bが配設されてい
て、両マグネット群5a、5b中の各マグネットは、その極
性が第一の環状ヨーク4cに関して対称となるような姿
勢、換言すれば、各マグネットの、該環状ヨーク4cに当
接する端部の極性が同一となるような姿勢に保持され
る。

かかる配列の、第一、第二のエロージョン領域制御用マ
グネット群5a、5bからの磁界によって、ターゲット１の
基板（図示せず）に対向する面上に形成されるエロージ
ョン領域６′ａ、6bは、第５図中に余白で示されるよう
に、二個の円環の閉ループ（６′ａ、６′ｃ）に形成さ
れるものである。

このようなエロージョン領域を持つターゲット１下方投
影面上で、第３図に基づいて説明した方法、条件と同一
の方法、条件に従って、基板３に被膜２を被着させて、
その抵抗率を測定し、第４図（Ｂ）の比抵抗率曲線に対
応する比抵抗率曲線を該被膜に関してプロットしたもの
が第６図（Ｂ）であり、同様に第４図（Ａ）のスパッタ
深さの変化傾向に対応するスパッタ深さの変化傾向を示
すものが第６図（Ａ）であるが、これによれば、基板３
の移動方向に直交する方向に沿う該基板上の被膜の比抵
抗率の変化傾向が、第４図（Ｂ）に示される従来装置の
それに比べて著しく平坦化されていることが分かる。か
かる比抵抗率の変化傾向の平坦化は、第４図（Ｂ）と同
様に、円筒状コア4a付近に形成されたＮ極から下方に延
びる漏洩磁束が基板３中心部位に達するばかりか、第５
図から明らかなように、第一の環状ヨーク4c付近、つま
り、ターゲット１の半径方向沿いで、円筒状コア4aと第
二の環状ヨーク4dとの中間点を通る同心円状部位に形成
されたＮ極から下方に延びる漏洩磁束も基板３の中間点
を通る同心円状部位に達するので、この部位にもAr⁺イ
オンが射突して、ここから、シリコン原子が運び去ら
れ、その結果、第６図（Ｂ）に示されるように、基板３
の半径方向中間点付近にも、シリコン原子成分比の極小
域（メタルリッチ域）が形成されて、これにより、全体
的に原子成分比のシフトが半径方向沿いに均一化される
ことに起因するものであると考えられている。

次いで、第７図及び第８図に基づいて、この発明に牽連
する第二の発明の一実施例を説明すれば、以下の通りで
ある。

MoSi2.0合金から成り、第５図に示されるように、二個
の円環の閉ループに形成されたエロージョン領域を持つ
ターゲット１下方投影面上に収まる平面内で、基板３
は、反時計方向に5RPMで自転しながら、該基板の中心位
置に合致する自転回転軸Ｒ′ｆが、ターゲット１の中心
位置に合致する公転回転軸８を中心として、円軌跡を描
いて、時計方向に5RPMで公転するように、適宜の回転駆
動手段により、回転運動が与えられる。

このとき、自転回転速度と公転回転速度との関係を適切
に調整することにより、基板３のオリエンテーションフ
ラット3bが常に一定の角度（第７図の例では常に水平）
に保たれる。

基板３にかかる回転運動を与えながら、第３図に基づい
て説明した方法、条件（基板の運動に関する事項を除
く）と同一の方法、条件に従って、該基板上に被膜２を
被着させて、その抵抗率を測定し、第４図（Ｂ）の比抵
抗率曲線に対応する比抵抗率曲線を該被膜に関してプロ
ットしたものが第８図（Ｂ）であり、同様に第４図
（Ａ）のスパッタ深さの変化傾向に対応するスパッタ深
さの変化傾向を示すものが第８図（Ａ）であるが、これ
によれば基板３の自転回転軸Ｒ′_ｆを通り、オリエンテ
ーションフラット3bに平行な直径方向に沿う該基板上の
被膜の比抵抗率の変化傾向が、第４図（Ｂ）に示される
従来装置のそれに比べて著しく平坦化されているばかり
か、第６図（Ｂ）に示される、この発明に係わるスパッ
タ装置のそれに比べても、更に、一段と平坦化されてい
ることが分かる。かかる比抵抗率の変化傾向の一層の平
坦化は、第７図から明らかなように、静止しているター
ゲット１からの漏洩磁束が、ターゲット１下方投影面上
で該ターゲットの中心位置に合致する回転軸に対して回
転運動する基板３に対して相対移動を伴って、基板３上
の各部位に満遍無く分散して到達するので、第６図
（Ｂ）の実施態様では、基板３の中心部位と該基板の半
径方向中間点を通る同心円状部位以外の部位に現われて
いた比抵抗率の高い領域からも、シリコン原子が有効に
運び去られることに起因するものであると考えられてい
る。

そして、この発明及びこの発明に牽連する第二の発明の
上記各実施例において、ターゲット１面上のエロージョ
ン領域は、種々の実験からの知見によれば、二個の円環
の閉ループに形成されていることが原子成分比シフトの
均一化に有効であり、好適な形状は第５図に示されたも
のに限られるわけではなく、その他の、種々の形状に関
しても、原子成分比シフトの、有効な相殺補償作用が確
認された。

例えば、第９図に示されるように、円形のターゲットの
円周方向に120°周期で繰り返えす歪曲波形の二重閉ル
ープであってもよいし、第10図に示されるように、長方
形のターゲット面上に形成された三個の長方形閉ループ
であって、一個の閉ループの短径ないし幅を単位区間と
して、該ターゲットの長軸方向沿いの三個の単位区間に
亙って、三個の長方形閉ループが連なって形成されたも
のであってもよい。即ち、第10図に例示されたターゲッ
トのように、図中のｄは、長方形のターゲット１の裏面
に長方形の閉ループを形成するように環状配置されたエ
ロージョン領域制御用マグネット群の相対向する二つの
長辺を構成する各マグネットのNS両極の中間点どうしの
間の単位区間であり、該閉ループの短径ないし幅を表わ
しているが、かかる単位区間ｄの三個が長方形のターゲ
ット１の長軸方向に並ぶように、三個の長方形閉ループ
が連なって形成されていてもよい。

そして、第10図に示されるようなエロージョン領域を有
する長方形のターゲットをこの発明に牽連する第二の発
明の構成要素として採用する場合には、第11図に示され
るように、長方形のターゲット１下方投影面上で基板３
を該ターゲットの長軸方向に往復動させることが原子成
分比シフトの均一化に有効であることが確認された。

その際、該往復動の距離は、第10図中のｄ以上であれば
よい。

上記実施例の説明において、各部材に符号を付し、これ
と同一の符号をもって特許請求の範囲の欄に記載された
構成要素をも特定しているが、かかる構成要素を実施例
の部材に限定する趣旨ではない。

以上のように、この発明によれば、ターゲット面上のエ
ロージョン領域を二以上の閉ループに形成するような磁
界がターゲット面に作用し、その磁界からの漏洩磁束が
基板にも及ぶように、エロージョン領域制御用マグネッ
ト群をターゲット裏面に配設する構成としたことによ
り、エロージョン領域制御用マグネット群からの漏洩磁
束の基板への集中を該基板の半径方向沿いの複数の部位
に分散させ、もって、該被膜の原子成分比シフトを均一
化し、これにより、基板上に被着される被膜の電気的特
性、換言すれば、該基板上に生成される半導体の電気的
特性を適切なものに維持し、更には、該基板上に生成さ
れる多数の半導体チップの各々について、均一な電気的
特性を実現するという優れた効果があり、生成される半
導体の品質を格段に向上させる点で産業上の実益は大で
ある。

加うるに、この発明に牽連する第二の発明によれば、上
記この発明の構成において、基板をターゲット下方投影
面上で該ターゲットの中心位置に合致する回転軸に対し
て回転可能に、又は、該ターゲット直下で往復運動可能
に配設する構成としたことにより、エロージョン領域か
らの被スパッタ原子の基板上への被着作用と、基板上の
被膜に対する逆スパッタ作用とが共に、エロージョン領
域の形状との関連で適切に選定された基板の移動軌跡に
沿う方向に関しては、一様化されることから、上記この
発明による原子成分比シフトの均一化作用と相俟って、
上記この発明の諸効果をより一層顕著なものとし、とり
わけ、基板上に生成される多数の半導体チップの電気的
特性のバラツキをより一層完全に除去できるという優れ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、従来のスパッタ装置に関するもので
あり、第１図は、その構成を示す断面図、第２図は、タ
ーゲット１上のエロージョン領域の説明図、第３図は、
基板３上の被膜２の抵抗率の測定に関する説明図、第４
図は、第３図中、始点Ａから中心位置R_fを経て終点Ｂに
至る線分上でのエロージョンの深さ（Ａ）と、同じ線分
上での被膜の比抵抗率（中心位置R_f上での抵抗率で基準
化した値）の変化傾向（Ｂ）を対比して示すグラフであ
る。 第５図〜第６図は、この発明の一実施例に関するもので
あり、第５図は、ターゲット１上のエロージョン領域の
説明図、第６図は、第４図中の（Ａ）、（Ｂ）にそれぞ
れ対応するエロージョンの深さ（Ａ）と比抵抗率（Ｂ）
を対比して示すグラフである。 第７図〜第８図は、この発明に牽連する第二の発明の一
実施例に関するものであり、第７図は、ターゲット１直
下の平面内での基板３の運動を示す説明図、第８図は、
第４図中の（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ対応するエロージ
ョンの深さ（Ａ）と比抵抗率（Ｂ）を対比して示すグラ
フである。 第９図〜第10図は、この発明及びこの発明に牽連する第
二の発明に係わるターゲット上のエロージョン領域の他
の態様を示す説明図、第11図は、第10図のエロージョン
領域に好適に対応する基板３の運動を示す説明図であ
る。 １……ターゲット、２……被膜 ３……基板 5a、5b……エロージョン領域制御用マグネット群 ６′ａ、６′ｂ……エロージョン領域 ８……公転回転軸、Ｒ′_ｆ……自転回転軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被スパッタ原子を含有し、負電位に保たれ
   たターゲット１と、 プラズマ雰囲気中でターゲット１に対向配置され、ター
   ゲット１からスパッタされた被スパッタ原子が被着され
   る基板３と、 基板３と反対側のターゲット１面上に配置された制御用
   マグネット群５と、 制御用マグネット群５により、プラズマ雰囲気中の陽イ
   オン粒子がターゲット１の基板３に対向する面上付近に
   形成された磁界の影響を受けつつ、ターゲット１からの
   負電界に吸引されて射突し、射突した部分から被スパッ
   タ原子がスパッタされるターゲット１の基板３に対向す
   る面上のエロージョン領域とを有するスパッタ装置にお
   いて、 上記制御用マグネット群５は、ターゲット１のエロージ
   ョン領域が、二個の円環の閉ループを形成するように配
   置され、上記基板３は、ターゲット１下方投影面上で、
   該ターゲットの中心位置に合致する公転回転軸８を中心
   として、公転可能に、かつ、該基板の中心位置に合致す
   る自転軸Ｒ′ｆを中心として自転可能に支持されている
   ことを特徴とするスパッタ装置。
2. 【請求項２】被スパッタ原子を含有し、負電位に保たれ
   たターゲット１と、 プラズマ雰囲気中でターゲット１に対向配置され、ター
   ゲット１からスパッタされた被スパッタ原子が被着され
   る基板３と、 基板３と反対側のターゲット１面上に配置された制御用
   マグネット群５と、 制御用マグネット群５により、プラズマ雰囲気中の陽イ
   オン粒子がターゲット１の基板３に対向する面上付近に
   形成された磁界の影響を受けつつ、ターゲット１からの
   負電界に吸引されて射突し、射突した部分から被スパッ
   タ原子がスパッタされるターゲット１の基板３に対向す
   る面上のエロージョン領域とを有するスパッタ装置にお
   いて、 上記制御用マグネット群５は、ターゲット１のエロージ
   ョン領域が、一個の閉ループの幅を単位区間ｄとして、
   ターゲット１の長軸方向沿いの三個の単位区間に亙っ
   て、三個の閉ループが連なって三重閉ループを形成する
   ように配置され、上記基板３は、ターゲット１下方投影
   面上で、上記単位区間ｄ以上の距離だけターゲット１の
   長軸方向に往復運動可能に配置されていることを特徴と
   するスパッタ装置。