JPH0816266B2 - Device for depositing material in high aspect ratio holes - Google Patents

Device for depositing material in high aspect ratio holes

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JPH0816266B2
JPH0816266B2 JP3504135A JP50413591A JPH0816266B2 JP H0816266 B2 JPH0816266 B2 JP H0816266B2 JP 3504135 A JP3504135 A JP 3504135A JP 50413591 A JP50413591 A JP 50413591A JP H0816266 B2 JPH0816266 B2 JP H0816266B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、半導体基板上への材料の付着に関するもの
であり、詳細には材料を高アスペクト比の穴または溝に
均一に付着させるための、高プラズマ密度低圧低温スパ
ッタ装置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to the deposition of materials on a semiconductor substrate, and in particular to a high plasma for uniformly depositing the material in high aspect ratio holes or trenches. The present invention relates to a low-density low-temperature sputtering apparatus.

［背景技術］ 基板上の高アスペクト比（AR）の穴（深さと幅の比が
１より大きい穴）に材料を付着させる能力は、半導体工
業で、レベル間のバイアの充填など、ライン最終工程の
応用分野でその重要度を増している。BACKGROUND ART The ability to deposit material in high aspect ratio (AR) holes (holes with a depth-to-width ratio greater than 1) on a substrate is used in the semiconductor industry in line-end processes such as filling interlevel vias. Its importance is increasing in the application fields of.

高アスペクト比の穴に材料を付着させる従来の技術に
は、化学蒸着（CVD）、電子サイクロトロン共鳴化学蒸
着（ECR CVD）、プラズマ強化化学蒸着（PECVD）、高
周波スパッタリングなどがある。Conventional techniques for depositing materials in high aspect ratio holes include chemical vapor deposition (CVD), electron cyclotron resonance chemical vapor deposition (ECR CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and radio frequency sputtering.

CVDは、（ａ）比較的速度が遅く、かつ（ｂ）付着後
に高温の基板硬化を必要とするという２つの理由で望ま
しくない。高温での硬化は、大規模集積回路（LSI）部
品には好ましくない。CVD is undesirable for two reasons: (a) it is relatively slow and (b) requires high temperature substrate curing after deposition. Curing at high temperatures is not desirable for large scale integrated circuit (LSI) components.

ECR CVDおよびPECVDは、必要な硬化温度を低下させ
るために導入されたものである。しかし、これらの技術
も、形成された皮膜が水素を含有することが多く、この
ため高温での寸法が不安定になるので望ましくない。ま
た、これらの技術はすべてのCVD法と同様に、速度が遅
く、スループットが制限されている。ECR CVD and PECVD were introduced to reduce the required curing temperature. However, these techniques are also undesirable because the films formed often contain hydrogen, which leads to dimensional instability at high temperatures. Also, these techniques, like all CVD methods, are slow and have limited throughput.

従来の高周波スパッタリングは、付着に方向性がない
ため、高アスペクト比の穴を均一に充填できない。発生
したプラズマ中でスパッタされた原子は、原則として中
性である（低イオン化比のプラズマ）。その結果生じる
ランダムな中性原子の基板への衝突によって、スパッタ
された材料が、穴の底部より側壁に堆積するのが速く、
このため充填した穴に空隙が生じ（エンゼル・ウィング
と呼ばれる状態）、これにより充填した穴への接触が不
確実になる。また、この工程を支援するのに必要な背景
ガス（たとえばアルゴン）が、ａ）スパッタした材料の
後方散乱を引き起こし、その結果この材料の基板への伝
達を減少させ、またｂ）皮膜内に取り込まれる。従来の
高周波スパッタリングのもう１つの欠点は、単一の基板
に付着させるためにエネルギー効率の高い電圧でスパッ
タするのに十分な高さのプラズマ密度を得るのが困難な
ことである。Conventional high frequency sputtering cannot uniformly fill holes with a high aspect ratio because the deposition has no directionality. Atoms sputtered in the generated plasma are in principle neutral (low ionization ratio plasma). The resulting random collisions of neutral atoms with the substrate cause the sputtered material to deposit faster on the sidewalls than at the bottom of the holes,
This creates voids in the filled holes (a condition called angel wings), which makes contact with the filled holes uncertain. Also, the background gas needed to support this process (eg, argon) causes a) backscattering of the sputtered material, resulting in reduced transfer of this material to the substrate, and b) incorporation into the coating. Be done. Another drawback of conventional RF sputtering is that it is difficult to obtain a plasma density high enough to sputter at an energy efficient voltage for deposition on a single substrate.

下記の３件の論文には、従来の高周波スパッタリング
に対する最近の改良が開示されている。１）小野、高
橋、小田、および松尾、"Reactive Ion Stream Etching
and Metallic Compound Deposition Using ECR Plasma
Technology"、Symposium on VLSI Technology、Digest
of Technical Papers 1985、pp.84〜85、Bus.Center A
cad.Soc.Japan（小野）、２）山下、"Fundamental char
acteristics of built−in high−frequency coil−typ
esputtering apparatus"、J.Vac.Sci.Technol.、A7
（２）、1989年3/4月、pp.151〜158（山下）、３）松
岡、小野、"Dense plasma production and filmdeposit
ion by new high−rate sputteringusing an electric
mirror"、J.Vac.Sci.Technol、A7（４）、1989年7/8
月、pp.2652〜2656（松岡）。The following three papers disclose recent improvements to conventional RF sputtering. 1) Ono, Takahashi, Oda, and Matsuo, "Reactive Ion Stream Etching
and Metallic Compound Deposition Using ECR Plasma
Technology ", Symposium on VLSI Technology, Digest
of Technical Papers 1985, pp.84-85, Bus.Center A
cad.Soc.Japan (Ono), 2) Yamashita, "Fundamental char
acteristics of built−in high−frequency coil−typ
esputtering apparatus ", J.Vac.Sci.Technol., A7
(2), March 1989, pp.151-158 (Yamashita), 3) Matsuoka, Ono, "Dense plasma production and filmdeposit
ion by new high-rate sputtering using an electric
mirror ", J.Vac.Sci.Technol, A7 (4), 7/8 1989
Mon, pp.2652-2656 (Matsuoka).

小野の論文は、プラズマ流の周囲のプラズマ抽出ウイ
ンドウの所に円筒状のスパッタ・ターゲットを置くこと
によって基板上に金属を付着させるECRプラズマ発生装
置を開示している。スパッタされた粒子は活性化され
て、マグネトロン・モード放電の高密度プラズマ領域お
よびプラズマ流中で皮膜形成反応を起こす。皮膜形成反
応はまた、プラズマ流によって照射されるおだやかなエ
ネルギーのイオンの衝突によって促進される。このシス
テムは、従来のスパッタ技術よりも付着速度が高いが、
付着の方向性がなく（イオン化比が低いため）、したが
って上記のエンゼル・ウィングの問題は解決しない。The Ono article discloses an ECR plasma generator that deposits metal on a substrate by placing a cylindrical sputter target at a plasma extraction window around the plasma stream. The sputtered particles are activated to undergo a film forming reaction in the high density plasma region of the magnetron mode discharge and in the plasma flow. The film formation reaction is also facilitated by the bombardment of mildly energetic ions irradiated by the plasma stream. This system has a higher deposition rate than conventional sputter technology,
There is no directional attachment (because of the low ionization ratio) and therefore the above mentioned angel wing problem is not solved.

山下の論文は、高周波放電コイルをターゲットと基板
ホルダの間に置いたスパッタ・システムを開示してい
る。この構成は、スパッタされる原子のイオン化比が可
変のプラズマを発生させることができる。しかし、この
装置では、イオンによって発生した二次電子が基板に衝
突し、これによって基板が過度に加熱されるため、高イ
オン化比の付着は実用的ではない。さらに、このシステ
ムで高速付着が実施できるのは、中性原子が優勢なとき
だけである。中性原子が優勢な付着は方向性がなく、し
たがって高アスペクト比の穴にエンゼル・ウィングが発
生する。Yamashita's paper discloses a sputtering system in which a high frequency discharge coil is placed between a target and a substrate holder. This configuration can generate plasma with a variable ionization ratio of the sputtered atoms. However, in this device, the secondary electrons generated by the ions collide with the substrate, which causes the substrate to be excessively heated, so that the attachment with a high ionization ratio is not practical. Moreover, fast deposition can be performed with this system only when the neutral atoms are predominant. Neutral atom predominant attachments are non-directional, thus causing angel wings in high aspect ratio holes.

松岡の論文は、平坦なターゲット、円筒形のターゲッ
ト、磁気コイル、および基板から構成される電気ミラー
を使用したスパッタ・システムを開示している。この構
成を用いると、円筒形ターゲットの近傍で高いプラズマ
密度（主として中性原子の）が得られるが、小野の構成
と同様に、付着に方向性がなく。エンゼル・ウィングが
発生する。Matsuoka's paper discloses a sputtering system that uses an electric mirror composed of a flat target, a cylindrical target, a magnetic coil, and a substrate. With this configuration, a high plasma density (mainly of neutral atoms) can be obtained in the vicinity of the cylindrical target, but as with Ono's configuration, there is no directional attachment. Angel wings occur.

前述の諸システムの問題を回避しながら、半導体基板
上の高アスペクト比の穴に材料を付着させる、効率がよ
く信頼性の高い装置が望まれる。What is desired is an efficient and reliable device for depositing material in high aspect ratio holes on a semiconductor substrate while avoiding the problems of the aforementioned systems.

また、米国特許第4925542号及びヨーロッパ特許公開E
P−Ａ−328033号（出願人NTT）には、磁気的に回りを囲
んだスパッタリング装置が開示されているが、いずれも
装置内には高周波コイルが設けられていない。Also, US Patent No. 4925542 and European Patent Publication E
P-A-328033 (Applicant NTT) discloses a sputtering device that magnetically surrounds it, but neither of these devices has a high frequency coil.

［発明の開示］ 本発明の一目的は、高速材料付着のための、改良され
たスパッタ・システムを提供することにある。DISCLOSURE OF THE INVENTION One object of the present invention is to provide an improved sputter system for high speed material deposition.

本発明の他の目的は、半導体基板の高アスペクト比の
穴およびトレンチを均一に充填できる付着システムを提
供することにある。Another object of the present invention is to provide a deposition system capable of uniformly filling high aspect ratio holes and trenches in a semiconductor substrate.

本発明の他の目的は、低圧低温でエネルギー効率の高
い電圧で機能する付着システムを提供することにある。Another object of the present invention is to provide a deposition system that operates at low pressure, low temperature, and energy efficient voltage.

本発明によれば、高周波スパッタ装置は、真空チェン
バの両端に、円形の端部スパッタ・ターゲットとバイア
スをかけた基板とを有する。円筒形のスパッタ・ターゲ
ットが端部ターゲットと基板の間に置かれる。スパッタ
リングを発生させるために、ターゲットに高周波バイア
スまたは直流バイアスをかける。永久磁石をスパッタ・
ターゲットの近くに置き、マグネトロン放電を起こさせ
る。スパッタ中性原子をイオン化し、プラズマをチェン
バ中に均一に分布させるために、高周波コイルをチェン
バの内部に置き、高周波電力をチェンバ内に誘導結合さ
せて、プラズマを高密度に維持する。高周波コイルを磁
化させて、プラズマがコイルの表面と再結合するのを防
止することができる。In accordance with the present invention, a high frequency sputter apparatus has a circular chamber end sputter target and a biased substrate on opposite ends of a vacuum chamber. A cylindrical sputter target is placed between the end target and the substrate. A high frequency bias or a direct current bias is applied to the target to generate sputtering. Sputter permanent magnets
Place it near the target to cause a magnetron discharge. In order to ionize sputtered neutral atoms and evenly distribute the plasma in the chamber, a high frequency coil is placed inside the chamber and high frequency power is inductively coupled into the chamber to maintain the plasma at a high density. The radio frequency coil can be magnetized to prevent the plasma from recombining with the surface of the coil.

本発明によれば、低圧低温で高品質の皮膜を高速に形
成することができる。この装置はコンパクトで、容易に
製造が可能で、スパッタ・イオン付着を行うのに使用で
きる。また、高アスペクト比の穴の充填を含めて、各要
件にあわせて付着の均一さを調節することができる。According to the present invention, a high-quality film can be formed at a high speed at a low pressure and a low temperature. The device is compact, easy to manufacture and can be used to perform sputter ion deposition. Also, the uniformity of deposition can be adjusted to suit each requirement, including filling of high aspect ratio holes.

本発明の上記その他の目的、特徴、および利点は、図
に示す実施例の詳細な説明に照らせばさらに明らかにな
ろう。These and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent in light of the detailed description of the embodiments shown in the drawings.

［図面の簡単な説明］ 第１図は本発明によるスパッタ・システムの第１の実
施例の概略断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a sputtering system according to the present invention.

第２図は本発明によるスパッタ・システムの第１の実
施例の概略斜視断面図である。FIG. 2 is a schematic perspective sectional view of the first embodiment of the sputtering system according to the present invention.

第３図は第１図の線３−３に沿った断面図である。 FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 of FIG.

第４図は本発明によるスパッタ・システムの参考施例
の概略断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view of a reference embodiment of the sputtering system according to the present invention.

第５図は本発明によるスパッタ・システムの第２の実
施例の概略断面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view of a second embodiment of the sputtering system according to the present invention.

第６図は本発明による高周波コイルの側面図である。 FIG. 6 is a side view of the high frequency coil according to the present invention.

第７図は本発明による高周波コイルの第１の実施例
の、第６図の線８−８に沿った断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the first embodiment of the high-frequency coil according to the present invention, taken along line 8-8 in FIG.

第８図は本発明による高周波コイルの第２の実施例
の、第６図の線９−９に沿った断面図である。FIG. 8 is a sectional view of the second embodiment of the high-frequency coil according to the present invention, taken along the line 9-9 in FIG.

［発明の好ましい実施例］ 第１図を参照すると、スパッタ・システム10は、円形
の端部スパッタ・ターゲット12、中空円筒形の薄い陰極
マグネトロン・ターゲット14、高周波コイル16、および
半導体基板19を保持するチャック18を含む、真空チェン
バ20を有する。真空チェンバ20内の雰囲気は、チャネル
22を介してポンプ（図示せず）により制御される。真空
チェンバ20は円筒形であり、端部ターゲット14の内部表
面15付近に多極磁場構成を形成するため、チェンバの周
囲にそれと近接して一連の永久磁石24が置かれている。
やはり端部ターゲット12付近に多極磁場を形成するた
め、端部ターゲット12の上に磁石26、28が置かれてい
る。単一の磁石26は端部ターゲット12の中心上に置か
れ、他の複数の磁石28は磁石26の周囲に環状に置かれ
る。便宜上、図には磁石26、28はそれぞれ２個だけ示し
ている。端部ターゲット12と磁石26、28構成は、K.レス
カ社（K.Lesker,Inc.）製のトーラス（Torus）10Eシス
テムなど、周知のマグネトロン・スパッタ源29（図２参
照）である。スパッタ電源30（直流または高周波）が線
32で端部ターゲット12に接続されている。高周波電源34
は、線36により整合ネットワーク37を介して高周波コイ
ル16に電力を供給する。可変インピーダンス38が、コイ
ル16の低温端17に直列に接続されている。第２のスパッ
タ電源39が、線40で円筒形ターゲット14に接続されてい
る。バイアス電源42（直流または高周波）が、線44でチ
ャック18に接続され、従来技術で周知のように、その上
の基板19に電気的バイアスをかける。Preferred Embodiment of the Invention Referring to FIG. 1, a sputter system 10 holds a circular end sputter target 12, a hollow cylindrical thin cathode magnetron target 14, a radio frequency coil 16, and a semiconductor substrate 19. A vacuum chamber 20 including a chuck 18 for The atmosphere in the vacuum chamber 20 is channel
It is controlled by a pump (not shown) via 22. The vacuum chamber 20 is cylindrical and has a series of permanent magnets 24 placed in close proximity to it around the chamber to create a multi-pole magnetic field configuration near the inner surface 15 of the end target 14.
Again, magnets 26, 28 are placed on the end target 12 to create a multi-pole magnetic field near the end target 12. A single magnet 26 is placed on the center of the end target 12 and a plurality of other magnets 28 are placed annularly around the magnet 26. For convenience, only two magnets 26 and 28 are shown in the figure. The end target 12 and magnets 26, 28 configuration is a well known magnetron sputter source 29 (see FIG. 2), such as the K.Lesker, Inc. Torus 10E system. Sputtering power source 30 (DC or high frequency) is a line
Connected to the end target 12 at 32. High frequency power supply 34
Powers the radio frequency coil 16 via line 36 via a matching network 37. A variable impedance 38 is connected in series with the cold end 17 of the coil 16. A second sputter power supply 39 is connected by line 40 to the cylindrical target 14. A bias power supply 42 (DC or RF) is connected to the chuck 18 at line 44 to electrically bias the substrate 19 thereon, as is well known in the art.

電源30、39は、従来技術で周知のように、原子をター
ゲット12、14からスパッタさせる。したがって、スパッ
タ・ターゲット12、14は、銅など基板上に付着させたい
材料で形成しなければならない。高周波コイル16も、付
着した皮膜の汚染を避けるために、付着材料で形成また
はコートしなければならない。Power supplies 30, 39 sputter atoms from targets 12, 14 as is well known in the art. Therefore, sputter targets 12, 14 must be formed of the material that one wishes to deposit on the substrate, such as copper. The high frequency coil 16 must also be formed or coated with a deposition material to avoid contamination of the deposited coating.

磁石24は、真空チェンバ20内に延びて円筒形ターゲッ
ト14の内面15付近に「カスプ」（第３図の46）を形成す
る。静磁場を形成する。円筒形ターゲット14が多極磁石
24に近接しているので、これらのカスプの間に強いマグ
ネトロン放電の領域が生じる。磁気カスプおよびそれが
円筒形ターゲット14のスパッタリングに与える影響の詳
細を第３図に示す。端部ターゲット12の上に置いた磁石
26、28が、同様にその端部ターゲットの所でマグネトロ
ン放電を生じさせる。The magnet 24 extends into the vacuum chamber 20 to form a “cusp” (46 in FIG. 3) near the inner surface 15 of the cylindrical target 14. Create a static magnetic field. Cylindrical target 14 is a multi-pole magnet
The close proximity to 24 creates a region of strong magnetron discharge between these cusps. Details of the magnetic cusp and its effect on the sputtering of the cylindrical target 14 are shown in FIG. Magnet placed on the end target 12
26 and 28 also produce a magnetron discharge at their end targets.

これらのターゲットに電源30、39からそれぞれ直流バ
イアスまたは高周波電力を供給すると、ターゲット12、
14から材料がスパッタされる。円筒形ターゲット14の内
面付近の磁石に隣接する領域（第３図の48）が速くスパ
ッタされる。これは、プラズマ・イオンが上記の磁気カ
スプを通って優先的に逃げ、その結果、カスプのプラズ
マ密度が高くなり、スパッタ速度が上昇するからであ
る。円筒形ターゲット14はまた、（磁石間の壁面に平行
な）磁場がマグネトロン放電を乗じさせるので、磁石間
の領域で速くスパッタリングを行う。マグネトロン放電
に伴う高いプラズマ密度により、磁気カスプ領域（第３
図の46）間で円筒形ターゲット14からのスパッタ速度が
高くなり、スパッタされた中性原子の大部分が、高密度
の高周波プラズマ中でイオン化される。When DC bias or high frequency power is supplied to these targets from the power sources 30 and 39, respectively, the targets 12 and
Material is sputtered from 14. A region (48 in FIG. 3) adjacent to the magnet near the inner surface of the cylindrical target 14 is sputtered quickly. This is because plasma ions preferentially escape through the magnetic cusps, resulting in higher plasma density in the cusps and higher sputter rates. The cylindrical target 14 also sputters rapidly in the area between the magnets because the magnetic field (parallel to the walls between the magnets) multiplies the magnetron discharge. Due to the high plasma density associated with the magnetron discharge, the magnetic cusp region (3rd
During the period 46) in the figure, the sputtering rate from the cylindrical target 14 becomes high, and most of the sputtered neutral atoms are ionized in the high-frequency radio-frequency plasma.

高周波電源34からの電力は、線36上を整合ネットワー
ク37を介して高周波コイル16に送られ、これにより、上
記のプラズマに誘導結合されて、プラズマを維持し、真
空チェンバ20全体にプラズマがより均一に分布するよう
になる。可変インピーダンス38を高周波コイル16と直列
に接続して、コイルの高周波電圧を制御することができ
る。The power from the radio frequency power source 34 is sent on line 36 through a matching network 37 to the radio frequency coil 16 so that it is inductively coupled to the plasma described above to maintain the plasma and more plasma throughout the vacuum chamber 20. It will be evenly distributed. The variable impedance 38 can be connected in series with the high frequency coil 16 to control the high frequency voltage of the coil.

本発明によって生成されるプラズマは、ａ）一次電子
によるイオン化、ｂ）スパッタ・ガス・イオン（たとえ
ばアルゴン・イオン）とのイオン電荷交換、およびｃ）
スパッタ・ガスによるスパッタ原子のペニング・イオン
化のため、スパッタ原子のイオン化される割合が高くな
る。ペニング・イオン化は、特にチェンバの圧力（一部
はスパッタ・ガスの圧力による）の影響を受けやすく、
最適な圧力は10〜50ミリトルである。圧力が高過ぎる
と、スパッタ原子が拡散してターゲットに戻り、実効付
着速度が低下する。また、プラズマ密度が低下し、その
ためプラズマに結合した電力の量が減少する。圧力が低
過ぎると、ペニング・イオン化が全く停止する。The plasma produced by the present invention is a) ionized by primary electrons, b) ionic charge exchange with sputter gas ions (eg, argon ions), and c).
Due to the Penning / ionization of the sputtered atoms by the sputter gas, the ratio of the sputtered atoms to be ionized becomes high. Penning ionization is particularly sensitive to chamber pressure (partly due to sputter gas pressure),
Optimal pressure is 10-50 mtorr. If the pressure is too high, sputtered atoms diffuse and return to the target, reducing the effective deposition rate. Also, the plasma density is reduced, which reduces the amount of power coupled into the plasma. If the pressure is too low, Penning ionization will stop altogether.

基板19への電圧源42による直流バイアスまたは高周波
バイアスは、付着の方向性を決定する。というのは、こ
のバイアスが、ａ）イオン化されたスパッタ原子の軌
道、およびｂ）再スパッタリングの量に影響を与えるか
らである。したがって、エンゼル・ウィング効果が生じ
ることなく、基板中の高アスペクト比の穴が均一に充填
されるように、イオンの軌道を調節することができる。
さらに、キセノンなどの重いガス（原子質量がスパッタ
した材料の原子質量より大きいガス）を真空チェンバに
加えて、エンゼル・ウィング効果を減少させ、付着プロ
ファイルをさらに修正することができる。また、ターゲ
ット12と14の間での電圧または電力の分割を変化させる
ことにより、付着の均一性を調節することができる。こ
れは、円筒形ターゲット14は、基板19の外部で付着速度
が最大になり、端部ターゲット12は、基板19の内部で付
着速度が最大になるためである。A DC or RF bias on the substrate 19 by the voltage source 42 determines the directionality of the deposition. This bias affects the a) orbitals of sputtered atoms and b) the amount of resputtering. Therefore, the trajectory of the ions can be adjusted so that the high aspect ratio holes in the substrate are uniformly filled without causing the angel wing effect.
Additionally, a heavy gas such as xenon (a gas having an atomic mass greater than the atomic mass of the sputtered material) can be added to the vacuum chamber to reduce the angel wing effect and further modify the deposition profile. Also, by varying the voltage or power division between the targets 12 and 14, the deposition uniformity can be adjusted. This is because the cylindrical target 14 has a maximum deposition rate outside the substrate 19, and the end target 12 has a maximum deposition rate inside the substrate 19.

本発明の他の利点は、磁石26、28によって形成される
磁場が、端部ターゲット12によって生成された自由電子
を閉じ込めて、二次電子による基板19の熱負荷を減少さ
せることである。Another advantage of the present invention is that the magnetic field formed by the magnets 26, 28 confines the free electrons generated by the end target 12 and reduces the thermal load on the substrate 19 by secondary electrons.

次に第２図を参照すると、材料を真空チェンバにスパ
ッタさせるため、電源30、39からスパッタ・ターゲット
12、14に電力（直流または高周波）を供給する。磁石24
は、円筒形ターゲット14の内面15（図１参照）に近接す
るプラズマ強度の高い領域48を形成する。電源34によっ
て供給される高周波電力は、コイル16によってプラズマ
に誘導結合される。線44を介して電圧源42からチャック
18に供給されるバイアスが、イオン化された原子を基板
19に引き分け、方向性付着を促進する。Next, referring to FIG. 2, in order to sputter the material into the vacuum chamber, the power supply 30, 39 is used to sputter the target.
Supply power to 12 and 14 (DC or high frequency). Magnet 24
Form a high plasma intensity region 48 adjacent the inner surface 15 (see FIG. 1) of the cylindrical target 14. The high frequency power supplied by the power supply 34 is inductively coupled to the plasma by the coil 16. Chuck from voltage source 42 via line 44
Bias applied to 18 substrate ionized atoms
Draws 19 to promote directional attachment.

次に第３図を参照すると、磁石24が、磁束線46で示す
多極静磁場を形成する。この磁場は、ターゲット12、14
からの二次電子とあいまって、斜線部48で示す、強力な
マグネトロン放電プラズマ領域を形成する。Referring now to FIG. 3, the magnet 24 creates a multi-pole static magnetic field indicated by the magnetic flux lines 46. This magnetic field is applied to the targets 12, 14
Along with the secondary electrons from, form a strong magnetron discharge plasma region, indicated by the shaded area 48.

次に第４図を参照すると、参考例として示す真空チャ
ンバ70内に収容された、円形の端部スパッタ・ターゲッ
ト66と、中空円筒形の陰極マグネトロン・スパッタ・タ
ーゲット68を有する。電源30、39は、上述のように、そ
れぞれターゲット66、68をスパッタするのに必要な電気
エネルギーを供給する。電磁石74は、円筒形ターゲット
68に隣接してマグネトロン放電を形成し、これにより大
部分のスパッタ材料がバイアスをかけた基板19に向かっ
て加速される。電圧源42は、線44を介して基板19をバイ
アスする。マイクロ波電源（図示せず）が導波管72を介
してマイクロ波エネルギーを供給するが、これは上記の
実施例で使用した高周波コイル16の代わりに使用され
る。その結果発生するプラズマは、ａ）マイクロ波電力
（"ECR"型プラズマと同様）、ｂ）ターゲットに印加さ
れる高周波または直流電圧、ｃ）高周波誘導、および
ｄ）ホイスラ波を、単独でまたは組み合わせて使って維
持される。端部ターゲット66と円筒形ターゲット68との
間の電圧または電力を変化させることにより、付着の均
一性を調節することができる。というのは、円筒形ター
ゲット68は、基板19の外部で付着速度が最大となり、端
部ターゲット66は、基板19の内部で付着速度が最大とな
るからである。Referring now to FIG. 4, it has a circular end sputter target 66 and a hollow cylindrical cathode magnetron sputter target 68 housed in a vacuum chamber 70 shown as a reference example. The power supplies 30, 39 provide the electrical energy needed to sputter the targets 66, 68, respectively, as described above. Electromagnet 74 is a cylindrical target
A magnetron discharge is formed adjacent to 68, which accelerates most of the sputtered material toward the biased substrate 19. Voltage source 42 biases substrate 19 via line 44. A microwave power supply (not shown) supplies microwave energy through the waveguide 72, which replaces the RF coil 16 used in the above embodiments. The resulting plasma may be a) microwave power (similar to "ECR" type plasma), b) high frequency or DC voltage applied to the target, c) high frequency induction, and d) whistler waves, either alone or in combination. Used and maintained. By varying the voltage or power between the end target 66 and the cylindrical target 68, the deposition uniformity can be adjusted. This is because the cylindrical target 68 has a maximum deposition rate outside the substrate 19 and the end target 66 has a maximum deposition rate inside the substrate 19.

この参考施例では、チェンバの容積の大部分で強い磁
場（約0.1テスラ）が必要であるため、電磁石74を使用
する。本明細書に記載する他の実施例では、スパッタ・
ターゲットの近くに強い局部的磁場を必要とするだけで
ある。したがって、磁場源として永久磁石を使用するこ
ともできるが、その代わりに電磁石を使用してもよい。In this reference example, the electromagnet 74 is used because a strong magnetic field (about 0.1 Tesla) is required for most of the chamber volume. In other embodiments described herein, sputter
It only requires a strong local magnetic field near the target. Therefore, although a permanent magnet can be used as the magnetic field source, an electromagnet may be used instead.

次に第５図を参照すると、本発明の第２の実施例で
は、高周波コイル16、高周波電源34、整合ネットワーク
37、可変直列インピーダンス38、チャック18、基板19、
およびバイアス源42を、一連のリング型スパッタ・ター
ゲット76およびリング型磁石78とともに使用する。スパ
ッタ・ターゲット76、77は、それぞれ線82、32を介して
信号源80、30によってバイアスされる。リング型磁石78
は、放射状に磁化される。リング型ターゲット76とリン
グ型磁石78の組合せにより、多極マグネトロン放電効果
が生じる。多極磁気カスプ（磁力線88で示す）間の空間
に強いマグネトロン放電（斜線86で示す）が発生する。
高周波コイル16は実際に真空容器内にあるので、補助磁
石26、28をチェンバ20の上部および底部に取り付けて、
プラズマの閉じ込めを増大させ、マグネトロン放電の領
域を増やすことができる。スパッタされた材料は、電源
42によってバイアスされた基板19上に付着する。基板上
のバイアスが、付着の方向性を決定する。それが、イオ
ン化したスパッタ原子の軌道に影響を与えるからであ
る。Next, referring to FIG. 5, in the second embodiment of the present invention, the high frequency coil 16, the high frequency power supply 34, and the matching network.
37, variable series impedance 38, chuck 18, substrate 19,
And bias source 42 is used with a series of ring sputter targets 76 and ring magnets 78. Sputter targets 76, 77 are biased by signal sources 80, 30 via lines 82, 32, respectively. Ring magnet 78
Are radially magnetized. The combination of ring target 76 and ring magnet 78 produces a multi-pole magnetron discharge effect. A strong magnetron discharge (indicated by diagonal lines 86) occurs in the space between the multi-pole magnetic cusps (indicated by magnetic field lines 88).
Since the high frequency coil 16 is actually inside the vacuum vessel, auxiliary magnets 26 and 28 are attached to the top and bottom of the chamber 20,
The plasma confinement can be increased and the area of the magnetron discharge can be increased. The sputtered material is a power source
Deposit on substrate 19 biased by 42. The bias on the substrate determines the direction of deposition. It affects the orbits of ionized sputtered atoms.

第１図ないし第５図に示した、本発明の上記の実施例
すべての真空チェンバ20で発生した、基板19に衝突する
イオンは、プラズマ・シースと交差した後の角発散が少
なく、したがって高アスペクト比の穴を均一に充填す
る。Ions generated in the vacuum chamber 20 of all of the above-described embodiments of the present invention, shown in FIGS. 1-5, impinging on the substrate 19 have low angular divergence after crossing the plasma sheath, and therefore high Fill holes with aspect ratio uniformly.

さらに、チャック18および基板19の温度は、裏側への
ヘリウム・ガスの伝導による静電クランピングを含め
て、従来技術で周知のどの標準的方法によって制御する
こともできる。Further, the temperature of chuck 18 and substrate 19 can be controlled by any standard method known in the art, including electrostatic clamping by conduction of helium gas to the backside.

また、本発明の上記の実施例では、高密度（1011/c
m3）のプラズマを真空チェンバの大部分に分布させるこ
とができることに留意されたい。Also, in the above embodiment of the present invention, high density (10 11 / c
Note that the m 3 ) plasma can be distributed over most of the vacuum chamber.

さらに、低圧（たとえば0.02〜10ミリトル）のCVDガ
スを使用して、系内の圧力と付着速度を増大させること
もできる。この「CVD/スパッタ」モードでは、所望の成
分が基板19上に付着するまで、（ターゲット66、68から
のスパッタリングによって）この成分をプラズマ中で維
持しながら、揮発性物質（たとえば水素）をポンプで排
出させることができる。基板19にかける高周波バイアス
を変化させることにより、所望の皮膜特性を得るのに必
要な再スパッタリングの量と、イオン１個当たりのエネ
ルギーを変えることができる。また、高密度のプラズマ
が発生するため、スパッタ・ターゲット上にイオン化し
たスパッタ原子を衝突させることにより（自己スパッタ
リング）、スパッタ・ガス（たとえばアルゴン）の流れ
を止め、プラズマを維持することができる。金属のスパ
ッタ・ターゲットの場合、これによって純粋な金属プラ
ズマの発生が容易になり、そのため高速の付着が可能に
なり、本発明が単一基板装置として使用できるようにな
る。純粋な金属プラズマの使用はまた、スパッタリング
によって成長した皮膜の物理的特性に良い影響（すなわ
ち不純物がない）を与える。In addition, low pressure (eg, 0.02-10 mTorr) CVD gas can be used to increase the pressure and deposition rate in the system. In this "CVD / sputter" mode, a volatile material (eg, hydrogen) is pumped while maintaining this component in the plasma (by sputtering from targets 66, 68) until the desired component is deposited on substrate 19. It can be discharged with. By varying the high frequency bias applied to the substrate 19, the amount of resputtering required to obtain the desired film properties and the energy per ion can be varied. Further, since a high density plasma is generated, it is possible to stop the flow of the sputtering gas (for example, argon) and maintain the plasma by colliding the ionized sputtered atoms with the sputter target (self-sputtering). In the case of a metal sputter target, this facilitates the generation of a pure metal plasma, which allows fast deposition and allows the present invention to be used as a single substrate device. The use of pure metal plasma also has a positive effect (ie no impurities) on the physical properties of the film grown by sputtering.

次に第６図を参照すると、高周波コイル16は、内部に
永久磁石（92または94）を配置した中空の管90を含む。
管の内部に磁石（92または94）を配置すると、１）（ス
パッタ原子のコイルとの再結合による）プラズマ喪失領
域が磁極領域まで減少し、２）ホイスラ・モードのプラ
ズマ波を使ってプラズマを駆動することのできる交差し
た直流磁場および高周波磁場が形成され、３）コイルの
容量結合損失が減少する。Referring now to FIG. 6, the radio frequency coil 16 includes a hollow tube 90 having a permanent magnet (92 or 94) disposed therein.
Placing a magnet (92 or 94) inside the tube reduces the plasma loss region (due to the recombination of sputtered atoms with the coil) to the pole region, and 2) the plasma using whistler mode plasma waves Intersecting DC and RF fields that can be driven are created, and 3) the capacitive coupling loss of the coil is reduced.

次に第７図を参照すると、永久磁石92を管90の内部に
置き、磁化方向を管の中心から外側に放射状に向けて、
管の長さ方向に線状のカスプ（図示せず）を形成するこ
とができる。Referring now to FIG. 7, a permanent magnet 92 is placed inside the tube 90 and the magnetizing direction is directed radially outward from the center of the tube,
A linear cusp (not shown) can be formed along the length of the tube.

次に第８図を参照すると、やはり永久磁石94を管90の
内部に配置し、磁化方向を管の軸方向に向けて、各磁極
面にリング状のカスプ（図示せず）を形成することがで
きる。Next, referring to FIG. 8, the permanent magnet 94 is also disposed inside the tube 90, and the magnetization direction is oriented in the axial direction of the tube to form a ring-shaped cusp (not shown) on each magnetic pole face. You can

高周波コイル16の内側に磁石を使用することにより、
より低圧で、効率良く、高密度のプラズマを発生させる
ことができる。このコイルの設計は、内部および外部コ
イル・システムを含めて、本明細書に記載されていない
他の誘導コイル・スパッタ・システムにも適用できる。By using a magnet inside the high frequency coil 16,
It is possible to efficiently generate high-density plasma at a lower pressure. This coil design is also applicable to other induction coil sputter systems not described herein, including internal and external coil systems.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キラー、ジョン、ハワード アメリカ合衆国ニューヨーク州ニューバー グ、ダッチェス・コート７番地 (56)参考文献 特開 平１−219160（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−201466（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−153275（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140509（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−29956（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−240648（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−190363（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−277755（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−179152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−183471（ＪＰ，Ａ) 堂山昌男外４名編「材料テクノロジー９ 材料のプロセス技術〔▲Ｉ▼〕」昭和62 年11月30日 東京大学出版会発行，Ｐ. 112〜113 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Killer, John, Howard No. 7, Dutch Court, Newburgh, New York, USA (56) References JP-A 1-219160 (JP, A) JP-A 1- 201466 (JP, A) JP 61-153275 (JP, A) JP 63-140509 (JP, A) JP 60-29956 (JP, A) JP 1-240648 (JP, A) JP 59-190363 (JP, A) JP 63-277755 (JP, A) JP 59-179152 (JP, A) JP 61-183471 (JP, A) Masao Doyama 4th Edition "Material Technology 9 Process Technology of Materials [▲ I]" November 30, 1987 Published by The University of Tokyo Press, P. 112-113

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】真空チェンバ中で基板上に材料を付着させ
るための装置において、 第１のスパッタ・ターゲットと、 電気エネルギを上記第１のスパッタ・ターゲットに供給
してそのスパッタリングを起こさせる、第１のスパッタ
電源と 上記第１のスパッタ・ターゲットのスパッタ表面に近接
するプラズマ電子を閉じ込める多極磁場を形成するため
の、第１の磁石手段と、 上記第１のスパッタ・ターゲットと基板の間に置かれた
中空で円筒形の第２のスパッタ・ターゲットと、 電気エネルギを上記第２のスパッタ・ターゲットに電気
エネルギーを供給してそのスパッタリングを起こさせ
る、第２のスパッタ電源と 上記第２のスパッタ・ターゲットのスパッタ表面に近接
するプラズマ電子を閉じ込める多極磁場を形成するため
の、第２の磁石手段と、 高周波電力を真空チェンバに伝達して、スパッタ原子の
イオン化を起こさせるのに十分な密度と容積のプラズマ
を発生させる中空の高周波コイル手段と、 上記コイル手段の一部からプラズマを排除して閉じ込め
るために、上記中空の高周波コイル手段の内部に置かれ
た磁石と、 高周波エネルギを上記高周波コイル手段に供給するため
の高周波電源と、 基板に衝突するイオンの方向およびエネルギーを制御す
るために、基板に電気的バイアスをかけるバイアス手段
と、 基板を上記プラズマに接触させて配置するための基板配
置手段と、 を備える装置。1. An apparatus for depositing material on a substrate in a vacuum chamber, the method comprising: supplying a first sputter target and electrical energy to the first sputter target to cause the sputtering. 1 sputter power source and 1st magnet means for forming a multi-pole magnetic field for confining plasma electrons adjacent to the sputter surface of the 1st sputter target, and between the 1st sputter target and the substrate. A second hollow sputtering target having a hollow cylindrical shape, a second sputtering power source for supplying electric energy to the second sputtering target to cause the sputtering, and the second sputtering target. .Second magnet hand for forming a multi-pole magnetic field that confines plasma electrons close to the sputter surface of the target Hollow radio frequency coil means for transmitting high frequency power to the vacuum chamber to generate plasma of sufficient density and volume to cause ionization of sputtered atoms, and removing the plasma from a part of the coil means. In order to confine, a magnet placed inside the hollow high-frequency coil means, a high-frequency power source for supplying high-frequency energy to the high-frequency coil means, and to control the direction and energy of ions colliding with the substrate, An apparatus comprising: biasing means for electrically biasing the substrate; and substrate arranging means for arranging the substrate in contact with the plasma. 【請求項２】基板表面への付着の均一性を調節するため
に、 上記第１のスパッタ・ターゲットと上記第２のスパッタ
・ターゲットの間の電力を変化させる手段を更に備え
る、請求項１に記載の、真空チェンバ中で基板上に材料
を付着させる装置。2. The method of claim 1, further comprising means for varying the power between the first sputter target and the second sputter target to adjust the uniformity of deposition on the substrate surface. Apparatus for depositing material on a substrate in a vacuum chamber as described. 【請求項３】真空チェンバ中に、材料の原子質量よりも
大きな原子質量を有するガスを供給する、ガス供給手段
を更に備える、請求項１に記載の、真空チェンバ中で基
板上に材料を付着させる装置。3. The material of claim 1, further comprising a gas supply means for supplying a gas having an atomic mass larger than that of the material into the vacuum chamber. A device that lets you. 【請求項４】上記磁石が、その磁化方向が上記管の中心
から外向きに放射状になるように置かれた、請求項１に
記載の、真空チェンバ中で基板上に材料を付着させる装
置。4. An apparatus for depositing material on a substrate in a vacuum chamber as claimed in claim 1, wherein the magnet is positioned such that its magnetisation direction radiates outward from the center of the tube. 【請求項５】上記磁石が、その磁化方向が上記管の長さ
方向になるように置かれた、請求項１に記載の、真空チ
ェンバ中で基板上に材料を付着させる装置。5. An apparatus for depositing material on a substrate in a vacuum chamber as claimed in claim 1, wherein the magnet is oriented such that its magnetisation direction is along the length of the tube. 【請求項６】電気エネルギーを上記高周波コイル手段に
供給してスパッタリングを起こさせるスパッタ電源手段
と、 上記スパッタ電源を上記高周波電源手段から減結合する
ための減結合手段と、 を更に備える、請求項１に記載の、真空チェンバ中で基
板上に材料を付着させる装置。6. A sputter power supply means for supplying electric energy to the high frequency coil means to cause sputtering, and a decoupling means for decoupling the sputter power supply from the high frequency power supply means. The apparatus for depositing a material on a substrate in a vacuum chamber as described in 1. 【請求項７】上記第２の磁石手段が複数の環状の磁石を
有し、 上記第２のスパッタ・ターゲットが、上記環状の磁石の
間の置かれた複数の環状のターゲットを有する、 請求項１に記載の、真空チェンバ中で基板上に材料を付
着させる装置。7. The second magnet means comprises a plurality of annular magnets, and the second sputter target comprises a plurality of annular targets positioned between the annular magnets. The apparatus for depositing a material on a substrate in a vacuum chamber as described in 1.
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