JPH10330932A - スパッタリング装置 - Google Patents

スパッタリング装置

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JPH10330932A
JPH10330932A JP9155980A JP15598097A JPH10330932A JP H10330932 A JPH10330932 A JP H10330932A JP 9155980 A JP9155980 A JP 9155980A JP 15598097 A JP15598097 A JP 15598097A JP H10330932 A JPH10330932 A JP H10330932A
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gas
sputtering
sputter
substrate
target
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JP9155980A
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Masahiko Kobayashi
正彦 小林
Yoichiro Numazawa
陽一郎 沼沢
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Anelva Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アスペクト比４以上のホールの内面にボトム
カバレッジ率よく成膜を行えるようにする。 【解決手段】 チタン等の金属製のターゲット２をスパ
ッタして基板５０に所定の薄膜を作成するスパッタチャ
ンバー内に所定のガスを導入するガス導入手段４は、タ
ーゲット２から放出されるスパッタ粒子に反応して、ホ
ール５００の側面５０１に対する付着性がスパッタ粒子
単体の場合よりもより低く且つホール５００の底面５０
２において解離可能な化合物を生成する水素等の反応性
ガスを導入することが可能である。狭いホール５００の
底面５０２まで効率よくスパッタ粒子が到達できるの
で、ホール５００の底面５０２での膜堆積が促進され、
ボトムカバレッジ率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願の発明は、各種半導体デ
バイス等の製作に使用されるスパッタリング装置に関
し、特に、高アスペクト比のホール内に成膜するのに適
したスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】各種メモリやロジック等の半導体デバイ
スでは、各種配線膜の作成や異種層の相互拡散を防止す
るバリア膜の作成等の際にスパッタリングプロセスを用
いており、スパッタリング装置が多用されている。この
ようなスパッタリング装置に要求される特性は色々ある
が、基板に形成されたホールの内面にカバレッジ性よく
被覆できることが、最近強く求められている。
【０００３】具体的に説明すると、例えばＤＲＡＭで多
用されているＣＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）では、拡散層の上に設けたコンタクトホールの内面
にバリア膜を設けてコンタクト配線層と拡散層とのクロ
スコンタミネーションを防止する構造が採用される。ま
た、各モメリセルの配線を行う多層配線構造では、下層
配線と上層配線とをつなぐため、層間絶縁膜にスルーホ
ールを設けこのスルーホール内を層間配線で埋め込むこ
とが行われるが、この際にも、スルーホール内にバリア
膜を作成して、クロスコンタミネーションを防止した構
造が採られる。
【０００４】このようなホールは、集積度の増加を背景
として、そのアスペクト比（ホールの開口の直径又は幅
に対するホールの深さの比）が年々高くなってきてい
る。例えば、６４メガビットＤＲＡＭでは、アスペクト
比は４程度であるが、２５６メガビットでは、アスペク
ト比は５〜６程度になる。
【０００５】バリア膜の場合、ホールの周囲の面への堆
積量に対して１０から１５％の量の薄膜をホールの底面
に堆積させる必要があるが、高アスペクト比のホールに
ついては、ボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への
成膜速度に対するホール底面への堆積速度の比）を高く
して成膜を行うことが困難である。ボトムカバレッジ率
が低下すると、ホールの底面でのバリア膜が薄くなり、
ジャンクションリーク等のデバイス特性に致命的な欠陥
を与える恐れがある。
【０００６】ボトムカバレッジ率を向上させるスパッタ
リングの手法として、コリメートスパッタや低圧遠隔ス
パッタ等の手法がこれまで開発されてきた。コリメート
スパッタは、ターゲッットと基板との間に基板に垂直な
方向の穴を多数開けた板（コリメーター）を設け、基板
にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子のみを選択的に基板
に到達させる手法である。
【０００７】また、低圧遠隔スパッタは、ターゲットと
基板との距離を長くして（通常の約３倍から５倍）基板
にほぼ垂直に飛行するスパッタ粒子を相対的多く基板に
入射させるようにするとともに、通常より圧力を低くし
て（０．８ｍＴｏｒｒ程度以下）平均自由行程を長くす
ることでこれらのスパッタ粒子が散乱されないようにす
る手法である。
【０００８】上記コリメートスパッタでは、アスペクト
比２のホールに対して２０〜３０％程度のボトムカバレ
ッジ率が得られており、通常のスパッタリング装置より
は優れた結果が得られる。しかしながら、コリメートス
パッタではコリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積し
て損失になるために成膜速度が低下したり、コリメータ
ーに堆積した薄膜が剥離してパーティクル発生の原因と
なったりする問題がある。このため、コリメータスパッ
タは、アスペクト比が３程度の１６メガビットのクラス
までのデバイスが限界とされている。
【０００９】一方、低圧遠隔スパッタでは、アスペクト
比２のホールに対して約４０％、アスペクト比３．５の
ホールに対して約２０％のボトムカバレッジ率が得られ
ており、コリメートスパッタよりも優れた性能を示して
いる。しかしながら、低圧遠隔スパッタでは、圧力を低
くしターゲットと基板との距離を長くするため本質的に
成膜速度が低下する問題があり、低圧遠隔スパッタでも
アスペクト比４程度までのデバイスが限界とされてい
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本願の発明は、上述の
ような従来の状況をふまえ、アスペクト比４以上のホー
ルの内面にボトムカバレッジ率よく成膜を行えるように
することを解決課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えたスパ
ッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられた
金属製のターゲットと、スパッタ放電を生じさせてター
ゲットをスパッタするスパッタ電源と、スパッタチャン
バー内に所定のガスを導入するガス導入手段と、スパッ
タ粒子が入射する位置に基板を保持する基板ホルダーと
を備えたスパッタリング装置であって、前記ガス導入手
段は、ターゲットから放出されるスパッタ粒子に反応し
て、基板の特定領域に対する付着性が当該スパッタ粒子
単体の場合よりもより低く且つ基板の他の領域において
解離可能な化合物を生成する反応性ガスを導入すること
が可能に構成されている。また、上記課題を解決するた
め、請求項２記載の発明は、排気系を備えたスパッタチ
ャンバーと、スパッタチャンバー内に設けられた金属製
のターゲットと、スパッタ放電を生じさせてターゲット
をスパッタするスパッタ電源と、スパッタチャンバー内
に所定のガスを導入するガス導入手段と、表面に微細な
ホールが形成された基板を前記スパッタチャンバー内の
スパッタ粒子が入射する位置に保持する基板ホルダーと
を備えたスパッタリング装置であって、前記ガス導入手
段は、ターゲットから放出されるスパッタ粒子に反応し
て、当該スパッタ粒子単体よりも前記ホールの側壁に対
する付着性がより低く且つホールの底面において解離可
能な化合物を生成する反応性ガスを導入することが可能
に構成されている。また、上記課題を解決するため、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、前記反応性ガスは、イオン化した際にスパッタ粒子
から電子を奪ってスパッタ粒子をイオン化させることが
可能なものであるという構成を有する。また、上記課題
を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項
１、２又は３の構成において、前記ガス導入手段は、前
記スパッタ放電を生じさせるためのスパッタ放電用ガス
に加えて前記反応性ガスを導入することが可能に構成さ
れている。また、上記課題を解決するため、請求項５記
載の発明は、上記請求項１、２、３又は４の構成におい
て、前記ターゲットはチタンから形成されており、前記
反応性ガスは水素であるという構成を有する。また、上
記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、上記請
求項５の構成において、前記ガス導入手段は、水素ガス
よりなる反応性ガスとともに、アルゴンガスと窒素ガス
とを導入することが可能に構成されている。また、上記
課題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求
項１、２、３、４、５又は６の構成において、前記ター
ゲットからターゲットへのスパッタ粒子の飛行経路に、
前記スパッタ放電によって形成されるプラズマとは別の
プラズマを形成してスパッタ粒子又は前記反応性ガスを
イオン化させるプラズマ形成手段が設けられているとい
う構成を有する。また、上記課題を解決するため、請求
項８記載の発明は、上記請求項１、２、３、４、５、６
又は７の構成において、前記ガス導入手段は、前記反応
性ガスを活性化又はイオン化させた状態で導入すること
が可能に構成されている。また、上記課題を解決するた
め、請求項９記載の発明は、上記請求項８の構成におい
て、前記ガス導入手段は、前記活性化又はイオン化させ
た反応性ガスを基板の表面近傍の空間に向けて導入する
ことが可能に構成されている。また、上記課題を解決す
るため、請求項１０記載の発明は、上記請求項１、２、
３、４、５、６、７、８又は９の構成において、基板に
対して垂直にイオンを入射させるためのイオン入射用電
界を設定する電界設定手段が設けられているという構成
を有する。
【００１２】
【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、本願発明の第一の実施形態のス
パッタリング装置の構成を説明する正面概略図である。
本実施形態のスパッタリング装置は、排気系１１を備え
たスパッタチャンバー１と、このスパッタチャンバー１
内に設けられたターゲット２と、このターゲット２をス
パッタするスパッタ電源３と、スパッタチャンバー１内
に所定のガスを導入するガス導入手段４と、ターゲット
２から放出されたスパッタ粒子が入射する位置に基板５
０を保持する基板ホルダー５とを備えている。
【００１３】まず、スパッタチャンバー１は、不図示の
ゲートバルブを備えた気密な容器である。このスパッタ
チャンバー１は、ステンレス等の金属製であり、電気的
には接地されている。排気系１１は、ターボ分子ポンプ
や拡散ポンプ等を備えた多段の真空排気システムで構成
されており、スパッタチャンバー１内を１０-8Ｔｏｒｒ
程度まで排気可能になっている。また、排気系１１は、
バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器を備
え、排気速度を調整することが可能になっている。
【００１４】ターゲット２は、金属製であり、本実施形
態ではチタンで形成されている。ターゲット２は、例え
ば厚さ６ｍｍ、直径３００ｍｍ程度の円板状であり、金
属製のターゲットホルダー２１及び絶縁体２２を介して
スパッタチャンバー１に取付けられている。ターゲット
２の背後には、磁石機構３０が設けられており、マグネ
トロンスパッタを行うようになっている。磁石機構３０
は、中心磁石３１と、この中心磁石３１を取り囲む周辺
磁石３２と、中心磁石３１及び周辺磁石３２とを繋ぐ円
板状のヨーク３３とから構成されている。尚、各磁石３
１，３２は、いずれも永久磁石であるが、電磁石でこれ
らを構成することも可能である。
【００１５】スパッタ電源３は、所定の負の高電圧をタ
ーゲット２に印加するよう構成される。例えばチタンの
スパッタの場合、７００Ｖ程度の負の直流電圧を印加す
るよう構成されることが多い。
【００１６】さて、本実施形態の装置の大きな特徴点を
成すガス導入手段４は、スパッタ放電を生じさせるため
のスパッタ放電用ガスとしてのアルゴンと、反応性ガス
としての水素と、窒素ガスとをスパッタチャンバー１内
に導入することが可能になっている。具体的には、ガス
導入手段４は、アルゴンガス導入系４１と、水素ガス導
入系４２と、窒素ガス導入系４３とを有している。それ
ぞれのガス導入系４１，４２，４３は、それぞれのガス
を溜めたボンベ４１１，４２１，４３１と、配管上に設
けられたバルブ４１２，４２２，４３２及び流量調整器
４１３，４２３，４３３等から構成されている。
【００１７】アルゴンガス導入系４１、水素ガス導入系
４２及び窒素ガス導入系４３は、同一の主配管４０に接
続されており、所定の混合比に混合したり、バルブ４１
２，４２２，４３２の切替えによっていずれかのガスを
選択したりしてスパッタチャンバーに導入することが可
能になっている。尚、ガス導入手段４の主配管４０は、
スパッタチャンバー１を気密に貫通し、ターゲット２の
下方のスパッタ放電空間に向けてガスを導入するよう構
成されている。
【００１８】基板ホルダー５は、絶縁体５３を介してス
パッタチャンバー１に気密に設けられており、ターゲッ
ト２に対して平行に基板５０を保持するようになってい
る。基板ホルダー５には、基板５０を静電気によって吸
着する不図示の静電吸着機構が設けられる。静電吸着機
構は、基板ホルダー５内に設けられた吸着電極と吸着電
極に直流電圧を印加する吸着電源とから構成される。
尚、成膜中に基板５０を加熱して成膜を効率的にする不
図示の加熱機構等が基板ホルダー５内に設けられる場合
がある。
【００１９】また、本実施形態の装置では、基板５０に
対して垂直にイオンを入射させるためのイオン入射用電
界を設定する電界設定手段６が設けられている。この電
界設定手段６は、本実施形態では、高周波とプラズマと
の相互作用によって基板５０にセルフバイアス電圧を与
える基板バイアス用電源６１によって構成されている。
基板バイアス用電源６１は、例えば周波数１３．５６Ｍ
Ｈｚで出力２００Ｗ程度の高周波を発生させるものが使
用され、不図示の整合器を介して基板ホルダー５に高周
波電力を供給するようになっている。尚、基板バイアス
用電源６１は、６０〜１００ＭＨｚ程度の周波数でもよ
い。
【００２０】スパッタ電源３によってスパッタ放電が生
ずると、ターゲット２の下方に放電によるプラズマＰが
生成されるが、基板バイアス用電源６１によって基板５
０に高周波電圧が印加されると、基板５０の上方の空間
にも弱いプラズマＰ’が生成される。このうち、基板５
０の表面にはこのプラズマＰ’中の荷電粒子が周期的に
引き寄せられる。このうち、移動度の高い電子は正イオ
ンに比べて多くが基板５０の表面に引き寄せられ、その
結果、基板５０の表面は負の電位にバイアスされたのと
同じ状態になる。具体的には、上述した例の基板バイア
ス用電源６１の場合、平均値で−１００Ｖ程度のバイア
ス電圧を基板５０に与えることができる。
【００２１】上記基板バイアス電圧が与えられた状態
は、直流二極放電でプラズマを形成した場合の陰極シー
ス領域と同様であり、プラズマＰ’と基板５０との間に
基板５０に向かって下がる電位傾度を有するイオン入射
用電界が設定された状態となる。このイオン入射用電界
によって、基板５０の上方に存在するイオンが引き出さ
れて基板５０に効率良く入射するようになっている。
【００２２】尚、本実施形態の装置は、スパッタ粒子の
不必要な場所への付着を防止する防着シールド８がスパ
ッタチャンバー１内に設けられている。防着シールド８
はほぼ円筒状の部材であり、ターゲット２と基板ホルダ
ー５との間の空間を取り囲むようにして設けられてい
る。
【００２３】スパッタ粒子がスパッタチャンバー１の器
壁等の不必要な場所に付着すると、経時的に薄膜を堆積
する。この薄膜がある程度の量に達すると内部ストレス
等によって剥離し、スパッタチャンバー１内をパーティ
クルとなって浮遊する。このパーティクルが基板５０に
達すると、局部的な膜厚異常等の不良を発生させる。こ
のため、本実施形態の装置は、ターゲット２と基板ホル
ダー５との間の空間を防着シールド８で取り囲み、不要
な場所へのスパッタ粒子の付着を防止している。防着シ
ールド８の表面には、堆積した薄膜の剥離を防止する凹
凸が形成されている。また、防着シールド８は、交換可
能に設けられており、薄膜が所定の厚さになると新品の
もの又は薄膜を除去したものと交換される。
【００２４】次に、上記構成に係る本実施形態の装置の
動作を説明する。まず、基板５０が不図示のゲートバル
ブを通してスパッタチャンバー１内に搬入され、基板ホ
ルダー５上に載置される。スパッタチャンバー１内は予
め１０-8Ｔｏｒｒ程度まで排気されおり、基板５０の載
置後にガス導入手段４が動作し、スパッタ放電用ガスと
してのアルゴンと反応性ガスとしての水素とを所定の流
量でスパッタチャンバー１内に導入する。
【００２５】排気系１１の排気速度調整器を制御してス
パッタチャンバー１内を例えば６０ｍＴｏｒｒ程度に維
持し、この状態でスパッタ放電を始動させる。即ち、ス
パッタ電源３によってターゲット２に所定の電圧を与
え、イオン化したアルゴンガスがターゲット２を叩くこ
とによってマグネトロンスパッタ放電が生じる。これに
よって、ターゲット２の下方にプラズマＰが形成され
る。並行して、電界設定手段６としての基板バイアス用
電源６１を動作させ、イオン入射用電界を設定する。
【００２６】スパッタによってターゲット２から放出さ
れたスパッタ粒子は、基板５０に達して基板５０の表面
に所定の薄膜を堆積する。薄膜が所定の厚さに達する
と、ス基板バイアス用電源６１、スパッタ電源３及びガ
ス導入手段４の動作を停止させ、スパッタチャンバー１
内を再度排気した後、基板５０をスパッタチャンバー１
から搬出する。尚、メタルのスパッタでは、スパッタ粒
子は殆どの場合原子の状態でターゲットから放出される
ので、以下の説明では、適宜「スパッタ粒子」を「スパ
ッタ原子」と言い換える。
【００２７】上記実施形態の装置を使用して集積回路用
のバリア膜を作成する例について説明すると、まず、最
初にスパッタ放電用ガスとしてアルゴンを導入して上述
のようにチタン薄膜を成膜する。そして、その後スパッ
タ放電用ガスを窒素に切り替えて導入し、チタンと窒素
との反応を補助的に利用しながら窒化チタン薄膜を成膜
する。これによって、チタン薄膜の上に窒化チタン薄膜
を積層したバリア膜が得られる。
【００２８】さて、上記構成及び動作に係る本実施形態
の装置の大きな特徴点は、基板５０の表面に形成された
微細なホールに対するボトムカバレッジ率を向上させる
ため、基板５０の表面に対するスパッタ原子の付着性を
制御している。この点を以下に詳説する。図２は、反応
性ガスの効果について説明する断面概略図である。
【００２９】発明者の研究によると、上述した水素ガス
のような反応性ガスをアルゴン等のスパッタ放電用ガス
に所定の比率で混合して導入すると、スパッタ原子と反
応性ガスとの反応によってスパッタ粒子の基板５０に対
する付着性を下げることができ、結果的に、微細なホー
ルに対するボトムカバレッジ率を向上できることが判明
した。
【００３０】上述したチタン製のターゲット２のスパッ
タにおいて、アルゴンガスと水素ガスとの流量比を例え
ば９：１程度に設定し、６０ｍＴｏｒｒ程度の圧力にて
スパッタを行うと、アルゴンガス１００％の場合に比
べ、アスペクト比４のホールに対するボトムカバレッジ
率は４０％から６０％程度へと改善される。この原因に
ついては、完全に解明された訳ではないが、以下のよう
に推察される。
【００３１】即ち、例えば、導入された水素ガスは、ア
ルゴンガスによるスパッタ放電で形成されたプラズマ中
によって活性化して、水素ラジカルが生成される。この
水素ラジカルは、ターゲット２から放出されたチタン原
子と反応し、ＴｉＨラジカルが生成される。
【００３２】このＴｉＨラジカルは、蒸気圧が高く、従
って、基板５０の表面に対する付着係数（表面に到達し
た際にその表面に付着する度合い）が小さい。このた
め、このようなＴｉＨラジカルが基板５０の表面のホー
ル５００内に入射すると、ＴｉＨラジカルはホール５０
０の側壁５０１には付着せず、その多くがホール５００
の底面５０２にまで落下してくる。そして、底面５０２
において基板５０の材料を触媒としてＴｉＨはＴｉとＨ
に分離し、Ｔｉはチタン薄膜５１０を堆積させる。Ｈは
水素ガス分子となって揮発し、最終的には排気系１１に
よってスパッタチャンバー１から排気されることにな
る。
【００３３】このように、反応性ガスとしての水素ガス
は、Ｔｉスパッタ原子を付着係数の低いＴｉＨラジカル
に変え、Ｔｉをホール５００の底面５０２にまで効率良
く導く作用を有している。このような作用のため、ホー
ル５００に対するボトムカバレッジ率が向上するものと
考えられる。
【００３４】尚、付着係数は、一般に蒸気圧に依存す
る。従って、請求項１にいう「付着性がより低く」は、
「蒸気圧がより高く」と言い換えることも可能である。
３００℃程度におけるＴｉの飽和蒸気圧は１０-11 Ｔｏ
ｒｒ以下であり、ＴｉＨの飽和蒸気圧は７６０Ｔｏｒｒ
以上である。ＴｉＨラジカルの飽和蒸気圧はＴｉＨより
高いと考えられるから、ＴｉＨラジカルは、Ｔｉより飽
和蒸気圧がはるかに高く、従って、付着係数が低い。
【００３５】次に、上記のように反応性ガスとして水素
を導入した場合のＴｉスパッタ原子の反応について、よ
り詳細に検討する。まず、気相中では、以下のような反
応が生じていることが予想される。 Ｔｉ＋Ｈ+ →Ｔｉ+ ＋Ｈ ……（１） Ｔｉ＋Ｈ+ →（ＴｉＨ）* ……（２） Ｔｉ＋Ｈ* →（ＴｉＨ）* ……（３） 式（１）は、Ｔｉスパッタ原子が水素イオンに電子を奪
われることによってＴｉイオンに変化する反応、式
（２）は、Ｔｉスパッタ原子が水素イオンと反応してＴ
ｉＨラジカルを生成する反応、式（３）は、Ｔｉスパッ
タ原子が水素ラジカルと反応してＴｉＨラジカルを生成
する反応をそれぞれ示している。
【００３６】一方、基板５０の表面では、以下のような
反応が生じていることが予想される。 （ＴｉＨ）* →ＴｉＨ……（４） ＴｉＨ→Ｔｉ＋Ｈ ……（５） 式（４）は、ＴｉＨラジカルが基板５０の表面への衝突
によって失活する過程を表しており、式（５）は、Ｔｉ
Ｈが分離してＴｉ（固体）とＨ（気体）に分離する反応
を表している。尚、Ｔｉはチタン薄膜を堆積する素とな
り、ＨはＨ2 となって再び空間に放出され、上記のよう
な反応に再び利用されるか、又は、最終的に排気系１１
によって排気される。
【００３７】多くの場合、式（４）と式（５）は連続的
であると考えられる。つまり、式（２）又は式（３）の
反応によって生成されたＴｉＨラジカルは、基板５０の
表面に対する一回又は数回の衝突によって失活してＴｉ
Ｈとなり、それが再び基板５０の表面に達した際、Ｔｉ
とＨに分離するものと考えられる。上述のように、水素
を反応性ガスとして使用するとボトムカバレッジ率が向
上するのは、この式（４）の反応が専らホールの側面へ
の衝突の際に頻繁に起こり、式（５）がホールの底面へ
の到達の際に頻繁に起こるものと考えられる。
【００３８】また、式（１）によって生成されたイオン
化Ｔｉスパッタ原子は、イオン化スパッタリングの作用
も生じさせているものと考えられる。図３は、イオン化
スパッタリングの作用を説明する断面概略図である。
【００３９】図３（ａ）に示すように、基板５０の表面
に形成された微細なホール５００内に薄膜５１０を堆積
させる際、ホール５００の開口の縁５０３の部分に薄膜
が盛り上がって堆積する傾向がある。この盛り上がりの
部分の薄膜５１０は「オーバーハング」と呼ばれるが、
オーバーハングが形成されると、ホール５００の開口が
小さくなって見かけ上アスペクト比が高くなってしま
う。このため、ホール５００内に達するスパッタ原子の
量が少なくなり、ボトムカバレッジ率が低下してしま
う。
【００４０】ここで、図３（ｂ）に示すように、イオン
化Ｔｉスパッタ原子が基板５０に達すると、このイオン
化Ｔｉスパッタ原子はオーバーハングの部分の薄膜５１
０を再スパッタして崩し、ホール５００内に落とし込む
ように作用する。このため、ホール５００の開口が小さ
くなるのを防止するとともに、ホール５００の底面５０
２への膜堆積を促進するため、ボトムカバレッジ率が向
上する。尚、このようなオーバーハングの再スパッタ
は、イオン化Ｔｉスパッタ原子のみならず、上述した水
素イオンや、スパッタ放電用ガスとしてのアルゴンガス
のイオンによっても生じ得る。
【００４１】また、本実施形態の装置では、上述した通
り電界設定手段６によって基板５０に垂直な基板５０に
向かって電位が下がるイオン入射用電界が設定されるの
で、上記イオン化Ｔｉスパッタ原子は、このイオン入射
用電界によって導かれて基板５０に垂直に入射し易くな
る。このため、イオン化Ｔｉスパッタ粒子は深いホール
５００の底面５０２にまで到達し易くなり、この点もボ
トムカバレッジ率の向上に貢献しているものと考えられ
る。このように、本実施形態の装置では、基板５０の表
面へのスパッタ原子の付着性を下げる反応を補助的に利
用するとともに、イオン化スパッタリングの作用も利用
することで、ボトムカバレッジ率の高い成膜を達成して
いる。
【００４２】次に、本願発明の第二の実施形態について
説明する。図４は、第二の実施形態のスパッタリング装
置の構成を説明する正面概略図である。この第二の実施
形態の装置が第一の実施形態の装置と異なるのは、ター
ゲット２から基板５０へのスパッタ粒子の飛行経路に、
スパッタ放電によって形成されるプラズマＰとは別のプ
ラズマＰ”を形成してスパッタ原子又は反応性ガスをイ
オン化させるプラズマ形成手段７が設けられている点で
ある。
【００４３】プラズマ形成手段７は、本実施形態では、
スパッタ粒子の飛行経路に設定されたプラズマ形成空間
に高周波電界を誘起することでプラズマＰ”を形成する
よう構成されている。より具体的には、プラズマ形成手
段７は、プラズマ形成空間を取り囲むよう配置された高
周波コイル７１と、高周波コイル７１に不図示の整合器
を介して所定の高周波電力を供給するプラズマ用高周波
電源７２とから構成されている。プラズマ用高周波電源
７２は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで出力は３ｋＷ
程度である。
【００４４】ガス導入手段４によって導入されたスパッ
タ放電用ガスとしてのアルゴンガスや反応性ガスとして
の水素ガスは、高周波コイル７１によって誘起された高
周波電界からエネルギーを与えられてプラズマ化し、プ
ラズマＰ”を形成する。プラズマＰ”中では、水素イオ
ンや水素ラジカルが盛んに生成される。これらの水素イ
オンや水素ラジカルは、前述した式（１）から式（５）
に示すようにＴｉＨラジカルやＴｉイオンを生成し、前
述したのと同様にボトムカバレッジ率の向上に貢献す
る。
【００４５】前述したように、水素イオンや水素ラジカ
ルは、スパッタ放電によって形成されるプラズマＰ中で
も生成されるが、本実施形態では、プラズマＰ”中でも
さらに生成されるため、より多くの量の水素イオンや水
素ラジカルを得て、上記ボトムカバレッジ率向上の効果
をより高く得ることができる。
【００４６】また、プラズマＰ”はＴｉスパッタ原子の
飛行経路に形成されるので、ターゲット２から飛来する
Ｔｉスパッタ原子のうちには、プラズマＰ”中で直接イ
オン化するものを多くある。このため、上述したイオン
化スパッタリングの効果も本実施形態の装置では増進さ
れており、この点でもボトムカバレッジ率のさらなる向
上に貢献している。
【００４７】次に、本願発明の第三の実施形態について
説明する。図５は、第三の実施形態のスパッタリング装
置の構成を説明する正面概略図である。この第三の実施
形態の装置が第一及び第二の実施形態の装置と異なるの
は、ガス導入手段４が、反応性ガスを活性化又はイオン
化させた状態で導入することが可能に構成されている点
である。
【００４８】まず、本実施形態のガス導入手段４では、
アルゴンガス導入系４１と窒素ガス導入系４３とは同一
の主配管４０に接続されており、所定の混合比に混合し
たり、バルブ４１２，４３２の切替えによってどちらか
一方のみを選択したりしてスパッタチャンバーに導入す
ることが可能になっている。
【００４９】また、図５に示すように、水素ガス導入系
４２の配管４２０は複数に分岐し、各々の先端にはエネ
ルギー供給管４２４が接続されている。エネルギー供給
管４２４は、内径３０ｍｍ程度の円管状であり、内部を
スパッタチャンバー１内に連通させた状態でスパッタチ
ャンバー１に気密に接続されている。尚、エネルギー供
給管４２４は、例えば４本程度設けられ、スパッタチャ
ンバー１の側壁に等間隔をおいて接続される。
【００５０】そして、各エネルギー供給管４２４内には
高周波アンテナ４２５が設けられており、高周波アンテ
ナ４２５には反応性ガス用高周波電源４２６が接続され
ている。高周波アンテナ４２５としては、本実施形態で
は、シングルループタイプのアンテナが使用されてお
り、反応性ガス用高周波電源４２６から高周波電力が供
給されて励振され、エネルギー供給管４２４内に高周波
電界を放射するようになっている。尚、反応性ガス用高
周波電源４２６としては、例えば周波数６０ＭＨｚで出
力２００Ｗ程度ものが使用される。
【００５１】高周波アンテナ４２５から放射された高周
波電界は、配管４２０から導入された水素ガスにエネル
ギーを与えてイオン化させたり活性化させたりする。こ
の結果、エネルギー供給管４２４からは水素イオンや水
素ラジカルが豊富に供給される。このため、前述した式
（１）から式（５）に従った反応がより多く行われ、ボ
トムカバレッジ率改善の効果がさらに高く得られる。
【００５２】尚、この実施形態では、上述のように水素
イオンや水素ラジカルが豊富に供給されるので、第二の
実施形態におけるようなプラズマ形成手段７は採用され
ていない。しかしながら、この第三の実施形態において
もプラズマ形成手段７を採用することには効果がある。
【００５３】例えば、エネルギー供給管４２４から供給
された水素イオンが再結合して中性水素ガスになった
り、水素ラジカルが失活して定常状態の水素ガスになっ
たりした場合、プラズマ形成手段７が形成するプラズマ
はこれらの水素ガスを再びイオン化したり活性化したり
することができる。このため、上記式（１）から式
（５）の過程をより効率的に維持することができ、ボト
ムカバレッジ率改善の効果をより効率的に得ることがで
きる。尚、水素イオンの再結合や水素ラジカルの失活の
問題は、水素イオンや水素ラジカルの供給個所が基板か
ら離れている場合に起こり得るので、この第三の実施形
態においてプラズマ形成手段７を採用することは特に効
果がある。
【００５４】また、この第三の実施形態においても、プ
ラズマ形成手段７を採用することによって、ターゲット
２から飛来するＴｉスパッタ原子を効率よくイオン化さ
せるが可能となり、前述したイオン化スパッタの効果を
得ることができる。
【００５５】次に、本願発明の第四の実施形態について
説明する。図６は、第四の実施形態のスパッタリング装
置の構成を説明する正面概略図である。この第四の実施
形態の装置は、上述した第三の実施形態の構成におい
て、ガス導入手段４の構成を変更している。即ち、第四
の実施形態では、ガス導入手段４は活性化又はイオン化
させた反応性ガスを基板５０の表面近傍の空間に向けて
導入することが可能に構成されている。
【００５６】より具体的には、図６に示すように、各エ
ネルギー供給管４２４は、スパッタチャンバー１内の露
出した先端開口が、基板ホルダー５上の基板５０に向か
うようにスパッタチャンバー１に気密に接続されてい
る。このため、水素イオンや水素ラジカルが効率よく基
板５０の表面近傍の空間に供給され、上述した式（１）
から式（５）の過程をより効率的に維持することができ
る。このため、ボトムカバレッジ率改善の効果をより効
率的に得ることができる。
【００５７】この第四の実施形態では、水素イオンや水
素ラジカルの供給個所が基板５０に近いので、第二の実
施形態におけるようなプラズマ形成手段７を設ける必要
性は第三の実施形態ほど高くはない。しかし、この第四
の実施形態においても、プラズマ形成手段７を設けるこ
とでＴｉスパッタ原子をイオン化させ、イオン化スパッ
タリングの効果を得ることができる。
【００５８】上述した各実施形態の例では、金属製のタ
ーゲット２の例としてチタンを採り挙げたが、アルミニ
ウムや銅等の他の金属でもよいことは勿論である。さら
に、上述した各実施形態では、反応性ガスとは別にスパ
ッタ放電用ガスを導入したが、反応性ガス自体でスパッ
タ放電が持続できる場合があり、このような場合はスパ
ッタ放電用ガスを導入しない場合もある。
【００５９】さらに、前述した例では、反応性ガスは、
基板５０の表面に形成されたホール５００の側壁５０１
に対する付着性がより低く且つホール５００の底面５０
２において解離可能な化合物を生成するものであった
が、これ以外の構成も考えられる。例えば、特定の領域
にのみ選択的に薄膜を堆積する必要がある場合、当該領
域以外の表面では付着性を低くし、当該領域に到達した
際に分離して薄膜を堆積するような化合物を生成する反
応性ガスを使用する。このような選択的な薄膜の堆積
は、タングステンの選択成長法によってコンタクホール
を埋め込むプラグ配線等に類似しているが、このような
選択的な薄膜堆積をＣＶＤ（化学蒸着）ではなく、スパ
ッタリングで出来る可能性がある。
【００６０】尚、本願発明のスパッタリング装置は、各
種半導体デバイスの他、液晶ディスプレイやその他の各
種電子製品の製作に利用することができる。
【００６１】
【発明の効果】以上説明した通り、本願の請求項１の発
明によれば、基板の表面の特定の領域に効率よくスパッ
タ粒子を到達させることができ、特定領域における成膜
速度の低下を補ったり、特定の領域にのみ選択的に薄膜
を堆積させようにすることが可能となる。また、請求項
２の発明によれば、ホールの底面に効率よくスパッタ粒
子を到達させて薄膜を堆積させることができるので、ボ
トムカバレッジ率が向上する。このため、アスペクト比
４以上のホールに対して充分なボトムカバレッジ率で成
膜を行うことができ、２５６メガビット以降の次世代の
デバイスの製作に特に好適なものとなる。また、請求項
３の発明によれば、上記効果に加え、スパッタ粒子がイ
オン化されるので、イオン化スパッタリングの効果も期
待でき、この点でさらにボトムカバレッジ率の高い成膜
が可能となる。また、請求項６の発明によれば、上記効
果に加え、二つの層の相互拡散を防止するバリア膜を作
成する場合に特に好適なものになる。また、請求項７の
発明によれば、スパッタ放電によるプラズマとは別にプ
ラズマが形成されて当該プラズマ中で反応性ガスがイオ
ン化したり活性化したりするので、上記請求項１又は２
の効果がさらに増進される。また、請求項８の発明によ
れば、反応性ガスがイオン化したり活性化したりした状
態で導入されるので、上記各効果がさらに高く得られ
る。また、請求項９の発明によれば、イオンしたり活性
化したりした反応性ガスが基板に向けて供給されるの
で、上記請求項８の効果がさらに高く得られる。また、
請求項１０の発明によれば、基板に垂直なイオン入射用
電界が設定されるので、イオンした反応性ガスを効率よ
く基板の表面近傍の空間に引きつけたり、イオン化スパ
ッタリングの効果をより向上させたりする効果がある。
このため、上記各請求項の発明の効果がさらに増進され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態のスパッタリング装
置の構成を説明する正面概略図である。
【図２】反応性ガスの効果について説明する断面概略図
である。
【図３】イオン化スパッタリングの作用を説明する断面
概略図である。
【図４】第二の実施形態のスパッタリング装置の構成を
説明する正面概略図である。
【図５】第三の実施形態のスパッタリング装置の構成を
説明する正面概略図である。
【図６】第四の実施形態のスパッタリング装置の構成を
説明する正面概略図である。
【符号の説明】
１ スパッタチャンバー １１ 排気系 ２ ターゲット ３ スパッタ電源 ３０ 磁石機構 ４ ガス導入手段 ４１ アルゴンガス導入系 ４２ 水素ガス導入系 ４３ 窒素ガス導入系 ４２４ エネルギー供給管 ４２５ 高周波アンテナ ４２６ 反応性ガス用高周波電源 ５ 基板ホルダー ５０ 基板 ６ 電界設定手段 ６１ 基板バイアス用電源 ７ プラズマ形成手段 ７１ 高周波コイル ７２ プラズマ用高周波電源 ８ 防着シールド

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気系を備えたスパッタチャンバーと、
    スパッタチャンバー内に設けられた金属製のターゲット
    と、スパッタ放電を生じさせてターゲットをスパッタす
    るスパッタ電源と、スパッタチャンバー内に所定のガス
    を導入するガス導入手段と、スパッタ粒子が入射する位
    置に基板を保持する基板ホルダーとを備えたスパッタリ
    ング装置であって、 前記ガス導入手段は、ターゲットから放出されるスパッ
    タ粒子に反応して、基板の特定領域に対する付着性が当
    該スパッタ粒子単体の場合よりもより低く且つ基板の他
    の領域において解離可能な化合物を生成する反応性ガス
    を導入することが可能に構成されていることを特徴とす
    るスパッタリング装置。
  2. 【請求項２】 排気系を備えたスパッタチャンバーと、
    スパッタチャンバー内に設けられた金属製のターゲット
    と、スパッタ放電を生じさせてターゲットをスパッタす
    るスパッタ電源と、スパッタチャンバー内に所定のガス
    を導入するガス導入手段と、表面に微細なホールが形成
    された基板を前記スパッタチャンバー内のスパッタ粒子
    が入射する位置に保持する基板ホルダーとを備えたスパ
    ッタリング装置であって、 前記ガス導入手段は、ターゲットから放出されるスパッ
    タ粒子に反応して、当該スパッタ粒子単体よりも前記ホ
    ールの側壁に対する付着性がより低く且つホールの底面
    において解離可能な化合物を生成する反応性ガスを導入
    することが可能に構成されていることを特徴とするスパ
    ッタリング装置。
  3. 【請求項３】 前記反応性ガスは、イオン化した際にス
    パッタ粒子から電子を奪ってスパッタ粒子をイオン化さ
    せることが可能なもの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。
  4. 【請求項４】 前記ガス導入手段は、前記スパッタ放電
    を生じさせるためのスパッタ放電用ガスに加えて前記反
    応性ガスを導入することが可能に構成されていることを
    特徴とする請求項１、２又は３記載のスパッタリング装
    置。
  5. 【請求項５】 前記ターゲットはチタンから形成されて
    おり、前記反応性ガスは水素であることを特徴とする請
    求項１、２、３又は４記載のスパッタリング装置。
  6. 【請求項６】 前記ガス導入手段は、水素ガスよりなる
    反応性ガスとともに、アルゴンガスと窒素ガスとを導入
    することが可能に構成されていることを特徴とする請求
    項５記載のスパッタリング装置。
  7. 【請求項７】 前記ターゲットからターゲットへのスパ
    ッタ粒子の飛行経路に、前記スパッタ放電によって形成
    されるプラズマとは別のプラズマを形成してスパッタ粒
    子又は前記反応性ガスをイオン化させるプラズマ形成手
    段が設けられている請求項１、２、３、４、５又は６記
    載のスパッタリング装置。
  8. 【請求項８】 前記ガス導入手段は、前記反応性ガスを
    活性化又はイオン化させた状態で導入することが可能に
    構成されていることを特徴とする請求項１、２、３、
    ４、５、６又は７記載のスパッタリング装置。
  9. 【請求項９】 前記ガス導入手段は、前記活性化又はイ
    オン化させた反応性ガスを基板の表面近傍の空間に向け
    て導入することが可能に構成されていることを特徴とす
    る請求項８記載のスパッタリング装置。
  10. 【請求項１０】 基板に対して垂直にイオンを入射させ
    るためのイオン入射用電界を設定する電界設定手段が設
    けられていることを特徴とする請求項１、２、３、４、
    ５、６、７、８又は９記載のスパッタリング装置。
JP9155980A 1997-05-28 1997-05-28 スパッタリング装置 Pending JPH10330932A (ja)

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