JPS5931847B2 - High frequency sputtering equipment - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は膜厚および膜質の均一な絶縁膜を堆積するため
の高周波スパッタリング装置の改良に関するものである
。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an improvement in a high frequency sputtering apparatus for depositing an insulating film with uniform thickness and quality.

従来、高周波スパッタリング装置は低温において緻密な
絶縁膜を形成できる装置として知られているが、絶縁膜
の場合、そのスパッタリング効率はかなり低く、膜の形
成速度は１００Ａ／ｍｉｎ程度であつた。Conventionally, high-frequency sputtering equipment has been known as an equipment that can form dense insulating films at low temperatures, but in the case of insulating films, its sputtering efficiency is quite low, and the film formation rate is about 100 A/min.

これは、半導体素子の保護膜形成に用いた場合、この工
程に長時間を要するという欠点になつていた。すなわち
、半導体表面の段差をスパッタリング法で形成した酸化
シリコンで保護するには段差以上の膜厚が必要とされて
おり完全な保護のためには段差の２倍の膜厚が望ましい
と考えられている。従つて、段差が１．５〜２μｍの場
合には３〜４μｍ・の酸化シリコン膜を形成しなければ
ならないが、上記の形成速度では３μｍの膜厚を得るた
めには正味５時間のスパッタリングが必要であり、これ
は長すぎ工業上の不利益は大きい。このようにスパッタ
リング効率の低いのは、石英のターゲットに入射するア
ルゴンイオンが少ないためである。これを改善するため
、ターゲット近傍にアルゴンのプラズマを集中すること
によりスパッタリング効率を向上させた高速スパッタリ
ング装置が開発されている。ながでも構造が簡単で効率
の高いものの一つが第１図に示すものである。これは、
ターゲット電極１および、その表面に取りつけたターゲ
ット材２と、通常接地された対向した試料ホルダー３か
らなつていることは、これまでの高周波スパッタリング
装置と変わらないが、さらにターゲット電極１の裏面に
、ターゲットに対して１つの極性たとえばＮ極を向けた
磁石４とｓ極を向けた磁石５が配置されている。（なお
、第１図等は主要構成部品のみを示したものである。他
の構成は一般的なスパッタ装置と同様である。）これを
、ターゲット電極１に対して垂直な方向から見た配置図
を第２図に示す。すなわち、磁石４はターゲットの中心
に相当する場所に置かれ、磁石５は周辺部に近い部分に
円周状に置かれている。この形状はターゲット形状によ
つて改変され、たとえば長方形のターゲットでは、第２
図の方向から見れば、磁石４は長方形、磁石５は長方形
の周状に配置される。ターゲツト表面では中央部の磁石
４から発し周辺部の磁石５へ至る、表面に対して平行な
磁界成分が存在する。This has been a disadvantage in that this process requires a long time when used for forming a protective film for a semiconductor element. In other words, in order to protect a step on a semiconductor surface with silicon oxide formed by sputtering, a film thickness greater than the step is required, and it is thought that a film thickness twice as thick as the step is desirable for complete protection. There is. Therefore, when the step height is 1.5 to 2 μm, a silicon oxide film of 3 to 4 μm must be formed, but at the above formation rate, it takes a net 5 hours of sputtering to obtain a film thickness of 3 μm. However, this is too long and is a major industrial disadvantage. The reason for this low sputtering efficiency is that there are few argon ions incident on the quartz target. In order to improve this, high-speed sputtering equipment has been developed that improves sputtering efficiency by concentrating argon plasma near the target. One of the simple structure and highly efficient one is shown in Fig. 1. this is,
It is the same as conventional high-frequency sputtering equipment in that it consists of a target electrode 1, a target material 2 attached to the surface thereof, and a sample holder 3 facing the ground, but in addition, on the back surface of the target electrode 1, A magnet 4 with one polarity, for example, a north pole facing the target, and a magnet 5 with an s pole facing the target are arranged. (Note that Figure 1 etc. only show the main components. The other configurations are the same as those of a general sputtering device.) A diagram is shown in FIG. That is, the magnet 4 is placed at a location corresponding to the center of the target, and the magnets 5 are placed circumferentially near the periphery. This shape is modified by the target shape, for example for a rectangular target, the second
When viewed from the direction of the drawing, the magnets 4 are arranged in a rectangular shape, and the magnets 5 are arranged around the circumference of the rectangle. At the target surface, there is a magnetic field component parallel to the surface, emanating from the central magnet 4 and extending to the peripheral magnets 5.

この磁界成分のために電子およびアルゴンイオンは、タ
ーゲツト上の磁極間部分で磁界と直角方向の円形あるい
は長方形の回転運動を行ない、その結果、この部分のプ
ラズマ密度が増加して、ターゲツトのスパツタリング効
率が向上する。この構造により、石英ターゲツトによる
酸化シリコン膜の形成では、５００〜１０００＆省１ｎ
の堆積速度が得られている。しかしながら、第１図の磁
石配置では局所的なプラズマの集中が起きるため、ター
ゲツトは部分的にけずり取られる。Due to this magnetic field component, electrons and argon ions perform a circular or rectangular rotational motion perpendicular to the magnetic field in the area between the magnetic poles on the target, which increases the plasma density in this area and improves the sputtering efficiency of the target. will improve. With this structure, when forming a silicon oxide film using a quartz target, it is possible to save 500~1000 & 1n
A deposition rate of . However, with the magnet arrangement shown in FIG. 1, local plasma concentration occurs and the target is partially scraped off.

第３図は延べ１００μｍのスパツタリング酸化シリコン
膜を形成した後のターゲツト石英板の断面図である。中
央部のかなりの部分がほとんど減つていない。このよう
に部分的にスパツタリングされるため、対向している基
板上に形成されるスパツタリング膜も膜厚分布の大きな
ものになる。しかも、ここで述べている対向電極型のス
パツタリング装置では、試料を自公転運動させることが
難かしいので、均一な膜厚の得られないことは非常に大
きな問題点となつていた。さらにこのような不均一なタ
ーゲツトの消耗は、高周波電源のマツチングを急速に悪
くさせるし、ターゲツト板もひんぱんに取り換えねばな
らなかつた。本発明は上述した従来技術の欠点をなくし
、均一な膜厚の絶縁膜を堆積できる高周波スパツタリン
グ装置を提供するものである。FIG. 3 is a cross-sectional view of the target quartz plate after forming a sputtered silicon oxide film with a total thickness of 100 μm. A large part of the central part has hardly decreased. Since sputtering is performed locally in this manner, the sputtered film formed on the opposing substrate also has a large film thickness distribution. Moreover, in the opposed electrode type sputtering apparatus described here, it is difficult to cause the sample to rotate and revolve, so the inability to obtain a uniform film thickness has been a very serious problem. Furthermore, such uneven target wear rapidly deteriorates the matching of the high frequency power supply, and the target plate must be replaced frequently. The present invention eliminates the drawbacks of the prior art described above and provides a high frequency sputtering apparatus capable of depositing an insulating film of uniform thickness.

すなわち、上述した高速の高周波スパツタリング装置に
おける電子とアルゴンイオンの回転を阻止することなく
、じよう乱することによりターゲツト面のスパツタリン
グを均一化するものである。その方法としては、第２図
の磁石４と５の間に強度の弱い両極性の磁石をいくつか
配置し、望むらくはさらに改変した形状の磁石を運動さ
せることにより、ターゲツト上の個々の点の磁界をじよ
う乱させる。以下、本発明を実施例によつて詳細に説明
する。実施例 １第４図は本発明の高周波スパツタリン
グ装置におけるターゲツト電極裏面に配置した磁石の磁
極配列を示す。That is, the sputtering on the target surface is made uniform by disturbing the rotation of electrons and argon ions in the above-mentioned high-speed high-frequency sputtering device without blocking them. The method is to place several weak bipolar magnets between magnets 4 and 5 in Figure 2, and move the magnets, preferably with a modified shape, to move individual points on the target. completely disturbs the magnetic field of Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to Examples. Embodiment 1 FIG. 4 shows the magnetic pole arrangement of the magnet placed on the back surface of the target electrode in the high frequency sputtering apparatus of the present invention.

図において磁石４と磁石５は第２図に示したものと同じ
であり、さらに、その中間部にＮ極をターゲツトに向け
た磁石６とＳ極を向けた磁石７が配置されている。ここ
で磁石４と５は同じ強度の磁石を用い、磁石６と７はそ
の１／２の強度のものを用いた。強度は磁石とターゲツ
トの距離で調整することもできる。その結果、磁石６と
７の間で電子とイオンは円の半径方向に力を受けるが、
その力は磁石４と５による回転運動ほどに強くないので
、ターゲツト外に逃れる電子とイオンは少なく、全体と
しては円周状の回転運動を続ける。堆積速度は第１図、
第２図に示した従来構造と変わらなかつた。しかしスパ
ツタリングの均一性についてはかなり相違が見られ、本
発明の構造により、延べ１００μｍの酸化シリコン膜を
堆積した後のターゲツト材の断面図を第５図に示す。第
３図に比べてより均一にスパツタリングされている。さ
らに、磁石６と７を中央部を回転軸としてターゲツト上
で回転させたところより均一性の良いスパツタリングが
できた。上記の実施例において、中央部と周辺部の磁石
の強度は同程度、またその間に入れる磁石はその１／２
の強度としたがこの値には限られない。In the figure, the magnets 4 and 5 are the same as those shown in FIG. 2, and furthermore, a magnet 6 with the north pole facing the target and a magnet 7 with the south pole facing the target are placed in the middle. Here, magnets 4 and 5 had the same strength, and magnets 6 and 7 had half the strength. The strength can also be adjusted by adjusting the distance between the magnet and the target. As a result, the electrons and ions receive a force in the radial direction of the circle between magnets 6 and 7.
Since the force is not as strong as the rotational movement caused by the magnets 4 and 5, few electrons and ions escape from the target, and the target as a whole continues its circular rotational movement. The deposition rate is shown in Figure 1.
The structure was the same as the conventional structure shown in FIG. However, there was a considerable difference in the uniformity of sputtering, and FIG. 5 shows a cross-sectional view of the target material after a total thickness of 100 μm of silicon oxide film was deposited using the structure of the present invention. The sputtering is more uniform than in FIG. 3. Furthermore, when the magnets 6 and 7 were rotated on the target with the central part as the rotation axis, more uniform sputtering was achieved. In the above example, the strength of the magnets in the center and the periphery is the same, and the magnet inserted between them is 1/2 the strength.
However, it is not limited to this value.

ただし、中央部と周辺部の間に入れる磁石を、中央部、
周辺部のいずれよりも強くすることは、電子およびイオ
ンの回転運動が妨げられることから、避けねばならない
。中間に配する磁石の強度は、中央部と周辺部に配した
磁石の強度の大略８割程度で効果を奏する。However, if a magnet is inserted between the center and the periphery,
Making it stronger than any of the peripheral parts must be avoided since the rotational movement of electrons and ions will be hindered. The strength of the magnet placed in the middle is approximately 80% of the strength of the magnets placed in the center and the periphery, which is effective.

また実用的には中央部と周辺部に配した磁石の２割以上
の強度を多く用いるが、磁石を配することでそれなりの
効果を奏し得る。さらに、中央部と周辺部の間に配置し
た磁石６および７の形状、数、配置は上述のものに限ら
れるものではなく、たとえば、第６図に示すようにより
小型の磁石を数多く円周に対してジグザグにならべても
良いし、あるいは、ターゲットがより大きければ第７図
に示すように二重、三重に円周状に配置しても良い。In addition, in practice, a strength of 20% or more of the magnets placed in the center and the periphery is often used, but placing the magnets can produce a certain effect. Furthermore, the shape, number, and arrangement of the magnets 6 and 7 placed between the central part and the peripheral part are not limited to those described above; for example, as shown in FIG. On the other hand, they may be arranged in a zigzag pattern, or if the target is larger, they may be arranged in double or triple circles as shown in FIG.

また、ターゲツト形状の変更や、冷却水のターゲツト裏
面への流し方の変更などが、本発明の効果を妨げないこ
とは明らかである。Furthermore, it is clear that changing the shape of the target, changing the way cooling water flows to the back surface of the target, etc. do not impede the effects of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は従来の高速の高周波スパツタ装置のターゲツト
部分を示す断面図、第２図は第１図において示した磁石
部分の平面図、第３図は、第１図、第２図で示した装置
で使用した後のターゲツト材の断面図、第４図は本発明
の実施例１で示した高周波スパツタリング装置における
磁石配置を示す平面図、第５図は実施例１の装置におい
て使用した後のターゲツト材の断面図、第６図、第７図
はそれぞれ異なる実施例となる磁石配置の平面図である
。 なお、図において １はターゲツト電極、２はターゲツ
ト材、３は基板ホルダー、４はＮ極をターゲット電極に
向けた磁石、５はＳ極をターゲツト電極に向けた磁石、
６はＳ極をターゲツト電極に向けた磁石、７はＮ極をタ
ーゲツト電極に向けた磁石である。Fig. 1 is a sectional view showing the target part of a conventional high-speed high-frequency sputtering device, Fig. 2 is a plan view of the magnet part shown in Fig. 1, and Fig. 3 is the same as that shown in Figs. 1 and 2. 4 is a cross-sectional view of the target material after being used in the apparatus, FIG. 4 is a plan view showing the magnet arrangement in the high frequency sputtering apparatus shown in Example 1 of the present invention, and FIG. The cross-sectional view of the target material, and FIGS. 6 and 7 are plan views of magnet arrangements according to different embodiments. In the figure, 1 is a target electrode, 2 is a target material, 3 is a substrate holder, 4 is a magnet with its north pole facing the target electrode, 5 is a magnet with its south pole facing the target electrode,
6 is a magnet with its south pole facing the target electrode, and 7 is a magnet with its north pole facing the target electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ ターゲット電極裏面に配置された磁石を有する高周
波スパッタリング装置において、上記電極裏面の中央部
と周辺部には互いに逆極性の磁石が配置され、かつ、上
記磁石の間には、上記磁石よりも強度が弱く、かつ、互
いに極性の異なる複数個の磁石が配置されていることを
特徴とする高周波スパッタリング装置。1. In a high-frequency sputtering device having a magnet arranged on the back surface of the target electrode, magnets with opposite polarities are arranged in the central part and peripheral part of the back surface of the electrode, and between the magnets there is a magnet with a stronger strength than that of the magnet. A high-frequency sputtering device characterized in that a plurality of magnets having weak polarities and different polarities are arranged.