JPS597352B2 - 高周波スパツタリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改良された高周波スパッタ装置に関するもので
あり、特に高周波スパッタ装置を用いた絶縁物薄膜の形
成に特に有効なものである。

従来絶縁物薄膜を堆積する方法としては化学蒸着法（Ｃ
ＶＤ法）が普及しており、特に半導体テバイスの製造は
もつぱらこれが用いられている。しかしながら、ＣＶＤ
絶縁膜はアルミニウム配線層の上から被着した場合、配
線の段差部分のカバレージ（被覆）が平坦部にくらべて
非常に悪く、また膜質が緻密でないため、クラック（割
れ目）が入りやすく、あまり厚く被着できない欠点があ
つた。一方、配線の保護絶縁膜の堆積に適した有力な方
法として、高周波スパッタ法は緻密な厚い膜が形成でき
ることが以前より知られており、最近では堆積速度の遅
い欠点を克服するために、ターゲットの裏側にｓおよび
Ｎ極を有する磁石を配置することによつてターゲット近
傍に強い磁界を形成し、放電雰囲気中の荷電粒子を磁界
の作用でターゲット近傍に集中させる方法が開発され、
堆積速度がＣＶＤ法のそれに近づいたばかりか、堆積時
の基板温度上昇が従来より低く保たれ、また半導体デバ
イス特性に対する放電のダメージが従来ょり減少するな
どの有利な特徴が得られている・しかしながら、配線の
段差部分のカバレージの問題に関しては高周波スパッタ
法においてもＣＶＤ法におけると同様の問題があり、こ
れは単に厚く被着すれば解決するといつた問題ではない
。すなわち、第１図ａで下地基板１上に金属配線２があ
る試料に例えばＣＶＤ法により絶縁膜３を被着すると、
段差部分にくびれを生じる。これは被着された絶縁膜が
障害物となつて、斜めから降つてくる絶縁体分子をさえ
ぎる効果が積重なつて生じるとされている。高周波スパ
ッタの場合第１図ｂに示すように絶縁膜３を厚く被着す
ると、一見してくびれは生じないようになる。しかし、
絶縁膜のエッチング液で絶縁膜の表面を軽くエッチング
する（ライトエッチ）と、図の点線の部分に沿つてエッ
チングが急速に進行する。このことは走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）による観察、または簡単には金属配線の腐食
試験により証明することができる。このように弱い部分
が存在することは、信頼性の関点から問題であるばかり
か、同じ機構によつて、下地のわずかな凹凸、たとえば
アルミニウム配線面上のビルロックの周囲に弱い絶縁膜
が堆積される原因ともなり、絶縁膜のエッチング加工工
程においてエッチング速度の場所的なゆらぎを生じ、加
工寸法の不良、下地の浸食などの外観不良品を生じる結
果となる。さて、従来型のスパツタ装置においては、こ
の欠点を克服するために種々の対策が提案されている（
たとえば特公昭４８−１７５９２）。

すなわち、スパツタ雰囲気であるアルゴン（Ａｒ）の圧
力を適当な（小さな）値とすること、基板ホルダ近傍に
ホルダと垂直な方向の集束磁界をかけること、さらに基
板ホルダを電気的にフロートせず、インダクタンス（コ
イル）を通して接地し、放電プラズマ・基板間の容量と
コイルとで共振回路を形成することあるいは基板負バイ
アス印加が有効であるとされている。これらの方策によ
り、放電プラズマと基板ホルダの結合が強まり、基板ホ
ルダはターゲツトほどではないが負電位となり、アルゴ
ン・イオン（Ａｒ＋）の基板への入射が強く活発になり
、堆積膜の構造の弱い部分が逆スパツタで除去される結
果緻密なカバレージ膜が得られると説明されている。し
かしながら、ターゲツトの近傍に特定の磁界を形成して
プラズマをターゲツト近傍に集中させることによつて堆
積速度の向上をはかつたスパツタ装置（高速スパツタ装
置）の場合、上述の方策のうち基本的に重要な集束磁界
を用いるものは、２つの磁界が干渉するため実用上使用
土の困難が発生し、また他の２つの方策を併用してもカ
バレージは十分に改善されないことが、確認された。

これはターゲツト近傍の磁界によつてプラズマがターゲ
ツトの極く近傍に集中しているため、基板ホルダ近傍の
プラズマ密度は従来型の装置にくらべてはるかに小さく
なつており、プラズマと基板との結合が弱まつているた
めと考えられる。実際プラズマの広がりは肉眼である程
度判断できるが、従来型の装置でブラズマがターゲツト
と基板ホルダの間の空間に一様に広がつているのに対し
て、高速スパツタ装置ではプラズマがターゲツト近傍に
集中していることが観測される。本発明は上記した高速
スパツタ装置の欠点を解消するためになされたもので、
ターゲツト周辺の接地金属部分とターゲツトとの電気的
結合を弱めることによつて、高周波電流を接地よりも基
板ホルダに流し、プラズマ中の荷電粒子と基板ホルダの
結合を強めることによつて、カバレージの良好な絶縁膜
を堆積できる方法を提供するものである。

通例スパツタ装置では、スパツタすべきターゲツト材以
外のターゲツト電極の金属部分がスパツタされないため
に、ターゲット周辺に遮へい治具として接地金属を配置
し、タニゲツト材部分を除くターゲツト電極の金属部分
と接地された遮へい治具との距離をプラズマが侵入でき
ない、数關程度に保つことによつて、不用なスパツタリ
ングの発生を防止している（たとえば特公昭４２−１７
４０７）。しかし遮へい治具ないし接地金属の表側はプ
ラズマ空間に露出することになるので、高周波電流の一
部、あるいは装置によつては殆どの部分が、ここに流入
する結果となる。ターゲツトと遮へい治具ないし接地金
属の相対配置は従来型装置の場合、上から下ヘスパツタ
ある装置と下から土ヘスパツタする装置とでターゲツト
材の保持の仕方が異なるなどの便宜的な理由で見かけは
まちまちであるが、しばしばターゲツトの有効部分に非
常に近接して配置される。そのことはプラズマがターゲ
ツト近傍に集中せず、装置内に一様に広がる従来型装置
では、電気インピーダンス的にも、膜質の点でも殆ど問
題にならなかつた。一方、磁界の作用でプラズマをター
ゲツト近傍に集中させた高速スパツタ装置においては、
スパツタ・イールドの向土やプラズマの基板への入射に
よる基板の温度上昇や損傷を避けるねらいから接地され
たターゲツト避へい板をターゲツト近傍の密度の大きい
プラズマにますます近接させて設置し、高周波電流を吸
い取る役目を持たせることが行なわれている。これに対
して本発明では、前記目的を達成するために、磁界の作
用でプラズマをターゲツト近傍に集中させた高速スパツ
タ装置において、プラズマ空間を通して測つたターゲッ
トの有効部分と接地された遮へい治具ないし有効な接地
金属部分との距離を十分大きくとり、さらに基板ホルダ
を接地と電気的に結合させておくことによつて、プラズ
マを通つて流れる高周波電流が接地よりも基板ホルダに
優先して流れるようにし、それによつてＡｒイオンの基
板への入射を盛んにし、カバレージを改善することがで
きた。

以下本発明を実施例によつて詳しく説明する。

第２図は実験用スパツタ室内の電極構造を示す。ターゲ
ツト４として厚さ３ｍｍの円形の石英（ＳｌＯ２等）板
が直径１０（１７７！のターゲツト電極５の上に置かれ
、ターゲツト電極５には金属治具６を通して外部の高周
波電源から、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧が加えられ
る。ターゲツトの近傍にはターゲット電極５のためのス
パツタリング防止用遮へい治具７が配置され、この遮蔽
治具７はスパツタ室の下部壁面８を通して接地されてい
る。ターゲツト電極のすぐ裏側にはプラズマをターゲツ
ト近傍に集中させるための極性を逆にして配置された永
久磁石９および１０が設置されている。一方ターゲツト
と対向して距離Ｄの位置に基板ホルダ１１が置かれてあ
り、その表面上にはアルミニウム配線を含むシリコン・
ウエーハ１２が置かれている。基板ホルダ１１は外部へ
電極１３を取出して、こさを直接接地または適当な受動
回路を通して接地できるようにしてある。基本ホルダの
周辺にも遮へい治具１４が設置されており、これはスパ
ツタ室の土部壁面１５を通して接地されている。この装
置内を真空排気しながらアルゴン（Ａｒ）を導入し、装
置内の圧力を約１０−３〜１０−２Ｔ０ｒｒに保ち、高
周波電圧を印加すると、装置内全体に放電ブラズマが発
生するが、ターゲツトの極く近傍、とくに磁石の中間附
近で輝きが強い。

さて、ターゲツト電極からコンデンサであるターゲツト
を通して加えられた高周波電流はプラズマを通つて、接
地された遮へい治具、壁面、基板ホルダに至り、接地に
流入する。ターゲツトの有効部分から最も近い位置にあ
る接地された金属はターゲツト遮へい治具であり、この
距離を第２図ではＬで示してある。１６は視察およびタ
ーゲツト石英ガラスの減り方から推定できるプラズマ密
度の強い部分を示したもので、永久磁石の中間で最も強
く、しかもターゲツト電極に対向する面全体に高密度の
プラズマが存在している。

第２図で、Ｄ≠Ｌ−：４Ｃ！！Ｌとし、基板ホルダを直
接接地または０．１μＦのコンデンサを通して接地し、
電力密度３．５Ｗ／Ｃｄ，．Ａｒ圧力１．２または５Ｘ
１０−３Ｔ０ｒｒ（シユルツ・ゲージの指示）、ＳｉＯ
２膜を７０分で約３μ被着した。

この場合ターゲツト自身が絶縁性遮へい治具として働ら
いていることに注目されたい。シリコン基板上のＳｉゲ
ートＭＯＳデバイスにおいてアルミニウム配線は厚さ１
．２μとした。この試料を弗化水素酸（ＨＦ′）：弗化
アンモン（ＮＨ４Ｆ）＝１：６液に２５℃において一定
時間浸し、しかる後にアルミの腐食液に浸す試験を行な
つたところ、１：６液に浸す時間がＡｒ圧により３分間
または１分間までは全くアルミ腐食はおきないことがわ
かつた。さらに、基板ホルダと接地の間を適当なコイル
１７で結び、直流プロツク用コンデンサ１８を挿入する
場合としない場合について、Ａｒ圧１．２Ｘ１０−３Ｔ
０ｒｒまたは５Ｘ１０−３Ｔ０ｒｒ（′ＳｉＯ２膜をや
や薄く２μ被着したところ、両者とも１：６液に前記Ａ
ｒ圧により３分または１分浸してもアルミの段差部は露
出しないことがわかつた。ちなみに１：６液による平坦
部のＳｉＯ２膜のエツチング速度は約０．１５μ／Ｗｔ
であつた。１：６液で何分まで膜がもてば良いかは、絶
縁膜被着後の穴あけ工程、その後の検査、および信頼性
試験を通して得た経験によれば、１分以上であれば−Ｌ
６の合格とみて良い。

さらに２分以上では相当良い状態を示す。直径の異なる
石英板を用意することによつてＬを変化させ、それによ
つて得られた膜のカバレージ評価試験を行なつた。

ターゲツト電極の径にほぼ等しい径の石英板を用いたと
き、Ｌは約６１Ｌｍで最も短かくなる。Ｄ＝４ＣＴ！Ｌ
，．Ａｒ圧１．２Ｘ１０−３Ｔ０ｒｒ１電力密度３．５
Ｗ／Ｃｒ！１１基板ホルダ直接接地の場合の１：６液に
耐える時間に関するデータを第３図に示す。Ｌが約２Ｃ
Ｔｎ以下のとき、急激にカバレージが悪化することがわ
かる。この距離はプラズマ鞘の厚さと関係があるように
思われる。なお、Ｄの値は堆積速度や膜厚の均一性の観
点から３〜６ｃｍ程度に選ばれるのが普通であるが、こ
の範囲でＤの値に依存する相違は見られなかつた〜 第４図は実用的なターゲツト近傍の構造の代表的な形を
示す。

この型は現在市販されている絶縁膜堆積用高速スパツタ
装置でもつぱら使われているものである。すなわち、基
板の保持の容易の点で実用的なスパツタ装置はターゲツ
トを基板ホルダの上方に置く、いわゆるダウン・スパツ
タ方式であるが、この場合ターゲツトの保持が問題にな
る。横方向にスパツタする円筒形の場合も同様である。
高速スパツタ装置の場合、ターゲツトの減りが激しく交
換頻度が大きいので、従来のように裏うちの金属に接着
剤ではりつける方法では交換が不便である。電極との接
触が良くとれる必要があり、また比較的高価なターゲツ
ト材を節約する意味もあり、ターゲツト材を金属リング
で高圧電極にネジ止めする方法が最も常識的である。す
なわち第４図でターゲツト４はターゲツト保持治具１９
を用い、ボルト２０によりターゲツト電極５に固定され
る。ターゲツトの遮へい治具２１はボルト２２を用いて
壁面２３に固定接地され、ターゲツト保持治具１９のス
パツタリングを防止する。この場合ＬはＬ＝Ｌ１キ６１
１で極めて小さい。予想されるように、得られたＳｉＯ
２膜によるカバレージは堆積条件により１：６液で１０
秒ないし３０秒程度で全く不満足なものであつた。Ｌを
大きくする対策の一つとして、第５図に示すようにボル
ト２２を通すために遮へい治具２１中にあけられた穴の
周囲に高温用シール剤２４を塗布してボルト２２と遮へ
い治具２１の電気的結合を弱め、かつ遮へい治具２１と
壁面２３の間で２闘位の厚さのワツシヤ２５にボルトを
通した。

遮へい治具２１と接地された３本のボルト２２を通して
の接地との直流抵抗はシール剤塗布の不完全さによるリ
ーク抵抗で、約１ＭΩ程度であつた。これはスパツタ装
置全体の高周波インピーダンスが１ＫΩ程度と言われて
いるのにくらべて十分大きく、わずかな容量結合分を除
けば実質的に遮へい治具は接地に対して電気的にほぼフ
ローテイングの状態にあると見なすことができる。これ
によつて実効的なＬは遮へい治具を越えた長さＬ２に等
しくなつたと見なすことができる。Ｌ２は図では見やす
いために最短距離で描いていない点を理解されたい。接
地されたボルトの頭は面積的にも小さく、ターゲットか
らもかなり離れた位置であるから、問題はない。これに
よつてカバレージのよい絶縁膜が堆積できたことは言う
までもない。このようにターゲツト遮へい治具の少なく
とも一部として、接地と電気的に有効に結合されていな
い導電体を用いることも有用である。上の実施例では遮
へい治具は金属製であつたが、治具の主要部分を絶縁体
とすることもできる。

第６図で遮へい治具はドーナツ状の石英の部分２６とこ
れを保持する金属部分２７から成つている。この場合も
Ｌの長さを制御することによつて、カバレージの良い膜
を堆積することができる。この場合ブラズマと接地との
容量性の結合度が金属治具の場合よりも下がることが利
点である。さらに第７図に示すように金属部分２７と接
地壁面２３フの電気的結合を弱める前述の方法と組合せ
て用いるとさらによい。

本発明の特徴はこのように既製の高速スパツタ装置のタ
ーゲツト近傍の構造に簡単な改造を加えて適用できる点
にある。

本発明のもう一つの大きな特徴は集束磁界および基板ホ
ルダと接地の間の電気的接続法についての制約が非常に
ゅるいことである。

従来の装置で知られた対策法では、不純物の混入、堆積
速度の安定性、膜厚の均一性などの点で最も有利な５Ｘ
１０−３Ｔ０ｒｒ附近のＡｒ圧においては、良いカバレ
ージを得るためには、集速磁界をかけ、さらに基板ホル
ダと接地との間にインダクタンス（コイル）を挿入し、
プラズマと基板ホルダ間の容量に対して共振回路を形成
することによつて、ＲＦ電流の一部が基板ホルダに流れ
込むように調整する必要があつた。高速スパツタ装置の
場合この対策だけでは不十分であることをさておくとし
ても、市販の高速スパツタ装置は、集束磁界を持たず、
又たしかに一部の製品では基板ホルダを電気的にフロー
トとしているが、他の一部の製品では量産用の送り機構
や膜の均一性を得るための回転機構等の都合であらかじ
め基板ホルダが接地されている。この場合、改造するこ
とはかなり困難である。本発明によれば、基板ホルダと
接地との間にインダクタンスを挿入した場合だけでなく
、直接接地（直流的接地）またはコンテンサを介した接
地（交流的接地）の場合でも通常のＡｒ圧において、十
分なカバレージの絶縁膜が得られる。ターゲツトまたは
ターゲツト遮へい治具の簡単な改造のみで膜質の改造が
できる本発明のもたらす寄与は極めて大きいと言わねば
ならない。さらにつけ加えるならば、従来の対策のうち
、Ａｒ圧を１〜２ｘ１０−３Ｔ０ｒｒ程度に下げ、さら
に基板ホルダ近傍に磁界を加える方法は、高速スパッタ
装置では、ターゲツト近傍に特定の磁界を形成している
ため、新たに第２の磁界をもちこむことは磁界が干渉し
合うので避けたいことはさておくとしても、Ａｒ圧を下
げることによつて残留ガス（酸素、水分など）の影響が
非常に大きくなり、動作点の不安定、堆積速度のバラツ
キなどが日立つて来ることが避けられない。

高速スパツタ装置に本発明を適用した場合、普通よく用
いられる５×１０−３Ｔ０ｒｒ程度の圧力でも集束磁界
なしである程度カバレージの良い膜が得られるので非常
に有用である。本発明でこのように集束磁界や基板の接
地法やＡｒ圧の点で制約がゆるいのは、一つには高速ス
パツタ装置ではターゲツトの単位面積当り電力密度が従
来型にくらべて数倍以上大きいことによつていると思わ
れる。

電力密度が大きくできることによつて堆積速度が向土し
ているわけであるが、電力密度が大きいということはプ
ラズマと基板ホルダの間の電流の密度が相対的に大きく
なり得ることを意味してぉり、ターゲツト遮へい治具の
対策さえ行なえば、プラズマと基板ホルダの結合度は比
較的大きくできると考えられる。本実施例では、実際に
用いられるスパツタ技術の代表的な場合について述べた
が、本発明の趣旨はここで詳細に述べた以外のいくつか
の場合についても適用できることは言うまでもない。

たとえば装置的には、円筒形スパツ５夕装置、連続スパ
ツタ装置等、スパツタ材もＳｉＯ２の他の種々のガラス
やアルミナ等種々の絶縁体材料、またたとえばシリコン
・ターゲツトを用いて窒素ガス中で絶縁体である窒化シ
リコン膜を堆積する場合に適用できる。堆積条件たとえ
ばターゲツト電極のサイズや形状、あるいは電力密度も
実施例で用いた値よりも広い範囲で用いることができる
。ただし基板ホルダをフローテイングにすること、基板
ホルダとして厚い絶縁体、たとえばＩｍ以上の石英板を
用いること、Ａｒ圧を１ｘ１０−３Ｔ０ｒｒ以上とする
ことは本発明の効果を著しく害うから、避ける必要があ
る。なお、本発明により、高周波電流が基板に流れ込む
割合は増加するが、それによる堆積速度の変化、基板温
度の上昇、基板の損傷の増加などは認められなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，ｂは段差のある下地基板に絶縁膜を被着した
場合の断面図、第２図は本発明の１実施例を示す高速高
周波スパツタ装置の断面図、第３図は段差カバレージ試
験の結果を示す図、第４図、第５図、第６図および第７
図は本発明の他の実施例を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ターゲットの近傍に磁界を形成し、放電雰囲気中の
   荷電粒子をターゲット近傍に集中させる手段を有する高
   周波スパッタ装置において放電雰囲気を通して測つたタ
   ーゲットの有効部分から接地金属までの距離が２ｃｍ以
   上であり、基板ホルダが接地と電気的に結合されている
   ことを特徴とする高周波スパッタリング装置。