JP3122421B2 - マグネトロンスパッタリング成膜装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理基板上に、導電膜、半導体膜、或いは絶縁膜を形
成するためのマグネトロンスパッタリング成膜装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング成膜方法は、膜の材料を
含むターゲットに電離イオンを衝突させることによりタ
ーゲットから膜材料粒子を放出させ、これを被処理基板
上に堆積成膜するための方法である。スパッタリング成
膜方法は、その成膜速度の速さや良好な膜質等の点か
ら、半導体分野において広く用いられている。

【０００３】薄膜形成において、成膜される薄膜の厚さ
の分布を一定に保つ、即ち面内均一性を高くすること
は、良好なデバイス特性や安定したプロセスを得るため
に重要である。スパッタリング成膜方法により成膜され
た膜の厚さの面内分布については、計算による見積りや
その改善方法等に関して多くの技術が知られている。そ
の中でも特に、ターゲット表面の付近に磁界を形成した
マグネトロンスパッタリング成膜方法は、成膜速度の向
上と膜厚の面内均一性の向上とを同時に実現できる方法
として広く用いられている。

【０００４】マグネトロンスパッタリング成膜方法によ
れば、磁界の存在のために電子がマグネトロン運動を行
い、その結果、電子のトラップ効果が得られる。このト
ラップ効果により、ターゲット表面におけるプラズマ密
度が高くなり、成膜速度を増加させることができる。ま
た、マグネトロンスパッタリング成膜方法によれば、磁
石の配置を変えて磁界を変更することにより、放電状態
の面内分布を調整することができる。即ち、磁石の配置
を最適化し、ターゲット表面のスパッタされる分布を制
御することにより、膜厚の面内均一性を向上させること
ができる。

【０００５】図１は、従来の代表的な平板マグネトロン
スパッタリング成膜装置を示す概略図である。この装置
の場合、電源７によって、被処理基板Ｗ及びターゲット
Ｔの表面に対して直交するように下側電極４及び上側電
極６間に電界が形成される。また、上側電極６の背部に
配設された磁石８により、図２図示の如く、磁力線がタ
ーゲットＴの裏から出て再びターゲットＴ側に戻るルー
プを描くように磁界が形成される。電界及び磁界は、協
働して、ターゲットＴの中心を包囲するリング状、即ち
ドーナツ状の領域に対応してプラズマ密度が高くなるよ
うな電離状態を形成する。このドーナツ形状は、膜厚の
面内均一性を向上させるのに効果的となる。図５は、こ
のような条件で得られた膜厚の面内分布を示す図であ
り、比較的良好なものであることが分かる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マグネトロンスパッタリング成膜装置は、成膜条件の変
更に対して柔軟性に欠ける点がある。即ち、膜厚の面内
分布の補正は、磁界を形成する磁石８の配置によりほぼ
決定される。成膜条件の若干の変更に対しては、回転機
構等により磁石を可動化させて磁界方向を変化させた
り、磁界発生源として電磁石を用いて磁界密度を時間的
に変化させることにより、対応可能となる。しかしなが
ら、成膜条件が大きく変更される際は、膜厚の面内均一
性を向上させるために、磁界発生源の変更や再配置が必
要となる。

【０００７】また、ドーナツ形状のプラズマ密度の高い
領域は、膜厚の面内均一性を向上させるのに効果的であ
る反面、ターゲットの消耗が激しい優先的にスパッタさ
れる部分をもたらす。換言すると、ターゲット表面上に
おける磁界の状態により、ターゲットのスパッタされる
割合の面内分布、即ち、ターゲットの消耗厚さの面内均
一性が決定されてしまう。従って、ターゲットを有効的
に消費するという観点において問題がある。

【０００８】また、マグネトロンスパッタリング成膜装
置においては、電子のマグネトロン運動によりターゲッ
ト近傍に高いプラズマ密度を達成している。プラズマ密
度の制御を積極的に行う方法としては、ターゲットに投
入する電力を変化させる、或いは電磁石を採用して磁束
密度を変化させること等が考えられる。しかし、ターゲ
ットヘの投入電力によりプラズマ密度を変化させる場
合、ターゲットの脆弱性等により投入電力が制限され
る。また、ターゲット表面の磁束密度を変化させる場
合、プラズマの面内分布も同時に大きく変化することに
なり、独立にプラズマ密度のみを変化させることは難し
い。

【０００９】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み
てなされたものであり、成膜条件の変更に対して柔軟に
対応して、成膜膜厚の面内均一性を向上させることが可
能なマグネトロンスパッタリング成膜装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】本発明は、また、成膜条件の変更に対して
柔軟に対応して、ターゲットの消耗厚さの面内均一性を
向上させることが可能なマグネトロンスパッタリング成
膜装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点は、
基板上に膜を形成するためのマグネトロンスパッタリン
グ成膜装置であって、気密な処理室と、前記処理室内に
処理ガスを供給するためのガス供給系と、前記処理室内
を排気すると共に減圧雰囲気に設定するための排気系
と、前記処理室内に配設され且つ前記基板を支持するた
めの載置面を有する下側電極と、前記下側電極と対向す
るように前記処理室内に配設された上側電極と、前記載
置面上に支持された前記基板と対向する表面を有するよ
うに前記上側電極に取付けられた、前記膜の材料を含む
ターゲットと、前記下側電極及び前記上側電極間にＲＦ
電力を付与することにより、前記処理室内で前記処理ガ
スをプラズマに転化するための第１電界を形成するため
の第１電源と、ここで、前記第１電界は、前記プラズマ
中のイオンを前記ターゲットの前記表面に対して引付け
ると共に衝突させることにより、前記ターゲットから前
記材料の粒子を放出させるように形成されることと、前
記ターゲットの前記表面上に前記表面に対して平行な磁
力線を中心とした磁界を形成するための磁界形成手段
と、ここで、前記第１電界と前記磁界とは、前記ターゲ
ットの前記表面の中央部に対応してプラズマ密度が高い
か或いは前記表面の全体に亘って前記プラズマ密度が実
質的に均一となるような第１電離状態を協働して形成す
るように設定されることと、前記下側電極と前記上側電
極とを結ぶ方向を軸として巻回され、且つその中心が前
記下側電極及び前記上側電極間で前記上側電極に近い位
置に配置されたコイルアンテナと、前記コイルアンテナ
の両端間にＲＦ電力を付与することにより、前記処理室
内で前記処理ガスをプラズマに転化するための第２電界
を形成するための第２電源と、ここで、前記第２電源
は、前記第１電離状態を補正するように、前記第１電源
から独立して前記第２電界の強度を調整するように電力
値を変更可能であり、前記ターゲットの前記表面の周辺
部に対応して前記プラズマ密度を高めるように前記第１
電離状態を補正することにより、前記基板上に形成され
る前記膜の厚さの面内均一性を向上させることが可能で
あることと、を特徴とする。

【００１２】本発明の第２の視点は、第１の視点の装置
において、前記コイルアンテナは、中心側が疎で、外側
ほど密となるように巻回されることを特徴とする。

【００１３】本発明の第３の視点は、第１または第２の
視点の装置を使用したマグネトロンスパッタリング成膜
方法であって、前記処理室内で前記載置面上に前記基板
を載置する工程と、次に、前記処理室内を排気しながら
前記処理室内に前記処理ガスを供給することにより、前
記処理室内を所定の減圧雰囲気に設定する工程と、次
に、前記第１及び第２電界並びに前記磁界を形成するこ
とにより、前記処理ガスをプラズマに転化すると共に、
前記プラズマ中のイオンを前記ターゲットに衝突させて
前記ターゲットから前記膜の材料の粒子を放出させ、前
記粒子を前記基板上に堆積させることにより前記膜を形
成する処理工程と、を具備し、前記処理工程において、
前記第２電界は、前記ターゲットの前記表面の周辺部に
対応して前記プラズマ密度を高めるように前記第１電離
状態を補正することにより、前記基板上に形成される前
記膜の厚さの面内均一性を向上させることを特徴とす
る。

【００１４】本発明の第４の視点は、第３の視点の方法
において、前記処理工程における成膜条件の設定におい
て、前記第１電源の電力値の調整により前記膜の成膜速
度の調整を行うと共に、前記第２電源の電力値の調整に
より前記膜の厚さの面内分布の調整を行うことを特徴と
する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。なお、以下の説明におい
て、略同一の機能及び構成を有する構成要素について
は、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行
う。

【００１６】図３は、本発明の実施の形態に係る、半導
体ウエハＷを被処理基板として処理するためのマグネト
ロンスパッタリング成膜装置を示す概略図である。

【００１７】本装置は、略円筒形状の真空容器１１内に
形成された気密なスパッタリング室即ち処理室１０を有
する。真空容器１１の側壁は、表面が保護層で被覆され
た導電性材料からなり、接地線を介して接地される。

【００１８】真空容器１１の側壁には、スパッタリング
ガス等の処理ガスを処理室１０内に供給するためのガス
供給系の供給ライン１２が接続される。供給ライン１２
は、開閉バルブ及び流量調整バルブ（図示せず）を介し
て処理ガスのガス源部１２ａに接続される。ガス源部１
２ａは、アルゴン等のスパッタリングガスや酸素等の反
応性ガスを収納する複数のガス源を含み、ガス供給系
は、これ等を適当に混合して処理ガスとして処理室１０
内に供給することができる。

【００１９】真空容器１１の底板には、排気系の排気ラ
イン１３が接続される。排気ライン１３は、開閉バルブ
及び流量調整バルブ（図示せず）を介して排気ポンプ１
３ａに接続される。排気ポンプ１３ａにより、処理室１
０内を排気すると共に処理室１０内を減圧雰囲気、例え
ば０．１Ｐａ〜１０Ｐａに設定することが可能となる。

【００２０】真空容器１１の底板上には、処理室１０内
に収納されるウエハＷを載置するための水平な載置面１
４ａを有するサセプタ１４が配設される。サセプタ１４
は平面形状がウエハＷよりも幾分大きい円形をなし、こ
の上にウエハＷが同軸状に、即ち中心が整一するように
載置される。サセプタ１４は、加熱及び冷却機構を内蔵
し、ウエハＷを所定の温度に設定することができる。サ
セプタ１４は、表面が保護層で被覆された導電性材料か
らなり、接地線を介して接地されて下側電極として機能
する。

【００２１】真空容器１１の天板１５の中心には、ター
ゲットホルダ１６が処理室１０に対して露出するように
配設される。ターゲットホルダ１６は平面形状が円形を
なし、サセプタ１４と中心が整一するように配置され
る。ターゲットホルダ１６は、表面が保護層で被覆され
た導電性材料からなり、上側電極として機能する。ター
ゲットホルダ１６には、整合器（図示せず）を介して、
例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ（高周波）電力を出力可
能なＲＦ電源１７が接続される。

【００２２】ターゲットホルダ１６の下面には、ウエハ
Ｗ上にスパッタリングにより形成される膜の材料を含む
ターゲットＴが取付けられる。ターゲットＴは、その下
面が水平で且つサセプタ１４の載置面１４ａに対して平
行に対向するように配置される。ターゲットＴは、ま
た、平面形状がサセプタ１４と概ね同じ径の円形をな
し、載置面１４ａ上に載置されるウエハＷと中心が整一
するように配置される。

【００２３】サセプタ即ち下側電極１４とターゲットホ
ルダ即ち上側電極１６との間にＲＦ電源１７からのＲＦ
電力を付与することにより、処理室１０内で処理ガスを
プラズマに転化するための第１電界が形成される。第１
電界はその電気力線が概ね垂直で、プラズマ中のイオン
をターゲットＴの下面に対して引付けると共に衝突させ
ることにより、ターゲットＴから成膜材料の粒子を放出
させる。

【００２４】真空容器１１の側壁の外側で且つ概ね最上
部を囲むように複数の電磁石１８が配設される。電磁石
１８により、図４図示の如く、処理室１０内において、
ターゲットＴの下面に沿って該下面に対して平行な磁力
線を中心とした磁界が形成される。この水平な磁界は、
垂直方向の分布で見ると、ターゲットＴの近傍で最も磁
束密度が高く、従って、ターゲットＴの近傍で最もプラ
ズマ密度が高くなるように形成される。また、水平方向
において、上述の垂直な第１電界と水平な磁界とは、タ
ーゲットＴの下面の中央部に対応してプラズマ密度が高
いか或いは同下面の全体に亘ってプラズマ密度が実質的
に均一となるような第１電離状態を協働して形成する。

【００２５】電磁石１８による磁界の存在のために電子
がマグネトロン運動を行い、その結果、電子のトラップ
効果が得られる。このトラップ効果により、ターゲット
Ｔの表面におけるプラズマ密度が高くなり、成膜速度を
増加させることができる。なお、電磁石１８は、投入電
力により磁束密度が容易に変更可能であり、成膜条件の
変化に容場に対応することができる。

【００２６】電磁石２８は、その上面がターゲットＴの
表面と略同一平面上にあり、且つその上下面間の距離
（厚さ）がターゲットＴの直径の１／１０以下となるよ
うに設計及び配置することが望ましい。これにより、イ
オン（ターゲットＴをスパッタすることとなる）の生成
における均一性を向上させる上で、ターゲット表面上の
平行な磁界領域の厚さが最適な値となるようにすること
ができる。更に、ウエハＷとターゲットＴとの間を狭く
することができ、成膜速度を向上させることが可能とな
る。

【００２７】処理室１０内には、また、サセプタ即ち下
側電極１４の中心とターゲットホルダ即ち上側電極１６
の中心とを結ぶ線を軸として巻回された、ソレノイド型
のコイルアンテナ２１が配設される。コイルアンテナ２
１は、サセプタ１４よりも幾分大きな径を有し、また、
その垂直方向の中心はサセプタ１４とターゲットホルダ
１６との間でターゲットホルダ１６に近い位置に配置さ
れる。コイルアンテナ２１の両端には、整合器（図示せ
ず）を介して、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ（高周
波）電力を出力可能なＲＦ電源２２が接続される。

【００２８】コイルアンテナ２１は、望ましくはターゲ
ットＴと同じ材料を含む（より望ましくはターゲットＴ
よりも耐スパッタ性が高い）材料から形成するか、或い
はこのような材料で被覆することができる。また、コイ
ルアンテナ２１のターン数は図３図示の３ターンに限ら
ず、仕様に応じて自由に変更することができる。

【００２９】なお、コイル電極２１ヘの副生成物の付着
を防止すると共に、コイル電極２１からのコンタミネー
ションを防止することが必要な場合、図３図示の如く、
保護カバー２３を配設することが望ましい。例えば、保
護カバー２３は、コイルアンテナ２１の内周を覆うよう
に配置され、その上下端部が拡径した円筒形状をなす石
英製の保護カバーとすることができる。

【００３０】保護カバー２３とサセプタ１４との間には
シャッタ２５が配設される。シャッタ２５は、ターゲッ
トＴとウエハＷとを完全に遮断する閉鎖状態と、ターゲ
ットＴに対してウエハＷを完全に露出させる開放状態と
の間で開閉可能となる。シャッタ２５により、実質的な
成膜時間を決定することができる。

【００３１】コイルアンテナ２１の両端間にＲＦ電源２
２からのＲＦ電力を付与することにより、処理室１０内
で処理ガスをプラズマに転化するための第２電界が形成
される。ＲＦ電源２２は、前述の第１電離状態を補正す
るように、ＲＦ電源１７から独立して第２電界の強度を
調整するように電力値を変更可能な可変電力電源からな
る。ＲＦ電源２２を介して、ターゲットＴの下面の周辺
部に対応してプラズマ密度を高めるように第１電離状態
を補正することにより、ウエハＷ上に形成される膜の厚
さの面内均一性を向上させることができる。

【００３２】換言すれば、上下電極１６、１４の平行平
板型構造による第１電界のみにより得られるプラズマ密
度は、図９図示の如く、ターゲットＴの中央部に対応し
て高くなるような分布を有する。これに対して、コイル
アンテナ２１による第２電界のみにより得られるプラズ
マ密度は、図１０図示の如く、ターゲットＴの周辺部に
対応して高くなるような分布を有する。従って、第１電
界のみによる凸型のプラズマ密度の分布を、第２電界に
よる凹型のプラズマ密度の分布を利用して補正すること
で、成膜膜厚の面内均一性を向上させることができる。

【００３３】なお、コイルアンテナ２１近傍において、
電磁石１８による磁界は、図４図示の如く、ターゲット
Ｔ側に戻るループを描くように形成される。このため、
コイルアンテナ２１近傍で励起されたプラズマ中の荷電
子体は、ターゲットＴに向けて収束しやすくなる。

【００３４】次に、図３図示の装置を使用した成膜方法
の実施例について説明する。

【００３５】代表的な強誘電体であるチタン酸ジルコン
酸鉛をターゲットＴとして、ターゲットホルダ即ち上側
電極１６に取付けた。ウエハＷをサセプタ１４上に載置
後、処理室１０内の不純物等除去のために十分な排気を
行った。次に、アルゴン及び酸素を適当な割合で混合し
た処理ガスを処理室１０内に導入し、調圧弁により処理
室１０内の成膜圧力を調整した。ここで、使用圧力範囲
は０．１Ｐａ〜１０Ｐａとした。

【００３６】このような状態で、電磁石１８により、タ
ーゲットＴの表面と平行な磁界を処理室１０内に発生さ
せた。また、ＲＦ電源１７から１３，５６ＭＨｚのＲＦ
電力をターゲットホルダ１６に印加し、上下電極１６、
１４間に第１電界を形成した。また、ＲＦ電源２２から
１３，５６ＭＨｚのＲＦ電力をコイルアンテナ２１に印
加し、誘導電界である第２電界を形成した。第１及び第
２電界の協働により、処理ガスを誘導及び容量結合プラ
ズマに転化した。

【００３７】プラズマの安定及びターゲット表面のクリ
ーニングのため、プラズマを励起してから一定時間保持
した。次に、シャッタ２５を開放し、プラズマ中のイオ
ンの衝突によりターゲットＴから放出された粒子をウエ
ハＷ上に堆積させ、成膜を行った。成膜条件の設定にお
いて、異常放電をきたさない範囲内で磁束密度は固定
し、主にＲＦ電源１７の電力値の調整により成膜速度
を、また、主にＲＦ電源２２の電力値に調整より成膜膜
厚の面内分布を夫々調整した。面内分布の調整は、ウエ
ハＷ上に形成された膜の厚さの面内分布を測定しながら
行った。

【００３８】図６は、上述の成膜方法において、成膜条
件を最適化した際に得られた成膜膜厚の面内分布を示す
図である。この最適条件から、ＲＦ電源２２の電力値を
低くした場合は、図７に示すように、ウエハ周辺部の膜
厚が低下した。逆に、この最適条件から、ＲＦ電源２２
の電力値を高くした場合は、図８に示すように、ウエハ
周辺部の膜厚が増加した。

【００３９】なお、上述の成膜方法においては、電磁石
１８、ＲＦ電源１７、ＲＦ電源２２のターンオンをこの
順で行っているが、本発明はこの手順に限られるもので
はない。また、コイルアンテナ２１や磁石１８の配置や
形状は、図示の態様に限られるものではない。

【００４０】例えば、図１１図示の変更例においては、
ソレノイド型のコイルアンテナ３２が真空容器１１の外
側でこれを巻回するように配設される。この構成は、既
存の装置を改造する場合に好適となること、コイルアン
テナ３２ヘの副生成物の堆積がないこと、コイルアンテ
ナ３２の材料に対する制限が少ないこと、メンテナンス
性に優れること、等の利点がある。しかし、逆に、真空
容器１１の側壁におけるエネルギーロスが大きくなるこ
とから、これを低減する必要があり、例えば、望ましい
態様において、真空容器１１の側壁は誘電体壁からな
る。

【００４１】また、図１２図示の変更例においては、真
空容器１１内に磁石３４が配設される。この構成は、真
空容器１１が透磁性の劣る材料からなる場合に好適とな
る。なお、この構成の場合、磁石３４が処理雰囲気に晒
されて脱ガスやスパッタリング堆積物の影響を受けるの
を避けるため、透磁性に優れた材料のカバー３６で磁石
３４を覆って保護するか、完全に処理雰囲気から隔離
（別室化）することが望ましい。

【００４２】また、プラズマ密度の分布を最適化するた
めに、コイルアンテナの形状を変更することができる。
例えば、図１３及び図１４図示の変更例のコイルアンテ
ナ４２は、上側に向かって導線４３の巻径が次第に大き
くなるように形成される。この構成によれば、コイルア
ンテナ４２による誘導電界により、ターゲットＴの近傍
において、周辺部のプラズマ密度を更に上昇させること
ができる。

【００４３】図１５及び図１６図示の変更例のコイルア
ンテナ４６は、上側に向かって導線４７の巻径が次第に
大きくなるだけでなく、導線４７の間隔が中心付近で疎
であり外側ほど密となるように形成される。この構成に
よれば、ターゲットＴの近傍において周辺部のプラズマ
密度を上昇させる効果を更に高めることができる。

【００４４】なお、これらのコイルアンテナの形状はソ
レノイド型のコイルアンテナに限定されるものではな
く、様々な種類のコイルアンテナに適応可能である。例
えば、コイルアンテナを複数個用いたような構成に対し
ても応用することができる。

【００４５】図１７は、本発明の別の実施の形態に係る
マグネトロンスパッタリング成膜装置を示す概略図であ
る。

【００４６】図１７図示の装置は、図３図示の装置と比
較すると、真空容器１１、ガス供給系、排気系、サセプ
タ１４、ターゲットホルダ１６、ターゲットＴ等につい
ては同一の構成を有するが、電磁石１８及び３ターンの
コイルアンテナ２１に代え、永久磁石５２及び１ターン
のコイルアンテナ５４を有する点において異なる。

【００４７】永久磁石５２は、図１図示の従来の装置に
おける磁石８と基本的に同じように、ターゲットホルダ
１６の背部に配置される。即ち、永久磁石５２により形
成される磁界は、図２図示の如く、磁力線がターゲット
Ｔの裏から出て再びターゲットＴ側に戻るループを描く
ように形成される。従って、上下電極１６、１４により
形成される垂直な第１電界と永久磁石５２により形成さ
れる磁界とは、ターゲットＴの中心を包囲するリング
状、即ちドーナツ状の領域に対応してプラズマ密度が高
くなるような第１電離状態を協働して形成する。このド
ーナツ形状は、ウエハＷ上に形成される膜の厚さの面内
均一性を向上させるのに効果的となる。

【００４８】コイルアンテナ５４は、サセプタ即ち下側
電極１４の中心とターゲットホルダ即ち上側電極１６の
中心とを結ぶ線を軸として巻回される。コイルアンテナ
５４は、サセプタ１４よりも幾分大きな径を有し、ま
た、その垂直方向の中心はサセプタ１４とターゲットホ
ルダ１６との間でターゲットホルダ１６に近い位置に配
置される。コイルアンテナ５４の両端には、整合器（図
示せず）を介して、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ（高
周波）電力を出力可能なＲＦ電源２２が接続される。

【００４９】コイルアンテナ５４は、処理室１０内の雰
囲気に直接晒されるため、望ましくはターゲットＴと同
じ材料を含む（より望ましくはターゲットＴよりも耐エ
ロージョン性が高い）材料から形成するか、或いはこの
ような材料で被覆することができる。例えば、成膜材料
としてシリコン酸化物を使用する場合、コイルアンテナ
５４として、石英からなる管状のリング内にアンテナ線
を通した構成のものを使用することができる。また、成
膜材料としてチタン酸ジルコン酸鉛を使用する場合、ア
ンテナ線を酸化チタンや酸化ジルコニウムで覆うことが
できる。

【００５０】コイルアンテナ５４の両端間にＲＦ電源２
２からのＲＦ電力を付与することにより、処理室１０内
で処理ガスをプラズマに転化するための第２電界（誘導
電界）が形成される。ＲＦ電源２２は、前述の第１電離
状態を補正するように、ＲＦ電源１７から独立して第２
電界の強度を調整するように電力値を変更可能な可変電
力電源からなる。

【００５１】例えば、成膜条件の変更に応じて、ＲＦ電
源２２を介して、第１電離状態を補正することにより、
ウエハＷ上に形成される膜の厚さの面内均一性を向上さ
せることができる。この際、併せて、第１電離状態にお
ける局部的な高プラズマ電離状態（ドーナツ形状）を緩
和することができるため、ターゲットのスパッタされる
割合の面内分布、即ち、ターゲットの消耗厚さの面内均
一性も向上させることができる。従って、ターゲットを
有効的に消費することが可能となる。なお、コイルアン
テナ５４は、ターゲットホルダ１６に近い位置に配置さ
れるため、誘導及び容量結合による放電効果をターゲッ
ト側で生かすことができる。

【００５２】次に、図１７図示の装置を使用した成膜方
法の実施例について説明する。

【００５３】シリコン酸化物をターゲットＴとして、タ
ーゲットホルダ即ち上側電極１６に取付けた。ウエハＷ
をサセプタ１４上に載置後、処理室１０内の不純物等除
去のために十分な排気を行った。次に、アルゴンガスを
処理室１０内に導入し、調圧弁により処理室１０内の成
膜圧力を調整した。ここで、使用圧力範囲は０．１Ｐａ
〜１０Ｐａとした。

【００５４】このような状態で、ＲＦ電源１７から１
３，５６ＭＨｚのＲＦ電力をターゲットホルダ１６に印
加し、上下電極１６、１４間に第１電界を形成した。ま
た、ＲＦ電源２２から１３，５６ＭＨｚのＲＦ電力をコ
イルアンテナ５４に印加し、誘導電界である第２電界を
形成した。第１及び第２電界の協働により、処理ガスを
誘導及び容量結合プラズマに転化した。

【００５５】図１８は、ＲＦ電源１７をターンオンし、
ＲＦ電源２２をターンオフした状態で得られた成膜膜厚
の面内分布を示す。ＲＦ電源２２からの電力値を増加さ
せるにつれ、成膜速度が向上すると共に、膜厚の面内分
布も変化した。このような手順で、膜厚分布が最も良好
な条件を決定することができた。

【００５６】図１９は、本発明の更に別の実施の形態に
係るマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す概略図
である。

【００５７】図１９図示の装置は、図１７図示の装置の
磁界の方向を変更した構成を有する。このため、真空容
器１１の側壁の外側で且つ概ね最上部を囲むように複数
の永久磁石５６が配設されると共に、ターゲットホルダ
１６の背部に複数の永久磁石５８が配置される。このよ
うな磁石配置によれば、図２０図示の如く、磁石５６と
磁石５８との間で磁界を収束させたターゲット表面磁界
を得ることができる。即ち、図１９図示の装置の磁界
は、図３図示の装置及び図１７図示の装置の磁界の中間
の状態となる。この構成によれば、ターゲット表面に平
行な磁界成分を多くすると共に、平行平板のスパッタリ
ング方法における凸型の膜厚面内分布を多少緩和するこ
とが可能となる。

【００５８】図２１は、本発明の更に別の実施の形態に
係るマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す概略図
である。

【００５９】図２１図示の装置は、図３図示の装置と比
較すると、真空容器１１、ガス供給系、排気系、サセプ
タ１４、ターゲットホルダ１６、ターゲットＴ、電磁石
１８等については同一の構成を有するが、ソレノイド型
のコイルアンテナ２１に代え平坦渦巻き型のコイルアン
テナ６４を有する点において異なる。

【００６０】コイルアンテナ６４は、真空容器１１の外
側で、誘電性材料製の天井１５上に配設される。コイル
アンテナ６４は、サセプタ即ち下側電極１４の中心とタ
ーゲットホルダ即ち上側電極１６の中心とを結ぶ線を軸
として巻回される。コイルアンテナ６４は、サセプタ１
４よりも幾分大きな径を有する。コイルアンテナ６４の
両端には、整合器（図示せず）を介して、例えば１３．
５６ＭＨｚのＲＦ（高周波）電力を出力可能なＲＦ電源
２２が接続される。

【００６１】コイルアンテナ６４の両端間にＲＦ電源２
２からのＲＦ電力を付与することにより、処理室１０内
で処理ガスをプラズマに転化するための第２電界が形成
される。ＲＦ電源２２は、上下電極１６、１４間の垂直
な第１電界と水平な磁界との協働により形成される第１
電離状態を補正するように、ＲＦ電源１７から独立して
第２電界の強度を調整するように電力値を変更可能な可
変電力電源からなる。

【００６２】具体的には、垂直な第１電界と水平な磁界
とは、ターゲットＴの下面の中央部に対応してプラズマ
密度が高いか或いは同下面の全体に亘ってプラズマ密度
が実質的に均一となるような第１電離状態を協働して形
成する。これに対して、ＲＦ電源２２及びコイルアンテ
ナ６４を介して、ターゲットＴの下面の周辺部に対応し
てプラズマ密度を高めるように第１電離状態を補正する
ことにより、ウエハＷ上に形成される膜の厚さの面内均
一性を向上させることができる。

【００６３】コイルアンテナ６４は、誘導結合型のプラ
ズマエッチング装置で使用されている外付けコイルアン
テナと同様に、大面積化への対応や、不純物混入防止等
の利点が得られる。しかし、エッチング装置において
は、コイルアンテナにより面内均一性の高い誘導電界を
形成するのに対して、本発明に係るコイルアンテナ６４
においては、ターゲットＴの下面の周辺部に対応してプ
ラズマ密度を高めるように誘導電界を形成する点で相違
する。このため、図２２図示の如く、コイルアンテナ６
４は、導線６５の間隔が中心付近で疎であり外側ほど密
となるように形成される。図１３乃至図１６を参照して
も述べたように、このようなコイルアンテナの形状の変
更を行うことにより、プラズマ密度の分布を最適化する
ことができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明に係るマグネトロンスパッタリン
グ成膜装置によれば、成膜条件の変更に対して柔軟に対
応して、成膜膜厚の面内均一性を向上させることが可能
となる。また、本発明に係るマグネトロンスパッタリン
グ成膜装置によれば、成膜条件の変更に対して柔軟に対
応して、ターゲットの消耗厚さの面内均一性を向上させ
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の代表的な平板マグネトロンスパッタリン
グ成膜装置を示す概略図。

【図２】図１または図１７図示の装置において形成され
る磁界の磁力線を示す図。

【図３】本発明の実施の形態に係るマグネトロンスパッ
タリング成膜装置を示す概略図。

【図４】図３図示の装置において形成される磁界の磁力
線を示す図。

【図５】図１図示の装置の最適条件下で得られる成膜膜
厚の面内分布を示す図。

【図６】図３図示の装置の最適条件下で得られる成膜膜
厚の面内分布を示す図。

【図７】図３図示の装置において、最適条件から、コイ
ルアンテナの電源の電力値を低くした場合に得られる成
膜膜厚の面内分布を示す図。

【図８】図３図示の装置において、最適条件から、コイ
ルアンテナの電源の電力値を高くした場合に得られる成
膜膜厚の面内分布を示す図。

【図９】平行平板型構造による電界のみにより得られる
プラズマ密度を示す図。

【図１０】コイルアンテナによる電界のみにより得られ
るプラズマ密度を示す図。

【図１１】図３図示の装置の変更例を示す図。

【図１２】図３図示の装置の別の変更例を示す図。

【図１３】図３図示の装置の更に別の変更例を示す図。

【図１４】図１３図示の装置のコイルアンテナを示す平
面図。

【図１５】図３図示の装置のコイルアンテナの別の変更
例を示す側面図。

【図１６】図１５図示のコイルアンテナを示す平面図。

【図１７】本発明の別の実施の形態に係るマグネトロン
スパッタリング成膜装置を示す概略図。

【図１８】図１７図示の装置において、アンテナコイル
の電源をターンオフした状態で得られた成膜膜厚の面内
分布を示す図。

【図１９】本発明の更に別の実施の形態に係るマグネト
ロンスパッタリング成膜装置を示す概略図。

【図２０】図１９図示の装置において形成される磁界の
磁力線を示す図。

【図２１】本発明の更に別の実施の形態に係るマグネト
ロンスパッタリング成膜装置を示す概略図。

【図２２】図２１図示の装置のコイルアンテナを示す平
面図。

【符号の説明】

Ｔ…ターゲット Ｗ…ウエハ １０…処理室 １１…真空容器 １２…ガス供給ライン １３…排気ライン １４…サセプタ １６…ターゲットホルダ １７…ＲＦ電源 １８…電磁石 ２１…コイルアンテナ ２２…ＲＦ電源 ２３…保護カバー ２５…シャッタ ５２、５６、５８…永久磁石 ５４…コイルアンテナ ６４…コイルアンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 政彦 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株式会社東芝生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 平４−346829（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−209873（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/285

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に膜を形成するためのマグネトロン
   スパッタリング成膜装置であって、 気密な処理室と、 前記処理室内に処理ガスを供給するためのガス供給系
   と、 前記処理室内を排気すると共に減圧雰囲気に設定するた
   めの排気系と、 前記処理室内に配設され且つ前記基板を支持するための
   載置面を有する下側電極と、 前記下側電極と対向するように前記処理室内に配設され
   た上側電極と、 前記載置面上に支持された前記基板と対向する表面を有
   するように前記上側電極に取付けられた、前記膜の材料
   を含むターゲットと、 前記下側電極及び前記上側電極間にＲＦ電力を付与する
   ことにより、前記処理室内で前記処理ガスをプラズマに
   転化するための第１電界を形成するための第１電源と、
   ここで、前記第１電界は、前記プラズマ中のイオンを前
   記ターゲットの前記表面に対して引付けると共に衝突さ
   せることにより、前記ターゲットから前記材料の粒子を
   放出させるように形成されることと、 前記ターゲットの前記表面上に前記表面に対して平行な
   磁力線を中心とした磁界を形成するための磁界形成手段
   と、ここで、前記第１電界と前記磁界とは、前記ターゲ
   ットの前記表面の中央部に対応してプラズマ密度が高い
   か或いは前記表面の全体に亘って前記プラズマ密度が実
   質的に均一となるような第１電離状態を協働して形成す
   るように設定されることと、 前記下側電極と前記上側電極とを結ぶ方向を軸として巻
   回され、且つその中心が前記下側電極及び前記上側電極
   間で前記上側電極に近い位置に配置されたコイルアンテ
   ナと、ここで、前記コイルアンテナは、中心側が疎で、
   外側ほど密となるように巻回されることと、 前記コイルアンテナの両端間にＲＦ電力を付与すること
   により、前記処理室内で前記処理ガスをプラズマに転化
   するための第２電界を形成するための第２電源と、ここ
   で、前記第２電源は、前記第１電離状態を補正するよう
   に、前記第１電源から独立して前記第２電界の強度を調
   整するように電力値を変更可能であり、前記ターゲット
   の前記表面の周辺部に対応して前記プラズマ密度を高め
   るように前記第１電離状態を補正することにより、前記
   基板上に形成される前記膜の厚さの面内均一性を向上さ
   せることが可能であることと、 を特徴とするマグネトロンスパッタリング成膜装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載のマグネトロンスパッタリ
   ング成膜装置を使用した成膜方法であって、 前記処理室内で前記載置面上に前記基板を載置する工程
   と、 次に、前記処理室内を排気しながら前記処理室内に前記
   処理ガスを供給することにより、前記処理室内を所定の
   減圧雰囲気に設定する工程と、 次に、前記第１及び第２電界並びに前記磁界を形成する
   ことにより、前記処理ガスをプラズマに転化すると共
   に、前記プラズマ中のイオンを前記ターゲットに衝突さ
   せて前記ターゲットから前記膜の材料の粒子を放出さ
   せ、前記粒子を前記基板上に堆積させることにより前記
   膜を形成する処理工程と、 を具備し、前記処理工程において、前記第２電界は、前
   記ターゲットの前記表面の周辺部に対応して前記プラズ
   マ密度を高めるように前記第１電離状態を補正すること
   により、前記基板上に形成される前記膜の厚さの面内均
   一性を向上させることを特徴とするマグネトロンスパッ
   タリング成膜方法。
3. 【請求項３】前記処理工程における成膜条件の設定にお
   いて、前記第１電源の電力値の調整により前記膜の成膜
   速度の調整を行うと共に、前記第２電源の電力値の調整
   により前記膜の厚さの面内分布の調整を行うことを特徴
   とする請求項２に記載のマグネトロンスパッタリング成
   膜方法。
4. 【請求項４】基板上に膜を形成するためのマグネトロン
   スパッタリング成膜装置を使用した成膜方法であって、 前記成膜装置は、 気密な処理室と、 前記処理室内に処理ガスを供給するためのガス供給系
   と、 前記処理室内を排気すると共に減圧雰囲気に設定するた
   めの排気系と、 前記処理室内に配設され且つ前記基板を支持するための
   載置面を有する下側電極と、 前記下側電極と対向するように前記処理室内に配設され
   た上側電極と、 前記載置面上に支持された前記基板と対向する表面を有
   するように前記上側電極に取付けられた、前記膜の材料
   を含むターゲットと、 前記下側電極及び前記上側電極間にＲＦ電力を付与する
   ことにより、前記処理室内で前記処理ガスをプラズマに
   転化するための第１電界を形成するための第１電源と、
   ここで、前記第１電界は、前記プラズマ中のイオンを前
   記ターゲットの前記表面に対して引付けると共に衝突さ
   せることにより、前記ターゲットから前記材料の粒子を
   放出させるように形成されることと、 前記ターゲットの前記表面上に前記表面に対して平行な
   磁力線を中心とした磁界を形成するための磁界形成手段
   と、ここで、前記第１電界と前記磁界とは、前記ターゲ
   ットの前記表面の中央部に対応してプラズマ密度が高い
   か或いは前記表面の全体に亘って前記プラズマ密度が実
   質的に均一となるような第１電離状態を協働して形成す
   るように設定されることと、 前記下側電極と前記上側電極とを結ぶ方向を軸として巻
   回され、且つその中心が前記下側電極及び前記上側電極
   間で前記上側電極に近い位置に配置されたコイルアンテ
   ナと、 前記コイルアンテナの両端間にＲＦ電力を付与すること
   により、前記処理室内で前記処理ガスをプラズマに転化
   するための第２電界を形成するための第２電源と、ここ
   で、前記第２電源は、前記第１電離状態を補正するよう
   に、前記第１電源から独立して前記第２電界の強度を調
   整するように電力値を変更可能であり、前記ターゲット
   の前記表面の周辺部に対応して前記プラズマ密度を高め
   るように前記第１電離状態を補正することにより、前記
   基板上に形成される前記膜の厚さの面内均一性を向上さ
   せることが可能であることと、 を特徴とし、 前記方法は、 前記処理室内で前記載置面上に前記基板を載置する工程
   と、 次に、前記処理室内を排気しながら前記処理室内に前記
   処理ガスを供給することにより、前記処理室内を所定の
   減圧雰囲気に設定する工程と、 次に、前記第１及び第２電界並びに前記磁界を形成する
   ことにより、前記処理ガスをプラズマに転化すると共
   に、前記プラズマ中のイオンを前記ターゲットに衝突さ
   せて前記ターゲットから前記膜の材料の粒子を放出さ
   せ、前記粒子を前記基板上に堆積させることにより前記
   膜を形成する処理工程と、 を具備し、前記処理工程において、前記第２電界は、前
   記ターゲットの前記表面の周辺部に対応して前記プラズ
   マ密度を高めるように前記第１電離状態を補正すること
   により、前記基板上に形成される前記膜の厚さの面内均
   一性を向上させることと、 前記処理工程における成膜条件の設定において、前記第
   １電源の電力値の調整により前記膜の成膜速度の調整を
   行うと共に、前記第２電源の電力値の調整により前記膜
   の厚さの面内分布の調整を行うことと、 を特徴とするマグネトロンスパッタリング成膜方法。