JPH03240944A

JPH03240944A - アルミニウム薄膜形成用対向ターゲット式スパッタ法及び装置

Info

Publication number: JPH03240944A
Application number: JP3688590A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Naoe; 直江　正彦
Original assignee: OSAKA SHINKU KIKI SEISAKUSHO KK
Current assignee: OSAKA SHINKU KIKI SEISAKUSHO KK
Priority date: 1990-02-17
Filing date: 1990-02-17
Publication date: 1991-10-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、対向ターゲット式スパッタ技術に係り、より
詳細には、不純物が極めて少なく且つ膜損傷のない良質
のアルミニウム薄膜を形成できる対向ターゲット式スパ
ッタ法及び装置に関する。

（従来の技術）近年、アルミニウム薄膜は、電子工学の様々な分野で重
要な役割を担っている０例えば、集積回路の配線や、薄
膜コンデンサ、ディスプレイデノ（イス、弾性表面波フ
ィルター、サーマルプリンターヘッド等の配線、或いは
光磁気記録媒体等の表面被覆などが挙げられる。また、
光透過性アルミニウム超薄膜の研究開発等にも必要とさ
れる。

このような用途に利用し得るアルミニウム薄膜としては
、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレーシ
ョンなどに対する耐マイグレーション性、コンタクト特
性等々が優れていることが必須である。また、膜厚もミ
クロンオーダーから、ハーフミクロン（０，５μ■）オ
ーダー、更にはクォーターミクロン（０，２〜０．４μ
ｍ）オーダーのものが必要である。

そのためには、アルミニウム薄膜は、不純物が極めて少
ないこと、特にＡｒなどの粒子を含まないこと、結晶性
がよいこと、膜面の損傷がなく平坦で硬く緻密な膜であ
ることが必要であり、また生産性が高いことも必要であ
る。

ところで、従来、アルミニウム薄膜の形成法としては、
マグネトロンスパッタ法が広く使われていた。しかし、
この方法では、基板とターゲットの間で放電しているた
め、基板上に堆積した薄膜がプラズマに曝されたり、タ
ーゲットから放出される二次電子等の高エネルギー粒子
の衝突により損傷を受は易い。特にアルミニウムは反応
性に富んだ金属であり、粒子の衝突による影響を受は易
く、結晶欠陥を生じたり、膜表面の平坦性が得られにく
いという欠点がある。

（発明が解決しようとする課題）これに対し、最近では、対向ターゲット式スパッタ法に
よるアルミニウム薄膜の形成が注目されてきている。こ
の方法によれば、基板がプラズマに曝されないプラズマ
フリーであるので堆積中の膜が損傷されず、また基板が
ガンマ電子や負イオン等による衝突を受けないので、膜
の構造や性質の制御のための基板バイアス電圧を印加し
た時の効果が顕著である。比較的低いガス圧でもスパッ
タできるので、ステップカバレジについても良好である
。

本発明者等は、対向ターゲット式スパッタ法によりアル
ミニウム薄膜を形成する方法として、先に特開昭６４−
１５３６５号を提案した。

しかしなか、前述のような良質で極めて薄いアルミニウ
ム薄膜を形成する技術としては必ずしも満足し得るもの
ではない、特に、高速成膜のために大電力を投入した場
合、ターゲットが融点の低いアルミニウムからなるため
、アークが発生してターゲット表面が局所的に溶け、こ
れがスプラツツ（塊まり）となって基板上に付着し、膜
質の低下を招くといった問題があった。

本発明は、上記要請に応えるべく、不純物が極めて少な
く且つ膜損傷のない良質のアルミニウム薄膜、特に超薄
膜を形成できる対向ターゲット式スパッタ技術を提供す
ることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）前記課題を解決するためには、本発明者等は、対向ター
ゲット式スパッタ法においては２枚のターゲット間にプ
ラズマを保持し、基板をプラズマフリーの状態に保って
スパッタリングを行なうので、プラズマの密度分布の制
御が非常に重要であることに鑑みて、磁場分布の状況に
ついて鋭意研究を重ねた。

その結果、従来の磁石配置構成では、均一な磁場分布が
生成されるが、プラズマ・密度の分布は。

ほぼ正規分布であって、生成されたプラズマが外周部か
ら拡散するため、プラズマ半径の大きい領域においてプ
ラズマの密度が低い状態となり、プラズマ密度が不均一
であることに起因して、特に大電力を投入した場合、タ
ーゲット表面で局所的にアークが発生してスプラッツが
基板へ飛来し。

基板の構造、性質に悪影響を及ぼすことが判明した。ま
た、雰囲気ガス圧をあまり低くできないので、基板上に
堆積されたアルミニウム薄膜の不純物を効果的に少なく
することができず、良質の薄膜が得られない。

そこで、プラズマ密度の分布を均一にする方策について
更に研究を重ねた結果、ここに本発明をなしたものであ
る。

すなわち、本発明は、高純度アルミニウムからなる２枚
のターゲット（陰極）をホルダーで保持して対向させ、
ターゲット裏面に配置した永久磁石により垂直磁界を印
加してターゲット間にプラズマを生成し、プラズマフリ
ーの位置に配置した基板上にアルミニウム薄膜を形成す
る方法において、ターゲット間に封じ込められた円柱状
のプラズマの中心部の磁場を実質的に零とし、外周部に
いくにつれて強くなる磁場分布を形成することによりプ
ラズマ密度を均一にし、低ガス圧のもとでセルフスパッ
タリングさせることを特徴とするアルミニウム薄膜形成
用対向ターゲット式スパッタ法を要旨とするものである
。

また、他の本発明は、高純度アルミニウムからなる２枚
のターゲット（陰極）をホルダーで保持して対向させ、
ターゲット裏面に配置した永久磁石により垂直磁界を印
加してターゲット間にプラズマを生成し、プラズマフリ
ーの位置に配置した基板上にアルミニウム薄膜を形成す
る対向ターゲット式スパッタ装置において、ターゲット
間に封じ込められた円柱状のプラズマの中心部の磁場を
実質的に零とし、外周部にいくにつれて強くなる磁場分
布を形成するように永久磁石を配置したことを特徴とす
るアルミニウム薄膜形成用対向ターゲット式スパッタ装
置を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（実施例）第１図は、従来の対向ターゲット式スパッタ装置におけ
る磁石配置構成並びにプラズマ生成状態を示す図である
。

真空槽内には、まず、高純度アルミニウムからなる一対
のターゲット１（陰極）がターゲットホルダーで支持し
て配置されている。ターゲット１の外周近傍の裏面には
永久磁石３が配置されている。

これら永久磁石３は、ターゲット１を挾んで互いに逆の
磁極となるように対称的電極構造にする。

ターゲット外周にはシールドリングを設けている。

この構成により、両極に同一電圧をかけてグロー放電さ
せ、雰囲気ガス（通常、Ａｒ）をイオン化させるとプラ
ズマＰが発生する。

一方、永久磁石３により垂直磁界を印加するが、磁界は
ミラー磁界（ミラートロン）となるような形状（円柱状
；ＥＣＲモード）に形成されるので、安定放電が得られ
ると共に、γ電子がプラズマ内に閉じ込められる。

基板４は、プラズマの外側に配置するので、プラズマフ
リーの状態に置かれる。したがって、基板方向にはスパ
ッタ粒子（アルミニウム原子）のみが飛来することにな
る。

対向ターゲット式スパッタ法の場合、ターゲット表面の
直前では、電子が磁界に巻き付くラーマ−運動をするの
で、電子は早目に電離でき、このため、ガス圧を下げる
とセルフスパッタリングが生じる。セルフスパッタリン
グは、投入電力とガス圧に関係し、ターゲット表面のガ
ス圧が約１０−３〜１０″″’Ｐａ程度で生じるが、低
ガス圧のもとでスパッタリングすると、アルゴンによる
スパッタリングは少ないものの、−旦叩き出された中性
粒子がこの電子により正イオンとなり、またターゲット
を叩くので、ガス圧を上げなくとも効率的なスパッタが
可能となる。因みに、低ガス圧のもとでは、ターゲット
表面ではＡｒイオンよりもターゲツト材質のイオンが多
く、Ａｒイオンによるスパッタリングが発生しにくいの
で、Ａｒ粒子の反跳による基板への飛来が防止され、そ
の結果、アルミニウム薄膜へのアルゴン粒子の混入が抑
制され、結晶性が向上できる。

しかしながら、上記従来の磁石配置構成の場合。

成る程度まではガス圧を下げることができるのでセルフ
スパッタリングは期待できるものの、特に大電力を投入
した場合、ターゲット表面で局所的にアークが発生する
のを避けることができず、そのため、ターゲツト材質の
スプラッッが発生して、基板上に堆積されたアルミニウ
ム薄膜が均質にならない。特に超薄膜において顕著であ
るという問題があった。また、このためターゲットが均
一に消耗しないことにもなる。

これらの問題の発生原因について鋭意研究を重ねたとこ
ろ、プラズマ密度の不均一性に起因することが判明した
。すなわち、従来の磁石配置構成では、プラズマの中央
部の磁場と外周部の磁場との差が比較的小さいため、均
一な磁場が得られる。

しかし、プラズマ密度の分布がほぼ正規分布であり、最
初は、プラズマはこの磁場分布に沿って生成されるもの
の、外周部からの拡散が始まるので。

どうしてもプラズマ半径の大きい領域（外周部）におい
てはプラズマの密度が低くなる結果、プラズマ密度の均
一化が図れず、その結果、ターゲット表面で局所的にア
ークが発生し易くなることに起因することが判明した。

これに対し、本発明は、か〜るプラズマ密度の不均一化
が発生しない磁場分布の形成を可能にしたものである。

具体的には、プラズマ中央部の磁場を実質上零とし、外
周部との磁場の差が大きくなるような磁場分布を形成す
るものである。このような磁場分布は永久磁石、ヨーク
（鉄片）、シールドリングの形状、寸法、配置を調整す
ることにより容易に得られる。ターゲットの厚さ調整に
よることも可能である。

以下に磁石配置構成による場合を示す。

第２図はかＮる磁石配置構成の一例を示している。なお
、対称的電極構造であるので、下半分のみを図示しであ
る。

まず、従来と同様、ターゲット外周近傍の裏面には永久
磁石３・が配置されている。しかし、これだけでは前述
のように均一なプラズマ密度が得られない。そこで、更
にターゲット１の中央部裏面近傍に他の永久磁石５が前
記磁石３とは逆の磁極となるように配置されている。こ
の永久磁石５をターゲット裏面に近接させた場合は、外
周部に配置した磁石３からの磁力線の吸い込みが大きい
ため、ターゲツト材質つまり、プラズマの中央部Ａの磁場を零に近くすること
が可能である。磁石５をターゲットから遠ざけるに従い
、吸い込みが弱められるので、磁石５とターゲット１と
の距離を変えることにより。

磁力線の吸い込みの割合、つまり、磁場分布を制御でき
る。しかし、更に遠ざけて磁力線の殆どが対向するター
ゲット方向に指向するようにすると。

プラズマ中央部Ａの磁場はあまり弱くならず、従来と同
様の磁場分布となるので、避けるべきである。

第３図は他の磁石配置構成を示しており、ターゲットの
外側に更に他の永久磁石６を配置したものである。これ
により、ターゲット外周から対向するターゲット方向に
指向する磁力線（すなわち。

外周部の磁場）を強めることができるので、プラズマ中
央部Ａの磁場を実質上零にすることができる。永久磁石
３のターゲット裏面寄りの厚さを約１７３に減少させた
り、シールドリング２を図示の如く設けてもよい、ター
ゲット１が矩形状（ハガキ状）の場合には、シールドリ
ングの開口部の角を落として丸みを付けるのもよい。

勿論、第２図及び第３に示した磁石配置構成を適宜組み
合わせて所望の磁場分布が得られるようにすることがで
きることは云うまでもない。

なお、少なくともシールドリング２はアルミ製にするの
が望ましい、勿論、装置全体をアルミ製にすることも可
能である。これにより、アルミニウム薄膜への不純物の
混入を完全に防止し得る。

上記構成による対向ターゲット式スパッタ方式によりア
ルミニウム薄膜を形成する場合の諸元の一例を以下に示
す。

ターゲットの材質ニアルミニウム（純度９９．９９９％）〃　　　　　　　寸法　：　　１００＃Ｘ７ｔ　　（ａ
鵬）基　　　　板　　ニガラス、Ｓｉウェハー等真空槽
の到達ガス圧：　＜４．ＯＸ　１０−’Ｐａ雰囲気ガス
圧ＰＡｒ：　１．３ＸｌＯ−２〜９、ＯＸ　１０’″１
Ｐａ電　　　　源　：直流電源高周波電源（基板バイアス）堆積速度：１５０〜１８００八／腸１０次に、対向ター
ゲット式スパッタ法について説明する。

上述の磁場分布が得られる限り、以下の態様が可能であ
る。

■　まず、低ガス圧のもとでスパッタリングできるので
、セルフスパッタが可能である。

第４図に示すようにガス圧が低いほどアルミニウム薄膜
の鏡面反射率を上げることができ、第５図及び第６図に
示すように、膜厚を０．２〜０．４μｍの如く極めて薄
くしても鏡面反射率の大きいアルミニウム薄膜が得られ
る。換言すれば、第７図に示す如くガス圧を低くして鏡
面反射率の高く極めて薄い膜厚で良質のアルミニウム薄
膜を形成できる。

■　また、低い基板バイアス印加が可能である。

すなわち、従来の２極スパツタ法やマグネトロンスパッ
タ法では、基板において最初からセルフバイアスがマイ
ナス士数ボルトより大きくかかっており、微少な基板バ
イアスを印加することが不可能であり、最適な条件での
成膜が不可能であった。また、従来の対向ターゲット式
スパッタ装置においても、その特畏であるプラズマフリ
ーの基板配置を活かして、−１００Ｖ〜−２００ｖ程度
の基板バイアスを印加すればバイアス効果が得られるが
、本発明によれば、これよりも小さく、更には微少のバ
イアス（例、−３Ｖ〜−５Ｖ）さえも大面積基板へ印加
することができる。したがって、アルミニウムの結晶性
が良くなり、硬さが得られるほか、ステップカバレジの
改善や平坦化、更に粒子サイズの制御が非常に容易であ
る。ＤＣバイアスによる−様なバイアスの印加や、絶縁
性基板の使用も可能であるので、基板の大径化ができ、
或いは加熱（冷却）もできるので、温度コントロールも
し易い。第８図は、基板のバイアス電圧を小さくすると
、鏡面反射率の高いアルミニウム薄膜が形成できること
を示している。

勿論、基板バイアスを印加しなくても良好な結果が得ら
れるが、基板バイアスを印加すれば、上述の効果が得ら
れる。

■　また、マイクロ波アシストが可能である。

対向ターゲット式スパッタ法の場合、プラズマが２枚の
ターゲット間に保持されているので、そのプラズマの塊
にマイクロ波を入射させて主に電子を加熱することによ
り、イオン化を飛躍的に促進させ、大容量の高密度プラ
ズマを生成できる。したがって、高速の成膜が可能とな
る。マイクロ波入射の際に、マグネトロンスパッタ法と
比較して磁力線の−様な部分が多いので、共鳴領域が広
くとれて有利である。また、真空槽内のクリーニング作
用も期待できる。

更には、このように、均一なプラズマ密度のもとての対
向ターゲット式スパッタであるので、以下の効果が期待
できる。

ガス圧を低くシ、基板バイアス電圧を微少にすれば、第
９図に示すように、結晶性が顕著に向上でき、（１１１
）方位を持った結晶が得られる。

低いガス圧のもとで薄い薄膜を形成すると、鏡面反射率
の増大と共に表面性も向上する（第１０図参照）。

同じ膜厚でも、ガス圧を下げると抵抗率を下げることが
できる（第１１図参照）。

しかも、基板上に堆積された薄膜のどの位置においても
、均一な結晶性（第１２図）、均一な硬さ（第１３図）
、均一な抵抗率（第１４図）が得られる。

特に結晶方位は望ましい（１１１）が得られるので、強
度、均一エツチング性、耐マイグレーション性に有利で
ある。更には、不純物が極めて少なく、Ａｒ粒子の混入
がないので、耐マイグレーシーン性に優れている。この
ため、大きなサイズの基板上に良質のアルミニウム薄膜
を形成できる。

また、ターゲット表面が中央部、周辺部ともに均一に消
耗するので、大きなサイズで厚いものを使用でき、ター
ゲット交換等の調整の手間が省けるため１作業性が良く
、生産性も高い。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、対向ターゲット
式スパッタにおいて、均一なプラズマ密度のもとにて低
ガス圧でセルフスパッタにより行うことができるので５
不純物が極めて少なく且つ膜損傷のない良質のアルミニ
ウム薄膜を形成でき。

特にハーフミクロン、クォーターミクロンの超薄膜が得
られる。また生産性も高い、したがって、各種の用途に
おいて寄与する効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は従来の対向ターゲット式スパッ
タ装置の磁石配置構成並びにプラズマ生成状態を示す図
。第２図及び第３図は本発明に係１対向ターゲット式スパ
ッタ装置における磁石配置構成の一例を示す図で、第２
図（ａ）、（ｂ）及び第３図が本発明例であり、第２図
（Ｃ）は比較例であり、第４図〜第６図はアルミニウム
薄膜の鏡面反射率とガス圧及び膜厚の関係を示す図、第７図及び第８図は鏡面反射率の減少率と膜厚又は基板
バイアス電圧の関係を示す図、第９図は結晶性と基板バ
イアス電圧の関係を示す図、第１０図は膜の表面性と鏡面反射率の膜厚依存性を示す
図、第１１図は膜の抵抗率とガス圧の関係を示す図、第１２
図は（１１１）面間隔、結晶サイズ及び（１１１）面配
向分散度の基板位置依存性を示す図、第１３図及び第１
４図はヌープ硬さ又は抵抗率と基板位置の関係を示す図
である。１・・・ターゲット、２・・・シールドリング、３．５
．６・・・永久磁石、４・・・基板。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高純度アルミニウムからなる２枚のターゲット（
陰極）をホルダーで保持して対向させ、ターゲット裏面
に配置した永久磁石により垂直磁界を印加してターゲッ
ト間にプラズマを生成し、プラズマフリーの位置に配置
した基板上にアルミニウム薄膜を形成する方法において
、ターゲット間に封じ込められた円柱状のプラズマの中
心部の磁場を実質的に零とし、外周部にいくにつれて強
くなる磁場分布を形成することによりプラズマ密度を均
一にし、低ガス圧のもとでセルフスパッタリングさせる
ことを特徴とするアルミニウム薄膜形成用対向ターゲッ
ト式スパッタ法。
（２）低い基板バイアスを印加する請求項１に記載の方
法。
（３）プラズマにマイクロ波を入射させる請求項１又は
２に記載の方法。
（４）高純度アルミニウムからなる２枚のターゲット（
陰極）をホルダーで保持して対向させ、ターゲット裏面
に配置した永久磁石により垂直磁界を印加してターゲッ
ト間にプラズマを生成し、プラズマフリーの位置に配置
した基板上にアルミニウム薄膜を形成する対向ターゲッ
ト式スパッタ装置において、ターゲット間に封じ込めら
れた円柱状のプラズマの中心部の磁場を実質的に零とし
、外周部にいくにつれて強くなる磁場分布を形成するよ
うに永久磁石を配置したことを特徴とするアルミニウム
薄膜形成用対向ターゲット式スパッタ装置。
（５）永久磁石をターゲットの外周近傍の裏面に配置す
ると共に、ターゲット中心部付近の裏面にそれと逆の磁
極を配置する請求項４に記載の装置。
（６）ターゲット中心部付近に配置した磁極をターゲッ
トとの距離を変化させて磁場分布を制御可能にした請求
項５に記載の装置。
（７）ターゲットの外側に、更に永久磁石を配置した請
求項５に記載の装置。
（８）少なくともシールドリングをアルミ製にする請求
項５に記載の装置。
（９）プラズマにマイクロ波を入射させる手段を設けた
請求項５に記載の装置。