(57)【要約】【課題】薄膜の被覆性が良く、基板面内分布の均一化を図ることができる成膜が可能なスパッタ装置およびスパッタ方法を提供すること。【解決手段】スパッタ装置は、真空チャンバー１と、ターゲット材料７に接続されたスパッタパルス電源３０と、ターゲット材料７と基板６との間の空間に配設された偏向コイル２１と、偏向コイル２１に接続された偏向コイルパルス電源３１と、スパッタパルス電源３０と偏向コイルパルス電源３１とに接続されて、スパッタパルス電源３０と偏向コイルパルス電源３１からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器４０と、を備える。【選択図】図１
2019099837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット材料および基板が内部に配置される真空チャンバーと、前記ターゲット材料に接続されるスパッタパルス電源とを備え、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、前記ターゲット材料と前記基板との間の空間に配設された偏向コイルと、前記偏向コイルに接続された偏向コイルパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備えることを特徴とする、スパッタ装置。
【請求項２】
前記基板に接続されたバイアスパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器は、前記偏向コイルパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から０μsec以上１００μsec以下の期間の経過後にオン状態とする制御を行う、ことを特徴とするスパッタ方法。
【請求項４】
請求項２に記載のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器は、前記バイアスパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオンに同期して印加し、前記バイアスパルス電源のパルスのオフのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から０μsec以上３０μsec以下の期間の経過後にオフ状態とする制御を行う、ことを特徴とするスパッタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハなどの基板に対して成膜を行う、スパッタ装置およびスパッタ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスや電子デバイスの製造においては、基板上に金属や酸化物などの薄膜を形成し、この薄膜を所望のパターンに形成して、電極や配線の他、抵抗、キャパシタなどが形成されている。近年、半導体デバイスでは微細化が進み、基板上に形成されたトレンチやホールのアスペクト比（深さ／トレンチ幅もしくはホール径）は大きくなる傾向にある。また、耐熱性が要求される電子デバイスにおいては、熱伝導性は高いが表面にサブミクロンの凹凸が存在するセラミック焼結基板を用いて製作する場合がある。このように表面にトレンチやホールの凹凸を有する基板や、サブミクロンの凹凸が存在する基板において、これらの凹凸部分の側壁部分や底面部分などに、配線材料のめっきシード膜、抵抗デバイスの抵抗膜、各種デバイスの防湿保護膜などを均一に形成する要求が高まっている。
【０００３】
従来、このような凹凸部分に形成する薄膜の被覆性を向上するための成膜手段の一つとしてはパルススパッタ法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以下、図８を参照しつつ従来のパルススパッタ法について説明する。図８は、従来のパルススパッタ法を行うためのパルススパッタ装置の概略構成を示す断面図である。
【０００５】
図８に示す従来のパルススパッタ装置において、真空チャンバー１０１の内部は、バルブ１０３を介して接続された真空ポンプ１０２で排気することによって、真空状態となるように減圧される。ガス供給源１０４はスパッタに必要なガスを真空チャンバー１０１内へ一定速度で供給することができる。バルブ１０３はその開閉率を変化させることにより、真空チャンバー１０１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。真空チャンバー１０１内には、ターゲット材１０７が配置されている。バッキングプレート１０８は、ターゲット材１０７を支持している。スパッタパルス電源１３０はバッキングプレート１０８に電気的に接続されている。スパッタパルス電源１３０は、バッキングプレート１０８を介してターゲット材１０７に電圧を印加することにより、真空チャンバー１０１内の一部のガスが解離し、プラズマを発生させることができる。また、スパッタパルス電源１３０は出力のオン、オフを一定のタイミングで繰り返すパルスを印加することができる。真空チャンバー１０１の内部には、ターゲット材１０７に対向して、基板１０６が配置されている。基板ホルダー１０５は、基板１０６の下部に配置されており、基板１０６を支持している。基板バイアス直流電源１３３は、基板ホルダー１０５に電気的に接続されており、電圧を印加することにより基板電位を設定することができる。スパッタ条件設定器１４１は、スパッタパルス電源１３０と、バイアス直流電源１３３とに接続されており、スパッタパルス電源１３０のパルス電圧印加のオン、オフ比の設定値や、バイアス直流電源１３３のバイアス電圧設定値を指示し制御することができる。
【０００６】
パルス電圧印加のオンの期間に、真空チャンバー１０１内に発生させたパルス状のプラズマによってターゲット材１０７がスパッタリングされて飛び出す。その際、飛び出した材料粒子の一部はイオン化し正電荷を帯びた荷電粒子となっており、残りの材料粒子は中性粒子である。飛び出した中性粒子については、基板１０６に到達してターゲット材１０７の薄膜が堆積する。荷電粒子については、基板１０６に印加された電位により引き寄せられて加速され、中性粒子に比べて、基板１０６に対してより垂直に近い角度で基板１０６に入射するため、基板１０６の凹部の底面にも到達しやすい。真空チャンバー１０１内のガスおよびプラズマは、基板１０６上に堆積されつつある材料粒子と反応して目的の化合物を形成する。また、パルス電圧印加のオフの期間にも、真空チャンバー１０１内のガスおよびプラズマが、基板１０６上に堆積したターゲット材１０７と反応することにより、ターゲット材１０７とガスが反応した緻密な化合物が形成される。これら一連のパルス成膜を所定の回数繰り返すことにより、基板１０６上に化合物薄膜が生成される。
【０００７】
また、一般的に、ターゲット材１０７の裏面には、マグネット１０９とヨーク１１０が配置され、ターゲット材１０７の表面において、ターゲット材１０７の平面に対する平行磁場が最大となる位置にプラズマを集中させて、成膜速度を向上させている。なお、このプラズマが集中する位置をエロージョンと呼ぶ。また、エロージョンが特定の位置に集中するとターゲット材１０７の一部だけが消耗し、材料を効率的に利用できないため、図示していないが、マグネット１０９とヨーク１１０を、駆動装置によってターゲット材１０７に対して平行に移動して、エロージョン位置を移動させることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２６６１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来のパルススパッタ装置（図８参照）については、イオン化した粒子の入射する角度を制御することが出来ないため、よりアスペクト比が大きい凹凸を有する基板においては十分な被覆性を得られず、特に凹部の底部や底部近くの側壁の被覆性が十分でない場合がある。また、ターゲット材１０７表面のエロージョンはリング状の形状を有しており、粒子の飛び出す方向は等方的でないため、基板１０６の表面の位置において、粒子の基板１０６に対する入射する角度が異なっている。この結果、被覆性に関して基板面内分布が大きく異なり均一ではないという問題が生じてしまい、デバイスの品質や歩留まりを悪化させるという問題を有していた。
【００１０】
本発明は、前述の従来のパルススパッタ装置における問題点を考慮し、薄膜の被覆性が良く、基板面内分布の均一化を図ることができる成膜が可能なスパッタ装置およびスパッタ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のスパッタ装置は、ターゲット材料および基板が内部に配置される真空チャンバーと、前記ターゲット材料に接続されるスパッタパルス電源と、を備え、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、前記ターゲット材料と前記基板との間の空間に配設された偏向コイルと、前記偏向コイルに接続された偏向コイルパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性が向上するスパッタ装置およびスパッタ方法を提供することが出来る。すなわち、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法においては、粒子の飛翔方向の偏向により、垂直に近い角度による底部の被覆、浅い入射角度への制御による側壁への被覆、入射角度を逆転させた制御による逆側面への被覆により、効果的に被覆性を高めることが出来る。また、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性をさらに向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置の概略構成を示す断面図
【図２】本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置において、イオン化した粒子の磁場による偏向を模式的に示す図
【図３】本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置において、図２における矢印Ａの方向から見た偏向コイルの模式図
【図４】本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置において、偏向された粒子などの基板への入射角度を模式的に示す図
【図５】本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置において、スパッタパルス信号と磁場偏向パルス信号との印加タイミングを示す波形図
【図６】本発明に係る実施の形態２のスパッタ装置の概略構成を示す断面図
【図７】本発明に係る実施の形態２のスパッタ装置において、スパッタパルス信号と磁場偏向パルス信号と基板バイアスパルス信号との印加タイミングを示す波形図
【図８】従来のパルススパッタ装置の概略構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
先ず始めに、本発明に係るスパッタ装置およびスパッタ方法における各種態様の構成について記載する。
本発明に係る第１の態様のスパッタ装置は、
ターゲット材料および基板が内部に配置される真空チャンバーと、前記ターゲット材料に接続されるスパッタパルス電源とを備え、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、前記ターゲット材料と前記基板との間の空間に配設された偏向コイルと、前記偏向コイルに接続された偏向コイルパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備える。
【００１５】
上記のように構成された第１の態様のスパッタ装置は、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性を向上させることが出来る。
【００１６】
本発明に係る第２の態様のスパッタ装置は、前記の第１の態様のスパッタ装置において、
前記基板に接続されたバイアスパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備えてもよい。
【００１７】
上記のように構成された第２の態様のスパッタ装置は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性をさらに向上させることが出来る。
【００１８】
本発明に係る第３の態様のスパッタ方法は、前記の第１または第２の態様のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器が、前記偏向コイルパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から０μsec以上１００μsec以下の期間の経過後にオン状態とする制御を行っている。
【００１９】
上記のように構成された第３の態様のスパッタ方法は、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性を向上させることが出来る。
【００２０】
本発明に係る第４の態様のスパッタ方法は、前記の第２の態様のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器が、前記バイアスパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオンに同期して印加し、前記バイアスパルス電源のパルスのオフのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から０μsec以上３０μsec以下の期間の経過後にオフ状態とする制御を行っている。
【００２１】
上記のように構成された第４の態様のスパッタ方法は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性をさらに向上させることが出来る。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態における説明では、同じ要素には同じ符号を付しており、同じ符号に関する重複する説明を省略する場合がある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
【００２３】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態において示される数値、形状、構成、ステップ、およびステップの順序などは、一例を示すものであり、本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２４】
（実施の形態１）
以下、本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置について、図１から図４を用いて説明する。図１は、本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置の概略構成を示す断面図である。図２から図４は、実施の形態１のスパッタ装置におけるスパッタ動作およびスパッタ方法を説明する図であり、詳細については後述する。
【００２５】
図１に示す実施の形態１のスパッタ装置において、断面で示す真空チャンバー１は、バルブ３を介して接続された真空ポンプ２で排気することによって、真空チャンバー１の内部を真空状態に減圧する構成である。
【００２６】
ガス供給源４はスパッタリングに必要なガスを真空チャンバー１へ一定速度で供給することができる。ガス供給源４により供給されるガスとしては、例えば、窒素や酸素などの目的の材料と反応性を持ったガスや、反応性を持ったガスとアルゴンなどの希ガスとの混合ガスなどが選択できる。
【００２７】
真空チャンバー１に設けられたバルブ３は、その開閉率を変化させることにより、真空チャンバー１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。
【００２８】
図１に示すように、真空チャンバー１内の上部には、スパッタリングのターゲット材料であるターゲット材７が配置されている。ターゲット材７は、任意のスパッタ材料であるが、例えば、金属材料や半導体材料などの無機材料である。
【００２９】
真空チャンバー１内に設けられたバッキングプレート８は、ターゲット材７を支持している。真空チャンバー１の外部に設けられたスパッタパルス電源３０は、バッキングプレート８を介して、ターゲット材７に電気的に接続されており、ターゲット材７に電圧を印加することができる。また、スパッタパルス電源３０は、内部の高圧電源によって発生させた直流電流を、コンデンサ等に蓄積し、半導体スイッチング素子等によりオン、オフして、電圧印加をパルス化することができる。
【００３０】
真空チャンバー１内に設けられたマグネット９およびヨーク１０は、バッキングプレート８の裏面に配置されており、ターゲット材７表面に磁場を発生させることができる。
【００３１】
図１において、真空チャンバー１内の下部には、基板６が配置されている。基板ホルダー５は基板６の下部に配置されており、基板６を支持している。基板回転機構２０は、基板ホルダー５に接続されており、基板６をその回転軸を中心にして自転させることが出来る。
【００３２】
図１において、対向して配置されたターゲット材７と基板６との間の空間には１組の偏向コイル２１が対向して配設されている。偏向コイルパルス電源３１は、対向する偏向コイル２１に電気的に接続されており、偏向コイル２１に電流を流すことによりターゲット材７と基板６との間の空間に磁場を発生させることが出来る。また、偏向コイルパルス電源３１は、スパッタパルス電源３０と同様に、電圧印加をパルス化して、偏向コイル２１にパルス電流を出力することができる。
【００３３】
図１において、スパッタパルス電源３０と偏向コイルパルス電源３１とに接続された、パルスタイミング制御器４０が真空チャンバー１の外部に配置されている。パルスタイミング制御器４０は、スパッタパルス電源３０によるスパッタリングと、偏向コイル２１による磁場発生とのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うことが出来る。
【００３４】
［スパッタ装置のスパッタ動作およびスパッタ方法］
次に、実施の形態１のスパッタ装置のスパッタ動作について説明するとともに、本発明のスパッタ方法についても説明する。なお、以下に述べるスパッタ動作およびスパッタ方法に関しては、後述する実施の形態２においても実質的に同様である。
【００３５】
まず、真空チャンバー１内にターゲット材７をセットするとともに、ターゲット材７の下方に基板６の主面が水平となるように基板６をセットする。
【００３６】
続いて、真空ポンプ２を作動させて真空チャンバー１内が真空状態になるように減圧を行う。真空チャンバー１内が所定の真空度に到達した後、ガス供給源４からガスを真空チャンバー１内に導入して、真空チャンバー１内が所定のガス圧力となるようにゲートバルブ３の開度を調整する。
【００３７】
続いて、スパッタパルス電源３０によりパルス電圧を発生させて、ターゲット材７に印加し、真空チャンバー１内にプラズマを発生させる。パルス電圧印加のオンの期間に、真空チャンバー１内に発生させたパルス状のプラズマによってターゲット材７がスパッタリングされて飛び出す。その際、飛び出した材料粒子の一部はイオン化し正電荷を帯びた荷電粒子となっており、残りの材料粒子は中性粒子である。
【００３８】
次に、イオン化した粒子が基板６に到達するまでの軌道について、図２を用いて説明する。図２は、本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置における、イオン化した粒子の磁場による偏向方向と、基板への入射方向とを模式的に示した図である。
【００３９】
図２において、ターゲット材７から飛び出した、イオン化した粒子の流れは電流Ｉと表される。ターゲット材７と基板６との間の空間に対向して配置されている偏向コイル２１は、電流Ｉに垂直な方向成分の磁場Ｂを発生させる。イオン化した粒子は、電流Ｉと磁場Ｂに垂直方向のローレンツ力Ｆを受けるため、ローレンツ力Ｆを受けない中性粒子の軌道に対して角度を有して基板６へ入射する。
【００４０】
次に、イオン化した粒子（イオン粒子）の基板６への入射方向について、図３を用いて説明する。図３は図２における矢印Ａの方向から見た偏向コイル２１の模式図である。偏向コイル２１に矢印Ｂの方向に電流を流すことにより、図３の紙面手前方向の磁場Ｂを発生させた場合、下方向へ進行するイオン化した粒子すなわち電流Ｉは右方向のローレンツ力Ｆを受け、右方向に偏向される。
【００４１】
図４は、基板６に対する中性粒子およびイオン化した粒子の入射方向を模式的に示した断面図である。図４において、（ａ）および（ｃ）は偏向されたイオン化した粒子の入射方向を示した図であり、それぞれは逆方向に偏向された状態を模式的に示している。図４の（ｂ）は偏向されていないイオン化した粒子の入射方向を示した図である。なお、図４においては、中性粒子の入射方向を実線の矢印で示し、イオン化した粒子の入射方向を破線の矢印で示す。
【００４２】
図４の（ａ）に示すように、基板６付近へ到達したイオン化した粒子は、ローレンツ力Ｆを受けない中性粒子の軌道に対して角度を有して基板６へ入射する。この角度の傾きは、偏向コイル２１に流す電流によって制御することが出来る。すなわち、偏向コイル２１に電流を流さない場合には、図４の（ｂ）に示すように、イオン化した粒子は偏向していないため、中性粒子とイオン化した粒子との入射角度は一致する。また、偏向コイル２１に流す電流を反転させることにより、図４の（ｃ）に示すように、イオン化した粒子の基板６への入射角度が反対側から入射する角度となり、入射角度を反転させることが出来る。上記のように、基板６に対して中性粒子およびイオン化した粒子が入射されて、基板６の表面上には薄膜７ａが形成される。
【００４３】
次に、パルスタイミング制御器４０によるタイミング制御について、図５を用いて説明する。図５は、本発明に係る実施の形態１のスパッタ装置において、スパッタパルス電源３０からのスパッタパルス信号（スパッタ電圧Ｖ、スパッタ電流Ｉ）と、偏向コイルパルス電源３１からの磁場偏向パルス信号の印加タイミングを示す波形図である。図５において、（ａ）はスパッタパルス信号によるスパッタ電圧Ｖのパルス波形の一例を示し、（ｂ）はスパッタパルス信号によるスパッタ電流Ｉの波形の一例を示している。図５の（ｃ）は、偏向コイル２１に入力される磁場偏向パルス信号の波形図である。
【００４４】
スパッタパルス信号によりバッキングプレート８に印加されるスパッタ電圧Ｖは、一定のパルス周期Ｔ（周波数ｆ＝１／Ｔ）で、オン期間（ｏｎ）とオフ期間（ｏｆｆ）とを繰り返す矩形波（パルス）である（図５の（ａ）参照）。また、パルスのデューティ比は、オン期間／パルス周期Ｔで表される。スパッタ電流Ｉは、スパッタ電圧Ｖのオン期間は徐々に増加する傾向である。また、スパッタパルス信号により生じるスパッタ電流Ｉは、スパッタ電圧Ｖのオフ期間に入ってから減少を始め、スパッタリングの条件によるが、３０μsec程度の時間までスパッタ電流Ｉは流れ続ける。スパッタ電流Ｉは、スパッタリングされてターゲット材７が飛び出す粒子数に概ね比例している。すなわち、スパッタ電圧Ｖのオン期間＋３０μsec程度の期間は、発生したプラズマによりスパッタされたスパッタ粒子がターゲット材７から基板６に向かって飛び出しているといえる。
【００４５】
偏向コイル２１は、スパッタ電圧Ｖのオフ時点のタイミングから一定の第１期間＝Ｔ１が経過してから磁場偏向パルス信号のオン期間が始動する。スパッタ電圧Ｖのオフ時点からの一定の第１期間Ｔ１としては、０μsec以上１００μsec以下の範囲が望ましい。第１期間Ｔ１がマイナスの期間、すなわちスパッタ電圧Ｖのオン期間において偏向コイル２１のオン期間が始動して、磁場を発生させると、ターゲット材７付近のマグネット９により発生させている磁場が乱されて、ターゲット材７の表面でのプラズマ放電が不安定になってしまう。また、一般的なスパッタリング条件における例として、スパッタ粒子の速度を１０００ｍ／sec、ターゲット材７と基板６との距離を１００ｍｍとすると、スパッタ粒子が基板６に到達するまでの時間は１００μsecと計算される。スパッタ電圧Ｖのオフ時点からの第１期間Ｔ１が１００μsecより大きいと、イオン化した粒子が偏向コイル２１を通過した後に磁場を発生させることとなり、イオン化した粒子に対して磁場による偏向を十分に行うことが出来ない。なお、前記の第１期間Ｔ１としては、３０μsec以上とすることがより望ましい。第１期間Ｔ１を３０μsec以上とすることにより、スパッタ電圧Ｖのオフ時点から３０μsec程度のプラズマ減衰過程において、偏向コイル２１による磁場を発生させないことにより、ターゲット材７の表面でのプラズマ放電への影響を排除することが出来、より安定した放電状態を得ることが出来る。なお、同じ理由から、偏向コイル２１のパルス電圧のオフ時点は、次のスパッタ電圧Ｖがオンとなるタイミングまでであればよい（図５の（ｃ）において第２期間Ｔ２参照）。
【００４６】
実施の形態１のスパッタ装置におけるパルス周期Ｔは、磁場による偏向に対して直接影響を与えるものではないが、３０μsec以上（周波数は３３ｋＨｚ未満）とすることが望ましい。これは、パルス周期Ｔが３０μsec未満では、スパッタ電圧Ｖのオフ時点からの一定の第１期間Ｔ１をより望ましい条件である３０μsec以上とすることが出来ないためである。また、パルスのデューティ比は、小さいほどスパッタ電力がオンの期間に集中し、パワー密度が高まることにより、スパッタ粒子のイオン化率が上昇する。設定できるデューティ比の範囲はスパッタパルス電源３０の能力により規制されるが、磁場偏向の効果をより高めたい場合には、スパッタパルス電源３０の能力の範囲でデューティ比を小さく設定すればよい。
【００４７】
また、実施の形態１のスパッタ装置においては、基板回転機構２０により基板６を自転させることにより、基板６に対するスパッタ粒子の入射角度を変えて、基板６の表面における薄膜７ａの分布を平均化して、基板６の表面の凹凸部分に対する薄膜の被覆性を更に向上させることが出来る。
【００４８】
以上のように、実施の形態１のスパッタ装置において、スパッタ方法によるスパッタ動作を行うことにより、基板６に到達したスパッタ粒子は、基板６上に堆積すると同時に、真空チャンバー１内のガスおよびプラズマと反応する。また、スパッタ動作においてスパッタ粒子が断続的に供給されるパルス周期Ｔのうち、材料粒子が基板６に供給されない期間［（パルス周期Ｔ）−（オン期間）−（スパッタ電圧Ｖのオフ時点からの一定の第１期間Ｔ１）］にも、真空チャンバー１内のガスおよびプラズマが、基板６上に堆積した未反応のターゲット材７と反応することにより、ターゲット材７とガスが欠損することなく反応した緻密な化合物が基板６上に形成され成膜される。これら一連のパルス成膜を所定の回数繰り返すことにより、基板表面には所望の化合物薄膜を得ることが出来る。
【００４９】
なお、実施の形態１のスパッタ装置においては、ターゲット材７の裏面にマグネット９とヨーク１０が配置されており、ターゲット材７の表面において、ターゲット材７の平面に対する平行磁場が最大となる位置にプラズマを集中させて、成膜速度を向上させてもよい。なお、プラズマが集中するエロージョンが特定の位置に集中するとターゲット材７の一部だけが消耗し、材料を効率的に利用できないため、マグネット９とヨーク１０を駆動装置によってターゲット材７に対して平行に移動して、エロージョン位置を移動させてもよい。
【００５０】
実施の形態１のスパッタ装置においては、偏向コイル２１による磁場によって、スパッタリングにおけるプラズマ放電の安定性を損なうことなく、イオン化した粒子の基板６に対する入射角度を制御することが出来るため、アスペクト比の大きい凹凸部分を有する基板に対しても、垂直に近い角度による底部の被覆、浅い入射角度への制御による側壁への被覆、入射角度を逆転させた制御による逆側面への被覆により、効果的に被覆性を高めた成膜を行うことが可能となる。
【００５１】
（実施の形態２）
次に、本発明に係る実施の形態２のスパッタ装置について図６および図７を用いて説明する。図６は、本発明に係る実施の形態２のスパッタ装置の概略構成を示す断面図である。図７は、実施の形態２のスパッタ装置におけるスパッタ動作およびスパッタ方法を示す波形図である。図６および図７において、前述の実施の形態１と実質的に同一の機能、構成を有する要素には同じ番号を付与している。また、実施の形態２における基本的な動作は、実施の形態１における基本動作と同様であるので、実施の形態２においては実施の形態１と異なる点を主として説明する。
【００５２】
図６に示す実施の形態２のスパッタ装置において、真空チャンバー１内の下部には、基板６が配設されている。基板ホルダー５は、基板６の下部に配置されており、基板６を支持している。基板回転機構２０は、基板ホルダー５に機械的に接続されており、基板６をその回転軸を中心にして自転させることが出来る。実施の形態２のスパッタ装置においては、基板ホルダー５を介して基板６に電気的に接続されるバイアスパルス電源３２が設けられている。バイアスパルス電源３２は、基板ホルダー５に電圧を印加することにより基板電位を設定することができる。また、バイアスパルス電源３２は、スパッタパルス電源３０と同様に、電圧印加（バイアス電圧の印加）をパルス化することができる。
【００５３】
図５に示すように、スパッタパルス電源３０と偏向コイルパルス電源３１とバイアスパルス電源３２とに接続されたパルスタイミング制御器４０は、真空チャンバー１の外部に配置されている。パルスタイミング制御器４０は、スパッタパルス電源３０によるスパッタリングと、偏向コイル２１による磁場発生と、バイアスパルス電源３２による基板バイアスの電圧印加とのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うことが出来る。
【００５４】
バイアスパルス電源３２の電圧印加により基板電位を設定することにより、真空チャンバー１内にプラズマが発生している期間において、イオン化した粒子が電界により基板６に引き寄せられ、そのイオン衝撃により成膜される薄膜がより緻密になることが期待できる。
【００５５】
一般的に基板６の凹部への成膜において、凹部の側壁上部への薄膜堆積が、凹部の間口を塞いでしまうオーバーハングと呼ばれる状況が発生することがあるが、実施の形態２におけるスパッタ動作においては、イオン衝撃によるエッチング作用により、オーバーハングを低減して、側壁底部への堆積を促進する効果についても期待できる。しかしながら、基板６へのバイアス電圧の印加は、イオン化したターゲット材７の材料粒子の軌道にも影響を与えるため、バイアス電圧の印加のタイミングは重要である。
【００５６】
実施の形態２における、パルスタイミング制御器４０によるタイミング制御について、図７を用いて説明する。図７は本発明に係る実施の形態２のスパッタ装置において、スパッタパルス電源３０からのスパッタパルス信号（スパッタ電圧Ｖ、スパッタ電流Ｉ）と、偏向コイルパルス電源３１からの磁場偏向パルス信号と、バイアスパルス電源３２からの基板バイアスパルス信号の印加タイミングを示す波形図である。スパッタ電圧Ｖに対する偏向コイル２１による磁場偏向パルス信号の印加タイミングは、実施の形態１と同様である。基板バイアスパルス信号は、スパッタ電圧Ｖのオンのタイミングと同期してオン状態とされ、スパッタ電圧Ｖのオフ時点から一定の第３期間Ｔ３が経過したタイミングでオフ状態とされる。第３期間Ｔ３としては、０μsec以上３０μsec以下の範囲が望ましい。これは、スパッタ電圧Ｖのオン期間に発生するプラズマと、スパッタ電圧Ｖのオフ時点から３０μsec程度の期間残存するプラズマを基板６に効果的に引き寄せるためである。また、このように基板バイアスパルス信号と磁場偏向パルス信号とのオン期間のタイミングのずらすことにより、それぞれの信号により生じる動作の干渉を最低限に抑えることが出来る。したがって、実施の形態２のスパッタ装置においては、イオン化した粒子の磁場による偏向に影響を与えることなく、基板バイアスパルス信号による基板６に対する電圧印加により引き寄せたガス粒子のエッチング作用により、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性が向上すると共に、イオン衝撃により堆積する薄膜をより緻密とすることが出来る。
【００５７】
本発明に係る実施の形態２のスパッタ装置によれば、プラズマ放電の安定性を損なうことなく、磁場偏向によりイオン化した材料粒子の基板６に対する入射角度を制御することが出来る。また、イオン化した材料粒子の磁場による偏向に影響を与えることなく、基板６にバイアス電圧を印加することが出来る。従って、実施の形態２のスパッタ装置およびスパッタ方法によれば、アスペクト比の大きい凹凸部分を有する基板６に対して、安定して、被覆性が良く、緻密で高品質な膜を形成することが可能となる。
【００５８】
以上のように、各実施の形態において具体的に説明したように、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法によれば、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性を向上させることが出来る。すなわち、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法においては、粒子の飛翔方向の偏向により、垂直に近い角度による底部の被覆、浅い入射角度への制御による側壁への被覆、入射角度を逆転させた制御による逆側面への被覆により、効果的に被覆性を高めることが出来る。また、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部側壁の底部への被覆性をさらに向上させることができる。
【００５９】
本発明をある程度の詳細さをもって各実施の形態において説明したが、これらの構成は例示であり、これらの実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものである。本発明においては、各実施の形態における要素の置換、組合せ、および順序の変更は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明におけるスパッタ装置およびスパッタ方法は、アスペクト比の大きい凹凸部分を有する基板に対して、例えば、窒化シリコン薄膜を、安定して、被覆性良く、高密度に形成することが可能であり、薄膜デバイスの製造において、高品質パッシベーション薄膜の形成などに有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１  真空チャンバー
２  ポンプ
３  ゲートバルブ
４  ガス供給源
５  基板ホルダー
６  基板
７  ターゲット材
８  バッキングプレート
９  マグネット
１０  ヨーク
２０  基板回転機構
２１  偏向コイル
３０  スパッタパルス電源
３１  偏向コイルパルス電源
３２  バイアスパルス電源
４０  パルスタイミング制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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