(57)【要約】【課題】樹脂基板などやわらかい基板に膜応力が小さくボトムカバレッジ率が高く、また高い成膜速度で堆積膜を形成するイオン化スパッタ法を提供する。【解決手段】ターゲットから蒸発したスパッタ粒子をイオン化空間においてイオン化するイオン化手段を備え、イオン化したスパッタ粒子を堆積させるに際し、スパッタチャンバー内の圧力及びイオン化空間内でのスパッタ放電用ガスの滞留時間を制御する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットから蒸発したスパッタ粒子をイオン化空間においてイオン化し、該イオン化したスパッタ粒子を基体近傍に形成される電界により前記基体に入射させ、前記基体表面に堆積膜を形成するイオン化スパッタ法において、前記基体が樹脂などのやわらかい材料であり厚味が薄い前記基体に堆積するに際し、スパッタチャンバー内の圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａ、且つスパッタ放電用ガスの前記イオン化空間内での滞留時間が０．９５×１０−３ｓｅｃ以上における任意の前記滞留時間τである条件下で、前記堆積膜を形成することを特徴とするイオン化スパッタ法。
【請求項２】
前記イオン化に熱電子放出源を用いて行なうことを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタ法。
【請求項３】
前記滞留時間及び圧力の制御を、前記スパッタ放電用ガスの流量及びまたは排気速度の調節によって行なうことを特徴とする請求項１記載のイオン化スパッタ法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、各種半導体デバイス等の製作に使用される成膜装置に関し、特に、蒸発粒子をイオン化して基体に堆積膜を形成させるイオン化スパッタ法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種メモリやロジック等の半導体デバイスでは、各種配線膜の作成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の作成、光磁気ディスクの磁性層など形成する際に成膜プロセスを用いており、成膜装置が多用されている。その際に使用される成膜装置には種々の性能が求められるが、最近、基体に形成されたホールの内面、特にボトム部分のカバレージ性の改善が求められている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えば高記録密度が期待されるランドグルーブ書込み方式の光磁気ディスクではディスク上面の同心円状に形成された溝（グルーブ）以外の平坦部分（ランド）とともに、従来の光磁気ディスクやコンパクトディスクにおいて情報を記録する部分として使用されていない溝（グルーブ）を記録する部分とするため、両者に同様な機能膜を形成する必要がある。しかもグルーブとランドの間で磁気信号が干渉しない様に境界面である溝側面では磁気分断が実現していなければならず、溝側面の着膜量を可能な限り少なくしなければならない。また反応性の成膜方法により作成される磁性層を保護する保護膜についても同様にボトムカバレッジ率の高い成膜が要求される。すなわち、ランドグルーブ書込み方式の光磁気ディスクではボトムカバレッジ率の高い膜形成が必要とされている。
【０００４】
ボトムカバレッジ率を向上させる成膜の手法として低圧遠隔スパッタリングやコリメートスパッタリングがあるが本質的に成膜速度が低いという問題がある。コリメートスパッタリングによればソースと基板の間にコリメータフィルタを挿入するものであり、そのフィルタは基体表面と垂直な軸を有する細長い空洞の細密構造であり、基体表面に垂直に移動するスパッタ粒子のみが基体に堆積し、鋭角で移動するスパッタ粒子は空洞の壁に捕獲される。その結果良い直進性を与えボトムカバレッジ率が向上されるが、大部分の蒸発材料が無駄になるとともに成膜速度が低下する。また低圧遠隔スパッタリングにおいてはターゲットと基体の距離を増加させ、基体に対し垂直に近い角度で放出されたスパッタ粒子のみが基体に達するよう配置する。しかしこれもターゲット利用効率が低下し成膜速度が遅くなる。また低圧において堆積膜が形成されるため膜応力が大きくなり基体に大きな力がかかることから、樹脂基体等のやわらかい基体に堆積膜を形成することは難しかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように成膜速度の低下や膜応力の増加は半導体・磁気デバイス製造に関し受け入れられない。したがって本発明の目的は樹脂基体などのやわらかい基対に膜応力が小さくボトムカバレッジ率が高く、また高い成膜速度で堆積膜を形成するイオン化スパッタ法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は以下の本発明により達成される。
【０００７】
（１）本発明のイオン化スパッタ法は、ターゲットから蒸発したスパッタ粒子をイオン化空間においてイオン化し、該イオン化したスパッタ粒子を基体近傍に形成される電界により前記基体に入射させ、前記基体表面に堆積膜を形成するイオン化スパッタ法において、前記基体か樹脂などのやわらかい材料であり厚味が薄い前記基体に堆積するに際し、スパッタチャンバー内の圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａ、且つスパッタ放電用ガスの前記イオン化空間内での滞留時間が０．９５×１０−３ｓｅｃ以上における任意の前記滞留時間τである条件下で、前記堆積膜を形成することを特徴とするイオン化スパッタ法である。
【０００８】
（２）本発明のイオン化スパッタ法は、前記イオン化に熱電子放出源を用いて行なうことを特徴とする前記（１）記載のイオン化スパッタ法である。
【０００９】
（３）本発明のイオン化スパッタ法は、前記滞留時間及び圧力の制御を、前記スパッタ放電用ガスの流量及びまたは排気速度の調節によって行なうことを特徴とする前記（１）記載のイオン化スパッタ法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態はイオン化スパッタ法でありマグネトロンスパッタ装置とそのスパッタ粒子の飛行経路にイオン化機構６及び磁石機構７を設置しスパッタ粒子のイオン化を行なうとともに、イオン化したスパッタ粒子を基体９近傍に形成される電界により引き込み堆積膜を形成するイオン化スパッタ装置である。以下に本発明の実施形態及びそのメカニズムを詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明のイオン化スパッタ法に使用した装置を表す概略図である。スパッタチャンバー１の容器はステンレスまたはアルミなどの金属製容器であり電気的に接地されており不図示のゲートバルブにより気密が保てるようになっている。スパッタチャンバー１の容積はターゲット２及び基体９の大きさにより変わるが特殊な場合を除き２０リットルから１０００リットル程度のものが使用される。排気系は大気圧から１×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり不図示の排気速度調整器であるコンダクタンスバルブにより排気速度の調整が可能となっている。コンダクタンスバルブを全開にした場合でもイオン化空間６０ｆ内にスパッタ放電用ガスが多量に流せるように成膜圧力領域において十分な排気速度が得られるようになっている。ガス導入手段５は希ガスなどのスパッタ放電用のガスを導入するもので、円管状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴を多数形成した構造となっておりイオン化空間６０ｆの中心部を取り囲むようにしてイオン化機構６と磁石機構７の間に設置されており多量のガスを導入してもイオン化空間６０ｆに均一にガスが供給される構造となっている。
【００１２】
ターゲット２はたとえば厚さ３ｍｍ、直径３インチ（７６．２ｍｍ）程度の円盤状でありバッキングプレート及び絶縁物を介してスパッタチャンバー１に設置されている。バッキングプレートは水冷されておりターゲット２背後にはスパッタ放電用磁石機構３が設置されておりマグネトロンスパッタを行なえるようになっている。スパッタ電源４は所定の電力をターゲット２に印加するものであり直流電源またはＲＦ電源などの高周波電源により２００〜６００（Ｖ）のマイナスの電圧が印加されるようになっている。
【００１３】
本発明に係るスパッタ粒子をイオン化するイオン化機構６はペニング電離を利用した熱電子放出方式であり、フィラメント６０ａ及びグリッド６０ｂ、またそれらを囲うケーシング６０ｃからなり、それぞれ直流電源により電流及び電圧が印加可能である。ターゲット２から基体９へのスパッタ粒子の飛行経路に設定されたイオン化空間６０ｆにおいてフィラメント６０ａから放出された熱電子をスパッタ粒子及びスパッタ放電用ガスの粒子に衝突させてスパッタ粒子をイオン化するものである。詳しくはスパッタ粒子のイオン化はフィラメント６０ａにより放出された熱電子がスパッタ粒子に衝突してイオン化され、また別のスパッタ粒子は熱電子がスパッタ放電用ガス粒子に衝突することで生成されたスパッタ放電用ガスの励起種またはイオンとスパッタ粒子が衝突することによりイオン化されるものである。
【００１４】
磁石機構７は中心部分が空洞のドーナツ型の電磁石でありイオン化空間６０ｆに磁力線８を形成するよう設置されている。磁石機構７により形成される磁力線８は本実施形態においてターゲット２側がＳ極、基体９側がＮ極となりターゲット２の背後に設置されたスパッタ放電用磁石機構３から形成される磁力線と対抗し、互いに干渉しあう磁場が形成され、ターゲット２の表面より１０〜５０ｍｍ程度の距離を隔てて配置することが望ましく、磁場強度についてはイオン化空間６０ｆ中心において１５０〜３００Ｇ程度の磁束密度を有することが好適である。なお本実施形態においては磁石機構７に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。
【００１５】
磁石機構７による磁力線８の機能はイオン化効率を向上させるためにイオン化空間６０ｆのプラズマを高密度に保持することである。たとえばフィラメント６０ａより放出された熱電子は上述のようにスパッタ放電用ガスを励起種またはイオン化するが、イオン化空間６０ｆに形成される磁場により旋回運動させることでスパッタ放電用ガスとの衝突回数を増加させスパッタ放電用ガスの励起種またはイオンがより豊富な高密度プラズマを形成し、イオン化空間６０ｆを飛行するスパッタ粒子のイオン化率の向上を可能とする。
【００１６】
基体ホルダー１０は絶縁体を介してスパッタチャンバー１に設置されておりターゲット２に対して平行に基体９を保持できるようになっている。基体ホルダー１０と基体９との間には絶縁体を介して、好ましくは基体９に対して平行に引込電極１２が取り付けられている。引込電極１２は信号発生器１３（ファンクションシンセサイザー）と電力増幅器１４により構成された電圧印加手段が接続されている。プラズマと基体表面との間にシースを作り出すことは周知の現象であり、シースにより形成される電位差は数十ボルトのオーダーであり、また電位傾斜は基体表面に対して垂直である。従ってシースを横切るイオン化されたスパッタ粒子は数十ボルトの電位差により加速され基体９に対し垂直に入射される。またシースによる電位差が不十分である場合には電圧印加手段により電圧を印加することが可能である。その結果、イオン化したスパッタ粒子を基体９に対して垂直に入射させボトムカバレッジ性良い堆積膜を形成することが可能である。
【００１７】
一般的に通常のスパッタではスパッタチャンバー１内の圧力が高い状態でスパッタを行なうと、膜応力が小さい膜が被成膜基体に形成されるものの、低圧時に成膜した場合よりも成膜速度が減少するということが知られており、またシリコンウェハや樹脂基体等に形成される堆積膜は膜割れや膜剥がれなどを起こさぬよう一般的に膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め小さい圧縮応力に設定されている。本発明のイオン化スパッタ法では成膜中のスパッタチャンバー１内の圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａ、且つスパッタ放電用ガスのイオン化空間６０ｆ内での滞留時間が０．９５×１０−３ｓｅｃ以上における任意の滞留時間τである条件にて成膜することにより、高い成膜速度で膜応力が小さい圧縮応力であり直進性の高いスパッタ粒子の堆積膜を基体９に形成することが可能である。そのメカニズムは以下の通りである。
【００１８】
成膜中のスパッタチャンバー１内の圧力を２Ｐａ乃至８Ｐａ、スパッタ放電用ガスのイオン化空間６０ｆ内に存在しえる滞留時間を０．９５×１０−３ｓｅｃ以上の任意の滞留時間τとすることによりイオン化空間６０ｆ内にスパッタ放電用ガスが供給され、イオン化機構６及び磁石機構７によりスパッタ放電用ガスのイオン及び励起種が生成され高密度プラズマを形成する。生成されたスパッタ放電用ガスのイオン及び励起種はスパッタ粒子と衝突してスパッタ粒子をイオン化することに使われるとともにスパッタ放電用ガスイオンはターゲット２表面に形成されるシースに進入する。従ってターゲット２近傍のスパッタ放電用ガスイオンの密度が増すためスパッタ粒子の量が増加し、結果としてスパッタ粒子が基体に堆積しにくいスパッタチャンバー１内の圧力が高い状態でも高密度プラズマを形成し基体９の成膜速度を大きくする効果が得られる。また滞留時間の増減はイオン化機構６及び磁石機構７のスパッタ放電用ガスのイオン及び励起種の生成の状況に大きな変化をもたらす。例えば滞留時間を長くすると同じ圧力、同じエミッション電流でもイオン及び励起種を効率よく生成し高密度プラズマを形成するためスパッタ粒子のイオン化を促進し、また膜応力は圧縮応力なら減少、引張応力なら増加の傾向を与える。
【００１９】
従って本発明において圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａにおける任意の圧力ｐＰａで各種ターゲット材料を成膜したとき、膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる滞留時間の範囲は図２に示すようにＴ１ｓｅｃ乃至Ｔ２ｓｅｃの範囲である。その範囲以上であると膜応力は引張応力となり、以下となると大きな圧縮応力となる。また任意の圧力ｐＰａにおいてスパッタ粒子に十分なイオン化を与える滞留時間の範囲は各種ターゲット材料においてＴ３ｓｅｃ以上である。従って２Ｐａ乃至８Ｐａにおける任意の圧力ｐＰａで膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まり且つスパッタ粒子に十分なイオン化を与える滞留時間τの範囲はＴ３ｓｅｃ乃至Ｔ２ｓｅｃに存在し、その範囲における任意の滞留時間τを設定することにより所望の堆積膜を形成することが可能である。表１に任意の圧力ｐＰａに対する滞留時間τの範囲を示す。表１に示すようにスパッタチャンバー内の圧力が１０Ｐａ以上の時には膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる滞留時間τが存在しなく、またスパッタチャンバー内の圧力が１Ｐａ以下の時には膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まり且つスパッタ粒子に十分なイオン化を与える滞留時間τの範囲が存在しない。逆にスパッタチャンバー内の圧力を２Ｐａ乃至８Ｐａにおいてスパッタ放電用ガスのイオン化空間６０ｆ内に存在しえる滞留時間を０．９５×１０−３ｓｅｃ以上の条件下で任意の滞留時間τを選択することにより各種金属や絶縁体などのスパッタ粒子に十分なイオン化を与え、且つ膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる堆積膜を形成することが可能である。
【００２０】
【表１】
2004124186.tif 000003
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
上述した実施形態において、イオン化スパッタ法により以下のような条件で堆積膜を作成した。
【００２２】
・ターゲットの材質：アルミニウム
・ターゲット寸法：φ７６．２×ｔ３ｍｍ
・ターゲットへの投入電力：４００Ｗ
・ターゲット−基板間距離：１５５ｍｍ
・スパッタ放電用ガス種：アルゴン
・イオン化空間６０ｆ中心における磁束密度：２００Ｇ
・イオン化機構６エミッション電流：２０Ａ
・イオン化機構６ケーシング電圧：フローティング
・引込電極１２電圧：フローティング
上記条件において、アルゴンガスの導入量及び複合排気系１６のコンダクタンスバルブの開度を変更することにより、スパッタチャンバー１内の圧力及びアルゴンガスのイオン化空間６０ｆ内の滞留時間を変更して成膜を行なった。シリコンウェハ及びボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体試料を作成し、作成した各試料はボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体試料においては基体中心部のボトムカバレッジ率を、シリコンウェハにおいては膜応力を測定した。なおボトムカバレッジ率は図３に示すように成膜されたサンプル基体のトップ部における膜厚に対するボトム部における膜厚の比率であり、本実施例のサンプル基体においてボトムカバレッジ率が３０％を確保できるのであれば、高集積化、高密度化する各種半導体及び磁壁移動型光磁気ディスクに対応可能とした。
【００２３】
表２に各圧力における、膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる滞留時間の範囲、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間の範囲及び上記の二つの条件をともに満たす滞留時間τの範囲を示す。表１に示すように成膜中のスパッタチャンバー１内の圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａにおいて膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間τが存在し、さらにその滞留時間τは０．９５×１０−３ｓｅｃ以上に存在し、本実施例によると圧縮応力で小さい膜応力であるとともにボトムカバレッジ率の高い堆積膜が可能である。
【００２４】
【表２】
2004124186.tif 000004
【００２５】
（比較例１）
実施例１の条件にならうとともに、各圧力における膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間τにて、イオン化機構６、磁石機構７を機能させず、通常のスパッタ法により成膜速度を測定した。表３は本発明のイオン化スパッタ法における成膜速度と通常のスパッタ法における成膜速度を示す。表２によると本発明によるイオン化スパッタ法により圧縮応力で小さい膜応力でありボトムカバレッジ率が高く成膜速度の高い堆積膜が可能である。
【００２６】
【表３】
2004124186.tif 000005
【００２７】
（実施例２）
実施例１の条件において、ターゲットにＦｅ（鉄）を用い、同様に成膜を行なった。表４に実施例１の測定と同様に各圧力における、膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる滞留時間の範囲、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間の範囲及び上記の二つの条件をともに満たす滞留時間τの範囲を示す。表４に示すように成膜中のスパッタチャンバー１内の圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａにおいて膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間τが存在し、さらにその滞留時間τは０．９５×１０−３ｓｅｃ以上に存在し、本実施例によると圧縮応力で小さい膜応力であるとともにボトムカバレッジ率の高い堆積膜が可能である。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
（比較例２）
実施例２の条件にならうとともに、各圧力における膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間τにて、イオン化機構６、磁石機構７を機能させず、通常のスパッタ法により成膜速度を測定した。表５は本発明のイオン化スパッタ法における成膜速度と通常のスパッタ法における成膜速度を示す。表５によると本発明によるイオン化スパッタ法により圧縮応力で小さい膜応力でありボトムカバレッジ率が高く成膜速度の高い堆積膜が可能である。
【００３０】
【表５】
2004124186.tif 000007
【００３１】
（実施例３）
実施例１の条件において、ターゲットにＳｉＯ２（酸化珪素）を用い、同様に成膜を行なった。表６に実施例１の測定と同様に各圧力における、膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる滞留時間の範囲、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間の範囲及び上記の二つの条件をともに満たす滞留時間τの範囲を示す。表６に示すように成膜中のスパッタチャンバー１内の圧力が２Ｐａ乃至８Ｐａにおいて膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間τが存在し、さらにその滞留時間τは０．９５×１０−３ｓｅｃ以上に存在し、本実施例によると圧縮応力で小さい膜応力であるとともにボトムカバレッジ率の高い堆積膜が可能である。
【００３２】
【表６】
2004124186.tif 000008
【００３３】
（比較例３）
実施例３の条件にならうとともに、各圧力における膜応力を−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収め、ボトムカバレッジ率が３０％を確保する滞留時間τにて、イオン化機構６、磁石機構７を機能させず、通常のスパッタ法により成膜速度を測定した。表７は本発明のイオン化スパッタ法における成膜速度と通常のスパッタ法における成膜速度を示す。表７によると本発明によるイオン化スパッタ法により圧縮応力で小さい膜応力でありボトムカバレッジ率が高く成膜速度の高い堆積膜が可能である。
【００３４】
【表７】
2004124186.tif 000009
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、圧縮応力で小さい膜応力でありボトムカバレッジ率が高く成膜速度の高い堆積膜ができた。したがって、本発明は次世代ＤＲＡＭ等のデバイスはもちろんのこと、ランドグルーブ書込み方式の光磁気ディスクなどの製作に大きな威力を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による成膜装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の膜応力が−２×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２乃至０ｄｙｎ／ｃｍ２の範囲に収まる滞留時間の範囲及びスパッタ粒子に十分なイオン化を与える滞留時間の範囲を示し、さらに両者を両立する範囲を示す概要図である。
【図３】本発明のボトムカバレッジ率の定義を示す概略図である。
【符号の説明】
１　スパッタチャンバー
２　ターゲット
３　スパッタ放電用磁石機構
４　スパッタ電源
５　ガス導入手段
６　イオン化機構
７　磁石機構
８　磁力線
９　基体
１０　基体ホルダー
１１　引込電界
１２　引込電極
１３　信号発生器
１４　電力増幅器
１５　基体シャッター
１６　複合排気系
６０ａ　フィラメント
６０ｂ　グリッド
６０ｃ　ケース
６０ｄ　フィラメント用直流電源
６０ｅ　グリッド用直流電源
６０ｆ　イオン化空間
６０ｇ　ケーシング用直流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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