(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ源とガス源とを備えるプラズマ物理蒸着装置内の対象物に材料層を堆積させるために使用されるスパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットは、スパッタリングされることによって前記堆積に用いられるスパッタリング材料粒子を生成するように構成されており、
前記スパッタリングターゲットは、さらに、線状に延びた形状を有するスパッタリングアンテナとして構成されており、
前記線状に延びた形状の第１の端部は、前記エネルギ源と電気的に接続されており、前記線状に延びた形状の第２の端部は、前記線状に延びた形状と前記エネルギ源とが閉回路を形成するように、前記エネルギ源と電気的に接続されており、
前記エネルギ源と前記延びた形状とは、前記ガス源からのガスを誘導的に励起してプラズマにするように形成されており、前記スパッタリングアンテナは、前記エネルギ源を介して前記対象物に電気的に接続されており、
前記スパッタリング材料は導電性のコアを含んでおり、前記導電性のコアは、外側カバーの内側に包まれており、前記外側カバーは、前記導電性のコアよりも高い抵抗率を有する外側カバー材料で形成されており且つ前記スパッタリングターゲットが励起されたときに、スパッタリング材料粒子を飛散させるように構成されている
スパッタリングターゲット。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記エネルギ源は、可変エネルギ源であり、前記可変エネルギ源の設定に応じて、前記スパッタリングターゲットから前記スパッタリング材料粒子が叩き出される速度を制御する、スパッタリングターゲット。
【請求項３】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットが前記プラズマ物理蒸着装置内で励起されたとき、前記スパッタリング材料粒子は、前記対象物に向かってほぼ異方的に進む、スパッタリングターゲット。
【請求項４】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットの形状は、コイルである、スパッタリングターゲット。
【請求項５】
請求項４記載のスパッタリングターゲットであって、
前記コイルは、ほぼ平らになっている、スパッタリングターゲット。
【請求項６】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットの形状は、線状に延びた部材と、リングと、円錐形コイルと、半球形コイルと、溝を有する平板と、溝を有する円板とで構成されるグループから選択された形状である、スパッタリングターゲット。
【請求項７】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットは金属で構成されている、スパッタリングターゲット。
【請求項８】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットは、アルミニウムと、銅と、アルミニウム合金と、タングステンと、チタンと、タンタルとで構成されるグループから選択されたスパッタリング材料で形成されている、スパッタリングターゲット。
【請求項９】
請求項１記載のスパッタリングターゲットであって、
前記外側カバーの材料は、窒化チタンと、窒化アルミニウムと、窒化タンタルとで構成されるグループから選択される、スパッタリングターゲット。
【請求項１０】
対象物に材料層を堆積させるために使用されるプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記堆積中に、前記対象物を取り囲むチャンバと、
バイパス電源を含むエネルギ源であって、対象物は、前記チャンバ内に配置され、前記エネルギ源と電気的に結合されている、前記エネルギ源と、
前記チャンバ内に配置され、前記エネルギ源と電気的に結合されたスパッタリングターゲットと、
を備え、
前記スパッタリングターゲットは、前記堆積中に、スパッタリングされることによってスパッタリング材料粒子を生成するように構成されており、
前記スパッタリングターゲットは、さらに、絶縁層上でスパッタリングアンテナとして構成されており、
更に、前記絶縁層に隣接し、前記エネルギ源と結合された導体を備えると共に、
前記スパッタリングアンテナは、前記スパッタリングアンテナの複数の隣り合う部分の間で露出している前記絶縁層の一部を伴って、線状に延びた形状を有しており、
前記バイパス電源は、前記エネルギ源が前記スパッタリングターゲットを励起する際、前記対象物に対するバイアス電位を前記スパッタリングターゲットに与え、前記電位は、前記スパッタリングターゲットからの前記スパッタリング材料粒子の飛散を促進させ、前記スパッタリング材料粒子は前記対象物に向かって進むよう構成され、
前記バイアス電源は、
前記スパッタリングアンテナおよび前記導体にバイアス電位を与え、これにより、前記スパッタリング材料粒子が前記絶縁体の露出部分に堆積するのを阻止するよう構成された
プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１１】
対象物に材料層を堆積させるために使用されるプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記堆積中に、前記対象物を取り囲むチャンバと、
バイパス電源を含むエネルギ源であって、対象物は、前記チャンバ内に配置され、前記エネルギ源と電気的に結合されている、前記エネルギ源と、
前記チャンバ内に配置され、前記エネルギ源と電気的に結合されたスパッタリングターゲットと、
を備え、
前記スパッタリングターゲットは、前記堆積中に、スパッタリングされることによってスパッタリング材料粒子を生成するように構成されており、
前記スパッタリングターゲットは、さらに、絶縁層上でスパッタリングアンテナとして構成されており、
更に、前記絶縁層に隣接し、前記エネルギ源と結合された導体を備えると共に、
前記スパッタリングアンテナは、前記スパッタリングアンテナの複数の隣り合う部分の間で露出している前記絶縁層の一部を伴って、線状に延びた形状を有しており、
前記バイパス電源は、前記エネルギ源が前記スパッタリングターゲットを励起する際、前記対象物に対するバイアス電位を前記スパッタリングターゲットに与え、前記電位は、前記スパッタリングターゲットからの前記スパッタリング材料粒子の飛散を促進させ、前記スパッタリング材料粒子は前記対象物に向かって進むよう構成され、
前記スパッタリングアンテナの前記複数の隣り合う部分の複数の壁は、前記スパッタリング材料粒子が前記絶縁体の露出部分に堆積するのを阻止するような形状を有する
プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１記載のプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記バイアス電源は、前記対象物に対する交流電圧電位および直流電圧電位を前記スパッタリングターゲットに与える、プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１３】
請求項１０または請求項１１記載のプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記バイアス電源は、可変であり、
前記スパッタリングターゲットから前記スパッタリング材料粒子が叩き出される速度は、前記可変バイアス電源の設定に応じて変化する、プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１４】
請求項１０または請求項１１記載のプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記エネルギ源は、誘導電源を含んでおり、
前記エネルギ源が前記スパッタリングターゲットを励起する際、前記誘導電源は、高周波電流を前記スパッタリングターゲットに与え、前記高周波電流が前記スパッタリングターゲットに与えられたとき、前記高周波電流は、前記チャンバ内での前記プラズマの生成を促進させ、これにより、前記スパッタリング材料粒子は、前記対象物に向かってほぼ異方的に進む、プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記誘導電源は、可変であり、
前記プラズマのサイズおよび密度は、前記誘導電源の設定に応じて変化し、これにより、前記対象物に向かう前記スパッタリング材料粒子の移動が制御される、プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１６】
請求項１０または請求項１１記載のプラズマエンハンスド物理蒸着装置であって、
前記エネルギ源は、
誘導電力を出力する誘導電源と、
バイアス電力を出力するバイアス電源と、
前記誘導電源および前記バイアス電源に電気的に結合された整合回路と、
を備え、
前記整合回路は、
前記誘導電力出力を前記バイアス電力出力と整合させ、整合した出力を前記スパッタリングターゲットに供給する、プラズマエンハンスド物理蒸着装置。
【請求項１７】
プラズマプロセスチャンバ内において半導体基板に材料層を堆積させる方法であって、
前記半導体基板を前記プラズマプロセスチャンバ内に設置する工程と、
前記プラズマプロセスチャンバ内でスパッタリングターゲットを励起する工程であって、前記スパッタリングターゲットは、前記堆積中に、スパッタリングされることによってスパッタリング材料粒子を生成するように構成されており、前記スパッタリングターゲットは、さらに、スパッタリングアンテナとして構成されており、前記スパッタリングアンテナは、線状に延びた形状を有する工程と、
を含み、
、前記スパッタリング材料は、導電性のコアを備え、該導電性のコアは外側カバーの内側に包まれており、該外側カバーは、前記導電性のコアよりも高い抵抗率を有する外側カバー材料で形成され且つ前記スパッタリングターゲットが励起されたときに、スパッタリング材料粒子を飛散させるように構成されており、
前記励起する工程は、
前記スパッタリングターゲットと前記半導体基板との間にバイアス電位を発生させる工程と、
誘導電流を発生させる工程と、
前記バイアス電位を前記誘導電流と結合して、結合された電力出力を生成する工程であって、前記バイアス電位が前記誘導電流の発生中に印加されるように、前記結合された電力出力が前記スパッタリングターゲットに印加される工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
プラズマプロセスチャンバ内において半導体基板に材料層を堆積させる方法であって、
前記半導体基板を前記プラズマプロセスチャンバ内に設置する工程と、
前記プラズマプロセスチャンバ内でスパッタリングターゲットを励起する工程であって、前記スパッタリングターゲットは、前記堆積中に、スパッタリングされることによってスパッタリング材料粒子を生成するように構成されており、前記スパッタリングターゲットは、さらに、導体に隣接する絶縁層上でスパッタリングアンテナとして構成されており、前記スパッタリングアンテナは、前記スパッタリングアンテナの複数の隣り合う部分の間で露出している前記絶縁層の一部を伴って、線状に延びた形状を有する工程と、
を含み、
前記励起する工程は、
前記スパッタリングターゲットと前記半導体基板との間にバイアス電位を発生させる工程と、
誘導電流を発生させる工程と、
前記バイアス電位を前記誘導電流と結合して、結合された電力出力を生成する工程であって、前記バイアス電位が前記誘導電流の発生中に印加されるように、前記結合された電力出力が前記スパッタリングターゲットに印加される工程と、
を含み、
前記バイパス電位が前記導体に付与され、前記スパッタリング材料粒子が前記絶縁体の露出部分に堆積するのを阻止するよう構成されたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物理蒸着法に関し、特に、改良されたイオン化物理蒸着方法及びイオン化物理蒸着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、スパッタリングと通常呼ばれる物理蒸着法は、材料をスパッタリングターゲットから対象物へ移動させる方法である。スパッタリングは、通常、スパッタリングターゲットと対象物との間に電圧差を与えることによって、スパッタリングターゲットから対象物に材料を移動させる。
【０００３】
図１は、従来の物理蒸着（ＰＶＤ）装置１０を示す図である。物理蒸着装置１０は、スパッタリングターゲット１５と、チャック２０と、直流バイアス電源２５とを備えている。ＰＶＤ装置１０は、内部チャンバ１２を備えており、内部チャンバ１２内には、スパッタリングターゲット１５とチャック２０とが配置されている。対象物３０は、チャック２０上に配置される。内部チャンバ１２は、通常、非常に低い圧力に保たれ、低圧に保たれた内部チャンバ１２内にアルゴンガスが導入される。プラズマ状態のガスは、ターゲットから材料粒子を叩き出すのに適している。
【０００４】
直流バイアス電源２５は、グランドに対する負のバイアスをスパッタリングターゲット１５に印加する。スパッタリングターゲット１５とグランドとの間の電位により、アルゴンガス粒子はイオン化される。そして、イオンがスパッタリングターゲット１５に衝突すると、金属粒子４０が叩き出される。金属粒子４０はチャンバ１２内全体に衝突し、金属粒子４０の一部が対象物３０上に堆積する。
【０００５】
スパッタリング速度を高めるため、外部磁界５０がスパッタリングターゲット１５付近に与えられる。磁界５０により、スパッタリングターゲット１５付近には高いイオン密度を有するプラズマ４５が形成される。スパッタリングターゲット１５付近に多くのイオンが存在すると、イオンとスパッタリングターゲットとの間の相互作用がより誘起されるので、スパッタリング速度を高めることが可能となる。
【０００６】
従来のＰＶＤ装置では、許容可能な速度でスパッタリングを行うためにかなり電力が必要となるという問題がある。許容可能な堆積速度を得るために、電源２５は２０キロワットの電力を要する。
【０００７】
また、従来のＰＶＤ装置１０では、スパッタリングターゲット１５から叩き出された金属粒子４０は、等方的に分散するという問題がある。すなわち、スパッタリング粒子４０はランダムな方向に飛散する。スパッタリングを利用する場合には、金属粒子４０の等方的な分散は望まれない場合がある。
【０００８】
図２Ａ〜図２Ｃは、対象物３０、すなわち、半導体基板３０’の溝３１を充填する様子を示す図である。スパッタリングを利用する場合、半導体基板３０’の溝３１は、金属スパッタリング材料で充填される。金属粒子４０の等方的な分散は、図２Ｂに示すような金属層４１の堆積を引き起こす。金属層４１は、溝３１の底部だけでなく、溝３１の壁にも形成される。最終的には、図２Ｃに示すように、溝３１は金属層４１で満たされるが、空隙４３が溝３１内に形成されることが多い。溝内の空隙４３は、完成した半導体デバイスの故障を引き起こすことが多い。
【０００９】
図３Ａおよび図３Ｂは、異方的に分散した金属粒子によって溝３１が充填される様子を示す図である。異方的に分散した金属粒子は全体的に同じ方向へ移動する。したがって、半導体基板３０’に直交する方向に異方的に進む金属粒子４０は、より均一な金属層４１’を堆積する。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、金属層４１’は、溝３１を初めから均一に満たすので、空隙４３の形成が阻止される。
【００１０】
金属粒子を異方的に堆積させる従来の方法は、いくつかの問題点を有する。
例えば、図４は、コリメーター６０を使用した従来のＰＶＤ装置１０’を示す図である。コリメーター６０は、対象物３０に直交する方向に向かう金属粒子のみがコリメーター６０を通過するように金属粒子４０を選別する。コリメーター６０と対象物３０との間で、金属粒子４０が他の粒子と衝突（これにより等方的に分散する）しないようにするためには、チャンバ１２内をより高い真空度にする必要がある。
【００１１】
叩き出された金属粒子の大部分が除去されることにより、堆積速度は低下する。したがって、コリメーターを使用していないＰＶＤ装置と同等の堆積速度を得るためには、より大きな電力が必要となる。
【００１２】
図５は、誘導コイル７０を使用した従来のＰＶＤ装置１０”の断面図である。誘導コイル７０は、高周波電源７２と接続されている。高周波電源７２は、誘導コイル７０に交流電流を供給し、コイル７０の周内にプラズマ４５’を導く。
【００１３】
スパッタリングターゲット１５は、電源２５によって独立してバイアスされる。バイアス電源２５は、スパッタリング速度を調整し、高周波電源７２はイオンの発生を調整する。プラズマの端に拡散したイオンは、プラズマと境界との間の電位を低下させ、境界に直交する速度成分を得る。このプロセスは、通常、イオン化物理蒸着法と呼ばれている。
【００１４】
しかし、ＰＶＤ装置１０”はいくつか制限を有する。第１に、バイアス電位の形成と誘導コイル７０の励起とに、ＰＶＤ装置１０”は大きな電力を必要とする。次に、誘導コイル７０とスパッタリングターゲット１５とは、汚染を防止するために、同じ種類および品質の材料で形成しなければならない。第３に、誘導コイル７０自体も堆積工程において消費されるので、スパッタリングターゲット１５のみならず誘導コイル７０も交換する必要が生じる。
【００１５】
最後に、スパッタリングターゲット１５は、通常、均一に消費されない。イオン化ＰＶＤシステムで使用されるスパッタリングターゲット１５は、通常、円形ディスクである。ディスクは、その外径の内側において、環状に最も速く消費される。このように不均一に消費されるのは、外部磁界５０がイオンをスパッタリングターゲット１５に不規則に引き寄せるからである。スパッタリングターゲットが不均一に消費されると、スパッタリングターゲット１５を頻繁に交換する必要が生じる。
【００１６】
上記のことから、より低いエネルギ消費で、スパッタリング材料を対象物上に異方的に堆積させる方法および装置が望まれている。また、堆積プロセスで使用され消費される部材の数は、最小限とすることが好ましい。最後に、堆積プロセスのスループットを増大させることが望まれている。
【００１７】
【発明の概要】
本発明は、スパッタリングターゲットと誘導アンテナとを統合した改良されたスパッタリングターゲットに関する。改良されたスパッタリングターゲットは、物理蒸着工程を実行するために必要な電力量を低減する。さらに、改良されたスパッタリングは、物理蒸着装置の設計を簡単にできる。
【００１８】
改良されたスパッタリングターゲットは、スパッタリング材料で形成される。スパッタリングターゲットが励起されると、スパッタリング材料粒子が叩き出される。そして、スパッタリング材料粒子が異方的に進むようにプラズマが誘導される。
【００１９】
スパッタリングターゲットは、エネルギ源によって励起されていてもよい。エネルギ源は、バイアス電源と誘導電源とを含んでいてもよい。バイアス電源は、対象物またはグラウンドに対する電位をスパッタリングターゲットに印加する。誘導電源は、スパッタリングターゲットに電流を供給する。電位および電流により、スパッタリング材料が叩き出され、プラズマが形成され、そして、叩き出された材料粒子が異方的に分散する。
【００２０】
スパッタリングターゲットは、任意の適切なサイズ、形状、組成としてもよい。また、スパッタリングターゲットは、チャンバの表面に設置されていてもよい。さらに、スパッタリングターゲットはシールドされていてもよい。
【００２１】
また、改良されたスパッタリングターゲットを有する物理蒸着装置を開示する。物理蒸着装置は、エネルギ源を有している。エネルギ源は、バイアス電源と誘導電源と整合フィルタとを備えるようにしてもよい。整合フィルタは、２つの電源の電力出力を結合し、結合された電力出力をスパッタリングターゲットに供給する。
【００２２】
さらに、物理蒸着方法を開示する。本発明の特徴および効果は、以下の詳細な説明と種々の図面により明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
幾つかの好ましい実施形態およびこれに関連する図面に基づいて、本発明を詳述する。以下では、本発明の理解のため、細部について説明する。しかしながら、一定の細部を省略しても本発明を実現できることは明らかである。また、本発明を明確なものとするために、周知の工程の詳細な説明は省略する。
【００２４】
本発明の実施形態では、スパッタリングターゲットと誘導アンテナとを統合したスパッタリングアンテナを開示する。スパッタリングターゲットと誘導アンテナとの機能を１つのエレメントに統合することによって、物理蒸着プロセスの多くの要素を大幅に改善できる。まず、スパッタリングアンテナにバイアス電位を与え、そして、スパッタリングアンテナに誘導電流を供給するのに必要な電力量を大幅に低減できる。次に、スパッタリングターゲットと誘導アンテナとを１つのエレメントに統合したことにより、１つのエレメントだけが必要とされる。そして、スパッタリングアンテナはほぼ均一に消費されるため、スパッタリングアンテナの寿命を長くできる。さらに、スパッタリングアンテナは、比較的高い圧力下で使用できるので、スループットを増大させる。
【００２５】
本発明の特徴および効果は、以下の図面および説明により理解できる。図６は、本発明の実施形態における改良された物理蒸着装置１００の概略図である。この改良された物理蒸着装置１００は、チャンバ１１０と、スパッタリングターゲットと誘導アンテナとを統合したスパッタリングアンテナ１１２と、チャック１１５と、電源１２０とを備えている。スパッタリングアンテナ１１２は、チャック１１５に対向した状態でチャンバ１１０内に設けられている。スパッタリング材料が堆積する対象物１２２は、チャック１１５上に配置される。電源１２０は、対象物１２２およびスパッタリングアンテナ１１２と電気的に接続されている。
【００２６】
チャンバ１１０内が真空状態となると、ガスがチャンバ１１０内に導入される。このガスとしては、物理蒸着プロセスでの使用に適したものであればよい。例えば、アルゴンやキセノンなどの希ガスは、物理蒸着プロセスにおいて良好な結果を示すことが確認されている。また、窒素ガスや銅ガスなどの他の適切なガスをＰＶＤプロセスに使用してもよい。
【００２７】
電源１２０は、対象物１２２とスパッタリングアンテナ１１２との間にバイアス電圧電位を与える。なお、スパッタリングアンテナ１１２はグランドに対してバイアスされていてもよい。また、電源１２０は、高周波誘導電流をスパッタリングアンテナ１１２に供給する。スパッタリングアンテナ１１２を流れる誘導電流はプラズマ１３０を生成する。バイアス電圧電位と誘導電流とは可変であり、プラズマ１３０のサイズや密度を変更できる。また、バイアス電位を調整することにより、スパッタリング速度を変更できる。
【００２８】
なお、プラズマ１３０を生成するために、通常、外部磁界５０（図１，図４，図５参照）は必要ない。ＰＶＤ装置１００は、外部磁界５０を用いずに、外部磁界を用いた従来の装置システムと同等あるいはより高い電荷粒子密度を有するプラズマを生成できる。
【００２９】
しかしながら、外部磁界５０をスパッタリングアンテナ１１２付近に与え、スパッタリングアンテナ１１２付近に多くのイオンを滞留させるようにしてもよい。こうすれば、本発明の効率をさらに増大させることができる。外部磁界５０を用いるとスパッタリングアンテナ１１２が不均一に消費されるおそれがあるが、外部磁界５０を用いることによりスループットを増大させることが可能となる。どちらの場合にも効率は増大されており、従来のＰＶＤ装置に対する改善となっている。
【００３０】
スパッタリングアンテナ１１２の励起によって発生したガスイオンは、スパッタリングアンテナ１１２に衝突する。そして、スパッタリングアンテナ１１２からスパッタリング材料粒子１４０が叩き出される。
【００３１】
図７は、図６の改良された物理蒸着装置１００に電力を供給する電源１２０の概略ブロック図である。電源１２０は、誘導電源１５０と、バイアス電源１５１と、整合回路群１５３とを備えている。誘導電源１５０は、スパッタリングアンテナ１１２に高周波電流を供給する。なお、スパッタリングアンテナ１１２にプラズマを十分生成させるものであれば、他の適切な電源を使用してもよい。誘導電源１５０の電流出力を調整することにより、プラズマのパラメータを制御できる。
【００３２】
バイアス電源１５１は、直流電圧源である。電圧は、スパッタリングアンテナ１１２と対象物１２２との間に印加される。バイアス電源１５１の電圧レベルを調整することにより、スパッタリング速度を制御できる。なお、スパッタリングアンテナ１１２と対象物１２２との間に電圧電位を形成できるものであれば、他の適切な電源を使用してもよい。例えば、バイアス電源１５１を交流電源にしてもよいし、電圧オフセットを有する交流電源にしてもよい。また、対象物１２２に対してスパッタリングアンテナ１１２をバイアスするのに代えて、グランドに対してスパッタリングアンテナ１１２をバイアスするようにしてもよい。
【００３３】
誘導電源１５０およびバイアス電源１５１の出力は、整合回路群１５３に供給される。整合回路群１５３は、電源１５０，１５１の出力を整合させる。そして、電力がプラズマに効率よく変換されるように、電源１５０，１５１の出力をスパッタリングアンテナ１１２のインピーダンスと整合させる。
【００３４】
整合回路群１５３は、導線１２１，１３１によってスパッタリングアンテナ１１２と電気的に接続されている。導線１２１，１３１は、スパッタリングアンテナ１１２との回路をつなぎ、誘導電源１５０によって生成された誘導電流を供給する。導線１２１，１３１は、対象物１２２に対するバイアス電圧を供給する。このバイアス電圧は、バイアス電源１５１によって形成されている。また、対象物１２２は、導線１３３によってバイアス電源１５１と電気的に接続されている。なお、対象物１２２は、グランドに対して独立にバイアスされていてもよい。
【００３５】
図８Ａおよび図８Ｂは、整合回路群１５３の変形例を示す概略図である。図８Ａでは、整合回路群１５３は、コンデンサ２０１，２２０と、可変トランス２０２と、可変コンデンサ２０４，２０６と、インダクタ２０８，２１０を備えている。コンデンサ２０１と可変トランス２０２と可変コンデンサ２０４とは、電源１５０，１５１の出力を結合する整合回路を形成する。インダクタ２０８と可変コンデンサ２０６とは、電源１５０と電源１５１との間のインピーダンスを整合させる。インダクタ２１０とコンデンサ２２０とは、バイアス電源１５１の出力に対してローパスフィルタとして機能する。
【００３６】
図８Ｂでは、整合回路群１５３は、コンデンサ２３０〜２３３を備えている。図８Ａに示すトランスを使用した実施形態とは異なり、コンデンサ２３０〜２３３が整合回路を形成している。いずれの場合にも、ローパスフィルタとインピーダンス整合回路との間にノード２５０を配置できる。後述するように、ノード２５０には、スパッタリングアンテナ１１２の他にバイアスを印加すべきものを接続できる。
【００３７】
整合回路群１５３は、導線１２１，１３１によってスパッタリングアンテナ１１２と接続されている。バイアス電源１５１は、導線１３３によって対象物１２２と接続されており、これがバイアス電圧の基準となる。なお、電源１５０，１５１の出力を結合するのに適した他の整合回路を使用してもよい。
【００３８】
本発明の明らかな効果としては、単一のエレメントに与えられるバイアス電位および誘導電流の累積的な効果が挙げられる。プラズマを形成するためのバイアス電位を独立して必要としないので、バイアス電位を従来の装置のバイアス電位ほど高くする必要がない。
【００３９】
また、従来の装置と異なり、スパッタリングアンテナ１１２によって生成されるプラズマ１３０の密度は、バイアス電力のみを使用する従来の装置のプラズマ密度よりもかなり大きい。スパッタリングアンテナ１１２を使用することにより、１立方センチメートルあたり５×１０11個の電荷粒子を有する高い密度を形成できる。
【００４０】
この結果、バイアス電圧電位は約２００ボルトまで低くできる。２５０ボルトのバイアス電圧では、実用的なスパッタリング速度が実現されることが確認されている。また、交流誘導電流の大きさおよび周波数を変更することにより、プラズマ１３０の特性を調整できる。例えば、誘導電流の電力を１３．５６ＭＨｚで約５００〜約５，０００ワットとすれば、望ましい結果が得られる。一般的に、誘導電流の大きさは、周波数よりも重要である。本発明では、他の適切な誘導電流周波数を利用してもよい。
【００４１】
スパッタリングアンテナ１１２によって形成された十分にイオン化されたプラズマ１３０は、境界において、シースを横切って移動するイオン化された粒子を、確実に異方的に分散させる。したがって、改良されたイオン化ＰＶＤ装置１００は、より高いガス圧で動作し得る。例えば、約０．１〜約５０ミリトールのアルゴンガス圧では、望ましい結果が得られることが確認されている。約１０ミリトールのアルゴンガス圧では、満足な結果が得られている。
【００４２】
表１は、本実施例において望ましい結果が得られるおおよその値を示している。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
一般的に、対象物１２２上に均一に堆積させることができるプラズマを誘起可能であれば、スパッタリングアンテナ１１２の形状やサイズは任意である。例えば、スパッタリングアンテナ１１２は、平らな渦巻き形コイルや、半球形コイル、円錐形コイル、平板、円板、線形部材、溝を有する平板、溝を有する円板などの形状にできる。
【００４５】
スパッタリングアンテナ１１２は任意の形状とすることができ、直線状に延びた形状としてもよい。直線状に延びたスパッタリングアンテナを用いることにより、スパッタリングアンテナ１１２の不均一な消費を引き起こす不均一な励起を阻止することができる。このように、直線状に延びたスパッタリングアンテナを用いれば、均一に消費されることとなる。直線状に延びた任意の形状を使用できる。例えば、図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、ほぼ平らなコイル形状１１２ａおよびジグザグ形状１１２ｂを有する直線状に延びたスパッタリングアンテナを示す図である。
【００４６】
また、直線状に延びたスパッタリングアンテナの断面形状は、任意の適切な形状とすることがすることができる。図１０Ａ〜図１０Ｄは、スパッタリングアンテナ１１２の断面形状の例を示す図である。図１０Ａ〜図１０Ｄは、それぞれ、伸びた卵形を有する断面１８０ａ、円形断面１８０ｂ、半円形断面１８０ｃ、切り欠き状の断面１８０ｄを示している。スパッタリングアンテナ１１２の断面は、他の適切な形状としてもよい。
【００４７】
さらに、スパッタリングアンテナ１１２の断面形状を変更して、スパッタリング材料が弾き出される方向を制御できるようにしてもよい。これは、電流を流した際の断面の電流密度分布に応じて実現される。スパッタリングアンテナ１１２の一方の側面の表面積を、他方の側面の表面積よりも大きくすることによって、一方の側面でより多くのスパッタリング粒子が生成される。例えば、図１０Ｃの半円形断面１８０ｃの場合、スパッタリングアンテナ１１２の平坦な側面よりも円弧状の側面の方で、より多くのスパッタリング粒子が生成される。このように、スパッタリングアンテナ１１２の断面形状は、スパッタリング粒子を指向させる。一方の側面が他方の側面よりも大きな表面積を有する任意の断面形状を利用することができる。例えば、図１０Ｄに示す切り欠き状の断面１８０ｄを利用してもよい。
【００４８】
スパッタリングアンテナ１１２は、適切なスパッタリング材料で構成されている。一般的には、金属がスパッタリング材料として使用される。これは、金属は、誘導電源１５０から供給された誘導電流を導通するためである。電流を導通させるものであれば、他の材料をスパッタリング材料として使用してもよい。例えば、アルミニウム，銅，アルミニウム合金，亜鉛，スズ，タングステン，ガリウム，チタン，タンタルを使用できる。
【００４９】
図１０Ｅは、本発明の実施形態におけるハイブリッドスパッタリングアンテナ１１２’の断面を示す図である。ハイブリッドスパッタリングアンテナは、コア１８１と外側シース１８２とを備えている。
【００５０】
一般的に、高い抵抗を有する材料は、抵抗損失により多くの電力が失われるので、ＰＶＤ装置で使用するスパッタリング材料としてはあまり適していない。本発明の実施形態では、抵抗材料を、スパッタリング材料すなわち外側シース１８２として使用している。コア１８１を導電材料で形成し、外側シース１８２を抵抗材料で形成する。電源１２０により電流はコア１８１に流れるが、コア１８１の材料よりもむしろ外側シース１８２の抵抗材料が弾き出されて、対象物１２２上に堆積する。
【００５１】
外側シース１８２としては、スパッタリングに適した任意の抵抗材料を使用できる。例えば、窒化チタン，窒化アルミニウム，窒化タンタルを用いてもよい。したがって、コア１８１に使用される材料の抵抗が外側シース１８２に使用される材料の抵抗よりも小さい限り、任意の適切な２種類の材料を使用することができる。
【００５２】
図１１は、図６のスパッタリングアンテナの変形例を示す図である。図６では、スパッタリングアンテナ１１２は、チャンバの表面から離れた状態でチャンバ１１０内に設けられている。このとき、スパッタリング材料がスパッタリングアンテナ１１２の両側から叩き出されるという問題がある。チャンバの壁に対向するスパッタリングアンテナ１１２の側面から叩き出されたスパッタリング材料は、対象物１２２に堆積するよりも、チャンバの壁や他の部分に堆積しやすい。対象物１２２に対向するスパッタリングアンテナ１１２の側面から材料を叩き出し、その反対側の側面からは材料を叩き出さないことが望ましい。
【００５３】
変形例では、スパッタリングアンテナ１１２とそれに対向するチャンバの壁との間に、シールド１９０が配置されている。シールド１９０は、電源１２０と接続され、スパッタリングアンテナ１１２に印加されるバイアス電位と同じバイアス電位が電源１２０によって印加される。シールド１９０とスパッタリングアンテナ１１２とに同じようにバイアスされているので、シールド１９０に対向するスパッタリングアンテナ１１２の部分は、対象物１２２に対向するスパッタリングアンテナ１１２の部分よりもスパッタリングによって叩き出され難い。例えば、シールド１９０は、図８Ａ，図８Ｂに示す電源１２０のノード２５０に接続される。
【００５４】
図１２は、図６のスパッタリングアンテナの他の変形例を示す図である。スパッタリング材料をスパッタリングアンテナ１１２から非対称に叩き出すには、スパッタリングアンテナ１１２をチャンバ１１０の壁に設置するようにしてもよい。絶縁体１９２と導体１９１とを、スパッタリングアンテナ１１２とチャンバの壁との間に配置する。絶縁体１９２は、導体１９２とスパッタリングアンテナ１１２との間を絶縁する。導体１９２は、電源１２０に接続されており、スパッタリングアンテナ１１２と同じようにバイアスされる。
【００５５】
導体１９２をバイアスすることによって、スパッタリング粒子１４０が絶縁体１９２の露出部分１９５に堆積するのを防止できる。なお、絶縁体１９２は、誘電体でもある。
【００５６】
図１３は、図６のスパッタリングアンテナのさらに他の変形例を示す図である。スパッタリングアンテナ１１２は、チャンバ１１０の壁上に設置されており、これにより、スパッタリングアンテナ１１２は、その一方の側面だけが均一に消費される。図１１２に示すような電力を供給するための導体に代えて、異なる幾何学的断面形状がスパッタリングアンテナ１１２に採用されている。絶縁体１９２は、スパッタリングアンテナ１１２とチャンバの壁との間に配置されている。スパッタリング材料粒子１４０が絶縁体１９２の露出部分１９５に堆積することを防止するため、スパッタリングアンテナ１１２の断面は鋸歯形状になっている。この鋸歯形状によって、露出部分１９５に堆積しよとするスパッタリング粒子１４０を除去できる。
【００５７】
図示する実施形態では、露出部分１９５を取り囲む緩やかに曲がった壁が示されているが、スパッタリングアンテナ１１２は他の適切な形状としてもよい。例えば、壁を階段状に形成してもよいし、より多くの折り返し部分を壁に設けてもよい。実際には、イオンが露出部分１９５へ到達することを阻止する形状を有するようなスパッタリングアンテナ１２であればよい。
【００５８】
物理蒸着プロセスにおいて、スパッタリングターゲットと誘導アンテナとを一体にして使用することは、この技術分野において新しく、かつ、自明でない進歩である。前述のように、従来のＰＶＤ装置では、材料を異方的に分散させて対象物に堆積させるために、コリメータや独立した誘導コイルが使用されている。本発明以前には、ＰＶＤプロセスで、材料粒子を異方的に分散させるために、スパッタリングターゲットを誘導アンテナと一体にして使用する提案はなかった。
【００５９】
スパッタリングターゲットと誘導アンテナとを統合することにより、種々の効果が生じる。ＰＶＤプロセスをより低い電力で実現することが可能である。さらに、ＰＶＤプロセスの圧力をより高くできるので、高い真空度を形成するという困難な作業を軽減することができ、この結果、スループットを増大させることができる。同時に、同じ電力量を消費する従来の装置と比較して、より大きな密度およびサイズを有するプラズマを発生させることができる。
【００６０】
スパッタリングアンテナ１１２は単一のエレメントであり、通常、追加のエレメントを必要としないので、異なるエレメントに使用される材料を整合させる必要がなくなる。また、スパッタリングアンテナ１１２は、交換前に、均一に、そして、十分に消費されることとなる。さらに、本発明は、スパッタリングアンテナ１１２を均一に、そして、十分に完全に消費する方法を提供する。
【００６１】
本発明は、広い用途に適用することができ、上記のアプリケーション以外の他のアプリケーションにも適用可能である。本発明を等方的なアプリケーションで使用してもよい。バイアス電源および誘導電源を変化させることによって、スパッタリング材料を等方的に分散させることができる。さらに、従来のＰＶＤ装置よりも低い電力消費で、等方的な分散による堆積を実現できる。材料を等方的および異方的に分散させ対象物上に堆積させることができれば便利である。
【００６２】
また、本発明の広い用途として、化学蒸着に適用してもよい。この場合、チャンバ１１０内には混合ガスが導入される。スパッタリングアンテナ１１２は、混合ガスと反応する材料で形成される。スパッタリング材料粒子１４０と導入されたガスとは、プラズマ１３０の内側や外側で反応する。
【００６３】
例えば、アルゴンと窒素とがチャンバ１１２内に導入される。スパッタリングアンテナ１１２は、タンタルで構成されている。前述のように、アルゴンはスパッタリングを促進させるが、叩き出されたタンタル粒子とは反応しない。一方、窒素はタンタルと反応する。窒化タンタル粒子が形成され、窒化タンタル粒子は対象物１２２上に堆積する。ガスとスパッタリング材料とを適切に組み合わせれば、所望の材料を堆積させることができる。また、ガスおよびスパッタリング材料の他の適切な組み合わせを本発明に適用してもよい。
【００６４】
本発明を幾つかの好ましい実施形態に基づいて説明したが、この発明の範囲内において、変更や置換、等価なものの実施も可能である。例えば、本発明を対象物への堆積ではなく、対象物へのドーピングに適用してもよい。また、本発明の方法や装置を実施する多くの変形例もある。したがって、以下の請求の範囲は、この発明の趣旨および範囲内における変更や置換、等価なものを含むものとして解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面に例示されているが、これは本発明を限定するものではい。添付図面では、同じ符号は同じ要素を示す。
【図１】  図１は、従来の物理蒸着（ＰＶＤ）装置を示す図である。
【図２】  図２Ａ〜図２Ｃは、半導体基板内の溝を充填する様子を示す図である。
【図３】  図３Ａ及び図３Ｂは、異方的に分散したスパッタリング金属粒子によって溝が充填される様子を示す図である。
【図４】  図４は、コリメーターを使用した従来のＰＶＤ装置の断面図である。
【図５】  図５は、イオン化誘導コイル（断面を図示）を使用した従来の別のＰＶＤ装置の断面図である。
【図６】  図６は、本発明の実施形態における改良された物理蒸着装置の概略図である。
【図７】  図７は、本発明の実施形態における図６の改良された物理蒸着装置に電力を供給する電源の概略ブロック図である。
【図８】  図８Ａおよび図８Ｂは、整合回路群の変形例をそれぞれ示す概略図である。
【図９】  図９Ａ及び図９Ｂは、スパッタリングアンテナの例示的な形状を示す図である。
【図１０】  図１０Ａ〜図１０Ｅは、スパッタリングアンテナの例示的な断面形状を示す図である。
【図１１】  図１１は、本発明のスパッタリングアンテナの変形例を示す断面図である。
【図１２】  図１２は、本発明のスパッタリングアンテナの他の変形例を示す断面図である。
【図１３】  図１３は、本発明のスパッタリングアンテナのさらに他の変形例を示す断面図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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