(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング・ターゲットの裏面に配置可能で、前記ターゲットの中心位置の周りを回転可能なマグネトロン・アセンブリであって、前記中心位置の周りに非対称に配置された単一のマグネトロンからなり、前記マグネトロンは、
三角形状に配置された第１の磁極性の第１のマグネットを有し、少なくとも前記第１のマグネットの２つが、前記三角形状の長辺に配置された棒磁石であり、前記ターゲットの外周から前記ターゲットの中心に向かって延び、１０°から３５°の間で互いに傾けられ、前記第１のマグネットの１つが、前記三角形状の短い側上に配置されている、第１の磁極の第１の極と、
前記三角形の内部に配置され、前記ターゲットの表面に沿って延びるギャップにより前記第１マグネットから隔てられた第２の磁極性の第２の極とからなる、マグネトロン・アセンブリ。
【請求項２】
前記角度が２０°から３０°の間である、請求項１に記載のマグネトロン・アセンブリ。
【請求項３】
短い側上に配置されている前記第１のマグネットが、第３の棒磁石を含む、請求項１に記載のマグネトロン・アセンブリ。
【請求項４】
前記第１のマグネットはすべて長方形である、請求項３記載のマグネトロン・アセンブリ。
【請求項５】
前記第２の極は単一の第２のマグネットを含む、請求項１記載のマグネトロン・アセンブリ。
【請求項６】
前記第２のマグネットが棒磁石である、請求項５記載のマグネトロン・アセンブリ。
【請求項７】
前記第２のマグネットは円形である、請求項５記載のマグネトロン・アセンブリ。
【請求項８】
前記ターゲットに接続された直流電源を有するプラズマ・スパッタリング・システムの中に組み込まれ、前記第１の極の全磁束は、前記第２の極の全磁束より少なくとも１．５倍大きく、前記ターゲットへ供給される直流電力レベルが、５ＭＨｚと７５ＭＨｚの間の周波数を持つ第２のプラズマ波に変換される第１のプラズマ波を発生するに充分高い、請求項１記載のマグネトロン・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
本出願は、１９９９年２月１２日提出の出願番号０９／２４９，４６８の一部継続出願である、１９９９年８月１２日提出の出願番号０９／３７３，０９７の一部継続出願であり、ここではいずれの出願も全体を参照して包含されている。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、一般に材料のスパッタリングに関係する。特に、本発明はスパッタリングを向上するための磁場を生成するマグネトロンに関係する。
【０００３】
【背景技術】
スパッタリングは、あるいは物理的気相堆積法（ＰＶＤ）とも呼ばれ、半導体集積回路の製造において、金属や同類の材料の層を堆積する最も普及した方法である。従来のＰＶＤ反応装置１０が、図１に概略的に断面で示される。図は、カリフォルニア、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販のＥｎｄｕｒａ  ＰＶＤ  Ｒｅａｃｔｏｒに準拠したものである。反応装置１０は、真空チャンバ１２を含み、真空チャンバ１２はＰＶＤターゲット１４に密閉され、ＰＶＤターゲット１４は通常金属材料により構成されており、ヒータ台１８上に保持されるウェーハ１６の上にスパッタ堆積される。チャンバ内に保持されたシールド２０は、スパッタされた材料からチャンバ壁１２を保護し、また陽極接地面を提供する。選択可能直流電源２２がターゲット１４に、シールド２０に対して約−６００ＶＤＣまで負バイアスをかける。慣習的には、ペデスタル１８、およびウェーハ１６は、電気的に浮動状態にしておく。
【０００４】
ガス源２４はスパッタリング作業ガス、通常は、化学的に不活性なガスであるアルゴンを、チャンバ１２へ流量制御装置２６を通じて供給する。金属窒化物の反応性スパッタリング、たとえば窒化チタンのスパッタリングでは、別のガス源２７から独自の流量制御装置２６を通じて、窒素が供給される。Ａｌ2Ｏ3などの酸化物を生成するために酸素も供給可能である。ガスは、図示のように、シールド底を貫通するか、またはシールド２０とペデスタル１８の間の隙間を通るどちらか１つまたはそれ以上の吸気口により、チャンバの上端、またはチャンバの底から導入することが可能である。真空システム２８がチャンバを低圧に維持する。ベース圧力は約１０-7Ｔｏｒｒまで、あるいはそれ以下に保持することが可能であるが、作業ガスの圧力は、通常約１Ｔｏｒｒから１０００ｍＴｏｒｒの間に維持される。コンピュータを使用した制御装置３０が、直流電力２２と流量制御装置２６を含む反応装置を制御する。
【０００５】
アルゴンがチャンバ内へ導入されると、ターゲット１４とシールド２０の間の直流電圧がアルゴンを点火してプラズマにし、正に帯電したアルゴンイオンが、負に帯電したターゲット１４へ引き付けられる。イオンはターゲット１４に大きなエネルギーでぶつかり、ターゲットの原子または原子の集合をターゲット１４からスパッタする。ターゲット粒子のいくつかは、ウェーハ１６にぶつかって、その上に堆積される。これによりターゲット物質の膜が形成される。金属窒化物の反応性スパッタリングでは、窒素が追加的にチャンバ１２に導入され、これが、スパッタされた金属原子と反応して、ウェーハ１６上に金属窒化物を形成する。
【０００６】
効率的なスパッタリングのために、マグネトロン３２はターゲット１４の後ろに置かれる。マグネトロン３２は、対抗するマグネット３４と３６を有し、マグネット３４、３６の付近のチャンバ内に磁場を作る。磁場は電子を捕獲し、電荷の中立性のためイオン濃度も増加し、マグネトロン３２に隣り合うチャンバ内に高密度のプラズマ領域３８が作られる。マグネトロン３２は通常、ターゲット１４の中心の周りを回転して、ターゲット１４が完全にスパッタに適用されるようにする。マグネトロンの形成がこの特許出願の主題であり、図示形態は単に示唆を目的とするものである。
【０００７】
半導体集積回路における集積レベルの進歩は、スパッタリング装置およびプロセスに対する要求を増加させてきた。問題の多くはコンタクトホールおよびビアホールに関するものである。図２の断面図に図示されるように、ビアホールまたはコンタクトホール４０が中間絶縁膜４２を抜けてエッチングされ、下地層または下地基板４６中の導電構造４４に届く。その後、スパッタリングを用いてホール４０に金属を充填し、層間の電気接続が与えられる。下地層４６が半導体基板の場合、充填されたホール４０はコンタクトと呼ばれ、下地層が下位のメタライゼーション層の場合は、充填されたホール４０はビアと呼ばれる。簡潔にするため、ここでは以降ビアとだけ呼ぶことにする。層間のビアの幅は０．２５μｍ付近以下まで縮小されてきており、一方、中間の絶縁膜の厚さは０．７μｍ周辺でほぼ一定のままである。その結果、高集積回路におけるビアホールでは、アスペクト比が３以上に増大している。開発中の技術の中には、６またはそれ以上のアスペクト比が要求されるものがある。
【０００８】
このような高アスペクト比はスパッタリングに問題をもたらす。なぜなら、スパッタリングのほとんどの形式は強い異方性を持たず、垂直面からのコサイン依存がよく生じるため、初期にスパッタリングされた材料が優先的にホールの上端に堆積してホールにブリッジを作ってしまい、ホールの底への充填をさまたげ、ビアメタルにボイドを作ってしまうからである。
【０００９】
しかし、ターゲット１４とペデスタル１８の間のプラズマ中において、スパッタリングされた粒子の相当の割合をイオン化することにより、深いホールであっても容易に充填をできることが知られるようになった。図１のペデスタル１８は、電気的浮動状態の場合でも、直流自己バイアスが発生する。この直流自己バイアスが、ペデスタル１８に隣接するプラズマ・シースを越えて、プラズマからイオン化されたスパッタ粒子を、絶縁層４２のホール４０内深くに引き寄せる。この効果を、ペデスタル電極１８の追加的な直流またはＲＦバイアスにより強調して、プラズマ・シースを越えてウェーハ１６方向へ引き出されたイオン化粒子をさらに加速させることにより、スパッタ堆積の方向性を制御することができる。相当割合のイオン化されたスパッタ原子によるスパッタリング処理は、金属イオン化堆積または金属イオンプレーティング（ＩＭＰ）と呼ばれる。ホールの充填効率の２つの関連する定量的測度は、ボトムカバレッジとサイドカバレッジである。図２に概略的に示すように、スパッタリングの初期相は層５０を堆積し、層５０は表面、すなわち全体厚さｓ1、底面厚さｓ2、および側壁厚さｓ3を有している。ボトムカバレッジはｓ2／ｓ1であり、サイドカバレッジはｓ3／ｓ1である。モデルは非常に単純化されているが、多くの状況に適合している。
【００１０】
イオン化率を向上させる１つの方法は、図１のチャンバ１２の側面周囲にＲＦコイルを追加するなどによって、高密度プラズマ（ＨＤＰ）を生成することである。ＨＤＰ反応装置は高密度アルゴンプラズマを生成するのみならず、スパッタされた原子のイオン化率を増加させる。しかしながら、ＨＤＰ  ＰＶＤ反応装置は新型で比較的高価であり、また、堆積された膜の品質は必ずしも最良ではない。主として、図１のＰＶＤ反応装置の直流スパッタリングを使用しつづけることが望ましい。
【００１１】
イオン化率を向上する別の方法は、ターゲットがシルクハット型をした中空陰極マグネトロンを使用することである。この種の反応装置は、しかし、非常に熱くなり、また複雑な形状のターゲットは非常に高価である。
【００１２】
誘導結合ＨＤＰスパッタ反応装置、または中空陰極反応装置のいずれかによってスパッタされた銅は、ビアの側壁に波状の銅膜を形成しやすく、さらに堆積された金属はディウェッティング現象を起こしやすいことが観察されている。スパッタされた銅層が、電気メッキなど、引き続く処理により銅ホールの充填を完了するための、あらかじめ定められた最小厚さの層のシードとして使用される場合、その厚さが変化しやすいことは特に深刻である。
【００１３】
従来技術におけるさらなる問題は、ターゲット中心に面している側と、ターゲットからより大きな立体角で遮蔽されている側とで、ターゲット中心に面している側がより厚く被覆されることにより、サイドカバレッジが不均衡となりやすい点である。両側が不均衡であることから、あらかじめ決められた最小厚さのシード層に達するために余分な堆積が必要とされるだけでなく、フォトリソグラフィー工程においてアラインメント印として使用される十字型の溝幅が、左右不均一に狭まっていくように見えてしまう。
【００１４】
深いホールの充填を促進する他の作業制御は、チャンバ圧力である。一般に、より低いチャンバ圧力のときにホールの充填が促進されると考えられる。高圧力においてスパッタ粒子は、中性でもイオン化されていても、アルゴン・キャリアガスの原子と衝突する可能性がより高くなる。衝突によって、イオンが中性化されたり速度が不規則化し、これら両方の効果によってホールへの充填が悪化する傾向がある。しかしながら、前述の通り、スパッタリングは少なくともターゲットに隣接するプラズマの存在に依存する。最低圧力はいくつかの要因によって決まるが、もしも圧力を低下させすぎた場合には、プラズマが崩壊してしまう。
【００１５】
極端な低圧プラズマ・スパッタリングは、１９９７年５月８日出願の米国特許出願連番０８／８５４，００８にＦｕらにより記載の持続型セルフスパッタリング（ＳＳＳ）である。ＳＳＳでは、正にイオン化したスパッタ原子密度が非常に高いため、充分な個数が負にバイアスされたターゲットへ引き戻されて、より多くのイオン化原子を再スパッタする。限られた数のターゲット金属に適した条件下では、自己スパッタリングによってプラズマが持続され、アルゴンの作業ガスを必要としない。銅は最もＳＳＳを行いやすい金属であるが、それは高電力、高磁場の条件においてのみである。銅のスパッタリングは、銅が低抵抗であり、エレクトロマイグレーションの影響を受け難いことから真剣に開発が進められている。しかし、銅のＳＳＳが商業的に実用可能となるためには、フルカバー、強磁場のマグネトロンが開発されなくてはならない。
【００１６】
ターゲットに与える電力を増加すると、圧力は、恐らくは持続型セルフスパッタリングの点まで低下させられる。電力を増加させると、また、イオン化密度が増す。しかしながら、過剰な電力によって電力供給に費用がかかり、また冷却も多く必要となる。３０ｋＷを超えた出力レベルは高価であり、可能であれば避けるべきである。実際、関係する要因は出力ではなく、マグネトロン下の領域の出力密度である。これは、その領域が効率的なスパッタリングを促進する、高密度プラズマの領域だからである。したがって、小さな、強磁場の磁石が、最も容易に高いイオン化密度を作り出すであろう。この理由から、いくつかの従来技術では小さな円形マグネットを開示している。しかしながら、そのようなマグネトロンは、一様性を与えるためにターゲットの中心周りを回転させることが必要であるだけでなく、ターゲットの全域を十分に均一にカバーするために、放射状にスキャンすることも必要とされる。マグネトロンが全域をカバーしていないと、ターゲットが効率的に使用されないばかりでなく、より重要なことには、スパッタ堆積の均一性が低下し、スパッタされた多少の物質が、スパッタされていない領域のターゲット上に堆積されてしまう。さらに、スパッタされない領域に堆積された物質が剥がれやすい厚さにまで蓄積されて、重大なパーティクルの問題をもたらす可能性がある。放射状スキャンによってこれらの問題を避けることができる可能性があるが、求められるスキャニングの機構は複雑であり、一般に製造環境中では実行不可能と考えられる。
【００１７】
市販のマグネトロンの１タイプとしては、米国特許５，３２０，７２８にＴｅｐｍａｎによって例示されるように、インゲンマメ型をしたものがある。Ｐａｒｋｅｒは米国特許５，２４２，５６６の中で、この形をより誇張した形状を開示している。図３の平面図に図示されるように、Ｔｅｐｍａｎマグネトロン５２は、ほぼ等幅で環状のギャップ５７によって隔てられた磁気的に逆の極表面５４、５６により、インゲンマメ型に準拠して形成されている。極表面５４、５６は、ギャップ５７をまたがる、図示されない蹄形磁石によって磁気的に連結されている。マグネトロンは、ターゲット１４の中心で、インゲンマメ型内側極表面５４のくぼんだ端部近くにある回転軸５８の周りを回転する。外極表面５６の凸状に湾曲した外周は、だいたいその領域でギャップ５７と平行であり、ターゲット１４の使用可能部分の外周と近接している。この形状は高磁場と均一なスパッタリングのために最適化されたものであるが、ターゲットのほぼ半分の面積がある。また、２つの極を分けているギャップ５７から分離された領域では、磁場が相対的に弱いことを付記しておく。
【００１８】
これらの理由から、深いホールの充填を促進するために完全なカバレッジをもたらし、と共に、銅持続型セルフスパッタリングを行うためには、小さくて高磁場のマグネトロンの開発が望まれる。
【００１９】
【発明の概要】
本発明は、マグネトロンの通常の回転軸に対して延びているターゲット半径に沿って、同じくターゲット半径に沿った等しい直径の円よりも小さい面積の、楕円形もしくは同類の形状をもつスパッタリング・マグネトロンを含む。形状には、長円、楕円、卵型、三角形、およびターゲットの中心周りに非対称に位置する円弧三角形を含む。
【００２０】
マグネトロンはターゲットの裏面上で、好ましくはマグネトロンの薄い端に近い点の周りで回転され、より厚い方の端は、よりターゲット周辺近くに配置される。好ましくは、全磁束は、ターゲット半径の半分より内側の領域よりも、外側の領域でより大きい。
【００２１】
ターゲットから離れた位置での磁気強度については、比較的小さな頂角を有する三角型マグネトロンの場合、棒磁石を使用すれば増加させることができる。
【００２２】
小さな領域とすることで、２００ｍｍウェーハにスパッタ堆積するために使用される完全にカバーされたスパッタリング・ターゲットへ、１８ｋＷ電源から少なくとも６００Ｗ／ｃｍ2の出力密度を供給することが可能になる。
【００２３】
高出力密度とターゲットから遠くへ延びる磁場の２つが、プラズマをより高密度化かつ高イオン化させることができるプラズマ波の生成のために採り得る手段である。都合のよいことに、主なプラズマ波は数百メガヘルツ範囲の高周波で生成され、これはもっと低い周波数での別の波、たとえば５ＭＨｚから７５ＭＨｚへ、ターゲットに直流電力が静電結合によって生じるプラズマ中の電子の熱速度に応じて、パラメータ的に変換される。
【００２４】
マグネトロンは、それを取り巻く外側極よりも、内側極中に、より少ない磁束を発生するよう構成される。これにより、磁場がスパッタリング・チャンバ内のより遠くへ届くようになり、低圧スパッタリングおよび持続型セルフスパッタリングを促進する。
【００２５】
本発明はまた、そのようなマグネトロンによって達成可能なスパッタリング方法を含む。小さい閉じた領域にわたって延びる高磁場によって、持続型セルフスパッタリングが容易となる。持続型セルフスパッタリングの対象にならない多くの金属が、０．５ｍＴｏｒｒ未満、しばしば０．２ｍＴｏｒｒ未満、０．１ｍＴｏｒｒといったチャンバ圧力でも、スパッタが可能となる。２００ｍｍウェーハを支持する大きさのペデスタル電極へ、２５０Ｗ未満のＲＦバイアスをかけることによって、ボトムカバレッジをさらに改善することが可能である。銅は、３３０ｍｍのターゲットと２００ｍｍのウェーハに対し１８ｋＷの直流電力で、完全な自己維持モード、または０．３ｍＴｏｒｒ以下の最低チャンバ圧力のいずれの条件下で、スパッタすることができる。
【００２６】
本発明は、容量を小さくした電源で、高出力密度のスパッタリングを提供する。
【００２７】
本発明はまた、非線形波動・ビーム相互作用が起こり、プラズマ電子をエネルギー励起し、それによってプラズマ密度を増すような、ターゲットから遠く離れて充分なターゲット電力および高磁場があるなどの条件でのスパッタリングを含む。
【００２８】
【好適実施形態の詳細な説明】
本発明の１実施形態は長円マグネトロン６０であり、図４の平面図に図示される。長円マグネトロン６０は、２つの曲線端によって接続された、中間が直線の向かい合った平行な側６４を有する、単一の磁極性の中心棒形状極表面６２を有する。中心の棒形状極表面６２は、外側の、もう一方の磁極性の細長いリング形状極表面６８によって、棒形状極表面６２とリング形状極表面６８をほぼ一定幅のギャップ７０で隔てて、取り囲まれている。もう一方の磁極性の、外側の極表面６８は、内側の極表面６２と概ね中心対称な２つの曲線端７４によって接続された、中間が直線の向かい合った平行な部分７２を含む。中間部分７２と曲線端７４はほぼ等しい幅を持つ帯である。マグネットは、簡単に説明すると、極表面６２、６８に反対の磁極性を持たせる。バッキングプレートも簡単に説明すると、磁気的に逆な極表面６２、６８の間にヨーク（継鉄）として作用すると共に、マグネトロン構造を支持する。
【００２９】
２つの極表面６２、６８は、図の平面に対して一般に垂直に延びる磁場を発生するように、特定の磁極で説明されているが、当然のことながら、本発明が関係するかぎりにおいて、反対の磁極の組み合わせであっても、概ね同様の磁気効果を生むことは十分理解できる。図示のアセンブリは、中心部に極小の無磁場領域をもち、閉路から垂直方向に平行に延びる円弧を有する、ほぼ半トロイダルな磁場を形成する。その結果、閉じた磁場のトンネルが、支柱のように形成される。
【００３０】
図４の極組立体は、均一組成のターゲット１４の中心とほぼ一致する回転軸７８の周りを、スパッタ堆積の間、相当に速い回転速度で連続回転するよう構成されている。回転軸７８は、外側の極表面６８の丸く上下に延びた端部８０に、あるいはそれに近接して位置しており、他方の丸く上下に延びた端部８２は、ターゲット１４の使用可能範囲の、およその外半径に置かれる。回転マグネトロン６０をターゲット中心に関して非対称に位置させることにより、小さなマグネトロンにもかかわらず、完全なターゲット・カバーが達成される。ターゲット外側の使用可能周囲は、異なるマグネトロン設計では、同じターゲットの異なる部分を使用するために、容易に特定できない。しかしながら、それは、ターゲットの平坦部分によって境界とされ、ほとんどの場合、スパッタ堆積されるウェーハの直径を著しく越えるまで延びており、ターゲット表面の面積よりもいくらか小さい。２００ｍｍウェーハでは、３２５ｍｍのターゲット表面が一般的である。ターゲット半径の１５％を未使用とすることが、実用上限として考えられ得る。長円マグネトロンは従来技術において良く知られるが、それらは一般にターゲットの中心に対称に位置されている。記載の発明では、長円は、その内端をターゲット中心に重ねるか、あるいは内端をターゲット中心からターゲット半径の好ましくは２０％以内、より好ましくは１０％以内の半径位置で終わらせるかの、いずれかによって非対称に位置されている。図示の長円は、ターゲットの直径に沿って延びている。
【００３１】
図５の平面図に示されるように、マグネット９０、９２の２つの組が極表面６２、６８の後ろに配置され、前述の２つの磁極を作り出す。極表面６２、６８、マグネット９０、９２、そして恐らくは、背後のヨークの組み合わせによって、極表面６２、６８によって規定される面積を持つ、２つの反対の磁極が作られる。そのような極を実現するためには、他の方法を使うこともできる。
【００３２】
マグネット９０、９２の２タイプは、同様の構造および構成物で、垂直方向を向く各端上に、軸方向に延びる磁束を作る。もしもそれらが、異なる磁気構成、直径、または長さである場合、異なるマグネットにより発生する磁束は異なったものとなり得る。図６はマグネット９０、９２の断面図である。軸に沿って延びる円筒状の磁気コア９３は、ネオジム・ホウ素鉄（ＮｄＢＦｅ）などの強磁性体からなる。そのような物質は容易に酸化されるので、コア９３は、管状の側壁９４と、２つのほぼ円形のキャップ９６を溶接し、気密キャニスタ状のカプセルに包んである。キャップ９６は軟磁性体、好ましくはＳＳ４１０ステンレス鋼からなり、管状側壁９６は非磁性体、好ましくはＳＳ３０４ステンレス鋼からなる。各キャップ９６は軸方向に延びるピン９７を含み、ピン９７は、極表面６２、６８の１つ、またはこの後に説明するヨークの中にある、対応する捕獲ホールと噛み合う。このようにして、マグネット９０、９２はマグネトロンに固定される。磁気コア９３はその軸方向に沿って磁化されているが、２つの異なるタイプのマグネット９０、９２は、マグネトロン６０内で図７の断面図に図示されるように方向付けされているため、内側の極６２のマグネット９０は、１方向に垂直に延びる磁場を持つよう位置決めされ、外側の極６８のマグネット９２は、別の方向に垂直に延びる磁場を持つよう位置決めされる。こうして、それらは反対の磁極を持つ。
【００３３】
図７の断面図に描かれるように、マグネット９０、９２は、極表面６２、６８のすぐ上に配置され、またその極表面６２、６８は（図１中の配置で言えば）ターゲット１４の裏側すぐ真上に置かれる。一般に外部の極表面６８の外周と一致した、一般に閉じた形状を持つ磁気ヨーク９８は、マグネット９０、９２の後に近接して位置し、２つの極６２、６８を磁気的に結合する。前述のように、極表面６２、６８とヨーク９８の中のホールは、マグネット９０、９２を固定し、図示はしていないが、金物で極表面６２、６８をヨーク９８に固定する。
【００３４】
内側のマグネット９０と内側の極表面６２は、内側の１つの磁極を構成し、一方、外側のマグネット９２と外側の極表面６８は、外側周囲の、もう一方の磁極を構成する。ヨーク９８は、内側および外側の極を磁気的に結合し、マグネトロンの裏または表の磁場をヨーク９８に閉じ込める。これによって、半ドーナツ型の磁場１００が作り出され、磁場１００は非磁性ターゲット１４を通り抜けて真空チャンバ１２の中まで延び、高密度プラズマ領域３８を規定する。磁場１００は、非磁性ターゲット１４を通り抜けて真空チャンバ１２の中まで延び、高密度プラズマ領域３８を規定する。マグネット９０、９２は異なる磁力であり得る。しかしながら、後に説明する理由から、外側のマグネット９２によって作られる全磁束は、内側のマグネット９０によって作られる全磁束よりもかなり大きくすることが望ましい。説明のように、マグネトロン６０はターゲット１４のほぼ中心から、ターゲット１４の使用可能領域の端まで水平に延びている。ヨーク９８および２つの極表面６２、６８は、ＳＳ４１６ステンレス鋼のような軟磁性体から形成されるプレートであることが好ましい。
【００３５】
マグネトロン６０の内部長端部８０は、回転軸７８に沿って延び、モータ１０６によって回転されるシャフト１０４に接続される。図示するように、マグネトロン６０はターゲット１４のほぼ中心から、ターゲット１４の使用可能領域の右手側に水平に延びている。米国特許５，２５２，１９４の中でＤｅｍａｒａｙらは、モータ１０６、マグネトロン６０、および真空チャンバ１２間の、接続の詳細例を開示している。マグネトロン・アセンブリ６０は、シャフト１０４が撓むのを避けるために、カウンター・ウェイトを備えるべきである。回転中心７８は、外極表面７２の内部長端部７４内に配置することが好ましいが、若干違う位置に最適化することは可能である。しかし、マグネトロン６０の長円長さを基準として２０％以下、できれば１０％以下、長端部８０から移動するにとどめることが望ましい。なお外極表面６８の長端部８０に近い内側の端が、回転中心７８と重なることが最も望ましい。
【００３６】
図４の長円構成は、ターゲット全体をなおカバーしながら、単純で非常に小さい面積であるという利点を持っている。後に検討するように、２つの極の不均斉な磁束は、低圧スパッタリングや持続型セルフスパッタリングに有利である。
【００３７】
図４の長円構成は、また極端につぶれた楕円形として特徴付けることも可能である。その他の楕円形状、たとえばターゲットの半径に沿って延びる楕円長軸と、なるべく回転円周に平行な短軸を持つ楕円形など、連続して直径が変化する連続曲線形状もまた本発明に含まれる。特開昭６３−２８２２６３の中で、タブチは対称な楕円マグネトロンを図示している。しかしながらこの形状は複雑であるという点で、特にマグネットを内側の極に入れるときに不利である。
【００３８】
別の楕円形は、図８の平面図に図示する卵型マグネトロン１０６によって表わされる。卵型マグネトロン１０６は、単一の磁極性を有する外極表面１０８を有し、外極表面１０８はもう一方の磁極性の内側極表面１１０を、ほぼ一定のギャップ１２２を間にして取り囲む。両方の極表面１０８、１１０は、ターゲットの半径に沿って延びる長軸を持つ卵型の外形様に形成される。しかしながら、回転軸７８に近接する外極表面１０８の内端１１２は、ターゲット外周に近接する外端１１４よりも尖っている。卵型は楕円形と同類であるが、ターゲット半径に関して非対称である。特に短軸が、ターゲット中心よりも、外周により近づけられている。内側極表面１１０とギャップ１２２は同様の形状をしている。このような卵型では、より多くの磁束がターゲット外周に集められ、スパッタリングの均一性が高まる。このような好ましい磁束分布は、ターゲットの中心からその外側使用可能半径まで延びる、ターゲットの半径に関わることにその特徴がある。均一性の向上のためにはターゲット半径の半分から外側に位置する全磁束は、内側に位置する全磁束よりも、たとえば少なくとも３：２の割合以上、できれば１．８から２．３の間であることが好ましい。本構成でターゲット半径の半分から内側対外側の磁束比は、約２：１である。
【００３９】
図９の平面図に図示するのは、また１つの類型である三角型マグネトロン１２６である。これは単一の磁性極の三角形外極表面１２８を有し、三角形外極表面１２８はもう一方の磁極の三角形内側極表面１３０を、ギャップ１３２を間にして取り囲む。丸い角を持つ内側極表面１３０の三角形状は、図６のボタンマグネット９０、９２を六角形に集めて詰めることができる。外極表面１２８は、できれば互いに６０°でオフセットされ、丸い角１３６によって接続される、３本の直線部分１３４を有する。できれば、丸い角１３６の長さは直線部分１３４よりも短くする。１つの丸い角１３６は回転中心７８およびターゲット中心に、なるべくターゲット半径の２０％以内、より好ましくは１０％以内付近に位置決めするほうがよい。最も好ましいのは、外極表面１２８の頂点が回転中心７８に重なる状態である。三角形の内側極片１３０には中心開口があってもよいが、しかしそのような開口の大きさは、中心磁気尖端の大きさを最小にするためにも小さくしておくことが望ましい。
【００４０】
さらに一部変形させた三角形が、図１０の円弧三角マグネトロン１４０によって表わされる。これは三角形内側極表面１３０を有し、三角形内側極表面１３０は円弧三角外極表面１４２によりギャップ１４４を間にして、またそれぞれの極のマグネットとギャップ１１４後ろのヨークとの間に、取り囲まれている。外極表面１４２は、丸い頂角部１４８によって互いに接続され、また、丸い外周角部１５２によって円弧部１５０に接続された、２本の直線部１４６を含む。頂角部１４８は回転中心７８およびターゲット中心に、好ましくはターゲット半径の２０％以内、より好ましくは１０％以内で近接して置かれる。円弧部１５０は一般に、ターゲットの円周に近接して位置される。その曲率はターゲットの曲率と等しくすることができる。すなわち回転中心７８から等距離にすることができるが、回転中心７８に対して凹んだ円弧部については、別の最適化された曲率を選択してもよい。円弧部１５０はチャンバ内のターゲット外周に対して、ターゲット半径の２５％以内、より好ましくは１５％以内で近接して位置される。特開昭６２−８９８６４の中で、ヨコヤマらはターゲット中心周りに対称に配置された複数の円弧三角マグネトロンの利点について開示している。しかしながら、複数のマグネトロンでは対象とする全面積が小さくならないため、スパッタリングの高出力密度を達成しない。さらにヨコヤマらの個々のマグネトロン部の頂点は、ターゲット中心から比較的遠くに位置されているため、多数のマグネトロン部がなければスパッタリングの均一性が乏しくなる。
【００４１】
図１１の平面図に示されるマグネットの配置によって磁場が生成される。第１の極性のマグネット１６０は、有利な六角形状に近接して詰めた配置で、内側極表面１３０に隣接して置かれる。第２の極性のマグネット１６２は、外極表面１４２の円弧部１５０に隣接して配置され、一方、第２の極性のマグネット１６４は、外極表面１４２の残りの部分に隣接して配置される。いくつかの場合においては、後述するように、異なる強度のマグネットを外極表面１４２の異なる部分に置くことが有利である。ある実施形態では、内側極に１０個のマグネットが、外側極に２６個のマグネットがあり、これはもし各マグネットの強さが同じであれば、外側の極は内側の極の２．６倍の磁束を生じるということになる。
【００４２】
図９および図１０の三角型マグネトロン１２６、１４０は、ボタンマグネットを六角形に近接して詰めやすいように、６０°の頂角θを持つように図解してあるが、頂角は変更可能であり、特に６０°よりも小さくすることができる。しかしながら、６０°±１５°が優れた均一性をもたらすようである。頂角は、本発明のマグネトロンの２つの重要なパラメータ、マグネトロン面積Ａとその周囲Ｐの値に影響する。図１２の平面図で示すように、円弧三角形マグネトロン１４０の頂角θの変化による一般的な影響は、簡単に計算で表すことができる。単純化された、または標準的な円弧三角マグネトロン１７０は、半径ＲTのターゲット１４の中心と外周の間に延び、回転軸７８と一致する頂点で交わる２本の直線側面を有し、さらにターゲット１４の使用可能外周に一致する円弧側面を含む。単純化された円弧三角マグネトロン１７０の面積Ａは、θＲT2／２であり、その周囲ＰはＲT（２＋θ）である。なお、θはラジアンで測定される。やはり図１２に、ＲT／２の半径を持ち、回転軸７８に固定された直径を持つ円形マグネトロンのモデル１７２が図示されている。これはπＲT2／４の面積ＡとπＲTの円周Ｐを持つ。両方のマグネトロン１７０、１７２は完全にターゲットをカバーする。円弧三角の面積Ａの、頂角θに対する依存性が図１３に、正規化された単位で線１７４によってプロットされており、また円形面積の頂角θに対する依存性が線１７６によってプロットされている。９０°未満では三角形の面積の方が小さい。円弧三角の周囲Ｐの依存性が線１７８によって図１４にプロットされ、円周の依存性が線１８０によってプロットされる。６５．４°未満では円弧三角の周囲の方が小さい。面積を最小化することによって、イオン化率はターゲット出力がより小さい面積に集中するため増加し、また一般にエッジロスは周囲長に比例するために、周囲を最小化することによってもイオン化率は増加する。もちろん面積は、磁場を生成するマグネットを収容するだけの充分な大きさがなくてはならない。また、これらの計算は均一性を扱ったものではない。円形マグネトロン１７０では、円弧三角マグネトロン１７２に対して、均一性が低くなるようである。
【００４３】
円弧三角マグネトロン１７２について、ターゲット半領域の、外−対−内側の磁束の比は、（１＋θ）による２領域での側面１７０の長さにより概算される。すなわち頂角θ４５°では１．７９、６０°では２．０５、７５°では２．３１、および９０°では２．５７である。
【００４４】
図１０および図１１の円弧三角形配置の変形として、頂角をたとえば４７°に減少する。六角形に近接して詰められた内側マグネット１６０に加え、１つ以上の内側マグネットが、六角形に近接して詰められたマグネットの内角から、外側マグネット１６４の内角まで、線形に配置される。結果は、長円マグネトロンと円弧三角マグネトロンの中間になる。
【００４５】
以下に示す処理結果を導くための実験研究は、小さいマグネトロン面積が有利であることを実証している。図１１および図１２の三角型マグネトロン構成を、内側極と外側極との間のギャップを少なくして、極めて小さい頂角θを持つように調節した場合、生成される全磁束はマグネットの透磁率によって制限される。したがって、頂角およびギャップを小さくすると、ギャップを越える磁束はマグネトロンからそれほど遠くへは延びない。結果として、高密度プラズマは、ターゲット前のどんどん浅くなっていく高さを越えて延びることはない。効果的に磁束を増やす手段の１つは、ボタンマグネットの代わりに棒磁石を用いることである。棒磁石は極面積においてより大きい充填比を持つので、任意の面積および最大透磁率（マグネットの単位面積当り）において、大きな磁束が生成される。
【００４６】
そのようなマグネトロン１９０の底部平面図を、図１５に図示する。長い側面の２本の棒磁石１９２と、より短い１本の底辺の棒磁石１９４は、それぞれ同じ第１の垂直磁極で、たとえば１５°の頂角を持つ三角形に配置される。棒磁石とは、磁性方向に垂直に延びる少なくとも1組の平行な側面を持つマグネットを意味する。図示のマグネット１９２および１９４は、２組の平行側面を持つのでそれらは長方形である。しかしながら、１つまたは両方の端、特に頂点に近い端を成形することもできる。逆の、第２の垂直磁極である円形の中心マグネット１９６は、棒磁石１９２、１９４によりほとんど囲まれている。マグネット１９２、１９４、１９６のターゲットと反対側の側面は、三角形のヨーク１９８によって磁気的に連結されるが、マグネット１９２、１９４、１９６がばらばらにならないように支持し、さらに磁気的にそれらを連結するものであれば、ヨーク１９８の形状はあまり重要ではない。ヨーク１９８、およびマグネット１９２、１９４、１９６に対する回転軸７８が、三角形状の頂点近くに位置される。底辺の外側マグネット１９４は、ターゲットのスパッタリング領域として予定されるすぐ外側の、ターゲット外周付近に配置される。マグネットがかなり均一な磁場を提供するので、ターゲットに面するマグネット側面に、個々の極表面は必要ない。円形マグネットの単線に対する充填比は、等しい幅の棒磁石と比較してπ／４＝０．７９であり、したがって棒磁石は２０％高い全磁束を作り出すことが可能である。
【００４７】
図示の三角形マグネトロン１９０は２３°の頂角を有している。その他の角度を選択することもできるが、頂角が１０°から３０°の間である場合、２０°から３０°の頂角がより現実的であるが、その場合に棒磁石が特に適切のようである。また、棒磁石の利点は、主に側面マグネットが棒磁石であることにより達成される。端面マグネット１９４は、より複雑な形状のマグネットまたは磁極と交換しても良い。マグネトロン１９０の当初の実施において、ボタンマグネットは直径０．６２５インチ（１６ｍｍ）、棒磁石１９２、１９４、１９６は幅１インチ（２５ｍｍ）であり、すべてのマグネットの単位面積当り磁束は等しい。より新しい案では、棒磁石の幅は１．５インチ（３８ｍｍ）まで広がりつつある。
【００４８】
図１６の底部平面図に図解の、マグネトロン１９０’の別の実施形態において、長方形の棒磁石１９９が第２の磁極の中心マグネットとして使用されている。中心マグネットは、外側マグネットの内側をさらに満たし、より均一な極間ギャップを作るように、もっと複雑な形状、たとえば、より小さい三角形や異なる直径の２つの円形マグネットで構成することもできる。しかしながら、図示した構成でも十分に効果的であることがわかっている。
【００４９】
上記の形状は、使用されているボタンマグネットよりも、著しく大きくはない面積の、帯状の極表面のことであるのがわかる。外極表面、特に側面部の幅は不均等に広げたりすることもできるが、幅を増加すると望ましい高磁場を発生する効果は薄れる。
【００５０】
上に示された形状はすべて、ターゲット半径に対して対称であった。しかしながら、本発明におけるマグネトロンには、たとえば図４の長円形状の半径方向に延びる片側と図７の卵型楕円のようなもう一方の側、あるいは半径に沿って楕円または直線的に伸びる片側とターゲットの中心と外周の間に頂点を持つ三角形のもう一方の側、といった非対称な形状を含む。
【００５１】
上述のすべてのマグネトロンは内側および外側の極の領域が非対称であり、同様のボタンマグネット９０、９２あるいは同様の磁力の棒磁石を、同様に詰めると仮定すれば、そこに非対称な磁束が生じる。特に、図１７に図示するように内側極２００によって生成される磁束の合計または積分∫Ｂ・ｄＳは、周囲の外側極２０２によって生成されるよりもかなり小さく、両者の比率は少なくとも１．５、好ましくは２倍以上となる。すべてのマグネトロンはまた、外側極２０２によって小さい内側極２００を取り囲むという特徴を持っている。その結果、極２００、２０２の間のギャップ２０６に隣接する、反応装置処理領域２０４内に、非常に強い磁場分布が作られる。しかし、その磁場分布はまた、外側極１９２の磁場線が後ろのヨーク１９８に閉じていることから、処理領域２０４内に遠く延びる。ターゲットから処理領域２０４深くへ垂直に延びる相当部分の磁場が、多くの利点をもたらすことになる。光電子は磁場線まわりに周回するため、延びた磁場が電子を捕獲することによって、より高密度のプラズマを処理領域２０４内部深くまで支持する助けとなる。同じ相互作用によって、接地されたチャンバ・シールドに近接して平行に延びる磁場は、シールドにおける電子損失を減少し、またプラズマ密度を増加する。その結果、プラズマを低圧でも支持することが可能となり、また自己維持状態すら可能となる。磁場はまた、もっと重い正の粒子を一部捕獲ることによって、イオン化されたスパッタ粒子をウェーハに向けて誘導する。
【００５２】
この発明のマグネットはまた、比較的高い磁場を実現する。しかしながら、それ自身の磁場強度は充分でない。さきに言及した特許の中でＤｅｍａｒａｙらが開示しているように、従来のマグネトロンのいくつかでは、極の間のギャップを小さくしインゲンマメ型線形経路に配置された、馬蹄形マグネットのラインを使用している。その結果、インゲンマメ型の周囲領域では比較的高い磁場強度が実現できる。しかしながら、線形形状の高磁場は、実質上磁場のない領域を取り囲むことになる。その結果、電子が高磁場領域の外側だけでなく内側にも逃れる可能性がある。対照的に、本発明の三角形マグネトロンの内側極は最小面積の磁気尖端を作る。すると電子が内側極の片側の磁場から逃げても、もう一方の側で捕獲されやすくなるので、任意の出力レベルにまでプラズマ密度を増加しやすい。さらに、内側極は１個の磁化可能な極表面を含み、ほぼ均質な磁束を生成する。複数の内側マグネットに使用されると、磁場線は内側マグネット同士間にも延びてしまう。
【００５３】
本発明の設計のさらなる利点は、１つの極が閉じた線で形成され、他方の極を取り囲むことである。馬蹄型マグネット等を使い、小さい間隔で２組の極を開放線状に配置して、高い磁場強度で非常に小さい線形に延びるマグネトロンを形成することもできよう。しかしながら、これでは電子は開放部の端から容易に抜け出し、プラズマ密度が低下してしまう。
【００５４】
本発明の有益な成果の大部分は、楕円マグネトロンおよび類似形状のマグネトロンが過剰な電力を必要とせずに、より高いプラズマイオン化密度を生成することによって達成されると考えられる。なおかつ、完全なターゲットのカバーが達成できる。１つの態様において、本発明のマグネトロンの面積は比較的小さいが、放射状スキャニングなしで完全にターゲットをカバーできる形状を有する。図１２の６０°の頂角を持つ三角型マグネトロン１７０の面積は、使用可能なターゲット面積の１／６（０．１６６）である。対照的に、ターゲットの中心から外周に同様に延ばした円形マグネトロン１７２を用いた場合、マグネトロン面積はターゲット面積の１／４（０．２５）である。結果として、より大きな円形マグネトロンに電力を供給する任意の電源に対する、出力密度が小さくなる。ターゲットのオーバーレイ率は、図３のＴｅｐｍａｎのマグネットではさらに大きくなる。
【００５５】
小さい面積とフルカバーという組み合わせは、ターゲット中心からその使用可能領域の外周（±１５％）まで延び、かつターゲット半径の半分以下の横幅を持つ、つまりターゲット半径方向に沿って上下に延びたマグネトロン外周形状によって達成される。なお横幅は回転経路に沿って円周状に測定する。
【００５６】
均一性は、ターゲット半径に対して回転中心に近い内端よりもターゲット外周に近い外端の横幅が広い楕円形状とすることによって、向上する。すなわち、楕円の短軸をターゲット外周に向ってずらす。
【００５７】
面積が小さくても完全にターゲットをカバーできるマグネトロンは、非常に高い出力密度を、妥当な大きさの電源によってターゲットにかけることができる。Ｔｅｍｐａｎ設計とは違って、小さい面積であるが故に内側に実質的な無磁場領域を持たない。以下の例のいくつかは、１８ｋＷ電源を使用している。２００ｍｍウェーハに対して、マグネトロンは約３００ｍｍの使用可能ターゲット直径まで外に延びる。円弧三角形マグネトロンの有効面積は、この大きい方の直径による円面積の約１／６、すなわち、約１１７ｃｍ2である。したがって、スパッタ領域の平均出力密度は、マグネトロン上のどの位置でも、約１５０Ｗ／ｃｍ2である。電磁コイルを使わずにこのような高い電力密度が達成できれば、低アルゴン圧下でもプラズマを維持でき、また銅などの選択された金属であれば持続型セルフスパッタリングが可能となる。３００ｍｍウェーハにおいても、本発明の小さいマグネトロンを当該ウェーハ用の寸法に調整して用いれば、２７ｋＷの電源で１０３Ｗ／ｃｍ2のターゲット電力密度を生成できる。以下に示すように、７６Ｗ／ｃｍ2の電力密度があれば、銅の持続型セルフスパッタリングは十分可能である。
【００５８】
【ウェーブ・ビーム相互作用】
上述方式のマグネトロンは、１０％から２０％オーダーといった意外に高い金属イオン化率をもたらす。これは、誘導結合型ＩＭＰ反応装置内で経験する５０％から７０％といった金属イオン化率よりは低いが、直流マグネトロン反応装置内で通常に経験するような５％未満の金属イオン化率と比べると相当高い。実験によって、上述のマグネトロンがいくつかのプラズマ波を励起できることが示されている。また、これらの波がプラズマ電子のエネルギーを増加して、増加した電子エネルギーが、スパッタ金属原子のイオン化を著しく増加させると考えられる。比較的小さい電子エネルギー（温度）の増加でも、プラズマ密度を著しく増加させることが知られている。
【００５９】
図１８の平面図および図１９の側面図で示す三角型マグネトロン２１０を使用して一連の実験を実施した。このマグネトロンは、反対の磁性の内側極２１４を囲むほぼ三角形の外側極２１２を含む。マグネトロン２１０は、それ意外は従来の図１と同様のスパッタ反応装置に密閉された厚さ１．２ｃｍのチタン平面ターゲット２１６の後ろに配置される。ただし試験中マグネトロン２１０は回転せず、様々なプローブ２１８がターゲット２１６の約１ｃｍ下、マグネトロン極２１２、２１４間の、ターゲット半径の約２／３の位置にあるプローブ先端に、下から挿入される。試験中は、アルゴンガス圧１．６ｍＴｏｒｒ、直流ターゲット電力２ｋＷ、これにより発生するターゲット電圧４５５ＶＤＣという典型的なチャンバ操作条件を用いた。
【００６０】
プローブとして浮動円筒形ラングミュア・プローブを持つスペクトルアナライザーにより、約２４０ＭＨｚおよび２６２ＭＨｚでの２つのピークの特徴と、約２２ＭＨｚではっきりとした特徴が明らかになった。我々は、２６２ＭＨｚのピークは低域混成波のピークωLHであり、その他の２つのピークは、２２ＭＨｚのピークがエネルギーωBを持ち２４０ＭＨｚの側波帯ピークがエネルギーωLH−ωBを持つ非線形パラメータ変換により生じたものと解釈する。ただし本発明は、我々のこの発明に対する理解に限定されるものではない。パラメータ変換では波動ベクトルもまた保存されるため、２２ＭＨｚと２４０ＭＨｚのピークの波動ベクトルは、ｋBおよびｋLH−ｋBという関係になる。
【００６１】
この解釈をさらに議論するには、いくつかの定義が必要である。プラズマは、電子とイオンに関係する２つのプラズマ周波数を有する。それぞれの場合において、プラズマ周波数ωpは次のように表わされる。
【００６２】
【数式１】
0004936604.tif 000002
【００６３】
ここでｅは、電子とほとんどのプラズマイオンの両方にとっての単位電荷であり、ｎpはプラズマ密度、およびｍは電子またはイオンの質量である。プラズマはまた、２つのサイクロトロン周波数ωcを有し、以下のように表わされる。
【００６４】
【数式２】
0004936604.tif 000003
【００６５】
ここでBは磁場、ｃは光速である。我々は、電子プラズマ周波数が約３ＧＨｚ、電子サイクロトロン周波数が約１ＧＨｚ、およびイオンプラズマ周波数が約１１ＭＨｚであると推定する。
【００６６】
マツオカらは、１９８９年７月／８月の、Journal of Vacuum Science and Technology A （真空科学技術ジャーナルＡ誌）第７巻Ｎｏ４、ｐｐ２６５２〜２６５７中の、「電子鏡を用いた新しい高速スパッタリングによる高密度プラズマの生成と膜堆積」の中で、プラズマ波の観察を開示している。しかしながら、彼らは初期のプラズマ波を、以下のように表わされる高域混成波モードωUHであると考えた。
【００６７】
【数式３】
0004936604.tif 000004
【００６８】
これはスペクトル観測から見ても、高すぎる周波数である。これに対し我々は、２６２ＭＨｚのピークが、以下に定義される低域混成波モードωLHに関係すると考える。
【００６９】
【数式４】
0004936604.tif 000005
【００７０】
低域混成波モードは、ωC,i＜ω＜ωC,e，ωP,eの範囲の周波数帯に存在し得る。
【００７１】
我々は、２２ＭＨｚにおけるピークは、大量の電力がかけられたことにより過駆動となったプラズマによる低域混成イオン準モード（a lower hybrid ion quasi mode）と関係していると考える。
【００７２】
２４０ＭＨｚおよび２６２ＭＨｚにおけるプラズマ波は、それらの源が何であれ、電子をあまり加熱しない。図２０のグラフに示されるように、プラズマ電子は一般に、電子温度Ｔeを決める平均エネルギー＜Ｅ＞を持つ、マクスウェルのエネルギー分布２２０をもっている。実際のスパッタリング・プラズマにおける電子温度は、３ｅＶから２０ｅＶを越える範囲と報告されている。エネルギー分布２２０は、一般にターゲット電圧ＶTに関連するエネルギーをもって、プラズマ・シースを横切る二次電子と関係のある、高いサブピーク２２２を持っている。なお我々の実験ではターゲット電圧は４５５Ｖであった。
【００７３】
２２ＭＨｚモードの発生の原因であると考えられるパラメータ電力変換の利点は、プラズマ反応装置では２４０ＭＨｚのような高い周波数モードがより一般的であるが、その電力が、熱中性子化された大量の電子と相互作用するのによりふさわしい、元の周波数の２０％未満のもっと低い周波数モードに変換されることである。
【００７４】
上の２ピークの波動ベクトルｋは、図１８および図１９に図示される、それぞれｒ、θ、ｚ方向にΔｘ＝０．６ｃｍで隔てられた２つのプローブ２１８を有する、デジタルオシロスコープを用いて測定された。波動ベクトル成分ｋxは、Δφ／Δｘとして計算され、ここでΔφはプローブ間の位相差の測定値である。２６２ＭＨｚのピークに対する波動ベクトルｋは、ｃｍ-1の単位で、
【００７５】
【数式５】
0004936604.tif 000006
【００７６】
と表わされ、約７．４ｃｍ-1の大きさｋを持つ。２４０ＭＨｚと２６２ＭＨＺのピーク間における波動ベクトルの差は、およそ２ｃｍ-1の大きさ｜Δｋ｜を持つと測定されている。これらの測定された値のほとんどにおける誤差帯は大きいが、５０％より大きくはない。
【００７７】
プローブ間の１点で測定された磁場ベクトルＢは、ガウス単位で、
【００７８】
【数式６】
0004936604.tif 000007
【００７９】
と表わすことができ、４５７ガウスの大きさを有する。波動ベクトルｋと磁場Ｂの間の角度は、垂直および平行波動ベクトル間の比ｋ⊥／ｋ‖と等しく、０．５から０．７５の範囲として測定される。
【００８０】
波動に対する位相速度ｖρは、
【００８１】
【数式７】
0004936604.tif 000008
【００８２】
により与えられる。
２６２ＭＨｚのピークに対する位相速度はこのように、その波動ベクトルの前記の測定に基づいて、測定された波動ベクトルから２×１０8ｃｍ／ｓとして計算される。これは４５５ｅＶの、注入された二次電子に対する１×１０9ｃｍ-1の速度と比較されるものである。すなわち、新しく注入された二次電子は、測定された２６２ＭＨｚのプラズマ波を容易に駆動する可能性がある。しかしながら、２６２ＭＨｚのピークの位相速度は完全に高すぎるため、熱中性子化された大量の電子と効果的に相互作用できない。
【００８３】
２２ＭＨｚの放射に対する波動ベクトルは、直接には充分測定することができないであろう。しかしながら、パラメータ処理を仮定して、２６２ＭＨｚと２４０ＭＨｚのモード間の、波動ベクトルの差（２ｃｍ-1と測定）が、２２ＭＨｚモードの波動ベクトルと等しいはずである。これが本当ならば、２２ＭＨｚモードの位相速度はおよそ６×１０7ｃｍ／ｓであり、これは１０ｅＶの電子と対応する。すなわち２２ＭＨｚモードは、エネルギーを熱中性子化されたプラズマ電子に結合して、平均電子エネルギーを増加させるのによく適合している。我々は、プラズマ波から電子への結合は、ランダウ減衰を介すると考える。
【００８４】
低域混成波モードの開始および、熱中性子化された電子への連結が可能な別のモードへのパラメータ変換を許容する条件は、マグネトロンにおけるマグネット配置と磁力強度に大きく依存する。本発明について記述された、マグネトロンと平面ターゲットは、条件を満たすと思われる。他のマグネトロンを平面ターゲットと共に試験したが、プラズマ波は観察されなかった。マツオカらの複雑な形状のターゲットの電子鏡構成は、明らかに低域混成波モードを開始できず、約１００ＭＨｚ未満の波動は全く報告できなかった。我々の実験と、２２ＭＨｚモードの明らかな位相速度から考えると、プラズマ・モードは５ＭＨｚから７５ＭＨｚの間で励起される必要があり、１ｅＶから２０ｅＶのプラズマ電子を励起するために、好ましくは１０ＭＨｚから５０ＭＨｚの間で励起される必要があるようである。いかなるプラズマ波の開始も、ターゲットから遠く離れて噴出する磁場に依存するようである。マツオカらは、複雑なホロー陰極設計によりこれを達成した。本発明は、マグネトロンの２極の不平衡な磁場強度でターゲットから離れて垂直な磁場を発生させることと、高い出力レベルで反応装置を駆動することによってプラズマ波の開始を達成する。
【００８５】
プラズマ波を開始するもう１つの条件は、ターゲットから放出された二次電子の電子線密度がある閾値を越える必要があることである。すなわち、ターゲットに与えられる電力密度は高くなくてはならない。発明のマグネトロンは、マグネトロン面積を縮小しているため、スパッタリングの均一性を維持しつつ、既定の電源により達成可能なまで電力密度を上げることができる。それでもなお、商業的規模のスパッタ反応装置には、高いターゲット電力が必要とされる。
【００８６】
【工程】
図４および図５の長円マグネトロンが、銅スパッタリングで試験された。１つの構成において、６個のマグネット９０が中心極表面６２の後ろに置かれ、同じ強さだが逆の極性である２５個のマグネットが、外極表面６８の後ろ周囲に置かれ、３３ｃｍターゲットと２００ｍｍウェーハ間の間隔は１９０ｍｍである。この構成によって±１８％の堆積均一性がもたらされる。第２の構成では、マグネットは異なる強度を持ち、より強いものは３０％多く磁束を生成する。中心極表面の後ろに６個の強いマグネットが配置され、外極表面の周りに、２５個のより弱いマグネットが配置される。内側マグネットがより強いにもかかわらず、外側マグネットにより生成された全磁束は、内側マグネットにより生成された全磁束よりも大きい。第２の構成では堆積均一性が８．９％まで向上する。第２の構成によっても、０．５μｍの幅で、２μｍの深さのビアホールに優れたホール充填がもたらされる。２６５ｎｍの銅カバレッジにおいて、ボトムカバレッジは１０％から１５％の間であり、側壁のカバレッジは２．８％である。深いホール充填は、長円マグネトロンの小さい面積がより高いイオン化密度を生じることによってもたらされる。第３の構成では、外側極の端近くの弱いマグネットのいくつかを強いマグネットと交換する。これによって、均一性はさらにいくらか向上する。
【００８７】
図１０および図１１の円弧三角マグネトロンが、異なるスパッタリング組成による一連の実験で試された。ほとんどすべての実験において、ターゲットはウェーハから、１９０ｍｍから２００ｍｍの間で隔てられ、２００ｍｍウェーハに対してターゲットは３３０ｍｍの直径であった。
【００８８】
銅
銅スパッタリングでは、内側極に１０の強いマグネット１６０を使用し、外側極の円弧部１５０に沿って強いマグネット１６２を、外側極の残りに弱いマグネット１６４を使用することによって均一性が向上される。より強いマグネットはより弱いマグネットの直径よりも３０％大きい直径を持つが、それ以外は同様の組成および構造であり、それによって７０％大きい磁束の統合が生じる。
【００８９】
銅の持続型セルフスパッタリングは、約３０ｃｍの使用可能直径を持つターゲットに９ｋＷの直流電力を与えて、アルゴン雰囲気にプラズマを起こした後に達成され、その結果、円弧三角マグネトロンで７６Ｗ／ｃｍ2の電力密度となる。しかしながら、１８ｋＷの直流電力で、少なくともある程度、液冷ペデスタルにウェーハの裏面冷却をするガスが漏れることから生じる、約０．１ｍＴｏｒｒの最低アルゴン圧で操作することが望ましいと考えられる。０．１ｍＴｏｒｒから０．３ｍＴｏｒｒの増加した背景圧力によって、スパッタイオンの散乱や脱イオン化が著しく増えることなく、効果的なウェーハ冷却が促進される。２０ｋＷや４０ｋＷといった比較的低い直流電力が、進行中の３００ｍｍウェーハ用装置開発という点で重要である。４０ｋＷよりも大きい電源は、実行不能ではないとしても高価であると思われる。
【００９０】
イオン化された銅スパッタリングの１つの応用は、銅の薄い絶縁保護シード層を深くて狭いビアホール中に堆積することである。その後、電解メッキまたは無電解メッキを使用して、素早く経済的に、残りのホールを銅で充填することができる。
【００９１】
１つの実験において、０．３０μｍの上端幅を持ち、１．２μｍのシリカを通って延びるビアホールが、まずＴａ／ＴａＮバリア層によって被膜された。円弧三角マグネトロンを使用して、１８ｋＷのターゲット電力と、０．２ｍＴｏｒｒの圧力で、銅がバリア層上に堆積された。堆積は、全体の厚さが約０．１５μｍになるまで実行された。ビアホールの側面は、なめらかに被覆された。実験では、ウェーハ端部に位置するビアについて、銅の側壁の厚さは片側で約７ｎｍ、別側では１１．４ｎｍ（５％と８％）であることが示される。ボトムカバレッジは約２４ｎｍ（１６％）である。側壁の対称性は、ウェーハ中心のビアホールに対しては向上している。滑らかさにより、堆積された層をシード層や、続く銅の電解メッキのための電極として使用することが促進される。２つの側壁間の比較的良い対称性により、従来技術において明らかに露光印が移動する問題が緩和される。
【００９２】
アルミニウム
円弧三角マグネトロンを使用して、１２ｋＷおよび１８ｋＷの印加電力の両方で、最低圧力を約０．１ｍＴｏｒｒとして、アルミニウム・ターゲットのスパッタリングを行ったところ、著しい改善が達成された。アルミニウム・スパッタリングでは、サイドウォールカバレッジととりわけボトムカバレッジが極めて向上した。より良い均一性はまた、ウェーハを支持する自己バイアスされたペデスタルが、その全領域にわたってイオン化スパッタ粒子を引き付けるため、増加したイオン化率とある程度関連すると考えられる。本発明のマグネトロンはイオン化率を、２％から少なくとも２０％、恐らくは２５％まで増加すると予測される。
【００９３】
円弧三角マグネトロンが、同様の操作条件下で、図３のＴｅｐｍａｎマグネトロンと類似の、従来のマグネトロンと比較された。アルミニウムのスパッタリングについて、比較結果を表１にまとめる。
【００９４】
【表１】
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【００９５】
カバレッジの結果は、０．２５μｍの幅と、１．２μｍの深さを持つ、すなわちアスペクト比が約５のビアホールについて得られた。ボトムカバレッジは、従来のマグネトロンに比較して、本発明の三角型マグネトロンでは著しく向上している。サイドカバレッジもまた向上し、さらにカバレッジがなめらか、かつ上端から底面まで均一である。これら２つの特徴により、堆積された金属を、続く堆積ステップのためのシード層として使用することが促進される。このことは特に、第２の堆積が電解メッキなど異なる処理によって実行される、銅において重要である。ボトムおよびサイドウォールカバレッジが向上したのは、本発明の三角型マグネトロンにより達成された、スパッタされたアルミニウム原子の、より高いイオン化率によるものだと考えられる。このイオン化率は、２５％以上であると考えられる。全体の（平面）堆積の均一性は、ターゲットとウェーハ間の１９０ｍｍの間隔に対してと、長い飛距離の実行における２９０ｍｍの間隔に対しての、両方について決定された。発明の三角型マグネトロンは、特に長い飛距離に対してより良い均一性をもたらす。より良い均一性はまた、ウェーハを支持する自己バイアスされたペデスタルが、その全領域にわたってイオン化スパッタ粒子を引き付けるため、増加されたイオン化率と関連すると考えられる。同様に、本発明の三角型マグネトロンは、２つの相対する側壁のカバレッジの間で、より低い非対称性をもたらす。イオン化密度の増加は、外側の連結よりも充分に小さい面積を持つ、比較的小さい内側連結にある程度起因する。その結果、内側連結の片側からの電子損失が、もう一方の側によって捕獲されやすくなる。
【００９６】
図１５の棒マグネトロンが、銅のスパッタリングのために例示された。それによれば、ボトムカバレッジと、底面に隣接するサイドカバレッジが向上した。全体に、電気化学メッキによる銅の効果的なホール充填をなお可能とする、厚さが減少されたシード層が生成される。
【００９７】
これらの利点はすべて、かなり単純な設計のマグネトロンを使用する、従来の容量結合された、直流スパッタ反応装置において得られている。もちろん、本発明のマグネトロンを、電磁結合されたＲＦ電力に依存するＨＤＰ反応装置など、他のタイプのスパッタ反応装置において有利に利用することも可能である。
【００９８】
チタン
円弧三角マグネトロンがチタンのスパッタにも使用された。チタン（窒化チタンと共に用いられることもある）は、アルミニウムのメタライゼーションにおいて、コンタクトホールの底面にシリコンに珪化物コンタクトを提供し、またウェット層として作用し、またコンタクトホールのシリコンと、ビアまたはコンタクトの側壁におけるアルミニウムとシリカ誘電体間の両方に対するバリアである窒化チタン層と共に有用である。共形的かつ比較的厚いコーティングが、したがって必要とされる。
【００９９】
一連の実験が、１８ｋＷの直流ターゲット電力で、内側極内に６個のマグネット１６０のみを持つチタン・ターゲットを用いて実施された。０．３５ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力において、良好なボトムカバレッジおよび均一性が良好であることが観測された。
【０１００】
チタンの実験が続行され、コートされるビアホールのアスペクト比（ＡＲ）の関数としてボトムカバレッジが測定された。ウェーハ・バイアスがかけられずに、ペデスタルヒータ１８が電気的浮動状態で、１８ｋＷのターゲット電力は、それでもなお約３０Ｖから４５Ｖにターゲットを自己バイアスする。このような状況下のボトムカバレッジは、図２１のグラフにおける線２３０によって示される。ボトムカバレッジはより高いアスペクト比のホールに対して減少しているが、しかしそれでもＡＲ＝６のときに２０％を満たしている。
【０１０１】
これらの実験の連続で、図１に示されるＲＦ電源２３２は、容量結合している回路２３４を通じてヒータペデスタル１８に接続された。プラズマに隣接するウェーハにかけられた、そのようなＲＦ電場が、直流自己バイアスを作ることが知られている。１００Ｗ、４００ｋＨｚの電力が０．３ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力でかけられるとき、図２１のグラフに線２３６によって示されるように、ボトムカバレッジは著しく増加した。しかしながら、バイアス電力が２５０Ｗまで上がると、再スパッタリングされビアホールの上端角が面取られる。ボトムカバレッジの結果は２５０Ｗバイアスについては線２３８によって表わされる。４．５以上のアスペクト比に対して、２５０Ｗのウェーハ・バイアスでのボトムカバレッジは、一般に１００Ｗのウェーハ・バイアスの場合よりも悪く、したがってバイアス電力は、２ＭＨｚ以下の低いバイアス周波数では２５０Ｗ未満に維持されるべきである。これらの電力は、２００ｍｍの円形参照ウェーハに対して標準化されなくてはならない。３００ｍｍウェーハなどの、その他の大きさのウェーハを使用することは可能で、これらのウェーハは指標フラットまたはノッチのために、完全に円形ではないかもしれない。しかしながら、上に引用した電力レベルが２００ｍｍの円形参照ウェーハを参照しており、その後ほぼ円形の作業ウェーハの異なる面積に応じて縮尺される場合、同じ効果が期待される。
【０１０２】
実験はアスペクト比４．５のホールに対して、３００ＷのＲＦウェーハ・バイアスを１３．５６ＭＨｚの周波数で使用して続行された。０．７ｍＴｏｒｒの圧力で、全体堆積速度は１２８ｎｍ／ｍｉｎであり、ボトムカバレッジは３１％と５２％の間で変化する。１．４ｍＴｏｒｒの圧力では、堆積速度は１４２ｎｍ／ｍｉｎであり、ボトムカバレッジは４２％と６２％の間で変化する。より高い圧力では、サイドカバレッジは１０．４％と１１．５％の間で変化し、目に見えるほどの側壁の非対称性は観察されなかった。予想に反して、０．７ｍＴｏｒｒよりも高い圧力では、より高いチタン堆積速度とより良いボトムカバレッジがもたらされた。より高いバイアス周波数は、より高いバイアス電力の印加を可能にする。
【０１０３】
窒化チタン
本発明のマグネトロンはまた、ＴｉＮなどの反応性スパッタリングに使用可能であり、その場合窒素がチャンバ内に追加的に入れられて、スパッタ金属、たとえばチタンと反応してＴｉＮを生成したり、またはタンタルと反応してＴａＮを生成する。反応性スパッタリングはより複雑かつ変化のある化学反応を表わす。ＴｉＮを生成する反応性スパッタリングは、２つのモード、金属モードと毒性モードで作用することが知られている。金属モードでは、ウェーハ上に高密度、金色の膜を生成する。毒性モードはしばしば高い窒素流と関連しているが、有利なことに低応力の紫／茶色の膜を生成する。しかしながら、毒性モードの膜は多くの粒界を有しており、膜の欠陥によってチップの歩留まりがひどく低減する。さらに、毒性モードでの堆積速度は、通常金属モードでの速度のわずか１／４である。一般に、毒性モードでは窒素がターゲットと反応して、Ｔｉターゲット上にＴｉＮ表面を形成し、一方、金属モードでは、ターゲット表面はきれいなままで、ＴｉＮはウェーハ上のみに形成する。
【０１０４】
円弧三角マグネトロンが、チタンのスパッタ堆積に使用したのと同じチャンバ内で、窒化チタンの反応性スパッタリングについて試験された。
【０１０５】
窒化チタンをスパッタ堆積するための初期化条件は、金属モードでの作用を得るために非常に重要であることが分かっている。最初の一連の実験では、まずアルゴンのみがチャンバに入れられる。約０．５ｍＴｏｒｒのアルゴン圧力でプラズマが起こされた後、アルゴン流が５ｓｃｃｍまで減少され、０．３ｍＴｏｒｒの圧力を作り出す。窒素流がその後１００ｓｃｃｍまで段階的に上げられ、その後徐々に減少されるときの、チャンバ圧力の流量依存性は、図１８に図示されたヒステリシス形状を帯びる。約５０ｓｃｃｍと７０ｓｃｃｍの窒素の間で、中間の上昇圧力２４０は、対応する中間の下降圧力２４２よりも低い。低圧力２４４と高圧力２４６において、上昇と下降の間に際立った分離はない。低圧力２４４と中間上昇圧力２４０は金属モードでのスパッタリングを引き起こし、一方、高圧力２４６と中間下降圧力２４２は毒モードのスパッタリングを引き起こすと考えられる。
【０１０６】
これらの結果から、一般に好ましい金属モードでの、より高い操作上の堆積速度については、中間の上昇圧力２４０を超えないこと、すなわち金属モードの最大流速を越えないことが重要である。これらの実験の中で、そのような最大流速は７０ｓｃｃｍまたはわずかに高い速度であるが、８０ｓｃｃｍよりも明らかに低い。アルゴンおよび窒素が同時に素早く入れられるが、直流電力もまた素早く入れることが好ましい。
【０１０７】
しかし、いくつかの用途においては、毒性モードでの作用の方が望ましい。これはまず、より高い圧力２４６に上げて、次に下降中間圧力２４２へ減少することによって達成される。あるいは、望ましいガス流を即座に入れ、５ｋＷ／ｓ以下の速度でごく徐々に直流スパッタリング電源を入れることによって毒性モードが達成される。
【０１０８】
窒化チタンは５０ｓｃｃｍのＮ2流速と５ｓｃｃｍのアルゴン流速の条件下で、金属および毒性モードのいずれにおいても、プラズマがアルゴン中に起きた後に、高いアスペクト比のビアホールにスパッタされた。これらの流速は、金属モードで１．７ｍＴｏｒｒの圧力を、毒性モードで２．１ｍＴｏｒｒの圧力を作り出す。堆積速度は、金属モードで１００ｎｍ／ｍｉｎ、毒性モードで３０ｎｍ／ｍｉｎである。一方で、ＴｉＮ膜応力は、金属モードで堆積されるときにより大きく、しかし一方で、毒性モードはビアホールの上端近くで、オーバーハングや側壁の厚さが起伏するといった問題がある。一連の実験では、ＴｉＮを異なるアスペクト比のビアホール内に堆積した。結果として測定されたボトムカバレッジは、図２３のグラフに図示されるように、線２５０に金属モードでのボトムカバレッジが、ビアのアスペクト比が５のときも比較的高く維持されることが示されているのに対し、線２５２の毒性モードでは、ステップカバレッジが常により低く、４以上のアスペクト比に対しては劇的な落下を見せることが示される。しかしながら、追加的にウェーハがバイアスされれば、毒性モードで堆積されたＴｉＮのステップカバレッジは許容範囲になる。
【０１０９】
ＴｉＮを、Ｔｉの堆積に使用したのと同じチャンバで堆積することに成功したことで、Ｔｉ／ＴｉＮバリアが、本発明に従うと１つの連続する操作で堆積可能であることが立証された。
【０１１０】
統合タングステン・プラグ処理
２つの連続した試験が、本発明の円弧マグネトロンで堆積されたＴｉ／ＴｉＮバリアと、化学気相堆積法（ＣＶＤ）によってバリアコートされたホール内に堆積されたタングステン・プラグを組み合わせる、統合処理を実証するために行なわれた。この組み合わせは、タングステンＣＶＤが一般に六フッ化タングステン（ＷＦ6）をガス状前駆物質として使用するために、従来いくつかの問題を提示してきた。ＷＦ6はＴｉを攻撃しやすく、またＷプラグの中に噴火口様の構造を形成しやすく、これによってプラグ中にボイドが発生する。
【０１１１】
第１の一連の試験では、本発明の円弧マグネトロンを用い、それ以外は従来の無誘導スパッタ反応装置である中で堆積された３０ｎｍのＴｉＮにより覆われた３０ｎｍのＴｉから、バリア層が構成された。Ｔｉ／ＴｉＮの堆積に続き、チップは高速熱処理（ＲＴＰ）を施され、そこで極めて強い放射ランプが、短時間でウェーハ表面を素早く加熱する。第２の一連の試験では、第１の試験同様に堆積された１０ｎｍのＴｉＮで覆われた３０ｎｍのＴｉで、バリア層が構成された。しかしながら第２の試験では、Ｔｉ／ＴｉＮ堆積の前にウェーハがプラズマ前洗浄を受けたが、その後ＲＴＰはなかった。いずれの場合もタングステンは次に、Ｔｉ／ＴｉＮ上にＣＶＤ堆積された。
【０１１２】
これらの実験から、いずれの処理も噴火口を作らないことが示される。さらに、ＴｉＮの厚さおよび抵抗は、良好な均一性を示している。ＴｉＮの抵抗は、４５μΩ・ｃｍ未満であると測定される。ＴｉＮ／Ｔｉの二重層に対し、２０％のボトムカバレッジが、ウェーハ・バイアスを使用することなく、アスペクト比５：１を持つホールの中に観測される。ウェーハ・バイアスは、１０：１のアスペクト比を有するホールに、同じボトムカバレッジを作り出す。このように、本発明のマグネトロンで実行されたＴｉ／ＴｉＮ処理は、タングステン・プラグ処理にうまく統合された。本発明のマグネトロンはまた、その他の材料、たとえばタングステン・ターゲットを使用するＷや、タンタル・ターゲットと窒素ガスをプラズマにして使用するＴａＮなどをスパッタ堆積するために使用可能である。ＷＮの反応性スパッタリングも考えられる。
【０１１３】
本発明のマグネトロンはしたがって、高イオン化率を生成するのに有効である。これは高密度プラズマが、余分な電力を必要とせずに生成できるからである。それでもなお、そのフルカバーによって均一な堆積や全ターゲットの利用が可能になる。そのスパッタリング均一性は良好である。それでもなお、複雑な機構は不要である。
【０１１４】
本発明のマグネトロンの、高性能でフルカバーのスパッタリングの提供における有効性は、相互に関係する３つの相乗効果に基づく。
【０１１５】
マグネトロンは小さい磁気領域を持つ。これにより、平均磁場を高くでき、プラズマの損失が低減される。小さいマグネトロンはまた、高い平均出力レベルを、マグネトロン下のターゲット領域にかけることが可能である。すなわち、ターゲットにかけられた電力が全体として比較的控えめであっても、電力密度および実際にスパッタされる領域に結果として生じるプラズマ密度は、どの瞬間でも高い。マグネトロンの内側および外側の磁極の非対称性は、マグネトロン周囲を取り囲み、チャンバ内に遠く延びる、垂直に延びる磁場部分を生成する。この磁場分布はプラズマ損失を低減し、イオン化されたスパッタ粒子を基板に導く。これらの利点のすべては、周囲スキャニングだけでターゲットのスパッタリングを完全にカバーするマグネトロンと、および均一なターゲット・スパッタリングと均一な基板堆積を生むよう最適に成形できるマグネトロンとにおいて、享受される。
【０１１６】
このように、小さく高磁場のマグネットは、比較的控えめなターゲット電力で持続型セルフスパッタリングを可能とし、またアルミニウムやチタンなどの材料を、０．５ｍＴｏｒｒ未満、好ましくは０．２ｍＴｏｒｒ未満、さらには０．１ｍＴｏｒｒという低い圧力であってもスパッタすることを可能とする。これらの圧力では、中性であれイオン化されたものであれ、スパッタ粒子の散乱が少ないことにより、またイオン化粒子の中和が少なくなることから、深いホールの充填が容易にできる。しかしながら、少なくともチタンについては、本発明のマグネトロンを使用することにより、堆積速度およびボトムカバレッジは０．７ｍＴｏｒｒよりも高い作業ガス圧において向上することが分かった。高磁場マグネットはさらに、高イオン化率を促進し、これは、適正範囲内のウェーハをバイアスすることによって、深くて狭いホール内部へ引き込まれ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は直流プラズマ・スパッタリング反応装置の概略図である。
【図２】図２は半導体集積回路における層間ビアの断面図である。
【図３】図３は従来のマグネトロンの平面図である。
【図４】図４は、図７の視線４−４に沿って得られた、本発明のマグネトロンの実施形態の極部分の平面図である。
【図５】図５は、図４のマグネトロンにおいて使用されるマグネットの平面図である。
【図６】図６は本発明の実施形態に関連して使用されるマグネットのうち１つの断面図である。
【図７】図７は、図４のマグネトロンの断面図である。
【図８】図８は卵型マグネトロンの平面図である。
【図９】図９は三角型マグネトロンの平面図である。
【図１０】図１０は、円弧三角マグネトロンと称される、図９の三角型マグネトロンの変形の平面図である。
【図１１】図１１は、図１０の円弧三角マグネトロンに使用されるマグネットの平面図である。
【図１２】図１２は、面積と周辺長さを計算するために使用される、２つのモデル・マグネトロンの平面図である。
【図１３】図１３は、三角型および円形マグネトロンの面積の、角度依存のグラフである。
【図１４】図１４は、図１２の２タイプのマグネトロンの、周辺長さの角度依存のグラフである。
【図１５】図１５は棒磁石を用いた本発明のマグネトロンの底部平面図である。
【図１６】図１６は、図１５のマグネトロンの代替物の底部平面図である。
【図１７】図１７は、本発明に記述の実施形態により生成される磁場を、理想化した側面図である。
【図１８】図１８は、本発明のマグネトロンによって発生するプラズマ波を測定するために用意された、チャンバおよびマグネトロンの平面図および側面略図である。
【図１９】図１９は、本発明のマグネトロンによって発生するプラズマ波を測定するために用意された、チャンバおよびマグネトロンの平面図および側面略図である。
【図２０】図２０はプラズマ電子の典型的なエネルギー分布のグラフである。
【図２１】図２１は、チタンスパッタリングのボトムカバレッジにおける、ＲＦウェーハ・バイアスの効果を示すグラフである。
【図２２】図２２は、本発明のマグネトロンで窒化チタンを反応性スパッタするときに得られる、２つの堆積モードを説明する、チャンバ圧力の窒素フロー依存性のグラフである。
【図２３】図２３は、本発明のマグネトロンで窒化チタンの反応性スパッタリングするための２つのスパッタリング・モードにおいて得られる、段差カバレッジのグラフである。
【符号の説明】
１０…従来のＰＶＤ反応装置、１２…真空チャンバ、１４…ＰＶＤターゲット、１６…ウェーハ、１８…ヒータ台、２０…シールド、２２…直流電源、２４…ガス源（Ａｒ）、２６…流量制御装置、２７…ガス源（Ｎ2）、２８…真空システム、３０…制御装置、３２…マグネトロン、３４…マグネット、３６…マグネット、３８…高密度プラズマ領域、２３２…ＲＦ電源、２３４…回路、４０…ビアホール（コンタクトホール）、４２…絶縁層、４４…導電性構造、４６…下地層、５０…層、Ｓ1…全体厚さ、Ｓ2…底面厚さ、Ｓ3…側壁厚さ、５２…Ｔｅｐｍａｎマグネトロン、５４…極表面、５６…極表面、５７…環状ギャップ、５８…回転軸、６０…長円マグネトロン、６２…棒形状極表面（内側極表面）、６４…平行な側、６８…リング形状極表面（外極表面）、７０…ギャップ、７２…中間部分、７４…曲線端、７８…回転軸、８０…丸く上下に延びた端部（内側）、８２…丸く上下に延びた端部（外側）、９０…マグネット、９２…マグネット、９３…磁気コア、９４…管状側壁、９６…円形キャップ、９７…ピン、９８…ヨーク、１００…磁場（半ドーナツ型）、１０４…シャフト、１０６…モータ、１０６…卵型マグネトロン、１０８…外極表面、１１０…内側極表面、１１２…内端、１１４…外端、１２２…ギャップ、１２６…三角型マグネトロン、１２８…外極表面、１３０…内側極表面、１３２…ギャップ、１３４…直線部分、１３６…角、１４０…円弧三角マグネトロン、１４２…円弧三角外極表面、１４４…ギャップ、１４６…直線部、１４８…頂角部、１５０…円弧部、１５２…外周角部、１６０…第１極性のマグネット、１６２…第２極性のマグネット、１６４…第２極性のマグネット、１７０…円弧三角マグネトロンのモデル、１７２…円形マグネトロンのモデル、１７４…円弧三角の面積Ａの頂角θ依存性、１７６…円形面積Ａの頂角θ依存性、１７８…円弧三角の周囲Ｐの頂角θ依存性、１８０…円周Ｐの頂角θ依存性、１９０…棒磁石を用いたマグネトロン、１９２…棒磁石（長い側面）、１９４…棒磁石（短い側面）、１９６…中心マグネット、１９８…ヨーク、１９０’ …棒磁石を用いたマグネトロンの別の形態、１９９…中心マグネット（棒磁石）、２００…内側極、２０２…外側極、２０４…反応装置処理領域、２０６…ギャップ、２０８…記述なし、２１０…三角型マグネトロン、２１２…外側極、１２４…内側極、２１８…プローブ、２２０…マクスウェルのエネルギー分布、２２２…サブピーク、２３０…ボトムカバレッジ（バイアスなし）、２３６…ボトムカバレッジ（１００Ｗバイアス）、２３８…ボトムカバレッジ（２５０Ｗバイアス）、２４０…中間の上昇圧力、２４２…中間の下降圧力、２４４…低圧力、２４６…高圧力、２５０…ボトムカバレッジ（金属モード）、２５２…ステップカバレッジ（毒性モード）。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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