JP2002030432A - System and method for sputtering - Google Patents

System and method for sputtering

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JP2002030432A
JP2002030432A JP2000219380A JP2000219380A JP2002030432A JP 2002030432 A JP2002030432 A JP 2002030432A JP 2000219380 A JP2000219380 A JP 2000219380A JP 2000219380 A JP2000219380 A JP 2000219380A JP 2002030432 A JP2002030432 A JP 2002030432A
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Japan
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vacuum vessel
gas
film
substrate
target
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Japanese (ja)
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Tomoyuki Kiyono
知之 清野
Satoshi Umehara
諭 梅原
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system and method for sputtering, by which an insulating film having high breakedown voltage can be deposited. SOLUTION: In the case where an alumina film, an aluminum nitride film, a silicon dioxide film and a silicon nitride film are deposited by the sputtering method, the sputtering system which has a substrate, a vacuum vessel having a target electrode inside, a gas feed system for feeding inert gas and oxygen or nitrogen into the vacuum vessel, and a power source for applying voltage between the vacuum vessel and the target to form a plasma region in the vacuum vessel is used. Further, a gaseous mixture containing 0.3-1.0% gaseous hydrogen is fed by the above gas feed system.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタリング装
置およびスパッタリング方法にかかり、特に基板上に絶
縁性の高い膜を形成することのできるスパッタリング装
置およびスパッタリング方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method, and more particularly to a sputtering apparatus and a sputtering method capable of forming a highly insulating film on a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】ICなどの半導体、液晶表示素子、ハー
ドディスクドライブあるいはコンピュータ用の電子部品
等の製造工程において、薄膜形成技術は広く採用されて
いる。薄膜形成法は種々知られており、その中でスパッ
タリング法は多用されている方法のひとつである。スパ
ッタリング法は、真空容器に不活性ガスを導入して真空
容器内部を0.1〜1Pa程度の真空度に保持し、ター
ゲットと呼ばれる母材に電圧を印加することで放電プラ
ズマを発生させ、放電プラズマ中のイオンをターゲット
に衝突させることでターゲット材を飛散させ、基板に薄
膜を堆積させる成膜方法である。スパッタリング法の特
長のひとつは、非常に多くの種類の膜を形成できること
であり、たとえばアルミニウムや銅などの金属薄膜のみ
ならず、パーマロイなどの合金薄膜、さらに、アルミナ
(酸化アルミニウム)や二酸化ケイ素などの電気的に絶
縁性の薄膜の形成が可能である。
2. Description of the Related Art Thin film forming technology is widely used in the manufacturing process of semiconductors such as ICs, liquid crystal display elements, hard disk drives, and electronic parts for computers. Various thin film forming methods are known, and among them, the sputtering method is one of the methods that are frequently used. In the sputtering method, an inert gas is introduced into a vacuum vessel to maintain the inside of the vacuum vessel at a degree of vacuum of about 0.1 to 1 Pa, and a discharge plasma is generated by applying a voltage to a base material called a target. This is a film formation method in which ions in the plasma collide with a target to scatter the target material and deposit a thin film on a substrate. One of the features of the sputtering method is that it can form an extremely large number of types of films, for example, not only metal thin films such as aluminum and copper, but also alloy thin films such as permalloy, as well as alumina (aluminum oxide) and silicon dioxide. It is possible to form an electrically insulating thin film.

【0003】前記薄膜のうち、電気的に絶縁性の薄膜を
スパッタリング法により成膜する方法には、大きく分け
て2つある。それらの方法を、アルミナ膜を形成する場
合を例に説明する。第一の方法は、アルミナのターゲッ
トを用い、放電ガスとしてアルゴン、あるいはアルゴン
と少量の酸素との混合ガスを用い、高周波放電によりス
パッタリングを行う場合である。第2の方法は、アルミ
ニウムの金属ターゲットを用い、放電ガスとしてアルゴ
ンと高濃度の酸素との混合ガスを使用し、直流放電ある
いはパルス放電によりスパッタリングを行う方法であ
る。前者の方法は、例えば、「Brian N.Cha
pman著、岡本幸雄訳、「プラズマプロセシングの基
礎」(1985年11月19日発行)電気書院」に記載
されている。また、後者の方法は反応性スパッタリング
法とよばれ、例えば、「金原粲著、「スパッタリング現
象」(1987年2月25日発行)東京大学出版会、
p.120〜」に記載されている。
[0003] Of the above thin films, there are roughly two methods for forming an electrically insulating thin film by a sputtering method. These methods will be described by taking as an example the case of forming an alumina film. The first method is a case where sputtering is performed by high-frequency discharge using an alumina target and using argon or a mixed gas of argon and a small amount of oxygen as a discharge gas. The second method is a method in which sputtering is performed by a DC discharge or a pulse discharge using a metal target of aluminum, a mixed gas of argon and high-concentration oxygen as a discharge gas. The former method is described, for example, in "Brian N. Cha
pman, translated by Yukio Okamoto, "Basics of Plasma Processing" (published November 19, 1985) Denki Shoin. The latter method is called a reactive sputtering method. For example, "Kanahara Kan," Sputtering phenomenon "(published February 25, 1987), University of Tokyo Press,
p. 120- ".

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】半導体基板等の基板上
に形成する絶縁性薄膜の耐電圧特性は、膜評価の重要な
要素である。前記薄膜のブレークダウン電圧値は膜の形
成方法により異なり、アルミニウムやケイ素を熱酸化し
て得られる薄膜は最も耐電圧が高く、良質の膜において
はおよそ10MV/cmである。次いでCVD法(化学
気相成長法)によって得られる膜の耐電圧が高い。しか
し、スパッタリング法によっては充分な耐電圧の薄膜は
得られない。
The withstand voltage characteristic of an insulating thin film formed on a substrate such as a semiconductor substrate is an important factor in film evaluation. The breakdown voltage of the thin film varies depending on the method of forming the film. A thin film obtained by thermally oxidizing aluminum or silicon has the highest withstand voltage, and about 10 MV / cm for a high-quality film. Next, the withstand voltage of the film obtained by the CVD method (chemical vapor deposition method) is high. However, a thin film having a sufficient withstand voltage cannot be obtained by the sputtering method.

【0005】これは、スパッタリング法では、不活性ガ
スをイオン化してターゲットに衝突させるため、ターゲ
ットに残留した不活性ガスが高速で飛び出し膜中に打ち
込まれるなど、膜へのダメージが大きく、膜中に欠陥が
生じやすいためである。また、欠陥を少なくするには、
自然酸化膜以下の厚みの成膜を積み重ねるなど成膜速度
を小さくしたり、あるいは基板を加熱したりする必要が
あり、生産性の低下を招く。
In the sputtering method, since the inert gas is ionized and collided with the target, the inert gas remaining on the target jumps out at a high speed and is injected into the film. This is because defects are likely to occur. To reduce defects,
It is necessary to reduce the film formation rate, for example, by stacking films having a thickness equal to or less than the natural oxide film, or to heat the substrate, which causes a decrease in productivity.

【0006】アルミニウムやケイ素を酸素雰囲気あるい
は水蒸気雰囲気下で熱酸化する方法は、酸化膜中におけ
る酸素の拡散が非常に遅いため、膜厚が極めて薄い場合
あるいは高温処理が可能な場合に限られる。また、CV
D法では原理的にアルミナ膜の形成は困難である。また
二酸化ケイ素膜の成膜では基板を300℃程度に加熱す
る必要がある。すなわち、スパッタリング法以外の方法
は基板温度などの様々な制限があり、成膜の条件が限定
される。一方、スパッタリング法は基板を加熱する必要
がないので、成膜条件の制約は少ないものの、前述のよ
うに膜質、とりわけ生成した絶縁膜の耐電圧が低い。本
発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、絶縁性の高
い膜を形成することのできるスパッタリング装置および
スパッタリング方法を提供する。
The method of thermally oxidizing aluminum or silicon in an oxygen atmosphere or a water vapor atmosphere is limited to a case where the film thickness is extremely thin or a case where a high temperature treatment is possible because diffusion of oxygen in an oxide film is very slow. Also, CV
In principle, it is difficult to form an alumina film by the method D. In the formation of a silicon dioxide film, the substrate needs to be heated to about 300 ° C. That is, methods other than the sputtering method have various restrictions such as the substrate temperature, and the conditions for film formation are limited. On the other hand, since the sputtering method does not require heating of the substrate, the film formation conditions are less restricted, but the film quality, especially the withstand voltage of the formed insulating film is low as described above. The present invention has been made in view of the above problems, and provides a sputtering apparatus and a sputtering method capable of forming a highly insulating film.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を採用した。
The present invention employs the following means in order to solve the above-mentioned problems.

【0008】絶縁膜として酸化アルミニウム膜あるいは
窒化アルミニウムを反応性スパッタリング法により形成
する場合、基板および、アルミニウムからなるターゲッ
ト電極を内蔵した真空容器と、該真空容器内に不活性ガ
スと、酸素あるいは窒素とを供給するガス供給装置と、
前記真空容器とターゲットとの間に電圧を印加して前記
真空容器内にプラズマ領域を形成する電源とからなるス
パッタリング装置において、前記ガス供給装置は水素ガ
スを0.3ないし1.0%含有する混合ガスを供給す
る。前記ターゲット電極は、アルミニウム合金を用いて
もよい。また、絶縁膜として二酸化ケイ素あるいは窒化
ケイ素を形成する場合は、ターゲット電極としてケイ素
を用いればよい。
When an aluminum oxide film or aluminum nitride is formed as an insulating film by a reactive sputtering method, a vacuum vessel containing a substrate and a target electrode made of aluminum, an inert gas, oxygen or nitrogen in the vacuum vessel. A gas supply device for supplying
In a sputtering apparatus comprising a power supply for applying a voltage between the vacuum vessel and a target to form a plasma region in the vacuum vessel, the gas supply device contains 0.3 to 1.0% of hydrogen gas. Supply mixed gas. The target electrode may use an aluminum alloy. When silicon dioxide or silicon nitride is formed as the insulating film, silicon may be used as the target electrode.

【0009】さらに、絶縁膜として酸化アルミニウム膜
あるいは二酸化ケイ素を高周波放電を用いたスパッタリ
ング法により形成する場合においては、基板および、酸
化アルミニウムあるいは二酸化ケイ素からなるターゲッ
ト電極を内蔵した真空容器と、該真空容器内に不活性ガ
スと酸素とを供給するガス供給装置と、前記真空容器と
ターゲットとの間に電圧を印加して前記真空容器内にプ
ラズマ領域を形成する高周波電源とからなるスパッタリ
ング装置において、前記ガス供給装置は水素ガスを0.
3ないし1.0%含有する混合ガスを供給する。絶縁膜
として二酸化ケイ素あるいは窒化ケイ素を形成する場合
は、ターゲット電極として二酸化ケイ素あるいは窒化ケ
イ素を用いればよい。
Further, when an aluminum oxide film or silicon dioxide is formed as an insulating film by a sputtering method using high-frequency discharge, a vacuum vessel containing a substrate and a target electrode made of aluminum oxide or silicon dioxide is provided. A gas supply device that supplies an inert gas and oxygen into a container, and a sputtering device including a high-frequency power supply that forms a plasma region in the vacuum container by applying a voltage between the vacuum container and a target, The gas supply device supplies hydrogen gas to 0.1 g.
A mixed gas containing 3 to 1.0% is supplied. In the case where silicon dioxide or silicon nitride is formed as the insulating film, silicon dioxide or silicon nitride may be used as the target electrode.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下に本発明の第1の実施形態を
図1ないし図2を用いて説明する。図1は本発明の第1
の実施形態にかかるスパッタリング装置を示す図であ
る。図において、10はアルミニウムターゲットであ
り、バッキングプレート11にボンディングして取り付
ける。11はバッキングプレートであり、絶縁シール1
8により真空容器20に絶縁してかつ気密に取り付け
る。12は基板13を固定して支持する基板ホルダ、1
3は基板であり、該基板上に薄膜を成膜する。14はシ
ールドであり、基板13以外に付着しようとするスパッ
タ粒子を該シールド上に堆積させる。このため該シール
ドは時々交換する必要がある。15はアースシールドで
あり、プラズマ領域で生成したイオンがターゲット10
以外に入射しないように該アースシールド部分を真空容
器と同電位に保持する。16はマグネトロン用の磁場を
形成するマグネットであり、駆動用電動機17に取り付
けた支持軸に沿って移動可能である。18は絶縁シー
ル、20は基板13およびアルミニウムターゲット10
等を内蔵した真空容器、21はアルゴン99%および水
素1%からなる混合ガスを充填したガスボンベ、22は
酸素ガスを充填したボンベ、23,24はそれぞれボン
ベ21および22からのガス流量を調整するマスフロー
コントローラ、25は真空容器20内を排気するターボ
分子ポンプ、26はしきり弁、27はプラズマ領域、2
8は真空容器20およびアルミニウムターゲット10間
に電圧を供給する直流電源である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows the first embodiment of the present invention.
It is a figure showing a sputtering device concerning an embodiment. In the figure, reference numeral 10 denotes an aluminum target, which is attached to the backing plate 11 by bonding. Reference numeral 11 denotes a backing plate, and an insulating seal 1
8 and insulated and airtightly attached to the vacuum vessel 20. 12 is a substrate holder for fixing and supporting the substrate 13, 1
Reference numeral 3 denotes a substrate on which a thin film is formed. Reference numeral 14 denotes a shield, on which sputter particles to be attached to other than the substrate 13 are deposited. For this reason, the shield needs to be replaced from time to time. Reference numeral 15 denotes an earth shield, and ions generated in the plasma region
The earth shield portion is maintained at the same potential as the vacuum vessel so as not to be incident on other portions. Reference numeral 16 denotes a magnet that forms a magnetic field for a magnetron, and is movable along a support shaft attached to a driving motor 17. 18 is an insulating seal, 20 is the substrate 13 and the aluminum target 10
A vacuum container 21 containing a mixed gas of 99% argon and 1% hydrogen, 22 a cylinder filled with oxygen gas, and 23 and 24 adjusting gas flow rates from the cylinders 21 and 22, respectively. A mass flow controller; 25, a turbo molecular pump for evacuating the vacuum vessel 20; 26, a threshold valve; 27, a plasma region;
8 is a DC power supply for supplying a voltage between the vacuum vessel 20 and the aluminum target 10.

【0011】図1のスパッタリング装置において、ター
ボ分子ポンプ25により仕切り弁26を介して真空容器
20内を排気する。薄膜を堆積させる対象となる基板1
3は、真空容器20内部の基板ホルダ12に、成膜面を
上にして固定する。一方、アルミニウムターゲット10
は、バッキングプレート11にボンディングにより取り
付ける。また、バッキングプレート11は絶縁シール1
8を介して真空容器20に絶縁して取り付ける。バッキ
ングプレート11の上部大気側には、駆動用電動機17
により駆動する移動可能なマグネット16があり、該マ
グネットにより真空中のターゲット10の表面にトンネ
ル状のマグネトロン磁場を形成する。
In the sputtering apparatus shown in FIG. 1, the inside of the vacuum vessel 20 is evacuated by a turbo molecular pump 25 through a gate valve 26. Substrate 1 on which thin film is to be deposited
3 is fixed to the substrate holder 12 inside the vacuum vessel 20 with the film formation surface facing upward. On the other hand, the aluminum target 10
Is attached to the backing plate 11 by bonding. The backing plate 11 is an insulating seal 1
8 and is insulated and attached to the vacuum container 20. A driving motor 17 is provided on the upper atmosphere side of the backing plate 11.
The magnet 16 forms a tunnel-like magnetron magnetic field on the surface of the target 10 in a vacuum with the movable magnet 16 driven by the magnet.

【0012】放電を発生させるためのガスを導入するガ
ス導入系は2系統あり、ボンベ21はアルゴン99%と
水素1%とを混合したガス、ボンベ22は酸素ガスであ
る。アルゴンと水素との混合ガスはマスフローコントロ
ーラ23により流量を調整して真空容器20内に導入す
る。酸素ガスも同様にマスフローコントローラ24によ
り流量を調整して真空容器20内に導入する。ガスを導
入して真空容器20内部を0.4Paに保持し、直流電
源28により真空容器20とターゲット10との間に電
圧を印加すると、プラズマ領域27が発生し、アルゴン
イオンおよび酸素イオンが生成される。これらのイオン
がターゲットに衝突することでターゲット10表面の原
子がスパッタ粒子として飛び出し、基板13に堆積す
る。プラズマ領域27を発生させた状態のまま、マグネ
ット16を駆動用電動機17により駆動するとプラズマ
領域27も追従して移動する。これによりターゲット1
0の全面がスパッタされ、また基板13の全面にスパッ
タ粒子が堆積する。プラズマ領域を固定すると、ターゲ
ットの一部に絶縁膜が付着し、そのうち該絶縁膜が絶縁
破壊を起こして異物を撒き散らす現象が生じるが、プラ
ズマ領域を移動させることによりこのような現象の発生
を阻止することができる。
There are two gas introduction systems for introducing a gas for generating electric discharge. The cylinder 21 is a gas obtained by mixing 99% of argon and 1% of hydrogen, and the cylinder 22 is an oxygen gas. The mixed gas of argon and hydrogen is introduced into the vacuum vessel 20 by adjusting the flow rate by the mass flow controller 23. Similarly, the flow rate of oxygen gas is adjusted by the mass flow controller 24 and introduced into the vacuum vessel 20. When a gas is introduced to maintain the inside of the vacuum vessel 20 at 0.4 Pa and a voltage is applied between the vacuum vessel 20 and the target 10 by the DC power supply 28, a plasma region 27 is generated, and argon ions and oxygen ions are generated. Is done. When these ions collide with the target, atoms on the surface of the target 10 fly out as sputter particles and deposit on the substrate 13. When the magnet 16 is driven by the drive motor 17 while the plasma region 27 is generated, the plasma region 27 also moves. This makes target 1
0 is sputtered, and sputter particles are deposited on the entire surface of the substrate 13. When the plasma region is fixed, an insulating film adheres to a part of the target, and a phenomenon occurs in which the insulating film causes dielectric breakdown and scatters foreign substances. However, moving the plasma region reduces such a phenomenon. Can be blocked.

【0013】生成したイオンの大部分はターゲット10
内に侵入して運動エネルギーをターゲット10内の原子
に伝達した後、ターゲット10内に残留する。したがっ
て、ターゲット10内に残留した酸素もいずれイオンか
らエネルギーをもらい、ターゲット10から飛び出す。
このようにして、基板13にアルミニウムと酸素とが混
合して堆積し、アルミナ薄膜が形成される。さらにガス
中に水素が加われば、膜中に水素が含まれるようにな
る。
Most of the generated ions are
The kinetic energy is transferred to the atoms in the target 10 and then remains in the target 10. Therefore, the oxygen remaining in the target 10 eventually receives energy from the ions and jumps out of the target 10.
In this manner, aluminum and oxygen are mixed and deposited on the substrate 13 to form an alumina thin film. Further, if hydrogen is added to the gas, the film will contain hydrogen.

【0014】成膜条件として、アルゴンと水素との混合
ガスを50SCCM、酸素ガスを50SCCM流し、放
電パワー2.5kW、ガス圧力0.4Paで5分間成膜
したところ、基板13上に膜厚50nmのアルミナ膜を
形成することができた。形成した膜の耐電圧を測定した
ところ、耐電圧は8〜9MV/cmで、そのばらつきは
少量であった。また、導入ガスとしてアルゴンと水素と
の混合ガスを用い、該混合ガス中の水素の混合比を変化
して成膜した結果、図2に示す結果がえられた。
As a film forming condition, a mixed gas of argon and hydrogen was flowed at 50 SCCM, oxygen gas was flowed at 50 SCCM, and a film was formed at a discharge power of 2.5 kW and a gas pressure of 0.4 Pa for 5 minutes. Was formed. When the withstand voltage of the formed film was measured, the withstand voltage was 8 to 9 MV / cm, and the variation was small. In addition, as a result of using a mixed gas of argon and hydrogen as the introduced gas and changing the mixing ratio of hydrogen in the mixed gas to form a film, the result shown in FIG. 2 was obtained.

【0015】図2は絶縁破壊電圧特性を示す図である。
図2において、31は得られた薄膜の絶縁破壊電圧の最
大値、32はその最小値、33はばらつき量を示す。図
2を参照すると、耐電圧を高くするための水素の導入量
は、全体の0.3%〜1%程度が好ましく、0.5%〜
1%程度がより好ましい。水素の含有量をそれ以上に増
加しても耐電圧の低下は見られない。しかし、水素が1
%を超えると成膜速度の低下が顕著となる。また、ばら
つき量33は、水素の含有量が少ないときは大きく、水
素含有量が増加するにしたがってばらつき量は小さくな
る。
FIG. 2 is a diagram showing a breakdown voltage characteristic.
In FIG. 2, 31 indicates the maximum value of the breakdown voltage of the obtained thin film, 32 indicates the minimum value, and 33 indicates the amount of variation. Referring to FIG. 2, the amount of hydrogen introduced to increase the withstand voltage is preferably about 0.3% to 1%, and more preferably about 0.5% to 1%.
About 1% is more preferable. Even if the hydrogen content is further increased, no decrease in withstand voltage is observed. However, one hydrogen
%, The decrease in the film formation rate becomes significant. The variation amount 33 is large when the content of hydrogen is small, and decreases as the hydrogen content increases.

【0016】また、ターゲット10は、アルミニウムに
添加物を加えたアルミニウム合金でも同様の効果が得ら
れる。
The same effect can be obtained even if the target 10 is an aluminum alloy obtained by adding an additive to aluminum.

【0017】また、ボンベ22に酸素ガスでなく窒素ガ
スを用いると、基板13には窒化アルミニウムの薄膜が
形成される。このとき成膜速度はアルミナの約2倍とな
り、2分半の成膜時間で薄膜50nmの窒化アルミニウ
ム膜を形成することができた。形成した膜の耐電圧を測
定したところ、耐電圧は3〜4MV/cmでアルミナ膜
よりは低かったが、水素ガスの割合に対する絶縁破壊電
圧特性の変化形状は図2に類似しており、耐電圧を高く
するための水素の導入量は、全体の0.3%〜1%程度
が好ましく、0.5%〜1%程度がより好ましいのはア
ルミナ膜の場合と同様である。
When a nitrogen gas is used for the cylinder 22 instead of the oxygen gas, a thin film of aluminum nitride is formed on the substrate 13. At this time, the film formation rate was about twice that of alumina, and a thin film of 50 nm aluminum nitride could be formed with a film formation time of two and a half minutes. When the withstand voltage of the formed film was measured, the withstand voltage was 3 to 4 MV / cm, which was lower than that of the alumina film. However, the change shape of the breakdown voltage characteristic with respect to the ratio of the hydrogen gas was similar to FIG. The amount of hydrogen introduced to increase the voltage is preferably about 0.3% to 1%, and more preferably about 0.5% to 1%, as in the case of the alumina film.

【0018】さらに、ターゲット10としてケイ素を用
い、ボンベ22に酸素ガス、ボンベ21にアルゴンと水
素との混合ガスを用いると、基板13には二酸化ケイ素
の薄膜が形成される。形成した膜の耐電圧を測定したと
ころ、耐電圧は8〜9MV/cmで、アルミナ膜と同様
であった。導入ガス中における水素の割合に対する絶縁
破壊電圧特性は、図2のアルミナとほぼ同様であった。
またボンベ22に窒素ガスを用いて窒化シリコン膜を形
成したところ、耐電圧は7〜8MV/cmで、導入ガス
中における水素の割合に対する絶縁破壊電圧特性は、図
2のアルミナと類似していた。したがって、いずれの場
合も導入ガス中の水素の割合は、全体の0.3%〜1%
程度が好ましく、0.5%〜1%程度がより好ましい。
Further, when silicon is used as the target 10 and oxygen gas is used for the cylinder 22 and mixed gas of argon and hydrogen is used for the cylinder 21, a thin film of silicon dioxide is formed on the substrate 13. When the withstand voltage of the formed film was measured, the withstand voltage was 8 to 9 MV / cm, which was the same as that of the alumina film. The breakdown voltage characteristics with respect to the ratio of hydrogen in the introduced gas were almost the same as those of the alumina of FIG.
When a silicon nitride film was formed on the cylinder 22 using nitrogen gas, the withstand voltage was 7 to 8 MV / cm, and the breakdown voltage characteristic with respect to the ratio of hydrogen in the introduced gas was similar to that of the alumina of FIG. . Therefore, in any case, the ratio of hydrogen in the introduced gas is 0.3% to 1% of the whole.
Degree is preferable, and about 0.5% to 1% is more preferable.

【0019】図2に示すように、アルゴン99%と水素
1%との混合ガスを50SCCM、酸素ガスを50SC
CM流してアルミナ膜を形成した場合、導入ガス中にお
ける水素の割合は0.5%であり、そのときの膜の絶縁
破壊電圧は8〜9MV/cmであった。一方、従来のよ
うに、導入するガスを純アルゴンおよび酸素とした場合
には、図2における水素の割合が0%の場合に相当し、
絶縁破壊電圧は3〜6MV/cmと低く、またばらつき
が大きかった。したがって、本発明により絶縁破壊電圧
が向上し、ばらつきが小さい高品質の絶縁膜を形成でき
たことになる。すなわち、本発明は絶縁膜中の未結合手
に起因する欠陥に水素を結合することにより欠陥密度を
低下して絶縁破壊電圧の向上を図るものである。なお、
このことはアルミナ膜だけでなく、窒化アルミニウム膜
や二酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜に関しても同様の効果
が得られる。
As shown in FIG. 2, a mixed gas of 99% argon and 1% hydrogen is 50 SCCM, and oxygen gas is 50 SCCM.
When the alumina film was formed by flowing CM, the ratio of hydrogen in the introduced gas was 0.5%, and the dielectric breakdown voltage of the film at that time was 8 to 9 MV / cm. On the other hand, when the gas to be introduced is pure argon and oxygen as in the conventional case, it corresponds to the case where the proportion of hydrogen in FIG. 2 is 0%,
The breakdown voltage was as low as 3 to 6 MV / cm, and the variation was large. Therefore, according to the present invention, a dielectric breakdown voltage is improved, and a high-quality insulating film with small variation can be formed. That is, the present invention is intended to lower the defect density by bonding hydrogen to defects caused by dangling bonds in the insulating film and to improve the dielectric breakdown voltage. In addition,
The same effect can be obtained not only for the alumina film but also for the aluminum nitride film, the silicon dioxide film, and the silicon nitride film.

【0020】次に、本発明の第2の実施形態を図3を用
いて説明する。図3は本発明の第2の実施形態にかかる
スパッタリング装置を示す図である。図において、41
はアルミナターゲットであり、バッキングプレート40
にボンディングして取り付ける。バッキングプレート4
0は、絶縁シール48により真空容器50に絶縁してか
つ気密に取り付ける。42は基板43を固定して支持す
る基板ホルダ、43は基板である。45,46はアース
シールドであり、プラズマ領域で生成したイオンがター
ゲット41以外に入射しないように該アースシールド部
分を真空容器と同電位に保持する。基板43は、ゲート
弁49を通って別の真空室から搬送されてくる。基板ホ
ルダ42は基板を6枚セットできるようになっており、
別室から運ばれてくる基板を受け取るために、基板ホル
ダ42は駆動用電動機47で回転できるようになってい
る。48は絶縁シール、50は基板43およびアルミナ
ターゲット41等を内蔵した真空容器、51はアルゴン
99%および水素1%からなる混合ガスを充填したガス
ボンベ、52は酸素ガスを充填したボンベ、53,54
はそれぞれボンベ51および52からのガス流量を調整
するマスフローコントローラ、55は真空容器20内を
排気するターボ分子ポンプ、56はしきり弁、58は真
空容器50およびアルミニウムターゲット41間に電圧
を供給する周波数13.56MHzの高周波電源、59
は真空容器20と基板43間に電圧を供給する周波数1
3.56MHzの高周波電源である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention. In the figure, 41
Is an alumina target, and a backing plate 40
Attach and attach to. Backing plate 4
Numeral 0 is attached to the vacuum vessel 50 insulated and airtight by an insulating seal 48. 42 is a substrate holder for fixing and supporting a substrate 43, and 43 is a substrate. Reference numerals 45 and 46 denote ground shields, which keep the ground shield portions at the same potential as the vacuum vessel so that ions generated in the plasma region do not enter the target 41 and the like. The substrate 43 is transferred from another vacuum chamber through the gate valve 49. The substrate holder 42 can set six substrates,
The substrate holder 42 can be rotated by a driving motor 47 to receive a substrate carried from another room. 48 is an insulating seal, 50 is a vacuum vessel containing the substrate 43 and the alumina target 41, etc., 51 is a gas cylinder filled with a mixed gas composed of 99% argon and 1% hydrogen, 52 is a cylinder filled with oxygen gas, 53, 54
Is a mass flow controller for adjusting gas flow rates from the cylinders 51 and 52, 55 is a turbo molecular pump for exhausting the inside of the vacuum vessel 20, 56 is a threshold valve, 58 is a frequency for supplying a voltage between the vacuum vessel 50 and the aluminum target 41. 13.56 MHz high frequency power supply, 59
Is a frequency 1 for supplying a voltage between the vacuum vessel 20 and the substrate 43.
3.56 MHz high frequency power supply.

【0021】図3のスパッタリング装置において、ター
ボ分子ポンプ55により仕切り弁56を介して真空容器
50内を排気する。薄膜を堆積させる対象となる基板4
3は、真空容器50内部の基板ホルダ42に、成膜面を
上にして固定する。一方、アルミナターゲット41は、
バッキングプレート40にボンディングにより取り付け
る。また、バッキングプレート40は絶縁シール48を
介して真空容器50に絶縁して取り付ける。
In the sputtering apparatus shown in FIG. 3, the inside of the vacuum vessel 50 is evacuated by a turbo molecular pump 55 through a gate valve 56. Substrate 4 on which thin film is deposited
3 is fixed to the substrate holder 42 inside the vacuum vessel 50 with the film formation surface facing upward. On the other hand, the alumina target 41
It is attached to the backing plate 40 by bonding. The backing plate 40 is insulated and attached to the vacuum container 50 via an insulating seal 48.

【0022】放電を発生させるためのガスを導入するガ
ス導入系は第1の実施例と同様で2系統あり、ボンベ5
1はアルゴン99.5%と水素0.5%とを混合したガ
ス、ボンベ52は酸素ガスである。アルゴンと水素との
混合ガスはマスフローコントローラ53により流量を調
整して真空容器50内に導入する。酸素ガスも同様にマ
スフローコントローラ54により流量を調整して真空容
器50内に導入する。ガスを導入して真空容器50内部
を1.6Paに保持し、高周波電源58により真空容器
50とターゲット41との間に電圧を印加すると、プラ
ズマ領域57がターゲット41と基板43および基板ホ
ルダ42との空間に発生し、アルゴンイオンおよび酸素
イオンが生成される。これらのイオンがターゲットに衝
突することでターゲット41表面の原子がスパッタ粒子
として飛び出す。さらに、高周波電源59により、基板
43および基板ホルダ42と真空容器50との間に電圧
を印加すると、プラズマ領域57中でイオン化したスパ
ッタ粒子が基板43側に引き付けられる。そのため、高
周波電源59をオンすると、オフの場合より成膜速度が
増大するとともに、基板43における膜の段差被覆性が
改善される。
As in the first embodiment, there are two gas introduction systems for introducing a gas for generating a discharge.
Reference numeral 1 denotes a gas obtained by mixing 99.5% of argon and 0.5% of hydrogen, and the cylinder 52 denotes an oxygen gas. The mixed gas of argon and hydrogen is introduced into the vacuum vessel 50 by adjusting the flow rate by the mass flow controller 53. Similarly, the flow rate of oxygen gas is adjusted by the mass flow controller 54 and introduced into the vacuum vessel 50. When a gas is introduced and the inside of the vacuum vessel 50 is maintained at 1.6 Pa, and a voltage is applied between the vacuum vessel 50 and the target 41 by the high frequency power supply 58, the plasma area 57 is And generate argon ions and oxygen ions. When these ions collide with the target, atoms on the surface of the target 41 fly out as sputtered particles. Furthermore, when a voltage is applied between the vacuum chamber 50 and the substrate 43 and the substrate holder 42 by the high-frequency power supply 59, the ionized sputtered particles in the plasma region 57 are attracted to the substrate 43 side. Therefore, when the high-frequency power source 59 is turned on, the film forming speed is increased as compared with the case where the high-frequency power source 59 is turned off, and the step coverage of the film on the substrate 43 is improved.

【0023】成膜条件として、アルゴンと水素との混合
ガスを98SCCM、酸素ガスを2SCCM流し、ター
ゲット側放電パワー10kW、基板側放電パワー3k
W、ガス圧力1.6Paで40分間成膜したところ、基
板43上に膜厚2ミクロンのアルミナ膜を形成すること
ができた。形成した膜の耐電圧を測定したところ、耐電
圧は約1MV/cmであった。図4は図2と同様に、本
実施例において絶縁破壊電圧特性を示す図である。図4
を参照すると、耐電圧を高くするための水素の導入量
は、0.3%〜1%程度が好ましい。
As the film forming conditions, a mixed gas of argon and hydrogen flows at 98 SCCM and an oxygen gas flows at 2 SCCM, and the target side discharge power is 10 kW and the substrate side discharge power is 3 kM.
When a film was formed at W and a gas pressure of 1.6 Pa for 40 minutes, an alumina film having a thickness of 2 μm was formed on the substrate 43. When the withstand voltage of the formed film was measured, the withstand voltage was about 1 MV / cm. FIG. 4 is a diagram showing a breakdown voltage characteristic in the present embodiment, similarly to FIG. FIG.
, The amount of hydrogen to increase the withstand voltage is preferably about 0.3% to 1%.

【0024】また、ターゲット41として二酸化ケイ
素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素を用いても、絶縁破
壊電圧はそれぞれ1MV/cm、0.4MV/cm、
0.8MV/cmであるが、絶縁破壊電圧特性は図4に
類似しており、耐電圧を高くするための水素の導入量
は、0.3%〜1%程度が好ましい。
Even when silicon dioxide, aluminum nitride, or silicon nitride is used as the target 41, the dielectric breakdown voltages are 1 MV / cm, 0.4 MV / cm,
Although it is 0.8 MV / cm, the breakdown voltage characteristic is similar to that of FIG. 4, and the amount of hydrogen introduced to increase the withstand voltage is preferably about 0.3% to 1%.

【0025】本実施例においても、従来のように、導入
するガスを純アルゴンおよび酸素とした場合には、図4
における水素の割合が0%の場合に相当し、絶縁破壊電
圧はアルミナ膜の場合で0.1〜0.4MV/cmと低
く、またばらつきが大きかった。
Also in this embodiment, when the gas to be introduced is pure argon and oxygen as in the prior art, FIG.
In the case of the alumina film, the breakdown voltage was as low as 0.1 to 0.4 MV / cm, and the variation was large.

【0026】また、水素ガスの代わりに水蒸気を真空容
器内に導入しても良い。水蒸気はプラズマにより分解さ
れて水素と酸素とが発生するので、水素ガスと酸素がす
とを個別に導入した場合と実質的には殆ど変わらない結
果が得られる。
In addition, steam may be introduced into the vacuum vessel instead of hydrogen gas. Since the water vapor is decomposed by the plasma to generate hydrogen and oxygen, the result is substantially the same as when hydrogen gas and oxygen are separately introduced.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、絶
縁性の高い絶縁膜を形成することができる。
As described above, according to the present invention, an insulating film having high insulating properties can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態にかかるスパッタリン
グ装置を示す図である。
FIG. 1 is a view showing a sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】絶縁破壊電圧特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a breakdown voltage characteristic.

【図3】本発明の第2の実施形態にかかるスパッタリン
グ装置を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図4】絶縁破壊電圧特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a breakdown voltage characteristic.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,41 ターゲット 11,40 バッキングプレート 12,42 基板ホルダ 13,43 基板 14,44 シールド 15,45,46 アースシールド 16 マグネット 17,47 駆動用電動機 18,48 絶縁シール 20,50 真空容器 21,22,51,52 ボンベ 23,24,53,54 マスフローコントローラ 25,55 ターボ分子ポンプ 26,56 仕切り弁 27,57 プラズマ領域 28 直流電源 58,59 高周波電源 10, 41 Target 11, 40 Backing plate 12, 42 Substrate holder 13, 43 Substrate 14, 44 Shield 15, 45, 46 Earth shield 16 Magnet 17, 47 Driving motor 18, 48 Insulation seal 20, 50 Vacuum container 21, 22 , 51, 52 cylinders 23, 24, 53, 54 mass flow controller 25, 55 turbo-molecular pump 26, 56 gate valve 27, 57 plasma region 28 DC power supply 58, 59 high frequency power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K029 BA44 BA46 BA58 BC05 BD01 CA06 DA04 DC03 DC05 EA05 5F058 BA01 BC03 BC04 BF12 BF29 5F103 AA08 BB22 DD27 HH03 LL14 LL20 NN06 RR05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4K029 BA44 BA46 BA58 BC05 BD01 CA06 DA04 DC03 DC05 EA05 5F058 BA01 BC03 BC04 BF12 BF29 5F103 AA08 BB22 DD27 HH03 LL14 LL20 NN06 RR05

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板および、アルミニウムからなるター
ゲット電極を内蔵した真空容器と、該真空容器内に不活
性ガスと、酸素あるいは窒素とを供給するガス供給装置
と、前記真空容器とターゲットとの間に電圧を印加して
前記真空容器内にプラズマ領域を形成する電源とからな
るスパッタリング装置において、前記ガス供給装置は水
素ガスを0.3ないし1.0%含有する混合ガスを供給
することを特徴とするスパッタリング装置。
A vacuum vessel containing a substrate and a target electrode made of aluminum; a gas supply device for supplying an inert gas, oxygen or nitrogen into the vacuum vessel; And a power supply for applying a voltage to the plasma vessel to form a plasma region in the vacuum vessel, wherein the gas supply device supplies a mixed gas containing 0.3 to 1.0% of hydrogen gas. Sputtering equipment.
【請求項2】 ターゲット電極の材質が、ケイ素からな
る、請求項1に記載のスパッタリング装置。
2. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the material of the target electrode is made of silicon.
【請求項3】 ターゲット電極の材質が、アルミニウム
合金からなる、請求項1に記載のスパッタリング装置。
3. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the material of the target electrode is made of an aluminum alloy.
【請求項4】 基板および、酸化アルミニウムあるいは
二酸化ケイ素からなるターゲット電極を内蔵した真空容
器と、該真空容器内に不活性ガスと酸素とを供給するガ
ス供給装置と、前記真空容器とターゲットとの間に電圧
を印加して前記真空容器内にプラズマ領域を形成する高
周波電源とからなるスパッタリング装置において、前記
ガス供給装置は水素ガスを0.3ないし1.0%含有す
る混合ガスを供給することを特徴とするスパッタリング
装置。
4. A vacuum vessel containing a substrate and a target electrode made of aluminum oxide or silicon dioxide; a gas supply device for supplying an inert gas and oxygen into the vacuum vessel; A sputtering device comprising a high frequency power supply for forming a plasma region in the vacuum vessel by applying a voltage therebetween, wherein the gas supply device supplies a mixed gas containing 0.3 to 1.0% of hydrogen gas. A sputtering apparatus characterized by the above-mentioned.
【請求項5】 基板および、窒化アルミニウムあるいは
窒化ケイ素からなるターゲット電極を内蔵した真空容器
と、該真空容器内に不活性ガスと窒素とを供給するガス
供給装置と、前記真空容器とターゲットとの間に電圧を
印加して前記真空容器内にプラズマ領域を形成する高周
波電源とからなるスパッタリング装置において、前記ガ
ス供給装置は水素ガスを0.3ないし1.0%含有する
混合ガスを供給することを特徴とするスパッタリング装
置。
5. A vacuum vessel containing a substrate and a target electrode made of aluminum nitride or silicon nitride; a gas supply device for supplying an inert gas and nitrogen into the vacuum vessel; A sputtering device comprising a high frequency power supply for forming a plasma region in the vacuum vessel by applying a voltage therebetween, wherein the gas supply device supplies a mixed gas containing 0.3 to 1.0% of hydrogen gas. A sputtering apparatus characterized by the above-mentioned.
【請求項6】 前記混合ガスは、水蒸気を含む混合ガス
であることを特徴とする請求項1,4,5のいずれかに
記載のスパッタリング装置。
6. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the mixed gas is a mixed gas containing water vapor.
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