JP2004137513A

JP2004137513A - スパッタ成膜方法およびスパッタ装置

Info

Publication number: JP2004137513A
Application number: JP2002300502A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Ibe; 井邉　光隆
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】電気的に絶縁性の材料からなるターゲットにスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うにあたって、スパッタの投入電力に応じた成膜速度の増加を適切に実現し、成膜速度の向上を図る。
【解決手段】チャンバ１０内にて電気的に絶縁性の材料からなるターゲット３０にスパッタリング用のガスを衝突させることにより基板１０に成膜を行うスパッタ成膜方法において、ターゲット３０のスパッタ面側に配置されたフィラメント８０に通電することにより熱電子を放出させ、この熱電子によってターゲット３０に付着したスパッタリング用のガスの陽イオンを中性化しながら、成膜を行う。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的に絶縁性の材料からなるターゲットにスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うスパッタ成膜方法およびそれに用いるスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気的に絶縁性の材料からなるターゲットにスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うスパッタ成膜方法としては、高周波スパッタリング法やパルススパッタリング法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
これらの成膜に用いられるスパッタ装置は、チャンバ、該チャンバ内に設けられたターゲット、ターゲットに高周波またはパルス波を印加するスパッタ電源等を備え、該チャンバ内に導入した希ガス等のスパッタリング用ガスを高電圧によりプラズマ化してターゲットに衝突させ、ターゲットから放出される原子をチャンバ内の基板に蒸着させることにより成膜を行うものである。
【０００４】
具体的には、ターゲットに負電力が印加されているときにはプラズマ中の陽イオンをターゲットに衝突させることでスパッタリングを行う。このスパッタリングはプラズマとターゲットとの間の電位差によって生じる現象である。そして、このスパッタリングによりターゲットから原子が放出され、上記基板表面に成膜される。ここで、場合によってはこの原子がプラズマ化したスパッタリング用ガスと反応して化合物の膜として上記基板表面に成膜される。
【０００５】
一方、ターゲットに正電力が印加されているときには、プラズマ中の電子をターゲット表面上で帯電している陽イオンに衝突させることで陽イオンが中性化され、ターゲット表面から除去される。この中性化によってターゲット表面における陽イオンの蓄積を防止し、プラズマとターゲットとの間の電位差が確保されることにより、安定したスパッタリング現象を得ることが可能となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６１−１５３２７６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開昭６０２５８９２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のスパッタリングによる成膜では、成膜中においてターゲットの正電力印加時では陽イオンの中性化による除去がなされるが、ターゲットの負電力印加時にはなされない。つまり、陽イオンの除去は成膜中において常時なされてはいない。
【０００９】
そのため、実質的にターゲットから原子を放出し成膜を行う期間である負電力印加時においては、ターゲットに衝突する陽イオンがターゲット表面に付着するため、見かけ上、プラズマとターゲットとの間の電位差が小さくなる。つまり、スパッタの投入電力すなわちターゲットに印加される電力に対して、実効的にターゲットに発生する電力が小さくなる。
【００１０】
スパッタ成膜においては、プラズマとターゲットとの電位差が大きいほどプラズマ中の陽イオンがターゲットに衝突するエネルギーが大きくなり、それによりターゲットからの原子放出量が大きくなり、結果、成膜速度が速くなる。
【００１１】
したがって、従来のスパッタ成膜においては、陽イオンの除去が成膜中において常時なされないために、スパッタの投入電力を大きくしても、それに見合った成膜速度が適切に得られないという問題が生じる。
【００１２】
そこで本発明は上記問題に鑑み、電気的に絶縁性の材料からなるターゲットにスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うにあたって、スパッタの投入電力に応じた成膜速度の増加を適切に実現し、成膜速度の向上を図ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電気的に絶縁性の材料からなるターゲット（３０）にスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うスパッタ成膜方法において、ターゲットに付着したガスの陽イオンを熱電子により中性化しながら、成膜を行うことを特徴とする。
【００１４】
それによれば、ターゲットの電位が正負であるにかかわらず、成膜中において常時、ターゲットに付着したスパッタリング用のガスの陽イオンを除去することができる。
【００１５】
そのため、従来に比べて当該陽イオンによるターゲット−プラズマ間の電位差低下を抑制できるため、スパッタの投入電力に応じた成膜速度の増加が適切に実現され、成膜速度の向上を図ることができる。
【００１６】
ここで、請求項２に記載の発明のように、熱電子を、ターゲット（３０）のスパッタ面側に配置されたフィラメント（８０）に通電することにより発生させることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明では、電気的に絶縁性の材料からなるターゲット（３０）にスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うスパッタ装置において、ターゲットに付着したガスの陽イオンを中性化するための熱電子を放出する熱電子放出手段（８０）を備えることを特徴とする。
【００１８】
それによれば、熱電子放出手段によってターゲットに付着したスパッタリング用のガスの陽イオンを熱電子により中性化しながら成膜を行うことができるため、請求項１に記載の成膜方法を適切に実現可能なスパッタ装置を提供することができる。
【００１９】
ここで、請求項４に記載の発明のように、熱電子放出手段としては、ターゲット（３０）のスパッタ面側に配置され通電されることにより熱電子を放出するフィラメント（８０）にすることができる。
【００２０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係るスパッタ装置の構成を模式的に示す図である。
【００２２】
このスパッタ装置は、真空容器として構成される金属製のチャンバ１０を備える。このチャンバ１０は、図示しないが、真空ポンプ等によって内圧を一定の圧力に維持できるようになっている。
【００２３】
また、チャンバ１０内には、被成膜対象としての基板２０が設置されるようになっている。ここで基板２０としては、任意のものが採用可能であり、金属基板、半導体基板、セラミック基板、樹脂基板等を採用することができる。
【００２４】
また、チャンバ１０内には、基板２０に対向するようにターゲット３０が設けられている。このターゲット３０は電気的に絶縁性の材料からなるものであり、例えば、ボロンやシリコン等の成形体または焼結体等を採用することができる。
【００２５】
このターゲット３０は銅等からなる金属台４０に支持固定されており、さらに、この金属台４０はスパッタ電源５０に電気的に接続されている。このスパッタ電源５０はターゲット３０に所定の投入電力を印加するものであり、具体的にはスパッタ電源５０から金属台４０を介してターゲット３０に高周波またはパルス波が印加されるようになっている。
【００２６】
また、ターゲット３０にはターゲット電圧計６０が接続されており、このターゲット電圧計６０によって、ターゲット３０における実際の電圧すなわちターゲット実効電圧が測定されるようになっている。
【００２７】
また、チャンバ１０には、該チャンバ１０内にスパッタリング用のガスを導入するためのスパッタリングガス導入部７０が設けられている。このガスは、アルゴンガスまたはヘリウムガス等の希ガスや窒素または酸素等の反応性ガスからなり、ガス導入部７０によってチャンバ１０の内圧を所定圧に保つようにその流量が調整されてチャンバ１０へ導入される。
【００２８】
そして、チャンバ１０内においては、ターゲット３０とチャンバ１０等の金属部との間に発生する高電圧により、スパッタリング用のガスがプラズマ化するようになっている。
【００２９】
そして、ターゲット３０に負電力が印加されているときには、プラズマ化したスパッタリング用のガスの陽イオンがターゲット３０に衝突し、ターゲット３０から放出される原子がチャンバ１０内の基板２０に蒸着することにより、基板２０の表面にて成膜が行われるようになっている。
【００３０】
例えば、スパッタリング用のガスがアルゴン（Ａｒ）で、ターゲット３０がボロン（Ｂ）である場合、スパッタ電源５０によってターゲット３０に電力を投入すると、チャンバ１０内に発生する高電圧によってアルゴンがプラズマとなりＡｒ^＋イオンと電子（ｅ⁻）とが生じる。Ａｒ^＋イオンはターゲット３０に衝突してそのエネルギーによってボロン原子を放出し、放出されたボロン原子が基板２０の表面に蒸着し、ボロン膜が成膜される。
【００３１】
また、例えば、スパッタリング用のガスがアルゴン（Ａｒ）と窒素ガス（Ｎ_２）で、ターゲット３０がシリコン（Ｓｉ）である場合には、同様の作用により、基板２０の表面にはシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）が成膜される。
【００３２】
一方、ターゲット３０に正電力が印加されているときには、プラズマ中の電子をターゲット３０表面上で帯電している陽イオンに衝突させることで陽イオンが中性化され、ターゲット表面から除去される。
【００３３】
このように、本スパッタ装置においては、ターゲット３０の負電力印加時にはプラズマ中の陽イオンをターゲット３０に衝突させることでスパッタリングを発生させ、成膜を行い、正電力印加時には、陽イオンを中性化してターゲット３０表面から除去するようにしている。
【００３４】
ここにおいて、本実施形態では、ターゲット３０の負電力印加時においてもターゲット３０に付着したスパッタリング用のガスの陽イオンを中性化するための熱電子放出手段としてのフィラメント８０を備えている。
【００３５】
このフィラメント８０は、チャンバ１０内において、ターゲット３０における基板２０と対向する面すなわちスパッタ面側に配置されている。このフィラメント８０は例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）等よりなる金属線であり、ターゲット３０のスパッタ面を覆うように形成されている。
【００３６】
例えば、ターゲット３０が円形板状であるとき、そのスパッタ面は円形（例えばφ１５０ｍｍ程度）であるが、フィラメント８０は、そのスパッタ面と重なるような長さ（例えば６００ｍｍ程度）に形成された金属線である。
【００３７】
このフィラメント８０は該フィラメント８０に通電するためのフィラメント用電源８２を有する。そして、フィラメント用電源８２により通電されたフィラメント８０は、高温に加熱されフィラメント８０内の電子（すなわち熱電子）を放出するようになっている。
【００３８】
このようなスパッタ装置を用いた本実施形態のスパッタ成膜方法について述べる。まず、チャンバ１０内に基板２０とターゲット３０をセットする。次に、スパッタリング用のガスをチャンバ１０内に流しながら、真空引きを行い、チャンバ１０内を所定圧力にする。
【００３９】
その後、スパッタ電源５０およびフィラメント用電源８２を作動させ、ターゲット３０に高電圧の高周波またはパルス波を印加するとともに、フィラメント８０に通電する。
【００４０】
例えば、０．数ｋＷの投入電力をターゲット３０に印加し、フィラメント８０に印加する放電電圧値は２０〜５０Ｖの範囲内において任意の値を、またフィラメント８０に印加する放電電流値は０．１〜８．０Ａのの範囲内において任意の値を設定するようにできる。
【００４１】
それにより、ターゲット３０の負電力印加時にはプラズマ中の陽イオンをターゲット３０に衝突させることでスパッタリングを発生させて成膜を行い、正電力印加時には、陽イオンを中性化してターゲット３０表面から除去する。
【００４２】
さらに、本実施形態の成膜方法では、ターゲット３０の負電力印加時においてもフィラメント８０によって放出される熱電子により、ターゲット３０に付着したスパッタリング用のガスの陽イオンを中性化して除去することができる。
【００４３】
図２は、このフィラメント８０による陽イオンの中性化について模式的に示した図である。
【００４４】
図２に示すように、フィラメント用電源８２から電流が印加されたフィラメント８０によって熱電子ｅ⁻が放出され、ターゲット３０上に静電帯電しているアルゴンの陽イオンＡｒ^＋に熱電子ｅ⁻が照射される。そして、陽イオンＡｒ^＋と熱電子ｅ⁻が結合して中性化されたＡｒ原子は、ターゲット３０から離脱して除去される。
【００４５】
なお、図２に示すフィラメント８０による陽イオンの中性化作用は、他のスパッタリング用のガスであっても同様に行われることは明らかである。このように、本実施形態によれば、ターゲット３０の電位が正負であるにかかわらず、成膜中において常時、ターゲット３０に付着したスパッタリング用のガスの陽イオンを除去することができる。
【００４６】
そのため、従来に比べて当該陽イオンによるターゲット３０の電圧低下を抑制できるため、スパッタの投入電力に応じた成膜速度の増加が適切に実現され、成膜速度の向上を図ることができる。
【００４７】
図３は、このような本実施形態の成膜速度向上の効果についての具体的な一例を示す図である。図３は、基板２０は鉄製基板、ターゲット３０はボロン、スパッタリング用のガスはアルゴン、チャンバ１０内の圧力は１Ｐａとしたときの成膜時間（単位：ｈ）と基板２０上に成膜されたボロン膜の膜厚（単位：μｍ）との関係を示す図である。
【００４８】
ここで、「フィラメント有り」は本実施形態であり、スパッタ電源５０による投入電力（スパッタ投入電力）が０．３ｋＷ、０．８ｋＷの場合を示した。また、「フィラメント無し」は比較例であり、上記図１においてフィラメント８０が存在しない従来のスパッタ装置を用いてスパッタ投入電力０．３ｋＷの場合を示したものである。
【００４９】
図３から、本実施形態と比較例とでは、同じスパッタ投入電力０．３ｋＷで比較した場合、常時陽イオンの除去が可能である本実施形態の方が、スパッタ投入電力に応じた成膜速度の増加が適切に実現され、成膜速度の向上を図ることができている。
【００５０】
また、フィラメント無しである従来の場合、スパッタ投入電力が０．３ｋＷを超えると、ターゲット３０における実際の電圧すなわちターゲット実効電圧（絶対値）が１０００Ｖを超え、スパッタリングの領域から外れてイオン注入の領域となってしまう。また、この１０００Ｖの値はスパッタ装置の限界でもあり、１０００Ｖを超えるとターゲット３０にダメージが生じる。
【００５１】
ここにおいて、本実施形態では、メカニズムについては不明であるが、投入電力が０．８ｋＷであっても、ターゲット実効電圧がスパッタリングの使用電圧（約１０００Ｖ）を超えず、図３に示すように、むしろ成膜速度が一段と向上しているという効果もある。つまり、本実施形態では、スパッタ投入電力を増加させていくことにより、それに見合った成膜速度の向上が適切に実現できる。
【００５２】
以上述べてきたように、本実施形態によれば、電気的に絶縁性の材料からなるターゲット３０にスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うにあたって、スパッタの投入電力に応じた成膜速度の増加を適切に実現し、成膜速度の向上を図ることの可能なスパッタ成膜方法およびそれに用いるスパッタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るスパッタ装置の概略構成図である。
【図２】フィラメントによる陽イオンの中性化について模式的に示した図である。
【図３】成膜速度向上の効果についての具体的な一例を示す図である。
【符号の説明】
３０…ターゲット、８０…熱電子放出手段としてのフィラメント。

Claims

電気的に絶縁性の材料からなるターゲット（３０）にスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うスパッタ成膜方法において、
前記ターゲットに付着した前記ガスの陽イオンを熱電子により中性化しながら、前記成膜を行うことを特徴とするスパッタ成膜方法。
前記熱電子を、前記ターゲット（３０）のスパッタ面側に配置されたフィラメント（８０）に通電することにより発生させることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜方法。
電気的に絶縁性の材料からなるターゲット（３０）にスパッタリング用のガスを衝突させることにより成膜を行うスパッタ装置において、
前記ターゲットに付着した前記ガスの陽イオンを中性化するための熱電子を放出する熱電子放出手段（８０）を備えることを特徴とするスパッタ装置。
前記熱電子放出手段は、前記ターゲット（３０）のスパッタ面側に配置され通電されることにより前記熱電子を放出するフィラメント（８０）であることを特徴とする請求項３に記載のスパッタ装置。