JP2008045153A - Ｅｃｒスパッタ装置、および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化反応が良好で窒化物薄膜の生成に適し、かつ、スパッタリングイールドが高く成膜速度が高い成膜を行う。
【解決手段】ＥＣＲスパッタにおいて、スパッタターゲットのプラズマを基板に照射するとともに、窒素ガス等の反応性ガスをイオン化し、このイオン化した反応性ガスイオンを基板に照射することによって、窒化反応を良好なものとするとともに、高いスパッタリングイールドを得る。ＥＣＲスパッタ装置１は、電子サイクロトロン共鳴によってスパッタターゲットのプラズマを発生し、発生したプラズマを基板１０に照射するＥＣＲスパッタ源２と、反応性ガス等の供給ガスをイオン化し、イオン化したガスを基板１０に照射するイオンビーム源３を備える。基板１０には、スパッタターゲットのプラズマとイオン化されたガスが照射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スパッタ装置に関し、特に、電子サイクロトロン共鳴によってプラズマ化したターゲットを成膜するＥＣＲスパッタ装置、および成膜方法に関する。

従来、電子サイクロトロン共鳴によってプラズマ化したターゲットを成膜するＥＣＲスパッタ装置が知られている。このＥＣＲスパッタ装置では、プラズマ室内にマイクロ波を導入するとともに磁場を印加する。このマイクロ波と磁界が電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす場合にプラズマが生成される。プラズマ室で生成されたプラズマは、開口部から印加された磁場の方向に沿って流れだす。このプラズマの流れの途中において、プラズマ中にイオンは、プラズマに対して負電位としたターゲットを照射し、スパッタリング現象が発生する。スパッタリングされたターゲットの物質はプラズマ中に入ってイオン化され、プラズマとともに基板に達する。これによって、ターゲットの物質あるいはプラズマ中に物質と反応した化合物が基板上に生成される。このＥＣＲスパッタにおいて、スパッタターゲットと合成物を生成する反応性ガスを導入することで、反応性成膜の生成が行われる（特許文献１参照）。

従来、このＥＣＲスパッタにおいて、基板の近傍に反応性ガスを導入して、基板表面での反を促進する方法と、ＥＣＲスパッタ源側に不活性ガスとともに反応性ガスを導入してターゲット表面上で反応させ、反応生成物をスパッタする方法がある。図４は従来のＥＣＲスパッタにおける反応性ガスの導入を説明するための図である。

図４（ａ）は基板の近傍に反応性ガスを導入する例であり、基板１００の表面にＥＣＲスパッタ装置１０１からプラズマを照射するとともに、基板１００の表面近傍に反応性ガスを導入する。

また、図４（ｂ）はＥＣＲスパッタ源側に反応性ガスを導入する例であり、ＥＣＲスパッタ装置１０１のプラズマ室内に反応性ガスを導入し、ターゲットと反応させて生成した反応生成物を基板１００に照射する。
特公平７−１５１４５号公報 特開平５−６６４２３号公報

図４（ａ）で示したように、基板の近傍に反応性ガスを導入する場合には、基板表面での反応は、酸化物薄膜を比較的高い成膜速度で生成するのに適しているが、窒化物薄膜を生成するには窒化反応が不十分であるという問題がある。

また、図４（ｂ）で示したように、窒化物薄膜の生成に適しているが、ターゲット表面で窒化する場合、スパッタリングイールド（１個のイオンが照射されてはじき出される原子の平均個数）が低いため、成膜速度が１桁以上低いものとなる。そのため、工業生産には適さないという問題がある。

窒化物薄膜を成膜においては、膜質にばらつきが少なく、また、成膜速度が高いことが望まれるため、窒化反応が良好で、かつ、スパッタリングイールドが高い成膜が求められる。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、窒化反応が良好で窒化物薄膜の生成に適し、かつ、スパッタリングイールドが高く成膜速度が高い成膜を行うことを目的とする。

本発明は、ＥＣＲスパッタにおいて、スパッタターゲットのプラズマを基板に照射するとともに、窒素ガス等の反応性ガスをイオン化し、このイオン化した反応性ガスイオンを基板に照射することによって、窒化反応を良好なものとするとともに、高いスパッタリングイールドを得るものである。

図１は、本発明のＥＣＲスパッタによる成膜を説明するための図である。図１において、本発明のＥＣＲスパッタ装置１は、ＥＣＲスパッタ源２とイオンビーム源と３とを備える。ＥＣＲスパッタ源２は、電子サイクロトロン共鳴によってスパッタターゲットのプラズマを発生し、発生したプラズマＡを基板１０に照射する。また、イオンビーム源３は、反応性ガス等の供給ガスをイオン化し、イオン化したガスＢを基板１０に照射する。

これによって、基板１０には、ＥＣＲスパッタ源２からスパッタターゲットのプラズマが照射されるとともに、イオンビーム源３からイオン化されたガスが照射されるため、基板１０の表面には、プラズマ状態のスパッタターゲットＡと反応性が高められた供給ガスイオン（反応性ガスイオン）Ｂが存在することになるため、良好な反応と高いスパッタリングイールドとを得ることができる。

イオンビーム源は、反応性ガスを供給ガスとしてイオン化することによって、成膜をアシストする反応性ガスイオンを生成する。

本発明のイオンビーム源は、反応性ガスイオンを生成して成膜に用いる他、他のガスを供給ガスとすることで、成膜以外の処理に用いることができる。

例えば、本発明のイオンビーム源は、不活性ガスを供給ガスとし、この不活性ガスをイオン化して不活性ガスイオンを生成し、生成した不活性ガスイオンを照射することによって基板面をクリーニング処理する。

さらに、本発明のイオンビーム源は、上記した反応性ガス、不活性ガスから何れかを選択し、選択して供給ガスをイオン化し、イオン化した供給ガスを基板面に照射する。

イオンビーム源は、ＩＣＰタイプのＲＦプラズマイオン源、ＥＣＲプラズマイオン源、あるいは、直流電源による熱電子発生タイプのカウフマン型イオン源を用いることができる。

また、ＥＣＲスパッタ源のプラズマの照射方向と、イオンビーム源のイオンビームの照射方向が交差する位置に基板を載置する基板ホルダを備える構成とし、この基板ホルダに基板を載置することで、プラズマ状態のスパッタターゲットと反応性が高められた反応性ガスイオンとが存在する位置に基板を置くことができる。さら、この基板ホルダを自転させることによって、均一な成膜を得ることができる。

また、本発明の成膜方法は基板面を成膜する成膜方法であって、スパッタターゲットを電子サイクロトロン共鳴によってプラズマ化して基板に向けて照射し、反応性ガスをイオン化して生成した反応性ガスイオンを基板に向けて照射し、基板面上において、プラズマ化されたスパッタターゲットと反応性ガスイオンとを反応させ、基板面を成膜する。

また、本発明の成膜方法は、不活性ガスをイオン化して生成した不活性ガスイオンを基板に向けて照射して基板面をクリーニング処理し、反応性ガスをイオン化して生成した反応性ガスイオンを、クリーニング処理した基板に向けて照射するとともに、電子サイクロトロン共鳴によってプラズマ化したスパッタターゲットを基板に向けて照射して、基板面上において当該反応性ガスイオンとスパッタターゲットを反応させて成膜面を生成する。これによって、成膜工程の前工程として、不活性ガスイオンを照射することにより基板面のクリーニング処理を行う。

なお、アシストイオン源として電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いる例は、例えば、特許文献２に知られている。図５（ａ）は、電子サイクロトロン共鳴プラズマ活性化反応性蒸着法による成膜を説明するための図である。この構成では、電子銃蒸発源２０１から蒸発したターゲット原子は、プラズマ生成室２００から発散磁界によって引き出されたプラズマ中の活性種と反応し基板１００上に成膜がされる。

また、図５（ｂ）は、電子サイクロトロン共鳴プラズマアシストイオンビームスパッタ法による成膜装置を説明するための図である。この構成では、電子銃蒸発源２０１に代えて、イオン源２０２とスパッタターゲット２０５により構成されるイオンビームスパッタ源を用いる（特許文献２参照）。しかしながら、上記した構成は、電子サイクロトロン共鳴プラズマをアシストイオン源として用いる構成であるため、本発明のようなイオン化による高い反応が望めないという問題がある。

また、上記構成では、イオンビーム源に供給するガス種を代えることで、成膜処理に加えて、その前処理としてのクリーニング処理を行うことが困難である。

本発明によれば、窒化反応が良好で窒化物薄膜の生成に適し、かつ、スパッタリングイールドが高く成膜速度が高い成膜を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明のＥＣＲスパッタ成膜装置の一構成例を説明するための図である。図２において、ＥＣＲスパッタ成膜装置１は、反応室４の一側面にＥＣＲスパッタ源２を備え、反応室４の他の側面にイオンビーム源３を備える。

ＥＣＲスパッタ源２は、電源２ｄで駆動されるマイクロ波源２ｃと、図示しない電源によって磁界を形成するコイル２ｂとを備える。このマイクロ波源２ｃが形成するマイクロ波とコイル２ｂが形成する磁界が所定の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たしたすように設定することで、プラズマが生成する。生成されたプラズマは、磁界が形成する磁場方向に沿って流れ、反応室４内に流入して、反応室４内に載置した基板１０に向けて照射される。このプラズマの流れの途中には、基板をスパッタするためのターゲット２ａが設けられ、プラズマはこのターゲット２ａをスパッタリングしてターゲットの原子を放出する。ターゲット２ａとしては、例えば、Ａｌを用いることができる。このターゲットには、バイアス電源２ｅによって負電圧が印加される。

ＥＣＲスパッタ源２のプロセス条件としては、例えば、スパッタターゲットとして高純度のＡｌを用い、Ａｒガスのガス量として１０sccm〜１００sccmとし、０．１〜１Ｐａに調圧し、ターゲット印加データを−２００Ｖ〜−１０００Ｖとし、マイクロ波電力として１ｋＷ〜３ｋＷとすることができる。

イオンビーム源３は、供給ガスをイオン化し、イオン化した供給ガスは反応室４内に載置した基板１０に向けて照射される。イオンビーム源３には、イオン化する駆動源として電源３ａが接続される。イオンビーム源３は、ガスビーム源ＩＣＰタイプのＲＦプラズマイオン源、ＥＣＲプラズマイオン源、あるいは、直流電源による熱電子発生タイプのカウフマン型イオン源を用いることができる。

イオンビーム源３には、供給ガスを導入するガス供給系７が接続される。ガス供給系７としては、反応性ガスを供給する反応性ガス供給系７ａ、不活性ガスを供給する不活性ガス供給系７ｂ、酸素ガスを供給する酸素ガス供給系７ｃがあり、ガス供給を開閉する開閉バルブ、供給ガスの流量を調整する流量調整バルブ等が接続されている。

イオンビーム源３には、開閉バルブの制御によって、反応性ガス、不活性ガス、あるいは酸素ガス等の供給ガスの何れかが供給される。なお、反応性ガスは例えばＮ２ガスを用いることによって窒化膜を生成することができ、不活性ガスとしては例えばＡｒガスを用いることができる。

なお、不活性ガスは、成膜前の前処理として行う基板面のクリーニング処理に用いられる。この前処理および後処理についてはフローチャートを用いて後述する。また、ガス供給系７は不活性ガス供給系７ｄを備え、ＥＣＲスパッタ源２に供給される。

イオンビーム源３のプロセス条件としては、例えば、Ｎ２ガスのガス量として１０sccm〜５０sccmとし、ＲＦ電力（高周波電力）として２５０Ｗ〜５００Ｗとし、加速電位として３００Ｖ〜１０００Ｖとすることができる。

反応室４内には、基板１０を載置する基板ホルダ８が設けられる。この基板ホルダ８は回転機構を備え、成膜中に基板１０を自転させることができる。基板ホルダ８で支持される基板１０は、ＥＣＲスパッタ源２から照射されるプラズマの照射方向と、イオンビーム源３から照射されるイオン化ガスの照射方向が交差する付近に配置され、例えば、各照射方向に対して約３０°から６５°の角度に配置される。

また、反応室内を排気する排気系６と真空排気する真空排気系５とを備える。真空排気系５は、反応室４内を高真空に排気する排気系であり、例えば、油圧ポンプとターボ分子ポンプとの組み合わせとすることができる。また、排気系６は、フィルタを備え、例えば、成膜前の前処理として行う基板面のクリーニング処理時に使用する。

また、反応室４には、ＥＣＲスパッタ源２と基板ホルダ８との間にシャッタ９を備える。シャッタ９は、ＥＣＲスパッタ源２からのプラズマの基板１０側への照射を制御する。

図３は、本発明の本発明のＥＣＲスパッタ成膜による処理動作を説明するためのフローチャートである。

本発明のＥＣＲスパッタ成膜は、前処理（Ｓ１）と成膜処理（Ｓ２）からなる。前処理（Ｓ１）では、ガス供給系を不活性ガス供給系７ｂに切り換えて、イオンビーム源３に不活性ガス（Ａｒガス）に導入し（Ｓ1a）、イオンビーム源３によってイオン化する。イオン化された不活性ガスイオンＡｒ^＋は、反応室４内の基板１０に向けて照射され、基板１０の面上に付着する不純物をクリーニングする。クリーニングされた不純物は、排気系６で排気されフィルタに捕集される。なお、この前処理では、ＥＣＲスパッタ源２と基板１０との間に設けたシャッタ９を閉じて、ＥＣＲスパッタ源２からのプラズマが基板１０に到達しないようにする（Ｓ1b）。

前処理（Ｓ１）が終了した後、成膜処理（Ｓ２）を行う。成膜処理では、ガス供給系を不活性ガス供給系７ｂから反応性ガス供給系７ａに切り換えて、イオンビーム源３に反応性ガス（Ｎ２ガス）に導入し（Ｓ2a）、イオンビーム源３によってイオン化する。イオン化された反応性ガスイオンＮ_２ ^＋、Ｎ^＋は反応室４内の基板１０に向けて照射される。

このとき、閉じておいたシャッタ９を開いて、ＥＣＲスパッタ源２からスパッタリングしたターゲットの原子を含むプラズマを基板１０に照射する。これによって、基板１０の表面付近には、ターゲット原子（例えば、Ａｌ）と反応性ガスイオン（例えば、Ｎ_２ ^＋、Ｎ^＋）が供給される。ターゲット原子は反応性ガスイオンと反応して、基板１０の面上に成膜される（Ｓ2b）。

本発明の成膜方法は、窒化膜の生成に限らず、他の金属膜の生成に適用することができる。

本発明のＥＣＲスパッタによる成膜を説明するための図である。 本発明のＥＣＲスパッタ成膜装置の一構成例を説明するための図である。 本発明の本発明のＥＣＲスパッタ成膜による処理動作を説明するためのフローチャートである。 従来のＥＣＲスパッタにおける反応性ガスの導入を説明するための図である。 イオンビームの生成に電子サイクロトロン共鳴プラズマを利用した構成を説明するための図である。

符号の説明

１…ＥＣＲスパッタ装置、２…ＥＣＲスパッタ源、２ａ…ターゲット、２ｂ…コイル、２ｃ…マイクロ波源、２ｄ…電源、２ｅ…バイアス電源、３…イオンビーム源、３ａ…電源、４…反応室、５…排気系、６…真空排気系、７…ガス供給系、７ａ…反応性ガス供給系、７ｂ…不活性ガス供給系、７ｂ…不活性ガス供給系、８…基板ホルダ、９…シャッタ、１０…基板、１００…基板、１０１…ＥＣＲスパッタ源。

Claims (7)

1. 電子サイクロトロン共鳴によってスパッタターゲットのプラズマを発生し、当該プラズマを基板側に照射するＥＣＲスパッタ源と、
   供給ガスをイオン化し、当該イオン化した供給ガスイオンを基板側に照射するイオンビーム源と、
   を備えることを特徴とするＥＣＲスパッタ装置。
2. 前記イオンビーム源は、反応性ガスを供給ガスとし、この反応性ガスをイオン化して、成膜をアシストする反応性ガスイオンを生成することを特徴とする、請求項１に記載のＥＣＲスパッタ装置。
3. 前記イオンビーム源は、不活性ガスを供給ガスとし、この不活性ガスをイオン化して不活性ガスイオンを生成し、基板面をクリーニング処理することを特徴とする、請求項１に記載のＥＣＲスパッタ装置。
4. 前記イオンビーム源は、反応性ガス、不活性ガス、から選択した何れか一つを供給ガスとし、この選択したガスをイオン化してガスイオンを生成し、基板面に照射することを特徴とする、請求項１に記載のＥＣＲスパッタ装置。
5. 前記ＥＣＲスパッタ源のプラズマの照射方向と、前記イオンビーム源のイオンビームの照射方向が交差する位置に基板を載置する基板ホルダを備えることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のＥＣＲスパッタ装置。
6. 基板面を成膜する成膜方法であって、
   スパッタターゲットを電子サイクロトロン共鳴によってプラズマ化して基板に向けて照射し、
   反応性ガスをイオン化して生成した反応性ガスイオンを基板に向けて照射し、
   基板面上において、前記プラズマ化されたスパッタターゲットと反応性ガスイオンとを反応させ、基板面を成膜することを特徴とする成膜方法。
7. 基板面を成膜する成膜方法であって、
   不活性ガスをイオン化して生成した不活性ガスイオンを基板に向けて照射して基板面をクリーニング処理し、
   反応性ガスをイオン化して生成した反応性ガスイオンを、前記クリーニング処理した基板に向けて照射するとともに、電子サイクロトロン共鳴によってプラズマ化したスパッタターゲットを基板に向けて照射して、基板面上において当該反応性ガスイオンとスパッタターゲットを反応させて成膜面を生成することを特徴とする成膜方法。

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