JP2009179826A - Ecr sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ECRプラズマを利用したスパッタリング装置に関し、とくに、メタルモード領域で行うメタルモード成膜に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus using ECR plasma, and more particularly to metal mode film formation performed in a metal mode region.
ECRスパッタリング装置は、ECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマを生成し、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタし、このスパッタによって放出されたスパッタ粒子を被処理基板の表面に堆積させて成膜する装置である。処理室内に反応性ガスを導入しておくと、ターゲットから飛散したスパッタ粒子は、飛散中にまたは被処理基板表面上で反応性ガスと化学反応を起こし、反応による生成物が被処理基板表面に薄膜として堆積する。この反応性ECRスパッタ法により、化合物半導体や圧電性セラミックなどの薄膜を形成することができる。従来、反応性ガスとしてO2ガスを処理室内に導入し、Arイオンで金属亜鉛ターゲットをスパッタし、ターゲットからのZn粒子をO2ガスと反応させてZnO膜を成膜するECRスパッタリング装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 The ECR sputtering apparatus is an apparatus that generates ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma, sputters a target with ions in the plasma, and deposits sputtered particles emitted by the sputtering on the surface of the substrate to be processed. . When a reactive gas is introduced into the processing chamber, the sputtered particles scattered from the target cause a chemical reaction with the reactive gas during the scattering or on the surface of the substrate to be processed. Deposit as a thin film. By this reactive ECR sputtering method, a thin film such as a compound semiconductor or a piezoelectric ceramic can be formed. Conventionally, there has been known an ECR sputtering apparatus that introduces O 2 gas as a reactive gas into a processing chamber, sputters a metal zinc target with Ar ions, and reacts Zn particles from the target with O 2 gas to form a ZnO film. (For example, refer to Patent Document 1).
図7は従来のECRスパッタ成膜装置の概略構成を示す図である。図7において、ECRスパッタ成膜装置101は、プラズマ生成室102と反応室103とを備える。プラズマ生成室102の壁部にはマイクロ波導入孔104が設けられる。高周波電源(図示していない)で発生されたマイクロ波は、発信機およびEHチューナー(図示していない)でインピーダンス整合された後、マイクロ波導波管(図示していない)を通して導かれ、マイクロ波導入孔104のマイクロ波導入窓(図示していない)を通してプラズマ生成室102内に導入される。プラズマ生成室102の外周には磁場コイル105が設けられる。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional ECR sputtering film forming apparatus. In FIG. 7, the ECR sputtering
反応室103は、プラズマ引き出し用の開口部を通してプラズマ生成室102と連通している。反応室103には、排気口106とガス導入口107とが設けられ、排気口106は反応室103の内部を真空排気し、ガス導入口107は他端をガス供給源に接続して反応室103内に反応ガス等を導入する。
The
プラズマ処理は、真空排気装置によって反応室103およびプラズマ生成室102内を所定圧力に減圧し、磁場コイル105に直流電流を供給し、ガス導入口107から反応室103およびプラズマ生成室102内に反応ガスを導入し、マイクロ波をプラズマ生成室102内に導入する。反応ガスは、マイクロ波の電界と磁場コイル105の磁場による電子サイクロトロン共鳴による高密度プラズマが生成され、正イオンと電子に分離する。
In the plasma processing, the
プラズマ内において、電子は軽量であるため高速で運動し、短時間でプラズマから抜け出して壁部に衝突して消滅する。一方、正イオンは電子に比べて質量が大きく低速であるため、プラズマ中に長く存在する。これにより、プラズマは全体として正の電荷となり、イオンシースを形成する。基板112を支持する基板支持部111は、このイオンシースの正電荷に誘引されて負電荷が蓄積され、負の自己バイアス電圧が発生する。プラズマ中の正イオンは、磁場コイル105の発散磁界によって反応室に輸送された後、この負の自己バイアス電圧によって加速されて基板112に衝突し、基板112上に蓄積して膜を形成する。
In the plasma, since the electrons are light, they move at a high speed, get out of the plasma in a short time, collide with the walls, and disappear. On the other hand, positive ions have a large mass and a low speed compared to electrons, and therefore exist in plasma for a long time. Thereby, the plasma becomes a positive charge as a whole and forms an ion sheath. The
特許文献2には、従来のECRスパッタ成膜装置における問題点として、金属化合物薄膜を反応性成膜するときの安定性を確保することが困難となる場合があることを指摘している。上記特許文献2では、以下のように指摘している。
ECRプラズマ成膜法の大きな特徴として、金属ターゲットとアルゴン・酸素混合ガスとを用いて化合物薄膜を形成する反応性成膜がある。このような反応性成膜において、酸素流量をある微小な範囲に制御すると、ターゲット表面から金属元素がスパッタされて飛び出し、試料基板上に吸着した後に酸素が付着・反応して金属酸化物薄膜が形成されるようなプロセスで薄膜が成長する。これに対し、酸素流量を多くしていくとターゲット表面に酸素が付着して酸化し、酸化物の状態でスパッタされて飛び出すモードになる。前者のように、ターゲットから金属元素のままで飛び出す場合をメタルモード成膜、酸化物として飛び出す場合を酸化物モード成膜という。メタルモード成膜では、金属のスパッタリング効率が酸化物に比べて圧倒的に高いことから、成膜速度が大きく取れるという大きな利点がある。 A major feature of the ECR plasma film formation method is reactive film formation in which a compound thin film is formed using a metal target and an argon / oxygen mixed gas. In such a reactive film formation, if the oxygen flow rate is controlled within a very small range, the metal element is sputtered out from the target surface, adsorbed on the sample substrate, and then the oxygen adheres and reacts to form the metal oxide thin film. The thin film grows in the process as it is formed. On the other hand, when the oxygen flow rate is increased, oxygen adheres to the target surface and oxidizes, and a mode in which it is sputtered and jumps out in the oxide state. As in the former case, the case of jumping out from the target with the metal element as it is is called metal mode film formation, and the case of jumping out as an oxide is called oxide mode film formation. In metal mode film formation, since the sputtering efficiency of metal is overwhelmingly higher than that of oxide, there is a great advantage that the film formation speed can be increased.
一方で、酸素雰囲気中でターゲット表面を常に安定に金属の状態で保つことが難しく、成膜中に何らかの要因でターゲット表面が酸化されて酸化物モードに移行してしまう問題があった。メタルモード成膜を安定に保持できる酸素流量範囲をメタルモードマージンと言い、この範囲が広いほど安定な成膜が可能となる。Siターゲットを用いたSiO2成膜や、Alターゲットを用いたAl2O3成膜では十分なマージンが確保できるが、その他の高融点金属酸化物成膜などでは十分でない場合が多く、特にTiO2成膜では、これまで安定なメタルモード成膜が極めて困難であった。
On the other hand, it is difficult to always keep the target surface in a stable metallic state in an oxygen atmosphere, and there is a problem that the target surface is oxidized for some reason during film formation and shifts to an oxide mode. An oxygen flow rate range in which metal mode film formation can be stably maintained is called a metal mode margin, and the wider this range, the more stable film formation is possible. A sufficient margin can be secured by SiO 2 film formation using an Si target or Al 2 O 3 film formation using an Al target, but other refractory metal oxide film formation is often not sufficient, especially
特許文献2は、上記問題点を解決する手段として、ターゲットの下流側に粒子分布を制御する遮蔽リングの機構を設け、これによって成膜速度を下げて、試料基板への酸素供給時間を長くし、また、試料室側からターゲットへの酸素の供給を抑制し、試料基板に酸素を供給しつつターゲット表面の酸化を防ぐ点が記載されている。特許文献2の遮蔽リングは図7中において符号200で示している。
In
ECRスパッタ成膜装置では、それぞれ異なる目的ではあるが、遮蔽部材を設けることによってプラズマや反応性ガスの流れを制御する構成も提案されている。 Although the ECR sputtering film forming apparatus has different purposes, a configuration is proposed in which the flow of plasma or reactive gas is controlled by providing a shielding member.
例えば、プラズマの流れを制御する構成として、ターゲットの下流側にプラズマ制限筒を設ける構成が提案されている(特許文献3参照)。この構成では、プラズマの拡がりを制限し、プラズマがチャンバー内壁に照射されるのを抑制し、ダストや異常プラズマによるダメージを抑制している。 For example, as a configuration for controlling the flow of plasma, a configuration in which a plasma limiting cylinder is provided on the downstream side of the target has been proposed (see Patent Document 3). In this configuration, the spread of the plasma is limited, the plasma is prevented from being irradiated on the inner wall of the chamber, and the damage due to dust and abnormal plasma is suppressed.
また、反応性ガスの流れを制御する構成として、反応室内においてターゲットの下流側に遮蔽部材を設置する構成が提案されている(特許文献4参照)。この構成では、処理室内に、遮蔽部材と基板支持部で囲んだリング状空間を形成し、このリング状空間内に反応性ガスを導入することによって、反応性ガスのターゲットへの流れを規制し、ターゲットの酸化や窒化を抑制している。 Further, as a configuration for controlling the flow of the reactive gas, a configuration in which a shielding member is installed on the downstream side of the target in the reaction chamber has been proposed (see Patent Document 4). In this configuration, a ring-shaped space surrounded by the shielding member and the substrate support is formed in the processing chamber, and the reactive gas is introduced into the ring-shaped space to restrict the flow of the reactive gas to the target. , Which suppresses oxidation and nitridation of the target.
上記したように、メタルモード成膜では、金属のスパッタリング効率が酸化物に比べて圧倒的に高いことから、成膜速度が大きく取れるという大きな利点がある一方、酸素雰囲気中でターゲット表面を常に安定に金属の状態で保つことが難しいという問題があり、この問題を解決する手段として、特許文献2ではターゲットの下流側に粒子分布を制御する遮蔽リングの機構を設けている。
As described above, metal mode film deposition has an enormous advantage that the deposition rate can be increased because the metal sputtering efficiency is overwhelmingly higher than that of oxide, while the target surface is always stable in an oxygen atmosphere. However, as a means for solving this problem,
この遮蔽リングの機構は、成膜速度の低減することで試料基板への酸素供給時間を長くすること、反応室(試料室)側からターゲットへの酸素の供給を抑制することでターゲット表面の酸化を防ぐことによって、メタルモード成膜を安定化している。 This shield ring mechanism reduces the film formation rate to increase the oxygen supply time to the sample substrate, and suppresses the supply of oxygen from the reaction chamber (sample chamber) side to the target to oxidize the target surface. By preventing this, metal mode film formation is stabilized.
しかしながら、この遮蔽リング機構によるメタルモード成膜の安定化は、ECRプラズマ成膜装置の構成において、プラズマが流れ込む反応室(試料室)内に反応性ガスを導入し、反応室内の基板の近傍で酸素活性種(ラジカル)を形成してターゲット粒子を基板上に成膜させる構成において有効であり、必ずしも他の構成のECRプラズマ成膜装置において有効とはならない。 However, stabilization of the metal mode film formation by this shielding ring mechanism is achieved by introducing a reactive gas into the reaction chamber (sample chamber) into which plasma flows in the configuration of the ECR plasma film formation apparatus, and in the vicinity of the substrate in the reaction chamber. This is effective in a configuration in which oxygen active species (radicals) are formed to form a target particle on a substrate, and is not necessarily effective in an ECR plasma film forming apparatus having another configuration.
ECRプラズマ成膜装置において、ターゲットよりも上流のプラズマ生成室に反応性ガスを導入して酸素活性種(ラジカル)を形成し、Arイオンと共に反応室(試料室)内に導入し、Arイオンでターゲットをスパッタしてスパッタ粒子を発生させて基板に飛来させると共に、酸素活性種(ラジカル)を基板に送ることによってターゲット粒子を基板上に成膜させる構成では、遮蔽リング機構によって反応室(試料室)側からターゲットへの酸素の供給抑制という作用を適用することができず、メタルモード成膜を安定化させることはできない。 In the ECR plasma deposition system, reactive gas is introduced into the plasma generation chamber upstream of the target to form oxygen active species (radicals) and introduced into the reaction chamber (sample chamber) together with Ar ions. In the configuration in which the target particles are sputtered to generate sputtered particles and fly to the substrate, and the target particles are deposited on the substrate by sending oxygen active species (radicals) to the substrate. The effect of suppressing the supply of oxygen from the) side to the target cannot be applied, and the metal mode film formation cannot be stabilized.
図8は、イオンと酸素活性種(ラジカル)とをプラズマ生成室から反応室(試料室)内の供給する構成を示している。この構成において、ターゲット113の下流側の基板112との間に遮蔽リング200を設けると、酸素活性種(ラジカル)O*の流れは遮蔽リング200によって制限され、基板112に供給される酸素活性種(ラジカル)O*の流量が低下することになる。
FIG. 8 shows a configuration in which ions and oxygen active species (radicals) are supplied from the plasma generation chamber into the reaction chamber (sample chamber). In this configuration, when the
図8に示すように、ターゲットの下流側に遮蔽リング機構を設けた場合には、プラズマ中の酸素活性種(ラジカル)はターゲット表面を通過して基板側に流れるため、酸素流量を増やしていくと酸素活性種(ラジカル)のターゲット表面の濃度は高くなり、所定量を超えた段階で急激にターゲット表面が酸化され、成膜レートが急激に低下してメタルモードから酸化物モードに移行する。この酸化物モードでは、基板は酸化物のターゲット粒子で成膜される。この酸化物モード成膜は不完全酸化物であり、完全な酸化に至らない。 As shown in FIG. 8, when a shielding ring mechanism is provided on the downstream side of the target, oxygen active species (radicals) in the plasma pass through the target surface and flow to the substrate side, so the oxygen flow rate is increased. The concentration of oxygen active species (radicals) on the target surface is increased, and the target surface is rapidly oxidized when the amount exceeds a predetermined amount, and the film formation rate is rapidly decreased to shift from the metal mode to the oxide mode. In this oxide mode, the substrate is deposited with oxide target particles. This oxide mode film formation is an incomplete oxide and does not lead to complete oxidation.
また、基板に供給される酸素活性種(ラジカル)は遮蔽リング機構によって制限されるため、基板の表面付近の酸素活性種(ラジカル)の濃度が低くなって成膜レートが低下するおそれがある。 Further, since the oxygen active species (radicals) supplied to the substrate are limited by the shielding ring mechanism, the concentration of oxygen active species (radicals) near the surface of the substrate may be lowered, and the film formation rate may be reduced.
このため、従来のECRスパッタ装置では、酸化物薄膜を得るための反応性スパッタにおいて、成膜レートを高めるために酸素流量を増加させると、メタルモード領域から酸化物モードに移行し、メタルモード領域での完全酸化膜を生成することが困難であるという問題がある。また、酸化物モード成膜は不完全酸化物であるため、成膜の吸収係数kは大きくなり、高い反射特性を得ることができないという問題がある。 For this reason, in the conventional ECR sputtering apparatus, in the reactive sputtering for obtaining an oxide thin film, when the oxygen flow rate is increased to increase the film formation rate, the metal mode region shifts to the oxide mode. There is a problem that it is difficult to form a complete oxide film. In addition, since the oxide mode film formation is an incomplete oxide, the absorption coefficient k of the film formation increases, and there is a problem that high reflection characteristics cannot be obtained.
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、プラズマ生成室内のECRプラズマで生成したプラズマを反応室に導入し、プラズマ中のイオンによるターゲットのスパッタにより発生するスパッタ粒子と、プラズマ中の酸素活性種(ラジカル)とによって基板を成膜するECRプラズマ成膜装置において、ターゲットから金属元素を金属の状態で放出させて成膜するメタルモード成膜を安定化させることを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned conventional problems, introduces plasma generated by ECR plasma in the plasma generation chamber into the reaction chamber, and generates sputtered particles generated by sputtering of the target by ions in the plasma, An object of the present invention is to stabilize metal mode film formation in which an element is released from a target in a metal state in an ECR plasma film formation apparatus that forms a substrate with oxygen active species (radicals).
より詳細には、ターゲットの酸素活性種(ラジカル)による酸化を低減し、メタルモード成膜から酸化物モード成膜への移行を抑制し、これによって、ターゲットから酸化状態になく金属状態のままの金属元素をターゲット粒子として放出させ、このターゲット粒子の基板表面での酸化を促進することを目的とする。 More specifically, the oxidation of the target due to oxygen active species (radicals) is reduced, and the transition from metal mode film formation to oxide mode film formation is suppressed. An object is to release a metal element as target particles and promote oxidation of the target particles on the substrate surface.
本発明は、プラズマ生成室から基板に向かいプラズマの流路において、プラズマ中の酸素活性種(ラジカル)の流れを制御することによって、ターゲット表面での急激な酸化を抑制するともに、基板表面での酸化反応を促進することによって、メタルモード成膜を安定化させる。 The present invention suppresses rapid oxidation at the target surface by controlling the flow of oxygen active species (radicals) in the plasma in the plasma flow path from the plasma generation chamber toward the substrate, and at the substrate surface. By promoting the oxidation reaction, the metal mode film formation is stabilized.
本発明によるプラズマ中の酸素活性種の流れの制御は、磁場によって基板方向に輸送されるプラズマの流動比率を変更し、ターゲット表面に向かう比率を下げ、基板に向かう比率を上げることで行う。基板方向に向かうプラズマとターゲット方向に向かうプラズマの流動比率を変更することによって、ターゲット表面に向かう酸素活性種の量を抑制すると共に、基板に向かう酸素活性種の量を相対的に増大させる。 Control of the flow of oxygen active species in the plasma according to the present invention is performed by changing the flow rate of plasma transported in the direction of the substrate by a magnetic field, lowering the rate toward the target surface, and increasing the rate toward the substrate. By changing the flow ratio of the plasma toward the substrate and the plasma toward the target, the amount of oxygen active species toward the target surface is suppressed, and the amount of oxygen active species toward the substrate is relatively increased.
ターゲット表面に向かう酸素活性種の量を抑制することによって、ターゲット表面での急激な酸化を抑制し、基板に向かう酸素活性種の量を増すことによって基板表面での酸化反応を促進する。 By suppressing the amount of oxygen active species toward the target surface, rapid oxidation on the target surface is suppressed, and by increasing the amount of oxygen active species toward the substrate, the oxidation reaction on the substrate surface is promoted.
本発明は、プラズマ生成室内のECRプラズマで生成したプラズマを反応室に導入し、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタしてスパッタ粒子を発生させ、このスパッタ粒子とプラズマ中の酸素活性種とによって基板を成膜するECRプラズマ成膜装置において、反応室内に、プラズマが基板に向けて流れる流路に沿って配置するターゲット電極と、プラズマに流れを制御するシールドとを備える。 In the present invention, plasma generated by ECR plasma in a plasma generation chamber is introduced into a reaction chamber, a target is sputtered by ions in the plasma to generate sputtered particles, and a substrate is formed by the sputtered particles and oxygen active species in the plasma. In the ECR plasma film forming apparatus, the target chamber is provided with a target electrode arranged along a flow path where the plasma flows toward the substrate, and a shield for controlling the flow of the plasma.
本発明のシールドは、基板方向に向かうプラズマとターゲット方向に向かうプラズマの流動比率を変更することによって、プラズマ中の酸素活性種(ラジカル)の流れを制御するものである。このシールドは、ターゲット電極が基板と対向する面を除くターゲット電極の周囲を囲むと共に、ターゲット電極との間に所定距離を開けて配置する。さらに、シールドの特徴的なものとして、シールドがプラズマの流路と対向する面は、ターゲット電極がプラズマの流路と対向する面よりも基板方向に延出した構成を備える。 The shield of the present invention controls the flow of oxygen active species (radicals) in the plasma by changing the flow ratio of the plasma toward the substrate and the plasma toward the target. The shield surrounds the periphery of the target electrode except for the surface where the target electrode faces the substrate, and is disposed at a predetermined distance from the target electrode. Further, as a characteristic of the shield, the surface of the shield that faces the plasma flow path has a configuration in which the target electrode extends in the substrate direction from the face that faces the plasma flow path.
本発明が備えるシールドは、プラズマの流路と対向する面が、ターゲット電極がプラズマの流路と対向する面よりも基板方向に延出した構成とすることによって、基板方向に向かうプラズマとターゲット方向に向かうプラズマの流動比率を変更し、ターゲット方向に向かうプラズマの量を低減させ、基板方向に向かうプラズマの量を増加させる。 The shield provided by the present invention has a configuration in which the surface facing the plasma flow path is configured such that the target electrode extends in the substrate direction more than the surface facing the plasma flow path, so that the plasma and the target direction toward the substrate direction The plasma flow rate toward the substrate is changed, the amount of plasma toward the target is reduced, and the amount of plasma toward the substrate is increased.
このシールドによって、ターゲットに向かう酸素活性種の量は相対的に減少するが、ターゲットをスパッタするプラズマ中にイオンは、ターゲットに印加した負のバイアス電位によって引かれるため、ターゲット表面では、基板表面でメタルモード成膜を行うに充分な量の金属元素状態のターゲット粒子を放出することができる。 This shield relatively reduces the amount of oxygen active species toward the target, but ions are attracted by the negative bias potential applied to the target in the plasma that sputters the target. A sufficient amount of target particles in the metal element state can be released to perform metal mode film formation.
一方、プラズマ中の酸素活性種は電気的に中性な状態にあるため、ターゲットの負のバイアス電位によって引かれることなく、シールドに沿って基板方向に案内される。 On the other hand, since the oxygen active species in the plasma are in an electrically neutral state, they are guided toward the substrate along the shield without being attracted by the negative bias potential of the target.
また、シールドは、ターゲット電極と所定距離を開けて配置されると共に、絶縁あるいはアースされる。シールドとターゲット電極との間の距離は、アーク放電が生じない距離に設定することができる。シールドとターゲット電極との間のアーク放電を抑制することによって、アーク放電で放出される微粒子の発生を抑制し、また、ターゲット電極の損傷を防ぐことができる。 The shield is disposed at a predetermined distance from the target electrode, and is insulated or grounded. The distance between the shield and the target electrode can be set to a distance at which arc discharge does not occur. By suppressing the arc discharge between the shield and the target electrode, the generation of fine particles released by the arc discharge can be suppressed, and damage to the target electrode can be prevented.
本発明の一形態において、ターゲット電極は、プラズマの流路側の内径面と、この内径面の径よりも大径の外径面と、基板と対向する面を傾斜面とを有する断面形状が台形の環状電極とし、シールドは、この傾斜面を除くターゲット電極の周囲を囲むと共に、ターゲット電極の内径面と対向する面を、この面と対向するターゲット電極の内径面よりも基板方向に延出させる構成とする。 In one embodiment of the present invention, the target electrode has a trapezoidal cross-sectional shape having an inner diameter surface on the plasma flow path side, an outer diameter surface larger than the diameter of the inner diameter surface, and an inclined surface that faces the substrate. The shield surrounds the periphery of the target electrode excluding the inclined surface, and the surface facing the inner diameter surface of the target electrode extends in the substrate direction from the inner diameter surface of the target electrode facing the surface. The configuration.
本発明の他の形態において、ターゲット電極は、プラズマの流路側の内径面と、基板と対向する面を平面とを有する断面形状が矩形の環状電極とし、シールドは、この平面を除くターゲット電極の周囲を囲むと共に、ターゲット電極の内径面と対向する面を、この面と対向するターゲット電極の内径面よりも基板方向に延出させる構成とする。また、シールド電極の内径は、プラズマの流路方向に同一径とすることができる。 In another embodiment of the present invention, the target electrode is an annular electrode having a rectangular cross-sectional shape having an inner diameter surface on the plasma flow path side and a plane that faces the substrate, and the shield is the target electrode excluding this plane. The surface surrounding the periphery and facing the inner diameter surface of the target electrode is configured to extend in the substrate direction from the inner diameter surface of the target electrode facing the surface. Further, the inner diameter of the shield electrode can be the same in the direction of the plasma flow path.
本発明の各形態は、シールドがプラズマと対向する面を、ターゲット電極の内径面よりも基板方向に延出させる構成とすることによって、ターゲット方向に向かうプラズマの量を低減させ、基板方向に向かうプラズマの量を増加させる。 Each form of the present invention is such that the surface of the shield facing the plasma extends in the substrate direction from the inner diameter surface of the target electrode, thereby reducing the amount of plasma toward the target direction and toward the substrate direction. Increase the amount of plasma.
また、本発明の形態によれば、酸素流量を増加させた場合であっても、シールドがターゲット表面に向かう酸素活性種の量の増加を抑制するため、ターゲット表面は急激に酸化されることなく金属状態のターゲット粒子が放出され、基板表面において成膜レートが高いメタルモード領域において酸化膜を得ることができる。 In addition, according to the embodiment of the present invention, even when the oxygen flow rate is increased, the target surface is not rapidly oxidized because the shield suppresses an increase in the amount of oxygen active species toward the target surface. Metal target particles are released, and an oxide film can be obtained in the metal mode region where the film formation rate is high on the substrate surface.
本発明によれば、プラズマ生成室内のECRプラズマで生成したプラズマを反応室に導入し、プラズマ中のイオンによるターゲットのスパッタにより発生するスパッタ粒子と、プラズマ中の酸素活性種(ラジカル)とによって基板を成膜するECRプラズマ成膜装置において、ターゲットから金属元素を金属の状態で放出させて成膜するメタルモード成膜を安定化させることができる。 According to the present invention, a plasma generated by ECR plasma in a plasma generation chamber is introduced into a reaction chamber, and a substrate is formed by sputtered particles generated by sputtering of a target by ions in the plasma and oxygen active species (radicals) in the plasma. In an ECR plasma film forming apparatus for forming a film, metal mode film formation in which a metal element is released from a target in a metal state to form a film can be stabilized.
より詳細には、ターゲットの酸素活性種(ラジカル)による酸化を低減し、メタルモード成膜から酸化物モード成膜への移行を抑制し、これによって、ターゲットから酸化状態になく金属状態のままの金属元素をターゲット粒子として放出させ、このターゲット粒子の基板表面での酸化を促進することができる。 More specifically, the oxidation of the target due to oxygen active species (radicals) is reduced, and the transition from metal mode film formation to oxide mode film formation is suppressed. Metal elements can be released as target particles, and oxidation of the target particles on the substrate surface can be promoted.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明のECRスパッタ装置の構成例を説明するための概略図である。 FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a configuration example of an ECR sputtering apparatus of the present invention.
ECRスパッタ装置1は、ECRプラズマを生成するためのプラズマ生成室2と、成膜対象物である基板12が収容される反応室3とを備えている。プラズマ生成室2と反応室3とはプラズマ引き出し開口2aを介して連通しており、反応室3は真空ポンプ(図示していない)により排気口6から真空排気される。
The
プラズマ生成室2には、マイクロ波導入孔4、ガス導入口7、および空芯の磁場コイル5が設けられている。高周波電源8で発生されたマイクロ波は、発振器およびEHチューナー9でインピーダンス整合された後、マイクロ波導波管10を通して導かれ、マイクロ波導入孔4のマイクロ波導入窓(図示していない)を通してプラズマ生成室2内に導入される。
The
プラズマ生成室2は、2.45GHzのマイクロ波に対して空洞共振器として機能するように構成している。磁場コイル5により87.5(mT)の磁場を生成し、周波数2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導入窓から導入する。
The
プラズマ生成室2のガス導入口7には、ガスラインL1,L2によりガスが供給される。ガスラインL1はアルゴンガスを供給し、ガスラインL2は酸素ガスを供給する。ガスラインL1にはバルブB1を設け、バルブB1を開閉することによってアルゴンガスの供給を制御する。また、ガスラインL2には、バルブB2を設け、バルブB2を開閉することによって酸素ガスの供給を制御する。また、マスフローコントローラM1、マスフローコントローラM2は、アルゴンガスおよび酸素ガスの流量を制御する。
Gas is supplied to the gas inlet 7 of the
一方、反応室3内には、ターゲット電極13と、このターゲット電極13の一部の面を除いて周囲を囲むシールド20と、基板12を保持する基板支持部11とを設ける。ターゲット電極13は、例えば、プラズマの流路側の内径面と、この内径面よりも大径の外径面と、基板と対向する面を傾斜面とを有した断面形状が台形の環状電極とし、中央部分に貫通口が形成されたコーン形状の形状とする他、プラズマの流路側の内径面と、基板と対向する平面とを有した断面形状が矩形の環状電極とし、中央部分に貫通口が形成された円盤状の形状とすることができる。
On the other hand, in the
このターゲット電極13の中央部分に形成された貫通口は、プラズマ生成室のプラズマ引き出し開口2aと基板12との間に配置され、プラズマ引き出し開口2aからのプラズマが流れ流路を形成する。
The through-hole formed in the center portion of the
ターゲット電極13の材料は、例えばアルミを使用する。ターゲット電極13はDC電源14と接続し、ターゲット電極13にDCパルス電圧を印加することができる。この場合、ターゲット電極13には、電極の電位がプラズマに対してマイナス電位となるように、例えば、−200〜−800Vの電圧を印加する。なお、ターゲット電極13にはDCパルス電圧の代りに、正極側を接地し、負極側をターゲット電極13に接続した高周波電源を用いて高周波電圧を印加してもよい。
As the material of the
基板支持部11には、基板12を軸回転する駆動機構を設けてもよい。また、基板支持部11に高周波電源15と接続し、基板支持部11の電位がプラズマに対してマイナス電位になるように高周波電圧を印加する。アーキングが発生しなければ高周波電源の代りにDC電源を使用してもよい。
The
プラズマ処理は、真空排気装置(図示しない)によって反応室3およびプラズマ生成室2内を所定圧力に減圧し、磁場コイル5に直流電流を供給してプラズマ生成室2内に87.5mTの磁場を生成し、ガス導入口7から反応室3およびプラズマ生成室2内に反応性ガスを導入し、高周波電源8で発振させ発振器およびEHチューナー9でインピーダンス整合させた2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導入孔4の窓からプラズマ生成室2内に導入する。
In the plasma processing, the
反応性ガスは、マイクロ波の電界と磁場コイル5の磁場を875ガウスとすることによって電子サイクロトロン共鳴による高密度プラズマが生成され、正イオンと電子に分離する。
The reactive gas generates a high-density plasma by electron cyclotron resonance by setting the microwave electric field and the magnetic field of the
プラズマ生成室2内では、ECRによってアルゴンガスがイオン化して高密度なプラズマが生成される。さらに酸素ガスをプラズマ生成室2に供給すると、ECRによって酸素ガスが活性化して酸素活性種(ラジカル)が生成される。プラズマ中には電子、アルゴンイオン、励起状態のアルゴン、アルゴン原子、酸素活性種、酸素原子が存在する。
In the
プラズマ内において、移動度の大きな電子は磁場コイル5により形成された発散磁界の磁力線に沿って引き出し開口2aから反応室3内に移動する。電子は軽量であるため高速で運動し、短時間でプラズマから抜け出して壁部に衝突して消滅する。一方、正イオンは電子に比べて質量が大きく低速であるため、プラズマ中に長く存在する。これにより、プラズマは全体として正の電荷となり、イオンシースを形成する。基板12を支持する基板支持部11は、このイオンシースの正電荷に誘引されて負電荷が蓄積され、負の自己バイアス電圧が発生する。
In the plasma, electrons having high mobility move into the
その結果、プラズマ生成室2のプラズマから見ると反応室3の電子が存在する空間はマイナス電位となっているため、プラズマ中のアルゴンイオンは磁場コイル5の発散磁界の磁力線に沿って反応室3へ移動する。また、酸素活性種(ラジカル)は拡散によって反応室3へ移動する。このようにして反応室3にプラズマは引き出される。
As a result, the space in which the electrons in the
マイナス電位となるようにターゲット電極13に電圧を印加すると、アルゴンイオンは、ターゲット電圧による電界によってターゲット電極13の方向に加速され、ターゲット電極13の表面に入射する。加速されたアルゴンイオンがターゲット電極13に入射すると、スパッタ現象によりアルミのスパッタ粒子がターゲット電極13から基板12の方向に放出される。
When a voltage is applied to the
基板12には、ターゲット電極13から放出されたアルミの酸化されていない金属状態の粒子と、プラズマ中の酸素活性種(ラジカル)とが存在し、これらが反応してメタルモード成膜が行われ、基板12の表面にアルミ薄膜が成膜される。
On the
シールド20は、ターゲット電極13が基板12と対向する面を除くターゲット電極13の周囲を囲むと共に、ターゲット電極13との間に所定距離を開けて配置する。
The
図2はシールド20の一構成例を示している。
FIG. 2 shows a configuration example of the
図2において、ターゲット電極13は、プラズマの流路側の内径面13aと、この内径面13aの径よりも大径の外径面13bと、基板12と対向する傾斜面13cとを有する断面形状が台形の環状電極である。一方、シールド20は、傾斜面13cを除くターゲット電極13の周囲を囲むと共に、ターゲット電極13の内径面13aと対向する内径面20aは、この内径面20aと対向するターゲット電極13の内径面13aよりも基板方向に延出して形成される。内径面20aの延出した長さは、その全長Dが少なくともターゲット電極13の内径面13aの長さdよりも長尺とし、例えば、内径面13aと外径面13bとの中間の長さよりも長尺とする。
In FIG. 2, the
なお、この内径面20aの延出する長さは、ターゲット電極13の形成、プラズマが流れる流路径、プラズマが移動する速度等に応じて定めることができる。また、内径面13aの内径は、プラズマの流路に沿って同一径とすることができる。
The extending length of the
図3はシールド20による作用、特に延出面による作用を説明するための図である。図3(a)は延出面を有するシールドの場合を示し、図3(b)は延出面を有さないシールドの場合を示している。なお、図3では、プラズマ生成室から基板12に向かうプラズマ中にアルゴンイオン(Ar+)と、酸素活性種として酸素ラジカル(O*)が含まれる場合を示している。ここで“*”は活性種であることを示している。
FIG. 3 is a view for explaining the action of the
図3(a)において、プラズマ中のアルゴンイオン(Ar+)は、基板12の方向に移動する間に、DC電源14によって負電位に印加されたターゲット電極13に誘引される。このとき、ターゲット電極13は、傾斜面13cを除く周囲の面はシールド20によって囲まれ、このシールド20は絶縁あるいはアースされているため、アルゴンイオン(Ar+)は傾斜面13cのみに入射する。アルゴンイオン(Ar+)はターゲット電極13の傾斜面13cに入射し、この傾斜面13cをスパッタして、ターゲットの金属原子を放出する。
In FIG. 3A, argon ions (Ar + ) in the plasma are attracted to the
一方、プラズマ中の酸素ラジカル(O*)は、ターゲット電極13の内径面13aと対向するシールド20の内径面20aにガイドされて基板12の方向に移動する。酸素ラジカル(O*)は電気的に中性であるため、ターゲット電極13に誘引されることなく、基板12の方向に移動する。このとき、シールド20の内径面20aは、基板12の方向に延出した部分によって、酸素ラジカル(O*)をターゲット電極13側に拡散させることなく、基板12方向に導く。
On the other hand, oxygen radicals (O * ) in the plasma are guided by the
これによって、酸素ラジカル(O*)がターゲット電極方向と基板方向に流れる流動比率を変更し、相対的に、ターゲット電極13の表面に到達する酸素ラジカル(O*)を低減させ、基板12の表面に到達する酸素ラジカル(O*)を増大させる。
This changes the flow ratio of oxygen radicals (O * ) flowing in the direction of the target electrode and the substrate, relatively reduces the oxygen radicals (O * ) that reach the surface of the
ターゲット電極13の表面では酸素ラジカル(O*)の到達量が相対的に減少するため、仮に、酸素流量が増加した場合であっても、酸素ラジカル(O*)によるターゲット電極が急激に酸化することを抑制し、ターゲット電極表面から放出されるターゲット粒子を金属のままとし酸化物の状態となることを抑制する。
Since the arrival amount of oxygen radicals (O * ) relatively decreases on the surface of the
また、基板12の表面では酸素ラジカル(O*)の到達量が相対的に増大するため、酸素ラジカル(O*)の濃度が高まり、ターゲット電極13から放出されたターゲット粒子をメタルモード領域で完全酸化させて成膜することができる。
Further, since the amount of oxygen radicals (O * ) that reach the surface of the
一方、図3(b)において、プラズマ中のアルゴンイオン(Ar+)は、基板12の方向に移動する間に、DC電源14によって負電位に印加されたターゲット電極13に誘引される。このアルゴンイオン(Ar+)の誘引動作、およびアルゴンイオン(Ar+)のスパッタによるターゲット粒子の放出動作は図3(a)の場合と同様である。
On the other hand, in FIG. 3B, argon ions (Ar + ) in the plasma are attracted to the
一方、プラズマ中の酸素ラジカル(O*)は、ターゲット電極13の内径面13aと対向するシールド20の内径面20a′を通過した後、拡散する。このとき、シールド20の内径面20a′がターゲット電極13の内径面13aと対向するだけの長さである場合には、酸素ラジカル(O*)は、シールド20の内径面20a′を通過した後、基板12の方向に移動する他に、ターゲット電極13の傾斜面13cの方向にも拡散する。このため、ターゲット電極13の傾斜面13cには、拡散したプラズマが流れこみ、相対的に、ターゲット電極13の表面に到達する酸素ラジカル(O*)が増え、基板12の表面に到達する酸素ラジカル(O*)が減少する。
On the other hand, oxygen radicals (O * ) in the plasma diffuse after passing through the
ターゲット電極13の表面では酸素ラジカル(O*)の到達量が相対的に増大するため、仮に、酸素流量が増加した場合には、酸素ラジカル(O*)によるターゲット電極が急激に酸化され、ターゲット電極表面ではメタルモード領域から酸化物モード領域に移行し、ターゲット電極13の傾斜面13cから放出されるターゲット粒子は酸化物となる。
Since the arrival amount of oxygen radicals (O * ) relatively increases on the surface of the
また、基板12の表面では酸素ラジカル(O*)の到達量が相対的に減少するため、酸素ラジカル(O*)の濃度が低下し、ターゲット電極13から放出されたターゲット粒子をメタルモード領域で完全酸化させて成膜することが困難となる。
In addition, since the amount of oxygen radicals (O * ) that reach the surface of the
図4はシールド20の別の構成例を示している。この構成例は、断面が平板状のターゲット電極に対応するシールドの例である。
FIG. 4 shows another configuration example of the
図4において、ターゲット電極13は、プラズマの流路側の内径面13aと、基板12と対向する平面13dとを有する断面形状が略矩形形状の環状電極であり、図4(a)の示す例は、ターゲット電極13の平面13dが基板12と平行に設置される配置例であり、図4(b)の示す例は、ターゲット電極13の平面13dが基板12に対して斜めに設置される配置例である。
In FIG. 4, the
シールド20は、平面13dを除くターゲット電極13の周囲を囲むと共に、ターゲット電極13の内径面13aと対向する内径面20aは、この内径面20aと対向するターゲット電極13の内径面13aよりも基板方向に延出して形成される。内径面20aの延出した全長のる長さDは、少なくともターゲット電極13の内径面13aの長さdよりも長尺とする。また、ターゲット電極13を傾斜して配置する場合には、例えば、内径面13aと外径面13bとの中間の長さよりも長尺とする。
The
なお、この内径面20aの延出する長さは、ターゲット電極13の形成、プラズマが流れる流路径、プラズマが移動する速度等に応じて定めることができる。また、内径面13aの内径は、プラズマの流路に沿って同一径とすることができる。
The extending length of the
図5は、本発明のシールド構造による効果を説明するための図である。図5において、横軸は、プラズマ生成室内に導入する酸素流量を示し、酸素流量sccmは一定温度で規格化された1分間あたりで表した流量cc(cm3)/minを示している。また、縦軸は成膜レート(Å/sec)、成膜の吸収係数kを表している。 FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the shield structure of the present invention. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the flow rate of oxygen introduced into the plasma generation chamber, and the oxygen flow rate sccm indicates the flow rate cc (cm 3 ) / min expressed per minute normalized at a constant temperature. The vertical axis represents the film formation rate (Å / sec) and the film formation absorption coefficient k.
図5において、酸素流量が少ない場合にはメタルモード領域で成膜され、図5中のCで示す高い成膜レートを示す。一方、酸素流量が増加するとメタルモード領域から酸化物モード領域に移行して成膜が行われ、図5中のDで示すように成膜レートが低下する。また、成膜の光学特性を評価する吸収係数kは、酸素流量が増加するほど低い値となる。 In FIG. 5, when the oxygen flow rate is small, the film is formed in the metal mode region, and shows a high film formation rate indicated by C in FIG. On the other hand, when the oxygen flow rate is increased, film formation is performed from the metal mode region to the oxide mode region, and the film formation rate is lowered as indicated by D in FIG. Further, the absorption coefficient k for evaluating the optical characteristics of film formation decreases as the oxygen flow rate increases.
したがって、基板上に成膜する酸化物薄膜の吸収係数kを下げると共に、高い成膜レートを実現するには、図中のCで示すメタルモード領域において、酸素流量を多くする必要がある。しかしながら、酸素流量を増大させると、メタルモード領域から酸化物領域に移行して成膜レートが低下する。そのため、メタルモード領域から酸化物領域に移行するときの酸素流量ができるだけ多くなる特性が望ましい。 Therefore, in order to reduce the absorption coefficient k of the oxide thin film formed on the substrate and realize a high film formation rate, it is necessary to increase the oxygen flow rate in the metal mode region indicated by C in the figure. However, when the oxygen flow rate is increased, the film formation rate is lowered by shifting from the metal mode region to the oxide region. Therefore, it is desirable that the oxygen flow rate be as high as possible when shifting from the metal mode region to the oxide region.
AとBの特性を比較すると、大きな酸素流量においてメタルモード領域から酸化物領域に移行する特性Bによれば、高い成膜レートと吸収係数kの両方を満たすことができる。 Comparing the characteristics of A and B, according to the characteristic B that shifts from the metal mode region to the oxide region at a large oxygen flow rate, both a high film formation rate and an absorption coefficient k can be satisfied.
図5中の破線Aは、図3(b)の構成に示すように、シールド20の内径面20aの長さをターゲット電極13の内径面13aの長さとほぼ同程度とした構成において、酸素流量を増加させたときの成膜レートの変化を示している。また、図5中の実線Bは、図3(a)の構成に示すように、シールド20の内径面20aの長さをターゲット電極13の内径面13aよりも長く設定し、シールド20の内径面20aを基板側に延出させた構成において、酸素流量を増加させたときの成膜レートの変化を示している。
The broken line A in FIG. 5 indicates the oxygen flow rate in the configuration in which the length of the
したがって、シールド20の内径面20aを基板側に延出させた構成とすることで、高い成膜レートと低吸係数kの両方を満たす特性を得ることができる。
Therefore, by having a configuration in which the
次に、図6に本発明による成膜例を示す。ここでは成膜条件は以下の通りである。
成膜物質 :Al2O3
ターゲット:高純度アルミ
導入ガス :Ar、O2
成膜時圧力:0.1〜0.3パスカル
マイクロ波電力:500〜1000W
ターゲットバイアス電力:100〜200W
Next, FIG. 6 shows a film formation example according to the present invention. Here, the film forming conditions are as follows.
Film-forming material: Al 2 O 3
Target: High-purity aluminum Introduced gas: Ar, O 2
Deposition pressure: 0.1-0.3 Pascal microwave power: 500-1000 W
Target bias power: 100-200W
図6において、横軸は、プラズマ生成室内に導入する酸素流量sccmを示し、縦軸は成膜レート(Å/sec)、成膜の吸収係数k、屈折率nを表している。 In FIG. 6, the horizontal axis represents the oxygen flow rate sccm introduced into the plasma generation chamber, and the vertical axis represents the film formation rate (レ ー ト / sec), the film formation absorption coefficient k, and the refractive index n.
図3(b)の構成に示すように、シールド20の内径面20aの長さをターゲット電極13の内径面13aの長さとほぼ同程度とした構成の場合には、図6中のEで示す酸素流量のあたりでメタルモード領域から酸化物領域に移行して成膜レートが低下するのに対して、本発明のシールド構成のように基板側に延出さることで、メタルモード領域から酸化物領域に移行する酸素流量を増大させ、成膜の吸収係数kを下げることができる。
As shown in the configuration of FIG. 3B, when the length of the
1…ECRスパッタ装置、2…プラズマ生成室、2a…プラズマ引き出し開口、3…反応室、4…マイクロ波導入孔、5…磁場コイル、6…排気口、7…ガス導入口、8…高周波電源、9…発信器及びEHチューナー、10…導波管、11…基板支持部、12…基板、13…ターゲット電極、13a…内径面、13b…外径面、13c…傾斜面、13d…平面、14…バイアス電源、15…高周波電源、20…シールド、20a、20a′…内径面、101…スパッタ成膜装置、102…プラズマ生成室、103…反応室、104…マイクロ波導入孔、105…磁場コイル、106…排気口、107…ガス導入口、111…基板支持部、112…基板、113…ターゲット、200…遮蔽リング、B1…バルブ、B2…バルブ、L1,L2…ガスライン、M1,M2…マスフローコントローラ、k…吸収係数、n…屈折率。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記反応室内に、
前記プラズマが基板に向けて流れる流路に沿って配置するターゲット電極と、
前記ターゲット電極が前記基板と対向する面を除くターゲット電極の周囲を囲むと共に、当該ターゲット電極との間に所定距離を開けて配置するシールドとを備え、
前記シールドが前記プラズマの流路と対向する面は、前記ターゲット電極がプラズマの流路と対向する面よりも基板方向に延出していることを特徴とする、ECRスパッタ装置。 Plasma generated by ECR plasma in the plasma generation chamber is introduced into the reaction chamber, a target is sputtered by ions in the plasma to generate sputtered particles, and a substrate is formed by the sputtered particles and oxygen active species in the plasma. In the ECR plasma film forming apparatus, in the reaction chamber,
A target electrode disposed along a flow path through which the plasma flows toward the substrate;
The target electrode surrounds the periphery of the target electrode excluding the surface facing the substrate, and includes a shield disposed with a predetermined distance between the target electrode and the target electrode,
An ECR sputtering apparatus, wherein the surface of the shield facing the plasma flow path extends in the substrate direction than the surface of the target electrode facing the plasma flow path.
前記シールドは、前記傾斜面を除くターゲット電極の周囲を囲むと共に、前記ターゲット電極の内径面と対向する面は、当該面と対向するターゲット電極の内径面よりも基板方向に延出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。 The target electrode is an annular electrode having a trapezoidal cross section having an inner diameter surface on the plasma flow path side, an outer diameter surface larger than the diameter of the inner diameter surface, and an inclined surface on the surface facing the substrate. Yes,
The shield surrounds the periphery of the target electrode excluding the inclined surface, and the surface facing the inner diameter surface of the target electrode extends in the substrate direction from the inner diameter surface of the target electrode facing the surface. The ECR sputtering apparatus according to claim 1.
前記シールドは、前記平面を除くターゲット電極の周囲を囲むと共に、前記ターゲット電極の内径面と対向する面は、当該面と対向するターゲット電極の内径面よりも基板方向に延出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。 The target electrode is an annular electrode having a substantially rectangular cross-sectional shape having an inner diameter surface on the plasma flow path side and a plane facing the substrate,
The shield surrounds the periphery of the target electrode excluding the plane, and the surface facing the inner diameter surface of the target electrode extends in the substrate direction from the inner diameter surface of the target electrode facing the surface. The ECR sputtering apparatus according to claim 1.
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