JP3017437B2 - 薄膜形成装置のターゲット保持機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば超高密度集積回
路の製造に用いられる薄膜形成装置に関するものであ
り、さらに詳細には薄膜形成のスパッタリング時に用い
られるターゲットの保持機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば図３０に示すように薄膜形
成室（プロセスチャンバ）２３０１内に配設されたホル
ダ２３０２にターゲット２３０３を取り付ける場合、一
般にボルト２３０４とナット２３０５によるネジ止め手
段が用いられ、ターゲットがネジ止めされた後、プロセ
スチャンバ２３０１内を真空にしてウエハ２３０６の表
面にスパッタリングによる薄膜を形成するようにしてい
る。

【０００３】したがって薄膜の種類に応じてターゲット
の交換を行なう場合、ボルト２３０４とナット２３０５
との結合を外して新たなターゲットに交換するために
は、プロセスチャンバ２３０１内に一旦大気を導入する
必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来技術の構成によると、ターゲットに交換の度にプロ
セスチャンバ２３０１内に大気導入を図る必要があるの
で、スループットの低下を招くばかりでなく、大気によ
りチャンバ内が汚染される機会が生じ、高品質な薄膜形
成の妨げとなるという問題点がある。

【０００５】また、従来の構成ではターゲット表面側に
露出したボルト等がターゲットと共にスパッタされ、薄
膜の品質低下を招来させる原因となるという問題点があ
る。

【０００６】なお、かかる品質低下を防ぐべく、結合用
のボルト等をターゲットと同一材料で形成するという手
段が知られているが、かかる手段ではターゲットの純度
を上げる程ボルト等の成形加工が困難となる。特に、タ
ーゲットの材料を例えば６Ｎ〜７Ｎ以上の純度まで高純
度化すると、各結晶粒の大きさが例えば数ミリ以上とな
る。したがって、かかる高純度の材料は加工の際に結晶
粒界にそって割れ易くなるため複雑な加工が不可能であ
り、ボルト等の細い加工の必要とされる部品は、３Ｎ程
度まで純度を下げた材料を用いざるを得ず、これに応じ
てターゲットの純度も低下させざるを得ないという問題
がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来技術
におけるスループット低下や薄膜の品質低下等の課題を
解決すべくなされたものであり、減圧室内にウエハとタ
ーゲットとを対向するように配設し、該ターゲットの材
料を前記ウエハの面に堆積するように構成された薄膜形
成装置において、前記減圧室内に配設されるホルダに、
前記ターゲットを磁気吸引力により吸着させる磁気吸着
手段とを備えたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】例えばターゲットストッカから移送されたター
ゲットをターゲットホルダに対向させると、ターゲット
の磁性部分が磁気吸着手段により吸引され、ターゲット
は減圧室内で真空状態を変えることなくターゲットホル
ダに吸着される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１０】図１は本発明に係る薄膜形成装置のシステ
ム構成図である。図１の装置は、４個の減圧室（プロセ
スチャンバ）、すなわち金属薄膜用スパッタチャンバ１
０１ａ、絶縁薄膜用スパッタチャンバ１０１ｂ、クリー
ニングチャンバ１０１ｃ、および酸化チャンバ１０１ｄ
を有している。１０２はウエハのローディングチャンバ
であり、ウエハを装置にセットする際に用いられる。ま
た１０３はアンロードチャンバであり、ウエハを装置よ
り取り出す際に用いられるチャンバである。１０４はト
ランスポートチャンバであり、上記の４つのプロセスチ
ャンバのそれぞれ所定のチャンバへウエハを搬送するの
に用いられ、ウエハ１０６ｃの搬送には、例えば後述す
る静電吸着型のウエハチャック１１４等を用いて行なわ
れる。すなわち、ウエハチャック１１４によってウエハ
を吸着した後、例えば磁気浮上方式の搬送機構を用いて
所定のチャンバのウエハホルダ１０７ａ〜１０７ｄの上
にウエハをセットする。ここで、各ウエハホルダ１０７
ａ〜１０７ｄは、先の静電吸着の手法によりウエハを吸
着保持し、次いで、対応するプロセスチャンバのゲート
バルブ１０５ａ〜１０５ｄ（プロセスチャンバ１０１ａ
のゲートバルブ１０５ａは図示されていない）を開いた
後、ウエハホルダ（１０７ａ等）全体が上昇してウエハ
を所定のプロセスチャンバ１０１ａ等内に挿入するとと
もに、該プロセスチャンバ１０１ａ等とトランスポート
チャンバ１０４間の気密シールを行なう構造となってい
る。図１は、金属薄膜用スパッタチャンバ１０１ａ内に
シリコンウエハ１０６ａおよびウエハホルダ１０７ａが
セットされた状態を示している。

【００１１】１０８ａ〜１０８ｄはターゲットチャンバ
であり、それぞれ真空状態を変えることなくターゲット
１０９ａ〜１０９ｄを交換できるようになっている。各
ターゲット１０９ａ〜１０９ｄには同調回路１１０ａ〜
１１０ｄを介してＲＦ電源１１１ａ〜１１１ｄが接続さ
れ、さらにウエハホルダ１０７ａ〜１０７ｄにも夫々同
調回路１１２ａ〜１１２ｄを介してＲＦ電源１１３ａ〜
１１３ｄが接続されている。また、図１には図示されて
いないが、各チャンバ（１０８ａ〜１０８ｄ，１０１ａ
〜１０１ｄ，１０２，１０３，１０４等）には、真空排
気装置が接続されている。

【００１２】図１ではターゲットとウエハとの位置関係
は、下方にウエハを、上方にターゲットを位置させる場
合を示しているが、その上下の位置関係を逆にしてもよ
い。これにより、ターゲットを静電吸着機構（静電チャ
ック）で保持する場合、例えば静電チャックの電源電圧
に一時的な変動が生じる等により吸着力が弱化した場合
にも重量が比較的大なるターゲットが落下するような事
態を回避することができる。

【００１３】他方、例えば図３（ａ）に示すようにター
ゲット１０９ａとウエハ１０６ａを左右方向に対向させ
る構成としてもよい。かかる構成によれば、ウエハの砕
片やウエハに付着した塵埃がターゲット上に落下するの
を防ぐことができ、ターゲットの汚染し、成膜された薄
膜の膜質の劣化等を回避できる。

【００１４】また、図３（ｂ）に示すように、ターゲッ
ト１０９ａをその表面が若干上方を向くように傾けるよ
うにしてもよい。これにより、重量の大きなターゲット
の保持が容易になると共に、ウエハ表面への塵埃付着、
またウエハからターゲットへの塵埃の落下等を防止でき
る。

【００１５】次に、本薄膜形成装置により、例えば図４
に示すキャパシタ構造を作製する方法について説明す
る。図４のキャパシタは、シリコン基板３０１内に形成
されたＮ⁺拡散層３０２上に、絶縁膜３０３に設けた開
口部を介してＡｌ薄膜３０４，Ａｌ₂Ｏ₃膜３０５，Ａｌ
薄膜３０６の三層構造を形成した構造になっている。

【００１６】作製の工程は、まず、シリコン基板３０１
上にＮ⁺拡散層３０２を形成し、その上に絶縁膜３０３
およびＮ⁺拡散層３０２上に開口部を形成したウエハ１
０６ｅを用意し、これをローディングチャンバ１０２内
のウエハホルダ１０７ｅ上に載置する。次いで、ローデ
ィングチャンバを真空引きした後、ゲートバルブ１０５
ｅを開け、静電チャック１１４によりウエハ１０６ｃを
保持してトランスポートチャンバ１０４内へウエハを持
ち込み、ゲートバルブ１０５ｅを閉じる。次いで、ウエ
ハをクリーニングチャンバ１０１ｃにセットする。この
クリーニングチャンバ１０１ｃ内ではＮ⁺拡散層３０２
表面に形成された極めて薄い自然酸化層や吸着分子層、
特に水分の吸着分子層を低温（１５０℃以下）で、しか
も下地のシリコンにダメージを与えないで除去すること
ができる。

【００１７】すなわち、ＲＦ放電により生じたＡｒイオ
ンをＳｉ結晶にダメージを与えることのないエネルギー
で（例えば数ｅＶから３０ｅＶ程度、好ましくは５ｅＶ
以下、より好ましくは２〜３ｅＶの運動エネルギーで）
シリコンウエハ上に照射する。かかる表面のクリーニン
グを行なうことは、Ａｌ薄膜３０４とＮ⁺拡散層３０２
との良好な電気的接触をとることができる。すなわち、
その後いっさいの熱処理工程がなくても理想的な金属−
半導体接触が得られる。このクリーニングチャンバ１０
１ｃでの処理が終了するとウエハ１０６ａは金属薄膜用
スパッタチャンバ１０１ａへ移送される。

【００１８】この際、ウエハの搬送は真空排気されたト
ランスポートチャンバ１０４内において行なわれるた
め、ウエハは一切大気に触れることがない。従ってクリ
ーニングされたウエハ表面は清浄な状態に保たれたまま
金属薄膜がその上に形成される。スパッタチャンバ１０
１ａ内ではＡｌのターゲット１０９ａを用いて、スパッ
タリング法によりＡｌ薄膜３０４がウエハ上に形成され
る。

【００１９】次いで、ウエハは、酸化チャンバ１０１ｄ
に運ばれる。ここではウエハを３００〜５００℃の温度
に加熱した状態で酸素ガスが供給され、Ａｌ薄膜表面に
熱酸化により、例えば、約５ｎｍ程度のＡｌ₂Ｏ₃膜３０
５が形成される。その後ウエハは再びチャンバ１０１ａ
に運び込まれ、Ａｌ薄膜３０６が形成される。こうして
Ａｌ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌの三層構造の薄膜が形成されたウ
エハは再びトランスポートチャンバ１０４内で搬送さ
れ、アンロードチャンバ１０３内のウエハステージ１０
７ｆ上に戻される。そして、ゲートバルブ１０５ｆを閉
じた後アンロードチャンバ１０３内を大気圧に復帰させ
ウエハを装置外に取り出す。

【００２０】上記キャパシタ作製のシーケンスの例で
は、ウエハ表面のクリーニング時や界面を直接大気に触
れさせることなく多層薄膜構造を実現できる。

【００２１】以上が本薄膜形成装置の構成と多層薄膜構
造形成の概略を述べたものであるが、以下に装置各部の
詳細、多層薄膜構造の形成過程について説明する。

【００２２】図５、図６は、プロセスチャンバの１つで
ある、金属薄膜用スパッタチャンバ１０１ａの構造の詳
細を示す模式図であり、前述したトランスポートチャン
バ１０４、ターゲットチャンバ１０８ａ、ウエハホルダ
１０７ａ、ゲートバルブ１０５ａ、ターゲット１０９
ａ、ターゲットホルダ電極４０１等も含めて図示されて
いる。

【００２３】また、図１０は同じく金属薄膜用スパッタ
チャンバ１０１ａを中心に真空排気装置およびガス供給
装置との接続関係の一例を示したものであり、図１０中
図１、および図５と共通の構成部分は同一の符合を付し
ている。

【００２４】一方、図１０に示すように、プロセスチャ
ンバ１０１ａには真空排気装置として例えば磁気浮上方
式のロータを有するターボ分子ポンプ５０１およびその
バックアップとしてロータリーポンプ５０２が接続され
ている。５０３はオイルトラップでありロータリーポン
プからのオイルの逆流を防いでいる。図１０に示した構
成以外に、例えばターボ分子ポンプを二段直列につなぐ
ことにより、チャンバの到達真空度をさらに高くする方
式を採用してもよい。また、ガスを流してスパッタリン
グ成膜を行なう時は、ガス負荷に強いドライポンプ等に
切り変える構造にしてもよい。

【００２５】ドライポンプとは大気圧から高真空まで引
くことのできるように設計されたターボ分子ポンプであ
る。この場合、高速回転するロータを支承しかつ摩擦を
軽減させるボールベアリングが用いられ、またロータの
温度上昇を抑制するために、高圧オイルの吹き付けを行
なっている。さらに、この吹き付けられたオイルが真空
系に侵入して汚染を生じさせないようにＮ₂ガスを用い
てシールしているが、この場合、例えばＮ₂ガスの供給
が運転中に停止すると、真空系に多大な被害をおよぼす
ことになるのでその停止に対する手段を講じておく。

【００２６】トランスポートチャンバ１０４にも同様の
真空排気系５０１’〜５０３’が接続されている。また
図１０には示していないがターゲットチャンバも同様の
真空排気系を備えており、各チャンバには各々独立に真
空排気を可能に構成されている。５０４はガス供給装置
であり、Ａｒ，Ｈｅ，Ｈ₂等のガスをプロセスャンバ１
０１ａに供給できるようになっている。例えばＡｒガス
は、常時一定流量（１〜５ｌ／分）が流され、パージラ
イン５０５によって系外にパージされている。そしてス
パッタリングを行なうときのみバルブ５０６を開け、そ
のガスの一部分がマスフローコントローラ５０７によっ
て例えば毎分１〜１０ｃｃの流量にコントロールされて
プロセスチャンバ１０１ａへと導入される。

【００２７】かかる方式ではなく、スパッタリングを行
なうときにのみ、ガス供給系よりＡｒガスをチャンバ１
０１ａに導入し、それ以外のときにはガスを止めた状態
に保持しておく方式もある。かかる方式ではガス配管内
壁に吸着している微量の水の分子が滞留しているＡｒガ
ス中に溶け込むので、ガスの水分濃度を高めない手段を
講じておく。例えば、水分濃度が数１０ｐｐｂ以上存在
するＡｒガスを用いてＡｌの薄膜をスパッタ成膜すると
図１１示すように、水分量に応じて表面に荒れが生じ、
凹凸の激しい薄膜を得てしまう。かかる薄膜では精度よ
く微細パターンを形成することができないため、デバイ
スの微細化に対応できないばかりか、大電流を流したと
きのエレクトロマイグレーションに対する特性が弱く信
頼性のよい配線を得ることができない。

【００２８】しかるに、水分量が１００ｐｐｂ以下にな
ると表面は平坦となり、エレクトロマイグレーション特
性の大きなＡｌ薄膜が得られる。

【００２９】本薄膜形成装置において、図１１に示すよ
うなＡｒガスの供給方法を用いるとチャンバには常に水
分量１〜２ｐｐｂ以下のＡｒガスを供給することが可能
となり、微細でかつ信頼性の高い金属配線の形成が可能
となる。

【００３０】ただし、長期間にわたり装置を停止するよ
うな場合には、バルブ５０６’を閉じてＡｒガスパージ
を止めてもよい。ただし後に装置を稼動するときには、
必ずパージライン５０５を介してＡｒガスをパージし、
充分水分量が低下した後バルブ５０６を開けてガスをチ
ャンバに導入する。このため、例えば、パージライン５
０５の先端部に水分計（露点計）を取付け、露点が−１
１０℃以下になることを確認し得るようにする。

【００３１】スパッタリング成膜される薄膜を高品質化
するためには、成膜プロセス中に水分などの不純物分子
の混入を十分に排除することが必要である。そのために
は、上で述べたようなＡｒガスの導入方式の採用が考え
られるが、それ以外にもチャンバ材料やガス配管材料表
面からの脱ガスを可及的に小さくすることも必要であ
る。図５に示す装置のチャンバの壁材４０２および図１
０に示したガス供給装置５０４のガス配管は、例えばＳ
ＵＳ３０４ＬやＳＵＳ３１６Ｌより構成されているが、
その表面はＨ₂Ｏ分子の吸着を少なくし、かつ、脱離を
容易にするための処理を施すようにしておく。この処理
は例えば次に述べるような手法を採用する。

【００３２】まず、ステンレス表面の加工変質層を伴な
わない鏡面研磨を行ない、パイプの内面に対しては例え
ば電解研磨を用い、チャンバの内面に対しては電解複合
研磨等の技術を用いて行なう。

【００３３】次いで、水分の含有量１ｐｐｂ程度以下の
ＡｒやＨｅを用いてパージを行ない、さらに４００℃程
度まで昇温させてパージを行ない、表面に吸着している
Ｈ₂Ｏ分子をほぼ完全に脱離させた後、前記と同様に水
分の含有量が１ｐｐｂ程度以下の純酸素を流し、４００
〜５５０℃に昇温させて内表面の酸化を行なう。このよ
うにしてステンレス表面を熱酸化することにより得られ
る酸化被膜は、従来の硝酸等を用いて形成した不動態膜
に比べ、ＨＣｌ，Ｃｌ₂，ＢＣｌ₃，ＢＦ₃等の腐食性ガ
スに対し優れた耐腐食性を有するだけでなく、プロセス
に有害な水分子の表面吸着が少なく、かつ脱離特性が良
いなどの利点がある。

【００３４】次に、この不動態膜の脱ガス特性について
の実験結果を示す。本実験は例えば全長が２ｍで直径が
３／８インチのパイプについて行なったものである。実
験装置の構成を図１２に示す。すなわち、ガス純化装置
６０１を通したＡｒガスを毎分１．２ｌの流量で試料と
なるＳＵＳパイプ６０２を通し、ガス中に含まれる水分
量をＡＰＩＭＳ（大気圧イオン化マス分析装置）６０３
により測定する。

【００３５】常温でバージした結果を図１３のグラフに
示す。実験に用いたパイプの種類はパイプの内面を電界
研磨したもの（Ａ）、電界研磨後硝酸による不動態化処
理を行なったもの（Ｂ）、および酸化処理により不動態
膜を形成したもの（Ｃ）の３種類であり、図１３ではそ
れぞれＡ，Ｂ，Ｃの線で示されている。各パイプは相対
湿度５０％、温度２０℃のクリーンルーム内に約１週間
放置した後、本実験を行なう。

【００３６】図１３から明らかなように、電界研磨管
Ａ、硝酸による不動態化処理をした電界研磨管Ｂのいず
れも多量の水分が検出されているのが理解できる。約１
時間通ガスした後も電界研磨管Ａでは６８ｐｐｂ、他方
の電界研磨管Ｂで３６ｐｐｂもの水分が検出されてお
り、２時間後も水分量は両菅Ａ，Ｂにつきそれぞれ４１
ｐｐｂ，２７ｐｐｂであり、水分量が減少し難いことが
理解できる。これに対し、酸化処理による不動態膜を用
いた菅Ｃでは、通ガス後５分後には７ｐｐｂに落ち、１
５分経過後はバックグラウンドのレベルが３ｐｐｂ以下
になってしまう。このように菅Ｃは極めて優れた吸着ガ
スの脱離特性を持っていることが理解できる。

【００３７】次に、テスト用のパイプ６０２を電源６０
４により通電加熱し、図１４に示す昇温タイムチャート
に従ってパイプの温度を変化させる。温度を室温から１
２０℃、１２０℃から２００℃、２００℃から３００℃
と変化させたときに出てくる水分量の平均値をまとめた
ものを表１に示す。この結果からも明らかなように酸化
処理を施したステンレス表面は他のものにくらべて１桁
程度水分の放出が少ないことが理解できる。このことは
水分の吸着量が少なく、また容易に水分を脱離できるこ
とを意味しており、超高純度ガス供給に最適のものであ
ることを示している。以上はＳＵＳパイプについての実
験結果により、酸化による不動態化処理の有利性につい
て説明したが、真空チャンバの内面処理についても同様
の優れた特性が得られる。すなわち、本装置の真空チャ
ンバ（例えば１０１ａ，１０４，１０８ａなど）では、
ベーキング後は１０^-11〜１０^-12Ｔｏｒｒの真空度が実
現されており超高真空装置としても非常に優れた特性を
持っていることが分る。

【００３８】次に、ステンレス表面を酸化して得られる
酸化被膜について説明する。表２は、ＳＵＳ３１６Ｌ，
ＳＵＳ３０４Ｌを超高純度酸素で酸化した場合、表面に
形成される酸化膜の膜厚及び屈折率を酸化温度と時間の
関係として示したものである。これにより、酸化膜厚は
時間には依存せず、温度だけで決っていることが理解で
きる。これはＳＵＳの酸化がCabreraとMottのモデルで
説明されるプロセスで進行していることを示唆してい
る。すなわち、温度が一定となるように制御すれば所望
の膜厚まで酸化膜が成長するため、膜厚が均一で、か
つ、ピンホールのない緻密な酸化膜を形成することがで
きる。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】 図１５は、ＳＵＳ３１６Ｌを５００℃で約１時間酸化し
た後、表面の元素分布をＥＳＣＡ（Electron Spectrosc
opy for Chemical Analysis）で調べた結果を示すグラ
フである。表面付近でＦｅの濃度が高く、深い部分でＣ
ｒの濃度の高くなっていることが分る。

【００４１】このことは表面付近ではＦｅの酸化物が、
酸化膜とＳＵＳ基板との界面近くではＣｒの酸化物がそ
れぞれ形成された二層構造になっていることを示してい
る。また、ＥＳＣＡスペクトルのエネルギー分析の結
果、表面付近のＦｅでは酸化物形成によるケミカルシフ
トがみられ、これが深い部分ではなくなり、またＣｒは
深い部分でのみ酸化物形成によるケミカルシフトがみら
れることからも確認される。かかる緻密な二層膜の形成
は、本装置が耐腐食性および吸着ガスの脱離特性を有す
ることの一因となると考えられる。なお、ここでは膜厚
として１０ｎｍ程度のものを用いたが５ｎｍ以上であっ
ても同様の効果が得られる。ただし、５ｎｍ以下の膜厚
ではピンホールが発生し、耐腐食特性が劣化するので膜
厚は５ｎｍ以上とすることが好ましい。

【００４２】また、緻密な酸化膜を形成するには、ＳＵ
Ｓ表面の加工時に変質した層を除去し、かつ表面を平坦
にすることが重要である。本実施例では表面粗度として
Ｒmaxが０．１〜０．７μｍのものを用いたが、実験の
結果半径５μｍの円周内での凸部と凹部の高さの差の最
大値が１μｍ程度までは、十分よい不動態膜の形成され
ることが分っている。

【００４３】以上のような不動態化処理を行なうことに
より、チャンバの超高真空に対応できるだけでなく、腐
蝕性ガスに対しても十分に耐え得る。このことにより、
例えばチャンバ内のクリーニングのために、チャンバの
温度を上げ塩素系のガスを流すことによって壁面に付着
した反応生成物の堆積物を除去することも可能となる。
チャンバ内面が平坦で緻密な不動態が設けられているた
め付着物の付着力がきわめて弱いことも、このガスエッ
チングを容易にしている。このようなクリーニングが不
要の場合は、例えば軽量で超高真空に適したアルミ合金
製のチャンバを用いることも有効である。

【００４４】ターゲットの材料も、十分に不純物を除去
して超高純度にした後、真空溶解により酸素などのガス
成分を除去している。

【００４５】次に図５によりウエハホルダ１０７ａにつ
いて説明する。ホルダ１０７ａの全体はベローズ４０３
を介してチャンバ外壁に支持され、また、上下の移動が
可能となっている。シリコンウエハ４０４を静電チャッ
ク電極４０５上に吸着した状態で上下移動しウエハをプ
ロセスチャンバ１０１ａへ出し入れする。例えばウエハ
をプロセスチャンバに装填する場合には、ウエハホルダ
１０７ａ全体が上昇し、オーリング４０６をチャンバの
フランジ面４０７に圧着させることによりプロセスチャ
ンバ１０１ａとトランスポートチャンバ１０４の間の気
密シールも同時に行なう構造となっている。ここではシ
ール材としてオーリングを用いる場合を示したが、脱ガ
スの少ない金属のシールを用いる方がより有効である。
この場合、金属のシールは何回もの着脱操作に対し弾性
を保持し、かつ優れたシール性を有するものを用いるこ
とが好ましい。例えば図１６（ａ），（ｂ）に示すよう
に、弾性を有するゴム製のオーリング１００１を、弾性
の範囲内で（すなわち、塑性変形が生じない範囲内で）
伸縮する例えばＡｌ，Ｎｉ，ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｎｉコー
トのステンレス等の金属製の板バネ状のリング１００２
で挟んだものを用いることが有効である。この場合、シ
ール面は金属表面（この表面はＲmax０．２μｍ以下の
鏡面としておけばリークをより一層低減させることが可
能となる）の接触によって保たれ、シールを保持する圧
着力は、ゴムのオーリング１００１によって供給される
ため、すぐれた気密保持が得られるばかりでなく、繰り
返し使用が可能である。

【００４６】なお、板バネ状のリング１００２の開口部
１００３は、真空度の低い側に設けることが好ましい。
さらに、オーリング１００１には、内部１００４と開口
部１００３とを連通する切欠を設けておけば内部１００
４へのガスの滞留を防止することができるのでより好ま
しい。この切欠はリング１００２を加圧した場合潰れて
しまい、内部１００４は封止状態となる。リング１００
２に、内部１００４と連通する孔を設けておいてもよ
い。

【００４７】なお、図１６（ａ），（ｂ）の変形例とし
て図１６（ｃ），（ｄ）に示すものを用いてもよい。図
１６（ｃ）に示すものは、２枚の板をその端において溶
接して板バネとし、またフランジ面との当接部を平坦と
したものである。この当接面はＲmax０．２μｍ以下の
鏡面とすることが好ましい。さらに図１６（ｄ）は、板
の両端をともに溶接し、板バネ状のリング１００２の内
部を密封した例である。この構成では、オーリング１０
０１からの外部へのガス放出が阻止できるためより好ま
しい。

【００４８】ウエハホルダ１０７ａがトランスポートチ
ャンバ内で待機している状態では、ゲートバルブ１０５
ａによって開口部をシールし、プロセスチャンバとトラ
ンスポートチャンバ間の気密が保たれる。

【００４９】この場合のシールはオーリング４０８を用
いてもよいが、図１６に示すようなメタルリング１００
２によるシールを用いればさらに有効である。またその
他のシール方法を用いても十分な気密が保たれるならば
問題はない。

【００５０】伸縮性の材料から成るシール部材によって
真空シールを行なう場合、例えば図５においてフランジ
面４０７とフランジ面４０６’の相対的な位置関係は、
シール部品４０６とは無関係に決まる。

【００５１】つまり、前記両フランジ面４０７，４０
６’の相対的な位置関係はシール部品４０６を圧潰する
力により決まるものではないので、図８に拡大して示す
ように、変形しないストッパ４２０１を介在させ、これ
により常時前記相対位置関係が一定となるようにする。
こうすることにより、オーリング４０６は常に一定の力
で圧縮されることになり、安定したシール特性が得られ
る。もちろんオーリング４０６の代わりに図１６のよう
なメタルリングを用いる場合も同様である。ここで述べ
たストッパ４２０１はフランジ面（４０７あるいは、４
０６’）の加工の際に直接形成してもよく、あるいはリ
ング状のものを後に取り付けてもよい。また高真空側に
デッドゾーンができるのを防ぐために、このストッパ４
２０１は、真空度の低い側に臨まされるように取付け
る。

【００５２】さらに、上下動するフランジ面４０６’に
は、上下方向のガイドを設け、オーリング４０６を圧縮
するに際の横方向のずれを防止する。

【００５３】４０５はウエハ保持用の静電チャック電極
であり、例えばステンレス、ＭｏやＴｉなどの金属から
成り、その表面には絶縁性の被膜４０９が形成されてい
る。絶縁性被膜は、例えばＡｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮの膜をプラ
ズマ溶射で電極表面に形成し、さらにその表面を研摩に
より平坦化したものである。その被膜の厚さは例えば１
０〜１００μｍ程度に形成される。

【００５４】このように構成された電極４０５とウエハ
４０４との間に例えば数１００Ｖの電位差を与えること
によりウエハは１ｋｇ／ｃｍ²以上の力でウエハホルダ
上に吸着させることができる。通常、真空中で単にウエ
ハをステージに置いた場合、ウエハとステージとの接触
はいわゆる三点接触となり、十分な面接触がなされない
ので正確なウエハ温度の設定等を行ない難いが、かかる
静電的な吸着手段を用いれば十分な面接触状態で、か
つ、強力な力でウエハがステージに吸着されるためウエ
ハの温度コントロール等が極めて精度良く行なえる。ウ
エハには金属電極４１０を介し電位が与えられるが、ウ
エハは金属電極４１０及び電極４０５のいずれからも絶
縁され、系外の電源に接続されている。

【００５５】図５では、ウエハの電位はウエハ中心部よ
り電極４１０を介して印加される構成となっているが、
ウエハの周辺部から印加する構成にしてもよい。周辺部
から印加する場合の方が、ウエハの温度コントロールに
際し、図５のようにウエハホルダの真中に穴の開いてい
る場合に比べて面内の均一性が実現し易いというメリッ
トがある。また電極４０５全体は、絶縁碍子４１１を介
しチャンバからは電気的に絶縁されている。さらに電極
４０５には導入電極４１２を介して外部から周波数ｆ_W
の高周波電力が供給されている。

【００５６】図６は電極４０５、ウエハ４０４と外部電
源との接続関係の一例を示している。なお、図６におい
て図５と同一の構成部分については同一の符合を付して
いる。４１０１は静電チャック用の直流電源であり、高
周波を遮断し直流電位のみを供給する高周波フィルタ４
１０２を介して静電チャック電極４０５とウエハ４０４
の間に直流の電位差Ｖ_Cを与えている。また４１０３は
周波数ｆ_Wが例えば１００ＭＨｚのＲＦ電源であり、整
合回路４１０４、ブロッキングコンデンサ４１０５を介
して導入電極４１２によりウエハに高周波電力が供給さ
れている。この高周波電源４１０３の出力を例えば数Ｗ
〜数１０Ｗの範囲で変化させることによりウエハ４０４
の直流電位を所定の値の設定できれようになっている。
あるいは整合回路４１０４の整合条件を変化させること
によってもウエハの直流電位を変化させることができ
る。

【００５７】ウエハの表面が例えばＳｉＯ₂のような絶
縁膜で覆われている場合、その表面の直流電位はウエハ
の電位とほぼ同じとなる。これは、ＳｉＯ₂膜により形
成されるコンデンサ容量はブロッキングコンデンサ４１
０５に比べて極めて大きいため、高周波による自己バイ
アスがほとんどこのコンデンサ両端に現われるからであ
る。

【００５８】従って、ウエハの電位を高周波フィルタを
介して電圧計でモニタし、これをＲＦ電源のコントロー
ラ、あるいは整合回路のコントローラにフィードバック
することによりウエハ表面の直流電位を一定の値に極め
て精度良くコントロールすることができる。このように
設定したウエハの電位により、プラズマからウエハ表面
に入射するイオンのエネルギーを所望の値に正確にコン
トロールすることができるのである。一方、ターゲット
には異なる周波数ｆ_T（例えば１３．５６ＭＨｚ）の高
周波が与えられているためターゲットホルダ電極４０１
とウエハホルダ電極４０５との容量結合により、ウエハ
がｆ_Tの周波数によって振られることになる。

【００５９】回路４１０６は周波数ｆ_Wに対しては充分
高いインピーダンスを有し、周波数ｆ_Tの高周波を短絡
する回路であり、これによりウエハの直流電位は、ウエ
ハホルダに加えられる周波数ｆ_Wの高周波のみによって
コントロールされるようになる。この回路４１０６は、
例えばＬとＣの並列共振回路を用いて、 ２πｆ_W＝１／（ＬＣ）^1/2 としておくとｆ_Wの高周波に対してのみ開放となるが、
それ以外の周波数に対してはＣを充分大きくとっておく
と短絡となり、所望の機能を有することができる。ウエ
ハホルダ４０５にはある程度の直流電位が生じなければ
ならないので、上記ＬＣ並列回路には充分大きな容量を
有するコンデンサを直列に接続する。

【００６０】ウエハ表面に導電性薄膜が形成され、か
つ、その薄膜がウエハと電気的につながっている場合に
は、ウエハの電位を直接直流電源でコントロールしても
よい。このような場合には、例えばスイッチ４１０７を
入れ直流電源４１０８によってウエハの電位、すなわ
ち、ウエハ表面の電位をコントロールすることができ
る。

【００６１】図５において４１３はヒータであり、電流
を流すことにより、ウエハホルダの電極４０５を所定の
温度に加熱するために用いられる。この場合、ウエハ４
０４は電極４０５に静電チャックにより強力な力で吸着
しているため、電極と同じ温度に、均一に加熱すること
ができウエハ温度を正確にコントロールすることができ
る。また、４１４はファイバ温度計であり、黒体輻射の
発光を光ファイバで引き出して温度を計測するものであ
り、ＲＦ等のノイズに全く左右されないで正確に温度測
定を行なうことができる。この測定結果をヒータのコン
トローラにフィードバックすることにより正確な温度制
御が行なえる。

【００６２】ここではヒータを用いる加熱方式について
のみ説明したが、例えば多数のプラズマトーチにより放
電加熱を行ない、各々の放電電流をコントロールするこ
とによりさらに精密な温度分布の制御を行なってもよ
い。

【００６３】本装置の場合、プロセスチャンバ１０２ａ
等内には、ウエハの搬送機構をはじめ、ウエハの加熱機
構等、汚染源と考えられるものの侵入を阻止し得るよう
にしている。これにより、プロセスチャンバ１０１ａ等
の内部を高清浄に保ち、高品質な薄膜形成を可能にして
いる。さらに、加熱機構は、真空系から切り離されてお
り、かつ、大気中あるいは常圧状態におかれているの
で、汚染発生の心配がないばかりか被加熱物の均一な加
熱を容易にしている。

【００６４】次に、図５に基づきターゲットホルダ電極
４０１について説明する。４１５はホルダ電極であり、
ステンレス、ＴｉあるいはＭｏ等の金属から成りその表
面は例えばＡｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮやＳｉＯ₂等の絶縁薄膜で
覆われている。金属ターゲット１０９ａは、電極４１６
を介して裏面から電位が与えられ、ホルダ電極４１５と
の間に生じた電位差による静電吸着により、保持されて
いる。４２０は絶縁物から成るベローズでありホルダ電
極４１５をチャンバ１０１ａから電気的に絶縁してい
る。その他ターゲットホルダ電極４０１の機構は、上述
したウエハホルダ１０７ａの場合と同様であり重複した
説明を省略する。４１７はマグネトロン放電のための磁
石であり、４１８はターゲット冷却のための冷媒を流す
パイプである。また４１９はターゲットホルダ電極４０
１がスパッタされるのを防ぐためのグラウンド・シール
ドである。

【００６５】なお、このグラウンド・シールドはターゲ
ット１０９ａの径がホルダ電極４１５の径よりも大きい
ときには省略できる。このグラウンド・シールド４１９
についてはウエハホルダ１０７ａの説明の際には触れな
かったが、ウエハホルダ１０７ａについても同様に適用
し得るものである。また、このターゲットホルダ電極４
０１もウエハホルダ１０７ａと同様に前記ベローズ４２
０により上下に移動させることができる。ターゲット交
換の際には、ターゲットホルダ電極４０１全体がベロー
ズ４２０を収縮させながら上昇し、ウエハホルダ１０７
ａの場合と同様にゲートバルブ（図示せず）が開口部を
閉じるようになっている。そしてターゲット１０９ａ
は、例えば図１７に示すような機構によって交換され
る。

【００６６】図１７（ａ）は、例えば３つのターゲット
１１０１，１１０２，１１０３を保持する円板状のター
ゲットストッカ１１０５を示すものであり、一部に切り
欠き部１１０４を有している。図１７（ｂ）は図１７
（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿う断面を示しており、ターゲッ
トホルダ電極４０１に、ターゲットストッカ１１０５上
の例えばターゲット１１０２を装着する場合には、ター
ゲットストッカ１１０５を回転軸１１０６のまわりに回
転させ、ホルダ電極４１５の直下にターゲット１１０２
を移動させる。次いで、ホルダ電極４１５を下降させ、
ターゲットホルダ電極４０１にターゲット１１０２を静
電吸着させる。この場合、ホルダ電極４１５は上下方向
にのみ動かし得るので、ホルダ電極４１５の下面とター
ゲット１１０２の上面を正確に一致させるためには、例
えば板バネ１１０７をターゲットストッカ１１０５上に
形成された凹溝に配置し、ターゲットホルダ電極４０１
のターゲット１１０２への押圧力によってターゲット１
１０２の上面１１０２’がターゲットホルダ電極４０１
の下面と均一に面接触させる。

【００６７】板バネ１１０７とターゲット１１０２面と
の接触により、その摺接に基づくパーティクルの発生
や、ターゲット１１０２の面の汚染が問題となる場合に
は図９（ａ）に示すような対策を施す。すなわちターゲ
ットストッカ１１０５の凹溝内に上下方向に伸縮するコ
イルスプリング１１９０を介して、例えば、非金属材料
から成る受け台１１９１を設け、該受け台１１９１上に
ターゲット１１０２を載置する。

【００６８】ターゲット１１０２を吸着したホルダ電極
４１５は再び上昇させ、次いで切り欠き部１１０４がホ
ルダ電極４１５の直下に位置するように、ターゲットス
トッカ１１０５を回転させる。これによりホルダ電極４
１５は前記切り欠き部１１０４を介して下方に移動可能
となり、プロセスチャンバ１０１ａ内にターゲット１０
９ａが臨まされ、図５のような配置となる。

【００６９】かかるターゲットのロードロック交換機構
は、図５に示した金属薄膜用スパッタチャンバ以外にも
同様に用いられることは言うものでもない。なお、ター
ゲット１１０３が例えば絶縁物の場合は、例えば図１７
（ｃ）に示すように、その裏面に金属などの導電性材料
１１０８を貼付すればよい。この導電性材料としては金
属板あるいはスパッタリングにて形成された金属薄膜で
もよい。

【００７０】また、ターゲット１１０３は、円板状であ
る必要はなく、長板状のものでもよく、この長板状にし
た場合、板面上に板の長手方向にターゲットを配置し、
左右、前後等にスライドさせ得る構成でもよい。またタ
ーゲットストッカ１１０２は、図１の各プロセスチャン
バ（１０１ａ〜１０１ｄ）の各々に対し別個に設けても
よいし、あるいはターゲットチャンバ１０８ａ〜１０８
ｄをすべて１つの共通のチャンバとし、共通のストッカ
を設けてもよい。また、ターゲット１１０３におけるタ
ーゲットの保持は、図１７に示すように単に自重で載置
させて保持する手法を採用する以外に、静電チャックや
機械的な保持手段を採用してもよい。後者の保持手法を
採用する場合は特に、例えば、図３（ａ）のようなター
ゲット１０９ａとウエハ１０６ａの上下位置関係にする
ことが適している。

【００７１】ターゲット１０１２は、スパッタ中の温度
が急激に上昇するため、図５に示すように冷却パイプ４
１８によりターゲットホルダ電極４０１の裏側から強制
冷却している。

【００７２】図６において、静電チャックの電極４１５
とターゲット１０９ａの電位差は、高周波フィルタ４１
０２を介して接続された直流電源４１０９により与えら
れている。ターゲット１０９ａの電位は電極４１１０で
直接供給されており、図６では中心部においてコンタク
トをとっているが、これは例えばターゲット１０９ａの
周辺部からとってもよい。電源４１０９は、停電等の際
にターゲット１０９ａの落下を防止するためにバッテリ
ーをバックアップに用いる等の方法を採用するのがよ
い。ターゲット１０９ａの直流電位はＲＦ電源４１１３
によって発生する自己バイアスを用いてもよいが、ター
ゲット１０９ａが金属材料の場合は、例えばスイッチ４
１１１を閉じて直流電源４１１２を接続し、これにより
電位を制御することも有効である。回路４１１６は回路
４１０６と同様の機能をもつ回路であり、ＲＦ電源４１
１３の周波数ｆ_Tに対してのみ開放となり、その他の周
波数に対してはほとんど接地となる回路であるが、直流
的には開放されたものである。ウエハの電位を制御する
ための高周波電源（周波数ｆ_W）の電力は通常は小さ
く、回路４１１６は必ずしも設けなくてもよい。通常、
電源４１１３は例えば出力周波数１３．５６ＭＨｚを発
生する高周波電源であるがウエハに接続されるＲＦ電源
４１０３の出力周波数に比べ周波数の低いものを用いる
のがよい。これは、ウエハに比ベターゲット１０９ａに
大きな自己バイアスを生じさせ、大きなスパッタ速度を
得るためである。ただし直流電源４１１２によりターゲ
ット電位を制御する場合は周波数の大小関係を逆にする
場合がある。

【００７３】図１８は、１４ＭＨｚ，４０ＭＨｚ，１０
０ＭＨｚの３つの異なる周波数に対するターゲットの電
流電圧特性を示したもので、図６でスイッチ４１１１を
閉とし電圧Ｖ_Tの関数として直流電源４１１２に流れる
電流値をプロットした実験データである。図１８で電流
値が０となる点（横軸との交点）が自己バイアス値、つ
まりスイッチ４１１１を開放したときに現われるターゲ
ットの電位に相当している。図１８から明らかなように
周波数を大きくすることにより自己バイアス値は小さく
なっているのが分る。

【００７４】従って、本実施例ではターゲット側に低い
周波数（ｆ_T）のＲＦ電源を用いてスパッタ速度を大き
くし、ウエハ側には高い周波数（ｆ_W）のＲＦを用いて
ウエハのバイアスを小さくし、ウエハ基板へのダメージ
を小さくするとともに成膜する薄膜の膜質をコントロー
ルできるようにしている。実際の薄膜の膜質のコントロ
ールについては後で述べる。ここではｆ_T＝１３．５６
ＭＨｚ，ｆ_W＝１００ＭＨｚとしたが、これは一例であ
り、他の周波数の組合せを用いても差し支えない。

【００７５】また、静電チャック式のターゲットホルダ
として図７に示すものを用いてもよい。すなわち、図７
の構成では、ＲＦ電力は、薄い絶縁膜４０９を挟んで容
量結合でターゲットホルダ電極４１５に入力される一
方、直流電源４１０９は高周波フィルタ４１０２を介し
て単独でターゲットホルダ電極４１５に入力される。こ
のような吸着手段を用いれば回路４１１６に用いるコン
デンサに大きな直流電圧がかかることを防止することが
でき信頼性が向上する。なお、前述のウエハホルダにつ
いても同様の構成にすることができる。

【００７６】以上の説明では、直流電源によりターゲッ
ト（あるいはウエハ）の電位を制御する場合について述
べたが、直流電源によらずに制御を行う場合を図９
（ａ）に基づいて説明する。図９（ａ）に示す場合は、 ２πｆ_W＝１／（Ｌ₁Ｃ₁）^1/2 ２πｆ_T＝１／（Ｌ₂Ｃ₂）^1/2 の条件を満たすようにＬＣ回路を設けておき、ウエハ側
からみた周波数ｆ_Wに対するインピーダンスを０とする
（周波数ｆ_Wに対しては短絡とする）一方、ターゲット
側からみた周波数ｆ_Tに対するインピーダンスを０とす
る（周波数ｆ_Tに対しては短絡とする）。従って、たと
えば、周波数ｆ_Tを１３．５６ＭＨｚに選ぶと、周波数
１３．５６ＭＨｚがウエハに重畳することを防止するこ
とができ、ウエハをたたくイオンのエネルギーを正確に
制御することができるようになる。なお、ＬＣ回路は図
９（ｂ）に示すように対称的に設けることが好ましい。

【００７７】次に、ターゲットの保持方法の他の実施例
として磁気力により吸着を行う手法について図１９を参
照しながら説明する。

【００７８】図１９（ａ）に示すように、１３０１はタ
ーゲットであり、その裏面には例えば鉄、ニッケル、ク
ロム等の薄板１３０２が貼り付けてある。１３０３は磁
石であり、この磁気力により薄板１３０２を吸引し、こ
れによりターゲット１３０１をターゲットホルダ１３０
４に吸着させる。ターゲット１３０１と薄板１３０２は
例えば薄板の裏面からネジ止めしてもよい。こうすれば
ターゲット表面からネジ材が突出することがないのでチ
ャンバ１０１ａ内の汚染の問題が生じない。またさらに
磁石１３０３はマグネトロン放電のための磁石（図５、
４１７）を兼ねてもよい。これは永久磁石でもよいが、
ターゲット１３０１の着脱を容易にするため電磁石と
し、励磁電流をオン・オフすることによりターゲットの
着脱を遠隔操作的に行なってもよい。

【００７９】あるいは、図１９（ｂ）に示したように、
ターゲット１３０１裏面に薄板１３０２をとりつけるか
わりに、例えば、永久磁石１３０５を直接取り付け、こ
れとホルダ１３０４の裏面におかれた磁石１３０３との
間の磁気力により吸着してもよい。

【００８０】上記スパッタチャンバ内において、例えば
ターゲットのシャッタ等の機構も設けることも考えられ
るが、かかる機構は本装置では必須のものではない。す
なわち、装置全体が超高真空状態に対応できるようにな
っており、かつ超高純度ガスを用いているため頻繁にタ
ーゲット表面のクリーニングを施す必要がない。

【００８１】上記機構を必要とする場合は、ゲートバル
ブ１０５ａを閉じた状態で行なえばよい。また表面の汚
染層は、極めて微量の水分吸着層であるから、ＲＦ電源
４１１３のパワーを充分小さくしターゲット１０９ａ材
料のスパッタリングの閾値以下のバイアス値で表面のス
パッタをすればよく、こうすればターゲットの材料が不
必要にチャンバ内表面に堆積することがない。

【００８２】次に、クリーニングチャンバ１０１ｃの構
成について詳しく説明する。基本的な構成は、金属薄膜
形成用チャンバ１０１ａと同じであるので図５、図６を
用いて説明する。

【００８３】この場合、例えば、ターゲット１０９ａの
材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ
などスパッタリングの生じる閾値が比較的大きなものを
用いる。また、ターゲット１０９ａに加えるＲＦ電源４
１１３の周波数は金属薄膜用に用いる１３．５６ＭＨｚ
よりも大きな値、例えば１００ＭＨｚを用いてもよい。
この場合、自己バイアス値を１０〜２０Ｖ程度とし、ま
た高密度なプラズマを発生させるためにはさらに高い周
波数、例えば２００ＭＨｚあるいはそれ以上の周波数を
用いる。ウエハの電位を精密に制御するためには、ター
ゲット側に入る高周波で、ウエハサセプタ電位が影響を
受けないように手段を講じておく。すなわち、周波数ｆ
_Tとｆ_Wとは整数倍の関係にないようにする。従って、ｆ
_T＝１００ＭＨｚなら例えばｆ_W＝２１０ＭＨｚとする。
こうすればターゲット１０９ａを一切スパッタリングす
ることなく高密度のＡｒイオンを生成することができ
る。こうして得られたＡｒイオンはウエハホルダ４０５
上に置かれたウエハ４０４表面に照射される。このＡｒ
イオンの照射エネルギーは、ＲＦ電源４１０３によりウ
エハに発生した自己バイアスで決まる。クリーニングは
シリコンやその他の材料表面に形成された、極めて薄い
自然酸化膜層や吸着分子層、特に水分の吸着分子層が主
であるので数ｅＶから高々３０ｅＶ程度の運動エネルギ
ーのＡｒ粒子を照射する。

【００８４】従って、ウエハに発生する自己バイアス値
を数Ｖから３０Ｖ程度にするようにＲＦ電源４１０３や
整合回路４１０４を調節する必要がある。このような比
較的小さな自己バイアス値を制御性よく発生させるに
は、ＲＦ電源４１０３の周波数は大きな値、例えば１０
０ＭＨｚを用いればよい。もちろん２００ＭＨｚやそれ
以上のものを用いてもよいが、ターゲットの周波数ｆ_T
とは異なる値を用い、ターゲットとウエハ間に干渉が生
じないようにする。つまりターゲットとウエハの直流電
位がそれぞれ独立に最適の値にコントロールできるよう
にする。

【００８５】ターゲット１０９ａの材料としては、絶縁
物である場合についてのみ述べたが、例えばＳｉ等の導
電性を持った材料であってもセルフバイアスの値がスパ
ッタリングの生じない充分低い値に設定することができ
るものであればよい。ターゲット１０９ａと頻繁に交換
する必要がない場合にはターゲットのロードロック交換
機構は必ずしも装備しなくてもよい。

【００８６】使用するガスはＡｒでもよいが、Ｈ₂，Ｈ
ｅ等のガスを用いてもよい。特にＡｒガスをベースとし
てＨ₂を添加したガスを用いてクリーニングを行なう
と、Ａｒイオンの照射によって水分の吸着分子層を除去
するとともに、Ｓｉ表面に吸着している炭素原子もＨイ
オンにて有効に除去することができる。ガス中にわずか
でもＨ₂ＯやＯ₂等の不純物分子が混入していると、逆に
表面を汚染させる結果となるので超高純度ガス供給系５
０４（図１０参照）を用いる。なお、例えば用いるガス
系が充分配慮されたものではなく、微量のＨ₂ＯやＯ₂等
の不純物分子を含んでいる場合には、Ａｒガスに例えば
１〜３０％のＨ₂を添加することが有効である。プラズ
マ雰囲気中で生成した酸素のラジカルは試料表面と反応
する前にＨと結合するからである。

【００８７】このようにＨ₂ガスを添加することは、ク
リーニングチャンバ１０１ｃに限らず１０１ａ，１０１
ｂ等の薄膜形成用のチャンバにおいても同様の効果があ
ることはいうまでもない。

【００８８】前記クリーニングチャンバ１０１ｃは試料
表面に数ｅＶから３０ｅＶ程度の小さな運動エネルギー
を持ったイオンを照射できる機能を有しており、多層薄
膜構造を作成するに際し、良好な界面を得るために設け
られている。照射するイオンは低エネルギーであるか
ら、下地の基板にダメージを与えることはない。特にこ
のクリーニングは基板の温度を上げる必要がなく、常温
で行なえ、従ってヒータ４１３は装備しなくてもかまわ
ない。

【００８９】以上の説明においては、ウエハサセプタに
ＲＦ電源４１０３を印加する場合を例として説明した
が、Ａｒイオンのエネルギーをより正確に制御するため
には、図９（ａ）に示すような回路とすることが好まし
い。すなわち、ｆ_Tをターゲットに印加するＲＦ電源の
周波数としたとき、２πｆ_T＝１／（ＬＣ）^1/2が成立す
るようにＬ，Ｃの値を選んでおく。このようにするとＬ
Ｃ回路は並列共振状態となり、ウエハホルダ４２０１か
らアース４２０３をみた場合、そのインピーダンスは無
限大となり、ウエハの電位は限りなくプラズマの電位に
近づく。すなわち、ウエハを照射するＡｒイオンのエネ
ルギーは０に近づく。したがって、Ｌ，Ｃの値を上記条
件を満たす値より少しずらせるとＡｒイオンのエネルギ
ーを０〜５ｅＶの範囲でも正確に制御することができる
ようになる。

【００９０】前記クリーニングチャンバ１０１ｃを用い
た効果については後で実験データを示しながら説明す
る。

【００９１】次に、酸化チャンバ１０１ｄについて説明
する。この酸化チャンバ１０１ｄの基本的な構成は前記
金属薄膜用チャンバ１０１ａと同様であるので、前述し
た図５、図６及び図１０を用いて説明する。このチャン
バ１０１ｄには、ガス供給系５０４より超高純度のアル
ゴンおよび酸素ガスが導入できるようになっている。例
えばＡｌの酸化を行なう場合には、ヒータ４１３を用い
てウエハを加熱し、ウエハの温度を例えば１００℃〜４
５０℃の範囲の任意の値に設定することができる。

【００９２】表面にＡｌの成膜されたシリコンウエハ４
０４を、高純度酸素ガス雰囲気で、例えば４００℃で約
１時間加熱することにより表面に約３ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃薄
膜をＡｌの直接熱酸化により形成することができる。こ
の膜厚は、酸化時間を長くしても増加せずほぼ一定の値
を示す。Ａｌの直接酸化は、まず、チャンバ１０１ｄ内
に酸素ガスを導入し大気圧の状態でウエハの温度を上昇
させてもよく、あるいは真空中でまず昇温し、それから
酸素ガスを導入してもよい。また、酸素の圧力は大気圧
より低い減圧雰囲気で行ってもよく、逆に大気圧より高
圧で行ってもかまわない。減圧雰囲気下の酸化はＯ₂ガ
スを流しながら、図１０の真空排気装置５０１により排
気を行い、酸素の圧力を調整してもよく、また、例えば
Ａｒガスで希釈してもよい。さらに、酸素で酸化する前
に真空雰囲気あるいはＡｒ雰囲気中で約３０分間、４０
０℃でアニールを行うのがよい。これはスパッタ成膜し
たＡｌ薄膜中には数ｐｐｍ程度のＡｒガスが含まれてい
るので、これを膜中より放出させ、この脱ガスを行って
からＡｌの熱酸化を行った方が良質の酸化膜が得られる
からである。この酸化チャンバ１０１ｄに設けられてい
るターゲット１０９ａ（図５）、ターゲットホルダ電極
４０１に接続されている高周波電源４１１３、およびウ
エハホルダに接続されている高周波電源（４１０３，４
１０４）等は必須のものではない。Ａｌ₂Ｏ₃層の膜厚が
もっと大きな値、例えば５ｎｍ以上必要な場合には、タ
ーゲット１０９ａとしてＡｌ₂Ｏ₃のターゲットを用い、
電源４１１３の周波数として１３．５６ＭＨｚ、電源４
１０３の周波数として１００〜２００ＭＨｚのものを用
いる。このようにして熱酸化により形成したＡｌ₂Ｏ₃の
上にさらにスパッタリングによりＡｌ₂Ｏ₃を形成するこ
とにより厚い膜が得られる。また、成膜に際しウエハホ
ルダ（図５、１０７ａ）にも例えば１００〜２００ＭＨ
ｚの高周波電源４１０３を用いてバイアスを加えること
により、緻密な特性の良好なＡｌ₂Ｏ₃膜を形成すること
ができる。この場合、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ薄の界面は、熱酸
化により形成された界面となっているため、従来のよう
なＡｌ₂Ｏ₃をスパッタ成膜した場合だけの界面に比べ、
特性の安定した界面となっている。

【００９３】次に、絶縁薄膜用スパッタチャンバ１０１
ｂについて説明する。このチャンバも基本的な構成は１
０１ａの金属薄膜用スパッタチャンバと同じなので、前
述と同様に図５、図６および図１０を用いて説明する。
前記チャンバ１０１ｂと金属薄膜用スパッタチャンバ１
０１ａとはターゲット１０９ｂの材料が絶縁物である点
で異なる。従って、ターゲットの裏面には、静電チャッ
ク式のホルダを用いる場合には、図１７（ｃ）のような
Ａｌ，Ｍｏ，Ｗといった導電性材料を取付ける。この場
合、直流電源４１０８，４１１２によってはバイアスを
コントロールすることができないので、両直流電源４１
０８，４１１２は不要となる。ただし、図１７に示すよ
うなターゲット交換機構を装備し、絶縁物ターゲットと
金属ターゲットとの交換ができるようにしておけば、金
属のスパッタ成膜も可能である。この場合には直流電源
４１０８，４１１２を用いてのバイアス制御が可能とな
る。すなわち、用途に応じたスイッチ４１０７，４１１
１の開閉を行なう。

【００９４】次に、上記４つのチャンバの間で減圧状態
に変化を与えることなくウエハを出し入れできる手法に
つき説明する。この場合、ウエハ搬送には、例えば図１
０に示したような搬送機構を用いる。５０８はウエハホ
ルダであり静電チャック５０９によりウエハ表面を周辺
部において吸着して搬送する。アーム５１０は必要な位
置で静電チャックを上下させる動きをするとともに、搬
送車５１１に固定されており、搬送車とともにトランス
ポートチャンバ１０４の中を自由に往復する。また、搬
送車５１１はウエハを装置から出し入れする際にはロー
ド用のチャンバ１０２およびアンロード用のチャンバ、
１０３内にも移動する。この搬送車は、例えば軌道５１
２上を磁気浮上しながら高速で移動するリニアモータカ
ーを用いるのが望ましい。つまり移動に際し、機械的に
摺動する部分のない構造をとることが好ましい。もちろ
ん十分な発塵対策を施してあれば、レール上を車輪で運
行するタイプの搬送車を用いてもよい。なお、トランス
ポートチャンバ１０４を真空ポンプで引くと同時に数１
０ｓｃｃｍ〜数１００ｓｃｃｍのＡｒをトランスポート
チャンバ１０４に流して１０^-2〜１０^-8Ｔｏｒｒ（好ま
しくは１０^-3〜１０^-4Ｔｏｒｒ）程度の減圧状態にトラ
ンスポートチャンバ１０４をして搬送を行ってもよい。
この場合は、Ａｒが搬送車に生ずることがある摩擦力を
緩和する作用をする。

【００９５】上述のようなウエハの枚葉処理を行なう装
置では、一枚のウエハに１つの処理を行うのに許される
時間が例えば１分以内という高速処理を求められる。す
なわち、一枚のウエハに、例えばＡｌなどの金属薄膜を
形成する場合、プロセスチャンバ１０１ａへの出し入れ
の時間も含め、１分以内にすべてのプロセスを完結する
ことが要求される。成膜に要する時間を３０秒とする
と、ゲートバルブ１０５ａの開閉、ウエハの出し入れ、
およびプロセス条件の設定等に使える時間は、せいぜい
３０秒となる。これに対応するためには、０．５秒程度
で開閉のできるゲートバルブが必要である。また図１で
は、ロード室１０２、アンロード室１０３の詳細な構造
は描かれていないが、この室には、数１０枚のウエハを
保管するウエハカセットがあり、静電チャック搬送機構
１１４への受け渡し機構等が装備されている。このよう
な受け渡しに際してもゲートバルブ１０５ｅ，１０５ｆ
等は、やはり０．５秒程度で開閉のできる高速ゲートバ
ルブを用いる。

【００９６】かかる高速ゲートバルブとしては、例えば
図２０のようなものを用いるのが望ましい。図２０
（ａ）に示すように、例えばプロセスチャンバ１０１ａ
とトランスポートチャンバ１０４の間のゲートを閉じた
状態に対応している。１４０１は例えばＴｉの厚さ０．
２〜０．５ｍｍ程度の薄板である。これを開閉するには
例えば図２０（ｂ）のような機構を用いればよい。図２
０（ｂ）は図２０（ａ）のゲートバルブを下方からみた
図であり、Ｔｉの薄板１４０１は２本のアーム１４０
２，１４０２’によって２点１４０３，１４０３’で支
えられている。１４０４，１４０４’はアームをチャン
バに枢着するピンであり、ここを支点としてアームが動
く。即ちアーム１４０２を動かすことにより、薄板１４
０１が移動する。この場合、薄板（たとえばＴｉの薄
板）１４０１は、質量が極めて小さいものに設定され、
従って、図２０（ｂ）に示すような簡単な機構によって
高速で移動させることができる。薄板１４０１の質量を
さらに小さくするために、Ｔｉの厚さを０．１ｍｍ以下
に薄くし、プラスチック板にはりつけて補強する等の手
法を採用してもよい。あるいは、強化プラスチックの表
面をＴｉ，Ｍｏ，Ｗ等の金属材料でコートしたものを用
いると、軽量でかつ耐久性に優れたものが得られる。か
かる薄板を使用しても、薄板１４０１が仕切る両チャン
バ内は高々数Ｔｏｒｒであるため強度的な問題は生じな
い。

【００９７】なお、薄板１４０１の材料としてはＴｉに
限ることなくジュラルミンその他の材料を用いてもよ
い。また薄板１４０１あるいはシール用フランジの部分
１４０５の表面はたとえばＲmax０．１μｍ以下の粗さ
としておくことが好ましい。

【００９８】図２０（ａ）で１４０５は真空シールの部
分であるが、この部分の拡大図を図２１（ａ）に示す。
図２１（ａ）において１４０６は絶縁層であり、チャン
バ壁１４０７に固定されている。１４０８は金属電極で
あり、図示してないが直流電源の一方の電極に接続され
ている。この直流電源のもう一方の電極はゲートバルブ
１４０１に接続されている。１４０９は厚さ１０μｍ〜
数１００μｍの絶縁層であり、電極１４０８と薄板１４
０１の間に数１００Ｖ程度の電圧を印加することによ
り、静電力によってゲートバルブを吸引し、この力によ
って真空シールを行う構造となっている。従って、前記
絶縁層１４０９としては弾性を有する材料を用いるのが
よい。機械的強度および吸引力は上記のような構成で実
現される。

【００９９】ここで用いたゲートバルブは、ゲートバル
ブ両端のチャンバが常に数Ｔｏｒｒ以下の真空のときに
のみ用いることができ、例えば片方のチャンバが大気圧
に戻るような場合には、強度的に使用不可能である。こ
のような場合には、例えば図２１（ｂ）に示したよう
に、軽量の薄板１４０１を開とし、その替りに従来の機
械的な力でシールするゲートバルブ１４１０を用いて閉
じればよい。図１、１０６ａ〜１０６ｄ等のゲートバル
ブは、通常、両側のチャンバはいずれも高真空の状態で
しか用いないので、前記ゲートバルブ１４１０はメイン
テナンス等でチャンバを大気圧に戻すときのみ必要であ
り、プロセス中は常時高速ゲートバルブを用いることが
できる。また１０５ｅ，１０５ｆのゲートバルブもロー
ド室、アンロード室（１０２，１０３）とトランスポー
トチャンバ１０４間のウエハの出し入れに関しては高速
ゲートバルブを用いればよい。

【０１００】ただし、ウエハを装置に出し入れする際に
は、両室１０２，１０３ともに大気圧にもどす必要があ
り、このときは開閉速度は遅いが従来のゲートバルブ１
４１０を用いればよい。これはウエハをバッチで装置に
装着あるいは取り出すときにのみ必要な操作であるので
ウエハ処理時間を長くすることはない。

【０１０１】次に、上述した本装置の使用例について実
験結果を示しながら説明する。

【０１０２】先ず、金属薄膜用スパッタチャンバ１０１
ａにおいてターゲット１０９ａとして純Ａｌのものを用
いてＳｉウエハ上に薄膜を形成する場合について述べ
る。

【０１０３】図２２（ａ）は、このようにして形成した
Ａｌ薄膜の表面をノマルスキー微分干渉顕微鏡で観察し
た写真である。薄膜形成に際してはＮ型（１１１）Ｓｉ
ウエハを用いている。このウエハをまずクリーニングチ
ャンバ１０１ｃで処理する。すなわち、周波数ｆ_Wを１
００〜２００ＭＨｚ、チャンバ１０１ｃ内の圧力１０^-2
〜１０^-3Ｔｏｒｒとし、照射Ａｒイオンのエネルギーを
２〜５ｅＶとしてウエハ表面をクリーニングする。

【０１０４】その後、ターゲット１０１ａにて、ウエハ
に−２０〜−４０Ｖのウエハバイアスを印加し、成膜に
寄与するＡｌ原子１個当り５〜６個以上のＡｒ原子をウ
エハ表面に照射しながら約１μｍの厚さまで成長させ
た。図２２（ａ）はこのようにして形成した薄膜につい
てのものである。

【０１０５】一方、図２２（ｃ）は、従来のＤＣマグネ
トロンスパッタ装置により形成したＡｌ薄膜の表面であ
り、本発明の装置で形成したものに比べ表面に細かな凹
凸の現れているのが理解できる。図２２（ｂ），（ｄ）
は、図２２（ａ），（ｃ）のサンプルをそれぞれ４００
℃のフォーミングガス雰囲気で３０分熱処理した後の表
面写真である。従来の装置で形成した薄膜の表面（図２
２（ｄ））には多くのヒロックが発生し、極めて凹凸の
激しい表面となっているが、本装置で形成したＡｌ薄膜
表面（図２２（ｂ））にはヒロックの発生の恐れがな
い。ヒロックの発生は、多層Ａｌ配線構造では層間絶縁
膜の耐圧を著しく劣化させたり、配線の微細加工が困難
になる等様々な問題を生じている。本装置によりはじめ
てヒロックフリーのＡｌ薄膜の形成が可能になった。さ
らに図２２（ａ）のサンプルの反射電子線回析パターン
を図２３に示す。図２３から明らかなようにストリーク
を伴ったブラックスポットが見られ、単結晶のＡｌ薄膜
が形成されていることが理解できる。また、Ｘ線回析等
によると（１１１）配向の薄膜が形成されていることが
分っている。

【０１０６】なお、従来の装置では、（１１１）以外に
も多くの面方位をもった多結晶薄膜が形成されること
が、反射電子線回析やＸ線回析より知られている。この
ように本装置を用いることにより（１１１）Ｓｉ上に
（１１１）面を有するＡｌの単結晶薄膜の成長が可能と
なるのは、第１にクリーニングチャンバ１０１ｃにより
Ｓｉウエハ表面の汚染層がダメージフリーで完全に取り
除かれること、第２に金属薄膜用スパッタチャンバ１０
１ａにて、４０ｅＶという結晶中の原子の結合エネルギ
ーと同程度の比較的低い運動エネルギーのＡｒイオンの
照射を行いつつＡｌ薄膜を成長させるためである。すな
わち、表面の不純物を除去すると、Ａｌ原子がＳｉ結晶
の周期性に基づきその表面に（１１１）の方位で配列さ
れ、さらにＡｒイオン照射の効果で単結晶のＡｌ薄膜が
成長する。このようにして形成した単結晶ＡｌとＳｉの
界面は熱的に非常に安定である。

【０１０７】すなわち４００〜５００℃に熱してもＡｌ
およびＳｉが合金化して互に混じり合うことがない。こ
の場合、コンタクトホール部でこの合金化のためにＡｌ
がＳｉ基板中に溶け込み、浅いＰＮ接合をショートさせ
てしまう、いわゆるスパイクの問題が生じるので、これ
を解決するためにＡｌ−Ｓｉの合金配線が用いられてい
る。合金配線は抵抗が高いばかりでなく、合金中のＳｉ
がコンタクト部に折出して寸法の小さなコンタクトの不
良を生じる原因となっていたが、本装置により、純Ａｌ
を配線に用いることができるようになり、配線抵抗を
２．８μΩ・ｃｍと合金配線の抵抗値３．５μｍΩ・ｃ
ｍより低くすることできる。この比抵抗の値は、７７°
Ｋでは、純Ａｌで０．３５μΩ・ｃｍ、合金配線で０．
６７μΩ・ｃｍとさらに大きな差となる。さらに、微細
コンタクトにおけるＳｉ折出によるコンタクト不良の問
題もなく超高集積化ＬＳＩの配線形成が多層配線も含め
て実現できるようになる。

【０１０８】次に本薄膜形成装置を用いて形成されるＣ
ｕ薄膜の性質について述べる。まず、（１００）Ｓｉウ
エハをクリーニングチャンバ１０１ｃで処理した後、１
０１ａのチャンバで１０９ａとして純度６ＮのＣｕター
ゲットを用い、約１μｍの厚さにＣｕ薄膜を形成する。
この場合、ウエハ１０６ａに与える直流バイアスは＋１
０Ｖから−１６０Ｖまで変化させる。上記のように形成
された薄膜のＸ線回折パターンからは、（１１１）と
（２００）のピークのみが観察される。図２４は、（１
１１）および（２００）の回折ピークの高さをウエハバ
イアスの関数としてあらわしたものである。ウエハバイ
アス０Ｖでは（２００）のピークのみが現れＣｕ薄膜は
（１００）配向した膜であることが分る。

【０１０９】すなわち、下地Ｓｉの結晶性を反映した結
晶構造となっている。この膜の反射電子線回折パターン
を調べると、ストリークを伴ったブラッグスポットが見
られ、Ｓｉ上に単結晶のＣｕがエピタキシャル成長す
る。図２４から明らかなように、ウエハのバイアス値を
大きくすると、（２００）のピークは小さくなり逆に
（１１１）のピークが大きくなる。バイアス値の大きさ
５０Ｖ以上では（１１１）配向のＣｕ薄膜が得られてい
る。バイアス値−５０Ｖでの薄膜の反射電子線回折パタ
ーンはストリークを伴ったブラックスポットとして観察
され、Ｓｉ上に（１１１）Ｃｕがエピタキシャル成長し
ていることが理解できる。形成された薄膜の結晶性は、
下地Ｓｉの結晶構造で決まるのではなく、照射されるＡ
ｒイオンのエネルギーによって支配される。

【０１１０】これまでＳｉ上に単結晶のＣｕ薄膜が形成
されたということに関して知られていないが、本装置に
よれば、かかる薄膜形成が可能となる。その理由は、Ａ
ｌの単結晶成長と同様、本装置のクリーニングプロセス
および低運動エネルギーイオン照射を用いていることに
よると考えられる。

【０１１１】Ｓｉウエハ上と同様のプロセスにより、Ｓ
ｉＯ₂上に形成したＣｕ薄膜について、ＳｉＯ₂との密着
性について調べると次のようになる。ＣｕとＳｉＯ₂は
密着性が悪いことは知られているが、このことはＣｕを
ＬＳＩの配線として用いるのを阻害する原因となる。し
かるに、本装置を用いて形成したＣｕ薄膜は、スコッチ
テープ（登録商標）をはじめ、各種類の粘着テープを用
いた密着性テストに際してもすべてのウエハバイアス条
件のサンプルについていずれも剥離することはない。こ
れは、クリーニングチャンバにおける表面クリーニング
プロセスにより、水分の吸着分子層が完全にとり除かれ
たためである。このようにして形成されたＣｕ薄膜の比
抵抗は約１．８μΩ・ｃｍであり純Ａｌ配線よりもさら
に低い値を持っており高速ＬＳＩ配線形成上非常に有利
である。

【０１１２】次に、図２５に示す構造に基づき、Ｃｕと
Ｎ型（１００）Ｓｉとの間のショットキー接合の特性に
ついて説明する。即ちまずＮ型（１００）Ｓｉ層１８０
１上にＳｉＯ₂層１８０２を形成し、コンタクトホール
１８０３の穴開けを行なう。その後、上述したプロセス
に従って全面にＣｕ層１８０４を形成し、その後フォト
リソグラフィ技術を用いてパターン形成を行なう。これ
らのプロセスはすべて１３０℃以下で行なう。このよう
にして得られたショットキー接合の電流電圧特性を図２
６に示す。図２６（ａ）は常温での結果であり、図２６
（ｂ）は−５０℃でのデータである。順方向の特性の直
線部から求めた係数ηはウエハのバイアス条件によらず
１．０３〜１．０５と略１に近い値を示し、理想的なダ
イオード特性の得られていることが分る。

【０１１３】図２７は、これらの特性より求めたショッ
トキーバリヤの高さの値を基板バイアスの関数としてプ
ロットしたものである。すなわち、バイアス値に依存す
ることなく、従来知られている値０．５８Ｖとほぼ同じ
値が得られている。このサンプルの作成に際し、Ｃｕの
形成は常温で行った。Ｃｕ薄膜形成後の熱工程で最も高
い温度は、パターニングの際のレジストのポストベーク
の１３０℃である。このように、本クリーニングプロセ
スは常温に近い低温プロセスでも理想的なショットキー
特性が得られ、理想的な金属−半導体接触が、一切の熱
処理工程を必要とせずに実現できる。

【０１１４】図２８は、（１００）Ｓｉウエハに形成し
たＳｉ薄膜の反射電子線回折像である。材料作成は、ま
ず（１００）Ｓｉを酸により前洗浄を行った後装置内に
搬入し、クリーニングチャンバ１０１ｃでクリーニング
を行った後、チャンバ１０１ａにおいて、ターゲット１
０９ａとしてＰの不純物濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3のＮ型シ
リコンを用いてＳｉ薄膜を約０．５μｍの厚みに形成し
た。このときのウエハ温度は３３０〜３５０℃である。

【０１１５】図２８（ａ），（ｂ）は、２つの異なるク
リーニング条件を用いたサンプルの回折像であり図２８
（ａ）は、クリーニングプロセスでウエハ表面を照射す
るＡｒイオンのエネルギーを約２０Ｖとした場合のもの
であり、図２８（ｂ）は４０Ｖとした場合のものであ
る。図２８（ａ）では菊池ラインの入った回折パターン
が観察でき、優れた結晶性のエピタキシャルＳｉ層の形
成されていることが分る。しかし、図２８（ｂ）には多
結晶シリコンの形成を示すリング模様がみられる。この
結果から明らかなように、クリーニングの際のＡｒの照
射エネルギーが大きすぎると逆に基板にダメージを与
え、結晶性を劣化させる原因となる。ウエハバイアスを
かえたクリーニング条件の検討により、ウエハに照射さ
れるＡｒイオンのエネルギーを３０ｅＶ以下にすれば、
基板にダメージを与えることなく、有効にクリーニング
できることが分る。また形成されたエピタキシャルＳｉ
層中に含まれる活性化されたＰの濃度を測定すると、タ
ーゲットの不純物濃度の約１０％程度の値が得られる。
このように３５０℃以下の低温でシリコンのエピ成長が
できるばかりか、１０¹⁸ｃｍ^-3に近い不純物原子の活性
化も可能なことが理解できる。

【０１１６】次に、本薄膜形成装置を用いて形成したＡ
ｌ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌ三層構造のキャパシタの一例につき
図４に基づき説明する。第１層のＡｌ（３０４）はＰ型
Ｓｉ基板３０１上に形成されたＮ⁺層３０２に接続して
形成されており、その上に熱酸化により形成されたＡｌ
₂Ｏ₃膜３０５、さらにＡｌ薄膜３０６が形成され、これ
をエッチング加工することによりキャパシタ構造が実現
されている。この構造で重要なことはＡｌ₂Ｏ₃は約３ｎ
ｍと膜厚が薄く、かつ、比誘電率が９とＳｉＯ₂の誘電
率の約２倍の値となっているため小面積で大きな容量が
実現できることである。

【０１１７】また酸化のメカニズムはCabreraとMottの
モデルに従い、酸化膜中を電界によってトンネリングし
て行く酸化剤により酸化が進むと考えられるため、例え
ば３ｎｍと一定の膜厚が形成されると時間を増加しても
それ以上酸化が進行しない。従って十分長い時間酸化雰
囲気にさらすことによりＡｌ薄膜表面全面に渡って均一
な酸化膜を形成することができる。さらにスパッタチャ
ンバ１０１ａでイオン照射を行いながら形成したＡｌ薄
膜は図２２に示したように昇温時ヒロック等の表面の凹
凸を全く生じないため、極めて平坦な、Ａｌ表面に酸化
膜が形成されることになり、この結果凸部で生じる局所
的な電界集中が広くなり、絶縁膜の破壊耐圧が向上す
る。

【０１１８】さらに製造プロセスの説明から明らかなよ
うに、これらの積層構造は界面を大気に触れさせること
なく形成されているため大気成分吸着による汚染物の混
入がなく、初期耐圧が良好であるばかりでなく、長期使
用に対する絶縁耐圧の劣化、いわゆるTime dependent b
reak downに対する特性も従来のＳｉ−ＳｉＯ₂−Ｓｉ構
造のキャパシタよりも優れた特性を持っている。

【０１１９】図４の構造では、第１層のＡｌ薄膜はコン
タクトホール３０７に於いてＮ⁺層３０２表面と接触し
ているが、製造プロセスはコンタクトホールを開口した
後ウエハを図１の装置に導入し、Ａｌ（３０４），Ａｌ
₂Ｏ₃（３０５），Ａｌ（３０６）の３層膜を形成するこ
とになる。従ってＡｌ（３０４）とＮ⁺層（３０２）の
界面は大気にさらされることになり、このときＮ⁺層表
面に形成される自然酸化膜等の影響によりコンタクト特
性は不良の生じることが多く、ＬＳＩの歩留まり、信頼
性を低下させる要因の１つとなっている。しかるに本装
置ではクリーニングチャンバ１０１ｃで表面のクリーニ
ングをした後、第１層のＡｌ（３０４）を形成している
ためこのような問題は解消される。

【０１２０】以上は、ＬＳＩ配線の主役になっているＡ
ｌを用いた場合を説明した。本装置は、あらゆる金属に
対して適用できるものであり、ＬＳＩ配線に使用され始
めているＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｎｂにも適用で
きるのである。成膜された金属表面が極めて平坦であっ
て、しかも熱処理を行ってもヒロックを一切生じない金
属成膜が行えるところに本装置の一つの特徴がある。Ｔ
ａ成膜を行った後、４００℃〜６００℃で酸化すれば３
〜５ｎｍのＴａ₂Ｏ₅が緻密な膜で得られる。Ｔａ₂Ｏ₅の
誘電率は２２でありさらに小面積で容量の大きなキャパ
シタを実現することができる。

【０１２１】図２９は同様のプロセスで形成した配線構
造を示している。２２０１は第１層のＡｌ薄膜であり信
号を伝える配線を形成している。２２０３はＡｌ₂Ｏ₃膜
２２０２を介して部分的に設けられたＡｌ電極であり、
電源電位あるいは、接地電位が与えられている。これは
配線の一部にキャパシタが接続された構造であり、例え
ばシフトレジスタ等のダイナミック回路のブートストラ
ップキャパシタとして用いることができる。

【０１２２】ブートストラップキャパシタは、ゲート容
量と同程度の値が必要とされるが、ダミーのＭＯＳトラ
ンジスタを形成し、そのゲートをキャパシタとして用い
ると、チップ上の多大な面積を占有することとなり、ダ
イナミック回路の集積度向上を妨げる１つの大きな原因
となる。しかし本装置を用いると図２９に示すように、
配線の一部がそのまま容量として使えるため余分の面積
を必要とせず、高集積化し極めて有利であることが分
る。図２９の構造は、配線２２０１を形成した後、Ａｌ
₂Ｏ₃膜２２０２、Ａｌ電極２２０３を形成してもよい
が、逆に電極２２０３を所定の位置に形成した後、Ａｌ
₂Ｏ₃膜、Ａｌ配線を形成してもよい。この場合、最初は
Ａｌ薄膜を形成した後パターニングする工程が入るため
表面が大気にさらされるが、次いでＡｌ₂Ｏ₃膜を形成す
る前にクリーニングチャンバ１０１ｃで表面のクリーニ
ングを行うことにより、良好なＡｌ−Ａｌ₂Ｏ₃界面を形
成することができることは言うまでもない。

【０１２３】また、このような形のキャパシタはリニア
ＬＳＩで多用されるキャパシタに用いることができる。
こうすることによりリニアＬＳＩの集積度の向上が図れ
る。また、スイッチキャパシタの容量として用いること
により、小面積で抵抗をつくりだすこともできるなど様
々な応用が可能である。

【０１２４】さらに本装置を用いて次の様なデバイスを
つくることもできる。つまり、クリーニングチャンバ１
０１ｃでＳｉ表面のクリーニングを行った後、配線チャ
ンバ１０１ｄにてＳｉ表面にＳｉＯ₂を例えば約３ｎｍ
の厚みで形成し、その後絶縁薄膜用スパッタチャンバ１
０１ｂにおいて強誘電体薄膜を形成する。そして、その
強誘電体薄膜の上にＳｉＯ₂膜を形成した後チャンバ１
０１ａにおいてＳｉを形成することにより、ポリＳｉ−
ＳｉＯ₂−強誘電体薄膜−ＳｉＯ₂−Ｓｉの五層構造が実
現できる。これをゲートのパターンに形成しソース・ド
レインをイオン注入等により形成すると高速の不揮発性
メモリが実現できる。すなわち、ゲート電極にかけた電
圧により強誘電体の自発分極の向きを制御しこれにより
ＭＯＳ型デバイスのＯＮ−ＯＦＦ状態をコントロールす
る。これにより、ホットエレクトロン注入型のＥＰＲＯ
Ｍ素子に比べ高速のデータ書き換えが可能となる。ま
た、この装置を用いて、酸化物超電導体薄膜（例えばＹ
−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏなど）の形成も行える。すなわち、チ
ャンバ１０１ｂで所定の組成の薄膜を形成した後、酸化
チャンバ１０１ｄにて酸素濃度をコントロールする。

【０１２５】以上述べたように本装置によって、超ＬＳ
Ｉに必要とされる各種の多層薄膜構造を優れた膜質およ
び界面特性で、しかも低温下で形成することができるよ
うになる。特に、コレクタ形成後の配線形成は、多層配
線構造を含めてすべて常温で行なえる。

【０１２６】このことはＡＳＩＣ（Application Specif
ic IC）などの応用には大きな自由度が得られ非常に重
要である。またこのように低温プロセスが可能であるこ
とは、チャンバ材料をはじめ、真空部品その他の材料の
選択にあたっても自由度が大きく、装置の設計並びに製
作が容易になるなどの有利性もある。以上の説明ではＳ
ｉＬＳＩを主体としてきたが、その他化合物半導体、石
英基板などのいかなる材料に対しても同様に応用できる
ことはいうまでもない。

【０１２７】また４つのチャンバを組合わせた場合を代
表例として述べたが、必要に応じて組合せをかえたり、
数を増減してももちろんかまわない。

【０１２８】上記実施例では各種減圧室へのウエハの出
し入れをウエハサセプタを移動（図１の場合は上下方向
への移動）させることにより行う場合を示したが、以下
に、ウエハサセプタを固定式とした場合の実施例につい
て説明する。

【０１２９】本例では、各減圧室１０１ａ〜１０１ｃの
ゲートバルブ１０５ａ〜１０５ｃに対向する位置に、ト
ランスポートチャンバ１０４を横切って減圧室１０１ａ
〜１０１ｃ方向に前後移動可能であり、先端にウエハを
握持するための握持手段を有する可動アームを設けてあ
る。この可動アームはその先端の握持手段でウエハから
受け渡しを行なうことができる。

【０１３０】次に本例におけるウエハの搬送手順例を説
明する。

【０１３１】まず、これから処理しようとするウエハ１
０６ｅをロード室１０２のウエハホルダ１０７ｅ上に載
置しておく。この載置されたウエハ１０６ｅを可動アー
ム１３０ｅ先端の握持手段により保持し、可動アームを
トランスポートチャンバ１０４内へ前進させる。ゲート
バルブ１０５ｅを開け、可動アーム１３０ｅを前進させ
トランスポートチャンバ１０４に待機する搬送車５１１
にウエハ１０６ｅを受け渡す。受け渡し後、可動アーム
１３０ｅは後退し、後退後ゲートバルブ１０５ｅは閉じ
られる。一方、ウエハ１０６ｅを受け取った搬送車５１
１は、軌道５１２上を、クリーニングチャンバ１０１ｃ
の前まで移動する。クリーニングチャンバ１０１ｂの前
で停止後、ゲートバルブ１０５ｃを開け、可動アーム１
３０ｃを前進させ、搬送車上のウエハを握持する。ウエ
ハを握持した状態で可動アーム１３０ｅをさらに前進さ
せ、クリーニングチャンバ１０１ｃのウエハホルダ１０
７ｃにウエハを受け渡す。受け渡し後可動アームを後退
させ、ゲートバルブ１０５ｃを閉じる。また、各減圧室
相互間のウエハの搬送も同様に行えばよい。以上のよう
にして真空状態を変えることなくウエハの搬送を行うこ
とができる。

【０１３２】なお、図示はされていないが、トランスポ
ートチャンバ１０４、各減圧室１０１ａ〜１０１ｃ、ロ
ードチャンバ１０２、アンロードチャンバ１０３には排
気装置が接続されていることは上記実施例と同様であ
る。

【０１３３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、減圧室
内に配設されたホルダと、ターゲットの裏面側に形成さ
れた磁性部分との磁気吸引力により該ターゲットを前記
ホルダに吸着させる磁気吸着手段とを備える構成とした
ので、ターゲット交換をプロセスチャンバの真空状態を
変えることなく行なうことができ、従って１つのチャン
バで多種類のターゲットを用いた成膜が可能となり、ス
ループットの向上を図れる。また、従来のようなネジ止
による結合手段を用いないので、ターゲットを必要以上
に肉厚にすることもなく、遠隔操作が可能となる一方、
ネジの材料がスパッタされて汚染の原因となる恐れはな
く、さらに、ターゲットの材料の純度上の制約の問題が
解消される。

【０１３４】さらに、ターゲットの形状も単純な円板形
状でよいなど加工が極めて簡単であるので、可能な限り
高純度の材料を用いることができるばかりでなく、ター
ゲットの製作に際していわゆる削り代が少なくて済むな
どターゲット材料の歩留りがよくコスト上有利である。

【０１３５】加えて、ターゲットの磁性部分を磁石によ
り構成した場合には、ターゲットの表面に大きな磁界が
形成され、スパッタリング時に低いガス圧下でも効率良
く放電が起こり、その結果ターゲットの表面でのイオン
密度が高くなり、スパッタ放電を促進させるという効果
を奏する。換言すれば、スパッタ放電は専らターゲット
との間で生じることとなり、従来のようなチャンバの内
壁との間でのスパッタ放電が防止され、薄膜形成の高品
質化を図れると共に、ターゲット材料の堆積によるチャ
ンバ内壁の清浄化（クリーニング）という作業上の手間
を回避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターゲット保持機構が適用される薄膜
形成装置の一例を示すシステム図である。

【図２】薄膜形成装置の他の例の要部を示すの断面図で
ある。

【図３】ウエハとターゲットとの位置関係を示す側面図
である。

【図４】薄膜構造を示す模式図である。

【図５】スパッタチャンバの模式図である。

【図６】スパッタチャンバの模式図である。

【図７】スパッタチャンバの模式図である。

【図８】スパッタチャンバの模式図である。

【図９】スパッタチャンバの模式図である。

【図１０】スパッタチャンバと真空排気装置およびガス
供給装置との接続関係の一例を示す模式図である。

【図１１】ガス中の水分濃度が表面粗さに与える影響を
示す顕微鏡写真である。

【図１２】脱ガス特性の実験装置を示す構成図である。

【図１３】図１２の実験の結果を示すグラフである。

【図１４】配管の昇温タイムチャートである。

【図１５】成膜の深さに対する元素分布を示すグラフで
ある。

【図１６】シール材の一例を示す正面図および断面図で
ある。

【図１７】ターゲットの交換を示す機構を説明する図で
ある。

【図１８】周波数に対するターゲットの電流電圧特性を
示すグラフである。

【図１９】本発明に係るターゲット保持機構を説明する
図である。

【図２０】高速ゲートバルブの例を説明する図である。

【図２１】ゲートバルブの他の例を説明する図である。

【図２２】Ｓｉウエハ上に形成されたＡｌ薄膜の顕微鏡
写真である。

【図２３】電子線回析写真である。

【図２４】Ｃｕ薄膜におけるウエハバイアスとＸ線強度
との関係を示すグラフである。

【図２５】薄膜構造の断面概念図である。

【図２６】図２５に示す構造におけるショットキー接合
の電流、電圧特性を示すグラフである。

【図２７】図２５に示す構造におけるウエハバイアスと
ショットキーバリヤの高さとの関係を示すグラフであ
る。

【図２８】（１００）Ｓｉ、ウエハに形成したＳｉ薄膜
の反射電子線回析像を示す写真である。

【図２９】配線構造を示す断面概念図である。

【図３０】従来のターゲット保持機構を説明するための
側面図である。

【符号の説明】

１０１ａ 金属薄膜形成用のスパッタチャンバ（プロセ
スチャンバ）、 １０１ｂ 絶縁薄膜形成用のスパッタチャンバ（プロセ
スチャンバ）、 １０１ｃ クリーニングチャンバ（プロセスチャン
バ）、 １０１ｄ 酸化チャンバ（プロセスチャンバ）、 １０２ ローディングチャンバ、 １０３ アンロードチャンバ、 １０４ トランスポートチャンバ、 １０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ，１０５ｅ，
１０５ｆ ゲートバルブ、 １０６ａ，１０６ｃ，１０６ｅ ウエハ、 １０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ、１０７ｅ
ウエハホルダ、 １０７ｆ ウエハステージ、 １０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ ターゲット
チャンバ、 １０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ ターゲッ
ト、 １１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１２ａ，
１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ 同調回路、 １１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１３ａ，
１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ ＲＦ電源、 １１４ ウエハチャック、 １３０ｅ 可動アーム、 ３０１ シリコン基板、 ３０２ Ｎ⁺層、 ３０３ 絶縁膜、 ３０４、３０６ Ａｌ薄膜、 ３０５ Ａｌ₂Ｏ₃膜、 ４０１ ターゲットホルダ電極、 ４０２ 壁材、 ４０３、４２０ ベローズ、 ４０４ ウエハ、 ４０５ 静電チャック電極、 ４０６ オーリング（シール部品）、 ４０６’、４０７ フランジ面、 ４０８ オーリング、 ４０９ 被膜、 ４１０ 金属電極、 ４１１、４２１ 絶縁碍子、 ４１２ 導入電極、 ４１３ ヒータ、 ４１４ ファイバ温度計、 ４１５ ホルダ電極、 ４１６ 電極、 ４１７ 磁石、 ４１８ パイプ、 ４１９ グラウンド・シールド、 ４１０１、４１０８、４１０９、４１１２ 直流電源、 ４１０２ 高周波フィルタ、 ４１０３ ＲＦ電源、 ４１０４ 整合回路、 ４１０５ ブロックキングコンデンサ、 ４１０６、４１１６ 回路、 ４１０７、４１１１ スイッチ、 ４１１０ 電極、 ４１１３ ＲＦ電源、 ４２０１ ストッパ、 ４２０３ アース、 ５０１ 磁気浮上式のロータを有するターボ分子ポンプ
（真空排気装置）、 ５０２ ロータリーポンプ、 ５０３ オイルトラップ、 ５０１’、５０２’、５０３’ 真空排気系、 ５０４ ガス供給装置、 ５０５ パージライン、 ５０６ バルブ、 ５０７ マスフローコントローラ、 ５０８ ウエハホルダ、 ５０９ 静電チャック、 ５１０ アーム、 ５１１ 搬送車、 ５１２ 軌道、 ６０１ ガス純化装置、 ６０２ ＳＵＳパイプ、 ６０３ ＡＰＩＭＳ（大気圧イオン化マス分析装置）、 ６０４ 電源、 １００１ オーリング、 １００２ 板バネ状のリング（メタルリング）、 １００３ 開放部、 １００４ 内部、 １０１２、１１０１、１１０２、１１０３ ターゲッ
ト、 １１０２' ターゲット１１０２の上面、 １１０４ 切り欠き部、 １１０５ ターゲットストッカ、 １１０５' 凹溝、 １１０６ 回転軸、 １１０７ 板バネ、 １１０８ 導電性材料、 １１９０ コイルスプリング、 １１９１ 受け台、 １３０１ ターゲット、 １３０２ 薄板（磁性部分）、 １３０３ 磁石（磁気吸着手段）、 １３０４ ターゲットホルダ、 １３０５ 永久磁石（磁性部分、磁気吸着手段）。 １４０１ 薄板、 １４０２、１４０２’ １対のアーム、 １４０４、１４０４’ ピン、 １４０５ シール用フランジ、 １４０６、１４０９ 絶縁層、 １４０７ チャンバ壁、 １４０８ 金属電極、 １４１０、１４１０’ ゲート板、 １４１０” 連結基板、 １４１１ オーリング、 １４２０ リンク片、 １４２１ コイルスプリング、 １４２２ 隔壁、 １４２３ 開口部、 １４２４ ストッパ、 １４４１ 回動軸、 １４３０、１４３１ チャンバ、 １８０１ Ｎ型（１００）のＳｉ層、 １８０２ ＳｉＯ₂層、 １８０３ コンタクトホール、 １８０４ Ｃｕ層、 ２２０１ 配線（Ａｌ薄膜）、 ２２０２ Ａｌ₂Ｏ₃膜、 ２２０３ Ａｌ電極、 ２３０１ 薄膜形成室（プロセスチャンバ）、 ２３０２ ホルダ、 ２３０３ ターゲット、 ２３０４ ボルト、 ２３０５ ナット、 ２３０６ ウエハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−215485（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−123668（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/31 C23C 14/34

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエハとターゲットとをウエハを下部に
   ターゲットを上部に対向するように配設し、該ウエハの
   面に薄膜を堆積する薄膜形成装置において、減圧室内に
   配設されるホルダに、前記ターゲットを磁気吸引力によ
   り吸着させる磁気吸着手段を備えて該ターゲットを保持
   するようにしたことを特徴とする薄膜形成装置。