JP3349697B2 - 薄膜形成装置及び形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路の製造
等に用いられる薄膜形成装置に関するものであり、特に
スパッタリング用のプラズマを形成するための電極に供
給すべき高周波を制御する薄膜形成装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のスパッタリングの制御装
置としては、例えば本願出願人による特願昭６１−１９
４１５２号に記載されているようなものが知られてい
る。これによると、図３０に示すように不活性ガスを導
入した減圧チャンバ２３０１内に二つの電極２３０２，
２３０３を対向配置する一方、基体（半導体ウエハ２３
０４）を取り付けた電極２３０２に第１の高周波ｆ_Wを
出力する電源２３０５を接続し、前記ウエハ２３０４に
対向配置されたターゲット２３０６を取り付けた他方の
電極２３０３に前記高周波ｆ_Wに比べて低い周波数の第
２の高周波ｆ_Tを出力する電源２３０７を接続すること
により、ターゲット２３０６のイオンエッチング（不活
性ガスイオンによるウエハ２３０４のエッチングも同時
に行われる）によるウエハ２３０４上の成膜を行なうよ
うにしたものが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来技術の構成では、例えば第１の高周波ｆ_Wがターゲ
ット２３０６側の高周波ｆ_Tに重畳する一方、第２の高
周波ｆ_Tがウエハ２３０４側の高周波ｆ_Wに重畳するの
で、第１の高周波ｆ_Wによるウエハ２３０４のエッチン
グ制御を含めて、第２の高周波ｆ_Tによるターゲット２
３０６のエッチング制御を精度良く制御することができ
ないという問題がある。

【０００４】本発明は、耐エレクトロマイグレーッショ
ンに優れた金属膜の形成装置及び形成方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、ガス供
給装置からチャンバへガスを供給するガスラインの途上
にガスを系外にパージするためのパージラインを有する
薄膜形成装置であって、前記ガスラインの内表面には屈
折率２．７１以上の酸化不動態膜が形成されていること
を特徴とする薄膜形成装置に存在する。

【０００６】本発明の要旨は、ガス供給装置からチャン
バへガスを供給するガスラインの途上にガスを系外にパ
ージするためのパージラインを有する薄膜形成装置を用
いて薄膜を成膜する薄膜の形成方法であって、前記パー
ジラインの先端部に露点計を設け、該先端部における露
点が−１１０℃以下となった後にガスをチャンバに導入
することを特徴とする薄膜形成方法に存在する。

【０００７】

【０００８】

【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、例えばウエハ１０６ｃの搬送には後述す
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。

【００１１】ここで、各ウエハホルダ１０７ａ〜１０７
ｄ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１０５
ａ〜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１０
４間の気密シールを行なう構造となっている。

【００１２】図１は、金属薄膜用スパッタチャンバ１０
１ａ内にシリコンウエハ１０６ａおよびウエハホルダ１
０７ａがセットされた状態を示している。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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、成膜された薄膜
の膜質の劣化等を回避できる。

【００１６】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。

【００１７】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の三層から成る構造になっている。

【００１８】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内へウエハを搬
入し、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
下地のシリコン基板３０１にダメージを与えないで除去
することができる。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。こ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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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、各チャンバは各々独立に真空
排気ができるように構成されている。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１０１ａ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。

【００２９】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に示すように、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。

【００３０】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。

【００３１】本薄膜形成装置において、図１０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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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）、及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。

【００３８】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につき夫々４１ｐｐ
ｂ，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、１５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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【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
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ 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Ｃｒの濃
度の高くなっていることが分る。

【００４３】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２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２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。

【００４４】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、十分良好な不動態膜の形成
されることが分っている。

【００４５】以上のような不動態化処理を行なえば、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。

【００４６】ターゲットの材料も、十分不純物を除去し
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。

【００４７】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４０
３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（第１の電極）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、シール部品
（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。

【００４８】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（すなわち、塑性変形が生じない範囲）内で伸縮
する材料、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１０
０２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Ｒｍａｘ０．２μ
ｍ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、前記オーリング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。

【００４９】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方が好ましい。さ
らに、ゴムのオーリング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１
００４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１
００２に、内部１００４と連通する孔を設けておいても
よい。 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。

【００５０】この当接面はＲｍａｘ０．２μｍ以下の表
面粗さ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、ゴ
ム１００１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。

【００５１】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との間の気密が保たれる。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。
こうすると、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４０６’）の
加工の際に直接形成してもよく、場合によってはリング
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４２
０１は、真空度の低い側に臨まされるように取付ける。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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を実現させ易いという利点
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４
０５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。

【００５９】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を介してウエハを保持するウエハホルダ電極であ
る静電チャック電極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４１０
４、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。

【００６０】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４０
４の直流電位を所定の値に設定できるようになってい
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。

【００６１】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
アスはほとんどこのコンデンサ両端に現われるからであ
る。

【００６２】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４１５
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。

【００６３】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得る。この回路４１０６は、例えば
ＬとＣの並列共振回路を用い、 ２πｆ_W＝１／（ＬＣ）^1/2 と設定しておくと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。

【００６４】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接続されている場合に
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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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（第２の
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。

【００６９】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４０１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。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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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までもない。なお、ターゲ
ット１１０３が例えば絶縁物の場合は図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。

【００７４】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１１０２は、図１の各プロセスチャンバ（１０
１ａ〜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〜１０８ｄ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。

【００７５】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。

【００７６】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に
より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１０９
ａ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４１１
３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
４１１１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。４１１６は回路４
１０６と同様の機能をもつ回路であり、ＲＦ電源４１１
３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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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＝１３．５６Ｍ
Ｈｚ，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。

【００８０】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。

【００８１】次に、本発明に係るスパッタリング制御装
置につき図９（ａ）に基づいて説明する。図９（ａ）に
示す構成は、ウエハ側の電極４０５に供給される高周波
ｆ_W、ターゲット側の電極４１５に供給される高周波ｆ_T
について、 ２πｆ_W＝１／（Ｌ₁Ｃ₁）^1/2 ２πｆ_T＝１／（Ｌ₂Ｃ₂）^1/2 の条件を満たすように導入電極４１１０とスパッタチャ
ンバ１０１ａのボデーとの間および導入電極４１２とス
パッタチャンバ１０１ａのボデーとの間に夫々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、例えば、周波数ｆ_Tを１３．５６Ｍ
Ｈｚに選ぶと、周波数１３．５６ＭＨｚがウエハ側の電
極４０５に重畳することを防止することができ、ウエハ
をたたくイオンエネルギーを精度良く制御することがで
きるようになる。

【００８２】なお、ＬＣ回路の回路部品の接続は、図９
（ｂ）に示すように電極４１２（４１１０）と保持筒４
８０１（４８０２）との間に幾何学的に対称的に設ける
ことが好ましい。これにより、ウエハ側からターゲット
側に向かう高周波ｆ_Wは電極４１１０に対して対称にボ
デーアースに落ちるので、ターゲット上の高周波ｆ_Tに
よるプラズマ電界を乱すことはない。このことはターゲ
ット側からウエハ側に向かう高周波ｆ_Tについても同様
に成立する。付言すれば、図９（ｂ）における４つのイ
ンダクタンスＬ₀，キャパシタンスＣ₀の合成インピーダ
ンスがＬ₁，Ｃ₁（第１の共振回路）またはＬ₂，Ｃ₂（第
２の共振回路）から成るインピーダンスとなるように設
定される。

【００８３】次に、ターゲットの保持方法の他の例とし
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。

【００８４】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１３
０４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内の汚染のり、そば問題が生じな
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。

【００８５】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を取付けるかわ
りに、例えば永久磁石１３０５を直接取付け、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。

【００８６】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。

【００８７】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材料１０９
ａ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。

【００８８】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。基本的な構造は、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。

【００８９】この場合、たとえばターゲット１０９ａの
材料は、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４１１
３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。また、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。

【００９０】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３０ｅ
Ｖ程度の運動エネルギーのＡｒ粒子を照射する。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】以上の説明については、ウエハサセプタに
ＲＦ４１０３を印加する場合を例として説明したが、Ａ
ｒ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）に示す回路とすることが好ましい。すなわ
ち、２πｆ_T＝１／（ＬＣ）^1/2（ｆ_Tはターゲットに印
加するＲＦの周波数）となるようにＬ，Ｃの値を選んで
おく。このようにするとＬＣ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。

【００９７】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。

【００９８】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１
０１ｄ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℃〜４５０
℃の範囲の任意の値に設定することができる。

【００９９】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℃に約
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。

【０１００】Ａｌの直接酸化は、まず、チャンバ１０１
ｄ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Ｏ ₂
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４００
℃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
が、これを膜中より放出させる効果があり、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。

【０１０１】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
エハホルダにつながれている高周波電源等（４１０３，
４１０４）は必須のものではない。例えばＡｌ₂Ｏ₃層の
膜厚をもっと大きな値、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、４１１３として１３．５６ＭＨｚ、４１０３として
は１００〜２００ＭＨｚの高周波電源を用いる。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１００〜２００ＭＨｚ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
密で特性の良好な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。

【０１０２】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。

【０１０３】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に示す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。

【０１０４】この搬送車は、例えば軌道５１２上を磁気
浮上しながら高速で移動するリニアモーターカーを用い
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Ａｒを数１０
ｓｃｃｍ〜数１００ｓｃｃｍ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１
０^-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。

【０１０５】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。

【０１０６】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。

【０１０７】図２０（ｂ）は図２０（ａ）のゲートバル
ブを下方からみた図であり、前記薄板１４０１は２本の
アーム１４０２，１４０２’によって２点１４０３，１
４０３’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１４０１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。

【０１０８】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Ｔｏ
ｒｒであるため強度的な問題は生じない。

【０１０９】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。

【０１１０】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、絶縁材料でできてお
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
につながれている。この直流電源のもう一方の電極は薄
板（ゲートバルブ）１４０１につながっている。１４０
９は厚さ１０μｍ〜数１００μｍの絶縁性材料であり電
極１４０８と薄板１４０１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、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。

【０１１１】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。か
かる場合には、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
いられないので、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、ゲートバルブ１０５ｅ，１０５ｆ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。ただし、ウエハを装置に
出し入れする際には１０２，１０３ともに大気圧にもど
す必要があるので、このときは開閉の速度は遅いが従来
のゲートバルブ１４１０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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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原子一個当り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。

【０１１６】一方、図２２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、本装
置を用いた場合に比べて、表面に細かな凹凸の現れてい
るのが分る。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２２（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））にヒロックが発生する恐れはない。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。

【０１１７】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。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（１
１１）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１０１ａ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。

【０１１８】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。すなわち４００〜５
００℃に熱してもＡｌおよびＳｉが合金化して互に混合
することがない。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
３．５μΩ・ｃｍより低くすることができる。この比抵
抗の値は、７７°Ｋでは、純Ａｌで０．３５μΩ・ｃ
ｍ、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。

【０１１９】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。

【０１２０】図２４は、（１１１）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。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Ａｒ
イオンのエネルギーによって支配される。

【０１２１】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。

【０１２２】Ｓｉウエハ上におけると同様のプロセスに
より、ＳｉＯ₂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Ｓ
ｉＯ₂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。このことは、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
形成上極めて有利である。

【０１２３】次に、図２５に示す構造に基づき、Ｃｕと
Ｎ型（１００）の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１
８０１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。こう
して得られたショットキー接合の電流電圧特性を図２６
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値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
ダイオード特性が得られていることが分る。

【０１２４】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。バイアス値によらず従来報告さ
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、熱処理工程を必要とせずに実現
できる。

【０１２５】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１０
９ａ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。
図２８（ａ），図２８（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。

【０１２６】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、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理解で
きる。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３
５０℃以下の低温でシリコンのエピ成長ができるばかり
か、濃度が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。

【０１２７】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。

【０１２８】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。また、酸化のメカニズムはＣ
ａｂｒｅｒａ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Ａ
ｌ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。

【０１２９】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。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Ｔｉｍｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｂｒｅａｋ ｄｏ
ｗｎ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。

【０１３０】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），Ａ
ｌ₂Ｏ₃（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の歩留まりや
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。

【０１３１】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。

【０１３２】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。

【０１３３】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、Ａ
ｌ₂Ｏ₃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。

【０１３４】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。

【０１３５】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
１０１ｃでＳｉ表面のクリーニングを行った後、配線チ
ャンバ１０１ｄによりＳｉ表面にＳｉＯ₂を例えば約３
ｎｍの厚みで形成し、その後絶縁薄膜用スパッタチャン
バ１０１ｂ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１０１ａにおいてＳｉを形成することにより、ポリＳ
ｉ−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ＥＰ
ＲＯＭ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。

【０１３６】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。このことは、Ａ
ＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｐｅｃｉｆｉｃＩ
Ｃ）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Ｓｉ
ＬＳＩを主体としてきたが、その他化合物半導体、石英
基板などの如何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。

【０１３７】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変更した
り、数を増減してももちろんかまわない。

【０１３８】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。

【０１３９】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。

【０１４０】次に本例におけるウエハの搬送手順例を説
明する。

【０１４１】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の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５１
２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５
１２は、軌道５１１上を、クリーニングチャンバ１０１
ｃ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
１３０ｃ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１
０７ｃ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。

【０１４２】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。

【０１４３】

【発明の効果】本発明によれば耐マイグレーションー特
性に優れた金属膜を形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタリング制御装置が適用される
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】（ａ）は本発明に係るスパッタリング制御装置
の一実施例を示す模式図、（ｂ）は他の実施例の要部を
示す平面図である。

【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】ターゲット保持機構を説明する図である。

【図２０】ゲートバルブの一例を示す図である。

【図２１】ゲートバルブの一例を示す図である。

【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】従来のスパッタ電極制御装置を説明するため
のブロック図である。

【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 第１の電極、 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 第２の電極、 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、 ４８０１、４８０２ 保持筒、 Ｌ₁、Ｃ₁ 第１の共振回路、 Ｌ₂、Ｃ₂ 第２の共振回路、 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、 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、 １３０３ 磁石、 １３０４ ターゲットホルダ、 １３０５ 永久磁石、 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 絶縁性材料、 １４０７ チャンバ壁、 １４０８ 金属電極、 １４１０、１４１０’ ゲートバルブ、 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 減圧チャンバ、 ２３０２、２３０３ 電極、 ２３０４ 基体（半導体ウエハ）、 ２３０５、２３０７ 電源、 ２３０６ ターゲット。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−167017（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−169129（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−287071（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−11782（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−267473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−12336（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−85358（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/203 - 21/205 H01L 21/285 H01L 21/31

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス供給装置からチャンバへガスを供給
   するガスラインの途上にガスを系外にパージするための
   パージラインを有する薄膜形成装置であって、前記ガス
   ラインの内表面には屈折率２．７１以上の酸化不動態膜
   が形成されていることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】 前記パージラインの先端部に露点計を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
3. 【請求項３】 前記膜は、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔ
   ａ、Ｃｕ、Ｎｂのいずれか１種であることを特徴とする
   請求項１又は２記載の薄膜形成装置。
4. 【請求項４】 ガス供給装置からチャンバへガスを供給
   するガスラインの途上にガスを系外にパージするための
   パージラインを有する薄膜形成装置を用いて薄膜を成膜
   する薄膜の形成方法であって、前記パージラインの先端
   部に露点計を設け、該先端部における露点が−１１０℃
   以下となった後にガスをチャンバに導入することを特徴
   とする薄膜形成方法。
5. 【請求項５】 前記膜は、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔ
   ａ、Ｃｕ、Ｎｂのいずれか１種であることを特徴とする
   請求項４記載の薄膜形成方法。
6. 【請求項６】 水分濃度が１００ｐｐｂ未満のガスを用
   いてスパッタリング成膜することを特徴とする請求項４
   又は５記載の薄膜形成方法。
7. 【請求項７】 請求項４乃至６のいずれか１項記載の方
   法により形成されたことを特徴とする薄膜。
8. 【請求項８】 請求項７記載の薄膜を有することを特徴
   とする半導体装置。