JP4397329B2 - 薄膜作製装置及び薄膜作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板の表面に金属薄膜を作製する際の表面処理装置及び表面処理方法に関する。
また、本発明は、基板の表面に金属薄膜を作製する薄膜作製装置及び薄膜作製方法に関する。

現在、半導体等の製造においては、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を用いた成膜が知られている。プラズマＣＶＤ装置とは、チャンバ内に導入した膜の材料となる有機金属錯体等のガスを、高周波アンテナから入射する高周波によりプラズマ状態にし、プラズマ中の活性な励起原子によって基板表面の化学的な反応を促進して金属薄膜等を成膜する装置である。

これに対し、本発明者等は、高蒸気圧ハロゲン化物を作る金属成分であって、成膜を望む金属成分からなる被エッチング部材をチャンバに設置し、前記被エッチング部材をハロゲンガスのプラズマによりエッチングすることで金属成分のハロゲン化物である前駆体を生成させるとともに、前駆体の金属成分のみを基板上に成膜するプラズマＣＶＤ装置（以下、新方式のプラズマＣＶＤ装置という）および成膜方法を開発した（例えば、下記、特許文献１参照。）。

特開２００３−１４７５３４号公報

上記新方式のプラズマＣＶＤ装置では、成膜される金属源となる被エッチング部材の温度に対して基板の温度が低くなるように制御して基板に当該金属膜を成膜している。例えば、被エッチング部材の金属をＭ、ハロゲンガスをＣｌ₂とした場合、被エッチング部材を高温（例えば３００°Ｃ〜７００°Ｃ）に、また基板を低温（例えば２００°Ｃ程度）に制御することにより、前記基板にＭ薄膜を形成することができる。これは、次のような反応によるものと考えられる。

（１）プラズマの解離反応；Ｃｌ₂→２Ｃｌ^*
（２）エッチング反応；Ｍ＋Ｃｌ^*→ＭＣｌ（ｇ）
（３）基板への吸着反応；ＭＣｌ（ｇ）→ＭＣｌ（ａｄ）
（４）成膜反応；ＭＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ^*→Ｍ＋Ｃｌ₂↑
ここで、Ｃｌ^*はＣｌのラジカルであることを、（ｇ）はガス状態であることを、（ａｄ）は吸着状態であることをそれぞれ表している。

上記新方式のＣＶＤ装置においては、不純物の少ない金属薄膜を均一にしかも高速に作製することができる。新方式のＣＶＤ装置では、基板にＭ薄膜を形成した後プラズマを停止させてＭ薄膜が形成された基板を搬出すると共に新たな基板を搬入するようにしている。プラズマを停止させた直後はＣｌ₂ガスが残留しているため、基板の温度が低下しきらない状態でＣｌ^*と金属Ｍが再反応(塩化)して不純物層（コンタミ層）が形成されていた。また、残留するＣｌ₂ガスにより微粒子の汚染物質（パーティクル）が発生し基板の表面に付着することが生じていた。このため、Ｍ薄膜が形成された基板は後処理工程によりコンタミ層やパーティクルを除去していた。従って、後処理のための装置が必要となり後処理工程のためのコストが嵩んでいるのが現状であった。

このような問題は、還元ガスプラズマによって還元作用により基板の表面に所望の薄膜を作製するときにも発生している問題である。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、還元成分の影響をなくして不純物層等が形成されることがない表面処理装置及び表面処理法方を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、後処理の工程を経ることなく還元成分の影響をなくして不純物層等が形成されることがない薄膜作製装置及び薄膜作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の薄膜作製装置は、
基板が収容されるチャンバと、
基板が対向する位置におけるチャンバに設けられる金属製の被エッチング部材と、
チャンバの内部にハロゲンを含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成するプラズマ発生手段と、
基板側の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることにより前駆体の金属成分を基板に成膜させる温度制御手段と、
金属成分を成膜させた後にチャンバの内部に不活性ガスを供給するガス供給手段と、
金属成分を成膜させた後に基板にバイアスを印加するバイアス印加手段と、
チャンバの内部をプラズマ化して不活性ガスプラズマを発生させ、バイアス印加手段によりバイアスが印加された基板に不活性ガスイオンを引き込み、イオン衝撃により、前記成膜された膜の原料ガス成分の不純物を除去する処理表面清浄化手段と
を備えたことを特徴とする。

そして、請求項２に係る本発明は、請求項１に記載の薄膜作製装置において、ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスであることを特徴とする。

また、請求項３に係る本発明は、 請求項１もしくは請求項２に記載の薄膜作製装置において、ガス供給手段から供給される不活性ガスは、原料ガス供給手段で供給される原料ガスにおけるハロゲンを希釈する不活性ガスであることを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項４に係る本発明の薄膜作製方法は、
基板と金属製の被エッチング部材が備えられたチャンバ内にハロゲンを含有する原料ガスを供給し、
チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成し、
基板側の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることにより前駆体の金属成分を基板に成膜させ、
金属成分を成膜させた後にチャンバの内部に不活性ガスを供給すると共に基板にバイアスを印加し、
チャンバの内部をプラズマ化して不活性ガスプラズマを発生させ、不活性ガスのイオンを基板に引き込んでイオン衝撃により、前記成膜された膜の不純物を除去することを特徴とする。

そして、請求項５に係る本発明は、請求項４に記載の薄膜作製方法において、ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスであることを特徴とする。

また、請求項６に係る本発明は、
請求項４もしくは請求項５に記載の薄膜作製方法において、
金属成分を成膜させた後に供給される不活性ガスは、原料ガスにおけるハロゲンを希釈する不活性ガスであることを特徴とする。

請求項１の本発明では、成膜の終了時に基板を加熱することなく膜中に残留する還元ガス成分をイオン衝撃によって離脱させることができる。このため、均一にしかも高速に薄膜が作製でき、後処理の工程を経ることなく還元成分の影響をなくして不純物層等が形成されることがない薄膜作製装置とすることが可能になる。

請求項２の本発明では、ハロゲンガスを含有する原料ガスとして塩素を含有するガスを適用したので、安価な塩素ガスによりコストダウンを図ることができる。又、プロセス上、１００％の塩素ガスを用いることはなく、不活性ガス等により希釈して用いるので、更にコストダウンを図ることが可能となる。加えて、希釈用の不活性ガスとして、希ガスを用いれば、反応性の高い塩素ガスと希釈用ガスが互いに反応することはなく、主反応を安定的に実施可能となり、かつ、希ガス自身のバイアス効果も用いることができる。

請求項３の本発明では、ハロゲンを希釈する不活性ガスを用いてイオン衝撃を与えるので、イオン衝撃を与えるためのガス供給手段を専用に設ける必要がなく、コストを抑制することができる。

請求項４の本発明では、成膜の終了時に基板を加熱することなく膜中に残留する還元ガス成分をイオン衝撃によって離脱させることができる。このため、均一にしかも高速に薄膜が作製でき、後処理の工程を経ることなく還元成分の影響をなくして不純物層等が形成されることがない薄膜作製方法とすることが可能になる。

請求項５の本発明では、ハロゲンガスを含有する原料ガスとして塩素を含有するガスを適用したので、安価な塩素ガスを用いて後処理の工程を経ることなく還元成分の影響をなくして不純物層等が形成されることがない薄膜作製方法とすることが可能になる。

請求項６の本発明では、ハロゲンガスを含有する原料ガスとして塩素を含有するガスを適用したので、安価な塩素ガスを用いて後処理の工程を経ることなく還元成分の影響をなくして不純物層等が形成されることがない薄膜作製方法とすることが可能になる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１には本発明の一実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面、図２には薄膜表面の状況説明を示してある。

図１に示すように、円筒状に形成された、例えば、セラミックス製(絶縁材製)のチャンバ１の底部近傍には支持台２が設けられ、支持台２には基板３が載置される。支持台２にはヒータ４及び冷媒流通手段５を備えた温度制御手段６が設けられ、支持台２は温度制御手段６により所定温度(例えば、基板３が１００℃から３００℃に維持される温度)に制御される。

チャンバ１の上面は開口部とされ、開口部は絶縁材料製(例えば、セラミックス製)の板状の天井板７によって塞がれている。天井板７の上方にはチャンバ１の内部をプラズマ化するためのプラズマアンテナ８が設けられ、プラズマアンテナ８は天井板７の面と平行な平面リング状に形成されている。プラズマアンテナ８には整合器９及び電源１０が接続されて高周波が供給される。プラズマアンテナ８、整合器９及び電源１０によりプラズマ発生手段が構成されている。

チャンバ１には金属製としてＣｕ製の被エッチング部材１１が保持され、被エッチング部材１１はプラズマアンテナ８の電気の流れに対して基板３と天井板７の間に不連続状態で配置されている。例えば、被エッチング部材１１は、棒状の突起部１２とリング部１３とからなり、突起部１２がチャンバ１の中心側に延びるようにリング部１３が設けられている。これにより、被エッチング部材１１はプラズマアンテナ８の電気の流れ方向である周方向に対して構造的に不連続な状態とされている。

尚、プラズマアンテナ８の電気の流れに対して不連続状態にする構成としては、被エッチング部材を格子状に形成したり網目状に構成する等とすることも可能である。

チャンバ１の筒部の周囲にはチャンバ１の内部にハロゲンとしての塩素を含有する原料ガス（不活性ガスであるＨｅガスで塩素が希釈されたＣｌ₂ガス）２１を供給する原料ガス供給手段としてのノズル１４が周方向に等間隔で複数(例えば８箇所：図には２箇所を示してある)接続されている。ノズル１４には流量制御器１５を介してＣｌ₂ガス２１が送られる。成膜に関与しないガス等は排気口１６から排気される。天井板７によって塞がれたチャンバ１の内部は真空装置１７によって所定の圧力に維持される。

尚、原料ガスに含有されるハロゲンとしては、フッ素、臭素及びヨウ素等を適用することが可能である。

一方、チャンバ１の筒部にはチャンバ１の内部に不活性ガスとしてのヘリウムガス（Ｈｅガス）を供給するガス供給手段としてのガスノズル１８が接続されている。ガスノズル１８には流量制御器１９を介してＨｅガス２２が送られる。成膜後、プラズマ発生手段によりＨｅガスプラズマが発生して、後述する基板３へのバイアスの印加によりＨｅイオンが基板３に引き込まれる（処理表面清浄化手段）。

尚、ガスノズル１８から供給する不活性ガスは、Ａｒガス等他の不活性ガスを適用することも可能である。また、ガス供給手段として、ガスノズル１８を設けずに、塩素を希釈するＨｅガスをノズル１４から供給することも可能である。この場合、ノズル１４が原料ガス供給手段及びガス供給手段となる。つまり、図１において、ガスノズル１８が不要になる。

一方、支持台２にはバイアス電源３１が接続され、バイアス電源３１をオン状態にして基板３にバイアスを印加することにより、Ｈｅイオンが基板３に引き込まれる。Ｈｅイオンを基板３に引き込んでイオン衝撃を与えることで、基板３を加熱することなく、後述する膜中に残留するＣｌを離脱させることができる。

上述した薄膜作製装置では、チャンバ１の内部にノズル１４からＣｌ₂ガス２１を供給する。プラズマアンテナ８から電磁波をチャンバ１の内部に入射することで、Ｃｌ₂ガス２１をイオン化してＣｌ₂ガスプラズマを発生させる。プラズマは、ガスプラズマ２０で図示する領域に発生する。この時の反応は、次式で表すことができる。
Ｃｌ₂→２Ｃｌ^* ・・・・（１）
ここで、Ｃｌ^*は塩素ラジカルを表す。

ガスプラズマ２０がＣｕ製の被エッチング部材１１に作用することにより、被エッチング部材１１が加熱されると共に、Ｃｕにエッチング反応が生じる。この時の反応は、例えば、次式で表される。
Ｃｕ（ｓ）＋Ｃｌ^*→ＣｕＣｌ（ｇ） ・・・・（２）
ここで、ｓは固体状態、ｇはガス状態を表す。式（２）は、Ｃｕがガスプラズマ２０によりエッチングされ、前駆体２３とされた状態である。

ガスプラズマ２０を発生させることにより被エッチング部材１１を加熱し（例えば、３００℃〜７００℃）、更に、温度制御手段６により基板３の温度を被エッチング部材１１の温度よりも低い温度（例えば、１００℃〜３００℃）に設定する。この結果、前駆体２３は基板３に吸着(成膜)される。この時の反応は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ｇ）→ＣｕＣｌ（ａｄ） ・・・・（３）

基板３に吸着したＣｕＣｌは、塩素ラジカルＣｌ^*により還元されてＣｕ成分となることでＣｕ薄膜が作製される。この時の反応は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ^*→Ｃｕ（ｓ）＋Ｃｌ₂↑ ・・・・（４）

更に、上式（２）において発生したガス化したＣｕＣｌ（ｇ）の一部は、基板３に吸着する(上式（３）参照)前に、塩素ラジカルＣｌ^*により還元されてガス状態のＣｕとなる。この時の反応は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ｇ）＋Ｃｌ^*→Ｃｕ（ｇ）＋Ｃｌ₂↑ ・・・・（５）
この後、ガス状態のＣｕ成分は、基板３に成膜されてＣｕ薄膜が作製される。

Ｃｕ薄膜が作製された場合、膜中にＣｌが残留する。残留するＣｌを離脱させるには基板３を加熱することが効果的であるが、上述した薄膜作製装置では、基板３の温度を被エッチング部材１１の温度よりも低い温度に保って前駆体２３を基板３に吸着させている。このため、基板３を加熱することなく残留するＣｌを離脱させる必要がある。本実施形態例では、Ｃｕ薄膜が作製された後、以下の作用によって残留するＣｌを離脱させる。

Ｃｕの薄膜が形成されると（図２（a）の状態）、Ｃｌ₂ガス２１の供給を停止すると同時に、ガスノズル１８からＨｅガス２２を供給する。この時、プラズマを発生させたままとし、バイアス電源３１をオン状態にして基板３にバイアスを印加する。ガスノズル１８から供給されたＨｅガスはＨｅイオンとされ、Ｈｅイオンはバイアスが印加された基板３に引き込まれる（図２（b）の状態）。基板３にイオンが引き込まれることによりイオン衝撃が与えられ、基板３の温度を低く保ったまま基板３にエネルギーが与えられる。これにより、Ｃｕ薄膜中に残留するＣｌを離脱させることができる（図２（b）の状態）。

従って、均一にしかも高速にＣｕ薄膜が作製でき、後処理の工程を経ることなく残留するＣｌを離脱させ、Ｃｌの影響をなくして不純物層等が形成されることがない薄膜作製装置とすることが可能になる。

尚、上述した表面処理方法を適用する薄膜作製装置は、上述した実施形態例における薄膜作製装置に限定されるものではなく、場合によっては、スパッタ装置等の薄膜作製装置に適用することも可能である。

本発明は薄膜を作製する産業分野で利用することができる。

本発明の一実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面である。 薄膜表面の状況説明図である。

符号の説明

１ チャンバ
２ 支持台
３ 基板
４ ヒータ
５ 冷媒流通手段
６ 温度制御手段
７ 天井板
８ プラズマアンテナ
９ 整合器
１０ 電源
１１ 被エッチング部材
１２ 突起部
１３ リング部
１４ ノズル
１５ 流量制御器
１６ 排気口
１７ 真空装置
１８ ガスノズル
２０ ガスプラズマ
２１ 原料ガス
２２ Ｈｅガス
２３ 前駆体

Claims (6)

1. 基板が収容されるチャンバと、
   基板が対向する位置におけるチャンバに設けられる金属製の被エッチング部材と、
   チャンバの内部にハロゲンを含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
   チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成するプラズマ発生手段と、
   基板側の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることにより前駆体の金属成分を基板に成膜させる温度制御手段と、
   金属成分を成膜させた後にチャンバの内部に不活性ガスを供給するガス供給手段と、
   金属成分を成膜させた後に基板にバイアスを印加するバイアス印加手段と、
   チャンバの内部をプラズマ化して不活性ガスプラズマを発生させ、バイアス印加手段によりバイアスが印加された基板に不活性ガスイオンを引き込み、イオン衝撃により、前記成膜された膜の原料ガス成分の不純物を除去する処理表面清浄化手段と
   を備えたことを特徴とする薄膜作製装置。
2. 請求項１に記載の薄膜作製装置において、
   ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスである
   ことを特徴とする薄膜作製装置。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の薄膜作製装置において、
   ガス供給手段から供給される不活性ガスは、原料ガス供給手段で供給される原料ガスにおけるハロゲンを希釈する不活性ガスであることを特徴とする薄膜作製装置。
4. 基板と金属製の被エッチング部材が備えられたチャンバ内にハロゲンを含有する原料ガスを供給し、
   チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成し、
   基板側の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることにより前駆体の金属成分を基板に成膜させ、
   金属成分を成膜させた後にチャンバの内部に不活性ガスを供給すると共に基板にバイアスを印加し、
   チャンバの内部をプラズマ化して不活性ガスプラズマを発生させ、不活性ガスのイオンを基板に引き込んでイオン衝撃により、前記成膜された膜の不純物を除去する
   ことを特徴とする薄膜作製方法。
5. 請求項４に記載の薄膜作製方法において、
   ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスである
   ことを特徴とする薄膜作製方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の薄膜作製方法において、
   金属成分を成膜させた後に供給される不活性ガスは、原料ガスにおけるハロゲンを希釈する不活性ガスであることを特徴とする薄膜作製方法。

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