JPH0136693B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体集積回路などの電子デバイス
の製造にあたり試料基板上に各種材料の薄膜を形
成するための方法および付着装置に関するもので
あり、特にプラズマを利用して金属や金属化合物
の薄膜を低温で高品質に形成するためのプラズマ
付着方法および装置に関するものである。

従来、プラズマを利用した膜形成装置として
は、大きく分けて、スパツタ装置とプラズマ
CVD装置がある。前者は主として金属膜または
金属化合物膜などを対象とし、後者は主として
SiO₂、Si₃N₄、Siなどのシリコン系材料の薄膜形
成を対象としている。

原料供給法からみれば、前者は固体材料をター
ゲツトとして、イオンで衝撃し、固体表面から放
出されるスパツタ原子を膜形成すべき基板に付着
堆積させて膜形成する。後者は原料をガスの形で
供給し、例えばSiH₄やN₂またはO₂などのガスを
プラズマを利用して反応させ、Si₃N₄やSiO₂膜な
どを形成する。

従来の高周波放電プラズマを利用したプラズマ
CVD法では、試料基板を250℃〜400℃に加熱す
る必要があり、しかも形成されたSi₃N₄膜などの
膜質も緻密性などの点で不十分であつた。

これに対して、マイクロ波を用いて電子サイク
ロトロン共鳴条件によりプラズマを生成し、発散
磁界を用いて試料台上にプラズマを引出して適度
のエネルギーでイオン衝撃を引起すようにした
ECRプラズマ付着法は特願昭55−57877号（特開
昭56−155535号公報）に提案されているが、これ
によれば、基板加熱なしの低温で高温のCVD法
に敵する緻密かつ高品質のSi₃N₄などのシリコン
系の膜を形成することができる。

しかしながら、金属や金属化合物の膜形成の場
合には、シリコン系の場合のSiH₄などのような
適当なガスがなく、ガスの形で供給できるものは
弗化物、塩化物、臭化物のようなハロゲン化物に
限られている。これらハロゲン化物を供給するに
は加熱を必要とするうえ、プラズマによる分解が
困難であり、従つて良質の膜を得るのが困難であ
るという欠点があつた。

また、スパツタ法では、試料基板に入射する原
子について膜形成反応を促進させるためのイオン
化およびイオンエネルギの制御がなされておら
ず、低温で付着性のよい良質な膜が得られないと
いう欠点があつた。

本発明は以上の状況に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、スパツタ法の原料供給法の容易
さと、ECRプラズマ付着法の膜形成特性の特長
とを両立させ、かつ両者の欠点を解決して、金属
や金属化合物などの薄膜を低温で良質に形成する
ことのできるプラズマ付着方法を提供することに
ある。

本発明の他の目的は、スパツタ法の原料供給法
の容易さと、ECRプラズマ付着法の膜形成特性
の特長とを両立させ、かつ両者の欠点を解決し
て、金属や金属化合物などについて極めて広範囲
の材料の薄膜を低温で安定に、かつ良質に形成す
ることのできるプラズマ付着装置を提供すること
にある。

本発明の更に他の目的は、形成される膜の性質
を広範囲に制御できるプラズマ付着装置を提供す
ることにある。

本発明の更に他の目的は、付着の効率が高いプ
ラズマ付着装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、保守が容易であり、
膜形成の歩留りの向上したプラズマ付着装置を提
供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明プラズマ
付着方法では、真空容器内にガスを導入しマイク
ロ波による電子サイクロトロン共鳴放電を用いて
プラズマを発生させ真空容器内に形成された発散
磁界によつてプラズマの流れを試料基板上に導
き、そのプラズマの流れの一部のイオンでスパツ
タリング材料によるターゲツトをスパツタし、か
かるターゲツトからプラズマの流れに飛び出した
スパツタ原子をこのプラズマの流れに取り込んで
イオン化し、そのイオン化されたスパツタ原子を
プラズマの流れと共に試料基板まで輸送してこの
試料基板に入射させ、当該試料基板上にスパツタ
リング材料の薄膜を形成する。

本発明プラズマ付着装置は、ガスを導入しマイ
クロ波による電子サイクロトロン共鳴放電を用い
てプラズマを生成するように構成したプラズマ生
成室と、膜形成すべき試料基板を配置するための
試料台を有し、その試料基板上に薄膜を付着して
堆積させる試料室と、プラズマ生成室と試料室と
の間に配置され、プラズマ流を試料室に引出すた
めのプラズマ引出し窓と、プラズマ生成室から試
料室に向けて磁界強度が適当な勾配で弱くなる発
散磁界の磁界分布をもつ磁界発生手段と、スパツ
タリング材料により形成され、プラズマ引出し窓
と試料台との間に配置されたターゲツトとを具
え、プラズマ流の一部のイオンによりターゲツト
をスパツタし、スパツタ原子をプラズマ流に取り
込んで試料基板まで輸送してその試料基板に入射
させ、当該試料基板上にスパツタリング材料の薄
膜を形成するように構成する。

ここで、プラズマ生成室では、マイクロ波によ
る電子サイクロトロン共鳴放電によりプラズマを
生成するのが好適である。

また、本発明の好適例では、プラズマ生成室か
ら試料室に向けて磁界強度が適当な勾配で弱くな
る発散磁界の磁界分布をもつ磁気コイルを有す
る。

更にまた、本発明では、上述のターゲツトをプ
ラズマ引出し窓の近傍であつて、しかもプラズマ
流に近接または接触するように配置するのが好適
である。

ここで、ターゲツトのうち、プラズマ流に面し
ていない部分をシールド電極によつて覆うのが好
適である。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示し、ここに１は
プラズマ生成室、２は試料室である。３はマイク
ロ波導入窓であり、この実施例では石英ガラス板
で形成するものとする。矩形導波管４よりマイク
ロ波導入窓３を介してプラズマ生成室１へ導かれ
るマイクロ波のマイクロ波源（図示省略）として
は、例えば、周波数2.45GHzのマグネトロンを用
いることができる。

プラズマ生成室１において、マイクロ波導入窓
３と対向する他端にはプラズマ引出し窓５を設
け、この窓５を介して、生成されたプラズマから
プラズマ流５を引出して、試料基板７を載置した
試料台８上に導く。試料室２は排気系９に接続さ
れている。この排気系９は、例えば排気容量調整
バルブ、液体窒素トラツプ、排気能力2400／
secの油拡散ポンプおよび排気能力500／minの
油回転ポンプ（いずれも図示省略）により構成で
きる。

プラズマ生成室１は、マイクロ波の電界強度を
高め、マイクロ波放電の効率を高めるように、マ
イクロ波空胴共振器の条件にするのが好都合であ
る。そこで、かかる一例として、円形空胴共振モ
ードTE₁₁₂を採用し、プラズマ生成室１を内のり
寸法で、直径15cm、高さ15cmの円筒形状とした。
計算上では、かかる条件を満たすのは、直径15cm
に対して高さ約14cmとなるが、プラズマ生成後の
左回り円偏波の波長の変化を考慮して上述のよう
に高さ15cmを採用した。なお、サイクロトロン運
動電子と直接結合する右回り円偏波の波長はプラ
ズマ生成により十分波長が短くなり、プラズマ生
成後は厳密な高さ寸法の規定を必要としない。プ
ラズマ引出し窓５は一例として直径６cm程度の円
形窓とすることができる。

プラズマ生成室１の外周には磁気コイル１０を
周設し、これによつて発生する磁界の強度を、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件が
プラズマ生成室１の内部の少なくとも一部で成立
するように定めるものとする。周波数2.45GHzの
マイクロ波に対しては、この条件は磁束密度
875Gであるため、磁気コイル１０はこれ以上の
最大磁束密度を発生し得るように構成する。ま
た、磁気コイル１０によつて発生する磁界は、プ
ラズマ生成室１における電子サイクロトロン共鳴
に供するだけでなく、その磁界が試料室２にも及
ぶように構成してあり、試料室２内の磁界の強度
はプラズマ引出し窓５から試料台８に向けてさら
に適当な勾配で減少する発散磁界の形成にも供さ
れ、それによりプラズマ生成室１から試料台８へ
のプラズマ流６の引出しにも用いるものとする。

電子サイクロトロン共鳴により高エネルギー状
態となつた円運動電子の磁気モーメントと発散磁
界の磁界勾配との間の相互作用により、電子は試
料台８の方向に円運動をしつつ加速される。しか
し、試料台８の表面とプラズマ生成室１とは電気
的に絶縁して構成しているので、試料台８が負の
電位を発生し、プラズマ流中に電子を減速させ、
イオンを加速する電界を発生し、試料台８上に同
数の電子とイオンが到達するような条件が保たれ
る。すなわち、この発散磁界構成により、電子の
エネルギーがイオンの試料台８への入射エネルギ
ーに変換され、適度のイオン衝撃によつて効率の
よい付着と膜形成反応を生じる。この場合のイオ
ンエネルギーは５〜30eV程度であり、マイクロ
波パワーやガス圧などによつてその値を制御する
ことができる。

ガス導入系としては、プラズマ生成室１にAr、
N₂、O₂、H₂などのプラズマ生成用ガスを導く第
１ガス導入系１２と、試料室２にSiH₄などの原
料ガスを導入する第２ガス導入系１３との２系統
を有する。

また、プラズマ生成室１の壁部には給水口１４
から冷却水を流し、その冷却水を排水口１５から
排出することによりプラズマ生成室１を冷却す
る。また、同様にして、試料台８および磁気コイ
ル１０も冷却できるようになつている。

以上の構成は、上述した特願昭55−57877号に
開示されているプラズマ付着装置とほぼ同様の構
成とすることができる。

本発明では、さらに、試料室２において、プラ
ズマ引出し窓５に近接してプラズマ流６を取り囲
む形状でプラズマ流６に近接または接触するよう
に、Al、Mo、Nbなどのスパツタリング材料に
よるリング状のスパツタリング用ターゲツト１６
を配置する。ここで、ターゲツト１６はターゲツ
ト電極１７に取付け、ターゲツト１６のプラズマ
流６に面していない部分を接地電位のシールド電
極１８によつて間隙５〜10mmをもつて覆い、それ
により、ターゲツト１６のスパーク放電等の異常
放電あるいは不要なイオン入射を防止するように
するのが好適である。

スパツタリング用ターゲツト電極１７はさらに
スパツタ用電源１９に接続する。この電源１９
は、例えば、最大電圧1000V、最大電流1Aの容
量の直流電源とする。スパツタ用電源１９として
は高周波スパツタ装置と同様の考えで高周波電源
を用いることもできる。スパツタリング用ターゲ
ツト電極１７には水冷などにより冷却する機構も
設けてもよい。

スパツタリング用ターゲツト電極１７が負にな
るように電源１９を接続して、例えば、第１ガス
導入系１２からアルゴン（Ar）ガスを導入して
プラズマを生成した場合、第２図に示すように、
プラズマ流６中のアルゴンイオンAr⁺が、スパツ
タリング用ターゲツト１６の負電位によつて加速
されてターゲツト１６の表面に入射・衝撃し、ス
パツタリング用ターゲツト１６を構成する金属Ｍ
の原子がスパツタされてプラズマ流６中にび出
す。かかるプラズマ流６中でこのスパツタ原子は
イオン化されてM⁺となり、先に説明したように、
プラズマ流６中に発生している電界により、その
イオンM⁺は試料台８の方向に輸送され、適度の
エネルギーと方向性を与えられて試料基板７に入
射して付着し、堆積して金属Ｍの膜が形成され
る。

この場合、イオン化されたスパツタ原子の入射
エネルギーとプラズマ流中の他のイオンの衝撃は
膜形成反応の促進に重要な役割を果す。

スパツタリング用ターゲツト１６の表面は磁界
方向にほぼ平行の状態となつているため、スパツ
タリング用ターゲツト１６から放出される２次電
子は円運動しつつターゲツト表面近傍でドリフト
運動をしながら捕捉され、マグネトロン放電と同
様のメカニズムでスパツタリング効率を高めてい
る。それと共に、ターゲツト１６へのイオン衝撃
の安定化に役立つており、実験の結果、きわめて
安定な動作を実現できた。磁気コイル１０で発生
したこの部分の磁界強度は300〜400Gであつた
が、これは、マグネトロン形スパツタ装置のター
ゲツト表面部での磁界強度とほぼ同程度である。

次に、本発明プラズマ付着装置の特性の具体例
について述べる。第１ガス導入系１２にArガス
を導入してプラズマを生成する場合、プラズマ生
成室１のガス圧が１×10^-5Torr〜10^-2Torr以上
というきわめて広範囲のガス圧領域において安定
に放電を行うことができた。特に最適なガス圧領
域は、１×10^-4Torr〜１×10^-2Torrであつた。

スパツタリング用ターゲツト１６をAlで形成
し、マイクロ波パワーを100W、スパツタ用電源
１９の電圧を500Vとしたとき、ターゲツト１６
に400mAのイオン電流が流れた。このとき、ス
パツタリング用ターゲツト１６にアルゴンイオン
衝撃によるスパツタリング反応を生じてプラズマ
流全体が深い青色を呈し、Al原子が均一にスパ
ツタされる状態が観察された。

第３図はガス圧５×10^-4Torr〜５×10^-3Torr
でのスパツタ用電源電力とAlの付着速度との関
係を示すもので、上述の条件では付着速度約200
Å／minとなつた。ここで、マイクロ波パワーの
増加により、イオン電流（スパツタ用電源電流）
および付着速度を容易に増加することができるこ
とがわかる。

本発明によれば、第２図に示したように、スパ
ツタされたＭ原子がプラズマ流６中でイオン化さ
れてM⁺となり、プラズマ流６と一体となつて試
料台８上に輸送されて薄膜を形成するので、プラ
ズマ流６が試料台８を照射する領域、この例では
15cmφの領域に、に限定されて膜が形成され、従
つて効率のよい膜形成が可能である。また、この
領域では均一性のよい膜形成が可能であり、中央
10cmφの領域では±５％以下の均一性が得られ
た。

更にまた、付着するイオンおよびプラズマ流中
の他のイオンがすでに述べたように程度のエネル
ギを持つているから、付着性よく良質な膜形成が
可能である。常温でAl膜を形成したにも拘らず、
きわめて付着性よく1μｍの厚さの膜を鏡面状態
で形成することができた。また、テフロンのよう
な付着性のきわめて低い材料を基板として用いて
も、その上にきわめて付着性がよく膜を形成する
ことができた。

第１ガス導入系１２からArとO₂の混合ガス
（もしくはO₂ガスのみ）を導入し、あるいは第１
ガス導入系１２からArおよび第２ガス導入系１
３からO₂を導入してスパツタリング用ターゲツ
トAlと組合せることによつて、Al₂O₃膜を低温で
緻密かつ高品質に形成することができる。また、
O₂の代わりにN₂を導入することにより、AlN膜、
さらにスパツタリング用ターゲツト１６の材料と
して、Mo、Ｗ、Ta、Nbなど各種の金属、その
他の材料を用いることによつてこれらの材料の
膜、さらにはそれらの酸化膜あるいは窒化膜を形
成することができる。また、例えば、第２ガス導
入系１３からSiH₄ガスを導入することによつて
Siと金属の合金やMoSi₂、WSi₂などのシリサイ
ド膜を形成することができる。すなわち、本発明
では、第１ガス導入系１２および第２ガス導入系
１３からの導入ガスの選択、スパツタリング用タ
ーゲツト材質の選択およびこれらの組合せによつ
て、金属膜、化合物膜、合金膜などきわめて広範
囲の材料の薄膜を低温できわめて高品質に形成で
きる。

なお、ターゲツト１６の形状は、任意に定める
ことができるが、プラズマ流６に面する表面がプ
ラズマ流６に対して平行であることが好適であ
る。

ターゲツト１６の形状および構造については、
上例に示したように純金属材料をリング状に加工
したものの他に、リング状の基体の内周面上にタ
ーゲツト材料を付着させた構造、薄板状のターゲ
ツト材料をリング状に配置した構造、塊状のター
ゲツト材料など、用途に応じて種々の大きさおよ
び形状とすればよいことは当然である。

上述した実施例においては、ターゲツト電極と
シールド電極はリング状に形成されているが、必
ずしもリング状に形成する必要はなく、プラズマ
流６に面して１個所または複数個所に分割して設
けてもよい。

次に、ターゲツト電極およびシールド電極の取
付け部分の具体例を第４図に示す。第４図におい
て、第１図と同様の個所には同一符号を付すこと
にする。ここで、プラズマ生成室１は例えば内径
150mmφ、高さ150mmとする。プラズマ引出し窓５
はその直径を例えば50mmφ、60mmφ、70mmφに可
変できるものとする。１Ａはプラズマ生成室の側
壁、２Ａは試料室２の上部本体板であり、この本
体部２Ａには、プラズマ生成室１の窓径より大き
い内径を有する穴あき円板２１を、プラズマ流６
の通過する中心開口をもつリング状の金属スペー
サ２２および２３を介してボルト２４により固着
する。リング２３は段付きとなし、その段部に
は、プラズマ流６の通過する中心開口をもつリン
グ状の板２５を介挿してリング２２と２３とによ
り挾持させる。この板２５にはボルト２６により
リング状の上部シールド電極１８Ａを固着する。
上部シールド電極１８Ａはプラズマ流６の外縁に
ほぼ接するように内側に張り出したリング状のひ
さし部を有する。そのひさし部の内側には、プラ
ズマ流６の通過する中心開口をもつ内側には、プ
ラズマ流６の通過する中心開口をもつ絶縁物とし
てのマコール（商品名）によるリング状スペーサ
２７を介してターゲツト電極１７の上部を上部シ
ールド電極１８Ａに、これとは電気的に絶縁した
状態で、ボルト２８により固着する。更に、上部
シールド電極１８Ａの側壁には貫通孔２９をあ
け、この孔２９を介して電流端子３０をターゲツ
ト電極１７に取り付け、スパツタ用電源１９から
ターゲツト１６に給電する。ターゲツト電極１７
はリング状の上部ターゲツト電極１７Ａとリング
状の下部ターゲツト電極１７Ｂとから成り、両者
は図示のように螺着され、それにより形成される
空所に例えば外径130mmφ、高さ30mmのターゲツ
ト１６を収容することができる。上部シールド電
極１８Ａの下端部にはひさし部をもつリング状の
下部シールド電極１８Ｂを螺着するものとする。
このようにして、ターゲツト１６の装置あるいは
交換時には、下部シールド電極１８Ｂおよび下部
ターゲツト電極１７Ｂを取り外してから、リング
状のターゲツト１６をターゲツト電極１７Ａと１
７Ｂとの間に収容し、次いでこれら下部電極１７
Ｂおよび１８Ｂを各対応する上部電極１７Ａおよ
び１８Ａにそれぞれ螺着する。なお、シールド電
極１８Ａおよび１８Ｂには、図示のようなひさし
部を設けず、点線で示すような形状としてもよい
こと勿論である。

このような電極構造の下方、例えば下部シール
ド電極１８Ｂから10mm下方には、例えば直径125
mmφのシヤツタ３１を配置して、プラズマ流６の
通過または遮断を制御する。

試料台８は例えば水冷の構造となし、この試料
台８をマコールによるスペーサ３２を介して腕３
３に固着する。この腕３３は試料室２の側壁に固
着する。更に試料台８の下方にはシールド板３４
を配置し、このシールド板３４もまた腕３３に固
着する。

以上説明したように、本発明によれば、固体材
料を薄膜形成用原料としてスパツタリングにより
その原子を放出させ、そのスパツタ原子をプラズ
マ流によつてイオン化し、かつ運動エネルギを付
与して膜形成するようにしたので、種々のガスを
導入することと組合せることにより、きわめて広
範囲の材料の膜を低温で高品質に形成できる。ま
た、本発明では、従来のスパツタ装置とは異な
り、プラズマ生成をマイクロ波による電子サイク
ロトロン共鳴を用いてスパツタリングとは独立に
行うことによつて、10^-5Torr〜10^-2Torr以上と
きわめて広範囲のガス圧で安定にスパツタリング
反応を生じさせることができる。更にまた、本発
明によれば、スパツタ原子に付与する運動エネル
ギをマイクロ波パワーで可変でき、各種の導入ガ
スのガス圧を広範囲に定めることができ、しかも
２つの導入系からのガスの分圧を適当に定めるこ
ともでき、従つて、形成される膜の性質を広範囲
に制御できる。しかもまた、イオン化された付着
原子および分子がプラズマ流により試料基板上に
運ばれるので、付着の効率が高まるだけでなく、
試料室の他の部分への不必要な膜形成を生じない
ので、保守の容易さおよび歩留りの向上にも役立
つという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は
本発明によるプラズマ付着の原理の説明図、第３
図は本発明の特性例として、スパツタ用電源電力
とAlの付着速度との関係の実験結果を示す特性
曲線図、第４図は本発明におけるターゲツト電極
およびシール電極の構造の具体例を示す断面図で
ある。 １…プラズマ生成室、１Ａ…側壁、２…試料
室、２Ａ…上部本体板、３…マイクロ波導入窓、
４…矩形導波管、５…プラズマ引出し窓、６…プ
ラズマ流、７…試料基板、８…試料台、９…排気
系、１０…磁気コイル、１１…磁気シールド、１
２…第１ガス導入系、１３…第２ガス導入系、１
４…冷却水の給水口、１５…排水口、１６…スパ
ツタリング用ターゲツト、１７…ターゲツト電
極、１７Ａ…上部ターゲツト電極、１７Ｂ…下部
ターゲツト電極、１８…シールド電極、１８Ａ…
上部シールド電極、１８Ｂ…下部シールド電極、
１９…スパツタ用電源、２１…穴あき円板、２
２，２３…リング状スペーサ、２４，２６，２８
…ボルト、２５…リング状板、２７…リング状ス
ペーサ、２９…貫通孔、３０…電流端子、３１…
シヤツタ、３２…スペーサ、３３…腕、３４…シ
ールド板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空容器内にガスを導入しマイクロ波による
   電子サイクロトロン共鳴放電を用いてプラズマを
   発生させる工程と、 前記真空容器内に形成された発散磁界によつて
   プラズマの流れを試料基板上に導く工程と、 前記プラズマの流れの一部のイオンで、スパツ
   タリング材料によるターゲツトをスパツタする工
   程と、 前記ターゲツトから前記プラズマの流れに飛び
   出したスパツタ原子を前記プラズマの流れに取り
   込んでイオン化する工程と、 そのイオン化されたスパツタ原子を前記プラズ
   マの流れと共に試料基板まで輸送して前記試料基
   板に入射させ、当該試料基板上に前記スパツタリ
   ング材料の薄膜を形成する工程とを具えたことを
   特徴とするプラズマ付着方法。 ２ ガスを導入しマイクロ波による電子サイクロ
   トロン共鳴放電を用いてプラズマを生成するよう
   に構成したプラズマ生成室と、 膜形成すべき試料基板を配置するための試料台
   を有し、前記試料基板上に薄膜を付着して堆積さ
   せる試料室と、 前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置
   され、プラズマ流を前記試料室に引出すためのプ
   ラズマ引出し窓と、 前記プラズマ生成室から前記試料室に向けて磁
   界強度が適当な勾配で弱くなる発散磁界の磁界分
   布をもつ磁界発生手段と、 スパツタリング材料で形成され、前記プラズマ
   引出し窓と前記試料台との間に配置されたターゲ
   ツトとを具え、前記プラズマ流の一部のイオンに
   より前記ターゲツトをスパツタし、スパツタ原子
   を前記プラズマ流に取り込んで前記試料基板まで
   輸送して前記試料基板に入射させ、当該試料基板
   上に前記スパツタリング材料の薄膜を形成するよ
   うにしたことを特徴とするプラズマ付着装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のプラズマ付着装
   置において、前記ターゲツトを前記プラズマ引出
   し窓の近傍であつて、しかも前記プラズマ流に近
   接または接触するように配設したことを特徴とす
   るプラズマ付着装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のプラズマ付着装
   置において、前記ターゲツトのうち前記プラズマ
   流に面していない部分をシールド電極によつて覆
   つたことを特徴とするプラズマ付着装置。