JPH02175864A

JPH02175864A - 薄膜形成装置およびこれを用いた薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH02175864A
Application number: JP33070788A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sekine; 誠関根; Haruo Okano; 晴雄岡野; Shohei Shima; 島　昇平
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1990-07-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業との利用分野）本発明は、薄膜形成装置およびこれを用いた薄Ｗｉ！堆
積方法に係り、特に、気相成長法によりＴＩ！質が良好
で均一な薄膜の形成に関する。

（従来の技！ｉ）、通常、アルミニウム、タングステン等の金属膜、チタ
ンナイトライド、モリブデンシリサイド等の合金映、酸
化シリコン、アルミナ等の絶ＲＷＡを形成する手段とし
ては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などが用いられて
いた。

蒸着法は、堆積材料を真空中で高温に加熱して蒸気を生
成せしめ、これをウェハ表面に吸着させ堆Ｖ４ＷＡを形
成する方法であり、堆積材料を加熱する方法は単純なヒ
ータ加熱から電子ビームやレーザビームの照射エネルギ
ーによる加熱に至るまで種々な手段がある。

この方法は、蒸気を自然にウェハに吸着させるため、つ
Ｉハへのダメージがなく、また比較的不純物の少ない薄
膜形成が可能である。しかし、平面上で均一に蒸気を供
給する蒸発源はなく、均一性を上げるために多くのウェ
ハをチャックしだ円板を回転させる程度の手段しかとる
ことができない。このため、例えば第１１図（ａ）に堆
積形状を示すように、凹型の渦を有する平面上に薄膜を
形成するような場合、基板表面１０５のｊｌｌ積膜厚に
対し溝の底部１０８でのＨ１積膜厚が極端に薄く、また
、側面下部１０９にはほとんど堆積膜が形成されず、配
線層の形成に使用した場合ＦＪｉ線の原因になりやすい
。これは堆積粒子があらゆる方向から飛んで来るため溝
側面の上部１１０に厚く成長し、その影となって溝下部
への堆ｙａｍの進入が抑制されるためである。加えてこ
の方法では、当然＾融点材料は使いにくい上、堆ｖ４膜
の膜質はイオン衝撃を受けていないためあまり緻密では
ない。

一方、スパッタ法においては、アルゴン等のプラズマを
生成し、その中のイオンでスパッタするため堆積膜中に
不純物が混入されやすいという問題がある。また、堆積
形状についても、第１１図（ａ）に示した蒸着法の場合
と同様になる。

また、ＣＶＤ法には、熱分解で堆ｖ４種を形成する熱Ｃ
ＶＤ法と気相中でプラズマを生成しガスプラズマを堆積
種とするプラズマＣＶＤ法とがある。

このうち、熱ＣＶＤ法は、熱分解で堆積種を形成し、表
面反応により膜を成長せしめる方法であり、比較的良質
の膜が形成され、堆積形状も第１１図（ｂ）に示すよう
に、基板表面１０５、溝の底部１０８、側面１１１にお
ける膜厚の差が少なく良好であるが微［１ｒＩ４１１２
ではやはり溝中央において“す”１１３を発生する等の
問題があった。一方、プラズマＣＶＤ法は、気相反応が
主であるため、雪が降積もるように堆積し、ｍｓ形状は
第１１図（ａ）に示したものと同様になる。従って、当
然溝を埋め込むことは不可能である。また熱ＣＶＤ法に
おいてもプラズマＣＶＤ法においても、材料ガスを分解
してその一部を堆ｆ１種として利用するため、不純物の
混入は避けることができない。

このような微妙な差がＷ１質に大きく影響し、この堆積
膜を配線などに薄膜を使用した場合、抵抗値が高くなっ
たり、長期間の信頼性に問題を生じたりすることがある
。

（発明が解決しようとする課題）このように、気相成長法による薄膜形成に際しては、均
質で不純物の少ない薄膜形成を行うことは不可能であり
、例えば金属膜の場合には、所望。

の抵抗値を得ることができなかったり、抵抗膜の場合に
は、絶縁抵抗の低下や絶縁破壊の原因となったりするな
ど、信頼性の面で問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高純度で
均質な堆積膜を形成することを目的とする。

（発明の構成）（Ｒ題を解決するための手段）そこで本発明の第１では、堆積材料の原子、分子あるい
はクラスタ等の粒子群を形成し、これら粒子群を帯電さ
せて加速し、被堆積基板上に垂直に導き堆積させるよう
にしている。

また、本発明の第２では、堆ｖ４材料で構成されたター
ゲット板をスパッタし、スパッタされた堆積種を被堆積
基板上に堆積させるスパッタ法において、該ターゲット
板に照射する粒子をターゲット板構成物質、すなわち堆
積材料原子のイオンあるいは原子、分子のビームとする
ようにしている。

（作用）本発明の第１の方法によれば、粒子群を帯電させて加速
し、被堆積基板上に垂直に導き堆積させるようにしてい
るため、方向性の高い堆積が可能となり、微細な溝の中
までも堆積種が輸送され高純度で均一な薄膜形成が可能
となる。

また、本発明の第２の方法では、ターゲット板に照射す
る粒子をターゲット板構成物質、すなわち堆積材１１１
原子のイオンあるいは原子、分子のビームとするように
しているため、１ｌｌＩｉ形成系内における堆積物質以
外のガスや不純物の混入を大幅に低減することができ、
高純度の薄膜形成が可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図は、本発明実施例の薄膜形成方法に使用する堆ｖ
４装置を示す図である。

この堆積装置は、真空容器１の上端内壁の第１の電極２
上に取り付けられたターゲット板３と、該ターゲット板
３に対向配置され基板支持台を兼ねる第２の電極４とを
配設し、高周波電源５の発゛生ずる電力をマツチング回
路６を介してターゲット板３と第２の電［１４との間に
印加し、真空容器１の外側面に配設されたソレノイドコ
イル７によって形成された磁場によりターゲットからの
スパッタリング粒子を第２の電極４との彼処ｉ！１ｍ板
８上に垂直に導くようにしたことを特徴とするものであ
る。

さらに、第２の電極４の内部にはヒータが組込まれ基板
加熱を行なえる。また、配管９を介して液体１０を通し
、基板湿度を制御することも可能なように構成されてい
る。

また、真空容器内壁は、第１の電極２の近傍に配設され
た絶縁物１１を介して下部との間を絶縁分離するように
構成されている。１２は反応ガス導入用の供給系、１３
は排気系である。

さらに、ターゲット板３の裏には磁石１４が配設され、
磁界１５による、ＥＸＢの作用によりプラズマ中の電子
がドリフト運動しイオン化効率を几め、比較的低圧力の
条件下においても高密度のプラズマを発生させることが
できるように構成されている。

また、真空容器内への被処理基板の出し入れはロードロ
ックｉｎ（図示せず）および搬送機構（図示せず）によ
ってなされる。

次に、この装置を使用し、実際に堆積膜を形成する方法
について説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、表面に形成されたパ
ターン４０によって表面が凹凸をなすシリコン基板３９
を被処ｌ！Ｉ！基板とし、これををＯ−ドロックａ４Ｉ
ｌおよび搬送機構を用いて真空容器１の第２の電極４上
に搬送し、静電チャック（図示せず）によって固定し゛
、所望の温度となるように制御する。

そして、排気系１３により真空容器１内を真空排気した
のち、供給系１２からアルゴンガスを供給し、ターゲッ
ト板３（第１の電極２）と第２の電極４との間に高周波
電力を印加する。これによリ、アルゴンのプラズマが形
成され、ターゲット板３の表−面には陰極降下電圧と呼
ばれるＤＣｆｆｉ圧（Ｖｄｃ）が発生し、アルゴンイオ
ンがターゲット・板３表面に照射されスパッタリング作
用によりターゲット板材料がプラズマ中に放出される。

このとき、ターゲット板３の裏に配設された磁石１４に
よって形成される磁界１５による、ＥＸＢの作用により
プラズマ中の電子がドリフト運動しイオン化効率が高め
られる。これにより、０．１ｎＴｏｒｒ程度の比較的低
い圧力条件下においても高密度のプラズマを発生させる
ことができる。このため、堆積速度を高めることができ
る上、低圧力下では粒子の平均自由工程が長くなり、堆
積種を輸送する時の方向性を高めるのに好都合となる。

このようにして、プラズマ中に［［が放出されるとまず
、プラズマで帯電し、荷電粒子となる。

この荷電粒子は拡散し、プラズマ中の電位勾配に従って
移動していくが、ソレノイドコイル７によって形成され
たｗ１＠により、第２の電極４との彼処３！！！基板８
上に垂直に進むようになり、さらに彼処３！！！基板に
印加された高周波電力により発生するバイアス電圧によ
って加速され、−段と方向性が増すことになる。このよ
うにして荷電粒子として彼処３！Ｉ！基板上に垂直方向
から導かれた堆積１ａ４２は、第２図（ｂ）に示すよう
に被処理基板３９表面の溝の底部にも効率よく導かれ、
表面の凹凸を良好に反映した堆積がなされていく。

このようにして第２図（Ｃ）に示すように溝を埋め込ん
だ後、第２図（ｄ）に示すように、基板表面全体にレジ
ストを塗布し、表面の平坦化をおこなう。

この後、第２図（ｅ）に示すように、反応性イオンエツ
チングによりエッチバックし、溝を完全に埋め込むこと
ができる。

このようにして微細な溝内にも膜質の良好な埋め込み層
を形成することが可能となる。

なおこの例では、継続的にアルゴンイオンによってター
ゲット材料をスパッタリングするようにしたが、最初、
被堆積基板をシャッタで覆うなどの方法で、保護してお
き、アルゴンイオンによってターゲット材料を最初のみ
スパッタリングし、アルミニウム粒子の放出が始まると
、アルゴンガスの供給を停止し、プラズマ中で帯電した
アルミニウム粒子自身によるターゲットのスパッタリン
グを続行せしめ、容器内にアルゴンが存在せず、アルミ
ニウムのみになったとき、シャッタを外し、被堆ｖ４基
板を露呈せしめ、アルミニウム薄膜の堆積を開始するよ
うにしても良い。このようにすれば、ターゲット材料を
スパッタリングするイオンもアルミニウムイオンである
ため、　ｊ［ｌＷｊ！への不純物の混入を防止し純粋な
１膜形成が可能となる。

このように、ターゲット材料と同一材料をスパッタリン
グに用い、ターゲット材料以外の粒子の混入を防止する
ことにより、高純度の薄膜を形成することができ、さら
にＷｊ！質の向上をはかることができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

この装置は、第３図に示すように、真空容器１内を、荷
電粒子生成部２００と、生成された荷電粒子を加速し側
部外壁に配設されたソレノイド７により飛翔方向を制御
しつつ輸送して被処理基板表面まで垂直に導きＭｌｌａ
せしめる堆積部３００とに分割してなることを特徴とす
るもので、なおこれらの境界には、第１および第２のメ
ツシュ電極２１．２２が配設され荷電粒子生成部２００
で生成された荷電粒子はここで所定のエネルギーまで加
速され、ｊｎｎ郡部３００被堆ＩＩ板８上に向かって照
射されるように構成されている。

そして荷電粒子生成部２００には、堆積種を形成するト
リメチルアルミ等のガスを導入するための供給系１２と
、堆積種を帯電せしめるための電子を放出せしめる熱フ
ィラメント２０１とが配設されている。

また、側部外壁にソレノイド７が配設された堆積部３０
０には、被堆積基板８の載置台をかねた電極１８が配設
され、電源１９からの電圧印加により基板バイアスをか
けることができるようになっている。１３は排気系であ
る。

この装置の場合、ｔｎ積種の飛翔方向の角度分布θは、
荷電粒子生成部２００と被堆積基板上との距離ｄに依存
し、この距離が長いほど垂直な粒子の割合が増加し、方
向性の制御が容易となる。

このようにして、より高［１１１で信頼性の高い薄膜形
成が可能となる。

さらに、本発明の第３の実施例として、第４図に示すよ
うに高密度の電子ビームをターゲット板３に照射し、電
子ビーム蒸着と同様の手法により堆積種の蒸気６０を生
成し、これを、被堆積基板８側に配設した高周波電源５
からの高周波電力の印加により発生したバイアス電位に
より被ＨＩ梢基板８に対して垂直な方向にこの蒸気６０
を引き込むような形で堆積膜を形成する装置がある。

この装置は、堆積部は第１図に示した前記第１の実施例
と同様である（同一部位には同一符号を付した）が、ｊ
ｌｌｌｉ！ｌの生成部が、電子ビーム発生部５３から入
射する電子ビーム６１がターゲット板１３に衝突し、堆
積種の粒子６０を生成せしめるようにしたものである。

また、第４の実施例として、第５図に示すように、イオ
ン源７０で生成した堆積種の荷電粒子を堆積部の被堆積
基板８まで輸送する間に、エネルギーフィルタ８０を通
すことにより、堆積すべき堆積種８１以外の不１１ｉ１
物８２を除去して、被堆積基板上に垂直に導き、膜質が
良好で均一な薄膜形成を行うことができるようにしたも
のも有効である。

この装置では原料ガスをプラズマ分解し堆積種を形成す
るような方法では、不純物の混入が避けられなかったが
この８１１２を用（＼ることにより、不純物の混入を防
止することが可能である。

なお、本発明は前記実施例に限定されることなく、原料
ガスを熱分解し、その後帯電させる方法など、堆積種の
生成については適宜変形可能である。

さらにまた、不純物の混入を防止し、高開度の薄膜形成
をおこなうスパッタリング装置を、第５の実施例として
、説明する。

このスパッタリング装置は、第６図に示すように、不純
物の混入を防ぐために、ターゲット板をスパッタする粒
子線をターゲット板と同一元素で構成するようにしたこ
とを特徴とするもので、アルミニウムからなるターゲッ
ト板３の裏面側に配゛設されたヒータ２８によってター
ゲット板３を加熱することにより、堆積材料であるアル
ミニウムの蒸気を生成し、これを第１の電極への高周波
電力の印加により放電せしめ蒸気プラズマを形成し、こ
れをイオン化してターゲット板をたたくようにしたもの
で、真空容器１の上端内壁の第１の電極２上に取り付け
られたターゲット板３と、該ターゲット板３に対向配置
され基板支持台を旅ねる第２の電極４とを配設し、高周
波電源５の発生する電力をマツチング回路６を介してタ
ーゲット板３に印加すると共に、第２の電極４には直流
電源２５が配設され、被堆積基板８を負電位にバイアス
するように構成されている。

そして真空容器１の上部は、接地電位に保持されたシー
ルドボックス２６で１われ、第１の電極２が露呈するの
を防止して（〜る。

また、ターゲット板３の裏面側には磁石１４が配設８れ
、比較的低真空下でもプラズマの形成がなされるように
なっている。

さらに、排気系１２ｓは層高真空を形成すべくクライオ
ポンプとターボ分子ポンプの組み合わせから構成されて
いる。そして、この排気系１２ｓに接続される排気口１
３ａや真空容器内壁等、直接プラズマに晒される部分は
堆積材料と同一材料で形成するか、表面を同一材料で覆
うようにすると不純物の混入は防止される。

このスパッタリング装置を用いた薄膜形成工程について
説明する。

まず、被堆積基板上せず）を用いて真空容器１内の第２の電極４上に設置す
る。

ついで、排気系１２ｓにより、特に残留水分を少なくす
べく、真空容器内を高真空に排気する。

その後、ターゲット板３の妻側に設置したヒータ２８に
より、ターゲット板３を加熱し、アルミニウムの蒸気を
発生させる。なお、ここではヒータを使用する代わりに
ターゲット板自体に通電加熱し蒸気を発生させるように
してもよい。

そして、第１の電極２に高周波電力を印加して放電を起
し、該蒸気のプラズマ２９を形成する。

なお、ここでは、ターゲット板３の裏面から磁石３によ
り磁界が供給されており、これにより比較的低い圧力に
おいてもプラズマを形成することが可能となる。

このようにしてプラズマが形成されると、堆積材料の蒸
気のうち一部はイオン化し、一部は励起状態の原子や分
子となる。ここで、ターゲット板には高周波電力が印加
されているため、ターゲット板表面にはプラズマシース
３０が形成され、ターゲット板とプラズマとの間に陰極
降下電圧が発生する。そしてこの電界により、プラスの
イオンとなった堆積種がターゲット板の方向に加速され
、ターゲット板をスパッタし、ターゲット板から堆Ｖｊ
４４Ｉをたたきだすことにより、気相への堆積種の供給
を行い、プラズマを維持すると共に被堆積基板上へのＳ
膜の堆積を継続して行う。ここで堆積されるのは、スパ
ッタされて気相へ飛び出した堆ｖ４種あるいはプラズマ
中で生成された活性な堆積種の分子または原子である。

このようにして、不純物の混入のない極めて膜質の良好
なアルミニウム１ｌｌｌ！の形成が可能となる。

なお、上記実施例４では、ヒータ２８によってターゲッ
ト板の加熱を行っていたが、第５の実施例として第７図
に示すように、真空容器１の外部にレーザＨ［３１を配
設し、レーザビーム３２によってターゲット材料３を加
熱し、蒸気を発生せしめるようにしても良い。

他部については第５図に示した第４の実施例と全く同様
である。

この装置では、蒸気を発生させたいターゲット板を直接
加熱でることができ、しかも容器外部からの加熱である
ため、加熱されたヒータからのわずかな不純物の混入も
なく、不純物の混入をさらに厳燻に防止することができ
る。

さらにまた、ターゲット板３の加熱方法としては、真空
容器（図示せず）内に配設した電子銃３３から第８図に
示すように、ターゲット板３に電子ビーム３４を照射す
る方法もある。この方法でも、電子銃からのガス放出を
抑制するようにすれば有効である。

これら第４乃至第６の実施例の他、高周波誘導加熱法、
電磁誘導加熱法等も有効であるが、これらの場合、−度
放電が開始されれば、プラズマからのイオン衝撃により
ターゲット板がスパッタされて気相中へ堆積材料粒子が
飛び出していくため、原則として加熱を続行する必要は
ない。しかし、プラズマ密度が徐々に低下するなど、ス
パッタだけではプラズマを維持することができないよう
な場合には、プラズマ発生後も引き続き加熱を行うよう
にすると良い。

また、第７の実施例として、イオンビームによってター
ゲット材料をたたきだす＠置構成を第９図を参照しつつ
説明する。

このｆ！置では、イオン銃３５から発生せしめられたタ
ーゲット材料原子のイオンビーム３６をマスフィルタ３
７を介してターゲット板３にシャワー状に照射し、ター
ゲット板３をスパッタするようにしている。

なお、堆偵薄躾の均一性の向とのために回転手段３８を
用いて被ｊｆｆｆＪ基板８を回転するようにしても良い
。

また、マスフィルタの使用により、高純度のイオンビー
ムを得ることができ、さらに均一性が向上する。

ここで、イオンビームに代えて、中性の原子あるいは分
子線を用いるようにしても良いことは言うまでもない。

さらに第８の実施例として、第１０図に示すようにフォ
トンのエネルギーの高い紫外光３９を（数ｅ■〜数百ｅ
■のエネルギーを持つフォトンを）ターグツｉ・板３に
照ｔ１４′する方法も有効である。

この方法では、ターゲット内の原子の結合が励起され、
結合が切られ、表面の原子が気相中に脱離するのを利用
し、この原子を被堆積基板上に導くようにして薄膜の形
成がなされる。

この場合、ターゲット板から放出され被ｍａｎ板８上に
むかう原子に電子銃３３から電子ビーム３４を照射し、
イオン化すると共に被堆積基板８に直流電源２５からバ
イアス電圧を印加し緻密な薄膜形成を可能にすることも
できる。

なお、前記実施例では、アルミニウム薄膜の形成につい
て説明したが、アルミニウム薄膜のみならず、タングス
テン、モリブデンなどの高融点薄膜、あるいは合金膜、
酸化シリコン膜等の絶縁膜など種々の薄膜形成に適用可
能である。

加えて、薄膜形成装置の＃ｉｌ造および材質は、実施例
に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲内で、適宜変形可能である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の第１によれば、粒子
群を帯電させて加速し、被堆積基板上に垂直に導き堆積
させるようにしているため、方向性の高い堆積が可能と
なり、高純度で均一な薄膜形成が可能となる。

また、本発明の第２では、ターゲット板に照射する粒子
をターゲット板構成物質のビームとするようにしている
ため、１ｌｌｌｉ形成系内における堆積物質以外のガス
や不純物の混入を大幅に低減することができ、高純度の
薄膜形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の薄膜形成方法に用いる気
相成長装置を示す図、第２図（ａ）乃至第２図（ｅ）は
、上記＠置を用いたＡＪ膜形成工程を示す図、第３図乃
至第１０図は、本発明の他の実施例を示す図、第１１図
（ａ）および第１１図（ｂ）は従来の方法で形成した薄
膜の断面形状を示す図である。１・・・真空容器、２・・・第１の電極、３・・・ター
ゲット板、４・・・第２の電極、５・・・８周波電源、
６・・・マツチング回路、７・・・ソレノイドコイル、
８・・・被処理基板、１１・・・絶縁性材料、１２・・
・供給系、１３・・・排気系、１３８・・・超高真空排
気系、１３ａ・・・排気口、１４・・・磁石、１５・・
・磁界、１８・・・電極、１９・・・電源、２５・・・
直流電源、２００・・・荷電粒子主成部堆積部、２０１
・・・熱フィラメント、３００・・・堆４ｉ！１部。（ｂ）第２図（−！の１）第３図＜ｅ）第２図（ｆの２）第５図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）容器内の所定の領域に堆積材料の原子、分子ある
いはクラスタ等の粒子群を供給する供給手段と、該領域内でこれら粒子群を帯電させる帯電手段と、帯電せしめられた粒子群を被堆積基板上に垂直に導き堆積させる輸送手段とを具備したことを特徴
とする薄膜形成装置。
（２）前記輸送手段は、前記領域と被堆積基板との間に
、前記帯電粒子群の飛翔方向が被堆積基板に垂直となる
ような電界を発生させる電界発生手段であることを特徴
とする請求項（１）記載の薄膜形成装置。
（３）前記輸送手段は、前記領域と被堆積基板との間に
、前記帯電粒子群の飛翔方向が被堆積基板に垂直となる
ような磁界成分を与える磁性手段であることを特徴とす
る請求項（１）記載の薄膜形成装置。
（４）粒子線を生起せしめる粒子線生成工程と、前記粒
子線を、堆積材料で構成されたターゲット板に照射し、スパッタリングによつて、堆積種を
被堆積基板上に堆積させる堆積工程とからなるスパッタ
法において、前記粒子線はターゲット板と同一元素で構成されていることを特徴とする薄膜形成方法。
（５）前記粒子線生成工程は、蒸発源からターゲット板と同一材料からなる堆積材料の蒸気を生成せしめる蒸気生成工程と、ター
ゲット板と被堆積基板との間でこの蒸気をプラズマ化するプラズマ化工程を含むことを特徴と
する請求項（４）記載の薄膜形成方法。
（６）前記粒子線生成工程は、蒸発源からターゲット板と同一材料からなる堆積材料の蒸気を生成せしめる初期生成工程と、ター
ゲット板と被堆積基板との間でこの蒸気をプラズマ化する初期プラズマ化工程と、前記初期生
成工程を停止し、前記初期生成工程で生成せしめられた蒸気をプラズマ化して生成せし
められた粒子線でターゲット板をスパッタして生成され
た粒子の一部をターゲット板と被堆積基板との間でプラ
ズマ化せしむべく供給する主生成工程とを含むことを特
徴とする請求項（４）記載の薄膜形成方法。
（７）前記粒子線生成工程は、イオン銃から堆積材料のイオンを生成する工程を含むことを特徴とする請求項（４）記載の薄膜
形成方法。
（８）前記粒子線生成工程は、堆積材料の原子あるいは分子ビームを生成する工程を含むことを特徴とする請求項（４）記載の
薄膜形成方法。