JPH04236767A - 薄膜形成装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属、半導体、半金
属、又はこれらの酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、弗
化物、硫化物、水素化物、珪化物等の化合物を基体の主
面上に形成する薄膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属、半導体、半金属、又はこれらの化
合物の薄膜を基体の主面上に形成技術は、電子デバイス
、磁性デバイス、機械デバイス、熱デバイス、光学デバ
イス、センサ、装飾部品等、幅広い応用分野を有してい
る。このような薄膜を形成する手段としては、真空蒸着
、スパッタリングに代表されるＰＶＤ（物理蒸着）法、
熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、光ＣＶＤ等の
ＣＶＤ（化学蒸着）法等のように、真空若しくは気相中
における反応、又は気相と基体表面との相互作用に基づ
く反応を利用したものが種々開発されている。

【０００３】これらの方法において、パッキング密度が
高く、化学量論組成の良質の膜を得るために、基体を数
百℃に加熱すること、及び基体に負のバイアス電圧を印
加することが一般的に行われている。

【０００４】これは、加熱により主に基体表面に付着し
た反応物質の表面マイグレ−ションを助長して表面反応
性を高めるためであり、また、電気的に負のバイアス電
圧を印加することにより主に酸素等の電気的負性イオン
になりやすい元素を膜中から選択的に排除するか、又は
膜中への酸素等の混入量抑制するためである。

【０００５】基体加熱の効果は明確であり、例えば、Ｓ
ｉＨ４　ガス及びＯ２　ガスを用いたＳｉＯ２　膜の形
成においては、基体を昇温しないと粉体状のＳｉＯ２　
が析出するのみで、膜の形成は不可能である。しかしな
がら、基体を加熱する場合には、基体自体に耐熱性が要
求されるので、適用し得る基体材質が制限されてしまう
。

【０００６】基体に負のバイアス電圧を印加することの
効果も明確であり、例えば、Ｓｉタ−ゲットをＡｒ−Ｎ
２　混合ガス中で反応性スパッタリングしてＳｉ３　Ｎ
４　膜を形成する場合、基体に負のバイアス電圧を印加
することで膜の密度が向上し、かつ残留ガス中のＯ２　
に起因する膜中への酸素の取り込みを抑制することがで
きる。しかしながら、基体にバイアス電圧を印加するた
めには、基体自体に導電性があることが要求されるので
、やはり適用し得る基体材質が制限されてしまう。また
、たとえ基体に導電性があったとしても、その上に形成
しようとする膜に導電性がない場合には、膜の成長に伴
ってチャ−ジアップしてしまう。基体バイアスを高周波
自己バイアスとする場合には、基板及び膜に導電性がな
くともバイアスを印加することは可能であるが、その場
合には、基板又は膜は浮動電位となるため、膜の成長に
伴ってバイアス電位が変動し、安定した成膜を行うこと
ができないという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこのような
事情に鑑みてなされたものであって、基体の加熱及び基
体へのバイアス電圧印加を行わずに良質な薄膜を形成す
ることができる薄膜形成装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】この発明は、
成膜容器と、この成膜容器中に設置された基体支持手段
と、基体支持手段に支持された基体の主面上に薄膜を形
成する薄膜形成手段と、基体支持手段に支持された基体
の主面近傍に、酸素分子の電子付着断面積が最大となる
平均エネルギを有する電子を供給する電子供給源と、酸
素負イオンが基体面に入射することを抑制する抑制手段
とを具備することを特徴とする薄膜形成装置を提供する
。

【０００９】気相中における酸素分子と電子との衝突過
程は、弾性衝突と非弾性衝突とに分類され、薄膜形成過
程において生じる付着衝突は後者に属する。

【００１０】付着衝突は、 Ｏ２　＋ｅ→Ｏ−　＋Ｏ の反応式で表現される。ここで生成されたＯ−　はＯ２
　と衝突し、 Ｏ−　＋Ｏ２　→Ｏ−　２　＋Ｏ で示される電荷移動衝突をも生じる。

【００１１】上記付着衝突における電子エネルギ（Ｅｅ
）と酸素分子の電子付着断面積（Ｑａ）との関係を図２
に示す。この図においてＥｅの単位はｅＶであり、Ｑａ
はπａ２　（＝０．８８Ａ２　）で示されている。この
図から明らかなようにＥｅが６〜７ｅＶの時にＱａは最
大値となり、付着衝突が効率良く生じる。また、Ｏ２　
＋ｅ→Ｏ＋　２　＋２ｅ で示される電離衝突や、 Ｏ２　＋ｅ→Ｏ＋　＋Ｏ＋２ｅ で示される解離電離衝突はＥｅが６〜７ｅＶでは全く生
じない。なぜならば、Ｏ２　の電離ポテンャル若しくは
解離電離ポテンシャルはより高いからである。従って、
Ｅｅが６〜７ｅＶの電子を気相中に放出することによっ
て、気相中のＯ２　分子を効率良くＯ−　、Ｏ−　２　
の負イオンに変換することができる。このようにして生
成された酸素負イオンは、成膜容器内に設置された基体
の近傍に、負の電位のリタ−ディング電極を設けること
等により、基体へ向かうことを阻止される。従って、酸
素負イオンが基体の主面に入射することを抑制すること
ができ、結果として膜中への酸素の流入量を抑制するこ
とができる。

【００１２】本発明の効果を一層高めるためには、基体
への酸素の流入を抑制するのみならず、正イオン及び（
又は）電子の流入をも抑制することが好ましい。これは
、正イオン又は電子が供給されることにより、基体の温
度が若干上昇してしまい、結果として基体を加熱した場
合の不都合が生じる恐れがあるからである。このような
手段は、スパッタリングの場合には、スパッタリング源
にマグネトロンタイプのものを用いてプラズマをタ−ゲ
ット近傍に収束させることにより実現することができ、
また、プラズマＣＶＤの場合には、例えば、基体面と上
述の酸素負イオンリタ−ディング電極等の抑制手段との
間に、正イオンリタ−ディング電極を設けることにより
実現することができる。なお、真空蒸着、熱ＣＶＤ、光
ＣＶＤの場合には、このような手段は不要である。

【００１３】なお、自明ではあるが、基体自身は設置電
位又は設置電位に近い電位に保持されるのが好ましく、
また、本発明の目的からは基体を加熱する手段は設ける
必要がなく、むしろ基体を積極的に冷却する手段を設け
るなどして基体を低温に保持することが好ましい。

【００１４】このような薄膜装置によれば、基体を低温
に保持し、かつ基体を設置電位近傍に保持した状態で薄
膜を形成するので、酸素混入量が少ない（酸化物薄膜の
場合には酸素濃度が過剰ではない）良質の膜を特に基体
の材質に制限されることなく形成することができる。従
って、基体材料の選択の幅を広げることができ、また、
熱遮蔽機構や基体への電圧印加機構が不要となるので成
膜装置の構成を簡略化することができる。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面を参照して、この発明の実施
例を説明する。図１はこの発明に係る薄膜形成装置の一
実施例を示す概略構成図である。図中、参照符号１は成
膜容器であり、その一方の側面に２つのガス導入ポ−ト
１１，１２、他方の側面にガス排出ポ−ト１３を有して
いる。ガス導入ポ−ト１１は反応性ガス供給系７１に接
続されており、このガス供給系７１から供給量調節用の
コンダクタンスバルブ７２を介して成膜容器１１内に反
応性ガスが供給される。ガス導入ポ−ト１２はＡｒガス
供給系８１に接続されており、このガス供給系８１から
供給量調節用のコンダクタンスバルブ８２を介してガス
導入ポ−ト１１内にＡｒガスが供給される。また、ガス
排出ポ−ト１３は排気系９１に接続されており、この排
気系９１により排気バルブ９２を介して成膜容器１１内
のガスが排気される。

【００１６】成膜容器１１内の上部には基板支持ようの
基板ホルダ−２がその面を水平にして配設されており、
その下面に基板３が支持されている。成膜容器１１内の
底部には基板３に対向するようにマグネトロンスパッタ
リング源４が設けられており、スパッタリング源４の上
方にはシャッタ５が開閉自在に設けられている。スパッ
タリング源４にはコンデンサ６１を介してＲＦ電源６２
が接続されている。

【００１７】参照符号１００、１１０はいずれも酸素分
子の付着断面積が最大となる電子の供給手段である。電
子供給手段１００は、フィラメント１０１と、フィラメ
ント電源１０２と、加速用メッシュ電極１０３と、加速
用電源１０４と、減速用メッシュ電極１０５と、減速用
電源１０６とを備えており、フィラメント１０１から放
出された電子が、電極１０３、電極１０５により、酸素
分子の付着断面積が最大となるように（電子の平均エネ
ルギが６〜７ｅＶになるように）、その速度が調節され
る。また、もう１つの電子供給手段１１０は、基板３近
傍に設置されたＲＦコイル１１１と、ＲＦ電源１１２と
を備えており、ＲＦコイル１１１によりプラズマを生起
させ、ガス圧や投入ＲＦ電圧を調整してプラズマ中の電
子の平均エネルギを酸素分子の付着断面積が最大となる
ように（電子の平均エネルギが６〜７ｅＶになるように
）する。これら電子供給手段１００、１１０は、いずれ
か一方を用いるようにしてもよいし、これらを併用して
も構わない。

【００１８】参照符号１２０は酸素負イオンが基板へ入
射することを防止する手段であり、リタ−ディングメッ
シュ電極１２１と、リタ−ディングメッシュ電極用電源
１２２とを備えている。そして、リタ−ディングメッシ
ュ電極１２１が負に帯電されることにより、酸素負イオ
ンが基板へ向かうことが阻止される。

【００１９】参照符号１３０は測定装置であり、プロ−
ブ１３１と、プロ−ブ測定回路１３２とを有していて、
これによりこの装置の効果を評価することができるよう
になっている。

【００２０】このように構成された装置においては、先
ず、成膜容器１内を排気して高真空状態とし、次いで、
反応性ガス供給系７１及びＡｒガス供給系８１からバル
ブ７２及び８２を介して、夫々反応性ガス及びスパッタ
リングガスとしてのＡｒガスを成膜容器内に導入する。 この状態で、コンデンサ６１を介してＲＦ電源６２より
マグネトロンスパッタリング源４にＲＦ電力を投入し、
スパッタリング源４中に設置されたタ−ゲットの近傍に
マグネトロンプラズマを励起させ、シャッタ５を閉じた
状態でタ−ゲット表面のコンデショニングを行う。その
後、酸素分子の付着断面積が最大となる電子の供給手段
１００，１１０のうち一方又は両方により、平均エネル
ギが６〜７ｅＶの電子を基板３の近傍に供給すると共に
、リタ−ディングメッシュ電極１２１を負に帯電させる
。

【００２１】この状態で、シャッタ−５を開き、スパッ
タ粒子を基板３側へ導き、基板３に薄膜を形成する。

【００２２】このようにして薄膜を形成することにより
、基板面に供給される酸素を酸素負イオンの状態にする
ことができ、しかも負に帯電されたリタ−ディング電極
１２１の存在により、酸素負イオンが基板面に供給され
ることを阻止することができる。従って、成膜された薄
膜に酸素が混入することを回避することができる。

【００２３】なお、図１のようにマグネトロンスパッタ
リング源を用いる場合には、基板への正イオンの入射が
もともと抑制されているが、ＲＦコイル１１１を基板近
傍で動作させる場合、マグネットロンタイプでないスパ
ッタリング源を用いる場合、及びプラズマＣＶＤ法を用
いる場合には、基板への正イオンの流入を防止する手段
、例えば正イオンリタ−ディング用のメッシュ電極を基
板近傍に設けることが好ましい。

【００２４】また、測定装置（プロ−ブ系）１３０は、
評価のために設けたものであるから必須のものではなく
、シャッタ５についても同様である。さらに、真空蒸着
の場合には、ガス供給系７１、８１、及びバルブ７２、
８２は不要である。スパッタリングの場合にも、金属、
半金属、半導体膜の形成を行う際には、反応性ガス供給
源７１、バルブ７２は不要であり、化合物膜を形成する
場合でも、使用するタ−ゲットが得ようとする薄膜と同
様の化合物で構成されていれば、同様に不要である。金
属タ−ゲットを用いて化合物薄膜を形成する場合には反
応性ガス供給系が必要であるが、必ずしも図１に示すよ
うにＡｒガス供給系と分離している必要はなく、配管の
途中で混合しても、さらに最初から混合ガスを供給する
ようにしてもよい。スパッタリングガスとしては、Ａｒ
に限らず、Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅ等を用いることもで
きる。また、希ガスを用いずに反応性ガスのみを用いて
も構わない。

【００２５】この実施例の場合には、薄膜形成をスパッ
タリングで行い、薄膜形成手段としてスパッタリング源
を用いたが、ＣＶＤ法を用いる場合には、プラズマ励起
用のＲＦコイルを１図のコイル１１１のように設置し、
それによって原料ガスの分解を行えばよい。

【００２６】さらに、酸素負イオンが基板へ入射するこ
とを防止するために、メッシュ電極１２１に負の電位を
印加したが、この負電位はそれほど大きくなくてもよい
ので、基板３に直接負の電位を印加する手段を設けても
よい。また、電子を放出させる手段としてフィラメント
１０１を用いたが、ＵＶ放出源を用いることもできる。

【００２７】なお、基板の加熱を不要にするという本発
明の目的に従って、基板加熱機構を設ける必要はない。 別の目的で設ける場合にも高温に加熱しないことが望ま
しい。逆に、基板３の冷却機構を設けることにより基板
選択の幅が広がり、本発明の目的に合致することとなる
。

【００２８】次に、１図に示した装置を用いて実際に薄
膜を形成し、形成された薄膜の特性を評価した結果につ
いて説明する。

【００２９】先ず、第１の例では、成膜容器１を大気に
解放し、基板ホルダ−２に基板３としてＳｉウェハ−及
びガラスを設置した。次に、容器１を密閉し、バルブ９
２を介して排気系９１により成膜容器内の圧力が１×１
０−５Ｔｏｒｒになるまで排気する。通常、排気系の能
力は１０−７Ｔｏｒｒ程度であり、この実施例の排気系
もこの程度の能力を有するが、本発明の効果の確認のた
め１×１０−５Ｔｏｒｒに止めた。

【００３０】次に、反応性ガス供給系７１からバルブ７
２を介してＮ２　ガスを１０ｓｃｃｍの流量で流入させ
、反応性ガスの圧力を５×１０−４Ｔｏｒｒとし、Ａｒ
ガス供給系８１からバルブ８２を介してＡｒガスを９０
ｓｃｃｍの流量で流入させて、容器１内の全ガス圧を５
×１０−３Ｔｏｒｒとした。

【００３１】シャッタ５を閉じた状態で、コンデンサ６
１を介してＲＦ電源６２から１ｋＷのＲＦパワ−をマグ
ネトロンスパッタリング源４に投入し、その中に設けら
れたＴｉタ−ゲット近傍にマグネトロンプラズマを励起
させ、Ｔｉタ−ゲット表面のコンデショニングを行った
。

【００３２】次に、電源１０２によってフィラメント１
０１を点灯し熱電子を発生させ、メッシュ電極１０３に
＋１００Ｖの電圧、メッシュ電極１０５に電極１０３に
対して−９３Ｖの電圧を夫々電源１０４及び１０６に印
加し、基板３の近傍に平均エネルギが７ｅＶの電子ビ−
ムを通過させた。このガス雰囲気中での電子の平均自由
行程λｅは５〜６ｃｍであるのでフィラメント、メッシ
ュ電極のサイズをλｅよりも小さくし、フィラメント近
傍で電子がガスと衝突したり、プラズマが励起されるの
を防止した。また、メッシュ電極１０５を基板３に近接
させた。この状態で、電源１２２からリタ−ディング電
極１２１に−２０Ｖの電位を与えた。この例ではＲＦコ
イル１１１は動作させず、また、プロ−ブ１３１を動作
させても検出可能な電子電流が得られなかったので動作
を中止した。

【００３３】次に、シャッタ−５を開けて、スパッタ粒
子を基板３側へ導き、１０分間成膜を行い、基板上にＴ
ｉＮ膜を形成した。このようにして得たＴｉＮ膜をＴｉ
Ｎ１とする。

【００３４】第２の例においては、Ｔｉタ−ゲットのコ
ンディショニングまでは第１の例と全く同一のプロセス
とした。その後、フィラメント１０１に通電し、電源１
０４、１０６はオフ状態とし、ＲＦコイル１１１に電源
１１２から５００ＷのＲＦ電力を投入して、ＲＦコイル
近傍にガスプラズマを生起させ、次いでフィラメントの
通電を絶った。プロ−ブ測定回路１３２によってプラズ
マ中の電子の平均エネルギが約７ｅｖになるようにＲＦ
コイルへのパワ−を調節し２００Ｗとした。この際のプ
ラズマ中の電子密度は１０１１ｃｍ−３であった。

【００３５】次に、プロ−ブ測定は中止してリタ−ディ
ング電極１２１に−２０Ｖの電位を与えて、シャッタ５
を開き、１０分間成膜を行って基板上にＴｉＮ膜を形成
した。このようにして得たＴｉＮ膜をＴｉＮ２とする。

【００３６】次に、比較例として、Ｔｉタ−ゲットのコ
ンデョニングまでを上記例と全く同一のプロセスとし、
その後単にシャッタ５を開けてＴｉＮ膜の作成を１０分
間行なった。これをＴｉＮ３とする。

【００３７】以上のようにして得られたＴｉＮ１、Ｔｉ
Ｎ２、ＴｉＮ３を以下のように評価した。

【００３８】Ｓｉウェハ基板上の試料についてはオ−ジ
ェ電子分光法に膜の深さ方向のＴｉ，Ｎ，Ｏの半定量分
析を行った。また、ガラス基板上の試料については化学
分析によりＴｉ，Ｎの組成定量分析を行い、さらに膜厚
測定及び分光反射率測定を行った。測定結果を表１に示
す。

【００３９】

【表１】 表１中、反射スペクトルプロファイルは、波長４００〜
８００ｎｍの範囲でＡｕの反射スペクトルと比較し、Ａ
ｕと試料の反射率の差の最大値が５％未満を☆、１０％
未満を○、１０％以上をΔとして評価した。

【００４０】表１から明らかなように、従来技術に従っ
て形成した比較例のＴｉＮ３は膜中に１０％（Ｔｉとの
オ−ジェピ−ク比）にも及ぶ酸素（Ｏ）が含まれており
、窒素（Ｎ）が不足しているのに対し、本発明に従って
形成したＴｉＮ１及びＴｉＮ２は酸素の混入量が少なく
、またＴｉとＮとの組成比も１に近く、化学的量論組成
に近付いていることがわかる。また、ＴｉＮを光学的に
応用しようとする場合、その反射スペクトルがＡｕに近
いほうが好ましいが、本発明に従って作成した試料Ｔｉ
Ｎ１、ＴｉＮ２の反射スペクトルは、比較例のＴｉＮ３
に比べてＡｕにより近いことがわかる。また、ＴｉＮ２
のほうがＴｉＮ１よりも膜質が優れていることがわかる
が、これはＴｉＮ２においてプラズマを生起させて酸素
分子の付着確率が最大となる電子の密度を高め、より効
率的に気相中の残留酸素分子を負イオン化したためと考
えることができる。

【００４１】なお、上記の例では、ＴｉＮ膜の形成につ
いて説明したが、本発明の目的は残留ガス又は反応性ガ
ス中に含まれる酸素が膜中に取り込まれるのを抑制する
ことにあるので、特に膜の材料には限定されず、幅広く
金属、半導体、半金属膜、又はこれらの酸化物、窒化物
、炭化物、硼化物、弗化物、硫化物、水素化物、珪化物
等の化合物膜を形成する場合の全てに亘って有効であり
、酸化物以外の場合には膜中への酸素の取り込みを防止
することができ、酸化物の場合には膜中の酸素量をコン
トロ−ルすることができ、いずれの場合にも膜質を向上
させる効果を得ることができる。

【００４２】

【発明の効果】この発明によれば、薄膜形成中に基体を
加熱すること、及び基体へバイアス電圧を印加すること
なく、薄膜中に取り込まれる酸素の濃度を低下させるこ
とができる薄膜形成装置が提供される。従って、基体材
料の選択の幅が広がり、成膜装置の構成を簡略化するこ
とができ、さらに膜質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る薄膜形成装置を示す
概略構成図。

【図２】酸素付着断面積と電子エネルギとの関係を示す
図。

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　成膜容器と、この成膜容器中に設置さ
   れた基体支持手段と、基体支持手段に支持された基体の
   主面上に薄膜を形成する薄膜形成手段と、基体支持手段
   に支持された基体の主面近傍に、酸素分子の電子付着断
   面積が最大となる平均エネルギを有する電子を供給する
   電子供給源と、酸素負イオンが基体面に入射することを
   抑制する抑制手段とを具備することを特徴とする薄膜形
   成装置。