JPH0742583B2

JPH0742583B2 - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH0742583B2
Application number: JP61117610A
Authority: JP
Inventors: 章小澤; 秀雄 ▲吉▼原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-05-23
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: JPS62274065A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体集積回路などの半導体デバイスの製造
に用いられる薄膜形成装置に関し、特に半導体デバイス
における高融点金属材料の薄膜形成技術のうち、スパツ
タデポジシヨン法を利用して低残留応力の薄膜を形成す
るスパツタ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路の高集積度化に伴ない低抵抗材料
よるゲートや配線が求められており、Alに比較して，耐
熱性が大きく、かつ熱膨張係数がSiに近いことや微細加
工性に優ることなどの理由から高融点金属材料が広範に
利用されるようになつてきた。さらに、サブミクロン領
域の微細パタンを転写する技術であるＸ線露光技術に用
いられるＸ線マスクの吸収体材料としてもＸ線阻止能や
微細加工性などの観点から高融点金属材料が注目されて
いる。

一般に、薄膜形成技術としては、真空蒸着法，メタルCV
D法，イオンビームデポジシヨン法さらにはスパツタデ
ポジシヨン法などがある。しかし、Ta,W,Meなどの金属
材料は、融点が2000度から3000度と高いため、通常は、
スパツタデポジシヨン法などのイオン衝撃エネルギを利
用する薄膜形成技術が効果的である。

第４図は従来の高周波スパツタデポジシヨン装置の概略
図である。同図において、１は真空試料室、２は上部電
極、３は下部電極兼水冷試料テーブル、４はRF電源、５
は試料台、６はシヤツタ、7aはガス導入バルブ、８は試
料室のガス圧モニタ用真空計、11は試料（基板）、12は
蒸着材料（ターゲツト）である。また、21は荒引バル
ブ、22は可変主バルブ、23は補助バルブ、24は補助ポン
プたとえば油回転ポンプ、25は排気系の真空度モニタ
計、26は液体窒素トラツプ、27は氷冷バツフル、28は主
ポンプたとえば油拡散ポンプである。

ここで、上記装置を動作させるためには、まず、真空試
料室１内の試料台５の上に蒸着すべき試料（基板）11を
セツトした後、荒引バルブ21を開けて油回転ポンプ24で
所定の圧力まで真空計８でモニタしながら真空試料室１
内に荒引する。つぎに、荒引バルブ21を閉じてから、補
助バルブ23を開け、さらに、主バルブ22を開けて、液体
窒素トラツプ26および水冷バツフル27を介して油拡散ポ
ンプ28で前記真空試料室１内を所定の真空度まで本引す
る。つづいて、前記真空試料室１内のガス圧が10^-6Torr
以下であることを確認した後、ガス導入バルブ7aからAr
ガスなどの不活性ガスを前記真空試料室１内に所定の量
だけ導入し、真空計８で前記真空試料室１内のガス圧を
モニタしながら可変主バルブ22を調節して真空試料室１
内を所定の膜形成ガス圧に保つ。つぎに、シヤツタ６と
上部電極２との間にRF電源４から電力を供給して放電を
起こす。さらに、前記放電を所定の電力にセツトしてか
ら、シヤツタ６を開けて上部電極２と下部電極３との間
で放電するようにする。すると、上部電極２に固定され
た蒸着材料（ターゲツト）12がスパツタリング効果によ
り下部電極３の上に試料台５を介して載置されている試
料（基板）11の表面上に堆積し、所望の薄膜が形成され
るのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、一般に、スパツタ形成膜の内部応力は、基板
（試料）との界面状態や膜中と不純物濃度あるいは粒子
径などの微視的構造により大きく変化するとともに、形
成膜厚に対しても大きく影響をうける。さらに、内部応
力の大きさは、薄膜形成時（スパツタリング中）の試料
温度に依存するとともに、膜の形成ガス圧などのスパツ
タ膜形成条件に対しても大きく左右される。

第５図には、RFスパツタデポジシヨン法で形成したTa膜
の内部応力をガス種（Xe,Ar）をパラメータとして膜形
成ガス圧について求めた一例を示す。同図からも明らか
なように、膜の内部応力はいずれのガス種においても、
膜形成ガス圧に対してクリテイカルに変化する。たとえ
ば、膜形成ガス圧が±1/100Torr変動した場合、内部応
力は±５×10⁹dyne/cm²変化する。したがつて、内部応
力が零（応力フリー）の低残留スパツタ膜を得るために
は、±1/1000Torr以下で膜形成ガス圧を制御する必要が
ある。しかし、第４図に示した従来の一般的なRFスパツ
タデポジシヨン装置においては以下に述べるような問題
があり、±/1000Torr以下のガス圧制御は非常に難かし
く、応力フリーのスパツタ膜を歩留りよく形成すること
は不可能である。

（１）可変主バルブの開閉度に再現性がない。

（２）可変主バルブで排気系を急激に絞るため、ガス流
が乱れ、排気の安定性に欠ける。

（３）排気系と真空試料室は可変主バルブのみによつて
仕切られているため、主ポンプたとえば油拡散ポンプや
ターボ分子ポンプの排気能力の変動が直接真空試料室内
のガス圧変動につながる。

（４）RF電源系、ガス導入系および排気系がそれぞれ独
立の系で構成されているため、プラズマ状態の微妙な変
動に追従しきれずスパツタ条件の安定性に欠ける。

本発明は、これらの問題点を解決するためになされたも
ので、真空試料室内のガス圧を精度良く制御して低残留
応力のスパツタ膜を形成することができる薄膜形成装置
を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る薄膜形成装置は、真空試料室内に配置され
る基板上にスパッタリング法により薄膜を堆積するスパ
ッタ装置において、前記真空試料室を排気する主排気系
とは別にガス溜め機能を有する差圧室を兼ね備えた補助
排気系を設けたものである。

〔作用〕

したがつて、本発明においては、差圧室を兼ね備えた補
助排気系を設けることにより、排気系の変動が真空試料
室内のガス圧に直接影響するのを軽減でき、そのガス圧
変動を1/1000Torr以下に抑えることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

本発明による薄膜形成装置の前提例を説明する概略図で
あり、ここではRFスパツタデポジシヨン（RFスパツタと
もいう）装置に適用した場合を示す。第１図において、
１は真空試料室、２は上部電極、３は下部電極兼水冷試
料テーブル、４はRF電源、５は試料台、６はシヤツタ、
７はガス導入バルブ、８は試料室のガス圧モニタ用真空
計、11は試料（基板）、12は蒸着材料（ターゲツト）で
ある。また、21は荒引バルブ、22は可変主バルブ、23は
補助バルブ、24はたとえば油回転ポンプから成る補助ポ
ンプ、25は排気系の真空度モニタ計、26は液体窒素トラ
ツプ、27は水冷バツフル、28はたとえば油拡散ポンプか
ら成る主ポンプであり、これらにより真空試料室１を排
気する主排気系20を構成している。そして、この主排気
系20とは、別個に補助排気系として働く口径の小さいバ
イパスライン29とストツプバルブ30を設置することによ
り、真空試料室１内のガス圧を制御するものとなつてい
る。

しかして、上記実施例の装置を動作させるには、まず、
真空試料室１内の試料台５の上に蒸着すべき試料つまり
基板11をセツトした後、荒引バルブ21を開けて油回転ポ
ンプ24で所定の圧力まで真空試料室１内を荒引する。つ
ぎに、荒引バルブ21を閉じてから、補助バルブ23を開
け、さらに、可変主バルブ22を開けることによつて液体
窒素トラツプ26および水冷バツフル27を介して油拡散ポ
ンプ28で前記真空試料室１内を所定の真空度まで本引す
る。つぎに、前記真空試料室１内の真空度が10^-5Torrか
ら10^-6Torr以下であることを確認した後、可変主バルブ
22を閉じる。つづいて、ガス導入バルブ７からArガスな
どの不活性ガスを前記真空試料室１内に所定の量だけ導
入した後、真空計８でその真空試料室１内のガス圧をモ
ニタしながらストツパルブ30を開けることによつて、該
真空試料室１は、補助排気系29とストツプバルブ30,液
体窒素トラツプ26および水冷バツフル27を通して油拡散
ポンプ28で所定のガス圧に保たれる。つぎに、シヤツタ
６と上部電極２との間にRF電源４から電力を供給して放
電を起こす。さらに、前記放電を所定の電力にセツトし
てから、シヤツタ６を開けて上部電極２と下部電極３の
間で放電するようにする。すると、上部電極２に固定さ
れたターゲツト12がスパツタリング効果により下部電極
３の上に試料台５を介して載置された基板11の表面上に
堆積し、所望の薄膜が形成される。

このように上記実施例の薄膜形成装置によると、主排気
系20とは別に補助排気系29を配設して真空試料室１内の
ガス圧を制御することにより、次のような利点を奏す
る。

すなわち、（１）補助排気系の口径は、急激に絞らずに
連続的に小さくするため、ガス流に乱れを生じない。ま
た、（２）補助排気系を用いて排気能力を一定に下げる
ことできるため、導入するガス流量を小さくできる。さ
らに、（３）補助排気系を用いることにより、主ポンプ
としての油拡散ポンプへのガスの混入が少なくなるた
め、油拡散ポンプの負荷を軽減できる。しかも、（４）
主ポンプとしての油拡散ポンプの負荷を軽減できるた
め、排気能力の変動が小さい。さらに、（５）主ポンプ
としての油拡散ポンプの排気能力の変動は、補助排気系
の差圧室がバツフアとなるため、真空試料室内のガス圧
への影響は小さく、そのガス圧変動を1/1000Torr以下に
抑えることができる。さらにまた、（６）補助排気系の
コンダクタンスは一定であるため、真空試料室内のガス
圧の再現性は極めて良い。などの利点がある。

第２図は、第１図に示した本発明に係わる薄膜形成装置
を用いて低残留応力Ta膜を形成した際の応力分布の一例
を示す。同図からも明らかなように、残留応力は60％以
上の割合で±５×10⁸dyne/cm²内に納まつている。この
ことは、第５図で示した内部応力とガス圧の関係から説
明すると、真空試料室内のガス圧制御がかなりできてい
ることがわかる。しかし、低残留応力膜の歩留りを向上
させるためには、さらに高精度なガス圧制御が必要であ
るとともに、スパツタリング条件の安定化を図ることが
重要となる。

第３図は本発明の一実施例を示す薄膜形成装置の概略図
である。この実施例が第１図の前提例のものと異なる点
は、真空試料室１を排気する主排気系20とは独立して補
助排気系31を設け、この補助排気系31を、可変バルブ32
と、ガス溜め機能を有する差圧室33と、該差圧室内のガ
ス圧モニタ用真空計34と、排気系の変動によるガス圧変
化を補正するガス圧自動制御回路35と、該ガス圧自動制
御回路に接続されている可変バルブ36と、差圧室専用の
真空排気装置37から構成する。そして、RF電源４のパワ
ー変動を自動補正するためのオートチユーニング回路40
を設けることより、排気系の変動によつてプラズマ状態
の変動が生じた際、これに連動して所定のスパツタ条件
を補償すべくガス圧ならびにRFパワーを自動補正するも
のとなつている。

ここで、上記実施例の装置を動作させるには、まず、真
空試料室１内の試料台５の上に蒸着すべき試料（基板）
11をセツトした後、荒引バルブ21を開けて油回転ポンプ
24で所定の圧力まで真空試料室１内を荒引する。つぎ
に、荒引バルブ21を閉じてから、補助バルブ23を開け、
さらに、可変主バルブ22を開けることによつて液体窒素
トラツプ26および水冷バツフル27を介して油拡散ポンプ
28で前記真空試料室１内を所定の真空度まで本引する。
一方、補助排気系31の可変バルブ32は閉じた状態で、可
変バルブ36を開けて差圧室33を排気装置37で所定の圧力
まで本引きし、真空系34で差圧室内の圧力をモニタす
る。

つぎに、前記真空試料室１内の真空度が10^-5Torrから10
^-6Torr以下であることを確認した後、可変主バルブ22を
閉じる。つづいて、可変バルブ32を開け、前記真空試料
室１内を補助排気系31としての可変バルブ32、差圧室3
3、可変バルブ36、排気装置37に接続して、前記真空試
料室１内を所定の圧力に排気する。つぎに、ガス導入バ
ルブ７からArガスなどの不活性ガスを前記真空試料室１
内に所定の量だけ導入した後、真空計８で前記真空試料
室１内のガス圧をモニタしながら可変バルブ32および36
を調節することにより、前記真空試料室１内をスパツタ
リングガス圧に保つ。このとき、排気系のコンダクタン
スによつて、真空試料室１と差圧室33との圧力差は１
桁、また、差圧室33と差圧室専用の真空排気装置37との
圧力差は１桁以上の差圧に保たれている。つぎに、シヤ
ツタ６と上部電極２との間にRF電源４から電力を供給し
て放電を起こす。さらに、前記放電を所定の電力にセツ
トしてから、シヤツタ６を開けて上部電極２と下部電極
３との間で放電するようにする。すると、上部電極２に
固定されたターゲツト12がスパツタリング効果により下
部電極３の上に試料台５を介して載置された試料（基
板）11の表面上に薄膜を堆積させる。この際、薄膜の膜
厚は、RF電力とスパツタリング時間とで決定されるた
め、一定の膜厚を得るためには一定のスパツタリング時
間だけシヤツタ６を開ける必要がある。しかし、一定の
スパツタリング時間の間にはRF電力、導入ガス量さらに
は排気量などが変動し、初期のスパツタ条件が変化す
る。そのため、本装置では、差圧室専用の排気装置37の
変動が直接真空試料室１内のガス圧変動に影響しないよ
うに排気系のコンダクタンスを調整し、差圧室専用の排
気装置37と真空試料室１内との差圧を２桁以上に保つと
ともに、排気装置37の変動による差圧室33内のガス圧変
化を自動補償できるガス圧自動制御回路35およびRF電源
系の変動を自動的に補償できるオートチユーニング回路
40とを有しているため、初期設定したスパツタ条件は補
償される。これによつて、上記実施例の作用，効果に加
えて、放電ガス圧を高精度に調整できるとともに、スパ
ツタ条件の安定化が図れ、低残留応力膜の歩留りを向上
させることができる。

なお、上述の実施例ではRFスパツタ装置に適用した場合
について示したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、各種タイプのスパツタ装置に適用できることは勿
論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、真空試料室を排気する
主排気系とは別に補助排気系を設けることにより、（１）補助排気系の口径は、急激に絞らず連続的に小さ
くするため、ガス流に乱れを生じない。

（２）補助排気系を用い排気能力を一定に制御できるた
め、導入するガス流量を小さくできる。

（３）補助排気系を用いることによつて、主ポンプとし
ての油拡散ポンプへのガスの混入が少なくなるため、油
拡散ポンプの負荷を軽減できる。

（４）排気装置の負荷を軽減できるため、排気能力の変
動が小さい。

（５）排気装置の排気能力の変動は、補助排気系を構成
する差圧室がバツフアとなるため、たとえば、真空試料
室内のガス圧への影響は排気能力の変動の1/10以下と小
さい。

（６）補助排気系のコンダクタンスは一定であるため、
真空試料室内のガス圧の再現性は極めて良い。

などの効果がある。

また、本発明は、主排気系とは独立して排気系のコンダ
クタンスを可変可能な差圧室およびこの差圧室を排気す
る真空排気装置を設けた補助排気系と、差圧室内の圧力
を測定する圧力測定手段と、圧力測定手段が差圧室内の
圧力変化を検出したときに差圧室内の圧力を一定圧力に
調節する圧力調整バルブとを設けたことにより、真空試
料室内の圧力の安定度を高めることができるので、スパ
ツタ条件の安定化を図ることができるとともに、低残留
応力膜の歩留りを向上させることができるなどの効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提例を示す薄膜形成装置の概略図、
第２図は上記前提例の薄膜形成装置を用いて低残留応力
Ta膜を形成した時の実際の応力分布の一例を示す図、第
３図は本発明の一実施例を示す薄膜形成装置の概略図、
第４図は従来のスパツタデポジシヨン装置の概略図、第
５図は従来のスパツタデポジシヨン装置を用いて形成し
たTa膜の内部応力をガス種をパラメータとして膜形成ガ
ス圧について求めた一例を示す図である。１……真空試料室、２……上部電極、３……下部電極兼
水冷試料テーブル、４……RF電源、５……試料台、６…
…シヤツタ、７……ガス導入バルブ、８……試料室内の
ガス圧モニタ用真空計、11……試料（基板）、12……蒸
着材料（ターゲツト）、20……主排気系、21……荒引バ
ルブ、22……可変主バルブ、23……補助バルブ、24……
補助ポンプたとえば（油回転ポンプ）、25……排気系の
真空度モニタ計、26……液体窒素トラツプ、27……水冷
バツフル、28……主ポンプ（油拡散ポンプ）、29……バ
イパスライン（補助排気系）、30……ストツプバルブ、
31……補助排気系、32……可変バルブ、33……差圧室、
34……差圧室内のガス圧モニタ用真空計、35……ガス圧
自動制御回路、36……可変バルブ、37……差圧室専用の
真空排気装置、40……オートチユーニング回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空試料室内に配置される基板上にスパッ
タリング法により薄膜を堆積するスパッタ装置におい
て、前記真空試料室を排気する主排気系とは独立して差圧室
を設けた補助排気系と、前記差圧室の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段が前記差圧室の圧力変化を検出したと
きに前記差圧室の圧力を一定圧力に調節する圧力調整バ
ルブと、を設けたことを特徴とする薄膜形成装置。