JPH11269643A - 成膜装置およびそれを用いた成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタ装置を用いて成膜を行う場合に、
基板を高温に加熱せずに高結晶化を実現し、膜中への酸
素などの反応ガスの取り込みを十分に行った反応スパッ
タを可能とし、ターゲット表面に酸化層が形成するのを
防止可能な成膜装置および成膜方法を提供すること。 【解決手段】 スパッタ法による成膜装置において、
前記ターゲットと前記成膜基板との間に、電離エネルギ
ー供給手段を配設し独立にエネルギーの供給を制御し得
る電離エネルギー供給手段を配設して該部に制御可能な
プラズマ領域を独立に形成させる。これにより、高結晶
化された欠陥のない膜の形成、活性状態にある酸素など
が十分取り込まれた電気特性の良好な膜の形成、スパッ
タ粒子のエネルギー分布の均一化などの効果が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタリングに
よる成膜装置および成膜方法に係り、特に、ターゲット
材から放出された粒子を、プラズマ領域を通過させてプ
ラズマ中の電子またはイオンと衝突させることにより、
粒子のイオン化を促進させるようにした成膜装置および
成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】成膜しようとする膜の構成元素を含む材
料物質をターゲットとし、このターゲットにプラズマ状
態の電離イオンを衝突させることによりターゲット材を
構成する材料の粒子を放出させ基板上に堆積させて成膜
する方法（以下、この成膜方法をスパッタ法と称する）
に関しては、すでに多くの技術が開発され、公知となっ
ている。

【０００３】その中でも導電性の低い材料を成膜する場
合に、チヤージアップの問題を回避するために、ＲＦ
（ラジオ周波）電力をターゲットに投入する方法が広く
用いられている。またターゲット表面に磁場を発生させ
ることによりプラズマ密度を向上させ、成膜速度を向上
させる方法も知られている。

【０００４】また、酸化物や窒化物のように複数の構成
元素からなり、そのうちの−部元素がガス状態で導入可
能なものについては、反応性スパッタ法が知られてい
る。

【０００５】この方法は、ターゲット材料に金属などの
導電性に優れたものを用いて直流バイアスによる電力供
給を行ってターゲットから粒子を放出させ、気体状態で
供給したー部構成元素と堆積時に反応させながら成膜を
行うものである．上述の方法では、ターゲットに直接電
力を供給してプラズマを発生させているが、別途にプラ
ズマ供給源を設けてターゲットをスパッタする方法も知
られている。例えば低圧下で高密度のプラズマを生成で
きるＥＣＲ(Electron Cycro-tronResonance) プラズマ
を用いたＥＣＲスパッタ法が知られている。ΕＣＲスパ
ッタ法は、ΕＣＲにて生成したプラズマをターゲットに
照射することによって、スパッタを行う方法であり、低
圧で成膜が行えること、プラズマをターゲットとは別に
生成できること、ターゲットと成膜基板を対向させるこ
となく成膜できること、などの特徴を有している。

【０００６】スパッタ法で金属酸化物のような材料を成
膜する場合には、基板を十分に加熱しないと非晶質の薄
膜が形成されることが多い。生成された膜を、酸化シリ
コンに代表されるように絶縁膜として利用するのであれ
ば非晶質膜でもよいが、圧電性や焦電性などの結晶性に
起因する物性を利用しようとする場合には、良好な結晶
質を有する薄膜であることが重要である。

【０００７】例えば酸化チタンのような材料を成膜する
場合には、十分な結晶性を有する薄膜を得るためには、
５００℃以上に基板を加熱することが必要とされる。

【０００８】しかしながら、基板を加熱する必要がある
ということは、基板として利用できる材料やデバイスの
構造に制約が加わることになる。したがって、基板の加
熱以外の方法で結晶化を行わせることができることが望
ましい。

【０００９】反応性スパッタ法では、ターゲット材料に
金属のように導電性に優れた材料を用いるので帯電の問
題がないことから、直流電源によるスパッタが可能であ
る。しかし金属のような材料を用いた場合でも、雰囲気
中の酸素がターゲット側にも到達して、ターゲットに酸
化物の表皮を形成する場合には、この酸化物の表皮が導
電性の低い層となるため、帯電を引き起こしてしまうこ
とがある。このため、ターゲット近傍への酸素原子の到
達を抑えて、酸化物の表皮を形成し難くする必要があ
る。

【００１０】また、金属酸化物膜を成膜する場合には、
酸素が膜中に十分に取り込まれないことがある。金属酸
化物においては、−般的に化学量論比からの組成ずれは
特性の変化をもたらす。特に、酸素量の不足は、その量
が僅かの場合でも、例えば絶縁性の低下など、物性への
影響を及ほす。

【００１１】そこで酸素をより積極的に薄膜内へ取り組
む方法として、Ｏ₂ よりも活性の高いＯ₃ やＮ₂ Ｏを用
いる方法などが取られているが、決して十分なものでは
ない。このため、薄膜内に酸素を取り組むためのより優
れた方法が望まれる。

【００１２】また、スパッタ法は電離状態を利用した物
理的堆積法であるため、スパッタ装置において、特にタ
ーゲットと基板との間の部位に新規な機能を付与するた
めに部材を配置するのには困難な問題が伴う。即ち、こ
の部位に部材を配置してスパッタを行うと、ターゲット
がスパッタされて成膜粒子放出されるだけでなく、配置
した部材もスパッタされるので、部材の成分が薄膜内に
不純物として混入してしまう。たとえば酸化亜鉛を成膜
する場合、アルミニウムで構成された部材が配置されて
いると、酸化亜鉛膜に不純物としてアルミニウムが混入
する。そしてアルミニウムイオンは亜鉛イオンとは価数
が異なるので、成膜された膜の特性に大きな変化をもた
らしてしまうことになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、スパッ
タ法で結晶性を有する薄膜を得るためには、基板を高温
に加熱する必要があるが、基板を高温で加熱するために
は、基板として利用できる材料やデバイスの構造に制約
が加わるという問題があった。

【００１４】反応性スパッタ法では、雰囲気中の酸素が
ターゲット側に到達して酸化物の表皮を形成して帯電を
引き起こすという問題がある。

【００１５】また、金属酸化物膜を成膜する場合、酸素
が膜中に十分取り込まれずに化学量論比から組成のずれ
た膜が形成されて、絶縁性の低下などを引き起こすとい
う問題もある。

【００１６】また、スパッタ装置のターゲットと基板間
に新規な機能を付与するために部材を配置する場合に
は、この部材もスパッタされて部材の成分が薄膜内に不
純物として混入してしまうという問題もある。

【００１７】本発明は、かかる従来の問題を解消すべく
なされたもので、上記問題のない成膜装置および成膜方
法を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の成膜装置
は、少なくとも成膜すべき膜の構成元素を含む材料から
なるターゲット材と、成膜される基板を保持する基板保
持部と、前記ターゲット材の表面から該ターゲット材の
構成成分の粒子を放出させるエネルギー粒子供給手段と
を有する成膜装置において、前記ターゲット材と前記基
板保持部との間に、独立にエネルギーの供給を制御し得
る電離エネルギー供給手段を配設してなることを特徴と
する。

【００１９】ターゲット材の表面から該ターゲット材の
構成成分の粒子を放出させるエネルギー粒子供給手段と
しては、アルゴンイオンが一般的であるが、クリプトン
イオンその他のイオンも使用可能である。

【００２０】電離エネルギー制御手段としては、ターゲ
ットと基板間距離を狭くできるシングルターンコイルが
適しているが、ソレノイドコイルを使用することも可能
である。

【００２１】なお、ターゲット材、基板および電離エネ
ルギー制御手段に印加する電源には、交流（または直流
を重畳した交流）が用いられるが、これらの位相は同期
させてもよく、また位相を異ならせて印加するようにし
てもよい。

【００２２】請求項２記載の成膜装置は、請求項１記載
の成膜装置において、前記電離エネルギー供給手段にお
いて、プラズマ生成材料としての気体または液体の導入
手段を具備することを特徴とする。

【００２３】請求項３記載の成膜装置は、請求項１また
は２記載の成膜装置において、前記電離エネルギー供給
手段は、成膜すべき膜の構成元素を含む材料により被覆
されていることを特徴とする。

【００２４】請求項４記載の成膜装置は、前記ターゲッ
ト材、前記基板保持部および前記エネルギー粒子供給手
段には、それぞれ交流電源が、位相を同期させて、また
は任意に位相制御されて、印加されることを特徴とす
る。

【００２５】請求項５記載の成膜方法は、請求項１記載
の成膜方法において、前記電離エネルギー供給手段が、
ターゲット材近傍に配置されることを特徴とする。

【００２６】請求項６記載の成膜方法は、請求項１記載
の成膜方法において、前記電離エネルギー供給手段が基
板近傍に配置されることを特徴とする請求項１記載の成
膜装置。基板近傍に配置されることを特徴とする。

【００２７】請求項７記載の成膜方法は、少なくとも成
膜すべき膜の構成元素を含む材料からなるターゲット材
に、電離イオンを衝突させて前記ターゲット材を構成す
る成分からなる粒子を放出させ、該粒子を基板に堆積さ
せて成膜する方法において、前記ターゲット材と前記基
板間にプラズマ領域を形成せ、前記ターゲット材から放
出された粒子を、前記プラズマ領域を通過させてプラズ
マ中の電子またはイオンと衝突させることにより、前記
粒子のイオン化を促進させることを特徴とする。 請求
項８記載の成膜方法は、請求項７の成膜方法において、
前記プラズマを構成する元素として、成膜すべき膜の構
成成分元素を用い、前記ターゲット材の構成元素と前記
プラズマの構成元素により成膜することを特徴とする。

【００２８】請求項９記載の成膜方法は、請求項７また
は８記載の成膜方法において、前記プラズマ領域から放
出される電子またはイオンを、前記ターゲット材および
／または基板に衝突させることにより、前記ターゲット
材および／または基板を洗浄することを特徴とする。

【００２９】本発明は、ＴｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＩＴ
Ｏ、ＺｒＯのような酸化物、ＴｉＮ、ＳｉＮのような窒
化物、ＳＩＡＬＯＮのような酸窒化物、ＹＢＣＯのよう
な酸化物超電導体の製造に適している。

【００３０】（作 用）次に本発明の作用について説明
する。

【００３１】本発明によれば、ターゲット材と基板保持
部との間に、独立にエネルギーの供給を制御し得る電離
エネルギー供給手段が設けられ、該部に高密度プラズマ
領域を独立に形成することができる。

【００３２】この高密度プラズマ領域の存在により、 (1) ターゲットから放出された粒子がこのプラズマ領域
を通過する過程で、イオンとの衝突のために微小化され
るとともに、高イオン化され、基板上に低温で高結晶化
された欠陥のない膜を形成することができる。

【００３３】(2) プラズマ領域を酸素などの反応性ガス
のプラズマとすることにより、特に基板近傍で、活性状
態とすることにより酸素などが十分取り込まれた電気特
性の良好な膜を形成することが可能となる。この活性化
された反応性ガスは薄膜の最表面での結晶成長時に十分
に供給されるというだけでなく、薄膜内に生じた酸素な
どの欠陥をも補うことができる。特に、成膜材料にＴ
ｉ、Ｔａなど酸化性の高い材料を用いた場合に膜質を改
善させる効果がある。

【００３４】(3) プラズマ領域が誘導結合型高周波放電
などターゲットとは別のエネルギー供給源から形成され
ることにより、ターゲットから放出された粒子がこのプ
ラズマ領域を通過する過程で多くの粒子と衝突すること
によって各粒子の持つエネルギー分布が整えることがで
き、またシース電圧の制御が可能になることから基板面
に照射する、特にイオンのエネルギー制御を行うことが
できる。また、誘導結合型プラズマによりプラズマポテ
ンシャルを適当な大きさに制御でき、これを通過する成
膜粒子のオゾンエネルギーを制御することができる。粒
子のエネルギーを適当な大きさに制御することにより基
板表面でのマイグレーションを促進させ、結晶性や緻密
性の高い膜が得られる。さらに、成膜材料（および成膜
時の中間生成物）で蒸気圧の高い成分が含まれていても
粒子のエネルギーの適正化により膜成長時の基板上の付
着時間を長くすることができ、組成ずれの少ない膜を形
成することができる。

【００３５】また、電離エネルギー制御手段を、ターゲ
ット材や基板に近付けて配置することにより、次のよう
な効果を得ることができる。

【００３６】(a) 電離エネルギー制御手段をターゲット
材の近くに配置 低圧でもＡｒイオンを供給することができるので高濃度
のプラズマをターゲット表面に供給することができる。
したがって、ターゲットへの電力供給のみでは放電の維
持が難しい圧力域でも成膜が可能になるこのような効果
を期待するためには、ターゲット材と基板の間隔を１と
したとき、ターゲット材から１／３以下の近傍位置に電
離エネルギー制御手段を配置することが好ましい。

【００３７】(b) 電離エネルギー制御手段を基板の近く
に配置 (1) ターゲットから放出された粒子が高濃度のプラズマ
により散乱されて均一なエネルギーとなり、さらにバイ
ブレーション的な効果により粒子が安定したサイトに位
置するので、結晶性の高い均一な膜が形成される。

【００３８】(2) また、基板近傍付近でも、十分な電子
の供給が行われるため、成膜表面での電荷分布に起因す
る絶縁破壊を防ぐことができる。

【００３９】(3) 基板表面の結晶性の低い部分が高濃度
のプラズマにより逆スパッタされることも期待できる。

【００４０】このような効果を期待するためには、ター
ゲット材と基板の間隔を１としたとき、基板から２／５
以下の近傍位置に電離エネルギー制御手段を配置するこ
とが好ましい。

【００４１】なお、電離エネルギー制御手段やその他の
構成部材を、膜構成元素からなる材料で被覆することに
より、ターゲット以外からのスパッタによる成膜への不
純物混入を回避することができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例について
説明する。

【００４３】（実施例１）図１は本発明の一実施例の成
膜装置を概略的に示すものである。

【００４４】同図に示す成膜装置は、スパッタ室を構成
する真空容器１１を備え、真空容器１１は排気口２１お
よびガス導入口２２を有している。

【００４５】基板１２は真空容器１１内に設けた基板保
持部１３に保持され、この基板保持部１３は電源１４か
らの電力により加熱できるように構成されている。

【００４６】ターゲット１５は基板１２と対向させて冷
却手段（図示せず）を備えたターゲット保持部１６によ
って保持され、このターゲット保持部１６は交流電源１
７に接続されている。

【００４７】基板１２とターゲット１５との間には、交
流電源１９に接続された１ターンのアンテナコイル（Ｉ
ＣＰコイル）１８１が配置されている。このアンテナコ
イル１８１は交流電源１９からの電力により供給ガスを
電離させてプラズマ領域２０を形成する。このプラズマ
領域は、交流電源１９により独立に制御できる。

【００４８】次に、図１に示した成膜装置を用いた成膜
プロセスについて説明する。

【００４９】まず、基板１２を基板保持部１３上に設置
し、ターゲット１５（酸化チタン）をターゲット保持部
に設置した後、スパッタ室内の不純物などの除去のため
に十分な排気を行った。

【００５０】その後、アルゴンガスのみスパツタ室内に
導入を行い、スパッタ室内圧力を５×１０^-4Ｔｏｒｒに
調整した。ここで電源１９から１３．５６ＭＨｚで５０
０ＷのＲＦ電力を供給することにより、アンテナ１８１
により励起される誘導結合型のプラズマを形成すること
ができた。

【００５１】次に電源１４及び１７に３００Ｗ程度の比
較的弱いＲＦ電力を投入した。ここで、電源１４と電源
１７の交流の位相は同位相になるようにした。これによ
り、コイル１８により励起されたアルゴンイオンにより
成膜基板１２及ぴターゲット１５の表面クリ−ニングを
同時に行った。この時、コイル１８を含むプラズマ生成
源は、基板１２及ぴターゲット１５の表面をクリ−ニン
グするためのスパッタのアルゴンイオン生成源として機
能している。

【００５２】このクリ−ニングを５分程度行った後、成
膜基板１２とコイル１８問に設置したシャッターを閉と
し、電源１４および１７からの電力供給を停止した。次
にガス導入口２２からアルゴンと酸素の混合気体を導入
し、真空容器内の圧力を、５×１０^-3Ｔｏｒｒとした。
これは、ターゲット中に含まれる酸素分では不足を生じ
るためである。アルゴン及び酸素ガスについては、各々
ボンベから流量を調整後混合し、ガス導入口２２から導
入される。また、真空容器１１は排気口２１を介して真
空ポンプと接続されており、排気口２２と真空ホンプ間
に設置したバルブ操作により、スパッタ室内の圧力を調
整した。

【００５３】容器内の圧力を調整した後、電源１９によ
りアンテナコイル１８でのプラズマ電離状態を調整し、
電源１７から８００Ｗの電力を投入した。ここでターゲ
ットに投入する電力は、異常放電を起すことなく、ター
ゲットが破損しない範囲に制限した。

【００５４】次に電源１２からＲＦ電力を投入後、成膜
基板１２とコイル１８間に設置したシャッターを開と
し、成膜を行った。なお成膜時間の調整はシャッターの
開閉により行った。

【００５５】以上により、不純物の混入がなく、酸素欠
損がなく、また結晶性の良好な酸化チタンの成膜を得
た。

【００５６】なお、この実施例ではスパッタを行うガス
として、アルゴンガスを用いたが、他の不活性ガスも使
用可能である。また、電源１４、１７および１９から供
給されるＲＦ電力は、同一の電源より同位相のものを用
いることもできるが、目的に応じてそれぞれ別の電源に
よる位相の異なるものを用いることができる。

【００５７】従来は高真空下ではターゲットへのＲＦ電
力供給のみでは安定したプラズマの生成が難しいとされ
ていたが、本発明では、低圧下で高密度プラズマを生成
可能なコイル１８がアルゴンイオンの供給源としても機
能する。

【００５８】（実施例２）図２は、図１に示した実施例
１におけるアンテナコイル１８１を、ソレノイドコイル
１８２に代えた点を除いて、他の構成を実施例１と同一
構成とした実施例である。なお、以下の図において、図
１と同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略
する。

【００５９】（実施例３）図３は、図１に示した成膜装
置において、ターゲット保持部１６に磁石２３を配設し
た実施例である。

【００６０】この実施例では、磁石からターゲット近傍
に発生する磁界により、電子はサイクロトロン運動を
し、これによってターゲット１５に衝突する電子の密度
が高くなり成膜速度が高くなる。

【００６１】（実施例４）図４は本発明の他の実施例の
成膜装置を概略的に示すものである。

【００６２】図４に示した実施例では、プラズマエネル
ギー供給手段であるアンテナコイル１８４がターゲット
近傍に配置されている。

【００６３】この実施例によれば、アンテナコイル１８
４からの電力供給によりターゲット１５近傍に高い密度
のプラズマが形成され、低圧でも十分なイオンが供給さ
れる。 また、成膜に先立って、プラズマによりターゲ
ットおよび基板を洗浄化させ、反応性スパッタリングの
際に、ターゲット材の表面に酸化物が形成するのを防止
することもできる。

【００６４】さらに、図５に断面図で示したように、ア
ンテナコイル１８４の表面をターゲット材料と同じ材料
１５１で覆うことにより、コイルがスパッタされて成膜
に不純物が混入するのを防ぐことができる。例えば、タ
ーゲットが酸化チタンである場合には、コイルの被覆を
酸化チタン粉末をコイルの周囲に接着させて焼成すれば
よい。酸化チタン粉末は、酸化チタン粒子の表面処理し
たものをポリビニルアルコール中に分散させてスラリー
とし、この中にコイルを含浸して乾燥させる工程を繰り
返すことによりコイル表面に接着させることができる。
また、先にコイル形状に合った被覆リングを成形してお
き、コイルをその中に導入するようにしてもよい。

【００６５】なお、このようにスパッタされる可能性の
ある部材をターゲットと同一組成または膜を構成する元
素を含む材料で被覆することは他の実施例においても不
純物混入を回避する手段として適している。

【００６６】（実施例５）図６は、本発明の他の実施例
の成膜装置を概略的に示すものである。

【００６７】図６に示した実施例では、プラズマエネル
ギー供給手段であるアンテナコイル１８５が基板近傍に
配置されている。

【００６８】この実施例によれば、アンテナコイル１８
５にて生成したプラズマは基板近傍に高い密度のプラズ
マが形成される。したがって、アンテナコイル１８５で
生成したプラズマ領域内に構成元素ガスを導入してガス
をプラズマ化して反応性スパッタ法による成膜を行うこ
とができる。

【００６９】（実施例６）図７は、本発明の他の実施例
の成膜装置を概略的に示すものである。

【００７０】図７に示した実施例では、アンテナコイル
１８６が中空管で構成され、環状部分には下向きに多数
の小孔が穿設されている。

【００７１】このアンテナコイル１８６の中空部の先端
はガス導入口２２２とされ、このガス導入口２２２から
は酸素のような反応性ガスが送入されて、小孔２２３か
ら下方に吹出すようになっている。小孔２２３は、図８
に示すように、効率よく基板上に反応ガスが送られるよ
うに、内向きに基板方向に向けて円周上に形成されてい
る。このように反応ガスの吹出し方向を規制することに
より、基板面に活性化した構成元素ガスを効率よく供給
できるだけでなく、構成元素ガスがターゲット表面に到
達するのを防ぐことができる。

【００７２】次に、この実施例の装置を用いた成膜プロ
セスについて説明する。

【００７３】まず、基板１２を基板保持部１３上に設置
した後、基板温度を４００℃となるように基板加熱を行
い、スパッタ室内の不純物等除去のために十分な排気を
行った。その後アルゴンガスをガス導入口２１から、ま
た酸素ガスをガス導入口２２２から、それぞれスパッタ
室内に導入を行い、スパッタ室内圧力を５×１０^-3Ｔｏ
ｒｒに調整した。ここで電源から、例えば１３．５６Ｍ
Ｈｚで３００ＷのＲＦ電力を供給してアンテナ１８６に
よりプラズマを形成した。

【００７４】次にターゲット（酸化チタン）にＤＣ電圧
を３００Ｖ印加した。ここでターゲット表面のクリーニ
ングを行うため、５分程度放置した。スパッタ効率を向
上させるためにターゲット表面に磁場を形成するように
磁石を配置することも行った。成膜時問の調整はコイル
１８６と成膜基板間にあるシャッターの開閉により行つ
た。なお本実施例では、基板に近いところにアンテナコ
イル１８６が存在する。このため、導電性材料によるシ
ャッターでは大きな影響を与えるので、絶縁性の材料で
シャッターを形成して用いた。

【００７５】成膜時間終了後、−度シャッターを閉じて
ターゲットへの電力供給を停止した後、再度シャッター
を開けて活性酸素の膜表面照射を行った。これによって
薄膜最表面での酸素不足を抑えることができた。

【００７６】（実施例７）図９は、図６に示した成膜装
置において、基板保持部１３の下部に磁石２５を配設し
た実施例である。この実施例では、磁石から基板近傍に
発生する磁界により、電子はサイクロトロン運動をし、
これによって基板１２に衝突する電子の密度が高くなり
基板表面のプラズマ密度が高くなって膜質が改善され
る。

【００７７】（実施例８）図１０は、本発明の成膜装置
の他の実施例を概略的に示す断面図である。

【００７８】図１０に示した実施例では、アンテナコイ
ル１８１を配置した電離状態生成部位とターゲット部お
よび基板部との間にそれぞれ磁界発生手段２６と電界発
生手段２７を配設し、磁界と電界（の少なくとも１方）
を用いてプラズマ領域を区分している。

【００７９】この実施例の成膜装置によれば、高密度プ
ラズマ領域を限定し、制御することができるので、ター
ゲット以外からのスパッタによる成膜への不純物混入を
回避することができる。

【００８０】（実施例９）図１１に示した実施例は、真
空容器１１内に、アンテナコイル１８７とアンテナコイ
ル１８８を、それぞれターゲット１５と基板１２に近接
させて２個間隔をおいて並列配置させたものである。こ
の実施例によれば、実施例４（図４）と実施例５（図
６）による効果を得ることができる。

【００８１】（実施例１０）図１２に示した実施例は、
図１１に示した実施例において、それぞれのアンテナコ
イル１８７，１８８に近接させてガス導入口２２ａ，２
２ｂを配設し、各ガス導入口２２ａ，２２ｂから同一ま
たは異なるガスを導入して各種の膜質の成膜を可能とし
たものである。

【００８２】（実施例１１）図１３に示した実施例は、
図１２に示した実施例において、各アンテナコイル１８
７と１８８の間に電界発生手段２７を配設してプラズマ
領域を区分した例である。

【００８３】（実施例１２）図１４に示した実施例は、
図１２に示した実施例において、各アンテナコイル１８
７と１８８の間に磁界発生手段２６を配設してプラズマ
領域を区分した例である。

【００８４】（実施例１３）図１５に示した実施例は、
図１２に示した実施例において、各アンテナコイル１８
７と１８８の間に磁界発生手段２６と電界発生手段２７
を配設してプラズマ領域を区分した例である。

【００８５】（実施例１４）図１６に示した実施例は、
図１２に示した実施例において、各アンテナコイル１８
７と１８８の間に分離層２６１を配設してプラズマ領域
を区分した例である。 分離層２６１は真空容器のター
ゲット側の室（低真空側）と成膜基板側の室（高真空
側）のように真空度に変化を与えるものであり、これに
よって粒子の流れ方向をターゲット側から成膜基板側へ
流れる方向が優先させるようにすることができる。

【００８６】（実施例１５）図１７は、整流作用を有す
る分離層２６２を、図１２に示した実施例における各ア
ンテナコイル１８７と１８８の間に配設したもので、こ
の実施例の分離層２６２を配設した場合には、粒子の流
れ方向を基板方向に優先させるだけでなく、流れの方向
性を一定にする作用もする。

【００８７】（実施例１６）図３に示した実施例の装置
を用いて次のように成膜プロセスを行った。

【００８８】ステンレス製、アルミ合金製の金属真空容
器１１のヒーター（図示せず）を内蔵した基板保持部１
３にガラス基板１２を載せた。基板１２に対向する位置
に水冷され、真空容器１１と絶縁された電極にＩｎ等で
ターゲット１５を接着させた。ターゲット１５の裏面に
は永久磁石２３を配置し、ターゲット１５表面に１００
〜１０００ガウスの磁場を形成させた。ターゲット１５
は成膜材料の酸化物のセラミック材料（Ｓｒ_x Ｔｉ_y Ｏ
_ｚ、Ｔｉ_x Ｏ_y など）で抵抗率は１０⁴ 〜１０⁶ Ωｃｍ
の絶縁材料とした。ターゲット１５裏面の電極に１３．
５６ＭＨｚの高周波電圧を印加した。一方、基板１２と
ターゲット１５の間に水冷された銅管をほぼ円形に周回
させてコイル電極（ここでは１ターンとした）１８１を
形成し、１３．５６ＭＨｚの高周波を印加した。コイル
電極の電源はターゲット電源と同期を取って印加した。
コイル電極１８１が囲む領域はターゲット１５よりも大
きくした。銅管の表面にはターゲット材料と同じ元素を
含む絶縁体（ＴｉＯ₂ （チタン酸化物））をコーティン
グした。この絶縁体にはＭｏ、Ｔａ、Ｓｒ、Ｂａなどを
０．１〜１０ａｔ％含有させてもよい。コーティングの
厚さは１０μｍ〜１ｍｍとした。なお、コーティング層
を多層にして内側に別の材料のアルミナ、Ｔｉ酸化物の
順に設けるようにしてもよい。基板１２に対してターゲ
ット１５は１．２〜２倍大きいものを用いた。なお、コ
イルへの電力供給として、両端にマッチング回路を通し
て高周波電力を印加して、直流的には電位を固定しない
か、適当なバイアスを印加するか、正負でバランスさせ
るかするようにしてもよい。

【００８９】ここではターゲット、基板間の距離は１０
〜３０ｃｍで、６インチ基板１２に対してターゲット１
５は８インチとした。

【００９０】ガスとして、ＡｒおよびＯ₂ を流量計を通
して真空容器１１に導入した。流量比でＡｒ：Ｏ₂ ＝
３：１〜５：１を用いた。コイル電極１８１はターゲッ
トと基板の間の距離の１：１〜１：３でターゲットより
の方に設けた。全体の圧力を０．００５Ｐａ〜０．５Ｐ
ａとし、ターゲット電極にＲＦを８００Ｗ、コイル電極
１８１にＲＦを１０〜１０００Ｗ印加した。この実施例
では基板１２のステージはグランド電位にした。誘導結
合型の高密度プラズマ領域がコイル電極の内側に形成さ
れ、コイルの中心部のプラズマの電子密度は１０¹⁰／ｃ
ｍ³ 以上となった。このときの基板上にはターゲット元
素を含む粒子が１〜３０％イオン化して到達することが
確認された。プラズマを通った粒子のイオンエネルギー
は５〜３０ｅＶ程度と低く抑えられた。周囲が導電性チ
ャンバーでグラウンドであり、誘導結合プラズマとした
ため、低圧力でプラズマ電位が上がらずに放電した効果
といえる。また、ターゲットの裏面においたマグネット
が作る磁場がコイル電極が作るプラズマ領域にも広げる
ことで、プラズマの均一性を得ながら、密度向上および
電位低下に効果がある。

【００９１】このような条件において、基板温度が室温
のときは基板上の膜は非品質であったが、２００〜４０
０℃で抵抗率の高く誘電率が安定した良好な結晶が得ら
れた。ガラス基板としてＨＯＹＡ製ＮＡ−３５、ＮＡ−
４５、コーニング製１７３７を用いて４００℃で成膜を
行ったが、特に変形はみられなかった。

【００９２】（実施例１７）図１８は、図３の実施例の
装置に、プラズマの状態を制御するために、ターゲッ
ト、基板、コイル電極をほぼ覆うようなシールド電極２
００を設けて、所定の電位を加えるようにしたものであ
る。

【００９３】この実施例では、高周波に直流分を重畳さ
せて、チャンバー外壁に対して平均電圧で＋５〜−３０
Ｖの電位を与えた。これにより基板上に達するイオンの
エネルギーを小さくすることができ、膜表面の平滑性等
の膜特性が向上した。

【００９４】高周波は印加しなくてもよいが、絶縁性材
料の成膜では、シールド電極２００に絶縁性材料が成膜
されてプラズマとの直流的な接続ができなくなるため、
基板ステージにも高周波を印加しこれと同一周波数でほ
ぼ同位相に同期させるのが望ましい。

【００９５】（実施例１８）図１９は、アンテナコイル
１８１を真空容器１１の外側に配置し、真空容器１１の
アンテナコイル１８１と対向する部分を石英、セラミッ
クなどの誘電体２０１で構成した実施例である。この実
施例では、ガラス基板１２上にコイル電極１８１への印
加電力を増加させてもコイル電極１８１の成分が混入す
ることがなく、膜の特性が改善される。コイル電極１８
１を２〜４周とすることでより密度の大きいプラズマを
生成することもできる。

【００９６】（実施例１９）図２０は、図１８に示した
実施例において、アンテナコイル１８１の内側に誘電体
の筒状の壁２０６を配設した例である。この実施例でも
実施例１８と同様の効果が得られる。この場合、誘電体
の壁２０６とコイル１８１の間に薄い導電材料をスリッ
トをあけて設け、静電的なコイル１８１とプラズマの結
合を抑えるようにすることはプラズマ電位の制御に有効
である。

【００９７】（実施例２０）図２１は、図１８に示した
実施例において、アンテナコイル１８１をシールド電極
２００よりも外寄りの空間２１０に形成した例である。
なお、シールド電極２００の領域はターゲット１５から
基板１２までの領域を完全に覆わなくても効果がある。

【００９８】以上の実施例を用いて、酸化膜などを形成
する際には基板側（ステージ）に高周波電力を加えると
膜質の改善を図ることができる。１０Ｗ程度の印加で膜
の付着力が向上することが確認されている。特に成膜前
だけにクリーニングとして加えることも効果がある。

【００９９】また、ターゲットは複数設けて別々の電力
を印加するようにしてもよい。

【０１００】さらに、以上の実施例ではターゲットにも
高周波電力を印加しているが、これによりプラズマの電
位制御が自由になり、成膜粒子のエネルギー制御が有効
になる。通常、各電源の周波数はコイル電極と同じにし
て位相を制御するが、別々の周波数、（たとえば１００
ＭＨｚと１３．５６Ｍｚ）にしてもよい。また、ターゲ
ットに導電性材料を用いて直流電力あるいは高周波との
重畳電力を加え、導入するガスと反応させて成膜する方
法にも適用できる。

【０１０１】さらに、以上の実施例では、高周波電源の
他端子側を接地して図示したが、本発明は、このような
実施例に限定されるものではなく、接地させなかった
り、あるいは各電源を共通電源から供給したり、任意に
変更することが可能である。

【０１０２】さらにまた、プラズマが壁面で再結合して
ロスするのを低減するために、チャンバー壁あるいはシ
ールド電極の所に磁石を設けて電子を壁に当てないよう
にＮＳを配置するようにしてもよい。

【０１０３】成膜材料としてＴｉあるいはＴａを含む多
元系酸化物において、低温で絶縁性、結晶性などの特性
の良い膜を実現するのに特に効果があった。

【０１０４】酸化および成膜粒子エネルギーの制御がこ
れらの材料に重要で本発明がその実現に有効であるため
と思われる。

【０１０５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
スパッタ装置のターゲットと成膜基板間にプラズマ領域
を具備し、ここに高密度プラズマ領域を形成することが
できるので、この高密度プラズマ領域を成膜に好都合に
利用することができる。

【０１０６】すなわち、本発明によれば、比較的低い基
板温度で結晶化成膜を得ることができるので、基板選択
やデバイス構造の制約が大幅に緩和される。

【０１０７】また、基板近傍に高密度プラズマ領域を形
成することにより、一部の構成元素を気体状態で基板表
面に供給して薄膜表面で反応させて、薄膜内に取り込ま
せることができる。このため組成ずれによる膜の特性低
下をあらかじめ防止できる。さらに高密度プラズマ領域
を限定することができるので、ターゲット以外からのス
パッタによる成膜への不純物混入による成膜の特性低下
も回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を概略的に示す断面図。

【図２】 本発明の他の実施例を概略的に示す断面図。

【図３】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す断
面図。

【図４】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す断
面図。

【図５】 本発明の実施例に使用されるプラズマエネル
ギー供給手段であるコイルの外周に成膜構成元素を含む
材料をコートした状態を示す断面図。

【図６】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す断
面図。

【図７】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す断
面図。

【図８】 図７に示されたコイルに設けられたガス導入
部におけるガス導入孔の配置を示す図。

【図９】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す断
面図。

【図１０】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１１】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１２】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１３】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１４】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１５】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１６】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１７】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１８】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図１９】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図２０】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【図２１】 本発明のさらに他の実施例を概略的に示す
断面図。

【符号の説明】

１１……真空容器、 １２……基板、 １３……基板保
持部、 １４……電源、 １５……ターゲット、 １６
……ターゲット保持部、 １７……電源、 １９……電
源、 ２０……プラズマ領域、 ２１……排気口、 ２
２……ガス導入口、 ２３……磁石、 ２５……磁石、
２６……磁界発生手段、 ２７……電界発生手段、
１５１……ターゲットと同じ材料による被覆、 １８１
〜１８８……プラズマエネルギー供給手段 ２２２……
ガス導入口、 ２６１〜２６２……分離層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 容子 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33 株式会 社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 小野塚 豊 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33 株式会 社東芝生産技術研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも成膜すべき膜の構成元素を含
   む材料からなるターゲット材と、成膜される基板を保持
   する基板保持部と、前記ターゲット材の表面から該ター
   ゲット材の構成成分の粒子を放出させるエネルギー粒子
   供給手段とを有する成膜装置において、前記ターゲット
   材と前記基板保持部との間に、独立にエネルギーの供給
   を制御し得る電離エネルギー供給手段を配設してなるこ
   とを特徴とする成膜装置。
2. 【請求項２】 前記電離エネルギー供給手段において、
   プラズマ生成材料としての気体または液体の導入手段を
   具備することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 【請求項３】 前記電離エネルギー供給手段は、成膜す
   べき膜の構成元素を含む材料により被覆されていること
   を特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
4. 【請求項４】 前記ターゲット材、前記基板保持部およ
   び前記エネルギー粒子供給手段には、それぞれ交流電源
   が、位相を同期させて、または任意に位相制御されて、
   印加されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   １項記載の成膜装置。
5. 【請求項５】 前記電離エネルギー供給手段は、ターゲ
   ット材近傍に配置されることを特徴とする請求項１記載
   の成膜装置。
6. 【請求項６】 前記電離エネルギー供給手段は、基板近
   傍に配置されることを特徴とする請求項１記載の成膜装
   置。
7. 【請求項７】 少なくとも成膜すべき膜の構成元素を含
   む材料からなるターゲット材に、電離イオンを衝突させ
   て前記ターゲット材を構成する成分からなる粒子を放出
   させ、該粒子を基板に堆積させて成膜する方法におい
   て、前記ターゲット材と前記基板間にプラズマ領域を形
   成せ、前記ターゲット材から放出された粒子を、前記プ
   ラズマ領域を通過させてプラズマ中の電子またはイオン
   と衝突させることにより、前記粒子のイオン化を促進さ
   せることを特徴とする成膜方法。
8. 【請求項８】 前記プラズマを構成する元素として、成
   膜すべき膜の構成成分元素を用い、前記ターゲット材の
   構成元素と前記プラズマの構成元素により成膜すること
   を特徴とする請求項７記載の成膜方法。
9. 【請求項９】 前記プラズマ領域から放出される電子ま
   たはイオンを、前記ターゲット材および／または基板に
   衝突させることにより、前記ターゲット材および／また
   は基板を洗浄することを特徴とする請求項７または８記
   載の成膜方法。