JPS61127862A - 薄膜形成方法及びその形成装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、スパッタ法による薄膜形成方法及びその形成
装置に関する。

〔発明の背景〕

真空中で、薄膜集積回路や半導体デバイス用の薄膜を製
造する方法の一つにスパッタリング法がある。このスパ
ッタリング法は、例えば１０−３〜１０−”　Ｔｏｒｒ
程度の低圧の雰囲気ガスのグロー放電を起こ−してガス
をプラズマ状にイオン化し、陰陽電極間に印加した電圧
によりプラズマ状イオンを加速し、陰極に配設したター
ゲット材料に衝突させる。そして、このイオンの衝突に
よりターゲット材料の構成原子または粒子を飛び出さ、
せ、陽極近傍に配設した基板上に付着堆積させることに
より、基板上にターゲット材料の薄膜を形成するもので
ある。いままで、このスパッタリング法の実現には各種
の手法が行なわれてきたが、薄膜の形成速度や膜質の点
で問題点を有していた。即ち、陰陽極に直接直流電圧あ
るいはｒ電圧を印加し放電を励起する手法は、放電時の
プラズマ密度が小さくターゲットに衝突するイオン量が
少ないため、薄膜形成速度が非常に遅いものであった。

また、ターゲット材料上に電界の方向に対して垂直な磁
界を発生し、電界と磁界とにより電子に螺線形の運動軌
跡のマグネトロン運動をさせ、放電空間中での平均自由
行程を長くしたマグネトロン型スパッタリング法では、
ん１ＴαｙＴＬ等の導体金属が高速にスパッタされ、薄
膜形成速度も数μｍ／分程度と高速になる。しかし、１
０”’〜１０−”　Ｔｏｒｒ程度の真空度であるため、
形成した薄膜中に放電ガスの混入が生じ、薄膜の結晶粒
径が小さく、抵抗値を増加させる等膜質に問題があった
。さらに、上記した程度の真空度であるから、スパッタ
されたターゲット粒子は基板上へ飛来する途中の空間に
おいてガス粒子と衝突し散乱する。このため、ターゲッ
ト粒子が基板上へ入射する際の基板面に対する垂直性が
悪く、基板上に存在する段差部の被膜性やスルーホール
等の穴埋めが十分でなく、配線部分の断線あるいは多層
配線の層間抵抗の上昇等の問題点があった。また、ター
ゲット材料として５＝Ｏｔ　、ＡＡ’ｔＯｓ　、５Ｌａ
Ｎ４等の誘電体を使用した場合には、電極にＭ’ｆＪＬ
力を印加して放電させ、スパッタリングが行なわれてい
る。しかしながら、このような誘電体は、材料固有の物
性として、イオンの衝突エネルギーにより空間中に放出
される度合（これをスパッターイールドと呼ぶ）が低い
という特徴をもっている、このため、マグネトロン型ス
パッタリング法によりでも薄膜形成速度が遅いので、放
電中のイオンエネルギーを大きくするよう、式の大電力
の投入が行なわれる。しかし、ターゲットへ衝突させる
イオンエネルギーを大きくすればスパッタされるターゲ
ット粒子量は多くなるが、あまり過大な電力を投入する
とイオンがターゲット中に打ち込まれ、ターゲットをス
パッタしな゛　くなってしまう。また、ターゲットの表
面と裏面との温度差が大きくなる結果、ターゲット内に
大きな温度ストレスがかかり、ターゲットが破壊するよ
うな問題点も生じており、誘電体膜の形成にお℃・て高
（・生産性が得られなかった。

そこで、近年これら問題点を解決するスパッタリング手
法として、例えば高周波スパッタ装置の処理室内に３い
て、マイクロ波発振器によりプラズマを生成させる手法
が提案されている（例えば特開昭５８−７５８５９等）
。この手法を適用したスパッタ装置について、第１図に
基づき説明する。これは、マイクロ波発振器３で発生さ
せたマイクロ波を導入路１２から真空室１３内に導入し
、ガス導入口１５から導入されるガスをプラズマ化し、
ターゲット電極１６上に載置したターゲット１とウェハ
ステージ１７上に載置したウェハ２の間に、高密度のプ
ラズマを発生させることにより、ウェハ２上にターゲッ
ト１の材料を成膜するものである。この手法によれば、
ウェハ２上に５＝Ｏｔ薄膜を形成する場合、ＩＫＷＯ高
周波電力で１５０　ｏル扮程度の速度で薄膜形成するこ
とができる。しかしながらこの手法は、スパッタ時のガ
ス圧力を１０’　Ｔｏｒｒ　８度とするもので、マイク
ロ波を生成させないスパッタリング法と比較しても、真
空度は低圧であるため、膜中へのスパッタガスの混入が
避けられず、形成したＳ、、Ｏ２薄膜の絶縁破壊電圧の
低下あるいは多層のピンホールの存在等の問題があり、
半導体薄膜デバイス等に実用できる膜質は得られなかっ
た。

また、マイクロ波の導入がガス導入口１５の近傍で行な
われ、発生したプラズマは熱拡散によってウェハ２とタ
ーゲット１の間に達するものであるため、この空間での
プラズマ密腿は均一でな（、薄膜の膜厚を均一にするこ
とが難しく、半導体薄膜デバイスに応用することが困難
であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、薄膜形成速度を早めるとともに、ター
ゲット材料に依存することなく、半導体薄膜デバイス等
へ応用可能な薄膜を、高真窒度でしかも均一に形成でき
る薄膜形成方法及びその形成装置を提供することにある
。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明においては、高周波ス
パッタリング法において真空室内にマイクロ波を導入す
ると共に磁界中の電子が電子サイクロトロン共鳴を励起
する磁界を作用させるようにした薄膜形成方法並びにそ
の形成装置を提供する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図により説明する。図中
、同一箇所には同一符号を付しである。

略角形で１０″Ｔ’ｏｒｒ程度の真空度に設定すると共
に不活性ガス例えばアルゴンを流入する真空室１５に所
定の空間８を介して、それぞれ平面を可する基板電極１
１と、陽極１０を平面側を略対向させて配置している。

陽極１０の空間８側の面には、ターゲツト材１を載置せ
しめている。このターゲツト材１としては、所望とする
薄膜に応じ例えば５ＬＯｔ　、５ＬｓＮ４あるいはＭ、
０８等を使用することができる。陽極１０は、空間８側
の反対側の一部が大気中に突設し、スパッタ用■゛電源
６に接続している。尚、陽極１０とスパクタ用ＲＦ電源
６０間には、スパッタリングを制御するための整合回路
５を設けである。一方、基板電極１１は陰極として機能
するもので、空間８側の面上には、表面に薄膜を形成す
べき基板、例えばウェハ２が載置しである。さらに、基
板電極１１の一部は大気中に突設しアースされている。

次に、陽極１０と基板電極１１との間の空間８を両側面
から取り囲むように、大気側から真空室１３内に向って
、マイクロ波導入路４がそれぞれ配設しである。このマ
イクロ波導入路４は、空間８にマイクロ波を導入するた
めのものである。

即ち、マイクロ波導入路４は真空室１３に開放しており
、その一端はマイクロ波導入窓９となっている。マイク
ロ波導入路４０大気側はマイクロ波を発生させる導波管
１２に接続し、さらに導波管１２はマイクロ波電源３に
接続している。真空室１３の外側には、各マイクロ波導
入路４を挟む位置に、複数の磁界コイル７が略対向して
配設しである。

次に、このように構成したスパッタ装置における薄膜形
成作用について説明する。

マイクロ波電源３を働かせ導波管１２からマイクロ波を
発生させる。発生したマイクロ波はマイクロ波導入路４
を通って、マイクロ波導入窓９から真空室１３内の空間
８に導入していく。さらに、磁界コイル７を働かせ、マ
イクロ反導入窓９近傍に磁界を発生させる。このとき、
この磁界中の電子の円運動周波数（電子サイクロトロン
周波数）を、マイクロ波の周波数に一致させて共鳴吸収
即ち、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃ
ｙｃ＆ｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎαｎｃｅ　＋以下ｒ　ＥＣ
Ｒ放電」と略す）を引き起こすように設定する。このＥ
ＣＲ放電により空間８は、グロー放電の場合より、高い
イオン密度例えば１０′２（［ｉ！ｌ／ｍ程度を得るこ
とができる。また、空間８の周囲よりマイクロ波を導入
するため、空間８に発生するプラズマ密度は均一なもの
となる。

このような状態において、高周波電源（ＲＦ電源）６よ
り整合回路５を通して、陰極１ｏに「電力を投入する。

式電力は、ターゲツト材１と空間８、陽極（基板電極〕
１１を介して消費される。

このとき、直流バイアスが陰極に負電位として発生する
。この負電位により空間８においてＥＣＲ放電が励起さ
れ、流入ガス例えばアルゴンガスはプラズマ化し、高密
度のイオンがターゲツト材１に加速され衝突しターゲッ
ト粒子を放出させる。そして、この粒子は空間８を通っ
てウェハ２の表面にターゲツト材の薄膜を形成する。

陰陽極間の空間において、ＥＣＲ放電を励起せしめる手
法としてはこれに限られない。本発明の他の実施例につ
いて、第３図をもとに説明する。

ここでは、略球形をした真空室１５の周囲に多数の、マ
イクロ波導入路４を真空室１３に向って開放するよう配
設している。マイクロ波導入路４０大気側端部にはそれ
ぞれ導波管１２を接続し、各導波管１２はそれぞれマイ
クロ波電源３に接続している。マイクロ波導入路４の真
空室１３側端部近傍には、マイクロ波導入窓９を設けて
いる。

それぞれのマイクロ波導入路４の周囲には、マイクロ波
導入路４を取り囲むように磁界コイル７を配設している
。尚、第２図では見やすくするためターゲット電極、基
板電極等は省略しであるが、第１図で示したと同様に配
設することができる。

このように構成したスパッタ装置においても、真臣室１
３内の空間にマイクロ波を導入し、磁界コイル７の働き
によりＥＣＲ放電を空間８で発生させることができるの
で高密度かつ均一なプラズマを生成することができる。

本発明に係る形成方法によって薄膜を形成した場合、次
のような結果が得られた。即ち、６ｘ１０″Ｔｏｒｒの
真空度において、高周波電力をＩＫＷ。

マイクロ波電力を１２０Ｗとし、ターゲツト材を５＝Ｏ
ｔとしたとき、その薄膜形成速度は２０００Ａ／扮以上
であった。また、ウェハ上に形成した薄膜の膜厚分布は
±５％以内で極め℃均一に形成することができた。

〔発明の効果〕 本発明によれば、１Ｏ−４ＴＯｒｒ程度以下の高真空で
プラズマ密度を均一にしかも高めた状態で旺放電を利用
してスパッタリングを行うよ５にしたので、低スパツタ
イールドのターゲツト材を使用しても高速に薄膜を形成
することができ、半導体薄膜デバイス等に応用すること
ができる。

さらに、高真空に設定できるため、ターゲット粒子が薄
膜を形成すべき基板に被着するまでに空間中のガス分子
と衝突散乱する虞れがなく、薄膜中へのガス混入の低減
が計れるので、ピンホールのない緻密な膜を形成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のスパッタリング法によるスパッタ装置
の構成を示す概略構成図、第２図は本発明の一実施例に
係るスパッタリング法によるスパッタ装置の構成を示す
概略構成図、第３図は同じく本発明の他の実施例に係る
スパッタ゛　装置の構成を示す概略構成図である。 １・・・ターゲツト材、　　　２・・・ウェハ、３・・
・マイクロ波電源、　　４・・・マイクロ波導入路、５
・・・整合回路、　　　　　６・・・スパッタ用式電源
、７・・・磁界コイル、　　　　８・・・プラズマ発生
空間、９・・・マイクロ波導入窓、 １０・・・陰極（ターゲット電極）、 １１・・・基板電極、　　　　１２・・・導波管、１５
・・・真空室。 躬　１　乙 第　２０ 第　３　呂

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、不活性ガスを流入すると共に、所定の真空度に保持
   した真空室内で、空間を介して配設した基板電極とター
   ゲット電極との間に高周波電力を供給する薄膜形成方法
   において、前記空間にマイクロ波を導入する共に磁界中
   の電子に電子サイクロトロン共鳴を励起する磁界を作用
   させた後、基板電極とターゲット電極との間に高周波電
   力を供給しプラズマを生成させることにより、ターゲッ
   ト粒子を基板に被着させることを特徴とする薄膜形成方
   法。 ２、不活性ガスを流入すると共に所定の真空度に設定し
   た真空室と、この真空室内に配設した基板電極と、前記
   真空室内であって前記基板電極と空間を介して略対向し
   て配設したターゲット電極と、前記空間にマイクロ波を
   導入するマイクロ波発振器と、前記空間に存在する前記
   ガスに電子サイクロトロン運動による放電を励起させる
   磁界発生器とを備えたことを特徴とする薄膜形成装置。 ３、マイクロ波発振器から発振したマイクロ波を真空室
   に導入するマイクロ波導入路を挟むように磁界発生器を
   配設したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   薄膜形成装置。