JPS6350025A - 半導体製造装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体の製造装置に係り、特に絶縁性薄膜を堆
積させるバイアススパッタ装置に関する。

（従来技術とその問題点） 現在、集積回路の配線材料や絶縁性薄膜形成にはスパッ
タ法が広く用いられている。スパッタ法とは真空容器内
にＡｒガスを導入し，ターゲット材料を取り付けたカソ
ードに直流または高周波電力を加えてグロー放電を発生
させ成膜を行なう方法である。グロー放電の結果、ター
ゲット表面はプラズマに対し負にバイアス（これを自己
バイアスと呼ぶ）されるが、このバイアス電圧によって
加速されたＡｒイオンがターゲット表面にぶつかってタ
ーゲット材料をスパッタエツチングする．こうしてエツ
チングされた材料粒子は、対向して設置されたウェーハ
上に堆積して成膜が行なわれる。これに対し、ターゲッ
トだけでなく、ウェーハを取り付けるサセプタ自身にも
高周波電力を加え、ウェーハ表面に膜の堆積を行なうと
ともに、ウェーハ表面に形成された自己バイアスによっ
てスパッタエツチングを同時に行なうようにしたものが
高周波バイアス・スパッタと呼ばれる方法である。第５
図に従来用いられている代表的なバイアス・スパッタ装
置の断面構造の模式図を示す。５０１は例えばＳｉＯ２
、Ｓｉ３Ｎ４　。

ｋｇ、２０３　　、Ａ立Ｎ等のターゲットであり、５０
２はターゲットを取り付けであるターゲット電極である
。また、５０３，５０４はそれぞれ半導体ウェーハ及び
サセプタの電極である。ターゲット電極５０２及びサセ
プタ電極５０４にはそれぞれ整合回路を介して高周波電
力が供給されており、真空容器５０５はアースされてい
る。ここで高周波電源（ＲＦ主電源は、発振周波数１３
゜５６ＭＨｚのものを用いるのが普通である。なお、実
際の装置では、以上に述べた以外に、真空用の排気ユニ
ットやガスの導入口、その他ウェーハの出し入れのため
の機構が設けられているが本図では簡単のため省略しで
ある。

半導体ウェーハ５０３及びサセプタ５０４表面は、サセ
プタに加えられたＲＦ主電力ためにプラズマに対し負の
自己バイアスがかかり、この電界で加速されたＡｒイオ
ンがぶつかるため、堆積膜の一部が再びスパッタされる
。本方法を用いると、機械的強度の優れた薄膜が得られ
る。また段差部に形成された膜がスパッタされやすいと
いう性質を利用して表面形状の平坦な膜を形成できると
いう特徴ももっている。しかし、半導体ウェーハに自己
バイアスで加速されたＡｒイオンが衝突するため、下地
に損傷を与え素子の特性を劣化させるという半導体集積
回路製造上重大な問題を生じている。これらの問題が、
バイアス・スパッタ装置を実用化する上で大きな障害と
なっていた。

（発明の目的） 本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、高品質の
絶縁性ＦｊｊＷ２を下地基板に損傷を与えることなく形
成できる半導体製造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） 本発明のバイアススパッタ装置は、ターゲットとサセプ
タの両電極にそれぞれ周波数の異なる高周波電力を印加
できるようにしたことを特徴としている。

すなわち、本発明は、半導体基板表面に絶縁性薄膜を堆
積させる装置において、前記絶縁性ｇ、膜材料より構成
されるターゲットと、前記半導体基板を装置内にて保持
するサセプタの両方に、それぞれ第１の周波数及び第２
の周波数を有する高周波電力が供給され、かつ第２の周
波数が第１の周波数より大となるように設定されたこと
を特徴とする半導体製造装置である。

（発明の実施例） 以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

なお、当然のことではあるが、本発明の範囲は以下の実
施例により限定されるものではない。

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例である絶縁性薄膜
を形成するためのバイアススパッタ装置を示す模式図で
ある。ｌＯｌは例えばＳｉＯ２のターゲットであり、タ
ーゲット電極１０２上に取り付けられている。ターゲッ
ト電極には従来例（第５図）と同様に整合回路を介して
例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が加えられている
。また、シリコンウェーハ１０３及びスセプタ１０４に
は整合回路を介して、ターゲットに加えられている高周
波より大きな周波数例えば１００ＭＨｚの高周波電力が
加えられている。

さらにターゲット電極１０２及びサセプタ電極１０４に
はそれぞれ１３．５６ＭＨｚ。

１００ＭＨｚの周波数の高周波のみが入力されるように
バンドエリミナーター（Ｂａｎｄ　Ｅｌｉｍｉｎａｔｏ
ｒ）１０２’、１０４°が設けられている。サセプタ電
極１０４に用いられるバンドエリミナーターは例えば第
１図（ｂ）に示したように１０４ｂの構成をとればよい
。Ｌ、Ｃの並列回路はｆ１＝＝（１／２πＪ［ニー石］
）の共振周波数でインピーダンスが最大となり（第１図
（Ｃ））、それ以外の周波数に対しては、はとんど短絡
となるため、所定の周波数（この場合はｆ、＝１００Ｍ
Ｈ２）の高周波のみ選択して電極に供給することができ
る。ここに示した第１図（ｂ）の構成はあくまでも基本
的な原理を示すものであり種々の改善のための変更を加
えてもよいことはいうまでもない。

例えば、第１図（ｄ）は改善の一例である。

１０４ｂの回路は直流的には接地となっているが、これ
を直流的に浮遊状％３（ｆｌｏａｔｉｎｇ　）としたい
場合には例えば第１図（ｄ）の１０４ｄのようにコンデ
ンサＣ５を付加し、直流パスをカットすればよい。この
場合、回路の共振周波数がｆｌからずれないようにＣｓ
の値は ｆｌ　ｍ　Ｌ＋　＞＞１／ｆｌＣｓ を満たすよう十分大きな値とする必要がある。

この場合、ｆ、＝　（１／２πｎ）の周波数に対し、Ｌ
＋、Ｃｓの直列回路はインピーダンスがＯとなり、周波
数ｒｏの高周波に対し短絡となる。このｆＯをターゲッ
トに加えられる周波数１３−５６ＭＨｚに等しくとって
おくと、サセプタに１３．５６ＭＨｚの高周波がのるの
を有効に防止することができる。

真空容器１０５はアースにつながれている。また、１０
６はマグネトロン放電のための永久磁石である。さらに
装置には真空容器を真空に引く排気ユニットや、ガスを
導入するｍ構、ざらにウェーハを出し入れする機構が設
けられているが、ここには簡単のため省略しである。

本発明によって下地半導体ウェーハに損傷を与えること
なく、絶縁ｇ膜のバイアススパッタリングによる成膜が
可能となった理由を以下に説明する。

第２図は電極の電流電圧特性を測定するための装置の模
式図である。装置３のものは第１図に示したものと同じ
であるが、直流電源２０１、電流計２０２が例えば第１
図（ｂ）に示したバンドエリミナーター１０４ｂのよう
にサセプタに加わる高周波電源の周波数の所でだけイン
ピーダンスが高く、その周波数からずれた周波数に対し
てはほとんど短絡となる高周波フィルタ２０３を介して
１つの電極（この図の場合はサセプタ電極２０４に接続
されている。この状態で、例えばＡｒガスを５Ｘ　１０
−３Ｔｏ　ｒ　ｒｃｙ）圧力で導入し、放電を起し、電
極に加える直流電圧Ｖとその結果流れる電流の関係をと
ったものを第３図に示す。

この場合、高周波電源２０５の周波数は可変とし、１４
ＭＨｚ　、４０　＋　６８ＭＨｚ及び１００Ｍｔ（ｚの
３つの周波数に対してとった結果が図に示されている。

また電極に流れ込む電流を正の値にとっている。

例えば、１００ＭＨｚの特性をみると、■が約−９５ｖ
（この値をＶＳＢと表す）のとき、工＝Ｏとなり、Ｖ＞
ＶｓｅではＩ＜０．Ｖ＜ＶＳＢではＩ＞Ｏとなっている
。このＶＳＢは自己バイアスと呼ばれ、電極がフローテ
ィングの場合に自然に発生する直流バイアス電圧である
。すなわち、電極がこの電位にあるときは、プラズマよ
り電極に流れ込むイオンと電子の数が相等しいため互い
に打ち消し合い電流がＯとなっているのである。外部よ
り加えた直流バイアスにより電極の電位をコントロール
してやると電流が流れる。例えば■〉ＶＳＢとするとよ
り多くの電子が流れ込みＩ＜Ｏとなる。

また、一方、Ｖ＜ＶＳＢとすると電子に対するポテンシ
ャルバリヤが高くなって電子の流入数が減少するためイ
オン電流の方が大きくなり正の電流が流れる。ざらにＶ
を負の方に大きくすると、Ｖ　−Ｖ　ｏで電流値は飽和
し、はぼ一定値となる。

これはイオンのみの電流値に等しい。以上の事実から考
えて、Ｖ　＞　Ｖ　ｏにおけるＩ−Ｖ特性の傾きは電子
のエネルギー分布の巾に対応している。すなわち、傾き
が大きいことはエネルギーの分布中が狭いことを意味し
ている。図から明らかなように１４ＭＨｚにくらべ、１
００ＭＨｚの場合はエネルギー分布が約１／１０程度に
小さくなっている。一方、イオンのエネルギー分布巾を
ΔＥｉｏｎとし、電子のエネルギー分布の巾をΔＥｅと
したとき両者の間には略々比例関係がるので、イオンの
エネルギー分布の巾も同様に約１／ｌＯに減少している
といえる。

さらに、ＶＳＯの値も１４ＭＨｚの場合の−４００Ｖに
対し１００ＭＨｚでは約−９５Ｖと絶対値でｌ／４以下
に小さくなっている。

従来のバイアススパッタ法では、下地基板に損傷が生じ
、デバイスの特性が劣化していたのは次の理由による。

すなわち、従来例では１３゜５６ＭＨ２の周波数で放電
させていたため、ＩＶｓｕｂ　　ｌ−４００Ｖ〜６００
０Ｖとなり、コノ高電圧で加速されたイオンが基板にぶ
つかっていた。さらにイオンのエネルギー分布が大きく
、たとえエネルギーの平均値を制御しても平均値より十
分大きなエネルギーをもったイオンが数多く存在するこ
とになり、こうしたハイエネルギーのイ。

オンが大きなイオン衝撃を基板に与えることになり、こ
れが損傷の生じる原因であった。しかるに、本発明の第
１実施例では、ウェーハ・サセプタ電極１０４には１０
０ＭＨｚの高周波を用いているため、従来の１３．５６
ＭＨｚの場合にくらべてＩＶｓＢＩは約１／４〜１１５
、△Ｅ　ｉｏｎはｌ／１０以下と小さくすることができ
た。その結果、基板への損傷をなくすことができたので
ある。

ｖｓｎは高周波電源の周波数が高くなるほど低くなる。

したがって、ＲＦバイアススパッタを行なうに必要十分
な直流バイアスを与える周波数をサセプタに与えるよう
に選択すればよい。

また一方、ターゲット電極１０２には従来と同じ１３．
５６ＭＨｚが加えられているため、大きな自己バイアス
が生じており、大きなイオンエネルギーによるスパッタ
が生じるため、ターゲットのスパッタ速度が低下するこ
とはない。さらに、第１図の実施例ではマグネッ）１０
６が装着されており、ターゲット基板近傍でマグネトロ
ン放電を起すことによりイオン濃度を高めてさらにスパ
ッタ速度を大きくする構成となっている。

以上述べたように本発明によるＲＦバイアススパッタ装
置によれば、大きな成膜速度を維持しつつ、基板に損傷
を生じない絶縁膜のＲＦバイアススパッタが可能となっ
た。

また、第２図に示したように電極に直流バイアスを加え
ることによってサセプタに流入するイオンのエネルギー
をコントロールすることも可能だが、形成する薄膜が本
発明で問題にしているような絶縁膜の場合にはあまり有
効には機能しない。

なぜならば、電極の電位とは無関係に絶縁膜の表面は常
にＶＳＲに固定されているからである。従って、本発明
によらないかぎり、基板に流入するイオンのエネルギー
を小さな値にコントロールすることは不可能である。

以上ターゲット及びサセプタに供給するＲＦの周波数を
それぞれ１３．５６ＭＨｚと１００ＭＨｚの場合につい
てのみ述べたが、これに限る必要のないことは言うまで
もない。要するに前者に対し後者を大きくすればよいの
であって、実際の値はそれぞれの目的に応じて必要な成
膜速度や形成された膜の段差部での被覆形状等を考慮し
て決めればよい。

しかし、例えば、２．４５ＧＨｚのようなマクロ波を用
いたような場合には電磁波の波長がウェーハ径にくらべ
て小さくなるため膜厚のバラツキの原因となることがあ
るため好ましくない。

高周波放電に使う高周波電源の波長は少なくともウェー
ハロ径の２倍より大きいことが均一成膜の立場から要求
される。望ましくは１００ＭＨｚ〜Ｉ　Ｇ　Ｈｚ程度で
ある。しかし、この範囲以外のものを用いてもよいこと
はいうまでもない。

またターゲット電極１０２裏面に設置した磁石１０６は
第１図に示した構成に限ることはない。

たとえば第４図（ａ）の本発明の第２の実施例に示した
ように強力な競争路形磁石４０９を設置し均一性を上げ
るために走査を行ってもよい。この場合、例えば第４図
（ａ）に示したように走査系４１０を真空容器４０５の
外に出しておけば反応系が機械的な動作から生じる発じ
んにより汚染されることが妨げて好都合である。また不
必要ならば磁石１０８を省略しても、もちろん本発明の
主旨から逸脱することはない。

さらに、ウェハサセプタ側にも磁石を設置して再スパツ
タの効率を上げてもよい。またここで使う磁石は、第１
図１０６のように静止して取り付けられていてもよいし
、第４図（ａ）４１０のように移動できるものであって
もかまわない。

また基板への損傷をさらに小さくするため例えば次のよ
うな方法をとることも可能である。例えば、露出してい
るシリコン表面に直接５ｔ０２　などの絶縁膜を積層さ
せる場合、まず最初の数１ＯＡ−１００Ａ程度の膜が形
成される間はシリコン基板に供給するＲＦ主電力ゼロと
して再スパツタしないでつけ、その後、バイアス拳スパ
ッタに切りかえる方式である。こうすればシリコン表面
の出ている間は再スパツタを行なわず、表面に薄膜が形
成されてからスパッタ成膜を開始するため基板シリコン
表面への損傷をほとんど０とすることが可能である。

第４図（ｂ）は本発明の第３図実施例を示すもので基板
への損傷を小さく抑えつつ、且つ再スパツタのエネルギ
を自由に選択できる方法を示している。第１図（ａ）の
第１の実施例と比較してかわっている点は、サセプタに
対し、ｆｌ　　。

ｆｌという２つの異る周波数を切り換えて入力できるよ
うになっている点であり、それに応じてバンドエリミナ
ートー４０１も変換しである。

４０２及び４０３はＬＣの共振回路であり、それぞれｆ
ｌ、ｆｌの共振周波数をもっている。

ｆ、−１７（２π１０汀） ｆ２＝１／（２πＪ石−） ２つの共振回路４０２，４０３を直列に接続したバンド
エリミナー）−４０１はｆｌ、ｆｌの２つの周波数に対
してのみインピーダンスが大きくなり、これ以外の周波
数に対しては短絡となっているため、これら２種類の高
周波のみ選択的にサセプタに供給するＩａ箋をもってい
る。

例えば、ｆｏは１３．５６ＭＨｚとし、ｆｌ　＝１００
　Ｍ　Ｈｚ　、　　ｆ　２　＝　４０　Ｍ　Ｈｚとする
。そして、例えば露出しているシリコン表面に直接５ｉ
０２等の絶縁膜を成長させる場合、まず最初の数１０＾
〜１００六程度の膜を形成させる間は、サセプタ１０４
に加える高周波の周波数をｆｌ　　（１００ＭＨｚ）と
する。そして、その後は周波数をｆ　２　　（４０Ｍ　
Ｈｚ　）に切り換えて厚い膜（例えば０．５〜ｌＩＬｍ
）を形成する。このようにすればシリコン表面の露出し
ている間は１００ＭＨｚに対応する小さな自己バイアス
値約９５Ｖで再スパツタするため基板へのダメージは小
さく抑えられる。表面が１００Ａ程度のＳｉＯ２でカバ
ーされた時点で周波数を４０　Ｍ　Ｈｚに切り換えると
自己バイアス値は２５０ｖと大きくなり、大きな再スパ
ツタ効果が得られるようになる。しかし、すでにＳｉ表
面はＳｉＯ２で覆われているため基板への損傷はなくな
る。

このような方法は、バイアススパッタ法により堆積した
絶縁膜の表面形状の平担度をコントロールする場合特に
重要になってくる。なぜなら周波数を変化させることに
より最も有効な再スッパタ用のＡｒイオンのエネルギを
コントロールでき、最適のエネルギ値を基板へのダメー
ジの心配をしないで選べるからである。

ここではｆ、、ｆｌの２つの異る周波数の場合について
のみ述べたが、例えばｆｌ　、ｆｌ　。

ｆ３という３つの値を用いてもよいことはいうまでもな
い。ただし、この場合、最初に印加する周波数ｆｌはｆ
ｌ　＞ｆ、、ｆ３　として、最も高周波のものを用いダ
メージを小さくすることが重要である。また複数の周波
数を用いる場合、これらはターゲットの周波数ｆＯも含
め、ｆＯ、ｆｌ　　。

ｆｌ　　、・・・・は互いに高周波の関係にないように
選ぶのが望ましい。放電空間は非線形であり、従ってｆ
Ｏ、ｆｌ　　、ｆｌ　　、＊・・拳の高周波が放電条件
によっては全く違った形でのってしまうことがあり条件
の設定が不正確になるからである。

以上本発明の実施例は主として５ｉ０２膜の堆積につい
てのみ述べてきたが、これに限る必要はもちろんない。

例えば、ＰＳＧ、［、ＢＰＳＧ膜、シリコン窒化膜、Ａ
見２０３膜、Ａ文Ｎ膜等の形成に用いてもよい。

これまで、Ａｒイオンを用いてＲＦバイアススパッタ技
術への適用例を述べてきたが、例えばＳｉ３Ｎ４膜成膜
において、ターゲットにＳｔ大基板用い、導入ガスとし
てＮ２あるいはＮＨ３を用いて、５ｉ３Ｎｎ膜を成膜す
る反応性ＲＦバイアススバッタ技術にも本発明はそのま
ま適用できる。ＡｕＮの成膜では、Ａ文をターゲット基
板とし、導入ガスをＮ２＆もしくはＮＨ３とすればよい
。

また。例えばポリイミド膜やレジストなどの高分子材料
に対しても必要に応じて用いてもよいことはいうまでも
ない。

また、成膜を行なう基板も半導体ウェーハに限らないこ
とはいうまでもない。

（発明の効果） 本発明によれば基板への損傷を生じることなく、高品質
で表面平坦度の優れた絶縁膜を容易に得ることが可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１実施例を示す装置
の模式図及び説明図である。第２図は電極の電流電圧特
性を測定するための装置を示す模式図である。第３図は
電極の電流電圧特性の実験データを示すグラフである。 第４図（ａ）。 （ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施例及び第３実施例な
示す模式図である。第５図は従来例を示す模式図である
。 １０１争・・ターゲット、１０２−Φ・ターゲット電極
、１０３φ・命ウェーハ、１０４・・・サセプタ電極、
１０５・・・真空容器、１０２”、１０４’　、１０４
ｂ、１０４ｄ。 ４０１φ・・バンドエリミネータ−６ 第１図（ｂ） 第１図（ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　減圧状態になされた雰囲気中において、半導体基板
   表面に絶縁性薄膜を堆積させる装置において、前記絶縁
   性薄膜材料より構成されるターゲットあるいは前記絶縁
   性薄膜材料の構成元素の少なくとも１つよりなるターゲ
   ットと、前記半導体基板を装置内にて保持するサセプタ
   の両方に、それぞれ第１の周波数及び第２の周波数を有
   する高周波電力が供給され、かつ第２の周波数が第１の
   周波数より大となるように設定されたことを特徴とする
   半導体製造装置。 ２　前記第１の周波数が１３．５６ＭＨｚであり、前記
   第２の周波数が１００ＭＨｚ以上であることを特徴とす
   る前記特許請求の範囲第１項記載の半導体製造装置。