JP2003129236A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダストや異常プラズマによるダメージが抑制
された状態で、薄膜が形成できるようにする。 【解決手段】 ターゲット１０５（容器１０５ａ）の下
部に、プラズマ生成室１０２より引き出されたＥＣＲプ
ラズマの飛散領域を制限する筒状のプラズマ制限筒１１
３を備える。プラズマ制限筒１１３は、例えば石英やア
ルミナなどの非磁性材料から構成されたものである。プ
ラズマ制限筒１１３は、プラズマ生成室１０２より引き
出されてターゲット１０５の領域を通過したプラズマ流
の発散を制限し、試料台１０４表面で規定される面にお
けるプラズマ流の照射領域を、試料台１０４上の領域内
に納める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置や磁気
記憶装置などの電子装置に使われる薄膜を形成する薄膜
形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最初に半導体装置の状況について述べ
る。シリコン（Ｓｉ）基板上につくられる大規模集積回
路（ＬＳＩ）は、素子を微細化することで素子の集積度
を上げることが行われてきた。素子を微細化する際、ゲ
ート電極／ゲート絶縁膜／半導体の構造からなるＭＯＳ
トランジスタのゲート長を短縮すると動作速度が向上す
る。微細化による集積度と動作速度の向上は、ＬＳＩ技
術開発の原動力であり、様々な限界を打破すべく研究・
開発が行われている。微細化は、いわゆるスケーリング
によって成すことができ、電源電圧やゲート電圧もスケ
ーリングされる。

【０００３】ゲート電圧を低く抑えてＭＯＳトランジス
タを動作させるには、半導体に反転層を生じさせるだけ
のＭＯＳ容量を与える必要があるため、ゲート絶縁膜を
薄くして容量を確保することが行われてきた。これによ
り、最近では、ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜が直
接トンネル電流が流れる程薄く（３ｎｍ以下）なってき
た。特に、低消費電力が要求される携帯電話やＰＤＡを
含む携帯端末などの装置では、トンネル電流を抑えて電
力消費を抑えることが重要である。

【０００４】最近では、これまでゲート酸化膜に用いら
れてきた二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜よりも比誘電率
の大きい絶縁膜をゲート絶縁膜に用い、容量を確保しつ
つ膜厚を厚くすることにより、トンネル電流を抑える方
法が盛んに研究されている。

【０００５】二酸化シリコンに代わる高誘電率材料とし
て、シリコン酸窒化物（ＳｉＯ_xＮ_y）、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、二酸化ジルコニウ
ム（ＺｒＯ₂）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、二酸化
ランタン（ＬａＯ₂）、あるいは、二元合金の酸化物、
窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（Ｚｒ
Ｎ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ランタン（Ｌａ
Ｎ）、あるいは、二元合金の窒化物などが有力な候補と
して挙げられている。さらに、これらの高誘電体材料を
層状に組み合わせてゲート絶縁膜に用いている。

【０００６】このような材料をゲート絶縁膜として用い
るために、様々な薄膜形成装置および種々の薄膜形成方
法が試みられている。中でもスパッタ（スパッタリン
グ）法は、危険度の高いガスや有毒ガスなどが必要な
く、堆積する膜の表面（凹凸）モフォロジが比較的良い
などの理由により、有望な装置・方法の一つになってい
る。スパッタ法において化学量論的組成の膜を得るため
の優れた装置・方法として、酸素ガスや窒素ガスを供給
し、膜中の酸素や窒素が欠落するのを防止する装置・方
法、すなわち、反応性スパッタ装置・方法が有望であ
る。

【０００７】スパッタ法において、高誘電率膜を堆積す
るとき使用するターゲットとして、金属を用いる場合
と、形成する膜となる化合物を用いる場合とがあるが、
一般には金属の方がターゲットとして製造し易い。化合
物ターゲットは焼結等の工程を必要とし、整形や組成の
調整に難しさがある。

【０００８】また、スパッタ膜の膜品質を改善する方法
として、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）と発散磁場
を利用してつくられたプラズマ流を基板に照射し、同時
に、ターゲットと接地間に高周波かまたは直流高電圧を
加え、上記ＥＣＲで発生させたプラズマ中のイオンをタ
ーゲットに衝突させてスパッタリングし、膜を基板に堆
積させる方法（以下、これをＥＣＲスパッタ法という）
がある（文献１：小野他、Jpn.J.Appl.Phys.23, No.8,
L534(1984)）。

【０００９】一般によく知られているマグネトロンスパ
ッタ法では、０．１Ｐａ程度以上でないと安定なプラズ
マは得られないのに対し、上記ＥＣＲスパッタ法では、
０．０１Ｐａ程度の分子流のガス圧力で、安定なＥＣＲ
プラズマが得られる。また、ＥＣＲスパッタは、高周波
かまたは直流電圧により、ＥＣＲにより生成した粒子を
ターゲットに当ててスパッタリングを行うため、低い圧
力でスパッタリングができる。

【００１０】ＥＣＲスパッタ法では、基板にＥＣＲプラ
ズマ流とスパッタされた粒子が照射される。ＥＣＲプラ
ズマ流のイオンは、発散磁場により１０ｅＶ〜数１０ｅ
Ｖのエネルギーに制御される。また、気体が分子流とし
て振る舞う程度の低い圧力でプラズマを生成・輸送して
いるため、基板に到達するイオンのイオン電流密度も大
きくとれる。従って、ＥＣＲプラズマ流のイオンは、ス
パッタされて基板上に飛来した原料粒子にエネルギーを
与えるとともに、原料粒子と酸素との結合反応を促進す
ることとなり、ＥＣＲスパッタ法で堆積した膜の膜質が
改善される。

【００１１】ＥＣＲスパッタ法では、特に、外部からの
加熱を必要としない室温に近い低い基板温度で、基板上
に高品質の膜が成膜できることが特徴になっている。Ｅ
ＣＲスパッタ法でいかに高品質な薄膜を堆積し得るか
は、例えば、天澤他、ジャーナルオブバキュームサイエ
ンスアンドテクノロジー、第Ｂ１７巻、第５号、２２２
２頁、１９９９年（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ
１．Ｂ１７，Ｎｏ．５．２２２２（１９９９）．）（文
献２）を参照されたい。

【００１２】また、ＥＣＲスパッタ法で堆積した膜の表
面モフォロジは、原子スケールのオーダーで平坦であ
る。従って、ＥＣＲスパッタ法は、高誘電率ゲート絶縁
膜を形成するための有望な方法であるといえる。

【００１３】さらに、光通信装置と光学デバイスについ
ての状況について述べる。光学的な屈折率の異なる誘電
体膜を交互に積み重ねて形成する多層膜は、眼鏡などの
ガラス上およびプラスチック上での無反射コーティン
グ、ビデオカメラの色分解プリズム、各種光学フィル
タ、発光レーザの端面コーティングなどに使用されてい
る。また、最近の状況として広域波長多重通信（ＤＷＤ
Ｍ通信）に用いる合波フィルタや分波フィルタの製造に
応用されるようになってきた。

【００１４】多層膜に用いられる薄膜として、シリコン
（Ｓｉ），水素化シリコン（ＳｉＨ），二酸化シリコン
（ＳｉＯ₂），五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅），アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃），二酸化チタン（ＴｉＯ₂），二酸化ジル
コニウム（ＺｒＯ₂），二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂），
二酸化ランタン（ＬａＯ₂），シリコン酸窒化物（Ｓｉ
Ｏ_xＮ_y）、あるいは二元合金の酸化物，シリコン窒化物
（ＳｉＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ジルコ
ニウム（ＺｒＮ），窒化ハフニウム（ＨｆＮ），窒化ラ
ンタン（ＬａＮ），フッ素化マグネシウム（ＭｇＦ），
あるいは二元合金の窒化物などがある。

【００１５】このような材料を積層して多層膜として形
成することを目的とし、様々な形成装置および形成方法
が試みられている。中でもスパッタ法は、前述したゲー
ト酸化膜の形成と同様の理由から、有望視されている。
さらに、ＥＣＲスパッタ法は、堆積した膜の表面モフォ
ロジが、原子スケールのオーダーで平坦であるので、多
層膜の形成に有望な方法として注目を集めている。

【００１６】一般に、薄膜形成を行うスパッタ装置で
は、薄膜の原料となる飛散させる粒子（スパッタ粒子）
が、基板が載置されている試料台以外、例えば、真空チ
ャンバー壁やシャッター板に付着し、堆積膜を形成する
ことが経験的に知られている。スパッタ源と試料台の位
置関係で、チャンバー壁に付着する堆積膜の量は変化す
る。しかし、従来は、基板への堆積に大きな影響がない
として、チャンバー壁への付着膜については、特別な対
策が施されていなかった。

【００１７】発明者らは、薄膜形成後にウエハに付着す
るダストについて検討を行った結果、従来の薄膜形成方
法では、チャンバー壁に付着した膜が、膜の応力やプラ
ズマ中のイオン・電子の作用による静電破壊などにより
剥がれ、ダストの原因となっていることを発見した。発
見した内容は、以下の通りである。

【００１８】（１）スパッタ粒子が試料台以外のチャン
バー壁に不完全な状態で付着する。 （２）上記不完全な堆積膜が、プラズマ中の電子・イオ
ンなどに曝されて静電破壊によりダストを発生させる。 （３）静電破壊によるダストの発生を防げたとしても、
付着する膜厚が増えるに従って、この膜応力により膜が
剥がれてダストが発生する。 （４）静電破壊時に、突発的な放電がおきプラズマが不
安定となり、基板上の薄膜にダメージを与える。

【００１９】図１０に、従来よりあるＥＣＲスパッタ装
置の構成を示す。ＥＣＲスパッタ装置は、チャンバー１
００１とこれに連通するプラズマ生成室１００２とを備
えている。チャンバー１００１は、図示していない真空
排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室
１００２とともに内部が真空排気される。チャンバー１
００１には、膜形成対象の基板（ウエハ）１００３が固
定される試料台１００４が設けられている。また、チャ
ンバー１００１内の、プラズマ生成室１００２からのプ
ラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り
巻くようにリング状のターゲット１００５が備えられて
いる。ターゲット１００５は、絶縁体からなる容器１０
０５ａ内に載置され、内側の面がチャンバー１００１内
に露出している。

【００２０】また、プラズマ生成室１００２は、真空導
波管１００６に連通し、真空導波管１００６は、石英窓
１００７を介して導波管１００８に接続されている。導
波管１００８は、図示していないマイクロ波発生部に連
通している。なお、導波管１００８の途中に、モード変
換器を設けるようにする構成もある。加えて、図１０の
ＥＣＲスパッタ装置は、プラズマ生成室１００２の周囲
およびプラズマ生成室１００２の上部に、磁気コイル１
０１０を備えている。

【００２１】図１０のＥＣＲスパッタ装置では、まず、
チャンバー１００１およびプラズマ生成室１００２内を
真空排気した後、不活性ガス導入部１０１１より不活性
ガスであるアルゴンガスを導入し、また、反応性ガス導
入部１０１２より酸素などの反応性ガスを導入し、プラ
ズマ生成室１００２内を例えば１０^-3Ｐａ程度の圧力に
する。この状態で、磁気コイル１０１０よりプラズマ生
成室１００２内に０．０８７５Ｔの磁場を発生させた
後、導波管１００８，石英窓１００７を介してプラズマ
生成室１００２内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入
し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを発生
させる。

【００２２】以上のことによりプラズマを生成している
状態で、プラズマ生成室１００２と試料台１００４との
間に設けたリング状のターゲット１００５に高周波電圧
を印加することで、ターゲット１００５表面にプラズマ
を引き寄せてスパッタリングを行う。スパッタリングに
より、ターゲット１００５表面よりターゲット材料の粒
子が飛び出し、プラズマ生成室１００２より放出された
プラズマとともに基板１００３上に到達する。また、こ
のとき、上記粒子とともに、プラズマにより活性化され
た反応性ガスも基板１００３上に到達する。この結果、
基板１００３上に、ターゲット材料の酸化膜が形成され
ることになる。

【００２３】ここで、ターゲット１００５よりスパッタ
リングにより飛び出したスパッタ粒子の飛散領域と、発
散磁場およびプラズマ流の状態を考察すると、図１１に
示すように、スパッタ粒子の一部は、チャンバー１００
１内部側壁にも到達し、ここにターゲット材料が堆積す
る。電磁コイル１０１０により形成される発散磁場１１
０１は、プラズマ生成室１００２で生成されたＥＣＲプ
ラズマの輸送領域に相当している。

【００２４】前述したように、ターゲット１００５に高
周波電圧を印加することにより、ターゲット１００５に
プラズマ中のイオンが衝突してスパッタリング現象が起
こり、ターゲット１００５を構成している粒子があらゆ
る方向に飛散する。この中で、試料台１００４の方向に
飛散した粒子が、基板１００３に付着して薄膜が形成さ
れるが、ここには発散磁界で引き出されたプラズマが照
射され、プラズマアシスト効果により強固で高品質な膜
となる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スパッ
タリング現象により飛散したターゲットの粒子は、試料
台１００４の方向以外のチャンバー１００１内部側壁方
向にも飛散し、例えば堆積領域１１０２に堆積膜を形成
する。この堆積領域１１０２に形成された堆積膜のほと
んどの領域には、プラズマが照射されず、不完全なまま
の膜で付着することになる。

【００２６】また、堆積領域１１０２の一部にも、プラ
ズマ生成室１００２より引き出されたプラズマ流の一部
があたるプラズマ照射領域１１０３が存在する。しかし
ながら、発散磁界でプラズマ生成室１００２より引き出
されたプラズマ流は、プラズマ生成室１００２を出る
と、発散磁界とともに磁力線に沿って急激に広がる。こ
のため、広がったプラズマ流は、全てが試料台１００４
の領域に注がれず、周囲の部分がチャンバー１００１の
内部側壁に照射され、プラズマ照射領域１１０３を形成
する。

【００２７】試料台１００４をプラズマ生成室１００２
に近づけることで、プラズマ流の全てを試料台１００４
で受け止めるように構成することも可能である。しかし
ながら、このように近づけると発散磁界によるイオンの
加速が不足するため、基板１００３上に形成される膜に
対するイオンアシスト効果が薄れることになる。従っ
て、一般的には、プラズマ生成室１００２より引き出さ
れたプラズマ流の一部は、チャンバー１００１の内部側
壁に到達し、プラズマ照射領域１１０３を形成すること
になる。

【００２８】プラズマ照射領域１１０３は、堆積領域１
１０２の一部であり、堆積領域１１０２の一部はプラズ
マが照射されることになる。しかしながら、チャンバー
１００１内部側壁に到達するプラズマは、密度が低く、
イオンのエネルギーも低くなるので、プラズマが照射さ
れていても不完全な膜となり易い。また、このプラズマ
照射領域１１０３には、不完全な膜が形成された領域に
プラズマが照射されるため、プラズマ発生初期に突発な
放電が発生しやすく、この放電や静電破壊などにより、
この部分に形成されている不完全な膜の一部が剥がれて
飛散することがある。

【００２９】チャンバー１００１内は、０．０１Ｐａ程
度以下の高真空状態であるため、粒子の平均自由行程が
１０ｃｍから１ｍ程度もあり、飛散した膜の一部は、チ
ャンバー１００１内を不規則に飛び回り、基板１００３
上に付着してダストとなり、膜質を悪化させる原因とな
る。また、上述した突発的な放電は、プラズマの生成そ
のものを不安定にさせ、この不安定なプラズマが基板１
００３上におよぶと、堆積している膜にダメージを与え
る場合もある。

【００３０】上述したような、膜を形成するときのダス
トやダメージの発生は、例えばゲート絶縁膜や多層膜の
形成にとっては大きな問題であり、基板が大面積になる
に従ってこの影響は顕著になる。例えば、現在、直径が
３００ｍｍなどの大きな面積のウエハ（基板）上に、多
くのチップを同時に形成することが実現されてきてお
り、ダスト低減とダメージ低減に対する対策は、さらに
重要となってきている。本発明は、以上のような問題点
を解消するためになされたものであり、ダストや異常プ
ラズマによるダメージが抑制された状態で、薄膜が形成
できるようにすることを目的とする。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明の一形態における
薄膜形成装置は、所定の圧力に真空排気されるチャンバ
ーと、このチャンバー内に配置されて処理対象の基板を
載置する試料台と、不活性ガスと反応性ガスとのプラズ
マを生成するプラズマ生成手段と、試料台上部に配置さ
れてプラズマ生成手段により生成されたプラズマにより
スパッタリングされるターゲットと、ターゲットと試料
台との間に、ターゲットより試料台の方向に向かう中心
線に平行に貫通方向を向けて配置され、プラズマ生成手
段により生成されたプラズマの拡散を制限する、非磁性
物質から構成されたプラズマ制限筒とを備えたものであ
る。この薄膜形成装置によれば、ターゲットと試料台と
の間のプラズマの広がりが制限され、プラズマがチャン
バー内壁に照射されるのが抑制されるようになる。

【００３２】上記薄膜形成装置において、プラズマ生成
手段は、試料台に連通するプラズマ生成室と、このプラ
ズマ生成室に不活性ガスを導入するガス導入手段と、プ
ラズマ生成室からチャンバー方向に発散磁界を形成する
磁場形成手段と、プラズマ生成室にマイクロ波を供給す
るマイクロ波供給手段とから構成され、電子サイクロト
ロン共鳴によりプラズマ生成室内にプラズマを生成し、
発散磁界によりプラズマをチャンバー方向に引き出すも
のであり、ターゲットは、プラズマ生成室とチャンバー
との境界部に配置されてリング状に形成されたものであ
り、ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電圧印加
手段を備えるものである。この薄膜形成装置において、
試料台のターゲットと反対の方向に配置され、磁場形成
手段により形成された磁場の発散を調整する補助磁場形
成手段を備えるようにしても良い。

【００３３】上記薄膜形成装置において、プラズマ生成
手段は、チャンバー内に不活性ガスと反応性ガスとを導
入するガス導入手段と、試料台に対向配置されたＲＦ電
極と、このＲＦ電極に高周波電力を供給する電力供給手
段とを備え、ターゲットは、ＲＦ電極の試料台に対する
対向面に配置されたものである。また、上記薄膜形成装
置において、基板にイオンエネルギーを制限するバイア
スを印加するバイアス印加手段を備えるようにしてもよ
く、また、試料台を回転させる回転手段を備え、試料台
は、この表面の法線が、中心線とは異なる方向に向くよ
うに、傾けられているようにしてもよい。

【００３４】また、上記薄膜形成装置において、不活性
ガスは、例えば希ガスであり、反応性ガスは、例えば酸
素ガス，窒素ガス，水素またはこれらの混合ガスのいず
れかであり、ターゲットは、例えば、アルミニウム，シ
リコン，リチウム，ベリリウム，マグネシウム，カルシ
ウム，スカンジウム，チタン，ストロンチウム，イット
リウム，ジルコニウム，ハフニウム，またはランタン系
列の元素のいずれか、もしくは複数から構成されたもの
である。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。なお、以降に示す実施の形態
は、本発明の１つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で具体的構造の変更あるいは改良を行い得る
ことは言うまでもない。また、１Ｐａ＝０．００７６Ｔ
ｏｒｒであり、１Ｔ＝１００００ガウスである。さら
に、sccmは、０℃・１．０１３２５×１０⁵Ｐａの流体
が、１分間に１ｃｍ³流れることを示すもので、以降で
は、ガス流量は窒素ガス置換したものを示している。

【００３６】＜実施の形態１＞図１は、本発明の実施の
形態における薄膜形成装置の構成例を概略的に説明する
断面図である。図１の薄膜形成装置は、まず、チャンバ
ー１０１とこれに連通するプラズマ生成室１０２とを備
えている。チャンバー１０１は、図示していない真空排
気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室１
０２とともに内部が真空排気される。

【００３７】チャンバー１０１には、膜形成対象の基板
（ウエハ）１０３が固定される試料台１０４が設けられ
ている。また、チャンバー１０１内の、プラズマ生成室
１０２からのプラズマが導入される開口領域において、
開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット１０５
が備えられている。ターゲット１０５は、絶縁体からな
る容器１０５ａ内に載置され、内側の面がチャンバー１
０１内に露出している。なお、ターゲット１０５は、上
面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であ
っても良い。

【００３８】また、プラズマ生成室１０２は、真空導波
管１０６に連通し、真空導波管１０６は、石英窓１０７
を介して導波管１０８に接続されている。導波管１０８
は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。
また、プラズマ生成室１０２の周囲およびプラズマ生成
室１０２の上部には、磁気コイル（磁場形成手段）１１
０が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波
管１０８，石英窓１０７，真空導波管１０６により、マ
イクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管１０
８の途中に、モード変換器を設けるようにする構成もあ
る。

【００３９】加えて、本実施の形態の薄膜形成装置で
は、ターゲット１０５（容器１０５ａ）の下部に、プラ
ズマ生成室１０２より引き出されたＥＣＲプラズマの飛
散領域を制限する筒状のプラズマ制限筒１１３を備え
る。プラズマ制限筒１１３は、例えば石英やアルミナな
どの非磁性材料から構成されたものである。プラズマ制
限筒１１３は、プラズマ生成室１０２より引き出されて
ターゲット１０５の領域を通過したプラズマ流の発散を
制限し、試料台１０４表面で規定される面におけるプラ
ズマ流の照射領域を、試料台１０４上の領域内に納める
ものである。

【００４０】図１のＥＣＲスパッタ装置では、まず、チ
ャンバー１０１およびプラズマ生成室１０２内を真空排
気した後、不活性ガス導入部１１１より不活性ガスであ
るアルゴンガスを導入し、また、反応性ガス導入部１１
２より酸素などの反応性ガスを導入し、プラズマ生成室
１０２内を例えば１０^-3Ｐａ程度の圧力にする。この状
態で、磁気コイル１１０よりプラズマ生成室１０２内に
０．０８７５Ｔの磁場を発生させた後、導波管１０８，
石英窓１０７を介してプラズマ生成室１０２内に２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）プラズマを発生させる。

【００４１】ＥＣＲプラズマは、磁気コイル１１０から
の発散磁場により、試料台１０４の方向にプラズマ流を
形成する。なお、図１の薄膜形成装置では、図示してい
ないマイクロ波発生部より供給されたマイクロ波電力
を、導波管１０８においていったん分岐し、プラズマ生
成室１０２上部の真空導波管１０６に、プラズマ生成室
１０２の側方から石英窓１０７を介して結合させてい
る。このようにすることで、石英窓１０７に対するター
ゲット１０５からの飛散粒子の付着が、防げるようにな
り、ランニングタイムを大幅に改善できるようになる。

【００４２】以上のことによりプラズマを生成している
状態で、プラズマ生成室１０２と試料台１０４との間に
設けたリング状のターゲット１０５に高周波電圧を印加
することで、ターゲット１０５表面にプラズマを引き寄
せてスパッタリングを行う。スパッタリングにより、タ
ーゲット１０５表面よりターゲット材料の粒子が飛び出
し、プラズマ生成室１０２より放出されたプラズマとと
もに基板１０３上に到達する。また、このとき、上記粒
子とともに、プラズマにより活性化された反応性ガスも
基板１０３上に到達する。この結果、基板１０３上に、
ターゲット材料の酸化膜が形成されることになる。加え
て、基板１０３上には、発散磁界で引き出されたプラズ
マが照射されるので、照射されたプラズマのプラズマア
シスト効果により、基板１０３上に形成された膜は、よ
り強固で高品質なものとなる。

【００４３】ここで、ターゲット１０５よりスパッタリ
ングにより飛び出したスパッタ粒子の飛散領域と、発散
磁場およびプラズマ流の状態を考察する。図２に示すよ
うに、電磁コイル１１０が形成する磁力線は、試料台１
０４の方向に向かって発散度が増している。この磁界を
発散磁界２０１とする。この発散磁界２０１により、前
述したように、プラズマ生成室１０２で生成されたＥＣ
Ｒプラズマをプラズマ流２０２として引き出すことが可
能となる。

【００４４】ここで、本実施の形態では、プラズマ制限
筒１１３を備えるので、プラズマ生成室１０２より引き
出されたプラズマ流２０２は、チャンバー１０１内側の
側壁に照射することなく、ほぼ全てが試料台１０４上に
照射される。一方、図２に示すように、ターゲット１０
５より飛散したスパッタ粒子の一部は、チャンバー１０
１内部側壁にも到達し、ここにターゲット材料が堆積す
る。しかしながら、本実施の形態によれば、プラズマ制
限筒１１３を備えているので、チャンバー１０１内部側
壁に到達するスパッタ粒子も制限され、チャンバー１０
１の側壁に対する膜の堆積が抑制されるようになる。

【００４５】また、チャンバー１０１の側壁に、わずか
ながらもスパッタ粒子が到達して膜の堆積が発生して
も、ここにプラズマ流２０２が照射されることがないの
で、膜の剥離によるダスト発生原因となる絶縁破壊など
の誘発を防止することができる。この結果、本実施の形
態によれば、大幅なダストの低減が図れ、また、チャン
バー１０１内部側壁にプラズマ流が照射されないので、
異常プラズマの発生も抑制されるようになる。

【００４６】なお、ターゲットより飛散したスパッタ粒
子の一部は、プラズマ制限筒１１３の内壁にも到達し、
ここに膜を形成するが、プラズマ制限筒１１３の内壁に
は高い密度のプラズマが照射されるので、形成された膜
は、完全で強固なものとなる。従って、プラズマ制限筒
１１３内壁にも膜が形成され、ここにプラズマが照射さ
れる状態となるが、突発的な放電を誘発することがな
く、また静電破壊などにより膜の一部が剥がれて飛散す
ることもない。

【００４７】＜実施の形態２＞つぎに、本発明の他の形
態について説明する。図３は、本発明の他の形態におけ
る薄膜形成装置の構成例を概略的に説明する断面図であ
る。この薄膜形成装置は、図１の薄膜形成装置とほぼ同
様であり、まず、チャンバー１０１とこれに連通するプ
ラズマ生成室１０２とを備え、チャンバー１０１は、図
示していない真空排気装置に連通している。チャンバー
１０１には、チャンバー１０１内の、プラズマ生成室１
０２からのプラズマが導入される開口領域において、開
口領域を取り巻くようにリング状のターゲット１０５が
備えられている。ターゲット１０５は、絶縁体からなる
容器１０５ａ内に載置されている。

【００４８】また、プラズマ生成室１０２は、真空導波
管１０６に連通し、真空導波管１０６は、石英窓１０７
を介して導波管１０８に接続され、プラズマ生成室１０
２の周囲およびプラズマ生成室１０２の上部には、磁気
コイル１１０が備えられている。また、図３の薄膜形成
装置においても、ターゲット１０５（容器１０５ａ）の
下部に、プラズマ生成室１０２より引き出されたＥＣＲ
プラズマの飛散領域を制限する筒状のプラズマ制限筒１
１３を備える。加えて、図３の薄膜形成装置では、所望
の角度に傾斜し、かつ回転する試料台１０４ａ上に膜形
成対象の基板１０３が固定される構成とした。試料台１
０４ａは、図示しない回転機構により回転可能とされて
いる。

【００４９】この実施の形態における薄膜形成装置にお
いても、図４に示すように、電磁コイル１１０が形成す
る磁力線は、試料台１０４ａの方向に向かって発散度が
増している。この磁界による発散磁界２０１により、前
述したように、プラズマ生成室１０２で生成されたＥＣ
Ｒプラズマをプラズマ流２０２として引き出すことが可
能となる。

【００５０】ここで、本実施の形態でも、プラズマ制限
筒１１３を備えるので、プラズマ生成室１０２より引き
出されたプラズマ流２０２は、チャンバー１０１内側の
側壁に照射することなく、ほぼ全てが試料台１０４ａ上
に照射される。一方、図４に示すように、ターゲット１
０５より飛散したスパッタ粒子の一部は、チャンバー１
０１内部側壁にも到達し、ここにターゲット材料が堆積
する。しかしながら、本実施の形態によれば、プラズマ
制限筒１１３を備えているので、チャンバー１０１内部
側壁に到達するスパッタ粒子も制限され、チャンバー１
０１の側壁に対する膜の堆積が抑制されるようになる。

【００５１】また、チャンバー１０１の側壁に、わずか
ながらもスパッタ粒子が到達して膜の堆積が発生して
も、ここにプラズマ流２０２が照射されることがないの
で、膜の剥離によるダスト発生原因となる絶縁破壊など
の誘発を防止することができる。この結果、本実施の形
態によれば、大幅なダストの低減が図れ、また、チャン
バー１０１内部側壁にプラズマ流が照射されないので、
異常プラズマの発生も抑制されるようになる。

【００５２】以下、図３の薄膜形成装置において、ター
ゲット１０５として純アルミニウムを用い、また、反応
性ガスとして酸素を用い、不活性ガスとしてアルゴンを
用いたアルミナ薄膜の形成について説明する。プラズマ
生成室１０２には、プラズマが安定に得られるだけのア
ルゴンを供給してプラズマを生成するようにする。例え
ば、アルゴンガスの供給流量２０sccm、酸素ガスの供給
流量０〜１０sccm、プラズマ生成室１０２に導入するマ
イクロ波電力は５００Ｗ、ターゲット１０５に印加する
高周波電力は５００Ｗとする。また、基板１０３は加熱
しない。

【００５３】このようにしてシリコンからなる基板１０
３上に形成したアルミナ薄膜の堆積速度と屈折率の酸素
流量依存性の代表的な特性を図５に示す。図５に示すよ
うに、アルミナの堆積速度は、供給する酸素ガス流量の
増加に伴って増加した後、酸素ガス流量が約４sccm付近
を最大に穏やかに減少し、酸素ガス流量が７sccm付近で
急激に減少し、最大値の約１０分の１程度の小さな堆積
速度で落ち着く。酸素ガス流量が７sccm付近で急激に堆
積速度が減少するのは、ターゲット表面のアルミニウム
が酸化される割合が増加し、スパッタリングされにくい
アルミナになるためである。堆積速度は、スパッタ率が
大きいほど速くなるので、ターゲット表面がスパッタリ
ングしにくくなってスパッタ率が低下すれば、堆積速度
も低下する。この現象は、反応性スパッタ法においてよ
く知られている現象である（文献３：金原粲著、「スパ
ッタリング現象」、東京大学出版会、１２０〜１３２
頁）。

【００５４】一方、形成されるアルミナ膜の屈折率は、
酸素ガス流量が４sccm付近で急激に減少し、屈折率が化
学量論的組成を満たすサファイア基板の屈折率に近い約
１．６から１．６５の間では、ほぼ一定となる。エリプ
ソメータの測定でアルミナ膜として妥当な屈折率の値が
得られていることは、形成された膜の透明度が高く、膜
質も高いことを意味している。

【００５５】図６に、本実施の形態における薄膜形成装
置（ＥＣＲスパッタ装置）において、ターゲットに純ア
ルミニウムを用い、また、反応性ガスとして酸素ガス，
不活性ガスとしてアルゴンガスを用い、アルミナ膜を形
成した場合についての、積算膜厚に対する８インチ径の
シリコンウエハ（基板）内のダスト数を示す。ダストの
測定は、上記シリコンウエハに膜厚１００ｎｍのアルミ
ナ膜を形成した後、シリコンウエハの周辺５ｍｍを除い
た部分に付着していたダストを、ダストカウンタ装置に
よって測定した。また、積算膜厚は、ダミープロセスを
含めた全ての堆積について、堆積速度と堆積時間から試
料台の堆積膜厚を換算して求めた。

【００５６】図６に示すように、積算膜厚が増加するに
従って、ダスト数は若干増加する傾向が見られるが、３
０μｍで約５０個とかなり少なく、シリコンゲートプロ
セスに適応可能な値に抑えられている。上述した実施の
形態によるプラズマ制限筒を用いない一般的なスパッタ
法では、ダスト数は数千個以上となるのが普通であり、
ゲートプロセスには適応できないものとされていた。こ
れに対し、上述したプラズマ制限筒を設けることで、ダ
ストの発生を抑制してダスト数を大幅に減少させること
が可能となり、本実施の形態の薄膜形成装置は、シリコ
ンゲートプロセスなどのダスト数が考慮されるプロセス
への適応が可能となる。また、積算膜厚が、３０μｍと
なった後は、試料台やチャンバー内壁のクリーニングな
どのメンテナンスを適正に施すことにより、ダスト数の
増加を抑制しながら、薄膜形成装置を稼動させることが
可能となる。

【００５７】＜実施の形態３＞つぎに、本発明の他の形
態について説明する。図７は、本発明の他の形態におけ
る薄膜形成装置の構成例を概略的に説明する断面図であ
る。この薄膜形成装置は、図３に示した薄膜形成装置
に、新たに、補助コイル１１０ａを加え、また、試料台
１０４ａにイオンエネルギーを制御するバイアスを印加
する機構（バイアス印加手段）を設けるようにしたもの
である。補助コイル１１０ａは、試料台１０４ａのプラ
ズマが照射される側とは反対側の装置下部に配置する。
補助コイル１１０ａによって、主となる磁気コイル１１
０が形成する発散磁界の発散度を適度に制御することが
可能となり、プラズマ制限筒１１３の効果をさらに高め
ることが可能となる。

【００５８】＜実施の形態４＞つぎに、本発明の他の形
態について説明する。図８は、本発明の他の形態におけ
る薄膜形成装置の構成例を示す概略的な断面図である。
本実施の形態では、ＲＦスパッタ装置に、石英やアルミ
ナなどの非磁性物質からなるプラズマ制限筒８１３を設
けるようにした。図８の薄膜形成装置（ＲＦスパッタ装
置）は、図示しない真空排気装置により内部を真空排気
するチャンバー８０１内に、高周波電力供給手段より高
周波電力が供給されるＲＦ電極８０２とこれに対向配置
されて複数の基板８０３を載置する試料台８０４を備え
る。

【００５９】ＲＦ電極８０２は、上部をカソードシール
ド８０５に覆われ、下面にターゲット８０６が固定され
る。従って、ターゲット８０６と試料台８０４とが対向
配置された状態となる。プラズマ制限筒８１３は、ター
ゲット８０６下の領域を囲うように配置され、ターゲッ
ト８０６下に形成されるプラズマが、チャンバー８０１
内壁に到達しないように制限する。なお、ＲＦ電極８０
２は、絶縁部材８０７によってチャンバー８０１上部に
固定されている。

【００６０】図８のＲＦスパッタ装置では、チャンバー
８０１内を所定の真空度とした後、ガス導入部８１１よ
りスパッタガスと反応性ガスとを導入して適当なガス圧
とする。この後、ＲＦ電極８０２に高周波電圧を印加し
てＲＦ電極８０２下部にＲＦプラズマを生成する。生成
されたプラズマは、プラズマ制限筒８１３の存在によ
り、チャンバー８０１内壁に到達することなく、プラズ
マ制限筒８１３の内側の領域に閉じ込められた状態とな
る。この状態で、ターゲット８０６には、イオンを引き
込む負のバイアスが印加されているので、プラズマ制限
筒８１３の内側のプラズマ中のイオン衝撃により、ター
ゲット８０６の表面はスパッタリングされ、この結果飛
散したスパッタ粒子が、基板８０３上に堆積して薄膜を
形成する。

【００６１】また、スパッタリングの結果飛散するスパ
ッタ粒子は、あらゆる方向に飛散するが、プラズマ制限
筒８１３を設けてあるので、チャンバー８０１内壁に飛
散していくスパッタ粒子を制限することが可能となる。
この結果、図８の薄膜形成装置においても、チャンバー
８０１の側壁に対する膜の堆積が抑制されるようにな
る。また、チャンバー８０１の側壁に、わずかながらも
スパッタ粒子が到達して膜の堆積が発生しても、ここに
プラズマが照射されることが制限されるので、膜の剥離
によるダスト発生原因となる絶縁破壊などの誘発を防止
することができる。この結果、本実施の形態において
も、大幅なダストの低減が図れ、また、チャンバー８０
１内部側壁にプラズマが照射されないので、異常プラズ
マの発生も抑制されるようになる。

【００６２】なお、前述したように、プラズマ制限筒
は、円筒形に限るものではなく、楕円形の筒や多角形の
断面状態をもつ筒であっても良い。また、図９（ａ），
（ｂ）に示すように、上部に庇状の部分を設けたプラズ
マ制限筒９１３，９１３ａであっても良い。また、図９
（ａ），（ｂ）に示すように、プラズマ制限筒９１３，
９１３ａの上部が、ターゲット１０５の容器１０５ａ下
部より離間して配置されていても良い。プラズマ制限筒
９１３のようにすることで、差圧の影響が解消されるよ
うになる。また、図９（ｃ）に示すように、ターゲット
１０５より離れるに従って、径が小さくなる形状のプラ
ズマ制限筒９１３ｂであっても良い。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、生
成されたプラズマの広がりを制限するようにしたので、
ダストや異常プラズマによるダメージが抑制された状態
で、薄膜が形成できるようになるという優れた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態における薄膜形成装置の
構成例を示す断面図である。

【図２】 図１の部分を拡大して示す断面図である。

【図３】 本発明の他の形態における薄膜形成装置の構
成例を示す断面図である。

【図４】 図３の部分を拡大して示す断面図である。

【図５】 アルミナ薄膜の堆積速度と屈折率の酸素流量
依存性の代表的な特性を示す特性図である。

【図６】 本実施の形態における薄膜形成装置におけ
る、積算膜厚に対する基板内のダスト数を示す。

【図７】 本発明の他の形態における薄膜形成装置の構
成例を示す断面図である。

【図８】 本発明の他の形態における薄膜形成装置の構
成例を示す断面図である。

【図９】 本発明の他の形態における薄膜形成装置の部
分構成例を示す断面図である。

【図１０】 従来よりある薄膜形成装置の構成を示す断
面図である。

【図１１】 図１０の部分を拡大して示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０１…チャンバー、１０２…プラズマ生成室、１０３
…基板（ウエハ）、１０４…試料台、１０５…ターゲッ
ト、１０６…真空導波管、１０７…石英窓、１０８…導
波管、１１０…磁気コイル、１１１…不活性ガス導入
部、１１２…反応性ガス導入部、１１３…プラズマ制限
筒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 俊郎 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 嶋田 勝 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 松尾 誠太郎 東京都三鷹市下連雀四丁目16番30号 エ ヌ・ティ・ティ・アフティ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H048 GA04 GA60 4K029 AA06 AA24 BA01 BA03 BA17 BA35 BA43 BA44 BD01 CA05 DC02 DC27 DC35 DC48 5F045 AA19 AB31 AB32 AB33 AB34 BB15 DP03 DQ10 EH17 EH20

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の圧力に真空排気されるチャンバー
   と、 このチャンバー内に配置されて処理対象の基板を載置す
   る試料台と、 不活性ガスと反応性ガスとのプラズマを生成するプラズ
   マ生成手段と、 前記試料台上部に配置されて前記プラズマ生成手段によ
   り生成されたプラズマによりスパッタリングされるター
   ゲットと、 前記ターゲットと前記試料台との間に、前記ターゲット
   より前記試料台の方向に向かう中心線に平行に貫通方向
   を向けて配置され、前記プラズマ生成手段により生成さ
   れたプラズマの拡散を制限する、非磁性物質から構成さ
   れたプラズマ制限筒とを備えたことを特徴とする薄膜形
   成装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の薄膜形成装置において、 前記プラズマ生成手段は、 前記試料台に連通するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室に前記不活性ガスを導入するガス導
   入手段と、 前記プラズマ生成室から前記チャンバー方向に発散磁界
   を形成する磁場形成手段と、 前記プラズマ生成室にマイクロ波を供給するマイクロ波
   供給手段とから構成され、電子サイクロトロン共鳴によ
   り前記プラズマ生成室内にプラズマを生成し、前記発散
   磁界により前記プラズマを前記チャンバー方向に引き出
   すものであり、 前記ターゲットは、前記プラズマ生成室と前記チャンバ
   ーとの境界部に配置されてリング状に形成されたもので
   あり、 前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電圧印加
   手段を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の薄膜形成装置において、 前記試料台の前記ターゲットと反対の方向に配置され、
   前記磁場形成手段により形成された磁場の発散を調整す
   る補助磁場形成手段を備えたことを特徴とする薄膜形成
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の薄膜形成装置において、 前記プラズマ生成手段は、 前記チャンバー内に前記不活性ガスと前記反応性ガスと
   を導入するガス導入手段と、 前記試料台に対向配置されたＲＦ電極と、 このＲＦ電極に高周波電力を供給する電力供給手段とを
   備え、 前記ターゲットは、前記ＲＦ電極の前記試料台に対する
   対向面に配置されたものであることを特徴とする薄膜形
   成装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄
   膜形成装置において、 前記基板にイオンエネルギーを制限するバイアスを印加
   するバイアス印加手段を備えたことを特徴とする薄膜形
   成装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄
   膜形成装置において、 前記試料台を回転させる回転手段を備え、 前記試料台は、この表面の法線が、前記中心線とは異な
   る方向に向くように、傾けられていることを特徴とする
   薄膜形成装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄
   膜形成装置において、 前記不活性ガスは、希ガスであり、 前記反応性ガスは、酸素ガス，窒素ガス，水素またはこ
   れらの混合ガスのいずれかであり、 前記ターゲットは、アルミニウム，シリコン，リチウ
   ム，ベリリウム，マグネシウム，カルシウム，スカンジ
   ウム，チタン，ストロンチウム，イットリウム，ジルコ
   ニウム，ハフニウム，またはランタン系列の元素のいず
   れか、もしくは複数から構成されたものであることを特
   徴とする薄膜形成装置。