JPH01122116A - 薄膜形成方法 - 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） この発明は、プラズマを利用した薄膜の形成方法に関す
る。

（従来の技術） 従来、プラズマを利用した薄膜形成方法として、例えば
文献：「エレクトロケミカル　ソサエティ　スプリング
　ミーティジグ　エクステンプイツト　アブストラクツ
Ｊ　（”ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔ
ｙ　Ｓｐｒｉｎ９Ｍｅｅｔｉｎｇ　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　
Ａｂｓｔｒａｃｔｓ″Ｓａｎ　Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ、Ｃ
ａｌｉｆｏｒｎｉａ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｉｎｃ、、Ｐｒ１ｎｓｔｏｎ、Ｎ、Ｊ
、　、　１９７４）ｐ、　１９）に開示されるような、
二極放電型の装置構成によりプラズマを発生させて薄膜
を形成する方法が知られている。

以下、上述の文献に開示される薄膜形成装置の概略的な
装置構成図を参照して、従来の薄膜形成方法につき説明
する。

第２図は、上述の文献に開示される薄膜形成装置の構成
を概略的断面によって示す図である。

同図中、断面を示すハツチングは一部省略してある。

この装置の主な構成によれば、カソード電極１１とアノ
ード電極１３ａ及び＋３ｂとが対向して設けられ、当該
カソード電極１１には高周波電力を印加するためのＲＦ
発振器１５が接続されている。

また、上述した各電極のうちのカソード電極１１及びア
ノード電極＋３１）と、絶＃壁１７とによって反応チャ
ンバ１９が形成される。この反応チャンバ１９には、ア
ノード電極１３ａ及び＋３ｂの中心部を貫通して、反応
ガス導入管２１及び排気管２３が配設されている。′２
！うに、上述したアノード電極１３ａには成膜用下地と
なる基板２５が載置されると共に、薄膜形成に当って、
当該下地２５を加熱するためのヒーター２７を備えてい
る。

以下、第２図を参照して、従来の薄膜形成方法につき詳
細に説明する。

この文献に開示される薄膜形成方法は、所謂、プラズマ
ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｑｒ
　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：Ｐ−ＣＶＤ）法と称されるも
のであり、まず始めに、基板２５をアノード電極１３ａ
上の所定の位置に載置する。続いて、反応チャンバ１９
を外気と隔絶した債、真空装Ｎ（図示せず）により、排
気管２３を介して当該チャンバ１９内を充分に真空引き
する。

次に、上述の真空引きにより外気の影ｇｔ排除した反応
チャンバ１９内に、反応ガス導入管２１ヲ介して、約１
　（Ｔｏｒｒ）程度のガス圧となる迄基板２５の表面に
被着する薄膜に応した反応ガスを導入する。この反応ガ
スの導入に際して、図示の装置構成では、第２図中、一
連の矢印ｒ、〜ｒ４で示すような経路で反応チャンバ１
９内に反応ガスを供給する。即ち、まず、反応ガス導入
管２１に入り（矢印ｒ＋）、当該導入管２１と排気管２
３との間（矢印ｒ２）を経て反応チャンバ１９内に進入
する。

然る後、アノード電極１３ａの下側を周り込み、当該電
極１３ａ及・び基板２５の上側（矢印ｒ３）を経た債、
前述の排気管２３ヲ介して、反応チャンバ１９から排出
される。

このように経路ｒＩ−ｒ、Ｉを以って反応ガスを反応チ
ャンバ１９内に導入すると同時に、ＲＦ発振器（発振周
波数は工業周波数として一般的な１３．５６ＭＨｚ）　
１５ｊａ動作させてカソード電極１１に高周波電力を印
加し、かつアノード電極１３ａに備えられたヒーター２
７により基板２５ヲ所定の温度に加熱する。

上述の操作により、基板２５の上側表面の近傍に存在す
る反応ガス内に含まれる原子や分子が励起されてプラズ
マ（図示せず）を生成する。

周知のようｆこ、このプラズマ中には、反応ガスに応じ
で、例えば解離によって生じるラジカルや電離によって
生じるイオンのような種々の励起種が混在し、全体とし
て電気的に中性を保つ状態となしている。従って、図示
のように、アノード電極上に基板２５を載置して薄膜形
成を行なう際には、プラズマ中に生成する励起種のうち
、正の電倚を有するイオンのうちの多くは、同図中矢印
Ｅ！付して示す電界方向に従い、上述のラジカルとして
存在する励起種のうちの一部分が加熱された基板２５の
表面に到達した後、当該基板２５の表面に存在する原子
と反応したり、或いは上述の反応ガスのうちの不揮発成
分のみが基板２５の表面に残存して薄膜を生成する。

上述した説明からも理解できるように、この種の薄膜形
成方法では、反応チャンバ１９内での反応ガスの経路に
よって、プラズマ（ラジカル）の生成分布（または生成
領域）が決定され、基板２５表面に被着せしめられる薄
膜の膜厚が大きな影響を受ける。これがため、反応ガス
の経路を図示のｒ、〜ｒ４とすることにより、基板２５
の表面に堆積される薄膜の均一性を図る工夫が成されで
いる。

また、上述した二極放電型の装置構成に磁界発生装置ｌ
＠付加し、プラズマの生成濃度を高くするマグネトロン
放電型の装置を利用して、アノード電極上に基板ｔｆａ
置して行なう薄膜形成方法も知られている。

（発明か解決しようとする問題点） しかしながら、上述した従来の薄膜形成方法では、成膜
用下地（基板）をｉｌ！置するに当って、プラズマを生
成するために配設された２つの電極のうちのアノード電
極側に基板を、Ｔｉ！冒して薄膜の形成を行なっている
。これかため、薄膜の形成に関わる励起種は主としてラ
ジカルであり、運動方向か一定していないため、浮遊し
ている粒子を効率良く基板表面に到達させることが難し
い。

換言すれば、形成される薄膜の均一性は生成するラジカ
ルの密度分布や、反応ガスの流速に影響され易く、堆積
速度が小さいという問題が有った。

また、周知の通り、拡散により成膜用下地に被着するラ
ジカル自体が有する運動量は小さく、基板表面に到達（
衝突）した後に充分な強度を以って結合できない。これ
がため、薄膜を構成する結晶の品質が悪＜、ｗ１！な薄
膜を形成することか難しいという問題が有った。

この発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み成され
たものであり、プラズマの生成条件によ２る膜厚の不均
一を除去し、堆積速度が大きく、かつ緻密性の高い優れ
た薄膜を形成し得る方法を提供することに有る。

（問題点を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明の薄膜形成方法に
よれば、 反応チャンバ内に反応ガスを導入し、この反応チャンバ
内に具えられたアノード電極とカソード電極との間に、
高周波電力によって電界を形成し、かつ、この電界内に
磁界を形成してマグネトロン放電を生ぜしめ、上述した
反応ガスを励起すること畔よりプラズマを発生させ、上
述の反応チャンバ内に載置した成膜用下地上に薄膜を形
成するに当り、 高周波電力をカソード電極に印加し、このカソード電極
上に前記成膜用下地をＭ置し、かつこの下地表面に実質
的に平行な磁界を生ぜしめ、この下地表面にイオンを照
射して薄膜を形成することを特徴としている。

（作用） この発明の薄膜形成方法によれば、成膜用下地を上述の
カソード電極上に載置する。このような状態で、カソー
ド電極に高周波電力を印加して形成される電界と、上述
の下地表面（こ平行な磁界とを利用してマグネトロン放
電を起こし、薄膜の形成を行なう、これがため、薄膜形
成（こ問わる励起種として、従来のラジカルの代わりに
、カソード電極及びアノード電極の間に生成されるプラ
ズマ中の正に帯電するイオンを利用し、高周波電力によ
って発生する電界に従って成膜用下地表面に上述のイオ
ンを効率良く照射することか可能となる。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明の実施例につき説明す
る。

尚、図示の実施例の構成はこの発明を理解出来る程度に
概略的に示してあるにすぎず、従って、各構成部分の寸
法、形状及び配Ｈ間係はこの図示例にのみ限定されるも
のではない、また、図において、第２図に示した従来装
置の構成部分と同様な構成部分については同一の符号を
付して示し、その詳細な説明を省略する。

また、以下説明する実施例では、高周波電力を印加する
ことにより生成するプラズマにおいで、イオンの生成率
が比較的高いマグネトロン放電型の装置を用いた場合に
つき、図面を参照して説明する。

まず始めに、この発明の薄膜形成方法に用いて好適なマ
グネトロン放電型の薄膜形成装置の構成につき、第１図
を参照して簡単に説明する。

第１図は、マグネトロン放電を生ぜしめるに当り、当該
放電に関わる磁界の、成膜用下地表面での均一性を高め
る目的で、この発明に係る出願人によって提案されるマ
グネトロン放電型の薄膜形成装置の概略的構成を示す説
明図である。同図に示す装置の構成につき簡単に説明す
れば、反応チャンバ１９内にカソード電極１１とアノー
ド電極１３とを対向して配設し、アノード電極１３を電
気的に接地する。他方、カソード電極１１にはＲＦ発振
器１５が接続されると共に、成膜用下地としての基板２
５を！！置して基板加熱を行なうためのヒータ２７を設
ける。ざらに、この装置の構成では、マグネトロン放電
を行なうための磁界を発生せしめるに当って、カソード
電極１１上（こ載置された基板２５の表面に平行な磁界
（図中、矢印Ｂで示す。）となるように、反応チャンバ
１９の外側にＳ極を構成するリング状磁石２９ａとＮＩ
Ｊｉ’Ｆ−構成するリング状磁石２９ｂとが配設されて
いる。

以下、第１図Ｖ！参照して、この発明の実施例としての
薄膜形成方法につき詳細に説明する。

まず始めに、基板２５をカソード電極１１上の所定の位
置に！！置する。続いて、既に説明した従来技術と同様
に、反応チャンバ１９を外気と隔絶し、図示していない
真空装置により、排気管２３を介して当該チャンバ１９
内を充分に真空引きする。

然る後、上述の反応チャンバ１９内に、反応ガス導入管
２１ヲ介して反応ガスを導入する。

この反応ガスの導入に当り、第２図を参照して説明した
従来の方法ではプラズマ中に生成するラジカルの密度を
高める目的で、約Ｉ　Ｔｏｒｒ程度の高いガス圧を以っ
て反応ガスの導入を行なう必要が有る。しかしながら、
マグネト０ン放電を利用した、この実施例の方法では、
上述のガス圧を約１〜２００　ｍＴｏｒｒの節囲内とす
ることにより、プラズマ中におけるイオンの発生効率を
高めることができる。このようなガス圧の範囲のうちで
、特に、ＩＯｍＴｏｒｒ程度の圧力となる迄反応カスを
導入した場合には、従来のガス圧でマグネトロン放電を
行なった場合に比して、プラズマ中でのイオン化率を２
桁程度高くすることができ、イオンを用いた、この発明
の薄膜形成方法を有効に実施することか可能となる。

ここで、上述したようにイオンの発生効率を考慮したガ
ス圧を以って反応ガスを反応チャンバ１９内に導入しな
がら、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をＲＦ発振
器１５に印加することにより、カソード電極１１上に載
置された基板２５の上側の空間に、当該基板の表面に垂
直な方向に電界（図中、矢印Ｅを付して示す、）が形成
される。

この電界Ｅと、前述した磁界Ｂとによりマグネトロン放
電領域（破線で示す、）３１が形成される。

このマグネトロン放電領域３１内では、上述の反応ガス
がプラズマとなり、当該領域３１内で生成されたイオン
のうちの正帯電を有するものは上述の電界Ｅに従い、カ
ソード電極１１上にｉＴｉ！Ｉｆされ、かつ、ヒーター
２７により加熱された基板２５の表面に照射されて被着
し、薄膜が形成されることとなる。

上述したマグネトロン放電により生成されるイオンの運
動エネルギーは、カソード電極に印加される高周波電力
に応じた電界Ｅと、リング状磁石２９ａ及び２９ｂによ
り形成される磁界Ｂの強さによって制御することができ
る。このプラズマ中のイオンの運動エネルギーを制御す
るに当り、当該エネルギーを高くした場合には、被着形
成された薄膜に対するスパッタ率が大きく成り、薄膜の
堆積速度が小古くなる。これがため、上述のエネルギー
を１ｏＯｅＶ以下、好適には５０ｅＶ前後の値として薄
膜形成を行なうのが好適である。このような形成条件で
薄膜、形成を行なったところ、従来の薄膜形成方法に比
して、堆積速度は１桁程度向上した。しかしながら、例
えば基板２５の表面の凹凸除去、または基板２５の表面
の清浄化を目的としたスパッタリングを行ないつつ薄膜
形成する場合には、上述したエネルギーを約２００　ｅ
Ｖ前徒として行なっても、従来に比して薄膜の絶対的な
堆積速度の向上を図ることができた。

ざら１こ、拡散するラジカルを利用した従来の薄膜形成
方法に比して、この発明に係る実施例では所定の運動エ
ネルギーを有するイオンを利用して薄膜形成するため、
被着後の結晶状態が良好となり、ｍｇな薄膜を形成する
ことができる。

また、この実施例で用いた装置構成によれば、成膜用下
地としての基板２５の表面に、はぼ平行な磁場を形成し
得るため、この発明の方法を適用するに当って、プラズ
マ中の電子が当該基板１５側に流れにくい。これがため
、従来構成のマグネトロン放電型の装置に比して、イオ
ンシースが形成されにくく、自己バイアス電圧を約１７
５以下に低減させることか可能である。従って、この発
明の特徴となる薄膜形成を担うイオンにより、堆積した
薄膜が受ける損傷を低減することが可能である。

以上、この発明の実施例につき説明したか、この発明の
薄膜形成方法は、上述の方法にのみ限定して行なわれる
ものではない。

例えば、上述した実施例では、成膜用下地における膜厚
の均−性及び上述した形成後の薄膜に対するイオン損傷
を考慮して、当該下地上に形成される磁界Ｂの均一性を
図り得る装置を参照して説明した。しかしながら、この
発明の方法は、このような構成の装置によって実施した
場合にのみ効果が得られるものではない、即ち、少なく
ともカソード電極上に基板を載置し、かつ当該基板の被
着表面上に実質的に平行な磁界を形成し得る装置であれ
ば、この発明の薄膜形成方法を実施することが可能であ
る。従って、磁場発生手段を構成する磁石として、リン
グ状磁石の代わりに棒磁石を以って行なったり、ざらに
、磁場発生手段の配置箇所を反応チャンバの内側として
も、高いイオン化率により堆積速度の向上を図ると共に
、正に帯電するイオンを利、用したｍｒな薄膜を形成す
ることができる。

これらイオンの生成に係る種々の条件及びその他の条件
は、この発明の目的の範囲内で任意好適な設計の変更ま
たは変形を行ない得ること明らかである。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の薄膜形
成方法によれば、成膜用下地を上述のカソード電極上に
載置し、かつ当該下地に実質的に平行な磁界を用いたマ
グネトロン放電を利用して薄膜の形成を行なうことによ
り、高周波電力によって発生する電界に従って成膜用下
地表面に上述のイオンを照射させて薄膜形成を行なう構
成となっている。

これがため、放電により発生するプラズマ中のイオンを
利用して薄膜形成を行なうことにより、反応ガスの生成
分布による膜厚の不均一を解消すると共に、イオンの有
する運動エネルギーを薄膜の形成エネルギーとして利用
することが可能であり、低い基板温度で薄膜形成を行な
っても被着した原子のマイグレーションを促進し得る。

従って、比較的低温な条件下で、薄膜に対する損傷の軽
減、薄膜の均−性及び堆積速度の向上を図ると共に、例
えば半導体装置等のゲート材料、配線材料、シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜またはその他、種々の材料よりな
るｗ１密な薄膜を簡単かつ容易に形成することが可能な
薄膜形成方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のＭ膜形成方法の実施例を説明する
ため、薄膜形成装置の概略的構成により示す説明図、 第２図は、従来の薄膜形成方法の説明に供する図である
。 １１・・・・カソード電極 １３、１３ａ、　１３ｂ・・・・アノード電極１５・・
・・高周波（ＲＦ）発振器、１７・・・・絶縁壁１９・
・・・反応チャンバ、２１・・・・反応ガス導入管２３
・・・・排気管、２５・・・・基板（成膜用下地）２７
・・・・ヒーター、２９ａ、２９ｂ・・・・リング状磁
石３１・・・・マグネトロン放電領域 Ｅ・・・・電界方向５．Ｂ・・・・磁界方向。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応チャンバ内に反応ガスを導入し、該反応チャ
   ンバ内に具えられたアノード電極とカソード電極との間
   に、高周波電力によって電界を形成し、かつ該電界内に
   磁界を形成してマグネトロン放電を生ぜしめ、前記反応
   ガスを励起することによりプラズマを発生させ、前記反
   応チャンバ内に載置した成膜用下地上に薄膜を形成する
   に当り、高周波電力をカソード電極に印加し、該カソー
   ド電極上に前記成膜用下地を載置し、かつ該下地表面に
   実質的に平行な磁界を生ぜしめ、該下地表面にイオンを
   照射して薄膜を形成する ことを特徴とする薄膜形成方法。