JPH03180467A - 薄膜形成装置および薄膜形成方法 - 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］ 本発明は薄膜形成装置および薄膜形成方法に係る。

［従来の技術］ 現在、集積回路の導電性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底膜が行なわれる。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、第５図において、
５０１は、例えばＳｉｎ、。

Ｓ　ｉ　３　Ｎ４　、　Ａ１２０３　、　ＡｊＬＮ等の
絶縁物のターゲットであり、５０２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゜５０
４はそれぞれ半導体ウェーハあるいはガラスや石英など
の基板及びサセプタの電極である。

ターゲット電８ｉ５０２及びサセプタ電８ｉ５０４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電源）は、発振周波数１３．５
６Ｍ）（ｚ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、その他ウェーへ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。

半導体ウェーハ等の基板５０３及びサセプタ５０４表面
は、サセプタに加えられたＲＦ電力のためにプラズマに
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０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
ハ等の基板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Ｎ膜、導電性薄膜、絶縁性薄膜等の各種
薄膜形成上の問題を生じている。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。

［発明が解決しようとするＨ題］ 本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、高品質の
薄膜を下地基板に損傷を与えることなく形成できる薄膜
製造装置および薄膜形成方法を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜形成装置は、減圧状態になされた雰囲気中
において、ターゲットをスパッタリングすることにより
、半導体やガラス、石英、金属等の基体表面に薄膜を堆
積させる薄膜形成装置において、ターゲットと、前記基
体を装置内Ｃて保持するサセプタとの両方に、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。すなわち、ターゲ
ットとサセプタの画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。

また、本発明の薄膜形成方法は、減圧状態になされた雰
囲気中において、ターゲットをスパッタリングすること
により基体表面に薄膜を堆積させる薄膜形成方法におい
て、ターゲットと、前記基体を装置内にて保持するサセ
プタとの両方に、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を供給し、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して薄膜形成を行う
ことを特徴とする。

［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。ここでは、基体として半導体基板を用い、半導体
基板上に絶縁膜を堆積する例について説明する。

１０１は例えばＳ　ｉ　Ｏ，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　（第一の周波数ｆ１
）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及びサセプタ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（第二の周波数ｆ、）１００Ｍ）（ｚ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
バンドエリミネータ−（Ｂａｎｄ　Ｅ１ｉａ＋１ｎａｔ
ｏｒ）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稟ネーターは例え
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ｆ２−１／（２π（Ｌｔ　Ｃ
＋　）””　）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Ｃ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
ｚ−１００ＭＨｚ）の高周波のみ選択して電極に供給す
ることができる。すなわち、第１の周波数ｆｒ　　（こ
こでは１３．５６ＭＨｚ）に対しては、殆ど完全にサセ
プタはアースに短絡されている。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
を直流的に浮遊状態（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Ｃ１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ｆ２からずれないように０１の
値は ｆ２　・Ｌ、＞１７ｆ、Ｃ。

を満たすよう十分大きな値とする必要がある。

この場合ｆｏ　＝　ｔ／　（２ｙｒ　（Ｌｔ　Ｃｓ　）
　””　）の周波数に対し、Ｌｌ、Ｃ，の直列回路はイ
ンピーダンスが０となり、周波数ｔｏ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１
３．５６ＭＨｚ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。すなわち、ターゲットに入る高周波電力の電界
が、電極１０２から電極１０４に垂直に終端するように
しても、電極１０４は周波数ｆ、に対してはアースに短
絡されているから、電極１０４の電圧が周波数ｆ、で変
動することはない、ターゲット電極１０２裏面に設けら
れた円筒状磁石１０６により、ターゲット材料１０１表
面に略々平行な磁界が生じ、電子はこの磁界についてサ
イクロトロン運動する。１０２，１０４の電極間に垂直
な高周波電界が存在すると、このサイクロトロン運動す
る電子に有効にエネルギーが与えられ、高周波電力が有
効に高密度プラズマを発生させる。

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
導入する機構、さ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、絶縁薄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。装置そのものは第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ネータ−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５Ｘ１０−
’Ｔｏｒｒの圧力で導入し、放電を起し、電極に加える
直流電圧■とその結果疏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ａは可変とし、ｆ４
ＭＨｚ、４０．８８ＭＨｚ及び１００ＭＨｚの３つの周
波数に対してとった結果が図は示されている。また電極
に正電荷を持ったイオンが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
にの値をＶＳａと表す）のとき、Ｉ＝０となり、Ｖ＞Ｖ
ｓａではＩ＜Ｏ，Ｖ＜Ｖｓａでは■〉Ｏとなっている。

この■。は自己バイアスと呼ばれ、電極がフローティン
グの状態で高周波放電させたとき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Ｖ＞Ｖｓ
ａ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＜Ｖｓａ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■
を負の方に大きくすると、Ｖ＝Ｖ、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０以上の事実から考
えて、Ｖ＞Ｖｏ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
いことは電子のエネルギーの分布用が狭いことを意味し
ている０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
ΔＥｌｏｎとし、電子のエネルギー分布の巾を△Ｅ１と
したとき両者の間には略々比例関係があるので、イオン
のエネルギー分布の巾も同様に約１／１０に減少してい
るといえる。

さらに、■！！１の値も１４ＭＨｚの場合の一４００Ｖ
に対し１００ＭＨｚでは約−９５Ｖと絶対値で１／４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１３．５６ＭＨｚの周波数で放電
させていたため、ＩＶｓ−ｂ　　Ｉ＝４ｏｏｖ〜６００
０Ｖとなり、この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、クエーハ・サセプ
タ電極１０４には１００ＭＨｚの高周波を用いているた
め、従来の１３．５６ＭＨｚの場合にくらべてＩＶｓａ
ｌは約１／４〜１１５、△Ｅｔａ。は１／１０以下と小
さくすることができた。サセプタに加える高周波電力（
ｆ２）は、サセプタに生じる自己バイアスを制御するた
めのものであるから、その電力を小さくすることにより
、自己バイアスを基板に損傷を与えない程度に小さくす
ることができる９本発明の装置では、放電はターゲット
（加えられる高周波電力（ｆ、）により維持されている
のである。その結果、基板への損傷をなくすことができ
たのである。

ＶＳａは高周波電源の周波数が高くなるほどまた高周波
電力を小さくする程低くなる。したがって、基板上に堆
構される薄膜の品質を十分なものにするに必要なイオン
エネルギーとイオンの照射量になるように周波数ｆ２及
び電力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ト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（電子が磁力線に巻きついてサイクロトロン運動
しながら、高周波電界からエネルギーをもらって、中性
のＡｒ原子を効率よくイオン化する。）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２周波励起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高品質な絶縁膜のスパッタ成膜が
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である。ただし、この直
流バイアスを印加する方法は、成膜する薄膜が導電性材
料である場合に有効である。

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１：Ｈ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基板ウェーハ径にく
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成膜する材料も絶縁物に限ること
はなく、当然導電性材料Ｃ対しても有効である。

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
八口径の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（波長３ｍ）　〜ｔ　
ＧＨｚ　（波長３０ｃｍ）程度である。

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防げて好都合である。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基板に損
傷を生じない低エネルギーイオン照射の効率を上げても
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）４１
０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１例えば、露出してい
るシリコン表面に直接Ｓｉｎ。

などの絶縁膜を積層させる場合、まず最初の数１０人〜
１００人程度の膜が形成される間はシリコン基板に供給
するＲＦ電力をゼロとして再スパツタしないでつけ、そ
の後、バイアス・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。照射するイオンの運動エネルギーが
大きくなりすぎれば、どんな材料でも損傷を生じる。材
料に損傷が生じ始めるのは、各材料の原子間結合力より
、照射イオンの運動エネルギーがやや大きくなったとき
である。この原子間結合力は、通常絶縁物の方が半導体
より大きい。

基板材料、成膜材料の性質を整合した形で照射イオンの
エネルギーを決めればよい。

第４図（ｂ）は本発明の第３実施例を示すもので基板へ
の損傷を小さく抑えつつ、且つ基板を照射するイオンの
エネルギを自由に選択できる方法を示している。′Ｍ１
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、ｆｚ、ｆｓ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
社応じてバンドエリミネータ−４０１も変換しである。

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

ｆｚ　＝ｔ／（２π　（ＬＩ　　Ｃ，）”’　　）ｔ　
ｓ　　＝　１　／　（２π　（Ｌ２　　Ｃ２）””　　
）２つの共振回路４０２，４０３を直列に接続したバン
ドエリ主ネーター４０１はｆｚ、ｆ３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機能をもってい
る。

例えば、ｆｌは１３．５６ＭＨｚとし、ｆ２＝１００　
Ｍ　Ｈｚ　、　ｆ　３　＝　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５ｉ０２
等の絶縁膜を成長させる場合、まず最初の数１０Ａ〜１
００Ａ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ｆｚ　　（１００ＭＨｚ）とする
、そして、その後は周波数をｆ　３（４０Ｍ　ＨＺ　）
に切り換えて厚い膜（例えば０．５〜１μｍ）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１０〜
２０Ｖで基板表面をＡｒイオンが照射するため基板への
ダメージは殆どない０表面が１００Ａ程度の５ｉ０２で
カバーされた時点で周波数を４０ＭＨｚに切り換えて、
さらにその電力を制御すると自己バイアス値はたとえば
３０〜２５０Ｖ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Ｓｔ裏表面５ｉ０
２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
絶に１１１ｉの表面形状の平坦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、、ｆ、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ｆｚ、ｆｓ。

ｆ４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ｆ２はｆ
ｒ＞ｆｓ、ｆ４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ｆｌも含め、
ｆｌ　＋　　’２　ｒｆ３．・・・・は互いに高調波の
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ｆｒ、ｆｚ、ｆｓ、・・・・の高調波が
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ｓ　ｉ　０２１１ｉ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０例えば、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、シリコン窒化
膜、Ａｎ、Ｏ，膜、ＡＩｔＮ膜等の形成に用いてもよい
、この技術は絶縁性薄膜形成に有効なことはもちろんで
あるが、当然Ａｎ、ＡＩＬ合金、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ
等の導電性薄膜にも通用できる。さらに、基板材料の性
質を問わない成膜が可能である。

ガラス板１石英板等の上＆：薄膜を形成する時に、特に
有効な技術である。

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５１３Ｎ４膜成膜
において、ターゲットにＳｉ基板を用い、導入ガスとし
てＮ、あるいはＮＨ，を用いて、５ｔ３Ｎ、膜を成膜す
る反応性ＲＦバイアススパッタ技術にも本発明はそのま
ま適用できる。ＡｆＮの成膜では、Ａｆｔをターゲット
基板とし、導入ガスをＮ２もしくはＮＨ，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上限らないこ
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薄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。￥Ｓ２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）、Ｃｂ）はそれぞれ本発明の第２実施
例及び第３実施例を示す模式図である。第５図は従来例
を示す模式図である。 １０１・・・ターゲット、１０２・・・ターゲット電極
、１０３・・・ウェーハ、１０４・・・サセプタ電極、
１０５・・・真空容器、１０２°、１０４°、１０４ｂ
、１０４ｄ、４０１・・・バンドエリミネータ−第１ 図 （＆） 弔１図 （ｂ） 第１図 （ｄ） 第２図 第４ 図＋ａ） 弔 ４ 図（ｂ） 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）減圧状態になされた雰囲気中において、ターゲッ
   トをスパッタリングすることにより基体表面に薄膜を堆
   積させる薄膜形成装置において、ターゲットと、前記基
   体を装置内にて保持するサセプタとの両方に、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薄膜形成装置。
2. （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以上である特許請求の範
   囲第１項記載の薄膜形成装置。
3. （３）減圧状態になされた雰囲気中において、ターゲッ
   トをスパッタリングすることにより基体表面に薄膜を堆
   積させる薄膜形成方法において、ターゲットと、前記基
   体を装置内にて保持するサセプタとの両方に、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を供
   給し、かつ第２の周波数が第１の周波数より大となるよ
   うに設定して薄膜形成を行うことを特徴とする薄膜形成
   方法。
4. （４）成膜初期には、前記サセプタに供給する高周波電
   力をほぼ０とし、数１０Å程度に膜が形成された後にバ
   イサススパッタを行う特許請求の範囲第３項記載の薄膜
   形成方法。