JPH0328367A - プラズマ付着装置 - 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、半導体集積回路などの電子デバイスの製造お
よび各種材料の表面処理にあたり、試料基板上に各種材
料の薄膜を形戒するためのプラズマ付着装置に関するも
のであり、特に、プラズマを利用して金属や金属化合物
の薄膜を低温で高品質に形成するためのプラズマ付着装
置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、プラズマを利用する薄膜形成法として、原料をガ
スの形で供舶するプラズマＣｖＤ法が広く用いられてい
る。しかし、この方法では試料基板を２５０〜４００℃
に加熱する必要があること、また、形成された膜も緻密
性の点で不十分であるなどの問題があった。これに対し
、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴プラズマを
利用するＣＶＤ形ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌ
ｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ付着法（特
開昭５６−１５５５３５号公報）では、試料基板を加熱
しない低温で、高温ＣｖＤに匹敵する緻密かつ高品質な
薄膜を形成できる。

これに対して、金属および金属化合物膜については、一
般にスバッタ法が広く用いられている。

スバッタ法では、固体ターゲットのスパッタリングによ
り容易に金属原料を供給できる利点がある。そこでＣＶ
Ｄ形ＥＣＲプラズマ付着法とスバッタ法との利点を生か
してスパッタ形ＥＣＲプラズマ付着法（特開昭５９−４
７７２８号公報）が開発され、直円筒形ターゲットの開
発（特開昭６０−５０１６７号公報），マグネトロンモ
ード放電の利用（特開昭６１−１１４５１８号公報）に
より、ターゲット電流を大きく向上させて膜形戒速度，
膜形戒特性の向上が可能となった。

上記特開昭６０−５０１６７号公報に開示された装置の
構成の概要および膜形成原理を第６図Ｃより述べる。第
６図において、１はプラズマ生成室、２は試料室、３は
マイクロ波導入窓、４は矩形導波管、５はプラズマ流、
６はプラズマ引出し窓、７は試料基板、８は試料台、９
は排気系、ｌＯは磁気コイル、１１は磁気シールド、１
２は第１ガス導入系、１３は第２ガス導入系、１４は冷
却水配管、ｌ５はスパッタリング用ターゲット、ｌ６は
シールド電極、１６Ａは絶縁体、１７は冷却水配管、１
８はスバッタ電源である。排気系９によりプラズマ生成
室１と試料室２とを高真空定排気した後、第１ガス導入
系１２とＳ２ガズ導入系１３の二方または両方よりガス
を導入してｌＯ−３〜１０−’Ｐａ程度の圧力とし、マ
イクロ波源（図示省略）より矩形導波管４、マイクロ波
導入窓３を介して導入されるマイクロ波と、磁気コイル
ｌＯにより形成される磁界とにより、プラズマ生成室１
で電子サイクロトロン共鳴を用いてプラズマを生成する
。プラズマはプラズマ引出し窓６から試料台の方向に引
き出され、プラズマ流５を形成する。プラズマ流５と接
し、かつ、それを取り囲むようにターゲットｌ５が配置
されているので、スバッタ電源ｌ８によりターゲットｌ
５に負の電圧を印加してプラズマ流５中のイオンによっ
てスパッタリングする。

マイクロ波源には、周波数２．４５１；Ｈｚのマグネト
ロンを用いることができ、この時の電子サイクロトロン
共鳴条件は磁束密度８７５Ｇであり、プラズマ生成室１
の少なくとも一部でこの条件が満たされている。プラズ
マ生成室１はマイクロ波の電界強度を増し、プラズマ生
成の効率を高めるために、マイクロ波空洞共振器の構成
とし、例えば、ＴＥｌ１２モードの空洞共振器を採用し
、内のり寸法で直径１５ｃｍ、高さ１５ｃｍの円筒形状
とし、プラズマによる加熱を防止するため冷却水配管ｌ
４により冷却されている。磁気コイル１０による磁界は
プラズマ生成室１に電子サイクロトロン共鳴条件の磁束
密度を与えるとともに、プラズマ生成室１から試料台８
の方向に弱くなる発散磁界を形成する．また、外部への
磁界の不要な広がりを防止するため磁気シールド１１が
設けられている。プラズマ生成室１では、電子サイクロ
トロン共鳴により高エネルギー状態の円運動電子が形成
され、ガス分子との衝突電離によりプラズマが形成され
る。円運動電子は自己の持つ磁気モーメンドと磁気コイ
ルｌＯにより発生する発散磁界との相互作用により、プ
ラズマ引出し窓６から円運動しながら加速されて試料台
８の方向に導かれる。試判台８がプラズマ生成室１とは
電気的に絶縁されているため、プラズマ生成室１と試料
台８の間に、電子を減速させイオンを加速する電界が発
生し、プラズマがプラズマ引出し窓６からプラズマ流５
として試料台方向に引き出される。この電界の効果によ
って、プラズマ流中のイオンには膜形成に適度なイオン
エネルギーが付与される。

スパッタリング用ターゲットｌ５は、高活性なＥＣＲプ
ラズマを効率的にスパッタリングに利用するために、直
円筒形状とし試料室２のプラズマ引出し窓６近傍に、プ
ラズマ流５に接し、かつそれを囲む位置に配置されてい
る。ターゲットｌ５はスバッタ電源ｌ８に接続され、負
の電圧が印加されている．さらに、ターゲットｌ５は異
常放電、不用なイオンの入射を防止するために、プラズ
マ流５に面しない部分が接地電位のシールド＠ｇｌ６に
よって５〜１０ｍｍの間隙をもって覆われている。また
、ターゲット１５はスパッタリングによる加熱を防止す
るため、冷却水配管Ｉ７により冷却されている。

［発明が解決しようとする課題］ 以上の構戒において、例えば、第１ガス導入系ｌ２から
Ａｒを、第２ガス導入系ｌ３から０２を導入し、ターゲ
ットｌ５にＡＪ２を用いた場合には、５００人／ｍｉｎ
以上の高速で、高品質なアルよナ（Ａｕ２ｏｓ）膜が形
成されている。これは、スバッタによる金属原料の高速
供給．活性化．およびプラズマ流による膜形成に適度の
イオン衝撃による反応促進効果によるものである。しか
し、これ以上の付着速度を得ようとすると、ターゲット
の電界がプラズマ流中におよび、異常放電が発生すると
ともに、ＥＣＲ法の大きな特徴であるプラズマ流による
低エネルギーイオンの輸送が不安定になり、安定な膜形
成が困難であった。

以上のように、特開昭８０−５０１８７号公報定開示の
装置によれば、スバッタ形ＥＣＲプラズマ付着法による
銹電膜の形戒において膜形戒速度．膜形成特性の向上が
可能となった。しかし、さらにスバッタ放電の安定化，
イオンエネルギーの制御性を向上し、金属．金属化合物
の高品質な薄膜形成の実現が望まれている． 本発明は、以上の状況に鑑みてなされたもので、その目
的は、スパッタ形ＥＣＲプラズマ付着法において、プラ
ズマ流中へのスパッタ電界の広がりを制限して、スパッ
タ放電特性．イオン流照射による膜形成特性を安定化さ
せ、種々の金属．金属化合物薄膜を制御性，信頼性高く
形成し得るプラズマ付着装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段コ 本発明はガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ
生成室と、膜形成すべき試料基板を配置するための試料
台を配置した試料室と、プラズマ生成室と試料室との間
に配置されプラズマをプラズマ流としてプラズマ生成室
から試料室に導入するためのプラズマ引出し窓と、スパ
ッタリング材料で形成されプラズマ流を取り囲みプラズ
マ流と接するように配置されたターゲットとを具え、タ
ーゲットをスパッタするためのイオンを、プラズマ流の
一部から引き出してターゲットに入射させ、ターゲット
のスパッタリングにより試料基板上に薄膜を付着，堆積
させるプラズマ付着装置において、ターゲットの近くで
、かつターゲット上に生じるプラズマシースの厚さより
も離れた位置のプラズマ中に、プラズマが通過可能であ
り、しかもターゲットにより発生する電界がプラズマ生
成室および試料室にほとんど及ばない構成のシールド電
極を有することを特徴とする． ［作　用］ 本発明においては、プラズマが自由に通過する寸法の網
状シールド電極をターゲットのプラズマシースよりも十
分離れた位置に配置することにより、安定なスパッタリ
ングが実現でき、さらにイオンエネルギーの制御を行う
ことができるので、安定に，信頼性，制御性高く膜形成
することができる。

［実施例］ 以下に本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は本発明の第１の実施例装置の断面図、第２図は
第１の実施例装置のターゲット部分の拡大図、第３図は
ターゲット電界分布の模式図、第４図は本発明の第２の
実施例装置の断面図、第５図は本発明の第３の実施例装
置の断面図である． 第１図の実施例において、第６図の従来構造との相違は
ターゲットとプラズマが接する領域近傍にプラズマが自
由に通過できる網状シールド電極１９が配置されている
ことであり、これを除く部分は両者の構戒、その作用は
同じである。第２図は第１の実施例装置のターゲット近
傍の拡大図であり、本発明の第１の実施装置の詳細につ
いて第２図を参照して説明する． 第２図においてはターゲットｌ５、シールド電極１６、
プラズマ流５、プラズマ引出し窓６、試料台８、網状シ
ールド電極ｌ９、プラズマシース２０の配置を示してい
る。綱状シールド電極１９は直径ｌＩＩｍのモリブデン
線Ｃより５■角の正方格子を形成したものを用い、スパ
ッタターゲットｌ５との間隔を１５ｍｍとした． 第２図によって最初にスバッタ放電の安定化について説
明する。ターゲットｌ５に負電位を印加してスパッタリ
ングを行う場合、電界の大部分はターゲット表面近傍の
シース部分に印加され、残りはプラズマを介して周辺の
接地面との空間に印加される。これを模式的に示したの
が第３図の破線（ａ）である。一方、バーシエンの法則
によれば、平等電界ギャップにおいて火花放電の起きる
電圧（火花電圧）は、ガス種．ガス圧力およびギャップ
間隔により異なる。例えば、Ａｒガス圧ＩＸＩＯ−”Ｔ
ｏｒｒ，ギャップ間隔１００ｃ＋ｓにおける火花電圧は
２００ｖである。火花放電の生じるギャップ間隔および
火花電圧はすでに電子やイオンが存在する場合やプラズ
マが存在する場合には著しく小さくなって火花放電を発
生しやすくなることが知られている。スパッタリングに
おける異常放電は火花放電をきっかけとするものと推定
できる．第３図の破線（ａ）のようにターゲット電界が
ターゲット表面と接地面との間に印加される場合には、
この間の距離、電圧がバーシエンの法則に合致すると、
異常放電が生じ易くなる。第６図に示した従来の構成で
は、ターゲットに印加した電圧はプラズマを介してプラ
ズマ生成室１、試料台８の広い範囲に及ぶのでバーシエ
ンの法則に合致する距離が実現され易く、このため異常
放電が発生し易い。これに対し、第１図および第２図に
示す本発明の構成では、ターゲットｌ５の近傍に綱状シ
ールド電極ｌ９を配置している。網状シールド電極１９
はプラズマが自由に通過できる寸法で、かつ、ターゲッ
ト表面に形成されるプラズマシースの厚さ（〜１　ｍｍ
）よりも十分離れた位置に配置してあるので、スパッタ
リング特性は従来のものと同じである。ただし、ターゲ
ット面から接地面に至る電位分布は第３図の実線（ｂ）
に示すようにターゲット面と綱状シールド電極の間に制
限されている。このため、バーシエンの法則に合致する
距離、電圧が実現されにくく、安定なスパッタリングが
実現できる．実験では＾ｒガス圧がＩ　Ｘ　１０−’Ｔ
ｏｒｒで、八立ターゲットを用いた場合、第６図の従来
の構成では５００ｖで異常放電が発生したが、第１図に
示す本発明の構成ではＩＯＯＯＶ　ｅおいても安定なス
パッタリングが実現できた。

次に、第２図によってＥＣＲプラズマ流によるイオンエ
ネルギー制御の安定化について説明する．ＥＣＲプラズ
マ法ではイオンはプラズマ流中に発生するプラズマ流中
電界および試料表面に発生するプラズマシース電界によ
って連続的に加速，輸送される。プラズマ流中電界はｌ
Ｏ〜４０Ｖであり、ガス圧、マイクロ波電力等により制
御する。また、プラズマシース電界はおおむねＩＯＶで
ある．このため、ガス圧、マイクロ波電力等を制御する
ことにより、膜形成に適度なｌＯ〜５０ｅＶのエネルギ
ーを付与してプラズマ生成室１から試料表面にイオンを
輸送できる．第６図に示した従来の構成では、スバッタ
電界がプラズマ流５全体に及ぶので、このようなＥＣＲ
プラズマ法の特徴である低エネルギ一イオン輸送の条件
が乱され、膜形成に悪影響を及ぼす．さらに、プラズマ
流５を介してプラズマ生成室ｌの内部にもスバッタ電界
が及ぶので、ＥＣＨによるプラズマ生成に対しても影響
する．これに対し、本発明社よる第２図心示す構成では
、前述のようじスバッタ電界のほとんどがターゲットと
網状シールド電極の間に制限され、試料に照射するプラ
ズマ流５および、プラズマ生成室１に影響しないので、
スパッタリングと独立して安定に信頼性高くイオンエネ
ルギー制御できる．さらに、第４図Ｃ本発明の第２の実
施例装置の構成を示す．本実施例はターゲットをプラズ
マ生成室構成面の一部に配置したものであり、プラズマ
生成室１のマイクロ波導入窓３の面にターゲットｌ５、
網状シールド電極１９を配置している。網状シールド電
極ｌ９の寸法、配置位置は前述の第１図．第２図の場合
と同じである。この場合もターゲットによる電界がター
ゲットと網状シールド電極の間に制限されて、スパッタ
リング、ＥｃＲによるプラズマ生成が安定に実現できる
のは前述の第１図．第２図の実施例の場合と同様である
。さらに加えて本構成では、網状シールド電極が円形空
洞共振器の一方の構成面として、ターゲット表面電界、
さらにはターゲット表面のプラズマシースに影響されず
に信頼性高く作用するので、マイクロ波の電界強度を高
めて高活性なプラズマを生成できるとともに、プラズマ
流によるイオン輸送が信頼性高く実現できる。

さらにまた、第５図に本発明の第３の実施例を示す。本
実施例はターゲット！５をプラズマ生成室構成面の一部
に配置するとともに、プラズマ流５の方向と直交してマ
イクロ波を導入するようにしたものである。マイクロ波
の導入方向は異なるが、本実施例においても第４図の実
施例と同様の効果により、プラズマ生成，スパッタリン
グ，イオン流によるイオン輸送等を信頼性高く安定に実
現できる． 以上の説明では、従来例、本発明の実施例共に、電子サ
イクロトロン共鳴プラズマを用いた場合について説明し
た．しかし、本発明を他のプラズマ生成法、例えばマイ
クロ波放電プラズマ，高周波放電プラズマ，直流放電プ
ラズマを用いた場合に適用しても同様の効果があり、ス
パッタターゲットに接するプラズマからプラズマ中のイ
オンを、高精度にエネルギー制御して安定かつ信頼性高
く利用することができる．また、以上の説明は直流スパ
ッタリングを例として説明したが、本発明はターゲッ゛
トに高周波電界を印加してスパッタリングを行う高周波
スパッタリングを用いる場合にも適用できる。さらに、
本発明では固体ターゲットのスパッタリングによる膜形
成に利用する場合について説明したが、スパッタリング
を用いた金属イオン源、さらにはプラズマ室等のプラズ
マの接する部分Ｃ電気的バイアスを印加してスバッタク
リーニングする場合などにも適用できる．［発明の効果
］ 以上説明したように、本発明によればプラズマ室に生成
されたイオンを引出し、ターゲットに導いてスパッタリ
ングするプラズマ付着装置において、プラズマは自由に
通過する寸法の網状シールド電極をターゲットのプラズ
マシースよりも十分離れた位置に配置することにより、
安定に，信頼性，制御性高く膜形成することができる。

さらに、本発明のプラズマ付着装置を半導体など電子部
品の製造に適用した場合には、基板に損傷を与えること
なく、高品質の電子部品が実現できる。

さらに、本発明は電子部品の製造分野に限らず、種々の
材料への薄膜形成にも適用でき、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例装置の断面図、 第２図は第１の実施例装置のターゲット部分の拡大断面
図、 第３図はターゲット電界分布の模式図、第４図は本発明
の第２の実施例装置の断面図、第５図は本発明の第３の
実施例装置の断面図、第６図は従来のプラズマ付着装置
の断面図である。 ｌ・・・プラズマ生成室、 ２・・・試料室、 ３・・・マイクロ波導入窓、 ４・・・矩形導波管、 ５・・・プラズマ流、 ６・・・プラズマ引出し窓、 ７・・・試料基板、 ８・・・試料台、 ９・・・排気系、 ｌＯ・・・磁気コイル、 １１・・・磁気シールド、 ｌ２・・・第１ガス導入系、 １３・・・第２ガス導入系、 １４・・・冷却水配管、 Ｊ５・・・スパッタリング用ターゲット、ｌ６・・・シ
ールド電極、 ｌ７・・・冷却水配管、 １８・・・スバッタ電源、 １９・・・網状シールド電極、 ２０・・・プラズマシース。 ２０　プうス゛マシース

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ生成
   室と、膜形成すべき試料基板を配置するための試料台を
   配置した試料室と、前記プラズマ生成室と前記試料室と
   の間に配置されプラズマをプラズマ流として前記プラズ
   マ生成室から前記試料室に導入するためのプラズマ引出
   し窓と、スパッタリング材料で形成され前記プラズマ流
   を取り囲み前記プラズマ流と接するように配置されたタ
   ーゲットとを具え、前記ターゲットをスパッタするため
   のイオンを、前記プラズマ流の一部から引き出して前記
   ターゲットに入射させ、前記ターゲットのスパッタリン
   グにより試料基板上に薄膜を付着，堆積させるプラズマ
   付着装置において、前記ターゲットの近くで、かつ前記
   ターゲット上に生じるプラズマシースの厚さよりも離れ
   た位置のプラズマ中に、前記プラズマが通過可能であり
   、しかも前記ターゲットにより発生する電界が前記プラ
   ズマ生成室および前記試料室にほとんど及ばない構成の
   シールド電極を有することを特徴とするプラズマ付着装
   置。 ２）請求項１に記載のプラズマ付着装置において、前記
   ターゲットはプラズマ生成室の構成面の一部に配置され
   ることを特徴とするプラズマ付着装置。 ３）請求項１ないし２のいずれかに記載のプラズマ付着
   装置において、前記プラズマが前記プラズマ生成室にお
   いてマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴放電を用
   いて生成されることを特徴とするプラズマ付着装置。 ４）請求項１ないし２のいずれかに記載のプラズマ付着
   装置において、前記プラズマが前記プラズマ生成室にお
   いて高周波放電を用いて生成されることを特徴とするプ
   ラズマ付着装置。 ５）請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ付着
   装置において、前記プラズマ生成室から前記試料室に向
   けて磁界強度が適当な勾配で弱くなる発散磁界の磁界分
   布をもつ磁気コイルを有することを特徴とするプラズマ
   付着装置。 ６）請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマ付着
   装置において、前記試料台と前記プラズマ生成室とが電
   気的に絶縁されていることを特徴とするプラズマ付着装
   置。