JPH0585633B2 - - Google Patents

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JPH0585633B2
JPH0585633B2 JP59249541A JP24954184A JPH0585633B2 JP H0585633 B2 JPH0585633 B2 JP H0585633B2 JP 59249541 A JP59249541 A JP 59249541A JP 24954184 A JP24954184 A JP 24954184A JP H0585633 B2 JPH0585633 B2 JP H0585633B2
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electrode
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Masao Sakata
Hide Kobayashi
Katsuo Abe
Tsuneaki Kamei
Yutaka Saito
Hideki Tateishi
Susumu Aiuchi
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、スパツタ法による薄膜形成方法及び
その形成装置に関する。
〔発明の背景〕
真空中で、薄膜集積回路や半導体デバイス用の
薄膜を製造する方法の一つにスパツタリング法が
ある。このスパツタリング法は、例えば10-3
10-2Torr程度の低圧の雰囲気ガスのグロー放電
を起こしてガスをプラズマ状にイオン化し、陰陽
電極間に印加した電圧によりプラズマ状イオンを
加速し、陰極に配設したターゲツト材料に衝突さ
せる。そして、このイオンの衝突によりターゲツ
ト材料の構成原子または粒子を飛び出させ、陽極
近傍に配設した基板上に付着堆積させることによ
り、基板上にターゲツト材料の薄膜を形成するも
のである。いままで、このスパツタリング法の実
現には各種の手法が行なわれてきたが、薄膜の形
成速度や膜質の点で問題点を有していた。即ち、
陰陽極に直接直流電圧あるいはRF電圧を印加し
放電を励起する手法は、放電時のプラズマ密度が
小さくターゲツトに衝突するイオン量が少ないた
め、薄膜形成速度が非常に遅いものであつた。ま
た、ターゲツト材料上に電界の方向に対して垂直
な磁界を発生し、電界と磁界とに電子に螺線形の
運動軌跡のマグネトロン運動をさせ、放電空間中
での平均自由行程を長くしたマグネトロン型スパ
ツタリング法では、Al,Ta,Ti等の導体金属が
高速にスパツタされ、薄膜形成速度も数μm/分
程度と高速になる。しかし、10-3〜10-2Torr程
度の真空度であるため、形成した薄膜中に放電ガ
スの混入が生じ、薄膜の結晶粒径が小さく、抵抗
値を増加させる等膜質に問題があつた。さらに、
上記した程度の真空度であるから、スパツタされ
たターゲツト粒子は基板上へ飛来する途中の空間
においてガス粒子と衝突し散乱する。このため、
ターゲツト粒子が基板上へ入射する際の基板面に
対する垂直性が悪く、基板上に存在する段差部の
被膜性やスルーホール等の穴埋めが十分でなく、
配線部分の断線あるいは多層配線の層間抵抗の上
昇等の問題点があつた。また、ターゲツト材料と
してSiO2,Al2O3,Si3N4等の誘電体を使用した
場合には、電極にRF電力を印加して放電させ、
スパツタリングが行なわれている。しかしなが
ら、このような誘電体は、材料固有の物性とし
て、イオンの衝突エネルギーにより空間中に放出
される度合(これをスパツタ−イールドと呼ぶ)
が低いという特徴をもつている。このため、マグ
ネトロン型スパツタリング法によつても薄膜形成
速度が遅いので、放電中のイオンエネルギーを大
きくするよう、RFの大電力の投入が行なわれる。
しかし、ターゲツトへ衝突させるイオンエネルギ
ーを大きくすればスパツタされるターゲツト粒子
量は多くなるが、あまり過大な電力を投入すると
イオンがターゲツト中に打ち込まれ、ターゲツト
をスパツタしなくなつてしまう。また、ターゲツ
トの表面と裏面との温度差が大きくなる結果、タ
ーゲツト内に大きな温度ストレスがかかり、ター
ゲツトが破壊するような問題点も生じており、誘
電体膜の形成において高い生産性が得られなかつ
た。
そこで、近年これら問題点を解決するスパツタ
リング手法として、例えば高周波スパツタ装置の
処理室内において、マイクロ波発振器によりプラ
ズマを生成させる手法が提案されている(例えば
特開昭58−75839等)。この手法を適用したスパツ
タ装置について、第1図に基づき説明する。これ
は、マイクロ波発振器3で発生させたマイクロ波
を導入路12から真空室13内に導入し、ガス導
入口15から導入されるガスをプラズマ化し、タ
ーゲツト電極16上に載置したターゲツト1とウ
エハステージ17上に載置したウエハ2の間に、
高密度のプラズマを発生させることにより、ウエ
ハ2上にターゲツト1の材料を成膜するものであ
る。この手法によれば、ウエハ2上にSiO2薄膜
を形成する場合、1KWの高周波電力で1500Å/
分程度の速度で薄膜形成することができる。しか
しながらこの手法は、スパツタ時のガス圧力を
10-1Torr程度とするもので、マイクロ波を生成
させないスパツタリング法と比較しても、真空度
は低圧であるため、膜中へのスパツタガスの混入
が避けられず、形成したSiO2薄膜の絶縁破壊電
圧の低下あるいは多数のピンホールの存在等の問
題があり、半導体薄膜デバイス等に実用できる膜
質は得られなかつた。また、マイクロ波の導入が
ガス導入口15の近傍で行なわれ、発生したプラ
ズマは熱拡散によつてウエハ2とターゲツト1の
間に達するものであるため、この空間でのプラズ
マ密度は均一でなく、薄膜の膜厚を均一にするこ
とが難しく、半導体薄膜デバイスに応用すること
が困難であつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、薄膜形成速度を早めるととも
に、ターゲツト材料に依存することなく、半導体
薄膜デバイス等へ応用可能な薄膜を、高真空度で
しかも均一に形成できる薄膜形成方法及びその形
成装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するために本発明においては、
真空容器内でターゲツトをスパツタして該ターゲ
ツトと対向する基板上に薄膜を形成する薄膜形成
方法において、前記ターゲツトと前記基板との間
の周辺部に対称に設けた導入窓を介して該導入窓
近傍に形成した磁場中にマイクロ波を供給して該
導入窓近傍にECR放電を発生させ、同時に前記
ターゲツトに高周波電力を印加することにより、
前記ターゲツトと前記基板との間に高密度でかつ
均一なプラズマを形成することを特徴とする薄膜
形成方法並びにその形成装置を提供する。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第2図により説明す
る。図中、同一箇所には同一符号を付してある。
略角形で10-4Torr程度の真空度に設定すると
共に不活性ガス例えばアルゴンを流入する真空室
13に所定の空間8を介して、それぞれ平面を有
する基板電極11と、陽極10を平面側を略対向
させて配置している。陽極10の空間8側の面に
は、ターゲツト材1を載置せしめている。このタ
ーゲツト材1としては、所望とする薄膜に応じ例
えばSiO2,Si3N4あるいはAl2O3等を使用するこ
とができる。陽極10は、空間8側の反対側の一
部が大気中に突設し、スパツタ用RF電源6に接
続している。尚、陽極10とスパツタ用RF電源
6の間には、スパツタリングを制御するための整
合回路5を設けてある。一方、基板電極11は陰
極として機能するもので、空間8側の面上には、
表面に薄膜を形成すべき基板、例えばウエハ2が
載置してある。さらに、基板電極11の一部は大
気中に突設しアースされている。
次に、陽極10と基板電極11との間の空間8
を両側面から取り囲むように、大気側から真空室
13内に向つて、マイクロ波導入路4がそれぞれ
配設してある。このマイクロ波導入路4は、空間
8にマイクロ波を導入するためのものである。即
ち、マイクロ波導入路4は真空室13に開放して
おり、その一端はマイクロ波導入窓9となつてい
る。マイクロ波導入路4の大気側はマイクロ波を
発生させる導波管12に接続し、さらに導波管1
2はマイクロ波電源3に接続している。真空室1
3の外側には、各マイクロ波導入路4を挟む位置
に、複数の磁界コイル7が略対向して配設してあ
る。
次に、このように構成したスパツタ装置におけ
る薄膜形成作用について説明する。
マイクロ波電源3を働かせ導波管12からマイ
クロ波を発生させる。発生したマイクロ波はマイ
クロ波導入路4を通つて、マイクロ波導入窓9か
ら真空室13内の空間8に導入していく。さら
に、磁界コイル7を働かせ、マイクロ波導入窓9
近傍に磁界を発生させる。このとき、この磁界中
の電子の円運動周波数(電子サイクトロン周波
数)を、マイクロ波の周波数に一致させて共鳴吸
収即ち、電子サイクロトロン共鳴(Electron
Cyclotron Resonance,以下「ECR放電」と略
す)を引き起こすように設定する。このECR放
電により空間8は、グロー放電の場合より、高い
イオン密度例えば1012個/cm3程度を得ることがで
きる。また、空間8の周囲よりマイクロ波を導入
するため、空間8に発生するマイクロ密度は均一
なものとなる。
このような状態において、高周波電源(RF電
源)6より整合回路5を通して、陰極10にRF
電力を投入する。RF電力は、ターゲツト材1と
空間8、陽極(基板電極)11を介して消費され
る。このとき、直流バイアスが陰極に負電位とし
て発生する。この負電位により空間8において
ECR放電が励起され、流入ガス例えばアルゴン
ガスはプラズマ化し、高密度のイオンがターゲツ
ト材1に加速され衝突しターゲツト粒子を放出さ
せる。そして、この粒子は空間8を通つてウエハ
2の表面にターゲツト材の薄膜を形成する。
陰陽極間の空間において、ECR放電を励起せ
しめる手法としてはこれに限られない。本発明の
他の実施例について、第3図をもとに説明する。
ここでは、略球形をした真空室13の周囲に多
数のマイクロ波導入路4を真空室13に向つて開
放するよう配設している。マイクロ波導入路4の
大気側端部にはそれぞれ導波管12を接続し、各
導波管12はそれぞれマイクロ波電源3に接続し
ている。マイクロ波導入路4の真空室13側端部
近傍には、マイクロ波導入窓9を設けている。そ
れぞれのマイクロ波導入路4の周囲には、マイク
ロ波導入路4を取り囲むように磁界コイル7を配
設している。尚、第3図では見やすくするためタ
ーゲツト電極、基板電極等は省略してあるが、第
2図で示したと同様に配設することができる。
このように構成したスパツタ装置においても、
真空室13内の空間にマイクロ波を導入し、磁界
コイル7の働きによりECR放電を空間8で発生
させることができるので高密度かつ均一なプラズ
マを生成することができる。
本発明に係る形成方法によつて薄膜を形成した
場合、次のような結果が得られた。即ち、6×
10-6Torrの真空度において、高周波電力を1KW、
マイクロ波電力を120Wとし、ターゲツト材を
SiO2としたとき、その薄膜形成速度は2000Å/
分以上であつた。また、ウエハ上に形成した薄膜
の膜厚分布は±5%以内で極めて均一に形成する
ことができた。
〔発明の効果〕
本発明によれば、10-4Torr程度以下の高真空
でプラズマ密度を均一にしかも高めた状態で
ECR放電を利用してスパツタリングを行うよう
にしたので、低スパツタイールドのターゲツト材
を使用しても高速に薄膜を形成することができ、
半導体薄膜デバイス等に応用することができる。
さらに、高真空に設定できるため、ターゲツト粒
子が薄膜に形成すべき基板に被着するまでに空間
中のガス分子を衝突散乱する虞れがなく、薄膜中
へのガス混入の低減が計れるので、ピンホールの
ない緻密な膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来のスパツタリング法によるスパ
ツタ装置の構成を示す概略構成図、第2図は本発
明の一実施例に係るスパツタリング法によるスパ
ツタ装置の構成を示す概略構成図、第3図は同じ
く本発明の他の実施例に係るスパツタ装置の構成
を示す概略構成図である。 1……ターゲツト材、2……ウエハ、3……マ
イクロ波電源、4……マイクロ波導入路、5……
整合回路、6……スパツタ用RF電源、7……磁
界コイル、8……プラズマ発生空間、9……マイ
クロ波導入窓、10……陰極(ターゲツト電極)、
11……基板電極、12……導波管、13……真
空室。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 真空容器内でターゲツトをスパツタして該タ
    ーゲツトと対向する基板上に薄膜を形成する薄膜
    形成方法であつて、前記ターゲツトと前記基板と
    の間の周辺部に対称に設けた導入窓を介して該導
    入窓近傍に形成した磁場中にマイクロ波を供給し
    て該導入窓近傍にECR放電を発生させ、同時に
    前記ターゲツトに高周波電力を印加することによ
    り、前記ターゲツトと前記基板との間に高密度で
    かつ均一なプラズマを形成することを特徴とする
    薄膜形成方法。 2 真空容器内でターゲツト電極上のターゲツト
    をスパツタして該ターゲツトと対向する基板電極
    に載置した基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置
    であつて、前記ターゲツト電極と前記基板電極と
    の間の周辺に対称に配置されて前記真空容器の外
    部から前記ターゲツト電極と前記基板電極との間
    の導入窓を介してマイクロ波を供給する複数のマ
    イクロ波供給手段と、前記真空容器の外部でかつ
    前記複数のマイクロ波供給手段の各々の外周にそ
    れぞれ対をなして配置された複数の磁場発生手段
    と、前記ターゲツト電極に高周波電力を印加する
    電力印加手段とを有し、前記磁場発生手段で前記
    導入窓近傍に発生した磁場中に前記マイクロ波供
    給手段からマイクロ波を供給することにより、前
    記導入窓近傍でECR放電を発生させ、同時に前
    記電力印加手段により前記ターゲツト電極に高周
    波電力を印加することにより、前記ターゲツト電
    極と前記基板電極との間に高密度でかつ均一なプ
    ラズマを発生させることを特徴とする薄膜形成装
    置。
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