JPH06248433A

JPH06248433A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH06248433A
Application number: JP50A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Hashimoto; 陽一橋本; Kenichiro Yamanishi; 健一郎山西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1994-09-06

Abstract

(57)【要約】【目的】基板にダメージを与えることなく、信頼性の
高い薄膜を形成できる薄膜形成装置を得る。【構成】イオン化部２２と基板１４との間に基板１４
方向にイオン化クラスタ２３及びイオン化反応性ガスを
引き出すための引出電極３０を設け、この引出電極３０
に負の電位を印加するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高品質の薄膜を蒸着
形成する薄膜形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は例えば「最新機能成膜プロセス技
術」（１９８７年広信社発行）に示された従来のスパッ
タ法による薄膜形成装置の構成を示す図である。図にお
いて、１は真空槽、２はこの真空槽１内を真空にするた
めに設けられた排気口、３は真空槽１内に放電用ガス、
例えばアルゴンガスを導入するために設けられたガス導
入口、４は真空槽１内に設けられた成膜材料、例えばチ
タンから成るターゲット、５はこのターゲット４と対向
するように設けられた基板、６はターゲット４と基板５
との間に直流電圧を印加するために設けられた電源、７
はターゲット４と基板５との間に発生するアルゴンイオ
ン、８はターゲット４の原子である。

【０００３】次に上記のように構成された従来のスパッ
タ法による薄膜形成装置の動作について説明する。ま
ず、真空槽１内を排気口２より排気することにより１０
^-2Ｔｏｒｒ程度の真空度とし、ガス導入口３より例えば
アルゴンガスを真空槽１内に導入する。そして、ターゲ
ット４と基板５との間に電源６にて直流電圧を印加す
る。すると、アルゴンイオン７がターゲット４に衝突
し、ターゲット４の原子８がたたき出され、この原子が
基板５に付着して薄膜が形成される。

【０００４】この時、この原子８の平均自由行程は１ｃ
ｍ程度であるため、原子８が基板５に到達するまでには
数１０回の衝突などを行うこととなり、原子８の方向性
はほとんど失われてしまう。従来のスパッタ法による薄
膜形成装置では原子８の方向性がほとんど失われた状態
にて成膜することとなり、アスペクト比が２を越えるよ
うな微細孔に適用すると、図８（ａ）に示すように、微
細孔９上部の膜１０が張り出し、微細孔９内部で充分な
膜形成ができなくなり、微細孔９の上部と底部とでは膜
１０が不連続となり、図８（ｂ）に示すように連続的な
膜形成ができず、電気的に不導通となる。

【０００５】そこで、これを改良するためクラスタイオ
ンビーム蒸着法（以下ＩＣＢ法と呼ぶ）による薄膜形成
装置が開発されている。図９は例えば特開昭６１−２３
８９５７号に示されたＩＣＢ法による薄膜形成装置の構
成を示す断面図である。図において、１１は真空槽、１
２はこの真空槽１内を真空にするために設けられた排気
口、１３は真空槽１内に反応性ガス、例えば窒素ガスを
導入するために設けられたガス導入口、１４は後述する
ルツボと対向するように設けられた基板、１５は蒸着材
料１６、例えばチタンを収容するルツボで、上部にはノ
ズル１７が設けられている。

【０００６】１８はルツボ１５を加熱する加熱フィラメ
ント、１９はルツボ１５のノズル１７から蒸着材料１６
を噴出して形成されたクラスタ、２０は電子を放出する
イオン化フィラメント、２１はこのイオン化フィラメン
ト２０からの電子を後述するイオン化部に引き出し加速
するグリット状の電子引出電極、２２はイオン化フィラ
メント２０から飛び出し、電子引出電極２１にて引き出
された電子にて成るイオン化部、２３はこのイオン化部
１６にてイオン化されたイオン化クラスタ、２４はこの
イオン化クラスタ１７を基板５方向に加速させる加速電
極である。

【０００７】２５は加熱フィラメント１８に電流を流し
て高温にし熱電子を放出させる第１の交流電源、２６は
加熱フィラメント１８によって放出される電子がルツボ
１５に衝突するようにルツボ１５の電位を加熱フィラメ
ント１８の電位よりも高く保つバイアス電位を与えてい
る第１の直流電源、２７はイオン化フィラメント２０を
発熱させる第２の交流電源、２８はイオン化フィラメン
ト２０の電位を電子引出電極２１の電位よりも低く保つ
第２の直流電源、２９は加速電極２４の電位を電子引出
電極２１の電位よりも低い値に保つ第３の直流電源であ
る。

【０００８】次に上記のように構成されたＩＣＢ法によ
る薄膜形成装置の動作について説明する。まず、真空槽
１１内が１０^-6Ｔｏｒｒ程度の真空度となるまで、排気
口１２より排気し、ガス導入口１３より反応性ガスを真
空槽１１内に導入する。そして、加熱フィラメント１８
は第１の交流電源２５により加熱され熱電子が放出さ
れ、放出された熱電子を第１の直流電源２６によってル
ツボ１５に与えられた正の電圧によりルツボ１５に衝突
させてルツボ１５を加熱する。

【０００９】そして、ルツボ１５内の蒸着材料１６はル
ツボ１５を介して加熱されて、内部の蒸気圧が１Ｔｏｒ
ｒ程度となると、ノズル１７より噴出しクラスタ１９を
形成する。このクラスタ１９及び反応性ガスはイオン化
部２２にてイオン化フィラメント２０からの電子と衝突
して、イオン化クラスタ２３及びイオン化反応性ガスと
なる。このようにして、加速電極２４にて生じる電界に
よってイオン化クラスタ２３及びイオン化反応性ガスは
加速され、イオン化クラスタ２３により加速されるクラ
スタ１９と一緒に、基板１４に照射され薄膜が形成され
る。

【００１０】尚、この時、加速電極２４の電位を電子引
出電極２１の電位よりも低い値にし、イオン化クラスタ
２３を加速させ基板１４に照射させ、且つ、十分な量の
イオン化クラスタ２３を基板１４に到達させるために、
第３の直流電源２９により電子引出電極２１には、例え
ば５ＫＶの電位が印加されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のＩＣＢ法による
薄膜形成装置は以上のように構成されているので、イオ
ン化クラスタ２３が基板１４に照射される時のエネルギ
は、イオン化部２２の電子引出電極２１により印加され
る５ＫＶの電位と、基板１４のアース電位との電位差分
である５ＫＶというおおきさが加速エネルギとなる。イ
オン化部クラスタ、２３はこのエネルギにて基板１４に
照射されるので、基板１４にダメージを与えてしまう。
又、逆にこのエネルギを低くしようとすれば基板１４に
ダメージを与えずにすむが、イオン化クラスタ２３の加
速は減少し基板１４に必要量のイオン化クラスタ２３が
到達しないこととなり、所望の薄膜を形成することがで
きないという問題点があった。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、基板にダメージを与えることな
く、信頼性の高い薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
の薄膜形成装置は、イオン化手段と基板との間に基板方
向にイオン化クラスタ及びイオン化反応性ガスを引き出
すための引出電極を設け、この電極に負の電位を印加す
るようにしたものである。

【００１４】又、この発明に係る請求項２の薄膜形成装
置は、基板と引出電極との距離が所定以上で、基板と引
出電極との間で且つ基板の近傍に設けられ、引出電極の
電位と同じ値の電位が印加される輸送電極を備えたもの
である。

【００１５】又、この発明に係る請求項３の薄膜形成装
置は容器内の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）、ルツボのノズル
から基板までの距離をＬ（ｃｍ）とした場合に、Ｐ及び
Ｌの値を１／１０００≦Ｌ×Ｐ≦５／１００を満足する
ように設定したものである。

【００１６】又、この発明に係る請求項４の薄膜形成装
置は蒸着材料及び反応性ガスはチタン及び窒素で、チタ
ン原子１個当たりの窒素イオンの個数を２個以上１０個
以下とするものである。

【００１７】

【作用】この発明の請求項１における薄膜形成装置の負
の電位が印加された引出電極は、イオン化クラスタ及び
イオン化反応性ガスを基板方向に引き出す。

【００１８】又、この発明の請求項２における薄膜形成
装置の引出電極の電位と同じ電位が印加された輸送電極
は、引出電極により引き出されたイオン化クラスタを基
板方向に輸送する。

【００１９】又、この発明の請求項３における薄膜形成
装置の容器内の真空度Ｐ（Ｔｏｒｒ）とルツボのノズル
から基板までの距離Ｌ（ｃｍ）とは、１／１０００≦Ｌ
×Ｐ≦５／１００を満足するように設定される。

【００２０】又、この発明の請求項４における薄膜形成
装置のチタン原子１個当たりの窒素イオンの個数は、２
個以上１０個以下となるように供給される。

【００２１】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例を図について説明す
る。図１はこの発明の実施例１におけるＩＣＢ法による
薄膜形成装置の構成を示す断面図である。図において従
来装置と同様の部分は同一符号を付して説明を省略す
る。３０はイオン化部２２にて形成されたイオン化クラ
スタ２３を基板１４の方向に引き出すための引出電極、
３１はこの引出電極３０に例えば−９ＫＶの電位を印加
するための第４の直流電源、３２は電子引出電極２１に
例えば１ＫＶの電位を印加するための第５の直流電源で
ある。

【００２２】次に上記のように構成された実施例１のＩ
ＣＢ法による薄膜形成装置の動作について説明する。ま
ず、従来と同様に真空槽１１内が１０^-6Ｔｏｒｒの真空
度となるまで、排気口１２より排気し、ガス導入口１３
より反応性ガスを真空槽１１内に導入する。そして、加
熱フィラメント１８は第１の交流電源２５により加熱さ
れ熱電子が放出され、放出された熱電子を第１の直流電
源２６によってルツボ１５に与えられた正の電圧により
ルツボ１５に衝突させてルツボ１５を加熱する。

【００２３】そして、ルツボ１５内の蒸着材料１６はル
ツボ１５を介して加熱されて、内部の蒸気圧が１Ｔｏｒ
ｒ程度となると、ノズル１７より噴出しクラスタ１９を
形成する。このクラスタ１９及び反応性ガスはイオン化
部２２にてイオン化フィラメント２０からの電子と衝突
して、イオン化クラスタ２３及びイオン化反応性ガスと
なる。そして、電子引出電極２１の１ＫＶの電位と、引
出電極３０の−９ＫＶの電位の電位差によって、引出電
極３０はイオン化クラスタ２３及びイオン化反応性ガス
を引き出し、イオン化クラスタ２３により引き出される
クラスタ１９と一緒に基板に照射し、薄膜を形成する。

【００２４】イオン化クラスタ２３が基板１４に照射さ
れる時のエネルギは、一般的に５００Ｖより低い場合に
は基板１４への付着が小さく、膜質が悪くなる場合があ
り、又、２ＫＶよりも高い場合には反応性ガスが、形成
した薄膜をスパッタしたりするため膜質が悪くなる場合
がある。このため５００Ｖ〜２ＫＶの範囲内が適当であ
る。実施例１ではイオン化部２２には電子引出電極２１
により１ＫＶの電位が印加され、基板１４はアース電位
となっているのでこの電位差分、すなわち１ＫＶがイオ
ン化クラスタ２３のエネルギとなり、上記した５００Ｖ
〜２ＫＶの範囲内に入っているので基板１４にダメージ
を与えることなく薄膜形成を行うことができる。

【００２５】実施例２．上記実施例１では引出電極３０
から基板１４までの距離はイオン化クラスタ２３が基板
１４に到達するのに指向性を損なわれない範囲であった
が、ここでは引出電極３０から基板１４までの距離が上
記範囲を越えて離れている場合について説明する。図２
において、３３は引出電極３０と基板１４との間で基板
１４の近傍に設けられ、第４の直流電源３１から引出電
極３０と同じ値の−９ＫＶの電位が印加される輸送電極
である。実施例２ではこのように構成され、輸送電極３
３の電位が引出電極３０の電位と同じ位になっているの
で、引出電極３０と輸送電極３３との間の電位は一定に
保たれ、引出電極３０に引き出されたイオン化クラスタ
２３及びイオン化反応性ガスを同じ状態に保ったまま輸
送電極３３まで輸送することができるので、イオン化ク
ラスタ２３及びイオン化反応性ガスは指向性を損なわれ
ず、基板１４に到達し薄膜を形成するので上記実施例１
と同様の効果を奏する。

【００２６】実施例３．最近、高アスペクト比（例えば
２ないし４）の微細孔の成膜が要求されている。図４は
図１に示す薄膜形成装置を用いて、アスペクト比４の微
細孔の成膜を行った場合のボトムカバレジ率とノズルか
ら基板までの距離／蒸着粒子の平均自由行程との関係を
示す図である。図において、ボトムカバレジ率とは基板
表面平坦部膜厚に対する微細孔底部膜厚の比であり、電
気的信頼性を高めるためには１０％以上が必要であると
されている。

【００２７】そこで、蒸着粒子の平均自由行程をλ（ｃ
ｍ）、真空槽１１内の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）とした場
合、一般的にＰ×λ＝５／１００を満足する。このこと
から、ノズル１７から基板１４までの距離をＬ（ｃｍ）
とした場合、図の横軸に示す関係から、ボトムカバレジ
率を１０％以上に確保するために１／１０００≦Ｌ×Ｐ
≦５／１００という条件を満足しなければならないとい
うことが判る。例えば、従来のＩＣＢ法によってＴｉＮ
の薄膜形成の場合によれば、真空槽１１中のチタン原子
の散乱を抑制するために反応ガスの濃度を絞って、例え
ば１０^-6Ｔｏｒｒの高真空状態に保持されているので、
イオンの量が少なくなり、窒素原子が不足したＴｉ₂Ｎ
膜が形成される。

【００２８】実施例３ではＬを例えば５０ｃｍとして上
記１／１０００≦Ｌ×Ｐ≦５／１００に適用すれば、Ｐ
は２×１０^-5Ｔｏｒｒ〜１０^-3Ｔｏｒｒの範囲でよく、
上記各実施例の場合の１０^-6Ｔｏｒｒより低真空で行う
ことができ、この分反応ガスの量も十分となり、窒素原
子が充足されたＴｉＮ膜を形成することができる。尚、
上記のような条件にて形成された薄膜は従来のＩＣＢ法
による薄膜形成と比較してもよくなっているのはもちろ
んのこと、図４（ａ）に示すように従来のスパッタ法に
よる薄膜形成の場合を示す図４（ｂ）と比較しても明ら
かによく、ボトムカバレジ率はほぼ５０％程度の膜形成
がなされており、電気的信頼性の高い薄膜を得ることが
できた。

【００２９】実施例４．上記各実施例の薄膜形成装置は
窒化チタンを成膜する場合について示したけれども、実
施例４では上記各実施例の薄膜形成装置にて窒化チタン
を配線の下地膜とする場合について説明する。まず、窒
化チタンを下地膜にし、上に例えばアルミニウム合金を
成膜しようとすると、図５に示すようにアルミニウム合
金の（１１１）と窒化チタンの（１１１）とはともに三
角格子であり、一辺の長さはほぼ２倍の関係にある。よ
って、アルミニウム合金の結晶配向（１１１）にそろえ
て強度を確保するためには、窒化チタンの結晶方向をア
ルミニウム合金の結晶配向（１１１）にそろえて形成し
ておけば、アルミニウム合金もこれにならい、成膜され
るので強度を確保することができる。

【００３０】そこで、窒化チタンの結晶配向（１１１）
の配向強度比は窒化チタン（１１１）及び（２００）の
配向強度をそれぞれＩ１１１及びＩ２００と設定した場
合、Ｉ１１１／（Ｉ１１１＋Ｉ２００）で表される。こ
の配向強度比は図６に示すようチタン原子１個当たりの
窒素イオンの個数により変化するので、目標とする強度
のＩ１１１／（Ｉ１１１＋Ｉ２００）≧０．８を満足さ
せるためには、基板に到達するチタン原子１個に対し少
なくとも窒素イオンが２個以上必要となり、又、供給源
の能力と効率などの実用上の制約事項から１０個程度が
限度となる。よって、基板に到達するチタン原子１個に
対し、窒素イオンを２個以上１０個以下とすれば、下地
膜としての窒化チタンの（１１１）の強度を向上させる
ことができ、その上に成膜されるアルミニウム合金の強
度も確保できるので、信頼性の高い配線を形成すること
ができる。

【００３１】実施例５．上記実施例１、２及び３では、
蒸着材料１６としてチタン、反応ガスとして窒素を用い
る例としたけれども、これらに限られることなく、蒸着
材料１６として例えばストロンチウム、シリコン、鉛、
ホウ素、バリウム及びアルミニウム等、反応性ガスとし
て例えば酸素、炭化水素及びハロゲン等を用いて薄膜形
成を行っても上記実施例１、２及び３と同様の効果を奏
する。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
ればイオン化手段と基板との間に基板方向にイオン化ク
ラスタ及びイオン化反応性ガスを引き出すための引出電
極を設け、この電極に負の電位を印加するようにし、
又、請求項２によれば基板と引出電極との距離が所定以
上で、基板と引出電極との間で、且つ、基板の近傍に設
けられ、引出電極の電位と同じ値の電位が印加される輸
送電極を備え、又、請求項３によれば容器内の真空度を
Ｐ（Ｔｏｒｒ）、ルツボのノズルから基板までの距離を
Ｌ（ｃｍ）とした場合に、Ｐ及びＬの値を１／１０００
≦Ｌ×Ｐ≦５／１００を満足するように設定し、又、請
求項４によれば蒸着材料及び反応性ガスはチタン及び窒
素で、チタン原子１個当たりの窒素イオンの個数を２個
以上１０個以下とするようにしたので、基板にダメージ
を与えることなく、信頼性の高い薄膜を形成できる薄膜
形成装置を提供することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１における薄膜形成装置の構
成を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例２における薄膜形成装置の構
成を示す断面図である。

【図３】ボトムカバレジ率とノズルから基板までの距離
／蒸着粒子の平均自由行程との関係を示す図である。

【図４】この発明の実施例３及び従来のスパッタ法にそ
れぞれ成膜された薄膜の状態を比較して示す図である。

【図５】アルミニウム合金及び窒化チタンのそれぞれの
（１１１）を示す図である。

【図６】窒化チタンの（１１１）の配向強度比とチタン
原子１個当たりの窒素イオンの個数との関係を示す図で
ある。

【図７】従来のスパッタ法による薄膜形成装置の構成を
示す断面図である。

【図８】図７に示す薄膜形成装置にて形成された薄膜と
理想薄膜との比較を示す図である。

【図９】従来のＩＣＢ法による薄膜形成装置の構成を示
す断面図である。

【符号の説明】

１、１１真空槽５、１４基板１５ルツボ１６蒸着材料１７ノズル１９クラスタ２２イオン化部２３イオン化クラスタ３０引出電極３１第４の直流電源３２第５の直流電源３３輸送電極

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【手続補正書】

【提出日】平成５年６月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】この時、この原子８の平均自由行程は１ｃ
ｍ程度であるため、原子８が基板５に到達するまでには
数１０回の衝突を行うこととなり、原子８の方向性はほ
とんど失われてしまう。従来のスパッタ法による薄膜形
成装置では原子８の方向性がほとんど失われた状態にて
成膜することとなり、アスペクト比が２を越えるような
微細孔に適用すると、図８（ａ）に示すように、微細孔
９上部の膜１０が張り出し、微細孔９内部で充分な膜形
成ができなくなり、微細孔９の上部と底部とでは膜１０
が不連続となり、図８（ｂ）に示すように連続的な膜形
成ができず、電気的に不導通となる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応性ガスが充填され所望の雰囲気に保
たれた容器と、上記容器内に設けられ、内部に蒸着材料
に収納し、ノズルを上部に備えたルツボと、上記ルツボ
の上記ノズルと対向する側に設置された基板と、上記ル
ツボと上記基板との間に設けられ、加熱され上記基板に
向けて上記ノズルから蒸発して形成される上記蒸着材料
のクラスタ及び反応性ガスをイオン化するイオン化手段
と、上記イオン化手段と上記基板との間に設けられ、上
記基板方向に上記イオン化手段により生成されたイオン
化クラスタ及びイオン化反応性ガスを引き出すための引
出電極と、上記引出電極に負の電位を印加する電源とを
備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】基板と引出電極との距離が所定以上で、
上記基板と上記引出電極との間で且つ上記基板の近傍に
設けられ、上記引出電極の電位と同じ値の電位が印加さ
れる輸送電極を備えたことを特徴とする請求項１記載の
薄膜形成装置。
【請求項３】容器内の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）、ルツ
ボのノズルから基板までの距離をＬ（ｃｍ）とした場合
に、上記Ｐ及びＬの値を１／１０００≦Ｌ×Ｐ≦５／１
００を満足するように設定したことを特徴とする請求項
１又は請求項２のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項４】蒸着材料及び反応ガスはチタン及び窒素
で、チタン原子１個当たりの窒素イオンの個数を２個以
上１０個以下とすることを特徴とする請求項１ないし請
求項３のいずれかに記載の薄膜形成装置。