JPH0678583B2

JPH0678583B2 - 薄膜形成装置および薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH0678583B2
Application number: JP1147422A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見
Original assignee: Mitsubishi Corp
Current assignee: Mitsubishi Corp
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1989-06-09
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPH03180467A

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ッチングする。こうして
エッチングされた材料粒子は、対向して設置されたウエ
ーハ上に堆積して成膜が行なわれる。これに対し、ター
ゲットだけでなく、ウエーハを取り付けるサセプタ自身
にも高周波電力を加え、ウエーハ表面に膜の堆積を行な
うとともに、ウエーハ表面に形成された自己バイアスに
よってスパッタエッ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SiO₂,Si₃N₄,Al₂O₃,AlN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てあるター
ゲット電極である。また、503,504はそれぞれ半導体ウ
エ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。ターゲット電極502及びサセプタ電極504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13.56MHz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
エーハの出し入れのための機構が設けられている本図で
は簡単のため省略してある。

半導体ウエーハ等の基板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。
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、半導体ウエーハ等の基
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、
半導体薄膜、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課題］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。すなわち、ター
ゲットとサセプタの両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実施例を説明する。

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に用い、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SiO₂のターゲットであり、ターゲット電極1
02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、シリコンウエーハ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f₂）100MHzの高周波電力
を加えられている。

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ー（Band Eliminator）
102′,104′が設けられてる。サセプタ電極104に用いら
れるバンドエリミ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の並裂回路はf₂
＝1/｛２π（L₁C₁）^1/2｝の共振周波数でインピーダン
スが最大となり（第１図（ｃ））、それ以外の周波数に
対しては、ほとんど短絡となるため、所定の周波数（こ
の場合はF₂＝100MZn）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f₁（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Ｃ_ｓ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Ｃ_ｓの値は f₂・L₁≫1/f₂C_ｓを満たすよう十分大きな値とする必要がある。

この場合f₀＝1/｛２π（L₁C_ｓ）^1/2｝の周波数に対し、
L₁,C_ｓの直列回路はインピーダンスが０となり、周波数
f₀の高周波に対し短絡となる。このf₀をターゲットに加
えられる周波数13.56MHz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f₁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f₁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1
06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、106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、さらにウエ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てある。

本発明によって下地半導体ウエ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ー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５×10^-3Torrの圧力で
導入し、放電を起し、電極に加える直流電圧Ｖとその結
果流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の周波数は可変とし、14MHz,40.68
MHz及び100MHzの３つの周波数に対してとった結果が図
に示されている。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、Ｖが約−95V（この値
をＶ_SBと表す）のとき、Ｉ＝０となり、Ｖ＞Ｖ_SBではＩ
＜0,V＜Ｖ_SBではＩ＞０となっている。このＶ_SB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０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＞Ｖ_SBとするとより多
くの電子が流れ込みＩ＜０となる。

また、一方、Ｖ＜Ｖ_SB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。さらにＶを
負の方に大きくすると、Ｖ＝V₀で電流値は飽和し、ほぼ
一定値となる。これはイオンのみの電流値に等しい。以
上の事実から考えて、Ｖ＞V₀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巾が狭
いことを意味している。図から明らかなように14MHzに
くらべ、100MHz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
△Ｅ_ionとし、電子のエネルギー分布の巾を△Ｅ_ｅ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、Ｖ_SBの値も14MHzの場合の−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、|V_sub｜＝400V〜6000V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、たとえばエネルギーの
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より、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、ウエーハ・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|V_SB｜は約1/4〜1/5、△Ｅ_ion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。本発明の装置では、放電は
ターゲットに加えられる高周波電力（f₁）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。

Ｖ_SB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106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
た膜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エーハ径にくらべて
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
ため好ましくない。

成膜する材料も絶縁物に限ることはなく、当然導電性材
料に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エー
ハ口径の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）〜1GHz（波長30c
m）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）410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。例えば、露出してい
るシリコン表面に直接SiO₂などの絶縁膜を積層させる場
合、まず最初の数10Å〜100Å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ッ
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
は再スパッタを行なわず、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。第１図
（ａ）の第１実施例と比較してかわっている点は、サセ
プタに対し、f₂,f₃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、それに応じて
バンドエリミネーター401も変換してある。402及び403
はLCの共振回路であり、それぞれf₂,f₃の共振周波数を
もっている。

f₂＝1/｛２π（L₁C₁）^1/2｝ f₃＝1/｛２π（L₂C₂）^1/2｝２つの共振回路402,403を直列に接続したバンドエリミ
ネーター401はf₂,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、f₁は13.56MHzとし、f₂＝100MHz、f₃＝40MHzと
する。そして、例えば露出しているシリコン表面に直接
SiO₂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f₂（100MHz）とする。そして、その後は
周波数をf₃（40MHz）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。表面が100A程度のSiO₂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、大きな再スパッタ効果が得られるように
なる。しかし、すでにSi表面はSiO₂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
絶縁膜の表面形状の平担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パッタ用の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f₂,f₃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f₂,f₃,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f₂＞f₃,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
f₁も含め、f₁,f₂,f₃,・・・・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f₁,f₂,f₃,・・・・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SiO₂膜の堆積についての
み述べてきたが、これに限る必要はもちろんない。例え
ば、PSG膜、BPSG膜、シリコン窒化膜、Al₂O₃膜、AlN膜
等の形成に用いてもよい。この技術は絶縁性薄膜成形に
有効なことはもちろんであるが、当然Al,Al合金,W,Mo,T
i,Ta等の導電性薄膜にも適用できる。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，石英板等の上に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Si₃N₄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N₂ある
いはNH₃を用いて、Si₃N₄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。AlNの
成膜では、Alをターゲット基板とし、導入ガスをN₂もし
くはNH₃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エーハに限らないこ
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。第２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），（ｂ）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……
ウエーハ、104……サセプタ電極、105……真空容器、10
2′,104′,104b,104d,401……バンドエリミネーター。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項２】前記第２の周波数が13MHzより大であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成装
置。
【請求項３】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。
【請求項４】前記サセプタ側に、該サセプタに加える高
周波電力の周波数に対して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短絡となるバン
ドエリミネータを設けたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項乃至第３項のいずれか１項記載の薄膜形成装
置。
【請求項５】前記ターゲット側に、該ターゲットに加え
る高周波電力の周波数に対して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短絡となる
バンドエリミネータを設けたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項記載の薄膜形成
装置。
【請求項６】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。
【請求項７】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
にバイアススパッタを行う特許請求の範囲第６項記載の
薄膜形成方法。