JPH08321497A - 薄膜形成装置のターゲット保持機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ターゲット交換をプロセスチャン
バの真空状態を変えることなく行なうことができ、１つ
のチャンバで多種類のターゲットを用いた成膜が可能と
なり、スループットの向上を図れるターゲット保持機構
を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明は、減圧室内にウエハとターゲッ
トとを対向するように配設し、該ターゲットの材料を前
記ウエハ面上に形成するように構成された薄膜形成装置
において、前記減圧室内に配設され、表面が絶縁物で覆
われた導電材料から成るホルダと、該ホルダと該ホルダ
の絶縁物上に載置されるターゲットとの間に静電吸着力
を生じさせる静電吸着手段とを備えたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば超高密度集積回
路の製造に用いられる薄膜形成装置に関するものであ
り、さらに詳細には薄膜形成のスパッタリング時に用い
られるターゲットの保持機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば図３０に示すように薄膜形
成室（プロセスチャンバ）２３０１内に配設されたホル
ダ２３０２にターゲット２３０３を取り付ける場合、一
般にボルト２３０４とナット２３０５によるネジ結合手
段が用いられ、そのネジ結合が完了した後、プロセスチ
ャンバ２３０１内を真空にしてウエハ２３０６の表面に
スパッタリングによる薄膜を形成するようにしている。

【０００３】したがって薄膜の種類に応じてターゲット
の交換を行なう場合、ボルト２３０４とナット２３０５
との結合を外して新たなターゲットに交換するために
は、プロセスチャンバ２３０１内に一旦大気を導入する
必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来技術の構成によると、ターゲットに交換の度にプロ
セスチャンバ２３０１内に大気導入を図る必要があるの
で、スループットの低下を招くばかりでなく、大気によ
りチャンバ内が汚染される機会が生じ、高品質な薄膜形
成に妨げとなるという問題点がある。

【０００５】また、ターゲット表面側に露出したボルト
等がターゲットと共にスパッタされ、薄膜に品質低下を
将来させる原因となるという問題点がある。なお、かか
る品質低下の問題を解決すべく、結合用のボルト等をタ
ーゲットと同一材料で形成するという手段が知られてい
るが、かかる手段ではターゲットの純度を上げる程ボル
ト等の成形加工が困難となる。特にターゲット材料を例
えば６Ｎ〜７Ｎ以上の純度まで高純度化すると、一つ一
つの結晶粒の大きさが例えば数ミリ以上となる。したが
って加工の際に結晶粒界にそって割れるため複雑な加工
が不可能であり、ボルト等の細い加工の必要とされる部
品は、３Ｎ程度まで純度を下げた材料を用いざるを得
ず、これに応じてターゲットの純度も低下させざるを得
ないという問題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記従来技術に
おけるスループット低下や薄膜の品質低下等の課題を解
決すべくなされたものであり、減圧室内にウエハとター
ゲットとを対向するように配設し該ターゲットの材料を
前記ウエハ面上に形成するように構成された薄膜形成装
置において、前記減圧室内に配設され、表面が絶縁物で
覆われた導電材料から成るホルダと、該ホルダと該ホル
ダの絶縁物上に載置されるターゲットとの間に静電吸着
力を生じさせる静電吸着手段とを備えたことを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】例えば、ターゲットストッカから移送されたタ
ーゲットをターゲットホルダに対向させ、直流電源を印
加すると、ターゲットとターゲットホルダとに互いに異
なる付号の電荷が付与され、静電吸引力によりターゲッ
トはターゲットホルダに吸着される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明に係る薄膜形成装置の実施例を
図面を参照して説明する。

【０００９】図１は前記薄膜形成装置のシステム構成図
である。図１の装置は、４個の減圧室（プロセスチャン
バ）、すなわち金属薄膜用スパッタチャンバ１０１ａ、
絶縁薄膜用スパッタチャンバ１０１ｂ、クリーニングチ
ャンバ１０１ｃ、および酸化チャンバ１０１ｄを有して
いる。１０２はウエハのローディングチャンバであり、
ウエハを装置にセットする際に用いられる。また１０３
はアンロードチャンバであり、ウエハを装置より取り出
す際に用いられるチャンバである。１０４はトランスポ
ートチャンバであり、上記の４つのプロセスチャンバの
それぞれ所定のチャンバへウエハを搬送するのに用いら
れ、例えばウエハ１０６ｃの搬送には後述する静電吸着
型のウエハチャック１１４等を用いて行なわれる。すな
わち、ウエハチャック１１４によってウエハを吸着した
後、例えば磁気浮上方式の搬送機構を用いて所定のチャ
ンバのウエハホルダ１０７ａ〜１０７ｄの上にウエハを
セットする。ここで、各ウエハホルダ１０７ａ〜１０７
ｄは、先の静電吸着の手法によりウエハを吸着保持し、
次いで対応するプロセスチャンバのゲートバルブ１０５
ａ〜１０５ｄ（プロセスチャンバ１０１ａのゲートバル
ブ１０５ａは図示されていない）を開いた後、ウエハホ
ルダ（１０７ａ等）全体が上昇してウエハを所定のプロ
セスチャンバ１０１ａ等内に挿入するとともに、該プロ
セスチャンバ１０１ａ等とトランスポートチャンバ１０
４間の気密シールを行なう構造となっている。図１は、
金属薄膜形成用のスパッタチャンバ１０１ａ内にウエハ
１０６ａおよびウエハホルダ１０７ａがセットされた状
態を示している。

【００１０】１０８ａ〜１０８ｄはターゲットチャンバ
であり、それぞれ真空状態を変えることなくターゲット
１０９ａ〜１０９ｄを交換できるようになっている。各
ターゲット１０９ａ〜１０９ｄには同調回路１１０ａ〜
１１０ｄを介してＲＦ電源１１１ａ〜１１１ｄが接続さ
れ、さらにウエハホルダ１０７ａ〜１０７ｄにも夫々同
調回路１１２ａ〜１１２ｄを介してＲＦ電源１１３ａ〜
１１３ｄが接続されている。また、図１には図示されて
いないが、各チャンバ（１０８ａ〜１０８ｄ，１０１ａ
〜１０１ｄ，１０２，１０３，１０４等）には、真空排
気装置が接続されている。

【００１１】図１ではターゲットとウエハとの位置関係
は、下方にウエハを、上方にターゲットを位置させる場
合を示しているが、その上下の位置関係を逆にしてもよ
い。これにより、ターゲットを静電吸着機構（静電チャ
ック）で保持する場合、例えば静電チャックの電源電圧
に一時的な変動が生じる等により吸着力が弱化した場合
にも重量が比較的大なるターゲットが落下するような事
態を回避することができる。

【００１２】他方、例えば図３（ａ）に示すようにター
ゲット１０９ａとウエハ１０６ａを左右方向に対向させ
る構成としてもよい。かかる構成によれば、ウエハの砕
片やウエハに付着した塵埃がターゲット上に落下するの
を防ぐことができ、ターゲットの汚染し、成膜された薄
膜の膜質の劣化等を回避できる。

【００１３】また、図３（ｂ）に示すように、ターゲッ
ト１０９ａをその表面が若干上方を向くように傾けるよ
うにしてもよい。これにより、重量の大きなターゲット
の保持が容易になると共に、ウエハ表面への塵埃付着、
またウエハからターゲットへの塵埃の落下等を防止でき
る。

【００１４】次に、本薄膜形成装置により、例えば図４
に示すキャパシタ構造を作製する方法について説明す
る。図４のキャパシタは、シリコン基板３０１内に形成
されたＮ⁺拡散層３０２上に、絶縁膜３０３に設けた開
口部を介してＡｌ薄膜３０４，Ａｌ₂Ｏ₃膜３０５，Ａｌ
薄膜３０６の三層構造を形成した構造になっている。

【００１５】作製の工程は、まず、シリコン基板３０１
上にＮ⁺拡散層３０２を形成し、その上に絶縁膜３０３
およびＮ⁺拡散層３０２上に開口部を形成したウエハ１
０６ｅを用意し、これをローディングチャンバ１０２内
のウエハホルダ１０７ｅ上に置く。次いでローディング
チャンバを真空引きした後、ゲートバルブ１０５ｅを開
け、静電チャック１１４によりウエハ１０６ｃを保持し
てトランスポートチャンバ１０４内へウエハを持ち込
み、ゲートバルブ１０５ｅを閉じる。次いで、ウエハを
クリーニングチャンバ１０１ｃにセットする。このクリ
ーニングチャンバ１０１ｃ内ではＮ⁺拡散層３０２表面
に形成された極めて薄い自然酸化層や吸着分子層、特に
水分の吸着分子層を低温（１５０℃以下）で、しかも下
地のシリコンにダメージを与えないで除去することがで
きる。

【００１６】すなわち、ＲＦ放電により生じたＡｒイオ
ンをＳｉ結晶にダメージを与えることのないエネルギー
で（例えば数ｅＶから３０ｅＶ程度、好ましくは５ｅＶ
以下、より好ましくは２〜３ｅＶの運動エネルギーで）
シリコンウエハ上に照射する。かかる表面のクリーニン
グを行なうことは、Ａｌ薄膜３０４とＮ⁺拡散層３０２
との良好な電気的接触をとることができる。すなわち、
その後いっさいの熱処理工程がなくても理想的な金属−
半導体接触が得られる。このクリーニングチャンバ１０
１ｃでの処理が終了するとウエハは金属薄膜用スパッタ
チャンバ１０１ａへ移送される。

【００１７】この際、ウエハの搬送は真空排気されたト
ランスポートチャンバ１０４内において行なわれるた
め、ウエハは一切大気に触れることがない。従ってクリ
ーニングされたウエハ表面は清浄な状態に保たれたまま
金属薄膜がその上に形成される。スパッタチャンバ１０
１ａ内ではＡｌのターゲット１０９ａを用いて、スパッ
タリング法によりＡｌ薄膜３０４がウエハ上に形成され
る。

【００１８】次いで、ウエハは、酸化チャンバ１０１ｄ
に運ばれる。ここではウエハを３００〜５００℃の温度
に加熱した状態で酸素ガスが供給され、Ａｌ薄膜表面に
熱酸化により例えば約５ｎｍ程度のＡｌ₂Ｏ₃膜３０５が
形成される。この後ウエハは再びチャンバ１０１ａに運
び込まれＡｌ薄膜３０６が形成される。このようにして
Ａｌ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌの三層構造の薄膜が形成されたウ
エハは再びトランスポートチャンバ１０４内で搬送さ
れ、アンロードチャンバ１０３内のウエハステージ１０
７ｆ上に戻される。そして、ゲートバルブ１０５ｆを閉
じた後アンロードチャンバ１０３内を大気圧に復帰させ
ウエハを装置外に取り出す。

【００１９】上記キャパシタ作製のシーケンスの例で
は、ウエハ表面のクリーニング時や界面を直接大気に触
れさせることなく多層薄膜構造を実現できる。

【００２０】以上が本薄膜形成装置の構成と多層薄膜構
造形成の概略を述べたものであるが、以下に装置各部の
詳細、多層薄膜構造の形成過程について説明する。

【００２１】図５、図６は、プロセスチャンバの１つで
ある、金属薄膜用スパッタチャンバ１０１ａの構造の詳
細を示す模式図であり、前述したトランスポートチャン
バ１０４、ターゲットチャンバ１０８ａ、ウエハホルダ
１０７ａ、ゲートバルブ１０５ａ、ターゲット１０９
ａ、ターゲットホルダ電極４０１等も含めて図示されて
いる。

【００２２】また、図１０は同じく金属薄膜用スパッタ
チャンバ１０１ａを中心に真空排気装置およびガス供給
装置との接続関係の一例を示したものであり、図中図
１、および図５と共通の構成部分は同一の符合を付して
いる。

【００２３】一方、図１０に示すように、プロセスチャ
ンバ１０１ａには真空排気装置として例えば磁気浮上方
式のロータを有するターボ分子ポンプ５０１およびその
バックアップとしてロータリーポンプ５０２が接続され
ている。５０３はオイルトラップでありロータリーポン
プからのオイルの逆流を防いでいる。図１０に示した構
成以外に、例えばターボ分子ポンプを二段直列につなぐ
ことにより、チャンバの到達真空度をさらに高くする方
式を採用してもよい。また、ガスを流してスパッタリン
グ成膜を行なう時は、ガス負荷に強いドライポンプ等に
切り変える構造にしてもよい。

【００２４】ドライポンプとは大気圧から高真空まで引
くことのできるように設計されたターボ分子ポンプであ
る。この場合、高速回転するロータを支承しかつ摩擦を
軽減させるボールベアリングが用いられ、またロータの
温度上昇を抑制するために、高圧オイルの吹き付けを行
なっている。さらに、この吹き付けられたオイルが真空
系に侵入して汚染を生じさせないようにＮ₂ガスを用い
てシールしているが、この場合、例えばＮ₂ガスの供給
が運転中に停止すると、真空系に多大な被害をおよぼす
ことになるのでその停止に対する手段を講じておく。

【００２５】トランスポートチャンバ１０４にも同様の
真空排気系５０１’〜５０３’が接続されている。また
図１０には示していないがターゲットチャンバも同様の
真空排気系を備えており、各チャンバには各々独立に真
空排気ができるように構成されている。５０４はガス供
給装置であり、Ａｒ，Ｈｅ，Ｈ₂等のガスをプロセスャ
ンバ１０１ａに供給できるようになっている。例えばＡ
ｒガスは、常時一定流量（１〜５ｌ／分）が流され、パ
ージライン５０５によって系外にパージされている。そ
してスパッタリングを行なうときのみバルブ５０６を開
け、そのガスの一部分がマスフローコントローラ５０７
によって例えば毎分１〜１０ｃｃの流量にコントロール
されてプロセスチャンバ１０１ａへと導入される。

【００２６】かかる方式ではなく、スパッタリングを行
なうときにのみ、ガス供給系よりＡｒガスをチャンバ１
０１ａに導入し、それ以外のときにはガスを止めた状態
に保持しておく方式もある。かかる方式ではガス配管内
壁に吸着している微量の水の分子が滞留しているＡｒガ
ス中に溶け込むので、ガスの水分濃度を高めない手段を
講じておく。例えば、水分濃度が数１０ｐｐｂ以上存在
するＡｒガスを用いてＡｌの薄膜をスパッタ成膜すると
図１１に示すように、水分量に応じて表面に荒れが生
じ、凹凸の激しい薄膜を得てしまう。かかる薄膜では精
度よく微細パターンを形成することができないため、デ
バイスの微細化に対応できないばかりか、大電流を流し
たときのエレクトロマイグレーションに対する特性が弱
く信頼性のよい配線を得ることができない。

【００２７】しかるに、水分量が１００ｐｐｂ以下にな
ると表面は平坦となり、エレクトロマイグレーション特
性の大きなＡｌ薄膜が得られる。

【００２８】本薄膜形成装置において、図１０に示すよ
うなＡｒガスの供給方法を用いるとチャンバには常に水
分量１〜２ｐｐｂ以下のＡｒガスを供給することが可能
となり、微細でかつ信頼性の高い金属配線の形成が可能
となる。

【００２９】ただし、長期間にわたり装置を停止するよ
うな場合には、バルブ５０６’を閉じてＡｒガスパージ
を止めてもよい。ただし後に装置を稼動するときには、
必ずパージライン５０５を介してＡｒガスをパージし、
充分水分量が低下した後バルブ５０６を開けてガスをチ
ャンバに導入する。このため、例えば、パージライン５
０５の先端部に水分計（露点計）を取付け、露点が−１
１０℃以下になることを確認し得るようにする。

【００３０】スパッタリング成膜される薄膜を高品質化
するためには、成膜プロセス中に水分などの不純物分子
の混入を十分に排除することが必要である。そのために
は、上で述べたようなＡｒガスの導入方式の採用が考え
られるが、それ以外にもチャンバ材料やガス配管材料表
面からの脱ガスを可及的に小さくすることも必要であ
る。図５に示す装置のチャンバの壁材４０２および図１
０に示したガス供給装置５０４のガス配管は、例えばＳ
ＵＳ３０４ＬやＳＵＳ３１６Ｌより構成されているが、
その表面はＨ₂Ｏ分子の吸着を少なくし、かつ脱離を容
易にするための処理を施すようにしておく。この処理は
例えば次に述べるような手法を採用する。

【００３１】まず、ステンレス表面の加工変質層を伴な
わない鏡面研磨を行ない、パイプの内面に対しては例え
ば電解研磨を用い、チャンバの内面に対しては電解複合
研磨等の技術を用いて行なう。

【００３２】次いで、水分の含有量１ｐｐｂ程度以下の
ＡｒやＨｅを用いてパージを行ない、さらに４００℃程
度まで昇温させてパージを行ない、表面に吸着している
Ｈ₂Ｏ分子をほぼ完全に脱離させた後、前記と同様に水
分の含有量が１ｐｐｂ程度以下の純酸素を流し、４００
〜５５０℃に昇温させて内表面の酸化を行なう。このよ
うにしてステンレス表面を熱酸化することにより得られ
る酸化被膜は、従来の硝酸等を用いて形成した不動態膜
に比べ、ＨＣｌ，Ｃｌ₂，ＢＣｌ₃，ＢＦ₃等の腐食性ガ
スに対し優れた耐腐食性を有するだけでなく、プロセス
に有害な水分子の表面吸着が少なく、かつ脱離特性が良
いなどの利点がある。

【００３３】次に、この不動態膜の脱ガス特性について
の実験結果を示す。本実験は、例えば全長が２ｍで直径
が３／８インチのパイプについて行なったものである。
実験装置の構成を図１２に示す。すなわち、ガス純化装
置６０１を通したＡｒガスを毎分１．２ｌの流量で試料
となるＳＵＳパイプ６０２を通し、ガス中に含まれる水
分量をＡＰＩＭＳ（大気圧イオン化マス分析装置）６０
３により測定する。

【００３４】常温でパージした結果を図１３のグラフに
示す。実験に用いたパイプの種類はパイプの内面を電界
研磨したもの（Ａ）、電界研磨後硝酸による不動態化処
理を行なったもの（Ｂ）、および酸化処理により不動態
膜を形成したもの（Ｃ）の３種類であり、図１３ではそ
れぞれＡ，Ｂ，Ｃの線で示されている。各パイプは相対
湿度５０％、温度２０℃のクリーンルーム内に約１週間
放置した後、本実験を行なう。

【００３５】図１３から明らかなように、電界研磨管
Ａ、硝酸による不動態化処理をした電界研磨管Ｂのいず
れも多量の水分が検出されているのが理解できる。約１
時間通ガスした後も電界研磨管Ａでは６８ｐｐｂ、他方
の電界研磨管Ｂで３６ｐｐｂもの水分が検出されてお
り、２時間後も水分量は両菅Ａ，Ｂにつきそれぞれ４１
ｐｐｂ，２７ｐｐｂであり、水分量が減少し難いことが
理解できる。これに対し、酸化処理による不動態膜を用
いた菅Ｃでは、通ガス後５分後には７ｐｐｂに落ち、１
５分経過後はバックグラウンドのレベルが３ｐｐｂ以下
になってしまう。このように菅Ｃは極めて優れた吸着ガ
スの脱離特性を持っていることが理解できる。

【００３６】次に、テスト用のパイプ６０２を電源６０
４により通電加熱し、図１４に示す昇温タイムチャート
に従ってパイプの温度を変化させる。温度を室温から１
２０℃、１２０℃から２００℃、２００℃から３００℃
と変化させたときに出てくる水分量の平均値をまとめた
ものを表１に示す。この結果からも明らかなように酸化
処理を施したステンレス表面は他のものにくらべて１桁
程度水分の放出が少ないことが理解できる。このことは
水分の吸着量が少なく、また容易に水分を脱離できるこ
とを意味しており、超高純度ガス供給に最適のものであ
ることを示している。以上はＳＵＳパイプについての実
験結果により、酸化による不動態化処理の有利性につい
て説明したが、真空チャンバの内面処理についても同様
の優れた特性が得られる。すなわち、本装置の真空チャ
ンバ（例えば１０１ａ，１０４，１０８ａなど）では、
ベーキング後は１０^-11〜１０^-12Ｔｏｒｒの真空度が実
現されており超高真空装置としても非常に優れた特性を
持っていることが分る。

【００３７】次に、ステンレス表面を酸化して得られる
酸化被膜について説明する。表２は、ＳＵＳ３１６Ｌ，
ＳＵＳ３０４Ｌを超高純度酸素で酸化した場合、表面に
形成される酸化膜の膜厚及び屈折率を酸化温度と時間の
関係として示したものである。これにより、酸化膜厚は
時間には依存せず、温度だけで決っていることが理解で
きる。これはＳＵＳの酸化がCabreraとMottのモデルで
説明されるプロセスで進行していることを示唆してい
る。すなわち、温度が一定となるように制御すれば所望
の膜厚まで酸化膜が成長するため、膜厚が均一で、か
つ、ピンホールのない緻密な酸化膜を形成することがで
きる。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】 図１５は、ＳＵＳ３１６Ｌを５００℃で約１時間酸化し
た後、表面の元素分布をＥＳＣＡ（Electron Spectrosc
opy for Chemical Analysis）で調べた結果を示すグラ
フである。表面付近でＦｅの濃度が高く、深い部分でＣ
ｒの濃度の高くなっていることが分る。

【００４０】このことは表面付近ではＦｅの酸化物が、
酸化膜とＳＵＳ基板との界面近くではＣｒの酸化物がそ
れぞれ形成された二層構造になっていることを示してい
る。また、ＥＳＣＡスペクトルのエネルギー分析の結
果、表面付近のＦｅでは酸化物形成によるケミカルシフ
トがみられ、これが深い部分ではなくなり、またＣｒは
深い部分でのみ酸化物形成によるケミカルシフトがみら
れることからも確認される。かかる緻密な二層膜の形成
は、本装置が耐腐食性および吸着ガスの脱離特性を有す
ることの一因となると考えられる。なお、ここでは膜厚
として１０ｎｍ程度のものを用いたが５ｎｍ以上であっ
ても同様の効果が得られる。ただし、５ｎｍ以下の膜厚
ではピンホールが発生し、耐腐食特性が劣化するので膜
厚は５ｎｍ以上とすることが好ましい。

【００４１】また、緻密な酸化膜を形成するには、ＳＵ
Ｓ表面の加工時に変質した層を除去し、かつ表面を平坦
にすることが重要である。本実施例では表面粗度として
Ｒmaxが０．１〜０．７μｍのものを用いたが、実験の
結果半径５μｍの円周内での凸部と凹部の高さの差の最
大値が１μｍ程度までは、十分良好な不動態膜の形成さ
れることが分っている。

【００４２】以上のような不動態化処理を行なうことに
より、チャンバの超高真空に対応できるだけでなく、腐
蝕性ガスに対しても十分に耐え得る。このことにより、
例えばチャンバ内のクリーニングのために、チャンバの
温度を上げ塩素系のガスを流すことによって壁面に付着
した反応生成物の堆積物を除去することも可能となる。
チャンバ内面が平坦で緻密な不動態が設けられているた
め付着物の付着力がきわめて弱いことも、このガスエッ
チングを容易にしている。このようなクリーニングが不
要の場合は、例えば軽量で超高真空に適したアルミ合金
製のチャンバを用いることも有効である。

【００４３】ターゲットの材料も、十分不純物を除去し
て超高純度にした後、真空溶解により酸素などのガス成
分を除去している。

【００４４】次に図５によりウエハホルダ１０７ａにつ
いて説明する。ホルダ１０７ａの全体はベローズ４０３
を介してチャンバ外壁に支持され、加えて上下の移動が
可能となっている。シリコンウエハ４０４を静電チャッ
ク電極４０５上に吸着した状態で上下移動しウエハをプ
ロセスチャンバ１０１ａへ出し入れする。例えばウエハ
をプロセスチャンバに装填する場合には、ウエハホルダ
１０７ａ全体が上昇し、シール部品（オーリング）４０
６をチャンバのフランジ面４０７に圧着させることによ
りプロセスチャンバ１０１ａとトランスポートチャンバ
１０４の間の気密シールも同時に行なう構造となってい
る。ここではシール材としてオーリングを用いる場合を
示したが、脱ガスの少ない金属のシールを用いる方がよ
り有効である。この場合、金属のシールは何回もの着脱
操作に対し弾性を保持し、かつ、優れたシール性を有す
るものを用いることが好ましい。例えば図１６（ａ），
（ｂ）に示すように、弾性を有するゴム製のオーリング
１００１を、弾性の範囲内（すなわち、塑性変形が生じ
ない範囲内）で伸縮するような材料、例えばＡｌ，Ｎ
ｉ，ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｎｉコートのステンレス等の金属
製の板バネ状のリング１００２で挟んだものを用いるこ
とが有効である。この場合、シール面は金属表面（この
表面はＲmax０．２μｍ以下の鏡面としておけばリーク
をより一層低減させることが可能となる）の接触によっ
て保たれ、シールを保持する圧着力は、ゴムのオーリン
グ１００１によって供給されるため、すぐれた気密保持
が得られるばかりでなく、繰り返し使用が可能である。

【００４５】なお、板バネ状のメタルリング１００２の
開放部１００３は、脱ガスがプロセスチャンバ１０１ａ
内に放出されるのを可及的に防止すべく真空度の低い側
（トランスポートチャンバ１０４側）に設けることが好
ましい。さらに、オーリング１００１に、内部１００４
と開放部１００３とを連通する切欠を設けておけば内部
１００４におけるのガスの滞留を防止することができる
のでより好ましい。この切欠は、メタルリング１００２
を加圧すると潰れるが、この圧潰により内部１００４は
封止状態となる。メタルリング１００２の弾性変形をよ
り有効に行なうべく、内部１００４と連通する孔をメタ
ルリング１００２に設けておいてもよい。

【００４６】なお、図１６（ａ），（ｂ）に示す実施例
の他に、図１６（ｃ），（ｄ）に示す実施例も挙げられ
る。図１６（ｃ）に示す実施例は、２枚の板をその端に
おいて溶接し、シール面との当接部を平坦に形成したも
のである。この当接面は例えばＲmax０．２μｍ以下の
鏡面とすることが好ましい。さらに図１６（ｄ）は、板
の両端をともに溶接し、メタルリング１００２とオーリ
ング１００１との間の部分を密封したものである。この
例では、ゴムのオーリング１００１からのチャンバ内へ
のガス放出がより有効に図られる。

【００４７】ウエハホルダ１０７ａがトランスポートチ
ャンバ内で待機している状態では、ゲートバルブ１０５
ａによって開口部をシールし、プロセスチャンバとトラ
ンスポートチャンバ間の気密が保たれる。

【００４８】この場合におけるシールはオーリング４０
８を用いてもよいが、図１６に示すようなメタルリング
１００２によるシールを用いればさらに有効である。ま
たその他のシール方法を用いても十分な気密が保たれる
ならば問題はない。

【００４９】伸縮性の材料から成るシール部材によって
真空シールを行なう場合、例えば図５においてフランジ
面４０７とフランジ面４０６’の相対的な位置関係は、
シール部品４０６とは無関係に決まる。

【００５０】つまり、前記両フランジ面４０７，４０
６’の相対的な位置関係はシール部品４０６を圧潰する
力により決まるものではないので、図８に拡大して示す
ように、変形しないストッパ４２０１を介在させ、これ
により常時前記相対位置関係が一定となるようにする。
こうすることにより、オーリング４０６は常に一定の力
で圧縮されることになり、安定したシール特性が得られ
る。もちろんオーリング４０６の代わりに図１６のよう
なメタルリングを用いる場合も同様である。ここで述べ
たストッパ４２０１はフランジ面（４０７あるいは、４
０６’）の加工の際に直接形成してもよく、あるいはリ
ング状のものを後に取り付けてもよい。また高真空側に
デッドゾーンができるのを防ぐために、このストッパ４
２０１は、真空度の低い側に臨まされるように取付け
る。

【００５１】さらに、上下動するフランジ面４０６’に
は、上下方向のガイドを設け、オーリング４０６を圧縮
するに際の横方向のずれを防止する。

【００５２】４０５はウエハ保持用の静電チャック電極
であり、例えばステンレス、ＭｏやＴｉなどの金属から
成り、その表面には絶縁性の被膜４０９が形成されてい
る。絶縁性被膜は、例えばＡｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮの膜をプラ
ズマ溶射で電極表面に形成し、さらにその表面を研摩に
より平坦化したものである。その被膜の厚さは例えば１
０〜１００μｍ程度に形成される。

【００５３】このように構成された電極４０５とウエハ
４０４との間に例えば数１００Ｖの電位差を与えること
によりウエハは１ｋｇ／ｃｍ²以上の力でウエハホルダ
上に吸着させることができる。通常、真空中で単にウエ
ハをステージに置いた場合、ウエハとステージとの接触
はいわゆる三点接触となり、十分な面接触がなされない
ので正確なウエハ温度の設定等を行ない難いが、かかる
静電的な吸着手段を用いれば十分な面接触状態でかつ強
力な力でウエハがステージに吸着されるためウエハの温
度コントロール等が極めて精度良く行なえる。ウエハに
は金属電極４１０を介し電位が与えられるが、ウエハは
金属電極４１０及び電極４０５のいずれからも絶縁さ
れ、系外の同電源に接続されている。

【００５４】図５では、ウエハの電位はウエハ中心部よ
り電極４１０を介して印加される構成となっているが、
ウエハの周辺部から印加する構成にしてもよい。周辺部
から印加する場合の方が、ウエハの温度コントロールに
際し、図５のようにウエハホルダの真中に穴の開いてい
る場合に比べて面内の均一性が実現し易いというメリッ
トがある。また電極４０５全体は、絶縁碍子４１１を介
しチャンバからは電気的に絶縁されている。さらに電極
４０５には導入電極４１２を介して外部から周波数ｆ_W
の高周波電力が供給されている。

【００５５】図６は電極４０５、ウエハ４０４と外部電
源との接続関係の一例を示している。なお、図６におい
て図５と同一の構成部分については同一の符合を付して
いる。４１０１は静電チャック用の直流電源であり、高
周波を遮断し直流電位のみを供給する高周波フィルタ４
１０２を介して静電チャック電極４０５とウエハ４０４
の間に直流の電位差Ｖ_Cを与えている。また４１０３は
周波数ｆ_Wが例えば１００ＭＨｚのＲＦ電源であり、整
合回路４１０４、ブロッキングコンデンサ４１０５を介
して導入電極４１２によりウエハに高周波電力が供給さ
れている。この高周波電源４１０３の出力を例えば数Ｗ
〜数１０Ｗの範囲で変化させることによりウエハ４０４
の直流電位を所定の値に設定できるようになっている。
あるいは整合回路４１０４の整合条件を変化させること
によってもウエハの直流電位を変化させることができ
る。

【００５６】ウエハの表面が例えばＳｉＯ₂のような絶
縁膜で覆われている場合、その表面の直流電位はウエハ
の電位とほぼ同じとなる。これは、ＳｉＯ₂膜により形
成されるコンデンサ容量は、ブロッキングコンデンサ４
１０５に比べて非常に大きいため、高周波による自己バ
イアスは、ほとんどこのコンデンサ両端に現われるから
である。

【００５７】従って、ウエハの電位を高周波フィルタを
介して電圧計でモニタし、これをＲＦ電源のコントロー
ラ、あるいは整合回路のコントローラにフィードバック
することによりウエハ表面の直流電位を一定の値に正確
にコントロールすることができる。このように設定した
ウエハの電位により、プラズマからウエハ表面に入射す
るイオンのエネルギーを所望の値に正確にコントロール
することができるのである。一方、ターゲットには異な
る周波数ｆ_T（例えば１３．５６ＭＨｚ）の高周波が与
えられているためターゲットホルダ電極４０１とウエハ
ホルダ電極４０５との容量結合により、ウエハがｆ_Tの
周波数によって振られることになる。

【００５８】回路４１０６は周波数ｆ_Wに対しては充分
高いインピーダンスを保ち、周波数ｆ_Tの高周波を短絡
する回路であり、これによってウエハの直流電位は、ウ
エハホルダに加えられる周波数ｆ_Wの高周波のみによっ
てコントロールされるようになる。この回路は、例えば
ＬとＣの並列共振回路を用い、 ２πｆ_W＝１／（ＬＣ）^1/2 としておくとｆ_Wの高周波に対してのみ開放となるが、
それ以外の周波数に対してはＣを充分大きくとっておく
と短絡となり所望の機能を有することができる。ウエハ
ホルダ４０５にはある程度の直流電位が生じなければな
らないので、上記ＬＣ並列回路には充分大きな容量を有
するコンデンサを直列に接続する。

【００５９】ウエハ表面に導電性薄膜が形成され、かつ
その薄膜がウエハと電気的につながっている場合には、
ウエハの電位を直接直流電源でコントロールしてもよ
い。このような場合には、例えばスイッチ４１０７を入
れ直流電源４１０８によってウエハの電位、すなわち、
ウエハ表面の電位をコントロールすることができる。

【００６０】図５において４１３はヒータであり、電流
を流すことにより、ウエハホルダの電極４０５を所定の
温度に加熱するために用いられる。この場合、ウエハ４
０４は電極４０５に静電チャックにより強力な力で吸着
しているため、電極と同じ温度に、均一に加熱すること
ができウエハ温度を正確にコントロールすることができ
る。また、４１４はファイバ温度計であり、黒体輻射の
発光を光ファイバで引き出して温度を計測するものであ
り、ＲＦ等のノイズに全く左右されないで正確に温度測
定を行なうことができる。この測定結果をヒータのコン
トローラにフィードバックすることにより正確な温度制
御が行なえる。

【００６１】ここではヒータを用いる加熱方式について
のみ説明したが、例えば多数のプラズマトーチにより放
電加熱を行ない、各々の放電電流をコントロールするこ
とによりさらに精密な温度分布の制御を行なってもよ
い。

【００６２】本装置の場合、プロセスチャンバ１０２ａ
等内には、ウエハの搬送機構をはじめ、ウエハの加熱機
構等、汚染源と考えられるものの侵入を阻止し得るよう
にしている。これにより、プロセスチャンバ１０１ａ等
の内部を高清浄に保ち、高品質な薄膜形成を可能にして
いる。さらに、加熱機構は、真空系から切り離されてお
り、かつ、大気中あるいは常圧状態におかれているの
で、汚染発生の心配がないばかりか被加熱物の均一な加
熱を容易にしてしる。

【００６３】次に、図５に基づき本発明に係るターゲッ
ト保持機構の一実施例であるターゲットホルダ電極４０
１について説明する。４１５はホルダ電極であり、ステ
ンレス、ＴｉあるいはＭｏ等の金属から成りその表面は
例えばＡｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮやＳｉＯ₂等の絶縁薄膜で覆わ
れている。金属ターゲット１０９ａは、電極４１６を介
して裏面から電位が与えられ、ホルダ電極４１５との間
に生じた電位差による静電吸着により、保持されてい
る。４２０は絶縁物から成るベローズでありホルダ電極
４１５をチャンバ１０１ａから電気的に絶縁している。
その他ターゲットホルダ電極４０１とターゲット１０９
ａとの間に電位差を与えるための直流電源を設け、例え
ば数１００Ｖの電位を差を与えると、例えば１ｋｇ／ｃ
ｍ²以上の吸着力でターゲット１０９ａがターゲットホ
ルダ電極４０１に吸着される等、ターゲットホルダ電極
４０１の機構は、上述したウエハホルダ１０７ａの構成
と同様である。

【００６４】４１７はマグネトロン放電のための磁石で
あり、４１８はターゲット冷却のための冷媒を流すパイ
プである。また４１９はターゲットホルダ電極４０１が
スパッタされるのを防ぐためのグラウンド・シールドで
ある。なお、このグラウンド・シールドはターゲット１
０９ａの径がホルダ電極４１５の径よりも大きいときに
は省略できる。このグラウンド・シールド４１９はウエ
ハホルダ１０７ａの説明の際には触れなかったが、ウエ
ハホルダ１０７ａについても同様に適用し得るものであ
る。また、このターゲットホルダ電極４０１もウエハホ
ルダ１０７ａと同様前記ベローズ４２０により上下に移
動させることができる。ターゲット交換の際には、ター
ゲットホルダ電極４０１全体がベローズ４２０を収縮さ
せながら上昇し、ウエハホルダ１０７ａの場合と同様に
ゲートバルブ（図示せず）が開口部を閉じるようになっ
ている。そしてターゲット１０９ａは例えば図１７に示
すような機構によって交換される。

【００６５】図１７（ａ）は、例えば３つのターゲット
１１０１，１１０２，１１０３を保持する円板状のター
ゲットストッカ１１０５を示すものであり、一部に切り
欠き部１１０４を有している。図１７（ｂ）は図１７
（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿う断面を示しており、ターゲッ
トホルダ電極４０１に、ターゲットストッカ１１０５上
の例えばターゲット１１０２を装着する場合には、ター
ゲットストッカ１１０５を回転軸１１０６のまわりに回
転させ、ホルダ電極４１５の直下にターゲット１１０２
を移動させる。次いで、ホルダ電極４１５を下降させ、
ターゲットホルダ電極４０１にターゲット１１０２を静
電吸着させる。この場合、ホルダ電極４１５は上下方向
にのみ動かし得るので、ホルダ電極４１５の下面とター
ゲット１１０２の上面を正確に一致させるためには、例
えば板バネ１１０７をターゲットストッカ１１０５上に
形成された凹溝１１０５’に配置し、ターゲットホルダ
電極４０１のターゲット１１０２への押圧力によってタ
ーゲット１１０２の上面１１０２’がターゲトホルダ電
極４０１の下面と均一に面接触させる。

【００６６】板バネ１１０７とターゲット１１０２面と
の接触により、その摺接に基づくパーティクルの発生、
ターゲット１１０２の面の汚染が問題となる場合には図
９（ａ）に示すような対策を施す。すなわちターゲット
ストッカ１１０５の凹溝１１０５’内に上下方向に伸縮
するコイルスプリング１１９０を介して、例えば、非金
属材料から成る受け台１１９１を設け、該受け台１１９
１上にターゲット１１０２を載置する。

【００６７】ターゲット１１０２を吸着したホルダ電極
４１５は再び上昇させ、次いで切り欠き部１１０４がホ
ルダ電極４１５の直下に位置するように、ターゲットス
トッカ１１０５を回転させる。これによりホルダ電極４
１５は前記切り欠き部１１０４を介して下方に移動可能
となり、プロセスチャンバ１０１ａ内にターゲット１０
９ａが臨まされ、図５のような配置となる。

【００６８】かかるターゲットのロードロック交換機構
は、図５に示した金属薄膜用スパッタチャンバ以外にも
同様に用いられることは言うものでもない。なお、ター
ゲット１１０３が例えば絶縁物の場合は、例えば図１７
（ｃ）に示すように、その裏面に金属などの導電性材料
１１０８を貼付すればよい。この導電性材料としては金
属板あるいはスパッタリングにて形成された金属薄膜で
もよい。

【００６９】また、ターゲットストッカ１１０３は、円
板状である必要はなく、長板状のものでもよく、この長
板状にした場合、板面上に板の長手方向にターゲットを
配置し、左右、前後等にスライドさせ得る構成でもよ
い。またターゲットストッカ１１０２は、図１の各プロ
セスチャンバ（１０１ａ〜１０１ｄ）の各々に対し別個
に設けてもよいし、あるいはターゲットチャンバ１０８
ａ〜１０８ｄをすべて１つの共通のチャンバとし、共通
のストッカを設けてもよい。また、ターゲットストッカ
１１０３におけるターゲットの保持は、図１７に示すよ
うに単に自重で載置させて保持する手法を採用する以外
に、静電チャックや機械的な保持手段を採用してもよ
い。後者の保持手法を採用する場合は特に、例えば、図
３（ａ）のようなターゲット１０９ａとウエハ１０６ａ
の上下位置関係にすることが適している。

【００７０】ターゲット１０１２は、スパッタ中の温度
が急激に上昇するため、図５に示すように冷却パイプ４
１８によりターゲットホルダ電極４０１の裏側から強制
冷却している。

【００７１】図６において、静電チャックの電極４１５
とターゲット１０９ａの電位差は、高周波フィルタ４１
０２を介して接続された直流電源４１０９により与えら
れている。ターゲット１０９ａの電位は電極４１１０で
直接供給されており、図６では中心部においてコンタク
トをとっているが、これは例えばターゲット１０９ａの
周辺部からとってもよい。電源４１０９は、停電等の際
にターゲット１０９ａの落下を防止するためにバッテリ
ーをバックアップに用いる等の方法を採用するのがよ
い。ターゲット１０９ａの直流電位はＲＦ電源４１１３
によって発生する自己バイアスを用いてもよいが、ター
ゲット１０９ａが金属材料の場合は、例えばスイッチ４
１１１を閉じて直流電源４１１２を接続し、これにより
電位を制御することも有効である。４１１６は回路４１
０６と同様の機能をもつ回路であり、ＲＦ電源４１１３
の周波数ｆ_Tに対してのみ開放となり、その他の周波数
に対してはほとんど接地となる回路であるが、直流的に
は開放されたものである。ウエハの電位を制御するため
の高周波電源（周波数ｆ_W）の電力は通常は小さく、回
路４１１６は必ずしも設けなくてもよい。通常、電源４
１１３は例えば出力周波数１３．５６ＭＨｚを発生する
高周波電源であるがウエハに接続されるＲＦ電源４１０
３の出力周波数に比べ周波数の低いものを用いるのがよ
い。これは、ウエハに比ベターゲット１０９ａに大きな
自己バイアスを生じさせ、大きなスパッタ速度を得るた
めである。ただし直流電源４１１２によりターゲット電
位を制御する場合は周波数の大小関係を逆にする場合が
ある。

【００７２】図１８は、１４ＭＨｚ，４０ＭＨｚ，１０
０ＭＨｚの３つの異なる周波数に対するターゲットの電
流電圧特性を示したもので、図６でスイッチ４１１１を
閉とし電圧Ｖ_Tの関数として直流電源４１１２に流れる
電流値をプロットした実験データである。図１８で電流
値が０となる点（横軸との交点）が自己バイアス値、つ
まりスイッチ４１１１を開放したときに現われるターゲ
ットの電位に相当している。図１８から明らかなように
周波数を大きくすることにより自己バイアス値は小さく
なっているのが分る。

【００７３】従って本実施例ではターゲット側に低い周
波数（ｆ_T）のＲＦ電源を用いてスパッタ速度を大きく
し、ウエハ側には高い周波数（ｆ_W）のＲＦを用いてウ
エハのバイアスを小さくし、ウエハ基板へのダメージを
小さくするとともに成膜する薄膜の膜質をコントロール
できるようにしている。実際の薄膜の膜質のコントロー
ルについては後で述べる。ここではｆ_T＝１３．５６Ｍ
Ｈｚ，ｆ_W＝１００ＭＨｚとしたが、これは一例であ
り、他の周波数の組合せを用いてももちろんかまわな
い。

【００７４】また、静電チャック式のターゲットホルダ
として図７に示すものを用いてもよい。すなわち、図７
の構成では、ＲＦ電力は、薄い絶縁膜４０９を挟んで容
量結合でターゲットホルダ電極４１５に入力される一
方、直流電源４１０９は高周波フィルタ４１０２を介し
て単独でターゲットホルダ電極４１５に入力される。こ
のような吸着手段を用いれば回路４１１６に用いるコン
デンサに大きな直流電圧がかかることを防止することが
でき信頼性が向上する。なお、前述のウエハホルダにつ
いても同様の構成にすることができる。

【００７５】以上の説明では、直流電源によりターゲッ
ト（あるいはウエハ）の電位を制御する場合について述
べたが、直流電源によらずに制御を行う場合を図９
（ａ）に基づいて説明する。図９（ａ）に示す場合は、 ２πｆ_W＝１／（Ｌ₁Ｃ₁）^1/2 ２πｆ_T＝１／（Ｌ₂Ｃ₂）^1/2 の条件を満たすようにＬＣ回路を設けておき、ウエハ側
からみた周波数ｆ_Wに対するインピーダンスを０とする
（周波数ｆ_Wに対しては短絡とする）一方、ターゲット
側からみた周波数ｆ_Tに対するインピーダンスを０とす
る（周波数ｆ_Tに対しては短絡とする）。従って、たと
えば、周波数ｆ_Tを１３．５６ＭＨｚに選ぶと、周波数
１３．５６ＭＨｚがウエハに重畳することを防止するこ
とができ、ウエハをたたくイオンのエネルギーを正確に
制御することができるようになる。なお、ＬＣ回路は図
９（ｂ）に示すように対称的に設けることが好ましい。

【００７６】次に、ターゲットの保持方法の他の実施例
として磁気力により吸着を行う手法について図１３を参
照しながら説明する。

【００７７】図１９（ａ）に示すように、１３０１はタ
ーゲットであり、その裏面には例えば鉄、ニッケル、ク
ロム等の薄板１３０２が貼り付けてある。１３０３は磁
石であり、この磁気力により薄板１３０２を吸引し、こ
れによりターゲット１３０１をターゲットホルダ１３０
４に吸着させる。ターゲット１３０１と薄板１３０２は
例えば薄板の裏面からネジ止めしてもよい。こうすれば
ターゲット表面からネジ材が突出することがないのでチ
ャンバ１０１ａ内の汚染の問題が生じない。またさらに
磁石１３０３はマグネトロン放電のための磁石（図５、
４１７）を兼ねてもよい。これは永久磁石でもよいが、
ターゲット１３０１の着脱を容易にするため電磁石と
し、励磁電流をオン・オフすることによりターゲットの
着脱を遠隔操作的に行なってもよい。

【００７８】あるいは、図１９（ｂ）に示したように、
ターゲット１３０１裏面に薄板１３０２をとりつけるか
わりに、例えば永久磁石１３０５を直接取り付け、これ
とホルダ１３０４の裏面におかれた磁石１３０３との間
の磁気力により吸着してもよい。 上記スパッタチャン
バ内において、例えばターゲットのシャッタ等の機構も
設けることも考えられるが、かかる機構は本装置では必
須のものではない。すなわち、装置全体が超高真空状態
に対応できるようになっており、かつ超高純度ガスを用
いているため頻繁にターゲット表面のクリーニングを施
す必要がない。

【００７９】上記機構を必要とする場合は、ゲートバル
ブ１０５ａを閉じた状態で行なえばよい。また表面の汚
染層は、極めて微量の水分吸着層であるから、ＲＦ電源
４１１３のパワーを充分小さくしターゲット材料１０９
ａのスパッタリングの閾値以下のバイアス値で表面のス
パッタをすればよく、こうすればターゲットの材料が不
必要にチャンバ内表面に堆積することがない。

【００８０】次にクリーニングチャンバ１０１ｃの構成
について詳しく説明する。基本的な構造は、金属薄膜形
成用チャンバ１０１ａと同じであるので図５、図６を用
いて説明する。

【００８１】この場合、たとえばターゲット１０９ａの
材料は、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮなどス
パッタリングの生じる閾値が比較的大きなものを用い
る。また、ターゲット１０９ａに加えるＲＦ電源４１１
３の周波数は金属薄膜用に用いる１３．５６ＭＨｚより
も大きな値、例えば１００ＭＨｚを用いてもよい。この
場合、自己バイアス値を１０〜２０Ｖ程度とし、また高
密度なプラズマを発生させるためにはさらに高い周波
数、例えば２００ＭＨｚあるいはそれ以上の周波数を用
いる。ウエハの電位を精密に制御するためには、ターゲ
ット側に入る高周波で、ウエハサセプタ電位が影響を受
けないように手段を講じておく。

【００８２】すなわち、周波数ｆ_Tとｆ_Wとは整数倍の関
係にないようにする。従って、ｆ_T＝１００ＭＨｚなら
例えばｆ_W＝２１０ＭＨｚとする。こうすればターゲッ
ト１０９ａを一切スパッタリングすることなく高密度の
Ａｒイオンを生成することができる。こうして得られた
Ａｒイオンはウエハホルダ４０５上に置かれたウエハ４
０４表面に照射される。このＡｒイオンの照射エネルギ
ーは、ＲＦ電源４１０３によりウエハに発生した自己バ
イアスで決まる。クリーニングはシリコンやその他の材
料表面に形成された、極めて薄い自然酸化膜層や吸着分
子層、特に水分の吸着分子層が主であるので数ｅＶから
高々３０ｅＶ程度の運動エネルギーのＡｒ粒子を照射す
る。

【００８３】従ってウエハに発生する自己バイアス値を
数Ｖから３０Ｖ程度にするようにＲＦ電源４１０３や整
合回路４１０４を調節する必要がある。このような比較
的小さな自己バイアス値を制御性よく発生させるには、
ＲＦ電源４１０３の周波数は大きな値、例えば１００Ｍ
Ｈｚを用いればよい。もちろん２００ＭＨｚやそれ以上
のものを用いてもよいが、ターゲットの周波数ｆ_Tとは
異なる値を用い、ターゲットとウエハ間に干渉が生じな
いようにする。つまりターゲットとウエハの直流電位が
それぞれ独立に最適の値にコントロールできるようにす
る。

【００８４】ターゲット１０９ａの材料としては、絶縁
物である場合についてのみ述べたが、例えばＳｉ等の導
電性を持った材料であってもセルフバイアスの値がスパ
ッタリングの生じない充分低い値に設定することができ
るものであればよい。ターゲット１０９ａと頻繁に交換
する必要がない場合にはターゲットのロードロック交換
機構は必ずしも装備しなくてもよい。

【００８５】使用するガスはＡｒでもよいが、Ｈ₂，Ｈ
ｅ等のガスを用いてもよい。特にＡｒガスをベースとし
てＨ₂を添加したガスを用いてクリーニングを行なう
と、Ａｒイオンの照射によって水分の吸着分子層を除去
するとともに、Ｓｉ表面に吸着している炭素原子もＨイ
オンにて有効に除去することができる。ガス中にわずか
でもＨ₂ＯやＯ₂等の不純物分子が混入していると、逆に
表面を汚染させる結果となるので超高純度ガス供給系５
０４（図１０参照）を用いる。なお、例えば用いるガス
系が充分配慮されたものではなく、微量のＨ₂ＯやＯ₂等
の不純物分子を含んでいる場合には、Ａｒガスに例えば
１〜３０％のＨ₂を添加することが有効である。プラズ
マ雰囲気中で生成した酸素のラジカルは試料表面と反応
する前にＨと結合するからである。

【００８６】このようにＨ₂ガスを添加することは、ク
リーニングチャンバ１０１ｃに限らず１０１ａ，１０１
ｂ等の薄膜形成用のチャンバにおいても同様の効果があ
ることはいうまでもない。

【００８７】前記クリーニングチャンバ１０１ｃは試料
表面に数ｅＶから３０ｅＶ程度の小さな運動エネルギー
を持ったイオンを照射できる機能を有しており、多層薄
膜構造を作成するに際し、良好な界面を得るために設け
られている。照射するイオンは低エネルギーであるか
ら、下地の基板にダメージを与えることはない。特にこ
のクリーニングは基板の温度を上げる必要がなく、常温
で行なえ、従ってヒータ４１３は装備しなくてもかまわ
ない。

【００８８】以上の説明については、ウエハサセプタに
ＲＦ電源４１０３を印加する場合を例として説明した
が、Ａｒイオンのエネルギーをより正確に制御するため
には、図９（ａ）に示す回路とすることが好ましい。す
なわち、２πｆ_T＝１／（ＬＣ）^1/2（ｆ_Tはターゲット
に印加するＲＦの周波数）となるようにＬ，Ｃの値を選
んでおく。このようにするとＬＣ回路は並列共振状態と
なり、ウエハホルダ４２０１からアース４２０３をみた
場合、そのインピーダンスは無限大となり、ウエハの電
位は限りなくプラズマの電位に近づく。すなわち、ウエ
ハを照射するＡｒイオンのエネルギーは０に近づく。し
たがって、Ｌ，Ｃの値を上記条件を満たす値より少しず
らせるとＡｒイオンのエネルギーを０〜５ｅＶの範囲で
も正確に制御することができるようになる。

【００８９】前記クリーニングチャンバ１０１ｃを用い
た効果については後で実験データを示しながら説明す
る。

【００９０】次に、酸化チャンバ１０１ｄについて説明
する。この酸化チャンバ１０１ｄの基本的な構成は、金
属薄膜用チャンバ１０１ａと同様であるので、前述した
図５、図６及び図１０を用いて説明する。このチャンバ
１０１ｄには、ガス供給系５０４より超高純度のアルゴ
ンおよび酸素ガスが導入できるようになっている。例え
ばＡｌの酸化を行なう場合には、ヒータ４１３を用いて
ウエハを加熱し、ウエハの温度を例えば１００℃〜４５
０℃の範囲の任意の値に設定することができる。

【００９１】表面にＡｌの成膜されたシリコンウエハ４
０４を、高純度酸素ガス雰囲気で、例えば４００℃に約
１時間加熱することにより表面に約３ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃薄
膜をＡｌの直接熱酸化により形成することができる。こ
の膜厚は、酸化時間を長くしても増加せずほぼ一定の値
を示す。Ａｌの直接酸化は、まずチャンバ１０１ｄ内に
酸素ガスを導入し大気圧の状態でウエハの温度を上昇さ
せてもよく、あるいは真空中でまず昇温し、それから酸
素ガスを導入してもよい。また酸素の圧力は大気圧より
低い減圧雰囲気で行ってもよく、逆に大気圧より高圧で
行ってもかまわない。減圧雰囲気下の酸化はＯ₂ガスを
流しながら、図１０の真空排気装置５０１により排気を
行い、酸素の圧力を調整してもよく、また、例えばＡｒ
ガスで希釈してもよい。さらに酸素で酸化する前に真空
雰囲気あるいはＡｒ雰囲気中で約３０分間、４００℃で
アニールを行うのがよい。

【００９２】これはスパッタ成膜したＡｌ薄膜中には数
ｐｐｍ程度のＡｒガスが含まれているが、これを膜中よ
り放出させる効果があり、この脱ガスを行ってからＡｌ
の熱酸化を行った方が良質の酸化膜が得られるからであ
る。この酸化チャンバ１０１ｄに設けられているターゲ
ット１０９ａ（図５）、ターゲットホルダ電極４０１に
接続されている高周波電源４１１３、およびウエハホル
ダにつながれている高周波電源等（４１０３，４１０
４）は必須のものではない。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃層の膜厚
をもっと大きな値、例えば５ｎｍ以上必要な場合にはタ
ーゲット１０９ａとしてＡｌ₂Ｏ₃のターゲットを用い、
４１１３として１３．５６ＭＨｚ、４１０３としては１
００〜２００ＭＨｚの高周波電源を用いる。

【００９３】このようにして熱酸化により形成したＡｌ
₂Ｏ₃の上にさらにスパッタリングによりＡｌ₂Ｏ₃を形成
することにより厚い膜が得られる。また成膜に際しウエ
ハホルダ（図５、１０７ａ）にも例えば１００〜２００
ＭＨｚの高周波電源４１０３を用いてバイアスを加える
ことにより、ち密な特性のよいＡｌ₂Ｏ₃膜を形成するこ
とができる。この場合、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ薄の界面は、熱
酸化により形成された界面となっているため従来のＡｌ
₂Ｏ₃をスパッタ成膜した場合だけの界面にくらべ、特性
の安定した界面となっている。

【００９４】次に絶縁薄膜用スパッタチャンバ１０１ｂ
について説明する。このチャンバも基本的な構成は１０
１ａの金属薄膜用スパッタチャンバと同じなので、前述
と同様に図５、図６および図１０を用いて説明する。前
記チャンバ１０１ｂと金属薄膜用スパッタチャンバ１０
１ａとはターゲット１０９ｂの材料が絶縁物である点で
異なる。従ってターゲットの裏面には、静電チャック式
のホルダを用いる場合には図１７（ｃ）のようなＡｌ，
Ｍｏ，Ｗといった導電性材料を取付ける。この場合、直
流電源４１０８，４１１２によってはバイアスをコント
ロールすることができないので、両直流電源４１０８，
４１１２は不要となる。ただし、図１７に示すようなタ
ーゲット交換機構を装備し、絶縁物ターゲットと金属タ
ーゲットとの交換ができるようにしておけば、金属のス
パッタ成膜も可能である。この場合には直流電源４１０
８，４１１２を用いてのバイアス制御が可能となる。す
なわち、用途に応じたスイッチ４１０７，４１１１の開
閉を行なう。

【００９５】次に上記４つのチャンバの間で減圧状態に
変化を与えることなくウエハを出し入れできる手法につ
き説明する。この場合、ウエハ搬送には、例えば図１０
に示したような搬送機構を用いる。５０８はウエハホル
ダであり静電チャック５０９によりウエハ表面を周辺部
において吸着して搬送する。アーム５１０は必要な位置
で静電チャックを上下させる動きをするとともに、搬送
車５１１に固定されており、搬送車とともにトランスポ
ートチャンバ１０４の中を自由に往復する。また、搬送
車５１１はウエハを装置から出し入れする際にはロード
用のチャンバ１０２およびアンロード用のチャンバ、１
０３内にも移動する。この搬送車は、例えば軌道５１２
上を磁気浮上しながら高速で移動するリニアモータカー
を用いるのが望ましい。つまり移動に際し、機械的に摺
動する部分のない構造をとることが好ましい。もちろん
十分な発塵対策を施してあれば、レール上を車輪で運行
するタイプの搬送車を用いてもよい。

【００９６】なお、トランスポートチャンバ１０４を真
空ポンプで引くと同時にＡｒを数１０ｓｃｃｍ〜数１０
０ｓｃｃｍをトランスポートチャンバ１０４に流して１
０^-2〜１０^-8Ｔｏｒｒ（好ましくは１０^-3〜１０^-4Ｔｏ
ｒｒ）程度の減圧状態にトランスポートチャンバ１０４
をして搬送を行ってもよい。この場合は、Ａｒが搬送車
に生ずることがある摩擦力を緩和する作用をする。

【００９７】上述のようなウエハの枚葉処理を行なう装
置では、一枚のウエハに１つの処理を行うのに許される
時間が例えば１分以内という高速処理を求められる。す
なわち、一枚のウエハに、例えばＡｌなどの金属薄膜を
形成する場合、プロセスチャンバ１０１ａへの出し入れ
の時間も含め、１分以内にすべてのプロセスを完結する
ことが要求される。成膜に要する時間を３０秒とする
と、ゲートバルブ１０５ａの開閉、ウエハの出し入れ、
およびプロセス条件の設定等に使える時間は、せいぜい
３０秒となる。これに対応するためには、０．５秒程度
で開閉のできるゲートバルブが必要である。また図１で
は、ロード室１０２、アンロード室１０３の詳細な構造
は描かれていないが、この室には、数１０枚のウエハを
保管するウエハカセットがあり、静電チャック搬送機構
１１４への受け渡し機構等が装備されている。このよう
な受け渡しに際してもゲートバルブ１０５ｅ，１０５ｆ
等は、やはり０．５秒程度で開閉のできる高速ゲートバ
ルブを用いる。

【００９８】かかる高速ゲートバルブとしては、例えば
図２０のようなものを用いるのが望ましい。図２０
（ａ）に示すように、例えばプロセスチャンバ１０１ａ
とトランスポートチャンバ１０４の間のゲートを閉じた
状態に対応している。１４０１は例えばＴｉの厚さ０．
２〜０．５ｍｍ程度の薄板である。これを開閉するには
例えば図２０（ｂ）のような機構を用いればよい。図２
０（ｂ）は図２０（ａ）のゲートバルブを下方からみた
図であり、Ｔｉの薄板１４０１は２本のアーム１４０
２，１４０２’によって２点１４０３，１４０３’で支
えられている。１４０４，１４０４’はアームをチャン
バに枢着するピンであり、ここを支点としてアームが動
く。即ちアーム１４０２を動かすことにより、薄板１４
０１が移動する。この場合、薄板（たとえばＴｉの薄
板）１４０１は、質量が極めて小さいものに設定され、
従って、図２０（ｂ）に示すような簡単な機構によって
高速で移動させることができる。薄板１４０１の質量を
さらに小さくするために、Ｔｉの厚さを０．１ｍｍ以下
に薄くし、プラスチック板にはりつけて補強する等の手
法を採用してもよい。あるいは、強化プラスチックの表
面をＴｉ，Ｍｏ，Ｗ等の金属材料でコートしたものを用
いると、軽量でかつ耐久性に優れたものが得られる。か
かる薄板を使用しても、薄板１４０１が仕切る両チャン
バ内は高々数Ｔｏｒｒであるため強度的な問題は生じな
い。

【００９９】なお、薄板１４０１の材料としてはＴｉに
限ることなくジュラルミンその他の材料を用いてもよ
い。また薄板１４０１あるいはシール用フランジの部分
１４０５の表面はたとえばＲmax０．１μｍ以下の粗さ
としておくことが好ましい。

【０１００】図２０（ａ）で１４０５は真空シールの部
分であるが、この部分の拡大図を図２１（ａ）に示す。
図２１（ａ）において１４０６は、絶縁材料でできてお
り、チャンバ壁１４０７に固定されている。１４０８は
金属電極であり、図示してないが直流電源の一方の電極
につながれている。この直流電源のもう一方の電極は薄
板（ゲートバルブ）１４０１につながっている。１４０
９は厚さ１０μｍ〜数１００μｍの絶縁性材料であり電
極１４０８と薄板（ゲートバルブ）１４０１の間に数１
００Ｖ程度の電圧を印加することにより、静電力によっ
てゲートバルブを吸引し、この力によって真空シールを
行う構造となっている。従って、１４０９としては弾性
を有する材料を用いるのがよい。機械的強度および吸引
力は上記のような構成で実現される。

【０１０１】ここで用いたゲートバルブは、ゲートバル
ブ両端のチャンバが常に数Ｔｏｒｒ以下の真空のときに
のみ用いることができ、例えば片方のチャンバが大気圧
に戻るような場合には、強度的に使用不可能である。こ
のような場合には、例えば図２１（ｂ）に示したよう
に、軽量の薄板１４０１を開とし、その替りに従来の機
械的な力でシールするゲートバルブ１４１０を用いて閉
じればよい。図１、１０６ａ〜１０６ｄ等のゲートバル
ブは、通常、両側のチャンバともに高真空の状態でしか
用いないので、前記ゲートバルブ１４１０はメインテナ
ンス等でチャンバを大気圧に戻すときのみ必要であり、
プロセス中は常時高速ゲートバルブを用いることができ
る。また１０５ｅ，１０５ｆのゲートバルブもロード
室、アンロード室（１０２，１０３）とトランスポート
チャンバ１０４間のウエハの出し入れに関しては高速ゲ
ートバルブを用いればよい。ただし、ウエハを装置に出
し入れする際には、１０２，１０３ともに大気圧にもど
す必要があり、このときは開閉の速度はおそいが従来の
ゲートバルブ１４１０を用いればよい。これはウエハを
バッチで装置に装着あるいは取り出すときにのみ必要な
操作であるのでウエハ処理時間を長くすることはない。

【０１０２】次に、上述した本装置の使用例について実
験結果を示しながら説明する。

【０１０３】先ず、金属薄膜用スパッタチャンバ１０１
ａにおいてターゲット１０９ａとして純Ａｌのものを用
いてＳｉウエハ上に薄膜を形成する場合について述べ
る。

【０１０４】図２２（ａ）は、このようにして形成した
Ａｌ薄膜の表面をノマルスキー微分干渉顕微鏡で観察し
た写真である。薄膜形成に際してはＮ型（１１１）Ｓｉ
ウエハを用いている。このウエハをまずクリーニングチ
ャンバ１０１ｃで処理する。すなわち、周波数ｆ_Wを１
００〜２００ＭＨｚ、チャンバ１０１ｃ内の圧力１０^-2
〜１０^-3Ｔｏｒｒとし、照射Ａｒイオンのエネルギーを
２〜５ｅＶとしてウエハ表面をクリーニングする。

【０１０５】その後、ターゲット１０１ａにて、ウエハ
に−２０〜−４０Ｖのウエハバイアスを印加し、成膜に
寄与するＡｌ原子１個当り５〜６個以上のＡｒ原子をウ
エハ表面に照射しながら約１μｍの厚さまで成長させ
た。図２２（ａ）はこのようにして形成した薄膜につい
てのものである。

【０１０６】一方、図２２（ｃ）は、従来のＤＣマグネ
トロンスパッタ装置により形成したＡｌ薄膜の表面であ
り、本発明の装置で形成したものに比べ表面に細かな凹
凸の現れているのが分る。図２２（ｂ），（ｄ）は、図
２２（ａ），（ｃ）のサンプルをそれぞれ４００℃のフ
ォーミングガス雰囲気で３０分熱処理した後の表面写真
である。従来の装置で形成した薄膜の表面図２２（ｄ）
には多くのヒロックが発生し非常に凹凸の激しい表面と
なっているが、本装置で形成したＡｌ薄膜表面図２２
（ｂ）には全くヒロックの発生がない。ヒロックの発生
は、多層Ａｌ配線構造では層間絶縁膜の耐圧を著るしく
劣化させたり、配線の微細加工が困難になる等様々な問
題を生じている。本装置によりはじめてヒロックフリー
のＡｌ薄膜の形成が可能になった。

【０１０７】さらに図２２（ａ）のサンプルの反射電子
線回析パターンを図２３に示す。図２３から明らかなよ
うにストリークを伴ったブラックスポットが見られ、単
結晶のＡｌ薄膜が形成されていることが理解できる。ま
た、Ｘ線回析等によると（１１１）配向の薄膜が形成さ
れていることが分っている。なお、従来の装置では、
（１１１）以外にも多くの面方位をもった多結晶薄膜が
形成されることが、反射電子線回析やＸ線回析より知ら
れている。このように本装置を用いることにより（１１
１）Ｓｉ上に（１１１）面を有するＡｌの単結晶薄膜の
成長が可能となるのは、第１にクリーニングチャンバ１
０１ｃによりＳｉウエハ表面の汚染層がダメージフリー
で完全に取り除かれること、第２に金属薄膜用スパッタ
チャンバ１０１ａにて、４０ｅＶという結晶中の原子の
結合エネルギーと同程度の比較的低い運動エネルギーの
Ａｒイオンの照射を行いつつＡｌ薄膜を成長させるため
である。すなわち、表面の不純物を除去すると、Ａｌ原
子がＳｉ結晶の周期性に基づきその表面に（１１１）の
方位で配列され、さらにＡｒイオン照射の効果で単結晶
のＡｌ薄膜が成長する。

【０１０８】このようにして形成した単結晶ＡｌとＳｉ
の界面は熱的に非常に安定である。すなわち４００〜５
００℃に熱してもＡｌおよびＳｉが合金化して互に混じ
り合うことがない。この場合、コンタクトホール部でこ
の合金化のためにＡｌがＳｉ基板中に溶け込み、浅いＰ
Ｎ接合をショートさせてしまう、いわゆるスパイクの問
題が生じるので、これを解決するためにＡｌ−Ｓｉの合
金配線が用いられている。合金配線は抵抗が高いばかり
でなく、合金中のＳｉがコンタクト部に折出して寸法の
小さなコンタクトの不良を生じる原因となっていたが、
本装置により、純Ａｌを配線に用いることができるよう
になり、配線抵抗を２．８μΩ・ｃｍと合金配線の抵抗
値３．５μｍΩ・ｃｍより低くすることできる。この比
抵抗の値は、７７°Ｋでは、純Ａｌで０．３５μΩ・ｃ
ｍ、合金配線で０．６７μΩ・ｃｍとさらに大きな差と
なる。さらに、微細コンタクトにおけるＳｉ折出による
コンタクト不良の問題もなく超高集積化ＬＳＩの配線形
成が多層配線も含めて実現できるようになる。

【０１０９】次に本薄膜形成装置を用いて形成されるＣ
ｕ薄膜の性質について述べる。まず、（１００）Ｓｉウ
エハをクリーニングチャンバ１０１ｃで処理した後、１
０１ａのチャンバで１０９ａとして純度６ＮのＣｕター
ゲットを用い、約１μｍの厚さにＣｕ薄膜を形成する。
この場合、ウエハ１０６ａに与える直流バイアスは＋１
０Ｖから−１６０Ｖまで変化させる。上記のように形成
された薄膜のＸ線回折パターンからは、（１１１）と
（２００）のピークのみが観察される。図２４は、（１
１１）および（２００）の回折ピークの高さをウエハバ
イアスの関数としてあらわしたものである。ウエハバイ
アス０Ｖでは（２００）のピークのみが現れＣｕ薄膜は
（１００）配向した膜であることが分る。すなわち、下
地Ｓｉの結晶性を反映した結晶構造となっている。

【０１１０】この膜の反射電子線回折パターンを調べる
と、ストリークを伴ったブラッグスポットが見られ、Ｓ
ｉ上に単結晶のＣｕがエピタキシャル成長する。図２４
から明らかなように、ウエハのバイアス値を大きくする
と、（２００）のピークは小さくなり逆に（１１１）の
ピークが大きくなる。バイアス値の大きさ５０Ｖ以上で
は（１１１）配向のＣｕ薄膜が得られている。バイアス
値−５０Ｖでの薄膜の反射電子線回折パターンはストリ
ークを伴ったブラックスポットとして観察され、Ｓｉ上
に（１１１）Ｃｕがエピタキシャル成長していることが
理解できる。形成された薄膜の結晶性は、下地Ｓｉの結
晶構造で決まるのではなく、照射されるＡｒイオンのエ
ネルギーによって支配される。

【０１１１】これまでＳｉ上に単結晶のＣｕ薄膜が形成
されたということに関して知られていないが、本装置に
よれば、かかる薄膜形成が可能となる。その理由は、Ａ
ｌの単結晶成長と同様、本装置のクリーニングプロセス
および低運動エネルギーイオン照射を用いていることに
よると考えられる。

【０１１２】Ｓｉウエハ上と同様のプロセスにより、Ｓ
ｉＯ₂上に形成したＣｕ薄膜について、ＳｉＯ₂との密着
性について調べると次のようになる。ＣｕとＳｉＯ₂は
密着性が悪いことは知られているが、このことはＣｕを
ＬＳＩの配線として用いるのを阻害する原因となる。し
かるに、本装置を用いて形成したＣｕ薄膜は、スコッチ
テープ（登録商標）をはじめ、各種類の粘着テープを用
いた密着性テストに際してもすべてのウエハバイアス条
件のサンプルについていずれも剥離することはない。こ
のことは、クリーニングチャンバにおける表面クリーニ
ングプロセスにより、水分の吸着分子層が完全にとり除
かれたためである。このようにして形成されたＣｕ薄膜
の比抵抗は約１．８μΩｃｍであり純Ａｌ配線よりもさ
らに低い値を持っており高速ＬＳＩ配線形成上非常に有
利である。

【０１１３】次に、図２５に示す構造に基づき、Ｃｕと
Ｎ型（１００）Ｓｉとの間のショットキー接合の特性に
ついて説明する。即ちまずＮ型（１００）Ｓｉ層１８０
１上にＳｉＯ₂層１８０２を形成し、コンタクトホール
１８０３の穴開けを行なう。その後、上述したプロセス
に従って全面にＣｕ１８０４を形成し、その後フォトリ
ソグラフィ技術を用いてパターン形成を行なう。これら
のプロセスはすべて１３０℃以下で行なう。こうして得
られたショットキー接合の電流電圧特性を図２６に示
す。図２６（ａ）は常温での結果であり図２６（ｂ）は
−５０℃でのデータである。順方向の特性の直線部から
求めた係数η値はウエハのバイアス条件によらず１．０
３〜１．０５と略１に近い値を示し、理想的なダイオー
ド特性の得られていることが分る。

【０１１４】図２７は、これらの特性より求めたショッ
トキーバリヤの高さの値を基板バイアスの関数としてプ
ロットしたものである。バイアス値によらず従来報告さ
れている値０．５８Ｖとほぼ同じ値が得られている。こ
のサンプルの作成に際し、Ｃｕの形成は常温で行った。
Ｃｕ薄膜形成後の熱工程で最も高い温度は、パターニン
グの際のレジストのポストベークの１３０℃である。こ
のように、本クリーニングプロセスは常温に近い低温プ
ロセスでも理想的なショットキー特性が得られ、理想的
な金属−半導体接触が、一切の熱処理工程を必要とせず
に実現できる。

【０１１５】図２８は、（１００）Ｓｉウエハに形成し
たＳｉ薄膜の反射電子線回折像である。材料作成は、ま
ず（１００）Ｓｉを酸により前洗浄を行った後装置内に
搬入し、クリーニングチャンバ１０１ｃでクリーニング
を行った後、チャンバ１０１ａにおいて、ターゲット１
０９ａとしてＰの不純物濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3のＮ型シ
リコンを用いてＳｉ薄膜を約０．５μｍ形成した。この
ときのウエハ温度は３３０〜３５０℃である。図２８
（ａ），（ｂ）は、２つの異なるクリーニング条件を用
いたサンプルの回折像であり図２８（ａ）は、クリーニ
ングプロセスでウエハ表面を照射するＡｒイオンのエネ
ルギーを約２０Ｖとした場合のものであり、図２８
（ｂ）は４０Ｖとした場合のものである。図２８（ａ）
では菊池ラインの入った回折パターンが観察でき、優れ
た結晶性のエピタキシャルＳｉ層の形成されていること
が分る。

【０１１６】しかし図２８（ｂ）には多結晶シリコンの
形成を示すリングがみられ、この結果から明らかなよう
に、クリーニングの際のＡｒの照射エネルギーが大きす
ぎると逆に基板にダメージを与え、結晶性を劣化させる
原因となる。ウエハバイアスをかえたクリーニング条件
の検討により、ウエハに照射されるＡｒイオンのエネル
ギーを３０ｅＶ以下にすれば、基板にダメージを与える
ことなく、有効にクリーニングできることが分る。また
形成されたエピタキシャルＳｉ層中に含まれる活性化さ
れたＰの濃度を測定すると、ターゲットの不純物濃度の
約１０％程度の値が得られる。このように３５０℃以下
の低温でシリコンのエピ成長ができるばかりか、１０¹⁸
ｃｍ^-3に近い不純物原子の活性化も可能なことが理解で
きる。

【０１１７】次に、本薄膜形成装置を用いて形成したＡ
ｌ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌ三層構造のキャパシタの一例につき
図４に基づき説明する。第１層のＡｌ（３０４）はＰ型
Ｓｉ基板３０１上に形成されたＮ⁺層３０２に接続して
形成されており、その上に熱酸化により形成されたＡｌ
₂Ｏ₃膜３０５、さらにＡｌ薄膜３０６が形成され、これ
をエッチング加工することによりキャパシタ構造が実現
されている。この構造で重要なことはＡｌ₂Ｏ₃は約３ｎ
ｍと膜厚が薄く、かつ、比誘電率が９とＳｉＯ₂の誘電
率の約２倍の値となっているため小面積で大きな容量が
実現できることである。

【０１１８】また酸化のメカニズムはCabreraとMottの
モデルに従い、酸化膜中を電界によってトンネリングし
て行く酸化剤により酸化が進むと考えられるため、例え
ば３ｎｍと一定の膜厚が形成されると時間を増加しても
それ以上酸化が進行しない。従って十分長い時間酸化雰
囲気にさらすことによりＡｌ薄膜表面全面に渡って均一
な酸化膜を形成することができる。

【０１１９】さらにスパッタチャンバ１０１ａでイオン
照射を行いながら形成したＡｌ薄膜は図２２に示したよ
うに昇温時ヒロック等の表面の凹凸を全く生じないた
め、極めて平坦な、Ａｌ表面に酸化膜が形成されること
になり、この結果凸部で生じる局所的も電界集中が広く
なり、絶縁膜の破壊耐圧が向上する。さらに製造プロセ
スの説明から明らかなように、これらの積層構造は界面
を大気に触れさせることなく形成されているため大気成
分吸着による汚染物の混入がなく、初期耐圧が良好であ
るばかりでなく、長期使用に対する絶縁耐圧の劣化、い
わゆるTime dependent break downに対する特性も従来
のＳｉ−ＳｉＯ₂−Ｓｉ構造のキャパシタよりも優れた
特性を持っている。

【０１２０】図４の構造では、第１層のＡｌ薄膜はコン
タクトホール３０７に於いてＮ⁺層３０２表面と接触し
ているが、製造プロセスはコンタクトホールを開口した
後ウエハを図１の装置に導入し、Ａｌ（３０４），Ａｌ
₂Ｏ₃（３０５），Ａｌ（３０６）の３層膜を形成するこ
とになる。従ってＡｌ（３０４）とＮ⁺層（３０２）の
界面は大気にさらされることになり、このときＮ⁺層表
面に形成される自然酸化膜等の影響によりコンタクト特
性は不良の生じることが多く、ＬＳＩの歩留まり、信頼
性を低下させる要因の１つとなっている。しかるに本装
置ではクリーニングチャンバ１０１ｃで表面のクリーニ
ングをした後、第１層のＡｌ（３０４）を形成している
ためこのような問題は解消される。

【０１２１】以上は、ＬＳＩ配線の主役になっているＡ
ｌを用いた場合を説明した。本装置は、あらゆる金属に
対して適用できるものであり、ＬＳＩ配線に使用され始
めているＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｎｂにも適用で
きるのである。成膜された金属表面が極めて平坦であっ
て、しかも熱処理を行ってもヒロックを一切生じない金
属成膜が行えるところに本装置の一つの特徴がある。Ｔ
ａ成膜を行った後、４００℃〜６００℃で酸化すれば３
〜５ｎｍのＴａ₂Ｏ₅が緻密な膜で得られる。Ｔａ₂Ｏ₅の
誘電率は２２でありさらに小面積で容量の大きなキャパ
シタを実現することができる。

【０１２２】図２９は同様のプロセスで形成した配線構
造を示している。２２０１は第１層のＡｌ薄膜であり信
号を伝える配線を形成している。２２０３はＡｌ₂Ｏ₃膜
２２０２を介して部分的に設けられたＡｌ電極であり、
電源電位あるいは、接地電位が与えられている。これは
配線の一部にキャパシタが接続された構造であり、例え
ばシフトレジスタ等のダイナミック回路のブートストラ
ップキャパシタとして用いることができる。

【０１２３】ブートストラップキャパシタは、ゲート容
量と同程度の値が必要とされるが、ダミーのＭＯＳトラ
ンジスタを形成し、そのゲートをキャパシタとして用い
ると、チップ上の多大な面積を占有することとなり、ダ
イナミック回路の集積度向上を妨げる１つの大きな原因
となる。しかし本装置を用いると図２９に示すように、
配線の一部がそのまま容量として使えるため余分の面積
を必要とせず、高集積化し極めて有利であることが分
る。図２９の構造は、配線２２０１を形成した後、Ａｌ
₂Ｏ₃膜２２０２、Ａｌ電極２２０３を形成してもよい
が、逆に電極２２０３を所定の位置に形成した後、Ａｌ
₂Ｏ₃膜、Ａｌ配線を形成してもよい。この場合、最初は
Ａｌ薄膜を形成した後パターニングする工程が入るため
表面が大気にさらされるが、次いでＡｌ₂Ｏ₃膜を形成す
る前にクリーニングチャンバ１０１ｃで表面のクリーニ
ングを行うことにより、良好なＡｌ−Ａｌ₂Ｏ₃界面を形
成することができることは言うまでもない。

【０１２４】またこのような形のキャパシタはリニアＬ
ＳＩで多用されるキャパシタに用いることができる。こ
うすることによりリニアＬＳＩの集積度の向上が図れ
る。またスイッチキャパシタの容量として用いることに
より、小面積で抵抗をつくりだすこともできるなど様々
な応用が可能である。

【０１２５】さらに本装置を用いて次の様なデバイスを
つくることもできる。つまり、クリーニングチャンバ１
０１ｃでＳｉ表面のクリーニングを行った後、配線チャ
ンバ１０１ｄにてＳｉ表面にＳｉＯ₂を例えば約３ｎｍ
の厚みで形成し、その後絶縁薄膜用スパッタチャンバ１
０１ｂにおいて強誘電体薄膜を形成する。そして、その
強誘電体薄膜の上にＳｉＯ₂膜を形成した後チャンバ１
０１ａにおいてＳｉを形成することにより、ポリＳｉ−
ＳｉＯ₂−強誘電体薄膜−ＳｉＯ₂−Ｓｉの五層構造が実
現できる。これをゲートのパターンに形成しソース・ド
レインをイオン注入等により形成すると高速の不揮発性
メモリが実現できる。すなわち、ゲート電極にかけた電
圧により強誘電体の自発分極の向きを制御しこれにより
ＭＯＳ型デバイスのＯＮ−ＯＦＦ状態をコントロールす
る。これにより、ホットエレクトロン注入型のＥＰＲＯ
Ｍ素子に比べ高速のデータ書き換えが可能となる。ま
た、この装置を用いて、酸化物超電導体薄膜（例えばＹ
−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏなど）の形成も行える。すなわち、チ
ャンバ１０１ｂで所定の組成の薄膜を形成した後、酸化
チャンバ１０１ｄにて酸素濃度をコントロールする。

【０１２６】以上述べたように本装置によって、超ＬＳ
Ｉに必要とされる各種の多層薄膜構造を優れた膜質およ
び界面特性で、しかも低温下で形成することができるよ
うになる。特に、コレクタ形成後の配線形成は、多層配
線構造を含めてすべて常温で行なえる。このことはＡＳ
ＩＣ（Application Specific IC）などの応用には大き
な自由度が得られ非常に重要である。またこのように低
温プロセスが可能であることは、チャンバ材料をはじ
め、真空部品その他の材料の選択にあたっても自由度が
大きく、装置の設計並びに製作が容易になるなどの有利
性もある。以上の説明ではＳｉＬＳＩを主体としてきた
が、その他化合物半導体、石英基板などのいかなる材料
に対しても同様に応用できることはいうまでもない。

【０１２７】また４つのチャンバを組合わせた場合を代
表例として述べたが、必要に応じて組合せをかえたり、
数を増減してももちろんかまわない。

【０１２８】上記実施例では各種減圧室へのウエハの出
し入れをウエハサセプタを移動（図１の場合は上下方向
への移動）させることにより行う場合を示したが、以下
に、ウエハサセプタを固定式とした場合の実施例につい
て説明する。

【０１２９】本例では、各減圧室１０１ａ〜１０１ｃの
ゲートバルブ１０５ａ〜１０５ｃに対向する位置に、ト
ランスポートチャンバ１０４を横切って減圧室１０１ａ
〜１０１ｃ方向に前後移動可能であり、先端にウエハを
握持するための握持手段を有する可動アームを設けてあ
る。この可動アームはその先端の握持手段でウエハから
受け渡しを行なうことができる。

【０１３０】次に本例におけるウエハの搬送手順例を説
明する。

【０１３１】まず、これから処理しようとするウエハ１
０６ｅをロード室１０２のウエハホルダ１０７ｅ上に載
置しておく。この載置されたウエハ１０６ｅを可動アー
ム１３０ｅ先端の握持手段により保持し、可動アームを
トランスポートチャンバ１０４内へ前進させる。ゲート
バルブ１０５ｅを開け、可動アーム１３０ｅを前進させ
トランスポートチャンバ１０４に待機する搬送車５１１
にウエハ１０６ｅを受け渡す。受け渡し後、可動アーム
１３０ｅは後退し、後退後ゲートバルブ１０５ｅは閉じ
られる。一方、ウエハ１０６ｅを受け取った搬送車５１
１は、軌道５１２上を、クリーニングチャンバ１０１ｃ
の前まで移動する。クリーニングチャンバ１０１ｂの前
で停止後、ゲートバルブ１０５ｃを開け、可動アーム１
３０ｃを前進させ、搬送車上のウエハを握持する。ウエ
ハを握持した状態で可動アーム１３０ｅをさらに前進さ
せ、クリーニングチャンバ１０１ｃのウエハホルダ１０
７ｃにウエハを受け渡す。受け渡し後可動アームを後退
させ、ゲートバルブ１０５ｃを閉じる。また、各減圧室
相互間のウエハの搬送も同様に行えばよい。以上のよう
にして真空状態を変えることなくウエハの搬送を行うこ
とができる。

【０１３２】なお、図示はされていないが、トランスポ
ートチャンバ１０４、各減圧室１０１ａ〜１０１ｃ、ロ
ードチャンバ１０２、アンロードチャンバ１０３には排
気装置が接続されていることは上記実施例と同様であ
る。

【０１３３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、減圧室
内に配線され、表面が絶縁物で覆われた導電材料から成
るホルダと、前記ホルダと該ホルダの絶縁物上に位置す
るダーゲットの導電性の部分とに夫々互いに異なる符号
の電位を与える直流電源とを備えたことを特徴とする構
成にしたので、ターゲット交換をプロセスチャンバの真
空状態を変えることなく行なうことができ、従って１つ
のチャンバで多種類のターゲットを用いた成膜が可能と
なり、スループットの向上を図れる。また、従来のよう
なネジ止めによる結合手段を用いないので、必要に応じ
て遠隔操作が可能となる一方、ネジの材料がスパッタさ
れて汚染の原因となる恐れはなく、さらに、ウエハとス
テージとの十分な面接触状態で強力に吸着され、また、
ターゲットの材料の純度上の制約が解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターゲット保持機構が適用される薄膜
形成装置の一例を示すシステム図である。

【図２】薄膜形成装置の他の例の要部を示すの断面図で
ある。

【図３】ウエハとターゲットとの位置関係を示す側面図
である。

【図４】薄膜構造を示す模式図である。

【図５】本発明に係るターゲット保持機構を説明する図
である。

【図６】本発明に係るターゲット保持機構を説明する図
である。

【図７】本発明に係るターゲット保持機構を説明する図
である。

【図８】スパッタチャンバの模式図である。

【図９】スパッタチャンバの模式図である。

【図１０】スパッタチャンバと真空排気装置およびガス
供給装置との接続関係の一例を示す模式図である。

【図１１】ガス中の水分濃度が表面粗さに与える影響を
示す顕微鏡写真である。

【図１２】脱ガス特性の実験装置を示す構成図である。

【図１３】図１２の実験の結果を示すグラフである。

【図１４】配管の昇温タイムチャートである。

【図１５】成膜の深さに対する元素分布を示すグラフで
ある。

【図１６】シール材の一例を示す正面図および断面図で
ある。

【図１７】ターゲットの交換を示す機構を説明する図で
ある。

【図１８】周波数に対するターゲットの電流電圧特性を
示すグラフである。

【図１９】ターゲット保持の一例を示す概念図である。

【図２０】ゲートバルブの一例を示す図である。

【図２１】（ａ）はゲートバルブの一例を説明する図で
あり、（ｂ）はゲートバルブの他の例を示す側面図であ
る。

【図２２】Ｓｉウエハ上に形成されたＡｌ薄膜の顕微鏡
写真である。

【図２３】電子線回析写真である。

【図２４】Ｃｕ薄膜におけるウエハバイアスとＸ線強度
との関係を示すグラフである。

【図２５】薄膜構造の断面概念図である。

【図２６】図２５に示す構造におけるショットキー接合
の電流、電圧特性を示すグラフである。

【図２７】図２５に示す構造におけるウエハバイアスと
ショットキーバリヤの高さとの関係を示すグラフであ
る。

【図２８】（１００）Ｓｉ、ウエハに形成したＳｉ薄膜
の反射電子線回析像を示す写真である。

【図２９】配線構造を示す断面概念図である。

【図３０】従来のターゲット保持機構を説明するための
側面図である。

【符号の説明】

１０１ａ 金属薄膜形成用のスパッタチャンバ（プロセ
スチャンバ）、 １０１ｂ 絶縁薄膜形成用のスパッタチャンバ（プロセ
スチャンバ）、 １０１ｃ クリーニングチャンバ（プロセスチャン
バ）、 １０１ｄ 酸化チャンバ（プロセスチャンバ）、 １０２ ローディングチャンバ、 １０３ アンロードチャンバ、 １０４ トランスポートチャンバ、 １０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ，１０５ｅ，
１０５ｆ ゲートバルブ、 １０６ａ，１０６ｃ，１０６ｅ ウエハ、 １０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ、１０７ｅ
ウエハホルダ、 １０７ｆ ウエハステージ、 １０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ ターゲット
チャンバ、 １０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ ターゲッ
ト、 １１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１２ａ，
１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ 同調回路、 １１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１３ａ，
１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ ＲＦ電源、 １１４ ウエハチャック、 １３０ｅ 可動アーム、 ３０１ シリコン基板、 ３０２ Ｎ⁺層、 ３０３ 絶縁膜、 ３０４、３０６ Ａｌ薄膜、 ３０５ Ａｌ₂Ｏ₃膜、 ４０１ ターゲットホルダ電極、 ４０２ 壁材、 ４０３、４２０ ベローズ、 ４０４ ウエハ、 ４０５ 静電チャック電極、 ４０６ シール部品（オーリング）、 ４０６’、４０７ フランジ面、 ４０８ オーリング、 ４０９ 被膜、 ４１０ 金属電極、 ４１１、４２１ 絶縁碍子、 ４１２ 導入電極、 ４１３ ヒータ、 ４１４ ファイバ温度計、 ４１５ ホルダ電極、 ４１６ 電極、 ４１７ 磁石、 ４１８ パイプ、 ４１９ グラウンド・シールド、 ４１０１、４１０８、４１０９、４１１２ 直流電源、 ４１０２ 高周波フィルタ、 ４１０３ ＲＦ電源、 ４１０４ 整合回路、 ４１０５ ブロックキングコンデンサ、 ４１０６、４１１６ 回路、 ４１０７、４１１１ スイッチ、 ４１１０ 電極、 ４１１３ ＲＦ電源、 ４２０１ ストッパ、 ４２０３ アース、 ５０１ 磁気浮上式のロータを有するターボ分子ポンプ
（真空排気装置）、 ５０２ ロータリーポンプ、 ５０３ オイルトラップ、 ５０１’、５０２’、５０３’ 真空排気系、 ５０４ ガス供給装置、 ５０５ パージライン、 ５０６、５０６’ バルブ、 ５０７ マスフローコントローラ、 ５０８ ウエハホルダ、 ５０９ 静電チャック、 ５１０ アーム、 ５１１ 搬送車、 ５１２ 軌道、 ６０１ ガス純化装置、 ６０２ ＳＵＳパイプ、 ６０３ ＡＰＩＭＳ（大気圧イオン化マス分析装置）、 ６０４ 電源、 １００１ オーリング、 １００２ 板バネ状のリング（メタルリング）、 １００３ 開放部、 １００４ 内部、 １０１２、１１０１、１１０２、１１０３ ターゲッ
ト、 １１０２' ターゲット１１０２の上面、 １１０４ 切り欠き部、 １１０５ ターゲットストッカ、 １１０５' 凹溝、 １１０６ 回転軸、 １１０７ 板バネ、 １１０８ 導電性材料、 １１９０ コイルスプリング、 １１９１ 受け台、 １３０１ ターゲット、 １３０２ 薄板、 １３０３ 磁石、 １３０４ ターゲットホルダ、 １３０５ 永久磁石、 １４０１ 薄板（ゲートバルブ）、 １４０２、１４０２’ １対のアーム、 １４０４、１４０４’ ピン、 １４０５ シール用フランジ、 １４０６、１４０９ 絶縁板、 １４０７ チャンバ壁、 １４０８ 金属電極、 １４１０、１４１０’ ゲートバルブ、 １４１０” 連結基板、 １４１１ オーリング、 １４２０ リンク片、 １４２１ コイルスプリング、 １４２２ 隔壁、 １４２３ 開口部、 １４２４ ストッパ、 １４４１ 回動軸、 １４３０、１４３１ チャンバ、 １８０１ Ｎ型（１００）のＳｉ層、 １８０２ ＳｉＯ₂層、 １８０３ コンタクトホール、 １８０４ Ｃｕ層、 ２２０１ 配線（Ａｌ薄膜）、 ２２０２ Ａｌ₂Ｏ₃膜、 ２２０３ Ａｌ電極、 ２３０１ 薄膜形成室（プロセスチャンバ）、 ２３０２ ホルダ、 ２３０３ ターゲット、 ２３０４ ボルト、 ２３０５ ナット、 ２３０６ ウエハ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧室内にウエハとターゲットとを対向
   するように配設し、該ターゲットの材料を前記ウエハ面
   上に形成するように構成された薄膜形成装置において、
   前記減圧室内に配設され、表面が絶縁物で覆われた導電
   材料から成るホルダと、該ホルダと該ホルダの絶縁物上
   に載置されるターゲットとの間に静電吸着力を生じさせ
   る静電吸着手段とを備えたことを特徴とする薄膜形成装
   置のターゲット保持機構。