JPH0878333A - 膜形成用プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ中のイオンを用いてスパッタリング
する際に高効率に大面積の領域に高均一に成膜する。 【構成】 プラズマ室1，成膜室2を排気系12によって高
真空に排気し、ガス導入系10によりＡｒガスを導入し、
マイクロ波電源15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、コイル電源14によ
り磁気コイル9に供給された電力により形成される磁界
とにより、プラズマ室1 にＥＣＲプラズマを生成する。
試料台7はターゲット11の回転対称軸上に配置され、試
料台7の回転中心軸がターゲット11の回転対称軸に対し
て傾斜するとともにターゲット11の回転対称軸と試料台
7の回転中心軸との交点が試料基板8に対してターゲット
11の反対方向に位置するように傾斜して回転させる回転
装置16を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、試料基板上に薄膜を形成する膜形成用プラズマ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラズマを利用して薄膜を形成す
る技術としてプラズマ中のイオンを加速して膜原料で構
成される固体ターゲットに衝突させ、これにより飛散す
る粒子を試料基板に受けて薄膜を形成するスパッタリン
グ法が広く用いられている。このスパッタリング法は、
固体原料により薄膜を形成するので、広範囲な材料の薄
膜が形成ができ、また、プラズマ中へ導入する種々のガ
スの組み合わせにより、その化合物膜の形成が容易に可
能である利点を有している。

【０００３】図５は、通常用いられている代表的なスパ
ッタリング装置の構成を説明する断面図である。図５に
おいて、２は成膜室、７は試料台、８は試料基板、１０
はガス導入系、１１はターゲット、１２は排気系、１３
はスパッタ電源である。

【０００４】このように構成されるスパッタリング装置
では、成膜室２内を排気系１２によって高真空に排気し
た後、ガス導入系１０によって所望の圧力までガスを導
入し、スパッタ電源１３によってプラズマを生成すると
ともに、ターゲット１１に高電圧を印加してプラズマ中
のイオンをターゲット１１に衝突させてスパッタによっ
てターゲット粒子を飛散させ、これをターゲット１１と
対向して配置された試料台７上に固定した試料基板８に
受けて薄膜を形成する。

【０００５】なお、スパッタ電源１３は、直流または高
周波電力であり、ガスは不活性ガスまたは不活性ガスと
活性ガスとの混合ガスである。また、ターゲット１１の
材料とガスとの組み合わせにより簡便に広範囲の薄膜が
形成できる。スパッタは、運動エネルギーをもってター
ゲット１１に入射するイオンによって物理的にターゲッ
ト材料が飛散する現象であり、概ねターゲット法線から
の角度に対してＣＯＳ分布の強度をもって飛散する。

【０００６】通常のスパッタリングガス圧である１〜
０．１Ｐａでの平均自由工程は、数ｃｍ〜数十ｃｍ程度
であるので、これらの飛散したスパッタ粒子は、ほぼ直
線的に試料基板８に到達する。このため、試料基板８内
（複数枚基板を同時に薄膜形成する場合には試料基板間
も含めて）の成膜均一性は、着目する試料基板の位置か
ら見込むターゲットの角度と距離とに依存することとな
る。

【０００７】なお、この種のスパッタリング装置は、例
えば電子・イオンビームハンドブック、日本学術振興会
第１３２委員会編、ＰＰ５０３−５０８、日刊工業新聞
社（昭和６１年））に開示されている。

【０００８】また、図６は、従来のスパッタ型電子サイ
クロトロン共鳴プラズマ付着装置の基本構成を説明する
断面図であり、前述した図５と同一部分に同一符号を付
してある。図６において、１はプラズマ室、９は磁気コ
イル、１５はマイクロ波電源である。

【０００９】このように構成されるスパッタ型ＥＣＲプ
ラズマ付着装置では、プラズマ室１および成膜室２を排
気系１２により高真空に排気し、ガス導入系１０により
所望の圧力までガスを導入し、マイクロ波電源１５から
マイクロ波電力を供給するとともに磁気コイル９により
磁場を印加して電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によ
りプラズマ室１内でプラズマを生成し、プラズマ室１か
ら輸送されるプラズマを取り囲むように配置されたター
ゲット１１にスパッタ電源１３から電力を供給し、スパ
ッタによってターゲット粒子を飛散させ、これを試料台
７に固定された試料基板８に受けて薄膜を形成する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図５により説明した従来のスパッタリング装置は、高
い成膜均一性を得ようとすると、その領域から望むター
ゲット１１の角度と距離とが概ね等しくなるようにター
ゲット１１の直径およびターゲット１１と試料基板７と
の間の距離を決める必要がある。

【００１１】一例として高い成膜均一性を得ようとする
領域（寸法）に比べ十分大きなターゲットを、ターゲッ
トと試料基板との間の距離を小さくすることで実現でき
る。この場合は、比較的高速成膜が可能であるが、スパ
ッタ粒子の大部分が試料基板以外の領域へ散逸し、効率
が著しく低下する。また、試料基板には広い角度からス
パッタ粒子が飛来するので、ＶＬＳＩなどの表面段差の
大きい試料基板に対しては被覆性が低下するという問題
があった。

【００１２】また、他の例では、前述した例とは対称的
に試料基板とターゲットとの間の距離を充分に大きくし
ても、高い成膜均一性を実現できる。この場合、ターゲ
ット寸法は小さくでき、試料基板には狭い角度でスパッ
タ粒子が飛来するので、被覆性が向上する利点がある。
しかし、試料基板とターゲットとの間の距離が大きくな
るので、スパッタ粒子の利用効率は極端に低下し、実用
的な成膜速度を得ることが困難となる。

【００１３】さらに他の例では、プラズマ生成の均一性
を変化させ、ターゲットからの飛散粒子密度を変えて実
効的に試料基板上で高い均一性を得ようとすることもで
きるが、プラズマの安定動作が困難となったり、ターゲ
ット構成が複雑になるなどの問題が発生する。

【００１４】また、前述した図６で説明した従来のスパ
ッタ型電子サイクロトロン共鳴プラズマ付着装置は、ス
パッタリングによる原料供給の容易さおよびＥＣＲプラ
ズマによる表面反応支援の効果によって低温で高速に高
品質の薄膜ができる特徴を有している。しかし、成膜原
料がターゲットのスパッタによって物理的に供給される
原理的側面から、成膜の均一性は前述した従来のスパッ
タリング装置と同様の問題がある。

【００１５】つまり、高速成膜をするためには、試料基
板とターゲットとの間の距離を小さくすることが効果的
であるが、成膜均一性が低下する。一方、高い成膜均一
性を得ようすると、試料基板とターゲットとの間の距離
を大きくすることで達成されるが、成膜速度は急激に減
少するという問題があった。

【００１６】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、プ
ラズマ中のイオンを用いてスパッタリングする際に高効
率に大面積の領域に高均一に成膜することができる膜形
成用プラズマ装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、プラズマ生成用ガスを導入してプラ
ズマによるプラズマ流を発生させるプラズマ発生手段
と、プラズマ流と接触するようにプラズマ流と同心的に
配置された膜形成用材料からなるターゲットと、プラズ
マ流のイオンを用いてターゲットから膜形成用材料の粒
子をプラズマ流内に飛散させる手段と、膜形成用材料の
粒子を飛散させているプラズマ流によって照射される膜
形成用試料基板を載置固定する基板載置台とを有する膜
形成用プラズマ装置において、基板載置台がターゲット
の回転対称軸上に配置され、基板載置台の回転中心軸が
ターゲットの回転対称軸に対して傾斜するとともにター
ゲットの回転対称軸と基板載置台の回転中心軸との交点
が試料形成用基板に対してターゲットの反対方向に位置
するように傾斜して回転させる回転手段を設けたもので
ある。

【００１８】

【作用】本発明では、ターゲットのスパッタを利用して
成膜する薄膜形成用プラズマ装置において、スパッタ粒
子の運動に着目して時間平均的に大面積の領域に高均一
に成膜される。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。 （実施例１）図１は、本発明による膜形成用プラズマ装
置の一実施例による構成を説明するスパッタ型ＥＣＲプ
ラズマ付着装置の断面図である。図１において、１はプ
ラズマ室、２は成膜室、３はマイクロ波導入窓、４は矩
形導波管、５はプラズマ引き出し窓、６はプラズマ流、
７は試料台、８は試料基板、９は磁気コイル、１０はガ
ス導入系、１１はターゲット、１２は排気系、１３はス
パッタ電源、１４はコイル電源、１５はマイクロ波電
源、１６は試料基板８を載置固定した試料台７を傾斜さ
せて回転させる回転装置である。

【００２０】このような構成において、プラズマ室１お
よび成膜室２を排気系１２によって高真空（通常は１０
^-2Ｐａ台）に排気し、ガス導入系１０によりスパッタガ
スまたは反応性ガスを単独または混合して導入し、所望
の圧力とし、マイクロ波電源１５より矩形導波管４およ
びマイクロ波導入窓３を介して導入されるマイクロ波
と、コイル電源１４により磁気コイル９に供給された電
力により形成される磁界とにより、プラズマ室１に電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを生成する。

【００２１】磁気コイル９は、プラズマ室１の内部にＥ
ＣＲ条件を満たす磁界強度（例えばマイクロ波の周波数
２．４５ＧＨｚに対して８７５Ｇａｕｓｓの磁束密度）
を与えるとともにプラズマ室１から試料台７の方向に磁
界強度が適当な勾配で弱くなる発散磁界を形成する。こ
の発散磁界とＥＣＲによって加速され高速に円運動する
電子の磁気モーメントの相互作用によってプラズマ室１
から試料台７の方向にイオンを加速，輸送する静電界が
自己整合的に形成され、プラズマ流６が形成される。

【００２２】スパッタ型ＥＣＲプラズマ付着では、プラ
ズマ引き出し窓５の直下にプラズマ流６を取り囲むよう
に円筒形状のターゲット１１を配置し、これにスパッタ
電源１３から負電位を印加して大電流密度でプラズマ流
６中を輸送されるイオンの一部をターゲット１１に加
速，衝突させてスパッタにより成膜原料を供給する。プ
ラズマ流６下流に配置された試料台７上に配置された試
料基板８にスパッタ粒子を受けて成膜するとともに、プ
ラズマ流６中の低エネルギー，大電流密度のイオン照射
により、高品質の高速成膜が可能となる。

【００２３】成膜原料は、固定ターゲット１１からスパ
ッタによって供給されるとともに、酸素，窒素などをガ
ス導入することにより、その化合物膜を形成することが
できる。試料基板８を配置した試料台７が搭載された回
転装置１６は、試料台７および試料基板８をターゲット
１１の回転対称軸から傾斜して回転させる構成を有して
おり、試料基板８の成膜面において、ターゲット１１の
回転対称軸と試料基板８の成膜面との交点よりも傾斜方
向に離れた位置に回転中心が位置するようになってい
る。なお、この回転装置１６は、それ自体公知の種々の
構成を用いた構成とし得るので、詳細な説明は省略す
る。

【００２４】次に図２を用いてこの構成を詳細に説明す
る。図中、図１と同一符号は図１と同一部材を示してい
る。図２において、Ａは回転対称なターゲット１１の回
転対称軸、Ｂは試料基板８が回転する回転中心軸、Ｃは
試料基板８の薄膜形成平面に存在し試料基板８の回転中
心軸Ｂを通る座標軸、Ｐは試料基板８の傾斜中心であっ
てターゲット回転対称軸Ａと試料基板回転中心軸Ｂとの
交点、Ｑは試料基板８の回転中心であって試料回転中心
軸と試料基板８の薄膜形成面との交点、Ｒはターゲット
回転対称軸Ａと試料基板８の薄膜形成面との交点、θは
試料基板８の傾斜角度であってターゲット回転対称軸Ａ
と試料回転中心軸Ｂとのなす角度、１７はスパッタ粒子
である。なお、図中、回転対称軸Ａ，回転中心軸Ｂ，座
標軸Ｃは同一平面内に存在している。

【００２５】このような構成において、ターゲット１１
から飛散するスパッタ粒子１７は、成膜しようとする１
０^-2Ｐａ台の真空度においてほぼ散乱されることなく、
試料基板８の方向に飛来する。このため、試料基板８上
でのスパッタ粒子１７の密度は、ターゲット１１のスパ
ッタ点からの距離の二乗に反比例する。試料基板８上の
点における成膜の厚さは、その点から見込めるターゲッ
ト１１からのスパッタ粒子密度を積分したものに相当す
る。このため、試料基板８を傾斜させない（θ＝０度）
場合には試料基板８の中央部で膜厚が大きく、周辺部で
小さくなる凸型の分布となり、高い均一性が得られな
い。

【００２６】本実施例では、点Ｐを中心に軸Ａ，Ｂ，Ｃ
を含む平面内で試料台７を傾斜させることによりスパッ
タ粒子１７の供給の最も大きい位置を試料回転中心Ｑか
ら離れた点Ｒにすることおよび試料基板８とターゲット
１１との間の距離を変えるとともに試料基板８を回転さ
せることを回転装置１６により行うことにより、時間平
均的に均一性を向上させることができる。なお、試料基
板８の位置，姿勢を変える方法は、前述した方法に限る
ことなく、例えば点Ｑと点Ｒとを一致させた状態で傾斜
を与え、その後、点Ｑの位置まで回転中心を軸Ａに垂直
に移動させても同様である。

【００２７】図３は、前述したスパッタ型ＥＣＲプラズ
マ付着装置による成膜特性を示す図である。図３に示す
成膜条件は、ターゲットが９９．９９％Ａｌであり、内
直径１５０ｍｍ，高さ３０ｍｍの円筒形状である。この
円筒ターゲットから試料基板までの距離はターゲット回
転対称軸Ａ上で１５０ｍｍである。排気系によりプラズ
マ室および成膜室を７×１０^-6Ｐａの高真空まで排気
し、成膜室にＡｒを２５ｃｃ／ｍｉｎ導入し、９×１０
^-2Ｐａの真空度とし、コイル電源によりコイルに電流を
供給してプラズマ室内にＥＣＲ磁場を形成し、８００Ｗ
のマイクロ波をマイクロ波電源により供給してプラズマ
を生成した。

【００２８】ターゲットに６００Ｖの負の直流電圧を印
加してプラズマ流中の一部のイオンをターゲットに加
速，衝突させ、スパッタにより成膜原料を供給した。成
膜では試料基板の傾斜角度（θ）とターゲット回転対称
軸Ａとからのシフト量（ＱＲ）を変えた。試料基板の回
転速度は約１５ＲＰＭであり、成膜時間は約２０分であ
った。図３では、この時の±５％の均一領域の分布を示
している。

【００２９】図２に示した構成において、点Ｑと点Ｒと
を一致させて傾斜させた場合（シフト＝０）、傾斜に伴
って均一性は向上し、傾斜角度３０度では、±５％均一
領域はφ９０ｍｍ程度となり、傾斜角度０度に比較して
３０％程度の均一性向上となっている。傾斜角度をより
大きくすれば、より大きな均一性向上が期待できるが、
試料表面の微細な凹凸に対する被覆性が劣化するので、
高性能な電子デバイスへの適用は困難であった。

【００３０】また、試料基板を傾斜させずに試料回転中
心軸のシフトの場合には、シフト量５０ｍｍにおいて１
５％程度の均一性向上となっている。この場合にも、シ
フト量を大きくすれば、より大きい均一性向上が期待で
きるが、試料基板方向に飛来するスパッタ粒子を有効に
成膜に用いることができないばかりか、試料基板の一部
または全部がプラズマ室から輸送されるプラズマ流の照
射されない領域に存在することとなり、プラズマ照射に
よる高品質膜形成自体が困難となった。

【００３１】一方、傾斜角度とシフト量とを併用した場
合には、それぞれの効果が相乗的に発揮され、例えば基
板傾斜角度２５度，シフト量４０ｍｍでは、±５％均一
領域はφ１５０ｍｍと、ともに基板傾斜角度０度の場合
に比較して２．１倍以上の均一性向上が達成できた。ま
た、この時の成膜速度は、基板傾斜角度およびシフト量
ともに０の場合に比較して約８０％であり、凸型の成膜
分布の頂点部分での成膜速度が均一性向上によって平均
化されたものと考えると遜色がない。このように基板傾
斜角度とシフト量とを併用すれば、ターゲットの見込む
範囲内でプラズマ流を照射しつつ高い成膜速度を維持し
て段差被覆の優れた高品質の膜形成が可能となる。

【００３２】（実施例２）図４は、本発明による膜形成
用プラズマ装置の他の実施例による構成を説明する平板
ＲＦマグネトロンスパッタ装置の断面図である。図中、
図１および図２と同一部分には同一符号を付してある。
図４において、１８は磁石である。この磁石１８は、タ
ーゲット１１のスパッタ領域にターゲット１１に垂直に
発生するスパッタ電界（Ｅ）に対して平行な磁束（Ｂ）
を発生させ、このＥ×Ｂの領域に高密度のプラズマを発
生させて高速成膜を行うものである。

【００３３】本実施例では、図２における円筒ターゲッ
トを、その放電面を試料基板方向に展開した場合と同様
の構成であり、図３と同様の効果が確認できた。これ
は、図１のスパッタ型ＥＣＲプラズマ付着装置での動作
真空度１０^-2〜１０^-1Ｐａおよびマグネトロンスパッタ
装置での動作真空度１０^-1Ｐａ程度であれば、スパッタ
粒子の大部分はその中間に存在するガス分子と衝突する
ことなく、試料基板に到達するためである。

【００３４】従来、所望の成膜均一性を得るためには、
磁石を移動するか、または放電（スパッタ）条件を変化
させるなどの方法をとってきたが、これらは成膜品質に
も影響することから、高い均一性と高い品質との双方を
満足させることは極めて難しかった。これに比較して本
実施例によれば、成膜した膜の品質に影響するスパッタ
（放電）条件とは独立に均一性を制御できるので、再現
性，制御性良く成膜することができる。

【００３５】また、このような構成によれば、スパッタ
により膜形成原料を供給する成膜方法において、スパッ
タ粒子の大部分がその中間に存在する気体分子に衝突す
ることなく、試料基板８に到達することができるので、
高均一性の膜形成が可能となる。

【００３６】なお、前述した実施例では、膜形成用プラ
ズマ装置として平板ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用
いた場合について説明したが、これに代えてＤＣマグネ
トロンスパッタ装置でも同様の効果が得られることは明
かである。

【００３７】また、プラズマ中から高エネルギーのイオ
ンをシャワー状に引き出し、ターゲットに衝突させ、試
料基板に成膜するイオンビームスパッタ成膜装置におい
ても同様に適用することができる。

【００３８】また、スパッタ粒子の大部分が直接試料に
入射できるようなガス圧と、ターゲットと試料との間の
距離との関係にある場合には、図５に示したような通常
のＤＣスパッタ装置またはＲＦスパッタ装置においても
同様の効果が得られる。

【００３９】また、前述した実施例においては、ターゲ
ットの形状として実験の都合上、円筒または円板を用い
たが、楕円形状または多角形状などであっても何等差し
支えないことは言うまでもない。

【００４０】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
スパッタによる成膜原料供給とは独立して成膜の均一性
を向上させることができ、微細，高精度な成膜を必要と
する電子デバイスへの成膜において、高品質の膜形成が
可能となるという極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による膜形成用プラズマ装置の一実施
例による構成を説明するスパッタ型ＥＣＲプラズマ付着
装置の断面図である。

【図２】 図１示すスパッタ型ＥＣＲプラズマ付着装置
の詳細な構成を示す斜視図である。

【図３】 図１に示すスパッタ型ＥＣＲプラズマ付着装
置による成膜特性を示す図である。

【図４】 本発明による膜形成用プラズマ装置の他の実
施例による構成を説明する平板ＲＦマグネトロンスパッ
タ装置の断面図である。

【図５】 従来のスパッタリング装置の構成を示す断面
図である。

【図６】 従来のスパッタ型ＥＣＲプラズマ付着装置の
構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１…プラズマ室、２…成膜室、３…マイクロ波導入窓、
４…矩形導波管、５…プラズマ引き出し窓、６…プラズ
マ流、７…試料台、８…試料基板、９…磁気コイル、１
０…ガス導入系、１１…ターゲット、１２…排気系、１
３…スパッタ電源、１４…コイル電源、１５…マイクロ
波電源、１６…回転装置、１７…スパッタ粒子、１８…
磁石。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松尾 誠太郎 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成用ガスを導入してプラズマ
   によるプラズマ流を発生させるプラズマ発生手段と、 前記プラズマ流と接触するように前記プラズマ流と同心
   的に配置された膜形成用材料からなるターゲットと、 前記プラズマ流のイオンを用いて前記ターゲットから膜
   形成用材料の粒子を前記プラズマ流内に飛散させる手段
   と、 前記膜形成用材料の粒子を飛散させているプラズマ流に
   よって照射される膜形成用試料基板を載置固定する基板
   載置台と、を有する膜形成用プラズマ装置において、 前記基板載置台が前記ターゲットの回転対称軸上に配置
   され、前記基板載置台の回転中心軸が前記ターゲットの
   回転対称軸に対して傾斜するとともに前記ターゲットの
   回転対称軸と前記基板載置台の回転中心軸との交点が前
   記試料形成用基板に対して前記ターゲットの反対方向に
   位置するように傾斜して回転させる回転手段を設けたこ
   とを特徴とする膜形成用プラズマ装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記プラズマ発生手
   段は、電子サイクロトロン共鳴放電によりプラズマを発
   生させるプラズマ発生装置としたことを特徴とする膜形
   成用プラズマ装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記プラズマ発生手
   段は、直流または高周波放電によりプラズマを発生させ
   るプラズマ発生装置としたことを特徴とする膜形成用プ
   ラズマ装置。