JPS61114518A - プラズマ付着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔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に
おいて、試料基板上に各種材料の薄膜を形成するための
付着装置に係り、特に、プラズマを利用して金属や金属
化合物の薄膜を低温で高品質に形成するプラズマ付着装
置に関するものである。

〔従来の技術〕 従来、プラズマを利用したＳ　ｌｏｗ　ｔ　Ｓ　１２　
Ｎ４などのシリコン系薄膜形成においては、原料をＳｉ
Ｈ４，Ｏ□、Ｎ２などのガスの形で供給し、高周波放電
プラズマを用いるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅ＋１ｉｃａｌ
　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。しか
し。

この方法では、試料基板を２５０〜４００℃に加熱する
必要があること、また、形成された膜も緻密性の点で不
十分であるなどの問題があった。これに対し、マイクロ
波を用いて電子サイクロトロン共鳴条件によりプラズマ
を生成し９発散磁界を用いて試料台上にプラズマを引出
して適度のエネルギーでイオン衝撃を与える構成とした
ＣＶＤ形ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏ
ｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ）プラズマ付着法（特願昭５５
−５７８７７号参照）では、試料基板を加熱しない低温
で高温ＣＶＤ法に匹敵する緻密かつ高品質なシリコン系
薄膜を形成することができる。

これに対して、金属及び金属化合物膜については一般に
スパッタ法が広く用いられている。スパッタ法は、固体
ターゲットのスパッタリングにより金属原子を容易に供
給できる利点がある。

そこで、ＣＶＤ＠ＥＣＲプラズマ付着法とスパッタ法と
の両者特徴を生かしてスパッタ形ＥＣＲプラズマ付着法
が開発され（特願昭５７−１５６８４３号参照）、試料
基板を加熱しない低温で良質な金属膜や金属化合物膜の
形成が可能となった。さらに。

ターゲット形状を円錐円筒形状から直円筒形状にし、プ
ラズマ流の一部がターゲットのスパッタ面をよぎる配置
にすることにより、ターゲット電流を大きく増加させて
膜形成速度、膜形成特性の向上が可能となった（特願昭
５８−１５５０９７号参照）。

上記特願昭５８−１５５０９７号の構成概要および膜形
成原理を第１０図に示す断面図により述べる。第１０図
において、１はプラズマ生成室、２は試料室。

３はマイクロ波導入窓、４は矩形導波管、５はプラズマ
流、６はプラズマ引出し窓、７は試料基板。

８は試料台、９は排気系、　１０は磁気コイル、１１は
磁気シールド、１２は第１ガス導入系、１３は第２ガス
導入系、１４Ａ及び１４Ｂは夫々冷却水の給水口と排水
口、１５はスパッタリング用のターゲット電極。

１６はシールド電極、　１７は冷却管、１８はスパッタ
電源である。プラズマは、排気系９によりプラズマ生成
室１と試料室２とを高真空に排気した後、第１ガス導入
系１２と第２ガス導入系の一方または両方よりガスを導
入して１０−３〜１Ｏ−１Ｐ　ａ程度の圧力とし、マイ
クロ波源（図示省略）より矩形導波管４、マイクロ波導
入窓３を順次介して導入されるマイクロ波と、磁気コイ
ル１０により形成される磁界とにより、プラズマ生成室
１で電子サイクロトロン共鳴を用いて形成する。そして
、このように形成されたＥＣＲプラズマ及びターゲット
電極１５よりスパッタされた粒子はプラズマ流５として
試料台８へ輸送される。

マイクロ波源には９周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロ
ンを用いることができ、このときの電子サイクロトロン
共鳴条件は磁束密度８７５Ｇであり、プラズマ生成室１
の少なくとも一部でこの条件が満されている。プラズマ
生成室１はマイクロ波の電界強度を増し、放電効率を高
めるために、マイクロ波空洞共振器の条件を満す構成と
し２例えばＴＥ工、２モードの空洞共振器を採用し、内
のり寸法で直径１５ａ＋＋、高さ１５０Ｈの円筒形状と
し、そして。

冷却水の給水、排水口１４Ａ、１４Ｂを用いて冷却され
ている。プラズマ生成室１では、電子サイクロトロン共
鳴により高エネルギー状態の円運動電子が形成され、ガ
ス分子との衝突電離によりＥＣＲプラズマガスが形成さ
れるが、上記電子は９円運動による磁気モーメントをも
つために、磁気コイル１０により発生する試料台方向へ
の発散磁界との相互作用により、プラズマ引出し窓６か
ら円運動しつつ加速されて試料台８の方へ導き出される
。

さらに、試料台８がプラズマ生成室１とは電気的に絶縁
されているために、プラズマ生成室１と試料台８の間に
、電子を減速させイオンを加速する電界が発生し、プラ
ズマがプラズマ引出し窓６からプラズマ流５として試料
台方向に引き出される。

この電界の効果によって、プラズマ流中のイオンには膜
形成に適度なイオンエネルギーが付与される。

ターゲット電極１５は、高活性なＥＣＲプラズマを効率
的にスパッタリングに利用するために、直円筒状のもの
を試料室２のプラズマ引出し窓６近傍に、プラズマ流５
をよぎる位置に配置され、スパッタ電源１８に接続され
、負の電圧が印加されている。そして、ターゲット電極
１５は、異常放電。

不要なイオンの入射を防止するために、プラズマ流５に
面しない部分が接地電位のシールド電極１６によって５
〜１０飄の間隙をもって覆われている。

また、冷却水の給水、排水口１４Ａ、１４Ｂを介して冷
却水を循環させて冷却管１７によってシールド電極１６
を水冷することにより、ターゲット電極１５を輻射熱伝
導により冷却し、゛ターゲット電極の熱による試料基板
７及び試料室２内部の温度上昇を防止する構造としてい
る。

以上の構成において９例えば、第１ガス導入系１２から
アルゴン（Ａｒ）ガスを導入してプラズマを生成した場
合、プラズマ流５によりターゲット電Ｆｉ１５の表面近
傍に輸送されたアルゴンイオンはターゲット電極１５に
印加された負電圧によって加速され、ターゲット電極表
面に入射して衝撃を与えることによってターゲット電極
１５を構成する原子がスパッタされてプラズマ流Ｓ中に
飛び出す。

この原子は、プラズマ流５中でイオン化され、先に述べ
たプラズマ流中に発生するイオン加速電界によって試料
台８の方向に運ばれ、適度なイオンエネルギーを付与さ
れて試料基板７に入射し、付着・堆積して低温で良質な
膜を形成する。このときのイオンエネルギーは５〜３０
ｅ　Ｖ程度であり。

マイクロ波電力やガス圧などによって制御が可能である
ために、広範な材料の薄膜に対して自由に膜質を制御で
きる。

以上のように、前記特願昭５８−１５５０９７号によれ
ば、スパッタ形ＥＣＲプラズマ付着法を用い、さらにタ
ーゲット形状を直円筒形状にしてプラズマ流の一部がタ
ーゲットのスパッタ面をよぎる配置とすることにより、
ターゲット電流を大きく増加させて膜形成速度・膜形成
特性の向上が可能となったが、しかし、プラズマ流によ
る付着粒子の効率的な輸送及び膜形成反応の促進を図り
、膜形成特性をさらに向上させるために、付着粒子のイ
オン化率・活性度の増大が要望される。特に、スパッタ
された金属原子については、従来は、プラズマ流を直円
筒形状のターゲット電極内を通過させる構造でイオン化
・活性化を行なっていたが、これに加えてターゲット表
面でのマグネトロン放電等を利用すれば、金属原子のイ
オン化・活性化がさらに促進され、膜形成特性がガス圧
、スパッタ電圧等のパラメータにより、さらに広範囲に
制御可能となり、特性の飛躍的向上と種々の薄膜材料の
開発に資することが可能となるものと期待される。

〔発明の目的〕

本発明は２以上の状況に鑑みてなされたもので。

その目的は、ＥＣＲ放電に加えてマグネトロン放電を併
用することにより、ターゲット電流をさらに増大させて
付着速度の増大を図ると共に、スパッタされた金属粒子
のイオン化・活性化を向上させて低温で良質な金属膜や
金属化合物膜を制御性良く形成し得るプラズマ付着装置
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、上記目的を達成するために膜形成す入
き試料基板が配置される試料台を内含する試料室と、ガ
スを導入してプラズマを発生させるプラズマ生成室と１
発生したプラズマをプラズマ流として上記試料室に導く
プラズマ引出し窓と。

このプラズマ引出し窓と上記試料台との間に配置される
ターゲット電極とを有し、このターゲット電極のスパッ
タリングにより試料基板上に薄膜を付着・堆積させるプ
ラズマ付着装置において、前記ターゲット電極をそのス
パッタ表面近傍に局所磁界を形成する電極構造とし、上
記局所磁界が形成する磁力線がスパッタ電界とほぼ直交
しさらに磁力線の一部がターゲット表面から出て再びタ
ーゲット表面に戻る局所磁界、とすることにある。

即ち２本発明では、ターゲット電極１５の構造を改変し
て、磁気コイル１１により発生する発散磁界のうちの一
部分が、ターゲット電極１５のスパッタ表面近傍におい
て、その磁力線がスパッタ表面のある部分から出て再び
他の部分に戻るような局所磁界Ｂを発生する電極構造と
し、これにより、スパッタ表面でのスパッタ電界Ｅとの
間にＥＸＢの関係で表わされる電磁界を実現してスパッ
タ表面。

近傍におけるマグネトロン放電を可能としようとするも
のである。このマグネトロン放電により。

ターゲット電流を増大して付着速度の飛羅的向上を図る
とともに、スパッタ表面からスパッタされる金属粒子の
イオン化・活性化を促進し、プラズマ流による付着粒子
の輸送効果・イオン衝撃による膜質改善効果をさらに増
大させようとするものである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図〜第５図により説明する。第
１図は実施例装置の断面図、第２図は局所磁界の発生に
軟鉄リングを用いた場合のターゲット部分の拡大断面図
、第３図は上記ターゲット構成での磁力線推定図、第４
図、第５図は夫々上記ターゲット構成により得られる放
電特性と膜形成特性についての実験結果を示す図である
。

第１図実施例において、第１０図の従来構造との相異は
ターゲット電極１５の構成にあり、ターゲット電極１５
を除く部分は両者の構成、その作用は同じである。ター
ゲット電極１５の部分の拡大図が第２図である。第２図
は局所磁界の発生に軟鉄リングを用いる場合の実施例で
、ターゲット電極１５は。

内径８０■、厚さ２ｍｍ、円筒軸方向の長さ５５画の円
筒化ターゲット材１５Ａ、内径８４Ｉ、厚さ５１ｍｌ、
軸方向長さ２４＋ｍの軟鉄リング１５Ｂ、内径８４ｍ、
厚さ５ｎｕ、軸方向長さ３１ｍｎの金属製支持リング１
５Ｇより構成されており２円筒化ターゲット材１５Ａは
スパッタ電源１８に接続している。１６Ａ、１６Ｂ、１
６Ｇはシールド電極で接地電位に保たれ、ターゲット電
極の異常放電、ターゲット電極への不要なイオンの入射
を防止する。１９は絶縁スペーサでターゲット電極とシ
ールド電極とを電気的に絶縁する。

２０は電極ピン、２１は絶縁管、２２はターゲット支持
ねじ、２３はターゲット固定ねじであるにの実施例構成
により、軟鉄リング１５Ｂは、磁気コイル１０の作る発
散磁界により磁化してターゲット材１５Ａの表面に容易
に局所磁界を発生する。

第３図は、ターゲット材１５Ａの表面での磁界測定を行
ない磁力線分布を推定したものである。２４はターゲッ
ト表面近傍での磁力線、２５は磁界ベクトル（Ｂ）、２
６はプラズマ生成室からプラズマ流により輸送される電
子、２７はマグネトロン放電領域にとじ込められた電子
、２８はスパッタ電界（Ｅ）。

２９はマグネトロン放電領域である。磁力線２４は。

ターゲット材１５Ａの上部と下部でターゲット材表面に
近づき、中央部でターゲット材表面から遠ざかる分布と
なり、また、その大きさは２００〜３００　Ｇである。

そして、この局所磁界領域はターゲット材１５Ａの表面
から１０ｎｍ程度まで存在する。電子は磁界ベクトル２
５と直交するスパッタ電界２８がら転じながら運動する
が、ターゲット材１５Ａの上部と下部では、スパッタ電
界のために反発される。

このように、プラズマ生成室からプラズマ流により輸送
される電子２６とスパッタにより発生する２次電子は、
ターゲット材１５Ａの表面近傍に、上記電磁界の効果で
とじ込められ、ターゲット材１５Ａ表面にｉｏ＋ｎｎ程
度の厚さを持つ高密度プラズマ領域が形成され、マグネ
トロン領域２９となる。

第４図に本実施例の特性例としてターゲットの電圧−電
流特性を示す。第１ガス導入系がらＡｒガスを、第２ガ
ス導入系から０２ガスを導入し。

ターゲット材料としてはＭを用い、マイクロ波パワーを
３００−Ｗとした場合である。Ａｒガス流量１゜ＳＣＣ
Ｍ、Ｏ，ガス流量５５　ＣＣＭ　（１，８Ｘ１０−１Ｐ
ａ）では２本実施例の場合、第１０図に示した直円筒状
ターゲットのみとした場合に比較し、ターゲット電圧３
００ｖ程度でマグネトロン放電の発生に対応してターゲ
ット電流が大きく増加し、ターゲット電圧５００ｖでは
１．５倍にも達する。この傾向は、ガス圧が増加すると
著しくなり＋Ａｒガス流量２０８ＣＣＭ、Ｏｆガス流量
１１０８ＣＣではターゲット電圧３００ｖでターゲット
電流は急激に増大し、ターゲット材表面でマグネトロン
放電が安定に生じていることがわかる。

第５図にＡＱ、○□についての膜形成特性を２本実施例
構成と、従来の直円筒状ターゲットを用いた構成とを用
いた場合について比較して示す。Ａｒガス流量は１８８
ｃｃＭ、ターゲット電圧は４００　Ｖであり、従来構成
の場合はマイクロ波パワーを増大させてターゲット電流
を、軟鉄リングを用いた本実施例構成の場合と一致させ
た。屈折率は。

０２ガス流量２８ＣＣＭ以上では９両方のターゲット構
成とも１．６程度とＡｎ　２０　ｉ膜固有の値を示す。

しかし１本実施例構成の場合、低酸素分圧領域で付着速
度は大幅に向上し、付着効率が増大している。

以上のように、第２図実施例に示したターゲット電極構
成としてターゲット近傍に局所磁界を形成することによ
り、ＥＣＲ放電に加えて、ターゲット表面近傍にマグネ
トロン放電モードの高密度プラズマ領域が低ガス圧で安
定に形成され、その結果、ターゲット電流が大きく増加
すると共に。

スパッタ粒子を中心とした付着粒子のイオン化率が向上
するために、プラズマ流輸送により付着速度の加速度的
な増大が可能となる。また９本実施例によれば、ターゲ
ット材１５Ａの裏面に軟鉄リング１５Ｂを配置するだけ
で、ターゲットから離れた部分の発散磁界に影響を与え
ずにターゲット表面に局所磁界を形成できる。

第６図、第７図は夫々本発明の他の実施例の。

局所磁界の形成構成を示す。第６図は、径方向にＮ極及
びＳ極に着磁したリング状磁石１５Ｄを２円筒化ターゲ
ット材１５Ａの裏面の上部と下部に、金属リング１５Ｇ
を挟んで配置している。リング状磁石１５Ｄの材料とし
ては、ターゲット表面が高温になること及び導電性を考
慮してアルニコ５などを用いる。第７図は、ターゲット
材１５Ａの裏面はその全面を金属製支持リング１５Ｃと
し、外側に局所磁界発生用コイル３０を巻く構成である
。第６図及び第７図のターゲット構成によれば、ターゲ
ットをよぎる磁力線が増加するので、ターゲット材表面
に形成される高密度プラズマ領域からの電子の散逸を抑
えることができるようになり、２次電子の発生効率の低
いＴａなどをターゲット材料に用いる場合にも、安定し
たマグネトロン放電モードが得られる利点がある。

第８図、第９図は本発明のさらに他の実施例を示す断面
図で、マグネトロン放電モードの効率化及び低ガス圧化
を図ったターゲット構成を示す。

一般に、ターゲット電極の下部では、ターゲット表面に
形成された高密度プラズマ中の電子は、接地電位に保た
れているシールド電極への流入、シールド電極によるス
パッタ電界の乱れのために。

高密度プラズマ領域の外へ散逸しやすい。第８図実施例
構成では２以上の２点を改善するために。

下部のシールド電極１６Ｃを石英板１６Ｄを介して配置
すると共に、ターゲット材１５Ａの表面下部にターゲッ
トっば３１を付加する。第８図実施例によれば、ターゲ
ット構造が多少複雑になるが、電子をターゲット表面の
高密度プラズマ領域に押し返すことができ、第４図と同
様の電圧−電流特性が。

より低いガス圧で安定に得られる利点がある。

さらに、第９図には、ターゲット電極の下部における電
子の高密度プラズマ領域外への散逸を防ぎ、マグネトロ
ン放電モードを安定化させるための別の実施例を示す。

このターゲット構成では。

第８図に示す実施例と同様に１石英板１６Ｄを配置する
とともに、ターゲット電極下部にも上部に配置した軟鉄
リングの１／２程度の長さを持つ軟鉄リングをターゲッ
ト材１５Ａの裏面に配置する。この構成では局所磁界に
伴う磁力線は、その大部分がターゲット下部で終ること
になり、磁力線に沿って運動する電子を効率良くターゲ
ット表面の高密度プラズマ領域にとじ込めることが可能
である。

実際、このターゲット構成により、低ガス圧においてタ
ーゲット電圧５００ｖでターゲット電流２Ａ。

Ａｌｌ、Ｏ，膜について膜形成速度１０００人／ｌｌ１
ｎ程度の良好な特性を得た。この時得られた膜は、屈折
率が１．６５で、Ｍ、Ｏ，膜のバルク値と同じ値が得ら
九でおり、高速付着においても充分に酸化反応の進んだ
Ａ１１２０．膜が得られた。

〔発明の効果〕

以上説明したように２本発明によれば、スパッタ形ＥＣ
Ｒプラズマ付着装置ににて、ＥＣＲ放電による電子の供
給でターゲット材表面近傍で低ガス圧でのマグネトロン
放電を可能とすることにより、低ガス圧でのターゲット
電流の増大、付着速度の向上が可能となる。また、この
マグネトロン放電により、スパッタされた金属粒子のイ
オン化・活性化が促進され、プラズマ流による付着粒子
の輸送効果・イオン衝撃による膜質改善効果がさらに増
大し、高品質の金属膜や金属化合物膜を高付着効率で、
膜質などの制御性をさらに増して形成できる。特に金属
化合物膜については、マグネトロン放電により反応性ガ
スも活性化されることから、化学反応律則が緩和されて
付着速度と膜質の向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は第１図中
の要部拡大図、第３図は第２図ターゲット構成での磁力
線測定図、第４図、第５図は夫々上記ターゲッット構成
で得られる放電特性と膜形成特性の実験結果、第６図、
第７図は夫々本発明の他の実施例を示す要部断面図、第
８図、第９図は本発明のさらに他の実施例を示すターゲ
ット部の断面図、第１０図は従来構成を示す断面図であ
る。 〈符号の説明〉 １・・・プラズマ生成室　　２・・・試料室３・・・マ
イクロ波導入窓　４・・・矩形導波管５・・・プラズマ
流　　　　６・・・プラズマ引出し窓７・・・試料基板
　　　　　８・・・試料台９・・・排気系　　　　　　
１０・・・磁気コイル１１・・・磁気シールド　　　１
２．１３・・・ガス導入系・１４・・・冷却水の給水、
排水口　１５・・・ターゲット電極１５Ａ・・・円筒化
ターゲット材　１５Ｂ・・・軟鉄リング１５Ｇ・・・金
属製支持リング　　１５Ｄ・・・リング状磁石１６Ａ、
Ｂ、Ｃ，・・・シールド電極　１６Ｄ・・・石英板１７
・・・冷却管　　　　　　１８・・・スパッタ電源１９
・・・絶縁スペーサ　　　２４・・・磁力線２５・・・
磁界ベクトル　　　２８・・・スパッタ電界２９・・・
マグネトロン放電領域 ３０・・・局所磁界発生用コイル ３１・・・ターゲットっは

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）膜形成すべき試料基板が配置される試料台を内含
   する試料室と、ガスを導入してプラズマを発生させるプ
   ラズマ生成室と、発生したプラズマをプラズマ流として
   上記試料室に導くプラズマ引出し窓と、このプラズマ引
   出し窓と上記試料台との間に配置されるターゲット電極
   とを有し、このターゲット電極のスパッタリングにより
   試料基板上に薄膜を付着・堆積させるプラズマ付着装置
   において、前記ターゲット電極をそのスパッタ表面近傍
   に局所磁界を形成する電極構造とし、上記局所磁界の分
   布を、その発生する磁力線がスパッタ電界とほぼ直交し
   さらに磁力線の一部がターゲット表面から出て再びター
   ゲット表面に戻る局所磁界としたことを特徴とするプラ
   ズマ付着装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載のプラズマ付着装置に
   おいて、前記プラズマ生成室は、マイクロ波による電子
   サイクロトロン共鳴放電によりプラズマを生成するプラ
   ズマ生成室であることを特徴とするプラズマ付着装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載のプラズマ付着装置に
   おいて、プラズマを前記プラズマ生成室から前記試料台
   に引き出すために前記ターゲット表面近傍の局所磁界が
   存在する領域以外の試料室空間において磁界強度が前記
   プラズマ生成室から前記試料台方向に向って次第に弱く
   なる発散磁界を生じる磁界源を備えたことを特徴とする
   プラズマ付着装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項記載のプラズマ付着装置に
   おいて、前記ターゲット電極は、直円筒状のターゲット
   材と、その外径側に密接して一体的に配置される軟鉄リ
   ングとを備えたターゲット電極であることを特徴とする
   プラズマ付着装置。
5. （５）特許請求の範囲第３項記載のプラズマ付着装置に
   おいて、前記ターゲット電極は、直円筒状のターゲット
   材と、径方向にＮ極、Ｓ極に着磁されていて上記ターゲ
   ット材の外径側に密接して一体的に配置されるリング状
   磁石とを備えたターゲット電極であることを特徴とする
   プラズマ付着装置。
6. （６）特許請求の範囲第３項記載のプラズマ付着装置に
   おいて、前記ターゲット電極は、直円筒状のターゲット
   材と、その外径側に密接して一体的に配置される軟鉄リ
   ングと、さらにその外側をとり巻くように巻回される局
   所磁界発生用コイルとを備えたターゲット電極であるこ
   とを特徴とするプラズマ付着装置。