JP2502948B2 - Plasma deposition method - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[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方法に係わり、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方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a deposition method for forming thin films of various materials on a sample substrate in the production of electronic devices such as semiconductor integrated circuits, and more particularly to metal or metal utilizing plasma. The present invention relates to a plasma deposition method for forming a high quality thin film of a compound.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来、プラズマを利用したＳｉＯ₂ ，Ｓ
ｉ₃Ｎ₄ などのシリコン系薄膜形成においては、原料を
ＳｉＨ₄，Ｏ₂，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（Chemical Vapor D
eposition）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、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（El
ectron Cyclotron Resonance）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。2. Description of the Related Art Conventionally, SiO ₂ and S using plasma are used.
In forming a silicon-based thin film such as i ₃ N ₄ , a raw material is supplied in the form of a gas such as SiH ₄ , O ₂ and N _2, and plasma CVD (Chemical Vapor D) using high frequency discharge plasma is used.
eposition) method. However, this method has problems that it is necessary to heat the sample substrate to 250 to 400 ° C. and that the formed film is insufficient in terms of denseness. On the other hand, the CVD type ECR (El is designed to generate plasma under the electron cyclotron resonance condition using microwaves, draw the plasma onto the sample stage using the divergent magnetic field, and apply ion bombardment with appropriate energy.
In the ectron Cyclotron Resonance) plasma deposition method (see Japanese Patent Application No. 55-57877), it is possible to form a dense and high-quality silicon-based thin film comparable to the high temperature CVD method at a low temperature without heating the sample substrate. On the other hand, the sputtering method is generally widely used for metal and metal compound films. The sputtering method has an advantage that metal atoms can be easily supplied by sputtering a solid target.

【０００３】そこで、ＣＶＤ形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５８−１
５５０９７号参照）。Therefore, a sputter-type ECR plasma deposition method was developed by making use of the characteristics of both the CVD-type ECR plasma deposition method and the sputtering method (see Japanese Patent Application No. 57-156843), and the sample substrate is of high quality at low temperature without heating. It has become possible to form metal films and metal compound films. Furthermore, by changing the shape of the target from a conical cylinder shape to a right cylinder shape so that part of the plasma flow crosses the sputtering surface of the target, it is possible to greatly increase the target current and improve the film formation speed and film formation characteristics. (Japanese Patent Application Sho 58-1
55097).

【０００４】上記特願昭５８−１５５０９７号の構成概
要および膜形成原理を図１０に示す断面図により述べ
る。図１０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^-3〜１
０^-1Ｐａ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。The outline of the structure of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 58-155097 and the principle of film formation will be described with reference to the sectional view shown in FIG. In FIG. 10, 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, 3 is a microwave introduction window, 4 is a rectangular waveguide, 5 is a plasma flow, 6 is a plasma extraction window, 7 is a sample substrate, 8 is a sample stage, 9 is an exhaust system, 10 is a magnetic coil, 11 is a magnetic shield, 12 is a first gas introduction system, 13 is a second gas introduction system,
14A and 14B are a cooling water supply port and a cooling water drain port, respectively.
Is a target electrode for sputtering, 16 is a shield electrode, 17 is a cooling tube, and 18 is a sputtering power source. For the plasma, after the plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 have been evacuated to a high vacuum by the exhaust system 9, a gas is introduced from one or both of the first gas introduction system 12 and the second gas introduction system 10 ⁻³ to 1
A pressure of about 0 ⁻¹ Pa is applied, and a plasma is generated by a microwave introduced from a microwave source (not shown) through the rectangular waveguide 4 and the microwave introduction window 3 sequentially and a magnetic field formed by the magnetic coil 10. It is formed in the generation chamber 1 using electron cyclotron resonance. Then, the ECR plasma thus formed and the particles sputtered from the target electrode 15 are transported to the sample stage 8 as a plasma stream 5.

【０００５】マイクロ波源には、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たされて
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
条件を満たす構成とし、例えばＴＥ₁₁₂モードの空洞共
振器を採用し、内のり寸法で直径１５ｃｍ、高さ１５ｃ
ｍの円筒形状とし、そして、冷却水の給水、排水口１４
Ａ、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、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。The microwave source has a frequency of 2.45 GHz.
The electron cyclotron resonance condition at this time is a magnetic flux density of 875 G, and at least a part of the plasma generation chamber 1 satisfies this condition. In order to increase the electric field strength of microwaves and increase the discharge efficiency, the plasma generation chamber 1 is configured to satisfy the conditions of the microwave cavity resonator. For example, a TE ₁₁₂ mode cavity resonator is adopted, and the inner dimension is 15 cm in diameter. Height 15c
m cylindrical shape, and supply of cooling water, drain port 14
It is cooled using A and 14B. Plasma generation chamber 1
Then, circular motion electrons in a high energy state are formed by electron cyclotron resonance, and ECR plasma gas is formed by collision ionization with gas molecules. However, since the electrons have a magnetic moment due to circular motion, the magnetic coil 10
Due to the interaction with the divergent magnetic field in the direction of the sample stage, the plasma drawing window 6 accelerates while circularly moving and is guided toward the sample stage 8. Furthermore, since the sample stage 8 is electrically insulated from the plasma generation chamber 1, an electric field that decelerates electrons and accelerates ions is generated between the plasma generation chamber 1 and the sample stage 8, and the plasma is plasma. The plasma flow 5 is drawn out from the drawing window 6 toward the sample stage.
Due to the effect of this electric field, ions in the plasma flow are given appropriate ion energy for film formation.

【０００６】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１
８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５〜１０ｍｍの間隙をも
って覆われている。また、冷却水の給水、排水口１４
Ａ、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。The target electrode 15 has a right cylindrical shape in the vicinity of the plasma drawing window 6 of the sample chamber 2 in order to efficiently use highly active ECR plasma for sputtering.
It is placed at a position that crosses the plasma flow 5 and has a sputtering power source 1
8 and a negative voltage is applied. Then, in order to prevent abnormal discharge and incidence of unnecessary ions, the target electrode 15 is covered with a shield electrode 16 having a ground potential with a gap of 5 to 10 mm at a portion not facing the plasma flow 5. Also, supply of cooling water, drain port 14
By circulating cooling water through A and 14B and cooling the shield electrode 16 with water by the cooling pipe 17, the target electrode 15 is cooled by radiation heat conduction, and the temperature of the sample substrate 7 and the sample chamber 2 due to the heat of the target electrode. It has a structure that prevents it from rising.

【０００７】以上の構成において、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極１
５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５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５〜３０ｅＶ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。In the above structure, for example, when argon (Ar) gas is introduced from the first gas introduction system 12 to generate plasma, the plasma flow 5 causes the target electrode 1 to flow.
The argon ions transported to the vicinity of the surface of No. 5 are accelerated by the negative voltage applied to the target electrode 15 and impinge upon the surface of the target electrode to give an impact, whereby atoms constituting the target electrode 15 are sputtered and the plasma flow 5 Jump out inside. The atoms are ionized in the plasma flow 5, are carried toward the sample stage 8 by the ion acceleration electric field generated in the plasma flow described above, are given appropriate ion energy, and enter the sample substrate 7. Adhesion
Deposit to form a good quality film at low temperature. The ion energy at this time is about 5 to 30 eV and can be controlled by microwave power, gas pressure, etc., so that the film quality can be freely controlled for thin films of a wide range of materials.

【０００８】[0008]

【発明が解決しようとする課題】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。As described above, according to the Japanese Patent Application No. 58-155097, the sputter type ECR is used.
By using the plasma deposition method and by arranging the target shape into a right cylinder shape so that part of the plasma flow crosses the sputtering surface of the target, the target current is greatly increased, and the film formation speed and film formation characteristics are improved. However, it is required to increase the ionization rate / activity of the adhered particles in order to efficiently transport the adhered particles and promote the film forming reaction by the plasma flow and further improve the film forming characteristics. It In particular, sputtered metal atoms have been conventionally ionized and activated by a structure in which a plasma flow passes through a straight cylindrical target electrode, but in addition to this, magnetron discharge on the target surface is used. By doing so, ionization and activation of metal atoms are further promoted, and the film formation characteristics can be controlled in a wider range by parameters such as gas pressure and sputtering voltage, contributing to dramatic improvement of characteristics and development of various thin film materials. It is expected that it will be possible.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、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方法を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to further increase a target current by using a magnetron discharge in addition to an ECR discharge to increase the deposition rate. With the increase of
It is an object of the present invention to provide a plasma deposition method capable of improving the ionization and activation of sputtered metal particles and forming a good quality metal film or metal compound film at low temperature with good controllability.

【００１０】本発明の特徴は、上記目的を達成するため
に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方法にお
いて、ターゲット電極を、磁気コイルにより発生する発
散磁界のうちの一部分の磁力線がスパッタ表面のある部
分から出て他の部分に戻るような局所磁界を発生させる
電極とし、ターゲット電極のターゲット材を金属で構成
し、１００Ｖ以上の電圧領域におけるターゲット電極に
流れる電流値が急上昇する電圧を越える電圧を印加し、
酸素分圧を１〜３×１０^-2Ｐａ程度にして酸化物膜を形
成することを特徴とする。The features of the present invention are: a sample chamber including a sample stage in which a sample substrate to be formed with a film to achieve the above object is arranged; a plasma generation chamber for introducing a gas to generate plasma; A plasma extraction window for guiding the generated plasma to the sample chamber as a plasma flow, and a target electrode arranged between the plasma extraction window and the sample stage, and a thin film on the sample substrate by sputtering the target electrode. In the plasma deposition method of depositing and depositing, the target electrode is an electrode that generates a local magnetic field such that a part of the magnetic field lines of the divergent magnetic field generated by the magnetic coil exits from one part of the sputter surface and returns to another part. The target material of the target electrode is made of metal, and the current value flowing through the target electrode in the voltage range of 100 V or more is steep. Applying a voltage exceeding the voltage raising,
The oxide film is characterized in that the oxygen partial pressure is set to about 1 to 3 × 10 ^-2 Pa.

【００１１】即ち、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Ｅ×Ｂ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躍的向上
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。That is, in the present invention, the structure of the target electrode 15 is modified so that a part of the divergent magnetic field generated by the magnetic coil 11 is in the vicinity of the sputtering surface of the target electrode 15 and the magnetic lines of force are on the sputtering surface. The electrode structure is such that a local magnetic field B is generated so that the local magnetic field B returns to another part from the above, and by this, an electromagnetic field represented by the relationship of E × B is realized between the sputtering field and the sputtering electric field E on the sputtering surface. This is intended to enable magnetron discharge near the surface. With this magnetron discharge, the target current is increased to dramatically improve the deposition rate, and the ionization and activation of the metal particles sputtered from the sputter surface are promoted. It is intended to further increase the film quality improving effect.

【００１２】[0012]

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図５により説明す
る。図１は実施例装置の断面図、図２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、図３は上記ターゲット構成での磁力線測定図、図
４、図５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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a cross-sectional view of an apparatus of the embodiment, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a target portion when a soft iron ring is used to generate a local magnetic field, FIG. It is a figure which shows the experimental result about the discharge characteristic and film formation characteristic which were each obtained by the said target structure.

【００１３】図１の実施例において、図１０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の部分の拡大図が図２であ
る。図２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８０ｍｍ、厚さ
２ｍｍ、円筒軸方向の長さ５５ｍｍの円筒化ターゲット
材１５Ａ、内径８４ｍｍ、厚さ５ｍｍ、軸方向長さ２４
ｍｍの軟鉄リング１５Ｂ、内径８４ｍｍ、厚さ５ｍｍ、
軸方向長さ３１ｍｍの金属製支持リング１５Ｃより構成
されており、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、１６Ｃ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。In the embodiment of FIG. 1, the difference from the conventional structure of FIG. 10 lies in the structure of the target electrode 15, and the parts other than the target electrode 15 have the same structure and function. FIG. 2 is an enlarged view of the portion of the target electrode 15. FIG. 2 shows an embodiment in which a soft iron ring is used to generate a local magnetic field. The target electrode 15 has an inner diameter of 80 mm, a thickness of 2 mm, and a cylindrical target material 15A having a length of 55 mm in the cylinder axis direction, an inner diameter of 84 mm, and a thickness of 5 mm. , Axial length 24
mm soft iron ring 15B, inner diameter 84 mm, thickness 5 mm,
It is composed of a metallic support ring 15C having an axial length of 31 mm, and the cylindrical target material 15A is connected to a sputtering power source 18. The shield electrodes 16A, 16B, and 16C are kept at the ground potential, and prevent abnormal discharge of the target electrode and incidence of unnecessary ions on the target electrode. An insulating spacer 19 electrically insulates the target electrode and the shield electrode. 20 is an electrode pin, 21 is an insulating tube, 22 is a target support screw, and 23 is a target fixing screw.

【００１４】こ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。図
３は、ターゲット材１５Ａの表面での磁界測定を行い磁
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）、２６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、２
７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
〜３００Ｇ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１０ｍｍ程度まで存在する。電
子は磁界ベクトル２５と直交するスパッタ電界２８から
Ｅ×Ｂの運動エネルギーを得て磁力線に沿って回転しな
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１
５Ａ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１０ｍｍ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。With the construction of this embodiment, the soft iron ring 15B is formed.
Is magnetized by a divergent magnetic field generated by the magnetic coil 10 to easily generate a local magnetic field on the surface of the target material 15A. FIG. 3 shows the magnetic field line distribution estimated by measuring the magnetic field on the surface of the target material 15A. 24 is a magnetic field line in the vicinity of the target surface, 25 is a magnetic field vector (B), 26 is an electron transported by the plasma flow from the plasma generation chamber, 2
7 is an electron trapped in the magnetron discharge region, 28
Is a sputtering electric field (E), and 29 is a magnetron discharge region. The magnetic force lines 24 have a distribution in which the upper and lower portions of the target material 15A approach the surface of the target material, and the central portion of the magnetic field lines 24 moves away from the surface of the target material.
~ 300G. Then, this local magnetic field region exists up to about 10 mm from the surface of the target material 15A. The electrons obtain kinetic energy of E × B from the sputtering electric field 28 orthogonal to the magnetic field vector 25 and move while rotating along the lines of magnetic force. Thus, the electrons 26 transported by the plasma flow from the plasma generation chamber
And secondary electrons generated by sputtering are the target material 1
5A is confined near the surface due to the effect of the electromagnetic field,
A high density plasma region having a thickness of about 10 mm is formed on the surface of the target material 15A and becomes a magnetron region 29.

【００１５】図４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ガス導入系からＡｒガス
を、第２ガス導入系からＯ₂ガスを導入し、ターゲット
材料としてはＡｌを用い、マイクロ波パワーを３００Ｗ
とした場合である。Ａｒガス流量１０ＳＣＣＭ、Ｏ₂ガ
ス流量５ＳＣＣＭ（１.８×１０^-1Ｐａ）では、本実施
例の場合、図１０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３００Ｖ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２０ＳＣＣＭ、Ｏ₂ガス流量１０ＳＣＣＭ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。FIG. 4 shows the voltage-current characteristics of the target as an example of the characteristics of this embodiment. Ar gas was introduced from the first gas introduction system, O ₂ gas was introduced from the second gas introduction system, Al was used as the target material, and the microwave power was 300 W.
That is the case. At an Ar gas flow rate of 10 SCCM and an O ₂ gas flow rate of 5 SCCM (1.8 × 10 ⁻¹ Pa), in the case of the present embodiment, a target voltage of about 300 V is obtained when compared with the case where only the right cylindrical target shown in FIG. 10 is used. The target current greatly increases in response to the generation of the magnetron discharge, and reaches 1.5 times the target voltage of 500V. This tendency becomes remarkable as the gas pressure increases, and
It can be seen that when the gas flow rate is 20 SCCM and the O ₂ gas flow rate is 10 SCCM, the target current rapidly increases at the target voltage of 300 V, and the magnetron discharge is stably generated on the surface of the target material.

【００１６】図５にＡｌ₂Ｏ₃についての膜形成特性を、
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１８ＳＣＣＭ、ターゲット電圧は４００Ｖ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、Ｏ₂ガス流量２ＳＣＣＭ以上で
は、両方のターゲット構成とも１．６程度とＡｌ₂Ｏ₃膜
固有の値を示す。しかし、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。FIG. 5 shows the film forming characteristics of Al ₂ O ₃ ,
The case of using the configuration of the present embodiment and the configuration using the conventional right cylindrical target will be compared and shown. The Ar gas flow rate was 18 SCCM and the target voltage was 400 V. In the conventional configuration, the microwave power was increased to match the target current with the configuration of this example using the soft iron ring. With respect to the refractive index, when the O ₂ gas flow rate is ₂ SCCM or more, both target configurations show about 1.6, which is a value peculiar to the Al ₂ O ₃ film. However, in the case of the configuration of this example, the deposition rate is significantly improved in the low oxygen partial pressure region, and the deposition efficiency is increased.

【００１７】以上のように、図２の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、
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。As described above, by forming a local magnetic field in the vicinity of the target with the target electrode structure shown in the embodiment of FIG. 2, in addition to ECR discharge, a high density plasma region in the magnetron discharge mode is generated in the vicinity of the target surface. Stable formation at a low gas pressure, resulting in a large increase in target current and an increase in the ionization rate of adhered particles centered on sputtered particles, enabling plasma flow transport to increase the deposition rate at an accelerated rate. Becomes Also,
According to the present embodiment, only by arranging the soft iron ring 15B on the back surface of the target material 15A, it is possible to form a local magnetic field on the target surface without affecting the divergent magnetic field in the portion away from the target.

【００１８】図６、図７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。図６は、径方向にＮ極及び
Ｓ極に着磁したリング状磁石１５Ｄを、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１５Ｃ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。図７は、ターゲット材１
５Ａ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。図
６及び図７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。6 and 7 show another embodiment of the present invention, respectively.
The formation structure of a local magnetic field is shown. In FIG. 6, ring-shaped magnets 15D that are magnetized in the radial direction into N-poles and S-poles are arranged above and below the back surface of the cylindrical target material 15A with a metal ring 15C interposed therebetween. As the material of the ring-shaped magnet 15D, Alnico 5 or the like is used in consideration of the high temperature of the target surface and the conductivity. FIG. 7 shows the target material 1.
The back surface of 5A has a metal support ring 15C on its entire surface,
The local magnetic field generating coil 30 is wound around the outside. According to the target configurations of FIGS. 6 and 7, since the magnetic force lines that cross the target increase, it becomes possible to suppress the dissipation of electrons from the high-density plasma region formed on the surface of the target material, and it is possible to suppress the secondary electrons. Even when Ta or the like having low generation efficiency is used as the target material, there is an advantage that a stable magnetron discharge mode can be obtained.

【００１９】図８、図９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。図８の実施例構成では、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
ゲットつば３１を付加する。図８の実施例によれば、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、図４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。FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views showing still another embodiment of the present invention, showing a target structure in which the efficiency and the gas pressure of the magnetron discharge mode are reduced. Generally, in the lower part of the target electrode, electrons in the high-density plasma formed on the target surface flow into the shield electrode which is kept at the ground potential, and the sputtering electrode disturbs the sputtering electric field. It is easy to dissipate to the outside. In the configuration of the embodiment of FIG. 8, in order to improve the above two points, the lower shield electrode 16C is arranged via the quartz plate 16D, and the target flange 31 is added to the lower surface of the target material 15A. According to the embodiment of FIG. 8, although the target structure is slightly complicated, electrons can be pushed back to the high density plasma region of the target surface, and the voltage-current characteristics similar to those of FIG. 4 are stable at a lower gas pressure. There are advantages to be obtained.

【００２０】さらに、図９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、図８に示す実施例
と同様に、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、Ａｌ₂Ｏ₃膜について
膜形成速度１０００Å／ｍｉｎ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Ａｌ₂Ｏ₃
膜のバルク値と同じ値が得られており、高速付着におい
ても充分に酸化反応の進んだＡｌ₂Ｏ₃膜が得られた。Further, FIG. 9 shows that electrons in the lower part of the target electrode are prevented from being dissipated outside the high-density plasma region,
Another embodiment for stabilizing the magnetron discharge mode is shown. In this target configuration, similarly to the embodiment shown in FIG. 8, a quartz plate 16D is arranged, and a soft iron ring having a length of about ½ of the soft iron ring arranged above the target electrode 15A is also used as the target material 15A. Place it on the back side of. With this configuration, most of the magnetic force lines associated with the local magnetic field end in the lower part of the target, and it is possible to efficiently confine the electrons moving along the magnetic force lines into the high-density plasma region on the target surface. In fact, with this target structure, good characteristics were obtained at a target voltage of 500 V at a low gas pressure, a target current of 2 A, and a film formation rate of about 1000 Å / min for an Al ₂ O ₃ film. The film obtained at this time had a refractive index of 1.65 and had an Al ₂ O ₃ content of
The same value as the bulk value of the film was obtained, and an Al ₂ O ₃ film in which the oxidation reaction was sufficiently advanced even in the high-speed deposition was obtained.

【００２１】[0021]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スパッタ形ＥＣＲプラズマ付着装置にて、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。As described above, according to the present invention,
In the sputtering type ECR plasma deposition device, by supplying electrons by ECR discharge, magnetron discharge at low gas pressure near the surface of the target material is possible, thereby increasing target current at low gas pressure and improving deposition rate. It will be possible. In addition, this magnetron discharge accelerates the ionization and activation of sputtered metal particles, further enhances the transport effect of adhered particles by the plasma flow and the film quality improvement effect by ion bombardment, resulting in high-quality metal films and metal compound films. Can be formed with high adhesion efficiency and further improved controllability of film quality and the like. Particularly for the metal compound film, since the reactive gas is also activated by the magnetron discharge, the chemical reaction law is relaxed and the deposition rate and the film quality can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の一実施例の断面図。FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the present invention.

【図２】図１中の要部拡大図。FIG. 2 is an enlarged view of a main part in FIG.

【図３】図２のターゲット構成での磁力線測定図。FIG. 3 is a magnetic field line measurement diagram with the target configuration of FIG. 2.

【図４】図２のターゲット構成で得られる放電特性を示
す図。FIG. 4 is a diagram showing discharge characteristics obtained with the target configuration of FIG.

【図５】図２のターゲット構成で得られる膜形成特性の
実験結果を示す図。5 is a diagram showing an experimental result of film forming characteristics obtained by the target configuration of FIG.

【図６】本発明の他の実施例を示す要部断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of essential parts showing another embodiment of the present invention.

【図７】本発明の他の実施例を示す要部断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view of essential parts showing another embodiment of the present invention.

【図８】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。FIG. 8 is a sectional view of a target portion showing still another embodiment of the present invention.

【図９】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。FIG. 9 is a sectional view of a target portion showing still another embodiment of the present invention.

【図１０】従来構成を示す断面図。FIG. 10 is a sectional view showing a conventional configuration.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 １２、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 １５Ｃ・・・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・・・ターゲットつば 1 ... Plasma generation chamber 2 ... Sample chamber 3 ... Microwave introduction window 4 ... Rectangular waveguide 5 ... Plasma flow 6 ... Plasma extraction window 7 ... Sample substrate 8 ... ..Sample stage 9 ... Exhaust system 10 ... Magnetic coil 11 ... Magnetic shield 12, 13 ... Gas introduction system 14 ... Cooling water supply / drainage port 15 ... Target electrode 15A ..Cylindrical target material 15B ... Soft iron ring 15C ... Metal support ring 15D ... Ring magnets 16A, B, C ... Shield electrode 16D ... Quartz plate 17 ... Cooling tube 18・ ・ ・ Sputtering power source 19 ・ ・ ・ Insulating spacer 24 ・ ・ ・ Magnetic field line 25 ・ ・ ・ Magnetic field vector 28 ・ ・ ・ Sputtering electric field 29 ・ ・ ・ Magnetron discharge area 30 ・ ・ ・ Local magnetic field generating coil 31 ・ ・ ・ Target brim

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項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、ガスを導入して磁気コイルによ
り形成される磁界と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発生させるプラズマ生成室
と、前記磁気コイルは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かって次第に弱くなる発
散磁界を生じる磁界源であり、発生したプラズマを前記
試料室に導くプラズマ引き出し窓と、該プラズマ引き出
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方法に
おいて、 前記ターゲット電極を、前記磁気コイルにより発生する
発散磁界のうちの一部分の磁力線がスパッタ表面のある
部分から出て他の部分に戻るような局所磁界を発生させ
る電極とし、前記ターゲット電極のターゲット材を金属
で構成し、１００Ｖ以上の電圧領域における前記ターゲ
ット電極に流れる電流値が急上昇する電圧を越える電圧
を印加し、酸素分圧を１〜３×１０^-2Ｐａ程度にして酸
化物膜を形成することを特徴とするプラズマ付着方法。1. A sample chamber including a sample stage on which a sample substrate to be formed with a film is arranged, and a gas is introduced to generate a plasma by an electron cyclotron resonance discharge by a magnetic field formed by a magnetic coil and a microwave. The plasma generation chamber and the magnetic coil are magnetic field sources that generate a divergent magnetic field in which the magnetic field strength is gradually weakened from the plasma generation chamber toward the sample stage in order to draw plasma from the plasma generation chamber to the sample stage, It has a plasma extraction window for guiding the generated plasma to the sample chamber and a target electrode arranged between the plasma extraction window and the sample stage, and a thin film is deposited on the sample substrate by sputtering the target electrode. In the plasma deposition method of depositing, the divergent magnetic field generated by the magnetic coil is applied to the target electrode. An electrode for generating a local magnetic field in which a magnetic field of a part of the magnetic field is emitted from a certain portion of the sputtering surface and returned to another portion, the target material of the target electrode is made of metal, and the target electrode in a voltage range of 100 V or more is used. A plasma deposition method, characterized in that a voltage exceeding the voltage at which the current flowing through the electrode rapidly increases is applied to form an oxide film with an oxygen partial pressure of about 1 to 3 × 10 ^-2 Pa.