JPS639584B2

JPS639584B2 -

Info

Publication number: JPS639584B2
Application number: JP15509783A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Ono; Seitaro Matsuo
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1988-02-29
Also published as: JPS6050167A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、半導体集積回路などの電子デバイス
の製造にあたり試料基板上に各種材料の薄膜を形
成するためのプラズマ付着装置に関するものであ
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ためのプラズマ付
着装置に関するものである。

（従来技術）従来、プラズマを利用した膜形成装置として
は、大きく分けて、スパツタ装置とプラズマ
CVD装置がある。前者は主として金属膜または
金属化合物膜などを対象とし、後者は主として
SiO₂、Si₃N₄、Siなどのシリコン系材料の薄膜形
成を対象としている。

原料供給法からみれば、前者は固体材料をター
ゲツトとして、イオンで衝撃し、固体表面から放
出されるスパツタ原子を膜形成すべき基板に付着
堆積させて膜形成する。後者は原料のガスの形で
供給し、例えばSiH₄やN₂またはO₂などのガスを
プラズマを利用して分解、反応させ、Si₃N₄や
SiO₂膜などを基板上に形成する。

従来の高周波放電プラズマを利用したプラズマ
CVD法では、試料基板を250℃〜400℃に加熱す
る必要があり、しかも形成されたSi₃N₄膜などの
膜質も緻密性などの点で不十分であつた。

これに対して、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引起すようにした
ECRプラズマ付着法は特願昭55−57877号（特開
昭56−155535号公報）およびこれに対応する米国
特許出願第257616号に提案されているが、これに
よれば、基板加熱なしの低温で高温CVD法に匹
敵する緻密かつ高品質のSi₃N₄などのシリコン系
の膜を形成することができる。

しかしながら、金属や金属化合物の膜形成の場
合には、シリコン系の場合のSiH₄などのような
適当なガスがなく、ガスの形で供給できるものは
弗化物、塩化物、臭化物のようなハロゲン化物に
限られている。これらハロゲン化物を供給するに
は加熱や特殊な導入系を必要とするうえ、プラズ
マによる分解が困難または不安定であり、従つて
良質の膜を得るのが困難であるという欠点があつ
た。

また、従来のスパツタ法では、試料基板に入射
する原子について膜形成反応を促進させるための
イオン化およびイオンエネルギの制御がなされて
おらず、低温で付着性のよい良質な膜が得られな
いという欠点があつた。

（目的）本発明は、以上の状況に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、スパツタ法の原料供給法の容
易さと、ECRプラズマ付着法の膜形成特性の特
長とを両立させ、かつ両者の欠点を解決して、金
属や金属化合物などについて極めて広範囲の材料
の薄膜を低温で安定に、かつ良質に形成すること
のできるプラズマ付着装置を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、形成される膜の性質を広
範囲に制御できるプラズマ付着装置を提供するこ
とにある。

本発明の更に他の目的は、付着の効率が高いプ
ラズマ付着装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、保守が容易であり、
膜形成の歩留りの向上したプラズマ付着装置を提
供することにある。

本発明の更に他の目的は、ターゲツト電流の増
加および付着速度の向上を図つたプラズマ付着装
置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、種々の材料のターゲ
ツトを容易に用いることができるようにしたプラ
ズマ付着装置を提供することにある。

（発明の構成）かかる目的を達成するために、本発明プラズマ
付着装置は、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、膜形成すべき試料基板を配
置するための試料台を有し、その試料基板上に薄
膜を付着して堆積させる試料室と、プラズマ生成
室と試料室との間に配置されたプラズマ引出し窓
と、スパツタリング材料により円筒形状に形成さ
れ、プラズマ引出し窓と試料台との間にプラズマ
流を取り囲むように配置されたターゲツトと、こ
のターゲツトをスパツタするためのイオンをプラ
ズマ生成室で発生したプラズマによるプラズマ流
の一部から引出してターゲツトに入射させる第１
手段と、プラズマ流をプラズマ引出し窓を介して
試料室に導くと共にスパツタされた原子を試料基
板まで輸送する第２手段とを具え、かかるイオン
によりターゲツトをスパツタして、そのスパツタ
原子をプラズマ流に取り込んで試料基板まで輸送
してその試料基板に入射させ、当該試料基板上に
スパツタリング材料の薄膜またはかかるスパツタ
リング材料の元素を含む化合物や合金の薄膜を形
成するように構成する。

本発明では、上述のターゲツトをプラズマ引出
し窓の近傍であつて、しかもプラズマ流に接触す
るように配置するのが好適である。

ここで、円筒形状ターゲツトのスパツタされる
面がプラズマ流の一部と交差するようにするのが
好適である。

ここで、プラズマ生成室では、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
生成するのが好適である。

本発明では、上述した第１手段を、ターゲツト
が負になるように接続されたスパツタ電源を有す
るものとすることができる。

また、本発明の好適例では、上述した第２手段
は、プラズマ生成室から試料室に向けて磁界強度
が適当な勾配で弱くなる発散磁界の磁界分布をも
つ磁気コイルを有する。

ここで、ターゲツトのうち、プラズマ流に面し
ていない部分をシールド電極によつて覆うのが好
適である。

さらに、このシールド電極を冷却し、それによ
り輻射熱伝導によつてターゲツトを冷却するのが
好適である。

さらにまた、円筒形状ターゲツトを、複数種類
のターゲツト材料からなる円筒を同心状に多重し
て構成したり、あるいは複数種類のターゲツト材
料からなるほぼ同一径の円筒をプラズマ流の流れ
の方向に重ね合わせて構成することができる。

あるいはまた、円筒形状ターゲツトを電気的に
独立した複数個のターゲツト部分より形成し、こ
れらターゲツト部分の各々を独立に個別のスパツ
タ電源に接続し、以て各ターゲツト部分のスパツ
タリングを独立して制御できるようにしてもよ
い。

また、上述した試料台をプラズマ生成室とは電
気的に絶縁するのが好適である。

さらにまた、プラズマ生成室にのみ第１ガス導
入系を設け、あるいはプラズマ生成室には第１ガ
ス導入系を設けると共に試料室には第２ガス導入
系を設けるようにしてもよい。

（実施例）以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示し、ここに１は
プラズマ生成室、２は試料室である。３はマイク
ロ波導入窓であり、この実施例では石英ガラス板
で形成するものとする。矩形導波管４よりマイク
ロ波導入窓３を介してプラズマ生成室１へ導かれ
るマイクロ波のマイクロ波源（図示省略）として
は、例えば、周波数2.45GHzのマグネトロンを用
いることができる。

プラズマ生成室１において、マイクロ波導入窓
３と対向する他端にはプラズマ引出し窓５を設
け、この窓５を介して、生成されたプラズマから
プラズマ流６を引出して、試料基板７を載置した
試料台８上に導く。試料室２は排気系９に接続さ
れている。この排気系９は、例えば排気容量調整
バルブ、液体窒素トラツプ、排気能力2400／
secの油拡散ポンプおよび排気能力500／minの
油回転ポンプ（いずれも図示省略）により構成で
きる。

プラズマ生成室１は、マイクロ波の電界強度を
高め、マイクロ波放電の効率を高めるように、マ
イクロ波空胴共振器の条件にするのが好都合であ
る。そこで、かかる一例として、円形空胴共振モ
ードTE₁₁₂を採用し、プラズマ生成室１を内のり
寸法で、直径15cm、高さ15cmの円筒形状とした。
計算上では、かかる条件を満たすのは、直径15cm
に対して高さ約14cmとなるが、プラズマ生成後の
左回り円偏波の波長の変化を考慮して上述のよう
に高さ15cmを採用した。なお、サイクロトロン運
動電子と直接結合する右回り円偏波の波長はプラ
ズマ生成により十分波長が短くなり、プラズマ生
成後は厳密な高さ寸法の規定を必要としない。プ
ラズマ引出し窓５は一例として直径６cm程度の円
形窓とすることができる。

プラズマ生成室１の外周には磁気コイル１０を
周設し、これによつて発生する磁界の強度を、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴（ECR）
の条件がプラズマ生成室１の内部の少なくとも一
部で成立するように定めるものとする。１１は磁
気シールドである。周波数2.45GHzのマイクロ波
に対しては、この条件は磁束密度875Gであるた
め、磁気コイル１０はこれ以上の最大磁速密度を
発生し得るように構成する。また、磁気コイル１
０によつて発生する磁界は、プラズマ生成室１に
おける電子サイクロトロン共鳴に供するだけでな
く、その磁界が試料室２にも及ぶように構成して
あり、試料室２内の磁界の強度はプラズマ引出し
窓５から試料台８に向けてさらに適当な勾配で減
少する発散磁界の形成にも供され、それによりプ
ラズマ生成室１から試料台８へのプラズマ流６の
引出しにも用いるものとする。

電子サイクロトロン共鳴により高エネルギー状
態となつた円運動電子の磁気モーメントと発散磁
界の磁界勾配との間の相互作用により、電子は磁
力線に沿つて試料台８の方向に円運動をしつつ加
速される。しかし、試料台８の表面とプラズマ生
成室１とは電気的に絶縁して構成しているので、
試料台８が負の電位を発生し、プラズマ流中に、
電子を減速させ、イオンを加速する電界を発生
し、試料台８上に同数の電子とイオンが到達する
ような条件が保たれる。すなわち、この発散磁界
構成により、電子のエネルギーがイオンの試料台
８への入射エネルギーに変換され、適度のイオン
衝撃によつて効率のよい付着と膜形成反応を生じ
る。この場合のイオンエネルギーは５〜30eV程
度であり、マイクロ波パワーやガス圧などによつ
てその値を制御することができる。従つて、広範
囲の材料の薄膜に対して膜質を自由に制御でき
る。

ガス導入系としては、プラズマ生成室１にAr、
N₂、O₂、H₂などのプラズマ生成用ガスを導く第
１ガス導入系１２と、試料室２にSiH₄、N₂、O₂
などの原料ガスを導入する第２ガス導入系１３と
の２系統を有する。なお、この第２ガス導入系１
３は形成すべき薄膜によつては設けなくともよい
場合がある。また、プラズマ生成室１の壁部には
給水口１４から冷却水を流し、その冷却水を排水
口１５から排出することによりプラズマ生成室１
を冷却する。また、同様にして、試料台８および
磁気コイル１０も冷却できるようになつている。

以上の構成は、上述した特願昭55−57877号に
開示されているプラズマ付着装置とほぼ同様の構
成とすることができる。

さらに、試料室２において、プラズマ引出し窓
５に近接してプラズマ流６を取り囲む形状でプラ
ズマ流６に接触するように、Al、Mo、Nbなど
のスパツタリング材料による直円筒形状のスパツ
タリングターゲツト４１を配置する。ここで、タ
ーゲツト４１はリング状ターゲツトホルダ４２に
取付け、ターゲツト４１のプラズマ流６に面して
いない部分を接地電位のシールド電極４３によつ
て間隙５〜10mmをもつて覆い、それにより、ター
ゲツト４１のスパーク放電等の異常放電あるいは
不要なイオンの入射を防止する。

シールド電極４３の外側表面には冷却管４４を
配置し、この冷却管４４に給水口４５から冷却水
を供給し、排水口４６から排水する。これによ
り、シールド電極４３を冷却し、以て、スパツタ
リングターゲツト４１を輻射熱伝導により冷却す
る。これにより、膜形成の安定化を図ることがで
きる。

真空中の輻射熱伝導はステフアン−ボルツマン
の法則により理論的にもとめることができ、絶対
温度の４乗に比例する。これによれば、温度200
℃以上では充分な熱伝達が可能となり、スパツタ
リングターゲツト４１を効果的に冷却することが
できる。本実施例では、円筒状ターゲツト４１の
面が試料基板７の面と垂直に構成しているため、
ターゲツト４１の面から放射される熱は試料基板
７へ殆ど影響しない。したがつて、本構成におい
てはターゲツト４１自身が変形、変質しない温度
に冷却されれば良く、輻射熱伝導による冷却で充
分な効果がえられる。また、ターゲツト４１自身
に冷却機構を設ける必要がないために、ターゲツ
ト構造の簡便化のために非常に効果的である。

また、膜形成の面からみれば、ターゲツト４１
の面で負イオンが生成され、ターゲツト電圧のエ
ネルギでターゲツト面に対して垂直に飛び出す場
合があり、従来のスパツタ法では試料表面の損傷
の原因となつていたが、本発明では、このような
高エネルギ粒子は再びターゲツト面に入射し、試
料面に達しない。このため、試料表面の損傷が生
ぜず、膜形成に最適なエネルギの粒子のみが試料
面に到達する。

再び、第１図において、スパツタリングターゲ
ツト４１はホルダ４２を経てさらにスパツタ用電
源１９に接続する。この電源１９は、例えば、最
大電圧1000V、最大電流1Aの容量の直流電源と
する。スパツタ用電源１９としては高周波スパツ
タ装置と同様の考えで高周波電源を用いることも
できる。

スパツタリングターゲツト４１が負になるよう
に電源１９を接続して、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、第７図に示すように、プラズ
マ流６中のアルゴンイオンAr⁺が、スパツタリン
グターゲツト４１の負電位（−100〜−1000V）
によつて加速されてターゲツト４１の表面に入
射・衝撃し、スパツタリングターゲツト４１を構
成する金属Ｍの原子がスパツタされてプラズマ流
６中に飛び出す。かかるプラズマ流６中でこのス
パツタ原子は電子との衝突によりイオン化されて
M⁺となり、先に説明したように、プラズマ流６
中に発散磁界により誘起されている電界により、
そのイオンM⁺は試料台８の方向に輸送され、そ
れと共に膜形成反応を促進させる適度のエネルギ
ーと方向性を与えられて試料基板７に入射して付
着し、堆積して金属Ｍの膜が形成される。

第２図に示すように、プラズマ流６の上流側は
強磁界であり、下流側は弱磁界であるので、かか
る磁界による磁界勾配とターゲツト４１面の負電
位との相互作用によつて、電子ｅは、ターゲツト
面からの２次電子も含めて、プラズマ流６とター
ゲツト４１の面との間に捕捉され、プラズマ流の
ターゲツト表面近傍のプラズマ密度が増加する。
その結果、異常放電を防止できるとともにイオン
化効率を向上させることができる。

次に、本発明プラズマ付着装置の特性の具体例
について述べる。第１ガス導入系１２にArガス
を導入してプラズマを生成する場合、プラズマ生
成室１のガス圧が１×10^-5Torr〜10^-2Torr以上
というきわめて広範囲のガス圧領域において安定
に放電を行うことができた。特に最適なガス圧領
域は、１×10^-4Torr〜１×10^-2Torrであつた。

スパツタリング用ターゲツト４１をAlで形成
し、マイクロ波パワーを100W、スパツタ用電源
１９の電圧を500Vとしたとき、ターゲツト４１
に400ｍＡのイオン電流が流れた。このとき、ス
パツタリング用ターゲツト４１にアルゴンイオン
衝撃によるスパツタリング反応を生じてプラズマ
流全体が深い青色を呈し、Al原子が均一にスパ
ツタされる状態が観察された。

本発明によれば、第２図に示したように、スパ
ツタされたＭ原子がプラズマ流６中でイオン化さ
れてM⁺となり、プラズマ流６と一体となつて試
料台８上に輸送されて薄膜を形成するので、プラ
ズマ流６が試料台８を照射する領域、この例では
15cmφの領域に限定されて膜が形成され、従つて
効率のよい膜形成が可能である。また、この領域
では均一性のよい膜形成が可能であり、中央10cm
φの領域では±５％以下の均一性が得られた。

更にまた、付着するイオンおよびプラズマ流中
の他のイオンがすでに述べたように適度のエネル
ギを持つているから、付着性よく良質な膜形成が
可能である。常温でAl膜を形成したにも拘らず、
きわめて付着性よく1μｍの厚さの膜を鏡面状態
で形成することができた。また、テフロンのよう
な付着性のきわめて低い材料を基板として用いて
も、その上にきわめて付着性よく膜を形成するこ
とができた。

第１ガス導入系１２からArとO₂の混合ガス
（もしくはO₂ガスのみ）を導入し、あるいは第１
ガス導入系１２からArおよび第２ガス導入系１
３からO₂を導入してスパツタリング用ターゲツ
トAlと組合せることによつて、Al₂O₃膜を低温で
緻密かつ高品質に形成することができる。また、
O₂の代わりにN₂を導入することにより、AlN膜、
さらにスパツタリング用ターゲツト１６の材料と
して、Mo、Ｗ、Ta、Nbなど各種の金属、その
他の材料を用いることによつてこれらの材料の
膜、さらにはそれらの酸化膜あるいは窒化膜を形
成することができる。また、例えば、第２ガス導
入系１３からSiH₄ガスを導入することによつて
Siと金属の合金やMoSi₂、WSi₂などのシリサイ
ド膜を形成することができる。すなわち、本発明
では、第１ガス導入系１２および第２ガス導入系
１３からの導入ガスの選択、スパツタリング用タ
ーゲツト材質の選択およびこれらの組合せによつ
て、金属膜、化合物膜、合金膜などきわめて広範
囲の材料の薄膜を低温できわめて高品質に形成で
きる。

なお、ターゲツト４１の形状および構造につい
ては、上例に示したように帯状金属材料を円筒形
状に加工したものの他に、円筒形状の基体の内周
面上に帯状ターゲツト材料を付着させた構造な
ど、用途に応じて種々の大きさおよび形状とすれ
ばよいことは当然である。

上述した実施例においては、ターゲツト電極４
１とシールド電極４３は円筒形状に形成されてい
るが、必ずしも切れ目のない円筒形状に形成する
必要はなく、プラズマ流６に面して１個所または
複数個所に分割して円筒形状をなすように配置し
てもよい。

第１図示の本発明プラズマ付着装置におけるス
パツタリングターゲツト部分の具体例を第３図に
示す。ここで、シールド電極４３は上部シールド
電極４３Ａ、下部シールド電極４３Ｂおよび外周
シールド電極４３Ｃより成り外周シールド電極４
３Ｃのフランジ部４３Ｄをねじ４７により試料室
２の上壁２Ａに固着する。シールド電極４３は接
地電位とするので、ねじ４７により試料室に直接
固定できる。上部および下部シールド電極４３Ａ
および４３Ｂは、中空のつば付き円板の構造とし
て、その双方あるいは下部シールド電極４３Ｂの
みをねじ４８により着脱自在とする。更に、シー
ルド電極４３Ｂには例えばMACOR（マコール）
（コーニンググラスワークス社の商品名）な
どの加工用セラミツクによるリング状絶縁スペー
サ４９を取り付け、このスペーサ４９により、タ
ーゲツトホルダ４２に取付けたターゲツト４１を
支持する。

本例では、ターゲツト４１を直円筒とするの
で、その構造が簡単となり、帯状のターゲツト材
料をホルダ４２に沿つて円筒形状に配置すればよ
く、従つて、各種材料に対して容易にかつ安価に
ターゲツトを構成できる。具体例においては、リ
ング状ホルダ４２の厚さを５mm、内径を84mmと
し、円筒形状ターゲツト４１の厚さを２mmにでき
る。このようにターゲツト４１を薄肉にできるの
で、種々の帯状材料を用いて容易に円筒に形成す
ることができ、しかもターゲツトの交換も容易に
なる。

ホルダ４２には支持筒５０を突設し、その内部
には、一端がターゲツト４１の裏面と接触し、他
端には電源１９から電力を給電するピン５１の受
容孔をあけた電極５２を固着する。ピン５１は絶
縁管５３に固着し、この絶縁管５３を支持筒５０
に嵌合可能とする。絶縁管５３には更に別の絶縁
管５４を固着し、この絶縁管５４の内部にピン５
１の端部と電源１９からの給電線５５との接続部
を収容する。以上により、ピン５１を電極５２に
着脱自在となして、電源１９からの電力をターゲ
ツト４に供給する。

さらにまた、外周シールド電極４３Ｃに冷却管
４４を配置してスパツタリングターゲツト４１を
輻射熱伝導により冷却するとともに、ターゲツト
の熱による試料基板及び試料室内部の温度上昇を
防止する構造として、膜形成の安定化をはかるこ
とができる。このような構成では、プラズマ室１
で生成され発散磁界の効果で輸送されたプラズマ
流中イオン５６は、効率良くプラズマシース５７
に流入するため、ターゲツト電流の増加、付着速
度の向上をはかることができる。また、ターゲツ
ト面の負電位と磁界勾配の作用によつて、プラズ
マ生成室１とスパツタリングターゲツト４１との
間に電子が捕捉され、異常放電の防止とともに、
イオン化効率の向上をはかることができる。

第４図は第３図のさらに詳細例を示すもので、
帯状の円筒化ターゲツトの装着例を第３図のＣ−
C′部分の断面において示している。ここで、４１
Ａは内側円筒化ターゲツト、４１Ｂは外側円筒化
ターゲツト、４２は支持リングであり、Ｄはター
ゲツト４１Ａの継目、Ｅはターゲツト４１Ｂの継
目である。帯状ターゲツト材を円筒化して使用す
る場合、その継目が完全に密着していないと下
部、この場合支持リング４２が露出することにな
るので、円筒化ターゲツトと支持リングが異種の
材料で構成されているときには、膜中に異種の元
素が混入し、所望の純度の薄膜が得られない。一
般的に、この種の対策として継目部分を熔接によ
り接合することがとられる。しかし、材料によつ
ては熔接そのものが不可能であつたり、熔接でき
たとしても熔接部分への不純物の混入があつた
り、とくに薄板の場合には熔接部分の盛り上がり
が円筒化ターゲツトの精密な装着を難しくしてい
た。本発明では帯状ターゲツトを円筒化したもの
を２個重ねてもちいることによつて、簡便に、容
易にターゲツトの装着を可能とした。円筒化ター
ゲツトは所望の直径に成形するだけで、継目部分
は熔接などの接合を必要とせず、第４図に示すよ
うに、継目Ｄと継目Ｅが重ならないように装着す
ればよい。このとき、円筒化ターゲツトが外に開
こうとする力のもとで装着すれば円筒化ターゲツ
トの固定ができる。さらにスパツタリング時には
円筒化ターゲツトの熱応力によつて、強固に固定
される。

第５図は本発明の効果を示すもので、マイクロ
波電力とターゲツト電流との関係を表している。
ガスはAr（８×10^-2Pa）、ターゲツト電圧は500V
とした。ターゲツト電流はターゲツト面積100cm²
当たりの値である。曲線Ａは本発明における円筒
状ターゲツトの代りに本願人の先の提案に係る特
願昭57−156843号において開示した円錘円筒状タ
ーゲツトを用いた場合であり、曲線Ｂは第１図示
の本発明による直円筒状ターゲツトの場合であ
る。曲線Ｂにおいては、上述したようにイオンの
流入効果や電子の捕捉効果によつて、曲線Ａの３
倍以上のターゲツト電流が得られている。また、
このような大電流（大電力）をターゲツトに与え
ても、ターゲツトの冷却効果によつて、長時間に
わたつて安定して動作させることが可能であつ
た。

第６図は本発明のスパツタリングターゲツトに
おけるターゲツト電圧とターゲツト電流との関係
を示す図である。ガスはAr（８×10^-2Pa）とし
た。ターゲツト電流はターゲツト電圧50Vまでは
急激に上昇し、それ以上ではほぼ一定値となる。
また、このターゲツト電流はマイクロ波電力によ
つて制御することができる。したがつて、種々の
材料のターゲツトに対して、各々、最適なターゲ
ツト電流およびターゲツト電圧を、自由に、かつ
制御性良く与えることができる。

第７図は本発明による膜付着の例であつて、タ
ーゲツト４１としてTaを、ガスは第１ガス導入
系１２よりAr、第２ガス導入系１３よりO₂を導
入し、Ta₂O₅膜を形成した場合について示してい
る。ArとO₂の総流量は15c.c.／min、ターゲツト
電力は3W／cm²であつた。基板７はSiであり、水
冷の試料台８に固定した。基板温度は約45℃であ
つた。付着速度はO₂流量比が大きくなるととも
に小さくなる。これに対し、屈折率はO₂流量比
0.25まではO₂流量比とともに小さくなるが、これ
以上のO₂流量比ではTa₂O₅膜固有の値に一定と
なる。高活性なECRプラズマを利用しているた
め200Å／minと高速な膜付着であつてもTaとO₂
の反応が充分に進行し、膜固有の屈折率を有する
高品質な膜が付着性良く得られた。さらに、基板
７を加熱しない低温での膜形成にも拘わらず、緩
衝フツ酸（50％フツ酸：40％フツ化アンモニウム
＝１：１、20℃）によるエツチング速度は約20
Å／minであり、約500℃の基板加熱を必要とす
る従来のスパツタ法や、熱酸化法で得られる膜と
比較して、同等以上に緻密な膜が形成された。ま
た、このTa₂O₅膜をMOSダイオードのゲート膜
に適用し比誘導率22を得るとともに、表面損傷な
どによる界面準位の発生が極めて少なく、表面電
荷の小さい良好なダイオード特性を確認した。

以上のように、本発明の構造、配置のスパツタ
リングターゲツトを用いるスパツタ形ECRプラ
ズマ付着法では、種々の材料のスパツタリングタ
ーゲツトを簡便に用いることができ、これと高活
性なECRプラズマとの組合せによつて、低温で
高品質な薄膜を形成することができる。これまで
の説明ではターゲツト材料を１種類とし、ガスと
の組合せで薄膜を形成する場合について示してき
た。しかし、スパツタリングターゲツトの構成が
簡便であるため、複数のターゲツト材を用いて金
属化合物、合金の薄膜を形成することが容易に可
能となる。

このように複数のターゲツト材を用いる２例を
第８図および第９図に示す。

第８図は２種のターゲツト材を用いる例を示
し、リング状ホルダ４２の内側に外側円筒形状タ
ーゲツト６１を取り付ける。この外側円筒形状タ
ーゲツト６１の内側に、第１および第２内側円筒
形状ターゲツト６２および６３をプラズマ流の方
向に上下２段に積み重ねて取り付ける。外側円筒
形状ターゲツト６１は、第１または第２内側円筒
形状ターゲツト６２または６３のいずれかと同一
材料で構成するのが好適である。スパツタ電圧は
スパツタ電源１９よりターゲツト全体に印加され
る。薄膜中の２種類の材料の組成比は、第１およ
び第２内側円筒形状ターゲツト６２および６３の
幅ＸおよびＹの比Ｘ／Ｙによつて自由に制御でき
る。

第９図は２種のターゲツト材に独立にスパツタ
電圧を印加できるようにした例を示し、本例では
絶縁リング７１により、２つのリング状ホルダ７
２と７３とを電気的に絶縁した状態で結合し、各
ホルダ７２および７３の内側に第１の外側および
内側円筒形状ターゲツト７４および７５および第
２の外側および内側円筒形状ターゲツト７６およ
び７７をそれぞれ取り付ける。本例では、２個の
円筒形状ターゲツトが絶縁リング７１を介してシ
ールド電極４３内に配置されている。これら２個
のターゲツトに対して、スパツタ電源１９として
の第１および第２スパツタ電源１９Ａおよび１９
Ｂより個別に独立してスパツタ電圧を印加できる
ようにする。

このように２種のターゲツト材を配置して薄膜
を形成する場合、スパツタ粒子はプラズマ流の中
心部分に飛翔し、プラズマ流の輸送効果により試
料台に輸送されるため、試料表面の平面内で極め
て均質な薄膜が形成される。さらに、単一材料か
らなるターゲツトを用いるため、混合ターゲツト
で問題になるスパツタ成分の時間変化に起因する
薄膜の厚さ方向の不均一さも生じない。また、ス
パツタ率の極端に異なる材料の薄膜を形成する場
合、スパツタ速度を微妙に制御する必要のある場
合などには非常に有効な手段となる。以上の説明
では、２種の材料のターゲツトを用いる場合につ
いて説明したが、同様に３種以上のターゲツトを
用いる場合にも有効であり、広範な材料からなる
薄膜の形成に容易に適用できる。

（効果）以上説明したように、本発明によれば、固体材
料を薄膜形成用原料としてスパツタリングにより
その原子を放出させ、そのスパツタ原子をプラズ
マ流によつてイオン化し、かつそのスパツタ原子
に付着反応に最適な運動エネルギを付与して膜形
成するようにしたので、種々のガスを導入するこ
とと組合せることにより、きわめて広範囲の材料
の膜を低温で高品質に形成できる。また、本発明
では、従来のスパツタ装置とは異なり、プラズマ
生成をマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴
を用いてスパツタリングとは独立に行うことによ
つて、10^-5Torr〜10^-2Torr以上ときわめて広範
囲のガス圧で安定にスパツタリング反応を生じさ
せることができる。更にまた、本発明によれば、
スパツタ原子に付与する運動エネルギをマイクロ
波パワーで可変でき、各種の導入ガスのガス圧を
広範囲に定めることができ、しかも２つの導入系
からのガスの分圧を適当に定めることもでき、従
つて、形成される膜の性質を広範囲に制御でき
る。しかもまた、イオン化されたスパツタ原子お
よび分子がプラズマ流により方向性をもつて試料
基板上に運ばれるので、付着の効率が高まるだけ
でなく、試料室の他の部分への不必要な膜形成を
生じないので、ターゲツトの消耗が少く、装置内
部の汚れが少く、従つて、保守の容易さおよび歩
留りの向上にも役立つという利点がある。

更にまた、本発明によれば、低いガス圧の下で
も高活性プラズマが得られるので、反応性ガスの
導入によつて酸化物や窒化物など各種化合物を高
速度で高品質に形成できる。また、プラズマ生成
条件と付着反応条件とを独立に制御できるので、
膜の物性を容易に制御できる。イオンエネルギは
５〜30eV程度の適度な大きさであるから、膜の
形成反応が促進され、膜の付着性もよく、しかも
半導体表面に与えるダメージは非常に小さい。低
温で膜を形成できるので、高分子材料やレジスト
の上にも各種材料の膜を形成できる。従つて、プ
ロセスの低温化を必要とする超LSI製造、GaAs、
InP等の熱に不安定な化合物半導体素子の製造に
有効であり、さらに各種材料のコーテイングなど
にも本発明を幅広く応用することができる。

さらにまた、スパツタリングターゲツトを直円
筒の形状としてその表面がプラズマ流と交差する
ようにするときには、プラズマ流中のイオンがタ
ーゲツト面に効率よく入射するのでターゲツト電
流が増加し、付着速度が向上する。それと共に、
電子がターゲツトの負電位と発散磁界との相互作
用によつて捕捉され、それによりイオン生成が促
進されると共に異常放電が防止される。また、直
円筒ターゲツトは構造が簡単なので、帯状ターゲ
ツト材を曲げて簡単に円筒に形成でき、種々の材
料のターゲツトを容易にかつ安価に用いることが
できる。そして、帯状ターゲツト材を複数用いる
ことにより、各種合金の薄膜を容易にかつ均質に
得ることができる。さらに加えて、この場合に
は、ターゲツト面は試料方向に垂直であるから、
水冷の容易なシールド電極を冷却することによつ
て、ターゲツトの冷却も行うことができ、従つ
て、ターゲツトに冷却管を取付ける必要がないか
ら、ターゲツトの交換が簡単である。

さらにまた、以上の本発明実施例では金属Ｍを
供給するにあたり、Arなどの不活性ガスによる
スパツタリングを用いているが、ArなどにCl₂な
どのハロゲン系ガスを混合するか、あるいはハロ
ゲン系ガス単独で反応性スパツタリングによつて
金属Ｍを供給して、付着速度の向上をはかること
も可能である。スパツタリングによる金属Ｍの供
給方法からみれば、一般にArなどの不活性ガス
よりもハロゲン系ガスの方が揮発性のハロゲン化
物を生成する化学反応を伴うので、スパツタ速度
がはるかに大きく、従つて、金属Ｍの供給効率が
増大し、付着速度の向上を図ることができる。こ
の場合、プラズマ流中に飛び出した金属ハロゲン
化物はプラズマ流中の電子との衝突により分解、
イオン化されて、あたかもECRプラズマ付着法
（Appliation Serial No.257616特願昭55−57877
号参照）において金属ハロゲン化物のガスを導入
したと同じ機構で薄膜を形成することができる。
ただし、この場合、金属Ｍの固体ターゲツトを利
用し、反応性スパツタにより金属ハロゲン化物を
供給するため特殊なガス導入系を必要とせず、ま
た沸点の高い金属ハロゲン化物をも容易に供給で
きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は本発明によるプラズマ付着の原理の説明図、
第３図は第１図の本発明におけるターゲツトおよ
びシールド電極の構造の具体例を示す断面図、第
４図はそのターゲツトの詳細例を示す横断面図、
第５図は本発明におけるマイクロ波電力とターゲ
ツト電流との関係を示す特性曲線図、第６図は本
発明によるターゲツト電圧とターゲツト電流との
関係をマイクロ波電力をパラメータとして示す特
性曲線図、第７図は本発明によるTa₂O₅膜付着特
性を示す特性曲線図、第８図および第９図は本発
明のさらに他の２つの実施例を示す断面図であ
る。１……プラズマ生成室、２……試料室、２Ａ…
…上壁、３……マイクロ波導入窓、４……矩形導
波管、５……プラズマ引出し窓、６……プラズマ
流、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……第１ガス導入系、１３……第２ガス
導入系、１４……給水口、１５……排水口、１９
……スパツタ電源、１９Ａ……第１スパツタ電
源、１９Ｂ……第２スパツタ電源、４１……スパ
ツタリングターゲツト、４２……ホルダ、４３…
…シールド電極、４３Ａ……上部シールド電極、
４３Ｂ……下部シールド電極、４３Ｃ……外周シ
ールド電極、４３Ｄ……フランジ部、４４……冷
却管、４５……給水口、４６……排水口、４７…
…ねじ、４８……ねじ、４９……スペーサ、５０
……支持筒、５１……ピン、５２……電極、５３
……絶縁管、５４……絶縁管、５５……給電線、
５６……プラズマ流中イオン、５７……プラズマ
シース、６１……外側円筒形状ターゲツト、６２
……第１内側円筒形状ターゲツト、６３……第２
内側円筒形状ターゲツト、７１……絶縁リング、
７２……リング状ホルダ、７３……リング状ホル
ダ、７４……第１外側円筒形状ターゲツト、７５
……第１内側円筒形状ターゲツト、７６……第２
外側円筒形状ターゲツト、７７……第２内側円筒
形状ターゲツト。

Claims

【特許請求の範囲】１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、膜形成すべき試料基板を配置するための試料台
を配置した試料室と、前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置
されたプラズマ引出し窓と、スパツタリング材料で円筒形状に形成され、前
記プラズマ引出し窓と前記試料台との間に、前記
プラズマ流を取り囲むように配置されたターゲツ
トと、該ターゲツトをスパツタするためのイオンを、
前記プラズマ生成窓で発生したプラズマによるプ
ラズマ流の一部から引出して前記ターゲツトに入
射させる第１手段と、前記プラズマ流を前記プラズマ引出し窓を介し
て前記試料室に導くと共にスパツタされた原子を
前記試料基板まで輸送する第２手段とを具えたこ
とを特徴とするプラズマ付着装置。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、前記ターゲツトを前記プラズマ引出
し窓の近傍であつて、しかも前記プラズマ流に接
触するように配設したことを特徴とするプラズマ
付着装置。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、前記円筒形状ターゲツトのスパツタ
される面が前記プラズマ流の一部と交差するよう
にしたことを特徴とするプラズマ付着装置。４特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かの項に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
トロン共鳴放電を用いて前記プラズマを生成する
ように構成したことを特徴とするプラズマ付着装
置。５特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
第１手段は、前記ターゲツトが負になるように接
続されたスパツタ電源を有することを特徴とする
プラズマ付着装置。６特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
第２手段は、前記プラズマ生成室から前記試料室
に向けて磁界強度が適当な勾配で弱くなる発散磁
界の磁界分布をもつ磁気コイルを有することを特
徴とするプラズマ付着装置。７特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
ターゲツトのうち前記プラズマ流に面していない
部分をシールド電極によつて覆つたことを特徴と
するプラズマ付着装置。８特許請求の範囲第７項記載のプラズマ付着装
置において、前記シールド電極を冷却するように
したことを特徴とするプラズマ付着装置。９特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
円筒形状ターゲツトを、複数種類のターゲツト材
料からなる円筒を同心円状に多重して構成したこ
とを特徴とするプラズマ付着装置。１０特許請求の範囲第１項、第２項、第３項ま
たは第９項に記載のプラズマ付着装置において、
前記円筒形状ターゲツトを、複数種類のターゲツ
ト材料からなるほぼ同一径の円筒を前記プラズマ
流の流れの方向に重ね合わせて構成したことを特
徴とするプラズマ付着装置。１１特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、
第９項または第１０項のいずれかの項に記載のプ
ラズマ付着装置において、前記ターゲツトを複数
個のターゲツト部分より形成し、該ターゲツト部
分の各々を独立に個別のスパツタ電源に接続し
て、前記ターゲツト部分の各々のスパツタリング
を独立して制御できるようにしたことを特徴とす
るプラズマ付着装置。１２特許請求の範囲第１項ないし第１１項のい
ずれかの項に記載のプラズ付着装置において、前
記試料台を前記プラズマ生成室と電気的に絶縁し
たことを特徴とするプラズマ付着装置。１３特許請求の範囲第１項ないし第１２項のい
ずれかの項に記載のプラズマ付着装置において、
前記プラズマ生成室には第１ガス導入系を設けた
ことを特徴とするプラズマ付着装置。１４特許請求の範囲第１３項記載のプラズマ付
着装置において、前記試料室には第２ガス導入系
を設けたことを特徴とするプラズマ付着装置。