JP2007138268A - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットのスパッタリングによる成膜の成膜速度が速い成膜方法および成膜装置を提供する。
【解決手段】アルゴンガスをプラズマ室２に供給し、アルミからなるターゲット５に電圧印加すると、アルゴンイオンは、ターゲット５の表面に入射し、スパッタ粒子が発生して基板６方向へと放出され、基板６の表面にアルミ薄膜を形成する。ターゲット５の電圧印加終了後、窒素ガスをプラズマ室２に供給し、基板ホルダ７に電圧印加する。そして、アルゴンイオンおよび窒素イオンは、基板６の表面に入射する。入射した窒素イオンは、アルミ薄膜を窒化し、窒化アルミ薄膜が形成される。窒素ガス供給を停止し、再びターゲット５に電圧印加し、窒化アルミ薄膜上にアルミ薄膜を形成する。このプロセスを繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマをターゲットに照射するスパッタリングによって化合物薄膜を成膜対象物上に形成する成膜方法および成膜装置に関する。

化合物薄膜を基板上に形成する電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ装置が従来技術として知られている。このＥＣＲスパッタ装置では、プラズマ生成室内に不活性ガスと反応性ガスとを導入し、ターゲットに高周波電圧を印加してスパッタ粒子を発生する。そして、スパッタ粒子とともにプラズマにより活性化された反応性ガスが基板上に到達して化合物薄膜が形成される（特許文献１）。

特開２００３−１２９２３６号公報

特許文献１のＥＣＲスパッタ装置では、反応性ガスを導入しているときに電圧をターゲットに印加するので、ターゲットの表面が反応性ガスと反応し、ターゲットが反応生成物に覆われる。したがって、ターゲットではなくこの反応生成物がスパッタリングされるため、化合物薄膜の成膜速度が遅くなるという問題点がある。

（１）請求項１の発明の成膜方法は、プラズマによりターゲットをスパッタリングして成膜対象物を成膜する第１の工程と、成膜された成膜対象物の表面をプラズマ処理する第２の工程とを繰り返すことにより、成膜対象物に成膜することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の成膜方法において、第１の工程は、容器に不活性ガスを供給し、電子サイクロトロン共鳴によって、容器に供給した不活性ガスのプラズマを生成し、容器内に設けたターゲットに電圧を印加し、電圧が印加されたターゲットに不活性ガスのプラズマを照射してターゲットをスパッタリングし、スパッタリングによって容器内に保持された成膜対象物に薄膜を形成し、第２の工程は、容器に不活性ガスと反応性ガスとを供給し、電子サイクロトロン共鳴によって、容器に供給された不活性ガスと反応性ガスとのプラズマを生成し、成膜対象物に電圧を印加し、電圧が印加された成膜対象物に不活性ガスおよび反応性ガスのプラズマを照射し、成膜対象物に成膜した薄膜が反応性ガスのプラズマで反応されることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載の成膜方法において、不活性ガスはアルゴンガスであり、反応性ガスは窒素ガスであることを特徴とする。
（４）請求項４の発明の成膜装置は、容器に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、容器に反応性ガスをパルス状に供給する反応性ガス供給手段と、電子サイクロトロン共鳴によって、容器に供給した不活性ガスおよび反応性ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段と、プラズマ生成手段によって生成した不活性ガスのプラズマによりスパッタリングするターゲットと、ターゲットにパルス電圧を印加するターゲット電圧印加手段と、スパッタリングによって成膜され、プラズマ生成手段によって生成された反応性ガスのプラズマが照射される成膜対象物にパルス電圧を印加する成膜対象物電圧印加手段と、不活性ガス供給手段によって容器に不活性ガスを供給するタイミング、反応性ガス供給手段によって容器に反応性ガスをパルス状に供給するタイミング、ターゲット電圧印加手段によってターゲットに電圧を印加するタイミングおよび成膜対象物電圧印加手段によって成膜対象物に電圧を印加するタイミングとを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の成膜装置において、制御手段は、ターゲットに電圧を印加するときは、容器に不活性ガスを供給し、容器への反応性ガス供給を停止し、成膜対象物への電圧印加を停止し、ターゲットへのパルス電圧印加を停止するときは、容器に不活性ガスを供給し、容器に反応性ガスをパルス状に供給し、成膜対象物に電圧を印加し、ターゲットへの電圧の印加および電圧印加の停止を繰り返すことを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項４または５に記載の成膜装置において、不活性ガスはアルゴンガスであり、反応性ガスは窒素ガスであることを特徴とする。

本発明によれば、プラズマによりターゲットをスパッタリングして成膜対象物を成膜する工程と、成膜された成膜対象物の表面をプラズマ処理する工程とを繰り返すことにより、成膜対象物に成膜する。したがって、プラズマ処理のときはターゲットをスパッタリングしないので、プラズマによるターゲット表面の反応が抑制され、成膜対象物への化合物薄膜の成膜速度が速くなる。

以下、図を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による成膜装置の一実施の形態を示す図である。成膜装置は、ＥＣＲプラズマを生成するためのプラズマ室２と、成膜対象物である基板６が収容される反応室４とを備えている。プラズマ室２と反応室４とはプラズマ引き出し開口２ａを介して連通しており、各室２，４は不図示の真空ポンプにより真空排気される。

プラズマ室２には、マイクロ波導入窓１および空芯磁場コイル３が設けられている。プラズマ室２は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対して空洞共振器として機能するように構成している。空芯磁場コイル３により８７．５（ｍＴ）の磁場を生成し、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導入窓１より導入する。プラズマ室２には、ガスラインＬ１，Ｌ２によりガスを供給する。ガスラインＬ１より、アルゴンプラズマを生成するためのアルゴンガスを供給し、ガスラインＬ２より、窒素プラズマを生成するための窒素ガスを供給する。ガスラインＬ１にはバルブＢ１を設け、バルブＢ１が開閉することによって、アルゴンガスの供給を制御する。また、ガスラインＬ２には、バルブＢ２を設け、短時間の間、たとえば、１〜１００ｍｓｅｃのパルス幅のオンオフパルスを印加し、オンパルスの印加時に窒素ガスを供給し、オフパルスの印加時に窒素ガスの供給を停止する。つまりパルス状に窒素ガスを供給する。また、マスフローコントローラＭ１によって窒素ガスの流量を制御し、マスフローコントローラＭ２によってアルゴンガスの流量を制御する。

一方、反応室４内には、中央に穴が明いたコーン形状のターゲット５と、基板６を保持する基板ホルダ７とを設ける。ターゲット５の材料にはアルミを使用する。ターゲット５はＤＣ電源Ｄ１と接続しており、ターゲット５にＤＣパルス電圧を印加することができる。この場合、ターゲット５の電位がプラズマに対してマイナス電位となるように、例えば、−２００〜−８００Ｖの電圧を印加する。なお、ターゲット５にはＤＣパルス電圧の代りに、正極側を接地し、負極側をターゲット５に接続した高周波電源を用いて高周波電圧を印加してもよい。

基板ホルダ７には、基板６を軸Ｊを中心に回転する駆動機構を設ける。また、基板ホルダ７を高周波電源Ｄ２と接続し、基板ホルダ７の電位がプラズマに対してマイナス電位になるように高周波電圧を印加する。アーキングが発生しなければ高周波電源の代りにＤＣ電源を使用してもよい。

プラズマ室２へのアルゴンガスの供給、プラズマ室２への窒素ガスの供給、ターゲット５の電圧印加および基板ホルダ７の電圧印加は図２に示すタイミングで行う。これらのタイミングは、コントローラＣ１において制御する。

図２（ａ）は、バルブＢ１の開閉タイミングを示す図である。バルブＢ１が開のとき、アルゴンガスがプラズマ室２に供給され、バルブＢ１が閉のときは供給されない。図２（ｂ）は、バルブＢ２の開閉タイミングを示す図である。バルブＢ２が開のとき、プラズマ室２に窒素ガスが供給され、バルブＢ２が閉のときは供給されない。上述したように、バルブＢ２は、短時間に開閉動作を行うことができ、窒素ガスをパルス状にプラズマ室２に供給することができる。

図２（ｃ）は、ターゲット５の電圧印加のタイミングを示す図である。所定のタイミングでＤＣパルス電圧をターゲット５に印加する。図２（ｄ）は、基板ホルダ７の電圧印加のタイミングを示す図である。所定のタイミングでパルス状の高周波電圧を基板ホルダ７に印加する。ここで、ターゲット５および基板ホルダ７に印加するパルスのオン時間は１〜１００ｍｓｅｃである。

図２（ｅ）は成膜プロセスを示す図である。後述するように、アルミ薄膜の形成、アルミ薄膜の窒化を繰り返しながら所望の膜厚の窒化アルミ薄膜を形成する。

図２（ａ）に示すように、成膜が開始されてから終了するまで継続的にアルゴンガスを供給する。図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、ターゲット５と基板ホルダ７とには電圧印加を交互に行う。つまり、ターゲット５に電圧を印加しているとき、基板ホルダ７に電圧を印加せず、ターゲット５の電圧印加を終了すると、基板ホルダ７に電圧を印加し、所定時間ごとにターゲット５と基板ホルダ７との電圧印加を繰り返す。また、図２（ｂ）に示すように基板ホルダ７に電圧を印加しているときに窒素ガスを供給し、ターゲット５に電圧を印加しているときは供給しない。

図１のプラズマ室２内に８７．５ｍＴの磁場を生成し、マイクロ波導入窓１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入すると、ＥＣＲによってアルゴンガスがイオン化して高密度なプラズマが生成される。さらに窒素ガスをプラズマ室２に供給すると、ＥＣＲによって窒素ガスもイオン化する。プラズマ中には電子、アルゴンイオン、励起状態のアルゴンそしてアルゴン原子が存在し、さらにプラズマ室２に窒素ガスを供給しているときは、プラズマ中には窒素イオン、励起状態の窒素そして窒素原子が存在する。この中で移動度の大きな電子が空芯磁場コイル３により形成された発散磁界の磁力線に沿って開口２ａから反応室４内に移動する。その結果、プラズマ室２のプラズマから見ると反応室４の電子が存在する空間はマイナス電位となっているため、プラズマ中のアルゴンイオン、窒素イオンが磁力線に沿って反応室４へと移動する。このようにして反応室４にプラズマを引き出すことになる。

マイナス電位となるようにターゲット５に電圧を印加すると、アルゴンイオンは、ターゲット電圧による電界によってターゲット５方向に加速し、ターゲット５の表面に入射する。つまり、プラズマがターゲット５に照射される。加速されたアルゴンイオンがターゲット５に入射すると、スパッタ現象によりアルミから成るスパッタ粒子がターゲット５から基板６方向へと放出される。そして、基板６の表面にアルミ薄膜を形成する。

パルス状に電圧をターゲット５に印加する電圧印加時間は、アルミ薄膜に入射する窒素イオンの侵入距離に依存する。電圧印加時間が長すぎるとアルミ薄膜の膜厚が厚くなりすぎてしまい、アルミ薄膜が後述する窒素イオンによって完全に窒化されない。

図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ターゲット５の電圧印加を終了した後、窒素ガスを供給し、基板ホルダ７をマイナス電位に印加すると、アルゴンイオンおよび窒素イオンは、基板ホルダ７電圧による電界によって基板ホルダ７方向に加速し、基板６の表面に入射する。つまり、プラズマが基板６に照射される。このとき、ターゲット５に電圧を印加しないので、ターゲット５はスパッタリングされない。また、窒素イオンは、ターゲット５に向かって加速しないので、ターゲット５と反応するために必要な運動エネルギーを得られず、ターゲット５に衝突してもターゲット５とほとんど反応しない。基板６に入射した窒素イオンは、基板６の表面に形成したアルミ薄膜を窒化し、その結果、基板上に窒化アルミ薄膜が形成される。

図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、基板ホルダ７の電圧印加が終了すると、窒素ガスの供給を停止する。そして、再びターゲット５に電圧を印加し、窒化アルミ薄膜上にアルミ薄膜を形成する。以上のプロセスを繰り返すことによって、図２（ｅ）に示すようにアルミ薄膜の形成とアルミ薄膜の窒化とが繰り返される。そして、所望の膜厚の窒化アルミ薄膜が基板６の表面上に形成される。

《窒化アルミ薄膜の成膜》
ターゲット５に高純度アルミ５Ｎを使用し、表面に０．５μｍのＳｉＯ_２層を形成しているＳｉ基板６に窒化アルミを成膜した。成膜条件は、反応室４内の圧力が０．３〜０．７Ｐａ、アルゴンガス流量が３０〜５０ｓｃｃｍ、窒素ガス流量が２．５〜５．５ｓｃｃｍ、マイクロ波導入窓１より導入されるマイクロ波のパワーは５００〜８５０Ｗ、ターゲット５に印加される電圧は−２００〜−４００Ｖ、ターゲット５に流す電流は０．５５〜１．５０Ａ、基板温度は室温〜４００℃とした。基板ホルダ７に約−２５０Ｖのバイアスをかけた高周波電流を流すことによって、基板ホルダ７に高周波電圧を印加した。高周波電流の電力は１００〜３００Ｗとした。また、バルブＢ２、ターゲット５および基板ホルダ７に印加するパルスのオン時間を１〜１００ｍｓとした。

上記の成膜条件で、窒化アルミ薄膜を成膜した結果、５〜１０オングストローム／秒の成膜速度を得ることができた。一方、プラズマ室５にアルゴンガスと窒素ガスとを供給し、そのままターゲット５にＤＣ電圧を印加して窒化アルミ薄膜を形成した場合の成膜速度は１オングストローム／秒であった。したがって、上記のように窒素ガスのパルス供給と、ターゲット５へのパルスバイアス電圧印加と、基板ホルダ７へのパルス電圧印加とを適切に制御することによって５〜１０倍の成膜速度を得ることができた。

以上の実施形態による成膜装置は次のような作用効果を奏する。
（１）プラズマによりターゲット５をスパッタリングして基板６にアルミ薄膜を成膜する工程と、成膜されたアルミ薄膜をプラズマ処理する工程、つまり、電子サイクロトロン共鳴によって、アルゴンガスのプラズマを生成し、電圧を印加したターゲット５にアルゴンガスのプラズマを照射してターゲット５をスパッタリングし、基板６にアルミ薄膜を形成する工程と、電子サイクロトロン共鳴によって、アルゴンガスと窒素ガスとのプラズマを生成し、電圧を印加した基板６にアルゴンガスおよび窒素ガスのプラズマを照射し、アルミ薄膜を窒素ガスのプラズマで窒化する工程とを交互に繰り返して窒化アルミ薄膜を基板６に形成した。したがって、窒素ガスのプラズマを生成しているときはターゲット５に電圧を印加しないので、窒素ガスのプラズマによるターゲット表面の反応が抑制され、窒化アルミ薄膜の成膜速度が速くなる。また、短時間で所望の膜厚に窒化アルミ薄膜を形成することができるので、反応室４の内壁から発生するアウトガスの影響を受ける前に窒化アルミ薄膜の成膜を終了することができ、結晶性のよい窒化アルミ薄膜を成膜することができる。ここで、アウトガスとは、反応室４の内壁に吸着している水分などに起因するガスであり、アウトガスの影響により、窒化アルミに不純物として酸素などが混入し、結晶性が悪くなる。

（２）窒素ガスはプラズマ室２にパルス状に供給されるので、短い時間の間隔でアルミ薄膜の形成、アルミ薄膜の窒化を繰り返すことができ、効率よく基板上に窒化アルミ薄膜を形成することができる。一方、パルス状に窒素ガスを供給しない場合は、アルミ薄膜の窒化が完了した後も窒素ガスがプラズマ室２に残るので、窒素ガスが残っている間はアルミ薄膜の成膜ができず、効率が悪くなる。

以上の実施形態の成膜装置を次のように変形することができる。
（１）プラズマ室２に供給するガスは、不活性ガスであれば、アルゴンガスに限定されない。たとえば、アルゴンガス以外の希ガスを使用してもよい。

（２）プラズマ室２にパルス状に供給するガスは、反応性ガスであれば、窒素ガスに限定されない。たとえば、酸素ガスや水素ガスを使用してもよい。

（３）ターゲットの材料はアルミに限定されず、基板上に形成する化合物薄膜によって適宜選択することができる。たとえば、窒化シリコン薄膜を基板上に形成する場合はターゲット５の材料をシリコンとしてもよい。

（４）ターゲット５に印加するパルス電圧の印加時間は、アルミ薄膜に入射する窒素イオンの侵入距離によって適宜変更することができ、実施形態に限定されない。また、基板ホルダ７に印加するパルス電圧の印加時間も、アルミ薄膜を完全に窒化するのに要する時間によって適宜変更することができ、実施形態に限定されない。

（５）成膜対象物は基板に限定されず、たとえば、金型などでもよい。

本発明は、プラズマによりターゲットをスパッタリングして成膜対象物を成膜する工程と、成膜された成膜対象物の表面をプラズマ処理する工程とを繰り返すことにより、成膜対象物に成膜する構成を有していれば、以上説明した実施の形態になんら限定されない。

特許請求の範囲の要素と実施の形態との対応関係を説明する。
本発明の容器はプラズマ室２および反応室３に対応する。不活性ガス供給手段はガスラインＬ１に対応し、反応性ガス供給手段はガスラインＬ２に対応する。プラズマ生成手段はマイクロ波導入窓１および空芯磁場コイル３に対応する。ターゲット電圧印加手段はＤＣ電源Ｄ１に対応し、成膜対象物電圧印加手段は高周波電源Ｄ２に対応する。制御手段はバルブＢ１、バルブＢ２およびコントローラＣ１に対応する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係になんら限定されるものではない。

本発明による成膜装置の一実施の形態を示す図である。 図２（ａ）は、バルブＢ１の開閉のタイミングを示す図であり、図２（ｂ）はバルブＢ２の開閉のタイミングを示す図であり、図２（ｃ）はターゲット５の電圧印加のタイミングを示す図であり、図２（ｄ）は基板ホルダ７の電圧印加のタイミングを示す図であり、図２（ｅ）は成膜プロセスを示す図である。

符号の説明

１ マイクロ波導入窓
２ プラズマ室
３ 空芯磁場コイル
４ 反応室
５ ターゲット
６ 基板
Ｂ１，Ｂ２ バルブ
Ｃ１ コントローラ
Ｄ１ ＤＣ電源
Ｄ２ 高周波電源
Ｌ１，Ｌ２ ガスライン

Claims (6)

1. プラズマによりターゲットをスパッタリングして成膜対象物を成膜する第１の工程と、
   前記成膜された成膜対象物の表面をプラズマ処理する第２の工程とを繰り返すことにより、前記成膜対象物に成膜することを特徴とする成膜方法。
2. 請求項１に記載の成膜方法において、
   前記第１の工程は、容器に不活性ガスを供給し、電子サイクロトロン共鳴によって、前記容器に供給した不活性ガスのプラズマを生成し、前記容器内に設けたターゲットに電圧を印加し、電圧が印加された前記ターゲットに前記不活性ガスのプラズマを照射して前記ターゲットをスパッタリングし、前記スパッタリングによって前記容器内に保持された前記成膜対象物に薄膜を形成し、
   前記第２の工程は、前記容器に前記不活性ガスと反応性ガスとを供給し、電子サイクロトロン共鳴によって、前記容器に供給された不活性ガスと反応性ガスとのプラズマを生成し、前記成膜対象物に電圧を印加し、電圧が印加された前記成膜対象物に前記不活性ガスおよび前記反応性ガスのプラズマを照射し、前記成膜対象物に成膜した薄膜が前記反応性ガスのプラズマで反応されることを特徴とする成膜方法。
3. 請求項２に記載の成膜方法において、
   前記不活性ガスはアルゴンガスであり、前記反応性ガスは窒素ガスであることを特徴とする成膜方法。
4. 容器に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
   前記容器に反応性ガスをパルス状に供給する反応性ガス供給手段と、
   電子サイクロトロン共鳴によって、前記容器に供給した不活性ガスおよび反応性ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   前記プラズマ生成手段によって生成した不活性ガスのプラズマによりスパッタリングするターゲットと、
   前記ターゲットにパルス電圧を印加するターゲット電圧印加手段と、
   前記スパッタリングによって成膜され、前記プラズマ生成手段によって生成された反応性ガスのプラズマが照射される成膜対象物にパルス電圧を印加する成膜対象物電圧印加手段と、
   前記不活性ガス供給手段によって前記容器に前記不活性ガスを供給するタイミング、前記反応性ガス供給手段によって前記容器に前記反応性ガスをパルス状に供給するタイミング、前記ターゲット電圧印加手段によって前記ターゲットに電圧を印加するタイミングおよび前記成膜対象物電圧印加手段によって前記成膜対象物に電圧を印加するタイミングとを制御する制御手段とを備えることを特徴とする成膜装置。
5. 請求項４に記載の成膜装置において、
   前記制御手段は、前記ターゲットに電圧を印加するときは、前記容器に前記不活性ガスを供給し、前記容器への前記反応性ガス供給を停止し、前記成膜対象物への電圧印加を停止し、
   前記ターゲットへのパルス電圧印加を停止するときは、前記容器に前記不活性ガスを供給し、前記容器に前記反応性ガスをパルス状に供給し、前記成膜対象物に電圧を印加し、
   前記ターゲットへの電圧の印加および電圧印加の停止を繰り返すことを特徴とする成膜装置。
6. 請求項４または５に記載の成膜装置において、
   前記不活性ガスはアルゴンガスであり、前記反応性ガスは窒素ガスであることを特徴とする成膜装置。

Images