JPH11172429A

JPH11172429A - 超平滑膜の製造方法

Info

Publication number: JPH11172429A
Application number: JP33425297A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Morita; 正森田; Naoshi Yamamoto; 直志山本; Masamichi Matsuura; 正道松浦
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】表面粗さの極めて小さい平滑膜を得る
こと。【解決手段】スパッタリング法で基板上に超平滑膜
を作製する際に、カソードでの放電を、従来の放電圧力
より低い状態の放電圧力において、カソード近傍にマグ
ネトロン放電を支援するｒｆ誘導結合放電用コイルを設
けた機構を用いて行うこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超平滑膜の製造方
法に関し、更に詳しくは、半導体プロセスにおけるよう
に複数の膜を積層する構成の素子パターンを形成する場
合において平坦な素子表面を維持するために利用できる
超平滑膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＰＶＤ法及びＣＶＤ法により
基板上に酸化物薄膜を形成することは知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のＰＶＤ法及びＣ
ＶＤ法で基板上に形成される薄膜において、形成された
膜表面の形態（粗さ）は、その作製条件、例えば、蒸着
法の場合は、成膜する際の基板表面温度に大きな影響を
受け、また、スパッタリング法の場合は、成膜する際の
基板表面温度の影響に加え成膜時の不活性ガス圧力から
も大きな影響を受ける。また、作製される膜表面の形態
は、膜が堆積する基板表面の形態（粗さ）の影響を受け
ている。基板表面の形態の大きさが作製される膜の厚さ
に近い場合や、膜が極めて薄い場合にはその影響は特に
大きくなる。これらの薄膜作製法の中では、スパッタリ
ング法を用いた方が基板表面形態の影響が小さいことが
わかっている。なぜならば、スパッタリング法は面蒸発
源に基づくものであり、ターゲットから飛び出してきた
スパッタ粒子は基板に到達するまでに空間で散乱される
ことで基板に対しランダムな方向から入射するため、基
板表面形態があれた状態であっても、得られた薄膜に対
する基板表面の凸凹による陰の影響は発生しづらいから
である。

【０００４】目標とする膜の表面粗さがナノスケールの
場合であっても、通常、使用する基板表面の粗さがそれ
より大きな場合であることが多い。

【０００５】従来技術では、作製する膜表面の粗さを基
板表面より小さくしたり、基板上に薄膜素子を形成した
後に、それら素子による表面の段差が発生した場合に素
子上の段差を無くすように上部膜を形成（平坦化：３次
元デバイスの形成などを目的とする場合）しているが、
このために、成膜時に基板表面に電位を印加できるよう
に基板ホルダーを電極構造とするバイアス成膜法を用い
ていた。この場合、基板に印加する電力はｒｆ電力であ
ることが多く、このときの基板ホルダーはｒｆ放電を安
定して行うことができるように複雑なカソード構造を取
ると共にカソードインピーダンスを調整していなければ
ならないという問題がある。さらに、電位を印加した場
合、成膜時に、基板上に堆積する膜中に構造欠陥や膜結
晶性悪化、膜組成変化、膜内部応力増大などのダメージ
を生じさせるということにもなり、成膜プロセスを制約
する原因となってしまう場合もある。逆に、基板に電位
を印加することが膜の諸特性を良くする場合もある。す
なわち、膜を堆積させる基板に対し電位を加えること
で、基板に膜材料粒子が堆積するときのエネルギーを付
加することができ、緻密な膜を形成したり、膜の結晶配
向性を制御したりできるが、装置構成が複雑なため高価
なシステムになってしまう。また、成膜パラメーターも
多くなってしまうため、それらの制御も大変難しくなっ
てくる。

【０００６】また、従来のスパッタ装置及び手法では、
１×１０^-1Ｐａ程度以下のスパッタ圧力では放電が不安
定になるため、安定した成膜を行うためにはそれ以上の
圧力にしなければならず、その結果スパッタされた成膜
物質が散乱して成膜速度が極端に遅くなる。かかる問題
を回避するために基板とターゲットとを近接させること
が考えられるが、この場合、基板がプラズマダメージを
受けやすくなる等の基板ダメージの問題が生じるので、
真空度の低い環境で放電を安定させるための装置や方法
が提案されている（特開平第８−２６９７０５号公報及
び同第８−３０２４６４号公報）。

【０００７】本発明の目的は、かかる問題点を解消し、
表面粗さの極めて小さい平滑膜の製造方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、ス
パッタリング法で基板上に超平滑膜を作製する方法にお
いて、カソードでの放電を、従来の放電圧力より低い状
態の放電圧力において、カソード近傍にマグネトロン放
電を支援するｒｆ誘導結合放電用コイルを設けた機構を
用いて行い、基板上に超平滑膜を作製することからな
る。

【０００９】前記ｒｆ誘導結合放電用コイルのためのｒ
ｆ誘導結合放電電力を、一般には２０〜６５Ｗ（膜表面
粗さが０．９ｎｍ以下となる）、好ましくは３５〜５０
Ｗ（膜表面粗さが０．８ｎｍ程度になる）とすることが
望ましい。また、前記スパッタリング法が反応性スパッ
タリング法である場合、この際の反応ガスの分圧を５×
１０^-3〜１×１０^-2Ｐａとして行い、前記ｒｆ誘導結合
放電によってイオン化されたスパッタ粒子のイオンエネ
ルギーを、一般にはほぼ１．２〜４０ｅＶ（膜表面粗さ
が０．９ｎｍ以下となる）、好ましくはほぼ１．６〜２
４．２ｅＶ（膜表面粗さが０．８ｎｍ以下となる）、さ
らに好ましくはほぼ３．２〜１２．２ｅＶ（膜表面粗さ
が０．６ｎｍ以下となる）とすることが望ましい。反応
ガスの分圧が５×１０^-3より小さいと良好な絶縁特性を
有する膜が得られず、１×１０^-2Ｐａより高いと放電が
不安定になる。

【００１０】スパッタカソード近傍に放電を支援するｒ
ｆ誘導コイルを設けた機構を用いて、スパッタリングに
よる膜の作製中にｒｆ誘導コイルへ電力を投入すること
によって（いわゆる誘導結合ｒｆプラズマ支援マグネト
ロンスパッタ法）、従来は放電の安定しなかった真空度
の低い環境を利用することによりターゲットからスパッ
タされた粒子が雰囲気ガス分子に散乱されることなく、
かつ、飛び出したときのエネルギーが減衰されることな
く基板に到達するまで保持されると共に、このエネルギ
ーをｒｆ誘導放電コイルに投入する電力によって制御す
ることで、膜が基板上に堆積している過程においてその
表面の粗さがより小さくなるようなメカニズムとして作
用しながら表面の平坦化を行うものである。

【００１１】本発明で用いるｒｆ誘導コイルの主な作用
としては、（１）スパッタ粒子及びスパッタガスのイオ
ン化が促進されること、（２）コイル〜基板間のプラズ
マ電位が制御できることがある。この内（１）は、ター
ゲットよりスパッタされた粒子やスパッタガスがｒｆ誘
導コイルによるプラズマゾーンを通過する際に、プラズ
マ中の電子との衝突により励起、イオン化されるためで
ある。また、（２）は、ｒｆ誘導コイルによる誘導結合
プラズマの場合、ターゲットからの容量性プラズマ（従
来のプレーナーマグネトロン放電）の場合よりも電界か
らのエネルギー吸収効率が著しく高いために、プラズマ
が励起されやすく、プラズマの電位及びプラズマと浮遊
基板との電位差を容易に大きくできるためである。従っ
て、本発明の方法においては、この高いイオン化率のス
パッタ粒子が比較的高い運動エネルギーで基板へ入射す
ることになり、膜の緻密化，及び平坦化が得られること
になる。本発明の方法によれば、従来技術であるバイア
ス成膜法と同じ作用が起きていると考えられる。

【００１２】本発明によれば、基板表面粗さよりも膜の
表面粗さを小さくすることが可能となり、従来法では達
成できなかった素子の形成を容易に実現することができ
るとと共に、その平滑な絶縁膜が良好な電気的特性（す
なわち、高い耐電圧値、微小なリーク電流値）を有する
ので、物質の表面に電気的絶縁膜の形成が必要な場合に
おいても有効に利用できる

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。これらの
実施例は単に本発明を説明するためのものであって、何
ら本発明を制限するものではない。

【００１４】図１は本発明の実施例で使用するための製
造装置の一例を示すものである。この装置では、成膜室
１内が真空ポンプ等の真空排気系２に排気バルブ３を介
して接続され、成膜室１内を所定の圧力に設定できるよ
うになっており、また、成膜室１がガス導入系４を介し
てマスフローコントローラー５を備えたガス供給源に接
続され、ガス導入系４よりスパッタリングガス、例えば
アルゴン（Ａｒ）ガスが導入されるようになっている。
また、成膜室１内には、その上方に薄膜を成膜するため
の基板６が配設され、その下方であって基板６に対向す
る位置にターゲット７が磁石８を備えるカソード９を介
して配設される。このカソードにｒｆ電源１０より電力
を印加してターゲット７をスパッタリングする。基板６
とターゲット７との間にシャッター１１が設けられてい
る。さらに、カソード９の上方であって、スパッタリン
グされたターゲット材料の基板６への到達に影響のない
位置に、例えばＣｕ製のｒｆ誘導コイル１２が設置され
ている。このように構成した装置において、カソード９
にｒｆ電源１０より電力を印加してターゲット７をスパ
ッタリングすると共に、ｒｆ誘導コイル１２に誘導コイ
ルｒｆ電源１３より電力を印加してカソード９のマグネ
トロン放電を支援し、低圧力下おいても安定に放電する
ようにした。なお、図中、１４はカソード９のアースシ
ールド、１５はｒｆ電源１０のマッチングボックス、１
６は誘導コイルｒｆ電源１３のマッチングボックス、１
７はガス導入系４のバルブをそれぞれ示す。

【００１５】実施例１（アルミナターゲットからアルミ
ナ膜をｒｆ電力でスパッタリングして製造する場合）本実施例では、ターゲット７に焼結アルミナ（９９．９
％）を使用し、カソード９の形状は直径φ２″、カソー
ド上には外径８６ｍｍ×内径７６ｍｍのＣｕ製の３巻き
のｒｆ誘導コイル１１を設け、放電圧力としてＡｒガス
雰囲気８×１０^-4Ｔｏｒｒ、カソード９への入力ｒｆ２
００Ｗ、成膜中の基板温度は室温、基板６〜ターゲット
７間の距離は２００ｍｍとした。このとき、ｒｆ誘導コ
イル１２へのｒｆ電力は０〜１００Ｗの間で変化させ
た。作製したアルミナ膜の膜厚は５００Åであった。基
板にはＳｉウエハーを使用した。基板表面粗さはＲｍａ
ｘ±１ｎｍのものを使用した。

【００１６】まず、ターゲット７をカソード９上に載置
し、また、基板６を成膜室１内の所定位置に保持した。
シャッター１１は閉じた状態とした。次ぎに、成膜室１
内の圧力を真空排気系２により真空排気した後、ガス導
入系４よりＡｒガスを導入し、成膜室１内のＡｒガス雰
囲気圧力を上記のように設定した。続いて、シャッター
１１を開いた状態で、カソード９に上記２００Ｗのｒｆ
電力を投入してスパッタリングを行うと共に、ｒｆ誘導
コイル１２に上記範囲のｒｆ電力を投入して、ｒｆ誘導
コイル１２の誘導結合放電の作用によりマグネトロン放
電の支援をした。このようにして、基板６上に膜厚５０
０Åのアルミナ膜を作製した。かくして成膜したアルミ
ナ膜について、ｒｆ誘導結合放電電力の変化による膜表
面粗さの変化を調べ、その結果を図２に示す。従来のス
パッタリング法によれば、±１ｎｍの表面粗さを有する
基板では５００Å程度の膜厚では基板表面の粗さがその
まま膜表面粗さと同じになるが、本発明のスパッタリン
グ法を用いて極めて薄い膜を作製する場合は、カソード
での放電圧力を一定とし、ｒｆ誘導結合放電電力を制御
することで、１ｎｍより小さい表面粗さを有する超平滑
膜が得られた。すなわち、図２に示すように、ｒｆ誘導
結合放電電力を投入し、電力を上げるにつれて膜表面の
粗さは１ｎｍより小さくなり、一定の値に達した後上昇
し始め、ほぼ７４Ｗを超えると膜表面の粗さは再び１ｎ
ｍを超えるようになる。ほぼ２０〜６５Ｗで０．９ｎｍ
以下の膜表面粗さの膜が得られ、ほぼ３５〜５０Ｗで
０．８ｎｍ程度の表面粗さを有する膜が得られた。

【００１７】実施例２（Ａｌターゲットからアルミナ膜
をＤＣ電力で反応性スパッタリングして製造する場
合。）本実施例では、ターゲットに大きさφ２″の金属Ａｌ
（９９．９９９％）を用い、スパッタリングガスにＡｒ
ガスを用い、反応ガスに酸素を用いた。また、ｒｆ誘導
コイルに外径８６ｍｍ×内径７６ｍｍのＣｕ製の３巻の
コイルを用いた。かかる条件下、実施例１記載の方法を
繰り返した。但し、ターゲットに加えるＤＣ電力を一定
とし、ｒｆ誘導結合放電によってイオン化されたスパッ
タ粒子のイオンエネルギー（ｅＶ）と反応性ガスである
酸素ガスの圧力（５×１０^-3〜９×１０^-3Ｐａ）の値を
変化させながら、膜厚５００Åのアルミナ膜を成膜し
た。かくして得られたアルミナ膜について膜表面粗さの
変化を調べ、その結果を図３に示す。

【００１８】図３から明らかなように、かかる反応性成
膜の場合、得られた膜表面の粗さは、酸素分圧が小さい
ほど小さく、また、イオンエネルギーを制御すること
で、１ｎｍより小さい表面粗さを有する膜が得られた。
すなわち、イオンエネルギーが高くなるにつれて膜表面
の粗さは１ｎｍより小さくなり、一定の値に達した後上
昇し始め、ほぼ５０ｅＶを超えると膜表面の粗さは再び
１ｎｍを超えるようになる。ほぼ１．２〜４０ｅＶで
０．９ｎｍ以下の表面粗さを有する膜が得られ、ほぼ
１．６〜２４．２ｅＶで０．８ｎｍ以下の表面粗さを有
する膜が得られ、また、ほぼ３．２〜１２．２ｅＶで
０．６ｎｍ以下の表面粗さを有する膜が得られる。ま
た、酸素分圧を提示した値よりも小さくした場合は、膜
が堆積する過程で酸素が不足する環境となり、良好な絶
縁特性を有するアルミナ膜を作製することはできず、ま
た、酸素分圧を高くしすぎると、ターゲット表面が酸化
され、放電が不安定になり易かった。また、ｒｆ誘導結
合放電電力を印加しない場合は、カソード上でのマグネ
トロン放電が安定しなかった。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、カソードでの放電を、
従来の放電圧力より低い状態の放電圧力において、カソ
ード近傍にマグネトロン放電を支援するｒｆ誘導結合放
電用コイルを設けた機構を用いて行うので、また、その
際のｒｆ誘導結合放電電力を一定の範囲内で行うので、
表面の極めて平滑な膜を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法を実施するための装置の一例
を示す截断模式図。

【図２】本発明の方法によって得られた平滑膜につい
て、ｒｆ誘導結合放電電力と膜表面粗さとの関係を示す
グラフ。

【図３】本発明の方法によって得られた平滑膜につい
て、酸素ガスの圧力を変化させた場合のスパッタ粒子の
イオンエネルギーと膜表面粗さとの関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１成膜室２真空排気系３排気バルブ４ガス導入系５マスフローコントローラー６基板７ターゲット８磁石９カソード１０ｒｆ電源１１シャッター１２ｒｆ誘導
コイル１３誘導コイルｒｆ電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スパッタリング法で基板上に超平滑膜を
作製する方法において、カソードでの放電を、従来の放
電圧力より低い状態の放電圧力において、カソード近傍
にマグネトロン放電を支援するｒｆ誘導結合放電用コイ
ルを設けた機構を用いて行い、基板上に超平滑膜を作製
することを特徴とする超平滑膜の製造方法。
【請求項２】前記ｒｆ誘導結合放電用コイルのための
ｒｆ誘導結合放電電力が２０〜６５Ｗであることを特徴
とする請求項１記載の超平滑膜の製造方法。
【請求項３】前記スパッタリング法が反応性スパッタ
リング法であって、この際の反応ガスの分圧を５×１０
^-3〜１×１０^-2Ｐａとして行い、前記ｒｆ誘導結合放電
によってイオン化されたスパッタ粒子のイオンエネルギ
ーが１．２〜４０ｅＶであることを特徴とする請求項１
記載の超平滑膜の製造方法。