(57)【要約】　　　（修正有）【課題】イオン化成膜における、原料原子（分子）のイオン化率の向上、及び原料原子（分子）イオンビームの断面方向のイオン密度分布の均一性改善。【解決手段】希ガスを準安定励起状態として原料粒子と作用させ、また、原料粒子の飛翔空間におけるプロセスガスの供給箇所（供給口）に近接するか、もしくは基板側に配置された部材（電極、防着板等）を、０≧Ｖｐ−Ｖ、Ｖｐ：原料原子（分子）の飛翔空間における最大プラズマ電位、Ｖ：部材の表面電位、の表面電位に制御しながら堆積膜を形成することを特徴とする。【選択図】　　　　図１Ａ
2004124206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも希ガスを含有するプロセスガスを用い、蒸発源より堆積膜形成用の原料粒子を蒸発させ、堆積膜形成用の基板に堆積膜を形成する堆積膜形成方法において、
前記希ガスを準安定励起状態として前記原料粒子と作用させ、また、前記原料粒子の飛翔空間におけるプロセスガスの供給箇所（供給口）に近接するか、もしくは前記基板側に配置された部材（電極、防着板等）を、
０≧Ｖｐ−Ｖ
Ｖｐ：原料原子（分子）の飛翔空間における最大プラズマ電位
Ｖ　：部材の表面電位
の表面電位に制御しながら堆積膜を形成することを特徴とする堆積膜形成方法。
【請求項２】
前記希ガスが少なくともヘリウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の堆積膜形成方法。
【請求項３】
排気手段を備えた真空容器中に、堆積膜形成用の基板、蒸発源、これらを囲うようにして配置された防着板、プロセスガス供給手段及びプロセスガス励起手段を有する堆積膜形成装置において、
前記プロセスガス励起手段に設けた励起ガス供給口に近接するか、もしくは前記基板側に、表面電位を制御可能な部材（電極、防着板等）を設けたことを特徴とする堆積膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種半導体デバイス等の製作に使用される堆積膜の形成方法及び堆積膜の形成装置に関し、特に、蒸着粒子をイオン化し、基板に堆積させるイオン化成膜法に関する堆積膜形成方法及び堆積膜形成装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来のイオン化成膜法は、イオンプレーティングに代表されるような、蒸発源から被成膜基体に向かって飛翔する原料原子（分子）を電子で叩く、直接電子衝撃法、基板表面でプラズマを生成、プラズマ中を原料原子が通過する際にイオンさせる、高周波基板バイアス法等でイオン化し、被成膜基体上に堆積させるものが広く実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、イオン化のために原料原子（分子）を直接電子衝撃するが、両者の衝突断面積が小さいことから、実際にイオン化するのは１％以下〜数％と言われている。
【０００４】
ところが近年、イオン化成膜に求められる機能が、従来の膜質改善や基体との付着力の向上ばかりではなくなってきた。イオンビームとして基体上の任意の部位にだけ膜を形成するとか、任意の分布にビームを制御する等、原料原子（分子）のイオン化率が十分に高く、且つ均一にイオン化が起こっていなければ実現できないところまでニーズは高度化してきている。
【０００５】
このような点に鑑み、本発明は原料原子（分子）のビームの断面方向の均一なイオン化の実現、またその結果としてのイオン化率の向上を目指す堆積膜形成方法及び堆積膜形成装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
少なくとも希ガスを含有するプロセスガスを用い、蒸発源より堆積膜形成用の原料粒子を蒸発させ、堆積膜形成用の基板に堆積膜を形成する堆積膜形成方法において、
前記希ガスを準安定励起状態として前記原料粒子と作用させ、また、前記原料粒子の飛翔空間におけるプロセスガスの供給箇所（供給口）に近接するか、もしくは前記基板側に配置された部材（電極、防着板等）を下記の表面電位に制御しながら堆積膜を形成することを特徴とする。
【０００７】
０≧Ｖｐ−Ｖ
Ｖｐ：原料原子（分子）の飛翔空間における最大プラズマ電位
Ｖ　：部材の表面電位
その際、前記希ガスが少なくともヘリウムを含有することを特徴とする。
【０００８】
そして、排気手段を備えた真空容器中に、堆積膜形成用の基板、蒸発源、これらを囲うようにして配置された防着板、プロセスガス供給手段及びプロセスガス励起手段を有する堆積膜形成装置において、
前記プロセスガス励起手段に設けた励起ガス供給口に近接するか、もしくは前記基板側に、表面電位を制御可能な部材（電極、防着板等）を設けたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下では、請求項の作用に関して説明する。
【００１０】
本発明の方法では、排気手段を備えた真空容器内に堆積膜の原料の蒸発源を設け、少なくとも希ガスを含有するプロセスガスを供給し、前記真空容器内の基板上に原料を供給する際、希ガスを準安定励起状態にし、原料原子（分子）に作用させることでペニング電離を起こさせるので、いわゆるイオン化成膜法による堆積膜の形成が実現する。
【００１１】
希ガスの準安定励起状態のエネルギーとＨｅ，Ａｒの長寿命については、日刊工業新聞社発行（１９８６年）の「プラズマと成膜の基礎」小沼光晴著に、また、最近のＨｅの寿命については千葉大学、解良聡らの「有機超薄膜表面におけるヘリウム励起原子のｓｉｎｇｌｅｔ−ｔｒｉｐｌｅｔ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」日本物理学会第５２回年会（１９９７、３月、名古屋）等で約９０００秒と報告されている。
【００１２】
供給口から原料原子の飛翔空間へ放出された準安定励起状態の希ガスは、その長寿命と高励起エネルギーにより、放出経路に存在する原料原子をペニング電離させ、イオンと電子のペアを生成させる。ところが、このイオン及び電子は、共に蒸発源〜基板方向に蒸発時の放出エネルギーを持つのみで、飛翔空間の断面方向に十分な運動エネルギーを持たない。従って、供給口以降、基板までの飛翔空間の断面の原料原子イオン分布は、前記供給口からの希ガスの放出経路を反映した極めて均一性の悪いものとなる。
【００１３】
当然のことながら、このような原料原子のイオン化過程での拡散性の欠如は、原料原子のイオン化率の向上の妨げともなり、飛翔空間におけるイオンの拡散性の改善は、原料原子流をイオンビームと考えれば、ビーム断面のイオン分布の均一性の向上はもとより、ビームのイオン化率の向上という点において不可欠と言える。
【００１４】
これらのことを考慮した結果、本発明においては、原料粒子の飛翔空間におけるプロセスガスの供給箇所（供給口）に近接するか、もしくは前記基板側に配置された部材（電極、防着板等）を下記の表面電位に制御することにより、電子の吸引電界を形成し、恒常的な電子の流れを作ることで、イオンをこの流れに乗せる両極性拡散を誘起するものである。
【００１５】
０≧Ｖｐ−Ｖ
Ｖｐ：原料原子（分子）の飛翔空間における最大プラズマ電位
Ｖ　：部材の表面電位
この結果、生成したイオンは、準安定励起状態の希ガスの拡散速度の最も低い方向（イオンの存在確率の最も低い方向）へ拡散することになり、均一で高効率なイオン化が実現する。
【００１６】
また、本発明の方法では、他の希ガスに比べても、数千秒という格段に長い準安定励起状態寿命を持つヘリウムを用いることにより、原料原子（分子）に飛翔空間における準安定励起状態ヘリウムの分圧を著しく高めることが可能となり、原料原子（分子）のイオン化率を顕著に高めることが可能となる。
【００１７】
さらに本発明の装置においては、排気手段を備えた真空容器中に、堆積膜形成用の基板、蒸発源、これらを囲うようにして配置された防着板、プロセスガス供給手段及びプロセスガス励起手段を有する堆積膜形成装置において、
前記プロセスガス励起手段に設けた励起ガス供給口に近接するか、もしくは前記基板側に、表面電位を制御可能な部材（電極、防着板等）が存在することにより、イオン化された原料原子（分子）が速やかに飛翔空間の断面方向について均一化する。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明に係る堆積膜形成方法の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００１９】
（実施例１）
本例では、図１に示した構成の堆積膜形成装置を用い、準安定励起状態のヘリウムガスを供給しながらのスパッタリング成膜法を行なった。原料分子の発生源にはスパッタリングターゲット１０４を用いた。また、準安定励起状態のヘリウムは次のように生成した。即ち、マイクロ波矩形導波管からサークル型スロットアレーマイクロ波導波管１１２へ電力を投入、サークル型導波管内では定在波が立ち、各スロットからマイクロ波放射が起こるが、本サークル型導波管１１２には各スロット部にチッ化アルミ製のテーパー型ガス放出管が内蔵されており、放出管内で準安定励起状態化したヘリウムが各スロットから放出される。ターゲット１０４から基板１０２に向かう原料原子はヘリウムの準安定励起原子や準安定励起状態ヘリウムと衝突し、やはり準安定励起状態化したアルゴンと衝突し、ペニング電離機構によりイオン化した。
【００２０】
以下では、工程手順に従って説明する。
【００２１】
（１）図１に示した装置において、先ず、ステンレス製の基板ホルダー１０３（浮遊電位）に、直径４インチのシリコンウエハー１０２をセットし、ウエハー上に形成した電極対（図５）のＡ部に最大プラズマ電位である４Ｖを、Ｂ部に電極にイオン引き込み電圧として−１０Ｖをそれぞれ接地電位に対して印加し、真空容器１０１内を真空排気手段１０９により１０‐４Ｐａ以下に一度真空排気した。
【００２２】
（２）引き続き排気を行ないながら、ガス導入管１０７からヘリウムガスを１００ｓｃｃｍ、１１５からアルゴンガスを１００ｓｃｃｍ導入し、排気バルブ１０８の開度を調整することで真空容器１０１の内圧を４．０Ｐａに維持した。
【００２３】
（３）次に、電子吸引電極電圧設定用電源１１４を５Ｖに設定した。
【００２４】
（４）そして、イオン化原料加速電極電圧設定用電源１１１を１００Ｖに設定した。
【００２５】
（５）次に、その状態でサークル型スロットアレーマイクロ波導波管１１２へ不図示のマイクロ波電源からマイクロ波電力４００Ｗを投入、各スロットから準安定励起状態のヘリウムの放出を開始させた。
【００２６】
（６）上記（５）の状態で、基板１０２の直下１５０ｍｍに設置された金ターゲット１０４に不図示の直流電源より直流電力５００Ｗを投入し、蒸発速度が安定するのを待って、シャッター１０６を開き、基板１０２上に成膜を行なった。
【００２７】
（７）成膜時間が２分を経過したところでシャッター１０６を閉じ、基板１０２を装置から取り出して、ウエハー基準面の膜除去を行ない、その後、触針式膜厚測定器にセットし、全ての電極対のＡ部及びＢ部（図５）の堆積膜厚測定を行なった。
【００２８】
以下同様に電子吸引電極電圧設定用電源１１４の設定電圧を−１０Ｖから５Ｖきざみに１５Ｖまで順次増して成膜を行ない、その都度サンプル上の全ての電極対の堆積膜厚測定を実施した。
【００２９】
堆積膜厚の測定値は、Ａ部の膜厚をＴａ、Ｂ部の膜厚をＴｂとしたとき、全ての電極対について求めた堆積速度比Ｔｂ／（Ｔａ＋Ｔｂ）の平均値として整理し、イオン化の程度を表す指標とした。また、ウエハー内の堆積速度比の最大値をＲｍａｘ、最小値をＲｍｉｎとしたとき、堆積速度比分布（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／（Ｒｍａｘ＋Ｒｍｉｎ）をイオン化のバラツキを表す指標とした。
【００３０】
それぞれの比の電子吸引電極電圧に対する依存性を図６に示す。
【００３１】
図６から、本発明によれば良好なイオン化及び，イオン分布の実現が可能であることが分かる。
【００３２】
（実施例２）
本例では、ヘリウムの替わりにアルゴンを用いた点が実施例１と異なる。また、ウエハー上に形成した電極対（図５）のＡ部にこの系における最大プラズマ電位である２Ｖを印加した他の点は全て実施例１と同様にした。
【００３３】
堆積膜厚の測定値は実施例１と同様の処理をし、電子吸引電極電圧に対する依存性を図７に示す。
【００３４】
図７から、準安定励起状態となる希ガスをアルゴンに替えることによっても、良好なイオン化及び，イオン分布の実現が可能であることが分かる。
【００３５】
（実施例３）
本例では、図２に示した構成の堆積膜形成装置を用いた。原料の蒸発源を図１の装置のスパッタリングターゲットから抵抗加熱型ルツボ（内径、開口径共に８ｍｍ）に変更している点が実施例１と異なる。他の点は全て実施例１と同様にした。
【００３６】
以下では、工程手順に従って説明する。
【００３７】
（１）図２に示した装置において、先ず、ステンレス製の基板ホルダー２０３（浮遊電位）に、直径４インチのシリコンウエハー２０２をセットして、ウエハー上に形成した電極対（図５）のＡ部にこの系の最大プラズマ電位である５Ｖを、Ｂ部に電極にイオン引き込み電圧として−１０Ｖをそれぞれ接地電位に対して印加し、真空容器２０１内を真空排気手段２０９により１０‐４Ｐａ以下に一度真空排気した。
【００３８】
（２）引き続き排気を行ないながら、ガス導入管２０７からヘリウムガスを１００ｓｃｃｍ導入し、排気バルブ２０８の開度を調整することで真空容器２０１の内圧を４．０Ｐａに維持した。
【００３９】
（３）次に、電子吸引電極電圧設定用電源２１４を５Ｖに設定した。
【００４０】
（４）そして、イオン化原料加速電極電圧設定用電源２１１を１００Ｖに設定した。
【００４１】
（５）次に、その状態でサークル型スロットアレーマイクロ波導波管２１２へ不図示のマイクロ波電源からマイクロ波電力４００Ｗを投入、各スロットから準安定励起状態のヘリウムの放出を開始させた。
【００４２】
（６）上記（５）の状態で、基板２０２の直下１５０ｍｍに設置され、金０．５ｇを収容したルツボ３０４を約１４６０℃に加熱し、蒸発速度が安定するのを待って、シャッター２０６を開き、基板２０２上に成膜を行なった。
【００４３】
（７）成膜時間が３０秒を経過したところでシャッター２０６を閉じ、基板２０２を装置から取り出して、ウエハー基準面の膜除去を行ない、その後、触針式膜厚測定器にセットし、全ての電極対のＡ部及びＢ部（図５）の堆積膜厚測定を行なった。
【００４４】
以下同様に電子吸引電極電圧設定用電源１１４の設定電圧を−１０Ｖから５Ｖきざみに１５Ｖまで順次増して成膜を行ない、その都度サンプル上の全ての電極対の堆積膜厚測定を実施した。
【００４５】
堆積膜厚の測定値は実施例１と同様の処理をし、電子吸引電極電圧に対する依存性を図８に示す。
【００４６】
図８から、原料の蒸発源をルツボに替えることによっても、良好なイオン化及び，イオン分布の実現が可能であることが分かる。
【００４７】
（実施例４）
本例では、図３に示した構成の堆積膜形成装置を用いた。準安定励起状態の希ガスを放出するサークル型マイクロ波導波管３１２に形成されたスロットを、図１の装置の一段から、二段構成に変更している点が図１と異なる。他の点は全て実施例１と同様にした。
【００４８】
堆積膜厚の測定値は実施例１と同様の処理をし、電子吸引電極電圧に対する依存性を図９に示す。
【００４９】
図９から、サークル型マイクロ波導波管３１２に形成されたスロットを、図１の装置の一段から、二段構成に変更すことによって、一層良好なイオン化及び，イオン分布の実現が可能であることが分かる。
【００５０】
（実施例５）
本例では、ヘリウムの替わりにアルゴンを用いた点が実施例４と異なる。また、ウエハー上に形成した電極対（図５）のＡ部にこの系における最大プラズマ電位である２Ｖを印加した他の点は全て実施例４と同様にした。
【００５１】
堆積膜厚の測定値は実施例１と同様の処理をし、電子吸引電極電圧に対する依存性を図１０に示す。
【００５２】
図１０から、準安定励起状態となる希ガスをアルゴンに替えることによっても、良好なイオン化及び，イオン分布の実現が可能であることが分かる。
【００５３】
（実施例６）
本例では、図４に示した構成の堆積膜形成装置を用いた。原料の蒸発源を図３の装置のスパッタリングターゲットから抵抗加熱型ルツボ（内径、開口径共に８ｍｍ）に変更している点が実施例４と異なる。また、ウエハー上に形成した電極対（図５）のＡ部にこの系における最大プラズマ電位である５Ｖを印加した他の点は全て実施例４と同様にした。
【００５４】
工程手順は全て実施例３と同様である。
【００５５】
堆積膜厚の測定値は実施例１と同様の処理をし、電子吸引電極電圧に対する依存性を図１１に示す。
【００５６】
図１１から、原料の蒸発源をルツボに替えることによっても、良好なイオン化及び，イオン分布の実現が可能であることが分かる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、従来の１％以下〜数％程度のイオン化で実現する、膜質改善や基体との付着力の向上を狙うものではなく、イオンビームとして基体上の任意の部位にだけ膜を形成するとか、任意の分布にビームを制御する等、原料原子（分子）のイオン化率が十分に高く、且つ均一にイオン化が起こっていなければ実現できない高度なニーズに対応するものであり、
本発明によれば、大面積の基板に対しても上記のような高度なイオン化成膜を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明に係る堆積膜形成方法を実施し得る堆積膜形成装置の構成の一例を示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａのテーパー型ガス放出管内蔵サークル型スロットアレーマイクロ波導波管１１２を示す模式図である。
【図１Ｃ】図１Ａのテーパー型ガス放出管内蔵サークル型スロットアレーマイクロ波導波管４１２を示す他の模式図である。
【図２Ａ】本発明に係る堆積膜形成方法を実施し得る堆積膜形成装置の構成の他の一例を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａのテーパー型ガス放出管内蔵サークル型スロットアレーマイクロ波導波管２１２を示す模式図である。
【図３Ａ】本発明に係る堆積膜形成方法を実施し得る堆積膜形成装置の構成の他の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ａのテーパー型ガス放出管内蔵サークル型スロットアレーマイクロ波導波管３１２を示す模式図である。
【図４Ａ】本発明に係る堆積膜形成方法を実施し得る堆積膜形成装置の構成の他の一例を示す模式図である。
【図４Ｂ】図４Ａのテーパー型ガス放出管内蔵サークル型スロットアレーマイクロ波導波管４１２を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例において使用した、シリコンウエハー上に形成した電極対の形状及び配置を示す模式図である．
【図６】本発明の実施例１に係る、イオン化の程度を表す、堆積膜の堆積速度比及び、イオン化のバラツキを表す、堆積速度比分布の電子吸引電極電圧依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２に係る、イオン化の程度を表す、堆積膜の堆積速度比及び、イオン化のバラツキを表す、堆積速度比分布の電子吸引電極電圧依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例３に係る、イオン化の程度を表す、堆積膜の堆積速度比及び、イオン化のバラツキを表す、堆積速度比分布の電子吸引電極電圧依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例４に係る、イオン化の程度を表す、堆積膜の堆積速度比及び、イオン化のバラツキを表す、堆積速度比分布の電子吸引電極電圧依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例５に係る、イオン化の程度を表す、堆積膜の堆積速度比及び、イオン化のバラツキを表す、堆積速度比分布の電子吸引電極電圧依存性を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例６に係る、イオン化の程度を表す、堆積膜の堆積速度比及び、イオン化のバラツキを表す、堆積速度比分布の電子吸引電極電圧依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１　真空容器
１０２，２０２，３０２，４０２　基板（シリコンウエハー）
１０３，２０３，３０３，４０３　基板ホルダー
１０４，３０４　　　　　　　　　スパッタリングターゲット
２０４，４０４　　　　　　　　　ルツボ
２０５，４０５　　　　　　　　　ルツボ加熱用ヒータ
１０６，２０６，３０６，４０６　シャッター
１０７，２０７，３０７，４０７　希ガス導入管
１０８，２０８，３０８，４０８　排気バルブ
１０９，２０９，３０９，４０９　真空排気手段
１１０，２１０，３１０，４１０　イオン化原料加速電極
１１１，２１１，３１１，４１１　イオン化原料加速電極電圧設定用電源
１１２，２１２，３１２，４１２　テーパー型ガス放出管内蔵サークル型スロットアレーマイクロ波導波管
１１３，２１３，３１３，４１３　電子吸引電極
１１４，２１４，３１４，４１４　電子吸引電極電圧設定用電源
１１５，３１５　　　　　　　　　スパッタ用アルゴンガス導入管
１１６，２１６，３１６，４１６　防着部材
【図１Ａ】
2004124206.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2004124206.tif 000008
【図３Ｂ】
2004124206.tif 000009
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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