(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット材を保持するターゲット材保持部と、
プラズマ生成面を有するプラズマ生成部と、を有し、
前記プラズマ生成部は、前記ターゲット材保持部に保持されるターゲット材表面の側方に前記プラズマ生成面が位置し、かつ前記プラズマ生成面が前記ターゲット材表面側において前記ターゲット材表面と鈍角をなすように設置されており、前記プラズマ生成部は、前記プラズマ生成面を複数有することを特徴とするプラズマスパッタ装置。
【請求項２】
複数の前記プラズマ生成面は、少なくとも二つが、対向する方向に位置して互いの面を内側にして有することを特徴とする請求項１記載のプラズマスパッタ装置。
【請求項３】
前記プラズマ生成面は、前記ターゲット材表面に対し、鉛直方向＋２０度〜鉛直方向＋４５度の角度を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマスパッタ装置。
【請求項４】
前記プラズマ生成部は、前記プラズマ生成面で囲まれた箇所に、前記ターゲット材表面と前記プラズマ生成面との間の空間にプラズマガスを導入するプラズマガス導入口を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマスパッタ装置。
【請求項５】
前記プラズマ生成面に沿って高周波アンテナを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマスパッタ装置。
【請求項６】
前記ターゲット材保持部にバイアス電圧を付与するバイアス電源を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマスパッタ装置。
【請求項７】
前記プラズマ生成部が、前記プラズマ生成面の内側に磁場を発生させる磁界発生部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマを生成してターゲット材をスパッタするプラズマスパッタ装置に関するものであり、好適には、半導体及びディスプレイ（以下、半導体と総称する）デバイスの製造においてスパッタ製膜によって材料層を堆積させるためのプラズマ生成の装置に適用可能な技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタ堆積プロセスは、様々な半導体デバイスの製造に用いられるプロセスである。代表的なスパッタ堆積プロセスでは、半導体基板上に材料を堆積させるため、電界を発生させるプラズマ生成部によってスパッタターゲット材の近傍にプラズマが生成される。このスパッタターゲット材には負のバイアスを与えることができる。プラズマの内部で生成した電子は、ターゲット材近傍で移動して、プラズマ内でイオンを生成し、これがターゲット材表面を叩き、ターゲット材から材料を追い出す（即ち「スパッタする」）。スパッタされた粒子は、半導体基板の表面に移動してそこに堆積する。また、磁界を用いたマグネトロンスパッタでは、プラズマがマグネットにより発生するマグネトロン磁界の影響下にあり、プラズマはマグネトロン磁界の周りを凡そらせん状の経路で進んでターゲット材表面を効率よく叩くことができる。工業的に広く普及しているスパッタ装置の方式は基板とターゲットを平行に配置する平行平板型のマグネトロンスパッタであるが、基板が直接プラズマにさらされることからのダメージを問題に対して、一対のターゲット間でプラズマを発生させ、そこからスパッタ粒子のみを基板に飛来させる「対対向ターゲット方式」が特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３３０９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スパッタ粒子は、ターゲット材から、堆積しようとする基板へと進むときに、基板表面に対して射角となる直線経路を進む傾向がある。一方、その飛行経路上に高密度プラズマの領域が重なるという問題がある。その結果、プラズマによってイオン化された分子（例えばＡｒ）と、ターゲット材から叩き出されたスパッタ粒子がターゲット材と基板との間で交錯（混在）する。特に、高密度プラズマによるスパッタでは通常、チャンバを比較的高い圧力で操作することが必要となり、その結果、プラズマイオンとスパッタ材の材料原子との間で衝突の頻度が高くなり、堆積原子の散乱も同様に増大する。この堆積原子の散乱により、スパッタの効率の悪化が発生する。
【０００５】
また、基板上の堆積層の厚さについて、基板の中でターゲットの中心に調心される部分で厚くなり、外側の領域で薄くなる（膜の不均一性やステップカバレージの悪化を招く）。また、成膜速度を上げるためにプラズマへの投入電力を増やすと上記の構造から高熱の電子が多数発生しこれが堆積原子に伴われて基板に到達することで基板が高温化する事で熱ダメージを与えることになる。
また、平行平板や対向電極の課題として、「蒸着原子がターゲットから基板に向かう経路に高密度プラズマ雲が有り、それを突き抜けて基板に至るために「成膜効率が悪い」「スパッタ粒子に付着した熱電子の影響で基板温度が上がる」「スパッタ原料以外の分子が膜中に残留する（膜質が悪くなる）」「プラズマの印加電力によりスパッタ粒子の軌道が変化してしまう」などの問題がある。
【０００６】
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、スパッタ粒子とプラズマ粒子の移動を円滑にして効果的なプラズマスパッタ処理を行うことができるプラズマスパッタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明のプラズマスパッタ装置のうち、第１の本発明は、ターゲット材を保持するターゲット材保持部と、
プラズマ生成面を有するプラズマ生成部と、を有し、
前記プラズマ生成部は、前記ターゲット材保持部に保持されるターゲット材表面の側方に前記プラズマ生成面が位置し、かつ前記プラズマ生成面が前記ターゲット材表面側に向いて前記ターゲット材表面と鈍角をなすように設置されており、前記プラズマ生成部は、前記プラズマ生成面を複数有することを特徴とする。
他の形態のプラズマスパッタ装置は、前記形態の本発明において、複数の前記プラズマ生成面は、少なくとも対面する位置に二つを有することを特徴とする。
【０００８】
他の形態のプラズマスパッタ装置は、前記形態の本発明において、前記プラズマ生成面は、前記ターゲット材表面に対し、鉛直方向＋２０度〜鉛直方向＋４５度の角度を有していることを特徴とする。
【００１２】
他の形態のプラズマスパッタ装置は、前記形態の本発明において、前記プラズマ生成部は、前記プラズマ生成面で囲まれた箇所に、前記ターゲット材表面と前記プラズマ生成面との間の空間にプラズマガスを導入するプラズマガス導入口を有することを特徴とする。
【００１３】
他の形態のプラズマスパッタ装置は、前記形態の本発明において、前記プラズマ生成面に沿って高周波アンテナを有することを特徴とする。
【００１４】
他の形態のプラズマスパッタ装置は、前記形態の本発明において、前記ターゲット材保持部にバイアス電圧を付与するバイアス電源を有することを特徴とする。
【００１５】
他の形態のプラズマスパッタ装置は、前記形態の本発明において、前記プラズマ生成部が、前記プラズマ生成面の内側に磁場を発生させる磁界発生部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、スパッタ効率が向上し、かつスパッタ材料の移動が円滑になる。被堆積材にスパッタ材料の堆積を行う際に堆積の効率がよくなり、また、スパッタリング中における被堆積材への熱ダメージを最小限にし、低温プロセスを実現することにも貢献する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態のプラズマスパッタ装置でターゲット材を保持した状態を示す正面断面図である。
【図２】同じく、断面斜視図である。
【図３】同じく、保護板を省略したプラズマ生成部を示す拡大斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態において、ターゲット材表面とプラズマ生成面との傾斜角度を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態のプラズマスパッタ装置における動作時の模式図である。
【図６】本発明の他の実施形態のプラズマスパッタ装置でターゲット材を保持した状態を示す正面断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態のプラズマスパッタ装置におけるプラズマ生成部を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態のプラズマスパッタ装置１を添付図面に基づいて説明する。
プラズマスパッタ装置１は、図１、２に示すように、密閉構造の処理室２を備え、図示しない真空装置によって処理室２内を真空引きすることができる。
処理室２は、天板部２ｂと底板部２ｃとを有し、天板部２ｂよりも底板部２ｃの幅を小さくして底板部に対して傾斜させた両側の傾斜壁２ａ、２ａを有しており、天板部２ｂおよび底板部２ｃは同じ幅（図示左右方向）で長さ方向（図示奥行き方向）に伸長している。すなわちこの実施形態では、断面略Ｖ型のチャンバを備えている。
なお、処理室２の設置位置や設置角度は特に限定されるものではない。
【００１９】
処理室２の底板部２ｃ上には、ターゲット材保持部３を有しており、その上面にターゲット材１００が設置される。ターゲット材保持部３には、バックバイアス電圧を付与するバイアス電源１０が電気的に接続されている。
処理室２の天板部２ｂ下面側には基板保持部４を有しており、図５に示すように、基板保持部４に下面を露出した状態で基板１１０を保持することができる。基板１１０は被堆積材に相当する。なお、ターゲット材保持部３と基板保持部４とは、基板１１０の表面がターゲット材保持部３に設置されたターゲット材１００の表面と対面する位置関係にある。
【００２０】
傾斜壁２ａ、２ａの両方には、プラズマ生成部５が設置されており、その内面側が処理室２内の空間に向いた平面形状のプラズマ生成面５ａになっている。したがって、この例では、両側のプラズマ生成面５ａ、５ａ同士が互いに対面する位置にある。
すなわち、この実施形態では、プラズマチャンバに断面略Ｖ型にプラズマ生成部５が位置している。また、この実施形態では、ターゲット材は底面に配置されているが、３面において、ターゲット材とプラズマ発生ユニットの個数及び取付位置はアプリケーションにより自由である。
【００２１】
この実施形態では、傾斜壁２ａ、２ａは、ターゲット材保持部３に設置されるターゲット材１００の表面と鈍角となる角度を有しており、傾斜壁２ａに設けられるプラズマ生成部５では、図４に示すように、プラズマ生成面５ａが傾斜壁２ａと同じ傾斜角度θを有している。すなわち、プラズマ生成面５ａとターゲット材１００の表面とが鈍角θをなす。
本願発明では、上記傾斜角度θが鈍角であればよく、特定の角度に限定されるものではないが、上記傾斜角度は、鉛直方向＋２０度〜鉛直方向＋４５度の範囲が望ましく、さらには、鉛直方向＋３２度±１０度の範囲が一層望ましい。
【００２２】
プラズマ生成面の傾斜によって、スパッタ粒子の飛行経路と高密度プラズマ領域とを分離することができる。特にプラズマ生成面の傾斜角度を上記範囲とすることで、プラズマ密度の最も高い領域をスパッタ粒子の飛行経路から遠ざけることができる。プラズマ生成面の傾斜角度が鉛直方向＋２０度よりも小さい傾斜角度なる場合は、スパッタ粒子の飛行経路と高密度プラズマ領域との分離が不十分であり、鉛直方向＋４５度よりも大きい傾斜角度となる場合は、スパッタ粒子の飛行経路と高密度プラズマ領域との分離には問題ないが、プラズマ領域で発生するプラズマイオンを電界によってターゲット表面に誘導する効率が落ちるので好ましくない。
【００２３】
プラズマ生成部５では、図５に示すように、プラズマ生成面５ａで高周波電界を発生させる高周波電源１１を有しており、所定の周波数で高周波電力が通電される。
また、プラズマ生成面５ａの高さ方向中央部には、長手方向に沿ってプラズマガス導入部６を有しており、処理室２の外部からプラズマガスが供給される。この実施形態ではプラズマガスとしてＡｒガスが使用される。ただし、本願発明としては、プラズマガスの種別が特定のものに限定されるものではない。
なお、この実施形態は、マグネトロンフリーな（マグネトロンのない）構造からなる。但し、本発明としてはマグネトロンを有する構造とするものであってもよい。
【００２４】
また、傾斜壁２ａでは、図５に示すようにプラズマ生成部５の上方側に反応ガス導入部７が形成されており、処理室２の外部から反応ガスが供給される。なお、図１、２では、反応ガス導入部７の図示は省略している。この実施形態では反応ガスとして酸素が供給される。本発明としては反応ガスの種別が特定のものに限定されるものではなく、複数種の反応ガスを用いるものであってもよい。また、本発明としては反応ガスを用いないものであってもよい。
【００２５】
なお、上記説明では、ターゲット材保持部３は処理室２の底板部２ｃに有し、基板保持部４が処理室２の天板部２ｂに設けられているものとして説明したが、これらの位置関係が特に限定されるものではない。また、この実施形態では、処理室２内に基板保持部４を有するものとして説明したが、基板保持部４が処理室２外に存在するものであってもよく、本願発明としては基板保持部の位置が特に限定されるものではない。
【００２６】
次に、プラズマ生成部５の詳細を図３に基づいて説明する。
プラズマ生成部５では、二つの金属プレート５０、５１が上下に間隔を開けて端縁を対峙して長手方向に配置されている。二つの金属プレート５０、５１の間には、長尺な窪み部６ａが形成され、該窪み部６ａ内に間隔を置いて長手方向に並んだ複数のスリット６ｂが設けられ、これにガス供給部が接続されてプラズマガス導入部６が形成されている。プラズマガスは、スリット６ｂを通して処理室２のチャンバ内に導入される。
【００２７】
金属プレート５０、５１の上面には、窪み部６ａの周囲を除いてセラミック製の保護板５２で覆われており、プラズマに対し金属プレート５０、５１が損傷を受けないように保護されている。
金属プレート５０、５１には、長手方向に沿って両端の端縁に通電線５０ａ、５１ａが接合されており、通電線５０ａ、５１ａの両端には、それぞれ高周波電源１１の給電部が接続されている。これにより、通電線５０ａ、５１ａにそれぞれ高周波電流を流すことで、金属プレート５０、５１間の空隙に高周波電界を生じさせることができる。
【００２８】
次に、上記実施形態のプラズマスパッタ装置の動作について図５の模式図を用いて説明する。
ターゲット材保持部３に所望の材料のターゲット材１００を保持し、基板保持部４に、所望の基板１１０を設置する。本発明においては、ターゲット材の材料の種別や基板の種別が特に限定されるものではない。
その後、処理室２内を図示しない真空装置で真空引きし、プラズマガス導入部６からＡｒガスを処理室２内に導入し、反応ガス導入部７からＯ２ガスを処理室２内に導入する。さらに、高周波電源１１によって通電線５０ａ、５１ａに通電して金属プレート５０、５１間の空隙に高周波電界を発生させ、バイアス電源１０によってターゲット材保持部３にバックバイアスを印加する。
【００２９】
プラズマガス導入部６から吹き出されたプラズマガスは、高周波電界によってプラズマ化される。この際にプラズマガス導入部６の窪み部６ａからスリット６ｂを通してプラズマガスが導入されることで、ガスと電界との接触時間が充分に得られ、ガスのプラズマ化が向上する。
一方、ターゲット材保持部３では、バイアス電圧が印加されており、上記で生成されたプラズマがターゲット材１００側に引きつけられてターゲット材１００がプラズマで叩かれる。この際に、プラズマ生成面５ａは、ターゲット材１００の表面に対し、鈍角を有する傾斜角度を有しているため、プラズマの流れは遠方には飛びにくくなり、ターゲット材１００表面の中央側に偏ることはなく、高密度プラズマ領域がプラズマ生成部５の近傍に限定され、ターゲット材１００表面の中央側よりもやや外側へのプラズマの流れが多くなる。
【００３０】
ターゲット材１００では、プラズマで叩かれることによってスパッタ粒子１００ａが飛びだして基板１１０へ向かう。このときに、ターゲット材１００の表面中央ではプラズマ粒子の流れが少なくなっており、スパッタ粒子１００ａとプラズマ粒子との交錯状態が減少し、ターゲット材１００から飛び出すスパッタ粒子１００ａの流れを損なうことがない。
したがって、スパッタ粒子の飛行経路と高密度プラズマ領域を分離できて好ましい。
上記実施形態では、プラズマ生成部とターゲット材とをＶ型に配置することにより、プラズマによるＡｒ分子のイオン化とスパッタ粒子の発生領域を別けることにより、「プラズマイオンでのＡｒ分子のイオン化」と「スパッタ粒子による成膜」の効率を上げることが可能となる。また、スパッタ粒子に付着した熱電子の影響で基板温度が上がる現象を抑えることができる。
【００３１】
また、マグネトロンを利用していない装置よりも高密度プラズマ領域が広くなる一般的なマグネトロンを利用したプラズマ源であっても、ターゲット生成面の傾斜角度を上記範囲に定めて配置することによりプラズマ密度の最も高い領域をスパッタ粒子の飛行経路から遠ざけることができる。
【００３２】
なお、上記実施形態では、対面する二つのプラズマ生成面を有するものについて説明したが、本発明としては、プラズマ生成面の数は特定の数に限定されるものではない。
図６は、傾斜壁２ａの一方にのみプラズマ生成部５を設けたプラズマスパッタ装置１ａを示すものである。この実施形態においても、プラズマによるプラズマガスのイオン化とスパッタ粒子の発生領域を別けることができ、プラズマ化とスパッタ粒子による成膜の効率を上げることができる。
【００３３】
また、上記実施形態では、板状のアンテナを対にして配置し、板状のアンテナ間で高周波電界を形成するものについて説明したが、プラズマ生成面を得られるものであればよく、アンテナの形状や配置について特に限定されるものではない。
図７は、プラズマ生成部１５において蛇行状にアンテナ１６を配置したものである。アンテナ１６の両端に高周波電源の供給部を接続することで、アンテナ１６の周囲に高周波電界を形成することができる。アンテナ１６の内面側にはセラミックなどの保護板１７を設ける。この実施形態では、保護板１７の内側に平面状のプラズマ生成面１５ａが形成される。プラズマ生成面１５ａは、前記したように、ターゲット材表面に対し鈍角をなすように、プラズマ生成部１５が設置されることで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３４】
次に、本発明の実施例について説明する。
上記実施形態で説明した本発明のプラズマスパッタ装置（図１参照）を用いた。また同じ装置に対して基板とターゲットの裏面にそれぞれ、ＤＣ電源を追加して平行平板型のマグネトロンスパッタの構成を模して比較例とした。なお、実験チャンバー容量は３０ｃｍ３であり、プラズマ発生用の高周波電力は実施例、比較例とも３００ｗ入力とした。
基板上にサーモラベルを貼り、プラズマスパッタ装置の動作の結果、実施例では１時間の放電では５０℃以下、６時間放電でも１００℃以下となる結果を得た。
一方、比較例では放電開始５分で基板は１００℃を超えてしまった。
【００３５】
以上、上記実施形態および実施例に基づいて本発明を説明したが、無論、本発明の様々な特徴における変形は、当業者には自明なものであると、あるいは、ルーティン的な機械的又は電気的なデザインの問題であるその他の検討の後に自明となるものもあると、理解されるべきである。また、この他の具体例も可能であり、その特定のデザインは用途に依存するものである。このように、本発明の範囲はここに記載した特定の具体例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びこれと均等な事項によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１    プラズマスパッタ装置
１ａ  プラズマスパッタ装置
２    処理室
２ａ  傾斜壁
３    ターゲット材保持部
４    基板保持部
５    プラズマ生成部
５ａ  プラズマ生成面
６    プラズマガス導入部
６ａ  窪み部
６ｂ  スリット
７    反応ガス導入部
１０    バイアス電源
１１    高周波電源
１５    プラズマ生成部
１５ａ  プラズマ生成面
１６    アンテナ
１７    保護板
５０    金属プレート
５１    金属プレート
５２    保護板
１００    ターゲット材
１００ａ  スパッタ粒子
１１０    基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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