(57)【要約】【課題】  基板表面に高品質の薄膜を形成することにより、信頼性の高いデバイスを製造することができるＥＣＲスパッタリング装置を提供すること。【解決手段】  ＥＣＲスパッタリング装置１００は、磁場空間にＥＣＲプラズマを生成させるプラズマ生成室１０と、ＥＣＲプラズマ中のイオンによりスパッタされるターゲット２１と基板Ｓを保持する基板ホルダー２２とを収納する処理室２０とを備える。処理室２０には、反応性ガス導入部２５のガス噴出口２５ｂと排気口２３とを基板Ｓを挟んで対向する位置に設ける。基板Ｓの近傍にガス噴出口２５ｂから反応性ガスＧ２を噴出させ、ガス流Ｆ１として反応性ガスＧ２を基板Ｓの被処理面に沿って拡散させ、ターゲット２１から飛散するスパッタ粒子と化学反応させることにより、被処理面に成膜する。【選択図】  図１
2005226130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を導入し、マイクロ波電力によりプロセスガスを電離して磁場空間にＥＣＲプラズマを生成させるプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室に隣接して設けられ、前記ＥＣＲプラズマ中のイオンによりスパッタされるターゲットと被処理基板を保持する基板保持手段とを収納する処理室と、
前記処理室に設けられ、前記ターゲットから飛散するスパッタ粒子と化学反応する反応性ガスが前記被処理基板の被処理面に沿って拡散するように、前記被処理基板の近傍に前記反応性ガスを導入しつつ排出する反応性ガス流生成手段とを備えることを特徴とするＥＣＲスパッタリング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＥＣＲスパッタリング装置において、
前記反応性ガス流生成手段は、反応性ガス導入手段および真空排気手段を有し、
前記反応性ガス導入手段は、前記被処理基板の被処理面に平行に延在し、その延在方向に配列する複数のガス噴出口から前記反応性ガスを噴出するガス導入管を有することを特徴とするＥＣＲスパッタリング装置。
【請求項３】
請求項１に記載のＥＣＲスパッタリング装置において、
前記被処理基板の近傍に導入された前記反応性ガスの前記ターゲット方向への拡散を規制する遮蔽部材を更に設けることを特徴とするＥＣＲスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＣＲプラズマを利用するスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＣＲスパッタリング装置は、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマを生成し、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタし、スパッタ粒子を被処理基板の表面に堆積させて成膜する装置である。処理室内に反応性ガスを導入しておくと、ターゲットから飛散するスパッタ粒子は、飛散中にまたは被処理基板表面上で反応性ガスと化学反応を起こし、反応による生成物が被処理基板表面に薄膜として堆積する。この反応性ＥＣＲスパッタ法により、化合物半導体や圧電性セラミックなどの薄膜を形成することができる。従来、反応性ガスとしてＯ２ガスを処理室内に導入し、Ａｒイオンで金属亜鉛ターゲットをスパッタし、ターゲットからのＺｎ粒子をＯ２ガスと反応させてＺｎＯ膜を成膜するＥＣＲスパッタリング装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−０３０１７９号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のＥＣＲスパッタリング装置では、Ｏ２ガスの導入位置が金属亜鉛ターゲットの近傍にあるので、ターゲット表面が酸化されて酸化膜が形成され易くなる。この酸化膜がスパッタされる成膜モードでは、良好な結晶性をもつ薄膜を形成できない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１のＥＣＲスパッタリング装置は、マイクロ波を導入し、マイクロ波電力によりプロセスガスを電離して磁場空間にＥＣＲプラズマを生成させるプラズマ生成室と、プラズマ生成室に隣接して設けられ、ＥＣＲプラズマ中のイオンによりスパッタされるターゲットと被処理基板を保持する基板保持手段とを収納する処理室と、処理室に設けられ、ターゲットから飛散するスパッタ粒子と化学反応する反応性ガスが被処理基板の被処理面に沿って拡散するように、被処理基板の近傍に反応性ガスを導入しつつ排出する反応性ガス流生成手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
（２）請求項１のＥＣＲスパッタリング装置において、反応性ガス流生成手段は、反応性ガス導入手段および真空排気手段を有し、反応性ガス導入手段は、被処理基板の被処理面に平行に延在し、その延在方向に配列する複数のガス噴出口から反応性ガスを噴出するガス導入管を有することが好ましい。また、請求項１のＥＣＲスパッタリング装置に、被処理基板の近傍に導入された反応性ガスのターゲット方向への拡散を規制する遮蔽部材を更に設けることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、被処理基板の近傍に反応性ガスを導入し、その反応性ガスが被処理基板の被処理面に沿って拡散させるようにしたので、被処理基板表面でスパッタ粒子の化学反応が行われ、被処理基板表面に高品質の薄膜を形成することができ、信頼性の高いデバイスを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
〈第１の実施の形態〉
以下、本発明の第１の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置について、図１〜５を参照しながら説明する。図１は、第１の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置の概略を示す全体構成図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線からｘ方向を見たときのＥＣＲスパッタリング装置内部の図である。図３は、第１の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置の主要部の構成を示す部分断面図である。
【０００９】
ＥＣＲスパッタリング装置１００は、ＥＣＲプラズマを生成させるプラズマ生成室１０と基板Ｓの表面に成膜処理する処理室２０とを備えている。プラズマ生成室１０と処理室２０は、いずれも密閉可能な容器であり、ｘ方向に沿って連結されており、開口Ａにより連通している。
【００１０】
プラズマ生成室１０には、その左側面に、マイクロ波Ｍを導入するための誘電体板１１とプロセスガスＧ１を導入するためのガス導入部１３とが配設され、その右側面に、開口Ａが形成されている。また、プラズマ生成室１０には、その左右側面を除く外周面を取り囲むように電磁コイル１２が配設されている。プロセスガスＧ１としては、通常、Ａｒガスが用いられる。
【００１１】
処理室２０には、中央に穴が明いたコーン形状のターゲット２１と基板Ｓを保持する基板ホルダー２２とが収納され、ターゲット２１と基板Ｓとは対向配置されている。ターゲット２１には、直流電源２４の負極側が接続されている。基板ホルダー２２は、接地されており、基板Ｓの法線廻りに回転可能であり、必要に応じて加熱、冷却、電界印加が可能に構成されている。また、処理室２０には、反応性ガスＧ２を導入するためのガス導入部２５および室内を真空排気するための排気口２３が対向して配設されている。ガス導入部２５は、ターゲット２１よりも基板Ｓに近く配設されている。反応性ガスＧ２は、例えばＯ２ガス、Ｎ２ガスである。
【００１２】
ガス導入部２５は、図２からも分かるように、図１の紙面に垂直、すなわち基板Ｓの表面に平行に延在する直管２５ａを有する。直管２５ａの＋ｘ側の側面には、その長手方向に沿って１０個のガス噴出口２５ｂが形成されている。例えば、直管２５ａの内径は１０ｍｍ、ガス噴出口２５ｂの直径は２ｍｍである。なお、直管２５ａに代えて、基板Ｓの表面に平行に延在する管であれば、彎曲している管を用いてもよい。排気口２３は、高真空に排気することができるターボ分子ポンプ（不図示）に接続されている。
【００１３】
以下、本実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００の作用について図３も参照して説明する。不図示のマイクロ波導波管を伝搬する周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍは、誘電体板１１を介してプラズマ生成室１０内に導入される。導入されたマイクロ波電力により、プラズマ生成室１０内のプロセスガスＧ１は電離してプラズマが形成される。一方、プラズマ生成室１０内には、電磁コイル１２による磁界が形成されているので、プラズマ中の電子は、磁界からローレンツ力を受け、磁力線を軸とする旋回運動をしながらｘ方向に進む。
【００１４】
このとき、電子の旋回運動の回転周波数がマイクロ波Ｍの周波数に一致すると、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件が満たされる。ＥＣＲ条件が成立すると、プラズマの電離効率が上昇し、概略０．０５〜０．５Ｐａのガス圧力下で高密度プラズマ（ＥＣＲプラズマ）を生成できる。このときの磁束密度（磁界強度）は８７５×１０−４Ｗｂ／ｍ２となる。磁界強度は、ｘ方向に進むにつれて緩やかに減少する。
【００１５】
ＥＣＲプラズマ中で旋回運動する多数の電子は、開口Ａを通過して処理室２０内へ流入し、図３に示されるように、ターゲット２１の穴を通過して基板Ｓへと向う。基板ホルダー２２は接地されているので、基板Ｓの周辺は負の空間電位となり、この負の空間電位を中和するようにＥＣＲプラズマ中の多数のイオンも開口Ａを通過して処理室２０内へ流入する。つまり、多数の電子とイオン（例えばＡｒイオン）を含むプラズマ流Ｐがプラズマ生成室１０から処理室２０へ流入する。
【００１６】
ターゲット２１には負の直流電圧が印加されているので、ターゲット２１は、プラズマ流Ｐ中のＡｒイオンによってスパッタされる。そして、図３に示されるように、多数のスパッタ粒子Ｔがｘ方向に飛散し、基板Ｓの表面に至る。スパッタ粒子Ｔの飛行軌跡は、ほぼプラズマ流Ｐの中にある。
【００１７】
図３に示されるように、反応性ガスＧ２は、複数のガス噴出口２５ｂからｘ方向へ放出される。放出された反応性ガスＧ２は、Ｆ１で示されるガス流となり、負圧となっている排気口２３へ向かう。ガス流Ｆ１は、図２に示されるように、基板Ｓの全表面を覆うように、基板Ｓの表面に沿って流れ、ガス流Ｆ２として排気口２３へ至る。
【００１８】
ガス流Ｆ１の反応性ガスＧ２は、基板Ｓの表面でスパッタ粒子Ｔと化学反応を生じ、基板Ｓ表面に反応物の薄膜が形成される。例えば、反応性ガスＧ２がＯ２ガスの場合は反応物は酸化物、Ｎ２ガスの場合は窒化物である。プラズマ流Ｐを基板Ｓ表面まで到達させると、反応性ガスＧ２によるスパッタ粒子Ｔの反応を促進することができる。プラズマ流Ｐ中のＡｒイオンのエネルギーは、１０ｅＶ程度と低いので、成膜途中の薄膜や基板Ｓに与えるダメージはほとんどない。
【００１９】
このように、基板Ｓの表面近傍にてガス流Ｆ１が生じるように反応性ガスＧ２を噴出させると、反応性ガスＧ２の大部分は、基板Ｓの表面での化学反応に消費されてしまうので、処理室２０内を拡散してターゲット２１表面まで到達する反応性ガスＧ２分子は非常に僅かとなる。従って、ターゲット２１は、酸化や窒化などの作用をほとんど受けず、スパッタ粒子は、ターゲット２１の材質のまま基板Ｓへ到達し、基板Ｓ表面での化学反応により成膜されるために、成膜したままの状態で良好な結晶配向性を有する。従って、成膜後に熱処理を行わなくても、デバイスとしての性能を十分にクリヤーできる。
【００２０】
次に、本実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００を用いて、Ｎｉ−Ｚｎフェライト薄膜を成膜した具体例について説明する。図４は、Ｎｉ−Ｚｎフェライト薄膜のＸ線回折結果を示すグラフである。横軸に回折角２θ、縦軸に回折強度をとり、データＡとデータＢを上下に重ねて示す。データＡは、本実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００を用いて成膜されたＮｉ−Ｚｎフェライト薄膜の場合、データＢは、反応性ガスをターゲット近傍から導入する従来のＥＣＲスパッタリング装置を用いて成膜されたＮｉ−Ｚｎフェライト薄膜の場合である。
【００２１】
データＡとデータＢを比較すると、データＡには、２θ＝４０°に鋭く高いピークが観察される。２θ＝４０°に現れるピークは、フェライトのスピネル結晶構造の（４００）面による回折ピークであり、データＡは、データＢに比べて結晶性が良いことが判る。また、データＡは、データＢに比べてバックグラウンド曲線が小さく滑らかであることから、結晶の乱れがない良質の薄膜が形成されたことが判る。
【００２２】
図５は、金属薄膜の成膜速度Ｒと基板−ターゲット間距離ｄとの関係を示すグラフである。曲線Ａ，Ｂ，Ｃは、いずれもＥＣＲスパッタリング装置を用いて成膜したデータである。曲線Ａは、反応性ガスを導入せず、ターゲット材料と同じ金属を成膜した場合である。曲線Ｂは、本実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００を用いて反応性ガスを基板近傍に導入して、ターゲット材料の金属の化合物を成膜した場合である。曲線Ｃは、反応性ガスをターゲット近傍に導入して、ターゲット材料の金属の化合物を成膜した場合である。
【００２３】
曲線Ａについては、反応を行わない成膜なので、成膜速度ＲはＡｒイオンによるスパッタレートで決まり、成膜速度Ｒと基板−ターゲット間距離ｄは、ほぼ反比例の関係になる。曲線Ｂについては、反応を伴う成膜なので、曲線Ａに比べるとやや成膜速度Ｒは小さいが、曲線Ａと同様に、成膜速度Ｒと基板−ターゲット間距離ｄは、ほぼ反比例の関係になっている。曲線Ｃについては、成膜速度Ｒは、基板−ターゲット間距離ｄにほとんど依存せず、曲線Ａ，Ｂに比べて小さい。これは、曲線Ｂでは、基板表面での反応が支配的であるのに対し、曲線Ｃでは、ターゲット表面での反応が支配的になっているためである。曲線ＢとＣでは、反応性ガス導入位置が異なるだけであるが、本実施の形態のＥＣＲスパッタリング装置１００を用いると、成膜速度Ｒを大きくすることができる。
【００２４】
〈第２の実施の形態〉
以下、本発明の第２の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置について、図６，７を参照しながら説明する。図６は、第２の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置の概略を示す全体構成図である。図７は、第２の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置の主要部の構成を示す部分断面図である。本実施の形態のＥＣＲスパッタリング装置２００においては、第１の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００と同じ構成部品には同一符号を付し、相違点を主に説明する。
【００２５】
本実施の形態のＥＣＲスパッタリング装置２００が、第１の実施の形態のＥＣＲスパッタリング装置１００と大きく異なる点は、反応性ガスＧ２を導入するためのガス導入部２５に代えてガス導入部２６を設けたことと、処理室２０内に遮蔽部材２７を新たに設けたことである。
【００２６】
反応性ガスＧ２は、不図示のガス供給源からガス導入部２６に至り、ガス噴出口２６ａから処理室２０内に形成されている遮蔽部材２７と基板ホルダー２２とで囲まれたリング状空間３０へ放出される。このリング状空間３０は、ターゲット２１が位置する空間とは遮蔽部材２７により隔てられている。反応性ガスＧ２は、遮蔽部材２７と基板ホルダー２２との間隙を通ってＦ３で示されるガス流となり、基板Ｓの全表面を覆いながら表面に沿って流れ、ガス流Ｆ４として負圧となっている排気口２３へ向かう。
【００２７】
図７に示されるように、ガス流Ｆ３を有する反応性ガスＧ２は、基板Ｓの表面でスパッタ粒子Ｔと化学反応を生じ、基板Ｓの表面に反応物の薄膜が形成される。例えば、反応性ガスＧ２がＯ２ガスの場合は反応物は酸化物、Ｎ２ガスの場合は窒化物である。プラズマ流Ｐを基板Ｓ表面まで到達させると、反応性ガスＧ２によるスパッタ粒子Ｔの反応を促進することができる。プラズマ流Ｐ中のイオンのエネルギーは、１０ｅＶ程度と低いので、基板Ｓに与えるダメージはほとんどない。
【００２８】
このように、反応性ガスＧ２のガス流Ｆ３が基板Ｓの表面に沿って生成するように規制すると、第１の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００を用いた場合と同様に、反応性ガスＧ２の大部分は、基板Ｓ表面近傍での化学反応に消費されてしまうので、処理室２０内を拡散してターゲット２１表面まで到達する反応性ガスＧ２分子は非常に僅かとなる。従って、本実施の形態でも、第１の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施の形態では、遮蔽部材２７を設けたので、第１の実施の形態のＥＣＲスパッタリング装置１００に比較して、反応性ガスＧ２のガス流Ｆ３を厳密に規制することができ、ターゲット２１表面まで到達する反応性ガスＧ２の量をより一層少なくすることができる。
【００２９】
以上説明した第１及び第２の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置１００，２００から分かるように、本発明は、反応性ガスＧ２が基板Ｓの表面に沿って流れるようにし、反応性ガスＧ２の大部分を基板表面で反応させ、ターゲット２１の表面まで到達する反応性ガスＧ２の量を少なくすることを特徴とする。従って、本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。例えば、第２の実施の形態によるＥＣＲスパッタリング装置２００において、遮蔽部材２７を省略してもよい。
【００３０】
なお、第１の実施の形態では、ガス導入部２５と排気口２３とが反応性ガス流生成手段を構成し、第２の実施の形態では、ガス導入部２６と遮蔽部材２７と排気口２３とが反応性ガス流生成手段を構成する。また、ガス導入部２５とガス導入部２６がガス導入手段を構成し、排気口２３が真空排気手段を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲスパッタリング装置の概略を示す全体構成図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線からｘ方向を見たときのＥＣＲスパッタリング装置内部の図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＥＣＲスパッタリング装置の主要部の構成を示す部分断面図である。
【図４】Ｎｉ−Ｚｎフェライト薄膜のＸ線回折結果を示すグラフである。
【図５】金属薄膜の成膜速度Ｒと基板−ターゲット間距離ｄとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るＥＣＲスパッタリング装置の概略を示す全体構成図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るＥＣＲスパッタリング装置の主要部の構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：プラズマ生成室
１１：誘電体板
１２：電磁コイル
１３：ガス導入部
２０：処理室
２１：ターゲット
２２：基板ホルダー
２５，２６：ガス導入部
２７：遮蔽部材
３０：リング状空間
１００，２００：ＥＣＲスパッタリング装置
Ｆ１〜Ｆ４：ガス流
Ｇ１：プロセスガス
Ｇ２：反応性ガス
Ｐ：プラズマ流
Ｓ：基板
Ｔ：スパッタ粒子
【図１】
2005226130.tif 000003
【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】
2005226130.tif 000008
【図７】
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