(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ法によって基板に薄膜を作製する方法において、
前記基板のターゲットに対向している面と反対面に平行な同一平面内に、複数の棒磁石を、互いのＮ極とＳ極とを交互とし、かつ当該複数の棒磁石のそれぞれの内部でＳ極からＮ極に向かう磁界の方向を、前記基板の薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界の方向と同じ向きとなるようにループ状に配置し、
前記複数の棒磁石のそれぞれの周囲に生じる磁界により、前記磁界に侵入したイオンに前記基板と遠ざかる向きに力を加えながら、前記基板に薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項２】
スパッタ法によって基板に薄膜を作製する方法において、
前記基板のターゲットに対向している面と反対面に平行な同一平面内に、複数の棒磁石を、互いのＮ極とＳ極とを交互とし、かつ当該複数の棒磁石のそれぞれの内部でＳ極からＮ極に向かう磁界の方向を、前記基板の薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界の方向と同じ向きとなるようにループ状に配置し、
前記複数の棒磁石のそれぞれの周囲に生じる磁界により、前記磁界に侵入したイオンに前記基板と遠ざかる向きに力を加えながら、
前記薄膜の作製の初期とその後とを比較して、初期の段階のスパッタ収量のほうが小さくなるようにして、前記基板に薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項３】
トップゲート型薄膜トランジスタの作製工程において、
ゲート絶縁膜上にゲート電極となる薄膜をスパッタ法によって作製する場合に、前記基板のターゲットに対向している面と反対面に平行な同一平面内に、複数の棒磁石を、互いのＮ極とＳ極とを交互とし、かつ当該複数の棒磁石のそれぞれの内部でＳ極からＮ極に向かう磁界の方向を、前記基板の薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界の方向と同じ向きとなるようにループ状に配置し、
前記複数の棒磁石のそれぞれの周囲に生じる磁界により、前記磁界に侵入したイオンに前記基板と遠ざかる向きに力を加えながら、
前記薄膜の作製の初期とその後とを比較して、初期の段階のスパッタ収量のほうが小さくなるようにして、前記基板に前記ゲート電極となる薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項４】
トップゲート型薄膜トランジスタの作製工程において、
ゲート電極上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上にゲート、ソース、又はドレインの取り出し電極となる薄膜をスパッタ法によって作製する場合に、
前記基板のターゲットに対向している面と反対面に平行な同一平面内に、複数の棒磁石を、互いのＮ極とＳ極とを交互とし、かつ当該複数の棒磁石のそれぞれの内部でＳ極からＮ極に向かう磁界の方向を、前記基板の薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界の方向と同じ向きとなるようにループ状に配置し、
前記複数の棒磁石のそれぞれの周囲に生じる磁界により、前記磁界に侵入したイオンに前記基板と遠ざかる向きに力を加えながら、
前記薄膜の作製の初期とその後とを比較して、初期の段階のスパッタ収量のほうが小さくなるようにして、前記基板に前記ゲート、ソース、又はドレインの取り出し電極となる薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一において、カソード電圧及びカソード電流を、薄膜を作製の初期とその後とを比較して、初期の段階のカソード電圧のほうが小さくなるようにし、初期の段階のカソード電流のほうが大きくなるようにして、カソード投入電力を一定にした状態で、スパッタ収量を制御することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項６】
請求項２乃至請求項４のいずれか一において、カソード投入電力を、薄膜を作製の初期とその後とを比較して、初期の段階のカソード投入電力が小さくなるようにして、スパッタ収量を制御することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６において、前記スパッタ収量を段階的に制御する場合、前記スパッタ収量が小さくなるように薄膜を作製する初期の段階では、作製された薄膜の膜厚が１０〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項８】
薄膜作製用スパッタ装置において、
基板を所定の場所に設置した状態で、前記基板のターゲットに対向している面と反対面に平行な同一平面内に、複数の棒磁石が、互いのＮ極とＳ極とが交互となり、かつ当該複数の棒磁石のそれぞれの内部でＳ極からＮ極に向かう磁界の方向を、前記基板の薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界の方向と同じ向きとなるようにループ状に配置された反射磁界発生装置を備えていることを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項９】
薄膜作製用スパッタ装置において、
基板を所定の場所に設置した状態で、前記基板のターゲットに対向している面と反対面に平行な同一平面内に、複数の棒磁石が、互いのＮ極とＳ極とが交互ととなり、かつ当該複数の棒磁石のそれぞれの内部でＳ極からＮ極に向かう磁界の方向を、前記基板の薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界の方向と同じ向きなるようにループ状に配置された反射磁界発生装置を備え、
かつ前記基板と前記反射磁界発生装置との間にヒータを備えていることを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記ヒータと前記反射磁界発生装置の間に、前記ヒータからの熱を低減させるための熱遮蔽装置を備えたことを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項１１】
請求項８乃至請求項１０のいずれか一において、前記基板を移動する移動手段を備え、前記反射磁界発生装置は前記基板と連動して、移動されることを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項１２】
請求項１１において、前記移動手段は減圧側と大気圧側にて磁気シールによって接続され、前記反射磁界発生装置と前記磁気シールの間に磁気シールドを設けてあることを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１１のいずれか一において、前記複数の棒磁石の配置に沿うような磁界のみが発生するように、磁気シールドを前記複数の棒磁石の配置に沿わない磁界を遮断するように設けたことを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項１４】
請求項１３において、前記棒磁石として、希土類コバルト、Ａｌｎｉｃｏ５、タングステン鋼、炭素鋼、ＫＳ鋼、ＯＰ磁石、Ｆｅｒｒｏｘｄｕｒｅ２、のいずれかを用いることを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項１５】
請求項１３又は請求項１４において、前記磁気シールドの高さが前記棒磁石の高さより高いことを特徴とする薄膜作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
減圧状態で、スパッタリング現象を利用して薄膜作製を行う分野において、特にイオンによる被成膜面のスパッタダメージと初期スパッタでのダメージを減少させる薄膜作製方法およびその薄膜作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング現象を利用する薄膜作製方法としては、ターゲットに直流電圧を印加するＤＣスパッタリング法、ターゲットに交流電圧を印加するＲＦスパッタリング法があり、また、主に不活性ガスによるスパッタ以外に、他のガスも添加しながらスパッタリングを行い、ターゲット材料とその添加ガスとの反応を利用する反応性スパッタリングや、ターゲットのスパッタ効率を向上させるために磁場によってスパッタをするイオンをエロージョン領域に閉じ込めてスパッタを行うマグネトロンスパッタリングなどがある。無論、それぞれを組み合わせたスパッタ方法、たとえばＲＦマグネトロン反応スパッタリング法などもある。
【０００３】
スパッタリング現象を利用した薄膜作製方法は、半導体分野で特によく利用されている。半導体分野の中でも、結晶シリコンを利用した半導体分野以外にも、最近では絶縁性表面に薄膜半導体を形成することで完成する薄膜トランジスタ、いわゆるＴＦＴの分野や、液晶ディスプレイの透明電極を形成する分野など、幅広い分野で利用されている。
【０００４】
スパッタリング現象を利用した成膜方法（以下スパッタ法という）では、ターゲットに電界によって加速させたアルゴンイオンなどを衝突させ、それによって、ターゲットから材料の分子原子が飛び出し、ターゲットに対向して離間している基板の表面にその原子分子が到達し、そこで膜を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリングによって飛び出したターゲット材料の原子や分子は、アルゴンなどをイオン化するためのプラズマ空間を通過した後に基板へ到達する。例えば、アルゴンの平均自由行程は、絶対温度２９３Ｋで、圧力１Ｐａのときに約６．８ｍｍである。スパッタ時の圧力は大体０．１Ｐａ程度であるので、平均自由行程は温度がある程度高いとしても１０ｃｍ以下である。また、アルゴン以外であっても平均自由行程は大きくは変わらない。そのために、ターゲットから飛び出した原子や分子も、プラズマ空間を通過するときにその何割かは、イオン化されてしまう。
イオン化されたターゲット材料から飛び出した原子や分子と、アルゴンイオンの何割かは、被膜形成面に達する。そのイオンによるダメージが、特に半導体や薄膜半導体を形成するうえで、大きな問題を引き起こす。
【０００６】
半導体分野では、絶縁膜上に金属配線を行い、その上にさらに絶縁膜を形成してその絶縁膜を平坦化して、さらに金属配線を行う多層配線技術が行われている。その金属配線用の金属膜の成膜にスパッタ法が用いられている。
金属配線の下には、絶縁膜があり、被膜形成面まで達したイオン化されたターゲット材料から飛び出した原子や分子と、アルゴンイオンとはその電荷を絶縁膜上で急激に放電して、いわゆる静電破壊に似た現象を引き起こす。
【０００７】
また、薄膜半導体装置を形成する場合には、基板自体が絶縁性が高いために、結晶半導体の場合よりも問題は深刻である。薄膜半導体を利用した薄膜半導体装置のうちでも、結晶半導体のＭＯＳトランジスタに似ている薄膜トランジスタいわゆるＴＦＴの中でも、トップゲート型のトランジスタの場合には、チャネルを形成する薄膜半導体層、ゲート絶縁膜を形成する絶縁層をそれぞれ形成したのちに、最後にゲート電極としての金属層を形成する。その最後の金属層を形成するにはスパッタ法を用いることが多い。
そのために、被膜形成面まで達したイオン化されたターゲット材料から飛び出した原子や分子と、アルゴンイオンはゲート絶縁膜の静電破壊にとどまらず、基板自体が絶縁体であるがゆえに、基板上のあらゆるところでのイオンダメージを引き起こしやすい。
【０００８】
被膜形成面まで達したイオン化されたターゲット材料から飛び出した原子や分子と、アルゴンイオンのダメージの他に、イオン化していない中性のターゲット材料から飛び出した原子や分子の中でも問題になるものがある。
スパッタ収量の計算によると、例えばアルゴンイオン１個を３００ｅＶでアルミニウムのターゲットに衝突させた場合、１．２４アルミニウム原子が飛び出すことになる。スパッタによる成膜速度を上昇させて生産性を向上させようとすると、このスパッタ収量をできるだけ大きくする必要がある。
【０００９】
スパッタ収量を大きくするためには、ターゲットに印加する電力を大きくする必要がある。ターゲットに印加する電圧を高くすると、ターゲットをスパッタするアルゴンイオンの加速は大きくなり、必然的に大きなエネルギーでターゲットをスパッタするために、それによって飛び出すターゲット材料の原子や分子も大きなエネルギーをもって飛び出し、イオン化されないとしても大きなエネルギーをもったまま被膜形成面に衝突する。
【００１０】
イオンが被膜形成面に衝突した場合には、そのイオンの持つ電荷によるイオンダメージが強いが、中性で大きなエネルギーをもったターゲット材料から飛び出した原子や分子は、被膜形成面の下の膜中にある深さで侵入してしてしまう。
それによって、例えば、トップゲート型のＴＦＴのゲート電極材料をスパッタ法によって形成する場合などは、その電極材料がゲート絶縁膜中に侵入してしまうことすら発生する。
ＴＦＴを液晶に利用する場合などは、画素を制御するためのスイッチとしてのＴＦＴなどは１００万個程度あるが、ゲート絶縁膜中に金属材料がバラバラに侵入してしまうと、しきい値がずれ、信頼性にも大きな悪影響をおよぼしてしまう。ましてや、ＴＦＴを利用してドライバー回路やアンプなどを形成する場合は、しきい値がずれることは致命的である。
【００１１】
本発明の目的は、上述の問題点を解消して、半導体分野において、スパッタ法によって成膜を行う場合に、その被膜形成面ならびにその下側の膜の状況、あるいは、基板の材質によって、スパッタ法で発生するスパッタガスのイオンや、ターゲット材料から飛び出した原子や分子のイオン化したものによるイオンダメージを減少すること、さらに、イオン化されてはいないが大きなエネルギーを持って、被膜形成面に到達する中性のターゲット材料から飛び出した原子や分子による衝突ダメージを減少することにある。
即ち、イオンによるダメージと、高エネルギーの中性原子分子によるダメージとを減少することが可能な薄膜作製方法と、それを実現するための薄膜作製装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の構成の一つは、
スパッタ法によって、基板に薄膜を作製する方法において、
ターゲットに対向している前記基板には薄膜を作製する面の裏側方向に、反射磁界発生装置を備え、
該反射磁界発生装置により、前記薄膜を作製する面に向かってくるイオンのつくり出す磁界と同じ向きの閉じられたループ磁界を前記薄膜を作製する面とほぼ平行な面で発生させながら、薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１３】
本発明の他の構成は、
スパッタ法によって、基板に薄膜を作製する方法において、
ターゲットに対向している前記基板には薄膜を作製する面の裏側方向に、反射磁界発生装置を備え、
該反射磁界発生装置により、前記薄膜を作製する面に到達するイオンを減少させるような閉じられたループ磁界を前記薄膜を作製する面とほぼ平行な面で発生させながら、薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１４】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製方法において、前記反射磁界発生装置には、永久磁石のＮ極とＳ極が交互にループ状にほぼ同一平面に並んで固定され、前記ループ状にほぼ沿うような磁界のみが発生するように、磁気シールドを前記ループ状に沿わない磁界を遮断するように設けてあることを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１５】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製方法において、  永久磁石として、希土類コバルト、Ａｌｎｉｃｏ５、タングステン鋼、炭素鋼、ＫＳ鋼、ＯＰ磁石、Ｆｅｒｒｏｘｄｕｒｅ２、のいずれかを用いることを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１６】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製方法において、永久磁石として、Ｕ字磁石あるいは棒磁石を用いることを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１７】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製方法において、前記磁気シールドの高さが前記永久磁石の高さより高いことを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１８】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製方法において、  前記反射磁界発生装置において、コイルをほぼ閉じられたループを形成するように巻き、前記コイルに電流を流すことにより、前記ループ状にほぼ沿うような磁界を発生させることを特徴とする薄膜作製方法である。
【００１９】
本発明の他の構成としては、
上記薄膜作製方法において、前記反射磁界発生装置において、基板の薄膜を作製する面とほぼ垂直な方向に電流を流すことにより、閉じられたループ磁界を前記基板を作製する面とほぼ平行に発生させることを特徴とする薄膜作製方法。
【００２０】
本発明の他の構成としては、
上記薄膜作製方法において、反射磁界発生装置において、基板の薄膜を作製する面とほぼ平行な１組の平面電極の間で直流放電をさせることにより、閉じられたループ磁界を前記基板を作製する面とほぼ平行に発生させることを特徴とした薄膜作製方法である。
【００２１】
本発明の他の構成は、
スパッタ法によって、基板に薄膜を成膜する方法において、
成膜の初期とその後とを比較して、初期の段階のスパッタ収量のほうが小さくなるように成膜することを特徴とする薄膜作製方法。
【００２２】
本発明の他の構成は、
トップゲート型薄膜トランジスタの作製工程において、
ゲート絶縁膜上にゲート電極をスパッタ法によって成膜する場合に、成膜の初期とその後とを比較して、初期の段階でのスパッタ収量のほうが小さくなるように成膜することを特徴とする薄膜作製方法。
【００２３】
本発明の他の構成は、
前記薄膜作製方法において、カソード投入電力を一定にた状態で、成膜の初期とその後とを比較して、初期の段階のカソード電圧のほうが小さくなるように、スパッタ収量の制御を行うことを特徴とする薄膜作製方法。
【００２４】
本発明の他の構成は、
前記薄膜作製方法において、カソード投入電力を、成膜の初期がその後と比較して、初期の段階のほうが小さくなるように、スパッタ収量の制御を行うことを特徴とする薄膜作製方法。
【００２５】
本発明の他の構成は、
前記薄膜作製方法において、スパッタ収量が小さくなるように成膜する初期の段階は、成膜された薄膜の膜厚が１００〜１０００Åの範囲であることを特徴とする薄膜作製方法。
【００２６】
本発明の他の構成は、
薄膜作製用スパッタ装置において、被膜成膜用基板を所定の場所に設置した状態で、該基板からみてターゲットと反対側に反射磁界発生装置を備えていることを特徴とする薄膜作製装置である。
【００２７】
本発明の他の構成は、
薄膜作製用スパッタ装置において、被膜成膜用基板を所定の場所に設置した状態で、該基板からみてターゲットと反対側にヒータを備え、該ヒータからみて前記ターゲットと反対側に反射磁界発生装置を備えていることを特徴とした薄膜作製装置である。
【００２８】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、ヒータと反射磁界発生装置の間に、前記ヒータからの熱を低減させるための熱遮蔽装置を前記ヒータと反射磁界発生装置の間に備えてあることを特徴とする薄膜作製装置である。
【００２９】
本発明の他の構成は、
前記薄膜作製装置において、前記被膜成膜用基板を移動する移動手段を備え、前記反射磁界発生装置は前記被膜成膜用基板と連動して、移動されることを特徴とする薄膜作製装置。
【００３０】
本発明の他の構成は、
前記薄膜作製装置において、前記移動手段は減圧側と大気圧側にて磁気シールによって接続され、前記反射磁界発生装置と前記磁気シールの間に磁気シールドを設けてあることを特徴とする薄膜作製装置。
【００３１】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、反射磁界発生装置において、永久磁石のＮ極とＳ極が交互にループ状にほぼ同一平面に並んで固定されており、前記ループ状にほぼ沿うような磁界のみが発生するように磁気シールドを前記ループ状に沿わない磁界を遮断するように設けてあることを特徴とする薄膜作製装置である。
【００３２】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、永久磁石として、
希土類コバルト、Ａｌｎｉｃｏ５、タングステン鋼、炭素鋼、ＫＳ鋼、ＯＰ磁石、Ｆｅｒｒｏｘｄｕｒｅ２、
のいずれかを用いることを特徴とする薄膜作製装置である。
【００３３】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、永久磁石として、Ｕ字磁石あるいは棒磁石を用いることを特徴とする薄膜作製装置である。
【００３４】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、磁気シールドの高さが永久磁石の高さより高いことを特徴とする薄膜作製装置である。
【００３５】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、反射磁界発生装置において、コイルをほぼ閉じられたループを形成するように巻き、前記コイルに電流を流すことによって前記ループ状にほぼ沿うような磁界を発生させることを特徴とした薄膜作製装置である。
【００３６】
本発明の他の構成としては、
上記薄膜作製装置において、反射磁界発生装置において、基板の薄膜を作製する面とほぼ垂直な方向に電流を流すことで閉じられたループ磁界を、前記基板を作製する面とほぼ平行に発生させることを特徴とする薄膜作製装置である。
【００３７】
本発明の他の構成は、
上記薄膜作製装置において、反射磁界発生装置において、基板の薄膜を作製する面とほぼ平行な１組の平面電極の間で直流放電をさせることで閉じられたループ磁界を、前記基板を作製する面とほぼ平行に発生させることを特徴とした薄膜作製装置である。
【００３８】
【作用】
スパッタの際に、正イオンまたは負イオンが基板に衝突する場合、例えば正イオンが基板に衝突する場合に、その進行方向に対して時計方向の回転での磁界が発生する（いわゆる電磁気学でいう右ネジの法則）。その様子を、図１（Ａ）に示す。基板１０１に進行している正イオン１０２は、進行方向１０３に対して、右ネジが進む場合の回転方向（基板に向かって時計方向）に移動電荷による磁界（ここではイオン磁界１０４と呼ぶ）ができる。正イオン１０２はイオン磁界１０４を発生させながら進行方向１０３に進み、基板１０１に衝突して、イオンダメージを与える。
なお、負イオンの場合は、イオン磁界１０４の向きが逆になり、左ネジが進む場合の回転方向になる。
【００３９】
そこで、本発明は、イオンが基板に衝突することを防止する、あるいは衝突するイオンの数を削減しようとするものである。本発明の概略の原理を図１（Ｂ）に示す。基板１１１に進行している正イオン１１２は、基板１１１向かって時計回りの方向にイオン磁界１１４を発生させながら進行する。その時に、基板の被形成面に沿ってイオン磁界１１４と同じ向きの反射磁界１１５があると、正イオン１１２は基板１１１の近傍にて磁界によって、基板１１１から遠ざかる向きに力を受けて、進行方向を反対方向１１３に変えてしまう。このため、正イオン１１２が基板１１１に達することがなくなる。或いは、基板１１１に到達する正イオン１１２の数を減じることができる。従って、反射磁界１１５を被形成面に向かって時計回りの方向に常に発生させておくことで、正のイオン１１２によるダメージを減少させることできる。正イオン１１２が、負イオンであれば、磁界の向きは全て逆になる。
【００４０】
被形成面に衝突してくるイオンに対して、例えば正イオンが作る誘導磁場が、進行方向に対して時計回りの方向の閉じられたループ磁界を発生させていることから、同じ時計回りの閉じられたループ磁界を発生させることによって、正イオンの被形成面への衝突を回避するものである。半導体分野では、基板はＳｉやＧａＡｓなどであり、薄膜半導体分野では石英やソーダガラス、ホウケイ酸ガラスなどであり、いずれも非磁性体であるので、反射磁界としての閉じられたループ磁界は、被形成面の反対側に発生させることが可能である。負イオンに対しても同様である。
【００４１】
図２に正イオンのダメージを減少させるための反射磁界の様子をもう少し分かりやすく示してある。図２（Ａ）は、スパッタ法による成膜装置の中の、ターゲット２０２と被膜形成面側２０４をターゲット２０２に向けて配置してある基板２０１と、基板２０１の被膜形成面側２０４と反対側に反射磁界領域２０３がある断面図である。
【００４２】
この基板２０１を被膜形成面２０４側から見た平面図のうち、基板として、ウエハ２１１を配置したものが図２（Ｂ）であり、基板として、矩形のガラス基板２２１を配置したものが図２（Ｃ）である。
反射磁界領域２０３において、図２（Ｂ）に示すように、被膜形成面側２０４からみると、ウエハ２１１に対して時計の針の進む向きと同じ、いわゆる時計方向に、閉じられた円周状の磁界２１３が発生されている。同様に、図２（Ｃ）に示すように、閉じられた円周状の磁界２２３がガラス基板２１１を被膜形成面側２０４からみて時計方向に発生されている。なお、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）において、矢印の向きが磁界２１３、２２３の方向を示している。
反射磁界領域２０３では、円周状の磁界２１３、２２３の様な形でなくとも、正イオンがつくり出す時計方向の磁界と同じ向きの磁界であれば原理的に同等であり、例えば図２（Ｄ）には、被膜形成面側２０４から、見たときにガラス基板２３１を配置してある平面図であるが、反射磁界としては閉じられたループ状で角状の磁界２３３でもよく、角状の磁界２２３の中の矢印が磁界の向きを示している。
【００４３】
つまり、正イオンが基板の被膜形成面に向かって動くときに発生する閉じられたループ磁界と同じ向きの反射磁界を被膜形成面近傍にて発生させて、正イオンをその磁界によって弾くようにすることで、被膜形成面での正イオンダメージを減少させることができる。負イオンによるダメージであれば、全て磁界の向きのみが逆になるだけで同様である。
【００４４】
閉じられたループ磁界の発生のさせ方としては、図３に永久磁石を用いた場合を示す。図３は、被膜形成面側から見た場合の図になっているため、反射磁界としての閉じられたループ磁界は、時計方向になるように発生させなくてはならない。
【００４５】
図３（Ａ）は、正イオンによるダメージを低減させるための例を示し、永久磁石を４個用いた場合の例である。４つのＵ字磁石３０１ａ〜３０１ｄはそれぞれセンター３００を中心にして９０度の回転角度をなして対称的に配置されている。また、Ｕ字磁石３０１ａ〜３０１ｄはそれぞれセンター３００みたときに右側にＮ極、左側にＳ極がくるように配置されている。
更に、Ｕ字磁石３０１ａ〜３０１ｄのＮ極とＳ極の間には、それらのＮ極とＳ極の先端よりもセンター３００の方向に突出するように、それぞれ磁気シールド３０２ａ〜３０２ｄが配置されいる。
【００４６】
Ｕ字磁石３０１ａをセンター３００から見た図を図３（Ｂ）に示す。Ｕ字磁石３０１ａの高さＸより、磁気シールド３０２ａの高さＹの方を大きくしている。これは、Ｕ字磁石３０１ａのＮ極とＳ極の間での磁界をできるだけ遮断したいためである。あるいは、図３（Ｃ）に示すように、磁気シールド３０２ＡのようにＵ字磁石３０１ａのＮ極とＳ極の上部、下部も覆うようにすると、より理想的である。
【００４７】
図３（Ａ）に示すように、Ｕ字磁石３０１ａ〜３０１ｄにおいて、それぞれの磁石のＮ極とＳ極の間での磁力線はほんとんどなく、Ｕ字磁石３０１ａのＳ極とＵ字磁石３０１ｂのＮ極の間で、磁力線３０４ができ、磁界の向きはＵ字磁石３０１ｂのＮ極からＵ字磁石３０１ａのＳ極に向かって発生する。同様にＵ字磁石３０１ｃのＮ極からＵ字磁石３０１ｂのＳ極に向かって発生し、Ｕ字磁石３０１ｄのＮ極からＵ字磁石３０１ｃのＳ極に向かって発生し、Ｕ字磁石３０１ａのＮ極からＵ字磁石３０１ｄのＳ極に向かって発生する。
【００４８】
すると、図３（Ａ）のセンター３００の回りに磁力線３０３が発生する。この磁力線３０３は時計回りで閉じているために、反射磁界としていわゆる閉じられたループ磁界として作用する。図３（Ａ）で示したセンター３００の上に基板を置いて、スパッタ法によって成膜した場合に、基板に衝突する正イオンを減少させることが可能であり、被膜形成面の正イオンのダメージをも低減できる。
【００４９】
Ｕ字磁石３０１ａ〜３０１ｄとしては、強い磁界が必要な場合は、ＳｍＣｏ５などの希土類コバルト磁石や、８Ａｌ，１４Ｎｉ，２３Ｃｏ，３Ｃｕなどの成分からできるＡｌｎｉｃｏ５や０．７Ｃ，０．３Ｃｒ，６Ｗ，０．３Ｍｎなどの成分からできるタングステン鋼を用いるとよい。また、それ程大きな磁界が必要で無い場合は、０．９〜１Ｃ，１Ｍｎなど成分からできる炭素鋼や、０．９Ｃ，３５Ｃｏ，３〜６Ｃｒ，４Ｗなどの成分からできるＫＳ鋼や、Ｃｏ０．７５Ｆｅ２．２５Ｏ４などのＯＰ磁石や、ＢａＦｅ１２Ｏ１９などのＦｅｒｒｏｘｄｕｒｅ２などを用いた永久磁石を用いると良い。
【００５０】
或いは、Ｕ字磁石３０１ａ〜３０１ｄは永久磁石でなく、同様の電磁石でもよい。また４個を円周状に並べたが、別段円周状である必要はなく、最終的にセンター３００の回りに閉じた時計方向回りに磁力線ができ、反射磁界をいわゆる閉じられたループ磁界としてなせばよい。負イオンによるダメージを低減させるためには、全て磁界の向きを逆にする。つまりＮ極とＳ極を反転させたものにすれば良い。
【００５１】
図３に示したような、配置の仕方ではなく、もっと単純な永久磁石を用いて、反射磁界を発生させる手段を図４に示す。
図４（Ａ）は、図３（Ａ）に対応しているが、被膜形成面側から見た場合の正イオンダメージを低減させるための図になっているため、反射磁界としての閉じられたループ磁界は、時計方向になるように発生させなくてはならない。磁気シールド４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃが円周状に壁をなしておりその中に、多数の永久磁石４０１が、１種類は磁気シールド４０２ａと４０２ｂの間の領域４０３に配置され、他の種類としては、磁気シールド４０２ｂと４０２ｃの間の領域４０４に配置されている。この図では領域４０３、４０４の２つであるが、１つでも良くまた、３つ以上でも無論よい。
【００５２】
それぞれの各永久磁石４０１は、センター４００からその個別の永久磁石４０１をみたときに右側がＮ極、左側がＳ極になるように配置されている。すると永久磁石４０１は、磁気シールド４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃで挟まれている中で主に、磁力線を発生させ磁気シールドを隔てた磁力線の発生をできるだけ抑えており、Ｎ極からＳ極へと丁度時計の針の進行方向と同じ向きの磁力線になる。
また、図４（Ａ）の中の、Ｘ−Ｘ’断面を図４（Ｂ）に示し、Ｙ−Ｙ’断面を図４（Ｃ）に示している。図４（Ｂ）を見るとわかるように、領域４０３に永久磁石４０１があるときは、領域４０４には永久磁石４０１がない。逆に図４（Ｃ）を見ると、領域４０４に永久磁石４０１がある時は、領域４０３には永久磁石４０１はない。
【００５３】
上記のように、永久磁石４０１の配置は、領域４０３と領域４０４で交互に配置するようにした方がよい。ただし、交互に配置しなくくとも、本発明の効果は十分にでる。また、図４（Ｂ）と図４（Ｃ）をみると明らかなように、永久磁石４０１の高さＸよりも、磁気シールド４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの高さＹの方が高くすることで、閉じられたループ磁界以外の磁界の発生を減少させている。領域４０３と４０４の中で、永久磁石４０１を介しながらそれぞれ閉じられたループ磁界を発生させている。また、負イオンのダメージを低減させるためには永久磁石４０１のＮ極とＳ極を逆にする。
【００５４】
図５は、図４に示したものを、四角形状にてならべたものであり、四角い基板などに対応しやすい。また、図６に示すようにコイル６０１をドーナッツ状にして、電流６０２を流すと閉じられたループ磁界６０３を発生させることができる。このコイルの場合は、磁界の大きさを自在に変化させることができるために利点が多い。図６は、正イオンのダメージを低減させるようにしてあるが、負イオンのダメージを低減させるためには、電池６０４のプラスとマイナスを換えることで対応できる。図には示していないが、コイル６０１の内側円周状と外側円周状に磁気シールドを設けた方がよいが、コイル状の電流を流した場合は、ほぼループに沿うような磁界しかできないために、なくとも十分である。
【００５５】
また、いままでのものは静磁場、静磁界を発生させていたが、図７に示すように鉄心７００にコイル７０１ａ、７０１ｂ、７０２ａ、７０２ｂ、７０３ａ、７０３ｂ、を巻付け、コイル７０１ａ、７０１ｂを交流電源Ａ７０４に接続し、コイル７０２ａ、７０２ｂを交流電源Ｂ７０５に接続し、コイル７０３ａ、７０３ｂを交流電源Ｃ７０６に接続する。交流電源Ａ〜Ｃ７０４〜７０６は、それぞれ位相だけが異なる電源になっている。それぞれの位相差は丁度１２０゜になっている。それによって、閉じられたループ磁界が発生する。
【００５６】
磁石を使って反射磁界としての閉じられたループ磁界を発生させる以外に、図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示すような方法もある。この図は負イオンのダメージを低減させる図を示している。図８（Ａ）は、基板８０１の被膜形成面側８０２の反対側に、反射磁界を発生させるようにしたものの断面図であり、下電極８０３と上電極８０４とは多数の導電線８０５で接続され、下電極８０３は直流電源８０６のプラス側に接続され、上電極８０４は抵抗８０７を通して接地されている。直流電源８０６の電圧を変化させるか、抵抗８０７の抵抗値を変化させることで、多数の導電線８０５を流れる電流値を制御する。多数の導電線８０５の１本１本には矢印の方向に電流がながれるために、導電線８０５のまわりには、電流がながれる向きに右ネジが進む方向に、反射磁界としての閉じられたループ磁界が発生する。
【００５７】
基板８０１に向かってくる、負イオンがつくり出す閉じられたループ磁界と丁度同じ向きとなり、その負イオンの基板への衝突を減少させることが出来る。しかも、この場合は、多数の導電線８０５を流れる電流値を制御することで、反射磁界としての閉じられたループ磁界の強さを制御できるために、幅広い条件にまで対応可能である。正イオンに対しては、直流電源８０６のプラスとマイナスを逆にすればよい。
【００５８】
図８（Ｂ）には、基板８１１の被膜形成面側８１２の反対側に、反射磁界を発生させるようにしたものの断面図であり、下電極８１３と上電極８１４の間で直流のプラズマ放電８１５が発生される。下電極８１３は直流電源８１６のプラス側に接続され、上電極８１４は抵抗８１７を通して接地されている。直流電源８１６の電圧を変化させるか、抵抗８１７の抵抗値を変化させることで、直流のプラズマ放電８１５によって発生するイオン電流を制御する。直流放電であるために、正のイオンは、下電極８１３から上電極８１４へ向かって移動するために、丁度、基板８０１に向かってくる負イオンと逆向きの方向になるため、下電極８１３から上電極８１４へ向かって移動する正イオンによって発生する反射磁界としての閉じられたループ磁界が発生する。
【００５９】
直流プラズマ放電８１５によって流れる電流を、直流電源８１６の電圧を変化させるあるいは、抵抗８１７の抵抗値を変化させることで、反射磁界としての閉じられたループ磁界の強さを制御できる。
図８（Ａ）、図８（Ｂ）のどちらの場合も、上電極８０４、８１４と下電極８０３、８１３の材質は非磁性体を用いなくてはならず、例えば、ステンレススチールの非磁性体である、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などや、アルミニウムやアルミニウム合金などがある。正イオンに対しては、直流電源８１６のプラスマイナスを逆転させればよい。
【００６０】
図９は本発明を用いた場合の、ＤＣマグネトロンスパッタ装置の、断面図である。反応室９００の中に、基板９０１、ターゲット９０２が図のように配置されている。基板９０１は、プッシャー９０３によって、ホルダー９０４に押しつけられて固定されている。基板９０１の下側には、基板加熱用のヒータ９０５があり、プッシャー９０３はこのヒータ９０５の中にある。反応室９００は、スパッタガス９１３が導入され、真空ポンプ９０６と制御弁９０７によって、所望の圧力に制御できる。
【００６１】
ターゲット９０２には直流電源９０８のマイナス側に接続され、ターゲット９０２の裏側には、マグネトロンスパッタを行うためのマグネットシステム９０９と、ターゲット９０２を冷却するための冷却装置９１０とが設けられている。ターゲット９０２は、反応室９００とはインシュレータ９１１によって電気的に絶縁されている。
【００６２】
ヒータ９０５の下には、反射磁界発生装置９１２が設置してある。ターゲット９０２は、スパッタガス９１３が導入されて、スパッタ圧力になると、直流電源９０８によって負の電圧が印加され、マグネットシステム９０９によって、エロージョン領域に閉じ込められた正イオンにより、ターゲット９０２はスパッタリングされる。スパッタされて、ターゲット９０２から飛び出したターゲット材料の原子分子は、基板９０１の表面に達して堆積する。
【００６３】
基板９０１上での成膜の均一性をとるために、基板９０１を自回転、スイング、遊星回転などの移動をさせながら成膜させてもよい。
エロージョン領域に閉じ込められているはずの正イオンの何割かは、マグネットシステム９０９の磁界では閉じ込めきれずに、基板９０１に向かって飛んでくる。そのとき基板９０１に右ネジが進行するときのネジの回転方向に磁界を発生しながら、正イオンが飛んでくる。このため、エロージョン領域から脱出した正イオンを基板９０１に達しないようにするために、逆向きの閉じられたループ磁界を反射磁界発生装置９１２によって発生させている。エロージョン領域に閉じ込められていて、基板９０１に向かってくるものが負イオンの場合は、左ネジが進行するときのネジの回転方向に磁界を発生させながら飛んでくる。
【００６４】
反射磁界発生装置９１２を永久磁石を用いて作製する場合は、その永久磁石のキューリー温度を超えないような、熱輻射の遮蔽を反射磁界発生装置９１２かあるいはヒータ９０５に設けること必要である。
【００６５】
スパッタによる被膜形成面がダメージを受けるのは、正イオンあるいは負イオンのみではなく、高エネルギーで基板に衝突してくる中性のターゲットからスパッタによって飛び出した原子分子によってもダメージを受ける。スパッタなどの成膜装置は、それを産業上にて利用するためには、生産性を向上させるために、膜質を悪化させない範囲での成膜速度の増加が要求される。
【００６６】
スパッタリングガスのイオンによるターゲットのスパッタに対する指標１つのとして、スパッタ収量がある。例えば、１個のアルゴンイオンを６００ｅＶのエネルギーでＡｌのターゲットに衝突させた際に、１．２４個のＡｌ原子が飛び出す場合をスパッタ収量１．２４ａｔｏｍｓ／ｉｏｎとするものである。ちなみに、アルゴンイオンを６００ｅＶのエネルギーでＳｉのターゲットに衝突させた場合には、スパッタ収量は０．５３ａｔｏｍｓ／ｉｏｎとなる。
【００６７】
スパッタを行う場合に、ターゲットに印加する電力は、カソード電圧とカソード電流の積で表されるが、同じ電力１０Ｗ／ｃｍ２を投入した場合でも、カソード電圧が５００Ｖ、カソード電流が０．０２Ａ／ｃｍ２の場合と、カソード電圧が４００Ｖ、カソード電流が０．０２５Ａ／ｃｍ２の場合では、異なるスパッタ収量での成膜を行っていることになる。無論、カソード電圧が５００Ｖの方がスパッタ収量が大きい。
【００６８】
しかしながら、カソード電流が大きい方がターゲットをスパッタするイオンの数が多いことになるので、結果的に成膜速度に大きな差はない。まったく差が無いわけではなく、投入電力が同じであればスパッタ収量の大きい条件の方が成膜速度は若干大きくなる。
このため、本発明では、投入電力を変更せずに、成膜の初期の段階ではできるだけカソード電圧を下げて、カソード電流を上げるようにし、下地に中性原子分子の影響が現れない程度、具体的には１００〜５００Åの厚さに成膜した後に、カソード電圧を上昇させるようにする。
【００６９】
スパッタによる高エネルギーの中性原子分子の影響が、非常に敏感な非形成面を持つ場合は、当初の１００〜５００Å程度は、カソードへの投入電力そのもものを小さくし、できるだけカソード電圧を下げ、カソード電流を上げるようにし、下地に中性原子分子の影響が現れないまで成膜する。その後に、投入電力を大きくして、カソード電圧を上昇させるればよい。このような方法をとることは、被膜形成面が敏感である面に成膜する場合に有効である。
【００７０】
【実施例】
〔実施例１〕
本発明を用いたスパッタ成膜装置の実施例を、図９に示す。反応室９００は、減圧可能であり、減圧は真空ポンプ９０６によって行う。真空ポンプ９０６としては、クライオポンプ、ターボ分子ポンプ、複合ターボ分子ポンプ、油拡散ポンプ、水銀拡散ポンプなどが使用でき、到達圧力として、１０−３Ｐａ以下までの到達真空度の能力が必要となる。特に、水の成分を嫌う、アルミニウムなどをスパッタによって成膜する場合は、水に対しての排気速度の大きなクライオポンプなどはクリーンで使いやすい。また、クライオポンプなどの溜め込み式のポンプでは連続使用をした場合に、ポンプの再生による装置の停止時間が多くなるため、ターボ分子ポンプあるいは複合ターボ分子ポンプなどが利便である。
【００７１】
スパッタガス９１３が反応室９００に接続されているが、反応性スパッタを行うような場合は、このスパッタガス９１３以外に、反応用のガスを別に導入する必要があり、しかも、その導入方法には、工夫が必要となる。本実施例では、反応性スパッタは行わないので、単純にスパッタリング用のガスを接続してある。スパッタガス９１３としては、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスのうち原子半径が大きいものが使われるが、ガスの価格等を考えた場合は、通常アルゴンガスが用いられる。本実施例でもアルゴンガスを用いている。
【００７２】
反応室９００の上方にインシュレータ９１１によって、ターゲット９０２は反応室９００と電気的に分離され、かつ反応室９００内の真空度を悪くしないように設置されている。ターゲット９０２の裏側には、マグネトロンスパッタリングを行うためのマグネットシステム９０９が配置してある。しかし、ターゲット９０２が磁性材料の場合は、マグネトロンスパッタを行うことができない。ターゲット９０２が、アルミニウムや、クロム、チタン、銀、ＩＴＯなどの非磁性体の場合のみ、マグネットシステム９０９を利用したマグネトロンスパッタを行うことができる。
【００７３】
ターゲット９０２は直流電源９０８のマイナス極に接続されているため、カソード（陰極）とも呼ばれる。スパタッタガス９１３がイオン化されて、その正イオンがターゲット９０２に衝突してスパッタが行われる。ターゲット９０２は、大きいカソード電流が流れるために、加熱されるので、それを冷却するための冷却装置９１０がある。冷却装置９１０は通常は水冷による冷却方式を用いるが、マグネットシステム９０９をも同時に冷却する場合は、その冷却水の中の磁性体成分が付きマグネットシステム９０９の特性を変化させないように、フィルターによって冷却水中のパーティクルなどを除去して用いなくてはならない。
【００７４】
ターゲット９０２の冷却も非常に重要であり、ターゲット９０２の温度に変化をきたすと、成膜された膜の特性をも変化させてしまう。従って、ターゲット９０２の温度を一定にするようにしなくてはならない。
そのためには、熱容量の大きな冷却源にターゲット９０２を接触させることが必要であり、本発明人の実験によると、１分間に６リットル以上の水温３０℃以下である冷却水によってターゲット９０２を冷却する良好であった。
【００７５】
ターゲット９０２自体を直接冷却出来ない場合は、銅などの熱伝導率の高い材料によりバッキングプレートを作製して、ターゲット９０２をバッキングプレートに貼り付けたものを用いて、冷却水によってバッキングプレートを冷却してもよい。
【００７６】
基板９０１は、プッシャー９０３によって、ホルダー９０４に押しつけられる方式によって固定される。基板９０１を固定する方法もいくらでもあるが、プッシャー９０３を利用する装置は、枚葉式の装置の形態として最も使いやすいものであるので、本実施例でも用いた。
【００７７】
基板９０１の下側にプッシャー９０３を内蔵する形でヒータ９０５が配置されている。ヒータ９０５はランプ加熱方式、抵抗加熱方式などがあるが、そのヒータ９０５の下側に、反射磁界発生装置９１２があるため、この反射磁界発生装置９１２の中に永久磁石を用いる場合は、ヒータ９０５の輻射熱によって該永久磁石のキューリー温度を超えないような工夫が必要となる。
【００７８】
また、ヒータ９０５の構成材料に磁性体を用いた場合は、その材料が反射磁界発生装置９１２で発生した反射磁界に対して磁気シールドになり、その磁性体材料を用いた回りでの本発明の効果を落としてしまう可能性があるため、できるだけ磁性体材料を用いない構成をヒータ９０５に用いなくてはならない。本実施例では、Ｃｒ材料を主として用いた抵抗加熱の熱源でヒータ９０５を構成し、熱源と反射磁界発生装置９１２の間には、熱遮蔽を施した。熱遮蔽としては、その装置での加熱温度によって異なるが、基板９０１を２００℃程度以下で加熱する場合は、非磁性体のステンレススチールなどを電界研磨をしたものを使用することで、熱遮蔽は十分行うことが出来る。また、３００℃程度以上の場合は、非磁性体のステンレススチールや、アルミ等で水冷室を設けることで熱遮蔽することが出来る。無論双方を用いることで一層の熱遮蔽を行うことができる。
【００７９】
図９は反射磁界発生装置９１２の断面を表している。基板９０１から反射磁界発生装置９１２を見たときの平面図としては、図４および図５に示すような永久磁石を用いたものを使用した。本実施例では、矩形基板対応の装置であるために、図５に示すような反射磁界発生装置９１２を使用したが、基板がウェハなどのように丸形の場合は図４に示すような装置の方がよい。
【００８０】
なお、図５は、図９中のターゲットから反射磁界発生装置９１２を見たときの平面図であって、図５の永久磁石５０１を多数に磁気シールド５０２ａと磁気シールド５０２ｂで挟まれた領域５０３と、磁気シールド５０２ｂと磁気シールド５０２ｃで挟まれた領域５０４に配置してある。配置の仕方は、センター５００から各永久磁石５０１をみたたきに左側がＳ極、右側がＮ極となるように配置されている。これは本実施例では、アルゴンイオンなどの正イオンによる基板へのダメージを前提としているためである。負イオンによるダメージを前提とした場合は、Ｎ極とＳ極は逆になる。
【００８１】
すると磁力線は、図５で時計の針の進行方向とは同じ反時計方向に向かって矢印５０５の向きになり、磁界もその方向を向く。永久磁石５０１としては強い磁界が必要な場合は、ＳｍＣｏ５などの希土類コバルト磁石や、８Ａｌ，１４Ｎｉ，２３Ｃｏ，３Ｃｕなどの成分からできるＡｌｎｉｃｏ５や０．７Ｃ，０．３Ｃｒ，６Ｗ，０．３Ｍｎなどの成分からできるタングステン鋼を用いるとよい。また、それ程大きな磁界が必要で無い場合は、０．９〜１Ｃ，１Ｍｎなど成分からできる炭素鋼や、０．９Ｃ，３５Ｃｏ，３〜６Ｃｒ，４Ｗなどの成分からできるＫＳ鋼や、Ｃｏ０．７５Ｆｅ２．２５Ｏ４などのＯＰ磁石や、ＢａＦｅ１２Ｏ１９などのＦｅｒｒｏｘｄｕｒｅ２などを用いると良い。
【００８２】
本実施例では、希士類コバルト磁石としてＳｍＣｏ５いわゆるサマコバを永久磁石５０１として用いた。領域５０３には、６個のサマコバを配置し、領域５０４には、１４個のサマコバを配置した。磁気シールド５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃとしては、ニッケル合金を用いた。サマコバの定着方法としては、硬めのシリコン樹脂等を用いて全体を封止する方法を用いた。
【００８３】
図９の反射磁界発生装置９１２でサマコバの永久磁石を用いた装置で、基板９０１の直上の磁界を測定したところ、最大５０００Ｏｅ（エルステッド）であった。磁界を弱くしたい場合は、使用する磁石の材質を変化させるか、反射磁界発生装置９１２と基板９０１の距離を離間することなどで調整すればよい。
【００８４】
実際に本発明を用いた本装置によって成膜を行った。ターゲット９０２として、ＡｌにＳｃが０．１８ｗｔ％が添加されたものを使用して、カソード電圧５００Ｖ、カソード電流０．０２Ａ／ｃｍ２にて成膜した。基板９０１の中心に１ｃｍ２の電流ディテクターを装着して、反射磁界発生装置９１２が有る場合と無い場合で基板に正イオンが到達しているか否かを測定した。ディテクタは基板９０１より約１ｍｍ浮いているところでの測定にしたが、これは、金属をスパッタにて成膜するために、ディテクターの面積を変化させないためである。
【００８５】
反射磁界発生装置９１２を装着しない場合は、１０分間の成膜中でのディテクターに計測された電流値は、０．１〜０．５ｍＡで、平均０．１５ｍＡであった。ディテクターの面積が１ｃｍ２であるので、これは平均０．１５ｍＡ／ｃｍ２ということと同じになる。
反射磁界発生装置９１２を装着した場合は、１０分間の成膜中でのディテクターに計測された電流値は、０．０２〜０．１ｍＡで、平均０．０５ｍＡであった。本実施例では、正イオンの衝突数を約１／３に低減することができたことになる。ディテクターの電流値の絶対値は、ターゲット９０２と基板９０１の距離や、スパッタ圧力、カソード電圧、カソード電流などの諸条件でことなることは言うまでもない。
【００８６】
〔実施例２〕
図１１に、本実施例を用いた３ターゲット式スパッタ装置の例を示す。図１１（Ａ）は、装置の断面図であり、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）を上方からみたときのそれぞれの位置関係をしめすための平面図であり、成膜室の内部を簡単に示したもので、真空室１１００の中にはターゲットＡ１１０２ａ、ターゲットＢ１１０２ｂ、ターゲットＣ１１０２ｃの３つのターゲットを備え、基板１１０１は、上方に設置されている。
【００８７】
成膜面が下である、いわゆるフェースダウンになっている。基板１１０１は、基板止め１１０４によって固定されている。基板１１０１の上には、反射磁界発生装置１１０３があり、基板１１０１と反射磁界発生装置１１０３は、基板回転装置１１０５によって回転される。それによって、成膜の均一性を高めるようになっている。
【００８８】
簡単のために図中には、カソード電源、真空ポンプ、スパッタガスなどは図示していないが、勿論備えている。基板加熱のためのヒータは、本実施例では、加熱成膜を行わないために備えていないが、基板加熱をする場合は備える必要があるが、反射磁界発生装置１１０３の中に永久磁石を用いる場合は、ヒータの輻射熱によって該永久磁石のキューリー温度を超えないような工夫が必要となる。
【００８９】
また、基板回転装置１１０５は、高真空を保ちながら基板を回転させるためには、通常液体磁性材料による磁気シールを用いる場合が多いので、反射磁界発生装置１１０３と磁気シールとの間には、磁気シールドを設けなくては成らない場合もある。反射磁界発生装置１１０３と磁気シールの距離が十分離れている場合や、反射磁界発生装置１１０３の磁界の大きさが、磁気シールからみると無視できる程度であれば、そのような磁気シールドは必要ない。
【００９０】
反射磁界発生装置１１０３をターゲット側からみた図を、図４（Ａ）に示す。本実施例では、アルゴンイオンなどの正イオンによる基板へのダメージを前提としている。図４に示す反射磁界発生装置１１０３としては、永久磁石４０１を多数に磁気シールド４０２ａと磁気シールド４０２ｂで挟まれた領域４０３と、磁気シールド４０２ｂと磁気シールド４０２ｃで挟まれた領域４０４に配置してある。配置の仕方は、センター４００から各永久磁石４０１をみたたきに左側がＳ極、右側がＮ極となるように配置されている。仮に負イオンによるダメージを前提とする場合は、永久磁石４０１のＮ極とＳ極を逆にすることで対応できる。
【００９１】
すると磁力線は、図４で時計の針の進行方向と同じ反時計方向に向かった矢印の向きになり、磁界もその方向を向く。永久磁石４０１としては強い磁界が必要な場合は、ＳｍＣｏ５などの希土類コバルト磁石や、８Ａｌ，１４Ｎｉ，２３Ｃｏ，３Ｃｕなどの成分からできるＡｌｎｉｃｏ５や０．７Ｃ，０．３Ｃｒ，６Ｗ，０．３Ｍｎなどの成分からできるタングステン鋼を用いるとよい。また、それ程大きな磁界が必要で無い場合は、０．９〜１Ｃ，１Ｍｎなど成分からできる炭素鋼や、０．９Ｃ，３５Ｃｏ，３〜６Ｃｒ，４Ｗなどの成分からできるＫＳ鋼や、Ｃｏ０．７５Ｆｅ２．２５Ｏ４などのＯＰ磁石や、ＢａＦｅ１２Ｏ１９などのＦｅｒｒｏｘｄｕｒｅ２などを用いると良い。
【００９２】
本実施例では、０．９Ｃ，３５Ｃｏ，５Ｃｒ，４Ｗの成分比率であるＫＳ鋼を永久磁石４０１として用いた。領域４０３には、６個のサマコバを配置し、領域４０４にも、６個のサマコバを配置した。磁気シールド４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃとしては、鉄を用いた。ＫＳ鋼の定着方法としては、アルミ金属の削りだしにＫＳ鋼をはめ込む方法を用いて全体を封止する方法を用いた。
【００９３】
図１１の反射磁界発生装置１１０３に、ＫＳ鋼の永久磁石を用いた装置で、基板１１０１の直上での磁界を測定したところ、最大２１０  Ｏｅ（エルステッド）であった。磁界を変化させたい場合は、使用する磁石の材質を変化させるか、反射磁界発生装置１１０３と基板１１０１の距離を変えることなどで調整すればよい。
【００９４】
実際に本発明を用いた本装置によって成膜を行った。ターゲット１１０２ａとして、ＡｌにＳｃが０．１８ｗｔ％が添加されたものを使用し、ターゲット１１０２ｂとして、Ｔｉをしようし、ターゲット１１０２ｃとして、ＡｌにＳｉが０．２ｗｔ％が添加されたものをしようして、ターゲット１１０２ｂにのみカソード電圧５００Ｖ、カソード電流０．０２Ａ／ｃｍ２にて成膜した。基板１１０１の中心に１ｃｍ２の電流ディテクターを装着して、反射磁界発生装置１１０３が有る場合と無い場合で基板に正イオンが到達しているか否かを測定した。ディテクタは基板１１０１より約１ｍｍ浮いているところでの測定にしたが、これは、金属をスパッタにて成膜するために、ディテクターの面積を変化させないためである。
【００９５】
反射磁界発生装置１１０３を装着しない場合は、１０分間の成膜中でのディテクターに計測された電流値は、０．０５〜０．１３ｍＡで、平均０．０７２ｍＡであった。ディテクターの面積が１ｃｍ２であるので、これは平均０．０７２ｍＡ／ｃｍ２ということと同じになる。
反射磁界発生装置１１０３を装着した場合は、１０分間の成膜中でのディテクターに計測された電流値は、０．０２〜０．０５ｍＡで、平均０．０３４ｍＡであった。本実施例では、正イオンの衝突数を約１／２に低減することができたことになる。ディテクターの電流値の絶対値は、ターゲット１１０２ｂと基板１１０１の距離や、スパッタ圧力、カソード電圧、カソード電流などの諸条件でことなることは言うまでもない。
【００９６】
反射磁界発生装置１１０３を装着しても、ディテクターに計測された電流が反射磁界発生装置１１０３が無い場合の１／２程度である理由としては、ターゲット１１０２ｂと基板１１０１の位置関係にも原因がある。ターゲット１１０２ｂの中心と基板の中心が同一垂線上にないために、反射磁界発生装置１１０３で発生した反射磁界成分は、正イオンの衝突する運動の垂直成分にしか働かないことにも起因している。しかしながら、このようにターゲット１１０２ｂの中心と基板の中心が同一垂線上にない場合でも本発明の効果が現れることが分かる。
【００９７】
〔実施例３〕
図１０に本発明を用いたスパッタ方法を用いて作製した多結晶シリコンＴＦＴの断面工程を示す。
石英や、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラスなどの可視光にたいして透明な絶縁性の高い基板１００１の上に、下地膜１００２を成膜して、その上にアモルファスシリコンを成膜して、ＴＦＴの領域にパターニングしてアイランド１００３が完成して図１０（Ａ）の状態を得る。
【００９８】
基板１００１としては、本実施例では石英基板を用いた。また、下地膜１００２としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜などの絶縁膜を単層あるいは多層にて成膜するが、成膜方法としては、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、減圧熱ＣＶＤ法などを用いて５００〜３０００Å、典型的には２０００Åを成膜する。
【００９９】
アイランド１００３を形成するためのアモルファスシリコンの成膜方法としては、プラズマＣＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法などを用いて１００〜２０００Å、典型的には７００〜１２００Åを成膜する。成膜されたアモルファスシリコンをフォトリソグラフィーの技術と、ドライまたはウェットエッチングによってアイランド１００３の形にパターニングする。本実施例では、フッ酸：硝酸＝１：４００の容積比で混合したエッチャントによって、ウェットエッチングにてバターニングしたが、ＣＦ４とＯ２の混合ガスなどを用いたドライエッチングによってパターニングしてもよい。
【０１００】
次に、アイランド１００３をアモルファスシリコンから、多結晶シリコンに変えるために、加熱して固相成長させるが、その前に脱水素工程を行う。アモルファスシリコン中の水素を抜いておかないと、加熱したときに、アモルファスシリコン中から水素が急激に抜け出し、場合によっては穴が開くなどの現象をおこす。これを防止するために、３５０〜５００℃、典型的には４５０℃にて３時間、窒素雰囲気の中で、脱水素工程を行う。
【０１０１】
その後、アイランド１００３が形成された基板１００１を、５００〜８５０℃で４〜４８時間で窒素中にて加熱することにより、アイランド１００３はアモルファスシリコンから多結晶シリコンへ固相成長する。本実施例では、基板１００１に石英を用いたために８５０℃  ４時間の固相成長をさせたが、基板１００１が、例えばコーニング社の７０５９ガラスのようなホウケイ酸ガラスなどの場合は、６００℃、１２時間程度の固相成長をさせないと、基板１００１の歪み点を超えてしまうために、それ以上の温度ではできない。
【０１０２】
また、本出願人による特開平６−２３２０５９、特開平６−２４４１０３、特開平６−２４４１０４に記載された発明を用いることで、６００℃以下で固相成長させることが可能であり、歪み点が小さい基板１００１を用いる場合などは、有効である。
【０１０３】
アイランド１００３の上に、ゲート絶縁膜１００４を成膜する。ゲート絶縁膜１００４としては、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、熱拡散法などによって酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜などを単層あるいは多層に形成する。厚さ的には、２００〜２０００Å程度である。本実施例では、正珪酸四エチルと酸素を用いて電子サイクロトロン共鳴（いわゆるＥＣＲ）を利用したプラズマＣＶＤにて２００〜２０００Å、典型的には５００〜１２００Åを成膜して図１０（Ｂ）になる。
【０１０４】
その上に、ゲート電極１００７を形成するが、このゲート電極１００７の材料としては、アルミニウム、クロム、チタン、タンタルなどの金属やドープドシリコンあるいはノンドープのシリコンをもちいてあとからイオン注入などでドープするものなどがある。成膜方法としては、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、減圧熱ＣＶＤ法などを用いる。
【０１０５】
このゲート電極１００７を形成するためのスパッタ法に本発明を用いた。スパッタ装置の中で、ターゲットから基板１００１を見たときに、基板１００１の裏側に反射磁界発生装置を取り付けて、ターゲットから基板１００１に衝突してくる正イオンを弾くような磁界を、反射磁界発生装置にて発生させながらゲート電極１００７の材料を成膜する。反射磁界発生装置から発生する磁界は、基板１００１上にて、２００〜５０００  Ｏｅ（エルステッド）になるようにし、典型的には５００〜２０００  Ｏｅで行った。比較のために、反射磁界発生装置を使用しないで、成膜したものも作製した。
【０１０６】
ターゲットとしては、Ａｌに０．１〜２ｗｔ％のＳｃを混合させたものを用いて、アルミニウム膜を５０００〜１２０００Å、典型的には８０００Åの厚さに成膜する。なお、Ａｌに０．１〜２ｗｔ％のＳｃを混合をしたのは、後の工程での、アルミのヒロック発生を防止するためである。Ｓｃの他にも、Ｙなどの３Ａ族の金属や、Ｐｄ，Ｓｉなどを混合させてもよい。
【０１０７】
その後、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて所望の形にパターニングしてゲート電極１００７を作製した。エッチングは、Ｃｌ２，ＢＣｌ３，ＳｉＣｌ４の３元系のガスを混合したドライエッチングによって行った。
【０１０８】
その後、ゲート電極１００７をマスクとして、燐を５×１０１５ｃｍ−２になるようにスルードープして、ソース・ドレイン１００５を形成し、スルードープによってアモルファス化した部分を再結晶化するために４００〜８００℃にて加熱して図１０（Ｃ）になる。スルードープは、質量分離をともなうイオン注入方式でも、質量分離をともなわないプラズマドープ方式でもどちらでもかまわない。
【０１０９】
そして、層間絶縁膜１００８をＣＶＤ法にて成膜して、ゲート取り出し電極１００９、ソース・ドレイン取り出し電極１０１０を形成する。ここで、ゲート取り出し電極１００９、ソース・ドレイン取り出し電極１０１０は、スパッタ法による金属膜の作製を行うために、本発明を用いた。
【０１１０】
ゲート取り出し電極１００９、ソース・ドレイン取り出し電極１０１０の材料として、クロム、アルミ、チタン、タンタルなどがあるが本実施例では、タンタルを成膜した。ターゲットから基板１００１を見たときに、基板１００１の裏側に反射磁界発生装置を取り付けて、ターゲットから基板１００１に衝突してくる正イオンを弾くような磁界を、反射磁界発生装置にて発生させながらタンタルをスパッタ成膜した。反射磁界発生装置から発生する磁界は、基板１００１上にて、２００〜５０００  Ｏｅ（エルステッド）になるようにし、典型的には５００〜２０００  Ｏｅで行った。
比較のために、反射磁界発生装置を使用しないで成膜したものも作製した。
【０１１１】
本実施例では、ＴＦＴを６４０×４８０×３の９２１，６００個の素子を作製した。反射磁界発生装置を用いないで成膜した場合のＴＦＴの特性は、動作しなかったＴＦＴが０．１％、Ｖｔｈのバラツキが最大最小で０．５Ｖであった。それに対して、反射磁界発生装置を用いて成膜した場合のＴＦＴの特性は、動作しなかったＴＦＴが０．００７％、Ｖｔｈのバラツキが最大最小で０．２Ｖであった。特に、反射磁界発生装置を用いないで作製したＴＦＴが動作しなかった原因は、殆どが短絡によるものであった。
【０１１２】
〔実施例４〕
図１０に示した実施例４の中で、特にゲート電極１００７の材料を成膜する際に、通常は、カソード電流０．０２Ａ／ｃｍ２でカソード電圧５００Ｖつまり１０Ｗ／ｃｍ２で行うが、正イオンを反射磁界発生装置にて弾く以外に、中性の高エネルギーの原子分子の影響を取り除くために本発明を用いた。
ゲート電極１００７の材料、本実施例ではターゲットとして、Ａｌに０．１〜２ｗｔ％のＳｃを混合させたものを用いる。
【０１１３】
方法１として、電力制御でスパッタ収量を制御する。最初の１００〜１０００Åを成膜する際に、ターゲットへの投入電力を半分以下、本実施例では５Ｗ／ｃｍ２で成膜することでスパッタ収量を小さくし、その後に１０Ｗ／ｃｍ２に戻して残りを成膜した。この場合、カソード電圧４００Ｖで、カソード電流が０．０１３Ａ／ｃｍ２であった。スパッタ収量を小さくして成膜する範囲は、我々の実験では最低１００Åは必要であり、１００Å未満では殆ど本発明の効果がみられなかった。また条件によるが、どのような条件でもほぼ１０００Å成膜したあとではスパッタ収量を大きくしても問題は少なかった。
【０１１４】
無論、カソード電圧、カソード電流、カソード印加電力は、その時の成膜条件等で異なるものであるが、ゲート電極１００７を成膜するときのみ、成膜初期の電力を下げて成膜したものである。
【０１１５】
方法２としては、成膜初期の１００〜１０００Åの成膜時に、カソード電力は一定にして、カソード電圧を下げて、スパッタ収量を小さくした成膜をおこなう。本実施例ではカソード電力を１０Ｗ／ｃｍ２で一定にして、カソード電圧を４５０〜３５０に下げて、その分カソード電流を大きくして成膜した。カソード電圧３００Ｖ以下ではスパッタ放電しなかったために、安全をみて４５０〜３５０Ｖのカソード電圧にしたが、放電がするのであればさらに低いカソード電圧にすることも可能である。スパッタ収量を小さくして成膜する範囲は、我々の実験では最低１００Åは必要であり、１００Å未満では殆ど本発明の効果がみられなかった。また条件によるがどのような条件でもほぼ１０００Å成膜したあとではスパッタ収量を大きくしても問題は少なかった。
【０１１６】
本実施例では、実施例３とも比較できるようにＴＦＴを６４０×４８０×３の９２１，６００個の素子を作製した。実施例３での反射磁界発生装置を用いてゲート電極１００７の成膜時に初期成膜も含めてカソード電圧５００Ｖ、カソード電流０．０２Ａ／ｃｍ２で成膜した場合のＴＦＴの特性は、動作しなかったＴＦＴが０．００７％、Ｖｔｈのバラツキが最大最小で０．２Ｖであった。
方法１によって成膜した場合のＴＦＴの特性は、動作しなかったＴＦＴが、０．００８％、Ｖｔｈのバラツキが最大最小で０．１Ｖであった。
方法２にによって成膜した場合のＴＦＴの特性は、動作しなかったＴＦＴが、０．００７％、Ｖｔｈのバラツキが最大最小で０．１Ｖであった。
【０１１７】
ゲート電極のように、特性に重要な役割をする材料をスパッタにて成膜する場合は、反射磁界発生装置を用いるとともに、成膜の初期の方法にて、スパッタ収量を小さくして、中性分子原子の衝突をも防止することは、大きな効果がある。特に、カソード電力を一定にして、カソード電圧を下げることでスパッタ収量を小さくすることは、成膜速度もあまり減少させることなく成膜できるために産業効率も高い。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明を用いることで、スパッタ中のスパッタガスがイオン化した正イオンや、ターゲット材料がスパッタされて飛び出したスパッタ材料の中性原子や分子が正イオンあるいは負イオン化したもの、またはスパッタガス以外の反応用のガスがイオン化した正イオンあるいは負イオンが、被膜形成面に到達することを減少させて、正イオンによるダメージを低減できる。また、そのスパッタ方法を実現できる装置を提供している。
さらに、スパッタされて飛び出したスパッタ材料の中性の原子や分子のうちでも高エネルギーをもって被膜形成面に衝突して、被膜形成面にダメージを与える用な場合に、初期のスパッタ成膜中のスパッタ収量を小さくすることでそのダメージを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理的なことを示した図。
【図２】  本発明の模式図の断面と平面図。
【図３】  本発明の実施例。
【図４】  本発明の実施例。
【図５】  本発明の実施例。
【図６】  本発明の実施例。
【図７】  本発明の実施例。
【図８】  本発明の実施例。
【図９】  本発明を用いた装置の実施例。
【図１０】本発明を用いて作製した薄膜半導体装置の工程の断面図。
【図１１】本発明を用いた装置の実施例。
【符号の説明】
９００  反応室
９０１  基板
９０２  ターゲット
９０３  プッシャー
９０４  ホルダー
９０５  ヒータ
９０６  真空ポンプ
９０７  制御弁
９０８  直流電源
９０９  マグネットシステム
９１０  冷却装置
９１１  インシュレータ
９１２  反射磁界発生装置
９１３  スパッタガス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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