JPH0691013B2 - Plasma deposition device - Google Patents
Plasma deposition deviceInfo
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- JPH0691013B2 JPH0691013B2 JP59235304A JP23530484A JPH0691013B2 JP H0691013 B2 JPH0691013 B2 JP H0691013B2 JP 59235304 A JP59235304 A JP 59235304A JP 23530484 A JP23530484 A JP 23530484A JP H0691013 B2 JPH0691013 B2 JP H0691013B2
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- H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
- H10P14/20—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of semiconductor materials
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- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は,半導体集積回路などの電子デバイスの製造に
おいて,試料基板上に各種材料の薄膜を形成するための
付着装置に係り,特に,プラズマを利用して金属や金属
化合物の薄膜を低温で高品質に形成するプラズマ付着装
置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an adhesion device for forming thin films of various materials on a sample substrate in the production of electronic devices such as semiconductor integrated circuits, and more particularly to plasma deposition devices. The present invention relates to a plasma deposition apparatus for forming a thin film of a metal or a metal compound with high quality at low temperature.
従来,プラズマを利用したSiO2,Si3N4などのシリコン系
薄膜形成においては、原料をSiH4,O2,N2などのガスの形
で供給し,高周波放電プラズマを用いるプラズマCVD(C
hemical Vapor Deposition)法がある。しかし,この方
法では,試料基板を250〜400℃に加熱する必要があるこ
と,また,形成された膜も緻密性の点で不十分であるな
どの問題があった。これに対し,マイクロ波を用いて電
子サイクロトロン共鳴条件によりプラズマを生成し,発
散磁界を用いて試料台上にプラズマを引出して適度のエ
ネルギーでイオン衝撃を与える構成としたCVD形ECR(El
ectron Cyclotron Resonance)プラズマ付着法(特願昭
55−57877号参照)では,試料基板を加熱しない低温で
高温CVD法に匹敵する緻密かつ高品質なシリコン系薄膜
を形成することができる。Conventionally, in the formation of silicon-based thin films such as SiO 2 and Si 3 N 4 using plasma, the raw material is supplied in the form of gas such as SiH 4 , O 2 and N 2, and plasma CVD (C
hemical vapor deposition) method. However, this method has problems that it is necessary to heat the sample substrate to 250 to 400 ° C. and that the formed film is insufficient in terms of denseness. On the other hand, a CVD type ECR (El is designed to generate plasma under the conditions of electron cyclotron resonance using microwaves, draw plasma on the sample stage using a divergent magnetic field, and apply ion bombardment with appropriate energy.
ectron Cyclotron Resonance) Plasma deposition method
55-57877), it is possible to form a dense and high-quality silicon-based thin film comparable to the high temperature CVD method at low temperature without heating the sample substrate.
これに対して,金属及び金属化合物膜については一般に
スパッタ法が広く用いられている。スパッタ法は,固体
ターゲットのスパッタリングにより金属原子を容易に供
給できる利点がある。On the other hand, the sputtering method is generally widely used for metal and metal compound films. The sputtering method has an advantage that metal atoms can be easily supplied by sputtering a solid target.
そこで,CVD形ECRプラズマ付着法とスパッタ法との両者
特徴を生かしてスパッタ形ECRプラズマ付着法が開発さ
れ(特願昭57−156843号参照),試料基板を加熱しない
低温で良質な金属膜や金属化合物膜の形成が可能となっ
た。さらに,ターゲット形状を円錐円筒形状から直円筒
形状にし,プラズマ流の一部がターゲットのスパッタ面
をよぎる配置にすることにより,ターゲット電流を大き
く増加させて膜形成速度,膜形成特性の向上が可能とな
った(特願昭58−155097号参照)。Therefore, a sputter-type ECR plasma deposition method was developed by making use of the characteristics of both the CVD-type ECR plasma deposition method and the sputtering method (see Japanese Patent Application No. 57-156843), and a high-quality metal film at a low temperature that does not heat the sample substrate was formed. It became possible to form a metal compound film. Furthermore, by changing the shape of the target from a conical cylinder shape to a right cylinder shape and arranging a part of the plasma flow so as to cross the sputtering surface of the target, the target current can be greatly increased and the film formation speed and film formation characteristics can be improved. (See Japanese Patent Application No. 58-155097).
上記特願昭58−155097号の構成概要および膜形成原理を
第9図に示す断面図により述べる。第9図において,1は
プラズマ生成室,2は試料室,3はマイクロ波導入窓,4は矩
形導波管,5はプラズマ流,6はプラズマ引出し窓,7は試料
基板,8は試料台,9は排気系,10は磁気コイル,11は磁気シ
ールド,12は第1ガス導入系,13は第2ガス導入系,14A及
び14Bは夫々冷却水の給水口と排水口,15はスパッタリン
グ用のターゲット電極,16はシールド電極,17は冷却管,1
8はスパッタ電源である。プラズマは,排気系9により
プラズマ生成室1と試料室2とを高真空に排気した後,
第1ガス導入系12と第2ガス導入系の一方または両方よ
りガスを導入して10-3〜10-1Pa程度の圧力とし,マイク
ロ波源(図示省略)より矩形導波管4,マイクロ波導入窓
3を順次介して導入されるマイクロ波と,磁気コイル10
により形成される磁界とにより,プラズマ生成室1で電
子サイクロトロン共鳴を用いて形成する。そして,この
ように形成されたECRプラズマ及びターゲット電極15よ
りスパッタされた粒子はプラズマ流5として試料台8へ
輸送される。The outline of the construction of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 58-155097 and the principle of film formation will be described with reference to the sectional view shown in FIG. In FIG. 9, 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, 3 is a microwave introduction window, 4 is a rectangular waveguide, 5 is a plasma flow, 6 is a plasma extraction window, 7 is a sample substrate, 8 is a sample stage. , 9 is an exhaust system, 10 is a magnetic coil, 11 is a magnetic shield, 12 is a first gas introduction system, 13 is a second gas introduction system, 14A and 14B are cooling water supply and drain ports respectively, and 15 is for sputtering Target electrode, 16 is a shield electrode, 17 is a cooling tube, 1
8 is a sputtering power source. For the plasma, after the plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 are evacuated to a high vacuum by the exhaust system 9,
A gas is introduced from one or both of the first gas introduction system 12 and the second gas introduction system to a pressure of about 10 -3 to 10 -1 Pa, and a rectangular waveguide 4 and a microwave are supplied from a microwave source (not shown). The microwaves sequentially introduced through the introduction window 3 and the magnetic coil 10
It is formed by using electron cyclotron resonance in the plasma generation chamber 1 by the magnetic field formed by The ECR plasma thus formed and the particles sputtered from the target electrode 15 are transported to the sample stage 8 as a plasma stream 5.
マイクロ波源には,周波数2.45GHzのマグネトロンを用
いることができ,このときの電子サイクロトロン共鳴条
件は磁束密度875Gであり,プラズマ生成室1の少なくと
も一部でこの条件が満されている。プラズマ生成室1は
マイクロ波の電界強度を増し,放電効率を高めるため
に,マイクロ波空洞共振器の条件を満す構成とし,例え
ばTE112モードの空洞共振器を採用し,内のり寸法で直
径15cm,高さ15cmの円筒形状とし,そして,冷却水の給
水,排水口14A,14Bを用いて冷却されている。プラズマ
生成室1では,電子サイクロトロン共鳴により高エネル
ギー状態の円運動電子が形成され,ガス分子との衝撃電
離によりECRプラズマガスが形成されるが,上記電子
は,円運動による磁気モーメントをもつために,磁気コ
イル10により発生する試料台方向への発散磁界との相互
作用により,プラズマ引出し窓6から円運動しつつ加速
されて試料台8の方へ導き出される。さらに,試料台8
がプラズマ生成室1とは電気的に絶縁されているため
に,プラズマ生成室1と試料台8の間に,電子を減速さ
せイオンを加速する電界が発生し,プラズマがプラズマ
引出し窓6からプラズマ流5として試料台方向に引き出
される。この電界の効果によって,プラズマ流中のイオ
ンには膜形成に適度なイオンエネルギーが付与される。A magnetron with a frequency of 2.45 GHz can be used as the microwave source, and the electron cyclotron resonance condition at this time is a magnetic flux density of 875 G, and at least a part of the plasma generation chamber 1 satisfies this condition. In order to increase the electric field strength of the microwave and the discharge efficiency, the plasma generation chamber 1 is configured to satisfy the conditions of the microwave cavity resonator. For example, a TE 112 mode cavity resonator is adopted, and the inner dimension is 15 cm in diameter. It has a cylindrical shape with a height of 15 cm, and is cooled by using cooling water supply and drainage ports 14A and 14B. In the plasma generation chamber 1, high-energy circular motion electrons are formed by electron cyclotron resonance, and ECR plasma gas is formed by impact ionization with gas molecules. Since the electrons have a magnetic moment due to circular motion, By the interaction with the divergent magnetic field in the direction of the sample stage generated by the magnetic coil 10, the plasma is drawn out toward the sample stage 8 while being circularly accelerated from the plasma drawing window 6. Furthermore, the sample table 8
Is electrically insulated from the plasma generation chamber 1, an electric field that decelerates electrons and accelerates ions is generated between the plasma generation chamber 1 and the sample stage 8, and plasma is generated from the plasma extraction window 6 through the plasma extraction window 6. A stream 5 is drawn toward the sample stage. Due to the effect of this electric field, ions in the plasma flow are given appropriate ion energy for film formation.
ターゲット電極15は,高活性なECRプラズマを効率的に
スパッタリングに利用するために,直円筒状のものを試
料室2のプラズマ引出し窓6近傍に,プラズマ流5をよ
ぎる位置に配置され,スパッタ電源18に接続され,負の
電圧が印加されている。そして,ターゲット電極15は,
異常放電,不要なイオンの入射を防止するために,プラ
ズマ流5に面しない部分が接地電位のシールド電極16に
よって5〜10mmの間隙をもって覆われている。また,冷
却水の給水,排水口14A,14Bを介して冷却水を循環させ
て冷却管17によってシールド電極16を水冷することによ
り,ターゲット電極15を輻射熱伝導により冷却し,ター
ゲット電極の熱による試料基板7及び試料室2内部の温
度上昇を防止する構造としている。In order to efficiently use highly active ECR plasma for sputtering, the target electrode 15 has a right cylindrical shape, which is arranged in the vicinity of the plasma extraction window 6 of the sample chamber 2 and at a position where the plasma flow 5 is crossed. It is connected to 18 and a negative voltage is applied. And the target electrode 15 is
In order to prevent abnormal discharge and incidence of unnecessary ions, a portion not facing the plasma flow 5 is covered with a shield electrode 16 having a ground potential with a gap of 5 to 10 mm. Further, by circulating the cooling water through the cooling water supply / drainage ports 14A and 14B and cooling the shield electrode 16 with water by the cooling pipe 17, the target electrode 15 is cooled by radiative heat conduction, and the sample by the heat of the target electrode is cooled. The structure is such that the temperature inside the substrate 7 and the sample chamber 2 is prevented from rising.
以上の構成において,例えば,第1ガス導入系12からア
ルゴン(Ar)ガスを導入してプラズマを生成した場合,
プラズマ流5によりターゲット電源15の表面近傍に輸送
されたアルゴンイオンはターゲット電極15に印加された
負電圧によって加速され,ターゲット電極表面に入射し
て衝撃を与えることによってターゲット電極15を構成す
る原子がスパッタされてプラズマ流5中に飛び出す。こ
の原子は,プラズマ流5中でイオン化され,先に述べた
プラズマ流中に発生するイオン加速電界によって試料台
8の方向に運ばれ,適度なイオンエネルギーを付与され
て試料基板7に入射し,付着・堆積して低温で良質な膜
を形成する。このときのイオンエネルギーは5〜30eV程
度であり,マイクロ波電力やガス圧などによって制御が
可能であるために,広範な材料の薄膜に対して自由に膜
質を制御できる。In the above configuration, for example, when plasma is generated by introducing argon (Ar) gas from the first gas introduction system 12,
The argon ions transported to the vicinity of the surface of the target power supply 15 by the plasma flow 5 are accelerated by the negative voltage applied to the target electrode 15 and are incident on the surface of the target electrode to give an impact to the atoms constituting the target electrode 15 It is sputtered and jumps out into the plasma stream 5. The atoms are ionized in the plasma flow 5, are carried toward the sample stage 8 by the ion acceleration electric field generated in the plasma flow described above, and are given appropriate ion energy to enter the sample substrate 7, It adheres and deposits to form a good quality film at low temperature. The ion energy at this time is about 5 to 30 eV, and it can be controlled by microwave power or gas pressure, so that the film quality can be freely controlled for a wide range of thin films.
以上のように,前記特願昭58−155097号によれば,スパ
ッタ形ECRプラズマ付着法を用い,さらにターゲット形
状を直円筒形状にしてプラズマ流の一部がターゲットの
スパッタ面をよぎる配置とすることにより,ターゲット
電流を大きく増加させて膜形成速度・膜形成特性の向上
が可能となったが,しかし,プラズマ流による付着粒子
の効率的な輸送及び膜形成反応の促進を図り,膜形成特
性をさらに向上させるために,付着粒子のイオン化率・
活性度の増大が要望される。特に,スパッタされた金属
原子については,従来は,プラズマ流を直円筒形状のタ
ーゲット電極内を通過させる構造でイオン化・活性化を
行なっていたが,これに加えてターゲット表面でのマグ
ネトロン放電等を利用すれば,金属原子のイオン化・活
性化がさらに速算され,膜形成特性がガス圧,スパッタ
電圧のパラメータにより,さらに広範囲に制御可能とな
り,特性の飛躍的向上と種々の薄膜材料の開発に資する
ことが可能となるものと期待される。As described above, according to Japanese Patent Application No. 58-155097, the sputter type ECR plasma deposition method is used, and the target shape is made into a right cylindrical shape so that a part of the plasma flow crosses the sputter surface of the target. As a result, the target current was greatly increased and the film formation speed and film formation characteristics were improved. However, the plasma flow facilitated the efficient transport of adhered particles and the promotion of the film formation reaction. In order to further improve the
Increased activity is desired. In particular, sputtered metal atoms have been conventionally ionized and activated by a structure in which a plasma flow passes through a right-cylindrical target electrode. In addition to this, magnetron discharge or the like on the target surface is performed. If it is used, the ionization and activation of metal atoms can be calculated more rapidly, and the film formation characteristics can be controlled in a wider range by the parameters of gas pressure and sputtering voltage, which contributes to the dramatic improvement of characteristics and the development of various thin film materials. It is expected that it will be possible.
本発明は,以上の状況に鑑みてなされたもので,その目
的は,ECR放電に加えてマグネトロン放電を併用すること
により,ターゲット電流をさらに増大させて付着速度の
増大を図ると共に,スパッタされた金属粒子のイオン化
・活性化を向上させて低温で良質な金属膜や金属化合物
膜を制御性良く形成し得るプラズマ付着装置を提供する
ことにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to use a magnetron discharge in addition to an ECR discharge to further increase the target current to increase the deposition rate and to perform sputtering. It is an object of the present invention to provide a plasma deposition apparatus capable of improving the ionization / activation of metal particles and forming a good quality metal film or metal compound film at a low temperature with good controllability.
本発明の特徴は,上記目的を達成するために膜形成すべ
き試料基板が配置される試料台を内含する試料室と,ガ
スを導入してプラズマを発生させるプラズマ生成室と,
発生したプラズマをプラズマ流として上記試料室に導く
プラズマ引出し窓と,このプラズマ引出し窓と上記試料
台との間に配置されるターゲット電極とを有し,このタ
ーゲット電極のスパッタリングにより試料基板上に薄膜
を付着・堆積させるプラズマ付着装置において,前記タ
ーゲット電極をそのスパッタ表面近傍に局所磁界を形成
する電極構造とし,上記局所磁界が形成する磁力線がス
パッタ電界とほぼ直交しさらに磁力線の一部がターゲッ
ト表面から出て再びターゲット表面に戻る局所磁界とす
ることにある。The features of the present invention are: a sample chamber including a sample stage in which a sample substrate to be formed with a film to achieve the above object is arranged; a plasma generation chamber for introducing a gas to generate plasma;
It has a plasma extraction window for guiding the generated plasma to the sample chamber as a plasma flow, and a target electrode arranged between the plasma extraction window and the sample stage, and a thin film is formed on the sample substrate by sputtering the target electrode. In the plasma deposition apparatus for depositing / depositing a target electrode, the target electrode has an electrode structure for forming a local magnetic field in the vicinity of the sputtering surface, magnetic force lines formed by the local magnetic field are substantially orthogonal to the sputtering electric field, and a part of the magnetic force line is on the target surface. It is to be a local magnetic field that exits from and returns to the target surface again.
即ち,本発明では,ターゲット電極15の構造を改変し
て,磁気コイル11により発生する発散磁界のうちの一部
分が,ターゲット電極15のスパッタ表面近傍において,
その磁力線がスパッタ表面のある部分から出て再び他の
部分に戻るよう局所磁界を発生する電極構造とし,こ
れにより,スパッタ表面でのスパッタ電界との間に
×の関係で表わされる電磁界を実現してスパッタ表面
近傍におけるマグネトロン放電を可能としようとするも
のである。このマグネトロン放電により,ターゲット電
流を増大して付着速度の飛躍的向上を図るとともに,ス
パッタ表面からスパッタされる金属粒子のイオン化・活
性化を促進し,プラズマ流による付着粒子の輸送効果・
イオン衝撃による膜質改善効果をさらに増大させようと
するものである。That is, in the present invention, the structure of the target electrode 15 is modified so that a part of the divergent magnetic field generated by the magnetic coil 11 is near the sputtering surface of the target electrode 15.
An electrode structure that generates a local magnetic field so that the lines of magnetic force emerge from one part of the sputter surface and return to another part, and an electromagnetic field represented by the relationship x with the sputtering electric field on the sputter surface is realized. Then, it is intended to enable magnetron discharge in the vicinity of the sputtering surface. With this magnetron discharge, the target current is increased to dramatically improve the deposition rate, and the ionization and activation of the metal particles sputtered from the sputter surface are promoted, and the transport effect of the deposited particles by the plasma flow
It is intended to further increase the film quality improving effect by ion bombardment.
本発明の一実施例を第1図〜第5図により説明する。第
1図は実施例装置の断面図,第2図は局所磁界の発生に
軟鉄リングを用いた場合のターゲット部分の拡大断面
図,第3図は上記ターゲット構成での磁力線推定図,第
4図,第5図は夫々上記ターゲット構成により得られる
放電特性と膜形成特性についての実験結果を示す図であ
る。An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of the embodiment apparatus, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a target portion when a soft iron ring is used to generate a local magnetic field, and FIG. 3 is a magnetic field line estimation diagram in the above target configuration, FIG. , FIG. 5 is a diagram showing the experimental results on the discharge characteristics and the film formation characteristics obtained by the above target configuration, respectively.
第1図実施例において,第9図の従来構造との相異はタ
ーゲット電極15の構成にあり,ターゲット電極15を除く
部分は両者の構成,その作用は同じである。ターゲット
電極15の部分の拡大図が第2図である。第2図は局所磁
界の発生に軟鉄リングを用いる場合の実施例で,ターゲ
ット電極15は,内径80mm,厚さ2mm,円筒軸方向の長さ55m
mの円筒化ターゲット材A15A,内径84mm,厚さ5mm,軸方向
長さ24mmの軟鉄リング15B,内径84mm,厚さ5mm,軸方向長
さ31mmの金属製支持リング15Cより構成されており,円
筒化ターゲット材15Aはスパッタ電源18に接続してい
る。16A,16B,16Cはシールド電極で接地電位に保たれ,
ターゲット電極の異常放電,ターゲット電極への不要な
イオンの入射を防止する。19は絶縁スペーサでターゲッ
ト電極とシールド電極とを電気的に絶縁する。20は電極
ピン,21は絶縁管,22はターゲット支持ねじ,23はターゲ
ット固定ねじである。In the embodiment shown in FIG. 1, the difference from the conventional structure shown in FIG. 9 lies in the structure of the target electrode 15, and the parts other than the target electrode 15 have the same structure and function. FIG. 2 is an enlarged view of the portion of the target electrode 15. FIG. 2 shows an embodiment in which a soft iron ring is used to generate a local magnetic field. The target electrode 15 has an inner diameter of 80 mm, a thickness of 2 mm, and a length of 55 m in the axial direction of the cylinder.
It is composed of a cylindrical target material A15A of m, inner diameter 84mm, thickness 5mm, soft iron ring 15B with axial length 24mm, metal support ring 15C with inner diameter 84mm, thickness 5mm, axial length 31mm. The converted target material 15A is connected to the sputtering power source 18. 16A, 16B, 16C are kept at ground potential by shield electrodes,
Prevents abnormal discharge of the target electrode and unwanted ions from entering the target electrode. An insulating spacer 19 electrically insulates the target electrode and the shield electrode. 20 is an electrode pin, 21 is an insulating tube, 22 is a target support screw, and 23 is a target fixing screw.
この実施例構成により,軟鉄リング15Bは,磁気コイル1
0の作る発散磁界により磁化してターゲット材15Aの表面
に容易に局所磁界を発生する。第3図,ターゲット材15
Aの表面での磁界測定を行ない磁力線分布を推定したも
のである。24はターゲット表面近傍での磁力線,25は磁
界ベクトル(),26はプラズマ生成室からプラズマ流
により輸送される電子,27はマグネトロン放電領域にと
じ込められた電子,28はスパッタ電界(),29はマグネ
トロン放電領域である。磁力線24は,ターゲット材15A
の上部と下部でターゲット材表面に近づき,中央部でタ
ーゲット材表面から遠ざかる分布となり,また,その大
きさは200〜300Gである。そして,この局所磁界領域は
ターゲット材15Aの表面から10mm程度まで存在する。電
子は磁界ベクトル25と直交するスパッタ電界28から×
の運動エネルギーを得て磁力線に沿って回転しながら
運動するが,ターゲット材15Aの上部と下部では,スパ
ッタ電界のために反発される。このように,プラズマ生
成室からプラズマ流により輸送される電子26とスパッタ
により発生する2次電子は,ターゲット材15Aの表面近
傍に,上記電磁界の効果でとじ込められ,ターゲット材
15A表面に10mm程度の厚さを持つ高密度プラズマ領域が
形成され,マグネトロン領域29となる。With the configuration of this embodiment, the soft iron ring 15B has the magnetic coil 1
The local magnetic field is easily generated on the surface of the target material 15A by being magnetized by the divergent magnetic field created by 0. Figure 3, Target material 15
The magnetic field distribution is estimated by measuring the magnetic field on the surface of A. 24 is the magnetic field line near the target surface, 25 is the magnetic field vector (), 26 is the electrons transported by the plasma flow from the plasma generation chamber, 27 is the electrons trapped in the magnetron discharge region, 28 is the sputtering electric field (), 29 Is a magnetron discharge region. Magnetic field line 24 is target material 15A
The distribution approaches the surface of the target material at the top and bottom of the, and moves away from the surface of the target material at the center, and its size is 200-300G. Then, this local magnetic field region exists up to about 10 mm from the surface of the target material 15A. Electrons are generated from the sputtering electric field 28 which is orthogonal to the magnetic field vector 25 ×
The target material 15A is repelled due to the sputtering electric field at the upper and lower parts of the target material 15A. Thus, the electrons 26 transported by the plasma flow from the plasma generation chamber and the secondary electrons generated by the sputtering are trapped near the surface of the target material 15A by the effect of the electromagnetic field, and
A high-density plasma region having a thickness of about 10 mm is formed on the surface of 15A and becomes a magnetron region 29.
第4図に本実施例の特性例としてターゲットの電圧−電
流特性を示す。第1ガス導入系からArガスを,第2ガス
導入系からO2ガスを導入し,ターゲット材料としてはAl
を用い,マイクロ波パワーを300Wとした場合である。Ar
ガス流量10SCCM,O2ガス流量5SCCM(1.8×10-1Pa)で
は,本実施例の場合,第9図に示した直円筒状ターゲッ
トのみとした場合に比較し,ターゲット電圧300V程度で
マグネトロン放電の発生に対応してターゲット電流が大
きく増加し,ターゲット電圧500Vでは1.5倍にも達す
る。この傾向は,ガス圧が増加すると著しくなり,Arガ
ス流量20SCCM,O2ガス流量10SCCMではターゲット電圧300
Vでターゲット電流は急激に増大し,ターゲット材表面
でマグネトロン放電が安定に生じていることがわかる。FIG. 4 shows the target voltage-current characteristics as an example of the characteristics of this embodiment. Ar gas was introduced from the first gas introduction system, O 2 gas was introduced from the second gas introduction system, and Al was used as the target material.
Is used and the microwave power is set to 300W. Ar
When the gas flow rate is 10 SCCM and the O 2 gas flow rate is 5 SCCM (1.8 × 10 −1 Pa), the magnetron discharge at the target voltage of about 300 V is obtained in the present embodiment as compared with the case where only the right cylindrical target shown in FIG. 9 is used. The target current greatly increases in response to the occurrence of, and reaches 1.5 times the target voltage of 500V. This tendency becomes remarkable as the gas pressure increases, and the target voltage is 300 SC at an Ar gas flow rate of 20 SCCM and an O 2 gas flow rate of 10 SCCM.
It can be seen that the target current rapidly increases at V, and the magnetron discharge is stably generated on the target material surface.
第5図にAl2O3についての膜形成特性を,本実施例構成
と,従来の直円筒状ターゲトを用いた構成とを用いた場
合について比較して示す。Arガス流量は18SCCM,ターゲ
ット電圧は400Vであり,従来構成の場合はマイクロ波パ
ワーを増大させてターゲット電流を,軟鉄リングを用い
た本実施例構成の場合と一致させた。屈折率は,O2ガス
流量2SCCM以上では,両方のターゲット構成とも1.6程度
とAl2O3膜固有の値を示す。しかし,本実施例構成の場
合,低酸素分圧領域で付着速度は大幅に向上し,付着効
率が増大している。FIG. 5 shows the film forming characteristics of Al 2 O 3 in comparison between the structure of this example and the structure using the conventional right cylindrical target. The Ar gas flow rate was 18 SCCM and the target voltage was 400 V. In the case of the conventional configuration, the microwave power was increased to match the target current with the configuration of this example using the soft iron ring. When the O 2 gas flow rate is 2 SCCM or more, the refractive index is about 1.6 for both target configurations, which is a value peculiar to the Al 2 O 3 film. However, in the case of the configuration of this embodiment, the deposition rate is significantly improved and the deposition efficiency is increased in the low oxygen partial pressure region.
以上のように,第2図実施例に示したターゲット電極構
成としてターゲット近傍に局所磁界を形成することによ
り,ECR放電に加えて,ターゲット表面近傍にマグネトロ
ン放電モードの高密度プラズマ領域が低ガス圧で安定に
形成され,その結果,ターゲト電流が大きく増加すると
共に,スパッタ粒子を中心とした付着粒子のイオン化率
が向上するために,プラズマ流輸送により付着速度の加
速度的な増大が可能となる。また,本実施例によれば,
ターゲット材15Aの裏面に軟鉄リング15Bを配置するだけ
で,ターゲットから離れた部分の発散磁界に影響を与え
ずにターゲット表面に局所磁界を形成できる。As described above, by forming a local magnetic field in the vicinity of the target in the target electrode configuration shown in FIG. 2, the high density plasma region in the magnetron discharge mode near the target surface has a low gas pressure in addition to the ECR discharge. Stable formation, and as a result, the target current is greatly increased, and the ionization rate of the adhered particles centering on the sputtered particles is improved, so that the plasma flow transport makes it possible to increase the deposition rate at an accelerated rate. Further, according to the present embodiment,
Only by arranging the soft iron ring 15B on the back surface of the target material 15A, it is possible to form a local magnetic field on the target surface without affecting the divergent magnetic field in the portion away from the target.
第6図は本発明の他の実施例の,局所磁界の形成構成を
示す。第6図は,径方向にN極及びS極に着磁したリン
グ状磁石15Dを,円筒化ターゲット材15Aの裏面の上部と
下部に,金属リング15Cを挟んで配置している。リング
状磁石15Dの材料としては,ターゲット表面が高温にな
ること及び導電性を考慮してアルニコ5などを用いる。
第6図はターゲット構成によれば,ターゲットをよぎる
磁力線が増加するので,ターゲット材表面に形成される
高密度プラズマ領域からの電子の散逸を抑えることがで
きるようになり,2次電子の発生効率の低いTaなどをター
ゲット材料に用いる場合にも,安定したマグネトロン放
電モードが得られる利点がある。FIG. 6 shows a configuration of forming a local magnetic field according to another embodiment of the present invention. In FIG. 6, ring-shaped magnets 15D magnetized in N and S poles in the radial direction are arranged above and below the back surface of the cylindrical target material 15A with a metal ring 15C interposed therebetween. As a material for the ring-shaped magnet 15D, Alnico 5 or the like is used in consideration of the high temperature of the target surface and conductivity.
Fig. 6 shows that, according to the target configuration, the magnetic field lines that cross the target increase, so it becomes possible to suppress the dissipation of electrons from the high-density plasma region formed on the target material surface, and the secondary electron generation efficiency. The advantage is that a stable magnetron discharge mode can be obtained even when Ta, which has a low value, is used as the target material.
第7図,第8図は本発明のさらに他の実施例を示す断面
図で,マグネトロン放電モードの効率化及び低ガス圧化
を図ったターゲット構成を示す。一般に,ターゲット電
極の下部では,ターゲット表面に形成された高密度プラ
ズマ中の電子は,接地電位に保たれているシールド電極
への流入,シールド電極によるスパッタ電界の乱れのた
めに,高密度プラズマ領域の外へ散逸しやすい。第7図
実施例構成では,以上の2点を改善するために,下部の
シールド電極16Cを石英板16Dを介して配置すると共に,
ターゲット材15Aの表面下部にターゲットつば31を付加
する。第7図実施例によれば,ターゲット構造が多少複
雑になるが,電子をターゲット表面の高密度プラズマ領
域に押し返すことができ,第4図と同様の電圧−電流特
性が,より低いガス圧で安定に得られる利点がある。FIG. 7 and FIG. 8 are sectional views showing still another embodiment of the present invention, and show a target configuration in which the efficiency of magnetron discharge mode and the gas pressure are reduced. Generally, in the lower part of the target electrode, electrons in the high-density plasma formed on the target surface flow into the shield electrode that is kept at the ground potential, and the sputtering electrode disturbs the sputtering electric field. It is easy to dissipate to the outside. In the configuration of the embodiment of FIG. 7, in order to improve the above two points, the lower shield electrode 16C is arranged via the quartz plate 16D, and
The target collar 31 is added to the lower surface of the target material 15A. According to the embodiment of FIG. 7, although the target structure is slightly complicated, electrons can be pushed back to the high density plasma region of the target surface, and the voltage-current characteristics similar to those of FIG. 4 can be obtained at a lower gas pressure. There is an advantage that it can be obtained stably.
さらに,第9図には,ターゲット電極の下部における電
子の高密度プラズマ領域外への散逸を防ぎ,マグネトロ
ン放電モードを安定化させるための別の実施例を示す。
このターゲット構成では,第7図に示す実施例と同様
に,石英板16Dを配置するとともに,ターゲット電極下
部にも上部に配置した軟鉄リングの1/2程度の長さを持
つ軟鉄リングをターゲット材15Aの裏面に配置する。こ
の構成では局所磁界に伴う磁力線は,その大部分がター
ゲット下部で終ることになり,磁力線に沿って運動する
電子を効率良くターゲット表面の高密度プラズマ領域に
とじ込めることが可能である。実際,このターゲット構
成により,低ガス圧においてターゲット電圧500Vでター
ゲット電流2A,Al2O3膜について膜形成速度1000Å/min程
度の良好な特性を得た。この時得られた膜は,屈折率が
1.65で,Al2O3膜のバルク値と同じ値が得られており,高
速付着においても充分に酸化反応の進んだAl2O3膜が得
られた。Further, FIG. 9 shows another embodiment for preventing the dissipation of electrons in the lower part of the target electrode to the outside of the high-density plasma region and stabilizing the magnetron discharge mode.
In this target structure, as in the embodiment shown in FIG. 7, a quartz plate 16D is arranged, and a soft iron ring having a length of about 1/2 of the soft iron ring arranged above the target electrode is also used as the target material. Place on the back of 15A. With this configuration, most of the magnetic force lines associated with the local magnetic field end at the lower part of the target, and it is possible to efficiently confine the electrons moving along the magnetic force lines into the high-density plasma region on the target surface. In fact, with this target configuration, we obtained good characteristics with a film formation rate of 1000Å / min for a target current of 2A and an Al 2 O 3 film at a target voltage of 500V at a low gas pressure. The film obtained at this time has a refractive index
In 1.65, Al 2 O 3 are the same value is obtained as the bulk values of the film, Al 2 O 3 film advanced a sufficient oxidation reaction even at high adhesion was obtained.
以上説明したように,本発明によれば,スパッタ形ECR
プラズマ付着装置にECR放電による電子の供給でターゲ
ット材表面近傍で低ガス圧でのマグネトロン放電を可能
とすることにより,低ガス圧でのターゲット電流の増
大,付着速度の向上が可能となる。また,このマグネト
ロン放電により,スパッタされた金属粒子のイオン化・
活性化が促進され,プラズマ流による付着粒子の輸送効
果・イオン衝撃による膜質改善効果がさらに増大し,高
品質の金属膜や金属化合物を高付着効率で,膜質などの
制御性をさらに増して形成できる。特に金属化合物につ
いては,マグネトロン放電により反応性ガスも活性化さ
れることから,化学反応律則が緩和されて付着速度と膜
質の向上が可能となる。As described above, according to the present invention, the sputter type ECR is used.
By supplying electrons to the plasma deposition device by ECR discharge to enable magnetron discharge at low gas pressure near the surface of the target material, it is possible to increase the target current and the deposition rate at low gas pressure. Also, this magnetron discharge causes ionization of sputtered metal particles.
Activation is promoted, the transport effect of adhered particles by the plasma flow and the film quality improvement effect by ion bombardment are further increased, and high quality metal films and metal compounds are formed with high adhesion efficiency and controllability of film quality and the like. it can. For metal compounds, in particular, the reactive gas is also activated by magnetron discharge, so the chemical reaction law is relaxed and the deposition rate and film quality can be improved.
第1図は本発明の一実施例の断面図,第2図は第1図中
の要部拡大図,第3図は第2図ターゲット構成での強力
線測定図,第4図,第5図は夫々上記ターゲッット構成
で得られる放電特性と膜形成特性の実験結果,第6図は
本発明の他の実施例を示す要部断面図,第7図,第8図
は本発明のさらに他の実施例を示すターゲット部の断面
図,第9図は従来構成を示す断面図である。 〈符号の説明〉 1……プラズマ生成室、2……試料室 3……マイクロ波導入窓、4……矩形導波管 5……プラズマ流、6……プラズマ引出し窓 7……試料基板、8……試料台 9……排気系、10……磁気コイル 11……磁気シールド、12,13……ガス導入系 14……冷却水の給水,排水口、15……ターゲット電極 15A……円筒化ターゲット材、15B……軟鉄リング 15C……金属製支持リング、15D……リング状磁石 16A,B,C……シールド電極、16D……石英板 17……冷却管、18……スパッタ電源 19……絶縁スペーサ、24……磁力線 25……磁界ベクトル、28……スパッタ電界 29……マグネトロン放電領域 31……ターゲットつばFIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of a main part in FIG. 1, and FIG. 3 is a strong line measurement diagram in FIG. 2 target configuration, FIG. 4, FIG. The figures are the experimental results of the discharge characteristics and the film formation characteristics obtained by the above target structure, respectively. FIG. 6 is a sectional view of an essential part showing another embodiment of the present invention, and FIG. 7 and FIG. FIG. 9 is a sectional view of a target portion showing the embodiment of FIG. <Explanation of reference symbols> 1 ... Plasma generation chamber, 2 ... Sample chamber 3 ... Microwave introduction window, 4 ... Rectangular waveguide 5 ... Plasma flow, 6 ... Plasma extraction window 7 ... Sample substrate, 8 …… Sample stand 9 …… Exhaust system, 10 …… Magnetic coil 11 …… Magnetic shield, 12,13 …… Gas introduction system 14 …… Cooling water supply / drain port, 15 …… Target electrode 15A …… Cylinder Target material, 15B …… Soft iron ring 15C …… Metal support ring, 15D …… Ring magnet 16A, B, C …… Shield electrode, 16D …… Quartz plate 17 …… Cooling tube, 18 …… Sputtering power source 19 …… Insulating spacer, 24 …… Magnetic field 25 …… Magnetic field vector 28 …… Sputtering electric field 29 …… Magnetron discharge area 31 …… Target brim
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松尾 誠太郎 神奈川県厚木市小野1839番地 日本電信電 話公社厚木電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−47728(JP,A) 特開 昭52−44174(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Seitaro Matsuo 1839 Ono, Atsugi City, Kanagawa Pref. Atsugi Telecommunications Research Laboratories, Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) Reference JP-A-59-47728 (JP, A) JP A 52-44174 (JP, A)
Claims (2)
を内含する試料室と、ガスを導入して磁気コイルにより
形成される磁界とマイクロ波による電子サイクロトロン
共鳴放電によりプラズマを発生させるプラズマ生成室
と、前記磁気コイルはプラズマを前記プラズマ生成室か
ら前記試料台に引き出すために磁界強度が前記プラズマ
生成室から前記試料台方向に向かって次第に弱くなる発
散磁界を生じる磁界源であり、発生したプラズマを前記
試料室に導くプラズマ引出し窓と、該プラズマ引出し窓
と上記試料台との間に配置されるターゲット電極とを有
し、このターゲット電極のスパッタリングにより試料基
板上に薄膜を付着・堆積させるプラズマ付着装置におい
て、 前記磁気コイルにより発生する発散磁界のうちの一部分
の磁力線がスパッタ表面のある部分から出て他の部分に
戻るような局所磁界を、前記ターゲット電極のスパッタ
表面近傍に、前記磁気コイルの作る発散磁界により磁化
することにより発生する軟鉄リングを有し、該軟鉄リン
グを直円筒状のターゲット材の外径側に密接して一体的
に配置した電極構造としたことを特徴とするプラズマ付
着装置。1. A sample chamber including a sample stage in which a sample substrate to be formed with a film is arranged, and a gas is introduced to generate a plasma by an electron cyclotron resonance discharge by a magnetic field formed by a magnetic coil and a microwave. The plasma generation chamber and the magnetic coil are magnetic field sources that generate a divergent magnetic field in which the magnetic field strength is gradually weakened from the plasma generation chamber toward the sample stage in order to draw plasma from the plasma generation chamber to the sample stage, It has a plasma extraction window that guides the generated plasma to the sample chamber, and a target electrode that is arranged between the plasma extraction window and the sample stage, and deposits a thin film on the sample substrate by sputtering the target electrode. In the plasma deposition apparatus for depositing, a part of the magnetic field lines of the divergent magnetic field generated by the magnetic coil is spun. A local magnetic field that goes out from a certain portion of the surface of the magnet and returns to another portion, near the sputtering surface of the target electrode, having a soft iron ring generated by magnetizing by a divergent magnetic field created by the magnetic coil, A plasma deposition apparatus having an electrode structure in which a soft iron ring is closely and integrally arranged on the outer diameter side of a right cylindrical target material.
を内含する試料室と、ガスを導入して磁気コイルにより
形成される磁界とマイクロ波による電子サイクロトロン
共鳴放電によりプラズマを発生させるプラズマ生成室
と、前記磁気コイルはプラズマを前記プラズマ生成室か
ら前記試料台に引き出すために磁界強度が前記プラズマ
生成室から前記試料台方向に向かって次第に弱くなる発
散磁界を生じる磁界源であり、発生したプラズマを前記
試料室に導くプラズマ引出し窓と、該プラズマ引出し窓
と上記試料台との間に配置されるターゲット電極とを有
し、このターゲット電極のスパッタリングにより試料基
板上に薄膜を付着・堆積させるプラズマ付着装置におい
て、 前記ターゲット電極を、前記ターゲット電極のスパッタ
表面近傍において、前記磁気コイルにより発生する発散
磁界のうちの一部分の磁力線がスパッタ表面のある部分
から出て他の部分に戻るような局所磁界を、一つは径方
向にS極、N極に着磁されていて他の一つは、径方向に
N極、S極に着磁されていて直円筒状のターゲット材の
外径側に密接して一体的に配置されるリング状永久磁石
により発生させる構造としたことを特徴とするプラズマ
付着装置。2. A sample chamber including a sample stage in which a sample substrate to be formed with a film is arranged, and a gas is introduced to generate a plasma by an electron cyclotron resonance discharge by a magnetic field formed by a magnetic coil and microwaves. The plasma generation chamber and the magnetic coil are magnetic field sources that generate a divergent magnetic field in which the magnetic field strength is gradually weakened from the plasma generation chamber toward the sample stage in order to draw plasma from the plasma generation chamber to the sample stage, It has a plasma extraction window that guides the generated plasma to the sample chamber, and a target electrode that is arranged between the plasma extraction window and the sample stage, and deposits a thin film on the sample substrate by sputtering the target electrode. In the plasma deposition apparatus for depositing, the target electrode is placed near the sputtering surface of the target electrode. One of the divergent magnetic fields generated by the magnetic coil is a local magnetic field in which a magnetic field line of a part of the divergent magnetic field goes out from a certain part of the sputtering surface and returns to another part. The other one is generated by a ring-shaped permanent magnet that is magnetized in the radial direction to the N pole and the S pole and is arranged integrally in close contact with the outer diameter side of the right cylindrical target material. A plasma deposition device having a structure.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59235304A JPH0691013B2 (en) | 1984-11-09 | 1984-11-09 | Plasma deposition device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59235304A JPH0691013B2 (en) | 1984-11-09 | 1984-11-09 | Plasma deposition device |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14068594A Division JP2502948B2 (en) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Plasma deposition method |
Publications (2)
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| JPS61114518A JPS61114518A (en) | 1986-06-02 |
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Family
ID=16984129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP59235304A Expired - Lifetime JPH0691013B2 (en) | 1984-11-09 | 1984-11-09 | Plasma deposition device |
Country Status (1)
| Country | Link |
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-
1984
- 1984-11-09 JP JP59235304A patent/JPH0691013B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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| JPS61114518A (en) | 1986-06-02 |
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