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    公开号:WO1989006437A1
    申请号:PCT/JP1989/000023
    申请日:1989-01-11
    公开日:1989-07-13
    发明作者:Tadahiro Ohmi；Tadashi Shibata；Masaru Umeda
    申请人:Tadahiro Ohmi；
    IPC主号:C23C16-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 薄膜形成装置
    [0003] [技術分野 ]
    [0004] 本発明は、 例えば超高密度集積回路の製造に適した薄 膜形成装置に関する。
    [0005] [背景技術]
    [0006] L S I 技術の進展はめざま し く 、 その集積度は年々増 加 してレヽる。 ダイ ナ ミ ッ ク * ラ ンダム アク セス · メ モ リ ( D R A M ) を例に と る と、 3 年で約 4倍のスビー ト で メ モ リ 容量が増大しつづけてお り 、 現在では 4 メ ガビッ ト D R A Mの製品開発が終り 、 1 6 メ ガビッ ト 、 6 4 メ ガビッ ト D R A Mが研究開発の対象と な り 、 盛んに技術 開発がなされている。 こ のよ う な集積度の向上と と.も に 単位素子の寸法は微細化され、 その最小寸法は、 1 μ m か らサブミ ク ロ ンの領域へと益々微細化が進んでいる。 集積回路を構成す る各種デバイ ス の構造は基本的に ほ 様々 な薄膜の積層構造と なっ ている。 例えば M 0 S ト ラ ン ジスタ は電極材料と、 絶緑物薄膜および半導体基板の 三層構造でその主要部分が構成されてお り 、 D R A Mの メ モ リ セルに用い られるキ ャ パシタ は、 高誘電体薄膜を 上下 2 つの電極材料ではさんだ半導体三層構造と なっ て い る 。 ま た不揮発性メ モ リ 素子は半導体基板、 絶緑薄 膜、 電極材料、 絶縁薄膜、 電極材料の五層構造と なっ て いる な ど、 薄膜の積層構造がデバイ スの最も重要な特性 を支配する構造と なっ ている。 デバイ スの微細化に伴い これらの薄膜の膜厚は益々薄いものになつ.ていく ため、 これら薄膜の特性が L S I の特性、 歩留 り 、 信頼性を決 定する大きな要因と なっ て く るのである。 従っ て今後の 超高集積化を実現する鍵を握るのは高品 Kな薄膜を形成 する技術であ り 、 かつ信頼性の高い薄膜の積層構.造を実 現する技術である。 さ ら に、 これらのプロセスほ現在の
    [0007] 9 0 0 〜 1 0 0 0 で といっ た高温を用いるのではなく 低 温化が必要である。 例えば A を下の電極と して用いた キ ャ パシタ構造をつ く る にほ、 例えばその上に形成する 絶緣膜、 電極の形成温度は A の融点 （約 6 3 0 ） よ り 低い、 例えば 5 0 0 〜 5 5 0 で以下で行なえるもので なければならない し、 望ま し く は 4 0 0 で以下である。 ま た N型や P型の不純物の分布を正確に制御する ために は、 やは り プロセス温度は 7 0 0 で以下の低温にする こ と も どう しても必要である。
    [0008] それでは従来の薄膜積層構造実現の方法を D R A Mメ モ リ セルの製造工程を例に と り 説.明する。 第 2 3 図は従 来技術によ り 形成した D R A Mメ モ リ セルのメ モ リ キ ヤ パシタ部 2 3 0 1 の断面構造を示す模式図である。 こ の 構造は、 例えばシ リ コ ン基板 2 3 0 2上に フ ィ 一ル ド酸 化膜 2 3 0 3 を形成した後、 メ モ リ キ ャ パシタ形成部分
    [0009] 2 3 0 1 の シ リ コ ン基板 2 3 0 2 の表面を露出させ、 例 えば 9 0 0 1Cの熱酸化によ り 約 1 0 0 A程度の S i 0 2 膜 2 3 0 4 を形成する。 その後、 多結晶シ リ コ ン薄膜 2
    [0010] 3 0 5 を C V D法に よ り 堆積させ、 所定の形状にパター ニングする こ と に よ り メ モ リ キ ャ パ シタ が実現されるの である。 こ の工程では、 シ リ コ ン基板 2 3 0 2表面を希 H F溶液等のエ ッ チ ングによ り 露出させた後、 熱酸化炉 に ゥ ヱハを入れて酸化膜を成長させる。 その後ゥ 八を 炉か ら と り 出 し、 今度は C V D装置の中に ゥ ハを入れ て多結晶シ リ コ ン膜 2 3 0 5 を堆積させ、 こ れを所定の パターン に加工するのが普通である。 すなわち、 通常の 工程でほ積層構造を構成する各薄膜はそれぞれ別個の装 置で形成される ため、 各薄膜の界面は必ず大気に触れる こ と に なる。 こ のため に大気中のガスの吸着汚染物質の 吸着等によ り界面が汚染され、 薄膜酸化膜の耐圧や特性 は、 必ず しも一定せずバラ ック こ と が多かっ た。 1 0 0 Aの酸化膜は、 1 メ ガビッ ト D R A M に用い られる絶緣 膜であ り 、 4 メ ガビッ ト、 1 6 メ ガビッ ト と なる と 5 0 A , あるいはそれ以下の薄い膜が必要と な り 、 こ の界面 汚染の問題は、 薄膜酸化膜の絶縁耐圧不良や信頼性を低 下さ せ る大き な要因 と な り 益々 深刻な問題 と なっ てい . る。 D R A Mのキ ヤ ノ シタ絶緑膜 2 3 0 4 と し て S え の 熱酸化膜 （ S i 0 2 ) よ り も誘電率の大き なシ リ コ ン窒 化膜 ( S i 3 N 4 ) 薄膜を用いる場合もあるが、 シ リ コ ン を直接窒化して S i 3 N 4 膜を形成する こ と が非常に 困難である ため、 L P C V D 法で堆積させた S i 3 N 4 膜を用いている。 通常、 堆積に よ り 形成した薄膜は シ リ コ ン と の界面の特性が悪く 、 かつピ ン ホール等の欠陥が 多いために、 シ リ コ ン表面を熱酸化した後、 S i 3 N 4 膜を堆積させるこ と によ り S i との界面特性を改善し、
    [0011] S i 3 N 4 膜堆積後再び熱酸化を行なう こ と に よ り ビ ン ホールの穴埋めを行なっ ている。 このよ う な工程では、 最終的なキ パ シタ構造は S i * S i 0 a . S i a N 4 • S i 0 2 · P o 1 S i (多結晶シ リ コ ン ） の 5層の 積層構造であ り 、 大気にさ ら される界面が 4つも存在す る こ と に な り 汚染の導入を防ぐこ と ほ非常に困難と なつ ている。 また、 熱酸化は通常 8 5 0 〜 9 0 0 で以上の温 度で行なわれるためプロ セスの低温化はほとん ど不可能 である。
    [0012] 今後の超高集積化を実現する ためには、 低温でしかも 界面に汚染物導入の全く ないきわめて薄い薄膜の積層構 造を実現する技術を確立する こ とが非常な重要と なっ て く る。
    [0013] [発萌が解決しょ う とする課題]
    [0014] 本発明は以上の点に鑑みなされたものであ り 、 例えば 超高密度集積回路の製造に適した薄膜形成装置を提供す る ものである。
    [0015] [発明の開示]
    [0016] 本発明は、 複数の減圧室と、 こ れに接続された排気装 置とガス供給装置を有する薄膜形成装置.において、 ゥ ェ ハ表面に一切薄膜を堆積させる こ と なく 小さな運動エネ ルギをも つ たイオンを照射する手段を有した第 1 の減圧 室を少な く と も 1 つ有し、 ス パ ヅ タ リ ングによ り ゥ ェ八 表面に薄膜を形成する第 2 の減圧室を少なく と も 1 つ有 し、 前記第 1 、 第 2 の減圧室相互間の ゥ ハ搬送を真空 を破らずに行なえる機構を有した こ と を特徴 とする薄膜 形成装置に要旨が存在している。
    [0017] [図面の簡単な説明 ]
    [0018] 第 1 図 （ a ) は本発明の一実施例を示す装置のシステ ム図、 第 1 図 （ b ) は本発明の他の実施例を示す装置の 断面図、 第 2 図は本発明の変形例を示す概念図、 第 3 図 は第 2 図に示す変形例に係る装置を用いて形成した薄膜 構造を示す概念図、 第 4 図 （ a ) 〜第 4 図 （ e ) はス ノ ッ タ チ ャ ン バの模式図、 第 5 図はス ノ、 ' タ チ ン ノ と 真空排気装置およびガス供給装置と の接続関係の一例を 示す概念図、 第 6 図はガス中の水分濃度が表面荒さ に与 える影響を示す顕微鏡写真、 第 7 図 （ a ) は脱ガス特性 の実験装置を示す構成図、 第 7 図 （ b ) はそ の結果を示 すグラ フ、 第 8 図は、 実験に お け る配管の昇温タ イ ム チ ャ ー ト 第 9 図は元素分布を示すグ ラ フ 、 第 1 0 図は シール材の一例を示す正面図および断面図、 第 1 1 図は ターゲッ ト材の交換を示すための機構図、 第 1 2 図は周 波数に対するターゲッ ト の電流電圧特性を示すグラ フ、 第 1 3 図はターゲッ 卜 の保持方法の例を示す概念図、 第 1 4図は高速ゲー ト バル ブの例を示す概念図、 第 1 5 図 は本発明 に係る装置を用い S i ウ ェ ハ上に形成された A J2薄膜の顕微鏡写真、 .第 1 6 図は、 電子線回折写真、 第 1 7 図は本発明に係る装置を用いて形成し た C u 薄膜 における ゥ ヱハバイ アス と X線強度と の関係を示すダラ フ、 第 1 8 図は本発明に係る装置を用いて形成した薄膜 構造の断面概念図、 第 1 9 図は、 第 1 8 図に示す構造に お ける シ ョ ッ ト キ一接合の電流、 電圧特性を示すダラ フ、 第 2 0 図は第 1 8 図に示す構造における ウ ェハバイ ァス と シ ョ ッ ト キ一バ リ ヤの高さ と の関係を示すグラ フ、 第 2 1 図ほ、 （ 1 0 0 ) S i 、 ゥ ヱ ノ、 に形成した S i 薄膜の反射電子線回折像を示す写真、 第 2 2図は本 発明に係る装置を用いて形成した配線構造を示す断面概 念図、 第 2 3 図は従来例を説明す る ための図であ り 、 D R A M メ モ リ セ ルの メ モ リ キ ヤ バ シ タ 部の 一面構造図 である。 第 2 図〜第 2 2図ほ本発明の実施例を説明する 詳細な図面、 第 2 3 図は従来例を説明す る 図面であ る。
    [0019] [実施例] · 本発明の実施例を図面を用いて以下に説明する。
    [0020] 第 1 図 （ a ) は本発明の第 1 の実施例を示す薄膜形成 装置のシス テ ム構成図である。 図の装置は、 4個の減圧 室 （プロセスチ ャ ン パ） を有してお り 、 それぞれ金属薄 膜用スパ ッ タ チ ャ ン バ 1 0 1 a 、 絶緣薄膜用スパ ッ タ チ ャ ン ノ 1 0 1 b 、 ク リ ーニ ン グチ ャ ン パ 1 0 1 c、 酸 ィ匕チ ャ ン ノ 1 0 1 d と 4 つ の異る機能を有 してレヽ る 。
    [0021] 1 0 2 は ウ エ ノヽ の ローデ イ ン グチ ャ ン ノ で あ り 、 ウ ェ ハ を装置にセ ヅ トする際に用いられる。 ま た 1 0 3 はア ン ロー ド チ ャ ン バであ り 、 ゥ ェ八を装置よ り 取り 出す際に 用 レヽ ら れ る チ ャ ン ノ で あ る 。 1 0 4 は ト ラ ン ス ポー ト チ ャ ンク と呼ばれ、 上記の 4 つのプロ セス チ ャ ンク のそ れぞれ所定のチ ャ ンバへ ウ ェ ハ を搬送する の に用い ら れ る チ ャ ンク であ り 、 ゥ ヱハ 1 0 6 c の搬送に は例えば静 電吸着型の ウ ェハチ ャ ッ ク 1 1 4 を用いて行なわれる。 すなわち、 静電チ ャ ッ ク 1 1 .4 に よ っ て ウ ェハ を得る こ と、 例えば磁気浮上方式の搬送機構を用いて所定のチ ヤ ン ノ の ウ エ ノ、 ホルダ 1 0 7 a 〜 d の上 に ウ エ ノ、 をセ ッ ト す る 。 こ れ ら の ウ エ ノ、 ホ ルダ 1 0 7 a 〜 d ほ、 静電 チ ャ ッ ク に よ り ゥ ヱハを吸着保持し、 次いで対応する ブ ロ セスチ ャ ン ノ のゲー ト ノ ルブ 1 0 5 a 〜 1 0 5 d ( ブ ロ セスチ ャ ンノ 1 0 1 a のゲー ト ク ルブ 1 0 5 a は図示 されていない） を開いた後、 ゥ ヱハホルダ全体が上昇し て ウ ェハを所定のプロ セスチ ャ ンバ内に挿入する と と も に、 プロ セスチ ャ ンノ と ト ラ ンスポー ト チ ャ ンバ 1 0 4 間 の 気密 シ ー ル を 行 な う 構造 と な っ て レヽ る 。 第 1 図 ( a ) では、 丁度金属薄膜用スパ ッ タ チ ャ ンバ 1 0 1 a に シ リ コ ン ゥ，エ ノ、 1 0 6 a お よびウ エ ノ、ホルダ 1 0 Ί a のセ ッ 卜 された状態が示されている。
    [0022] 1 0 8 a 〜 1 0 8 d はターゲ ッ ト チ ャ ン バ と呼ばれ、 それぞれ真空を破る こ と な く ターゲ ヅ ト 材料 1 0 9 a 〜 1 0 9 d を交換でき る よ う に な っ てレヽ る。 各ターゲ ッ ト に は 同調回路 1 1 0 a 〜 l 1 0 d を 介 し て R F 電源 1 1 1 a 〜 1 1 1 d が接続さ れ、 さ ら に ウ ェ ハ ホ ルダ 1 0 7 a 〜 1 0 7 d に も各々 同調回路 1 1 2 a 〜 1 1 2 d を介 して R F 電源 1 1 3 a 〜 l 1 3 d が接続されてい る。 ま た同図に は図示されて レヽなレヽが、 各チ ャ ン ク に は、 真空排気装置が接続されている。
    [0023] 第 1 図 （ a ) ではターゲッ ト と ウェハが上下方向に対 向し、 ゥヱハほ下に、 ターゲッ ト は上に位置する構造を 示 し たが、 も ち ろん こ の配置に限る こ と はない。 例え ば、 重量的に重いタ一ゲヅ ト を下に、 ウェハを上に持つ て きても よい。 こ う すれば、 ターゲッ ト を静電チャ ッ ク で保持する場合、 静電チ ャ ッ ク の電源電圧に一時的な変 動が生じて吸着力が弱っ た場合にもターゲツ 卜 が落下す る という事故ほ防げる。 しかし ウ エノ のカケラや ゥ ェ八 に付着 し たゴミ がタ ーゲ ッ ト 上に落下し た場合に は、 ターゲツ ト を汚染し、 スパ ッ タ成膜された薄膜の膜質を 荖し く 劣化させるなどの問題を生じる。 従っ て、 例えば 第 2 図 （ a ) に示したよ う にターゲッ ト 1 0 9 a と ゥ ェ ハ 1 0 6 a を左右方向に対向させる構造でと る方が有効 である。 こ う すればウ ェハ、 ターゲッ ト と も にダス ト付 着の問題がほとん どなく なる。
    [0024] ま た 、 第 2 図 （ b ) に示 し た よ う に 、 タ ーゲ ッ ト 1 0 9 a を少し上方に傾けて配置する方式を と つ ても よ い。 こ う すれば、 重量の大き なターゲッ ト の保持が楽に なるばか り か、 ウ エ ノ、表面へのダス ト付着はな く な り 、 ま た ウ エノ、か らターゲッ 卜へのダス トの落下も な く なる な ど極めて有効な配置である。
    [0025] 例えば、 こ の装置で第 3 図に示したキ ャ パ シ タ構造を 実現す る方法に ついて説明す る 。 第 3 図のキ ャ パ シタ は、 シ リ コ ン 基板 3 0 1 内 に 形成 さ れ た N + 拡散層 3 0 2上に、 絶縁膜 3 0 3 に設けた開口部を介して A J2 薄膜 3 0 4 ， A Jl 2 0 3 膜 3 0 5 , A 薄膜 3 0 6 の三 層構造を形成した構造に なっ てお り 、 本発明の装置を用 いて初めて実現されたキ パシタ構造である。 まずシ リ コ ン ウ ェハ 3 0 1 上に N + 拡散層 3 0 2 を形成し、 その 上に絶緣膜 3 0 3 および N + 拡散層上に開口部を形成し た ウ エ ノヽ 1 0 6 e を用意し、 こ れを ロ ーデ イ ン グチ ャ ン バ 1 0 2 内の ウ ェハホルダ 1 0 7 e上に置く 。 ロ ーディ ングチ ャ ン バを真空引き した後、 ゲー ト バルブ 1 0 5 e を開け、 静電チャ ッ ク 1 0 6 c によ り ゥ ヱハを保持して ト ラ ン ス ボー ト チ ン バ内へウ ェ ハ を持ち込み、 ゲー ト ノ ルブ 1 0 5 e を閉じる。 次いで ウ ェハはク リ ーニング チ ャ ン ノ 1 0 1 c へセ ッ ト される。 こ こ で は N + 拡散層 3 0 2表面に形成されたご く 薄い自然酸化層や吸着分子 層、 特に水分の吸着分子層を低温 （ 1 5 0 で以下） で、 しかも下地のシ リ コ ン に全く ダメ ージを与えないで と り 除く こ と がで き る 。
    [0026] すなわち、 R F放電に よ り 生じた A r イ オ ンを S i 結 晶にいつ さいダメ ージを与えないで （例えば数 e Vか ら 3 0 e V程度、 好ま し く は 5 e V以下、 よ り 好ま し く は 2 〜 3 e Vの運動エネルギで） シ リ コ ン ウ エ ノ、上に照射 するのである。 こ のよ う に表面のク リ ーニングを行な う こ と は、 A J2薄膜 3 0 4 と N + 拡散層 3 0 2 と の良好な 電気的接触を と る上で極めて重要である。 すなわち、 そ の後いつ さいの熱処理工程がな く ても理想的な金属 -半 導体接触が得られるの であ る 。 こ の チ ヤ ン パでの処理が 終了する と ゥ ヱハは金属薄膜用スパ ッ タチャ ンバ 1 0 1 aへ運ばれる。
    [0027] こ の際、 ゥ ヱ Aの搬送ほ真空排気された ト ラ ン スボー 卜 チ ャ ン ノ 1 0 4 内に おいて行なわれる ため、 ウ エ ノヾ は一切大気にふれる こ とがない。 従っ てク リ ーニングさ れたシ リ コ ン表面は清浄な状態を保っ たま まで金属薄膜 がその上に形成される こ と になる。 スパ ヅ タ チ ャ ン バ 1 0 1 a内では A J^ のターゲ、ソ 卜 1 0 9 a を用いて、 ス パ ッ タ リ ング法に よ り A A薄膜 3 0 4がウェハ上に形成 される。 次いで、 ウ エ ノヽは、 酸ィ匕チ ャ ン ノ 1 0 1 d に運 ばれる。 こ こ ではゥ ェ八を 3 0 0 〜 5 0 0 での温度に加 熱した状態で酸素ガスが供給され、 A J2薄膜表面に熱酸 ィ匕によ り約 5 0 A程度の A JZ 2 0 3 膜 3 0 5 が形成され る。 こ の後ウ ェハは再びチ ャ ン ノ 1 0 1 a に運び込まれ A J2 薄膜 3 0 6 が形成される。 こ の よ う に し て A J2 — A SL a 0 3 一 A J2 の三層構造の形成された ゥ ヱノは再び ト ラ ン ス ボー ト チ ャ ン ノ 1 0 4内を搬送されて ア ン ロ ー ド チ ャ ン ノ 1 0 3 内の ウ ェハス テー ジ 1 0 7 f 上に戻さ れる。 ゲー ト バルブ 1 0 5 f を閉じた後ア ンロー ド チ ヤ ン バ 1 0 3 を大気圧に戻 し ゥ ヱ ノ、 を装置外 に 取 り 出 す。
    [0028] 以上が第 3 図に示した構造を実現する ためのシーケ ン スの一例であ り 、 大気にさ らされた表面のク リ ーニ ング お よ び界面を一切大気に さ らす こ と な く 多層薄膜構造を 実現で き る のが本装置の大き な特徴であ る。
    [0029] 以上が *装置の構成と多層薄膜構造形成の概略を述べ た も のであるが、 以下に装置各部の詳細、 多層薄膜構造 形成の詳細な結果について説明 し、 本発明の作用 ♦ 効果 に つレヽ て述べる 。
    [0030] 第 4 図 （ a ) , ( b ) 一 1 は、 プ ロ セ ス チ ャ ン バの 1 つ で あ る 、 金属薄膜用スパ ッ タ チ ャ ン バ 1 0 1 a の構造 を詳 し く 描いた模式.図であ り 、 ト ラ ンス ボー ト チ ャ ン バ 1 0 4 、 タ ーゲ ッ ト チ ャ ン ノ 1 0 8 a 、 ウ エ ノ、 ホルダ 1 0 7 a 、 ゲー ト ノ ルブ 1 0 5 a 、 タ ーゲ ッ ト 1 0 9 a 、 タ ー ゲ ッ ト ホ ル ダ 4 0 1 等 も 同時 に 描か れて い る 。
    [0031] ま た、 第 5 図は同 じ く 金属'薄膜用 ス パ ッ タ チ ャ ン バ 1 0 1 a を中心に真空排気装置およびガス供給装置と の 接続関係の一例を図示し たものであ り 、 図中の番号で第 1 図、 第 4 図と共通のものは同 じ部分を付 している。
    [0032] —方、 第 5 図に示すよ う に、 プロ セス チ ャ ン ノ 1 0 1 a に は真空排気装置 と し て例 え ば磁気浮上方式の ロ ー ターを持っ たターボ分子ポ ン プ 5 0 1 お よびそのバッ ク ア ツ ブ と し て ロ ータ リ ーポ ン プ 5 0 2 が接続さ れてい る。 5 0 3 はオイ ル ト ラ ッ プであ り 口 一タ リ ーポ ン プか ら の オ イ ルノ ッ ク を防い でレヽ る 。 図 に示 し た構成以外 に、 例えばターボ分子ポ ン プを二段直列 につ な ぐ こ と に よ り 、 チ ャ ン バ の到達真空度を さ ら に高 く す る方式を と っ ても よい。 また、 ガスを流してスパ ッ タ リ ング成膜 を行なう時は、 ガス負荷に強い ド ライ ポンプ等に切り 変 える構造に しても よい。
    [0033] ド ライ ポンプと は大気圧か ら高真空まで引 く こ と ので き る よ う に設計されたターボ分子ポ ン プである。 高速回 転するロータ を支え、 かつロータの温度上昇をおさえる ために、 ボールベア リ ングが用い られ、 これにオイ ルを 高圧でふきつける こ と によ り摩擦を軽減する と と も に熱 を逃がしている。 こ のオイ ルが真空系に侵入して汚染を 生じないよ う に N 2 ガスを用いてシールしているが、 万 がーにも N 2 ガスが運転中に止る と真空茶に多大な被害 をおよぼすこ と になるので使用する際には充分な注意が 必要である。 !
    [0034] 卜 ラ ン ス ポ ー ト チ ヤ ン バ も 同様の 真空排気系
    [0035] ( 5 0 1 ， 〜 5 0 3 ' ；) が接続されている。 ま た図にほ 示していないがタ一ゲッ ト チ ヤ ン バも同様の真空排気系 を備えてお り 、 各チ ャ ン バ には各々独立に真空排気がで きる よ う に構成されている。 5 0 4 はガス供給装置であ り 、 A r , H e , H 2 等のガスをプロセス ヤ ン ノ 1 0 1 a に供給でき る よ う になつ ている。 例えば A r ガスは、 常時一定流量 （ 1 〜 5 ^ Z分） が流され、 パージラ イ ン 5 0 5 に よ っ て系外にパージされている。 そ してス バ ヅ タ リ ングを行なう と きのみバルブ 5 0 6 を開け、 そのガ スの一部分がマスフローコ ン 卜 ローラ 5 0 7 によっ て 1 〜 1 0 c c /分の小流量にコ ン ト ロールされてプロセス チ ャ ン ノ 1 0 1 a へ と導入さ れる。
    [0036] こ の よ う な方式ではな く 、 スパ ッ タ リ ン グを行な う と き に の み、 ガス供給某よ り A r ガス を チ ャ ン ノ 1 0 1 a に導入 し、 それ以外の と き に はガスを止めた状態に保持 してお く と、 ガス配管内壁に吸着 し ている ご' く わずかの 水の分子が滞留 している A r ガス中に溶け込み、 ガスの 水分濃度を高めて し ま う 結果と なる。 例えば、 水分濃度 が数 1 0 p p b 以上存在する A r ガスを用いて A の薄 膜をスパ ッ タ成膜する と第 6 図に示 し た よ う に、 水分量 に応じて表面に荒れが生じ、 凹凸の激 しい薄膜が得ら れ る。 こ の よ う な薄膜では精度よ く 微細パタ ーを形成する こ と がで き ないため、 デバイ スの微細化に対応で き ない ばか り が、 大量の電流を流し た と き のエ レ ク ト ロ マイ グ レーシ ョ ン に対する特性が弱 く 信頼性の よい配線を得る こ と がで き ない。
    [0037] しかる に、 水分量が 1 0 0 p p b 以下に なる と表面は 平坦 と な り 、 エレ ク ト 口 マ イ グ レー シ ョ ン特性も大き な A J2 薄膜が得られる。
    [0038] 本発明の装置に用いた、 第 5 図に示す よ う な A r ガス の供給方法を用い る と チ ヤ ン バ に は常 に水分量 1 〜 2 P P b 以下の A r ガスを供給する こ と が可能 と な り 、 微 細でかつ信頼性の高い金属配線の形成が可能 と なる。
    [0039] た だ し、 長期間にわた り 装置を停止す る よ う な場合に は、 ノ ルブ 5 0 6 ' を閉じて A r ガスパージを止めて も よ い。 しか し、 次に流 し出 し た と き に は、 必ずパージ ラ イ ン 5 0 5 を介して A r ガスをパージし、 充分水分量が 低下したこ と を確かめてからバルブ 5 0 6 を開けてガス をチャ ンバに導入する こ とが重要である。 こ のため には 例えば、 パージ ラ イ ン 5 0 5 の先端部 に水分計 （露点 計） を と り つけ、 露点が一 1 1 0 t以下になる こ と を確 かめればよい。
    [0040] スパ 、 y タ リ ング成膜される薄膜を高品質化する ために ほ、 成膜プロ セス中に水分などの不純物分子の混入を徹 底的に排除する こ とが重要である。 そのためにほ、 上で 述べた よ う な A r ガスの導入方式の採用が重要である が、 それ以外に もチ ヤ ンパ材料やガス配管材料表面か ら の脱ガスを徹底的に小さ く する こ とが重要である。 第 4 図 （ a ) に示した装置のチ ャ ンバの壁材 4 0 2 および第 5図に示したガス供給装置 5 0 4のガス配管ほ、 例えば S U S 3 0 4 L や S U S 3 1 6 L よ り 構成さ れてレ、る が、 その表面は H 2 0分子の吸着を少なく し、 かつ脱離 を容易にする ための処理を施すこ とが重要である。 こ の 処理に は例 え ば次 に述べる よ う な方法を用 いればよ い 0
    [0041] 最初にステ ン レス表面の加工変質層を伴なわない鏡面 研磨を行なう が、 パイ ブの内面に対しては例えば電解研 磨を用い、 チ ャ ンバの内面に対しては電解複合研磨等の 技術を用いて行なう 。
    [0042] 次いで水分の含有量 1 P P b程度以下の A r や H e を 用いてパージを行ない、 さ ら に 4 0 0 程度ま で昇温し てパージを行ない、 表面に吸着 している H 2 0分子をほ ぼ完全に脱離させた後、 やは り 水分の含有量が 1 p p b 程度以下の純酸素を流し、 4 0 0 〜 5 5 に昇温して 内表面の酸化を行な う 。 こ のよ う に してステ ン レス表面 を熱酸化する こ と に よ り得られる酸化被膜は、 従来の硝 酸等を 用 い て形成 し た不動態膜 に く ら べ、 H C ，
    [0043] C JI 2 , B C J 3 , B F 3 等の腐食性ガス に対し優れた 耐腐食性を有する だけでな く 、 プロ セス に有害な水分子 の表面吸蔵が少な く 、 かつ脱離特性がよいな ど、 数々 の 優れた特徴を有している。 次に こ の不動態動膜の脱ガ ス特性に つ い て の実験結果を示す。 実験は全長 2 mの 3 / 8 ィ ン チ径のパイ ブについて行なつ た も のである。 実験装置の構成を第 7 図 （ a ) に示す。 すなわち、 ガス 純化装置 6 0 1 を通した A r ガスを 1 . 2 J2 /分の流量 で試料の S U S パイ ブ 6 0 2 を通しガス中に含まれる水 分量を A P I M S (大気圧イ オ ン 化 マ ス分析装置） 6 0 3 に よ り 測定した。
    [0044] 常温でバージ し た結果を第 7 図 （ b ) のグ ラ フ に示 す。 テス ト したパイ ブの種類はパイ ブの内面を電界研磨 したもの （ A ) 、 電界研磨後硝酸に よ る不動態化処理を 行なっ たもの （ B ) 、 および酸化.処理に よ り 不動態膜を 形成したも の （' C ) の 3 種類であ り 、 第 7 図 （ b ) では それぞれ A , B , C の線で示されている。 各パイ ブは相 対湿度 5 0 %、 温度 2 のク リ ー ン ルーム内に約 1 週 間放置した後、 本実験を行なっ た。 第 7 図 （ b ) の A， B か ら明らかなよ う に、 電界研磨 管 （ A ) 、 硝酸に よ る不動態化処理を し た電界研磨管 ( B ) のいずれも多量の水分が検出されているのが分 る。 約 1 時間通ガス し た後も A では 6 8 p p b 、 B で 3 6 p p b もの水分が検出されてお り 、 2時間後も水分 量は A， B それぞれ 4 1 p p b , 2 7 p p b でなかなか 水分量が減少しないのが分る。 これに対し酸化処理によ る不動態膜を用 い た C で は、 通ガス後 5 分後 に は 7 P P b に落ち、 1 5分以降はバ ッ ク グラ ウ ン ド の レベル 3 p p b以下になっ て しま っ た。 このよ う に C ほ極めて 優れた吸着ガス の脱離特性を持っ て い る こ と が分 つ た。
    [0045] 次にテス ト 用のパイ ブ 6 0 2 を電源 6 0 4 によ り 通電 加熱し、 第 έ'図に示す昇温タ イ ムチ ー ト に従っ てパイ ブの温度を変化さ せ た。 温度を室温か ら 1 2 0 ： 、 か ら 2 0 0 で、 2 0 0 でから 3 0 0 と変ィ匕さ せた と き に出て く る水分量の平均値をま とめたものを第 1 表に示す。 この結果か らも明らかなよ う に酸化処理を 施したステン レス表面は他に く らベて 1 ケタ程度水分の 放出が少ないこ と が分る。 こ の こ と ほ水分の吸着量が少 な く 、 ま た容易に水分を脱離で き る こ と を意味してお り 、 超高純度ガス供給に最適のものである こ とが分る。 以上は s U S パイ ブについての実験結果によ り 、 酸化に よる不動態化処理の優れた特性について説明したが、 真 空チ ヤ ン バの内面処理についても同様の優れた特性が得 られる。. すなわち、 本発明の装置の真空チ ャ ンバ （例え ば 1 0 1 a , 1 0 4 , 1 0 8 a な ど） では、 ベーキング 後は 1 0 -1 1 〜 1 0 _12 T o r r の真空度が実現されて お り 超高真空装置と しても非常に優れた特性を持っ てい る こ と が分っ た。
    [0046] 次にステ ン レス表面を酸化して得られる酸化被膜につ いて説明する。 第 2表は、 S U S 3 1 6 L , S U S 3 0 4 L を超高純度酸素で酸化した場合、 表面に形成される 酸化膜の膜厚と屈折率を酸化温度および時間の関係と し て示したも のである。 注目すべき こ と は、 酸化膜厚は時 間には依存せず、 温度だけで決っ ている と い う こ と であ る。 こ れは U S の酸ィヒが C a b r e r a と M o t t の モデルで説明される プロ セスで進行している こ と を示唆 している。 なわち、 温度を制御 .し一定と すれば所望の 膜厚まで酸化膜が成長する ため、 膜厚が均一で、 かつ、 ピ ン ホールの ない緻密な酸化膜を形成する こ と ができ る。
    [0047] 第 1表 サンブル配管から脱離する水分量（温度依存性）
    [0048]
    [0049] 単位（ P P b )
    [0050] 第 2表 不動態膜の膜厚 酸化温度 酸化時間 S U S 3 1 6 L S U S 3 0 4 L
    [0051] ( r)
    [0052] 膜厚 (A) 屈折率 膜厚 (A) 屈折率
    [0053] 1 1 1 4. 0 2. 71 78， 8 3. 26
    [0054] 400
    [0055] 4 1 10. 9 2. 87 74. 2 3. 41
    [0056] 1 1 25。 7 2。 93 95. 8 3. 60
    [0057] 500 2 1 26. 1 2. 91 95. 2 3. 50
    [0058] 4 1 26. 8 2. 96 91. 3 3. 81
    [0059] 1 1 30. 9 3. 02 1 02. 9 3. 56
    [0060] 550
    [0061] 4 1 41. 8 3. 1 3 1 1 0. 9 3. 76 第 9 図は、 S U S 3 1 6 L を 5 0 0 で で約 1 時間酸化 し た後、 表面の元素分布を E S C A で し らベた結果を示 すグラ フ であ る。 表面付近で F e の濃度が高く 、 深い部 分で C r の濃度の高く な っ ている こ と が分る。
    [0062] こ の こ と は表面付近で は F e の酸化物が、 酸化膜 と S U S 基板 と の界面近 く では C r の酸化物がそれぞれで き ている 2 層構造に な っ ている こ と を示している。 こ の こ と は、 E S C A スべク ト ルのエネ ルギー分析の結果、 表面付近の F e でほ酸化物形成に よ る ケ ミ カ ルシ フ 卜 が み ら れ、 こ れが深い部分ではな く な り 、 ま た C r は深い 部分でのみ酸化物形成に よ る ケ ミ カ ルシ フ ト がみ られる こ と か ら も確認されている。 こ れま で S U S の酸化で こ のよ う な 2 層膜が形成された と い う 報告はな く 、 本発明 に よ る減圧装置が優れた耐腐食性お よび吸着ガスの脱離 特性を示すメ カニズム は ま だ明 らかで.ないが、 こ の緻密 な 2 層膜の形成に よ る ものであ る と考え られる。 なお、 こ こ でほ膜厚と して 1 0 O A程度のも のを用いたが 5 0 A以上であれば同様の効果が得ら れる。 ただ し 5 0 A以 下の膜厚ではビ ン ホールが発生し、 耐腐食特性が劣化す るので膜厚は 5 0 A以上 と する こ と が好ま しい。
    [0063] ま た、 緻密な酸化膜を形成する に ほ、 S U S 表面の加 ェ時に変質し た層を除去 し、 かつ表面を平坦にする こ と が重要で あ る 。 本実施例で は表面相度 と し て R m a X が
    [0064] 0 . 1 〜 0 . 7 mのも のを用いたが、 実験の結果半径 5 μ mの円周内での凸部 と 凹部の高さ の差の最大値が 1 程度までは、 十分よい不動態膜の形成される こ と が 分っ ている。
    [0065] 以上のよ う な不動態化処理を行なう こ と に よ り 、 チ ヤ ンバを超高真空対応にでき ただけでな く 、 腐蝕性ガスに 対しても十分な耐性をもたせる こ とができた。 こ の こ と に よ り 、 例えばチャ ンバ内のク リ ーニングのために、 チ Y ン バの温度を上げ塩素茶のガスを流すこ と によ つ て壁 面に付着した反応生成物の堆積物を除去する こ と も可能 と なっ た。 チ ャ ン バ内面が平坦で緻密な不動態が設け ら れている ため付着物の付着力がきわめて弱いこ と も、 こ のガスエッ チングを容易に している。 このよ う なク リ 一 ニ ングが不要の場合は、 例えば軽量で超高真空に適した アルミ合金製のチ ヤ ンパを用いる こ と も有効である。
    [0066] ターゲツ ト材料も、 十分不純物を除去して超高純度に した後、 真空溶解に よ り 酸素な どのガス成分を除去して いる。
    [0067] 次に第 4図 （ a ) によ り ウ ェハホルダ 1 0 7 a につレヽ て説明する 。 ホ ルダ全体はべ ロー 4 0 3 に よ っ て チ ヤ ン バ外壁につながつ てお り 、 上下の移動が可能と なっ てい る 。 シ リ コ ン ゥ ヱノヽ 4 0 4 を静電チ ャ ッ ク電極 4 0 5上 に吸着した状態で上下移動し ゥ ヱハをプロセスチ ヤ ン バ 1 0 1 a へ出し入れする。 例えばウ ェハをプロセスチ ヤ ン ノ に装塡する場合にほ、 ゥヱハホルダ 1 0 7 a全体が 上昇し、 オー リ ング 4 0 6 をチ ャ ン バの フ ラ ンジ面 4 0 7 に圧着させる こ と に よ り プ ロ セ ス チ ャ ン ノ 1 0 1 a と ト ラ ン スボー ト チ ャ ン バ 1 0 4 の間の気密シールも同時 に行な う 構造 と な っ て い る 。 こ こ で は シール材 と し て 才ー リ ングを用いる場合を示 し たが、 脱ガスの少ない金 属のシールを用いる方がよ り 有効であ る。 こ の場合、 金 属のシールほ何回もの着脱操作 に対し弾性を保持 し、 か つ優れ た シー ル性を有す る も の を用 い る こ と が好ま し く 、 た と えば第 1 0 図 （ a ) , ( b ) に示し たよ う な、 弾性を有する樹脂製のォー リ ン グ 1 0 0 1 を、 弾性の範 囲内で伸縮す る （ す なわ ち 、 塑性変形が生 じ ない よ う な） A J2 , N i , S U S 3 1 6 L、 N i コ ー ト のス テ ン レス等の金属製の板パネ状の リ ング 1 0 0 2 で挟んだも のを用いる こ と が有効である。 こ の場合、 シール面は金 属表面 （ こ の表面は R m a x O . 2 m以下の鏡面 と して お けばリ ーク をよ り 一層低減を図る こ と が可能と なる ） の接触 に よ っ て保たれ、 シールを保持す る圧着力は、 ゴ ム 1 0 0 1 のオー リ ングに よ っ て供給さ れる ため、 す ぐ れた気密保持が得られる ばか り でな く 、 く り 返 し使用が 可能である。
    [0068] な お、 板バネ 状の リ ン グ 1 0 0 2 の開 口部 1 0 0 3 は、 真空度の低い側に設ける こ と が好ま しい。 さ ら に、 ゴム 1 0 0 1 に は、 内側 1 0 0 4 と開口部 1 0 0 3 と を 連通する切欠を設けておけば内側 1 0 0 4 へのガス の滞 留を防止する こ と がで き る ので よ り 好ま しい。 こ の切欠 は リ ン グ 1 0 0 2 を加圧 し た場合潰れて し ま い、 内側 1 0 0 4 は封止状態と なる。 板に、 内部 1 0 0 4 と連通 する孔を設けておいても よい。
    [0069] なお、 第 1 0 図 （ a ) , ( b ) の変形例と して第 1 0 図 （ c ) ， ( d ) に示すものを用いても よい。 第 1 0 図 ( c ) に示すものは、 2枚の板をその端において溶接し て板パネ と し、 .またフ ラ ンジ面との当接部を平坦と した ものである。 こ の当接面ほ R m a x 0 . 2 μ πι以下の鏡面 とする こ とが好ま しい。 さ ら に第 1 0 図 （ d ) は、 板の 両端を と も に溶接し、 板パネ状の リ ング 1 0 0 2 の内部 を密封した例である。 こ の例では、 ゴム 1 0 0 1 か らの 外部へのガス放出がま っ た く 無く なる ため よ り 好ま し い 0
    [0070] ウ エノ、ホルダ 1 0 7 a が ト ラ ンスポー ト チ ャ ンバ内で 待機している状態では、 ゲー ト バルブ 1 0 5 a に よ っ て 開口部をシールし、 プロセスチャ ンノ と ト ラ ンスポー ト チ ンバ間の気密が保たれる。
    [0071] このシールにはォ一 リ ング 4 0 8 を用いても よいが、 第 1 0 図に示したよ う な金属シールを用いればさ ら に有 効である。 ま たその他のシール方法を用いても十分な気 密が保たれる な らば問題はない。
    [0072] いずれにせよ、 伸縮性の材料によ つ て真空シールを行 な う 際に重要な こ と は、 例えば第 4図 （ a ) において 4 0 7 の フ ラ ン ジ面と 4 0 6 ' の フ ラ ン ジ面の相対的な 位置関係は、 シール部品 4 0 6 と は無関係に決ま る よ う な構造を と る こ とである。
    [0073] つま り 、 4 0 6 を押しつぶす力に よ っ て位置が決ま る のではな く 、 第 4 図 （ c ) に拡大図で示 し た よ う に、 変 形しないス ト ッ ノ、 · 4 2 0 1 を入れ、 こ れ に よ り 常に相対 位置が一定 と なる よ う にするのがよい。 こ う す る こ と に よ り 、 才一 リ ング 4 0 6 は常に一定の力で圧縮される こ と に な り 、 安定 し た シール特性が得 ら れ る 。 も ち ろ ん 才ー リ ングのかわ り に第 1 0 図のよ う なメ タ ル リ ングを 用いる場合も同様である。 こ こ で述べたス 卜 ッ ノ 4 2 0
    [0074] 1 は フ ラ ン ジ面 （ 4 0 7 あるい は、 4 0 6 ' ) の加工に 際し、 直接形成して も よいが、 あ る いは リ ング状のも の を あ と か ら と り つ け て も よ い。 ま た高真空側 に デ ッ ド ゾーンがで き ないよ う に、 こ のス ト ッ パーは、 真空度の 低い側に置く のがよい。
    [0075] さ ら に、 上下運動する 4 0 6 ' に は、 上下運動のガイ ド を設け、 シール部品を圧縮す る に際 し、 横方向に決し てずれない よ う にする こ と が重要であ る。
    [0076] 4 0 5 は ウ ェハ保持用の静電チ ャ ッ ク電極であ り 、 例 えばス テ ン レ ス、 M o や T i な どの金属でで き てお り 、 その表面に は絶緣性の被膜 4 0 9 が形成されている。 絶 緣性被膜は、 例えば A J2 3 0 3 , A JZ N をプ ラ ズマ溶射 で電極表面に形成し、 その表面を研摩に よ り 平坦化して ある。 厚さ は例えば 1 0 〜 1 0 0 μ m程度の も のを用い ている。 ゥ ヱ ノ、 4 0 4 と電極 4 0 5 の間に数 1 0 0 V の 電位差を与え る こ と に よ り ゥ ヱハ は 1 k s / c rrf 以上の 力で ゥ ヱ ハホルダ上に吸着させ る こ と がで き る 。 通常、 真^中で ゥ ヱ ハをス テー ジ に置いた場合、 ス テー ジ と の 接触は三点でしか接してお らず、 正確な ウェハ温度の設 定はこれまで不可能であっ た。 しかる に末発明の装置で ほ、 強力な力でウ エノ がステージに吸着されるため ゥ ェ ノ、の温度コ ン ト ロールが極めて正確に行なえ る よ う に なっ た。 ウェハにほ金属電極 4 1 0 によ り電位が与えら れ、 4 1 0 はも ち ろん 4 0 5 から ほ絶縁され系外の電源 に接続されている。
    [0077] 図では、 ゥ ヱ Aの電位はウ エノ、中心部よ り 電極 4 1 0 で と る構造と なっ ているが、 こ れは周辺部から と る構造 に しても よい。 周辺から と る場合の方が、 ゥ ヱハの温度 コ ン ト ロールに際し、 図のよ う に ウ ェハホルダの真中に 穴の開いている場合に く らベて面内の均一性が実現し易 い とい う メ リ ッ ト がある。 ま た電極 4 0 5全体ほ、 絶緣 ガイ シ 4 1 1 によ り チャ ンパか ら は電位的に絶緣されて いる。 さ ら に電極 4 0 5 には 4 1 2 によっ て外部から周 波数 f wなる高周波電力が供給されている。
    [0078] 電極 4 0 5、 ゥ ェ A 4 0 4 と外部電源と の接続関係の —例を第 4図 （ b ) に示した。 第 4図 （ b ) において第 4図 と 同一の番号を付し た も の は同じ部分を示してい る。 4 1 0 1 は静電チ ャ ッ ク用の直流電源であ り 、 高周 波をカ ツ ト し直流電位のみを供給する高周波フ ィ ルタ 4 1 0 2 を介して静電チャ ッ ク電極 4 0 5 と ゥ ヱハ 4 0 4 の間に直流の電位差 V c を与えている。 ま た 4 1 0 3 は 周波数は f w が例えば 1 0 0 M H z の R F電源であ り 、 整合回路 4 1 0 1 、 ブロ ッ キ ングコ ンデンサ 4 1 0 5 を 介 して導入電極 4 1 2 に よ り ウ ェハ に高周波電力が供給 さ れて い る 。 こ の高周波電源 4 1 0 3 の 出力 を例え ば 数 W〜数 1 0 W の範囲で変ィヒさ せ る こ と に よ り ゥ ヱ ハ 4 0 4 の直流電位を所定の値に設定で き る よ う に な っ て いる。 あるいは整合回路 4 1 0 4 の整合条件を変化させ る こ と に よ っ ても ウ ェハの直流電位を変化させる こ と が で き る。
    [0079] ウ ェハの表面が例えば S i 0 2 の よ う な絶縁膜で覆わ れ.ていて も その表面の直流電位は ゥ ヱハの電位 と ほぼ同 じである。 なぜな ら S 1 0 2 膜に よ り 形成される コ ンデ ンサ容量は、 ブロ ッ キ ングコ ンデンサ 4 1 0 5 に比べて 非常に大きいため、 高周波に よ る 自己バイ アス は、 ほ と ん ど こ の コ ンデンサ両端に現われる か ら であ る。
    [0080] 従っ て ゥ ヱハの電位を高周波フ ィ ルタ を介 して電圧計 でモニタ し、 こ れを R F電源の コ ン ト ロー ラ、 あ る レヽは 整合回路の コ ン ト ローラ に フ ィ ー ド バ ッ ク する こ と に よ り ウ ェハ表面の直流電位を一定の値に正確に コ ン ト ロ ー ルす る こ と がで き る 。 こ の よ う に設定 し た ウ ェ ハの電位 に よ り 、 プラズマか ら ウ ェ ハ表面に入射す る イ オ ン のェ ネ ルギを所望の値に正確に コ ン ト ロールする こ と がで き るのである。 一方、 .ターゲ ッ ト に は異る周波数 f τ (例 えば 1 3 . 5 6 M H z ) の高周波が与え ら れてい る ため タ ーゲ ッ ト 電極 4 0 1 と ウ エ ノ、 ホ ルダ電極 4 0 5 と の容 量結合に よ り 、 ゥ ヱ ハが ： f τ の周波数で も ふ ら れる こ と に なる。 4 1 0 6 の回路は周波数 f w に対しては充分高いイ ン ピ一ダンスを保ち、 周波数 f τ の高周波を短絡する回路 であ り 、 これによ つ て ウ ェハの直流電位は、 ウ ェハホル ダに加え られる周波数 f w の高周波のみに よ っ て コ ン ト ロールされる よ う になる。 この回路ほ、 例えば L と Cの 並列共振回路を用い、
    [0081] 2 π f w = 1 / ( L C ) 1 / 2
    [0082] と してお く と f w の高周波に対してのみ開放と なるが、 それ以外の周波数に対してほ C を充分大き く と っ ておく と短絡と なり所望の機能を有する こ とができ る。 ウ ェハ ホルダ 4 0 5 にはある程度の直流電位が生じなければな ら ないのであるか ら、 上記 L C並列回路に充分大きな容 量を有する コ ンデンサを直列に接続する。
    [0083] ウェハ表面に導電性薄膜が形成され、 かつその薄膜が ゥ ヱハ と電気的につながつ ている場合には、 ゥ I八の電 位を直接直流電源でコ ン ト ロール して も よい。 こ のよ う な場合には、 例えばスィ ッ チ 4 1 0 7 を入れ直流電源 4 1 0 8 によっ て ウ ェハの電位、 すなわち、 ウ ェハ表面の 電位をコ ン ト ロールする こ とができ る。
    [0084] 第 4図 （ a ) において 4 1 3 はヒータであ り 、 電流を 流すこ と によ り 、 ウ ェハホルダの電極 4 0 5 を所定の温 度 に加熱す る た め に 用い ら れる 。 こ の場合、 ウ エ ノ 4 0 4 は電極 4 0 5 に静電チ ヤ ッ ク によ り強力な力で吸 着している ため、 電極と同じ温度に、 均一に加熱する こ と ができ ウ ェハ温度を正確に コ ン ト ロールする こ ができ る。 ま た、 4 1 4 はフ ァ イ バ温度計であ り 、 黒体輻射の 発光を光フ ア イ バで引き出 して温度を計測する ものであ り 、 R F等のノ ィ ズに全く 左右されないで正確に温度測 定を行な う こ とができ る。 こ の測定結果を ヒ ータ の コ ン ト ローラ に フ ィ ー ドバハ ッ クする こ と に よ り 正確な温度 制御が行なえる。
    [0085] こ こ ではヒータ を用いる加熱方式についてのみ説明し たが、 例えば多数のプラズマ トーチに よ り 放電加熱を行 ない、 各々 の放電電流をコ ン ト ロールする こ と に よ り さ ら に精密な温度分布の制御を行なつ て も よい。
    [0086] 本発明の装置の大きな特徴の 1 つは、 プロセスチ ャ ン バ内には、 ウ ェハの搬送機構をは じめ、 ウ ェハの加熱機 構な ど、 汚染源になる と考え られる ものほ一切入れてい ない こ と であ る。 こ れに よ り 、 プロ セスチ ャ ンバを高清 浄に保ち、 高品質な薄膜形成が可能と なっ ている。 さ ら に-加熱機構は、 完全に真空茶か ら切り 離し、 大気中ある いは常圧状態におかれている ため、 汚染発生の心配が全 く ないばか り か均一な加熱が容易に なっ ている。
    [0087] 次に、 第 4図 （ a ) に基づき ターゲッ ト ホルダ 4 0 1 について説明する。 4 1 5 はホルダ電極であ り 、 ステ ン レス、 T i あるいは M o等の金属か ら でき てお り その表 面は例えば A J2 2 0 3 , A A N や S i 0 2 等の絶緣薄膜 で覆われてお り 、 静電チャ ッ ク と なっ ている。 金属ター ゲッ 卜 1 0 9 a は、 電極 4 1 6 に よ り 裏面よ り 電位が与 え られ、 ホルダ電極 4 1 5 と の間に生じ た電位差に よ り 静電吸着し、 保持されて'いる。 4 2 0 は絶緣物であ り ホ ルダ電極 4 1 5 をチ ャ ン パか ら電気的に絶縁している。 その他ターゲッ 卜 ホルダの機構ほ、 ウ ェハホルダ 1 0 7 a と ほとんど同じであ り詳しい説明ほ省略する。 4 1 7 はマグネ ト ロ ン放電のための磁石であ り 、 4 1 8 はター ゲッ ト拎却のための冷媒を流すパイ ブである。 なお、 こ のグラ ン ド · シール ド ほタ一ゲッ 卜 の径をターゲッ ト ホ ルダ一の径よ り も大き く すれば設けな く と も よい。 ま た 4 1 9 はタ一ゲッ ト ホルダがスパ ヅ タ されるのを防ぐた めのグラ ウ ン ド · シール ド であ る。 こ のグラ ウ ン ド · シール ド は ウ ェハホルダ 1 0 7 aの説明の際にほ述べな かっ たが、 ウ エノ、ホルダに対しても同様に設けてよいこ と ほ言う までもない。 またこ のターゲッ ト ホルダ 4 0 1 も ウ エノ、ホルダ 1 0 7 a と同様べローシール 4 2 0 を有 してお り 、 これによ り上下に移動する こができ る。 ター ゲッ ト交換の際にはウ ェハホルダ全体がベローを収縮さ せながら上昇し、 ゲー ト バルブ （図示せず） がウ ェハホ ルダの場合と同様に開口部を閉じる構造と なっ ている。 そ してターゲッ ト材は例えば第 1 1 図に示したよ う な機 構によっ て交換される。
    [0088] 第 1 1 図 （ a ) は、 た と え ば 3 つ の タ ーゲ ッ ト 材 1 1 0 1 , 1 1 0 2 , 1 1 0 3 を保持する円盤状のター ゲ ッ ト ス ト ッ カー 1 1 0 5 であ り 、 一部に切 り 欠き部 1 1 0 4 を有してレヽる。 同図 （ b ) は X — X ' での断面 を示 し て お り 、 4 0 1 ほ第 4 図 （ a ) に示 し た静電 チ ャ ッ ク方式のターゲ ッ 卜 ホルダであ り 、 ベロー 4 2 0 を有 し上下 に移動す る 。 こ の タ ーゲ ッ ト ホ ルダ 4 0 1 に、 例えば 1 1 0 2 のターゲ ッ ト を装着する場合に は、 ターゲ ッ ト ス ト ッ カー 1 1 0 5 を回転軸 1 1 0 6 の ま わ り に回転させ、 静電チ ッ ク方式のタ一ゲ ッ ト ホルダ電 極 4 1 5 の真下に タ ーゲ ヅ ト 1 1 0 2 を も っ て く る 。 つ い で電極を下降さ せ、 タ ーゲ ッ ト ホ ルダ に タ ーゲ ッ ト 1 1 0 2 を静電吸着させる。 こ の際、 ホ ルダ電極 4 1 5 は上下方向の み の 運動 し か し な い た め 、 ホ ル ダ電極 4 1 5 と タ ーゲ ッ ト 1 1 0 2 の面を正確 に一致さ せ る た め に は、 例え ば 1 1 0 7 の よ う な板ノ ネ を タ 一ゲ ト ス ト ツ 力 1 1 0 5 に 配置 し 、 タ 一 ゲ ッ ト ホ ル ダ 4 0 1 がターゲ ッ ト 1 1 0 2 を押しつ ける力 に よ っ て面 1 1 0 2 ' がホルダの面と一致する よ う に 自 由度をも た せる こ と が好ま しい。
    [0089] しか し、 板パネ構造では面の動き につれて タ ーゲ ッ 卜 表面がバネ材で こ す られる結果と な り 、 パーテ ィ. ク ルの 発生、 タ ーゲ ッ ト表面の汚染が問題と な る場合がある。 従っ て、 ターゲッ ト ス ト ッ カー 1 1 0 5 のターゲ ヅ ト 保 持機構に何 らかの自 由度を持たせた構造 と する こ が望ま しい。 その一例を同図 （ d ) に示す。
    [0090] タ ーゲ ッ ト を吸着 し た ホ ルダ電極 4 1 5 は再び上昇 し、 切 り き 部 1 1 0 4 がホ ルダ電極の下 に く る よ う に、 タ ーゲ ッ ト ス ト ッ カ を回転させる。 ホルダ 4 1 5 は こ の切 り 欠き部よ り 下に伸びプロ セス チ ャ ン ノ 1 0 1 a にターゲッ ト を挿入し、 第 4図のよ う な配置と なる。 こ のターゲッ 卜 のロー ド ロ ッ ク交換機構ほ、 第 4図に 示した金属薄膜用ス パ ッ タ チ ヤ ン バ以外にも同様に用い られ.る こ と は言う ものでも ない。 ターゲ、 y ト 1 1 0 3 が 例えば絶緣物の場合は、 例えば第 1 1 図 （ c ) に示した よ う に、 その裏面に金属な どの導電性材料 1 1 0 8 を設 ければよい。 これは金属板を貼り付けても よいし、 ある い ほ金属薄膜をス バ ッ タ リ ン グな ど で形成 し て も よ い。
    [0091] ま-た、 ターゲッ ト ス ト ッ カーは、 円板状である必要は なく 、 直線状にターゲッ ト を配置し左右、 前後等にスラ ィ ドする形式でも よいこ と はもち ろんである。 また第 1 図の各プロ セ ス チ ャ ン ノ （ 1 0 1 a〜 l 0 1 d ) の各々 'に対し別個に設けても よいし、 あるいはタ一ゲ ヅ ト チ ヤ ン バ 1 0 8 a 〜 l 0 8 d をすベて 1 つ の共通のチ ャ ン バ と し、 共通のス ト ッ カを設けても よい。 またターゲッ ト ス ト ッ カ におけるターゲッ ト の保持は、 第 1 1 図のよ う に重力に よ り 保持する方法を と つ ても よい し、 あるいは 静電チ ャ ッ クや機械的な保持方法を採用 しても よい。 特 に第 2図 （ a ) のよ う なターゲッ ト と ウ ェハの配置を と る場合には、 このよ う な保持方法が適している。
    [0092] こ れまでタ一ゲッ ト ほ、 スパ ツ タ中の温度上昇が激し い ため、 冷却パ イ ブ （第 4 図 （ a ) 4 1 8 ) 。を用いて ターゲツ ト ホルダの裏側か ら強制冷却していたが、 タ一 ゲッ ト からホルダへの熱の伝導をよ く する ため通常ホル ダ に ネ ジ等を用 い て強力 な力 で固定す る こ と が必要で あ っ た。
    [0093] 従っ て、 ターゲ ッ ト交換はプロ セス チ ャ ン ノ 1 0 1 a の真空を破っ て行な う のが普通であ り 、 ターゲ ッ ト 材が 損耗し た と き に交換するのみであ っ た。 従っ て 1 つのチ ャ ン バでターゲ ッ ト 真空を破らず に交換で き る機構を備 え たスパ ッ タ成膜装置は皆無であ っ た。 しか る に本装置 では静電チ ヤ ッ ク を用いたターゲ ッ ト ホルダの導入に よ り 、 容易 に ターゲ ッ ト 交換がで き る よ う に な つ た ため、 1 つのチ ャ ン バで多種類の材料の成膜が可能 と な り 、 装 置の機能を大幅に拡大する こ がで き た。 さ ら に重要な こ と は、 ターゲ ッ ト をネ ジ止め しな く て も よ く な つ た こ と である。
    [0094] 通常ターゲ ッ ト のネ ジ止めはタ一ゲ ッ ト 表面か ら行な う ため、 ネ ジの材料がスパ ッ タ されて汚染の原因 と な つ ていた。 そのためターゲ ッ ト 材料と 同 じ材料で止めネ ジ 'をつ く つ ていたが、 加工が困難に なる な どの問題を生じ ていた。 特に ターゲ ッ ト 材料を 6 N 〜 7 N 以上の純度ま で高純度化する と 、 1 つ 1 つの結晶粒の大き さ が数ミ リ 以上に大き く な り 、 加工の際に結晶粒界に そ っ て割れる ため複雑な加工が不可能であ っ た。 そのため、 ネ ジのよ う な細い加工の必要 と される部品は、 3 N程度ま で純度 を下げた材料を用いざる を得なか つ たのが現状であ る。 しかる に本発明の装置では静電吸着方式のホルダを用い る ためネ ジ な どは一切不要であ り 、 タ ーゲ ッ 卜 の形状も 単純な円板形状で よい な ど加工が極めて簡単であるの で、 い く らでも高純度の材料を用いる こ とができるばか り でなく 、 ターゲッ ト製作に際していわゆる削 り しろが 少なく てすむなど高価な高純度ターゲツ ト材料を無駄な く 使う こ と ができ、 経済効果も非常に大き く なつ た。
    [0095] また、 従来ほ、 タ一ゲッ ト と して厚みが大きいものを 使用せざるを得なかっ たが、 厚みが大きいターゲ、： ト を 使用する と、 その後方に磁石を設けた場合、 ターゲッ ト が磁力が吸収して しまい、 成膜空間の磁界が弱ま っ て し ま う 。 しかる に、 末装置でほ薄いターゲヅ ト を用いる こ とができ るため、 成膜空間に強い磁界を与える こ とが可 能とな り 、 ひいては良好な膜質を有する薄膜を高速度で ;形成する こ とが可能と なる。
    [0096] 第 4図 （ b ) において、 静電チ ャ ッ ク の電極 4 1 5 と タ ー ゲ ッ ト 1 0 9 a の 電位差 は、 高周波 フ ィ ル タ 4 1 0 2 を介して接続された直流電源 4 1 0 9 によ り与 え られている。 タ一ゲッ ト の電位は 4 1 1 0 で直接供給 されてお り 、 図では中心部においてコ ンタク ト を と つ て いるが、 これほ例えばターゲッ ト の周辺部か ら と っ ても よい。 電源 4 1 0 9 は、 停電等の際にターゲッ 卜 の落下 を防止するためにバッ テ リ ーをバヅ ク ア ッ プに用いる等 の方法を採用する のがよい。 ターゲ ッ 卜 の直流電位は R F電源 4 1 1 3 に よ っ て発生する 自己バイ アスを用レヽ ても よいが、 ターゲッ 卜 が金属材料の場合は、 例えばス イ ッ チ 4 1 1 1 を閉じて直流電源 4 1 1 2 を接続し、 こ れに よ っ て電位を制御する こ と も有効であ る。 4 1 1 6 は 4 1 0 6 と 同様の機能を も つ回路で あ り 、 R F 電源 4 1 1 3 の周波数 f T に対 してのみ開放と な り 、 その他 の周波数に対して はほ と ん ど接地 と な る回路であ る。 た だ し、 直流的に は開放されている。 ゥ ハの電位を制御 する ための高周波電源 （周波数 f w ) の電力は、 通常は 小さいか ら、 4 1 1 6 は必ず しも設けな く ても よい。 通 常、 4 1 1 3 に は例えば 1 3 . 5 6 M H z のよ う に ゥ ェ ノ に接続される R F電源 4 1 0 3 に く らべ周波数の低い' も のを用いる のがよい。 それは ウ エノヽ に く らベターゲ ッ 卜 に大き な自己バイ アスを生じさせ、 大き なスパ ッ タ速 度を得る ためである。 直流電源 4 1 1 2 に よ り ターゲ ッ ト 電位を制御す る場合は そ の限 り で は ない。 第 1 2 図 は、 1 4 M H z , 4 0 M H z , 1 0 0 M H z の 3 つの異 る周波数に対する ターゲ ッ ト の電流電圧特性を示 し た も ので、 第 4 図 （ b ) で 4 1 1 1 のスィ ッ チを閉 と し V T の関数と して直流電源 4 1 1 2 に流れる電流値をブロ ッ ト した実験テータ である。 図で電流値が 0 と なる点 （横 軸と の交点） が自己バイ アス値、 つ ま り スィ ッ チ 4 1 1 1 を開放し た と き に現われる ターゲ ッ ト の電位に相当 し ている。 図か ら明 らかなよ う に周波数を大き く する こ と に よ り 自己バイ アス値は小さ く な つ ている のが分る。
    [0097] 従っ て本発明の実施例ではタ一ゲ ッ ト 側に低い周波数 ( f τ ) の R F電源を用いてスパ ッ タ速度を大き く し、 ウ ェ ハ側 に は高い周波数 （ f w ) の R F を 用 い て ゥ ェ ノヽ の ノ イ ァスを小さ く し、 ウ エ ノヽ基板へのダメ ージを 小さ く する と と も に成膜する薄膜の性 κを コ ン ト ロー ルでき る よ う に してあるのである。 実際の薄膜の膜質の コ ン ト ロールについては後で述べる 。 こ こ で は f T =
    [0098] 1 3 . 5 6 H z , f w = 1 0 0 M H z と したが、 これ ほ一例であ り 、 他の周波数の組合せを用いても も ち ろん かまわない。
    [0099] ま た、 静電チャ ッ ク方式のターゲッ トホルダと して第 4図 （ b ) — 2 に示すものを用いても よい。 すなわち、 第 4図 （ b ) - 2 でほ、 R F電力ほ、 薄い絶縁膜 4 0 9 を挟んで容量結合でターゲッ ト ホルダ一電極 4 1 5 に入 力される一方、 直流電源 4 1 0 9 は高周波フ ィ ルター 4 1 0 2 を介して単独でターゲッ ト ホルダー電極 4 1 5 に入力される。 このよ う な方式とすれば 4 1 1 6等の回 路に用いる コ ン デ ン サ に大きな直流電圧がかかる こ と を 防止する こ とができ信頼性が向上する。 なお、 ウェハホ ルダについても同様の構成をとればよい。
    [0100] 以上の説明では、 直流電源によ り ターゲッ ト （あるい はウェハ） の電位を制御する場合について述べたが、 直 流電源に よ らずに制御を行う場合を第 4図 （ d ) に基づ いて説明する。 第 4図 （ d ) に示す場合は、
    [0101] 2 7T f w = 1 / ( L 1 C 1 )
    [0102] 2 re f τ = 1 / ( L 2 C a ) の条件を満たすよ う に L C回路を設けてお く と、 ウェハ 側か らみた ： w に対するイ ンビーダンスは 0 と な り f W に対 し て は短絡 と な り 、 一方、 タ ーゲ ッ ト 側か ら み た f τ に対する イ ン ビーダンス は 0 と な り f τ に対 して は 短絡 と な る 。 従 っ て 、 た と え ば、 f τ を 1 3 . 5 6 M H z に と つ てお く と 、 1 3 . 5 6 M H z が ウエノ にの る こ と を防止する こ と がで き、 ウェハをた た く ィ ォネ ネ ルギーを正確 に釗御す る こ と がで き る よ う に な る 。 な お、 L C 回路ほ第 4 図 （ e ) に示すよ う に対称的に設け る こ と が好ま しい。
    [0103] 以上ターゲ ッ 卜 の保持方法と して静電チ ャ ッ ク を用い る方法について述べたが、 こ れ以外の方法 （ た と えば、 磁力に よ り 吸着を行う 方法） を用いて も よ い と は言う ま で も ない。 第 1 3 図 （ a ) は静電チ ャ ッ ク 以外の方法 で、 かつターゲ ッ 卜 のロー ド ロ ッ ク交換可能な保持方法 について説明する図面である。
    [0104] 1 3 0 1 はターゲ ッ ト 材料であ り 、 その裏面に は例え ば鉄、 ニ ッ ケル、 ク ロ ム等の薄板 1 3 0 2 がは り つ けて あ る 。 1 3 0 3 は磁石で あ り 、 こ の磁気力 に よ り 薄板 1 3 0 2 を引 き つけ、 こ れに よ り ターゲ ッ ト をターゲ ッ ト ホルダ 1 3 0 4 に吸着させる方式であ る。 ターゲ ッ ト 1 3 0 1 と薄板 1 3 0 2 は例えば薄板の裏面か ら ネ ジ止 め して も よい。 こ う すればタ一ゲ ッ ト 表面に ネ ジ材の出 る こ と が ない の で汚染の問題が ない。 ま た さ ら に磁石 1 3 0 3 は マ グ ネ ト ロ ン 放電 の た め の 磁石 （ 第 4 図 ( a ) 4 1 7 ) を兼ねて も よい。 こ れは永久磁石でも よ いが、 タ ーゲ ッ 卜 の着脱を容易 にする ため電磁石 と し、 励磁電流をオ ン ♦ オ フする こ と に よ り タ一ゲ ッ 卜 の着脱 を行なっ ても よい。
    [0105] ある い は、 同図 （ b ) に示し た よ う に、 ターゲ ッ ト 1 3 0 1 裏面に薄板 1 3 0 2 をと り つけるかわ り に、 例 えば永久磁石 1 3 0 5 を直接と り つ け、 こ れと ホルダ 1 3 0 4裏面におかれた磁石 1 3 0 3 との間の磁気力に よ り 吸着 して も よい。 こ の方法の大き な特徴の 1 つは ターゲッ ト のすぐ後ろ側に永久磁石 1 3 0 5 が配置され ている ためターゲッ ト表面で大き な磁界が形成され、 低 ガス圧下でも効率よ く 放電が起こ り 、 イオン密度を高く できてターゲッ ト のスパ ッ タ速度を大き く でき る点であ る。
    [0106] 以上で金属薄膜用スパ ッ タチ ャ ンバ （第 4図 （ a ) ) の詳細な説明は終る。 以上の説明ではふれなかつ たが、 スパ ッ タチ ャ ンパ内には例えば通常よ く 用い られるタ一 ゲッ ト のシ ャ ツ タ等の機構も設けても よいが、 本発明の 装置では必ず しも必要ほない。 すなわち、 装置全体が超 高真空対応と なっ てお り 、 かつ超高純度ガスを用いてい る ため頻繁にターゲッ ト表面のク リ ーニングを施す必要 がないからである。 必要な場合は、 ゲー ト バルブ 1 0 5 a を閉じた状態で行なえばよい。 また表面の汚染層は、 ご く わずかの水分吸着層であるか ら、 R F電源 4 1 1 3 のパ ワ ーを充分小さ く し タ 一ゲ ッ 卜 材料 1 0 9 a のス パ ッ タ リ ングの閾値以下のパイ ァス値で表面のスパ ッ タ をすればよ く 、 こ う すればタ ーゲ ッ 卜 材料が不必要に チ ヤ ンバ内表面に堆積する こ と がない。
    [0107] 次に ク リ ーニングチ ャ ン ク 1 0 1 c の構成について詳 し く 説明する。 基本的な構造は、 金属薄膜形成用チ ャ ン ノ 1 0 1 a と 同 じ で あ る の で第 4 図 （ a ) 、 第 4·図
    [0108] ( ) を用いて説明する。
    [0109] こ の 場 合 、 た と え ば タ ー ゲ ヅ ト 材 1 0 9 a は 、 A J2 2 0 3 , S i 0 a , S i a N 4 , A J2 N な どス ノ ヅ タ リ ングの生じ る閎値が比較的大き なものを用いる。 ま たターゲ ッ ト に加える R F電源 4 1 1 3 の周波数は金属 薄膜用 に用いた 1 3 . 5 6 M H z よ り も大き な値、 例え ば 1 0 0 M H z を用レ、て も よレヽ。 しか し自己バイ アス値 を 1 0 〜 2 0 V程度と し、 しかも高密度なプラズマを発 生 さ せ る た め に は も つ と 高い周波数、 例 え ば 2 0 0 M H 2 あ る い は そ れ以上の周波数を用 い る のがよ い。 ウ ェハの電位を精密に制御す る ため に は、 ターゲ ッ ト 側 に入る高周波で、 ゥ ヱハサセ ブタ電位がふれない よ う に する こ と が重要である。 従っ て、 ： f T と は整数倍の 関係 に は ない よ う に す る こ と が重要で あ る 。 従っ て、 f τ = 1 0 0 M H z な ら例えば f w = 2 1 0 M H z と す る。 こ う すればタ ーゲ ッ ト 材料 1 0 9 a を一切スパ ヅ タ リ ン グする こ と な く 高密度の A r イ オ ン を生成す る こ と がで き る。 こ う して得ら れた A r イ オ ン は ウ エ ノ ホルダ 4 0 5 上に置かれた ゥ ヱハ 4 0 4表面に照射される。 こ の A r イ オ ンの照射エネ ルギほ、 4 1 0 3 の R F 電源に よ り ウ ェ ハ に発生 し た 自己バイ アスで決ま る。 ク リ 一二 ングはシ リ コ ンやその他の材料表面に形成された、 ご く 薄い自然酸化膜層や吸着分子層、 特に水分の吸着分子層 が主であるので数 e Vか らせいぜい 3 0 e V程度の運動 エネルギの A r粒子を照射してやればよい。
    [0110] 従っ て ウ エノ に発生する 自己バイ アス値を数 V か ら 3 0 V程度にする よ う に R F電源 4 1 0 3 や整合回路 4 1 0 4 を調節する必要がある。 このよ う な比較的小さ な自己バイ アス値を制御性よ く発生させる には、 R F電 源 4 1 0 3 の周波数は大き な値、 例えば 1 0 0 M H z を 用いればよい。 もちろん 2 0 0 M H z やそれ以上のもの を用いても よいが、 タ一ゲッ 卜 の周波数 f τ と ほ異る値 を用い、 ターゲッ 卜 と ウェハ間に干歩が生じないよ う に する こ とが重要である-。 つま り ターゲッ ト と ゥ ェ八の直 流電位がそれぞれ独立に最適の値にコ ン ト ϋ一ル'できる よ う にするためである。
    [0111] ターゲッ ト 1 0 9 a と しては、 絶緣物を用いる場合に つい てのみ述べたが、 こ れは例えば S i 等の導電性を 持つ た材料であつ てもセルフバイ ァスの値がスパ ヅ タ リ ングの生じない充分低い値に設定する こ とができればよ い。 ま た特に、 ターゲッ 卜材料 1 0 9 a と頻繁に交換す る必要がないのでターゲッ ト のロー ド ロ ッ ク交換機構は 必ずしも装備しなく ても よい。
    [0112] 使用する 'スは A r でも よいが、 H 2 ， H e 等のガス を用いても よい。 特に A r ガスをベース と して H 2 を添 加したガスを用いてク リ ーユングを行な う と、 A r ィ ォ ン の照射 に よ つ て水分の吸着分子層を除去す る と と も に、 S i 表面に吸着 している炭素原子も H イ オ ン に て有 . 効 に と り の ぞ く こ と が で き る 。. ガ ス 中 に わ ず か で も H 2 0 や 0 2 等の不純物分子が混入 している と 、 逆に表 面を汚染させる結果と なるので超高純度ガス供給系 （第 5 図 5 0 4 ) を用いる こ と が重要であ る。 しか し、 も し も用いるガス系が充分配慮された ものではな く 、 ご く わ ずかの H 2 0 や 0 2 等の不純物分子を含んでい る場合に は A r ガス に例えば 1 〜 3 0 %の H 2 を添力□する こ と が 有効である。 プラズマ雰囲気中で生成 した酸素の ラ ジカ ル は試料表面 と 反応す る 前 に H と 結合す る か ら で あ る。
    [0113] こ のよ う に H 2 ガスを添加する のは、 な に も ク リ 一二 ングチ ャ ン ク 1 0 1 c に限っ た こ と では な く 当然 1 0 1 a , 1. 0 1 b 等の薄膜形成用のチ ャ ン バ に おいて も同様 の効果がある こ と はい う ま でも ない。
    [0114] 以上説明 し た ク リ ーニ ン グチ ヤ ン バ は試料表面 に数 e V か ら 3 0 e V程度の小さ な運動エネ ルギを持っ たィ オ ン を照射で き る機能を有してお り 、 多層薄膜構造を作 成する に際し、 良好な界面を得る ため に非常に重要であ る。 しかも こ の よ う に低エネ ルギイ オ ン を用レヽ る ため、 下地の基板にダメ ージを与え る こ と は一切ない。 特に こ のク リ ーニン グは基板の温度を上げる必要がな く 、 常温 で行なえ る のが大き な特徴であ る。 従っ て 4 1 3 の ヒ ー タ は装備 し な く て も か ま わない。 以上 の 説明 に つ い て ほ 、 ウ ェ ハ サ セ ブ タ に R F 4 1 0 3 を印加する場合を例と して説明したが、 A r ィ オンのエネルギをよ り 正確に制御する ためには、 第 4図 ( d ) に示す回路とする'こ とが好ま しい。 すなわち、 2 π f τ = 1 / ( L C ) 1 / 2 ( f τ はターゲツ 卜 に印加す る R F の周波数） と なる よ う に L , C の値を選んでお く 。 こ のよ う にする と L C回路は並列共振状態と な り 、 ウエノ、ホルダー 4 2 0 1 か ら アース 4 2 0 3 をみた場 合、 そのイ ンビーダンスは∞と な り 、 ゥェ八の電位ほ限 り な く プラズマの電位に近づく 。 すなわち、 ウェハを照 射す る A r イ オ ン のエネ ルギは 0 に近づく 。 したがつ て、 L , Cの値を上記条件を満たす値よ り 少しずら して やる と A r イ オンのエネルギーを 0 〜 5 e V の範囲でも 正確に釗御する こ とができる よ う になる。
    [0115] 本ク リ ーニングチ ヤ ンパを用いた効果については後で 実験データを示しながら説明する。
    [0116] 次に、 酸化チ ャ ン ク 1 0 1 d に つ い て詳 し く 説明す る。 酸化チ ャ ンバも基本的な構成は、 金属薄膜用チ ャ ン ノ 1 0 1 a と同じである ため、 やは り 第 4図 （ a ) 、 第 4図 （ b ) 及ぴ第 5図を用いて説明する。 こ のチ ャ ン パ に は、 ガス供給系 5 0 4 よ り超高純度のアル ゴンおよび 酸素ガスが導入でき る よ う になっ ている。 例えば A の 酸化を行なう場合には、 ヒ タ 4 1 -3 を用いて ウ ェハを 加熱し、 ゥ ヱハの温度を例えば 1 0 0 t： 〜 4 5 0 での範 囲の任意の値に設定する こ ができ る。 表面に Α _β の成膜された シ リ コ ン ウ エノ、 4 0 4 を、 高 純度酸素ガス雰囲気で、 例えば 4 0 0 t に約 1 時間加熱 する こ と に よ り 表面に約 3 0 人 の A J2 2 0 3 薄膜を A J2 の直接熱酸化 に よ り 形成す る こ と がで き る 。 こ の膜厚 は、 酸化時間を長 く し て も増加せず ほ ぼ一定の値を示 す。 A J2 の直接酸化は、 ま ずチ ャ ン バ内に酸素ガスを導 入 し大気圧の状態で ウ ェ ハ の温度を上舁さ せ て も よ い し、 ある い は真空中で まず昇温し、 それか ら酸素ガスを 導入して も よい。 ま た酸素の圧力は大気圧よ り 低い減圧 雰囲気で行っ て も よい し又逆に高圧で行っ て もか ま わな い。 減圧酸化は 0 2 ガスを流 し なが ら、 真空排気装置 （ 第 5 図 5 0 1 ) に よ り 排気を行い、 酸素の圧力を調整し て も よい し、 ま た、 例えば A r ガスで希釈.して も よい。 さ ら に酸素で酸化する前に真空雰囲気あ る いは A r 雰囲 気中で約 3 0 分 4 0 0 で で ァニールを行う のがよい。 こ れ はス パ ッ タ 成膜 し た A JZ 薄膜中 に は数 p p m程度の A r ガスが含ま れているが、 こ れを膜中よ り 放出させる 効果があ り 、 こ の脱ガス を行 っ て か ら A の熱酸化を 行っ た方が良質の酸化膜が得ら れる か ら であ る。 こ の酸 ィヒチ ャ ン バに設け られている ターゲ ッ ト （第 4 図 （ a ) 1 0 9 a ) 、 タ ーゲ ッ ト ホ ルダ 4 0 1 、 と 高周波電源 4 1 1 3 お よ び ゥ ヱ ハ ホ ルダ に つ な がれて レヽ る高周波 電源等 （ 4 1 0 3 , 4 1 0 4 ) は必ず し も な く て も よ レヽ 。 し か し 次 の よ う な 場合 に は 必要 で あ る 。 例 え ぱ A J2 2 0 3 層の膜厚をも っ と大き な値、 例え ば 5 0 人以 上必要な場合にほ 1 0 9 a と して A JZ 2 0 3 のターゲッ ト を用い、 4 1 1 3 と して 1 3 . 5 6 M H z 、 4 1 0 3 と してほ 1 0 0 〜 2 0 0 M H z の高周波電源を用いる。 こ のよ う に して熱酸化に'よ り 形成した A 2 0 3 の上に さ ら にスパ ッ タ リ ングによ り A J2 2 0 3 を形成する こ と によ り 厚い膜が得られる。 ま た成膜に際し ゥ ェ八ホルダ
    [0117] (第 4図 1 0 7 a ) に も例えば 1 0 0 〜 2 0 0 M H z の 高.周波電源 4 1 0 3 を甩いてバイ アスを加える こ と に よ り 、 ち密な特性の よい A 2 0 3 膜を形成する こ と が で き る。 こ の場合、 A J2 2 0 3 と A J^ 薄の界面は、 熱 酸化 に よ り 形成 さ れ た界面 と な っ て い る た め従来の A J2 2 0 3 をスパ ッ タ成膜し た場合だけの界面に く ら ベ、 特性の安定した界面と なっ ている。
    [0118] 次に絶緑薄膜用スパ ッ タチャ ンパ 1 0 1 ID について詳 し く 説明する。 こ のチ ャ ンバも基本的な構成は 1 0 1 a の金属薄膜用スパッ タチャ ンバと同じなので、 やはり第 4図 （ a ) 、 第 4図 （ b ). および第 5図を用いて説明す る。 本チ ャ ンノ 1 0 1 b と金属薄膜用スパ ッ タチ ャ ンノ 1 0 1 a の大きな違いはタ一ゲッ 卜材料 1 0 9 b が絶縁 物である とレヽう こ とである。 従っ てターゲヅ 卜 の裏面に は 、 静電チ ャ ッ ク ホ ルダを 用 い る場合に は第 1 1 図
    [0119] ( c ) の よ う な A J2 , M o , W と い っ た導電性材料をつ ける必要がある。 ま た直流電源 （ 4 1 0 8 , 4 1 1 2 ) に よ り ノ イ ァスをコ ン ト ロールする こ と はでき なレヽので こ れ等の直流電源は不要である。 しか し第 1 1 図に示し た よ う なターゲ ッ ト 交換機構を装備 し、 絶緑物お よび金 属タ ーゲ ッ ト を交換で き る よ う に し て お け ば、 金属の ス パ ッ タ 成膜 も 可能 で あ る 。 こ の場合 に は 直流電源
    [0120] ( 4 1 0 8 , 4 1 1 2 ) を 用 い て の バ イ ア ス 制御が 可 能 で あ る 。 い ず れ に せ よ 用 途 に 応 じ て ス ィ ッ チ
    [0121] ( 4 1 0 7 , 4 1 1 1 ) を開閉して使い分ける のが望ま しい。
    [0122] 以上で 4 つのチ ャ ン バの詳細な説明は終るが、 术装置 の今一つ の大き な特徴は、 こ れ ら の 4 つの チ ヤ ン バの間 で一切真空を破る こ と な く ゥ ヱ ハを出 し入れで き る こ と である。 こ の た めの ゥ ヱハ搬送に は、 例えば第 5 図に示 した よ う な搬送機構を用いる。 5 0 8 は ウ ェ ハ ホルダで あ り 静電チ ヤ ッ ク 5 0 9 に よ り ウ ェハ表面を周辺部にお いて吸着 して搬送する。 5 1 0 の アーム は必要な位置で 静電チ ャ ッ ク を上下させる動き をする と と も に、 搬送車 5 1 1 に固定されてお り 、 搬送車 と と も に ト ラ ン スボー ト チ ャ ン ク 1 0 4 の中を自 由 に往復する。 ま た ウ エ ノ、を 装置か ら出 し入れする際に はロー ド お よびア ン ロー ド用 のチ ャ ン ノ 、 1 0 2 , 1 0 3 の中 に も入っ て行 く 。 こ の 搬送車は、 例えば軌道 5 1 2 上を磁気浮上 し なが ら高速 で移動する リ ニアモータ 力一を用いるのが望ま しい。 つ ま り 移動に際し、 機械的に こ すれる部分のない構造を と る こ と が好ま しい。 も ち ろん十分な発塵対策を施して あ れば、 レール上を車輪で運行する タ イ プの搬送車を用い て も よい。 な お、 ト ラ ン ス ポー ト チ ャ ン ノ 1 0 4 を真空 ポ ン プで引 く と同時に A r を数 1 0 s c c m〜数 1 0 0 s c c m を ト ラ ン ス ポー ト チ ャ ン バ 1 0 4 に流 し て 1 0 _2〜 1 0 "8 T o r r (好ま し く は 1 0 -3〜 1 0 ~4
    [0123] T o r r ) 程度の減圧状態に ト ラ ンスポー ト チ ャ ンバ一 1 0 4 を して搬送を行っ てもよい。 こ の場合は、 k で ^ - 搬送車に生ず る こ と があ る摩擦力を緩和す る作用をす る。
    [0124] 最後に、 このよ う な枚葉処理対応の装置では、 一枚の ウ ェハに 1 つの処理を行う のに許される時間か 1 分以内 と い う高速処理の要求される こ と を指適してお く 。 すな わち、 一枚の ウ エノ、に、 例えば A JZ などの金属薄膜を形 成する場合、 プロ セスチャ ンバ 1 0 1 aへの出し入れの 時間も含め、 1 分以内にすべてのプロ セスを完結する こ とが要求される。 成膜に要する時間を 3 0 秒とする と、 ゲー ト ノ ルブ 1 0 5 aの開閉、 ウ ェハの出し入れ、 およ びプロセス条件の設定等に使える時間は、 せいぜい 3 0 秒と なる。 こ れに対応するためには、 0 . 5秒程度で開 閉ので き る ゲー ト バルブが必要であ る。 ま た第 1 図で ほ、 ロー ド室 1 0 2、 ア ンロー ド室 1 0 3 の詳細な構造 は描かれていないが、 こ こ に は当然の こ と なが ら、 数 1 0 枚の ゥ ェ八を保管する ウェハカセ ッ 卜 があ り 、 静電 チ ャ ッ ク搬送機構 1 1 4への受け渡し機構等が装備され ている。 このよ う な受けわたしに際してもゲー ト バルブ 1 0 5 e , 1 0 5 f 等は、 やはり 0 . 5 秒程度で開閉の で き る高速ゲー ト バルブを用いる こ と が重要である。 こ の よ う な高速ゲー ト バルブ と して は、 例えば第 1 4 図のよ う なも のを用いるのが望ま しい。 第 1 4図 （ a ) は、 本発明の装置 に 用い た高速ゲー ト バル ブの断面図 で、 例えばプロ セスチ ャ ン ノ 1 0 1 a と ト ラ ンスポー ト チ ャ ン バ 1 0 4 の間のゲー ト を閉じ た状態に対応してい る。 1 4 0 1 は例えば T i の厚さ 0 . 2 〜 0 . 5 m m程 度の薄板であ る。 こ れを開閉する に は例えば同図 （ b ) の よ う な機構を用いればよ い。 同図 （ b ) は （ a ) の ゲー ト バ ル ブ を下方か ら み た 図 で あ り 、 T i の薄板 1 4 0 1 は 2 本の アーム 1 4 0 2 , 1 4 0 2 ' に よ つ て 2 点 1 4 0 3 , 1 4 0 3 ' で 支 え ら れ て レヽ る 。
    [0125] 1 4 0 4 , 1 4 0 4 ' は アーム を チ ャ ン ク に枢着する ビ ン であ り 、 こ こ を支点 と して アーム が動く 。 即ち アーム 1 4 0 2 を動かす こ と に よ り 、 1 4 0 1 が移動する。 こ こ で重要な こ と は、 1 4 0 1 ほ薄板 （ た と えば T i の薄 板） であ り 、 質量が非常に小さい こ と であ る。 従っ て、 同図 （ b ) に示し た よ う な簡単な機構に よ っ て高速で移 動させる こ と がで き る。 1 4 0 1 N O質量を さ ら に小さ く す る た め に 、 T i の厚さ を 0 . 1 m m以下 に う す く し、 プ ラ ス チ ッ ク 板 に は り つ け て補強す る 等の方法を と っ て も よ い。 あ る い は、 強化ブ ラ ス チ ッ ク の表面を T i , M o , W等の金属材料で コ ー ト し た も のを用いる と 、 軽量でかつ耐久性にす ぐれた も のが得 ら れる ので、 こ の方法が望 ま し い。 かか る 薄板を使用 し て も 、 薄板 1 4 0 1 が仕切る両チ ャ ン バ一内は たかだか数 T 0 r r である ため強度的な問題は生じない。
    [0126] なお、 薄板の材料と しては T i に限る こ と なく ジユラ ル ミ ンその他の材料を用いても よい。 ま た薄板 1 4 0 1 乃至 シール の部分 1 4 0 5 の表面は た と え ば R m ax 0 . 1 μ m以下と しておく こ とが好ま しい。
    [0127] 第 1 4図 （ a ) で 1 4 0 5 は真空シールの部分である が、 こ の部分の拡大図を第 1 4図 （ c ) に示す。 同図に おいて 1 4 0 6 は、 絶縁材料でで き てお り 、 チ ャ ン パ 壁 1 4 0 7 に固定されている。 ·1 4 0 8 は金属電極で あ り 、 図示してないが直流電源の一方の電極につなが れている。 こ の直流電源の も う 一方の電極はゲー ト弁
    [0128] 1 4 0 1 につながっ てレヽる。 1 4 0 9 は厚さ Ι Ο μ π！〜 数 1 0 0 の絶縁性材料で あ り 電極 1 4 0 8 と
    [0129] 1 4 0 1 の間に数 1 0 0 V程度の電圧を £口加する こ と に よ り 、 静電力に よ っ てゲー ト 弁を吸引 し、 こ の力に よ っ て真空シールを行う 構造と な っ てい る。 従っ て、
    [0130] 1 4 0 9 と しては弾性を有する材料を用いるのがよい。 機械的強度おょぴ吸引力は上記のよ う な構成で実現され る。 なお、 図面上は気密シール材 1 4 1 1 を設けてあ る。 こ のシール材と してはた と えば第 1 0 図に示すもの を使用する。 しかし、 シール材を設けなく と も上記構造 によ り 十分な機密は確保する こ とができ る ため必ずしも 設ける必要はない。 。 シール材からのガスの放出を防止 する とい う観点か ら は設けない方が好ま しい。
    [0131] 要する に、 第 1 4図に示した高速ゲー ト バルブは、 軽 量のゲー ト 弁 1 4 0 1 を用いて高速の開閉動作を実現 し た こ と 、 真空シール に機械的な力を用い る の ではな く 、 静電チ ヤ ッ ク の原理を用いる点が従来に ない新しい特徴 である。 こ れに よ り 開閉に要する時間は 0 . 2 〜 0 . 5 秒と 、 従来の数秒〜数 1 0 秒要 し たゲー ト バルブに く ら ベ格段に短く なっ たのである。
    [0132] こ こ で用い たゲー ト バル ブ は、 ゲー ト バル ブ両端の チ ャ ン バが常に数 T o r r 以下の真空の と き にのみ用い る こ と ができ、 例えば片方のチ ヤ ンバが大気圧に戻る よ う な場合に は、 強度的に使用不可能であ る。 こ の よ う な 場合に は、 例えば同図 （ d ) に示し た よ う に、 軽量ゲー ト 弁 1 4 0 1 を開と し、 その替 り に従来の機械的な力で シールするゲー ト 弁 1 4 1 0 を用いて閉じればよい。 第 1 図 1 0 6 a 〜 1 0 6 d 等のゲー ト 弁は、 通常、 常に両 側の チ ヤ ン ノマ と も に高真空の状態で し か用 い ないので 1 4 1 0 のよ う なゲー ト 弁を用いる のはメ イ ン テナ ンス 等でチ ャ ンパ、を大気圧に戻す と き のみであ り 、 プロ セス 中は常に高速ゲー ト バルブを用いる こ と がで き る。 ま た 1 0 5 e , 1 0 5 f のゲー ト ノ ル ブ も ロ ー ド 室、 ア ン ロー ド室 （ 1 0 2 , 1 0 3 ) と ト ラ ン ス ポー ト チ ャ ン バ 1 0 4 間の ゥ ヱハの出 し入れに関して は常に高速ゲー ト バルブを用いればよい。 ただ し、 ウ ェ ハ を装置に出 し入 れする際に は、 1 0 2 , 1 0 3 と も に大気圧に も どす必 要があ り 、 こ の と き は開閉の速度はおそいが従来のゲー ト バルブ 1 4 1 0 を用レ、ればよレヽ。 こ れは ウ エ ノ をノ ッ チで装置に装着あるいほ取り 出す と き にのみ必要な操作 なのでウェハ処理時間を長く する こ と はない。
    [0133] 次に、 上述した末発明の実施例の作用、 効果について 実験結果を示しながら説明する。
    [0134] 先ず、 金属薄膜用スパ ッ タ チ ャ ンパ 1 0 1 a において 1 0 9 a と して純 A JZ のタ一ゲッ ト を用いてに示すもの 上に A J 薄膜を形成した結果について述べる。
    [0135] 第 1 5 図 （ a ) ほ、 こ のよ う に して形成した A 薄膜 の表面をノ マルスキー微分干渉顕微鏡で観察した写真で ある。 薄膜形成に際しては N型 （ 1 1 1 ) S i ウ ェハー を用い た。 こ の ウ エノ、 を ま ずク リ ーニ ン グチ ン バ 1 0 1 c で処理した。 すなわち、 周波数 f w を 1 0 0 〜 2 0 0 M H z 、 圧力 1 。一2〜 1 0 -3T o r r と し、 照射 A r イ オンのエネルギーを 2 〜 5 e V と して ウェハ表面 をク リ ーニング した。
    [0136] その後、 1 0 1 a にて、 ウ エノヽ に ー 2 0 4 0 Vの ウ ェハバイ アスを印加し、 成膜に寄与する A JI原子一個 当 り 5 〜 6個以上の A r原子を ウ エノ、表面に照射しなが ら約 1 mの厚さまで成長させた。 第 1 5図 （ a ) はこ のよ う に して形成した薄膜についてのものである。
    [0137] —方第 1 5 図 （ c ) は、 従来の D C マグネ ト ロ ンス パ ッ タ装置によ り形成した A JZ薄膜の表面であ り 、 术発 明の装置で形成したも の に く らべ表面に細かな凹凸の現 れてレヽ る のが分る。 同図 （ t) ) , ( d ) は、 （ a ) , ( c ) のサ ン ブルをそれぞれ 4 0 0 で の フ ォ ーミ ン グガ ス雰囲気で 3 0 分熱^理した後の表面写真である。 従来 の装置で形成した薄膜の表面 （ d ) には多く の ヒ ロ ッ ク が発生し非常に凹凸の激しい表面と なっ ているが、 本発 明の装置で形成した A J2薄膜表面 （ b ) に は全く ヒ ロ 、ソ クの発生がない。 ヒ ロ ッ ク の発生は、 多層 A J2配線構造 に於いて層間絶緑膜の耐圧を著る し く 劣化させた り 、 配 線の微細加工が困難に なる な ど様々 な問題を生じてい る。 本発明の装置に よ り は じめて ヒ ロ ッ ク フ リ ーの A J£ 薄膜の形成が可能になっ た。 さ ら に同図 （ a ) のサン ブ ルの反射電子線回析パタ ンを第 1 6 図に示す。 図か ら明 らかなよ う にス ト リ ーク を伴っ たブラ ッ クスポ ッ ト が見 られ、 单結晶の A JZ薄膜の形成されている こ と を示して いる。 X線回折の結果か ら も （ 1 1 1 ) 配向の薄膜の得 られている こ とが分っ ている。 一方、 従来の装置で形成 した薄膜は、 （ 1 1 1 ) 以外に も多 く の面方位をも っ た 多結晶薄膜と なっ ている こ と が、 反射電子線回折および X線回折の結果か ら明らかに なつ た。 こ のよ う に本発明 に よ り （ 1 1 1 ) S i 上に （ 1 1 1 ) 面をも っ た A の 单結晶薄膜の成長が可能と なっ たのは、 まずタ リ ーニ ン グチ ャ ン ノ 1 0 1 c に よ り S i ゥ ヱハ表面の汚染層がダ メ ージフ リ ーで完全に取り 除かれた こ と 、 および金属薄 膜用 ス ノぺ ッ タ チ ャ ン ノ 1 0 1 a に て 、 4 0 e V と い う 結 晶中の原子の結合エネルギと同程度の比較的低い運動ェ ネ ルギを も っ た A r イ オ ン の照射を行い なが ら A J2薄膜 を成長させたためである。 すなわち、 表面の不純物を除 去し た ため、 A J2 原子が S i 結晶の周期性を反映して S i 表面に （ 1 1 1 ) 配列し、 さ ら に A r イオ ン照射の 効果で单結晶の A 薄膜が成長したのである。 こ の よ う に して形成した单結晶 A と■ S i の界面は熟的に非常に 安定である。 すなわち 4 0 0 〜 5 0 0 に熱しても A および S i が合金化して互に混じ り 合う こ とがない。 従 来コ ンタク ト ホール部でこの合金化のために A JZ が S i 基板中に溶け込み、 浅い P N接合をシ ョ ー ト させて しま う 、 いわゆるスパイ クの問題が生じてお り 、 これを解決 する ために A J2 — S i の合金配線が用い られていた。 合 金配線ほ抵抗が高いばか り でな く 、 合金中の S i がコ ン タ ク ト部に折出して寸法の小さなコ ンタ ク 卜 の不良を生 じる原因となっ ていた。 术発明によ り 、 はじめて純 A J£ を配線に用いる こ とができ る よ う になっ た。 その結果配 線抵抗を 2 . 8 Ω · c m と合金配線の抵抗値 3 . 5 β m Ω. · c mよ り 低く する こ とでき た。 こ の比抵抗の値 は、 7 7 。 Kでは、 純 A J2 で 0 . 3 5 Ω * c m、 合金 配線で 0 . 6 7 μ Ω * c m と さ ら に大き な差と なる。 さ ら に微細コ ンタク ト での S i 折出による コ ンタク ト不良 の問題も解決され超高集積化 L S I の配線形成が多層配 線も含めて実現できる よ う になっ た。
    [0138] 次に本発明の装置を用いて形成した C u薄膜の性質に ついて述べる。 （ 1 0 0 ) S i ウエノ、をまずタ リ ーニン グチ ャ ンノマ 1 0 1 c で処理した後、 1 0 1 a のチ ャ ンバ で 1 0 9 a と して純度 6 N の C u ターゲッ 卜 を用レ、、 約 1 mの厚さ に C u薄膜を形成した。 ゥ ヱ ノ、 1 0 6 a に 与え る直流バイ アスほ + 1 0 Vか ら一 1 6 0 V ま で変化 さ せた。 こ れ ら のサ ン ブルの X線回折パ タ ンか ら は、
    [0139] ( 1 1 1 ) と （ 2 0 0 ) のビークのみが観察された。 第
    [0140] 1 7 図は、 （ 1 1 1 ) および （ 2 0 0 ) の回折ビークの 高さを ウ ェハバイ アスの関数と してあ らわ したものであ る。 ウ エノヽノ イ ァス 0 V では （ 2 0 0 ) のビーク のみが . 現れ C u 薄膜は （ 1 0 0 ) 配向 し た膜であ る こ と が分 る。 すなわち.、 下地 S i の結晶性を反映した結晶構造と な っ て い る 。 こ のサ ン ブルの反射電子線回折パ タ ン を と っ た と こ ろス ト リ ーク を伴っ たブラ ッ グスボ ッ 卜 が現 れ、 S i 上に单結晶の C u がェビタ キシ ャ ル成長してい る こ と が分っ た。 第 1 7 図か ら明らかなよ う に、 ウ ェハ のバイ ア ス値を大き ぐし て行 く と 、 （ 2 0 0 ) の ビー ク は小さ く な り 逆に （ 1 1 1 ) の ビーク が大 き く なつ て い く 。 バ イ ァ ス値の大 き さ 5 0 V 以上で は完全な
    [0141] ( 1 1 1 ) 配向した C u薄膜が得られている。 ノ ィ ァス 値一 5 0 V のサ ン ブルの反射電子線回折パ タ ン はやは り ス ト リ ーク を伴っ たブラ ッ グスポ ッ ト であ り 、 S i 上に
    [0142] ( 1 1 1 ) C u がェビタ キシ ャ ル成長してい る こ と を示 している。 その結晶性は、 下地 S i の結晶構造で決ま る のではな く 、 照射される A r イ オ ン のエネ ルギー に よ つ て支配される。
    [0143] こ れま で S i 上に单結晶の C u薄膜の形成された と い う報告はない。 本発明に よ っ ては じめて、 可能と なっ た のである。 その理由は、 の单結晶成長と同様、 本発 明のク リ一二ングプロセスの効果および低運動エネルギ イ オ ン照射を甩いたプロセスの効果である。
    [0144] S i 上と同様のプロ セスによ り 、 S i 0 2 上に形成し た C u薄膜について、 S i 0 2 との密着性について し ら ベてみた。 従来、 C u と S i 0 2 は密着性が悪く 、 こ れ が L S I の配線と して用いる際の 1 つの大き な問題と なっ ていた。 しかる に本発明の装置を用いて形成した C u薄膜は、 スコ ッ チテープをはじめ、 あ らゆる種類の ねん着テープを用いた密着性テス ト に際してもすべての ウ ェハバイ アス条件のサンブルについていずれも はがれ る こ と は一切なかっ た。 この こ と は、 ク リ ーニングチ ヤ ンパにおける表面ク リ ー 'ユングプロセスによ り 、 水分の 吸着分子層が完全に と り かれたためであ り 、 本発明の 効果の非常に大きいこ とを示す結果である。 こ の よ う に して形成した C u薄膜の比抵抗は約 1 . 8 Q c mであ り 純 A J2 配線よ り も さ ら に低い値を持っ て お り 高速 L S I 配線形成上非常に有利である。
    [0145] 次に、 第 1 8 図に示 した構造を作成し、 C u と N型 ( 1 0 0 ) S i との間のシ ョ 、 ト キ一接合の特性につい て評価 し た。 即 ち N 型 （ 1 0 0 ) S i 1 8 0 1 上に S i 0 2 1 8 0 2 を形成し、 コ ンタ ク ト ホール 1 8 0 3 の穴開けを行っ た。 その後、 上に述べたプロセスに従つ て全面に C u 1 8 0 4 を形成し、 その後フ ォ ト リ ソグラ フ ィ 技術を用いてパタ ン形成を行っ た。 これらのブロセ スはすべて 1 3 0 で以下で行っ た。 こ う して得られたシ ョ ッ ト キ一接合の電流電圧特性を第 1 9 図に示す。 同図 ( a ) は常温での結果であ り （ b ) は一 5 0 : でのデー タである。 順方向の特性の直線部か ら求めた n値は ゥ ニ ノ、のク イ ァス条件によ らず 1 . 0 3〜 1 . 0 5 と 1 に非 常に近い値を示し、 理想的なダイ オー ド特性の得られて レヽる こ と が分る。
    [0146] 第 2 0 図は、 こ れらの特性よ り 求めたシ ョ 、 ト キーバ リ ャの高さの値を基板バイ アスの関数と してブロ ッ ト し たものである。 バイ アス値によ らず従来報告されている 値 0 . 5 8 V と ほぼ同じ値が得られてレ、る。 こ のサ ンブ ルの作成に際し、 C u の形成は常温で行っ た。 C u薄膜 形成後の熱工程で最も高い温度は、 パタニングの際の レ ジス 卜 のボス 卜 べークの 1 3 である。 こ のよ う に常 温に近い低温プロセスで理想的なシ ョ ッ ト キ一特性の得 ら れた こ と は本発明のク リ ーユ ン グプロ セスの有効性を 示す事実である。 すなわち、 本装置を用いれば理想的な 金属半導体接触が、 一切の熱処理工程を必要と せずに実 現で き るのである。
    [0147] 第 2 1 図ほ、 （ 1 0 0 ) S i ウ ェハ に形成した S i 薄 膜 の 反射電子線回折像 で あ る 。 材料作成 は 、 ま ず
    [0148] ( 1 0 0 ) S i を酸に よ る前洗浄を行っ た後、 装置に入 れ、 ク リ ーニ ン グチ ャ ン バ 1 0 1 c で ク リ ーニ ン グを 行 っ た後、 チ ャ ン ノ 1 0 1 a に お レヽ て 、 タ ー ゲ ッ ト
    [0149] 1 0 9 a と して り んの不純物濃度 3 1 0 18 c m -3の N 型シ リ コ ンを用いて S i 薄膜を約 0 . 5 m形成した。 こ の と きのウ ェハ温度は 3 3 0 〜 3 5 0 である。 同図 ( a ) , ( b ) は、 2 つの異るク リ ーニ ン グ条件を用い たサンブルの回折像であ り （ a ) は、 ク リ ーニングプロ セスでゥ ェ八表面を照射する A r イ オンのエネルギを約 2 0 V と した場合の結果であ り 、 （ b ) は 4 0 V と した 場合の結果である。 同図 （ a ) では菊池ラ イ ン の入っ た 回折バタ ン がみ ら れ、 優れた結晶性のェビタ キシ ル S i 層の形成されている こ とが分る。 しかし同図 （ b ) には多結晶シ リ コ ン の形成を示す リ ングがみられ、 こ の 結果から明らかなよ う に、 ク リ ーニングの際の A r の照 射エネルギが大きすぎる と逆に基板にダメージを与え、 結晶性を劣化させる原因と なる。 ゥ ヱハバイ アスをかえ たク リ一二ング条件の検討によ り 、 ウ ェハに照射される A r イ オンのエネルギを 3 0 e V以下にすれば、 基板に ダメージを与える こ と な く 、 有効にク リ ーニングでき る こ とが分っ た。 また形成されたェビタキシ ャ ル S i 層中 に含ま れる活性化さ れた り んの濃度を測定し た結果、 ターゲ ッ ト の不純物濃度の約 1 0 %程度の値が得られ た。 以上の結果から本発明によ り 、 3 5 0 で以下の低温 でシ リ コ ン のェビ成長ができ るばか り か、 1 0 1 s c m - 3 に近い不純物原子の活性化も可能な こ とが見出されたの である。 3 5 0 で といっ た低温で、 しかも活性な不純物 ドープが行える单結晶 S i が成表できたのは、 本装置を 用いて初めて可能と なつ たのである。 次に本発明の装置を用いて形成した A JZ — A J2 2 0 3 - A J2 3 層構造のキ ャ パ シタ の一例を第 3 図に示 し た が、 こ のキ ャ パ シタ-について詳し く 説明する。 第一層の A 3 0 '4 ほ 型 3 i 基板 3 0 1 上に形成された N + 層 3 0 2 に接続して形成されてお り 、 その上に熱酸化によ り形成された A J£ 2 0 3 膜 3 0 5 、 さ ら に A J£薄膜 3 0 6 が形成され、 こ れをエッ チ ング加工する こ と に よ り キ ャ パ シタ構造が実現されている。 こ の構造で重要なこ と は A J2 2 0 3 は約 3 0 人 と膜厚が薄く 、 かつ、 比誘電率 が 9 と S i 0 2 の誘電率の約 2倍の値と なっ ている ため 小面積で大き な容量が実現でき る こ と である。 ま た酸化 のメ カニズム ほ Cabrera と Mottのモデルに従い、 酸化膜 中を電界に よ って ト ンネ リ ングして行く 酸化剤に よ り酸 ィ匕が進む と考え られる ため、 例えば 3 0 A と一定の膜厚 が形成される と時間を増加してもそれ以上酸化が進行し ない。 従っ て十分長い時間酸化雰囲気にさ らすこ と に よ り A J^薄膜表面全面に渡っ て均一な酸化膜を形成する こ と がで き る。 さ ら にスパ タ チ ャ ンノ 1 0 1 a でイ オ ン 照射を行いながら形成した A J2薄膜は第 1 5 図に示した よ う に昇温時ヒ ロ ッ ク等の表面の凹凸を全く 生じないた め、 極めて平坦な、 A J2表面に酸化膜が形成される こ と にな り 、 ' この結果凸部で生じる局所的も電界集中が広く な り 、 絶緣膜の破壊耐圧が向上した。 さ ら に製造プロセ スの説明か ら明 らかなよ う に、 これらの積層構造は界面 を一切大気にふれさせる こ と な く 形成されている ため大 気成分吸着に よる汚染物の混入がなく 、 初期耐圧が良好 であ る ばか り でな く 、 長期使用に対する絶緣耐圧の劣 ィ匕、 レヽゎゆる Time de endent break downに対する特'生 も従来の S i — S i 0 2 — S i 構造のキ ャ パシタ よ り も 優れた特性を持つ ているのである。
    [0150] 第 3 図の構造でほ、 第 1 層 A 薄膜はコ ンタ ク ト ホー ル 3 0 7 に於いて N + 層 3 0 2表面と接触しているが、 製造プロセスはコ ンタ ク ト ホールを開口 した後ウェハを 第 1 図の装置に導入 し、 ( 3 0 4 ) , A J2 a 0 3 ( 3 0 5 ) , A SL ( 3 0 6 ) の 3 層膜を形成する こ と に なる。 従っ て A J£ ( 3 0 4 ) と N + 層 （ 3 0 2 ) の界面 は大気にさ らされる こ と にな り 、 この と き N + 層表面に 形成される自然酸化膜等の影響によ り コ ンタ ク ト特性は 不良の'生じる こ とがしばしばあ り 、 L S I の歩留ま り 、 信頼性を低下させる要因の 1 つ と なっ ていた。 しかる に 本発明の装置ではク リ ーニングチ ャ ンバ 1 0 1 c で表面 のク リ ーニングをした後、 第一層の A J2 ( 3 0 4 ) を形 成している ため こ のよ う な問題ほ一切生じない。
    [0151] 以上説明したよ う に本発明の装置によ っ て形成された キ ャ パ シタ （第 3 図） は、 十分小さな面積で大き な容量 を実現でき るばか り でな く 、 絶緣膜の歩留 り 、 信頼性が 高く、 かつシ リ コ ン と の接触不良も生じないな ど数々 の 優れた特性をも っ ている。
    [0152] 以上は、 L S I 配線の主役になっ ている A を用いた 場合を説明した。 本究明に係る装置は、 あ らゆる金属に 対 して適用で き る ものであ り 、 L S I 配線に使用され始 めている W , M o , T i , T a , C u , N b に も適用で き る のである。 成膜された金属表面が極めて平坦であ つ て、 しかも熱処理を行っ て も ヒ ロ ッ ク を一切生じ ない金 属成膜が行え る と こ ろ に本装置の一つの特徴があ る。 T a成膜を行っ た後、 4 0 0 で〜 6 0 0 で酸化すれば 3 0 〜 5 0 A の T a 2 0 5 が緻密 な膜 で得 ら れ る 。 T a a 0 5 の誘電率は 2 2 であ り さ ら に小面積で容量の 大き なキ ャ パシタ を実現する こ と がで き る。
    [0153] 第 2 2 図は同様のプロ セスで形成 し た配線構造を示し ている。 2 2 0 1 は第一層の A 薄膜であ り 信号を伝え る配線を形成している。 2 2 0 3 は 2 0 3 膜 2 2 0 2 を介し て部分的に設け られた A J2 電極であ り 、 電源 電位あ る いは、 接地電位が与え られている。 こ れは配線 の一部に キ ャ パ シタ が接続さ れた構造であ り 、 例えばシ フ ト レ ジスタ等のダイ ナ ミ ッ ク回路の ブー ト ス ト ラ 、ジ ブ キ ャ パ シタ と して用いる こ と がで き る。 従来ブー ト ス ト ラ ッ プキ ャ パ シタ は、 ゲー ト容量と 同程度の値が必要と される が、 ダニ一の M O S ト ラ ン ジス タ を形成 し、 その ゲー ト をキ ャ パ シタ と して用いていた。 その結果チ ッ ブ 上の多大な面積を占有する こ と と な り 、 ダイ ナ ミ ッ ク回 路の集積度向上を妨げ る 1 つの大 き な原因 と な っ てい た。 し か し本発明の装置を用 い れ ば同図 に示 し た よ う に、 配線の一部がその ま ま容量と し て使え る ため余分の 面積を必要 と せず、 高集積化 し極めて有利であ る こ と が 分る 。 同図の構造は、 配線 2 2 0 1 を形成 し た後、 A Si 2 0 3 層 2 2 0 2 VA 電極 2 2 0 3 を形成しても よ いが、 逆に電極 2 2 0 3 を所定の位置に形成 し た後、 A J2 2 0 3 膜、 A J2配線を形成しても よい。 この場合、 最初は A J2薄膜を形成した後パタニングする工程が入る ため表面が大気にさ らされるが、 次いで A ·£ 2 0 3 膜を 形成する前にク リ ーニングチャ ンバ 1 0 1 c で表面のク リ 一ニングを行う こ と に よ り 、 良好な A J£— A £ 2 0 a 界面を形成する こ とができ る こ と ほ言う までもない。
    [0154] またこのよ う な形のキャパシタ は リ ニア L S I で多用 されるキヤノ シタ に用いる こ とができ る。 こ う する こ と によ り リ ニア L S I の集積度の向上がはかれる。 ま たス ィ ツ チキャ パシタの容量と して用いる こ と.によ り 、 小面 積で抵抗をつ く り だすこ と もでき るな ど様々 な応用が可 能である。
    [0155] さ ら に本発明の装置を用いて次の様なデバィスをつ く る こ と も で き る。 つ ま り 、 1 0 1 c のク リ ーニングチ ヤ ンバで S i 表面のク リ ーニングを行っ た後、 配線チ ャ ン ノ 1 0 1 d に於いて S i 表面に S i 0 2 を約 3 0 A形成 し、 その後絶緣薄膜用スパ ッ タ チ ャ ンパ 1 0 1 b におい て強誘電体薄膜を形成する。 そ してその上に S i 0 2 膜 を形成した後チ ャ ンパ 1 0 1 a において S i を形成する こ と に よ り 、 ポ リ S i — S i 0 2 — 強誘電体薄膜一 S i 0 2 一 S i の五層構造が実現でき る。 こ れをゲ一 卜 のパタ ンに形成しソース · ド レ イ ン をイ オ ン注入等に よ り 形成する と高速の不揮発生メ モ リ が実現で き る。 すな わ ち、 ゲー ト 電極にかけた電圧に よ り 強誘電体の 自発分 極の向き を制御 し こ れに よ り M O S 型デバイ スの O N — 0 F F状態を コ ン ト ロールするのであ る。 従来のホ ヅ 卜 エ レ ク ト ロ ン注入型の E P R O M素子 に く ら べ高速の データ 書 き 換えが可能 と な る 。 ま た、 こ の装置を用い て、 酸化物超電導体薄膜 （例えば Y - B a - C u - 0 な ど） の形成も行え る。 すなわち、 チ ャ ンノ 1 0 1 b で所 定の組成の薄膜を形成 し た後、 酸化チ ャ ンバ 1 0 1 d に て酸素濃度を コ ン ト ロールするのであ る。
    [0156] 以上述べたよ う に本発明に よ っ て、 超 L S I に必要 と される あ ら ゆ る多層薄膜構造を優れた膜質お よび界面特 ノ f生で、 しか も低温で形成す る こ と がで き る よ う に な つ た。 特に コ レ ク タ形成後の配線形成は、 多層配線構造を 含め て すべて常温で き る と レヽ ぅ 大 き な特徴 を も っ てい る。 こ の こ と は A S I C ( Application Specif ic I C ) な どの応用 に は大 き な 自 由度が得 ら れ非常 に重要であ る。 ま た こ のよ う に低温プロセスが可能であ る こ と は、 チ ャ ンバ材料をは じめ、 真空部品その他の材料の選択に あた っ ても 自 由度が大き く 、 装置の設計並びに製作が容 易 に な る な ど の メ リ ッ ト も も っ て レヽ る 。 今後の超 々 L S I の製造に おいて本発明の効果の大き さ ほ果 り 知る こ と がで き ない、 以上本発明は S i L S I を主体 と して 説明 して き たが、 その他化合物半導体、 石英基板な どの いかなる材料に対 して も同様に応用で き る こ と はレヽ ぅ ま でもない。
    [0157] また 4つのチ ヤ ンバを組合わせた場合を代表例と して 述べたが、 必要に応じて組合せをかえた り 、 数を増減し てももちろんかまわない。
    [0158] (他の実施例）
    [0159] 上記実施例では各種減圧室へのウェハの出し入れをゥ ェハサセブタ を移動 （第 1 図 （ a ) の場合は上下方向へ の移動） させる こ と によ り行う場合を示したが、 本例で は、 ウェハサセブタを固定式と した場合について説明す る。
    [0160] 本例では、 各減圧室 1 0 1 a 〜 1 0 1 c のゲー ト バル ブ 1 0 5 a 〜 l 0 5 c に対向する位置に、 ト ランスポー ト チ ャ ン ノ 1 0 4 を横切っ て減圧室 1 0 1 a 〜 l 0 1 c 方向に前後動し、 先端に ウェハを握持する ための握持手 段を有する可動アームを設けてある。 こ の可動アームは その先端の握持手段で ウェハか ら受け渡しを行なう こ と ができ る。
    [0161] 次に本例における ウェハの搬送手順例を説明する。
    [0162] ま ず、 こ れか ら処理し ょ う と する ウ エ ノ、 1 0 6 e を ロー ド室 1 0 2 の ウェハホルダ 1 0 7 e上に載置してお く 。 こ の載置された ウェハ 1 0 6 e を可動アーム 1 3 0 e先端の握持手段によ り保持し、 可動アームを ト ラ ン ス
    [0163] ボー ト チ ャ ン バ 1 0 4 内へ前進させる 。 ゲー ト ノ ルブ ' 1 0 5 e を開け、 可動アーム 1 3 0 e を前進させ ト ラ ン スポー ト チ ャ ン バ 1 0 4 に待機する搬 i关車 5 1 2 に ゥェ ノ、. 1 0 6 e を受け渡す。 受け渡し後、 可動アー ム 1 3 0 e は後退 し、 後退後ゲー ト バルブ 1 0 5 e は閉じ られ る。 一方、 ウェハ 1 0 6 e を受け取っ た搬送車 5 1 2 ほ、 軌道 5 1 1 上を、 ク リ ーニ ン グチ ャ ン ノ 1 0 1 c の 前まで移動する。 ク リ ーニングチ ャ ン バ 1 0 1 b の前で 停止後、 ゲー ト バル ブ 1 0 5 c を 開 け 、 可動 アーム 1 3 0 c を前進させ、 搬送車上の ウェハを握持する。 ゥ ェハを握持した状態で可動アーム 1 3 0 e をさ ら に前進 さ せ 、 ク リ ー ニ ン グ チ ャ ン バ 1 0 1 c の ウ ェ ハ ホ ルダ 1 0 7 c に ウェハを受け渡す。 受け渡し後可動アームを 後退させ、 ゲー ト バルブ 1 0 5 c を閉じる。 ま た、 各減 圧室相互間の ウェハの搬送も同様に行えばよい。 以上の よ う に して真空状態を破らずに ウェハの搬送を行う こ と ができ る。
    [0164] なお、 図面上に は示 してレヽないが、 卜 ラ ン ス ポー ト チ ャ ン バ 1 0 4 、 各減圧室 1 0 1 a 〜 l 0 1 c 、 ロー ド チ ャ ン ク 1 0 2 、 ア ン ロー ド チ ャ ン ノ 1 0 3 に は排気装. 置を接続してある。
    [0165] [発明の効果 ]
    [0166] 本発明は例えば、 超高密度集積回路に用い られる様々 な薄膜の積層構造が信頼性、 特性と も に優れたものが得 られ、 その結果集積回路の超高集積化、 高信頼化が達成 でき る。
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 图
    ( 1 ) 複数の減圧室と、 こ れに接続された排気装置とガ ス供給装置を有する薄膜形成装置において、 ウ ェハ表面 に一切薄膜を堆積させる こ と な く小さな運動エネルギを も っ たイ オ を照射する手段を有した第 1 の減圧室を少 なく と も 1 つ有し、 スパ ッタ リ ングによ り ゥ ヱハ表面に 薄膜を形成する第 2 の減圧室を少なく と も 1 つ有し、 前 記第 1 の減圧室と第 2 の減圧室との相互間の ゥ ュノ搬送 を減圧状態を破らずに行なえる機構を有した こ とを特徵 とする薄膜形成装置。
    ( 2 ) 前記第 1 の減圧室および第 2 の減圧室内にそれぞ れターゲ ッ ト ホルダ と ゥ ヱハ ホルダを有し、 前記ター ゲッ ト ホルダ並びに ウ ェハホルダに高周波電力を供給す る手段を有し、 前記第 2 の減圧室内に於てはウ ェハホル ダにタ一ゲッ 卜 よ り も高い周波数の高周波電力が加え ら れ、 かつ前記第 1 の減圧室内のターゲッ ト ホルダに加え られる高周波の周波数が、 前記第 2 の減圧室内の .ウェハ ホルダに加え られる高周波の周波数に等しいかあるいは それよ り も大と なる よ う に構成されたこ と を特徴とする 請求項 1 に記載の薄膜形成装置。
    ( 3 ) ゥ ニ ノ、を加熱する手段と、 前記加熱された ウ ェハ 表面に酸化性ガスを供給する手段と を有した第 3 の減圧 室を有し、 かつ前記第 1 の減圧室と第 2 の減圧室と第 3 の減圧室相互間の ウ ェハ搬送を真空を破らずに行なえる 機構を有し た こ どを特徴とする請求項 1 ま たは請求項 2 に記載の薄膜形成装置。
    ( 4 ) 少な く と も 1 つの前記第 2 の減圧室のターゲッ ト が真空を破る こ と なく 交換でき る機構を有した こ と を特 徴 と す る請求項 2 ま た は請求項 3 に記載の薄膜形成装 置。 · ( 5 ) 前記ターゲ ッ ト を交換で き る機構は、 静電吸着 チ ャ ッ ク に よ り 前記ターゲッ 卜 を保持する よ う構成され たものである.こ と を特徴とする請求項 4 に記載の薄膜形 成装置。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    优先权:
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