JP4734864B2

JP4734864B2 - スパッタリング方法

Info

Publication number: JP4734864B2
Application number: JP2004219727A
Authority: JP
Inventors: 誠二中嶋; 斉山西; 崇文大熊; 昌裕山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: JP2006037172A

Description

本発明は、スパッタリングにより薄膜を形成するためのスパッタリング方法に関するものである。

半導体集積回路（以下ＩＣ）の製造工程では誘電体の成膜が種々行われる。その目的は、例えば層間絶縁膜、エッチングや選択的なイオン注入や選択的な電極の形成のためのマスク、パッシベーション、キャパシタの誘電体膜等である。目的により材質やプラズマ処理方法が選ばれる。たとえば、ＣＶＤ、ドライエッチング、スパッタリング等種々用いられている。近年ＩＣの小型化のためにキャパシタの誘電体膜にチタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）やチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）等の高誘電体物質のプラズマ処理を行うことが検討されている。さらにセンサやアクチュエータ、不揮発性メモリデバイス用にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ストロンチウムビスマスタンタレート（ＳＢＴ）といった強誘電体物質のプラズマ処理も検討されている。

従来のプラズマ処理装置を、スパッタリング装置を例に図面を参照して以下に説明する。

図１１はそれを概念的に示す縦断面図である。

従来のスパッタリング装置は真空引き可能な真空容器９１でスパッタ室を形成し、スパッタ室の下方にはターゲット９２が下部電極９３に固定保持される。さらにターゲット９２の裏面には内側磁石９４とそれを取り囲むように内側磁石９４とは反対の磁化成分を持つ外側磁石９５が配され、両磁石（９４および９５）はヨーク９６で磁気的に結合されている。この磁石（９４および９５）により、ターゲット９２表面には弧状の磁力線９７が形成される。下部電極９３は真空容器９１とは電気的に絶縁されている。そして下部電極９３はターゲット９２の温度が上昇するのを防ぐために水冷機構を内蔵するが図示を略している。

そして、スパッタ室の上方には基板保持機構９８が下部電極９３に対向して平行に配置される。そして、この基板保持機構９８は真空容器９１と電気的に絶縁されており、浮遊電位である。そして、基板保持機構９８上に基板例えば半導体基板９９が載置される。そして、基板保持機構９８は基板９９を所定の温度に維持するための加熱機構を内蔵するが図示していない。

そして、下部電極９３と真空容器９１（接地）間に高周波電源９１０により、所定の高周波電力が所定の負のＤＣバイアスのもとに与えられる。

このスパッタリング装置で成膜処理を行うには、基板保持機構９８上に基板（例えば基板９９）を載置し、図示しない排気口につながる真空ポンプ（図示せず）により真空に引き、次に図示しないガス導入口から所定のガス（例えば、Ａｒガス）を所定流量導入しつつ排気口（図示せず）と真空ポンプ（図示せず）との間に介在する可変コンダクタンスバルブ（図示せず）を調節して所定の圧力に調節する。そして、高周波電力を印加してプラズマを発生させる。発生したプラズマ中の電子はターゲット９２裏面に配置され磁石（９４および９５）が発生する弧状の磁力線９７にトラップされ更に電離を促進しプラズマ密度を向上させる。

また、特許文献１には、希ガスとしてＸｅガスを用いることにより、Ａｌ合金中に取り込まれる希ガスの量が減少し薄膜の緻密性が向上することが記載されている。

更に、特許文献２にはＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒの混合ガスを用いてスパッタリングによりＰｔ／Ｃｏ多層膜、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜を形成することで良好な磁気特性が得られることが記載されている。

また、高い膜厚均一性を必要とする場合、ターゲットが侵食されるにつれ、実効的にターゲット‐基板間距離が離れ、基板上膜厚分布が変化してしまうが、新食糧に応じてターゲット‐基板間距離を離して行き、初期からターゲットエンドまで均一な膜厚分布を得ることも行われている。
特許第２７３５６７７号公報特許第３００１６３１号公報

しかしながら、従来のスパッタリング方法では、前述のようにターゲットが侵食されるに従い、ターゲット‐基板間距離を調整する必要がある。また、ワーク形状が変わった場合もターゲット‐基板間距離を調整する必要がある。このため生産性が悪いという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ターゲット侵食量、ワーク形状が変わってもターゲット−基板間距離を調整する必要がなく生産性が向上できるスパッタリング方法を提供するものである。

本願発明のスパッタリング方法は、真空容器中に配置された基板に対向して設けられた形成したい薄膜の成分の一部または全部からなるターゲットに電力を印加することで前記基板を成膜するスパッタリング方法であって、前記真空容器内に前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも大きな分子量を持つ希ガスと、前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも小さな分子量を持つ希ガスとの混合ガスを導入し、前記ターゲットの侵食量が進むに連れ、前記混合ガスのうち前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも小さな分子量を持つ希ガスの混合比を増やすことで、希ガスの混合比を変化させることを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本願発明のスパッタリング方法によれば、真空容器中に、形成したい薄膜の成分の一部または全部からなるターゲットを配し、前記真空容器中に希ガスもしくは反応性ガスの少なくともどちらか一方を導入しスパッタリング成膜を行う、スパッタリング方法において、前記真空容器内に前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも大きな分子量を持つ希ガスと、前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも小さな分子量を持つ希ガスとの混合ガスとし、前記ターゲットの侵食量が進むに連れ、前記混合ガスのうち前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも小さな分子量を持つ希ガスの混合比を増やすことで、希ガスの混合比を変えるために、ターゲット侵食量が変わってもターゲット‐基板間距離を調整する必要がなく生産性が向上できるスパッタリング方法を提供することができる。

（実施の形態１）
図１に本発明の第１の実施の形態を示す。これは真空容器９１に基板９９（今回はＳｉ基板を用いた）を投入しスパッタリングにより誘電体であるＳｉＯ₂薄膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置の例である。真空容器９１の下部に外径２００ｍｍのターゲット９２（ターゲット９２としては所望の絶縁膜を構成する元素でできたもの、若しくは反応性ガスと反応して所望の絶縁物を形成することができる材料が好ましいが、今回はＳｉＯ₂を用いた）及び下部電極９３を配し、真空容器９１の上部に基板９９を配置可能な基板保持機構９８を設け、ターゲット９２−基板９９間の距離を４０ｍｍとした。この真空容器中にＡｒガスを導入し、真空容器内圧力を１．０Ｐａ（グロー放電が維持できる圧力であれば良い）とした。このとき、真空容器内に反応性ガスを導入しても良い。下部電極９３−真空容器９１間に１ｋＷ高周波電力を、整合機を通して印加した（ターゲット９２が導電性のものであれば直流電力でもよい）。基板９９上に成膜されたＳｉＯ₂薄膜膜厚分布を図２に示す。

次に、６ｍｍ侵食されたターゲットを用いて同様にＳｉＯ₂薄膜を成膜した。このとき基板９９上に成膜されたＳｉＯ₂薄膜膜厚分布を図３に示す。基板９９の外周側で膜厚が薄くなっていることが分かる。

そこで、新ターゲットを装着してＳｉＯ₂の成膜を開始し、生産中に図４に示したようにターゲット侵食量に応じてＨｅガスの比を増やしていった。一例としてターゲットが６ｍｍ侵食されて時の膜厚分布を図５に示す。ターゲット侵食前（図２）と同等の膜厚分布が得られた。これによりターゲット侵食による膜厚分布の変化を吸収することができた。このことから、生産中にターゲットが侵食されても、ターゲット‐基板間距離を調整する必要がなくなり、生産性が向上できた。

（実施の形態２）
図６に本発明の第２の実施の形態を示す。

これは真空容器９１に基板９９（今回はＳｉ基板を用いた）を投入しスパッタリングにより誘電体であるＳｉＯ₂薄膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置の例である。

真空容器９１の下部に外径２００ｍｍのターゲット９２（ターゲット９２としては所望の絶縁膜を構成する元素でできたもの、もしくは反応性ガスと反応して所望の絶縁物を形成することができる材料が好ましいが、今回はＳｉＯ₂を用いた）および下部電極９３を配し、真空容器９１の上部に平板基板９９を配置可能な基板保持機構９８を設け、ターゲット９２−基板９９間の距離を４０ｍｍとした。この真空容器中にＡｒガスを導入し、真空容器内圧力を１．０Ｐａ（グロー放電が維持できる圧力であれば良い）とした。（あるいは反応性ガスを混合しても良い。下部電極９３−真空容器９１間に１ｋＷ高周波電力を、整合機を通して印加した（ターゲット９２が導電性のものであれば直流電力でもよい）。平板基板９９上に成膜されたＳｉＯ₂薄膜膜厚分布を図７に示す。

次に、基板直径１２０ｍｍ、基板中心でのターゲット-基板間距離と最外周でのターゲット-基板間距離との差が６ｍｍである、凸形状球面基板上へ同様にＳｉＯ₂薄膜を成膜した。このとき基板９９上に成膜されたＳｉＯ₂薄膜膜厚分布を図８に示す。基板９９の外周側で膜厚が薄くなっていることが分かる。

そこで、基板直径１２０ｍｍ、基板中心でのターゲット-基板間距離と最外周でのターゲット-基板間距離との差が０〜６ｍｍである、凸形状球面基板に対して、図９に示すような混合比でＨｅガスを導入し、ＳｉＯ₂薄膜を成膜した。一例として、基板中心でのターゲット-基板間距離と最外周でのターゲット-基板間距離との差が６ｍｍある凸形状球面基板にＨｅガスのみを導入してＳｉＯ₂薄膜を成膜して時の膜厚分布を図１０に示す。平板基板上の膜厚分布（図７）と同等の膜厚分布が得られた。これによりワーク形状による膜厚分布の変化を吸収することができた。このことから生産中にワークの形状が変化しても、ターゲット‐基板間距離を調整する必要がなくなり、生産性が向上できた。

本発明の第１の実施例で用いたマグネトロンスパッタ装置の構成を示した断面図本発明の第１の実施例でＡｒガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第１の実施例で３ｍｍ侵食されたターゲットを用いて、Ａｒガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第１の実施例でターゲット侵食量に応じたＨｅガスの混合比を示す図本発明の第１の実施例でＨｅガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第２の実施例で用いたマグネトロンスパッタ装置の構成を示した断面図本発明の第２の実施例で平板基板上にＡｒガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第２の実施例で凸形状基板上にＡｒガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第２の実施例で凸形状基板上にＨｅガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第２の実施例でワーク形状に応じたＨｅガスの混合比を示す図従来例で用いたマグネトロンスパッタ装置の構成を示した断面図

符号の説明

９１真空容器
９２ターゲット
９３下部電極
９４内側磁石
９５外側磁石
９６ヨーク
９７弧状の磁力線
９８基板保持機構
９９基板
９１０電源

Claims

真空容器中に配置された基板に対向して設けられた形成したい薄膜の成分の一部または全部からなるターゲットに電力を印加することで前記基板を成膜するスパッタリング方法であって、
前記真空容器内に前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも大きな分子量を持つ希ガスと、前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも小さな分子量を持つ希ガスとの混合ガスを導入し、前記ターゲットの侵食量が進むに連れ、前記混合ガスのうち前記ターゲットを構成する元素の原子量よりも小さな分子量を持つ希ガスの混合比を増やすことで、希ガスの混合比を変化させること
を特徴とするスパッタリング方法。