JP2003253438A - 酸化物膜の成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】化学量論的組成で、光学吸収が充分に小さい酸
化物膜を、生産性よく成膜できる酸化物膜の成膜方法の
提供。 【解決手段】希ガスと酸素ガスとの混合ガスをスパッタ
リングガスと導入し、反応性直流スパッタリング法で酸
化物膜を成膜する方法であって、一定の放電電力で、か
つ一定の希ガス流量Ｆ_Ａのもとで酸素ガス流量を増加し
ていったときに、スパッタリング槽内の圧力が急激に増
加する直前の酸素ガス流量をＦ_１とすると、酸素ガスを
０．７Ｆ_１以上０．９８Ｆ_１以下の流量の条件とし、か
つＦ_１／（Ｆ_Ａ＋Ｆ_１）＞０．８を満たす条件で成膜す
る酸化物膜の成膜方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸化物膜の成膜方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属ターゲットまたは半導体ターゲット
を用い、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用いた反
応性直流（ＤＣ）スパッタリング法による酸化物膜の成
膜方法において、アルゴンガスに対する酸素ガスの導入
量によって、放電状態はターゲットの表面状態に応じて
２つのモードに大別される。

【０００３】例えば、放電電力およびアルゴンガス流量
を一定にして酸素ガス流量を増加させていくと、スパッ
タリング槽内の放電空間の全ガス圧は図１に示すように
ある流量まではほぼ一定値を示し、ある酸素ガス流量Ｆ
_１を超えると急激に増加する。このときカソードに印加
される放電電圧は図２に示すようにＦ_１で急激に低下す
る。なお、アルゴンガス流量を高く設定した上で放電電
力一定で酸素ガス流量を増加させていく場合は、スパッ
タリング槽内のガス圧が比較的高くなるが、この場合は
図３に示すように放電電圧はＦ_１において極大値を示す
ようになる。

【０００４】このような酸素ガス流量Ｆ_１を境界値とし
て、Ｆ１より酸素ガス流量が少ない領域（Ｆ＜Ｆ１）は
ハイインピーダンスモード、Ｆ１より酸素ガス流量が多
い領域（Ｆ＞Ｆ１）はローインピーダンスモードと呼ば
れる。

【０００５】ハイインピーダンスモードでは成膜速度は
大きいが、成膜された酸化物膜の組成は酸化不足のた
め、屈折率ｎと消衰係数ｋが大きく、化学量論的組成の
酸化物に近い光学特性が得られない。またハイインピー
ダンスモードでは、ターゲットのエロージョン部でスパ
ッタリングされた金属原子が酸素と反応して非エロージ
ョン部に絶縁性の酸化物が堆積し、該堆積物（以下、単
に絶縁性堆積物という）が絶縁破壊を起こすためにアー
キングが発生し、放電が不安定になったり、成膜される
酸化物膜に欠陥が発生しやすい。前記アーキングは放電
電力の増大とともに発生頻度が増大するため、ターゲッ
トに高電力を投入して成膜速度を高めることは困難であ
った。

【０００６】前記欠点を解消するために、カソードを２
個設置して、交互に数十ｋＨｚ程度の低周波電力を投入
してターゲット表面の電荷の蓄積をキャンセルする、い
わゆる、ダブルマグネトロンが提案されているが、ター
ゲットが２個必要になるため装置の大型化や、電源系の
複雑化を招く。

【０００７】一方、充分な酸素ガスを供給するローイン
ピーダンスモードでスパッタリングを行うと、ターゲッ
ト表面で酸化反応が進行し、ターゲット表面に酸化物が
形成されることに起因して成膜速度は小さくなるが、基
板上に成膜される酸化物膜は化学量論的組成の酸化物
で、光学吸収がない緻密な構造の良好な酸化物膜が得ら
れる。

【０００８】このため従来、光学用の酸化物膜を反応性
ＤＣスパッタリング法で成膜する場合には、プロセスの
安定性および光学吸収のない実用的な酸化物膜が得られ
ることから、成膜速度が非常に小さいにもかかわらず、
ローインピーダンスモードで成膜していた。また、酸化
物ターゲットを用いて高周波（ＲＦ）スパッタリング法
で成膜する方法もあるが、この場合も成膜速度が小さい
という欠点は前記のローインピーダンスモードの場合と
同じである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、化学量論的
組成で、光学吸収が充分に小さい酸化物膜を、生産性よ
く成膜できる酸化物膜の成膜方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、スパッタリン
グ槽内に、金属ターゲットまたは微量の不純物が添加さ
れた半導体ターゲットを配置し、希ガスと酸素ガスとの
混合ガスをスパッタリングガスと導入し、反応性直流ス
パッタリング法で酸化物膜を成膜する方法であって、一
定の放電電力で、かつ一定の希ガス流量Ｆ_Ａのもとで酸
素ガス流量を増加していったときに、スパッタリング槽
内の圧力が急激に増加する直前の酸素ガス流量をＦ_１と
すると、酸素ガスを０．７Ｆ_１以上０．９８Ｆ_１以下の
流量の条件とし、かつＦ_１／（Ｆ_Ａ＋Ｆ_１）＞０．８を
満たす条件で成膜することを特徴とする酸化物膜の成膜
方法を提供する。

【００１１】本発明におけるターゲットとしては、Ｔ
ａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆまたは不純物が添加された
Ｓｉからなるターゲットが挙げられ、これらターゲット
を用いることで、酸化物膜として、それぞれ、Ｔａ_２Ｏ
_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２または
ＳｉＯ_２が成膜される。

【００１２】本発明で用いる希ガスとしては、アルゴ
ン、クリプトンまたはキセノンからなる群から選ばれる
１種以上のガスを用いることができる。酸化物膜が形成
される基板としては、ガラス基板、プラスティック基
板、Ｓｉウェハ基板等が挙げられる。

【００１３】スパッタリングにおいては電源から供給さ
れる電力がカソードを介してターゲットに投入される
が、本発明においては電源として、直流電源または低周
波パルスを重畳した直流電源（パルス波状の電圧を発生
する電源）を用いる。

【００１４】本発明においては、ターゲットの面積当た
りの投入電力は７〜１５Ｗ／ｃｍ^２の範囲であることが
好ましい。ターゲットを冷却する能力が充分であればよ
り大きな電力を投入することが好ましい。

【００１５】本発明においては、ターゲット表面への絶
縁性堆積物の付着を防止するため、例えばマグネトロン
用永久磁石を偏芯回転させたり、マグネトロン用電磁石
の電流を周期的に変動させたりして、ターゲットの全面
に渡ってエロージョンが起こるように設計されたカソー
ドを用いることが好ましい。絶縁性堆積物の付着を防止
することにより、アーキングの問題を回避しつつターゲ
ットへの投入電力を増やすことができる。

【００１６】ターゲットへの投入電力を増加させると、
成膜速度が大きくなるだけでなく、図４に示すように、
酸素ガス流量に対する放電電圧の変化を示すグラフは右
の方へ移動し、結果、Ｆ_１が大きくなり酸素ガス流量が
高い条件下においてもローインピーダンスモードに移行
せず、ハイインピーダンスモードのスパッタリングがで
きる。

【００１７】本発明においては、ハイインピーダンスモ
ードのスパッタリングを行うことから、０．７Ｆ_１以上
０．９８Ｆ_１以下の酸素ガス流量で成膜するが、特に
０．９Ｆ_１以上０．９８Ｆ_１以下の酸素ガス流量で成膜
することが好ましい。酸素ガス流量が０．９８Ｆ_１超で
は２つの放電モード間の遷移が起こり不安定になる。

【００１８】また、基板上での反応は酸素ガス流量比
（Ｆ_１／（Ｆ_Ａ＋Ｆ_１））が大きい場合に化学量論的組
成の酸化物膜が得られることから、Ｆ_１／（Ｆ_Ａ＋
Ｆ_１）＞０．８を満たすような電力（比較的大きな電
力）を投入する。

【００１９】本発明における成膜条件の範囲を図５に模
式的に示す。図５において、０．７Ｆ１の曲線と０．９
８Ｆ１の曲線とで囲まれる部分であって、かつＦ_１／
（Ｆ_Ａ＋Ｆ_１）＞０．８を満たす部分が本発明における
成膜条件の範囲となる。図５における０．７Ｆ_１の曲線
と０．９８Ｆ_１の曲線は、予察実験で、ある一定の投入
電力のときに（アルゴンガス流量一定で）図１で示すよ
うな酸素ガス流量とガス圧との関係からＦ_１を求め、次
いで、異なる投入電力のときに同様にしてＦ_１を求めて
いくことによって得ることができる。

【００２０】本発明において、複数種のターゲットを用
い、多層膜を積層する（例えば２種類のターゲットから
２種類の酸化物膜を交互に積層する）場合、１００層程
度になると１回ほどの頻度で放電スタート時にターゲッ
トの表面状態に起因してローインピーダンスモードへの
遷移が発生する。したがって、多層膜を積層する場合に
は、必要に応じて、成膜に先立ち、希ガス（例えばアル
ゴンガス）のみを導入して適当な時間放電（予備放電）
させてターゲット表面の酸化物層を除去して初期のメタ
ルの状態に復元することが好ましく、その結果、再びハ
イインピーダンスモードを安定に維持できる。

【００２１】

【実施例】［例１］スパッタリング槽内に、Ｓｉウェハ
基板をセットし、４×１０^−４Ｐａに排気した後、アル
ゴンガス７ｓｃｃｍ、酸素ガス２９ｓｃｃｍ（酸素ガス
流量とガス圧との関係から予め求めたＦ_１は３１ｓｃｃ
ｍ、Ｆ_１／（Ｆ_Ａ＋Ｆ_１）＝０．８１、酸素ガス流量は
０．９４Ｆ_１に相当する。なお、ｓｃｃｍとは標準状態
におけるｃｍ^３／分である。）を導入し、直径７インチ
の金属タンタルターゲットを取り付けたカソードに３ｋ
Ｗ（１２Ｗ／ｃｍ^２）の直流電力を投入し放電させる
と、槽内の圧力は０．０６Ｐａ、放電電圧は５４０Ｖと
なった。なお成膜に先立って、純アルゴンガス１０ｓｃ
ｃｍを導入し、５秒間シャッターを閉じてターゲットに
対して予備放電を行った。

【００２２】成膜時の成膜速度は０．５５ｎｍ／秒であ
った。得られたＴａ_２Ｏ_５膜の波長６３３ｎｍにおける
屈折率は２．１４９、消衰係数は０．０００１未満であ
った。得られたＴａ_２Ｏ_５膜は、屈折率と消衰係数の値
から化学量論的組成であると判断される。なお、成膜速
度は触針式段差膜厚計により測定した膜厚を単位成膜時
間に換算して評価した。薄膜の酸化度合いは、エリプソ
を用いて屈折率を評価することによって確認した。

【００２３】［例２］（比較例） 例１における酸素ガス流量を２０ｓｃｃｍ（０．６５Ｆ
_１相当）に変更した以外は例１同様に成膜した。成膜速
度は０．４９ｎｍ／秒であったが、得られた膜は不透明
な金属状の膜であった。

【００２４】［例３］（比較例） 例１における酸素ガス流量を３２ｓｃｃｍに変更した以
外は例１同様に成膜した。本例では、ターゲット表面の
酸化反応が進んだため、圧力は０．１８Ｐａに増加し、
放電電圧は４２０Ｖに低下した。成膜速度は０．０４ｎ
ｍ／ｓまで著しく低下した。得られた酸化物膜の波長６
３３ｎｍにおける屈折率は２．０９４であった。

【００２５】［例４］（比較例） スパッタリング槽内に、Ｓｉウェハ基板をセットし、４
×１０^−４Ｐａに排気した後、アルゴンガス５ｓｃｃ
ｍ、酸素ガス１２ｓｃｃｍ（酸素ガス流量とガス圧との
関係から予め求めたＦ_１は１２．５ｓｃｃｍ、Ｆ_１／
（Ｆ_Ａ＋Ｆ_１）＝０．７１、酸素ガス流量は０．９６Ｆ
_１に相当する）を導入し、直径７インチの金属タンタル
ターゲットを取り付けたカソードに１ｋＷ（４Ｗ／ｃｍ
^２）の直流電力を投入し放電させると、槽内の圧力は
０．０４Ｐａ、放電電圧は５９０Ｖとなった。成膜速度
は０．２８ｎｍ／秒であったが、得られた酸化物膜の酸
化度が不充分なため、波長６３３ｎｍにおける屈折率は
２．５１５（例１の酸化物膜よりも高い）であった。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、高酸素流量比とハイイ
ンピーダンスモードを両立した条件下で、金属膜の成膜
の場合と同等かそれ以上の大きな成膜速度を維持しなが
ら、すなわち、充分な生産性の高さを維持しながら、化
学量論的組成で光学吸収が充分に小さい酸化物膜を得る
ことができる。こうして得られる酸化物膜は屈折率の時
間変化が小さく、したがって、本発明は、１００層以上
におよぶ多層膜を安定して再現性よく得る上で好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素ガス流量に対するガス圧の変化を示すグラ
フ。

【図２】酸素ガス流量に対する放電電圧の変化を示すグ
ラフ。

【図３】ガス圧が高いときの酸素ガス流量に対する放電
電圧の変化を示すグラフ。

【図４】投入電力の差による放電電圧挙動の違いを示す
図。

【図５】投入電力とハイインピーダンスモードの最大酸
素ガス流量の関係を示す図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スパッタリング槽内に、金属ターゲットま
   たは微量の不純物が添加された半導体ターゲットを配置
   し、希ガスと酸素ガスとの混合ガスをスパッタリングガ
   スと導入し、反応性直流スパッタリング法で酸化物膜を
   成膜する方法であって、一定の放電電力で、かつ一定の
   希ガス流量Ｆ_Ａのもとで酸素ガス流量を増加していった
   ときに、スパッタリング槽内の圧力が急激に増加する直
   前の酸素ガス流量をＦ _１とすると、酸素ガスを０．７Ｆ
   _１以上０．９８Ｆ_１以下の流量の条件とし、かつＦ_１／
   （Ｆ_Ａ＋Ｆ_１）＞０．８を満たす条件で成膜することを
   特徴とする酸化物膜の成膜方法。
2. 【請求項２】ターゲットとして、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚ
   ｒ、Ｈｆまたは不純物が添加されたＳｉからなるターゲ
   ットを用いる請求項１に記載の酸化物膜の成膜方法。