JP2005248222A

JP2005248222A - スパッタリング方法

Info

Publication number: JP2005248222A
Application number: JP2004057221A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nakajima; 誠二中嶋; Hitoshi Yamanishi; 斉山西; Takafumi Okuma; 崇文大熊; Masahiro Yamamoto; 昌裕山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】本発明は、直径２インチ以下の小型ターゲットを用いて、ターゲット利用効率を著しく低下させることなく、より広範囲で膜厚均一性を確保できるスパッタリング方法を提供するものである。
【解決手段】真空容器内の電極に対向して直径２インチ以下のターゲットが配置され、真空容器内に希ガス若しくは反応性ガスの少なくとも一方を導入しつつ、前記電極に高周波電力を印加することで真空容器内にプラズマを発生させ、前記電極上に配置された基板を処理するスパッタリング方法であって、前記希ガス若しくは前記反応性ガスの少なくとも一方の分子量は、前記ターゲットを構成する元素のうち最も原子量の大きい元素よりも小さな分子量であることで解決できる。
【選択図】図１

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方法に関するものである。

半導体集積回路（以下、「ＩＣ」と称す）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などである。目的により材質やプラズマ処理方法が選ばれる。例えば、ＣＶＤ、ドライエッチング、スパッタリングなど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説明する。

図８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。更にターゲット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ウェハホルダ９８が下部電極９３に対向して平行に配置される。そして、このウェハホルダ９８は容器９１と電気的に絶縁されており、浮遊電位である。そして、ウェハホルダ９８上に基板例えば半導体ウェハ９９が載置される。そして、ウェハホルダ９８はウェハ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、ウェハホルダ９８上に基板（例えばウェハ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。
特許第２７３５６７７号公報特許第３００１６３１号公報

従来のスパッタリング方法および多層膜形成方法では、直径２インチ以下の小型ターゲットを用いる場合、より広範囲で膜厚均一性を確保するためには、ターゲット‐基板間距離を２０ｍｍ以上とする、もしくは７ｍｍ以下とする必要がある。しかしながら、前者の方法ではターゲット利用効率が著しく低下し、後者の方法では放電が維持できな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、直径２インチ以下の小型ターゲットを用いて、ターゲット利用効率を著しく低下させることなく、より広範囲で膜厚均一性を確保できるスパッタリング方法を提供するものである。

本願第１の発明のスパッタリング方法は、真空容器内の電極に対向して直径２インチ以下のターゲットが配置され、真空容器内に希ガス若しくは反応性ガスの少なくとも一方を導入しつつ、前記電極に高周波電力を印加することで真空容器内にプラズマを発生させ、前記電極上に配置された基板を処理するスパッタリング方法であって、前記希ガス若しくは前記反応性ガスの少なくとも一方の分子量は、前記ターゲットを構成する元素のうち最も原子量の大きい元素よりも小さな分子量であることを特徴とする。

また、本願第１のスパッタリング方法において、好適にはターゲットと基板との距離を７ｍｍ以上とすることでスパッタリング成膜を行うことが望ましい。

本願第１のスパッタリング方法において、更に好適には、ターゲットの構成元素はアルゴンよりも原子番号の小さな元素で構成され、かつ、希ガスがネオンとヘリウムとの混合ガス、或いはどちらか一方であることが望ましい。

以上の説明から明らかなように、本願第１発明のスパッタリング方法によれば、真空容器内の電極に対向して直径２インチ以下のターゲットが配置され、真空容器内に希ガス若しくは反応性ガスの少なくとも一方を導入しつつ、前記電極に高周波電力を印加することで真空容器内にプラズマを発生させ、前記電極上に配置された基板を処理するスパッタリング方法であって、前記希ガス若しくは前記反応性ガスの少なくとも一方の分子量は、前記ターゲットを構成する元素のうち最も原子量の大きい元素よりも小さな分子量であるために、直径２インチ以下の小型ターゲットを用いて、ターゲット利用効率を著しく低下させることなく、より広範囲で膜厚均一性を確保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。図１は、真空容器９１に基板９９（本実施の形態では「Ｓｉ基板」を用いた事例を示す）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４０ｍｍ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、本実施の形態では「ＳｉＯ₂」を用いた事例を示す）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と基板９９との間の距離を７ｍｍとした。

この真空容器中にアルゴンガスを導入し、真空容器内圧力を４．７Ｐａ（グロー放電が維持できる圧力であれば良い）とした。（或いは、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１００Ｗ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。これによれば、均一性±２．０％が得られる領域は基板中心から半径４ｍｍの領域である。

更に均一性を向上させるためにターゲット９２−基板９９間の距離を５ｍｍとしてスパッタリングを試みたがグロー放電が維持できなかった。

次に、ターゲット９２‐基板９９間の距離を７ｍｍに戻し、真空容器９１に導入する不活性ガスをＨｅとしてスパッタリングを試みた（今回はヘリウムを用いたがネオンであっても良い）。基板９９上に成膜されたＳｉＯ₂薄膜膜厚分布を図３に示す。これによれば、均一性±２．０％が得られる領域は基板中心から半径８ｍｍの領域であり、より広範囲で膜厚均一性を確保することができた。

（実施の形態２）
図４に本発明の第２の実施の形態を示す。これは２つの真空容器２１ａ，２１ｂが連結されており、基板９９（本実施形態では「ガラス基板」を用いた事例を示す）を２つの真空容器２１ａ，２１ｂ間を移載することによりＳｉＯ₂及びＴａ₂Ｏ₅薄膜を積層するスパッタ方法の例である。真空容器２１ａ内のターゲット２２ａはＢドープされたＳｉであり、真空容器２１ｂ内のターゲット２２ｂはＴａとした。２つのターゲット２２ａ，２２ｂの直径はどちらも４０ｍｍである。基板９９を真空容器２１ａ側に移動させた時のＳｉターゲット２２ａと基板９９との間の距離は７ｍｍ、真空容器２１ｂ側に移動させた時のＴａターゲット２２ｂ−基板９９間距離は１１ｍｍとした。
まず、基板９９を真空容器２１ａ側に配し、真空容器２１ａ内にアルゴン（Ａｒ）および酸素ガス（Ｏ₂）をＡｒ／Ｏ₂流量比＝６／４で４．７Ｐａとなるように導入した。更にターゲット２２ａと真空容器２１ａとの間にＤＣ電力６０Ｗを加え、スパッタリング成膜を行った。

次に、基板９９を真空容器２１ｂ側に配し、真空容器２１ｂ内にアルゴン（Ａｒ）および酸素ガス（Ｏ₂）をＡｒ／Ｏ₂流量比＝６／４で４．７Ｐａとなるように導入した。更に、ターゲット２２ｂと真空容器２１ｂとの間に、ＤＣ電力６０Ｗを加え、スパッタリング成膜を行った。図５にＳｉＯ₂の膜厚分布を示し、図６にはＴａ₂Ｏ₅の膜厚分布を示す。均一性±２．０％の領域は、Ｔａ₂Ｏ₅は基板中心から半径１０ｍｍの領域であるのに対しＳｉＯ₂は基板中心から半径４ｍｍしか確保できなかった。

ＳｉＯ₂の膜厚均一性を改善するためにターゲット２２ａ−基板９９間距離を５ｍｍとしスパッタリングを試みたがグロー放電が維持できなかった。

そこでＳｉＯ₂の成膜時にＨｅ／Ｏ₂流量比＝６／４で導入し真空容器２１ａ内の圧力を４．７Ｐａとしスパッタリング成膜を行った。その際の膜厚分布を図７に示す。均一性±２．０％の領域は、基板中心から半径４ｍｍの領域に改善することができた。この方法でＳｉＯ₂およびＴａ₂Ｏ₅を積層しより広範囲で膜厚均一性を確保することができた。

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の実施例でアルゴン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の実施例でヘリウム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の実施例でアルゴン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の実施例でアルゴンガスを導入して成膜したＴａ₂Ｏ₅薄膜の膜厚分布を示す図本発明の第２の実施例でヘリウムガスを導入して成膜したＳｉＯ₂薄膜の膜厚分布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

２１ａ，２１ｂ，９１真空容器
２２ａ，２２ｂ，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弧状磁力線
９８基板保持機構（ウェハホルダ）
９９基板（ウェハ）
９１０電源

Claims

真空容器内の電極に対向して直径２インチ以下のターゲットが配置され、真空容器内に希ガス若しくは反応性ガスの少なくとも一方を導入しつつ、前記電極に高周波電力を印加することで真空容器内にプラズマを発生させ、前記電極上に配置された基板を処理するスパッタリング方法であって、前記希ガス若しくは前記反応性ガスの少なくとも一方の分子量は、前記ターゲットを構成する元素のうち最も原子量の大きい元素よりも小さな分子量であることを特徴とするスパッタリング方法。
ターゲットと基板との距離を７ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
ターゲットの構成元素はアルゴンよりも原子番号の小さな元素で構成され、かつ、希ガスがネオンとヘリウムとの混合ガス、或いはどちらか一方であることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタリング方法。