JP2006037172A - The sputtering method - Google Patents
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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。 The present invention relates to a sputtering method for forming a thin film by sputtering.
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。 In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit (hereinafter, IC), various dielectric films are formed. The purpose is, for example, an interlayer insulating film, a mask for etching, selective ion implantation and selective electrode formation, passivation, a dielectric film of a capacitor, and the like. The material and plasma processing method are selected according to the purpose. For example, various methods such as CVD, dry etching, and sputtering are used. In recent years, in order to reduce the size of an IC, it has been studied to perform plasma treatment of a high dielectric material such as barium strontium titanate (BST) or strontium titanate (STO) on a dielectric film of a capacitor. Further, plasma processing of ferroelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) and strontium bismastantalate (SBT) has been studied for sensors, actuators, and nonvolatile memory devices.
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。 A conventional plasma processing apparatus will be described below with reference to the drawings by taking a sputtering apparatus as an example.
図11はそれを概念的に示す縦断面図である。 FIG. 11 is a longitudinal sectional view conceptually showing this.
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。
In a conventional sputtering apparatus, a sputtering chamber is formed by a
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。
A
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。
Then, a predetermined high frequency power is applied between the
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。
In order to perform the film forming process with this sputtering apparatus, a substrate (for example, the substrate 99) is placed on the
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。
Further,
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。
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。 However, in the conventional sputtering method, it is necessary to adjust the target-substrate distance as the target is eroded as described above. Further, it is necessary to adjust the target-substrate distance even when the workpiece shape changes. For this reason, there was a problem that productivity was bad.
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。 In view of the above-described conventional problems, the present invention provides a sputtering method capable of improving productivity without the need to adjust the target-substrate distance even if the target erosion amount and the workpiece shape change.
本願第1の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に応じて希ガスの混合比を変化させることを特徴とする。 In the sputtering method of the first invention of the present application, the substrate is formed by applying electric power to a target composed of a part or all of the components of the thin film to be formed provided facing the substrate disposed in the vacuum vessel. A mixed gas of a rare gas having a molecular weight larger than the atomic weight of the element constituting the target and a rare gas having a molecular weight smaller than the atomic weight of the element constituting the target in the vacuum vessel. And the mixing ratio of the rare gas is changed according to the amount of erosion of the target.
また、本願第1のスパッタリング方法において、好適には、ターゲットの侵食量が進むに連れ、前記混合ガスの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が望ましい。 In the first sputtering method of the present application, preferably, as the amount of erosion of the target proceeds, the mixing ratio of the rare gas having a molecular weight smaller than the atomic weight of the element constituting the target of the mixed gas may be increased. desirable.
また、本願第2の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、前記基板の表面形状に応じて希ガスの混合比を変化させることを特徴とする。 In the sputtering method of the second invention of the present application, the substrate is formed by applying electric power to a target composed of a part or all of the components of the thin film to be formed provided facing the substrate disposed in the vacuum vessel. A sputtering method for forming a film, comprising: a rare gas having a molecular weight larger than an atomic weight of an element constituting the target in the vacuum vessel; and a rare gas having a molecular weight smaller than an atomic weight of an element constituting the target. A mixed gas is introduced, and the mixing ratio of the rare gas is changed according to the surface shape of the substrate.
本願第2のスパッタリング方法において、好適には、基板の表面形状が凸になるに連れ、前記混合ガスの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が望ましい。 In the second sputtering method of the present application, preferably, as the surface shape of the substrate becomes convex, the mixing ratio of the rare gas having a molecular weight smaller than the atomic weight of the element constituting the target of the mixed gas is increased. desirable.
更に、本願第2のスパッタリング方法において、好適には、基板の表面形状が凹になるに連れ、混合ガスうち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の混合比を増やすことが望ましい。 Further, in the second sputtering method of the present application, preferably, as the surface shape of the substrate becomes concave, the mixing ratio of the rare gas having a molecular weight larger than the atomic weight of the element constituting the target in the mixed gas may be increased. desirable.
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、前記希ガスを1種類以上の希ガスの混合ガスとし、前記ターゲットの侵食量に応じて前記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。 As is apparent from the above description, according to the sputtering method of the first invention of the present application, a target consisting of part or all of the components of the thin film to be formed is placed in the vacuum vessel, and a rare gas or In the sputtering method in which at least one of the reactive gases is introduced to perform sputtering film formation, the rare gas is a mixed gas of one or more kinds of rare gases, and the mixing ratio of the rare gases according to the amount of erosion of the target Therefore, even if the amount of target erosion changes, it is not necessary to adjust the distance between the target and the substrate, and a sputtering method that can improve productivity can be provided.
また、本願第2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、前記希ガスを1種類以上の希ガスの混合ガスとし、ワークの形状に応じて前記希ガスの混合比を変えるためにワーク形状が変わってもターゲットと基板との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。 Further, according to the sputtering method of the second invention of the present application, a target consisting of part or all of the components of the thin film to be formed is arranged in a vacuum vessel, and at least one of a rare gas and a reactive gas is placed in the vacuum vessel. In the sputtering method in which one is introduced and sputtering film formation is performed, the work shape is changed in order to change the mixing ratio of the rare gas according to the shape of the work by using the rare gas as a mixed gas of one or more kinds of rare gases. In addition, it is possible to provide a sputtering method that can improve productivity without adjusting the distance between the target and the substrate.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. This is an example of a magnetron sputtering apparatus that puts a substrate 99 (this time using a Si substrate) into a
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。
Next, a SiO 2 thin film was similarly formed using a target eroded by 6 mm. The SiO 2 thin film thickness distribution formed on the
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。 Therefore, a new target was attached and deposition of SiO 2 was started, and the ratio of He gas was increased according to the target erosion amount as shown in FIG. 4 during production. As an example, FIG. 5 shows the film thickness distribution when the target is eroded by 6 mm. A film thickness distribution equivalent to that before target erosion (FIG. 2) was obtained. As a result, changes in the film thickness distribution due to target erosion could be absorbed. Therefore, even if the target is eroded during production, it is not necessary to adjust the target-substrate distance, and the productivity can be improved.
(実施の形態2)
図6に本発明の第2の実施の形態を示す。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.
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。
This is an example of a magnetron sputtering apparatus that puts a substrate 99 (this time using a Si substrate) into a
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。
A
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。
Next, a SiO 2 thin film was similarly formed on a convex spherical substrate having a substrate diameter of 120 mm and a difference between the target-substrate distance at the center of the substrate and the target-substrate distance at the outermost periphery being 6 mm. The SiO 2 thin film thickness distribution formed on the
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。 Therefore, for a convex spherical substrate having a substrate diameter of 120 mm and a difference between the target-substrate distance at the center of the substrate and the target-substrate distance at the outermost periphery being 0 to 6 mm, the mixing as shown in FIG. He gas was introduced at a ratio to form a SiO 2 thin film. As an example, a SiO 2 thin film is formed by introducing only He gas into a convex spherical substrate having a difference between the target-substrate distance at the center of the substrate and the target-substrate distance at the outermost periphery of 6 mm. The film thickness distribution is shown in FIG. A film thickness distribution equivalent to the film thickness distribution on the flat substrate (FIG. 7) was obtained. As a result, changes in the film thickness distribution due to the workpiece shape could be absorbed. Therefore, even if the shape of the workpiece changes during production, it is not necessary to adjust the distance between the target and the substrate, and productivity can be improved.
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
91
Claims (5)
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に応じて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。 A sputtering method for depositing the substrate by applying electric power to a target consisting of a part or all of the components of a thin film to be formed provided facing a substrate disposed in a vacuum vessel,
A mixed gas of a rare gas having a molecular weight larger than the atomic weight of the element constituting the target and a rare gas having a molecular weight smaller than the atomic weight of the element constituting the target is introduced into the vacuum container, A sputtering method, wherein a mixing ratio of a rare gas is changed in accordance with an erosion amount.
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、前記基板の表面形状に応じて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。 A sputtering method for depositing the substrate by applying electric power to a target consisting of a part or all of the components of a thin film to be formed provided facing a substrate disposed in a vacuum vessel,
Introducing a mixed gas of a rare gas having a molecular weight larger than the atomic weight of the element constituting the target into the vacuum vessel and a rare gas having a molecular weight smaller than the atomic weight of the element constituting the target, A sputtering method characterized by changing a mixing ratio of a rare gas according to a surface shape.
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