JP2006045611A

JP2006045611A - スパッタ成膜装置

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Publication number: JP2006045611A
Application number: JP2004227646A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Akazawa; 方省赤澤; Masaru Shimada; 勝嶋田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】不活性ガスとともに酸素ガスを用いたスパッタ法において、より安定した酸化の状態で酸化物の薄膜が形成できるようにする。
【解決手段】高周波電源１２１の出力の交流電圧の平均値Ｖ_DCを検出するＶ_DCモニタ１２２と、Ｖ_DCモニタ１２２が検出したＶ_DCにより反応性ガス導入部１１２より導入されるガスの流量を制御するマスフローコントローラ１２３を制御する制御部１２４とを備え、Ｖ_DCモニタ１２２で検出されたＶ_DCの値が、既定値Ｖ₀となるように、制御部１２４がマスフローコントローラ１２３を制御し、反応性ガス導入部１１２より導入される酸素ガスの流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属酸化物の膜を形成するスパッタ成膜装置に関する。

従来では、金属酸化物などの金属化合物を用いた電子デバイスである強誘電体メモリ，発光デバイス、光導波路などにおいては、用いられる金属化合物薄膜の酸素組成を高度に安定させることが重要となる。これらのことを実現する技術としてスパッタ法がある。スパッタ法は、様々な金属化合物薄膜の作製に適用できる汎用性の高い方法である。

代表的なスパッタ法としては、マグネトロンスパッタ法、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法、ヘリコンプラズマスパッタ法、電子励起プラズマスパッタ法などがある。いずれも、真空チャンバ内でプラズマを生成し、ターゲットにプラズマ中のイオンを衝突させ、ターゲットから弾き出された原子を、膜の形成対象となる基板の上に付着させることで成膜を行う。多くの場合、アルゴンガスプラズマが用いられ、堆積する薄膜中の酸素含有量を制御するために酸素ガスをプラズマ中に導入する。

例えば、スパッタ法を用いてＬｉＮｂＯ₃の薄膜を形成する場合、ＬｉＮｂＯ₃からなるターゲットが用いられる（特許文献１参照）。このような酸化物ターゲットは、多くの場合、構成元素の酸化物粉末をすりつぶして混合し、アルコール系溶媒に溶解させた後、整形，乾燥，焼結の過程を経て形成される。ここで、上述したような酸化物ターゲットに高周波電源（ＲＦパワー）を印加したときの、ターゲット電位の変化を図３に示す。図３に示すように、ターゲットに印加されるＲＦの交流成分の振幅電圧Ｖ_PPに対し、交流電圧の平均値Ｖ_DCが定義できる。

次に、新品のＬｉＮｂＯ₃ターゲットを使用してスパッタ成膜を行った場合のＶ_DCの時間変化の一例を図４に示す。ここで、上記スパッタ成膜では、酸素ガス流量が２sccmに固定されている。スパッタ開始直後のターゲットのＶ_DC値は、正かゼロ近辺にあるが、図４のＡ−Ｂ間の変化から分かるように、数分後には、Ｖ_DC値が急速にマイナスの値へ変化する。

図４のＢの時点で一度成膜を中断すると、成膜対象の基板が配置されているチャンバ（処理室）内の残留酸素あるいは水分が、ターゲット表面に再付着するため、Ｖ_DC値は図４のＣへ戻る。この所定時間後、再び成膜を開始すると、Ｖ_DC値は前と同様に減少する。再びＤの時点で成膜を中断すると、Ｖ_DCはＥの状態へ戻る。しかしながらＥの時点におけるＶ_DCは、Ａの時点の値より低くなる。

図４に示すように、ターゲットの使用を始めた初期の段階では、Ｖ_DC値の変動は激しい。しかしながら、通算で２０時間以上スパッタを行った後では、スパッタ中の定常状態のＶ_DC値は、ＦからＧのラインに沿って連続的に低下し、−５００Ｖ付近の定常状態に安定する。この安定した状態に至るまでの変化は、イオン衝撃によりターゲットの温度が上昇し、ターゲットの内部に含まれている水分や溶媒の残留物が抜けることにより生じる。

このようにターゲットの電位の変化は、ターゲット表面の状態が変化していることを示しており、成膜の開始直後と終了前とでは、基板の上に堆積形成されている薄膜の組成や結晶性が異なっていることを示している。
図４のＧの状態に到達した後は、成膜の開始直後の２０秒程度の時間を除けば、Ｖ_DC値はほぼ定常状態にあるが、さらに長時間にわたる使用により、Ｖ_DC値はより小さくなる。

実際に、図４に示すＧからＨの間でも緩やかな減少が見られ、Ｈの状態を起点とした８０時間後には、図５のグラフに示すように、最終的に−５５０Ｖ程度に安定するまで変化が継続する。この現象は、金属原子に比べて酸素原子の方がスパッタ速度が大きいために、ターゲット表面近傍の組成が次第に金属過多の状態になっていくことで説明できる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開２００３−３１３０９４号公報

ところが、従来のスパッタ装置においては、通常、成膜中に酸素ガス圧は固定して運用されていた。しかしながら、基板上に形成される薄膜の組成は、ターゲットの状態を反映する。図４，５に示した結果によれば、ターゲットの使用開始から２０時間後までは、初期に成膜したものは酸素含有量が多く、時間の経過とともに減少していくことになる。

このような経時変化は、酸化物ターゲットに共通して見られるが、形成する膜の再現性ある組成制御や成膜速度を実現する上での障害となっていた。特に、三元系酸化物や四元系酸化物の薄膜形成おいては、わずかな酸素量の違いも薄膜の配向性，組成，抵抗率などの物性値に著しい影響を与え、上述した変化は大きな問題となる。スパッタ法による膜の形成では、酸化状態を精密に制御することが薄膜の特性を安定させる上で重要であるが、従来の技術では上記制御が困難であった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、不活性ガスとともに酸素ガスを用いたスパッタ法において、より安定した酸化の状態で酸化物の薄膜が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るスパッタ成膜装置は、例えば、電子サイクロトロン共鳴により不活性ガスのプラズマを生成した状態で酸素ガスを供給し、酸化物ターゲットに高周波電源を印加して酸化物ターゲットの原子をスパッタし、基板の上に酸化物の薄膜を形成するスパッタ成膜装置であって、プラズマが生成された状態で、酸化物ターゲットに印加されている電位の平均値を検出するモニタと、モニタが検出した電位の平均値に対応して酸素ガスの供給量を制御する制御手段とを備えるようにしたものである。
この装置によれば、制御手段の制御によりターゲット電位の平均値に応じて酸素ガス流量を変化させることで、ターゲット電位の平均値を一定の状態にする。

以上説明したように、本発明によれば、酸化物ターゲットに印加されている電位の平均値を検出し、検出した電位の平均値に対応して酸素ガスの供給量を制御するようにしたので、ターゲット電位の平均値に応じて酸素ガス流量を変化させることで、ターゲット電位の平均値を一定の状態にすることができ、より安定した酸化の状態で酸化物の薄膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるスパッタ成膜装置の構成例を示す模式的な断面図である。以下では、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によりプラズマを生成する装置を例に説明する。図１に示す装置について説明すると、まず、処理室１０１とこれに連通するプラズマ生成室１０２とを備えている。処理室１０１は、図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室１０２とともに内部が真空排気される。

処理室１０１には、膜形成対象の基板Ｗが固定される基板ホルダ１０４が設けられている。基板ホルダ１０４は、図示しない回転機構により所望の角度に傾斜し、かつ回転可能とされている。基板ホルダ１０４を傾斜して回転させることで、堆積させる材料による膜の面内均一性と段差被覆性とを向上させることが可能となる。

また、処理室１０１内のプラズマ生成室１０２からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット１０５が備えられている。ターゲット１０５は、ＬｉＮｂＯ₃から構成されたものである。なお、ターゲット１０５は、上面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であっても良い。

ターゲット１０５は、絶縁体からなる容器１０５ａ内に載置され、内側の面が処理室１０１内に露出している。また、ターゲット１０５には、高周波電源１２１が接続され、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦバイアス）が印加可能とされている。
加えて、図１のスパッタ成膜装置は、高周波電源１２１の出力の交流電圧の平均値Ｖ_DCを検出するＶ_DCモニタ１２２と、Ｖ_DCモニタ１２２が検出したＶ_DCにより反応性ガス導入部１１２より導入される酸素ガスの流量を制御するマスフローコントローラ１２３を制御する制御部１２４とを備える。

プラズマ生成室１０２は、真空導波管１０６に連通し、真空導波管１０６は、石英窓１０７を介して導波管１０８に接続されている。導波管１０８は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。また、プラズマ生成室１０２の周囲及びプラズマ生成室１０２の上部には、磁気コイル（磁場形成手段）１１０が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波管１０８，石英窓１０７，真空導波管１０６により、マイクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管１０８の途中にモード変換器を設けるようにしてもよい。

図１のスパッタ成膜装置の動作例について説明すると、まず、処理室１０１及びプラズマ生成室１０２内を真空排気した後、不活性ガス導入部１１１より不活性ガスであるアルゴンガスを導入し、また、反応性ガス導入部１１２より反応性ガスを導入し、プラズマ生成室１０２内を例えば１０^-5〜１０^-4Ｐａ程度の圧力にする。この状態で、磁気コイル１１０よりプラズマ生成室１０２内に０．０８７５Ｔの磁場を発生させた後、導波管１０８，石英窓１０７を介してプラズマ生成室１０２内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを発生させる。

ＥＣＲプラズマは、磁気コイル１１０からの発散磁場により、基板ホルダ１０４の方向にプラズマ流を形成する。生成されたＥＣＲプラズマのうち、電子は磁気コイル１１０で形成される発散磁場によりターゲット１０５の中を貫通して基板Ｗの側に引き出され、基板Ｗの表面に照射される。このとき同時に、ＥＣＲプラズマ中のプラスイオンが、電子による負電荷を中和するように、すなわち、電界を弱めるように基板Ｗ側に引き出され、成膜している層の表面に照射される。このように各粒子が照射される間に、プラスイオンの一部は電子と結合して中性粒子となる。

図１に示す装置では、また、プラズマ生成室１０２の出口に配置されたプラズマ生成室１０２に、高周波電源１２１より高周波電力（例えば５００Ｗ）を供給する。このことにより、ターゲット１０５にＡｒ粒子が衝突してスパッタリング現象が起こり、ターゲット１０５を構成している粒子がプラズマ生成室１０２より飛び出す。

プラズマ生成室１０２より飛び出した粒子は、プラズマ生成室１０２より放出されたプラズマ、及び、反応性ガス導入部１１２より導入されてプラズマにより活性化された酸素ガスと共に基板Ｗ表面に到達する。これらのことにより、基板Ｗの上にターゲット１０５を構成している酸化物の膜が形成された状態とすることができる。

ここで、図１に示す装置では、Ｖ_DCモニタ１２２で検出されたＶ_DCの値が、既定値Ｖ₀となるように、制御部１２４がマスフローコントローラ１２３を制御し、反応性ガス導入部１１２より導入される酸素ガスの流量を制御する。
既定値Ｖ₀は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃から構成されたターゲット１０５を用いた酸素ガスによる反応性スパッタで形成される膜が、酸素ガスの供給流量をＦ₀とすることで得られる、所望とする酸素組成のニオブ酸リチウムの膜となるときの値である。

例えば、Ｖ_DC＞Ｖ₀になれば、制御部１２４はマスフローコントローラ１２３を制御し、反応性ガス導入部１１２より導入される酸素ガスの流量をＦ₀より減らす。このことにより、Ｖ_DC値をＶ₀へ戻すことができる。一方、Ｖ_DC＜Ｖ₀、になれば、制御部１２４はマスフローコントローラ１２３を制御し、Ｆ₀より酸素流量を増やす。このことにより、Ｖ_DC値をＶ₀へ戻すことができる。
このように、Ｖ_DC値を参照してマスフローコントローラ１２３へフィードバックをかけることにより、成膜の最初から最後まで酸素組成が一定に保たれ、また形成された各膜の間で比較しても酸素組成が一定の成膜状態が実現できる。

図４に示したように、酸素ガス圧を固定してスパッタ成膜を続けると、ターゲットの酸化状態が時間的に変化する問題が明らかになったが、ターゲットの酸化状態は、酸素流量を変えることによって制御可能である。図５に示した総スパッタ時間が４７時間でスパッタ平衡時のＶ_DC値が−５４０Ｖに達した状態において、プラズマ中に導入される酸素ガス流量を変えたときのＶ_DC値を図２に示す。酸素流量を０．５sccmから３sccmまで変化させることにより、Ｖ_DC値を−５８０Ｖから−５１０Ｖまで容易に変えられることが分かる。

図２に示す結果は、酸素分子がプラズマ中で励起されて生成した酸素原子及び酸素イオンがターゲット表面を覆う度合いを、酸素ガス流量で制御できるからである。酸素ガス流量を増やすとターゲット表面がより酸化された状態になり、Ｖ_DC値が上昇する。一方、酸素流量を減らすと、ターゲット表面がより還元された状態になり、Ｖ_DC値が低下する。従って、Ｖ_DC値に応じて酸素流量を変化させることにより、ターゲット表面の酸化状態を制御することが可能となる。

以上に説明したように、図１に示すスパッタ成膜装置によれば、高周波電源１２１よりターゲット１０５に供給されている高周波電源のＶ_DC値を、ターゲット１０５の表面における酸化状態を反映する指標として捉え、経時とともに変化するＶ_DC値に応じて酸素流量を変化させるようにした。このような制御により、ターゲット１０５表面の酸化状態を常に一定に保つことが可能となり、得られる薄膜の酸素含有量を一定に保つことが可能となる。

なお、上述では、ＬｉＮｂＯ₃から構成されたターゲットを用い、ＬｉＮｂＯ₃の薄膜を形成する場合について説明したが、これに限るものではなく、他の酸化物から構成されたターゲットを用い、上記酸化物の薄膜を形成する場合にも適用可能である。
また、上述では、図１に示すように、ＥＣＲスパッタ装置を例に説明したが、これに限るものではない。本発明は、マグネトロンスパッタ、ヘリコンプラズマスパッタ、電子励起プラズマスパッタなど他の形態のスパッタ装置であっても、適用可能である。

本発明の実施の形態におけるスパッタ成膜装置の構成例を示す模式的な断面図である。総スパッタ時間が４７時間でスパッタ平衡時のＶ_DC値が−５４０Ｖに達した状態において、プラズマ中に導入される酸素ガス流量を変えたときのＶ_DC値の変化を示す特性図である。酸化物ターゲットに高周波電源（ＲＦパワー）を印加したときの、ターゲット電位の変化を示す特性図である。新品のＬｉＮｂＯ₃ターゲットを使用してスパッタ成膜を行った場合のＶ_DCの時間変化の一例を示す特性図である。図４中のＨの状態を起点とした８０時間後からの、Ｖ_DCの時間変化を示す特性図である。

符号の説明

１０１…処理室、１０２…プラズマ生成室、１０４…基板ホルダ、１０５…ターゲット、１０５ａ…容器、１０６…真空導波管、１０７…石英窓、１０８…導波管、１１０…磁気コイル（磁場形成手段）、１１１…不活性ガス導入部、１１２…反応性ガス導入部、１２１…高周波電源、１２２…Ｖ_DCモニタ、１２３…マスフローコントローラ、１２４…制御部、Ｗ…基板。

Claims

不活性ガスのプラズマを生成した状態で酸素ガスを供給し、酸化物ターゲットに高周波電源を印加して前記酸化物ターゲットの原子をスパッタし、基板の上に前記酸化物の薄膜を形成するスパッタ成膜装置であって、
前記プラズマが生成された状態で、前記酸化物ターゲットに印加されている電位の平均値を検出するモニタと、
前記モニタが検出した電位の平均値に対応して前記酸素ガスの供給量を制御する制御手段と
を備えることを特徴とするスパッタ成膜装置。
請求項１記載のスパッタ成膜装置において、
前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により生成される
ことを特徴とするスパッタ成膜装置。