JP2007042818A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタにより成膜された基板上のＰＺＴ膜への、防着板上の堆積膜からの再蒸発Ｐｂの付着によるＰｂ組成比の増加に関し、前記成膜におけるＰｂ組成比の制御を可能にする。
【解決手段】スパッタ装置のチャンバ内に、基板表面より下側で、その基板を載置する支持台が搭載されたペデスタル側面とチャンバ底壁とを覆って、絶縁体を介して底壁に固定された下方防着板を設け、前記下方防着板に電位を印加可能のようにし、前記印加電位の制御によって、成膜ＰＺＴ中のＰｂ組成比を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程などに用いられる成膜装置及び成膜方法に関し、特にプラズマスパッタによる成膜の膜組成制御において効果的な装置および方法に関するものである。

消費電力や書き換え回数、書き込み速度などの点で優れた性能をもつ不揮発性メモリの一つである強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）の作製においては、そのキャパシタの材料として用いられる、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3）、以下ＰＺＴと称す。）に代表される強誘電体膜の成膜、中でもその成分組成の比率を制御して成膜することは、良好なメモリ性能を実現する上で重要な技術要素となっている。

ＰＺＴの強誘電体膜の作製は、近年、ＰＺＴをターゲットとし、Ａｒガスなどをプラズマガスとして用いるＲＦスパッタ法が主流となっている。

図３は、従来のスパッタ装置を説明するための模式図である。スパッタ装置１００は、基本的に陰極と陽極からなる２極放電管構造を構成しており、陰極はターゲット１０１が、陽極は基板１０２を載置するための支持台１０３が各極に相当している。

この構成を用い、スパッタによって基板上への成膜が行われる動作手順は以下のようになる。まず、チャンバ（真空槽）１０４中に、図示されないガス供給装置によりガス供給経路１０５からＡｒ（アルゴン）ガスを導入し、同時に図示されないガス排気装置によりガス排出経路１０６からガスの排気を行う。チャンバ１０４内を、Ａｒガスの供給量などを制御するなどして、所定のガス圧力に制御しつつ、電源１０７から直流または交流（本図では、ＲＦスパッタ装置の説明を意図しているため交流を示す。）の負の電圧を印加する。これにより、Ａｒガスはプラズマ状態となって正イオン化され、この正イオンがターゲット１０１の表面に衝突し、この表面からスパッタ粒子を放出させる。放出されたスパッタ粒子は、支持台１０３に載置された基板１０２に沈着して、スパッタ粒子からなるＰＺＴ膜が形成される。

そのとき、ターゲット１０１の表面で閉じるような磁力線が生じさせるための磁石（マグネトロン磁石）１０８をターゲットの裏面に配置することにより、より高密度なプラズマを発生させることができるため、基板１０２上への成膜をより効率的に行うことができる。

このプロセスにおいて、多くのスパッタ粒子は基板１０２の表面だけではなく、チャンバ１０４内の内壁面などにも拡散するため、この内壁面からターゲット１０１が直接見えないようにして内壁面にスパッタ粒子が付着しないように防着板（シールド）１０９を配置するなどの対策を講じている。その際、図示されているように、ガスの供給・排気などに支障の無いように、また次に述べるような防着板の交換などに便利のように、適宜、防着板１０９を分割などして配置する。

継続的にスパッタ装置を使用することにより、防着板１０９に付着したスパッタ粒子が堆積し続けるため、例えば、堆積膜が剥がれ落ちるなどしてダスト・パーティクル等の発生の原因になったり、排気特性の悪化などをきたすため、一定稼働時間の後に防着板１０９を取り外して洗浄・交換を行う必要がある。

ＰＺＴのスパッタによる成膜においては、ＰＺＴ中におけるＰｂ（鉛）の構成比率の制御は強誘電体電気特性を左右する重要な要因のひとつである。ところが、ＰＺＴのスパッタを継続的に実施していくと、ガス圧や成膜電力など一定条件で成膜を行っているにも関わらず、防着板の使用時間の経過とともに、基板に成膜されるＰＺＴ膜中のＰｂの構成比率が増加するといった現象がみられる。この現象は、ＰｂがＰＺＴ中の他の元素であるＺｒやＴｉよりも蒸気圧が高いため、プラズマにさらされた防着板の温度上昇により、防着板上に付着したスパッタ堆積膜中のＰｂがチャンバ中に容易に再蒸発し、基板に付着することが原因と考えられる。そのため、防着板上にスパッタ堆積膜が増加するにつれ、基板上に成膜されるＰＺＴ膜中のＰｂの構成比率が増加することともなる。

デバイスの製造プロセスにおいては、基板上に成膜されるＰＺＴ中のＰｂ構成比率を所望の値に制御する方法として、成膜ガス圧の調整もしくはスパッタガスであるＡｒガスの流量の調整が有効とされる。

図４は、Ａｒガスの流量とその時に成膜されたＰＺＴ膜中のＰｂの構成比率の実験結果を示したものである。横軸にＡｒ流量（単位はｓｃｃｍ。これは、standard cc/minを意味し、Ａｒを1 atm. 0℃に規格化したときの1minあたり流量（cc）を示す）、縦軸は、ＰＺＴ膜中のＺｒ量とＴｉ量の和に対するＰｂ量の比（元素濃度組成比）を示す。なおＰＺＴ中のＰｂ元素組成比は、斜め入射蛍光Ｘ線により組成分析して求めた。図中のＡ、Ｂ、Ｃは、スパッタ装置とそのスパッタ継続使用時間がそれぞれ異なる三つのケースについての例を示している。図から明らかのように、Ａｒの流量を減少することが、ＰＺＴ中のＰｂ量を相対的に減少することが有効であることが解る。

しかしながら、プラズマ励起が行われるためのＡｒ圧は下限があるため、プラズマ励起が生じなくなるようなＡｒ圧あるいはスパッタ時のＡｒ流量まで下げざるを得なくなったときには、防着板からのＰｂの供給を無くするためにプラズマ堆積物の無い防着板に交換する必要がある。このときは、チャンバを大気に開放することになり、装置稼働率が低下し、製品のアウトプットの減少を引き起こす。

こういった、防着板に付着したＰＺＴスパッタ堆積物からの基板上への、Ｐｂの再付着、特に不均一な再付着を回避するための電位制御や温度制御を行う装置・方法が提案されている（特許文献１）。この提案における装置は図５に示すような構造になっているとされ、とくにシールド（防着板）１８ｃがウエハ１２の直近の周辺部に存在し、かつウエハと同一のないしそれ以上の高さを有してターゲット１４側に近づくように配されている。ここにおいて、分割されたサセプタ１３ａ、１３ｂの電位をそれぞれ変えることでサセプタの電位分布や温度分布を制御するほかに、とくにシールド１８ｃの電位を制御、具体的にはプラズマとシールド１８ｃとの電位差の絶対値を小さくなるように制御することによりシールド１８ｃ上のＰｂのスパッタによる再蒸発量自体が少なくなり、ウエハ１２上のＰｂ量の分布が均一化されるとしている。またそのシールド１８ｃのとくにサセプタ１３近傍の個所に温度制御する冷却手段である水冷パイプ２０を設けてこれからのＰｂの再蒸発を少なくし、同様にウエハ１２上のＰｂ量の分布が均一化されるとしている。

しかし、上記の提案されたスパッタ装置においては、シールド１８ｃの表面がプラズマに曝されているときにスパッタされたＰｂ原子が容易にウエハ表面に付着してしまう配置構造となっているため、電位差を小さくしてシールド１８ｃへのプラズマ照射量を抑制しようとするものの、プラズマとの電位差は必ず生じるためにシールド１８ｃへのプラズマ照射が必ず発生することとなる。従って、この装置では電位差の絶対値を小さくなるように制御してＰｂの付着量を相対的に少なくはできても効果的に抑制することはできないといった課題がある。一方、シールド１８ｃに温度制御する冷却手段２０を設ける手段はＰｂの再蒸発の抑制には有効であるが、シールドに水冷パイプなどを取り付ける必要があるなどシールド構造が複雑化し特に取り外し容易性などの課題が残る。

そこで、本発明の目的は、より容易に基板へのＰｂの再付着の制御を可能にしつつ、基板に成膜されるＰＺＴ膜のＰｂ組成比率を制御可能とする成膜装置と成膜方法を提供することにある。
特許第３３２１４０３号公報

本発明の目的は、真空を維持可能な、蓋壁、側壁、及び底壁からなるチャンバと、前記チャンバ内の排気を行う真空排気手段と、前記チャンバ内に処理ガスを供給しつつ排気を行うガス供給排気手段と、前記チャンバ内の蓋壁内にシールして配置されたターゲットと、前記チャンバ内の側壁に沿って配置された防着板と、前記チャンバ内の底壁に設けられ、前記ターゲットに対向するように配置された基板を載置するための支持部と、前記ターゲットに負の電圧を印加し前記処理ガスをプラズマ化する電源とを備えた成膜装置において、前記基板の表面よりも前記底壁側で、前記支持部の側面と前記底壁の内側とを覆い、かつ絶縁物を介して前記底壁の内側に固定された下方防着板を有することを特徴とする成膜装置、によって可能となる。

また、その装置は、前記下方防着板に電位を与える手段を有することを特徴とする。

そして、本発明の目的は、真空を維持可能な、蓋壁、側壁、及び底壁からなるチャンバ内を真空排気し、前記チャンバ内に処理ガスを供給しつつ排気し、前記チャンバ内の蓋壁内にシールして配置されたターゲットに負の電圧を印加して前記処理ガスをプラズマ化し、前記チャンバ内の側壁に沿った防着板によって側壁への膜の堆積を防御し、前記チャンバ内の底壁に設けられ、前記ターゲットに対向するように配置された支持部上に載置された基板の表面に成膜を行う成膜方法において、前記基板の前記表面よりも前記底壁側で、前記支持部の側面と前記底壁の内側とを覆い、かつ絶縁物を介して前記底壁の前記内側に固定された下方防着板における電位を制御して、前記基板表面に成膜される膜の成分組成比を制御することを特徴とする成膜方法、によって可能となる。

また、その方法は、前記ターゲットはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、前記成分組成比は、チタン（Ｔｉ）とジルコン（Ｚｒ）成分に対する鉛（Ｐｂ）成分の比であることを特徴とする。

また、その方法は、前記処理ガスは、アルゴン（Ａｒ）であることを特徴とする。

本発明の成膜装置により、下方防着板の電位を制御することで、基板上に成膜したＰＺＴ膜中のＰｂ組成比が制御可能となる。このときプラズマ電位と下方防着板の電位との電位差が大きいほど、膜中のＰｂ組成比が小さくなる。この装置・方法を適用することで、スパッタ装置の防着板の継続使用時間はより長くなり、防着板の交換・洗浄のための大気開放する頻度が大幅に減少することで、製造コストの削減が実現できる。

以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。

（実施の形態）
図１に本発明の実施の形態を示すスパッタ装置の模式図を示す。

図１に図示されるように、スパッタ装置１は、蓋壁２、側壁３及び底壁４で構成される真空維持可能なチャンバを有しており、図示されないガス供給装置によりガス供給経路５からＡｒガスを導入し、図示されないガス排気装置によりガス排出経路６からガスの排気を行う。チャンバの蓋壁２の内側にスパッタ材料であるＰＺＴなどのターゲット７がシールするように配され、また側壁３の内側に沿うように複数の防着板８が設けられる。ターゲット７に対向するように、チャンバの底壁４の内側に所要の高さを有する成膜対象の基板１１を載置する支持部が設置されるが、本装置構成においては、支持部は所要の高さを有するペデスタル９とその上に固定設置された、基板１１を保持するための支持台１０からなることを示す。電源１２から負電圧（この場合はＲＦ電源からの交流電圧）がターゲット７に印加され、Ａｒガスがプラズマ状態となり、その正イオンがターゲット７表面に衝突してスパッタ粒子を放出させる。プラズマの高密度化のために、磁石（マグネトロン磁石）１３がターゲット７の裏側に設けられる。

さらに、基板１１の表面よりもターゲット７側にはならない低い位置、すなわち基板１１の表面よりも底壁４側であって、支持部のペデスタル９の周囲側面とチャンバの底壁４の内側とを覆い、かつ底壁４の内側と電気的に絶縁可能のように絶縁体１５を介して底壁４固定されるように、下方防着板１４が設けられる。そしてこの下方防着板１４に電源１６によって電位が与えることができるように、プラズマ電位と異なる電位をこの下方防着板１４に与えることが可能のようにする。この電源１６は、バイアス電源を用いて電位を印加する方法以外に、抵抗、コンデンサ、コイル等の回路部品を用いてインピーダンスを変えて電位を変える方法を用いても良い。

このように下方防着板１４を配置した本スパッタ装置においては、下方防着板１４表面に堆積したＰＺＴ膜がスパッタ状態に曝されても、構造的に、その堆積膜の構成元素が基板１１表面に再付着しにくいという特徴を有している。さらに、この構造において、下方防着板１４の電位を、プラズマ電位に対して電位差を大きく取るように設定することにより、積極的に下方防着板１４表面をスパッタする効果を持つようにすることで、下方防着板１４へのスパッタ粒子の堆積効果を抑制することができるため、プラズマに曝されて下方防着板１４の温度が上昇しても、堆積膜中のＰｂの再蒸発による基板１１への付着が格段に減少することが可能となる。

図２に、このスパッタ装置を用いて、下方防着板１４の電位を変化させたときの、スパッタによって基板１１（ウエハ）上に成膜されたＰＺＴにおける、ウエハ径方向の位置に対するＰｂの組成比の測定結果を示す。Ｐｂの組成比は、先に述べた図４と同様に、斜め入射蛍光Ｘ線による組成分析により求めた。図２の横軸は、基板（ウエハ）の中心（０位置）からの距離（ｍｍ）であり、縦軸はその位置における、（Ｚｒ＋Ｔｉ）量に対するＰｂ量の比である。プロットした測定点は、それぞれ下方防着板１４の電位を０Ｖしたときとフローティングにしたときの場合をそれぞれ示す。

この図２からは、下方防着板１４の電位が０Ｖの場合のほうがフローティングの場合よりもウエハの付着するＰｂの量が少ない。つまり、プラズマ電位と下方防着板１４の電位差を大きく取った方が基板（ウエハ）表面へのＰｂの堆積量が少なくなる。このことから、
下方防着板１４の電位を変化させることによって、ＰＺＴのスパッタによって基板（ウエハ）表面に形成される膜のＰｂの組成比を変えることが可能となる。下方防着板１４をフローティング状態にすることは、図１において電源１６による電位をかけない状況に置くことを意味し、絶縁体１５上に配置されたままの状態である。この場合でも実質、下方防着板１４には、スパッタ時の諸条件によるが、自己バイアス的な電位があると見られる。また０Ｖの電位は下方防着板１４をチャンバの底壁などに電気的に直接連結するようにして、接地状況においた状態である。下方防着板１４の電位をこの両者の間の電位を設定することや、更により大きな電位になるように電源１６を設定することは可能であり、これらの電位の設定制御で、成膜中のＰｂの組成比を制御することを実現できることは明らかである。

上記のように、スパッタ成膜されたＰＺＴ中のＰｂの組成比の制御が、下方防着板１４の電位の制御で可能となるということは、製造プロセス上、大きなメリットをもたらす。先に述べたように、継続してスパッタ装置を使用するに従い、すなわち防着板の使用時間の経過とともに、基板に成膜されるＰＺＴ膜中のＰｂの構成比が増加するといった現象がある。これに対処するために、本発明により、防着板の使用時間の経過に従い、下方防着板１４の電位を制御、すなわち一定電位の付加の状態から０Ｖ状態の方向に電位制御を行うことで、Ｐｂの組成比を下げる方向に制御することができる。従来なされていたように、図４で示したＡｒ流量の減少化でのＰｂ組成比の減少化操作を行う場合、Ａｒが所定量以下となることによるプラズマ励起の不可能化に至って、防着板の交換・洗浄のためのチャンバの大気開放といった装置メンテナンスのため、この装置での製造プロセス実施を中断せざるを得なくなる。このスパッタ装置が製造上利用不可能となる頻度や期間を、本発明の、下方防着板１４の電位の制御を用いることで、大幅に減少することができ、防着板の洗浄・交換の工数の減少を含め、製造コストダウンを図ることも可能となる。

以上の実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）真空を維持可能な、蓋壁、側壁、及び底壁からなるチャンバと、
前記チャンバ内の排気を行う真空排気手段と、
前記チャンバ内に処理ガスを供給しつつ排気を行うガス供給排気手段と、
前記チャンバ内の蓋壁内にシールして配置されたターゲットと、
前記チャンバ内の側壁に沿って配置された防着板と、
前記チャンバ内の底壁に設けられ、前記ターゲットに対向するように配置された基板を載置するための支持部と、
前記ターゲットに負の電圧を印加し前記処理ガスをプラズマ化する電源とを備えた成膜装置において、
前記基板の表面よりも前記底壁側で、前記支持部の側面と前記底壁の内側とを覆い、かつ絶縁物を介して前記底壁の内側に固定された下方防着板を有することを特徴とする成膜装置。

（付記２）前記下方防着板に電位を与える手段を有することを特徴とする付記１記載の成膜装置。

（付記３）前記電位を与える手段は、バイアス調整による方法あるいはインピーダンス調整による方法であることを特徴とする付記２記載の成膜装置。

（付記４）真空を維持可能な、蓋壁、側壁、及び底壁からなるチャンバ内を真空排気し、
前記チャンバ内に処理ガスを供給しつつ排気し、
前記チャンバ内の蓋壁内にシールして配置されたターゲットに負の電圧を印加して前記処理ガスをプラズマ化し、
前記チャンバ内の側壁に沿った防着板によって側壁への膜の堆積を防御し、
前記チャンバ内の底壁に設けられ、前記ターゲットに対向するように配置された支持部上に載置された基板の表面に成膜を行う成膜方法において、
前記基板の表面よりも前記底壁側で、前記支持部の側面と前記底壁の内側とを覆い、かつ絶縁物を介して前記底壁の前記内側に固定された下方防着板における電位を制御して、前記基板表面に成膜される膜の成分組成比を制御することを特徴とする成膜方法。

（付記５）前記ターゲットはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、前記成分組成比は、チタン（Ｔｉ）とジルコン（Ｚｒ）成分に対する鉛（Ｐｂ）成分の比であることを特徴とする付記４記載の成膜方法。

（付記６）前記処理ガスは、アルゴン（Ａｒ）であることを特徴とする付記３または５記載の成膜方法。

（付記７）前記プラズマの電位と前記下方防着板における電位との電位差をより大きくする方向に制御することで前記成膜組成比が少なくなる方向に制御することを特徴とする付記４ないし６のいずれかに記載の成膜方法。

本発明の実施例のスパッタ装置を説明するための装置構成図 本発明によりＰｂ組成比の変化を表す実験結果を示す図 従来のスパッタ装置を説明するための装置構成図 従来の装置でのＡｒ流量とＰｂ組成比の関係を表す実験結果を示す図 従来のスパッタ装置提案例を説明するための図

符号の説明

１、１００ スパッタ装置
２ 蓋壁（チャンバ）
３ 側壁（チャンバ）
４ 底壁（チャンバ）
５、１０５ ガス供給経路
６、１０６ ガス排出経路
７、１０１ ターゲット
８、１０９ 防着板
９ ペデスタル
１０、１０３ 支持台
１１、１０２ 基板
１２、１０７ 電源（プラズマ化用）
１３、１０８ 磁石（マグネトロン磁石）
１４ 下方防着板
１５ 絶縁体
１６ 電源（下方防着板用）
１０４ チャンバ

Claims (5)

1. 真空を維持可能な、蓋壁、側壁、及び底壁からなるチャンバと、
   前記チャンバ内の排気を行う真空排気手段と、
   前記チャンバ内に処理ガスを供給しつつ排気を行うガス供給排気手段と、
   前記チャンバ内の蓋壁内にシールして配置されたターゲットと、
   前記チャンバ内の側壁に沿って配置された防着板と、
   前記チャンバ内の底壁に設けられ、前記ターゲットに対向するように配置された基板を載置するための支持部と、
   前記ターゲットに負の電圧を印加し前記処理ガスをプラズマ化する電源とを備えた成膜装置において、
   前記基板の表面よりも前記底壁側で、前記支持部の側面と前記底壁の内側とを覆い、かつ絶縁物を介して前記底壁の内側に固定された下方防着板を有することを特徴とする成膜装置。
2. 前記下方防着板に電位を与える手段を有することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 真空を維持可能な、蓋壁、側壁、及び底壁からなるチャンバ内を真空排気し、
   前記チャンバ内に処理ガスを供給しつつ排気し、
   前記チャンバ内の蓋壁内にシールして配置されたターゲットに負の電圧を印加して前記処理ガスをプラズマ化し、
   前記チャンバ内の側壁に沿った防着板によって側壁への膜の堆積を防御し、
   前記チャンバ内の底壁に設けられ、前記ターゲットに対向するように配置された支持部上に載置された基板の表面に成膜を行う成膜方法において、
   前記基板の前記表面よりも前記底壁側で、前記支持部の側面と前記底壁の内側とを覆い、かつ絶縁物を介して前記底壁の前記内側に固定された下方防着板における電位を制御して、前記基板表面に成膜される膜の成分組成比を制御することを特徴とする成膜方法。
4. 前記ターゲットはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、前記成分組成比は、チタン（Ｔｉ）とジルコン（Ｚｒ）成分に対する鉛（Ｐｂ）成分の比であることを特徴とする請求項３記載の成膜方法。
5. 前記処理ガスは、アルゴン（Ａｒ）であることを特徴とする請求項３または４記載の成膜方法。

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