JP2007154224A - Sputtering method and sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
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及び装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for forming a thin film by sputtering.
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等であり、その目的に合わせて材質やプラズマ処理方法(プラズマCVD,ドライエッチング,スパッタリング等)が選ばれている。 In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit (hereinafter referred to as “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, etc. The material and plasma processing method ( Plasma CVD, dry etching, sputtering, etc.) are selected.
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 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.
従来のスパッタリング装置を図面を参照して説明する。 A conventional sputtering apparatus will be described with reference to the drawings.
図5はそれを概念的に示す縦断面図である。 FIG. 5 is a longitudinal sectional view conceptually showing this.
従来のスパッタリング装置は、真空引き可能な容器91でスパッタ室を形成し、スパッタ室の下方には導電性ターゲット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、導電性ターゲット92表面には弧状磁力線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。
In the conventional sputtering apparatus, a sputtering chamber is formed by a vacuum-
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)間に電源910により、所定のDC電力が与えられる。
A
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反応性ガスを含む所定のガス(例えばArガスとO2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。
In order to perform a film forming process with this sputtering apparatus, a substrate (for example, a wafer 99) is placed on the
そして、ターゲットに負のDC電圧を印加することでグロー放電を起こし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。発生したプラズマ中の+イオン(例えばAr+、O2 +等)は負のDC電圧によりターゲットに引き込まれターゲットの構成原子をスパッタリングする。飛び出したスパッタリング粒子は空間中の反応性ガスと反応し化合物となって基板に到達し薄膜となる。その際化合物は真空容器壁面や真空容器内の部材に付着するだけでなく、ターゲット表面のうちあまりスパッタリングされない部分に再付着していく。
Then, a negative DC voltage is applied to the target to cause glow discharge and generate plasma. The generated electrons in the plasma are trapped by arc-shaped
化合物が絶縁体である場合、ターゲット92に再付着した絶縁物表面がチャージアップし絶縁破壊を起こす。その際アーク放電が起こるがそれを起点に、グロー放電がアーク放電に移行してしまい、一度移行したアーク放電はグロー放電に戻ることはない。そうなってしまうともはやスパッタリング成膜を行うことが困難になってしまう。これを防ぐために電源910はアーク放電を検地すると数μ秒程度DC電圧をOFFしたのちに再びDC電圧印加するという動作を行うが、絶縁物の付着が多くなると、絶縁破壊が多発しこれでもスパッタリング成膜が困難になってしまう。そこでターゲットに周期的に数十V正電圧を印加することで、チャージアップした電荷を逃がしてやることが通常行われる。
In the case where the compound is an insulator, the surface of the insulator reattached to the
特許文献1に記載の発明には、2つのターゲットに正電圧と負電圧を印加し、それを周期的に入れ替えることで、2つのターゲットを交互にスパッタすることが記載されている。これにより、必ずどちらか一方のターゲットはアノードになりチャージアップした電荷は除去される。さらにどちらのターゲットもスパッタされるために常に金属面が露出するために放電は安定化される効果がある。
通常、ターゲットに印加される負のDC電圧は流れる電流との積(電圧×電流)すなわち電力が一定になるように制御されるのが一般的である。この電力、電流、電圧は放電インピーダンス(電圧/電流比)が一定であれば一意的に決まり、変動することがない。これはプラズマ状態が一定であり成膜速度等の再現性が確保できることを示している。しかし、絶縁物を成膜する反応性スパッタリングでは真空容器壁(接地電位)等に絶縁物が付着して行き、接地電位の面積が変動する。これはインピーダンスが変化することを示しており、電力を一定に制御しても電流、電圧は変動していくことになり、成膜速度もまた変動してしまう。 Usually, the negative DC voltage applied to the target is generally controlled so that the product of the flowing current (voltage × current), that is, the power becomes constant. The power, current, and voltage are uniquely determined as long as the discharge impedance (voltage / current ratio) is constant and do not fluctuate. This indicates that the plasma state is constant and the reproducibility such as the deposition rate can be secured. However, in reactive sputtering for forming an insulator, the insulator adheres to the vacuum vessel wall (ground potential) or the like, and the area of the ground potential varies. This indicates that the impedance changes, and even if the electric power is controlled to be constant, the current and voltage change, and the film formation rate also changes.
更に、厳密には金属部材−付着した絶縁部材−プラズマのキャパシタ構造になり、その面積と膜厚から非常に大きな容量を持つことになる。絶縁物の膜付着が進行するとその膜厚が変化し、必然的に形成される容量も変動する。これもまたインピーダンス変動の要因となり、成膜速度が変化してしまう。 Strictly speaking, the capacitor structure is a metal member-attached insulating member-plasma, and has a very large capacity due to its area and film thickness. As the film deposition of the insulator progresses, the film thickness changes, and the capacitance formed inevitably varies. This also causes impedance fluctuations and changes the deposition rate.
図6は従来のスパッタ装置において外径200mmのSiターゲットを用い、ArガスとO2ガスを導入したDC反応性スパッタリングの放電電流の推移を示したものである。放電後120分間の放電電流は上がり続けていることがわかる。 FIG. 6 shows the transition of the discharge current of DC reactive sputtering using a Si target having an outer diameter of 200 mm in a conventional sputtering apparatus and introducing Ar gas and O 2 gas. It can be seen that the discharge current for 120 minutes after discharge continues to rise.
以上のことから従来のスパッタリング方法および装置では、絶縁膜が付着していくと放電状態が変化し成膜速度が変化してしまい、高い再現性を確保できないという問題点がある。 From the above, the conventional sputtering method and apparatus have a problem that when the insulating film adheres, the discharge state changes and the deposition rate changes, and high reproducibility cannot be ensured.
また、2つのターゲットに正、負の電圧を印加するためには電源が2台必要となり、装置が高価になってしまうとうい問題点がある。 In addition, in order to apply positive and negative voltages to the two targets, two power supplies are required, and there is a problem that the apparatus becomes expensive.
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、1台の電源で安定放電が可能なスパッタリング方法および装置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 and apparatus capable of performing stable discharge with a single power source without changing the deposition rate even when an insulating film adheres to the wall of the vacuum vessel. is there.
本願第1の発明のスパッタリング装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置され複数の導電性ターゲットをそれぞれ載置するターゲットホルダと、前記真空容器内に反応性ガスを含むガスを導入するガス導入手段と、前記真空容器内のガスを排気するガス排気手段と、前記複数のターゲットホルダの少なくとも一つに正負を交互に反転可能な電圧を印加する電源とを有するスパッタリング装置であって、前記複数のターゲットホルダのうち少なくとも一つを接地電位とし、前記真空容器の内壁面は、フローティング電位である内容器で覆われる構造であることを特徴とする。 The sputtering apparatus according to the first aspect of the present invention includes a vacuum vessel, a target holder that is placed in the vacuum vessel and on which a plurality of conductive targets are placed, and a gas that introduces a gas containing a reactive gas into the vacuum vessel. A sputtering apparatus comprising: an introduction unit; a gas exhaust unit that exhausts gas in the vacuum vessel; and a power source that applies a voltage capable of alternately reversing positive and negative to at least one of the plurality of target holders, At least one of the plurality of target holders is set to a ground potential, and the inner wall surface of the vacuum vessel is covered with an inner vessel having a floating potential.
このとき、好適には前記正負交互に反転する電圧の波形が矩形波であることが望ましい。 At this time, it is preferable that the waveform of the voltage that is alternately inverted between positive and negative is a rectangular wave.
またさらに好適には、前記正負交互に反転する電圧の周波数が1MHz以下であることが望ましい。 More preferably, the frequency of the voltage that alternates between positive and negative is preferably 1 MHz or less.
またさらに好適には、前記真空容器中の前記複数の導電性ターゲットを囲むすべての導電性部材がフローティング電位であることが望ましい。 More preferably, it is desirable that all the conductive members surrounding the plurality of conductive targets in the vacuum vessel have a floating potential.
またさらに好適には、フローティング電位部材と接地電位との間に1pFから1μFの固定コンデンサを挿入することが望ましい。 More preferably, it is desirable to insert a fixed capacitor of 1 pF to 1 μF between the floating potential member and the ground potential.
また、本願第2の発明のスパッタリング方法は、真空容器内にガスを導入しつつ排気し、真空容器内に配置され複数の導電性ターゲットをそれぞれ載置するターゲットホルダの少なくとも一つに正負を交互に反転可能な電圧を印加することで、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するスパッタリング方法であって、前記複数のターゲットホルダのうち少なくとも一つを接地電位とし、前記真空容器の内壁面は、フローティング電位である内容器で覆われる構造であることを特徴とする。 Further, the sputtering method of the second invention of the present application is such that gas is introduced into the vacuum vessel and exhausted, and positive and negative are alternately placed on at least one of the target holders arranged in the vacuum vessel and mounting a plurality of conductive targets, respectively. A sputtering method for generating a plasma in a vacuum vessel by applying a reversible voltage to the substrate to process a substrate, wherein at least one of the plurality of target holders is set to a ground potential, and the inside of the vacuum vessel The wall surface has a structure covered with an inner container having a floating potential.
このとき、好適には前記正負交互に反転する電圧の波形が矩形波であることが望ましい。 At this time, it is preferable that the waveform of the voltage that is alternately inverted between positive and negative is a rectangular wave.
またさらに好適には、前記正負交互に反転する電圧の周波数が1MHz以下であることが望ましい。 More preferably, the frequency of the voltage that alternates between positive and negative is preferably 1 MHz or less.
またさらに好適には、前記真空容器中の前記複数の導電性ターゲットを囲むすべての導電性部材がフローティング電位であることが望ましい。 More preferably, it is desirable that all the conductive members surrounding the plurality of conductive targets in the vacuum vessel have a floating potential.
またさらに好適には、フローティング電位部材と接地電位との間に1pFから1μFの固定コンデンサを挿入することが望ましい。 More preferably, it is desirable to insert a fixed capacitor of 1 pF to 1 μF between the floating potential member and the ground potential.
真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、1台の電源で安定放電が可能なスパッタリング装置及び方法を提供することができる。 Even if an insulating film adheres to the vacuum vessel wall surface, the deposition rate does not change, and a sputtering apparatus and method capable of stable discharge with a single power source can be provided.
(実施の形態1)
図1に本発明の第1の実施の形態を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a first 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DC反応性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100mmのターゲット11bおよび下部電極12bを配し、さらにその外周に外周200mm、内周110mmのドーナツ状ターゲット11aおよびドーナツ状下部電極12aを配した。
This is an example of a DC reactive magnetron sputtering apparatus in which a substrate 99 (this time using a Si substrate) is placed in a
ターゲット11bおよびドーナツ状ターゲット11a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Siを用いた。Siは単結晶であり、導電性を得るためにBをドープしておりその抵抗率は0.01Ω・cmのものを用いた。ターゲット11bおよび下部電極12bの裏面には1対の磁石16aおよび16b(16aおよび16bは互いに逆の磁化特性を持っている)が配置されヨーク14bを介して磁気的に結合されているこれによりターゲット11b表面には弧状磁力線97が形成されている。
As the
また、ドーナツ状ターゲット11aおよびドーナツ状下部電極12aの裏面にもリング状磁石15a、15b、15cが配置されており、15aと15cは同じ磁化方向を持っており、15bは15a、15cとは逆の磁化を持っている。これらの磁石15a、15b、15cはドーナツ状ヨーク14aを介して磁気的に結合されている。これによりドーナツ状ターゲット11a上には弧状磁力線97が形成されている。真空容器91内空間はフローティング電位である内側容器13で覆われており2重構造となっている。
Also, ring-shaped
内側容器13はステンレスで形成されており表面はブラスト処理されており絶縁膜付着はない状態にした。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60mmとした。この基板保持機構98もステンレス製であり、真空容器91とは絶縁され、フローティング電位となっている。
The
ターゲット11aおよび11bは既に約2時間スパッタしており、エロージョン部分はSi面が露出しており、非エロージョン部はSiO2が再付着している状態のものを用いた。この真空容器91内をターボ分子ポンプ(図示せず)、ロータリーポンプ(図示せず)により8×10-4Paの圧力まで真空排気を行った。次に真空容器91中にArガスとO2ガス(Ar/O2流量=100sccm/100sccm)を導入し、コンダクタンスバルブ(図示せず)を用いて真空容器91内圧力を0.3Pa(グロー放電が維持できる圧力であれば良い)とした。ドーナツ状下部電極12aを接地電位とし、下部電極12bに±300V、周波数40kHz、デューティー比1:1の矩形波電圧を電源910により印加した。そのときの放電電流の時間変化を図2に示す。放電初期は変化するものの、放電開始10分後から110分間の放電電流の変化はほとんどなく安定した放電が実現できた。さらにこの間のアーク放電も抑制された。
The
以上の結果から真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、1台の電源で安定放電が可能となった。 From the above results, even when an insulating film adheres to the vacuum vessel wall surface, the deposition rate does not change, and stable discharge can be performed with one power source.
(実施の形態2)
図3に本発明の第2の実施の形態を示す。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
これは第1の実施の形態と同様、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DC反応性マグネトロンスパッタリング装置の例である。第1の実施の形態との相違点はフローティング電位である内側容器13と接地電位である真空容器91の間に30pFの固定コンデンサ31を挿入した点である。このコンデンサ31の容量は1pF〜1μFの間であれば良い。今回は固定コンデンサ31を挿入したが、真空容器91と内側容器13の間をテフロン(登録商標)等の絶縁部材で充填することで実現しても同様の効果が得られる。
As in the first embodiment, this is an example of a DC reactive magnetron sputtering apparatus in which a substrate 99 (this time using a Si substrate) is put into a
内側容器13は第1の実施の形態と同様にステンレスで形成されており表面はブラスト処理されており絶縁膜付着はない状態にした。ターゲット11aおよび11bも既に約2時間スパッタしており、エロージョン部分はSi面が露出しており、非エロージョン部はSiO2が再付着している状態のものを用いた。この真空容器91内をターボ分子ポンプ(図示せず)、ロータリーポンプ(図示せず)により8×10-4Paの圧力まで真空排気を行った。次に真空容器91中にArガスとO2ガス(Ar/O2流量=100sccm/100sccm)を導入し、コンダクタンスバルブ(図示せず)を用いて真空容器91内圧力を0.3Pa(グロー放電が維持できる圧力であれば良い)とした。
The
ドーナツ状下部電極12aを接地電位とし、下部電極12bに±300V、周波数40kHz、デューティー比1:1の矩形波電圧を電源910により印加した。そのときの放電電流の時間変化を図4に示す。放電初期は変化するものの、放電開始10分後から110分間の放電電流の変化はほとんどなく、第1の実施の形態よりもさらに安定した放電が実現できた。さらにこの間のアーク放電も抑制された。
The doughnut-shaped
以上の結果から真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、1台の電源で安定放電が可能となった。 From the above results, even when an insulating film adheres to the vacuum vessel wall surface, the deposition rate does not change, and stable discharge can be performed with one power source.
本発明にかかるスパッタリング方法および装置は、LSI等半導体デバイスにおける絶縁膜や光学デバイスにおける誘電体膜等を形成するための方法として有用である。 The sputtering method and apparatus according to the present invention are useful as a method for forming an insulating film in a semiconductor device such as an LSI or a dielectric film in an optical device.
91 真空容器
11b,92 ターゲット
11a ドーナツ状ターゲット
12b,93 下部電極
12a ドーナツ状下部電極
15a,15b,15c,16a,16b,94,95 磁石
14a,14b,96 ヨーク
31 固定コンデンサ
97 弧状磁力線
98 基板保持機構
99 基板
910 電源
91
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005347612A JP2007154224A (en) | 2005-12-01 | 2005-12-01 | Sputtering method and sputtering apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005347612A JP2007154224A (en) | 2005-12-01 | 2005-12-01 | Sputtering method and sputtering apparatus |
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JP2005347612A Pending JP2007154224A (en) | 2005-12-01 | 2005-12-01 | Sputtering method and sputtering apparatus |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009280882A (en) * | 2008-05-26 | 2009-12-03 | Panasonic Corp | Sputtering apparatus |
JP2013539219A (en) * | 2010-09-10 | 2013-10-17 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Method and system for depositing thin film transistors |
-
2005
- 2005-12-01 JP JP2005347612A patent/JP2007154224A/en active Pending
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