JP2015074812A - 成膜装置、成膜方法及び金属酸化物薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応性ガスの流量を高精度に制御することで目的とする膜質の薄膜を安定に成膜する成膜装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る成膜装置１００は、真空チャンバ１０と、排気ライン５０と、ガス導入ライン６０と、制御弁とを具備する。排気ライン５０は、真空チャンバ１０の内部を排気可能な真空ポンプ５２を含む。ガス導入ライン６０は、排気ライン５０に接続され、真空チャンバ１０へ反応性ガスを含むプロセスガスを導入する。制御弁５１は、排気ライン５０とガス導入ライン６０との接続点Ｊと真空チャンバ１０との間に配置され、真空ポンプ５２による真空チャンバ１０の排気速度とガス導入ライン６０から真空チャンバ１０へ導入されるプロセスガスの流量とを制御可能に構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、膜中の酸素濃度を高精度に制御することが可能な成膜装置、成膜方法及び金属酸化物薄膜の製造方法に関する。

半導体メモリには、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory ）などの揮発性メモリとフラッシュメモリなどの不揮発性メモリがある。不揮発性メモリとして、ＮＡＮＤ型のフラッシュメモリ等が知られているが、さらに微細化が可能なデバイスとして、ＲｅＲＡＭ（Resistance RAM）が注目されている。

ＲｅＲＡＭは、パルス電圧を受けて抵抗値が変化する可変抵抗体を抵抗素子として利用する。この可変抵抗体は、典型的には、酸化度、すなわち抵抗率の異なる２層以上の金属酸化物層であり、これらを上下電極ではさみこんだ構造をしている。酸化度が異なる酸化物の層構造を形成する方法として、金属からなるターゲットを酸素雰囲気でスパッタする、いわゆる反応性スパッタによって金属酸化物を形成する方法が知られている。例えば特許文献１には、金属からなるターゲットを酸素雰囲気でスパッタするいわゆる反応性スパッタによって、金属酸化物層を基板上に積層する方法が記載されている。

特開２００８−２４４０１８号公報

しかしながら、酸素の流量変化に対する金属酸化物層の抵抗率変化が大きいため、所望の抵抗率を有する金属酸化物層を基板上に均一に形成することは、一般的に困難である。例えば、ターゲット表面やシールド（防着板）表面における導入酸素の吸着等により、目的とする酸素濃度で金属酸化物層を成膜することは困難な場合が多い。特に、制御すべき酸素流量がＭＦＣ（マスフローコントローラ）では高精度に制御できない流量レベルであったり、反応性スパッタリングの遷移領域に含まれるような流量であったりすると、所望とする膜質を安定に成膜することはほぼ不可能であった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、反応性ガスの流量を高精度に制御することで目的とする膜質の薄膜を安定に成膜することができる成膜装置、成膜方法及び金属酸化物薄膜の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、真空チャンバと、排気ラインと、ガス導入ラインと、制御弁とを具備する。
前記排気ラインは、前記真空チャンバの内部を排気可能な真空ポンプを含む。
前記ガス導入ラインは、前記排気ラインに接続され、前記真空チャンバへ反応性ガスを含むプロセスガスを導入する。
前記制御弁は、前記排気ラインと前記ガス導入ラインとの接続点と前記真空チャンバとの間に配置され、前記真空ポンプによる前記真空チャンバの排気速度と前記ガス導入ラインから前記真空チャンバへ導入される前記プロセスガスの流量とを制御可能に構成される。

本発明の一形態に係る成膜方法は、排気速度を制御可能な制御弁を介して、真空チャンバの内部を真空ポンプによって排気することを含む。
前記制御弁と前記真空ポンプとの間に接続されたガス導入ラインを介して、反応性ガスを含むプロセスガスが前記真空ポンプによって排気されつつ、前記制御弁を介して前記真空チャンバの内部へ導入される。
前記真空チャンバ内で金属製ターゲットを前記プロセスガスのプラズマでスパッタすることで、基板上に金属化合物薄膜が形成される。

本発明の一形態に係る金属酸化物薄膜の製造方法は、排気速度を制御可能な制御弁を介して、真空チャンバの内部を真空ポンプによって排気することを含む。
前記制御弁と前記真空ポンプとの間に接続されたガス導入ラインを介して、酸素を含むプロセスガスが前記真空ポンプによって排気されつつ、前記制御弁を介して前記真空チャンバの内部へ導入される。
前記真空チャンバ内で金属製ターゲットを前記プロセスガスのプラズマでスパッタすることで、基板上に金属酸化物薄膜が形成される。

本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を示す概略断面図である。 上記抵抗変化素子のオン電流値と低抵抗金属酸化物層の酸素組成比との関係を示す実験結果である。 上記抵抗変化素子の電流−電圧特性を示す実験結果であり、（Ａ）は酸素組成比が１のとき、（Ｂ）は酸素組成比が１．５のときをそれぞれ示す。 上記抵抗変化素子のスイッチング特性を示す実験結果であり、（Ａ）は酸素組成比が１のとき、（Ｂ）は酸素組成比が１．５のときをそれぞれ示す。 本発明の一実施形態に係る成膜装置の概略側断面図である。 図５における［Ａ］−［Ａ］線方向断面図である。

本発明の一実施形態に係る成膜装置は、真空チャンバと、排気ラインと、ガス導入ラインと、制御弁とを具備する。
前記排気ラインは、前記真空チャンバの内部を排気可能な真空ポンプを含む。
前記ガス導入ラインは、前記排気ラインに接続され、前記真空チャンバへ反応性ガスを含むプロセスガスを導入する。
前記制御弁は、前記排気ラインと前記ガス導入ラインとの接続点と前記真空チャンバとの間に配置され、前記真空ポンプによる前記真空チャンバの排気速度と前記ガス導入ラインから前記真空チャンバへ導入される前記プロセスガスの流量とを制御可能に構成される。

上記成膜装置においては、排気バルブとして機能する上記制御バルブを介してプロセスガスを真空チャンバ内へ導入可能に構成される。このとき導入されたプロセスガスの大部分は真空ポンプにより排気されることになるが、制御バルブの開度、プロセスガスの導入量等を最適化することで、真空チャンバ内へ拡散するプロセスガスの量を微細に制御することが可能となる。これにより反応性ガスの流量を高精度に制御して目的とする膜質の薄膜を安定に成膜することが可能となる。

上記成膜装置は、筒状の隔壁と、ガス流路とをさらに具備してもよい。
上記隔壁は、前記真空チャンバの内部に配置され、前記真空チャンバの内部を成膜室と前記排気ラインに接続される排気室とに区画する。
上記ガス流路は、前記真空チャンバの底壁部と前記隔壁との間に設けられ、前記排気室へ導入された前記プロセスガスを前記成膜室へ供給する。
上記構成によれば、成膜室を区画する隔壁が筒状に形成されているため、排気室から成膜室へプロセスガスが等方的に供給される。これにより基板上における反応性ガスの濃度分布のばらつきが抑えられ、所望の膜特性を有する金属化合物層を基板面内に均一に形成することが可能となる。

反応性ガスとしては、酸素、窒素、炭素を含むガスが適用可能であり、目的とする金属化合物層の種類や膜特性に応じて適宜選択される。例えば、金属酸化物層を成膜する場合には反応性ガスとして酸素を用いることができ、添加する酸素量に応じて、金属酸化物層の抵抗率を調整することができる。プロセスガスとしては、上記各種の反応性ガスとスパッタ用ガスのアルゴン等の希ガスとの混合ガスを用いることができる。

前記成膜室は、前記底壁部に設置され基板支持用の支持面を有するステージと、前記天板部に設置され前記ステージに対向するスパッタリング用のターゲットとを含んでもよい。この場合、前記ガス流路は、前記支持面よりも前記底壁部側に設けられる。
これにより、ターゲットに対してより離れた位置からプロセスガスを成膜室へ供給することが可能となるため、ターゲット表面の酸化度等のばらつきを低減でき、スパッタ成膜される金属化合物層の面内均一性をより高めることができる。

本発明の一実施形態に係る成膜方法は、排気速度を制御可能な制御弁を介して、真空チャンバの内部を真空ポンプによって排気することを含む。
前記制御弁と前記真空ポンプとの間に接続されたガス導入ラインを介して、反応性ガスを含むプロセスガスが前記真空ポンプによって排気されつつ、前記制御弁を介して前記真空チャンバの内部へ導入される。
前記真空チャンバ内で金属製ターゲットを前記プロセスガスのプラズマでスパッタすることで、基板上に金属化合物薄膜が形成される。

上記成膜方法によれば、制御バルブの開度、プロセスガスの導入量等を最適化することで、真空チャンバ内へ拡散するプロセスガスの量を微細に制御することが可能となる。これにより反応性ガスの流量を高精度に制御して目的とする膜質の薄膜を安定に成膜することが可能となる。

前記真空チャンバは、筒状の隔壁の内部に形成された成膜室と前記隔壁の外部に形成された排気室とを有しもよい。この場合、前記プロセスガスは、前記排気室と、前記隔壁と前記真空チャンバとの間に形成されたガス流路を介して前記成膜室へ導入される。
排気室から成膜室へプロセスガスを等方的に供給されるため、基板上における反応性ガスの濃度分布のばらつきが抑えられ、所望の膜特性を有する金属化合物層を基板面内に均一に形成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る金属酸化物薄膜の製造方法は、排気速度を制御可能な制御弁を介して、真空チャンバの内部を真空ポンプによって排気することを含む。
前記制御弁と前記真空ポンプとの間に接続されたガス導入ラインを介して、酸素を含むプロセスガスが前記真空ポンプによって排気されつつ、前記制御弁を介して前記真空チャンバの内部へ導入される。
前記真空チャンバ内で金属製ターゲットを前記プロセスガスのプラズマでスパッタすることで、基板上に金属酸化物薄膜が形成される。

上記金属酸化物薄膜の製造方法によれば、制御バルブの開度、プロセスガスの導入量等を最適化することで、真空チャンバ内へ拡散するプロセスガスの量を微細に制御することが可能となる。これにより酸素流量を高精度に制御して目的とする抵抗率を有する金属酸化物薄膜を安定に成膜することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を示す概略断面図である。本実施形態では、抵抗変化素子を構成する金属酸化物層の成膜に用いられる成膜装置およびその成膜方法を例に挙げて説明する。

［抵抗変化素子］
まず、抵抗変化素子の概略構成について説明する。図１に示すように、抵抗変化素子１は、基板２、下部電極層３、第１の金属酸化物層４、第２の金属酸化物層５および上部電極層６を有する。

基板２は、例えばシリコン基板で構成されるが、これに限られず、ガラス基板等の他の基板材料が用いられてもよい。

下部電極層３は、基板２上に形成され、本実施形態ではＰｔ（白金）で形成される。なお、材料はこれに限定されず、例えばＨｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｎ（錫）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）などの遷移金属、あるいはこれらの合金（ＴａＳｉ、ＷＳｉ、ＴｉＳｉなどのシリコン合金、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどの窒素化合物、ＴａＣなどの炭素合金等）等を用いることができる。

第１の金属酸化物層４は、下部電極層３上に形成される。第２の金属酸化物層５は、第１の金属酸化物層４の上に形成される。第１及び第２の金属酸化物層４，５を構成する金属酸化物は特に限定されず、例えば、ＺｒＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＡｌＯｘ、ＳｉＯｘ，ＦｅＯｘ、ＮｉＯｘ、ＣｏＯｘ、ＭｎＯｘ、ＳｎＯｘ、ＺｎＯｘ、ＶＯｘ、ＷＯｘ、ＣｕＯｘ等の遷移金属の二元系の酸化物等を用いることができる。本実施形態では、第１及び第２の金属酸化物層４，５は、それぞれ、ＴａＯｘで構成される。

ここで、第１の金属酸化物層４を構成するＴａＯｘは、第２の金属酸化物層５を構成するＴａＯｘよりも酸化度が低く、酸素欠損を多数含む酸化物であり、その抵抗率は、例えば、１Ωｃｍより大きく１０⁶Ωｃｍ以下である。一方、第２の金属酸化物層５を構成するＴａＯｘは、化学量論組成に近い酸化物であり、その抵抗率は、例えば、１０⁶Ωｃｍより大きい値である。

第１及び第２の金属酸化物層４，５は、それぞれ同じ金属からなる酸化物で構成される場合に限られず、それぞれ異なる金属からなる酸化物で構成されてもよい。第１及び第２の金属酸化物層４，５の成膜方法は、本実施形態では反応性スパッタ法が採用される。スパッタ方式は特に限定されず、ＤＣスパッタ、パルスＤＣスパッタ、ＲＦスパッタ等の適宜の方式が採用可能である。

本実施形態の抵抗変化素子１において、第１の金属酸化物層４は、第２の金属酸化物層５よりも酸化度が低いため、第２の金属酸化物層５よりも低い抵抗率を有する。ここで、上部電極層６に負電圧、下部電極層３に正電圧をそれぞれ加えると、高抵抗である第２の金属酸化物層５中の酸素イオン（Ｏ²⁻）が低抵抗である第１の金属酸化物層４中に拡散し、第２の金属酸化物層５の抵抗が低下する（低抵抗状態）。一方、下部電極層３に負電圧、上部電極層６に正電圧をそれぞれ加えると、第１の金属酸化物層４から第２の金属酸化物層５へ酸素イオン（Ｏ²⁻）が拡散し、再び第２の金属酸化物層５の酸化度が高まり、抵抗が高くなる（高抵抗状態）。

すなわち、第２の金属酸化物層５は、下部電極層３及び上部電極層６間の電圧を制御することにより、低抵抗状態と高抵抗状態とを可逆的にスイッチングする。さらに、低抵抗状態および高抵抗状態は、電圧が印加されていなくても保持されるため、抵抗変化素子１は不揮発性メモリ素子として利用可能となる。

抵抗変化素子（ＲｅＲＡＭ）は、次世代メモリ候補の一つであり、高速動作かつ低消費電力の面で近年最も期待されている。そこで抵抗変化素子においては、そのスイッチング動作中（低抵抗状態もしくは低抵抗状態へ遷移したとき）に流れるオン電流は小さい方が、低消費電力になるとともに一度に大量の素子を起動させることができるので、高集積なメモリが期待される。また、スイッチングを繰り返すことで、酸素イオンが拡散するなどの理由により、電気特性が徐々に劣化することがわかり、デバイスの量産化に向けて、信頼性の観点から改善するべき課題があった。

本実施形態では、酸素欠乏している金属酸化物層（第１の金属酸化物層４）の酸素組成を制御することで、上記課題を解決した。すなわち、第１の金属酸化物層４の金属成分に対する酸素組成比をＲoxy（Ｏ／Ｔａ）とすると、１．２≦Ｒoxy≦１．８とすることで、デバイスの低電流化および信頼性の向上を実現することができる。

図２に、オン電流における第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｏ／Ｔａ；Ｒoxy）の依存性を示す。Ｒoxyが高くなるほどオン電流値が低下することがわかる。そして、Ｒoxyが１．２未満の場合、オン電流値が１ｍＡを超え、Ｒoxyが１．８を超える場合、オン電流値が１０μＡを大きく下回り、読み出し時のノイズに埋もれてしまったり、オン／オフ抵抗比（低抵抗と高抵抗との差）が小さくなることで読み出しミスが生じたりする可能性がある。したがって、デバイスの低電流化と、読み出しミスの発生を防止できる好適な酸素組成比は、１．２以上１．８以下である。

図３（Ａ）は、第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｒoxy）が１のときの抵抗変化素子のＩ−Ｖ特性を示す一実験結果である。図３（Ｂ）は、第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｒoxy）が１．５のときの抵抗変化素子のＩ−Ｖ特性を示す一実験結果である。Ｒoxy＝１のときのオン電流値に対して、Ｒoxy＝１．５のときのオン電流値が２桁程度低下することが確認された。

図４（Ａ）は、第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｒoxy）が１のときの抵抗変化素子のスイッチング特性を示す一実験結果である。図３（Ｂ）は、第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｒoxy）が１．５のときの抵抗変化素子のスイッチング特性を示す一実験結果である。図中、横軸はスイッチングの繰り返し回数、縦軸は０．５Ｖ印加時の抵抗値であり、黒丸はオン状態、すなわちオン電流が流れるときの抵抗値、白丸はオフ状態、すなわちオフ電流が流れるときの抵抗値をそれぞれ示す。Ｒoxy＝１のときはスイッチングを繰り返すことで高抵抗状態が低抵抗化していくのに対して、Ｒoxy＝１．５のときは高抵抗状態にバラツキはあるものの、一定以上のオン／オフ電流比を維持しつつ１０¹⁰回以上ものスイッチングを実現できることが確認された。

以上のように、第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｒoxy）を制御することで、素子の低消費電力化を実現でき、これにより一度に大量の素子を起動できることからデバイスの高集積化を図ることが可能となる。また、第１の金属酸化物層４の酸素組成比（Ｒoxy）を制御することで、素子のスイッチング耐久性を向上させ、これによりデバイスの信頼性を高めることができる。

本実施形態において、第１及び第２の金属酸化物層４，５は、Ｔａ金属ターゲットを酸素雰囲気中でスパッタする、反応性スパッタリング法で成膜される。膜中の酸素濃度は、典型的には、成膜室に導入される酸素の流量で制御される。

しかしながら、酸素の流量変化に対する金属酸化物層の抵抗率変化が大きいため、所望の抵抗率を有する金属酸化物層を基板上に均一に形成することは、一般的に困難である。例えば、ターゲット表面やシールド（防着板）表面における導入酸素の吸着等により、目的とする酸素濃度で金属酸化物層を成膜することは困難な場合が多い。特に、制御すべき酸素流量が、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）では高精度に制御できない流量レベルであったり、反応性スパッタリングの遷移領域に含まれるような流量であったりすると、所望とする膜質を安定に成膜することはほぼ不可能であった。

そこで本実施形態では、図５及び図６に示す成膜装置を用いて、第１及び第２の金属酸化物層４，５が形成される。以下、成膜装置の詳細について説明する。

［成膜装置］
図５及び図６は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す概略構成図であり、図５は側断面図、図６は図５における［Ａ］−［Ａ］線方向断面図である。本実施形態の成膜装置１００は、例えば、抵抗変化素子１の製造工程において第１及び第２の金属酸化物層４，５を成膜するためのスパッタ装置として構成される。

成膜装置１００は、真空チャンバ１０を有する。真空チャンバ１０は、アルミニウム、ステンレス等の金属材料で形成され、グランド電位に接続される。真空チャンバ１０は、底壁部１１と、天板部１２と、側壁部１３とを有し、内部を所定の真空雰囲気に維持可能に構成される。

真空チャンバ１０の内部には、基板Ｗを支持するための支持面３１を有するステージ３０と、金属ターゲット４１（本実施形態では、Ｔａターゲット）を含むターゲットユニット４０とがそれぞれ配置される。ステージ３０は真空チャンバ１０の底壁部１１に設けられ、ターゲットユニット４０は真空チャンバ１０の天板部１２に設けられる。ステージ３０とターゲットユニット４０とは相互に対向するようにそれぞれ配置される。

ステージ３０には、支持面３１に基板Ｗを静電的あるいは機械的に保持するためのチャッキング機構や、基板Ｗを所定温度に加熱または冷却するための温調ユニット等が備えられていてもよい。

ターゲットユニット４０は、ターゲット４１を支持するバッキングプレートやターゲット４１の表面に磁場を形成する磁気回路等が含まれてもよい。ターゲットユニット４０はバッキングプレートに所定の電力（直流、交流又は高周波）を供給するための電力源に接続される。電力源は、ターゲットユニット４０の一部として構成されてもよいし、ターゲットユニット４０とは別に構成されてもよい。

成膜装置１００は、真空チャンバ１０の内部を成膜室１０１と排気室１０２とに区画する筒状の隔壁２０を有する。本実施形態において隔壁２０は、天板部１２に固定される第１の端部２１と、底壁部１１に対向する第２の端部２２とを有する、例えばアルミニウム又はステンレス鋼製の金属板で構成される。

隔壁２０は、ステージ３０およびターゲットユニット４０を内部に収容できる大きさの円筒形状を有し、その隔壁２０の内部に成膜室１０１を形成する。成膜室１０１にはさらに、ステージ３０とターゲットユニット４０との間の領域の周囲を囲むように円筒形状の防着板２３が設置されている。

隔壁２０の外部には排気室１０２が形成される。成膜室１０１及び排気室１０２を含む真空チャンバ１０の内部は、真空チャンバ１０に接続された排気ライン５０によって所定の真空圧力にまで排気される。排気ライン５０は、排気バルブ５１と、排気バルブ５１を介して排気室１０２に接続される真空ポンプ５２とを含む。排気バルブ５１は、開度が調整可能な流量制御弁で構成される。真空ポンプ５２には例えばターボ分子ポンプが用いられ、必要に応じて補助ポンプが追加的に接続される。

成膜装置１００は、成膜用のプロセスガスを導入するためのガス導入ライン６０を有する。ガス導入ライン６０は、排気ライン５０に接続されており、さらに詳しくは、排気バルブ５１と真空ポンプ５２との間に接続される。

すなわち排気バルブ５１は、排気ライン５０とガス導入ライン６０との接続点Ｊと真空チャンバ１０との間に配置された制御バルブとして機能する。排気バルブ５１は、真空ポンプ５２による真空チャンバ１０（排気室１０２）の排気速度と、ガス導入ライン６０から真空チャンバ１０（排気室１０２）へ導入されるプロセスガスの流量とを制御可能に構成される。

本実施形態では、プロセスガスとして、スパッタ用ガスのアルゴンガスと反応性ガスである酸素との混合ガスが用いられる。ガス導入ライン６０は、メインバルブ６１と、メインバルブを介して排気ライン５０にそれぞれ接続されるアルゴン導入ライン６２ａおよび酸素導入ライン６２ｂとを含む。これらの導入ライン６２ａ，６２ｂは、複数のバルブおよびマスフローコントローラ、ガス源等を含む。

成膜室１０１と排気室１０２とは、ガス流路８０を介して相互に連通している。ガス流路８０は、真空チャンバ１０の側壁１３と隔壁２０の外周面との間に形成された環状の通路部８１と、通路部８１に連通し隔壁２０の周囲に形成された流路部８２とを含む。

本実施形態において流路部８２は、複数の孔で構成されるが、隔壁２０の全周にわたって形成された円弧状のスリット等で構成されてもよい。また流路部８２としては、隔壁２０の第２の端部２２と真空チャンバ１０の底壁部１１との間の環状の隙間で構成されてもよい。上記孔、スリットあるいは隙間の大きさ（幅あるいは高さ）は特に限定されず、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度に設定される。

流路部８２の形成位置は特に限定されないが、ターゲット４１からより離れた位置に流路部８２が設けられることで、流路部８２を介して成膜室１０１へ供給される反応性ガス（酸素）によるターゲット４１の表面反応（酸化）を抑制することができる。本実施形態では、流路部８２は、ステージ３０の支持面３１よりも真空チャンバ１０の底壁部１１側に設けられる。

成膜装置１００は、コントローラ７０をさらに有する。コントローラ７０は、典型的にはコンピュータで構成され、ターゲットユニット４０、排気ライン５０（排気バルブ５１、真空ポンプ５２）、ガス導入ライン６０等の動作を制御する。

［成膜方法］
次に、本実施形態に係る成膜方法について成膜装置１００の一動作例とともに説明する。

まず、ステージ３０の支持面３１に基板Ｗが載置される。ここでは基板Ｗとして、下部電極層３が上面に形成された基板２（図１）が用いられる。次に、コントローラ７０は排気ライン５０を駆動し、隔壁２０の内部に形成された成膜室１０１と隔壁２０の外部に形成された排気室１０２とをそれぞれ所定の減圧雰囲気に真空排気する。成膜室１０１は、ガス流路８０および排気室１０２を介して排気ライン５０により排気される。

成膜室１０１および排気室１０２が所定の真空圧力に到達した後、コントローラ７０はガス導入ライン６０を駆動し、排気バルブ５１を介して排気室１０２へプロセスガスを導入する。

この際、真空ポンプ５２は継続して駆動されている。したがって導入されたプロセスガスの大部分は真空ポンプ５２により排気されることになるが、排気ライン５０を介してプロセスガスが排気室１０２内へ拡散し得るように、排気バルブ５１の開度、プロセスガスの導入量等を設定される。これにより排気室１０２内へ拡散するプロセスガスの量を微細に制御しつつ、排気室１０２へ所定流量のプロセスガスを導入することができる。

例えば、真空ポンプ５２の排気速度を８００Ｌ／ｓｅｃ、排気バルブ５１の開度を４〜１６％に設定することで、１．０ｓｃｃｍのガス導入量の設定に対して、排気室１０２内へ約０．１〜０．４０ｓｃｃｍの流量のプロセスガスが導入可能である。例えば、排気バルブ５１の開度を１０％とし、ガス導入量を１．０ｓｃｃｍに設定したとき、排気室１０２内へ約０．２５ｓｃｃｍのプロセスガスが導入可能である。

本実施形態においてプロセスガスとしては、アルゴンと酸素の混合ガスが用いられる。アルゴンと酸素との混合比は特に限定されず、成膜するべき金属酸化物層の抵抗率によって酸素の添加量が調整される。上述のように成膜装置１００は、図１に示した抵抗変化素子１における第１，第２の金属酸化物層４，５の成膜に用いられる。

本実施形態では、第１の金属酸化物層４の成膜時には、酸素組成比（Ｒoxy）が１．２以上１．８以下であるタンタル酸化物を成膜できる酸素流量（第１の流量）に設定され、第２の金属酸化物５の成膜時には、化学量論組成のタンタル酸化物を成膜できる酸素流量（第２の流量）に設定される。第１および第２の流量は、酸素導入ライン６２ｂにより設定され、酸素導入ライン６２ｂによる流量設定は、コントローラ７０により制御される。

第１の流量の例として、酸素組成比（Ｒoxy）が１．２、１．５及び１．８のときの酸素流量はそれぞれ１０．０ｓｃｃｍ、１０．２ｓｃｃｍ及び１０．４ｓｃｃｍである。一方、第２の流量は、例えば、１５ｓｃｃｍである。なお、図示しない化学量論組成のタンタル酸化物からなるターゲットを備え、例えば酸素流量１０ｓｃｃｍで第２の金属酸化物層を形成してもよい。

排気室１０２へ導入されたプロセスガスは、ガス流路８０を介して成膜室１０１へ供給される。排気室１０２へのプロセスガスの導入により、成膜室１０１は排気室１０２よりも低圧となる。この状態を維持して、排気室１０２に導入されたプロセスガスは、真空チャンバ１０と隔壁２０との間に形成されたガス流路８０（通路部８１、流路部８２）を介して成膜室１０１へ等方的に拡散する。

一方、コントローラ７０は、ターゲットユニット４０を制御することで成膜室１０１内にプロセスガスのプラズマを形成する。プラズマ中のアルゴンイオンはターゲット４１をスパッタし、ターゲット４１から飛び出したスパッタ粒子は酸素と反応し、生成された酸化タンタル粒子は基板Ｗの表面に堆積する。これにより基板Ｗ上にタンタル酸化物（TaOx）層が成膜される。

コントローラ７０は、排気バルブ５１の流量制御により、成膜対象を第１の金属酸化物層４から第２の金属酸化物層５へ切り替える。本実施形態では、酸素流量が上記第１の流量に設定されることで第１の金属酸化物層４が成膜され、酸素流量が上記第２の流量に設定されることで第２の金属酸化物層５が成膜される。これにより同一の真空チャンバ１０において抵抗率が相互に異なる第１の金属酸化物層４と第２の金属酸化物層との連続成膜が可能となり、生産性の向上を図ることができる。

以上のように本実施形態においては、排気バルブ５１を介してプロセスガスを真空チャンバ１０内へ導入可能に構成されているため、排気バルブ５１に対するプロセスガスのコンダクタンスや排気ライン５０の排気速度等に応じた量のプロセスガスが真空チャンバ１０内に導入される。これにより微細な流量制御を高精度に実現することができる。したがって反応性ガスの流量を高精度に制御して目的とする抵抗率を有する薄膜を安定に成膜することが可能となる。

また本実施形態においては、成膜室１０１と排気室１０２との間の圧力差を利用して、プロセスガスがガス流路８０を介して排気室１０２から成膜室１０１へ供給される。このとき隔壁２０が筒状に形成されているため、排気室１０２から成膜室１０１へプロセスガスが等方的に供給される。これにより基板Ｗ上におけるプロセスガス中の酸素の濃度分布のばらつきが抑えられ、所望の膜特性を有する金属化合物層を基板Ｗの面内に均一に形成することが可能となる。

さらに本実施形態においては、隔壁２０と真空チャンバ１０の底壁部１１との間に形成された流路部８２を介してプロセスガスが成膜室１０１へ供給されるように構成される。これにより、真空チャンバ１０の天板部１２に設置されたターゲット４１に対してより離れた位置からプロセスガスを成膜室１０１へ供給することが可能となるため、プロセスガス中の酸素との接触によるターゲット４１の酸化が抑制される。これによりターゲット４１表面の酸化度のばらつきを低減でき、スパッタ成膜される金属酸化物層の抵抗率の面内均一性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態に係る抵抗変化素子１においては、第１の金属酸化物層４の酸素組成が化学量論量よりも少なく、第２の金属酸化物層５の酸素組成が化学量論量となるように構成されたが、これに代えて、第１の金属酸化物層４の酸素組成が化学量論量、第２の金属酸化物層５の酸素組成が化学量論量よりも少なく構成されてもよい。

また以上の実施形態では、プロセスガスに添加される反応性ガスに酸素を用いたが、反応性ガスの種類は目的とする金属化合物層の種類や膜特性に応じて適宜選定可能であり、例えば金属窒化物層を形成する場合には窒素を含むガス（例えばアンモニア）が選択され、金属炭化物層を形成する場合には炭素を含むガス（例えばメタン）が選択可能である。

また以上の実施形態では、成膜室１０１と排気室１０２とを区画する隔壁２０を備えた成膜装置１００を例に挙げて説明したが、隔壁２０は必要に応じて省略されてもよい。

また以上の実施形態では、それぞれ単一の排気ライン５０およびガス導入ライン６０を備えた成膜装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、排気ライン５０及び／又はガス導入ライン６０は複数設けられてもよい。

さらに以上の実施形態では、成膜装置としてスパッタ装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、ＣＶＤ装置や真空蒸着装置など、反応性ガスを含むプロセスガスを用いて真空中で成膜する各種成膜装置および成膜方法にも本発明は適用可能である。

１…抵抗変化素子
４，５…金属酸化物層
１０…真空チャンバ
２０…隔壁
３０…ステージ
４０…ターゲットユニット
５０…排気ライン
５１…排気バルブ
５２…真空ポンプ
６０…ガス導入ライン
７０…コントローラ
８０…ガス流路
８１…通路部
８２…流路部
１００…成膜装置
１０１…成膜室
１０２…排気室

Claims (6)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバの内部を排気可能な真空ポンプを含む排気ラインと、
   前記排気ラインに接続され、前記真空チャンバへ反応性ガスを含むプロセスガスを導入するためのガス導入ラインと、
   前記排気ラインと前記ガス導入ラインとの接続点と前記真空チャンバとの間に配置され、前記真空ポンプによる前記真空チャンバの排気速度と前記ガス導入ラインから前記真空チャンバへ導入される前記プロセスガスの流量とを制御可能な制御弁と
   を具備する成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置であって、
   前記真空チャンバの内部に配置され、前記真空チャンバの内部を成膜室と前記排気ラインに接続される排気室とに区画する筒状の隔壁と、
   前記真空チャンバの底壁部と前記隔壁との間に設けられ、前記排気室へ導入された前記プロセスガスを前記成膜室へ供給するガス流路とをさらに具備する
   成膜装置。
3. 請求項２に記載の成膜装置であって、
   前記成膜室は、前記底壁部に設置され基板支持用の支持面を有するステージと、前記天板部に設置され前記ステージに対向するスパッタリング用のターゲットとを含み、
   前記ガス流路は、前記支持面よりも前記底壁部側に設けられる
   成膜装置。
4. 排気速度を制御可能な制御弁を介して、真空チャンバの内部を真空ポンプによって排気し、
   前記制御弁と前記真空ポンプとの間に接続されたガス導入ラインを介して、反応性ガスを含むプロセスガスを前記真空ポンプによって排気しつつ、前記制御弁を介して前記真空チャンバの内部へ導入し、
   前記真空チャンバ内で金属製ターゲットを前記プロセスガスのプラズマでスパッタすることで、基板上に金属化合物薄膜を形成する
   成膜方法。
5. 請求項４に記載の成膜方法であって、
   前記真空チャンバは、筒状の隔壁の内部に形成された成膜室と前記隔壁の外部に形成された排気室とを有し、
   前記プロセスガスは、前記排気室と、前記隔壁と前記真空チャンバとの間に形成されたガス流路を介して前記成膜室へ導入される
   成膜方法。
6. 排気速度を制御可能な制御弁を介して、真空チャンバの内部を真空ポンプによって排気し、
   前記制御弁と前記真空ポンプとの間に接続されたガス導入ラインを介して、酸素を含むプロセスガスを前記真空ポンプによって排気しつつ、前記制御弁を介して前記真空チャンバの内部へ導入し、
   前記真空チャンバ内で金属製ターゲットを前記プロセスガスのプラズマでスパッタすることで、基板上に金属酸化物薄膜を形成する
   金属酸化物薄膜の製造方法。

Images