JP2020128571A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属膜の堆積と堆積された金属膜の酸化処理とを同一の処理容器内で行う際に、金属ターゲットの酸化を抑制する。【解決手段】成膜装置は、処理容器と、処理容器内で基板を保持する基板保持部と、基板保持部の上方に配置され、金属からなるターゲットを保持し、電源からの電力をターゲットに給電するターゲット電極と、基板に酸化ガスを供給する酸化ガス導入機構と、ターゲット配置空間に不活性ガスを供給するガス供給部とを具備する。ターゲットからその構成金属がスパッタ粒子として放出されて基板上に金属膜が堆積され、酸化ガス導入機構から導入された酸化ガスにより金属膜が酸化されて金属酸化膜が成膜される。ガス供給部は、酸化ガスが導入される際に、ターゲット配置空間に不活性ガスを供給して処理空間の圧力よりも陽圧になるようにする。【選択図】図６

Description

本開示は、成膜装置および成膜方法に関する。
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤＤ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｄｒｉｖｅ）等の磁気デバイスには、磁性膜と金属酸化膜とからなる磁気抵抗素子が用いられる。このような金属酸化膜を成膜する成膜装置として、特許文献１には、処理容器と、処理容器内で被処理体を保持する保持部と、金属のターゲットと、保持部に向けて酸素ガスを供給する導入部とを有するものが記載されている。特許文献１の成膜装置では、スパッタリングによる金属膜の堆積と、金属膜の酸化・結晶化とを一つの処理容器内で行うので、金属酸化膜の成膜を短時間で行うことができる。
特開２０１６−３３２４４号公報
本開示は、金属膜の堆積と堆積された金属膜の酸化処理とを同一の処理容器内で行う際に、金属ターゲットの酸化を抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供する。
本開示の一態様に係る成膜装置は、基板に酸化膜を成膜する成膜装置であって、処理容器と、前記処理容器内で基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部の上方に配置され、金属からなるターゲットを保持し、電源からの電力を前記ターゲットに給電するターゲット電極と、前記基板保持部に保持された基板に酸化ガスを供給する酸化ガス導入機構と、前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、を具備し、前記ターゲット電極を介して給電された前記ターゲットからその構成金属がスパッタ粒子として放出されて前記基板上に金属膜が堆積され、前記酸化ガス導入機構から導入された酸化ガスにより前記金属膜が酸化されて金属酸化膜が成膜され、前記ガス供給部は、前記酸化ガスが導入される際に、前記ターゲット配置空間に不活性ガスを供給して、前記ターゲット配置空間の圧力を前記基板が配置される処理空間の圧力よりも陽圧になるように不活性ガスを導入する。
本開示によれば、金属膜の堆積と堆積された金属膜の酸化処理とを同一の処理容器内で行う際に、金属ターゲットの酸化を抑制することができる成膜装置および成膜方法が提供される。
第１の実施形態に係る成膜装置を示す断面図である。 第１の実施形態に係る成膜装置において実施可能な一実施形態の成膜方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る成膜装置の金属膜堆積時の状態を示す断面図である。 図３の状態の第１の実施形態に係る成膜装置において、ターゲットからスパッタ粒子を放出した状態を示す断面図である。 酸化ガス供給時に不活性ガスを供給しない場合の酸化ガスの流れを説明するための断面図である。 酸化ガス供給時に不活性ガスを供給した場合の状態を説明するための断面図である。 第１の実施形態において、酸化処理の際に不活性ガスとしてＡｒガスを供給することによる、Ｏ２ガスの侵入防止効果を確認した実験結果を示す図である。 第１の実施形態において、酸化処理の際に、Ｏ２ガスとともにＡｒガスを供給した場合の効果について確認した実験結果を示す図である。 第２の実施形態に係る成膜装置の一部を示す断面図である。 図９の成膜装置において、仕切り部（第１の仕切り板）を上昇させた状態を示す図である。 第２の実施形態に係る成膜装置において実施可能な一実施形態の成膜方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る成膜装置において実施可能な他の実施形態の成膜方法を示すフローチャートである。 図１２の成膜方法における特徴部分を説明する断面図である。 第２の実施形態に係る成膜装置において実施可能なさらに他の実施形態の成膜方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る成膜装置の変形例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る成膜装置を示す断面図である。本実施形態の成膜装置１は、基板Ｗ上にスパッタリングによって金属膜を堆積した後、酸化処理を行って金属酸化膜を成膜するものである。基板Ｗとしては、例えばＡｌＴｉＣ、Ｓｉ、ガラス等からなるウエハを挙げることができるがこれに限定されない。
成膜装置１は、処理容器１０と、基板保持部２０と、ターゲット電極３０ａ，３０ｂと、ガス供給部４０と、酸化ガス導入機構５０と、仕切り部６０と、制御部７０とを備える。
処理容器１０は、例えばアルミニウム製であり、基板Ｗの処理を行う処理室を画成する。処理容器１０は、接地電位に接続されている。処理容器１０は、上部が開口された容器本体１０ａと、容器本体１０ａの上部開口を塞ぐように設けられた蓋体１０ｂとを有する。蓋体１０ｂは、円錐台状をなしている。
処理容器１０の底部には排気口１１が形成され、排気口１１には排気装置１２が接続されている。排気装置１２は、圧力制御弁、および真空ポンプを含んでおり、排気装置１２により、処理容器１０内が所定の真空度まで真空排気されるようになっている。
処理容器１０の側壁には、隣接する搬送室（図示せず）との間で基板Ｗを搬入出するための搬入出口１３が形成されている。搬入出口１３はゲートバルブ１４により開閉される。
基板保持部２０は、略円板状をなし、処理容器１０内の底部近傍に設けられ、基板Ｗを水平に保持するようになっている。基板保持部２０は、本実施形態では、ベース部２１および静電チャック２２を有する。ベース部２１は例えばアルミニウムからなる。静電チャック２２は、誘電体からなり、内部に電極２３が設けられている。電極２３には直流電源（図示せず）から直流電圧が印加され、これによる静電気力により基板Ｗが静電チャック２２の表面に静電吸着される。図示の例では静電チャック２２は双極型であるが単極型であってもよい。
また、基板保持部２０の内部には、ヒーター２４が設けられている。ヒーター２４は、例えば加熱抵抗素子を有し、ヒーター電源（図示せず）から給電されることにより発熱して基板Ｗを加熱する。ヒーター２４は、基板Ｗの表面に堆積した金属膜を酸化させる際の第１ヒーターとして用いられる。金属がＭｇである場合には、ヒーター２４は、５０〜３００℃の範囲内の温度に基板Ｗを加熱する。図１では、ヒーター２４が静電チャック２２内に設けられているが、ベース部２１に設けられていてもよい。
基板保持部２０は、駆動部２５に接続されている。駆動部２５は、駆動装置２６と支軸２７とを有する。駆動装置２６は、処理容器１０の下方に設けられている。支軸２７は駆動装置２６から処理容器１０の底壁を貫通して延び、その先端が基板保持部２０の底面中央に接続されている。駆動装置２６は、支軸２７を介して基板保持部２０を回転および昇降するようになっている。支軸２７と処理容器１０の底壁との間は、封止部材２８により封止されている。封止部材２８を設けることにより、処理容器１０内を真空状態に保ったまま支軸２７が回転および昇降動作することが可能となる。封止部材２８として、例えば磁性流体シールを挙げることができる。
ターゲット電極３０ａ，３０ｂは、それぞれ、基板保持部２０の上方に設けられるターゲット３１ａ，３１ｂに電気的に接続されるものであり、ターゲット３１ａ，３１ｂを保持する。ターゲット電極３０ａ，３０ｂは、絶縁性部材３２ａ，３２ｂを介して、処理容器１０の蓋体１０ｂの傾斜面に、基板Ｗに対して斜めに取り付けられている。ターゲット３１ａ，３１ｂは、堆積しようとする金属膜を構成する金属からなり、成膜しようとする金属酸化膜の種類に応じて適宜選択され、例えばＭｇやＡｌ等が用いられる。なお、ターゲットの個数を２個として説明しているが、これに限らず、１個以上の任意の個数であってよく、例えば４個設置される。
ターゲット電極３０ａ，３０ｂには、それぞれ電源３３ａ、３３ｂが接続されている。本例では電源３３ａ，３３ｂは直流電源であるが、交流電源であってもよい。電源３３ａ，３３ｂからの電力は、ターゲット電極３０ａ，３０ｂを介してターゲット３１ａ，３１ｂに供給される。ターゲット電極３０ａ，３０ｂのターゲット３１ａ，３１ｂとは反対側には、それぞれ、カソードマグネット３４ａ，３４ｂが設けられている。カソードマグネット３４ａ，３４ｂには、それぞれ、マグネット駆動部３５ａ，３５ｂが接続されている。ターゲット３１ａ，３１ｂの表面の外周部分には、それぞれ、スパッタ粒子の放出方向を規制するリング状部材３６ａ，３６ｂが設けられている。リング状部材３６ａ，３６ｂは接地されている。
ガス供給部４０は、本実施形態では、ガス供給源４１と、ガス供給源４１から延びるガス供給配管４２と、ガス供給配管４２に設けられたマスフローコントローラのような流量制御器４３と、ガス導入部材４４とを有している。ガス供給源４１からは、処理容器１０内において励起されるガスとして不活性ガス、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｈｅ等の希ガスが、ガス供給配管４２およびガス導入部材４４を介して処理容器１０内に供給される。
ガス供給部４０は、スパッタリングガス供給機構として用いられるとともに、後述する酸化ガスがターゲット３１ａ，３１ｂに到達することを抑制する酸化ガス到達抑制機構として機能する。
ガス供給部４０がスパッタリングガス供給機構として機能する場合、ガス供給部４０からのガスは、スパッタリングによる金属膜の堆積の際にスパッタリングガスとして処理容器１０内に供給される。供給されたガスは、電源３３ａ，３３ｂからターゲット電極３０ａ，３０ｂを介してターゲット３１ａ，３１ｂに電圧が印加されることにより励起され、プラズマを生成する。一方、カソードマグネット３４ａ，３４ｂがマグネット駆動部３５ａ，３５ｂによって駆動されると、ターゲット３１ａ，３１ｂの周囲に磁界が発生し、これにより、ターゲット３１ａ，３１ｂの近傍にプラズマが集中する。そして、プラズマ中の正イオンがターゲット３１ａ，３１ｂに衝突することで、ターゲット３１ａ，３１ｂからその構成金属がスパッタ粒子として放出され、放出された金属は基板Ｗ上に堆積される。
なお、電源３３ａ，３３ｂの両方から、ターゲット３１ａ，３１ｂの両方へ電圧を印加して、ターゲット３１ａ，３１ｂの両方からスパッタ粒子を放出してもよいし、いずれか一方のみに電圧を印加してスパッタ粒子を放出するようにしてもよい。
ガス供給部４０が酸化ガス到達抑制機構として機能する場合についての詳細は後述する。
酸化ガス導入機構５０は、ヘッド部５１、移動機構５２、および酸化ガス供給部５７とを有する。ヘッド部５１は略円板状をなす。移動機構５２は、駆動装置５３と支軸５４とを有する。駆動装置５３は、処理容器１０の下方に設けられている。支軸５４は駆動装置５３から処理容器１０の底壁を貫通して延び、その先端が連結部５５の底部に接続されている。連結部５５はヘッド部５１に結合されている。
支軸５４と処理容器１０の底壁との間は、封止部材５４ａにより封止されている。封止部材５４ａとして、例えば磁性流体シールを挙げることができる。駆動装置５３は、支軸５４を回転させることにより、ヘッド部５１を、基板保持部２０直上の処理空間Ｓに存在する酸化処理位置と、図中破線で示す処理空間Ｓから離れた退避位置との間で旋回させることが可能となっている。
ヘッド部５１の内部には、円状をなすガス拡散空間５１ａと、ガス拡散空間５１ａから下方に延び、開口する複数のガス吐出孔５１ｂとが形成されている。支軸５４および連結部５５にはガスライン５６が形成されており、ガスライン５６の一端はガス拡散空間５１ａに接続されている。ガスライン５６の他端は処理容器１０の下方に存在しており、酸化ガス供給部５７が接続されている。酸化ガス供給部５７は、ガス供給源５８と、ガス供給源５８から延び、ガスライン５６に接続されるガス供給配管５９と、ガス供給配管５９に設けられたマスフローコントローラのような流量制御器５９ａとを有している。ガス供給源５８からは、酸化ガス、例えば酸素ガス（Ｏ２ガス）が供給される。酸化ガスは、基板保持部２０が酸化処理位置にあるときに、ガス供給配管５９、ガスライン５６、ガス拡散空間５１ａ、ガス吐出孔５１ｂを介して基板保持部２０に保持された基板Ｗに供給される。
ヘッド部５１には、ヒーター５１ｃが設けられている。ヒーター５１ｃは、抵抗加熱、ランプ加熱、誘導加熱、マイクロ波加熱等の種々の加熱方式が適用可能である。ヒーター５１ｃはヒーター電源（図示せず）から給電されることによって発熱する。ヒーター５１ｃは、基板に形成された金属酸化膜を結晶化させる際の第２ヒーターとして用いられる。金属がＭｇである場合には、ヒーター５１ｃは、２５０〜４００℃の範囲内の温度に基板Ｗを加熱する。ヒーター５１ｃは、ヘッド部５１から酸化ガス（例えばＯ２ガス）を供給する際に、当該酸化ガスを加熱する用途にも適用することができる。これにより、金属の酸化に要する時間をより短縮することが可能となる。
仕切り部６０は、ターゲット３１ａ，３１ｂを遮蔽する遮蔽部材として機能し、ターゲット３１ａ，３１ｂが配置される空間（ターゲット配置空間）と基板が存在する処理空間Ｓとを仕切るものである。仕切り部６０は、第１の仕切り板６１と、第１の仕切り板６１の下方に設けられた第２の仕切り板６２とを有している。第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２は、いずれも処理容器１０の蓋部１０ｂに沿った円錐台状をなし、上下に重なるように設けられている。第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２には、ターゲット３１ａ，３１ｂに対応する大きさの開口部が形成されている。また、第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２は、回転機構６３によりそれぞれ独立して回転可能となっている。そして、第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２は、回転されることにより、開口部がターゲット３１ａ，３１ｂに対応する位置となる開状態と、開口部がターゲット３１ａ，３１ｂに対応する位置以外の位置にされる閉状態（仕切り状態）とをとることが可能となっている。第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２が開状態のときは、ターゲット３１ａ，３１ｂの中心と開口部の中心とが一致した状態とする。第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２が開状態となった際に、仕切り部６０による遮蔽が解除されてスパッタリングによる金属膜の堆積が可能となる。一方、第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６２が閉状態となった際に、ターゲット配置空間と処理空間Ｓとが仕切られる。
なお、第２の仕切り板６２は、第１の仕切り板６１を開状態としてターゲット３１ａ，３１ｂをスパッタ洗浄する際に閉状態となり、ターゲットターゲット３１ａ，３１ｂのスパッタ洗浄の際にスパッタ粒子が処理空間に放射されないように遮蔽する。
基板保持部２０の上方には、基板保持部２０の上面外端部から仕切り部６０の下端近傍まで達するように、遮蔽部材６５が設けられている。遮蔽部材６５は、酸化ガス導入機構５０から供給される酸化ガスがターゲット３１ａ，３１ｂ側へ拡散することを抑制する機能を有する。
制御部７０は、コンピュータからなり、成膜装置１の各構成部、例えば、電源３３ａ，３３ｂ、排気装置１２、駆動部２５、ガス供給部４０、酸化ガス導入機構５０、仕切り部６０等を制御する、ＣＰＵからなる主制御部を有する。また、その他に、キーボードやマウス等の入力装置、出力装置、表示装置、記憶装置を有する。制御部７０の主制御部は、記憶装置に処理レシピが記憶された記憶媒体をセットすることにより、記憶媒体から呼び出された処理レシピに基づいて成膜装置１に所定の動作を実行させる。
次に、以上のように構成される第１の実施形態に係る成膜装置において実施可能な一実施形態の成膜方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。
図２の成膜方法は、工程ＳＴ１、工程ＳＴ２、工程ＳＴ３、および工程ＳＴ４を含む。
まず、成膜方法の実施に先立って、ゲートバルブ１４を開け、処理容器１０に隣接する搬送室（図示せず）から、搬送装置（図示せず）により基板Ｗを処理容器１０内に搬入し、基板保持部２０に保持させる。
工程ＳＴ１では、基板保持部２０上の基板Ｗ上にスパッタリングにより金属膜、例えばＭｇ膜、Ａｌ膜等を堆積させる。このとき、金属膜の堆積に先立って、成膜装置１において、図３に示すように、仕切り部６０を開状態とする。具体的には第１および第２の仕切り板６１，６２を、それらの開口部６１ａ，６２ａがターゲット３１ａ，３１ｂに対応する位置となる開状態とする（開口部６１ａ，６２ａの中心と、ターゲット３１ａ，３１ｂの中心を一致させる）。また、酸化ガス導入機構５０のヘッド部５１は退避位置に存在する状態とする。
工程ＳＴ１のスパッタリングは、具体的には以下のように行われる。まず、排気装置１２により処理容器１０内を所定の圧力に調圧しつつ、ガス供給部４０から処理容器１０内へ不活性ガス、例えばＡｒガスを導入する。次いで、電源３３ａ，３３ｂからターゲット電極３０ａ，３０ｂを介してターゲット３１ａ，３１ｂに印加することによりプラズマを生成するとともに、カソードマグネット３４ａ，３４ｂを駆動させ磁界を発生させる。これにより、プラズマ中の正イオンがターゲット３１ａ，３１ｂに衝突し、図４に示すように、ターゲット３１ａ，３１ｂからその構成金属からなるスパッタ粒子Ｐが放出される。放出されたスパッタ粒子Ｐにより基板Ｗ上に金属膜が堆積される。なお、このとき、上述したように、ターゲット３１ａ，３１ｂの両方からスパッタ粒子の放出してもよいし、いずれか一方からのみスパッタ粒子を放出するようにしてもよい。図４では、ターゲット３１ａからスパッタ粒子Ｐが放出する状態を示している。工程ＳＴ１の圧力は、１×１０−５〜１×１０−２Ｔｏｒｒ（１．３×１０−３〜１．３Ｐａ）の範囲が好ましい。
工程ＳＴ２では、ターゲット３１ａ，３１ｂが配置されたターゲット配置空間にガス供給部４０から不活性ガス、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｈｅ等の希ガスを供給し、ターゲット配置空間の圧力を基板Ｗ近傍の処理空間Ｓの圧力よりも陽圧状態とする。このとき、第１の仕切り板６１および第２の仕切り板６１を回転して仕切り部６０を閉状態とする。
工程ＳＴ３では、ターゲット配置空間に不活性ガスを供給したまま、基板保持部２０に保持された基板Ｗに酸化ガス、例えばＯ２ガスを供給し、基板Ｗ上に堆積された金属膜を酸化して金属酸化膜を成膜する。このとき、酸化ガス導入機構５０のヘッド部５１を基板保持部２０直上の酸化処理位置に移動させ、酸化ガス導入機構５０のヘッド部５１から基板Ｗに酸化ガスを供給する。また、ヒーター２４により基板Ｗを例えば５０〜３００℃の温度で加熱する。工程ＳＴ３においては、酸化膜の形成の後、ヒーター５１ｃにより基板Ｗをさらに例えば２５０〜４００℃の温度に加熱して金属酸化膜を結晶化させてもよい。なお、工程ＳＴ３の際の圧力は、１×１０−７〜２×１０−２Ｔｏｒｒ（１．３×１０−５〜２．６Ｐａ）
の範囲が好ましい。
工程ＳＴ４では、工程ＳＴ２で供給した不活性ガスと工程ＳＴ３で供給した酸化ガスを、真空排気により処理容器１０から排出する。
以上の工程ＳＴ１〜ＳＴ４を１回以上の所定回数繰り返すことにより所望の膜厚の金属酸化膜を成膜する。
なお、必要に応じて、工程ＳＴ１の金属膜の堆積に先立って、第１の仕切り板６１を開状態とし、第２の仕切り板６２を閉状態として、ターゲット３１ａ，３１ｂに電圧を印加し、ターゲット３１ａ，３１ｂをスパッタ洗浄してもよい。これにより、ターゲット３１ａ，３１ｂの表面の自然酸化膜は除去される。この際、スパッタ粒子は第２の仕切り板６２に堆積される。スパッタ洗浄終了後、仕切り板６２を開状態とすることにより遮蔽部６０を開状態とされ、工程ＳＴ１の金属膜の堆積が行われる。
本実施形態によれば、金属膜の堆積と、金属膜の酸化処理とを一つの処理容器内で行うことができるので、特許文献１の技術と同様、金属酸化膜の成膜を短時間で行うことができる。
しかし、特許文献１の技術では、同じ処理容器内で酸化処理が行われるため、図５に示すように、酸化処理の際に酸化ガス（Ｏ２ガス）がターゲット３１ａ，３１ｂに到達し、ターゲット３１ａ，３１ｂの表面が自然酸化してしまう。特に周縁部分で局所的な酸化が生じやすい。
ターゲット３１ａ，３１ｂの表面に自然酸化膜が形成されると、スパッタレートの低下を引き起こす。また、表面酸化による放電電圧の変化が生じ、さらに、自然酸化膜とターゲット３１ａ，３１ｂの表面、あるいは自然酸化膜と処理容器の内壁等との間でアーク放電が発生し、金属膜の厚みも変化する。その結果、複数枚の基板Ｗに対して金属酸化膜を成膜すると、金属酸化膜の厚みが低下して、同じ特性を有する素子を安定に製造することが困難となる。
従来から、スパッタリングのターゲットに不純物が存在する場合には、不純物の局所的な帯電がアーク発生の原因となることが知られており、本実施形態の場合も、酸化物部分の局所的な帯電によりマイクロアークが発生するものと考えられる。この場合、ターゲット（カソード）に印加する電圧を、一時的に反転させるパルス状のものとすることにより、ターゲット表面に電子を浴びせて蓄積した電荷を取り除き、アークの発生を抑制することができることが知られている。
しかし、このような手法でアークの発生を抑制することができたとしても、ターゲット表面の自然酸化を防ぐことはできず、根本的な解決にはならない。
そこで、本実施形態では、金属膜を堆積した後、ターゲット配置空間にガス供給部４０から不活性ガスを供給し、ターゲット配置空間の圧力を基板Ｗ近傍の処理空間Ｓの圧力よりも陽圧状態とした上で、酸化処理を行う。これにより、図６に示すように、酸化ガス（Ｏ２ガス）がターゲット３１ａ，３１ｂに到達することが抑制される。
このためターゲット３１ａ，３１ｂの表面の酸化を抑制することができ、スパッタリングによる金属膜の堆積の際に、スパッタレートの低下や、放電電圧の変化、およびアーク放電の発生を抑制することができる。また、金属膜の厚みの変化も抑制される。その結果、同じ特性を有する素子を安定に製造することが可能となる。
次に、第１の実施形態に関する実験例について説明する。
最初に、酸化処理の際に不活性ガスとしてＡｒガスを供給することによる、Ｏ２ガスの侵入防止効果を確認した。ここでは、Ｏ２ガスのみを１０００ｓｃｃｍで供給した場合、Ｏ２ガスとＡｒガスを１０００ｓｃｃｍずつ供給した場合、Ａｒガスのみを１０００ｓｃｃｍで供給した場合について、供給終了後からの圧力変化を調査した。その結果を図７に示す。
図７に示すように、Ｏ２ガスのみを供給した場合は、ターゲット近傍にＯ２ガスが侵入するため、６００ｓｅｃ以上の時間真空排気しないと十分に圧力が低下しない（十分に排出されない）。これに対し、Ｏ２ガス供給している間、Ａｒガスも合わせて供給することにより、排気時間はＡｒガスのみを流した場合と同等となった。このことから、Ｏ２ガスの供給時にＡｒガスを供給することにより、ターゲット近傍へのＯ２ガスの侵入が抑制できることが確認された。
次に、酸化処理の際に、Ｏ２ガスとともにＡｒガスを供給した場合の効果について確認した。ここでは、ターゲットとしてＭｇを用い、供給電力：７００Ｗ、Ａｒガス流量：４００ｓｃｃｍ、時間：４ｓｅｃの条件でプラズマを着火してスパッタリングを行い、その後酸化処理を行った。酸化処理は、共通条件を、Ｏ２ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、時間：３０ｓｅｃとし、酸化処理の際にＡｒガスを供給しない場合とＡｒガスを１０００ｓｃｃｍで供給した場合の２種類の条件で行った。なお、処理の際の圧力は２×１０−２Ｔｏｒｒ、温度は室温とした。以上のような条件での処理を繰り返して、着火時放電電圧と、マイクロアークの発生回数を把握した。その結果を図８に示す。
図８に示すように、Ｏ２ガスのみの場合は、着火時放電電圧が着火サイクルの増加とともに上昇する傾向が見られ、マイクロアークについては着火サイクルがある回数から急激に上昇する。これに対して、Ｏ２ガスとＡｒガスの両方を供給した場合は、ターゲット表面酸化が抑制された結果、スパッタリング時の放電電圧が安定し、かつマイクロアークの急激な上昇も見られないことが確認された。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図９は、第２の実施形態に係る成膜装置の一部を示す断面図である。第２の実施形態に係る成膜装置１´の基本構成は、第１の実施形態に係る成膜装置と同様であるが、図１の回転機構６３の代わりに回転・昇降機構１６３を有している点のみが相違する。他の部分は第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
回転・昇降機構１６３は、仕切り部６０を開状態および閉状態との間で切り替えるとともに、仕切り部６０を昇降させて仕切り部６０をターゲット３１ａ，３１ｂに対し近接または離隔させるものである。より詳しくは、回転・昇降機構１６３は、図１の回転機構６３と同様の構造の回転機構１６４と、回転機構１６４から延び、第１の仕切り板６１を支持する螺棒からなる回転シャフト１６５とを有する。また、回転シャフト１６５とは別に第２の仕切り板６２を支持する回転シャフト（図示せず）を有する。回転・昇降機構１６３は、回転機構１６４により螺棒からなる回転シャフト１６５を回転させることにより、第１の仕切り板６１を回転させて開状態または閉状態とすると同時に、第１の仕切り板６１を昇降させる。第１の仕切り板６１とともに第２の仕切り板６２を昇降させるようにしてもよい。
回転・昇降機構１６３により、仕切り部６０をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させることができる。すなわち、仕切り部６０の第１の仕切り板６１を上昇させることにより、第１の仕切り板６１をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させることができる。このように仕切り部６０（第１の仕切り板６１）をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させることにより、ターゲット３１ａ，３１ｂの酸化ガスの侵入経路を狭くすることができ、ターゲット３１ａ，３１ｂへ酸化ガスが到達することを抑制することができる。特に、図１０に示すように、第１の仕切り板６１をリング状部材３６ａ，３６ｂに密着させると、ターゲット３１ａ，３１ｂと仕切り板６１とリング状部材３６ａ，３６ｂとで囲まれた空間がほぼ閉鎖空間となる。これにより、ターゲット３１ａ，３１ｂ表面への酸化ガスの侵入をより一層効果的に抑制することができる。また、回転・昇降機構１６３を用いることにより、開状態から閉状態への切り替えと、仕切り部６０（仕切り板６１）のターゲット３１ａ，３１ｂへの近接とを一度の動作で行うことができる。
次に、以上のように構成される第２の実施形態に係る成膜装置において実施可能な一実施形態の成膜方法について、図１１のフローチャートを参照して説明する。
図１１の成膜方法は、工程ＳＴ１１、工程ＳＴ１２、工程ＳＴ１３、工程ＳＴ１４、工程ＳＴ１５、および工程ＳＴ１６を含む。
まず、成膜方法の実施に先立って、ゲートバルブ１４を開け、処理容器１０に隣接する搬送室（図示せず）から、搬送装置（図示せず）により基板Ｗを処理容器１０内に搬入し、基板保持部２０に保持させる。
工程ＳＴ１１では、仕切り部６０を開状態とする。具体的には第１および第２の仕切り板６１，６２を、それらの開口部６１ａ，６２ａがターゲット３１ａ，３１ｂに対応する位置となる開状態とする。この状態では、開口部６１ａ，６２ａの中心と、ターゲット３１ａ，３１ｂの中心を一致させる。このとき、酸化ガス導入機構５０のヘッド部５１は退避位置に存在する状態とする。
工程ＳＴ１２では、基板保持部２０上の基板Ｗ上にスパッタリングにより金属膜、例えばＭｇ膜、Ａｌ膜等を堆積させる。この工程は、第１の実施形態の工程ＳＴ１と同様に行われる。
工程ＳＴ１３では、仕切り部６０を閉状態とする。具体的には、まず、第２の仕切り板６２を回転させてターゲット閉状態とし、次に、第１の仕切り板６１を回転させて閉状態とする。
工程ＳＴ１４では、仕切り部６０を上昇させて、仕切り部６０をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させる。具体的には、第１の仕切り板６１を上昇させることにより、第１の仕切り板６１をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させる。好ましくは、図１０に示すように、仕切り部６０（第１の仕切り板６１）をリング状部材３６ａ，３６ｂに密着させる。このとき、第１の仕切り板６１の回転と、上昇を同時に実施することができる。
工程ＳＴ１５では、基板Ｗに酸化ガス、例えばＯ２ガスを供給し、基板Ｗ上に堆積された金属膜を酸化して金属酸化膜を成膜する。このとき、酸化ガス導入機構５０のヘッド部５１を基板保持部２０直上の酸化処理位置に移動させ、酸化ガス導入機構５０のヘッド部５１から基板Ｗに酸化ガスを供給する。工程ＳＴ１５の酸化処理は、第１の実施形態の工程ＳＴ３と同様に行われる。
工程ＳＴ１６では、工程ＳＴ３で供給した酸化ガスを、真空排気により処理容器１０から排出する。
以上の工程ＳＴ１１〜ＳＴ１６を１回以上の所定回数繰り返すことにより所望の膜厚の金属酸化膜を成膜する。
本実施形態によれば、金属膜の堆積と、金属膜の酸化処理とを一つの処理容器内で行うことができるので、特許文献１の技術と同様、金属酸化膜の成膜を短時間で行うことができる。また、仕切り部６０（第１の仕切り板６１）をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させるので、酸化ガスの侵入経路が狭くなり、酸化処理の際に、ターゲット３１ａ，３１ｂへ酸化ガスが到達することを抑制することができる。特に、第１の仕切り板６１をリング状部材３６ａ，３６ｂに密着させると、ターゲット３１ａ，３１ｂと仕切り板６１とリング状部材３６ａ，３６ｂとで囲まれた空間がほぼ閉鎖空間となる。これにより、ターゲット３１ａ，３１ｂ表面への酸化ガスの到達をより一層効果的に抑制することができる。
このためターゲット３１ａ，３１ｂの表面の酸化を抑制することができ、スパッタリングによる金属膜の堆積の際に、スパッタレートの低下や、放電電圧の変化、およびアーク放電の発生を抑制することができる。また、金属膜の厚みの変化も抑制される。その結果、同じ特性を有する素子を安定に製造することが可能となる。
第２の実施形態において、図１２に示すように、工程ＳＴ１４の後に、工程ＳＴ１５の酸化処理に先立って、工程ＳＴ１７を行ってもよい。工程ＳＴ１７では、図１３に示すように、ターゲット配置空間にガス供給部４０から不活性ガス、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｈｅ等の希ガスを供給し、ターゲット配置空間の圧力を基板Ｗ近傍の処理空間Ｓの圧力よりも陽圧状態とする。これにより、ターゲット３１ａ，３１ｂへの酸化ガスの到達をさらに抑制することができ。ターゲット３１ａ，３１ｂの表面の酸化をさらに一層効果的に抑制することができる。この場合は、工程ＳＴ１６の排気工程において、処理容器１０から酸化ガスの他に不活性ガスも排出される。
また、第２の実施形態において、図１４に示すように、工程ＳＴ１１に先立って、工程ＳＴ１８および工程ＳＴ１９を行ってもよい。工程ＳＴ１８では、第１の仕切り板６１を開状態とし、第２の仕切り板６２を閉状態とする。工程ＳＴ１９では、ターゲット３１ａ，３１ｂに電圧を印加し、ターゲット３１ａ，３１ｂをスパッタ洗浄する。これにより、ターゲット３１ａ，３１ｂの表面の自然酸化膜は除去される。この際、スパッタ粒子は第２の仕切り板６２に堆積され、基板Ｗへは到達しない。工程ＳＴ１９の後、仕切り板６２を開状態とすることにより工程Ｓ１１の状態となる。このように、ターゲット３１ａ，３１ｂの自然酸化膜をスパッタ除去することにより、ターゲット３１ａ，３１ｂの自然酸化膜の影響をより低減することができる。
仕切り部６０をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させる機構としては、図１５に示すものを用いることもできる。図１５では、回転機構１６４の回転シャフト１６６をネジが形成されていないものとし、昇降機構１６７を別途設けて、昇降機構１６７により仕切り部６０（第１の仕切り板６１）を昇降させる。これにより、昇降機構１６７により仕切り部６０（第１の仕切り板６１）を上昇させることにより、仕切り部６０（仕切り板６１）をターゲット３１ａ，３１ｂに近接させることができる。
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態において金属膜を成膜するスパッタリング手法は例示であり、他の手法のスパッタリングであってもよく、本開示とは異なる方法でスパッタ粒子を放出させてもよい。また、酸化ガスを基板の上方のヘッド部から基板に供給したが、これに限るものではない。
１；成膜装置
１０；処理容器
１０ａ；容器本体
１０ｂ；蓋体
２０；基板保持部
３０ａ，３０ｂ；ターゲット電極
３１ａ，３１ｂ；ターゲット
３３ａ，３３ｂ；電源
４０；ガス供給部（酸化ガス到達抑制機構）
５０；酸化ガス導入機構
５１；ヘッド部
５７；酸化ガス供給部
６０；仕切り部
６１；第１の仕切り板
１６３；回転・昇降機構（酸化ガス到達抑制機構）
１６７；昇降機構（酸化ガス到達抑制機構）
Ｗ；基板

Claims (16)

  1. 基板に金属酸化膜を成膜する成膜装置であって、
    処理容器と、
    前記処理容器内で基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部の上方に配置され、金属からなるターゲットを保持し、電源からの電力を前記ターゲットに給電するターゲット電極と、
    前記基板保持部に保持された基板に酸化ガスを供給する酸化ガス導入機構と、
    前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
    を具備し、
    前記ターゲット電極を介して給電された前記ターゲットからその構成金属がスパッタ粒子として放出されて前記基板上に金属膜が堆積され、前記酸化ガス導入機構から導入された酸化ガスにより前記金属膜が酸化されて金属酸化膜が成膜され、
    前記ガス供給部は、前記酸化ガスが導入される際に、前記ターゲット配置空間に不活性ガスを供給して、前記ターゲット配置空間の圧力を前記基板が配置される処理空間の圧力よりも陽圧になるように不活性ガスを供給する、成膜装置。
  2. 前記ターゲット配置空間と前記処理空間との間に設けられ、前記酸化ガスが導入される際に前記ターゲット配置空間と前記処理空間を仕切る閉状態とされ、前記金属膜を堆積する際には開状態とされる仕切り部と、
    前記仕切り部を開状態または閉状態にする開閉機構と、
    をさらに具備する、請求項１に記載の成膜装置。
  3. 基板に酸化膜を成膜する成膜装置であって、
    処理容器と、
    前記処理容器内で、基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部の上方に配置され、金属からなるターゲットを保持し、電源からの電力を前記ターゲットに給電するターゲット電極と、
    前記基板保持部に保持された基板に酸化ガスを供給する酸化ガス導入機構と、
    前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間と前記基板が配置される処理空間との間に設けられ、前記酸化ガスが導入される際に前記ターゲット配置空間と前記処理空間を仕切る閉状態とされ、前記金属膜を堆積する際には開状態とされる仕切り部と、
    前記仕切り部を開状態または閉状態にする開閉機構と、
    前記仕切り部を前記ターゲットに対して移動させる移動機構と、
    を具備し、
    前記ターゲット電極を介して給電された前記ターゲットからその構成金属がスパッタ粒子として放出されて前記基板上に金属膜が堆積され、前記酸化ガス導入機構から導入された酸化ガスにより前記金属膜が酸化されて金属酸化膜が成膜され、
    前記移動機構は、前記酸化ガスが導入される際に、前記仕切り部を前記ターゲットに近接させる、成膜装置。
  4. 前記ターゲットの表面の外周部分にリング状部材が設けられ、前記移動機構は、前記酸化ガスが導入される際に、前記仕切り部を前記リング状部材に密着させる、請求項３に記載の成膜装置。
  5. 前記仕切り部は前記ターゲットに対応する開口部を有し、前記開閉機構は、前記仕切り部を回転させることにより、前記開口部が前記ターゲットに対応する位置となる開状態、または前記開口部が前記ターゲットに対応しない位置となる閉状態とし、前記移動機構は前記仕切り部を昇降させることにより前記仕切り部を前記ターゲットに対し近接または離隔させる、請求項３または請求項４に記載の成膜装置。
  6. 前記開閉機構および前記移動機構が一体となった回転・昇降機構を有し、前記回転・昇降機構は、前記仕切り部に取り付けられた螺棒からなる回転シャフトと、前記回転シャフトを回転させる回転機構とを有し、前記回転機構により前記回転シャフトを回転させることにより、前記仕切り部を回転させると同時に昇降させる、請求項５に記載の成膜装置。
  7. 前記仕切り部は、上下に重なるように設けられ、それぞれ独立して回転可能な、前記ターゲット側の第１の仕切り板および前記処理空間側の第２の仕切り板を有し、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板は、前記ターゲットに対応する開口部を有し、前記開閉機構は、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板を回転させることにより、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板を、前記開口部が前記ターゲットに対応する位置となる開状態、または前記開口部が前記ターゲットに対応しない位置となる閉状態とし、
    前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板が両方開状態のときに、前記基板上に前記金属膜の堆積が行われ、
    前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板が両方閉状態のときに前記金属膜の酸化が行われ、
    前記第１の仕切り板が開状態で、前記第２の仕切り板が閉状態のときに前記ターゲット電極を介して前記ターゲットに給電されることにより、前記ターゲット表面のスパッタ洗浄が行われる、請求項５または請求項６に記載の成膜装置。
  8. 前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間に不活性ガスを供給するガス供給部をさらに具備し、
    前記ガス供給部は、前記酸化ガスが導入される際に、前記ターゲット配置空間に不活性ガスを供給して、前記ターゲット配置空間の圧力を前記基板が配置される処理空間の圧力よりも陽圧になるように不活性ガスを導入する、請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の成膜装置。
  9. 前記酸化ガス導入機構は、ヘッド部を有し、前記ヘッド部は、前記処理空間に存在する酸化処理位置と、前記処理空間から離れた退避位置との間で移動可能に設けられ、前記酸化処理位置にあるときに、前記基板に前記酸化ガスを供給する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の成膜装置。
  10. 成膜装置により基板に金属酸化膜を成膜する成膜方法であって、
    前記成膜装置は、
    処理容器と、
    前記処理容器内で、基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部の上方に配置され、金属からなるターゲットを保持し、電源からの電力を前記ターゲットに給電するターゲット電極と、
    前記基板保持部に保持された基板に酸化ガスを供給する酸化ガス導入機構と、
    前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
    を具備し、
    前記ターゲット電極に保持されたターゲットに給電して前記ターゲットからその構成金属をスパッタ粒子として放出させて、前記基板に金属膜を堆積させる工程と、
    前記ターゲット配置空間に前記ガス供給部から不活性ガスを供給し、前記ターゲット配置空間の圧力を前記基板が配置される処理空間の圧力よりも陽圧になるようにする工程と、
    前記ターゲット配置空間を陽圧に保ったまま、前記酸化ガス導入機構から前記基板に前記酸化ガスを供給して前記金属膜を酸化させる工程と、
    前記不活性ガスと前記酸化ガスとを前記処理容器から排出する工程と、
    を含み、
    これらの工程を１回または複数回繰り返す、成膜方法。
  11. 前記成膜装置は、前記ターゲット配置空間と前記処理空間との間に設けられ、前記酸化ガスが導入される際に前記ターゲット配置空間と前記処理空間を仕切る閉状態とされ、前記金属膜を堆積する際には開状態とされる仕切り部をさらに具備し、
    前記仕切り部は、前記金属膜を堆積させる工程の際に開状態となり、前記金属膜を酸化させる工程の際に閉状態となる、請求項１０に記載の成膜方法。
  12. 成膜装置により基板に金属酸化膜を成膜する成膜方法であって、
    前記成膜装置は、
    処理容器と、
    前記処理容器内で、基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部の上方に配置され、金属からなるターゲットを保持し、電源からの電力を前記ターゲットに給電するターゲット電極と、
    前記基板保持部に保持された基板に酸化ガスを供給する酸化ガス導入機構と、
    前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間と前記基板が配置される処理空間との間に設けられ、前記酸化ガスが導入される際に前記ターゲット配置空間と前記処理空間を仕切る閉状態とされ、前記金属膜を堆積する際には開状態とされる仕切り部と、
    を具備し、
    前記仕切り部を開状態とする工程と、
    前記ターゲット電極に保持されたターゲットに給電して前記ターゲットからその構成金属をスパッタ粒子として放出させて、前記基板に金属膜を堆積させる工程と、
    前記仕切り部を閉状態とする工程と、
    前記仕切り部を前記ターゲットに近接させる工程と、
    前記酸化ガス導入機構から前記基板に前記酸化ガスを供給して前記金属膜を酸化させる工程と、
    前記酸化ガスを前記処理容器から排出する工程と、
    を含み、
    これらの工程を１回または複数回繰り返す、成膜方法。
  13. 前記成膜装置は、前記ターゲットの表面の外周部分にリング状部材が設けられ、前記仕切り部を前記ターゲットに近接させる工程は、前記仕切り部を前記リング状部材に密着させる、請求項１２に記載の成膜方法。
  14. 前記仕切り部は、前記ターゲットに対応する開口部を有し、前記仕切り部を回転させることにより、前記開口部が前記ターゲットに対応する位置となる開状態、または前記開口部が前記ターゲットに対応しない位置となる閉状態となり、前記仕切り部を上昇させることにより前記仕切り部が前記ターゲットに対し近接される、請求項１２または請求項１３に記載の成膜方法。
  15. 前記仕切り部は、上下に重なるように設けられ、それぞれ独立して回転可能な、前記ターゲット側の第１の仕切り板および前記処理空間側の第２の仕切り板を有し、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板は、前記ターゲットに対応する開口部を有し、
    前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板を回転させることにより、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板が、前記開口部が前記ターゲットに対応する位置となる開状態、または前記開口部が前記ターゲットに対応しない位置となる閉状態となり、
    前記仕切り部を開状態とする工程では、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板が両方開状態とされ、
    前記仕切り部材を閉状態とする工程では、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板が両方閉状態とされ、
    前記仕切り部を開状態とする工程に先立って行われる、
    前記前記第１の仕切り板を開状態とし、前記第２の仕切り板を閉状態とする工程と、
    前記ターゲット電極を介して前記ターゲットに給電し、前記ターゲットの表面のスパッタ洗浄を行う工程と、
    をさらに有する、請求項１４に記載の成膜方法。
  16. 前記成膜装置は、前記ターゲットが配置されるターゲット配置空間に不活性ガスを供給するガス供給部をさらに具備し、
    前記仕切り部を前記ターゲットに近接させる工程と、前記酸化ガス導入部から前記基板に前記酸化ガスを供給して前記金属膜を酸化させる工程との間に行われる、前記ターゲット配置空間に前記ガス供給部から不活性ガスを供給し、前記ターゲット配置空間の圧力を前記基板が配置される処理空間の圧力よりも陽圧になるようにする工程をさらに有する、請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の成膜方法。
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