JP5160452B2

JP5160452B2 - 多層膜形成方法及び多層膜形成装置

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Publication number: JP5160452B2
Application number: JP2008553041A
Authority: JP
Inventors: 勲木村; 武人神保; 真菊地; 浩西岡; 紅コウ鄒
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: CN101583735A; US20090294280A1; KR20090097211A; TW200835802A; TWI409351B; KR101208641B1; EP2119806A4; EP2119806A1; WO2008084639A1; CN101583735B; JPWO2008084639A1

Description

本発明は、多層膜形成方法及び多層膜形成装置に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Pb(Zr,Ti)O₃）などの複合酸化物は、優れた圧電特性と誘電特性を有するため、センサやアクチュエータなど、各種の電子デバイスに利用されている。複合酸化物からなる各種の素子は、従来、複合酸化物の焼結体に対して機械加工を施すことにより形成されていた。

近年、電子デバイスの製造技術においては、電子デバイスの微細化やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の発達にともない、上記の複合酸化物に対して薄膜化が求められている。複合酸化物の薄膜化技術としては、半導体の製造技術と同じく、スパッタリング法とエッチング法が挙げられる。

特許文献１においては、ＰＺＴの構成元素を含む異なる３つのターゲットがスパッタされることによりＰＺＴ膜が形成される。その際、各ターゲットに印加する電力が制御される。これにより、ＰＺＴ膜に含まれる鉛の量が高精度に調節される。特許文献２においては、ＰＺＴ薄膜にドライエッチングを施すことによってＰＺＴ薄膜がパターニングされ、パターニング後のＰＺＴ薄膜が所定のエッチング液に浸漬される。その結果、ＰＺＴ薄膜の表面及び側面に付着した反応生成物がエッチング液によって洗浄される。これにより、パターニングの前後において、ＰＺＴ膜の圧電特性や誘電特性が維持される。

しかしながら、鉛系複合酸化物の薄膜にドライエッチングが施される場合、塩素系やフッ素系のエッチャントによって、鉛系複合酸化物に含まれる鉛や酸素が塩化鉛（PbCl₄もしくはPbCl₂）や一酸化炭素（CO）として排気される。この結果、鉛系複合酸化物が鉛や酸素の欠損状態となって、リーク電流が増加する。この場合、良好な圧電特性が得られなくなる。また、ドライエッチングを用いて素子形成を行う場合、エッチングの工程に加え、さらにレジストマスクを形成するための工程やレジストマスクを剥離するための工程などが必要となる。その結果、電子デバイスの生産性の低下や製造コストの増加を招く。
特開平６−５７４１２号公報特開２０００−１３３６４３号公報

本願発明は、エッチング処理を利用することなく、複合酸化物層を含む多層膜を所望の素子形状に形成可能な多層膜形成方法及び多層膜形成装置を提供する。
本発明の第１側面は、多層膜形成方法である。当該方法は、金属材料で形成された第一のマスクを基板の上方に位置させること、第一のターゲットをスパッタして、前記基板の上方に前記第一のマスクを用いて下部電極層を成膜すること、セラミック材料によって形成された第二のマスクを前記下部電極層の上方に位置させること、第二のターゲットをスパッタして、前記下部電極層の上方に位置させること、第二のターゲットをスパッタして、前記下部電極層上に前記第二のマスクを用いて複合酸化物層を積層すること、金属材料で形成された第三のマスクを前記複合酸化物層の上方に位置させること、第三のターゲットをスパッタして、前記複合酸化物層上に前記第三のマスクを用いて上部電極層を積層すること、を含み、前記第一のマスク、前記第二のマスク、及び前記第三のマスクの各々には、前記下部電極層、前記複合酸化物層、及び前記上部電極層を含む素子の形状に合わせた複数のマスク孔が形成されている。

本発明の第２側面は、多層膜形成装置である。当該装置は、金属材料で形成された第一のマスクを基板の上方に位置させ、第一のターゲットをスパッタして、前記基板の上方に前記第一のマスクを用いて下部電極層を成膜する第一の成膜部と、セラミック材料によって形成された第二のマスクを前記基板の上方に位置させ、第二のターゲットをスパッタして、前記下部電極層上に前記第二のマスクを用いて複合酸化物層を成膜する第二の成膜部と、金属材料で形成された第三のマスクを前記複合酸化物層の上方に位置させ、第三のターゲットをスパッタして、前記複合酸化物層上に前記第三のマスクを用いて上部電極層を成膜する第三の成膜部と、前記第一の成膜部と、前記第二の成膜部と、前記第三の成膜部とに連結され、前記第一の成膜部と、前記第二の成膜部と、前記第三の成膜部とに前記基板を搬送する搬送部と、前記搬送部と、前記第一の成膜部と、前記第二の成膜部と、前記第三の成膜部とを駆動して、前記基板上に、前記下部電極層、前記複合酸化物層及び前記上部電極層を順に積層する制御部と、を含み、前記第一のマスク、前記第二のマスク、及び前記第三のマスクの各々には、前記下部電極層、前記複合酸化物層、及び前記上部電極
層を含む素子の形状に合わせた複数のマスク孔が形成されている。

一実施形態の成膜装置の構成を模式的に示す平面図。図１の成膜チャンバの構成を概略的に示す側断面図。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれマスクの構成を示す平面図及び側断面図。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれマスク孔の構成を示す平面図及び側断面図、図４（ｃ）はマスク孔と多層膜の関係を示す図。図１の成膜装置の電気的構成を概略的に示すブロック回路図。

以下、本発明の一実施形態の多層膜形成装置を説明する。図１は、多層膜形成装置としての成膜装置１０を模式的に示す平面図である。
図１において、成膜装置１０は、ロードロックチャンバ（以下単に、ＬＬチャンバ）１１と、ＬＬチャンバ１１に連結されて搬送部を構成する搬送チャンバ１２とを有する。また、成膜装置１０は、搬送チャンバ１２に連結された３つの成膜チャンバ１３、すなわち第一の成膜部を構成する第１成膜チャンバ１３Ａと、第二の成膜部を構成する第２成膜チャンバ１３Ｂと、第三の成膜部を構成する第３成膜チャンバ１３Ｃとを有する。

ＬＬチャンバ１１は、減圧可能な内部空間（以下単に、収容室１１ａという。）を有し、複数の基板Ｓを搬出及び搬入可能に収容する。基板Ｓとしては、例えばシリコン基板やセラミック基板などを用いることができる。基板Ｓの成膜処理が開始されると、ＬＬチャンバ１１は、収容室１１ａを減圧して、複数の基板Ｓを搬送チャンバ１２に搬出可能にする。基板Ｓの成膜処理が終了すると、ＬＬチャンバ１１は、収容室１１ａを大気開放して、収容する基板Ｓを成膜装置１０の外部へ搬出可能にする。

搬送チャンバ１２は、収容室１１ａと連通可能な内部空間（以下単に、搬送室１２ａという。）を有し、基板Ｓを搬送するための搬送ロボット１２ｂを搬送室１２ａに搭載している。基板Ｓの成膜処理が開始されると、搬送ロボット１２ｂは、成膜処理前の基板ＳをＬＬチャンバ１１から搬送チャンバ１２に搬入する。搬送ロボット１２ｂは、搬入した基板Ｓを図１における反時計回りの順に、すなわち、第１成膜チャンバ１３Ａ、第２成膜チャンバ１３Ｂ、第３成膜チャンバ１３Ｃの順に搬送する。このとき、基板Ｓを大気に晒すことなく、各層の成膜処理が連続的に実行される。基板Ｓの成膜処理が終了すると、搬送ロボット１２ｂは、成膜処理後の基板Ｓを搬送チャンバ１２からＬＬチャンバ１１へ搬出する。

各成膜チャンバ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、搬送室１２ａと連通可能な内部空間（以下単に、成膜室１３Ｓという。）を有する。各成膜室１３Ｓには、対応するターゲットＴが搭載されている。詳しくは、第１成膜チャンバ１３Ａには、第一のターゲットを構成する密着層ターゲットＴ１及び下部電極層ターゲットＴ２が搭載されている。また、第２成膜チャンバ１３Ｂには、第二のターゲットとしての酸化物層ターゲットＴ３が搭載され、第３成膜チャンバ１３Ｃには、第三のターゲットとしての上部電極層ターゲットＴ４が搭載されている。

密着層ターゲットＴ１は、密着層の主成分、すなわちチタン（Ti）、タンタル（Ta）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）からなるグループから選択された１つの金属か、またはその選択された金属の酸化物もしくは窒化物を９０％以上、好ましくは９５％以上含む。密着層ターゲットＴ１の残部は、これらの金属元素以外の金属を含む。下部電極層ターゲットＴ２は、下部電極層の主成分、すなわち白金（Pt）、イリジウム（Ir）、金（Au）、銀（Ag）からなるグループから選択された１つの貴金属か、またはその選択された貴金属の酸化物もしくは窒化物を９０％以上、好ましくは９５％以上含む。下部電極層ターゲットＴ２の残部は、これらの金属元素以外の金属、例えば銅やケイ素などを含む。酸化物層ターゲットＴ３としては、複合酸化物層の主成分、すなわちチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O₃:ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム酸鉛（Pb(Sr,Ti)O₃:ＰＳＴ）、ジルコニウムチタン酸ランタン鉛（(Pb,La)(Zr,Ti)O₃：ＰＬＺＴ）などの、複合酸化物の焼結体を用いることができる。上部電極層ターゲットＴ４は、上部電極層の主成分、すなわち白金（Pt）、イリジウム（Ir）、金（Au）、銀（Ag）からなるグループから選択された１つの貴金属か、またはその選択された貴金属の酸化物もしくは窒化物を９０％以上、好ましくは９５％以上含む。上部電極層ターゲットＴ４の残部は、これらの金属元素以外の金属、例えば銅やケイ素などを含む。

各成膜チャンバ１３は、ターゲットＴをスパッタして、ターゲットＴに対応する膜の層を、所定の温度（例えば、５００℃以上の温度）に保持された基板Ｓの上に成膜する。すなわち、第１成膜チャンバ１３Ａは、密着層ターゲットＴ１及び下部電極層ターゲットＴ２をスパッタして密着層及び下部電極層を成膜する。第２成膜チャンバ１３Ｂは、酸化物層ターゲットＴ３をスパッタして複合酸化物層を成膜する。第３成膜チャンバ１３Ｃは、上部電極層ターゲットＴ４をスパッタして上部電極層を成膜する。

図２において、成膜チャンバ１３は、前記成膜室１３Ｓを形成するチャンバ本体２１を備えている。チャンバ本体２１は、供給配管ＩＬを介して成膜室１３Ｓと連通するガス供給部２２を有している。ガス供給部２２は、各ターゲットＴに対応するガスを所定の流量に調整して成膜室１３Ｓに供給する。例えば、第１成膜チャンバ１３Ａ及び第３成膜チャンバ１３Ｃに対応するガス供給部２２は、密着層ターゲットＴ１、下部電極層ターゲットＴ２、上部電極層ターゲットＴ４をスパッタするためのアルゴン（Ａｒ）ガスを成膜室１３Ｓに供給する。また、第２成膜チャンバ１３Ｂに対応するガス供給部２２は、酸化物層ターゲットＴ３をスパッタするためのＡｒガスと、スパッタ粒子に対し酸素を補填するための酸素（Ｏ_２）ガスとを成膜室１３Ｓに供給する。

成膜室１３Ｓは、排気配管ＯＬを介して、ターボ分子ポンプやドライポンプなどからなる排気システム２３に連結されている。排気システム２３は、成膜室１３Ｓに供給されるＡｒガス、あるいはＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガスを排気し、成膜室１３Ｓを所定の圧力値に減圧する。

成膜室１３Ｓは、基板Ｓを載置するための基板ステージ２４を有し、その基板ステージ２４は、搬送チャンバ１２から搬入される基板Ｓを載置し、基板Ｓを成膜室１３Ｓの所定の位置に位置決め固定する。

基板ステージ２４の直上には、円盤状に形成されたターゲットＴが配設され、そのターゲットＴの上側には、ターゲット電極２５が配設されている。ターゲット電極２５は、ターゲットＴを基板Ｓに対向させて、ターゲットＴと基板Ｓとの間の距離を所定の距離に保持する。ターゲット電極２５は、外部電源ＦＧに接続されており、外部電源ＦＧから出力された所定の直流あるいは交流電力をターゲットＴに供給する。成膜室１３Ｓにプラズマが生成されるとき、直流あるいは交流電力を受けたターゲット電極２５は、プラズマ空間に対して負電位すなわちカソードとして機能することにより、ターゲットＴをスパッタする。

ターゲット電極２５の上側には、磁気回路２６が配設されている。磁気回路２６は、ターゲットＴの内表面に沿ってマグネトロン磁場を形成する。成膜室１３Ｓにプラズマが生成されるとき、磁気回路２６は、プラズマを安定させてプラズマ密度を増加させる。

各成膜チャンバ１３は、ターゲットＴに対応する薄膜を基板Ｓ上に成膜するとき、ガス供給部２２から所定の流量のスパッタガス、あるいはスパッタガスと反応ガスとの混合ガスを供給するとともに、排気システム２３によって成膜室１３Ｓを所定の圧力値に減圧する。この状態において、各成膜チャンバ１３は、外部電源ＦＧからターゲット電極２５に所定の電力を印加し、高密度のプラズマによってターゲットＴをスパッタする。スパッタ粒子は、基板Ｓの表面に入射し、基板Ｓの表面を被覆する。

図２において、成膜室１３Ｓは、基板ステージ２４の両側に、一対のリフタＬを有している。一対のリフタＬは、チャンバ本体２１の下側に配設された昇降機構２７に駆動連結され、昇降機構２７の駆動力を受けて基板Ｓの略法線方向、すなわち図２の上下方向に沿って昇降する。なお、第１成膜チャンバ１３Ａ、第２成膜チャンバ１３Ｂ及び第３成膜チャンバ１３Ｃに設けられた一対のリフタＬは、それぞれ第一の移動機構、第二の移動機構及び第三の移動機構を構成する。

一対のリフタＬの上側には、共通するマスク昇降リングＲが配設されている。マスク昇降リングＲは、上下方向から見て、基板Ｓの外周を囲うように環状に形成されており、一対のリフタＬが昇降するとき、一対のリフタＬとともに基板Ｓの法線方向に沿って昇降する。すなわち、マスク昇降リングＲは、一対のリフタＬに位置決めされており、基板Ｓの法線方向に対してのみ、その変位を許容する。

マスク昇降リングＲの上側には、略円筒状に形成された下側防着板２８Ｌが配設されている。下側防着板２８Ｌは、ターゲットＴがスパッタされるとき、相対する成膜室１３Ｓの内壁下側にスパッタ粒子が付着するのを防止する。下側防着板２８Ｌは、一対のリフタＬが昇降するとき、一対のリフタＬとともに基板Ｓの法線方向に沿って昇降する。

下側防着板２８Ｌの上側には、略円筒状に形成された上側防着板２８Ｕが配設されている。上側防着板２８Ｕは、ターゲットＴがスパッタされるとき、相対する成膜室１３Ｓの内壁上側にスパッタ粒子が付着するのを防止する。

マスク昇降リングＲの内側には、基板Ｓと相対向するマスク３０が配設されている。図３（ａ）は、マスク３０をターゲットＴから見た平面図であり、図３（ｂ）は、マスク３０を基板Ｓの面方向から見た側断面図である。

図３において、マスク３０は、セラミック材料（例えば、アルミナ（Al₂O₃））からなる略四角板状に形成されている。マスク３０の外縁には、複数の位置決め孔３０ｈが設けられており、各位置決め孔３０ｈには、マスク昇降リングＲを介して位置決めピンＰが挿通されている。マスク３０は、各位置決め孔３０ｈに位置決めピンＰが挿通されることにより、マスク昇降リングＲに対して着脱可能に位置決め固定される。マスク３０は、一対のリフタＬが昇降するとき、基板Ｓに近接する位置（図３（ｂ）の実線位置）と、基板Ｓの上方に大きく離間する位置（図３（ｂ）の二点鎖線位置）との間を移動する。ここで、マスク３０が基板Ｓに近接する位置を、成膜位置とし、マスク３０が基板Ｓから大きく離間する位置を、搬送位置とする。

マスク３０の内側には、基板Ｓの法線方向に貫通する複数のマスク孔３１が形成されている。複数のマスク孔３１は、基板Ｓの上方の略全体にわたって形成されており、かつ、各マスク孔３１は、各層の形状に応じた形状、すなわち素子形状に応じた形状で形成されている。

各成膜チャンバ１３は、ターゲットＴ１に対応する薄膜を基板Ｓ上に成膜するとき、昇降機構２７によってマスク３０を成膜位置に位置させて、マスク３０を基板Ｓに近接させる。マスク３０は、ターゲットＴがスパッタされるとき、各マスク孔３１を介してスパッタ粒子を通過させ基板Ｓの表面に入射させる、すなわち、各マスク孔３１に対応する形状に従ってスパッタ粒子を基板Ｓ上に堆積させる。また、各成膜チャンバ１３は、基板Ｓが搬送されるとき、昇降機構２７によってマスク３０を搬送位置に位置させて、マスク３０を基板Ｓから遠ざける。これにより、各成膜チャンバ１３は、搬送された基板Ｓとマスク３０との物理的な接触を回避させる。

なお、第１成膜チャンバ１３Ａに配設されて密着層ターゲットＴ１及び下部電極層ターゲットＴ２に対応するマスク３０を、第１マスク３０Ａとし、その第１マスク３０Ａに形成されたマスク孔３１を、第１マスク孔３１Ａという。また、第２成膜チャンバ１３Ｂに配設されて酸化物層ターゲットＴ３に対応するマスク３０を、第２マスク３０Ｂとし、その第２マスク３０Ｂに形成されたマスク孔３１を、第２マスク孔３１Ｂという。また、第３成膜チャンバ１３Ｃに配設されて上部電極層ターゲットＴ４に対応するマスク３０を、第３マスク３０Ｃとし、その第３マスク３０Ｃに形成されたマスク孔３１を、第３マスク孔３１Ｃという。

図４（ａ）は、各マスク３０のマスク孔３１をターゲットＴから見た平面図であり、図４（ｂ）は、各マスク３０のマスク孔３１を示す側断面図である。また、図４（ｃ）は、各マスク３０を用いて形成された多層膜を示す側断面図である。

図４において、第１マスク孔３１Ａは、ターゲットＴから見て略四角形状を呈する矩形状に形成されている。第１マスク孔３１Ａの内壁は、上方に広がるテーパー状に形成されている。密着層ターゲットＴ１がスパッタされるとき、スパッタ粒子は基板Ｓに向かって第１マスク孔３１Ａを通過し、第１マスク孔３１Ａに対応する形状を有する密着層３６が基板Ｓの上に堆積される。同様に、下部電極層ターゲットＴ２がスパッタされるとき、スパッタ粒子は基板Ｓに向かって第１マスク孔３１Ａを通過し、第１マスク孔３１Ａに対応する形状を有する下部電極層３７が基板Ｓの上方、すなわち密着層３６の上側に堆積される。この際、第１マスク孔３１Ａの内壁がテーパー状に形成されているため、通過するスパッタ粒子の入射角度が広範囲になる。その結果、密着層３６及び下部電極層３７が、より均一な膜厚で形成される。

第２マスク孔３１Ｂは、ターゲットＴから見て略四角形状を呈する矩形孔であって、共通する基板Ｓに対して、第１マスク孔３１Ａの内側に形成されている。すなわち第２マスク孔３１Ｂは、第１マスク孔３１Ａよりも小さい。第２マスク孔３１Ｂの内壁は、第１マスク孔３１Ａと同じく、上方に広がるテーパー状に形成されている。酸化物層ターゲットＴ３がスパッタされるとき、スパッタ粒子は基板Ｓに向かって第２マスク孔３１Ｂを通過し、第２マスク孔３１Ｂに対応する形状を有する複合酸化物層３８が基板Ｓの上に堆積される。すなわち、複合酸化物層３８は、下部電極層３７の領域から食み出すことのないように、第２マスク孔３１Ｂを介して下部電極層３７の上側に積層される。この際、第２マスク孔３１Ｂの内壁がテーパー状に形成されているため、通過するスパッタ粒子の入射角度が広範囲になる。その結果、複合酸化物層３８が、より均一な膜厚で形成される。

しかも、第２マスク３０Ｂがセラミック材料によって形成されているため、第２マスク３０Ｂと複合酸化物層３８との間の熱膨張率の差が小さい。そのため、第２マスク３０Ｂに堆積された複合酸化物によって、熱膨張率の差に起因した膜剥がれが生じることが抑制される。すなわち、第２マスク３０Ｂは、複合酸化物層３８を積層する際、複合酸化物の膜剥がれに起因したパーティクルの発生を抑制することができる。

第３マスク孔３１Ｃは、ターゲットＴから見て略四角形状を呈する矩形孔であって、共通する基板Ｓに対して、第２マスク孔３１Ｂの内側に形成されている。すなわち第３マスク孔３１Ｃは、第２マスク孔３１Ｂよりも小さい。第３マスク孔３１Ｃの内壁は、第１マスク孔３１Ａと同じく、上方に広がるテーパー状に形成されている。上部電極層ターゲットＴ４がスパッタされるとき、スパッタ粒子は基板Ｓに向かって第３マスク孔３１Ｃを通過し、第３マスク孔３１Ｃに対応する形状を有する上部電極層３９が基板Ｓの上に堆積される。すなわち、上部電極層３９は、複合酸化物層３８の領域から食み出すことのないように、第３マスク孔３１Ｃを介して複合酸化物層３８の上側に積層される。この際、第３マスク孔３１Ｃの内壁がテーパー状に形成されているため、通過するスパッタ粒子の入射角度を広範囲になる。その結果、上部電極層３９が、より均一な膜厚で形成される。

次に、上記成膜装置１０の電気的構成を図５に従って説明する。制御部４１は、成膜装置１０に各種の処理動作（例えば、基板Ｓの搬送処理や基板Ｓの成膜処理など）を実行させるものである。制御部４１は、各種の演算処理を実行するためのＣＰＵ、各種のデータを格納するためのＲＡＭ、各種の制御プログラムを格納するためのＲＯＭやハードディスクなどを有する。制御部４１は、例えば、ハードディスクに格納された成膜処理プログラムを読み出し、成膜処理プログラムに従って成膜処理を実行させる。

制御部４１には、入出力部４２が接続されている。入出力部４２は、起動スイッチや停止スイッチなどの各種操作スイッチと、液晶ディスプレイなどの各種表示装置とを有する。入出力部４２は、各種の処理動作に利用するデータを制御部４１に供給し、成膜装置１０の処理状況に関するデータを表示装置に出力する。入出力部４２は、成膜パタメータ（例えば、ガス流量、成膜圧力、成膜温度、成膜時間など）に関するデータを成膜条件データＩｄとして制御部４１に供給する。すなわち、入出力部４２は、密着層、下部電極層、複合酸化物層、上部電極層を成膜するための各種成膜パラメータを成膜条件データＩｄとして制御部４１に供給する。制御部４１は、入出力部４２から供給された成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で各層の成膜処理を実行する。

制御部４１には、ＬＬチャンバ１１を駆動制御するためのＬＬチャンバ駆動回路４３が接続されている。ＬＬチャンバ駆動回路４３は、ＬＬチャンバ１１の状態を検出し、その検出結果を制御部４１に供給する。ＬＬチャンバ駆動回路４３は、例えば収容室１１ａの圧力値を検出し、同圧力値に関する検出信号を制御部４１に供給する。制御部４１は、ＬＬチャンバ駆動回路４３から供給された検出信号に基づいて、ＬＬチャンバ駆動回路４３に対応する駆動制御信号をＬＬチャンバ駆動回路４３に供給する。ＬＬチャンバ駆動回路４３は、制御部４１からの駆動制御信号に応答し、収容室１１ａを減圧あるいは大気開放することで基板Ｓの搬入あるいは搬出が行えるようにする。

制御部４１には、搬送チャンバ１２を駆動制御するための搬送チャンバ駆動回路４４が接続されている。搬送チャンバ駆動回路４４は、搬送チャンバ１２の状態を検出し、検出結果を制御部４１に供給する。搬送チャンバ駆動回路４４は、例えば搬送ロボット１２ｂのアーム位置を検出し、アーム位置に関する検出信号を制御部４１に供給する。制御部４１は、搬送チャンバ駆動回路４４から供給された検出信号に基づいて、搬送チャンバ駆動回路４４に対応する駆動制御信号を搬送チャンバ駆動回路４４に供給する。搬送チャンバ駆動回路４４は、制御部４１からの駆動制御信号に応答し、成膜処理プログラムに従って基板ＳをＬＬチャンバ１１、搬送チャンバ１２、第１成膜チャンバ１３Ａ、第２成膜チャンバ１３Ｂ、第３成膜チャンバ１３Ｃの順序で搬送する。

制御部４１には、第１成膜チャンバ１３Ａを駆動制御するための第１成膜チャンバ駆動回路４５が接続されている。第１成膜チャンバ駆動回路４５は、第１成膜チャンバ１３Ａの状態を検出し、その検出結果を制御部４１に供給する。第１成膜チャンバ駆動回路４５は、例えば成膜室１３Ｓの実圧力、スパッタガスの実流量、基板Ｓの実温度、プロセス時間、ターゲットＴに印加される実電力値、リフタＬの位置などのパラメータを検出し、これらのパラメータに関する検出信号を制御部４１に供給する。制御部４１は、第１成膜チャンバ駆動回路４５から供給された検出信号に基づいて、成膜条件データＩｄに応じた駆動制御信号を第１成膜チャンバ駆動回路４５に供給する。第１成膜チャンバ駆動回路４５は、制御部４１からの駆動制御信号に応答し、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で密着層３６及び下部電極層３７の成膜処理を実行する。

制御部４１には、第２成膜チャンバ１３Ｂを駆動制御するための第２成膜チャンバ駆動回路４６が接続されている。第２成膜チャンバ駆動回路４６は、第２成膜チャンバ１３Ｂの状態を検出し、その検出結果を制御部４１に供給する。第２成膜チャンバ駆動回路４６は、例えば成膜室１３Ｓの実圧力、スパッタガス及び反応ガスの実流量、基板Ｓの実温度、プロセス時間、ターゲットＴに印加される実電力値、リフタＬの位置などのパラメータを検出し、これらのパラメータに関する検出信号を制御部４１に供給する。制御部４１は、第２成膜チャンバ駆動回路４６から供給された検出信号に基づいて、成膜条件データＩｄに応じた駆動制御信号を第２成膜チャンバ駆動回路４６に供給する。第２成膜チャンバ駆動回路４６は、制御部４１からの駆動制御信号に応答し、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で複合酸化物層３８の成膜処理を実行する。

制御部４１には、第３成膜チャンバ１３Ｃを駆動制御するための第３成膜チャンバ駆動回路４７が接続されている。第３成膜チャンバ駆動回路４７は、第３成膜チャンバ１３Ｃの状態を検出し、その検出結果を制御部４１に供給する。第３成膜チャンバ駆動回路４７は、例えば成膜室１３Ｓの実圧力、スパッタガスの実流量、基板Ｓの実温度、プロセス時間、ターゲットＴに印加される実電力値、リフタＬの位置などのパラメータを検出し、これらのパラメータに関する検出信号を制御部４１に供給する。制御部４１は、第３成膜チャンバ駆動回路４７から供給された検出信号に基づいて、成膜条件データＩｄに応じた駆動制御信号を第３成膜チャンバ駆動回路４７に供給する。第３成膜チャンバ駆動回路４７は、制御部４１からの駆動制御信号に応答し、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で上部電極層３９の成膜処理を実行する。

次に、上記成膜装置１０を利用した多層膜形成方法について説明する。
まず、複数の基板Ｓが、ＬＬチャンバ１１にセットされる。この際、基板Ｓは、図４（ｃ）に示すように、その表面に下地層ＵＬ（例えば、シリコン酸化膜など）を有している。制御部４１は、入出力部４２から成膜条件データＩｄを受信すると、ＬＬチャンバ駆動回路４３及び搬送チャンバ駆動回路４４を介して、ＬＬチャンバ１１及び搬送チャンバ１２を駆動し、収容室１１ａの基板Ｓを第１成膜チャンバ１３Ａに搬送する。

基板Ｓを第１成膜チャンバ１３Ａの成膜室１３Ｓに搬入すると、制御部４１は、下地層ＵＬの上側に密着層３６と下部電極層３７を順に積層する。すなわち制御部４１は、第１成膜チャンバ駆動回路４５を介して、搬送位置にある第１マスク３０Ａを成膜位置に移動させ、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で第１マスク孔３１Ａを介して密着層３６及び下部電極層３７を成膜する。

下部電極層３７が成膜された後、制御部４１は、下部電極層３７の上側に複合酸化物層３８を積層する。すなわち制御部４１は、搬送チャンバ駆動回路４４を介して搬送チャンバ１２を駆動し、第１成膜チャンバ１３Ａ内に位置する基板Ｓを第２成膜チャンバ１３Ｂに搬送する。次いで、制御部４１は、第２成膜チャンバ駆動回路４６を介して、搬送位置にある第２マスク３０Ｂを成膜位置に移動させ、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で第２マスク孔３１Ｂを介して複合酸化物層３８を成膜する。

複合酸化物層３８が成膜された後、制御部４１は、複合酸化物層３８の上側に上部電極層３９を積層する。すなわち制御部４１は、搬送チャンバ駆動回路４４を介して搬送チャンバ１２を駆動し、第２成膜チャンバ１３Ｂ内に位置する基板Ｓを第３成膜チャンバ１３Ｃに搬送する。次いで、制御部４１は、第３成膜チャンバ駆動回路４７を介して、搬送位置にある第３マスク３０Ｃを成膜位置に移動させ、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で第３マスク孔３１Ｃを介して上部電極層３９を成膜する。これによって、成膜装置１０は、エッチング処理を利用することなく、マスク孔３１に対応する形状の密着層３６、下部電極層３７、複合酸化物層３８、上部電極層３９からなる多層膜を形成することができる。

上部電極層３９が形成された後、制御部４１は、基板Ｓを成膜装置１０の外部に搬出する。すなわち制御部４１は、搬送チャンバ駆動回路４４を介して搬送チャンバ１２を駆動し、第３成膜チャンバ１３Ｃの基板ＳをＬＬチャンバ１１に収納する。以後同様に、制御部４１は、駆動回路４３〜４７を介してチャンバ１１〜１３をそれぞれ駆動し、全ての基板Ｓに対し、密着層３６、下部電極層３７、複合酸化物層３８、上部電極層３９を積層してＬＬチャンバ１１に収納する。全ての基板Ｓに対する成膜処理が終了すると、制御部４１は、ＬＬチャンバ駆動回路４３を介してＬＬチャンバ１１を大気開放し、全ての基板Ｓを成膜装置１０の外部に搬出する。

一実施形態の多層膜形成方法は、以下の利点を有する。
（１）一実施形態の多層膜形成方法は、基板Ｓ上方に第１マスク３０Ａを位置させること、密着層ターゲットＴ１及び下部電極層ターゲットＴ２をスパッタして、基板Ｓ上方に第１マスク孔３１Ａに対応した形状を有する密着層３６及び下部電極層３７を成膜すること、セラミック材料によって形成された第２マスク３０Ｂを下部電極層３７上方に位置させること、酸化物層ターゲットＴ３をスパッタして、下部電極層３７上に第２マスク孔３１Ｂに対応した形状を有する複合酸化物層３８を積層すること、複合酸化物層３８上方に第３マスク３０Ｃを位置させること、上部電極層ターゲットＴ４をスパッタして、複合酸化物層３８上に第３マスク孔３１Ｃに対応した形状を有する上部電極層３９を積層すること、を含む。

したがって、密着層３６及び下部電極層３７が第１マスク孔３１Ａの形状で成膜され、複合酸化物層３８が第２マスク孔３１Ｂの形状で成膜され、上部電極層３９が第３マスク孔３１Ｃの形状で成膜される。この結果、複合酸化物層３８を有した多層膜が、エッチング処理を利用することなく、所望の素子形状に形成される。

しかも、第２マスク３０Ｂがセラミック材料によって形成されるため、第２マスク３０Ｂと複合酸化物層３８との間の熱膨張率の差を小さくできる。これにより、第２マスクに堆積される複合酸化物によって、熱膨張率の差に起因した膜剥がれが生じることが抑制される。ひいては、複合酸化物層３８を積層する際、複合酸化物の膜剥がれに起因したパーティクルの発生を抑制させることができる。

（２）密着層３６及び下部電極層３７が成膜されるとき、搬送位置にある第１マスク３０Ａが成膜位置に下動して、第１マスク３０Ａが基板Ｓに近接する。また、複合酸化物層３８が成膜されるとき、搬送位置にある第２マスク３０Ｂが成膜位置に下動して、第２マスク３０Ｂが基板Ｓに近接する。さらに、上部電極層３９が成膜されるとき、搬送位置にある第３マスク３０Ｃが成膜位置に下動して、第３マスク３０Ｃが基板Ｓに近接する。

したがって、基板Ｓが搬送される際、基板Ｓと各マスク３０との物理的な接触を回避することができる。また、密着層３６、下部電極層３７、複合酸化物層３８、上部電極層３９の各々を、より高い加工精度の下で成膜することができる。

（３）各マスク３０が、マスク昇降リングＲに対して着脱可能に位置決め固定される。したがって、成膜室１３Ｓのメンテナンスを実行する際（例えば、下側防着板２８Ｌや上側防着板２８Ｕを交換する際）、同時に、マスク３０も交換することができる。そのため、密着層３６、下部電極層３７、複合酸化物層３８及び上部電極層３９の各々に対し、より長期的な成膜安定性を実現することができる。

（４）マスク３０が、下側防着板２８Ｌを昇降するためのリフタＬによって昇降される。したがって、マスク３０を昇降するための昇降機構を別途設ける必要がなく、成膜装置１０を、より簡便な構成にすることができる。

（５）各マスク孔３１の内壁が、上方に広がるテーパー状を呈する。このため、マスク孔３１を通過するスパッタ粒子の入射角度を広範囲にすることができる。したがって、密着層３６、下部電極層３７、複合酸化物層３８及び上部電極層３９の各々を、より均一な膜厚で形成することができる。

尚、上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・マスク３０Ａ，３０Ｃはセラミック材料に限定されない。例えば第１マスク３０Ａと第３マスク３０Ｃの少なくともいずれか一方を、金属材料や樹脂材料で形成してもよい。すなわち、下部電極層３７や上部電極層３９など、密着性の高い金属層を成膜する場合には、マスク３０の構成材料はセラミック材料に限定されない。

・マスク３０を昇降することに代えて、基板ステージ２４を昇降することにより、基板Ｓとマスク３０との間の距離を変更してもよい。
・複合酸化物層３８に対し、単一のターゲットを利用してスパッタリングするシングルターゲットスパッタ法を適用した。これに限らず、例えば複数のターゲットを利用してスパッタリングするマルチターゲットスパッタ法を適用してもよい。

・各成膜チャンバ１３を、直流あるいは交流マグネトロン方式に代えて、直流あるいは交流スパッタ方式で実現してもよい。

Claims

多層膜形成方法であって、
金属材料で形成された第一のマスクを基板の上方に位置させること、
第一のターゲットをスパッタして、前記基板の上方に前記第一のマスクを用いて下部電極層を成膜すること、
セラミック材料によって形成された第二のマスクを前記下部電極層の上方に位置させること、
第二のターゲットをスパッタして、前記下部電極層に前記第二のマスクを用いて複合酸化物層を積層すること、
金属材料で形成された第三のマスクを前記複合酸化物層の上方に位置させること、
第三のターゲットをスパッタして、前記複合酸化物層上に前記第三のマスクを用いて上部電極層を積層すること
を備え、
前記第一のマスク、前記第二のマスク、及び前記第三のマスクの各々には、前記下部電極層、前記複合酸化物層、及び前記上部電極層を含む素子の形状に合わせた複数のマスク孔が形成されている、
ことを特徴とする多層膜形成方法。
請求項１に記載の多層膜形成方法は更に、
前記下部電極層を成膜するときに、前記基板に対し前記第一のマスクを前記基板の法線方向に相対移動させて、前記第一のマスクを前記基板に近接させること、
前記複合酸化物層を成膜するときに、前記基板に対し前記第二のマスクを前記法線方向に相対移動させて、前記第二のマスクを前記基板に近接させること、
前記上部電極層を成膜するときに、前記基板に対し前記第三のマスクを前記法線方向に相対移動させて、前記第三のマスクを前記基板に近接させること、
を備えることを特徴とする多層膜形成方法。
請求項１又は２に記載の多層膜形成方法において、
前記下部電極層を成膜することは、
チタンを主成分にしたターゲットをスパッタして、前記チタンを主成分にした密着層を前記第一のマスクを用いて前記基板上に成膜すること、
白金を主成分にしたターゲットをスパッタして、前記白金を主成分にした前記下部電極層を前記第一のマスクを用いて前記密着層上に成膜すること、を含み、
前記複合酸化物層を積層することは、少なくとも鉛を含むターゲットをスパッタして、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分にした前記複合酸化物層を前記第二のマスクを用いて前記下部電極層上に成膜することを含み、
前記上部電極層を積層することは、白金を主成分にしたターゲットをスパッタして、前記白金を主成分にした前記上部電極層を前記第三のマスクを用いて前記複合酸化物層上に成膜することを含む、
ことを特徴とする多層膜形成方法。
多層膜形成装置であって、
金属材料で形成された第一のマスクを基板の上方に位置させ、第一のターゲットをスパッタして、前記基板の上方に前記第一のマスクを用いて下部電極層を成膜する第一の成膜部と、
セラミック材料によって形成された第二のマスクを前記基板の上方に位置させ、第二のターゲットをスパッタして、前記下部電極層上に前記第二のマスクを用いて複合酸化物層を成膜する第二の成膜部と、
金属材料で形成された第三のマスクを前記複合酸化物層の上方に位置させ、第三のター
ゲットをスパッタして、前記複合酸化物層上に前記第三のマスクを用いて上部電極層を成膜する第三の成膜部と、
前記第一の成膜部と、前記第二の成膜部と、前記第三の成膜部とに前記基板を搬送する搬送部と、
前記搬送部と、前記第一の成膜部と、前記第二の成膜部と、前記第三の成膜部とを駆動して、前記基板上に、前記下部電極層、前記複合酸化物層及び前記上部電極層を順に積層する制御部と、
を備え、
前記第一のマスク、前記第二のマスク、及び前記第三のマスクの各々には、前記下部電極層、前記複合酸化物層、及び前記上部電極層を含む素子の形状に合わせた複数のマスク孔が形成されている、
ことを特徴とする多層膜形成装置。
請求項４に記載の多層膜形成装置において、
前記第一の成膜部は、前記基板に対し前記第一のマスクを前記基板の法線方向に相対移動させて、前記基板と前記第一のマスクとの間の距離を変更する第一の移動機構を含み、
前記第二の成膜部は、前記基板に対し前記第二のマスクを前記法線方向に相対移動させて、前記基板と前記第二のマスクとの間の距離を変更する第二の移動機構を含み、
前記第三の成膜部は、前記基板に対し前記第三のマスクを前記法線方向に相対移動させて、前記基板と前記第三のマスクとの間の距離を変更する第三の移動機構を含み、
前記制御部は、前記下部電極層を成膜するときに前記第一のマスクを前記基板に近接させるように前記第一の移動機構を駆動し、前記複合酸化物層を積層するときに前記第二のマスクを前記下部電極層に近接させるように前記第二の移動機構を駆動し、前記上部電極層を積層するときに前記第三のマスクを前記複合酸化物層に近接させるように前記第三の移動機構を駆動することを特徴とする多層膜形成装置。
請求項４又は５に記載の多層膜形成装置であって、
前記第一のターゲットは、チタンを主成分にした密着層ターゲットと、白金を主成分にした下部電極層ターゲットとを含み、
前記第二のターゲットは、少なくとも鉛を含む酸化物層ターゲットを含み、
前記第三のターゲットは、白金を主成分にした上部電極層ターゲットを含み、
前記第一の成膜部は、前記密着層ターゲットと前記下部電極層ターゲットとをスパッタし、前記チタンを主成分にした密着層と前記白金を主成分にした前記下部電極層とを前記第一のマスクを用いて前記基板上に成膜し、
前記第二の成膜部は、前記酸化物層ターゲットをスパッタし、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分にした前記複合酸化物層を前記第二のマスクを用いて前記下部電極層上に成膜し、
前記第三の成膜部は、前記上部電極層ターゲットをスパッタし、前記白金を主成分にした前記上部電極層を前記第三のマスクを用いて前記複合酸化物層上に成膜する、
ことを特徴とする多層膜形成装置。