JP6379208B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸化マグネシウム膜等の絶縁物膜を成膜するスパッタリング装置に関する。

近年、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistance）効果を利用したＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction)素子を用いる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が注目されている。そして、トンネル障壁層を２枚の強磁性材料の電極層で挟んでなるＭＴＪ素子のトンネル障壁層として、結晶性の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を用いることが検討されている。このようなＭＴＪ素子の特性向上にとっては、磁気抵抗変化率（両側の電極層の磁化が平行なときのトンネル抵抗（Ｒ_Ｐ）と、両側の電極層の磁化が反平行なときのトンネル抵抗（Ｒ_ＡＰ）との変化率：ＭＲ比）が重要な要素の一つであり、ＭＲ比を可及的に向上させるには、電極層とトンネル障壁層との界面の構造の改良（界面にＯやＯ_２が過剰に残留していない等）及び、酸化マグネシウムの結晶性の向上が必要となることが一般に知られている。他方で、上記酸化マグネシウム膜の成膜装置には、高い量産性と共に、処理すべき基板（例えば、φ３００ｍｍのシリコンウエハ）面内における膜厚分布が１σ１％未満となるように成膜できることが要求されている。

このような酸化マグネシウム膜を成膜し得る成膜装置として、次のスパッタリング装置が特許文献１で知られている。このものは、酸化マグネシウム製のターゲットが設けられる真空チャンバ内の底部にターゲットに対向させて処理すべき基板を保持するステージを備え、ターゲットに高周波電力を投入するスパッタ電源と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とが設けられている。そして、ステージに、このステージの中心を回転中心として回転駆動する駆動手段を設けると共に、真空チャンバの上部に配置されるターゲットを第１のターゲット材と、第１のターゲットより小面積の第２のターゲット材とに分けて構成して第１及び第２の両ターゲット材を基板表面（成膜面）に対して傾斜させて配置している。この場合、例えば成膜時の酸素イオンによる酸化マグネシウム膜の局所的な欠陥を低減するため、各ターゲットの中心からステージで保持される基板面内に垂線を下したときの所謂Ｔ−Ｓ間距離を例えば１９０ｍｍ以上と長く設定し、かつ、各ターゲットのスパッタ面が基板に対向していない配置がよいと考えられていた。

ここで、ＭＴＪ素子のトンネル障壁層に用いる酸化マグネシウム膜はその成膜後の工程で結晶性向上のためのアニール処理を行うことがある。アニール温度には、装置上の制限や下地の膜構成などによる制限があり、７００℃程度までしか昇温できない。このため、スパッタリング装置を用いて酸化マグネシウム膜を成膜するときに結晶性を向上させておくことで、より大きなＭＲ比を達成することが期待される。そこで、本発明の発明者らは、鋭意研究を重ね、酸化マグネシウムのターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングしたとき、ターゲットから飛散するスパッタ粒子のうち、主にＭｇＯの中性粒子を、このスパッタ粒子の持つ（スパッタ）エネルギーの減少を極力抑えながら成膜対象物（面）に到達させれば、スパッタ粒子のマイグレーションにより岩塩型構造の結晶性が一層向上し、ＭＲ比をより大きくできることを知見するのに至った。

特開２０１１−０５８０７３号公報

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、結晶性が一層向上した絶縁物膜をその膜厚分布の均一性よく成膜することができるスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、絶縁物ターゲットが設けられる真空チャンバ内にこの絶縁物ターゲットに対向させて処理すべき基板を保持するステージを備え、ステージを回転駆動する駆動手段と、絶縁物ターゲットに高周波電力を投入するスパッタ電源と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とを設けた本発明のスパッタリング装置は、基板と絶縁物ターゲットのスパッタ面との間の間隔を４０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする。なお、絶縁物ターゲットとしては、酸化マグネシウム製のターゲットを最も好ましく用いることができるが、岩塩型構造を有する酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムおよび酸化ジルコニウムのような酸化物ターゲットやフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化ストロンチウムおよびフッ化ジルコニウムのようなフッ化物ターゲットを用いることができる。

本発明によれば、絶縁物膜を高周波スパッタリングにて成膜する際に所謂Ｔ−Ｓ間距離を４０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲に設定する構成を採用することで、ターゲットから飛散するスパッタ粒子のうち、主に絶縁物（酸化物）の中性粒子が、このスパッタ粒子の持つ（スパッタ）エネルギーの保持したまま基板に到達し、その結果、スパッタ粒子のマイグレーションにより絶縁物固有の結晶性が一層向上した絶縁物膜が得られ、これをＭＴＪ素子のトンネル障壁層として用いれば、ＭＲ比をより大きくすることができることが確認された。なお、Ｔ−Ｓ間距離が１５０ｍｍより大きくなると、結晶性の良い絶縁物膜が得られない。また、絶縁物ターゲットに投入する高周波電力を下げることは、スパッタ粒子の持つエネルギーを低下させることになり、好ましくない。更に、スパッタリング時の真空チャンバ内の圧力は、０．１〜０．２Ｐａの範囲と従来例のものより高くして、ターゲット電位を低くすることで負イオンによる膜へのダメージを低減すると共に、Ｔ−Ｓ間距離を近づけることにより、スパッタ粒子の基板への衝突によるエネルギーの減少を最小限に抑制することが好ましい。

本発明においては、前記絶縁物ターゲットは、ステージで保持される基板に平行な同一平面内に当該基板の中心から夫々オフセットさせて配置される、前記基板の面積より小さい少なくとも２枚のターゲット材で構成されることが好ましい。これにより、これら少なくとも２枚のターゲットを夫々スパッタリングして基板表面に成膜したときの膜厚分布を足し合わせることで、絶縁物膜の成膜に要求される、基板（例えば、φ３００ｍｍのシリコンウエハ）面内における膜厚分布を１σ１％未満に調整することが可能になる。

また、本発明においては、前記平面内に配置されるゲッタリング作用を有する金属製の他のターゲットと、この他のターゲットに直流電力を投入する他のスパッタ電源とを更に備えることが好ましい。これによれば、他のターゲットをスパッタリングしたときのゲッタリング効果で、絶縁物膜の成膜に先立って真空チャンバ内の圧力を５×１０^−７Ｐａ程度まで可及的速やかに低下させることができ、絶縁物固有の結晶性がより一層向上した絶縁物膜が量産性よく得られる。この場合、各ターゲットでの所謂クロスコンタミネーションを防止するために、前記絶縁物ターゲットと前記他のターゲットとの基板側の面を選択的に遮蔽する遮蔽手段を備えることが好ましい。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する模式図。 ターゲットと遮蔽手段の平面視での位置関係を示す模式図。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、基板Ｗをφ３００ｍｍのシリコンウエハとし、絶縁物ターゲット４を酸化マグネシウム製のターゲットとし、この基板表面に絶縁物膜たる酸化マグネシウム膜を成膜する場合を例に本発明のスパッタリング装置の実施形態を説明する。以下においては、「上」、「下」といった方向を示す用語は図１を基準として説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底壁には排気管１１を介して真空ポンプ１２が接続され、所定圧力（例えば１０^−６Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の側壁には、図外のガス源からのガス導入管１３が接続され、マスフローコントローラ１４により流量制御された希ガスを真空チャンバ１に導入できるようにしている。これらガス導入管１３及びマスフローコントローラ１４が本発明の「ガス導入手段」を構成する。この場合、スパッタリング時の真空チャンバ１内の圧力が、０．０２〜０．２Ｐａの範囲に設定され、後述のターゲット電位を低減させると共に、スパッタ粒子の基板Ｗへの衝突によるエネルギーの減少を抑制することが好ましい。

処理室１０内の下部には基板Ｗを保持するステージ２が設けられている。ステージ２には、真空チャンバ１の底壁を貫通させて処理室１０内に突設した駆動手段としてのモータ３の駆動軸３１が連結され、スパッタリングによる成膜時、基板Ｗの中心を回転中心として所定の回転速度で回転駆動できるようにしている。そして、ステージ２に対向させて真空チャンバ１の上部には、処理室１０を臨むように酸化マグネシウム製のターゲット４が配置されている。なお、ステージ２に他の高周波電源を接続し、成膜時にステージ２に所定のバイアス電力を投入するようにしてもよい。

酸化マグネシウム製のターゲット４は、公知の方法で作製された、基板Ｗの面積より小さい少なくとも２枚（本実施形態では２枚）の平面視円形のターゲット材４ａ，４ｂで構成されている。この場合、両ターゲット材４ａ，４ｂの未使用時の下面（スパッタ面）の面積は、スパッタリング時のスパッタ粒子の飛散分布や基板Ｗの成膜面の面積等を考慮して適宜設定され、両ターゲット材４ａ，４ｂの中心線Ｃ_ｔ１，Ｃ_ｔ２をステージ２で保持される基板Ｗの中心線Ｃｓから径方向外方に夫々オフセットさせて配置している。この場合、一方のターゲット材４ａは、ターゲット材４ａ，４ｂの未使用時の下面の面積に応じてその一部が基板Ｗの外周から外方に突出するようにそのオフセット量ｄ１を設定して配置され、これを基準に、基板Ｗに酸化マグネシウム膜を成膜したときの膜厚分布を考慮して他方のターゲット材４ｂのオフセット量ｄ２が設定される。また、両ターゲット材４ａ，４ｂの未使用時の下面と基板Ｗとの所謂Ｔ−Ｓ間距離ｄ３は、４０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲に設定されている。Ｔ−Ｓ間距離ｄｓが１５０ｍｍより大きくなると、結晶性の良い酸化マグネシウム膜が得られない。Ｔ−Ｓ間距離ｄ３の下限は、放電空間の確保あるいは後述する遮蔽手段７ａ，７ｂの遮蔽板７３の移動空間や基板Ｗの搬送空間等を考慮して設定され、例えば上記４０ｍｍに設定することができる。

両ターゲット材４ａ，４ｂは、成膜時にターゲット材４ａ，４ｂを冷却する銅製のバッキングプレート４１に図示省略のインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、この状態で両ターゲット材４ａ，４ｂの未使用時の下面が基板Ｗに平行な同一平面内に位置するように絶縁板Ｉを介して真空チャンバ１の上部に取り付けられている。また、両ターゲット材４ａ，４ｂの上方には、ターゲット２の下方空間にトンネル状の漏洩磁場（図示せず）を発生させるマグネットユニット５，５が夫々設けられている。この場合、マグネットユニット５，５は、公知の形態のものが利用できるため、詳細な説明は省略するが、ターゲット材４ａ，４ｂの下面（スパッタ面）における磁場の水平方向成分の磁場強度が１０００Ｇ〜４０００Ｇの範囲になるように設定することが好ましい。両ターゲット材４ａ，４ｂには、スパッタ電源たる公知の構造の高周波電源Ｅ１，Ｅ１からの出力が接続され、スパッタリング時、所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の電力を投入できるようにしている。この場合、投入する高周波電力は、０．１ｋＷ〜０．６ｋＷの範囲に設定され、ターゲット電位を増大させることが好ましい。高周波電力が０．１ｋＷより低いと、スパッタ粒子の持つエネルギーを低下させることになり、好ましくない。また、真空チャンバ１内には、上下の防着板８ｕ，８ｄ，９が設けられ、真空チャンバ１の内壁面にスパッタ粒子が付着することを防止している。

また、図２も参照して、真空チャンバ１の上部には、両ターゲット材４ａ，４ｂの下面と同一平面内に位置させてかつ処理室１０を臨むようにチタン製の他のターゲット６が取り付けられている。他のターゲット６は、特に図示して説明しないが、上記ターゲット材４ａ，４ｂ同様、バッキングプレートにボンディング材を介して接合され、この状態で絶縁板Ｉを介して真空チャンバ１の上部に取り付け、他のスパッタ電源たる公知の構造のＤＣ電源（他のスパッタ電源）Ｅ２からの出力が接続されている。ターゲット材４ａ，４ｂのスパッタリングに先立ってターゲット６をスパッタリングして防着板８ｕ，８ｄ，９等にチタン膜を形成することで、このチタン膜のゲッタリング効果により、処理室１０内の圧力を５×１０^−７Ｐａ程度まで可及的速やかに低下させることができるようにしている。

また、真空チャンバ１の上部には２個の遮蔽手段７ａ，７ｂが設けられている。各遮蔽手段７ａ，７ｂは同一の構成を有し、モータなどの駆動源７１と、真空チャンバ１の上壁を貫通させて処理室１０内に突設した駆動軸７２と、駆動軸７２の下端に連結され、両ターゲット材４ａ，４ｂ及び他のターゲット６を完全に覆うことができる面積を持つ遮蔽板７３とで構成されている。

両ターゲット材４ａ，４ｂをスパッタリングする場合には、遮蔽手段７ａ，７ｂの両遮蔽板７３が、図２中に仮想線で示す如く両ターゲット材４ａ，４ｂの下方から離隔した退避位置に移動され、このとき、一の遮蔽手段７ｂの遮蔽板７３で他のターゲット６が完全に覆われるようにしている。そして、他のターゲット６をスパッタリングする場合には、遮蔽手段７ａ，７ｂの両遮蔽板７３が、図２中に実線で示す如く両ターゲット材４ａ，４ｂの下方の遮蔽位置に移動され、このとき、両遮蔽板７３で両ターゲット材４ａ，４ｂが完全に覆われるようにしている。これにより、両ターゲット材４ａ，４ｂと他のターゲット６との所謂クロスコンタミネーションが効果的に防止される。駆動源７１の作動、真空ポンプ１２の作動、ガス導入や電力投入などのスパッタリング装置ＳＭの作動は、図外の制御ユニットにより統括制御されるようになっている。

以上の実施形態によれば、両ターゲット材４ａ，４ｂを上記各条件でスパッタリングしたとき、両ターゲット材４ａ，４ｂから夫々飛散するスパッタ粒子のうち、主にＭｇＯの中性粒子が、このスパッタ粒子の持つ（スパッタ）エネルギーの保持したまま基板Ｗに到達し、その結果、スパッタ粒子のマイグレーションにより酸化マグネシウム固有の岩塩型構造の結晶性が一層向上した酸化マグネシウム膜が得られる。しかも、チタンまたはタンタル製の他のターゲット６を備えて、例えば基板Ｗへの酸化マグネシウム膜の成膜に先立って他のターゲット６をスパッタリングできる構成を採用したことで、処理室１０内の圧力を５×１０^−７Ｐａ程度まで可及的速やかに低下させた後に、基板Ｗへの酸化マグネシウム膜の成膜ができるため、岩塩型構造の結晶性がより一層向上した酸化マグネシウム膜が量産性よく得られる。さらに、メタル材料を防着板に一定量成膜することにより、ＲＦスパッタリングのアノード面が確保され、安定したＲＦスパッタリングが維持できる。そして、上記のように成膜したものをＭＴＪ素子のトンネル障壁層として用いれば、ＭＲ比をより大きくすることができる。その上、両ターゲット材４ａ，４ｂを夫々スパッタリングして基板Ｗ表面に成膜したときの膜厚分布を足し合わせることで、酸化マグネシウム膜の成膜に要求される、基板（例えば、φ３００ｍｍのシリコンウエハ）面内における膜厚分布を１σ１％未満に調整することが可能になる。

次に、本発明の効果を確認するため、図１に示すスパッタリング装置を用いて次の実験を行った。実験１では、基板Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコンウエハを用い、ターゲット材４ａ，４ｂとして、φ１６５ｍｍのものを夫々用いた。また、スパッタリング条件として、スパッタリング時の処理室１０内の圧力を０．１Ｐａにアルゴンガスの導入量と真空ポンプの排気速度を設定し、高周波電源Ｅ１からの投入電力を０．５０ｋＷに設定した。そして、ターゲット材４ａの中心線Ｃ_ｔ１と基板Ｗの中心線Ｃｓとの間の間隔ｄ１を８０ｍｍに固定し、ターゲット材４ｂの中心線Ｃ_ｔ２と基板Ｗの中心線Ｃｓとの間の間隔ｄ２を変化させながら酸化マグネシウム膜を成膜した。

図３は、間隔ｄ２を１５０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲内で１０ｍｍずつ変えて酸化マグネシウム膜を成膜したときの膜厚分布の傾向を示すグラフである。これによれば、間隔ｄ１を８０ｍｍに固定した場合、間隔ｄ２を１６５〜２００ｍｍの範囲内に設定すれば、基板面内における膜厚分布が１σ１％未満になるように成膜できることが確認された。さらに、間隔ｄ２を１７０〜１８０ｍｍの範囲内に設定すれば、基板面内における膜厚分布を１σ０．５％未満に調整できることが確認された。

次に、実験２では、基板Ｗに１．０ｎｍの膜厚でＣｏＦｅＢを成膜した後、図１に示すスパッタリング装置を用いて酸化マグネシウム膜を０．８ｎｍの膜厚で成膜し、更に、１．２ｎｍの膜厚でＣｏＦｅＢを成膜し、磁気抵抗変化率を測定した。この場合、基板Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコンウエハを用い、ターゲット材４ａ，４ｂとしてφ１６５ｍｍのものを夫々用い、ターゲット材４ａの中心線Ｃ_ｔ１と基板Ｗの中心線Ｃｓとの間の間隔ｄ１を８０ｍｍに固定し、ターゲット材４ｂの中心線Ｃ_ｔ２と基板Ｗの中心線Ｃｓとの間の間隔ｄ２を１８０ｍｍに設定し、その他のスパッタ条件は実験１と同様とした。そして、所謂Ｔ−Ｓ間距離ｄ３を３００ｍｍの長距離と、この長距離の１／２である１５０ｎｍよりも短い短距離とに設定した。

図４は、Ｔ−Ｓ間距離を変化させて酸化マグネシウム膜を成膜したときの規格化したＭＲ比（磁気抵抗変化率）を示すグラフである。これによれば、Ｔ−Ｓ間距離を短距離に設定することにより、Ｔ−Ｓ間距離が３００ｍｍの長距離（従来例に相当する）のときに比べて、ＭＲ比を大きくすることができることが確認された。これより、Ｔ−Ｓ間距離を短距離に設定することにより、結晶性が一層向上した酸化マグネシウム膜が得られることが判った。

図５は、ターゲット材４ａ，４ｂからスパッタされる成膜量を調整して酸化マグネシウム膜を成膜したときの膜厚分布の傾向を示すグラフである。これによれば、ターゲット材４ａからの成膜量がターゲット材４ｂからの成膜量に比べて多い場合、一点鎖線で示すような下に凸の分布傾向となり、膜厚分布が１σ１．８６％となる一方で、ターゲット材４ｂからの成膜量がターゲット材４ａからの成膜量に比べて多い場合、実線で示すような上に凸の分布傾向となり、膜厚分布が１σ２．８１％となる。これらターゲット材４ａ，４ｂからの成膜量を最適なバランスに決定することにより、膜厚分布を１σ１％未満（０．４７％）に調整できることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更が可能である。例えば、他のターゲット６として、チタン製のものだけでなく、タンタル製のものを用いることができる。また、絶縁物ターゲット４は、上記酸化マグネシウム製のものに限定されず、岩塩型構造を有する酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムおよび酸化ジルコニウムのような酸化物ターゲットやフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化ストロンチウムおよびフッ化ジルコニウムのようなフッ化物ターゲットを用いることができる。

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、２…ステージ、３…駆動手段、４…絶縁物ターゲット（酸化マグネシウム製のターゲット）、４ａ，４ｂ…ターゲット材、Ｅ１…スパッタ電源、６…他のターゲット、Ｅ２…他のスパッタ電源、７ａ…遮蔽手段。

Claims (3)

1. 酸化マグネシウムターゲットが設けられる真空チャンバ内にこの酸化マグネシウムターゲットに対向させて処理すべき基板を保持するステージを備え、ステージを回転駆動する駆動手段と、酸化マグネシウムターゲットに高周波電力を投入するスパッタ電源と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とを設けたスパッタリング装置において、
   基板と酸化マグネシウムターゲットのスパッタ面との間の間隔を４０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲に設定し、
   前記酸化マグネシウムターゲットは、ステージで保持される基板に平行な同一平面内に当該基板の中心から夫々異なるオフセット量で配置される、前記基板の面積より小さい少なくとも２枚のターゲット材で構成されたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記酸化マグネシウムターゲットが２枚のターゲット材で構成されるものにおいて、
   一方のターゲット材のオフセット量が、他方のターゲット材のオフセット量の２．０６〜２．５０倍に設定されることを特徴とするスパッタリング装置。
3. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記酸化マグネシウムターゲットが２枚のターゲット材で構成されるものにおいて、
   一方のターゲット材のオフセット量が、他方のターゲット材のオフセット量の２．１３〜２．２５倍に設定されることを特徴とするスパッタリング装置。

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