JPWO2007066511A1 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

膜質の均一性を高めて生産性の向上を図ることができる成膜装置及び成膜方法を提供する。本発明に係る成膜装置(１)は、基板温度を調整する基板温度調整手段（加熱源１０）を有し、自転する基板支持台(３)上の基板Ｗに対して斜め方向からスパッタ粒子を入射させて成膜する。このように、成膜時に基板温度を一定に保持することで、成膜時における基板上の温度ムラを低減して膜質の面内均一化を図ることができる。これにより、成膜層の膜厚、結晶性、成分組成比等といった膜質の一様化が図られ、例えば面内抵抗あるいは磁気抵抗効果等の素子特性のバラツキを抑えて安定した素子特性を有する抵抗変化素子を生産性高く製造することが可能となる。

Description

本発明は、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）等の多層構造の電子・半導体デバイスの製造プロセスに用いられる成膜装置及び成膜方法に関する。

例えば不揮発性メモリとして半導体メモリや強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ：Ferro electric RAM）などが広く用いられているが、近年、磁気不揮発性メモリ（ＭＲＡＭ）、相変化型メモリ（ＰＲＡＭ：Phase change RAM）、ＣＢＲＡＭ（Conductive Bridging RAM）等の抵抗変化素子が新たなメモリ素子として注目されている。

抵抗変化素子は磁性多層膜構造を有しており、これらの多層膜は半導体製造用の薄膜形成プロセスを用いて成膜される。しかし、抵抗変化素子を構成する多層膜は、膜厚や結晶性、成分組成比等といった膜質に応じて特性が大きくばらつくために、今までの半導体デバイス用途と比較して非常に高度な膜質コントロールが必要とされている。

抵抗変化素子の作製に際しては、従来より、膜中への異物の混入を防ぐために、同一装置内で真空を破らずに連続的に多層膜を成膜している（下記特許文献１参照）。多層膜の成膜方法として多くはスパッタ法が採用されており、真空チャンバ内に複数のスパッタカソードが配置されている。これら複数のスパッタカソードに取り付けられるターゲット材は、例えば互いに異種の材料で構成されて積層順に使い分けられたり、複数同時に使用されて所定の成分組成比をもった多元系材料層の成膜に供せられる。

また、基板面内の成膜均一性を高めるために、基板を自転させながらスパッタ粒子を斜め方向から基板表面に入射して成膜する方法が知られている（下記特許文献２参照）。

特開２００３−２５３４３９号公報 特開２００２−１６７６６１号公報

しかしながら、基板を回転させてスパッタ粒子を斜め方向から入射する成膜方法のみでは、基板の半径方向に生じる温度ムラを原因として結晶性や成分組成比が面内位置で異なったり基板間でバラツキが生じるという問題がある。温度ムラの原因としては、成膜プロセスを継続することでチャンバ内温度が変化すること、ターゲットをスパッタするプラズマの形成領域が、使用されるターゲットと基板間の相対位置関係に起因して変化すること等が挙げられる。

したがって、従来の方法では、基板面内あるいは基板間において膜の組成比や結晶性等の点で膜質の均一性が得られないことにより、面内抵抗等の素子特性のバラツキによる信頼性の低下や歩留まりの悪化が大きな問題となっている。

さらに、抵抗変化素子の製造においては、多層膜の結晶化熱処理を実施して特性の向上を図るプロセスが必要とされる。従来、この熱処理を多層膜の作製後に行っているため、成膜後の熱処理工程が別途必要となり、生産性の改善を図れないという問題もある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、膜質の均一性を高めて生産性の向上を図ることができる成膜装置及び成膜方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の成膜装置は、真空チャンバと、真空チャンバの内部に配置された基板支持台と、基板支持台を自転させる基板回転機構と、スパッタターゲットが装着され基板支持台上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタカソードと、基板温度を調整する基板温度調整手段とを備えている。

また、本発明の成膜方法は、自転する基板支持台上の基板に対して斜め方向からスパッタ粒子を入射させて成膜する成膜方法において、基板支持台上で基板温度を一定に保持して成膜を行うことを特徴とする。

上述のように本発明は、基板温度を調整する基板温度調整手段を設け、成膜時に基板温度を一定に保持することで、成膜時における基板上の温度ムラを低減して膜質の面内均一化を図るようにしたものである。これにより、成膜層の膜厚、結晶性、成分組成比等といった膜質の一様化が図られ、例えば面内抵抗あるいは磁気抵抗効果等の素子特性のバラツキを抑えて安定した素子特性を有する抵抗変化素子を生産性高く製造することが可能となる。

更に、上記温度調整手段によって基板温度を成膜材料の結晶化温度に設定することによって、成膜工程で膜の結晶化を同時に行うことが可能となり、多層膜形成後の結晶化熱処理を不要として生産性の更なる向上を図ることが可能となる。この場合も、基板面内において結晶化温度を一様に保つことができるので、結晶性の面内バラツキを抑えて所望の素子特性を有する抵抗変化素子を安定して作製することが可能となる。

基板温度調整手段は、基板面内において温度分布を生じさせることなく面内を一様な温度に保持できる機構のものであれば特に制限されないが、基板支持台に加熱源が内蔵されたホットプレートが好適である。なお、基板温度調整手段は上記加熱源に限定されず冷却源であってもよい。

上記ホットプレートによる基板温度調整を実効的なものとするため、基板を全面に亘って基板支持台に密着できる構成が付加されていると更に好ましい。好適には、基板支持台に静電チャック機構が併設される。

スパッタカソード（ターゲット）は１種に限らず複数種類配置することができる。これら複数のスパッタカソードは、例えば互いに異種の材料で構成されて積層順に使い分けられたり、複数同時に使用されて所定の成分組成比をもった多元系材料層の成膜に供せられる。特に、本発明によれば基板温度を面内一様に保つことができるので、成分組成比の面内バラツキを抑えて所望の素子特性を有する抵抗変化素子を安定して作製することが可能となる。

以上述べたように、本発明によれば、成膜層の膜厚、結晶性、成分組成比等といった膜質の面内一様化を図ることができる。これにより、例えば面内抵抗あるいは磁気抵抗効果等の素子特性のバラツキを抑えて安定した素子特性を有する抵抗変化素子を生産性高く製造することが可能となる。

本発明の実施の形態による成膜装置１の概略断面図である。 成膜装置１の概略平面図である。 成膜装置１の作用を説明する基板間温度分布の一実験結果である。 本発明に係る成膜装置を備えた真空処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 成膜装置
２ 真空チャンバ
３ 基板支持台
４ 回転軸
５Ａ〜５Ｃ スパッタカソード
６ 処理室
７ 台座
９ 駆動源
１０ 加熱源（基板温度調整手段）
１１ 静電チャック用電極
１４ シャッタ機構
２０ 真空処理装置
Ｗ 基板

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

図１及び図２は本発明の実施の形態による成膜装置１の概略構成図である。本実施の形態において、成膜装置１は、マグネトロンスパッタ装置として構成されている。

成膜装置１は、真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に配置された基板支持台３と、この基板支持台３を回転軸４を軸心として回転させる基板回転機構と、真空チャンバ２の内部に配置された複数（本例では３組）のスパッタカソード５Ａ，５Ｂ，５Ｃ等を備えている。

真空チャンバ２は内部に処理室６を画成しており、図示しない真空排気手段を介して処理室６を所定の真空度にまで減圧可能とされている。また、処理室６の内部にアルゴンガス等のプロセスガスや酸素、窒素等の反応性ガスを導入するためのガス導入ノズル（図示略）が真空チャンバ２の所定位置に取り付けられている。

基板支持台３は、内部に加熱源１０を有するホットプレートで構成されている。この加熱源１０は、基板支持台３上に載置された基板Ｗを所定温度に加熱する温度調整手段として設けられており、基板Ｗを例えば２０℃から５００℃の範囲の一定温度に保持する。なお、加熱源１０は抵抗加熱方式が適用される。

基板支持台３は絶縁性材料（例えばＰＢＮ：パイロリティックボロンナイトライド）で構成されており、その表面近傍の内部には静電チャック用電極１１が適宜の位置に適宜の個数設置されている。これにより、基板Ｗを基板支持台３の表面に密着させて基板温度の面内均一化を図るようにしている。なお、基板Ｗは例えばシリコン基板等の半導体基板が用いられる。

基板支持台３は、金属（例えばアルミニウム）製の台座７の上に設置される。台座７はその下面中心部に回転軸４が取り付けられており、モータ等の駆動源９を介して回転可能に構成されている。これにより、基板Ｗをその中心のまわりに自転させる基板回転機構が構成される。なお、回転軸４は、軸受機構（図示略）や磁性流体シール８等のシール機構を介して真空チャンバ２に取り付けられている。

台座７の内部には図示せずとも冷却媒が循環する冷却ジャケットが設けられており、基板支持台３を所定温度（例えば−４０℃から０℃）に冷却する基板温度調整手段の他の具体例として構成されている。この冷却媒の導入・導出管路１２は、加熱源用配線１０Ｌ、静電チャック用配線１１Ｌ等とともに回転軸４の内部に設置されている。なお、この回転軸４の内部には更に、基板支持台４の温度を測定する図示しない熱電対等の測温手段に接続される測温用配線１３Ｌが設置されている。

次に、スパッタカソード５Ａ〜５Ｃは、図２に示すように、真空チャンバ２の上部において基板Ｗを中心とする同心円上に等角度間隔に配置されている。これらスパッタカソード５Ａ〜５Ｃには、詳細を省略するが、処理室６内においてプラズマを形成するための高周波電源やマグネット機構等のプラズマ発生源が、各々独立して配備されているものとする。

各々のスパッタカソード５Ａ〜５Ｃには基板Ｗに成膜する任意の材料からなるスパッタターゲットがそれぞれ保持されている。スパッタカソード５Ａ〜５Ｃは、プラズマ中のアルゴンイオンによってターゲットから叩き出されたスパッタ粒子が基板Ｗの法線方向に対して斜め方向から入射するように各々所定角度傾斜させて真空チャンバ２に設置されている。

すなわち、本実施の形態においては、自転する基板支持台３上の基板Ｗに対して斜め方向からスパッタ粒子を入射させて成膜する際に、基板温度を一定に保持することで、成膜時における基板上の温度ムラをなくして膜質の面内均一化を図るようにしている。

スパッタカソード５Ａ〜５Ｃに保持されるターゲットは、例えば異種の材料で構成されて積層順に使い分けられたり、複数同時に使用されて所定の成分組成比をもった３元系材料層の成膜に供せられる。なお、スパッタカソードの配置数は特に制限されず、成膜する材料に応じて１つでもよいし複数でもよい。

ターゲットの構成材料は特に限定されないが、ＭＲＡＭやＰＲＡＭ等の抵抗変化素子の作製においては、当該素子の少なくとも一機能層を構成する強磁性材料或いは反強磁性材料が適宜用いられる。具体的には、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系材料、磁気光学素子用途として、Ｔｂ−Ｓｂ−Ｆｅ−Ｃｏ系材料等が挙げられる。これら各元素毎にターゲットを用意し複数同時にスパッタして所望の成分組成比をもった材料層を形成してもよいし、これら元素の合金ターゲットを用いることも可能である。

また、磁性多層膜素子における絶縁層や保護層、導電層を構成する材料のターゲットが用いられていてもよく、例えば、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ａｌ等、作製される素子の種類に応じてターゲット材料を選定することができる。また、酸素や窒素等の反応性ガスを導入して酸化膜や窒化膜を成膜することも可能である。

なお、スパッタカソードを複数使用して成膜する場合、個々のスパッタカソードの駆動周波数を例えば１ｋＨｚ以上相互に異ならせることで、スパッタカソード間のクロストークを回避することができ、安定したプラズマ形成が可能となる。

ところで、スパッタカソードを複数設置した場合、これら複数のスパッタカソードは同時に使用される場合に限らず、任意の１つ又は全部ではない複数のスパッタカソードのみ使用して所定の材料を基板Ｗ上に成膜する場合がある。この場合、処理室６に形成されたプラズマに使用されないスパッタターゲットが曝されることによる成膜材料中への異種材料の混入（コンタミネーション）を防止するため、処理室６の内部にシャッタ機構１４を設けている

シャッタ機構１４は、複数枚の遮蔽板１５と、これら遮蔽板１５を個々に回転させる回動軸１６とを備えている。各遮蔽板１５は、例えば、全てのスパッタカソード５Ａ〜５Ｃを覆うことができる大きさの傘状の金属板からなり、各スパッタカソード５Ａ〜５Ｃの対応部位に予め開口が形成されている。そして、回動軸１６を駆動させて各々の遮蔽板１５の回転位置を適宜調整することにより、全てのスパッタカソードを開放させる状態と任意の１つ又は２つのスパッタターゲットのみを開口させる状態とを選択できるようにする。なお、遮蔽板１５の配置数は図示の例に限られない。

そして、本実施の形態の成膜装置１は、処理室６の内部に、真空チャンバ２の内壁面への成膜材料の付着を防止するための防着板１７が設置されている。この防着板１７は上下方向に移動可能であり、基板支持台３に対する基板Ｗの着脱操作に応じて駆動される。また、基板支持台３の上面周縁に、基板Ｗに成膜された磁性材料の磁化方向を制御するためのマグネット１８が適宜配置されていてもよい。

以上のように構成される本実施の形態の成膜装置１においては、自転する基板支持台３の上に載置された基板Ｗに対して斜め方向からスパッタ粒子を入射させて成膜する。これにより、基板表面にターゲット面を平行にして対向配置させる場合に比べて、膜厚分布の面内均一化を図ることが可能となる。

また、本実施の形態においては、加熱源１０により基板Ｗを一定温度（例えば結晶化温度）に維持した状態で成膜を行うようにしている。これにより、成膜温度を室温とする従来の成膜方法と比較して、成膜処理の継続によるチャンバ内温度変化や処理室内部におけるプラズマ形成分布等の外乱成分による影響を受けにくくして、基板Ｗの半径方向における温度ムラを低減することが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、基板上に堆積される材料層の成膜温度をも同時に均一化できるようになるので、結晶性や成分組成比の温度依存性の大きな材料層を基板面内において一様な結晶性、成分組成比でもって安定に形成することができるとともに膜質の均一化を図ることができる。

また、本実施の形態においては、基板面内の温度均一化だけでなく、基板間における温度の均一化も図ることができる。図３は、本発明者らが行った実験の結果の一例を示している。この実験では、８インチ径の基板表面に膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜を本発明の成膜方法で成膜したときの基板間温度変化を測定した。横軸は基板処理数、縦軸は基板温度であり、基板支持台の設定温度は３００℃である。図３の結果から、平均基板温度は２９３．９℃であり、基板間の温度差を６℃以下に抑えることができた。

以上のように、本実施の形態によれば、基板上の成膜層の膜厚、結晶性、成分組成比等といった膜質の面内均一性とともに基板間の均一性を図ることができる。特に本発明においては、５０ｎｍ以下に膜厚が規定される抵抗変化素子の磁性人工格子機能層の成膜に際して顕著な効果を奏し、面内抵抗あるいは磁気抵抗効果等の素子特性を有する抵抗変化素子を安定して作製することが可能となる。本発明者らの実験によれば、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系３元磁性層を成膜し面内の結晶性を調べたところ、高い均一性が得られたことが確認されている。

また、本実施の形態によれば、基板Ｗ（基板支持台３）の設定温度を調整するだけで、基板上の成膜層の成分組成比や結晶相を制御することが可能となるので、成膜層の膜質コントロールを従来に比べて容易に行えるようになる。なお、基板温度だけでなく、スパッタカソード５Ａ〜５Ｃの印加パワーを制御するこでも同様な効果を得ることができる。

更に、本実施の形態によれば、基板Ｗ（基板支持台３）の設定温度を成膜層の結晶化温度に対応させることにより、成膜と同時に結晶化を行えるようになるので、成膜後における結晶化熱処理を別途施す必要がなくなり生産性の向上を図ることが可能となる。

ところで、磁性多層膜構造を有する抵抗変化素子は、例えば図４に概略的に示す真空処理装置２０を用いて作製される。この真空処理装置２０は、搬送室２１の周囲にゲートバルブを介して複数の処理室１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２２，２３，２４，２５がクラスタ状に配置されて構成されている。搬送室２１は所定の真空度に減圧され、内部には基板搬送ロボット（図示略）が設置されている。処理室２２は例えばロード／アンロード室として機能し、処理室２３は成膜前の前処理（加熱、クリーニング等）を行うための予備室として機能する。その他の処理室は成膜室として機能し、特に処理室１Ａ〜１Ｄは、図１に示した成膜装置１で構成されている。なお、成膜室の配置数等は、素子構造や成膜材料の種類に応じて適宜変更される。

真空処理装置２０に装填された基板は、各成膜室を経て所定の材料層が順次積層されてＭＲＡＭ，ＰＲＡＭ、ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive）等の抵抗変化素子が作製される。このように、多層膜を同一真空装置内で真空を破らずに連続的に成膜することで、良質な膜を安定して形成することが可能となる。

Claims (10)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバの内部に配置された基板支持台と、
   前記基板支持台を自転させる基板回転機構と、
   スパッタターゲットが装着され前記基板支持台上の基板に対してスパッタ粒子を斜め方向から入射させるスパッタカソードと、
   基板温度を調整する基板温度調整手段とを備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記基板温度調整手段は、前記基板支持台に内蔵された加熱源又は冷却源であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の成膜装置。
3. 前記基板支持台には、静電チャック機構が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の成膜装置。
4. 前記スパッタカソードは複数配置されており、その各々に対して独立したプラズマ発生源が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の成膜装置。
5. 前記スパッタカソードと基板支持台との間には、任意の１つ又は複数のスパッタカソードを遮蔽するシャッタ機構が設けられていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の成膜装置。
6. 前記スパッタターゲットは、抵抗変化素子の少なくとも一機能層を形成する磁性材料からなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の成膜装置。
7. 自転する基板支持台上の基板に対して斜め方向からスパッタ粒子を入射させて成膜する成膜方法において、
   前記基板支持台上で基板温度を一定に保持して成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
8. 前記基板温度を成膜材料の結晶化温度とすることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の成膜方法。
9. 前記基板への成膜が、複数のスパッタカソードに同時に高周波電源を印加して行われることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の成膜方法。
10. 前記複数のスパッタカソードへ印加する高周波電源の電源周波数を互いに異ならせることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の成膜方法。

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