WO2010116560A1 - 半導体装置の製造方法及びスパッタ装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及びスパッタ装置 Download PDF

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学 池本
述夫 山口
公子 真下
和昭 松尾
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キヤノンアネルバ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device used for manufacturing a semiconductor element or the like, and a sputtering apparatus.
  • Oxynitride films containing metals are widely used as dielectrics and electrodes in semiconductor elements.
  • TiON has been used as a contact barrier layer because of its high barrier properties.
  • an oxynitride film containing, for example, Hf or Zr is promising because of its high heat resistance.
  • polycrystalline silicon has been used as a gate electrode, but depletion is inevitable because it is a semiconductor material.
  • Patent Document 1 discloses that an oxynitride film such as Ti that is excellent in heat resistance and has a good work function and is a metal material is used.
  • a physical method and a chemical method as a method for producing these oxynitrided metal-containing films.
  • Industrially highly practical methods include a sputtering method as a physical method, and a CVD method including an ALD method as a chemical method.
  • the CVD method uses an organometallic compound as a raw material gas, so that there is a problem that carbon tends to be mixed into the produced film.
  • the raw material gas used in CVD is toxic in many cases, and it is necessary to remove unused raw materials and by-products.
  • Film formation by the sputtering method is advantageous in terms of device performance and cost because there is no problem of carbon contamination and detoxification of unused raw materials and by-products as in the CVD method.
  • Patent Document 1 discloses a method of forming Ti, Ta, and other oxynitride films as electrode films on a high dielectric constant film using Ti, Ta, and other metals as targets in an atmosphere containing nitrogen and oxygen.
  • Patent Document 3 discloses a method for forming ZrON or HfON using Zr or Hf as a target in a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen.
  • Patent Document 4 discloses a reactive sputtering apparatus that makes it difficult to form a compound and suppresses a decrease in thin film formation speed and can form a film on a substrate.
  • Patent Document 5 discloses a method of forming a TiON film using, for example, nitrogen gas or a mixed gas of inert gas and nitrogen gas and using titanium oxide as a target.
  • a metal or a metal-containing film is formed and then oxynitrided.
  • Patent Document 6 discloses that a TiN film is formed and then the TiN film is reacted with excited oxygen to form a TiON film.
  • Patent Document 7 ZrN, ZrSiN, HfN, and HfSiN are formed by reactive sputtering of a mixed gas of Ar and N2, and then oxidized to form ZrON, ZrSiON, HfON, and HfSiON. Is disclosed.
  • the metal oxynitride film can be formed in one step, and since a metal target is used, the film formation rate is fast and the most preferable among the three methods.
  • oxygen is introduced using an oxygen leak valve, or about 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Torr remaining in the reaction chamber before sputtering.
  • oxygen represented as background pressure in the literature
  • such control is very difficult and is not suitable as a mass production method for semiconductor elements.
  • the second method has an advantage that the metal oxynitride film can be formed in one step as in the first method, but there is a problem that the film forming speed is slow because the dielectric target is used.
  • the third method has a problem that the number of steps is increased because the film formation is performed in two or more steps, and accordingly, the manufacturing cost is increased due to the increase in the number of chambers. As described above, it has been difficult to increase the controllability of the film composition without increasing the cost of the process for forming the oxynitride film.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a sputtering apparatus in which the controllability of the composition of metal and reactive gas is improved without increasing the number of steps.
  • the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, the step of placing a substrate on a substrate holder in a processing chamber, and the first reactive gas and the first reactive gas in the processing chamber.
  • Forming a film containing a target material on the substrate by applying power to the target in the processing chamber and sputtering while introducing a second reactive gas having a higher reactivity than one reactive gas
  • the film forming step introduces at least the first reactive gas from a first gas introduction port provided in the vicinity of the target, and the distance from the target is greater than the first gas introduction port.
  • the second reactive gas is introduced from a second gas introduction port provided at a distant position.
  • the present invention is also a sputtering apparatus, a processing chamber, a target holder provided in the processing chamber for holding a target, a voltage supply mechanism for applying a predetermined voltage to the target holder, A magnetic field forming mechanism for forming a magnetic field in the vicinity of the target holder, a first gas inlet provided in the vicinity of the target holder, for introducing a first reactive gas into the processing chamber, and from the target holder A second gas introduction port provided at a position away from the first gas introduction port and introducing a second reactive gas having a higher reactivity than the first reactive gas into the treatment chamber.
  • the controllability of the composition of the metal and the reactive gas is improved without increasing the number of steps.
  • a film can be formed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a reactive sputtering apparatus according to the present invention.
  • 3 is a detailed longitudinal sectional view near the first gas inlet 15.
  • FIG. 3 is a detailed cross-sectional view of a first gas inlet 15 and a second gas inlet 17.
  • FIG. It is a detailed longitudinal cross-sectional view of the vicinity of the second gas inlet.
  • FIG. 3 is a diagram showing an outline of a substrate shutter 19 facing the substrate peripheral cover ring 21.
  • FIG. 3 is a diagram showing an outline of a substrate peripheral cover ring 21 facing a substrate shutter 19. It is a figure explaining the film
  • FIG. 3 is a detailed longitudinal sectional view near the first gas inlet 15.
  • FIG. 3 is a detailed cross-sectional view of a first gas inlet 15 and a second gas inlet 17.
  • FIG. 8 is a process flow diagram for explaining an example of a method for manufacturing the semiconductor device having the gate stack structure shown in FIG. 7. It is a figure explaining the result of having evaluated the oxygen concentration distribution of the depth direction of a gate stack structure by XPS. It is a figure explaining the procedure at the time of forming a gate electrode film using the sputtering chamber.
  • FIG. 8 is a process flow diagram for explaining another method for manufacturing the semiconductor device having the gate stack structure shown in FIG. 7.
  • FIG. 1 is a schematic view of a sputtering apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the sputter deposition apparatus 1 includes a vacuum chamber 2 that can be evacuated, an exhaust chamber 8 provided adjacent to the vacuum chamber 2 through an exhaust port, and an exhaust that exhausts the inside of the vacuum chamber 2 through the exhaust chamber 8. And a device.
  • the exhaust device has a turbo molecular pump 48.
  • a dry pump 49 is connected to the turbo molecular pump 48 of the exhaust device. The reason why the exhaust device is provided below the exhaust chamber 8 is to make the footprint (occupied area) of the entire device as small as possible.
  • a target holder 6 that holds the target 4 via the back plate 5 is provided.
  • a target shutter 14 is installed near the target holder 6 so as to cover the target holder 6.
  • the target shutter 14 has a rotating shutter structure.
  • the target shutter 14 is shielded to be in a closed state (shielded state) that shields between the substrate holder 7 and the target holder 6 or an open state (retracted state) that opens between the substrate holder 7 and the target holder 6. Functions as a member.
  • the target shutter 14 is provided with a target shutter drive mechanism 33 for opening and closing the target shutter 14.
  • a chimney 9 that is a cylindrical shield is attached around the target holder 6 in the space between the target holder 6 and the target shutter 14 so as to surround the target holder 6.
  • the magnetron discharge space in front of the sputtering surface of the target 4 attached to the target holder 6 is surrounded by a chimney 9 and opens at the opening of the target shutter 14 when the shutter is open.
  • a magnet 13 for realizing magnetron sputtering is disposed behind the target 4 as viewed from the sputtering surface.
  • the magnet 13 is held by the magnet holder 3 and can be rotated by a magnet holder rotation mechanism (not shown). In order to make the erosion of the target uniform, the magnet 13 rotates during discharge.
  • the target 4 is installed at a position (offset position) obliquely above the substrate 10. That is, the center point of the sputtering surface of the target 4 is at a position that is shifted by a predetermined dimension with respect to the normal of the center point of the substrate 10.
  • the target holder 6 is connected to a power supply 12 for applying sputtering discharge power. When a voltage is applied to the target holder 6 by the power source 12, discharge is started and sputtered particles are deposited on the substrate.
  • the distance between the intersection point where the normal line of the plane including the upper surface of the substrate holder 7 passing through the center of the target 4 intersects the plane and the center point of the target 4 is defined as the T / S distance (see FIG.
  • the film forming apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a DC power supply, but is not limited to this, and may include an RF power supply, for example. When an RF power source is used, it is necessary to install a matching unit between the power source 12 and the target holder 6.
  • the target holder 6 is insulated from the vacuum chamber 2 at the ground potential by an insulator 34, and is made of a metal such as Cu, and therefore takes an electrode when DC or RF power is applied.
  • the target holder 6 has a water channel (not shown) inside, and is configured to be cooled by cooling water supplied from a water pipe (not shown).
  • the target 4 includes material components that are desired to be deposited on the substrate 10. Since the target 4 affects the purity of the deposited film, a high purity target is desirable.
  • the back plate 5 installed between the target 4 and the target holder 6 is made of a metal such as Cu and holds the target 4.
  • a substrate holder 7 for placing the substrate 10 In the vacuum chamber 2, a substrate holder 7 for placing the substrate 10, a substrate shutter 19 provided between the substrate holder 7 and the target holder 6, and a substrate shutter drive for opening and closing the substrate shutter 19 And a mechanism 32.
  • the substrate shutter 19 is disposed in the vicinity of the substrate holder 7 and is in a closed state in which the space between the substrate holder 7 and the target holder 6 is shielded or in an open state in which the space between the substrate holder 7 and the target holder 6 is opened. Functions as a shielding member.
  • a shielding member having a ring shape (hereinafter referred to as “substrate peripheral cover ring 21”) is provided on the surface of the substrate holder 7 and on the outer edge side (outer peripheral portion) of the mounting portion of the substrate 10.
  • the substrate peripheral cover ring 21 prevents sputter particles from adhering to a place other than the film formation surface of the substrate 10 placed on the substrate holder 7.
  • the place other than the film formation surface includes the side surface and the back surface of the substrate 10 in addition to the surface of the substrate holder 7 covered by the substrate peripheral cover ring 21.
  • the substrate holder 7 is provided with a substrate holder driving mechanism 31 for moving the substrate holder 7 up and down and rotating it at a predetermined speed.
  • the substrate holder drive mechanism 31 can move the substrate holder 7 up and down and fix it at an appropriate position.
  • the vacuum chamber 2 includes a first gas introduction port 15 for introducing the first reactive gas into the vacuum chamber 2, a second gas introduction port 17 for introducing the second reactive gas, And a pressure gauge 41 for measuring pressure.
  • the first gas inlet 15 includes at least a pipe for introducing a first reactive gas (for example, nitrogen gas), a mass flow controller for controlling the flow rate of the first reactive gas, and a first reactive gas It is connected to a gas introduction means 501 (described later) having valves for blocking and starting the flow.
  • This gas introduction means 501 may have a pressure reducing valve, a filter, etc. as needed.
  • Such a 1st gas inlet 15 becomes a structure which can be made to flow stably the gas flow rate designated by the control apparatus which is not shown in figure.
  • the first gas inlet 15 is located in the vicinity of the target 4.
  • the first gas introduction port 15 can introduce the first reactive gas toward a space where magnetron discharge occurs in front of the target 4.
  • a mixed gas of the first reactive gas and an inert gas for example, argon may be introduced from the first gas introduction port 15.
  • FIG. 2 shows a detailed longitudinal sectional view in the vicinity of the first gas inlet.
  • a gas introduction means 501 for supplying a reactive gas (nitrogen gas N 2 ) and an inert gas (argon gas Ar) is provided at the tip of the chimney 9 through the gas introduction pipe 502 and the inside of the chimney 9.
  • the gas introduction port 15 is communicated.
  • the gas inlet 15 is provided in the vicinity of the target, and is configured such that gas is released toward the center axis of the target.
  • the vicinity of the target (target holder) means at least the target (target holder) side from the intermediate position between the target (target holder) and the substrate.
  • the gas inlet 15 is provided at the tip of the chimney 9 that is a cylindrical shield separated from the target surface by a predetermined distance (10 mm to 200 mm).
  • the reactive gas is applied to a portion where the magnetic flux density of the parallel component with respect to the target surface of the magnetic field generated by the magnet 13 is increased and the magnetic flux density of the parallel component of the magnetic field is at least 0.2 mT (millitesla).
  • a mixed gas of an inert gas and a reactive gas is introduced. This is because in the portion where the magnetic flux density of the parallel component is high, the plasma density is high during the process, and the introduced reactive gas is easily activated.
  • the magnet 13 corresponds to the magnetic field forming mechanism according to the present invention, but the present invention is not limited to this.
  • the magnetic field forming mechanism may be one that applies a magnetic field using an electromagnet or the like. .
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the first gas inlet 15.
  • a plurality of first gas inlets 15 are arranged in a point-symmetric manner in the annular gas inlet tube 502 so that they can be introduced evenly (symmetrically) toward the discharge space on the front surface of the target 4.
  • the gas inlet 15 having such a structure, for example, a plurality of introduction holes of a gas ring or a slit that is uniformly narrowed may be used.
  • FIG. 4 is a detailed longitudinal sectional view of the vicinity of the second gas inlet for supplying the second reactive gas (oxygen gas O 2 ).
  • the gas introduction unit 601 communicates with the gas introduction port 17 provided in the upper part of the substrate shutter 19 through the gas introduction pipe 602.
  • the gas inlet 17 is arranged so that gas is introduced into the chamber toward the substrate.
  • a plurality of second gas introduction ports 17 are arranged symmetrically in the annular gas introduction pipe 602. By doing so, gas can be introduced evenly in the vicinity of the substrate.
  • the gas introduction means 601 has a mass flow controller for controlling the flow rate of the second reactive gas, and valves for blocking and starting the flow of the second reactive gas.
  • the gas introduction unit 601 may have a pressure reducing valve, a filter, or the like as necessary.
  • the second gas introduction port 17 is configured to allow a gas flow rate designated by a control device (not shown) to flow stably.
  • the second gas inlet 17 is located near the substrate holder 7 that holds the substrate 10. That is, the second gas introduction port 17 is provided at a position away from the first gas introduction port from the target surface.
  • the second gas introduction port 17 can introduce a second reactive gas into the vicinity of the substrate 10 held by the substrate holder 7.
  • the second gas inlet has a structure that can be introduced evenly (symmetrically) toward the deposition surface of the substrate front surface 10.
  • a plurality of introduction holes of a gas ring or slits that are thin and uniformly formed may be used.
  • the first reactive gas is a gas containing at least nitrogen.
  • a mixed gas of nitrogen as the first reactive gas and an inert gas such as argon may be introduced into the vacuum chamber 2 from the first gas inlet 15.
  • the second reactive gas is a gas having higher activity than the first reactive gas, and more specifically, a gas containing at least oxygen.
  • the first gas introduction port 15 is provided in the vicinity of the target holder 6 because a low-activity gas, that is, a low-reactivity gas is activated by the power applied to the target holder 6. This is to improve the reactivity.
  • the process gas is a general term for gases supplied into the vacuum chamber 2 in the film forming process, and does not indicate a specific gas.
  • the process gas includes a first reactive gas, a second reactive gas, and an inert gas.
  • the second gas inlet is provided at a position away from the target from the first gas inlet 15, that is, the second gas inlet 17 is provided in the vicinity of the substrate holder 7.
  • the supply of a high gas that is, a highly reactive gas
  • the first reactive gas having low reactivity is activated by diverting the power for sputtering applied to the target holder 6, and the second reactive gas having high reactivity is described above.
  • the first gas inlet 15 is provided in the vicinity of the target holder 6, and the second gas inlet 17 is provided in the vicinity of the substrate holder 7.
  • the plasma generated in the target holder 6 acts on the first reactive gas to be activated to activate it.
  • the action of plasma from the target holder 6 can be suppressed.
  • the first reactive gas can be activated by the power supplied to the target holder 6 used for sputtering the target 4 without providing a mechanism for activating the first reactive gas separately. Film formation can be performed efficiently without increasing the cost.
  • a second gas introduction port 17 for introducing a second reactive gas having a higher reactivity than the first reactive gas into the vacuum chamber 2 is arranged away from the target holder 6 to which power is supplied. Therefore, the unexpected activation of the second reactive gas can be suppressed, the reaction of the second reactive gas can be performed as expected, and the controllability of the formed film composition can be improved.
  • the reactive gas refers to a gas that reacts with sputtered particles from the target, the target surface, or a formed film.
  • the vicinity of the substrate holder means at least the substrate holder side of the intermediate position between the target and the substrate holder.
  • the turbo molecular pump passes through the exhaust chamber 8 except for a part that forms the film. 48 and dry pump 49 exhaust the air.
  • a grounded cylindrical shield member (shield 40) is provided on the inner surface of the vacuum chamber 2 between the target holder 6 and the substrate holder 7.
  • the shield here is formed separately from the vacuum chamber 2 to prevent the sputtered particles emitted from the target 4 from directly adhering to the inner surface of the vacuum chamber 2 and to protect the inner surface of the vacuum chamber.
  • the exhaust chamber 8 connects the vacuum chamber 2 and the turbo molecular pump 48.
  • a main valve 47 is provided between the exhaust chamber 8 and the turbo molecular pump 48 to shut off the film forming apparatus 1 and the turbo molecular pump 48 when maintenance is performed.
  • FIG. 6 is a diagram showing an outline of the substrate peripheral cover ring 21 facing the substrate shutter 19.
  • the substrate peripheral cover ring 21 is formed with a protrusion having a ring shape extending in the direction of the substrate shutter 19.
  • the substrate peripheral cover ring 21 has a ring shape, and concentric protrusions (protrusions 21 a and 21 b) are provided on the surface of the substrate peripheral cover ring 21 that faces the substrate shutter 19.
  • FIG. 5 is a diagram showing an outline of the substrate shutter 19 facing the substrate peripheral cover ring 21.
  • the substrate shutter 19 is formed with a protrusion having a ring shape extending in the direction of the substrate peripheral cover ring 21.
  • a protrusion (protrusion 19 a) is provided on the surface of the substrate shutter 19 facing the substrate peripheral cover ring 21. Note that the circumference of the protrusion 21a, the protrusion 19a, and the protrusion 21b is formed larger in this order.
  • the protrusion 19a and the protrusions 21a and 21b are fitted in a non-contact state.
  • the protrusion 19a and the protrusions 21a and 21b are fitted in a non-contact state.
  • the other protrusion 19a fits in the recess formed by the plurality of protrusions 21a and 21b in a non-contact state.
  • the number of the plurality of protrusions is not limited to the above, and for example, one or more protrusions may be provided on the substrate peripheral cover ring and two or more protrusions may be provided on the substrate shutter.
  • the number of protrusions provided on the substrate shutter 19 may be two or more, and the number of protrusions provided on the substrate peripheral cover ring may be one or more.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an example of a semiconductor device having a gate stack structure manufactured by this manufacturing process.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 7 has a structure in which an interface layer 902, a high dielectric film 903, and a gate electrode 904 are stacked over a substrate 901.
  • silicon Si is used as the semiconductor substrate 901, the present invention is not limited to this.
  • a semiconductor material such as Ge, SiGe, or SiC, or a silicon-on-insulator structure may be used.
  • silicon oxide SiO 2 as the interface layer 902, but is not limited thereto.
  • the film thickness of the interface layer 902 is 0.1 nm to 5 nm.
  • the high dielectric constant film 903 is an oxide, nitride, oxynitride, or a combination thereof.
  • the film thickness of the high dielectric film is 0.5 to 3 nm.
  • titanium oxynitride TiO X N Y is used, and 5 ⁇ X ⁇ 40 and 5 ⁇ Y ⁇ 40.
  • titanium oxynitride is used.
  • the present invention is not limited to this.
  • it can also be used to form oxynitride films of Si, Hf, Al, La, Ta, and other metals. Note that the numerical values used to indicate the composition in this specification are all based on atomic% (at%).
  • FIG. 8 is a schematic view showing an example of a cluster type manufacturing apparatus used when carrying out this manufacturing process.
  • the manufacturing apparatus 800 has a transfer chamber 802 at the center, and around the transfer chamber 802, a load lock chamber 801, an oxidation treatment chamber 803, a sputtering chamber 804, a heating chamber 805, and a gate valve are provided.
  • a sputtering chamber (sputtering apparatus) 1 characteristic of the present invention is provided.
  • the transfer chamber 802 includes a transfer robot (not shown) and is configured to be able to transfer a substrate between the chambers.
  • Each of the chambers 801, 802, 803, 804, 805 and 1 is provided with an exhaust means capable of being evacuated.
  • all processes can be performed in vacuum without exposing the substrate to the atmosphere.
  • FIG. 9 is a process flow diagram for explaining a method of manufacturing the semiconductor device having the gate stack structure shown in FIG.
  • the semiconductor substrate 901 is carried into the manufacturing apparatus 801 from the load lock chamber 801.
  • the semiconductor substrate 901 is transferred from the load lock chamber 801 to the oxidation treatment chamber 803 by the transfer robot in the transfer chamber 802 without being exposed to the atmosphere, and the interface layer 902 made of silicon oxide SiO 2 is formed on the surface of the semiconductor substrate 901. It is formed by a thermal oxidation process.
  • This process is not limited to thermal oxidation, and a film forming process such as ALD or a plasma oxidation process may be used.
  • step S3 and step S4 a high dielectric constant film 903 is formed on the upper surface of the interface layer 902.
  • the semiconductor substrate 901 on which the interface layer 902 is formed by the transfer robot is carried into the sputtering chamber 804, and a metal layer made of Hf is formed on the upper surface of the interface layer 902 by physical vapor deposition such as sputtering. Is done.
  • the semiconductor substrate 901 on which the metal layer is formed is carried into the heating chamber 805 from the sputtering chamber 804 without being exposed to the atmosphere by the transfer robot, and a thermal process is performed.
  • step 5 the semiconductor substrate 901 on which the high dielectric constant film 903 is formed is carried into the sputtering chamber 1 by a transfer robot, and a gate electrode film 904 is formed on the upper surface of the high dielectric constant film 903 by reactive sputtering.
  • Step 5 Ti is prepared as a target material of the target 4, and argon gas Ar and nitrogen gas N 2 as the first reactive gas and oxygen gas O 2 as the second reactive gas in the atmosphere Then, a TiON film (gate electrode film 904) is formed by sputtering.
  • Argon gas Ar which is one of the process gases
  • nitrogen gas N 2 as the first reactive gas having low activity are supplied from the first gas inlet 15 provided at the tip of the chimney 9 placed in the vicinity of the target 4. It was introduced into the vacuum chamber 2 of the sputtering chamber 1.
  • the flow rates of the argon gas and the nitrogen gas were 20 sccm (sccm is a unit in which the gas flow rate supplied per minute is expressed as a volume of 0 ° C.
  • Oxygen gas O 2 as the second reactive gas was introduced from a second gas inlet 17 installed in the vicinity of the substrate holder 7.
  • the O 2 flow rate was 2 sccm.
  • the Ti target 4 is sputtered by argon gas, and the sputtered particles react with nitrogen gas and oxygen gas to form a titanium oxynitride film.
  • nitrogen gas By introducing nitrogen gas in the vicinity of the target 4 in this way, the nitrogen gas can be activated by the electric power from the target holder 6 and can be easily reacted.
  • a 1000 W DC power was applied to the target. By adjusting the application time of DC power, a 7 nm TiON film was produced.
  • FIG. 11 shows a procedure for forming the gate electrode film 904 using the sputtering chamber 1. Specifically, the time in each process, the target applied power, the position of the target shutter 14, the position of the substrate shutter 19, and the Ar gas flow rate, the nitrogen gas flow rate, and the oxygen gas flow rate are shown.
  • a film forming procedure will be described with reference to FIG. First, a gas spike is performed.
  • the pressure in the vacuum chamber 2 is increased, and a state in which discharge is easily started in the next plasma ignition process is created.
  • the target shutter 14 and the substrate shutter 19 are closed, the argon gas flow rate is 200 sccm, the nitrogen gas flow rate is 50 sccm, and the oxygen gas flow rate is 2 sccm. That is, the control device (not shown) controls the target shutter drive mechanism 33 and the substrate shutter drive mechanism 20 to close the target shutter 14 and the substrate shutter 19.
  • the controller controls each mass flow controller to introduce argon gas from the first gas inlet 15 at a flow rate of 200 sccm, nitrogen gas at a flow rate of 50 sccm, and oxygen gas from the second gas inlet 17 at a flow rate of 2 sccm. Introduce.
  • the argon gas pressure in the vicinity of the target 4 is increased and the pressure of the reactive gas is set lower than the argon gas pressure.
  • the ratio is preferably 30% or less in order to make the target surface in the metal mode in the next plasma ignition step.
  • the reactive gas flow ratio is preferably selected so that the target surface is in the metal mode, thereby preventing the reactive gas from forming oxide, nitride, or oxynitride on the target 4 surface. can do.
  • the condition for setting the surface of the target 4 to the metal mode in this way is specifically the reactivity with respect to the total flow rate of the process gas including the reactive gas (the first reactive gas and the second reactive gas) and the argon gas.
  • the ratio of the total flow rates of the gas (first reactive gas and second reactive gas) is desirably 30% or less, and from the same viewpoint, the target applied power is desirably 500 W or more.
  • pre-sputtering 1 is performed.
  • the gas condition is changed to 20 sccm of argon, 15 sccm of nitrogen, and 2 sccm of oxygen while maintaining the target power.
  • a control device (not shown) controls each mass flow controller to introduce argon gas from the first gas inlet 15 at a flow rate of 20 sccm and nitrogen gas at a flow rate of 15 sccm and flow oxygen gas from the second gas inlet 17. Introduce at 2 sccm. By this procedure, the plasma can be maintained without being lost.
  • a space including the target holder 6 (target 4) and the first gas inlet 15 in the pre-sputter 1 by the target shutter 14, the substrate holder 7 (substrate 10), the second gas inlet It is possible to block the space including the. Therefore, when the target 4 is sputtered or the first reactive gas, nitrogen, is activated, oxygen, which is a highly reactive second reactive gas, arrives near the substrate holder 6 to which power is applied. This can be suppressed. Therefore, nitrogen having low reactivity can be activated by the plasma generated from the substrate holder 6, and the action of the plasma on oxygen that is not excessively activated can be reduced.
  • pre-sputtering 2 is performed.
  • the target shutter 14 is opened while the target power, gas conditions, and the substrate shutter 19 are kept closed. That is, the control device (not shown) controls the target shutter drive mechanism 33 to open the target shutter 14.
  • the control device controls the target shutter drive mechanism 33 to open the target shutter 14.
  • sputtered particles from the Ti target 4 react with oxygen and nitrogen as reactive gases, and an oxynitride film is attached to the inner wall of the vacuum chamber 2 including the inner wall of the shield 40, thereby forming the next substrate film forming step.
  • film formation in the next substrate film formation step can be performed stably from the beginning.
  • the interface characteristics are important as in the case of depositing the gate electrode on the gate insulating film in the gate stack manufacturing, there is a significant improvement effect in improving the device characteristics and the manufacturing stability in the device manufacturing.
  • substrate deposition is performed.
  • the substrate shutter 19 is opened while maintaining the target power, the gas condition, and the position of the target shutter 14. That is, a control device (not shown) controls the substrate shutter drive mechanism 20 to open the substrate shutter 19.
  • the mechanism for shielding between the substrate 10 and the target 4 is removed, so that the deposition of an oxynitride film (TiON film) as the gate electrode film 904 on the substrate 10 is started.
  • the time required for each of the above procedures is set to an optimum value.
  • the gas spike is 0.1 second
  • the plasma ignition is 1 second
  • the presputter 1 is 4 seconds
  • the presputter 2 is 10 seconds
  • the substrate The film formation time was 288.8 seconds.
  • a 7 nm TiON film was prepared by the above procedure.
  • the magnetron discharge conditions for sputtering the target material are preferably extremely low pressure discharges with a pressure of less than 0.1 Pa.
  • a low-reactivity gas such as nitrogen
  • the plasma electron temperature is high.
  • the discharge pressure is less than 0.1 Pa
  • the electron temperature is sufficiently high.
  • the lower limit of the discharge pressure may be any value as long as it is a dischargeable pressure.
  • the discharge having a high electron temperature that activates the gas does not spread. Therefore, it is desirable that the effective magnetic field for the magnetron discharge is limited to the vicinity of the target 4. For the same reason, it is desirable that the distance between the target 4 and the substrate 10 be as far as possible.
  • Example 2 In Example 2, unlike step 5 of Example 1 described above, the flow rate of oxygen gas (O 2 ) introduced from the gas inlet 17 installed in the vicinity of the substrate holder was 3 sccm. Other than that, a 7-nm TiON film was produced by the same process as in Example 1.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, unlike Step 5 of Example 1 described above, only the argon gas is introduced from the first gas inlet 15 provided at the tip of the chimney 9, and the second gas provided in the vicinity of the substrate holder 7. From the introduction port 17, oxygen gas (O 2 ) gas was introduced at 3 sccm and nitrogen (N 2 ) gas was introduced at 15 sccm. Other than that, a 7-nm TiON film was formed by the same process as in Example 1.
  • a stack structure having a Si semiconductor, a high dielectric constant film, and a metal gate electrode film is formed.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the result of evaluating the oxygen concentration distribution in the depth direction by XPS (X-ray electron spectroscopy) of the gate stack structure formed by the above-described method.
  • oxygen on the film surface is oxidized when the substrate is taken out into the atmosphere after film formation, and does not affect the characteristics of the semiconductor element.
  • the TiON film according to Comparative Example 1 contains an amount of oxygen exceeding 40% and does not have a sufficient function as a gate electrode.
  • the TiON film according to Comparative Example 2 is mixed with an amount of oxygen exceeding 50% and does not have a sufficient function as a gate electrode.
  • the TiON film produced in Example 1 has an oxygen concentration of about 1%, and can greatly suppress the oxygen concentration compared to the comparative example. Furthermore, the TiON film produced by Example 2 (oxygen flow rate of 3 sccm during sputtering) has an oxygen concentration of about 5%, and can greatly suppress the oxygen concentration compared to the comparative example.
  • the controllability of the ratio of oxygen and nitrogen was improved. In TiON, the work function value of the TiON film could be controlled to a desired value by controlling the ratio of oxygen and nitrogen. In addition, it was found that the reproducibility was excellent as compared with the residual oxygen in the background and the introduction of a small amount of oxygen that is easily gettered and thus becomes unstable.
  • Example 3 in the method of creating the gate stack structure shown in FIG. 7, argon gas and nitrogen gas are introduced from a first gas inlet 15 provided in the vicinity of the target 4, and the distance from the target 4 is the first gas.
  • the high dielectric constant film 903 is formed using the method and apparatus for introducing oxygen gas having higher reactivity than nitrogen gas from the second gas introduction port 17 provided at a position away from the introduction port 15 will be described. To do.
  • FIG. 12 is a process flow diagram for explaining a manufacturing method in the third embodiment of the semiconductor device having the gate stack structure shown in FIG.
  • step S ⁇ b> 21 the semiconductor substrate 901 is carried into the manufacturing apparatus 800 from the load lock chamber 801.
  • step S22 the semiconductor substrate 901 is transferred from the load lock chamber 801 to the oxidation treatment chamber 803 by the transfer robot in the transfer chamber 802, and the interface layer 902 made of silicon oxide SiO 2 is formed on the surface of the semiconductor substrate 901. It is formed by a thermal oxidation process. This process is not limited to thermal oxidation, and a film forming process such as ALD or a plasma oxidation process may be used.
  • step S23 a high dielectric constant film 903 is formed on the upper surface of the interface layer 902.
  • the semiconductor substrate 901 on which the interface layer 902 is formed is carried into the sputtering chamber 804 by the transfer robot, and a high dielectric constant film made of HfON is formed on the upper surface of the interface layer 902 by reactive sputtering. Note that a sputtering chamber 804 having the same configuration as that of the sputtering apparatus 1 shown in FIG. 1 was used.
  • step S23 Hf is prepared as a target material, and an argon gas Ar, nitrogen gas N 2 , Hf target power 600 W, Ar gas flow rate 12 sccm, nitrogen gas flow rate 1.5 sccm, oxygen gas flow rate 1 sccm, An HfON film was formed by sputtering in an oxygen gas O 2 atmosphere.
  • Argon gas Ar and nitrogen gas N 2 as a reactive gas having low activity are supplied from a gas inlet (corresponding to gas inlet 15 of sputtering apparatus 1) provided at the tip of the chimney placed near the target. It introduced into the vacuum chamber (equivalent to the vacuum chamber 2 of the sputtering apparatus 1). Oxygen gas (O 2 ) was introduced as a reactive gas having high activity from a gas inlet (equivalent to the gas inlet 17 of the sputtering apparatus 1) installed in the vicinity of the substrate holder.
  • step S24 the semiconductor substrate 901 on which the high dielectric constant film 903 is formed in step S23 is transferred to the sputtering apparatus 1 by the transfer robot. It prepared Ti as a target material of the target 4, the sputtering apparatus 1, forming a TiON film as the gate electrode film 904 by a sputtering method in argon gas Ar, nitrogen gas N 2, oxygen gas O 2 atmosphere. Argon gas Ar and nitrogen gas N 2 as a reactive gas having low activity were introduced into the vacuum chamber 2 from the gas inlet 15 provided at the tip of the chimney 9 placed near the target 4. Oxygen gas (O 2 ) was introduced as a reactive gas with high activity from a gas inlet 17 installed in the vicinity of the substrate holder 7.
  • the TiON creation conditions are the same as in the first embodiment. As described above, in the semiconductor device having the created gate stack structure, the composition controllability of the HfON film has been improved, and a high-permittivity film having a high EOT of 1.4 nm can be stably produced while suppressing the leakage current. .
  • the experiment was performed using the sputtering apparatus 1 having a T / S distance of 240 mm, but the present invention is not limited to this.
  • the present invention is particularly effective when the T / S distance is 100 mm or more.
  • the reason is as follows. That is, residual oxygen gas is usually present in the processing chamber. This residual oxygen reacts with the sputtered particles. As the T / S distance increases, the probability that the sputtered particles scattered from the target react with the residual oxygen increases, so that the concentration of oxygen in the formed film is likely to increase.
  • Use of the production method according to the present invention is particularly effective for improving the problem of oxygen contamination that becomes noticeable as the T / S distance increases.
  • Ti or Hf oxynitride film is formed on the surface of the substrate 10 using Ti or Hf for the target 4, but the present invention is not limited to this.
  • nitrogen is used as the first reactive gas and oxygen is used as the second reactive gas.
  • oxygen is used as the second reactive gas.
  • the present invention is not limited to this.
  • methane, propane gas, or the like is used as the first reactive gas. It can also be used.

Abstract

本発明は、工程を増やすことなく金属と反応性ガスとの膜組成を改善した半導体装置の製造方法とスパッタ装置を提供する。本発明の一実施形態は、処理チャンバー内の基板ホルダーに基板を載置する工程と、前記処理チャンバーに第１反応性ガスおよび該第１反応性ガスよりも反応性が高い第２反応性ガスを導入しながら、前記処理チャンバー内のターゲットに電力を印加してスパッタリングし、ターゲット材料を含有した膜を前記基板に成膜する成膜工程とを有する。前記成膜工程は、前記ターゲットの近傍に設けられた第１ガス導入口から少なくとも前記第１反応性ガスを導入し、前記ターゲットからの距離が前記第１ガス導入口より離れた位置に設けられた第２ガス導入口から前記第２反応性ガスを導入する。

Description

半導体装置の製造方法及びスパッタ装置
　本発明は、半導体素子等の作製に使用される半導体装置の製造方法、及びスパッタ装置に関する。
　半導体素子においての誘電体や電極などとして、金属を含有した酸窒化膜の用途は広く、例えば、コンタクトバリア層としては、そのバリア性の高さからＴｉＯＮが使用されてきた。また、近年の半導体デバイスの微細化に伴って多用されている高誘電率膜としてはその耐熱性の高さから、例えばＨｆやＺｒを含んだ酸窒化膜が有望視されている。また、ゲート電極として従来多結晶シリコンが用いられてきたが、半導体材料であるため空乏化が避けられない。このため、耐熱性に優れ良好な仕事関数が得られかつ金属材料であるＴｉなどの酸窒化膜を使用することが、特許文献１に開示されている。
　これら酸窒化された金属含有膜を作製するための方法としては、物理的方法と化学的方法がある。工業的に実用性の高い方法は、物理的方法としてはスパッタリング方法があり、化学的方法としてはＡＬＤ法を含むＣＶＤ法がある。ＣＶＤ法は多くの場合有機金属化合物を原料ガスとして使用するので、作製した膜に炭素が混入しがちであるという問題がある。またＣＶＤで使用する原料ガスは多くの場合有毒であり、未使用原料や副生成物の除害が必要である。スパッタリング法による成膜は、ＣＶＤ法のような炭素の混入の問題や未使用原料や副生成物の除害といった問題がないので、デバイス性能やコストの点で有利である。
　スパッタリング法を使用して金属含有酸窒化膜を作製する場合には大きく分けて次の３種類の方法がある。　
（１）金属ターゲットを使用し、酸素と窒素を含んだ雰囲気で反応性スパッタリング法により成膜して金属酸窒化膜を形成する方法　
（２）酸化金属ターゲットや窒化金属ターゲットなどの誘電体ターゲットを用いてスパッタリング法により金属酸窒化膜を形成する方法　
（３）基板上にスパッタリング法により金属又は金属含有膜を形成し、その後、形成された金属又は金属含有膜に酸窒化処理を施して金属酸窒化膜又は金属含有酸窒化膜を作製する方法
　第１の方法（１）としては、例えば水や酸素ガスなどの酸素元素を含むガスと窒素ガスとが存在する雰囲気でＴｉをターゲットとして薄膜抵抗体としてＴｉＯＮ膜を形成する方法が、特許文献２に開示されている。また、窒素と酸素を含む雰囲気でＴｉやＴａそしてその他の金属をターゲットとして、ＴｉやＴａそしてその他の酸窒化膜を高誘電率膜上の電極膜として形成する方法が、特許文献１に開示されている。また、酸素と窒素の混合雰囲気でＺｒ又はＨｆをターゲットとしてＺｒＯＮ又はＨｆＯＮを形成する方法が、特許文献３に開示されている。また、これらの酸窒化膜を形成することが可能な装置としては、反応性ガスを基板近傍に導入し、不活性ガスをターゲット近傍に導入することで、ターゲット表面にターゲット材と反応ガスとの化合物を形成されにくくして、薄膜形成速度の低下を抑制して基板上へ成膜できる反応性スパッタ装置が特許文献４に開示されている。
　第２の方法（２）としては、例えば窒素ガス、又は不活性ガスと窒素ガスの混合ガスを用い、酸化チタンをターゲットとしてＴｉＯＮ膜を形成する方法が、特許文献５に開示されている。
　第３の方法（３）では、金属又は金属含有膜を形成してから次に酸窒化する。このような方法の一例として、特許文献６には、ＴｉＮ膜を形成してから該ＴｉＮ膜を励起酸素と反応させてＴｉＯＮ膜を形成することが開示されている。また、他の例として、特許文献７には、ＺｒＮ、ＺｒＳｉＮ、ＨｆＮやＨｆＳｉＮをＡｒとＮ２との混合ガスの反応性スパッタで形成してから酸化を行ない、ＺｒＯＮ、ＺｒＳｉＯＮ、ＨｆＯＮやＨｆＳｉＯＮを形成することが開示されている。
特開２００７－１７３７９６号公報 特開２０００－２９４７３８号公報 特開２０００－５８８３２号公報 特開平５－６５６４２号公報 特開平１１－２８６７７３号公報 特開平５－６８２５号公報 特開２００２－３１４０６７号公報
　前述の第１の方法では、金属酸窒化膜を１工程で形成でき、金属ターゲットを使用するので成膜速度も速く３つの手法の中では最も好ましい。しかしゲート電極膜の形成に適用しようとすると、特許文献１に開示されているとおり、酸素リーク弁を使用して酸素を導入し、あるいはスパッタ前に反応室内に残留する１×１０－４トール程度の酸素を（文献ではバックグラウンド圧力と表現されている）反応に利用することが要求される。これは、酸素は窒素と比較して反応性が高く、所望の組成を得るためには、窒素と比較して酸素や酸素含有ガスの分圧を非常に低い程度で制御する必要があるからである。しかし、こうした制御は、非常に困難であり、半導体素子の量産方法としては、不向きである。
　また、第２の手法では、第１の方法と同様に金属酸窒化膜が１工程でできるメリットはあるが、誘電体ターゲットを使用するために成膜速度が遅いという問題があった。
　また第３の手法は、成膜が２工程以上になり工程数が増えてしまい、これに伴い、チャンバ数の増加による製造コストの増大という問題があった。
　以上のように、酸窒化膜の形成においてコストを増大させる工程の増加などを伴わずに膜組成の制御性を上げることは困難であった。
　そこで、本発明は、工程を増やすことなく金属と反応性ガスとの組成の制御性を改善した半導体装置の製造方法とスパッタ装置を提供することを目的とする。
　このような目的を達成するために、本発明は、半導体装置の製造方法であって、処理チャンバー内の基板ホルダーに基板を載置する工程と、前記処理チャンバーに第１反応性ガスおよび該第１反応性ガスよりも反応性が高い第２反応性ガスを導入しながら、前記処理チャンバー内のターゲットに電力を印加してスパッタリングし、ターゲット材料を含有した膜を前記基板に成膜する成膜工程とを有し、前記成膜工程は、前記ターゲットの近傍に設けられた第１ガス導入口から少なくとも前記第１反応性ガスを導入し、前記ターゲットからの距離が前記第１ガス導入口より離れた位置に設けられた第２ガス導入口から前記第２反応性ガスを導入することを特徴とする。
　また、本発明は、スパッタ装置であって、処理チャンバーと、処理チャンバーに設けられ、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーと、前記ターゲットホルダーに所定の電圧を印加するための電圧供給機構と、前記ターゲットホルダーの近傍に磁場を形成するための磁場形成機構と、前記ターゲットホルダーの近傍に設けられ、第１反応性ガスを前記処理チャンバー内に導入する第１ガス導入口と、前記ターゲットホルダーからの距離が前記第１ガス導入口より離れた位置に設けられ、前記第１反応性ガスより反応性が高い第２反応性ガスを前記処置チャンバー内に導入する第２ガス導入口とを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、ターゲットと複数の反応性ガスを用いた半導体装置の製造方法（例えば、反応性スパッタリング方法）において、工程を増やすことなく、金属と反応性ガスの組成の制御性を改善した成膜をすることができる。
本発明に係る反応性スパッタリング装置の概略断面図である。 第１ガス導入口１５付近の詳細な縦断面図である。 第１ガス導入口１５及び第２ガス導入口１７の詳細な横断面図である。 第２ガス導入口付近の詳細な縦断面図である。 基板周辺カバーリング２１に対向した基板シャッター１９の概略を示す図である。 基板シャッター１９に対向した基板周辺カバーリング２１の概略を示す図である。 ゲートスタック構造の半導体装置の膜構成を説明する図である。 本製造工程を実施する際に用いられる、クラスタタイプの製造装置の一例を示す概略図である。 図７に示すゲートスタック構造の半導体装置の製造方法の一例を説明するためのプロセスフロー図である。 ＸＰＳによりゲートスタック構造の深さ方向の酸素濃度分布を評価した結果を説明する図である。 スパッタリングチャンバー１を用いてゲート電極膜を形成する際の手順を説明する図である。 図７に示すゲートスタック構造をもつ半導体装置の、別の製造方法を説明するためのプロセスフロー図である。
　以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されない。
　図１を参照して、スパッタ成膜装置１の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るスパッタリング装置１の概略図である。スパッタ成膜装置１は、真空排気可能な真空チャンバー２と、真空チャンバー２と排気口を介して隣接して設けられた排気チャンバー８と、排気チャンバー８を介して真空チャンバー２内を排気する排気装置と、を備えている。ここで、排気装置はターボ分子ポンプ４８を有する。また、排気装置のターボ分子ポンプ４８には、更に、ドライポンプ４９を接続する。なお、排気チャンバー８の下方に排気装置が設けられているのは、装置全体のフットプリント（占有面積）を出来るだけ小さくするためである。
　真空チャンバー２内には、ターゲット４を、バックプレート５を介して保持するターゲットホルダー６が設けられている。ターゲットホルダー６の近傍には、ターゲットシャッター１４がターゲットホルダー６を覆うように設置されている。ターゲットシャッター１４は、回転シャッターの構造を有している。ターゲットシャッター１４は、基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を遮蔽する閉状態（遮蔽状態）、または基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を開放する開状態（退避状態）にするための遮蔽部材として機能する。ターゲットシャッター１４には、ターゲットシャッター１４の開閉動作を行うためのターゲットシャッター駆動機構３３が設けられている。ターゲットホルダー６とターゲットシャッター１４の間における空間の、ターゲットホルダー６の周囲には、ターゲットホルダー６の周囲を取り囲むように筒状シールドであるチムニー９が取り付けられている。ターゲットホルダー６に取り付けられたターゲット４の、スパッタ面前面のマグネトロン放電空間はチムニー９で取り囲まれ、シャッターの開状態においてはターゲットシャッター１４の開口部に開口している。
　スパッタ面から見たターゲット４の背後には、マグネトロンスパッタリングを実現するためのマグネット１３が配設されている。マグネット１３は、マグネットホルダー３に保持され、図示しないマグネットホルダー回転機構により回転可能となっている。ターゲットのエロージョンを均一にするため、放電中には、このマグネット１３は回転している。
　ターゲット４は、基板１０に対して斜め上方に配置された位置（オフセット位置）に設置されている。すなわち、ターゲット４のスパッタ面の中心点は、基板１０の中心点の法線に対して所定の寸法ずれた位置にある。ターゲットホルダー６には、スパッタ放電用電力を印加する電源１２が接続されている。電源１２によりターゲットホルダー６に電圧が印加されると、放電が開始され、スパッタ粒子が基板に堆積される。ターゲット４の中心を通る基板ホルダー７の上面を含む平面の法線が該平面と交差する交点とターゲット４の中心点との距離をＴ／Ｓ距離と定義する（図１参照）と、本例ではＴ／Ｓ距離は２４０ｍｍである。なお、本実施形態においては、図１に示す成膜装置１は、ＤＣ電源を備えているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＲＦ電源を備えていてもよい。ＲＦ電源を用いた場合は電源１２とターゲットホルダー６との間に整合器を設置する必要がある。
　ターゲットホルダー６は、絶縁体３４により接地電位の真空チャンバー２から絶縁されており、またＣｕ等の金属製であるのでＤＣ又はＲＦの電力が印加された場合には電極とる。なお、ターゲットホルダー６は、図示しない水路を内部に持ち、図示しない水配管から供給される冷却水により冷却可能に構成されている。ターゲット４は、基板１０へ成膜したい材料成分を含んでいる。ターゲット４は、堆積する膜の純度に影響するため、高純のものが望ましい。
　ターゲット４とターゲットホルダー６との間に設置されているバックプレート５は、Ｃｕ等の金属から出来ており、ターゲット４を保持している。
　また、真空チャンバー２内には、基板１０を載置するための基板ホルダー７と、基板ホルダー７とターゲットホルダー６の間に設けられた基板シャッター１９と、基板シャッター１９を開閉駆動する基板シャッター駆動機構３２と、を備えている。ここで、基板シャッター１９は、基板ホルダー７の近傍に配置され、基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を遮蔽する閉状態、または基板ホルダー７とターゲットホルダー６との間を開放する開状態にするための遮蔽部材として機能する。　
　基板ホルダー７の面上で、かつ基板１０の載置部分の外縁側（外周部）には、リング形状を有する遮蔽部材（以下、「基板周辺カバーリング２１」という）が設けられている。基板周辺カバーリング２１は、基板ホルダー７上に載置された基板１０の成膜面以外の場所へスパッタ粒子が付着することを防止する。ここで、成膜面以外の場所とは、基板周辺カバーリング２１によって覆われる基板ホルダー７の表面のほかに、基板１０の側面や裏面が含まれる。基板ホルダー７には、基板ホルダー７を上下動し、所定の速度で回転するための基板ホルダー駆動機構３１が設けられている。基板ホルダー駆動機構３１は、基板ホルダー７を上下動させ、適切な位置に固定することが可能である。
　真空チャンバー２は、真空チャンバー２内へ第１反応性ガスを導入するための第１ガス導入口１５と、第２反応性ガスを導入するための第２ガス導入口１７と、真空チャンバー２の圧力を測定するための圧力計４１とを備えている。第１ガス導入口１５は、少なくとも第１反応性ガス（例えば、窒素ガス）を導入するための配管と、第１反応性ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラーと、第１反応性ガスの流れを遮断したり開始したりするためのバルブ類とを有するガス導入手段５０１（後述）に接続されている。このガス導入手段５０１は、必要に応じて減圧弁やフィルターなどを有しても良い。このような第１ガス導入口１５は、図示しない制御装置により指定されるガス流量を安定して流すことができる構成となっている。第１ガス導入口１５はターゲット４の近傍に位置している。第１ガス導入口１５は、ターゲット４の前面のマグネトロン放電がおこる空間に向けて第１反応性ガスを導入できるようになっている。　
　なお、第１ガス導入口１５からは、第１反応性ガスおよび不活性ガス（例えば、アルゴン）の混合ガスを導入しても良い。
　図２、及び図３を参照して、ターゲットの近傍から反応性ガスを導入するための第１ガス導入口１５の詳細な構成を説明する。図２は、第１ガス導入口付近の詳細な縦断面図を示す。反応性ガス（窒素ガスＮ２）と不活性ガス（アルゴンガスＡｒ）を供給するためのガス導入手段５０１は、ガス導入管５０２を通じ、チムニー９の内部を通って、チムニー９の先端部に設けられたガス導入口１５と連通されている。このガス導入口１５はターゲットの近傍に設けられ、ターゲットの中心軸に向かってガスが放出されるように構成されている。ここでいうターゲット（ターゲットホルダー）の近傍とは、少なくとも、ターゲット（ターゲットホルダー）と基板との中間位置よりもターゲット（ターゲットホルダー）側を意味する。より詳細にはガス導入口１５を、ターゲット表面から所定距離（１０ｍｍ～２００ｍｍ）だけ離した筒状シールドであるチムニー９の先端部に設ける。この構成によって、マグネット１３が作る磁場のターゲット表面に対する平行成分の磁束密度が大きくなる部分であって、磁場の平行成分の磁束密度が少なくとも０．２ｍＴ（ミリテスラ）以上である部分に、反応性ガス、あるいは不活性ガスおよび反応性ガスの混合ガスを導入する。これは、平行成分の磁束密度が高くなる部分では、プロセス中にプラズマ密度が高くなり、導入された反応性ガスを活性化しやすくするためである。なお、本例では、このマグネット１３が本発明に係る磁場形成機構に相当するが、これに限定されるものではなく、例えば、磁場形成機構としては電磁石などを用いて磁場を印加するものでもよい。
　図３は、第１ガス導入口１５の横断面図である。図３に示すように、環状のガス導入管５０２には、複数の第１ガス導入口１５が、ターゲット４の前面の放電空間に向けて均等に（シンメトリーに）導入できるように点対称に配置されている。そのような構造であるガス導入口１５の例としては、例えばガスリングの複数の導入穴や、一様に細く空けたスリットでも良い。
　図４を参照して、基板ホルダーの近傍から反応性ガスを導入するための第２ガス導入口１７の詳細な構造を説明する。図４は第２反応性ガス（酸素ガスＯ２）を供給するための第２ガス導入口付近の詳細な縦断面図である。ガス導入手段６０１は、ガス導入管６０２を通じ、基板シャッター１９の上部に設けられたガス導入口１７と連通している。ガス導入口１７は、基板に向かってガスがチャンバー内に導入されるように、配置されている。また、図３で示した第１ガス導入口１５と同様に、環状のガス導入管６０２には、複数の第２ガス導入口１７が点対称に配置されている。こうすることで基板近傍に均等にガスを導入することができる。
　ガス導入手段６０１は、第２反応性ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラーと、第２反応性ガスの流れを遮断したり開始したりするためのバルブ類とを有している。このガス導入手段６０１は、必要に応じて減圧弁やフィルターなどを有しても良い。第２ガス導入口１７は図示しない制御装置により指定されるガス流量を安定して流すことができる構成となっている。第２ガス導入口１７は、基板１０を保持する基板ホルダー７近傍に位置している。つまり、第２ガス導入口１７は、ターゲット表面からの距離が第１ガス導入口より離れた位置に設けられている。第２ガス導入口１７は、基板ホルダー７に保持された基板１０の近傍に第２反応性ガスを導入できるようになっている。第２ガス導入口は、基板前面１０の堆積面に向けて均等に（シンメトリーに）導入できるような構造であることが好ましい。そのような構造であるガス導入口１７の例としては、例えばガスリングの複数の導入穴や、細く一様に空けたスリットでも良い。
　第１反応性ガスは少なくとも窒素を含んだガスである。本発明の一実施形態では、第１反応性ガスとしての窒素と、アルゴン等の不活性ガスとの混合ガスなどを、第１ガス導入口１５から真空チャンバー２へと導入しても良い。第２反応性ガスは、第１反応性ガスより活性度が高いガスであり、より具体的には少なくとも酸素を含んだガスである。上述したように、第１ガス導入口１５をターゲットホルダー６の近傍に設けたのは、活性度の低いガス、つまり反応性の低いガスを、ターゲットホルダー６に印加される電力によって、活性化し、反応性を向上させるためである。また、プロセスガスとは、成膜処理において真空チャンバー２内に供給されるガスの総称であって、特定のガスを指すものではない。例えば、プロセスガスには、第１反応性ガス、第２反応性ガス、および不活性ガスが含まれる。
　逆に、ターゲットからの距離が第１ガス導入口１５より離れた位置に第２ガス導入口を設けた、つまり第２ガス導入口１７を基板ホルダー７の近傍に設けたのは、活性度の高いガス、つまり反応性の高いガスの供給を、ターゲットホルダー６から離して行うことにより、上記反応性の高いガスが過度に活性化されるのを防止、ないしは抑制するためである。
　このように、本発明では、ターゲットホルダー６に印加されるスパッタのための電力を流用して反応性の低い第１反応性ガスを活性化し、かつ反応性の高い第２反応性ガスについては上記電力による活性化を抑制するために、第１ガス導入口１５をターゲットホルダー６の近傍に設け、第２ガス導入口１７を基板ホルダー７の近傍に設けている。すなわち、第１ガス導入口１５と第２ガス導入口１７とをこのように配置することで、活性化したい第１反応性ガスにターゲットホルダー６にて発生されるプラズマを作用させて活性化させ、過度に活性化したくない第２反応性ガスについては、上記ターゲットホルダー６からのプラズマの作用を抑制することができる。
　よって、第１反応性ガスを活性化するための機構を別途に設けなくても、ターゲット４をスパッタするのに用いるターゲットホルダー６に供給される電力により第１反応性ガスを活性化できるので、コスト増大を招かずに効率良く膜生成を行うことができる。また、第１反応性ガスよりも反応性の高い第２反応性ガスを真空チャンバー２に導入するための第２ガス導入口１７を、電力が供給されるターゲットホルダー６から離れて配置しているので、第２反応性ガスの不意の活性化を抑制することができ、第２反応性ガスの反応を想定通りに行うことができ、形成される膜組成の制御性を向上することができる。
　なお、反応性ガスとは、ターゲットからのスパッタ粒子、ターゲット表面又は成膜された膜と反応するガスをいう。また、基板ホルダーの近傍とは、ターゲットと基板ホルダーとの中間位置よりも少なくとも基板ホルダー側をいう。
　第１反応性ガスと第２反応性ガスは、真空チャンバー２に導入され、膜を形成するために使用されたのち、膜を形成する一部を除き、排気チャンバー８を通過してターボ分子ポンプ４８及びドライポンプ４９により排気される。
　真空チャンバー２の内面は接地されている。ターゲットホルダー６と基板ホルダー７の間の真空チャンバー２の内面には接地された筒状シールド部材（シールド４０）が設けられている。ここでいうシールドとは、ターゲット４から放出されたスパッタ粒子が真空チャンバー２の内面に直接付着するのを防止し、真空チャンバーの内面を保護するために真空チャンバー２とは別体で形成され、定期的に交換したり、洗浄後再利用したりすることができる部材をいう。
　排気チャンバー８は、真空チャンバー２とターボ分子ポンプ４８との間を繋いでいる。排気チャンバー８とターボ分子ポンプ４８の間には、メンテナンスを行うときに、成膜装置１とターボ分子ポンプ４８との間を遮断するためのメインバルブ４７が設けられている。
　図５及び図６を参照して、基板周辺カバーリング２１及び基板シャッター１９の形状を詳細に説明する。図６は、基板シャッター１９に対向した基板周辺カバーリング２１の概略を示す図である。基板周辺カバーリング２１には、基板シャッター１９の方向に伸びたリング形状を有する突起部が形成されている。このように、基板周辺カバーリング２１はリング状であり、そして基板周辺カバーリング２１の基板シャッター１９に対向した面には、同心円状の突起部（突起２１ａ、２１ｂ）が設けられている。
　図５は、基板周辺カバーリング２１に対向した基板シャッター１９の概略を示す図である。基板シャッター１９には、基板周辺カバーリング２１の方向に伸びたリング形状を有する突起部が形成されている。基板周辺カバーリング２１に対向した基板シャッター１９の面には突起部（突起１９ａ）が設けられている。なお、突起２１ａ、突起１９ａ、突起２１ｂの順に、その円周は大きく形成されている。
　基板ホルダー駆動機構３１により基板ホルダーが上昇した位置で、突起１９ａと突起２１ａおよび２１ｂとが、非接触の状態で嵌り合う。あるいは、基板シャッター駆動機構３２により基板シャッター１９が降下した位置で、突起１９ａと突起２１ａおよび２１ｂとが、非接触の状態で嵌り合う。この場合、複数の突起２１ａ、２１ｂにより形成される凹部に、他方の突起１９ａが非接触の状態で嵌り合う。　
　なお、複数の突起の数は、上述したものに限定されず、例えば、基板周辺カバーリングに設けられた突起が１つ以上で、基板シャッターに設けられた突起が２つ以上であってもよいし、逆に基板シャッター１９に設けられた突起が２つ以上で、基板周辺カバーリングに設けられた突起が１つ以上であってもよい。このように突起によりラビリンスを構成するようにすることで、スパッタ粒子が基板ホルダーの基板載置面に付着するのを防止することができる。
　次に、図７、図８、図９、及び図１２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。本例では、一例として金属を含有した酸窒化膜の製造工程を説明する。　
　図７は、本製造工程によって作製されるゲートスタック構造をもつ半導体装置の一例の断面図である。図７に示す半導体装置は、基板９０１上に、インターフェース層９０２、高誘電体膜９０３、ゲート電極９０４が積層された構造である。
　半導体基板９０１としてシリコンＳｉを用いるが、これに限定されるものではなく、例えばＧｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、などの半導体材料や、シリコンオンインシュレータ構造を用いても良い。インターフェース層９０２としては酸化シリコンＳｉＯ２が好ましいが、これに限定されない。インターフェース層９０２の膜厚は０．１ｎｍから５ｎｍである。高誘電率膜９０３としては酸化物、窒化物、酸窒化物またはこれらの組み合わせであり、例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、Ｙ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｄＧａＯ，ＨｆＯＮあるいはこれらの混合物である。高誘電体膜の膜厚は０．５から３ｎｍである。ゲート電極９０４としては、酸窒化チタンＴｉＯＸＮＹが用いられ、５≦Ｘ≦４０、５≦Ｙ≦４０である。なお、本例では酸窒化チタンを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｓｉ、Ｈｆ、Ａｌ、ＬａやＴａその他の金属の酸窒化膜形成にも使用することができる。なお、本明細書において組成を示すために用いる数値は、すべて原子％（ａｔ％）に基づく。
　図８は、本製造工程を実施する際に用いられる、クラスタタイプの製造装置の一例を示す概略図である。　
　製造装置８００は、中心部にトランスファーチャンバー８０２を有し、トランスファーチャンバー８０２の周辺には、ゲートバルブを介してロードロックチャンバー８０１と、酸化処理チャンバー８０３と、スパッタリングチャンバー８０４と、加熱チャンバー８０５と、本発明に特徴的なスパッタリングチャンバー（スパッタリング装置）１とが設けられている。トランスファーチャンバー８０２は、搬送ロボット（不図示）を有しており、基板をチャンバー間に搬送可能に構成されている。各チャンバー８０１、８０２、８０３、８０４、８０５及び１は、それぞれ真空排気可能な排気手段が設けられている。また各チャンバー間は、ゲートバルブを介して真空連結されているので、基板を大気中に露出させることなく全ての工程を真空中で処理することができる。
（実施例１）
　図９は、図７に示すゲートスタック構造の半導体装置の製造方法を説明するためのプロセスフロー図である。　
　ステップＳ１では、半導体基板９０１が、ロードロック室８０１より製造装置８０１に搬入される。ステップＳ２では、半導体基板９０１はトランスファーチャンバー８０２の搬送ロボットにより、ロードロック室８０１から大気に晒すことなく酸化処理チャンバー８０３に搬送され、半導体基板９０１の表面に酸化シリコンＳｉＯ２からなるインターフェース層９０２が熱酸化プロセスにより形成される。このプロセスは熱酸化に限定されず、ＡＬＤ等の成膜プロセス、あるいはプラズマ酸化プロセスを用いても良い。
　ステップＳ３及びステップＳ４では、インターフェース層９０２の上面に高誘電率膜９０３を形成する。まずステップ３においては、搬送ロボットによってインターフェース層９０２が形成された半導体基板９０１がスパッタリングチャンバー８０４に搬入され、スパッタリングなどの物理的気相成長法によりインターフェース層９０２の上面にＨｆからなる金属層が形成される。ステップＳ４においては、上記搬送ロボットにより、金属層が形成された半導体基板９０１をスパッタリングチャンバー８０４から大気に晒すことなく加熱チャンバー８０５に搬入し、熱プロセスを行う。この熱プロセスにより、金属層とインターフェース層９０２が熱反応し高誘電率膜９０３として酸化ハフニウムＨｆＯ２が形成される。
　ステップ５では、搬送ロボットにより高誘電率膜９０３が形成された半導体基板９０１をスパッタリングチャンバー１に搬入し、高誘電率膜９０３の上面に、反応性スパッタリング法によりゲート電極膜９０４を形成する。　
　具体的には、ステップ５では、ターゲット４のターゲット材としてＴｉを用意し、アルゴンガスＡｒおよび第１反応性ガスとしての窒素ガスＮ２、ならびに第２反応性ガスとしての酸素ガスＯ２雰囲気中でスパッタリング法によりＴｉＯＮ膜（ゲート電極膜９０４）を成膜する。プロセスガスの１つであるアルゴンガスＡｒと、活性度が低い第１反応性ガスとして窒素ガスＮ２はターゲット４近傍に置かれたチムニー９の先端部に設けられた第１ガス導入口１５からスパッタリングチャンバー１の真空チャンバー２内に導入した。アルゴンガスと窒素ガスの流量はそれぞれ２０ｓｃｃｍ（ｓｃｃｍは１分間あたり供給されるガス流量を０℃１気圧の体積で表した単位）、および１５ｓｃｃｍとした。第２反応性ガスとしての酸素ガスＯ２は基板ホルダー７近傍に設置された第２ガス導入口１７から導入した。Ｏ２流量を２ｓｃｃｍとした。アルゴンガスによって、Ｔｉターゲット４がスパッタされ、スパッタ粒子が、窒素ガス及び酸素ガスと反応して、酸窒化チタン膜が形成される。このように窒素ガスをターゲット４近傍に導入することで、ターゲットホルダー６からの電力により窒素ガスを活性化し、反応しやすい状態にすることができる。ターゲットに１０００ＷのＤＣ電力を印加した。ＤＣ電力の印加時間を調整することにより、７ｎｍのＴｉＯＮ膜を作製した。
　ここでステップ５のＴｉＯＮ膜（ゲート電極膜）の形成工程について図１１を用いてより詳細に説明する。　
　図１１はスパッタリングチャンバー１を用いてゲート電極膜９０４を形成する際の手順を示す。具体的には、各処理における時間、ターゲット印加電力、ターゲットシャッター１４の位置、基板シャッター１９の位置、およびＡｒガス流量、窒素ガス流量、酸素ガス流量を示している。
　図１１を参照して成膜の手順を説明する。　
　まず、ガススパイクを行う。この工程により、真空チャンバー２内の圧力を高くし、次のプラズマ着火工程で放電開始をしやすい状態を作る。この条件はターゲットシャッター１４および基板シャッター１９は閉状態であり、アルゴンガス流量は２００ｓｃｃｍ、窒素ガス流量は５０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量は２ｓｃｃｍとする。すなわち、不図示の制御装置は、ターゲットシャッター駆動機構３３および基板シャッター駆動機構２０を制御して、ターゲットシャッター１４および基板シャッター１９を閉状態にする。また、上記制御装置は、各マスフローコントローラーを制御して、第１ガス導入口１５からアルゴンガスを流量２００ｓｃｃｍ、窒素ガスを流量５０ｓｃｃｍで導入し、第２ガス導入口１７から酸素ガスを流量２ｓｃｃｍで導入する。この手順によりターゲット４近傍のアルゴンガス圧力を高くすると共に反応性ガスの圧力をアルゴンガス圧力に比べ低い状態とする。このように真空チャンバー２に供給されるプロセスガスの総流量（アルゴンガス、第１反応性ガス及び第２反応性ガスの総流量）に対する、第１反応性ガス及び第２反応性ガスの総量の比は、次のプラズマ着火工程でターゲット表面をメタルモードにするために、３０％以下であるのが好ましい。
　次に、プラズマ着火工程を行う。各シャッター位置およびガス条件を保持したままＴｉターゲット４に１０００WのDC電力を印加して、プラズマを発生させる（プラズマ着火）。このガス条件を用いることにより、低圧力で生じ易いプラズマの発生不良を防止することができる。また、望ましくはターゲット表面がメタルモードとするような反応性ガス流量比の条件を選ぶことで、ターゲット４表面に反応性ガスにより酸化物、窒化物、あるいは酸窒化物が形成されることを防止することができる。このようにターゲット４表面をメタルモードとするための条件は、具体的には反応性ガス（第１反応性ガスおよび第２反応性ガス）とアルゴンガスをあわせたプロセスガスの総流量に対する反応性ガス（第１反応性ガスおよび第２反応性ガス）の総流量の比率が３０％以下であることが望ましく、また同様の観点により、ターゲット印加電力は５００Ｗ以上であることが望ましい。
　ついで、プリスパッタ１を行う。プリスパッタ１ではターゲット電力を維持したままガス条件をアルゴン２０ｓｃｃｍ、窒素１５ｓｃｃｍ、酸素２ｓｃｃｍに変更する。すなわち、不図示の制御装置は、各マスフローコントローラーを制御して、第１ガス導入口１５からアルゴンガスを流量２０ｓｃｃｍ、窒素ガスを流量１５ｓｃｃｍで導入し、第２ガス導入口１７から酸素ガスを流量２ｓｃｃｍで導入する。この手順によりプラズマが失われる事無く維持する事ができる。
　本実施例では、ターゲットシャッター１４により、プリスパッタ１中に、ターゲットホルダー６（ターゲット４）と第１ガス導入口１５とを含む空間と、基板ホルダー７（基板１０）と第２ガス導入口とを含む空間とを遮断することができる。よって、ターゲット４をスパッタしたり第１反応性ガスである窒素を活性化する際に、反応性が高い第２反応性ガスである酸素が、電力が印加されている基板ホルダー６近傍に到来することを抑制することができる。従って、上記基板ホルダー６から生じたプラズマにより反応性が低い窒素を活性化することができ、過度に活性化したくない酸素への上記プラズマの作用を低減させることができる。
　ついで、プリスパッタ２を行う。プリスパッタ２ではターゲット電力、ガス条件および基板シャッター１９を閉じた状態に維持したままターゲットシャッター１４を開く。すなわち、不図示の制御装置は、ターゲットシャッター駆動機構３３を制御して、ターゲットシャッター１４を開状態にする。こうすることで、Ｔｉターゲット４からのスパッタ粒子と反応性ガスである酸素と窒素が反応し、シールド４０内壁を含む真空チャンバー２の内壁に酸窒化膜を付着させることにより、次基板成膜工程に移行するときに真空チャンバー２内のガス状態の急激な変化を防止できる。真空チャンバー２内のガス状態の急激な変化を防止することで、次の基板成膜工程における成膜を初期より安定して行うことができる。特にゲートスタック製造においてゲート絶縁膜上にゲート電極を堆積する場合のように界面特性が重要な場合には、そのデバイス製造においてデバイス特性の向上とその製造安定性の向上について大きな改善効果がある。
　次に、基板成膜を行う。基板成膜工程では、ターゲット電力、ガス状件、ターゲットシャッター１４の位置を維持したまま、基板シャッター１９を開く。すなわち、不図示の制御装置は、基板シャッター駆動機構２０を制御して、基板シャッター１９を開状態にする。この手順により基板１０とターゲット４間を遮蔽する機構が取り除かれるため基板１０へのゲート電極膜９０４としての酸窒化膜（ＴｉＯＮ膜）の堆積が開始される。以上の各手順に要する時間は最適な値に設定されるが、本実施例ではガススパイクを０．１秒、プラズマ着火を１秒、プリスパッタ１を４秒、プリスパッタ２を１０秒、基板成膜を２８８．８秒とした。　
　以上の手順により７ｎｍのＴｉＯＮ膜を作製した。
　ターゲット材のスパッタリングのためのマグネトロン放電の条件は、圧力０．１Ｐａ未満の極低圧放電であることが好ましい。一般に窒素など反応性の低いガスを解離するためには、プラズマの電子温度が高いことが望ましい。放電圧力が０．１Ｐａ未満である場合、その電子温度は十分高くなる。放電圧力の下限については、放電可能である圧力であればいずれの値でも良い。
　基板１０の近傍には、ガスを活性化させる電子温度の高い放電は広がらないことが望ましい。従ってマグネトロン放電のための有効な磁場はターゲット４の近傍に限られることが望ましい。また、同じ理由でターゲット４と基板１０の距離はなるべく離れていることが望ましい。
　（実施例２）　
　実施例２では、上述の実施例１のステップ５と異なり、基板ホルダー近傍に設置されたガス導入口１７から導入した酸素ガス（Ｏ２）の流量を３ｓｃｃｍとした。それ以外は、実施例１と同様のプロセスで７ｎｍのＴｉＯＮ膜を作製した。
　（比較例１）　
　比較例１では上述の実施例１のステップ５と異なり、チムニー９先端部に設けられた第１ガス導入口１５からはアルゴンガスのみを導入し、基板ホルダー７の近傍に設けられた第２ガス導入口１７からは、酸素ガス（Ｏ２）ガスを３ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ２）ガスを１５ｓｃｃｍで導入した。それ以外は、実施例１と同様のプロセスで、７ｎｍのＴｉＯＮ膜を成膜した。
　（比較例２）　
　比較例２では上述の実施例１のステップ５と異なり、基板ホルダー７の近傍に設けられた第２ガス導入口１７を使用せず、チムニー９先端部に設けられた第１ガス導入口１５から酸素ガス（Ｏ２）ガスを３ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ２）ガスを１５ｓｃｃｍ、Ａｒガス２０ｓｃｃｍで導入した。それ以外は、実施例１と同様のプロセスで、７ｎｍのＴｉＯＮ膜を成膜した。
　以上の各ステップによりＳｉ半導体、高誘電率膜、及びメタルゲート電極膜を有するスタック構造が形成される。
　図１０は、上述の方法で形成されたゲートスタック構造を、ＸＰＳ（エックス線電子分光分析）により深さ方向の酸素濃度分布を評価した結果を説明する図である。図中、膜表面の酸素は成膜後基板を大気中に取り出したときに表面が酸化したものであり、半導体素子の特性には影響しない。　
　比較例１によるＴｉＯＮ膜は、４０％を超える量の酸素が混入しており、ゲート電極としての十分な機能を有さない。　
　比較例２によるＴｉＯＮ膜は、５０％を超える量の酸素が混入しており、ゲート電極としての十分な機能を有さない。
一方、実施例１（スパッタ中の酸素流量２ｓｃｃｍ）により作製されたＴｉＯＮ膜は、１％程度の酸素濃度であり、比較例に比べ、大幅に酸素の混入濃度を抑制することができる。さらに実施例２（スパッタ中の酸素流量３ｓｃｃｍ）により作製されたＴｉＯＮ膜は、５％程度の酸素濃度であり、比較例に比べ、大幅に酸素の混入濃度を抑制することができる。
　以上のように、本実施形態の方法と装置を、ＴｉＯＮ膜を高誘電率膜上の電極膜として使用したところ、酸素と窒素の比率の制御性が改良された。また、ＴｉＯＮにおいて、酸素と窒素の比率を制御することにより、ＴｉＯＮ膜の仕事関数値を所望の値に制御することができた。また、バックグラウンドの残留酸素や、容易にゲッタリングされるため不安定に成り易い少量の酸素導入と比較して再現性にも優れていることがわかった。
　（実施例３）　
　本実施例では図７に示すゲートスタック構造の作成方法において、ターゲット４の近傍に設けられた第１ガス導入口１５からアルゴンガスと窒素ガスを導入し、ターゲット４からの距離が上記第１ガス導入口１５より離れた位置に設けられた第２ガス導入口１７から窒素ガスよりも反応性が高い酸素ガスを導入する方法と装置を使用して、高誘電率膜９０３を作成した場合について説明する。
　図１２は、図７に示すゲートスタック構造の半導体装置の実施例３における製造方法を説明するためのプロセスフロー図である。
　ステップＳ２１では、半導体基板９０１が、ロードロックチャンバー８０１より製造装置８００に搬入される。ステップＳ２２では、トランスファーチャンバー８０２の搬送ロボットにより、半導体基板９０１がロードロックチャンバー８０１から大気に晒すことなく酸化処理チャンバー８０３に搬送され、半導体基板９０１の表面に酸化シリコンＳｉＯ２からなるインターフェース層９０２が熱酸化プロセスにより形成される。このプロセスは熱酸化に限定されず、ＡＬＤ等の成膜プロセス、あるいはプラズマ酸化プロセスを用いても良い。
　ステップＳ２３では、インターフェース層９０２の上面に高誘電率膜９０３を形成する。ステップＳ２３においては、上記搬送ロボットによってインターフェース層９０２が形成された半導体基板９０１がスパッタリングチャンバー８０４に搬入され、反応性スパッタリング法によりインターフェース層９０２の上面にＨｆＯＮからなる高誘電率膜が形成される。なお、スパッタリングチャンバー８０４は、図１に示すスパッタリング装置１と同様の構成のものを使用した。具体的には、ステップＳ２３では、ターゲット材としてＨｆを用意し、Ｈｆのターゲットパワー６００Ｗ、Ａｒガス流量１２ｓｃｃｍ、窒素ガス流量１．５ｓｃｃｍ、酸素ガス流量１ｓｃｃｍとして、アルゴンガスＡｒ、窒素ガスＮ２、酸素ガスＯ２雰囲気中でスパッタリング法によりＨｆＯＮ膜を成膜した。
　アルゴンガスＡｒと、活性度が低い反応性ガスとして窒素ガスＮ２とを、ターゲット近傍に置かれたチムニーの先端部に設けられたガス導入口（スパッタリング装置１のガス導入口１５に相当）から真空チャンバー（スパッタリング装置１の真空チャンバー２に相当）内に導入した。基板ホルダー近傍に設置されたガス導入口（スパッタリング装置１のガス導入口１７に相当）から活性度の高い反応性ガスとして酸素ガス（Ｏ２）を導入した。
　ステップＳ２４では、ステップＳ２３にて高誘電率膜９０３が形成された半導体基板９０１を、搬送ロボットによってスパッタリング装置１に搬送する。ターゲット４のターゲット材としてＴｉを用意し、スパッタリング装置１は、アルゴンガスＡｒ、窒素ガスＮ２、酸素ガスＯ２雰囲気中でスパッタリング法によりゲート電極膜９０４としてのＴｉＯＮ膜を成膜する。アルゴンガスＡｒと、活性度が低い反応性ガスとして窒素ガスＮ２はターゲット４近傍に置かれたチムニー９の先端部に設けられたガス導入口１５から真空チャンバー２内に導入した。基板ホルダー７近傍に設置されたガス導入口１７から活性度の高い反応性ガスとして酸素ガス（Ｏ２）を導入した。なお、ＴｉＯＮの作成条件は、実施例１と同様である。
　以上により、作成されたゲートスタック構造を有する半導体装置では、ＨｆＯＮ膜の組成制御性が向上したことにより、リーク電流を抑制しながら、ＥＯＴ１．４ｎｍの良質な高誘電率膜を安定に作成できた。
　なお、本実施形態では、Ｔ／Ｓ距離が２４０ｍｍのスパッタリング装置１を用いて実験したが、これに限定されるものではない。しかしながら、本発明は、Ｔ／Ｓ距離が１００ｍｍ以上の場合に特に有効である。この理由は以下の通りである。すなわち、処理チャンバーの中には、通常、残留酸素ガスが存在する。この残留酸素は、スパッタ粒子と反応する。Ｔ／Ｓ距離が長くなると、ターゲットから飛散したスパッタ粒子と、残留酸素とが反応する確率が増大するため、形成された膜も酸素の混入濃度が増加しやすい。本発明による製造方法を用いればＴ／Ｓ距離が増大することで顕著になる酸素混入の問題の改善に対して特に有効である。
　本実施の形態では、ターゲット４にＴｉあるいはＨｆを使用してＴｉあるいはＨｆの酸窒化膜を基板１０の表面に形成したが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｓｉ、Ｚｒ，Ａｌ、Ｌａ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｂ，Ｍｇ及びＴａその他、金属の酸窒化膜の形成にも使用することができる。
　本実施形態では、第１反応性ガスとして窒素を、第２反応性ガスとして酸素を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、第１反応性ガスとして、メタンやプロパンガス等を用いることもできる。

Claims (15)

  1. 　処理チャンバー内の基板ホルダーに基板を載置する工程と、
    　前記処理チャンバーに第１反応性ガスおよび該第１反応性ガスよりも反応性が高い第２反応性ガスを導入しながら、前記処理チャンバー内のターゲットに電力を印加してスパッタリングし、ターゲット材料を含有した膜を前記基板に成膜する成膜工程とを有し、
    　前記成膜工程は、前記ターゲットの近傍に設けられた第１ガス導入口から少なくとも前記第１反応性ガスを導入し、前記ターゲットからの距離が前記第１ガス導入口より離れた位置に設けられた第２ガス導入口から前記第２反応性ガスを導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　前記第２ガス導入口は、前記基板ホルダーの近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　前記ターゲットの近傍に磁界が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記ターゲットは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｌａ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｂ，Ｍｇ及びＡｌからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　前記第１反応性ガスは、窒素を含有するガスであり、前記第２反応性ガスは、酸素を含有するガスであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　前記成膜工程は、
    　前記第１ガス導入口からさらに不活性ガスを導入することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記成膜工程の前に、
    　前記ターゲットと前記基板との間を開閉可能なシャッターで遮蔽しながら、前記第１ガス導入口から前記不活性ガスおよび前記第１反応性ガスを導入し、前記第２ガス導入口から前記第２反応性ガスを導入するプラズマ着火工程であって、前記成膜工程において導入する前記不活性ガスの流量よりも大きな流量で前記不活性ガスを導入するプラズマ着火工程をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 　前記プラズマ着火工程において、前記不活性ガス、前記第１反応性ガス及び前記第２反応性ガスの総流量に対する、前記第１反応性ガスおよび第２反応性ガスの総流量の比は、３０％以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　前記プラズマ着火工程における、前記ターゲットへの印加電力は５００Ｗ以上であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　前記成膜工程の前に、
    　前記ターゲットと前記基板との間を開閉可能なシャッターで遮蔽しながら前記成膜工程と同じ条件で前記処理チャンバー内に成膜を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　前記成膜程は、ゲート絶縁膜上のゲート電極膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　処理チャンバーと、
    　処理チャンバーに設けられ、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーと、
    　前記ターゲットホルダーに所定の電圧を印加するための電圧供給機構と、
    　前記ターゲットホルダーの近傍に磁場を形成するための磁場形成機構と、
    　前記ターゲットホルダーの近傍に設けられ、第１反応性ガスを前記処理チャンバー内に導入する第１ガス導入口と、
    　前記ターゲットホルダーからの距離が前記第１ガス導入口より離れた位置に設けられ、前記第１反応性ガスより反応性が高い第２反応性ガスを前記処置チャンバー内に導入する第２ガス導入口と
    　を備えることを特徴とするスパッタ装置。
  13. 　前記処理チャンバー内に設けられ、基板を載置するための基板ホルダーをさらに備え、
    　前記第２ガス導入口は、前記基板ホルダーの近傍に設けられることを特徴とする請求項１２に記載のスパッタ装置。
  14. 　前記ターゲットホルダーの周囲を囲む筒状シールドをさらに備え、
    　前記第１ガス導入口は、前記筒状シールドの開口された先端部に設けられていることを特徴とする請求項１２に記載のスパッタ装置。
  15. 　前記ターゲットホルダーと前記第２ガス導入口との間を遮断可能なシャッターをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のスパッタ装置。
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