(57)【要約】【課題】単一の真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲットに対して複数台のスパッタ電源から単一の周波数で夫々交流電力を投入する場合に、効果的にクロストークの発生を抑止できるようにしたスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供する。【解決手段】真空チャンバ１内に配置された複数枚のターゲット４ａ〜４ｃに対し、夫々の周波数を一致させて交流電力を投入する複数台のスパッタ電源Ｅａ〜Ｅｃと、各スパッタ電源からの出力のタイミングを相互に一致させる同期手段たるオッシレータＯｓとを備えた。【選択図】図２
2014159614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲットに対し、夫々の周波数を一致させて交流電力を投入する複数台のスパッタ電源と、各スパッタ電源からの出力のタイミングを相互に一致させる同期手段とを備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記スパッタ電源が高周波電源であり、各高周波電源からの出力をインピーダンス整合器を介してターゲットに投入するものにおいて、
各インピーダンス整合器と各ターゲットとを夫々接続する出力ケーブルを備え、各出力ケーブルとして同等のものを用いることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法であって、
成膜対象物が配置された真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各スパッタ電源から各ターゲットに同一の周波数で交流電力を夫々投入することにより、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタして成膜対象物表面に成膜するものにおいて、
前記同期手段により各スパッタ電源の出力タイミングを相互に一致させることを特徴とするスパッタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空チャンバ内に複数のターゲットを配置したスパッタリング装置及びこれを用いたスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、不揮発性メモリ等の半導体デバイスの製造工程において、成膜対象物表面に誘電体膜を成膜するために上記種のスパッタリング装置（所謂、多元スパッタリング装置）が用いられている（例えば、特許文献１及び２参照）。このものは、半導体ウエハなどの成膜対象物が配置される真空チャンバ内に、この成膜対象物を夫々臨むように配置された複数個のターゲットと、各ターゲットに電力投入する複数台のスパッタ電源とを備える。そして、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各スパッタ電源から各ターゲットに負の電位を持つ直流電力や交流電力を夫々投入することにより真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタして成膜対象物の表面に成膜する。
【０００３】
ここで、ターゲットとして絶縁物が用いられるとき、スパッタ電源として高周波電源（交流電源）を用いることが一般的であり、交流電力をターゲットに投入するのに際しては、交流電源とターゲットとの間にインピーダンス整合器を介在させ、入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合を行うことで、常時、所望の設定交流電力がターゲットに投入されるようにしている。一方で、単一の真空チャンバに配置された複数個のターゲットに対し、複数台の高周波電源から入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させながら高周波電力を夫々投入すると、所謂クロストークが発生し易いことが知られている。このようにクロストークが発生すると、負荷インピーダンスが変動し、インピーダンス整合器による入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合が追従できず、スパッタ電源への反射電力が増大してしまう。その結果、所望の設定交流電力がターゲットに投入されず、ターゲットによってはスパッタリングレートが著しく低下してしまうという不具合が生じる。
【０００４】
このような不具合を解消するために、上記特許文献２では、スパッタ電源毎に、出力周波数（例えば、４ＭＨｚと１３、５６ＭＨｚ）を変え、各ターゲットに交流電力を投入するようにしている。然し、このような方法では、出力周波数の異なる電源を複数台用意する必要が生じ、装置のコスト高を招く。また、同一の設定投入電力におけるスパッタリングレートが各ターゲット毎に相違するため、所望の膜特性（膜厚や膜質）を持つようにプロセス条件を設定することが難しいという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３３００９号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０６６５１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、単一の真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲットに対して複数台のスパッタ電源から単一の周波数で夫々交流電力を投入する場合に、効果的にクロストークの発生を抑止できるようにしたスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲットに対し、夫々の周波数を一致させて交流電力を投入する複数台のスパッタ電源と、各スパッタ電源からの出力のタイミングを相互に一致させる同期手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明者らは、鋭意研究を重ね、単一の真空チャンバに配置された複数個のターゲットに対し、複数台の高周波電源から入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させながら高周波電力を夫々投入するとき、各交流電源からの出力タイミングを一致させれば、クロストークの発生を効果的に抑止できることを知見するに至った。そこで、本発明では、各ターゲットに同期手段を接続し、この同期手段により各スパッタ電源からの出力タイミングを相互に一致させるようにした。これにより、単一種類のスパッタ電源を用意すればよいため、低コスト化が図られ、しかも、同一の設定投入電力におけるスパッタリングレートが各ターゲット毎に略一致するため、所望の膜特性（膜厚や膜質）を持つようにプロセス条件を設定することが容易になる。
【０００９】
前記スパッタ電源が高周波電源であり、各高周波電源からの出力をインピーダンス整合器を介してターゲットに投入する本発明において、各インピーダンス整合器と各ターゲットとを夫々接続する出力ケーブルを備え、各出力ケーブルとして同等のものを用いることが好ましい。ここで、同等の出力ケーブルとは、特性インピーダンスや高周波電力の損失が相互に一致するものをいい、例えば、ケーブル長や導体及び絶縁体の外径が同一に設定されたものをいう。これによれば、上記の如くクロストークの発生を抑止できることと相俟って、インピーダンス整合を精度良く行うことができてよい。
【００１０】
上記スパッタリング装置を用いた本発明のスパッタリング方法は、成膜対象物が配置された真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各スパッタ電源から各ターゲットに同一の周波数で交流電力を夫々投入することにより、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタして成膜対象物表面に成膜するものにおいて、前記同期手段により各スパッタ電源の出力タイミングを相互に一致させることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略断面図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実験結果を説明するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、ターゲットを誘電体たるアルミナ製とし、成膜対象物をシリコンウエハ（以下、「基板Ｗ」という）とし、ターゲットに高周波電力を投入して基板Ｗ表面にアルミナ膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。
【００１３】
図１及び図２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、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐを介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部中央には、基板ステージ２が配置され、この基板ステージ２は、例えば基板Ｗの輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台２１と、この基台２１の上面に装着されたチャックプレート２２とで構成される。特に図示しないが、チャックプレート２２には単極型や双極型の電極が埋設されており、この電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、チャックプレート２２上面に基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。基台２１の下面中央には、真空チャンバ１の底面に設けた開口に挿通された軸受け３により支承された回転軸２３が連結され、この回転軸２３を真空チャンバ１外側の駆動部（図示省略）により回転駆動することにより、基板ステージ２が基板Ｗを保持した状態で回転できるようになっている。尚、基台２１に冷媒循環用の通路やヒータを内蔵しておき、スパッタリングによる成膜中、基板Ｗを所定温度に制御できるようにしてもよい。
【００１４】
真空チャンバ１の天井部は略円錐状に形成され、この天井部には、スパッタ面４１が基板Ｗを夫々臨むように、周方向に所定の間隔で複数個のターゲット４が配置されている。本実施形態では、３個のターゲット４ａ，４ｂ，４ｃを周方向に１２０°の間隔で傾斜配置させている。ターゲット４は、上記アルミナのような酸化物からなるものに限定されず、窒化チタンや窒化タンタルや窒化ケイ素のような窒化物、炭化ケイ素のような炭化物等の絶縁物のように、基板Ｗ表面に成膜しようとする膜の組成に応じて適宜選択された材料製で構成される。図示省略するが、ターゲット４の上面（スパッタ面４１と背向する面）には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット４を冷却する銅製のバッキングプレートがインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなるボンディング材を介して接合されている。尚、各ターゲット４の上方に公知の磁石ユニットを夫々配置し、ターゲット４のスパッタ面４１の下方空間に磁場（公知の閉鎖磁場やカスプ磁場）を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面４１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット４から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化するように構成してもよい。
【００１５】
真空チャンバ１内には、ターゲット４と基板Ｗとを囲繞するように防着板５が設けられ、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止している。真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガス（場合によっては、希ガスと酸素や窒素ガスとの反応ガス）たるスパッタガスを導入するガス導入管６が貫通してその先端が防着板５まで達し、スパッタガスを導入できるようにしている。図示省略するが、ガス導入管６は、マスフローコントローラを介してガス源に連通している。
【００１６】
ターゲット４ａ〜４ｃには複数台のスパッタ電源たる高周波電源Ｅａ〜Ｅｃが接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力（数〜十数ｋＷ）が投入されるようにしている。ターゲット４ａ〜４ｃと高周波電源Ｅａ〜Ｅｃとの間にはインピーダンス整合器Ｍａ〜Ｍｃが介在され、入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合を行うことで、プロセスに応じて適宜決められた所望の設定交流電力がターゲット４ａ〜４ｃに投入されるようにしている。各インピーダンス整合器Ｍａ〜Ｍｃと各ターゲット４ａ〜４ｃとは出力ケーブル７ａ〜７ｃにより夫々接続されている。各出力ケーブル７ａ〜７ｃとしては、同等のもの、即ち、特性インピーダンスや高周波電力の損失が相互に一致するもの、例えば、ケーブル長や導体及び絶縁体の外径が同一のものを用いている。尚、本実施形態では、各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃと各インピーダンス整合器Ｍａ〜Ｍｃとを接続する各出力ケーブルとして同等のものを用いている。
【００１７】
上記スパッタリング装置ＳＭは、各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃに接続された同期手段たるオッシレータＯｓを更に備え、このオッシレータＯｓにより各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからの高周波電力の周波数の同期をとることで、各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからの出力のタイミングを相互に一致させるようにしている。上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、オッシレータＯｓの稼働、マスフローコントローラの稼働及び真空排気手段Ｐの稼働等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、基板Ｗ表面にアルミナ膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態のスパッタリング方法について説明する。
【００１８】
先ず、真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、２×１０−７Ｔｏｒｒ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、基板ステージ２に基板Ｗを受け渡す。次いで、チャックプレート２２の電極にチャック電圧を印加して基板Ｗを静電吸着させた後、基板ステージ２を所定の回転速度で回転させる。このとき、基板ステージ２をヒータ等により加熱し、基板Ｗを所定温度に加熱してもよい。次いで、スパッタガスたるアルゴンガスを所定流量で導入し、高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからインピーダンス整合器Ｍａ〜Ｍｃを介してターゲット４ａ〜４ｃに夫々同一の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で例えば１００Ｗ高周波電力を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、各ターゲット４ａ〜４ｃがスパッタされ、基板Ｗ表面にアルミナ膜が成膜される。
【００１９】
ここで、本発明者らは、単一の真空チャンバ１に配置された複数個のターゲット４ａ〜４ｃに対し、複数台の高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからインピーダンス整合器Ｍａ〜Ｍｃを介して夫々の周波数を一致させて高周波電力を夫々投入するとき、各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからの出力タイミングを一致させれば、クロストークの発生を効果的に抑止できることを知見するに至った。そこで、本実施形態では、各ターゲット４ａ〜４ｃにオッシレータＯｓを接続し、このオッシレータＯｓにより各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからの出力タイミングを相互に一致させるようにした。これにより、単一種類の高周波電源Ｅａ〜Ｅｃを用意すればよいため、低コスト化が図られ、しかも、同一の設定投入電力におけるスパッタリングレートが各ターゲット４ａ〜４ｃ毎に略一致するため、所望の膜特性（膜厚や膜質）を持つようにプロセス条件を設定することが容易になる。
【００２０】
また、各ターゲット４ａ〜４ｃと各インピーダンス整合器Ｍａ〜Ｍｃとを接続する各出力ケーブル７ａ〜７ｃとして同等のものを用いるため、上記の如くクロストークの発生を抑止できることと相俟って、インピーダンス整合を精度良く行うことができてよい。
【００２１】
次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、本発明の効果を確認するために実験を行った。発明実験では、基板Ｗを直径３００ｍｍのシリコンウエハとし、ターゲット４ａ〜４ｃとして直径１２５ｍｍのアルミナターゲットを用いた。基板ステージ２により基板Ｗを保持し、真空チャンバ１内にスパッタガスとしてアルゴンガスを１００ｓｃｃｍの流量で導入し（このとき、真空チャンバ１内の圧力は３．１×１０−３Ｔｏｒｒ）、ターゲット４ａ〜４ｃに対し高周波電源Ｅａ〜Ｅｃから１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を投入してプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲット４ａ〜４ｃをスパッタして基板Ｗ表面にアルミナ膜を成膜した。このとき、オッシレータＯｓを用いて各高周波電源Ｅａ〜Ｅｃからの出力タイミングを一致させた。スパッタ成膜中の各ターゲット４ａ〜４ｃにおけるＶｐｐ及びＶｄｃを測定し、その結果を図３（ａ）に示す。これによれば、スパッタ成膜中、Ｖｐｐ及びＶｄｃとも略一定で安定しており、クロストークを抑止できることが確認された。
【００２２】
それに対して、比較実験では、オッシレータＯｓを用いずに各高周波電力Ｅａ〜Ｅｃを作動させた点を除き、発明実験と同じ条件でスパッタ成膜を行った。このスパッタ成膜中の各ターゲット４ａ〜４ｃにおけるＶｐｐ及びＶｄｃを測定し、その結果を図３（ｂ）に示す。これによれば、スパッタ成膜中、Ｖｐｐ及びＶｄｃは変動し続け（特にＶｐｐは２００Ｖ以上変動）、クロストークが発生したことが確認された。
【００２３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では高周波電源から高周波電力をターゲットに投入する場合について説明したが、低周波電源等の他の交流電源を用いてもよい。
【００２４】
また、上記実施形態では、複数個のターゲットが同一の材料から成る場合を例に説明したが、複数個のターゲットが相互に異なる材料からなる場合にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００２５】
Ｅ（Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ）…高周波電源（スパッタ電源）、Ｍ（Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ）…インピーダンス整合器、Ｏｓ…オッシレータ（同期手段）、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…基板（成膜対象物）、１…真空チャンバ、４（４ａ，４ｂ，４ｃ）…ターゲット、７（７ａ，７ｂ，７ｃ）…出力ケーブル。
【図１】
2014159614.tif 000003
【図２】
2014159614.tif 000004
【図３】
2014159614.tif 000005