(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に酸化アルミニウム製のターゲットと処理すべき基板とを配置し、真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングにより基板表面に酸化アルミニウム膜を成膜する酸化アルミニウム膜の成膜方法において、
成膜中の真空チャンバ内の圧力を１．６〜２．１Ｐａの範囲に設定すると共に、成膜中の基板温度を４５０〜５５０℃の範囲に設定することを特徴とする酸化アルミニウム膜の成膜方法。
【請求項２】
ターゲットに投入する高周波電力を１ｋＷ〜４ｋＷの範囲に設定することを特徴とする請求項１記載の酸化アルミニウム膜の成膜方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の酸化アルミニウム膜の成膜方法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜し、成膜した酸化アルミニウム膜を８００〜８５０℃でアニールして結晶化することを特徴とする酸化アルミニウム膜の形成方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の酸化アルミニウム膜の成膜方法を実施するスパッタリング装置であって、酸化アルミニウム製のターゲットが設けられる真空チャンバと、真空チャンバ内で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と、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備えるものにおいて、
成膜中の基板の温度を４５０〜５５０℃の範囲内に加熱する加熱手段を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化アルミニウム膜の成膜方法及び形成方法並びにスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量の半導体メモリである３Ｄ（３次元）−ＮＡＮＤフラッシュメモリが注目されている。３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリは多層のメモリセルを積層して製造され、その製造工程には、酸化アルミニウム膜を成膜する工程や成膜した酸化アルミニウム膜をハードマスクとして用いるエッチング工程等が含まれる。このような用途の酸化アルミニウム膜の成膜方法としてはＡＬＤ法が知られているが（例えば、非特許文献１参照）、成膜速度が遅いという問題がある。このため、生産性のよいスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜することが検討されている。【０００３】
スパッタリング法により酸化アルミニウム膜を成膜すると、その膜が非晶質となることが一般に知られており、非晶質の酸化アルミニウム膜はエッチング耐性が低く、そのままではハードマスクとしての役割を果たさない。そこで、エッチング工程の前に、非晶質の酸化アルミニウム膜に対してアニール処理を施して酸化アルミニウム膜を結晶化することにより、エッチング耐性を高めている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
ところで、３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリの製造工程数は従来の２Ｄ（２次元）−ＮＡＮＤフラッシュメモリに比べて多いため、熱履歴低減の観点から、酸化アルミニウム膜の結晶化温度（アニール温度）を８５０℃以下、好ましくは８００℃以下に低温化することが望まれている。【０００５】
しかしながら、スパッタリング法で酸化アルミニウム膜を成膜する場合、基板を積極的に加熱しない室温で成膜することが一般的であり、このように室温で成膜した酸化アルミニウム膜に対して施されるアニール処理の温度を低くすると、酸化アルミニウム膜が結晶化されないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６８６７９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Sun Jin YUN、外３名、「Large-Area Atomic Layer Deposition and Characterization of Al2O3 film Grown Using AlCl3 and H2O」、Journal of the Korean Society、Vol. 33、November 1998、pp.S170-S174
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、低温のアニール処理でも結晶化が可能な酸化アルミニウム膜を成膜することができる酸化アルミニウム膜の成膜方法及び形成方法並びに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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、真空チャンバ内に酸化アルミニウム製のターゲットと処理すべき基板とを配置し、真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングにより基板表面に酸化アルミニウム膜を成膜する本発明の酸化アルミニウム膜の成膜方法は、成膜中の真空チャンバ内の圧力を１．６〜２．１Ｐａの範囲に設定することを特徴とする。【００１０】
本発明によれば、スパッタリングによる成膜中に真空チャンバ内の圧力を１．６〜２．１Ｐａの範囲に設定することで、本発明の成膜方法を用いて非晶質の酸化アルミニウム膜を成膜した後に施すアニール処理の温度を低くしても、酸化アルミニウム膜を結晶化できる。後述する実験において、アニール処理の温度を８００〜８５０℃に設定しても酸化アルミニウム膜を結晶化できることが確認された。尚、真空チャンバ内圧力が１．６Ｐａ未満だとエッチング耐性が低下する場合がある一方で、２．１Ｐａを超えると、生産性の低下や膜厚の基板面内分布の悪化を招来する場合がある。【００１１】
本発明においては、スパッタリングによる成膜中に基板を４５０〜５５０℃に加熱することが好ましい。これによれば、成膜した非晶質の酸化アルミニウム膜を構成する原子は、室温で成膜した酸化アルミニウム膜の構成原子に比べて、アニール処理を施したときに移動し易くなる。このため、本発明の成膜方法を用いて非晶質の酸化アルミニウム膜を成膜した後に施すアニール処理の温度を低くしても、酸化アルミニウム膜を結晶化できる。後述する実験において、アニール処理の温度を８００℃に設定しても酸化アルミニウム膜を結晶化できることが確認された。【００１２】
また、本発明においては、ターゲットに投入する高周波電力を１ｋＷ〜４ｋＷの範囲に設定することが好ましい。この範囲を外れると、生産性やエッチング耐性が低下する場合がある。【００１３】
本発明の酸化アルミニウム膜の形成方法によれば、上記酸化アルミニウム膜の成膜方法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜し、成膜した酸化アルミニウム膜を８００〜８５０℃でアニールすることで、酸化アルミニウム膜を結晶化することができる。この場合、酸化アルミニウム膜の成膜中の基板温度を４５０〜５５０℃の範囲に設定すれば、８００℃のアニールで酸化アルミニウム膜を結晶化できて有利である。【００１４】
上記酸化アルミニウム膜の成膜方法を実施するのに適した本発明のスパッタリング装置は、酸化アルミニウム製のターゲットが設けられる真空チャンバと、真空チャンバ内で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と、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備え、成膜中の基板の温度を４５０〜５５０℃の範囲内に加熱する加熱手段を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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模式図。
【図２】本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。
【図３】本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、基板Ｗの表面にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜を成膜する場合を例として、本発明の実施形態の酸化アルミニウム膜の成膜方法及びスパッタリング装置を説明する。
【００１７】
図１を参照して、本実施形態の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の側壁には排気管１１を介して真空ポンプＰが接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。また、真空チャンバ１の側壁には、ガス源１２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アルゴン等の希ガスを真空チャンバ１内に導入できるようにしている。これらのガス源１２、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。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。
【００１８】
真空チャンバ１の上部には、カソードユニットＣが設けられている。カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は酸化アルミニウム製であり、基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。ターゲット２は、成膜時にターゲット２を冷却する銅製のバッキングプレート２１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、この状態でターゲット２のスパッタ面２ａを下方にして絶縁板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。ターゲット２には、スパッタ電源Ｅ１たる高周波電源の出力が接続され、スパッタリング中、ターゲット２に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が１ｋＷ〜４ｋＷ投入される。磁石ユニット３は、スパッタ面２ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。
【００１９】
真空チャンバ１の下部には、ターゲット２に対向した位置で基板Ｗを保持するステージ４が設けられている。ステージ４には、図示省略の静電チャック用の電極が設けられ、この電極にチャック電圧を印加することで基板Ｗを位置決め保持できるようになっている。ステージ４には、例えば抵抗加熱式ヒータ等の加熱手段４１が内蔵され、成膜中の基板Ｗの温度を４５０℃〜５５０℃の範囲内に加熱保持できるようになっている。これと共に、ステージ４には、冷却水等の冷媒を循環するための通路４２が形成され、ステージ４に保持された基板Ｗを冷却できるようになっている。
【００２０】
また、真空チャンバ１内には、ステンレス等の金属製である上下一対の防着板５ｕ，５ｄが設けられ、スパッタリングによる成膜中、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。上記スパッタリング装置ＳＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略の制御手段を有し、加熱手段４１の作動、スパッタ電源Ｅ１の作動、マスフローコントローラ１４の作動、真空ポンプＰの作動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を用いた成膜方法について説明する。
【００２１】
先ず、真空チャンバ１内（処理室１ａ）を所定の真空度まで真空引きし、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、ステージ４上に基板Ｗを位置決め保持する。次いで、加熱手段４１を作動させて基板Ｗを４５０℃〜５５０℃に加熱する。基板Ｗの温度が所定温度（例えば４５０℃）に達すると、スパッタガスたるアルゴンガスを１７５〜２５０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１内に導入し（このときの圧力は１．６〜２．１Ｐａ）、スパッタ電源Ｅ１からターゲット２に高周波電力を投入することにより、処理室１０内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、ターゲット２がスパッタされ、これにより生じたスパッタ粒子が飛散して基板Ｗ表面に付着、堆積して非晶質の酸化アルミニウム膜が成膜される。
【００２２】
ここで、ターゲット２に投入する高周波電力は、例えば、１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷ〜４ｋＷの範囲に設定することが好ましい。この範囲を外れると、生産性やエッチング耐性が低下する場合がある。また、成膜中の真空チャンバ内圧力が１．６Ｐａ未満だとエッチング耐性が低下する場合がある一方で、２．１Ｐａを超えると、生産性の低下や膜厚の基板面内分布の悪化を招来する場合がある。
【００２３】
以上の実施形態によれば、スパッタリングによる成膜中に基板Ｗを４５０℃〜５５０℃に加熱するため、成膜した非晶質の酸化アルミニウム膜を構成する原子は、室温で成膜した酸化アルミニウム膜の構成原子に比べて、アニール処理を施したときに移動し易くなる。このため、本実施形態の成膜方法を用いて成膜した後に施すアニール処理の温度を８００℃程度に低くしても、酸化アルミニウム膜を結晶化できる。
【００２４】
また、スパッタリングによる成膜中に真空チャンバ内の圧力を１．６〜２．１Ｐａの範囲に設定することで、本実施形態の成膜方法を用いて成膜した後に施すアニール処理の温度を８００〜８５０℃に低くしても、酸化アルミニウム膜を結晶化できる。
【００２５】
次に、本発明の効果を確認するため、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、基板Ｗをφ３００ｍｍのシリコンウエハとし、酸化アルミニウム製のターゲット２が組み付けられた真空チャンバ１内のステージ４に基板Ｗをセットした後、加熱手段４１を作動させて基板Ｗの温度を４５０℃に加熱した。基板Ｗの温度が４５０℃に達すると、アルゴンガスを２００ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１内に導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は１．８Ｐａ）、スパッタ電源Ｅ１からターゲット２に１３．５６ＭＨｚ、４ｋＷの高周波電力を投入することにより、処理室１０内にプラズマ雰囲気を形成し、基板Ｗ表面に非晶質の酸化アルミニウム膜を成膜した。この非晶質の酸化アルミニウム膜が成膜された基板ＷをスパッタリングＳＭから取り出し、ランプアニール装置（アルバック理工製「ＲＴＡ−１２０００」）を用いて非晶質の酸化アルミニウム膜に対して８００℃の温度でアニール処理を施し、アニール処理後の酸化アルミニウム膜を「発明品１」とした。発明品１をＸ線回折法により分析した結果、結晶化されていることが確認された（図２参照）。
【００２６】
また、成膜中の基板Ｗ温度を２５０℃に設定した点を除き、上記発明品１と同様の方法で非晶質の酸化アルミニウム膜を成膜した。図２に示すように、成膜温度が２５０℃の酸化アルミニウム膜に対して８００℃でアニール処理を施しても結晶化せず、８５０℃でアニール処理を施すと結晶化することが確認された。同様に、成膜中に加熱手段４１を作動させず成膜温度を２５℃（室温）に設定して成膜した場合も同様に、８００℃のアニール処理を施しても結晶化せず、８５０℃のアニール処理を施すと結晶化することが確認された。
【００２７】
また、アルゴン流量を５０ｓｃｃｍ、１７５ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ（上記発明品１）、２５０ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍに設定した点（このときの真空チャンバ１内の圧力は０．２Ｐａ、１．６Ｐａ、１．８Ｐａ、２．１Ｐａ、２．３Ｐａ）を除き、上記発明品１と同様の方法で非晶質の酸化アルミニウム膜を夫々成膜した。図３に示すように、アルゴン流量を１７５ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ、２５０ｓｃｃｍに設定して成膜した場合には、上記発明品１と同様、８００℃のアニール処理により結晶化することが確認された。それに対して、アルゴン流量を５０ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍに設定して成膜した場合には、８００℃のアニール処理では結晶化せず、８５０℃のアニール処理を施すと結晶化することが確認された。これより、アルゴン流量を１７５〜２５０ｓｃｃｍに設定すれば、即ち、成膜中の真空チャンバ１内圧力１．６〜２．１Ｐａに設定すれば、アニール処理の低温化が図れることが判った。
【００２８】
また、ターゲット２に投入する高周波電力を１ｋＷに設定した点を除き、上記発明品１と同様の方法で非晶質の酸化アルミニウム膜を夫々成膜し、８００℃のアニール処理を施して結晶化し、結晶化したものを発明品２とした。そして、発明品１及び発明品２を、Ｈ２Ｏ：ＨＦ＝５００：１のエッチング液でウェットエッチングしてそのエッチングレートを測定した。発明品１及び発明品２のエッチングレートは、それぞれ１３５Å／ｍｉｎ、１９３Å／ｍｉｎであることが確認された。これより、高周波電力を１ｋＷ未満に設定すると、エッチングレートが高くなってエッチング耐性が低下することが判った。
【００２９】
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い。例えば、図１に示すようにステージ４に他の高周波電源Ｅ２の出力を接続し、成膜時にステージ４に所定のバイアス電力を投入することで、酸化アルミニウム膜の構成原子をアニール処理時に更に移動し易くすることができる。この場合、バイアス電力としては、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１３〜４５Ｗ投入することが好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、２…ターゲット、４…ステージ、４１…加熱手段、Ｅ１…スパッタ電源、１２，１３，１４…ガス導入手段。
【要約】
低温のアニール処理でも結晶化が可能な酸化アルミニウム膜を成膜することができる酸化アルミニウム膜の成膜方法及び形成方法並びにスパッタリング装置を提供する。
真空チャンバ１内に酸化アルミニウム製のターゲット２と処理すべき基板Ｗとを配置し、真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングにより基板表面に酸化アルミニウム膜を成膜する本発明の酸化アルミニウム膜の成膜方法は、成膜中の真空チャンバ内の圧力を１．６〜２．１Ｐａの範囲に設定する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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