(57)【要約】【課題】インピーダンス１.５ｋΩ以上のカソードを用いたＤＣスパッタリングにおいて、±２％以上の膜厚再現性を確保する。【解決手段】成膜したい薄膜の一部または全部からなるターゲット２と、ターゲット２を支えるバッキングプレートとしての下部電極３と、ターゲット２の表面に磁場を発生させる内側磁石４，外側磁石５などからなるインピーダンス１.５ｋΩ以上のカソード部とを具備するＤＣスパッタリング法において、グロー放電中に前記カソード部に流れる電流を±５ｍＡの精度で一定に制御する。【選択図】図１
2006032602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜対象物を保持するアノードと、成膜したい薄膜の一部または全部からなるターゲットと、前記ターゲットを支えるバッキングプレートと、前記ターゲットの表面に磁場を発生させる磁石を具備するカソードとを備え、前記カソードに直流バイアスもしくはパルス状直流バイアスを印加して成膜を行うスパッタリング装置において、
前記カソードがインピーダンス１.５ｋΩ以上の小型のカソード構造であって、グロー放電中に前記カソードに流れる電流を±５ｍＡ以上の精度で一定に制御することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記グロー放電時の装置内圧力を１Ｐａ以上に設定することを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記グロー放電時の装置内への導入ガスとして、希ガスと反応性ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
成膜対象物に成膜する前に、処理ダミー部材を挿入した状態もしくは処理ダミー部材がない状態で前記希ガスのみを導入してグロー放電を行う工程と、前記希ガスと前記反応性ガスとの混合ガスを導入してグロー放電を行う工程とを含むことを特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記希ガスがアルゴンガスであり、前記反応性ガスが酸素ガスであることを特徴とする請求項３または４記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
真空容器内に配置された成膜対象物に対向して設けられた成膜したい薄膜の一部または全部からなるターゲットに直流バイアスもしくはパルス状直流バイアスを印加することにより、前記成膜対象物を成膜するスパッタリング方法において、
カソードがインピーダンス１.５ｋΩ以上の小型のカソード構造であって、グロー放電中に前記カソードに流れる電流を±５ｍＡ以上の精度で一定に制御す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、スパッタリングにより薄膜を形成するための方法に係り、特に比較的小型のカソード構造のスパッタリング装置に適用可能なスパッタリング装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ（半導体集積回路）の製造工程では誘電体の成膜が種々行われる。その目的は、例えば層間絶縁膜，エッチング，選択的なイオン注入あるいは選択的な電極の形成のためのマスク，パッシベーション，キャパシタの誘電体膜などを形成するためである。そして目的によって、材質あるいはプラズマ処理方法が選択される。例えばＣＶＤ（化学蒸着法），ドライエッチング，スパッタリングなど種々の方法が用いられている。
【０００３】
近年、ＩＣの小型化のためにキャパシタの誘電体膜に、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）やチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）などの高誘電体物質のプラズマ処理を行うことが検討されている。
【０００４】
さらに、センサ，アクチュエータあるいは不揮発性メモリデバイスの製造のために、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはストロンチウムビスマスタンタレート（ＳＢＴ）といった強誘電体物質のプラズマ処理を採用することも検討されている。
【０００５】
従来のプラズマ処理装置を、スパッタリング装置を例にして、図面を参照して説明する。
【０００６】
図５は従来のマグネトロン・スパッタリング装置の概略構成図であって、従来のスパッタリング装置は、真空引き可能な容器によりスパッタ室１を形成し、スパッタ室１の下方にはターゲット２がカソード部の下部電極（バッキングプレート）３に固定保持される。さらにターゲット２の裏面には、カソード部を構成する内側磁石４と、それを取り囲むように内側磁石４とは反対の磁化成分を持つ外側磁石５とが配され、両磁石４，５はヨーク６で磁気的に結合されている。両磁石４，５によりターゲット２の表面には弧状の磁力線７が形成される。下部電極３はスパッタ室１とは電気的に絶縁されている。下部電極３は、ターゲット２の温度が上昇するのを防ぐために、水冷機構（図示せず）を内蔵している。
【０００７】
そして、スパッタ室１の上方には、アノードであるウェハホルダ８が下部電極３に対向して平行に配置される。ウェハホルダ８は、スパッタ室１と電気的に絶縁されており、浮遊電位になっている。さらにウェハホルダ８上に成膜対象物である基板、例えば半導体ウェハ９が載置される。ウェハホルダ８は、半導体ウェハ９を所定の温度に維持するための加熱機構（図示せず）を内蔵している。
【０００８】
そして、下部電極３とスパッタ室１（接地）間に、電源１０により所定のＤＣ電力が与えられる。
【０００９】
前記スパッタリング装置において、成膜処理を行うには、ウェハホルダ８上に基板（例えば半導体ウェハ９）を載置し、スパッタ室１を、図示しない排気口につながる真空ポンプ（図示せず）により真空に引き、次にガス導入口（図示せず）から所定のガス（例えばＡｒガス）を所定流量導入しつつ、排気口（図示せず）と真空ポンプとの間に介在する可変コンダクタンス・バルブ（図示せず）を調節して所定の圧力に調節する。そして、ＤＣ電力を印加してプラズマを発生させる。発生したプラズマ中の電子は、ターゲット２の裏面に配置された磁石４，５が発生する弧状の磁力線７にトラップされ、更に電離を促進しプラズマ密度を向上させる。
【００１０】
また、特許文献１には、下部電極を複数に分割し、それぞれに異なった電力を供給することにより、所望の膜厚分布を得ることが記載されている。
【００１１】
さらに、特許文献２にはスパッタ室である真空容器（接地）とは絶縁されたウェハホルダにＤＣバイアスを与え、真空容器−ウェハホルダ間に流れる電流を、事前に調べた最適電流値になるように真空容器（接地）−ウェハホルダ間に印加するＤＣバイアスを調整することにより安定した品質の薄膜を得ることが記載されている。
【特許文献１】特公平２−４１５８３号公報
【特許文献２】特公平２−３０３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来のスパッタリング方法では、インピーダンス１.５ｋΩ以上の比較的小型の構造のカソードを用いたＤＣスパッタリング装置の場合、同成膜時間で複数のロットを処理した場合、チャンバ壁に付着した水分や残留ガスにより、±２％以下の膜厚再現性が確保できないという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、前記従来の問題に鑑み、インピーダンス１.５ｋΩ以上のカソードを用いたＤＣスパッタリングにおいて、±２％以上の膜厚再現性を確保することができるスパッタリング装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するため、本発明に係るスパッタリング装置は、成膜対象物を保持するアノードと、成膜したい薄膜の一部または全部からなるターゲットと、前記ターゲットを支えるバッキングプレートと、前記ターゲットの表面に磁場を発生させる磁石を具備するカソードとを備え、前記カソードに直流バイアスもしくはパルス状直流バイアスを印加して成膜を行うスパッタリング装置において、前記カソードがインピーダンス１.５ｋΩ以上の小型のカソード構造であって、グロー放電中に前記カソードに流れる電流を±５ｍＡ以上の精度で一定に制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明において、好適には前記グロー放電中に前記カソードに流れる電流を±２ｍＡの精度で一定に制御することが望ましく、±５ｍＡ程度であればよい。
【００１６】
また、本発明において、好適には前記グロー放電時の圧力が４Ｐａ以上であることが望ましく、１Ｐａ以上であればよい。
【００１７】
また、本発明において、好適には前記グロー放電時の導入ガスが希ガスと反応性ガスの混合ガスであることが望ましい。
【００１８】
また、本発明において、成膜対象物に成膜する前に、処理ダミー部材を挿入した状態もしくは処理ダミー部材がない状態で前記希ガスのみを導入してグロー放電を行う工程と、前記希ガスと前記反応性ガスとの混合ガスを導入してグロー放電を行う工程とを含むことが望ましい。
【００１９】
また、本発明において、更に好適には前記希ガスがＡｒであり、かつ前記反応性ガスがＯ２であることが望ましい。
【００２０】
また、本発明に係るスパッタリング方法は、真空容器内に配置された成膜対象物に対向して設けられた成膜したい薄膜の一部または全部からなるターゲットに直流バイアスもしくはパルス状直流バイアスを印加することにより、前記成膜対象物を成膜するスパッタリング方法において、カソードがインピーダンス１.５ｋΩ以上の小型のカソード構造であって、グロー放電中に前記カソードに流れる電流を±５ｍＡ以上の精度で一定に制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、成膜したい薄膜の一部または全部からなるターゲットと、それを支えるバッキングプレートと、その表面に磁場を発生させる磁石とからなるカソードに、ＤＣバイアスもしくはパルス状ＤＣバイアスを加えて成膜を行うＤＣスパッタリング方法において、グロー放電中にカソードに流れる電流を±５ｍＡ程度の精度で一定に制御するために、インピーダンス１.５ｋΩ以上の比較的小型の構造のカソードを用いたＤＣスパッタリング装置であっても、±２％以上の膜厚再現性を確保することができるスパッタリング装置および方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明において図５にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付した。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態を説明するためのスパッタリング装置の概略構成図であり、本例は、スパッタ室である真空容器１に、成膜対象物である半導体ウェハ９（今回はＳｉ基板を用いた）を投入して、スパッタリングにより誘電体であるＴａ２Ｏ５薄膜を形成するＤＣマグネトロンスパッタリング装置の例を示している。
【００２４】
真空容器１の下部に外径４０ｍｍのターゲット２（ターゲット２としては所望の絶縁膜を構成する元素でできたもの、もしくは反応性ガスと反応して所望の絶縁物を形成することができる材料が好ましいが、本例ではＴａを用いた）およびカソード部の下部電極３を配し、真空容器１の上部に半導体ウェハ９を配置可能なアノード部であるウェハホルダ８を設け、ターゲット２−ウェハ９間の距離を１０ｍｍとした。
【００２５】
この真空容器１中に希ガスとしてＡｒガスを導入し、プリスパッタリングを行い、さらに反応性ガスとしてＯ２をＡｒ：Ｏ２比＝１：１で導入し、プリスパッタリングを１分間行った。その後に、半導体ウェハ９を導入し、Ｔａ２Ｏ５薄膜をＤＣ反応性スパッタリングにより形成した。本例において用いたカソードのインピーダンスは２.０〜２.５ｋΩであるが、１．５ｋΩ以上であればよい。
【００２６】
水分による膜厚再現性を見るために、大気開放時に真空容器１内部を水拭きした条件と、大気開放時に水拭きせずに真空排気時に真空容器９１をベーキング（チャンバベーキング）し、水分を出した条件との各条件で、成膜時間３０ｓｅｃ．，８５ｓｅｃ．，１５０ｓｅｃ．で成膜して、成膜速度の再現性を調べた。
【００２７】
さらに、タグチメソッドを用いて、各成膜パラメータの寄与度を調べた。直交表としてはＬ１８直交表を用い、信号因子として前記３種類の成膜時間とし、出力特性としては膜厚を設定し、動特性を評価した。図２に今回用いた直交表を示す。
【００２８】
設定したパラメータは、ウェハホルダ８の厚さと、バックグランド圧力と、電源１０の制御方式と、ターゲット２の冷却水の温度と、Ａｒのみで行うプリスパッタの時間（Ａｒ＋Ｏ２で行うプリスパッタ時間は１分で固定）と、成膜圧力と、投入電力と、ウェハホルダ８の状態とである。
【００２９】
電源制御方式が電圧制御および電流制御時の投入電力は、その電力に相当する電圧および電流で一定に設定した。電源の精度は電力制御時は±２Ｗ、電圧制御時は±１Ｖ、電流制御時は±５ｍＡ（望ましくは±２ｍＡ）である。
【００３０】
得られた要因効果図を図３に示す。この結果から、電源制御は電流制御が望ましく、成膜圧力は４.７Ｐａ以上が望ましく、さらにＡｒプリスパッタ時間は３分以上が望ましいことが分かった。
【００３１】
さらに、成膜対象物である半導体ウェハ９を投入する前に、半導体ウェハなし状態（投入した半導体ウェハを一時的に退避させるようにしてもよい）、あるいは処理ダミー部材であるダミーウェハ（基板）を投入し、Ａｒプリスパッタ時間を３分間以上行い、その次に、反応性ガスとしてＯ２ガスをＡｒ：Ｏ２比＝１：１となるように導入し、１分間プリスパッタを行った後、成膜対象物である半導体ウェハ９を投入して、本スパッタ（３０ｓｅｃ．〜１５０ｓｅｃ．）により成膜を行うことが望ましいことが分かった。
【００３２】
この条件で行った実験結果を図４に示す。得られた膜厚再現性は±１.５％であり、真空容器１の壁に付着した水分や残留ガスにより±２％以下の膜厚再現性を確保することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係るスパッタリング装置および方法は、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置などにおける比較的小型のカソード構造、特にカソードのインピーダンスが１.５ｋΩ以上のスパッタリング装置に実施して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態を説明するためのスパッタリング装置の概略構成図
【図２】本実施の形態で行ったタグチメソッドで用いた直交表
【図３】（ａ），（ｂ）は本実施の形態で行ったタグチメソッドで得られた要因効果図
【図４】本実施の形態における最適条件で得られた膜厚を示す図
【図５】従来のマグネトロン・スパッタリング装置の概略構成図
【符号の説明】
【００３５】
１  真空容器（スパッタ室）
２  ターゲット
３  下部電極
４  内側磁石
５  外側磁石
６  ヨーク
７  弧状磁力線
８  ウェハホルダ
９  ウェハ
１０  電源
【図１】
2006032602.tif 000003
【図２】
2006032602.tif 000004
【図３】
2006032602.tif 000005
【図４】
2006032602.tif 000006
【図５】
2006032602.tif 000007