(57)【要約】【課題】  スパッタリング条件に僅かでも変化が生じた時、異常を検出することができるスパッタリング方法を提供する。【解決手段】  真空チャンバ内で、ターゲットをスパッタガスの高周波プラズマでスパッタリングするスパッタリング方法であって、（ａ）真空チャンバ内に基板を搬入し、保持する工程と、（ｂ）真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、高周波電力を供給して放電を生じさせ、ターゲットの材料を基板上にスパッタリングする工程と、（ｃ）スパッタリング中の真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタする工程と、（ｄ）スパッタガスの供給と高周波電力の供給を止め、基板を真空チャンバ外に取り出す工程と、（ｅ）前記工程（ａ）〜（ｄ）を繰り返す工程と、（ｆ）複数の基板でモニタした前記高周波電気特性の全体的態様に基づき、放電が正常か、異常かを判断する工程と、を含む。【選択図】  図２
2005350683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内で、ターゲットをスパッタガスの高周波プラズマでスパッタリングするスパッタリング方法であって、
（ａ）真空チャンバ内に基板を搬入し、保持する工程と、
（ｂ）真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、高周波電力を供給して放電を生じさせ、ターゲットの材料を基板上にスパッタリングする工程と、
（ｃ）スパッタリング中の真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタする工程と、
（ｄ）スパッタガスの供給と高周波電力の供給を止め、基板を真空チャンバ外に取り出す工程と、
（ｅ）前記工程（ａ）〜（ｄ）を繰り返す工程と、
（ｆ）複数の基板でモニタした前記高周波電気特性の全体的態様に基づき、放電が正常か、異常かを判断する工程と、
を含むスパッタリング方法。
【請求項２】
前記工程（ｆ）は、複数の基板でモニタした前記高周波電気特性の経時変化のトレンドに基づき、放電が正常か、異常かを判断する請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項３】
前記高周波電気特性の経時変化のトレンドは、基板数に対して全体としてリニアな変化である請求項２記載のスパッタリング方法。
【請求項４】
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に設けられ、ターゲットを保持できるバッキングプレートと、
前記真空チャンバ内に、前記バッキングプレートと対向するように設けられ、基板を保持できる基板保持部と、
前記真空チャンバ内の前記バッキングプレートに高周波電力を供給できる高周波電源と、
前記真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタできる高周波モニタと、
前記モニタした高周波電気特性を、処理した基板数の関数として記憶し、モニタした高周波電気特性に基づき、放電の正常／異常を判断する判別手段と、
を有するスパッタリング装置。
【請求項５】
前記判別手段は、基板数の増加に対する全体としてリニアな変化から外れる高周波電気特性を検出できる請求項４記載の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、スパッタリング方法とスパッタリング装置に関し、特に組成などの膜質が変化しやすい材料膜を高周波スパッタリングできるスパッタリング方法とスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置などにおける成膜技術として、スパッタリングが広く用いられている。スパッタリングは、成膜しようとする材料のターゲットを備えた真空チャンバ内に基板を配置し、Ａｒ等のスパッタガスのプラズマを発生させ、ターゲット表面にＡｒイオンを衝突させ、ターゲット材料をスパッタし、基板上にターゲット材料の膜を成膜する技術である。
【０００３】
スパッタリングには、プラズマ励起電力が直流である、直流（ＤＣ）スパッタリングとプラズマ励起電力が１３．５６ＭＨｚ等の高周波である高周波（ＲＦ）スパッタリングとがある。金属などの導電体は、ＤＣスパッタリングでもＲＦスパッタリングでも成膜できる。誘電体（絶縁体）は、チャージアップの問題があるため通常ＲＦスパッタリングで成膜される。
【０００４】
また、窒化膜等の成膜においては、スパッタガスに窒素などの反応性ガスを添加し、ターゲット材料と反応性ガスが反応した化合物を成膜するリアクティブスパッタリングも用いられる。たとえば、Ｔｉターゲットを用い、Ａｒスパッタガスと反応性窒素ガスのプラズマを発生させ、ＴｉＮ膜を成膜する。
【０００５】
特開平６−２６４２３９号公報は、ＴｉＮのＤＣリアクティブスパッタリングにおいて、放電の電圧、電流を検出することによりＴｉＮをスパッタリングしている正常放電であるか、Ｔｉに近い膜をスパッタリングしている異常放電であるかを判定し、異常であると判定された時は調整制御を行なって正常状態に戻すことを提案している．例えば、正常放電では電圧５２０Ｖ，電流１４Ａであるのに対し、異常放電では電圧４８０Ｖ，電流１７Ａであると説明されている。
【０００６】
プラズマの発光からＡｒの発光強度とＮ２の発光強度とをモニタし、正常か異常かを判定することも提案している。正常であればＮ２の発光強度の方が強いが、異常になるとＮ２の発光強度が約１／３に減少し、Ａｒの発光強度より弱くなる例が示されている。正常放電、異常放電でプラズマが大きく変化していると考えられる。  
【０００７】
強誘電体キャパシタを有する不揮発性メモリでは、強誘電体層をＲＦスパッタリングで成膜して強誘電体キャパシタを作製することが行なわれる。強誘電体層はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）等の混晶組成を有することが多い。混晶のスパッタリングは、条件によって組成が変化したりする異常が生じやすい。特性上問題となる異常が生じても、上述のＴｉＮのリアクティブスパッタリングのような顕著なスパッタリング条件の変化が発生せず、異常を検出しにくい場合が多い。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２６４２３９号公報
【特許文献２】特開平７−９０５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、スパッタリング条件に僅かでも変化が生じた時、異常を検出することができるスパッタリング方法およびスパッタリング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１観点によれば、真空チャンバ内で、ターゲットをスパッタガスの高周波プラズマでスパッタリングするスパッタリング方法であって、
（ａ）真空チャンバ内に基板を搬入し、保持する工程と、
（ｂ）真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、高周波電力を供給して放電を生じさせ、ターゲットの材料を基板上にスパッタリングする工程と、
（ｃ）スパッタリング中の真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタする工程と、
（ｄ）スパッタガスの供給と高周波電力の供給を止め、基板を真空チャンバ外に取り出す工程と、
（ｅ）前記工程（ａ）〜（ｄ）を繰り返す工程と、
（ｆ）複数の基板でモニタした前記高周波電気特性の全体的態様に基づき、放電が正常か、異常かを判断する工程と、
を含むスパッタリング方法が提供される。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に設けられ、ターゲットを保持できるバッキングプレートと、
前記真空チャンバ内に、前記バッキングプレートと対向するように設けられ、基板を保持できる基板保持部と、
前記真空チャンバ内の前記バッキングプレートに高周波電力を供給できる高周波電源と、
前記真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタできる高周波モニタと、
前記モニタした高周波電気特性を、処理した基板数の関数として記憶し、モニタした高周波電気特性に基づき、放電の正常／異常を判断する判別手段と、
を有するスパッタリング装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
スパッタリング条件の変化が顕著でなくても、複数枚の基板に対してモニタを続け、全体的に判断することにより、僅かな変化を検出できる。スパッタリング条件の全体的変化のトレンドからの外れを検出することにより、対象とするスパッタリングの異常を検出し易くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、スパッタリング装置の構成を概略的に示す。真空チャンバ１は気密な真空容器を構成でき、排気口２、がス導入口３を備えている。排気口２は真空排気系に接続され、真空チャンバ内を所望真空度に排気することができる。ガス導入口３は真空チャンバ１内にＡｒ等のスパッタガスを導入することができる。真空チャンバ１の上部には、真空チャンバ１と絶縁された状態でバッキングプレート４が配置され、その下面にターゲット５を保持することができる。ターゲート５は、例えばＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）の燒結体で構成される。
【００１４】
ターゲート５と対向する真空チャンバ底部には、基板保持部６が電気的にフローティング状態で配置され、その表面上に基板７を載置することができる。基板保持部６の周囲には、対向電極８が配置されている。真空チャンバ１内には、スパッタされた材料が基板７以外の表面に付着し、汚れ、ごみなどの原因となることを防止するため、着脱自在の防着板１５，１６が、ターゲット５、基板７を取り囲むように設けられている。防着板１５，１６上にある程度のスパッタ膜が堆積した時は、防着板１５，１６を交換する。
【００１５】
真空チャンバ１の外部に、高周波電源１１が設けられ、マッチングボックス１０を介してバッキングプレート４に接続されている。高周波電源１１を起動すると、バッキングプレート４を介してターゲット５に高周波電力を供給することができる。高周波電源１１とバッキングプレート４の間にＲＦセンサ９が接続され、ＲＦセンサコントロールボックス１２によって制御される。コンピュータ１３が、ＲＦセンサ９、ＲＦセンサコントロールボックス１２に接続され、ＲＦセンサ９でモニタする高周波電気特性を指示し、ＲＦセンサ９でモニタした高周波電気特性を受け、スパッタリングの正常／異常を判別する。
【００１６】
コンピュータ１３は、設定条件からの明確なずれを検出する他、特に多数枚の基板を処理した時、モニタした高周波電気特性を処理基板数の関数として管理し、全体的な変化のトレンドを取得し、個々のスパッタリングにおいて全体的変化のトレンドからの外れにより微細な異常を判別する。
【００１７】
図１に示すスパッタリング装置を用い、直径８インチ（約２０ｃｍ）のシリコン基板表面に、誘電体膜であるＰＺＴ薄膜を成膜する場合を説明する。先ず、容積約１０リットルの真空チャンバ１内部を真空排気し、真空状態を維持しながらシリコン基板７を真空チャンバ１内部に搬入し、基板保持部６表面上に載置する。次に、ガス導入口３からスパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを２０ｓｃｃｍ真空チャンバ内に導入し、真空チャンバ１内の圧力が約１Ｐａになるように真空排気する。
【００１８】
その後、高周波電源１１を起動し、ターゲット５に例えば周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１ｋＷのＲＦ電力を供給する。ＲＦ電力により、真空チャンバ１内にＡｒガスの放電が生じ、Ａｒプラズマが発生する。Ａｒプラズマ発生により、ターゲット５がスパッタリングされる。ＲＦセンサ９は、放電中所定の高周波電気特性をモニタし、コンピュータ１３に測定値を伝送する。測定値が許容範囲外の場合は、コンピュータは直ちにアラームを発する。
【００１９】
基板７の表面に所定膜厚のＰＺＴ薄膜が成膜されたら、スパッタガスであるＡｒガスの導入と、高周波電力を止めて、スパッタリング処理を終了する。真空チャンバ１内の真空状態を維持しながら、スパッタリング処理済みの基板７を真空チャンバ１外へ取り出す。コンピュータ１３は、モニタした高周波電気特性の平均値を算出し、積算基板数の関数として管理する。
【００２０】
次いで、真空チャンバ１の真空状態を維持しながら、新たな基板を真空チャンバ１内に導入し、上述と同様のスパッタリングによる成膜処理を行なう。このようにして、複数の基板に順次ＰＺＴ薄膜を成膜すると共に、基板毎にモニタした高周波電気特性を基板数の関数として管理し、全体的トレンドを得る。
【００２１】
図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、スパッタリング処理中に測定した高周波電気特性である電圧、インピーダンス、インピーダンスのリアクタンス成分を、処理基板数の関数としてプロットしたグラフである。各グラフにおいて横軸は処理基板数を示す。スパッタリング処理は、複数枚の基板をカセットに装架し、１カセットを１ロットとして順次処理した。ロットを交換する時、スパッタリングは休止する。この間にスパッタリング装置の温度が降下し、次のロット最初の（通常ダミー）基板に対するスパッタリングでは温度低下に基づくと考えられる条件の変化がある。複数の基板にスパッタリングを行なっていくうちに、温度等の条件は次第に収束する。
【００２２】
図２（Ａ）の縦軸は電圧を示し、■印で示す各プロットが１枚の基板に対するスパッタリング中の電圧の平均値である。図２（Ｂ）の縦軸はインピーダンスを示し、×印で示す各プロットが１枚の基板に対するスパッタリング中のインピーダンスの平均値である。図２（Ｃ）の縦軸はインピーダンスのリアクタンス成分を示し、＋印で示す各プロットが１枚の基板に対するスパッタリング中のリアクタンスの平均値である。
【００２３】
各グラフにおいて、処理基板数を領域Ａ，Ｂ，Ｃに分けて示す。領域ＡとＢとの境界で防着板を交換し、領域ＢとＣとの境界で再び防着板を交換した。領域ＡとＣでは正常なスパッタリングが行われ、領域Ｂでは不良が多発した。領域Ａ，Ｃと領域Ｂとで何が異なるかを検討する。
【００２４】
図２（Ａ）に示すように、ロット最初のダミー基板でモニタした電圧は低く、基板数が増加するに連れ次第にモニタした電圧は増大し、飽和する傾向を示す。領域Ａ，Ｃの電圧プロットは、飽和する電圧が直線ｍ１に漸近する全体的トレンドを示している。直線ｍ１は基板数の増加と共に低下する電圧を示す。
【００２５】
全体的な電圧の低下は、例えば以下のように考えれば、説明できるであろう。プラズマに印加される電圧が一定とする。スパッタリングによりターゲットが消費されるに連れ、ターゲットの全厚さに消費される電圧成分が減少する。これらの電圧の和である、モニタされる全電圧が低下する。
【００２６】
全体的変化のトレンドの原因は何であれ、正常なスパッタリングが続いている間、モニタした電圧は直線ｍ１で示す全体的変化のトレンドに向かって収束するように変化している。ところが、不良が多発した領域Ｂにおいては、モニタした電圧がトレンドｍ１から外れた電圧に収束していることが明らかである。基板群ｖＢの測定値は直線ｍ１より明らかに低い電圧に収束している。領域Ｂ内の他の基板群についても同様である。全体的トレンドから外れた値に収束することを検出した時は、異常発生と判断できる。
【００２７】
図２（Ｂ）に示すインピーダンスのモニタ結果も、図２（Ａ）の電圧と同様の変化を示している。全体的トレンドは基板数と共に減少する直線ｍ２で示され、各ロット内でモニタしたインピーダンスは当初低く、次第に増加して飽和する。正常なスパッタリングが続いている領域では飽和するインピーダンスの値は直線ｍ２に収束する。不良多発領域Ｂでは、飽和値が直線ｍ２より明らかに低い値に収束している。
【００２８】
図２（ｃ）に示すリアクタンスのモニタ値は基板数の増加と共に増大する直線ｍ３に漸近するトレンドを示している。ロット最初のダミー基板のリアクタンスは高く、基板数の増加と共に、リアクタンスは減少し、飽和する傾向を示す。正常領域Ａ，Ｃでは、飽和値は直線ｍ３で近似でき、不良多発領域Ｂでは、飽和値は直線ｍ３より高い値に止まる。
【００２９】
図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のいずれの高周波電気特性でも、ロット最初の基板のモニタ値は、全体的トレンドを示す漸近直線から離れた値であるが、処理する基板数が増えていくと、正常な場合は電気特性は次第に全体的なトレンドに沿う値に飽和していく。異常な場合は、飽和する値が全体的なトレンドから外れている。
【００３０】
各基板に対して、所定の高周波電気特性をモニタし、許容される数値範囲から外れる値を得た時は、直ちに異常の検出ができる。しかし、許容されている数値範囲内でも異常は生じ得る。このような異常が発生している時、モニタされる電気特性の値自身は、正常なスパッタリング処理においても出現し得る数値である。例えば、図２（Ａ）における、異常領域Ｂの電圧は、正常領域Ｃの電圧と重なる電圧範囲にある。この数値のみから異常放電であると判別することはできない。しかしながら、多数枚の基板に対する電気特性の全体的変化のトレンドを取得しておけば、異常領域の電気特性の飽和値は全体的トレンドから外れており、モニタ値を全体的トレンドと比較することにより、明確に異常を検出できる。
【００３１】
図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）では、防着板１５、１６の交換によりスパッタリング条件に変化が生じ、防着板を再び交換したことにより、正常なスパッタリングが回復していると考えられる。防着板の設定においてわずかのズレ等が生じると、スパッタリング装置の高周波電気特性に変化が生じ、スパッタリングが変化してしまうものと考えられる。その他の原因によりスパッタリング条件が変化した時も同様の検出が可能であろう。
【００３２】
なお、図２のモニターにおいては０次のＲＦ電圧、０次のインピーダンス、０次のインピーダンスのリアクタンス成分を示したが、放電特性の異常を検出するパラメータはこれらに限るものではない。電力、電圧、電流、インピーダンス、インピーダンスの抵抗成分、インピーダンスのリアクタンス成分、位相から、モニターする電気特性を選択することができるであろう。又、０次の特性をモニターしたが、同じに１次から５次までの高調波のモニターも行った。これら高調波成分も、特にフィルター処理等を行うことにより、放電特性の異常を検出するために用いることができるであろう。
【００３３】
図３は、図２の実験結果に基づくスパッタリング方法のフローチャートである。ステップＳ１０において、真空チャンバ内に基板を搬入する。ステップＳ２０でスパッタガスを導入し、高周波電力を投入してＲＦスパッタリングを行なう。この時ステップＳ３０で示すように高周波電気特性のモニタを行なう。
【００３４】
ステップＳ４０において、スパッタリングを終了した基板を真空チャンバから取り出す。ステップＳ５０で、モニタした高周波電気特性の値が許容範囲外の場合は異常を判別する。許容範囲内のモニタ値を得た時も、基板数の関数としてモニタ値を管理する。多数枚の処理をした時、高周波電気特性の変化の全体的トレンドを取得する。
【００３５】
ステップＳ６０では、処理中のロットに関して異常がないか否かを判別する。異常がなければ、ステップＳ１０に戻り、新たな基板の処理を行なう。異常が生じている時はステップＳ７０に進み、調整を行なう。このようにして、検出しにくい異常も高周波電気特性の全体的な変化のトレンドから検出することができる。
【００３６】
上記実施例においては、ＰＺＴをスパッタリングする場合を説明したが、ターゲットはＰＺＴに限らない。種々の誘電体または導電体のターゲット用いてスパッタリングを行うことができる。特に混晶ターゲットの場合、組成が変化しやすく、スパッタリングの異常が検出し難い。強誘電体が代表例である。スパッタリングにおける電気特性の全体的変化のトレンドをモニタすることにより、このような検出しにくい異常に対処し得るであろう。
【００３７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
【００３８】
（付記１）  真空チャンバ内で、ターゲットをスパッタガスの高周波プラズマでスパッタリングするスパッタリング方法であって、
（ａ）真空チャンバ内に基板を搬入し、保持する工程と、
（ｂ）真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、高周波電力を供給して放電を生じさせ、ターゲットの材料を基板上にスパッタリングする工程と、
（ｃ）スパッタリング中の真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタする工程と、
（ｄ）スパッタガスの供給と高周波電力の供給を止め、基板を真空チャンバ外に取り出す工程と、
（ｅ）前記工程（ａ）〜（ｄ）を繰り返す工程と、
（ｆ）複数の基板でモニタした前記高周波電気特性の全体的態様に基づき、放電が正常か、異常かを判断する工程と、
を含むスパッタリング方法。
【００３９】
（付記２）  前記工程（ｆ）は、複数の基板でモニタした前記高周波電気特性の経時変化のトレンドに基づき、放電が正常か、異常かを判断する付記１記載のスパッタリング方法。
【００４０】
（付記３）  前記高周波電気特性の経時変化のトレンドは、基板数に対して全体としてリニアな変化である付記２記載のスパッタリング方法。
（付記４）  前記高周波電気特性は、電力、電圧、電流、インピーダンス、インピーダンスの抵抗成分、インピーダンスのリアクタンス成分、位相の少なくとも１つの特性である付記１〜３のいずれか１項記載のスパッタリング方法。
【００４１】
（付記５）  前記高周波特性は、前記少なくとも１つの特性の０次から５次の高調波の少なくとも１つについてのものである付記４記載のスパッタリング方法。
（付記６）  前記ターゲットは混晶組成であり、前記スパッタガスはＡｒである付記１〜５のいずれか１項記載のスパッタリング方法。
【００４２】
（付記７）  真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に設けられ、ターゲットを保持できるバッキングプレートと、
前記真空チャンバ内に、前記バッキングプレートと対向するように設けられ、基板を保持できる基板保持部と、
前記真空チャンバ内の前記バッキングプレートに高周波電力を供給できる高周波電源と、
前記真空チャンバ内の高周波電気特性をモニタできる高周波モニタと、
前記モニタした高周波電気特性を、処理した基板数の関数として記憶し、モニタした高周波電気特性に基づき、放電の正常／異常を判断する判別手段と、
を有するスパッタリング装置。
【００４３】
（付記８）  前記判別手段は、基板数の増加に対する全体としてリニアな変化から外れる高周波電気特性を検出できる付記７記載のスパッタリング装置。
（付記９）  前記高周波モニタは、電力、電圧、電流、インピーダンス、インピーダンスの抵抗成分、インピーダンスのリアクタンス成分、位相の少なくとも１つの特性をモニタできる付記７または８記載のスパッタリング装置。
【００４４】
（付記１０）  前記高周波モニタは、前記少なくとも１つの特性の０次から５次の高調波の少なくとも１つをモニタできる付記９記載のスパッタリング装置。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】スパッタリング装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】多数枚の基板でモニタした高周波電気特性の全体的変化を示すグラフである。
【図３】スパッタリング方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１      真空チャンバ
２      排気口
３      ガス導入口
４      バッキングプレート
５      ターゲット
６      基板保持部
７      基板
８      対向電極
９      ＲＦセンサ
１０      マッチングボックス
１１      高周波電源
１２      ＲＦセンサコントロールボックス
１３      コンピュータ
１５，１６    防着板  
【図１】
2005350683.tif 000003
【図２】
2005350683.tif 000004
【図３】
2005350683.tif 000005