(57)【要約】【課題】本発明は、真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、１台の電源で安定放電が可能なスパッタリング方法および装置を提供するものである。【解決手段】真空容器中に、形成したい薄膜の成分の一部または全部からなる複数の導電性ターゲットを配し、前記真空容器中に少なくとも反応性ガスを含むガスを導入し前記複数の導電性ターゲットのうち少なくとも一つのターゲットに電圧を印加することで真空容器中にプラズマを発生させ、絶縁膜の成膜を行う反応性スパッタリング方法において、前記ターゲットのうち少なくとも一つを接地電位とし、残りの少なくとも一つのターゲットに正負交互に反転する電圧を印加することを特徴とする。【選択図】図１
2007154224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、前記真空容器内に配置され複数の導電性ターゲットをそれぞれ載置するターゲットホルダと、前記真空容器内に反応性ガスを含むガスを導入するガス導入手段と、前記真空容器内のガスを排気するガス排気手段と、前記複数のターゲットホルダの少なくとも一つに正負を交互に反転可能な電圧を印加する電源とを有するスパッタリング装置であって、前記複数のターゲットホルダのうち少なくとも一つを接地電位とし、前記真空容器の内壁面は、フローティング電位である内容器で覆われる構造であることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
正負交互に反転する電圧の波形が矩形波であ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】
正負交互に反転する電圧の周波数が１ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
複数の導電性ターゲットを囲む全ての導電性部材がフローティング電位であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
フローティング電位部材と接地電位との間に１ｐＦから１μＦの固定コンデンサを挿入することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
真空容器内にガスを導入しつつ排気し、真空容器内に配置され複数の導電性ターゲットをそれぞれ載置するターゲットホルダの少なくとも一つに正負を交互に反転可能な電圧を印加することで、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するスパッタリング方法であって、前記複数のターゲットホルダのうち少なくとも一つを接地電位とし、前記真空容器の内壁面は、フローティング電位である内容器で覆われる構造であることを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項７】
正負交互に反転する電圧の波形が矩形波であることを特徴とする請求項６記載のスパッタリング方法。
【請求項８】
正負交互に反転する電圧の周波数が１ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項６または７に記載のスパッタリング方法。
【請求項９】
複数の導電性ターゲットを囲む全ての導電性部材がフローティング電位であることを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載のスパッタリング方法。
【請求項１０】
フローティング電位部材と接地電位との間に１ｐＦから１μＦの固定コンデンサを挿入することを特徴とする請求項６〜９の何れか一項に記載の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及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（以下「ＩＣ」と称す）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，エッチングや選択的なイオン注入や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等であり、その目的に合わせて材質やプラズマ処理方法（プラズマＣＶＤ，ドライエッチング，スパッタリング等）が選ばれている。
【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）等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。さらにセンサやアクチュエータ、不揮発性メモリデバイス用にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、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も検討されている。
【０００４】
従来のスパッタリング装置を図面を参照して説明する。
【０００５】
図５はそれを概念的に示す縦断面図である。
【０００６】
従来のスパッタリング装置は、真空引き可能な容器９１でスパッタ室を形成し、スパッタ室の下方には導電性ターゲット９２が下部電極９３に固定保持される。更にターゲット９２の裏面には内側磁石９４とそれを取り囲むように内側磁石９４とは反対の磁化成分を持つ外側磁石９５が配され、両磁石（９４および９５）はヨーク９６で磁気的に結合されている。この磁石（９４および９５）により、導電性ターゲット９２表面には弧状磁力線９７が形成される。下部電極９３は容器９１とは電気的に絶縁されている。そして下部電極９３はターゲット９２の温度が上昇するのを防ぐために水冷機構を内蔵するが図示を略している。
【０００７】
そして、スパッタ室の上方にはウェハホルダ９８が下部電極９３に対向して平行に配置される。そして、このウェハホルダ９８は容器９１と電気的に絶縁されており、浮遊電位である。そして、ウェハホルダ９８上に基板例えば半導体ウェハ９９が載置される。そして、ウェハホルダ９８はウェハ９９を所定の温度に維持するための加熱機構を内蔵するが図示していない。そして、下部電極９３と容器９１（接地）間に電源９１０により、所定のＤＣ電力が与えられる。
【０００８】
このスパッタリング装置で成膜処理を行うにはウェハホルダ９８上に基板（例えばウェハ９９）を載置し、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、次に図示しないガス導入口から反応性ガスを含む所定のガス（例えばＡｒガスとＯ2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（図示せず）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。
【０００９】
そして、ターゲットに負のＤＣ電圧を印加することでグロー放電を起こし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９２裏面に配置され磁石（９４および９５）が発生する弧状磁力線９７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。発生したプラズマ中の＋イオン（例えばＡｒ+、Ｏ2+等）は負のＤＣ電圧によりターゲットに引き込まれターゲットの構成原子をスパッタリングする。飛び出したスパッタリング粒子は空間中の反応性ガスと反応し化合物となって基板に到達し薄膜となる。その際化合物は真空容器壁面や真空容器内の部材に付着するだけでなく、ターゲット表面のうちあまりスパッタリングされない部分に再付着していく。
【００１０】
化合物が絶縁体である場合、ターゲット９２に再付着した絶縁物表面がチャージアップし絶縁破壊を起こす。その際アーク放電が起こるがそれを起点に、グロー放電がアーク放電に移行してしまい、一度移行したアーク放電はグロー放電に戻ることはない。そうなってしまうともはやスパッタリング成膜を行うことが困難になってしまう。これを防ぐために電源９１０はアーク放電を検地すると数μ秒程度ＤＣ電圧をＯＦＦしたのちに再びＤＣ電圧印加するという動作を行うが、絶縁物の付着が多くなると、絶縁破壊が多発しこれでもスパッタリング成膜が困難になってしまう。そこでターゲットに周期的に数十Ｖ正電圧を印加することで、チャージアップした電荷を逃がしてやることが通常行われる。
【００１１】
特許文献１に記載の発明には、２つのターゲットに正電圧と負電圧を印加し、それを周期的に入れ替えることで、２つのターゲットを交互にスパッタすることが記載されている。これにより、必ずどちらか一方のターゲットはアノードになりチャージアップした電荷は除去される。さらにどちらのターゲットもスパッタされるために常に金属面が露出するために放電は安定化される効果がある。
【特許文献１】特開２００１−２００３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
通常、ターゲットに印加される負のＤＣ電圧は流れる電流との積（電圧×電流）すなわち電力が一定になるように制御されるのが一般的である。この電力、電流、電圧は放電インピーダンス（電圧／電流比）が一定であれば一意的に決まり、変動することがない。これはプラズマ状態が一定であり成膜速度等の再現性が確保できることを示している。しかし、絶縁物を成膜する反応性スパッタリングでは真空容器壁（接地電位）等に絶縁物が付着して行き、接地電位の面積が変動する。これはインピーダンスが変化することを示しており、電力を一定に制御しても電流、電圧は変動していくことになり、成膜速度もまた変動してしまう。
【００１３】
更に、厳密には金属部材−付着した絶縁部材−プラズマのキャパシタ構造になり、その面積と膜厚から非常に大きな容量を持つことになる。絶縁物の膜付着が進行するとその膜厚が変化し、必然的に形成される容量も変動する。これもまたインピーダンス変動の要因となり、成膜速度が変化してしまう。
【００１４】
図６は従来のスパッタ装置において外径２００ｍｍのＳｉターゲットを用い、ＡｒガスとＯ2ガスを導入したＤＣ反応性スパッタリングの放電電流の推移を示したものである。放電後１２０分間の放電電流は上がり続けていることがわかる。
【００１５】
以上のことから従来のスパッタリング方法および装置では、絶縁膜が付着していくと放電状態が変化し成膜速度が変化してしまい、高い再現性を確保できないという問題点がある。
【００１６】
また、２つのターゲットに正、負の電圧を印加するためには電源が２台必要となり、装置が高価になってしまうとうい問題点がある。
【００１７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、１台の電源で安定放電が可能なスパッタリング方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願第１の発明のスパッタリング装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置され複数の導電性ターゲットをそれぞれ載置するターゲットホルダと、前記真空容器内に反応性ガスを含むガスを導入するガス導入手段と、前記真空容器内のガスを排気するガス排気手段と、前記複数のターゲットホルダの少なくとも一つに正負を交互に反転可能な電圧を印加する電源とを有するスパッタリング装置であって、前記複数のターゲットホルダのうち少なくとも一つを接地電位とし、前記真空容器の内壁面は、フローティング電位である内容器で覆われる構造であることを特徴とする。
【００１９】
このとき、好適には前記正負交互に反転する電圧の波形が矩形波であることが望ましい。
【００２０】
またさらに好適には、前記正負交互に反転する電圧の周波数が１ＭＨｚ以下であることが望ましい。
【００２１】
またさらに好適には、前記真空容器中の前記複数の導電性ターゲットを囲むすべての導電性部材がフローティング電位であることが望ましい。
【００２２】
またさらに好適には、フローティング電位部材と接地電位との間に１ｐＦから１μＦの固定コンデンサを挿入することが望ましい。
【００２３】
また、本願第２の発明のスパッタリング方法は、真空容器内にガスを導入しつつ排気し、真空容器内に配置され複数の導電性ターゲットをそれぞれ載置するターゲットホルダの少なくとも一つに正負を交互に反転可能な電圧を印加することで、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するスパッタリング方法であって、前記複数のターゲットホルダのうち少なくとも一つを接地電位とし、前記真空容器の内壁面は、フローティング電位である内容器で覆われる構造であることを特徴とする。
【００２４】
このとき、好適には前記正負交互に反転する電圧の波形が矩形波であることが望ましい。
【００２５】
またさらに好適には、前記正負交互に反転する電圧の周波数が１ＭＨｚ以下であることが望ましい。
【００２６】
またさらに好適には、前記真空容器中の前記複数の導電性ターゲットを囲むすべての導電性部材がフローティング電位であることが望ましい。
【００２７】
またさらに好適には、フローティング電位部材と接地電位との間に１ｐＦから１μＦの固定コンデンサを挿入することが望ましい。
【発明の効果】
【００２８】
真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、１台の電源で安定放電が可能なスパッタリング装置及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】
【００２９】
（実施の形態１）
図１に本発明の第１の実施の形態を示す。
【００３０】
これは真空容器９１に基板９９（今回はＳｉ基板を用いた）を投入しスパッタリングにより誘電体であるＳｉＯ2薄膜を形成するＤＣ反応性マグネトロンスパッタリング装置の例である。真空容器９１の下部に外径１００ｍｍのターゲット１１ｂおよび下部電極１２ｂを配し、さらにその外周に外周２００ｍｍ、内周１１０ｍｍのドーナツ状ターゲット１１ａおよびドーナツ状下部電極１２ａを配した。
【００３１】
ターゲット１１ｂおよびドーナツ状ターゲット１１ａとしては、所望の絶縁膜を構成する元素でできたもの、若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、今回はＳｉを用いた。Ｓｉは単結晶であり、導電性を得るためにＢをドープしておりその抵抗率は０．０１Ω・ｃｍのものを用いた。ターゲット１１ｂおよび下部電極１２ｂの裏面には１対の磁石１６ａおよび１６ｂ（１６ａおよび１６ｂは互いに逆の磁化特性を持っている）が配置されヨーク１４ｂを介して磁気的に結合されているこれによりターゲット１１ｂ表面には弧状磁力線９７が形成されている。
【００３２】
また、ドーナツ状ターゲット１１ａおよびドーナツ状下部電極１２ａの裏面にもリング状磁石１５ａ、１５ｂ、１５ｃが配置されており、１５ａと１５ｃは同じ磁化方向を持っており、１５ｂは１５ａ、１５ｃとは逆の磁化を持っている。これらの磁石１５ａ、１５ｂ、１５ｃはドーナツ状ヨーク１４ａを介して磁気的に結合されている。これによりドーナツ状ターゲット１１ａ上には弧状磁力線９７が形成されている。真空容器９１内空間はフローティング電位である内側容器１３で覆われており２重構造となっている。
【００３３】
内側容器１３はステンレスで形成されており表面はブラスト処理されており絶縁膜付着はない状態にした。真空容器９１の上部に基板９９を配置可能な基板保持機構９８を設け、ターゲット９２−基板９９間の距離を６０ｍｍとした。この基板保持機構９８もステンレス製であり、真空容器９１とは絶縁され、フローティング電位となっている。
【００３４】
ターゲット１１ａおよび１１ｂは既に約２時間スパッタしており、エロージョン部分はＳｉ面が露出しており、非エロージョン部はＳｉＯ2が再付着している状態のものを用いた。この真空容器９１内をターボ分子ポンプ（図示せず）、ロータリーポンプ（図示せず）により８×１０-4Ｐａの圧力まで真空排気を行った。次に真空容器９１中にＡｒガスとＯ2ガス（Ａｒ／Ｏ2流量＝１００ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍ）を導入し、コンダクタンスバルブ（図示せず）を用いて真空容器９１内圧力を０．３Ｐａ（グロー放電が維持できる圧力であれば良い）とした。ドーナツ状下部電極１２ａを接地電位とし、下部電極１２ｂに±３００Ｖ、周波数４０ｋＨｚ、デューティー比１：１の矩形波電圧を電源９１０により印加した。そのときの放電電流の時間変化を図２に示す。放電初期は変化するものの、放電開始１０分後から１１０分間の放電電流の変化はほとんどなく安定した放電が実現できた。さらにこの間のアーク放電も抑制された。
【００３５】
以上の結果から真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、１台の電源で安定放電が可能となった。
【００３６】
（実施の形態２）
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。
【００３７】
これは第１の実施の形態と同様、真空容器９１に基板９９（今回はＳｉ基板を用いた）を投入しスパッタリングにより誘電体であるＳｉＯ2薄膜を形成するＤＣ反応性マグネトロンスパッタリング装置の例である。第１の実施の形態との相違点はフローティング電位である内側容器１３と接地電位である真空容器９１の間に３０ｐＦの固定コンデンサ３１を挿入した点である。このコンデンサ３１の容量は１ｐＦ〜１μＦの間であれば良い。今回は固定コンデンサ３１を挿入したが、真空容器９１と内側容器１３の間をテフロン（登録商標）等の絶縁部材で充填することで実現しても同様の効果が得られる。
【００３８】
内側容器１３は第１の実施の形態と同様にステンレスで形成されており表面はブラスト処理されており絶縁膜付着はない状態にした。ターゲット１１ａおよび１１ｂも既に約２時間スパッタしており、エロージョン部分はＳｉ面が露出しており、非エロージョン部はＳｉＯ2が再付着している状態のものを用いた。この真空容器９１内をターボ分子ポンプ（図示せず）、ロータリーポンプ（図示せず）により８×１０-4Ｐａの圧力まで真空排気を行った。次に真空容器９１中にＡｒガスとＯ2ガス（Ａｒ／Ｏ2流量＝１００ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍ）を導入し、コンダクタンスバルブ（図示せず）を用いて真空容器９１内圧力を０．３Ｐａ（グロー放電が維持できる圧力であれば良い）とした。
【００３９】
ドーナツ状下部電極１２ａを接地電位とし、下部電極１２ｂに±３００Ｖ、周波数４０ｋＨｚ、デューティー比１：１の矩形波電圧を電源９１０により印加した。そのときの放電電流の時間変化を図４に示す。放電初期は変化するものの、放電開始１０分後から１１０分間の放電電流の変化はほとんどなく、第１の実施の形態よりもさらに安定した放電が実現できた。さらにこの間のアーク放電も抑制された。
【００４０】
以上の結果から真空容器壁面に絶縁膜が付着しても成膜速度が変化せず、１台の電源で安定放電が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明にかかるスパッタリング方法および装置は、ＬＳＩ等半導体デバイスにおける絶縁膜や光学デバイスにおける誘電体膜等を形成するための方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態で用いたマグネトロンスパッタ装置の構成を示した断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態での放電電流の推移を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態で用いたマグネトロンスパッタ装置の構成を示した断面図
【図４】本発明の第１の実施の形態での放電電流の推移を示す図
【図５】従来例で用いたマグネトロンスパッタ装置の構成を示した断面図
【図６】従来例での放電電流の推移を示す図
【符号の説明】
【００４３】
９１    真空容器
１１ｂ，９２  ターゲット
１１ａ  ドーナツ状ターゲット
１２ｂ，９３  下部電極
１２ａ  ドーナツ状下部電極
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１６ａ，１６ｂ，９４，９５  磁石
１４ａ，１４ｂ，９６  ヨーク
３１    固定コンデンサ
９７    弧状磁力線
９８    基板保持機構
９９    基板
９１０  電源
【図１】
2007154224.tif 000003
【図２】
2007154224.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007154224.tif 000006
【図５】
2007154224.tif 000007
【図６】
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