(57)【要約】【課題】良好な配向性の強誘電体膜を長期にわたり形成することができる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】プラズマの発生の前後から、冷却・調温ユニットにより温度制御を行いながら、配管２ａ〜２ｆを介して冷却部１内の流水路６ａ〜６ｆに冷却水を流す。このとき、冷却を行わなかった場合にターゲットの厚さの減少が大きくなる箇所ほど、そこを流れる冷却水の温度を下げることとする。例えば、ターゲットの外周部及び中心部に位置する流水路６ａ及び６ｆを流れる冷却水の温度を低めにし、流水路６ａよりも内側に位置する流水路６ｂを流れる冷却水の温度を高めにする。ターゲットの温度を中心からの距離に応じて制御することができるため、エロージョンの程度も中心からの距離に応じて調節することができる。このため、強誘電体膜を形成する場合であっても、良好な配向性のものを長期にわたり安定して形成することができる。【選択図】図２
2007254827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内に電場を形成する電場形成手段と、
前記チャンバ内に配置されるターゲットの周囲に磁場を形成する磁場形成手段と、
互いに独立した冷媒用の流路を２以上備え、前記ターゲットを冷却する冷却手段と、
前記２以上の流路を流れる冷媒の温度を個別に制御する温度制御手段と、
を有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２以上の流路は、互いに同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記２以上の流路に含まれる複数の流路が第１の円上に配置され、
前記２以上の流路に含まれる他の複数の流路が第２の円上に配置され、
前記第１の円の中心と前記第２の円の中心とが一致することを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記温度制御手段は、前記ターゲットの冷却を行わない場合にエロージョンの進行が著しい箇所に近く位置する流路を流れる冷媒ほど、その温度を低く制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
チャンバ内に電場を形成する電場形成工程と、
前記チャンバ内に配置されたターゲットの周囲に磁場を形成する磁場形成工程と、
互いに独立した冷媒用の流路を２以上備えた冷却手段に冷媒を流すことにより、前記ターゲットを冷却する冷却工程と、
前記２以上の流路を流れる冷媒の温度を個別に制御する温度制御工程と、
を有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、強誘電体膜の形成に好適なスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メモリ等に用いられる強誘電体キャパシタには、強誘電体膜が含まれている。強誘電体膜は、種々の方法により形成することができる。その一つとして、マグネトロン式スパッタリング装置を用いたスパッタリング方法が挙げられる。マグネトロン式スパッタリング装置内には、成膜原料であるターゲットの上方に、ターゲットの近傍に磁場を形成するマグネトロンユニットが設けられている。マグネトロンユニットには、複数の磁石を備えたマグネットアセンブリ、及びこのマグネットアセンブリを回転させる駆動モータ等が設けられている。
【０００３】
マグネトロン式スパッタリング装置を用いた薄膜の形成では、チャンバ内にＡｒガスを供給すると共に、ターゲットとステージとの間に直流電圧を印加することにより、チャンバ内にプラズマを発生させる。この結果、プラズマ中のＡｒイオンがターゲットに衝突し、ターゲットから粒子が飛び出し、この粒子が半導体ウェハ上に堆積する。このようにして、薄膜が形成される。
【０００４】
なお、従来のマグネトロン式スパッタリング装置においては、スパッタリングの進行に伴って、ターゲットの温度が上昇する。ターゲットの温度が上昇すると、エロージョンが進行する。そこで、ターゲットの温度を冷却する技術が提案されている（特許文献１〜３）。
【０００５】
特許文献１には、Ａｒガス等の不活性ガスを用いてターゲットを冷却する技術が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、エロージョンの発生箇所に合わせてターゲットに放射状の溝を形成して、そこの冷却効率を向上させる技術が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、ターゲットの裏面のエロージョンを抑制することを目的として、ターゲット上に設けたフレーム内に冷却水を１箇所から導入し、１箇所から排出する技術が開示されている。
【０００８】
しかしながら、これらの技術によっても、特に高い配向性が要求される強誘電体膜の形成時におけるターゲットのエロージョンを十分に抑制することはできない。強誘電体キャパシタを構成する強誘電体膜には、高い配向性が要求される。そして、配向性はターゲットのエロージョンの影響を受けやすい。しかし、従来の技術では、良好な配向性を長く確保できる程度までエロージョンを抑制することができない。このため、ターゲットを長期にわたり使用すると、途中から配向性が極端に低下してしまう。
【特許文献１】特開平６−２５８４４号公報
【特許文献２】特開平９−１４３７０８号公報
【特許文献３】特開２００３−７３８２７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、良好な配向性の強誘電体膜を長期にわたり形成することができる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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者がエロージョンの分布について実験を行ったところ、図５に示すような結果が得られた。図５は、直径が３００ｍｍの半導体ウェハにおけるエロージョンを示すグラフである。図５中の横軸は、半導体ウェハの中心を通る任意の直線上の位置を示し、縦軸は、６００時間のスパッタリングを行った後のＰＺＴターゲットの厚さを示している。この試験の結果、本願発明者は、エロージョンによってＰＺＴターゲットの厚さがＰＺＴターゲットの中心からの距離に応じて大きく変化することを見出した。
【００１１】
図６は、ターゲットの使用時間とデータ保持性能との関係を示すグラフである。図６の縦軸に示すデータ保持性能は、ＰＴレシオにより評価した。ＰＴレシオは、書き込み後に正しく読み出すことができる強誘電体キャパシタの歩留りに対する、書き込み後に熱処理を行い、更にデータを反転した場合に正しく読み出すことができる強誘電体キャパシタの歩留りの割合を示している。ＰＴレシオとは、０又は１のデータを書き込んだ後、熱処理を行い、その後、０又は１をそのまま読み出すことができるか確認し、更に、１又は０の反転データを書き込んだ後、熱処理を行い、その後、１又は０をそのまま読み出すことができるか確認したものである。例えば、最初正常動作したチップの数が１０個であった場合に、最終的に正常動作したチップが８個になれば、ＰＴレシオは８／１０＝８０（％）となる。ＰＴレシオは高ければ良く、不良ChipになりやすいChipがあると、PTレシオは劣化する。図６に示すように、従来のマグネトロン式スパッタリング装置を用いて強誘電体キャパシタを形成した場合には、ターゲットの使用時間が４００ｋ時間を超えると、急激にＰＴレシオが低下している。これは、強誘電体膜の配向性が低下していることを示している。
【００１２】
本願発明者は、これらの知見に基づいて、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００１３】
本発明に係るスパッタリング装置には、チャンバと、前記チャンバ内に電場を形成する電場形成手段と、前記チャンバ内に配置されるターゲットの周囲に磁場を形成する磁場形成手段と、が設けられている。このスパッタリング装置には、更に、互いに独立した冷媒用の流路を２以上備え、前記ターゲットを冷却する冷却手段と、前記２以上の流路を流れる冷媒の温度を個別に制御する温度制御手段と、が設けられている。
【００１４】
本発明に係るスパッタリング方法では、チャンバ内に電場を形成し、前記チャンバ内に配置されたターゲットの周囲に磁場を形成する。そして、互いに独立した冷媒用の流路を２以上備えた冷却手段に冷媒を流すことにより、前記ターゲットを冷却し、前記２以上の流路を流れる冷媒の温度を個別に制御する。なお、これらの工程の順序は特に限定されない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ターゲットのエロージョンを適切に制御することができる。このため、ＰＺＴターゲット等の強誘電体ターゲットを用いた場合には、長期にわたって良好な配向性の強誘電体膜を安定して形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るマグネトロン式スパッタリング装置の内部構造を示す図である。
【００１８】
第１の実施形態に係るマグネトロン式スパッタリング装置では、図１に示すように、チャンバ１１内に、半導体ウェハ１６を固定する静電チャック１７が設けられ、その周囲にアースブロック１８が配置されている。静電チャック１７の下方には、直流電源２０の負極に接続される電極１９が設けられている。また、半導体ウェハ１６と対向するようにして、直流電源２０の正極に接続される電極１３が配置されている。電極１３の下方にターゲット１４が固定される。更に、半導体ウェハ１６とターゲット１４との間の空間とチャンバ１１の内壁とを隔離する防着板１５が設けられている。
【００１９】
本実施形態では、電極１３上にターゲット１４を冷却する冷却部１が設けられ、その上にマグネット１２が設けられている。冷却部１には、配管束２を介して冷却・調温ユニット３が繋がれている。配管束２は、冷却部１の上方に延びるようにして設けられている。図２は、第１の実施形態における冷却部１の構成を示す図である。配管束２は、例えば６本の配管（チューブ）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆから構成されている。配管２ａ〜２ｆは互いに独立しており、冷却・調温ユニット３は、配管２ａ〜２ｆ内を流れる冷却水の温度を個別に調整する。また、冷却部１内には、夫々が配管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆに繋がれた流水路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ及び６ｆが形成されている。流水路６ａ〜６ｆは、冷却部１内で同心円状に配置されている。そして、冷却水導入部４において、流水路６ａ〜６ｆに繋がる配管２ａ〜２ｆは冷却・調温ユニット３の排出側に繋がれ、冷却水排出部５において、流水路６ａ〜６ｆに繋がる配管２ａ〜２ｆは冷却・調温ユニット３の導入側に繋がれている。
【００２０】
次に、上述のように構成されたマグネトロン式スパッタリング装置の動作（スパッタリング方法）について説明する。ここでは、ターゲットして、Ｐｂ原子、Ｚｒ原子、Ｔｉ原子、Ｃａ原子、Ｓｒ原子及びＯ原子を含有するものを用いて、半導体ウェハ１６上に強誘電体膜を形成することとする。
【００２１】
先ず、チャンバ１１内に半導体ウェハ１６を搬入し、静電チャック１７により固定する。次に、真空ポンプを用いてチャンバ１１内の気圧を所定の真空度まで減圧すると共に、ガス供給口からＡｒガス等のプロセスガスをチャンバ１１内に導入する。次いで、マグネット１２を回転させながら、直流電源２０から電極１３及び１９間に所定の電圧を印加する。これにより、防着板１５により囲まれた空間内にグロー放電が発生し、プラズマ２３中のＡｒイオン２１がターゲット１４に衝突する。この結果、ターゲット１４から粒子２２が弾き出され、半導体ウェハ１６上に堆積する。粒子２２は、ターゲット１４を構成する原子である。そして、粒子２２の堆積が繰り返され、強誘電体膜が形成される。
【００２２】
また、プラズマ２３の発生の前後から、冷却・調温ユニット３により温度制御を行いながら、配管２ａ〜２ｆを介して冷却部１内の流水路６ａ〜６ｆに冷却水を流す。このとき、冷却を行わなかった場合にターゲット１４の厚さの減少が大きくなる箇所ほど、そこを流れる冷却水の温度を下げることとする。例えば、図５に示すような分布が得られる場合には、ターゲット１４の外周部及び中心部に位置する流水路６ａ及び６ｆを流れる冷却水の温度を低めにし、流水路６ａよりも内側に位置する流水路６ｂを流れる冷却水の温度を高めにする。例えば、配管２ａには、その周囲でＰＺＴターゲットが多く消費されるので１０℃の冷却水を流し、配管２ｂには、その周囲でＰＴＴターゲットがあまり消費されないので２０℃の冷却水を流す。また、配管２ｃには、その周囲でＰＺＴターゲットが平均値近くで消費されるので１８℃の冷却水を流し、配管２ｄには、その周囲でＰＺＴターゲットが多く消費されるので１４℃の冷却水を流す。また、配管２ｅには、その周囲でＰＺＴターゲットが平均値近くで消費されるので１６℃の冷却水を流し、配管２ｆには、その周囲でＰＺＴターゲットが多く消費されるので１０℃の冷却水を流す。
【００２３】
第１の実施形態によれば、ターゲット１４の中心からの距離に応じてターゲット１４の冷却の程度を調節することができる。従って、ターゲット１４の温度を中心からの距離に応じて制御することができるため、エロージョンの程度も中心からの距離に応じて調節することができる。このため、強誘電体膜を形成する場合であっても、良好な配向性のものを長期にわたり安定して形成することができる。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るマグネトロン式スパッタリング装置の内部構造を示す図である。
【００２５】
第１の実施形態では、配管束２が冷却部１の上方に延びるようにして設けられているが、第２の実施形態では、配管束２が冷却部１の側方に延びるようにして設けられている。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００２６】
このような第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は、本発明の第３の実施形態における冷却部１の構成を示す図である。
【００２８】
第１の実施形態では、６個の流水路６ａ〜６ｆが冷却部１内に同心円状に配置されているが、第３の実施形態では、多数の環状の流水路６ｇが冷却部１内に配置されている。更に、複数の流水路６ｇが円を構成するようにして配置されており、このような円が、互いに直径を異ならせて６個形成されている。そして、これらの６個の円が同心円状に配置されている。また、図示しないが、配管束２は、流水路６ｇと同数の配管から構成されており、各配管を流れる冷却水の温度が冷却・調温ユニット３により個別に制御される。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００２９】
このような第３の実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、より綿密な温度制御が可能となる。多くの場合、エロージョンはターゲットの中心からの距離が同一であれば同程度となると考えられるが、同一円内でエロージョンの程度が相違することも考えられる。第３の実施形態によれば、同一円上に位置する流水路６ｇに対して、個別に温度制御を行うことが可能であるため、このような場合であっても、ターゲットの全体にわたってエロージョンの程度を均一化することができる。
【００３０】
なお、上述の実施形態では、冷媒として冷却水を用いているが、気体等の他の冷媒を用いてもよい。また、ターゲットとして、強誘電体からなるものの他に、Ａｌターゲット等を用いてもよい。
【００３１】
また、冷却・調温ユニット３は、経過時間に応じて、冷却水の温度を変化させることが好ましい。例えば、ターゲット１４として、Ｐｂ原子、Ｚｒ原子、Ｔｉ原子及びＯ原子を含有するものが用いられる場合、経過時間に応じて、冷却水の温度（℃）を初期設定値に対して１０％の範囲内で変化させることが好ましい。
【００３２】
なお、上述のように、特許文献２にエロージョンの発生箇所に合わせてターゲットに溝を形成する技術が開示されているが、溝が放射状に形成され、また、流水路が単一であるため、エロージョンを適切に制御することはできない。更に、ターゲットを交換する度にターゲットに溝を形成する必要があり、この作業が煩雑である。
【００３３】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００３４】
（付記１）
チャンバと、
前記チャンバ内に電場を形成する電場形成手段と、
前記チャンバ内に配置されるターゲットの周囲に磁場を形成する磁場形成手段と、
互いに独立した冷媒用の流路を２以上備え、前記ターゲットを冷却する冷却手段と、
前記２以上の流路を流れる冷媒の温度を個別に制御する温度制御手段と、
を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【００３５】
（付記２）
前記２以上の流路は、互いに同心円状に配置されていることを特徴とする付記１に記載のスパッタリング装置。
【００３６】
（付記３）
前記２以上の流路に含まれる複数の流路が第１の円上に配置され、
前記２以上の流路に含まれる他の複数の流路が第２の円上に配置され、
前記第１の円の中心と前記第２の円の中心とが一致することを特徴とする付記１に記載のスパッタリング装置。
【００３７】
（付記４）
前記温度制御手段は、前記ターゲットの冷却を行わない場合にエロージョンの進行が著しい箇所に近く位置する流路を流れる冷媒ほど、その温度を低く制御することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【００３８】
（付記５）
前記冷媒として冷却液を用いることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【００３９】
（付記６）
前記温度制御手段は、前記冷媒の温度を、前記ターゲットの中心からの距離に応じて制御しつつ、隣り合う流路間の温度勾配に正の勾配及び負の勾配を混在させることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【００４０】
（付記７）
前記冷却手段は、前記ターゲットと前記磁場形成手段との間に配置されていることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【００４１】
（付記８）
前記ターゲットとして、Ｐｂ原子、Ｚｒ原子、Ｔｉ原子及びＯ原子を含有するものが用いられる場合、
前記温度制御手段は、経過時間に応じて、前記冷媒の温度（℃）を初期設定値に対して１０％の範囲内で変化させることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【００４２】
（付記９）
チャンバ内に電場を形成する電場形成工程と、
前記チャンバ内に配置されたターゲットの周囲に磁場を形成する磁場形成工程と、
互いに独立した冷媒用の流路を２以上備えた冷却手段に冷媒を流すことにより、前記ターゲットを冷却する冷却工程と、
前記２以上の流路を流れる冷媒の温度を個別に制御する温度制御工程と、
を有することを特徴とするスパッタリング方法。
【００４３】
（付記１０）
前記２以上の流路は、互いに同心円状に配置されていることを特徴とする付記９に記載のスパッタリング方法。
【００４４】
（付記１１）
前記２以上の流路に含まれる複数の流路が第１の円上に配置され、
前記２以上の流路に含まれる他の複数の流路が第２の円上に配置され、
前記第１の円の中心と前記第２の円の中心とが一致することを特徴とする付記９に記載のスパッタリング方法。
【００４５】
（付記１２）
前記温度制御工程において、前記ターゲットの冷却を行わない場合にエロージョンの進行が著しい箇所に近く位置する流路を流れる冷媒ほど、その温度を低く制御することを特徴とする付記９乃至１１のいずれか１項に記載のスパッタリング方法。
【００４６】
（付記１３）
前記ターゲットとして、Ｐｂ原子、Ｚｒ原子、Ｔｉ原子及びＯ原子を含有するものを用い、
前記温度制御工程において、経過時間に応じて、前記冷媒の温度（℃）を初期設定値に対して１０％の範囲内で変化させることを特徴とする付記９乃至１２のいずれか１項に記載のスパッタリング方法。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマグネトロン式スパッタリング装置の内部構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における冷却部１の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るマグネトロン式スパッタリング装置の内部構造を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における冷却部１の構成を示す図である。
【図５】直径が３００ｍｍの半導体ウェハにおけるエロージョンを示すグラフである。
【図６】ターゲットの使用時間とデータ保持性能との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１：冷却部
２：配管束
２ａ〜２ｆ：配管
３：冷却・調温ユニット
４：冷却水導入部
５：冷却水排出部
６ａ〜６ｇ：流水路
【図１】
2007254827.tif 000003
【図２】
2007254827.tif 000004
【図３】
2007254827.tif 000005
【図４】
2007254827.tif 000006
【図５】
2007254827.tif 000007
【図６】
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