(57)【要約】【課題】組成の均一な成膜ができるスパッタリング装置を提供することを目的とするものであり、さらに経時的にプラズマの状態が変化することを防ぐことで、生産性が低下しないスパッタリング装置を提供するものである。【解決手段】スパッタリング装置において、防着板７ａ、７ｂを複数の金属材にて二重に且つ互いに非接触状態に設置するとともに、外側の防着板７ｂに、残留ガス検出手段１５から得られる残留ガス量を解析して直流負電位を印加するように構成する。【選択図】図１
2007042919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、この真空容器に設置された残留ガス検出手段と、前記真空容器の内部に載置されるウェハホルダと、前記ウェハホルダに対向して配設された電極と、前記電極に接続されたインピーダンス整合器と、前記インピーダンス整合器に接続された高周波電源と、前記電極を囲むように配置された防着板からなるスパッタリング装置において、前記防着板を複数の金属材にて二重に且つ互いに非接触状態に設置するとともに、外側の防着板に、前記残留ガス検出手段から得られる残留ガス量を解析して直流負電位を印加することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
外側の防着板に印加する直流負電位を印加する時間を、前記残留ガス検出手段から得られる残留ガス量を解析して決定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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にその真空容器の壁面に絶縁物などが付着することを防ぐ防着板を具備したスパッタリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（ＩＣ）の製造工程では誘電体の成膜が種々行われている。その使用目的は、例えば層間絶縁膜、マスク形成、パッシベーションあるいはキャパシタの誘電体膜などのための成膜が多く、目的ごとに材質あるいはプラズマ処理方法などを選択して、種々のスパッタリング法が用いられている。
【０００３】
近年、この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）、あるいはチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）などの高誘電率を有する誘電体物質のプラズマ処理を行うスパッタリング法が検討されつつある。
【０００４】
さらに、センサあるいはアクチュエータ、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によるスパッタリング法も検討されている。
【０００５】
前述した高誘電率を有する誘電体物質や強誘電体物質において、その性能および品質の安定性を実現するためには、誘電体物質あるいは強誘電体物質の材料組成を均一に成膜させることが必要である。
【０００６】
従って、プラズマ処理によるスパッタリング法においては成膜処理中におけるプラズマ条件の安定化が必要とされている。一方では、成膜レートを高くして生産性を向上することも強く要求されている。
【０００７】
以下、従来のスパッタリング装置の構成について図面を用いて説明する。
【０００８】
図２は従来のスパッタリング装置の概略の構成を示す概念図であり、このスパッタリング装置は吸引手段を用いて真空引き可能な真空容器１０１によりスパッタ室を形成している。
【０００９】
そして、このスパッタ室の下方にはターゲット１０２が電極１０３の上に固定保持される。この電極１０３は真空容器１０１とは電気的に絶縁されるとともに、ターゲット１０２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。
【００１０】
そして、真空容器１０１の上方にはウェハホルダ１０４が電極１０３に対向して平行に配置されており、このウェハホルダ１０４は真空容器１０１と電気的に絶縁されて浮遊電位になっている。ウェハホルダ１０４に基板、例えば半導体ウェハ（以下、ウェハと記す）１０５が載置される。そして、ウェハホルダ１０４は、ウェハ１０５をあらかじめ設定されている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。
【００１１】
そして、電極１０３と接地されている真空容器１０１との間に高周波電源１０６により、スパッタリング条件にて決められている所定の高周波電力を印加することによってプラズマを生成する。この高周波電力はインピーダンス整合器１２０によってマッチングをとって最大の電力が供給できるように調整される。また、この高周波電力は、所定の負のＤＣバイアスのもとに与えられる。
【００１２】
次に、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１０４の上にウェハ１０５を載置し、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、さらにガス導入口から所定のガス（例えばＡｒガス）を所定の流量で導入しつつ排気口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を調節して所定の圧力に調節する。そして、高周波電力を印加してプラズマを発生させてターゲットをスパッタする。
【００１３】
このようにして、ターゲット１０２から飛散する成分はウェハ１０５の上に堆積することにより成膜される。そして、ターゲット１０２から飛散する成分はウェハ１０５に向かうものばかりではなく、他の方向に向かうものもある。そのウェハ１０５以外に向かうものが真空容器１０１の内壁、あるいは真空容器１０１の内部の構造物に付着すると、その清掃が難しくなるため、電極１０３とウェハホルダ１０４を取り囲むように防着板１０７ａ、その外側に防着板１０７ｂが配置されている。
【００１４】
これらの防着板１０７ａ、１０７ｂは金属からなり、真空容器１０１に電気的に接続されて接地電位となっており、着脱容易な構造にして表面に付着した付着物が厚くなると、取り外して清掃することができるようにしている。さらに、これらの防着板１０７ａ、１０７ｂはウェハ１０５の出し入れのために部分的に退避可能になっている。
【００１５】
そして、成膜が進行すると、防着板１０７ａとウェハ１０５に付着物が付着して接地面が見えなくなり、プラズマはウェハホルダ１０４と防着板１０７ａ、１０７ｂの隙間から外に広がろうとする。しかし、防着板１０７ｂの内面には付着物が付着しにくいために接地電位面であり、その間に向けて放電が起こるため、二重構造の防着板１０７ａ、１０７ｂの外にプラズマが広がることはない（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３１４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、このような従来の防着板１０７ａ、１０７ｂを備えたスパッタリング装置において、誘電体あるいは圧電体材料などをターゲットとして用い、プラズマ処理中で成膜していくと、絶縁体でもある誘電体あるいは圧電体材料が、防着板１０７ａ、１０７ｂにおいても付着し、本来導電体であるべき防着板１０７ａ、１０７ｂの表面が絶縁化することによって、特に接地電極としての役割を果たしている防着板１０７ｂの接地電位面積が減少する。
【００１７】
この接地電位面積が電極１０３の面積に対して十分に大きい場合は、電極１０３に印加する高周波電力のＤＣバイアスは負の大きい値となり、プラズマの平均電位も接地電位とほぼ等しい値をとる。しかしながら、前記のように絶縁体の付着によってプラズマの接地面積が減少していくと、ＤＣバイアス電位が上昇し、プラズマの平均電位が接地電位よりも大きい値に上昇してしまうことになり、経時的にプラズマの状態が変化する。その結果、成膜した膜の組成が不均一になるという不具合を生じる。
【００１８】
本発明は、前記課題を解決しようとするものであり、均一な組成を有する所望の成膜ができるスパッタリング装置を提供することを目的とするものである。
【００１９】
さらに、経時的にプラズマの状態が変化することを防ぐことで、生産性が低下しないスパッタリング装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００２１】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、防着板を複数の金属材にて二重に且つ互いに非接触状態に設置するとともに、外側の防着板に、前記残留ガス検出手段から得られる残留ガス量を解析して決定する直流負電位を印加するように構成したものであり、これにより、防着板の接地面積を確保することができ、異物が混入しない所望の組成の成膜ができるという作用効果を有する。
【００２２】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、直流負電位を印加する時間を、前記残留ガス検出手段から得られる残留ガス量を解析して決定するように構成したものであり、これにより、成膜が防着板の接地面積を確保することができ、異物が混入しない所望の組成の成膜ができるという作用効果を有する。さらに、経時的にプラズマの状態が変化することを防ぐことができ、成膜レートが一定になるため生産性が低下しないという作用効果を有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のスパッタリング装置は、真空容器と、この真空容器に設置された残留ガス検出手段と、前記真空容器の内部に載置されるウェハホルダと、前記ウェハホルダに対向して配設された電極と、前記電極に接続されたインピーダンス整合器と、前記インピーダンス整合器に接続された高周波電源と、前記電極を囲むように配置された防着板からなるスパッタリング装置において、前記防着板を複数の金属材にて二重に且つ互いに非接触状態に設置するとともに、外側の防着板に、前記残留ガス検出手段から得られる残留ガス量を解析して決定する直流負電位を印加するよう構成したものであり、防着板の接地面積を確保することができ、異物が混入しない所望の組成の成膜ができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の構成を説明するための概念図である。
【００２６】
図１において、外側に配置した防着板７ｂには、この防着板７ｂの電位を接地電位と直流負電位の間で切り替えるスイッチ１１が接続されている。
【００２７】
そして、真空を形成・維持することが可能な真空容器１の下部には、ターゲット２を載置した電極３が設置され、真空容器１の上部にはウェハホルダ４が電極３に対向して平行に配置されており、このウェハホルダ４は真空容器１に対して電気的に絶縁されて浮遊電位になっている。
【００２８】
また、ウェハホルダ４の上にはシリコン基板などのウェハ５が載置されている。さらに、ターゲット２を囲むように、二重の金属製の筒状体からなる防着板７ａ、７ｂが設けられており、この内側に設置された防着板７ａは浮遊電位としている。
【００２９】
そして、外側に設置された防着板７ｂには、この防着板７ｂの電位を接地電位と直流電源１２による直流負電位との間で切り替えるスイッチ１１が配設かつ接続されている。通常、成膜中にはスイッチ１１を接地電位に接続しておき、スイッチ１１を切り替えると、防着板７ｂの電位が直流負電位になるように構成している。
【００３０】
また、真空容器１には真空容器１の内部の残留ガスを検出測定するガスセンサなどの残留ガス検出手段１５が載置されており、必要時に真空容器１の内部の残留ガス量を測定し、その結果を出力することができる。そして、前記残留ガス検出手段１５から出力される残留ガスの測定値をモニター出力とし、その測定値を分析あるいは解析して、スイッチ１１の切替および直流電源１２の設定電圧を変更するための制御回路１０を設けている。
【００３１】
以上のように構成されたスパッタ装置において、圧電体薄膜、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（ＴｉxＺｒ）Ｏ3）をＳｉウェハの上に成膜する例について説明する。
【００３２】
所定のＰＺＴ薄膜を圧電デバイスとして機能させるためには、ＰＺＴ薄膜に電界を与えるためにＰＺＴ薄膜の上下層に電極を形成しておくことが必要であり、その下部電極として、金属膜（例えばＴｉ膜が１０ｎｍ、さらにＰｔ膜が４００ｎｍ）がウェハ５の一面にあらかじめ構成されている。
【００３３】
このウェハ５をウェハホルダ４の上に載置し、真空ポンプにより真空容器１の内部を所定の真空状態にした後、ガス導入口から所定のガス（例えば不活性ガスとしてＡｒガス、及び反応性ガスとしてＯ2ガス）を所定流量（例えばＡｒガス流量；０．２ｓｃｃｍ、Ｏ2ガス流量；２０ｓｃｃｍ）導入しつつ、排気口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を調節して、真空容器１の内部を所定の圧力（例えば０．２Ｐａ）に調節する。
【００３４】
次に、電極３と真空容器１の間に高周波電源６により高周波電力（例えば１０００Ｗ）を印加すると、ターゲット２の直上にプラズマが発生し、ＰＺＴ薄膜の成膜が開始される。
【００３５】
なお、高周波電力はインピーダンス整合器２０によってマッチングをとって最大の電力が供給できるように調整される。
【００３６】
そして、この所望のＰＺＴ薄膜の厚さを得られる時間を経過した後、高周波電力の印加を停止し、ＰＺＴ薄膜の成膜を終了する。
【００３７】
ここで、圧電体薄膜として求められる圧電特性と、ＰＺＴのＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏの組成比とは密接な関係があり、所望の圧電特性を得るためには、緻密な圧電薄膜の組成制御が重要である。
【００３８】
特に、ウェハ５の上に成膜されるＰＺＴ薄膜のＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏの組成比は主にターゲット２の組成比およびウェハ５の基板温度によって支配され、さらに、所望の圧電体組成の酸化物を得るためにターゲット２からスパッタリングによってたたき出されるＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ粒子量に相当するＯ2ガスを正確に供給する必要がある。
【００３９】
特に、初期の段階では防着板７ｂの内面は接地電位面であり、その間に向けて放電が起こるため、二重構造の防着板７ａ、７ｂの外にプラズマが広がることはない。しかしながら、圧電薄膜の成膜回数を重ねるに従い、第１の防着板７ａとウェハ５に絶縁膜（ターゲット２から飛散してきた酸化物）が付着して接地面が見えなくなり、プラズマは電極３、ウェハホルダ４および防着板７ａ、７ｂの隙間から外に広がろうとする。
【００４０】
しかし、圧電薄膜の成膜処理を重ねていくことで、防着板７ｂにも絶縁膜が付着していくため、プラズマの接地面積が減少することになる。プラズマの接地面積が減少していくに従ってＤＣバイアス電位が上昇していく。このＤＣバイアス電位が上昇していくに伴ってターゲット２をスパッタする効率も低下し、生産性が低下するという不具合も生じる。
【００４１】
従って、圧電薄膜の成膜に必要な反応性ガス量も減少していくことから、一定のガス供給下では過剰な反応性ガス量となり、残留ガスとなる。この残留ガスは真空容器１の中で酸素中性粒子となってウェハ５にダメージを与え、ウェハ５を逆スパッタするなどの不具合を生じ、結果的に所望の圧電薄膜組成のＰＺＴ薄膜を作製することが困難となってくる。
【００４２】
従って、真空容器１の中の過剰な酸素の残留ガス量をモニタすることで、ＰＺＴ膜が所望の圧電薄膜組成で作製されているかを判断することができることから、圧電薄膜の成膜中に残留ガス検出手段１５から出力される残留ガス量をモニタ信号として制御回路１０に取り込み、残留ガス量を測定する。
【００４３】
なお、前記残留ガス検出手段１５は例えば、四重極質量分析計や光学式ガス分析計などを使用することが好ましい。また残留ガス検出手段１５を載置する場所は、真空容器１の中であればよいが、圧電薄膜の成膜が行われている場所に近い方がより望ましい。
【００４４】
次に、圧電薄膜の成膜終了後、ガス導入口からＯ2ガスの導入を停止する。
【００４５】
その後、測定した残留ガス量によって、第２の防着板７ｂの表面をスパッタリングして第２の防着板７ｂの表面に付着した絶縁物を除去するか否かを判断する。この判断基準は圧電薄膜の成膜後のＰＺＴ薄膜の組成分析と残留ガス量との相関関係を別途確認することで決定する。
【００４６】
そして、残留ガス量が規定の値より大きくなったときに、スイッチ１１を直流電源１２の側に切り替え、防着板７ｂの電位を直流負電位に設定する。これによって、防着板７ｂの表面でスパッタリング現象が起き、防着板７ｂの表面に付着した絶縁物などの物質を除去することができる。また、前記スイッチ１１を直流電源１２側に切り替える時間は防着板７ｂの表面に付着した物質を除去できた時点までとしているが、例えば除去している間に残留ガス検出手段１５で真空容器１の中のＯ2ガス量を測定し、Ｏ2ガスが検出されなくなった時点で防着板７ｂの表面に付着した物質中の絶縁物などの酸化物がなくなったと判断する方法がある。
【００４７】
その結果、防着板７ｂの接地面積を確保することになり、ＤＣバイアス電位が負の大きな値に維持できるので、ターゲット２をスパッタする効率も向上する。
【００４８】
従って、所定のガス供給下では、必要十分な反応性ガスが消費され、残留ガスも発生しなくなる。
【００４９】
以上のことにより、圧電特性が優れた圧電体薄膜として機能する高精度に組成制御されたＰＺＴ薄膜を実現することができるという効果が得られる。
【００５０】
さらに、前記残留ガス量のモニタ信号を制御回路１０に取り込み、その電位が一定の値になるように、スイッチ１１を直流電源１２の側に切り替える時間を制御することにより、ＤＣバイアス電位の安定化を実現することが望ましい。その結果、プラズマの状態が安定するとともに、常時、成膜レートを一定にすることができる。
【００５１】
この場合は、組成の均一性に優れた圧電薄膜の成膜ができるばかりではなく、成膜レートが一定になるため生産性が低下しないという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかるスパッタリング装置は、防着板の接地面積を安定して確保することができることから、所定の均一な組成を有する薄膜を形成できるという効果を有し、各種機能性材料などを成膜できるスパッタリング装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の構成を説明するための概念図
【図２】従来のスパッタリング装置の概念図
【符号の説明】
【００５４】
１  真空容器
２  ターゲット
３  電極
４  ウェハホルダ
５  ウェハ
６  高周波電源
７ａ  防着板
７ｂ  防着板
１０  制御回路
１１  スイッチ
１２  直流電源
１５  残留ガス検出手段
２０  インピーダンス整合器
【図１】
2007042919.tif 000003
【図２】
2007042919.tif 000004