(57)【要約】【課題】本発明は、ターゲット上でのアーク放電の発生を長期的に抑制でき、かつ、速い成膜速度にて非常に薄い膜を高い面内均一性で確保できるスパッタリング方法及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ターゲットを配し、前記真空容器中にガスを導入し前記複数の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、絶縁物の成膜を行うスパッタリング方法において、正の逆パルスを印加する毎に周波数または印加時間の少なくとも１つを変化させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に配置された複数のターゲットに電圧を印加すると共に、前記真空容器内にガスを導入しながら排気することで、前記真空容器内にプラズマを発生させ、前記複数のターゲットに対向して配置された基板にターゲット材料を成膜するスパッタリング方法において、前記複数のターゲットの少なくとも１つに正の逆パルスを含む負の直流電圧を印加する際、正の逆パルスを印加する毎に周波数または印加時間の少なくとも１つを変化させることを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項２】
前記正の逆パルスの周波数は、２０〜１５０ｋＨｚと２５０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚを交互に変化させることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項３】
前記正の逆パルスの印加時間は、０．５〜１．５μｓｅｃ．と２μｓｅｃ．〜正の逆パルスの周期の２分の１よりも短い時間を交互に変化させることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項４】
前記正の逆パルスの周波数または印加時間の少なくとも１つをモニタリングしている電圧にあわせて、変化させることを特徴とする請求項１〜３に記載のスパッタリング方法。
【請求項５】
前記ターゲット材料が半導体であることを特徴とする請求項１〜４に記載のスパッタリング方法。
【請求項６】
前記ターゲット材料がＳｉであることを特徴とする請求項１〜４に記載のスパッタリング方法。
【請求項７】
前記ガス調整手段において調整するガス圧力が０．１〜０．３Ｐａであることを特徴とする請求項１〜６に記載のスパッタリング方法。
【請求項８】
前記複数のターゲットにおいて、前記基板保持台とターゲットの中心軸がずれていることを特徴とする請求項１〜７に記載のスパッタリング方法。
【請求項９】
真空容器と、前記真空容器内に配置された複数のターゲットと、前記真空容器内にガスを導入しながら排気するガス調整手段と、前記複数のターゲットに対向して配置され、かつ、基板を載置する基板保持台によって構成され、前記複数のターゲットの少なくとも１つに正の逆パルスを含む負の直流電圧を印加するスパッタリング方法において、正の逆パルスを印加する毎に周波数または印加時間の少なくとも１つを変化させることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項１０】
前記正の逆パルスの周波数が２０〜１５０ｋＨｚと２５０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚを交互に変化させることを特徴とする請求項９記載のスパッタリング装置。
【請求項１１】
前記正の逆パルスの印加時間が０．５〜１．５μｓｅｃ．と２μｓｅｃ．〜正の逆パルスの周期の２分の１よりも短い時間を交互に変化させることを特徴とする請求項９記載のスパッタリング装置。
【請求項１２】
前記正の逆パルスの周波数または印加時間の少なくとも１つをモニタリングしている電圧にあわせて、変化させることを特徴とする請求項９〜１１に記載のスパッタリング装置。
【請求項１３】
前記ターゲット材料が半導体であることを特徴とする請求項９〜１２に記載のスパッタリング装置。
【請求項１４】
前記ターゲット材料がＳｉであることを特徴とする請求項９〜１２に記載のスパッタリング装置。
【請求項１５】
前記ガス調整手段において調整するガス圧力が０．１〜０．３Ｐａであることを特徴とする請求項９〜１４に記載のスパッタリング装置。
【請求項１６】
前記複数のターゲットにおいて、前記基板保持台とターゲットの中心軸がずれていることを特徴とする請求項９〜１５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、スパッタにより基板上に薄膜を形成するためのスパッタリング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）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る。目的により材質やプラズマ処理方法が選ばれる。たとえば、ＣＶＤ，ドライエッチング，スパッタリング等種々用いられている。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。更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。
【０００３】
更に、近年反射防止膜やエッジフィルタ等の光学薄膜の形成も検討されている。これらの光学デバイスは通常、低屈折率材料（ＳｉＯ2，ＭｇＦ等）と高屈折率膜（Ｔａ2Ｏ5，ＴｉＯ2，Ｎｂ2Ｏ5等）、その中間の屈折率を有する材料（Ａｌ2Ｏ3等）の積層構造であり、各層の光学膜厚（屈折率×物理膜厚）がデバイス特性を決定するために、高い膜厚均一性と高い膜厚制御性が必要である。これら光学薄膜は蒸着で形成されるのが主流であったが、膜質の観点からスパッタリングによる形成が検討されている。
【０００４】
スパッタリングによる絶縁物の形成は、絶縁物をターゲットとして用い、ターゲットにＲＦ電力を印加するＲＦスパッタリングが主流である。この方法は正負交互の電圧がターゲットに印加されるために絶縁物を比較的安定して形成することが可能であるが成膜速度が遅く、量産性に乏しい。そこで金属ターゲットを用い、反応性ガス雰囲気中でＤＣ電圧をターゲットに印加することで絶縁物を形成するＤＣ反応性スパッタリングが検討されている、この方法は金属をスパッタリングするために成膜速度が速く量産に適した方法である、しかしながら、ターゲット表面のスパッタリングされない箇所（以下、非エロージョン部）にターゲット材料の反応生成物が堆積し、それがダスト源となったり、更にはターゲット割れを引き起こすことになるという短所がある。
【０００５】
以下、この従来のスパッタリング方法を説明する。
【０００６】
図１にスパッタリング装置の概念図を示す。従来のスパッタリング方法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ターゲット９２が下部電極９３に固定保持され、アース電位となるアースシールド９１２が外周を覆っている。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及び９５）はヨーク９６で磁気的に結合されている。この磁石（９４及び９５）により、ターゲット９２表面には弧状の磁力線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基板ホルダ９８が下部電極９３に対向して平行に配置される。そして、この基板ホルダ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、基板ホルダ９８上に基板例えば半導体ウェハ９９が載置される。そして、基板ホルダ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。
【０００８】
そして、下部電極９３と容器９１（接地）間にＤＣパルス電源９１１により、所定のＤＣ電力が与えられる。
【０００９】
このスパッタリング装置で成膜処理を行うには基板ホルダ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＋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。高い面内均一性を確保する必要がある場合には、基板ホルダの結合された基板ホルダ回転機構９１０にて基板ホルダを回転させる。
【００１０】
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及び９５）が発生する弧状の磁力線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行く。
【００１１】
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ＤＣパルス電源９１１はアーク放電を検知すると数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。
【００１２】
そこでターゲットに周期的に数十Ｖ正の逆パルス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。また、特許文献１または特許文献２のようにターゲットの材料や成膜条件に応じて、逆パルス電圧の周波数及び印加時間を最適化することでアーク放電を抑制している。
【００１３】
しかし、ターゲットを使用して行くと徐々に非エロージョン部に絶縁物である反応生成物が堆積していく。そして、非エロージョン部に堆積していくにつれて、スパッタリングされているエロージョン部と非エロージョン部の界面が鋭利に形成されていく。スパッタリングによりその鋭利な界面がチャージアップし、ついにはアークが発生してしまう。以上のように、チャージアップの抑制が困難になったり、また、ターゲット材料とターゲット上に堆積した反応生成物の応力差により、膜が剥離し、ダストとなり、品質低下を引き起こしてしまう。
【００１４】
それに対して、特許文献３では、ターゲット裏面の磁石を稼働させることにより、非エロージョン部の低減及びエロージョン部と非エロージョン部の界面をなめらかにしている。しかし、ターゲットサイズに対して小さいサイズの磁石を稼働させる必要があり、瞬間的にスパッタされる領域は小さくなり、ターゲットサイズに対し同程度のサイズの磁石を用いた場合と比べて、成膜速度が小さくなってしまう。また、面内の高い均一性の膜を要求されている際には、磁石の稼働により、高い均一性を確保するのが困難であり、成膜速度を低下させることなどプロセスに制限が掛かり、かつ、生産効率・品質が低下してしまう。
【特許文献１】特開平１０−２３７６４０号公報
【特許文献２】特開２０００−３３１３３６号公報
【特許文献３】特開平７−２４３０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
光学デバイスのような面内の高い均一性、高品質が必要なデバイスの効率的に生産するためには、大きな成膜速度で高い面内均一性を確保し、かつ、ターゲットのチャージアップ、ダスト発生を抑制する必要がある。しかしながら、従来のスパッタリング方法では、ターゲットが消耗して行くと、アーク放電が発生し、ダストが発生してしまい、高品質を確保できなくなる。また、速い成膜速度で高均一な膜を形成するのが困難で、生産効率が低くなってしまう、それに対して、ターゲットのエロージョン部と非エロージョン部の界面をなめらかにし、かつ、エロージョン領域を高速に稼働できれば異常放電は抑制され、かつ、速い成膜速度で高い面内均一性が確保でき、高品質な膜の作成かつ高効率な生産を行うことが可能になる。
【００１６】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ターゲットが消耗しても、エロージョン部と非エロージョン部との界面がなめらかなために、異常放電が抑制され、かつ、速い成膜速度で高い面内均一性が確保でき、高品質な膜の作成かつ高効率な生産を行うことが可能な、スパッタリング方法及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】
【００１７】
本願発明のスパッタリング方法は、真空容器と、前記真空容器内に配置された複数のターゲットと、前記真空容器内にガスを導入しながら排気するガス調整手段と、前記複数のターゲットに対向して配置され、かつ、基板を載置する基板保持台によって構成され、前記複数のターゲットの少なくとも１つに正の逆パルスを含む負の直流電圧を印加するスパッタリング方法において、正の逆パルスを印加する毎に周波数または印加時間の少なくとも１つを変化させることを特徴とするものである。
【００１８】
このとき、好適には前記正の逆パルスの周期が２０〜１５０ｋＨｚと２５０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚを交互に変化させることが望ましい。
【００１９】
また、更に好適には、前記正の逆パルスの印加時間が０．５〜１．５μｓｅｃ．と２μｓｅｃ．〜正の逆パルスの周波数の２分の１よりも短い時間を交互に変化させることが望ましい。
【００２０】
また、更に好適には、前記正の逆パルスの周波数または印加時間の少なくとも１つをモニタリングしている電圧にあわせて、変化させることが望ましい。
【００２１】
また、更に好適には、前記ターゲット材料が半導体であることが望ましい。
【００２２】
また、更に好適には、前記ターゲット材料がＳｉであることが望ましい。
【００２３】
また、更に好適には、前記ガス調整手段において調整するガス圧力が０．１〜０．３Ｐａであることが望ましい。
【００２４】
また、更に好適には、前記複数のターゲットにおいて、前記基板保持台とターゲットの中心軸がずれていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本願発明のスパッタリング方法及び装置は、ターゲットが消耗されても、ターゲットに印加する逆パルスの周期または印加時間を印加する毎に変化させることでターゲットのチャージアップを調節し、エロージョン領域を高速で変化させ、ターゲットのエロージョン部と非エロージョン部の界面をなめらかにし、アーク放電を抑制でき、かつ、速い成膜速度で高均一な膜を形成できる。
【００２６】
これにより、高品質かつ生産性の向上が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施の形態１）
図１に本発明の第１の実施の形態のスパッタリング装置を示す。
【００２８】
これは真空容器９１に基板９９（本実施形態はＳｉ基板を用いた例を示す）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。
【００２９】
真空容器９１の下部に外径３００ｍｍ×１２５ｍｍの矩形ターゲット９２（Ｓｉ）及び下部電極９３を配し、ターゲット９２−基板９９間距離１００ｍｍでＳｉ基板を配置している。ターゲット９２の外周には接地電位のアースシールド９１２を配置した。ターゲット９２は純粋なＳｉの半導体であり導電性が低いためにＤＣ反応性スパッタには向かないので今回はＢドープした抵抗率０．１Ω・ｃｍ以下のｎ型のＳｉターゲットを用いた。この真空容器９１をターボ分子ポンプ（図示せず）とロータリーポンプ（図示せず）で５×１０-4Ｐａまで排気した後に、Ａｒ及びＯ２ガスをそれぞれ９０ｓｃｃｍ、７０ｓｃｃｍ導入した。真空容器９１内圧力は可変コンダクタンスバルブ（図示せず）を調整することにより０．５Ｐａで一定に保った。
【００３０】
次に、ＤＣパルス電源９１１により５ｋＷの電力をターゲット９２の裏面の下部電極９３に印加した。するとターゲット９２上にグロー放電が発生しスパッタリングを開始した。
【００３１】
このときターゲット９２にはアーク放電を抑制するために、正の逆パルス電圧を印加している。逆パルスの周波数を２０ｋＨｚ以下、印加時間を０．５マイクロ以下にすると、逆パルスを印加してもチャージアップを緩和することができず、アーク放電が発生してしまった。また、周波数を３５０ｋＨｚよりも大きくすると、正の逆パルスの周期が短くなってしまうため、十分に正の電圧が印加されないまま、次の負の電位に移行し、チャージアップの緩和が十分でなかった。
【００３２】
以上の検討から得られたアーク放電が発生しにくい範囲内で、まず初めに、逆パルスの周波数または印加時間を各組み合わせで放電させた時のターゲットのエロージョン部のトラック幅を評価した。その結果を表１に示す。
【００３３】
また、周波数１５０ｋＨｚ、印加時間０．５マイクロ秒の時のエロージョン形状を図２に、周波数１５０ｋＨｚ，印加時間２．０マイクロ秒の時のエロージョン形状を図３に示す。周波数を大きく、または印加時間を長くすることでチャージアップがより緩和され、エロージョン部が拡大することがわかった。また、周波数１５０から２５０ｋＨｚ、または、印加時間１．０から１．５マイクロ秒にてエロージョン形状が大きく変化していた。よって、この境界を介して、周波数または印加時間を変化させた。また、一度、反応生成物である絶縁物が非エロージョン部に形成してしまうと、逆パルスの周波数または印加時間を変えても、非エロージョン領域はスパッタされにくいため、エロージョン部に変えることが困難であることがわかった。そのため、逆パルスを印加する毎に周波数または印加時間を変えることが有効である。
【００３４】
周波数１５０ｋＨｚ固定にて、印加時間を０．５と２．０マイクロ秒の交互に変えたときの印加電圧のプロファイルを図４に、ターゲット積算電力とアークカウント数を図５に示す。また、ターゲット使用後のエロージョン部と非エロージョン部の形状を図６に示す。
【００３５】
エロージョン部と非エロージョン部の形状がなめらかになっており、周期または印加時間を逆パルスを印加する毎に変えることで、ターゲット９２上でのアーク放電を長期的に抑制できた。今回は金属に対して導電性の低い半導体のＳｉターゲットを用いて行ったが、その他の材料においても同様の効果が期待できる。しかし、半導体であるＳｉターゲットはチャージアップしやすくエロージョン領域の変化が大きく、特に有効であることがわかった。さらに、成膜条件においても０．３Ｐａ以下の低圧力にすることにより、ターゲットから放出されたスパッタ粒子の拡散・ターゲットへの再付着を低減し、チャージアップを抑制できた。０．１Ｐａ以下の圧力では放電開始の不安定性が見られたため、圧力０．１〜０．３Ｐａが最適であった。
【００３６】
また、この時のチャージアップ、ターゲットへの再付着膜の堆積等による電圧変動をモニタリングし、その電圧に応じて、経時的に最適な周波数に変化させることで長期的に安定した速い成膜速度も実現可能である。
【００３７】
また、複数のターゲットの際は、基板とターゲットの中心軸がずれてしまうため、速い成膜速度で非常に薄い膜を高い均一性で確保するのは困難である。ましてや、磁石を稼働させるとさらに均一性は低下する。一方、逆パルスの周波数または印加時間を変化させる場合はエロージョン部の変化はマイクロ秒単位の高速な変化のために、１ｎｍ／ｓｅｃ．の成膜速度であっても、直径１００ｍｍの基板上に膜厚１０ｎｍの膜を±０．５％以下の面内の膜厚均一性で形成することができた。
【００３８】
周波数２５０ｋＨｚ、印加時間１．０マイクロ秒で正のパルス電圧を印加し続けた従来のスパッタリング方法で同様の実験を行ったときの印加電圧のプロファイルを図７に、ターゲットを消耗していった時の積算電力とアークカウント数を図８示す。このときは、ターゲットを消耗していくと、図９に示すようにエロージョン部と非エロージョン部の境界が鋭利になっているため、アーク放電が特にエロージョン部と非エロージョン部の界面で観察されるようになり経時的に多くなっていった。この結果と比較すると、所定の範囲にて周波数または印加時間を、逆パルスを印加する毎に変えることで、ターゲット９２上でのアーク放電を抑制できた。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
以上のことにより、ターゲットが消耗されても、ターゲットに印加する逆パルスの周波数または印加時間を印加する毎に変化させることでターゲットのチャージアップを調節し、エロージョン部を高速で変化させ、ターゲットのエロージョン部と非エロージョン部の界面をなめらかにし、アーク放電を抑制でき、かつ、速い成膜速度で高均一な膜を形成できるスパッタリング方法及び装置を提供することができた。
【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及び装置は、ターゲットの消耗頻度に関係なく長期的にアーク放電を抑制でき、かつ、速い成膜速度にて非常に薄い膜を高い面内均一性で確保できるので、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の実施の形態において、逆パルスを周波数１５０ｋＨｚ、印加時間０．５マイクロ秒で印加したときのエロージョンを上から見た図
【図３】本発明の第１の実施の形態において、逆パルスを周波数１５０ｋＨｚ、印加時間２．０マイクロ秒で印加したときのエロージョンを上から見た図
【図４】本発明の第１の実施の形態で用いた印加電圧のプロファイルを示す図
【図５】本発明の第１の実施の形態においてターゲット積算電力とアークカウント数を示した図
【図６】本発明の第１の実施の形態において得られたエロージョン断面形状を示す図
【図７】従来例で用いた印加電圧のプロファイルを示す図
【図８】従来例においてターゲット積算電力とアークカウント数を示した図
【図９】従来例において得られたエロージョン断面形状を示す図
【符号の説明】
【００４３】
９１    真空容器
９２    ターゲット
９３    下部電極
９４，９５  磁石
９６    ヨーク
９７    弧状の磁力線
９８    基板ホルダ
９９    基板
１０１  エロージョン部
１０２  非エロージョン部
９１０  基板ホルダ回転機構
９１１  ＤＣパルス電源
９１２  アースシールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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