説明

スパッタリング方法

【課題】少数のターゲットにて反応性ガスをON/OFFするだけで複数の膜種を成膜する際に、膜の種類の切替え時間を大幅に短縮し、高品質の膜を効率的に安定して確保できるスパッタリング技術を提供する。
【解決手段】第1のターゲット材料をスパッタリングして基板上に成膜する第1のスパッタ工程と、前記第1のターゲット材料とは異なる第2のターゲット材料をスパッタリングして前記基板上に成膜する第2のスパッタ工程と、前記第1のスパッタ工程と前記第2のスパッタ工程との間で、前記基板を前記複数のターゲット材料から遮蔽しつつ、前記第1および第2のターゲット材料をそれぞれ成膜レートが変化するようにスパッタリングするプリスパッタ工程とを行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は基板上に薄膜を形成するためのスパッタリング方法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,エッチング,マスク,パッシベーション,キャパシタの誘電体膜等の形成であり、目的に応じて材質やプラズマ処理方法が選ばれる。そのプラズマ処理方法としては、例えば、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。
【0003】
近年、ICの小型化のために、キャパシタの誘電体膜を、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)等の高誘電体物質にて形成するプラズマ処理が検討されている。センサやアクチュエータ、不揮発性メモリデバイス用の膜を、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にて形成するプラズマ処理も検討されている。
【0004】
また、反射防止膜やエッジフィルタ等の光学薄膜を形成するプラズマ処理も検討されている。これらの光学薄膜は通常、低屈折率材料(SiO,MgF等)と高屈折率材料(Ta,TiO,Nb等)とその中間の屈折率を有する材料(Al等)との積層構造であり、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ので、高い膜厚均一性および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膜形成も行なわれている。
【0005】
一方、近年のニーズの多様化により商品の多品種少量化が進んでおり、従来の蒸着等の大型装置を用いた大ロット生産から小ロット生産への変換が求められている。また商品の在庫削減を目的とした商品管理サイクルの短縮化等が進んでおり、生産リードタイムの短縮も求められている。これらの要望に対応するためにも、スパッタリング等を用いた小型成膜装置による効率的な生産が検討されている。
【0006】
スパッタリングによる絶縁体(誘電体)の成膜は、絶縁体をターゲットとして用い、該ターゲットに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、絶縁体を比較的安定して成膜することが可能であるものの、成膜速度が遅く、量産性に乏しい。
【0007】
そこで、導電体や半導体をターゲットとして用い、反応性ガス雰囲気中で該ターゲットにDC電圧を印加することで絶縁体を成膜する、DC反応性スパッタリングが検討されている。この方法は、導電体や半導体をスパッタリングするため、成膜速度が速く、量産に適している。また1つのターゲットにて反応性ガスをON/OFFすることで、導電体、半導体、絶縁体といった複数種類の膜を形成可能である。しかしその一方で、反応性ガスのON/OFFにて膜の種類を切替える際に、ターゲットの表面及び装置内を改質する必要があり、その改質の作業により処理時間が長くなるという短所がある。
【0008】
スパッタリング装置の一例であるマグネトロンスパッタリング装置は、真空容器に、ターゲットを載置するカソードと、磁力線を発生させる磁石と、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を備えている。光学デバイス向けの光学薄膜を形成する装置では、光学薄膜は一般的に低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層していくため、カソードが2つ以上配置され、複数のターゲットが配置されている。
【0009】
このマグネトロンスパッタリング装置で成膜処理を行う際には、ターゲットに対向するように基板を基板ホルダに保持し、ガス調整手段により真空容器内を所定のガス(例えばAr,Ar+Oガス)を所定流量導入しつつ排気して、真空容器内を所定の圧力に調節し、ターゲットに負のDC電圧を印加してグロー放電を起こし、プラズマを発生させる。
【0010】
発生したプラズマ中の電子は、磁石により発生する磁力線にトラップされて更に電離を促進し、プラズマ密度を向上させる。またプラズマ中の+イオン(例えばAr,O等)は、上述の負の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し、それにより飛び出したスパッタリング粒子が基板に到達して薄膜となる。
【0011】
このようにターゲット材料をそのまま堆積させるのでなく、ターゲット材料の反応生成物を堆積させる場合は、上述の所定のガスに反応性ガスを混入させて導入する。これにより、ターゲットから飛び出したスパッタリング粒子が空間中の反応性ガスと反応して化合物となり基板に堆積する。
【0012】
この場合に、上述の方法、つまり1つのターゲットにて反応性ガスをON/OFFすることで複数種類の膜を成膜させる方法をとると、生成した化合物の付着によってターゲット表面、容器内の壁面や部材が、導電体、半導体、絶縁体に変化するため、放電状態が不安定になる。また残留した反応性ガスによって成膜レートや膜質が変化する。このため、ターゲットまたは反応性ガスによる膜の種類の切替え時には、真空容器内に設けた基板シャッターにて基板をターゲットから遮蔽し、一定時間放電させるプリスパッタが必要である。
【0013】
図9に、誘電体膜と導電体膜とを連続して積層成膜する工程を示す。第1のターゲットにて誘電体を成膜するために、まず、基板シャッターを閉め(ステップS1)、スパッタガス、反応性ガスを導入し(ステップS2)、ターゲット1にて所定時間プリスパッタを行う(ステップS3)。その後、基板シャッターを開け(ステップS4)、第1のターゲットのスパッタにより誘電体を基板上に成膜する(ステップS5)。
【0014】
続いて、第2のターゲットにて導電体を成膜するためにまず、基板シャッターを閉め(ステップS6)、反応性ガスの供給を停止し(ステップS7)、スパッタガスのみ供給して、導電体のターゲット2にて所定時間プリスパッタを行う(ステップS8)。その後、基板シャッターを開け(ステップS9)、第2のターゲットのスパッタにより導電体を基板上に成膜する(ステップS10)。さらに積層する場合は、膜の種類の切替え時に、これと同様の手順でプリスパッタを行い、成膜を行う。
【0015】
このような従来の方法では、ターゲットの表面及び装置内の表面を改質する必要があるため、処理時間が長くなる。これに対して、ターゲット表面及び装置内の表面を改質するための方法が従来から提案されている。その1つとして特許文献1に開示の方法がある。
【0016】
特許文献1では、ターゲット材料を1つ用い、Tiをターゲット材料に添加し、所定時間プリスパッタすることで、残留酸素を低減させ、プリスパッタ時間を短縮し、装置内の膜質を向上させている。
【特許文献1】特開昭58−93346号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
しかし特許文献1の方法でも、あるターゲットにて反応性ガスを導入して絶縁体を成膜した後に、他のターゲットにて導電体(もしくは半導体)を成膜する前に、その導電体(もしくは半導体)のターゲットにて所定時間、プリスパッタを行うので、生産効率が低くなることは免れない。
【0018】
面内均一性の高い、高品質な膜が必要な光学デバイスを含む複数のデバイスを小型装置にて効率的に生産するためには、高い成膜速度で高い面内均一性を確保する必要がある。さらに、それに加え、複数のデバイスの生産時に、放電を安定させ、ロット間のバラツキを低減し、更に、成膜時間を短縮する必要がある。
【0019】
すなわち、複数のデバイスを小型装置にて効率的に生産する(特に面内の高い均一性および高品質な膜が必要な光学デバイスをも生産する)ためには、高い成膜速度で高い面内均一性を確保し、かつ、放電を安定させることが必要である。
【0020】
本発明は、上記従来の課題に鑑み、1つの真空容器内で複数のターゲットにて反応性ガスをON/OFFして導電体・半導体・絶縁体を成膜する際の膜の種類の切替え時に行うプリスパッタ時間を抑え、放電を安定化させることができるスパッタリング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明のスパッタリング方法は、成膜対象の基板と膜材料となる複数のターゲット材料とを互いに対向させ、スパッタガスを単独または反応性ガスと共に導入しつつプラズマを発生させて成膜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材料の内の第1ターゲット材料をスパッタリングして成膜する第1スパッタ工程と、前記複数のターゲット材料の内の前記第1ターゲット材料とは異なる第2ターゲット材料をスパッタリングして成膜する第2スパッタ工程と、前記第1スパッタ工程と前記第2スパッタ工程との間で、前記基板を前記複数のターゲット材料から遮蔽しつつ、前記第1および第2ターゲット材料をそれぞれ成膜レートが変化するようにスパッタリングするプリスパッタ工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明のスパッタリング方法により、1つの真空容器内で複数のターゲットにて反応性ガスをON/OFFして複数種類の膜を成膜する際に、ターゲット表面および真空容器内の壁面や部材を短いプリスパッタ時間にて改質し、放電を安定化させることができる。またそれによりロット間のバラツキを低減し、成膜時間を短縮することができ、高品質な膜の形成かつ高効率な生産が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して、説明を省略する。
(実施の形態1)
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概略構成図であって、より詳しくは、DC反応性マグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す。
【0024】
本実施の形態1におけるスパッタリング装置では、真空引き可能な容器1(以下、真空容器1という)でスパッタ室が構成されている。真空容器1内の下部には、下部電極3、5が配置されており、その上に導電性のNbターゲット2、Siターゲット4が固定保持されている。Nbターゲット2,Siターゲット4は、アース電位となるアースシールド20,21でその外周が覆われている。
【0025】
下部電極3,5は真空容器1とは電気的に絶縁されており、下部電極3,5と真空容器1(接地)間にDCパルス電源17,18により所定のDC電力が与えられる。下部電極3,5は、Nbターゲット2,Siターゲット4の温度上昇を防ぐための水冷機構(図示せず)を内蔵している。
【0026】
Nbターゲット2,Siターゲット4の裏面側には、それぞれ、磁石6,7と、それを環状に取り囲む磁石8,9とが配されている。磁石8,9は、磁石6,7とは反対の磁化成分を持つ。また、Nbターゲット2,Siターゲット4の裏面側には、内側の磁石6,7と外側の磁石8,9を磁気的に結合するヨーク10,11が配されており、これらの磁石6〜9により、Nbターゲット2,Siターゲット4表面に弧状の磁力線12,13が形成される。
【0027】
真空容器1内の上部には、半導体ウェハなどの基板15をその中心に保持する基板ホルダ14が下部電極3,5に対向して平行に配置されている。この基板ホルダ14は、真空容器1と電気的に絶縁されていて浮遊電位基板となっており、基板15を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。16は基板ホルダ回転機構、19は基板シャッターである。
【0028】
このスパッタリング装置による成膜処理のフローチャートを図2に示す。
本実施の形態では、基板15としてSi基板を用い、導電体であるNb、半導体であるSi、誘電体であるNb,SiOの薄膜を形成するために、Nbターゲット2としてNb(外径300mm×100mmの矩形)を用い、Siターゲット4としてSi(外径300mm×100mmの矩形)を用いる。そして、Nbターゲット2とSiターゲット4との中心間距離が100mmとなり、Nbターゲット2およびSiターゲット4と基板15との間の距離が100mmとなるように、それぞれを配置する。
【0029】
まず、Nbターゲット2で成膜するために、基板シャッター19を閉じ(ステップS11)、真空容器1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)とにより5×10−4Paまで排気した後に、Ar及びOガスをそれぞれ90sccm、70sccm導入しつつ、可変コンダクタンスバルブ(図示せず)で排気を調整することにより、真空容器1内圧力を0.5Paで一定に保つ(ステップS12)。
【0030】
そして、DCパルス電源17により3kWの電力をNbターゲット2の裏面の下部電極3に印加し、これによりNbターゲット2上にグロー放電を発生させてスパッタリング(プリスパッタ)を所定時間行う(ステップS13)。このとき、Nbターゲット2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する。
【0031】
次に、基板シャッターを開け(ステップS14)、Nbターゲット2の所定時間のスパッタによりNbを基板上に成膜する(ステップS15)。
続いて、Siターゲット4にて成膜するために、基板シャッター19を閉じてNbターゲット2,Siターゲット4から基板15を遮蔽し(ステップS16)、反応性ガスであるOガスを止め、スパッタガスであるArガスのみの供給とする(ステップS17)。
【0032】
そして、DCパルス電源18により3kWの電力をSiターゲット4の裏面の下部電極5に印加して、Siターゲット4の表面及び真空容器1内の壁面や部材の表面を改質するプリスパッタを行う(ステップS18a)。このSiターゲット4のプリスパッタ時に、併せて、DCパルス電源17により3kWの電力を印加してNbターゲット2のプリスパッタを行う(ステップS18b)。プリスパッタ時間を見極めるために、電圧の変動をモニタリングする。電圧と成膜レートの相関についてはあらかじめ確認しておく(この相関については、図3にて後述する。)。
【0033】
なお、本実施の形態における改質とは、酸化させる、酸化物で表面を覆う、酸化物を除去する、又は導電体で表面を覆うことにより、装置内の電位状態を安定にすることを意味する。
【0034】
その後に、基板シャッター19を開け(ステップS19)、Siターゲット4を用いた所定時間のスパッタによりSiを基板15上に成膜する(ステップS20)。さらに積層する場合は、膜の種類の切替え時にこれと同様の手順でプリスパッタを行い、成膜を行う。
【0035】
図3は、本実施の形態の条件でSiターゲットでの電圧と成膜レートとの相関を示す図である。図3において、横軸はSiターゲットへの印加電圧であり、縦軸はその時の成膜レートである。図3に示すように、Siターゲットを用いた場合、成膜レートは電圧に比例する。
【0036】
図4は、先に図9を用いて説明した従来フローでの電圧変動を示す図である。図4に示すように、従来フローにおいてプリスパッタ工程を10分(600秒)以上続けても、電圧は安定しない。そのため、図3に示すような電圧と成膜レートとの相関から、成膜レートも安定せず、従来フローを用いた場合は、結果として積層する膜の膜質が悪くなることがある。これは、成膜レートが安定しないことから、膜厚が変動したり、酸素の欠乏した膜(屈折率が膜中で変動する膜)が発生したりするためである。
【0037】
これに対し、図2に示した本発明フローのプリスパッタ(ステップS18a,S18b)では、Nbターゲット2の電力を徐々に低くするので、Nbターゲット2からのスパッタ粒子のSiターゲット4へ付着量が徐々に低減される。その一方で、Siターゲット4の電力を徐々に高くするので、Nbターゲット2からのスパッタ粒子を除去するために、Siターゲット4を放電させる時間が短縮でき、真空容器内の表面改質の効率が良くなる。さらに、Nbターゲット2の放電を終了した後にNbターゲット2からのスパッタ粒子を除去するため、Siターゲット4のみでのプリスパッタ時間が短縮でき、より真空容器内の表面改質の効率が良くなる。
【0038】
好ましくは、Nbターゲット2およびSiターゲット4のプリスパッタについて、スタート時は、Nbターゲット2への電力印加をSiターゲット4への電力印加よりも早くスタートさせる。これにより、Nbターゲット2のスパッタ粒子にて真空容器内の反応性ガスを除去することができる。ストップ時は、Nbターゲット2への電力印加をSiターゲット4への電力印加よりも早くストップさせる。このことにより、Siターゲット4の表面をより確実に改質することができ、プリスパッタ時間が短縮でき、さらに真空容器内の表面改質の効率が良くなる。
【0039】
なお、種々の検討により、スタート時のNbターゲット2だけでのプリスパッタ時間が短すぎても長すぎても真空容器内の表面改質が十分でなく、スタート時のNbターゲット2だけでのプリスパッタ時間は5〜30秒が最適であることが分かった。また、同様の検討により、ストップ時のSiターゲット4だけでのプリスパッタ時間は5〜30秒が最適であることが分かった。これは、5秒以下だと電位安定化の効果が充分でないため5秒以上必要で、30秒以下であれば充分に改質の効果が得られるためである。
【0040】
以上の結果から得られた最適なプリスパッタのプロファイルを図5に示す。またその時のSiターゲット4の電圧変動を図6に示す。図5から、Siターゲット4において、スタート時、ストップ時のタイムラグはそれぞれ約5秒、約30秒であることが分かった。
【0041】
(実施の形態2)
本実施の形態2は、前述の実施の形態1のNbターゲット2で成膜した後にSiターゲット4で成膜する順番とは逆に、Siターゲット4の反応生成物であるSiOにて成膜した後に、導電体であるNbで成膜する場合である。
【0042】
本実施の形態2について、実施の形態1と同様に最適化したプリスパッタのプロファイルを図7に示す。また、その時のNbターゲット2の電圧変動を図8に示す。図7に示すように、電圧変動をモニタリングして安定化した時間を求めることで、Nbターゲット2において、スタート時、ストップ時のタイムラグはそれぞれ約30秒、約5秒が最適であることが分かった。
【0043】
なお、半導体であるSiで成膜する場合には、該SiがNb等の導電体に比べて電気伝導率が低いため真空容器内の表面改質に時間がかかる。さらに、Siは反応性が非常に高いため、反応性ガスと反応しやすく、ターゲット表面の改質にも時間がかかる。そのため、Siで成膜する場合は、プリスパッタに要する時間が長くなりやすい。したがって、SiについてはNb等の導電体の材料に対するよりも本発明の効果が大きくなる。プリスパッタのプロファイルは、ターゲット材料及びターゲットサイズ、電力、圧力等の条件によって、同様に最適化することができる。
【0044】
以上説明したように、1つの真空容器内で複数のターゲットにて反応性ガスをON/OFFして複数の膜種を成膜する際に、前記複数のターゲットの内の少なくとも1つである第1のターゲットにて絶縁体の反応生成物を成膜した後、第1のターゲット以外の少なくとも1つである第2のターゲットにて導電体・半導体を成膜する前に、第1および第2のターゲットを同時にそれぞれ成膜レートを変えながらプリスパッタすることにより、ターゲット表面・真空容器壁面や真空容器内の部材を短いプリスパッタ時間にて改質し、放電の安定化が達成できる。これにより、膜品質および生産性の向上が実現できる。
【0045】
なお、実施の形態1,2では、成膜レートを投入電力によって調整した例で説明したが、圧力・電力のパルス条件等の他の方法で調整しても同様の効果が実現できると考えられる。また電圧をモニタリングすることによってプリスパッタ時間を決めた例で説明したが、プラズマからの発光強度を単独または電圧と同時にモニタリングしてもよく、それによって電圧モニタリングと同等以上の効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【0046】
本発明にかかるスパッタリングは、少数のターゲットにより複数の膜種を成膜する際に膜の種類の切替え時間を大幅に短縮でき、高品質の膜を効率的に安定して確保できるので、低コストの小型装置にて薄膜を形成するために非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】実施の形態1におけるスパッタリング装置の概略構成図
【図2】実施の形態1における成膜工程のフローチャート
【図3】Siターゲットでの電圧変動と成膜レートとの相関を示す図
【図4】従来のスパッタリング方法によるSiターゲットに対するプリスパッタ時の電圧変動を示す図
【図5】実施の形態1におけるSiターゲットに対するプリスパッタのプロファイルを示す図
【図6】実施の形態1におけるSiターゲットでのプリスパッタ時の電圧変動を示す図
【図7】実施の形態2におけるNbターゲットに対するプリスパッタのプロファイルを示す図
【図8】実施の形態2におけるNbターゲットでのプリスパッタ時の電圧変動を示す図
【図9】従来の成膜工程のフローチャート
【符号の説明】
【0048】
1 真空容器
2 Nbターゲット
4 Siターゲット
3,5 下部電極
15 基板
19 基板シャッター

【特許請求の範囲】
【請求項1】
成膜対象の基板と膜材料となる複数のターゲット材料とを互いに対向させ、スパッタガスを単独または反応性ガスと共に導入しつつプラズマを発生させて成膜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材料の内の第1ターゲット材料をスパッタリングして成膜する第1スパッタ工程と、前記複数のターゲット材料の内の前記第1ターゲット材料とは異なる第2ターゲット材料をスパッタリングして成膜する第2スパッタ工程と、前記第1スパッタ工程と前記第2スパッタ工程との間で、前記基板を前記複数のターゲット材料から遮蔽しつつ、前記第1および第2ターゲット材料をそれぞれ成膜レートが変化するようにスパッタリングするプリスパッタ工程とを有することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項2】
前記プリスパッタ工程において、前記第1ターゲット材料は成膜レートが徐々に遅くなるようにスパッタリングし、前記第2ターゲット材料は成膜レートが徐々に速くなるようにスパッタリング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方法。
【請求項3】
前記プリスパッタ工程において、前記第1ターゲット材料を、前記第2ターゲット材料よりも先にスパッタリング開始し且つ前記第2ターゲット材料よりも先にスパッタリング停止す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方法。
【請求項4】
前記プリスパッタ工程において、前記第2ターゲット材料の電圧をモニタリングし、前記電圧に基いてプリスパッタ終了を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方法。
【請求項5】
前記プリスパッタ工程において、前記第2ターゲット材料の発光強度をモニタリングし、前記発光強度に基いてプリスパッタ終了を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方法。
【請求項6】
前記複数のターゲット材料は、Si、Ti、Nb、Ta、Al、Mgのいずれか1つを少なくとも含むことを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング方法。
【請求項7】
前記反応性ガスは、酸素、窒素、弗素のいずれか1つを少なくとも含むことを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング方法。
【請求項8】
前記第2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に記載のスパッタリング方法。
【請求項9】
前記第2ターゲット材料がSiであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング方法。

【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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【公開番号】特開2010−229485(P2010−229485A)
【公開日】平成22年10月14日(2010.10.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−77894(P2009−77894)
【出願日】平成21年3月27日(2009.3.27)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】