JP2001181820A

JP2001181820A - 薄膜作製装置及び薄膜作製装置の使用方法

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Publication number: JP2001181820A
Application number: JP37208899A
Authority: JP
Inventors: Kengo Akimoto; 健吾秋元
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP4364380B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本願発明は、スパッタ成膜、ＣＶＤ成膜，蒸
着成膜チャンバーに新たな真空度を高める手段を追加す
る方法を提供し、装置のスループットを向上させること
を課題とする。【解決手段】真空成膜チャンバー内に、例えばＴｉ製の
フィラメントを設け、蒸発が出来る手段を備え、フィラ
メント材が蒸発後、真空成膜チャンバーの内壁などに固
着する構造にすれば、チャンバー自体が真空度を高める
機能をもつことになる。フィラメントの蒸発手段に関し
ては、本願発明ではその手段が簡便なことから、通電加
熱して蒸発する方法を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】真空チャンバーを有する薄膜
作製装置に関する。特にチャンバーの真空度を改善する
技術であり、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着成膜など、反応室
すなわちチャンバー内雰囲気に、膜質が左右される成膜
技術に対して、寄与が大きいものである。また、時間短
縮をはかる利用法は、量産性向上に寄与するものであ
る。

【０００２】

【従来技術】プロセス技術が高度になるにつれ、半導体
装置の薄膜中の不純物、例えば大気成分濃度に対し管理
が厳しくなっている。成膜プロセス、例えばスパッタ成
膜を行う場合、装置に対する要求の一つに、成膜チャン
バー内を高い真空度に保持する必要性が挙げられる。

【０００３】ところが量産に使用するスパッタ装置は、
メンテナンスを必要とし、その際にチャンバー内は大気
解放されることが多い。チャンバー内を大気解放した後
には、再び真空に戻す必要がある。しかし、上記のよう
に、成膜プロセスを開始する直前の真空度において高真
空を要する場合もあるということから、この高真空まで
復旧するための排気に時間を要する場合がある。

【０００４】また、1つのチャンバーで、複数の種類の
膜を成膜する場合がある。異なる種類の成膜に対し、異
なるガスを流す場合があるが、連続して積層成膜する場
合、前の成膜のために流したガスを、次の成膜のため排
気しなければならない場合がある。

【０００５】このとき、チャンバー内を必要な真空度ま
で排気するために要する時間の短縮は、タクトを短縮し
スループットを上げるための課題といえる。

【０００６】排気性能を高める手段の一つに、チャンバ
ーにポートを設け、排気ポンプを接続することが考えら
れる。ところが、チャンバーのポートに接続した真空ポ
ンプによる排気のみでは、排気速度が遅い場合がある。
例えば広面積を成膜する大きいチャンバーや複雑な構成
のチャンバーでは、内部において、残留気体は排気ポー
トに到達するのに時間がかかる。また、ポンプを増設す
る際に、装置の構成等の理由から、これを設置するスペ
ースの確保が難しい場合がある。

【０００７】真空ポンプで真空排気する技術の他に、ゲ
ッター効果を利用して真空度を高める方法が知られてい
る。

【０００８】ゲッター効果とは、熱などで活性化された
金属分子、例えばＴｉ等が真空中の残留気体で大きな部
分を占めるＨ₂Ｏ等をとりこみ、チャンバーの内壁など
に固着することであり、例えば蒸発型ゲッター、バルク
ゲッターが知られている。

【０００９】蒸発型ゲッターの場合について図１を用い
て説明する。図１中、１０１は真空容器である。１０２
は残留したＨ₂Ｏ分子であり、容器内は主にＨ₂Ｏ等によ
り真空度が低いことを示している。

【００１０】図１（Ｂ）の様に、蒸発源１０３であるＴ
ｉを蒸発させると、蒸発したＴｉ分子がＨ₂Ｏと化学結
合する。化学結合したＴｉとＨ₂Ｏはそのまま容器の内
壁に固着する。再び、容器の内壁から脱離しなければ、
容器内の真空度は高いまま保持される。

【００１１】バルクゲッターの場合について図２を用い
て説明する。図２中、２０１は真空容器である。２０２
はＨ₂Ｏ分子である。Ｈ₂Ｏ分子２０２は、ゲッター材２
０３であるＺｒ−Ａｌの表面に吸着し、内部に拡散す
る。再放出がなければ、真空度は高いまま保持される。
なお、このＺｒ−Ａｌは非蒸発型としてＣＯ₂を良く捕
獲することが知られており例示した。

【００１２】蒸発型ゲッターを応用したものがチタンサ
ブリメーションポンプである。チタンサブリメーション
ポンプを図３に示す。これは排気したいチャンバーを接
続して利用するものである。

【００１３】チタンサブリメーションポンプで真空引き
する方法として以下に説明する。まずチタン源（ゲッタ
ー源）３０１を加熱してＴｉを蒸発させる。蒸発したＴ
ｉは、真空度を下げているガス分子３０３とともにシュ
ラウド３０２上に固着し、容器内の真空度は高くなり、
接続されたチャンバーは排気される。ガス分子３０３が
再びシュラウド３０２から脱離しないため、シュラウド
３０２は中空とし、水や液体窒素で冷却する。３０４は
バルブであり、３０５は粗引きポンプである。一般に、
チタンサブリメーションポンプにおけるゲッター材の蒸
発手段として、通電による通電加熱方法が採用されてい
る（図３(Ａ)）。図３中のチタン源（ゲッター源）は一
般にフィラメントである。

【００１４】スパッタ装置では、スパッタでターゲット
から放出したＴｉが残留気体を捕獲し、チャンバー内真
空度を高めているが、これを多く繰り返すとターゲット
消費量も大きくなる。

【００１５】例えば、量産用として用いられているスパ
ッタ装置において、３つのターゲットを装備した直径８
０ｃｍ、深さ４０ｃｍ程度の１つのチャンバーを例にと
ると、チャンバー内真空度を２×１０^-4Ｐａから２×１
０^-5Ｐａにするためには、２〜３日かかる。ところが真
空度の低い段階からＴｉのスパッタを行うと約６時間で
すみ、大幅に時間を短縮することができる。但しこのＴ
ｉのスパッタの利用法は、Ｔｉのターゲットを消費し、
その分基板に対して成膜できる分量が減ってしまうとい
う欠点を有する。前述のスパッタ装置の例では、３つの
ターゲットのうち1つがＴｉであり、他のターゲットの
交換、あるいはメンテナンスによるチャンバーの大気解
放後における真空引きのためにこのターゲットを利用し
ている。

【００１６】このとき、真空度を高めるためにＴｉのス
パッタに要した前記ターゲット使用電力量は、前記ター
ゲット使用電力量全体の１０％弱に達する。

【００１７】また、上記例ではＴｉを挙げており、大気
に対し有効であるが、例えばAl合金では効果が小さいこ
とがわかっている。すなわち大気に対し有効なターゲッ
トがついていないチャンバーでは、Ｔｉ等の成膜による
目標の真空度までの到達時間の短縮を利用することがで
きない。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、あらゆる
成膜チャンバーにおいて、高真空度に到達するまでの時
間を改善するとともに、到達真空度を向上させる。すな
わち、前記チャンバーに新たな真空度を高める手段を追
加する方法を提供し、装置のスループットを向上させる
ことを課題とする。

【００１９】

【課題を解決する手段】従来技術でゲッター効果につい
て説明したが、スパッタ装置など真空成膜チャンバー内
に、例えばＴｉ製のフィラメントを設け、蒸発が出来る
手段を備え、フィラメント材が蒸発後、真空成膜チャン
バーの内壁などに固着する構造にすれば、チャンバー自
体が真空度を高める機能をもつことになる。フィラメン
トの蒸発手段に関しては、本願発明ではその手段が簡便
なことから、通電加熱して蒸発する方法を特徴とする。
すなわち、真空成膜チャンバー内にフィラメントを設
け、真空度を高めようとする際には、フィラメントを通
電加熱してフィラメント材を蒸発することで、成すこと
ができることを特徴とする。

【００２０】フィラメントには前記ではＴｉを例にとっ
たが、これは蒸発温度、応力の点より使いやすい材料で
ある。ゲッター効果では捕獲、回収される速度は気体分
子によって異なるが、Ｔｉの場合、初期吸着確率とよば
れる吸着のしやすさを表す指数は〜0.8（Ｏ₂）、〜0.4
（ＣＯ₂, ＣＯ）、〜0.8（Ｈ₂）であり、Ｎ₂以外の大気
成分に対し有効である。但し、純Ｔｉフィラメントを用
いると、溶断してしまい十分な蒸発を行えないことが考
えられる。Ｔｉより融点の高い金属、例えばＭｏを１５
％などとの合金が用いると扱いやすい。

【００２１】また、排気したい気体によりフィラメント
材を選ぶことが出来る。フィラメント材には、前記のＴ
ｉの他にＴａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂａ等を用いることが出来
る。それぞれの材料のゲッター効果については、以下に
特徴付けられる。

【００２２】Ｔｉは安価で効果が大きく、蒸発しやすい
が、蒸着時にＣＨ₄,Ｈ₂を放出する。また、Ｔｉは300-6
00KでＨ₂をよく捕獲するが、それ以上の温度でＨ₂を放
出する。また、Ｔａは良好なゲッター効果を示すが、蒸
発温度が高い。また、Ｍｏのゲッター効果はＴｉのゲッ
ター効果と似ているが、Ｍｏは蒸発温度が高い。また、
Ｎｂは77Ｋに冷却すれば、Ｔｉより遙かにＨ₂を捕獲す
る。また、ＢａはＯ₂に対してゲッター効果がある。

【００２３】ゲッター効果は気体分子と金属原子の化学
的結合に起因する。前述のように、残留気体を捕獲回収
する速度は各種分子によって違うが、他にも気体分子の
速度、吸着に対し活性な面の面積及びそこでの吸着確率
に依存する。吸着される面積すなわち容器内壁が大きい
ほど良く残留気体を捕獲回収できることになるが、その
分、内壁からのガス分子放出も大きくなるため、むしろ
金属原子の蒸発量との釣り合いで残留気体を捕獲回収で
きる速度が決まると言える。

【００２４】すなわち、フィラメントを加熱蒸発する電
流電圧に関しては、チャンバーの形状、フィラメント材
に依存するため、最適な条件を選ぶべきである。

【００２５】また、従来技術に記したように、広面積を
成膜する大きいチャンバーや複雑な構成のチャンバーで
は、内部において、残留気体は排気ポートに到達するの
に時間がかかるため、チャンバー内で残留気体を捕獲回
収できる利点は大きい。さらに大きなチャンバーでは設
置する場所を確保し易いため、複数のフィラメントを設
ける使用方法が効果的である。

【００２６】また、使用方法については、真空チャンバ
ー内に上記金属の蒸発源すなわちフィラメントを設け、
チャンバー真空引きの際には、他接続の真空ポンプによ
る排気で真空度がある程度高まった段階で、さらに高め
ようとする際に、フィラメントを蒸発させる。なぜな
ら、真空度の低い段階でＴｉを蒸発させた場合、チャン
バーの内壁からのガス分子の脱離がすぐに起こり、真空
度は回復しにくいからである。また、フィラメントが酸
化されるのを防ぐためでもある。

【００２７】また、装置への適用はスパッタ装置以外に
も、ＣＶＤ装置の応用が可能である。ＣＶＤチャンバー
にはスパッタに比べ高い真空度を必要としないことが多
い。しかし、プラズマＣＶＤ装置には、パーティクルの
発生等の理由でメンテナンスが頻繁になるものがある。
チャンバーが大型化し、あるいは真空度の高い成膜が要
求される場合、目的の高真空まで達する時間を短縮させ
ることはスループットの向上につながる。また、一つの
チャンバーで、成膜時に流すガス種が異なる膜を成膜す
る必要があるとき、残留ガスを捕獲回収する場合に有効
である。

【００２８】あるいは、蒸着装置への適用が可能であ
る。蒸着装置では例えば薄膜トランジスタ行程では、配
線としてのメタル成膜や、ガリウム砒素成膜などに用い
られている。しかし、大面積対応性、ステップカバレッ
ジ特性に劣るなどの理由から、スパッタ成膜あるいはＣ
ＶＤ成膜に比べ量産に適しない。研究、試験目的で使用
されることが多い。

【００２９】蒸着成膜の利点として、膜の純度がスパッ
タ成膜、ＣＶＤ成膜に比べて高いことが挙げられる。こ
れは成膜が高真空雰囲気で行われるからである。すなわ
ち、チャンバーを高真空に保つことが蒸着装置の特性を
生かすことになる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に示す実施例で本発明の実施
の形態を説明する。

【００３１】

【実施例】［実施例１］本願発明をスパッタチャンバー
に用いる例を、図４、図５及び図６を用いて説明する。
図４は、３つのターゲットを装備したスパッタチャンバ
ーを上から見た図である。

【００３２】４０１はチャンバーの内壁すなわち防着板
である。４０２はターゲットシャッターであり、図４で
は、ターゲットが３カ所に設置されている。４０３はシ
ャッターが動く範囲を示している。お互いのターゲット
間には空間があり、通電加熱できるフィラメントは、４
０３のように、シャッターなど可動機構に干渉しない位
置に配置する。

【００３３】ただし、成膜に対し、機能を損なわないた
めには、設置位置に工夫が必要である。図５はスパッタ
チャンバーの断面図である。すなわち、フィラメントを
設ける場所としては、フィラメントが蒸発した際に、こ
れがターゲットシャッターを回り込んでターゲット上に
つかない場所、例えば５１１の場所が望ましい。

【００３４】ターゲットにフィラメントから飛散しＴｉ
が付着しなければ、このＴｉは再度スパッタされ基板に
付着することは殆どない。なぜなら、通常のスパッタで
は、ターゲットに対しスパッタされるような電位がかか
るからである。

【００３５】上記とは逆に、スパッタ成膜時に、このフ
ィラメントにターゲット材が付着すれば、フィラメント
材が覆われて蒸発されない場合がある。この付着したタ
ーゲット材の薄く付着し、なおかつ融点が低い場合に
は、フィラメント加熱の初期で蒸発できるが、厚く付着
する、もしくは融点が高いターゲット材であれば、十分
にフィラメントが蒸発しないことが予想される。この場
合には、図６の様なフィラメントのシャッターを設置す
ることが有効である。

【００３６】図６（Ａ）の６０１はシャッターであり、
６０２はフィラメントである。シャッター６０１は、６
０３を支点として回転する。図６（Ｂ）はフィラメント
を加熱する時のシャッターの状態であり、（Ｃ）はチャ
ンバー内でスパッタをしているときのシャッターの状態
である。

【００３７】このフィラメントを蒸発させ、真空度を高
める方法を以下の通り示す。

【００３８】チャンバーをメンテナンスなどの必要から
大気解放した後、装置に付属のポンプ（ロータリーポン
プ、クライオポンプなど）で、４×１０^-4Pa程度まで真
空に排気する。これ以上の圧力でＴｉを蒸発させた場
合、チャンバーの内壁からのガス脱離がすぐに起こり、
真空度の回復はしにくいからである。４×１０^-4Pa程度
に達した段階で通電によりフィラメントを蒸発させる。
これを適当な時間行うと、真空の回復が早まる。

【００３９】上記の適当な時間については、本願発明を
適用するチャンバーに最適な条件で行うことが望まし
い。例えばフィラメントの通電加熱と、加熱を止める操
作を１分ごとに繰り返す等である。加熱を止める理由
は、その蒸発源付近のみ上記効果によって分子が捕獲さ
れるため、加熱を止めてチャンバー内の残留気体分子が
拡散により均一になるのを待って再開するほうが、フィ
ラメント消費に対し効果的だからである。チタンサブリ
メーションポンプもこのような使い方をしているものが
ある。なお、フィラメントを加熱している間、チャンバ
ーに接続してある他の手段の真空ポンプは止める必要が
ない。

【００４０】また、1つのチャンバーで、複数の種類の
膜を成膜する場合、次のプロセスのために流したガスを
すばやく除去したい場合がある。例えば成膜時Ｈ₂Ｏを
流す成膜と、Ｈ₂Ｏを流さない成膜を交互に行う場合で
ある。Ｈ₂Ｏを流すと結晶化を阻害し、エッチング性が
向上するなどの理由で、流す成膜が実施されている。と
ころが、Ｈ₂Ｏはターボ分子ポンプを使用して引く場
合、真空度の回復に時間がかかる。

【００４１】このときも上記同様フィラメントの蒸発を
利用すれば、タクトの短縮に寄与する。また、その際一
つの種類の材料のみでは捕獲回収できない、あるいは異
なるガスを捕獲回収したい場合は、異なるフィラメント
材をチャンバー内に設置し、同時あるいは選択して蒸発
する利用法が望ましい。

【００４２】上記のフィラメントの蒸発を長期間使用し
た場合には、チャンバーの内壁に膜が厚く付着し、この
膜からＯ₂などの気体が再びチャンバー内に出てくる。
そのため、チャンバー内の真空度が低くなる。しかし、
通常、スパッタチャンバーの内壁は、膜付きを防ぐため
の防着板がついており、パーティクルが増えるなどメン
テナンスが必要な場合、防着板の交換を行うため、成膜
の機能を損なうことはない。

【００４３】またＴｉ以外にも使用ガス及びチャンバー
内に残ると予想されるガスに応じた、前項で記述した適
当な材料をフィラメントとして使用することが望まし
い。

【００４４】［実施例２］本実施例では、本願発明をプ
ラズマＣＶＤ装置へ応用する例を以下に示す。

【００４５】図７はプラズマＣＶＤチャンバーの模式図
である。スパッタチャンバーと比較したとき、基板トレ
イや電極はむき出しになっている。膜付きによるパーテ
ィクル発生等で成膜性能を損なわないためには、フィラ
メントを設置する場所を、前記基板トレイや電極より離
れた位置にする。例えば、図７の斜線部のように、電極
から離れなおかつ内壁に近い位置に設置することが望ま
しい。

【００４６】このフィラメントを蒸発させ、真空度を回
復する方法としては、実施例１同様、２つ考えられる。

【００４７】まず一つにチャンバーのメンテナンス等の
機会で、大気解放をした場合、装置に付属のポンプ（ロ
ータリーポンプ、クライオポンプなど）で、４×１０^-4
Pa程度まで真空に引き、通電によりフィラメントを蒸発
させる。

【００４８】もう一つは、一つのチャンバーで、成膜時
に流すガス種が異なる膜を成膜する必要があるとき、残
留ガスを捕獲回収する場合である。つまりＣＶＤ装置で
基板を成膜、捕獲回収したのち上記のフィラメントを通
電加熱等で蒸発させ、チャンバー内の残留ガスを捕獲回
収し真空度を回復する利用法である。

【００４９】この場合も、フィラメント材としてはＴｉ
に限らず、頻繁に使用するガスに対して有効な材料を利
用する。

【００５０】［実施例３］本実施例では、本願発明を蒸
着装置へ応用する例を以下に示す。

【００５１】蒸着成膜の利点に、膜質の純度がスパッタ
成膜、ＣＶＤ成膜に比べて高いことがあげられる。これ
は成膜が高真空雰囲気で行われるからである。すなわち
チャンバーを高真空に保つことこそ、蒸着装置の成膜長
所を生かすことにつながる。

【００５２】蒸着装置の構造の概略を図８に示す。装置
はチャンバー８０１と、その内部に配置された蒸発源８
０２、膜厚モニタ８０３、成膜する基板がセットされた
ホルダー８０４からなる。

【００５３】チャンバー内の底部８０５に図６のような
一式を設置することで、実施例1あるいは実施例２同
様、目的の真空度に到達する時間を短縮することができ
る。

【００５４】蒸着は、薄膜でも非常に薄いもの、あるい
は膜質の純度の高いものを成膜する事が多く、成膜する
基板や蒸発源に対し、より高度な表面清浄が求められ
る。特にこのような用途の蒸着装置は、基板や蒸発源を
真空引きの際にシャッターなどで覆うことができ、これ
らにフィラメントのからの蒸発物が付着することを防げ
るものに応用することが望ましい。

【００５５】このフィラメントを蒸発させ、真空度を高
める方法としては、実施例１同様であるが、ガスを利用
しない特徴がある。すなわちメンテナンス等でチャンバ
ーを大気解放した後に、チャンバーに接続した真空ポン
プで、４×１０^-4Ｐａ程度まで真空に引き、通電により
フィラメントを蒸発させることである。

【００５６】

【発明の効果】本願発明をスパッタ成膜装置に適用すれ
ば、Ｔｉターゲットを消費することなく、目的の真空度
より低い真空度から、目的の真空度まで到達する時間が
短縮される。また、到達真空度を向上させることができ
る。

【００５７】また、Ｔｉを成膜しないチャンバーについ
ても本願発明を用いることによって真空度を短時間で高
められる。

【００５８】本願発明において最も単純な構成の場合、
チャンバー内にフィラメントを引き渡し、電源に接続す
ることで実施できる。新たにチャンバーポートからポン
プを増設し、従来あるポンプを接続することで、本願発
明と同様の到達真空度を得ることに比べ、安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】蒸発型ゲッターの仕組みを示す図。

【図２】バルク型ゲッターの仕組みを示す図。

【図３】チタンサブリメーションポンプの断面図。

【図４】スパッタチャンバーを上から見た図。

【図５】スパッタチャンバーの断面図。

【図６】フィラメントのシャッターの図。

【図７】プラズマＣＶＤの図。

【図８】蒸着装置の図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部を減圧状態にすることが可能な反応室
と、前記反応室の外部に設けられ、前記反応室に接続さ
れた排気手段と、前記反応室の内部に設けられたゲッタ
ー手段とを有し、前記ゲッター手段は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍ
ｏ、Ｎｂ、Ｂａから選ばれた一種または複数種の元素か
ら成るフィラメントと、前記フィラメントの加熱手段
と、を有することを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項２】請求項１において、前記フィラメントを覆
うシャッターを設置し、前記シャッターの開閉が可能で
あることを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記反
応室がスパッタ成膜をする手段を備えている場合、前記
フィラメントの蒸発に際し、前記フィラメントが、前記
反応室内においてターゲット、もしくはホルダー、から
防着板で遮蔽される位置に設けられることを特徴とする
薄膜作製装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか１におい
て、前記反応室がＣＶＤ成膜をする手段を備えている場
合、前記フィラメントが、その蒸発に際し、前記反応室
内においてホルダー、もしくは電極板、から防着板で遮
蔽される位置に設けられることを特徴とする薄膜作製装
置。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか１におい
て、前記反応室が真空蒸着成膜をする手段を備えている
場合、前記フィラメントが、その蒸発に際し、前記反応
室内においてホルダー、もしくは蒸着源、もしくは膜厚
モニタから防着板で遮蔽される位置に設けられることを
特徴とする薄膜作製装置。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれか１のゲッ
ター手段において、チャンバー内に、それぞれ異なる組
成から成る、複数のフィラメントが設置されていること
を特徴とする薄膜作製装置。
【請求項７】薄膜作製装置の反応室の排気手段として、
前記反応室の外部に設けられ、前記反応室に接続された
排気手段で真空引きを続けながら、前記反応室内に備え
た、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂａから選ばれた一種ま
たは複数種の元素から成るフィラメントを通電加熱し、
蒸発を一度もしくは繰り返し行い、前記フィラメントを
通電加熱した後の前記反応室内の真空度を、通電加熱を
させない場合より上回らせしめることを特徴とする薄膜
作製装置の使用方法。