JP2014159614A - Sputtering apparatus and sputtering method - Google Patents
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Description
本発明は、真空チャンバ内に複数のターゲットを配置したスパッタリング装置及びこれを用いたスパッタリング方法に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus in which a plurality of targets are arranged in a vacuum chamber and a sputtering method using the same.
従来から、例えば、不揮発性メモリ等の半導体デバイスの製造工程において、成膜対象物表面に誘電体膜を成膜するために上記種のスパッタリング装置(所謂、多元スパッタリング装置)が用いられている(例えば、特許文献1及び2参照)。このものは、半導体ウエハなどの成膜対象物が配置される真空チャンバ内に、この成膜対象物を夫々臨むように配置された複数個のターゲットと、各ターゲットに電力投入する複数台のスパッタ電源とを備える。そして、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各スパッタ電源から各ターゲットに負の電位を持つ直流電力や交流電力を夫々投入することにより真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタして成膜対象物の表面に成膜する。
Conventionally, for example, in the manufacturing process of a semiconductor device such as a non-volatile memory, the above kind of sputtering apparatus (so-called multi-source sputtering apparatus) is used to form a dielectric film on the surface of a film formation target (so-called multi-source sputtering apparatus) ( For example, see
ここで、ターゲットとして絶縁物が用いられるとき、スパッタ電源として高周波電源(交流電源)を用いることが一般的であり、交流電力をターゲットに投入するのに際しては、交流電源とターゲットとの間にインピーダンス整合器を介在させ、入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合を行うことで、常時、所望の設定交流電力がターゲットに投入されるようにしている。一方で、単一の真空チャンバに配置された複数個のターゲットに対し、複数台の高周波電源から入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させながら高周波電力を夫々投入すると、所謂クロストークが発生し易いことが知られている。このようにクロストークが発生すると、負荷インピーダンスが変動し、インピーダンス整合器による入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合が追従できず、スパッタ電源への反射電力が増大してしまう。その結果、所望の設定交流電力がターゲットに投入されず、ターゲットによってはスパッタリングレートが著しく低下してしまうという不具合が生じる。 Here, when an insulator is used as the target, it is common to use a high frequency power source (AC power source) as a sputtering power source. When the AC power is input to the target, the impedance is between the AC power source and the target. By interposing a matching device and matching the input impedance and the load impedance, a desired set AC power is always input to the target. On the other hand, if high-frequency power is applied to a plurality of targets arranged in a single vacuum chamber while matching input impedance and load impedance from a plurality of high-frequency power sources, so-called crosstalk is likely to occur. It has been known. When such crosstalk occurs, the load impedance fluctuates, the matching between the input impedance and the load impedance by the impedance matching device cannot follow, and the reflected power to the sputter power source increases. As a result, there is a problem that desired setting AC power is not input to the target and the sputtering rate is significantly reduced depending on the target.
このような不具合を解消するために、上記特許文献2では、スパッタ電源毎に、出力周波数(例えば、4MHzと13、56MHz)を変え、各ターゲットに交流電力を投入するようにしている。然し、このような方法では、出力周波数の異なる電源を複数台用意する必要が生じ、装置のコスト高を招く。また、同一の設定投入電力におけるスパッタリングレートが各ターゲット毎に相違するため、所望の膜特性(膜厚や膜質)を持つようにプロセス条件を設定することが難しいという問題もある。
In order to solve such a problem, in
本発明は、以上の点に鑑み、単一の真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲットに対して複数台のスパッタ電源から単一の周波数で夫々交流電力を投入する場合に、効果的にクロストークの発生を抑止できるようにした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をその課題とする。 In view of the above, the present invention is effective when AC power is applied at a single frequency from a plurality of sputter power sources to a plurality of targets arranged in a single vacuum chamber. It is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus and a sputtering method capable of suppressing the occurrence of crosstalk.
上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバ内に配置された複数枚のターゲットに対し、夫々の周波数を一致させて交流電力を投入する複数台のスパッタ電源と、各スパッタ電源からの出力のタイミングを相互に一致させる同期手段とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a sputtering apparatus of the present invention includes a plurality of sputtering power sources for supplying AC power to each of a plurality of targets arranged in a vacuum chamber with the same frequency and each sputtering power source. Synchronizing means for matching the timing of outputs from the power supply to each other is provided.
本発明者らは、鋭意研究を重ね、単一の真空チャンバに配置された複数個のターゲットに対し、複数台の高周波電源から入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させながら高周波電力を夫々投入するとき、各交流電源からの出力タイミングを一致させれば、クロストークの発生を効果的に抑止できることを知見するに至った。そこで、本発明では、各ターゲットに同期手段を接続し、この同期手段により各スパッタ電源からの出力タイミングを相互に一致させるようにした。これにより、単一種類のスパッタ電源を用意すればよいため、低コスト化が図られ、しかも、同一の設定投入電力におけるスパッタリングレートが各ターゲット毎に略一致するため、所望の膜特性(膜厚や膜質)を持つようにプロセス条件を設定することが容易になる。 The present inventors have conducted extensive research and applying high-frequency power to a plurality of targets arranged in a single vacuum chamber while matching input impedance and load impedance from a plurality of high-frequency power sources, respectively. The inventors have found that the occurrence of crosstalk can be effectively suppressed if the output timings from the AC power supplies are matched. Therefore, in the present invention, a synchronizing means is connected to each target, and the output timings from the respective sputtering power sources are made to coincide with each other by this synchronizing means. As a result, it is sufficient to prepare a single type of sputtering power source, so that the cost can be reduced and the sputtering rate at the same set input power is approximately the same for each target, so that desired film characteristics (film thickness) It becomes easy to set process conditions so as to have a film quality.
前記スパッタ電源が高周波電源であり、各高周波電源からの出力をインピーダンス整合器を介してターゲットに投入する本発明において、各インピーダンス整合器と各ターゲットとを夫々接続する出力ケーブルを備え、各出力ケーブルとして同等のものを用いることが好ましい。ここで、同等の出力ケーブルとは、特性インピーダンスや高周波電力の損失が相互に一致するものをいい、例えば、ケーブル長や導体及び絶縁体の外径が同一に設定されたものをいう。これによれば、上記の如くクロストークの発生を抑止できることと相俟って、インピーダンス整合を精度良く行うことができてよい。 In the present invention, in which the sputtering power source is a high frequency power source, and an output from each high frequency power source is input to a target via an impedance matching unit, each output cable includes an output cable for connecting each impedance matching unit and each target. It is preferable to use an equivalent one. Here, the equivalent output cable refers to a cable in which the characteristic impedance and the loss of high-frequency power coincide with each other, for example, a cable in which the cable length and the outer diameter of the conductor and the insulator are set to be the same. According to this, coupled with the fact that the occurrence of crosstalk can be suppressed as described above, impedance matching may be performed with high accuracy.
上記スパッタリング装置を用いた本発明のスパッタリング方法は、成膜対象物が配置された真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各スパッタ電源から各ターゲットに同一の周波数で交流電力を夫々投入することにより、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタして成膜対象物表面に成膜するものにおいて、前記同期手段により各スパッタ電源の出力タイミングを相互に一致させることを特徴とする。 In the sputtering method of the present invention using the above sputtering apparatus, sputtering gas is introduced into a vacuum chamber in which an object to be deposited is arranged, and AC power is supplied from each sputtering power source to each target at the same frequency. In the case where a plasma atmosphere is formed in the vacuum chamber and each target is sputtered to form a film on the surface of the film formation target, the output timings of the respective sputtering power sources are made to coincide with each other by the synchronizing means.
以下、図面を参照して、ターゲットを誘電体たるアルミナ製とし、成膜対象物をシリコンウエハ(以下、「基板W」という)とし、ターゲットに高周波電力を投入して基板W表面にアルミナ膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。 Hereinafter, referring to the drawings, the target is made of alumina as a dielectric, the film formation target is a silicon wafer (hereinafter referred to as “substrate W”), high frequency power is applied to the target, and the alumina film is formed on the surface of the substrate W. The sputtering apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the case of film formation.
図1及び図2を参照して、SMは、本実施形態のスパッタリング装置であり、スパッタリング装置SMは、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Pを介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ1を備える。真空チャンバ1の底部中央には、基板ステージ2が配置され、この基板ステージ2は、例えば基板Wの輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台21と、この基台21の上面に装着されたチャックプレート22とで構成される。特に図示しないが、チャックプレート22には単極型や双極型の電極が埋設されており、この電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、チャックプレート22上面に基板Wをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。基台21の下面中央には、真空チャンバ1の底面に設けた開口に挿通された軸受け3により支承された回転軸23が連結され、この回転軸23を真空チャンバ1外側の駆動部(図示省略)により回転駆動することにより、基板ステージ2が基板Wを保持した状態で回転できるようになっている。尚、基台21に冷媒循環用の通路やヒータを内蔵しておき、スパッタリングによる成膜中、基板Wを所定温度に制御できるようにしてもよい。
Referring to FIGS. 1 and 2, SM is a sputtering apparatus of the present embodiment, and the sputtering apparatus SM is a vacuum that can be maintained at a predetermined degree of vacuum via a vacuum exhaust means P such as a rotary pump or a turbo molecular pump. A
真空チャンバ1の天井部は略円錐状に形成され、この天井部には、スパッタ面41が基板Wを夫々臨むように、周方向に所定の間隔で複数個のターゲット4が配置されている。本実施形態では、3個のターゲット4a,4b,4cを周方向に120°の間隔で傾斜配置させている。ターゲット4は、上記アルミナのような酸化物からなるものに限定されず、窒化チタンや窒化タンタルや窒化ケイ素のような窒化物、炭化ケイ素のような炭化物等の絶縁物のように、基板W表面に成膜しようとする膜の組成に応じて適宜選択された材料製で構成される。図示省略するが、ターゲット4の上面(スパッタ面41と背向する面)には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット4を冷却する銅製のバッキングプレートがインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなるボンディング材を介して接合されている。尚、各ターゲット4の上方に公知の磁石ユニットを夫々配置し、ターゲット4のスパッタ面41の下方空間に磁場(公知の閉鎖磁場やカスプ磁場)を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面41の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット4から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化するように構成してもよい。
The ceiling portion of the
真空チャンバ1内には、ターゲット4と基板Wとを囲繞するように防着板5が設けられ、真空チャンバ1の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止している。真空チャンバ1の側壁には、アルゴン等の希ガス(場合によっては、希ガスと酸素や窒素ガスとの反応ガス)たるスパッタガスを導入するガス導入管6が貫通してその先端が防着板5まで達し、スパッタガスを導入できるようにしている。図示省略するが、ガス導入管6は、マスフローコントローラを介してガス源に連通している。
In the
ターゲット4a〜4cには複数台のスパッタ電源たる高周波電源Ea〜Ecが接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数(例えば、13.56MHz)の高周波電力(数〜十数kW)が投入されるようにしている。ターゲット4a〜4cと高周波電源Ea〜Ecとの間にはインピーダンス整合器Ma〜Mcが介在され、入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合を行うことで、プロセスに応じて適宜決められた所望の設定交流電力がターゲット4a〜4cに投入されるようにしている。各インピーダンス整合器Ma〜Mcと各ターゲット4a〜4cとは出力ケーブル7a〜7cにより夫々接続されている。各出力ケーブル7a〜7cとしては、同等のもの、即ち、特性インピーダンスや高周波電力の損失が相互に一致するもの、例えば、ケーブル長や導体及び絶縁体の外径が同一のものを用いている。尚、本実施形態では、各高周波電源Ea〜Ecと各インピーダンス整合器Ma〜Mcとを接続する各出力ケーブルとして同等のものを用いている。
A plurality of high-frequency power sources Ea to Ec as sputtering power sources are connected to the
上記スパッタリング装置SMは、各高周波電源Ea〜Ecに接続された同期手段たるオッシレータOsを更に備え、このオッシレータOsにより各高周波電源Ea〜Ecからの高周波電力の周波数の同期をとることで、各高周波電源Ea〜Ecからの出力のタイミングを相互に一致させるようにしている。上記スパッタリング装置SMは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、オッシレータOsの稼働、マスフローコントローラの稼働及び真空排気手段Pの稼働等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置SMを用い、基板W表面にアルミナ膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態のスパッタリング方法について説明する。 The sputtering apparatus SM further includes an oscillator Os that is a synchronization unit connected to each of the high-frequency power sources Ea to Ec. By synchronizing the frequency of the high-frequency power from each of the high-frequency power sources Ea to Ec with this oscillator Os, Timings of outputs from the power supplies Ea to Ec are made to coincide with each other. The sputtering apparatus SM has known control means including a microcomputer, a sequencer, and the like, and controls the operation of the oscillator Os, the operation of the mass flow controller, the operation of the vacuum exhaust means P, and the like. Hereinafter, the sputtering method according to the embodiment of the present invention will be described by taking as an example the case where an alumina film is formed on the surface of the substrate W using the sputtering apparatus SM.
先ず、真空チャンバ1内を所定の真空度(例えば、2×10−7Torr)まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ1内に基板Wを搬送し、基板ステージ2に基板Wを受け渡す。次いで、チャックプレート22の電極にチャック電圧を印加して基板Wを静電吸着させた後、基板ステージ2を所定の回転速度で回転させる。このとき、基板ステージ2をヒータ等により加熱し、基板Wを所定温度に加熱してもよい。次いで、スパッタガスたるアルゴンガスを所定流量で導入し、高周波電源Ea〜Ecからインピーダンス整合器Ma〜Mcを介してターゲット4a〜4cに夫々同一の周波数(例えば、13.56MHz)で例えば100W高周波電力を投入することにより、真空チャンバ1内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、各ターゲット4a〜4cがスパッタされ、基板W表面にアルミナ膜が成膜される。
First, the
ここで、本発明者らは、単一の真空チャンバ1に配置された複数個のターゲット4a〜4cに対し、複数台の高周波電源Ea〜Ecからインピーダンス整合器Ma〜Mcを介して夫々の周波数を一致させて高周波電力を夫々投入するとき、各高周波電源Ea〜Ecからの出力タイミングを一致させれば、クロストークの発生を効果的に抑止できることを知見するに至った。そこで、本実施形態では、各ターゲット4a〜4cにオッシレータOsを接続し、このオッシレータOsにより各高周波電源Ea〜Ecからの出力タイミングを相互に一致させるようにした。これにより、単一種類の高周波電源Ea〜Ecを用意すればよいため、低コスト化が図られ、しかも、同一の設定投入電力におけるスパッタリングレートが各ターゲット4a〜4c毎に略一致するため、所望の膜特性(膜厚や膜質)を持つようにプロセス条件を設定することが容易になる。
Here, for the plurality of
また、各ターゲット4a〜4cと各インピーダンス整合器Ma〜Mcとを接続する各出力ケーブル7a〜7cとして同等のものを用いるため、上記の如くクロストークの発生を抑止できることと相俟って、インピーダンス整合を精度良く行うことができてよい。
In addition, since the
次に、上記スパッタリング装置SMを用い、本発明の効果を確認するために実験を行った。発明実験では、基板Wを直径300mmのシリコンウエハとし、ターゲット4a〜4cとして直径125mmのアルミナターゲットを用いた。基板ステージ2により基板Wを保持し、真空チャンバ1内にスパッタガスとしてアルゴンガスを100sccmの流量で導入し(このとき、真空チャンバ1内の圧力は3.1×10−3Torr)、ターゲット4a〜4cに対し高周波電源Ea〜Ecから13.56MHz、100Wの高周波電力を投入してプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲット4a〜4cをスパッタして基板W表面にアルミナ膜を成膜した。このとき、オッシレータOsを用いて各高周波電源Ea〜Ecからの出力タイミングを一致させた。スパッタ成膜中の各ターゲット4a〜4cにおけるVpp及びVdcを測定し、その結果を図3(a)に示す。これによれば、スパッタ成膜中、Vpp及びVdcとも略一定で安定しており、クロストークを抑止できることが確認された。
Next, an experiment was conducted to confirm the effect of the present invention using the sputtering apparatus SM. In the invention experiment, the substrate W was a silicon wafer having a diameter of 300 mm, and alumina targets having a diameter of 125 mm were used as the
それに対して、比較実験では、オッシレータOsを用いずに各高周波電力Ea〜Ecを作動させた点を除き、発明実験と同じ条件でスパッタ成膜を行った。このスパッタ成膜中の各ターゲット4a〜4cにおけるVpp及びVdcを測定し、その結果を図3(b)に示す。これによれば、スパッタ成膜中、Vpp及びVdcは変動し続け(特にVppは200V以上変動)、クロストークが発生したことが確認された。
On the other hand, in the comparative experiment, sputter film formation was performed under the same conditions as the inventive experiment except that the high-frequency powers Ea to Ec were operated without using the oscillator Os. Vpp and Vdc in each of the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では高周波電源から高周波電力をターゲットに投入する場合について説明したが、低周波電源等の他の交流電源を用いてもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the case where high frequency power is input from the high frequency power source to the target has been described, but another AC power source such as a low frequency power source may be used.
また、上記実施形態では、複数個のターゲットが同一の材料から成る場合を例に説明したが、複数個のターゲットが相互に異なる材料からなる場合にも本発明を適用できる。 In the above embodiment, the case where the plurality of targets are made of the same material has been described as an example. However, the present invention can also be applied to the case where the plurality of targets are made of different materials.
E(Ea,Eb,Ec)…高周波電源(スパッタ電源)、M(Ma,Mb,Mc)…インピーダンス整合器、Os…オッシレータ(同期手段)、SM…スパッタリング装置、W…基板(成膜対象物)、1…真空チャンバ、4(4a,4b,4c)…ターゲット、7(7a,7b,7c)…出力ケーブル。
E (Ea, Eb, Ec) ... high frequency power supply (sputtering power supply), M (Ma, Mb, Mc) ... impedance matching unit, Os ... oscillator (synchronizing means), SM ... sputtering apparatus, W ... substrate (film formation target) 1) Vacuum chamber, 4 (4a, 4b, 4c) ... Target, 7 (7a, 7b, 7c) ... Output cable.
Claims (3)
各インピーダンス整合器と各ターゲットとを夫々接続する出力ケーブルを備え、各出力ケーブルとして同等のものを用いることを特徴とするスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the sputtering power source is a high frequency power source, and an output from each high frequency power source is input to a target via an impedance matching unit.
A sputtering apparatus comprising an output cable for connecting each impedance matching unit and each target, and using an equivalent one as each output cable.
成膜対象物が配置された真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各スパッタ電源から各ターゲットに同一の周波数で交流電力を夫々投入することにより、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタして成膜対象物表面に成膜するものにおいて、
前記同期手段により各スパッタ電源の出力タイミングを相互に一致させることを特徴とするスパッタリング方法。
A sputtering method using the sputtering apparatus according to claim 1 or 2,
A sputtering gas is introduced into the vacuum chamber in which the film formation target is arranged, and AC power is applied to each target from each sputtering power source at the same frequency, thereby forming a plasma atmosphere in the vacuum chamber and each target. In order to form a film on the surface of an object to be formed by sputtering,
A sputtering method characterized in that output timings of the respective sputtering power sources are made to coincide with each other by the synchronizing means.
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