JP2014181376A - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットの非侵食領域に形成されたリデポ膜を簡単な手法で除去することができるスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】基板Ｗとターゲット３が配置される真空チャンバ１と、ターゲットの後側に配置される磁石ユニット４とを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してプラズマを形成し、スパッタ面３１をスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させる。磁石ユニットにより形成される磁束の位置に応じてスパッタ面が所定の領域で侵食される。真空チャンバ内に、基板とターゲットとの間でこのターゲットを臨む位置に進退自在な可動部材５を設け、可動部材をターゲットを臨む位置に進入させた状態でスパッタ面をスパッタリングすると、ターゲットの侵食される領域がスパッタ面内でシフトするように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング装置及びスパッタリング方法に関し、より詳しくは、ターゲットの非侵食領域に形成されたリデポ膜を簡単な手法で除去することができるものに関する。

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は、半導体ウエハなどの処理すべき基板の表面に誘電体膜を量産性良く成膜するために、マグネトロン方式のスパッタリング（以下「スパッタ」という）装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。このものは、基板とターゲットとが配置される真空チャンバと、ターゲットから基板に向かう方向を前、このターゲットの前面をスパッタ面として、ターゲットの後側に配置される磁石ユニットとを備える。そして、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに負の電位を持った直流電力や交流電力を投入し、基板とターゲットとの間の空間にプラズマを形成し、スパッタ面をスパッタして飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させて成膜する。このとき、磁石ユニットにより形成される磁束の位置に応じてスパッタ面の所定の領域が侵食される一方で、その他の領域は、スパッタにより侵食されない非侵食領域として残る。

ここで、ターゲットから飛散したスパッタ粒子の一部は、ターゲットのスパッタ面に再付着する。侵食される領域に再付着したスパッタ粒子は再度スパッタされるが、非侵食領域では再付着したスパッタ粒子がそのまま堆積してリデポ膜が形成される。このようなリデポ膜がターゲットから剥離して基板に堆積すると、パーティクル等となって製品歩留まりの低下を招来する。このため、所定の厚さ以上のリデポ膜が形成される前にターゲットを交換することが考えられる。然し、これでは、ターゲットの厚さに応じた寿命に達する前にターゲットを交換することになり、ターゲットが誘電体成膜用の高価なターゲットであるような場合、製造コストが多大となる。そこで、簡単な手法で定期的にリデポ膜を除去し得るようにスパッタリング装置を構成することが望まれている。

特開２００８−２８５７５４号公報（背景技術の欄参照）

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットの非侵食領域に形成されたリデポ膜を簡単な手法で除去することができる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。

上記課題を解決するために、本発明は、処理すべき基板とターゲットとが配置される真空チャンバと、ターゲットから基板に向かう方向を前、このターゲットの前面をスパッタ面として、ターゲットの後側に配置される磁石ユニットとを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して基板とターゲットとの間の空間にプラズマを形成し、スパッタ面をスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させるスパッタリング装置であって、磁石ユニットにより形成される磁束の位置に応じてスパッタ面が所定の領域で侵食されるものにおいて、真空チャンバ内に、基板とターゲットとの間でこのターゲットを臨む位置に進退自在な可動部材を設け、この可動部材をターゲットを臨む位置に進入させた状態でスパッタ面をスパッタリングすると、ターゲットの侵食される領域がスパッタ面内でシフトするように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、基板とターゲットとの間でこのターゲットを臨む位置に進退自在な可動部材を設けたため、例えば、ターゲットに投入される積算電力投入時間（積算電力）が所定値に達したとき、ターゲットのスパッタ面にリデポ膜が形成されたと判断し、上記可動部材を退避させた状態で行われる基板への成膜を中断する。そして、上記可動部材をターゲットを臨む位置に進入させてターゲットのスパッタ面をスパッタリングするとき、ターゲットの侵食される領域を、リデポ膜を除去できる位置にシフトすれば、リデポ膜を簡単に除去できる。この場合、可動部材を回転軸により回動自在なシャッタ板とし、このシャッタ板が磁性体を有するようにすれば、スパッタリング装置に備えられていることが多い既存のシャッタ板で可動部材を代用できてよい。尚、磁性体を有するとは、シャッタ板が磁性体で作製される場合を含むものとする。

また、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、可動部材をターゲットを臨む位置から退避させた状態でターゲットのスパッタ面をスパッタリングし、スパッタ粒子を基板に付着、堆積させて基板表面に成膜する第１工程と、可動部材をターゲットを臨む位置に進入させた状態でターゲットのスパッタ面をスパッタリングし、第１工程にてターゲットのスパッタ面をスパッタリングしたときに侵食されないスパッタ面の非侵食領域を優先的に侵食する第２工程とを備える。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式図。 実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のスパッタリング装置について、処理すべき基板Ｗをシリコンウエハとし、この基板Ｗの表面にＧＳＴ膜をスパッタにより成膜するのに用いられるものを例に説明する。尚、以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

図１を参照して、ＳＭは、スパッタリング装置であり、この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の側壁には、マスフローコントローラ１０を介設したガス管１１が接続されており、図示省略のガス源からスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。スパッタガスには、Ａｒ等の希ガスだけでなく、反応性スパッタリングを行う場合には酸素ガスが含まれるものとする。

真空チャンバ１の底部には、基板ステージ２が配置されている。基板ステージ２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャック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、基板ステージ２上に基板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。

真空チャンバ１の上壁に形成された開口には、スパッタ面３１が基板ステージ２を臨むようにターゲット３が配置されている。ターゲット３は、Ｇｅ、Ｓｂ及びＴｅを含む焼結体から成り、公知の方法により基板Ｗより一回り大きい外形となるように作製されている。ターゲット３の上面（図１中、スパッタ面３１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３を冷却する銅製のバッキングプレート３２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、バッキングプレート３２の下面外周部が絶縁部材Ｉを介して真空チャンバ１の上壁に取り付けられている。ターゲット３にはスパッタ電源Ｅが接続され、スパッタリング時、ターゲット３に負の電位を持つ直流電力や交流電力を投入できるようになっている。

ターゲット３のスパッタ面３１を前面とし、ターゲット３の後側（図１中、上側）には磁石ユニット４が配置され、ターゲット３のスパッタ面３１の前方に、図示省略の磁束（例えば、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束）を発生させ、スパッタリング中、スパッタ面３１の下方で電離した電子及びスパッタリングにより生じた二次電子を捕捉してターゲット３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している。磁石ユニット４としては、平面視円形のヨーク材４１と、ヨーク材４１の下面に下方の極性を交互に変えて配置した複数個の磁石４２とを備える。ヨーク材４１には、モータ４３の回転軸４３ａが連結され、この回転軸４３ａを中心として回動できるようになっている。

真空チャンバ１内には、ターゲット３と基板Ｗとの間でこのターゲット３を臨む位置に進退自在なシャッタ板５が設けられ、ターゲット３のスパッタ面３１に形成された酸化膜をダミースパッタにより除去する場合に、シャッタ板５をターゲット３を臨む位置に進入させて、ターゲット３からのスパッタ粒子が基板ステージ２や基板Ｗに付着することを防止できるようになっている。シャッタ板５には、真空チャンバ１の下壁を貫通する回転自在な回転軸５２ａが連結され、この回転軸５２ａを真空チャンバ１の外側に配置されたモータ５２により回転させることで、シャッタ板５を回動できるようになっている。そして、本実施形態では、シャッタ板５に磁性体５１たる磁石が組み込まれており、シャッタ板５をターゲット３を臨む位置に進入させた状態でスパッタ面３１をスパッタすると、磁石５１により形成される磁束により、磁石ユニット４により形成される磁束が歪められ、ターゲット３の侵食される領域がスパッタ面３１内でシフトするようになっている。この場合、シャッタ板５が、本発明の可動部材を構成する。磁石５１としては、シャッタ板５がターゲット３を臨む位置に進入したときに、スパッタ面３１での磁場強度が５０Ｇ以上となるものを用いることが好ましく、磁場強度が２００Ｇ以上となるものを用いることがより好ましい。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、マスフローコントローラ１０の稼働及び真空排気手段Ｐの稼働、モータ４３，５２の駆動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ＧＳＴ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。

先ず、図１（ａ）に示すように、シャッタ板５をターゲット３を臨む位置から退避させる。この退避位置では、磁石ユニット４により形成される磁束が、シャッタ板５の磁石５１により形成される磁束により歪められない。この状態で真空チャンバ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を受け渡し、静電吸着する。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（１５０ｓｃｃｍ）で導入し、スパッタ電源Ｅからターゲット３に電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、０．７ｋＷの高周波電力）を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット３のスパッタ面３１がスパッタされ、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗの表面に付着、堆積させてＧＳＴ膜を成膜する（第１工程）。

ここで、第１工程中、磁石ユニット４により形成される磁束の位置に応じて、スパッタ面３１の所定領域が侵食される一方で、その他の領域は、スパッタにより侵食されない非侵食領域（例えば、スパッタ面３１の中心近傍）として残る。ターゲット３から飛散したスパッタ粒子の一部は、ターゲット３のスパッタ面３１に再付着する。侵食される領域に再付着したスパッタ粒子は再度スパッタされて飛散するが、非侵食領域では再付着したスパッタ粒子はそのまま堆積してリデポ膜Ｆが形成される。このリデポ膜Ｆがターゲット３から剥離して基板Ｗに堆積すると、パーティクル等となって製品歩留まりの低下を招来する。そこで、例えば、電源Ｅからターゲット３への積算電力投入時間（積算電力）が所定値（例えば、１０秒×２５枚）に達したとき、ターゲット３のスパッタ面３１にリデポ膜Ｆが形成されたと判断し、基板Ｗへの成膜を中断し、次の第２工程を行う。

第２工程では、図１（ｂ）に示すように、モータ５２の回転軸５２ａを回転させることによりシャッタ板５を回動させてターゲット３を臨む位置に進入させ、この状態でターゲット３をスパッタ（ダミースパッタ）する。ダミースパッタの条件としては、成膜時と同じ条件を用いることができる。このとき、シャッタ板５の磁石５１により形成される磁束によって、磁石ユニット４により形成される磁束が歪められ、ターゲット３の侵食される領域がスパッタ面３１内でシフトする。このため、第２工程では、第１工程にてスパッタしたときに侵食されないスパッタ面３１の非侵食領域が優先的に侵食されることにより、リデポ膜Ｆが除去される。

以上説明した実施形態によれば、ターゲット３を臨む位置に可動部材５を進入させてスパッタすることにより、ターゲット３の侵食される領域をリデポ膜Ｆを除去できる位置にシフトさせれば、リデポ膜Ｆを簡単に除去することができる。この場合、可動部材５を回転軸５２ａにより回動自在なシャッタ板とし、このシャッタ板５に磁石５１を組み付けるようにすれば、スパッタリング装置ＳＭに備えられていることが多い既存のシャッタ板５で可動部材を代用できてよい。

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３として直径φ４４０ｍｍのＧＳＴターゲットを用いた。シャッタ板５を退避させた後、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１５０ｓｃｃｍの流量で導入し（このとき、真空チャンバ１内の圧力は５×１０^―３Ｔｏｒｒ）、ターゲット３に対し電源Ｅから１３．５６ＭＨｚ、０．７ｋＷの高周波電力を投入してプラズマを形成し、ターゲット３をスパッタして基板Ｗ表面にＧＳＴ膜を成膜した。このような成膜を繰り返し行うと、ターゲット３の中心近傍には、リデポ膜Ｆが形成されることが確認され、これにより、ターゲット３のスパッタ面３１の中心近傍が非侵食領域となることが判った。次に、基板Ｗを搬出した後、シャッタ板５をターゲット３を臨む位置に進入させた状態で、上記成膜時と同じ条件でターゲット３をスパッタ（ダミースパッタ）した。尚、スパッタ時間は２５０ｓｅｃとした。ダミースパッタ後のターゲット３を観察したところ、その中心近傍のリデポ膜は除去されていることが確認された。従って、シャッタ板５の磁石５１により形成される磁束により、磁石ユニット４により形成される磁束が歪められて、ターゲット３の侵食される領域がスパッタ面３１内でシフトすることが判った。

次に、磁石５１の位置が異なる２つのシャッタ板５を用い、夫々成膜したＧＳＴ膜の膜厚の面内分布の変化を測定した。その測定結果を図２に示す。図２中の実線は、図１に示す如くシャッタ板５の中心近傍に磁石５１を形成した場合の膜厚面内分布を示しており、同図中の破線は、シャッタ板５の外周近傍に磁石５１を形成した場合の膜厚面内分布を示す。これによれば、シャッタ板５における磁石５１の位置を変えれば、ターゲット３の侵食される領域が変わり、それにより膜厚面内分布が変化することが判った。

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、可動部材としてシャッタ板を兼用するものを例に説明したが、シャッタ板として用いられないものであってもよい。また、上記実施形態では、シャッタ板５に磁石５１を組み付けたものを例に説明したが、例えば、Ｃｏ，Ｎｉ等の磁性材料（磁性体）で作製されたシャッタ板を用いることもでき、この場合、磁石が不要となりコストを低減できる。

また、上記実施形態では、ダミースパッタ時に基板ステージ２に基板Ｗを保持していないが、基板Ｗを基板ステージ２に保持した状態でダミースパッタ（第２工程）を行うようにしてもよい。これによれば、ダミースパッタが終了直後に、シャッタ板５を退避させれば、基板Ｗに成膜できるため、スループットを向上できてよい。

Ｗ…基板、１…真空チャンバ、３…ターゲット、３１…スパッタ面、４…磁石ユニット、５…可動部材，シャッタ板、５１…磁性体（磁石）。

Claims (3)

1. 処理すべき基板とターゲットとが配置される真空チャンバと、ターゲットから基板に向かう方向を前、このターゲットの前面をスパッタ面として、ターゲットの後側に配置される磁石ユニットとを備え、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して基板とターゲットとの間の空間にプラズマを形成し、スパッタ面をスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子を基板に付着、堆積させるスパッタリング装置であって、
   磁石ユニットにより形成される磁束の位置に応じてスパッタ面が所定の領域で侵食されるものにおいて、
   真空チャンバ内に、基板とターゲットとの間でこのターゲットを臨む位置に進退自在な可動部材を設け、この可動部材をターゲットを臨む位置に進入させた状態でスパッタ面をスパッタリングすると、ターゲットの侵食される領域がスパッタ面内でシフトするように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記可動部材は、回転軸により回動自在なシャッタ板であり、このシャッタ板が磁性体を有することを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 請求項１または２記載のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法において、
   可動部材をターゲットを臨む位置から退避させた状態でターゲットのスパッタ面をスパッタリングし、スパッタ粒子を基板に付着、堆積させて基板表面に成膜する第１工程と、
   可動部材をターゲットを臨む位置に進入させた状態でターゲットのスパッタ面をスパッタリングし、第１工程にてターゲットのスパッタ面をスパッタリングしたときに侵食されないスパッタ面の非侵食領域を優先的に侵食する第２工程とを備えることを特徴とするスパッタリング方法。

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