JP2017122262A - 成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数枚の成膜対象物に対してカーボン膜を連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に成膜レートの低下を抑制することができる成膜方法の提供。【解決手段】成膜対象物Ｗをその表面にＴａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ、Ｎｂ及びＭｏの中から選択される１つの金属層Ｍの表面に、アモルファスカーボン製ターゲットを用い、成膜対象物Ｗに０．２Ｗ／ｃｍ２より大きいバイアス電力を投入してスパッタリング法により成膜するカーボン膜Ｃの成膜方法。【選択図】図２

Description

本発明は、成膜方法に関し、より詳しくは、成膜対象物をその表面に金属層を有するものとし、この金属層の表面にカーボン膜をスパッタリング法により成膜するものに関する。

大容量の不揮発性半導体記憶装置として、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、電極膜としてのカーボン膜を量産性よく成膜するためにスパッタリング法による成膜方法が用いられている（例えば、特許文献２及び３参照）。

このような成膜方法では、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、カーボン製のターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を成膜対象物の表面に付着、堆積させることでカーボン膜が成膜される。ここで、成膜される薄膜の表面のラフネスを整えるために、スパッタリング中、成膜対象物にバイアス電力を投入することが一般的である。

しかしながら、成膜対象物をその表面に金属層を有するものとし、バイアス電力を投入した状態で複数枚の成膜対象物に対してカーボン膜を連続成膜すると、成膜レートが徐々に低下することが判明した。そこで、本発明者らは鋭意研究を重ね、ターゲットからのスパッタ粒子が金属層の表面に衝突して飛散し、この金属粒子がターゲット表面に付着して反応し、これによりカソード電圧が上昇することに起因することを知見するのに至った。

特開２０１５−１３８９４１号公報 特開平８−３１５７３号公報 国際公開第２０１５／１２２１５９号

本発明は、以上の点に鑑み、複数枚の成膜対象物に対してカーボン膜を連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に成膜レートの低下を抑制することができる成膜方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、成膜対象物をその表面に原子量が９０以上の金属で構成される金属層を有するものとし、この金属層の表面にカーボン膜をスパッタリング法により成膜する本発明の成膜方法は、アモルファスカーボン製ターゲットを用い、成膜対象物に０．２Ｗ／ｃｍ^２より大きいバイアス電力を投入して成膜することを特徴とする。

本発明によれば、成膜対象物に０．２Ｗ／ｃｍ^２より大きいバイアス電力を投入することで、カーボン膜の表面のラフネスを整えることができる。ここで、成膜対象物表面に金属層が露出していると、ターゲットからのスパッタ面から飛散したスパッタ粒子やスパッタガスのイオンが金属層表面に衝突し、金属層表面から金属粒子が飛散する。金属層を構成する金属が原子量９０以上の比較的重い金属である場合、金属層から飛散した金属粒子は成膜対象物表面に対して垂直方向に飛散する割合が高く、ターゲットのスパッタ面に到達する金属粒子の量が多くなる。本発明では、スパッタ面のラフネスが小さいアモルファスカーボン製ターゲットを用いるため、スパッタ面に金属粒子が付着し難く、スパッタ面と金属粒子との反応を抑制することができる。従って、複数枚の成膜対象物に対してカーボン膜を連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に成膜レートの低下を抑制することができる。

本発明において、前記アモルファスカーボン製ターゲットとして、スパッタ面のラフネスが０．５μｍＲａ以下であるものを用いることが好ましい。スパッタ面のラフネスが０．５μｍＲａよりも大きいと、スパッタ面に金属粒子が付着し易くなる場合がある。

本発明は、前記金属層を構成する金属が、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ、Ｎｂ及びＭｏの中から選択される場合に適用することが好適である。

本発明の実施形態の成膜方法を実施するスパッタリング装置を示す模式的断面図。 本発明の実施形態の成膜方法を説明する断面図。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態の成膜方法を実施するスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。以下においては、真空チャンバ１の天井部側を「上」、その底部側を「下」として説明する。

真空チャンバ１の底部には、排気管１０を介してターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプＰが接続され、処理室１ａ内を所定圧力（例えば１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の側壁には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１１が介設されたガス管１２が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスを処理室１ａ内に所定流量で導入できるようになっている。

真空チャンバ１の底部には、ステージ２が配置され、ステージ２には図示省略する静電チャックが設けられ、成膜対象物Ｗがその金属層（成膜面）を上側にして位置決め保持されるようにしている。また、ステージ２にはバイアス電源Ｅ２としての公知の構造を有する交流電源からの出力が接続され、成膜するカーボン膜の表面のラフネスを整えるため、スパッタリング中、成膜対象物Ｗにバイアス電力として０．２Ｗ／ｃｍ^２より大きい交流電力（例えば、０．４Ｗ／ｃｍ^２）を投入できるようになっている。尚、バイアス電力の上限は、ターゲット３１の冷却能力に応じて適宜設定することができ、例えば、０．７Ｗ／ｃｍ^２に設定することができる。

真空チャンバ１の天井部には、ターゲットアッセンブリ３が設けられている。ターゲットアッセンブリ３は、成膜しようとする薄膜（カーボン膜）の組成に応じて適宜選択されるアモルファスカーボン製ターゲット３１と、ターゲット３１のスパッタ面３１ａと背向する面（上面）に図示省略のインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合される例えばＣｕ製のバッキングプレート３２とを備える。バッキングプレート３２には図示省略の冷媒用通路が形成され、この冷媒用通路に冷媒を循環させることで、ターゲット３１を冷却出来るようになっている。ターゲット３１には、スパッタ電源Ｅ１としての公知の構造を有するパルス直流電源からの出力が接続され、スパッタリング中、所定のパルス直流電力（例えば、８０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ、１〜１０ｋＷ）が投入される。アモルファスカーボン製ターゲット３１としては、そのスパッタ面３１ａのラフネスが０．５μｍＲａ以下であるものを用いることができる。

バッキングプレート３２の上方には、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの下方空間に磁場を発生させる公知構造を有する磁石ユニット４が配置され、ターゲット３１からのスパッタ粒子を効率よくイオン化できるようにしている。

処理室１ａ内には、筒状の防着板５ｕ，５ｄが上下に配置され、真空チャンバ１の内壁面にスパッタ粒子が付着することを防止している。下側の防着板５ｄには、図示省略のシール手段を介して真空チャンバ１の底板を貫通する駆動手段５０の駆動軸５１が接続されている。駆動軸５１を駆動することで、防着板５ｄを、図中仮想線で示す成膜位置と、実線で示す搬送位置との間で上下動させることができる。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図示省略する公知の制御手段を有し、マスフローコントローラ１２の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、スパッタ電源Ｅ１及びバイアス電源Ｅ２の稼働等を統括制御することで、成膜対象物Ｗ表面にカーボン膜を成膜することができる。以下、図２も参照して、本発明の実施形態の成膜方法について、成膜対象物Ｗをシリコン基板Ｓの表面に原子量が９０以上の金属で構成される金属層Ｍを有するものとし、この金属層Ｍの表面にカーボン膜Ｃをスパッタリング法により成膜する場合を例に説明する。尚、金属層Ｍを構成する金属は、不揮発性半導体記憶装置への要求能に応じて、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ、Ｎｂ及びＭｏの中から適宜選択される。

先ず、防着板５ｄを搬送位置に下降させた状態で図示省略する搬送ロボットによりステージ２上に成膜対象物Ｗを搬送し、成膜対象物Ｗをその金属層を上側にして位置決め保持し、防着板５ｄを成膜位置に上昇させる。そして、処理室１ａ内の圧力が所定の圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ１２を制御してアルゴンガスを所定流量で導入し（このとき、処理室１ａの圧力が０．０１〜３０Ｐａの範囲となる）、スパッタ電源Ｅ１からターゲット３１にパルス直流電力を例えば８０ｋＨｚで１ｋＷ〜１０ｋＷ投入し、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。このとき、成膜するカーボン膜Ｃの表面ラフネスを整えるために、バイアス電源Ｅ２からステージ２にバイアス電力として０．２Ｗ／ｃｍ^２より大きい交流電力を投入する。これにより、ターゲット３１のスパッタ面３１ａがスパッタリングされて飛散したスパッタ粒子が成膜対象物Ｗの表面に付着、堆積することにより、金属層Ｍの表面にカーボン膜Ｃが成膜される。

ここで、成膜開始時に露出している金属層Ｍにスパッタ粒子やアルゴンイオンが衝突すると、金属層Ｍから金属粒子が飛散する。金属層Ｍを構成する金属が原子量９０以上の比較的重い金属である場合、金属層Ｍから飛散した金属粒子は成膜対象物Ｗの表面に対して垂直方向に飛散する割合が高く、ターゲット３１のスパッタ面３１ａに到達する金属粒子の量が多くなる。本発明では、スパッタ面３１ａのラフネスが小さいアモルファスカーボン製ターゲット３１を用いるため、スパッタ面３１ａに金属粒子が付着し難く、スパッタ面３１ａと金属粒子との反応を抑制することができる。

カーボン膜Ｃを所定時間成膜した後、スパッタガスの導入及び電力投入を停止し、防着板５ｄを搬送位置に下降させて、成膜済みの成膜対象物Ｗを搬出すると共に、成膜前の成膜対象物Ｗを搬入し、以上の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態によれば、金属層Ｍから飛散した金属粒子がターゲット３１のスパッタ面３１ａに付着して反応することを抑制することができる。このため、複数枚の成膜対象物Ｗに対してカーボン膜Ｃを連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に、成膜レートの低下を抑制することができる。しかも、成膜中、成膜対象物Ｗに比較的高いバイアス電力を投入しているため、カーボン膜Ｃの表面のラフネスを所望の範囲内に整えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、バイアス電力を０．４Ｗ／ｃｍ^２に設定する場合を例に説明したが、０．２Ｗ／ｃｍ^２よりも大きいバイアス電力を設定すれば、カーボン膜Ｃの表面ラフネスを整えることができる。

次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、成膜対象物Ｗとしてφ３００ｍｍのＳｉ基板Ｓの表面に金属層ＭたるＴａ膜が３０ｎｍの厚さで成膜されたものを用い、スパッタ面３１ａのラフネス（平均値）が０．４μｍＲａであるφ４００ｍｍのアモルファスカーボン製のターゲット３１が組み付けられた真空チャンバ１内のステージ２に成膜対象物Ｗをセットした後、Ｔａ膜Ｍの表面にカーボン膜Ｃを成膜した。成膜条件は、アルゴンガス流量：１００ｓｃｃｍ（処理室１ａ内の圧力：０．２Ｐａ）、ターゲット３１への投入電力：８０ｋＨｚ、２ｋＷ、バイアス電力：０．４Ｗ／ｃｍ^２、ターゲット３１と成膜対象物Ｗとの間の距離（ＴＳ間距離）：１９０ｍｍ、成膜時間：３０ｓｅｃとした。このようなカーボン膜Ｃの成膜を５枚の成膜対象物Ｗに対して連続で行い、１枚目〜５枚目のカソード電圧及び成膜レートを測定した結果を図３に示す。これによれば、カソード電圧（平均値）は約５１４Ｖで安定しており、成膜レートも約１５Å／ｍｉｎで安定していることが確認された。また、成膜されたカーボン膜Ｃの表面ラフネスを所望の範囲に整えることができることが確認された。

また、バイアス電力を０．２６７Ｗ／ｃｍ^２，０．５３３Ｗ／ｃｍ^２に変化させる点以外は、上記実験の成膜条件で成膜し、それぞれの場合についてカソード電圧及び成膜レートを測定したところ、上記実験と同様の結果が得られた。さらに、バイアス電力を０．２Ｗ／ｃｍ^２に変化させて成膜したところ、カーボン膜Ｃの表面ラフネスが大きくなることが確認された。これより、カーボン膜Ｃの表面ラフネスを整えるためには、バイアス電力を０．２Ｗ／ｃｍ^２よりも大きく設定する必要があることが判った。

また、金属層ＭとしてＴａ膜に代えて、Ｐｔ膜、Ｗ膜、Ｒｕ膜、Ｎｂ膜、Ｍｏ膜が成膜された成膜対象物Ｗを用いる点以外は、上記実験の成膜条件で成膜し、それぞれの場合についてカソード電圧及び成膜レートを測定したところ、上記実験と同様の結果が得られた。これより、原子量９０以上の金属の場合、金属層Ｍにスパッタ粒子やアルゴンイオンが衝突した際、成膜対象物Ｗ表面から垂直方向に飛散する割合が大きく、ターゲット３１のスパッタ面３１ａに到達する量が多くなると考えられるが、本発明を適用することでスパッタ面３１ａと金属粒子との反応を抑制できることが判った。

上記実験に対する比較のため、以下の比較実験を行った。比較実験では、上記アモルファスカーボン製のターゲットに代えて、スパッタ面のラフネス（平均値）が０．９７μｍＲａであるパイロカーボン製のターゲットを用いる点以外は、上記実験の成膜条件で成膜し、上記実験と同様に成膜時のカソード電圧及び成膜レートを測定し、その測定結果を比較例として図３に併せて示す。これによれば、２枚目以降にカソード電圧が上昇し、３枚目以降に成膜レートが低下することが確認された。

Ｗ…成膜対象物、Ｍ…Ｔａ層（金属層）、Ｃ…カーボン膜、３１…アモルファスカーボン製ターゲット、３１ａ…スパッタ面。

Claims (3)

1. 成膜対象物をその表面に原子量が９０以上の金属で構成される金属層を有するものとし、この金属層の表面にカーボン膜をスパッタリング法により成膜する成膜方法において、
   アモルファスカーボン製ターゲットを用い、成膜対象物に０．２Ｗ／ｃｍ^２より大きいバイアス電力を投入して成膜することを特徴とする成膜方法。
2. 前記アモルファスカーボン製ターゲットのスパッタ面のラフネスが０．５μｍＲａ以下であることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
3. 前記金属は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ、Ｎｂ及びＭｏの中から選択されることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜方法。
   
   
   

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