JP2017190526A - Ｄｃマグネトロンスパッタリング - Google Patents

Abstract

【課題】堆積膜全体にわたる応力の変動を低減すること。【解決手段】基板上に膜を堆積させるためのＤＣマグネトロンスパッタリング装置であって、チャンバ、前記チャンバ内に配置された基板支持体、ＤＣマグネトロン、及び、使用時に、基板支持体上に配置された基板にイオンを衝突させるための電気バイアス信号を供給する電気信号供給装置を備え、前記基板支持体は、縁領域によって囲まれた中央領域を含み、前記中央領域は前記縁領域に対して隆起している、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置。【選択図】図３

Description

本発明は、基板上に膜を堆積させるためのＤＣマグネトロンスパッタリング装置に関する。本発明は、基板上に膜を堆積させる関連する方法にも関する。

現在、多くのＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ）デバイスは、デバイス制御のコンポーネントとして、圧電材料、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、バイメタル窒化物、例えば窒化アルミニウムスカンジウム（ＡｌＳｃＮ）などを利用している。多くのデバイスにおいて、堆積された圧電薄膜の応力状態は、デバイスの特性および有用性に対して直接的な影響を及ぼす。例えば膜およびカンチレバーなどのデバイスは、堆積された圧電薄膜の応力状態が非常に重要なデバイスの例である。中程度の圧縮応力を有する膜に適するデバイスがある一方で、中程度の引張応力を有する膜に適するデバイスがある。多くのデバイスは、応力が圧縮性であろうと引張り性であろうと、応力にわずかな変動しかないことを要求している。

高配向（００２）窒化アルミニウム粒子は、多くのＭＥＭＳデバイスの適切な機能にとって重要である。良好な粒子組織を達成するためには、高真空堆積環境および高いウェハ温度を使用することが重要である。高いターゲットパワー（２００ｍｍウェハの場合５ｋＷを超える）は、窒化アルミニウムの縮合の発熱エンタルピーに起因して高温をもたらす。理想的には、堆積された膜の応力状態は、ゼロに近い値でウェハ全体にわたって完全に均一である。これは、高歩留まりデバイス製造に適した均一なデバイス特性をもたらすであろう。しかし、この理想的な状態は、膜厚、イオン衝撃及び温度などの因子の変化のために、達成されない。一般的に、良好な組織を有する窒化アルミニウム結晶を形成するためには、４００℃以上の比較的高いウェハ温度が必要であるが、これらの高温は、膜を引張り状態で形成させる。本質的に純粋な熱的である窒化アルミニウムの堆積は、堆積された膜の全体にわたって比較的均一な応力分布を有する。しかし、膜は、高引張応力状態で堆積される。この均一性は、堆積中のウェハ表面への穏やかで均一なプラズマ種の凝縮のために達成される、堆積中の非常に均一なウェハ温度による。しかし、ウェハが冷めて緩和するにつれて収縮により生じる膜のクラッキングは重大な問題である。膜のクラッキングのためにウェハの中央部で応力が低下する。図１は、ウェハ全体にわたる半径方向位置の関数としての熱堆積された窒化アルミニウム膜の応力値を示す。膜の全体的な応力状態は非常に引っ張り性であることが分かる。また、膜全体にわたって、応力値には約１００ＭＰａの変動があることが分かる。

直流（ＤＣ）バイアスを誘発させるために高周波（ＲＦ）電力をウェハに印加してＤＣマグネトロンスパッタリングによって窒化アルミニウム膜を堆積させた場合には、堆積された膜で異なる応力特性が観測される。図２は、直流バイアスを誘発させるために印加されたＲＦ電力を用いてＤＣマグネトロンスパッタリングを用いて堆積された窒化アルミニウム膜の半径方向位置の関数としての応力を示す。平均応力値は、図１と比較して実質的に減少していることが分かる。図２に示す応力プロファイルでは、平均応力は約５０ＭＰａであり、最大応力値は約２５０ＭＰａである。図２における応力プロファイルは、図１における応力プロファイルよりも均一性がかなり低く、図２ではほぼ５００ＭＰａの変動が観察される。したがって、ウェハ全体にわたる応力の変動は、膜の平均応力のほぼ１０倍です。これらの結果は容易に説明できる。印加されたＲＦ電力は、ＤＣバイアスおよび関連する電場をウェハ表面に誘導する。これはプラズマからウェハ表面へのイオン衝撃を増加させる。イオン衝撃は、堆積膜を圧縮して、より高い圧縮応力の状態を生じる。低い引張応力を有する窒化アルミニウム膜は、多くのＭＥＭデバイスでの使用に望ましいことがある。多くの用途では、−５０〜＋５０ＭＰａの範囲の応力値が望ましいが、膜全体にわたる高度の応力不均一性は望ましくない。応力の不均一性は、ウェハ上に均一な堆積厚さを達成するように構成されたスパッタリングシステムにおけるマグネトロンの典型的な設計に起因する。これにより、ターゲットの中央部よりもターゲット端部のターゲットがより多く侵食される。これにより、ターゲットの中央部に関連する「マイナー（minor）」なエロージョンゾーンと、ターゲットの端部に関連する「主（major）」エロージョンゾーンがもたらされる。この構成は均一な膜厚を保つのに理想的であるが、本願発明者らは、これは平均応力を制御するために印加されたＲＦ電力を用いる場合に問題があることを見出した。ターゲットの端部における主要なエロージョンゾーンの位置は、中央部と比較してターゲットの縁部ではるかに高いイオン化度をもたらす。ウェハ表面における電場は、中央部と比較して縁部ではるかに多い量のイオン衝撃を発生し、これにより、より高引っ張り性の中央部とより高圧縮性の縁部が膜に生じる。所定の目標サイズに対して、ウェハサイズが大きいほど、主要なエロージョンゾーンの影響が大きいために、ウェハの中央部と縁部における応力の差がより大きくなる。

本質的には強引張り性でないが、ＤＣバイアスでマグネトロンスパッタリングを使用する従来技術の方法と比較して、図２に示した結果を生じさせるために使用される方法のような、ウェハ全体にわたる応力の変動が低減された窒化アルミニウム膜を堆積させる方法を提供することが非常に望ましい。

本発明は、その実施形態の少なくともいくつかにおいて、これらの問題および必要性に対処する。本発明は窒化アルミニウム膜の堆積に特に適用可能であるが、他の材料の堆積にも適用可能である。

本発明の第１の態様によれば、基板上に膜を堆積させるためのＤＣマグネトロンスパッタリング装置であって、
チャンバ；
チャンバ内に配置された基板支持体；
ＤＣマグネトロン；及び
使用時に、基板支持体上に配置された基板にイオンを衝突させる電気バイアス信号を供給するための電気信号供給装置；
を備え、
基板支持体は、縁領域によって囲まれた中央領域を含み、中央領域は縁領域に対して隆起している、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置が提供される。

使用時には、基板の一部が縁領域を覆うように平坦な基板を基板支持体の中央領域上に配置してもよい。縁領域の上に重なる基板の部分は、縁領域から離間される。驚くべきことに、この配置は、堆積膜にわたる応力均一性の実質的な改善をもたらすことができることが見出された。さらなる利点は、堆積膜の平均応力を比較的低くできることである。これは、堆積膜を、例えばＭＥＭなどの多くの有用な用途に適したものにする。

基板支持体は、縁領域から中央領域に至る段差を含むことができる。段差は、０．１〜１．０ｍｍの範囲内の高さを有することができる。好ましくは、段差は０．２〜０．５ｍｍの範囲内の高さを有する。

中央領域は、実質的に平坦なプラトー領域を画定することができる。
電気信号供給装置は、ＲＦバイアス信号を供給することができる。
電気バイアス信号は、イオンを基板に衝突させるＤＣバイアスを誘発させることができる。
典型的には、電気バイアス信号が基板支持体に供給される。

ＤＣマグネトロンは、パルスＤＣマグネトロンであることができる。あるいは、ＤＣマグネトロンは、非パルスＤＣマグネトロンであることができる。
一般的に、ＤＣマグネトロンはターゲットを含む。ターゲットは、膜形成プロセスの一部としてターゲットからスパッタされ得る適切な材料から作られる。

ＤＣマグネトロンは、平衡型マグネトロンまたは非平衡型マグネトロンであってもよい。
この装置は、成膜中に基板を回転させるための回転装置を備えていてもよい。回転装置は、基板支持体の一部を成すことができる。回転装置は、基板支持体内に配置されたパックであることができる。
基板支持体はプラテンであることができる。

中央領域および縁領域を含む本発明の基板支持体は、様々な方法で都合よく製造することができる。基板支持体を製造するためにミリングプロセスを使用することができる。これは、基板支持体が縁領域と中央領域との間に段差を含む場合に特に便利である。

本発明の第２の態様によれば、基板上に膜を堆積させる方法であって、
チャンバ内の基板支持体上に基板を配置する工程；及び
電気バイアス信号によってイオンを基板に衝突させるＤＣマグネトロンスパッタリングプロセスを使用して基板上に膜を堆積させる工程、
を含み、
基板支持体は、縁領域によって囲まれた中央領域を含み、中央領域は縁領域に対して隆起しており、基板の一部が縁領域を覆い、かつ、縁領域から離間するように基板は中央領域上に配置される、基板上に膜を堆積させる方法が提供される。

膜は、金属窒化物膜であることができる。膜は窒化アルミニウム膜であることができる。膜は、［００２］配向窒化アルミニウム膜であることができる。
膜は、例えばＡｌＳｃＮ膜などのバイメタル窒化物膜であることができる。

しかし、原理的には、膜は、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって堆積され得る任意の膜であり得る。本発明は、許容差が厳しく、応力均一性に対する厳しい制御が要求される膜の堆積に特に適する。膜は、反応性スパッタリングによって堆積させることができる。
電気バイアス信号は、ＤＣバイアスを生成することができる。
電気バイアス信号は、ＲＦバイアス信号であることができる。

典型的には、基板は縁領域を越えて延在する。一般的に、基板支持体は関連する直径を有し、基板は関連する直径を有する。これらの実施形態では、基板の直径は、典型的には基板支持体の直径より大きい。

基板は、膜の堆積中に回転させることができる。これにより、膜全体にわたる膜応力の均一性をさらに改善できることが分かった。

膜は薄膜であってもよい。堆積が完了した後、膜は１００ミクロン以下の厚さを有することができる。しかしながら、本発明は、任意の所望の厚さの膜を堆積させるために使用することができる。

ＤＣマグネトロンスパッタリングプロセスは、１〜２０ミリトル（mTorr）の範囲内のチャンバ圧力で実施することができる。

ＤＣマグネトロンスパッタリングプロセスの間、基板支持体は１００〜４００℃の範囲内の温度であり得る。
電気バイアス信号は、−２０〜５０Ｖの範囲内の電圧を有することができる。
典型的には、基板は、例えばウェハなどの平坦な基板である。
基板は、例えば半導体ウェハなどの半導体基板であることができる。基板はシリコン基板であることができる。

本発明は上で説明したが、本発明は、上に示した特徴または以下の説明、図面又は特許請求の範囲に記載の特徴の任意の本発明の組み合わせに及ぶ。例えば、本発明の第１の態様に関連して説明した任意の特徴は、本発明の第２の態様と組み合わせて開示され、また、その逆も開示される。

本発明による装置および方法の実施形態を添付の図面を参照して説明する。

図１は、熱マグネトロン堆積プロセスの場合のウェハの半径方向位置の関数としてのＡｌＮ膜の応力を示す。 図２は、ＲＦ電力がウェハに印加されるマグネトロン堆積プロセスの場合のウェハの半径方向位置の関数としてのＡｌＮ膜の応力を示す。 図３は、本発明の装置を示す。 図４は、本発明の基板支持体の側面図である。 図５は、２つの段差付き基板支持体を使用して得られたウェハの半径方向位置の関数としてのＡｌＮ膜の応力を示す。 図６は、ウェハの半径方向位置の関数としての非対称ＡｌＮ膜の応力プロファイルを示す図である。 図７は、基板回転機構を有する段差付き基板支持体の切欠き斜視図である。 図８は、堆積中に回転されたウェハについてのウェハ位置の関数としてのＡｌＮ膜の応力を示す。

図３は、概して３０で示す本発明の装置を示す。装置３０は、チャンバ３２を備え、チャンバ３２は、ＤＣマグネトロン装置３４と、マグネトロン装置３４によって材料がスパッタリングされるターゲット３６と、所望の材料が上に堆積される基板（図示せず）を支持する基板支持体３８とを含むチャンバ３２を含む。図３に示した実施形態では、チャンバは円筒形であるが、原理的には他のチャンバ形状を用いてもよい。説明を簡単にするために、例えばガスの入口および出口などのマグネトロンスパッタリング装置の他の一般的な特徴は、図３に示されていない。

ＤＣマグネトロン装置３４は、チャンバ３２の蓋として機能するターゲットバッキングプレート３４ａを備える。ターゲット３６は、ターゲットバッキングプレート３４ａに接合されている。回転可能な磁石３４ｂは、ターゲットバッキングプレート３４ａの面およびターゲット３６に近接して対向して配置される。パルスＤＣ電力は、ＤＣ電源４０からターゲット３６に供給される。ＤＣ電源バイアスを基板支持体に供給するために、ＲＦ電源４２から基板支持体３８にＲＦ電力が供給される。典型的には、基板支持体３８は、通例の１３．５６ＭＨｚで駆動されるが、本発明はこれに限定されない。電源４０，４２の動作は、コントローラ４４によって制御される。コントローラ４４は、適切なグラフィカルユーザインタフェースを有するコンピュータであることができる。

使用時には、負のＤＣバイアスを生成するように駆動される基板支持体３８上にウェハが配置される。適切な混合ガスがチャンバ内に導入され、負の高いパルス直流電圧がターゲットバッキングプレート３４ａ／ターゲット３６に印加され、これによりターゲットバッキングプレート３４ａ／ターゲット３６はカソードとして機能する。これによって、高密度プラズマが生成する。ウェハは、磁石３４ｂの回転経路により決まるカソードの主エロージョントラックの内側に位置する。いかなる特定の理論または推測によって限定されることも望まないが、典型的には、ターゲットの中央部に比べて縁部ではるかに高い程度のイオン化があり、ウェハにおけるＤＣバイアスは、ウェハの中央部と比べて縁部でより多くのイオン衝撃を発生させると考えられる。これは、ウェハ全体にわたり一般的に高度の応力不均一性を生じると考えられる。

図４は、基板支持体３８をより詳細に示す。基板支持体は、段差３８ｃを介して隆起した中央領域３８ｂと連通する縁領域３８ａを有する段差付きプラテンの形態にあることが分かる。縁領域３８ａおよび中央領域３８ｂは、支持構造体３８ｄ上に支持されている。支持構造体３８ｄは、当該技術分野でよく知られているように、プラテンを昇降させることができる。図４は、基板支持体３８上に配置された基板ウェハ４６も示す。平坦な基板ウェハ４６は、中央領域３８ｂと同一平面上にあり、そのため、図４に示すように縁部３８ａに対して高い位置にある。基板ウェハ４６は、縁領域３８ａの上に張り出し、縁領域から離間している。いかなる特定の理論または推測によって限定されることも望まないが、基板支持体３８の階段状プロファイルは２つの効果を有すると考えられる。第１に、ＲＦカップリングはウェハ基板の縁部で減少し、ウェハの中央部に対するイオン衝撃を低減する。これは、堆積膜の縁部プロファイルをより引っ張り性にする。ウェハの中央部も引っ張り性であるので、ウェハ全体にわたる応力の変動は低減される。第２に、ウェハ基板の縁部において基板支持体とウェハ支持体との間に直接の接触はないため、基板支持体によるウェハの接触冷却を減少させると考えられる。ウェハ基板は、イオン衝撃によって、堆積中に加熱される。ウェハの中央部が基板支持体の中央領域３８ｂと熱的に接触しているので、ウェハの中央領域は基板支持体によって冷却される。ウェハ基板の縁部は直接接触冷却を受けず、そのため、より高い温度を経験する。これによって、基板の縁部をより引っ張り、ウェハ全体にわたる応力の全体的な変動を低減するように作用する。

従来の先行技術の基板支持体は平坦であり、ウェハは基板支持体の全領域にわたって接触していることが理解されよう。表１に、従来の平坦な先行技術のプラテンの寸法と、マーク１およびマーク２として示される本発明のプラテンの２つの実施形態の寸法を示す。表１において、Ｘは段の高さに対応し、Ｙは中央領域の直径に対応し、Ｚは縁領域の直径に対応する。これらの寸法は、直径２００ｍｍのウェハを支持するのに適する。典型的には、段の高さは１．０ｍｍ未満であるが、所望の基板サイズに応じ、しかも、ウェハの下の「ダークスペース」、すなわちプラズマがない状態を維持しながら堆積膜の所望の平均応力特性をもたらす、加熱及びＲＦ条件の最適な組み合わせを生じさせるために、基板支持体の段の高さおよび他の寸法を適宜変更できることが理解されよう。実験は、マーク１およびマーク２の基板支持体を使用してウェハ上にＡｌＮ膜を堆積させることによって実施した。関連するプロセス条件を以下の表２に示す。

図５は、本発明のマーク１およびマーク２プラテンを用いて得られたウェハの半径方向位置の関数としての応力プロファイルを示す。曲線５０はマーク１のプラテンを用いて得られた応力プロファイルを示し、曲線５２はマーク２のプラテンを用いて得られた応力プロファイルを示す。両方の場合の平均応力は適度に引っ張り性であり、マーク２のプラテンは堆積されたＡｌＮ膜にわずかにより高い引張平均応力を生じさせることが分かる。膜の全体にわたる応力の変動は、マーク１のプラテンの場合は約１４０ＭＰａであり、マーク２のプラテンの場合は約１００ＭＰａである。これと比較して、従来の平坦なプラテンを用いて堆積されたＡｌＮ膜は、約２５０ＭＰａの膜の全体にわたる応力の変動を示した。

堆積膜における応力の不均一性に影響を及ぼす別の因子は、ウェハの全体にわたる非半径方向成分の存在であることが観測された。場合によっては、ウェハ基板の一方の半分から他方の半分までに応力に大きな変動があることが分かった。図６は、ウェハの一方の半分から他方の半分まで非対称のプロファイルを示す応力プロファイル６０を示す。特定の理論または推測によって制限されることも望まないが、非対称性は、チャンバ中のプラズマ電位の小さな変動に起因する可能性が高いと考えられる。ウェハ表面における電位の１〜２Ｖの変化は、１００ＭＰａ程度の応力差につながる可能性がある。実際には、ハードウェアの小さな非対称性のためにこのオーダの電圧変動を避けることは困難である。この問題は、本発明の基板支持体を使用し、堆積プロセス中にウェハを回転させることによって克服することができる。回転は様々な方法で行うことができるが、プロセス中にウェハが３６０度回転することが好ましい。原理的には、堆積中にウェハを連続的に回転させることが可能であるが、１つの実際的解決策は、複数の工程で膜を堆積させ、堆積工程の間にウェハを回転させることである。これにより、ウェハ全体にわたって平均化効果が得られるが、厚さの均一性および応力の均一性が改善される。図７は、堆積ステップの間にウェハを持ち上げて回転させるプラテンの中央にパック７２を有する段差付きプラテン７０を示す。これは、堆積プロセスを通してウェハを回転させることができる便利な方法である。図８は、図７に示した基板支持体を使用して得られたウェハの半径方向位置の関数としての応力プロファイル８０を示す。ウェハの全体にわたって比較的小さな応力の変動（約９０ＭＰａ）で優れた、ほぼ完全に対称なプロファイルが達成されたことが分かる。

本発明は、他の金属窒化物を含むある範囲の膜に適用することができる。本発明は、特に、許容差が厳しい堆積プロセス、特に、堆積膜の応力が非常に均一であることが要求される堆積プロセスに適用可能である。

Claims (16)

1. 基板上に膜を堆積させるためのＤＣマグネトロンスパッタリング装置であって、
   チャンバ；
   前記チャンバ内に配置された基板支持体；
   ＤＣマグネトロン；及び
   使用時に、基板支持体上に配置された基板にイオンを衝突させる電気バイアス信号を供給するための電気信号供給装置；
   を備え、
   前記基板支持体は、縁領域によって囲まれた中央領域を含み、前記中央領域は前記縁領域に対して隆起している、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置。
2. 前記基板支持体が、前記縁領域から前記中央領域に至る段差を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記段差が、０．１〜１．０ｍｍの範囲内、好ましくは０．２〜０．５ｍｍの範囲内の高さを有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記中央領域が、実質的に平坦なプラトー領域を規定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記電気信号供給装置がＲＦバイアス信号を供給する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ＤＣマグネトロンがパルスＤＣマグネトロンである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. フィルム堆積中に前記基板を回転させるための回転装置を備える、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 基板上に膜を堆積させる方法であって、
   チャンバ内の基板支持体上に基板を配置する工程；及び
   電気バイアス信号によってイオンを基板に衝突させるＤＣバイアスマグネトロンスパッタリングプロセスを使用して前記基板上に膜を堆積させる工程、
   を含み、
   前記基板支持体は、縁領域によって囲まれた中央領域を含み、前記中央領域は前記縁領域に対して隆起しており、前記基板の一部が前記縁領域を覆い、かつ、前記縁領域から離間するように前記基板は前記中央領域上に配置される、方法。
9. 前記膜が金属窒化物膜である、請求項８に記載の方法。
10. 前記膜が窒化アルミニウム膜である、請求項９に記載の方法。
11. 前記膜が（００２）配向窒化アルミニウム膜である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記膜がバイメタル窒化物膜、好ましくはＡｌＳｃＮ膜である、請求項９に記載の方法。
13. 前記電気バイアス信号がＤＣバイアスを生成する、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記電気バイアス信号がＲＦバイアス信号である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記基板が前記縁領域を越えて延在する、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記膜の堆積中に前記基板を回転させる、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の方法。

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