JP2019019376A

JP2019019376A - 成膜方法及びスパッタリング装置

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Publication number: JP2019019376A
Application number: JP2017138765A
Authority: JP
Inventors: 藤井　佳詞; Yoshiji Fujii; 佳詞藤井; 中村　真也; Shinya Nakamura; 真也中村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-18
Also published as: JP6927777B2

Abstract

【課題】プラズマの損失が生じたとしても、膜厚の面内分布の悪化を抑制できる成膜方法及び装置の提供。【解決手段】真空チャンバ１内にターゲット３と基板Ｗとを対向配置し、予め設定された処理時間でスパッタリングし、基板表面に薄膜を成膜する成膜方法は、ターゲットの基板との背面側に配置された磁石ユニット４によりターゲットの中心と外周部との間の所定領域にプラズマを偏在させると共に、この磁石ユニットを回転させることでターゲットの仮想円周上をプラズマが周回するようにし、ターゲットのスパッタリングによる基板への成膜に及ぼすプラズマの損失量が所定値以上となるか否を判定する判定工程と、プラズマの損失量が所定値以上となったときのプラズマの位相を特定する位相特定工程とを含み、処理時間経過後、位相特定工程で特定されたプラズマの位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、基板表面に薄膜を成膜する成膜方法及びスパッタリング装置に関する。

基板表面に薄膜を成膜する方法の一つとしてスパッタリング法によるものが従来から知られている。このものでは、真空チャンバ内に、成膜しようとする薄膜の組成に応じて選択されるターゲットと成膜対象物としての基板とを対向配置し、予め設定された処理時間でターゲットに所定電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを発生させてターゲットをスパッタリングすることで、基板表面に所望の膜厚で薄膜が成膜される。このとき、ターゲットの基板との背面側に配置された磁石ユニットによりターゲットの中心と外周部との間の所定領域にプラズマを偏在させると共に、この磁石ユニットを所定の回転数で回転させることでターゲットの仮想円周上をプラズマが周回するようにしたものもある（例えば、特許文献１参照）。この場合、プラズマに対向するターゲットの部分が主としてスパッタリングされると共に、スパッタリングされるターゲットの部分に対向する基板の部分に主として成膜され、このプラズマが周回することで、ターゲットがその全面に亘ってスパッタリングされると共に、膜厚分布よく基板表面に薄膜が成膜される。

ここで、真空雰囲気でターゲットをスパッタリングする当初、例えばターゲットの表面状態によっては、設定通りの電力がターゲットに投入されずに、プラズマが一時的に不安定になってターゲットのスパッタレートが遅くなる場合がある（所謂放電遅れ）。また、ターゲットのスパッタリングによる成膜中には、何らかの原因で異常放電（アーク放電）が発生する場合があり、このような場合にはターゲットへの電力投入を一時的に中断して異常放電の消弧操作が行われるが（所謂プラズマの失活）、このとき、ターゲットは実質的にスパッタリングされない（即ち、スパッタリングレートがゼロになる）。

上記放電遅れやプラズマの失活といったプラズマの損失は、予め設定された処理時間内でターゲットをスパッタリングして基板表面に所望の膜厚で成膜することに影響を及ぼすことになる。そして、上述のようにプラズマを周回させながらターゲットをスパッタリングする場合に、プラズマの損失が仮想円周上における特定の位相で発生すると、基板の部分に成膜される薄膜の膜厚が局所的に薄くなり、これでは、膜厚の面内分布が悪化してしまう。

特開２０１６−１１４４５号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットをスパッタリングして成膜する際にプラズマの損失が生じたとしても、膜厚の面内分布の悪化を可及的に抑制できるようにした成膜方法及びスパッタリング装置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、真空チャンバ内にターゲットと基板とを対向配置し、予め設定された処理時間でターゲットに所定電力を投入して真空チャンバ内に発生させたプラズマによりターゲットをスパッタリングし、基板表面に薄膜を成膜する本発明の成膜方法は、ターゲットの基板との背面側に配置された磁石ユニットによりターゲットの中心と外周部との間の所定領域にプラズマを偏在させると共に、この磁石ユニットを回転させることでターゲットの仮想円周上をプラズマが周回するようにし、ターゲットのスパッタリングによる基板への成膜に及ぼすプラズマの損失量が所定値以上となるか否を判定する判定工程と、プラズマの損失量が所定値以上となったときのプラズマの位相を特定する位相特定工程とを含み、処理時間経過後、位相特定工程で特定されたプラズマの位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行うことを特徴とする。尚、本発明において、プラズマの損失とは、例えば放電遅れやプラズマの失活のように、設定通りの電力をターゲットに投入できないことに起因してプラズマによるターゲットのスパッタリングレートが低下することを言うものとする。

本発明によれば、処理時間中に膜厚の補填が必要とされるプラズマの損失が生じたときのプラズマの位相を特定しておき、処理時間経過後、上記特定したプラズマの位相で膜厚を補填することで、基板面内における膜厚が局所的に薄い部分に対して膜厚を補填することができ、その結果として、膜厚面内分布の悪化を可及的に抑制することができる。

また、上記課題を解決するために、ターゲットと基板とが対向配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、プラズマによりターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、ターゲットの基板との背面側に配置されてターゲットの中心と外周部との間の所定領域に偏在する漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、この磁石ユニットをターゲットの中心を回転中心として回転させる駆動手段とを備え、ターゲットの仮想円周上をプラズマが周回するようにし、基板への成膜に及ぼすプラズマの損失量が所定値以上となったときのプラズマの位相を特定する位相特定手段と、位相特定手段で特定されたプラズマ位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜制御を行う制御手段とを更に備えることを特徴とする。

本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式的断面図。図１に示す磁石ユニットの模式平面図。プラズマの損失を説明する模式図。補正成膜を説明する図。

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説明する。図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。以下においては、図１を基準とし、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の側壁にはガス導入口が設けられ、ガス導入口には、ガス源１１に連通する、マスフローコントローラ１２が介設されたガス管１３が接続され、Ａｒなどの希ガスや反応ガスからなるスパッタガスを処理室１０内に所定流量で導入できるようになっている。また、真空チャンバ１の側壁には排気口が設けられ、排気口は排気管１４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１０を所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。

真空チャンバ１の底部には、後述するターゲット３と対向させてステージ２が絶縁部材Ｉ_１を介して配置されている。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所定電圧を印加することで、ステージ２上に基板Ｗをその成膜面を上にして位置決めした状態で保持できるようになっている。

真空チャンバ１の天井部には、処理室１０を臨むようにターゲット３が着脱自在に設けられている。ターゲット３のスパッタ面３ａと背向する面にはインジウムやスズ等のボンディング材を介してバッキングプレート３１が接続され、このバッキングプレート３１の周縁部が絶縁部材Ｉ_２を介して真空チャンバ１の側壁上部に装着されている。ターゲット３は、成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される金属や絶縁物製であり、公知の方法を用いて例えば平面視円形に作製されている。ターゲット３には、スパッタ電源Ｅとしての直流電源や高周波電源あるいは両電源からの出力が接続され、スパッタリング時、負の電位を持つ直流電力や高周波電力が投入されるか、あるいは高周波電力と直流電力とが重畳して投入される。バッキングプレート３１は、熱伝導の良いＣｕ等の金属製であり、内部に図示省略する冷媒循環通路が形成されている。冷媒循環通路に冷媒（例えば冷却水）を循環させることで、ターゲット３を冷却出来るようになっている。

ターゲット３のスパッタ面３ａと背向する側には、スパッタ面３ａ側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニット４が配置されている。この漏洩磁場により、ターゲット３の中心と外周部との間の所定領域にプラズマを偏在させるようにしている。図２も参照して、磁石ユニット４は、ヨーク４１と、ヨーク４１の下面に環状に列設した同磁化の複数個の第１の磁石４２と、第１の磁石４２の周囲を囲うように環状に列設した第１の磁石４２と同磁化の複数個の第２の磁石４３とを有する。ヨーク４１の上面には、駆動手段４４の駆動軸４５が接続され、ターゲット３をスパッタリングして成膜する間、ターゲット３の中心を回転中心として磁石ユニット４を回転させることで、ターゲット３の仮想円周上をプラズマが周回するようにしている。

上記スパッタリング装置ＳＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御部５を有し、マスフローコントローラ１２の稼働、真空ポンプＰの稼働、駆動手段４４の駆動、スパッタ電源Ｅの稼働等を統括制御するようにしている。制御部５は、後述する位相特定手段５１を備える。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた薄膜の成膜方法について説明する。

ターゲット３が配置された真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）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、ステージ２に基板Ｗを受け渡し、静電吸着する。次いで、スパッタガスたるアルゴンガスを例えば、１５０〜２５０ｓｃｃｍの流量で導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は２〜４Ｐａ）、スパッタ電源Ｅからターゲット３に予め設定された直流電力（例えば、３０００Ｗ）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し、ターゲット３をスパッタリングする。このスパッタリング中、駆動手段４４により磁石ユニット４を所定の回転数で回転させることでターゲット３の仮想円周上をプラズマが周回するようにすることで、ターゲット３のスパッタ面３ａがその全面に亘ってスパッタリングされると共に、ターゲット３から飛散したスパッタ粒子が基板Ｗ表面に付着、堆積することにより、膜厚分布よく基板Ｗ表面に薄膜が成膜される。

ここで、図３に示すように、ターゲット３のスパッタリング中、所謂放電遅れやプラズマの失活といったプラズマ損失が生じることがあり、このようなプラズマ損失は、予め設定された処理時間Ｔｓ内でターゲット３をスパッタリングして基板Ｗ表面に所望の膜厚で成膜することに影響を及ぼす。そして、磁石ユニット４を回転させてプラズマを周回させながらターゲット３をスパッタリングする場合、プラズマの損失が仮想円周Ｃｖ上における特定の位相で発生すると、当該損失が発生したときのプラズマに対向する部分に成膜される薄膜の膜厚が局所的に薄くなり、これでは、膜厚の面内分布が悪化する。

そこで、本実施形態では、ターゲット３のスパッタリングによる基板Ｗへの成膜に及ぼすプラズマの損失量が所定値以上となるか否を判定する（判定工程）。この場合、スパッタ電源Ｅからターゲット３への電力投入時にターゲット３を流れる電流値をスパッタ電源Ｅで取得し、この電流値を制御部５で監視し、電流値が所定値以下のときに、プラズマの損失量が所定値以上であると判定される。この所定値は、膜厚の補填が必要となるか否かを考慮して設定することができる。そして、処理時間Ｔｓの間、位相特定手段５１により、プラズマの損失量が所定値以上であると判定されたときのプラズマの位相を特定する（位相特定工程）。ここで、位相特定手段５１は、駆動手段４４によって回転される磁石ユニット４の回転角を用いてプラズマの位相を特定することができる。そして、処理時間Ｔｓが経過した後、上記位相特定工程で特定されたプラズマの位相（磁石ユニット４の回転角）にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行う。以下、図４を参照して、処理時間Ｔｓ内に発生した異常放電の消弧操作によりプラズマが失活した場合に行うものを例に、補正成膜について説明する。図４に示すように、処理時間Ｔｓの間に磁石ユニット４は４回転するものとし、２回転目と４回転目にプラズマ失活によるプラズマの損失が生じている。これらのプラズマの損失量は所定値以上（つまり、膜厚の補填が必要である）と判定され、プラズマの位相として磁石ユニット４の回転角Ｒｓ〜Ｒｅが夫々特定される。

処理時間Ｔｓが経過した後、電力投入を停止する。これと共に、磁石ユニット４の回転を継続させながら、上記特定されたプラズマの位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行う。即ち、磁石ユニット４の５回転目及び６回転目の回転角Ｒｓ〜Ｒｅにて、プラズマを発生させてターゲットをスパッタリングする。このとき、制御部５による制御遅れ時間、プラズマ放電の立ち上がり時間などを考慮し、事前に条件出しを行うことで、特定された回転角Ｒｓ〜Ｒｅにてスパッタリングを行うことができる。

以上によれば、処理時間Ｔｓ中に膜厚の補填が必要なプラズマの損失が生じたときのプラズマの位相を特定しておき、処理時間Ｔｓ経過後、上記特定したプラズマの位相で膜厚を補填することで、基板Ｗ面内における膜厚が局所的に薄い部分に対して膜厚を補填することができ、その結果として、膜厚面内分布の悪化を可及的に抑制することができる。

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、プラズマの位相を磁石ユニット４の回転角で特定する場合を例に説明したが、特定方法はこれに限定されず、駆動手段４４がステッピングモータで構成される場合にはステップ数で特定してもよい。

また、図４に示す例では、２回転目及び４回転目で特定されたプラズマの位相（回転角）が同じである場合について説明したが、特定されたプラズマの位相が異なる場合にも適用できることは明らかであり、この場合、５回転目で異なるプラズマの移動にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行ってもよい。これによれば、６回転目での補正成膜を行う必要がなく、スループットを向上でき、有利である。

ところで、プラズマ放電の開始、停止時間と、膜厚補填のための制御信号の開始、停止時間には時間差が生じることがある。例えば、あるスパッタリングの放電では、電流が所定値になるまで所定の時間をかけて増加させ、電流がゼロになるまで所定の時間をかけて低下させているため、このような時間を予め取得（測定）し、制御信号の開始に対する放電の開始までの遅れ時間と、制御信号の停止に対する放電の停止までの遅れ時間だけ先行した制御を行うことで、補填の精度を高めることができる。

さらに、特定されたプラズマの位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行うとき、補填すべき位相間（例えば、回転角Ｒｓ〜Ｒｅ）より前に成膜レートが十分に低い放電電力で放電を維持し、補填すべき位相間のみ所定の放電電力を投入することが好ましい。これによれば、放電着火時の過渡現象を省略できるため、補填のための短時間の放電をより安定させることができる。ここで、成膜レートが十分に低い放電電力は、予め設定された直流電力より十分に低い直流電力とすることができ、例えば、予め設定された直流電力の５％以下の直流電力とすることができる。また、ターゲット３に高周波電力と直流電力とを重畳して投入する場合、補填すべき位相間より前に高周波電力のみを投入して成膜レートが低い放電を維持し、補填すべき位相間のみ直流電力を重畳して投入してもよい。

上記実施形態では、カソードユニットを構成する回転自在な磁石ユニット４と固定のステージ２とを備えるスパッタリング装置について説明したが、例えば、基板表面に対してスパッタ粒子が斜入射するように傾斜配置されるカソードと回転自在な回転ステージとを備えるスパッタリング装置に対しても本発明を適用することができる。この場合、回転ステージに位相特定手段を設け、プラズマの損失が所定量以上であると判定されるときの回転ステージ（基板）の回転角を用いてプラズマの位相を特定し、特定した位相で補正成膜を行うようにすればよい。尚、カソードは傾斜配置されるものに限定されず、回転ステージが回転することで基板表面にその全面に亘って膜厚分布よく薄膜を成膜できるカソードを用いることができる。

Ｅ…スパッタ電源（プラズマ発生手段）、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｔｓ…処理時間、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、１２…マスフローコントローラ（プラズマ発生手段）、３…ターゲット、４…磁石ユニット、４４…駆動手段、５…制御部（制御手段）、５１…位相特定手段。

Claims

真空チャンバ内にターゲットと基板とを対向配置し、予め設定された処理時間でターゲットに所定電力を投入して真空チャンバ内に発生させたプラズマによりターゲットをスパッタリングし、基板表面に薄膜を成膜する成膜方法であって、
ターゲットの基板との背面側に配置された磁石ユニットによりターゲットの中心と外周部との間の所定領域にプラズマを偏在させると共に、この磁石ユニットを回転させることでターゲットの仮想円周上をプラズマが周回するようにしたものにおいて、
ターゲットのスパッタリングによる基板への成膜に及ぼすプラズマの損失量が所定値以上となるか否を判定する判定工程と、プラズマの損失量が所定値以上となったときのプラズマの位相を特定する位相特定工程とを含み、
処理時間経過後、位相特定工程で特定されたプラズマの位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
ターゲットと基板とが対向配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、プラズマによりターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜するスパッタリング装置であって、
ターゲットの基板との背面側に配置されてターゲットの中心と外周部との間の所定領域に偏在する漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、この磁石ユニットをターゲットの中心を回転中心として回転させる駆動手段とを備え、ターゲットの仮想円周上をプラズマが周回するようにしたものにおいて、
基板への成膜に及ぼすプラズマの損失量が所定値以上となったときのプラズマの位相を特定する位相特定手段と、
位相特定手段で特定されたプラズマの位相にてプラズマの損失で生じた膜厚を補填する補正成膜制御を行う制御手段とを更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。