JP2019023337A

JP2019023337A - 成膜方法

Info

Publication number: JP2019023337A
Application number: JP2017143330A
Authority: JP
Inventors: 健三科; Ken Mishina; 猿渡　哲也; Tetsuya Saruwatari; 哲也猿渡; 厚文大岸; Atsufumi Ogishi
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-02-14

Abstract

【課題】成膜ばらつきが抑制され、且つメンテナンスを実施する周期を長くできる成膜方法を提供する。
【解決手段】シピに従って成膜処理を行う成膜装置を用いる成膜方法であって、成膜装置を用いて、レシピに設定された成膜処理条件に従って処理対象の基板に成膜する工程と、成膜装置に使用される器具を洗浄してからの成膜処理の累計時間に応じて成膜処理条件を変更し、レシピを更新する工程とを含み、累計時間が所定の使用限界時間に達するまで、レシピを更新する工程と更新されたレシピによって基板に成膜する工程を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、レシピに従って成膜処理を行う成膜方法に関する。

成膜装置を用いた成膜処理では、成膜装置の動作を規定する成膜処理条件が設定されている。そして、成膜処理条件の集合である「レシピ」に従って、成膜装置を使用した成膜処理が行われる（例えば、特許文献１参照。）。例えばプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置では、成膜時間、原料ガスをプラズマ化するための電力、原料ガスの流量などの成膜処理条件が設定されたレシピに従って成膜処理が行われる。

成膜装置を長期間使用すると、成膜装置の内部に配置された器具での着膜などに起因して、形成される膜に膜厚分布や膜質のばらつき（以下において「成膜ばらつき」という。）が生じる。例えば、プラズマＣＶＤ装置の電極に着膜が生じると成膜レートが変動し、成膜ばらつきが生じる。このため、成膜レートの変動が大きくなる前に、成膜装置から電極などの器具をはずし、洗浄液によるクリーニングなどのメンテナンスを実施する。

特開２００３−７７７８２号公報

しかしながら、成膜装置の器具のメンテナンスを実施するためには、成膜装置の暫定停止が必要である。したがって、メンテナンスを実施する周期が短いと、成膜装置の稼働率が低下し、製造コストの増大につながる。一方、メンテナンスを実施する周期が長いと、成膜レートの変動などに起因する成膜ばらつきが生じる。

上記問題点を鑑み、本発明は、成膜ばらつきが抑制され、且つメンテナンスを実施する周期を長くできる成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、レシピに従って成膜処理を行う成膜装置を用いる成膜方法であって、成膜装置を用いて、レシピに設定された成膜処理条件に従って処理対象の基板に成膜する工程と、成膜装置に使用される器具を洗浄してからの成膜処理の累計時間に応じて成膜処理条件を変更し、レシピを更新する工程とを含み、累計時間が所定の使用限界時間に達するまで、レシピを更新する工程と更新されたレシピによって基板に成膜する工程を繰り返す成膜方法が提供される。

本発明によれば、成膜ばらつきが抑制され、且つメンテナンスを実施する周期を長くできる成膜方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る成膜方法が適用される成膜装置の構成を示す模式図である。成膜処理の累計時間と成膜レートの関係の例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る成膜方法に使用されるレシピの例を示す表である。本発明の実施形態に係る成膜方法による成膜処理の累計時間と成膜レートの関係を示すグラフである。累計時間と成膜処理時間の関係を示すグラフである。累計時間とガスの流量比の関係を示すグラフである。成膜処理に使用される器具をクリーニングする冶具の例を示す模式図であり、図８（ａ）は冶具の斜視図であり、図８（ｂ）は冶具のブラシ部の端面方向から見た模式図であり、図８（ｃ）は冶具を用いたクリーニングの例を示す模式図である。冶具によるクリーニングの効果を示すグラフである。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る成膜方法は、レシピに従って成膜処理を行う成膜装置を用いる成膜方法に適用される。この成膜方法は、図１に示すように、レシピに設定された成膜処理条件に従って処理対象の基板に成膜する工程Ｓ１と、成膜装置に使用される器具を洗浄してからの成膜処理の累計時間に応じて成膜処理条件を変更し、レシピを更新する工程Ｓ４とを含む。「累計時間」は、途中で成膜装置のメンテナンスをすることなく成膜処理を行った時間である。

図１に示した成膜方法では、成膜装置に使用される器具を洗浄してからの成膜処理の累計時間が所定の使用限界時間に達したか否かが工程Ｓ３で判定される。成膜処理の累計時間が使用限界時間に達するまで、基板に成膜する工程Ｓ１とレシピを更新する工程Ｓ４が繰り返される。

ここで、「使用限界時間」とは、例えば、レシピを変更しても所望の膜質で基板に成膜できなくなる成膜処理の累計時間である。成膜処理の累計時間が使用限界時間に達した場合は、成膜装置のメンテナンスが行われる。例えば、成膜処理に使用された器具が成膜装置から取り外され、洗浄される。器具を洗浄する工程Ｓ５では、例えば、堆積物が付着した器具が洗浄液によってクリーニングされる。

なお、工程Ｓ２において、すべての処理対象の基板に成膜したかが判断される。すべての処理対象の基板に成膜した場合には、成膜処理が終了する。成膜処理対象の基板が残っている場合には、工程Ｓ３に進む。

通常、成膜処理の累計時間の増加に伴って、成膜レートは変動する。このため、図１に示した成膜方法では、成膜レートが予め設定された許容範囲から逸脱する前に、成膜レートが許容範囲であるようにレシピが更新される。成膜レートの許容範囲は、所定の膜質や膜厚分布が得られる範囲に設定される。例えば、成膜レートと膜質や膜厚分布との相関を調査して、成膜レートの許容範囲が設定される。そして、成膜レートが許容範囲であるように成膜処理条件を変更した新たなレシピに従って、成膜処理が行われる。

図１に示した成膜方法は、例えば図２に示す成膜装置を用いた成膜処理に適用される。図２に示した成膜装置はプラズマＣＶＤ装置であり、基板１００を搭載したサンプルホルダ１０が格納されるチャンバー２０と、チャンバー２０内でサンプルホルダ１０上の基板１００と対向するカソード電極３０とを備える。サンプルホルダ１０は、アノード電極として機能する。成膜装置は、サンプルホルダ１０とカソード電極３０間に交流電力を供給する交流電源４０を備える。

図２に例示したサンプルホルダ１０は、基板１００の主面が垂直になるように、基板１００が縦方向に配置されるボートタイプのサンプルホルダである。また、カソード電極３０は櫛歯状に電極板が配置された形状である。サンプルホルダ１０に搭載された基板１００とカソード電極３０の電極板が対向するように、基板１００と電極板とが交互に配置されている。

成膜処理では、ガス供給装置５０によって原料ガスがチャンバー２０内に導入される。また、ガス排気装置６０によってチャンバー２０内が減圧される。チャンバー２０内の原料ガスの圧力が所定のガス圧に調整された後、交流電源４０により所定の交流電力がサンプルホルダ１０とカソード電極３０との間に供給される。これにより、チャンバー２０内の原料ガスがプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００を曝すことにより、原料ガスに含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１００の表面に形成される。

なお、カソード電極３０には主面に複数の凹部が形成されたホローカソード電極を使用し、凹部の開口部でホローカソード放電を発生させることが好ましい。ホローカソード放電によって高密度プラズマを形成することにより、プラズマＣＶＤ装置による成膜の効率を向上させることができる。

図２に示した成膜装置において原料ガスを適宜選択することによって、シリコン半導体膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、カーボン膜などの所望の薄膜を基板１００の表面に形成することができる。例えば、アンモニア（ＮＨ₃）ガスとモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスの混合ガスを用いて、基板１００上にシリコン窒化膜が形成される。或いは、ＳｉＨ₄ガスとＮ₂Ｏガスの混合ガスを、又はＴＥＯＳガスと酸素ガスを用いて、基板１００上にシリコン酸化膜が形成される。

プラズマＣＶＤ装置では、例えばカソード電極３０の使用時間を成膜処理の累計時間として使用できる。これは、プラズマＣＶＤ装置を使用した成膜処理では、基板１００に形成する膜の材料などがカソード電極３０に堆積物として付着し、成膜レートなどに影響するためである。カソード電極３０に堆積物が付着すると、基板１００に形成される膜に成膜ばらつきが生じる。このため、定期的にカソード電極３０を交換し、プラズマＣＶＤ装置から取り外したカソード電極３０を洗浄する必要がある。

したがって、図２に示した成膜装置では、原料ガスのプラズマ化のためにカソード電極３０に電力が供給される時間が所定の時間を経過するたびに、成膜処理条件を変更してレシピを更新する。

成膜装置がプラズマＣＶＤ装置である場合、成膜処理条件は、例えば基板１００ごとの成膜処理の時間（以下において、「成膜処理時間」という。）や、プラズマ化に使用される電力の大きさ（以下において、「プラズマ化電力」という。）などがある。また、成膜処理においてチャンバー２０の内部に導入される原料ガスが複数種のガスを混合した混合ガスの場合には、原料ガスの流量比も成膜処理条件である。

これらの成膜処理条件の設定値を固定にしたままで成膜処理を繰り返すと、カソード電極３０での堆積物の付着などに起因する成膜レートの変動などにより、基板１００に形成される膜に成膜ばらつきが生じる。これに対し、図１に示した成膜方法では、成膜処理の累計時間に応じて成膜処理条件を変更し、レシピを更新する。そして、更新したレシピに設定された成膜処理条件に従って、成膜処理が行われる。

例えば、成膜処理の累計時間に起因する成膜レートの変動を補正し、許容範囲の成膜レートで成膜処理を行えるようにレシピを更新することにより、成膜レートの変動に起因する成膜ばらつきを抑制できる。例えば図３に示すように、時刻０から成膜処理の累計時間が増加するに従って成膜レートが低下する場合には、成膜レートが上昇するように成膜処理条件を変更し、レシピを更新する。

図４に、累計時間に応じて成膜処理条件を設定したレシピの例を示す。レシピに設定された成膜処理条件の設定値に基づいて、成膜装置の動作が規定される。図４に例示するように、レシピには、各種の成膜処理条件Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・について、第１累計時間ｔ１〜第ｎ累計時間ｔｎ（ｎ：２以上の整数）の設定値が設定されている。

図４に示したレシピに従って、第１累計時間ｔ１までは、成膜処理条件Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・について第１設定値Ｂ１１、Ｂ２１、Ｂ３１、・・・で成膜処理が行われる。このとき、第１累計時間ｔ１までは成膜レートが許容範囲であるように、第１設定値Ｂ１１、Ｂ２１、Ｂ３１、・・・が設定されている。第１累計時間ｔ１が経過した後は、第２累計時間ｔ２までは、成膜レートが許容範囲であるように成膜処理条件Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・について設定された第２設定値Ｂ１２、Ｂ２２、Ｂ３２、・・・で、成膜処理が行われる。このように、成膜処理条件Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・について、それぞれの累計時間で成膜レートが許容範囲であるように、第ｎ累計時間ｔｎまで成膜処理条件が設定されている。

図５に、成膜処理の累計時間の増加に伴って成膜レートが低下する成膜装置について図１に示した成膜方法を適用した場合の、成膜処理の累計時間と成膜レートの関係を示す。図５において、成膜レートＲ１は許容範囲の下限であり、成膜レートＲ２は許容範囲の上限である。図５に示すように、成膜処理の累計時間に応じて成膜処理条件を変更し、新たなレシピによって成膜処理することによって、成膜レートを許容範囲に維持することができる。

レシピに設定される成膜処理条件は、成膜レートが許容範囲であり、形成される膜の成膜ばらつきを抑制するように設定される。例えば、累計時間の増加に伴って成膜レートが低下する場合には、図６に示すように、累計時間が増加するほど基板１００ごとの成膜処理時間を増大させる。

また、原料ガスが混合ガスであって成膜レートが原料ガスの流量比に依存する場合には、成膜レートが高くなるように原料ガスの流量比を変化させる。例えば、ＳｉＨ₄ガス、モノボラン（ＢＨ₃）ガス及びＮ₂ガスの混合ガスを原料ガスとする場合に、他のガスの流量が一定でＳｉＨ₄ガスの流量比が高いほど成膜レートが上昇するのであれば、図７に示すように、累計時間が増加するほどＳｉＨ₄ガスの流量比を高くする。

或いは、基板１００に形成される膜の特性を均一にするために、プラズマ化電力を変更してもよい。本発明者らの調査によれば、累計時間の増加に合わせてプラズマ化電力を小さくすることによって、基板１００に形成される膜の屈折率の低下を抑制することができる。

ところで、成膜処理では、各種の成膜処理条件の設定値の組み合わせにより、成膜レートが定まる。このため、累計時間に応じて設定されるそれぞれのレシピは、複数の成膜処理条件の設定値を変更して組み合わせた場合の成膜レートを実験などにより調査して、設定される。

なお、図４に示した第ｎ累計時間ｔｎは使用限界時間である。既に述べたように、成膜処理の累計時間が長くなり使用限界時間に達すると、新たな成膜処理条件を設定しても所定の膜質や膜厚分布が得られなくなる。その場合には、成膜装置を停止し、成膜処理によって堆積物が付着したカソード電極３０などの器具を成膜装置から取り外して洗浄するメンテナンスを実施する。例えば、成膜装置から取り外された器具が薬液洗浄される。

メンテナンスを実施する際は、使用済みの器具と交換して新たな器具を成膜装置に取り付ける。そして、初期の成膜処理条件のレシピで成膜処理を再開する。

一方、レシピを変更しない場合に、成膜レートが所定の範囲から逸脱する前にカソード電極３０などの成膜装置に使用される器具を洗浄することによって、一定の成膜レートで成膜処理を行うことは可能である。しかしながら、この場合にはメンテナンスを実施する周期が短くなる。

これに対し、図１に示した成膜方法では、成膜処理における成膜レートが許容範囲から逸脱する前に、許容範囲の成膜レートになるようにレシピを更新する。このため、成膜ばらつきが抑制され、且つメンテナンスを実施する周期を長くできる。

なお、累計時間が使用限界時間に達する前に成膜処理に使用される器具をクリーニングすることによって、メンテナンスを実施する周期を長くすることができる。例えば、成膜装置に使用される器具に付着した堆積物を冶具により除去する。

より具体的には、成膜装置が図２に示したプラズマＣＶＤ装置である場合、カソード電極３０の表面に付着した堆積物を冶具により除去することによって、成膜レートの変動などを抑制できる。図８（ａ）〜図８（ｃ）に、カソード電極３０の表面に付着した堆積物を除去する冶具２００の例を示す。

図８（ａ）に示すように、冶具２００は、柱状のブラシ部２１０を支持部２２０に取り付けた構造である。図８（ａ）に示した冶具２００は、２本のブラシ部２１０を有する。図８（ｂ）に示すように、ブラシ部２１０の側面に樹脂又はセラミックの突起、若しくは研磨粒子などの突起２１１が多数配置されている。突起２１１は、例えば多数のＳｉＣ粒子を含有する樹脂からなる。

そして、図８（ｃ）に示すように、支持部２２０によって支持したブラシ部２１０をカソード電極３０に対して相対的に移動させる。ブラシ部２１０の突起２１１を電極板３１の主面に擦りつけることにより、電極板３１の主面に付着した堆積物を除去することができる。これにより、成膜処理によって付着した堆積物が除去され、成膜レートの変動を抑制できる。冶具２００によるカソード電極３０のクリーニングに要する時間は短いため、例えば洗浄液でカソード電極３０をクリーニングする場合のように成膜装置の稼働率を低下させることがない。

累計時間ｔｃにおいてカソード電極３０の表面に付着した堆積物を冶具２００によって除去した例を、図９に示す。冶具２００によるカソード電極３０のクリーニングによって、累計時間が増加するにつれて低下する基板１００に形成される膜の屈折率ＲＩを回復させることが可能である。

上記のように、累計時間が使用限界時間に達する前にカソード電極３０の表面に付着した堆積物を除去する工程を追加することにより、レシピを変更するまでの成膜処理の累計時間を延長させることができる。その結果、使用限界時間が長くなり、メンテナンスを実施する周期を長くすることができる。カソード電極３０の表面に付着した堆積物を除去する工程は、所定の累計時間ごとに行ってもよいし、所定の枚数の基板１００を成膜するごとに行ってもよい。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る成膜方法では、基板に成膜する工程とレシピを更新する工程が繰り返される。これにより、成膜ばらつきを抑制し、且つ、成膜装置のメンテナンスを実施する周期を長くして成膜装置の稼働率を向上させることができる。例えば、成膜レートが予め設定された許容範囲から逸脱する前に成膜レートが許容範囲であるようにレシピを更新する。

例えば、累計時間とするカソード電極３０の使用時間が１５００分、３５００分、５５００分に達した時点で成膜処理時間や原料ガスの流量比を変更することにより、成膜レートを許容範囲に維持する。また、カソード電極３０の使用時間が２０００分、４０００分に達した時点で、冶具２００によってカソード電極３０の表面をクリーニングする。これにより、成膜ばらつきが抑制され、基板１００に形成する膜の膜質や膜厚分布を一定に保つことができる。レシピを更新しない成膜方法では、カソード電極３０の薬液洗浄などを行うメンテナンスの周期が約３日間での使用時間に相当する２４００分であった。これに対し、上記のタイミングでレシピを変更し、カソード電極３０の表面をクリーニングすることによって、メンテナンスの周期を約８日間での使用時間に相当する６４００分に伸ばすことができた。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記の実施形態の説明においては、成膜装置がプラズマＣＶＤ法を採用する成膜装置である場合を例示的に説明したが、成膜装置が蒸着法やスパッタ法などの他の成膜方法を採用する成膜装置であってもよい。そして、カソード電極３０以外にも、成膜処理によって状態が変化する器具の使用時間を成膜処理の累計時間に使用してレシピを更新することにより、成膜ばらつきを抑制することができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…サンプルホルダ
２０…チャンバー
３０…カソード電極
３１…電極板
４０…交流電源
５０…ガス供給装置
６０…ガス排気装置
１００…基板
２００…冶具
２１０…ブラシ部
２１１…突起
２２０…支持部

Claims

レシピに従って成膜処理を行う成膜装置を用いる成膜方法であって、
前記成膜装置を用いて、前記レシピに設定された成膜処理条件に従って処理対象の基板に成膜する工程と、
前記成膜装置に使用される器具を洗浄してからの前記成膜処理の累計時間に応じて前記成膜処理条件を変更し、前記レシピを更新する工程と
を含み、
前記累計時間が所定の使用限界時間に達するまで、前記レシピを更新する工程と更新された前記レシピによって前記基板に成膜する工程を繰り返すことを特徴とする成膜方法。
前記成膜処理における成膜レートが予め設定された許容範囲であるように前記レシピを更新することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
前記成膜処理条件の１つとして前記基板ごとの成膜処理時間を含み、
前記累計時間が増加するほど前記成膜処理時間を増大させることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜方法。
前記成膜処理において複数種のガスを混合した原料ガスをプラズマ化する工程を含む場合に、前記成膜処理条件の１つとして前記原料ガスに含まれる特定のガスの流量比を含み、
前記累計時間が増加するほど前記特定のガスの流量比を大きくすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜方法。
前記成膜処理において原料ガスをプラズマ化する工程を含む場合に、前記成膜処理条件の１つとして前記プラズマ化に使用される電力の大きさを含み、
前記累計時間が増加するほど前記電力を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
前記累計時間が前記使用限界時間に達する前に、前記成膜装置に使用される部品に付着した堆積物を冶具により除去する工程を更に含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成膜方法。