JP4506382B2

JP4506382B2 - Ｅｃｒスパッタ装置

Info

Publication number: JP4506382B2
Application number: JP2004279997A
Authority: JP
Inventors: 繁信岡田; 義博下里
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: JP2006089833A

Description

本発明は、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）により生成したプラズマでターゲットをスパッタリングして、基板上に膜を形成するＥＣＲスパッタ装置に関する。

ＥＣＲスパッタ装置では、アルゴン雰囲気のプラズマ生成室内に磁場を形成するとともにマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成する。そして、生成されたプラズマ中のアルゴンイオンを負の電圧が印加されたターゲットに引き込み、スパッタ現象によりターゲットから放出されるスパッタ粒子を成膜対象である基板上に堆積させることにより、薄膜を形成している（例えば、特許文献１参照）。

スパッタ装置では成膜レートが一定であることが好ましく、ターゲット電流を一定に保つように制御される。従来は、ターゲットに電圧を印加する電源、例えばＤＣ電源の制御モードを定電流モードとし、電圧の増減によってターゲット電流が一定となるように制御していた。また、所定の膜厚の薄膜を形成する場合、膜厚管理は時間制御で行っていた。すなわち、成膜開始から所定膜厚形成に必要と推定される時間が経過したならば成膜を終了するようにしていた。

特開２００３−３２１７７３号公報

しかしながら、従来の定電流制御では、ターゲット電圧が変化したときにスパッタイールド（スパッタ収率）も変化してしまう。そのため、窒化物薄膜や酸化物薄膜を形成する反応性スパッタ成膜では、反応性ガスに対するターゲット粒子の比率が変化し、安定した化学反応が行われないという問題があった。また、成膜される膜の膜厚が薄い場合には、時間制御で膜厚を制御すると膜厚のばらつきが大きくなり、十分な膜厚再現性が得られないといった問題があった。

請求項１の発明は、磁場を形成した空洞内にマイクロ波発生部からマイクロ波を導入して電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンでターゲットをスパッタしてスパッタ成膜を行うＥＣＲスパッタ装置において、前記ターゲットに一定の電圧を印加するターゲット電源と、前記ターゲットのターゲット電流値の変化に応じて前記マイクロ波発生部のマイクロ波電力を変化させることにより、前記ターゲット電流値が一定となるように制御する制御部と、前記ターゲット電流値を積分する演算手段と、前記演算手段による積分値が予め設定された所定値に達したとき成膜を終了する判定手段とを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ターゲット電圧を一定とし、かつ、ターゲットのターゲット電流値が一定となるように、ターゲット電流値の変化に応じてマイクロ波発生部のマイクロ波電力を変化させると共に、ターゲット電流値の積分値が予め設定された所定値に達したならば成膜を終了するようにしたので、膜厚の再現性向上を図り、もってより厳格な膜厚制御を行うことができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるＥＣＲスパッタリング装置の一実施の形態を示す図である。ＥＣＲスパッタリング装置は、プラズマを生成するためのプラズマ室２と、成膜対象である基板６が収容される反応室４とを備えている。プラズマ室２と反応室４とはプラズマ引き出し開口２ａを介して連通しており、不図示の真空ポンプにより真空排気される。

プラズマ室２には、マイクロ波導入窓１および空芯磁場コイル３が設けられている。プラズマ室２は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対して空洞共振器として機能するように構成されている。プラズマ室２内には、空芯磁場コイル３により８７．５（ｍＴ）の磁場が生成され、マイクロ波電源１０により発生された周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波がマイクロ波導入窓１より導入される。Ｌ１は、アルゴンプラズマを生成するためのアルゴンガスをプラズマ室２に供給するガスラインである。

一方、反応室４内には、基板６を保持する基板ホルダ７およびターゲット５が設けられている。基板ホルダ７には、基板６を軸Ｊに関して回転させる駆動機構が設けられている。ターゲット５には、パルス変調ＤＣ電源１１によりターゲット電圧が印加される。この場合、ターゲット５がプラズマに対してマイナス電位となるように、例えば、２００〜４００Ｖの電圧が印加される。

なお、パルス変調ＤＣ電源１１を用いているのは、ターゲット５が絶縁体である場合にはチャージアップによる放電が発生するおそれがあるためであり、ＲＦ電源を用いても良い。また、チャージアップのおそれのないアルミのような導電性のターゲット材であれば、常に一定の電圧を与える通常のＤＣ電源であっても良い。

反応室４にはガスラインＬ２から反応ガスが供給される。例えば、酸化膜であるＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の膜を基板６に成膜する場合には、ターゲット５にアルミを用い、ガスラインＬ２から反応ガスとして酸素を供給して反応性スパッタを行わせる。また、窒化膜を成膜する場合には、反応ガスとして窒素ガスが供給される。

制御装置１２は、マイクロ波電源１０およびパルス変調ＤＣ電源１１をコントロールする制御装置である。制御装置１２はＤＣ電源１１を定電圧モードで制御するとともに、ターゲット電流値をＤＣ電源１１から読み込んで、そのターゲット電流値が一定となるようにマイクロ波電源１０のパワーを変化させるフィードバック制御を行う。

プラズマ室２内に８７．５ｍＴの磁場を生成し、マイクロ波導入窓１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入すると、ＥＣＲによってアルゴンガスがイオン化されて高密度なプラズマが生成される。プラズマ中には電子、アルゴンイオン、励起状態のアルゴンそしてアルゴン原子が存在しており、移動度の大きな電子が空芯磁場コイル３により形成された発散磁界の磁力線に沿って開口２ａから反応室４内に移動する。その結果、プラズマ室２のプラズマから見ると反応室４の電子が存在する空間はマイナス電位となっているため、プラズマ中のアルゴンイオンが磁力線に沿って反応室４へと移動する。このようにしてプラズマが反応室４に引き出されることになる。

ターゲット５はマイナス電位となるように電圧が印加されている。そのため、アルゴンイオン９はターゲット電圧による電界によってターゲット方向に加速され、ターゲット５の表面に入射する。加速されたアルゴン粒子がターゲット５に入射すると、スパッタ現象によりターゲット材から成るスパッタ粒子がターゲット５から基板６方向へと放出される。一方、基板６表面付近にはガスラインＬ２から反応ガスが供給されており、スパッタ粒子と反応ガスとが化学反応し、その反応生成物による薄膜（酸化物薄膜や窒化物薄膜）が基板６の表面に形成される。

《フィードバック制御について》
ところで、上述したような反応性スパッタ成膜の場合には、スパッタ粒子（ターゲット粒子）と反応ガスとの比率を化学反応に対応した所定の関係に保持しないと、適切な薄膜が得られない。すなわち、反応ガスの流量を適切に保持するだけでなく、スパッタ粒子の量も一定となるようにしなければならない。

スパッタ粒子の量を一定に保つためには、（ａ）ターゲット５に入射するアルゴンイオン９の量を一定にし、かつ、（ｂ）ターゲット５からスパッタ粒子が放出される際のスパッタイールドを一定にする必要がある。アルゴンイオン９の入射量はプラズマの状態に依存しており、アルゴンイオン入射量に対応する量であるターゲット電流値で検出することができる。また、スパッタイールドはターゲット５に印加される電圧（電位差）の大きさに依存しており、電圧が大きいほどスパッタイールドも大きい。

本実施の形態では、ＤＣ電源１１を定電圧モードで制御し、ターゲット５の印加電圧を一定の電圧に保つようにする。その結果、スパッタイールドは一定に保たれる。さらに、プラズマ状態に依存するターゲット電流に関しては、マイクロ波電源１０の出力を変えることにより電流値を一定に保つようにした。

すなわち、所定の設定電流値Ｉ_０に対して、ターゲット電流値ＩがＩ＞Ｉ_０と増加した場合には、電流値信号を受信した制御装置１２はマイクロ波電源１０の出力を下げる。そうすると、プラズマに入力されるマイクロ波のパワーが低下し、ターゲット５に入射するアルゴンイオンの数が減少してターゲット電流値Ｉが減少する。逆に、ターゲット電流値ＩがＩ＜Ｉ_０と減少した場合には、ターゲット電流値Ｉが増加するようにマイクロ波電源１０のパワーを上げる。

このように、ターゲット電流値Ｉの増減をマイクロ波電源１０の出力にフィードバックすることにより、ターゲット５に入射するアルゴンイオン９の量を一定に保つことができる。また、ターゲット電圧は一定に保たれているので、スパッタイールドも一定に保たれている。その結果、反応性スパッタにおいて化学量論的に安定した反応を行わせることができ、膜質の向上を図ることができる。

一方、従来のＥＣＲスパッタ装置では、上述したようにターゲットのＤＣ電源を定電流モードとし、電圧の増減によりターゲット電流が一定となるように制御している。そのため、電圧変化によってスパッタイールドが変化し、反応ガスに対するスパッタ粒子の比率が微妙に変化するという問題があったが、本実施の形態の装置ではそれを防止することができる。

《成膜終了検知について》
従来、成膜を終了するタイミングは時間によって判定していた。すなわち、要求される膜厚を設定成膜条件における成膜レート（単位時間当たりの膜厚）で除算して得られる時間を成膜時間とし、成膜開始から成膜時間が経過したならば成膜を終了するようにしていた。しかし、成膜条件の変化より成膜レートが変化する場合には、このような時間制御では膜厚がばらついてしまうというおそれがある。また、近年ナノテクノロジーの進歩に伴って、厳密な膜厚制御が要求されてきており、従来の時間制御ではクリアできないような厳しい再現性が求められている。

例えば、１（オングストローム／sec）の成膜レートで厚さ１０００（オングストローム）の膜を成膜する場合、成膜時間が１（sec）異なっても膜厚誤差は０．１％である。しかし、膜厚が１０（オングストローム）と薄くなると、時間が１（sec）違うと膜厚誤差１０％となってしまう。

そこで、本実施の形態では、制御装置１２においてターゲット電流値の積分値を演算し、その積分値を用いて成膜終了を判定するようにした。そのためには、図２に示すような実膜厚と電流積分値との関係を表す検量線Ｌを予め求めておく。図２において縦軸は実膜厚、横軸は電流積分値であり、点は実際に得られたデータである。これらのデータから検量線Ｌを算出する。そして、要求膜厚が決まると、図２の検量線Ｌから電流積分値の基準値が求まる。制御装置１２では、ＤＣ電源１１からの電流値信号に基づいて電流積分値Ｃ(t)を算出する。

図３はターゲット電流値の時間変化と電流積分値Ｃ(t)とを示した図であり、（ａ）は上述したフィードバック制御を行った場合の電流変化を示し、（ｂ）はフィードバック制御を行わない場合の電流変化を示している。斜線を施した部分の面積が電流積分値を表しており、図３（ａ）の電流積分値Ｃ(t1)と図３（ｂ）の電流積分値Ｃ(t2)とは等しい。そのため、等しい膜厚の薄膜が基板上に形成されることになる。ただし、電流値の変化の様子が異なるため、成膜終了までの時間t1，t2が互いに異なっている。

実際に成膜を行って再現性を比較したところ、以下のような結果が得られた。これらからもわかるように、フィードバック制御を行うとターゲット電流値が一定となるため成膜レートも安定し、成膜終了の判定を時間で検知するか積分値で検知するかに関係なく再現性が向上する。さらに、ターゲット電流値の積分値で成膜終了を判定することにより再現性がより向上する。
フィードバック制御ナシ：再現性 ±２．５％前後
フィードバック＋時間停止：再現性 ±０．７％
フィードバック＋積分値停止：再現性 ±０．２％

このように、本実施の形態では、成膜時間で成膜終了を判定するのではなく、ターゲット電流値の積分値Ｃ(t)で成膜終了を判定するようにしているので、より厳密な膜厚制御を行うことができ膜厚再現性の向上を図ることができる、なお、酸化物薄膜や窒化物薄膜を成膜する反応性スパッタの場合には、上述したフィードバック制御と電流積分値による膜厚制御（成膜終了判定）とを併用することが好ましいが、純金属膜を成膜する場合には上述した化学量論的な問題は生じないので、電流積分値による成膜終了の判定を行うようにしても良い。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ＤＣ電源１１はターゲット電源を、マイクロ波電源１０はマイクロ波発生部を、制御装置１２は制御部、演算手段および判定手段をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明によるＥＣＲスパッタリング装置の一実施の形態を示す図である。検量線Ｌを説明する図である。ターゲット電流値の時間変化と電流積分値Ｃ(t)とを示した図であり、（ａ）はフィードバック制御時の電流変化を示し、（ｂ）はフィードバック制御を行わない場合の電流変化を示している。

符号の説明

１マイクロ波導入窓
２プラズマ室
３空芯磁場コイル
４反応室
５ターゲット
６基板
１０マイクロ波電源
１１ＤＣ電源
１２制御装置

Claims

磁場を形成した空洞内にマイクロ波発生部からマイクロ波を導入して電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンでターゲットをスパッタしてスパッタ成膜を行うＥＣＲスパッタ装置において、
前記ターゲットに一定の電圧を印加するターゲット電源と、
前記ターゲットのターゲット電流値の変化に応じて前記マイクロ波発生部のマイクロ波電力を変化させることにより、前記ターゲット電流値が一定となるように制御する制御部と、
前記ターゲット電流値を積分する演算手段と、
前記演算手段による積分値が予め設定された所定値に達したとき成膜を終了する判定手段とを設けたことを特徴とするＥＣＲスパッタ装置。