JP5137332B2 - 成膜装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は成膜装置の運転方法に関する。

従来より、バリアメタル膜の成膜にはスパッタリング装置が用いられている。
図７の符号１０１は従来技術のスパッタリング装置を示している。このスパッタリング装置１０１は搬送室１１１と、搬送室１１１にそれぞれ接続された成膜室１２１と搬出入室１１２とを有しており、基板は搬出入室１１２に搬入された後、搬送室１１１を通って成膜室１２１に搬入される。

成膜室１２１の内部には不図示のＴｉターゲットが配置されており、成膜室１２１内部にスパッタガスを供給してスパッタリングを行って基板表面に所定膜厚のＴｉ膜を形成する。

次に、成膜室１２１内部にスパッタガスと一緒に窒化ガスを供給し、窒化ガスを含有する雰囲気でＴｉターゲットをスパッタリングさせると、Ｔｉ膜の上にＴｉＮ膜が積層され、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜との積層膜からなるバリアメタル膜が形成される。

Ｔｉターゲットをスパッタリングする際には、スパッタ粒子は基板表面だけではなく、成膜室１２１の内壁や、成膜室１２１内部のシールド（不図示）にも付着してＴｉ膜やＴｉＮ膜が成長する。

成膜室１２１の壁面やシールド上に成長したＴｉＮ膜は高ストレスを有するため剥離しやすく、特に半導体デバイスの微細化に伴ないＴｉＮ膜の膜厚が薄くなると、ＴｉＮ膜の剥離が非常に起こりやすかった。

また、成膜レートの向上のために、Ｔｉターゲットの投入電力が高パワー化の傾向があり、それによって成膜室１２１内部のシールド（リフレクタ）の温度変動が大きくなると、シールドからのＴｉＮ膜が剥離量が非常に多くなる。

ＴｉＮ膜が成膜室１２１内壁やシールドから剥離すると、成膜室１２１内部にＴｉＮやＴｉのパーティクルが発生し、パーティクルが成膜中のＴｉＮ膜やＴｉ膜に混入するとバリアメタル膜の膜質が劣化するという問題があった。
特開平１１−８７２６５号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的はパーティクルの発生を抑制し、膜質の良い薄膜を形成することである。

本発明者等が鋭意検討を行った結果、成膜室の壁面に付着したＴｉＮ膜は薄すぎても厚すぎても剥離しやすく、ＴｉＮの膜厚がある範囲にあれば壁面から剥離しないことがわかった。また、本発明者等が更に鋭意検討を行った結果、ＴｉＮ膜の上に、ＴｉＮよりも剥離し難いＴｉ膜を積層させてＴｉＮ膜を蓋すると、ＴｉＮ膜が剥離し難くなることがわかった。

係る知見に基づいて成された本発明は、第一、第二の成膜室と、前記第一、第二の成膜室に基板を搬入する搬入装置と、チタン材料からなり、前記第一、第二の成膜室の内部にそれぞれ配置されたターゲットと、前記各ターゲットに電圧を印加し、放電させる電源装置と、前記第一、第二の成膜室に接続されたスパッタガス源と、前記第一、第二の成膜室に接続された窒化ガス源と、前記窒化ガス源から前記第一、第二の成膜室に供給される窒化ガスの量を制御する窒化ガス量制御装置と、前記スパッタガス源から前記第一、第二の成膜室に供給されるスパッタガスの量を制御するスパッタガス量制御装置と、を有する成膜装置の、前記第一、第二の成膜室にスパッタガス、又は窒化ガスと前記スパッタガスの両方を導入し、前記各ターゲットに電圧を印加する前記成膜装置の運転方法であって、前記第一、第二の成膜室に前記スパッタガスを供給しながら、前記第一の成膜室に前記窒化ガスを供給して前記第一の成膜室内ではＴｉＮ膜を形成し、前記第二の成膜室への前記窒化ガスの供給を停止して前記第二の成膜室内ではＴｉ膜を形成する第一の状態で前記各ターゲットを放電させ、所定枚数の基板を前記第二の成膜室から前記第一の成膜室へ移送し、基板表面に連続してＴｉ膜とＴｉＮ膜の積層膜を形成させる第一の工程と、前記第一、第二の成膜室に前記スパッタガスを供給しながら、前記第一の成膜室への前記窒化ガスの供給を停止して前記第一の成膜室内ではＴｉ膜を形成し、前記第二の成膜室に前記窒化ガスを供給して前記第二の成膜室内ではＴｉＮ膜を形成する第二の状態で前記各ターゲットを放電させ、所定枚数の基板を前記第一の成膜室から前記第二の成膜室へ移送し、基板表面に連続してＴｉ膜とＴｉＮ膜の積層膜を形成させる第二の工程とを有し、前記スパッタガス量制御装置は、前記第一の状態では、前記第一の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量を、前記第二の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量よりも少なくし、前記第二の状態では、前記第一の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量を、前記第二の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量よりも多くし、前記電源装置は、前記第一の状態では、前記第一の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力を前記第二の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力よりも大きくし、前記第二の状態では、前記第一の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力を前記第二の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力よりも小さくする成膜装置の運転方法である。

本発明によれば成膜室内部でのパーティクル発生が抑制されるので、膜質の良いバリアメタル膜が形成される。ＴｉＮ膜を蓋するＴｉ膜は、基板上にバリアメタル膜を形成する工程で作成されるので、本発明の運転方法はＴｉＮ膜を蓋する工程が別に必要なく、成膜装置を無駄に使用することが無い。

図１の符号１は本発明に用いる成膜装置を示している。
成膜装置１は搬送室１１と、加熱室１３と、第一、第二の成膜室２０、３０と、搬出入室１２と、制御装置５０とを有している。
加熱室１３と、第一、第二の成膜室２０、３０と、搬出入室１２はそれぞれ搬送室１１に接続されている。

搬送室１１内部には搬入装置である搬送ロボット１４が配置されており、搬送ロボット１４は搬出入室１２と、加熱室１３と、第一の成膜室２０と、第二の成膜室３０の間で基板を搬送できるように構成されている。
搬送室１１と、加熱室１３と、第一、第二の成膜室２０、３０と、搬出入室１２はそれぞれ真空排気系１９に接続され、真空排気系１９によって内部空間が真空排気されるように構成されており、基板は搬送室１１と、加熱室１３と、第一、第二の成膜室２０、３０と、搬出入室１２は内部に真空雰囲気が形成された状態で搬送されるように構成されている。

搬出入室１２内には、不図示のカセットが設置可能な設置場所が１乃至複数箇所設けられており、搬出入室１２内に未処理の基板が搭載された状態のカセットが配置されると、搬送ロボット１４はカセットから基板を１枚乃至複数枚ずつ取り出して、加熱室１３に搬入する。

加熱室１３内部には不図示のヒータが設けられており、加熱室１３内に搬入された基板はヒータの発熱によって加熱されるように構成されている。
第一、第二の成膜室２０、３０の内部には、基板ホルダ２７、３７と、ターゲット２５、３５とがそれぞれ配置されており、搬送ロボット１４によって、第一、第二の成膜室２０、３０内に搬入された基板７は基板ホルダ２７、３７上に配置される（図２）。

各基板ホルダ２７、３７には不図示の静電吸着装置が設けられており、該静電吸着装置は第一、第二の成膜室２０、３０外部に配置された静電チャック電源から、静電吸着装置内の電極に電圧が印加されると、基板ホルダ２７、３７上の基板７が静電吸着される。

各基板ホルダ２７、３７の基板７が載置される側の面には不図示の溝が設けられており、基板７が静電吸着されると、溝の内壁と基板７とで囲まれた空間が密閉され、その密閉された空間にＥＳＣガスが流れ、基板７の熱伝導率が高められる。
各基板ホルダ２７、３７には不図示の加熱冷却源が設けられており、温度制御手段によって加熱冷却源の発熱または吸熱が制御されると、基板ホルダ２７、３７を介して基板７が所定温度に維持されるように構成されている。

第一、第二の成膜室２０、３０の外部にはスパッタガスが蓄積されたスパッタガス源４１と、化学構造中に窒素を含有する窒化ガスが蓄積された窒化ガス源４２とが配置されている。スパッタガス源４１と窒化ガス源４２は第一、第二の成膜室２０、３０の両方にそれぞれ接続されている。

第一、第二の成膜室２０、３０とスパッタガス源４１とを結ぶ径路の途中と、第一、第二の成膜室２０、３０と窒化ガス源４２とを結ぶ径路の途中にはそれぞれガス量制御装置４６〜４９が設けられている。
各ガス量制御装置４６〜４９は制御装置５０にそれぞれ接続されており制御装置５０から入力された信号で、ガス量制御装置４６〜４９に流れる窒化ガス又はスパッタガスの流量を入力された信号が示す流量に設定できるように構成されている。

第一、第二の成膜室２０、３０の外部にはスパッタ電源５１が配置されており、ターゲット２５、３５はスパッタ電源５１に接続され、ターゲット２５、３５に電圧が印加可能になっている。
各ターゲット２５、３５はスパッタリングされるスパッタ面が基板ホルダ２７、３７上の基板７に向けられている。

各ターゲット２５、３５はチタン（Ｔｉ）を主成分とするチタン材料で構成されており、ターゲット２５、３５をスパッタするときに、第一、第二の成膜室２０、３０の内部にスパッタガスのみが供給されると基板ホルダ２７、３７上の基板７表面にＴｉ膜が成長し、スパッタガスと窒化ガスの両方が供給されると、基板ホルダ２７、３７上の基板７表面にＴｉＮ膜が成長する。

第一、第二の成膜室２０、３０の内部には防着板２６、３６が配置されており、第一、第二の成膜室２０、３０の壁面と、防着板２６、３６の表面で構成される内壁面には、第一、第二の成膜室２０、３０内で基板７表面にＴｉＮ膜が形成されるときにはＴｉＮが付着し、Ｔｉ膜が形成される時にはＴｉが付着する。

基板ホルダ２７、３７は第一、第二の成膜室２０、３０の外部に配置された基板側電源５５にそれぞれ接続され、ターゲット２５、３５をスパッタするときに基板側電源５５から基板７に電圧を印加すると、基板７表面にＴｉ膜やＴｉＮ膜が成膜されると同時にスパッタされ、基板７表面に細溝が形成された場合に、その溝内にも薄膜が成膜可能になっている。

この成膜装置１で積層膜を作る場合、１個のカセットに装着された複数枚の基板７を１ロットとし、搬出入室１２に設置されたカセットから１枚又は複数枚の基板７を取り出し、加熱室１３で加熱後、第一、第二の成膜室２０、３０のうち、いずれか一方の成膜室で一層目の膜、他方の成膜室で一層目の膜上に２層目の膜を作った後、搬出入室１２に設置されたカセットに戻し、ロットを構成する基板７全部に積層膜を形成する。

制御装置５０には、第一の成膜室２０に窒化ガスとスパッタガスの両方を供給し、第二の成膜室３０にスパッタガスだけを供給する設定と、第二の成膜室３０に窒化ガスとスパッタガスの両方を供給し、第一の成膜室２０にスパッタガスだけを供給する設定とが予め入力されている。

第一の成膜室２０に窒化ガスとスパッタガスの両方を供給し、第二の成膜室３０にスパッタガスだけを供給する第一の状態で、ターゲット２５、３５をスパッタリングすると、第一の成膜室２０でＴｉＮ膜が、第二の成膜室３０でＴｉ膜が成膜され、第二の成膜室３０に窒化ガスとスパッタガスの両方を供給し、第一の成膜室２０にスパッタガスだけを供給する第二の状態でターゲット２５、３５をスパッタリングすると第二の成膜室３０でＴｉＮ膜が、第一の成膜室２０でＴｉ膜が形成される。

次に、上述した成膜装置１を運転する本発明の運転方法について説明する。ここでは、上述したロットを複数個連続して処理する場合について説明する。
第一、第二の成膜室２０、３０の内壁面からＴｉＮ膜が剥がれない膜厚の上限値と下限値は予め求められており、各基板７表面に形成すべきＴｉＮ膜の膜厚は決まっているから、ＴｉＮ膜が剥がれずに連続処理可能な基板７枚数の上限値と下限値がわかる。

制御装置５０はホストコンピュータ５に接続されており、該ホストコンピュータ５には基板７の合計数が、連続処理可能な基板７枚数の上限値と下限値の間になるロット数が予め設定されている。
ホストコンピュータ５はロットを処理する毎にカウンタを更新させ、予め設定されたロット数（ここでは１ロット）の処理が終わったら信号を制御装置５０に送り、その信号を受信した制御装置５０は第一の状態が第二の状態に、第二の状態が第一の状態になるよう設定を切り替える。

本発明の運転方法では、剥離しやすいＴｉＮ膜は、制御装置５０の最初の設定が第一の状態の場合は第一の成膜室２０の防着板２６、３６に形成され、第二の状態の場合は第二の成膜室３０の防着板２６、３６に形成される。

上述したように、ホストコンピュータ５に設定されたロット数は、ＴｉＮ膜が剥がれずに連続処理可能な基板７の枚数の上限値と下限値の間にあるから、ＴｉＮ膜が剥がれやすい膜厚に到達する前に設定が切り替わる。
設定が切り替わると、第一又は第二の成膜室２０、３０の防着板２６、３６に露出するＴｉＮ膜の上にはＴｉが付着して蓋がされ、防着板２６、３６から剥がれない状態になる。

基板７表面に形成されるＴｉ膜とＴｉＮ膜との積層膜は、第一、第二の成膜室２０、３０のうち、一方でＴｉ膜、他方でＴｉＮ膜が成膜されることで形成されるから、ＴｉＮ膜を蓋するＴｉ膜の膜厚は、ＴｉＮ膜が防着板２６、３６から剥がれずに処理可能な基板７の枚数で決定される膜厚となる。

ＴｉＮ膜が蓋される時には、最初の設定で形成されたＴｉ膜上にはＴｉＮ膜が形成され、該ＴｉＮ膜が防着板上に露出するが、露出するＴｉＮ膜の膜厚が剥がれやすい膜厚に到達する前に上述したように設定が切り替わり、露出するＴｉＮ膜の表面にＴｉが付着して蓋がされ、ＴｉＮ膜が剥がれない状態になる。

成膜を終了したときには、第一、第二の成膜室２０、３０のうち、いずれか一方の成膜室の防着板上では、ＴｉＮ膜がＴｉで蓋されずに露出しているが、上述したようにＴｉＮ膜は剥がれやすい膜厚量に到達していないので、最上層のＴｉＮ膜も剥離しない。従って、本発明の運転方法によれば、成膜中も成膜が終了した後もＴｉＮ膜が剥離せず、第一、第二の成膜室２０、３０の内部にパーティクルが発生しない。

尚、ＴｉＮ膜が剥離せずに連続処理可能な基板７の枚数の一例を述べると、例えば、各基板７表面に形成するＴｉＮ膜の膜厚が５ｎｍであり、一度に成膜処理する基板７の枚数が１回である場合、連続処理可能な枚数の下限値は１０〜１５枚、上限値は５０枚であった。

以上は、制御装置５０の設定を切り替えることで、窒化ガスの供給の有無を変える場合について説明したが本発明はこれに限定されず、窒化ガスの供給の有無以外にも、ターゲット２５、３５の投入電力、スパッタガスの流量、成膜時間、排気量、基板への印加電圧、基板温度等他の成膜条件も変えることもできる。
スパッタガスも特に限定されず、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒ等を用いることができる。

上述した成膜装置１を用い、膜厚３５ｎｍのＴｉ膜と、膜厚３５ｎｍのＴｉＮ膜を交互に複数層ずつ積層して多層膜を形成した。防着板２６、３６の表面に形成された多層膜の電子顕微鏡写真を図３に示す。
図３に示すように、膜厚３５ｎｍのＴｉ膜とＴｉＮ膜を交互に積層した多層膜は、多層の層状に結晶が成長していた。この多層膜は剥離し難く、パーティクルの発生が少なかった。

同じ成膜装置１を用いて膜厚３５ｎｍのＴｉ膜と、膜厚５ｎｍのＴｉＮ膜と、膜厚５ｎｍのＴｉ膜の３層構造の多層膜を形成した。防着板２６、３６表面の多層膜の電子顕微鏡写真を図４に示す。Ｔｉ膜とＴｉ膜の間のＴｉＮ膜の膜厚が５ｎｍと薄いと、図４に示すように多層膜は竹の節を持ったような状態となった。この多層膜は容易に内壁面から剥離し、実用に使用できない程多量のパーティクルが発生した。

更に、同じ成膜装置１を用いてＴｉＮ膜の単層膜（膜厚５ｎｍ）を形成した。防着板２６、３６表面の単層膜の電子顕微鏡写真を図５に示す。図５に示すように、ＴｉＮからなる単層膜は柱状の結晶構造を有しており、この単層膜は剥離しにくかった。
下記実施例、比較例２、３の運転方法で複数枚の基板（ウェハ）７に成膜を行い、第一、第二の成膜室２０、３０の内部に発生する直径０．２μｍ以下のパーティクルの数を測定した。

＜実施例＞
２５枚の基板７を１ロットとし、各ロット毎に制御装置５０の設定を切り替えて、上述した運転方法でＴｉ膜とＴｉＮ膜の積層膜を形成した。
ＴｉＮ膜の成膜条件は、第一、第二の成膜室２０、３０共に、ターゲット２５、３５への投入電力が２４ｋＷ、防着板（イオンリフレクタ）が第一、第二の成膜室２０、３０と同じ接地電位（０Ｖ）、基板７のバイアス投入電力が４００Ｗ（ＲＦ）、基板７温度が３５０℃、スパッタガス流量が２０ｓｃｃｍ、窒化ガス流量が９０ｓｃｃｍであった。

また、Ｔｉ膜の成膜条件は、第一、第二の成膜室２０、３０共に、ターゲット２５、３５の投入電力が２０ｋＷ、防着板（イオンリフレクタ）電位が１００Ｖ、基板７のバイアス投入電力が４００Ｗ（ＲＦ）、基板７温度が３５０℃、スパッタガス流量が４５ｓｃｃｍであった。

＜比較例１＞
１つの成膜室でＴｉＮ膜だけを連続して成膜した。このときのＴｉＮ膜の成膜条件は上記実施例のＴｉＮ膜の成膜条件と同じであった。
＜比較例２＞
図７に示した成膜装置１０１で、同じ成膜室１２１の内部で各基板表面にＴｉ膜とＴｉＮ膜を連続して形成した。このときのＴｉ膜の成膜条件とＴｉＮ膜の成膜条件は上記実施例のＴｉ膜とＴｉＮ膜の成膜条件とそれぞれ同じであった。

上記実施例と比較例１、２の運転方法で成膜を行った時のパーティクルの発生数を下記表１〜３に示し、パーティクルの発生数と基板７枚数との関係を図６のグラフに示す。

図６のグラフから明らかなように、実施例の運転方法では基板７の処理枚数が４００枚と多くてもパーティクルの発生数が少なかった。
これに対し、比較例１の運転方法では、基板７の処理枚数が少なく、ＴｉＮ膜が薄いうちはパーティクルの発生数が少なかったが、処理枚数が６０枚を超え、ＴｉＮ膜が厚くなるとパーティクルの発生数が急増した。従って、ＴｉＮ膜は厚すぎると剥離しやすいことがわかる。

また、比較例２の運転方法では、基板７の処理枚数が少ないうちからパーティクル数が多かった。比較例２の運転方法は、実施例と同様に成膜室の防着板にＴｉ膜とＴｉＮ膜とを交互に積層されるが、各ＴｉＮ膜の膜厚は実施例では基板２５枚分と厚いのに対し、比較例２では基板１枚分と薄い。従って、この実験結果からはＴｉＮ膜の膜厚が薄すぎても剥離しやすいことがわかる。

本発明に用いる成膜装置の一例を説明する平面図 第一、第二の成膜室を説明する断面図 Ｔｉ膜とＴｉＮ膜を交互に積層した多層膜の電子顕微鏡写真 Ｔｉ膜の間にＴｉＮ膜が挟まれた３層構造の多層膜の電子顕微鏡写真 ＴｉＮ膜単層の電子顕微鏡写真 パーティクル数と基板枚数との関係を示すグラフ 従来技術に用いる成膜装置の一例を説明する平面図

符号の説明

１……成膜装置 ５……ホストコンピュータ ７……基板 １４……搬入装置（搬送ロボット） ２０、３０……第一、第二の成膜室 ２５、３５……ターゲット ４１……スパッタガス源 ４２……窒化ガス源 ４６〜４９……ガス量制御装置 ５０……制御装置

Claims (1)

1. 第一、第二の成膜室と、
   前記第一、第二の成膜室に基板を搬入する搬入装置と、
   チタン材料からなり、前記第一、第二の成膜室の内部にそれぞれ配置されたターゲットと、
   前記各ターゲットに電圧を印加し、放電させる電源装置と、
   前記第一、第二の成膜室に接続されたスパッタガス源と、
   前記第一、第二の成膜室に接続された窒化ガス源と、
   前記窒化ガス源から前記第一、第二の成膜室に供給される窒化ガスの量を制御する窒化ガス量制御装置と、
   前記スパッタガス源から前記第一、第二の成膜室に供給されるスパッタガスの量を制御するスパッタガス量制御装置と、を有する成膜装置の、
   前記第一、第二の成膜室にスパッタガス、又は窒化ガスと前記スパッタガスの両方を導入し、前記各ターゲットに電圧を印加する前記成膜装置の運転方法であって、
   前記第一、第二の成膜室に前記スパッタガスを供給しながら、前記第一の成膜室に前記窒化ガスを供給して前記第一の成膜室内ではＴｉＮ膜を形成し、前記第二の成膜室への前記窒化ガスの供給を停止して前記第二の成膜室内ではＴｉ膜を形成する第一の状態で前記各ターゲットを放電させ、所定枚数の基板を前記第二の成膜室から前記第一の成膜室へ移送し、基板表面に連続してＴｉ膜とＴｉＮ膜の積層膜を形成させる第一の工程と、
   前記第一、第二の成膜室に前記スパッタガスを供給しながら、前記第一の成膜室への前記窒化ガスの供給を停止して前記第一の成膜室内ではＴｉ膜を形成し、前記第二の成膜室に前記窒化ガスを供給して前記第二の成膜室内ではＴｉＮ膜を形成する第二の状態で前記各ターゲットを放電させ、所定枚数の基板を前記第一の成膜室から前記第二の成膜室へ移送し、基板表面に連続してＴｉ膜とＴｉＮ膜の積層膜を形成させる第二の工程とを有し、
   前記スパッタガス量制御装置は、前記第一の状態では、前記第一の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量を、前記第二の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量よりも少なくし、前記第二の状態では、前記第一の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量を、前記第二の成膜室に供給する前記スパッタガスの流量よりも多くし、
   前記電源装置は、前記第一の状態では、前記第一の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力を前記第二の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力よりも大きくし、前記第二の状態では、前記第一の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力を前記第二の成膜室内部の前記ターゲットに投入する電力よりも小さくする成膜装置の運転方法。