JP5743266B2 - 成膜装置及びキャリブレーション方法 - Google Patents
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Description
Random Access Memory)の強誘電体キャパシタの電極に使用される窒化チタン等の金属化合物には、高純度及び高い膜厚制御性の点からスパッタ技術が適用される傾向にある。この際、金属単体のターゲットをアルゴン等の不活性ガスでスパッタし、放出された金属を窒素や酸素等の反応性ガスと反応させて所望の金属化合物を得る、いわゆる「反応性スパッタ」と呼ばれる技術が多く用いられている。これは、真空容器内にスパッタ用ガス(例えばアルゴン)と共に、例えば酸素・窒素といった反応性ガスを導入し、この反応ガスの分子とターゲットからスパッタにより放出された金属とを反応させ、生成された反応化合物の薄膜を基板上に形成するものである。
また、再生作業を伴わなくても、使用限界に達したターゲットの交換などに伴って防着板306及び406の取り外し、再取り付け作業を行うと、防着板306及び406の取り付け位置、又はターゲット305及び405と防着板306及び406のクリアランスが変動し得る。もちろん、同一の部品で構成した別々のチャンバ同士においても、防着板306及び406の取り付け位置の違いが生じ得る。
Cubic Centimeter per Minute)、N2流量20sccm、成膜時間500秒の条件でSiO2付きのシリコンウェハ上に成膜を行い、TiNのシート抵抗値を測定した。なお、sccm=一分間当たり供給されるガス流量を0℃1気圧で表したcm3数=1.69×10−3Pa・m3/s(0℃において)である。
まず、キャリブレーションの基準値となる圧力値を決定する。本実施形態の装置において、最初に可変バルブ112を中間位置としておき、ガス供給手段105からN2ガス50sccmを流したところ、圧力センサ111の値は8.05×10−2Paであった。従って、本装置のシールド内空間108の内外の反応性ガスの分配比率は、合計でN2ガスを50sccm導入する際に、シールド内空間108の圧力値がキャリブレーション基準値8.0×10−2Pa〜8.1×10−2Paとなるように調整することとする(ステップ1)。
次に、ステップ1でキャリブレーションの基準値の決定が行われた真空チャンバ101において、TiN膜を成膜する(ステップ2)。その後、真空チャンバ101を開放して内部の防着板104の再生作業を行い、再生された防着板104を再び同じ真空チャンバ101に搭載する(ステップ3)。その後、真空チャンバ101を真空引きし、ガス供給手段105よりN2ガスを50sccm供給する(ステップ4)。この際の圧力センサ111の値がキャリブレーション基準値となるように可変バルブ112を調整し、キャリブレーションを行う(ステップ5)。この作業により、ガス供給手段から導入される反応性ガスは、ステップ1の時点と同じ比率でシールド内空間108、シールド外空間109へ分配されるように調整される。このように、防着板104の再生作業や交換など、ガス分配の比率に影響を与える可能性がある、装置のメンテナンス作業を行った後にキャリブレーションを行うことで、反応性ガスをシールド内空間108の内外へキャリブレーション時と同じ比率で分配することが可能となり、反応性スパッタの条件が変動するのを抑制することができる。
キャリブレーションの基準値の決定は必ずしも最初に行う必要はなく、成膜中に基準値となる信号値を測定してもよいし、メンテナンス作業の直前に基準値となる信号値を測定してもよい。
一度キャリブレーションを行った後に複数回成膜を行う場合には、次にメンテナンス作業を行うまでキャリブレーションを行わなくてもよいし、所定の成膜回数ごとにキャリブレーションを行ってもよい。
例えば、図4は、図5に示すようなターゲット106に接続された直流電源302によってターゲット106に掛かる電流又は電圧を検出可能な装置を用い、前記ステップ1において、ガス供給手段105にArガスを導入し、電力を1000Wで一定となるように放電を行う際の、Arガス流量とターゲットに掛かる電圧の関係を示すグラフである。なお、図5は、図1における圧力センサ111を直流電源302に置き換えた構成をしており、図1と同じ部材には共通の符号を用いている。図4が示すように、シールド内空間108のArガス流量が増加するのに伴い、ターゲット106に掛かる電圧は単調減少する傾向を示すため、ターゲット206に掛かる電圧をシールド内空間108の圧力を示す信号として用いてもよい。この性質を利用して、ターゲットに掛かる電圧を圧力を示す信号としてキャリブレーションに使用し、例えば50sccmのArガスをガス供給手段205から導入した場合に、ターゲットに掛かる電圧300Vを基準値として定めることが可能である。
即ち、ガス供給手段105から真空チャンバ101内に所定の流量の測定用ガスを供給する第一のステップと、スパッタリング空間の圧力を示す信号値を検知する第二のステップと、
信号値が予め決定されているキャリブレーションの基準値になるように、第一のガス導入手段114によりスパッタリング空間に導入される前記測定用ガスの流量と、第二のガス導入手段115によりスパッタリング外空間に導入される前記測定用ガス流量との流量比を調整する第三のステップと、を実行すれば、キャリブレーションの基準値となる信号値を取得することなくメンテナンス作業後にキャリブレーションを行うことも可能である。
一例として、図6に示す装置にチタンのターゲットを搭載し、Arガスを50sccm流し、1000Wの直流電力を印加した場合のターゲット電圧yを積算電力xに対してプロットすると、図12のようになる。すなわち、ターゲット電圧yを積算電力xはy=9×10−7×x3−6×10−6×x2−0.193×x+300の関係式にあることがわかる。このように、予めターゲット電圧と積算電力との関係を取得しておくことで、キャリブレーションの基準値を決定した時の信号値から、キャリブレーションの実行時に使用すべき基準値を算出することができる。
図13に、圧力を示す信号と積算電力との関係からキャリブレーションの基準値を算出する場合のフローチャートを示す。具体的には、基準状態におけるターゲット電圧測定(ステップ3)がターゲット積算電力100kWhにおいて282.5Vという値であり、ステップ5のメンテナンスにおいてターゲットを新品に交換すると、ステップ6及び7で行うキャリブレーションは積算電力が0kWhの状態であるので、図12の関係からキャリブレーションの基準値を300Vとすればよいことが分かる。
例えば、放電の際のプラズマ着火においては、ターゲット近傍をスパッタリング時よりも高圧に保つ必要が有るケースが多い。この場合に、可変バルブ112の開度をプラズマ着火前に変化させ、全てのガスが第一のガス導入手段へ供給されるようにすることで、プラズマ着火を行うことができ、プラズマ着火後に可変バルブ112の開度を記憶されたバルブ開度の値に調整することで、開度調整を再度行うことなく反応性スパッタリングを行うことができる。
このように、自動で調整されたバルブ開度を定数として記憶するので、作業者による個人差を生じさせずに可変バルブ112の開度調整を再現性良く行うことができ、また調整のために掛かる装置の稼働コストを低減できるという効果がある。なお、本明細書において、「バルブ開度」とは、例えば公知のニードルバルブ等において、全閉から全開までの間のどの位置に調整するかを指し、調整ノブの回転数などによって表すことができる。例えば、上記表1に示す例で、「バルブ112全閉」の状態では、調整ノブの回転数は「0」とする。この時には、「バルブ開度の定数=0」として、ROMやHDDなどの記憶部121に記憶する。また、上記表1に示す例で、「バルブ112調整有り」の状態では、調整ノブの回転数は「2」とする。この時には、「バルブ開度の定数=2」として、ROMやHDDなどの記憶部121に記憶する。なお、ニードルバルブ等の全閉から全開までの間のどの位置に調整したかが解れば、調整ノブの回転数以外でも、「バルブ開度」を規定することは可能である。即ち、コンダクタンスを調整可能であれば、調整ノブの回転数以外でも規定可能である。
102 排気手段
103 ステージ
104 防着板
105 第一のガス供給手段
106 ターゲット
107 マグネット
108 スパッタリング空間
109 シールド外空間
110 第二の防着板
111 圧力測定手段
112 ガス流量比制御手段
113 第二の制御部
114 第一のガス導入手段
115 第二のガス導入手段
120 排気口
121 記憶部
Claims (22)
- 真空チャンバ内で少なくとも1種類の反応性ガスと成膜材料とを反応させて被処理基板上に成膜を行う成膜装置であって、
真空チャンバ内で対向する前記被処理基板と前記成膜材料を含むターゲットとの間に存在する空間全体を囲繞する防着板と、
前記成膜時に前記真空チャンバ内へ少なくとも前記反応性ガスを含むガスを供給するガス供給手段であって、前記防着板に囲繞されている前記空間に前記ガスを導入する第一のガス導入手段と、前記第一のガス導入手段から分岐され、前記真空チャンバの内壁と前記防着板との間のスパッタリング外空間に前記ガスを導入する第二のガス導入手段とを有するガス供給手段と、
前記第一のガス導入手段が前記空間に導入する前記ガスの流量と、前記第二のガス導入手段が前記スパッタリング外空間に導入する前記ガスの流量との流量比を調整するガス流量比制御手段と、
を備える成膜装置。 - 前記空間の圧力を示す信号値を検知する圧力検知手段をさらに備える請求項1に記載の成膜装置。
- 前記信号値は、前記空間内の圧力値、前記ターゲットに印加される電圧、前記ターゲットに流入する電流、質量分析計の分圧値及びスパッタリング放電の発光強度の少なくとも1つである請求項2に記載の成膜装置。
- 前記信号値が所定の基準値と異なる場合に、前記信号値が前記所定の基準値になるように前記ガス流量比制御手段を制御する制御部をさらに備える請求項2に記載の成膜装置。
- 前記ガス流量比制御手段は、前記第一のガス導入手段と前記第二のガス導入手段の少なくとも一方に設けられたバルブを備え、
前記バルブ開度の変更によって、前記流量比を調整可能であることを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。 - 前記信号値が所定の基準値となるよう前記バルブ開度を調整する制御部と、
前記制御部により調整された前記バルブ開度を定数として格納する記憶部とをさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の成膜装置。 - 予め定められた流量を少なくとも第一の流量値及び第二の流量値とし、前記第一の流量値及び第二の流量値を用いて調整された前記バルブ開度を、それぞれ第一のバルブ開度及び第二のバルブ開度として前記記憶部に格納し、
さらに、前記第一のバルブ開度及び第二のバルブ開度の平均値を、前記調整されたバルブ開度の定数として前記記憶部に格納することを特徴とする請求項6に記載の成膜装置。 - 前記圧力検知手段に接続され、前記信号値を表示する表示部をさらに備える請求項2に記載の成膜装置。
- 前記真空チャンバの壁面に形成された排気口をさらに備え、前記空間が、前記第一のガス導入手段及び第二のガス導入手段と、前記真空チャンバ内を排気手段により排気するための前記排気口と、の間に位置することを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記真空チャンバの壁面に形成された排気口をさらに備え、前記第一のガス導入手段及び第二のガス導入手段が、前記空間と、前記真空チャンバ内を排気手段により排気するための前記排気口との間に位置することを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記第一のガス導入手段及び第二のガス導入手段と独立して前記真空チャンバ内へスパッタ用ガスを導入するための第三のガス導入手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記第一のガス導入手段の吐出口を囲繞する第二の防着板をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記成膜装置が、物理蒸着装置であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記ガス供給手段は、前記反応性ガスと希ガスとを混合して、又は前記反応性ガス及び前記希ガスのどちらかに切り替えて供給可能であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記防着板が開口を備え、
前記第一のガス導入手段は、パイプ状であって、前記防着板の前記開口に接続されることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。 - 前記防着板は、前記成膜装置から取り外し可能であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 真空チャンバ内で対向する被処理基板とターゲットとの間に存在する空間全体を囲繞する防着板と、前記防着板に囲繞されている前記空間にガスを導入する第一のガス導入手段と、前記第一のガス導入手段から分岐され、前記真空チャンバの内壁と前記防着板との間のスパッタリング外空間にガスを導入する第二のガス導入手段とを有するガス供給手段とを備え、少なくとも1種類の反応性ガスと成膜材料とを反応させて被処理基板上に成膜を行う成膜装置のキャリブレーション方法であって、
前記ガス供給手段から前記真空チャンバ内に所定の流量の測定用ガスを供給する第一のステップと、
前記空間の圧力を示す信号値を検知する第二のステップと、
前記信号値が予め決定されているキャリブレーションの基準値になるように、前記第一のガス導入手段により前記空間に導入される前記測定用ガスの流量と、前記第二のガス導入手段により前記スパッタリング外空間に導入される前記測定用ガス流量との流量比を調整する第三のステップと、
を有するキャリブレーション方法。 - 前記第一のステップの前に、前記ガス供給手段から前記真空チャンバ内に所定の流量の測定用ガスを供給する第四のステップと、
前記第四のステップの後であって前記第一のステップの前に、前記空間の圧力を示すキャリブレーション用信号値を検知し、前記キャリブレーション用信号値を前記キャリブレーションの基準値として決定する第五のステップと、
をさらに含む、請求項17に記載のキャリブレーション方法。 - 前記信号値は、前記空間内の圧力値、前記ターゲットに印加される電圧、前記ターゲットに流入する電流、質量分析計の分圧値及びスパッタリング放電の発光強度の少なくとも1つである請求項17に記載のキャリブレーション方法。
- 前記第一から第三のステップは、前記ターゲットの交換又は前記防着板の交換の少なくとも1つを含むメンテナンス作業を実施した後に行うことを特徴とする請求項17に記載のキャリブレーション方法。
- 前記信号値及び前記キャリブレーション用信号値は、前記ターゲットに印加される電圧、前記ターゲットに流入する電流及びスパッタリング放電の発光強度の少なくとも1つであり、
前記ターゲットに印加された電力の積算値である積算電力と、前記空間の圧力を示す信号値との相関が予め取得されており、
前記第一から第三のステップで用いられるターゲットは第一の積算電力を持ち、
前記第四及び第五のステップで用いられるターゲットは第二の積算電力を持ち、
前記キャリブレーションの基準値を、前記相関によって、前記信号値及び前記キャリブレーション用信号値ならびに前記第一及び第二の積算電力から算出することを特徴とする請求項18に記載のキャリブレーション方法。 - 前記第一から第三のステップは、第一のチャンバで行い、
前記第四及び第五のステップは、前記第一のチャンバと同一の構成からなる別のチャンバである第二のチャンバで行うことを特徴とする請求項18に記載のキャリブレーション方法。
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