JP6171108B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、成膜装置及び成膜方法に関し、より詳しくは、高アスペクト比を有する微細なホールの内面にカバレッジよく薄膜を成膜することに適したものに関する。
半導体デバイスの製造工程には、所定のアスペクト比を有するビアホールやコンタクトホールの内面（内壁面及び底面）にＴａ膜で構成されるバリア層を成膜する工程がある。近年の半導体デバイスの更なる高集積化や微細化に伴い、Ｔａ膜が成膜されるホールにはアスペクト比が３以上である高アスペクト比のものがある。このようなＴａ膜の成膜に用いる成膜装置として、ターゲットが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内で基板を保持するステージと、ターゲットに所定の電力を投入する第１電源と、ステージに交流電力を投入する第２電源とを備え、第１電源によりターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングする成膜処理と、第２電源によりステージに交流電力を投入して基板に成膜された薄膜をエッチングするエッチング処理とを行い得るものが、例えば特許文献１で知られている。これによれば、成膜処理により基板表面やホール底部に厚く成膜されたＴａ膜がエッチングされ、エッチングされたＴａ粒子が膜厚の薄いホール内壁面に付着することで、カバレッジが向上する。
ところで、成膜処理の際、真空チャンバの内壁や真空チャンバ内に存する部品へのスパッタ粒子の付着を防止するために、真空チャンバ内には、ターゲットと基板との間の空間を囲うように防着板が配置される。そして、ステージの周囲に配置される防着板の部分は、当該部分と基板との間の隙間を介してステージ下方の空間にスパッタ粒子が回り込まないように、基板上面と同等の平面上で基板に近接させることが一般である。しかし、このように防着板を配置した状態でエッチング処理を行うと、エッチングレートの面内分布が悪化し、カバレッジを十分に向上させることができないことが判明した。本願発明の発明者は、鋭意研究を重ね、エッチングレートの面内分布の悪化は、基板に蓄積された負電荷が基板に近接する防着板の部分に引き寄せられて基板エッジ部に集中することに起因するとの知見を得た。
特表２０１３−５３８２９５号公報
本発明は、上記知見に基づき、エッチング処理時に基板エッジ部に負電荷が集中することを防止することで、高アスペクト比のホール内面にカバレッジよく薄膜を成膜できる成膜装置及び成膜方法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、ターゲットが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内で基板を保持するステージと、ターゲットに所定の電力を投入する第１電源と、ステージに交流電力を投入する第２電源とを備え、第１電源によりターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングする成膜処理と、第２電源によりステージに交流電力を投入して基板に成膜された薄膜をエッチングするエッチング処理とを行う本発明の成膜装置は、基板の周囲に防着板が配置され、ステージで保持される基板の成膜面側を上とし、基板に近接する防着板の部分が基板上面と同等の平面上に位置する成膜位置と、この防着板の部分が基板上面から上方に位置するエッチング位置との間でシールドを上下動する駆動手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、成膜処理後にエッチングするときに、駆動手段により防着板をエッチング位置に移動させて、防着板の基板に近接する部分を基板から離間させるため、基板エッジ部に負電荷が集中することを防止でき、エッチングレートの面内分布を向上させることができる。従って、高アスペクト比をホール内に薄膜を成膜する場合に本発明を適用すれば、ホール内面にカバレッジよく薄膜を成膜することができる。
本発明において、前記防着板の基板に近接する部分に、下方にのびる突条を設けることが好ましい。これによれば、エッチング処理時に薄膜から飛散する粒子が突条に付着するため、当該粒子が防着板の基板に近接する部分と基板との間を通過して真空チャンバ内面に付着することを防止できる。この場合、突条の高さは、成膜位置とエッチング位置との間の距離と同等以上に設定することができ、例えば、１０〜３０ｍｍの範囲に設定することができる。
本発明において、突条を設ける代わりに、前記防着板の下方に配置される第２防着板と、第２防着板の上端部が基板よりも下方に位置する成膜位置と、この上端部がエッチング位置に移動した前記防着板の基板に近接するエッチング位置との間で第２防着板を上下動する第２駆動手段とを更に備えるように構成してもよい。これによれば、防着板をエッチング位置に移動させると共に第２防着板もエッチング位置に移動させることで、エッチング処理時に薄膜から飛散する粒子を第２防着板に付着させることができ、当該粒子が防着板の基板に近接する部分と基板との間を通過して真空チャンバ内面に付着することを防止できる。
本発明において、真空チャンバに上下一対のコイルが設けられ、第２電源によりステージに交流電力を投入したときに発生するプラズマを上下方向で挟むように真空チャンバに対して上下一対のコイルが位置決めされれば、エッチングレートの面内均一性を更に向上でき、より一層カバレッジを向上できて有利である。
また、上記課題を解決するために、真空チャンバ内のステージにより基板を保持し、ステージの周囲を囲うように防着板を配置し、真空チャンバ内のターゲットに所定の電力を投入してスパッタリングする成膜工程と、ターゲットへの電力投入を停止し、ステージに交流電力を投入して基板に成膜された薄膜をエッチングするエッチング工程とを含む本発明の成膜方法は、ステージで保持される基板の成膜面側を上とし、前記成膜工程にて基板に近接する防着板の部分が基板上面と同等の平面上に位置する成膜位置に防着板を移動させ、前記エッチング工程にてこの防着板の部分が基板上面から上方に位置する、成膜位置とは異なるエッチング位置に防着板を移動させることを特徴とする。
本発明において、前記エッチング位置は前記成膜位置よりも１０〜３０ｍｍ上方に位置することが好ましい。
本発明において、前記成膜工程にて基板上面よりも下方に第２防着板が配置され、前記エッチング工程にて前記第２防着板を上方に移動させ、前記エッチング工程で薄膜から飛散する粒子が、前記防着板の基板に近接する部分と基板との間を通過して真空チャンバ内面に付着することを防止するように構成することが好ましい。
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。 （ａ）は防着板の成膜位置を、（ｂ）は防着板のエッチング位置を、（ｃ）は防着板の搬送位置をそれぞれ示す模式図。 （ａ）は成膜処理を、（ｂ）はエッチング処理をそれぞれ説明する模式図。 本発明のスパッタリング装置の変形例を示す模式的断面図。 本発明の効果を確認する実験結果を示す図。 本発明の効果を確認する実験結果を示す図。
以下、図面を参照して、処理すべき基板Ｗを、シリコンウェハＳＷの表面に絶縁膜Ｌを所定の膜厚で形成し、この絶縁膜Ｌにアスペクト比が３以上である微細なホールｈを形成したものとし、このホールｈの内面にＴａ膜ｆで構成されるバリア層を形成する場合に用いられるスパッタリング装置を例として、本発明の実施形態の成膜装置について説明する。
図１を参照して、ＳＭは、マグネトロン方式のスパッタリング装置であり、このスパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の天井部にはカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
カソードユニットＣは、ターゲットアッセンブリ２と、ターゲットアッセンブリ２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲットアッセンブリ２は、基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形の板状に形成されたＴａ製のターゲット２１と、ターゲット２１の上面にインジウム等のボンディング材（図示省略）を介して接合されるバッキングプレート２２とで構成され、スパッタによる成膜中、バッキングプレート２２の内部に冷媒（冷却水）を流すことでターゲット２１を冷却できるようになっている。ターゲット２１を装着した状態でバッキングプレート２２下面の周縁部が、絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１の側壁上部に取り付けられる。ターゲット２１にはＤＣ電源や高周波電源等の第１電源Ｅ１からの出力が接続され、成膜処理時、ターゲット２１に負の電位を持った電力が投入される。
磁石ユニット３は、ターゲット２１のスパッタ面２１ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２１から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。
真空チャンバ１の底部には、ターゲット２１のスパッタ面２１ａに対向させてステージ４が配置され、基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようにしている。この場合、ターゲット２１と基板Ｗとの間の間隔は、生産性や散乱回数等を考慮して３００〜６００ｍｍの範囲に設定される。ステージ４には、高周波電源等の第２電源Ｅ２からの出力が接続され、エッチング処理時、ステージ４に交流電力が投入される。成膜処理時に、第２電源Ｅ２からステージ４に交流電力を投入してもよい。
また、真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスやエッチングガスを導入するガス管５が接続され、ガス管５にはマスフローコントローラ５１が介設され、図示省略のガス源に連通している。これにより、流量制御されたスパッタガスまたはエッチングガスが、後述する真空排気手段６１により一定の排気速度で真空引きされている処理室１ａ内に導入でき、成膜処理中またはエッチング処理中、処理室１ａの圧力（全圧）が略一定に保持されるようにしている。真空チャンバ１の底部には、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排気手段６１に通じる排気管６が接続されている。
真空チャンバ１内には、真空チャンバ１の内壁や真空チャンバ１内に存する部品へのスパッタ粒子の付着を防止するために、ターゲット２１と基板Ｗとの間の空間を囲うように、防着板７ａ，７ｂ,７ｃが配置されている。ステージ４の周囲を囲う防着板７ｃには、図示省略のシール手段を介して真空チャンバ１の底板を貫通する、駆動手段８の駆動軸８１が接続されている。駆動手段８としては、エアシリンダ等の公知の構造を有するものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。駆動軸８１を駆動することで、防着板７ｃを、図２（ａ）に示す成膜位置と、図２（ｂ）に示すエッチング位置との間で上下動させることができる。成膜位置では、基板Ｗに近接する防着板７ｃの部分７１を、基板Ｗ上面と同等の平面上に位置させて、成膜処理時に当該部分７１と基板Ｗとの間の隙間を介してスパッタ粒子が回り込まないようにしている。エッチング位置では、防着板７ｃの部分７１が基板Ｗ上面から上方に位置する。このエッチング位置でエッチング処理を行った場合、エッチングされた粒子（薄膜から飛散する粒子）が部分７１と基板Ｗとの間の隙間を介して防着板７ｃと真空チャンバ１との間の空間１ｂに回り込み、真空チャンバ１内面に付着する虞がある。本実施形態では、防着板７ｃの部分７１に下方にのびる突条７２を設けることで、この突条７２に上記粒子を付着させることができ、その結果、当該粒子の空間１ｂへの回り込みを防止して真空チャンバ１内面への付着を防止することができる。このエッチング位置の防着板７ｃの部分７１から基板Ｗまでの水平方向の距離ａを、５〜１０ｍｍの範囲、垂直方向の距離ｂを、１０〜３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。この範囲内に設定することで、エッチング処理時に、基板Ｗに蓄積された負電荷が上記部分７１に引き寄せられることを防止できる。また、突条７２の高さｃは、成膜位置とエッチング位置との距離と同等以上に（例えば、１０〜３０ｍｍの範囲に）設定すれば、エッチングされた粒子の空間１ｂへの回り込みを確実に防止することができる。尚、駆動手段８は、基板Ｗをステージ４に受け渡す搬送時に、図２（ｃ）に示す搬送位置に防着板７ｃを移動させることができ、この搬送位置では防着板７ｃの部分７１がエッチング位置よりも更に上方に位置する。
また、真空チャンバ１には、上下一対のコイル９ｕ，９ｄが設けられており、コイル９には電源Ｅ３からの出力が接続されている。コイル９に通電すると、真空チャンバ１内に上向きの磁場を発生させることができるようになっている。図２（ｂ）に示すように、コイル９ｕ，９ｄは、第２電源Ｅ２によりステージ４に交流電力を投入したときに発生するプラズマＰを上下方向で挟むように真空チャンバ１に対して位置決めされている。
上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の稼働、マスフローコントローラ５１の稼働、真空排気手段６１の稼働や駆動手段８の稼働等を統括管理するようになっている。以下、図３も参照して、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、基板Ｗのホールｈ内面にＴａ膜ｆを成膜する成膜方法について説明する。
先ず、駆動手段８を駆動して防着板７ｃを図２（ｃ）に示す搬送位置まで上昇させた後、真空チャンバ１内のステージ４に基板Ｗをセットする。真空排気手段６１を作動させて処理室１ａ内を所定の真空度（例えば、１×１０−５Ｐａ）まで真空引きすると共に、駆動手段８を駆動して防着板７ｃを図２（ａ）に示す成膜位置に下降させる。処理室１ａ内が所定圧力に達すると、マスフローコントローラ５１を制御してアルゴンガスを所定の流量（例えば、５〜１００ｓｃｃｍ）で導入する（このとき、処理室１ａの圧力が０．０４〜０．８Ｐａの範囲となる）。これと併せて、第１電源Ｅ１からターゲット２１に電力を例えば、１０〜２５ｋＷ投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２１のスパッタ面２１ａをスパッタし、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗ表面に付着、堆積させることによりＴａ膜ｆが成膜される。このとき、図３（ａ）に示すように、基板Ｗ表面（絶縁膜Ｌ上面）やホールｈ底面に形成されたＴａ膜ｆの膜厚が、ホールｈ内壁面に形成されたＴａ膜ｆの膜厚よりも厚くなる。
成膜処理開始から所定時間経過すると、第１電源Ｅ１からの電力投入を停止し、駆動手段８を駆動して防着板７ｃを図２（ｂ）に示すエッチング位置に上昇させる。これと共に、第２電源Ｅ２から１３．５６ＭＨｚの交流電力を６００〜１２００Ｗ投入してプラズマを形成する。アルゴンガス流量は、例えば、５０〜１００ｓｃｃｍに設定することができる（このとき、処理室１ａの圧力が０．４〜０．８Ｐａの範囲となる）。これにより、図３（ｂ）に示すように、膜厚の厚いＴａ膜ｆがエッチングされ、エッチングされたＴａ粒子が膜厚の薄いホールｈ内壁面に再付着する。
ここで、ホールｈ内面にカバレッジよくＴａ膜ｆを形成するには、エッチングレートの面内均一性をいかに高めるかが重要である。本実施形態によれば、成膜処理後、エッチング処理に先立ち、駆動手段８により防着板７ｃを成膜位置よりも上方のエッチング位置に移動させて、防着板７ｃの部分７１を基板Ｗから離間させるため、エッチング処理時に基板Ｗエッジ部に負電荷が集中することを防止でき、エッチングレートの面内分布を向上させることができる。これにより、高アスペクト比のホールｈ内面にカバレッジよくＴａ膜ｆを成膜することができる。
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。上記実施形態においては、エッチング処理時にコイル９ｕ，９ｄへ通電していないが、エッチング処理時にコイル９ｕ，９ｄへ通電してもよい。これによれば、コイル９ｕ，９ｄに通電しない場合に比してエッチングレートの面内均一性を高めることができて有利である。
また、上記実施形態においては、ホールｈ内面にＴａ膜ｆを成膜する場合を例に説明したが、Ｔａ膜以外の金属や金属化合物からなる薄膜を成膜する場合にも広く本発明を適用できる。
また、上記実施形態では、防着板７ｃの基板Ｗに近接する部分７１に突条７２を設けているが、突条を別部材で構成してもよい。例えば、図４に示すように、防着板７ｃの下方に防着板７ｄを更に設け、この防着板７ｄに第２駆動手段１０の駆動軸１１を接続し、駆動軸１１を駆動することで、防着板７ｄを図中実線で示すエッチング位置と図中一点鎖線で示す成膜位置（及び搬送位置）との間で上下動させるようにしてもよい。防着板７ｄをエッチング位置に移動することで、エッチングされた粒子が部分７１と基板Ｗとの間の隙間を通って空間１ｂに回り込み真空チャンバ１の内面に付着することを防止することができる。
次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、基板Ｗとしてφ３００ｍｍの熱酸化膜付きＳｉ基板の表面にＴａ膜を膜厚５０ｎｍで形成したものを用い、真空チャンバ１内のステージ４に基板Ｗをセットした後、防着板７ｃをエッチング位置に移動させてＴａ膜をエッチングした。エッチング位置では、図２（ｂ）に示す距離ａは５ｍｍ、距離ｂは１８ｍｍに設定した。この場合のエッチング条件は以下の通りである。エッチングガス（アルゴンガス）の流量を９０ｓｃｃｍ（このときの処理室１ａ内の圧力は約０．７Ｐａ）、ステージ４への投入電力を１３．５６ＭＨｚ、１２００Ｗに設定し、コイル９への通電無し（電流０Ａ）とした。このときのエッチングレートの分布を測定した結果を図５において破線Ｌ１で示す。図５には、コイル９に１５Ａの電流を流した以外は、上記と同様の条件でエッチングしたときの結果を一点鎖線Ｌ２で示すと共に、従来例として、防着板７ｃを成膜位置に位置させた以外は、上記と同様の条件でエッチングしたときの結果を実線Ｌ３で示す。これによれば、従来例の如く防着板７ｃを成膜位置に位置させてエッチングすると、基板エッジ部分のエッチングレートが高くなることが確認されたが、防着板７ｃをエッチング位置に移動させると、破線Ｌ１で示すように基板エッジ部分のエッチングレートが抑えられて面内均一性を向上でき、さらにコイル９への通電を行うと、一点鎖線Ｌ２で示すように基板中央部のエッチングレートが下がることで、面内均一性をより一層向上できることが確認された。
次に、上記エッチング条件でコイル９に流れる電流を０Ａ，４Ａ,８Ａ,１５Ａ，２０Ａのように変化させて、エッチングレートを測定した。尚、基板Ｗとターゲット２１との間の距離は６００ｍｍ、基板Ｗとコイル９ｄとの間の距離は８２．５ｍｍ、コイル９ｄとコイル９ｕとの間の距離は８６ｍｍに設定した。このときのエッチングレートを測定した結果を図６に示す。これによれば、コイル電流を５Ａ〜１５Ａの範囲に設定すれば、エッチングレートの面内均一性を向上できることが確認された。
Ｅ１…第１電源、Ｅ２…第２電源、ＳＭ…スパッタリング装置（成膜装置）、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、４…ステージ、７ｃ…防着板、７ｄ…防着版（第２防着版）、７１…基板に近接する防着板７ｃの部分、７２…突条、８…駆動手段、２１…ターゲット、１０…第２駆動手段。

Claims (9)

  1. ターゲットが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内で基板を保持するステージと、ターゲットに所定の電力を投入する第１電源と、ステージに交流電力を投入する第２電源とを備え、第１電源によりターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングする成膜処理と、第２電源によりステージに交流電力を投入して基板に成膜された薄膜をエッチングするエッチング処理とを行う成膜装置であって、ステージの周囲を囲う防着板が配置されるものにおいて、
    ステージで保持される基板の成膜面側を上とし、基板に近接する防着板の部分が基板上面と同等の平面上に位置する、前記成膜処理を行う成膜位置と、この防着板の部分が基板上面から上方に位置する、前記エッチング処理を行うエッチング位置と、前記防着板の部分が前記エッチング位置よりも更に上方に位置する、基板搬送持の搬送位置との間で防着板を上下動する駆動手段を備えることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記防着板の基板に近接する部分に、下方にのびる突条を設けたことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  3. 前記突条の高さは、前記成膜位置と前記エッチング位置との間の距離と同等以上に設定されることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
  4. 前記突条の高さは１０〜３０ｍｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項２または請求項３記載の成膜装置。
  5. 前記防着板の下方に配置される第２防着板と、第２防着板の上端部が基板よりも下方に位置する成膜位置と、この上端部がエッチング位置に移動した前記防着板の基板に近接するエッチング位置との間で第２防着板を上下動する第２駆動手段とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  6. 真空チャンバに上下一対のコイルが設けられ、第２電源によりステージに交流電力を投入したときに発生するプラズマを上下方向で挟むように真空チャンバに対して上下一対のコイルが位置決めされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の成膜装置。
  7. 真空チャンバ内のステージにより基板を保持し、ステージの周囲を囲うように防着板を配置し、真空チャンバ内のターゲットに所定の電力を投入してスパッタリングする成膜工程と、ターゲットへの電力投入を停止し、ステージに交流電力を投入して基板に成膜された薄膜をエッチングするエッチング工程とを含む成膜方法において、
    ステージで保持される基板の成膜面側を上とし、前記成膜工程にて基板に近接する防着板の部分が基板上面と同等の平面上に位置する成膜位置に防着板を移動させ、前記エッチング工程にてこの防着板の部分が基板上面から上方に位置する、成膜位置とは異なるエッチング位置に防着板を移動させ、基板をステージに受け渡す搬送時に前記防着板の部分が前記エッチング位置よりも更に上方に位置するように防着板を移動させることを特徴とする成膜方法。
  8. 前記エッチング位置は前記成膜位置よりも１０〜３０ｍｍ上方に位置することを特徴とする請求項７記載の成膜方法。
  9. 前記成膜工程にて基板上面よりも下方に第２防着板が配置され、前記エッチング工程にて前記第２防着板を上方に移動させ、前記エッチング工程で薄膜から飛散する粒子が、前記防着板の基板に近接する部分と基板との間を通過して真空チャンバ内面に付着することを防止するようにしたことを特徴とする請求項７または８記載の成膜方法。
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