JP6641382B2 - カーボン膜の成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボン膜の成膜方法に関し、より詳しくは、マグネットスパッタリング法によるものに関する。

メモリ素子や有機ＥＬ素子などのデバイスの電極としてカーボン膜を用いることが知られている。このようなカーボン膜の成膜には、量産性等を考慮して所謂マグネトロン方式のスパッタリング装置が用いられる（例えば、特許文献１，２参照）。この種のスパッタリング装置は、成膜処理しようとする処理対象物が設置されるステージを有する真空チャンバを備える。真空チャンバ内には、ステージに対向させてスパッタカソードが設けられる。スパッタカソードは、グラファイトやパイロカーボン等のカーボン製のターゲットと、ターゲット表面側に漏洩磁場を作用させるマグネットユニットとを備える。カーボン膜の成膜に際しては、真空雰囲気の真空チャンバ内にアルゴンガスなどの放電用スパッタガスを導入し、ターゲットに高周波電力等を投入してステージとターゲットとの間の空間にプラズマを発生させ、プラズマ中のスパッタガスのイオンでターゲットをスパッタリングすることで、ターゲットに対向配置されたステージ上の処理対象物の表面にカーボン膜が成膜される。

ここで、上記種のスパッタリング装置においては、カーボン膜の膜厚の均一性やターゲットの利用効率を高めるために、例えばターゲットが円形の輪郭を持つ場合、マグネットユニットをターゲット中心から偏在させてターゲット表面側に漏洩磁場が作用する領域を局所的とし、成膜中には、マグネットユニットをターゲット中心を回転中心として一定の速度で回転させることで、漏洩磁場が作用する領域をターゲット表面の起点からターゲットに対して相対移動させて起点に戻るように周期的に変化させることが一般に行われている。

然し、上記従来例に従いカーボン膜を成膜すると、カーボン膜の比抵抗を効果的に低くできないことが判明した。即ち、数Ω・ｃｍ程度の比抵抗のカーボン膜しか得られない。そこで、本発明の発明者は、鋭意研究を重ね、ターゲットへの投入電力との関連でターゲット表面側に作用する漏洩磁場の磁場強度がカーボン膜の比抵抗を低下させることにとって阻害要因となることを知見するのに至った。

特開平８−３１５７３号公報 国際公開第２０１５／１２２１５９号公報

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、上記従来例のものと比較して極めて低い、数十ｍΩ・ｃｍ程度の比抵抗を持つカーボン膜を再現性よく成膜することができるカーボン膜の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、カーボン製のターゲットを用い、このターゲット表面に漏洩磁場を作用させた状態でターゲットに電力を投入してスパッタリングし、処理対象物の表面にカーボン膜を成膜する本発明のカーボン膜の成膜方法は、ターゲット表面側に漏洩磁場が作用する領域を局所的とし、この漏洩磁場が作用する領域を、ターゲット表面の起点からターゲットに対して相対移動させて起点に戻るように周期的に変化させ、ターゲット表面の所定位置における漏洩磁場の平均磁場強度とターゲットに対する投入電力との積を１２５Ｇ・ｋＷ以下にしたことを特徴とする。

本発明によれば、３０ｍΩ・ｃｍ以下（上記積が８５Ｇ・ｋＷ以下かつ上記平均磁場強度が５０Ｇ以下であれば、２０ｍΩ・ｃｍ以下）の比抵抗を持つカーボン膜を再現性よく成膜することができ、上記従来例のものより一層低い比抵抗のカーボン膜が得られることが確認された。ここで、本発明にいう「平均磁場強度」とは、マグネットユニットを所定速度で相対移動させたときのターゲット表面の所定位置における磁場強度の平均値をいう。即ち、ターゲット表面の所定位置における磁場強度をみると、一周期においては、磁場強度がゼロから、マグネットユニットが近づくに従い磁場強度が増加し、磁場強度が最大になり、次いで、マグネットユニットが遠ざかるのに従い磁場強度が減少し、やがて磁場強度がゼロになる。このときの一周期におけるターゲット表面の所定位置での磁場強度の平均値をいう。また、ターゲット表面の所定位置における漏洩磁場の平均磁場強度とターゲットに対する投入電力との夫々の最小値は、ターゲットをスパッタリングする際に放電可能な範囲で適宜選択されるが、前記ターゲットへの投入電力が３ｋＷを超えると、処理対象物表面に成膜したカーボン膜の表面が荒れるという問題が生じることが確認された。

本発明の実施形態のカーボン膜の成膜方法に用いることができるマグネトロン方式のスパッタリング装置の模式断面図。 ターゲットに対するマグネットユニットの相対移動を説明する図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、処理対象物をシリコンウエハＷとし、マグネトロン方式のスパッタリング装置ＳＭによりシリコンウエハＷの片面にカーボン膜を成膜する場合を例に本発明のカーボン膜の成膜方法の実施形態を説明する。以下においては、図１に示すスパッタリング装置ＳＭの姿勢を基準とし、真空チャンバの天井壁側を「上」、その底壁側を「下」として説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態の成膜方法の実施に利用されるマグネトロン方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、成膜室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底壁には排気管１１が接続され、排気管１１は例えばターボ分子ポンプとその排圧側のロータリーポンプとで構成される真空ポンプ１２が接続され、成膜室１ａ内を所定圧力（例えば１０^−５Ｐａ）に真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の底壁には、シリコンウエハＷが載置されるステージ２が絶縁体２ａを介して配置されている。この場合、ステージ２上に静電チャック機構を組み付け、シリコンウエハＷを吸着保持できるようにしてもよい。

また、真空チャンバ１の側壁には、図外のガス源に連通し、マスフローコントローラ３１が介設されたガス導入管３が接続され、アルゴンなどの放電用スパッタガスを成膜室１ａ内に所定流量で導入できるようにしている。真空チャンバ１の天井壁にはカソードユニットＣｕが配置されている。カソードユニットＣｕは、カーボン製のターゲット４と、ターゲット４の下面側に漏洩磁場を作用させるマグネットユニット５とを備える。

ターゲット４は、成膜しようとする薄膜（カーボン膜）に応じて適宜選択されるグラファイトやパイロカーボン等で構成され、円形の輪郭を持つように公知の方法で製作されている。また、ターゲット４の上面には、図示省略のボンディング材を介してＣｕ製のバッキングプレート４１が接合され、ターゲット４から外方に延出したバッキングプレート４１の部分に絶縁体４２を介して、ターゲット４表面としてターゲット４の下面（スパッタ面４ａ）が成膜室１ａに臨むように真空チャンバ１の天井壁に取り付けられる。この場合、スパッタ面４ａとステージ２上のシリコンウエハＷとの間の上下方向の間隔は、４０〜９０ｍｍに設定される。また、ターゲット４（バッキングプレート４１）には、公知の構造を持つ高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）や直流パルス電源（例えば、８０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ）等で構成されるスパッタ電源Ｐｓからの出力ケーブルＰ１が接続され、所定電力が投入できるようにしている。なお、ステージ２上のシリコンウエハＷにバイアス電圧を印加する他の高周波電源を設けることもできる。

図２も参照して、バッキングプレート４１の上方に配置されるマグネットユニット５は、ヨークとしての磁性材料製の円盤状の支持板５１を有し、支持板５１の下面には、ターゲット４より小さい径の円弧に沿って配置される外側マグネット５２と、外側マグネット５２の内側で所定径の円弧に沿って配置される内側マグネット５３とがターゲット４側の極性をかえて設けられている。この場合、外側マグネット５２と内側マグネット５３としては、同磁化のネオジウム磁石が用いられ、例えば一体に成形したリング状のものが利用できる。これにより、ターゲット４のスパッタ面４ａの所定領域に漏洩磁場Ｍｆが局所的に作用する。また、支持板５１には、ステージ２の中心を通る軸線上に一致させて配置した駆動軸５４が連結され、図外のモータ等の駆動手段により駆動軸５４を回転駆動することで支持板５１が一定の速度で回転するようにしている。これにより、この漏洩磁場Ｍｆが作用する領域を、ターゲット４表面の起点からターゲット４に対して相対移動して起点に戻るように周期的に変化させることができる。

上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略する公知の制御手段（図示せず）を有し、マスフローコントローラ３１、真空ポンプ１２やスパッタ電源Ｐｓの稼働等を統括制御し、シリコンウエハＷ表面にカーボン膜を成膜するようになっている。以下に、ターゲット４をグラファイト製とし、上記スパッタリング装置ＳＭを用いてシリコンウエハＷ表面にカーボン膜を成膜する場合を例にカーボン膜の成膜方法を具体的に説明する。

ステージ２にシリコンウエハＷを載置した状態で、成膜室１ａを減圧し、所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ３１を制御してアルゴンガスを所定流量で導入する。この場合、スパッタガスの流量は、真空ポンプ１２の排気速度との関連で成膜室１ａの圧力が０．０１〜３０Ｐａの範囲となるように設定される。次に、スパッタ電源Ｐｓからターゲット４に高周波電力を投入する。これにより、ステージ２上のシリコンウエハＷとターゲット４との間の空間であってマグネットユニット５により漏洩磁場Ｍｆが作用する領域にプラズマが環状に発生し、プラズマ中のアルゴンイオンでターゲット４がスパッタリングされてスパッタ粒子が飛散し、シリコンウエハＷ表面に付着、堆積してカーボン膜が成膜される。この場合、マグネットユニット５は、３０〜９０ｒｐｍの範囲の速度で回転される。

ここで、本発明者の知見によれば、マグネットユニット５からの漏洩磁場Ｍｆの磁場強度が、カーボン膜の比抵抗を低下させることにとって阻害要因になることがある。そこで、本実施形態では、マグネットユニット５の外側マグネット５２と内側マグネット５３とを夫々構成するマグネットを適宜設定することでターゲット４表面の所定位置における漏洩磁場Ｍｆの平均磁場強度とターゲット４に対する投入電力（スパッタ電源側の電力）との積を１２５Ｇ・ｋＷ以下にした。この場合、「平均磁場強度」とは、マグネットユニット５を駆動手段により所定速度で回転させたときのターゲット４表面の所定位置における磁場強度の平均値をいう。即ち、ターゲット４表面の所定位置における磁場強度をみると、一周期においては、磁場強度がゼロから、マグネットユニットが近づくに従い磁場強度が増加し、磁場強度が最大になり、次いで、マグネットユニットが遠ざかるのに従い磁場強度が減少し、やがて磁場強度がゼロになる。このときの一周期におけるターゲット４表面の所定位置での磁場強度の平均値をいう。併せて、スパッタ電源Ｐｓでのターゲット４への投入電力を３ｋＷ以下とした。この場合、ターゲット４表面の所定位置における漏洩磁場Ｍｆの平均磁場強度とターゲット４に対する投入電力との夫々の最小値は、ターゲット４をスパッタリングする際に放電可能な範囲で適宜選択されるが、ターゲット４への投入電力が３ｋＷを超えると、シリコンウエハＷ表面に成膜したカーボン膜の表面が荒れるという問題が生じる。

以上の実施形態によれば、３０ｍΩ・ｃｍ以下（上記積が８５Ｇ・ｋＷ以下かつ上記平均磁場強度が５０Ｇ以下であれば、２０ｍΩ・ｃｍ以下）の比抵抗を持つカーボン膜を再現性よく成膜することができ、上記従来例のものより一層低い比抵抗のカーボン膜が得られる。

次に、上記本実施形態の成膜方法を実施して得られる本発明の効果を確認する実験について説明する。スパッタ条件として、グラファイト製のターゲット４のスパッタ面４ａとステージ２上のシリコンウエハＷとの間の上下方向の間隔を７０ｍｍ、成膜室１ａの圧力を０．６Ｐａ、マグネットユニット５の回転速度を６０ｒｐｍとした。そして、スパッタ電源Ｐｓでのターゲット４への投入電力を０．５ｋＷ、１．５ｋＷ及び２．５ｋＷに夫々設定し、平均磁場強度を３０〜３００Ｇの範囲で適宜変化させ、そのときの平均磁場強度に対するカーボン膜の比抵抗と、ターゲット４表面の所定位置における漏洩磁場Ｍｆの平均磁場強度とターゲット４に対する投入電力との積（Ｇ・ｋＷ）に対する比抵抗とを図３（ａ）及び図３（ｂ）に夫々示す。

これによれば、投入電力を２．５ｋＷとした場合、平均磁場強度を５０Ｇに設定すれば、３０ｍΩ・ｃｍと上記従来例と比較して極めて低い比抵抗のカーボン膜が得られることが確認された。また、投入電力が１．５ｋＷ、０．５Ｋｗと低い場合、平均磁場強度を８０Ｇ、１００Ｇと強くしても、上記同様に、極めて低い比抵抗のカーボン膜が得られ、その結果、投入電力が小さければ、平均磁場強度を大きくしてもよいことが確認された。以上より、ターゲット４表面の所定位置における漏洩磁場Ｍｆの平均磁場強度とターゲット４に対する投入電力との積を管理し、この積を１２５Ｇ・ｋＷ以下にすれば、３０ｍΩ・ｃｍ以下（上記積が８５Ｇ・ｋＷ以下かつ上記平均磁場強度が５０Ｇ以下であれば、２０ｍΩ・ｃｍ以下）の比抵抗を持つカーボン膜を再現性よく成膜することができることが確認された。なお、スパッタリング中のマグネットユニット５の回転速度を変化させたが、得られたカーボン膜の比抵抗は殆ど変化しないことが確認された。

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。上記実施形態では、カーボン製のターゲット４として円形の輪郭を持つものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、矩形とすることができる。また、マグネットユニット５の形態も上記に限定されるものではなく、ターゲット４の輪郭等に応じて適宜変更することができ、その際、ターゲット４に対するマグネットユニット５の相対運動も、例えば同一線上を往復動するようにしてもよい。

４…ターゲット、５…マグネットユニット、Ｍｆ…漏洩磁場、Ｐｓ…高周波電源（スパッタ電源）、Ｗ…シリコンウエハ（処理対象物）。

Claims (3)

1. カーボン製のターゲットを用い、このターゲット表面側にマグネットユニットにより漏洩磁場を作用させた状態でターゲットに電力を投入してスパッタリングし、処理対象物の表面にカーボン膜を成膜するカーボン膜の成膜方法であって、ターゲット表面に漏洩磁場が作用する領域を局所的とし、この漏洩磁場が作用する領域を、ターゲット表面の起点からターゲットに対して相対移動して起点に戻るように周期的に変化させるものにおいて、
   マグネットユニットをターゲットに対して所定速度で相対移動させたときのターゲット表面の所定位置における漏洩磁場の平均値を平均磁場強度とし、前記平均磁場強度とターゲットに対する投入電力との積を１２５Ｇ・ｋＷ以下、かつ前記平均磁場強度を１００Ｇ以下にしたことを特徴とするカーボン膜の成膜方法。
2. 前記ターゲット表面の所定位置における漏洩磁場の平均磁場強度とターゲットに対する投入電力との積を８５Ｇ・ｋＷ以下、かつ前記平均磁場強度を５０Ｇ以下にしたことを特徴とする請求項１記載のカーボン膜の成膜方法。
3. 前記ターゲットへの投入電力を３ｋＷ以下としたことを特徴とする請求項１又は２記載のカーボン膜の成膜方法。

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