JP6641472B2 - 成膜方法及びスパッタリング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、真空チャンバ内に被処理基板とターゲットとを配置し、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、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し、被処理基板表面に成膜する成膜方法及びスパッタリング装置に関する。
この種の成膜方法で被処理基板表面に成膜する場合、例えばターゲットの利用効率を高めるために、ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面、スパッタ面側を下とし、ターゲット上方に設けた磁石ユニットによりスパッタ面の下方に漏洩磁場を局所的に作用させ、スパッタリングによる成膜中、スパッタ面における漏洩磁場の作用領域が連続して変化するように磁石ユニットを一方向に回転させている（例えば、特許文献１参照）。そして、ターゲットのライフエンドに至るまで磁石ユニットの回転方向を変えないのが一般的である。
ところで、ターゲットの中には所謂焼結ターゲットがある。このような焼結ターゲットを用い、同等の成膜条件（投入電力、スパッタガスの導入量、スパッタ時間等）で上記成膜方法を適用して複数枚の被処理基板に順次成膜すると、ターゲットに投入される積算電力量が増加するのに従い、被処理基板表面に成膜した薄膜の膜厚が変化することが判明した。この場合、電子デバイスの製造工程では、膜厚の変化が後工程に悪影響を与えることから、膜厚の変化量を可及的に少なくすることが望まれる。
そこで、本願発明の発明者らは、鋭意研究を重ね、ターゲットの侵食量に応じて磁石ユニットの回転方向を変えると、膜厚の変化量が可及的に少なくなることを知見するのに至った。これは、磁石ユニットを一方向のみに回転させ、ライフエンドまでスパッタリングすると、スパッタ面に対して同一の角度でスパッタガスのイオンが衝突することで、ターゲットが同一の面方向に常時侵食されることに起因するものと推測される。
本発明は、以上に基づき、複数枚の被処理基板に対して連続成膜する場合でも、膜厚の変化量を可及的に少なくすることができる成膜方法及びスパッタリング装置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、真空チャンバ内に被処理基板とターゲットとを配置し、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、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し、被処理基板表面に成膜する本発明の成膜方法は、ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面、スパッタ面側を下とし、ターゲット上方に設けた磁石ユニットによりスパッタ面の下方に漏洩磁場を局所的に作用させ、スパッタリングによる成膜中、スパッタ面における漏洩磁場の作用領域が連続して変化するように磁石ユニットを回転させ、ターゲットに投入される積算電力量に応じて磁石ユニットの回転方向を正方向と逆方向とに交互に切り換える工程を含むことを特徴とする。
本発明によれば、ターゲットのライフエンドに至るまでの間で、その積算電力量、即ち、ターゲットの侵食量に応じて磁石ユニットの回転方向が切り換わる毎に、スパッタ面に対してスパッタガスのイオンが衝突する角度が変わり、ターゲットが侵食される面方向が変わる。このため、ターゲットが複数の面方向に侵食されることで、複数枚の被処理基板に対して連続成膜する場合でも、膜厚の変化量を可及的に少なくすることができる。
本発明は、前記ターゲットが絶縁物製の焼結ターゲットであり、この焼結ターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングする場合に好適に適用することができる。
また、上記課題を解決するために、真空チャンバ内に設けられたターゲットに電力投入するスパッタ電源と、ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面、スパッタ面側を下とし、ターゲット上方に設けられ、スパッタ面の下方に漏洩磁場を局所的に作用させる磁石ユニットと、スパッタリングによる成膜中、スパッタ面における漏洩磁場の作用領域が連続して変化するように磁石ユニットを回転させる駆動手段と、を備える本発明のスパッタリング装置は、ターゲットに投入される積算電力量に応じて磁石ユニットの回転方向を正方向または逆方向に切り換える回転方向切換手段を更に備えることを特徴とする。
本発明によれば、ターゲットに投入される積算電力量に応じて回転方向切換手段により磁石ユニットの回転方向を正方向と逆方向とに交互に切り換えることで、複数枚の被処理基板に対して連続成膜する場合でも、膜厚の変化量を可及的に少なくすることができる。
以下、図面を参照して、被処理基板Ｗをシリコン基板とし、このシリコン基板の表面に絶縁膜たるアルミナ膜を成膜する場合を例として、本発明の実施形態の成膜方法及びスパッタリング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１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス管１１が接続され、ガス管１１にはマスフローコントローラ１２が介設され、ガス源１３に連通している。スパッタガスには、アルゴン等の希ガスのほか、反応性スパッタリングを行う場合には、酸素ガスや水蒸気ガス等の反応性ガスを含んでもよいものとする。真空チャンバ１の側壁には、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Ｐに通じる排気管１４が接続されている。これにより、マスフローコントローラ１２により流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐにより真空引きされている処理室１０内に導入でき、成膜中、処理室１０の圧力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、絶縁部材Ｉ１を介して基板ステージ２が配置されている。基板ステージ２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャックの電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、基板ステージ２上に被処理基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。
真空チャンバ１の天井部にはターゲットアッセンブリ３が取付けられている。ターゲットアッセンブリ３は、被処理基板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酸化アルミニウム製の焼結ターゲット３１と、ターゲット３１のスパッタリングされる面をスパッタ面３１ａ、このスパッタ面３１ａ側を「下」とし、ターゲット３１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３２とで構成される。スパッタリングによる成膜中、バッキングプレート３２の内部に冷媒（冷却水）を流すことでターゲット３１を冷却できるようになっている。ターゲット３１を装着した状態でバッキングプレート３２下面の周縁部が、絶縁部材Ｉ２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３１にはスパッタ電源Ｅたる高周波電源の出力がバッキングプレート３２を介して接続され、ターゲット３１に高周波電力を投入できるようになっている。尚、スパッタ電源Ｅとしては、高周波電源に限らず、使用するターゲット３１に応じて直流電源や直流パルス電源等を用いてもよい。
ターゲットアッセンブリ３の上方には磁石ユニット４が配置され、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの下方に漏洩磁場を局所的に作用させ、スパッタリングによる成膜中にスパッタ面３１ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット３１から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化できるようにしている。図２も参照して、磁石ユニット４は、円板状のヨーク４１と、ヨーク４１の下面に環状に列設した複数個の第１磁石４２と、第１磁石４２の周囲を囲うように環状に列設した複数個の第２磁石４３とを有する。ヨーク４１上面の中央にはモータ等の駆動手段４４の回転軸４５が接続され、回転軸４５を回転駆動することで、ターゲット３１の中心を回転中心として第１磁石４２及び第２磁石４３が回転し、これにより、スパッタ面３１ａにおける漏洩磁場の作用領域が連続して変化するようにしている。そして、後述する制御部５の回転方向切換手段５２により、駆動手段４４による回転軸４５ひいては磁石ユニット４の回転方向を正方向または逆方向に切り換えることができるようになっている。
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制御部５を有し、マスフローコントローラ１２の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、スパッタ電源Ｅの稼働等を統括制御するようにしている。制御部５は、スパッタ電源Ｅからターゲット３１に投入される積算電力量（投入電力（ｋＷ）×時間（ｈ））を取得する積算電力量取得手段５１と、積算電力量に応じて磁石ユニット４の回転方向を正方向または逆方向に切り換える回転方向切換手段５２とを有する。積算電力量取得手段５１は、スパッタ電源Ｅから入力される積算電力量を取得してもよく、スパッタ電源Ｅに出力する制御信号に基づき積算電力量を算出してもよい。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本発明の実施形態の成膜方法について説明する。
先ず、図示省略の搬送ロボットを用いてステージ２上に被処理基板Ｗ（１枚目）を搬送し、ステージ２により被処理基板Ｗを位置決め保持する。次いで、マスフローコントローラ１２を制御してアルゴンガスを所定の流量（例えば、１００〜２００ｓｃｃｍ）で導入し（このとき、処理室１０の圧力が１．８〜２．２Ｐａとなる）、これと併せて、高周波電源Ｅからターゲット３１に例えば、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を２ｋＷ〜５ｋＷ投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成し、ターゲット３１をスパッタリングする。スパッタリングにより飛散したスパッタ粒子を被処理基板Ｗの表面に付着、堆積させることで、被処理基板Ｗ表面に酸化アルミニウム膜が成膜される。成膜中、磁石ユニット４を正方向に回転させることで、スパッタ面３１における漏洩磁場の作用領域を連続して変化させる。
所定のスパッタ時間が経過すると、アルゴンガスの導入及び電力投入を停止して成膜を終了し、成膜済みの被処理基板Ｗを真空チャンバ１から搬出する。そして、次に成膜する被処理基板Ｗ（２枚目）を真空チャンバ１内に搬入し、上記成膜条件（投入電力、スパッタガスの流量、スパッタ時間）で成膜を行う。
ところで、上記ターゲット３１の中には、所謂焼結ターゲットがあり、このような焼結ターゲットを用いて複数枚の被処理基板Ｗに順次成膜すると、ターゲットに投入される積算電力量が増加するのに従い、被処理基板Ｗ表面に成膜した薄膜の膜厚が変化するという問題がある。
そこで、本実施形態では、ターゲット３１に投入される積算電力量に応じて磁石ユニット４の回転方向を正方向と逆方向とに交互に切り換える工程を含むようにした。この工程を１枚目の成膜後に行うことで、２枚目の被処理基板Ｗに対する成膜は、磁石ユニット４を逆方向に回転させながら行われる。ここで、「積算電力量に応じて」とは、磁石ユニット４の回転方向の切換タイミングを任意に設定できることを意味する。このため、所定枚数（例えば、１枚）の被処理基板Ｗに対する成膜が終了した後に切り換えてもよく、積算電力量が所定値に達したときに切り換えてもよい。成膜中に積算電力量が所定値に達した場合、成膜中の被処理基板Ｗに対する成膜が終了した後に切り換えればよい。また、例えば、成膜する薄膜の膜厚が厚い場合には、１枚の被処理基板Ｗに対する成膜を複数ステップ（例えば、２ステップ）で行うことがあるが、この場合、ステップ間に切り換えるようにしてもよい。尚、磁石ユニット４の回転方向を切り換えると、積算電力量をリセットすればよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、ターゲット３１のライフエンドに至るまでの間で、その積算電力量、即ち、ターゲット３１の侵食量に応じて磁石ユニット４の回転方向が正方向と逆方向とに交互に切り換えられる。このように回転方向が切り換わる毎に、スパッタ面３１ａに対してスパッタガスのイオンが衝突する角度が変わり、ターゲット３１が侵食される面方向が変わる。このため、ターゲット３１が複数の面方向に侵食されることで、複数枚の被処理基板Ｗに対して連続成膜する場合でも、膜厚の変化量を可及的に少なくすることができる。
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、酸化アルミニウム製のターゲット３１を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する場合を例に説明したが、他の焼結ターゲットを用いて他の薄膜を成膜する場合にも当然に本発明を適用することができる。また、磁石ユニット４を構成する磁石４２，４３の配置は図２に示すものに限られず、公知の配置を採用することができる。
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、以下の発明実験を行った。本実験では、被処理基板Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコン基板を用い、真空チャンバ１内のステージ２に被処理基板Ｗ（１枚目）をセットした後、アルゴンガスを流量２００ｓｃｃｍで処理室１０内に導入し（このときの処理室１０内の圧力は約２．２Ｐａ）、酸化アルミニウム製のターゲット３１に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を４ｋＷ投入した。これにより、処理室１０内にプラズマが形成され、磁石ユニット４を正方向に４０〜６０ｒｐｍの速度で回転させながら、ターゲット３１をスパッタリングして、被処理基板Ｗの表面に酸化アルミニウム膜を成膜し、その酸化アルミニウム膜の膜厚を測定した。１枚毎に磁石ユニット４の回転方向を正方向と逆方向とで交互に切り換える点を除いて上記成膜条件と同一条件にて２枚目〜６枚目の被処理基板Ｗに対して酸化アルミニウム膜を順次成膜し、このように連続成膜した酸化アルミニウム膜の膜厚を測定した結果を図３に示す。これによれば、最小膜厚が約５５０Å、最大膜厚が約５５４Åであり、膜厚の変化量は４Å程度と少なくできることが確認された。尚、１０枚の被処理基板に連続成膜した場合も、同様の結果が得られた。また、５枚毎に磁石ユニット４の回転方向を切り換えて１５枚の被処理基板に連続成膜した場合も、同様の結果が得られた。
上記発明実験に対する比較実験として、磁石ユニット４を正方向にのみ回転させて、即ち、磁石ユニット４の回転方向を交互に切り換えないで複数枚（２３枚）の被処理基板Ｗに対して酸化アルミニウム膜を順次成膜し、連続成膜した酸化アルミニウム膜の膜厚を測定した結果を図４に示す。これによれば、最小膜厚が約４９９Å、最大膜厚が約５１１Åであり、膜厚の変化量が１２Å程度と大きいことが確認された。これらの実験により、磁石ユニット４の回転方向を正方向と逆方向とに交互に切り換えることで、膜厚の変化量を可及的に少なくできることが判った。
ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…被処理基板、１…真空チャンバ、３１…ターゲット（焼結ターゲット）、３１ａ…スパッタ面、４…磁石ユニット、４４…駆動手段、５２…回転方向切換手段。
Claims (3)
- 真空チャンバ内に被処理基板とターゲットとを配置し、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、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し、被処理基板表面に成膜する成膜方法であって、
ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面、スパッタ面側を下とし、ターゲット上方に設けた磁石ユニットによりスパッタ面の下方に漏洩磁場を局所的に作用させ、スパッタリングによる成膜中、スパッタ面における漏洩磁場の作用領域が連続して変化するように磁石ユニットを回転させるものにおいて、
磁石ユニットを正方向に回転させながらターゲットをスパッタリングする第１の成膜工程と、磁石ユニットを逆方向に回転させながらターゲットをスパッタリングする第２の成膜工程とを有し、ターゲットに投入される積算電力量に応じて第１の成膜工程と第２の成膜工程とを切り換えることを特徴とする成膜方法。 - 前記ターゲットを絶縁物製の焼結ターゲットとし、焼結ターゲットに高周波電力を投入することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 真空チャンバ内に設けられたターゲットに電力投入するスパッタ電源と、
ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面、スパッタ面側を下とし、ターゲット上方に設けられ、スパッタ面の下方に漏洩磁場を局所的に作用させる磁石ユニットと、
スパッタリングによる成膜中、スパッタ面における漏洩磁場の作用領域が連続して変化するように磁石ユニットを回転させる駆動手段と、を備えるスパッタリング装置において、
ターゲットに投入される積算電力量に応じて磁石ユニットの回転方向を正方向または逆方向に切り換える回転方向切換手段を更に備え、前記積算電力量に応じて、磁石ユニットを正方向に回転させながらターゲットをスパッタリングする成膜と、磁石ユニットを逆方向に回転させながらターゲットをスパッタリングする成膜とを切り換えるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。
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