JP6692164B2 - Deposition method - Google Patents
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Description
本発明は、成膜方法に関し、より詳しくは、成膜対象物をその表面に金属層を有するものとし、この金属層の表面にカーボン膜をスパッタリング法により成膜するものに関する。 The present invention relates to a film forming method, and more particularly to a film forming object having a metal layer on the surface thereof, and a carbon film formed on the surface of the metal layer by a sputtering method.
大容量の不揮発性半導体記憶装置として、NAND型フラッシュメモリが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、電極膜としてのカーボン膜を量産性よく成膜するためにスパッタリング法による成膜方法が用いられている(例えば、特許文献2及び3参照)。
A NAND flash memory is known as a large-capacity nonvolatile semiconductor memory device (see, for example, Patent Document 1). In addition, a film forming method using a sputtering method is used to form a carbon film as an electrode film with high productivity (see, for example,
このような成膜方法では、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、カーボン製の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、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を金属層の表面に付着、堆積させることでカーボン膜が成膜される。ここで、成膜される薄膜の表面のラフネスを整えるために、スパッタリング中、成膜対象物にバイアス電力を投入することが一般的である。 In such a film forming method, a sputtering gas is introduced into the vacuum chamber, power is applied to a carbon target to sputter the target, and the sputtered particles scattered from the target are attached and deposited on the surface of the metal layer. A carbon film is formed. Here, in order to adjust the surface roughness of the thin film to be formed, it is common to apply bias power to the film formation target during sputtering.
しかしながら、バイアス電力を投入した状態で複数枚の処理対象物に対してカーボン膜を連続成膜すると、成膜レートが徐々に低下することが判明した。そこで、本発明者らは鋭意研究を重ね、ターゲットからのスパッタ粒子が金属層の表面に衝突して金属粒子が飛散し、この金属粒子がターゲット表面に付着して反応し、これによりカソード電圧が上昇することに起因することを知見するのに至った。 However, it has been found that when a carbon film is continuously formed on a plurality of objects to be processed while the bias power is applied, the film formation rate gradually decreases. Therefore, the inventors of the present invention have conducted extensive research, and sputtered particles from the target collide with the surface of the metal layer to scatter the metal particles, and the metal particles adhere to the surface of the target to react with each other. We came to discover that it was caused by the rise.
本発明は、以上の点に鑑み、複数枚の処理対象物に対してカーボン膜を連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に成膜レートの低下を抑制することができる成膜方法を提供することをその課題とするものである。 In view of the above points, the present invention can suppress an increase in cathode voltage and suppress a decrease in film formation rate even when a carbon film is continuously formed on a plurality of processing objects. It is an object of the present invention to provide a film forming method capable of forming the film.
上記課題を解決するために、成膜対象物をその表面に原子量が90以上の金属で構成される金属層を有するものとし、この金属層の表面にカーボン電極膜をスパッタリング法により成膜する本発明の成膜方法は、成膜対象物に0.2W/cm2以下のバイアス電力を投入して前記金属層の表面に第1カーボン電極層を成膜する第1工程と、成膜対象物に0.2W/cm2を超えるバイアス電力を投入して前記第1カーボン電極層の表面に第2カーボン電極層を成膜する第2工程とを含むことを特徴とする。尚、本発明においては、0.2W/cm2以下のバイアス電力を投入するには、バイアス電力をゼロに設定して実質的に成膜対象物にバイアス電力が投入されない場合を含むものとする。 In order to solve the above-mentioned problems, a film formation target has a metal layer composed of a metal having an atomic weight of 90 or more on its surface, and a carbon electrode film is formed on the surface of this metal layer by a sputtering method. The film forming method of the invention comprises a first step of applying a bias power of 0.2 W / cm 2 or less to a film forming object to form a first carbon electrode layer on the surface of the metal layer, and a film forming object. characterized in that it comprises a second step of forming a second carbon electrode layer on the surface of 0.2 W / cm 2 to have the bias power was introduced more than the first carbon electrode layer. In addition, in the present invention, to apply the bias power of 0.2 W / cm 2 or less includes the case where the bias power is set to zero and the bias power is not substantially applied to the film-forming target.
本発明によれば、第1工程で投入するバイアス電力を比較的低く設定することで、金属層表面から飛散する金属粒子が持つエネルギーを低く抑制することができ、この金属粒子がターゲット表面に付着して反応することを防止できる。そして、第1工程で成膜した第1カーボン電極層により金属層表面が覆われるため、第2工程で比較的高いバイアス電力を投入しても、金属層にスパッタ粒子が衝突することはなく、金属粒子がターゲット表面に付着して反応することもない。従って、複数枚の処理対象物に対してカーボン電極膜を連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に成膜レートの低下を抑制することができる。しかも、比較的高いバイアス電力で第2カーボン電極層を成膜することで、カーボン電極膜の表面のラフネスを整えることができる。 According to the present invention, by setting the bias power applied in the first step to be relatively low, the energy of the metal particles scattered from the surface of the metal layer can be suppressed low, and the metal particles adhere to the target surface. Can be prevented from reacting. Since the surface of the metal layer is covered with the first carbon electrode layer formed in the first step, sputtered particles do not collide with the metal layer even if relatively high bias power is applied in the second step. The metal particles do not adhere to the target surface and react. Therefore, even when a carbon electrode film is continuously formed on a plurality of objects to be processed, it is possible to suppress an increase in cathode voltage and a decrease in film formation rate. Moreover, by forming the second carbon electrode layer with a relatively high bias power, the surface roughness of the carbon electrode film can be adjusted.
本発明において、第1工程はバイアス電力を徐々に増加させる工程を有することが好ましい。これによれば、金属層の表面が第1カーボン電極層で覆われるまでバイアス電力が可及的に低くされるため、金属粒子がターゲット表面に付着して反応することをより一層抑制することができて有利である。 In the present invention, it is preferable that the first step has a step of gradually increasing the bias power. According to this, since the bias power is reduced as much as possible until the surface of the metal layer is covered with the first carbon electrode layer, it is possible to further prevent the metal particles from adhering to and reacting with the target surface. Is advantageous.
本発明において、前記第1工程を前記金属層が前記第1カーボン層で覆われる時間行うことにより、第2工程で金属層から金属粒子が飛散することを確実に防止できてよい。 In the present invention, by performing the first step for a time period during which the metal layer is covered with the first carbon layer, it may be possible to reliably prevent the metal particles from scattering from the metal layer in the second step.
本発明は、前記金属層を構成する金属が、Ta、Pt、W、Ru、Nb及びMoの中から選択され、前記カーボン電極膜はパイロカーボン製ターゲットをスパッタリングして成膜する場合に適用することが好適である。 The present invention is applicable, the metal constituting the metal layer is, Ta, Pt, W, Ru, selected from among Nb and Mo, the carbon electrode film if you deposited by sputtering a pyrocarbon made target Is preferred.
図1を参照して、SMは、本実施形態の成膜方法を実施するスパッタリング装置である。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。以下においては、真空チャンバ1の天井部側を「上」、その底部側を「下」として説明する。
With reference to FIG. 1, SM is a sputtering apparatus for carrying out the film forming method of the present embodiment. The sputtering apparatus SM includes a
真空チャンバ1の底部には、排気管10を介して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ポンプPが接続され、処理室1a内を所定圧力(例えば10−5Pa)まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ1の側壁には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ11が介設されたガス管12が接続され、Arなどの希ガスからなるスパッタガスを処理室1a内に所定流量で導入できるようになっている。
A vacuum pump P including a turbo-molecular pump and a rotary pump is connected to the bottom of the
真空チャンバ1の底部には、ステージ2が配置され、ステージ2には図示省略する静電チャックが設けられ、成膜対象物Wがその金属層(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。
A
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が設けられている。ターゲットアッセンブリ3は、成膜しようとする薄膜(カーボン膜)の組成に応じて適宜選択されるパイロカーボンで作製されるターゲット31と、ターゲット31のスパッタ面31aと背向する面(上面)に図示省略のインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合される例えばCu製のバッキングプレート32とを備える。バッキングプレート32には図示省略の冷媒用通路が形成され、この冷媒用通路に冷媒を循環させることで、ターゲット31を冷却出来るようになっている。ターゲット31には、スパッタ電源E1としての公知の構造を有するパルス直流電源からの出力が接続され、スパッタリング中、所定のパルス直流電力(例えば、80kHz〜400kHz、1〜10kW)が投入される。
A
バッキングプレート32の上方には、ターゲット31のスパッタ面31aの下方空間に磁場を発生させる公知構造を有する磁石ユニット4が配置され、ターゲット31からの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。
Above the
処理室1a内には、筒状の防着板5u,5dが上下に配置され、真空チャンバ1の内壁面にスパッタ粒子が付着することを防止している。下側の防着板5d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50の駆動軸51が接続されている。駆動軸51を駆動することで、防着板5dを、図中仮想線で示す成膜位置と、実線で示す搬送位置との間で上下動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E1及びバイアス電源E2の稼働等を統括制御することで、成膜対象物W表面にカーボン膜を成膜することができる。以下、図2も参照して、本発明の実施形態の成膜方法について、成膜対象物Wをシリコン基板Sの表面に原子量が90以上の金属で構成される金属層Mを有するものとし、この金属層Mの表面にカーボン膜Cをスパッタリング法により成膜する場合を例に説明する。金属層Mを構成する金属は、Ta、Pt、W、Ru、Nb及びMoの中から選択することができる。
In the
先ず、防着板5dを搬送位置に下降させた状態で図示省略する搬送ロボットによりステージ2上に処理対象物Wを搬送し、処理対象物Wをその金属層を上側にして位置決め保持し、防着板5dを成膜位置に上昇させる。そして、処理室1a内の圧力が所定の圧力(例えば、1×10−5Pa)に達すると、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流量で導入し(このとき、処理室1aの圧力が0.01〜30Paの範囲となる)、スパッタ電源E1からターゲット31にパルス直流電力を例えば80kHzで1kW〜10kW投入すると共にバイアス電源E2からステージ2に0.2W/cm2以下の比較的低い交流電力をバイアス電力として投入し、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31のスパッタ面31aをスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子が処理対象物Wの表面に付着、堆積することにより、金属層Mの表面に第1カーボン層C1が成膜される(第1工程)。ここで、第1工程の開始時に露出している金属層Mにスパッタ粒子が衝突すると、金属層Mから金属粒子が飛散するが、第1工程で処理対象物Wに投入されるバイアス電力を比較的低く設定しているため、金属層Mから飛散した金属粒子が持つエネルギーは低い。このため、金属粒子がターゲット31のスパッタ面31aに付着することを抑制でき、また金属粒子がスパッタ面31aに付着しても容易にスパッタリングされるため、金属粒子がスパッタ面31aと反応することを抑制できる。
First, in a state in which the deposition
第1工程を所定時間(例えば、金属層Mが第1カーボン層C1で確実に覆われる時間)行った後、スパッタ電力及びスパッタガスはそのままの状態で、バイアス電源E2からのバイアス電力を0.2W/cm2を超えるように変更し(例えば、0.4W/cm2に変更し)、第1カーボン層C1の表面に第2カーボン層C2を成膜する(第2工程)。この第2工程で投入されるスパッタ電力は比較的高いが、金属層Mが第1カーボン層C1により既に覆われているため、スパッタ粒子が金属層Mに衝突することはなく、金属粒子がターゲット31のスパッタ面31aに付着して反応することもない。第2工程の時間は、カーボン膜Cの膜厚に応じて適宜設定することができる。また、第2工程に投入するバイアス電力の上限は、ターゲット31の冷却能力に応じて、例えば、0.7W/cm2に適宜設定することができる。
After performing the first step for a predetermined time (for example, the time when the metal layer M is surely covered with the first carbon layer C1), the bias power from the bias power source E2 is set to 0. It is changed to exceed 2 W / cm 2 (for example, changed to 0.4 W / cm 2 ), and the second carbon layer C2 is formed on the surface of the first carbon layer C1 (second step). Although the sputtering power input in the second step is relatively high, the metal layer M is already covered with the first carbon layer C1, so that the sputtered particles do not collide with the metal layer M and the metal particles are targeted. It does not adhere to the
第2カーボン層C2の成膜後、スパッタガスの導入及び電力投入を停止し、防着板5dを搬送位置に下降させて、成膜済みの処理対象物Wを搬出すると共に、成膜前の処理対象物Wを搬入し、以上の処理を繰り返す。
After the film formation of the second carbon layer C2, the introduction of the sputtering gas and the power supply are stopped, the deposition
以上説明したように、本実施形態によれば、金属層Mから飛散した金属粒子がターゲット31のスパッタ面31aに付着して反応することを抑制することができる。このため、複数枚の処理対象物Wに対してカーボン膜Cを連続成膜する場合でも、カソード電圧の上昇を抑制することができると共に、成膜レートの低下を抑制することができる。しかも、比較的高いバイアス電力で第2カーボン層C2を成膜することで、カーボン膜Cの表面のラフネスを所望の範囲内に整えることができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the metal particles scattered from the metal layer M from adhering to and reacting with the sputtering
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、第1工程中、バイアス電力を0.2W/cm2以下の所定値に設定する場合を例に説明したが、図3に示すように、第1工程の開始時点(t0)からバイアス電力を徐々に増加させるように設定してもよい。この場合、0.2W/cm2に達する時刻t1までを第1工程、時刻t1以降を第2工程とする。これによれば、第1工程の開始直後、すなわち、金属層Mの表面が第1カーボン層C1で覆われるまでバイアス電力が可及的に低くされるため、金属粒子がターゲット表面に付着して反応することをより一層抑制することができて有利である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above. In the above-described embodiment, the case where the bias power is set to a predetermined value of 0.2 W / cm 2 or less during the first step has been described as an example, but as shown in FIG. 3, the start point (t0) of the first step. Therefore, the bias power may be set to gradually increase. In this case, the first process is performed until time t1 when 0.2 W / cm 2 is reached, and the second process is performed after time t1. According to this, since the bias power is reduced as much as possible immediately after the start of the first step, that is, until the surface of the metal layer M is covered with the first carbon layer C1, the metal particles adhere to the target surface and react. This is advantageous because it can be further suppressed.
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、処理対象物Wとしてφ300mmのSi基板Sの表面に金属層MたるTa膜が30nmの厚さで成膜されたものを用い、φ400mmのパイロカーボン製のターゲット31が組み付けられた真空チャンバ1内のステージ2に処理対象物Wをセットした後、Ta膜Mの表面に第1カーボン層C1を成膜した(第1工程)。第1工程の成膜条件は、アルゴンガス流量:100sccm(処理室1a内の圧力:0.2Pa)、ターゲット31への投入電力:80kHz、2kW、バイアス電力:0W、ターゲット31と処理対象物Wとの間の距離(TS間距離):190mm、成膜時間:30secとした。第1工程の終了後、バイアス電力を0.4W/cm2に増加させる点以外は、第1工程と同様の条件で、第2カーボン層C2を成膜した(第2工程)。このようなカーボン膜Cの成膜を5枚の処理対象物Wに対して連続で行い、1枚目〜5枚目の第2工程におけるカソード電圧及び成膜レートを測定した結果を図4に示す。これによれば、カソード電圧(平均値)は約514Vで安定しており、成膜レートも約15Å/minで安定していることが確認された。また、成膜されたカーボン膜Cの表面のラフネスを所望の範囲に整えることができることが確認された。
Next, in order to confirm the above effect, the following experiment was conducted using the above sputtering apparatus SM. In this experiment, as a processing object W, a Ta film as a metal layer M having a thickness of 30 nm was formed on the surface of a Si substrate S having a diameter of 300 mm, and a vacuum having a
また、第1工程のバイアス電力を0.01W/cm2,0.07W/cm2,0.1W/cm2,0.2W/cm2に変化させる点以外は、上記実験条件で成膜し、それぞれの場合についてカソード電圧及び成膜レートを測定したところ、上記実験と同様の結果が得られた。また、金属層MとしてTa膜に代えて、原子量が90以上の比較的重い金属からなるPt膜、W膜、Ru膜、Nb膜、Mo膜を用いる場合も、上記実験と同様の結果が得られた。これは、原子量90以上の金属の場合、金属層Mにスパッタ粒子又はアルゴンイオンが衝突した際、処理対象物Wから垂直方向に飛散する割合が大きく、ターゲット31のスパッタ面31aに到達する量が多いためであると考えられる。
Further, 0.01 W / cm 2 the bias power of the first step, 0.07W / cm 2, 0.1W / cm 2, except for changing the 0.2 W / cm 2, it was deposited with the experimental conditions When the cathode voltage and the film formation rate were measured in each case, the same results as in the above experiment were obtained. Further, when the Pt film, the W film, the Ru film, the Nb film, and the Mo film made of a relatively heavy metal having an atomic weight of 90 or more is used as the metal layer M instead of the Ta film, the same result as the above experiment is obtained. Was given. This is because, in the case of a metal having an atomic weight of 90 or more, when the sputtered particles or argon ions collide with the metal layer M, the ratio of scattering in the vertical direction from the processing target W is large, and the amount reaching the
上記実験に対する比較のため、以下の比較実験を行った。比較実験では、第1工程を行わず(即ち、第1カーボン層C1を成膜せず)、第2工程のみを行った。この場合も、1枚目〜5枚目の成膜時のカソード電圧及び成膜レートを測定し、その測定結果を比較例として図4に併せて示す。これによれば、2枚目以降にカソード電圧が上昇し、3枚目以降に成膜レートが低下することが確認された。 For comparison with the above experiment, the following comparative experiment was performed. In the comparative experiment, the first step was not performed (that is, the first carbon layer C1 was not formed), and only the second step was performed. Also in this case, the cathode voltage and the film formation rate during the film formation of the first to fifth films were measured, and the measurement results are also shown in FIG. 4 as a comparative example. According to this, it was confirmed that the cathode voltage increased after the second sheet and the film formation rate decreased after the third sheet.
また、バイアス電力を0.3W/cm2,0.4W/cm2に変化させる点以外は上記比較実験と同様の条件で実験を行ったが、上記比較実験と同様の結果が得られた。これより、バイアス電力を0.3W/cm2に設定すると、金属層Mから飛散した金属粒子がスパッタ面31aに付着して反応するため、このような反応を抑制するには本発明の如くバイアス電力を0.2W/cm2以下に設定する必要があることが判った。尚、処理対象物Wをシリコン基板とする点以外は上記比較実験と同様の条件で実験を行ったが、上記発明実験と同様の結果が得られた。即ち、第1工程を行わなくても、カソード電圧の上昇や成膜レートの減少は確認されなかった。これより、カソード電圧の上昇は、金属層Mからの金属粒子がスパッタ面31aで反応することに起因することが判った。
Further, an experiment was conducted under the same conditions as the comparative experiment except that the bias power was changed to 0.3 W / cm 2 and 0.4 W / cm 2 , and the same result as the comparative experiment was obtained. From this, when the bias power is set to 0.3 W / cm 2 , the metal particles scattered from the metal layer M adhere to the
以上の実験により、バイアス電力を0.2W/cm2以下に設定する第1工程を行った後にバイアス電力を0.2W/cm2を超えるように設定する第2工程を行えば、カソード電圧の上昇を防止でき、ひいては、成膜レートの低下を抑制できることが判った。 According to the above experiment, if the second step of setting the bias power to exceed 0.2 W / cm 2 is performed after performing the first step of setting the bias power to 0.2 W / cm 2 or less, It has been found that it is possible to prevent the increase, and thus to suppress the decrease in the film forming rate.
W…処理対象物、M…Ta層(金属層)、C…カーボン膜、C1…第1カーボン層、C2…第2カーボン層。 W ... Object to be treated, M ... Ta layer (metal layer), C ... Carbon film, C1 ... First carbon layer, C2 ... Second carbon layer.
Claims (4)
成膜対象物に0.2W/cm2以下のバイアス電力を投入して前記金属層の表面に第1カーボン電極層を成膜する第1工程と、
成膜対象物に0.2W/cm2を超えるバイアス電力を投入して前記第1カーボン電極層の表面に第2カーボン電極層を成膜する第2工程とを含むことを特徴とする成膜方法。 A film forming method in which a film forming object has a metal layer composed of a metal having an atomic weight of 90 or more on the surface thereof, and a carbon electrode film is formed on the surface of the metal layer by a sputtering method,
A first step of applying a bias power of 0.2 W / cm 2 or less to a film formation object to form a first carbon electrode layer on the surface of the metal layer;
Deposition, wherein a bias power of more than 0.2 W / cm 2 in film formation object was charged and a second step of forming a second carbon electrode layer on a surface of the first carbon electrode layer Method.
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