JP6859095B2

JP6859095B2 - 成膜方法

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Publication number: JP6859095B2
Application number: JP2016250026A
Authority: JP
Inventors: 慎二小梁; 英範福本; 潤一伊東
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP2018104738A

Description

本発明は、成膜室内に被処理基板とターゲットとを対向配置し、成膜室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、被処理基板の表面にスパッタ粒子を付着、堆積させて所定の目標膜厚で成膜する成膜方法に関する。

半導体デバイスの製造工程において、酸化アルミニウム膜等の絶縁膜を成膜する工程があり、このような絶縁膜を生産性よく成膜する成膜方法として、上記スパッタリング法が用いられる。このものでは、被処理基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットのスパッタリング中、タ一ゲットの上方に配置される磁石ユニットによりターゲットの下方空間にトンネル状の漏洩磁場をターゲット中心からターゲットの周縁部側に偏在させて発生させ、ターゲットの下方空間での電子密度、ひいては、プラズマ密度を高くし、成膜レートの向上を図ることができる。この場合、漏洩磁場が作用するターゲットの領域は、ターゲットの高密度のプラズマと対向する部分は局所的にスパッタリングされるため、当該部分に対向する被処理基板の部分の膜厚が比較的厚くなる。そこで、成膜中、磁石ユニットをターゲット中心回りに周回させることで、漏洩磁場をターゲットの中心回りに周回させて、被処理基板に対して膜厚面内分布よく成膜できるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来例のように磁石ユニットを回転させても、被処理基板に成膜される薄膜の膜厚分布が径方向で偏ることが判明した。これは、絶縁物製のターゲットは一般に焼結により作製されるが、焼結時に絶縁物粒子の密度に偏りが生じるため、ターゲットをスパッタリングしたときのスパッタ粒子の飛散分布に偏りが生じることに起因するものと考えられる。次世代の半導体デバイスでは、膜厚面内分布を例えば２％以内、より好ましくは１％以内に制御することが要求されており、この要求を満たすには、膜厚分布の径方向の偏りを如何に抑制するかが重要となるが、磁石ユニットによる改善には限界がある。

特開平９−４１１３７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板に成膜される薄膜の膜厚分布の径方向の偏りを効果的に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。

上記課題を解決するために、成膜室内に被処理基板とターゲットとを対向配置し、成膜室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、被処理基板の表面にスパッタ粒子を付着、堆積させて所定の目標膜厚で成膜する本発明の成膜方法は、被処理基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットのスパッタリング中、タ一ゲットの上方に配置される磁石ユニットによりターゲットの下方空間にトンネル状の漏洩磁場をターゲット中心からターゲットの周縁部側に偏在させて発生させると共に、この発生させた漏洩磁場をターゲットの中心回りに周回させ、ターゲットのスパッタリング開始時、被処理基板とターゲットとが正対する当該被処理基板の位置を基準位置とし、基準位置にて目標膜厚より薄い第１膜厚で成膜する工程と、被処理基板の中心を回転中心として基準位置から所定の回転角で回転させた当該被処理基板の位置を補正位置とし、複数箇所の補正位置にて目標膜厚より薄い第２膜厚で成膜する工程とを有し、前記基準位置及び前記複数箇所の補正位置で成膜して目標膜厚とし、前記複数箇所の補正位置のうち少なくとも一箇所の補正位置にて前記第１膜厚とは異なる前記第２膜厚で成膜することを特徴とする。

本発明によれば、被処理基板を基準位置から所定の回転角で回転させて補正位置にすることで、被処理基板に対するスパッタ粒子の飛散分布を変えることができる。このように、被処理基板に対するスパッタ粒子の飛散分布を変えながら成膜を間欠的に行うことで、被処理基板に成膜される薄膜の膜厚分布の径方向の偏りを効果的に抑制することができ、ひいては、膜厚面内分布を著しく改善することができる。本発明者らの実験によれば、膜厚面内分布を２％以内に制御できることが確認された。

本発明において、前記回転角や前記第１膜厚及び第２膜厚は、被処理基板を回転させることなく成膜したときに生じる膜厚分布に基づいて設定することが好ましい。これによれば、膜厚面内分布をより一層改善することができ、本発明者らの実験では、被処理基板に成膜される薄膜の膜厚面内分布を１％以内に制御できることが確認された。

本発明の実施形態の成膜方法を実施するスパッタリング装置を示す模式的断面図。図１に示す成膜室の模式的断面図。被処理基板の基準位置及び補正位置を説明する図。（ａ）〜（ｃ）は、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、本発明の実施形態の成膜方法を実施するクラスターツールで構成されるスパッタリング装置について説明する。図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、搬送ロボットＲが配置される中央の搬送室Ｔと、この搬送室Ｔを囲うように配置される成膜室Ｃ１、回転室Ｃ２及びロードロック室Ｌ１，Ｌ２とを備える。これら搬送室Ｔ、ロードロック室Ｌ１，Ｌ２、成膜室Ｃ１及び回転室２は、真空ポンプ（図示省略する場合もある）により夫々真空引きできるようになっている。搬送ロボットＲとしては、例えば、ロボットアーム１０ａと、ロボットアーム１０ａの先端に取り付けられて被処理基板Ｗを保持するロボットハンド１０ｂとを有する、所謂フロッグレッグ式の公知の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。このような搬送ロボットＲにより被処理基板Ｗを各室の所定位置に搬送できるようになっている。また、搬送室Ｔとロードロック室Ｌ１，Ｌ２、成膜室Ｃ１及び回転室Ｃ２とは、仕切バルブＩｖを介してそれぞれ連結され、各室が相互に隔絶できるようになっている。

図２も参照して、成膜室Ｃ１は真空チャンバ１によって画成され、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導入手段としてのガス管１１が接続され、このガス管１１がマスフローコントローラ１２を介して図示省略のガス源に連通する。スパッタガスには、成膜室Ｃ１にプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、反応性スパッタに用いられる酸素ガスや窒素ガス等の反応ガスが含まれる。真空チャンバ１の側壁にはまた、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどで構成される真空排気手段Ｐに通じる排気管１３が接続され、成膜室Ｃ１を一定速度で真空引きし、所定圧力に保持できるようにしている。

真空チャンバ１の天井部には、カソードユニットＣが着脱自在に取付けられている。カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３とで構成されている。ターゲット２は、酸化アルミニウム、窒化シリコンや炭化シリコンなどの絶縁物製の焼結ターゲットであり、被処理基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。ターゲット２は、バッキングプレート２１に装着した状態で、スパッタリングされるスパッタ面２２を下方にして、真空チャンバ１の上壁に設けた絶縁体Ｉ_１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。また、ターゲット２は、公知の高周波電源Ｅに接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波（交流）電力が投入されるようにしている。

磁石ユニット３としては、例えば、ヨーク３１と、ヨーク３１の下面に設けた複数個の第１磁石３２と、これら第１磁石３２の周囲に設けた複数個の第２磁石３３とを有するものを用いることができ、スパッタ面２２の下方空間にトンネル状の漏洩磁場をターゲット２の中心からターゲット２の周縁部側に偏在させて発生させるようにしている。さらに、ヨーク３１の上面には、図示省略する駆動源の駆動軸３４が接続され、ターゲット２の中心を回転中心として磁石ユニット３を回転駆動することで、上記漏洩磁場をターゲット２の中心回りに周回させるようにしている。

成膜室Ｃ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ４が配置されている。ステージ４は、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台４１と、基台４１上面に接着されるチャックプレート４２とで構成されている。チャックプレート４２は、基台４１上面より一回り小さい外径を有し、静電チャック用の電極４２ａ，４２ｂが埋設され、図示省略のチャック電源から電圧が印加されると、ターゲット２に対向させて被処理基板Ｗを保持できるようになっている。チャックプレート４２は、リング状の第１防着板４３により基台４１の上面に着脱自在に取り付けられている。第１防着板４３は、スパッタリング中に被処理基板Ｗに発生するバイアス電位を低減するために、絶縁体Ｉ_２を介して基台４１の上面に取り付けられている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。基台４１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された絶縁体Ｉ_３で保持され、電気的にフローティングにされている。また、基台４１に冷媒循環用の通路やヒータを設けて、スパッタリング中、被処理基板Ｗを所定温度に制御できるように構成してもよい。

成膜室Ｃ１内でステージ４の周囲には、環状の第２防着板５が設けられている。第２防着板５は、その内周縁部から径方向外側に下方に傾斜するように形成されたものである。そして、第２防着板５は、アース接地の真空チャンバ１の底面に設置され、スパッタリング時にアース電極としての役割を果たすようにしている。なお、第２防着板５は、その上下方向に貫通する複数個の貫通孔が開設されたものであってもよい。

成膜室Ｃ１内にはまた、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止するために、ターゲット２と被処理基板Ｗとの間の空間を囲う第３防着板６が配置されている。第３防着板６は、真空チャンバ１の上壁に吊設した上防着板６１と、真空チャンバ１の底面に立設した下防着板６２と、これら上防着板６１と下防着板６２との間で両防着板６１，６２より真空チャンバ１の内側に設けられて上防着板６１及び下防着板６２と上下方向でオーバーラップする可動防着板６３とで構成されている。可動防着板６３の外側面には、周方向に９０°間隔で真空チャンバ１の底面を貫通して設けたシリンダＣｙの駆動軸Ｃｒが夫々連結されている。そして、シリンダＣｙにより、成膜時に真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する下動位置（図２に示す位置）と、上防着板６１側に移動することで可動防着板６３と下防着板６２との間に隙間を形成し、仕切バルブＩｖで開閉される搬送用の透孔Ｔｏを通して被処理基板Ｗの搬出または搬入を行い得る上動位置との間で可動防着板６３が移動自在となる。

また、図１に示す回転室Ｃ２には、被処理基板Ｗを保持して回転させる回転ステージＳｔと、光学式のエッジセンサＳｅとが設けられている。そして、回転ステージＳｔにより被処理基板Ｗを回転させながら、被処理基板Ｗのエッジ部分に形成されたノッチを検出するようになっている。ノッチが検出された被処理基板Ｗは、搬送ロボットＲにより成膜室Ｃ１のターゲット２と正対する後述の基準位置に搬送される。本実施形態では、回転室Ｃ２に設けられる回転ステージＳｔは、被処理基板Ｗを補正位置に搬送するために、被処理基板Ｗを所定の回転角で回転させる役割も果たす。尚、回転ステージＳｔ及びエッジセンサＳｅとしては、公知の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。

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公知の制御手段Ｃｔを有し、仕切バルブＩｖの操作、搬送ロボットＲの作動、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、駆動源の駆動等を統括制御するようになっている。さらに、上記制御手段Ｃｔは、被処理基板Ｗを回転角θで回転させて基準位置から補正位置とするために、回転室Ｃ２の回転ステージＳｔの稼働を制御するようになっている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、被処理基板Ｗをシリコン基板（以下「基板Ｗ」という）とし、ターゲット２として酸化アルミニウム製の焼結ターゲットを用い、基板Ｗ表面に酸化アルミニウム膜を成膜する場合を例に、本発明の実施形態の成膜方法について説明する。

先ず、大気中でロードロック室Ｌ１に基板Ｗを投入し、ロードロック室Ｌ１を真空引きした後、搬送ロボットＲによりロードロック室Ｌ１から搬送室Ｔを介して回転室Ｃ２に基板Ｗを搬送する。回転室Ｃ２では、回転ステージＳｔにより基板Ｗを回転させながら、基板Ｗに形成されたノッチＮをエッジセンサＳｅにより検出し、検出したノッチＮが仕切バルブＩｖ側（搬送室Ｔ側）となる位置で回転ステージＳｔを停止させる。

次に、搬送ロボットＲにより回転室Ｃ２から成膜室Ｃ１のステージ４に基板Ｗを搬送する。成膜室Ｃ１に搬送された基板Ｗは、ノッチＮを仕切バルブＩｖ側（搬送室Ｔ側）に位置させてターゲット２に正対した状態でステージ４により保持され、この基板Ｗの位置を基準位置とする。そして、磁石ユニット３を回転させながら、成膜室Ｃ１内にアルゴンガスを例えば、１５０〜２５０ｓｃｃｍの流量で導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は２〜４Ｐａ）、スパッタ電源Ｅからターゲット２に高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、０．２ｋＷ〜３．０ｋＷ）を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマを形成し、ターゲット２のスパッタ面２ａをスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗの表面に付着、堆積させて酸化アルミニウム膜を成膜する。

ここで、基準位置の基板Ｗの表面に目標膜厚で成膜すると、酸化アルミニウム膜の膜厚分布が径方向に偏る場合がある。そこで、本実施形態では、基準位置の基板Ｗに対する成膜を目標膜厚より薄い第１膜厚で停止し、即ち、第１膜厚に対応する成膜時間が経過した時点で、スパッタガスの導入とターゲット２への電力投入とを停止する。そして、成膜室Ｃ１内の残留ガスを排気して成膜室Ｃ１内が所定圧力に達すると、搬送ロボットＲにより基板Ｗを回転室Ｃ２に搬送し、回転ステージＳｔにより基板Ｗを所定の回転角回転させる。このように回転させた基板Ｗを搬送ロボットＲにより成膜室Ｃ１に再搬送する。

成膜室Ｃ１に再搬送された基板Ｗは、基準位置から所定の回転角θ（例えば、図３に示すように反時計回りに９０°）回転した状態でステージ４により保持され、この基板Ｗの位置を第１補正位置とする。この第１補正位置にて、基準位置での成膜条件と同一条件で、酸化アルミニウム膜を成膜する。このとき、第１補正位置では、ターゲット２に対して基板Ｗがねじれた位置関係となるため、当該第１補正位置の基板Ｗに対するスパッタ粒子の飛散分布は、基準位置のときのものとは異なることとなる。そして、目標膜厚より薄い第２膜厚に対応する成膜時間が経過した時点で、スパッタガスの導入とターゲット２への電力投入とを停止し、成膜室Ｃ１内の残留ガスを排気する。

なお、第１補正位置での第２膜厚は、基準位置での第１膜厚と異なるように設定されてもよく、同一に設定されてもよい。これら第１膜厚、第２膜厚や回転角θは、基板Ｗを回転させることなく目標膜厚で成膜したときに生じる膜厚分布に基づいて設定することが好ましい（後述の実験を参照）。

このような回転室Ｃ２における回転と成膜室Ｃ１における補正位置での成膜とを、酸化アルミニウム膜の膜厚が目標膜厚となるまで、交互に繰り返す。図３に示す例では、第１補正位置から反時計回りに更に９０°回転させた第２補正位置と、第２補正位置から反時計回りに更に９０°回転させた第３補正位置とで、更に２回の成膜を行うことで、基板Ｗ表面に目標膜厚の酸化アルミニウム膜を成膜する。言い換えると、基板Ｗを間欠的に９０°ずつ回転させて計４回の成膜を間欠的に行うことで、目標膜厚の酸化アルミニウム膜が得られる。その後、搬送ロボットＲにより基板Ｗを成膜室Ｃ１からロードロック室Ｌ２に搬送し、ロードロック室Ｌ２を大気圧までベントして基板Ｗを取り出す。

以上説明したように、本実施形態によれば、基板Ｗを基準位置から所定の回転角θで回転させてターゲット２に対して基板Ｗがねじれた位置関係となる補正位置とすることで、基板Ｗに対するスパッタ粒子の飛散分布を変えることができる。このように、基板Ｗに対するスパッタ粒子の飛散分布を変えながら成膜を間欠的に行うことで、基板Ｗに成膜される薄膜の膜厚分布の径方向の偏りを効果的に抑制することができ、ひいては、膜厚面内分布を著しく改善することができる。

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。ここでは、被処理基板Ｗをφ３００ｍｍのシリコン基板（以下「基板Ｗ」という）とし、ターゲット２としてφ４００ｍｍの酸化アルミニウム製の焼結ターゲットを用い、基板Ｗ表面に酸化アルミニウム膜を目標膜厚３０ｎｍで成膜することとした。

先ず、比較実験として、基板Ｗを回転させることなく基準位置にて目標膜厚まで成膜したときに生じる膜厚分布を求めた。即ち、成膜室Ｃ１内のステージ４で基板Ｗを保持した後、磁石ユニット３を回転速度４０ｒｐｍで回転させると共に、成膜室Ｃ１内にアルゴンガスを所定流量で導入し（このときの成膜室Ｃ１内の圧力は０．３６Ｐａ）、ターゲット２へ１３．５６ＭＨｚの高周波電力を６００Ｗ投入してプラズマを生成し、基板Ｗ表面に酸化アルミニウム膜を成膜した。成膜時間は１２０ｓｅｃであった。本比較実験によれば、成膜した酸化アルミニウム膜の膜厚面内分布（σ）は７．５０％であり、図４（ａ）に示すように膜厚分布の径方向の偏りが生じていることが確認された。この膜厚分布に基づいて、以下に説明する発明実験１及び２での回転角θを４５°に設定した。また、発明実験１での第１膜厚及び第２膜厚を同一の７．１ｎｍに設定し、発明実験２では１つの補正位置（第７補正位置）での第２膜厚を１．２倍の８．５ｎｍに設定した。

次に、発明実験１として、成膜室Ｃ１にて基準位置の基板Ｗに対して、上記比較実験と同一の成膜条件で第１膜厚に対応する１５ｓｅｃ成膜する。その後、基板Ｗを回転室Ｃ２に搬送して回転角θ＝４５°回転させる工程と、成膜室Ｃ１に再搬送された補正位置の基板Ｗに対して第２膜厚（本実験では第１膜厚と同一）に対応する１５ｓｅｃ成膜する工程とを交互に７回ずつ繰り返すことで、基板Ｗ表面に目標膜厚の酸化アルミニウム膜を成膜した。本発明実験１によれば、成膜した酸化アルミニウム膜の膜厚面内分布（σ）は１．１６％であり、図４（ｂ）に示すように同一膜厚を有する部分が略同心円状となって膜厚分布の径方向の偏りが抑制されていることが確認された。

次に、発明実験２として、１つの補正位置（第７補正位置）での成膜時間を１．２倍とした点を除き、上記発明実験１と同様にして酸化アルミニウム膜を成膜した。本発明実験２によれば、成膜した酸化アルミニウム膜の膜厚面内分布（σ）は０．８７％であり、図４（ｃ）に示すように同一膜厚を有する部分が略同心円状となって膜厚分布の径方向の偏りがより一層抑制されていることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、焼結ターゲットを用いて絶縁膜を成膜する場合を例に説明したが、金属ターゲットを用いて金属膜を成膜する場合にも本発明を適用することができる。金属ターゲットは、一般に圧延工程を経て作製されるが、圧延方向に起因して膜厚分布の径方向の偏りが生じることがある。この場合に、本発明を適用すれば、被処理基板に成膜される金属膜の膜厚分布の径方向の偏りを効果的に抑制することができる。

上記実施形態では、回転室Ｃ２に設けられた回転ステージＳｔを用いて被処理基板Ｗを所定の回転角で回転させる場合を例に説明したが、成膜室Ｃ１内に被処理基板Ｗを保持した状態で回転可能な回転ステージを有する場合には、この回転ステージを用いて被処理基板Ｗを回転させてもよい。この場合、基準位置にて第１膜厚で成膜した後、回転ステージを所定の回転角で回転させて補正位置にて第２膜厚で成膜すればよいため、成膜室Ｃ１と回転室Ｃ２との間の搬送が不要となり、スループットを向上させることができる。但し、成膜室Ｃ１内には、防着板５，６などの構成部品が設置されてるため、スペース上の制約により回転ステージを成膜室Ｃ１内に設置できない場合がある。このような場合に、上記実施形態の如く回転室Ｃ２の回転ステージＳｔを用いれば、装置コストの上昇を防ぐことができ、有利である。

また、上記発明実験２では、１つの補正位置にて第１膜厚とは異なる第２膜厚で成膜しているが、２以上の補正位置にて第２膜厚で成膜してもよい。この場合、基板Ｗを回転させることなく成膜したときに生じる膜厚分布の径方向の偏りに基づいて、第２膜厚で成膜する補正位置を設定すれば、膜厚分布の径方向の偏りをより一層抑制できる。

Ｃ１…成膜室、Ｗ…被処理基板、θ…回転角、２…ターゲット、３…磁石ユニット。

Claims

成膜室内に被処理基板とターゲットとを対向配置し、成膜室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、被処理基板の表面にスパッタ粒子を付着、堆積させて所定の目標膜厚で成膜する成膜方法であって、
被処理基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットのスパッタリング中、タ一ゲットの上方に配置される磁石ユニットによりターゲットの下方空間にトンネル状の漏洩磁場をターゲット中心からターゲットの周縁部側に偏在させて発生させると共に、この発生させた漏洩磁場をターゲットの中心回りに周回させるものにおいて、
ターゲットのスパッタリング開始時、被処理基板とターゲットとが正対する当該被処理基板の位置を基準位置とし、基準位置にて目標膜厚より薄い第１膜厚で成膜する工程と、
被処理基板の中心を回転中心として基準位置から所定の回転角で回転させた当該被処理基板の位置を補正位置とし、複数箇所の補正位置にて目標膜厚より薄い第２膜厚で成膜する工程とを有し、前記基準位置及び前記複数箇所の補正位置で成膜して目標膜厚とし、
前記複数箇所の補正位置のうち少なくとも一箇所の補正位置にて前記第１膜厚とは異なる前記第２膜厚で成膜することを特徴とする成膜方法。
前記回転角は、被処理基板を回転させることなく成膜したときに生じる膜厚分布に基づいて設定することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記第１膜厚及び第２膜厚は、被処理基板を回転させることなく成膜したときに生じる膜厚分布に基づいて設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜方法。