JP7478049B2

JP7478049B2 - スパッタリング装置及び金属化合物膜の成膜方法

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Publication number: JP7478049B2
Application number: JP2020117536A
Authority: JP
Inventors: 慶一郎浅川; 幸展沼田; 啓登佐々木; イェンジィアン; 徹志藤長
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: JP2022014978A

Description

本発明は、スパッタリング装置及び金属化合物膜の成膜方法に関し、より詳しくは、被処理基板の面内での応力分布を改善できるものに関する。

例えば、高周波フィルタを製作する工程の中には、シリコンウエハなどの被処理基板の一方の面（成膜面）に、金属化合物膜としてのＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜を成膜する工程があり、この成膜工程には、一般に、スパッタリング装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この種のスパッタリング装置は、ターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内に、アルゴンガスなどの希ガスと窒素含有ガスなどの反応ガスとを含むスパッタガスを導入するガス導入手段と、真空チャンバ内でその成膜面がターゲットに対向する姿勢で被処理基板を保持するステージとが設けられている。そして、成膜面をターゲット側に向けた姿勢で被処理基板をステージに保持させ、真空雰囲気の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに負の電位を持つ所定電力を投入する。すると、真空チャンバ内に発生するプラズマで電離された希ガスのイオンでターゲットがスパッタリングされ、ターゲットから飛散したスパッタ粒子が窒素分子と反応し、その反応生成物が被処理基板の成膜面に付着、堆積することでＡｌＮ膜が成膜される。

上記のようにして成膜面に成膜されるＡｌＮ膜は、通常、引張応力を有する。一方で、高周波フィルタの製作工程では、ＡｌＮ膜の有する引張応力が可及的小さい、若しくは、ＡｌＮ膜が圧縮応力を有することが望まれる場合がある。このような場合、ステージで保持された被処理基板にバイアス電位を印加するバイアス電源を設け、成膜中、被処理基板に所定のバイアス電位を印加することが考えられる。ここで、ＡｌＮ膜の成膜時、バイアス電位を高くすればする程、引張応力が可及的に小さくなり、次第には圧縮応力を有するＡｌＮ膜が得られるが、被処理基板の外周領域にて、応力の変化量が局所的に大きくなり、却って、基板面内の応力分布が劣化することが判明した。これは、成膜時、プラズマ中で電離した反応ガスのイオンが被処理基板の外周領域に局所的に引き込まれ易くなり、このイオンで成膜されたＡｌＮ膜が過剰にスパッタされることに起因するものと考えられる。

特開２０１１－１３５６１８号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板にバイアス電位を印加した状態で金属化合物膜を成膜する際に、基板面内での応力分布の劣化を抑制することができるようにしたスパッタリング装置及び金属化合物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、ターゲットが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、真空チャンバ内でその成膜面がターゲットに対向する姿勢で被処理基板を保持するステージと、ステージで保持された被処理基板にバイアス電位を印加するバイアス電源とを備える本発明のスパッタリング装置は、ステージの周囲に設けられる板状電極と、板状電極の表面電位を制御する電位制御電源とを更に備えることを特徴とする。

本発明において、前記ターゲットが金属製であり、前記スパッタガスが反応ガスを含み、前記被処理基板の成膜面に反応性スパッタリングにより金属化合物膜を成膜する場合、板状電極が、間隔を存して前記被処理基板の周囲を囲う環状の輪郭を有し、前記ターゲット側を向く板状電極の上面が被処理基板の成膜面と面一となる姿勢で配置され、前記電位制御電源が、板状電極の表面電位を正電位に制御される。なお、板状電極は、被処理基板の周囲をその全周に亘って囲うように一体に形成されている必要はなく、例えば、円弧状の部分を周方向に所定間隔を置いて複数配列し、全体として環状の輪郭を有するように構成したものでもよい。また、板状電極は、成膜面と面一になるその上面が所定の面積を有していれば、板材で形成されたものに限定されず、例えばメッシュ材やパンチングメタルで形成することもできる。

また、上記課題を解決するために、真空チャンバ内に金属製のターゲットと被処理基板とを対向配置し、真空チャンバ内に反応ガスを含むスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してプラズマを形成し、反応性スパッタリングにより被処理基板の表面に金属化合物膜を成膜する成膜工程を含む本発明の金属化合物膜の成膜方法は、成膜工程中、被処理基板にバイアス電位が印加され、成膜工程は、被処理基板の周囲に設けられる板状電極の表面電位を制御する表面電位制御工程を含むことを特徴とする。

本発明において、前記金属化合物膜として窒化アルミニウム膜を成膜する際に、被処理基板に印加されるバイアス電位が－１００～－１０Ｖの範囲に設定される場合、前記表面電位制御工程にて、板状電極の表面電位を５～１５０Ｖの範囲の正電位に制御することが好ましい。

以上によれば、金属製ターゲットをスパッタリングして反応性スパッタリングにより金属化合物膜を成膜する際に、ステージで保持された被処理基板にバイアス電位を印加した場合、バイアス電位を高くすればする程、引張応力が可及的に小さくなり、次第には圧縮応力を有する金属化合物膜が得られる。そして、被処理基板の周囲に板状電極を設け、成膜中、この板状電極の表面電位を正電位に制御する構成を採用すれば、被処理基板の外周領域での応力の変化量を抑制できることが確認され、その結果、基板面内での応力分布の劣化を抑制できることが確認された。これは、被処理基板の外周領域に向かう反応ガスのイオン（例えば窒素イオン）の一部が、正電位に制御された板状電極で反射されることで、当該外周領域に引き込まれる反応ガスのイオンが減少し、被処理基板の外周領域に成膜される金属化合物膜がこの反応ガスのイオンで過剰にスパッタされることが抑制されることによるものと考えられる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置を模式的に説明する図。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、被処理基板をシリコンウエハ（以下「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの表面にＡｌＮ膜（窒化アルミニウム膜）を成膜する場合を例に、本発明のスパッタリング装置及び金属化合物膜の成膜方法の実施形態を説明する。以下において、上、下といった方向を示す用語は、図１に示すスパッタリング装置の設置姿勢を基準とする。

図１を参照して、ＳＭは、スパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気を形成可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１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ポンプユニットＰｕに通じる排気管１１が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０^－５Ｐａ）まで真空排気できるようにしている。真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスのガス源１２ａ，１２ｂに連通する、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂ等で構成される流量制御弁が介設されたガス管１４が接続され、流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入することができる。スパッタガスには、反応ガス（例えば窒素ガス等の窒素含有ガス）が含まれ、希ガス（例えばアルゴンガス）が更に含まれてもよい。なお、本実施形態では、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂ及びガス管１４がガス導入手段を構成する。

真空チャンバ１の上部にはカソードユニットＣが取付けられている。カソードユニットＣは、Ａｌ製のターゲット２と、ターゲット２上方に配置され、基板Ｓｗ中心を回転中心として回転可能な磁石ユニット３とを有する。ターゲット２は、基板Ｓｗの輪郭に応じた形状（例えば平面視円形）を有し、スパッタ面２ａを下方に向けた姿勢でバッキングプレート２１に装着された状態で、絶縁体Ｉｏ１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられている。ターゲット２には、スパッタ電源としてのＤＣ電源Ｐｓからの出力が接続され、負の電位を持つ直流電力をターゲット２に投入することができる。磁石ユニット３として、ターゲット２のスパッタ面２ａの下方空間に磁場を形成し、スパッタリング時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してスパッタガスを効率よくイオン化する公知の構造を有するものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の下部にターゲット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、絶縁体Ｉｏ２を介して真空チャンバ１下壁に設けられる、熱伝導性を有する金属製（例えばＳＵＳ製）の基台４１と、基台４１上に設けられるチャックプレート４２とを備える。チャックプレート４２は静電チャック用の電極を有し、外部のチャック用電源からの通電により基板Ｓｗが成膜面を上側にして静電吸着（保持）される（このときのターゲット２と基板Ｓｗとの間のＴＳ距離は、例えば４０ｍｍ～６０ｍｍ）。また、基台４１にはバイアス電源Ｐｂとしての高周波電源からの出力が接続され、スパッタリング時、所定周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力を基台４１に投入することで、基板Ｓｗに所定のバイアス電位を印加することができる。なお、特に図示して説明しないが、基台４１には、ヒータや冷媒循環路が組み付けられ、外部の電源からヒータに通電し、または、図外のチラーユニットから冷媒を冷媒循環路に循環させ、基台４１からの熱伝導で基板Ｓｗを所定温度に制御することができる。ヒータは、チャックプレート４２に組み付けられていてもよく、この場合、チャックプレート４２がホットプレートも兼用する。

ステージ４の周囲には、基板Ｓｗを囲うようにして円環状の輪郭を有する板状電極５が配置されている。平坦な上面５ａを持つ板状電極５は、比較的導電性の良い金属（例えばＳＵＳやＣｕ）の板材から加工形成され、板状電極５の下面には円筒状の支持体５１が設けられている。そして、支持体５１を下にして板状電極５が絶縁体Ｉｏ３を介して真空チャンバ１下壁に設置される。この場合、板状電極５の上面５ａが基板Ｓｗの上面（成膜面）と面一となるように支持体５１の高さが定寸されている。また、基板Ｓｗの外周縁部と板状電極５の内周縁部との間の隙間Ｄｗは、成膜時に真空チャンバ１内に発生させるプラズマの安定性が損なわれないように、可及的に小さく（例えば５ｍｍ～３０ｍｍの範囲内に）設定される。更に、板状電極５には、直流電源で構成される電位制御電源Ｐｃからの出力が接続され、板状電極５の表面電位を０Ｖ～２００Ｖの範囲内の正電位に制御することができる。なお、板状電極５は、基板Ｓｗを全周に亘って囲うように一体に形成されている必要はなく、例えば円弧状の部分を周方向に所定間隔を置いて複数配列し、全体として環状の輪郭を有するように構成してもよい。この場合、特に図示して説明しないが、ターゲット２と基板Ｓｗとの間にスパッタ粒子の飛散分布を調整する調整板が設けられるような場合には、それに応じて、円弧状の部分のいずれかを省略することもできる。更に、板状電極５は、金属の板材で形成することができるが、その上面５ａが所定の面積を有するのであれば、メッシュ材やパンチングメタルで形成してもよい。

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（図示省略）を有し、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂの稼働、真空ポンプユニットＰｕの稼働、ＤＣ電源Ｐｓの稼働、バイアス電源Ｐｂの稼働、電位制御電源Ｐｃの稼働等を統括制御するようにしている。以下に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、基板Ｓｗ表面に反応性スパッタリングによりＡｌＮ膜を成膜する例を具体的に説明する。

真空チャンバ１内に配置されたステージ４の上面に基板Ｓｗを設置し、真空チャンバ１内を所定圧力まで真空排気し、所定圧力に到達すると、真空チャンバ１内にアルゴンガスと窒素ガスとを夫々所定流量（例えば、アルゴンガス流量：０～１００ｓｃｃｍ、窒素ガス流量：２０～１００ｓｃｃｍ）で導入し、ＤＣ電源Ｐｓからターゲット２に負の電位を持つパルス直流電力（周波数：２９．４ｋＨｚ）を投入すると、真空チャンバ１内にプラズマが形成される。プラズマ中で電離したアルゴンイオンと窒素イオンによりターゲット２がスパッタリングされ、ターゲット２から余弦側に従い飛散したスパッタ粒子が窒素分子と反応し、その反応生成物が基板Ｓｗの表面に付着、堆積することでＡｌＮ膜が成膜される。

ところで、このようなＡｌＮ膜の成膜中、バイアス電源Ｐｂから基板Ｓｗにバイアス電位を印加すると、バイアス電位を高くすればする程、ＡｌＮ膜の有する引っ張りが可及的に小さくなり、次第には圧縮応力を有するようになるが、基板Ｓｗの外周領域にて、応力の変化量が局所的に大きくなり、却って、基板面内の応力分布が劣化することがある。

そこで、本実施形態によれば、基板Ｓｗの周囲に板状電極５を設け、成膜中、この板状電極５の表面電位を正電位に制御する構成を採用することで、基板Ｓｗの外周領域での応力の変化量を抑制できることが確認され、その結果、基板面内での応力分布の劣化を抑制（改善）できることが確認された。これは、基板Ｓｗの外周領域に向かうアルゴンイオンまたは窒素イオンの一部が、正電位に制御された板状電極５で反射されることで、当該外周領域に引き込まれる窒素イオンが減少し、基板Ｓｗの外周領域にて窒素イオンでＡｌＮ膜が過剰にスパッタされることが抑制されることによるものと推測される。

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、以下の実験を行った。発明実験では、ターゲット２をφ３００ｍｍのＡｌ製とし、基板Ｓｗをφ２００ｍｍのシリコンウエハとし、この基板Ｓｗを真空チャンバ１内のステージ４で保持し（ＴＳ距離は５０ｍｍ）、このステージ４の周囲に、上面５ａが基板Ｓｗの成膜面と面一となるように板状電極５を配置した（このときの隙間Ｄｗは１２ｍｍ）。そして、真空雰囲気の真空チャンバ１内にアルゴンガスを流量０ｓｃｃｍ、窒素ガスを流量３５ｓｃｃｍで導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は約０．２５Ｐａ）、これと併せてＤＣ電源Ｐｓからターゲット２にパルス直流電力（周波数：２９．４ｋＨｚ、オフタイム：３４μｓ、Ｄｕｔｙ：７０％）を４ｋＷ投入すると共に、ステージ４にバイアス電力として１３．５６ＭＨｚの高周波電力を３０Ｗ投入することにより（このとき基板Ｓｗに印加されるバイアス電位は－２３Ｖ）、反応性スパッタリングにより基板Ｓｗ表面にＡｌＮ膜を１１５０ｎｍの膜厚で成膜した。成膜中、板状電極５の表面電位を４０Ｖの正電位に制御した。尚、成膜中、基板Ｓｗの温度を３５０℃に制御した。成膜後、応力測定装置（東朋テクノロジー社製、商品名「ＦＬＸ－２０００－Ａ」）を用い、基板面内の４点（基板中心から２ｍｍ、２５ｍｍ、４８ｍｍ、７５ｍｍの位置）でＡｌＮ膜の応力を測定した結果を、図２において実線で示す。なお、図２の各測定点でのＡｌＮ膜の応力は、後述する比較実験３の基板面内の４点で測定した応力の平均値で規格化されている。測定した４点の応力差Δを求めたところ、後述する比較実験３の応力差Δを１としたとき、０．５１５であった。

次に、上記発明実験に対する比較実験について説明する。先ず、比較実験１では、板状電極５の上面５ａの高さを上記発明実験よりも７ｍｍ高くした点を除き、上記発明実験と同様の条件でＡｌＮ膜を成膜した。成膜後、上記発明実験と同様に基板面内の４点でＡｌＮ膜の応力を測定した結果を、図２において一点鎖線で示す。このときの応力差Δは、後述する比較実験３の応力差Δを１としたとき、０．７９９であった。次に、比較実験２では、板状電極５の上面５ａの高さを上記発明実験よりも１０ｍｍ低くした点を除き、上記発明実験と同様の条件でＡｌＮ膜を成膜した。成膜後、上記発明実験と同様に基板面内の４点でＡｌＮ膜の応力を測定した結果を、図２において二点鎖線で示す。このときの応力差Δは、後述する比較実験３の応力差Δを１としたとき、０．８２３であった。更に、比較実験３では、板状電極を設けない点を除き、上記発明実験と同様の条件でＡｌＮ膜を成膜した。成膜後、上記発明実験と同様に基板面内の４点でＡｌＮ膜の応力を測定した結果を、図２において破線で示す。このときの応力差Δは規格化されて１である。

上記発明実験によれば、板状電極を設けない上記比較実験３と比較して、基板Ｓｗの外周領域の応力変化量が抑制され、応力差を半分程度に抑制できることが確認され、その結果、基板面内での応力分布の劣化を抑制できることが確認された。これは、当該外周領域に引き込まれる窒素イオンが減少し、基板Ｓｗの外周領域に成膜されるＡｌＮ膜がこの窒素イオンで過剰にスパッタされることが抑制されることによるものと推測される。尚、上記比較実験１，２のように板状電極５の上面５ａが基板Ｓｗの成膜面と面一でない場合には、上記比較実験３と比較して応力差を２０％程度しか抑制でき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、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、ＡｌＮ膜を成膜する場合を例に説明したが、これに限定されず、例えばＴｉＮ膜やＴａＮ等の金属化合物膜を成膜する場合のように、成膜中に基板にバイアス電位を印加することで基板外周領域での応力変化量が大きくなる場合に好適に適用することができる。

上記実施形態では、板状電極５の表面電位を正の電位に制御する場合を例に説明したが、基板Ｓｗに印加するバイアス電位によっては基板外周領域に成膜される薄膜が陰イオンでスパッタされる場合があり、この場合、板状電極５の表面電位を負の電位に制御することもできる。

Ｐｂ…バイアス電源、Ｐｃ…電位制御電源、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板（被処理基板）、１…真空チャンバ、２…ターゲット、４…ステージ、５…板状電極、５ａ…板状電極５の上面、１３ａ，１３ｂ…マスフローコントローラ（ガス導入手段）、１４…ガス管（ガス導入手段）。

Claims

ターゲットが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、真空チャンバ内でその成膜面がターゲットに対向する姿勢で被処理基板を保持するステージと、ステージで保持された被処理基板にバイアス電位を印加するバイアス電源とを備えるスパッタリング装置において、
ステージの周囲に設けられる板状電極と、板状電極の表面電位を制御する電位制御電源とを更に備え、
前記ターゲットが金属製であり、前記スパッタガスが反応ガスを含み、前記被処理基板の成膜面に反応性スパッタリングにより金属化合物膜を成膜する場合、前記板状電極が、間隔を存して前記被処理基板の周囲を囲う環状の輪郭を有し、前記ターゲット側を向く板状電極の上面が被処理基板の成膜面と面一となる姿勢で配置され、前記電位制御電源が、板状電極の表面電位を正電位に制御することを特徴とするスパッタリング装置。
真空チャンバ内に金属製のターゲットと被処理基板とを対向配置し、真空チャンバ内に反応ガスを含むスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入してプラズマを形成し、反応性スパッタリングにより被処理基板の表面に金属化合物膜を成膜する成膜工程を含む金属化合物膜の成膜方法であって、成膜工程中、被処理基板にバイアス電位が印加されるものにおいて、
成膜工程は、被処理基板の周囲に設けられる板状電極の表面電位を制御する表面電位制御工程を含み、
前記金属化合物膜が窒化アルミニウム膜であり、前記バイアス電位が－１００～－１０Ｖの範囲に設定される場合、前記表面電位制御工程にて、前記表面電位が５～１５０Ｖの範囲に制御されることを特徴とする金属化合物膜の成膜方法。