JP5795002B2 - スパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスやシリコンウエハ等の基板表面に所定の薄膜を成膜するためのスパッタリング方法に関し、特に、ターゲットの使用状態（侵食状態）やターゲット種に関係なく、常時、膜厚分布を一定に保持し得るものに関する。

半導体製造工程において所望のデバイス構造を得る際に、処理すべき基板たるシリコンウエハに対して成膜する工程があり、このような成膜工程にはスパッタリング装置が従来から用いられている。

上記スパッタリング装置では、真空雰囲気を形成した真空チャンバにアルゴンなど不活性ガスたるスパッタガスを導入すると共に、基板表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて形成されたターゲットに、直流電源や高周波電源により所定の電力を投入してグロー放電させてプラズマを形成する。そして、プラズマ中で電離したアルゴンイオン等の不活性ガスのイオンをターゲットに衝突させることでターゲットからターゲットの原子、分子を放出させ、これらスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積することで成膜される。また、ターゲットのスパッタ面と背向する側に、交互に極性を変えて複数の磁石を設けた磁石ユニットを配置し、この磁石ユニットによりターゲットの前方（スパッタ面側）にトンネル状の磁場を発生させ、ターゲットの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲットの前方での電子密度を高めてプラズマ密度を高くしたものも知られている（所謂マグネトロン型）。

このようなスパッタリング装置では、ターゲットのうち上記磁場の影響を受ける領域でターゲットが優先的にスパッタリングされて侵食されていく。例えば、上記領域が、放電の安定性やターゲットの使用効率の向上等の観点からターゲット中央付近にあると、スパッタリング時のターゲットの侵食量はその中央付近で局所的に多くなる。このため、ターゲットのスパッタリングによる成膜時間が増加するのに従い、ターゲット表面の使用状態が変化して、ターゲットのスパッタ面と基板との間の距離（以下、「Ｔ−Ｓ間距離」という）がターゲット面内で変化する。

ここで、磁石ユニットは、通常、一定のＴ−Ｓ間距離の下、特定種かつ未使用状態のターゲットにて基板に対して成膜したときに、基板表面における膜厚分布がその全面に亘って均等になるように設計されている。このため、上記の如くＴ−Ｓ間距離が変化したり、また、ターゲット種を変更したりすると、これに伴い、膜厚分布も変化する。

そこで、真空チャンバ内で基板を保持するステージに、ターゲットに向かって進退自在に駆動する駆動機構を設け、Ｔ−Ｓ間距離（やＴ−Ｍ（マスク）間距離）を、ターゲットの積算電力に応じて変化させることが特許文献１（請求項８の記載参照）で知られている。然し、このような機構では、真空チャンバ内の真空雰囲気を維持しながらステージを駆動するためのベローズや駆動部品が必要となり、このようなベローズや駆動部品等は、一般に高価かつ耐久性に劣り、また、装置構成も複雑になる。

特開２００１−１４００６９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲット種やターゲットの使用状態等のスパッタ条件に応じて、基板に成膜したときの膜厚分布が簡単に調整でき、しかも、装置構成が簡単にできて低コストのスパッタリング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。

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバ内でターゲットに処理すべき基板を対向配置し、所定真空度に達した真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットの上方に設けた磁石ユニットより当該ターゲットのスパッタ面の下方空間に磁場を発生させた状態でターゲットに所定の電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してこのターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング方法において、スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させ、ターゲットの侵食量に応じて前記静磁場の強度を段階的に上昇させ、前記薄膜の基板面内における膜厚分布を調節することを特徴とする。

本発明によれば、スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させることで、成膜時の磁場強度に応じて、ターゲットからのスパッタ粒子やプラズマ中にて電離したスパッタ粒子のイオンが、基板表面に対して略直角な方向からこの基板に高い指向性を持ってかつ強い直進性を持って入射して付着、堆積するようになる。ここで、例えば、スパッタリング中、ターゲットが侵食されてくると、ターゲットの全面でＴ−Ｓ間（またはＴ−Ｍ間）距離が変化してくる。このような場合には、ターゲットに投入した電力の積算電力から前記静磁場の強度を段階的に上昇させる。これにより、基板に成膜したときの膜厚分布を、ターゲットの侵食状態（使用状態）に応じて調節することができる。また、ターゲット種を変更した場合、ターゲットから放出されるスパッタ粒子の飛散分布も変わり得るが、磁場強度を変化させるだけで調整できる。なお、本発明において、スパッタ条件とは、ターゲット種やターゲットの侵食状態だけでなく、スパッタリング時の真空チャンバ内のスパッタガスの分圧やターゲットへの投入電力を含むものである。

本発明においては、前記静磁場を真空チャンバに付設した少なくとも１個の電磁石により発生させ、電磁石のコイルへの通電電流を制御して前記静磁場の強度を段階的に上昇させればよい。これによれば、真空チャンバ内の真空雰囲気を維持しながら所定の部品を駆動する等は不要になり、従来例のものと比較して装置構成を簡単にできる。その上、ベローズ等の部品を用いる従来例と比較して装置の製造コスト等も低くできる。なお、スパッタ条件をターゲットの侵食量とした場合、ターゲットに電力投入したときの積算電力から前記通電電流を制御すればよい。

本発明の実施形態のスパッタリング方法を実施し得るスパッタリング装置の模式的断面図。 本発明の効果を示す実験の結果を示すグラフ。 本発明の効果を示す他の実験の結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、ガラスやシリコンウエハ等の基板表面に所定の薄膜を成膜するための本発明の実施形態のスパッタリング方法について説明する。図１中、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング方法を実施し得るスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

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の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、基板Ｗの輪郭より大きな表面積でかつ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。なお、ターゲット２は、処理すべき基板Ｗに形成しようとする薄膜に応じて適宜選択でき、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｗ製とできる。ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で、そのスパッタ面を下方にして絶縁体Ｉ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、ＤＣ電源や高周波電源等のスパッタ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の電位を持った電力が投入される。

ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方でのプラズマ密度を高める公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。なお、磁石ユニット３は、一定のＴ−Ｓ間距離の下、特定種かつ未使用状態のターゲットにて、所定条件（圧力、ターゲットへの投入電力等）で基板Ｗに対して成膜したときに、基板表面における膜厚分布がその全面に亘って均等になるように設計される。真空チャンバ１内には、導電性を有するアノードシールド４が配置されている。また、真空チャンバ１の底部には、カソードユニットＣに対向させてステージ５が絶縁部材５１を介して配置され、基板Ｗを位置決め保持するようになっている。なお、特に図示して説明しないが、ステージ５に高周波電源を接続し、基板Ｗにバイアスを印加する構造にしてもよい。

真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスを導入するガス管６が接続され、このガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通する。そして、これらの部品がガス導入手段を構成し、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。なお、上記と同一構成のガス導入手段を更に設け、窒素などの反応ガスを導入して反応性スパッタリングによる成膜を行い得るように構成してもよい。また、真空チャンバ１の側壁には、リング状のヨーク７１に導線７２を巻回してなるコイル７が、真空チャンバ１の上下方向の略中央に設けられ、これらの部品が電磁石を構成する。そして、電源Ｅ２からコイル７に通電できるようになっている。

電源Ｅ２からコイル７に通電すると、電流の向き及び大きさに応じて、例えば、ターゲット２のスパッタ面２１及び基板Ｗ全面に亘って垂直な磁力線（磁束）ＭＦが所定間隔で通るように下向きの垂直磁場が発生する。これにより、ターゲット２のスパッタリング時に、ターゲットからのスパッタ粒子やプラズマ中で電離したスパッタ粒子のイオンが垂直磁場の影響で失活せずに、基板Ｗ全面に亘って、且つ、この基板Ｗ表面に対して略直角な方向から付着し、堆積する。なお、コイルの個数は上記に限定されるものではなく、複数であってもよい。複数のコイルを設ける場合、コイル相互の間の距離、導線の径や巻数は、例えばターゲット２のスパッタ面２１の面積、Ｔ−Ｓ間距離、成膜条件、電源Ｅ２の定格電流値や発生させようとする磁場強度（ガウス）に応じて適宜設定される。

真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる図示省略の真空排気装置に通じる排気管８が接続されている。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公知の制御手段９を有し、制御手段９により上記各電源Ｅ１、Ｅ２の作動、マスフローコントローラ６ａの作動や真空排気装置の作動等を統括管理するようになっている。また、制御手段９は、ターゲット２に投入した電力の積算電力を管理でき、これに応じて、コイル７への通電電流を制御し得る。

次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い基板Ｗへのスパッタリング方法を説明する。先ず、真空排気手段を作動させて真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ）まで真空引きしておき、ステージ５に基板Ｗをセットする。その後、電源Ｅ２によりコイル７に通電し、ターゲット２及び基板Ｗ全面に亘って下向きの垂直な磁力線ＭＦが所定間隔で通るように垂直磁場を発生させる。そして、真空チャンバ１内にマスフローコントローラ６ａを制御してアルゴンガス（スパッタガス）を所定の流量で導入し（スパッタリング中のアルゴン分圧は、０．０５〜５０Ｐａ）、スパッタ電源Ｅ１よりターゲット２に負の電位を持つ所定電力（１〜３５ｋＷ）を投入して放電させ、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、基板Ｗの全面に亘って垂直に発生させた磁力線ＭＦの影響を受けて、ターゲット２のスパッタリングにより生じたスパッタ粒子やプラズマ中にて電離したスパッタ粒子のイオンが、基板Ｗに対して略直角な方向からこの基板Ｗに高い指向性を持ってかつ強い直進性を持って入射して付着、堆積する。

ところで、上記条件で複数枚の基板Ｗに成膜を行うと、ターゲット２のうち、磁石ユニット３からの磁場の影響を受ける領域でターゲット２が優先的にスパッタリングされて侵食されていく（図１中、ターゲット２に２点鎖線で示す如く、侵食される）。この場合、Ｔ−Ｓ間距離がターゲット２面内で変化し、その結果、基板Ｗに成膜したときの膜厚分布が、ターゲット２の侵食状態（即ち、使用時間）に応じて変化していく。そこで、本実施形態では、特定のターゲット２にてそのターゲット２のライフエンドまで複数枚の基板Ｗに成膜し、このとき、所定の積算電力毎（例えば２００ｋＷｈ）に膜厚分布を測定すると共に、これら積算電力毎に、基板Ｗ全面における膜厚分布が所定の範囲（例えば、２％以内）となるときのコイル７の通電電流を求め、制御手段９に予め記憶させることとした。これにより、ターゲット２の積算電力、つまり、侵食状態に応じて、コイル７への通電電流のみを変化させることで、ターゲット２のライフエンドまで基板Ｗ全面における膜厚分布が所定の範囲（例えば、２％以内）に保持できる。

なお、コイル７への通電電流は、ターゲット種やターゲット侵食状態に応じて、１５〜３０Ａの範囲に設定される。１５Ａより低いと、膜厚分布を変化させることができないという不具合があり、３０Ａを超えると、プラズマが不安定になるという不具合が生じる。

次に、以上の効果を確認するために、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて以下の各実験を行った。実験１では、ターゲット２として高純度のタングステン製ターゲットを用い、基板Ｗを、φ３００ｍｍのシリコンウエハとし、また、スパッタ条件として、Ｔ―Ｓ間距離を６０ｍｍ、スパッタガスたるアルゴンガスの導入量を１５０ｓｃｃｍ、電源Ｅ１からターゲット２への投入電力を４ｋＷに設定し、基板Ｗを２００℃に加熱保持しながら、４０ｎｍの膜厚でタングステン膜を成膜した（スパッタ時間は１７秒）。

図２は、スパッタリング中、コイル７に通電せず、コイル７への通電電流を１５Ａ、または、コイル７への通電電流を３０Ａに設定してそれぞれタングステン膜を形成したときの、基板の径方向における膜厚分布を示すグラフである。これによれば、コイル７に通電しない場合（即ち、垂直磁場なし）、基板中央部の膜厚が薄く、その径方向外側に向かうに従い、膜厚が厚くなっている。そこで、通電電流を１５Ａに設定して成膜すると、特に基板中央部の膜厚が増加して膜厚分布の面内均一性が著しく向上することが判る。また、通電電流を３０Ａに上昇させて成膜を行うと、特に基板中央部の膜厚が増加していることが判る。これにより、通電電流を変化させることで、膜厚分布を制御できることが確認された。

次に、実験２では、ターゲットとして、厚さが６ｍｍのタングステンターゲットを用い、上記と同一の条件で、ライフエンド（１４００ｋＷｈ）まで基板に成膜を行った。このとき、実験２では、スパッタリング開始当初は、コイル７への通電電流を０Ａとし、ターゲットの積算電力が５００ｋＷｈに達すると通電電流を１５Ａに設定し、垂直磁場を基板に作用させながら成膜し、また、１０００ｋＷｈに達すると通電電流を３０Ａに設定し、垂直磁場を基板に作用させながら成膜した。なお、比較実験として、上記と同一の条件で、ターゲットライフエンド（１４００ｋＷｈ）まで、垂直磁場を作用させることなしに基板に成膜を行った。

図３は、上記条件で基板に成膜したときの、ターゲットの積算電力における基板の膜厚分布を示すグラフであり、図３中、実線で示すものが実験２の結果であり、また、点線で示すものが比較実験の結果である。これによれば、比較実験では、当初約１．５％であった膜厚分布が、ターゲットのライフエンド近傍では、約４％となり、膜厚分布の均一性が損なわれていることが判る。それに対して、実験２では、所定の積算電力に応じて垂直磁場を作用させると共に、その強度を変化させることで、ターゲット２のライフエンド近傍でも２．５％の膜厚分布にできていることが判る。

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。上記実施形態では、ターゲットの侵食状態に応じてコイルへの通電電流を変化させ、膜厚分布を均一に調節するものを例に説明したが、ターゲット種等の他のスパッタ条件に応じて通電電流を変化させ、膜厚分布を制御するものにも適用できる。また、上記実施形態では、コイルを用いて垂直磁場を発生させているが、これと永久磁石と組み合わせて磁場を発生させるようにしてもよい。

ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、６…ガス管、７…コイル、Ｃ…カソードユニット、Ｅ１、Ｅ２…電源、ＭＦ…磁力線、Ｗ…基板。

Claims (2)

1. 真空チャンバ内でターゲットに処理すべき基板を対向配置し、
   所定真空度に達した真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、
   基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットの上方に設けた磁石ユニットより当該ターゲットのスパッタ面の下方空間に磁場を発生させた状態でターゲットに所定の電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してこのターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング方法において、
   スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させ、
   ターゲットの侵食量に応じて前記静磁場の強度を段階的に上昇させ、前記薄膜の基板面内における膜厚分布を調節することを特徴とするスパッタリング方法。
2. 前記静磁場を真空チャンバに付設した少なくとも１個の電磁石により発生させ、ターゲットに電力投入したときの積算電力から電磁石のコイルへの通電電流を制御して前記静磁場の強度を段階的に上昇させることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
   

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