JP6692164B2 - 成膜方法 - Google Patents

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。

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）。

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。

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。

特開２０１５−１３８９４１号公報 特開平８−３１５７３号公報 国際公開第２０１５／１２２１５９号

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。

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／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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。

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。

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。

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。

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。

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。 本発明の実施形態の成膜方法を説明する断面図。 本発明の実施形態の変形例による成膜方法を説明する図。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／ｃｍ^２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。

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／ｃｍ^２を超えるように変更し（例えば、０．４Ｗ／ｃｍ^２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／ｃｍ^２に適宜設定することができる。

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。

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。

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／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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。

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／ｃｍ^２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。

また、第１工程のバイアス電力を０．０１Ｗ／ｃｍ^２，０．０７Ｗ／ｃｍ^２，０．１Ｗ／ｃｍ^２，０．２Ｗ／ｃｍ^２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。

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。

また、バイアス電力を０．３Ｗ／ｃｍ^２，０．４Ｗ／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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。

以上の実験により、バイアス電力を０．２Ｗ／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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。

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。

Claims (4)

1. 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成膜方法において、
   成膜対象物に０．２Ｗ／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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。
2. 前記第１工程はバイアス電力を徐々に上昇させる工程を有することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
3. 前記第１工程は、前記金属層が前記第１カーボン電極層で覆われる時間行われることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜方法。
4. 前記金属は、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ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の成膜方法。

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