JPWO2005098081A1 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、半導体分野においては、基板の実装密度を上げるために、基板上に形成されるコンタクトホールや配線用溝のアスペクト比(深さ/ホール径又は溝幅)が、益々大きくなる傾向にある。そして、例えば、銅を使用した半導体配線では、このようなホールや溝の内側(側壁や底面)に対し、バリア層や電解メッキ用のシード層を形成しなければならない。
一方、段差を有する基板上に、優れた光学膜を積層する光学素子が注目されている。このような素子においては、段差の形状に倣った被覆性に優れ、かつ、光の吸収や乱反射が極めて少ない、すなわち、光透過率が高く、表面平滑性に優れた光学膜が必要不可欠となっている。
また、表面に凹凸を有する基板にスパッタリングすると、凹部の肩部(開口縁部)にオーバーハング(開口部を塞ぐように形成される膜)が形成され、このオーバーハングによってスパッタ粒子が凹部の側壁および底面に到達しづらくなる。このため、凹部の底面に所望の膜厚の膜が均一に形成されず、この凹部に配線または光学薄膜を埋め込んだ際に、埋込特性が悪い結果となる。また、凹凸を有する基板表面へのカバレッジ(凹凸に沿った均一な成膜)が良好に行われないことになる。さらに、基板に形成される膜の表面粗さが大きい場合には、光の透過率が低下し、光学的な損失が大きくなる。
また、表面に凹凸を有する基板に対して、イオンガンで照射するガスの種類とイオンビームの加速電圧とを適正化することによって、埋込特性およびカバレッジが良好な膜を形成でき、かつ、膜の表面粗さを小さくすることができる成膜装置を提供することを目的とする。
また請求項2記載の発明は、上記構成に加え、保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、回転ドラムの周面に基板を保持することを特徴とするものである。
さらに請求項3記載の発明は、保持部材が、自転する板状の回転盤であり、回転盤の板面に基板を保持することを特徴とするものである。
請求項4記載の発明は、成膜手段を複数設けていることを特徴とするものである。
請求項5記載の発明は、成膜手段と反応手段とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とするものである。
請求項6記載の発明は、成膜手段が、スパッタリング手段であることを特徴とするものである。
請求項8記載の発明は、イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とするものである。
請求項9記載の発明は、イオンビームを基板にほぼ垂直に照射することを特徴とするものである。
請求項10記載の発明は、凹凸を有する基板に対し、凹部内に薄膜が付着するのを阻害するように形成された薄膜に、イオンビームを照射することを特徴とするものである。
このような構成の成膜装置では、例えば金属膜の形成、ガス反応及びイオンビームによる反応促進とエッチングとを繰り返して行うことで、膜の粗さを形成する凸部がエッチングされて表面粗さが小さくなるとともに、イオンビームによってガス反応が促進され、良好な膜が形成される。
また請求項12記載の発明は、上記構成に加え、保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、回転ドラムの周面に基板を保持しており、回転ドラムを回転させながら成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする構成を有している。
請求項14記載の発明は、薄膜を形成する成膜工程が複数の成膜手段により複数の薄膜を形成する工程であることを特徴とするものである。
請求項15記載の発明は、成膜工程と反応工程とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とするものである。
請求項16記載の発明は、成膜工程が、スパッタリングにより薄膜を形成する工程であることを特徴とするものである。
請求項17記載の発明は、イオンガンに印加する加速電圧を500Vから3000Vとしたことを特徴とするものである。
請求項18記載の発明は、イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とするものである。
請求項19記載の発明は、イオンビームを基板にほぼ垂直に照射することを特徴とするものである。
このような構成の成膜方法では、イオンビームの照射によって膜の一部をエッチングするため、例えば、凹部の肩部に形成されたオーバーハングがエッチング(除去)され、凹部の開口が広くなる。このため、凹部の側壁および底面にまでスパッタ粒子が到達し易くなり、側壁および底面への成膜が良好に行われる。この結果、基板表面へのカバレッジが良好になるとともに、凹部の底面に所望の膜厚の膜が均一に形成され、埋込特性が良好となる。また、膜の粗さを形成する凸部がエッチングされるため、表面粗さが小さくなる。
さらに、表面に凹凸を有する基板に対して、埋込特性およびカバレッジが良好な膜を形成でき、かつ、膜の表面粗さを小さくすることができる。しかも、イオンガンを設けるだけなので、装置の構造が簡単である。
また、成膜とエッチングとを繰り返して行うことで、連続的に埋込特性およびカバレッジが良好な膜を形成することができる。
[図2]実施形態1に係る成膜装置におけるイオンガンの構成を示す概略断面図。
[図3]実施形態1における膜の表面粗さを示す図。
[図4]実施形態1における膜の透過率を示す図。
[図5]実施形態2において、膜の一層あたりの光の吸収率と23積層後の表面粗さとを示す図。
[図6]実施形態3に係る成膜装置を示す概念平面図。
[図7]実施形態3において、イオンガンを作動させない場合の第1の基板への成膜状態を示す断面図。
[図8]実施形態3において、イオンガンを作動させない場合の第2の基板への成膜状態を示す断面図。
[図9]実施形態3において、イオンガンを作動させた場合の第1の基板への成膜状態を示す断面図。
[図10]実施形態3において、イオンガンを作動させた場合の第2の基板への成膜状態を示す断面図。
[図11]実施形態4において、イオンガンにArガス30sccmを供した場合の第3の基板への成膜状態を示す断面図。
[図12]実施形態4において、イオンガンにArガス10sccmとO2ガス20sccmとを供した場合の第3の基板への成膜状態を示す断面図。
[図13]実施形態4において、イオンガンにO2ガス30sccmを供した場合の第3の基板への成膜状態を示す断面図。
[図14]実施形態4において、図11に示す成膜状態での透過率を示す図。
[図15]実施形態4において、図12に示す成膜状態での透過率を示す図。
[図16]実施形態4において、図13に示す成膜状態での透過率を示す図。
2 真空室
3 回転ドラム(保持部材)
4 基板
5 Niターゲット
11 イオンガン
12 イオンガン用ガス導入口
22 Siターゲット
23 Taターゲット
24,25 スパッタカソード
28,29 スパッタガス導入口
30 ECR反応室(反応手段)
31 反応ガス導入口
〈実施形態1〉
図1は、本実施形態に係わる成膜装置1を示す概念平面図である。
この成膜装置1はカルーセル式のスパッタ成膜装置であり、真空室2の中央部に、筒状の回転ドラム3が中心を軸にして回転可能に設置されている。この回転ドラム3の外周面には、基板4の表面(被成膜面)が開放側を向くように基板4が保持されている。
真空室2の二辺には、それぞれSiターゲット22およびTaターゲット23が配置され、各ターゲット22,23はそれぞれスパッタカソード24、25と一体的に構成され、各カソード24、25は図外の外部交流電源に接続されている。また、Siターゲット22およびTaターゲット23の近傍には、回転ドラム3と対向する空間を隔離するように、それぞれ防着板26、27が設けられている。また、Siターゲット22、22およびTaターゲット23,23の間には、それぞれスパッタガス導入口28、29が設けられている。
Siターゲット22と対向する真空室2の一辺には、イオンビームを照射するイオンガン11が設けられている。このイオンガン11は、回転ドラム3に伴って回転する基板4に対向するように配置されており、イオンガン11からのイオンビームが基板4の表面にほぼ垂直に照射されるようになっている。真空室2のイオンガン11近傍には、イオンガン用ガス導入口12が設けられ、このイオンガン用ガス導入口12に連なる導入管13には、コンダクタンスバルブ14が設けられている。
まず、真空室2内を10−3Paまで真空排気し、スパッタガス導入口28,29よりArガスをそれぞれ30sccm導入し、反応ガス導入口31よりO2ガスを100sccm導入し、かつ、イオンガン用ガス導入口12よりO2ガスを30sccm導入する。これにより、ターゲット22、23の近傍の圧力は0.3Paとなり、酸化室(その他の空間部)の圧力は0.2Paとなる。
次に、回転ドラム3を200rpmで回転させ、ECR反応室30のマイクロ波電源に1kWを印加し、酸化プラズマを発生させる。また、イオンガン11に110W(1,400V−0.08A)を印加し、イオンビームを発生させる。続いて、スパッタカソード24にAC5kWを印加し、所定膜厚のSiO2膜が形成されるまで、スパッタリングを行う。同様に、スパッタカソード25にAC5kWを印加し、所定膜厚のT2O5膜が形成されるまで、スパッタリングを行う。
図3は、イオンガン11を作動させた場合と作動させない場合とにおける、膜の表面粗さ(中心線平均粗さRa)を示したものである。なお、この図3には、上記のSiO2/Ta2O5膜に加えて、SiO2/TiO2膜およびSiO2/Nb2O5膜(それぞれ30積層)についても示している。この図3から明らかなように、イオンガン11を作動させた場合の方が、イオンガン11を作動させない場合に比べて、表面粗さが小さいことがわかる。
このように、イオンガン11を作動させることによって、膜の表面粗さが小さく、また、透過率が高いのは、イオンビームを照射することで、膜の粗さを形成する凸部がエッチングされて表面粗さが小さくなり、表面粗さが小さくなることで、光の表面散乱が小さくなり、透過率が高くなるためである。
本実施形態では、成膜、イオンガン11による反応促進とエッチング、ECR反応室30による酸化反応を順次繰り返して行っているが、成膜、ECR反応室30による酸化反応、イオンガン11による反応促進とエッチングという順に、繰り返して行ってもよい。
ところで、イオンガン11によるイオンビームのビームエネルギーは、500eV以上3,000eV以下の範囲を主とするエネルギー分布を有していることが望ましい。これは、500eV未満のエネルギーが主であるとエッチング効果が得られず、3,000eVよりも大きいエネルギーが主であるとエッチングし過ぎてしまい、成膜速度が低下するからである。
さらに、本実施形態では、基板4を回転ドラム3の外周面に保持するカルーセル式としているが、回転盤に基板4を保持してもよい。例えば、中心を軸にして回転する平板状の回転円盤を保持部材とし、この回転円盤の板面に、基板4の表面が開放側を向くように基板4を保持してもよい。
また、本実施形態では、2つのスパッタカソード24、25(スパッタリング手段)と、1つのイオンガン11およびECR反応室30とを設けているが、必要とする膜厚、成膜速度、基板の数や大きさなどに応じて、それぞれ設ける数を変えてもよい。
本実施形態では、実施形態1に係わる成膜装置1において、イオンガン11に印加する加速電圧を変えて成膜を行った。すなわち、イオンガン11に0V(作動させない)、700V、1,400Vおよび2,800Vの加速電圧を印加し、成膜、ECR反応室30による酸化反応および、イオンガン11による反応促進とエッチングとを繰り返して行い、光学多層膜(23積層)を形成した。
それぞれの加速電圧によって形成された膜の一層あたりの光の吸収率と、23積層後の表面粗さとを図5に示す。なお、光の吸収率は、波長400nmで測定した。また、イオンガン11に印加する加速電圧に対して、実際に得られるエネルギーは、その加速電圧を中心になだらかなエネルギー分布(正規分布のような分布)を有しているが、最もエネルギー量が多い部分は、加速電圧にほぼ等しかった。
以上のことから、光透過率が高く、かつ、表面が平滑な膜を形成するには、イオンガン11に印加する加速電圧を500Vから3,000V程度とすることが望ましい、と言える。
図6は、本実施形態に係わる成膜装置51を示す概念平面図である。実施形態1に係わる成膜装置1と同じ構成要素については、同一符号を付している。
真空室2の一辺には、Niターゲット5が、回転ドラム3に伴って回転する基板4に対向するように配置されている。このNiターゲット5は、幅135mm、長さ400mm、板厚3mmの板材で、磁気回路6を介してスパッタカソード7と一体的に構成されている。また、真空室2のNiターゲット5近傍には、スパッタガス導入口8が設けられ、このスパッタガス導入口8に連なる導入管9には、コンダクタンスバルブ10が設けられている。
また、回転ドラム3を中心としてNiターゲット5を90度回転させた位置に、イオンビームを照射するイオンガン11が設けられている。このイオンガン11は、回転ドラム3に伴って回転する基板4に対向するように配置されており、イオンガン11からのイオンビームが基板4の表面にほぼ垂直に照射されるようになっている。真空室2のイオンガン11近傍には、イオンガン用ガス導入口12が設けられ、このイオンガン用ガス導入口12に連なる導入管13には、コンダクタンスバルブ14が設けられている。
まず、真空室2内を10−3Paまで真空排気し、スパッタガス導入口8よりArガスを100sccm導入し、真空室2内の圧力を0.3Paとする。また、イオンガン用ガス導入口12よりArガスを25sccm導入し、回転ドラム3を20rpmで回転させる。この状態で、スパッタカソード7に5kWの電力を印加し、スパッタリングする。
なお、基板4は、図7、9に示すように、アスペクト比は比較的小さいが微細な凹凸4aを表面に有する基板4−1と、図8、10に示すように、アスペクト比が比較的大きい凹凸4bを表面に有する基板4−2とを対象とした。
最初に、イオンガン11を作動させずに(電力を印加せずに)、成膜処理した結果を図7、8に示す。
基板4−1に対して膜厚200nmのNi膜17を形成したところ、図9に示すように、凹凸4aの凸部にはオーバーハングは形成されず、かつ、凹部には均一な膜厚のNi膜17が形成された。このため、この凹部に配線を埋め込んだ際に、配線の安定性が良い結果となる。
このように、イオンガン11を作動させることによって、埋込特性およびカバレッジが向上するのは、次の理由(作用)による。
このようにして、スパッタリングとエッチングとを交互に連続的に行うことによって、オーバーハング15a、16aおよび堆積部16bが選択的にエッチングされながら、凹部の側壁および底面にもNi膜が効果的に形成されていく。これによって、凹凸を有する基板4に対して、上記のように、埋込特性およびカバレッジが良好なNi膜が形成されるものである。
本実施形態では、凹凸を有する基板4に対して埋込特性およびカバレッジが向上することを説明しており、膜の表面粗さについては比較結果を示していない。しかし、イオンビームによって膜の粗さを形成する凸部がエッチングされて表面粗さが小さくなる、という効果は上記の実施形態1と同様であり、ECR反応室30による酸化反応を行っていなくても、表面粗さを小さくするという効果は得られる。従って、本実施形態においても、膜の表面粗さが小さくなることによって透過率が高くなる、という効果が得られる場合がある。
本実施形態では、実施形態1に係わる成膜装置1を用いて、アスペクト比が比較的大きい凹凸4cを表面に有する基板4−3に対し、イオンガン用ガス導入口12より導入するガスの種類と量とを変えて成膜を行った。
図11はArガス30sccmを導入し、図12はArガス10sccmとO2ガス20sccmとを導入し、図13はO2ガス30sccmを導入して成膜した積層膜の断面図である。また、図14〜図16は、図11〜図13に示す基板4−3の表面に、直径1μmのビーム光を垂直にスキャンして得られた透過率を示したものであり、図14は図11に、図15は図12に、図16は図13に対応している。
これに対し、Arガス10sccmとO2ガス20sccmとを導入した場合(図12,15)には、エッチング効果が良好で、凹凸4cなどの段差を有する基板に対して、その形状に倣った成膜が行える。しかも、ビームプラズマ中に酸素を含んでいるため、金属膜の酸化反応を促進する作用があり、このため、膜の酸化が十分(完全)に行われて光の吸収が減り、透過率が高い膜が得られる。
以上のことから、イオンガン11に供するArなどの希ガスの量と、O2などの反応性ガスの量とを適正範囲内に設定することにより、エッチング効果と反応促進効果とを両立させることができると言える。
Claims (20)
- 真空排気可能な真空室内に、基板を保持する保持部材と、基板上に薄膜を形成する成膜手段と、上記薄膜をプラズマによって反応ガスと反応させる反応手段と、上記基板にイオンビームを照射するイオンガンとを備え、
上記イオンビームの照射により、上記薄膜と上記反応ガスとの反応の促進及び上記薄膜の一部エッチングのいずれか、或いは両方をして積層した薄膜を形成する成膜装置。 - 前記保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、この回転ドラムの周面に前記基板を保持することを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記保持部材が、自転する板状の回転盤であり、この回転盤の板面に前記基板を保持することを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
- 前記成膜手段を複数設けていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記成膜手段と前記反応手段とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記成膜手段が、スパッタリング手段であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記イオンガンに印加する加速電圧を500Vから3000Vとしたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記イオンビームを前記基板にほぼ垂直に照射することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の成膜装置。
- 凹凸を有する前記基板に対し、凹部内に薄膜が付着するのを阻害するように形成された前記薄膜に、前記イオンビームを照射することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の成膜装置。
- 真空排気可能な真空室内で保持部材に保持された基板に薄膜を形成する成膜工程と、形成された薄膜をプラズマによって反応ガスと反応させる反応工程と、上記基板にイオンガンによりイオンビームを照射する照射工程とを備え、
上記照射工程が、上記薄膜と上記反応ガスとの反応の促進及び上記薄膜の一部エッチングのいずれか、或いは両方をして積層した薄膜を形成する成膜方法。 - 前記保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、この回転ドラムの周面に前記基板を保持しており、この回転ドラムを回転させながら前記成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする請求項11に記載の成膜方法。
- 前記保持部材が、自転する板状の回転盤であり、この回転盤の板面に前記基板を保持しており、この回転盤を回転させながら前記成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする請求項11に記載の成膜方法。
- 前記薄膜を形成する成膜工程が複数の成膜手段により複数の薄膜を形成する工程であることを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記成膜工程と前記反応工程とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とする請求項11〜14のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記成膜工程が、スパッタリングにより薄膜を形成する工程であることを特徴とする請求項11〜15のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記イオンガンに印加する加速電圧を500Vから3000Vとしたことを特徴とする請求項11〜16のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とする請求項11〜17のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記イオンビームを前記基板にほぼ垂直に照射することを特徴とする請求項11〜18のいずれかに記載の成膜方法。
- 凹凸を有する前記基板に対し、凹部内に薄膜が付着するのを阻害するように形成された前記薄膜に、前記イオンビームを照射することを特徴とする請求項11〜19のいずれかに記載の成膜方法。
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