JP4364380B2

JP4364380B2 - 薄膜作製装置及び薄膜作製方法

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Publication number: JP4364380B2
Application number: JP37208899A
Authority: JP
Inventors: 健吾秋元
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001181820A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
真空チャンバーを有する薄膜作製装置に関する。特にチャンバーの真空度を改善する技術であり、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着成膜など、反応室すなわちチャンバー内雰囲気に、膜質が左右される成膜技術に対して、寄与が大きいものである。また、時間短縮をはかる利用法は、量産性向上に寄与するものである。
【０００２】
【従来技術】
プロセス技術が高度になるにつれ、半導体装置の薄膜中の不純物、例えば大気成分濃度に対し管理が厳しくなっている。成膜プロセス、例えばスパッタ成膜を行う場合、装置に対する要求の一つに、成膜チャンバー内を高い真空度に保持する必要性が挙げられる。
【０００３】
ところが量産に使用するスパッタ装置は、メンテナンスを必要とし、その際にチャンバー内は大気解放されることが多い。チャンバー内を大気解放した後には、再び真空に戻す必要がある。しかし、上記のように、成膜プロセスを開始する直前の真空度において高真空を要する場合もあるということから、この高真空まで復旧するための排気に時間を要する場合がある。
【０００４】
また、1つのチャンバーで、複数の種類の膜を成膜する場合がある。異なる種類の成膜に対し、異なるガスを流す場合があるが、連続して積層成膜する場合、前の成膜のために流したガスを、次の成膜のため排気しなければならない場合がある。
【０００５】
このとき、チャンバー内を必要な真空度まで排気するために要する時間の短縮は、タクトを短縮しスループットを上げるための課題といえる。
【０００６】
排気性能を高める手段の一つに、チャンバーにポートを設け、排気ポンプを接続することが考えられる。ところが、チャンバーのポートに接続した真空ポンプによる排気のみでは、排気速度が遅い場合がある。例えば広面積を成膜する大きいチャンバーや複雑な構成のチャンバーでは、内部において、残留気体は排気ポートに到達するのに時間がかかる。また、ポンプを増設する際に、装置の構成等の理由から、これを設置するスペースの確保が難しい場合がある。
【０００７】
真空ポンプで真空排気する技術の他に、ゲッター効果を利用して真空度を高める方法が知られている。
【０００８】
ゲッター効果とは、熱などで活性化された金属分子、例えばＴｉ等が真空中の残留気体で大きな部分を占めるＨ₂Ｏ等をとりこみ、チャンバーの内壁などに固着することであり、例えば蒸発型ゲッター、バルクゲッターが知られている。
【０００９】
蒸発型ゲッターの場合について図１を用いて説明する。図１中、１０１は真空容器である。１０２は残留したＨ₂Ｏ分子であり、容器内は主にＨ₂Ｏ等により真空度が低いことを示している。
【００１０】
図１（Ｂ）の様に、蒸発源１０３であるＴｉを蒸発させると、蒸発したＴｉ分子がＨ₂Ｏと化学結合する。化学結合したＴｉとＨ₂Ｏはそのまま容器の内壁に固着する。再び、容器の内壁から脱離しなければ、容器内の真空度は高いまま保持される。
【００１１】
バルクゲッターの場合について図２を用いて説明する。図２中、２０１は真空容器である。２０２はＨ₂Ｏ分子である。Ｈ₂Ｏ分子２０２は、ゲッター材２０３であるＺｒ−Ａｌの表面に吸着し、内部に拡散する。再放出がなければ、真空度は高いまま保持される。なお、このＺｒ−Ａｌは非蒸発型としてＣＯ₂を良く捕獲することが知られており例示した。
【００１２】
蒸発型ゲッターを応用したものがチタンサブリメーションポンプである。チタンサブリメーションポンプを図３に示す。これは排気したいチャンバーを接続して利用するものである。
【００１３】
チタンサブリメーションポンプで真空引きする方法として以下に説明する。まずチタン源（ゲッター源）３０１を加熱してＴｉを蒸発させる。蒸発したＴｉは、真空度を下げているガス分子３０３とともにシュラウド３０２上に固着し、容器内の真空度は高くなり、接続されたチャンバーは排気される。ガス分子３０３が再びシュラウド３０２から脱離しないため、シュラウド３０２は中空とし、水や液体窒素で冷却する。３０４はバルブであり、３０５は粗引きポンプである。一般に、チタンサブリメーションポンプにおけるゲッター材の蒸発手段として、通電による通電加熱方法が採用されている（図３(Ａ)）。図３中のチタン源（ゲッター源）は一般にフィラメントである。
【００１４】
スパッタ装置では、スパッタでターゲットから放出したＴｉが残留気体を捕獲し、チャンバー内真空度を高めているが、これを多く繰り返すとターゲット消費量も大きくなる。
【００１５】
例えば、量産用として用いられているスパッタ装置において、３つのターゲットを装備した直径８０ｃｍ、深さ４０ｃｍ程度の１つのチャンバーを例にとると、チャンバー内真空度を２×１０^-4Ｐａから２×１０^-5Ｐａにするためには、２〜３日かかる。ところが真空度の低い段階からＴｉのスパッタを行うと約６時間ですみ、大幅に時間を短縮することができる。但しこのＴｉのスパッタの利用法は、Ｔｉのターゲットを消費し、その分基板に対して成膜できる分量が減ってしまうという欠点を有する。前述のスパッタ装置の例では、３つのターゲットのうち1つがＴｉであり、他のターゲットの交換、あるいはメンテナンスによるチャンバーの大気解放後における真空引きのためにこのターゲットを利用している。
【００１６】
このとき、真空度を高めるためにＴｉのスパッタに要した前記ターゲット使用電力量は、前記ターゲット使用電力量全体の１０％弱に達する。
【００１７】
また、上記例ではＴｉを挙げており、大気に対し有効であるが、例えばAl合金では効果が小さいことがわかっている。すなわち大気に対し有効なターゲットがついていないチャンバーでは、Ｔｉ等の成膜による目標の真空度までの到達時間の短縮を利用することができない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、あらゆる成膜チャンバーにおいて、高真空度に到達するまでの時間を改善するとともに、到達真空度を向上させる。すなわち、前記チャンバーに新たな真空度を高める手段を追加する方法を提供し、装置のスループットを向上させることを課題とする。
【００１９】
【課題を解決する手段】
従来技術でゲッター効果について説明したが、スパッタ装置など真空成膜チャンバー内に、例えばＴｉ製のフィラメントを設け、蒸発が出来る手段を備え、フィラメント材が蒸発後、真空成膜チャンバーの内壁などに固着する構造にすれば、チャンバー自体が真空度を高める機能をもつことになる。フィラメントの蒸発手段に関しては、本願発明ではその手段が簡便なことから、通電加熱して蒸発する方法を特徴とする。すなわち、真空成膜チャンバー内にフィラメントを設け、真空度を高めようとする際には、フィラメントを通電加熱してフィラメント材を蒸発することで、成すことができることを特徴とする。
【００２０】
フィラメントには前記ではＴｉを例にとったが、これは蒸発温度、応力の点より使いやすい材料である。ゲッター効果では捕獲、回収される速度は気体分子によって異なるが、Ｔｉの場合、初期吸着確率とよばれる吸着のしやすさを表す指数は〜0.8（Ｏ₂）、〜0.4（ＣＯ₂, ＣＯ）、〜0.8（Ｈ₂）であり、Ｎ₂以外の大気成分に対し有効である。但し、純Ｔｉフィラメントを用いると、溶断してしまい十分な蒸発を行えないことが考えられる。Ｔｉより融点の高い金属、例えばＭｏを１５％などとの合金が用いると扱いやすい。
【００２１】
また、排気したい気体によりフィラメント材を選ぶことが出来る。フィラメント材には、前記のＴｉの他にＴａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂａ等を用いることが出来る。それぞれの材料のゲッター効果については、以下に特徴付けられる。
【００２２】
Ｔｉは安価で効果が大きく、蒸発しやすいが、蒸着時にＣＨ₄,Ｈ₂を放出する。また、Ｔｉは300-600KでＨ₂をよく捕獲するが、それ以上の温度でＨ₂を放出する。また、Ｔａは良好なゲッター効果を示すが、蒸発温度が高い。また、Ｍｏのゲッター効果はＴｉのゲッター効果と似ているが、Ｍｏは蒸発温度が高い。また、Ｎｂは77Ｋに冷却すれば、Ｔｉより遙かにＨ₂を捕獲する。また、ＢａはＯ₂に対してゲッター効果がある。
【００２３】
ゲッター効果は気体分子と金属原子の化学的結合に起因する。前述のように、残留気体を捕獲回収する速度は各種分子によって違うが、他にも気体分子の速度、吸着に対し活性な面の面積及びそこでの吸着確率に依存する。吸着される面積すなわち容器内壁が大きいほど良く残留気体を捕獲回収できることになるが、その分、内壁からのガス分子放出も大きくなるため、むしろ金属原子の蒸発量との釣り合いで残留気体を捕獲回収できる速度が決まると言える。
【００２４】
すなわち、フィラメントを加熱蒸発する電流電圧に関しては、チャンバーの形状、フィラメント材に依存するため、最適な条件を選ぶべきである。
【００２５】
また、従来技術に記したように、広面積を成膜する大きいチャンバーや複雑な構成のチャンバーでは、内部において、残留気体は排気ポートに到達するのに時間がかかるため、チャンバー内で残留気体を捕獲回収できる利点は大きい。さらに大きなチャンバーでは設置する場所を確保し易いため、複数のフィラメントを設ける使用方法が効果的である。
【００２６】
また、使用方法については、真空チャンバー内に上記金属の蒸発源すなわちフィラメントを設け、チャンバー真空引きの際には、他接続の真空ポンプによる排気で真空度がある程度高まった段階で、さらに高めようとする際に、フィラメントを蒸発させる。なぜなら、真空度の低い段階でＴｉを蒸発させた場合、チャンバーの内壁からのガス分子の脱離がすぐに起こり、真空度は回復しにくいからである。また、フィラメントが酸化されるのを防ぐためでもある。
【００２７】
また、装置への適用はスパッタ装置以外にも、ＣＶＤ装置の応用が可能である。ＣＶＤチャンバーにはスパッタに比べ高い真空度を必要としないことが多い。しかし、プラズマＣＶＤ装置には、パーティクルの発生等の理由でメンテナンスが頻繁になるものがある。チャンバーが大型化し、あるいは真空度の高い成膜が要求される場合、目的の高真空まで達する時間を短縮させることはスループットの向上につながる。また、一つのチャンバーで、成膜時に流すガス種が異なる膜を成膜する必要があるとき、残留ガスを捕獲回収する場合に有効である。
【００２８】
あるいは、蒸着装置への適用が可能である。蒸着装置では例えば薄膜トランジスタ行程では、配線としてのメタル成膜や、ガリウム砒素成膜などに用いられている。しかし、大面積対応性、ステップカバレッジ特性に劣るなどの理由から、スパッタ成膜あるいはＣＶＤ成膜に比べ量産に適しない。研究、試験目的で使用されることが多い。
【００２９】
蒸着成膜の利点として、膜の純度がスパッタ成膜、ＣＶＤ成膜に比べて高いことが挙げられる。これは成膜が高真空雰囲気で行われるからである。すなわち、チャンバーを高真空に保つことが蒸着装置の特性を生かすことになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に示す実施例で本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
【実施例】
［実施例１］
本願発明をスパッタチャンバーに用いる例を、図４、図５及び図６を用いて説明する。図４は、３つのターゲットを装備したスパッタチャンバーを上から見た図である。
【００３２】
４０１はチャンバーの内壁すなわち防着板である。４０２はターゲットシャッターであり、図４では、ターゲットが３カ所に設置されている。４０３はシャッターが動く範囲を示している。お互いのターゲット間には空間があり、通電加熱できるフィラメントは、４０３のように、シャッターなど可動機構に干渉しない位置に配置する。
【００３３】
ただし、成膜に対し、機能を損なわないためには、設置位置に工夫が必要である。図５はスパッタチャンバーの断面図である。すなわち、フィラメントを設ける場所としては、フィラメントが蒸発した際に、これがターゲットシャッターを回り込んでターゲット上につかない場所、例えば５１１の場所が望ましい。
【００３４】
ターゲットにフィラメントから飛散しＴｉが付着しなければ、このＴｉは再度スパッタされ基板に付着することは殆どない。なぜなら、通常のスパッタでは、ターゲットに対しスパッタされるような電位がかかるからである。
【００３５】
上記とは逆に、スパッタ成膜時に、このフィラメントにターゲット材が付着すれば、フィラメント材が覆われて蒸発されない場合がある。この付着したターゲット材の薄く付着し、なおかつ融点が低い場合には、フィラメント加熱の初期で蒸発できるが、厚く付着する、もしくは融点が高いターゲット材であれば、十分にフィラメントが蒸発しないことが予想される。この場合には、図６の様なフィラメントのシャッターを設置することが有効である。
【００３６】
図６（Ａ）の６０１はシャッターであり、６０２はフィラメントである。シャッター６０１は、６０３を支点として回転する。図６（Ｂ）はフィラメントを加熱する時のシャッターの状態であり、（Ｃ）はチャンバー内でスパッタをしているときのシャッターの状態である。
【００３７】
このフィラメントを蒸発させ、真空度を高める方法を以下の通り示す。
【００３８】
チャンバーをメンテナンスなどの必要から大気解放した後、装置に付属のポンプ（ロータリーポンプ、クライオポンプなど）で、４×１０^-4Pa程度まで真空に排気する。これ以上の圧力でＴｉを蒸発させた場合、チャンバーの内壁からのガス脱離がすぐに起こり、真空度の回復はしにくいからである。４×１０^-4Pa程度に達した段階で通電によりフィラメントを蒸発させる。これを適当な時間行うと、真空の回復が早まる。
【００３９】
上記の適当な時間については、本願発明を適用するチャンバーに最適な条件で行うことが望ましい。例えばフィラメントの通電加熱と、加熱を止める操作を１分ごとに繰り返す等である。加熱を止める理由は、その蒸発源付近のみ上記効果によって分子が捕獲されるため、加熱を止めてチャンバー内の残留気体分子が拡散により均一になるのを待って再開するほうが、フィラメント消費に対し効果的だからである。チタンサブリメーションポンプもこのような使い方をしているものがある。なお、フィラメントを加熱している間、チャンバーに接続してある他の手段の真空ポンプは止める必要がない。
【００４０】
また、1つのチャンバーで、複数の種類の膜を成膜する場合、次のプロセスのために流したガスをすばやく除去したい場合がある。例えば成膜時Ｈ₂Ｏを流す成膜と、Ｈ₂Ｏを流さない成膜を交互に行う場合である。Ｈ₂Ｏを流すと結晶化を阻害し、エッチング性が向上するなどの理由で、流す成膜が実施されている。ところが、Ｈ₂Ｏはターボ分子ポンプを使用して引く場合、真空度の回復に時間がかかる。
【００４１】
このときも上記同様フィラメントの蒸発を利用すれば、タクトの短縮に寄与する。また、その際一つの種類の材料のみでは捕獲回収できない、あるいは異なるガスを捕獲回収したい場合は、異なるフィラメント材をチャンバー内に設置し、同時あるいは選択して蒸発する利用法が望ましい。
【００４２】
上記のフィラメントの蒸発を長期間使用した場合には、チャンバーの内壁に膜が厚く付着し、この膜からＯ₂などの気体が再びチャンバー内に出てくる。そのため、チャンバー内の真空度が低くなる。しかし、通常、スパッタチャンバーの内壁は、膜付きを防ぐための防着板がついており、パーティクルが増えるなどメンテナンスが必要な場合、防着板の交換を行うため、成膜の機能を損なうことはない。
【００４３】
またＴｉ以外にも使用ガス及びチャンバー内に残ると予想されるガスに応じた、前項で記述した適当な材料をフィラメントとして使用することが望ましい。
【００４４】
［実施例２］
本実施例では、本願発明をプラズマＣＶＤ装置へ応用する例を以下に示す。
【００４５】
図７はプラズマＣＶＤチャンバーの模式図である。スパッタチャンバーと比較したとき、基板トレイや電極はむき出しになっている。膜付きによるパーティクル発生等で成膜性能を損なわないためには、フィラメントを設置する場所を、前記基板トレイや電極より離れた位置にする。例えば、図７の斜線部のように、電極から離れなおかつ内壁に近い位置に設置することが望ましい。
【００４６】
このフィラメントを蒸発させ、真空度を回復する方法としては、実施例１同様、２つ考えられる。
【００４７】
まず一つにチャンバーのメンテナンス等の機会で、大気解放をした場合、装置に付属のポンプ（ロータリーポンプ、クライオポンプなど）で、４×１０^-4Pa程度まで真空に引き、通電によりフィラメントを蒸発させる。
【００４８】
もう一つは、一つのチャンバーで、成膜時に流すガス種が異なる膜を成膜する必要があるとき、残留ガスを捕獲回収する場合である。つまりＣＶＤ装置で基板を成膜、捕獲回収したのち上記のフィラメントを通電加熱等で蒸発させ、チャンバー内の残留ガスを捕獲回収し真空度を回復する利用法である。
【００４９】
この場合も、フィラメント材としてはＴｉに限らず、頻繁に使用するガスに対して有効な材料を利用する。
【００５０】
［実施例３］
本実施例では、本願発明を蒸着装置へ応用する例を以下に示す。
【００５１】
蒸着成膜の利点に、膜質の純度がスパッタ成膜、ＣＶＤ成膜に比べて高いことがあげられる。これは成膜が高真空雰囲気で行われるからである。すなわちチャンバーを高真空に保つことこそ、蒸着装置の成膜長所を生かすことにつながる。
【００５２】
蒸着装置の構造の概略を図８に示す。装置はチャンバー８０１と、その内部に配置された蒸発源８０２、膜厚モニタ８０３、成膜する基板がセットされたホルダー８０４からなる。
【００５３】
チャンバー内の底部８０５に図６のような一式を設置することで、実施例1あるいは実施例２同様、目的の真空度に到達する時間を短縮することができる。
【００５４】
蒸着は、薄膜でも非常に薄いもの、あるいは膜質の純度の高いものを成膜する事が多く、成膜する基板や蒸発源に対し、より高度な表面清浄が求められる。特にこのような用途の蒸着装置は、基板や蒸発源を真空引きの際にシャッターなどで覆うことができ、これらにフィラメントのからの蒸発物が付着することを防げるものに応用することが望ましい。
【００５５】
このフィラメントを蒸発させ、真空度を高める方法としては、実施例１同様であるが、ガスを利用しない特徴がある。すなわちメンテナンス等でチャンバーを大気解放した後に、チャンバーに接続した真空ポンプで、４×１０^-4Ｐａ程度まで真空に引き、通電によりフィラメントを蒸発させることである。
【００５６】
【発明の効果】
本願発明をスパッタ成膜装置に適用すれば、Ｔｉターゲットを消費することなく、目的の真空度より低い真空度から、目的の真空度まで到達する時間が短縮される。また、到達真空度を向上させることができる。
【００５７】
また、Ｔｉを成膜しないチャンバーについても本願発明を用いることによって真空度を短時間で高められる。
【００５８】
本願発明において最も単純な構成の場合、チャンバー内にフィラメントを引き渡し、電源に接続することで実施できる。新たにチャンバーポートからポンプを増設し、従来あるポンプを接続することで、本願発明と同様の到達真空度を得ることに比べ、安価である。
【図面の簡単な説明】
【図１】蒸発型ゲッターの仕組みを示す図。
【図２】バルク型ゲッターの仕組みを示す図。
【図３】チタンサブリメーションポンプの断面図。
【図４】スパッタチャンバーを上から見た図。
【図５】スパッタチャンバーの断面図。
【図６】フィラメントのシャッターの図。
【図７】プラズマＣＶＤの図。
【図８】蒸着装置の図。

Claims

内部を減圧状態にすることが可能な反応室と、
前記反応室の外部に設けられ、前記反応室に接続された排気手段と、
前記反応室の内部に設けられたゲッター手段とを有し、
前記ゲッター手段は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂａから選ばれた一種または複数種の元素から成るフィラメントと、前記フィラメントの加熱手段と、を有し、
前記フィラメントを覆うシャッターを設置し、前記シャッターの開閉が可能であることを特徴とする薄膜作製装置。
請求項１において、前記反応室がスパッタ成膜をする手段を備え、前記フィラメントの蒸発に際し、前記フィラメントが、前記反応室内においてターゲットまたはホルダーから防着板で遮蔽される位置に設けられることを特徴とする薄膜作製装置。
請求項１において、前記反応室がスパッタ成膜をする手段を備え、前記フィラメントの蒸発に際し、前記フィラメントからの蒸発物が前記反応室内においてターゲットに付着することを防げる位置に、前記フィラメントが設けられることを特徴とする薄膜作製装置。
請求項１において、前記反応室がＣＶＤ成膜をする手段を備え、前記フィラメントが、その蒸発に際し、前記反応室内においてホルダーまたは電極板から防着板で遮蔽される位置に設けられることを特徴とする薄膜作製装置。
請求項１において、前記反応室が真空蒸着成膜をする手段を備え、前記フィラメントが、その蒸発に際し、前記反応室内においてホルダー、蒸着源または膜厚モニタから防着板で遮蔽される位置に設けられることを特徴とする薄膜作製装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項のゲッター手段において、それぞれ異なる組成から成る、複数のフィラメントが設置されていることを特徴とする薄膜作製装置。
薄膜作製装置の反応室の外部に設けられ、前記反応室に接続された排気手段で真空引きしながら、
前記反応室内に備えた、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂａから選ばれた一種または複数種の元素から成るフィラメントを通電加熱し、前記フィラメントを覆うシャッターを開けた状態で、前記フィラメントの蒸発を一度もしくは繰り返し行い、
前記フィラメントを覆うシャッターを閉じた状態で、薄膜の成膜を行うことを特徴とする薄膜作製方法。