JP6007070B2 - スパッタリング方法及びスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング方法及びスパッタリング装置に関し、特に、絶縁物で構成されるターゲットを用い、ターゲットにアースとの間で交流電力（例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚ）を投入してこのターゲットをスパッタリングし、処理すべき基板のターゲットとの対向面に酸化物や窒化物等の絶縁膜を成膜するものに関する。

従来、例えばアルミナや酸化シリコン等の酸化物、または窒化シリコン等の窒化物で構成される絶縁物をターゲットとし、これをスパッタリングして処理すべき基板のターゲットとの対向面に酸化物や窒化物等の絶縁膜を成膜する場合、ターゲットに、アースとの間で高周波（交流）電力を投入する高周波電源を備える高周波スパッタリング装置を用いることが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。この高周波スパッタリング装置で成膜する場合、基板を冷却したり、加熱したりすることがあり、このような場合には、成膜が実施される真空処理室内に、加熱手段や冷却手段が組み込まれた基板ステージを配置し、この基板ステージのターゲットとの対向面に所謂静電チャックを設けて基板を保持させることが一般的である（例えば、特許文献２参照）。

ところで、半導体デバイスの製造工程においては、処理すべき基板たるシリコンウエハ表面に形成した酸化膜を局所的に除去し、または、表面に蒸着した金属膜を局所的に加工して電極や配線構造を得るためにエッチングが行われる。このようなエッチングの一つに、除去しようとする材料を化学物質で溶解させる所謂ウエットエッチングがある。例えば、二酸化ケイ素はフッ化水素酸に溶解するが、シリコンは殆ど溶解しないことを利用して、酸化膜の除去に酸化剤とフッ化水素酸とで構成されるエッチング液（薬液）が用いられる。

ウエットエッチングに先立っては、エッチング範囲を制限するためにマスクが設けられ、このようなマスク材として、アルミナ膜や窒化シリコン膜が広く利用されている。そして、アルミナ膜や窒化シリコン膜の成膜にも上記高周波スパッタリング装置が用いられる。ここで、上記用途のアルミナ膜や窒化シリコン膜には、ウエットエッチング時に用いられる薬液で削られ難いという性能が求められる。言い換えると、アルミナ膜や窒化シリコン膜が高い耐薬液性を有していれば、その膜厚を薄くすることができて生産性を向上できる等の利点がある。然し、このような窒化膜や酸化膜を上記高周波スパッタリング装置により成膜すると、成膜された膜が十分に緻密なものではなく、例えば、上記用途では、充分な耐薬液性を有するものとは言えないことが判明した。

そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、高周波スパッタリング装置において基板を保持するステージがアース接地されていると、スパッタリング中、基板にバイアス電位がかかることで、本来ターゲットに衝突させるべきプラズマ中の正イオンが基板側に引き込まれ、この正イオンにより成膜された膜が所謂逆スパッタリングされるだけでなく、この正イオンが膜中に取り込まれることで、成膜された膜が十分に緻密なものとならないのとの知見を得た。

特開２００２−４０４２号公報 特開２０１０−２１５１０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、絶縁物のターゲットに交流電力（高周波電力）を印加して成膜する場合に、簡単な手法で成膜された膜を緻密なものすることができるスパッタリング方法と、このスパッタリング方法を実施することができる簡単な構成のスパッタリング装置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、真空処理室内に設けたステージに基板を設置し、真空引きされたこの真空処理室内にスパッタガスを導入し、この真空処理室内に設けたターゲットに交流電力を投入してターゲットをスパッタリングして基板表面に窒化物膜、酸化物膜または炭化物膜を成膜する本発明のスパッタリング方法は、ステージを金属製の基台の表面にチャックプレートを設けたものとし、基台をアース電位とした状態でチャックプレートに基板を静電吸着する工程と、スパッタリングによる成膜に先立って基台の電位をフローティングとする工程と、成膜終了後に、前記基台の電位をアース電位とする工程とを含むことを特徴とする。

上記によれば、スパッタリング中、ステージの電位をフローティングとしたため、簡単な手法でプラズマ中の正イオンが基板に引き込まれて膜中に取り込まれる量を大幅に低減することができ、成膜された膜を十分に緻密なものとすることができる。この場合、通常はアース接地されている、真空処理室を画成する真空チャンバに絶縁体を介在させてステージを設置すれば、スパッタリング中にステージの電位をフローティングとすることができる。

本発明においては、前記スパッタリングの前後はステージの電位をアース電位とすることが好ましい。これによれば、スパッタリング時に基板を静電吸着し、真空処理室内で保持するような場合に、チャック用の電極への電圧印加を停止したとき、ステージの電位がアース電位であることで、基板表面に帯電する電荷がアースへと流れ、基板が静電チャック表面に貼り付いたままとなるような不具合が発生することがなく、基板をステージから容易に脱離することができてよい。

また、本発明においては、例えば、ターゲットとしてアルミナ、シリコン炭化物またはシリコン窒化物を用いれば、基板に成膜した膜中に取り込まれるアルゴンイオン等の正イオンを限りなく抑制することができることが確認された。

ところで、スパッタリング中、効率よく基板を冷却または加熱するとき、ステージに所謂静電チャックを設けて基板を保持させることが望ましいが、当該ステージが絶縁体を介して真空チャンバに設置されていると、チャック用の電極への電圧印加を停止しても、残留電荷の影響を受けて基板が静電チャック表面に貼り付いたままとなり、これでは基板をステージから脱離することができない。このような場合、基板に進退自在なアース接地のピンをステージに組み込み、ステージからの脱離に先立って基板を除電することも考えられるが、これではステージの構造が複雑になる。

そこで、本発明のスパッタリング装置は、ターゲットが着脱自在に取り付けられる真空処理室と、この真空処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、ターゲットに交流電力を投入するスパッタ電源と、真空処理室内で基板を保持するステージとを備え、ステージは金属製の基台の表面にチャックプレートを設けたものであり、基台が絶縁材を介して真空処理室内に設置され、この基台をフローティングとアース電位との間で切り換える電位切換手段を更に備えることを特徴とする。さらに、スパッタリングの前後は金属製の基台の電位をアース電位とすることで、スパッタリング時に基板を静電吸着し、真空処理室内で保持するような場合に、チャック用の電極への電圧印加を停止したとき、ステージの電位がアース電位であることで、基板表面に帯電する電荷がアースへと流れ、基板が静電チャック表面に貼り付いたままとなるような不具合が発生することがなく、基板をステージから容易に脱離することができてよい。

上記によれば、アースからの配線のみをステージに接続しておけば、真空処理室外で配線に介設した電位切換手段を切り換えてステージをアース接地でき、その結果、簡単な構成で、成膜済みの基板をステージからの脱離に先立って、基板やステージを除電することができ、有利である。

本発明においては、真空処理室内でステージの周囲を囲う環状のアース電極を更に備える構成を採用すれば、ステージの周囲にアースがあることで、ターゲットに交流電力を投入して真空処理室内に形成されるプラズマ放電を安定させることができてよい。

本発明のスパッタリング装置の模式図。 本発明の効果を示す実験結果のグラフ。

以下、図面を参照して、ターゲットを絶縁物とし、サファイア基板等の基板Ｗ表面に絶縁膜を成膜する場合を例として本発明の実施形態のスパッタリング方法及びスパッタリング装置を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング方法による成膜が可能な高周波スパッタリング装置である。この高周波スパッタリング装置ＳＭは、真空処理室１ａを画成する真空チャンバ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が着脱自在に取付けられている。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、アルミナ、窒化シリコンまたは炭化シリコンなどの絶縁物で構成され、基板Ｗの輪郭に応じて、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。ターゲット２は、バッキングプレート２１に装着した状態で、そのスパッタ面２２を下方にして、真空チャンバ１の上壁に設けた第１絶縁体４１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、公知の構造を有する高周波電源Ｅに接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波（交流）電力が投入されるようにしている。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２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化す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。

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ５が配置されている。ステージ５は、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台５１と、この基台５１の上面に接着されるチャックプレート５２とで構成されている。チャックプレート５２は、基台５１の上面より一回り小さい外径を有し、静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂが埋設され、図示省略のチャック電源から電圧が印加されるようになっている。この場合、チャックプレート５２は、リング状の第１防着板５３により基台５１の上面に着脱自在に取り付けられている。この場合、第１防着板５３は、スパッタリング中に基板に発生するバイアス電位を低減するために、第２絶縁体４２を介して基台５１の上面に取り付けられている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

基台５１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された第３絶縁体４３で保持され、アース接地の真空チャンバ１とは縁切りされ、電気的にフローティングにされている。第１〜第３の各絶縁体４１，４２，４３の材質としては特に制限はなく、ガラス入りのフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）や、ガラス入りのエポキシ樹脂などを用いることができる。また、ステージ５には、この基台５１をフローティングとアース電位との間で切り換える電位切換手段５４が接続されている。電位切換手段５４は、基台５１に接続される配線５４ａを備え、この配線５４ａには、真空処理室１ａ外に位置させて、抵抗５４ｂとスイッチング素子５４ｃとが介在され、アース接地されている。この場合、抵抗５４ｂは、チャック電源からの電圧印加を停止すると共にアースに短絡して基板Ｗの吸着を解除するとき、これに同期してスイッチング素子５４ｃを切り換えてステージ５をアース接地する際に過電流が流れることを防止するもの（例えば、１ＭΩ）である。

スイッチング素子５４ｃとしては公知のものが利用できるが、スイッチング素子５４ｃの静電容量が大きいと、スパッタリング中に高周波電流が流れる虞があるため、静電容量が小さくて耐電圧の高いものが好ましい（例えば、静電容量：０．９ｐＦ）。また、基台５１には、冷媒循環用の通路５５ａやヒータ５５ｂが内蔵され、スパッタリング中、基板Ｗを所定温度に制御することができるようにしている。

更に、真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス導入手段としてのガス管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。スパッタガスには、真空処理室１ａにプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが含まれる。真空チャンバ１の側面にはまた、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどで構成される真空ポンプＰに通じる排気管７が接続され、真空処理室１ａを一定速度で真空引きし、所定圧力に保持できるようにしている。

真空チャンバ１内でステージ５の周囲には、アース電極としての環状の第２防着板８が設けられている。第２防着板８は、その内周縁部から径方向外側に下方に傾斜するように形成されたものである。なお、特に図示して説明しないが、第２防着板８に、上下方向に貫通する複数個の貫通孔を開設するようにしてもよい。そして、第２防着板８は、アース接地の真空チャンバ１の底面に設置され、スパッタリング時にアースとしての役割を果たすようにしている。真空チャンバ１内にはまた、この真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止するために、ターゲット２と基板Ｗとの間の空間を囲う第３防着板９が配置されている。

第３防着板９は、夫々がアルミナ、ステンレス等の公知の材料製である、真空チャンバ１の上壁に吊設した上防着板９１と、真空チャンバ１の底面に立設した下防着板９２と、上防着板９１及び下防着板９２の間で両防着板９１，９２より真空チャンバ１の内側に設けられて上防着板９１及び下防着板９２と上下方向でオーバーラップする可動防着板９３とで構成されている。可動防着板９３の外側面には、周方向に９０°間隔で真空チャンバ１の底面を貫通して設けたシリンダＣｙの駆動軸Ｃｒが夫々連結され、各駆動軸Ｃｒにより支持されている。そして、シリンダＣｙにより、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する下動位置（図１に示す位置）と、上防着板９１側に移動することで可動防着板９３と下防着板９２との間に隙間を形成し、図外のゲートバルブで開閉される搬送用の透孔Ｔｏを通してステージ５への基板Ｗの搬出・搬入を行い得る上動位置との間で可動防着板９３が移動自在となる。以下に、上記高周波スパッタリング装置ＳＭによるスパッタリング方法を説明する。

図外の真空搬送ロボットにより、可動防着板９３の上動位置にて、真空雰囲気下の真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通して、ステージ５上へと基板Ｗを搬出し、ステージ５のチャックプレート５２上面に基板Ｗを載置する。真空搬送ロボットが退避すると、可動防着板９３を下動位置に移動し、真空チャンバ１内壁面へのスパッタ粒子の付着しないようにされる。電位切換手段５４のスイッチング素子５４ｃはオフであり、ステージ５はフローティングとされている。そして、静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂに対してチャック電源から所定電圧を印加すると、基板Ｗが静電吸着される。

次に、真空処理室１ａ内が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入手段を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスが一定の流量（例えば、アルゴン分圧が２Ｐａになる流量）、で導入し、これに併せて窒化シリコン製のターゲット２に高周波電源Ｅから所定の高周波電力（例えば、１〜５ｋＷ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンでターゲット２がスパッタリングされ、ターゲット２からのスパッタ粒子が基板Ｗに付着、堆積して窒化シリコン膜が成膜される。この場合、プラズマを介して高周波電流がアースへと流れるが、本実施形態では、ステージ５と、基板周囲の第１防着板５３とが電気的にフローティングになっているため、基板Ｗに流れる高周波電流が制限され、基板Ｗにバイアス電位がかかることが抑制された状態で成膜される。

スパッタリングによる成膜終了後、ターゲット２への高周波電力の投入とガス導入とが停止され、チャック電源からの電圧印加を停止すると共にアースに短絡して基板Ｗの吸着を解除すると共に、スイッチング素子５４ｃをオンに切り換えてステージ５をアース接地する。そして、図外の真空搬送ロボットにより、真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通して、ステージ５上にある成膜済みの基板Ｗが搬出される。

以上の実施形態によれば、スパッタリング中、ステージ５の電位をフローティングとしたため、簡単な手法でプラズマ中のアルゴンイオンが基板Ｗに引き込まれて膜中に取り込まれる量を大幅に低減することができ、成膜された膜を十分に緻密なものとすることができる。また、アースからの配線５４ａのみをステージ５に接続しておけば、真空処理室１ａ外で配線５４ａに介設したスイッチング素子５４ｃを切り換えてステージ５をアース接地でき、その結果、簡単な構成で、成膜済みの基板Ｗをステージ５からの脱離に先立って、ステージ５を除電することができ、有利である。しかも、ステージ５の周囲を囲う環状のアース電極としての第２防着板８を更に備えたため、ターゲット２に高周波電力を投入して真空処理室１ａ内に形成されるプラズマ放電を安定させることができる。

次に、以上の効果を確認するために、図１に示す高周波スパッタリング装置ＳＭを用いて以下の実験を行った。本実験では、基板Ｗをシリコンウエハとした。そして、ターゲット２としてアルミナを用い、シリコンウエハ表面にアルミナ膜を成膜した。スパッタ条件として、ターゲット２と基板Ｗとの間の距離を６０ｍｍ、高周波電源Ｅにより投入電力を１ｋＷ、スパッタ時間を７０ｓｅｃに設定した。そして、本実験では、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を約２Ｐａとした。なお、比較実験として、上記高周波スパッタリング装置において、スイッチング素子５４ｃをオンに切り換えてステージ５をアース接地した状態で成膜した（投入電力は、１，１．５，２ｋＷに夫々設定した）。

図２は、投入電力に対する基板表面に形成されたアルミナ膜に対し薬液（０．２％フッ酸）を用いてウエットエッチングしたときのエッチングレートを測定したグラフである。これによれば、比較実験では、エッチングレートが２８０Å／ｍｉｎであったのに対して、本実験では、２００Å／ｍｉｎに低下していることが判る。また、成膜したアルミナ膜をＸＰＳで解析したところ、比較実験とは異なり、本実験のアルミナ膜では、膜中にアルゴンイオンが取り込まれていないことが確認された。このことは、特に実験結果を示すものではないが、窒化シリコンや炭化シリコンにおいても同様であることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、アース接地の真空チャンバに絶縁体を介在させてステージを設けるものを例に説明したが、ステージが電気的にフローティングにできるのであれば、その方法は問わない。また、電気切換手段５４の構成も上記に限定されるものではない。また、上記実施形態では、アルミナ、窒化シリコンや炭化シリコンについて言及しているが、これらに限定されるものではなく、高周波電源を投入して絶縁物ターゲットをスパッタリングするものであれば、本発明は広く適用し得る。

ＳＭ…高周波スパッタリング装置、１…真空チャンバ、１ａ…真空処理室、２…ターゲット、５…ステージ、５４…電位切換手段、６…ガス管（ガス導入手段）、８…第２防着板（アース電極）、Ｃ…カソードユニット、Ｅ…高周波電源、Ｗ…基板。

Claims (4)

1. 真空処理室内に設けたステージに基板を設置し、真空引きされたこの真空処理室内にスパッタガスを導入し、この真空処理室内に設けたターゲットに交流電力を投入してターゲットをスパッタリングして基板表面に窒化物膜、酸化物膜または炭化物膜を成膜するスパッタリング方法において、
   前記ステージを金属製の基台の表面にチャックプレートを設けたものとし、基台をアース電位とした状態でチャックプレートに基板を静電吸着する工程と、
   スパッタリングによる成膜に先立って基台の電位をフローティングとする工程と、
   成膜終了後に、前記基台の電位をアース電位とする工程とを含むことを特徴とするスパッタリング方法。
2. 前記ターゲットとしてアルミナ、シリコン炭化物またはシリコン窒化物を用い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。
3. ターゲットが着脱自在に取り付けられる真空処理室と、この真空処理室内にスパッタガスを導入するガス導入手段と、ターゲットに交流電力を投入するスパッタ電源と、真空処理室内で基板を保持するステージとを備え、
   前記ステージは金属製の基台の表面にチャックプレートを設けたものであり、前記基台が絶縁材を介して真空処理室内に設置され、前記基台をフローティングとアース電位との間で切り換える電位切換手段を更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
4. 前記真空処理室内でステージの周囲を囲う環状のアース電極を更に備えることを特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。

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