特許 7141197 材料を堆積させる方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-13

(45)【発行日】2022-09-22

(54)【発明の名称】材料を堆積させる方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20220914BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20220914BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20220914BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 T

C23C14/06 A

H05H1/24

【請求項の数】 17

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2016070211

(22)【出願日】2016-03-31

(65)【公開番号】P2016194155

(43)【公開日】2016-11-17

【審査請求日】2019-02-18

【審判番号】

【審判請求日】2021-01-27

(31)【優先権主張番号】1505578.3

(32)【優先日】2015-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】512221197

【氏名又は名称】エスピーティーエス テクノロジーズ リミティド

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン アール バーゲス

(72)【発明者】

【氏名】ロンダ ハインドマン

(72)【発明者】

【氏名】アミット ラストギ

(72)【発明者】

【氏名】エドゥアルド パウロ リマ

(72)【発明者】

【氏名】クライブ エル ウィディックス

(72)【発明者】

【氏名】ポール リッチ

(72)【発明者】

【氏名】スコット ヘイモア

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル クック

【合議体】

【審判長】河本 充雄

【審判官】関根 崇

【審判官】後藤 政博

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－６９６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／１３６５０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１４９９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－１３８７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／００７８３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ ｏｎ Ｇｌａｓｓ，２０１４ ＩＥＥＥ ９ＴＨ ＮＡＮＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ，２０１４，ＰＰ．９２－９５

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

C23C14/34

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つ又はそれより多くの一次磁場を作り出すパルスＤＣマグネトロンデバイスによるパルスＤＣマグネトロンスパッタリングにより、チャンバー中の基板上に誘電性材料を堆積させる方法であって、
ターゲットからスパッタリング材料がスパッターされ、ターゲットと基板が２．５～１０ｃｍの間隔で離間しており、チャンバーの外周の周囲に配置されたコイルにＤＣ電流を印加する電磁石によって、チャンバーの壁と基板との間の領域において、チャンバー中で概して軸方向に広がる二次磁場がチャンバー内で作り出され、該二次磁場が、パルスＤＣマグネトロンデバイスにより作り出されたプラズマをチャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて広げる、方法。

【請求項2】

基板の幅が、１５０ｍｍ以上である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

ターゲットが幅を有し、基板が幅を有し、ターゲットの幅が基板の幅より大きい、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

電磁石の全てが、マグネトロンデバイスにより作り出されたプラズマをチャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて広げるように、電磁石が、単一の電磁石又は極性が揃った一連の電磁石である、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

二次磁場が、基板の外周部分において堆積した誘電性材料の厚みを増加させるように作り出される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

二次磁場が、イオンを基板の外周部分から離す、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

Ａｒ+イオンを基板の外周部分から離す、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

二次磁場が、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて電子を引きつけて、基板の外周部分からイオンを離すドリフト電場を作り出す、請求項６又は７に記載の方法。

【請求項9】

ＡｌＮが堆積する、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

負のバイアス電圧が、基板が配置された基板支持体に印加される、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

基板が、シリコン基板等の半導体基板である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

パルスＤＣマグネトロンスパッタリングにより、基板上に誘電性材料を堆積させるＰＶＤ装置であって、装置が、
チャンバーと、
スパッタリング材料をスパッターすることのできるターゲットを含む、１つ又はそれより多くの一次磁場を作り出すパルスＤＣマグネトロンデバイスと、
チャンバー中に配置された基板支持体と、
使用中に、ターゲットと基板を２．５～１０ｃｍの間隔で離間させるように構成され、チャンバーの外周の周囲に配置されたコイルと、コイルにＤＣ電流を印加する電気的供給部とを含みチャンバー内にチャンバーの壁と基板との間の領域において、チャンバー中で概して軸方向に広がる二次磁場を作り出す電磁石を含む二次磁場製造デバイスと、
誘電性材料が堆積する間に二次磁場がチャンバー内に作り出されるように、二次磁場製造デバイスを制御するように構成されたコントローラーとを含み、該二次磁場が、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて電子を誘導して、基板の外周部分からイオンを離すドリフト電場を作り出す、装置。

【請求項13】

基板支持体が、幅が１５０ｍｍ以上である基板を支持するように構成された、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

ターゲットが幅を有し、基板支持体が、幅を有する基板を支持するように構成されており、ターゲットの幅が基板の幅より大きい、請求項１２又は１３に記載の装置。

【請求項15】

電磁石の全てが、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて電子を誘導して、基板の外周部分からイオンを離すドリフト電場を作り出す磁場を作り出すように、電磁石が、単一の電磁石又は極性が揃った一連の電磁石である、請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

さらに基板を含む、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の装置。

【請求項17】

請求項１に記載の方法により、基板上に誘電性材料を堆積させることを含む、バルク弾性波デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マグネトロンスパッタリングにより、チャンバー中の基板上に材料を堆積させる方法、及び関連する装置に関する。

【発明の概要】

【0002】

マグネトロンスパッタリングは、ＰＶＤ（物理的蒸着）のよく知られた例である。マグネトロンスパッタリングは、種々の基板上に種々の膜を堆積させるために用いられる。例えば、パルスＤＣマグネトロンスパッタリングによりＡｌＮ膜を堆積させることが知られる。圧電特性を生じさせる規定された結晶配向を有するＡｌＮ膜を堆積させることができる。堆積した膜は、したがって、ある種の規定されたＲＦ周波数バンドにおいて、共鳴構造を形成することができる。この型の膜は、例えば、ＲＦ周波数に関するフィルターとして用いられるバルク弾性波（ＢＡＷ）デバイスの製造での応用性がある。典型的には、数ｍｍ²の表面積を有するＢＡＷデバイスは、円状のシリコン基板上に作製される。シリコン基板は、直径２００ｍｍであってよい。圧電性ＡｌＮ膜の共鳴周波数は、フィルム厚みとその弾性特性の１階関数である。したがって、基板に亘るＡｌＮ厚みの不均一性は、フィルターが正確なＲＦフィルター周波数バンドで働くために、極めて低いのがよい。典型的に、ＡｌＮ厚みの不均一性（ＮＵ％）は、１％未満であるのがよい。

【0003】

基板の放射方向で最も外側の部分の上に堆積した膜の厚みが著しく小さいことは、ＡｌＮのＰＶＤに関して知られる問題である。直径２００ｍｍのシリコンウェハーに関して、ウェハーの放射方向で最も外側の１５ｍｍは特に影響を受けやすく、ＡｌＮ膜の厚みが著しく減少する。この減少は、追加のプロセス工程を実施して、フィルム厚みにおけるこの固有の変動を調節しない限り、ウェハーのこの部分からＢＡＷフィルターを作製することができないようなものである。図１は、第一の１及び第二の２ウェハー上への堆積に関し、他に対して９０°におけるシリコンウェハーの半径（ｍｍ）の１つの関数としてのＡｌＮ膜の厚み（オングストローム）の２つのライン走査を示す。膜厚みの減少は、ウェハーの外側の２０ｍｍにおいて目立つようになり、ウェハーの最も外側の１５ｍｍにおいて特に顕著である。ウェハーの最も外側の１５ｍｍは、全表面積が３１４ｃｍ²である直径２００ｍｍのウェハーに関して８７ｃｍ²の面積を表す。これは、処理に関して利用できるシリコンの２８％の損失を表す。

【0004】

マグネトロンスパッタリングにより均一に堆積した膜厚みを達成することが、概して望ましいことが理解される。なぜなら、製造プロセスが均一な結果を与えることは概して望ましいからである。したがって、本発明はＡｌＮ膜の堆積に制限されない。

【0005】

本発明は、その実施態様の少なくとも幾つかにおいて、上記の課題に対処する。

【0006】

本発明の第一の側面によれば、１つ又はそれより多くの一次磁場を作り出すパルスＤＣマグネトロンデバイスによるパルスＤＣマグネトロンスパッタリングにより、チャンバー中の基板上に誘電性材料を堆積させる方法であって、ターゲットからスパッタリング材料がスパッターされ、ターゲットと基板が２．５～１０ｃｍの間隔で離間しており、二次磁場がチャンバー内で作り出され、該二次磁場が、パルスＤＣマグネトロンデバイスにより作り出されたプラズマを、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて広げる、方法が提供される。

【0007】

基板の幅は、１５０ｍｍ以上であってよい。

【0008】

ターゲットは幅を有してよく、基板は幅を有してよい。ターゲットの幅は、基板の幅より大きくてよい。これらの例において、プラズマの幅は基板の幅より大きく、プラズマをさらに広げることが利点である場合があることは直観に反する。典型的には、ターゲット及び基板の幅は、各半径である。原理上は、ターゲット及び基板は異なる形状であってよく、その幅は、１つ又はそれより多くの異なる線状の寸法（ｌｉｎｅａｒ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ）に対応してよい。

【0009】

二次磁場は、電磁石を用いて作り出してよい。二次磁場は、コイルにＤＣ電流を印加することにより作り出してよい。コイルは、チャンバーの外周の周囲に配置されてよい。典型的には、マグネトロンデバイスはチャンバーの上部の領域に位置し、コイルはチャンバーの上部の領域の下にあるチャンバーの本体部分の周囲に配置される。コイルは、原理的にはチャンバー内に配置されてよい。しかし、これは実用性に乏しい配置であると考えられる。

【0010】

電磁石の全てが、マグネトロンデバイスにより作り出されたプラズマをチャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて広げるように、電磁石は、単一の電磁石又は極性が揃った一連の電磁石であってよい。

【0011】

または、二次磁場は、永久磁石を用いて作り出してよい。しかし、電磁石を用いることは、二次磁場を微調整して最適性能を生み出すことがより容易であるため、有利であることができる。

【0012】

概して、二次磁場は、基板の外周部分において堆積した材料の厚みを増加させるように作り出される。

【0013】

二次磁場は、イオンを基板の外周部分から離すことができる。二次磁場は、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて電子を引き付けて、基板の外周部分からイオンを離すドリフト電場を作り出してよい。

【0014】

二次磁場は、チャンバーの壁と基板との間の領域において、チャンバー中で該して軸方向に広がってよい。

【0015】

材料を、パルスＤＣマグネトロンスパッタリングにより堆積させてよい。本発明は、パルスＤＣマグネトロンスパッタリング又は高密度のイオンを作り出す任意の他のマグネトロンスパッタリング技術と併用して用いる際に特に有効であると考えられる。

【0016】

材料は、反応性スパッタリングにより堆積させてよい。

【0017】

堆積した誘電性材料は、ＡｌＮであってよい。堆積した誘電性材料は、酸化ケイ素であってよい。

【0018】

負のバイアス電位は、基板が配置された基板支持体に印加されてよい。

【0019】

プラズマは、アルゴンを含むガス混合物中で作り出されてよい。他の不活性ガスが企図されてよい。

【0020】

Ａｒ⁺イオンが基板の外周部分から離されてよい。

【0021】

基板は、半導体ウェハー等の半導体基板であってよい。基板は、シリコン基板であってよい。基板は、２００ｍｍ又は３００ｍｍの半径を有するウェハーであってよい。

【0022】

本発明の第二の側面によれば、パルスＤＣマグネトロンスパッタリングにより、基板上に誘電性材料を堆積させるＰＶＤ装置であって、装置が、
チャンバーと、
スパッタリング材料をスパッターすることのできるターゲットを含む、１つ又はそれより多くの一次磁場を作り出すパルスＤＣマグネトロンデバイスと、
チャンバー中に配置された基板支持体と、
使用中に、ターゲットと基板を２．５～１０ｃｍの間隔で離間させるように構成された二次磁場製造デバイスと、
誘電性材料が堆積する間に二次磁場がチャンバー内に作り出されるように、二次磁場製造デバイスを制御するように構成されたコントローラーとを含み、該二次磁場が、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて電子を誘導して、基板の外周部分からイオンを離すドリフト電場を作り出す、装置を提供する。

【0023】

基板支持体は、幅が１５０ｍｍ以上である基板を支持するように構成されてよい。

【0024】

ターゲットは、幅を有してよい。基板支持体は、幅を有する基板を支持するように構成されてよい。ターゲットの幅は、基板の幅より大きくてよい。

【0025】

二次磁場製造デバイスは、電磁石であってよい。電磁石の全てが、チャンバーの１つ又はそれより多くの壁に向けて電子を誘導する磁場を作り出して、基板の外周部分からイオンを離すドリフト電場を作り出すように、電磁石は、単一の電磁石又は極性が揃った一連の電磁石であってよい。

【0026】

二次磁場製造デバイスは、チャンバーの外周の周囲に配置されたコイルと、コイルにＤＣ電流を供給する電気的供給部とを含んでよい。

【0027】

パルスＤＣマグネトロンデバイスは、平衡マグネトロン又は非平衡マグネトロンであってよい。

【0028】

装置は、さらに基板を含んでよい。

【0029】

本発明の第三の側面によれば、本発明の第一の側面に従う方法により、基板上に誘電性材料を堆積させることを含む、バルク弾性波デバイスの製造方法が提供される。

【0030】

本発明が上記で記載されている一方、それは、上記若しくは以下の詳細な説明、図面又は特許請求の範囲に記載された特徴の任意の発明の組み合わせに拡張される。

【0031】

本発明に従う装置及び方法の実施態様は、添付の図面を参照して記載される。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】図１は、従来技術の堆積プロセスに関する、ウェハー動径位置の関数としてのＡｌＮ膜厚みを示す。

【図2】図２は、ＡｌＮの堆積に用いられる従来技術のＤＣマグネトロンシステムの部分の半概略断面図である。

【図3】図３は、本発明のＰＶＤ装置を示す。

【図4】図４は、ＡｌＮの堆積に用いられる本発明のＤＣマグネトロンシステムの部分の半概略断面図である。

【図5】図５は、ＤＣコイル中の複数のＤＣ電流値に関して、ウェハー動径位置の関数としてのＡｌＮ膜の厚みを示す。

【図6】図６は、ＤＣコイル中の複数のＤＣ電流値に関して、ウェハー内の堆積したＡｌＮ膜の不均一性を示す。

【発明を実施するための形態】

【0033】

図３は、概して３０にて示される本発明のＰＶＤ装置を示す。装置３０は、ＤＣマグネトロンデバイス３４と、マグネトロンデバイス３４により材料をスパッターするターゲット３６と、所望の材料を堆積する基板（示されていない）を支持する基板支持体３８とを含む、チャンバー３２を含む。装置３０は、さらにチャンバー３２の本体部分の周囲に配置されたコイル４０を含む。図３に示される実施態様において、チャンバーは柱状であるが、原理的には他のチャンバー形状、及び他のコイル断面形状を用いてよい。簡易な表記のために、ガス吸気口及び排気口等のマグネトロンスパッタリングの他の一般的な側面は、図３に示されない。

【0034】

パルスＤＣ電力は、ＤＣ電力供給４２からターゲット３６に印加される。印加電流を変化させることのできるコイルＤＣ電気的供給部４６により、コイル４０にＤＣ電力が印加される。ＲＦ電力は、基板支持体に負のバイアスをかけるために、ＲＦ電力供給４４から基板支持体３８に印加される。典型的には、基板支持体３８は、慣例外の１３．５６ＭＨｚにて運転されるが、本発明はこの点に関して制限されない。電力供給４２、４４、４６の動作は、コントローラー４８により制御される。コントローラー４８は、好適なグラフィカルユーザーインターフェースを有するコンピュータであってよい。

【0035】

ＡｌＮ等の材料の堆積と関連する膜の均一性に関する課題は、上記に記載されている。本発明者らは、ウェハーの外周において堆積したＡｌＮ膜の減少した厚みの理由を見出したと考えている。任意の特定の理論又は推測によりとらわれることを望むことなく、ウェハーの外周において減少した膜厚みは、正に帯電したイオンによるスパッタリングによるものであると考えられる。このことは、蓋部分として働くターゲットバッキングプレート２０ａを有するチャンバー２０を含むＤＣマグネトロンシステムの部分を示す図２に示される。ターゲット２２は、ターゲットバッキングプレート２０ａに結合される。回転可能なマグネット２４の対は、ターゲット２２から離れてターゲットバッキングプレートの面と反対側に位置する。ウェハー２６は、負のＤＣバイアスを作り出すようにＲＦ運転をすることのできるプラテン２８上に位置する。アルゴン及び窒素の混合物は、チャンバー中に導入され、パルスの負の高いＤＣ電圧は、ターゲットバッキングプレート２０ａ／ターゲット２２に印加され、これによってそれはカソードとして働く。これは、ＡｒとＡｌＮイオンを含む高密度のプラズマを作り出す。ウェハー２６は、マグネット２４の回転パスにより決定されるカソードの主要な浸食痕の内側にある。イオンのある割合は、プラズマの負のグローを避け、プラテン２８に向かって動くと考えられる。また、プラテン２８への負のバイアスは、Ａｒ⁺等の正に帯電したイオンをウェハー２６の端へ引きつけるように働き、堆積したＡｌＮ膜を、この領域においてスパッターエッチングにより薄くすると考えられる。Ａｌ及びＮカチオンは、同様に幾らかのスパッターエッチングを引き起こす場合がある。

【0036】

図４は、図２に示された従来技術の装置の特徴の多くを共有する本発明の装置の部分を示す。したがって、これらの共有の特徴を記載するために、同じ数字が図４で用いられている。図４に示される本発明の実施態様は、さらにチャンバー２０の本体セクションの周囲に位置する複数ターンコイル２９を含む。コイル２９は、ＤＣ電気的供給部（示されていない）からＤＣ電流が供給される。図４は、エネルギーを与えられたコイル２９により生じた二次磁場線も示す。チャンバー２０の内部において生じた磁場２１線が、概してチャンバーに沿って軸方向に、本体セクションのチャンバー壁に近接して広がることを理解することができる。コイル２９により生じた二次磁場の効果は、チャンバー２０の本体セクションの壁に向けてプラズマの広がりを引き起こすことである。任意の特定の理論又は推測によりとらわれることを望むことなく、二次磁場は、カソードからの電子を引きつけ、それは、次にウェハー２６の端からイオンを離すドリフト電場を作り上げると考えられる。これは、ウェハーの端におけるスパッターエッチングを低減する。したがって、本発明は、チャンバー壁に向けてこれらの正のイオンを誘導することにより、ウェハー端に向かって動く正のイオンの数を減らすことができる（そうでなければ正イオンはウェハーの端領域をスパッターエッチングする）と考えられる。ウェハーの端領域に影響を与える正のイオンの数が減る際、イオン照射により引き起こされる、ウェハーのこの領域における局所的に薄くなる効果も低減すると考えられる。このことは、改善した堆積膜の均一性をもたらす。

【0037】

実験は、図２と４による装置を用いて実施され、ＡｌＮ膜をシリコン基板に堆積させた。堆積プロセス条件は、表１に示されるものを用いた。

【0038】

【表1】

【0039】

種々のＤＣ電流が二次磁場を製造するコイル（図４及び３に示されたコイル２９及び４０に各々対応する）に印加された。より具体的には、０Ａ、１０Ａ及び２０Ａの電流が３３ターンコイルとあわせて用いられた。図５は、これらのＤＣ電流を用いて堆積した膜に関して、ウェハー上の動径位置の関数としてのＡｌＮ堆積膜の厚みを示す。線５０は電流が印加されなかったときの膜厚みを示し、線５２は１０Ａの電流での膜厚みを示し、線５４は２０Ａの電流での膜厚みを示す。２０Ａの電流を用いて二次磁場を生成させたときは、シリコンウェハーの端におけるＡｌＮ膜の厚みの減少がなかったことを理解することができる。図６は、二次磁場を生成するコイルに印加されたＤＣコイル電流の関数としての３、５及び１０ｍｍのエッジエクスクルージョン（ｅｅ）に関して、４９点の極性測定に関する１シグマ％標準偏差として表されたウェハー内の（ＷＩＷ）膜厚みの不均一性を示す。線６０、６２、６４は、３、５及び１０ｍｍのエッジエクスクルージョンに各々対応する。図６は、ＤＣ電流が印加されない際、不均一性が３及び５ｍｍのエッジエクスクルージョンにおいて高いことを示す。このことは、ウェハー端における膜厚みの減少によるものである。２０Ａの印加ＤＣ電流において、ウェハー内の不均一性は、３、５及び１０ｍｍのエッジエクスクルージョンに関して本質的に同じである。これらの実験に関連するシステム及びプロセス条件に関して、最適な二次磁場が、約２０Ａの印加ＤＣ電流によって生成されることを理解することができる。また、優れた結果が達成されたことを理解することもできる。実際、３ｍｍのエッジエクスクルージョンに対する処理は、最先端のものであると考えられる。最適な結果を達成するために、場の強さを容易に変化させることを可能にするため、二次磁場を生成する電磁石の使用は有利である。本開示に与えられた例において、最適な磁場は３３×２０＝６６０アンペアターンである。任意の与えられた実施に関して、最適な磁場は、本開示に与えられた原理を用いて容易に導き出すことができる。

【0040】

本発明は、広範なＰＶＤシステムに適用することができる。本発明を具体化するあつらえたシステムを作り出すことが可能であり、また既存のＰＶＤシステムに容易に組み込むことも可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】