(57)【要約】【課題】装置内に堆積した膜が剥離して異物として基板に付着することを防止するスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法を得ること。【解決手段】チャンバ４と、基板１をチャンバ４内で保持する基板保持具２と、チャンバ４内に設置されたシリコン製のターゲット３と、基板保持具２に基板１が設置された状態で、アルゴンガス７と窒素ガス９との混合ガスをチャンバ４内に導入しつつターゲット３と基板保持具２との間に電圧を印加して、基板１上に窒化シリコン膜を成膜する第１の処理と、チャンバ４内に基板１が収容されていない状態で、アルゴンガス７をチャンバ４内に導入しつつ、ターゲット３と基板保持具２との間に電圧を印加して、チャンバ４の内壁面にシリコン膜を成膜する第２の処理とを実行する制御部４０とを有する。【選択図】図１
2011231345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、
被加工物としての基板を前記真空チャンバ内で保持する基板保持具と、
シリコンで形成され前記真空チャンバ内に設置されたターゲットと、
前記基板保持具に前記基板が設置された状態において、不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを前記真空チャンバ内に導入しつつ前記ターゲットと前記基板保持具との間に電圧を印加して、前記基板上に窒化シリコン膜を成膜する第１の処理と、前記真空チャンバ内に前記基板が収容されていない状態において、前記不活性ガスを単独で前記真空チャンバ内に導入しつつ、前記ターゲットと前記基板保持具との間に電圧を印加して、前記真空チャンバの内壁面にシリコン膜を成膜する第２の処理とを実行する制御手段とを有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記シリコン膜は、前記窒化シリコン膜と膜応力の方向が逆方向であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記不活性ガスはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第２の処理においては、前記第１の処理で形成した前記窒化シリコン膜の１．８〜２．２倍の厚さとなるように前記シリコン膜を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第１の処理と前記第２の処理とを交互に複数回行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
窒化シリコン膜をスパッタリングによって基板上に成膜する際に、真空チャンバの内壁面に成膜された窒化シリコン膜の脱落を防止するスパッタリング装置のメンテナンス方法であって、
前記真空チャンバ内に前記基板が収容されていない状態において、不活性ガスを単独で前記真空チャンバ内に導入しつつ、ターゲットと前記基板の保持具との間に電圧を印加して、前記真空チャンバの内壁にシリコン膜を成膜することを特徴とするスパッタリング装置のメンテナンス方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に窒化シリコン薄膜を歩留まり良く形成できるスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセスにおける成膜方法としては、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）とＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition）とがある。ＰＶＤ法とは、気相中で物質の表面に物理的手法によって目的とする物質の薄膜を堆積する方法であり、具体例としては、スパッタリングや蒸着などが挙げられる。ＰＶＤ法は、低温での処理が可能であり、安価に成膜できるため、広く用いられている。
【０００３】
スパッタリングによる成膜過程の具体例として、窒化シリコン膜の成膜過程について説明する。スパッタリングによる窒化シリコン膜の成膜の際には、真空チャンバ（チャンバ）内に基板をセットし、基板保持具とターゲット（固体シリコン）との間の放電によって、チャンバ内に流入するアルゴンをイオン化する。アルゴンイオンがターゲットを叩く（ターゲットに衝突する）ことによってターゲットからシリコン粒子が飛び出す。アルゴンガスとともに流入する窒素ガスは放電によって励起されて窒素ラジカルとなり、シリコンと反応する。これにより基板上には窒化シリコン膜が成膜される。チャンバ内に流入したアルゴンガス及び窒素ガスは、排気口を介してチャンバ外へ排出される。
【０００４】
上記のスパッタリングによる窒化シリコン膜の成膜過程においては、成膜材である窒化シリコンはウェハ表面だけでなく、チャンバ内壁及び基板保持具にも堆積する。チャンバ内壁や基板保持具に堆積した窒化シリコン膜は、次第に厚さを増し、膜固有の応力（窒化シリコンの場合は引張応力）によって剥離する。剥離した窒化シリコン膜は、ターゲットや基板に微細な異物として堆積する。
【０００５】
剥離した異物がウェハ上に堆積すると膜欠陥となり、デバイスが正常に形成できなくなる問題が生じる。また、異物がターゲット上に堆積すると、チャージアップによる異常放電が増加し、ターゲット割れが発生する問題がある。このため、成膜不良の原因となる異物の管理は重要な課題となっている。
【０００６】
堆積した膜が剥がれることを防止するために、従来から、膜が剥がれないようにコーティングを施す方法や、堆積膜を成膜ごとに除去する方法がＣＶＤ法を中心に提案されている。
【０００７】
特許文献１には、ＰＶＤ法において、膜厚異常の原因となるパーティクルの発生を防止する技術が開示されている。特許文献１に開示される発明は、基板を保持するための基板保持具及び保持爪にＰＶＤ法による成膜過程で付着した応力の高い堆積膜（例えばカーボン膜）の剥離を防ぐため、不活性ガスでのスパッタエッチングやアッシングを用いて、基板保持具及び保持爪表面の応力の高い堆積膜を除去する方法をとる。さらに、除去しきれなかった堆積膜の上に、応力が低くかつ密着性が高い膜をコーティングする。その際、スパッタリングによる膜のコーティングには複数のターゲット材から選択したものを使用できる。
【０００８】
また、ＣＶＤ法では、処理室内壁面又は基板支持部の石英部材に成膜時に膜が付着する。特許文献２には、処理室内壁面や基板支持部に堆積された膜の応力を小さくして、膜が剥離することを防止するため、堆積された膜とは逆の応力を有する熱酸化膜（ＳｉＯ２）をコーティングする技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１９４３６０号公報（００１１〜００３２）
【特許文献２】特開２００３−１８８１５９号公報（０００５〜００３５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示される方法を適用する場合、コーティング膜の形成のために、本来の成膜とは異なるガスをチャンバ内に導入する必要がある。このため、チャンバ内で既存の堆積膜や内壁材料と化学反応を生じ、成膜材が変質し、膜質が劣化する恐れがある。
【００１１】
また、特許文献２に開示される方法を適用する場合、堆積膜とは逆の応力を有する熱酸化膜を成膜する必要がある。このためには高温での熱処理が必要となるが、通常のスパッタリング装置はこのような熱処理を行う機能を備えていないため、通常のスパッタリング装置では行えないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置内に堆積した膜が剥離して異物として基板に付着することを防止するスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、真空チャンバと、被加工物としての基板を真空チャンバ内で保持する基板保持具と、シリコンで形成され真空チャンバ内に設置されたターゲットと、基板保持具に基板が設置された状態において、不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを真空チャンバ内に導入しつつターゲットと基板保持具との間に電圧を印加して、基板上に窒化シリコン膜を成膜する第１の処理と、真空チャンバ内に基板が収容されていない状態において、不活性ガスを単独で真空チャンバ内に導入しつつ、ターゲットと基板保持具との間に電圧を印加して、真空チャンバの内壁面にシリコン膜を成膜する第２の処理とを実行する制御手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スパッタリング装置内に堆積した膜が剥離して異物として基板に付着することを防止し、基板を用いて製造する電子デバイスの歩留まりを低下させたり、ターゲットに割れが生じたりすることを防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるスパッタリング装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、チャンバの内壁の一部分の断面を示す図である。
【図３】図３は、窒化シリコン膜及びシリコン膜の膜応力の膜厚依存性を示す図である。
【図４】図４は、窒化シリコン膜の成膜とシリコン膜の成膜とを交互に繰り返し行った状態でのチャンバの内壁の一部分の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかるスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるスパッタリング装置の構成を示す図である。スパッタリング装置は、ガス導入口１１及び排気口１０を備えたチャンバ４（真空チャンバ）を有する。チャンバ４内には基板保持具２によって保持された基板１とターゲット３（固体シリコン）とが設置されている。チャンバ４内にはガス供給口１１を介してガス供給部３０からアルゴンガス７及び窒素ガス９との混合ガス、又はアルゴンガス７が単独で導入される。基板保持具２とターゲット３との間には、電源２０によって印加されるスパッタ電圧によって放電が発生し、アルゴンガス７をイオン化する。アルゴンイオン８は、ターゲット３に衝突し、ターゲット３からシリコン粒子を飛び出させる。ガス導入口１１から導入された窒素ガス９は、基板保持具２とターゲット３との間で発生する放電によって励起されて窒素ラジカルとなり、シリコン粒子と反応して窒化シリコンとなる。窒化シリコンが基板１に堆積することにより、基板１上に窒化シリコン膜が成膜される。チャンバ４内のアルゴンガス７及び窒素ガス９は、排気１２として排気口１０からチャンバ４外へ排出される。ガス供給部３０が供給するガスの種類及び電源２０によるスパッタ電圧の印加は、制御部４０によって制御される。
【００１８】
図２は、チャンバ４の内壁の一部分の断面を示す図である。図２（ａ）は、洗浄後の状態を示しており、チャンバ４の内壁には何も付着していない。図２（ｂ）は、基板１をセットして窒化シリコン膜を成膜した後の状態を示す。チャンバ４の内壁面には窒化シリコン膜５が堆積している。窒化シリコン膜５には図中矢印Ａで示す圧縮応力が作用する。図２（ｃ）は、基板１をチャンバ４から取り出し、シリコン膜６を形成した状態を示す。シリコン膜６の成膜の際は、制御部４０は、ガス供給部３０にチャンバ４内への窒素ガス９の導入を停止させた状態で、電源２０にターゲット３と基板保持具２との間にスパッタ電圧を印加させる。スパッタ電圧の印加に伴う放電で生じたアルゴンイオン８によってターゲット３から飛び出したシリコン粒子は、チャンバ４の内壁面や基板保持具２に到達して、シリコン膜６として堆積する。シリコン膜６には、図中矢印Ｂで示す引張応力が作用する。これにより、窒化シリコン膜５の圧縮応力とシリコン膜６の引張応力とが相殺され、チャンバ４の内壁上の堆積膜全体としての応力は緩和される。膜全体としての応力が緩和されることで、チャンバ４の内壁面から堆積膜が剥離することを防止できる。
【００１９】
なお、窒化シリコン膜５とシリコン膜６との膜厚比が１：１．８〜１：２．２程度の範囲にある場合に、チャンバ４の内壁上の堆積膜全体としての応力が緩和されることが実験的に計測された。
【００２０】
堆積膜全体としての応力が緩和される膜厚比を計測する手順について具体例を挙げて説明する。本実施の形態においては、半導体製造ラインで一般的に利用される方法で膜応力σを決定した。具体的には、下記式（１）で膜応力σを算出した。なお、式（１）における曲率半径ｒは、下記式（２）で算出した。
【００２１】
【数１】
2011231345.tif 000003
【００２２】
ここで、基板のヤング率Ｅ＝１．６８９×１０１１（Ｎ／ｍ２）、ポアソン比υ＝０．０６４とする。これらの値を上記式（１）、式（２）に代入すると、膜応力σは下記式（３）で表される。
【００２３】
【数２】
2011231345.tif 000004
【００２４】
反りの変化量δ及び基板の厚さｔの計測単位がμｍ、測定範囲Ｉの計測単位がｃｍ、薄膜の膜厚ｄの計測単位をÅである場合、単位をｍに統一することにより、上記式（３）は下記式（４）に置き換えられる。
【００２５】
【数３】
2011231345.tif 000005
【００２６】
なお、膜応力は、負の値であれば引っ張り応力、正の値であれば圧縮応力である。
【００２７】
上記式（４）を用いて、窒化シリコン膜５及びシリコン膜６のそれぞれの膜厚及び反り量から膜応力を算出し、膜応力の膜厚依存性を求めると、その関係は下記式（５）、（６）で表される。図３は、窒化シリコン膜５及びシリコン膜６の膜応力の膜厚依存性を示す図である。
【００２８】
【数４】
2011231345.tif 000006
【００２９】
窒化シリコン膜５の膜厚ｄＳｉＮを一般的な膜厚２００００Å（２０００ｎｍ）とする。上記式（５）のσＳｉＮと上記式（６）のσＳｉとが等しくなるシリコン膜６の膜厚ｄＳｉは、４００００Å（４０００ｎｍ）である。すなわち、ｄＳｉＮ：ｄＳｉ＝１：２のときに、窒化シリコン膜５の膜応力とシリコン膜６の膜応力とが相殺される。窒化シリコン膜５の膜厚とシリコン膜６の膜厚との比ｄＳｉＮ：ｄＳｉが１：１．８〜１：２．２であれば、膜応力の値の比は８７％〜１１３％となり、相殺されずに残る堆積膜全体としての応力を、窒化シリコン膜５単独での膜応力の１３％以下（概ね１／８以下）に低減できる。
【００３０】
図４は、窒化シリコン膜５の成膜とシリコン膜６の成膜とを交互に繰り返し行った状態でのチャンバ４の内壁の一部分の断面を示す図である。窒化シリコン膜５とシリコン膜６とを繰り返し成膜した場合でも、チャンバ４の内壁上の堆積膜全体として応力を緩和できる。ここでは窒化シリコン膜５及びシリコン膜６を各２層ずつ積層した構成を示したが、３層以上積層した場合でもチャンバ４の内壁上の堆積膜全体として応力を緩和できる。
【００３１】
堆積膜全体としての膜応力を０に近づけることにより、堆積膜を除去する回数を低減させて、生産性を向上させることができる。
【００３２】
このように、本実施の形態にかかるスパッタリング装置は、チャンバ内に窒化シリコン膜とシリコン膜とを積層堆積させることで、堆積膜の応力を緩和でき、剥離した堆積膜の破片がスパッタリング中に基板やターゲットの上に微細な異物として付着することを防止できる。これにより、基板を用いて製造する電子デバイスの歩留まりを低下させたり、ターゲットに割れが生じたりすることを防止できる。
【００３３】
また、窒化シリコン膜とシリコン膜とは、同一のターゲットを用いて成膜可能であるため、ターゲットを交換する必要がなく、電子デバイスの生産性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかるスパッタリング装置及びそのメンテナンス方法は、スパッタリング装置内に堆積した膜が剥離して異物として基板に付着することを防止するのに有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１  基板
２  基板保持具
３  ターゲット
４  チャンバ
５  窒化シリコン膜
６  シリコン膜
７  アルゴンガス
８  アルゴンイオン
９  窒素ガス
１０  排気口
１１  ガス導入口
１２  排気
２０  電源
３０  ガス供給部
４０  制御部
【図１】
2011231345.tif 000007
【図２】
2011231345.tif 000008
【図３】
2011231345.tif 000009
【図４】
2011231345.tif 000010