JPS6383259A - スパツタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ 〈産業上の利用分野） 本発明はスパッタリング装置に係り、特に膜厚制御機構
を備えたスパッタリング装置に関する。

（従来の技術） 近年、超ＬＳＩ構造における薄膜形成装置としてターゲ
ットをイオン粒子等の高エネルギー粒子によりスパッタ
してターゲラ！・から飛翔した粒子を基板例えば半導体
ウェハに付着させて薄膜を形成するスパッタリング装置
が盛んに使用されている。

このようなスパッタリング装置では、スパッタ処理量の
増加にともないターゲットか消耗するなめ、ターゲラ１
〜スパツタ質敬に対する膜（＝１質量の比率いわゆる成
膜効率が低下し作業初期の膜Ｉゾ敏が得られなくなると
いう問題かある。そこでこの問題を解決するために通常
スパッタリンク装置には、膜厚値をモニタしなからスパ
ッタリング条件例えばターグツ１〜への供給電力量やス
パッタ処理時間等を調整して膜１７量を制御する膜厚制
御機構が設けられている。

ところで従来の膜厚制御機構における膜厚測定方法は、
クリスタル発振器等の膜厚検出センサをスパッタ反応槽
内に設置し、この膜厚検出センサに付着した薄膜の膜厚
値から基板上に形成された薄膜の膜Ｊｆ値を推定するい
わゆる間接的な測定方法により行なわれていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながらスパッタ反応槽内にはスパッタ電極部、基
板保持器具、基板搬送装置等多くの機器が′Ｆｊ、雑に
配置されているなめ正確な膜厚値が測定できる場所に膜
厚検出センサを設置することが困難であること、特にタ
ーゲット近傍に磁界を発生させてこの磁界内にガスプラ
ズマを閉込めてスパフタリングを行なうマグネトロンス
パッタリング装置においては、ターゲットと基板との間
隙が狭いため膜厚検出センサを正確な膜厚が測定できる
位置例えば処理対称物近傍に設置することが困難である
こと、また膜厚値の測定方法が間接的な方法であること
等から精度の高い膜厚測定を行なうことができないとい
う問題があった。この問題を解決するなめにターゲット
への供給電力量と電力供給時間との積算値すなわち積算
電力値から膜１γ値を算出してＷ！ｔ、厚制御を行なう
ことも考えられているが、実際に処理基板の膜厚値を測
定する手段ではないので、スパッタ作業中にスパッタリ
ング条件例えば供給電源の電圧値や電流値等が変化した
場合には算出された膜厚値と実際の膜厚値とが一致しな
いという問題があった。

また基板上に形成された薄膜を直接測定する方法として
、一定の処理枚数ごとに作業員かスパッタ処理した基板
をサンプリングして膜厚を測定しこの膜厚測定値からタ
ーグツ１〜への供給電力量や電力供給時間を人為的に調
整する方法もとられているが、基板のサンプリングのタ
イミンクかずれて不良品発生が生じる恐れがあること、
人為的にスパッタリンク条件の調整を行なうこと等から
精度の高い膜厚制御ができないという問題があり、さら
には作業の完全自動化を行なうに際し大きな障害となっ
ていた。

以上のように従来の膜厚制御機構では、膜厚値を正確に
求めることができないこと、人為的にスパッタリング条
件の調整を行なうこと等から精度の高い膜厚制御を行な
うことが非常に困難であった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、膜厚制御の精度向上がはかれしかもスパッタ作業の
完全自動化に容易に対応可能なスパッタリング装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のスパッタリング装置は、ターゲットをスパッタ
しこのターゲットから飛翔した粒子を基板」−に付着さ
せ薄膜を形成するスパッタリング手段と、このスパッタ
リング手段によりスパッタリングされた基板の膜厚を測
定する膜厚測定手段と、この膜厚測定手段の測定値と予
め設定された基準膜厚値とを比較する比較手段と、この
比較手−５＝ 段の出力に応じてスパッタリング手段のスパッタリング
条件を制御する制御手段を備えたことを特徴とするもの
である。

（作　用） 本発明では予め所望の膜厚値を設定しておき、膜厚計に
より常時もしくは定期的に基板に形成された膜厚を測定
し、この測定値と上記膜厚設定値との比較結果により自
動的にスパッタリング条件を変更して膜厚制御をするこ
とで信頼性の高い膜厚制御ができ、しかもスパッタ作業
の完全自動化に容易に対応することができる。

（実施例） 以下本発明をマグネトロンスパッタリング装置に適用し
な一実施例について説明する。

気密を保持する円柱状の反応槽１内にはそれぞれ円筒状
に構成されたウェハ処理室例えばウェハ挿脱室２、エツ
チング処理室３、ウェハ加熱室４、第１スパツタ処理室
５、第２スパツタ処理室６かそれぞれ半導体ウェハの処
理工程順に並置されている。そして、半導体ウェハはウ
ェハ挿脱室２から図示を省略した搬送装置により反応槽
１内に挿入され、各処理室間を順に送られながら所定の
処理が施され、一方つエバ挿脱室２からは順次処理の完
了した半導体ウェハを取り出すとともに新たな半導体ウ
ェハを挿入する。

上記スパッタ処理室のさらに具体的な構成を第２図を参
照にして説明する。　　゛ スパッタ処理室５内にはスパッタ電極部７が反応槽１内
壁面と平行に設けられており、このスｉ＜ツタ電極部７
と対向して半導体ウェハ８が配置されている。

スパッタ電極部７側面方向にはこれを覆うように円筒状
の隔壁９がスパッタ電極部７背面の反応槽１内壁面から
延設されており、この隔壁９の前縁部と反応槽１内壁と
の間には、反応槽１内の雰囲気気体が各処理室間を流通
可能となるように間隙１０が設けられている。

スパッタ電極部７は供給電源３３と接続されている逆円
錐リング状スパッタ面のターゲ・ント１１と、このター
ゲット１１の中心部に配置された円板状の一方極例えば
Ｎ磁極１２と、ターゲット１１の外周部を取り囲むよう
に隔壁９前縁部に装着された環状の他方径例えばＳ磁極
１３とから構成されており、これら磁極１２．１３によ
りターゲット１１のスパッタ面近傍に弧状の磁界Ａを形
成する。この弧状の磁界Ａは後述する生成されたプラズ
マ粒子を一時閉じ込める作用をする。

隔壁９前縁部にはこれとわずかな間隙をおいて駆動機構
１４により隔壁開口を開閉する円板状のシャッタ１５が
設けられている。

隔壁９前縁部と反応槽１内壁面との間隙１０には、ウェ
ハ固定用孔１７にクリップ１８で半導体ウェハ８を保持
した回転可能な円板状のトランスファープレート１つと
、１ヘランスフアープレート１９の隔壁９側に位置し図
示を省略した密着＠横によりＩ・ランスファープレー１
・１９を押圧する円板状のプレッシャープレー１〜２０
が反応槽１内壁と平行にそれぞれ設けられている。これ
らトランスファープレート１つ、プレッシャープレート
２０および反応槽１内壁面はそれぞれ離間可能に取り付
４−１られており、半導体ウェハ８を他の処理室例えば
第２スパツタ処理室６に移動する際には、プレッシャー
プレート２０を隔壁９側に後退させてトランスファープ
レート１つが回転可能な状態とする。なお、図示した状
態はスパッタ処理中を示しており、トランスファープレ
ート１９がプレッシャープレート２０に押圧されてその
移動が拘束されている状態を示している。

半導体ウェハ８裏面にはウェハ予備加熱用のし−タブロ
ック２１が配置されており、このヒータブロック２１を
貫通してスパッタリングガス導入管２２が設けられてい
る。反応気体発生器３５で生成されたスパッタリングガ
スはこのガス導入管２２内を流れて半導体ウェハ８裏面
外周に設けられた排出口２２ａより反応槽１内へ流入す
る。

反応Ｊｆ！１外部には半導体ウェハ８に形成された薄膜
の厚さを測定して膜厚値信号を出力するための膜厚計３
０が設けられており、この膜厚計３０から出力された膜
厚値信号が膜厚制御装置３１に入力されるようになって
いる。

膜厚制御袋Ｗ　３１は予め所望の膜厚値を設定するため
の膜厚設定値入力袋Ｗ３２から入力された信号と上記膜
厚信号とを比較してスパッタリング条件、例えばスパッ
タ処理時間やターゲットへの電力供給量等を制御するた
めの装置であり、本例では供給電源３３を制御してター
ゲットへの電力供給量の増減を行なうものである。また
必要に応じて磁界を制御してもよい。これら膜厚計３０
、膜厚制御装置３１および膜厚設定値入力装置３２から
膜厚制御系が構成されている。

このようなスパッタリング装置のスパッタ作業は、まず
スパッタ処理室５内に半導体ウェハ８を搬送した後、反
応［１内を真空ポンプ２３により高真空例えば１Ｏ−７
Ｔｏｒｒとし、高温のスパッタリングガス例えばアルゴ
ンガスをガス導入管２２から導入する。このときスパッ
タリングガスの熱がヒータブロックを２１を介して半導
体ウェハ８に伝達されこれを加熱する。次に予め定めら
れたプログラムによって適当なタイミングで供給電源３
３よりターゲット１１に電力を印加して反応槽１内に導
入したスパッタリングガスをターゲット１１近傍でプラ
ズマ化する。プラズマ化したスパッタリングガスはター
ゲット１１近傍に発生した磁界Ａにより図中Ｂで示す如
くターゲット１１のスパッタ面近傍にドーナツ状に一時
閉じ込められ、このとき励起されたプラズマ粒子がター
ゲラ１〜１１に衝突して飛翔粒子ａをたたき出ず。そし
てシャッタ１５が回転して開いたとき、たたき出された
飛翔粒子ａがスパッタ処理室内に飛散し、この飛翔粒子
の一部が半導体ウェハ８上に付着堆積して薄膜形成が達
成される。

このようにしてスパッタ処理の完了した半導体ウェハは
膜厚計３０へと搬送され、ここで膜厚制御を行なう際の
制御パラメータとなる膜厚値が測定される。

以下に第３図のフローチャー１〜を参照にして本例の膜
厚制御系の動作について説明する。

まずスパッタ処理が完了した半導体ウェハをウェハ挿脱
室２から反応槽１外へ取り出し図示を省略した搬送装置
により膜厚計３０へと搬送して半導体ウェハ上に形成さ
れた薄膜の膜厚を測定する（１００）。

膜厚計３０で測定された膜Ｊブ測定値は、膜厚測定値信
号として膜厚制御装置３１へ出力される。

膜厚制御装置３１では予め膜１γ設定値入力装置３２か
ら入力された膜厚設定値と上記膜厚測定値とを比較しく
１０１）　、膜厚設定値とｇ！膜厚測定値等しい場合に
は正常な成膜作業が行なわれていると判断して現状のス
パッタ作業を継続しく１０２）　、膜厚測定値が膜厚設
定値と異なる場合には両名の膜厚値の差をターゲラ１へ
１１への供給電力量の補正層に変換しこの情報を供給電
力量補正信号として供給電源３３へ出力する（１０３）
。供給電源３３では供給電力量補正信号を受けてターゲ
ット１１への印加電力供給量を増減、例えば膜厚測定値
か膜厚設定値よりも小さい場合には電力供給量を増量す
る（１０／ｌ）。なお、上記各動作は全て自動的に行な
われる。

このようにスパッタ処理の完了した半導体ウェハの膜厚
値を自動的に測定して膜厚制御を行なうことで膜厚制御
の精度を向上させることができ、しかも作業工程の完全
自動化に容易に対応することができる。

上記実施例では、毎回のスパッタ処理ごとに膜厚制御を
行なったが、定期的に半導体ウェハのサンプリンクを行
なって膜厚値を測定しその都度膜厚制御を行なってもよ
い。またこのようなスパッタリング装置を用いたスパッ
タ作業では、ウェハカセット単位で多数の半導体ウェハ
を連続的に処理する場合が多く、このような場合には１
力セツト分の半導体ウェハの平均膜厚値を算出してこの
平均膜厚値と膜厚設定値とを比較する方法がウェハカセ
ット単位の管理という観点からは好都合である。

以下に本発明の他の実施例として１力セツト分の半導体
ウェハの平均膜厚値を算出し、この平均膜厚値と膜厚設
定値を比較して膜厚制御を行なう手段を説明する。

第４図に示したように膜厚制御装置３１に入力した各半
導体ウェハの膜厚測定値を一時記憶し、まず第１のカセ
ット内の半導体ウェハの処理が全て終了した時点でこれ
ら半導体ウェハの平均膜厚測定値を算出する（１０１ａ
）。次に平均膜厚測定値と膜厚設定値とを比較しく１０
１）この両者の値が異なる場合には供給電力量補正信号
を出力する（１０３）。

このとき第１カセット分の平均膜厚測定値をＸｌとし、
予め設定した膜厚設定値をＳ、供給電源からのターゲッ
トへの供給電力量をＰ、第１回目の補正後の供給電力量
をＰｌとおけば第１カセツ１〜終了時の供給電力量Ｐ１
は以下の式で表わせる。

Ｐ＋＝Ｐｘ　　ｓ 同様に第２カセット終了時の供給電力ｆＰ２は、Ｐ２−
Ｐｘ　Ｓ　′Ｘ　Ｓ Ｘ　＋　　　　　Ｘ　２ 以下同様にして、第ｎカセット終了時の供給電力＃Ｐｏ
は、 Ｓ　　　　　　Ｓ Ｐｏ　＝Ｐア　　　　××０３３．１．×Ｓｘ、　　　
　　Ｘ２　　　　　　　　　Ｘｎと表わぜる。よって最
終的な供給電力量の総修正量は Ｓ ××、０１．１．×Ｓ ｘ、　　　　　ｘ２　　　　　　　　　　　ｘ口となる
。

上述実施例では膜厚制御をターゲット１１への供給電力
量で行なったが、本発明はこれに限定されるものではな
く、例えば第５図に示したようにスパッタ処理時間を制
御してもよい。すなわち膜厚制御装置３１に入力した膜
厚測定値と膜厚設定値との差をスパッタ処理時間の補正
量に変換しこれを出力する（１０５）。供給電源３３で
はスパッタ処理時間補正信号を受けてターケラ１へへの
電力供給時間を増減する（１０６）。

このように本発明はスパッタリング条件に関する要素の
制御であればいずれにも適用が可能である。なお本発明
に用いるＭＷ計としては、うす電流方式のものや４端針
プロ一ブ方式のもの等いずれでもよく特に機種に限定さ
れるものではない。

これら膜厚値を積算するとターゲットの寿命検出を知る
ことも可能である。

また予め設定する膜厚値をスパッタ開始期がち連続又は
断続した各時間に対応した膜厚値を記憶設定ずれは、完
全な中間層の制御も自動的に行うことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のスパッタリング装置によれ
ば、膜厚制御の精度向上がはかれ、しかもスパッタ作業
の完全自動化に容易に対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用したマグネトロンスパッタリング
装置のウェハ処理室の配置を示す斜視図、第２図は第１
図のスパッタ処理室の拡大断面図、第３図は第１図実施
例の膜厚制御装置の動作を示すフローチャート、第４図
は第２の実施例の膜厚制御装置の動作を示すフローチャ
ート、第５図は第３の実施例の膜厚制御装置の動作を示
すフローチャー１〜である。 １・・・・・・反応槽、５・・・・・・スパッタ処理室
、７・・・用スパッタ電極、８・・・・・・半導体ウェ
ハ、１１・旧・・ターゲット、３０・・・・・・膜厚計
、３１・・・用膜厚制御装置、３２・・・・・・膜厚設
定値久方装置、３３・旧・・供給電源、３４・・・・・
・真空ポンプ、３５・旧・・反応気体発生器。 出願人　　東京エレクトロン株式会社 代理人　　弁理士　　須　山　佐　− 第１　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲットをスパッタし前記ターゲットから飛翔
   した粒子を基板上に付着させ薄膜を形成するスパッタリ
   ング手段と、このスパッタリング手段によりスパッタリ
   ングされた基板の膜厚を測定する膜厚測定手段と、この
   膜厚測定手段の測定値と予め設定された基準膜厚値とを
   比較する比較手段と、この比較手段の出力に応じて前記
   スパッタリング手段のスパッタリング条件を制御する制
   御手段とを備えたことを特徴とするスパッタリング装置
   。
2. （２）膜厚制御手段が制御するスパッタリング条件がタ
   ーゲットへの供給電力量であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のスパッタリング装置。
3. （３）膜厚制御手段が制御するスパッタリング条件がス
   パッタ処理時間であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のスパッタリング装置。