JP2011168825A - Substrate treatment device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate processing apparatus and a semiconductor device manufacturing method.
半導体装置の一例としてMRAM(Magnetic Random Access Memory )がある。MRAMはスピン注入磁化反転方式を利用したメモリーである。MRAMの製造方法においては、数原子層レベルの薄膜を積層して、MTJ(Magnetic tunnel Junction) 素子を作製する。絶縁膜(目標値で1nm以下のMgO膜(酸化マグネシウム膜))を電子の反転を利用するための磁性膜(CoFeB膜)によって挟んだ極薄膜が、膜の中心部分である。
MTJ素子の製造方法およびそれに使用する真空処理装置が述べられた例として、特許文献1がある。
An example of a semiconductor device is an MRAM (Magnetic Random Access Memory). The MRAM is a memory using a spin injection magnetization reversal method. In the manufacturing method of MRAM, a thin film of several atomic layers is stacked to produce an MTJ (Magnetic tunnel Junction) element. An ultra-thin film sandwiching an insulating film (MgO film (magnesium oxide film) having a target value of 1 nm or less) with a magnetic film (CoFeB film) for utilizing inversion of electrons is the central portion of the film.
As an example in which an MTJ element manufacturing method and a vacuum processing apparatus used therefor are described, there is Patent Document 1.
MTJ素子を作製する真空処理装置においては、成膜室の到達圧力を超真空領域である10-7パスカル(Pa)台以下に下げて清浄に保つ必要がある。
このような成膜室において、イオンビームによってターゲットをスパッタすると、スパッタすることにより、成膜室内面にもターゲット成分が付着し、ある付着量を超えると、剥離が発生するため、清浄を維持することができない。成膜室内を常に維持するためには、メンテナンスする必要がある。
このメンテナンスの頻度が少ないと、清浄を維持することができず、頻度が多いと、生産性が低下する。
In a vacuum processing apparatus for producing an MTJ element, it is necessary to keep the ultimate pressure in the film forming chamber lower by 10-7 Pascal (Pa) or less, which is an ultra-vacuum region.
In such a film formation chamber, when a target is sputtered by an ion beam, the target component adheres to the surface of the film formation chamber by sputtering, and if a certain amount of adhesion is exceeded, peeling occurs, so that cleanliness is maintained. I can't. In order to always maintain the film forming chamber, it is necessary to perform maintenance.
If the frequency of this maintenance is low, cleanliness cannot be maintained, and if the frequency is high, productivity is lowered.
本発明の目的は、メンテナンス頻度を低減することができ、かつ、適切なメンテナンス時期を容易に見極めることができる基板処理装置およびそれを使用した半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a substrate processing apparatus that can reduce the frequency of maintenance and can easily determine an appropriate maintenance time, and a method of manufacturing a semiconductor device using the same.
前記課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
(1)イオンを発生させるイオン発生部と、
収納容器に収容され、前記イオン発生部からのイオンを受けるターゲットと、
前記ターゲットからのターゲット成分を受ける基板を保持する基板保持部と、
前記収納容器への前記ターゲット成分の付着を抑制する付着抑制部と、
前記付着抑制部へ付着する前記ターゲット成分の付着量を予測する付着量予測部と、
を備える基板処理装置。
(2)収納容器に収容されたターゲットにイオン発生部からイオンを照射し、前記ターゲットから発生したターゲット成分が、前記収納容器への前記ターゲット成分の付着を抑制する付着抑制部および基板保持部に保持された基板へ付着する工程と、
付着量予測部が前記付着抑制部へ付着する前記ターゲット成分の付着量を予測する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
Typical means for solving the above problems are as follows.
(1) an ion generator that generates ions;
A target housed in a storage container and receiving ions from the ion generator;
A substrate holder for holding a substrate that receives a target component from the target;
An adhesion suppression unit that suppresses the adhesion of the target component to the storage container;
An adhesion amount prediction unit for predicting the adhesion amount of the target component adhering to the adhesion suppression unit;
A substrate processing apparatus comprising:
(2) The target contained in the storage container is irradiated with ions from the ion generation unit, and the target component generated from the target is applied to the adhesion suppression unit and the substrate holding unit that suppress the adhesion of the target component to the storage container. Adhering to a held substrate;
And a step of predicting an adhesion amount of the target component adhering to the adhesion suppression unit by an adhesion amount prediction unit.
この手段によれば、メンテナンス頻度を低減することができ、かつ、適切なメンテナンス時期を容易に見極めることができる。 According to this means, the maintenance frequency can be reduced, and an appropriate maintenance time can be easily determined.
以下、本発明の一実施形態を図面に即して説明する。
図1〜図9は本発明の第一実施形態を示している。
本実施形態において、本発明に係る基板処理装置は、MRAMを製造するものとして構成されており、基板としてのシリコンウエハ(以下、ウエハという)に複数の薄膜を積層する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 9 show a first embodiment of the present invention.
In this embodiment, a substrate processing apparatus according to the present invention is configured to manufacture an MRAM, and a plurality of thin films are stacked on a silicon wafer (hereinafter referred to as a wafer) as a substrate.
図1〜図3に示されているように、本実施形態に係る基板処理装置10は、直方体函形状に形成された第一収納容器としての第一真空容器11を備えており、第一真空容器11は処理室12を構成している。第一真空容器11の正面壁には、処理室12に基板としてのウエハ1を搬入したり搬出するための開口13が設けられている。開口13はゲートバルブ14によって開閉される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
処理室12の右側壁にはチルト装置15が設置されている。チルト装置15はチルト軸16を所定角度旋回可能に構成されており、例えば、90度だけ往復回転させる。チルト軸16は処理室12内に挿入されている。チルト軸16はチルトブロック17を処理室12内において支持する。チルトブロック17には基板ホルダとしてのウエハホルダ18が配置されている。チルトブロック17内には回転装置19が設置されている。回転装置19はウエハホルダ18を回転させる。
チルト装置15はウエハホルダ18が保持したウエハ1を、水平姿勢と垂直姿勢との間でチルトさせる。
処理室12の底壁には昇降装置20が設置されている。昇降装置20は処理室12内に配置された邪魔板21を昇降させる。邪魔板21はチルトブロック17の背面側に配置されており、昇降装置20によって昇降される。
A
The
A
第一真空容器11の背面壁には、直方体函形状に形成された第二収納容器としての第二真空容器22が連結されている。第二真空容器22はターゲット室23を構成している。ターゲット室23の容積は処理室12の容積よりも大きい。すなわち、処理室12の容積はターゲット室23の容積よりも小さい。
第一真空容器11と第二真空容器22との合わせ壁は、処理室12とターゲット室23とを仕切る隔壁24を構成している。隔壁24には連通孔25が所定の位置に設けられている。所定の位置は、後述するターゲットに照射されて反射したイオンの一部が通過し、他部が隔壁24の壁面に衝突する位置、である。
第二真空容器22の背面壁下部には、第一真空ポンプとしてのターボ分子ポンプ26と、第二真空ポンプとしてのクライオポンプ27が設置されている。ターボ分子ポンプ26およびクライオポンプ27はターゲット室23、処理室12および後述するイオン源室を排気する。
A
A mating wall between the
A turbo
第二真空容器22の背面壁の上部には回転装置28が水平方向に設置されている。回転装置28の回転軸29はターゲット室23に前後方向に延在するように水平に挿入されている。回転軸29は磁気シールによって気密封止されている。回転軸29はターゲットホルダ30をターゲット室23内で支持している。
延在部としてのターゲットホルダ30は、回転軸29に対して垂直方向であって、異なる方向に複数延在している。具体的には、ターゲットホルダ30は、錐形状に構成されている。例えば、ターゲットホルダ30は八角錐(八方錐)台(切頭八角錐)形状に形成されている。錐の回転軸線(頂点の垂線)31に回転軸29がターゲットホルダ30を貫通して連結されている。図3に示されているように、錐の回転軸線31と錐面32とがなす夾角33は鋭角で設定され、例えば、45度に設定されている。すなわち、回転軸線31と直交する面31Aと錐面32とがなす夾角33Aは、45度である。
錐面32は台形形状の側壁面34を8枚備えている。8枚の側壁面34は周方向に等間隔にそれぞれ位置している。側壁面34は回転軸29に対して垂直方向であって、異なる方向に8枚延在する延在部を構成している。8枚の側壁面34にはターゲットチャック35が1台ずつ設置されている。ターゲットチャック35はターゲット36を側壁面34と平行に保持する。したがって、ターゲット36は回転軸29に対して45度分傾斜する。ターゲット36は平板形状の直方体で形成されている。また、隣り合うターゲット36、36の隣接する一端同士は、鋭角としての40度の夾角を構成する。したがって、隣り合うターゲット36、36同士は、充分な間隙を挟む。
ターゲットチャック35には冷却水路(図示せず)が回転軸29の中空部を経由して配管されている。冷却水はターゲット36のイオン照射による発熱を抑える。
A
A plurality of
The conical surface 32 includes eight trapezoidal side wall surfaces 34. The eight side wall surfaces 34 are located at equal intervals in the circumferential direction. The
A cooling water channel (not shown) is piped to the
第二真空容器22の底壁には射出孔39が設けられている。第二真空容器22の底壁下面にはイオン源40が設置されている。射出孔39の上方にはターゲット36が位置する。45度傾斜したターゲット36は射出孔39と連通孔25とに対向する。
An
図4に示されているように、イオン源40はイオン源室41、フィラメント42、平板状の加速電極43、平板状の減速電極44を備えている。
イオン源室41内はターゲット室23に射出孔39によって連通している。フィラメント42はイオン源室41内に設けられる。加速電極43および減速電極44は射出孔39を横断するように設けられる。加速電極43および減速電極44はフィラメント42に対向する。フィラメント42にはフィラメント電源およびアーク電源から電力が供給され、加速電極43および減速電極44には加速電源および減速電源から電圧が印加される。
加速電極43および減速電極44は耐熱金属、例えば、モリブデン(Mo)によって形成される。加速電極43と減速電極44とは所定間隙dを置いて平行に配される。加速電極43は多数個の加速通過孔43aを有する。減速電極44は多数個の減速通過孔44aを有する。
減速通過孔44aは対向する加速通過孔43aに対して、軸心がずれる(偏心する)ようにそれぞれ配置される。この配置は、加速電極43からのイオンビーム45を偏向させるので、図4に示されているように、イオンビーム45はターゲット36上において収束する。イオンビーム45の収束は、イオンビーム密度(電流密度)を高め、成膜速度を増大させるので、不純物の発生を抑制し、ウエハ1の汚染を防止する。また、この配置は、ターゲット36を小型化し、イオン源40を小型化する。
As shown in FIG. 4, the
The
The
The deceleration passage hole 44a is arranged so that the axis is shifted (eccentric) with respect to the opposing acceleration passage hole 43a. This arrangement deflects the
イオン源40にはガス供給源50が接続されている。ガス供給源50はイオン化されるガスをイオン源室41内に供給する。ガスとしては、通常、アルゴン(Ar)ガスが用いられる。
アルゴンガスがイオン源室41内に供給され、フィラメント42にアーク電力が供給されると、フィラメント42とイオン源室41の側壁との間においてアーク放電が起こる。このアーク放電により、アルゴンのプラスイオン(以下、アルゴンイオンという)と電子とが混在した状態(プラズマ状態)になる。加速電極43および減速電極44はアルゴンイオンに運動エネルギを与えることにより、アルゴンイオンを加速通過孔43aと減速通過孔44aとを通して、ターゲット室23内に引き出す。
ターゲット室23に引き出されたアルゴンイオンは、イオンビーム45となってターゲット36に照射する。ターゲット36に照射したイオンビーム45は、ターゲット36の構成材料を成分とする粒子(以下、スパッタ粒子という)46をターゲット36から叩き出す。スパッタ粒子46は大きな平均自由行程でターゲット室23および処理室12内を飛翔し、処理室12内のウエハ1上に付着する。ウエハ1上に付着したスパッタ粒子46は堆積することにより、ターゲット36の構成材料を成分とする薄膜を形成する。
A
When argon gas is supplied into the
Argon ions extracted into the
図5はイオン源の他の実施形態を示している。
本実施形態に係るイオン源40Aにおける加速電極47および減速電極48は、ターゲット36に対向する面が凹面となるように弯曲した球面形状に形成されている。加速電極47および減速電極48にそれぞれ穿たれた多数個の加速通過孔47aと多数個の減速通過孔48aとは、一つずつが互いに対向している。対向した一対の加速通過孔47aと減速通過孔48aとは、同一軸心上に位置し、その軸心は球面の中心に向っている。
凹面に弯曲した加速電極47および減速電極48はイオンビーム45を収束する。したがって、本実施形態に係るイオン源40Aは前記実施形態に係るイオン源40と同様の作用および効果を奏する。
FIG. 5 shows another embodiment of the ion source.
The
The accelerating
図3に示されているように、基板処理装置10はコントローラ60を備えており、コントローラ60はパーソナルコンピュータまたはパネルコンピュータ等によって構成されている。コントローラ60はチルト装置15、ウエハホルダ18、回転装置19、昇降装置20、ターボ分子ポンプ26、クライオポンプ27、回転装置28、イオン源40およびガス供給源50等々を制御する。
As shown in FIG. 3, the
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態を、前記構成に係る基板処理装置を使用したSPRAM(Spin Transfer Torque Magnetic Rondom Access Memory) の製造方法における薄膜形成工程について説明する。
SPRAMはMRAMの一種であり、スピン注入磁化反転するものである。
図6はSPRAMの成膜例を示す断面図である。
この成膜例では、SiO2 (二酸化珪素)もしくはSi(シリコン)材で構成されるウエハ上に、Ta(タングステン)膜、Ta膜上にPtMn膜、その上にCoFe膜、第一のRu(ルテニウム)膜、第一のCoFeB膜、MgO膜、第二のCoFeB膜、第二のTa膜、第二のRu膜の順に積層され、トータル6種類の膜種にて9層の金属膜が積層される。
Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with respect to a thin film forming step in a method for manufacturing a SPRAM (Spin Transfer Torque Magnetic Rondom Access Memory) using the substrate processing apparatus having the above-described configuration.
SPRAM is a kind of MRAM and reverses spin injection magnetization.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of SPRAM film formation.
In this film formation example, a Ta (tungsten) film is formed on a wafer made of SiO 2 (silicon dioxide) or Si (silicon) material, a PtMn film is formed on the Ta film, a CoFe film is formed thereon, and a first Ru ( Ruthenium) film, 1st CoFeB film, MgO film, 2nd CoFeB film, 2nd Ta film, 2nd Ru film are laminated in this order, and 9 layers of metal films are laminated in total 6 kinds of film types Is done.
以下の基板処理装置の作動はコントローラ60が制御する。
初期状態において、ゲートバルブ14は開口13を閉じている。チルト装置15はチルトブロック17を水平姿勢に維持し、ウエハホルダ18を解除している。回転装置19は停止している。昇降装置20は邪魔板21を下限に位置させている。
ターゲットホルダ30はホームポジションを維持している。すなわち、ターゲットホルダ30はTaのターゲット36を保持したターゲットチャック35をイオン源40に対向させている。
処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧は、クライオポンプ27の排気により10-5Pa(パスカル)以上10-7Pa以下に維持されている。
The
In the initial state, the
The
The internal pressures of the
ウエハローディングステップにおいて、コントローラ60はクライオポンプ27からターボ分子ポンプ26に切り替え、処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧を、10-3Pa以上10-4Pa以下に維持する。ゲートバルブ14は開口13を開く。ウエハ移載装置(図示せず)はウエハ1を処理室12内へ予備室(図示せず)から搬入し、ウエハホルダ18上に移載する。ウエハホルダ18はウエハ1を保持する。
In the wafer loading step, the
減圧ステップにおいて、コントローラ60はゲートバルブ14によって開口13を閉じた後に、ターボ分子ポンプ26からクライオポンプ27に切り替え、処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41を10-3Pa以上10-4Pa以下の内圧から10-6Paに真空引きする。
次いで、クライオポンプ27からターボ分子ポンプ26へ切り替え、処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧を、10-7Paに維持する。
In the depressurization step, the
Subsequently, the
成膜(Ta)ステップにおいて、ガス供給源50はアルゴンガスをイオン源室41に供給する。フィラメント42には電力が供給され、加速電極43および減速電極44には電圧が印加される。必要に応じて、中和電源がONされる。
チルト装置15はチルトブロック17を処理位置である垂直姿勢に移行させる。回転装置19はウエハ1を回転させる。昇降装置20は邪魔板21を所定位置へ上昇させる。
アーク電力が供給されると、イオン源40はイオンビーム45をTaで構成されるターゲット36に照射する。ターゲット36に照射したイオンビーム45はTaで構成されるスパッタ粒子46をターゲット36から叩き出す。スパッタ粒子46は処理室12内に飛翔し、ウエハホルダ18に保持されたウエハ1上に付着する。ウエハ1上に付着したスパッタ粒子46は堆積することにより、Ta膜を形成する。この時の処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧は、10-2Paに維持されている。
予め、設定された処理時間が経過すると、アーク電源がOFFされる。中和電源がONしている場合にはOFFさせる。この時の処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧は、10-2Pa以上10-3Pa以下に維持される。
In the film forming (Ta) step, the
The
When the arc power is supplied, the
When a preset processing time has elapsed, the arc power supply is turned off. If the neutralization power is on, turn it off. The internal pressures of the
次の成膜(PtMn)ステップにおいて、回転装置28はターゲットホルダ30を回転して、PtMnのターゲット36をイオン源40およびウエハ1に対向させる。必要に応じて、フィラメント42の電力値を変更し、加速電極43および減速電極44の電圧値を変更する。
続いて、必要に応じて、供給量が調整されて、アルゴンガスがイオン源室41に供給され、フィラメント42には電力が供給され、加速電極43および減速電極44には電圧が印加され、必要に応じて、中和電源がONされる。回転装置19はウエハ1を回転させる。必要に応じて、昇降装置20は邪魔板21を所定位置へ上昇させる。
アーク電源がONされると、イオン源40はイオンビーム45をPtMnで構成されるターゲット36に照射する。ターゲット36に照射したイオンビーム45はPtMnで構成されるスパッタ粒子46をターゲット36から叩き出す。スパッタ粒子46は処理室12内に飛翔し、ウエハホルダ18に保持されたウエハ1のTa膜上に付着する。ウエハ1のTa膜上に付着したスパッタ粒子46は堆積することにより、PtMn膜を形成する。
予め、設定された処理時間が経過すると、アーク電源がOFFされる。中和電源がONしている場合にはOFFさせる。
In the next film formation (PtMn) step, the rotating
Subsequently, if necessary, the supply amount is adjusted, argon gas is supplied to the
When the arc power source is turned on, the
When a preset processing time has elapsed, the arc power supply is turned off. If the neutralization power is on, turn it off.
以降、コントローラ60は使用するターゲット36を前述した成膜ステップに準じて切り替えることにより、ウエハ1上に図6に示された各種の膜を順次成膜して積層する。
Thereafter, the
最後の成膜ステップとして、第二のRu膜成膜ステップが終了すると、コントローラ60はウエハアンローディグステップを実施する。
ウエハアンローディングステップにおいては、フィラメント42への電力供給が停止され、加速電極43および減速電極44への電圧印加が停止され、必要に応じて、中和電源がOFFされると、ターゲットホルダ30はTaのターゲット36をホームポジションに戻す。回転装置19が回転を停止し、昇降装置20が邪魔板21を下限位置に下降させると、チルト装置15はチルトブロック17を水平姿勢に移行させる。イオン源室41へのアルゴンガスの供給を停止する。この時、処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧が10-5Pa以上10-7Pa以下に維持される。
処理室12、ターゲット室23およびイオン源室41の内圧が、10-3Pa以上10-4Pa以下に維持されると、ゲートバルブ14は開口13を開く。ウエハ移載装置は処理済のウエハ1をウエハホルダ18上からピックアップし、処理室12内から予備室へ搬出する(ウエハアンローディグする)。
As the last film formation step, when the second Ru film formation step is completed, the
In the wafer unloading step, the power supply to the
When the internal pressures of the
ところで、ターゲット成分であるスパッタ粒子46はターゲット36の収納容器である第二真空容器22が形成したターゲット室23の内面に飛翔して付着する。付着したスパッタ粒子46はある付着量を超えると、剥離してパーティクルの発生源となるので、ターゲット室23内面を洗浄するためのメンテナンスが必要になる。
そこで、本実施形態においては、収納容器へのターゲット成分の付着を抑制する付着抑制部としての防着板51がターゲット室23に、ターゲット室23の内面を被覆するように着脱可能に敷設されている。防着板51のターゲット36側を向く表面には剥離防止部52が形成されている。剥離防止部52はブラスト加工等によって表面を粗く加工することによって形成される。
本実施形態においては、ターゲット室23内面が防着板51によって被覆されていることにより、スパッタ粒子46はターゲット室23内面に付着することはないので、ターゲット室23自体は洗浄するためのメンテナンスが不必要になる。
By the way, the sputtered
Therefore, in the present embodiment, a
In the present embodiment, since the inner surface of the
他方、防着板51はスパッタ粒子46が付着するので、洗浄するためのメンテナンスが必要である。しかし、防着板51には剥離防止部52が形成されていることにより、付着したスパッタ粒子46の堆積膜の剥離を防止することができるので、堆積膜が剥離してパーティクルの発生源になることは抑制することができる。
剥離防止部52における剥離防止作用を超えた量のスパッタ粒子46が堆積すると、防着板51においても堆積膜の剥離が起きるので、防着板51はパーティクルの発生源となる。したがって、防着板51に対しても洗浄するためのメンテナンスが必要になる。
On the other hand, since the sputtered
When the amount of sputtered
そこで、本実施形態においては、付着抑制部へ付着するターゲット成分の付着量を予測する付着量予測部61が、コントローラ60に設けられている。本実施形態に係る付着量予測部61は、ターゲット36へのイオンビーム45の照射量を監視し、防着板51へのスパッタ粒子46の付着量を成膜レートから算出するプログラムである。
Therefore, in the present embodiment, the
次に、本実施形態に係る付着量予測部61について説明する。
一般に、成膜レートはターゲット36からの距離比率の逆数の2乗に比例する。
また、ターゲット36からウエハ1に到達するスパッタ粒子46のスパッタ粒子密度分布は、cosΘ曲線分布に近似する。図7に示されているように、このΘはイオンビーム45のターゲット36に対する入射角である。スパッタ粒子46は、図7に破線斜線で示された末広がりの範囲内の何処かに存在する確率が高く、特に、破線斜線の中心線付近に最も多く存在する確率が高い。
図7に示されているように、スパッタ粒子46が防着板51に最も付着する防着板51の位置は、連通孔25の上縁付近であり、ターゲット36に対する距離はウエハ1よりも近いが、角度は違う(中心線から離れる)。
スパッタ粒子46が防着板51に最も付着する位置(連通孔25上縁付近)におけるスパッタ粒子46の付着量Qは、次式(1)によって算出することができる。
Q=V×(La/Lb)2 ×K×T・・・(1)
式(1)中、Vはウエハ1への成膜レート、Laはウエハ1とターゲット36との距離、Lbは防着板51とターゲット36との距離、Kは角度定数、Tはイオンビーム45の照射時間、である。
防着板51における剥離が起きない許容付着量は、おおよそ1000nmである。
したがって、式(1)において、Q=1000とすることにより、許容付着量に達するイオンビーム45の照射時間Tを求めることができる。付着量予測部61は算出した照射時間Tを防着板51における剥離が発生する時間と予測して、イオンビーム45の照射累積時間がこの予測時間Tに達した時点で、防着板51のメンテナンス時期を警報する。
なお、角度定数Kは、ターゲット36の放出角度によって異なるため、実験値によって求める。本実施形態においては、0.8程度である。
ウエハ1の成膜レートは、図8に示されているようになり、略比例式で表すことができ、イオン源40の出力を細かく変えても、成膜レートの推測が可能である。
Next, the adhesion
In general, the film formation rate is proportional to the square of the reciprocal of the distance ratio from the
Further, the sputtered particle density distribution of the sputtered
As shown in FIG. 7, the position of the
The adhesion amount Q of the sputtered
Q = V × (La / Lb) 2 × K × T (1)
In the formula (1), V is a deposition rate on the wafer 1, La is a distance between the wafer 1 and the
The allowable adhesion amount at which peeling does not occur on the
Therefore, in the formula (1), by setting Q = 1000, the irradiation time T of the
Note that the angle constant K varies depending on the emission angle of the
The film formation rate of the wafer 1 is as shown in FIG. 8 and can be represented by a substantially proportional expression. The film formation rate can be estimated even if the output of the
ところで、ターゲット36はスパッタにより消耗するため、ある程度の消耗量で新品と交換を行う必要がある。
そこで、本実施形態においては、ターゲット消耗予測部62がコントローラ60に設けられている。ターゲット消耗予測部62は、ターゲット36へのイオンビーム45の照射時間を監視し、ターゲット36の交換時期を算出するプログラムである。
By the way, since the
Therefore, in this embodiment, the target
次に、本実施形態に係るターゲット消耗予測部62について説明する。
ターゲットの消耗量については、様々な式が提案されている。シグムンド(Sigmund) の式によると、スパッタ率(1個のイオンで何個のスパッタ粒子をスパッタするかを表す)Yは、次式(2)、(3)で表される。
Y=0.076×α×Tm/U・・・(2)
Tm=4×M1×M2×E/(M1+M2)2 ・・・(3)
式(2)、(3)中、α:係数、U:ターゲットの結合エネルギ、M1:イオンの質量数、M2:ターゲットの質量数、E:イオンビームのエネルギ、である。
図9は係数αとM2+M1の関係を示している。
式(2)、(3)および図9により、スパッタ率Yを求めることができるので、ターゲットの消耗量を把握することができる。
Next, the target
Various formulas have been proposed for target consumption. According to the Sigmund equation, the sputtering rate (representing how many sputtered particles are sputtered by one ion) Y is expressed by the following equations (2) and (3).
Y = 0.076 × α × Tm / U (2)
Tm = 4 × M1 × M2 × E / (M1 + M2) 2 (3)
In equations (2) and (3), α: coefficient, U: target binding energy, M1: ion mass number, M2: target mass number, E: ion beam energy.
FIG. 9 shows the relationship between the coefficient α and M2 + M1.
Since the sputtering rate Y can be obtained from the equations (2), (3), and FIG. 9, the consumption amount of the target can be grasped.
前記実施形態によれば、次の効果が得られる。 According to the embodiment, the following effects can be obtained.
(1)イオンビームの累積照射時間をコントローラにて監視し、閾値を越えた時点で、アラーム(警報)を発生することにより、現在進行中の成膜処理が終わった時点で、防着板の交換のようなメンテナンスを始めることができる。 (1) The accumulated irradiation time of the ion beam is monitored by a controller, and when the threshold value is exceeded, an alarm is generated, so that the deposition plate is Maintenance such as replacement can be started.
(2)適切なメンテナンスの実施により、スパッタ粒子に起因するパーティクルの発生を防止することができるので、常に、高清浄な雰囲気、安定した環境で成膜を維持することができる。 (2) Since the generation of particles due to sputtered particles can be prevented by performing appropriate maintenance, film formation can always be maintained in a highly clean atmosphere and a stable environment.
(3)イオンビームの累積照射時間のみで監視すると、各ターゲット毎にスパッタレートが異なるため、付着量および消耗量を正確に把握することは困難である。各ターゲット毎に対してのイオンビームの照射時間を把握し、ターゲット消耗予測部を使用することで、より正確な付着量および消耗量を把握することができる。 (3) If only the cumulative irradiation time of the ion beam is monitored, it is difficult to accurately grasp the amount of deposition and the amount of consumption because the sputtering rate differs for each target. By grasping the irradiation time of the ion beam for each target and using the target wear prediction unit, it is possible to grasp the more accurate adhesion amount and wear amount.
図10および図11は本発明の第二実施形態を示している。
本実施形態が、第一実施形態と異なる点は、成膜レートの求め方である。
本実施形態では、防着板51へのスパッタ粒子46の付着量をより正確に予測すべく、膜厚検出器としての水晶天秤(Quarts Crystal Microbalance。以下、QCMという)54を処理室12に設置し、QCM54の検出結果を用いて、成膜レートを予測する。
本実施形態においては、QCM54はウエハ1の角度を傾けるチルトブロック17に装着されている。配線57は中空に形成されたチルトブロック17の中空部を通して処理室12の外まで引き出されている。
図11に示されているように、QCM54は水晶振動子55の端面に一対の電極56、56を形成した構造を備えており、水晶振動子55の電極56表面に物質が付着すると、その質量に応じて共振周波数が変動する(下がる)性質を利用し極めて微量な質量変化を計測する質量センサ、である。
QCM54の測定した成膜レートVqに基づいて、防着板51への付着量Qを予測する場合には、次式(4)が使用される。
Q=Vq×(La/Lb)2 ×K×T・・・(4)
式(4)中、Laはウエハ1とターゲット36との距離、Lbは防着板51とターゲット36との距離、Kは角度定数、Tはイオンビーム45の照射時間、である。
なお、式(4)のうち、ウエハ1とターゲット36との距離LaをQCM54とターゲット36との距離としてもよい。但し、近似数であるため、いずれを用いても構わない。すなわち、Laはウエハ1とターゲット36との距離およびQCM54とターゲット36の距離の意味を含むものとする。
本実施形態における防着板のメンテナンス時期の求め方は、第一実施形態と同様である。本実施形態によれば、第一実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。
10 and 11 show a second embodiment of the present invention.
The difference between this embodiment and the first embodiment is how to determine the film formation rate.
In the present embodiment, a quartz balance (Quarts Crystal Microbalance, hereinafter referred to as QCM) 54 as a film thickness detector is installed in the
In the present embodiment, the
As shown in FIG. 11, the
When the adhesion amount Q to the
Q = Vq × (La / Lb) 2 × K × T (4)
In Expression (4), La is the distance between the wafer 1 and the
In equation (4), the distance La between the wafer 1 and the
The method for obtaining the maintenance time of the deposition preventing plate in the present embodiment is the same as in the first embodiment. According to this embodiment, the same operation and effect as the first embodiment can be obtained.
QCM54を用いることで、以下のような制御も可能となる。
イオン源40内のフィラメント42およびターゲット36等は成膜を重ねる毎に消耗して行き、ウエハ1への成膜膜厚が変動して行く可能性がある。
例えば、イオン源40のフィラメント42は、電子を放出して行くと、段々細くなり電流が少なくなって行く。電流が少なくなるということは電子の放出量が少なくなるということであり、イオンビーム45を照射する際の加速電流が少なくなるということである。フィラメント42の交換時期を間違えれば、成膜中にフィラメント42が切れてしまい、成膜工程が途中で中断してしまう。その結果、成膜途中のウエハ1が無駄になるという事態も起こり得る。
また、ターゲット36はスパッタされるので、成膜を重ねて行くと、表面の状態も段々消耗して行き、スパッタされた粒子の放出状態も変わって行く。
また、基板処理装置のメンテナンスを行った後等に、到達圧力の変動が発生した場合には、イオン源40内のプラズマ密度、イオンビーム45のエネルギの変化から成膜レートが変動し、薄膜形成装置のような高い膜厚精度が必要な基板処理装置には重大な問題となってしまう。
処理室12内にQCM54が設置されている場合には、QCM54の検出結果として成膜レート値が正常状態での成膜レート値よりも小さい値であって、予め定めた値以下になっていれば、フィラメント42の消耗であると、判断することができる。
他方、ターゲット36はスパッタによってターゲット36表面が凹型になることにより、スパッタされる放出角度に変動が起きるので、スパッタレートに変動が起きる。
そこで、処理室12内にQCM54が設置されている場合には、スパッタレート(成膜レート)をQCM54によってインラインで監視し、成膜時間を変動させることで対応することができる。
以上のように、QCM54を設置することにより、基板処理装置のメンテナンス時期を見極めることが可能となり、効率良くメンテナンスすることができる。その結果、基板処理装置を効率良く稼動させることができる。
By using the
The
For example, the
Further, since the
If the ultimate pressure fluctuates after maintenance of the substrate processing apparatus or the like, the film formation rate fluctuates due to changes in the plasma density in the
When the
On the other hand, since the surface of the
Therefore, when the
As described above, by installing the
なお、QCM54は水晶振動子55が付着可能な量に限度がある。
そこで、処理室12内に設置する際には、図10に示されているように、シャッタ58等を設けて測定したい時にのみ水晶振動子55をスパッタ雰囲気に曝し測定を行うことが望ましい。ある程度の付着量まで到達した際には、水晶振動子55は新品と交換する。
The
Therefore, when installing in the
図12は本発明の第三実施形態を示している。
本実施形態が第一実施形態と異なる点は、QCM54がクラスタ型基板処理装置の複数のスパッタ装置の処理室12にそれぞれ設置されている点である。
本実施形態においても、QCM54を設置することにより、クラスタ型基板処理装置のメンテナンス時期を見極めることが可能となり、効率良くメンテナンスすることができるので、クラスタ型基板処理装置を効率良く稼動させることができる。
FIG. 12 shows a third embodiment of the present invention.
This embodiment is different from the first embodiment in that the
Also in the present embodiment, by installing the
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It cannot be overemphasized that it can change variously in the range which does not deviate from the summary.
例えば、膜厚検出器としてはQCMを使用するに限らない。 For example, the QCM is not limited to the film thickness detector.
基板はウエハに限らず、プリント配線基板、液晶パネル、磁気ディスクやコンパクトディスク等であってもよい。 The substrate is not limited to a wafer, but may be a printed wiring board, a liquid crystal panel, a magnetic disk, a compact disk, or the like.
本発明の好ましい態様を付記する。
(1)イオンを発生させるイオン発生部と、
収納容器に収容され、前記イオン発生部からのイオンを受けるターゲットと、
前記ターゲットからのターゲット成分を受ける基板を保持する基板保持部と、
前記収納容器への前記ターゲット成分の付着を抑制する付着抑制部と、
前記付着抑制部へ付着する前記ターゲット成分の付着量を予測する付着量予測部と、
を備える基板処理装置。
(2)前記付着抑制部は、表面が粗い剥離防止部を有し、前記収納容器に該内面を被覆するように着脱可能に敷設された防着板によって構成されている(1)の基板処理装置。
(3)前記付着量予測部は、前記イオン発生部の前記ターゲットへの照射量を監視し、前記ターゲット成分の付着量を成膜レートから予測する(1)(2)の基板処理装置。
(4)前記付着量予測部は、前記ターゲット成分の付着量を膜厚検出器によって測定した成膜レートから予測する(1)(2)の基板処理装置。
(5)膜厚検出器がQCMである(4)の基板処理装置。
(6)前記イオン発生部の前記ターゲットへの照射時間を監視し、前記ターゲットの消耗を予測するターゲット消耗予測部が、設置されている(1)〜(5)の基板処理装置。
(7)収納容器に収容されたターゲットにイオン発生部からイオンを照射し、前記ターゲットから発生したターゲット成分が、前記収納容器への前記ターゲット成分の付着を抑制する付着抑制部および基板保持部に保持された基板へ付着する工程と、
付着量予測部が前記付着抑制部へ付着する前記ターゲット成分の付着量を予測する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
Preferred embodiments of the present invention will be additionally described.
(1) an ion generator that generates ions;
A target housed in a storage container and receiving ions from the ion generator;
A substrate holder for holding a substrate that receives a target component from the target;
An adhesion suppression unit that suppresses the adhesion of the target component to the storage container;
An adhesion amount prediction unit for predicting the adhesion amount of the target component adhering to the adhesion suppression unit;
A substrate processing apparatus comprising:
(2) The substrate processing according to (1), wherein the adhesion suppression unit includes a peeling prevention unit having a rough surface and is detachably laid on the storage container so as to cover the inner surface. apparatus.
(3) The substrate processing apparatus according to (1) and (2), wherein the adhesion amount prediction unit monitors an irradiation amount of the ion generation unit to the target and predicts an adhesion amount of the target component from a film formation rate.
(4) The substrate processing apparatus according to (1) or (2), wherein the adhesion amount prediction unit predicts the adhesion amount of the target component from a film formation rate measured by a film thickness detector.
(5) The substrate processing apparatus according to (4), wherein the film thickness detector is a QCM.
(6) The substrate processing apparatus according to any one of (1) to (5), wherein a target consumption prediction unit that monitors irradiation time of the ion generation unit to the target and predicts consumption of the target is installed.
(7) The target contained in the storage container is irradiated with ions from the ion generation unit, and the target component generated from the target is applied to the adhesion suppression unit and the substrate holding unit that suppress the adhesion of the target component to the storage container. Adhering to a held substrate;
And a step of predicting an adhesion amount of the target component adhering to the adhesion suppression unit by an adhesion amount prediction unit.
1…ウエハ(基板)、
10…基板処理装置、11…第一真空容器、12…処理室、13…開口、14…ゲートバルブ、
15…チルト装置、16…チルト軸、17…チルトブロック、18…ウエハホルダ(基板ホルダ)、19…回転装置、
20…昇降装置、21…邪魔板、
22…第二真空容器(収納容器)、23…ターゲット室、24…隔壁、25…連通孔、26…ターボ分子ポンプ(第一真空ポンプ)、27…クライオポンプ(第二真空ポンプ)、28…回転装置、29…回転軸、30…ターゲットホルダ、31…回転軸線(頂点の垂線)、31A…回転軸線と直交する面、32…錐面、33…夾角、34…側壁面、35…ターゲットチャック、36…ターゲット、
39…射出孔、40…イオン源、41…イオン源室、42…フィラメント、43…加速電極、44…減速電極、43a…加速通過孔、44a…減速通過孔、45…イオンビーム、46…スパッタ粒子、47…加速電極、47a…加速通過孔、48…減速電極、48a…減速通過孔、50…ガス供給源、
51…防着板(付着抑制部)、52…剥離防止部、54…QCM(水晶天秤)、55…水晶振動子、56…電極、57…配線、58…シャッタ、
60…コントローラ、61…付着量予測部、62…ターゲット消耗予測部。
1 ... wafer (substrate),
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
20 ... Lifting device, 21 ... Baffle plate,
22 ... second vacuum container (storage container), 23 ... target chamber, 24 ... partition wall, 25 ... communication hole, 26 ... turbo molecular pump (first vacuum pump), 27 ... cryopump (second vacuum pump), 28 ... Rotating device, 29 ... rotating shaft, 30 ... target holder, 31 ... rotating axis (vertical perpendicular), 31A ... plane orthogonal to the rotating axis, 32 ... conical surface, 33 ... depression angle, 34 ... side wall surface, 35 ... target chuck , 36 ... Target,
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
60 ... Controller, 61 ... Adhesion amount prediction unit, 62 ... Target consumption prediction unit.
Claims (2)
収納容器に収容され、前記イオン発生部からのイオンを受けるターゲットと、
前記ターゲットからのターゲット成分を受ける基板を保持する基板保持部と、
前記収納容器への前記ターゲット成分の付着を抑制する付着抑制部と、
前記付着抑制部へ付着する前記ターゲット成分の付着量を予測する付着量予測部と、
を備える基板処理装置。 An ion generator for generating ions;
A target housed in a storage container and receiving ions from the ion generator;
A substrate holder for holding a substrate that receives a target component from the target;
An adhesion suppression unit that suppresses the adhesion of the target component to the storage container;
An adhesion amount prediction unit for predicting the adhesion amount of the target component adhering to the adhesion suppression unit;
A substrate processing apparatus comprising:
付着量予測部が前記付着抑制部へ付着する前記ターゲット成分の付着量を予測する工程と、を有する半導体装置の製造方法。 The target contained in the storage container is irradiated with ions from the ion generation unit, and the target component generated from the target is held by the adhesion suppression unit and the substrate holding unit that suppress the adhesion of the target component to the storage container. Adhering to the substrate;
And a step of predicting an adhesion amount of the target component adhering to the adhesion suppression unit by an adhesion amount prediction unit.
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