JP2022172614A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロン型スパッタリングにおいて、ターゲット当たりの基板の処理枚数を増加させて、ターゲットの使用効率を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体製造装置１００は、処理室１と、ステージ７と、ターゲット６と、ターゲット６の上面６ｂ側に設けられ、下面６ａ側に磁界１９を発生させるマグネット９と、マグネット９を支持するアーム３４を介してマグネット９をターゲット６の中心２３を軸として回転させる回転機構１１と、アーム３４に沿ってマグネット９を移動させることでマグネット９の回転半径を変更する回転半径変更機構１２と、回転機構１１および回転半径変更機構１２を制御する制御部１３とを備え、基板２に対する成膜時に、制御部１３は、マグネット９の回転半径を異ならせるように回転半径変更機構１２を制御している。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体製造装置および半導体製造方法に関するものである。

スパッタリングは、半導体基板に対する薄膜の形成手段として広く用いられている。スパッタリングの手法として、マグネトロン型スパッタリングが知られている。

マグネトロン型スパッタリングを行う半導体製造装置として、例えば特許文献１には、ターゲットの全表面に生成される不純物層の除去を的確かつ効率良く行うことが可能なスパッタリング装置が提案されている。この装置は、ターゲット表面の酸化膜などの不純物層の膜厚を測定し測定結果に基づいてマグネット公転と自転偏心距離を変更して、マグネットがターゲット面に対して移動することでターゲットの全表面に生成される不純物層を除去する。

特開２０１２－１４０６４８号公報

ところで、半導体基板に対する成膜時に、マグネットの近傍でターゲットに対するスパッタリングが行われるため、ターゲットにおけるマグネットに対応する位置にエロージョンが生じる。

特許文献１に記載の装置では、不純物層を除去するクリーニング工程でマグネット公転と自転偏心距離を変更するものの、半導体基板に対する成膜時におけるマグネットの回転半径は一定であり、エロージョンの位置が固定される。ターゲットが局所的に使用されるため、ターゲット当たりの基板の処理枚数を増加させて、ターゲットの使用効率を向上させることは難しかった。

そこで、本開示は、マグネトロン型スパッタリングにおいて、ターゲット当たりの基板の処理枚数を増加させて、ターゲットの使用効率を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体製造装置は、処理室と、前記処理室の内部に設けられ、成膜対象である半導体基板が載置されるステージと、前記処理室の内部に設けられ、前記ステージの上面と対向する第１の主面と、前記第１の主面の反対側の面である第２の主面とを有するターゲットと、前記ターゲットの前記第２の主面側に設けられ、前記第１の主面側に磁界を発生させるマグネットと、前記マグネットを支持するアームを介して前記マグネットを前記ターゲットの中心を軸として回転させる回転機構と、前記アームに沿って前記マグネットを移動させることで前記マグネットの回転半径を変更する回転半径変更機構と、前記回転機構および前記回転半径変更機構を制御する制御部とを備え、前記半導体基板に対する成膜時に、前記制御部は、前記マグネットの回転半径を異ならせるように前記回転半径変更機構を制御するものである。

本開示によれば、半導体基板に対する成膜時に、ターゲットにおけるエロージョンの位置を変更することで、ターゲットにおけるエロージョンの位置を分散できるため、ターゲット当たりの基板の処理枚数を増加させて、ターゲットの使用効率を向上させることができる。

実施の形態に係る半導体製造装置の断面模式図である。 半導体製造装置が備える回転半径変更機構および制御部の側面模式図である。 半導体製造装置が備えるマグネットが回転半径αで回転している状態を示す上面模式図である。 マグネットが回転半径βで回転している状態を示す上面模式図である。 成膜アルゴリズムに設定されるパラメータを示す図である。 マグネットの回転半径を変更する場合の成膜アルゴリズムに設定されるパラメータの一例を示す図である。 マグネットの回転半径を変更する場合の成膜アルゴリズムに設定されるパラメータの他の例を示す図である。 マグネットが回転半径αで回転する場合の磁界とターゲットのエロージョンの位置関係を示す断面模式図である。 マグネットが回転半径βで回転する場合の磁界とターゲットのエロージョンの位置関係を示す断面模式図である。 マグネットの回転半径を変更しない場合の成膜アルゴリズムに設定されるパラメータの一例を示す図である。 時間２Ｗの間、マグネットが回転半径αで回転する場合の磁界とターゲットのエロージョンの位置関係を示す断面模式図である。 マグネットの回転半径を変更する場合と変更しない場合とでターゲットのエロージョンの位置関係を比較した断面模式図である。

＜実施の形態＞
実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係る半導体製造装置１００の断面模式図である。

図１に示すように、半導体製造装置１００は、マグネトロン型スパッタリングを行うマグネトロンスパッタ装置である。半導体製造装置１００は、処理室１と、ステージ７と、ターゲット６と、ターゲット裏板８と、マグネット９と、回転機構１１と、回転半径変更機構１２と、制御部１３と、ガス供給部３と、排気部４と、高電圧電源５とを備えている。

処理室１には、半導体ウエハなどの円盤状の半導体基板である基板２を収容して真空中で不活性ガスの供給と排気とをそれぞれ行うガス供給部３と排気部４が設けられている。処理室１の外部には、ガス供給部３から供給される不活性ガスをプラズマ化する高電圧電源５が設けられている。

処理室１の内部には、ステージ７が設けられている。ステージ７の上面７ａには、成膜対象である基板２が載置される。また、処理室１の内部には、単一の材料を用いて円盤状に形成されたターゲット６が設けられている。ターゲット６は、ステージ７の上面７ａと対向する下面６ａと、下面６ａの反対側の面である上面６ｂとを有している。ターゲット６が単一の材料を用いて円盤状に形成されることで、ターゲット６と同様に円盤状である基板２に対して効率良く成膜することができる。ここで、下面６ａが第１の主面に相当し、上面６ｂが第２の主面に相当する。

ターゲット６の上面６ｂには、ターゲット裏板８が取り付けられている。ターゲット６の上面６ｂ側、すなわち、ターゲット裏板８に対向する位置に、回転半径変更機構１２のアーム３４を介してマグネット９が配置されている。マグネット９は、ターゲット裏板８の中心に取り付けられた軸１０ａの周りを回転する。マグネット９は、ターゲット６の下面６ａ側に磁界１９（図８参照）を発生させる。なお、ターゲット裏板８は回転しない。また、ターゲット６の交換時に、ターゲット６とターゲット裏板８とは処理室１から分離して交換されるが、ターゲット裏板８は再利用されてもよい。

回転機構１１は、モーター１０と軸１０ａとを備えている。マグネット９は、マグネット９を支持するアーム３４によって軸１０ａに繋がれている。回転機構１１は、モーターの駆動により軸１０ａを回転させることで、アーム３４を介してマグネット９を回転させる。

回転半径変更機構１２は、アーム３４に沿ってマグネット９を移動させることでマグネット９の回転半径を変更する。

制御部１３は、自身が有するメモリに記憶された、基板２に成膜するための成膜アルゴリズムに基づいて、回転機構１１および回転半径変更機構１２を制御する。ここで、制御部１３は例えばプロセッサーである。

次に、回転半径変更機構１２の詳細について説明を行う。図２は、回転半径変更機構１２および制御部１３の側面模式図である。図３は、マグネット９が回転半径αで回転している状態を示す上面模式図である。図４は、マグネット９が回転半径βで回転している状態を示す上面模式図である。

図２に示すように、回転半径変更機構１２は、モーター３３と、アーム３４と、軸受け３５と、ブラケット３６と、ねじ軸３７とを備えている。モーター３３は電気配線３２を用いて制御部１３と接続されている。制御部１３は、成膜アルゴリズムに設定された回転半径となる位置にマグネット９を移動させるために、モーター３３の駆動回転数を算出し、算出された駆動回転数に対応する回転数信号をモーター３３に出力する。

アーム３４の長手方向両端部の下端に、モーター３３と軸受け３５がそれぞれ固定されている。なお、図２の説明ではアーム３４の端部という言い方をしているが、図１に示すようにアーム３４は軸１０ａに接続されており、マグネット９の移動距離に合わせてモーター３３はアーム３４の一部に設けられる。ねじ軸３７は、モーター３３と軸受け３５との間にアーム３４と平行に配置されている。すなわち、ねじ軸３７はアーム３４の下側に配置され、かつ、ねじ軸３７の延在方向はアーム３４の延在方向と平行である。ブラケット３６の上部には、ねじ軸３７が挿通される貫通孔（図示省略）が形成され、貫通孔には、ねじ軸３７と噛み合う溝が設けられている。ブラケット３６の下端にはマグネット９が固定されている。

制御部１３からマグネット９を移動するための回転数信号が電気配線３２を介してモーター３３に送られると、モーター３３が回転してねじ軸３７が回転する。ねじ軸３７の回転運動がブラケット３６には直線運動として伝達されて、ブラケット３６とマグネット９がねじ軸３７に沿って移動する。すなわち、ねじ軸３７はアーム３４の下側に配置され、かつ、ねじ軸３７の延在方向はアーム３４の延在方向と平行であることから、ブラケット３６とマグネット９はアーム３４に沿って移動する。

図３に示すように、マグネット９はアーム３４に沿ってターゲット６の外周側に移動して回転半径αで回転する。また、図４に示すように、マグネット９はアーム３４に沿ってターゲット６の中心２３（図８参照）側に移動して回転半径βで回転する。

回転半径変更機構１２は、特許文献１に記載の装置のように、マグネット９の自転軸と公転軸との偏心距離を変更しないため、マグネット９の自転軸も設けた複雑な機構にしてマグネット９を偏心させる必要がない。さらに、マグネット９が回転する際に複雑な軌道を描かないため、ターゲット６の下面６ａの全域を均等な深さで活用することができる。

次に、成膜アルゴリズムに設定されるパラメータについて説明を行う。図５は、成膜アルゴリズムに設定されるパラメータを示す図である。

図５に示すように、成膜アルゴリズムに設定されるパラメータは、ガス供給部３から供給される不活性ガスの流量を示すガス流量欄と、ターゲット６とステージ７との間に印加される高電圧に対応する電力値を示す電力欄と、各ＳＴＥＰの時間を示す時間欄と、マグネット９の回転半径を示す回転半径欄とを有している。成膜アルゴリズムに基づく処理は、ＳＴＥＰ番号の小さい数字から大きい数字の順に進行する。なお、ガス流量欄、電力欄、時間欄、および回転半径欄の単位は、図５に示されるものに限定されない。

続いて、図１と図６を用いて、成膜アルゴリズムに基づく処理について説明を行う。図６は、マグネット９の回転半径を変更する場合の成膜アルゴリズムに設定されるパラメータの一例を示す図である。なお、図６に示されるａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，α，βは任意の数字を表している。

図１に示すように、排気部４で常時排気をおこなっている処理室１内に基板２が搬送される。そして、基板２がステージ７に載置されてから図６のＳＴＥＰ１が開始される。

ＳＴＥＰ１では、ガス流量欄に設定されたガス流量ａがガス供給部３から供給され、かつ、制御部１３は回転機構１１を制御しマグネット９を回転させながら、時間欄に設定された時間Ｖの間に、回転半径変更機構１２を制御しマグネット９をアーム３４に沿って移動させて、マグネット９の回転半径を回転半径欄に設定されたαに設定する。ここで、αが第１の回転半径に相当する。なお、マグネット９を回転させながら回転半径を調整することで生産性を向上させることができるが、マグネット９を回転させずに回転半径を調整してもよい。

次にＳＴＥＰ２では、回転半径αでのマグネット９の回転を維持しながら、時間欄に設定された時間Ｗの間、ガス流量欄に設定されたガス流量ｂ、電力欄に設定された電力ｅが供給されることで、基板２に対する成膜処理が行われる。

次にＳＴＥＰ３では、電力供給が停止（電力０）されることで成膜処理が中断される。ガス流量欄に設定されたガス流量ｃがガス供給部３から供給され、制御部１３は回転機構１１を制御しマグネット９を回転させながら、時間欄で設定された時間Ｘの間に、回転半径変更機構１２を制御しマグネット９をアーム３４に沿って移動させて、マグネット９の回転半径を回転半径欄に設定されたβに設定する。ここで、βが第２の回転半径に相当する。

最後にＳＴＥＰ４では、回転半径βでのマグネット９の回転を維持しながら、時間欄に設定された時間Ｙの間、ガス流量欄に設定されたガス流量ｄ、電力欄に設定された電力ｆが供給されることで、基板２に対する２回目の成膜処理が行われる。時間Ｙの経過後、２回目の成膜処理は終了する。

次に、実施の形態の作用と効果について、マグネット９の回転半径を変更する場合と、マグネット９の回転半径を変更しない場合とで比較しながら説明を行う。

最初に、図７に示すＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ４とでガス流量欄、電力欄、および時間欄を同じ値に設定した場合を例に挙げて説明を行う。図７は、マグネット９の回転半径を変更する場合の成膜アルゴリズムに設定されるパラメータの他の例を示す図である。図８は、マグネット９が回転半径αで回転する場合の磁界１９とターゲット６のエロージョン（浸食部）２０の位置関係を示す断面模式図であり、図７に示すＳＴＥＰ２で成膜処理を行った場合の断面模式図である。図９は、マグネット９が回転半径βで回転する場合の磁界１９とターゲット６のエロージョン２０の位置関係を示す断面模式図であり、図７に示すＳＴＥＰ４で成膜処理を行った場合の断面模式図である。

図７と図８に示すように、ＳＴＥＰ２では、ターゲット６の下面６ａはマグネット９により生じる磁界１９の近傍でスパッタリングが行われて、ターゲット６の中心２３からの距離Ｄ１の位置にエロージョン２０が生じる。

図７と図９に示すように、ＳＴＥＰ４では、ターゲット６の下面６ａはマグネット９により生じる磁界１９の近傍でスパッタリングが行われて、ターゲット６の中心２３からの距離Ｄ２の位置にエロージョン２０が生じる。

次に、図１０と図１１を用いて、マグネット９の回転半径を変更しない場合について説明を行う。図１０は、マグネット９の回転半径を変更しない場合の成膜アルゴリズムに設定されるパラメータの一例を示す図である。図１１は、時間２Ｗの間、マグネット９が回転半径αで回転する場合の磁界１９とターゲット６のエロージョン２０の位置関係を示す断面模式図である。

図１０に示すように、処理はＳＴＥＰ１とＳＴＥＰ２で構成され、ＳＴＥＰ２では、図７に示すＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ４の時間欄に設定された時間の合算時間２Ｗの間、マグネット９が回転半径αで回転して成膜処理が行われる。図１１に示すように、ＳＴＥＰ２では、ターゲット６の下面６ａはマグネット９により生じる磁界１９の近傍でスパッタリングが行われて、ターゲット６の中心２３からの距離Ｄ１の位置にエロージョン２０が生じる。

マグネット９の回転半径を変更する場合と、マグネット９の回転半径を変更しない場合とを比較しやすくするために、図８と図９と図１１に示したターゲット６のエロージョン２０の位置と深さの関係を図１２に示す。図１２は、マグネット９の回転半径を変更する場合と変更しない場合とでターゲット６のエロージョン２０の位置関係を比較した断面模式図である。

図１２に示すように、マグネット９の回転半径を変更する場合にＳＴＥＰ２で生じたエロージョン２０は、ターゲット６の中心２３からの距離Ｄ１の位置にあり、ＳＴＥＰ４で生じたエロージョン２０は、ターゲット６の中心２３からの距離Ｄ２の位置にある。図７に示した成膜アルゴリズムに設定されるパラメータでは、ＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ４においてガス流量欄、電力欄、および時間欄には同じ数値が設定されているため、ＳＴＥＰ２で生じたエロージョン２０とＳＴＥＰ４で生じたエロージョン２０の深さＤＥ１は同じである。

一方、マグネット９の回転半径を変更しない場合にＳＴＥＰ２で生じたエロージョン２０は、ターゲット６の中心２３からの距離Ｄ１の位置にある。マグネット９の回転半径を変更する場合とマグネット９の回転半径を変更しない場合とでは、ＳＴＥＰ２においてガス流量欄、電力欄、および回転半径欄には同じ数値が設定されているため、両者の場合のエロージョン２０の位置は同じである。

しかしながら、マグネット９の回転半径を変更しない場合、マグネット９の回転半径を変更する場合の２倍の時間である２Ｗの間、成膜処理が行われるため、エロージョン２０の深さＤＥ２は、マグネット９の回転半径を変更する場合の２倍の深さとなり、ターゲット６が局所的に使用されることになる。

１枚のターゲット６で成膜できる基板２の枚数はエロージョン２０の深さに比例するため、本実施の形態のように、エロージョン２０の位置を固定せずに、マグネット９の回転半径を変更することで、ターゲット６当たりの基板２の処理枚数を増加させることが可能となる。すなわち、１枚の基板２に対してマグネット９の回転半径を変更することで、１枚の基板２に対してマグネット９の回転半径を固定する場合よりもターゲット６におけるエロージョン２０の位置を分散させることができる。そのため、ターゲット６当たりの基板２の処理枚数を増加させて、ターゲット６の使用効率を向上させることができる。

以上のように、実施の形態に係る半導体製造装置１００は、処理室１と、処理室１の内部に設けられ、成膜対象である基板２が載置されるステージ７と、処理室１の内部に設けられ、ステージ７の上面と対向する下面６ａと、下面６ａの反対側の面である上面６ｂとを有するターゲット６と、ターゲット６の上面６ｂ側に設けられ、下面６ａ側に磁界１９を発生させるマグネット９と、マグネット９を支持するアーム３４を介してマグネット９をターゲット６の中心２３を軸として回転させる回転機構１１と、アーム３４に沿ってマグネット９を移動させることでマグネット９の回転半径を変更する回転半径変更機構１２と、回転機構１１および回転半径変更機構１２を制御する制御部１３とを備え、基板２に対する成膜時に、制御部１３は、マグネット９の回転半径を異ならせるように回転半径変更機構１２を制御している。

また、実施の形態に係る半導体製造方法は、ステージ７に基板２を載置する工程（ａ）と、マグネット９の回転半径を第１の回転半径に設定する工程（ｂ）と、マグネット９を第１の回転半径で回転させながら、ターゲット６をスパッタリングして基板２上に成膜する工程（ｃ）と、マグネット９の回転半径を第１の回転半径とは異なる第２の回転半径に設定する工程（ｄ）と、マグネット９を第２の回転半径で回転させながら、ターゲット６をスパッタリングして基板２上に成膜する工程（ｅ）とを備えている。

したがって、基板２に対する成膜時に、ターゲット６におけるエロージョン２０の位置を変更することで、ターゲット６におけるエロージョン２０の位置を分散できるため、ターゲット６当たりの基板２の処理枚数を増加させて、ターゲット６の使用効率を向上させることができる。

これにより、ターゲット６の交換頻度を下げることができるため、ターゲット６の交換費用を抑制し、半導体製造装置１００の運用コストを低減できる。

また、ターゲット６におけるエロージョン２０の位置を分散するために、マグネット９の自転軸と公転軸との偏心距離を変更しないことから、マグネット９が回転する際に複雑な軌道を描くことなく、均等な深さでターゲット６の下面６ａの全域を活用することができる。

また、基板２は円盤状であり、ターゲット６は、単一の材料を用いて円盤状に形成されている。ターゲット６の形状を、マグネット９の軌道の形状と同じ円盤状にすることで、マグネット９の回転動作に対してターゲット６を効率良く活用することができる。さらに、ターゲット６が円盤状に形成されることで、ターゲット６と同様に円盤状である基板２に対して効率良く成膜することができる。

ターゲット６が異なる材料を用いて形成された場合、ターゲット６が形成される材料の違いによってエロージョン２０の深さにばらつきが生じるため、エロージョン２０の深さを均等にすることは容易ではない。しかし、本実施の形態では、ターゲット６は単一の材料を用いて形成されるため、エロージョン２０の深さを容易に均等にすることができる。これにより、ターゲット６の下面６ａの全域をさらに効率良く活用することができる。

また、工程（ｂ）から工程（ｅ）は、基板２に成膜するための成膜アルゴリズムに基づいて実行されている。半導体製造装置１００の各部と成膜アルゴリズムを用いて、マグネット９による磁界１９の発生領域を分散させることができるため、マグネット９の自転機構が不要となり、回転機構１１を簡易な構成にすることができる。

図７では、ＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ４とでガス流量欄、電力欄、および時間欄を同じ値に設定した場合を例に挙げて説明を行ったが、必ずしも同じ値に設定する必要はない。また、エロージョン２０が均等な深さになるように、ＳＴＥＰ数を増やしてマグネット９における回転半径の変更回数を増やすことも可能である。

なお、実施の形態を適宜、変形することが可能である。

１ 処理室、２ 基板、６ ターゲット、６ａ 下面、６ｂ 上面、７ ステージ、９ マグネット、１１ 回転機構、１２ 回転半径変更機構、１３ 制御部、３４ アーム、１００ 半導体製造装置。

Claims (4)

1. 処理室と、
   前記処理室の内部に設けられ、成膜対象である半導体基板が載置されるステージと、
   前記処理室の内部に設けられ、前記ステージの上面と対向する第１の主面と、前記第１の主面の反対側の面である第２の主面とを有するターゲットと、
   前記ターゲットの前記第２の主面側に設けられ、前記第１の主面側に磁界を発生させるマグネットと、
   前記マグネットを支持するアームを介して前記マグネットを前記ターゲットの中心を軸として回転させる回転機構と、
   前記アームに沿って前記マグネットを移動させることで前記マグネットの回転半径を変更する回転半径変更機構と、
   前記回転機構および前記回転半径変更機構を制御する制御部と、を備え、
   前記半導体基板に対する成膜時に、前記制御部は、前記マグネットの回転半径を異ならせるように前記回転半径変更機構を制御する、半導体製造装置。
2. 前記半導体基板は円盤状であり、
   前記ターゲットは、単一の材料を用いて円盤状に形成される、請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体製造装置を用いた半導体製造方法であって、
   （ａ）前記ステージに前記半導体基板を載置する工程と、
   （ｂ）前記マグネットの前記回転半径を第１の回転半径に設定する工程と、
   （ｃ）前記マグネットを前記第１の回転半径で回転させながら、前記ターゲットをスパッタリングして前記半導体基板上に成膜する工程と、
   （ｄ）前記マグネットの前記回転半径を前記第１の回転半径とは異なる第２の回転半径に設定する工程と、
   （ｅ）前記マグネットを前記第２の回転半径で回転させながら、前記ターゲットをスパッタリングして前記半導体基板上に成膜する工程と、
   を備える、半導体製造方法。
4. 前記工程（ｂ）から前記工程（ｅ）は、前記半導体基板に成膜するための成膜アルゴリズムに基づいて実行される、請求項３に記載の半導体製造方法。

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