JP5649426B2 - スパッタリング装置及びスパッタリング成膜方法並びにスパッタリング装置の電源制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造工程などにおいて薄膜を成膜するためのスパッタリング装置及びスパッタリング成膜方法並びにスパッタリング装置の電源制御方法に関する。

近年のデバイスの高密度化に伴い成膜層の膜厚制御の高精度化が求められている。例えば、特許文献１，２に示されている技術によれば、基板の回転角度とシャッタの開閉タイミングまたはスパッタ用ＤＣ電源の出力制御をＰＬＣ（プログラムロジックコントローラ）を用いたシリアル通信で制御することで高精度の膜厚制御を可能にしている。

特許文献１のスパッタリング装置を図３に基づいて説明する。真空容器１０２の天井部１０３に二つのターゲット１０４，１０５が傾斜した状態で設けられ、成膜チャンバ１の底面部の中央には回転自在に設けられた基板ホルダ１０７が配置されている。

二つのターゲット１０４，１０５のいずれか一方を用いてスパッタリング成膜を行う時には、ＰＬＣを用いたＤＣ電源制御部１１５によりシリアル通信で制御されるＤＣ電源１１２により、必要なターゲットを所定電圧に保持して低圧力放電式のスパッタリングを行うことができる。

特開２００８−２９４４１６号公報 特開２００５−００８９４３号公報

しかしながら、特許文献１の技術においては、図４に示すように、電源状態読出しコマンド処理が一定サイクルで繰り返し行われているため、ＤＣ電源１１２の印加停止の制御はそのタイミングで実行している電源状態読出しコマンド処理の終了を待って実行される。つまり、ＤＣ電源制御部１１５からの電源電圧印加停止要求に対して電源状態読出しコマンド処理時間分の遅れ（Ｂ）が生じることになる。

すなわち電源状態読出しコマンド処理時間分の遅れ（Ｂ）は、ＤＣ電源制御部１１５に内蔵されたＰＬＣがスパッタ用のＤＣ電源１１２からシリアル通信ステータスを読み出すタイミングと、プロセス処理の変更タイミングとが同期されていないためシリアル通信の遅れに起因する誤差である。そのため、スパッタ用ＤＣ電源１１２の出力制御にて成膜層の膜厚制御を行った場合には膜厚に僅かな誤差が生じていた。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、プロセス処理変更のタイミングに同期させて電源制御の変更コマンドを送信することで、シリアル通信の遅れによる誤差をなくし、高精度且つ再現性のよいスパッタリング装置及びスパッタリング成膜方法並びにスパッタリング装置の電源制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明に係るスパッタリング装置は、所定時間サイクルでカソード部に電力供給を行う電源の状態の読み出し処理を行う電源状態読み出し信号と、所定のタイミングでカソード部への電力供給を停止する処理を行う電力印加停止信号とを電源に対してシリアル通信によって送信する機能を有する電源制御部を備えて構成されているスパッタリング装置であって、電源制御部は、電源状態読出しの信号の送信を停止させる読出し停止処理を行って電源の状態の読み出し処理を停止させた後に、電力印加停止信号を送信することを特徴とする。

あるいは、本発明に係るスパッタリング装置の電源制御方法は、所定時間サイクルでカソード部に電力供給を行う電源の状態の読み出し処理を行う電源状態読み出し信号と、所定のタイミングで前記カソード部への電力供給を停止させる処理を行う電力印加停止信号とを前記電源に対してシリアル通信によって送信する機能を有するスパッタリング装置の電源制御方法であって、電源状態読み出し信号の送信を停止させる読出し停止処理を行って前記電源の状態の読み出し処理を停止させた後に、前記電力印加停止信号を送信する処理を行うことを特徴とする。また、本発明に係るスパッタリング成膜方法は、上記のスパッタリング装置の電源制御方法を用いることを特徴とする。

本発明によれば、プロセス処理変更のタイミングに同期させてＤＣ電源制御変更コマンドを送信することで、シリアル通信の遅れによる誤差をなくし、シリアル通信の遅れに起因する膜厚の誤差がない成膜処理を行うことができる。例えば、電子デバイス等で各種の材料を順次積層させた積層体の成膜において、各膜厚を極めて高い精度で制御することができ、信頼性の高い積層体を得ることができる。

あるいは、本発明の成膜方法によれば、二元系材料からなるデバイス構造の成膜を行う場合でも、各材料のスパッタを極めて高い精度で制御することができ、信頼性の高いデバイス構造体を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るＤＣ電源への各種制御信号のタイミングを示す説明図である。 従来のスパッタリング装置の一例を示す概略構成図である。 従来のスパッタリング装置に備えられたＤＣ電源への各種制御信号のタイミングを示す説明図である。

以下に、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変できることは勿論である。

図１及び２は本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置について説明した図であり、図１はスパッタリング装置の概略構成図、図２はＤＣ電源への各種制御信号のタイミングを示す説明図である。なお、ここでは図面の煩雑化を防ぐため一部を除いて省略している。

まず、図１に基づいて本実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成図を説明する。
スパッタリング装置はカソードを複数備えるマルチカソードタイプの装置であり、真空容器２の天井部３に二つのターゲット４，５が設けられている。これらのターゲット４，５は、天井部３において傾斜した状態で取り付けられている。成膜チャンバ１の底面部の中央には、回転駆動機構６によって回転自在に設けられた基板ホルダ７が配置され、基板ホルダ７上には基板１０が水平状態を保って搭載されている。成膜時には基板１０は基板ホルダ７の回転に伴い回転される。

真空容器２の底部には排気ポート８が設けられ、排気ポート８から排気が行われるように、排気ポート８には排気管を介して排気装置９が接続されている。排気装置９による排気動作によって真空容器２の内部は所要の真空状態、好ましくは１０^−６Ｐａ以下の圧力レベルに保持される。排気装置９としては、例えば、メインバルブを介して連結されたメインポンプ（クライオポンプもしくはターボ分子ポンプ）と、荒引きバルブを介して連結されたドライポンプを含んだ構成となっている。

成膜時、成膜チャンバ１の真空容器２の内部にはプラズマが形成され、プラズマから入射するイオンによってターゲット４，５のいずれかが選択的にスパッタリングされる。放電を発生させる放電ガス（プロセスガスまたはスパッタガス）として、ガス供給部１１から、例えばＡｒガスなどが導入される。もちろん、ガス供給部１１の設置箇所は図示された箇所に限定されるものではない。

真空容器２の天井部３において、ターゲット４，５はそれぞれ基板１０の上面（被成膜面）に対して所定角度を向く位置に配置されている。ターゲット４，５は、基板１０の被成膜面に対して傾斜して配置されているため、ターゲット４，５の表面の法線は、基板１０の被成膜面の法線に対して所定の角度だけ傾斜している。すなわち、ターゲット４，５から基板１０に向かうスパッタ粒子は基板１０に対して斜方より入射することになる。

ターゲット４，５の各々にはＤＣ電源１２が接続され、ＤＣ電源１２からターゲット４，５のいずれかに選択的に所定の電力が印加される。すなわち、ターゲット４，５はＤＣ電源１２からの電力が印加されるカソード部を有して構成されている。ＤＣ電源１２はＤＣ電源制御部１５によって、ターゲット４，５に印加する電力が制御される。ターゲット４，５に接続される電源はＤＣ電源に限定されるものではなく、例えば、１３．５６ＭＨｚを供給するＲＦ電源であってもよい。

さらに、ターゲット４，５の大気側には磁石ユニット１３が配置されている。磁石ユニット１３は、電磁石、永久磁石、或いは、これらの組み合わせから構成される。磁石ユニット１３によってターゲット４，５の内側表面上に特定の磁界分布が形成される。

二つのターゲット４，５のいずれか一方を用いてスパッタリング成膜（スパッタリング成膜処理）を行うときには、ＤＣ電源１２と磁石ユニット１３により、必要なターゲットを所定電圧に保持し、且つ、ターゲット表面上に所定の磁界分布を形成する。これにより、低圧力放電式のスパッタリングを行うことができる。

また、二つのターゲット４，５と基板１０との間には、回転制御可能に設けられたシャッタ機構１４が配置されている。シャッタ機構１４は、ターゲットの前面を遮蔽するように配置された略傘状のシャッタ板を有している。シャッタ板には、所定の回転角度に停止されたときに所定のターゲットの前面に位置する開口がいくつか形成されている。ターゲットの前面に開口が位置しているときに、ターゲット前面が遮蔽されなくなるため基板１０へのスパッタリングが可能になる。

シャッタ機構１４の開閉動作によって、二つのターゲット４，５のうちスパッタリング成膜に使用されるターゲットが選択される。なお、シャッタ機構１４には公知の機構を用いることができるものとする。上述した構成によって、基板１０に対してスパッタリングされたターゲット物質（成膜物質）の斜方入射が実現する。

また、基板ホルダ７を回転させる回転駆動機構６、シャッタ機構１４を開閉駆動する開閉駆動部２３、回転駆動機構６の回転角度を検出する回転角度検出部２１、回転角度検出部２１により所定の回転角度を検出したときに開閉駆動部２３を駆動させてシャッタ機構１４を閉じるシャッタ回転制御部２２が設けられている。

回転角度検出部２１は、回転駆動機構６の回転軸に等間隔に放射線状に配置されたスリットを光学センサー等で検知することにより、基板ホルダ７の回転角度を高精度に検出し、その検出信号を、コンピュータ等の演算部（シャッタ回転制御部２２）に出力する。

本実施形態に係るスパッタリング装置は、シャッタ開の状態となったときから所定時間（Ｃ）経過したときにＤＣ電源１２からのカソード部への電力供給を停止して成膜動作を終了するように構成されている。具体的には、ＤＣ電源制御部１５は、所定時間（Ｃ）が経過したタイミングで、ターゲット４，５に接続されたＤＣ電源１２に対してターゲット４，５への電圧印加を停止する命令（ＰＳ Ｏｕｔｐｕｔ Ｏｆｆ Ｃｏｍｍａｎｄ）を出力する。

また、成膜開始から基板１０が所定角度回転したタイミング（時点）で成膜を終了する構成であってもよい。具体的には、成膜開始から基板１０が所定の回転角度を回転したことを回転角度検出部２１により検出されたときに成膜動作（カソード部への電力供給）を停止するように構成されている。シャッタ回転制御部２２は、ＤＣ電源制御部１５へ検出信号を出力し、ＤＣ電源制御部１５はこの検出信号により、ターゲット４，５に接続されたＤＣ電源１２に対してターゲット４，５への電圧印加を停止する命令を出力する。

また、回転角度検出部２１により基板ホルダ７が所定角度に位置していると検出されたときに、シャッタの開閉駆動部２３はサーボモータを駆動して外部の制御信号によりシャッタ機構１４を開あるいは閉の位置に駆動することでスパッタリングを停止する構成であってもよい。具体的には、シャッタ機構１４を閉動作するタイミング、若しくは成膜動作を停止するタイミング（所定の回転角度）は、成膜開始から基板１０が３６０°×ｎ＋１８０°＋α（ｎは０を含む自然数、−１０°＜α＜１０°）の回転を回転角度検出部２１が検出したときとすることができる。

次に、図２に示したＤＣ電源１２への各種制御信号のタイミングの説明図に基づいて、ＤＣ電源１２の機能と制御方法について説明する。
ＤＣ電源１２の設定値を高精度で指定するために、ＤＣ電源制御部１５はＰＬＣを用いたシリアル通信でＤＣ電源１２の制御を行っている。ＤＣ電源制御部１５は、シリアル通信でＤＣ電源１２から電源状態を読み出している。この電源状態の読出しは、電源状態読出しコマンド（電源状態読出しの信号：ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｃｏｍｍａｎｄ）として常時に繰り返し実行（所定時間サイクル処理）されている。なお、本実施形態における電源状態読出しコマンド処理の読み出しサイクルは５０〜２００ｍｓ程度である。

本実施形態におけるＤＣ電源１２の制御では、「シャッタ開」の時点に電力印加停止要求（電源電圧印加停止要求）までの時間（Ｃ）を加算したタイミングで電源電圧印加停止（電力印加停止信号：ＰＳ Ｏｕｔｐｕｔ Ｏｆｆ Ｃｏｍｍａｎｄ）を要求する必要がある。このため、この「シャッタ開」の時点に時間（Ｃ）を加えたタイミング（時間（Ｃ）が経過するタイミング）から所定時間減算した時点で電源状態読出しの停止処理（読出し停止処理：ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｓｔｏｐ）が行われる。なお、読出し停止処理は、電源状態読出し処理よりも優先度の高い命令として設定されている。

電源状態読み出しコマンド（ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｃｏｍｍａｎｄ）は、ＤＣ電源制御部１５からＤＣ電源１２に対する電源状態のデータ送信命令と、ＤＣ電源１２からＤＣ電源制御部１５に対する電源状態のデータ送信との往復の信号で構成されており、所定のサイクル（読み出しサイクル）を有している。

そのため、１サイクル分の読み出しサイクルに要する時間を、時間（Ｃ）が経過するタイミングから減算したタイミングに電源状態読出し処理を停止させることにより、電源電圧印加停止の命令が電源状態読出し処理の実行中にＤＣ電源１２に対して送信されることがなくなる。こうして、電源電圧印加停止を、時間（Ｃ）が経過するタイミングで確実にＤＣ電源１２は受信することができる。

なお、１サイクル分の読み出しサイクルとは、ＤＣ電源制御部１５からＤＣ電源１２に対する電源状態のデータ送信命令の繰り返し時間である。また、時間（Ｃ）が経過するタイミングから減算する時間は、１サイクル分の読み出しサイクルに要する時間に限られない、すなわち、１サイクルよりも長く２サイクル未満の時間であればよいものとする。

そして、ＤＣ電源制御部１５からの電源電圧印加停止要求に対して、電源電圧印加停止処理を即座に実行できるようにしているため、電源電圧印加停止タイミングの遅れ（Ｄ）を、最小限に留めて、精度の良い再現性を得ることができる。なお、シャッタが全開状態になった回転角度を回転角度検出部２１が検知したときを「シャッタ開」状態とする。

図２に示した各種制御信号のタイミングの説明図について具体的に説明する。
シャッタ開からの電源電圧印加停止要求までの時間（Ｃ）は、ＤＣ電源制御部１５に内蔵されているタイマーによって高精度に管理されている。そして、時間（Ｃ）が経過するタイミングから１回分の読み出しサイクルに相当する時間を減算したタイミングで、電源状態読出しコマンド処理の実行を停止させる（ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｓｔｏｐ）。

このため、電源状態読出しコマンド処理（ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｃｏｍｍａｎｄ）の終了を待つことなく、電源電圧印加停止要求（ＰＳ Ｏｕｔｐｕｔ Ｏｆｆ Ｃｏｍｍａｎｄ）を実行することができ、電源電圧印加停止要求から実行までのタイムラグ（Ｄ）を常に一定時間にすることができる。

電源状態読出しコマンド処理の停止についてさらに説明する。
電源状態の読出し処理の停止（ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｓｔｏｐ）は、ＰＬＣ内部（ＤＣ電源制御部１５）でＤＣ電源１２との通信停止フラグをＯＮさせて、通信停止フラグがＯＮの間は各種の処理命令送信を実行しないようにされている。

電源電圧印加停止要求（ＰＳ Ｏｕｔｐｕｔ Ｏｆｆ Ｃｏｍｍａｎｄ）により、通信停止フラグがＯＦＦ状態にされる。通信停止フラグがＯＦＦにされることより、各種の処理命令の送信処理が再開されるが、再開後1回目に送信されるコマンドは電源電圧印加停止要求（ＰＳ Ｏｕｔｐｕｔ Ｏｆｆ Ｃｏｍｍａｎｄ）とされているため、電源電圧印加停止要求は確実に実行される。その後、電源状態読出しコマンド処理（ＰＳ Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅａｄ Ｃｏｍｍａｎｄ）のサイクルが再開されることになる。

本実施形態においては、電源１２への電源電圧印加停止要求について説明したが、シャッタ機構であってもよい。例えば、時間（Ｃ）が経過するタイミングでシャッタ機構を回転させて基板１０とターゲット４，５を遮蔽する構成にすることができる。

１，１０１ 成膜チャンバ
２，１０２ 容器
３，１０３ 天井部
４，５，１０４，１０５ ターゲット
６，１０６ 回転駆動機構
７，１０７ 基板ホルダ
８ 排気ポート
９ 排気装置
１０ 基板
１１ ガス供給部
１２，１１２ ＤＣ電源
１３ 磁石ユニット
１４ シャッタ機構
１５，１１５ DC電源制御部
２１ 回転角度検出部
２２ シャッタ機構・回転駆動機構制御部
２３ 開閉駆動部

Claims (5)

1. 所定時間サイクルでカソード部に電力供給を行う電源の状態の読み出し処理を行う電源状態読み出し信号と、所定のタイミングで前記カソード部への電力供給を停止する処理を行う電力印加停止信号とを前記電源に対してシリアル通信によって送信する機能を有する電源制御部を備えて構成されているスパッタリング装置であって、
   前記電源制御部は、前記電源状態読出しの信号の送信を停止させる読出し停止処理を行って前記電源の状態の読み出し処理を停止させた後に、前記電力印加停止信号を送信することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記読出し停止処理は、前記カソード部への電力供給が停止される所定のタイミングから、前記電源の状態の読み出し処理が１サイクル行われる時間を減算したタイミングで行われることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 請求項１又は２に記載のスパッタリング装置を用いてスパッタリング成膜処理が行われることを特徴とするスパッタリング成膜方法。
4. 所定時間サイクルでカソード部に電力供給を行う電源の状態の読み出し処理を行う電源状態読み出し信号と、所定のタイミングで前記カソード部への電力供給を停止させる処理を行う電力印加停止信号とを前記電源に対してシリアル通信によって送信する機能を有するスパッタリング装置の電源制御方法であって、
   前記電源状態読み出し信号の送信を停止させる読出し停止処理を行って前記電源の状態の読み出し処理を停止させた後に、前記電力印加停止信号を送信する処理を行うことを特徴とするスパッタリング装置の電源制御方法。
5. 前記読出し停止処理は、前記カソード部への電力供給が停止される所定のタイミングから前記電源の状態の読み出し処理が１サイクル行われる時間を減算したタイミングで行われることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置の電源制御方法。