JPH02282474A - スパッタリング成膜装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体集積回路の製造工程の一部に使用され
ている薄膜形成装置のうち、真空排気された容器内で、
グロー放電によりプラズマを発生させ、このシース電圧
によって発生するスパッタリング現象を用いて薄膜を形
成するスパッタリング成膜装置に関する。

［従来の技術］ 従来スパッタリング成膜装置は、主に半導体集積回路（
以下ＩＣ）内の配線に使われるｌｅ薄膜の成膜用に用い
られている。

最近の技術進歩によるＩＣの超微細化などにともない、
Ａ１薄膜の成膜にもさまざまな要求が出されている。ま
た、Ｓｉｎ、などＡ１以外の物質の成膜にも利用されだ
している。

初期のスパッタリング成膜装置は、真空、チャンバー内
に、被薄膜形成物であるウェハとターゲットを対向して
配置し、この間にＤＣかＲＦ電力を印加するだけの簡単
なものであった。その後、ウェハの大量処理に対応する
ため、複数のウェハをまとめて処理するバッジ式装置が
開発された。そして現在では、薄膜物質の高品質化への
要求と、マグネトロン放電スパッタによる高速成膜の提
案により、枚葉式プレーナマグネトロンスパッタリング
装置が生産装置の主流になっている（「薄膜作成の基礎
」麻藤立男著日刊工業新聞１１９頁）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、現在以下に示す事柄が問題となっている
。

一般にスパッタリングによる薄膜形成時は、成膜前にウ
ニ八表面をＡｒスパッタｉｓによるクリーニングを行う
。しかし、クリーニングされたウニ八表面は、極く短時
間のうちに真空容器内。

残留ガス（主にＨｘ　Ｏ，Ｎ２．Ｃｏ２）により汚染さ
れる。この汚染は配線用Ａｎ膜の場合だと、ウニ八表面
とアルミ配線間に、酸化物、窒化物を形成し、オーミッ
クコンタクトを妨害する。さらに、ターゲットを交換す
る際、成膜室を大気に開放する必要がある。この時に成
膜室の壁にＮ２０．Ｎ２　、ＣＯ２など大気中のガス分
子が吸着する。この結果、成膜中に壁に吸着していたＮ
２０．Ｎ２　、ＣＯ２などのガスが脱離し、成膜してい
る膜の中に不純物として混入したり、ターゲット表面に
付着して、プラズマを不安定にする原因となっている。

そこで従来はこれらを避けるためにもターゲット交換後
長時間の排気が必要となっていた。

また、スパッタリングされたターゲット材の一部は、成
膜室の壁へ付着し、ターゲット交換あるいはウェハ交換
時成膜室内の圧力が上昇すると、パーティクルとして再
脱離する。これはＩＣ工程などの歩留り率を悪化する要
因となっている。

［発明の目的］ そこで本発明の目的は、真空容器内の残留加入による汚
染をなくし堆積膜の膜質を向上させると共に、ウェハと
堆積膜界面での接合特性を大巾に改良することが可能な
スパッタリング成膜装置を提供することにある。

また本発明の別の目的は、ターゲットの交換を真空中で
容易に行ない、不純物の汚染の影響のない堆積膜の成膜
準備を短時間で行なうことのできる稼働率の高いスパッ
タリング成膜装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、パーティクルの発生をおさ
え、工程の歩留り率を大きくするスパッタリング成膜装
置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、成膜室と、ウェハクリーニング室と、
ウェハ及びターゲット搬送装置を備えた搬送室と、該ウ
ェハ及びターゲットを大気中から装置内に導入する導入
室とを設けたスパッタリング成膜装置に存在する。

［作用］ 以下に本発明の構成、作用を本発明をなすに際して得た
知見とともに説明する。

前記の問題点を解決するために、本発明者は以下の事柄
を考えた。

■クリーニング後、ウェハ表面に不純物ガスが付着する
前に成膜してしまう、すなわち、真空容器内の残留ガス
分子を減らし、ウェハ表面に不純物ガスが到達しないよ
うにする。

上記のことは、次の式により示される。

ウェハ表面に入射するガス分子数Ｚは、Ｚ　（ｃｍ−２
−ｓ　ｅ　ｃ　−’） ＝ｎ（８ＲＴ）”’　／４πｍ”・・”　（１）ｎ：ガ
ス分子密度 Ｒ：気体定数 ｍ：ガス分子の質量 により得られ、ウェハ表面に付着する量は２に付着係数
をかけることで得られる。不純物ガス分子がウェハ表面
を覆うのに必要な時間は（１）より得られたＺより以下
の式より得られ る。

ｔ　　（ｓｅｅ） ＝５ｘｌＯ”（ｃｍ−２）／　（Ｚｘａ）−・−ぐ２）
ａ：付着係数（Ｈ，Ｏで約０．９） −ｍに、ウェハをクリーニング後成膜を開始するまでの
時間に６０ｓｅｃ程度必要である。搬送室内の圧力を５
Ｘ１０−１０ｔｏｒｒにすると、ウェハ表面の汚染は主
な残留ガスが１（２０と仮定すると（１）、（２）式よ
り５０００ｓｅｃでウェハ表面を覆うことになる。よっ
て、５Ｘ１０−”ｔｏｒｒに搬送室を保てばウェハ表面
の汚染は１％程度になり無視できる。

■ターゲットを交換する際、成膜室を大気開放しない、
すなわち、ターゲットをウェハと同様に導入室、搬送室
を経て成膜室に導入し、ターゲットホルダ−に固定する
。

■成膜室壁に付着したターゲット物質を除去するために
、成膜室壁のターゲット物質が一定の厚みに達した時タ
ーゲットとウェハを搬送室に取り出し、成膜室内をプラ
ズマエツチングによりクリーニングする。成膜室のクリ
ーニング終了後、再びターゲットを成膜室内のターゲッ
トホルダーに固定して、成膜を行なう。

成膜室壁に付着したターゲット物質は２０００〜３００
０μｍの厚みになると、パーティクル発生源となる。よ
って、前記付着部の厚さが２０００μｍになった時、成
膜室をクリーニングすることが最も経済的である。一般
にプラズマエツチングでＡｌｌ及びＳｉ等をエツチング
する際、エツチングレートは１μｍ／ｍｉｎ程度である
。よって成膜室のプラズマエツチングによるクリーニン
グには、１時間程度必要である。成膜室クリーニング中
は、ターゲットは搬送室に保持されるため、ターゲット
表面は搬送室内の残留ガスにより汚染される。これを避
けるには、（２）式より、搬送室の圧力を５ｘｔｏ−”
　ｔｏｒｒ程度にする必要がある。搬送室内の圧力を５
×１０−”ｔｏｒｒに保つことでターゲット表面は、１
時間放置された後でも１％程度しか汚染されず、すぐ成
膜を始められる。ウニ八交換時より、成膜室クリーニン
グ時の方が低圧にする必要がある。尚、ターゲットのプ
レスパツタリングによる表面クリーニングを併用すれば
汚染度１０％程度の１０−”ｔｏｒｒ程度でも場合によ
り実施可能であることは容易に類推される。

■・以上の条件を満たすためには、搬送室に大気中から
ウェハ及びターゲットを導入するための独立して真空排
気できる導入室が必要となる。また、導入室と搬送室間
のウェハ及びターゲットの受は渡しは、導入室と搬送室
を垂直に配置し、真空シールされたトランスファーロッ
ドの昇降運動で行なうことが、かんたんで信頼性の高い
構成となる。

■導入室と搬入室間のウェハ及びターゲットの受は渡し
は、ターゲットが軽い場合や磁束密度の大きい磁気結合
を用いた場合は、磁気結合方式トランスファーロッドが
使用可能であるが、ウェハと比較してターゲットが非常
に重い場合、マグネットカップル方式のトランスファー
ロッドでは、各昇降運動の再現性が良くない。

より好ましくはベローズで真空シールされ、モーターに
より大気中から駆動できる機構にすることによって信頼
性が向上される。

■搬送室と成膜室または搬送室とエツチング室間のウェ
ハ及びターゲットの搬送は、水平運動で十分信頼性を得
られることから、より表面積の少ないマグネットカップ
ル方式のトランスファーロッドで搬送する方が、１０−
”ｔｏｒｒ台の圧力を得ることができる。

また、成膜室、エツチング室のウェハホルダー及びター
ゲットホルダーとトランスファーロッド間のウェハ及び
ターゲットの受は渡しは、トランスファーロッド全体を
水平に保ちつつ昇降運動させることで容易に可能となる
。成膜室と搬送室間用のトランスファーロッドのウェハ
及びターゲット保持は１つのロッドの先端に、上下に並
べて設置することで、ウェハ及びターゲットを同時に搬
送でき、また同じ動作で両方の搬送が可能で装置の簡略
化によって信頼性を増すことができる。

［実施例］ 以下、図面によって本発明のスパッタリング成膜装置を
詳細に説明する。

第１図〜第３図に本発明を実施した装置の図を示し、第
４図にウェハ及びターゲット交換時の各部分の動作を示
す。

この動作により搬送室、成膜室、エツチング室の各室が
真空に保持され、成膜室と搬送室の圧力を１０−”ｔｏ
ｒｒ以下に保持することが可能となる。

ウェハ交換時の各部分の動作について順を追って説明す
る。第４図（１）〜（１０）は第１図のへ方自からみた
断面である。

第４図（１）　テーブル３上にウェハを設置し、導入室
１４を真空排気する。

第４図（２）　導入室１４の圧力が１Ｏ−ａｔｏｒｒ台
になった後、ゲートバルブ４を開き、ウェハを搬送室に
サンプル昇降垂直移動用トランスファーロッド２（以下
「トランスファーロッド２」と略す）で送り込む、この
時エツチング室・搬送室間水平８勤用トランスファーロ
ッド１（以下「トランスファーロッド１」と略す）がウ
ェハの下に移動する。

第４図（３）　トランスファーロッド２が下降し、ウェ
ハはトランスファーロッド１に乗っている。そしてゲー
トバルブ４は閉まる。

第４図（４）　ゲートバルブ７が開き、トランスファー
ロッド１はウェハを乗せたままたウェハホルダー６の上
まで進む。

第４図（５）　トランスファーロッド１は水平に保持さ
れたまま下降し、ウェハは、ウェハホルダー６の上に置
かれる。

第４図（６）　トランスファーロッド１は、下降したま
まエツチング室５を出て、第４図（１）の位置にもどる
。その後ゲートバルブ７は閉まる。エツチング室に置か
れたウェハはここでＡｒまたは活性ガスのプラズマによ
りプラズマエツチングされる。その間搬送室には排気さ
れ１ｏ−１１ｔｏｒｒに保持される。

第４図（７）　ウェハエツチング終了後ゲートバルブ７
が開き、トランスファーロッド１１が水平に下降したま
まウェハの下に移動する。

第４図（８）　トランスファーロッド１が水平に上昇し
ウェハを持ち上げる。

第４図（９）　トランスファーロッド１はウェハを乗せ
たまま搬送室に戻り、テーブル５の上で止まる。ゲート
バルブ７は閉まる。

第４図（１０）　テーブル５が上昇し、ウェハをトラン
スファーロッド１から持ち上げる。そしてトランスファ
ーロッド１は第４図（１）の位置に戻る。

第４図（１１）〜（２０）は図−１のＢ方向から見た断
面図である。

第４図（１１）　ゲートバルブ８が開き成膜室・搬送室
間水平移動用トランスファーロッド１ｔ（以下「トラン
スファーロッド１１」と略す）は水平に下降したままウ
ェハホルダー１０上のウェハの下にウェハ用フォークを
差し込む。

（図中黒いウェハは成膜済、白いウェハは成膜前のもの
を示す） 第４図（ｔ　２）　　トランスファーロッド１１が上昇
し、ウェハを持ち上げ搬送室に戻る。ゲートバルブ８は
閉まる。

第４図（１３）　テーブル５が上昇し、ウェハをトラン
スファーロッドから持ち上げる。そしてトランスファー
ロッド１１は第４図（１）の位置に戻る。

第４図（１４）　テーブル５が回転し、トランスファー
ロッド２の上にエツチングが終わったウェハが来る。

第４図（１５）　テーブル５が上昇し、トランスファー
ロッド１１が前進し、ウェハトランスファーロッド１１
のウェハ用フォークがテーブル５上の新しいウェハの下
に位置させる。その後テーブル５が下降し、ゲートバル
ブ８が開く、そして、トランスファーロッド１１が成膜
室に前進し、ウェハホルダー６の上で停止する。そして
、トランスファーロッド１１が水平に下降し、ウェハホ
ルダー６の上にウェハを置く、その後トランスファーロ
ッド１１が第４図（１）の位置に戻り、ゲートバルブ８
が閉じ、成膜可能な状態になる。

第４図（１６）　ゲートバルブ８が閉じたら、テーブル
５を回転し、成膜済のウェハ（図中の黒色のウェハ）が
トランスファーロッド２の上になる位置で止める。

第４図（１７）　テーブル５が上昇する。その後、トラ
ンスファーロッド１１を前進し、トランスファーロッド
１１のウェハ用フォークがウェハの下になる位置で止め
る。その後、テーブル５を下降する。

第４図（１８）　テーブル５を回転させ、ゲートバルブ
４の上にテーブル５の切れ込み部が来るようにする。そ
してゲートバルブ４が開き、トランスファーロッド２が
上昇し、ウェハをトランスファーロッド１１から持ち上
げる。

第４図（１９）　　）−ランスファーロッド１１が第４
図（１）の位置に戻る。

第４図（２０）　　ウェハを支えているトランスファー
ロッド２がテーブル３の下まで下降し、ウェハをテーブ
ル３の上にのせる。そしてゲートバルブ４が閉じる。

次にターゲット交換時の各部の動作について説明する。

第５図（１）　テーブル３の上に新しいテーブルを設置
して導入室１４を排気する。

第５図（２）　導入室１４が１０−’ｔｏｒｒ台の圧に
なったらゲートバルブ４を開き、トランスファーロッド
２を上昇させターゲットを、トランスファーロッド１１
より高い位置に持ち上げる。

そしてトランスファーロッド１１をトランスファーロッ
ド１１のターゲット用フォークがターゲットの下に位置
するよう前進させる。

第５図（３）　トランスファーロッド２を下降させ、タ
ーゲットをトランスファーロッド１１の上に乗せる。そ
の後ゲートバルブ４を閉じる。そしてテーブル５を回転
させサンプルホルダ一部がゲートバルブ４の上の位置に
なるようにする。

第５図（４）　テーブル４を上昇させトランスファーロ
ッド１１の上にあるターゲットを持ち上げる。

第５図（５）　トランスファーロッド１１を第５図（１
）の位置に戻し、ターゲットを載せたテーブル５を下降
させ、ゲートバルブ４の上にテーブル５のサンプルホル
ダ一部が位置するよう回転させる。

第５図（６）　ゲートバルブ８を開き、トランスファー
ロッド１１のターゲット用フォークがターゲットホルダ
ー９の下になるよう前進させる。そしてトランスファー
ロッド１１を水平に上昇させターゲットホルダーに保持
されているターゲットに接触させる。その後、ターゲッ
トホルダー９に埋め込まれている静電チャックの電源を
切りターゲットをトランスファーロッド１１の上に落と
す。

第５図（７）　ターゲットを載せたトランスファーロッ
ド１１をテーブル５のサンプルホルダ一部の上まで後退
させゲートバルブ８を閉じる。

第５図（８）　テーブル５を上昇させターゲットをトラ
ンスファーロッド１１から持ち上げ、トランスファーロ
ッド１１を第５図（１）の位置まで戻す。

第５図（９）　テーブル５を回転させ、新しいウェハが
ゲートバルブ４の上に位置するようにする。

第５図（１０）　テーブル５を上昇させ、トランスファ
ーロッド１１を前進させトランスファーロッド１１のタ
ーゲット用フォークが新しいターゲットの下になるよう
にする。そしてテーブル５を下降させ、ゲートバルブ８
を開き、ターゲットをターゲットホルダーｌＯの下にく
るようトランスファーロッド１１を前進させ、その後ト
ランスファーロッド１１を上昇させターゲットホルダ９
に接触させ、その後ターゲットホルダー９に埋め込まれ
ている静電チャックに電圧を引加し、ターゲットを固定
する。そしてトランスファーロッド１１を下降させてか
ら第５図（１）の位置まで戻しゲートバルブ８を閉じる
。

以上水した実施例中の全部及び一部を用いることぞ、タ
ーゲット及びウェハの交換、また成膜室のクリーニング
時にターゲット及びウェハを搬送室に保持する事が可能
になる。その結果、成膜室、搬送室の壁は常に清浄に保
たれ長時間連続して良質な成膜が可能になる。

［発明の効果］ 以上説明した様に、スパッタリング成膜装置において、
成膜室とウェハクリーニング室とウェハ及びターゲット
搬送装置を備えた搬送室と、ウェハ及びターゲットを大
気中から装置内に導入する導入室から構成され、成膜室
と搬送室の圧力を１０−”ｔｏｒｒ以上に排気すること
によって不純物ガスによる堆積への影響を除くことがで
きる。

また、ウェハ及びターゲットをフォークを先端に設けた
直線導入機によって上記導入室から搬送室を経て成膜室
までの間を搬送することができる為、高真空下でのウェ
ハ及びターゲット交換が容易となる。

さらにまた、搬送室にターゲッ゛トを複数保持できるホ
ルダーを有する為、連続多層膜積層や多種材料の堆積が
真空を破らずに再現性よく、短時間で行なうことができ
る。

さらにまた、成膜室と搬送室間を磁気結合による水平移
動用直線導入機、導入室と搬送室の間をベローズシール
による垂直移動用直線導入機で行なうことによって、高
信頼性の装置が簡単な構成で得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による装置全体の構成を示す図、第２
図は、第１図中Ａ方向から見た断面図、第３図は、第１
図中Ｂ方向から見た断面図、第４図は、ウェハの交換時
の各部の動きを説明する図、第５図は、ターゲットの交
換時の各部の動きを説明する図、第６図は、第１図、第
３図におけるトランスファーロッド１１のサンプル保持
用フォークで、ａは横から見た図でｂは上から見た図で
ある。 １・・・水平移動用トランスファーロッド（エツチング
室、搬送室間）、２・・・垂直移動用トランスファーロ
ッド（サンプル昇降用）、３・・・導入室用サンプルテ
ーブル、４・・・ゲートバルブ、５・・・搬送室用サン
プルテーブル、６・・・エツチング用ウェハホルダー　
７・・・ゲートバルブ、８・・・ゲー・トバルブ、９・
・・ターゲットホルダー　１０・・・成膜用ウェハホル
ダー　１１・・・水平移動用トランスファーロッド（成
膜室・搬送室間）、１２・・・搬送室、１３・・・成膜
室、１４・・・導入室、１５・・・エツチング室、１６
・・・導入室ドア、１７・・・トランスファーロッド昇
降用シリンダ、１８・・・トランスファーロッド昇降用
シリンダ、１９・・・ゲートバルブ動作用シリンダ、２
０・・・トランスファーロッド昇降用モーター　２１・
・・テーブル昇降用モータ、２２・・・テーブル回転用
モーター、２３・・・クライオポンプ、２４・・・クラ
イオポンプ、２５・・・クライオポンプ、２６・・・真
空計、２７・・・真空計、２８・・・真空計、２９・・
・テーブル回転用モーター　３０・・・ゲートバルブ動
作用シリンダ、３１・・・ゲートバルブ動作用シリンダ
、３２・・・クライオポンプ、３３・・・ウェハ加熱用
ヒーター　３４・・・ヒーター用電源、３５・・・ター
ゲット保持用静電チャック、３６・・・静電チャック用
電源、３８・・・スパッタ用高周波電源、３９・・・ト
ランスファーロッド昇降用ベローズ、４０・・・トラン
スファーロッド昇降用ベローズ。 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ターゲット材の表面に、Ａｒなど不活性なガスの
   イオンを電界で加速して照射し、これによりスパッタリ
   ングされたターゲット材の粒子を被薄膜形成物である半
   導体ウェハの表面に付着させ、薄膜を形成するスパッタ
   リング成膜装置において、成膜室と、ウェハクリーニン
   グ室と、ウェハ及びターゲット搬送装置を備えた搬送室
   と、該ウェハ及びターゲットを大気中から装置内に導入
   する導入室とを有していることを特徴とするスパッタリ
   ング成膜装置。 （２）成膜室と搬送室を水平面上に配置し、該搬送室と
   該導入室を垂直面上に配置し、該成膜室と該搬送室間及
   び該搬送室と該導入室間を、該ウェハ及び該ターゲット
   が通過可能な開口径を持つバルブで接続したことを特徴
   とする請求項１のスパッタリング成膜装置。（３）成膜
   室と搬送室の圧力を１０＾−＾１＾０ｔｏｒｒ以下に排
   気する事を特徴とした請求項１または請求項２のスパッ
   タリング成膜装置。 （４）前記成膜室と前記搬送室間の前記ウェハ及び前記
   ターゲットの水平移動は、磁気結合による水平移動用ト
   ランスファーロッドで行ない、該搬送室と前記導入室間
   の該ウェハ及び該ターゲットの移動は、ベローズシール
   による垂直移動用トランスファーロッドで行なうことを
   特徴とした請求項１乃至請求項３のスパッタリング成膜
   装置。 （５）ウェハ支持部及びターゲット支持部は、前記ウェ
   ハ用及び前記ターゲット用に、各々異なるフォークを該
   水平移動用トランスファーロッドの先端に取付けてある
   ことを特徴とした請求項４のスパッタリング成膜装置。 （６）前記水平移動用トランスファーロッドと前記搬送
   室との接合部は、ベローズで接合してあり、前記ウェハ
   及び前記ターゲットの着脱は、該ベローズの弾性範囲内
   で該水平移動用トランスファーロッドを上下運動させる
   か、又は、該水平移動用トランスファーロッドの角度を
   変える事によって行なう事を特徴とした請求項４または
   請求項５のスパッタリング成膜装置。 （７）該搬送室内に、前記ターゲットを複数保持できる
   ホルダーを持つ事を特徴とした請求項１乃至請求項３の
   スパッタリング成膜装置。