CN107614748A - 磁控溅射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能以简单的结构有效地抑制薄膜厚度分布的偏差的磁控溅射装置。本发明的磁控溅射装置(SM)具有真空室(1)和在该真空室中装卸自如的阴极单元(C)，阴极单元具有朝向真空室内设置的靶(2)和配置在靶的背对溅射面的一侧并在溅射面一侧产生漏磁场的磁铁单元(4)，还具有在溅射靶并对在真空室内与靶相对配置的处理基板(W)进行成膜期间，以靶中心为旋转中心旋转驱动磁铁单元的驱动源(44)；与在处理基板上形成薄膜时产生的薄膜厚度分布的偏差的方位相一致地在真空室或阴极单元的外壳(H)的外壁上局部设置使漏磁场作用在真空室内的辅助磁铁单元(5)。

Description

磁控溅射装置
技术领域
本发明涉及一种磁控溅射装置。
背景技术
在NAND型闪存这类的新一代半导体器件的制造工艺中，为了形成氧化铝膜等绝缘膜，使用磁控溅射装置。作为磁控溅射装置，已知的装置是：具有真空室和在该真空室中装卸自如的阴极单元，阴极单元具有朝向真空室内设置的靶和配置在靶的背对溅射面的一侧并在溅射面一侧产生漏磁场的磁铁单元，具有在溅射靶并对在真空室内与靶相对配置的处理基板进行成膜期间，以靶中心为旋转中心旋转驱动磁铁单元的驱动源(例如参照专利文献1)。
已知在使用这样的磁控溅射装置进行成膜时，设置在真空室中的排气口的位置和气体导入口的位置会导致在处理基板上形成的薄膜的薄膜厚度分布上产生偏差。在新一代的半导体器件中，要求将薄膜厚度面内分布控制在例如不到1％，为了满足该要求，重要的是如何抑制薄膜厚度分布的偏差。此时，可以考虑构成为使磁铁单元的磁铁向一个方向自如地移动。但存在装置构造复杂化的问题。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】专利公开平成5－209268号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
基于上述认知，本发明要解决的技术问题是提供一种能以简单的结构有效地抑制薄膜厚度分布的偏差的磁控溅射装置。
解决技术问题的手段
为解决上述技术问题，本发明的磁控溅射装置具有真空室和在该真空室中装卸自如的阴极单元，阴极单元具有朝向真空室内设置的靶和配置在靶的背对溅射面的一侧并在溅射面一侧产生漏磁场的磁铁单元，所述磁控溅射装置的特征在于：具有在溅射靶并对在真空室内与靶相对配置的处理基板进行成膜期间，以靶中心为旋转中心旋转驱动磁铁单元的驱动源，与在所述处理基板上形成薄膜时产生的薄膜厚度分布的偏差的方位相同地在真空室或阴极单元的外壳的外壁上局部设置使漏磁场作用在真空室内的辅助磁铁单元。
采用本发明，在辅助磁铁单元产生的漏磁场的作用下，可有效抑制在处理基板上形成的薄膜的薄膜厚度分布偏差，其结果是可改善薄膜厚度面内分布。而且，无需设计成使磁铁单元向一个方向移动的复杂结构，以简单的装置结构就能实现。
然而，靶是绝缘材料制成的，研究人员发现当在该绝缘材料制成的靶在与内部设置有冷媒循环通道的支撑板相接合的状态下设置在阴极单元上，并施加高频电力溅射靶进行成膜时，从支撑板的冷媒循环通道排出冷媒的部分的薄膜厚度变薄。研究人员认识到这是由于高频电力在从冷媒循环通道排出冷却水的流出口附近被消耗，等离子体的阻抗局部降低导致的。
因此，在本发明中，通过将辅助磁铁单元配置为跨过从靶中心经流出口而延伸的线与真空室的外壁的交点，使流出口附近的等离子体的阻抗增加，可有效抑制薄膜厚度分布的偏差。本发明的发明人等经过实验，确认可将薄膜厚度面内分布控制在不到0.6％。
附图说明
图1是本发明的实施方式的磁控溅射装置的剖面示意图。
图2是沿图1的II－II线的剖面示意图。
图3(a)和(b)是确认本发明效果的实验结果的图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式的磁控溅射装置进行说明。以下内容以图1为基准，以真空室1的内顶部侧为“上”，以其底部侧为“下”进行说明。
如图1所示，磁控溅射装置SM具有限定处理室1a的真空室1。在真空室1的底部设置有排气口11，该排气口11经排气管12与由涡轮分子泵或旋转泵等构成的真空泵P连接，可将处理室1a抽真空到规定压力(例如1×10－5Pa)。在真空室1的侧壁上设置有气体导入口13，该气体导入口13上连接有与省略图示的气源相连通的插设有质量流量控制器14的气管15，能以规定流量将氩气等稀有气体构成的溅射气体导入处理室1a内。
在真空室1的底部与下述的靶相对配置基板台架16。基板台架16具有未图示的公知的静电卡盘，通过向该静电卡盘的电极施加规定电压可将待处理基板W以其成膜面向上的方式吸附保持在基板台架16上。
阴极单元C装卸自由地设置在真空室1的内顶部。阴极单元C具有朝向真空室1内(处理室1a)设置的靶2、经铟和锡等粘接材料而结合在靶2的背对溅射面2a的面上的支撑板3，以及配置在靶2的背对溅射面2a的一侧上并在溅射面2a一侧产生漏磁场的磁铁单元4。支撑板3和磁铁单元4被外壳H围绕。靶2是根据要形成的薄膜的成分而适当选择的氧化铝(Al2O3)等绝缘材料制成的，使用公知的方法制成例如在平面中为圆形。在靶2上连接有作为溅射电源E的来自高频电源的输出，在溅射时施加高频电力。支撑板3是由热传导良好的Cu等金属制成的，在内部形成有冷媒循环通道31，同时，在上壁上设置有冷媒的流入口32和流出口33。可从流入口32向冷媒循环通道31供给由图外的冷却机供给的冷媒(例如冷却水)，一边从流出口33排出已在冷媒循环通道31中循环过的冷媒，一边能够通过与冷媒的热交换冷却靶2。作为磁铁单元4，具有磁轭41、在磁轭41的下面环形排成一列设置的磁化极性相同的多个第一磁铁42和环形排成一列设置为围绕在第一磁铁42的周围的与第一磁铁42磁化极性相同的多个第二磁铁43。在磁轭41的上表面连接有驱动源44的驱动轴44a，溅射靶2形成薄膜期间，能以靶2中心为旋转中心旋转驱动磁铁单元4。
上述磁控溅射装置SM具有包括微型计算机或定序器等公知的控制装置，集成控制质量流量控制器10的作业、真空排气手段P的作业、驱动源44的驱动、冷却机的驱动等。下面以形成氧化铝膜的情况为例，对使用上述溅射装置SM的溅射方法进行说明。
将配置有氧化铝制成的靶2的真空室1内抽真空到规定的真空度(例如1×10－ 5Pa)，通过图外的运输机器人将基板W运送到真空室1内，将基板W传递给基板台架16，并静电吸附在其上。接着，以例如150～250sccm的流量将作为溅射气体的氩气导入(此时的真空室1内的压力是2～4Pa)，通过从溅射电源E向靶2施加高频电力(例如13.56MHz、4kW)，在真空室1内形成等离子体。由此，靶2的溅射面2a被溅射，飞散的溅射粒子附着堆积在基板W的表面上形成氧化铝膜。
此处，虽然磁铁单元4的第一磁铁42和第二磁铁43的位置设置为使在处理基板W上形成的氧化铝膜的薄膜厚度面内分布良好，但已知由于排气口11的位置或气体导入口13的位置，导致处理基板W上形成的薄膜的薄膜厚度分布产生偏差。在本实施方式中，发现在从支撑板3的冷媒循环通道31排出冷媒的流出口33的部分上的薄膜厚度薄，结果是薄膜厚度分布发生偏差。
因此，在本实施方式中，与薄膜厚度分布的偏差的方位一致地，即跨过从靶2的中心经流出口33而延伸的线与真空室1的外壁的交点Cp在真空室1的外壁上局部设置辅助磁铁单元5。辅助磁铁单元5可由在周方向上排成一列设置的多个(在本实施方式中是四个)磁铁51构成。此外，为了限定薄膜厚度的控制范围，形成非发散磁场的闭合磁场，所以优选这些多个磁铁51各自成对。
采用以上所述的实施方式，通过辅助磁铁单元5在真空室1内产生的漏磁场的作用，增加流出口附近的等离子体的阻抗，可有效抑制薄膜厚度分布的偏差，其结果是可改善薄膜厚度面内分布。并且无需使磁铁单元4在一个方向上移动自如的复杂机构，以辅助磁铁单元这一简单的结构就能实现，可抑制设备成本增加，是有利的。
接着，为了确认上述效果，使用上述磁控溅射装置SM进行了接下来的实验。在发明实验中，使用φ300mm的硅基板作为处理基板W，使用φ400mm的氧化铝制成的产品作为阴极单元C的靶2。组装该阴极单元C，如图2所示地将辅助磁铁单元5的四个磁铁51跨过交点Cp设置在真空室1的外壁上。并且，在将处理基板W装设在真空室1内的基板台架16上后，以40rpm的旋转速度旋转磁铁单元4，并同时以200sccm的流量向真空室1内导入氩气(此时处理室1a内的压力是3Pa)，向靶2施加4kW的13.56MHz的高频电力从而产生等离子体，通过溅射在处理基板W上形成氧化铝膜。所形成的氧化铝膜的平均薄膜厚度是45.61nm，薄膜厚度面内分布(σ)是0.55％，如图3所示，在基板面内由线连接的具有同一薄膜厚度的部分大致呈同心圆形，确认薄膜厚度面内分布的偏差受到抑制。此外，图3(a)所示的方向与图2所示的方向相对应。
为了与上述发明实验相比较而进行了比较实验。在比较实验中，除没有设置辅助磁铁单元5这一点之外，均使用与上述发明条件相同的条件形成氧化铝膜。形成的氧化铝膜的平均薄膜厚度是46.16nm，薄膜厚度面内分布(σ)是1.19％，如图3(b)所示，已确认与流出口33对应的左侧部分的薄膜厚度薄，越向右侧薄膜厚度越厚这一薄膜厚度分布的偏差。根据上述发明实验和比较实验，可知通过在真空室1的外壁上局部设置辅助磁铁单元5，可抑制薄膜厚度分布的偏差，进而可使薄膜厚度面内分布大幅改善而达到低于0.6％。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。在上述实施方式中，是以在真空室1的外壁上设置辅助磁铁单元5的情况为例进行的说明，但也可设置为与薄膜厚度分布的偏差的方位相一致地设置在外壳H的外壁上。再有，在上述实施方式中，辅助磁铁单元5由四个磁铁51构成，但只要根据使漏磁场起作用的范围适当设置磁铁51的个数即可。
再有，在上述实施方式中，以氧化铝为例说明了靶2的材质，但并不仅限于此，也可选择MgO、SiC、SiN等绝缘物，再有，可选择Ti、Cu、Al等金属。使用金属制成的靶2时，只要使用公知的直流电源作为溅射电源E即可。
附图标记说明
SM…磁控溅射装置、C…阴极单元、Cp…从靶中心2c经流出口33而延伸的线与真空室1的外壁的交点、H…外壳、W…处理基板、1…真空室、2…靶、2a…溅射面、2c…靶2的中心、3…支撑板、31…冷媒循环通道、32…流入口、33…流出口、4…磁铁单元、5…辅助磁铁单元。

Claims (2)

1.一种磁控溅射装置，其具有真空室和在该真空室中装卸自如的阴极单元，阴极单元具有朝向真空室内设置的靶和配置在靶的背对溅射面的一侧并在溅射面一侧产生漏磁场的磁铁单元，还具有在溅射靶并对在真空室内与靶相对配置的处理基板进行成膜期间，以靶中心为旋转中心旋转驱动磁铁单元的驱动源，所述磁控溅射装置的特征在于：
与在所述处理基板上形成薄膜时产生的薄膜厚度分布的偏差的方位相同地在真空室或阴极单元的外壳的外壁上局部设置使漏磁场作用在真空室内的辅助磁铁单元。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于：
所述靶是绝缘材料制成的，将该靶在与内部设置有冷媒循环通道的支撑板相接合的状态下设置在阴极单元中；
在施加高频电力溅射靶进行成膜时，从设置在支撑板的上壁上的冷媒流入口向冷媒循环通道中供给冷媒，从设置在该上壁上的冷媒流出口排出的同时通过与冷媒进行热交换来冷却靶；
所述磁控溅射装置的特征在于：
所述辅助磁铁单元配置为跨过从靶中心经流出口而延伸的线与真空室的外壁的交点。
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