JP2005002382A - マグネトロンユニット及びスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーハングを抑制でき、且つ、ボトムカバレッジを向上できるマグネトロンユニット及びそれを備えたスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】マグネトロンユニット３０は、円形のベースプレート３２と、ベースプレート３２の下面３２ａ上に所定の配列で固定されたアウターマグネット３４ｏ及びインナーマグネット３４ｉとを備える。アウターマグネット３４ｏは、インナーマグネット３４ｉを取り囲むように環状に配置された第１アウターマグネット３４１と、第１アウターマグネット３４１の外方周囲に配置された第２アウターマグネット３４２とを有する。アウターマグネット３４ｏの総磁気量は４１であり、インナーマグネット３４ｉの総磁気量は２である。したがって、インナーマグネット３４ｉに対するアウターマグネット３４ｏの総磁気量は２０．５倍であり、４倍以上となっている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロンユニット及びスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおける成膜技術としてスパッタイオンプレーティング（ＳＩＰ）がある。このプロセスを実施する装置として、マグネトロン方式のスパッタリング装置が広く用いられている。このスパッタリング装置は、スパッタターゲットと、スパッタターゲットのエロージョン面に対向配置されたウエハ支持台と、スパッタターゲットの裏面に設けられたマグネトロンユニットとを備える。このようなスパッタリング装置では、プロセスガスをチャンバ内に導入し、スパッタターゲットの近傍においてプラズマを発生させることによってスパッタターゲットからスパッタ粒子を生じさせる。このスパッタ粒子がウエハ上に到達し、これによって成膜が進行する。
【０００３】
マグネトロンユニットは、スパッタターゲットの裏面側にスパッタターゲットに対して平行且つ同軸に配置された円形のベースプレートと、このベースプレートの下面に固定された外側のマグネット部及び内側のマグネット部とから構成されている。外側のマグネット部から延びる磁力線は、スパッタリング装置のチャンバ内を通過し、内側のマグネット部に向かうか又は外側のマグネット部に戻ることで閉ループ磁場を形成する。このようにしてチャンバ内に磁場を形成することでスパッタターゲット表面近傍にプラズマを発生させる。かかるマグネトロンユニットとして、例えば、外側のマグネット部の磁気量が内側のマグネット部の磁気量よりも大きいものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
国際公開第０１／００２６１９号パンフレット
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体デバイスの設計ルールの微細化に伴い、高アスペクト比のコンタクトホール若しくはビアホールといった接続孔、又は高アスペクト比のトレンチに対してスパッタリング成膜することは更に困難を極めている。具体的には、オーバーハングを抑制し、凹部の底部におけるカバレッジ（ボトムカバレッジ）を向上させる必要性がこれまでにも増して顕著となっている。かかる状況下、従来よりも格段に優れた成膜特性を有するスパッタリング装置が切望されている。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、オーバーハングを抑制でき、且つ、ボトムカバレッジを向上できるマグネトロンユニット及びそれを備えたスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者らは鋭意検討を行った。その結果、オーバーハングを抑制し、且つ、ボトムカバレッジを向上させるためには、チャンバ内に形成される磁場のうち、マグネトロンユニットから基体に向かう垂直方向の磁場成分（垂直磁場成分）を強化すること、すなわちチャンバ内における磁場の指向性を向上させることが有効であることを見出した。
【０００８】
一般に、プラズマ中の電子は磁力線方向すなわち磁場方向に沿って螺旋状に運動する。この為、チャンバ内の垂直磁場成分を強化すると、プラズマ中の電子は主に垂直方向に運動することになる。換言すれば、チャンバの側壁方向に向かう水平方向の磁場成分（水平磁場成分）が減弱されるので、プラズマ中の電子が側壁方向に拡散し難くなる。その結果、垂直磁場成分がいわば「防壁」として機能するので、プラズマは垂直磁場成分によって一定の制限された空間に閉じ込められ得る。こうなると、水平方向に沿った断面におけるプラズマ（シース）の外径寸法は小さくなり、水平方向に圧縮され、且つ、垂直方向に伸張されたような略楕円体状を成すと考えられる。
【０００９】
その結果、プラズマ中のスパッタ粒子の指向性が向上し、スパッタ粒子が基体に対して垂直に近い角度で入射する。こうなると、基体上に設けられた凹部の底部にスパッタ粒子が到達し易くなる。これにより、オーバーハングが抑制され、且つ、ボトムカバレッジが向上される。さらに、プラズマ中の電子がチャンバの側壁近傍に設けられたシールドに流れることが抑制されるので、プラズマ中の電子或いは活性種の密度が増大される。
【００１０】
そして、本発明者らはかかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。すなわち、本発明によるマグネトロンユニットは、スパッタリング装置に備わるチャンバ内に磁場を形成するためのものであって、チャンバ外に配置された第１のマグネット部と、第１のマグネット部の外周囲に配置され、且つ、第１のマグネット部の総磁気量の４倍以上の総磁気量を有する第２のマグネット部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
このマグネトロンユニットでは、第２のマグネット部の総磁気量が第１のマグネット部の総磁気量の４倍以上とされているので、各々のマグネット部によりチャンバ内に形成される磁場をベクトル合成すると、実質的に外側の第２のマグネット部による磁場が支配的となり、チャンバ内の垂直磁場成分が強化されるものと考えられる。但し、作用はこれに限定されない。
【００１２】
また、第１のマグネット部に対する第２のマグネット部のアンバランス度は４以上であると好ましく、１５以上であるとより好ましく、２０以上であると更に好ましい。なお、本発明における「アンバランス度」とは、内側のマグネットの総磁気量を１としたときの、外側のマグネットの総磁気量を示す。このアンバランス度が４未満であると、垂直磁場成分を十分に増大し難い傾向にある。
【００１３】
さらに、第２のマグネット部は、第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置されており、且つ、内径寸法の最大値が７０〜１２０ｍｍであると好ましく、７０〜１０６ｍｍであると更に好ましく、７０〜９８ｍｍであると一層好ましい。なお、内径寸法とは、第２のマグネット部の内周で規定される領域において、その面積領域の重心を通る線分の長さを示す。例えば、第２のマグネット部が円環の場合、内径は円環の内周に相当する円の直径となる。
【００１４】
本発明者らの検討によれば、この内径寸法の最大値が７０ｍｍより小さいと、安定した放電によるプラズマを形成・維持することが困難であり好ましくない。一方、内径寸法の最大値が１２０ｍｍを超えるとプラズマの外径寸法が大きくなり、垂直磁場成分が不都合な程度に減弱されるおそれがある。
【００１５】
さらに、本発明者らは、スパッタターゲット表面から基体表面までの距離をＴＳとして、基体表面に設けられた凹部のアスペクト比をＡＲとすると、好ましいプラズマの外径寸法はＴＳ／ＡＲ以下であることを見出した。したがって、ＴＳが２９０ｍｍ、ＡＲが５の場合には、プラズマの外径寸法は５８ｍｍ以下であると好ましい。また、例えば第２のマグネット部が円環の場合、内径から内側に２０ｍｍまでの範囲ではプラズマが形成され難いとの知見も得られている。よって、第２のマグネット部の内径寸法の最大値を９８ｍｍ以下にすれば、プラズマの外径寸法を５８ｍｍ以下に制限できると考えられる。かかるプラズマでは、プラズマ中のスパッタ粒子が基体上に設けられた凹部の底部に到達し易くなるものと考えられる。但し、作用はこれに限定されない。
【００１６】
これに加えて、第２のマグネット部の内周で規定される領域の面積は３８５０〜１１３００ｍｍ^２であると好ましい。例えば、第２のマグネット部が円環の場合、円環の内周に相当する円の直径が７０ｍｍであれば面積は略３８５０ｍｍ^２となり、円の直径が１２０ｍｍであれば面積は略１１３００ｍｍ^２となる。このような面積とすると、所望の外径寸法を有するプラズマを生成できると共に、当該プラズマを十分に安定に維持できる。
【００１７】
また、第２のマグネット部は、第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置された第１のマグネット群と、第１のマグネット群の外方周囲に配置された第２のマグネット群とを有すると好適である。
【００１８】
こうすれば、安定したマグネトロン放電によりプラズマを生成・維持することができる。マグネトロン放電によるプラズマは、第１のマグネット部と第２のマグネット部との間の水平磁場成分によって電子が捕捉されることで生成・維持される。ここで、垂直磁場成分を強化するべくアンバランス度を過度に大きくすると、電子を捕捉するのに十分な水平磁場成分が形成されないおそれがある。しかしながら、上述の構造を有するマグネトロンユニットでは、第２のマグネット群が第１のマグネット部から十分離隔されているので、チャンバ内、特にマグネトロンユニット近傍において安定したプラズマを維持するために十分な水平磁場成分を形成できる。同様に、垂直磁場成分を強化するべく第２のマグネット部の内径寸法、すなわち第１のマグネット群の内径寸法を小さくした場合においても、第２のマグネット群が第１のマグネット部から十分離隔されているので、安定したプラズマを生成・維持可能であり、且つ、プラズマの閉じ込め性をも向上できる。
【００１９】
具体的には、第１のマグネット部に対する第１のマグネット群のアンバランス度は５〜１０であると好ましい。また、第１のマグネット部に対する第２のマグネット群のアンバランス度は８〜１５であると好ましい。なお、この場合における第２のマグネット部のアンバランス度は第１のマグネット群と第２のマグネット群とを加算した値、つまり１３〜２５となる。
【００２０】
またさらに、第２のマグネット部は、第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置されており、且つ、第２のマグネット部が延在する方向に沿う仮想面内における環に沿って形成される磁場の分布が非一様となるように設けられたものであると有用である。
【００２１】
このようにすれば、環状に配置された第２のマグネット部に沿って形成される磁場の分布が非一様（不均一）とされる。それ故に、チャンバ内に形成される磁場の分布において、チャンバ内の中心部の磁場強度をチャンバ内の周部の磁場強度よりも相対的に大きくできる。こうすると、チャンバ内の周部の垂直磁場成分が減弱されるので、プラズマ中のスパッタ粒子が基体の周部に対しても十分に出射される。換言すれば、スパッタ粒子が基体の中心部付近に対して集中的に出射されることが抑制される。その結果、基体上に成膜される膜厚の面内均一性を向上できる。
【００２２】
さらにまた、第２のマグネット部は、第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置されており、且つ、環の一部又は全部が直線状の辺を成すと好ましい。
【００２３】
第２のマグネット部は、環の一部又は全部に直線状の辺を有するので、辺の長さ、数、又は位置等によってチャンバ内に形成される磁場の分布を制御できる。よって、チャンバ内に形成される磁場の分布を調整できる。したがって、プラズマの外径形状を調整できるので、チャンバ内の周部にもプラズマが十分形成され、プラズマ中のスパッタ粒子が基体の周部に対しても十分に出射される。換言すれば、スパッタ粒子が基体の中心部付近に対して集中的に出射されることが抑制される。その結果、基体上に成膜される膜厚の面内均一性を向上できる。
【００２４】
また、第１及び第２のマグネット部は、チャンバ内に形成される磁場の分布において、チャンバ内の中心部の磁場強度がチャンバ内の周部の磁場強度よりも相対的に大きくなるように設けられたものであると好ましい。
【００２５】
この場合、チャンバ内の周部の垂直磁場成分が減弱されるので、プラズマ中のスパッタ粒子が基体の周部に対しても十分に出射される。換言すれば、スパッタ粒子が基体の中心部付近に対して集中的に出射されることが抑制される。その結果、基体上に成膜される膜厚の面内均一性を向上できる。
【００２６】
また、本発明によるスパッタリング装置は、基体が収容されるチャンバと、チャンバに接続されておりチャンバを減圧するための減圧手段と、チャンバに接続されておりチャンバ内にプロセスガスを供給するためのガス供給手段と、チャンバ内に設けられており基体を支持するための基体支持部と、基体支持部に対向するようにチャンバ内に設けられたスパッタターゲットと、本発明によるマグネトロンユニットとを備えることを特徴とする。
【００２７】
このスパッタリング装置は上述のマグネトロンユニットを備えるので、チャンバ内における垂直磁場成分が強化される。この為、生成されるプラズマの外径寸法を小さくできるので、プラズマ中のスパッタ粒子が基体に対して垂直に近い角度で出射される。したがって、オーバーハングが抑制され、且つ、優れたボトムカバレッジを有する膜を基体上に成膜できる。
【００２８】
さらに、チャンバの上壁外に設けられた本発明によるマグネトロンユニットと、チャンバの側壁外に設けられた第３のマグネット部とを備えると好ましい。この第３のマグネット部により、チャンバの側壁外からチャンバ内に磁場が形成される。この磁場は、チャンバ内の垂直磁場成分を更に強化する傾向にあるので、チャンバ内に生成されたプラズマの外径寸法が更に縮小される。これにより、オーバーハングが更に抑制され、且つ、一層優れたボトムカバレッジを有する膜を基体上に成膜できる。
【００２９】
加えて、チャンバの上壁外に設けられた本発明によるマグネトロンユニットと、チャンバの底壁外に設けられた第４のマグネット部とを備えると好ましい。この第４のマグネット部により、チャンバの底壁外からチャンバ内に磁場が形成される。この磁場は、チャンバ内の垂直磁場成分を更に強化する傾向にあるので、チャンバ内に生成されたプラズマの外径寸法が更に縮小される。これにより、オーバーハングが更に抑制され、且つ、一層優れたボトムカバレッジを有する膜を基体上に成膜できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００３１】
図１は、第１実施形態に係るスパッタリング装置１０を模式的に示す断面図（一部構成図）である。
【００３２】
スパッタリング装置１０は、半導体ウエハ又はガラス基板等の基板１５（基体）が収容されるチャンバ１２を備える。チャンバ１２は、ハウジング１４と、ハウジング１４の上部開口部を封止するように配置されたスパッタターゲット１６とから構成される。ハウジング１４及びスパッタターゲット１６はいずれも導電性材料から作製されているので、ハウジング１４とスパッタターゲット１６との間には絶縁部材１３ａが挟まれている。
【００３３】
ハウジング１４は、円形状の底壁と、この円形状の底壁の周辺から所定の距離だけ延び出した側壁とを有し、例えば側壁は円筒形状を有する。ここで、ハウジング１４の底壁はチャンバ１２の底壁に相当し、ハウジング１４の側壁はチャンバ１２の側壁に相当する。スパッタターゲット１６の形状は円盤形である。スパッタターゲット１６の一表面１６ａ（以下、下面という）は、スパッタリングによってエロージョンを受けるエロージョン面となっている。スパッタターゲット１６は、例えば銅から作製されており、この場合、エロージョン面から飛散するスパッタ粒子は銅粒子となる。
【００３４】
チャンバ１２内には、基体支持手段（基体支持部）としてペディスタル１８が設けられている。ペディスタル１８は、チャンバ１２内において基板１５を支持する。このため、ペディスタル１８はその一表面（以下、上面という）１８ａ上において処理されるべき基板１５を保持する。ペディスタル１８の上面１８ａは、スパッタターゲット１６の下面（エロージョン面）１６ａに対向するように設けられている。
【００３５】
ペディスタル１８上の所定の位置に保持された基板１５の被成膜面１５ａは、スパッタターゲット１６の下面１６ａに対して略平行に配置される。基板１５は、その中心点がスパッタターゲット１６の中心点に合うように、つまり同軸に配置されている。この中心点は、形成された膜の面内均一性を向上させるために、マグネトロンユニットの回転軸３８と一致していることが好ましい。本実施の形態では、スパッタターゲット１６の寸法、及びペディスタル１８とスパッタターゲット１６との離間距離については、従来の標準的なスパッタリング装置と同様の値を有することができる。
【００３６】
スパッタリング装置１０は、スパッタ粒子からチャンバ１２の内壁面を保護するために、スパッタ粒子が内壁面に到達するのを防止するシールド２６を有している。シールド２６の一辺の縁部はハウジング１４と絶縁部材１３ａとによって挟まれ、固定されている。シールド２６の別の辺は、ペディスタル１８の側面に至る。別の辺の縁部はペディスタル１８の側面に沿って絶縁部材１３ｂを介して固定されている。このため、シールド２６はペディスタル１８と電気的に絶縁されている。
【００３７】
シールド２６は基準電位に接続されており、ペディスタル１８はキャパシタ１９を介して基準電位、例えば接地電位に接続されている。キャパシタ１９が設けられているので、ペディスタル１８は、プラズマによって与えられる電子によってセルフバイアス状態で使用することもできる。また、キャパシタ１９を介して高周波を加え、ＲＦバイアス状態で使用することもできる。この場合、キャパシタ１９と基準電位源との間にＲＦバイアス印加手段といったバイアス手段を備える。いずれの場合においても、ペディスタル１８は、プラズマ電位に対して負にバイアスされていることが好ましく、スパッタターゲット１６に対して負電位になっていることが好ましい。
【００３８】
ハウジング１４には排気ポート２０が形成されている。本実施の形態の場合には、排気ポート２０には、クライオポンプ等の真空ポンプ２１が接続されている。この真空ポンプ２１を作動させることによって、チャンバ１２内を減圧することができる。排気ポート２０及び真空ポンプ２１は、チャンバ１２に接続された減圧手段を構成する。
【００３９】
プロセスガスとして、アルゴンガスが、プロセスガス供給源２５から供給ポート２２を通してチャンバ１２内に供給される。供給ポート２２は、バルブ２３によって開閉可能である。このバルブ２３を開閉すると、プロセスガスの供給の有無及び供給量並びに供給タイミングを制御できる。供給ポート２２及びプロセスガス供給源２５は、チャンバ１２に接続されたガス供給手段を構成する。
【００４０】
チャンバ１２の上壁に相当するスパッタターゲット１６外、すなわちスパッタターゲット１６の上面１６ｂ側外方には、第１実施形態に係るマグネトロンユニット３０が配置されている。マグネトロンユニット３０は、スパッタターゲット１６に対して平行且つ同軸に配置された円形のベースプレート３２と、このベースプレート３２の下面３２ａに固定されたインナーマグネット３４ｉ（第１のマグネット部）及びアウターマグネット３４ｏ（第２のマグネット部）とを備える。
【００４１】
インナーマグネット３４ｉは、Ｓ極がスパッタターゲット１６の上面１６ｂと対向するように配置される。アウターマグネット３４ｏはインナーマグネット３４ｉの外周囲に設けられ、Ｎ極がスパッタターゲット１６の上面１６ｂと対向するように配置される。アウターマグネット３４ｏのＮ極から延びる磁力線は、スパッタターゲット１６及びチャンバ１２内を通過し、インナーマグネット３４ｉのＳ極に向かうか又はアウターマグネット３４ｏのＳ極に戻ることで閉ループ磁場を形成する。このようにしてチャンバ１２内に水平磁場成分及び垂直磁場成分で表される磁場を形成する。なお、マグネトロンユニット３０の詳細については図２で説明する。
【００４２】
スパッタターゲット１６とシールド２６との間には、プラズマ化手段として加速用電源２４の陰極及び陽極がそれぞれ接続されている。チャンバ１２内にプロセスガス（アルゴンガス）を導入して、スパッタターゲット１６とシールド２６との間に電圧を加えると、チャンバ１２内の垂直方向に電場が生じる。一方、前述のようにマグネトロンユニット３０によってチャンバ１２内には水平磁場成分すなわち電場と直交する磁場が生じている。これにより電子がマグネトロン運動を起こしてスパッタターゲット１６近傍に捕捉される。この捕捉された電子とアルゴンガスの気体分子との衝突によってスパッタターゲット１６の下面１６ａ近傍に高密度プラズマが生成される。プラズマ中に生成されたアルゴンイオンがスパッタターゲット１６の下面１６ａ、すなわちエロージョン面に衝突すると、スパッタターゲット１６を構成する原子がはじき出されスパッタ粒子が生成される。このスパッタ粒子がプラズマ中を移動して基板１５上に到達すると基板１５の被成膜面１５ａ上に膜が形成される。このようにしてスパッタリングによる成膜が実施される。
【００４３】
また、スパッタリング装置１０は制御器２９を備えることができる。制御器２９はマイクロコンピュータ、タイマ等を有しているので、電流のオン及びオフの制御、電流値の変更等を時間的な制御も含めて行うことができる。制御器２９は、バルブ２３、加速用電源２４、及び駆動用モータ３６にも制御線２９ａを介して接続されている。制御器２９は、これらの機器を相互に関連させながら制御することができる。このため、プロセスガスの供給、プロセスガスのプラズマ発生、等を所定のタイミングに対して同期して制御することができる。
【００４４】
図２は、第１実施形態に係るマグネトロンユニット３０の平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。
【００４５】
図１及び図２を参照すると、マグネトロンユニット３０は、円形のベースプレート３２と、ベースプレート３２の下面３２ａ上に所定の配列で固定されたマグネットアセンブリ３１とを備える。ベースプレート３２を駆動する駆動用モータ３６の回転軸３８はベースプレート３２の中心点を通過する。マグネットアセンブリ３１は、回転軸３８から所定の距離、例えば７５ｍｍ偏心された所定の中心点５１を取り囲むように配置されたアウターマグネット３４ｏ及びインナーマグネット３４ｉから成る。したがって、駆動モータ３６を作動させてベースプレート３２を回転させると、マグネットアセンブリ３１は回転軸３８を軸に旋回するので、チャンバ１２内に形成される磁場が一カ所に静止することを防止できる。
【００４６】
図２を参照すると、インナーマグネット３４ｉは、開口４９が設けられたインナーベルトＢｉｎと、Ｓ極が露出するように開口４９に嵌合する棒磁石４５とを備える。具体的には、例えば図２に示したマグネトロンユニット３０の場合、インナーベルトＢｉｎの形状は中心点５１を重心とする正三角形であり、円形の開口４９は互いに接触しない状態で３個設けられ、３個のうち回転軸３８から離隔されている２個の開口４９に２個の円柱状の棒磁石４５が嵌合している。
【００４７】
アウターマグネット３４ｏは、インナーマグネット３４ｉを取り囲むように環状に配置された第１アウターマグネット３４１（第１のマグネット群）と、第１アウターマグネット３４１の外方周囲に配置された第２アウターマグネット３４２（第２のマグネット群）とを有する。
【００４８】
第１アウターマグネット３４１は、開口４７が設けられた第１アウターベルトＢ１と、Ｎ極が露出するように開口４７に嵌合する棒磁石４５とを備える。具体的には、第１アウターベルトＢ１の形状は中心点５１を重心とする六角形の外周に沿う環であり、その六角形は３個の短辺とこれらの短辺に各々平行な３個の長辺とを有する。長辺の長さは短辺の長さの２倍である。円形の開口４７は互いに接触しない状態で、短辺に２個設けられ長辺に４個設けられており、全部で合計１８個設けられている。したがって、全部の開口４７に円柱状の棒磁石４５が嵌合している。
【００４９】
第２アウターマグネット３４２は、開口４７が設けられた第２アウターベルトＢ２と、Ｎ極が露出するように開口４７に嵌合する棒磁石４５とを備える。具体的には、第２アウターベルトＢ２の形状は第１のアウターベルトＢ１と相似である。円形の開口４７は互いに接触しない状態で、短辺には３個設けられ長辺には６個設けられており、全部で合計２７個設けられている。２７個のうち２３個の開口４７に円柱状の棒磁石４５が嵌合している。棒磁石４５が嵌合していない開口４７は、中心点５１から離隔されている長辺において２個、その長辺に隣接する２個の短辺において各々１個、の合計４個である。したがって、２７個のうち２３個の開口４７に棒磁石４５が嵌合している。
【００５０】
ここで、１個の棒磁石４５の磁気量を１とすればアウターマグネット３４ｏの総磁気量は４１であり、インナーマグネット３４ｉの総磁気量は２である。したがって、インナーマグネット３４ｉに対するアウターマグネット３４ｏの総磁気量は２０．５倍であり、４倍以上となっている。この場合、アンバランス度は２０．５である。アンバランス度は１５以上であると好ましく、２０以上であると更に好ましい。なお、アンバランス度とはインナーマグネット３４ｉの総磁気量を１としたときの、アウターマグネット３４ｏの総磁気量を意味する。
【００５１】
かかる場合、インナーマグネット３４ｉ及びアウターマグネット３４ｏによりチャンバ１２内に形成される磁場をベクトル合成すると、実質的にアウターマグネット３４ｏによる磁場が支配的となる。これにより、チャンバ１２内の垂直磁場成分が強化されるものと考えられる。
【００５２】
アンバランス度を大きくすると垂直磁場成分を強化することができる。具体的には、図２に示したマグネトロンユニット３０の場合、棒磁石４５の個数が磁気量に対応している。棒磁石４５は着脱可能であるので、それらの個数を調整することでアンバランス度を調整できる。垂直磁場成分を強化すると、水平方向に対してプラズマを閉じ込めることができる。こうすると、プラズマの外径寸法を縮小できるので、プラズマ中のスパッタ粒子が基板１５に対して垂直に近い角度で出射される。
【００５３】
したがって、基板１５上に設けられた凹部に成膜される膜のオーバーハングが抑制され、且つ、優れたボトムカバレッジを有する膜を成膜できる。また、基板１５の周部に設けられた凹部の底部に対してスパッタ粒子が斜めに出射されないので、底部の全面に平坦な膜を成膜することができ、底部に成膜された膜のエッジアシンメトリを改善できるという利点もある。さらには、プラズマ中のイオン化率が向上している為、成膜速度を向上できる。
【００５４】
また、図２に示したマグネトロンユニット３０のようにアウターマグネット３４ｏが二重の環を有する構造であると、安定したマグネトロン放電によりプラズマを生成・維持することができる。前述のように、マグネトロン放電によるプラズマは、インナーマグネット３４ｉとアウターマグネット３４ｏとの間の水平磁場成分によって電子が捕捉されることで生成・維持される。ここで、チャンバ１２内の垂直磁場成分を強化するべくアンバランス度を過度に大きくすると、電子を捕捉するのに十分な水平磁場成分が形成されないおそれがある。しかしながら、上述の構造を有するマグネトロンユニット３０では、第２アウターマグネット３４２がインナーマグネット３４ｉから十分離隔されているので、チャンバ１２内、特にスパッタターゲット１６近傍において安定したプラズマを維持するために十分な水平磁場成分を形成できる。同様に、垂直磁場成分を強化するべくアウターマグネット３４ｏの内径寸法ｄ１、すなわち第１アウターマグネット３４１の内径寸法ｄ１を縮小した場合にも、第２アウターマグネット３４２がインナーマグネット３４ｉから十分離隔されているので、安定したプラズマを生成・維持可能であり、且つ、プラズマの閉じ込め性も向上できる。
【００５５】
上述のような二重の環を有する構造の場合、インナーマグネット３４ｉに対する第１アウターマグネット３４１のアンバランス度は５〜１０であると好ましい。また、インナーマグネット３４ｉに対する第２アウターマグネット３４２のアンバランス度は８〜１５であると好ましい。この場合におけるアウターマグネット３４ｏのアンバランス度は、第１アウターマグネット３４１及び第２アウターマグネット３４２のアンバランス度が加算されたものとなり１３〜２５となる。例えば、図２に示すマグネトロンユニット３０の場合、第１アウターマグネット３４１のアンバランス度は９であり、第２アウターマグネット３４２のアンバランス度は１１．５である。
【００５６】
また、アウターマグネット３４ｏの内径寸法ｄ１の最大値は７０〜１２０ｍｍであると好ましく、７０〜１０６ｍｍであると更に好ましく、７０〜９８ｍｍであると一層好ましい。こうすればプラズマの外径寸法を十分に縮小し、且つ、安定した放電によるプラズマを形成・維持することができる。内径寸法ｄ１の最大値が７０ｍｍより小さいと、安定した放電によるプラズマを形成・維持することが困難であり好ましくない。一方、内径寸法ｄ１の最大値が１２０ｍｍを超えると形成されるプラズマの外径寸法が大きくなり、垂直磁場成分が減弱されると考えられるので好ましくない。例えば、図２に示すマグネトロンユニット３０の場合、アウターマグネット３４ｏの内径寸法ｄ１の最大値は１０５．８ｍｍである。これは、中心点５１から短辺までの距離ｄ２が４３．８８ｍｍ、中心点５１から長辺までの距離ｄ３が５４．８５ｍｍであることによる。
【００５７】
なお、内径寸法ｄ１とは、アウターマグネット３４ｏの内周で規定される領域において、中心点５１（重心）を通る線分の長さを意味する。例えば、アウターマグネット３４ｏが円環の場合、その内径寸法は円環の内周に相当する円の直径の値となる。
【００５８】
再び図１を参照すると、スパッタターゲット１６の下面１６ａから基板１５の被成膜面１５ａまでの距離をＴＳとして、被成膜面１５ａに設けられた凹部のアスペクト比をＡＲとした場合、好ましいプラズマの外径寸法はＴＳ／ＡＲ以下である。例えば、ＴＳが２９０ｍｍ、ＡＲが５の場合には、プラズマの外径寸法は５８ｍｍ以下であると好ましい。このようなプラズマでは、プラズマ中のスパッタ粒子が基板１５上に設けられた凹部の底部に到達し易くなるものと考えられる。
【００５９】
さらに、例えばアウターマグネットが円環の場合、内径から内側に略２０ｍｍの範囲内ではプラズマが形成され難いとの知見も得られている。よって、アウターマグネットの内径寸法ｄ１の最大値を９８ｍｍ以下にすれば、プラズマの外径寸法を略５８ｍｍ以下に制限できると考えられる。
【００６０】
また、アウターマグネット３４ｏの内周で規定される領域の面積は３８５０〜１１３００ｍｍ^２であると好ましい。例えば、アウターマグネット３４ｏが円環の場合、その内周で規定される領域の面積は、当該円環の内周に相当する円の面積となる。円の直径が７０ｍｍであれば面積は略３８５０ｍｍ^２となり、円の直径が１２０ｍｍであれば面積は略１１３００ｍｍ^２となる。このような面積とすると、所望の外径寸法を有するプラズマを生成できると共に、当該プラズマを安定に維持できる。図２に示すマグネトロンユニット３０の場合、アウターマグネット３４ｏの内径で規定される領域の面積は８１２８．５ｍｍ^２である。
【００６１】
また、アウターマグネット３４ｏは、その延在する方向に沿う仮想面すなわちベースプレート３２の下面３２ａを含む平面内において、環を形成するように設けられている。この場合、当該環に沿って形成される垂直磁場成分の分布が非一様（不均一）とされると好ましい。例えば、図２に示すマグネトロンユニット３０の場合、第２アウターマグネット３４２における２３個の棒磁石４５の分布は非一様である。棒磁石４５は、回転軸３８から離隔されているベースプレート３２の周部に比して、回転軸３８近傍であるベースプレート３２の中心部の方に相対的に数多く配置されている。
【００６２】
ここで、ベースプレート３２の周部に配置された棒磁石４５は、チャンバ１２内の周部に磁場を形成し、ベースプレート３２の中心部に配置された棒磁石４５は、チャンバ１２内の中心部に磁場を形成している。よって、マグネトロンユニット３０ではチャンバ１２内に形成される磁場の分布において、チャンバ１２内の中心部の磁場強度をチャンバ１２内の周部の磁場強度よりも相対的に大きくできる。この場合、チャンバ１２内の周部の垂直磁場成分が減弱されプラズマの閉じ込め性が低下するので、プラズマ中のスパッタ粒子が基板１５の周部に対しても十分に出射される。換言すれば、スパッタ粒子が基板１５の中心部付近に対して集中的に出射されることが抑制される。その結果、基板１５上に成膜される膜の膜厚の面内均一性を向上できる。
【００６３】
さらに、アウターマグネット３４ｏは、その環の一部又は全部が直線状の辺を成すと好ましい。アウターマグネット３４ｏの形状が円環であると、チャンバ１２内の周部にプラズマが十分形成されず、プラズマ中のスパッタ粒子が基板１５の周部に対して十分に出射されないので、基板１５上に成膜される膜厚の面内均一性が低下してしまう。これに対して、環の一部又は全部に直線状の辺を有するアウターマグネット３４ｏでは、辺の長さ、数、又は位置等によってチャンバ１２内に形成される垂直磁場成分の分布を調整できる。したがって、ベースプレート３２の周部において、アウターマグネット３４ｏの内周で規定される領域を拡大することができる。この領域によってプラズマの外径形状が決定されるので、チャンバ１２内の周部にもプラズマが十分形成され、プラズマ中のスパッタ粒子が基板１５の周部に対しても十分に出射される。換言すれば、スパッタ粒子が基板１５の中心部付近に対して集中的に出射されることが抑制される。その結果、基板１５上に成膜される膜厚の面内均一性を向上できる。
【００６４】
再び図１を参照すると、スパッタリング装置１０はチャンバ１２の側壁外に設けられたサイドマグネット６０（第３のマグネット部）を備えると好適である。サイドマグネット６０は、Ｎ極がチャンバ１２の側壁と対向するように配置され、チャンバ１２内に磁場を形成する。また、スパッタリング装置１０はチャンバ１２の底壁外に設けられたアンダーマグネット６２（第４のマグネット部）を備えると好適である。アンダーマグネット６２は、Ｓ極がチャンバ１２の底壁と対向するように配置され、チャンバ１２内に磁場を形成する。
【００６５】
上述のサイドマグネット６０及びアンダーマグネット６２によりチャンバ１２内に形成される磁場は、既にインナーマグネット３４ｉ及びアウターマグネット３４ｏによって形成されている垂直磁場成分を更に強化する傾向にある。この為、チャンバ１２内に生成されるプラズマの外径寸法は更に縮小され、オーバーハングが更に抑制され、且つ、一層優れたボトムカバレッジを有する膜を基板１５上に成膜できる。
【００６６】
図３は、第１実施形態に係るスパッタリング装置１０を模式的に示す概略図である。スパッタリング装置１０では、チャンバ１２内に形成されている磁場Ｂの垂直磁場成分が強い。したがって、マグネトロンユニット３０から下方に生成されるプラズマＰは、水平方向に圧縮され、且つ、下方に延びる形状を有している。このようなプラズマＰ内のスパッタ粒子は方向Ｉに沿って浮遊して基板１５に到達するので、スパッタ粒子が基板１５に対して垂直に近い角度で出射されることになる。したがって、基板１５の被成膜面１５ａに成膜される膜５０のオーバーハングは抑制され、且つ、ボトムカバレッジも向上される。
【００６７】
図４は、従来のスパッタリング装置１０１を模式的に示す概略図である。スパッタリング装置１０１では、チャンバ１２内に形成されている磁場Ｂ１の垂直磁場成分が弱い。したがって、マグネトロンユニット３０１から下方に生成されるプラズマＰ１は、垂直方向に圧縮され、且つ、水平方向に延びる形状を有している。このようなプラズマＰ１内のスパッタ粒子は方向Ｉ１に沿って浮遊して基板１５に到達するので、スパッタ粒子が基板１５に対して垂直に近い角度で出射されない。したがって、基板１５の被成膜面１５ａに成膜される膜５０１には、オーバーハングが発生し、且つ、ボトムカバレッジも低下する。
【００６８】
図５は、第２実施形態に係るマグネトロンユニット３０ｔの平面図である。このマグネトロンユニット３０ｔはスパッタリング装置に備えることができる。マグネトロンユニット３０ｔは、円形のベースプレート３２ｔと、ベースプレート３２ｔの下面３２ａｔ上に所定の配列で固定されたマグネットアセンブリ３１ｔとを備える。マグネットアセンブリ３１ｔは、回転軸３８ｔから所定の距離、例えば７５ｍｍ偏心された所定の中心点５１ｔを取り囲むように配置されたアウターマグネット３４ｏｔ及びインナーマグネット３４ｉｔから成る。
【００６９】
インナーマグネット３４ｉｔは、円形の開口４９ｔが設けられたインナーベルトＢｉｎｔと、Ｓ極が露出するように開口４９ｔに嵌合する円柱状の棒磁石４５ｔとを備える。インナーベルトＢｉｎｔの形状は、中心点５１ｔを中心とする円盤であり、その内部に４個の開口４９が互いに接触しない状態で設けられている。
【００７０】
アウターマグネット３４ｏｔは、インナーマグネット３４ｉｔを取り囲むように環状に配置されている。アウターマグネット３４ｏｔは、円形の開口４７ｔが設けられたアウターベルトＢｏｕｔｔと、Ｎ極が露出するように開口４７ｔに嵌合する円柱状の棒磁石４５ｔとを備える。アウターベルトＢｏｕｔｔの形状は、中心点５１ｔを中心とする円環であり、アウターベルトＢｏｕｔｔには１６個の開口４７ｔが互いに接触しない状態で設けられている。
【００７１】
ここで、１個の棒磁石４５ｔの磁気量を１とすればアウターマグネット３４ｏｔの総磁気量は１６であり、インナーマグネット３４ｉｔの総磁気量は４である。したがって、インナーマグネット３４ｉｔに対するアウターマグネット３４ｏｔの総磁気量は４倍である。この場合、アンバランス度は４である。棒磁石４５は着脱可能であり、棒磁石４５の個数が磁気量に対応するので、それらの個数を調整することでアンバランス度を調整できる。また、アウターマグネット３４ｏｔの内径寸法ｄ１ｔの最大値、すなわち直径は例えば１０６ｍｍである。さらに、アウターマグネット３４ｏｔの内径で規定される領域、すなわち円の面積は８８２４．７ｍｍ^２である。
【００７２】
図６は、基板１５に設けられた凹部のボトムカバレッジを示すグラフである。このグラフでは、図５に示したマグネットアセンブリ３１ｔを偏心させずに、そのアンバランス度のみを変化させて各々スパッタリングを行った結果を示している。なお、横軸には基板１５の中心からの距離（ｃｍ）を、縦軸には凹部の底部に成膜された膜の膜厚（Å）を示す。
【００７３】
曲線１００で示される膜厚分布は、アンバランス度を２とした場合を示す。具体的には、インナーマグネットの総磁気量を４、アウターマグネットの総磁気量を８としている。このマグネトロンユニットは従来のものである。曲線１０２で示される膜厚分布は、アンバランス度を４とした場合を示す。具体的には、インナーマグネットの総磁気量を４、アウターマグネットの総磁気量を１６としている。このマグネトロンユニットは、図５に示したマグネトロンユニット３０ｔに相当する。曲線１０４で示される膜厚分布は、アンバランス度を８とした場合を示す。具体的には、インナーマグネットの総磁気量を２、アウターマグネットの総磁気量を１６としている。
【００７４】
グラフが示すように、アンバランス度が４又は８の場合の膜厚は十分であるが、アンバランス度が２の場合の膜厚は不十分である。これら３条件の各々に対する基板１５の中心部におけるボトムカバレッジと、基板１５の周部におけるエッジアシンメトリを表１及び表２に示す。なお、ボトムカバレッジは、凹部の最上面の膜厚に対する底部の膜厚の最大値の割合（％）で表される。ボトムカバレッジが１００％であると底部の膜厚が十分となり最適である。また、エッジアシンメトリは、底部の膜厚の最小値を１とした場合における底部の膜厚の最大値で表される。エッジアシンメトリが１であると底部の膜厚が平坦となり最適である。
【００７５】
【表１】

【００７６】
【表２】

【００７７】
以上の結果から、アンバランス度を増加させるとボトムカバレッジ及びエッジアシンメトリを向上又は改善できることが実験的に示された。
【００７８】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、基板１５（シリコンウエハ）の中心部に設けられた凹部（トレンチ）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。同様に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、基板１５（シリコンウエハ）の周部に設けられた凹部（トレンチ）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。
【００７９】
図７（Ａ）及び図８（Ａ）は、アンバランス度が８のマグネトロンユニットを用いたスパッタリングによる成膜結果を示している。図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）は、アンバランス度が２のマグネトロンユニットを用いたスパッタリングによる成膜結果を示している。いずれの場合においても、凹部のアスペクト比は略４〜５であり、凹部の幅寸法は略０．２〜０．５μｍである。これらの図において凹部（トレンチ）の底部に成膜された膜厚を比較すると、アンバランス度を大きくすると底部の膜厚が増加し、ボトムカバレッジが向上されると共にエッジアシンメトリも改善されることが示された。
【００８０】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、基板１５（シリコンウエハ）の中心部に設けられた凹部（ビアホール）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。同様に、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、基板１５（シリコンウエハ）の周部に設けられた凹部（ビアホール）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。
【００８１】
図９（Ａ）及び図１０（Ａ）は、アンバランス度が８のマグネトロンユニットを用いたスパッタリングによる成膜結果を示している。図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）は、アンバランス度が２のマグネトロンユニットを用いたスパッタリングによる成膜結果を示している。いずれの場合においても、凹部のアスペクト比は略４〜５であり、凹部の幅寸法は略０．１８〜０．７μｍである。これらの図において凹部（ビアホール）の底部に成膜された膜厚を比較すると、アンバランス度を大きくすると底部の膜厚が増加し、ボトムカバレッジが向上されることが示された。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によるマグネトロンユニット及びそれを備えたスパッタリング装置を用いれば、オーバーハングを抑制でき、且つ、ボトムカバレッジを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るスパッタリング装置を模式的に示す断面図（一部構成図）である。
【図２】第１実施形態に係るマグネトロンユニットの平面図である。
【図３】第１実施形態に係るスパッタリング装置を模式的に示す概略図である。
【図４】従来のスパッタリング装置を模式的に示す概略図である。
【図５】第２実施形態に係るマグネトロンユニットの平面図である。
【図６】基板に設けられた凹部のボトムカバレッジを示すグラフである。
【図７】基板（シリコンウエハ）の中心部に設けられた凹部（トレンチ）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。
【図８】基板（シリコンウエハ）の周部に設けられた凹部（トレンチ）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。
【図９】基板（シリコンウエハ）の中心部に設けられた凹部（ビアホール）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。
【図１０】基板（シリコンウエハ）の周部に設けられた凹部（ビアホール）に銅膜が成膜された状態を示す断面ＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１０…スパッタリング装置、１２…チャンバ、１５…基板（基体）、３０…マグネトロンユニット、３４ｏ…アウターマグネット（第２のマグネット部）、３４ｉ…インナーマグネット（第１のマグネット部）、３４１…第１アウターマグネット（第１のマグネット群）、３４２…第２アウターマグネット（第２のマグネット群）、６０…サイドマグネット（第３のマグネット部）、６２…アンダーマグネット（第４のマグネット部）。

Claims (9)

1. スパッタリング装置に備わるチャンバ内に磁場を形成するためのマグネトロンユニットであって、
   前記チャンバ外に配置された第１のマグネット部と、
   前記第１のマグネット部の外周囲に配置され、且つ、前記第１のマグネット部の総磁気量の４倍以上の総磁気量を有する第２のマグネット部と、
   を備えることを特徴とするマグネトロンユニット。
2. 前記第２のマグネット部は、前記第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置されており、且つ、内径寸法の最大値が７０〜１２０ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンユニット。
3. 前記第２のマグネット部は、
   前記第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置された第１のマグネット群と、
   前記第１のマグネット群の外方周囲に配置された第２のマグネット群と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロンユニット。
4. 前記第２のマグネット部は、
   前記第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置されており、且つ、当該第２のマグネット部が延在する方向に沿う仮想面内における該環に沿って形成される磁場の分布が非一様となるように設けられたものである、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマグネトロンユニット。
5. 前記第２のマグネット部は、
   前記第１のマグネット部を取り囲むように環状に配置されており、且つ、該環の一部又は全部が直線状の辺を成す、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマグネトロンユニット。
6. 前記第１及び第２のマグネット部は、
   前記チャンバ内に形成される磁場の分布において、前記チャンバ内の中心部の磁場強度が前記チャンバ内の周部の磁場強度よりも相対的に大きくなるように設けられたものである、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマグネトロンユニット。
7. 基体が収容されるチャンバと、
   前記チャンバに接続されており前記チャンバを減圧するための減圧手段と、
   前記チャンバに接続されており前記チャンバ内にプロセスガスを供給するためのガス供給手段と、
   前記チャンバ内に設けられており基体を支持するための基体支持部と、
   前記基体支持部に対向するように前記チャンバ内に設けられたスパッタターゲットと、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のマグネトロンユニットと、
   を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
8. 前記チャンバの上壁外に設けられた前記マグネトロンユニットと、
   前記チャンバの側壁外に設けられた第３のマグネット部と、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載のスパッタリング装置。
9. 前記チャンバの上壁外に設けられた前記マグネトロンユニットと、
   前記チャンバの底壁外に設けられた第４のマグネット部と、
   を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のスパッタリング装置。

Images