JP2016216764A - マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びこのカソードユニットを用いたスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットのスパッタ面側に発生する漏洩磁場の強度分布を変更することができるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを提供する。
【解決手段】ターゲット３１のスパッタ面と３１ａ背向する側に配置されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニット４と、漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段５とを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置ＳＭ用のカソードユニットＣは、磁場強度変更手段が、ターゲットと磁石ユニットとの間に設けられて選択的に磁性流体が留められるタンク部５１と、タンク部に対して磁性流体を供給する供給部と、タンク部から磁性流体を排出する排出部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びスパッタリング方法に関し、より詳しくは、ターゲットのスパッタ面側に発生させる漏洩磁場の強度を局所的に変化させることができるものに関する。

例えば、不揮発性メモリ等の半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウエハなどの処理すべき基板の表面に誘電体膜を量産性良く成膜するために、マグネトロンスパッタリング装置が用いられる。マグネトロンスパッタリング装置には、通常、平面視円形のターゲットのスパッタ面と背向する側に磁石ユニットが配置されている。このとき、磁石ユニットによりターゲットのスパッタ面側に発生される漏洩磁場に応じてスパッタ面の所定の領域が侵食される一方で、スパッタ面のその他の領域は、侵食されない非侵食領域として残る。

ここで、ターゲットの侵食される領域（エロージョン領域）が一部に偏ると、ターゲットを効率的に利用することができず、ターゲットの厚さに応じた寿命に達する前にターゲットを交換することになる。ターゲットが誘電体成膜用の高価なターゲットであるような場合、製造コストが多大となる。そこで、漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段としてシャント板を備えるものが特許文献１で知られている。

ところで、ターゲットの非浸食領域には、スパッタリング中、ターゲットのスパッタリングにより発生したスパッタ粒子が再付着してリデポ膜が形成される。このリデポ膜は、パーティクル等となって製品歩留まりの低下を招来する原因になり得るため、所定の厚さ以上のリデポ膜が形成される前に、ダミースパッタリングを行うことでリデポ膜が除去されるが、リデポ膜を除去するのに多大な時間を要するため、生産効率を低下させる要因となる。リデポ膜を除去する際、漏洩磁場の強度を局所的に変化させて強度分布を変更することができれば、ターゲットの浸食領域が変化するため、リデポ膜を効率よく除去することができる。しかしながら、上記従来例のものでは、シャント板が一旦配置された後では、漏洩磁場の強度分布を変更することができないという問題があった。

特開２００６−１６６３４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットのスパッタ面側に発生する漏洩磁場の強度分布を変更することができるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを提供することを第１の課題とし、また、リデポ膜を効率よく除去することができるスパッタリング方法を提供することを第２の課題とする。

上記第１の課題を解決するために、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段とを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットは、磁場強度変更手段が、ターゲットと磁石ユニットとの間に設けられて選択的に磁性流体が留められるタンク部と、タンク部に対して磁性流体を供給する供給部と、タンク部から磁性流体を排出する排出部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、タンク部に磁性流体を供給し留めた状態と、タンク部から磁性流体を排出した状態とを切り替えることで、ターゲットのスパッタ面側に発生する漏洩磁場の強度分布を変更することができる。

本発明において、タンク部は、スパッタ面と平行な同一平面内に敷設した複数本の配管で構成され、前記供給部は、複数本の配管の中から選択的に磁性流体を供給できるように構成されることが好ましい。これによれば、複数本の配管のうち磁性流体を供給する配管を選択することで、漏洩磁場の強度分布をより一層細かく変更することができる。

また、上記第２の課題を解決するために、上記マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを用いた本発明のスパッタリング方法は、磁石ユニットによりターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を発生させ、かつ、タンク部に磁性流体を留めた状態で、ターゲットのスパッタ面をスパッタリングして基板表面に成膜する成膜工程と、タンク部から磁性流体を排出した状態で、ターゲットのスパッタ面をスパッタリングするダミースパッタリング工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、タンク部に磁性流体を留めた状態で成膜すると、ターゲットの非侵食領域にリデポ膜が形成される。タンク部から磁性流体を排出して漏洩磁場の強度分布を変更した状態でダミースパッタリングを行うことで、成膜工程において非侵食領域であったターゲットの部分が侵食され、効率よくリデポ膜を除去できる。

本発明の実施形態のカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置を示す模式図。 図１に示すタンク部を模式的に示す平面図。 タンク部の変形例を模式的に示す平面図。 タンク部の変形例を模式的に示す平面図。 タンク部の変形例を模式的に示す平面図。

以下、図面を参照して、マグネトロンスパッタリング装置（以下「スパッタリング装置」という）に組み付けられるものを例に、本発明の実施形態のカソードユニットについて説明する。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐを介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、マスフローコントローラ１０を介設したガス管１１が接続されており、図示省略のガス源からスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。スパッタガスには、Ａｒ等の希ガスだけでなく、反応性スパッタリングを行う場合には酸素ガスが含まれるものとする。

真空チャンバ１の底部には、基板ステージ２が配置されている。基板ステージ２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャックの電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、基板ステージ２上に基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。

真空チャンバ１の上壁に形成された開口には、カソードユニットＣが配置されている。カソードユニットＣは、ターゲットアッセンブリ３と、磁石ユニット４と、磁場強度変更手段５とで構成されている。

ターゲットアッセンブリ３は、スパッタ面３１ａが基板ステージ２を臨むように配置されるターゲット３１と、ターゲット３１の上面（図１中、スパッタ面３１ａと背向する面）にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合されるバッキングプレート３２とを備える。ターゲット３１は、基板Ｗに成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される金属や絶縁物から成り、公知の方法により基板Ｗより一回り大きい外形（例えば平面視円形）となるように作製されている。バッキングプレート３２に形成された図示省略の通路に冷却水を循環させることで、スパッタリングによる成膜中、ターゲット３１を冷却できるようになっている。バッキングプレート３２の外周部が絶縁部材Ｉを介して真空チャンバ１の上壁に取り付けられている。ターゲット３１にはスパッタ電源Ｅが接続され、スパッタリング時、ターゲット３に直流電力や交流電力を投入できるようになっている。

バッキングプレート３２の上方には磁石ユニット４が配置され、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの下方空間に漏洩する磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面３１ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット３１から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化している。図２も参照して、磁石ユニット４は、ヨーク４１と、ヨーク４１の下面に環状に列設した複数個の第１の磁石４２ａと、第１の磁石４２ａの周囲を囲うように環状に列設した第１の磁石４２ａと同磁化の複数個の第２の磁石体４２ｂとを有する。ヨーク４１上面には回動手段４３の回転軸４３ａが接続され、回転軸４３ａを回転駆動することで、ターゲット３１の中心を回転中心として第１及び第２の磁石４２ａ，４２ｂを回転駆動できるようになっている。

本実施形態の磁場強度変更手段５は、ターゲット３１と磁石ユニット４との間に設けられて選択的に磁性流体が留められるタンク部５１としての環状の配管と、磁性流体を貯蔵する容器５２と、容器５２からの磁性流体をタンク部５１に供給する供給管５３と、タンク部５１から排出される磁性流体を容器５２に戻す排出管５４と、容器５２に圧縮空気を供給する配管５５及びポンプ５６とを備える。供給管５３の途中には開閉弁Ｖ１が設けられ、開閉弁Ｖ１の下流で供給管５３が分岐され、その分岐管５３ａと配管５５とが三方弁Ｖ２を介して接続されている。開閉弁Ｖ１を開き、配管５５と分岐管５３ａとが連通しないように三方弁Ｖ２を操作した状態でポンプ５６を作動させると、ポンプ５６からの圧縮空気が配管５５を介して容器５２内に供給され、容器５２内の磁性流体が供給管５３を介してタンク部５１に供給され、タンク部５１に磁性流体が留められる。磁性流体としては、例えば、公知の磁性コロイド溶液を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。粘性の低い磁性流体を用いる場合、タンク部５１に磁性流体を連続的に供給することで、タンク部５１に磁性流体を留めることができる。粘性の高い磁性流体を用いる場合、タンク部５１に磁性流体を留めた後、タンク部５１への磁性流体の供給を一旦停止してもよい。

また、開閉弁Ｖ１を閉じ、三方弁Ｖ２を切り替えて配管５５と分岐管５３ａとを連通させると、ポンプ５６からの圧縮空気が分岐管５３ａ及び供給管５３を介してタンク部５１に供給され、これにより、タンク部５１から磁性流体が排出され、排出された磁性流体は排出管５４を介して容器５２に戻される。このように、タンク部５１に磁性流体を供給し留めた状態と、タンク部５１から磁性流体を排出した状態とを切り替えることで、ターゲット３１のスパッタ面３１ａ側に発生する漏洩磁場の強度分布を変更することができる。尚、タンク部５１から磁性流体を排出するとき、磁石４２ａ，４２ｂの磁場の作用により排出し難い場合には、磁石ユニット４を回転させることで磁性流体を効率よく排出できてよい。

上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、マスフローコントローラ１０の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、スパッタ電源Ｅの稼働、回動手段４３、開閉弁Ｖ１や三方弁Ｖ２の操作、後述する三方弁Ｖ３，Ｖ４や開閉弁Ｖａ〜Ｖｊの操作、ポンプ５６の駆動等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本発明の実施形態のスパッタリング方法について説明する。

先ず、開閉弁Ｖ１を開けると共にポンプ５６を作動させて圧縮空気を容器５２に供給し、容器５２に貯留された磁性流体を供給管５３を介してタンク部５１に供給し留める。この状態で、アルミナ製のターゲット３１が配置された真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、基板ステージ２に基板Ｗを受け渡し、静電吸着する。このとき、基板ステージ２をヒータ等により加熱し、基板Ｗを所定温度に加熱してもよい。次いで、磁石ユニット４を回転させながら、スパッタガスたるアルゴンガスを所定流量で導入し、スパッタ電源Ｅからターゲット３１に交流電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４ｋＷの高周波電力）を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット３１のスパッタ面３１がスパッタされ、飛散したスパッタ粒子が基板Ｗの表面に付着、堆積してアルミナ膜が成膜される（成膜工程）。

ここで、成膜工程中、ターゲット３１の所定領域（例えば、ターゲット３１の中心を含む中央領域）は侵食されずに非浸食領域となり、この非侵食領域にターゲット３１から飛散したスパッタ粒子の一部が再付着するとリデポ膜が形成される。このリデポ膜がターゲット３１から剥離して基板Ｗに堆積すると、パーティクル等となって製品歩留まりの低下を招来する原因となり得る。そこで、例えば、スパッタ電源Ｅからターゲット３１への積算電力投入時間（積算電力）が所定値（例えば、１．５ｋＷｈ）に達したとき、ダミー基板を基板ステージ２に保持し、次のダミースパッタリング工程を行う。

ダミースパッタリング工程では、開閉弁Ｖ１を閉じると共にポンプ５６を作動させて圧縮空気をタンク部５１に供給し、タンク部５１から磁性流体を排出する。これにより、ターゲット３１のスパッタ面３１ａ側に発生する漏洩磁場の強度が局所的に変化し、漏洩磁場の強度分布を変更することができる。その結果、ターゲット３１の侵食される領域が成膜工程から変化する。この状態でターゲット３１を所定時間スパッタリング（ダミースパッタリング）する。ダミースパッタリングの条件としては、成膜工程とは異なる条件（例えば、低圧）を用いることができる。このようにターゲット３１の侵食される領域を変化させてダミースパッタリングすることにより、成膜工程でターゲット３１に付着したリデポ膜を効率よく除去できる。

所定時間ダミースパッタリングを行った後、次の基板に対する成膜工程を行う前に、タンク部５１に磁性流体を供給し留めることにより、漏洩磁場の強度分布を元に戻すことができ、成膜工程で膜厚や膜質の面内分布よく成膜を行うことができる。

以上説明したように、タンク部５１に磁性流体を留めた状態と、タンク部５１から磁性流体を排出した状態とを切り替えることで、ターゲット３１のスパッタ面３１ａ側に発生する漏洩磁場の強度を局所的に変化させることができ、ひいては、漏洩磁場の強度分布を変更することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ターゲット３１の中央領域が非侵食領域となる場合に、非侵食領域の内側にタンク部５１を設けた例について説明したが、ターゲット３１の外周領域が非侵食領域となる場合には、図３に示すように、ターゲット３１の外縁に沿ってタンク部５１を設置すればよい。さらに、図４に示すように、図２と同様のタンク部５１ａたる環状の配管と、図３と同様のタンク部５１ｂたる環状の配管とを併設してもよい。この場合、供給管５３と配管５１ａ，５１ｂとの接続箇所に三方弁Ｖ３を設けると共に、排出管５４と配管５１ａ，５１ｂとの接続箇所に三方弁Ｖ４を設ける。そして、これら三方弁Ｖ３，Ｖ４を切り換えることで、磁性流体を供給し留める配管５１ａ，５１ｂを選択する。また、三方弁Ｖ３，Ｖ４を切り換えることで、磁性流体を排出する配管５１ａ，５１ｂを選択する。これによれば、ターゲット３１の非侵食領域に応じて、つまり、非侵食領域がターゲット３１の中央領域か外周領域かに応じて、タンク部５１ａ，５１ｂを選択することができる。

また、上記実施形態では、タンク部５１を環状の配管で構成する場合について説明したが、タンク部５１はこれに限定されず、例えば、図５に示すように、スパッタ面３１ａと平行な同一平面内に格子状に敷設した複数本の配管５１ａ〜５１ｊで構成してもよい。このものでは、上記平面上で互いに直交する２方向をＸ方向、Ｙ方向とし、供給管５３が２つの供給管５３ａ，５３ｂに分岐され、供給管５３ａにＸ方向にのびる複数本の配管５１ａ〜５１ｅを接続し、供給管５３ｂにＹ方向にのびる複数本の配管５１ｆ〜５１ｊを接続し、各配管５１ａ〜５１ｊに夫々開閉弁Ｖａ〜Ｖｆを設けている。これによれば、上記制御手段により開閉弁Ｖａ〜Ｖｆの開閉制御を行うことで、複数本の配管５１ａ〜５１ｊのうち磁性流体を供給し留める配管を選択することができる。これにより、漏洩磁場の強度分布をより一層細かく変更することができ、ひいては、膜質や膜質の面内分布を容易に変化させることができて有利である。尚、複数本の配管は格子状に敷設しなくてもよく、例えば、径の異なる環状の配管の複数本（図４は２本の例を示す。）を同心に敷設することでタンク部を構成してもよい。

また、上記実施形態では、ダミースパッタリング時に基板ステージ２にダミー基板を保持しているが、ターゲット３１と基板ステージ２との間に進退自在な公知のシャッターを設け、ダミースパッタリング時に両者の間にシャッターを進入させるようにしてもよい。これによれば、ダミー基板の出し入れの時間が不要となり、スループットを向上できてよい。

Ｃ…カソードユニット、ＳＭ…マグネトロンスパッタリング装置、Ｖ１，Ｖａ〜Ｖｊ…開閉弁（供給部）、Ｖ２…三方弁（供給部、排出部）、Ｖ３，Ｖ４…三方弁（供給部、排出部）、３１…ターゲット、３１ａ…スパッタ面、４…磁石ユニット、５…磁場変更手段、５１…配管（タンク部）、５１ａ〜５１ｊ…配管（タンク部）、５３…排出管（排出部）、５４…供給管（供給部）、５６…ポンプ（供給部、排出部）。

Claims (3)

1. ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段とを備えるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットにおいて、
   磁場強度変更手段は、ターゲットと磁石ユニットとの間に設けられて選択的に磁性流体が留められるタンク部と、タンク部に対して磁性流体を供給する供給部と、タンク部から磁性流体を排出する排出部とを有することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
2. タンク部は、スパッタ面と平行な同一平面内に敷設した複数本の配管で構成され、前記供給部は、複数本の配管の中から選択的に磁性流体を供給できるように構成されることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
3. 請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを用いたスパッタリング方法において、
   磁石ユニットによりターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を発生させ、かつ、タンク部に磁性流体を留めた状態で、ターゲットのスパッタ面をスパッタリングして基板表面に成膜する成膜工程と、
   タンク部から磁性流体を排出した状態で、ターゲットのスパッタ面をスパッタリングするダミースパッタリング工程とを含むことを特徴とするスパッタリング方法。

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