JP2023004037A - 成膜装置、処理条件決定方法及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロスパッタリングにより成膜する際の膜厚の面内均一性を向上させる成膜装置を提供する。
【解決手段】基板支持部１４と、ターゲット２０を保持するホルダ２０ａと、マグネットを有するマグネットユニット２３と、前記基板支持部１４を周期的に移動させる第１移動機構１５と、前記マグネットユニット２３を前記ホルダ２０ａに保持された前記ターゲットに対して周期的に移動させる第２移動機構２４と、制御部Ｕとを有し、前記制御部Ｕは、前記基板支持部１４の周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、前記マグネットユニット２３の周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、成膜中に、前記基板支持部１４の周期的な移動における位相と前記マグネットユニット２３の周期的な移動における位相とが一致しないよう、前記第１移動機構１５及び前記第２移動機構２４を制御するように構成されている成膜装置。
【選択図】図１

Description

本開示は、成膜装置、処理条件決定方法及び成膜方法に関する。

特許文献１には、ターゲットを支持するためのスパッタリングカソードと、基板を支持するための基板支持ホルダとを有するスパッタリング装置が開示されている。このスパッタリング装置では、基板の被成膜面を含む平面に対する垂線のうち、ターゲットの中心点を通る垂線と、基板の中心点を通る垂線とが不一致となるように、スパッタリングカソード及び基板支持ホルダが設けられており、基板支持ホルダが、基板の被成膜面に対して垂直な回転軸回りに回転可能とされている。また、このスパッタリング装置は、基板の被成膜面へのスパッタ粒子の堆積時間Ｔ（秒）における基板支持ホルダの総回転数をＸとしたとき、Ｘ＝Ｎ＋α
（但し、Ｎは正の整数である総整数回転数、αは正の純小数である端数回転数。）
となる総整数回転数Ｎと端数回転数αの値と、堆積時間Ｔの値を入力することにより、基板支持ホルダの回転速度Ｖ（ｒｐｓ）を、
Ｖ・Ｔ＝Ｎ＋α
を満たすように制御する制御部を有する。

国際公開第２００９／６０９１１号

本開示にかかる技術は、マグネトロスパッタリングにより成膜する際の膜厚の面内均一性を向上させる。

本開示の一態様は、マグネトロンスパッタリングにより基板上に成膜する成膜装置であって、基板を支持する基板支持部と、スパッタ粒子を放出するターゲットが前記基板支持部に向くように、前記ターゲットを保持するホルダと、前記ホルダの前記基板支持部とは反対側に設けられ、マグネットを有するマグネットユニットと、前記基板支持部を周期的に移動させる第１移動機構と、前記マグネットユニットを前記ホルダに保持された前記ターゲットに対して周期的に移動させる第２移動機構と、制御部と、を有し、前記制御部は、前記基板支持部の周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、前記マグネットユニットの周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、成膜中に、前記基板支持部の周期的な移動における位相と前記マグネットユニットの周期的な移動における位相とが一致しないよう、前記第１移動機構及び前記第２移動機構を制御するように構成されている。

本開示によれば、マグネトロスパッタリングにより成膜する際の膜厚の面内均一性を向上させることができる。

本実施形態にかかる成膜装置の構成の概略を示す縦断面図である。 カソードの周辺の構成を説明するための図である。 マグネットユニットの斜視図である。 ターゲットに対するマグネットユニットの位置と、ターゲットにおけるプラズマに曝される領域の広さとの関係を示す図である。 ターゲットに対するマグネットユニットの位置と、ターゲットにおけるプラズマに曝される領域の広さとの関係を示す図である。 成膜中の載置台の総回転回数及びマグネットユニットの総揺動回数の決定方法を説明するための図である。 成膜中の載置台の総回転回数及びマグネットユニットの総揺動回数の決定方法を説明するための図である。 比較例におけるウェハの面内での膜厚の分布を示す図である。 実施例におけるウェハＷの面内での膜厚の分布を示す図である。

半導体デバイス等の製造プロセスにおいては、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）等の基板に対して、金属等の所望の膜を形成する成膜処理が行われる。成膜処理には例えばスパッタリングが用いられる。

スパッタリングにより成膜を行う成膜装置には、例えば、基板を支持する基板支持部と、スパッタ粒子を放出するターゲットが基板支持部に向くように上記ターゲットを正面に保持するカソードと、が設けられる。

ターゲットが基板に対して非平行になるようカソードに保持されている場合等においては、基板支持部が回転可能に構成され、成膜中に基板支持部に支持された基板が回転するように構成されていることがある。スパッタリングにより基板に形成される膜の厚さが基板面内でばらつくのを抑制するため、である。特許文献１では、基板支持ホルダの総回転が、スパッタ粒子の堆積時間及び基板支持ホルダの回転数に基づく所定の値となるようにし、堆積量すなわち膜厚の均一性を確保している。

また、スパッタリングとしてマグネトロンスパッタリングを採用する場合、ターゲット全体を有効利用するために、マグネットを有しターゲットより小型のマグネットユニットを設け、このマグネットユニットがカソードに対して揺動可能または回転可能に構成されていることがある。しかし、かかるマグネトロンスパッタリングの場合、特許文献１のように基板支持部の総回転数を調整するのみでは、膜厚の均一性が十分でないことがある。

そこで、本開示にかかる技術は、マグネトロスパッタリングにより成膜する際の膜厚の面内均一性を向上させる。

以下、本実施形態にかかる成膜装置、処理条件決定方法及び成膜方法を、図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜成膜装置＞
図１は、本実施形態にかかる成膜装置１の構成の概略を示す縦断面図である。図２は、後述のカソードの周辺の構成を説明するための図である。図３は、後述のマグネットユニットの斜視図である。

図１の成膜装置１は、マグネトロンスパッタリングにより基板上に膜を形成するものであり、具体的には、マグネトロンスパッタリングにより、基板としてのウェハＷ上に、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子用の膜（例えばＴａ膜）を形成する。

成膜装置１は、処理容器１０を備える。処理容器１０は、減圧可能に構成され、ウェハＷを収容するものであり、例えばアルミニウムから形成され、接地電位に接続されている。処理容器１０の底部には、当該処理容器１０内の空間Ｋ１を減圧するための排気装置１１が接続されている。排気装置１１は、真空ポンプ（図示せず）等を有しており、例えば、ＡＰＣバルブ１２を介して処理容器１０に接続されている。

また、処理容器１０の一方側（図のＸ方向正側）の側壁には、ウェハＷの搬出入口１３が形成されており、この搬出入口１３には当該搬出入口１３を開閉するためのゲートバルブ１３ａが設けられている。

処理容器１０内には、ウェハＷを支持する、基板支持部としての載置台１４が設けられている。載置台１４には、具体的には、ウェハＷが、後述のシールド部３０によって画成される処理空間Ｋ２に面するように、水平に載置される。載置台１４は、このように載置されたウェハＷを支持する。載置台１４は、静電チャック１４ａ、ヒータ１４ｂ及びベース部１４ｃを有する。

静電チャック１４ａは、例えば、誘電体膜と、当該誘電体膜の内層として設けられた電極と、を有し、ベース部１４ｃ上に設けられている。静電チャック１４ａの電極には、直流電源（図示せず）が接続されている。静電チャック１４ａ上に載置されたウェハＷは、直流電源からの直流電圧を電極に印加することにより生じる静電吸着力によって、静電チャック１４ａに吸着保持される。

ヒータ１４ｂは、載置台１４に支持されたウェハＷを加熱する。ヒータ１４ｂは、載置台１４（具体的には静電チャック１４ａ）を加熱することにより、載置台（具体的には静電チャック１４ａ）に支持されたウェハＷを加熱する。
ヒータ１４ｂには、例えば抵抗加熱式のヒータを用いることができる。また、ヒータ１４ｂは、例えば静電チャック１４ａに設けられる。

ベース部１４ｃは、例えば、アルミニウムを用いて円板状に形成されている。ヒータ１４ｂの種類等によっては、ヒータ１４ｂをベース部１４ｃに設けてもよい。

なお、載置台１４は、当該載置台１４に載置されたウェハＷを冷却するための冷却機構が設けられていてもよい。

さらに、載置台１４は、第１移動機構としての回転・移動機構１５に接続されている。回転・移動機構１５は、載置台１４を周期的に移動させるものであり、本実施形態においては、載置台１４を回転移動させる。具体的には、回転・移動機構１５は、載置台１４の上面の中心を通る当該上面に対して垂直な軸線ＡＸを中心に、載置台１４を回転させる。また、回転・移動機構１５は、載置台１４を上下動させることができる。この回転・移動機構１５は、例えば支軸１５ａ及び駆動部１５ｂを有する。

支軸１５ａは、例えば、処理容器１０の底壁を貫通するように、上下方向に延在する。この支軸１５ａと処理容器１０の底壁との間には、封止部材ＳＬ１が設けられている。封止部材ＳＬ１は、支軸１５ａが回転及び上下動可能であるように、処理容器１０の底壁と支軸１５ａとの間の空間を封止する部材であり、例えば、磁性流体シールである。支軸１５ａの上端は、載置台１４の下面中央に接続されており、下端は駆動部１５ｂに接続されている。

駆動部１５ｂは、例えばモータ等の駆動源を有し、支軸１５ａを回転及び上下動させるための駆動力を発生させる。駆動部１５ｂが発生させた駆動力により、支軸１５ａが軸線ＡＸを中心に回転することに伴って、載置台１４が上記軸線ＡＸを中心に回転する。また、駆動部１５ｂが発生させた駆動力により、支軸１５ａが上下動することに伴って、載置台１４が上下動する。

回転・移動機構１５による載置台１４の単位時間当たりの回転回数（以下、載置台１４の回転速度）Ｖｗは、例えば、１分間あたり６０～１２０回（すなわち６０ｒｐｍ～１２０ｒｐｍ）とされる。載置台１４の回転速度Ｖｗが、６０ｒｐｍ未満では、膜厚分布を均一にするために必要なウェハＷの総回転回数が得られない。また、載置台１４の回転速度Ｖｗが１２０ｒｐｍより大きくなると、回転・移動機構１５の駆動部１５ｂ等の負荷が大きくなり、回転・移動機構１５の寿命が短くなる。

なお、回転・移動機構１５（具体的には駆動部１５ｂ）は、後述の制御部Ｕにより制御される。

載置台１４の斜め上方には、スパッタ粒子を放出する例えばＴａ製のターゲット２０を保持する、導電性材料で形成されたホルダ２０ａが設けられている。ホルダ２０ａは、処理容器１０内にターゲット２０が位置するよう当該ターゲット２０を保持する。このホルダ２０ａは、処理容器１０の天井部に取り付けられている。処理容器１０におけるホルダ２０ａの取り付け位置には、貫通口が形成されている。また、上記貫通口を囲うように処理容器１０の内壁面に絶縁部材１０ａが設けられている。ホルダ２０ａは、上記貫通口を塞ぐように、絶縁部材１０ａを介して処理容器１０に取り付けられている。

ホルダ２０ａは、ターゲット２０が載置台１４に向くように、当該ターゲット２０を正面に保持する。具体的には、ホルダ２０ａは、ターゲット２０が、載置台１４に向き且つ載置台１４の上面すなわち当該上面に載置されたウェハＷの表面に対して傾くように、ターゲット２０を保持する。

ターゲット２０は、例えば平面視矩形状に形成されている。ターゲット２０は、ホルダ２０ａに保持された状態において、その長軸方向が装置奥行き方向（図１のＹ方向）に延在している。ターゲット２０の装置奥行き方向（図１のＹ方向）の長さは、例えば成膜対象のウェハＷの直径より大きい。成膜対象のウェハＷの直径が３００ｍｍの場合、ターゲット２０の装置奥行き方向（図１のＹ方向）の長さは例えば４００～５００ｍｍである。なお、ターゲット２０の装置奥行き方向（図１のＹ方向）と直交する方向（図のＸ’方向）の長さは、例えば１５０～２００ｍｍである。

また、ホルダ２０ａには、電源２１が接続され、当該電源２１から、負の直流電圧が印加される。負の直流電圧に代えて、交流電圧が印加されるようにしてもよい。
さらに、ホルダ２０ａには、図２に示すように、当該ホルダ２０ａが保持するターゲット２０からのスパッタ粒子によって他の部分が汚染されるのを防ぐこと等を目的として、シールド２２が設けられている。シールド２２は、例えばホルダ２０ａが保持するターゲット２０の外周を覆うように設けられている。

さらに、ホルダ２０ａの載置台１４とは反対側すなわち背面側であって、処理容器１０の外側となる位置にマグネットユニット２３が設けられている。マグネットユニット２３は、ホルダ２０ａに保持されたターゲット２０の正面側に漏洩する磁場を形成するものであり、例えば、図３に示すように、平板形状のヨーク１０１の上に、直方体形状の中心マグネット１０２と、平面視角環状の外周マグネット１０３とが配列されて構成される。中心マグネット１０２は、ヨーク１０１の長手方向に沿うように設けられ、外周マグネット１０３は、中心マグネット１０２の平面視における四辺を囲うように設けられている。また、中心マグネット１０２と外周マグネット１０３は、ヨーク１０１の中心マグネット１０２側の面に垂直な方向において、互いに逆向きに磁化されている。

マグネットユニット２３は、図１に示すように、第２移動機構としての移動機構２４に接続されている。移動機構２４は、マグネットユニット２３を周期的に移動させるものである。本実施形態において、移動機構２４は、マグネットユニット２３をホルダ２０ａの背面に沿って装置奥行き方向（図１及び図３のＹ方向）に揺動すなわち往復運動させる。言い換えると、移動機構２４は、マグネットユニット２３をホルダ２０ａの背面に沿って、送付奥行き方向正方向（図１及び図３のＹ方向正方向）に移動させると共に、装置奥行き方向負方向（図１及び図３のＹ方向負方向）に移動させる。

移動機構２４は、例えば、装置奥行き方向（図１及び図３のＹ方向）に沿って延在するレール２４ａと、モータ等の駆動源を含む駆動部２４ｂとを有する。駆動部２４ｂが発生させた駆動力によって、マグネットユニット２３が、レール２４ａに沿って、装置奥行き方向（図１及び図３のＹ方向）に移動する。より具体的には、駆動部２４ｂが発生させた駆動力により、マグネットユニット２３が、ターゲット２０の装置奥行き方向一端（図１及び図３のＹ方向負側端）と他端（図１及び図３のＹ方向正側端）との間で往復運動を行うように移動する。これにより、ターゲット２０が局所的に消費されることを防ぎ、ターゲット２０の略全体を利用することが可能になる。

なお、本明細書におけるマグネットユニット２３の「揺動回数」では、例えば、ターゲット２０の装置奥行き方向負側端から奥行き方向正方向に移動し正側端に移動したときに１回、ターゲット２０の装置奥行き方向正側端から奥行き方向正方向に移動し負側端に移動したときに１回、とカウントする。したがって、マグネットユニット２３が１往復した場合、マグネットユニット２３の「揺動回数」は２回である。

移動機構２４によるマグネットユニット２３の単位時間当たりの揺動回数（以下、マグネットユニット２３の揺動速度）は、例えば、３０～１２０回／分とされる。マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍが、３０回／分未満では、ターゲット２０が局所的に消費されることを充分に防ぐことができない。また、マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍが１２０回／分より大きくなると、移動機構２４の駆動部２４ｂ等の負荷が大きくなり、移動機構２４の寿命が短くなる。

なお、移動機構２４（具体的には駆動部２４ｂ）は後述の制御部Ｕにより制御される。

さらに、成膜装置１は、処理容器１０内に処理空間Ｋ２を形成するシールド部３０を有する。シールド部３０は、処理容器１０内に設けられている。

シールド部３０は、第１シールド部材３１と、第２シールド部材３２と、を有する。第１シールド部材３１及び第２シールド部材３２は、例えばアルミニウムから形成される。

第１シールド部材３１は、上部が開口した鍋状部材であり、載置台１４に載置されたウェハＷに対して処理空間Ｋ２を露出させるための孔３１ａを底面に有する。第１シールド部材３１は、例えば、支持部材（図示せず）を介して処理容器１０内に支持される。

第２シールド部材３２は、第１シールド部材３１の上部の開口を塞ぐ蓋部材であり、平面視における中央部分が上方に突出するように形成されている。第２シールド部材３２は、開口３２ａを有する。開口３２ａを介して、ホルダ２０ａに保持されたターゲット２０からのスパッタ粒子が処理空間Ｋ２に供給される。

また、第２シールド部材３２の中央部分には、回転軸３３の一端が接続されている。回転軸３３の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致する。回転軸３３は、処理容器１０の外側まで伸びて、その他端が回転機構３４に接続されている。回転機構３４は、回転軸３３を、軸線ＡＸを中心に回転させる。なお、回転機構３４は、回転軸３３を回転させるための駆動力を発生するモータ等の駆動源を含む駆動部（図示せず）を有する。

第２シールド部材３２が回転することにより、第２シールド部材３２の開口３２ａを、ホルダ２０ａに保持されたターゲット２０と対向させたり、第２シールド部材３２の開口３２ａが形成されていない部分を、ターゲット２０と対向させたりすることができる。

また、成膜装置１は、処理容器１０内にガスを供給するガス供給部（図示せず）を備えている。ガス供給部は、例えば、ガスソース、マスフローコントローラ等の流量制御器及びガス導入部を有する。ガスソースは、処理容器１０内において励起されるガス（例えばＡｒガス）を貯留している。ガスソースは、流量制御器を介してガス導入部に接続されている。ガス導入部は、ガスソースからのガスを処理容器１０内に導入する部材である。

このガス供給部からガスが供給され、電源２１によってターゲット２０に電力が供給されると、処理容器１０内に供給されたガスが励起される。また、マグネットユニット２３により、ターゲット２０の正面近傍に磁界が発生し、プラズマがターゲット２０の正面近傍に集中する。そして、ターゲット２０にプラズマ中の正イオンが衝突することで、ターゲット２０から当該ターゲット２０を構成する物質がスパッタ粒子として放出される。これにより、ウェハＷ上に所望の膜が形成される。

成膜装置１は図１に示すようにさらに制御部Ｕを備える。制御部Ｕは、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータにより構成され、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、駆動部１５ｂ、電源２１、駆動部２４ｂ等を制御して、成膜装置１における後述の成膜処理を実現するためのプログラムが格納されている。また、プログラム格納部には、成膜にかかる処理条件を決定するためのプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部Ｕにインストールされたものであってもよい。上記記憶媒体は、一時なものであっても非一時的なものであってもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェア（回路基板）で実現してもよい。

＜成膜中の載置台１４の総回転回数Ｎｗ及びマグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍ＞
ターゲット２０が前述のように載置台１４の上面すなわち当該上面に載置されたウェハＷの表面に対して傾いている場合等においては、ウェハＷに対して成膜したときに膜厚がウェハＷの面内で不均一になることがある。その原因は、ウェハＷの表面における領域毎にターゲット２０までの距離が異なること等である。この膜厚の面内均一性を解消するためにウェハＷが載置される載置台１４が成膜中に回転される。しかし、マグネットユニット２３を用いる場合、載置台１４を回転させたとしても、以下の理由から、膜厚の面内均一性が不十分となることがあった。

すなわち、ターゲット２０を有効活用するために、マグネットユニット２３は、当該マグネットユニット２３が形成する磁場がターゲット２０の全幅を覆うように、ターゲット２０に対して揺動するように構成されている。また、マグネットユニット２３が、図４に示すようにターゲット２０の揺動方向中央に対向する部分に位置するか、図５に示すように、ターゲット２０の揺動方向端部に対向する部分に位置するかによって、ターゲット２０におけるプラズマＰに曝される領域の広さが異なってくる。そのため、ターゲット２０から放出されるスパッタ粒子の量も異なり、単位時間当たりのウェハＷへの薄膜の堆積量（すなわちウェハＷへの薄膜の堆積速度）も異なってくる。そして、例えば、成膜中に、マグネットユニット２３がターゲット２０の中央部に位置することが複数回あると、載置台１４の回転速度Ｖｗとターゲット２０の揺動速度Ｖｍとの関係によっては、マグネットユニット２３がターゲット２０の中央部に位置する時点の、載置台１４上のウェハＷの向き（回転方向の位置）が、毎回同じになる場合がある。この場合、成膜中に載置台１４を回転させたとしても、ウェハＷの面内における膜厚の分布に偏りが生じてしまう。

この点等を踏まえ、本実施形態では、制御部Ｕが、成膜時に以下の条件（１）～（３）を満たすように、駆動部１５ｂ及び駆動部２４ｂを制御する。
（１）載置台１４の回転運動における位相（具体的には載置台１４の回転方向にかかる位置すなわち載置台１４の向き）が、成膜開始時と成膜終了時とで一致する。
（２）マグネットユニット２３の揺動における位相が、成膜開始時と成膜終了時とで一致する。
（３）載置台１４の回転運動における位相とマグネットユニット２３の揺動における位相とが成膜中に一致しない。

上記条件（１）を満たすということは、成膜中の載置台１４の総回転回数Ｎｗが自然数になるということである。これにより、載置台１４上のウェハＷの表面の各領域が、ターゲット２０に最も近接する時間長さを、領域毎に等しくすることができるため、成膜された膜の厚さのウェハ面内での均一化を図ることができる。

上記条件（２）を満たすということは、成膜中のマグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍが自然数になるということである。これにより、ターゲット２０の消費量をターゲット２０の面内で均一にすることができる。

上記条件（１）～（３）を満たすということは、上記総揺動回数Ｎｍが上記総回転回数Ｎｗの整数倍とならず、上記総回転回数Ｎｗが上記総揺動回数Ｎｍの整数倍とならない、ということである。これにより、成膜中に、マグネットユニット２３がターゲット２０の中央部に位置することが複数回ある場合に、マグネットユニット２３がターゲット２０の中央部に位置する時点の、載置台１４上のウェハＷの向きを、毎回異ならせることができる。言い換えると、マグネットユニット２３がターゲット２０の中央部に位置する際に薄膜が主に堆積する位置Ａを、図６に示すようにウェハＷの面内に１つではなく、図７に示すようにウェハＷの面内に複数配置させること（例えば３０°毎）ができる。したがって、局所的な膜厚ムラの発生を抑制することができ、ウェハＷの面内での膜厚の均一性を向上させることができる。

＜処理条件決定方法＞
次に、成膜装置１を用いたマグネトロンスパッタリングによる成膜の処理条件の決定方法の一例、具体的には、成膜中の載置台１４の回転及びマグネットユニット２３の揺動にかかる処理条件を決定する方法の一例について説明する。

本決定方法では、例えば、制御部Ｕが、上記条件（１）～（３）が満たされるよう、成膜中の載置台１４の回転及びマグネットユニット２３の揺動にかかる処理条件を決定する。具体的には以下の通りである。

（ステップＳ１：成膜時間の決定）
例えば、まず、目標の膜厚値が、作業者等により、キーボード等の入力デバイスを介して、制御部Ｕに対して入力されると、当該制御部Ｕが、目標の膜厚値と、予め取得された成膜装置１による成膜速度すなわち薄膜の堆積速度から、成膜時間Ｔすなわち堆積時間Ｔを決定する。

（ステップＳ２：載置台１４の総回転回数Ｎｗ及び回転速度Ｖｗの決定）
次いで、制御部Ｕが、成膜中の載置台１４の総回転回数Ｎｗ及び載置台１４の回転速度Ｖｗを決定する。具体的には、制御部Ｕが、成膜中の載置台１４の総回転回数Ｎｗが自然数になるように、ステップＳ１で決定した成膜時間Ｔに基づいて、６０ｒｐｍ～１２０ｒｐｍの範囲から、載置台１４の回転速度Ｖｗを決定する。

（ステップＳ３：マグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍ及び揺動速度Ｖｍの決定）
そして、制御部Ｕが、成膜中のマグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍ及びマグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍを決定する。具体的には、成膜中のマグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍが上記（３）を満たす自然数になるように、ステップＳ１で決定した成膜時間Ｔに基づいて、３０回／分～１２０回／分の範囲から、マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍを決定する。言い換えると、
Ｎｍ＝Ｎｗ±ｎ（ｎは任意の自然数）
を満たし、Ｎｍ／Ｎｗ及びＮｗ／Ｎｍが整数にはならないように、制御部Ｕが、３０回／分～１２０回／分の範囲から、マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍを決定する。

なお、ステップＳ２及びステップＳ３において、
（１）Ｎｍ＝Ｎｗ±ｎ（Ｎｍ、Ｎｗは自然数、ｎは任意の自然数）
（２）Ｎｍ／Ｎｗ及びＮｗ／Ｎｍが整数にはならない。
（３）載置台１４の回転速度Ｖｗは、６０ｒｐｍ～１２０ｒｐｍの範囲にある。
（４）マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍは、３０回／分～１２０回／分の範囲にある。
を満たす載置台１４の回転速度Ｖｗが複数ある場合は、最も大きい回転速度Ｖｗが選択される。成膜のばらつきを抑制するためである。
また、決定／選択された載置台１４の回転速度Ｖｗに対し、マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍが複数ある場合も、同様に、最も大きい揺動速度Ｖｍが選択される。

＜成膜処理＞
次に、成膜装置１を用いた成膜処理の一例について説明する。なお、以下の処理は制御部Ｕの制御の下で行われる。

（Ｓ１１：搬入）
まず、処理容器１０内にウェハＷが搬入される。
具体的には、ゲートバルブ１３ａが開かれ、排気装置１１により所望の圧力に調整された処理容器１０に隣接する真空雰囲気の搬送室（図示せず）から搬出入口１３を介して、ウェハＷを保持した搬送機構（図示せず）が処理容器１０内に挿入される。なお、このときの処理容器１０内及び上記搬送室内の圧力は、例えば１０^－７Ｔｏｒｒ～１０^－９Ｔｏｒｒである。次いで、上昇した支持ピン（図示せず）の上に上記搬送機構からウェハＷが受け渡され、その後、上記搬送機構は処理容器１０から抜き出され、ゲートバルブ１３ａが閉じられる。それと共に、上記支持ピンの下降が行われ、ウェハＷが、載置台１４上に載置され、静電チャック１４ａの静電吸着力により吸着保持される。また、載置台１４の上昇が行われ、シールド部３０の孔３１ａの直下にウェハＷが移動する。

（Ｓ１２：載置台１４の回転）
続いて、前述のステップＳ２等で決定した回転速度Ｖｗで載置台１４が回転するよう、回転・移動機構１５が制御される。

（ステップＳ１３：マグネットユニット２３の揺動）
また、前述のステップＳ３等で決定した揺動速度Ｖｍで、マグネットユニット２３が揺動するよう移動機構２４が制御される。

（ステップＳ１４：成膜）
続いて、マグネトロンスパッタリングにより、前述のステップＳ１で決定した成膜時間Ｔで、ウェハＷ上に所望の膜が形成される。
具体的には、ガス供給部（図示せず）から処理容器１０内に、例えばＡｒガスが供給される。また、電源２１からターゲット２０に電力が供給される。電源２１からの電力により、処理容器１０内のＡｒガスが電離し、電離によって生じた電子が、マグネットユニット２３がターゲット２０の正面に形成した磁場（すなわち漏洩磁場）によってドリフト運動し、高密度なプラズマを発生させる。このプラズマ中に生じたＡｒイオンによって、ターゲット２０の表面がスパッタリングされ、スパッタ粒子がウェハＷ上に堆積され、薄膜が形成される。電源２１からの電源供給を開始してから、前述のステップＳ１で決定した成膜時間Ｔが経過すると、上記電源供給が停止され、ガス供給部（図示せず）からのガスの供給も停止され、載置台１４の回転及びマグネットユニット２３の揺動も停止される。

（ステップＳ１５：搬出）
その後、処理容器１０からウェハＷが搬出される。具体的には、ステップＳ１１の搬入時と逆の動作で、ウェハＷが処理容器１０の外に搬出される。
そして、前述の搬入工程に戻り、次の成膜対象のウェハＷが同様に処理される。

＜本実施形態の主な効果＞
以上のように、本実施形態によれば、マグネトロンスパッタリングにより成膜する際に、局所的な膜厚ムラの発生を抑制することができ、ウェハＷの面内での膜厚の均一性を向上させることができる。

図８及び図９は、それぞれ比較例及び実施例における、ウェハＷの面内での膜厚の分布を示す図である。
比較例及び実施例では、ターゲット２０としてＴａ製のものを使用し、成膜速度０．１２５ｎｍ／ｓの条件で、目標の膜厚を１ｎｍとしてマグネトロンスパッタリングにより成膜を行った。つまり、成膜時間Ｔは８秒とした。

また、比較例及び実施例では、載置台１４の総回転回数Ｎｗを８回として、載置台１４の回転速度を（Ｎｗ／Ｔ）×６０（Ｎｗは８回、Ｔは８秒）の６０ｒｐｍとした。

そして、実施例では、マグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍを、Ｎｍ／Ｎｗ、Ｎｗ／Ｎｍの両方が整数にはならないという条件を満たすよう、Ｎｍ＝Ｎｗ＋１（Ｎｗは８回）の９回とし、成膜中に、載置台１４の回転運動における位相とマグネットユニット２３の揺動における位相とが一致しないようにした。
一方、比較例では、マグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍを、Ｎｍ／Ｎｗ、Ｎｗ／Ｎｍの両方が整数にはならないという条件を満たさないよう、Ｎｍ＝Ｎｗ（Ｎｗは８回）の８回とし、成膜中に、載置台１４の回転運動における位相とマグネットユニット２３の揺動における位相とが一致するようにした。

図８に示すように、比較例では、成膜中に、載置台１４の回転運動における位相とマグネットユニット２３の揺動の位相とが一致する結果、Ｔａ膜が極端に厚い部分が存在し、Ｔａ膜の厚さがウェハＷの面内で不均一であった。また、比較例では、膜厚の標準偏差を膜厚の平均値で除算した、膜厚の変動係数（ＣＶ：Coefficient Variation）が２．０％であった。

一方、実施例では、図９に示すように、比較例に比べて、Ｔａ膜が極端に厚い部分が存在していなかった。また、実施例では、膜厚の変動係数が０．６％であった。

以上の結果から、本開示の手法を用いることで、マグネットスパッタリングを、マグネットユニット２３を揺動させながら行う場合においても、変動係数が１％以下の膜厚分布を持つ薄膜をウェハＷ上に形成可能であることが分かる。

＜変形例＞
以上の例では、載置台１４の総回転回数Ｎｗ及び回転速度Ｖｗの決定が先に行われ、その後、マグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍ及び揺動速度Ｖｍの決定が後に行われていた。しかし、マグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍ及び揺動速度Ｖｍの決定が先に行われ、載置台１４の総回転回数Ｎｗ及び回転速度Ｖｗの決定が後に行われてもよい。具体的には、制御部Ｕが、まず、マグネットユニット２３の総揺動回数Ｎｍが自然数になるように、成膜時間Ｔに基づいて、所定の範囲から、マグネットユニット２３の揺動速度Ｖｍを決定してもよい。そして、制御部Ｕが、成膜中の載置台１４の総回転回数Ｎｗが上記（３）を満たす自然数になるように、成膜時間Ｔに基づいて、所定の範囲から、載置台１４の回転速度Ｖｗを決定してもよい。

また、以上の例では、載置台１４を回転させることとしていたが、載置台１４の周期的な移動の態様はこれに限られない。例えば、載置台１４を、マグネットユニット２３と同様に、水平方向等の所定の方向に揺動させてもよい。この場合も本開示に係る技術を適用することができる。

さらに、以上の例では、マグネットユニット２３を揺動させることとしていたが、マグネットユニット２３の周期的な移動の態様はこれに限られない。例えば、ターゲット２０が平面視円形のとき等は、ターゲット２０の中心軸を中心に、ホルダ２０ａの裏面に沿ってマグネットユニット２３を回転移動させてもよい。また、ターゲット２０の中心軸を中心に、ホルダ２０ａの裏面に沿って、マグネットユニット２３を矩形の軌跡を描くように移動させてもよい。これらの場合も本開示に係る技術を適用することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１ 成膜装置
１４ 載置台
１５ 回転・移動機構
２０ ターゲット
２０ａ ホルダ
２３ マグネットユニット
２４ 移動機構
１０２ 中心マグネット
１０３ 外周マグネット
Ｎｍ 総揺動回数
Ｎｗ 総回転回数
Ｔ 成膜時間
Ｕ 制御部
Ｗ ウェハ

Claims (8)

1. マグネトロンスパッタリングにより基板上に成膜する成膜装置であって、
   基板を支持する基板支持部と、
   スパッタ粒子を放出するターゲットが前記基板支持部に向くように、前記ターゲットを保持するホルダと、
   前記ホルダの前記基板支持部とは反対側に設けられ、マグネットを有するマグネットユニットと、
   前記基板支持部を周期的に移動させる第１移動機構と、
   前記マグネットユニットを前記ホルダに保持された前記ターゲットに対して周期的に移動させる第２移動機構と、
   制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記基板支持部の周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、
   前記マグネットユニットの周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、
   成膜中に、前記基板支持部の周期的な移動における位相と前記マグネットユニットの周期的な移動における位相とが一致しないよう、
   前記第１移動機構及び前記第２移動機構を制御するように構成されている、成膜装置。
2. 前記制御部は、成膜中の前記基板支持部の総移動回数Ｎｗと成膜中の前記マグネットユニットの総移動回数Ｎｍとが互いに異なる自然数となり、前記総移動回数Ｎｍの総移動回数が前記総移動回数Ｎｗの整数倍とならず、前記総移動回数Ｎｗの総移動回数が前記総移動回数Ｎｍの整数倍とならない、という条件を満たすよう、前記第１移動機構及び前記第２移動機構を制御するように構成されている、請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記制御部は、成膜中の前記基板支持部の総移動回数Ｎｗが自然数になるように、成膜に要する時間に基づいて所定の範囲から決定された、前記基板支持部の単位時間当たりの移動回数で、前記基板支持部が移動するよう、前記第１移動機構を制御するように構成されている、請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記所定の範囲は、１分間あたり６０～１２０回である、請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記制御部は、成膜中の前記マグネットユニットの総移動回数Ｎｍが前記条件を満たす自然数となるように、前記成膜に要する時間に基づいて他の所定の範囲から決定された、前記マグネットユニットの単位時間当たりの移動回数で、前記マグネットユニットが移動するよう、前記第２移動機構を制御するように構成されている、請求項３または４に記載の成膜装置。
6. 前記他の所定の範囲は、１分間当たり３０～１２０回である、請求項５に記載の成膜装置。
7. 成膜装置を用いてマグネトロンスパッタリングにより基板上に成膜する処理条件を決定する方法であって、
   前記成膜装置は、
   基板を支持する基板支持部と、
   スパッタ粒子を放出するターゲットが前記基板支持部に向くように、前記ターゲットを保持するホルダと、
   前記ホルダの前記基板支持部とは反対側に設けられ、マグネットを有するマグネットユニットと、を有し、
   成膜中に、前記基板支持部が、周期的に移動されると共に、前記マグネットユニットが、前記ホルダに保持された前記ターゲットに対して周期的に移動され、
   前記基板支持部の周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、前記マグネットユニットの周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、成膜中に、前記基板支持部の周期的な移動における位相と前記マグネットユニットの周期的な移動における位相とが一致しないよう、成膜中の前記基板支持部及び前記マグネットユニットの移動にかかる前記処理条件を決定する、条件決定方法。
8. 成膜装置を用いてマグネトロンスパッタリングにより基板上に成膜する成膜方法であって、
   前記成膜装置は、
   基板を支持する基板支持部と、
   スパッタ粒子を放出するターゲットが前記基板支持部に向くように、前記ターゲットを保持するホルダと、
   前記ホルダの前記基板支持部とは反対側に設けられ、マグネットを有するマグネットユニットと、を有し、
   前記基板支持部を周期的に移動させると共に、前記マグネットユニットを前記ホルダに保持された前記ターゲットに対して周期的に移動させ、マグネトロンスパッタリングにより基板上に成膜する工程を含み、
   当該工程において、
   前記基板支持部の周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、
   前記マグネットユニットの周期的な移動における位相が成膜開始時と成膜終了時とで一致し、
   成膜中に、前記基板支持部の周期的な移動における位相と前記マグネットユニットの周期的な移動における位相とが一致しないよう、
   前記基板支持部及び前記マグネットユニットを移動させる、成膜方法。
   
   

Images