JP3237000B2

JP3237000B2 - マグネトロンスパッタ装置

Info

Publication number: JP3237000B2
Application number: JP33435191A
Authority: JP
Inventors: 重敏保坂; 忠利須田; 正道原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH05148640A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マグネトロンスパッタ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリングは、陰極側のターゲット
（蒸着材料）の表面にプラズマのイオンを衝突させ、そ
こからはじき飛ばされた粒子を対向する陽極側の被処理
体上に堆積させて膜を形成する成膜技術である。マグネ
トロンスパッタ法は、スパッタ効率を高めるために、磁
界を利用してターゲット表面付近に高密度のプラズマを
閉じ込める技法である。

【０００３】一般のマグネトロンスパッタ装置では、タ
ーゲットの裏側に磁石を設け、該磁石からターゲット表
面付近に高密度のプラズマをリング状に閉じ込めるよう
な磁界を与えるようにしている。このようにリング状に
分布した高密度プラズマは、一般にプラズマリングと称
されている。ただし、このプラズマリングが静止した状
態では、ターゲット表面がリング状に局部的にしかスパ
ッタされない。そこでターゲットの全表面で均一なスパ
ッタを行うため、プラズマリングがターゲット表面をな
ぞるように、ターゲットの裏側で磁石を動かしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ターゲ
ットの付近には、ターゲット裏側に配置されている磁石
からプラズマ閉じ込め用の磁界が与えられているのであ
るが、そこに外部からの不所望な磁界が作用することが
ある。たとえば、装置容器（真空チャンバ）に磁気シー
ルド材が用いられていると、この磁気シールド材からの
磁界がターゲット付近に及ぶことがある。あるいは、近
くに設置されている他のマグネトロンスパッタ装置から
の磁界が当該マグネトロンスパッタ装置のターゲット付
近に及ぶことがある。

【０００５】このような外部からの不所望な磁界がター
ゲット付近に及ぶことによって、プラズマ閉じ込め用の
本来の磁界が影響を受け、プラズマリングのプラズマ密
度に変動を来たす。つまり、プラズマリングはターゲッ
ト表面上で周期運動を行うため、プラズマリングのプラ
ズマ密度が外部磁界の極性・方向・磁界強度に応じて場
所的に変動し、ターゲット表面のある部分ではスパッタ
が他よりも促進される一方で、別の部分では他よりもス
パッタが抑制される。この結果、ターゲット表面上で均
一なスパッタが行われなくなり、ひいては被処理体たと
えば半導体ウエハ上の成膜が不均一になるという不具合
が生じる。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、不所望な磁界がターゲット付近に作用しても、
高密度のプラズマによる効率的なスパッタを安定・均一
に行って、被処理体上に均一に成膜することができるマ
グネトロンスパッタ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】上記の目的を達成するた
めに、本発明のマグネトロンスパッタ装置は、真空可能
な処理室内で被処理体と対向し、かつ前記被処理体との
間に所定の電圧を印加される板状のターゲットと、前記
ターゲットの中心部と周縁部との間のターゲット表面付
近にプラズマを円形ループ状に閉じ込めるための円形ル
ープ状プラズマ閉じ込め用磁界を軸対称に偶数個形成す
るプラズマ閉じ込め用磁界発生手段と、前記ターゲット
の表面上で前記円形ループ状プラズマ閉じ込め用磁界を
円周方向に回転移動させるプラズマ閉じ込め用磁界回転
手段とを具備し、互いに軸対称に位置する各一対の前記
円形ループ状プラズマ閉じ込め用磁界の間で前記ターゲ
ットに対する磁力線の向きが反対になる構成とした。

【０００８】

【作用】一般にマグネトロンスパッタ装置においては、
電子が電界印加方向とプラズマ閉じ込め用磁界とのベク
トル積で規定される方向に力を受けて同方向に運動し、
付近の気体粒子に衝突して、該粒子を励起、解離、イオ
ン化せしめ、プラズマを発生させる。発生したプラズマ
はプラズマ閉じ込め用磁界の延在または分布する領域ま
たは範囲内でターゲット表面付近に閉じ込められる。本
発明では、ターゲットの中心部と周縁部との間のターゲ
ット表面付近にプラズマが円形ループ状に閉じ込められ
る。円形ループ状のプラズマ閉じ込め用磁界において
は、捕捉された電子が円形ループ内を移動するため、高
密度のプラズマを効率よく生成し、かつ安定に・維持す
ることができる。そして、このような円形ループ状のプ
ラズマ閉じ込め用磁界がターゲット円周方向に回転移動
することより、ターゲット表面（スパッタ面）に高密度
プラズマが均等に作用し、ターゲット表面が効率的にス
パッタされる。しかも、軸対称で回転移動する各一対の
円形ループ状プラズマ閉じ込め用磁界の間でターゲット
に対する磁力線の向き（特にターゲット表面付近におけ
る磁力線の向き）が互いに逆になっているため、プラズ
マ閉じ込め用磁界の外に不所望な磁界、特にターゲット
表面と平行な方向の不所望な磁界がターゲット付近に及
ぶ場合でも、その不所望な磁界によって両円形ループ状
プラズマ閉じ込め用磁界にそれぞれ生じる磁界強度の変
動ひいてはそれぞれの高密度プラズマに生じるプラズマ
密度の変動は互いに逆向きの相補的なものとなる。した
がって、軸対称の各一対の円形ループ状プラズマ閉じ込
め用磁界が回転移動することで、ターゲット表面上の各
位置には変動分が相殺されて平均化された高密度プラズ
マが作用し、均一なスパッタないし均一な成膜が行われ
る。

【０００９】

【実施例】以下、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例によるプレーナ式マ
グネトロンスパッタ装置の構成を示す。

【００１０】このマグネトロンスパッタ装置において、
処理容器１０の上面にスパッタガン１２が下向き（内向
き）に取付され、スパッタガン１２の下方に対向して配
設された加熱機構５０の載置台上に被処理体として、た
とえば半導体ウエハ５２が載置される。加熱機構５０の
周囲の板５４はカバー板である。スパッタガン１２と半
導体ウエハ５２との間にはシャッタ５６が設けられ、こ
のシャッタ５６はスパッタリング期間中はスパッタガン
１２のターゲット面から退避するようになっている。５
８はシャッタ駆動軸、６０はシャッタ駆動源である。

【００１１】スパッタガン１２は円筒状のケーシング１
４を有する。このケーシング１４の内側下端部にリング
状の絶縁材１６を介して円盤状の冷却ジャケット１８が
固定取付され、この冷却ジャケット１８の下面に密着す
るようにして皿状のターゲット２０がターゲット表面を
下に向けてネジ２２により着脱可能に取付される。冷却
ジャケット１８内には冷却液を通すための水路１８ａが
設けられている。冷却ジャケット１８の下面中央のター
ゲット取付部には、ターゲット２０の回転ずれを防止す
るための一対のピン１８ｂが設けられている。

【００１２】ケーシング１４の上部には円盤状の絶縁基
板２４がケーシング上端開口を閉塞するようにして取付
され、この絶縁基板２４の中央部の下方に円筒部２６が
冷却ジャケット１８の肉厚中央部の裏側に固定されてい
る。この円筒部２６内に給電棒２８が冷却ジャケット１
８の肉厚中央部の裏面まで通されている。給電棒２８は
８００〜１０００ボルト程度の負電圧電源（図示せず）
に接続されており、その負電圧がカソード電圧として給
電棒２８および冷却ジャケット１８内の導体を介してタ
ーゲット２０に印加される。

【００１３】円筒部２６の外周側には軸受３０を介して
ドライブリング３２が回転可能に取付されている。ドラ
イブリング３２の上部の歯車３４は駆動モータ３６の出
力軸に結合された歯車３８と歯合しており、駆動モータ
３６の回転駆動力によってドライブリング３２が円筒部
２６を中心軸として一定速度たとえば３０ｒｐｍの回転
速度で回転するようになっている。ドライブリング３２
の下部の円盤状の支持板４０には、互いに１８０゜の間
隔をおいて支持棒４２，４４を介して一対の磁石ユニッ
ト４６，４８が取付されている。これらの磁石ユニット
４６，４８は、それぞれ第１および第２のプラズマ閉じ
込め用磁界発生手段を構成する。

【００１４】処理容器１０には、気体たとえば不活性ガ
スを導入するためのガス供給系１００、および処理容器
１０内を所定の圧力に減圧するための排気系１１０が接
続されている。

【００１５】図２に示すように、第１および第２の磁石
ユニット４６，４８は、磁性体からなるリング状のポー
ルピース４６ａ，４８ａの内周面にほぼ９０゜間隔で４
個の永久磁石片４６ｂ，４８ｂを固着したものである。
ただし、第１の磁石ユニット４６の各永久磁石片４６ｂ
は内周側がＮ極で外周側がＳ極であるのに対し、第２の
磁石ユニット４８の各永久磁石片４８ｂは内周側がＳ極
で外周側がＮ極となっている。永久磁石片４６ｂ，４８
ｂ自体は、同一の永久磁石片である。したがって、両磁
石ユニット４６，４８から出る磁束は、磁界強度は同一
であるが、磁力線の向きが反対となるような磁場を形成
する。

【００１６】これらの磁石ユニット４６，４８により、
ターゲット２０の表面上には、図３に示すように、一対
の円形ループ状プラズマ閉じ込め用磁界Ｂ1,Ｂ2 が与え
られる。カソード電極であるターゲット２０の表面付近
にはほぼ垂直方向に電界Ｅが印加されており、この電界
Ｅと磁界Ｂ1,Ｂ2 とのベクトル積Ｅ×Ｂ1 （＝Ｐ1)、Ｅ
×Ｂ2 （＝Ｐ2)が円形ループ状に閉じる場所に高密度の
プラズマが閉じ込められ、円形ループ状のプラズマリン
グＲ1,Ｒ2 が形成される。これらのプラズマリングＲ1,
Ｒ2 は、それぞれ磁石ユニット４６，４８の回転移動に
伴って、ターゲット表面をなぞるようにして矢印方向に
一定速度で回転移動する。これによって、ターゲット２
０の表面（スパッタ面）に高密度プラズマが均等に作用
し、ターゲット表面が均等にスパッタされるようになっ
ている。

【００１７】かかる構成のマグネトロンスパッタ装置に
おいて、ターゲット２０の付近には上記のような磁石ユ
ニット４６，４８からのプラズマ閉じ込め用の磁界Ｂ1,
Ｂ2が作用しているのであるが、それらの磁界以外に
も、不所望な磁界が作用することがある。たとえば、図
１においてシャッタ駆動軸５８用の軸受６２に磁気シー
ルド材を設けた場合、その磁気シールド材からの磁界が
ターゲット２０の付近まで及ぶことがある。その他、種
々の原因により、ターゲット２０の付近には不所望な外
部磁界が作用することがあり得る。しかし、本実施例の
マグネトロンスパッタ装置においては、以下に説明する
ように、そのような外部磁界の影響が自動的に補償・緩
和され、安定・均一なスパッタが行われる。

【００１８】図４につき、本実施例の作用を説明する。
図４の(A) は不所望な外部磁界が存在しない場合であ
る。この場合、第１および第２の磁石ユニット４６，４
８より磁束の向きが反対で磁気強度としては同一パター
ンの磁界Ｂ1,Ｂ2 が実質的に唯一の磁界としてターゲッ
ト２０の表面付近に与えられる。これによって、両プラ
ズマリングＲ1,Ｒ2 はプラズマ密度の一定な安定プラズ
マリングとしてターゲット表面上を回転移動し、ターゲ
ット表面が均等にスパッタされる。

【００１９】図４の(B),(C) は、ある方向、たとえば図
の右側から不所望な外部磁界Ｂ0 がターゲット付近に作
用した場合である。この外部磁界Ｂ0 の極性を、たとえ
ばＮとする。

【００２０】この場合、図４の(B) に示すように、第１
の磁石ユニット４６が外部磁界Ｂ0に接近すると、第１
の磁石ユニット４６からの磁界Ｂ1 は、外部磁界Ｂ0 に
近い場所では磁界強度を弱められ、外部磁界Ｂ0 より遠
い場所では磁界強度を強められる。これにより、第１の
磁石ユニット４６に対応したプラズマリングＲ1 におい
ては、外部磁界Ｂ0 に近い場所ではプラズマ密度が低く
なり、外部磁界Ｂ0 より遠い場所ではプラズマ密度が高
くなる。一方、第２の磁石ユニット４８からの磁界Ｂ2
は、Ｂ1 とは極性が逆なので、外部磁界Ｂ0 に近い場所
で磁界強度を強められ、外部磁界Ｂ0 より遠い場所で磁
界強度を弱められる。これにより、第２の磁石ユニット
４８に対応したプラズマリングＲ2 においては、外部磁
界Ｂ0 に近い場所ではプラズマ密度が高くなり、外部磁
界Ｂ0より遠い場所ではプラズマ密度が低くなる。もっ
とも、第２の磁石ユニット４８は第１の磁石ユニット４
６よりも外部磁界Ｂ0 から遠ざかっているので、そのぶ
ん磁界Ｂ2 の受ける影響およびプラズマリングＲ2 にお
けるプラズマ密度の変動の度合いは小さい。いずれにせ
よ、外部磁界Ｂ0 の影響によって、第１および第２の磁
石ユニット４６，４８より与えられる磁界Ｂ1,Ｂ2 の磁
界強度がそれぞれ変動し、両プラズマリングＲ1,Ｒ2 の
プラズマ密度がそれぞれ変動する。

【００２１】しかし、図４の(C) に示すように、第２の
磁石ユニット４８が外部磁界Ｂ0 に接近した時は、ター
ゲット表面上の各位置で上記とは反対の（対象的な）現
象が生じる。すなわち、外部磁界Ｂ0 に近いターゲット
表面付近では、第２の磁石ユニット４８からの磁界Ｂ2
が外部磁界Ｂ0 に近い場所で磁界強度を強められ、外部
磁界Ｂ0 より遠い場所で磁界強度を弱められ、プラズマ
リングＲ2 においては外部磁界Ｂ0 に近い場所でプラズ
マ密度が低くなり、外部磁界Ｂ0 より遠い場所でプラズ
マ密度が高くなる。一方、外部磁界Ｂ0 より遠いターゲ
ット表面付近では、第１の磁石ユニット４６からの磁界
Ｂ1 が外部磁界Ｂ0 に近い場所で磁界強度を弱められ、
外部磁界Ｂ0 より遠い場所で磁界強度を強められ、プラ
ズマリングＲ1 においては外部磁界Ｂ0 に近い場所でプ
ラズマ密度が低くなり、外部磁界Ｂ0 より遠い場所でプ
ラズマ密度が高くなる。

【００２２】このように、本実施例のマグネトロンスパ
ッタ装置においては、プラズマ閉じ込め用磁界発生手段
として極性が逆の第１および第２の磁石ユニット４６，
４８を設けたので、不所望な外部磁界がターゲット表面
付近に作用しても、その外部磁界による変動がそれぞれ
のプラズマ閉じ込め用磁界Ｂ1,Ｂ2 間およびそれぞれの
プラズマリングＲ1,Ｒ2 間で反対になる。そして、両磁
石ユニット４６，４８がターゲット２０の裏側で回転移
動することにより、プラズマリングＲ1,Ｒ2 がターゲッ
ト表面をなぞるように回転移動するので、ターゲット表
面の各位置でプラズマリングＲ1,Ｒ2 のプラズマ密度の
変動が互いに相殺され、結果的には図４の(A) のような
安定プラズマリングが回転移動した場合と同等の均一な
スパッタが行われることになる。図４の例では、右側か
らＮ極の外部磁界が作用した場合について説明したが、
他の任意の方向から任意の極性の外部磁界が作用した場
合も同様な結果が得られる。したがって、不所望な外部
磁界が任意の方向からターゲット表面付近に作用して
も、均一なスパッタを行い、半導体ウエハ５２の表面を
均一に成膜することができる。

【００２３】上述した実施例の磁石ユニット４６，４８
は、磁性体からなるリング状のポールピースの内周面に
ほぼ９０゜間隔で４個の永久磁石片を固着した構成であ
ったが、本発明のプラズマ閉じ込め用磁界発生手段はそ
のような構成の磁石ユニットに限定されるものではな
く、図５に示すように、たとえば材質が軟鉄である円形
磁性板６２の中心部に円柱状の永久磁石６４をＮ極を上
にして固着したものを第１の磁石ユニット６６とし、円
形磁性板６８の中心部に円柱状の永久磁石７０をＳ極を
上にして固着したものを第２の磁石ユニット７２として
もよい。また、永久磁石に代えて電磁石で構成すること
も可能である。

【００２４】また、上述した実施例では、互いに逆極性
の一対の磁石ユニット４６，４８を１８０゜の間隔をお
いて、つまり軸対象にドライブリング３２に取付した
が、たとえば図６に示すようにそのような逆極性の磁石
ユニットを二対（４６Ａ，４８Ａ）、（４６Ｂ，４８
Ｂ）設け、それらの磁石ユニットを９０゜間隔でトライ
ブリング３２の支持板４０に取付するようにしてもよ
い。

【００２５】また、上述した実施例のマグネトロンスパ
ッタ装置は、直流バイアスをかけるプレーナ式のマグネ
トロンスパッタ装置であったが、本発明は他の方式のマ
グネトロンスパッタ装置にも適用可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマグネト
ロンスパッタ装置によれば、ターゲット表面付近で高密
度のプラズマを円形ループ状に閉じ込めるための円形ル
ープ状プラズマ閉じ込め用磁界を軸対称に偶数個形成し
て、それぞれターゲットの円周方向に回転移動させると
ともに、互いに軸対称に位置する各一対の円形ループ状
プラズマ閉じ込め用磁界におけるターゲットに対する磁
力線の向きを反対にしているので、不所望な磁界がター
ゲット付近に作用しても、高密度に維持され、かつ平均
化されたプラズマをターゲット表面に作用させて効率的
なスパッタを安定かつ均一に行うことができ、ひいては
被処理体上に均一な被膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるプレーナ式マグネトロ
ンスパッタ装置の構成を示す縦断面図である。

【図２】実施例のスパッタ装置における磁石ユニットの
構成を示す斜視図である。

【図３】実施例のスパッタ装置においてターゲット表面
付近にプラズマリングが形成される様子を示す斜視図で
ある。

【図４】実施例のスパッタ装置において不所望な外部磁
界に対する作用を説明するための要部の略側面図であ
る。

【図５】磁石ユニットの一変形例を示す斜視図である。

【図６】磁石ユニットの別の変形例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１２スパッタガン２０ターゲット３２ドライブリング３６駆動モータ４０支持板４６第１の磁石ユニット４８第２の磁石ユニット５２被処理体（半導体ウエハ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−17175（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−100176（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−109163（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空可能な処理室内で被処理体と対向
し、かつ前記被処理体との間に所定の電圧を印加される
板状のターゲットと、前記ターゲットの中心部と周縁部との間のターゲット表
面付近にプラズマを円形ループ状に閉じ込めるための円
形ループ状プラズマ閉じ込め用磁界を軸対称に偶数個形
成するプラズマ閉じ込め用磁界発生手段と、前記ターゲットの表面上で前記円形ループ状プラズマ閉
じ込め用磁界を円周方向に回転移動させるプラズマ閉じ
込め用磁界回転手段とを具備し、互いに軸対称に位置する各一対の前記円形ループ状プラ
ズマ閉じ込め用磁界の間で前記ターゲットに対する磁力
線の向きが反対になる構成としたことを特徴とするマグ
ネトロンスパッタ装置。