JP4214342B2 - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、LSI、超LSI等の半導体超集積回路等の製造において、スパッタ薄膜を形成する場合に好適に用いられるマグネトロンスパッタリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
半導体装置等の金属薄膜あるいは誘電体薄膜の作成において、スパッタリングは有効な方法である。多くの量産用スパッタリング装置は、成膜レートを稼ぐためにターゲットの下に磁石を組み込んだマグネトロン方式が採用されている。この方法は、量産用装置では一般的であり、例えば“スパッタ薄膜 基礎と応用 小林春洋 日刊工業新聞社”に詳細な説明があるが、概略は、磁石の磁界によりターゲット上にプラズマを高濃度で閉じ込め、スパッタの効率を上げるものである。通常、磁石によりドーナツ状にプラズマを閉じ込める。スパッタは、そのドーナツ状の特定の場所だけ促進され、そのため成膜される膜の面内バラツキもその影響を強く受ける。
【0003】
図1は、従来のマグネトロンスパッタリング装置の一例を示す。図中10は、ガス導入管11とガス排気管12とを備えた真空チャンバーであり、内部が必要な真空度に保持される。このチャンバー10内には、ターゲット13と基板14とが対向して配設されていると共に、ターゲット13下には、マグネトロン用磁石対15が配設されている。磁石対15は1対であり、これは、図2に示したように、リング状磁石15aとその中空部中心に配置された磁石15bとからなり、リング状磁石15aは、ターゲット側がS極、その反対側がN極とされ、中心磁石15bは、ターゲット側がN極、その反対側がS極とされている。
【0004】
ここで、ターゲット13にはマイナス電位を付加し、導入プラズマガス中のプラスイオン(通常アルゴンイオン)をターゲットに衝突させ、はじき出されたターゲット原子を対向している基板14上に堆積させる。マグネトロン方式では、ターゲット13下に磁石対15を配置し、その磁界によりターゲット13上に高濃度のプラズマ16を閉じ込め、ターゲット13へ衝突するプラスイオンを増やすものである。
【0005】
しかし、この方法では、プラズマの濃度の濃い部分と薄い部分で基板上膜質に不均一が生ずる。この場合、基板を回転することで周方向の不均一性は改善されるが、基板の回転中心から半径方向にはやはり不均一が残る。
【0006】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、マグネトロン式スパッタリング装置の利点である成膜レートの速さは残したまま、面内膜質分布改善を行うことができ、成膜膜面内バラツキの少ないスパッタ膜を作成することができるマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【0007】
本発明は、上記目的を達成するため、第1発明として、真空チャンバー内にターゲットと基板とを、基板を上方、ターゲットを下方として上下方向に対向して配設すると共に、上記ターゲット下にリング状磁石とその中空部内に配置された磁石とからなるマグネトロン用磁石対を配設して、上記磁石対の磁界に作用されたプラズマによりターゲットからたたき出されたターゲット原子を上記基板上に堆積させてスパッタ膜を形成させるマグネトロンスパッタリング装置において、上記基板を回転可能に配設すると共に、上記ターゲット下に少なくとも3対のマグネトロン用磁石対を、個々の磁石対の位置を調整することで、スパッタリング強度を基板表面全面において均一化可能となるように、個々に、上記上下方向及び/又は基板に対向するターゲットの表面に対して水平方向に移動可能に配設したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置を提供する。
【0008】
また、第2発明として、真空チャンバー内にターゲットと基板とを、基板を上方、ターゲットを下方として上下方向に対向して配設すると共に、上記ターゲット下にリング状磁石とその中空部内に配置された磁石とからなるマグネトロン用磁石対を配設して、上記磁石対の磁界に作用されたプラズマによりターゲットからたたき出されたターゲット原子を上記基板上に堆積させてスパッタ膜を形成させるマグネトロンスパッタリング装置において、上記基板を回転可能に配設すると共に、上記ターゲット下に少なくとも3対のマグネトロン用磁石対を配設し、かつ上記ターゲットと基板との間に、上記磁石対に対応して、スパッタレートを調整する開度調整可能なシャッターを、スパッタレート分布を基板表面全面において均一化可能となるように、基板に対向するターゲットの表面に対して水平方向移動可能及び/又は回動可能に配設したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置を提供する。この場合、更に、上記磁石対を、個々の磁石対の位置を調整することで、スパッタリング強度を基板表面全面において均一化可能となるように、個々に、上記上下方向及び/又は基板に対向するターゲットの表面に対して水平方向に移動可能に配設することが好適である。
【0010】
なお、本発明において、上記上下方向とは、ターゲットと近接・離間する方向を意味し、左右方向とは、ターゲットの表面に対しほぼ水平方向において、縦・横方向を意味する。
【0011】
本発明によれば、
1)前記マグネトロンスパッタリング装置において、基板を回転する機構を備えることで、基板円周方向の膜厚のバラツキを改善することができる。また、回転半径方向のバラツキは、スパッタレートを個々の位置にて調整可能とする機構(即ち、磁石対を上下又は左右に移動する機構あるいはシャッターを左右移動又は回動する機構)を設けることで改善することができる。
2)ターゲットの下に備えられる磁石対は、通常1対であるが、本発明は3対以上の磁石対を備える。その形状はドーナツ状に規定されるものではない。それぞれの磁石の大きさ及び強さは、必ずしも同じでなくてよい。
3)ターゲット上には、その個々の磁石対に対応するプラズマが発生する。そのプラズマからのスパッタレートを個々に調整できる上記機構を備えることにより、回転半径方向のバラツキを改善又は調整することが可能である。
4)上記スパッタレート調整機構として、その個々の磁石の位置を調整する機構を持つことでスパッタレートを調整する。磁石の位置を調整することでターゲット上の磁界の強さを変えることができる。磁界の強さを変えることでターゲット上のプラズマの濃度を変えることができ、従ってスパッタレートを調整できる。5)あるいは、ターゲット−基板間に開度調整可能のシャッターを個々に備えることで同様の効果が得られる。
6)スパッタを進めるに従い、ターゲットの減り具合によりスパッタレートは変動する。そのときにも、個々の磁石対に関するスパッタレートを調整することにより、常に最適な状態を保つことができる。
7)また、スパッタ中に反応性ガスを導入し、反応した膜(例えば酸化膜)を生成する反応性スパッタの場合、プラズマ中心部までガスを送り込むことが難しくなり、反応率(例えば酸化率)を均一にすることが難しい。これは、基板が大きくなりターゲットが大きくなるにつれ顕著となっている。
それに対し、本発明によれば、3つ以上の小さなプラズマに分割されているため、容易にガスが内部まで入り込み、均質な膜を形成することができる。
【0012】
【発明の実施の形態及び実施例】
図3は、本発明の第1発明の一実施例を説明するもので、ターゲット及びターゲット下の磁石対の配設態様を示したものである。なお、その他の構成は図1の装置と同様である。
【0013】
ここで、この例においては、ターゲット13下にそれぞれリング状磁石15aと中心磁石15bとからなる磁石対15を3対(15X,15Y,15Z)配設してなるものであり、これら各磁石対15X,15Y,15Zは、それぞれ上下方向(図中矢印A方向)移動可能に配設されたものである。
【0014】
この場合、中央の磁石対15Yの関与するプラズマのスパッタレートは、例えば図4(A)のようになる。また、図3において左側の磁石対15Xが関与するプラズマのスパッタレートの関係は、例えば図4(B)のようになり、右側の磁石対15Zが関与するプラズマのスパッタレートの関係は、例えば図4(C)のようになる。そして、これらのスパッタレートを重ね合わせると、図4(D)のようになる。この図4(D)にみられるように、このままでは基板中心付近のスパッタレートが若干高いので、中央の磁石対15Yを下方に移動(ターゲットから離間させる方向に移動)することにより、図5に示したように、スパッタレートを基板表面全域において実質的に同一レベルとすることができ、これによってスパッタ膜を均一厚さに形成することが可能となる。
【0015】
このように、磁石対をターゲットから離すことにより、ターゲット上の磁界が弱まり、閉じ込められているプラズマの密度が減少し、スパッタレートも減少することとなる。すると、全面にわたり均一なスパッタレートとなる。つまり、個々の磁石を移動可能とすることにより、個々のプラズマのスパッタレートを制御することが可能となり、均質な膜を成膜可能となる。
【0016】
なお、必要により、磁石対は、更に左右方向に移動可能に配設することができ、また場合によっては、磁石対を上下方向に代えて左右方向にのみ移動可能に配設するようにしてもよく、要は、図5に示したように、基板全面においてスパッタレートが同一レベルとなるようにコントロール可能に、各磁石対が移動できればよい。
【0017】
図6は、第2発明の一例を説明するもので、シャッター(マスク)の配設態様を示したものである。なお、その他の構成は図1と同様である。
【0018】
この例においては、ターゲット13下に3対の磁石対(15X,15Y,15Z)を配設すると共に、これら磁石対15X,15Y,15Zにそれぞれ対応して、ターゲット13と基板14(図6では図示せず)との間にシャッター17X,17Y,17Zを配設したものである。この場合、磁石対15Xに対応するシャッター17X、磁石対15Zに対応するシャッター17Zは、それぞれ図中矢印で示した方向に回動可能に、また中央の磁石対15Yに対応するシャッター17Yは、図中矢印方向に往復動可能(左右方向移動可能)に配設され、上記シャッター17X,17Y,17Zの動作をそれぞれコントロールすることにより、個々の磁石対15X,15Y,15Z起因のプラズマをマスクして、スパッタレートを調整し、図5に示したようなスパッタレート分布の均一化を計るものである。
【0019】
なお、シャッターの移動は、上記態様に限られるものではなく、それぞれ回動可能、左右方向移動可能に、即ち基板全面においてスパッタレートが同一レベルとなるようにコントロール可能に、各シャッターが移動できればよい。
【0020】
更に、図3に示したように、各磁石対15X,15Y,15Zを上下方向、左右方向移動可能に配設することも好適である。
【0021】
本発明のスパッタリング方法は、上記装置を使用し、磁石対やシャッターの移動を制御し、図5に示すようにスパッタレートを均一に調整することにより、基板に形成されるスパッタ膜の膜厚を均一にするものであり、それ以外は公知のマグネトロンスパッタリング法を採用することができ、反応性スパッタリング法をも採用できる。
【0022】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜レートが高く、膜質均一性がよく、均一厚さのスパッタ膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のマグネトロンスパッタリング装置の概略図である。
【図2】マグネトロン用磁石対の斜視図である。
【図3】第1発明に従った磁石対の配設態様の一例を示すもので、(A)は平面図、(B)は断面図である。
【図4】(A)は磁石対15Y、(B)は磁石対15X、(C)は磁石対15Zが関与するプラズマのスパッタレートと基板横方向距離との関係を示すグラフ、(D)はこれらスパッタレートを重ね合わせた分布のグラフである。
【図5】磁石対15Yを下方に移動してスパッタレートを基板横方向距離との関係で同一レベルにした状態のグラフである。
【図6】第2発明に従った磁石対及びシャッターの配設態様の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
10 真空チャンバー
13 ターゲット
14 基板
15 磁石対
15a リング状磁石
15b 中心磁石
17 シャッター
Claims (3)
- 真空チャンバー内にターゲットと基板とを、基板を上方、ターゲットを下方として上下方向に対向して配設すると共に、上記ターゲット下にリング状磁石とその中空部内に配置された磁石とからなるマグネトロン用磁石対を配設して、上記磁石対の磁界に作用されたプラズマによりターゲットからたたき出されたターゲット原子を上記基板上に堆積させてスパッタ膜を形成させるマグネトロンスパッタリング装置において、
上記基板を回転可能に配設すると共に、上記ターゲット下に少なくとも3対のマグネトロン用磁石対を、個々の磁石対の位置を調整することで、スパッタリング強度を基板表面全面において均一化可能となるように、個々に、上記上下方向及び/又は基板に対向するターゲットの表面に対して水平方向に移動可能に配設したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。 - 真空チャンバー内にターゲットと基板とを、基板を上方、ターゲットを下方として上下方向に対向して配設すると共に、上記ターゲット下にリング状磁石とその中空部内に配置された磁石とからなるマグネトロン用磁石対を配設して、上記磁石対の磁界に作用されたプラズマによりターゲットからたたき出されたターゲット原子を上記基板上に堆積させてスパッタ膜を形成させるマグネトロンスパッタリング装置において、
上記基板を回転可能に配設すると共に、上記ターゲット下に少なくとも3対のマグネトロン用磁石対を配設し、かつ上記ターゲットと基板との間に、上記磁石対に対応して、スパッタレートを調整する開度調整可能なシャッターを、スパッタレート分布を基板表面全面において均一化可能となるように、基板に対向するターゲットの表面に対して水平方向移動可能及び/又は回動可能に配設したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。 - 更に、上記磁石対を、個々の磁石対の位置を調整することで、スパッタリング強度を基板表面全面において均一化可能となるように、個々に、上記上下方向及び/又は基板に対向するターゲットの表面に対して水平方向に移動可能に配設した請求項2記載のマグネトロンスパッタリング装置。
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