JP4685228B2 - スパッタリング装置および成膜方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置および成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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面するように設けられたウエハ支持台と、スパッタターゲットの裏面に面して設けら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、プロセスガスを真空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に到達し、これによって成膜が進行する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスにおける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孔、ビア孔といった接続孔の底部において十分なボトムカバリッジを達成するという要求が高まってきている。このような要求に応じるために、発明者は、スパッタリング装置において、ボトムカバリッジを改善する方法を検討してきた。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、ボトムカバリッジを改善可能なスパッタリング装置および成膜方法を提供することとした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような技術的な課題を解決するために、発明者は、さらに検討を進めた。その結果、例えば高アスペクト比の接続孔の底部においてカバリッジを改善するといった場合、スパッタリング装置に導入されるプロセスガスを低圧化することが有効であることを見出した。
【０００６】
しかしながら、この実験によって、単にプロセスガスを低圧化しただけでは、スパッタリングを発生させるためのプラズマが維持できないことが分かった。この実験結果に基づいて、発明者はさらに検討を行った。プロセスガスが低圧のときにプラズマが維持されない理由として、低圧化に伴ってプラズマを維持するために必要とされる電子密度も低くなり、またプラズマ中の電子はいずれかの導電部分に逃げていったしまうと考えた。電子密度を低くしないためには、(a)新たな電子供給源を加える方法、(b)発生した電子が逃げないようにする方法、が考えられる。
【０００７】
電子をさらに追加するためには、結局、電子供給源として何らかのガスを導入することが必要であるので、低圧化に反する。そこで、発生した電子が逃げないようにする方法が重要である。そこで、電子の逃げ道を探すために、スパッタリング装置の構造を十分に検討した。その結果、プラズマ中の電子は、接地されているシールドに流れていると考えた。つまり、シールドに流れる電子の数を少なくすれば、電子密度を上げることができる。
【０００８】
シールドへ流れる電子流を小さくするために、電磁場中に電子の運動の観点から検討を進めた。一般には、電磁場中における電子の運動は、電界の向きに力を受けると共に、電子の速度および磁場の向きに関連した方向にも力を受けており、電子は電界および磁場中において曲線を描きながら運動する。
【０００９】
スパッタリング装置のマグネトロンユニットは、プラズマを閉じ込めるために磁場を発生する。しかしながら、磁場が電子に与える力は、電子の速度(運動方向)との関連しているので、磁場による電子の閉じ込め作用が十分に発揮されないときがあることを見出した。
【００１０】
つまり、たとえ磁場の大きさが大きく変化しなくても閉じ込め磁場の外形(つまり、ターゲットに平行な平面と等磁場面との交線である等磁場線の形状)が大きく変化する場合には、電子を閉じ込め作用が十分に発揮されていないのである。例えば、磁場の外形が大きく変化しているところでは、電子が磁場によって曲げられて到達する領域には、マグネトロンユニットによって十分な大きさの磁場が発生されていない。このため、このような領域に達した電子には、もはや、マグネトロンユニットの磁場は電子を閉じ込めるように作用せずその運動方向を変えことができない。このような電子は、電界に引かれてシールドに流れ込むことになる。
【００１１】
したがって、電子の速度(電子の運動方向および電子の速さ)を考慮した上で、磁場を発生させるマグネットの配置を検討する必要がある。しかしながら、電子運動をすべて考慮することは必ずしも容易ではない。そこで、マグネトロンユニットによって発生される磁場の外形を空間的に大きく変化させないような構成が求められるとの結論に達した。
【００１２】
そこで、発明者は、このような様々な試行錯誤の末に、以下のような本発明をするに至った。
【００１３】
本発明に係わるスパッタリング装置は、(1)真空チャンバと、(2)チャンバを減圧するための減圧手段と、(3)真空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、(4)真空チャンバ内において基板を支持するための基板支持部と、(5)スパッタターゲットと、(6)マグネトロンユニットと、を備える。
【００１４】
スパッタターゲットは、基板支持部にエロージョン面が対面するように設けられている。マグネトロンユニットは、真空チャンバ内に磁場を発生するように設けられた第１のマグネット部および第２のマグネット部を有し、ターゲットに関して基板支持部と反対側に設けられている。第１のマグネット部は、第１の磁極をスパッタターゲットに向けるように配置されている。第２のマグネット部は、第２の磁極をスパッタターゲットに向けるように配置されている。
【００１５】
マグネトロンユニットでは、第１のマグネット部は、所定の閉曲線上に設けられている。第２のマグネット部は、第１のマグネット部の内側に設けられている。閉曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であると、発明者は考えている。所定の閉曲線に沿って第１のマグネット部を配置すれば、プラズマの発生に寄与する磁場の形状はこの閉曲線によって規定される。等磁場線は上記の曲率半径の範囲で屈曲されるので、等磁場曲線の曲がりによって生じうるプラズマ中からの電子の洩れ出しが低減される。
【００１６】
本発明に係わる成膜方法は、(1)スパッタターゲットに磁場を提供するように設けられた第１および第２のマグネット部を有し、第２のマグネット部は第１のマグネット部の内側に設けられ、第１のマグネット部は所定の閉曲線の外周上に設けられると共に、閉曲線の最小曲率半径は最大曲率半径の０．８倍以上であるマグネトロンユニットを有するスパッタリング装置を準備する工程と、(2)前記スパッタターゲットに対面するように基板を配置する工程と、(3)スパッタターゲットのエロージョン面の近傍にプラズマを生成する工程と、(4)スパッタリング粒子を生成し前記基板上に膜を形成する工程と、を備える。
【００１７】
上記のようなマグネトロンユニットを用いると、プラズマ中の電子を効率的に閉じ込めることができる。このため、プロセスガスの圧力を低くしてもプラズマが維持される。スパッタリング中におけるプロセスガスの低圧化が達成される。これによって電子密度を高めることができるので、被スパッタ粒子のイオン化が生じやすくなる。イオン化されたスパッタ粒子は、基板支持部へ向かって引かれる。このため、ターゲットから基板へ向かう方向の速度成分が大きいスパッタリング粒子が増える。
【００１８】
また、マグネトロンユニットでは、第１のマグネット部は、マグネトロンユニット上において所定の凸図形の外周線上に設けられると、プラズマの発生に寄与する磁場の形状はこの凸図形によって規定される。凸図形の外周に沿う外周線に第１のマグネット部を配置すれば、凸図形の外周線である閉凸曲線に基づく等磁場線の屈曲の変化範囲は、閉曲線の屈曲の変化範囲に比べてさらに小さくできる。これによって、プラズマ中からの電子の洩れ出しが低減され、効率的に電子が閉じ込められる。
【００１９】
電子密度が高まるとスパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化されたスパッタ粒子は基板方向に加速されるので、この方向の速度成分が大きくなる。また、プラズマ中の電子密度が高まると、プロセスガスの低圧化が可能になる。低圧化によって、スパッタ粒子とプロセスガス原子との衝突確率が低くなるので、基板に垂直方向の速度成分を持ったスパッタ粒子が増加する。これらの理由によって、ボトムカバリッジが改善される。
【００２０】
本発明に係わるスパッタリング装置および成膜方法では、エロージョン面上の所定の点を通過する軸を回転中心としてマグネトロンユニットおよびスパッタターゲットを相対的に回転するための駆動手段を更に備えることができる。マグネトロンユニットは、軸を含む平面によって分離される第１および第２の領域を有し、第２のマグネット部は第１の領域に設けられると共に、第１のマグネット部は第１および第２の領域の境界上および第１の領域の少なくともいずれかに設けらることができる。
【００２１】
上記の境界上および第１の領域の少なくともいずれかに第１のマグネット部を設けるようにすれば、磁場により電子が閉じ込められる領域が限定される。このため、所定のパワーを限定された領域に集中的に与えることができる。また、ターゲットの中心領域および周辺領域にそれぞれ発生すべき磁場を規定するようにマグネット部を設けることができるので、ターゲットの中心部分から外縁部分へ向けてエロージョン面からのスパッタ量と基板への成膜量とを制御可能になる。故に、磁場が形成されるべき領域の形状を複雑にすることなく、膜厚を均一性を確保できる。
【００２２】
このような第１のマグネット部および第２のマグネット部は、以下のような様々な形態をとることができる。
【００２３】
本発明に係わるスパッタリング装置および成膜方法では、第１のマグネット部の総磁気量は第２のマグネット部の総磁気量より大きくすることができる。
【００２４】
第１のマグネット部の内側に総磁気量の小さい第２のマグネット部を配置したので、真空チャンバの外側に伸びるような磁束が少なくなるので、さらに電子の閉じ込めが向上する。
【００２５】
本発明に係わるスパッタリング装置および成膜方法では、第１のマグネット部は、複数の第１のマグネットを有し、第２のマグネット部は複数の第２のマグネットを有することができる。各第１のマグネットは、第１の磁極を前記ターゲットに向けて配置されており、各第２のマグネットは第２の磁極をターゲットに向けて配置されている。
【００２６】
各マグネットの配置に応じて、凸図形の外周、閉じた凸曲線、閉曲線、または所定の範囲の曲率半径を有する図形の外周といった閉じた線に沿ったマグネット部を実現できる。このため、マグネット部が発生する磁場の形状をマグネットの配置位置に応じて調整できる。
【００２７】
本発明に係わるスパッタリング装置および成膜方法では、マグネットトロンユニットは、複数の第１の磁性部材を有することができる。各第１の磁性部材は、各第１のマグネットの第２の磁極の部分と各第２のマグネットの第１の磁極の部分を磁気的に結合するように設けられている。
【００２８】
第１の磁性部材の各々は、第１のマグネットと第２のマグネットとを磁気的に結合し磁気回路を構成する。このため、電子を閉じ込めるために好適な磁場が磁気回路を用いて形成できる。
【００２９】
本発明に係わるスパッタリング装置および成膜方法では、マグネットトロンユニットは第２の磁性部材を有することができる。第２の磁性部材は、複数の第１のマグネットの第２の磁極の部分と複数の第２のマグネットの第１の磁極の部分とを磁気的に結合している。
【００３０】
第２の磁性部材は、すべての第１のマグネットとすべての第２のマグネットとを磁気的に結合し磁気回路を構成する。このため、全マグネットを磁気的に結合する磁気回路が形成できる。
【００３１】
本発明に係わるスパッタリング装置および成膜方法では、マグネトロンユニットは、第３の磁性部材および第４の磁性部材を含むことができる。第３の磁性部材は、複数の第１のマグネットとターゲットとの間に設けられ複数の第１のマグネットの第１の磁極を磁気的に結合する。第４の磁性部材は、複数の第２のマグネットとターゲットとの間に設けられ複数の第２のマグネットの第２の磁極を磁気的に結合する。
【００３２】
第２および第３の磁性部材は、隣接マグネットを磁気的にそれぞれ結合するように設けられているので、マグネットが配置されていない各マグネット間にも磁束を導く。このため、各マグネットからの磁束はこれらの磁性部材によって平均化され、スパッタターゲットに与えられる。また、隣接するマグネット間の磁気量のばらつき(マグネットの個体差)も平均化される。
【００３３】
また、第１、第３および第４の磁性部材を合わせて用いると、各マグネットはこれらの磁性部材によって磁気的に結合される。また、第２、第３および第４の磁性部材は、各マグネットはこれらの磁性部材によって一体に磁気的に結合される。このような磁気回路によって磁場の形状を調整すれば、等磁場面(線)の形状を制御できる。故に、プラズマ中の電子の閉じ込め効率が向上する。
【００３４】
なお、第１のマグネット部は、最外周の配置されたマグネットからなることが好ましい。これによって、最外周マグネット部の内側に電子を閉じ込めることができる。また、第２のマグネット部に対しても、上記の形態を適用することができ、これによってさらに好適な効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３６】
本発明に係るスパッタリング装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に従うマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【００３７】
スパッタリング装置１０は、内部に真空チャンバ１２を形成するハウジング１４と、ハウジング１４の上部開口部を閉じるように配置されたターゲット１６を備えている。ハウジング１４およびターゲット１６は両方とも導電性材料から作られているので、ハウジング１４とターゲット１６との間には絶縁部材１３ａが挟まれている。図１に示す実施の形態では、ハウジング１４は円形状の底面と、この円形状の底面の周辺から所定の距離だけ延び出した管状部を有し、例えば管状部は円柱殻形状を有する。ターゲット１６の形状は円盤形である。ターゲット１６の円形状の一表面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。
【００３８】
真空チャンバ１２内には、基板支持手段(基板支持部ともいう)としてペディスタル１８が配置されている。ペディスタル１８は、真空チャンバ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、処理されるべき基板１５、例えば半導体ウエハＷまたはガラス基板、をその一表面（以下、上面という）１８ａ上において保持する。ペディスタル１８の上面１８ａは、ターゲット１６の下面(エロージョン面)１６ａに対面するように設けられている。ペディスタル１８上の所定の位置に保持された基板１５（ウエハＷ）の堆積されるべき面１５ａは、ターゲット１６の下面１６ａに対して略平行に配置される。
【００３９】
基板１５は、その中心がターゲット１６の中心に合うように、つまり同軸に配置されている。この中心は、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中心(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、ペディスタル１８とターゲット１６との間隔は、スパッタされた粒子が被着される基板の直径の約０．９５倍が望ましい。
【００４０】
スパッタリング装置１０は、被スパッタ粒子から真空チャンバ１２の内壁面を保護するために、被スパッタ粒子が内壁面に到達すること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を介して絶縁されている。シールド２６の一辺は、ハウジングの上部開口部の縁端において固定されている。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を介して絶縁されている。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。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。シールド２６は、所定の基準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ている。いずれの場合においても、ペデスタル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、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。
【００４１】
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、真空チャンバ１２内を減圧することができる。排気ポート２０および真空ポンプ２１は減圧手段を構成する。アルゴンガスまたは窒素ガスといったプロセスガスが、プロセスガス供給源２５から供給ポート２２を通して真空チャンバ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およ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およびプロセスガス供給源２５は、プロセスガス供給手段を構成する。
【００４２】
ターゲット１６とシールド２６との間に電圧を印加するために、プラズマ化手段のうちの１つとして電源２４が接続されいる。真空チャンバ１２内にプロセスガス、例えばアルゴンガスを導入して、ターゲット１６とシールド１８との間に電圧を加えると、グロー放電が起こりプラズマ状態となる。この放電によって発生したアルゴンイオンがターゲット１６の下面１６ａに衝突すると、ターゲット１６を構成する原子がはじき出され被スパッタ粒子が生成される。このターゲット原子がウエハＷ上に到達して堆積されると、ウエハＷ上に膜が形成される。
【００４３】
ターゲット１６の下面１６ａに対向する面、つまりターゲット１６の上面１６ｂには、ターゲット１６のエロージョン面近傍の空間におけるプラズマ密度を高めるためのマグネトロンユニット３０が配置されている。
【００４４】
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、および駆動用モータ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。
【００４５】
図２は、各マグネトロンユニット上のマグネットの位置を示す平面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ断面における断面を示している。
【００４６】
図１および図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の搭載面３２ａ上に所定の配列で固定された複数のサブユニット３４と、を備える。ベースプレート３２は、ターゲット１６に関して、基板支持部１８と反対側に配置され、その上面の中心には駆動用モータ３６の回転軸３８が接続されている。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、各サブユニット(マグネットアセンブリともいう)３４はターゲット１６の上面に沿って旋回して、サブユニット３４によって発生される磁界が一カ所に静止することを防止することができる。
【００４７】
図２を参照すると、複数のマグネットアセンブリ３４が環状に配置されている。各マグネットアセンブリ３４は、一方の磁極(図２の例ではＮ極)を配列の外側へ向け、他方の磁極(図２の例ではＳ極)を配列の内側に向けている。各マグネットアセンブリの同一磁極の端部は、それぞれポールピースといった磁性部材４８、５０を介して磁気的に結合されている。磁性部材４８、５０(図２においては、マグネットと重なるため破線で描かれている)は、各マグネットアセンブリの同一の磁極を有する端部に接する帯形状の部材であって環状に設けられている。この帯状の部材部材からの磁場に対応して、それぞれエロージョン面上において外側の環状の領域および内側の領域が形成される。外側の環状領域では、例えば最外周のマグネット群(マグネットアセンブリ３４のマグネットのＮ極)によって発生された磁力線が真空チャンバ内に伸び出す。これらの磁力線は内側に向かって伸び、その一部は内側の環状の磁場領域を通して内側のマグネット群(マグネットアセンブリのマグネットのＳ極)に到達する。
【００４８】
磁性部材４８、５０は、マグネットアセンブリ３４とスパッタターゲット１６との間に設けられているので、隣接マグネットを磁気的に結合することができる。このため、マグネットが存在しない各マグネット間の領域にも磁束を導く。これらの磁性部材によって、各マグネットからの磁束は平均化されスパッタターゲットに与えられる。また、これらの磁性部材４８、５０によって、マグネットが離散的に配置されていても所定の強度の磁場が連続するように形成される。故に、磁場によるプラズマの閉じ込め性が向上する。さらに、隣接するマグネット間の磁気量の不均一さおよびマグネット自体の個体差も平均化される。この要因も電子閉じ込めに有利に作用する。
【００４９】
また、マグネトロンユニット３０は、１個以上の第１のマグネットアセンブリ３４ａおよび１個以上の第２のマグネットアセンブリ３４ｂを有することができる。第１のマグネットアセンブリ３４ａは、回転中心となる回転軸３８の近傍に形成されるべき磁場を規定するように設けられている。
【００５０】
このためのマグネットアセンブリの配置形態としては、後ほど図４〜図７を参照しながら説明するが、ここでは概略的に説明する。回転軸３８を含む面によって、ベースプレート３２の搭載面３２ａを２つの領域に分割し、一方を第１の領域と呼び、他方を第２の領域と呼ぶ。マグネットアセンブリの配置形態では、(i)第１のマグネットアセンブリ３４ａが、第１の領域に配置されている場合、(ii)第１のマグネットアセンブリ３４ａが、回転軸３８を含む面とマグネトロンユニット３０の搭載面とが交差する線上および第１の領域にわたって配置されている場合、(iii)第１のマグネットアセンブリ３４ａの外側マグネットが、第１および第２の領域に配置され、第２のマグネットアセンブリ３４ｂが第１の領域に配置されている場合、が考えられる。いずれの場合においても、第２のマグネットアセンブリ３４ｂの各々は、第１のマグネットアセンブリ３４ａと一緒になって環状配列を成すように設けられている。発明者の行った実験によれば、図４、図６および図７に示された形態で特に好適な結果が得られた。
【００５１】
また、マグネトロンユニット３０は、第１の磁極(図２の例ではＮ極)をエロージョン面に向けて設けられた外周マグネット部および第２の磁極(図２の例ではＳ極)をエロージョン面に向けて設けられた内側マグネット部を有する。内側マグネット部は、外周マグネット部の内側に設けられた全マグネットを含むことができる。外周マグネット部は、例えば最外周のマグネット群からなり、また内側マグネット部は、例えば、最外周のマグネットより内側のマグネット群からなることができる。外周マグネット部の総磁気量は、内側マグネット部の総磁気量より大きくなるように、各マグネット部または各マグネットの強度が規定されていることができる。
【００５２】
総磁気量が大きい方の外周マグネット部の内側に総磁気量の小さい方の内側マグネット部を配置した。このため、外周マグネット部の磁束の一部分は、内側マグネット部に到達し、内側マグネット部内を通過して外周マグネット部において閉じる。また、外周マグネット部の磁束の残りの部分は、磁束ループを形成して外周マグネット部において閉じる。故に、真空チャンバの外側に伸びるような磁束が、プラズマが生成されるエロージョン面の近傍において低減される。このため、電子の閉じ込め性が向上する。
【００５３】
図３は、スパッタリング装置１０に適用可能なマグネットアセンブリを例示的に示している断面図である。各マグネットアセンブリ３４は、図３に明示するように、磁性部材４０および棒磁石として構成されるマグネット４２、４４を備える。磁性部材４０は、磁性体から成る平板状のヨーク部材である。マグネット４２、４４の各々は、一端にＳ極および他端にＮ極を有する。マグネット４２はＮ極を示す一端をターゲット１６に向けて配置され、マグネット４４はＳ極を示す一端をターゲットに向けて配置されている。マグネット４２はＳ極を示す他端を磁性部材４０に接触させ、またマグネット４４はＮ極を示す他端を磁性部材４０に接触させて、磁性部材４０の各端部に固着されている。２本のマグネット４２、４４は同一方向に延び、マグネットアセンブリ３４の全体形状は略Ｕ字状となっている。一方のマグネット４２の自由端はＮ極、他方のマグネット４４の自由端はＳ極となっている。また、マグネット４２、４４および磁性部材４０は磁気回路を構成するので、これらは、異なる磁極が同一方向に向けられた一体の磁性体として機能する磁石手段を構成する。これによって、真空チャンバ１２内に電子の閉じ込めに好適なように制御された磁場を与える。
【００５４】
マグネットアセンブリ３４では、外周マグネット部に含まれる各マグネット４２の自由端Ｎ極には磁性部材４８が設けられ、また内側マグネット部に含まれる各マグネット４４の自由端Ｓ極には磁性部材５０が設けられている。これらの磁性部材４８は、既に説明したように各マグネトロンユニット内のマグネット４２を相互に結合するように取り付けられ、また磁性部材５０はマグネット４４を相互に結合するように取り付けられている。
【００５５】
図２および図３の実施例では、各マグネット部が複数のマグネットを備える場合を示したけれども、外周マグネット部および内側マグネット部のそれぞれに代えて、または何れか一方に代えて、単一のマグネットを備えることもできる。この場合においても、外周マグネット部(マグネット４２)の磁気量は、内側マグネット部(マグネット４４)の磁気量より大きい。
【００５６】
なお、図３のを参照しながらマグネットアセンブリ３４を説明したけれども、アセンブリ３４の形態はこれに限られるものではなく、マグネットアセンブリ３４は、さらに多くの磁石、磁性部材を備えることができる。また、各マグネットアセンブリ３４内に使用される磁石の磁気量は、そのマグネットアセンブリ３４の配置位置に与えるべき磁場に応じて決定される。このため、それぞれの磁石の強度は異なることがあり得る。
【００５７】
図３のマグネットアセンブリ３４では、各マグネット４２，４４の自由端が、エロージョン面１６ａに対向する面１６ｂに、それぞれ対面するように配置されている。このようなマグネット３４は、ヨーク部材４０の背面をベースプレート３２に接触させた状態で適当な固定手段、例えばねじ４６、または各マグネット４２、４４の磁気力によってベースプレート３２に固定されている。かかる形態を採用すれば、マグネットアセンブリ３４の固定位置を自由に変更することが可能になるので、マグネットアセンブリ３４の配置位置によって磁場形状を調整できる。
【００５８】
図４から図７は、スパッタリング装置１０に好適なマグネットアセンブリ配置を示すための図面である。なお、図４におけるII-II線が、図１に示された断面に対応する。それぞれの図面では、複数のマグネットアセンブリの個別の配置位置を示すために外周マグネット部５２および内側マグネット部５４を用いる。図４から図７は、外周マグネット部５２に関連する磁性部材４８および内部マグネット部５４に関連する磁性部材５０がそれぞれエロージョン面上に射影された領域を示している。その領域は、マグネトロンユニット３０が回転しているので、ある時刻における各マグネット部５２，５４とターゲット１６との相対的な位置関係を示している。
【００５９】
図４〜図７を参照すると、外周マグネット部５２は、所定の凸図形の外周上に設けられている。この凸形状に応じて、プラズマの閉じ込めに寄与する磁場の形状が規定される。このため、同じ磁場の値を示す等磁場面(この面と、エロージョン面に平行な平面との交線である等磁場線)の変化が抑えられるので、プラズマ中の電子の洩れ出しが抑制される。
【００６０】
なお、ここで凸図形とは、平面上においてその形状を規定する閉じた外形線上に存在する任意の２点を結ぶ線分が常にその外形線の一方の側またはその線上にあるような図形であって、直線および曲線並びに曲線の少なくともいすれかから構成される図形をいう。特に、閉曲線からなるものを凸曲線という。凸図形において、その図形を構成する曲線と直線との接続点では、直線は曲線に対する接線になっている。本明細書では、このような直線と曲線との接続を滑らかな接続という。
【００６１】
このように、等磁場面(線)の形状を電子の閉じ込めに好適なように調整すると、プラズマ中の電子密度を高めることが可能になる。このため、スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は基板方向に加速されるので、この方向の速度成分が大きくなる。また、プロセスガスを低圧化すれば、スパッタ粒子とプロセスガス原子との衝突確率が低くできる。これらの作用は共に、基板に垂直方向の速度成分を持ったスパッタ粒子が増加するように作用する。このため、電子密度が高まると、ボトムカバリッジが改善される。
【００６２】
さらに、図４〜図７に示された外周マグネット部５２は、所定の閉曲線の沿って設けられている。このようなマグネトロンユニット３０では、閉曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であり、また凸曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であると、発明者は考えている。これは、シールドへ流れる電子流を小さくするために、電磁場中に電子の運動の観点から検討した結果から導かれた。
【００６３】
図４〜図７に示されたマグネトロンユニット３０では、電子の速度(電子の運動方向および電子の速さ)を考慮した上で、磁場を発生させるマグネットの配置を考慮すべきことを明らかにし、マグネトロンユニットによって発生される磁場の外形を空間的に大きく変化させないような構成を実現している。
【００６４】
また、図４から図７を参照すると、外周マグネット部５２は、所定の凸図形の外周上に設けられている。この凸図形に応じて、プラズマの閉じ込めに寄与する磁場の形状が規定される。このため、同じ磁場の値を示す等磁場面(換言すれば、この面と、基板の表面に平行な平面との交線である等磁場線)の変化が抑えられるので、プラズマ中の電子の洩れ出しが抑制される。このための凸図形としては、円、略円、楕円、略楕円であることが好ましい。
【００６５】
また、図４〜図７を参照すると、内側マグネット部５４は、回転軸３８を含む面によって分離されるマグネトロンユニット３０のいずれかの領域(図４〜図７の実施例では、一点鎖線５６で分離される領域の上側の領域)内に設けられている。外周マグネット部５２は内側マグネット部５４を囲むように設けられている。各マグネットは回転中心を通過し、一点鎖線５６と直交する軸に関して対象である。
【００６６】
図４から図７を参照すると、内側マグネット部５４は、回転軸３８を含む面によって分離されるマグネトロンユニット３０のいずれかの領域(図４〜図７の実施例では、一点鎖線５６で分離される領域の上側の領域)内に設けられている。外周マグネット部５２は内側マグネット部５４を囲むように設けられている。
【００６７】
外周マグネット部５２は、回転中心となる回転軸３８近傍に磁場を提供するために、回転軸３８またはその近傍を通過するように設けられている。このために、図４および図７に示された実施例では、外周マグネット部５２の位置と回転中心となる回転軸３８の位置とは重なっている。図６に示された実施例では、外周マグネット部５２および内側マグネット部５４の両方が、一点鎖線５６によって分離される領域の一方に設けられている。このときも、外周マグネット部５２は、回転中心（回転軸３８）に対応するエロージョン面上の位置に所望の磁場を与えるように配置されている。図５では、外周マグネット部５２は、回転軸３８をその内側に含むように位置決めされている。図４および図７の実施例におけるマグネットの配置形態が最も好適な結果となる。また、図５、図６および図７の実施例は、プラズマが発生される領域が図５に示されたマグネットの配置形態より小さい点で好適である。
【００６８】
図４および図６に示された外周マグネット部５２および内側マグネット部５４では、軸５６に沿う方向に関する外形の幅が、この軸５６と直交する方向に関する外形の長さに比べて長い。図７に示された外周マグネット部５２および内側マグネット部５４では、軸５６に沿う方向に関する外形の幅が、この軸５６と直交する方向に関する外形の幅に比べて短い。なお、図７に示された配置のマグネット部に対して、図７に示されるようなマグネット部５２と回転軸３８との位置関係を同様に適用できる。
【００６９】
図４から図７において外周マグネット部５２および内側マグネット部５４が発生する磁場は、回転中心を含む領域に磁場を形成する少なくとも１個の第１のマグネットアセンブリ(図２の３４ａ)と、このマグネットと一緒になって環状配置されこの領域の外側領域に磁場を形成する複数の第２のマグネットアセンブリ(図２の３４ｂ)とを用いて実現されることができる。第２のマグネットアセンブリは、回転軸３８を含む面によって分離されるマグネトロンユニット３０上の一方の領域に配置されている。このようなマグネトロンユニット３０は、外周マグネット部５２、内部マグネット部５４、およびその間の領域５８に加えて、さらに各マグネット部５２，５４のや外側まで磁場を提供するので、これらの領域にプラズマが閉じ込められる。
【００７０】
外周マグネット部５２の総磁気量を内側マグネット部５４の総磁気量に比べて大きくすれば、プラズマの閉じ込め性がさらに向上する。このため、プロセスガスの低圧化してもプラズマを維持できる。しかしながら、両者の総磁気量をほぼ等しく、または上記の設定とは逆に小さくすることを排除するものではない。
【００７１】
また、プラズマ閉じ込め性が向上されると、プラズマ中の電子密度も増加する。この閉じ込め電子の密度が高くなると、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は、電位勾配に従って基板支持部１８の方向に引かれるので、この方向の速度成分が増加する。故に、膜厚均一性およびボトムカバリッジが向上する。
【００７２】
加えて、スパッタターゲットの半分の領域にマグネットが配置されるので、その位置を調整してプラズマ形成領域を小さくすることが可能になる。このように縮小された領域に電力を投入できるので、投入電力を上げることなくプラズマ密度を高めることができる。プラズマ密度が高まると電子密度もまた増加するので、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は基板表面に向かって加速されるので、基板表面に向いた速度成分を持つ被スパッタ粒子が多数生成される。このため、主にプラズマ領域の直下に被スパッタ粒子が到達し、この到達領域で成膜が進行する。このため、膜厚均一性が向上する。
【００７３】
次に他の実施形態について説明する。
【００７４】
図８に、別の実施形態にかかるのスパッタリング装置１１を示す。なお、図１に示したスパッタリング装置１０と同様な機能を有する部材には、同一の符号を付して示す。図８では、図１におけるマグネトロンユニット３０に代えて、マグネトロンユニット３１を配設している。
【００７５】
ここで図９（ａ）及び図１４に、マグネトロンユニット３１及びスパッタターゲット１６を取り出して示す。
【００７６】
マグネトロンユニット３１は、磁性材料によって形成したベースプレート３３、複数のマグネット４３、各マグネット４３の配列位置の位置決めを行うインナーベルトＢin、アウターベルトＢout、及び、環状に配列された各マグネットの先端部に固着される磁性部材４９、４７などによって構成している。
【００７７】
ベースプレート３３は円形領域と矩形領域とを接合させた形状を呈しており、各マグネット４３は円形領域側に配列され、円形領域と矩形領域との接合領域付近に、ベースプレート３３を回転駆動する回転軸３８の一端部が固着されている。
【００７８】
インナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutは、マグネット４３の位置決め部材として用いられ、非磁性材料によって形成しており、それぞれのベルト部にはマグネット４３の外径に等しい開口を所定の間隔で形成している。各開口内にマグネット４３を挿入することで、各マグネット４３は、同心的に配置されたインナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutに沿って、２列の環状に点在する状態で配列される。ここでは一例として、インナーベルトＢin側のマグネット４３はＳ極が、またアウターベルトＢout側のマグネット４３はＮ極が、それぞれスパッタターゲット１６に向くようにして配列している。また、ベースプレート３３とインナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutとの間には、非磁性材料によるスペーサＳが介在しており、これによりインナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutは、ベースプレート３３から離間した状態となっている。
【００７９】
このように環状に配列されたマグネット４３のうち、インナーベルトＢinによって配列された各マグネット４３の端面（スパッタターゲット１６側に対向する端面）には、ポールピース或いはヨークなどによって形成された環状の磁性部材４９が磁力によって固着されており、これにより、隣り合う各マグネット４３のＳ極は互いに接続され、リング状のＳ極が形成される状態となる。また、同様に、アウターベルトＢoutによって配列された各マグネット４３の端面（スパッタターゲット１６側に対向する端面）にも、磁性材料によって形成された磁性部材４７が磁力によって固着されており、これにより、隣り合う各マグネット４３のＮ極は互いに接続され、リング状のＮ極が形成される状態となる。そして、磁性部材４９及びインナーベルトＢinは、これらを貫通する、非磁性材料の固定ピン（図示せず）によってベースプレート３３に対して固定されており、また同様に、磁性部材４７及びアウターベルトＢoutは、これらを貫通する、非磁性材料の固定ピン（図示せず）によってベースプレート３３に対して固定されている。
【００８０】
このようにしてインナー側に配列された全マグネット４３と、アウター側に配列された全マグネット４３によって、ドーナツ状に閉じた磁気回路が形成される。
【００８１】
つまり、各磁性部材４７、４９は、内側列に含まれる複数の第１のマグネット４３のＳ磁極(第１の磁極)と、外側列に含まれる複数の第２のマグネット４３のＮ磁極(第２の磁極)とを磁気的に結合し、内側列に含まれる複数の第１のマグネット４３のＮ磁極の各々を磁気的に結合すると共に、外側列に含まれる複数の第２のマグネット４３のＳ磁極の各々を磁気的に結合するための磁気結合手段として機能する。つまり、この磁気結合手段は、複数の第１のマグネットのＳ磁極と複数の第２のマグネットのＮ磁極とを磁気的に結合するための手段、複数の第１のマグネットのＮ磁極の各々を磁気的に結合するための手段、複数の第２のマグネットのＳ磁極の各々を磁気的に結合するための手段のいずれかを有する。
【００８２】
なお、図９（ａ）では、マグネット４３を楕円の円周上に沿って配列した場合について図示したが、この例に限定するものではなく、例えば、図９（ｂ）に示すように、より真円に近い円周上に沿ってマグネット４３を配列する構成を採用することもできる。この場合、インナーベルトＢin、アウターベルトＢout、磁性部材４９、４７などの対応する部材を、円環状に形成すればよい。
【００８３】
また、マグネトロンユニットを図１５に示すように構成することもできる。このマグネトロンユニット１００は、磁性材料によって形成されたベースプレート３３の表面に、直径が異なる円柱型の２種のマグネットを磁力によって固着している。例えば直径が大きい方の大径マグネットの直径は約１．７ｃｍ、直径が小さい方の小径マグネットの直径は約１．４ｃｍ程度である。２種のマグネットとも高さは同一であり、例えば約３．３ｃｍ程度である。大径マグネットから発せされる磁力は、大径マグネットの一端から２ｃｍ離れた空間で、１５０〜２００ガウス程度であり、小径マグネットから発せされる磁力は、大径マグネットの６０〜７０％程度である。
【００８４】
図１５に示すように、スパッタターゲット１６の中心部から最も離れた部位となる、ベースプレート３３の外縁部に、６個の大径マグネット１１０Ｎを円周上沿って配列させ、さらにこの６個の大径マグネット１１０Ｎを挟むように、その左右両側にそれぞれ９個の小径マグネット１２０Ｎを同一の円周上に沿って配列させている。従って、これらの大径マグネット１１０Ｎ及び小径マグネット１２０Ｎの全体によって、ベースプレート３３の円形領域が囲まれるような状態となっている。図１５の例では、これら大径マグネット１１０Ｎ及び小径マグネット１２０Ｎは、Ｎ極をスパッタターゲット１６に向けて配列させており、大径マグネット１１０Ｎ及び小径マグネット１２０Ｎの端面（スパッタターゲット１６に対向する端面）には、この配列に沿うようにリング状に形成した、ヨークなどによる磁性部材１３０を磁力によって固着している。
【００８５】
これに対し、ベースプレート３３の中央部には、１０個の大径マグネット１１０Ｓを集合させた状態に配列させており、各大径マグネット１１０ＳはＳ極をスパッタターゲット１６に向けた状態となっている。そして、各大径マグネット１１０Ｓの端面（スパッタターゲット１６に対向する端面）には、磁性部材１３０と同じ材質で形成され、大径マグネット１１０Ｓの集合領域を覆うような円板状を呈する磁性部材１４０を、磁力によって固着している。
【００８６】
図１５に示す実施形態においても、各マグネット１１０Ｎ、１１０Ｓ、１２０Ｎの配列には、すでにインナーベルトＢin等として例示した、非磁性材料による位置決め部材（図示せず）が用いられており、この位置決め部材によって位置決めされた状態でベースプレート３３の表面に配列されている。
【００８７】
マグネトロンユニットを図１５に示すように構成することにより、ベースプレート３３の外縁部に配列した全マグネットで発生される磁気量は、ベースプレート３３の中央部に配列した全マグネットで発生される磁気量に比べて大きくなる。この結果、スパッタによってスパッタターゲット１６から出る高いエネルギーを持った電子（２次電子）のうち、エロージョン面１６ａに表出する磁場に捕集された電子が、真空チャンバ１２の側壁側に位置するシールド２６へ流出してしまう現象を十分に抑制することができ、スパッタターゲット近傍の領域内に電子を効果的に閉じ込めることができる。
【００８８】
また、このようにベースプレート３３の中央部に比べて外縁部の磁力線が大となるので、スパッタターゲット１６からウエハＷ方向に延びる磁力線が、スパッタターゲット１６から離れるに連れて広がらないように作用するため、スパッタターゲット１６とウエハＷとの間に形成されるスパッタリング空間内に、電子を有効に閉じ込めることができる。
【００８９】
さらに、ベースプレート３３上の、スパッタターゲット１６の中心部から最も離れた部位、すなわち真空チャンバ１２の側壁側に、磁力の大きい６個の大径マグネット１１０Ｎを配列させたことにより、ベースプレート３３が回転軸３８を中心に回転駆動された場合にも、この６個の大径マグネット１１０Ｎは、常に真空チャンバ１２の側壁側に位置する状態となる。従って、真空チャンバ１２の側壁側となるスパッタターゲット１６の外縁部から、ウエハＷ側に延びる磁力線は、ウエハＷ側に進むに連れて、真空チャンバ１２の中央に向かうように延びる状態となり、真空チャンバ１２の側壁側に位置するシールド２６へ流れ出てしまう電子流を低減し、電子の閉じ込め性向上に寄与する。
【００９０】
また、ベースプレート３３上の、スパッタターゲット１６の中心部から最も離れた部位に磁力の大きい６個の大径マグネット１１０Ｎを配列させたことにより、発生するプラズマが、スパッタターゲット１６の表面に沿って、真空チャンバ１２の側壁側へ引き延ばされるようになり、その結果、エロージョン領域がスパッタターゲット１６の中央部に集中する傾向を抑制することができる。
【００９１】
加えて、スパッタターゲット１６の半分の領域にマグネットが配置されるので、その位置を調整してプラズマ形成領域を小さくすることが可能になる。このように縮小された領域に電力を投入できるので、投入電力を上げることなくプラズマ密度を高めることができる。
【００９２】
スパッタリング装置１１においても、図４、図６および図７に示されたマグネットの配置形態を適用することができる。これによって、所望の効果を得ることができる。それぞれの図面では、第１の磁性部材４７に沿って配列される外側のマグネット４３は、外周マグネット部５２に対応し、第２の磁性部材４９に沿って配列される内側のマグネット４３は、内側マグネット部５４に対応している。
【００９３】
スパッタリング装置１１では、複数の第１および第２の磁性部材４７、４９に沿って配置されるマグネット４３の各々には、所定の磁気量を有する単位マグネットを適用することができる。単位マグネットを採用すると、第１の環状からなるマグネット部と第２の環状からなるマグネット部の各総磁気量をマグネット数により把握きるようになり、磁気総量比の設定が容易になる。
【００９４】
マグネトロンユニット３１、例えばベースプレート３３の搭載面３２ａは、回転の回転軸３８を含む平面によって分離される第１および第２の領域を有し、内側マグネット部は第１の領域に設けられると共に、外側マグネット部は第１および第２の領域の境界上および第１の領域の少なくともいずれかに設けられている。
【００９５】
マグネトロンユニット３１では、内側マグネット部は第１の領域に設けられると共に、外側マグネット部は第１および第２の領域の境界上を通過すると共に第１の領域に設けられることが好ましい。また、外側マグネット部は回転中心（回転軸３８）に対応する位置を通過することができる。特に、図９に示した形態では、外側マグネットのための磁性部材４７と、内側マグネットのために磁性部材４９との間の領域は、第１の領域とのみ重なっている。
【００９６】
このようなマグネット形態のよれば、プラズマが形成されるエロージョン面１６ａ上の領域を小さくすることが可能になる。このように縮小された領域に電力を投入できるので、投入電力を上げることなくプラズマ密度を高めることができる。プラズマ密度が高まると電子密度もまた増加するので、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は基板表面に向かって加速されるので、基板表面に向いた速度成分を持つ被スパッタ粒子が多数生成される。このため、主にプラズマ領域の直下に被スパッタ粒子が到達し、この到達領域で成膜が進行する。このため、膜厚均一性が向上すると共に、ボトムカバリッジも改善される。
【００９７】
スパッタリング装置１１では、それぞれのマグネット部は、それぞれの閉じた線上に沿って磁場を提供するように配置されることができる。エロージョン面１６ａ近傍においては、上記の閉じた線の挟まれた領域にプラズマが生成される。つまり、２つの閉じた線によって、プラズマが生成される領域の形状および面積が規定される。閉じた線は、閉曲線であることができる。また、閉じた線は凸曲線であることができる。これらの曲線は、マグネトロンユニットの第１の領域内に規定することができ、また、回転中心（回転軸３８）を通過することもできる。
【００９８】
また、マグネトロンユニット３１では、外側マグネット部は、マグネトロンユニット３１上において所定の凸図形の外周線上に設けられると、プラズマの発生に寄与する磁場の形状はこの凸図形によって規定される。凸図形の外周線である閉凸曲線に基づく等磁場線の屈曲の変化範囲は、閉曲線の屈曲の変化範囲に比べてさらに小さくできる。これによって、プラズマ中からの電子の洩れ出しが低減され、効率的に電子が閉じ込められる。
【００９９】
電子密度が高まるとスパッタ粒子のイオン化が促進されるイオン化されたスパッタ粒子は基板方向に加速されるので、この方向の速度成分が大きくなる。また、プラズマ中の電子密度が高まると、プロセスガスの低圧化が可能になる。低圧化によって、スパッタ粒子とプロセスガス原子との衝突確率が低くなるので、基板に垂直方向の速度成分を持ったスパッタ粒子が増加する。これらの理由によって、ボトムカバリッジが改善される。外側マグネット部は、最外周の配置されたマグネットからなることが好ましい。これによって、最外周マグネット部の内側に電子を閉じ込めることができる。
【０１００】
図１０は、内周マグネット部の総磁気量が外周マグネット部の総磁気量より小さい場合にマグネトロンユニット３１によって発生される磁場を概略的に示している。図１１は、図１０における総磁気量の関係が逆である場合にマグネトロンユニット３１によってによって発生される磁場を概略的に示している。図１０および図１１では、マグネトロンユニット３１が有する各マグネットによって発生される磁場を破線で示している。
【０１０１】
図１０のスパッタリング装置では、外周マグネット部(図４、図６および図７における５２)に含まれるマグネット４３のＮ極からの磁力線（図中に破線で示す）は、マグネトロンユニット３１の中心方向に向かって伸びる。磁場の一部は、マグネット４３のＳ極に到達して、磁気回路を構成する磁性部材内４１を通過して閉じる。残りの磁場は、マグネトロンユニット３１の中心方向に向かって中心軸附近まで伸びた後、この軸方向に向きを変えて、マグネトロンユニット３１と反対側へ伸びる。このため、外周マグネットからの磁場は、エロージョン面１６ａの近傍ではマグネトロンユニット３１の内側に向いている。磁場の曲がりに応じて、電子の運動方向はマグネトロンユニット３０の内側に向けられる。このため、シールド２６へ流れる電子流を小さくすることができる。
【０１０２】
一方、図１１に概略的に例示するように、内側に設けた内側マグネット部８０（Ｓ極）の総磁気量が、その外側に設けた外側マグネット部８１（Ｎ極）の総磁気量よりも大きい場合を想定すると、内側マグネット部８０から延びる磁力線（図中に破線で示す）は、外側マグネット部８１で囲まれた範囲外に向かって延びる状態となる。このため、このような磁場がプラズマを閉じ込める作用は弱い。
【０１０３】
以上説明してきたようなスパッタリング装置では、マグネトロンユニット３０、３１は、およびエロージョン面１６ａとペディスタル１８の上面１８ａとの間にある真空チャンバ１２内の空間(以下、スパッタリング空間という）に形成される磁場Ｈの形状をそれぞれ支配する。マグネットロユニット３０、３１によれば、スパッタリング空間に電子の閉じ込めに好適な磁場が発生される。マグネトロンユニット３０、３１は、駆動モータ３６によって回転されるので、各マグネットによって発生される磁場は実際のスパッタリング装置１０、１１では駆動軸となる回転軸３８の周りに、例えば毎分６０〜１００回程度の頻度で回転している。
【０１０４】
マグネトロンユニット３０、３１からのプロセスガスがエロージョン面１６ａの近傍においてプラズマ化されると、ターゲット１６のエロージョン面１６ａから被スパッタ粒子が生成される。図２、図４、図６、図７、図９(ａ)および図９(ｂ)に対応するようなマグネトロンユニットの形態を採用すれば、プラズマを維持するために必要な圧力を下げることができる。また、プラズマが発生される領域を小さくすれば、プラズマ密度を上げることができる。これによって、電子電流密度が大きくできる。このため、被スパッタ粒子のイオン化か促進される。イオン化したスパッタ粒子は、基板支持部１８の方向に加速される。故に、基板Ｗに交差する軸に沿った方向の速度成分がこれと直交する方向の速度成分に対して相対的に大きくなり、ボトムカバリッジが改善される。また、基板Ｗに垂直な速度成分が大きくなると、回転するマグネトロンユニット３０、３１が通過している直下において成膜が進行して、ボトムカバリッジが良好な膜は形成される。
【０１０５】
このようなスパッタリング装置において、発明者が行った実験結果によれば、従来の装置における膜厚均一性が１０％以上あったものが、本発明の適用によって、５％以下に抑えられるようになった。ここで、膜厚均一性とは、
(膜厚の最も厚い点での測定値−
膜厚の最も薄い点での測定値)／(膜厚の平均値)／２×１００
で定義される。
【０１０６】
以上説明したスパッタリング装置において発明者が行った実験によれば、実用的には、外周マグネット部の総磁気量は内側マグネット部の総磁気量の１．５倍以上に設定することが好適であることが分かっている。
【０１０７】
図１２は、横軸に総磁気量比、縦軸にシート抵抗Ｒｓの一様性を示した測定結果を示す。
【０１０８】
この測定は、以下の条件
ターゲット：Ｔｉ
パワー ：１２ｋＷ
圧力 ：６．６７×１０^-2Ｐａ(０．５ｍＴ)
膜厚 ：１００ｎｍ
にて行われた。
【０１０９】
図１２によれば、総磁気量比が１．５より小さいとＲｓ一様性が悪化する傾向にある一方で、総磁気量比が１．５以上では磁気総量比が大きくなるに従ってＲｓ一様性が改善されている。
【０１１０】
上記のようなマグネトロンユニットを準備すれば、磁場による電子閉じ込め作用のため、プラズマ中の電子を効率的に閉じ込めることができる。このため、電子密度を高めることができる。電子密度が高まると、被スパッタ粒子がイオン化されるようになる。イオン化された被スパッタ粒子は電界によって加速されるので、ターゲットから基板への方向に運動する被スパッタ粒子の数が増加する。また、プラズマ中において電子密度を高めることができるので、プラズマを低圧でも維持することができる。
【０１１１】
既に説明したように、図２、図４、図６、図７、図９(ａ)および図９(ｂ)には、第１および第２の実施の形態に適用可能なマグネット配置の形態が示されている。これらの形態では、マグネット部、例えばアウターベルトＢoutによってマグネット４３を配列させたマグネット部５２は、所定の閉曲線の沿って、例えばポールピースに形状に沿って設けられている。このようなマグネトロンユニットでは、閉曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であり、また凸曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であると、発明者は考えている。
【０１１２】
図１３は、横軸に上記の半径比、縦軸にｍＴ単位で示めされたプラズマ維持圧力の測定結果を示している。この測定は、以下の条件
ターゲット：Ｔｉ
パワー ：１２ｋＷ
にて行われた。
なお、図１３では、特性図に見やすさのために圧力の単位としてｍＴおよびＳＩ単位系のＰａを併記しています。図１３によれば、最小曲率半径をＲminと置き、最大曲率半径をＲmaxと置くとき、Ｒmin／Ｒmaxが０．８倍以上であるときに好適であると考えられる。
【０１１３】
発明者による実験によれば、例えば遠距離スパッタ(ロングスロースパッタ)の場合、スパッタ粒子の平均自由行程を１９０ｍｍ以上にすることにより、良好なボトムカバリッジが得られる。この平均自由行程を達成するためのチャンバ内圧力を見積もると、約４×１０^-2(０．３ｍＴ)となった。図１３によれば、この圧力は、曲率半径を０．８以上にすることにより達成させる。
【０１１４】
このようなスパッタリング装置において好適に適用できる成膜方法は、以下の手順に従うことができる。つまり、(1)スパッタターゲットに磁場を提供するように設けられた第１および第２のマグネット部を有し、第２のマグネット部は第１のマグネット部の内側に設けられ、第１のマグネット部は所定の閉曲線の外周上に設けられると共に、閉曲線の最小曲率半径は最大曲率半径の０．８倍以上であるマグネトロンユニットを有するスパッタリング装置を準備する工程と、(2)前記スパッタターゲットに対面するように基板を配置する工程と、(3)スパッタターゲットのエロージョン面の近傍にプラズマを生成する工程と、(4)スパッタリング粒子を生成し前記基板上に膜を形成する工程と、を備える。このようなマグネトロンユニットを用いると、プラズマ中の電子を効率的に閉じ込めることができる。
【０１１５】
また、成膜方法は、以下の手順によることもできる。(1)前記スパッタターゲットに対面するように基板を配置する工程と、(2)スパッタターゲットに磁場を提供するように設けられた第１および第２のマグネット部を有し、第２のマグネット部は第１のマグネット部の内側に設けられ、第１のマグネット部は所定の閉曲線の外周上に設けられると共に、閉曲線の最小曲率半径は最大曲率半径の０．８倍以上であるマグネトロンユニットを用いてエロージョン面の近傍にプラズマを生成する工程と、(3)スパッタリング粒子を生成し前記基板上に膜を形成する工程と、を備える。
【０１１６】
上記のようなマグネトロンユニットを用いて磁場を用いてプラズマを発生すれば、プラズマ中の電子を効率的に閉じ込めることができる。このため、プラズマ中において電子密度を高めることができる。電子密度が高くなると、プラズマを低圧でも維持することができる。また、電子密度が高まると、被スパッタ粒子がイオン化されるようになる。イオン化された被スパッタ粒子は電界によって加速されるので、ターゲットから基板への方向に運動する被スパッタ粒子の数が増加する。
【０１１７】
また、従来のスパッタリング装置では、発明者の知る範囲において、プロセスガスの圧力を０．０５Ｐａ(0.375mTorr)以下にするとプラズマを維持できなかった。しかしながら、以上説明したようなスパッタリング装置では、最低放電維持電圧を０．０２Ｐａ(0.15mTorr)まで下げることができた。このような低圧力においてボトムカバリッジが従来に比べて１．５倍以上に向上できるようになった。
【０１１８】
また、プロセスガスの低圧化を図ることができるので、、プロセスガスの粒子がスパッタリング粒子と衝突することが頻度が減るので、ボトムカバリッジ率が更に向上する。
【０１１９】
本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本実施の形態のスパッタリング装置１０、１１が適用可能なターゲット材料は、銅（Ｃｕ）に限られるものではなく、このほかの元素、チタン(Ｔｉ)、アルミニウム(Ａｌ)、およびこれらの合金等でも適用可能である。以上説明した実施の形態は、閉曲線の最小曲率半径Ｒmin、最大曲率半径Ｒmaxとするとき、絶対値｜Ｒmin／Ｒmax｜が０．８倍以上である場合にも適用される。
【０１２０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わるスパッタリング装置では、マグネトロンユニットでは、第１のマグネット部は、所定の閉曲線上に設けられている。第２のマグネット部は、第１のマグネット部の内側に設けられている。閉曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適である。所定の閉曲線に沿って第１のマグネット部を配置すれば、プラズマの発生に寄与する磁場の形状はこの閉曲線によって規定される。等磁場線は上記の曲率半径の範囲で屈曲されるので、等磁場線の曲がりによって生じうるプラズマ中からの電子の洩れ出しが低減される。
【０１２１】
このため、等磁場線の形状の改善によって、プラズマ中の電子の洩れ出しが抑制され、効率的に電子が閉じ込められる。
【０１２２】
また、本発明に係わる成膜方法によれば、スパッタターゲットに磁場を提供するように設けられた第１および第２のマグネット部を有し、第２のマグネット部は第１のマグネット部の内側に設けられ、第１のマグネット部は所定の閉曲線の外周上に設けられると共に、閉曲線の最小曲率半径は最大曲率半径の０．８倍以上であるマグネトロンユニットを用いてスパッタリングを制御しているので、電子の閉じ込め効率が向上された状態で成膜を行うことができる。
【０１２３】
したがって、ボトムカバリッジを改善可能なスパッタリング装置および成膜方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施の形態に従うマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態におけるサブユニットの配置位置を示すための平面図である。
【図３】図３は、サブユニット部分を拡大したマグネトロンユニットの拡大図である。
【図４】図４は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図５】図５は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図６】図６は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図７】図７は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図８】図８は、第２の実施の形態に従うマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【図９】図９(ａ) および図９(ｂ)は、図８のマグネトロンユニットにおけるマグネット及びベースプレートと、スパッタターゲットとの位置関係を平面的に示す説明図である。
【図１０】図１０は、スパッタリング装置に形成される磁場を示す構成図である。
【図１１】図１１は、スパッタリング装置に形成される磁場を示す構成図である。
【図１２】図１２は、外周マグネットと内側マグネットとの間の総磁気量比をＲｓとの関係を示す特性図である。
【図１３】図１３は、Ｒmin／Ｒmaxに対するプラズマ維持圧力の関係を示す特性図である。
【図１４】図１４は図８に示したマグネトロンユニットを示す分解斜視図である。
【図１５】図１５は他の実施形態にかかるマグネトロンユニットのマグネット及びベースプレートと、スパッタターゲットとの位置関係を平面的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１１…スパッタリング装置、１２…真空チャンバ、
１３ａ、１３ｂ…絶縁部材、１４…ハウジング、１５…基板、
１６…スパッタターゲット、１８…ペディスタル、２０…排気ポート、
２１…真空ポンプ、２２…供給ポート、２３…バルブ、２４…加速用電源、
２５…プロセスガス供給源、２６…シールド、２９…制御器、
３０、３１…マグネトロンユニット、３２、３３…ベースプレート、
３４…マグネット、３６…駆動モータ、３８…回転軸、４０…ヨーク部材、
４２、４３、４４…マグネット、４７、４８、４９、５０…磁性部材、
５２…第１のマグネット部、５４…第２のマグネット部

Claims (10)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバを減圧するための減圧手段と、
   前記真空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、
   前記真空チャンバ内において基板を支持するための基板支持部と、
   前記基板支持部にエロージョン面が対面するように設けられたスパッタターゲットと、
   所定の閉曲線上に設けられた第１のマグネット部と、前記第１のマグネット部の内側に設けられた第２のマグネット部とを有し、前記ターゲットに関して前記基板支持部と反対側に設けられたマグネトロンユニットと、を備え、
   前記第１のマグネット部は第１の磁極を前記スパッタターゲットに向けて配置され、前記第２のマグネット部は第２の磁極を前記スパッタターゲットに向けて配置され、
   前記閉曲線の最小曲率半径は最大曲率半径の０．８倍以上であり、
   前記第１のマグネット部は、第１の磁極を前記ターゲットに向けて配置された複数の第１のマグネットを有し、前記第２のマグネット部は第２の磁極を前記ターゲットに向けて配置された複数の第２のマグネットを有し、
   前記複数の第１のマグネット及び前記複数の第２のマグネットは、所定の磁気量を有する単位マグネットであり、
   前記複数の第１のマグネットが挿入される複数の開口が形成された第１のベルト、及び、前記複数の第２のマグネットが挿入される複数の開口が形成された第２のベルトを更に備えている、
   スパッタリング装置。
2. 前記閉曲線は凸図形の外周によって規定されている外周線である、請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 前記エロージョン面上の所定の点を通過する軸を回転中心として前記マグネトロンユニットおよび前記スパッタターゲットを相対的に回転するための駆動手段を更に備え、
   前記マグネトロンユニットは、前記軸を含む平面によって分離される第１および第２の領域を有し、前記第２のマグネット部は前記第１の領域に設けられると共に、前記第１のマグネット部は前記第１および第２の領域の境界上および前記第１の領域の少なくともいずれかに設けられている、請求項１または請求項２に記載のスパッタリング装置。
4. 前記第１のマグネット部の総磁気量は前記第２のマグネット部の総磁気量より大きい、請求項１または請求項２にスパッタリング装置。
5. 前記マグネットトロンユニットは複数の第１の磁性部材を有し、前記複数の第１の磁性部材の各々は、前記複数の第１のマグネットのうちの１つの第２の磁極の部分と前記複数の第２のマグネットのうちの１つの第１の磁極の部分とを磁気的に結合する、請求項１に記載のスパッタリング装置。
6. 前記マグネットトロンユニットは第２の磁性部材を有し、前記第２の磁性部材は、前記複数の第１のマグネットの第２の磁極の部分と前記複数の第２のマグネットの第１の磁極の部分とを磁気的に結合する、請求項１に記載のスパッタリング装置。
7. 前記第２の磁性部材は前記マグネトロンユニットのベースプレートである、請求項６に記載のスパッタリング装置。
8. 前記マグネトロンユニットは、前記複数の第１のマグネットと前記ターゲットとの間に設けられ前記複数の第１のマグネットの第１の磁極を磁気的に結合する第３の磁性部材と、前記複数の第２のマグネットと前記ターゲットとの間に設けられ前記複数の第２のマグネットの第２の磁極を磁気的に結合する第４の磁性部材と、を含む、請求項１及び請求項５〜７のいずれかに記載のスパッタリング装置。
9. 前記スパッタターゲットは、Ｔｉ、Ａｌ、およびＣｕの少なくとも何れかを含む、請求項１〜請求項８のいずれかに記載のスパッタリング装置。
10. スパッタターゲットに磁場を提供するように設けられた第１および第２のマグネット部を有し、前記第２のマグネット部は前記第１のマグネット部の内側に設けられ、前記第１のマグネット部は所定の閉曲線の外周上に設けられると共に、前記閉曲線の最小曲率半径は最大曲率半径の０．８倍以上であるマグネトロンユニットを有するスパッタリング装置を準備する工程と、
    前記スパッタターゲットに対面するように基板を配置する工程と、
    前記スパッタターゲットのエロージョン面の近傍にプラズマを生成する工程と、
    スパッタリング粒子を生成し前記基板上に膜を形成する工程と、を備え、
    前記第１のマグネット部は、第１の磁極を前記ターゲットに向けて配置された複数の第１のマグネットを有し、前記第２のマグネット部は第２の磁極を前記ターゲットに向けて配置された複数の第２のマグネットを有し、
    前記複数の第１のマグネット及び前記複数の第２のマグネットは、所定の磁気量を有する単位マグネットであり、
    前記スパッタリング装置を準備する工程では、複数の開口が形成された第１のベルトに前記複数の第１のマグネットを挿入し、及び、複数の開口が形成された第２のベルトに前記複数の第２のマグネットを挿入することを含む、
    成膜方法。

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