JP4974582B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明はスパッタ装置に関する。

基板上に合金膜や多層膜を成膜するスパッタ装置では、膜厚分布や膜の組成比分布及び/或いは不純物分布等を均一にするために、従来基板よりも大径のターゲットが用いられていた。

近年、基板は８インチ又はそれ以上と大型化しており、基板の大型化に伴ない大型のターゲットが求められているが、ターゲット材料がＭｎやＭｎリッチ合金等の場合ターゲットを大型化すると脆く割れやすくなるため、ターゲットの大型化は困難であった。
また、基板の大きさに合わせてターゲットを大型化した場合、単にターゲットを大型化しただけでは膜厚分布、組成比分布、不純物分布を均一にすることはできなかった。

一枚の基板に対し複数のターゲットを用いれば、ターゲットを大型化しなくても大型基板に薄膜を形成することが可能になるが、複数のターゲットを用いると一枚のターゲットだけで成膜を行った場合に比べて、膜厚分布のばらつきが大きくなるという問題があった。

このような従来技術の問題を解決するために、一又は複数のターゲットが基板に対して斜めに配置された成膜装置がある（例えば特許文献１を参照）。しかしながら、このような成膜装置を用いても十分満足できる膜厚分布（例えば±０．６％未満）の薄膜を形成することはできなかった。
特開２０００−２６５２６３号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は大型基板に膜厚分布均一な薄膜を成膜可能な成膜装置を提供するものである。

上述したように、大型化が困難なターゲットで大型の基板に薄膜を形成する場合には、ターゲットを複数用い、成膜対象物を回転させながら各ターゲットをスパッタリングする。この場合、成膜効率を上げるためには、なるべく多くのターゲットを互いに重なり合わないように配置する必要があり、ターゲット間の間隔が狭くなる。

本願の成膜装置は、ターゲット（主ターゲット）間の狭い場所に、主ターゲットよりも小型のターゲット（補助ターゲット）を配置し、主ターゲットからのスパッタ粒子で成長する薄膜の薄い部分が補助ターゲットからのスパッタ粒子で補われるように、補助ターゲットの向きや補助ターゲットから基板までの距離を設定することで、膜厚均一な薄膜を形成可能になっている。

例えば、主ターゲットをそれぞれ成膜対象物の中央に向けて配置することで、成膜対象物の中央部分にできるだけ多くのスパッタ粒子を到達させて効率良く成膜を行い、この際、成膜対象物の縁に生じる膜厚の薄い部分には、補助ターゲットを成膜対象物の縁に向けることで補助ターゲットからのスパッタ粒子を到達させる。

上記知見に基づいて成された本発明は、成膜対象物が配置される基板ホルダと、一の回転軸線を中心として前記基板ホルダを回転させる回転装置と、主ターゲットと、前記主ターゲットよりも小面積の補助ターゲットとを有し、前記主ターゲットと前記補助ターゲットは、スパッタされるスパッタ面が前記基板ホルダ上の前記成膜対象物の表面にそれぞれ向けられ、前記主ターゲットの前記スパッタ面の中心と、前記補助ターゲットの前記スパッタ面の中心をそれぞれ垂直に通る主中心軸線と副中心軸線は、前記基板ホルダ上に配置された前記成膜対象物の表面と主交点と副交点とでそれぞれ交差し、前記主ターゲットの前記スパッタ面と、前記補助ターゲットの前記スパッタ面とは、前記基板ホルダ上の基板の回転中心に向けて傾けられ、前記主交点と前記回転軸線との間の距離は、前記副交点と前記回転軸線との間の距離よりも短くされた成膜装置である。
本発明は、成膜対象物が配置される基板ホルダと、一の回転軸線を中心として前記基板ホルダを回転させる回転装置と、主ターゲットと、前記主ターゲットよりも小面積の補助ターゲットとを有し、前記主ターゲットと前記補助ターゲットは、スパッタされるスパッタ面が前記基板ホルダ上の前記成膜対象物の表面にそれぞれ向けられ、前記主ターゲットの前記スパッタ面の中心を垂直に通る主中心軸線は前記成膜対象物の表面と交差し、前記補助ターゲットの前記スパッタ面の中心を垂直に通る副中心軸線は前記成膜対象物の表面と交差しないようにされた成膜装置である。

尚、主交点と回転軸線との間の距離とは、主交点から回転軸線に対して垂直に引いた線分の長さであり、副交点と回転軸線との間の距離とは、副交点から回転軸線に対して垂直に引いた線分の長さのことである。

膜厚分布が均一な薄膜を成膜可能である。ターゲットを大型化する必要が無いので製造コストが安くなる。大型ターゲットを用いた場合と異なり、ターゲットの破損が起こり難いので、ターゲット破損に起因する膜質不良が起こらない。

図１の符号１は本発明の成膜装置の一例を示している。この成膜装置１は真空槽２と、基板ホルダ７と、回転装置１４と、スパッタ源３とを有しており、基板ホルダ７とスパッタ源３は真空槽２内部に配置され、回転装置１４は真空槽２外部に配置されている。

図１は成膜対象物である基板１１を基板ホルダ７上に保持させた状態を示しており、ここでは基板１１は円盤状である。
基板ホルダ７は回転装置１４に接続されており、回転装置１４を動作させ、その駆動力を基板ホルダ７に加えると、基板ホルダ７は一の回転軸線Ｃを中心として、基板１１と一緒に水平面内で回転するように構成されている。

基板１１が基板ホルダ７上に保持された時には、後述するスパッタリングで薄膜が形成される成膜面１２が上側に向けられており、ここでは成膜面１２の中心に回転軸線Ｃが垂直に通るようになっている。従って、成膜面１２の中心は回転中心と一致している。

スパッタ源３は主ターゲット２１と補助ターゲット２２とを有しており、ここでは主ターゲット２１は基板１１よりも小径の円盤状であり、補助ターゲット２２は主ターゲット２１よりも小径の円盤状である（図２）。

主ターゲット２１と補助ターゲット２２は、成膜面１２から離間した位置で、片面を成膜面１２に向けた状態で配置されている。図１の符号２６、２７は主ターゲット２１と補助ターゲット２２の成膜面１２に向けられた面であり、後述するスパッタリングが行われるスパッタ面を示している。

主ターゲット２１と補助ターゲット２２はそれぞれ電源１５、１６に別々に接続されている。真空槽２にはガス供給系１８と真空排気系１９が接続されており、真空槽２内部を真空排気し、真空槽２内部にガス供給系１８からスパッタガスを導入して、所定圧力の成膜雰囲気を形成し、該成膜雰囲気を維持しながら、電源１５、１６から主ターゲット２１と補助ターゲット２２に別々に電圧を印加すると、スパッタ面２６、２７がそれぞれスパッタリングされ、スパッタ粒子が放出される。

図１の符号ａ、ｂはスパッタ面２６、２７に対して垂直な線分であって、スパッタ面２６、２７の中心を通る主中心軸線と副中心軸線をそれぞれ示している。
主ターゲット２１と補助ターゲット２２は、主中心軸線ａと副中心軸線ｂがそれぞれ成膜面１２と交差するように、スパッタ面２６、２７が基板１１の回転中心ｄ方向に傾けられており、スパッタ面２６、２７から放出されたスパッタ粒子はそれぞれ成膜面１２に到達する。

ここでは、主中心軸線ａと成膜面１２とが交差する主交点ｅは成膜面１２の回転中心ｄから外れた場所にあり、主ターゲット２１からのスパッタ粒子の到達量は回転中心ｄよりも主ターゲット２１に近い側で最大となるが、上述したようにスパッタ面２６が成膜面１２の中央に向けられることで、スパッタ粒子が回転中心ｄを超えて成膜面１２の反対側にも到達するようになっている。

これに対し、副中心軸線ｂと成膜面１２とが交差する副交点ｆは、主交点ｅよりも回転中心ｄから遠い位置にあり、補助ターゲット２２からのスパッタ粒子が回転中心ｄを越えて成膜面１２の反対側に到達する量は主ターゲット２１に比べて無視できる程小さくなっている。

図３（ａ）の符号３１ａは、基板１１の成膜面１２のうち、基板１１中心の回転中心ｄから基板１１の外周上の位置Ａの間の半径部分が、主ターゲット２１に最も近づいた時に形成される薄膜の膜厚を示しており、符号３１ｂは該半径部分が最も２１に近づいた位置から中心軸線Ｃを挟んで反対側に位置し、主ターゲット２１から最も遠い位置にある時に形成される薄膜の膜厚を示している。
半径部分が主ターゲット２１に最も近づいた時に形成される薄膜は、主交点ｅの付近で厚くなり、主交点ｅよりも主ターゲット２１から遠くなる方向に離れるに従い薄くなる。

半径部分が最も主ターゲット２１から遠い位置にある時に形成される薄膜の膜厚３１ｂは、回転中心ｄに近い程厚く、回転中心ｄに遠い程薄い。同図の符号３２ｂは、同じ半径部分が主ターゲット２１から最も近接した位置にある時に形成された薄膜と、最も遠い位置で形成された薄膜とを重ね合わせるために示した薄膜の膜厚を示しており、基板１１は回転しながら成膜されるから、成膜面１２の最も主ターゲット２１に近い位置と、最も主ターゲット２１から遠い位置以外の部分では、符号３１ａと符号３２ｂで示される曲線の間に位置する曲線で表される膜厚の薄膜が形成される。

上記半径部分が主ターゲット２１に最も近い位置にある時以外では、主中心軸線ａと交差していた位置の膜厚が厚くなるとは限らない。従って、基板１１が回転する間、符号３１ａと３２ｂで示される曲線の間の曲線で表される膜厚の薄膜が積層されるから、成膜面１２に形成される薄膜３３は主中心軸線ａと交差する位置の膜厚が厚くなるとは限らない。

本発明では、主交点ｅを回転中心ｄと基板１１最外周の間に配置し、主ターゲット２１の向きや位置を、基板１１を回転させながらスパッタリングを行った時に、成膜面１２中央が厚く、外周が薄く成膜されるようにしており、中央付近は略均一に膜厚になっている。

補助ターゲット２２は、主ターゲット２１で形成される薄膜３３の厚い部分よりも薄い部分に多くのスパッタ粒子が到達するように、スパッタ面２７が基板１１の回転中心ｄ方向に傾けられ、かつ、副中心軸線ｂが基板１１の主交点ｅよりも外周側に位置するように、基板１１の外周方向に向けられている。

従って、補助ターゲット２２から放出されるスパッタ粒子は、基板１１の中央付近には殆ど到達せず、補助ターゲット２２が形成する薄膜の膜厚３６は基板１１の外周で大きくなり（図３（ｂ））、その結果、補助ターゲット２２が形成する薄膜は基板１１の中央部分の膜厚を増加させることなく、主ターゲット２１で形成される薄膜の基板１１外周部分の膜厚が、補助ターゲット２２から放出されるスパッタ粒子で厚くされる。従って、回転中心ｄから成膜面１２外周まで膜厚均一な薄膜が形成される。

以上は、主中心軸線ａと副中心軸線ｂがそれぞれ成膜面１２と交差する場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではない。
図４の符号５は本発明他の例の成膜装置を示している。この成膜装置５は補助ターゲット２２の配置が異なる以外は図１の成膜装置１と同じ構成を有している。

この成膜装置５においても、主ターゲット２１の向きや位置を、基板１１を回転させながらスパッタリングを行った時に、成膜面１２中央が厚く、外周が薄く成膜されるようにしており、中央付近は略均一に膜厚になっている。

補助ターゲット２２は、主ターゲット２１で形成される薄膜３３の厚い部分よりも薄い部分に多くのスパッタ粒子が到達するように、スパッタ面２７が基板１１の回転中心ｄ方向に傾けられ、かつ、副中心軸線ｂが成膜面１２と交差せず、基板１１の外周よりも外側で成膜面１２が位置する平面を通るように、基板１１の外周方向に向けられ、その結果、補助ターゲット２２が形成する薄膜は基板１１の中央部分の膜厚を増加させることなく、主ターゲット２１で形成される薄膜の基板１１外周部分の膜厚が、補助ターゲット２２から放出されるスパッタ粒子で厚くなる。

以上は、スパッタ源３が主ターゲット２１と補助ターゲット２２を１つずつ有する場合について説明したが本発明はこれに限定されず、図５に示すように、スパッタ源９が主ターゲット２１と補助ターゲット２２を複数個ずつ有する場合も本発明には含まれる。

主ターゲット２１の数は特に限定されないが、大型基板１１の成膜を行う場合には、主ターゲット２１の数を複数個にすれば、主ターゲット２１を大型化しなくても成膜面１２全部に効率良く薄膜を形成することができる。

主ターゲット２１を複数個用いる場合、主ターゲット２１と主ターゲット２１の間の隙間に補助ターゲット２２を配置すれば、スパッタ源３の設置スペースが狭くて済む。

各主中心軸線ａが成膜面１２に垂直に交わらないように、主ターゲット２１を基板１１に対してそれぞれ斜めに配置すれば、限られた設置スペースに複数の主ターゲット２１を配置することができる。

このスパッタ源９においても、各主ターゲット２１の向きや位置は、基板１１を回転させながら一部又は全部の主ターゲット２１のスパッタリングを行った時に、成膜面１２中央が厚く、外周が薄く成膜されるようにしており、中央付近は略均一に膜厚になる。

各補助ターゲット２２は、一部又は全部の補助ターゲット２２のスパッタリングを行った時に、主ターゲット２１で形成される薄膜３３の厚い部分よりも薄い部分に多くのスパッタ粒子が到達するように配置され、その結果、補助ターゲット２２が形成する薄膜３６は基板１１の中央部分の膜厚を増加させることなく、主ターゲット２１で形成される薄膜の基板１１外周部分の膜厚が、補助ターゲット２２から放出されるスパッタ粒子で厚くなる。

主ターゲット２１と補助ターゲット２２をスパッタリングするタイミングは、補助ターゲット２２からのスパッタ粒子で成膜される薄膜３６の厚い部分が、主ターゲット２１からのスパッタ粒子で成膜される薄膜３３の薄い部分に加算されて、最終的に膜厚が平均化されるのであれば、主ターゲット２１と補助ターゲット２２のスパッタリングを同時に行っても良いし、別々に行っても良い。

主ターゲット２１と補助ターゲット２２を同じターゲット材料で構成すれば、成膜面１２には膜厚だけでなく、膜質も均一な薄膜が形成される。
主ターゲット２１と補助ターゲット２２を構成するターゲット材料は特に限定されないが、一例を述べると、半導体製造用のターゲット材料であるＣｕ、Ｔａ、Ａｌ、磁性材料であるＣｏＦｅ、ＮｉＴｅ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、非磁性金属材料であるＲｕ等を用いることができる。

スパッタガスの種類も特に限定されず、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ等種々のガスを用いることができる。また、スパッタガスと一緒にターゲット材料と反応する反応ガスを真空槽２内部に導入し、ターゲット材料と反応ガスとの反応物からなる薄膜を形成することも可能である。

投入電力やスパッタガスの種類や成膜雰囲気の圧力等の成膜条件が変化すると、成膜される薄膜の膜厚分布も変化する。例えば、主ターゲット２１と補助ターゲット２２の向きを変える移動装置を設け、成膜条件の変化に合わせて主ターゲット２１と補助ターゲット２２の向きを変えれば、成膜条件が変わっても膜厚均一な薄膜を形成することができる。

基板１１の形状は特に限定されず、真円形状、楕円形状等の円盤状のものの物の他に、正方形形状、長方形形状等種々のものを用いることができる。
主ターゲット２１と補助ターゲット２２の形状も特に限定されず、楕円形状、真円形状、正方形形状、長方形形状等種々の形状のものを用いることができる。

大型基板で膜厚分布の一様性が要求される分野、特に多層膜を用いたデバイス、例えば巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果スピンバルブ、トンネル接合磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を用いた磁気ヘッドや、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）など電子・半導体デバイス製造プロセスに用いられる。

本発明の成膜装置の一例を説明する断面図 主ターゲットと補助ターゲットの位置関係の一例を説明する平面図 （ａ）：主ターゲットからのスパッタリングで成膜される薄膜の膜厚分布を示す断面図、（ｂ）：補助ターゲットからのスパッタリングで成膜される薄膜の膜厚分布を示す断面図 本発明の成膜装置の他の例を説明する断面図 主ターゲットと補助ターゲットの位置関係の他の例を説明する平面図

符号の説明

１、５……成膜装置 ２……真空槽 ７……基板ホルダ １１……基板（成膜対象物） １２……成膜面 １４……回転装置 ２１……主ターゲット ２２……補助ターゲット ２６、２７……スパッタ面 ａ……主中心軸線 ｂ……副中心軸線 ｅ……主交点 ｆ……副交点

Claims (2)

1. 成膜対象物が配置される基板ホルダと、
   一の回転軸線を中心として前記基板ホルダを回転させる回転装置と、
   主ターゲットと、前記主ターゲットよりも小面積の補助ターゲットとを有し、
   前記主ターゲットと前記補助ターゲットは、スパッタされるスパッタ面が前記基板ホルダ上の前記成膜対象物の表面にそれぞれ向けられ、
   前記主ターゲットの前記スパッタ面の中心と、前記補助ターゲットの前記スパッタ面の中心をそれぞれ垂直に通る主中心軸線と副中心軸線は、前記基板ホルダ上に配置された前記成膜対象物の表面と主交点と副交点とでそれぞれ交差し、
   前記主ターゲットの前記スパッタ面と、前記補助ターゲットの前記スパッタ面とは、前記基板ホルダ上の基板の回転中心に向けて傾けられ、
   前記主交点と前記回転軸線との間の距離は、前記副交点と前記回転軸線との間の距離よりも短くされた成膜装置。
2. 成膜対象物が配置される基板ホルダと、
   一の回転軸線を中心として前記基板ホルダを回転させる回転装置と、
   主ターゲットと、前記主ターゲットよりも小面積の補助ターゲットとを有し、
   前記主ターゲットと前記補助ターゲットは、スパッタされるスパッタ面が前記基板ホルダ上の前記成膜対象物の表面にそれぞれ向けられ、
   前記主ターゲットの前記スパッタ面の中心を垂直に通る主中心軸線は前記成膜対象物の表面と交差し、
   前記補助ターゲットの前記スパッタ面の中心を垂直に通る副中心軸線は前記成膜対象物の表面と交差しないようにされた成膜装置。

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