JP6471000B2 - マグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニット及びこの磁石ユニットを用いたスパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニット及びスパッタリング方法に関し、より詳しくは、ターゲットの中心に形成されるリデポ膜を短時間で除去できるものに関する。

例えば、不揮発性メモリ等の半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウエハなどの処理すべき基板の表面に誘電体膜を量産性良く成膜するために、マグネトロンスパッタリング装置が用いられる。マグネトロンスパッタリング装置には、通常、平面視円形のターゲットのスパッタ面と背向する側に磁石ユニットが配置されている。

磁石ユニットとして、ターゲットを略均一に侵食して高寿命化を図る等のため、例えば、ターゲットの中心と外周との間の所定領域に、同磁化の磁石片の複数個を環状に列設した第１の磁石体と、第１の磁石体の周囲を囲うように第１の磁石体と同磁化の磁石片の複数個を環状に列設した第２の磁石体とを有して当該領域に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線（即ち、プラズマ密度が最も高くなる箇所）が無端状に閉じるようにターゲットから漏洩する磁場を発生させ、スパッタリング中にターゲットの中心を回転中心として回転駆動されるものが一般に知られている。このようにスパッタリング中に磁石ユニットを回転駆動させる場合、ターゲット中心を含む中央領域が局所的に侵食されることを防止するために、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がターゲットの中心と外周との間の所定範囲に収まるように通常は設計され、ターゲットの中央領域に実質的にスパッタリングにより侵食されない非侵食領域が残存することがある。

ターゲットの中央領域に残存する非侵食領域には、スパッタリング中、ターゲットのスパッタリングにより発生したスパッタ粒子が再付着してリデポ膜が形成される。このリデポ膜は、パーティクル等となって製品歩留まりの低下を招来する原因になり得る。このため、所定の厚さ以上のリデポ膜が形成される前に、成膜条件とは異なる条件（例えば、低圧）でダミースパッタリングを行うことでリデポ膜が除去されるが、リデポ膜を除去するのに多大な時間を要するため、生産効率を低下させる要因となる。ターゲットの侵食領域を変更するために、第１の磁石体を一体に径方向に移動させることが例えば特許文献１で知られている。然し、これでは、ターゲット全面の侵食領域が成膜のためのスパッタリング時とダミースパッタリング時とで異なるものとなって、ターゲット全面の侵食形状が変化する。その結果、ダミースパッタリング後に第１の磁石体を一体に元の位置に戻し、成膜のためのスパッタリングを行うと、ターゲットの侵食形状の変化に起因して、例えばスパッタ粒子の飛散分布が変化し、ひいては、膜厚面内分布や膜質面内分布の再現性よく成膜することができないという問題が生じる。

特開２００４−２６９９５２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、成膜時にターゲット中心に形成されたリデポ膜をダミースパッタにより効率よく除去することができ、しかも、ダミースパッタ終了後に成膜のためのスパッタリングを行ったときに膜厚面内分布や膜質面内分布を再現することができるマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニット及びスパッタリング方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、平面視円形のターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲットの中心を回転中心として回転駆動される本発明のマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニットは、第１の磁石体と第１の磁石体の周囲を囲う第２の磁石体とを有してターゲットの中心と外周との間の所定範囲に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じるようにターゲットから漏洩する磁場を発生させ、ターゲットの中心側に位置する第２磁石体の部分を径方向に移動する移動手段を設け、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部がターゲットの中心を跨ぐように変形自在としたことを特徴とする。本発明において、「磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部がターゲット中心を跨ぐ」とは、当該線がターゲットの中心を厳密に跨ぐ（通る）場合だけでなく、ターゲットの中央領域が侵食領域にできるように線を変形させている場合をも含む。

また、本発明において、前記移動手段は、第２磁石体の部分を保持するヨークと、ヨークに連結されるアクチュエータとで構成されることができる。これによれば、アクチュエータを駆動することで、第２磁石体の部分を径方向に移動させることができる。

上記課題を解決するために、上記磁石ユニットを備えるスパッタリング装置を用いた本発明のスパッタリング方法は、第１及び第２の磁石体によりターゲットの中心と外周との間の所定範囲に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じるようにターゲットから漏洩磁場を発生させた状態で、ターゲットのスパッタ面をスパッタリングし、スパッタ粒子を基板に付着、堆積させて基板表面に成膜する成膜工程と、ターゲットの中心側に位置する第２の磁石体の部分を移動させて磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部がターゲット中心を跨ぐように変形させた状態でターゲットのスパッタ面をスパッタリングするダミースパッタリング工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の磁石体によりターゲットの中心と外周との間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じるようにスパッタ面から漏洩磁場を発生させた状態で成膜すると、ターゲットの非侵食領域たる中央領域にリデポ膜が形成される。このリデポ膜を除去するダミースパッタリング時に、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部をターゲット中心を跨ぐように変形させることで、効率よくリデポ膜を除去できる。しかも、ターゲットの中心側に位置する第２の磁石体の部分のみを移動させるため、成膜のためのスパッタリング時（成膜工程）とダミースパッタリング時との間でターゲットの中央領域を除いてターゲットの侵食領域が変化しない。このため、ダミースパッタリングの後に第２の磁石体の部分を元の位置に戻し、成膜のためのスパッタリングを行うと、膜厚面内分布や膜質面内分布の再現性よく成膜することができる。

本発明の実施形態の磁石ユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置を示す模式図。 図１に示す磁石ユニットの拡大断面図。 移動手段を模式的に示す平面図。 磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の変形を説明する図。

以下、図面を参照して、マグネトロンスパッタリング装置（以下「スパッタリング装置」という）に組み付けられるものを例に、本発明の実施形態の磁石ユニットについて説明する。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐを介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、マスフローコントローラ１０を介設したガス管１１が接続されており、図示省略のガス源からスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。スパッタガスには、Ａｒ等の希ガスだけでなく、反応性スパッタリングを行う場合には酸素ガスが含まれるものとする。

真空チャンバ１の底部には、基板ステージ２が配置されている。基板ステージ２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャックの電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、基板ステージ２上に基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。

真空チャンバ１の上壁に形成された開口には、スパッタ面３１が基板ステージ２を臨むように平面視円形のターゲット３が配置されている。ターゲット３は、基板Ｗに成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される金属や絶縁物から成り、公知の方法により基板Ｗより一回り大きい外形となるように作製されている。ターゲット３の上面（図１中、スパッタ面３１と背向する面）には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット３を冷却する銅製のバッキングプレート３２がインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなるボンディング材を介して接合され、バッキングプレート３２の外周部が絶縁部材Ｉを介して真空チャンバ１の上壁に取り付けられている。ターゲット３にはスパッタ電源Ｅが接続され、スパッタリング時、ターゲット３に負の電位を持つ直流電力や交流電力を投入できるようになっている。

ターゲット３のスパッタ面３１と背向する側（バッキングプレート３２の上方）には磁石ユニット４が配置され、ターゲット３のスパッタ面３１の下方空間に漏洩する磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面３１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット３から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化している。磁石ユニット４は、ヨーク４１と、ヨーク４１の下面に同磁化の複数個（本実施形態では１２個）の磁石片５１ａ〜５１ｌを環状に列設した第１の磁石体５と、第１の磁石体５の周囲を囲うように第１の磁石体５と同磁化の複数個（本実施形態では１８個）の磁石片６１ａ〜６１ｒを環状に列設した第２の磁石体６とを有する。ヨーク４１には図示省略の回動手段の回転軸が接続され、回転軸を回転駆動することで、ターゲット３の中心を回転中心として第１及び第２の磁石体５，６を回転駆動できるようになっている。

これら第１及び第２の磁石体５，６は、図４に示すように、スパッタリング中にターゲット３の中心を含む中央領域が局所的に浸食されることを防止するために、ターゲット３の中心３ｃと外周との間の所定範囲に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｌ１が無端状に閉じるように（言い換えれば、ターゲット３の中央領域に実質的にスパッタリングにより侵食されない非侵食領域が残存するように）、ターゲット３から漏洩する磁場を発生させるように配置されている。

本実施形態の磁石ユニット４は、ターゲット３の中心側に位置する第２の磁石体６の部分を径方向に移動する移動手段７を設け、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部がターゲットの中心３ｃを跨ぐように変形自在に構成している。移動手段７は、第２の磁石体６の部分（磁石片６１ａ，６１ｂ）を保持するヨーク７１と、ヨーク７１に連結されるアクチュエータ７２とで構成されている。このような構成によれば、アクチュエータ７２を径方向で伸縮動作させることで、磁石片６１ａ，６１ｂを容易に移動させることができる。磁石片６１ａ，６１ｂの移動距離は、例えば、５〜１０ｍｍの範囲で設定することができる。ヨーク４１の中央部には、ヨーク７１の外形よりも径方向に一回り大きい輪郭を有する透孔４１ａが開設され、この透孔４１ａ内にヨーク７１を配置した状態でアクチュエータ７２がヨーク４１上面に固定部材７３により固定されている。尚、本実施形態では、第１の磁石体５の磁石片５１ａ，５１ｂもヨーク７１で保持し、第２の磁石体６の磁石片６１ａ，６１ｂと共に移動させている。

上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段（図示省略）を有し、マスフローコントローラ１０の稼働及び真空排気手段Ｐの稼働、アクチュエータ７２の駆動等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本発明の実施形態のスパッタリング方法について説明する。

先ず、図４において実線で示す位置に第１及び第２の磁石体５，６を位置させると、ターゲット３の中心３ｃと外周との間の所定範囲に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｌ１が無端状に閉じるようにターゲット３から漏洩する磁場が発生する。この状態で、アルミナ製ターゲット３が配置された真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、基板ステージ２に基板Ｗを受け渡し、静電吸着する。このとき、基板ステージ２をヒータ等により加熱し、基板Ｗを所定温度に加熱してもよい。次いで、スパッタガスたるアルゴンガスを所定流量で導入し、スパッタ電源Ｅからターゲット３に交流電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４ｋＷの高周波電力）を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット３のスパッタ面３１がスパッタされ、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗの表面に付着、堆積させてアルミナ膜を成膜する（成膜工程）。

ここで、成膜工程中、ターゲットの中央領域に存在する非浸食領域には、ターゲット３から飛散したスパッタ粒子の一部が再付着してリデポ膜が形成される。このリデポ膜がターゲット３から剥離して基板Ｗに堆積すると、パーティクル等となって製品歩留まりの低下を招来する原因となり得る。そこで、例えば、電源Ｅからターゲット３への積算電力投入時間（積算電力）が所定値（例えば、１．５ｋＷｈ）に達したとき、次のダミースパッタリング工程を行う。

ダミースパッタリング工程では、アクチュエータ７２を伸ばすことで、図４において仮想線で示すようにターゲット３の中心側に位置する第２の磁石体６の部分たる磁石片６１ａ，６１ｂ（及び磁石片５１ａ，５１ｂ）を径方向に５〜１０ｍｍ移動させ、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｌ１の一部Ｌ２がターゲット３の中心３ｃを跨ぐように変形させる。この状態でターゲット３をスパッタリング（ダミースパッタリング）する。ダミースパッタリングの条件としては、成膜時とは異なる条件（例えば、低圧）を用いることができる。このダミースパッタリングにより、ターゲット３の非浸食領域たる中央領域に付着したリデポ膜を効率よく除去できる。このとき、ターゲット３の中心側に位置する磁石片６１ａ，６１ｂ（５１ａ，５１ｂ）のみを移動させ、それ以外の磁石片６１ｃ〜６１ｒ（５１ｃ〜５１ｌ）は移動させないため、成膜工程とダミースパッタリング工程との間でターゲット３の中央領域を除いてターゲット３の侵食領域が変化しない。このため、ダミースパッタリング工程を所定時間（例えば１５０ｓｅｃ）行った後にアクチュエータ７２を縮めることで上記磁石片６１ａ，６１ｂ（５１ａ，５１ｂ）を元の位置に戻し、成膜工程を行うと、膜厚面内分布や膜質面内分布の再現性よく成膜することができる。

次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、本発明の効果を確認するために実験を行った。発明実験では、基板Ｗをφ３００ｍｍのシリコンウエハとし、ターゲット３としてφ４４０ｍｍのアルミナターゲットを用い、基板Ｗ−ターゲット３間の距離（ＴＳ間距離）を７０ｍｍとした。基板ステージ２により基板Ｗを保持し、真空チャンバ１内にスパッタガスとしてアルゴンガスを２００ｓｃｃｍの流量で導入し（このとき、真空チャンバ１内の圧力は２．７Ｐａ）、ターゲット３に対し電源Ｅから１３．５６ＭＨｚ、４ｋＷの高周波電力を投入してプラズマを形成し、ターゲット３をスパッタして基板Ｗ表面にアルミナ膜を１３０ｓｅｃ成膜した。平均膜厚と膜厚面内分布を測定した結果、平均膜厚が４６．４５ｍｍ、膜厚面内分布が１．３７％であった。このような成膜を繰り返し行うと、ターゲット３の中央領域にリデポ膜が形成されることが確認され、これにより、ターゲット３の中央領域が非浸食領域となることが判った。次に、基板Ｗを搬出した後、ダミー基板を保持し、アクチュエータ７２を１０ｍｍ伸ばして磁石片６１ａ，６１ｂ（５１ａ，５１ｂ）を径方向に移動させた。この状態でターゲット３をスパッタリングした（ダミースパッタリング工程）。ダミースパッタリング工程では、アルゴンガスの流量を３５ｓｃｃｍとし（このときの、真空チャンバ１内の圧力は１．６×１０^−１Ｐａ）、ターゲット３への投入電力は成膜工程と同じとした。ダミースパッタリングを９０ｓｅｃ行った後のターゲット３を観察したところ、リデポ膜が除去されることが確認された。その後、アクチュエータを縮めて上記磁石片を元に戻し、上記成膜工程を再び行った。平均膜厚と膜厚面内分布を測定した結果、平均膜厚が４６．２１ｎｍ、膜厚面内分布が１．２４％であり、膜厚面内分布の再現性よく成膜することができることが判った。

上記発明実験に対する比較実験を以下のように行った。ダミースパッタリングする際に第１及び第２の磁石体５，６を移動させずに成膜工程と同じ位置とした場合、ダミースパッタリングを９０ｓｅｃ行ってもリデポ膜が除去されず、２７０ｓｅｃ行うことでリデポ膜が除去されることが確認された。これにより、ダミースパッタリングの際に上記磁石片を径方向に移動させることで、効率よくリデポ膜を除去できることが判った。

尚、上記発明実験では、従来技術との比較のために、ダミースパッタリング時の真空チャンバ内の圧力を従来技術と同様に成膜時よりも低く設定したが、これに限られない。従来技術の圧力〜成膜時の圧力の範囲（即ち、１．６×１０^−１Ｐａ〜２．７Ｐａ）でダミースパッタリングを行えば、上記発明実験と同様に、９０ｓｅｃのダミースパッタリングにより効率よくリデポ膜を除去できることを確認した。

また、ダミースパッタリングの際、従来例の如く第１の磁石体５の全ての磁石片５１ａ〜５１ｌを一体に径方向に移動させて、上記と同様の条件でダミースパッタリングを９０ｓｅｃ行った結果、リデポ膜を除去できることが確認された。しかしながら、ダミースパッタリングの後に第１の磁石体５を一体に元の位置に戻し、成膜工程を行ったところ、平均膜厚が４７．５６ｎｍ、膜厚面内分布が２．２５％となり、膜厚面内分布の再現性よく成膜することができないことが判った。これは、成膜工程とダミースパッタリング工程との間でターゲット３の全体に亘って侵食領域が変化したため、ダミースパッタリング工程を行った後に磁石片５１ａ〜５１ｌを元の位置に戻して成膜工程を行っても、膜厚面内分布や膜質面内分布の再現性よく成膜することがでできないと推察される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ターゲット３の中心３ｃ側に位置する磁石片６１ａ，６１ｂと磁石片５１ａ，５１ｂを移動させる場合について説明したが、磁石片６１ａ，６１ｂを移動させれば本発明の効果が得られる。

また、上記実施形態では、ダミースパッタリング時に基板ステージ２にダミー基板を保持しているが、ターゲット３とステージ２との間に進退自在な公知のシャッターを設け、ダミースパッタリング時に両者の間にシャッターを進入させるようにしてもよい。これによれば、ダミー基板の出し入れの時間が不要となり、スループットを向上できてよい。

Ｌ１…磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線、Ｌ２…ターゲットの中心を跨ぐように変形した磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｌ１の一部、ＳＭ…マグネトロンスパッタリング装置、Ｗ…基板、３…ターゲット、３ｃ…ターゲット３の中心、４…磁石ユニット、５…第１の磁石体、６…第２の磁石体、６１ａ，６１ｂ…磁石片（ターゲットの中心側に位置する第２磁石体６の部分）、７…移動手段、７１…ヨーク、７２…アクチュエータ。

Claims (3)

1. 平面視円形のターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲットの中心を回転中心として回転駆動されるマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニットであって、
   第１の磁石体と第１の磁石体の周囲を囲う第２の磁石体とを有してターゲットの中心と外周との間の所定範囲に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じるようにターゲットから漏洩する磁場を発生させるものにおいて、
   ターゲットの中心側に位置する磁石体の部分のみを径方向に移動する移動手段を設け、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部がターゲットの中心を跨ぐように変形自在と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用の磁石ユニット。
2. 前記移動手段は、第２磁石体の部分を保持するヨークと、ヨークに連結されるアクチュエータとで構成されることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニット。
3. 請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法において、
   第１及び第２の磁石体によりターゲットの中心と外周との間の所定範囲に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じるようにターゲットから漏洩磁場を発生させた状態で、ターゲットのスパッタ面をスパッタリングし、スパッタ粒子を基板に付着、堆積させて基板表面に成膜する成膜工程と、
   ターゲットの中心側に位置する磁石体の部分のみを移動させて磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線の一部がターゲット中心を跨ぐように変形させた状態でターゲットのスパッタ面をスパッタリングするダミースパッタリング工程とを含むことを特徴とするスパッタリング方法。
   

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