JP7057430B2

JP7057430B2 - マグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニット

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Publication number: JP7057430B2
Application number: JP2020548049A
Authority: JP
Inventors: 佳詞藤井; 真也中村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: JPWO2020066247A1; US20210249241A1; CN112739848B; KR20210062073A; CN112739848A; US11239064B2; WO2020066247A1

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に関する。

例えば、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所定の薄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ことがある。マグネトロンスパッタリング装置では、ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面、ターゲットのスパッタ面側を下として、ターゲットの上方に磁石ユニットが配置されている。磁石ユニットとしては、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、ターゲットに対向配置される磁性材料製のヨークとこのヨークの下面に設けられる複数個の磁石とを有して、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空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漏洩磁場を局所的に作用させ、ターゲット中心回りに回転駆動されるものが一般に知られている。

ところで、ターゲットの材料や真空チャンバ内の圧力等のスパッタリング条件が異なると、スパッタ粒子の飛散分布が変化し、それに起因して、例えば基板外周部における周方向の膜厚分布が変化する場合がある。このように周方向の膜厚分布が変化したときにこれを調整する方法は、例えば、特許文献１で知られている。このものでは、ターゲットに対して磁場が局所的に作用する領域が起点から同一軌道上を移動して当該起点に戻るまでを１サイクルとし、１サイクルにおける磁石ユニットの軌道を複数のゾーンに区画し、これら複数のゾーンのうちの少なくとも１つのゾーンを所定の基準速度で移動する基準ゾーンとし、基準ゾーン以外のゾーン毎に、膜厚分布に基づいて回転速度（基準速度からの増速量又は減速量）を決定している。

然しながら、上記従来例のものでは、例えば、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整すると、これより内側の基板内周部（特に、基板中央に近い領域）にて、その周方向の膜厚分布が局所的に悪化して、基板面内の膜厚分布が却って悪化する場合がある。

特開２０１６－０１１４４５号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基板に所定の薄膜を形成する場合に、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得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を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面とし、ターゲットのスパッタ面側を下として、ターゲットの上方に配置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、ターゲットに対向配置される磁性材料製のヨークとこのヨークの下面に設けられる複数個の磁石とを有して、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空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漏洩磁場を局所的に作用させ、ターゲット中心回りに回転駆動され、ヨークの所定位置に、仮想円周上で周方向にのびる、ヨークの上面から下方に窪む又は貫通する凹溝が形成され、この凹溝に対して嵌脱自在に補助ヨークが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、ヨークに形成した凹溝に補助ヨークを嵌合、または、当該凹溝から補助ヨークを脱離させると、凹溝を形成した領域にて磁場強度が局所的に増加または減少する。このため、上記従来例の如く、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整することで、これより内側の基板内周部の膜厚が局所的に薄くなったような場合には、基板内周部に形成した凹溝に補助ヨークを嵌合させれば、磁場強度が増加して当該領域でのスパッタレートを増加させることができる。その結果、膜厚が変化した箇所における膜厚を再調整して、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得ることができる。なお、凹溝の形成位置は、スパッタリング条件、漏洩磁場の強度やその分布を考慮して適宜設定される。

本発明においては、前記補助ヨークが前記凹溝の周長より短く設定され、この補助ヨークを前記仮想円周に沿って移動させる第１の駆動手段を備えることが好ましい。これによれば、凹溝の所定部分に補助ヨークを移動させて嵌合することができる。また、本発明においては、前記補助ヨークを前記凹溝に対して近接離間方向に移動させる第２駆動手段を備えることが好ましい。

本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニットが適用されたスパッタリング装置の構成を説明する模式図。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図。本発明の変形例に係るマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニットが適用されたスパッタリング装置の構成を説明する模式図。図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図。本発明の変形例に係る磁石ユニットの要部を示す断面図。本発明の変形例に係る磁石ユニットの要部を示す断面図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置用の磁石ユニットが適用されたスパッタリング装置の構成を説明する模式図。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を参照して、ＳＭは、スパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは、ロータリーポンプやターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐにより所定圧力まで真空引き可能な真空チャンバ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、図示省略するガス源からスパッタガスを所定の流量で真空チャンバ１内に導入できるようになっている。スパッタガスには、アルゴンガス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含有ガス等の反応性ガスが含まれるものとする。

真空チャンバ１の底部には、絶縁体Ｉ_１を介してステージ２が配置されている。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、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の上壁に開設された開口には、カソードユニットＣが配置されている。カソードユニットＣは、真空チャンバ１内を臨むように配置され、基板Ｗの外形より一回り大きい外形を持つターゲット３と、このターゲット３の上方に配置された本実施形態に係る磁石ユニット４とを有する。ターゲット３は、基板Ｗの中心を通り上下方向にのびる中心線上にターゲット中心が位置するように、ステージ２ひいては基板Ｗと対向配置されている。

ターゲット３としては、基板Ｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択され、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはこれらの中から選択された二種以上の合金、または、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等の絶縁物製のもので構成することができる。そして、ターゲット３は、成膜時にターゲット３を冷却する銅製のバッキングプレート３１にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合された状態で絶縁板Ｉ_２を介して真空チャンバ１の上壁に装着される。ターゲット３には、スパッタ電源Ｅとしての公知の構造を持つ直流電源や交流電源からの出力が接続され、スパッタリング時、負の電位を持つ直流電力や交流電力（例えば高周波電力）が投入されるようにしている。

磁石ユニット４としては、図２も参照して、ターゲット３に対向配置される磁性材料製のヨーク４１とこのヨーク４１の下面に設けられる複数個の磁石４２とを有して、ターゲット中心３ｃとその周縁部３ｅとの間に位置するターゲット３の下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｌ０が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させている。ヨーク４１の上面には回転軸４３が連結され、この回転軸４３をモータ５で回転することで、ターゲット中心回りにヨーク４１及び磁石４２を回転駆動できるようになっている。

ところで、基板外周部における周方向の膜厚分布が変化する場合があり、このような場合に上記従来例の如く磁石ユニットを加減速して基板外周部における周方向の膜厚分布を調整すると、基板内周部にて、その周方向の膜厚分布が局所的に悪化して、基板面内の膜厚分布が却って悪化する場合がある。

そこで、本実施形態では、ヨーク４１の所定位置に、ターゲット中心３ｃを中心とする仮想円周ＬＣ上で周方向にのびる、ヨーク４１の上面から下方に窪む凹溝４１ａを形成した。凹溝４１ａの形成位置は、スパッタリング条件、漏洩磁場の強度やその分布を考慮して適宜設定される。そして、このように形成される凹溝４１ａに対して嵌脱自在に補助ヨーク４４を設けた。補助ヨーク４４は、凹溝４１ａの周長より短く設定されている。補助ヨーク４４の上面には棒状部材４５の下端が連結され、この棒状部材４５の上端に設けたフランジ部４５ａと噛み合わせて設けたギア４６を第１駆動手段たるモータ６で回転することで、補助ヨーク４４を仮想円周ＬＣに沿って移動させることができ、また、成膜中、補助ヨーク４４をヨーク４１と同期させてターゲット中心回りに回転させることができるようになっている。また、フランジ部４５ａには第２駆動手段たるエアシリンダー７のピストンロッドが連結されており、補助ヨーク４４を凹溝４１ａに対して近接離間方向（上下方向）に移動できるようになっている。このような構成によれば、例えば、補助ヨーク４４を凹溝４１ａから脱離させ、脱離した補助ヨーク４４を回転させた後、補助ヨーク４４を凹溝４１ａに嵌合させることで、凹溝４１ａの所望の位置に補助ヨーク４４を配置することができる。

また、回転軸４３及び棒状部材４５には、回転板４７ａ，４７ｂが夫々外挿され、これらの回転板４７ａ，４７ｂには、径方向外方に突出する突片４８ａ，４８ｂが夫々取り付けられている。そして、突片４８ａ，４８ｂに対応させて光学式センサ４９ａ，４９ｂが夫々設けられ、光学式センサ４９ａ，４９ｂが突片４８ａ，４８ｂを検出するときに、磁石ユニット４が起点位置にあると判断できるようにしている。この場合、起点位置と基板Ｗのノッチの位置とを相関させて後述する膜厚分布に関する情報を取得するようにしている。

上記スパッタリング装置ＳＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段８を有し、スパッタ電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ１０の稼働、モータ５，６の稼働、エアシリンダー７の稼働、真空排気手段Ｐの稼働等を統括制御するようにしている。

制御手段８は、情報取得部８１と、速度決定部８２とを備える。情報取得部８１は、例えば、スパッタリング装置ＳＭに基板Ｗをロード／アンロードするための図外のＥＦＥＭ（Equipment Front End Module）に設けられた膜厚計と通信可能に構成され、この膜厚計で測定した基板面内における膜厚分布に関する情報を取得できるようにしている。速度決定部８２は、取得情報に基づいて磁石ユニット４の基準速度からの増速量及び減速量を決定し、その決定した速度で磁石ユニット４のヨーク４１と補助ヨーク４４が同期して回転するようにモータ５，６が駆動される。

なお、膜厚計としては、公知の構造を有するものを用いることができ、例えば、抵抗値の低い金属膜を比較的厚い膜厚で成膜する場合には、渦電流式の膜厚計を用いることができ、また、絶縁膜を比較的薄い膜厚で成膜する場合には、分光エリプソメータを用いることができる。他の膜厚計として、レーザ変位計を用いることができる。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜する成膜方法について説明する。

先ず、真空排気手段Ｐにより真空チャンバ１内を所定圧力（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、ステージ２に基板Ｗを受け渡し、ステージ２のチャックプレートの電極に電圧印加して基板Ｗを吸着保持する。次いで、マスフローコントローラ１０によりスパッタガスたるアルゴンガスを所定流量（例えば、１２ｓｃｃｍ）で導入して（このときの圧力は０．１Ｐａ）、スパッタ電源Ｅからアルミニウム製のターゲット３に例えば、３０ｋＷの直流電力を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する。このとき、補助ヨーク４４は凹溝４１ａから脱離させておく。そして、光学式センサ４９ａが突片４８ａを検出した起点位置から磁石ユニット４をターゲット中心回りに所定の基準速度（例えば、４０ｒｐｍ）で少なくとも１サイクル（１回転）回転させる。これにより、ターゲット３がスパッタリングされ、ターゲット３から飛散したスパッタ粒子が基板Ｗ表面に付着、堆積してアルミニウム膜が成膜される。成膜済みの基板Ｗを真空チャンバ１から搬出し、図外の膜厚計により基板Ｗ面内の複数箇所におけるアルミニウム膜の膜厚を測定することで、基板面内における膜厚分布に関する情報が得られる。得られた情報は制御手段８の情報取得部８１に送信され、情報取得部８１は当該情報を取得する（情報取得工程）。

次に、情報取得工程で取得した膜厚分布に関する情報に基づいて、磁石ユニット４の速度を決定する（速度決定工程）。この速度決定工程では、１サイクルにおける磁石ユニット４の軌道（円周）を周方向に均等に区画し（例えば、３６０°の回転運動を１５°毎に２４個に区画し）、区画された夫々をゾーンとすると共に、上記起点位置を基準ゾーンとする。そして、この基準ゾーンでの速度を基準速度とし、基準ゾーン以外のゾーン毎に、上記取得情報に基づいて基準速度からの増速量または減速量を決定する。ここで、基準ゾーンより膜厚が薄いゾーンでは、基準速度から所定値だけ減速してターゲット３がスパッタリングされる量（スパッタレート）を増加させ、他方で、基準ゾーンより膜厚が厚いゾーンでは、基準速度から所定値だけ増速してスパッタレートを減少させることで、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整する（膜厚分布調整工程）。

次に、上記取得情報に基づいて、凹溝４１ａを形成した基板内周部にて、膜厚が局所的に薄い部分に補助ヨーク４４を嵌合させることで、当該部分の磁場強度が増加してスパッタレートを増加させることで、基板内周部で膜厚が変化した箇所における膜厚を再調整することができる（再調整工程）。

上記再調整工程にて膜厚を再調整した後、基板Ｗを真空チャンバ１内に搬送してステージ２上に吸着保持し、決定した速度で磁石ユニット４を回転駆動させながら、上記と同様の条件で、基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜する（成膜工程）。このとき、補助ヨーク４４はヨーク４１と同期して回転する。

以上によれば、情報取得工程で取得した情報を基に、ヨーク４１に形成した凹溝４１ａに補助ヨーク４４を嵌合、または、当該凹溝４１ａから補助ヨーク４４を脱離させると、凹溝４１ａを形成した領域にて磁場強度が局所的に増加または減少する。このため、上記の如く基板外周部における周方向の膜厚分布を調整することで、これより内側の基板内周部の膜厚が局所的に薄くなったような場合には、基板内周部に形成した凹溝４１ａに補助ヨーク４４を嵌合させれば、磁場強度が増加して当該領域でのスパッタレートを増加させることができる。その結果、膜厚が変化した箇所における膜厚を再調整して、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得ることができる。

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。基板Ｗをφ３００ｍｍのシリコンウエハとし、真空チャンバ１内にアルゴンガスを１２ｓｃｃｍ導入し（このときの圧力は０．１Ｐａ）、アルミニウム製のターゲット３に対し直流電力を３０ｋＷ投入してプラズマ雰囲気を形成し、磁石ユニット４を４０ｒｐｍの等速で回転させながらターゲット３をスパッタリングして基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜した。このとき、補助ヨーク４４は凹溝４１ａから脱離させておいた。膜厚計により基板Ｗ面内の複数箇所におけるアルミニウム膜の膜厚を測定することで、基板面内における膜厚分布に関する情報を得た。これによれば、基板外周部（半径１４７ｍｍの仮想円）における周方向の膜厚の最大値が４０．７９ｎｍ、最小値が３８．９０ｎｍ、最大値と最小値の差（以下「レンジ」という）が１．８９ｎｍであり、他方で、基板内周部（半径９８ｍｍの仮想円）における周方向の膜厚の最大値が４０．６５ｎｍ、最小値が３９．１０ｎｍ、レンジが１．５５ｎｍであった。基板外周部の膜厚分布に基づいて磁石ユニット４の速度を２４個のゾーン毎に決定し、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整したところ、基板外周部における周方向の膜厚の最大値が４０．９６ｎｍ、最小値が３９．７３ｎｍであり、レンジが１．２３ｎｍと小さくなったが、基板内周部における周方向の膜厚の最大値が４２．５６ｎｍ、最小値が３９．７３ｎｍであり、レンジが２．８３ｎｍと悪化した。そこで、基板内周部の膜厚が最小値である部分の凹溝４１ａに補助ヨーク４４を嵌合し、基板内周部の膜厚分布を再調整したところ、最大値が４０．０２ｎｍ、最小値が３９．６６ｎｍであり、レンジが０．３６ｎｍと小さくなった。このように、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整することで、基板内周部の膜厚が局所的に薄くなったような場合でも、基板内周部に形成した凹溝４１ａに補助ヨーク４４を嵌合させれば、磁場強度が増加して当該領域でのスパッタレートを増加させることができ、膜厚が変化した箇所における膜厚を再調整できることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、凹溝４１ａに補助ヨーク４４を自動で嵌合するものを例に説明したが、手動で嵌合してもよい。この場合も、補助ヨーク４４はヨーク４１と同期して回転してよい。

上記実施形態では、凹溝４１ａとしてヨーク４１の上面から下方に窪むように形成されたものを例に説明したが、図３及び図４に示すように、ヨーク４１を貫通するように凹溝４１ｂを形成してもよい。

上記実施形態では、膜厚に基づいて磁石ユニット４の速度を決定する場合を例に説明したが、膜厚と相関のある情報に基づいて磁石ユニット４の速度を決定してもよい。例えば、ターゲット３へ一定の投入電力を投入したときにターゲット３に印加されるターゲット電圧をゾーン毎に測定し、測定したターゲット電圧に基づいて磁石ユニット４の速度を決定してもよい。この場合、ゾーン毎に対応するターゲット電圧を取得し、基準ゾーンを含む全ゾーンのターゲット電圧の平均値（平均電圧）を求め、各ゾーンに対応付けたターゲット電圧の平均電圧に対する比率を求めるように構成することができる。比率が高いゾーンでは、磁石ユニット４の速度が遅くなるように、また、求めた比率が低いゾーンでは、磁石ユニット４の速度が速くなるように、基準速度からの増速量または減速量を決定すればよい。

また、上記実施形態では、ターゲット３が平面視円形であり、磁石ユニット４を回転移動させる場合について説明したが、ターゲットが平面視矩形であり、ターゲットのスパッタ面に沿う方向をＸ方向及びＹ方向とし、磁石ユニットをＸ方向及びＹ方向の少なくとも一方に平行移動させる場合にも本発明を適用することができる。さらに、図５に示すように、凹溝４１ａは径方向に複数（図５に示す例では２つ）設けられていてもよい。これによって凹溝４１ａが設けられた場所毎に膜厚を再調整することができるため、さらに良好な膜厚分布を得ることができる。

また、上記実施形態では、１つの補助ヨーク４４を設ける場合を例に説明しているが、図６に示すように、補助ヨーク４４を複数個に分割して設け、複数の補助ヨーク４４を個別に動作可能に構成してもよい。これによれば、複数の補助ヨーク４４を個別に動作させて磁場カップリングを適宜調整することができ、その結果として、更に良好な膜厚分布を得ることができる。

３…ターゲット、４…磁石ユニット、４１…ヨーク、４１ａ，４１ｂ…凹溝、４２…磁石、４４…補助ヨーク。

Claims

ターゲットのスパッタリングされる面をスパッタ面とし、ターゲットのスパッタ面側を下として、ターゲットの上方に配置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、
ターゲットに対向配置される磁性材料製のヨークとこのヨークの下面に設けられる複数個の磁石とを有して、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空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漏洩磁場を局所的に作用させ、ターゲット中心回りに回転駆動されるものにおいて、
ヨークの所定位置に、仮想円周上で周方向にのびる、ヨークの上面から下方に窪む又は貫通する凹溝が形成され、この凹溝に対して嵌脱自在に補助ヨークが設けられる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。
前記補助ヨークが前記凹溝の周長より短く設定され、この補助ヨークを前記仮想円周に沿って移動させる第１の駆動手段を備え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。
前記補助ヨークを前記凹溝に対して近接離間方向に移動させる第２駆動手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に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。