JPH01268867A - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体デバイス等の製造において、基板上に
膜付けを行う時に用いるプレーナーマグネトロンカソー
ドを備えたマグネトロンスパッタリング装置に関する。

（従来の技術） 現在、市場には様々な形状のターゲット（カソード）を
搭載したマグネトロンスパッタリング装置が出ている。

この中で円形平板型のターゲツト材を有したプレーナー
・マグネトロン・カソードが構造的にもシンプルであり
、広く用いられている。

持に、半導体用薄膜製造装置のためのスパッタリング装
置では、生産性を上げると共に良質な薄膜を再現性良く
生産するために、カセット・トウ・カセット方式の枚葉
処理型スパッタリング装置が発達している。

第５図は、従来の枚葉処理型スパッタリング装置におい
て、マグネトロン・カソードと基板とのｉ２置関係を示
したものである。すなわち、１個のスパッタリングター
ゲット１と被膜されるべき１枚の基板２とを、それぞれ
の平面が平行になるように対向させ、かつ、ターゲット
１の中心軸４と基板２の中心軸５が一致するように配置
している。

そして、ターゲット１の裏面には、マグネトロンスパッ
タを行うための磁気回路３が組み込まれており、当該磁
気回路３は、通常、一対の磁極すなわちＳ極である中心
の磁極３１とＮ極である外周の磁極３２及びこれらの磁
極を結ぶヨーク３３から構成されている。この磁気回路
３によってターゲット１０表面にトンネル状の磁場３０
が形成される。そして、この磁場３０によるマグネトロ
ン・プラズマによってターゲット１上にリング状のエロ
ージョン１１（破線で示している）が形成される。

なお、当該装置において膜付は処理中は、基板２は静止
した状態にある。

この種の枚葉処理型マグネトロンスパッタリング装置は
、基板が一枚毎に膜付は処理されることから次のような
２つの大きな長所を有している。

■成膜速度が大きくとることができるとともに、不純物
ガスの影響を低く抑えることができろ。

このため良質な薄膜を生産することが可能である。

■基板毎の管理が可能となるとともに、形成される薄膜
の基板内のプロファイルもすべての基板で同一になる。

（本発明により解決しようとする問題点）しかしながら
、この種のマグネトロンカソードを搭載したマグネトロ
ンスパッタリング装置には、次のような問題がある。す
なわち、 ０基板内の膜厚分布が不均一になる。

■基板内の膜質（膜組成、比抵抗、ステップカバレッジ
ｅｔｃ、を意味する）が不均一になる。

特に、近年の半導体技術の進歩による微細パターンの形
成では、上記の点が一層大きな問題となっている。

そして、ターゲット１の表面に形成されたエロージョン
部がリング状である場合、スパッタリング処理した場合
、対向する基板表面上の異なる場所において、膜質が異
なることが知られている。

第５図に示したエロージョン部１１の形状と基板２の位
置間係を見ると判るように、基板の中央部と周辺部に付
着するスパッタ原子の入射方向が異なっている。

すなわち、中央部では斜めの入射成分が主になり、周辺
部では垂直な入射成分が多くなる。このため、第１０図
に示すように、微細なホール（径〜φ１μｍ、深さ〜φ
１μｍ）に対するステップカバレッジが基板の中央部と
周辺部とで異なる。

また、比抵抗、膜組成比、ステップカバレッジ等の膜質
もそれに応じて異なる。今後のプロセスでは、このよう
な基板内の膜質のバラツキをなくし、均一な膜特性が得
られるマグネトロンスパッタリング装置が強く要求され
ている。

これらの問題点を解決する技術として、カソード内部に
あるマグネットを機械的に動かし、ターゲット表面に形
成されるマグネトロン・プラズマをターゲット表面のよ
り広い領域に分散させるようにした装置が知られている
（特許第１０３５９９４号「スパッリング装置」）。

第６図及び７図は、上記特許発明を円形のプレーナーマ
グネトロンカソードに応用した例であり、この場合、基
板２の中心軸４とマグネットの回転軸５は一致していな
い。そのため、円形マグネット３１をターゲット１の裏
面で所定の速さで偏心回転させるようにしている。

さらに、第８図及び９図は、基板２の中心軸４と長円形
をしたマグネットの回転軸５が一致しており、かかるマ
グネットををターゲット１の裏面で所定の速さで回転さ
せるようにしたものである。

このようにマグネットを回転させることによって、第７
図及び第９図中、破線で示したように、ターゲットのエ
ロージョン部１１を前記従来のものより広く形成でき、
これによって基板面内の膜厚の均一性、ステップカバレ
ッジの点で、ある程度の改善が見られた。しかし、半導
体デバイスの技術がより一層進むと、ステップカバレッ
ジは言うに及ばず、次の点においてもより以上の改善が
不可欠になってきている。

■ターゲット材の利用効率 現在のところ、第６図に示したターゲットで３０％程度
、第８図に示したターゲットで４０％弱の利用率にとど
まっている。ターゲツト材の利用効率が基板１枚当りの
材料コストに直接影響してくることから、少しでも利用
効率の良いものが望まれる。

■膜厚分布 現在、基板内の膜厚分布均一性は、±５％以内の値が一
般的に要求されているが、将来はさらに良い値を得るこ
とが必要になってくる。また、スパッタリング法で形成
する膜の種類も従来はアルミニウム合金だけであったが
、近年は各種シリサイド合金、高融点金属などが登場し
てきている。

これらの異なった材料をスパッタする場合には、材料に
よるスパッタ率の違い、スパッタ角度放出分布の差、基
板に到達するまでの間の要因によって基板上の膜厚分布
が材料毎に変化するという問題があった。

（本発明の目的） 本発明の目的は、ターゲットの利用効率及び基板内の膜
厚分布並びに膜質の均一性を向上させるマグネトロン・
スパッタリング装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために次のように構成さ
れている。すなわち、平板型のターゲットを設置し、該
ターゲットの裏面に磁気ヨークによって結ばれている外
周磁極（外周マグネット）と偏心回転する中心磁極（回
転マグネット）とを有したマグネトロンスパッタリング
カソードと、前記ターゲットから飛来するスパッタリン
グ原子によって被膜されるべき基板とを対向配置して成
るマグネトロンスパッタリング装置において、前記外周
マグネットと回転マグネット間で発生する磁場領域を制
御する補助マグネットを、外周マグネットの内側一端部
に隣設したことを特徴としている。

ざらに、平板型のターゲットを設置し、該ターゲットの
裏面に磁気ヨークによって結ばれている外周磁極（外周
マグネット）と偏心回転する中心磁極（回転マグネット
）とを有したマグネＩ・ロンスパッタリングカソードと
、前記ターゲットから飛来するスパッタリング原子によ
って被膜されるべき基板とを対向配置して成るマグネト
ロンスパッタリング装置において、前記ターゲットの表
面に形成されたエロージョン部が同心状で３重に形成さ
れていることを特徴としている。

また、ターゲットの直径が基板の径の少なくとも２倍あ
り、さらにターゲットと基板の距離がターゲットの直径
の少なくとも１／４を超えていることが望ましい。

（作用） 上記のように、外周マグネットと回転マグネット間で発
生する磁場領域を制御する補助マグネットを、外周マグ
ネットの内側一端部に隣設したので、ターゲラ！・１の
スパッタリングを開始すると、磁力線３０′がターゲッ
ト１０表面にほぼ平行な部分において当該ターゲット１
の表面上を侵食するが、上記補助マグネット３４の形状
（厚み、Ｎ／Ｓ極性）及び位置を調整することによって
、中心磁極と外周磁極との間に発生する磁力線の勾配を
変化させることができ、ターゲツト面がスパッタリング
される領域を制御することができる。

さらに、回転マグネット３４を偏心回転させながらスパ
ッタリングしているので、ターゲット１は、その表面上
が全面に渡ってスパッタリングされ、エロージョン部が
３重の同心状に形成されると、基板の中央部と周辺部に
付着するスパッタ原子の入射方向が殆ど均一となる。

さらに、上記ターゲットの直径すは基板の径Ｃの２倍ま
たはそれ以上とし、さらに、ターゲラＩ・１と基板２と
の距離ａは、ターゲツト面直径すの少なくとも１重４以
上に設定することにより、基板中央部と周辺部において
均一に成膜することができ、ステップカバレッジの良好
な膜が得られる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を示したものであり、マグネト
ロンスパッタリング装置におけるマグネトロンカソード
とこれに対向配置された基板を示したものである。なお
、従来と同一の構成要素については同一の符号をもって
説明する。

１個のスパッタリングターゲット１と被膜されるべき１
枚の基板２とは、それぞれの平面が平行になるように対
向し、かつ、ターゲット１の中心軸４と基板２の中心軸
５が一致するように配置されている。

また、ターゲット１の裏面には、磁気回路３を組み込ん
でいる。当該磁気回路３は、一対の磁極すなわちＳ極で
ある中心磁極３１とＮ極である外周磁極３２、そして外
周磁極３２の内側に設けられた補正用磁極３４及びこれ
らの磁極を結ぶヨーク３３から構成されている。

上記中心磁極３１は、回転可能な永久磁石で形成されて
おり（以下回転マグネッＩ・という）、この回転マグネ
ット３１の回転軸（以下Ｚ軸という）は基板２の中心軸
と一致している。また、回転マグネット３１の形状は、
第２図に示すように、Ｚ軸に対して垂直な２つの軸、す
なわち短い辺を持つ方向（以下Ｘ軸という）と長い辺を
持つ方向（以下Ｙ軸という）からなる長円形に形成され
ている。そして、その配置については、Ｚ軸に対して軸
対称ではなく、長円形のＹ軸方向に偏心させて設置して
いる。

一方、上記補正用の磁極３４は、配向されたフェライト
を侵み込ませたゴム状シートを複数組み合わせて構成さ
れている（以下補助マグネットという）。

言うまでもなくターゲット１は、第１図に示した磁力線
３０′がターゲット１０表面にほぼ平行な部分において
侵食されるが、上記補助マグネット３４の形状（厚み、
Ｎ／Ｓ極性う及び位置を調整することによって、中心磁
極と外周磁極との間に発生する磁力線の勾配を変化させ
ることができ、ターゲツト面がスパッタリングされる領
域を制御することができる。

しかして、第１図において上記回転マグネット３４を偏
心回転させながらターゲット１をスパッタリングした結
果できたエロージョン部を破線で示している。当該ター
ゲット１は、その表面上が全面に渡ってスパッタリング
され、エロージョン部が３重の同心円状に形成されてい
る点に特徴がある。この３重に形成されたエロージョン
部の最も深い部分は、それぞれ ■基板の内側エロージョン部１２て円形ターゲットの径
１１の０．３０倍、 ■基板の中間エロージョン部１３で円形ターゲットの径
１１００．５６倍、 ■基板の外側エロージョン部１４で円形ターゲットの径
１１の０．７７倍 に達している。

上記のようにエロージョン部を形成したターゲットを使
用して基板上に所定の膜を付着させた場合、基板の中央
部と周辺部に付着するスパッタ原子の入射方向が殆ど均
一となり、これによってターゲット１の利用率は５８％
となり、従来に比べ大幅に向上した。

さらに、上記ターゲットの径すは基板の径Ｃの２倍また
はそれ以上とし、さらに、ターゲラ！−１と基板２との
距離ａは、ターゲットの直径すの少なくとも１／４以上
に設定することにより、第３図に示すように基板中央部
と周辺部において均一に成膜することができ、ステップ
カバレッジの良好な膜が得られた。

また、第４図に示した基板内におけるシート抵抗分布を
みると、従来の分布を示す曲線Ａが±４〜５％強を示し
ているのに対し、本発明の分布を示す曲線Ｂは±２〜３
％と非常に良好な値を示している。

なお、上記マグネトロンカソード（ターゲット）の形状
は、細長い形状としたが、上記実施例の形状に限定され
るものではなく、長・方形、楕円形、卵形等であっても
よく、または円形、環状であってもよい。

（発明の効果） 請求項に係る発明によると、ターゲットの利用効率及び
基板内の膜厚分布並びに膜質の均一性を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明は、主としてマグネトロンカソードと基
板の配置関係を示した概略図であり、（ａ）は、第２図
のＩ−Ｉ線断面図、（ｂ）は第２図の■−■線断面図、
第２図は本発明に係る装置に組み込まれたマグネトロン
カソードの平面図、第３図は基板上のステップカバレッ
ジを示す一部断面図、第４図は基板内のシート抵抗分布
を示すグラフ、第５．７．９図は従来のマグネトロンカ
ソードと基板の配置関係を示した概略図、第６．８図は
マグネットの平面図、第１０図は従来の基板上のステッ
プカバレッジを示す一部断面図である。 １・・・ターゲット、２・・・基板、３・・・磁気回路
、１２．１３．１４・争・エロージョン部、３１・・・
中心磁極（回転マグネット）、３２・・・外周磁極、３
４・・・補正用磁極（補助マグネット）。 ｉ２Ｌ、　、３４ す　１　図　（し） ヤ１０図 ′；？４　口 スパッツＡｙ灰力 オ６図 ヤ８　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板型のターゲットを設置し、該ターゲットの裏
   面に磁気ヨークによって結ばれている外周磁極（外周マ
   グネット）と偏心回転する中心磁極（回転マグネット）
   とを有したマグネトロンスパッタリングカソードと、前
   記ターゲットから飛来するスパッタリング原子によって
   被膜されるべき基板とを対向配置して成るマグネトロン
   スパッタリング装置において、前記外周マグネットと回
   転マグネット間で発生する磁場領域を制御する補助マグ
   ネットを、外周マグネットの内側一端部に隣設したこと
   を特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. （２）平板型のターゲットを設置し、該ターゲットの裏
   面に磁気ヨークによって結ばれている外周磁極（外周マ
   グネット）と偏心回転する中心磁極（回転マグネット）
   とを有したマグネトロンスパッタリングカソードと、前
   記ターゲットから飛来するスパッタリング原子によって
   被膜されるべき基板とを対向配置して成るマグネトロン
   スパッタリング装置において、前記ターゲットの表面に
   形成されたエロージヨン部が同心状で３重に形成されて
   いることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置
   。
3. （３）ターゲットの直径が基板の径の少なくとも２倍で
   あることを特徴とする請求項第２記載のマグネトロンス
   パッタリング装置。
4. （４）ターゲットと基板の距離がターゲットの直径の少
   なくとも１／４を超えていることを特徴とする請求項第
   ２または３記載のマグネトロンスパッタリング装置。