JPH073450A

JPH073450A - 低圧動作用マグネトロンスパッタリングソース

Info

Publication number: JPH073450A
Application number: JP6115863A
Authority: JP
Inventors: Kwok F Lai; クウォック・ファイ・ライ
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1994-05-02
Publication date: 1995-01-06
Also published as: US5593551A; KR940027059A; TW271490B

Abstract

(57)【要約】【目的】動作圧が低く、蒸着率が高いマグネトロンス
パッタリングソースを提供する。【構成】マグネトロスパッタリングソースは動作圧力
を非常に低くすることができる。ソースは皿形状のスパ
ッタターゲットから成り、ターゲットの背後にスパッタ
ターゲットの表面に近くにプラズマ放電を限定するため
の主磁石が取り付けられる。スパッタターゲットの周囲
の近くに、好適にはターゲットと同じレベルに配置され
たバッキング磁石が、主磁石により形成された磁場がス
パッタターゲットの縁から、またはその近くから広がる
ことを防止するために使用される。これにより、ソース
は非常に低圧で動作させることができ、放電のインピー
ダンスを減ずることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエーハのよう
な基板上に薄膜を蒸着させるためのスパッタリングソー
スに関し、特に非常に低い圧力で動作可能なマグネトロ
ンスパッタリングソースに関する。

【０００２】

【従来技術および発明が解決しようとする課題】マグネ
トロンスパッタリングは、多種類の基板上に薄膜を形成
させる周知の物理的蒸着方法である。スパッタリング
は、集積回路“チップ”のような半導体デバイスの製造
において半導体ウエーハに多数の種類の膜を蒸着させる
ための特別な技術である。この技術は、アルミニウムの
金属層を蒸着する半導体製造において特に普及してき
た。マグネトロンスパッタリングはまた、他の材料の
膜、例えば窒化チタニウム、チタニウム、チタニウム／
タングステン合金および多種類の金属を含む膜を半導体
ウエーハに蒸着するためにしばしば使用される。

【０００３】半導体デバイスの幾何学的配列が縮小化さ
れ、装置要素の密度が増加すると、スパッタリング装置
の需要が比例して増加した。スパッタ膜の典型的な特性
は、ステップカバレッジ（つまり、“ステップ”のよう
な基板の不規則な形状を覆う能力）、非常に狭い溝を満
たしバイアを相互連結するような能力、および蒸着層の
全一様性というような属性を含む。これらの膜の属性の
各々の典型的特性は現在、それらの丁度数年前のものよ
りも実質的に大きく、装置メーカーが新世代の装置を開
発するほど、この傾向が続くものと期待されている。同
時に、装置の製造に使用される半導体ウエーハは大きく
なり、８インチのウエーハが現在共通のものとなってい
る。ウエーハの大きさの増加は、ウエーハ表面全体にわ
たって増加して苛酷に要求する膜仕様を達成することに
関連した困難性を倍増させる。例えば、８インチのウエ
ーハの一様性を達成することは、６インチのウエーハを
同程度の一様性にすることよりも実質的に困難である。

【０００４】マグネトロンスパッタリングにおいて、プ
ラズマが、スパッタされる材料から成るスパッタターゲ
ットの表面に隣接する真空チャンバ内に形成される。こ
のプラズマは、低圧力で真空チャンバに導入される補助
ガス、例えばアルゴンで形成される。（反応性スパッタ
リングが行われるならば、反応ガスもまたチャンバ内に
導入される。）真空チャンバ内で、電位が、アノード
と、スパッタリング装置のカソードとして典型的に働く
スパッタターゲットとの間で形成される。この電場がサ
ポートガスをイオン化して、プラズマを形成する。磁場
が放電を制限するために通常、ターゲットカソード表面
を通じてループを描く磁力線を生成する磁石システムに
よって与えられる。この磁場は電子をトラップし、電子
とサポートガス原子との間の衝突の数を増加させて、イ
オンの総数を増加させ、プラズマの強度を増加させる。

【０００５】プラズマの正イオンは、装置内で上記のよ
うにカソードとして働くスパッタターゲット表面に引か
れる。正イオンとターゲット表面との衝突はターゲット
材料をその表面から放出する。放出した原子は真空チャ
ンバを通じて移動し、その一部は基板表面に衝突し、膜
を形成する。

【０００６】半導体デバイスの製造に使用されるスパッ
タ膜の現在および予想した特性を満たすようにするため
に、基本的なマグネトロンスパッタリング装置に対する
多彩な改良が提案され、具体化された。これらは、スパ
ッタ膜の一様性およびターゲット使用を改良するための
閉ループ状の回転磁石配列（closed-loop rotating mag
net array）と、小直径のバイアおよび狭い溝の充填（f
illing）を改良するための平行化（コリメーション）フ
ィルター（collimating filter)の使用を含む。

【０００７】閉ループ状の回転磁石配列は閉ループ状の
磁気トンネルを作るために使用され、磁石が回転すると
き、スパッタターゲット表面をなでるプラズマを制限す
るために使用される。このような装置の例が、米国特許
第４，９９５，９５８号および米国特許出願第０７／４
７１，２５１号に説明され、これらの開示を参考文献と
してここで組み立てられている。簡単に説明すると、こ
の第４，９９５，９５８号特許は、スパッタターゲット
の大きい部分にわたって任意に決定した侵食プロファイ
ル（例えば、一様の侵食）を作るために、大まかなハー
ト形の、閉ループを描く磁石をどのように組み建てるか
を教示し、特許出願番号第４，７１２，５１号は、スパ
ッタターゲットの中央部分で一様のエローションを得る
ために、その第４，９９５，９５８号特許の教示を進展
させる。これらの教示は、皿形状となるターゲットに及
ぶ。本開示の目的において、“皿形状化”という語は、
平年および凹凸形状、またはその組み合わせを含むこと
が意図される。

【０００８】コリメーションフィルター（collimation
filter）から成るスパッタ装置の例が特許出願第０７／
４７１２１２号で見つけられ、この開示を参考例として
ここで組み入れられる。この出願で説明されているよう
に、コリメーションフィルターは、基板表面上に衝突す
るスパッタ原子の入射角を制限するために使用される。
この入射角を制限することによって、例えば小直径のバ
イアの底および側壁の蒸着を促進させることが可能であ
る。この特許出願第４７１２１２号で教示される装置お
よび方法で、スパッタリングが、０．５μｍ以下の直径
を有するバイアに高品質の膜を良好に蒸着するために使
用されてきた。

【０００９】コリメーションフィルターの使用は、スパ
ッタソースが高い一様な放出特性を有することが必要で
ある。よって、コリメーションは、適当な一様の放出特
性が上述の特許出願番号第０７／４７１２５１号で説明
したスパッタソースのように利用可能となるまで、実用
的な技術ではなかった。さらに、コリメーションは、通
常のスパッタリング圧力において起こる散乱がフィルタ
ーの効果を無効にし、つまり、通常のスパッタリング圧
力において相当な数の原子が、フィルターを通過した後
に散乱し、コリメータによって課せられた方向性を失う
ことから、比較的に低い圧力のスパッタリングの使用を
必要とする。

【００１０】ガス散乱を排除するために低圧力で平行化
されたスパッタリング装置を動作させるのに必要である
ことに加えて、以下で説明されるような低圧スパッタリ
ングには多数の他の利点がある。

【００１１】典型的なマグネトロンスパッタリングソー
スは、プラズマ放電が開始される最小の圧力と、低い最
小の動作圧力とを有する。それにもかかわらず、商業的
実施例を実施する上で、マグネトロンは常に点火（igni
tion）圧力以上で動作される。これは、プラズマが外部
的な原因のために出て行かなければならない場合、装置
を保護する。理論的に、安定なプラズマ放電が開始され
た後、最小動作圧力以下に下がらない限り、動作圧力を
低くさせ得る。しかし、商業的環境において、処理され
るウエーハに対する可能な損傷および動作の付随的な破
裂と共に、プラズマ消滅のリスクは大きすぎる。

【００１２】発明者は、スパッタリングチャンバの動作
圧力を低くさせると、その背後に閉ループ状の磁石を有
する皿形状のターゲット上でプラズマが広がることを観
測した。プラズマに接触するターゲットの面積が時々放
電トラック（track）として参照されるが、この放電ト
ラックは圧力が降下すると広くなる。これはプラズマ中
の電子が磁場の高い軌道に移動するときに起きるものと
されている。放電トラックの縁がターゲットの縁を越え
て拡張するとき、プラズマ放電が“出て行く"。（より
厳密には、プラズマは全体的に消滅せず、むしろ低レベ
ルのペニング放電に変換される。このペニング放電の強
度は必要な蒸着率を与えるには低すぎる。)上述の観測か
ら、チャンバ内のプラズマが消滅するときの圧力を低く
する方法が大きいスパッタターゲットを単に用いること
であることがわかり、放電トラックの縁が、ターゲット
の縁に達する前に、より“広げる”ことができる。これ
は、少なくとも２つの理由により非常に満足のいく解答
ではない。第１に、より大きいスパッタターゲットを用
いることは有効なターゲットの使用にならない。スパッ
タターゲットが非常に高価であることから、使用の効率
を最大にし、スッパタ膜の仕様を合致させる能力を含む
ような努力が通常なされる。第２に、処理中のウエーハ
よりも典型的に広いスパッタターゲットの直径が、真空
チャンバの直径を通常決定する。例えば、本発明の出願
人によって販売された商業的スパッタリング装置におい
て、１２インチ以下の直径のターゲットが８インチの直
径のウエーハと共に使用される。顕著に大きいターゲッ
トの使用は、スパッリングチャンバを拡大する必要があ
り得る。これは、製造費用が付加され、ポンプダウンの
回数が大きくなり（または大型のポンプ）、および装置
全体のサイズが大きくなるということを含む多くの理由
で好ましくない。

【００１３】他の技術の多くがスパッタリング装置の動
作圧力を減少させるために使用されてきた。このような
技術の１つが、マグネトロン放電を補助するために、中
空カソード放電を使用する。この中空カソード技術は、
相対的に低い電圧で動作するという付加的な利点があ
る。しかし、周知の先行技術の装置では、中空カソード
はマグネトロンの磁場内で動作し、装置動作中にコート
される。これは、中空カソードの剥離（flaking off）
が起こると微粒子の問題をもたらし、周期的な中空カソ
ードのクリーニングを必要とさせ、結果的に装置の使用
ができなくなる。周知の中空カソードシステムは、円柱
状の対称性を欠き、高圧または大きいマグネトロンと共
に動作するときに非一様なコーティングを生じさせる。

【００１４】他の非常に新規な技術は、非常に高いパワ
ー密度でサポートガス無しでスパッタリングソースを動
作させ、自己継続スパッタリングを達成するものであ
る。この技術では、スパッタされる材料の原子がイオン
化され、プラズマを維持する。この技術は、金、銀、及
び銅のような範囲の材料に限定され、自己スパッタリン
グを有し、１（unity）よりも大きい収量を与える。自
己スパッタリングを達成するために必要な非常に高いパ
ワー密度のため、重要な処理パラメータである蒸着率を
調節することが非常に困難である。（比較的に高い圧力
のサポートガスが低圧動作以前に放電を起こすのに依然
として必要である。）他の技術がアンチカソードを用い
て低圧動作を達成する。この方法は、仮想カソードの手
段によるイオンの静電閉込め（electrostatic confinem
ent）および最小のＢ磁場形状を使用することによって
イオンが放電領域に停留する時間を延長する。このタイ
プの装置の周知の実施例は、ウエーハにすでに形成され
たデバイアの損傷するリスクが高いという点で半導体の
多くの応用において好ましくない基板の強いイオンボン
バードになる。さらに、周知のアンチカソードシステム
で使用される磁気形状が、高い一様性をもたない膜にし
得る。

【００１５】最後に、低圧スパッタリングが多重極プラ
ズマ閉込めを使用して達成され、ガスイオン化を強め
る。この技術はまた、許容できない基板の高イオンボン
バートの原因となり、マグネトロンおよび多重極磁石の
相対位置に対して非常に敏感であり、処理結果を信頼的
に繰り返すことを困難にする。

【００１６】上記解答のいくつかを有する低圧スパッタ
リングに対する他の問題は、広範囲の圧力にわたって効
率的に動作しないことである。いくつかは非常に低い圧
力で良好に機能するが、それらは圧力が上昇されるとき
良好に働かない。これに反し、膜が蒸着されるときの圧
力が膜の属性に影響する。よって、動作圧力は、所望の
属性を有する膜を作るように、処理を最適化する変数で
あるように使用される。したがって、非常に低い圧力の
みならず広い範囲の圧力で機能する装置を有することが
望ましい。

【００１７】最後に、最小の可能なインピーダンスでス
パッタリング装置を動作して動作効率を高めることが一
般的に好ましいということを記す。

【００１８】このように、本発明の目的は、低圧、高率
のマグネトロンスパッタリングのための装置および方法
を提供することである。

【００１９】本発明の他の目的は、ターゲットの拡大、
中空カソードまたはアンチカソードの使用、または多重
極磁石閉込めを要しない皿形状のスパッタターゲットか
ら低圧、高率のマグネトロンスパッタリングをするため
の装置および方法を提供することである。

【００２０】本発明のその他の目的は、スパッタリング
装置の動作圧力が減少するときにターゲットの縁を越え
る放電トラックの広がりを防止するための手段を、その
後ろ側付近に位置される閉ループ状の回転磁石を有する
皿形状のカソードを有するマグネトロンスパッタリング
装置に設けることである。

【００２１】本発明のその他の目的は、低圧を含む広範
囲で動作可能なスパッタリング装置を提供することであ
る。

【００２２】本発明の損他の目的は、低プラズマインピ
ーダンスを有するスパッタリング装置を提供することで
ある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明のこれらおよびた
の目的は、この明細書、添付図面および特許請求の範囲
を読むことで当業者にとって明らかであり、放電トラッ
クが、皿形状のスパッタターゲットの縁付近に位置され
る周囲バッキング磁石（ peripheral buckingmagnet）
によって閉じ込められるところの新規のスパッタリング
装置および方法で実現される。その基本的形状におい
て、本発明は、スパッタされる材料から成る表面、裏面
および周囲を有するほぼ皿形状のスパッタターゲット
と、プラズマを放電トラックに閉じ込めるための上記表
面付近に磁気トンネルを形成するために上記裏面付近に
配置される主磁石手段と、上記ターゲット周囲付近に配
置される周囲バッキング磁石とから成る。本発明に従っ
て、皿形状のターゲットは平坦、凹状、凸状またはそれ
ら形状の組み合わせであってもよい。好適実施例におい
て、周囲バッキング磁石およびターゲットの周囲は共に
ほぼ円形状である。好適に、主磁石手段は、スパッタタ
ーゲットを通過する軸の回りで回転可能であり、狭い断
面の磁気トンネルを形成するハート形状で、閉ループ状
の磁石である。

【００２４】

【実施例】本発明は、バッキング磁石を用いて、マグネ
トロンスパッタリングチャンバ内の皿形状のスパッタリ
ングターゲットの背面付近に配置される主磁石によって
形成られた磁場を閉じ込める。本発明は図１に描かれた
実施例を参照して最も良く理解されるであろう。図１
は、本発明のスパッタリングチャンバ１０の概念的断面
図である。スパッタリングチャンバ１０は、スパッタリ
ングが行われるところの真空チャンバ２０から成る。真
空チャンバ２０はドア３０から成り、そこを通ってコー
トされる基板をスパッタリングチャンバへと、そしてそ
こから移す。ここでの説明のため、装置は、スパッター
コートされる前に他の処理が行われ得る半導体ウエーハ
をコートするために使用されるとする。図では、典型的
なウエーハ４０がウエーハ保持プラテンまたはチャック
５０上に配置されている。ウエーハチャック５０はウエ
ーハ４０を真空チャンバ２０内で処理する間、固定した
位置に保持するだけでなく、従来より知られているよう
に、処理の間ウエーハの温度を制御し、ウエーハに電気
的なバイアスをかけるために使用される。

【００２５】外部に取り付けられたウエーハ移送アーム
（図示せず）がウエーハを真空チャンバ２０へと、そし
てそこから搬送するために使用できる。ロードロック
（図示せず）を真空チャンバ２０と外気環境との間に介
在させてもよく、それにより、前記真空チャンバは、ウ
エーハを挿入し、取り出す度毎に外気にさらす必要がな
くなる。また、これらの特徴は当業者には周知であり、
詳説する必要はないであろう。なお、真空チャンバ２０
は本発明の譲受人より販売されているモデルＭ−２００
０（商標）スパッタリング装置のような大きなマルチチ
ャンバスパッタリング装置の一つのモジュールであって
もよい。この装置はまた、コンピュータ化された制御手
段、いろいろな電源および制御器、ならびに自動ウエー
ハトラッキング、ローディングおよび搬送装置を含んで
もよい。

【００２６】チャンバを大気圧から最初の排気を行うた
めの機械的粗引きポンプ、および最初の排気の後に使用
する（クライポンプのような）高真空ポンプから典型的
に成る真空ポンピング装置５５は、真空チャンバに連結
され、制御した真空レベルにチャンバを維持するために
使用される。バックグランドガス（一般的に、アルゴ
ン）源６０がプラズマサポートガスとして働くようにチ
ャンバ２０に連結されている。本発明の好適実施例が作
動すると、アルゴンの圧力は０．１−４．０ミリトルの
間に保持される。反応性スパッタリングが実行されるな
らば、窒素のような反応ガス（図示せず）源もまた、チ
ャンバに連結される。真空チャンバ２０内の圧力をモニ
ターし、チャンバへのアルゴン（および、必要ならば反
応ガス）流を調節する制御手段（図示せず）もまた、従
来から知られているように設けられてもよい。

【００２７】ウエーハ４０のほぼ向かい合う皿形状のス
パッタターゲット組立体７０がまた装置のカソードとし
て機能する。典型的な実施例において、スパッタターゲ
ット組立体７０がスパッタされるアルミニウムまたはチ
タニウムのような材料の層７３から成り、バッキングプ
レート７４に取り付けられている。バッキングプレート
７４はターゲットの温度制御を行うために水で冷却して
もよい。図１に示されているように、ターゲット組立体
７０の表面７５は最初平坦なものでもよい（もちろん、
ターゲット面の形状は、スパッタリングの間に侵食さ
れ、変化する）。最初の表面形状が凸状若しくは凹状の
ターゲット、または平坦形状、凹形状および凸形状のも
のの組み合わせのターゲットは本発明の範囲に含まれ
る。好適実施例において、スパッタターゲット組立体７
０はほぼ円形で、コートされるウエーハの直径よりも多
少大きい直径をもつ。たとえば、８インチのウエーハを
コートするとき、ターゲット組立体７０の直径を１１か
１２インチとすることができる。

【００２８】磁石手段８０がバッキングプレート７４の
裏面の背後に配置される。好適には、磁石手段８０は前
記のアメリカ特許第４，９９５，９５８号、アメリカ特
許出願第０７／４７１，２５１号に説明されているタイ
プの閉ループを形成し、ほぼハート形の回転磁石から成
る。磁石手段８０は軸線８５の回りで回転可能で、内側
と外側の閉ループを描くポールピース９２、９４の間
に、それぞれ個々の磁石９０の配列から成り、これによ
り、スパッタターゲット組立体７０の表面７５の隣接し
た領域のあたりで閉ループとなる磁気トンネル１１０が
形成される。磁石の配列およびポールピースは回転する
ターンテーブル（図示せず）上に取り付けられてもよ
い。

【００２９】磁石手段８０は、回転するとき、スパッタ
ターゲット組立体７０の表面７５近くが非常に一様に侵
食されるように形状付けられている。このことは、層７
３の材料（これは非常に高価なもの）が効率的に利用さ
れることを保証するばかりか、ウエーハ４０上に蒸着さ
れるフィルムが良好な膜質をもつことを保証するために
重要である。特に、非常に一様な放出源を使用すること
は、コリメーションフィルター１００が使用されるとき
に重大となる。本発明と関連してコリメーションフィル
ターを使用することが任意的であると、本発明により可
能となった低圧動作は、コリメーションフィルターを使
用するとき特に重要となる。

【００３０】磁石手段８０が真空チャンバ２０の外部に
示すけれども、真空チャンバ内に磁石手段８０を配置す
る場合も本発明の範囲内にあると考えるべきである。こ
のような場合、バッキングプレート７７が真空包囲物の
一部を形成することはない。

【００３１】磁石手段８１はスパッタターゲット組立体
７０の表面７５に隣接する閉ループ状の磁気トンネル１
１０を形成する。磁力線は磁気ポールピースの一つから
出て、ターゲットを通るようにループを描き、他のポー
ルピースに戻り、これにより磁気トンネル１１０の形状
を画成する。

【００３２】明確にするために、図１は単純化され、典
型的なスパッタリング装置の周知の特徴は省かれてい
る。たとえば、皿形状のシールドが通常スパッタターゲ
ットの縁の近くにあり、いろいろな取り付け手段、支持
手段、モニタリング手段、電気的な接続手段および冷却
手段などは示されていない。

【００３３】説明したきたチャンバ１０の動作は周知で
ある。ウエーハ４０がウエーハチャック５０上に配置さ
れた後、真空チャンバ２０は高真空レベルへと排気され
る。制御された量のアルゴンが次ぎにチャンバ内に導入
され、比較的高い負の電圧が装置のカソードとして機能
するスパッタターゲット組立体７０に印加される。この
電圧は数百ボルトのオーダーとすることができる。典型
的なアノード電位はゼロ電位で、そのためスパッタター
ゲット組立体７０から離れた全真空チャンバ２０は装置
のアノードとして機能する。絶縁体２５が真空チャンバ
の残部からスパッタターゲット組立体７０を絶縁する。
ウエーハ４０はゼロ電位に保持され、電気的に“浮い
た”状態にするか、または行われる特定のスパッタリン
グ処理の詳細に依存して僅かに負にバイアスされてもよ
い。電圧がカソードに印加されるとき、プラズマ放電は
カソード近傍に形成され、磁石手段８０のほぼ上方の閉
ループの磁気トンネル１１０により実質的に限定され
る。よく知られているように、プラズマを“叩く”また
は“点火”するのに必要なアルゴン圧はプラズマ放電を
維持するのに必要な圧力レベルよりも高い。それにもか
かわらず、上記の理由から、チャンバの動作圧力は、プ
ラズマが形成された後、点火圧力より高く維持される。

【００３４】ほぼ狭く制限されたプラズマは、ターゲッ
ト（磁石）手段８０が軸線８５の回りを回転するとき、
スパッタターゲットの全面にわたってを実質的に掃走引
する。上述したように、このことは実質的に一様なター
ゲットの侵食をもたらす。

【００３５】発明者はチャンバの動作圧力が低下すると
き、ターゲット面上のプラズマ放電が広がる傾向にある
ことを観測した。この広がり効果は、磁力線にトラップ
された電子が磁場内のより高い軌道に移るといる事実に
よると信じられている。結局は、プラズマ放電トラック
がスパッタターゲットの縁に到達する圧力点へと減圧さ
れた後に、プラズマは消える。本発明の譲受人により販
売されているタイプの従来の装置において、この圧力は
図５Ａに示されているように、約１．０ミリトルであ
る。

【００３６】いろいろな理由により、非常に低圧でスパ
ッタさせることがしばしば望ましい。この目的のため、
本発明はスパッタターゲット組立体７０の周辺近くに配
置されるバッキング磁石手段１２０を採用する。一つの
実施例において、バッキング磁石手段１２０は個々の、
高エネルギー永久磁石１３０の配列により成り、磁石は
図２に略示されてりるように、内側および外側ポールピ
ース１４０および１５０の間に、それぞれ配置されてい
る。（図２はスパッタリング装置の残部とは別には本発
明のバッキング磁石を示す。）他の実施例において、バ
ッキング磁石配列の個々の磁石１３０は図３に示される
ように楔形をしている。簡単化のため、図２は８個の磁
石の配列を示す。しかし、本発明の好適実施例のおい
て、使用される多数の磁石はより多く、好適には少なく
とも１４乃至２１個である。このことは、バッキング磁
石手段１２０が十分に強く、一様な磁場を形成する。当
業者であれば、本発明のバッキング磁石が永久磁石から
成る必要はなく、生じる磁場が本発明により必要とされ
る特性をもつ限り、電磁石を含む種々のものを利用でき
ることは理解できよう。

【００３７】図１および図２に描かれているように、バ
ッキング磁石手段１２０はほぼ環状であり、スパッタタ
ーゲット組立体７０の周囲にそって配置されている。こ
の好適実施例において、バッキング磁石手段１２０の少
なくとも一部が、皿形状のスパッタターゲット組立体７
０の上面７５の外縁により画成される面にほぼ位置す
る。バッキング磁石の内側ポールピース１４０の極性は
主磁石手段８０の外側ポールピース９４の極性と同じで
ある。バッキング磁石１２０により形成される磁場は主
磁石手段８０により形成される磁場を排斥する傾向があ
る。この排斥は、主要な磁場がバッキング磁石の近くで
広がることのないように、主磁石手段の磁力線を歪め
る。（図７Ａおよび図７Ｂおよび関連説明を参照）結
局、これは主要な磁場を集中させ、プラズマがスパッタ
ターゲットの縁に向かって広がることを防止する。

【００３８】図４は、主磁石の上面により画成される面
に関し、プラズマ点火圧力対バッキング磁石の位置のグ
ラフである。グラフのｙ軸に沿って示される位置は、バ
ッキング磁石の垂直位置、すなわち主磁石手段の回転軸
に平行な位置である。データは三つのことなる磁石形状
（バッキング磁石は７個（曲線４１０）、１４個（曲線
４２０）、および２１個（曲線４３０）の磁石からそれ
ぞれ成る）に対して収集された。データの収集が限定さ
れていることから、バッキング磁石の最良の位置はこの
グラフからは明らかではない。しかし、主要な磁場に関
してバッキング磁石の位置は点火圧力を決定する上で重
要な役割をもつことは明らかである。このデータは主要
な磁場が広がることを防止する能力と主要な磁場に関す
るバッキング磁石の位置との関連を反映している。主磁
石から垂直な軸線にそって非常に離れてバッキング磁石
を配置することが、遠くに配置することにより主要な磁
場がバッキング磁石のない場合のように広がるため、意
図することとは反対の効果が生じることは当業者であれ
ば明らかであろう。

【００３９】ターゲットカソードの面から十分に離して
バッキング磁石を配置する必要があるならば、配置を補
償するためにバッキング磁石を傾けることも可能であ
る。

【００４０】図４のデータはまた、バッキング磁場（強
度および一様性の両方とも）を生成する利点を反映して
いる。あまりにも少ない磁石を利用すると、バッキング
磁場の間に間隙が生じ、プラズマを十分に制限すること
ができない。

【００４１】図７Ａおよび図７Ｂはスパッタターゲット
の縁の近くでの磁力線を描く。図７Ａはバッキング磁石
のない、すなわち本発明の譲受人により市販されている
タイプの従来のスパッタリング装置における磁力線を示
し、図７Ｂは本発明のバッキング磁石が使用されたとき
の同じ装置における磁力線を示す。描かれた磁力線は合
理的な正確さをもって、コンピュータモデルを用いて作
成された。モデルの正確さは実験の測定により確かめら
れた。図７Ａにおいて、三本の磁力線がターゲットの面
をその縁の近くを通ってループを描く一方、図７Ｂにお
いて、バッキング磁石が使用されたとき、数十の磁力線
がターゲットの縁を通ってループを描いていることが分
かる。破線７１０および７１０′はそれぞれ、磁場がス
パッタターゲットの面に平行なところを示す。図７Ｂの
（バッキング磁場を有する）線７１０′の位置は、バッ
キング磁石を有しない線７１０の位置に対してスパッタ
ターゲットの中心の方向が非常にずれていることが分か
る。

【００４２】本発明に従って作られた装置は、約０．２
ミリトルの圧力でプラズマ放電を点火するために使用さ
れ、消滅圧力が０．１ミリトル以下に低下している。こ
の数字は、バッキング磁石をもたないが同じ構造物のス
パッタリングチャンバの点火および消滅圧力より優っ
て、非常に改良したことを示す。同様な装置における典
型的な従来の点火および消滅圧力はそれぞれ１．０およ
び０．７ミリトル程度である。

【００４３】本発明により意図したバッキング磁石の使
用、および可能な低圧動作はいくつもの利点を有し、そ
の多くは本発明の性能を観測するまで実現していなかっ
た。

【００４４】上述したように、マグネトロンスパッタリ
ング装置の圧力が降下したとき、皿形状のスパッタター
ゲットの面の近傍のプラズマは広がる傾向にある。特
に、回転磁石を合わせて使用するとき、この広がり効果
は、ターゲットの面にわたるプラズマをより均一に分配
すること助成し、これにより侵食の一様性がより強ま
る。この効果は、一様な侵食が最も困難なスパッタター
ゲットの中心付近で特に顕著である。したがって、本発
明はターゲットの侵食の一様性を増加するために使用で
きる。さらに、本発明は装置の動作圧力を調節すること
によりターゲットの侵食プロファイルを“微細調整”す
るために使用できる。

【００４５】図５Ａおよび図５Ｂは電子温度対スパッタ
リング圧力のグラフであり、本発明のバッキング磁石を
有するスパッタリング装置（図５Ｂ、曲線５２０）と、
有さないスパッタリング装置（図５２０Ａ、曲線５１
０）により達成された実験結果を比較できる。最初に、
表されたデータにおいて、バッキング磁石なしで実施し
得る最低圧力は１．０ミリトル弱である一方、バッキン
グ磁石をもつときは大体０．１ミリトルの動作圧力で実
施できることが分かる。曲線５１０および５２０は重複
する範囲において互いに一致するが、バッキング磁石そ
れ自身の存在はプラズマ内の電子の温度に影響を及ぼさ
ず、電子温度が１．０と０．１ミリトルの間の圧力範囲
で劇的に上昇する。（この効果は、いろいろなプラズマ
の光学的放出特性を観測することによりまず発見され、
図５Ａおよび図５Ｂに示されるデータは、アルゴンの中
性密度と動作圧力とに線形依存性があると仮定の基づい
ている。）低圧での電子温度の劇的な増加は重要な効果
で、反応性スパッタリングのようなスパッタリング処理
に対し非常に有益である。増加した電子温度は反応性ス
パッタリングにおいて有用となり得るプラズマ内に準安
定な種の数を増加させる。また、準安定な種の生成が、
蒸着膜の表面移動を増加させ、これによりバイア充填を
促進する役割を果たすことは明らかである。動作圧力の
範囲を非常に低いレベルへと伸ばすことにより、本発明
は、従来可能な範囲以上の非常に広い範囲にわたって電
子温度というパラメータを制御する処理を可能にする。

【００４６】図６は本発明のバッキング磁石をもつスパ
ッタリング装置とそれをもたないものの電圧／電流特性
のグラフである。スパッタリング装置の動作圧力は両者
において、バッキング磁石をもつ装置の動作圧力の下限
付近である１．０ミリトルであった。曲線６１０はバッ
キング磁石のない場合に測定したデータであり、曲線６
２０はバッキング磁石を採用したときに収集したデータ
を描く。図６から明らかなように、本発明にしたがった
バッキング磁石の使用が実質的にプラズマ放電のインピ
ーダンスを減少させ、これにより非常に広範囲の動作条
件にわたって電力をプラズマに結合させることができ
た。この結果、従来技術の装置設計を利用して、可能と
なった圧力で動作させるときでさえ、有用な本発明に更
なる利点が加えられた。

【００４７】図８はスパッタリング装置における測定さ
れた光強度対マグネトロン電力のグラフで、バッキング
磁石をもつものと、もたないものとの結果が比較されて
いる。曲線８１０はバッキング磁石をもたない場合に測
定したデータを表し、曲線８２０はバッキング磁石が採
用されたときに収集したデータを描く。（両者におい
て、装置は２．０ミリトルの圧力で動作させた。）図６
から明らかなように、バッキング磁石の使用により、よ
り大きな電力がプラズマに結合され、その結果、ある入
力電力に対し、実質的により高い強度のプラズマが生成
された。

【００４８】図６および図８に示すデータが、本発明の
バッキング磁石をもつことで電子のトラップを非常に改
良したことを反映していると考えられる。

【００４９】本発明により可能となった低圧動作は、平
行化したスパッタリングが使用されたとき特別な有用性
をもつ。上述したように、平行化したスパッタリング
は、コリメーションフィルタの出口とコートされる基板
との間に実質的なガス散乱がないことを必要とする。ガ
ス散乱は、散乱原子とサポートガスの原子またはイオン
との間での衝突により生ずる。周知の通り、散乱原子の
平均自由行程（すなわち、衝突の間の移動距離）は動作
圧力と逆の関係にあり、その結果、動作圧力を下げる
と、平均自由工程は実質的に増加する。このことは、基
板とコリメーションフィルタとの間の分離を広げること
ができる。このような広げて分離することはいくつかの
理由から望ましい。たとえば、コリメーションフィルタ
が基板にあまりにも近づけて配置されると、蒸着膜上に
視覚的にも顕著なシャドーが形成される。同様に、圧力
を低下させること、したがって散乱を低下させることが
コリメータからの蒸着膜の剥離の問題を減少させること
になることが分かった。散乱を減らすと、ターゲットか
らスパッタしたより多くの原子が基板に到着し、その結
果全体の蒸着率は増加し、ターゲットの利用率も増加す
る。

【００５０】より低い動作圧力はまた、装置の動作中に
真空排気の速度を速めることを可能にする利点をもつ。
このことはガス汚染および粒子の生成を減ずる。

【００５１】最後に、スパッタリングにより蒸着した膜
のストレスと蒸着圧との間に関連がしばしばあることが
観測された。スパッタコーティグ中に使用できる圧力の
範囲を増加させることにより、本発明は膜のストレス全
体にわたって広い範囲で制御できる。

【００５２】ここで、好適実施例もって本発明を説明し
てきたが、当業者であれば、例示のものの修正や、同等
のものが数多くあることは明らかである。したがって、
本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるべきで
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ったスパッタリングチャンバの部分
断面図である。

【図２】本発明で使用するために設計された周囲バッキ
ング磁石の配列の概念的な平面図である。

【図３】本発明の周囲バッキング磁石の配列で使用する
ための楔形状磁石の平面図である。

【図４】主磁石に関する周囲バッキング磁石の位置に対
するプラズマ点火圧力のグラフである。

【図５】図５ＡおよびＢは、本発明の周囲バッキング磁
石を有し、および有さないスパッタリング装置を比較す
る、圧力に対する電子温度のグラフである。

【図６】本発明の周囲バッキング磁石を有し、および有
さないスパッタリング装置の電圧／電流特性を比較する
グラフである。

【図７】図７ＡおよびＢは、本発明の周囲バッキング磁
石を有し、および有さないスパッタターゲットの縁の近
傍の磁力線のコンピュータシミュレーションである。

【図８】本発明の周囲バッキング磁石を有し、および有
さないスパッタリング装置を比較する、電力に対するプ
ラズマ光強度のグラフである。

【符号の説明】

１０スパッタリングチャンバ２０真空チャンバ３０ドア４０ウエーハ５０チャック５５ポンピング装置６０バックグランドガス源７０スパッタターゲット組立体７５表面８０磁石手段９０磁石１２０バッキング磁石手段１３０磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マグネトロンスパッタリング装置におい
て、スパッタされるべき材料から成る表面、および裏面を有
し、周囲を有するほぼ皿形状のスパッタターゲットと、前記スパッタターゲットの表面に隣接した、閉ループ状
の磁気トンネルを形成するための、前記スパッタターゲ
ットの裏面に近接して配置される第１の閉ループ状の磁
石手段と、前記スパッタターゲットの周囲に近接して配置される、
第２の閉ループ状の磁石手段と、から成り、前記第２の閉ループ状の磁石手段により形成される磁場
が、前記閉ループ状の磁気トンネルが前記スパッタター
ゲットの周囲を横断することを妨げる、ところのマグネ
トロスパッタリング装置。
【請求項２】前記第１の閉ループ状の磁石手段が前記
スパッタターゲットを通過する軸線の回りで回転可能で
ある、請求項１に記載のマグネトロスパッタリング装
置。
【請求項３】前記スパッタターゲットが平坦である、
請求項１に記載のマグネトロスパッタリング装置。
【請求項４】前記スパッタターゲットが凹状である、
請求項１に記載のマグネトロスパッタリング装置。
【請求項５】前記スパッタターゲットの周囲が実質的
に円形である、請求項１に記載のマグネトロスパッタリ
ング装置。
【請求項６】前記第１の閉ループ状の磁石手段がほぼ
ハート形である、請求項２に記載のマグネトロスパッタ
リング装置。
【請求項７】前記磁気トンネルが狭い断面を有する、
請求項２に記載のマグネトロスパッタリング装置。
【請求項８】前記第１の閉ループ状の磁石手段が、全
ループに実質的にわたって実質的に一定である断面を有
する、請求項６に記載のマグネトロスパッタリング装
置。
【請求項９】前記第２の閉ループを描く磁石手段が実
質的に円形であり、前記スパッタターゲットの直径より
も大きい直径を有する、請求項５に記載のマグネトロス
パッタリング装置。