JPWO2006054409A1 - スパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットであって、その表面積が、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットであって、ターゲット表面領域に１又は複数の凹部を備え、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。自己スパッタやハイパワースパッタ化により、ターゲットの全寿命を通して、スパッタ回路における電気的な変動を可能な限り小さなものに抑えることにより、容量の小さな安価な電源装置を使用することを可能にする。

Description

本発明は、スパッタリングにおいてスパッタ中のターゲットの消耗により生じる電圧や電流の変化を抑えることにより、スパッタ装置の電源設計に余裕を持たせ、安価なスパッタ装置を提供できるスパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体及び成膜装置に関するものである。

近年、配線ルールの微細化に伴いアスペクト比の大きなビアやコンタクトホールに均一な膜を成膜する目的のため自己スパッタやハイパワーでのスパッタが主流となっている。通常、スパッタにおいてはターゲットの消耗とともに回路のインピーダンスが変化するため、電力量を一定に制御してターゲットの全寿命を通じて均質な膜厚分布や成膜速度を維持するようにしている。

ところが、昨今の自己スパッタやハイパワースパッタにおいては、ターゲットの寿命を通じての電流、電圧の変動が大きく、極めて容量の大きな電源を必要とするため、成膜装置が非常に高価なものになってしまうという問題が生じてきた。

これまで、膜厚分布を改善する又はパーテイクルの低減の目的でターゲットの表面形状を加工することが、例えば特許文献１や特許文献２に示されている。
しかし、スパッタ装置の電流、電圧変動がターゲットの表面積により制御され得ることに触れている報告は殆んどない。ましてや、定量的な表面積の影響については、全く知見が得られていないのが現状である。
特開昭６２−３７３６９号 特開２００４−８４００７

本発明は、自己スパッタやハイパワースパッタ化により、ターゲットの全寿命を通して、スパッタ回路における電気的な変動を可能な限り小さなものに抑えることにより、容量の小さな安価な電源装置を使用することを可能にするスパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体及びこれらを使用する成膜装置に関するものである。

上記の課題を解決するため、板状ターゲットの形状変更による電気回路特性の変化に及ぼす影響を鋭意研究した結果、ターゲットの表面積を適度に大きくすることにより、カソード回路のインピーダンス変化を小さく抑えることが可能であることがわかった。 一方、表面積を大きくすることは、スパッタした膜のユニフォーミテイが変化し、あまりに面積が大きくなってしまうとユニフォーミテイが悪化していくことがわかった。
さらに、スパッタパワーが比較的高い成膜条件においては、凹部に熱応力が集中してターゲットの変形を引き起こし、ユニフォーミテイ異常やシールドとのアーキングを生じることが有り、凹部部分のBP板厚を厚くすることで、このような不都合を解決できることも判明した。

以上に基づいて、本発明は以下の発明を提供するものである。
１）エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットであって、その表面積が、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
２）エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットであって、ターゲット表面領域に１又は複数の凹部を備え、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
３）ターゲット表面領域に形成された凹部が１又は複数の環状の凹部であることを特徴とする上記２記載のスパッタリングターゲット。
４）凹部が、エロージョンが比較的緩やかなターゲット表面領域に形成されていることを特徴とする上記２又は３記載のスパッタリングターゲット。
５）凹部の形状がV字型、円弧型、角型の断面を有する溝であることを特徴とする上記２〜４のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。

６）エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットとバッキングプレートとの組立体であって、ターゲット表面領域に１又は複数の凹部を備え、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であり、かつターゲット表面の凹部に相当する位置のバッキングプレートの板厚が他の部分より厚い板厚を備えていることを特徴とするスパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体。
７）ターゲット表面領域に形成された凹部が１又は複数の環状の凹部であることを特徴とする上記６記載のスパッタリングターゲット。
８）凹部が、エロージョンが比較的緩やかなターゲット表面領域に形成されていることを特徴とする上記６又は７記載のスパッタリングターゲット。
９）凹部の形状がV字型、円弧型、角型の断面を有する溝であることを特徴とする上記６〜８のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。
１０）上記１〜５のいずれかに記載のスパッタリングターゲットを用いた成膜装置。
１１）上記６〜９のいずれかに記載のスパッタリングターゲット−バッキングプレートを用いた成膜装置。

本発明は、ターゲットの表面積を適度に大きくすることにより、カソード回路のインピーダンス変化を小さく抑えることが可能であるという優れた効果を有する。
一方、表面積を大きくすることは、スパッタリングした膜のユニフォーミテイが変化し、過大な面積はユニフォーミテイが悪化するので、適度な面積が必要であるが、本発明においては、これを最適に調整することができる。
さらに、スパッタパワーが比較的高い成膜条件においては、凹部に熱応力が集中してターゲットの変形を引き起こし、ユニフォーミテイ異常やシールドとのアーキングを生じることがあるが、ターゲット凹部相当のバッキングプレート（ＢＰ）の板厚を厚くすることにより、このような不都合を解決できるという効果を有する。

本発明の溝付ターゲットの形状を説明する断面図である（Ａ：V字型の溝を有するターゲットの断面模式図、Ｂ：同ターゲットと厚さを変動させたバッキングプレートの組立体の断面模式図）。

ターゲットをカソードとしてイオン化されたAr原子やターゲットからスパッタされた原子がイオン化し、さらにスパッタを行ういわゆる自己スパッタにおいて、基板となるウエハーとターゲット間に電圧を印加することにより、上述のArイオンや自己スパッタによるイオン化された原子が電荷となりスパッタリングにおける回路を形成する。
近年のスパッタ装置においては、通常数十kwhの電力を一定に保持しながらターゲットをスパッタリングすると、それにつれて電圧、電流が変化していく。
電圧については500V以上からターゲットのライフを通じて、場合によっては数百Vの電圧変動を支える電源が必要となり、装置に占める電源装置のコストは無視できないものがある。

スパッタに使用されるターゲットは通常、表面が平面状の円板状ターゲットだが、ターゲットの消耗につれターゲットの表面に凹凸が生じ、これが故に電圧変動が生じるものと考えられる。
そこで、ターゲットの消耗に伴う電圧の変動挙動とターゲットの消耗により形成される凹凸の形状についての因果関係を鋭意研究した結果、ターゲットの表面積変化が電圧の変動と関係があることが判明した。定性的に表現すれば、表面積の変化が少ないほど電圧の変動が少なくなることが見出された。

しかしながら、マグネットによりターゲットに形成される凹凸の性状は様々であり、また、ターゲットの寿命を通じて形状が変化するため、定量的な関係を把握することは困難であったため、ある程度スパッタされた凹凸を想定した表面形状のターゲットを作成し、電圧も絶対値ではなく電圧の変化量に注目してその関係を調査したところ、平板状のターゲットを基準として、その表面積が125％未満の形状を有するターゲットの電圧変動が小さくなることがわかった。同時に、ターゲットの表面積が大きくなっていくとターゲットの寿命を通したユニフォーミテイの変化が大きくなってしまうことも判明した。

すなわち、ターゲットのエロージョン部及び非エロージョン部を有する板状ターゲットで、その表面積が平面の場合（平面を仮想した場合）の100％を超え125％未満となるようなスパッタリングターゲットにおいて電圧変動が少なくなり、かつ、ユニフォーミテイの変動も許容できる範囲におさまることがわかった。
表面積の増加は、ターゲット表面に凹凸を形成することにより達成することができる。また、この効果は、特定のターゲット材料に限定されるものではなく、後述する実施例に示すように、ターゲット材料の種類によらず、共通して言えることである。
凹凸の形状やターゲットのどの部分に形成するかは電圧の変動に対してあまり影響は及ぼさないが、エロージョンが比較的穏やかな部分に凹凸を形成したほうがユニフォーミテイの変動が小さくなることも同時に判明した。
また、凹凸の形状は機械加工による溝形成のコストの観点からV字型、円弧型、角型の断面を有する１又は複数の環状の溝であることが望ましいが、当然のことながらV字以外の溝や、環状以外の凹凸も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

さらに、最近主流になりつつあるイオン化スパッタのように比較的高いパワーでスパッタを行う場合には、前述の凹凸形状の主に凹部にスパッタ時の熱により生じる熱応力が集中してターゲットが変形を起こし、ユニフォーミテイが悪化したり、シールドとのアーキングが起きて異常パーテイクル発生が生じたり、極端なケースではプラズマの発生が止まってしまう現象が生じた。
問題解決のため、バッキングプレートの強度を高める、あるいは材質変更して熱応力を軽減させる等の対策をとったが、あまり効果的ではなかった。
そこでまず、形状による応力集中を軽減させることを第一に考え、バッキングプレートの形状を変更することで問題を解決すべく試行錯誤を続けた結果、応力が集中する部分のバッキングプレート厚みを単純に厚くすることで変形が大幅に抑制できることがわかった。

厚くする部分は凹部のみに限っているわけではなく、凹部を含むある程度の広がりをもって厚くしたほうが効果的であることもわかった。これは応力分布の変化を緩やかにしたためと考えられる。
しかしながら、前述したようにエロージョンにより生じる凹凸形状にはマグネットにより様々なものが有るため、凹部を含むあまり広い範囲でBPを厚くすることは、すなわちターゲットの厚みが減少することであり、場合によってはターゲットの寿命が短くなることにつながるため、好ましくないと言える。

以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例のみに制限されるものではない。すなわち、本発明に含まれる他の態様または変形を包含するものである。

（実施例１−２１）
本実施例のターゲットの断面形状を図１のＡに示す。実施例においては、市販の純度6Nの銅ターゲット、4N5のTaターゲット及び５NのTiターゲットを用いて8“ウエハー用のEnduraスパッタリング装置を使用した。
マグネットは2種類であり、スパッタ条件は全て同一として、まず、ターゲットの表面積のみを変化させ、ターゲットの寿命を通じての電圧変化とユニフォーミテイの変化を調べた。
ターゲットの寿命はターゲット材により異なるが、同じターゲット材質においては±10％以内に入るように調整した。スパッタパワーは10kwであり、バッキングプレートはCu合金である。
ターゲットの表面積とターゲット寿命を通じての電圧変動を、表１にまとめた。ユニフォーミテイはターゲットの寿命を通じての平均値である。
本実施例１−２１については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも小さく良好な値を示した。スパッタパワーが10kwと低いので、ターゲットの反りは特に問題となることはなかった。

（比較例１−９）
本比較例については、ターゲット材料及びスパッタ条件については、実施例１−２１と同一条件とし、表面積のみを変化させた。
ターゲットの表面積とターゲット寿命を通じての電圧変動を、同様に表１にまとめた。ユニフォーミテイはターゲットの寿命を通じての平均値である。
本比較例１−９については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも大きくなり不良となった。なお、スパッタパワーが10kwと低いので、ターゲットの反りは特に問題となることはなかった。

（実施例２２−３９）
次に、スパッタパワーを上げて、図１のＢに示される形状のターゲットを用いて、前述と同様の試験を行い、電圧変動に加えて、ユニフォーミテイとターゲットの反りを調べた。スパッタパワーは40kwである。また、バッキングプレートは銅合金である。この結果を表２にまとめた。
本実施例２２−３９については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも小さく良好な値を示した。また、スパッタパワーが40kwと高く、ターゲットの反りが生ずるおそれがあったが、表２に示す通り、図１Ｂに示すバッキングプレートの形状効果により、反りが小さく、これによる問題は特に発生しなかった。

（比較例１０−１５）
本比較例については、ターゲット材料及びスパッタ条件については、実施例２２−３９と同一条件とし、表面積及びターゲット形状を変化させた。ターゲット形状は、図１−Ａに示す形状のターゲットを使用した。この結果を、同様に表２に示す。
本比較例１０−１５については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも大きくなり、不良であった。
また、スパッタパワーが40kwと高いため、ターゲットの反りが発生した。これによって、スパッタパワーが高い場合には、厚さの工夫のない従前のバッキングプレートでは問題があることが分かった。

なお、比較例１０−比較例１５は、表面積だけから見ると、本願発明の範囲に入るものである。しかし、スパッタパワーを40kwと高くしたために、やや反りの発生が高くなるという問題がある。したがって、スパッタパワーが低い場合には、図１Ａのターゲット形状で十分であるが、スパッタパワーを高くしてスパッタリングする場合には、ターゲット形状を図１Ｂの形状にするのが望ましいということが分かる。

ターゲットの表面積を適度に大きくすることにより、カソード回路のインピーダンス変化を小さく抑えることが可能であり、自己スパッタやハイパワースパッタにおいて、ターゲットの寿命を通じて、電流、電圧の変動を抑制できるので、容量の小さな安価な電源装置を使用することができ、低コストで効率の良いスパッタリングが可能である。
また、スパッタリングした膜のユニフォーミテイを適度に調整することが可能であり、
さらに、スパッタパワーが比較的高い成膜条件においては、凹部に熱応力が集中してターゲットの変形を引き起こし、ユニフォーミテイ異常やシールドとのアーキングを生じることがあるが、ターゲット凹部相当のバッキングプレート（ＢＰ）の板厚を厚くすることにより、このような不都合を解決でき、スパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体及び成膜装置として、産業上極めて有効である。

【発明の名称】スパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体及び成膜装置

【０００１】
【技術分野】
［０００１］ 本発明は、スパッタリングにおいてスパッタ中のターゲットの消耗により生じる電圧や電流の変化を抑えることにより、スパッタ装置の電源設計に余裕を持たせ、安価なスパッタ装置を提供できるスパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体及び成膜装置に関するものである。
【背景技術】
［０００２］ 近年、配線ルールの微細化に伴いアスペクト比の大きなビアやコンタクトホールに均一な膜を成膜する目的のため自己スパッタやハイパワーでのスパッタが主流となっている。通常、スパッタにおいてはターゲットの消耗とともに回路のインピーダンスが変化するため、電力量を一定に制御してターゲットの全寿命を通じて均質な膜厚分布や成膜速度を維持するようにしている。
［０００３］ ところが、昨今の自己スパッタやハイパワースパッタにおいては、ターゲットの寿命を通じての電流、電圧の変動が大きく、極めて容量の大きな電源を必要とするため、成膜装置が非常に高価なものになってしまうという問題が生じてきた。
［０００４］ これまで、膜厚分布を改善する又はパーテイクルの低減の目的でターゲットの表面形状を加工することが、例えば特許文献１や特許文献２に示されている。
しかし、スパッタ装置の電流、電圧変動がターゲットの表面積により制御され得ることに触れている報告は殆んどない。ましてや、定量的な表面積の影響については、全く知見が得られていないのが現状である。
【特許文献１】特開昭６２−３７３６９号
【特許文献２】特開２００４−８４００７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
［０００５］ 本発明は、自己スパッタやハイパワースパッタ化により、ターゲットの全寿命を通し

【０００６】
【実施例】
［００１７］ 以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例のみに制限されるものではない。すなわち、本発明に含まれる他の態様または変形を包含するものである。
［００１８］ （実施例４−７、１１−１４、１８−２１）
本実施例のターゲットの断面形状を図１のＡに示す。実施例においては、市販の純度６Ｎの銅ターゲット、４Ｎ５のＴａターゲット及び５ＮのＴｉターゲットを用いて８“ウエハー用のＥｎｄｕｒａスパッタリング装置を使用した。
マグネットは２種類であり、スパッタ条件は全て同一として、まず、ターゲットの表面積のみを変化させ、ターゲットの寿命を通じての電圧変化とユニフォーミテイの変化を調べた。
ターゲットの寿命はターゲット材により異なるが、同じターゲット材質においては±１０％以内に入るように調整した。スパッタパワーは１０ｋｗであり、バッキングプレートはＣｕ合金である。
ターゲットの表面積とターゲット寿命を通じての電圧変動を、表１にまとめた。ユニフォーミテイはターゲットの寿命を通じての平均値である。
本実施例４−７、１１−１４、１８−２１については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも小さく良好な値を示した。スパッタパワーが１０ｋｗと低いので、ターゲットの反りは特に問題となることはなかった。
［００１９］
【表１】

【０００７】

［００２０］（比較例１−９）
本比較例については、ターゲット材料及びスパッタ条件については、実施例４−７、１１−１４、１８−２１と同一条件とし、表面積のみを変化させた。
ターゲットの表面積とターゲット寿命を通じての電圧変動を、同様に表１にまとめた。ユニフォーミテイはターゲットの寿命を通じての平均値である。
本比較例１−９については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも大きくなり不良となった。なお、スパッタパワーが１０ｋｗと低いので、ターゲットの反りは特に問題となることはなかった。

【０００８】
［００２１］（実施例２５−２７、３１−３３、３７−３９）
次に、スパッタパワーを上げて、図１のＢに示される形状のターゲットを用いて、前述と同様の試験を行い、電圧変動に加えて、ユニフォーミテイとターゲットの反りを調べた。スパッタパワーは４０ｋｗである。また、バッキングプレートは銅合金である。この結果を表２にまとめた。
本実施例２５−２７、３１−３３、３７−３９については、電圧変化及びユニフォーミテイは、いずれも小さく良好な値を示した。また、スパッタパワーが４０ｋｗと高く、ターゲットの反りが生ずるおそれがあったが、表２に示す通り、図１Ｂに示すバッキングプレートの形状効果により、反りが小さく、これによる問題は特に発生しなかった。
［００２２］
【表２】

［００２３］（比較例１０−１５）
本比較例についでは、ターゲット材料及びスパッタ条件については、実施例２７−３

Claims (11)

1. エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットであって、その表面積が、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
2. エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットであって、ターゲット表面領域に１又は複数の凹部を備え、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
3. ターゲット表面領域に形成された凹部が１又は複数の環状の凹部であることを特徴とする請求項２記載のスパッタリングターゲット。
4. 凹部が、エロージョンが比較的緩やかなターゲット表面領域に形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のスパッタリングターゲット。
5. 凹部の形状がV字型、円弧型、角型の断面を有する溝であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。
6. エロージョン部及び非エロージョン部が形成される板状ターゲットとバッキングプレートとの組立体であって、ターゲット表面領域に１又は複数の凹部を備え、ターゲットが平面であると仮定した場合の表面積の100％を超え、125％未満であり、かつターゲット表面の凹部に相当する位置のバッキングプレートの板厚が他の部分より厚い板厚を備えていることを特徴とするスパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体。
7. ターゲット表面領域に形成された凹部が１又は複数の環状の凹部であることを特徴とする請求項６記載のスパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体。
8. 凹部が、エロージョンが比較的緩やかなターゲット表面領域に形成されていることを特徴とする請求項６又は７記載のスパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体。
9. 凹部の形状がV字型、円弧型、角型の断面を有する溝であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のスパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体。
10. 請求項１〜５のいずれかに記載のスパッタリングターゲットを用いた成膜装置。
11. 請求項６〜９のいずれかに記載のスパッタリングターゲット−バッキングプレート組立体を用いた成膜装置。
    

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