WO2006054409A1 - 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

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 Download PDF

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Hirohito Miyashita
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3435—Target holders (includes backing plates and endblocks)

Definitions

  • the present invention provides a sputtering target and a sputtering target that can provide a low-cost sputtering apparatus by providing a power supply design of the sputtering apparatus by suppressing changes in voltage and current caused by consumption of the target during sputtering in sputtering.
  • the present invention relates to a tobacking plate assembly and a film forming apparatus.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 describe processing of the surface shape of a target for the purpose of improving the film thickness distribution or reducing particles.
  • Patent Document 1 JP-A 62-37369
  • Patent Document 2 JP 2004-84007
  • the present invention achieves the entire life of the target by using self-sputtering and high-power sputtering.
  • Sputtering targets, sputtering target-backing plate assemblies, and the like that make it possible to use low-capacity and low-cost power supply devices by minimizing electrical fluctuations in the sputtering circuit as much as possible
  • the present invention relates to a film forming apparatus.
  • Shape force of the concave portion The sputtering target according to any one of the above items 2 to 4, which is a groove having a cross-section of a letter shape, an arc shape, or a square shape.
  • a plate-like target and a backing plate on which an erosion part and a non-erosion part are formed Assembly with one or more recesses in the target surface area, more than 100% and less than 125% of the surface area assuming that the target is planar, and Sputtering target-backing plate assembly, wherein the thickness of the backing plate at a position corresponding to the recess is thicker than that of the other portions
  • Shape force of the concave portion The sputtering target according to any one of the above 6 to 8, which is a groove having a cross-section of a character shape, an arc shape, or a square shape.
  • the present invention has an excellent effect that the impedance change of the force sword circuit can be suppressed small by appropriately increasing the surface area of the target.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the shape of a grooved target of the present invention (A: schematic cross-sectional view of a target having a V-shaped groove, B: varying the thickness of the target. Cross-sectional schematic view of the backing plate assembly).
  • the voltage As for the voltage, power of 500V or more is necessary. In some cases, a power supply that supports voltage fluctuations of several hundred volts is required throughout the life of the target, and the cost of the power supply unit in the device cannot be ignored.
  • a target used for sputtering is usually a disk-shaped target with a flat surface, but as the target is consumed, the surface of the target becomes uneven, which is considered to cause voltage fluctuations.
  • a voltage is applied to a sputtering target having a plate-like target having an erosion part and a non-erosion part of the target and having a surface area of more than 100% and less than 125% in the case of a plane (imaginary plane). Fluctuation is less and It was also possible to keep the fluctuations in the allowable range.
  • the increase in surface area can be achieved by forming irregularities on the target surface. Further, this effect is not limited to a specific target material, but can be said in common regardless of the type of the target material, as shown in Examples described later.
  • the shape of the unevenness and the part of the target to be formed do not affect the voltage fluctuation so much, but the unevenness in the area where the erosion is relatively milder reduces the fluctuation of the formability. was also found at the same time.
  • the shape of the irregularities is preferably one or a plurality of annular grooves having a V-shaped, arc-shaped, or square-shaped cross section from the viewpoint of the cost of forming grooves by machining. It goes without saying that the grooves and irregularities other than the ring are also included in the scope of the present invention.
  • the cross-sectional shape of the target of this example is shown in FIG.
  • a commercially available 6N pure copper target, 4N5 Ta target, and 5N Ti target were used for an 8 "wafer Endura sputtering system.
  • the life of the target differs depending on the target material, but it was adjusted so that it would be within ⁇ 10% for the same target material.
  • Sputtering power is 10kw and the backing plate is Cu alloy.
  • Table 1 summarizes the voltage fluctuations throughout the target surface area and target life. The uniformity is the average over the life of the target.
  • the target material and sputtering conditions were the same as in Examples 1-21, and only the surface area was changed.
  • Table 1 summarizes the target surface area and voltage variation over the target life.
  • the formality is an average value over the life of the target.
  • the sputtering power was increased, and the same test as described above was performed using the target having the shape shown in Fig. 1B. In addition to the voltage fluctuation, the uniformity and the warpage of the target were examined.
  • the sputter power is 40kw.
  • the backing plate is a copper alloy. The results are summarized in Table 2.
  • Example 22-3 the target material and sputtering conditions are shown in Example 22-3. Under the same conditions as 9, the surface area and the target shape were changed. As the target shape, a target having the shape shown in FIG. 1A was used. The results are also shown in Table 2. In Comparative Examples 10-15, the voltage change and the formability were both large and were poor.
  • the sputter power was as high as 40 kW, the target warped. As a result, when the sputtering power is high, it has been found that there is a problem with the conventional backing plate that does not have a thickness.
  • Comparative Example 10 and Comparative Example 15 fall within the scope of the present invention in terms of force in terms of surface area.
  • the sputter power is increased to 40 kw, there is a problem that warpage is slightly increased. Therefore, when the sputtering power is low, the target shape of FIG. 1A is sufficient, but when sputtering is performed with a high sputtering power, it is desirable to set the target shape to the shape of FIG. 1B. I understand that.

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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

明 細 書
スパッタリングターゲット、スパッタリングターゲット一バッキングプレート組 立体及び成膜装置
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ーバツキ 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ゃノヽィパワーでのスパッタが主流となつ 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 、る。
[0003] ところが、昨今の自己スパッタゃハイパワースパッタにお 、ては、ターゲットの寿命 を通じての電流、電圧の変動が大きぐ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ィ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 ヽる。
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 ヽな 、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
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 本発明は、自己スパッタゃ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ー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。
課題を解決するための手段
[0006] 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、力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つ た。 一方、表面積を大きくすることは、スパッタした膜のュ-フォーミティが変化し、 あまりに面積が大きくなつてしまうとュ-フォーミティが悪ィ匕していくことがわ力つた。 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、ュ-フォーミティ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 ることち半 IJ明した。
[0007] 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)凹部の形状力 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。
[0008] 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ー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)凹部の形状力 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ーバッキングプレートを 用いた成膜装置。
発明の効果
[0009] 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、力ソード回路のインピ 一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ュ-フォーミティが変化し 、過大な面積はュ-フォーミティが悪ィ匕するので、適度な面積が必要である力 本発 明にお 、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、ュ-フォーミティ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。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]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)。 発明を実施するための最良の形態
[0011] ターゲットを力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 子力 Sイオンィ匕し、さらにスパッタを行ういわゆる自己スパッタにおいて、基板となるゥェ 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!ヽては 500V以上力 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。
[0012] 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 一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。
[0013] し力しながら、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力つた。同時に、ターゲットの表面積が大きくなつて いくとターゲットの寿命を通したュ-フォーミティの変化が大きくなつてしまうことも判 明した。
[0014] 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、ュ-フォーミテ ィの変動も許容できる範囲におさまることがわ力 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ぐ後述する実施 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ュ- フォーミティ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。
[0015] 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、ュ-フォーミティが悪ィ匕したり、シールドとの アーキングが起きて異常パーティ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、ノ 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つたが、あまり効果的ではな力つた。
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、ノ 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。
[0016] 厚くする部分は凹部のみに限っているわけではなぐ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。
し力しながら、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。 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 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"ウェハー 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ュ-フォーミティの変化 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。ュニフ ォーミティ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、電圧変化及びュ-フォーミティは、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]
Figure imgf000009_0001
実施例 1〜3、 8-10, 〜 17の表面積計算にはターゲットエッジ傾斜部は含まなレ、。 (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 。ュ-フォーミティ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、電圧変化及びュ-フォーミティは、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。 [0021] (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、ュ-フォーミティ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、電圧変化及びュ-フォーミティは、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と高ぐ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、 反りが小さぐこれによる問題は特に発生しな力 た。
[0022] [表 2]
Figure imgf000010_0001
実施例 22〜24、 28〜30、 34〜36の表面積計算にはターゲッ トエッジ傾斜は含まない,
[0023] (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— 3 9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、電圧変化及びュ-フォーミティは、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。これによつて 、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力つた。
[0024] なお、比較例 10 比較例 15は、表面積だけ力も見ると、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 、と 、うことが分かる。
産業上の利用可能性
[0025] ターゲットの表面積を適度に大きくすることにより、力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、自己スパッタゃ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ュ-フォーミティ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、ュ-フォーミティ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。

Claims

請求の範囲
[I] 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ー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ー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ー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ー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。
[II] 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ーバッキングプレート組 立体を用いた成膜装置。
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