JPH11340165A - スパッタリング装置及びマグネトロンユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボトムカバレッジ率、堆積率及び膜厚の面内
均一性をバランスよく改善することができるスパッタリ
ング装置を提供すること。 【解決手段】 本発明は、マグネトロンユニット３０を
有するスパッタリング装置１０において、ターゲット１
６のエロージョン面を、ペディスタル１８により保持さ
れたウェハＷと同軸である円形の内側領域Ａと、該内側
領域の外側に隣接しこれを取り囲む環状の外側領域Ｂと
に区画し、マグネトロンユニット３０を、内側領域近傍
におけるプラズマを制御する磁界を発生する第１のサブ
ユニット３４ｉと、外側領域近傍におけるプラズマを制
御する磁界を発生するサブユニット３４ｏとから構成し
たことを特徴とする。内側領域Ａからの被スパッタ粒子
は指向性があるため、高ボトムカバレッジ率が得られ
る。また、ターゲット・ウェハ間を接近させても、外側
領域Ｂからの被スパッタ粒子により面内均一性が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス等
の製造に際して用いられるマグネトロン式のスパッタリ
ング装置及びそのためのマグネトロンユニットに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体デバイスの高集積化に伴い
配線パターンの微細化が進み、スパッタリング法により
コンタクトホールやビアホール等に効率よく成膜するこ
とが困難となってきている。例えば、標準的なマグネト
ロン式スパッタリング装置において、微細なホールを有
する半導体ウェハ表面に対して成膜を行った場合、ホー
ルの入口部にオーバーハングが形成され、ボトムカバレ
ッジ率が損なわれるという問題がある。このため、コリ
メーションスパッタリング法や遠隔（ロングスロー）ス
パッタリング法等の新技術が開発されている。

【０００３】コリメーションスパッタリング法とは、タ
ーゲットとウェハとの間にコリメータと呼ばれる多数の
孔を有するプレートを設置し、被スパッタ粒子をコリメ
ータの孔に通すことで、本来無指向性である被スパッタ
粒子に指向性をもたせ、ウェハ上に主として垂直成分の
被スパッタ粒子のみを堆積する技術をいう。

【０００４】また、遠隔スパッタリング法は、ターゲッ
トとウェハとの間の距離を従来の標準的なスパッタリン
グ装置に比して相当に長くする方法である。この方法で
は、ウェハに対して大きな角度で進む被スパッタ粒子は
ウェハの外側の領域に達し、ほぼ垂直方向に進むスパッ
タ粒子のみがウェハに堆積することとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したコリメーショ
ンスパッタリング法及び遠隔スパッタリング法のいずれ
も高いボトムカバレッジ率が得られ、配線パターンの微
細化に対応した成膜技術である。

【０００６】しかしながら、コリメーションスパッタリ
ング法においては、コリメータに被スパッタ粒子が付着
し、その付着量が多くなると目詰まりを起こし、成膜の
均一性や堆積率の悪化を招くおそれがある。また、コリ
メータに付着した膜が剥離した場合には、ウェハ上の異
物となり、デバイス不良の原因となる。更に、コリメー
タがプラズマにより高温となり、ウェハの温度制御に影
響するという問題点もある。また、被スパッタ粒子の直
進性が強いため、サイドカバレッジ率が不十分となるこ
ともある。

【０００７】一方、低圧遠隔スパッタリング法の場合は
ターゲットとウェハとの間には何も存在しないため、コ
リメータの交換のような保守作業は必要ないが、ターゲ
ット・ウェハ間が長いため、堆積率が極端に悪いという
問題がある。また、被スパッタ粒子を確実に垂直方向に
堆積していくためには、被スパッタ粒子が飛行している
途中でガス分子に衝突しないよう、放電圧力を可能な限
り低くしなければならない。このため、低圧状態でも安
定した放電が可能なように、専用のマグネトロンユニッ
トを用意しなければならず、装置が高価なものとなって
いた。更に、ウェハの中心部分と周辺部分との間の堆積
率が異なり、ウェハ全面にわたる膜厚の均一性が悪い。

【０００８】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、上記問題点を解決すること、特
にボトムカバレッジ率、堆積率及び膜厚の面内均一性を
バランスよく改善することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、堆積率
を高めるためにターゲットとウェハとの間の距離を小さ
くした場合、スパッタリングによるエロージョンを受け
るターゲットの面（エロージョン面）の面積を小さくす
れば、ボトムカバレッジ率も同時に改善できることを見
いだした。

【００１０】図４はその理由を示したものである。大小
２つのターゲット１，２及びウェハＷを図４に示すよう
な位置関係で配置した場合、大径のターゲット１の外周
縁からの被スパッタ粒子がウェハＷの外周縁に到達する
ときの入射角度と、小径のターゲット２の外周縁からの
被スパッタ粒子がウェハＷの同位置に到達するときの入
射角度とは同じとなる。これは、ターゲットをウェハに
接近させ且つエロージョン面を小さくすれば、指向性な
いしはボトムカバレッジ率については改善されることを
意味している。勿論、ターゲットとウェハとの間の距離
が短いので堆積率が向上することも意味している。

【００１１】しかしながら、エロージョン面を単に小さ
くしただけでは、膜厚がウェハの周縁から中心に向かう
ほど厚くなり、膜厚不均一という問題点が依然として残
ってしまう。

【００１２】そこで、本発明は、真空チャンバと、この
真空チャンバ内でウェハを保持する保持手段と、保持手
段により保持されたウェハにエロージョン面が対向する
ように設けられたターゲットと、真空チャンバ内にプロ
セスガスを供給するガス供給手段と、真空チャンバ内を
減圧する減圧手段と、真空チャンバ内に供給されたプロ
セスガスをプラズマ化するプラズマ化手段と、前記ター
ゲットの前記エロージョン面とは反対の側に配置された
マグネトロンユニットとを備えるスパッタリング装置に
おいて、前記ターゲットのエロージョン面を、保持手段
により保持されたウェハと同軸である円形の内側領域
と、該内側領域の外側に隣接しこれを取り囲む環状の外
側領域とに区画し、前記マグネトロンユニットを、前記
内側領域近傍におけるプラズマを制御する磁界を発生す
る第１のサブユニットと、前記外側領域近傍におけるプ
ラズマを制御する磁界を発生する第２のサブユニットと
から構成し、更に、ウェハ上に成膜された薄膜の膜厚が
ウェハの表面全体にわたり均一となるよう前記第１のサ
ブユニット及び前記第２のサブユニットを構成したこと
を特徴としている。

【００１３】かかる構成においては、ターゲットの内側
領域からの被スパッタ粒子は、マグネトロンユニットの
第１のサブユニットが作る磁界により制御され、指向性
を有するものとなる。従って、ターゲット・ウェハ間の
距離を短くすれば、高ボトムカバレッジ率を維持したま
ま、高堆積率も確保することができる。

【００１４】一方、外側領域からの被スパッタ粒子は、
マグネトロンユニットの第２のサブユニットが作る磁界
により制御され、主としてウェハの周縁部分における成
膜に影響を与える。従って、内側領域からの被スパッタ
粒子のみでは膜厚が不足するウェハの周縁部分に補充的
な被スパッタ粒子を供給することができ、膜厚の面内均
一性を確保することが可能となる。

【００１５】なお、エロージョン面の内側領域の直径
は、ウェハの直径と実質的に同一若しくはそれ以下とす
ることが好ましい。

【００１６】また、マグネトロンユニットの構成として
は、ターゲットに対して平行に配置されたベースプレー
トと、それぞれの両磁極端がターゲットに向くようベー
スプレートに固定された複数のマグネットと、ベースプ
レートを回転駆動させる駆動モータとを備えるものであ
って、複数のマグネットを２重の環状配列に配置し、前
記第１のサブユニットを内側の環状配列の前記マグネッ
トから構成すると共に、第２のサブユニットを外側の環
状配列の前記マグネットの少なくとも一部から構成した
ものがある。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の好適な
実施形態について詳細に説明する。

【００１８】図１には、本発明が適用されたマグネトロ
ン式スパッタリング装置が概略的に示されている。この
スパッタリング装置１０は、内部に真空チャンバ１２を
形成するハウジング１４と、ハウジング１４の上部開口
部を閉じるよう配置された円盤形のターゲット１６とを
備えている。ターゲット１６の円形の下面はその全面が
スパッタリングによるエロージョンを受けるエロージョ
ン面となっている。

【００１９】真空チャンバ１２内には、被処理基板であ
る半導体ウェハＷを上面で保持するペディスタル１８が
配設されている。ペディスタル１８の上面は、ターゲッ
ト１６の下面に対して平行に対向配置されており、ペデ
ィスタル１８上の所定位置に保持されたウェハＷはター
ゲット１６の下面に対して平行且つ同軸となる。図示実
施形態では、ターゲット１６の寸法、及び、ペディスタ
ル１８とターゲット１６との間の間隔については従来の
標準的なスパッタリング装置と同等とされている。

【００２０】ハウジング１４には排気ポート２０が形成
されている。この排気ポート２０にはクライオポンプ等
の真空ポンプ（図示せず）が接続されており、これを作
動させるることにより真空チャンバ１２内が減圧され
る。また、図示しないガス供給源からプロセスガスとし
てアルゴンガスがポート２２を通して真空チャンバ１２
内に供給されるようになっている。

【００２１】ターゲット１６とペディスタル１８（即
ち、ウェハＷ）とにはそれぞれ、直流電源２４の陰極と
陽極が接続されている。真空チャンバ１２内に放電用ア
ルゴンガスを導入してターゲット１６とペディスタル１
８ウェハＷとの間に電圧をかけると、グロー放電が発生
する。この時、プラズマ中のアルゴンイオンがターゲッ
ト１６の下面に衝突し、ターゲット原子（被スパッタ粒
子）をはじき出し、このターゲット原子がウェハＷ上に
堆積して薄膜が形成されるのである。

【００２２】ターゲット１６の下面とは反対の側、即ち
ターゲット１６の上方には、ターゲット１６近傍におけ
るプラズマの密度を高めるためのマグネトロンユニット
３０が配置されている。図２にも示すように、このマグ
ネトロンユニット３０は、円形のベースプレート３２
と、ベースプレート３２上に所定の配列で固定された複
数のマグネット３４とから構成されている。ベースプレ
ート３２はターゲット１６の上方に同軸に配置され、そ
の上面の中心には駆動モータ３６の回転軸３８が接続さ
れている。従って、駆動モータ３６を作動させてベース
プレート３２を回転させると、各マグネット３４はター
ゲット１６の上面に沿って旋回し、各マグネット３４に
よる磁界が一カ所で静止されるのを防止することができ
る。

【００２３】各マグネット３４は、図３に明示するよう
に、強磁性体から成る平板状のヨーク部材４０と、ヨー
ク部材４０の各端部に固着された棒磁石４２，４４とか
ら構成されている。２本の棒磁石４２，４４は同一方向
に延び、マグネット３４の全体形状は略Ｕ字状となって
いる。また、一方の棒磁石４２の自由端はＮ極、他方の
棒磁石４４の自由端はＳ極とされている。この実施形態
では、各棒磁石４２，４４の端面の面積は実質的に等し
くされている。これにより、各マグネット３４におい
て、棒磁石４２，４４の磁極端面間で延びる磁力線はほ
ぼ平衡する（図３の破線を参照）。また、棒磁石４２，
４４の端面とは反対側の領域においては、磁気回路が強
磁性体のヨーク部材４０から形成されているため、漏れ
磁束は殆ど生じない。

【００２４】このようなマグネット３４は、ヨーク部材
４０の背面をベースプレート３２に接触させた状態で適
当な固定手段、例えばねじ４６等によりベースプレート
３２に固定される。かかる構成では、マグネット３４は
固定位置を自由に変更することが可能であり、マグネッ
ト３４の配列は種々考えられるが、図示実施形態におい
ては、マグネット３４は図２に示すような二重の環状配
列とされている。

【００２５】内側環状配列のマグネット３４ｉ（添字ｉ
は内側の環状配列を表す）の全て、及び、外側環状配列
のマグネット３４ｏ（添字ｏは外側の環状配列を表す）
の一部３４ｏａは、ターゲット１６下面の内側領域Ａ近
傍の空間にて磁界を形成し当該空間部分のプラズマを制
御し、ひいてはその内側領域Ａに対するスパッタリング
を制御するものである。ここで、ターゲット１６下面の
内側領域Ａとは、ペディスタル１８に保持されたウェハ
Ｗと同軸の円形領域であって、その直径がウェハＷの直
径と実質的に同一若しくはそれ以下である領域をいう。

【００２６】また、残りの外側環状配列のマグネット３
４ｏｂは、ターゲット１６下面の外側領域Ｂ近傍の空間
にて磁界を形成し当該空間部分のプラズマを制御し、ひ
いてはその外側領域Ｂに対するスパッタリングを制御す
るものである。ターゲット下面の外側領域Ｂは、内側領
域Ａの外側に隣接してこれを囲む環状領域である。な
お、図２における符号Ａ′，Ｂ′は、マグネトロンユニ
ット３０のベースプレート３２にこれらの領域Ａ，Ｂに
対応する領域を示したものであり、一点鎖線は両者を区
画する境界線である。

【００２７】前述したように、各マグネット３４におい
てトンネル状の磁界が形成される（図３の破線を参
照）。この磁界により、ターゲットの下面近傍における
プラズマＰの密度が高められ、この磁界が位置している
部分でのスパッタリングが促進される。

【００２８】ターゲット１６下面の内側領域Ａに対する
スパッタリングにより生じた被スパッタ粒子は、図４を
参照して説明した通り、ウェハＷの表面に対して垂直に
入射するものが水平成分よりも多く、これにより高いボ
トムカバレッジ率が得られる。また、ターゲット１６と
ペディスタル１８との間の間隔も標準的なスパッタリン
グ装置と同等であるため、堆積率についても損なわれる
ことはない。

【００２９】その一方、ターゲット１６下面の内側領域
Ａからの被スパッタ粒子のみでは、ウェハＷの周縁部分
における堆積膜の膜厚が薄くなる傾向がある。そこで、
ターゲット１６下面の外側領域Ｂからの被スパッタ粒子
を主としてウェハＷの周縁部分上に堆積させ、膜厚の面
内均一性を向上するように、外側環状配列のマグネット
３４ｏｂの構成及び固定位置を定めている。このターゲ
ット１６の外側領域Ｂからの被スパッタ粒子はウェハＷ
の表面に対する入射角度が小さくなるため、サイドカバ
レッジ率の向上にも寄与する。

【００３０】なお、図２に示すマグネット３４の内側と
外側の各環状配列は完全な円形ではなく、その重心位置
もベースプレート３２の中心に配置されていない。これ
は、ベースプレート３２が駆動モータ３６により回転駆
動され、その動きに伴って磁界がターゲット１６の下面
全体を横切ることができるようにしたものである。

【００３１】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない
ことはいうまでもない。

【００３２】例えば、マグネット３４の配列は適宜変更
可能である。上記実施形態では、内側環状配列のマグネ
ット３４ｉ及び外側環状配列の一部のマグネット３４ｏ
ａは、ターゲット１６下面の内側領域Ａ近傍のプラズマ
Ｐを制御するマグネトロンユニット３０の第１サブユニ
ットとして機能し、外側環状配列の残りのマグネット３
４ｏｂが外側領域Ｂ近傍のプラズマＰを制御する第２サ
ブユニットとして機能するものであるが、外側環状配列
のマグネット３４ｏの全てが第２サブユニットとして機
能するよう配置してもよい。また、上記実施形態では複
数のマグネットを環状に並べた不連続なものであるが、
各サブユニットは１個の環状のマグネットから構成して
もよく、ターゲット１６下面の内側領域Ａ近傍と外側領
域Ｂ近傍に形成される磁界をそれぞれ別個に制御するこ
とができるものであるならば、第１及び第２のサブユニ
ットは電磁石等を用いた他の型式のものであってもよ
い。

【００３３】また、ターゲット１６の内側領域Ａの寸法
についても、内側領域Ａからの被スパッタ粒子が指向性
をある程度持つような寸法であればよい。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、ターゲッ
トを小径の内側領域と外側領域とに区画し、それぞれの
領域に対するスパツタリングを制御できるようにしたこ
とを特徴としている。従って、内側領域からの被スパッ
タ粒子によって、カバレッジ率及び堆積率の向上を図る
ことができ、また、外側領域からの被スパッタ粒子によ
り膜厚の面内均一性の向上を図ることができる更に、コ
リメータをターゲットとウェハとの間に配置する必要性
もないので、コリメータによる弊害も生じない。また、
ターゲットとウェハとの間を近づけてもよいので、真空
チャンバ内を遠隔スパッタリング法ほど、プロセス中の
圧力を低くする必要もない。

【００３５】このように、本発明は、カバレッジ率、堆
積率、膜厚の面内均一性等をバランスよく改善すること
ができ、半導体デバイスの高集積化、微細化に対応可能
な優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施形態を示す概略説明図であ
る。

【図２】図１におけるマグネトロンユニットを下方から
見た状態を示す図である。

【図３】マグネトロンユニットに用いられるマグネット
の構成を示す概略説明図である。

【図４】ターゲットの大きさ及びウェハに対する位置、
被スパッタ粒子の入射角度の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…スパッタリング装置、１２…真空チャンバ、１４
…ハウジング、１６…ターゲット、１８…ペディスタル
（保持手段）、２４…電源（プラズマ化手段）、３０…
マグネトロンユニット、３２…ベースプレート、３４…
マグネット、３６…駆動モータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 恒岡 正年 千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内 アプライド マテリアルズ ジャパン 株式会社内 (72)発明者 神保 毅 千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内 アプライド マテリアルズ ジャパン 株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバと、 前記真空チャンバ内でウェハを保持する保持手段と、 前記保持手段により保持されたウェハにエロージョン面
   が対向するように設けられたターゲットと、 前記真空チャンバ内にプロセスガスを供給するガス供給
   手段と、 前記真空チャンバ内を減圧する減圧手段と、 前記真空チャンバ内に供給されたプロセスガスをプラズ
   マ化するプラズマ化手段と、 前記ターゲットの前記エロージョン面とは反対の側に配
   置されたマグネトロンユニットとを備えるスパッタリン
   グ装置において、 前記ターゲットの前記エロージョン面は、前記保持手段
   により保持されたウェハと同軸である円形の内側領域
   と、該内側領域の外側に隣接しこれを取り囲む環状の外
   側領域とに区画され、 前記マグネトロンユニットは、前記内側領域近傍におけ
   るプラズマを制御する磁界を発生する第１のサブユニッ
   トと、前記外側領域近傍におけるプラズマを制御する磁
   界を発生する第２のサブユニットとを有し、 前記ウェハ上に成膜された薄膜の膜厚が前記ウェハの表
   面全体にわたり均一となるよう前記第１のサブユニット
   及び前記第２のサブユニットを構成したことを特徴とす
   るスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 前記エロージョン面の前記内側領域の直
   径は、前記ウェハの直径と実質的に同一であることを特
   徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 【請求項３】 前記マグネトロンユニットは、前記ター
   ゲットに対して平行に配置されたベースプレートと、そ
   れぞれの両磁極端が前記ターゲットに向くよう前記ベー
   スプレートに固定された複数のマグネットと、前記ベー
   スプレートを回転駆動させる駆動モータとを備え、 前記複数のマグネットは２重の環状配列に配置され、 前記第１のサブユニットは、内側の環状配列の前記マグ
   ネットから構成され、 前記第２のサブユニットは、外側の環状配列の前記マグ
   ネットの少なくとも一部から構成されていることを特徴
   とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 スパッタリング装置においてターゲット
   のエロージョン面とは反対の側に配置されるマグネトロ
   ンユニットであって、 ベースプレートと、それぞれの両磁極端が前記ターゲッ
   トに向くよう前記ベースプレートに固定された複数のマ
   グネットと、前記ベースプレートを回転駆動させる駆動
   モータとを備え、 前記複数のマグネットは２重の環状配列に配置され、 内側の環状配列の前記マグネットは、前記ターゲットの
   エロージョン面の円形の内側領域近傍におけるプラズマ
   を制御する磁界を発生させるものであり、 外側の環状配列の前記マグネットは、前記ターゲットの
   エロージョン面の外側領域近傍におけるプラズマを制御
   する磁界を発生させるものであることを特徴とするマグ
   ネトロンユニット。
5. 【請求項５】 前記エロージョン面の前記内側領域は、
   前記スパッタリング装置の真空チャンバ内で保持された
   ウェハと同軸であり且つ該ウェハの直径と実質的に同一
   な直径を有する円形領域であり、前記エロージョン面の
   前記外側領域は、前記内側領域の外側に隣接しこれを取
   り囲む環状領域であることを特徴とする請求項４に記載
   のマグネトロンユニット。