(57)【要約】【課題】  大型の基板の場合でも、必要な成膜速度を維持してボトムカバレッジ率を向上させることができるようにする。【解決手段】  カソード２を構成する磁石機構４は、ターゲット５の表面のある場所から出てターゲット５の表面の他の場所に入る漏洩磁力線をターゲット５の表面上に周状に連ねて周状磁界を複数設定する、これによって磁石機構４の静止時には周状となるエロージョン領域５０が交差せずに複数形成される。エロージョン領域５０のうちのエロージョン最深部から最も大きな入射角でスパッタ粒子が基板３０に入射する箇所のその入射角は、一つのエロージョン領域の場合に比べて小さくなる。【選択図】  図３
2006241598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系を備えた真空容器と、真空容器内の所定の位置に配置された円板状のターゲットと、ターゲットの表面側に磁界を設定する磁石機構とを具備し、ターゲットに対向させて円形の基板を同一中心軸上に平行に配置し、前記磁石機構が作る磁界によって電子を捉えながらターゲットをスパッタして基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置であって、
前記磁石機構は、ターゲットの表面のある場所から出てターゲットの表面の他の場所に入る漏洩磁力線を設定するとともにこのような漏洩磁力線をターゲットの表面上に周状に連ねて形成される周状磁界を設定するものであり、当該磁石機構がターゲットに対して相対的に静止している場合には周状となるエロージョン領域がこの周状磁界によってターゲットの表面上に形成されるスパッタリング装置において、
前記磁石機構は、ターゲット側の表面が第一の磁極である第一磁極磁石と、ターゲット側の表面の磁極が第一の磁極とは異なる第二の磁極である第二磁極磁石とを有しており、
第一磁極磁石は、平面で見た際、ターゲットの周縁に沿って延びるとともにターゲットの中心軸上に中心がある円周部と、円周部の内側を区画する区画部とから成り、区画部は、ターゲットの中心軸を外れた位置において延びていて円周部の内側を大きさの異なる二つの領域に区画しており、
第二磁極磁石は、第一磁極磁石の区画部によって区画された円周部内の二つの領域にそれぞれ配置されており、
第一磁極磁石及び各第二磁極磁石により、ターゲットの表面上に前記周状磁界が複数設定され、前記周状となるエロージョン領域が交差しないようにして複数形成されるようになっていることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記基板は前記ターゲットから１５０ｍｍ以上３６０ｍｍ以下の距離にて配置されることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記磁石機構をターゲットの中心軸の周りに回転させる回転機構を具備していることを特徴とする請求項１又は２記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の発明は、スパッタリング装置、特に、半導体集積回路等の製作の際の成膜工程で使用されるスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリングによる薄膜作成、とりわけ高集積化した半導体デバイスの製作における成膜工程に用いられるスパッタリングでは、高アスペクト比の微細ホール底部へ被覆性よく成膜すること、即ちボトムカバレッジ率の向上が強く求められている。
こうした要求に対して、入射角の小さなスパッタ粒子のみを微細ホールに入射させて成膜する工夫がなされてきた。この一つが、コリメートスパッタと呼ばれるものである。
【０００３】
図１０は、ボトムカバレッジ率を向上させた従来のスパッタリング装置の一例であるコリメートスパッタリング装置の概略を説明した図である。図１０に示す装置は、真空容器１内にカソード２と基板ホルダ３とを対向配置している。カソード２は、磁石機構４と、磁石機構４の前側に配設されたターゲット５とから構成され、基板ホルダ３の前面には成膜する基板３０が載置される。
そして、カソード２と基板ホルダ３との間の空間には、コリメーター６が設けられる。コリメーター６は、基板３０に対して垂直な方向（以下、軸方向）が高さ方向となるような小さな筒状の部材をセグメント状に多数配置した構造であり、軸方向に沿ったスパッタ粒子の流路がセグメント状に多数形成されるようにしている。このような構造であり、しばしば「格子状」又は「蜂の巣状」等と称せられる。
【０００４】
ターゲット５から放出されるスパッタ粒子は余弦則に従う分布を持っているため、コリメーター６には入射角の大きなスパッタ粒子も多く入射する。しかし、このようなスパッタ粒子の多くは、コリメーター６の各流路の壁面の部分に付着するため、結果的にコリメーター６の部分を出射するスパッタ粒子は、出射角の小さなものがほとんどとなる。このため、基板３０には入射角の小さなもののみが入射するようになり、基板３０の表面に形成された微細ホールの底部に対する被覆性が向上する。
しかしながら、上記コリメートスパッタリング装置では、コリメーター６へのスパッタ粒子の付着によって、コリメーター６の各流路の断面積が小さくなり、コリメーター６を通過できるスパッタ粒子の量が経時的に減少する。このため、スパッタ速度が経時的に低下してしまう。
【０００５】
このような問題のない高ボトムカバレッジ率のスパッタリング装置として、ターゲット−基板間の距離（以下、ＴＳ距離）を長く（従来比３〜６倍）した低圧遠隔スパッタリング装置と呼ばれる装置が最近開発されている。図１１は、従来のスパッタリング装置の他の例である低圧遠隔スパッタリング装置の概略を説明した図である。
図１１に示す装置は、図１０と同様、真空容器１の内部にカソード２と基板ホルダ３を対向配設し、磁石機構４の前側にターゲット５を設けるとともに基板ホルダ３の前面に基板を載置するようにする。ＴＳ距離は、例えば１５０ｍｍ〜３６０ｍｍ程度とされる。また、真空容器１内の圧力は、従来より低く１ｍＴｏｒｒ程度以下としている。これは、スパッタ粒子の平均自由行程を長くしてスパッタ粒子の散乱を少なくするためである。スパッタ粒子の散乱が少なく結果、基板にほぼ垂直な向きに多くスパッタ粒子を入射させることが可能になり、微小ホールのボトムカバレッジ率を向上させることができる。
具体例を述べると、例えば特開平７−２９２４７４号公報では、ターゲット直径２５０ｍｍ、基板直径２００ｍｍ、ＴＳ距離３００ｍｍ、圧力３×１０-2Ｐａの条件で、ボトムカバレッジ率の向上が見られるとしている。
【特許文献１】特開平０４−０７４８６１号公報
【特許文献２】特開昭６２−００１８６５号公報
【特許文献３】特開平０５−２０９２６７号公報
【特許文献４】特開平０７−２９２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記公報の表３に記載されている通り、ボトムカバレッジ率向上のためＴＳ距離を長くすると、成膜速度が大幅に減少する。このため、低圧遠隔スパッタは、２５６メガビット以降のプロセス（線幅０．２５μｍ，アスペクト比４〜６）における微細ホールへの成膜に有効であるとされつつも、生産性の点で課題を残している。成膜速度を上げるためＴＳ距離を近づけると、ボトムカバレッジ率が低下するため、２５６メガビット以降のプロセスへの適用が困難となる。つまり、低圧遠隔スパッタにおいて、成膜速度とボトムカバレッジ率は、トレードオフの関係にあり、両立しない。
【０００７】
一方、スパッタプロセスに要請されている別の点は、基板の大型化への対応である。上述のような半導体デバイスのプロセスでは、一枚の基板から産出されるデバイスの数を多くして生産性を向上させるため、基板サイズは大型化する傾向がある。また、液晶ディスプレイを製作する際のガラス基板へのスパッタプロセスでも、表示面積を大きくするため基板が大型化する傾向がある。
このような基板サイズの大型化は、上記低圧遠隔スパッタにおけるＴＳ距離や成膜速度のファクターに複雑に絡み合ってくる。
まず、基板サイズが大型化すると、前述のような低圧遠隔スパッタでも、中心から離れた基板の周辺部では、ボトムカバレッジ率が不十分になるという問題が生ずる。この点を図１２及び図１３を使用して説明する。
【０００８】
図１２及び図１３は、図１１に示す装置を使用して、大型の基板に成膜する場合の問題点を説明した図であり、図１２は装置中のターゲットと基板の部分図、図１３は、基板の中心付近及び周辺部のボトムカバレッジ率を示した断面図である。
図１２に示すように、ターゲット５と基板３０とは平行に対向して配置され、その中心軸２０（中心を通り表面に垂直な軸）は同一直線上に位置する。尚、図１２には、中心軸２０から片側の部分が例示されている。
【０００９】
スパッタが行われると、ターゲット５の表面には図１２に斜線で示すようなエロージョン（侵食）が生ずる。この際、基板３０に形成された微小ホール３０１への成膜の状態は、中心付近と周辺部とでは、図１３に示すように異なる。即ち、図１３（Ａ）に示すように、基板３０の中心付近では、微小ホール３０１の底部に被覆性よく膜３０２が堆積する。しかしながら、ターゲット５の径より大きな部分の基板３０の周辺部では、図１３（Ｂ）に示すように、中心軸側から大きな入射角で入射するスパッタ粒子が多くなるため、微細ホール３０１のうち、基板３０の周縁側の壁面には膜３０２が堆積するものの、中心軸側の壁面や底面には堆積しない状態となる。
このような状態は、コンタクトホール内面へのバリアメタル（拡散防止膜）の形成などの場合に致命的な欠陥となってしまう。従って、基板が大型化する場合、それに応じてターゲットを大型化させなければならない。
【００１０】
さて、このような基板の大型化の問題が、前述した成膜速度とボトムカバレッジ率のために必要なＴＳ距離との非両立性の問題に複雑に絡み合い、問題をさらに増長させる。この点を、出願人の社内的なデータを使用しながら説明する。
図１４から図１７は、低圧遠隔スパッタに関する実験データを示したものである。このうち図１４は、ボトムカバレッジ率の圧力及びＴＳ距離依存性を示すデータであり、図１５は、得られた薄膜のシート抵抗分布の圧力及びＴＳ距離依存性を示すデータである。また、図１６及び図１７は、アスペクト比に対するボトムカバレッジ率の関係を示すデータであり、図１６がＴＳ距離３４０ｍｍ、図１７がＴＳ距離が２６０ｍｍの場合のデータである。尚、これらのデータは、基板直径６インチ、ターゲット直径２６９ｍｍの条件で得られている。
【００１１】
まず、図１４に示すように、低圧側においてボトムカバレッジ率の向上が見られ、ＴＳ距離６５ｍｍに比べＴＳ距離１００ｍｍの場合に高いボトムカバレッジ率が得られている。また、基板の中心付近に比べ、周辺部において高いボトムカバレッジ率が得られている。
また、図１５に示すように、ＴＳ距離を長くするとシート抵抗分布の均一性が悪化する傾向があるが、圧力を低くするとこの傾向は緩和される。即ち、２．０ｍＴｏｒｒ以下にすると、ＴＳ距離を長くしてもシート抵抗分布は殆ど変化していない。
【００１２】
次に、アスペクト比とボトムカバレッジ率の関係を見ると、図１６に示す様に、アスペクト比２において４０〜４５％のボトムカバレッジ率が得られている。一般的にボトムカバレッジ率は１５％程度あればデバイスの諸特性において問題が無いといわれており、このようなことからも低圧遠隔スパッタ法は格段に優れた技術であることが分かる。ちなみに、図１０に示すようなコリメートスパッタリング装置による場合、ボトムカバレッジ率は１５％程度であり、これと比べると低圧遠隔スパッタ法の優秀性が改めて分かる。
【００１３】
尚、図１６中、○印は基板の中心付近のボトムカバレッジ率を示し、●印は周辺部のボトムカバレッジ率を示している。両データとも殆ど同一線上に並んでおり、基板の面内におけるボトムカバレッジ率は高い均一性を維持していることが分かる。尚、成膜速度は、コリメートスパッタ法と同程度の６００オングストローム毎分程度であり、従来のスパッタに比べて約１／３〜１／４程に低下してしまっている。
一方、ＴＳ距離を２６０ｍｍに縮めると、成膜速度は１０００オングストローム毎分に改善されるが、図１７に示すように、ボトムカバレッジ率はアスペクト比２で２８〜３５％程度まで減少してしまう。ただ、この場合でも、コリメートスパッタ法の１５％よりは高い。
【００１４】
さて、これらの結果から、基板が大型化して例えば直径３００ｍｍになった場合、ボトムカバレッジ率や成膜速度がどうなるかを検討する。図１８は、基板の大型化がボトムカバレッジ率及び成膜速度に与える影響について検討した結果の図である。尚、図１８において、ターゲット５におけるエロージョンの断面形状が斜線で示されている。
まず、図１７に示した通り、ターゲット直径２６９ｍｍ、ＴＳ距離３４０ｍｍの条件により、優れたボトムカバレッジ率が得られる（図１８（ａ））。これは、基板３０がターゲット５より小さい直径８インチの場合も同様である。
次に、基板３０がターゲット５よりも大きい３００ｍｍになった場合、前述したようにターゲット５も基板３０と同程度まで大型化させる必要がある。この場合、同様のボトムカバレッジ率を得るためには、ＴＳ距離をさらに長くしなければならないと考えられる。
【００１５】
上記の点を、エロージョン最深部からのスパッタ粒子の飛行経路に代表させて説明する。多くのスパッタリングでは、ターゲット上のエロージョンが生ずる領域（以下、エロージョン領域）のうち、ターゲットの径方向における特定の部分が最も深く侵食される傾向があり（以下、この部分をエロージョン最深部とよぶ）、この部分から放出されるスパッタ粒子が成膜状況に最も支配的な影響を与える。このようなエロージョン最深部の形状は、現在主流である平板マグネトロンスパッタリング等では、エロージョン領域が周状であることから、多くの場合周状の形状を描く。
図１９及び図２０は、エロージョン最深部が周状となる点について説明した図であり、図１９が従来の装置における磁石機構の斜視概略図、図２０が従来の装置におけるカソードの斜視概略図である。図１０や図１１のような装置では、平板状のターゲット５の裏側に配設された磁石機構４は、円盤状のヨーク４１１の上に固定された中央の柱状の中心磁石４１２と中心磁石４１２を間隙をおいて取り囲む筒状の周辺磁石４１３とから構成されている。
【００１６】
中心磁石４１２の前面と周辺磁石４１３の前面とは異なる磁極が現れるようようになっておいる。例えば中心磁石４１２がＮ極であり、周辺磁石４１３がＳ極である場合、中心磁石４１２から出た磁力線は、ターゲット５を透過してターゲット５の表面のある場所から出て漏洩し、図１９及び図２０に示すように弧状に膨らんだ後、ターゲット５の表面の他の場所に入り、ターゲット５を透過して周辺磁石４１３に達する。そして、このような漏洩磁力線は、中心磁石４１２と周辺磁石４１３との間隙部分の形状に沿って連なり、図１９及び図２０に示すような周状磁界が形成される。
【００１７】
マグネトロンスパッタリングなど、磁界の作用を利用したスパッタリングでは、磁界によって電子を捉えて、気体分子の電離効率を向上させている。従って、イオンによってターゲット５がスパッタされる領域即ちエロージョン領域５０の形状は、磁界の形状に相応したものとなり、周状磁界を設定する上記の例では周状になる。
また、マグネトロンスパッタリングでは、電界と磁界が直交する部分で電子がマグネトロン運動を行い、電離効率は最高となる。従って、図１９及び図２０に示すような構成では、弧状の漏洩磁力線の頂上の部分で電界と磁界の直交関係が成立し、この部分の下方の部分に強いエロージョンを生ずる傾向がある。つまり、エロージョン最深部は、弧状の漏洩磁力線の頂上部分の下方に位置する周状の形状を描くことになる。
【００１８】
さて、前述したようにエロージョン最深部からは盛んにスパッタ粒子が放出されるので、エロージョン最深部の幾何学的配置は基板上への成膜の状態に最も影響を与えると考えられる。ここで、図１０や図１１に示すようにターゲット５と基板３０とが同軸上に対向配置されている場合、ターゲット５の片側の半周分のエロージョン最深部は、基板３０の同じ側の半分の領域に対する成膜に影響を与え、反対側の半分の領域への成膜には影響を与えないと考えられる。その反対側の基板３０の表面には、やはりターゲット５の反対側の半周分のエロージョンが影響を与えるからである。
この半周分のエロージョン最深部から放出されるスパッタ粒子を考えると、基板３０に入射する入射角が最も大きくなるのは、基板３０の中心付近に入射するスパッタ粒子である。エロージョン最深部の半径がターゲット５の半径の１／２以下であるときは、基板３０の周辺部に入射するスパッタ粒子が最も入射角が小さくなるが、このような場合はまれである。
【００１９】
さて、前述したターゲット直径２６９ｍｍである図１８（ａ）の例において、エロージョン最深部が中心軸２０から例えば７０ｍｍ（直径１４０ｍｍ）の位置に発生した場合、基板３０の中心付近へのスパッタ粒子への入射角θは、ＴＳ距離３４０ｍｍの条件から、１１．６°程度となる。
一方、基板３０が大型化して３００ｍｍになった場合、前述したようにターゲット５も同様なサイズまで大型化させなければならない。図１８（ｂ）に示すように、基板３０より少し大きな直径３１４ｍｍのターゲット５を用い、エロージョン最深部が直径１６３ｍｍの位置に生じた場合、ＴＳ距離を同一とすると、中心付近へのスパッタ粒子の入射角θは１３．５°程度まで拡大してしまう。従って、図１８（ａ）の場合と同様の入射角にして同様のボトムカバレッジ率を得るためには、ＴＳ距離を実に３９７ｍｍにまで拡大しなければならなくなる。ここまでＴＳ距離を長くすると、成膜速度は実用化不可能な程度迄低下してしまう。      
【００２０】
そこで、図１８（ｄ）に示すように、ＴＳ距離を実用的な範囲である３０３ｍｍ（基板直径と同程度）にすると、中心付近への入射角θは、１５．０°となり、図１８（ｂ）の場合に比べ、（１５．０／１１．３）＝１．３倍程度まで拡大する。この１５．０°という入射角は、従前の２６９ｍｍサイズのターゲット５（エロージョン最深部直径１４０ｍｍ）を使用する場合、ＴＳ距離を２６０ｍｍ程度にするのと同じである（図１８（ｃ））。この構成は、図１７のデータが得られたスパッタリングそのものであり、アスペクト比２の微小ホールに対して２８〜３５％程度のボトムカバレッジ率しか得られない。
このように、基板が大型化していく中、必要な成膜速度を維持してボトムカバレッジ率を向上させることは、低圧遠隔スパッタといえどもこれまでの構成では困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、本願の請求項１の発明は、排気系を備えた真空容器と、真空容器内の所定の位置に配置された円板状のターゲットと、ターゲットの表面側に磁界を設定する磁石機構とを具備し、ターゲットに対向させて円形の基板を同一中心軸上に平行に配置し、前記磁石機構が作る磁界によって電子を捉えながらターゲットをスパッタして基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置であって、
前記磁石機構は、ターゲットの表面のある場所から出てターゲットの表面の他の場所に入る漏洩磁力線を設定するとともにこのような漏洩磁力線をターゲットの表面上に周状に連ねて形成される周状磁界を設定するものであり、当該磁石機構がターゲットに対して相対的に静止している場合には周状となるエロージョン領域がこの周状磁界によってターゲットの表面上に形成されるスパッタリング装置において、
前記磁石機構は、ターゲット側の表面が第一の磁極である第一磁極磁石と、ターゲット側の表面の磁極が第一の磁極とは異なる第二の磁極である第二磁極磁石とを有しており、
第一磁極磁石は、平面で見た際、ターゲットの周縁に沿って延びるとともにターゲットの中心軸上に中心がある円周部と、円周部の内側を区画する区画部とから成り、区画部は、ターゲットの中心軸を外れた位置において延びていて円周部の内側を大きさの異なる二つの領域に区画しており、
第二磁極磁石は、第一磁極磁石の区画部によって区画された円周部内の二つの領域にそれぞれ配置されており、
第一磁極磁石及び各第二磁極磁石により、ターゲットの表面上に前記周状磁界が複数設定され、前記周状となるエロージョン領域が交差しないようにして複数形成されるようになっているという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記基板は前記ターゲットから１５０ｍｍ以上３６０ｍｍ以下の距離にて配置されるという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項１の構成において、前記磁石機構をターゲットの中心軸の周りに回転させる回転機構を具備しているという構成を有する。
【発明の効果】
【００２２】
以下に説明する通り、本願の各請求項記載の発明によれば、大型の基板に対しても必要な成膜速度を維持してボトムカバレッジ率を向上させることができるので、次世代の集積回路用の実用的な成膜技術として最適なものとなる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、ターゲットのエロージョンが均一化され、ターゲットの利用効率の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリング装置の概略を説明する図である。図１に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えた真空容器１と、真空容器１内に対向して配置されたカソード２及び基板ホルダ３と、真空容器１内に所定のガスを導入するガス導入系７と、カソード２に所定の電圧を与えるカソード電源２１等から主に構成されている。
図１の装置は、カソード２の構成に大きな特徴がある。図２及び図３は、図１の装置におけるカソード２の構成を説明する図であり、図２は磁石機構４の構成を説明する斜視概略図、図３は図２の磁石機構４によるターゲット５上の周状磁界の構成を説明する斜視概略図である。
カソード２は、磁石機構４と磁石機構４の前側に配設されたターゲット５とから構成され、カソード電源２１によって所定の電圧が印加される。本実施形態の特徴的な点は、ターゲット５の表面上に周状磁界を複数設定して周状となるエロージョン領域が交差しないようにして複数形成されるようにする点である。
具体的に説明すると、磁石機構４は、円盤状のヨーク４２１と、このヨーク４２１の上に固定された一つのＮ極磁石４２２及び二つのＳ極磁石４２３，４２４とから構成されている。Ｎ極磁石４２２は、図２に示すように、ヨーク４２１の周縁に沿って延びるリング状の円周部と、中心から外れた位置で円周部の内側の空間を仕切るように延びる区画部とからなる形状である。また、二つのＳ極磁石のうちの一方は、外周部によって仕切られた空間のうち大きい方の空間の中央に位置する第一Ｓ極磁石４２３であり、他方は、小さい方の空間の中央に位置する第二Ｓ極磁石４２４になっている。尚、中心軸２０は、第一Ｓ極磁石４２３とＮ極磁石４２２の区画部との間の間隙の中心付近を通るよう構成されている。また、図２及び図３から解るように、Ｎ極磁石４２２の円周部は、ターゲット５の周縁に沿って延びるものとなっている。
【００２４】
上記構成に係る磁石機構４によると、図３に示すようにターゲット５表面上に大きさの異なる周状磁界が二つ設定される。即ち、Ｎ極磁石４２２から出て第一Ｓ極磁石４２３に達する弧状の漏洩磁力線は、第一Ｓ極磁石４２３の周囲の上方に周状に連なって第一の周状磁界が設定され、Ｎ極磁石４２２から出て第二Ｓ極磁石４２４に達する弧状の漏洩磁力線は、第二Ｓ極磁石４２４の周囲の上方に周状に連なって第二の周状磁界を設定する。そして、このような二つの周状磁界によって、図３に示すような二つの周状となるエロージョン領域５０が交差せずに形成されるのである。
【００２５】
尚、本実施形態における磁石機構４は、後述するように回転機構２２によって回転させられるが、上記エロージョン領域５０の複数形成は、いうまでもなく磁石機構４の静止時の状態である。磁石機構４が回転すると、エロージョン領域５０が中心軸２０の周りに回転するので、エロージョン領域はターゲット５のほとんど全面に広がる（領域の数としては一つ）。
さて、このように周状となるエロージョン領域５０がターゲット５上に交差せずに複数形成されると、そのエロージョン領域５０のエロージョン最深部の直径（エロージョン最深部の形状が円形でない場合、周の中心を通り周上の任意の２点を結んだ直線の長さ（幅）のうち最も短いものとする）は、エロージョン領域５０が一つである従来のエロージョン最深部の直径に比べ、常に小さくなる。そして、エロージョン最深部の直径が小さくなると、ＴＳ距離を拡大することなしにスパッタ粒子の入射角が小さくできる。
【００２６】
上記の点を、図４を利用して詳しく説明する。図４は、図１から図３に示す実施形態の作用効果を説明する断面概略図である。
図４に斜線で示したターゲット５のエロージョンの断面形状において、エロージョン最深部から基板３０を見込んだとき、入射角が左右同じで最も入射角が大きくなる基板３０の表面上の箇所は、図１８に示すのと同様に、周状のエロージョン最深部の中心と同軸上に位置する箇所である。そして、エロージョン最深部からこの箇所に入射するスパッタ粒子の入射角θは、図１８に示すような一つのエロージョン領域の場合に比べ明らかに小さくなる。図４に示すように、中心を通る方向で見たエロージョン最深部の幅（以下、単にエロージョン最深部の幅）をφ１、φ２とする。
【００２７】
このように、本実施形態の構成によれば、ＴＳ距離を長くすることなしにスパッタ粒子の入射角を小さくすることができる。このため、必要な成膜速度を確保しつつボトムカバレッジ率の向上を図ることができ、さらに高集積化する次世代の集積回路用の実用的な成膜技術として最適なものとなる。
尚、二つのエロージョン領域５０の離間距離が大きくなると、その離間部分に対向する基板３０上の箇所において最も入射角が大きくなることがあり得る。従って、エロージョン領域５０の離間距離はできるだけ小さくすべきであり、エロージョン最深部の幅の１／２以下にすることが理想的である。
【００２８】
また、各々のエロージョン最深部の幅は、基板直径以下とすることがボトムカバレッジ率改善の点から好ましい。基板３０の直径以上になった場合、従来と同様にスパッタ粒子の入射角が限度以上に大きくなってしまう。但し、基板に比べて異常に大きなターゲットを使用したり、ターゲットに比して異常に小さな基板を使用したりしなければ、このような事態にはならないと想定される。
さらに、ＴＳ距離に対する各々のエロージョン最深部の幅の大きさの限度は、被覆する微小ホールのアスペクト比等によって決まる。図５は、ＴＳ距離に対する各々のエロージョン最深部の幅とアスペクト比との関係について説明した図である。
【００２９】
前述のように、２５６メガビット以降の集積回路の製作には、アスペクト比２以上の微小ホールに対する成膜が求められている。ここで、ＴＳ距離に等しいエロージョン最深部によってアスペクト比２の微小ホール３０１に成膜する場合を考えると、図５に示す通り、エロージョン最深部から出たスパッタ粒子はホールの開口の縁３０３の付近を通ってホール底部の反対側の縁３０４に達する。つまり、アスペクト比２の微小ホールに対する成膜では、（エロージョン最深部幅）＝（ＴＳ距離）が限度であり、それ以上にエロージョン最深部の幅が大きくなると、ボトムカバレッジ率が著しく低下する。従って、アスペクト比２以上の次世代の成膜技術のためには、エロージョン最深部の幅をＴＳ距離以下とすることが望ましい。
【００３０】
次に、本実施形態のその他の部分の構成及び全体の動作について簡単に説明する。
まず、排気系１１は、１０−８Ｔｏｒｒ程度まで排気可能なものが採用され、成膜時には、真空容器１内にアルゴン等の放電用ガスを導入して０．３ｍＴｏｒｒ程度の真空圧力を維持し、前述した低圧遠隔スパッタと同様にスパッタ粒子散乱防止効果が得られるようにする。
真空容器１の器壁は、不図示のゲートバルブが設けられ、ゲートバルブを通して基板３０を搬入搬出する不図示の搬送系が備え付けられている。また、真空容器１には、不図示のロードロックチャンバがゲートバルブを介して並設され、真空容器１から隔絶されたロードロックチャンバ内において、基板３０を大気圧雰囲気に戻すようになっている。
【００３１】
カソード２の構成は上述の通りであるが、本実施形態では、カソード２を中心軸２０の周りに回転させる回転機構２２が付設されている。回転機構２２は、ターゲット５上のエロージョンを均一にするものであり、ヨーク４２１の裏面に接続された中心軸２０と同軸上の回転軸２２１と、回転軸２２１を回す駆動源２２２などから構成されている。尚、前述した通り、ターゲット５の中心軸２０付近がエロージョン領域５０に含まれるので、磁石機構４を回転させた際にこの部分がエロージョンされずに残ってしまうことが防止され、さらにターゲット５の利用効率が向上する。
【００３２】
基板ホルダ３には、基板３０を静電吸着によって吸着保持する機構や成膜中に基板３０を所定温度まで加熱する加熱機構が設けられる。また、基板３０に所定のバイアス電圧を与えるためのバイアス用電源が必要に応じて基板ホルダ３に接続される。
ガス導入系７は、スパッタ放電に必要なガスを真空容器１内に導入するものであり、不図示のボンベに繋がれた配管７１と、配管上に設けられた流量調整器７２やバルブ７３などで構成される。また、反応性スパッタ等を行う場合、反応性のガスを放電用のガスに混ぜて導入する場合がある。
【００３３】
カソード電源２１は、スパッタ放電に必要な所定の負の直流電圧又は高周波電圧をカソード２に印加するよう構成される。ターゲット５が金属の場合には負の直流電圧が印加され、誘電体等の場合には高周波電圧が印加される場合が多い。尚、真空容器１やバイアスをかけない場合の基板ホルダ３等は接地され、電気的には接地電位に保たれる。カソード２に与えられた電圧は、これらの部材との間で電界を発生させ、この電界によってスパッタ放電が生じるようになっている。      
【００３４】
上記構成に係る本実施形態のスパッタリング装置では、基板３０は不図示の搬送系によって不図示のゲートバルブを通して真空容器１内に搬送され、基板ホルダ３上に載置される。次に、ガス導入系７を動作させて所定のガスを真空容器１内に導入しながら、カソード電源２１を動作させて所定の電圧をカソード２に印加し、上述の通りスパッタ放電を生じさせる。これによってターゲット５からはスパッタ粒子が放出され、このスパッタ粒子３０板に到達して堆積することにより所定の成膜が行われる。
【００３５】
ここで、上述の通り本実施形態では、直径の小さなエロージョン領域５０がターゲット５上に形成されるので、基板３０に入射するスパッタ粒子の入射角が小さくなる。従って、微小ホールへのボトムカバレッジ率が従来に比べ格段に向上する。
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。
図６は、本願発明の第二の実施形態におけるカソードの構成を説明する斜視概略図である。この第二の実施形態では、図６に示す通り三つの周状磁界が設定されるようになっている。即ち、本実施形態では、カソード２を構成する磁石機構４は、ヨーク４３１上に固定されたＮ極磁石４３２と三つのＳ極磁石４３３とからなり、Ｎ極磁石４３２は、ヨーク４３１の周縁に沿ったリング状の外周部と、外周部の内部を三つの空間に区画部とから構成された形状を有している。そして、外周部内の三つの空間の中心位置には、それぞれＳ極磁石４３３が配設されている。
【００３６】
図６に示す三つの周状磁界によって、ターゲット５上には三つのエロージョン領域５０が交差せずに形成される。従って、エロージョン最深部の直径はこの第二の実施形態においても小さくなり、第一の実施形態と同様にスパッタ粒子の入射角の低減作用が得られる。また、第一の実施形態と比較すると、三つの周状磁界を設定する本実施形態では、二つの周状磁界の場合に比べてエロージョン領域５０の直径をさらに小さくできる場合が多い。
磁石機構４の部分以外は、前述した第一の実施形態と同様に構成できるので、説明を省略する。
【００３７】
次に、本願発明の第三の実施形態について説明する。図７及び図８は本願発明の第三の実施形態を説明する図であり、図７は平面図、図８は側断面図である。前述した第一第二の実施形態では、磁石機構４が永久磁石から構成されていたが、この第三の実施形態では、電磁石によって構成されている。即ち、磁石機構４は、板状の鉄心体４４１と、鉄心体４４１の上に固定されターゲット５上に磁力線を漏洩させる第一から第五の五つの磁極体４４２，４４３，４４４，４４５，４４６と、鉄心体４４１に巻かれた磁界コイル４４７とから主に構成されている。
【００３８】
鉄心体４４１は、長方形の板状の部材であり、ターゲット５と平行に配置される。五つの磁極体４４２，４４３，４４４，４４５，４４６は、幅方向をターゲット５に向かう側に向けて配置された帯板状の部材であり、それぞれ鉄心体４４１の表面に溶接等により固定される。五つの磁極体４４２，４４３，４４４，４４５，４４６は、長方形の鉄心体４４１の短辺の方向が長さ方向になる姿勢で固定されている。具体的には、鉄心体４４１の向かい合う短辺の部分の縁にＮ極となる第一及び第五の磁極体４４２，４４６がそれぞれ固定され、長辺の方向の中程より第五磁極体４４６よりの位置に、同じくＮ極となる第三磁極体４４４が固定されている。そして、第一磁極体４４２と第三磁極体４４４との中間の位置にＳ極となる第二磁極体４４３が固定され、第三磁極体４４４と第五磁極体４４６との中間の位置に同じくＳ極となる第四磁極体４４５が固定されている。
【００３９】
また、第一磁極体４４２と第二磁極体４４３の間、第二磁極体４４３と第三磁極体４４４の間、第三磁極体４４４と第四磁極体４４５の間、及び、第四磁極体４４５と第五磁極体４４６の間の鉄心体４４１の部分には、それぞれ磁界コイル４４７が巻かれている。そして、それぞれの磁界コイル４４７に所定の向きの直流電流が流されることによって、Ｎ極である第一磁極体４４２及び第三磁極体４４４から出てＳ極である第二磁極体４４３に達する第一の漏洩磁力線と、Ｎ極である第三磁極体４４４及び第五磁極体４４６から出てＳ極である第四磁極体４４５に達する第二の漏洩磁力線とがそれぞれ設定される。
【００４０】
また、上記鉄心体４４１の両側には、図８に示すように八つの補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８が配設されている。八つの補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８は、四分割の扇状のような形状の板状を成している。それぞれの補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８は、扇の周縁の部分に沿って固定された帯板状の周縁磁極体４５９と扇の中心部分に固定された柱状の中心磁極体４６０とを備えている。
【００４１】
八つの補助鉄心体の４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８うち、第一から第四の四つの補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４は、第一第三の磁極体４４２，４４４と第二の磁極体４４３の離間距離にほぼ等しい半径のものであり、第五から第八の補助鉄心体４５５，４５６，４５７，４５８は、第三第五の磁極体４４４，４４６と第四磁極体４４５の離間距離にほぼ等しい半径のものになっている。また、各々の補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８には、弧状の漏洩磁力線が周縁磁極体４５９と中心磁極体４６０にまたがって設定されるよう磁界コイル４４７が巻かれている。
【００４２】
そして、図７に示すように、第一から第四の補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４は、それらの中心磁極４６０が第二磁極体４４３の両端付近に位置するとともに、それらの周縁磁極体４５９が第一磁極体４４２及び第三磁極体４４３とともに周状を成すよう配置されている。同様に、第五から第八の補助鉄心体４５５，４５６，４５７，４５８は、それらの中心磁極体４６０が第四磁極体４４５の両端付近に位置するとともに、それらの周縁磁極体４５９が第三磁極体４４４及び第五磁極体４４６とともに周状を成すよう配置されている。
このような配置によって、各磁極体によって設定される弧状の磁力線が周状に連なり、周状磁界が二つ並設されるようになっている。そして、第二磁極体４４３と第三磁極体４４４との間の中間部分が中心軸２０になるようにしてターゲット５を同軸上に配置すれば、図２に示す磁石機構４とほぼ等価なカソード２の構成が電磁石によって達成される。この第三実施形態においても、中心軸２０の周りに磁石機構４を回転させれば、エロージョンの均一化が図られ、ターゲット５の利用効率が向上できる。
【００４３】
電磁石を用いた上述の第三実施形態では、各々の磁界コイル４４７への供給電流を制御することで磁界分布を調整し、膜厚分布の改善等を図ることができる。この点を図９を用いて説明する。図９は、図７及び図８に示す第三実施形態において、各磁界コイルへの供給電流を独立して制御する電流制御手段を付加した応用例の説明図である。
この例における電流制御手段は、各々の磁界コイル４４７Ａ，４４７Ｂ，……４４７Ｌに直流電流を供給する直流電源４４８と、直流電源４４８からの磁界コイル４４７Ａ，４４７Ｂ，……４４７Ｌへの各供給回路上に設けられた電流調整器４４９と、電流調整器４４９を制御して各磁界コイル４４７Ａ，４４７Ｂ，……４４７Ｌへの電流供給量を調整するプログラマブルコントローラ４５０とから主に構成されている。
【００４４】
図７及び図８に示すカソード２を使用して成膜を行った場合、例えば基板３０の周辺部分の成膜速度が中心部分に比べて低く、膜厚分布の面内均一性が充分でないと判断される場合、八つの補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８に巻かれた磁界コイル４４７への電流供給量を相対的に多くするよう制御する。例えば、電流調整器４４９として、サイリスタ等を用いて所定周期で電流をオンオフできるようなものを採用し、プログラマブルコントローラ４５０からの信号によって、そのオンオフ周期を調整するようにする。
そして、図７に示す鉄心体４４１に巻かれた四つの磁界コイル４４７への電流のオン周期に比べ、補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８に巻かれた八つの磁界コイル４４７への電流のオン周期を相当程度長くする。これによって、補助鉄心体４５１，４５２，４５３，４５４，４５５，４５６，４５７，４５８の部分の漏洩磁力線の磁束密度が相対的に高くなり、ターゲット５の周辺部分のエロージョンが強化される結果、基板３０の周辺部の成膜速度が改善され膜厚分布の面内均一性が向上する。
【００４５】
このような供給電流量の独立制御は、二つの周状磁界を設定する二つの電磁石の群同士で独立制御可能としてもよいし、個々の電磁石すべてについて独立制御可能としてもよい。少なくとも二つの群について独立制御可能であれば、何らかの磁界分布調整機能が発揮される。
上述した各実施形態の構成において、周状磁界の数は２又は３であったが、４もしくはそれ以上であってもよい。周状磁界の数を多くすれば同一ＴＳ距離におけるスパッタ粒子の入射角は一般的には小さくなるので、ボトムカバレッジ率向上の点から好適である。
【００４６】
また、回転機構２２は、磁石機構４を回転させる代わりにターゲット５を回転するようにしてもよい。さらに、磁石機構４の中心軸２０をターゲット５の中心軸から所定距離偏心させて配置し、ターゲット５の中心軸の周りに磁石機構４を回転させる場合もある。
尚、本明細書における「周状」は最も広い意味を有し、円周状、楕円周状、長円周状、角周状、波線のように入りくんだ周状等のあらゆる形状を含む。また、完全につながった周状でなくともよく、一部にとぎれている場合もよい。例えば一部にとぎれた部分がある周状磁界や周状のエロージョン領域５０ではあっても、それに起因する膜厚不均一化等の問題が限度以下であればかまわない。
【００４７】
また、エロージョン最深部は、線状ではなくて帯状即ち相当の幅を有する場合がある。さらに、最深部分の深さから相当程度浅い部分までをエロージョン最深部とすることがある。エロージョン最深部は、エロージョン領域のどの部分が成膜に最も影響を与えているかをみる概念なので、成膜への影響度に応じて適宜決定される。
また尚、エロージョン領域とは、磁界の作用によって実質的なエロージョンが生じている場所のことである。エロージョン領域外に拡散して基板に到達したごく少数のイオンがターゲットをたたくことによって、エロージョン領域以外でも経時的にごく浅いエロージョンが生ずることがあるが、そのようなエロージョンは、成膜の状況に影響を与えるものではないので、実質的なエロージョンではないと判断される。例えば、エロージョン領域の平均エロージョン速度を１００とした場合、５％以下の速度のエロージョンが生じている領域は、実質的にはエロージョン領域ではないとされる。
【実施例】
【００４８】
次に、上記第一の実施形態に属する実施例について例示して説明する。第一の実施形態において、
ターゲット直径：３１４ｍｍ、
ＴＳ距離：３０３ｍｍ、
基板直径：３００ｍｍ、
圧力：０．３ｍＴｏｒｒ、
カソードへの供給電圧：−６００Ｖ、
Ｎ極磁石の直線部の偏心距離（図２の距離ｄ）：４０ｍｍ、
第一のエロージョン最深部の幅（図４のφ１）：２００ｍｍ、
第二のエロージョン最深部の幅（図４のφ２）：１００ｍｍ、
磁石機構の回転速度：２００ｒｐｍ、
基板温度：３００℃、
ターゲット材料：チタン、
放電用ガス：アルゴン、
の条件でスパッタリングを行ったところ、アスペクト比２の微小ホールに対してボトムカバレッジ率４０〜４５％で成膜が行えることが確認された。またその際の成膜速度は１０００オングストローム毎分であった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリング装置の概略を説明する図である。
【図２】図１の装置におけるカソードの構成を説明する図であり、磁石機構の構成を説明する斜視概略図である。
【図３】図１の装置におけるカソードの構成を説明する図であり、磁石機構によるターゲット上の周状磁界の構成を説明する斜視概略図である。
【図４】図１から図３に示す実施形態の作用効果を説明する図であり、図２のＸ−Ｘの方向での断面図である。
【図５】ＴＳ距離に対する各々のエロージョン最深部の幅とアスペクト比との関係について説明した図である。
【図６】本願発明の第二の実施形態におけるカソードの構成を説明する斜視概略図である。
【図７】本願発明の第三の実施形態を説明する平面図である。
【図８】本願発明の第三の実施形態を説明する側断面図である。
【図９】図７及び図８に示す第三実施形態において、各磁界コイルへの供給電流を独立して制御する電流制御手段を付加した応用例の説明図である。
【図１０】ボトムカバレッジ率を向上させた従来のスパッタリング装置の一例であるコリメートスパッタリング装置の概略を説明した図である。
【図１１】従来のスパッタリング装置の他の例である低圧遠隔スパッタリング装置の概略を説明した図である。
【図１２】図１１に示す装置を使用して大型の基板に成膜する場合の問題点を説明した図であり、装置中のターゲットと基板の部分図である。
【図１３】図１２と同様に、図１１に示す装置を使用して大型の基板に成膜する場合の問題点を説明した図であり、基板の中心付近及び周辺部のボトムカバレッジ率を示した断面図である。
【図１４】低圧遠隔スパッタに関する実験データを示すものであり、ボトムカバレッジ率の圧力及びＴＳ距離依存性を示すデータである。
【図１５】同じく低圧遠隔スパッタに関する実験データを示すものであり、得られた薄膜のシート抵抗分布の圧力及びＴＳ距離依存性を示すデータである。
【図１６】同じく低圧遠隔スパッタに関する実験データを示すものであり、ＴＳ距離が３４０ｍｍの場合のアスペクト比に対するボトムカバレッジ率の関係を示すデータである。
【図１７】同じく低圧遠隔スパッタに関する実験データを示すものであり、ＴＳ距離が２６０ｍｍの場合のアスペクト比に対するボトムカバレッジ率の関係を示すデータである。
【図１８】基板の大型化がボトムカバレッジ率及び成膜速度に与える影響について検討した結果の図である。
【図１９】エロージョン最深部が周状となる点について説明した図であり、従来の装置における磁石機構の斜視概略図である。
【図２０】エロージョン最深部が周状となる点について説明した図であり、従来の装置におけるカソードの斜視概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  真空容器
１１  排気系
２  カソード
２０  中心軸
２２  回転機構
３  基板ホルダ
３０  基板
４  磁石機構
５  ターゲット
５０  エロージョン領域
【図１】
2006241598.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006241598.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006241598.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2006241598.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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