(57)【要約】【課題】  ウェハー上の膜の均一性を最適化し、同時により高いターゲットの利用効率を達成することができる反応容器構造を有するＰＶＤ装置を提供すること。【解決手段】  ＰＶＤ装置は、電源に接続された上部電極１１、ウェハー１７が搭載された下部電極１４、上部電極１１の下面に固定されたターゲットプレート１２、上部電極の上側に配置されかつターゲットプレートの下側に閉磁束を有する磁界を生成するマグネット配列１３を備えた反応容器１０を有する。このＰＶＤ装置で、ターゲットプレートは２つ以上の分離片１２ａ〜１２ｃによって形成され、浸食される少なくとも１つの特定片が部分取替えのため、磁力を用いて上部電極の下面に自由に取り付けられまたは当該下面から自由に取り外される。【選択図】      図１
2005256086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に接続された上部電極と、処理のためウェハーが搭載された下部電極と、前記上部電極の下面に取り付けられたターゲットプレートと、前記上部電極上に配置され、前記ターゲットプレートの下側に閉磁束を生じさせる磁界を発生するマグネット配列とを備えた反応容器を有し、
前記ターゲットプレートは２つ以上の分離片によって形成され、前記ターゲットプレートの前記分離片で浸食される少なくとも１つの特定片が、部分的取替えのため、磁力を用いて前記上部電極の下面に自由に取り付けられまたは当該下面から自由に取り外せる物理的気相成膜装置。
【請求項２】
前記ターゲットプレートの前記分離片のすべては前記磁力を用いて前記上部電極の下面に対し自由に取り付けられまたは下面から自由に取り外せる請求項１記載の物理的気相成膜装置。
【請求項３】
前記磁力は、前記上部電極の上面上に設けられたマグネットと前記ターゲットプレートの前記特定片の上側に取り付けられた磁性金属との間に生じる請求項１または２記載の物理的気相成膜装置。
【請求項４】
前記ターゲットプレートの前記分離片は薄いターゲットプレートを介して前記上部電極に取り付けられる請求項１または２記載の物理的気相成膜装置。
【請求項５】
前記マグネット配列は所定の軸の周りに回転する請求項１〜４のいずれか１項に記載の物理的気相成膜装置。
【請求項６】
前記ターゲットプレートは浸食を受けない第１のターゲット片と浸食を受ける第２のターゲット片に分割され、前記第１のターゲット片は前記磁力によって前記上部電極に取り付けられ、前記第２のターゲット片は前記第１ターゲット片によって前記上部電極に固定される請求項１記載の物理的気相成膜装置。
【請求項７】
前記上部電極の上面における前記マグネット配列は膜の均一性を考慮することによってのみ選択され、前記ターゲットプレートの全表面の浸食に関する考慮は無視される請求項１〜４のいずれか１項に記載の物理的気相成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理的気相成膜装置に関し、特に、ターゲットの浸食プロファイルを無視しながらウェハー上の膜の均一性を最適化するようにした物理的気相成膜装置の反応容器の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマで支援された物理的気相成膜（ＰＶＤ）はＳｉ（シリコン）または他の基板またはウェハーの上に集積回路を作ることにおいて本質的なプロセスである。従来、多くの異なる膜の堆積においてＤＣマグネトロンが採用されている。基板の上、例えばＳｉウェハーの上に、ＰＶＤ膜を堆積させることにおいて、考慮されなければならないいくつかの技術が存在する。
【０００３】
第１の要因は基板の表面上に堆積される膜の均一性である。デバイスの特徴部分の大きさが増加するに伴って膜の均一性の要求もまた厳しいものになっている。例えば、現在、３００ｍｍの直径のウェハーにおけるＰＶＤ膜の許容される非均一性は±５％よりも小さい。ＰＶＤプロセスにおいて考慮されなければならない他の主要な要因はターゲットの利用効率である。もしターゲット物質が高価になるのであれば、より高いターゲット利用効率が特に重要になる。例えばプラチナは非常に高価である。通常、ターゲットの利用効率と膜の均一性とはトレードオフの関係にある要因である。すなわち、もし膜の均一性がターゲットにおける浸食部分の選択に基づいて増加させられるならば、その利用効率は減少する。従来のプラズマ支援型またはプラズマ強化型のＰＶＤ反応容器において、これらの２つの要因の最適化は問題であった。この問題は、さらに図１３と図１４を参照して説明される。
【０００４】
従来のＤＣマグネトロン装置の縦断面図が図１３に示されている。ＰＶＤ反応容器１００は上部電極１０１、ターゲットプレート１０２、マグネットアセンブリ１０３、下部電極、側壁１０５、ガス導入部１０６、およびガス排出部１０７から構成されている。上部電極１０１は金属で作られ、かつＤＣ電源１０８からＤＣ電流が供給されている。上部電極１０１および下部電極１０４は絶縁部材１０９，１１０によって覆われることにより反応容器１００の残りの部分から電気的に絶縁されている。マグネットアセンブリ１０３は電気モータ１１１とギヤ装置１１２ａ，１１２ｂによって回転させられている。上部電極１０１は，当該上部電極１０１の中に作られた通路１１３を通して冷却媒体を流すことによって、通常、冷却されている。
【０００５】
下部電極１０４は通常は金属で作られており、ウェハー１２１は下部電極１０４の上に単純に配置されている。いくつかの反応容器においては、下部電極の上面の上に薄い絶縁層が存在するものもある。通常、下部電極１０４はいかなるｒｆまたはＤＣの電力も与えられていない。しかしながら、プラズマを発生させるため、または下部電極１０４の上に静電力によってウェハー１２１をクランプするため、ｒｆまたはＤＣ、あるいはｒｆとＤＣの両方の電力を与えることも可能である。
【０００６】
所定動作の間、上部電極１０１にＤＣ電流を供給することによって反応容器１００の内部にＤＣプラズマが作られる。マグネットアセンブリ１０３によって発生する磁力はターゲットの領域内にプラズマを閉じ込める。プラズマ内のイオンはターゲットプレート１０２をスパッタし、その後、スパッタされた原子のいくつかはウェハー１０１の表面に堆積する。マグネットアセンブリ１０３に関して、ウェハー表面の上で均一な膜を作るため、適したマグネット配列が選択される。図１４は一例として上部電極１０１に関して１つの種類のマグネット配列を示す。マグネット配列１１９は、リング形状をしたマグネットを作る２つの部分１１９ａ，１１９ｂを有している。部分１１９ａは半円形状のＮ磁極部材であり、他方、部分１１９ｂは丸いＭ字形状を有するＳ磁極部材である。マグネット配列１１９は、上部電極１０１の中心点１２０の周りに回転させられる。
【０００７】
通常、ターゲットプレート１０２の表面でのターゲットの浸食は、従来のＤＣスパッタプロセスにおいて用いられるいかなるマグネット配列に関しても均一ではない。その理由は、もしターゲットの浸食が均一であるならば、ウェハー表面において均一な膜を得ることができないからである。それ故に、選択された領域のみが浸食を受けることになる。一例として、図１５Ｂは従来のＤＣマグネトロン装置のターゲットプレート１０２の浸食の輪郭形状を示し、他方、図１５Ａに示されるターゲットプレート１０２はスパッタプロセスが始まる前において全く浸食の輪郭形状を有していない。このことは、図１５Ｂに示されるターゲットプレート１０２でのターゲット物質の少ない堆積部分が実際にはウェハー１２１の上における膜の堆積に用いられることを意味している。ターゲットプレート１０２上における上記利用状態は非常に低いターゲット利用効率を与えることになる。
【０００８】
従って、ターゲット利用効率と膜均一性との間にはトレードオフが存在する。この理由のために、両方のパラメータを同時に改善するということはできない。
【０００９】
次に、この発明に関連する２つの従来のよく知られた技術を特許文献１，２を参照して説明する。
【００１０】
特許文献１はスパッタプロセスに用いられるターゲットプレートを示す。このターゲットプレートでは、不要な部分を減少することによって利用効率を改善する。ターゲットプレートは、中央部分、中間部分、および外側部分の３つの部分に分割されている。中間部分はイオンによってエッチングされやすく、他の部分はエッチングされにくくなっている。それ故に、ターゲットプレートは、それが非常にエッチングされた時に当該中間部分のみを取り替えるための構造を有している。
【００１１】
特許文献２はマグネトロン・スパッタリングカソードを示している。このマグネトロン・スパッタリングカソードは、第１マグネットを取り替えることによって、膜の厚みの分布を容易に調整するため有用である。カソードにとって全体を替えることは不必要である。このカソードはターゲット上に磁界を生成するためいくつかの永久磁石（４，５，６，７）を有している。２つの分割されたヨーク板が、２つのマグネットセット（（４，５）および（６，７））を固定するためにそれぞれ用意されている。カソードに対する当該構造は非常に複雑なものとなっている。
【特許文献１】特開平７−７２７８８０６号公報
【特許文献２】特開平６−９３４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、ターゲットプレートは２つまたはそれ以上の分離片から構成され、磁力によってターゲットプレートの分離片を固定するために用いられるマグネット配列は、ターゲットの浸食の輪郭形状を無視しながらウェハー上での膜の均一性を最適化するように選択される、ＰＶＤ装置の反応容器の構成を作ることである。ターゲットプレートの予め決められた分離片がその取替えレベルまで浸食された時、当該片のみが取り替えられる。このことは、より高いターゲット利用効率という結果をもたらす。
【００１３】
本発明の目的は、ウェハー上の膜の均一性を最適化し、同時により高いターゲットの利用効率を達成することができる反応容器構造を有し、当該反応容器の構造ではターゲットプレートで要求される片の取替えがマグネット機構を用いて簡単な構造によって実行されるＰＶＤ装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、取り替えられるべき必要な片の当該取替えが容易に実行され、かつターゲットプレートの最も適切な分割パターンを実現するターゲットプレート構造を有したＰＶＤ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明にかかるＰＶＤ装置は、上記目的を達成するため、以下の通り構成される。
【００１６】
ＰＶＤ装置は、電源に接続された上部電極、プロセスのためウェハーが搭載された下部電極、上部電極の下面に固定されたターゲットプレート、上部電極上に配置されかつターゲットプレートの下側に閉磁束を有する磁界を生成するマグネット配列を備えた反応容器を有している。このＰＶＤ装置において、ターゲットプレートは２つ以上の分離片によって形成され、当該ターゲットプレートの分離片において、浸食される少なくとも１つの特定片が一部の取替えのため、磁力を用いて上部電極の下面に自由に取り付けられまたは当該下面から自由に取り外される。
【００１７】
上記ＰＶＤ装置において、好ましくは、ターゲットプレートの分離片のすべては磁力を用いて上部電極の下面に自由に取り付けられ、または自由に取り外される。
【００１８】
上記のＰＶＤ装置において、好ましくは、磁力は、上部電極の上面の上に配置されたマグネットと、ターゲットプレートの特定片の上側に取付けられた磁性金属との間に生成される。
【００１９】
上記のＰＶＤ装置において、好ましくは、ターゲットプレートの分離片は薄いターゲットプレートを介して上部電極に取り付けられる。
【００２０】
上記のＰＶＤ装置において、好ましくは、マグネット配列は上部電極の中心軸または偏心軸のごとき所定の軸の周りに回転させられる。
【００２１】
ＰＶＤ装置において、好ましくは、ターゲットプレートは浸食を受けない第１のターゲット片と浸食を受ける第２のターゲット片に分割され、かつ第１のターゲット片は磁力によって上部電極に取り付けられ、第２のターゲット片は第１のターゲット片によって上部電極に固定される。
【００２２】
上記のＰＶＤ装置において、好ましくは、上部電極の上側表面上におけるマグネット配列は膜の均一性を考えることによってのみ選択され、ターゲットプレートのすべての表面の浸食に関する考察は無視される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ターゲットはいくつかの分離した片からなり、かつ磁力によって上部電極に固定されるのでターゲットに関するＰＶＤ装置の反応容器の構造はターゲット利用効率を改善することができ、同時に簡単な構造によってウェハー表面上の膜の均一性を改善することができる。さらに、特に浸食を受けるところである、ターゲットの選択された場所のみ容易に交換し、膜の均一性を改善する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、好適な実施形態を添付図面を参照して説明する。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００２５】
本発明の代表的な実施形態は図１と図２を参照して説明される。第１実施形態の縦断面図は図１に示される。第１実施形態のＰＶＤ装置は天井壁１０ａ、円筒形側壁１０ｂ、そして底壁１０ｃによって形成された反応容器１０を有している。反応容器１０は上部電極１１、ターゲットプレート１２、マグネットアセンブリ１３、下部電極１４、ガス導入部１５およびガス排出部１６を備えている。
【００２６】
処理されるべきウェハー１７は下部電極１６の上に搭載される。この下部電極１４はウェハーホルダ１８の上面の上に配置されかつ固定される。
【００２７】
上部電極１１は反応容器１０におけるウェハー１７の上方で水平な状態で固定されている。上部電極１１はウェハー１７に平行である。上部電極１１はアルミニウムのごとき非磁性金属で作られている。上部電極１１は下部プレート１１ａ、円筒形の側壁１１ｂ、そして上部プレート１１ｃによって構成される。通常、上部電極１１の直径はウェハー１７の直径よりも相当により大きくなるようにされる。下部プレート１１ａの中には冷却媒体を流すためいくつかの通路１８が存在する。
【００２８】
上部電極１１は、ｒｆ電力またはＤＣ電力、あるいは両方の電力を供給することが可能である。当該第１実施形態では図１に示されるようにｒｆ電源２１とＤＣ電源２２が上部電極１１に接続されている。実際には、ｒｆ電流はｒｆ電源２１から整合回路２３を通して伝送され、そしてＤＣ電力はＤＣ電源２２によってｒｆ電力に加えて供給される。この場合において、適当なｒｆ電流カットオフ・フィルタ２４がＤＣ電源２２の後に設けられている。
【００２９】
加えて、ターゲットプレート１２は上部電極１１の下部プレート１１ａに固定されており、マグネットアセンブリ１３は上部電極１１の内部空間に配置されている。ガス導入部１５は円筒形の側壁１０ｂの内面に沿って配置されており、ガス排出部１６は円筒形の側壁１０ｂの下側の箇所に形成されている。
【００３０】
上部電極１１の上部プレート１１ｃと下部プレート１１ａとの間にマグネットアセンブリ１３が存在する。マグネットアセンブリ１３の直径は重要な事項ではない。それは代表的にはターゲットプレート１２の直径よりも大きい。マグネットアセンブリ１３の直径をターゲットプレート１２の直径よりもより大きくすることによって、ターゲットの適当な浸食場所が容易に選択される。こうして膜の均一性は改善され得る。
【００３１】
ところで、マグネットアセンブリ１３の構造に関しては、図３に示されるごとくマグネットアセンブリを回転させる機構を用いることが可能である。マグネットアセンブリ１３を回転させる機構は、上部電極の中心軸または偏心軸の周りに回転させられるような構造を有した、マグネットアセンブリ１３と、モータ４１と、駆動軸４２およびギヤ機構４３ａ，４３ｂとから構成される。他の要素は、図１に示されたそれらと同じである。回転するマグネットアセンブリによってウェハー表面での膜の均一性はさらに改善される。
【００３２】
再び、図１に示される構造に従ってこの代表的実施形態を説明する。マグネットアセンブリ１３は永久的に固定されており、従ってそれは回転することはできない。マグネット配列は重要な事項ではなく、それは膜の均一性を改善するいかなる形状にもなり得る。通常、マグネット配列はいかなる直径ラインの周りについても対称的な構成を有するように選択される。マグネット配列を設計する時、膜の均一性のみが考慮される。このとき、ターゲットの利用効率は無視される。磁界の強さあるいはマグネットの寸法は同様にまた重要な事項ではなく、こうしてマグネットは、膜の均一性を考慮することによってのみ選択される。
【００３３】
ターゲットプレート１２は、スパッタされる必要がありかつウェハー１７の上に堆積される物質で作られ、下部電極１４の上に配置されている。ターゲットプレート１２の直径は、ウェハー１７の直径よりも数センチメータ大きくなるように採用される。ターゲットプレート１２はいくつかの分離片または分離部分によって構成される。例えばターゲットプレート１２は、図２に示されるごとく、３つの分離片、すなわち外側片１２ａ、中間片１２ｂ、および中央片１２ｃを用いて形成することができる。ターゲットプレート１２の厚みは重要な事項ではなく、例えば３ｍｍから２０ｍｍの範囲に存する。
【００３４】
各片または選択片の上面の上に、例えば鉄のごとき磁性金属３１の薄いシートが設けられる。図１に示される第１実施形態によれば、外側と中央の片１２ａ，１２ｃは下部プレート１１ａに固定され、中間片１２ｂは磁性金属シート３１によって下部プレート１１ａに取り付けられている。もし必要であるならば、例えば、中間片１２ｂに関して取替えを行うとき、それは下部プレート１１ａから容易に取り外すことができる。
【００３５】
上記の磁性金属シート３１の厚みは同様にまた重要な事項ではなく、そして通常では磁性金属シート３１はターゲットプレート１２の中間片１２ｂに固く固定されている。上部電極１１の下部プレート１１ａの下面には強い磁界があるので、磁性金属シート３１は磁力によって上部電極１１に取り付けられるようになる。上部電極１１へのターゲットプレートの取付けの方法はボルトを用いることを省略することができ、ターゲットの固定およびプロセスの変更を容易にする。ターゲットプレート片１２ａ，１２ｂ，１２ｃの形状は重要な事項ではなく、後述される基準に従って選択される。
【００３６】
ターゲットプレート１２の他の構成は図４に示される。ここで、上部電極１１の下部プレート１１ａの下面に固定された薄いターゲットプレート４５が存在する。この薄い平板なターゲットプレート４５は上部電極１１とターゲットプレート１２の間のより良好な熱伝導性を持たせるために金属結合のごとき適当な方法を用いて下部プレート１１ａに固く固定されている。薄いターゲットプレート４５の直径はターゲットプレート１２の直径よりも数センチメータ大きくなるように採用されている。ターゲットプレート１２の分離片１２ａ〜１２ｃは当該薄いターゲットプレート４５に取り付けられている。もし平板な薄いターゲットプレート４５が存在しないのであるならば、ターゲットプレート１２の分離片は、前述した代表的実施形態で説明されるごとく、直接に上部電極１１に取り付けられる。その場合において上部電極１１の物質はプラズマに対し汚染を生じ、これはプラズマがターゲットプレート１２と絶縁部材３２との間の狭いスペース４６を通して下部プレート１１ａの中に入ってくるからである。
【００３７】
図１、図３、図４において、上部電極１１および下部電極１４は絶縁部材３２，３３にで覆うことによって反応容器１０の他の部分から電気的に分離されている。下部電極１４は、通常、金属、例えばアルミニウムによって作られている。もしウェハー１７が下部電極１４に静電的にクランプされる必要があるならば、下部電極１４の上面の上に薄い誘電体シートが存在する。この誘電体シートは図１において示されていない。下部電極１４はｒｆ電流、またはｒｆ電流およびＤＣ電流の両方を与えられてもよい。下部電極１４へのいかなる電気的接続も図においては示されていない。これは本発明に関係がないからである。
【００３８】
プロセスガスは、通常、いくつかのガス導入部１５を用いてアルゴン（Ａｒ）が反応容器１０の中に導入される。ガス導入部１５の位置は重要ではなく、反応容器１０内のいかなる場所に設けることもできる。プロセスガスはガス排出部１６を通して真空排気される。反応容器１０の内部圧力は、通常、ガスの流速を変化させかつ真空排気装置における可変オリフィスを用いて真空排気速度を制御することによって制御される。図１において可変オリフィスおよび真空排気装置の図示は示されていない。プロセス圧力は、処理（プロセス）の形式およびプラズマ生成機構に依存する。もしＤＣプラズマが用いられるならば、通常低い圧力であり、例えば２０ｍＴｏｒｒ（２．６６Ｐａ）以下の低い圧力が採用される。もしｒｆプラズマが用いられるのであれば、当該圧力は１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）から数百ｍＴｏｒｒの範囲の圧力となる。イオン化されたＰＶＤプロセスにとっては高い圧力のｒｆプラズマ、例えば１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）よりも大きな圧力の使用が有益である。
【００３９】
さて、図５を参照してターゲットプレート１２を分離片１２ａ，１２ｂ，１２ｃに分割する方法が説明される。図５において（Ａ）はターゲットプレート１２の平面図を示し、（Ｂ）はターゲットプレート１２の縦断面図を示す。この実施形態において、ターゲットプレート１２は図４に説明された薄いターゲットプレート４５を備えている。ターゲットプレート１２は、プラズマ支援スパッタ成膜の間、浸食を受ける。当該浸食の場所はマグネットアセンブリ１３によって生成される磁界を修正することによって制御されまたは選択される。浸食場所３２をドーナツ形状になるように選択することによって膜の均一性が増大することは知られている。
【００４０】
例えば図５は仮定的なマグネット配列（１３ａおよび１３ｂ）と浸食の輪郭形状（３５）を示す。このマグネット配列１３ａ，１３ｂを用いると、ターゲットプレート１２で浸食の輪郭形状３５を形成する浸食場所３５ａと堆積場所３５ｂが存在する。通常、マグネット配列１３ａ，１３ｂに対応する磁極の丁度下側で堆積が観察される。
【００４１】
上記の堆積は２つの理由によって起きる。第１の理由は磁極の下側のプラズマ密度が磁極の間のプラズマ密度に比較してより低いことである。これはプラズマでの電子がミラー反射現象によって反射されるからである。第２の理由はターゲットプレート１２からのスパッタされた原子のいくらかがターゲットプレート１２上でガス状態で散在することおよび堆積することに起因して反射されるからである。ターゲットプレート１２上での浸食場所３５ａおよび堆積場所３５ｂのために、ターゲットプレートの厚みが変化しない場所が存在する。図５において矢印３６ａ，３６ｂで示されるこれらの場所はターゲット分離線として選択される。
【００４２】
従ってターゲットの浸食場所は分離片として作られる。例えば図５において符号１２ｂとして示されるターゲット片のみが浸食を受ける。それ故に、この片１２ｂのみは、ターゲットが変化している間、取り替えられなければならない。ターゲット１２の他の片１２ａ，１２ｃは連続して使用することができる。ターゲットプレート１２はターゲットの厚みが変化しない箇所で分離させられるので、たとえターゲット片１２ｂが取り替えられた後であってもターゲット表面にはいかなる不意（不測）の変化も存在しない。
【００４３】
上記のターゲット片１２ａ，１２ｂ，１２ｃは図６に示すように垂直なまたは傾斜を有する側壁を有している。もし当該側壁が垂直であるならば、ターゲット片の側壁の間の狭いスペース内にスパッタされた原子が堆積する可能性がある。この膜は容易にはがれ、プラズマの中にパーティクルを形成する可能性があり、それは結果的にウェハー表面に堆積することになる。しかしながら、傾斜を有する側壁を用いることはターゲットプレート１２の分離片の間に狭いスペースを作ることを防止する。
【００４４】
ターゲット片の配列の他の構成が図７に示される。ここで、ターゲットプレート１２の各ターゲット片の間に意図的に設けられたおよそ１ｍｍの小さいなスペースが存在する。ターゲット片の間のこの小さなスペース４７のため、膜は側壁の上にしっかりと堆積し、剥がれの問題をなくすことが可能となる。これはパーティクル汚染の問題を防止する。
【００４５】
次に、上記実施形態で示された構造に関するコンピュータ・シミュレーションが説明される。このコンピュータ・シミュレーションは、前述したマグネットおよびターゲットの配列を変えるように実行される。このシミュレーションは２つの異なる圧力１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）と５０ｍＴｏｒｒ（６．６５Ｐａ）に関して実行される。各場合において、ターゲットプレート１２とウェハー１７の間の間隔は１０ｃｍとして考えられている。膜は、２００ｍｍの直径を有するウェハー上に堆積するものと考える。
【００４６】
［１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）でのシミュレーションデータ］
このシミュレーションのためターゲットプレート１２の直径は３２ｃｍが採用される。ターゲットの浸食とウェハー上の膜の厚みの輪郭形状はそれぞれ図８と図９に示される。図８のＸ軸はターゲットの中心からの距離を示し、Ｙ軸は任意単位における浸食の深さを示す。図９のＸ軸およびＹ軸はそれぞれウェハー中心からの距離と規格化（または標準化）された膜の厚みを示す。
【００４７】
各図においてターゲット中心およびウェハー中心からターゲットの浸食および膜の堆積の対称的特性に起因するデータが示される。考察ケースにおいてターゲットプレート上で２つの浸食リング５１，５２が存在する。さらに内側リング５１の浸食速度は外側リング５２の浸食速度よりもより遅い。それ故に上部電極１１の上側におけるマグネットは図８に与えられるごとき浸食の輪郭形状を有するように選択されなければならない。リング形状を有するたった２つの特定領域５１，５２が浸食を受けるということが明らかである。それ故に、これらの２つの浸食場所はターゲットプレートの分離片として作られる。
【００４８】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８に示されたターゲットの浸食の輪郭形状に適したターゲット構成を示している。このターゲットプレート６１は例えば５つのターゲット片６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅに分割されている。ターゲットプレート６１のこれらのターゲット片は同心円の位置関係にある。ターゲットプレート６１において斜線領域で示されたターゲット片６１ｂ，６１ｄはターゲットプレート６１の取替え可能なターゲット片である。
【００４９】
図１０Ａはターゲットプレート６１の下面図を示す。図１０Ｂは直径のラインに沿って切ったターゲットプレート６１の断面図を示す。ターゲットは５つの分離片を有するものと考えられる。図１０Ａにおいて同様にまた各ターゲット片の適切な直径が与えられている。最も外側のターゲット片６１ａの外径は任意に選択することができる。各ターゲット片６１ａ，６１ｃ，６１ｅの上面上には磁性金属片６２が存在し、これらは図１０Ｂに示されるごとく浸食を受けないものである。同様にまた、浸食を受けるターゲット片６１ｂ，６１ｄの各々に対応する場所には磁性金属片は存在しない。ターゲット片６１ｂ，６１ｄは、図１０Ｂに示されるごとく他のターゲット片６１ａ，６１ｃ，６１ｅによって上部電極１１の下部プレート１１ａに固定される。
【００５０】
マグネット６０には、ターゲット片６１ｂ，６１ｄの下側に湾曲した磁束を持つように配置される。それ故に、プラズマは、ターゲット片６１ｂ，６１ｄの下にこれらの片を浸食させるために閉じ込められる。
【００５１】
他方、ターゲット片６１ａ，６１ｃ，６１ｅの下側ではほとんど垂直方向に強い磁界が存在するので、これらのターゲット片の下側では電子のミラー反射が原因でプラズマ密度が低下する。こうしてこれらのターゲット片６１ａ，６１ｃ，６１ｅは浸食を受けない。ターゲットプレート６１のこの浸食の輪郭形状の下で膜厚の非均一性は図９に示されるごとく０．５％に改善される。従って１ｍＴｏｒｒで膜の均一性を改善するため適切なターゲットの浸食場所が選択され得る。
【００５２】
［５０ｍＴｏｒｒ（６．６５Ｐａ）でのシミュレーションデータ］
この計算に関してはターゲットプレートの直径は３００ｍｍとして採用される。コンピュータでシミュレートされたターゲットの浸食の輪郭形状は図１１に示される。このターゲットの浸食輪郭形状を有する膜の厚みの輪郭形状は図１２に示される。１ｍＴｏｒｒでのそれらのデータと同様に、ターゲットの浸食と膜厚の輪郭形状はそれぞれターゲットおよびウェハーの中心から当該装置の対称的な性質に起因して示されている。
【００５３】
図１２から得られる膜の非均一性は０．７％である。これはたとえ高い圧力であっても適切な浸食場所を選択することによって良好な膜の均一性が得られるということを示している。図１０Ａおよび図１０Ｂで説明された例と同様に、この圧力でも、同様にまた適切なターゲットの構成を選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、上部電極に設けられるターゲットに関してＰＶＤ装置の反応容器構造に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】この図は、代表的な実施形態を示す断面図である。
【図２】この図は、分離されたターゲット片の構成を示す平面図である。
【図３】この図は、回転するマグネットアセンブリを備えた修正された実施形態を示す断面図である。
【図４】この図は、ターゲットプレートの配列に関して他の構成を有する修正された実施形態を示す断面図である。
【図５】この図は、ターゲットプレート上で可能な浸食場所および膜の堆積場所を示す。
【図６】この図は、ターゲットプレート片の側壁の形状を示す部分断面図である。
【図７】この図は、ターゲットプレート片の他の配列を示す部分断面図である。
【図８】この図は、１ｍＴｏｒｒでのターゲットの浸食の輪郭形状におけるコンピュータシミュレーションデータを示すグラフである。
【図９】この図は、図８に与えられたターゲットの浸食の輪郭形状を有して膜が堆積されるとき当該膜の厚みの径方向の輪郭形状を示すグラフである。
【図１０Ａ】この図は、図８に与えられたターゲットの浸食に関して最適なターゲットプレートの分離片の構成を示す平面図である。
【図１０Ｂ】この図は、図８に与えられたターゲットの浸食に関して最適なターゲットプレートの分離片の構成を示す断面図である。
【図１１】この図は、５０ｍＴｏｒｒでのターゲットの浸食の輪郭形状においてコンピュータシミュレーションデータを示すグラフである。
【図１２】この図は、図１で与えられたターゲットの浸食の輪郭形状を有するように膜が堆積されるとき当該膜の厚みの径方向輪郭形状を示すグラフである。
【図１３】この図は、従来のＤＣスパッタ装置の断面図である。
【図１４】この図は、従来のＤＣスパッタ装置に用いられる可能なマグネット配列を示す平面図である。
【図１５Ａ】この図は、従来のＤＣスパッタ装置のターゲットの浸食の輪郭形状を示す。
【図１５Ｂ】この図は、従来のＤＣスパッタ装置のターゲットの浸食の輪郭形状を示す。
【符号の説明】
【００５６】
１０      反応容器
１１      上部電極
１２      ターゲットプレート
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ      ターゲット片
１３      マグネットアセンブリ
１４      下部電極
１７      ウェハー
３１      磁性金属シート
４５      薄いターゲットプレート
【図１】
2005256086.tif 000003
【図２】
2005256086.tif 000004
【図３】
2005256086.tif 000005
【図４】
2005256086.tif 000006
【図５】
2005256086.tif 000007
【図６】
2005256086.tif 000008
【図７】
2005256086.tif 000009
【図８】
2005256086.tif 000010
【図９】
2005256086.tif 000011
【図１０Ａ】
2005256086.tif 000012
【図１０Ｂ】
2005256086.tif 000013
【図１１】
2005256086.tif 000014
【図１２】
2005256086.tif 000015
【図１３】
2005256086.tif 000016
【図１４】
2005256086.tif 000017
【図１５Ａ】
2005256086.tif 000018
【図１５Ｂ】
2005256086.tif 000019
【外国語明細書】
[Title of the Invention]   Physical vapor deposition system
[Technical Field]
[0001]
The present invention relates to a physical vapor deposition system, and more particularly, to a reactor structure of the physical vapor deposition system made so as to optimize the film uniformity on a wafer while neglecting the target erosion profile.
[Background Arts]
[0002]
Plasma assisted physical vapor deposition (PVD) is an essential process in the fabrication of integrated circuits on Si or other substrates or wafers. Conventionally, DC magnetrons are employed in the depositions of many different films. There are several facts that need to be considered in depositing PVD films on the substrates, for example, on Si wafers.
[0003]
The first factor is the uniformity of the film deposited on the substrate surface. With the decrease of device feature size, the requirement of the film uniformity also gets severe. For example, at present the allowed non-uniformity of PVD films on 300 mm diameter wafers is smaller than ±5%. The other main factor that must be considered in the PVD process is the target utilization efficiency. Higher target-utilization efficiency is of importance specially if the target material is expensive. For example, Platinum is very expensive. Usually, the target utilization efficiency and the film uniformity are trade-off factors. That is, if the film uniformity is increased on the basis of selection of the erosion sites on the target, its utilization efficiency decreases. In the conventional plasma assisted or enhanced PVD reactors optimization of these two factors is a problem. This problem will be further explained with reference to Figs. 13 and 14.
[0004]
A cross sectional diagram of a conventional DC magnetron system is shown in Fig. 13. The PVD reactor 100 is comprised of an upper electrode 101, target plate 102, magnet assembly 103, lower electrode 104, side-walls 105, gas inlet 106 and gas outlet 107. The upper electrode 101 is made of a metal and is supplied a DC current from a DC power source 108. The upper and lower electrodes 101 and 104 are electrically isolated from the rest of the reactor 100 by covering with insulating materials 109 and 110. The magnet assembly 103 is rotated with an electrical motor 111  and a gear system 112a and 112b. The upper electrode 101 is usually cooled by flowing a cooling agent through channels 113 made within the upper electrode 101.
[0005]
The lower electrode 104 is usually made of a metal and a wafer 121 is simply placed on the lower electrode 104. In some reactors, there may be a thin insulating layer on the upper surface of the lower electrode 104. Usually, the lower electrode 104 is not given any rf or DC electric power. However, one can give rf or DC or both rf and DC electrical power to generate a plasma or to clamp the wafer 121 on the lower electrode 104 by electrostatic forces.
[0006]
During the operation of DC plasma is made within the reactor 100 by applying a DC current to the upper electrode 101. The magnetic fields generated by the magnetic assembly 103 confine the plasma within the target region. The ions in the plasma sputter the target plate 102 and some of the sputtered atoms then deposit on the surface of the wafer 121. Concerning the magnetic assembly 103, a suitable magnet arrangement is selected to yield a uniform film on the wafer surface. Fig. 14 shows one kind of magnet arrangement with respect to the upper electrode 101, for example. The magnet arrangement 119 has two parts 119a and 119b making a ring shaped magnet. The part 119a is a N magnetic pole member of a half-circle shape, while the part 119b is a S magnetic pole member of a round M-letter shape. The magnetic arrangement 119 is rotated around the center point 120 of the upper electrode 11.
[0007]
Usually the target erosion on the surface of the target plate 102 is not uniform with any of the magnet arrangement used in the conventional DC sputtering process. The reason is that, if the target erosion is uniform, a uniform film cannot be obtained on the wafer surface. Therefore, only selected areas are subjected to erosion. As an example, Fig. 15B shows the erosion profile of the target plate 102 of the conventional DC magnetron system, while the target plate 102 shown in Fig. 15A is has no erosion profile before stating the sputtering process. This means that only a small volume of the target material in the target plate 102 shown in Fig. 15B is actually used for the deposition of film on the wafer 121. The above utilization state on the target plate 102 gives very low target-utilization efficiency.
[0008]
Accordingly, there is a trade-off between the target utilization efficiency and the film uniformity. Because of this reason, both parameters cannot be improved simultaneously. 
[0009]
Next, two conventional well-known techniques in relation with this invention will be explained in reference to the Patent Documents 1 and 2. 
[0010]
Patent Document 1 shows a target plate used for a sputtering process. In this target plate, utilization efficiency is improved by decreasing unnecessary parts. The target plate is divided into three parts of a center part, a middle part and an outside part. The middle part is easy to be etched by ions and the other parts are difficult to be etched. Therefore, the target plate has a replacement structure for replacing only the middle part when it has been very etched.
[0011]
Patent Document 2 shows a magnetron-sputtering cathode. This magnetron-sputtering cathode is useful for easily adjusting distribution of film thickness by replacing a first magnet. It is unnecessary for the cathode to change the whole. This cathode has some permanent magnets (4,5,6,7) for generating magnet fields above the target. Two divided yoke plates are prepared for respectively fixing two magnet sets ((4,5) and (6,7)). The structure concerning the cathode is very complicated.
[Patent Document 1]  JP-A-7-7278806
[Patent Document 2]  JP-A-6-93442 
[Disclosure of the Invention]
[Subject to be solved by the Invention]
[0012]
The subject of the present invention is to make the reactor configuration of the PVD system, in which the target plate is comprised of two or more separate pieces and magnet arrangement used for fixing the pieces of the target plate by magnetic force is selected to optimize the film uniformity on the wafer while neglecting the target erosion profile. When a predetermined piece of the target plate is eroded to its replacement level, only the piece is replaced. This results in higher target utilization efficiency.
[0013]
The object of the present invention is to provide PVD system with a reactor structure capable of optimizing the film uniformity on the wafer and simultaneously attaining higher target utilization efficiency, and in which replacement of required pieces in the target plate is carried out by the simple structure using magnet mechanism.
[0014]
Another object of the present invention is to provide the PVD system having target plate structure in which replacement for the necessary piece to be replaced can be easily carried out and the most suitable division pattern of the target plate is realized.
[Means to solve the Problem]
[0015]
PVD system in accordance with the present invention is configured as follows in order to attain the above-mentioned objects.
[0016]
A PVD system has a reactor provided with an upper electrode connected with a power source, a lower electrode on which a wafer is loaded for the processing, a target plate fixed to the lower surface of the upper electrode, and a magnet arrangement placed above the upper electrode, which generates magnetic field with closed magnetic fluxes below the target plate. In this PVD system, the target plate is formed by two or more separate pieces, and at least one specific piece to be eroded in the separate pieces of the target plate is freely attached to or detached from the lower surface of the upper electrode using magnetic force for parts replacement. 
[0017]
In the above PVD system, preferably, all of the separate pieces of the target plate is freely attached to or detached from the lower surface of the upper electrode using the magnetic force.
[0018]
In the above PVD system, preferably, the magnetic force is generated between magnets arranged on the upper surface of the upper electrode and magnetic metals attached to the upper side of the specific piece of the target plate.
[0019]
In the above PVD system, preferably, the separate pieces of the target plate are attached to the upper electrode through a thin target plate.
[0020]
In the above PVD system, preferably, the magnet arrangement is rotated around the predetermined axis such as a central axis of the upper electrode or on an off-axis.
[0021]
In the PVD system, preferably, the target plate is divided to first target pieces not to be subjected to the erosion and second target pieces to be subject to the erosion, and the first target pieces are attached to the upper electrode by the magnetic force, and the second target pieces are fixed to the upper electrode by the first target pieces.
[0022]
In the above PVD system, preferably, the magnet arrangement on the upper surface of the upper electrode is selected only by considering the uniformity of the film, and a consideration for all-surface-erosion of the target plate is neglected. 
[Effect of the Invention]
[0023]
In accordance with the present invention, the reactor structure of the PVD system as to a target can improve the target utilization efficiency and film uniformity on the wafer surface simultaneously by simple structure, since the target is consisted of a several separate pieces and fixed to the upper electrode by magnetic force. Further, only selected sites of the target, which are specially subjected to erode, is easily exchanged to improve the film uniformity.
[Best Working Examples for carrying out the Invention]
[0024]
Hereinafter, preferred working examples will be explained according to the attached drawings. Through the explanation of the working examples, the details of the present invention will be clarified.
[0025]
A typical working example of the present invention is explained with reference to Figs. 1 and 2. A longitudinal cross sectional diagram of the first working example is shown in Fig. 1. The PVD system of the first working example has a reactor 10 formed by a top wall 10a, cylindrical side-wall 10b and bottom wall 10c. The reactor 10 is provided with an upper electrode 11, target plate 12, magnet assembly 13, lower electrode 14, gas inlets 15 and gas outlet 16.
[0026]
A wafer 17 to be processed is loaded on the lower electrode 14. This lower electrode 14 is placed and fixed on upper surface of a wafer holder 18. 
[0027]
The upper electrode 11 is fixed in horizontal state above the wafer 17 in the reactor 10. The upper electrode 11 is parallel to the wafer 17. The upper electrode 11 is made of a non-magnetic metal such as aluminum. The upper electrode 11 is consisted of a lower plate 11a, cylindrical side-wall 11b and a top plate 11c. Usually the diameter of the upper electrode 11 is taken considerably larger than the diameter of the wafer 17. There are several canals 18 within the lower plate 11a to flow a cooling agent.
[0028]
The upper electrode 11 may be supplied a rf power or DC power or both together. In the first working example, as shown in Fig. 1, both a rf power source 21 and a DC power source 22 are connected to the upper electrode 11. Actually, a rf current is transmitted though a matching circuit 23 from the rf power source 21, and DC electrical power is supplied in addition to the rf power by the DC power source 22. In this case, a suitable rf current cut-off filter 24 is employed after the DC power source 22. 
[0029]
In addition, the target plate 12 is fixed to the lower plate 11a of the upper electrode 11 and the magnet assembly 13 is placed in the inner space of the upper electrode 11. The gas inlets 15 are disposed along the inner surface of the cylindrical side-wall 10b and the gas outlet 16 is formed at the lower spot of the cylindrical side-wall 10b.
[0030]
There is the magnet assembly 13 between the top plate 11c and the lower plate 11a of the upper electrode 11. The diameter of the magnet assembly 13 is not critical. It is typically larger than the diameter of the target plate 12. By taking a larger diameter for the magnet assembly 13 than the diameter of the target plate 12, the suitable erosion sites of the target can be easily selected. Thus the film uniformity can be improved.
[0031]
By the way, as to the structure of the magnet assembly 13, one can use a rotating magnet assembly mechanism as shown in Fig. 3. The mechanism for rotating the magnet assembly 13 is comprised of the magnet assembly 13 structured to be rotatable around a central axis of the upper electrode or a off-axis, a motor 41, a drive shaft 42 and a gear mechanism 43a and 43b. The other components are the same as those shown in Fig. 1. In accordance with the rotating magnet assembly, the film uniformity on the wafer surface further can be improved.
[0032]
Again, in accordance with the structure shown in Fig. 1, this typical working example will be explained. The magnet assembly 13 is permanently fixed, so that it cannot be rotated.  The arrangement of magnet is not critical and can be of any shape that improves the film uniformity. Usually the magnet arrangement is selected to have a symmetric configuration around any diameter-line. When designing the magnet arrangement only the film uniformity is considered; target utilization efficiency is neglected. The strength of magnetic field or dimensions of magnets are also not critical, thus magnets are selected only by considering the film uniformity.
[0033]
The target plate 12 is made of a material that needed to be sputtered and deposited on the wafer 17, which is placed on the lower electrode 14. The diameter of the target plate 12 is taken few centimeters larger than the diameter of the wafer 17. The target plate 12 is consisted of several separate pieces or parts. For example, the target plate 12 can be formed using three separate pieces, that is, an outside piece 12a, a middle piece12b and a center piece 12c as shown in Fig. 2. The thickness of target plate 12 is not critical and, for example, lies in the range of 3 mm to 20 mm.
[0034]
On the upper surface of each piece or in selected pieces, there is a thin sheet of magnetic metal 31, for example, iron. In accordance with the first working example shown in Fig. 1, the outside and center pieces 12a and 12c are fixed to the lower plate 11a, and the middle piece 12b is attached to the lower plate 11a by the magnetic metal-sheet 31. If necessary, for example, when making an exchange concerning the middle piece 12b, it can be easily removed from the lower plate 11a. 
[0035]
The thickness of the above magnetic metal-sheet 31 is also not critical and usually lies below 5 mm. The magnetic metal-sheet 31 is firmly fixed to the middle piece 12b of the target plate 12. As there is a strong magnetic field at the lower surface of the lower plate 11a of the upper electrode 11, the magnetic metal-sheet 31 get attached to the upper electrode 11 by magnetic force. This method of target-plate attachment to the upper electrode 11 eliminates the use of bolts and eases the target fixing and changing process. The shape of target plate pieces 12a, 12b and 12c are not critical and selected according the criterion explained later. 
[0036]
Another configuration of the target plate 12 is shown in Fig. 4. Here, there is a thin target plate 45 fixed to the lower surface of the low plate 11a of the upper electrode 11. This thin planar target plate 45 is firmly fixed to the low plate 11a using a suitable method such as metal bonding in order to have a better thermal conductance between the upper electrode 11 and the target plate 12. The diameter of the thin target plate 45 is taken a few centimeters larger than that of the target plate 12. The separate pieces 12a-12c of the target plates 12 are then attached to the thin target plate 45. If there is no planar thin target plate 45, the separate pieces of target plates 12 are directly attached to the upper electrode 11 as explained in the above typical working example. In that case, the material of the upper electrode 11 can be contaminated into the plasma since plasma can be penetrated to the lower plate 11a through the narrow spaces 46 between the target plate 12 and an insulating material 32.
[0037]
In Figs. 1, 3 and 4, the upper and lower electrodes 11 and 14 are electrically separated from the rest of the reactor 10 by covering insulating materials 32 and 33. The lower electrode 14 is usually made of a metal, for example, aluminum. There may be a thin dielectric sheet on the upper surface of lower electrode 14 if the wafer 17 is needed to electrostatically clamp to the lower electrode 14. This dielectric sheet is not shown in Fig. 1. The lower electrode 14 may be given a rf current, or both rf and DC currents. Any of the electrical connections to the lower electrode 14 are not shown in diagrams since it is not relevant to the present invention. 
[0038]
A process gas, usually Ar is introduced into the reactor 10 using several gas inlets 15. The positions of the gas inlets 15 are not important and can be any of the places within the reactor 10. The process gas is vacuumed through the gas outlet 16. The inside pressure of the reactor 10 is usually controlled by varying the gas flow rate and controlling vacuuming rate by a use of a variable orifice on a vacuuming system. The variable orifice and the vacuuming system are not shown in Fig. 1. The process pressure depends on the type of process and plasma generation mechanism. If a DC plasma is used, usually a lower pressure, for example, below 20 mTorr (2.66 Pa), is employed. If an rf plasma is used the pressure window can be in the range of 1 mTorr (0.133 Pa) to several hundred mTorr. Use of high-pressure rf plasmas, for example, over 100 mTorr (13.3 Pa), is useful for ionized PVD process.
[0039]
Now, the method of dividing the target plate 12 into the separate pieces 12a, 12b, 12c is explained with reference to Fig. 5. In Fig. 5, (A) shows a plan view of the target plate 12 and (B) shows a longitudinal cross sectional view of the target plate 12. In this working example, the target plate 12 is provided with the thin target plate 45 explained in Fig. 4. The target plate 12 is subjected to erosion during the plasma assisted sputter deposition. The erosion sites can be controlled or selected by modifying the magnetic field generated by the magnet assembly 13. It is known that by selecting the erosion sites 35a to be in doughnut-shape, the film uniformity can be increased.
[0040]
For example, Fig. 5 shows a hypothetical magnet arrangement (13A and 13B) and erosion profile (35). With this magnet arrangement 13A and 13B, there are erosion sites 35a and deposition sites 35b forming the erosion profile 35 on the target plate 12. Usually, just below the magnetic poles corresponding to the magnetic arrangement 13a and 13b a deposition can be observed. 
[0041]
The above deposition is occurred due to two reasons. A first reason is that the plasma density below the magnetic poles is lower compared to that of between the magnetic poles. This is because electrons in the plasma are reflected back due to mirror reflection phenomenon. A second reason is that some of the sputtered atoms from the target plate 12 are reflected back due to the gas phase scattering and deposit on the target plate 12. Owing to the erosion sites 35a and deposition sites 35b on the target plate 12, there are positions where target thickness does not change. These positions shown by arrows 36a and 36b in Fig. 5 are selected for the target separation lines.
[0042]
Accordingly, the target erosion sites can be made as a separate piece. For example, only the target piece labeled as 12b in Fig. 5 is subjected to erosion. Therefore, only this piece 12b has to be replaced during the target changing. The other pieces 12a and 12c of the target plate 12 can be continuously used. Since the target plate 12 is separated at the places where the target thickness does not changed, there will not be any abrupt variation of the target surface even after the target piece 12b is changed.
[0043]
The above target pieces 12a, 12b and 12c may have vertical or angled side-walls as shown in Fig. 6. If the side-walls are vertical, it is possible to deposit sputtered atoms within the narrow spaces between side-walls of the target pieces. These films can easily peel off and form particles in the plasma, which eventually deposit on the wafer surface. However, use of angled side-walls can prevent the formation of narrow spaces between separate pieces of the target plate 12. 
[0044]
Another configuration for the arrangement of the target pieces is shown in Fig. 7. Here, there is a purposely-arranged small space, around 1 mm, between each target pieces of the target plate 12. Owing to this small space 47 between the target pieces, films are firmly deposited on the side-walls and peel off problem is eliminated. This prevents the particle contamination problem.
[0045]
Next, a computer simulation as to the structure shown in the above working examples is explained. This computer simulation is carried out to verify the above-explained magnet and target arrangement. The simulation is carried out for two different pressures of 1 mTorr (0.133 Pa) and 50 mTorr (6.65 Pa). In each case, the separation between the target plate 12 and the wafer 17 is considered as 10 cm. The film is considered to deposit on a 200 mm diameter wafer.
[0046]
[Simulated data at 1 mTorr (0.133 Pa)]
For this simulation, the diameter of the target plate 12 is taken as 32 cm. The profiles of target erosion and the film thickness on the wafer are shown in Fig. 8 and 9, respectively. The X-axis of Fig. 8 shows the distance from a target center and Y-axis shows the erosion depth in arbitrary units. The X and Y-axis of Fig. 9 show the distance from the wafer center and normalized film thickness, respectively.
[0047]
In each figure data are shown from the target center and wafer center due to the symmetric nature of target erosion and film deposition. In the considered case there are two erosion-rings 51 and 52 on the target plate. Further, the erosion rate of inner ring 51 is slower than that of outer ring 52. Therefore, magnets on the upper side of upper electrode 11 has to be selected to have the erosion profile as given in Fig. 8. It is clearly seen that only two specific areas 51 and 52 with ring-shaped are subjected to the erosion. Therefore, these two erosion sites can be made as the separate pieces of the target plate. 
[0048]
Figs. 10A and 10B show a target configuration appropriate to target erosion profile shown in Fig. 8. This target pate 61 is divided into five target pieces 61a, 61b, 61c, 61d and 61e, for example. These target pieces of the target plate 61 are in a positional relationship of a concentric circle. In the target plate 61, the target pieces 61b and 61d shown as hatched areas are the replaceable target pieces of the target plate 61.
[0049]
Fig. 10A shows the lower-view of the target plate 61. Fig. 10B shows the cross sectional view of the target plate 61 cut along a diameter line. The target is considered to have five separate pieces. Suitable diameters of each target pieces are also given in Fig. 10A. The outer-diameter of outer-most target piece 61a can be arbitrarily selected. There is a magnetic metal piece 62 on the upper surface of each target piece 61a, 61c and 61e, which are not subjected to the erosion, as shown in Fig. 10B. Similarly, there is no magnetic metal piece on the spot corresponding to each of the target pieces 61b and 61d that are subjected to the erosion. The target pieces 61b and 61d are fixed to the lower plate 11a of the upper electrode 11 by the other target pieces 61a, 61c and 61e as shown in Fig. 10B.
[0050]
The magnets 62 are arranged to have curved magnetic flux below the target pieces 61b and 61d. Therefore plasma confines below the target pieces 61b and 61d to cause the erosion of these pieces.
[0051]
On the other hand, since there is a strong magnetic field in almost vertical direction below the target pieces 61a, 61c and 61e, plasma density lowers under these target pieces due to mirror reflection of electrons. Thus these target pieces 61a, 61c and 61e are not subjected to erosion. With this erosion profile of the target plate 61 the non-uniformity of the film thickness improves to 0.5% as shown in Fig. 9. Accordingly, a suitable target erosion sites can be selected to improve the film uniformity at 1 mTorr.
[0052]
[Simulated data at 50 mTorr (6.65 Pa)]
For this calculation the diameter of the target plate is taken as 300 mm. The computer simulated target erosion profile is shown in Fig. 11. The profile of film thickness with this target erosion profile is shown in Fig. 12. Similar to those data at 1 mTorr, profiles of target erosion and film thickness are shown from the center of target and wafer, respectively, due to the symmetric nature of the system.
[0053]
The film non-uniformity obtained from Fig. 12 is 0.7%. This indicates even at a higher pressure a good film uniformity can be obtained by selecting suitable erosion sites. Similar to that explained with Figs. 10A and 10B, a suitable target configuration can be selected for this pressure too.
[Usability in Industry]
[0054]
The present invention is used for the reactor structure of PVD system as to the target arranged to the upper electrode.
[Brief Explanation of Drawings]
[0055]
[Fig. 1]
This figure is a cross sectional diagram showing a typical working example. 
[Fig. 2]
This figure is a plan view showing a configuration of separated target pieces. 
[Fig. 3]
This figure is a cross sectional diagram showing a modified working example with a rotating magnet assembly.
[Fig. 4]
This figure is a cross sectional diagram showing a modified working example with another configuration for the target plate arrangement. 
[Fig. 5]
This figure shows a possible erosion and film deposition sites on the target plate.
[Fig. 6]
This figure is a partial cross sectional view showing shapes of side-walls of the target plate pieces.
[Fig. 7]
This figure is a partial cross sectional view showing another arrangement of the target plate pieces. 
[Fig. 8]
This figure is a graph showing the computer-simulated data on the erosion profile of the target at 1 mTorr.
[Fig. 9]
This figure is graph showing the radial profile of the film thickness when the film is deposited with the target erosion profile given in Fig. 8.
[Fig. 10A]
This figure is a plan view showing configuration of the separated pieces of the target plate that suitable for the target erosion given in Fig. 8. 
[Fig. 10B]
This figure is a cross sectional view showing configuration of the separated pieces of the target plate that suitable for the target erosion given in Fig. 8. 
[Fig. 11]
This figure is a graph showing the computer-simulated data on the erosion profile of the target at 50 mTorr.
[Fig. 12]
This figure is a graph showing the radial profile of the film thickness when the film is deposited with the target erosion profile given in Fig. 11.
[Fig. 13]
This figure is a cross sectional view of a conventional DC sputtering system.
[Fig. 14]
This figure is a plan view showing a possible magnet arrangement used in the conventional DC sputtering system.
[Fig. 15A]
This figure shows the target erosion profile of the  conventional DC sputtering system.
[Fig. 15B]
This figure shows the target erosion profile of the  conventional DC sputtering system.
[Explanation of Reference numerals]
[0055]
10     Reactor
11     Upper electrode
12     Target plate
12a, 12b, 12c     Target piece
13     Magnet assembly
14     Lower electrode
17     Wafer
31     Magnetic metal-sheet
45     Thin target plate
[Claim 1]
A physical vapor deposition system having a reactor provided with an upper electrode connected with a power source, a lower electrode on which a wafer is loaded for the processing, a target plate fixed to the lower surface of said upper electrode, and a magnet arrangement placed above said upper electrode, which generates magnetic field with closed magnetic fluxes below said target plate,
wherein said target plate is formed by two or more separate pieces, and at least one specific piece to be eroded in said separate pieces of said target plate is freely attached to or detached from said the lower surface of said upper electrode using magnetic force for parts replacement. 
[Claim 2]
A physical vapor deposition system as claimed in claim 1, wherein all of said separate pieces of said target plate is freely attached to or detached from the lower surface of said upper electrode using said magnetic force.
[Claim 3]
A physical vapor deposition system as claimed in claim 1 or 2, wherein said magnetic force is generated between magnets arranged on the upper surface of said upper electrode and magnetic metals attached to the upper side of said specific piece of said target plate.
[Claim 4]
A physical vapor deposition system as claimed in claim 1 or 2, wherein said separate pieces of said target plate are attached to said upper electrode through a thin target plate.
[Claim 5]
A physical vapor deposition system as claimed in any one of claims 1-4, wherein said magnet arrangement is rotated around the predetermined axis.
[Claim 6]
A physical vapor deposition system as claimed in claim 1, wherein said target plate is divided to first target pieces not to be subjected to the erosion and second target pieces to be subject to the erosion, and said first target pieces are attached to said upper electrode by said magnetic force, and said second target pieces are fixed to said upper electrode by said first target pieces.
[Claim 7]
A physical vapor deposition system as claimed in any one of claims 1-4, wherein said magnet arrangement on the upper surface of said upper electrode is selected only by considering the uniformity of the film, and a consideration for all-surface-erosion of said target plate is neglected. 
[Abstract]
[Subject of the Present Invention]
To provide PVD system with a reactor structure capable of optimizing the film uniformity on the wafer and simultaneously attaining higher target utilization efficiency.
[Means to solve the Problem]
A PVD system has a reactor 10 provided with an upper electrode 11 connected with a power source, a lower electrode 14 on which a wafer 17 is loaded, a target plate 12 fixed to the upper electrode 11, and a magnet arrangement 13 placed above the upper electrode, which generates magnetic field with closed magnetic fluxes below the target plate. In this PVD system, the target plate is formed by two or more separate pieces 12a-12c, and at least one specific piece 12b to be eroded is freely attached to or detached from the upper electrode using magnetic force for parts replacement. 
[Representative Figure]   Fig. 1
【Fig. 1】
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【Fig. 2】
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【Fig. 3】
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【Fig. 4】
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【Fig. 5】
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【Fig. 6】
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【Fig. 7】
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【Fig. 8】
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【Fig. 9】
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【Fig. 10A】
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【Fig. 10B】
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【Fig. 11】
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【Fig. 12】
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【Fig. 13】
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【Fig. 14】
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【Fig. 15A】
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【Fig. 15B】
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