(57)【要約】 【課題】成膜速度の面内均一性を確保しながら、成膜効率を向上させ、ターゲットの使用効率を向上させること。【解決手段】真空容器２内に載置されたウエハ１０に対向するようにターゲット３１を配置し、このターゲット３１の背面側にマグネット配列体５を設ける。このマグネット配列体５は、マグネット６１，６２がマトリックス状に配列された内側マグネット群５４と、この内側マグネット群５４の周囲に設けられ、電子の飛び出しを阻止するリターン用のマグネット５３とを備えている。これによりターゲット３１の直下にカスプ磁界による電子のドリフトに基づいて高密度のプラズマが発生し、またエロージョンの面内均一性が高くなる。このためターゲット３１とウエハ１０とを接近させてスパッタを行うことができ、成膜速度の面内均一性を確保しながら、成膜効率を向上させることができる上、ターゲットの使用効率が高くなる。【選択図】  図２
2013082993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設けたマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットに電圧を印加する電源部と、
ベース体にマグネット群を配列したマグネット配列体と、
このマグネット配列体を被処理基板に対して直交する軸の周りに回転させるための回転機構と、を備え、
前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列され、
前記マグネット群における最外周に位置するマグネットは、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するようにライン状に配列され、
スパッタ時における前記ターゲットと被処理基板との距離が３０ｍｍ以下であることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】
真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設け、直径３００ｍｍの半導体ウエハである被処理基板に対してマグネトロンスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットに電圧を印加する電源部と、
ベース体にマグネット群を配列したマグネット配列体と、
このマグネット配列体を被処理基板に対して直交する軸の周りに回転させるための回転機構と、を備え、
前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列され、
前記マグネット群における最外周に位置するマグネットは、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するようにライン状に配列され、
ターゲットの直径をＲ（ｍｍ）、ターゲットと被処理基板との距離をＴＳ（ｍｍ）とすると、
（ＴＳ´／Ｒ）×１００（％）＝０．０００６１５１Ｒ２−０．５２３５Ｒ＋１１３．４、かつ
ＴＳ≦１．１ＴＳ´となるように前記距離（ＴＳ）が設定されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設け、直径４５０ｍｍの半導体ウエハである被処理基板に対してマグネトロンスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタ装置において、
ベース体にマグネット群を配列したマグネット配列体と、
このマグネット配列体を被処理基板に対して直交する軸の周りに回転させるための回転機構と、を備え、
前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列され、
前記マグネット群における最外周に位置するマグネットは、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するようにライン状に配列され、
ターゲットの直径をＲ（ｍｍ）、ターゲットと被処理基板との距離をＴＳ（ｍｍ）とすると、
（ＴＳ´／Ｒ）×１００（％）＝０．０００３８２７Ｒ２−０．４５９７Ｒ＋１３９．５、かつ
ＴＳ≦１．１ＴＳ´となるように前記距離（ＴＳ）が設定されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】
前記マグネット配列体は、被処理基板の投影領域全体に亘ってプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極が配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】
前記マグネット配列体は、主マグネット群と補助マグネット群からなり、前記主マグネット群のＮ極及びＳ極が前記ターゲット面の法線方向に配置され、前記補助マグネット群のＮ極及びＳ極が前記ターゲットの面と水平方向に配置されており、ターゲット側において補助マグネットの一辺に隣接する主マグネットの磁極と、当該補助マグネットの一辺側の磁極が同極となるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項６】
前記被処理基板におけるターゲットとは反対側に設けられた電極と、
この電極に高周波電力を供給する高周波電源部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項７】
前記最外周に位置するマグネットをリターン用のマグネットと呼ぶとすると、リターン用のマグネットを除くマグネット群の中で最外周に位置する外側マグネットの少なくとも一つの磁力は、当該外側マグネットよりも内側に位置するマグネットの磁力よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項８】
前記リターン用のマグネットよりも内側に位置するマグネットは、複数のマグネット要素に分割されて構成され、マグネット要素の集合数によってマグネットの磁力が調整できることを特徴とする請求項７記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項９】
前記リターン用のマグネットよりも内側に位置するマグネット群は、Ｎ極に対応するマグネットの強さの合計と、Ｓ極に対応するマグネットの強さの合計とが揃っていることを特徴とする請求項７または８のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項１０】
前記リターン用のマグネットよりも内側に位置するマグネット群は、マグネットをマトリックス状に配列して構成されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一つに記載のマグネトロンスパッタ装置を用い、
プロセス圧力を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）以上に設定し、ターゲットへの投入電力をターゲットの面積で割った投入電力密度を３Ｗ／ｃｍ２以上に設定して、被処理基板に対して金属膜を成膜することを特徴とするマグネトロンスパッタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程で用いられるマグネトロンスパッタ装置は、例えば図３３に示すように、低圧雰囲気に設定された真空容器１１内に、基板１２と対向するように成膜材料よりなるターゲット１３を配置すると共に、ターゲット１３の上面側にマグネット体１４を設け、ターゲット１３が導電体例えば金属である場合には、負の直流電圧を印加した状態でターゲット１３の下面近傍に磁場を形成するように構成されている。また、真空容器１１の内壁への粒子の付着を防止するために防着シールド（図示せず）が設けられている。
【０００３】
前記マグネット体１４は図３４に示すように、一般的には例えば環状のマグネット１５の内側に、当該マグネット１５と異なる極性の円形のマグネット１６を配置して構成されている。なお、図３４はマグネット体１４をターゲット１３側から見た平面図であり、この例では、外側のマグネット１５の極性はターゲット１３側がＳ極、内側のマグネット１６の極性はターゲット１３側がＮ極になるように夫々設定されている。こうして、ターゲット１３の下面近傍には前記外側のマグネット１５に基づくカスプ磁界と内側のマグネット１６に基づくカスプ磁界とにより水平磁場が形成される。
【０００４】
前記真空容器１１内に、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを導入して、ＤＣ電源部１５からターゲット１３に負の直流電圧を印加すると、この電界によってＡｒガスが電離し、電子が生成する。この電子は、前記水平磁場と電界とによってドリフトし、こうして高密度プラズマが形成される。そして、プラズマ中のＡｒイオンがターゲット１３をスパッタしてターゲット１３から金属粒子を叩き出し、当該放出された金属粒子によって基板１２の成膜が行われる。
【０００５】
このようなメカニズムであることから、ターゲット１３の下面では、図３５に示すように、外側のマグネット１５と内側のマグネット１６との中間部直下に、マグネットの配列に沿った環状のエロージョン１７が形成される。この際、ターゲット１３全面でエロージョン１７を形成するためにマグネット体１４を回転させているが、既述のマグネット配列では、ターゲット１３の半径方向において均一にエロージョン１７を形成することは困難である。
【０００６】
一方、基板面内の成膜速度分布はターゲット１３面内のエロージョン１７の強弱（スパッタ速度の大小）に依存する。従って、上記のようにエロージョン１７の不均一の程度が大きい場合には、図３５に点線で示すように、ターゲット１３と基板１２との距離を小さくすると、エロージョンの形状がそのまま反映されて基板面内の成膜速度の均一性が悪化してしまう。このようなことから、従来ではターゲット１３と基板との距離を５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度と大きくしてスパッタ処理を行っている。
【０００７】
この際、ターゲット１３からスパッタにより放出された粒子は外方へ飛散していくので、ターゲット１３から基板１２を離すと、防着シールドに付着するスパッタ粒子が多くなり、基板外周部の成膜速度が低下してしまう。このため、外周部のエロージョンが深くなるように、即ち外周のスパッタ速度を高めるようにして、基板面内の成膜速度の均一性を確保することが一般的に行われている。しかしながら、この構成では、既述のように防着シールドに付着するスパッタ粒子が多くなることから、成膜効率が１０％程度と非常に低く、速い成膜速度が得られない。このように、従来のマグネトロンスパッタ装置では、成膜効率と成膜速度の均一性を両立することは困難である。
【０００８】
また、ターゲット１３はエロージョン１７が裏面側に到達する直前に交換する必要があるが、既述のように、エロージョン１７の面内均一性が低く、エロージョン１７の進行が早い部位が局所的に存在すると、この部位に合わせてターゲット１３の交換時期が決定されるため、ターゲット１３の使用効率は４０％程度と低くなる。製造コストを低減し、生産性を向上させるためには、ターゲット１３の使用効率を高くすることも要求されている。
【０００９】
ところで近年では、メモリーデバイスの配線材料としてタングステン（Ｗ）膜が注目されており、例えば３００ｎｍ／ｍｉｎ程度の成膜速度で成膜することが要請されている。上述の構成では、例えば印加電力を１５ｋＷｈ程度に大きくすることにより前記成膜速度を確保することができるが、機構が複雑であり、稼働率が低くなり、製造コストが高くなってしまう。
【００１０】
ここで、特許文献１には、任意の２つの間で等距離を有し、かつ交互の極性を有する複数のマグネットをターゲットと対向するように平面的に配列し、ターゲットの下側にポイントカスプ磁界を生成する構成が提案されている。ポイントカスプ磁界を生成するマグネットを点状マグネットと呼ぶことにすると、この点状マグネットを配列させた構成では、ターゲット近傍の電界Ｅと点状マグネットの水平磁場ＢによるＥ×Ｂによって電子が加速され、ドリフト運動して、プラズマを発生させる。
【００１１】
しかしながら、マグネット配列の外周部では、ＮとＳの配置により、Ｅ×Ｂのベクトル方向がターゲットの外に向う開放端が存在するため、ターゲット外周よりも外方に電子が飛び出してしまい、電子損失が大きくなる。ここで、ターゲットの全面でエロージョンを形成するためには、水平磁場がターゲット外周を覆うように点状マグネットを配列する必要がある。この場合には前記開放端がターゲットの外周近傍に位置することになるので、ターゲット外周部で電子の飛び出しが起こると、当該外周部にて円周方向に電子密度の粗密が発生したり、ターゲットの径方向に従って電子密度が低下するといった電子密度の不均一を生じさせる。このため、ターゲットの直下では、場所によって電子密度が異なり、プラズマ密度の面内均一性が低下してしまう。また、前記開放端付近の磁束が発散しているため、磁束のバランスが崩れ、電子密度の不均一が増長される。
【００１２】
このように点状マグネットのみの配列では、マグネット間に生ずる水平磁場がマグネット配列により二次元的に広がるものの、十分なプラズマ密度が得られず、高いプラズマ密度の面内均一性を確保することが難しい。また、エロージョン面内における均一性は、点状マグネットの配列による周期的な水平磁場の粗密に依存して低下するが、プラズマ密度の粗密によってさらに低くなるため、結果としてターゲットの使用効率が低下する。この際、ターゲットよりもマグネット群の形成領域を大きくして、前記開放端に起因する問題を解消することも考えられるが、ターゲットとシールド部材との間に強い磁場があると異常放電を起こすおそれがあり、マグネット群の形成領域をターゲットよりも大きくすることは好ましくない。
【００１３】
また、特許文献２には、各々ターゲットの表面と平行な中心軸を備える複数のマグネットを、互いの中心軸が略平行になるように配置すると共に、複数のマグネットをＮ極とＳ極とが前記中心軸に対して略直角方向に互いに対向するように形成した技術が記載されている。さらに、特許文献３には、ターゲットとウエハとの距離を近づけることにより、カバレージを改善する技術が記載されている。
【００１４】
しかしながら、これら特許文献１〜特許文献３には、ターゲットと基板との距離を狭めて、成膜速度の面内均一性を確保しながら成膜効率を向上させることについては着目されておらず、これら特許文献１〜特許文献３の構成を適用しても、本発明の課題を解決することはできない。
【００１５】
また、既述のようにＷをマグネトロンスパッタ方法で成膜することについて検討されているが、微細配線でも抵抗上昇が起こらず信頼性の高い高融点金属として注目されている。このためマグネトロンスパッタ方法を利用するにあたっては、成膜速度が大きいことに加え、成膜された膜が低抵抗であることが要請される。
【００１６】
Ｗのバルク比抵抗は室温で約５．３μΩ・ｃｍであるが、近年の多層配線回路では例えば３００ｎｍ／ｍｉｎ以上の高速成膜と、１０μΩ・ｃｍ以下の比抵抗が要請されている。しかし、従来技術では、上述したように成膜効率及びターゲットの使用効率が低いという問題に加え、Ｗの膜を低抵抗にすることと大きな成膜速度を得ることとはトレードオフの関係にあるという問題がある。成膜速度を増大させる場合、通常は直流電源部１９から印加する電圧を増大させるが、その結果としてスパッタ膜の比抵抗が増大してしまう。例として、成膜速度が約５０ｎｍ／ｍｉｎで得られる膜の比抵抗は約１０μΩ・ｃｍであるが、約３００ｎｍ／ｍｉｎの高速成膜では比抵抗は約１１μΩ・ｃｍ〜２０μΩ・ｃｍ、あるいはそれ以上であり、バルク値の約２〜３倍の値になってしまう。
【００１７】
配線抵抗増大の原因は、膜結晶グレインの粒界での電子散乱、膜中の格子欠陥による電子散乱、不純物（スパッタの場合はＡｒ含む）による電子散乱及び表面、界面における電子散乱である。よってスパッタ膜を低抵抗化させるには、膜結晶グレインの大きさ及び結晶配向を揃えること、ならびに膜中の欠陥や不純物を少なくすることが重要である。これらを効果的に行うには、スパッタ成膜中のＷ粒子の表面拡散を激しくして粒子の再配列が行われやすいようにすることが必要となる。  
非特許文献１によると、スパッタ成膜においては粒子の再配置を行うために、先ず基板温度を高くすることが重要であるが、Ｗ膜は高融点金属であるため、表面拡散を起こすには８５０℃以上の高温が必要である。この手法を通常のスパッタリング技術に適用することは困難である。また、成膜後にアニールにより再結晶化させ低抵抗化することも可能ではあるが、さらに高温の１０００℃が必要となり半導体製造工程と相容れない。
【００１８】
また、同様に表面拡散を起こすために、スパッタされた原子のエネルギーが使える低圧条件が好ましいとされている。即ち通常ターゲット電圧は２００Ｖ〜８００Ｖであり、この電圧で加速されたスパッタガス原子、例えばアルゴン（Ａｒ）原子のエネルギーは１０ｅＶ〜２０ｅＶといわれており、もしも低圧により空間での衝突がなければスパッタ原子はこのエネルギーで基板上の膜表面に到達し、膜表面でのエネルギー拡散に寄与するからである。ターゲット−基板間距離＝３０ｍｍ〜１００ｍｍであれば、＜１０ｍＴｏｒｒが好ましいといわれている。しかしＷとＡｒの組み合わせは、低圧条件下ではＡｒイオンがターゲットであるＷと弾性衝突を起こし、反跳する中性のＡｒ原子となり、基板上に成膜されたＷ膜に突入してダメージを与える。このＡｒ原子のＷ膜への突入は弾性衝突であるため、ターゲット原料元素の原子量が大きいほど反跳Ａｒのエネルギーは大きい。ターゲットがＷの場合は反跳Ａｒのエネルギーは１００ｅＶ〜２００ｅＶとなる。Ｗのスパッタされる閾値電圧は３３ｅＶ程度といわれており、この値と比較すると反跳Ａｒのエネルギーは大きく、膜中に欠陥を多量に生成する原因となることは明らかである。また膜中のＡｒ量も増大し、欠陥と共に抵抗増大の原因となる。この状況下で成膜速度を増大させるために直流電源部から印加する電圧を増大させると、ターゲット電圧も大きくなり、よってターゲット面で反跳するＡｒ原子のエネルギーも増大するので、従って膜の欠陥は更に増悪して膜比抵抗は増大してしまう。
【００１９】
この反跳Ａｒの問題に対しては低圧Ｋｒガスを使う方法が特許文献４に開示されている。Ｋｒは質量、体積共にＡｒより大きいため、反跳時のエネルギーが比較的小さく、Ｗ膜に入り込みにくいと考えられている。しかしＫｒガスはＡｒガスの１００倍以上のコストが掛かるため、半導体製造工程に使用することは難しい。
【００２０】
一方、反対に圧力を増大させると、空間での衝突により反跳するＡｒ原子エネルギーが失われるので、反跳Ａｒによる欠陥は生じにくくなるが、スパッタ原子のエネルギーも減少してしまい、基板上の膜表面に到達した原子は拡散に寄与しない。その結果、欠陥が多く配向が揃わない膜が形成されるといわれている。更に圧力の増大によって、放電電流は増大するが、衝突散乱によりスパッタ原子がチャンバ壁に向かって拡散するという現象が生じる。この現象によりターゲット基板間距離が大きい従来技術では、基板上の成膜速度が一般に低下するため成膜効率の点でも好ましくない。
【００２１】
他方で、基板に高周波電力を供給し、Ａｒイオンを一定のエネルギーで基板に引き込むことで、膜表面に運動エネルギーを与えてＷ粒子の表面拡散を誘引する方法もある。しかし従来のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットと基板との距離が長いことと、低圧環境下で放電を起こしていることにより、基板近傍におけるプラズマの密度が低いので、Ａｒイオンを高エネルギー化する必要がある。よって高電位の高周波電力を基板に印加しなければならないが、その結果、基板に必要以上の負電位が発生することで、過剰なエネルギーを有したＡｒイオンを基板上に引き込み、前述したようにＡｒイオンが成膜されたＷ膜に突入し、膜に欠陥を生じさせてしまう。印加する高周波電力を低減するために圧力を増大させることも考えられるが、上述したとおり成膜効率が低下してしまう。
【００２２】
以上のように従来のターゲット１３と基板との距離が５０ｍｍ〜１００ｍｍのマグネトロンスパッタ装置では、Ｗのような高融点金属を成膜する場合に、高速成膜、成膜効率、ターゲット使用効率、低抵抗、及び良好な膜質という条件を同時に満たすことが難しいのが現状である。この問題は、他の高融点金属（タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）など）のスパッタ成膜においても同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００４−１６２１３８号公報
【特許文献２】特開２０００−３０９８６７号公報
【特許文献３】特開平９−１１８９７９号公報
【特許文献４】ＵＳ２００４／０２１４４１７号公報
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｊ．  Ａ．  Ｔｈｏｒｎｔｏｎ；  Ａｎｎ．  Ｒｅｖ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｓｃｉ．、  ７  （１９７７）  ｐ．２３９．
【非特許文献２】Ｊ．  Ｊ．  Ｃｕｏｍｏ；  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．、  （１９８９）  ｐ．１９４．
【非特許文献３】Ｍ．  Ａ．  Ｌｉｂｅｒｍａｎ；  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、  （１９９４）  ｐｐ．４６９−４７０．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、成膜速度の面内均一性を確保しながら、成膜効率を向上させると共に、ターゲットの使用効率を向上させることができる技術を提供することにある。本発明の他の目的は、大きな成膜速度で低抵抗な膜を成膜することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設けたマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットに電圧を印加する電源部と、
ベース体にマグネット群を配列したマグネット配列体と、
このマグネット配列体を被処理基板に対して直交する軸の周りに回転させるための回転機構と、を備え、
前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列され、
前記マグネット群における最外周に位置するマグネットは、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するようにライン状に配列され、
スパッタ時における前記ターゲットと被処理基板との距離が３０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
ここで、ライン状に配列されるとは、マグネットが直線状又は曲線状の帯状に形成される構成や、複数個のマグネットを直線状又は曲線状の帯状に配列する構成の他、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止する役割を果たす場合には、複数個のマグネットを互いに僅かに間隔を開けて、直線状又は曲線状の帯状に配列する構成も含まれる。
【００２８】
本発明はまた、真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設け、直径３００ｍｍの半導体ウエハである被処理基板に対してマグネトロンスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットに電圧を印加する電源部と、
ベース体にマグネット群を配列したマグネット配列体と、
このマグネット配列体を被処理基板に対して直交する軸の周りに回転させるための回転機構と、を備え、
前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列され、
前記マグネット群における最外周に位置するマグネットは、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するようにライン状に配列され、
ターゲットの直径をＲ（ｍｍ）、ターゲットと被処理基板との距離をＴＳ（ｍｍ）とすると、
（ＴＳ´／Ｒ）×１００（％）＝０．０００６１５１Ｒ２−０．５２３５Ｒ＋１１３．４、かつ
ＴＳ≦１．１ＴＳ´となるように前記距離（ＴＳ）が設定されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明はさらに、真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設け、直径４５０ｍｍの半導体ウエハである被処理基板に対してマグネトロンスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタ装置において、
ベース体にマグネット群を配列したマグネット配列体と、
このマグネット配列体を被処理基板に対して直交する軸の周りに回転させるための回転機構と、を備え、
前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列され、
前記マグネット群における最外周に位置するマグネットは、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するようにライン状に配列され、
ターゲットの直径をＲ（ｍｍ）、ターゲットと被処理基板との距離をＴＳ（ｍｍ）とすると、
（ＴＳ´／Ｒ）×１００（％）＝０．０００３８２７Ｒ２−０．４５９７Ｒ＋１３９．５、かつ
ＴＳ≦１．１ＴＳ´となるように前記距離（ＴＳ）が設定されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明のマグネトロンスパッタ方法は、本発明のマグネトロンスパッタ装置を用い、プロセス圧力を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）以上に設定し、ターゲットへの投入電力をターゲットの面積で割った投入電力密度を３Ｗ／ｃｍ２以上に設定して、被処理基板に対して金属膜を成膜することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、複数のＮ極マグネット及びＳ極マグネットがターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列されるようにマグネット群を構成し、このマグネット群における最外周に位置するマグネットはライン状に配列されている。これにより、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてプラズマが発生すると共に、電子の飛び出しが阻止されているので高密度なプラズマが均一に形成される。また、複数のＮ極マグネット及びＳ極マグネットがターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列されることから、これらマグネットの水平磁場に基づいてターゲットに形成されるエロージョンの面内均一性が向上する。このため、ターゲットに被処理基板を接近させてスパッタを行うことができて、成膜速度の面内均一性を確保しながら、成膜効率を向上させることができる。また、プラズマ密度の均一性が高いことからターゲットの面内においてエロージョンが均一性を持って進行するため、局所的にエロージョンが進行する場合に比べてターゲットの寿命が長くなり、ターゲットの使用効率が向上する。他の発明によれば、本発明の装置を用いて、１００ｍＴｏｒｒ以上もの高いプロセス圧力下で電力密度の高い状態でスパッタリングを行う方法により、発生したプラズマにおいてイオン密度は高く安定した状態となるため、プラズマは基板上で均一な密度となる。このため、高速かつ均一なスパッタを基板に対して行うことが可能となることから、高速な成膜速度を保ちつつ低抵抗の成膜を基板上へと行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にかかるマグネトロンスパッタ装置の一実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】前記マグネトロンスパッタ装置に設けられたマグネット配列体の一例を示す平面図である。
【図３】マグネット配列体を示す側面図である。
【図４】マグネット配列体に設けられたマグネットの一例を示す斜視図である。
【図５】マグネット配列体に設けられたマグネットの一例を示す斜視図である。
【図６】マグネット配列体を示す平面図である。
【図７】マグネット配列体の他の例を示す平面図である。
【図８】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図９】ターゲットと基板との距離と成膜効率及び成膜速度の面内均一性との関係を示す特性図である。
【図１０】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図１１】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図１２】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図１３】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図１４】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図１５】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図１６】実施例１の結果を示す特性図である。
【図１７】実施例２の結果を示す特性図である。
【図１８】実施例２の結果を示す特性図である。
【図１９】実施例３の結果を示す特性図である。
【図２０】実施例４の結果を示す特性図である。
【図２１】実施例５の結果を示す特性図である。
【図２２】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図２３】図２２のマグネット配列体の拡大平面図である。
【図２４】マグネット配列体を示す側面図である。
【図２５】マグネット配列体を示す側面図である。
【図２６】マグネット配列体のさらに他の例を示す平面図である。
【図２７】膜厚分布のシミュレーションの結果を示したグラフである。
【図２８】膜厚分布のシミュレーションの結果を示したグラフである。
【図２９】成膜速度のシミュレーションの結果を示したグラフである。
【図３０】実施例６の結果を示す特性図である。
【図３１】実施例７の結果を示す特性図である。
【図３２】実施例８の結果を示す特性図である。
【図３３】従来のマグネトロンスパッタ装置を示す縦断面図である。
【図３４】従来のマグネトロンスパッタ装置に用いられるマグネット体を示す平面図である。
【図３５】従来のマグネトロンスパッタ装置の作用を説明する縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の一実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、前記マグネトロンスパッタ装置の一例を示す縦断面図であり、図中２は例えばアルミニウム（Ａｌ）により構成され、接地された真空容器２である。この真空容器２は天井部が開口しており、この開口部２１を塞ぐようにターゲット電極３が設けられている。このターゲット電極３は、成膜材料例えばタングステン（Ｗ）よりなるターゲット３１を、例えば銅（Ｃｕ）若しくはアルミニウムよりなる導電性のベース板３２の下面に接合することにより構成されている。前記ターゲット３１は例えば平面形状が円形状に構成され、その直径は被処理基板をなす半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）１０よりも大きくなるように、例えば４００乃至４５０ｍｍに設定されている。
【００３４】
前記ベース板３２はターゲット３１よりも大きく形成され、ベース板３２の下面の周縁領域が真空容器２の開口部２１の周囲に載置されるように設けられている。この際、ベース板３２の周縁部と真空容器２との間には、環状の絶縁部材２２が設けられており、こうして、ターゲット電極３は、真空容器２とは電気的に絶縁された状態で真空容器２に固定されている。また、このターゲット電極３には電源部３３により負の直流電圧が印加されるようになっている。
【００３５】
真空容器２内には前記ターゲット電極３と平行に対向するように、ウエハ１０を水平に載置する載置部４が設けられている。この載置部４は例えばアルミニウムからなる電極（対向電極）として構成され、高周波電力を供給する高周波電源部４１が接続されている。当該載置部４は、昇降機構４２により、ウエハ１０を真空チャンバ２に対して搬入出する搬送位置と、スパッタ時における処理位置との間で昇降自在に構成されている。前記処理位置では、例えば載置部４上のウエハ１０の上面と、ターゲット３１の下面との距離ＴＳが例えば１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下に設定されている。
【００３６】
また、この載置部４の内部には、加熱機構をなすヒータ４３が内蔵され、ウエハ１０が例えば４００℃に加熱されるようになっている。さらに、この載置部４には、当該載置部４と図示しない外部の搬送アームとの間でウエハ１０を受け渡すための図示しない突出ピンが設けられている。
【００３７】
真空容器２の内部には、ターゲット電極３の下方側を周方向に沿って囲むように環状のチャンバシールド部材４４が設けられていると共に、載置部４の側方を周方向に沿って囲むように環状のホルダシールド部材４５が設けられている。これらは、真空容器２の内壁へのスパッタ粒子の付着を抑えるために設けられるものであり、例えばアルミニウム若しくはアルミニウムを母材とする合金等の導電体により構成されている。チャンバシールド部材４４は例えば真空容器２の天井部の内壁に接続されており、真空容器２を介して接地されている。また、ホルダシールド部材４５を介して載置部４が接地されるように、ホルダシールド部材４５が接地されている。
【００３８】
さらに、真空容器２は、排気路２３を介して真空排気機構である真空ポンプ２４に接続されると共に、供給路２５を介して不活性ガス例えばＡｒガスの供給源２６に接続されている。図中２７は、ゲートバルブ２８により開閉自在に構成されたウエハ１０の搬送口である。
【００３９】
ターゲット電極３の上部側には、当該ターゲット電極３と近接するようにマグネット配列体５が設けられている。このマグネット配列体５は、図２及び図３（図２のＡ−Ａ’線側面図）に示すように、透磁性の高い材料例えば鉄（Ｆｅ）よりなるベース体５１にマグネット群５２を配列することにより構成されている。前記ベース体５１はターゲット３１と対向するように設けられ、図２に示すように、その平面形状は円形状に形成されており、その直径は例えばターゲット３１よりも大きくなるように、例えばターゲット径よりも６０ｍｍ程度大きい値に設定されている。図２は、ターゲット３１側からマグネット群５２を見たときの平面図である。
【００４０】
前記マグネット配列体５は、静止時にカスプ磁界による電子のドリフトに基づいて、ウエハ１０の投影領域全体に亘ってプラズマが発生するようにマグネット群を構成するＮ極及びＳ極がターゲット３１に対向する面に沿って後述するように互いに間隔をおいて配列され、マグネット群５２の最外周には、リターン用のマグネット５３が設けられている。このリターン用マグネット５３は、電子がカスプ磁界による拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止するように、後述の如くライン状に配列されている。
【００４１】
マグネット群５２のなかで、リターン用マグネット５３よりも内側のマグネット群５４を「内側マグネット群５４」とし、内側マグネット群５４のなかで、最外周に位置するマグネットを「外側マグネット」と呼ぶことにすると、前記内側マグネット群５４は、複数個のマグネット６（６１、６２）をマトリックス状に配列して構成されている。マグネット６（６１、６２）は、図２に示すように、ターゲット３１の左右方向（図１及び図２中Ｘ方向）と、奥行方向（図１及び図２中Ｙ方向）に縦横に、ｎ列×ｍ行例えば３列×３行のマトリックス状に配列して構成され、隣接するマグネット６（６１、６２）が互いに異なる極性を備えるように配列されている。
【００４２】
この例では、中央のマグネット６１ａがＮ極であり、その左右方向の両側及び奥行方向の両側に夫々Ｓ極のマグネット６２ａ〜６２ｄが互いに間隔を開けて並ぶように設けられている。ここで、本発明でいう極性とは、ターゲット３１側に向いている極性、つまりターゲット３１側から見たときの極性をいう。従って、前記マグネット６１ａは、ターゲット３１側にＮ極、ベース体５１側にＳ極が夫々向いている。
【００４３】
これらマグネット６１、６２は、複数のマグネット要素に分割されて構成されている。図４に示すように、マグネット要素６３は例えば円柱状に構成され、前記マグネット６１ａは、マグネット要素６３を前記左右方向に２個、奥行方向に２個配列すると共に、これらを２段に積層して合計８個のマグネット要素６３の集合体として構成されている。このようなマグネット要素６３としては、例えば直径が２０乃至３０ｍｍ、厚さが１０乃至１５ｍｍ、１つのマグネット要素６３の表面磁束密度が２乃至３ｋＧ程度のものが用いられる。これらマグネット要素６３は、例えば平面形状が略正方形状のケース体６４に収納され、ベース体５１の下面に固定されている。
【００４４】
これらマグネット６１、６２は、例えばケース体６４の互いに隣接する辺が前記左右方向及び奥行方向に夫々平行に設けられ、また隣接するケース体６４に対して互いに等距離分離れるように配列されている。つまり、中央のマグネット６１ａを例にして説明すると、左右方向に隣接するマグネット６２ａ、６２ｃとの離間距離Ｌ１と、奥行方向に隣接するマグネット６２ｂ、６２ｄとの離間距離Ｌ２とが互いに等しくなるように設けられている。こうして、内側マグネット群５４の配列の中心から見たときに、マグネット６２ａ〜６２ｄの中心同士が夫々同一半径上にあり、さらにマグネット６１ｂ〜６１ｅの中心同士が夫々同一半径上にあるように、マグネット６１、６２がマトリックス状に配列されている。この例では、内側マグネット群５４の配列の中心はベース体５１の中心Ｏに相当する。
【００４５】
また、内側マグネット群５４は、Ｎ極のマグネット要素６３の個数とＳ極のマグネット要素６３の個数が同数になり、かつ配列の中心Ｏから見たときに、その中心が同一半径上にあるマグネット６２ａ〜６２ｄ同士（マグネット６１ｂ〜６１ｅ同士）では、マグネット要素６３の数が同数になるように構成されている。さらに、内側マグネット群５４は、配列の中心Ｏから見たときに、外側のマグネットに向うに連れて（マグネット要素６３の個数の調整で）磁力が小さくなるように設定されている。前記マグネット６１、６２は、複数のマグネット要素６３に分割されて構成されているので、マグネット要素６３の集合数によってマグネット６１、６２の磁力が調整される。
【００４６】
ここで、図２における、マグネット要素６３に描いた数字は、マグネット群の高さ方向（図４中Ｚ方向）のマグネット要素６３の積層数を示しており、例えば図５に外側マグネット６１ｂを例にして示すと、当該マグネット６１ｂは４個のマグネット要素６３を組み合わせて構成されている。
【００４７】
このように、この例の内側マグネット群５４は、２４個のＮ極のマグネット要素６３と、２４個のＳ極のマグネット要素６３を備えており、かつ配列の中心Ｏから見たときに、その中心にあるマグネット６１ａのマグネット要素６３は８個、同一半径上にあるマグネット６２ａ〜６２ｄはマグネット要素６３が６個、最も外側の同一半径上にあるマグネット６１ｂ〜６１ｅはマグネット要素６３が４個になるように夫々設定されている。こうして内側マグネット群５４の中で最外周に位置する外側マグネットの磁力は、当該外側マグネットよりも内側に位置するマグネットよりも小さくなるように設定されることになる。
【００４８】
前記リターン用マグネット５３ａ〜５３ｄについて、リターン用マグネット５３ｄを例にして説明すると、外側マグネットの中央のマグネット６２ｄの周囲をドリフトする電子が、マグネット群５２を平面的に見たときに、マグネット群５２の隙間からマグネット群５２の外に飛び出さずに内側に戻るように形成されている。このためリターン用マグネット５３ｄはライン状に配列され、この例では、平面的に見たときに、直線状（直線状に伸びる帯状）に形成されている。また、その長さは、マグネット６２ｄの長さよりも大きく、その長さ方向の両端部は、当該マグネット６２ｄの両側に隣接する外側マグネット６１ｃ、６１ｄ側まで伸びるように形成されている。さらに、外側マグネットの中央に位置するマグネット６２ｄと異なる極性に設定されている。
【００４９】
そして、内側マグネット群５４の前記左右方向の両側に夫々設けられたリターン用マグネット５３ａ、５３ｃは、その長さ方向が前記奥行方向に平行に設けられ、内側マグネット群５４の前記奥行方向の両側に夫々設けられたリターン用マグネット５３ｂ、５３ｄは、その長さ方向が前記左右方向に平行に設けられている。これら４つのリターン用マグネット５３ａ〜５３ｄは、内側マグネット群５４の最外周である外側マグネット６１、６２との離間距離Ｌ３が互いに等しくなるように設けられている。
【００５０】
本発明では、マグネット群５２は、ドリフトしている電子群の運動領域よりもウエハ１０の周縁位置が内側になるように構成されている。さらに、各リターン用マグネット５３の磁束と、これに対応する内側マグネット群５４の外側マグネット６１、６２の磁束の収支が合うように、リターン用マグネット５３と内側マグネット群５４の夫々の表面磁束密度が調整されている。
【００５１】
また、水平磁場（磁束密度）の強度は、安定した放電を得るために、例えば１００〜３００Ｇに設定することが好ましい。この磁束密度は、マグネット６１、６２の大きさ、マグネット６１、６２の表面磁束密度、マグネット６１、６２の配列数、マグネット６１、６２間の距離、マグネット要素６３の個数、マグネット要素６３間の距離、外側マグネットの大きさ、外側マグネットと内側マグネット群５４との距離、後述する回転偏心量等により適宜設計される。
【００５２】
さらに、後述するように、リターン用のマグネット５３と内側マグネット群５４との夫々に電離が起こり、リターン用のマグネット５３と内側マグネット群５４とでは電離の強さが異なるが、リターン用のマグネット５３の大きさや表面磁束密度、内側マグネット群５４との離間間隔Ｌ３を調整することによって、電離の強さを制御することができる。
【００５３】
また、ウエハ１０の外縁から５０ｍｍ外方の領域に、内側マグネット群５４とリターン用のマグネット５３の離間部分があると、成膜速度分布の均一性が良好であることがシミュレーションより明らかであり、このように構成することが好ましい。また、ターゲット３１の外縁位置が内側マグネット群５４とリターン用のマグネット５３の離間部分にあるように設定すると、リターン用マグネット５３による水平磁場がターゲット３１外周を覆い、ターゲット３１全面でのエロージョンが可能となる。ターゲット３１よりマグネットの形成領域が大きくなると、異常放電が発生するおそれがあるが、リターン用マグネット５３の磁束と、内側マグネット群５４を構成するマグネット６１、６２の磁束の収支を合わせることによって、異常放電を防ぐことができると捉えている。
【００５４】
このように、マグネット要素の大きさや、配列間隔等の種々の条件を調整することにより、ターゲット３１の直下で均一な磁界が形成されるようにマグネット配列体５が設計される。この際、図２に示す例は、マグネット群５２とウエハ１０とベース体５１との相対的大きさを示しており、このようにウエハ１０の外縁はマグネット群５２の形成領域よりも内側に位置している。但し、図２に示す例におけるマグネット群５２は構成例の一つであり、ウエハ１０の大きさに合わせて、マグネット６１、６２、リターン用のマグネット５３の設置数が適宜増減される。
【００５５】
ここで、設計例の一つを示すと、リターン用マグネット５３は、縦断面の大きさが例えば１０ｍｍ×２０ｍｍ、長さが例えば１２０ｍｍ、表面磁束密度は２乃至３ｋＧであるが、その大きさや積層数を調整することにより、内側マグネット群５４の外側マグネットとに対する磁力の最適化を図ることができる。また、内側マグネット群５４では、マグネット６１、６２同士の左右方向の離間距離Ｌ１及び奥行方向の離間距離Ｌ２は共に例えば５乃至１０ｍｍ、内側マグネット群５４の最外周のマグネット６１、６２とリターン用マグネット５３との離間距離Ｌ３は例えば５乃至３０ｍｍに夫々設定されている。
【００５６】
また、マグネット群５４を構成するマグネット６１、６２、５３は同じ厚さに設定され、このためこれらマグネット６１、６２、６３の下面の高さ位置は揃うように構成されている。そして、これらマグネット６１、６２、６３の下面とターゲット３１の上面までの距離は、例えば１５〜４０ｍｍに設定される。この際、マグネット要素６３と同じ形状の鉄製のダミー体をベース体５１側に入れることによって、マグネットの下面同士の高さを合わせることが可能である。鉄は透磁率が高いため、ベース体５１に向う磁束が拡散しないので、ダミー体が無い場合とターゲット電極３側への磁束が同じになる。この場合のメリットは全体のバランスを維持してターゲット電極３側への磁束を調整できることにある。
【００５７】
前記マグネット配列体５のベース体５１の上面は、回転軸５５を介して回転機構５６に接続されており、この回転機構５６によりマグネット配列体５は、ウエハ１０に対して直交する軸の周りに回転自在に構成されている。この例では、図３に示すように、回転軸５５はベース板５１の中心Ｏから例えば２０乃至３０ｍｍ偏心した位置に設けられている。
【００５８】
このマグネット配列体５の周囲には、当該マグネット配列体５の回転領域を形成した状態で、マグネット配列体５の上面及び側面を覆うように、冷却機構をなす冷却ジャケット５７が設けられている。この冷却ジャケット５７の内部には冷却媒体の流路５８が形成されており、当該流路５８内に所定温度に調整された冷却媒体例えば冷却水を供給部５９から循環供給することにより、マグネット配列体５及び当該マグネット配列体５を介してターゲット電極３が冷却されるように構成されている。
【００５９】
以上に説明した構成を備えるマグネトロンスパッタ装置は、電源部３３や高周波電源部４１からの電力供給動作、Ａｒガスの供給動作、昇降機構４２による載置部４の昇降動作、回転機構５６によるマグネット配列体５の回転動作、真空ポンプ２４による真空容器２の排気動作、ヒータ４３による加熱動作等を制御する制御部１００を備えている。この制御部１００は、例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、この記憶部には、当該マグネトロンスパッタ装置によってウエハ１０への成膜を行うために必要な制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記憶されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
【００６０】
続いて、上述のマグネトロンスパッタ装置の作用について説明する。先ず、真空容器２の搬送口２７を開き、載置部４を受け渡し位置に配置して、図示しない外部の搬送機構及び突き上げピンの協働作業により、載置部４にウエハ１０を受け渡す。次いで、搬送口２７を閉じ、載置部４を処理位置まで上昇させる。また、真空容器２内にＡｒガスを導入すると共に、真空ポンプ２４により真空排気して、真空容器２内を所定の真空度例えば１．４６〜１３．３Ｐａ（１１〜１００ｍＴｏｒｒ）に維持する。一方、マグネット配列体５を回転機構５６により回転させながら、電源部３３からターゲット電極３に例えば１００Ｗ〜３ｋＷの負の直流電圧を印加すると共に、高周波電源部４３から載置部４に数百ＫＨｚ〜百ＭＨ程度の高周波電圧を１０Ｗ〜１ｋＷ程度印加する。また、冷却ジャケット５７の流路５８には、常時冷却水を通流させておく。
【００６１】
ターゲット電極３に直流電圧を印加すると、この電界によりＡｒガスが電離して電子を発生する。一方、マグネット配列体５のマグネット群５２により、図３に示すように、内側マグネット群５４のマグネット６１、６２同士の間、及び内側マグネット群５４の外側マグネットとリターン用マグネット５３同士の間にカスプ磁界５０が形成され、このカスプ磁界５０が連続してターゲット３１の表面（スパッタされる面）近傍に水平磁場が形成される。
【００６２】
こうして、ターゲット３１近傍の電界Ｅと前記水平磁場ＢによるＥ×Ｂによって前記電子は加速され、ドリフトする。そして、加速によって十分なエネルギーを持った電子が、さらにＡｒガスと衝突し、電離を起こしてプラズマを形成し、プラズマ中のＡｒイオンがターゲット３１をスパッタする。また、このスパッタにより生成された二次電子は前記水平磁場に捕捉されて再び電離に寄与し、こうして電子密度が高くなり、プラズマが高密度化される。
【００６３】
ここで、前記電子のドリフトの方向について図６に模式的に示す。例えば、内側マグネット群５４の中央のＮ極のマグネット６１ａに着目すると、当該マグネット６１ａを時計回りに周回するように電子がドリフトし、Ｓ極のマグネット６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄでは、反時計回りに周回するように、電子がドリフトする。
【００６４】
このマグネット群５２のレイアウトによれば、ドリフトしている電子群の運動領域よりもウエハ１０の周縁位置が内側になるように設定されている。これにより、マグネット配列体５が静止している時に、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいてウエハ１０の投影領域全体に亘ってプラズマが発生することになる。
【００６５】
ここで、リターン用マグネット５３ｄを例にして説明すると、当該リターン用マグネット５３ｄは、既述のように左右方向に直線状に伸びる帯状に形成され、内側マグネット群５４の最外周にある外側マグネット６２ｄと離間間隔Ｌ３を介して設けられている。また、その長さ方向の両端側は、マグネット６２ｄに隣接するマグネット６１ｃ、６１ｄ側まで伸び出している。
【００６６】
従って、マグネット６２ｄとマグネット６１ｃの間をドリフトしている電子から見ると、進行方向の前方側に立ちはだかるようにマグネット５３ｄが存在していることになる。そして、このマグネット５３ｄ由来のカスプ磁界の磁束とマグネット６２ｄ由来のカスプ磁界の磁束とが結合するため、マグネット６２ｄとマグネット６１ｃの間をドリフトしている電子は、そのままカスプ磁界に沿って動き、左方向にカーブしていく。次いで、マグネット６２ｄとマグネット６１ｄの間に至ると、これらの間のカスプ磁界により拘束されて左方向にカーブし、こうして再び内側マグネット群５４の領域に戻される。このように、リターン用マグネット５３を設けることにより、カスプ磁界の拘束によって電子がカスプ磁界の外に飛び出すことが阻止されるため、電子損失が抑制され、電子密度が高密度化される。
【００６７】
一方、リターン用マグネット５３が無い場合には、内側マグネット群５４の外周部では、既述のように、Ｅ×Ｂのベクトル方向がターゲット３１の外側に向う開放端が存在する。このため、マグネット６２ｄとマグネット６１ｃの間をドリフトしている電子は、ドリフト方向の前方側にはカスプ磁界が存在しないので、カスプ磁界の拘束から解放されてマグネット群５２の外方に飛び出していく。こうして、内側マグネット群５４の最外周のマグネットから電子が飛び出していくため電子損失が大きくなり、電子密度を高くすることができなくなる上、外周部の電子密度が小さくなるため、電子密度の面内均一性も低下してしまう。
【００６８】
図６〜図８はマグネット配列体５をターゲット３１側から見た平面図である。このように、リターン用マグネット５３は、電子をマグネット群５２の隙間からマグネット群５２の外に飛び出させずに内側に戻す役割を果たしているため、当該作用を発揮するようにライン状に配列されればよい。外側マグネット６２ｄに対応して設けられたリターン用マグネットマグネット５３ｄを例にして説明すると、本発明者らは、リターン用のマグネット５３ｄが外側マグネット６２ｄと異なる極性を持つと共に、当該外側マグネット６２ｄに対向して直線状又は曲線状に、かつその両端部を当該外側マグネット６２ｄの両隣りの外側マグネット６１ｃ、６１ｄ側まで伸ばすように配列されるものであれば、前記作用を得られると捉えている。従って、図７に示すように、平面形状が略円弧状のリターン用マグネット５３１を用いるようにしてもよいし、図８に示すように、例えば点状マグネット６０を複数個ライン状に配列してリターン用マグネット５３２を構成するようにしてもよい。この場合、点状マグネット６０を互いに接触させて配列する場合の他、電子の飛び出しを防いで内側に戻す役割を果たす場合には、点状マグネット６０を互いに僅かに間隔を開けて配列するようにしてもよい。例えば点状マグネットを用いる場合には、一つの点状マグネットの直径が１５乃至２５ｍｍ、高さが１０乃至１５ｍｍ、表面磁束密度が２乃至３ｋＧのものを用いることができ。この際、その長さ方向の配列数や積層数により磁力を調整することができ、磁力の調整のために、磁力の強さの異なるものを配列するようにしてもよい。
【００６９】
このようにして電子は、一つのマグネット６１、６２だけではなく、全てのマグネット６１、６２を周回するように飛び回りながら加速され、Ａｒガスとの衝突と電離を繰り返す。この際、リターン用マグネット５３と内側マグネット群５４との間においても電離は起こり、これにより発生した二次電子は同様にドリフトして内側マグネット群５４の領域に入ることによって、マグネット群５２が形成された領域全体の電離に寄与する。この結果、ターゲット３１の直下近傍において、高密度のプラズマを高い面内均一性で生成することができる。また、内側マグネット群５４の最外周における磁束の発散が抑制され、磁束のバランスを確保できるので、この点からもプラズマ密度の面内均一性が高くなる。
【００７０】
こうして、Ａｒガスの電離を繰り返すことによりＡｒイオンを生成し、このＡｒイオンによりターゲット３１がスパッタされる。これによりターゲット３１表面から叩き出されたタングステン粒子は真空容器２内に飛散していき、この粒子が載置部４上のウエハ１０表面に付着することで、ウエハ１０にタングステンの薄膜が形成される。また、ウエハＷから外れた粒子は、チャンバシールド部材４４やホルダシールド部材４５に付着する。この際、載置部４には高周波電力が供給されているので、Ａｒイオンのウエハ１０への入射が誘引され、ヒータ４３による加熱との相乗作用により緻密で抵抗の低い薄膜が形成される。
【００７１】
ターゲット３１のエロージョンは既述のように、互いに異極のマグネット同士の間の中間部（中心及びその付近）に形成されるが、上述のマグネット配列体５では、マグネット６１、６２をマトリックス状に配列しているので、エロージョンが発生する箇所が多く、ターゲット３１の全面に亘って周期的にエロージョンが形成される。また、既述のように、ウエハ１０の投影領域全体に亘って、プラズマ密度をより均一にすることができるため、エロージョンの進行の程度が揃えられ、この点からも面内均一性が高くなる。
【００７２】
この際、エロージョンの均一性をより高くするために、マグネット配列体５を回転機構５６により鉛直軸回りに回転させている。プラズマ密度をミクロ的に見ると、水平磁場に基づく高低が形成されているが、マグネット配列体５を回転させることにより、このプラズマ密度の高低が均されるからである。さらに、この実施の形態では、マグネット配列体５を、ベース体５１の中心から偏心させた位置を中心として回転させているので、後述の実施例から明らかなように、成膜速度分布の均一性がより高くなる。
【００７３】
つまり、マグネット配列体５では、水平磁束密度がターゲット３１の面内において均一に分配されるように形成され、マグネット６１、６２同士の間の中間部にエロージョンが発生するが、マグネット６１、６２の直下のカスプ部分には、水平磁場がなく、電離が起こらないので、スパッタが起きにくい。このため、マグネット６１、６２の直下の成膜速度が他の部分よりも小さくなり、直径方向でみれば、成膜速度分布は小さな凹凸が周期的に存在する形状となる。従って、マグネット配列体５を偏心回転させると、この凹凸が相殺され、より均一な成膜速度分布を得ることができる。
【００７４】
この際、エロージョンを起こす部分が円周方向で交互に起こり、エロージョンが時間的に平準化し、エロージョンの回転対象が多くなるように、マグネット配列体５を形成すれば、回転数が少なくても成膜速度分布の均一化を図ることができるので、高速で短時間で成膜する際に有利となる。
【００７５】
また、このようにエロージョンの面内均一性が高いことから、本発明では、ウエハ１０とターゲット３１との距離を３０ｍｍ以下と接近させた状態でスパッタ処理が行われる。つまり、エロージョンの形状が成膜速度分布に反映されるため、エロージョンの均一性が高い場合には、ターゲット３１にウエハ１０を近付けても高い成膜速度分布の均一性を得ることができるからである。この際、ターゲット３１からウエハ１０を離すと、後述する実施例から明らかなように、ウエハ１０の外周部における成膜速度が低下してしまう。これはターゲット３１の外周側でスパッタされた粒子がウエハ１０の外方へ飛散してしまい、成膜効率が低下するためである。
【００７６】
このように本発明では、成膜速度の面内均一性を確保するためには、ウエハ１０とターゲット３１との距離を３０ｍｍ以下に接近させてスパッタ処理をすることが必要である。但し、ターゲット３１とウエハ１０とを接近させ過ぎると、プラズマの生成空間が小さくなり過ぎ、放電が発生しにくいため、ターゲット３１とウエハ１０との距離は１０ｍｍ以上に設定することが好ましい。
【００７７】
そして、ウエハ１０がターゲット３１の直下に配置されているので、ターゲット３１からスパッタされた粒子が速やかにウエハ１０へ付着していく。このため、ウエハ１０の薄膜の形成に寄与するスパッタ粒子が多くなり、成膜効率が高くなる。ここで、図９に、ターゲット３１とウエハ１０との距離と、成膜効率及び成膜速度の面内均一性との各関係を示す。横軸がターゲット３１とウエハ１０との距離、左縦軸が成膜効率、右縦軸が成膜速度の面内分布を夫々示している。成膜効率については、実線Ａ１にて本発明の構成、二点鎖線Ａ２にて従来の構成（図２３に示す構成）のデータを夫々示し、成膜速度の面内均一性については、一点鎖線Ｂ１にて本発明の構成、点線Ｂ２にて従来の構成のデータを夫々示している。
【００７８】
面内分布に着目すると、本発明では、ターゲット３１とウエハ１０との距離が小さい程均一性が高く、前記距離が大きくなるにつれて次第に低下していく。また、成膜効率に着目すると、ターゲット３１とウエハ１０との距離が小さい程、成膜効率が高く、前記距離が大きくなるにつれて次第に低下していく。このように、本発明の構成では、ターゲット３１とウエハ１０との距離が小さい程、成膜速度の面内均一性、成膜効率が共に良好になり、成膜速度の面内均一性と成膜効率の両立を図ることができる。
【００７９】
これに対して、従来の構成では、ターゲット３１とウエハ１０との距離が小さい場合には、成膜速度の面内均一性が非常に低く、前記距離が大きくなるにつれて高くなり、ある距離を過ぎると再び低下していく。このため、高い面内均一性を確保しようとすると、ターゲット３１とウエハ１０との距離を大きく取らざるを得ないが、前記距離を大きくすると、成膜効率については本発明の構成に比べてかなり低くなってしまう。
【００８０】
上述の実施の形態によれば、開放端のない閉じた網目状の水平磁場が形成されているので、既述のように、ターゲット３１の直下において、ウエハ１０の投影領域全体に亘って均一なプラズマを形成することができ、またエロージョンの面内均一性が高い。このため、ウエハ１０とターゲット３１との距離を３０ｍｍ以下と接近させてスパッタ処理を行うことができる。この結果、ウエハ１０から外れてチャンバシールド部材４４やホルダシールド部材４５に付着するスパッタ粒子が少なくなるので、成膜効率を向上させることができ、速い成膜速度を得ることができる。
【００８１】
また、ターゲット３１のエロージョンには、ミクロ的に見れば凹凸があるが、一部の凹部が他の部分に比べて深くなるといったことがなく、面内全体で一様にエロージョンが進行する。このため、ターゲット３１の寿命が長くなり、ターゲット３１の使用効率を高くすることができる。
【００８２】
さらに、上述の実施の形態によれば、マグネット要素６３を集合させたマグネット６１、６２を用いており、連続した水平磁場が長く取れるため、電子が加速されドリフトする距離が長い。このため、電離の機会が多くなるので、プラズマ密度が高くなる。その結果、ターゲット３１ではエロージョンが速やかに進行して、多くのスパッタ粒子が放出されるので、成膜速度が増大する。
【００８３】
さらにまた、マグネット要素６３を集合させてマグネット６１、６２を構成しているので、一つのマグネット６１、６２の磁力の調整を容易に行うことができる。また、マグネット６１、６２内のマグネット要素６３の数を調整できるため、Ｎ極のマグネット要素６３とＳ極のマグネット要素６３との数を同数にすることができて、Ｎ極とＳ極の磁束のバランスを取ることができる。これにより、水平磁場の偏りが抑えられ、エロージョンの形成及び成膜速度の面内ばらつきの発生を抑制することができる。
【００８４】
さらにまた、内側マグネット群５４の配列の中心Ｏから見たときに、その中心Ｏが同一半径上にあるマグネット６２ａ〜６２ｄ同士（マグネット６１ｂ〜６１ｅ同士）では、マグネット要素６３の数が同数に設定されており、前記中心Ｏから見たときに、外側のマグネットに向うに連れてマグネット要素６３の数が少なくなるように設定されているので、後述の実施例より明らかなように、成膜速度の面内均一性をさらに高めることができる。
【００８５】
つまり、内側マグネット群５４の最外周の４つの角部に配置されたＮ極のマグネット６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅでは、４つの辺の２つに対しては、これらの辺と隣接して磁束の収束先であるＳ極のマグネット６２が存在するが、残りの２つの辺については、対応するＳ極のマグネット６２が存在しない状態である。このため、隣接するマグネット６２との間との磁束が多くなり、その部分の水平磁場が強くなってしまう。従って、上述の実施の形態のように、これらマグネット６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅを構成するマグネット要素６３の個数を少なくして磁力を小さくすれば、水平磁場のバランスを取ることができる。ここで、これらマグネット６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅの磁力は、マグネット要素６３の個数を変えずに、表面磁束密度の小さいマグネット要素６３を用いることによって小さくするようにしてもよい。
【００８６】
このように、本発明の構成によれば、図３３に示す従来のマグネトロンスパッタ装置に比べて成膜効率を４００％（４倍）程度に向上させることができるので、例えばターゲット３１とウエハ１０との距離が２０ｍｍの場合には、印加電力が４ｋＷｈ程度であっても、３００ｎｍ／ｍｉｎ程度の成膜速度を確保することができ、消費電力を抑えて、低コスト化を図ることができる。また、ターゲット３１の使用効率も８０％程度と高くなるので、この点からも低コスト化を図ることができる。
【００８７】
上述の実施の形態では、マグネット６１、６２の平面形状は、正方形状である場合には限定されず、直方形状であってもよいし、円形状であってもよい。また、１つのマグネット６１、６２に収納されるマグネット要素６３の最大数は８個には限らない。さらに、マグネット６１、６２に収納されるマグネット要素６３の数は、上述の図２に記載した例に限定されず、例えば図１０に示すように、全てのマグネット６１、６２を８個のマグネット要素６３の集合体により構成してもよい。このようなマグネット配列体５Ａでは、マグネット要素６３の表面磁束密度を調整することにより、内側マグネット群５４Ａにおいて、最外周に位置する外側マグネットの磁力を、当該外側マグネットよりも内側に位置するマグネットの磁力よりも小さくするように調整してもよい。
【００８８】
ここで、上述の例では、マグネット要素６３はケース体６４に収容しているので、所定のマグネット要素６３を予めケース体６４に収容しておくことによって、マグネット配列体５の組み立てを容易に行うことができるというメリットがあるが、必ずしもマグネット要素６３をケース体６４に収容する必要はない。また、既述のように、ウエハ１０の大きさに合わせてマグネット６１、６２、リターン用のマグネット５３の設置数を増減すればよく、この場合も同様の効果を得ることができる。さらにまた、上述の例では、ターゲット３１の外縁をマグネット群５２の内側に設定したが、ターゲット３１の外縁をマグネット群５２の外側に設定するようにしてもよい。
【００８９】
さらに、マグネット配列体５は、ベース体５１の中心Ｏから偏心させて回転させているので、この偏心回転時に、ウエハ１０の外縁から５０ｍｍ外方の領域に、内側マグネット群５４とリターン用のマグネット５３の離間部分があるように設定すれば、成膜速度分布の均一性を良好にすることができる。同様に、偏心回転時にターゲット３１の外縁が内側マグネット群５４の外縁とリターン用マグネット５３との離間部分に位置するようにターゲット３１とマグネット配列体５の大きさを設定すれば、ターゲット３１の全面でエロージョンを形成することができ、均一な成膜処理を行うことができる。
【００９０】
続いて、マグネット配列体５１１の他の例について説明する。図１１に示すマグネット群５２１は、円柱状の点状マグネット６１１、６２１を３列×３行のマトリックス状に配列して内側マグネット群５４１を構成した例であり、各点状マグネット６１１、６２１は、互いに等間隔を開け、かつ隣接する点状マグネット６１１、６２１の極性が互いに異極になるように配列されている。この例においても、リターン用マグネット５３１は、内側マグネット群５４２を囲むようにライン状に配列されており、図１１に矢印にて電子がドリフトする方向を示している。前記点状マグネット６１１、６２１としては、例えば直径２０〜３０ｍｍ、厚さが１０〜１５ｍｍ、表面磁束密度が４〜５ｋＧのものを用いることができ、点状マグネット６１１、６２１の中心同士の距離は例えば６０ｍｍに設定される。
【００９１】
この例においても、上述の実施の形態と同様に、ターゲット３１の直下において、ウエハ１０の投影領域全体に亘って均一なプラズマを形成することができ、またエロージョンの面内均一性が高い。このため、ターゲット３１とウエハ１０とを接近させてスパッタを行うことができるので、成膜効率を高くしながら、高い成膜速度の面内均一性を確保することができ、ターゲット３１の使用効率も向上する。また、点状マグネットとしては、円柱状のみならず、例えば一辺が２０〜３０ｍｍの正三角柱状や、一辺が２０〜３０ｍｍの立方体状のもの等を用いることができる。
【００９２】
また、マグネットはｎ列×ｍ行のマトリックス状に配列してもよい。図１２に示すマグネット配列体５１２のマグネット群５２２は、円柱状の点状マグネット６１１、６２１を６列×６行のマトリックス状に配列して内側マグネット群５４２を構成している。この例においても、点状マグネット６１１、６２１が、縦横に互いに等間隔を開け、かつ隣接する点状マグネット６１１、６２１の極性が互いに異極になるように配列されている。図１２中矢印は電子がドリフトする方向を示している。
【００９３】
また、内側マグネット群５４２の外側には、これら内側マグネット群５４２を囲むように、同じ極性のリターン用マグネット５３２がライン状に配列されている。この例では、前記ｎ、ｍが偶数であるので、内側マグネット群５４２の最外周に配列された点状マグネットは、その両端に極性の異なる点状マグネットが位置している。このため、内側マグネット群５４２の角部のＳ極点状マグネット６２１ａ、６２１ｂの近傍では、当該点状マグネット６２１ａ、６２１ｂを囲むように、Ｎ極のリターン用マグネット５３２ａが円弧状に配列される。
【００９４】
従って、このマグネット配列体５１２では、内側マグネット群５４２の角部においても、電子がカスプ磁界の外に飛び出すことが阻止され、電子損失を抑制することができる。このため、上述の実施の形態と同様に、ターゲット３１の直下において、ウエハ１０の投影領域全体に亘って均一なプラズマを形成することができ、またエロージョンの面内均一性が高くなる。このため、ターゲット３１とウエハ１０とを接近させてスパッタを行うことができ、成膜効率を高くしながら、高い成膜速度の面内均一性を確保することができる上、ターゲット３１の使用効率が向上する。
【００９５】
さらに、点状マグネットの形状は、上述のマグネット要素６３の集合体や、円柱状に限らず、三角柱状であってもよい。図１３に示すマグネット配列体５１３のマグネット群５２３は、三角柱状のマグネット６１２、６２２を配列して内側マグネット群５４３を構成した例である。この例においては、マグネット６１２、６２２の平面形状は略二等辺三角形状に構成され、互いの斜辺同士を間隔を開けて対向するように配列して一つのユニット６３１を形成し、このユニット６３１をマトリックス状に配列して、内側マグネット群５４３を形成している。この例においても、隣接するマグネット６１１、６２２の極性が互いに異極になるように配列されている。
【００９６】
また、内側マグネット群５４３の外側には、これら内側マグネット群５４３を囲むように、リターン用マグネット５３３、５３４がライン状に配列されている。この例のリターン用マグネット５３３、５３４は、平面形状が長方形状の４つのマグネット５３３ａ〜５３３ｄと、平面形状が略Ｌ字状の２つのマグネット５３４ａ、５３４ｂとにより構成されている。
【００９７】
前記リターン用マグネット５３３ａ〜５３３ｄは、この例では、内側マグネット群５４３の前記左右方向及び奥行方向の両側に夫々設けられ、内側マグネット群５４３の最外周の中央に配置されたマグネット６２２ａ、６２２ｂ、６１２ａ、６１２ｂとは異なる極性に設定されている。さらに、前記リターン用マグネット５３４ａ、５３４ｂは、内側マグネット群５４３の互いに対向する２つの角部に対応して、この例では、右下角部及び左上角部に設けられている。こうして、内側マグネット群５４３の角部のマグネット６１２ｃ、６２２ｃの近傍では、当該マグネット６１２ｃ、６２２ｃを囲むように、異極のリターン用マグネット５３４ａ、５３４ｂが配列されている。図１３に示す矢印は、電子のドリフト方向を示している。
【００９８】
従って、このマグネット配列体５１３においても、内側マグネット群５４３の最外周のマグネット６１２、６２２の多くをカバーするようにリターン用マグネット５３３、５３４が配置されるので、電子がカスプ磁界の外に飛び出すことが阻止され、電子損失を抑制することができる。
【００９９】
従って、上述の実施の形態と同様に、ターゲット３１の直下において、ウエハ１０の投影領域全体に亘って均一なプラズマを形成することができ、またエロージョンの面内均一性が高くなる。このため、ターゲット３１とウエハ１０とを接近させてスパッタを行うことができ、成膜効率を高くしながら、高い成膜速度の面内均一性を確保することができる上、ターゲット３１の使用効率が向上する。
【０１００】
さらに、本発明では、図１４に示すように、平面形状が長方形状のマグネット７１、７２を、例えばその長さ方向が奥行方向に揃うように、互いに間隔を開けて、隣接するマグネット同士が互いに異極になるように配列すると共に、これらマグネット７１、７２の周囲に、電子の飛び出しを抑えるためにライン状のマグネット７３（７３１、７３２）を配列するようにしてもよい。
【０１０１】
この例のマグネット配列体５１４では、Ｎ極のマグネット７１とＳ極のマグネット７２の数を揃えるために、これらの最外のマグネット同士は互いに異極になるように設定されている。また、ライン状マグネット７３は、例えば平面形状が円弧状に形成され、Ｎ極のマグネット７３１とＳ極のマグネット７３２とを備えている。これらライン状マグネット７３１、７３２は前記左右方向に伸びるように配列され、前記左右方向の両側のマグネット７１、７２の長さ方向の両端同士を、複数個のライン状のマグネット７３１、７３２により接続するように構成されている。こうして、これらマグネット７１、７２、ライン状マグネット７３１、７３２によりマグネット群５２４が構成されている。図１４中の矢印は、電子のドリフト方向を示している。
【０１０２】
このような構成では、マグネット７１、７２により形成されるカスプ磁界の磁束が互いに結合するので、これらマグネット間７１、７２に水平磁場が形成され、電子がドリフト運動し、電離を起こす。マグネット７１、７２の両端部では、本来開放端で電子が磁界の外に飛び出し、電子損失を起こすが、ライン状マグネット７３１、７３２を配置しているので、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことを阻止している。このため、電子損失が抑制され、電子密度の増大と均一化を図ることができる。
【０１０３】
これにより、上述の実施の形態と同様に、ターゲット３１の直下において、ウエハ１０の投影領域全体に亘って均一なプラズマを形成することができ、またエロージョンの面内均一性が高くなる。このため、ターゲット３１とウエハ１０とを接近させてスパッタを行うことができ、成膜効率を高くしながら、高い成膜速度の面内均一性を確保することができる上、ターゲット３１の使用効率が向上する。
【０１０４】
さらにまた、本発明では、マグネット配列体５１５のマグネット群５２５を図１５に示すように、構成してもよい。このマグネット群５２５は、平面形状が正方形状のマグネット８１、８２をマトリックス状に、隣接するマグネット８１、８２同士が互いに異極になるように配列すると共に、これらマグネット８１、８２を囲むように、平面形状が略コ字状であって極性がマグネット８１、８２とは異なるライン状のマグネット８３、８４を設け、さらにライン状のマグネット８２、８３の外側に、平面形状が長方形状のライン状のマグネット８５を配列して構成されている。
【０１０５】
このような構成では、マグネット８１、８２のカスプ磁界の磁束と、ライン状マグネット８３、８４、８５のカスプ磁界の磁束とが互いに結合して水平磁場回路網が形成されているので、その水平磁場に沿って電子が図１５に矢印にて示す方向にドリフト運動して電離を起こす。この際、ライン状マグネット８３〜８５を配置しているので、電子がカスプ磁界の拘束から解放されてカスプ磁界の外に飛び出すことが阻止される。このため、電子損失が抑制され、電子密度の増大と均一化を図ることができる。これにより、上述の実施の形態と同様に、ターゲット３１の直下において、ウエハ１０の投影領域全体に亘って均一なプラズマを形成することができ、またエロージョンの面内均一性が高くなる。このため、ターゲット３１とウエハ１０とを接近させてスパッタを行うことができ、成膜効率を高くしながら、高い成膜速度の面内均一性を確保することができる上、ターゲット３１の使用効率が向上する。
【０１０６】
また、ターゲットの材質としては、タングステン以外に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮx）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）等の導電体や、酸化シリコン、シリコンナイトライド等の絶縁体が用いることができる。この場合、絶縁体よりなるターゲットを用いる場合には、電源部から高周波電圧を印加することにより、プラズマが生成される。また、導電体よりなるターゲットに対して高周波電圧を印加してプラズマを生成するようにしてもよい。
【０１０７】
さらに、マグネット配列体は回転機構により、ベース体の中心を回転中心として鉛直軸まわりに回転させるようにしてもよい。さらにまた、必ずしも載置部を電極として用いる必要はなく、当該載置部に高周波電力を供給する必要はない。さらに、前記マグネット配列体は、カスプ磁界による電子のドリフトに基づいて被処理基板の投影領域全体に亘ってプラズマが発生するように、マグネット群を構成する複数のＮ極及びＳ極がターゲットに対向する面に沿って互いに間隔をおいて配列されればよく、マグネットの配列は上述の例に限らない。例えば、内側マグネット群を構成するマグネットの配列間隔や形状をベース体の面内において変化させるようにしてもよい。
【０１０８】
また、マグネット群は、マグネット配列体を回転させたときに、被処理基板の投影領域全体に亘ってプラズマが発生するように構成されればよい。従って、マグネット配列体を偏心回転させるときには、回転時に被処理基板の外縁の一部がマグネット群の外側に位置する場合も、被処理基板の投影領域全体に亘ってプラズマが発生する場合に含まれる。
【０１０９】
さらにまた、前記リターン用のマグネットよりも内側に位置するマグネット群は、Ｎ極に対応するマグネットの強さの合計と、Ｓ極に対応するマグネットの強さの合計とが揃っていればよく、マグネットの強さは、マグネットの個数や大きさ等、いずれの手法により調整してもよい。
【０１１０】
次に、既述のマグネット配列体に補助マグネットを設けることにより、ターゲットの下面側における水平磁場の強度を調整する手法について述べる。図２２は、図１０に示すマグネット配列体５に補助マグネット６５を設けた例を示しており、ターゲット３１側からマグネット配列体５Ａを見た平面図である。図１０に示すマグネット配列体５のマグネット６１、６２及び５３は、後述の図２４に示すようにターゲット３１側とその反対側とでは、互いに異なる磁極となるように着磁されている。そして補助マグネット６５は、マグネット６１と６２との間隙、及びマグネット５３と６２の間隙とを埋めるように直方体状に形成されている。図２３に示すように、補助マグネット６５は長さ方向と直交する方向に磁極が分けられており、長辺である一辺側にＮ極、当該一辺と対向する他辺側にＳ極が夫々着磁されている。
【０１１１】
ターゲット３１側における補助マグネット６５の磁極とマグネット６１（６２、５３）の磁極との関係については、補助マグネット６５の一辺に隣接するマグネット６１（６２、５３）の磁極と当該補助マグネット６５の一辺側の磁極とが同極となるように設定されている。従ってマグネット配列体５Ａについて、ターゲット３１とは反対側（ベースプレート５１側）においては、図２４に示すように、補助マグネット６５の一辺に隣接するマグネット６１（６２、５３）の磁極と当該補助マグネット６５の一辺側の磁極とが異極となる関係になっている。
【０１１２】
このような補助マグネット６５を備えたマグネット配列体５Ａにおける磁界の様子を、マグネット６１、６２の間に補助マグネット６５を設けた部位を例にとって、図２４に示す。また、補助マグネット６５を用いないマグネット配列体５における磁界の様子を比較のために図２５に示す。
【０１１３】
ベースプレート５１側においては、マグネット６１、６２により発生する磁力線と補助マグネット６５により発生する磁力線との向きが逆向きであるため、マグネット６１、６２による水平磁場が補助マグネット６５の水平磁場により打ち消されて弱められるかあるいは消失する。
【０１１４】
一方、ターゲット３１側においては、マグネット６１、６２により発生する磁力線と補助マグネット６５により発生する磁力線との向きが同方向であるため、マグネット６１、６２による水平磁場が補助マグネット６５の水平磁場と重畳され、水平磁場が強められる。
【０１１５】
補助マグネット６５として、マグネット６１、６２と同じ磁力のマグネットを使用すれば、マグネット配列体５Ａにおけるターゲット３１側に生じる磁界の強さは２倍となり、一方ベースプレート５１側においては磁界は略０となる。ターゲット３１側に生じる磁界の強さは補助マグネット６５の磁力の大きさにより調整可能であり、表面磁束密度、補助マグネット６５の高さあるいは幅により調節することができる。
【０１１６】
代表的な補助マグネット６５である直方体の大きさは、幅寸法がマグネット６１、６２の径または辺と同じ幅寸法である２０〜３０ｍｍであり、長さ寸法がマグネット６１と６２の間の距離である３０ｍｍ、高さ寸法がマグネット６１、６２の高さの１／３、１／２、１／１である。また補助マグネット６５の表面磁束密度は４〜５ｋＧａｕｓｓである。補助マグネット６５の表面磁束密度とマグネット６１、６２の表面磁束密度が略同じであれば、略マグネット６１、６２の高さに対する補助マグネット６５の高さの割合だけ、ターゲット３１側に生じる磁場が増大する。よって前述したように補助マグネット６５の高さをマグネット６１、６２の高さの１／３、１／２、１／１に設定したとき、ターゲット３１側に生じる磁場の強さは夫々約３０％、約５０％、約１００％増大する。ベースプレート５１側における磁場の打ち消し量も同様となる。また、補助マグネット６５の高さをマグネット６１、６２と同一にし、幅を１／３、１／２、１／１とした場合も同様の効果が得られる。
【０１１７】
補助マグネット６５は図１０に示すマグネット配列体５に設けることに限られない。図２６は、図１１に示すマグネット配列体５１１に対して補助マグネット６５１を設けた例を示しており、補助マグネット６５１における磁極とマグネット６１１、６２１、５３１との位置関係は図２２の例と同様である。また作用効果も同様である。
【０１１８】
さらに、本発明の発明者は上述してきた実施の形態から得られた知見に基づいて、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置を用いて、スパッタ成膜の面内均一性を保ちつつランニングコストを飛躍的に低減させる手法について検討を重ねた。ランニングコストを低減するためには成膜効率及びターゲット３１の使用効率をさらに上昇させ、かつ成膜速度を向上させることが重要であると考えられる。
【０１１９】
成膜効率を上昇させるためには、ターゲット３１の下面とウエハ１０の表面との間の距離であるＴＳを縮めることが効果的である。ターゲット３１に印加する電力が一定であるとすると、ＴＳが短いほど成膜量は格段に向上する。しかしＴＳを縮小しすぎると、十分な面内均一性が得られない。従って高い成膜量を保ちつつ十分な面内均一性が得られるＴＳの範囲を把握する必要がある。
【０１２０】
一方、ターゲット３１の使用効率を向上させるためには、ターゲット３１に生じるエロージョンを均一化することが効果的である。エロージョンの形状が均一であれば最大のターゲット使用効率が得られるからである。従って、ＴＳを適切な値に設定すれば十分な成膜効率が得られると共に、均一エロージョン下で必要な成膜分布が得られる。
【０１２１】
そこで、成膜の均一性に着目し、上述の実施形態にかかるマグネトロンスパッタ装置を用いたスパッタリングにおいて、ＴＳとターゲット径との関係についてシミュレーションを行った。エロージョンについては、ターゲットから粒子が等方的に放射されており、ＴＳの二乗に比例してターゲットを構成する粒子の量がスパッタされて減少し、均一なエロージョンが形成されているものと仮定した。
【０１２２】
シミュレーションの結果を図２７及び図２８に示す。当該シミュレーションにおいて、ウエハ１０における膜厚の面内均一性の評価については次式で算出する膜厚分布を用いた。  
膜厚分布（％）＝｛標準偏差（１σ）／各点の膜厚の平均値｝×１００  
具体的には、ウエハ径３００ｍｍの場合において、ターゲット径を３００ｍｍから５００ｍｍまで２０ｍｍずつ増大させ、各ターゲット径毎に、ＴＳを１０．０ｍｍから１００．０ｍｍまで１０ｍｍずつ増加させて、膜厚分布をシミュレートした。図２７はターゲット径を横軸に取り、膜厚分布を縦軸にとって、ＴＳをパラメータとしてターゲット径と膜厚分布との関係を示すグラフであるが、線図の重なりによる図示の煩雑さを避けるために、ＴＳが５０〜９０ｍｍの線図については図示を省略している。図２７において、ＴＳが５０〜９０ｍｍの線図は、ＴＳが４０ｍｍの場合と１００ｍｍの場合との間に位置している。このグラフから、ターゲット径が大きいほど、またＴＳが短いほど膜厚分布が向上することが分かる。
【０１２３】
図２８の左側（実線）のグラフａ１は、図２７のグラフにおける膜厚分布３％のラインと各曲線との交点をプロットし直したものである。図２８の横軸はターゲット径、縦軸はＴＳのターゲット径に対する百分比である。図２８の右側（破線）のグラフｂ１は、上述したシミュレーションと同様のシミュレーションをウエハ径４５０ｍｍの場合に対しても行い、膜厚分布３％の場合におけるターゲット径とＴＳのターゲット径に対する百分比との関係を、同様に夫々横軸と縦軸にしてプロットしたものである。
【０１２４】
３００ｍｍ径のウエハ量産の現場で用いられるターゲット径は、一般的に４５０ｍｍ〜５００ｍｍであることから、４５０ｍｍ径ウエハにおけるターゲットについては、３００ｍｍウエハの場合の相似形を想定し、ターゲット径を５０ｍｍ〜７００ｍｍに設定した。図２８の実線から、３００ｍｍ径ウエハについて膜厚分布が３％となるＴＳは、ターゲット径が４５０ｍｍのときターゲット径の約２．４％（＝約１１ｍｍ）、ターゲット径が５００ｍｍのときターゲット径の約５．５％（＝約２７．５ｍｍ）であることがわかる。  
図２６の破線から、４５０ｍｍ径ウエハについて膜厚分布が３％となるＴＳは、ターゲット径が６５０ｍｍのときターゲット径の約２．５％（＝約１６ｍｍ）、ターゲット径が７００ｍｍのときターゲット径の約５．３％（＝約３７ｍｍ）であることがわかる。
【０１２５】
従って膜厚分布が３％以下となるターゲット径（ｍｍ）に対するＴＳ（ｍｍ）の比率（百分比）は、３００ｍｍ径ウエハの場合には図２８のグラフａ１の下方側領域であり、４５０ｍｍ径ウエハの場合には同図のグラフｂ１の下方側領域である。前記比率（（ＴＳ／Ｒ）×１００％）をＹ％、ターゲット径をＲ（ｍｍ）とし、グラフａ１、ｂ１についてＹとＲの近似式で表すと夫々式（１）、（２）となる。
３００ｍｍ径ウエハ…Ｙ＝０．０００６１５１Ｒ２−０．５２３５Ｒ＋１１３．４…（１）
４５０ｍｍ径ウエハ…Ｙ＝０．０００３８２７Ｒ２−０．４５９７Ｒ＋１３９．５…（２）
従って、膜厚分布が３％以下であることが好ましいプロセスであるとするならば、当該好ましいプロセスを行うためには、３００ｍｍ径ウエハでは式（１’）、４５０ｍｍ径ウエハで式（２’）の関係が成立すればよい。
Ｙ≦０．０００６１５１Ｒ２−０．５２３５Ｒ＋１１３．４…（１’）
Ｙ≦０．０００３８２７Ｒ２−０．４５９７Ｒ＋１３９．５…（２’）
【０１２６】
ところで（１’）式、（２’）式は近似式であり多少の誤差がある。またウエハにスパッタされた薄膜について既述の式で定義された膜厚分布が３％を多少越えていても膜厚分布が良好であるという評価に影響を与えるものではないということができる。更にまたＴＳをディジタル的に変えたときのシミュレーションによる図２７の結果に基づいて図２８のグラフ（既述の近似式（１））を求めている。このようなことを総合すれば、膜厚分布が良好であるという効果が得られるＴＳの上限値（境界値）を既述の近似式（１）、（２）だけに頼って決定することは、最適であるとは言い難い。例えば、ウエハ径が３００ｍｍであり、ターゲット径が５００ｍｍであるときに、膜厚分布３％以下となるＴＳの上限値は（１）式により計算すると、２７．１２５ｍｍである。しかしＴＳが３０ｍｍである場合にも、図２７のグラフから膜厚分布が３％を多少越えるが、膜厚分布が良好であるという評価をすることができる。またウエハ径が３００ｍｍであり、ターゲット径が４５０ｍｍであるときに、膜厚分布３％以下となるＴＳの上限値は（１）式により計算すると、１０．７２２ｍｍである。しかしＴＳが１２ｍｍである場合にも、図２７のグラフから膜厚分布が３％を多少超えるが、超える分はわずかであることから、その効果は膜厚分布が３％であるという効果と実質変わりはない。
【０１２７】
またウエハ径が４５０ｍｍであり、ターゲット径が７００ｍｍであるときに、膜厚分布３％以下となるＴＳの上限値は（２）式により計算すると、３６．６３１ｍｍである。しかしＴＳが４０ｍｍである場合にも、膜厚分布が３％を多少越えるが、膜厚分布が良好であるということができる。そこで、膜厚分布が良好であるためのＴＳの上限値を決定する指標として既述の（１）、（２）式を活用することとし、得られたＴＳの値に対して多少のマージンを与えることにより、上限値（境界値）の決定に適切性を持たせることとした。このマージンが大きすぎれば発明の効果が得られ難くなるが、明細書の性格として発明を明確化する要請があり、この観点から本発明の目的が得られることに疑いが生じない範囲においてマージンを決定した。具体的には、ウエハが３００ｍｍの場合には、（１）で求められたＴＳの値に１０％上増しした値を上限値とし、ウエハが４５０ｍｍの場合には、（２）で求められたＴＳの値に１０％上増しした値を上限値とする。
【０１２８】
この意味を式で表すと、ウエハが３００ｍｍの場合には、適切なＴＳ（ｍｍ）の値は、次式で求められる。
Ｙ＝（ＴＳ´／Ｒ）×１００（％）＝０．０００６１５１Ｒ２−０．５２３５Ｒ＋１１３．４
ＴＳ≦１．１ＴＳ´…（３）
ＴＳ´は、（１）式から求めたウエハとターゲットとの間の適切な離間距離であり、ＴＳは、このＴＳ´に１０％のマージンを与えた適切な離間距離の上限値である。
【０１２９】
またウエハが４５０ｍｍの場合には、適切なＴＳの値は、次式で求められる。
Ｙ＝（ＴＳ´／Ｒ）×１００（％）＝０．０００３８２７Ｒ２−０．４５９７Ｒ＋１３９．５
ＴＳ≦１．１ＴＳ´…（４）
【０１３０】
ＴＳの下限値については規定していないが、上限値よりもわずかに小さくなると本発明の効果が得られなくなるものではないことから、下限値まで正確に規定する意義はないと思われる。なお本発明者は、スパッタのメカニズムなどを総合すると、ＴＳが５ｍｍよりも大きければ、例えば図２８に示す各プロットにおけるＴＳの値と同等の効果が得られると推測している。
【０１３１】
一方、成膜速度向上の観点から、成膜速度とＴＳとの関係についてもシミュレーションを行った。具体的には、ウエハ径が３００ｍｍ及び４５０ｍｍの場合において、それぞれ３種類の直径が異なるターゲットを用いて、成膜速度のＴＳに対する依存性をシミュレートした。得られた結果を図２９に示す。（ａ２）がウエハ径３００ｍｍ、（ｂ２）がウエハ径４５０ｍｍのシミュレーションの結果である。３００ｍｍ径ウエハの場合、従来はＴＳを７０ｍｍに設定している場合が多く、このためＴＳ＝７０ｍｍにおける成膜速度を基準に評価を行うことにする。また、４５０ｍｍ径ウエハの場合には、単純に相似で考えてＴＳは１．５倍の１０５ｍｍにおける成膜速度を基準に評価を行うことにする。図２９（ａ２）のグラフから、ＴＳ＝７０ｍｍの場合の成膜速度の１．５倍の成膜速度が得られるＴＳを求めると、約３５ｍｍである。同様に図２７（ｂ２）のグラフから、４５０ｍｍ径ウエハの場合、ＴＳ＝１０５ｍｍの場合の成膜速度の１．５倍の成膜速度を得られるＴＳを求めると、約５５ｍｍである。従って評価基準に対して１．５倍以上の成膜速度が得られるＴＳの距離はウエハ径３００ｍｍの場合は３５ｍｍ以下、４５０ｍｍの場合は５５ｍｍ以下である。このＴＳの距離を比率（ＴＳ／ターゲット径）に換算すると、ウエハ径３００ｍｍの場合には、ターゲット径が４５０ｍｍであるとすると、ＴＳ／ターゲット径は約８％以下となる。ウエハ径４５０ｍｍの場合には、ターゲット径が７００ｍｍであるとすると、ＴＳ／ターゲット径は約８％以下となる。
【０１３２】
この結果は、図２８のグラフａ１及びｂ１の下方側領域であれば、成膜速度についても、評価基準の成膜速度に比べて１．５倍の成膜速度が得られることを意味している。従って、比率Ｙ（ＴＳ／ターゲット径Ｒ）と、ターゲット径Ｒとの関係が、既述の式（１’）及び（２’）を満足していれば、膜厚分布３％以下と成膜速度１．５倍以上を両立させた成膜が可能となる。
【０１３３】
またさらに、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置を用いて、プロセス圧力を調整することにより、低抵抗の配線（導電路や電極を含む）を高速で成膜することができる。この手法について説明すると、ターゲット表面での磁場強度が例えば１００Ｇ以上となるようにマグネット群の調整を行う。そしてプロセス圧力を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）以上に設定すると共に、電源部３３（図１参照）から直流電力をターゲット３１に印加し、その電力値をターゲットの面積で除算した放電電力密度が例えば３Ｗ／ｃｍ２以上となる値に設定する。またターゲット３１に印加する電圧は例えば３００Ｖ以下とし、高周波電源部４１から載置部４に印加する高周波電力は例えば５００Ｗ〜２０００Ｗとする。
【０１３４】
この条件下でスパッタリングを行うと、後述する実験例の考察で詳しく述べるように、ターゲットと基板（被処理基板）との距離が狭いこと、及び既述のようにマグネットにより基板の全面に亘って放電することから、基板付近においてもイオン密度の高い状態を維持でき、かつ１３．３Ｐａ以上の高圧力条件において大きな成膜速度でＷ膜を成膜することによって、高速かつ高効率のスパッタ及び成膜された膜の低抵抗化を両立できる。
【０１３５】
以上において、本発明のマグネトロンスパッタ装置は、半導体ウエハ以外の液晶や太陽電池向けガラス、プラスチック等の被処理基板のスパッタ処理に適用できる。
【実施例】
【０１３６】
(実施例１)
図１１のマグネット配列体５１１を備えたマグネトロンスパッタ装置にて、既述の処理条件で成膜処理を行い、ターゲット電極３に印加する直流電圧と、電流密度との関係の評価を行った。この際、ターゲット３１とウエハ１０間の距離を３０ｍｍとした。また、マグネット配列体５１１においてリターン用マグネット５３１を設けない構成（比較例１）、図２３に示す従来のマグネトロンスパッタ装置を用いた構成（比較例２）、マグネットを用いずに、直流電圧の印加によって放電させる構成（比較例３）についても、同様に評価を行った。
【０１３７】
この結果を図１６に示す。図中横軸は、ターゲット電極３に印加する直流電圧、縦軸はターゲット３１とウエハ１０間の電流密度を夫々示し、実施例１については□、比較例１については◇、比較例２については△、比較例３については×にて、夫々プロットした。
【０１３８】
この結果、電流密度は、実施例１は２〜４ｍＡ／ｃｍ２、比較例１は０．２〜０．５ｍＡ／ｃｍ２であり、リターン用マグネットを設けることにより、電流密度がかなり大きくなることが認められた。これにより、リターン用マグネットの配列によって電子損失を抑制でき、プラズマ密度を増大できることが理解される。また、実施例１は比較例２と比べて、印加電圧が小さい場合にも高い電流密度を確保できることが認められた。また、４００Ｗの電力の印加により、約１００ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度が得られることが確認された。
【０１３９】
（実施例２）
図２のマグネット配列体５を備えたマグネトロンスパッタ装置にて、マグネット配列体５を回転させずに、既述の処理条件で夫々成膜処理を行い、ウエハ径方向における成膜速度分布を求めた。また図２のマグネット配列体５に代えて図１０のマグネット配列体５Ａを設けた場合についても同様に成膜速度を測定した。この結果について、マグネット配列体５を設けた構成については図１７に、マグネット配列体５Ａを設けた構成については図１８に夫々示す。
【０１４０】
ここで、マグネット配列体５とマグネット配列体５Ａの差異は、マグネット６１、６２を構成するマグネット要素６３の個数のみであるが、このマグネット要素６３の個数を調整することによって、ウエハ１０の径方向の成膜速度分布が変化することが認められた。これにより、マグネット要素６３の個数の調整により、一つのマグネット６１、６２の磁力が調整され、結果的に成膜速度の面内均一性を制御できることが理解される。
【０１４１】
また、マグネット配列体５は、Ｎ極とＳ極の個数が同じであり、配列中心Ｏから同一半径にあるマグネット要素６３の数が同じであり、さらに配列中心Ｏから離れるに連れて、マグネット要素６３の数が減少するように構成されているが、図１７の結果から、マグネット配列体５の構成を採用することにより、成膜速度がウエハ１０の径方向において揃えられ、面内均一性が向上することが認められた。
【０１４２】
さらに、全てのマグネット６１、６２のマグネット要素６３の個数を同じにした場合には、図１８の結果からウエハ１０の径方向の周縁部の一方側の成膜速度が大きくなっていることが認められた。これは、内側マグネット群５４Ａの４つの角部のマグネット６１ａ〜６１ｄでは、既述のように、隣接するマグネットとの間の磁束が多くなり、その部分の水平磁場が、内側の磁束のバランスが取れている領域よりも強くなるためと推察される。但し、このような成膜速度分布は、内側マグネット５４Ａの最外周の外側マグネットとリターン用マグネットとの距離や、ターゲット３１とウエハ１０との距離を調整したり、マグネット配列体５Ａを鉛直軸まわりに回転させることにより、より均一な分布に近付けることができる。
【０１４３】
（実施例３）
図２のマグネット配列体５を備えたマグネトロンスパッタにて、ターゲット３１とウエハ１０との距離を２０ｍｍに設定して、マグネット配列体５を回転させずに既述の処理条件で夫々成膜処理を行い、ウエハ径方向の成膜速度分布を求めた。また、ターゲット３１とウエハ１０との距離を５０ｍｍに設定した場合についても、同様に成膜速度を測定した。この結果を図１９に、マグネット配列体５のマグネット群５の配列と、ターゲット３１のエロージョンの様子と共に示す。なお、この実施例３では、マグネット配列体５のマグネット群５２よりも大きいターゲット３１を用いている。
【０１４４】
これにより、ターゲット３１とウエハ１０との距離が２０ｍｍのときには、５０ｍｍのときに比べて、成膜速度の面内均一性が高いことが認められた。また、前記距離が２０ｍｍの場合には、約４ｋＷｈの電力でターゲット電極３に直流電圧を印加したときの成膜速度が３００ｎｍ／ｍｉｎであり、５０ｍｍの場合に比べて平均の成膜速度も大きくなることが確認された。さらに、成膜速度のウエハ１０の径方向の分布は、多少凹凸した形状になっているものの、ウエハ１０の径方向において一定の周期で凹凸が形成されることが認められた。エロージョンが互いに異極のマグネット同士の中間部に形成されることから、成膜速度は、エロージョン形状を反映していることが理解される。
【０１４５】
さらに、前記距離が５０ｍｍのときには、ウエハ１０の外周部の成膜速度が急激に低下することが認められた。これは、ターゲット３１外周側でスパッタされた粒子が外方側へ飛散してしまい、ウエハ１０に届く粒子が少なくなって、成膜効率が低下するためと推測される。なお、ウエハ１０の中央側では、成膜速度の凹凸は弱まっているが、これは、ターゲット３１からの距離が大きく、粒子が拡散し、エロージョンの影響を受けにくいためと考えられる。
【０１４６】
この実施例３から、本発明のマグネット配列体５は、ターゲット３１とウエハ１０を接近させたときに、成膜速度の均一性を確保できることが認められ、成膜速度の均一性と成膜効率の両立を図ることができることが確認された。
【０１４７】
（実施例４）
図２のマグネット配列体５を備えたマグネトロンスパッタ装置にて、ターゲット３１とウエハ１０との距離を２０ｍｍに設定して、マグネット配列体５を回転させながら既述の処理条件で成膜処理を行い、ウエハ径方向の成膜速度分布を求めた。この際、マグネット配列体５は、ベース体５１の中心から２５ｍｍ偏心させた位置を中心として鉛直軸まわりに回転させた。この結果を図２０に実線にて示し、同図において、マグネット配列体５を回転させずに有る位置で静止させてスパッタ処理を行ったときのデータを一点鎖線、当該位置から１／４回転させた位置で静止させてスパッタ処理を行ったときのデータを点線にて併せて示す。
【０１４８】
この結果より、マグネット配列体５を静止させたときの成膜速度分布では、ウエハ１０の径方向において周期的に凹凸が形成されるが、ベース体５１の中心から偏心させて回転させることにより、前記凹凸が相殺され、結果的に成膜速度分布の均一化を図ることができることが認められた。
【０１４９】
（実施例５）
図２のマグネット配列体５を備えたマグネトロンスパッタ装置にて、ターゲット３１とウエハ１０との距離を２０ｍｍに設定し、マグネット配列体５を回転させながら、既述の処理条件で成膜処理を行い、ウエハ径方向の成膜速度分布を求めた。マグネット配列体５の偏心量は実施例４と同様とした。この際、内側マグネット群５４の最外周の外側マグネットと、リターン用のマグネット５３との離間間隔Ｌ３を５ｍｍに設定した場合Ｐ１と、３０ｍｍに設定した場合Ｐ２について、夫々評価を行った。
【０１５０】
この結果を図２１に、Ｐ１については実線で、Ｐ２については点線で夫々示す。これにより、前記離間間隔Ｌ３を変えると、成膜速度分布が変化することが認められ、マグネットの位置の調整により、エロージョン位置が制御できることが理解される。こうして、マグネットの大きさや配列、マグネット同士の間隔を最適化することにより、所望のエロージョンを形成し、成膜速度分布の最適化を図ることができることが認められた。
【０１５１】
（実施例６）
図２のマグネット配列体５を備えたマグネトロンスパッタ装置にて、直径が４００ｍｍのターゲット３１と３００ｍｍウエハ１０との距離を２０ｍｍに設定し、図２に示した装置においてマグネット配列体５を回転させながら成膜処理を行い、ウエハ径方向の成膜速度分布を求めた。投入電力密度は投入電力をターゲットの面積で割った値であり、これらについて４．５Ｗ／ｃｍ２、３．２Ｗ／ｃｍ２及び１．６Ｗ／ｃｍ２となる条件下で実施した。
【０１５２】
この結果を図３０に示す。横軸は真空容器２内の圧力、縦軸は成膜速度である。投入電力密度が４．５Ｗ／ｃｍ２の場合を実線、３．２Ｗ／ｃｍ２の場合を点線、１．６Ｗ／ｃｍ２の場合を破線、図３３に示すスパッタリング装置の場合を一点破線で示した。成膜速度はターゲットに印加する電力が大きいほど良好であり、４．５Ｗ／ｃｍ２の場合は、成膜速度は１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）付近まで圧力と共に増大し、４５０ｍｍ／ｍｉｎの成膜速度に達するとその後ほぼ一定となっている。また、３．２Ｗ／ｃｍ２の場合は、成膜速度は１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）付近まで圧力と共に増大し、３００ｍｍ／ｍｉｎの成膜速度に達するとその後ほぼ一定となっている。一方、図３３に示す装置における従来技術のスパッタリング（ターゲット−基板間距離＝５０ｍｍ）では、圧力が一定値を超えると成膜速度が低下していく。この結果の違いについての考察は、実施例７と併せて検討する。
【０１５３】
（実施例７）
実施例６にて用いたマグネトロンスパッタ装置により、プロセス圧力を種々変えて、圧力毎にターゲット電圧（ターゲットに印加する直流電圧）とターゲットに流れる電流密度との関係を求めた。プロセス圧力としては、０．９１、３．５９、１３．０、１９．６、２３．３Ｐａ（７、２７、９８、１４７、１７５ｍＴｏｒｒ）の５通りに設定した。
【０１５４】
この結果を図３１に示す。横軸はターゲット電圧、縦軸はターゲットに流れる電流密度である（凡例を参照）。ターゲット３１に供給する電力が同じであっても、圧力が高い条件では、電流密度が高く、電圧が低い状態になる。プロットから、同一ターゲット電圧に対し、高圧では電流密度が高くなる一方、低圧では電流密度が低くなることが確認できる。また、高圧力下でターゲット電力を増大させると、低圧力下の場合と異なり、ターゲット電圧をほとんど増加させずにターゲット電流密度を増加させることが出来る。この電流が高い状態は、プラズマ中のＡｒイオンの数が増大することに対応する。圧力が高いと電子とアルゴン原子との衝突頻度が高くなり電離が激しく行われるため、アルゴンイオンの数が増え、ターゲットに流れる電流が増大する。圧力が高い場合、スパッタされた原子と、アルゴンイオンやスパッタ原子同士との衝突が激しく、拡散が起こり、ターゲット面に垂直方向の基板方向だけでなく、ターゲット面に水平方向の周囲の壁に向かってもスパッタ原子は拡散するため、成膜速度は低下してしまう。この現象は、ターゲットと基板間距離が大きいと顕著になるのは自明であり、従来のスパッタ技術では６．６５Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以上の圧力で成膜速度は低下するが、本発明のナローギャップではより高い圧力でも成膜速度は低下しないのである。また、実施例６では３．２Ｗ／ｃｍ２で十分な成膜速度が得られているので、電力密度は３Ｗ／ｃｍ２以上で、本発明の目的を十分に達成できると推測できる。この高圧条件下でも成膜速度が高速度でかつ低下しないのは、ナローギャップであることと、本発明のマグネットにより、ターゲット全面で放電するからである。
【０１５５】
（実施例８）
実施例６に用いたマグネトロンスパッタ装置により、ターゲット投入電力密度を４．５Ｗ／ｃｍ２、３．２Ｗ／ｃｍ２及び１．６Ｗ／ｃｍ２の３通りに設定し、各設定条件毎に、プロセス圧力とウエハ１０に成膜されたＷ膜の比抵抗について関係を調べた。
【０１５６】
この結果を図３２に示す。横軸はプロセス圧力、縦軸はＷ膜の比抵抗である。投入電力密度が４．５Ｗ／ｃｍ２の場合を実線、３．２Ｗ／ｃｍ２の場合を点線、１．６Ｗ／ｃｍ２の場合を破線で示した。グラフから、投入電力密度が４．５Ｗ／ｃｍ２の場合、および３．２Ｗ／ｃｍ２の場合、Ｗ膜の比抵抗は圧力と共に１０μΩ・ｃｍ付近まで低下する一方、１．６Ｗ／ｃｍ２の場合は１１μΩ・ｃｍ程度までしか低下しない。  
圧力と共に比抵抗が低下する理由のひとつは、圧力が増大するとＡｒイオンの数も増大し、ウエハ１０側に入射するＡｒイオンの数が増大する結果Ｗ膜表面にエネルギーが付与され、Ｗ粒子の表面拡散が促進されるためと考えられる。別の理由としては、圧力の増大と共に前述した反跳Ａｒ原子がエネルギーを失い、ウエハ１０に到達しなくなったものとも推測できる。
【０１５７】
図３２のグラフと併せて考察すると、真空容器２内の圧力の上限は、Ｗ膜が低抵抗で、例えば１０μΩ・ｃｍ付近で成膜できる圧力であれば良く、この場合例えば約２００ｍＴｏｒｒである。投入電力密度の上限についても同様であり、例えば１０μΩ・ｃｍ付近で成膜出来れば良いとすると、投入電力密度の上限値は例えば１０Ｗ／ｃｍ２であると推測できる。
【０１５８】
ここで、Ｗ粒子の表面拡散について更に推考する。  
非特許文献２には、スパッタリングにおいて入射粒子によって膜表面における表面拡散を起こすための条件が提案されている。これによると、膜表面に入射したエネルギーの総和がＷの結合エネルギーの総和よりも大きいとき、Ｗ粒子は移動可能である旨の解釈がなされている。すなわち、
Ｗの結合エネルギーの総和＜（Ｊ＋／Ｊｍ）×Ｖｄｃ…（５）
ここで、Ｊ＋、Ｊｍ、及びＶｄｃは夫々、入射粒子が全てイオンであるとした場合におけるイオンの数、同場合のＷ原子の数、及び基板の直上に形成されたシースに高周波電源４１から加わる直流電圧である。前述したように基板に印加する高周波電力を大きくすると成膜したＷ膜にダメージを与えるため、Ｖｄｃを大きくするよりもＪ＋を大きくする方が望ましい。Ｗ膜のスパッタ閾値は３３ｅＶであり、Ｗの金属結合エネルギーは９ｅＶである。よって（５）より
（Ｊ＋／Ｊｍ）×３３ｅＶ＞９ｅＶ…（６）
が成り立つ。
【０１５９】
もしＷ膜の成膜速度が３００ｎｍ／ｍｉｎであるとすると、Ｊｍ＝３×１０１６／ｃｍ２ｓｅｃであるので、イオン入射量Ｊ＋は、最低でもＪ＋＝８×１０１５／ｃｍ２ｓｅｃとなる。Ｊ＋が定まると空間イオン密度も定まる。この密度は、Ｊ＋に比して１０４のオーダーで低いので、空間イオン密度のオーダーは最低でも１０１１／ｃｍ２である。また、圧力を増大させると、イオン密度が大きくなるので成膜速度も大きくなる。なお、ターゲット−基板間距離が３０ｍｍよりも広い通常のスパッタ装置の条件下では、低圧雰囲気となるので空間イオン密度のオーダーは１０９／ｃｍ２となる。このため通常のスパッタ装置ではイオン密度が小さい分Ｖｄｃを増大させる必要があるが、前述したように過剰なエネルギーを有したＡｒイオンがＷ膜に引き込まれ、成膜されたＷ膜に欠陥が生じる。Ｗのスパッタ閾値は３３ｅＶであるから、イオンのエネルギーは数十ｅＶ程度のオーダーにするべきである。
【０１６０】
ここで、ターゲット面積当たりの直流電力投入密度が４．５Ｗ／ｃｍ２である場合、直流電圧を３００Ｖとすると、電子ドリフト部の電流密度は１５ｍＡ／ｃｍ２と算出される。ターゲットの面積はこれより小さいので、ターゲット近傍の電流密度はこの値よりも大きく、従ってターゲット近傍のイオン密度は約１×１０１２／ｃｍ３以上となる。非特許文献３によると、このときのＪ＋は以下の式で計算できる。  
Ｊ＋＝０．６１ｅ・ｎｉ・ｕＢ…（７）  
ここで、ｅは電子１個の電荷、ｎｉはイオン密度、ｕＢはボーム速度である。  
本実施例ではターゲットと基板間の距離が２０ｍｍと近距離であるため、イオン密度は基板近傍とターゲット近傍の密度との間に大きな違いはなく、１０１１／ｃｍ３程度のオーダーと推定できる。よって、従来技術のスパッタリングに比して２桁程度イオン密度が高いことが推測できる。
【０１６１】
上述してきたように、Ｗ膜の比抵抗を低下させるためには、イオン密度を高めることとＶｄｃを低く抑えることが重要である。しかし従来のマグネトロンスパッタ装置では、高速な成膜速度を保ちつつこのような条件を得ることは困難である。よってＷ膜の比抵抗は高くなる。  
具体的に説明すると、従来のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットと基板間の距離が長いので、基板上のイオン密度は１０９／ｃｍ３台と低く、放電も不均一で断続的にしかイオンが生じないので、従って局所的にしかプラズマ化できない箇所も存在するものと思われる。基板上でプラズマ化していない箇所では、スパッタされたＷは飛来してはくるが、イオンが存在しないため、飛来したＷ粒子が基板表面に良好に成膜されない。一方プラズマ化された箇所ではイオンが存在するため、飛来したＷ粒子は基板表面で良好に成膜される。このため、Ｗ粒子の状態が良好な部分と粗悪な部分が積層され、全体としてコンディションの良くない膜が形成される。結果として、形成されたＷ膜の比抵抗は高くなってしまう。  
一方、本発明では、ターゲットと基板間の距離が２０ｍｍというナローギャップであり、更に上述した数式（５）
Ｗの結合エネルギーの総和＜（Ｊ＋／Ｊｍ）×Ｖｄｃ
を常に満たすうえ、全面放電であるからマグネット回転でも高密度で連続的にイオンが照射されるので、基板全体で良好なＷ粒子の堆積を可能にし、結果として比抵抗の低い膜が成膜される。又成膜速度も４００ｎｍ／ｍｉｎ以上という高速性が維持される。Ｗ以外のＴａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉの成膜についても同様のことがいえる。
【符号の説明】
【０１６２】
Ｓ                半導体ウエハ
２                真空容器
２４              真空ポンプ
３                ターゲット電極
３１              ターゲット
４                載置部
４１              高周波電源部
５                マグネット配列体
５２              マグネット群
５３              リターン用マグネット
５４              内側マグネット群
【図１】
2013082993.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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】
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【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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