JP2004218089A - マグネトロンカソードおよびこれを採用するマグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁場の分布を均一に形成してターゲットのエッチングプロファイルを広くかつ均一に形成できるマグネトロンカソード、およびこれを採用するスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】 ３つ以上の磁極部を備え、各磁極部はターゲットに向かって同一の極性を有する１つまたは複数のマグネットを備え、隣接する磁極部は、ターゲットに向かって相異なる極性を有し、一の磁極部は、他の磁極部の外周を囲むように配置されていることを特徴とするマグネトロンカソードおよびそれを用いるスパッタリング装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置に係り、より詳細には成膜速度および膜均質度が向上したマグネトロンスパッタリング装置に関する。

一般に、物理気相成長（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と化学気相成長（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、薄膜を製造するために広く使われている。ＣＶＤ法は、化学的反応を利用して所望の物性を有する薄膜を得る方法であり、ＰＶＤ法は、ターゲット材に運動エネルギを与えることによって、ターゲット材を基板上に移動させて薄膜を形成する方法である。

このようなＰＶＤ法は、スパッタリング法と蒸着法とに大別できる。ここで、蒸着法は、固体または液体を加熱して分子または原子に分解した後、基板表面上に凝縮させる方法であって、装置構成が簡単で、多量の物質を容易に用いることができるため、多く使われている。

スパッタリング法は、高エネルギーを有する粒子を所望の物質よりなるターゲットに衝突させて放出される物質を基板に堆積させる方法である。このようなスパッタリング法は、広い面積に比較的均一な厚さの薄膜を形成でき、合金薄膜を形成する場合に、その合金組成比の調節が他の蒸着法に比べて容易である、という利点を有する。したがって、スパッタリング法は、半導体素子（ＤＲＡＭ（ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＮＶＭ(ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ ｍｅｍｏｒｙ)など）や他の電子素子の製造過程で多く使われている。

また、磁場を利用するマグネトロンスパッタリング法は、低圧および高密度プラズマの反応器内で行うことができるため、スパッタリング粒子の直進性を高めることができる。そのため、段差がある部分にも効果的にスパッタリング粒子を堆積することができることから、ステップカバレージが向上する。

図１は、一般的なマグネトロンスパッタリング装置を簡略に示した断面図である。
図１に示すとおり、真空チャンバー２１の内部に、基板１７と基板１７を載置させる基板ホルダー１９が配置され、基板ホルダー１９に対向してターゲット１１が配置される。マグネトロンスパッタリング装置においては、前記ターゲット１１の後方にマグネット１５を配置して所定方向の磁力線を形成する。また、ターゲット１１が配置される電極１３に電圧を印加するため、真空チャンバー２１の外部には電源供給部２７が備えられている。

真空チャンバー２１の内部は一定の真空度に維持され、アルゴン等の導入ガスが真空チャンバー２１の内部に供給されて、電極１３に印加される負電圧により電気放電が生じる。それにより、イオン化されたガス、中性分子および電子よりなるプラズマが形成され、イオン化されたガスが、負電圧により加速されてターゲット１１に衝突する。衝突によりターゲット１１の表面の原子が運動エネルギーを得てターゲット１１から放出され、このような放出原子が基板１７上に薄膜の形態に堆積される。この時、堆積される薄膜の厚さは、印加電圧、真空度、堆積時間等によって決定される。

しかし、マグネトロンスパッタリング法において、スパッタリング性能を左右する反応器内部の帯電粒子の運動エネルギを効果的に制御することは技術的に非常に難しいことが知られている。特定部分に水平磁場が集中する場合には、ターゲット１１は不均一にエッチングされ、基板１７上にも不均一な厚さでターゲット１１の粒子が堆積される。また、素子の高集積化、狭線幅化および処理ウェーハの大面積化への要求が、常に増大しつつあるが、従来のマグネトロンカソードを採用したスパッタリング装置では、このような要求を充足させることが困難である。

現在使われている技術のうち、マグネトロン移動方式のマグネトロンスパッタリング法が、薄膜均一性に優れることが知られている。しかし、従来のマグネトロンカソードは、図２に図示されたように、不均一な磁場の分布を示す。図２は、従来のマグネトロンカソードの磁力線の分布を示している。

図２に示すように、マグネトロンカソードは、２４ｍｍの幅を有し、幅約４０ｍｍのターゲットの後面に配置されている。マグネトロンカソードから放出される磁力線の密度は、中心部が高くて外部へ行くほど低くなることが分かる。磁力線は、マグネトロンカソードの最左側（ｒ＝０）から半径方向の距離ｒが約１２ｍｍ離れた位置（ｒ＝１２ｍｍ）で密度が最も高いために、この位置で磁場の強度が最高値を示す。ターゲットの表面、すなわち、ｚ＝６ｍｍの時はｒ＝０で磁力線の密度が最も高くて磁場の強度が最大となり、次第に磁場の強度が減少する不均一な分布を示す。磁力線の不均一な分布は、図３に図示されたように、不均一なエッチングプロファイルの原因となる。

図３は、図２に図示されたマグネトロンカソードを用いる場合のターゲットの中心（ｘ＝０）からの距離に対するエッチングプロファイルを示すグラフである。具体的にいえば図３は、（ａ）０．０２７ｋＷｈｃｍ^-2、（ｂ）０．０５１ｋＷｈｃｍ^-2、（ｃ）０．０９９ｋＷｈｃｍ^-2のパワーで堆積をそれぞれ行った場合、ターゲット中心からの距離に対するエッチングプロファイルの変化を示したグラフである。

図３の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すとおり、いずれもターゲットの中心（ｘ＝０）から約３ｃｍの距離でエッチングプロファイルが最も深く形成されることを示し、パワーが増加するほど、ターゲットがエッチングされる深さが益々深くなることが分かる。ここで、グラフのｘ軸上部にｘ距離の相対値を示す。

図４は、一般のマグネトロンカソードを具備する従来のスパッタリング装置でエッチングされたターゲットを表した写真である。
図４に示すとおり、エッチングされた部分が、幅が狭い環状に形成されており、他部分に比べてエッチング程度が激しくてエッチングプロファイルが不均衡に形成されたことが分かる。

このようなマグネトロンカソード技術は、現在の狭線幅（０．１４ｍ以下）、高アスペクト比（縦横比５：１以上）を要するスパッタリング工程では、非対称な堆積、薄膜均一性の劣化、局所的なターゲットのエッチングによってターゲット材料の利用効率を低下させる。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものとして、ターゲットを均一にエッチングして成膜速度および膜均質度を向上させことができるマグネトロンカソードおよびこれを装着したマグネトロンスパッタリング装置を提供するところにある。

前記技術的課題を達成するために、本発明は、３つ以上の磁極部を備え、各磁極部はターゲットに向かって同一の極性を有する１つまたは複数のマグネットを備え、隣接する磁極部は、ターゲットに向かって相異なる極性を有し、一の磁極部は、他の磁極部の外周を囲むように配置されていることを特徴とするマグネトロンカソードを提供する。

ここで、前記３つ以上の磁極部は、同軸に軸対称に配列される。
前記磁極部のうち最内部に位置する磁極部は、内部に空洞を有することが望ましい。
前記磁極部は、円形または多角形に形成される。

前記磁極部のうち同一磁極部は、同方向に同一極性が配列される複数のマグネットよりなる。

前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板が装着される第１電極と、前記基板に対向し、前記基板に堆積される物質よりなるターゲットと、前記ターゲットの背面に位置する第２電極と、前記第２電極の後面に位置して３つ以上の磁極部を有し、前記磁極部のうち一つの磁極部は他の磁極部の内部に位置し、隣接する相異なる磁極部は同一方向に相異なる極性を有し、同一磁極部は一つのマグネットを含むマグネトロンカソードと、前記マグネトロンカソードを支持する支持部と、を具備することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置を提供する。

ここで、前記３つ以上の磁極部は、同じ軸に軸対称に配列される。
前記磁極部のうち最内部に位置する磁極部は、内部に前記支持部が配置される空洞を有する。
前記空洞の内部には、冷却水が流れる冷却管が配置されることが望ましい。
前記磁極部は、円形または多角形に形成される。

前記磁極部のうち同一磁極部は、同方向に同一極性が配列される複数のマグネットよりなる。
前記基板は、前記ターゲットの幅の１／４以下の距離に近接位置することが望ましい。
前記ターゲットの近くに、不活性気体を供給するノズルがさらに備えられる。
前記第１電極はアノードであり、前記第２電極はカソードである。

本発明は、３つ以上の磁極部を有する磁極構造を形成して、磁場の分布を均一にする。

本発明はマグネトロンスパッタリング装置に装着されるマグネトロンカソードを３つ以上の極性を有するように配列することによって、ターゲットのエッチングプロファイルを均一に形成して薄膜の成膜速度を向上させることができる。また、可撓性基板上に低温で堆積でき、マグネトロンカソードを回転させてもエッチングプロファイルの特性を一定に維持できる。

以下、本発明の実施形態によるマグネトロンカソードおよびこれを採用するマグネトロンスパッタリング装置を、図面を参照して詳細に説明する。

図５は、本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードを簡略に示した断面図である。
図５に示すように、本発明の実施形態のマグネトロンカソードは、３つ以上の磁極部を備え、各磁極部はターゲットに向かって同一極性を有する一つまたは複数のマグネットを備え、隣接する磁極部は、ターゲットに向かって相異なる極性を有し、一つの磁極部は他の磁極部の外周に沿って配置されている。すなわち、同一磁極部に位置するマグネットは同一極性がターゲットに向い、一つの磁極部の内部に位置する他の磁極部は、その一つの磁極部の反対の極性がターゲットに向うように配置される。例えば、図５に図示されたように、第１磁極部３５ａはＳ極がターゲットに向うように最内部に配列され、第２磁極部３５ｂはＮ極がターゲットに向うように第１磁極部３５ａの外周に沿って配列され、第３磁極部３５ｃはＳ極がターゲットに向うように第２磁極部３５ｂの外周に沿って配列される。第１磁極部３５ａの内部には空洞が形成されている。この空洞は、マグネトロンカソードをスパッタリング装置に用いる場合に、冷却水が通過する通路としての役割を果たす。

磁力線は、第２磁極部３５ｂから出て第１磁極部３５ａおよび第３磁極部３５ｃに入る。本発明の実施形態によるマグネトロンカソードは、複数のマグネットを含むため、その磁力線の分布を、従来の磁力線の分布に比べてさらに均一に形成できる。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態によるマグネトロンカソードの第１および第２具現例を示している。
図６Ａに示すとおり、本発明の実施形態によるマグネトロンカソードの第１具現例は、第１磁極部ないし第３磁極部４５ａ、４５ｂ、４５ｃがそれぞれ複数のマグネットよりなることを特徴とする。同一磁極部は、同一の方向に向けて同一極性を有するマグネットよりなり、同一方向に向って円環状に配列される。このようなマグネットの分布はさらに均一な磁場の分布を可能にする。

図６Ｂに示すとおり、本発明の実施形態によるマグネトロンカソードの第２具現例は、第１磁極部ないし第４磁極部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄが長方形に配置され、隣接する磁極部が、同一方向に向かって反対の磁極を有するように配列される。図６Ｂに示す第２具現例における各磁極部は、単一のマグネットよりなっているが、各磁極部は、図６Ａに示す第１具現例のように、複数のマグネットを長方形に配列して形成されていてもよい。図６Ａおよび図６Ｂに図示されたように、本発明の実施形態によるマグネトロンカソードは、各種の形態に形成することができる。すなわち、一つの磁極部は、単一または複数のマグネットで形成でき、その形態は円環状または多角形状に形成することができる。

図７は、本発明の実施形態によるマグネトロンスパッタリング装置を簡略に示した断面図である。図７に図示されたマグネトロンスパッタリング装置は、図５に図示された本発明の実施形態によるマグネトロンカソードを具備している。

図７に示すとおり、マグネトロンスパッタリング装置は、真空チャンバー４１と、真空チャンバー４１内に備えられる基板３７が装着されるアノード３９と、基板３７と対向して基板３７に堆積される物質よりなるターゲット３１と、ターゲット３１の背面に装着されるカソード３３と、ターゲット３１の後面に配置されるマグネトロンカソード３５と、マグネトロンカソード３５を支持する支持部４７とを備える。マグネトロンカソード３５は、中心部に配列される第１磁極部３５ａと、隣接するマグネットの極性がターゲットに向かって反対になるように前記第１磁極部３５ａの外側を取り囲んで配置された第２磁極部３５ｂと、ターゲットに向かって第２磁極部と反対の極性になるように第２磁極部３５ｂの外側を取り囲んで配列された第３磁極部３５ｃとを備える。支持部４７は、マグネトロンカソード３５を支持しながら回転される。

支持部４７は、マグネトロンカソード３５を基板３７に対して回転させるが、マグネトロンカソード３５の均一な磁場分布によって、生成されるプラズマはカソード３３に近接して閉じ込められる。そのため、マグネトロンカソード３５の回転によるプラズマ分布の変化は微小であって、エッチングプロファイル特性に影響を及ぼさない。支持部４７により区画された空洞には、冷却水を通過させる冷却管４３が配置され、スパッタリング工程の遂行時にカソード３３の温度を調節する。マグネトロンカソード３５の空洞を通過して冷却水を流してカソード３３を冷却させることによって、高電力を印加した状態で高成膜速度でスパッタリングを実行できる。

本発明の実施形態に係るスパッタリング装置には、カソード３３に近接してガスノズル４９を配置して、アルゴンガス等の反応ガスを供給することによって、プラズマをさらに効果的に生成できる。

本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードは、前記のように均一な磁場分布を有するために、ターゲット３１の表面に近接してプラズマを閉じ込めることができる。したがって、ターゲット３１と基板３７とを近接させて成膜速度を向上させることができる。近距離堆積を実行すれば、マグネトロンを回転させても磁場の分布やエッチングプロファイルの特性変化なしにスパッタリングを行うことができる。

また、本発明によれば、既存のマグネトロンスパッタリング装置の構造、すなわち、カソード（ターゲット電極）が装置内部で上端部に位置し、アノード（基板電極）が下端部に位置する構造から外れて、カソードとアノードとの位置を正反対の位置に移動させるように設計することができる。

図８は、本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードの中心からの距離に対する磁場の分布を示したグラフである。Ｂｒは、半径方向の磁場の成分の分布を示し、Ｂｚは、Ｚ軸方向、すなわち、マグネトロンカソードの表面に対して直交する方向の磁場の成分の分布を示している。図８のグラフによれば、マグネトロンカソードの中心から約１８ｍｍ離れた距離でＢｒが最大となり、Ｂｚはマグネトロンカソードの表面から約９〜１０ｍｍ離れた距離で最大となることが分かる。Ｂｒの強度分布により、マグネトロンカソードの中心から約１８ｍｍの距離でターゲットのプロファイルエッチングが最も多く起きると推測できる。

図９は、本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの中心からの距離に対するエッチングプロファイルの変化を示したグラフである。
図９を参照すれば、ターゲットの中心から約１８ｍｍ程度離れた距離では、ターゲットがエッチングされる深さが約０．７ｍｍに達し、ターゲットの中心から離れた距離が１８〜２２ｍｍの範囲で最も深くエッチングされることが分かる。

図１０は、本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの中心からの距離によって規準化された膜厚を示す。
実験のために、２インチの幅を有するターゲットを用い、２０〜４００Ｗのパワーを印加した状態で、ターゲットと基板の間の距離（ｄ_ST）を４ｃｍ、５ｃｍ、６ｃｍ、および８ｃｍに調節しながらスパッタリングを行う。図１０のグラフに示すように、ｄ_STが大きくなるほど規準化された膜厚が増加することが分かる。例えば、ＲＦパワーが２００Ｗ、ｄ_STが５ｃｍである場合、ＳｉＯ₂膜の成膜速度は４１．６ｎｍ／ｍｉｎ、Ｃｕ膜の成膜速度は１９９ｎｍ／ｍｉｎを示す。

図１１および図１２は、本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置において、エッチングされたターゲットを示す写真である。図面を参照すれば、中心から一定距離にリング状のエッチング領域が形成されていることが分かる。図１１および図１２のエッチングプロファイルと図４のそれとを比較すれば、従来のエッチングプロファイルに比べて、本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードを採用するスパッタリング装置においてエッチングされたターゲットのエッチングプロファイルの幅がさらに広く形成されていることが分かる。これにより、本発明の実施形態によるマグネトロンカソードを利用してターゲットを均一にエッチングできることが分かる。

前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。
例えば、当業者であれば本発明の技術的思想によりマグネトロンカソードを構成する磁極部を多様な形態に形成できる。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態ではなく特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。

本発明はマグネトロンスパッタリング装置に係り、より詳細にはスパッタリングに使われるターゲットのエッチングプロファイルを均一に形成して薄膜の成膜速度および膜均質度を向上させたマグネトロンスパッタリング装置に適用される。

一般的なマグネトロンスパッタリング装置を簡略に示す断面図である。 従来のマグネトロンカソードによる磁力線の分布を示すグラフである。 図２に図示されたマグネトロンカソードを用いるターゲットの中心（ｘ＝０）からの距離によるエッチングプロファイルを示すグラフである。 一般的なマグネトロンカソードを具備する従来のスパッタリング装置において、エッチングされたターゲットを示す写真である。 本発明の実施形態によるマグネトロンカソードを簡略に示した断面図である。 本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードの第１具現例を簡略に示した平面図である。 本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードの第２具現例を簡略に示した平面図である。 本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置を簡略に示した断面図である。 本発明の実施形態に係るマグネトロンカソードの中心からの距離に対する磁場の分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの中心からの距離に対するエッチングプロファイルの変化を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの中心からの距離に対する規準化された膜厚を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置におけるエッチングされたターゲットを示す写真である。 図１１のターゲットのエッチングプロファイルを拡大して示す写真である。

符号の説明

３５ マグネトロンカソード
３５ａ 第１磁極部
３５ｂ 第２磁極部
３５ｃ 第３磁極部

Claims (16)

1. ３つ以上の磁極部を備え、各磁極部はターゲットに向かって同一の極性を有する１つまたは複数のマグネットを備え、隣接する磁極部は、ターゲットに向かって相異なる極性を有し、一の磁極部は、他の磁極部の外周を囲むように配置されていることを特徴とするマグネトロンカソード。
2. 前記３つ以上の磁極部は、同じ軸の周りに軸対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンカソード。
3. 前記磁極部のうち最内部に位置する磁極部は、内部に空洞を有することを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンカソード。
4. 前記磁極部のそれぞれは、円環状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンカソード。
5. 前記磁極部のそれぞれは、多角形の環状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンカソード。
6. 前記磁極部のうち同一磁極部は、同方向に同一極性が配列される複数のマグネットよりなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のマグネトロンカソード。
7. 基板が装着される第１電極と、
   前記基板に対向し、前記基板に蒸着される物質よりなるターゲットと、
   前記ターゲットの背面に位置する第２電極と、
   前記第２電極の後面に位置し、３つ以上の磁極部を備え、各磁極部はターゲットに向かって同一の極性を有する１つまたは複数のマグネットを備え、隣接する磁極部は、ターゲットに向かって相異なる極性を有し、一の磁極部は、他の磁極部の外周を囲むように配置されていることを特徴とするマグネトロンカソードと、
   前記マグネトロンカソードを支持する支持部と、を具備することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
8. 前記３つ以上の磁極部は、同じ軸の周りに軸対称に配置されることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
9. 前記磁極部のうち最内部に位置する磁極部は、内部に空洞を有することを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
10. 前記空洞に配置される支持部の内部には、冷却水が流れる冷却管が設けられることを特徴とする請求項９に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
11. 前記磁極部のそれぞれは、円環状に形成されることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
12. 前記磁極部のそれぞれは、多角形の環状に形成されることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
13. 前記磁極部のうち同一磁極部は、同方向に同一極性が配列される複数のマグネットよりなることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
14. 前記基板は、前記ターゲットの幅の１／４以下の距離に近接して配置されることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
15. 前記ターゲットの近くに、不活性気体を供給するノズルがさらに備えられることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
16. 前記第１電極はアノードであり、前記第２電極はカソードであることを特徴とする請求項７に記載のマグネトロンスパッタリング装置。