JP4680352B2 - Sputtering apparatus and film forming method - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置および成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置は、スパッタターゲットと、スパッタターゲットのエロージョン面に対面するように設けられたウエハ支持台と、スパッタターゲットの裏面に面して設けられたマグネトロンユニットと、を備える。このようなスパッタリング装置では、プロセスガスを真空チャンバ内に導入し、スパッタターゲットの近傍においてプラズマを発生させることによってスパッタターゲットから被スパッタ粒子を生じさせる。この被スパッタ粒子がウエハに到達し、これによって成膜が進行する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスにおける設計ルールの微細化に伴い、高アスペクト比のコンタクト孔、ビア孔といった接続孔の底部において十分なカバリッジを達成するという要求が高まってきている。このような要求に応じるために、発明者は、スパッタリング装置においてボトムカバリッジを改善する方法を検討している。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、ボトムカバリッジを改善可能なスパッタリング装置および成膜方法を提供することとした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような技術的な課題を解決するために、発明者は、さらに検討を進めた。その結果、例えば高アスペクト比の接続孔の底部においてボトムカバリッジを改善するといった場合、スパッタリング装置に導入されるプロセスガスを低圧化することが有効であることを見出した。
【０００６】
しかしながら、実験によれば、単にプロセスガスを低圧化しただけでは、スパッタリングを生じさせるためのプラズマが維持できないことが分かった。この実験結果に基づいて、発明者はさらに検討を行った。プロセスガスが低圧のときにプラズマが維持されない理由として、低圧化に伴ってプラズマを維持するために必要とされる電子供給源も少なくなり、またプラズマ中の電子はいずれかの導電部分に逃げてしまうと考えた。
【０００７】
電子密度を低くしないためには、(a)新たな電子供給源を加える方法、(b)発生した電子を閉じ込め逃げないようにする方法、が考えられる。電子をさらに追加するためには、結局、何らかのガスを導入することが必要であるので、発生した電子が逃げないようにすることが重要である。そこで、電子の逃げ道を見出すために、スパッタリング装置の構造を十分に検討した。真空チャンバ内には、シールドが設けられている。発明者は、このシールドが接地されていることに着目した。プラズマ電位とシールド電位との関係から、プラズマ中の電子の一部はこのシールドに流れていると考えた。つまり、シールドに流れる電子の数を少なくすれば、電子密度を上げることができるのである。
【０００８】
シールドへ流れる電子流を小さくするためには、真空チャンバ内の磁場および電界の大きさおよび向きと、この電磁場中における電子の運動とについてさらに知見を深める必要があると発明者は感じた。
【０００９】
一般に、磁場中において電子は曲線を描きながら電界の向きに応じた方向に運動する。マグネトロンユニットによって発生された磁場は真空チャンバの外側にも伸びている。このため、このような磁場内において回転運動する電子の一部はシールドへ到達してしまうことがある。つまり、このような磁場は、プラズマの発生には寄与しているけれども、発生した電子を十分に閉じ込めるようには作用していないことを見出した。
【００１０】
したがって、プラズマ中の電子を閉じ込めるような磁場をマグネトロンユニットによって発生すればよいという結論に達した。そこで、発明者は、このような様々な試行錯誤の末に、以下のような本発明をするに至った。
【００１１】
本発明に係わるスパッタリング装置は、(1)真空チャンバと、(2)チャンバを減圧するための減圧手段と、(3)真空チャンバ内にプロセスガスを供給するためのガス供給手段と、(4)真空チャンバ内において基板を支持するための基板支持部と、(5)スパッタターゲットと、(6)マグネトロンユニットと、を備えている。
【００１２】
このようなスパッタリング装置において、スパッタターゲットのエロージョン面は、基板支持部に対面している。マグネトロンユニットは、スパッタターゲットに関して基板支持部と反対側に設けられている。
【００１３】
このマグネトロンユニットは、真空チャンバ内に磁場を発生するように設けられた第１のマグネット部および第２のマグネット部を有する。第２のマグネット部は、第１のマグネット部の外側に配置されている。第１のマグネット部の総磁気量は第２のマグネット部の総磁気量より小さい。
【００１４】
このため、これらのマグネット部によって発生される磁場は、プラズマ中の電子がプラズマ中からの逃れることを低減するように作用する。故に、ターゲット近傍の領域へ電子の閉じ込める性能が向上する。
【００１５】
このような第１のマグネット部および第２のマグネット部は、以下のような様々な形態をとることができる。
【００１６】
本発明に係わるスパッタリング装置では、マグネトロンユニットは、複数の第１のマグネットおよび複数の第２のマグネットを有することができる。複数の第１のマグネットは、第１の磁極をターゲットに向けて配置されている。複数の第２のマグネットは、第２の磁極をターゲットに向けて配置されている。なお、第１の磁極は第２の磁極と異なる。
【００１７】
また、各マグネット部が複数のマグネットを備えれば、各マグネット部が発生する磁場の形状をマグネットの配置位置に応じて変更できる。
【００１８】
なお、第２のマグネット部は、最外周の配置されたマグネットからなることが好ましい。第２のマグネット部より内側にプラズマ中の電子を閉じ込めることができるからである。
【００１９】
本発明に係わるスパッタリング装置では、マグネットトロンユニットは、第１および第２のマグネット部が磁気回路を構成するように設けられた磁性部材を有することができる。
【００２０】
また、本発明に係わるスパッタリング装置では、マグネトロンユニットは、複数の第１の磁性部材を有することができる。各第１の磁性部材は、複数の第１のマグネットのうちの１マグネットと複数の第２のマグネットのうちの１マグネットとをそれぞれ支持する。これらの第１の磁性部材によれば、複数の第１のマグネットを複数の第２のマグネットに個々に磁気結合することを可能にする磁気回路が構成される。マグネトロンユニットは、また、この第２の磁性部材を有することができる。第２の磁性部材は、複数の第１のマグネットと複数の第２のマグネットとを支持する。第２の磁性部材によれば、複数の第１のマグネットを複数の第２のマグネットに全体として磁気結合することを可能にする磁気回路が構成される。
【００２１】
本発明に係わるスパッタリング装置では、マグネトロンユニットは、第３の磁性部材および第４の磁性部材を有することができる。第３の磁性部材の各々は、第１のマグネット端の各々に亘って設けられ、各マグネットの第１の磁極を磁気結合する。第４の磁性部材の各々は、第２のマグネット端の各々に亘って設けられ、各マグネットの第２の磁極を磁気結合する。
【００２２】
第３および第４の磁性部材は、隣接マグネットを磁気的に結合するように設けられているので、マグネットが存在しないマグネット間の各領域にも磁束を導くことができる。このため、各マグネットからの磁束はこれらの磁性部材によって平均化され、スパッタターゲットに与えられる。また、隣接するマグネット間の磁気量の個体差も平均化される。
【００２３】
本発明に係わるスパッタリング装置では、第１および第２のマグネット部は以下の形態をとることができる。第１のマグネット部は、第１の磁極を示す一端および第２の磁極を示す他端を有しこの一端をターゲットに向けて配置された複数の第１のマグネットを含みむことができる。また、第２のマグネット部は、第２の磁極を示す一端および第１の磁極を示す他端を有しこの一端をターゲットに向け複数の第１のマグネットの外側に環状に配置された複数の第２のマグネットを含むことができる。
【００２４】
マグネットロンユニットは、第１の磁性部材、第３の磁性部材、および第４の磁性部材を含むことができる。第３の磁性部材は、複数の第１のマグネットの一端を結ぶように環状に設けられている。第４の磁性部材は、複数の第２のマグネットの一端を結ぶように環状に設けられている。さらに、第２のマグネット部は、第１のマグネット部の総磁気量の１．５倍以上である総磁気量を有する。
【００２５】
このような形態において、さらに、第２の磁性部材を介して複数の第１のマグネットと複数の第２のマグネットとを磁気的に結合し磁気回路を構成することができる。また、上記の形態において、第１のマグネットの１つと第２のマグネットの１つとを第１の磁性部材を介して個々に磁気的に結合し磁気回路を構成することができる。
【００２６】
本発明に係わるスパッタリング装置では、複数の第１および第２のマグネットの各々には、所定の磁気量を有する単位マグネットを適用することができる。単位マグネットを採用すると、第１のマグネット部と第２のマグネット部の各総磁気量が容易に把握きるようになり、磁気総量比の設定が容易になる。
【００２７】
本発明に係わるスパッタリング装置では、スパッタターゲットＴｉ、Ａｌ、およびＣｕの少なくとも何れかを含むことができる。
【００２８】
本発明に係わる成膜方法は、(1)ターゲットに第１の磁極を向けるように設けられた第１のマグネット部、および第１のマグネット部の外側に環状に配置されターゲットに第２の磁極を向けるように設けられた第２のマグネット部、を有し、第１のマグネット部の総磁気量は第２のマグネット部の総磁気量より小さいマグネトロンユニットを有するスパッタリング装置を準備する工程と、(2)ターゲットに対面するように基板を配置する工程と、(3)真空チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と、(4)基板にスパッタリング粒子を堆積し膜を形成する工程と、を備える。
【００２９】
また、本発明に係わる成膜方法は、(5)ターゲットに対面するように基板を配置する工程と、(6)真空チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と、(7)第１の磁極をターゲットに向けると共に第２の磁極を磁性部材に向けて設けられた第１のマグネット部、および第１のマグネット部の外側に環状に配置され第２の磁極をターゲットに向けると共に第２の磁極を磁性部材に向けて設けられた第２のマグネット部、を有し、第１のマグネット部の磁気総量は第２のマグネット部の磁気総量より小さいマグネトロンユニットを用いてプラズマを生成する工程と、(8)基板にスパッタリング粒子を堆積し膜を形成する工程と、を備える。
【００３０】
上記のようなマグネトロンユニットを用いてプラズマを発生すれば、プラズマ中の電子を効率的に閉じ込めることができる。このため、プラズマ中において電子密度を高めることができる。電子密度が高くなると、プラズマを低圧でも維持することができ、これによりボトムカバリッジが改善される。
【００３１】
また、プロセスガスの圧力を低くしてもプラズマが維持されるので、プロセスガスの低圧化を図ることができる。故に、被スパッタ粒子とプロセスガスの原子との衝突の確率が低減される。衝突確率が低くなると、ターゲットから基板への方向に向いた被スパッタ粒子の数が増加する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３３】
本発明に係るスパッタリング装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に従うマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【００３４】
スパッタリング装置１０は、内部に真空チャンバ１２を形成するハウジング１４と、ハウジング１４の上部開口部を閉じるように配置されたターゲット１６を備えている。ハウジング１４およびターゲット１６は両方とも導電性材料から作られているので、ハウジング１４とターゲット１６との間には絶縁部材１３ａが挟まれている。図１に示す実施の形態では、ハウジング１４は円形状の底面と、この円形状の底面の周辺から所定の距離だけ延び出した管状部を有し、例えば管状部は円柱殻形状を有する。ターゲット１６の形状は円盤形である。ターゲット１６の円形状の一表面１６ａ（以下、下面という）は、スパッタリングによってエロージョンを受けるエロージョン面となっている。
【００３５】
真空チャンバ１２内には、基板支持手段(基板支持部ともいう)としてペディスタル１８が配置されている。ペディスタル１８は、真空チャンバ１２内において基板１５を支持する。このため、ペディスタル１８は、処理されるべき基板１５、例えば半導体ウエハＷまたはガラス基板、をその一表面（以下、上面という）１８ａ上において保持する。ペディスタル１８の上面１８ａは、ターゲット１６の下面(エロージョン面)１６ａに対面するように設けられている。ペディスタル１８上の所定の位置に保持された基板１５（ウエハＷ）の堆積されるべき面１５ａは、ターゲット１６の下面１６ａに対して略平行に配置される。
【００３６】
基板１５は、その中心がターゲット１６の中心に合うように、つまり同軸に配置されている。この中心は、形成された膜の面内均一性を向上させるために、マグネトロンユニットの回転中心(回転軸３８)と一致していることが好ましい。本実施の形態では、ペディスタル１８とターゲット１６との間隔は、スパッタされた粒子が被着される基板の直径の約０．９５倍が望ましい。
【００３７】
スパッタリング装置１０は、被スパッタ粒子から真空チャンバ１２の内壁面を保護するために、被スパッタ粒子が内壁面に到達することを防止するシールド２６を有している。シールド２６の一辺の縁部は、ハウジング１４と絶縁部材１３ａを介して絶縁されている。シールド２６の一辺は、ハウジングの上部開口部の縁端において固定されている。シールド２６の別の辺は、ペディスタル１８の側面に至る。別辺の縁部はペディスタル１８の側面に沿って絶縁部材１３ｂを介して絶縁されている。このため、シールド２６は、ペディスタル１８と電気的に絶縁されている。
【００３８】
ペディスタル１８は、キャパシタ１９を介して基準電位、例えば接地電位に接続されている。シールド２６は、所定の基準電位に接続されている。キャパシタ１９が設けられているので、ペデスタル１８は、プラズマによって与えられる電子によってセルフバイアス状態で使用することもできる。また、キャパシタ１９を介して高周波を加え、ＲＦバイアス状態で使用することもできる。この場合、キャパシタ１９と基準電位源との間にＲＦバイアス印加手段といったバイアス手段を備えている。いずれの場合においても、ペデスタル１８は、プラズマ電位に対して負にバイアスされていることが好ましく、ターゲット１６に対して負電位になっていることが好ましい。
【００３９】
ハウジング１４には排気ポート２０が形成されている。本実施の形態の場合には、排気ポート２０には、クライオポンプ等の真空ポンプ２１が接続されている。この真空ポンプ２１を作動させることによって、真空チャンバ１２内を減圧することができる。排気ポート２０および真空ポンプ２１は減圧手段を構成する。アルゴンガスまたは窒素ガスといったプロセスガスが、プロセスガス供給源２５から供給ポート２２を通して真空チャンバ１２内に供給される。供給ポート２２は、バルブ２３によって開閉可能である。このバルブ２３を開閉すると、プロセスガスの供給の有無および供給量並びに供給タイミングを制御できる。供給ポート２２およびプロセスガス供給源２５は、プロセスガス供給手段を構成する。
【００４０】
ターゲット１６とシールド２６との間に電圧を印加するために、プラズマ化手段のうちの１つとして電源２４が接続されいる。真空チャンバ１２内にプロセスガス、例えばアルゴンガスを導入して、ターゲット１６とシールド１８との間に電圧を加えると、グロー放電が起こりプラズマ状態となる。この放電によって発生したアルゴンイオンがターゲット１６の下面１６ａに衝突すると、ターゲット１６を構成する原子がはじき出され被スパッタ粒子が生成される。このターゲット原子がウエハＷ上に到達して堆積されると、ウエハＷ上に膜が形成される。
【００４１】
ターゲット１６の下面１６ａに対向する面、つまりターゲット１６の上面１６ｂには、ターゲット１６のエロージョン面近傍の空間におけるプラズマ密度を高めるためのマグネトロンユニット３０が配置されている。
【００４２】
スパッタリング装置１０は、制御器２９を備えることができる。制御器２９はマイクロコンピュータ、タイマ等を有しているので、電流のオン及びオフの制御、電流値の変更等を時間的な制御も含めて行うことができる。制御器２９は、バルブ２３、加速用電源２４、および駆動用モータ３６にも制御線２９ａを介して接続されている。制御器２９は、これらの機器を相互に関連させながら制御することができる。このため、プロセスガスの供給、プロセスガスのプラズマ発生、等を所定のタイミングに対して同期して制御することができる。
【００４３】
図２は、各マグネトロンユニット上のマグネットの位置を示す平面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ断面における断面を示している。
【００４４】
図１および図２を参照すると、マグネトロンユニット３０は、円形のベースプレート３２と、ベースプレート３２の搭載面３２ａ上に所定の配列で固定された複数のサブユニット３４と、を備える。ベースプレート３２は、ターゲット１６に関して、基板支持部１８と反対側に配置され、その上面の中心には駆動用モータ３６の回転軸３８が接続されている。したがって、駆動モータ３６を作動させてベースプレート３２を回転させると、各サブユニット(マグネットアセンブリともいう)３４はターゲット１６の上面に沿って旋回して、サブユニット３４によって発生される磁界が一カ所に静止することを防止することができる。
【００４５】
図２を参照すると、複数のマグネットアセンブリ３４が環状に配置されている。各マグネットアセンブリ３４は、一方の磁極(図２の例ではＮ極)を配列の外側へ向け、他方の磁極(図２の例ではＳ極)を配列の内側に向けている。各マグネットアセンブリの同一磁極の端部は、それぞれポールピースといった磁性部材４８、５０を介して磁気的に結合されている。磁性部材４８、５０(図２においては、マグネットと重なるため破線で描かれている)は、各マグネットアセンブリの同一の磁極を有する端部に接する帯形状の部材であって環状に設けられている。この帯状の部材部材からの磁場に対応して、それぞれエロージョン面上において外側の環状の領域および内側の領域が形成される。外側の環状領域では、例えば最外周のマグネット群(マグネットアセンブリ３４のマグネットのＮ極)によって発生された磁力線が真空チャンバ内に伸び出す。これらの磁力線は内側に向かって伸び、その一部は内側の環状の磁場領域を通して内側のマグネット群(マグネットアセンブリのマグネットのＳ極)に到達する。
【００４６】
磁性部材４８、５０は、マグネットアセンブリ３４とスパッタターゲット１６との間に設けられているので、隣接マグネットを磁気的に結合することができる。このため、マグネットが存在しない各マグネット間の領域にも磁束を導く。これらの磁性部材によって、各マグネットからの磁束は平均化されスパッタターゲットに与えられる。また、これらの磁性部材４８、５０によって、マグネットが離散的に配置されていても所定の強度の磁場が連続するように形成される。故に、磁場によるプラズマの閉じ込め性が向上する。さらに、隣接するマグネット間の磁気量の不均一さおよびマグネット自体の個体差も平均化される。この要因も電子閉じ込めに有利に作用する。
【００４７】
また、マグネトロンユニット３０は、１個以上の第１のマグネットアセンブリ３４ａおよび１個以上の第２のマグネットアセンブリ３４ｂを有することができる。第１のマグネットアセンブリ３４ａは、回転中心となる回転軸３８の近傍に形成されるべき磁場を規定するように設けられている。
【００４８】
このためのマグネットアセンブリの配置形態としては、後ほど図４〜図７を参照しながら説明するが、ここでは概略的に説明する。回転軸３８を含む面によって、ベースプレート３２の搭載面３２ａは２つの領域に分離され、一方を第１の領域、他方を第２の領域と呼ぶとする。この配置形態では、 (i)第１のマグネットアセンブリ３４ａが、第１の領域に配置されている場合、(ii)第１のマグネットアセンブリ３４ａが、回転軸３８を含む面とマグネトロンユニット３０の搭載面とが交差する線上および第１の領域にわたって配置されている場合、(iii)第１のマグネットアセンブリ３４ａの外側マグネットが、第１および第２の領域に配置され、第２のマグネットアセンブリ３４ｂが第１の領域に配置されている場合、が考えられる。いずれの場合においても、第２のマグネットアセンブリ３４ｂの各々は、第１のマグネットアセンブリ３４ａと一緒になって環状配列を成すように設けられている。発明者の行った実験によれば、図４、図６および図７に示された形態で特に好適な結果が得られた。
【００４９】
また、マグネトロンユニット３０は、第１の磁極(図２の例ではＮ極)をエロージョン面に向けて設けられた外周マグネット部および第２の磁極(図２の例ではＳ極)をエロージョン面に向けて設けられた内側マグネット部を有する。内側マグネット部は、外周マグネット部の内側に設けられた全マグネットを含むことができる。外周マグネット部は、例えば最外周のマグネット群からなり、また内側マグネット部は、例えば、最外周のマグネットより内側のマグネット群からなることができる。外周マグネット部の総磁気量は、内側マグネット部の総磁気量より大きくなるように、各マグネット部または各マグネットの強度が規定されていることができる。
【００５０】
総磁気量が大きい方の外周マグネット部の内側に総磁気量の小さい方の内側マグネット部を配置した。このため、外周マグネット部の磁束の一部分は、内側マグネット部に到達し、内側マグネット部内を通過して外周マグネット部において閉じる。また、外周マグネット部の磁束の残りの部分は、磁束ループを形成して外周マグネット部において閉じる。故に、真空チャンバの外側に伸びるような磁束が、プラズマが生成されるエロージョン面の近傍において低減される。このため、電子の閉じ込め性が向上する。
【００５１】
図３は、スパッタリング装置１０に適用可能なマグネットアセンブリを例示的に示している断面図である。各マグネットアセンブリ３４は、図３に明示するように、磁性部材４０および棒磁石４２、４４を備える。磁性部材４０は、磁性体から成る平板状のヨーク部材である。棒磁石４２、４４の各々は、一端にＳ極および他端にＮ極を有する。棒磁石４２はＮ極を示す一端をターゲット１６に向けて配置され、棒磁石４４はＳ極を示す一端をターゲットに向けて配置されている。棒磁石４２はＳ極を示す他端を磁性部材４０に接触させ、また棒磁石４４はＮ極を示す他端を磁性部材４０に接触させて、磁性部材４０の各端部に固着されている。２本の棒磁石４２、４４は同一方向に延び、マグネットアセンブリ３４の全体形状は略Ｕ字状となっている。一方の棒磁石４２の自由端はＮ極、他方の棒磁石４４の自由端はＳ極となっている。また、磁石４２、４４および磁性部材４０は磁気回路を構成するので、これらは、異なる磁極が同一方向に向けられた一体の磁性体として機能する磁石手段を構成する。これによって、真空チャンバ１２内に電子の閉じ込めに好適なように制御された磁場を与える。
【００５２】
マグネットアセンブリ３４では、外周マグネット部に含まれる各磁石４２の自由端Ｎ極には磁性部材４８が設けられ、また内側マグネット部に含まれる各磁石４４の自由端Ｓ極には磁性部材５０が設けられている。これらの磁性部材４８は、既に説明したように各マグネトロンユニット内の磁石４２を相互に結合するように取り付けられ、また磁性部材５０は磁石４４を相互に結合するように取り付けられている。
【００５３】
図２および図３の実施例では、各マグネット部が複数のマグネットを備える場合を示したけれども、外周マグネット部および内側マグネット部のそれぞれに代えて、または何れか一方に代えて、単一のマグネットを備えることもできる。この場合においても、外周マグネット部(磁石４２)の磁気量は、内側マグネット部(磁石４４)の磁気量より大きい。
【００５４】
なお、図３のを参照しながらマグネットアセンブリ３４を説明したけれども、アセンブリ３４の形態はこれに限られるものではなく、マグネットアセンブリ３４は、さらに多くの磁石、磁性部材を備えることができる。また、各マグネットアセンブリ３４内に使用される磁石の磁気量は、そのマグネットアセンブリ３４の配置位置に与えるべき磁場に応じて決定される。このため、それぞれの磁石の強度は異なることがあり得る。
【００５５】
図３のマグネットアセンブリ３４では、各マグネット４２，４４の自由端が、エロージョン面１６ａに対向する面１６ｂに、それぞれ対面するように配置されている。このようなマグネット３４は、ヨーク部材４０の背面をベースプレート３２に接触させた状態で適当な固定手段、例えばねじ４６、または各マグネット４２、４４の磁気力によってベースプレート３２に固定されている。かかる形態を採用すれば、マグネットアセンブリ３４の固定位置を自由に変更することが可能になるので、マグネットアセンブリ３４の配置位置によって磁場形状を調整できる。
【００５６】
図４、図６および図７は、スパッタリング装置１０に好適なマグネットアセンブリ配置を示すための図面である。なお、図４におけるII-II線は、図１における断面に対応する。それぞれの図面では、複数のマグネットアセンブリの配置位置を示すために外周マグネット部５２および内側マグネット部５４を用いる。図４、図６および図７は、外周マグネット部５２に関連する磁性部材４８および内部マグネット部５４に関連する磁性部材５０がそれぞれエロージョン面上に射影された領域を示している。その領域は、マグネトロンユニット３０が回転しているので、ある時刻における各マグネット部５２，５４とターゲット１６との相対的な位置関係を示している。
【００５７】
図４、図６および図７を参照すると、内側マグネット部５４は、回転軸３８を含む面によって分離されるマグネトロンユニット３０のいずれかの領域(図４〜図７の実施例では、一点鎖線５６で分離される領域の上側の領域)内に設けられている。外周マグネット部５２は内側マグネット部５４を囲むように設けられている。
【００５８】
外周マグネット部５２は、回転中心となる回転軸３８近傍に磁場を提供するために、回転軸３８またはその近傍を通過するように設けられている。このために、図４および図７に示された例では、外周マグネット部５２の位置と回転軸３８の位置とは重なっている。図６に示された実施例では、外周マグネット部５２および内側マグネット部５４の両方が、一点鎖線５６によって分離される領域の一方に設けられている。このときも、外周マグネット部５２は、回転軸３８に対応するエロージョン面上の位置に所望の磁場を与えるように配置されている。図５では、外周マグネット部５２は、回転軸３８をその内側に含むように位置決めされている。これらの形態の中では、図４および図７の実施例におけるマグネットの配置形態が最も好適な結果となる。また、図６の実施例は、図５に示されたマグネットの配置形態より好適な結果を生じる。
【００５９】
図４および図６に示された外周マグネット部５２および内側マグネット部５４では、軸５６に沿う方向に関する外形の幅が、この軸５６と直交する方向に関する外形の長さに比べて長い。図７に示された外周マグネット部５２および内側マグネット部５４では、軸５６に沿う方向に関する外形の幅が、この軸５６と直交する方向に関する外形の幅に比べて短い。なお、図７に示された配置のマグネット部に対して、図７に示されるようなマグネット部５２と回転軸３８との位置関係を同様に適用できる。
【００６０】
図４、図６および図７において外周マグネット部５２および内側マグネット部５４が発生する磁場は、回転中心を含む領域に磁場を形成する少なくとも１個の第１のマグネットアセンブリ(図２の３４ａ)と、このマグネットと一緒になって環状配置されこの領域の外側領域に磁場を形成する複数の第２のマグネットアセンブリ(図２の３４ｂ)とを用いて実現されることができる。第２のマグネットアセンブリは、回転軸３８を含む面によって分離されるマグネトロンユニット３０上の一方の領域に配置されている。
【００６１】
外側マグネット部の総磁気量を内側マグネット部の総磁気量に比べて大きくすれば、プラズマの閉じ込め性が向上する。このため、プロセスガスの低圧化してもプラズマを維持できる。
【００６２】
また、プラズマ閉じ込め性が向上されると、プラズマ中の電子密度も増加する。この閉じ込め電子の密度が高くなると、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は、電位勾配に従って基板支持部１８の方向に引かれるので、この方向の速度成分が増加する。故に、膜厚均一性およびボトムカバリッジが向上する。
【００６３】
加えて、スパッタターゲットの半分の領域にマグネットが配置されるので、その位置を調整してプラズマ形成領域を小さくすることが可能になる。このように縮小された領域に電力を投入できるので、投入電力を上げることなくプラズマ密度を高めることができる。プラズマ密度が高まると電子密度もまた増加するので、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は基板表面に向かって加速されるので、基板表面に向いた速度成分を持つ被スパッタ粒子が多数生成される。このため、主にプラズマ領域の直下に被スパッタ粒子が到達し、この到達領域で成膜が進行する。このため、膜厚均一性が向上する。
【００６４】
また、図４、図６および図７を参照すると、外周マグネット部５２は、所定の凸図形の外周上に設けられている。この凸形状に応じて、プラズマの閉じ込めに寄与する磁場の形状が規定される。このため、同じ磁場の値を示す等磁場面(換言すれば、この面と、基板の表面に平行な平面との交線である等磁場線)の変化が抑えられるので、プラズマ中の電子の洩れ出しが抑制される。このための凸図形としては、円、略円、楕円、略楕円であることが好ましい。プラズマ中の電子の洩れ出しを低減するには、対称性が高いので、円形が特に好ましい。
【００６５】
このように、等磁場面(または等磁場線)の形状を電子の閉じ込めに好適なように調整すると、プラズマ中の電子密度を高めることが可能になる。このため、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子は基板方向に加速されるので、この方向の速度成分が大きくなる。また、プロセスガスを低圧化すれば、被スパッタ粒子とプロセスガス原子との衝突確率が低くできる。これらの作用は共に、基板に垂直方向の速度成分を持った被スパッタ粒子が増加するように作用する。このため、電子密度が高まると、ボトムカバリッジが改善される。
【００６６】
なお、ここで凸図形とは、平面上においてその形状を規定する閉じた外形線上に存在する任意の２点を結ぶ線分が常にその外形線の一方の側またはその線上にあるような図形であって、直線および曲線並びに曲線の少なくともいすれかから構成される図形をいう。特に、閉曲線からなるものを凸曲線という。凸図形において、その図形を構成する曲線と直線との接続点では、直線は曲線に対する接線になっている。本明細書では、このような直線と曲線との接続を滑らかな接続という。
【００６７】
シールドへ流れる電子流を小さくするために、電磁場中に電子の運動の観点から検討した。その結果、たとえ磁場の大きさが大きく変化しなくても閉じ込め磁場の外形が大きく変化する場合には、電子を閉じ込め作用が十分に発揮されない。電磁場中において電子は、電界の向きに力を受けると共に、電子の速度および磁場の向きに関連した方向にも力を受けており、電子は電場および磁場中において曲線を描きながら運動するので、例えば、磁場が大きく変化しているところでは、磁場によって電子の軌道が曲げられて到達する領域には、マグネトロンユニットによって十分な大きさの磁場が発生されていないことが起こりうる。このような領域に達した電子には、もはや、マグネトロンユニット３０の磁場は電子を閉じ込めるように作用せず、そのような電子の運動方向を変えことができない。このため、このような電子は、電界に引かれてシールドに流れ込むことになる。
【００６８】
つまり、図４、図６および図７に示されたマグネトロンユニット３０では、電子の速度(電子の運動方向および電子の速さ)を考慮した上で、磁場を発生させるマグネットの配置を考慮すべきことを明らかにし、マグネトロンユニットによって発生される磁場の外形を空間的に大きく変化させないような構成を実現している。
【００６９】
本実施の形態のスパッタリング装置１０は、サブユニットをマグネトロンユニット３０の半分の領域に限定的に配置する場合について説明してきたけれども、本発明は、このような形態に限られるものではない。図８は、サブユニット３４の異なる配置を示した平面図であり、図１のＩ−Ｉ断面に相当する断面を示す。サブユニット３４の配置は種々考えられるが、本実施の形態では、図８に示されるように、二重の環状配列にサブユニット３４を配置することもできる。全環状サブユニットは、内側環状サブユニット３４ｉ群６４、６６（添え字ｉは内側の環状配列を表す）および外側環状サブユニット３４ｏ群６０、６２（添え字ｏは外側の環状配列を表す）からなる。
【００７０】
次に他の実施形態について説明する。
【００７１】
図９に、別の実施形態にかかるのスパッタリング装置１１を示す。なお、図１に示したスパッタリング装置１０と同様な機能を有する部材には、同一の符号を付して示す。図９では、図１におけるマグネトロンユニット３０に代えて、マグネトロンユニット３１を配設している。
【００７２】
ここで図１０（ａ）及び図１４に、マグネトロンユニット３１及びスパッタターゲット１６を取り出して示す。
【００７３】
マグネトロンユニット３１は、磁性材料によって形成したベースプレート３３、複数のマグネット４３、各マグネット４３の配列位置の位置決めを行うインナーベルトＢin、アウターベルトＢout、及び、環状に配列された各マグネットの先端部に固着される磁性部材４９、４７などによって構成している。
【００７４】
ベースプレート３３は円形領域と矩形領域とを接合させた形状を呈しており、各マグネット４３は円形領域側に配列され、円形領域と矩形領域との接合領域付近に、ベースプレート３３を回転駆動する回転軸３８の一端部が固着されている。
【００７５】
インナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutは、マグネット４３の位置決め部材として用いられ、非磁性材料によって形成しており、それぞれのベルト部にはマグネット４３の外径に等しい開口を所定の間隔で形成している。各開口内にマグネット４３を挿入することで、各マグネット４３は、同心的に配置されたインナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutに沿って、２列の環状に点在する状態で配列される。ここでは一例として、インナーベルトＢin側のマグネット４３はＳ極が、またアウターベルトＢout側のマグネット４３はＮ極が、それぞれスパッタターゲット１６に向くようにして配列している。また、ベースプレート３３とインナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutとの間には、非磁性材料によるスペーサＳが介在しており、これによりインナーベルトＢin及びアウターベルトＢoutは、ベースプレート３３から離間した状態となっている。
【００７６】
このように環状に配列されたマグネット４３のうち、インナーベルトＢinによって配列された各マグネット４３の端面（スパッタターゲット１６側に対向する端面）には、ポールピース或いはヨークなどによって形成された環状の磁性部材４９が磁力によって固着されており、これにより、隣り合う各マグネット４３のＳ極は互いに接続され、リング状のＳ極が形成される状態となる。また、同様に、アウターベルトＢoutによって配列された各マグネット４３の端面（スパッタターゲット１６側に対向する端面）にも、磁性材料によって形成された磁性部材４７が磁力によって固着されており、これにより、隣り合う各マグネット４３のＮ極は互いに接続され、リング状のＮ極が形成される状態となる。そして、磁性部材４９及びインナーベルトＢinは、これらを貫通する、非磁性材料の固定ピン（図示せず）によってベースプレート３３に対して固定されており、また同様に、磁性部材４７及びアウターベルトＢoutは、これらを貫通する、非磁性材料の固定ピン（図示せず）によってベースプレート３３に対して固定されている。
【００７７】
このようにしてインナー側に配列された全マグネット４３と、アウター側に配列された全マグネット４３によって、ドーナツ状に閉じた磁気回路が形成される。
【００７８】
つまり、各磁性部材４７、４９は、内側列に含まれる複数の第１のマグネット４３のＳ磁極(第１の磁極)と、外側列に含まれる複数の第２のマグネット４３のＮ磁極(第２の磁極)とを磁気的に結合し、内側列に含まれる複数の第１のマグネット４３のＮ磁極の各々を磁気的に結合すると共に、外側列に含まれる複数の第２のマグネット４３のＳ磁極の各々を磁気的に結合するための磁気結合手段として機能する。つまり、この磁気結合手段は、複数の第１のマグネットのＳ磁極と複数の第２のマグネットのＮ磁極とを磁気的に結合するための手段、複数の第１のマグネットのＮ磁極の各々を磁気的に結合するための手段、複数の第２のマグネットのＳ磁極の各々を磁気的に結合するための手段のいずれかを有する。
【００７９】
なお、図１０（ａ）では、マグネット４３を楕円の円周上に沿って配列した場合について図示したが、この例に限定するものではなく、例えば、図１０（ｂ）に示すように、より真円に近い円周上に沿ってマグネット４３を配列する構成を採用することもできる。この場合、インナーベルトＢin、アウターベルトＢout、磁性部材４９、４７などの対応する部材を、円環状に形成すればよい。
【００８０】
また、マグネトロンユニットを図１５に示すように構成することもできる。このマグネトロンユニット１００は、磁性材料によって形成されたベースプレート３３の表面に、直径が異なる円柱型の２種のマグネットを磁力によって固着している。例えば直径が大きい方の大径マグネットの直径は約１．７ｃｍ、直径が小さい方の小径マグネットの直径は約１．４ｃｍ程度である。２種のマグネットとも高さは同一であり、例えば約３．３ｃｍ程度である。大径マグネットから発せされる磁力は、大径マグネットの一端から２ｃｍ離れた空間で、１５０〜２００ガウス程度であり、小径マグネットから発せされる磁力は、大径マグネットの６０〜７０％程度である。
【００８１】
図１５に示すように、スパッタターゲット１６の中心部から最も離れた部位となる、ベースプレート３３の外縁部に、６個の大径マグネット１１０Ｎを円周上沿って配列させ、さらにこの６個の大径マグネット１１０Ｎを挟むように、その左右両側にそれぞれ９個の小径マグネット１２０Ｎを同一の円周上に沿って配列させている。従って、これらの大径マグネット１１０Ｎ及び小径マグネット１２０Ｎの全体によって、ベースプレート３３の円形領域が囲まれるような状態となっている。図１５の例では、これら大径マグネット１１０Ｎ及び小径マグネット１２０Ｎは、Ｎ極をスパッタターゲット１６に向けて配列させており、大径マグネット１１０Ｎ及び小径マグネット１２０Ｎの端面（スパッタターゲット１６に対向する端面）には、この配列に沿うようにリング状に形成した、ヨークなどによる磁性部材１３０を磁力によって固着している。
【００８２】
これに対し、ベースプレート３３の中央部には、１０個の大径マグネット１１０Ｓを集合させた状態に配列させており、各大径マグネット１１０ＳはＳ極をスパッタターゲット１６に向けた状態となっている。そして、各大径マグネット１１０Ｓの端面（スパッタターゲット１６に対向する端面）には、磁性部材１３０と同じ材質で形成され、大径マグネット１１０Ｓの集合領域を覆うような円板状を呈する磁性部材１４０を、磁力によって固着している。
【００８３】
図１５に示す実施形態においても、各マグネット１１０Ｎ、１１０Ｓ、１２０Ｎの配列には、すでにインナーベルトＢin等として例示した、非磁性材料による位置決め部材（図示せず）が用いられており、この位置決め部材によって位置決めされた状態でベースプレート３３の表面に配列されている。
【００８４】
マグネトロンユニットを図１５に示すように構成することにより、ベースプレート３３の外縁部に配列した全マグネットで発生される磁気量は、ベースプレート３３の中央部に配列した全マグネットで発生される磁気量に比べて大きくなる。この結果、スパッタによってスパッタターゲット１６から出る高いエネルギーを持った電子（２次電子）のうち、エロージョン面１６ａに表出する磁場に捕集された電子が、真空チャンバ１２の側壁側に位置するシールド２６へ流出してしまう現象を十分に抑制することができ、スパッタターゲット近傍の領域内に電子を効果的に閉じ込めることができる。
【００８５】
また、このようにベースプレート３３の中央部に比べて外縁部の磁力線が大となるので、スパッタターゲット１６からウエハＷ方向に延びる磁力線が、スパッタターゲット１６から離れるに連れて広がらないように作用するため、スパッタターゲット１６とウエハＷとの間に形成されるスパッタリング空間内に、電子を有効に閉じ込めることができる。
【００８６】
さらに、ベースプレート３３上の、スパッタターゲット１６の中心部から最も離れた部位、すなわち真空チャンバ１２の側壁側に、磁力の大きい６個の大径マグネット１１０Ｎを配列させたことにより、ベースプレート３３が回転軸３８を中心に回転駆動された場合にも、この６個の大径マグネット１１０Ｎは、常に真空チャンバ１２の側壁側に位置する状態となる。従って、真空チャンバ１２の側壁側となるスパッタターゲット１６の外縁部から、ウエハＷ側に延びる磁力線は、ウエハＷ側に進むに連れて、真空チャンバ１２の中央に向かうように延びる状態となり、真空チャンバ１２の側壁側に位置するシールド２６へ流れ出てしまう電子流を低減し、電子の閉じ込め性向上に寄与する。
【００８７】
また、ベースプレート３３上の、スパッタターゲット１６の中心部から最も離れた部位に磁力の大きい６個の大径マグネット１１０Ｎを配列させたことにより、発生するプラズマが、スパッタターゲット１６の表面に沿って、真空チャンバ１２の側壁側へ引き延ばされるようになり、その結果、エロージョン領域がスパッタターゲット１６の中央部に集中する傾向を抑制することができる。
【００８８】
加えて、スパッタターゲット１６の半分の領域にマグネットが配置されるので、その位置を調整してプラズマ形成領域を小さくすることが可能になる。このように縮小された領域に電力を投入できるので、投入電力を上げることなくプラズマ密度を高めることができる。
【００８９】
スパッタリング装置１１においても、図４、図６および図７に示されたマグネットの配置形態を適用することができる。これによって、所望の効果を得ることができる。それぞれの図面では、第１の磁性部材４７に沿って配列される外側のマグネット４３は、外周マグネット部５２に対応し、第２の磁性部材４９に沿って配列される内側のマグネット４３は、内側マグネット部５４に対応している。
【００９０】
スパッタリング装置１１では、複数の第１および第２の磁性部材４７、４９に沿って配置されるマグネット４３の各々には、所定の磁気量を有する単位マグネットを適用することができる。単位マグネットを採用すると、第１の磁性部材からなるマグネット部と第２の環状からなるマグネット部の各総磁気量をマグネット数により把握きるようになり、磁気総量比の設定が容易になる。
【００９１】
スパッタターゲット１６を、回転の中心となる回転軸３８を含む平面によって分離して、一方を第１の領域、他方を第２の領域とすると、内側マグネット部は第１の領域に位置すると共に、外側マグネット部は第１および第２の領域の境界上および第１の領域の少なくともいずれかに位置する。
【００９２】
マグネトロンユニット３１では、内側マグネット部は第１の領域に設けられると共に、外側マグネット部は第１および第２の領域の境界上を通過すると共に第１の領域に設けられることが好ましい。また、外側マグネット部は回転軸３８に対応する位置を通過することができる。特に、図１０に示した形態では、外側マグネットのための磁性部材４７と、内側マグネットのための磁性部材４９との間の領域は、第１の領域とのみ重なっている。
【００９３】
このようにマグネット４３を配列することにより、プラズマが形成されるエロージョン面１６ａ上の領域を小さくすることが可能になる。このように縮小された領域に電力を投入できるので、投入電力を上げることなくプラズマ密度を高めることができる。プラズマ密度が高まると電子密度もまた増加するので、被スパッタ粒子のイオン化が促進される。イオン化された被スパッタ粒子はウエハＷ表面に向かって加速されるので、ウエハＷ表面に向いた速度成分を持つ被スパッタ粒子が多数生成される。このため、主にプラズマ領域の直下に被スパッタ粒子が到達し、この到達領域で成膜が進行する。このため、膜厚均一性が向上すると共に、ボトムカバリッジも改善される。
【００９４】
スパッタリング装置１１では、それぞれのマグネット部は、それぞれの閉じた線上に沿って磁場を提供するように配置されることができる。エロージョン面１６ａ近傍においては、上記の閉じた線の挟まれた領域にプラズマが生成される。つまり、２つの閉じた線によって、プラズマが生成される領域の形状および面積が規定される。閉じた線は、閉曲線であることができる。また、閉じた線は凸曲線であることができる。これらの曲線は、マグネトロンユニットの第１の領域に設けられることができ、また回転軸３８を通過することもできる。
【００９５】
また、マグネトロンユニット３１では、外側マグネット部は、マグネトロンユニット３１上において所定の凸図形の外周線上に設けられると、プラズマの発生に寄与する磁場の形状はこの凸図形によって規定される。凸図形の外周線である閉凸曲線に基づく等磁場線の屈曲の変化範囲は、閉曲線の屈曲の変化範囲に比べてさらに小さくできる。これによって、プラズマ中からの電子の洩れ出しが低減され、効率的に電子が閉じ込められる。
【００９６】
電子密度が高まると被スパッタ粒子のイオン化が促進されるイオン化された被スパッタ粒子は基板方向に加速されるので、この方向の速度成分が大きくなる。また、プラズマ中の電子密度が高まると、プロセスガスの低圧化が可能になる。低圧化によって、被スパッタ粒子とプロセスガス原子との衝突確率が低くなるので、基板に垂直方向の速度成分を持った被スパッタ粒子が増加する。これらの理由によって、ボトムカバリッジが改善される。外側マグネット部は、最外周の配置されたマグネットからなることが好ましい。これによって、最外周マグネット部の内側に電子を閉じ込めることができる。
【００９７】
図１１は、内周マグネット部の総磁気量が外周マグネット部の総磁気量より小さい場合にマグネトロンユニット３１によって発生される磁場を概略的に示している。図１２は、図１１における総磁気量の関係が逆である場合にマグネトロンユニット３１によってによって発生される磁場を概略的に示している。
【００９８】
図１１のスパッタリング装置では、外周マグネット部(図４、図６および図７における５２)に含まれるマグネット４３のＮ極からの磁力線（図中に破線で示す）は、マグネトロンユニット３１の中心方向に向かって伸びる。磁場の一部は、マグネット４３のＳ極に到達して、磁気回路を構成する磁性部材内４１を通過して閉じる。残りの磁場は、マグネトロンユニット３１の中心方向に向かって中心軸附近まで伸びた後、この軸方向に向きを変えて、マグネトロンユニット３１と反対側へ伸びる。このため、外周マグネットからの磁場は、エロージョン面１６ａの近傍ではマグネトロンユニット３１の内側に向いている。磁場の曲がりに応じて、電子の運動方向はマグネトロンユニット３０の内側に向けられる。このため、シールド２６へ流れる電子流を小さくすることができる。
【００９９】
一方、図１２に概略的に例示するように、内側に設けた内側マグネット部８０（Ｓ極）の総磁気量が、その外側に設けた外側マグネット部８１（Ｎ極）の総磁気量よりも大きい場合を想定すると、内側マグネット部８０から延びる磁力線（図中に破線で示す）は、外側マグネット部８１で囲まれた範囲外に向かって延びる状態となる。このため、このような磁場がプラズマを閉じ込める作用は弱い。
【０１００】
以上説明してきたようなスパッタリング装置では、マグネトロンユニット３０、３１は、およびエロージョン面１６ａとペディスタル１８の上面１８ａとの間にある真空チャンバ１２内の空間(以下、スパッタリング空間という）に形成される磁場Ｈの形状をそれぞれ支配する。マグネトロンユニット３０、３１によれば、スパッタリング空間に電子の閉じ込めに好適な磁場が発生される。マグネトロンユニット３０、３１は、駆動モータ３６によって回転されるので、各マグネットによって発生される磁場は実際のスパッタリング装置１０、１１では回転軸３８の周りに、例えば毎分６０〜１００回程度の頻度で回転している。
【０１０１】
マグネトロンユニット３０、３１からのプロセスガスがエロージョン面１６ａの近傍においてプラズマ化されると、ターゲット１６のエロージョン面１６ａから被スパッタ粒子が生成される。図２、図４、図６、図７、図１０(ａ)および図１０(ｂ)に対応するようなマグネトロンユニットの形態を採用すれば、プラズマを維持するために必要な圧力を下げることができる。また、プラズマが発生される領域を小さくすれば、プラズマ密度を上げることができる。これによって、電子電流密度が大きくできる。このため、被スパッタ粒子のイオン化か促進される。イオン化した被スパッタ粒子は、基板支持部１８の方向に加速される。故に、基板Ｗに交差する軸に沿った方向の速度成分がこれと直交する方向の速度成分に対して相対的に大きくなり、ボトムカバリッジが改善される。また、基板Ｗに垂直な速度成分が大きくなると、回転するマグネトロンユニット３０、３１が通過している直下において成膜が進行して、ボトムカバリッジが良好な膜は形成される。
【０１０２】
このようなスパッタリング装置において、発明者が行った実験結果によれば、従来の装置における膜厚均一性が１０％以上あったものが、本発明の適用によって、５％以下に抑えられるようになった。ここで、膜厚均一性とは、
(膜厚の最も厚い点での測定値−
膜厚の最も薄い点での測定値)／(膜厚の平均値)／２×１００
で定義される。
【０１０３】
以上説明したスパッタリング装置において発明者が行った実験によれば、実用的には、外周マグネット部の総磁気量は内側マグネット部の総磁気量の１．５倍以上に設定することが好適であることが分かっている。
【０１０４】
図１３は、横軸に総磁気量比、縦軸にシート抵抗Ｒｓの一様性を示した測定結果を示す。
【０１０５】
この測定は、以下の条件
ターゲット：Ｔｉ
パワー ：１２ｋＷ
圧力 ：６．６７×１０-2Ｐａ(０．５ｍＴ)
膜厚 ：１００ｎｍ
にて行われた。
【０１０６】
図１３によれば、総磁気量比が１．５より小さいとＲｓ一様性が悪化する傾向にある一方で、総磁気量比が１．５以上では磁気総量比が大きくなるに従ってＲｓ一様性が改善されている。
【０１０７】
また、従来のスパッタリング装置では、発明者の知る範囲において、プロセスガスの圧力を０．０５Ｐａ(0.375mTorr)以下にするとプラズマを維持できなかった。しかしながら、以上説明したようなスパッタリング装置では、最低放電維持電圧を０．０２Ｐａ(0.15mTorr)まで下げることができた。このような低圧力においてボトムカバリッジが従来に比べて１．５倍以上に向上できるようになった。
【０１０８】
既に説明したように、図２、図４、図６、図７、図１０(ａ)および図１０(ｂ)には、第１および第２の実施の形態に適用可能なマグネット配置の形態が示されている。これらの形態では、マグネット部、例えばマグネット部５２は、所定の閉曲線の沿って、例えばポールピースに形状に沿って設けられている。
【０１０９】
このようなマグネトロンユニットでは、閉曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であり、また凸曲線の最小曲率半径が最大曲率半径の０．８倍以上であることが好適であると、発明者は考えている。所定の閉曲線に沿って外側マグネット部を配置すれば、プラズマの発生に寄与する磁場の形状はこの閉曲線によって規定される。等磁場線は上記の曲率半径の範囲で屈曲するので、等磁場曲線の曲がりによって生じうるプラズマ中からの電子の洩れ出しが低減される。内側マグネットも、上記のような曲率半径に関する条件を満たせば、さらに好適な結果を得ることができる。特に、図１０(ｂ)に示されたマグネット配置が最も好適な結果を生む。
【０１１０】
上記のようなマグネトロンユニットを準備すれば、磁場による電子閉じ込め作用のため、プラズマ中の電子を効率的に閉じ込めることができる。このため、電子密度を高めることができる。電子密度が高まると、被スパッタ粒子がイオン化されるようになる。イオン化された被スパッタ粒子は電界によって加速されるので、ターゲットから基板への方向に運動する被スパッタ粒子の数が増加する。
【０１１１】
また、プロセスガスの低圧化を図ることができるので、、プロセスガスの粒子がスパッタリング粒子と衝突することが頻度が減るので、ボトムカバリッジ率が更に向上する。
【０１１２】
本発明を各実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本実施の形態のスパッタリング装置１０、１１が適用可能なターゲット材料は、銅（Ｃｕ）に限られるものではなく、このほかの元素、チタン(Ｔｉ)、アルミニウム(Ａｌ)、およびこれらの合金等でも適用可能である。
【０１１３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わるスパッタリング装置では、マグネトロンユニットは、真空チャンバ内に磁場を発生するように設けられた第１のマグネット部および第２のマグネット部を有する。第２のマグネット部は、第１のマグネット部の外側に配置されている。第１のマグネット部の総磁気量は第２のマグネット部の総磁気量より小さい。
【０１１４】
このため、真空チャンバの外側に伸びるような磁束が少なくなるので、電子の閉じ込めが向上する。
【０１１５】
また、本発明に係わる成膜方法では、電子閉じ込め性が優れた磁場を発生させて成膜を行うようにした。
【０１１６】
したがって、ボトムカバリッジを改善可能なスパッタリング装置および成膜方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施の形態に従うマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態におけるサブユニットの配置位置を示すための平面図である。
【図３】図３は、サブユニット部分を拡大したマグネトロンユニットの拡大図である。
【図４】図４は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図５】図５は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図６】図６は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図７】図７は、サブユニットが発生する磁場を説明するマグネット配置を示した平面図である。
【図８】図８は、サブユニットの配置を示したマグネトロンユニットの平面図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態にかかるマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【図１０】図１０(ａ)および図１０(ｂ)は、図９のマグネトロンユニットにおけるマグネット及びベースプレートと、スパッタターゲットとの位置関係を平面的に示す説明図である。
【図１１】図１１は、スパッタリング装置に形成される磁場を示す構成図である。
【図１２】図１２は、スパッタリング装置に形成される磁場を示す構成図である。
【図１３】図１３は、外周マグネットと内側マグネットとの間の総磁気量比をＲｓとの関係を示す特性図である。
【図１４】図１４は図９に示したマグネトロンユニットを示す分解斜視図である。
【図１５】図１５は他の実施形態にかかるマグネトロンユニットのマグネット及びベースプレートと、スパッタターゲットとの位置関係を平面的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１１…スパッタリング装置、１２…真空チャンバ
１３ａ、１３ｂ…絶縁部材、１４…ハウジング、１５…基板
１６…スパッタターゲット、１８…ペディスタル、２０…排気ポート
２１…真空ポンプ、２２…供給ポート、２３…バルブ、２４…加速用電源
２５…プロセスガス供給源、２６…シールド、２９…制御器
３０、３１、１００…マグネトロンユニット、３２、３３…ベースプレート
３０、３２、３４…マグネット、３６…駆動モータ
３８…回転軸、４０…ヨーク部材、４２、４３、４４…棒磁石
４７、４８、４９、５０…磁性部材
５２…第１のマグネット部、５４…第２のマグネット部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering apparatus and a film forming method.
[0002]
[Prior art]
The sputtering apparatus includes a sputtering target, a wafer support provided to face the erosion surface of the sputtering target, and a magnetron unit provided to face the back surface of the sputtering target. In such a sputtering apparatus, a process gas is introduced into a vacuum chamber, and plasma is generated in the vicinity of the sputter target to generate sputtered particles from the sputter target. The sputtered particles reach the wafer, whereby film formation proceeds.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
With the miniaturization of design rules in semiconductor devices, there is an increasing demand to achieve sufficient coverage at the bottom of connection holes such as high aspect ratio contact holes and via holes. In order to meet such demands, the inventors have studied a method for improving bottom coverage in a sputtering apparatus.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a sputtering apparatus and a film forming method capable of improving bottom coverage.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a technical problem, the inventor further studied. As a result, it has been found that, for example, when the bottom coverage is improved at the bottom of the connection hole having a high aspect ratio, it is effective to reduce the pressure of the process gas introduced into the sputtering apparatus.
[0006]
However, experiments have shown that plasma for causing sputtering cannot be maintained by simply reducing the pressure of the process gas. Based on the results of this experiment, the inventor further studied. The reason why the plasma is not maintained when the process gas is at a low pressure is that, as the pressure is reduced, fewer electron sources are required to maintain the plasma, and electrons in the plasma escape to any conductive part. I thought.
[0007]
In order not to lower the electron density, (a) a method of adding a new electron supply source and (b) a method of confining the generated electrons so as not to escape are conceivable. In order to add more electrons, it is necessary to introduce some gas after all, so it is important to prevent the generated electrons from escaping. Therefore, in order to find the escape route of electrons, the structure of the sputtering apparatus was fully examined. A shield is provided in the vacuum chamber. The inventor has paid attention to the fact that this shield is grounded. From the relationship between the plasma potential and the shield potential, it was considered that some of the electrons in the plasma flowed to this shield. That is, if the number of electrons flowing through the shield is reduced, the electron density can be increased.
[0008]
The inventor felt that in order to reduce the electron flow to the shield, it was necessary to further deepen knowledge about the magnitude and direction of the magnetic and electric fields in the vacuum chamber and the movement of the electrons in the electromagnetic field.
[0009]
In general, in a magnetic field, electrons move in a direction corresponding to the direction of the electric field while drawing a curve. The magnetic field generated by the magnetron unit also extends outside the vacuum chamber. For this reason, some of the electrons that rotate in such a magnetic field may reach the shield. That is, it was found that such a magnetic field contributes to the generation of plasma, but does not act to sufficiently confine the generated electrons.
[0010]
Therefore, it has been concluded that a magnetron unit should generate a magnetic field that confines electrons in the plasma. Therefore, the inventor came to make the present invention as follows after such various trials and errors.
[0011]
A sputtering apparatus according to the present invention includes (1) a vacuum chamber, (2) a decompression unit for decompressing the chamber, (3) a gas supply unit for supplying a process gas into the vacuum chamber, and (4) A substrate support part for supporting the substrate in the vacuum chamber, (5) a sputtering target, and (6) a magnetron unit are provided.
[0012]
In such a sputtering apparatus, the erosion surface of the sputtering target faces the substrate support portion. The magnetron unit is provided on the side opposite to the substrate support with respect to the sputtering target.
[0013]
This magnetron unit has a first magnet part and a second magnet part provided so as to generate a magnetic field in the vacuum chamber. The second magnet unit is disposed outside the first magnet unit. The total magnetism of the first magnet unit is smaller than the total magnetism of the second magnet unit.
[0014]
For this reason, the magnetic field generated by these magnets acts to reduce the escape of electrons in the plasma from the plasma. Therefore, the performance of confining electrons in the region near the target is improved.
[0015]
Such a first magnet part and a second magnet part can take various forms as follows.
[0016]
In the sputtering apparatus according to the present invention, the magnetron unit can have a plurality of first magnets and a plurality of second magnets. The plurality of first magnets are arranged with the first magnetic pole facing the target. The plurality of second magnets are arranged with the second magnetic pole facing the target. The first magnetic pole is different from the second magnetic pole.
[0017]
Further, if each magnet unit includes a plurality of magnets, the shape of the magnetic field generated by each magnet unit can be changed according to the position of the magnet.
[0018]
In addition, it is preferable that a 2nd magnet part consists of a magnet arrange | positioned at the outermost periphery. This is because the electrons in the plasma can be confined inside the second magnet portion.
[0019]
In the sputtering apparatus according to the present invention, the magnetron unit can have a magnetic member provided such that the first and second magnet portions constitute a magnetic circuit.
[0020]
In the sputtering apparatus according to the present invention, the magnetron unit can have a plurality of first magnetic members. Each first magnetic member supports one magnet of the plurality of first magnets and one magnet of the plurality of second magnets, respectively. According to these first magnetic members, a magnetic circuit is configured that enables a plurality of first magnets to be individually magnetically coupled to a plurality of second magnets. The magnetron unit can also have this second magnetic member. The second magnetic member supports the plurality of first magnets and the plurality of second magnets. According to the second magnetic member, a magnetic circuit is configured that enables the plurality of first magnets to be magnetically coupled to the plurality of second magnets as a whole.
[0021]
In the sputtering apparatus according to the present invention, the magnetron unit can have a third magnetic member and a fourth magnetic member. Each of the third magnetic members is provided over each of the first magnet ends, and magnetically couples the first magnetic pole of each magnet. Each of the fourth magnetic members is provided over each of the second magnet ends, and magnetically couples the second magnetic pole of each magnet.
[0022]
Since the third and fourth magnetic members are provided so as to magnetically couple the adjacent magnets, the magnetic flux can be guided to each region between the magnets where no magnet is present. For this reason, the magnetic flux from each magnet is averaged by these magnetic members and given to the sputtering target. Also, individual differences in the amount of magnetism between adjacent magnets are averaged.
[0023]
In the sputtering apparatus according to the present invention, the first and second magnet portions can take the following forms. The first magnet unit may include a plurality of first magnets having one end indicating the first magnetic pole and the other end indicating the second magnetic pole, the one end being arranged with the one end facing the target. The second magnet section has one end indicating the second magnetic pole and the other end indicating the first magnetic pole, and the one end faces the target and a plurality of annularly arranged outside the plurality of first magnets. A second magnet can be included.
[0024]
The magnetron unit can include a first magnetic member, a third magnetic member, and a fourth magnetic member. The third magnetic member is provided in an annular shape so as to connect one ends of the plurality of first magnets. The fourth magnetic member is provided in an annular shape so as to connect one ends of the plurality of second magnets. Furthermore, the second magnet unit has a total magnetic amount that is 1.5 times or more the total magnetic amount of the first magnet unit.
[0025]
In such a configuration, a plurality of first magnets and a plurality of second magnets can be magnetically coupled via the second magnetic member to form a magnetic circuit. Further, in the above embodiment, one of the first magnets and one of the second magnets can be individually magnetically coupled via the first magnetic member to form a magnetic circuit.
[0026]
In the sputtering apparatus according to the present invention, a unit magnet having a predetermined magnetic quantity can be applied to each of the plurality of first and second magnets. When the unit magnet is employed, the total magnetic amount of the first magnet unit and the second magnet unit can be easily grasped, and the setting of the magnetic total amount ratio is facilitated.
[0027]
The sputtering apparatus according to the present invention can include at least one of the sputtering targets Ti, Al, and Cu.
[0028]
The film forming method according to the present invention includes: (1) a first magnet portion provided so that the first magnetic pole is directed to the target, and a second magnetic pole disposed on the target in an annular shape outside the first magnet portion. Preparing a sputtering apparatus having a magnetron unit having a second magnet part provided so as to face the first magnet part, wherein the total magnetism of the first magnet part is smaller than the total magnetism of the second magnet part; (2) arranging the substrate so as to face the target; (3) introducing a process gas into the vacuum chamber; and (4) depositing sputtering particles on the substrate to form a film. .
[0029]
The film forming method according to the present invention includes (5) a step of placing a substrate so as to face the target, (6) a step of introducing a process gas into the vacuum chamber, and (7) a first magnetic pole. A first magnet portion that is directed toward the target and the second magnetic pole is directed toward the magnetic member, and is annularly disposed outside the first magnet portion, the second magnetic pole is directed toward the target, and the second magnetic pole is A step of generating a plasma using a magnetron unit having a second magnet portion provided toward the magnetic member, wherein the total magnetic amount of the first magnet portion is smaller than the total magnetic amount of the second magnet portion; 8) depositing sputtered particles on the substrate to form a film.
[0030]
If plasma is generated using the magnetron unit as described above, electrons in the plasma can be confined efficiently. For this reason, the electron density can be increased in the plasma. As the electron density increases, the plasma can be maintained even at low pressure, thereby improving bottom coverage.
[0031]
Further, since the plasma is maintained even when the pressure of the process gas is lowered, the pressure of the process gas can be reduced. Therefore, the probability of collision between the particles to be sputtered and the atoms of the process gas is reduced. As the collision probability decreases, the number of sputtered particles directed in the direction from the target to the substrate increases.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. When possible, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0033]
A sputtering apparatus according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0034]
The sputtering apparatus 10 includes a housing 14 that forms a vacuum chamber 12 therein, and a target 16 that is disposed so as to close an upper opening of the housing 14. Since both the housing 14 and the target 16 are made of a conductive material, an insulating member 13 a is sandwiched between the housing 14 and the target 16. In the embodiment shown in FIG. 1, the housing 14 has a circular bottom surface and a tubular portion extending a predetermined distance from the periphery of the circular bottom surface. For example, the tubular portion has a cylindrical shell shape. The shape of the target 16 is a disk shape. One circular surface 16a (hereinafter referred to as a lower surface) of the target 16 is an erosion surface that receives erosion by sputtering.
[0035]
A pedestal 18 is disposed in the vacuum chamber 12 as a substrate support means (also referred to as a substrate support portion). The pedestal 18 supports the substrate 15 in the vacuum chamber 12. For this reason, the pedestal 18 holds a substrate 15 to be processed, for example, a semiconductor wafer W or a glass substrate, on one surface (hereinafter referred to as an upper surface) 18a. The upper surface 18 a of the pedestal 18 is provided so as to face the lower surface (erosion surface) 16 a of the target 16. A surface 15 a to be deposited of the substrate 15 (wafer W) held at a predetermined position on the pedestal 18 is arranged substantially parallel to the lower surface 16 a of the target 16.
[0036]
The substrate 15 is arranged so that its center matches the center of the target 16, that is, coaxially. This center preferably coincides with the rotation center (rotation axis 38) of the magnetron unit in order to improve the in-plane uniformity of the formed film. In the present embodiment, the distance between the pedestal 18 and the target 16 is preferably about 0.95 times the diameter of the substrate on which the sputtered particles are deposited.
[0037]
The sputtering apparatus 10 includes a shield 26 that prevents the particles to be sputtered from reaching the inner wall surface in order to protect the inner wall surface of the vacuum chamber 12 from the particles to be sputtered. The edge of one side of the shield 26 is insulated from the housing 14 via the insulating member 13a. One side of the shield 26 is fixed at the edge of the upper opening of the housing. Another side of the shield 26 reaches the side of the pedestal 18. The edge of the other side is insulated along the side surface of the pedestal 18 via an insulating member 13b. For this reason, the shield 26 is electrically insulated from the pedestal 18.
[0038]
The pedestal 18 is connected to a reference potential, for example, a ground potential via a capacitor 19. The shield 26 is connected to a predetermined reference potential. Since the capacitor 19 is provided, the pedestal 18 can also be used in a self-biased state by electrons provided by the plasma. Further, a high frequency can be applied through the capacitor 19 and used in an RF bias state. In this case, a bias unit such as an RF bias applying unit is provided between the capacitor 19 and the reference potential source. In any case, the pedestal 18 is preferably negatively biased with respect to the plasma potential, and is preferably negative with respect to the target 16.
[0039]
An exhaust port 20 is formed in the housing 14. In the present embodiment, a vacuum pump 21 such as a cryopump is connected to the exhaust port 20. By operating the vacuum pump 21, the inside of the vacuum chamber 12 can be decompressed. The exhaust port 20 and the vacuum pump 21 constitute decompression means. A process gas such as argon gas or nitrogen gas is supplied from the process gas supply source 25 into the vacuum chamber 12 through the supply port 22. The supply port 22 can be opened and closed by a valve 23. When the valve 23 is opened and closed, the presence / absence, supply amount, and supply timing of the process gas can be controlled. The supply port 22 and the process gas supply source 25 constitute process gas supply means.
[0040]
In order to apply a voltage between the target 16 and the shield 26, a power source 24 is connected as one of the plasmarizing means. When a process gas such as argon gas is introduced into the vacuum chamber 12 and a voltage is applied between the target 16 and the shield 18, glow discharge occurs and a plasma state is obtained. When argon ions generated by this discharge collide with the lower surface 16a of the target 16, atoms constituting the target 16 are ejected and sputtered particles are generated. When the target atoms reach the wafer W and are deposited, a film is formed on the wafer W.
[0041]
A magnetron unit 30 for increasing the plasma density in the space near the erosion surface of the target 16 is disposed on the surface facing the lower surface 16 a of the target 16, that is, the upper surface 16 b of the target 16.
[0042]
The sputtering apparatus 10 can include a controller 29. Since the controller 29 has a microcomputer, a timer, and the like, it is possible to control on / off of the current, change of the current value, and the like including temporal control. The controller 29 is also connected to the valve 23, the acceleration power supply 24, and the drive motor 36 via a control line 29a. The controller 29 can control these devices in association with each other. For this reason, supply of process gas, plasma generation of process gas, and the like can be controlled in synchronization with a predetermined timing.
[0043]
FIG. 2 is a plan view showing the position of the magnet on each magnetron unit. FIG. 2 shows a cross section taken along line II of FIG.
[0044]
Referring to FIGS. 1 and 2, the magnetron unit 30 includes a circular base plate 32 and a plurality of subunits 34 fixed in a predetermined arrangement on a mounting surface 32 a of the base plate 32. The base plate 32 is disposed on the opposite side of the substrate support 18 with respect to the target 16, and a rotation shaft 38 of a driving motor 36 is connected to the center of the upper surface of the base plate 32. Therefore, when the drive motor 36 is operated to rotate the base plate 32, each subunit (also referred to as a magnet assembly) 34 rotates along the upper surface of the target 16, and the magnetic field generated by the subunit 34 is in one place. It is possible to prevent stationary.
[0045]
Referring to FIG. 2, a plurality of magnet assemblies 34 are arranged in an annular shape. Each magnet assembly 34 has one magnetic pole (N pole in the example of FIG. 2) facing the outside of the array and the other magnetic pole (S pole in the example of FIG. 2) facing the inside of the array. The ends of the same magnetic pole of each magnet assembly are magnetically coupled via magnetic members 48 and 50 such as pole pieces. The magnetic members 48 and 50 (in FIG. 2, drawn with a broken line to overlap with the magnet) are band-shaped members in contact with the end portions having the same magnetic pole of each magnet assembly, and are provided in an annular shape. . Corresponding to the magnetic field from the strip-shaped member, an outer annular region and an inner region are formed on the erosion surface. In the outer annular region, for example, lines of magnetic force generated by the outermost magnet group (N pole of the magnet of the magnet assembly 34) extend into the vacuum chamber. These magnetic field lines extend inward, and part of them reach the inner magnet group (the S pole of the magnet of the magnet assembly) through the inner annular magnetic field region.
[0046]
Since the magnetic members 48 and 50 are provided between the magnet assembly 34 and the sputter target 16, adjacent magnets can be magnetically coupled. For this reason, a magnetic flux is also guide | induced to the area | region between each magnet in which a magnet does not exist. By these magnetic members, the magnetic flux from each magnet is averaged and applied to the sputtering target. Further, these magnetic members 48 and 50 form a magnetic field having a predetermined intensity even if the magnets are discretely arranged. Therefore, the confinement property of the plasma by the magnetic field is improved. Furthermore, the non-uniformity of the magnetic quantity between adjacent magnets and the individual differences of the magnets themselves are averaged. This factor also has an advantageous effect on electron confinement.
[0047]
In addition, the magnetron unit 30 can include one or more first magnet assemblies 34a and one or more second magnet assemblies 34b. The first magnet assembly 34a is provided so as to define a magnetic field to be formed in the vicinity of the rotation shaft 38 serving as the rotation center.
[0048]
The arrangement of the magnet assembly for this purpose will be described later with reference to FIGS. The mounting surface 32a of the base plate 32 is separated into two regions by a surface including the rotation shaft 38, and one is referred to as a first region and the other as a second region. In this arrangement, (i) when the first magnet assembly 34a is arranged in the first region, (ii) the first magnet assembly 34a is mounted on the surface including the rotating shaft 38 and the magnetron unit 30. (Iii) the outer magnet of the first magnet assembly 34a is disposed in the first and second regions, and the second magnet assembly 34b is disposed on the line intersecting the surface and over the first region. If it is arranged in the first region, it is conceivable. In any case, each of the second magnet assemblies 34b is provided so as to form an annular array together with the first magnet assembly 34a. According to experiments conducted by the inventor, particularly favorable results were obtained in the forms shown in FIGS. 4, 6, and 7.
[0049]
In addition, the magnetron unit 30 has an outer peripheral magnet portion provided with the first magnetic pole (N pole in the example of FIG. 2) facing the erosion surface and the second magnetic pole (S pole in the example of FIG. 2) on the erosion surface. It has an inner magnet part that is directed. The inner magnet part may include all magnets provided inside the outer peripheral magnet part. For example, the outer peripheral magnet portion can be made of an outermost magnet group, and the inner magnet portion can be made of, for example, a magnet group on the inner side of the outermost magnet. The strength of each magnet part or each magnet can be defined such that the total magnetic quantity of the outer magnet part is larger than the total magnetic quantity of the inner magnet part.
[0050]
The inner magnet part with the smaller total magnetic quantity was arranged inside the outer peripheral magnet part with the larger total magnetic quantity. For this reason, a part of the magnetic flux of the outer peripheral magnet portion reaches the inner magnet portion, passes through the inner magnet portion, and closes at the outer peripheral magnet portion. Further, the remaining part of the magnetic flux of the outer magnet part forms a magnetic flux loop and closes at the outer magnet part. Therefore, the magnetic flux extending outside the vacuum chamber is reduced in the vicinity of the erosion surface where the plasma is generated. For this reason, the electron confinement property is improved.
[0051]
FIG. 3 is a sectional view exemplarily showing a magnet assembly applicable to the sputtering apparatus 10. Each magnet assembly 34 includes a magnetic member 40 and bar magnets 42 and 44, as clearly shown in FIG. The magnetic member 40 is a flat yoke member made of a magnetic material. Each of the bar magnets 42 and 44 has an S pole at one end and an N pole at the other end. The bar magnet 42 is arranged with one end showing the N pole facing the target 16, and the bar magnet 44 is arranged with the one end showing the S pole facing the target. The bar magnet 42 is fixed to each end of the magnetic member 40 with the other end showing the S pole being brought into contact with the magnetic member 40 and the other end showing the N pole being brought into contact with the magnetic member 40. . The two bar magnets 42 and 44 extend in the same direction, and the overall shape of the magnet assembly 34 is substantially U-shaped. The free end of one bar magnet 42 is an N pole, and the free end of the other bar magnet 44 is an S pole. Moreover, since the magnets 42 and 44 and the magnetic member 40 constitute a magnetic circuit, they constitute magnet means that functions as an integral magnetic body with different magnetic poles oriented in the same direction. This provides a controlled magnetic field suitable for electron confinement within the vacuum chamber 12.
[0052]
In the magnet assembly 34, a magnetic member 48 is provided at the free end N pole of each magnet 42 included in the outer magnet portion, and a magnetic member 50 is provided at the free end S pole of each magnet 44 included in the inner magnet portion. It has been. As described above, these magnetic members 48 are attached so as to couple the magnets 42 in each magnetron unit to each other, and the magnetic members 50 are attached so as to couple the magnets 44 to each other.
[0053]
2 and 3, the case where each magnet unit includes a plurality of magnets has been shown. However, instead of each of the outer magnet unit and the inner magnet unit, or any one of them, a single magnet is used. Can also be provided. Even in this case, the magnetic amount of the outer magnet portion (magnet 42) is larger than the magnetic amount of the inner magnet portion (magnet 44).
[0054]
Although the magnet assembly 34 has been described with reference to FIG. 3, the form of the assembly 34 is not limited to this, and the magnet assembly 34 can include more magnets and magnetic members. Further, the amount of magnetism of the magnet used in each magnet assembly 34 is determined in accordance with the magnetic field to be applied to the position where the magnet assembly 34 is arranged. For this reason, the strength of each magnet may be different.
[0055]
In the magnet assembly 34 of FIG. 3, the free ends of the magnets 42 and 44 are arranged so as to face the surface 16b facing the erosion surface 16a. Such a magnet 34 is fixed to the base plate 32 by an appropriate fixing means such as a screw 46 or the magnetic force of each of the magnets 42 and 44 with the back surface of the yoke member 40 in contact with the base plate 32. By adopting such a configuration, the fixing position of the magnet assembly 34 can be freely changed, so that the magnetic field shape can be adjusted by the arrangement position of the magnet assembly 34.
[0056]
4, 6, and 7 are drawings for illustrating a magnet assembly arrangement suitable for the sputtering apparatus 10. The line II-II in FIG. 4 corresponds to the cross section in FIG. In each drawing, the outer peripheral magnet portion 52 and the inner magnet portion 54 are used to indicate the arrangement positions of the plurality of magnet assemblies. 4, 6, and 7 show regions where the magnetic member 48 related to the outer magnet portion 52 and the magnetic member 50 related to the inner magnet portion 54 are respectively projected on the erosion surface. Since the magnetron unit 30 is rotating in this area, the relative positional relationship between the magnet units 52 and 54 and the target 16 at a certain time is shown.
[0057]
4, 6, and 7, the inner magnet portion 54 is formed in any region of the magnetron unit 30 that is separated by a plane including the rotation shaft 38 (in the embodiment of FIGS. 4 to 7, the alternate long and short dash line 56. In the upper region of the region separated by (1). The outer peripheral magnet part 52 is provided so as to surround the inner magnet part 54.
[0058]
The outer peripheral magnet portion 52 is provided so as to pass through the rotating shaft 38 or the vicinity thereof in order to provide a magnetic field in the vicinity of the rotating shaft 38 serving as a rotation center. For this reason, in the example shown in FIGS. 4 and 7, the position of the outer peripheral magnet portion 52 and the position of the rotary shaft 38 overlap each other. In the embodiment shown in FIG. 6, both the outer peripheral magnet portion 52 and the inner magnet portion 54 are provided in one of the regions separated by the alternate long and short dash line 56. Also at this time, the outer peripheral magnet portion 52 is disposed so as to give a desired magnetic field to a position on the erosion surface corresponding to the rotation shaft 38. In FIG. 5, the outer peripheral magnet part 52 is positioned so as to include the rotation shaft 38 inside. Among these forms, the magnet arrangement form in the embodiment of FIGS. 4 and 7 is the most preferable result. In addition, the embodiment of FIG. 6 produces a better result than the magnet arrangement shown in FIG.
[0059]
In the outer peripheral magnet portion 52 and the inner magnet portion 54 shown in FIGS. 4 and 6, the width of the outer shape in the direction along the shaft 56 is longer than the length of the outer shape in the direction orthogonal to the shaft 56. In the outer peripheral magnet portion 52 and the inner magnet portion 54 shown in FIG. 7, the width of the outer shape in the direction along the shaft 56 is shorter than the width of the outer shape in the direction orthogonal to the shaft 56. It should be noted that the positional relationship between the magnet unit 52 and the rotating shaft 38 as shown in FIG. 7 can be similarly applied to the magnet unit having the arrangement shown in FIG.
[0060]
4, 6, and 7, the magnetic field generated by the outer magnet portion 52 and the inner magnet portion 54 is generated by at least one first magnet assembly (34 a in FIG. 2) that forms a magnetic field in a region including the rotation center. It can be realized using a plurality of second magnet assemblies (34b in FIG. 2) that are annularly arranged together with this magnet and form a magnetic field in the outer region of this region. The second magnet assembly is disposed in one region on the magnetron unit 30 separated by a plane including the rotation shaft 38.
[0061]
If the total magnetic quantity of the outer magnet part is made larger than the total magnetic quantity of the inner magnet part, the plasma confinement property is improved. For this reason, plasma can be maintained even when the pressure of the process gas is reduced.
[0062]
Moreover, when the plasma confinement property is improved, the electron density in the plasma also increases. As the density of the confined electrons increases, ionization of the sputtered particles is promoted. Since the ionized particles to be sputtered are attracted toward the substrate support 18 in accordance with the potential gradient, the velocity component in this direction increases. Therefore, film thickness uniformity and bottom coverage are improved.
[0063]
In addition, since the magnet is arranged in a half region of the sputter target, it is possible to reduce the plasma formation region by adjusting its position. Since power can be supplied to the reduced area in this way, the plasma density can be increased without increasing the input power. As the plasma density increases, the electron density also increases, so that ionization of the particles to be sputtered is promoted. Since the ionized particles to be sputtered are accelerated toward the substrate surface, a large number of particles to be sputtered having a velocity component directed to the substrate surface are generated. For this reason, the particles to be sputtered mainly arrive directly under the plasma region, and film formation proceeds in this reaching region. For this reason, the film thickness uniformity is improved.
[0064]
Referring to FIGS. 4, 6 and 7, the outer peripheral magnet portion 52 is provided on the outer periphery of a predetermined convex figure. The shape of the magnetic field contributing to plasma confinement is defined according to this convex shape. For this reason, since the change of the isomagnetic surface showing the same magnetic field value (in other words, the isomagnetic field which is the intersection of this surface and the plane parallel to the surface of the substrate) can be suppressed, Leakage is suppressed. The convex figure for this purpose is preferably a circle, a substantially circle, an ellipse, or a substantially ellipse. In order to reduce leakage of electrons in the plasma, a circle is particularly preferable because of its high symmetry.
[0065]
Thus, by adjusting the shape of the isomagnetic surface (or isomagnetic field lines) to be suitable for electron confinement, the electron density in the plasma can be increased. For this reason, ionization of the particles to be sputtered is promoted. Since the ionized particles to be sputtered are accelerated in the direction of the substrate, the velocity component in this direction increases. If the process gas is reduced in pressure, the probability of collision between the sputtered particles and the process gas atoms can be lowered. Both of these actions act so that the number of sputtered particles having a velocity component perpendicular to the substrate increases. For this reason, when the electron density is increased, the bottom coverage is improved.
[0066]
Here, a convex figure is a figure in which a line segment connecting any two points existing on a closed outline defining the shape on a plane is always on one side of the outline or on the line. In this case, the figure is composed of a straight line, a curve, and at least one of the curves. In particular, a closed curve is called a convex curve. In a convex figure, the straight line is a tangent to the curve at the connection point between the curve and the straight line constituting the figure. In this specification, such a connection between a straight line and a curved line is referred to as a smooth connection.
[0067]
In order to reduce the electron flow to the shield, we studied from the viewpoint of electron motion in the electromagnetic field. As a result, even if the magnitude of the magnetic field does not change significantly, if the outer shape of the confined magnetic field changes greatly, the effect of confining electrons is not sufficiently exhibited. In an electromagnetic field, electrons are subjected to a force in the direction of the electric field and also in a direction related to the velocity of the electron and the direction of the magnetic field, and the electrons move while drawing a curve in the electric field and the magnetic field. When the magnetic field changes greatly, it is possible that a sufficiently large magnetic field is not generated by the magnetron unit in the region where the electron trajectory is bent by the magnetic field. For electrons that have reached such a region, the magnetic field of the magnetron unit 30 no longer acts to confine the electrons, and the direction of movement of such electrons cannot be changed. For this reason, such electrons are attracted by the electric field and flow into the shield.
[0068]
That is, in the magnetron unit 30 shown in FIGS. 4, 6, and 7, the arrangement of magnets that generate a magnetic field should be considered in consideration of the velocity of electrons (the direction of movement of electrons and the speed of electrons). It has been clarified that a configuration has been realized in which the external shape of the magnetic field generated by the magnetron unit is not significantly changed.
[0069]
Although the sputtering apparatus 10 of this Embodiment has demonstrated the case where a subunit is arrange | positioned limitedly to the area | region of the half of the magnetron unit 30, this invention is not limited to such a form. FIG. 8 is a plan view showing a different arrangement of the subunits 34, and shows a cross section corresponding to the II cross section of FIG. Although various arrangements of the subunits 34 are conceivable, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the subunits 34 can be arranged in a double annular arrangement. The total cyclic subunits are from inner circular subunits 34i group 64, 66 (subscript i represents the inner circular arrangement) and outer cyclic subunits 34o groups 60, 62 (subscript o represents the outer circular arrangement). Become.
[0070]
Next, another embodiment will be described.
[0071]
FIG. 9 shows a sputtering apparatus 11 according to another embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and shown to the member which has the function similar to the sputtering apparatus 10 shown in FIG. In FIG. 9, a magnetron unit 31 is provided instead of the magnetron unit 30 in FIG. 1.
[0072]
Here, FIG. 10A and FIG. 14 show the magnetron unit 31 and the sputter target 16 taken out.
[0073]
The magnetron unit 31 is fixed to a base plate 33 made of a magnetic material, a plurality of magnets 43, an inner belt Bin for positioning the arrangement positions of the magnets 43, an outer belt Bout, and tip portions of the magnets arranged in an annular shape. The magnetic members 49 and 47 are used.
[0074]
The base plate 33 has a shape in which a circular region and a rectangular region are joined. Each magnet 43 is arranged on the circular region side, and a rotating shaft that rotates the base plate 33 in the vicinity of the joining region between the circular region and the rectangular region. One end of 38 is fixed.
[0075]
The inner belt Bin and the outer belt Bout are used as positioning members for the magnet 43 and are formed of a non-magnetic material. In each belt portion, openings equal to the outer diameter of the magnet 43 are formed at predetermined intervals. . By inserting the magnets 43 into the openings, the magnets 43 are arrayed in two rows of rings along the concentrically disposed inner belt Bin and outer belt Bout. Here, as an example, the magnet 43 on the inner belt Bin side is arranged so that the south pole faces the sputter target 16 and the magnet 43 on the outer belt Bout side faces the sputter target 16. Further, a spacer S made of a nonmagnetic material is interposed between the base plate 33 and the inner belt Bin and the outer belt Bout, so that the inner belt Bin and the outer belt Bout are separated from the base plate 33. Yes.
[0076]
Among the magnets 43 arranged in an annular shape in this manner, the end surfaces of the magnets 43 arranged by the inner belt Bin (the end surface facing the sputter target 16 side) are formed with an annular magnet formed by a pole piece or a yoke. The member 49 is fixed by a magnetic force, whereby the S poles of the adjacent magnets 43 are connected to each other, and a ring-shaped S pole is formed. Similarly, a magnetic member 47 formed of a magnetic material is fixed to the end face of each magnet 43 arranged by the outer belt Bout (the end face facing the sputter target 16 side) by a magnetic force. The N poles of adjacent magnets 43 are connected to each other, and a ring-shaped N pole is formed. The magnetic member 49 and the inner belt Bin are fixed to the base plate 33 by a fixing pin (not shown) made of a non-magnetic material that passes through them. Similarly, the magnetic member 47 and the outer belt Bout are These are fixed to the base plate 33 by fixing pins (not shown) made of a nonmagnetic material that pass through these.
[0077]
Thus, a magnetic circuit closed in a donut shape is formed by all the magnets 43 arranged on the inner side and all the magnets 43 arranged on the outer side.
[0078]
That is, each of the magnetic members 47 and 49 includes S magnetic poles (first magnetic poles) of the plurality of first magnets 43 included in the inner row and N magnetic poles (first magnetic poles) of the plurality of second magnets 43 included in the outer row. 2 magnetic poles) and magnetically couple each of the N magnetic poles of the plurality of first magnets 43 included in the inner row and the plurality of second magnets 43 included in the outer row. It functions as a magnetic coupling means for magnetically coupling each of the S magnetic poles. That is, the magnetic coupling means includes means for magnetically coupling the S magnetic poles of the plurality of first magnets and the N magnetic poles of the plurality of second magnets, and each of the N magnetic poles of the plurality of first magnets. Either a magnetic coupling means or a magnetic coupling means is provided for each of the S magnetic poles of the plurality of second magnets.
[0079]
Although FIG. 10A illustrates the case where the magnets 43 are arranged along the circumference of the ellipse, the present invention is not limited to this example. For example, as shown in FIG. A configuration in which the magnets 43 are arranged along a circumference close to a perfect circle may be employed. In this case, corresponding members such as the inner belt Bin, the outer belt Bout, and the magnetic members 49 and 47 may be formed in an annular shape.
[0080]
The magnetron unit can also be configured as shown in FIG. In the magnetron unit 100, two types of cylindrical magnets having different diameters are fixed to a surface of a base plate 33 made of a magnetic material by a magnetic force. For example, the larger diameter magnet has a diameter of about 1.7 cm, and the smaller diameter magnet has a diameter of about 1.4 cm. The two types of magnets have the same height, for example, about 3.3 cm. The magnetic force emitted from the large-diameter magnet is about 150 to 200 gauss in a space 2 cm away from one end of the large-diameter magnet, and the magnetic force emitted from the small-diameter magnet is about 60 to 70% of that of the large-diameter magnet. .
[0081]
As shown in FIG. 15, six large-diameter magnets 110N are arranged along the circumference on the outer edge of the base plate 33, which is the part farthest from the center of the sputter target 16, and the six large magnets are further arranged. Nine small-diameter magnets 120N are arranged on the left and right sides along the same circumference so as to sandwich the diameter magnet 110N. Therefore, the circular region of the base plate 33 is surrounded by the large-diameter magnet 110N and the small-diameter magnet 120N as a whole. In the example of FIG. 15, the large-diameter magnet 110N and the small-diameter magnet 120N are arranged such that the N pole faces the sputter target 16, and the end surfaces of the large-diameter magnet 110N and the small-diameter magnet 120N (end surfaces facing the sputter target 16). The magnetic member 130 made of a yoke or the like formed in a ring shape so as to follow this arrangement is fixed by a magnetic force.
[0082]
On the other hand, ten large-diameter magnets 110S are arranged in a central state at the center of the base plate 33, and each large-diameter magnet 110S is in a state in which the S pole faces the sputter target 16. . The end surface of each large-diameter magnet 110S (the end surface facing the sputter target 16) is made of the same material as the magnetic member 130, and has a disk shape that covers the gathering region of the large-diameter magnet 110S. Are fixed by magnetic force.
[0083]
Also in the embodiment shown in FIG. 15, a positioning member (not shown) made of a non-magnetic material exemplified as the inner belt Bin or the like is already used for the arrangement of the magnets 110N, 110S, and 120N. Are arranged on the surface of the base plate 33 in a state of being positioned by.
[0084]
By configuring the magnetron unit as shown in FIG. 15, the amount of magnetism generated by all the magnets arranged at the outer edge portion of the base plate 33 is compared with the amount of magnetism generated by all the magnets arranged at the central portion of the base plate 33. Become bigger. As a result, among the electrons having high energy (secondary electrons) emitted from the sputter target 16 by sputtering, the electrons collected in the magnetic field appearing on the erosion surface 16a are shielded on the side wall side of the vacuum chamber 12. 26 can be sufficiently suppressed, and electrons can be effectively confined in a region near the sputtering target.
[0085]
Further, since the magnetic lines of force at the outer edge portion are larger than the central portion of the base plate 33 in this way, the magnetic force lines extending from the sputter target 16 in the wafer W direction act so as not to spread as the distance from the sputter target 16 increases. Electrons can be effectively confined in the sputtering space formed between the sputtering target 16 and the wafer W.
[0086]
Furthermore, by arranging the six large-diameter magnets 110N having a large magnetic force on the base plate 33 at a position farthest from the center of the sputter target 16, that is, on the side wall side of the vacuum chamber 12, the base plate 33 is rotated. The six large-diameter magnets 110N are always located on the side wall side of the vacuum chamber 12 even when rotated around the center 38. Accordingly, the magnetic lines of force extending from the outer edge portion of the sputtering target 16 on the side wall side of the vacuum chamber 12 toward the wafer W side extend toward the center of the vacuum chamber 12 as it advances toward the wafer W side. This reduces the electron flow that flows out to the shield 26 located on the side wall side of 12 and contributes to improvement of electron confinement.
[0087]
In addition, by arranging the six large-diameter magnets 110N having a large magnetic force at a position farthest from the center of the sputter target 16 on the base plate 33, generated plasma is generated along the surface of the sputter target 16. As a result, the erosion region is stretched toward the side wall of the vacuum chamber 12, and as a result, the tendency of the erosion region to concentrate on the central portion of the sputter target 16 can be suppressed.
[0088]
In addition, since the magnet is disposed in a half region of the sputter target 16, the position of the magnet can be adjusted to reduce the plasma formation region. Since power can be supplied to the reduced area in this way, the plasma density can be increased without increasing the input power.
[0089]
Also in the sputtering apparatus 11, the magnet arrangement shown in FIGS. 4, 6, and 7 can be applied. Thereby, a desired effect can be obtained. In each drawing, the outer magnet 43 arranged along the first magnetic member 47 corresponds to the outer peripheral magnet portion 52, and the inner magnet 43 arranged along the second magnetic member 49 is the inner magnet. It corresponds to the magnet unit 54.
[0090]
In the sputtering apparatus 11, a unit magnet having a predetermined magnetic quantity can be applied to each of the magnets 43 disposed along the plurality of first and second magnetic members 47 and 49. When the unit magnet is employed, the total magnetic amount of the magnet portion made of the first magnetic member and the second annular magnet portion can be grasped by the number of magnets, and the setting of the magnetic total amount ratio becomes easy.
[0091]
When the sputter target 16 is separated by a plane including a rotation axis 38 that is the center of rotation, and one is a first region and the other is a second region, the inner magnet portion is located in the first region, The outer magnet portion is located on the boundary between the first and second regions and at least one of the first regions.
[0092]
In the magnetron unit 31, it is preferable that the inner magnet portion is provided in the first region, and the outer magnet portion passes over the boundary between the first and second regions and is provided in the first region. The outer magnet portion can pass through a position corresponding to the rotation shaft 38. In particular, in the embodiment shown in FIG. 10, the region between the magnetic member 47 for the outer magnet and the magnetic member 49 for the inner magnet overlaps only with the first region.
[0093]
By arranging the magnets 43 in this way, it is possible to reduce the area on the erosion surface 16a where plasma is formed. Since power can be supplied to the reduced area in this way, the plasma density can be increased without increasing the input power. As the plasma density increases, the electron density also increases, so that ionization of the particles to be sputtered is promoted. Since the ionized particles to be sputtered are accelerated toward the surface of the wafer W, a large number of particles to be sputtered having a velocity component directed to the surface of the wafer W are generated. For this reason, the particles to be sputtered mainly arrive directly under the plasma region, and film formation proceeds in this reaching region. For this reason, the film thickness uniformity is improved and the bottom coverage is also improved.
[0094]
In the sputtering apparatus 11, each magnet unit can be arranged to provide a magnetic field along each closed line. In the vicinity of the erosion surface 16a, plasma is generated in a region between the closed lines. That is, two closed lines define the shape and area of the region where plasma is generated. The closed line can be a closed curve. Also, the closed line can be a convex curve. These curves can be provided in the first region of the magnetron unit and can also pass through the rotation axis 38.
[0095]
Further, in the magnetron unit 31, when the outer magnet portion is provided on the outer periphery of a predetermined convex figure on the magnetron unit 31, the shape of the magnetic field contributing to the generation of plasma is defined by the convex figure. The change range of the bending of the isomagnetic field line based on the closed convex curve that is the outer peripheral line of the convex figure can be made smaller than the change range of the bending of the closed curve. As a result, leakage of electrons from the plasma is reduced, and electrons are confined efficiently.
[0096]
When the electron density is increased, ionization of the sputtered particles is accelerated, and the ionized sputtered particles are accelerated in the direction of the substrate, so that the velocity component in this direction increases. Further, when the electron density in the plasma is increased, the process gas can be reduced in pressure. By reducing the pressure, the probability of collision between the sputtered particles and the process gas atoms decreases, so that sputtered particles having a velocity component perpendicular to the substrate increase. For these reasons, the bottom coverage is improved. The outer magnet portion is preferably made of a magnet disposed on the outermost periphery. Thereby, electrons can be confined inside the outermost peripheral magnet part.
[0097]
FIG. 11 schematically shows a magnetic field generated by the magnetron unit 31 when the total magnetic amount of the inner peripheral magnet portion is smaller than the total magnetic amount of the outer peripheral magnet portion. FIG. 12 schematically shows the magnetic field generated by the magnetron unit 31 when the relationship between the total magnetic quantities in FIG. 11 is reversed.
[0098]
In the sputtering apparatus of FIG. 11, the magnetic field lines (shown by broken lines in the figure) from the N pole of the magnet 43 included in the outer peripheral magnet portion (52 in FIGS. 4, 6, and 7) are directed toward the center of the magnetron unit 31. It stretches toward you. A part of the magnetic field reaches the south pole of the magnet 43 and passes through the magnetic member 41 constituting the magnetic circuit to be closed. The remaining magnetic field extends to the vicinity of the central axis toward the center of the magnetron unit 31, then changes direction in this axial direction, and extends to the opposite side of the magnetron unit 31. For this reason, the magnetic field from the outer peripheral magnet faces the inside of the magnetron unit 31 in the vicinity of the erosion surface 16a. Depending on the bending of the magnetic field, the direction of movement of electrons is directed to the inside of the magnetron unit 30. For this reason, the electron flow which flows into the shield 26 can be made small.
[0099]
On the other hand, as schematically illustrated in FIG. 12, the total magnetic amount of the inner magnet portion 80 (S pole) provided on the inner side is larger than the total magnetic amount of the outer magnet portion 81 (N pole) provided on the outer side. Assuming a large case, the magnetic lines of force (indicated by broken lines in the figure) extending from the inner magnet unit 80 extend out of the range surrounded by the outer magnet unit 81. For this reason, the action of such a magnetic field to confine plasma is weak.
[0100]
In the sputtering apparatus as described above, the magnetron units 30 and 31 and the magnetic field formed in the space in the vacuum chamber 12 between the erosion surface 16a and the upper surface 18a of the pedestal 18 (hereinafter referred to as sputtering space). Each dominates the shape of H. According to the magnetron units 30 and 31, a magnetic field suitable for confining electrons is generated in the sputtering space. Since the magnetron units 30 and 31 are rotated by the drive motor 36, the magnetic fields generated by the magnets are rotated around the rotating shaft 38 in the actual sputtering apparatuses 10 and 11, for example, at a frequency of about 60 to 100 times per minute. It is rotating.
[0101]
When the process gas from the magnetron units 30 and 31 is turned into plasma in the vicinity of the erosion surface 16a, sputtered particles are generated from the erosion surface 16a of the target 16. If the form of the magnetron unit corresponding to FIG. 2, FIG. 4, FIG. 6, FIG. 7, FIG. 10 (a) and FIG. 10 (b) is adopted, the pressure required to maintain the plasma can be lowered. it can. Further, if the region where plasma is generated is reduced, the plasma density can be increased. Thereby, the electron current density can be increased. For this reason, the ionization of the particles to be sputtered is promoted. The ionized particles to be sputtered are accelerated in the direction of the substrate support 18. Therefore, the velocity component in the direction along the axis intersecting the substrate W becomes relatively large with respect to the velocity component in the direction orthogonal thereto, and the bottom coverage is improved. In addition, when the velocity component perpendicular to the substrate W increases, the film formation proceeds immediately under the rotating magnetron units 30 and 31, and a film with good bottom coverage is formed.
[0102]
In such a sputtering apparatus, according to the results of experiments conducted by the inventor, the film thickness uniformity in the conventional apparatus is 10% or more, but by applying the present invention, it can be suppressed to 5% or less. It was. Here, the film thickness uniformity is
(Measured value at the thickest point of film thickness-
(Measured value at the thinnest point of film thickness) / (Average value of film thickness) / 2 × 100
Defined by
[0103]
According to the experiments conducted by the inventors in the sputtering apparatus described above, it is practically preferable to set the total magnetic quantity of the outer magnet part to 1.5 times or more of the total magnetic quantity of the inner magnet part. I know that.
[0104]
FIG. 13 shows measurement results in which the horizontal axis represents the total magnetic quantity ratio and the vertical axis represents the uniformity of the sheet resistance Rs.
[0105]
This measurement is based on the following conditions
Target: Ti
Power: 12kW
Pressure: 6.67 × 10 -2 Pa (0.5mT)
Film thickness: 100 nm
It was done in
[0106]
According to FIG. 13, when the total magnetic quantity ratio is smaller than 1.5, the Rs uniformity tends to deteriorate. On the other hand, when the total magnetic quantity ratio is 1.5 or more, the Rs uniformity increases as the magnetic total quantity ratio increases. Sex has been improved.
[0107]
Further, in the conventional sputtering apparatus, the plasma could not be maintained when the pressure of the process gas was set to 0.05 Pa (0.375 mTorr) or less within the range known to the inventors. However, in the sputtering apparatus as described above, the minimum discharge sustaining voltage could be lowered to 0.02 Pa (0.15 mTorr). At such a low pressure, the bottom coverage can be improved by 1.5 times or more compared to the conventional one.
[0108]
As already described, FIGS. 2, 4, 6, 7, 10 (a) and 10 (b) show magnet arrangements applicable to the first and second embodiments. It is shown. In these forms, the magnet part, for example, the magnet part 52, is provided along the shape of the pole piece, for example, along a predetermined closed curve.
[0109]
In such a magnetron unit, it is preferable that the minimum curvature radius of the closed curve is 0.8 times or more of the maximum curvature radius, and the minimum curvature radius of the convex curve is 0.8 times or more of the maximum curvature radius. The inventor believes that is preferred. If the outer magnet portion is arranged along a predetermined closed curve, the shape of the magnetic field contributing to the generation of plasma is defined by this closed curve. Since the isomagnetic field lines are bent within the above-mentioned radius of curvature, the leakage of electrons from the plasma that can be caused by the bending of the isomagnetic field curve is reduced. If the inner magnet also satisfies the above-described conditions regarding the radius of curvature, a more favorable result can be obtained. In particular, the magnet arrangement shown in FIG. 10 (b) produces the most favorable results.
[0110]
If the magnetron unit as described above is prepared, the electrons in the plasma can be efficiently confined due to the electron confinement action by the magnetic field. For this reason, an electron density can be raised. As the electron density increases, the sputtered particles become ionized. Since the ionized sputtered particles are accelerated by the electric field, the number of sputtered particles moving in the direction from the target to the substrate increases.
[0111]
Further, since the pressure of the process gas can be reduced, the frequency of the collision of the process gas particles with the sputtered particles decreases, and the bottom coverage ratio is further improved.
[0112]
Although the present invention has been described based on each embodiment, the present invention is not limited to such an embodiment, and various modifications are possible. For example, the target material to which the sputtering apparatuses 10 and 11 of the present embodiment can be applied is not limited to copper (Cu), but other elements, titanium (Ti), aluminum (Al), and alloys thereof Etc. are also applicable.
[0113]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the sputtering apparatus according to the present invention, the magnetron unit has the first magnet part and the second magnet part provided so as to generate a magnetic field in the vacuum chamber. The second magnet unit is disposed outside the first magnet unit. The total magnetism of the first magnet unit is smaller than the total magnetism of the second magnet unit.
[0114]
For this reason, since the magnetic flux extending outside the vacuum chamber is reduced, the confinement of electrons is improved.
[0115]
Further, in the film forming method according to the present invention, the film is formed by generating a magnetic field with excellent electron confinement.
[0116]
Therefore, a sputtering apparatus and a film forming method capable of improving the bottom coverage are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetron sputtering apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view for illustrating the arrangement positions of subunits in the first embodiment;
FIG. 3 is an enlarged view of a magnetron unit in which a subunit portion is enlarged.
FIG. 4 is a plan view showing a magnet arrangement for explaining a magnetic field generated by a subunit.
FIG. 5 is a plan view showing a magnet arrangement for explaining a magnetic field generated by a subunit.
FIG. 6 is a plan view showing a magnet arrangement for explaining a magnetic field generated by a subunit.
FIG. 7 is a plan view showing a magnet arrangement for explaining a magnetic field generated by a subunit.
FIG. 8 is a plan view of a magnetron unit showing the arrangement of subunits.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a magnetron sputtering apparatus according to a second embodiment.
10 (a) and 10 (b) are explanatory views showing the positional relationship between the magnet and base plate and the sputter target in the magnetron unit of FIG. 9 in plan view.
FIG. 11 is a configuration diagram showing a magnetic field formed in the sputtering apparatus.
FIG. 12 is a configuration diagram showing a magnetic field formed in the sputtering apparatus.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between the total magnetic quantity ratio between the outer magnet and the inner magnet and Rs.
FIG. 14 is an exploded perspective view showing the magnetron unit shown in FIG. 9;
FIG. 15 is an explanatory view showing the positional relationship between a magnet and a base plate of a magnetron unit according to another embodiment and a sputter target in a plan view.
[Explanation of symbols]
10, 11 ... Sputtering device, 12 ... Vacuum chamber
13a, 13b ... insulating member, 14 ... housing, 15 ... substrate
16 ... Sputter target, 18 ... Pedestal, 20 ... Exhaust port
21 ... Vacuum pump, 22 ... Supply port, 23 ... Valve, 24 ... Power supply for acceleration
25 ... Process gas supply source, 26 ... Shield, 29 ... Controller
30, 31, 100 ... magnetron unit, 32, 33 ... base plate
30, 32, 34 ... magnet, 36 ... drive motor
38 ... Rotating shaft, 40 ... Yoke member, 42, 43, 44 ... Bar magnet
47, 48, 49, 50 ... Magnetic member
52 ... 1st magnet part, 54 ... 2nd magnet part

Claims (9)

真空チャンバと、
前記真空チャンバを減圧するための減圧手段と、
前記真空チャンバ内にプロセスガスを供給するためのガス供給手段と、
前記真空チャンバ内において基板を支持するための基板支持部と、
前記基板支持部にエロージョン面が対面するように設けられたスパッタターゲットと、
前記スパッタターゲットに関して前記基板支持部と反対側に設けられたマグネトロンユニットと、を備え、
前記マグネトロンユニットは、前記チャンバ内に磁場を発生するように設けられた第１のマグネット部および第２のマグネット部を有し、前記第２のマグネット部は前記第１のマグネット部の外側に配置され、前記第１のマグネット部の総磁気量は前記第２のマグネット部の総磁気量より小さく、
前記第１のマグネット部は、第１の磁極を示す部分を前記ターゲットに向けて配置された複数の第１のマグネットを有し、前記第２のマグネット部は、第２の磁極を示す部分を前記ターゲットに向けて配置された複数の第２のマグネットを有し、
前記複数の第２のマグネットは、前記複数の第１のマグネットを囲むように環状に配列されている、スパッタリング装置。A vacuum chamber;
Decompression means for decompressing the vacuum chamber;
Gas supply means for supplying a process gas into the vacuum chamber;
A substrate support for supporting the substrate in the vacuum chamber;
A sputter target provided so that an erosion surface faces the substrate support;
A magnetron unit provided on the opposite side of the substrate support with respect to the sputter target, and
The magnetron unit has a first magnet part and a second magnet part provided to generate a magnetic field in the chamber, and the second magnet part is arranged outside the first magnet part. is the total magnetic content of the first magnet portion is minor than the total magnetic content of the second magnet unit,
The first magnet portion has a plurality of first magnets arranged with a portion showing the first magnetic pole facing the target, and the second magnet portion has a portion showing the second magnetic pole. A plurality of second magnets arranged toward the target;
The sputtering apparatus , wherein the plurality of second magnets are annularly arranged so as to surround the plurality of first magnets . 前記マグネトロンユニットは複数の第１の磁性部材を有し、各第１の磁性部材は、前記複数の第１のマグネットの１つと前記複数の第２のマグネットの１つとをそれぞれ支持する、請求項１に記載のスパッタリング装置。The magnetron unit has a plurality of first magnetic members, and each first magnetic member supports one of the plurality of first magnets and one of the plurality of second magnets, respectively. 2. The sputtering apparatus according to 1 . 前記マグネトロンユニットは第２の磁性部材を有し、前記第２の磁性部材は、前記複数の第１のマグネットと前記複数の第２のマグネットとを支持する、請求項１に記載のスパッタリング装置。The sputtering apparatus according to claim 1 , wherein the magnetron unit includes a second magnetic member, and the second magnetic member supports the plurality of first magnets and the plurality of second magnets. 前記第２の磁性部材は前記マグネトロンユニットのベースプレートである、請求項３に記載のスパッタリング装置。The sputtering apparatus according to claim 3 , wherein the second magnetic member is a base plate of the magnetron unit. 前記マグネトロンユニットは、前記複数の第１のマグネットの第１の磁極を示す部分をそれぞれ結ぶように設けられた第３の磁性部材、前記複数の第２のマグネットの第２の磁極を示す部分をそれぞれ結ぶように設けられた第４の磁性部材、を含む、請求項２〜請求項４のいずれかにに記載のスパッタリング装置。The magnetron unit includes a third magnetic member provided so as to connect portions indicating the first magnetic poles of the plurality of first magnets, and a portion indicating the second magnetic poles of the plurality of second magnets. The sputtering apparatus according to any one of claims 2 to 4 , further comprising a fourth magnetic member provided so as to be tied to each other. 真空チャンバと、
前記真空チャンバを減圧するための減圧手段と、
前記真空チャンバ内にプロセスガスを供給するためのガス供給手段と、
前記真空チャンバ内において基板を支持するための基板支持部と、
前記基板支持部にエロージョン面が対面するように設けられたスパッタターゲットと、
前記スパッタターゲットに関して前記基板支持部と反対側に設けられたマグネトロンユニットと、を備え、
前記マグネトロンユニットは、前記チャンバ内に磁場を発生するように設けられた第１のマグネット部および第２のマグネット部を有し、前記第２のマグネット部は前記第１のマグネット部の外側に配置され、前記第１のマグネット部の総磁気量は前記第２のマグネット部の総磁気量より小さく、
前記第１のマグネット部は、第１の磁極を示す一端および第２の磁極を示す他端を有し前記一端を前記ターゲットに向けて配置された複数の第１のマグネットを含み、
前記第２のマグネット部は、第２の磁極を示す一端および第１の磁極を示す他端を有し前記一端を前記ターゲットに向け前記複数の第１のマグネットの外側に環状に配置された複数の第２のマグネットを含み、
前記マグネットロンユニットは、複数の第１の磁性部材、第３の磁性部材、および第４の磁性部材を含み、各第１の磁性部材は、磁気回路を構成するように前記複数の第１のマグネットの他端と前記複数の第２のマグネットの他端とをそれぞれ支持し、前記第３の磁性部材は、前記複数の第１のマグネットの前記一端を結ぶように環状に設けられ、前記第４の磁性部材は、前記複数の第２のマグネットの前記一端を結ぶように環状に設けられ、
前記第２のマグネット部は、前記第１のマグネット部の総磁気量の１．５倍以上である総磁気量を有する、スパッタリング装置。 A vacuum chamber;
Decompression means for decompressing the vacuum chamber;
Gas supply means for supplying a process gas into the vacuum chamber;
A substrate support for supporting the substrate in the vacuum chamber;
A sputter target provided so that an erosion surface faces the substrate support;
A magnetron unit provided on the opposite side of the substrate support with respect to the sputter target, and
The magnetron unit has a first magnet part and a second magnet part provided to generate a magnetic field in the chamber, and the second magnet part is arranged outside the first magnet part. The total magnetism of the first magnet unit is smaller than the total magnetism of the second magnet unit,
The first magnet unit includes a plurality of first magnets having one end indicating a first magnetic pole and the other end indicating a second magnetic pole, the one end being disposed toward the target,
The second magnet portion has one end indicating the second magnetic pole and the other end indicating the first magnetic pole, and a plurality of the second magnet portions are annularly arranged outside the plurality of first magnets with the one end facing the target. A second magnet of
The magnetron unit includes a plurality of first magnetic members, a third magnetic member, and a fourth magnetic member, and each of the first magnetic members forms the magnetic circuit. The other end of the magnet and the other end of the plurality of second magnets are respectively supported, and the third magnetic member is provided in an annular shape so as to connect the one ends of the plurality of first magnets. The four magnetic members are provided in an annular shape so as to connect the one ends of the plurality of second magnets,
The said 2nd magnet part is a sputtering device which has the total magnetic quantity which is 1.5 times or more of the total magnetic quantity of the said 1st magnet part. 真空チャンバと、
前記真空チャンバを減圧するための減圧手段と、
前記真空チャンバ内にプロセスガスを供給するためのガス供給手段と、
前記真空チャンバ内において基板を支持するための基板支持部と、
前記基板支持部にエロージョン面が対面するように設けられたスパッタターゲットと、
前記スパッタターゲットに関して前記基板支持部と反対側に設けられたマグネトロンユニットと、を備え、
前記マグネトロンユニットは、前記チャンバ内に磁場を発生するように設けられた第１のマグネット部および第２のマグネット部を有し、前記第２のマグネット部は前記第１のマグネット部の外側に配置され、前記第１のマグネット部の総磁気量は前記第２のマグネット部の総磁気量より小さく、
前記第１のマグネット部は、第１の磁極を示す一端および第２の磁極を示す他端を有し前記一端を前記ターゲットに向けて環状に配置された複数の第１のマグネットを含み、
前記第２のマグネット部は、第２の磁極を示す一端および第１の磁極を示す他端を有し前記一端を前記ターゲットに向け前記複数の第１のマグネットの外側に環状に配置された複数の第２のマグネットを含み、
前記マグネットトロンユニットは、磁気回路を構成するように前記複数の第１のマグネットの他端と前記複数の第２のマグネットの他端とを支持する第２の磁性部材、前記複数の第１のマグネットの前記一端を結ぶように環状に設けられた第３の磁性部材、および前記複数の第２のマグネットの前記一端を結ぶように環状に設けられた第４の磁性部材を含み、
前記第２のマグネット部は、前記第１のマグネット部の総磁気量の１．５倍以上である総磁気量を有する、スパッタリング装置。 A vacuum chamber;
Decompression means for decompressing the vacuum chamber;
Gas supply means for supplying a process gas into the vacuum chamber;
A substrate support for supporting the substrate in the vacuum chamber;
A sputter target provided so that an erosion surface faces the substrate support;
A magnetron unit provided on the opposite side of the substrate support with respect to the sputter target, and
The magnetron unit has a first magnet part and a second magnet part provided to generate a magnetic field in the chamber, and the second magnet part is arranged outside the first magnet part. The total magnetism of the first magnet unit is smaller than the total magnetism of the second magnet unit,
The first magnet unit includes a plurality of first magnets having one end indicating a first magnetic pole and the other end indicating a second magnetic pole, the one end being annularly arranged toward the target,
The second magnet portion has one end indicating the second magnetic pole and the other end indicating the first magnetic pole, and a plurality of the second magnet portions are annularly arranged outside the plurality of first magnets with the one end facing the target. A second magnet of
The magnetron unit includes a second magnetic member that supports the other ends of the plurality of first magnets and the other ends of the plurality of second magnets so as to form a magnetic circuit, and the plurality of first magnets. A third magnetic member provided annularly so as to connect the one ends of the magnets, and a fourth magnetic member provided annularly so as to connect the one ends of the plurality of second magnets,
The said 2nd magnet part is a sputtering device which has the total magnetic quantity which is 1.5 times or more of the total magnetic quantity of the said 1st magnet part. 前記複数の第１および第２のマグネットの各々は、所定の磁気量を有する単位マグネットである、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のスパッタリング装置。Each of the plurality of first and second magnets is a unit magnet having a predetermined magnetic charge, a sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 7. ターゲットに対面するように基板を配置する工程と、
真空チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と、
第１の磁極を前記ターゲットに向けると共に第２の磁極を磁性部材に向けて設けられた第１のマグネット部、および前記第１のマグネット部の外側に環状に配置され第２の磁極を前記ターゲットに向けると共に第１の磁極を前記磁性部材に向けて設けられた第２のマグネット部、を有し、前記第１のマグネット部の磁気総量は前記第２のマグネット部の磁気総量より小さいマグネトロンユニットを用いてプラズマを生成する工程と、
前記基板にスパッタリング粒子を堆積し膜を形成する工程と、
を備える成膜方法。Arranging the substrate to face the target;
Introducing a process gas into the vacuum chamber;
A first magnet portion provided with a first magnetic pole directed toward the target and a second magnetic pole directed toward a magnetic member, and a second magnetic pole disposed annularly outside the first magnet portion And a second magnet portion provided with the first magnetic pole directed toward the magnetic member, and the total magnetism of the first magnet portion is smaller than the total magnetism of the second magnet portion. A step of generating plasma using
Depositing sputtered particles on the substrate to form a film;
A film forming method comprising:
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