KR101434033B1

KR101434033B1 - 마그네트론 스퍼터 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101434033B1
Application number: KR1020120107787A
Authority: KR
Inventors: 시게루 미즈노; 히로유키 도시마; 아츠시 고미; 데츠야 미야시타; 다츠오 하타노; 야스시 미즈사와
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-08-25
Also published as: CN103031529A; TW201329270A; CN103031529B; US20130081938A1; JP2013082993A; KR20130035924A

Abstract

본 발명의 과제는 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 성막 효율을 향상시키고, 타겟의 사용 효율을 향상시키는 것이다. 본 발명의 마그네트론 스퍼터 장치는 진공용기(2)내에 탑재된 웨이퍼(10)에 대향하도록 타겟(31)을 배치하고, 이 타겟(31)의 배면측에 마그네트 배열체(5)를 마련한다. 이 마그네트 배열체(5)는 마그네트(61, 62)가 매트릭스형상으로 배열된 내측 마그네트군(54)과, 이 내측 마그네트군(54)의 주위에 마련되고, 전자의 튀어나감을 저지하는 리턴용의 마그네트(53)를 구비하고 있다. 이에 따라 타겟(31)의 바로 아래에 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 고밀도의 플라즈마가 발생하고, 또 이로전의 면내 균일성이 높아진다. 이 때문에 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켜 스퍼터를 실행할 수 있고, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 성막 효율을 향상시킬 수 있는 동시에, 타겟의 사용 효율이 높아진다.

Description

마그네트론 스퍼터 장치 및 방법{MAGNETRON SPUTTERING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 마그네트론 스퍼터 장치 및 방법에 관한 것이다．

반도체 디바이스의 제조 공정에서 이용되는 마그네트론 스퍼터 장치는 예를 들면 도33에 나타내는 바와 같이, 저압 분위기로 설정된 진공용기(11)내에, 기판(12)과 대향하도록 성막 재료로 이루어지는 타겟(13)을 배치하는 동시에, 타겟(13)의 상면측에 마그네트체(14)를 마련하고, 타겟(13)이 도전체 예를 들면 금속인 경우에는 부의 직류 전압을 인가한 상태에서 타겟(13)의 하면 근방에 자장을 형성하도록 구성되어 있다. 또한, 진공용기(11)의 내벽에의 입자의 부착을 방지하기 위해 방착 실드(도시하지 않음)가 마련되어 있다.

상기 마그네트체(14)는 도34에 나타내는 바와 같이, 일반적으로는 예를 들면 환상의 마그네트(15)의 내측에, 해당 마그네트(15)와 다른 극성의 원형의 마그네트(16)를 배치해서 구성되어 있다. 또, 도34은 마그네트체(14)를 타겟(13)측에서 본 평면도이며, 이 예에서는 외측의 마그네트(15)의 극성은 타겟(13)측이 S극, 내측의 마그네트(16)의 극성은 타겟(13)측이 N극이 되도록 각각 설정되어 있다. 이와 같이 해서, 타겟(13)의 하면 근방에는 상기 외측의 마그네트(15)에 의거하는 커스프(cusp) 자계와 내측의 마그네트(16)에 의거하는 커스프 자계에 의해 수평 자장이 형성된다.

상기 진공용기(11)내에, 아르곤(Ar) 가스 등의 불활성 가스를 도입하여, DC 전원부(19)로부터 타겟(13)에 부의 직류 전압을 인가하면, 이 전계에 의해서 Ar 가스가 전리(電離)하여, 전자가 생성된다. 이 전자는 상기 수평 자장과 전계에 의해서 드리프트하고, 이와 같이 해서 고밀도 플라즈마가 형성된다. 그리고, 플라즈마 중의 Ar 이온이 타겟(13)을 스퍼터해서 타겟(13)으로부터 금속입자를 방출하고, 해당 방출된 금속입자에 의해서 기판(12)의 성막이 실행된다.

이러한 메커니즘이기 때문에, 타겟(13)의 하면에서는 도35에 나타내는 바와 같이, 외측의 마그네트(15)와 내측의 마그네트(16)의 중간부 바로 아래에, 마그네트의 배열을 따른 환상의 이로전(erosion)(17)이 형성된다. 이 때, 타겟(13) 전면에서 이로전(17)을 형성하기 위해 마그네트체(14)를 회전시키고 있지만, 기술한 마그네트 배열에서는 타겟(13)의 반경 방향에 있어서 균일하게 이로전(17)을 형성하는 것은 곤란하다.

한편, 기판면내의 성막속도 분포는 타겟(13)면내의 이로전(17)의 강약(스퍼터 속도의 대소)에 의존한다. 따라서, 상기와 같이 이로전(17)의 불균일의 정도가 큰 경우에는 도 35에 점선으로 나타내는 바와 같이, 타겟(13)과 기판(12)의 거리를 작게 하면, 이로전의 형상이 그대로 반영되어 기판면 내의 성막속도의 균일성이 악화되어 버린다. 이러한 것으로부터, 종래에는 타겟(13)과 기판의 거리를 50㎜∼100㎜ 정도로 크게 해서 스퍼터 처리를 실행하고 있다.

이 때, 타겟(13)으로부터 스퍼터에 의해 방출된 입자는 바깥쪽으로 비산해 가므로, 타겟(13)으로부터 기판(12)을 떨어뜨려 두면, 방착 실드에 부착되는 스퍼터 입자가 많아지고, 기판 외주부의 성막속도가 저하해 버린다. 이 때문에, 외주부의 이로전이 깊어지도록, 즉 외주의 스퍼터 속도를 높이도록 해서, 기판면내의 성막속도의 균일성을 확보하는 것이 일반적으로 실행되고 있다. 그러나, 이 구성에서는 기술한 바와 같이 방착 실드에 부착되는 스퍼터 입자가 많아지기 때문에, 성막 효율이 10% 정도로 매우 낮아, 빠른 성막속도가 얻어지지 않는다. 이와 같이, 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에서는 성막 효율과 성막속도의 균일성을 양립하는 것은 곤란하다.

또한, 타겟(13)은 이로전(17)이 이면측에 도달하기 직전에 교환할 필요가 있지만, 기술한 바와 같이, 이로전(17)의 면내 균일성이 낮고, 이로전(17)의 진행이 빠른 부위가 국소적으로 존재하면, 이 부위에 맞추어 타겟(13)의 교환 시기가 결정되기 때문에, 타겟(13)의 사용 효율은 40% 정도로 낮아진다. 제조 비용을 저감하고, 생산성을 향상시키기 위해서는 타겟(13)의 사용 효율을 높게 하는 것도 요구되고 있다.

그런데, 최근에는 메모리 디바이스의 배선 재료로서 텅스텐(W)막이 주목받고 있으며, 예를 들면 300㎚/min 정도의 성막속도로 성막하는 것이 요청되고 있다. 상술한 구성에서는 예를 들면 인가 전력을 15kWh 정도로 크게 하는 것에 의해 상기 성막속도를 확보할 수 있지만, 기구가 복잡하고, 가동률이 낮아지며, 제조 비용이 비싸게 되어 버린다.

여기서, 특허문헌 1에는 임의의 2개의 사이에서 등거리를 갖고, 또한 교대의 극성을 갖는 복수의 마그네트를 타겟과 대향하도록 평면적으로 배열하고, 타겟의 하측에 포인트 커스프 자계를 생성하는 구성이 제안되어 있다. 포인트 커스프 자계를 생성하는 마그네트를 점형상 마그네트로 하는 것으로 하면, 이 점형상 마그네트를 배열시킨 구성에서는 타겟 근방의 전계 E와 점형상 마그네트의 수평 자장 B에 의한 Ｅ×B에 의해서 전자가 가속되고, 드리프트 운동하여, 플라즈마를 발생시킨다.

그러나, 마그네트 배열의 외주부에서는 N과 S의 배치에 의해, E×B의 벡터 방향이 타겟의 바깥을 향하는 개방단이 존재하기 때문에, 타겟 외주보다도 바깥쪽으로 전자가 튀어나가 버려, 전자 손실이 커진다. 여기서, 타겟의 전면에서 이로전을 형성하기 위해서는 수평 자장이 타겟 외주를 덮도록 점형상 마그네트를 배열할 필요가 있다. 이 경우에는 상기 개방단이 타겟의 외주 근방에 위치하게 되므로, 타겟 외주부에서 전자의 튀어나감이 일어나면, 해당 외주부에서 원주 방향으로 전자 밀도의 조밀이 발생하거나, 타겟의 직경 방향에 따라서 전자 밀도가 저하하는 바와 같은 전자 밀도의 불균일을 발생시킨다. 이 때문에, 타겟의 바로 아래에서는 장소에 따라 전자 밀도가 다르고, 플라즈마 밀도의 면내 균일성이 저하해 버린다. 또한, 상기 개방단 부근의 자속이 발산하고 있기 때문에, 자속의 밸런스가 무너지고, 전자 밀도의 불균일이 증장된다.

이와 같이 점형상 마그네트만의 배열에서는 마그네트간에 생기는 수평 자장이 마그네트 배열에 의해 이차원적으로 넓어지지만, 충분한 플라즈마 밀도가 얻어지지 않고, 높은 플라즈마 밀도의 면내 균일성을 확보하는 것이 곤란하다. 또한, 이로전 면내에 있어서의 균일성은 점형상 마그네트의 배열에 의한 주기적인 수평 자장의 조밀에 의존해서 저하하지만, 플라즈마 밀도의 조밀에 의해서 더욱 낮아지기 때문에, 결과적으로 타겟의 사용 효율이 저하한다. 이 때, 타겟보다도 마그네트군의 형성 영역을 크게 하여, 상기 개방단에 기인하는 문제를 해소하는 것도 고려되지만, 타겟과 실드 부재의 사이에 강한 자장이 있으면 이상 방전을 일으킬 우려가 있어, 마그네트군의 형성 영역을 타겟보다도 크게 하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 특허문헌 2에는 각각 타겟의 표면과 평행한 중심축을 구비하는 복수의 마그네트를, 서로의 중심축이 대략 평행하게 되도록 배치하는 동시에, 복수의 마그네트를 N극과 S극이 상기 중심축에 대해 대략 직각 방향으로 서로 대향하도록 형성한 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는 타겟과 웨이퍼의 거리를 근접시키는 것에 의해, 커버리지를 개선하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, 이들 특허문헌 1∼특허문헌 3에는 타겟과 기판의 거리를 좁히고, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서 성막 효율을 향상시키는 것에 대해서는 착안되고 있지 않고, 이들 특허문헌 1∼특허문헌 3의 구성을 적용해도, 본 발명의 과제를 해결할 수 없다.

또한, 상술한 바와 같이 W를 마그네트론 스퍼터법으로 성막하는 것에 대해서 검토되어 있지만, 미세 배선에서도 저항 상승이 일어나지 않고 신뢰성 높은 고융점 금속으로서 주목받고 있다. 이 때문에 마그네트론 스퍼터법을 이용함에 있어서는, 성막 속도가 큰 것에 부가하고, 성막된 막이 저 저항인 것이 요청된다.

W의 벌크 비저항은 실온에서 약 5.3 μΩ·ｃｍ이지만, 최근의 다층 배선 회로에서는 예를 들면 300nm/min 이상의 고속 성막과, 10μΩ·ｃｍ 이하의 비 저항이 요청되고 있다. 그러나, 종래 기술에서는, 상술한 바와 같이 성막 효율 및 타겟의 사용 효율이 낮다고 하는 문제에 더하여, W의 막을 저저항으로 하는 것과 큰 성막 속도를 얻는 것이 트레이드오프의 관계에 있다고 하는 문제가 있다. 성막 속도를 증대시킬 경우, 통상은 직류 전원부(19)로부터 인가하는 전압을 증대시키지만, 그 결과적으로 스퍼터막의 비저항이 증대해 버린다. 예 로서, 성막 속도가 약 50nm/min으로 얻을 수 있는 막의 비저항은 약 10μΩ·ｃｍ이지만, 약 300nm/min의 고속 성막에서는 비저항은 약 11 μΩ·ｃｍ∼20 μΩ·ｃｍ, 혹은 그 이상이며, 벌크값의 약 2∼3배의 값이 되어버린다.

배선 저항 증대의 원인은, 막 결정입자의 입자계에서의 전자 산란, 막중의 격자 결함에 의한 전자 산란, 불순물(스퍼터의 경우는 Ar 포함한다)에 의한 전자 산란 및 표면, 계면에 있어서의 전자 산란이다. 따라서, 스퍼터막을 저 저항화시키기 위해서는, 막결정 입자의 크기 및 결정 배향을 가지런하게 하는 것, 및 막중의 결함이나 불순물을 적게 하는 것이 중요하다. 이들을 효과적으로 실행하기 위해서는, 스퍼터 성막중의 Ｗ입자의 표면 확산을 심하게 해서 입자의 재배열이 실행되기 쉽게 하는 것이 필요하게 된다.

비특허문헌 1에 의하면, 스퍼터 성막에 있어서는 입자의 재배치를 실행하기 위해서, 우선 기판 온도를 높이는 것이 중요한데, W막은 고융점 금속이기 때문에, 표면 확산을 일으키기 위해서는 850℃ 이상의 고온이 필요하다．이 수법을 통상의 스퍼터링 기술에 적용하는 것은 곤란하다. 또한, 성막후에 어닐에 의해 재결정화시켜 저 저항화하는 것도 가능하지만, 더욱 고온인 1000℃가 필요가 되어 반도체 제조 공정에서는 허용되지 않는다.

또한, 마찬가지로 표면 확산을 일으키기 위해서, 스퍼터된 원자의 에너지를 이용할 수 있는 저압 조건이 바람직한 것으로 알려져 있다. 즉, 통상 타겟 전압은 200V∼800V이며, 이 전압으로 가속된 스퍼터 가스 원자, 예를 들면 아르곤(Ar) 원자의 에너지는 10eV∼20eV라고 알려져 있고, 만일 저압에 의해 공간에서의 충돌이 없으면 스퍼터 원자는 이 에너지로 기판상의 막 표면에 도달하고, 막 표면에서의 에너지 확산에 기여하는 때문이다．타겟-기판간 거리=30mm∼100mm이면, 10ｍTorr 미만이 바람직하다고 알려져 있다. 그러나, W와 Ａr의 조합은, 저압 조건하에서는 Ａr이온이 타겟인 Ｗ와 탄성 충돌을 일으키고, 반도(反跳:rebound)하는 중성의 Ar원자가 되고, 기판위에 성막된 Ｗ막에 돌입해서 손상을 준다. 이 Ar원자의 Ｗ막으로의 돌입은 탄성 충돌이기 때문에, 타겟 원료원소의 원자량이 클수록 반도하는 Ar의 에너지는 크다. 타겟이 W인 경우는 반도 Ar의 에너지는 100eV∼200eV가 된다. W의 스퍼터되는 임계값 전압은 33eV 정도로 되어 있고, 이 값과 비교하면 반도 Ar의 에너지는 크고, 막중에 결함을 다량으로 생성하는 원인으로 될 것은 명확하다. 또, 막중의 Ar량도 증대하고, 결함과 함께 저항 증대의 원인이 된다. 이 상황하에서 성막 속도를 증대시키기 위해서 직류 전원부에서 인가하는 전압을 증대시키면, 타겟 전압도 커지고, 따라서 타겟면에서 반도하는 Ar원자의 에너지도 증대하므로, 따라서 막의 결함은 더욱 증가하고 막 비 저항은 증대해버린다.

이 반도 Ar의 문제를 해소하기 위하여 저압 Kr가스를 이용하는 방법이 특허문헌 4에 개시되어 있다. Kr은 질량, 체적 모두 Ar보다 크기 때문에, 반도시의 에너지가 비교적 작고, W막으로 들어가기 어렵다고 생각되고 있다. 그러나, Kr가스는 Ar가스의 100배 이상의 비용이 들기 때문에, 반도체 제조 공정에 사용하는 것은 어렵다.

한편，반대로 압력을 증대시키면, 공간에서의 충돌에 의해 반도하는 Ar원자 에너지가 손실되므로, 반도 Ar에 의한 결함은 발생하기 어려워지지만, 스퍼터 원자의 에너지도 감소해버려, 기판상의 막 표면에 도달한 원자는 확산에 기여하지 않는다. 그 결과, 결함이 많고 배향이 정돈되지 않은 막이 형성된다고 알려져 있다. 또한 압력의 증대에 의해, 방전 전류는 증대하지만, 충돌 산란에 의해 스퍼터 원자가 챔버벽을 향해서 확산하는 현상이 발생한다. 이 현상에 의해 타겟-기판간 거리가 큰 종래 기술에서는, 기판상의 성막 속도가 일반적으로 저하하기 때문에 성막 효율의 관점에서도 바람직하지 못하다.

다른 한편, 기판에 고주파 전력을 공급하고, Ar이온을 일정한 에너지로 기판에 주입하는 것으로, 막 표면에 운동에너지를 부여해서 W입자의 표면 확산을 유도하는 방법도 있다. 그러나 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에서는, 타겟과 기판과의 거리가 길고, 저압 환경하에서 방전을 일으키고 있기 때문에, 기판 근방에 있어서의 플라즈마의 밀도가 낮으므로, Ar이온을 고 에너지화할 필요가 있다. 따라서, 고 전위의 고주파 전력을 기판에 인가해야만 하는데, 그 결과, 기판에 필요 이상의 부전위가 발생함으로써 지나친 에너지를 가진 Ar이온이 기판위로 끌어당겨져, 상술한 바와 같이 Ar이온이 성막된 Ｗ막에 돌입하여, 막에 결함을 생기게 한다. 인가하는 고주파 전력을 저감하기 위해서 압력을 증대시키는 것도 생각되지만, 상술한 대로 성막효율이 저하해버린다.

이상과 같이 종래의 타겟(13)과 기판과의 거리가 50mm∼100mm인 마그네트론 스퍼터 장치는, W와 같은 고융점 금속을 성막할 경우에, 고속성막, 성막효율, 타겟 사용 효율, 저저항, 및 양호한 막질이라고 하는 조건을 동시에 만족시키는 것이 어려운 것이 현상태이다. 이 문제는, 다른 고융점 금속(탄탈(Ｔａ), 티탄(Ｔｉ), 몰리브덴(Ｍｏ), 루테늄(Ｒｕ), 하프늄(Ｈｆ), 코발트(Ｃｏ), 니켈(Ｎｉ)등)의 스퍼터 성막에 있어서도 마찬가지이다.

일본 특허공개공보 제2004-162138호 일본 특허공개공보 제2000-309867호 일본국 특허공개공보 평성9-118979호 미국 특허공개공보 US2004/0214417호 공보

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본 발명은 이러한 사정 하에 이루어진 것으로서, 그 목적은 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 성막 효율을 향상시키는 동시에, 타겟의 사용 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 다른 목적은 큰 성막속도로 저저항 막을 성막할 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 진공용기내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 이 타겟의 배면측에 마그네트를 마련한 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,

상기 타겟에 전압을 인가하는 전원부와,

베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체와,

이 마그네트 배열체를 피처리 기판에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전시키기 위한 회전 기구를 구비하고,

상기 마그네트 배열체는 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되고,

상기 마그네트군에 있어서의 최외주에 위치하는 마그네트는 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하도록 라인형상으로 배열되고,

스퍼터시에 있어서의 상기 타겟과 피처리 기판의 거리가 30㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.

여기서 라인형상으로 배열된다는 것은 마그네트가 직선형상 또는 곡선형상의 띠형상으로 형성되는 구성이나, 복수개의 마그네트를 직선형상 또는 곡선형상의 띠형상으로 배열하는 구성 이외에, 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하는 역할을 하는 경우에는 복수개의 마그네트를 서로 약간 간격을 두고, 직선형상 또는 곡선형상의 띠형상으로 배열하는 구성도 포함된다.

본 발명은 또한, 진공용기내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 이 타겟의 배면측에 마그네트를 마련하고, 직경 300㎜의 반도체 웨이퍼인 피처리 기판에 대해 마그네트론 스퍼터 처리를 실행하는 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,

상기 타겟에 전압을 인가하는 전원부와,

베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체와,

상기 마그네트 배열체를 피처리 기판에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전시키기 위한 회전 기구를 구비하고,

타겟의 직경을 R(㎜), 타겟과 피처리 기판의 거리를 TS(㎜)로 하면,

(TS´/R)×100(%)=0.0006151R²-0.5235R+113.4, 또한

TS≤1.1TS´로 되도록 상기 거리(TS)가 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 진공용기내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 이 타겟의 배면측에 마그네트를 마련하고, 직경 450㎜의 반도체 웨이퍼인 피처리 기판에 대해 마그네트론 스퍼터 처리를 실행하는 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,

베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체와,

(TS´/R)×100(%)=0.0003827R²-0.4597R+139.5, 또한

본 발명의 마그네트론 스퍼터 방법은 본 발명의 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하고, 프로세스 압력을 13.3Pa(100ｍTorr) 이상으로 설정하고, 타겟에의 투입 전력을 타겟의 면적으로 나눈 투입 전력 밀도를 3W/㎠ 이상으로 설정하여, 피처리 기판에 대해 금속막을 성막하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 복수의 Ｎ극 마그네트 및 S극 마그네트가 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되도록 마그네트군을 구성하고, 이 마그네트군에 있어서의 최외주에 위치하는 마그네트는 라인형상으로 배열되어 있다. 이것에 의해, 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 플라즈마가 발생하는 동시에, 전자의 튀어나감이 저지되어 있으므로 고밀도의 플라즈마가 균일하게 형성된다. 또한, 복수의 Ｎ극 마그네트 및 S극 마그네트가 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되기 때문에, 이들 마그네트의 수평 자장에 의거하여 타겟에 형성되는 이로전의 면내 균일성이 향상한다. 이 때문에, 타겟에 피처리 기판을 접근시켜서 스퍼터를 실행할 수 있어, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 성막 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 밀도의 균일성이 높기 때문에 타겟의 면내에 있어서 이로전이 균일성을 갖고 진행하므로, 국소적으로 이로전이 진행하는 경우에 비해 타겟의 수명이 길어지고, 타겟의 사용 효율이 향상한다. 다른 발명에 의하면， 본발명의 장치를 이용하여, 100ｍTorr 이상 높은 프로세스 압력하에서 전력밀도가 높은 상태에서 스퍼터링을 실행하는 방법에 의해, 발생한 플라즈마에 있어서 이온 밀도는 높아 안정한 상태가 되기 위해서, 플라즈마는 기판상에서 균일한 밀도가 된다. 이 때문에， 고속 또한 균일한 스퍼터를 기판에 대하여 실행하는 것이 가능해지는 것부터, 고속인 성막속도를 유지하면서 저 저항의 성막을 기판상에 실행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네트론 스퍼터 장치의 1실시형태를 나타내는 종단면도,
도 2는 상기 마그네트론 스퍼터 장치에 마련된 마그네트 배열체의 일예를 나타내는 평면도,
도 3은 마그네트 배열체를 나타내는 측면도,
도 4는 마그네트 배열체에 마련된 마그네트의 일예를 나타내는 사시도,
도 5는 마그네트 배열체에 마련된 마그네트의 일예를 나타내는 사시도,
도 6은 마그네트 배열체를 나타내는 평면도,
도 7은 마그네트 배열체의 다른 예를 나타내는 평면도,
도 8은 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 9는 타겟과 기판의 거리와 성막 효율 및 성막속도의 면내 균일성의 관계를 나타내는 특성도,
도 10은 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 11은 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 12는 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 13은 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 14는 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 15는 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도,
도 16은 실시예 1의 결과를 나타내는 특성도,
도 17은 실시예 2의 결과를 나타내는 특성도,
도 18은 실시예 2의 결과를 나타내는 특성도,
도 19는 실시예 3의 결과를 나타내는 특성도,
도 20은 실시예 4의 결과를 나타내는 특성도,
도 21은 실시예 5의 결과를 나타내는 특성도,
도 22는 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 23은 도 22의 마그네트 배열체의 확대 평면도이다.
도 24는 마그네트 배열체를 나타내는 측면도이다.
도 25는 마그네트 배열체를 나타내는 측면도이다.
도 26은 마그네트 배열체의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 27은 막두께분포의 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프다.
도 28은 막두께분포의 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프다.
도 29a 및 도 29b는 성막속도의 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프다.
도 30은 실시예 6의 결과를 나타내는 특성도이다.
도 31은 실시예 7의 결과를 나타내는 특성도이다.
도 32는 실시예 8의 결과를 나타내는 특성도이다.
도 33은 종래의 마그네트론 스퍼터 장치를 나타내는 종단면도,
도 34는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에 이용되는 마그네트체를 나타내는 평면도,
도 35는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치의 작용을 설명하는 종단면도.

본 발명의 일 실시형태에 따른 마그네트론 스퍼터 장치에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 상기 마그네트론 스퍼터 장치의 일예를 나타내는 종단면도이며, 도면 중 ‘2’는 예를 들면 알루미늄(Al)에 의해 구성되고, 접지된 진공용기(2)이다. 이 진공용기(2)는 천장부가 개구되어 있고, 이 개구부(21)를 막도록 타겟 전극(3)이 마련되어 있다. 이 타겟 전극(3)은 성막 재료 예를 들면 텅스텐(W)으로 이루어지는 타겟(31)을, 예를 들면 동(Cu) 혹은 알루미늄(Al)으로 이루어지는 도전성의 베이스판(32)의 하면에 접합하는 것에 의해 구성되어 있다. 상기 타겟(31)은 예를 들면 평면형상이 원형형상으로 구성되고, 그 직경은 피처리 기판을 이루는 반도체 웨이퍼(이하「웨이퍼」라 함)(10)보다도 커지도록, 예를 들면 400 내지 450㎜로 설정되어 있다.

상기 베이스판(32)은 타겟(31)보다도 크게 형성되고, 베이스판(32)의 하면의 둘레 가장자리 영역이 진공용기(2)의 개구부(21)의 주위에 탑재되도록 마련되어 있다. 이 때, 베이스판(32)의 둘레 가장자리부와 진공용기(2)의 사이에는 환상의 절연 부재(22)가 마련되어 있고, 이와 같이 해서, 타겟 전극(3)은 진공용기(2)와는 전기적으로 절연된 상태에서 진공용기(2)에 고정되어 있다. 또한, 이 타겟 전극(3)에는 전원부(33)에 의해 부의 직류 전압이 인가되도록 되어 있다.

진공용기(2)내에는 상기 타겟 전극(3)과 평행하게 대향하도록, 웨이퍼(10)를 수평으로 탑재하는 탑재부(4)가 마련되어 있다. 이 탑재부(4)는 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 전극(대향 전극)으로서 구성되고, 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(41)가 접속되어 있다. 해당 탑재부(4)는 승강 기구(42)에 의해, 웨이퍼(10)를 진공 챔버(2)에 대해 반입 반출하는 반송 위치와, 스퍼터시에 있어서의 처리위치의 사이에서 승강 가능하게 구성되어 있다. 상기 처리위치에서는 예를 들면 탑재부(4)상의 웨이퍼(10)의 상면과 타겟(31)의 하면의 거리 TS h가 예를 들면 10㎜ 이상 30㎜ 이하로 설정되어 있다.

또한, 이 탑재부(4)의 내부에는 가열 기구를 이루는 히터(43)가 내장되고, 웨이퍼(10)가 예를 들면 400℃로 가열되도록 되어 있다. 또한, 이 탑재부(4)에는 해당 탑재부(4)와 도시하지 않은 외부의 반송 아암의 사이에서 웨이퍼(10)를 수수하기 위한 도시하지 않은 돌출 핀이 마련되어 있다.

진공용기(2)의 내부에는 타겟 전극(3)의 아래쪽측을 둘레 방향을 따라 둘러싸도록 환상의 챔버 실드 부재(44)가 마련되어 있는 동시에, 탑재부(4)의 측쪽을 둘레 방향을 따라 둘러싸도록 환상의 홀더 실드 부재(45)가 마련되어 있다. 이들은 진공용기(2)의 내벽에의 스퍼터 입자의 부착을 억제하기 위해 마련되는 것이며, 예를 들면 알루미늄 혹은 알루미늄을 모재로 하는 합금 등의 도전체에 의해 구성되어 있다. 챔버 실드 부재(44)는 예를 들면 진공용기(2)의 천장부의 내벽에 접속되어 있고, 진공용기(2)를 거쳐서 접지되어 있다. 또한, 홀더 실드 부재(45)를 거쳐서 탑재부(4)가 접지되도록, 홀더 실드 부재(45)가 접지되어 있다.

또한, 진공용기(2)는 배기로(23)를 거쳐서 진공 배기 기구인 진공 펌프(24)에 접속되는 동시에, 공급로(25)를 거쳐서 불활성 가스 예를 들면 Ar 가스의 공급원(26)에 접속되어 있다. 도면 중 ‘27’은 게이트밸브(28)에 의해 개폐 가능하게 구성된 웨이퍼(10)의 반송구이다.

타겟 전극(3)의 상부측에는 해당 타겟 전극(3)과 근접하도록 마그네트 배열체(5)가 마련되어 있다. 이 마그네트 배열체(5)는 도 2 및 도 3(도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도)에 나타내는 바와 같이, 투자성이 높은 재료 예를 들면 철(Fe)로 이루어지는 베이스체(51)에 마그네트군(52)을 배열하는 것에 의해 구성되어 있다. 상기 베이스체(51)는 타겟(31)과 대향하도록 마련되고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 그 평면형상은 원형형상으로 형성되어 있고, 그 직경은 예를 들면 타겟(31)보다도 커지도록, 예를 들면 타겟 직경보다도 60㎜ 정도 큰 값으로 설정되어 있다. 도 2는 타겟(31)측에서 마그네트군(52)을 보았을 때의 평면도이다.

상기 마그네트 배열체(5)는 정지(靜止)시에 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하도록 마그네트군을 구성하는 Ｎ극 및 S극이 타겟(31)에 대향하는 면을 따라 후술하는 바와 같이 서로 간격을 두고 배열되고, 마그네트군(52)의 최외주에는 리턴용의 마그네트(53)가 마련되어 있다. 이 리턴용 마그네트(53)는 전자가 커스프 자계에 의한 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하도록, 후술하는 바와 같이 라인형상으로 배열되어 있다.

마그네트군(52) 중에서, 리턴용 마그네트(53)보다도 내측의 마그네트군(54)을 「내측 마그네트군(54)」으로 하고, 내측 마그네트군(54) 중에서, 최외주에 위치하는 마그네트를 「외측 마그네트」로 하는 것으로 하면, 상기 내측 마그네트군(54)은 복수개의 마그네트(6)((61, 62))를 매트릭스 형상으로 배열해서 구성되어 있다. 마그네트(6)((61, 62))는 도 2에 나타내는 바와 같이, 타겟(31)의 좌우 방향(도 1 및 도 2중 X방향)과, 횡단 방향(도 1 및 도 2중 Y방향)에 종횡으로, n열×ｍ행 예를 들면 3열×3행의 매트릭스 형상으로 배열해서 구성되고, 인접하는 마그네트(6)((61, 62))가 서로 다른 극성을 구비하도록 배열되어 있다.

이 예에서는 중앙의 마그네트(61a)가 N극이며, 그 좌우 방향의 양측 및 횡단 방향의 양측에 각각 S극의 마그네트(62a∼62d)가 서로 간격을 두고 배열하도록 마련되어 있다. 여기서, 본 발명에서 말하는 극성은 타겟(31)측을 향하고 있는 극성, 즉 타겟(31)측에서 보았을 때의 극성을 말한다. 따라서, 상기 마그네트(61a)는 타겟(31)측에 N극, 베이스체(51)측에 S극이 각각 향하고 있다.

이들 마그네트(61, 62)는 복수의 마그네트 요소로 분할되어 구성되어 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 마그네트 요소(63)는 예를 들면 원주형상으로 구성되고, 상기 마그네트(61a)는 마그네트 요소(63)를 상기 좌우 방향으로 2개, 횡단 방향으로 2개 배열하는 동시에, 이들을 2단으로 적층해서 합계 8개의 마그네트 요소(63)의 집합체로서 구성되어 있다. 이러한 마그네트 요소(63)로서는 예를 들면 직경이 20 내지 30㎜, 두께가 10 내지 15㎜, 1개의 마그네트 요소(63)의 표면 자속 밀도가 2내지 3kG 정도의 것이 이용된다. 이들 마그네트 요소(63)는 예를 들면 평면형상이 대략 정사각형 형상의 케이스체(64)에 수납되고, 베이스체(51)의 하면에 고정되어 있다.

이들 마그네트(61, 62)는 예를 들면 케이스체(64)의 서로 인접하는 변이 상기 좌우 방향 및 횡단 방향으로 각각 평행하게 마련되고, 또 인접하는 케이스체(64)에 대해 서로 등거리분 떨어지도록 배열되어 있다. 즉, 중앙의 마그네트(61a)를 예로 들어 설명하면, 좌우 방향으로 인접하는 마그네트(62a, 62c)의 이간 거리 L2와, 횡단 방향으로 인접하는 마그네트(62b, 62d)의 이간 거리 L1이 서로 동등하게 되도록 마련되어 있다. 이와 같이 해서, 내측 마그네트군(54)의 배열의 중심에서 보았을 때에, 마그네트(62a∼62d)의 중심끼리가 각각 동일 반경 위에 있고, 또한 마그네트(61b∼61e)의 중심끼리가 각각 동일 반경 위에 있도록, 마그네트(61, 62)가 매트릭스형상으로 배열되어 있다. 이 예에서는 내측 마그네트군(54)의 배열의 중심은 베이스체(51)의 중심 O에 상당한다.

또한, 내측 마그네트군(54)은 N극의 마그네트 요소(63)의 개수와 S극의 마그네트 요소(63)의 개수가 동수가 되고, 또한 배열의 중심 O에서 보았을 때에, 그 중심이 동일 반경 위에 있는 마그네트(62a∼62d)끼리 (마그네트(61b∼61e)끼리)에서는 마그네트 요소(63)의 수가 동수가 되도록 구성되어 있다. 또한, 내측 마그네트군(54)은 배열의 중심 O에서 보았을 때에, 외측의 마그네트를 향함에 따라(마그네트 요소(63)의 개수의 조정으로) 자력이 작아지도록 설정되어 있다. 상기 마그네트(61, 62)는 복수의 마그네트 요소(63)로 분할되어 구성되어 있으므로, 마그네트 요소(63)의 집합 수에 따라 마그네트(61, 62)의 자력이 조정된다.

여기서 도 2에 있어서의, 마그네트 요소(63)에 기재된 숫자는 마그네트군의 높이 방향(도 4중 Z방향)의 마그네트 요소(63)의 적층 수를 나타내고 있으며, 예를 들면 도 5에 외측 마그네트(61b)를 예로 들어 나타내면, 해당 마그네트(61b)는 4개의 마그네트 요소(63)를 조합해서 구성되어 있다.

이와 같이, 이 예의 내측 마그네트군(54)은 24개의 N극의 마그네트 요소(63)와, 24개의 S극의 마그네트 요소(63)를 구비하고 있고, 또한 배열의 중심 O에서 보았을 때에, 그 중심에 있는 마그네트(61a)의 마그네트 요소(63)는 8개, 동일 반경 위에 있는 마그네트(62a∼62d)는 마그네트 요소(63)가 6개, 가장 외측의 동일 반경 위에 있는 마그네트(61b∼61e)는 마그네트 요소(63)가 4개가 되도록 각각 설정되어 있다. 이와 같이 해서 내측 마그네트군(54) 중에서 최외주에 위치하는 외측 마그네트의 자력은 해당 외측 마그네트보다도 내측에 위치하는 마그네트보다도 작아지도록 설정되게 된다.

상기 리턴용 마그네트(53a∼53d)에 대해, 리턴용 마그네트(53d)를 예로 들어 설명하면, 외측 마그네트의 중앙의 마그네트(62d)의 주위를 드리프트하는 전자가, 마그네트군(52)을 평면적으로 보았을 때에, 마그네트군(52)의 간극으로부터 마그네트군(52)의 밖으로 튀어나가지 않고 내측으로 되돌아오도록 형성되어 있다. 이 때문에, 리턴용 마그네트(53d)는 라인형상으로 배열되고, 이 예에서는 평면적으로 보았을 때에, 직선형상(직 선형상으로 신장하는 띠형상)으로 형성되어 있다. 또한, 그 길이는 마그네트(62d)의 길이보다도 크고, 그 길이 방향의 양 단부는 해당 마그네트(62d)의 양측에 인접하는 외측 마그네트(61c, 61d)측까지 신장하도록 형성되어 있다. 또한, 외측 마그네트의 중앙에 위치하는 마그네트(62d)와 다른 극성으로 설정되어 있다.

그리고, 내측 마그네트군(54)의 상기 좌우 방향의 양측에 각각 마련된 리턴용 마그네트(53a, 53c)는 그 길이 방향이 상기 횡단 방향에 평행하게 마련되고, 내측 마그네트군(54)의 상기 횡단 방향의 양측에 각각 마련된 리턴용 마그네트(53b, 53d)는 그 길이 방향이 상기 좌우 방향에 평행하게 마련되어 있다. 이들 4개의 리턴용 마그네트(53a∼53d)는 내측 마그네트군(54)의 최외주인 외측 마그네트(61, 62)와의 이간 거리 L3이 서로 동등하게 되도록 마련되어 있다.

본 발명에서는 마그네트군(52)은 드리프트하고 있는 전자군의 운동 영역보다도 웨이퍼(10)의 둘레 가장자리 위치가 내측이 되도록 구성되어 있다. 또한, 각 리턴용 마그네트(53)의 자속과, 이에 대응하는 내측 마그네트군(54)의 외측 마그네트(61, 62)의 자속의 수지가 맞도록, 리턴용 마그네트(53)와 내측 마그네트군(54)의 각각의 표면 자속 밀도가 조정되어 있다.

또한, 수평 자장(자속 밀도)의 강도는 안정된 방전을 얻기 위해, 예를 들면 100∼300G로 설정하는 것이 바람직하다. 이 자속 밀도는 마그네트(61, 62)의 크기, 마그네트(61, 62)의 표면 자속 밀도, 마그네트(61, 62)의 배열 수, 마그네트(61, 62)간의 거리, 마그네트 요소(63)의 개수, 마그네트 요소(63)간의 거리, 외측 마그네트의 크기, 외측 마그네트와 내측 마그네트군(54)의 거리, 후술하는 회전 편심량 등에 따라 적절히 설계된다.

또한, 후술하는 바와 같이, 리턴용의 마그네트(53)와 내측 마그네트군(54)의 각각에 전리가 일어나고, 리턴용의 마그네트(53)와 내측 마그네트군(54)에서는 전리의 강도가 다르지만, 리턴용의 마그네트(53)의 크기나 표면 자속 밀도, 내측 마그네트군(54)의 이간 간격 L3을 조정하는 것에 의해서, 전리의 강도를 제어할 수 있다.

또한, 웨이퍼(10)의 바깥 가장자리로부터 50㎜ 바깥쪽의 영역에, 내측 마그네트군(54)과 리턴용의 마그네트(53)의 이간 부분이 있으면, 성막속도 분포의 균일성이 양호한 것이 시뮬레이션으로부터 명백하며, 이와 같이 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 타겟(31)의 바깥둘레 위치가 내측 마그네트군(54)과 리턴용의 마그네트(53)의 이간 부분에 있도록 설정하면, 리턴용 마그네트(53)에 의한 수평 자장이 타겟(31) 외주를 덮고, 타겟(31) 전면에서의 이로전이 가능해진다. 타겟(31)보다 마그네트의 형성 영역이 커지면, 이상 방전이 발생할 우려가 있지만, 리턴용 마그네트(53)의 자속과, 내측 마그네트군(54)을 구성하는 마그네트(61, 62)의 자속의 수지를 맞추는 것에 의해서, 이상 방전을 방지할 수 있다고 파악되고 있다.

이와 같이, 마그네트 요소의 크기나, 배열 간격 등의 각종 조건을 조정하는 것에 의해, 타겟(31)의 바로 아래에서 균일한 자계가 형성되도록 마그네트 배열체(5)가 설계된다. 이 때, 도 2에 나타내는 예는 마그네트군(52)과 웨이퍼(10)와 베이스체(51)의 상대적 크기를 나타내고 있고, 이와 같이 웨이퍼(10)의 바깥 가장자리는 마그네트군(52)의 형성 영역보다도 내측에 위치하고 있다. 단, 도 2에 나타내는 예에 있어서의 마그네트군(52)은 구성예의 하나이며, 웨이퍼(10)의 크기에 맞추어, 마그네트(61, 62), 리턴용의 마그네트(53)의 설치 수가 적절히 증감된다.

여기서, 설계예의 하나를 나타내면, 리턴용 마그네트(53)는 종단면의 크기가 예를 들면 10㎜×20㎜, 길이가 예를 들면 120㎜, 표면 자속 밀도는 2 내지 3kG이지만, 그 크기나 적층 수를 조정하는 것에 의해, 내측 마그네트군(54)의 외측 마그네트에 대한 자력의 최적화를 도모할 수 있다. 또한, 내측 마그네트군(54)에서는 마그네트(61, 62)끼리의 좌우 방향의 이간 거리 L1 및 횡단 방향의 이간 거리 L2는 모두 예를 들면 5 내지 10㎜, 내측 마그네트군(54)의 최외주의 마그네트(61, 62)와 리턴용 마그네트(53)의 이간 거리 L3은 예를 들면 5 내지 30㎜로 각각 설정되어 있다.

또한, 마그네트군(54)을 구성하는 마그네트(61, 62, 53)는 동일한 두께로 설정되고, 이 때문에 이들 마그네트(61, 62, 53)의 하면의 높이 위치는 일치되도록 구성되어 있다. 그리고, 이들 마그네트(61, 62, 53)의 하면과 타겟(31)의 상면까지의 거리는 예를 들면 15∼40㎜로 설정된다. 이 때, 마그네트 요소(63)와 동일 형상의 철제의 더미체를 베이스체(51)측에 넣는 것에 의해서, 마그네트의 하면끼리의 높이를 맞추는 것이 가능하다. 철은 투자율이 높기 때문에, 베이스체(51)를 향하는 자속이 확산하지 않으므로, 더미체가 없는 경우와 타겟 전극(3)측으로의 자속이 동일하게 된다. 이 경우의 장점은 전체의 밸런스를 유지해서 타겟 전극(3)측으로의 자속을 조정할 수 있다는 점에 있다.

상기 마그네트 배열체(5)의 베이스체(51)의 상면은 회전축(55)을 거쳐서 회전 기구(56)에 접속되어 있고, 이 회전 기구(56)에 의해 마그네트 배열체(5)는 웨이퍼(10)에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전 가능하게 구성되어 있다. 이 예에서는 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전축(55)은 베이스판(51)의 중심 O로부터 예를 들면 20 내지 30㎜ 편심된 위치에 마련되어 있다.

이 마그네트 배열체(5)의 주위에는 해당 마그네트 배열체(5)의 회전 영역을 형성한 상태에서, 마그네트 배열체(5)의 상면 및 측면을 덮도록, 냉각 기구를 이루는 냉각 자켓(57)이 마련되어 있다. 이 냉각 자켓(57)의 내부에는 냉각 매체의 유로(58)가 형성되어 있고, 해당 유로(58)내에 소정 온도로 조정된 냉각 매체 예를 들면 냉각수를 공급부(59)로부터 순환 공급하는 것에 의해, 마그네트 배열체(5) 및 해당 마그네트 배열체(5)를 거쳐서 타겟 전극(3)이 냉각되도록 구성되어 있다.

이상에 설명한 구성을 구비하는 마그네트론 스퍼터 장치는 전원부(33)나 고주파 전원부(41)로부터의 전력 공급 동작, Ar 가스의 공급 동작, 승강 기구(42)에 의한 탑재부(4)의 승강 동작, 회전 기구(56)에 의한 마그네트 배열체(5)의 회전 동작, 진공 펌프(24)에 의한 진공용기(2)의 배기 동작, 히터(43)에 의한 가열 동작 등을 제어하는 제어부(100)를 구비하고 있다. 이 제어부(100)는 예를 들면 도시하지 않는 CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터로 이루어지고, 이 기억부에는 해당 마그네트론 스퍼터 장치에 의해서 웨이퍼(10)에의 성막을 실행하기 위해 필요한 제어에 대한 스텝(명령)군이 짜여진 프로그램이 기억되어 있다. 이 프로그램은 예를 들면 하드 디스크, 컴팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되고, 그곳으로부터 컴퓨터에 인스톨된다.

계속해서, 상술한 마그네트론 스퍼터 장치의 작용에 대해 설명한다. 우선, 진공용기(2)의 반송구(27)를 열고, 탑재부(4)를 수수 위치에 배치하여, 도시하지 않은 외부의 반송 기구 및 밀어 올림 핀의 협동 작업에 의해, 탑재부(4)에 웨이퍼(10)를 수수한다. 다음에, 반송구(27)를 닫고, 탑재부(4)를 처리위치까지 상승시킨다. 또한, 진공용기(2)내에 Ar 가스를 도입하는 동시에, 진공 펌프(24)에 의해 진공 배기하여, 진공용기(2)내를 소정의 진공도 예를 들면 1.46∼13.3Pa(11∼100ｍTorr)로 유지한다. 한편, 마그네트 배열체(5)를 회전 기구(56)에 의해 회전시키면서, 전원부(33)로부터 타겟 전극(3)에 예를 들면 100W∼3kW의 부의 직류 전압을 인가하는 동시에, 고주파 전원부(41)로부터 탑재부(4)에 수백 KHz∼백 MH 정도의 고주파 전압을 10W∼1kW 정도 인가한다. 또한, 냉각 자켓(57)의 유로(58)에는 상시 냉각수를 통류시켜 둔다.

타겟 전극(3)에 직류 전압을 인가하면, 이 전계에 의해 Ar 가스가 전리해서 전자를 발생한다. 한편, 마그네트 배열체(5)의 마그네트군(52)에 의해, 도 3에 나타내는 바와 같이, 내측 마그네트군(54)의 마그네트(61, 62)끼리의 사이, 및 내측 마그네트군(54)의 외측 마그네트와 리턴용 마그네트(53)끼리의 사이에 커스프 자계(50)가 형성되고, 이 커스프 자계(50)가 연속해서 타겟(31)의 표면(스퍼터되는 면) 근방에 수평 자장이 형성된다.

이와 같이 해서, 타겟(31) 근방의 전계 E와 상기 수평 자장 B에 의한 Ｅ×B에 의해서 상기 전자는 가속되고, 드리프트된다. 그리고, 가속에 의해서 충분한 에너지를 가진 전자가, 또한 Ar 가스와 충돌하고, 전리를 일으켜 플라즈마를 형성하고, 플라즈마 중의 Ar 이온이 타겟(31)을 스퍼터한다. 또한, 이 스퍼터에 의해 생성된 2차 전자는 상기 수평 자장에 포착되어 재차 전리에 기여하고, 이와 같이 해서 전자 밀도가 높아지고, 플라즈마가 고밀도화된다.

여기서, 상기 전자의 드리프트의 방향에 대해 도 6에 모식적으로 나타낸다. 예를 들면, 내측 마그네트군(54)의 중앙의 Ｎ극의 마그네트(61a)에 착안하면, 해당 마그네트(61a)를 시계방향으로 주회하도록 전자가 드리프트되고, S극의 마그네트(62a, 62b, 62c, 62d)에서는 반시계방향으로 주회하도록, 전자가 드리프트된다.

이 마그네트군(52)의 레이아웃에 의하면, 드리프트하고 있는 전자군의 운동 영역보다도 웨이퍼(10)의 둘레 가장자리 위치가 내측이 되도록 설정되어 있다. 이에 따라, 마그네트 배열체(5)가 정지해 있을 때에, 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하게 된다.

여기서, 리턴용 마그네트(53d)를 예로 들어 설명하면, 해당 리턴용 마그네트(53d)는 기술한 바와 같이 좌우 방향으로 직선형상으로 신장하는 띠형상으로 형성되고, 내측 마그네트군(54)의 최외주에 있는 외측 마그네트(62d)와 이간 간격 L3을 거쳐서 마련되어 있다. 또한, 그 길이 방향의 양단측은 마그네트(62d)에 인접하는 마그네트(61c, 61d)측까지 연장되어 있다.

따라서, 마그네트(62d)와 마그네트(61c)의 사이를 드리프트하고 있는 전자에서 보면, 진행 방향의 전방측에 가로놓이도록 마그네트(53d)가 존재하고 있게 된다. 그리고, 이 마그네트(53d) 유래의 커스프 자계의 자속과 마그네트(62d) 유래의 커스프 자계의 자속이 결합하기 때문에, 마그네트(62d)와 마그네트(61c)의 사이를 드리프트하고 있는 전자는 그대로 커스프 자계를 따라 움직이고, 좌측 방향으로 커브해 간다. 다음에, 마그네트(62d)와 마그네트(61d)의 사이에 이르면, 이들 간의 커스프 자계에 의해서 구속되어 좌측 방향으로 커브하고, 이와 같이 해서 재차 내측 마그네트군(54)의 영역으로 되돌려진다. 이와 같이, 리턴용 마그네트(53)를 마련하는 것에 의해, 커스프 자계의 구속에 의해서 전자가 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것이 저지되기 때문에, 전자 손실이 억제되고, 전자 밀도가 고밀도화된다.

한편, 리턴용 마그네트(53)가 없는 경우에는 내측 마그네트군(54)의 외주부에서는 기술한 바와 같이, E×B의 벡터 방향이 타겟(31)의 외측을 향하는 개방단이 존재한다. 이 때문에, 마그네트(62d)와 마그네트(61c)의 사이를 드리프트하고 있는 전자는 드리프트 방향의 앞쪽측에는 커스프 자계가 존재하지 않으므로, 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 마그네트군(52)의 바깥쪽으로 튀어나간다. 이와 같이 해서, 내측 마그네트군(54)의 최외주의 마그네트로부터 전자가 튀어나가기 때문에 전자 손실이 커지고, 전자 밀도를 높게 할 수 없어지는 동시에, 외주부의 전자 밀도가 작아지기 때문에, 전자 밀도의 면내 균일성도 저하해 버린다.

도 6 ~ 도 8은 마그네트 배열체(5)를 타겟(31)측으로부터 본 평면도이다. 이와 같이, 리턴용 마그네트(53)는 전자를 마그네트군(52)의 간극으로부터 마그네트군(52)의 밖으로 튀어나가게 하지 않고 내측으로 되돌리는 역할을 하고 있기 때문에, 해당 작용을 발휘하도록 라인형상으로 배열되면 좋다. 외측 마그네트(62d)에 대응해서 마련된 리턴용 마그네트(53d)를 예로 들어 설명하면, 본 발명자들은 리턴용의 마그네트(53d)가 외측 마그네트(62d)와 다른 극성을 갖는 동시에, 해당 외측 마그네트(62d)에 대향해서 직선형상 또는 곡선형상으로, 또한 그 양단부를 해당 외측 마그네트(62d)의 양 인접의 외측 마그네트(61c, 61d)측까지 신장하도록 배열되는 것이면, 상기 작용을 얻을 수 있다고 파악하고 있다. 따라서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 평면형상이 대략 원호형상인 리턴용 마그네트(531)를 이용하도록 해도 좋고, 도 8에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 점형상 마그네트(60)를 복수개 라인형상으로 배열해서 리턴용 마그네트(532)를 구성하도록 해도 좋다. 이 경우, 점형상 마그네트(60)를 서로 접촉시켜 배열하는 경우 이외에, 전자의 튀어나감을 방지하여 내측으로 되돌리는 역할을 하는 경우에는 점형상 마그네트(60)를 서로 약간의 간격을 두고 배열하도록 해도 좋다. 예를 들면, 점형상 마그네트를 이용하는 경우에는 하나의 점형상 마그네트의 직경이 15 내지 25㎜, 높이가 10 내지 15㎜, 표면 자속 밀도가 2 내지 3kG의 것을 이용할 수 있고. 이 때, 그 길이 방향의 배열 수나 적층 수에 의해 자력을 조정할 수 있고, 자력의 조정을 위해, 자력의 강도가 다른 것을 배열하도록 해도 좋다.

이와 같이 해서 전자는 하나의 마그네트(61, 62) 뿐만 아니라, 모든 마그네트(61, 62)를 주회하도록 뛰어다니면서 가속되고, Ar 가스와의 충돌과 전리를 반복한다. 이 때, 리턴용 마그네트(53)와 내측 마그네트군(54)의 사이에 있어서도 전리는 일어나며, 이것에 의해 발생한 2차 전자는 마찬가지로 드리프트해서 내측 마그네트군(54)의 영역에 들어가는 것에 의해서, 마그네트군(52)이 형성된 영역 전체의 전리에 기여한다. 그 결과, 타겟(31)의 바로 아래 근방에 있어서, 고밀도의 플라즈마를 높은 면내 균일성으로 생성할 수 있다. 또한, 내측 마그네트군(54)의 최외주에 있어서의 자속의 발산이 억제되고, 자속의 밸런스를 확보할 수 있으므로, 이 점에서도 플라즈마 밀도의 면내 균일성이 높아진다.

이와 같이 해서, Ar 가스의 전리를 반복하는 것에 의해 Ar 이온을 생성하고, 이 Ar 이온에 의해 타겟(31)이 스퍼터된다. 이에 따라 타겟(31) 표면으로부터 두드려진 텅스텐 입자는 진공용기(2)내로 비산해 가고, 이 입자가 탑재부(4)상의 웨이퍼(10) 표면에 부착됨으로써, 웨이퍼(10)에 텅스텐의 박막이 형성된다. 또한, 웨이퍼 W로부터 어긋난 입자는 챔버 실드 부재(44)나 홀더 실드 부재(45)에 부착된다. 이 때, 탑재부(4)에는 고주파 전력이 공급되어 있으므로, Ar 이온의 웨이퍼(10)에의 입사가 유인되고, 히터(43)에 의한 가열과의 상승 작용에 의해 치밀하고 저항이 낮은 박막이 형성된다.

타겟(31)의 이로전은 기술한 바와 같이, 서로 이극의 마그네트끼리의 사이의 중간부(중심 및 그 부근)에 형성되지만, 상술한 마그네트 배열체(5)에서는 마그네트(61, 62)를 매트릭스형상으로 배열하고 있으므로, 이로전이 발생하는 개소가 많고, 타겟(31)의 전면에 걸쳐서 주기적으로 이로전이 형성된다. 또한, 기술한 바와 같이, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐, 플라즈마 밀도를 더욱 균일하게 할 수 있으므로, 이로전의 진행의 정도가 일치되고, 이 점에서도 면내 균일성이 높아진다.

이 때, 이로전의 균일성을 더욱 높게 하기 위해, 마그네트 배열체(5)를 회전 기구(56)에 의해 연직축을 중심으로 회전시키고 있다. 플라즈마 밀도를 마이크로적으로 보면, 수평 자장에 의거하는 고저가 형성되어 있지만, 마그네트 배열체(5)를 회전시키는 것에 의해, 이 플라즈마 밀도의 고저가 고르게 되기 때문이다. 또한, 이 실시형태에서는 마그네트 배열체(5)를, 베이스체(51)의 중심으로부터 편심시킨 위치를 중심으로 해서 회전시키고 있으므로, 후술하는 실시예로부터 명확한 바와 같이, 성막속도 분포의 균일성이 더욱 높아진다.

즉, 마그네트 배열체(5)에서는 수평 자속 밀도가 타겟(31)의 면내에 있어서 균일하게 분배되도록 형성되고, 마그네트(61, 62)끼리의 사이의 중간부에 이로전이 발생하지만, 마그네트(61, 62)의 바로 아래의 커스프 부분에는 수평 자장이 없고, 전리가 일어나지 않으므로, 스퍼터가 일어나기 어렵다. 이 때문에, 마그네트(61, 62)의 바로 아래의 성막속도가 다른 부분보다도 작아지고, 직경 방향에서 보면, 성막 속도 분포는 작은 요철이 주기적으로 존재하는 형상으로 된다. 따라서, 마그네트 배열체(5)를 편심 회전시키면, 이 요철이 상쇄되어, 더욱 균일한 성막속도 분포를 얻을 수 있다.

이 때, 이로전을 일으키는 부분이 원주 방향에서 교대로 일어나고, 이로전이 시간적으로 평준화하며, 이로전의 회전 대상이 많아지도록, 마그네트 배열체(5)를 형성하면, 회전수가 적어도 성막속도 분포의 균일화를 도모할 수 있으므로, 고속으로 단시간에 성막할 때에 유리하게 된다.

또한, 이와 같이 이로전의 면내 균일성이 높기 때문에, 본 발명에서는 웨이퍼(10)와 타겟(31)의 거리를 30㎜ 이하로 접근시킨 상태에서 스퍼터 처리가 실행된다. 즉, 이로전의 형상이 성막속도 분포에 반영되기 때문에, 이로전의 균일성이 높은 경우에는 타겟(31)에 웨이퍼(10)를 근접시켜도 높은 성막속도 분포의 균일성을 얻을 수 있기 때문이다. 이 때, 타겟(31)으로부터 웨이퍼(10)를 떨어뜨려 두면, 후술하는 실시예로부터 명확한 바와 같이, 웨이퍼(10)의 외주부에 있어서의 성막속도가 저하해 버린다. 이것은 타겟(31)의 외주측에서 스퍼터된 입자가 웨이퍼(10)의 바깥쪽으로 비산해 버려, 성막 효율이 저하하기 때문이다.

이와 같이 본 발명에서는 성막속도의 면내 균일성을 확보하기 위해서는 웨이퍼(10)와 타겟(31)의 거리를 30㎜ 이하로 접근시켜 스퍼터 처리를 하는 것이 필요하다. 단, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 너무 접근시키면, 플라즈마의 생성 공간이 너무 작아져, 방전이 발생하기 어렵기 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리는 10㎜ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

그리고, 웨이퍼(10)가 타겟(31)의 바로 아래에 배치되어 있으므로, 타겟(31)으로부터 스퍼터된 입자가 신속하게 웨이퍼(10)에 부착되어 간다. 이 때문에, 웨이퍼(10)의 박막의 형성에 기여하는 스퍼터 입자가 많아지고, 성막 효율이 높아진다. 여기서, 도 9에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리와, 성막 효율 및 성막속도의 면내 균일성의 각 관계를 나타낸다. 횡축이 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리, 좌측 종축이 성막 효율, 우측 종축이 성막속도의 면내 분포를 각각 나타내고 있다. 성막 효율에 대해서는 실선 A1로 본 발명의 구성, 2점쇄선 A2로 종래의 구성(도 23에 나타내는 구성)의 데이터를 각각 나타내고, 성막속도의 면내 균일성에 대해서는 일점쇄선 B1로 본 발명의 구성, 점선 B2로 종래의 구성의 데이터를 각각 나타내고 있다.

면내 분포에 착안하면, 본 발명에서는 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작을수록 균일성이 높고, 상기 거리가 커짐에 따라 점차 저하해 간다. 또한, 성막 효율에 착안하면, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작을수록, 성막 효율이 높고, 상기 거리가 커짐에 따라 점차 저하해 간다. 이와 같이, 본 발명의 구성에서는 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작을수록, 성막속도의 면내 균일성, 성막 효율이 모두 양호해지고, 성막속도의 면내 균일성과 성막 효율의 양립을 도모할 수 있다.

이에 대해, 종래의 구성에서는 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작은 경우에는 성막속도의 면내 균일성이 매우 낮고, 상기 거리가 커짐에 따라 높아지고, 임의의 거리를 지나면 재차 저하해 간다. 이 때문에, 높은 면내 균일성을 확보하고자 하면, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 크게 취하지 않을 수 없지만, 상기 거리를 크게 하면, 성막 효율에 대해서는 본 발명의 구성에 비해 상당히 낮아져 버린다.

상술한 실시형태에 의하면, 개방단이 없는 닫힌 그물코형상의 수평 자장이 형성되어 있으므로, 기술한 바와 같이, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높다. 이 때문에, 웨이퍼(10)와 타겟(31)의 거리를 30㎜ 이하로 접근시켜 스퍼터 처리를 실행할 수 있다. 그 결과, 웨이퍼(10)로부터 어긋나 챔버 실드 부재(44)나 홀더 실드 부재(45)에 부착되는 스퍼터 입자가 적어지므로, 성막 효율을 향상시킬 수 있고, 빠른 성막속도를 얻을 수 있다.

또한, 타겟(31)의 이로전에는 마이크로적으로 보면 요철이 있지만, 일부의 오목부가 다른 부분에 비해 깊어지는 바와 같은 일이 없고, 면내 전체에서 균일하게 이로전이 진행한다. 이 때문에, 타겟(31)의 수명이 길어지고, 타겟(31)의 사용 효율을 높게 할 수 있다.

또한, 상술한 실시형태에 의하면, 마그네트 요소(63)를 집합시킨 마그네트(61, 62)를 이용하고 있고, 연속된 수평 자장을 길게 취할 수 있기 때문에, 전자가 가속되고 드리프트하는 거리가 길다. 이 때문에, 전리의 기회가 많아지므로, 플라즈마 밀도가 높아진다. 그 결과, 타겟(31)에서는 이로전이 신속하게 진행하여, 많은 스퍼터 입자가 방출되므로, 성막속도가 증대한다.

또한, 마그네트 요소(63)를 집합시켜 마그네트(61, 62)를 구성하고 있으므로, 하나의 마그네트(61, 62)의 자력의 조정을 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 마그네트(61, 62)내의 마그네트 요소(63)의 수를 조정할 수 있기 때문에, N극의 마그네트 요소(63)와 S극의 마그네트 요소(63)의 수를 동수로 할 수 있고, N극과 S극의 자속의 밸런스를 취할 수 있다. 이에 따라, 수평 자장의 치우침이 억제되고, 이로전의 형성 및 성막속도의 면내 편차의 발생을 억제할 수 있다.

또, 내측 마그네트군(54)의 배열의 중심 O에서 보았을 때에, 그 중심 O가 동일 반경 위에 있는 마그네트(62a∼62d)끼리 (마그네트(61b∼61e)끼리)에서는 마그네트 요소(63)의 수가 동수로 설정되어 있고, 상기 중심 O에서 보았을 때에, 외측의 마그네트를 향함에 따라 마그네트 요소(63)의 수가 적어지도록 설정되어 있으므로, 후술하는 실시예로부터 명백한 바와 같이, 성막속도의 면내 균일성을 더욱 높일 수 있다.

즉, 내측 마그네트군(54)의 최외주의 4개의 코너부에 배치된 Ｎ극의 마그네트(61b, 61c, 61d, 61e)에서는 4개의 변의 2개에 대해서는 이들 변과 인접해서 자속의 집속지(集束先: convergence)인 Ｓ극의 마그네트(62)가 존재하지만, 나머지의 2개의 변에 대해서는 대응하는 Ｓ극의 마그네트(62)가 존재하지 않는 상태이다. 이 때문에, 인접하는 마그네트(62)와의 사이와의 자속이 많아지고, 그 부분의 수평 자장이 강하게 되어 버린다. 따라서, 상술한 실시형태와 같이, 이들 마그네트(61b, 61c, 61d, 61e)를 구성하는 마그네트 요소(63)의 개수를 적게 해서 자력을 작게 하면, 수평 자장의 밸런스를 취할 수 있다. 여기서, 이들 마그네트(61b, 61c, 61d, 61e)의 자력은 마그네트 요소(63)의 개수를 바꾸지 않고, 표면 자속 밀도가 작은 마그네트 요소(63)를 이용하는 것에 의해서 작게 하도록 해도 좋다.

이와 같이, 본 발명의 구성에 의하면, 도33 22에 나타내는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에 비해 성막 효율을 400%(4배) 정도로 향상시킬 수 있으므로, 예를 들면 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 20㎜인 경우에는 인가 전력이 4kWh 정도이어도, 300㎚/min 정도의 성막속도를 확보할 수 있고, 소비 전력을 억제하여, 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 타겟(31)의 사용 효율도 80% 정도로 높아지므로, 이 점에서도 저비용화를 도모할 수 있다.

상술한 실시형태에서는 마그네트(61, 62)의 평면형상은 정사각형 형상인 경우에는 한정되지 않고, 직사각형 형상이어도 좋고, 원형형상이어도 좋다. 또한, 1개의 마그네트(61, 62)에 수납되는 마그네트 요소(63)의 최대 수는 8개로는 한정하지 않는다. 또한, 마그네트(61, 62)에 수납되는 마그네트 요소(63)의 수는 상술한 도 2에 기재한 예에 한정되지 않으며, 예를 들면 도 10에 나타내는 바와 같이, 모든 마그네트(61, 62)를 8개의 마그네트 요소(63)의 집합체에 의해 구성해도 좋다. 이러한 마그네트 배열체(5A)에서는 마그네트 요소(63)의 표면 자속 밀도를 조정하는 것에 의해, 내측 마그네트군(54A)에 있어서, 최외주에 위치하는 외측 마그네트의 자력을, 해당 외측 마그네트보다도 내측에 위치하는 마그네트의 자력보다도 작게 하도록 조정해도 좋다.

여기서, 상술한 예에서는 마그네트 요소(63)는 케이스체(64)에 수용하고 있으므로, 소정의 마그네트 요소(63)를 미리 케이스체(64)에 수용해 두는 것에 의해서, 마그네트 배열체(5)의 조립을 용이하게 실행할 수 있다고 하는 장점이 있지만, 반드시 마그네트 요소(63)를 케이스체(64)에 수용할 필요는 없다. 또한, 기술한 바와 같이, 웨이퍼(10)의 크기에 맞추어 마그네트(61, 62), 리턴용의 마그네트(53)의 설치 수를 증감하면 좋고, 이 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상술한 예에서는 타겟(31)의 바깥 가장자리를 마그네트군(52)의 내측에 설정했지만, 타겟(31)의 바깥 가장자리를 마그네트군(52)의 외측에 설정하도록 해도 좋다.

또한, 마그네트 배열체(5)는 베이스체(51)의 중심 O로부터 편심시켜 회전시키고 있으므로, 이 편심 회전시에, 웨이퍼(10)의 바깥 가장자리로부터 50㎜ 바깥쪽의 영역에, 내측 마그네트군(54)과 리턴용의 마그네트(53)의 이간 부분이 있도록 설정하면, 성막속도 분포의 균일성을 양호하게 할 수 있다. 마찬가지로, 편심 회전시에 타겟(31)의 바깥 가장자리가 내측 마그네트군(54)의 바깥 가장자리와 리턴용 마그네트(53)의 이간 부분에 위치하도록 타겟(31)과 마그네트 배열체(5)의 크기를 설정하면, 타겟(31)의 전면에서 이로전을 형성할 수 있고, 균일한 성막 처리를 실행할 수 있다.

계속해서, 마그네트 배열체(511)의 다른 예에 대해 설명한다. 도 11에 나타내는 마그네트군(521)은 원주형상의 점형상 마그네트(611, 621)를 3열×3행의 매트릭스형상으로 배열해서 내측 마그네트군(541)을 구성한 예이며, 각 점형상 마그네트(611, 621)는 서로 등간격을 두고, 또한 인접하는 점형상 마그네트(611, 621)의 극성이 서로 이극이 되도록 배열되어 있다. 이 예에 있어서도, 리턴용 마그네트(531)는 내측 마그네트군(542)을 둘러싸도록 라인형상으로 배열되어 있고, 도 11에 화살표로 전자가 드리프트하는 방향을 나타내고 있다. 상기 점형상 마그네트(611, 621)로서는 예를 들면 직경 20∼30㎜, 두께가 10∼15㎜, 표면 자속 밀도가 4∼5kG의 것을 이용할 수 있으며, 점형상 마그네트(611, 621)의 중심끼리의 거리는 예를 들면 60㎜로 설정된다.

이 예에 있어서도, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높다. 이 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켜 스퍼터를 실행할 수 있으므로, 성막 효율을 높게 하면서, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보할 수 있고, 타겟(31)의 사용 효율도 향상한다. 또한, 점형상 마그네트로서는 원주형상 뿐만 아니라, 예를 들면 1변이 20∼30㎜의 정삼각 기둥형상이나, 1변이 20∼30㎜인 정육면체형상의 것 등을 이용할 수 있다.

또한, 마그네트는 n열×ｍ행의 매트릭스형상으로 배열해도 좋다. 도 12에 나타내는 마그네트 배열체(512)의 마그네트군(522)은 원주형상의 점형상 마그네트(611, 621)를 6열×6행의 매트릭스형상으로 배열해서 내측 마그네트군(542)을 구성하고 있다. 이 예에 있어서도, 점형상 마그네트(611, 621)가 종횡에 서로 등간격을 두고, 또한 인접하는 점형상 마그네트(611, 621)의 극성이 서로 이극이 되도록 배열되어 있다. 도 12중 화살표는 전자가 드리프트하는 방향을 나타내고 있다.

또한, 내측 마그네트군(542)의 외측에는 이들 내측 마그네트군(542)을 둘러싸도록, 동일 극성의 리턴용 마그네트(532)가 라인형상으로 배열되어 있다. 이 예에서는 상기 n, m이 짝수이므로, 내측 마그네트군(542)의 최외주에 배열된 점형상 마그네트는 그 양단에 극성이 다른 점형상 마그네트가 위치하고 있다. 이 때문에, 내측 마그네트군(542)의 코너부의 Ｓ극 점형상 마그네트(621a, 621b)의 근방에서는 해당 점형상 마그네트(621a, 621b)를 둘러싸도록, N극의 리턴용 마그네트(532a)가 원호형상으로 배열된다.

따라서, 이 마그네트 배열체(512)에서는 내측 마그네트군(542)의 코너부에 있어서도, 전자가 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것이 저지되어, 전자 손실을 억제할 수 있다. 이 때문에, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있으며, 또 이로전의 면내 균일성이 높아진다. 이 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켜 스퍼터를 실행할 수 있고, 성막 효율을 높게 하면서, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보할 수 있는 동시에, 타겟(31)의 사용 효율이 향상한다.

또한, 점형상 마그네트의 형상은 상술한 마그네트 요소(63)의 집합체나, 원주형상에 한정되지 않으며, 삼각기둥형상이어도 좋다. 도 13에 나타내는 마그네트 배열체(513)의 마그네트군(523)은 삼각기둥형상의 마그네트(612, 622)를 배열해서 내측 마그네트군(543)을 구성한 예이다. 이 예에 있어서는 마그네트(612, 622)의 평면형상은 대략 이등변 삼각형상으로 구성되고, 서로의 사변끼리를 간격을 두고 대향하도록 배열해서 하나의 유닛(631)을 형성하고, 이 유닛(631)을 매트릭스형상으로 배열하여, 내측 마그네트군(543)을 형성하고 있다. 이 예에 있어서도, 인접하는 마그네트(612, 622)의 극성이 서로 이극이 되도록 배열되어 있다.

또한, 내측 마그네트군(543)의 외측에는 이들 내측 마그네트군(543)을 둘러싸도록, 리턴용 마그네트(533, 534)가 라인형상으로 배열되어 있다. 이 예의 리턴용 마그네트(533, 534)는 평면형상이 직사각형 형상인 4개의 마그네트(533a∼533d)와, 평면형상이 대략 L자형상인 2개의 마그네트(534a, 534b)에 의해 구성되어 있다.

상기 리턴용 마그네트(533a∼533d)는 이 예에서는 내측 마그네트군(543)의 상기 좌우 방향 및 횡단 방향의 양측에 각각 마련되고, 내측 마그네트군(543)의 최외주의 중앙에 배치된 마그네트(622a, 622b, 612a, 612b)와는 다른 극성으로 설정되어 있다. 또한, 상기 리턴용 마그네트(534a, 534b)는 내측 마그네트군(543)의 서로 대향하는 2개의 코너부에 대응하여, 이 예에서는 우측 하부 코너부 및 좌측 상부 코너부에 마련되어 있다. 이와 같이 해서, 내측 마그네트군(543)의 코너부의 마그네트(612c, 622c)의 근방에서는 해당 마그네트(612c, 622c)를 둘러싸도록, 이극의 리턴용 마그네트(534a, 534b)가 배열되어 있다. 도 13에 나타내는 화살표는 전자의 드리프트 방향을 나타내고 있다.

따라서, 이 마그네트 배열체(513)에 있어서도, 내측 마그네트군(543)의 최외주의 마그네트(612, 622)의 대부분을 커버하도록 리턴용 마그네트(533, 534)가 배치되므로, 전자가 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것이 저지되어, 전자 손실을 억제 할 수 있다.

따라서, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높아진다. 이 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켜 스퍼터를 실행할 수 있고, 성막 효율을 높게 하면서, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보할 수 있는 동시에, 타겟(31)의 사용 효율이 향상한다.

또한, 본 발명에서는 도 14에 나타내는 바와 같이, 평면형상이 직사각형 형상인 마그네트(71, 72)를, 예를 들면 그 길이 방향이 횡단 방향에 일치하도록, 서로 간격을 두고, 인접하는 마그네트끼리가 서로 이극이 되도록 배열하는 동시에, 이들 마그네트(71, 72)의 주위에, 전자의 튀어나감을 억제하기 위해 라인형상의 마그네트(73)((731, 732))를 배열하도록 해도 좋다.

이 예의 마그네트 배열체(514)에서는 N극의 마그네트(71)와 S극의 마그네트(72)의 수를 일치시키기 위해, 이들 가장 바깥의 마그네트끼리는 서로 이극이 되도록 설정되어 있다. 또한, 라인형상 마그네트(73)는 예를 들면 평면형상이 원호형상으로 형성되고, N극의 마그네트(731)와 S극의 마그네트(732)를 구비하고 있다. 이들 라인형상 마그네트(731, 732)는 상기 좌우 방향으로 신장하도록 배열되고, 상기 좌우 방향의 양측의 마그네트(71, 72)의 길이 방향의 양단끼리를, 복수개의 라인형상의 마그네트(731, 732)에 의해 접속하도록 구성되어 있다. 이와 같이 해서, 이들 마그네트(71, 72), 라인형상 마그네트(731, 732)에 의해 마그네트군(524)이 구성되어 있다. 도 14중의 화살표는 전자의 드리프트 방향을 나타내고 있다.

이러한 구성에서는 마그네트(71, 72)에 의해 형성되는 커스프 자계의 자속이 서로 결합하므로, 이들 마그네트간(71, 72)에 수평 자장이 형성되고, 전자가 드리프트 운동하며, 전리를 일으킨다. 마그네트(71, 72)의 양단부에서는 본래 개방단에서 전자가 자계의 밖으로 튀어나가, 전자 손실을 일으키지만, 라인형상 마그네트(731, 732)를 배치하고 있으므로, 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하고 있다. 이 때문에, 전자 손실이 억제되고, 전자 밀도의 증대와 균일화를 도모할 수 있다.

이에 따라, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높아진다. 이 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켜 스퍼터를 실행할 수 있고, 성막 효율을 높게 하면서, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보할 수 있는 동시에, 타겟(31)의 사용 효율이 향상한다.

또한, 본 발명에서는 마그네트 배열체(515)의 마그네트군(525)을 도 15에 나타내는 바와 같이 구성해도 좋다. 이 마그네트군(525)은 평면형상이 정사각형 형상인 마그네트(81, 82)를 매트릭스형상으로, 인접하는 마그네트(81, 82)끼리가 서로 이극이 되도록 배열하는 동시에, 이들 마그네트(81, 82)를 둘러싸도록, 평면형상이 대략 ‘コ’형상이며 극성이 마그네트(81, 82)와는 다른 라인형상의 마그네트(83, 84)를 마련하고, 또한 라인형상의 마그네트(83, 84)의 외측에, 평면형상이 직사각형 형상인 라인형상의 마그네트(85)를 배열해서 구성되어 있다.

이러한 구성에서는 마그네트(81, 82)의 커스프 자계의 자속과, 라인형상 마그네트(83, 84, 85)의 커스프 자계의 자속이 서로 결합해서 수평 자장 회로망이 형성되어 있으므로, 그 수평 자장을 따라 전자가 도 15에 화살표로 나타내는 방향으로 드리프트 운동해서 전리를 일으킨다. 이 때, 라인형상 마그네트(83∼85)를 배치하고 있으므로, 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것이 저지된다. 이 때문에, 전자 손실이 억제되고, 전자 밀도의 증대와 균일화를 도모할 수 있다. 이에 따라, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높아진다. 이 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켜 스퍼터를 실행할 수 있고, 성막 효율을 높게 하면서, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보할 수 있는 동시에, 타겟(31)의 사용 효율이 향상한다.

또한, 타겟의 재질로서는 텅스텐 이외에, 동(Cu), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 질화 티탄(TiN), 탄탈(Ta), 질화 탄탈(TaNx), 루테늄(Ru), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo) 등의 도전체나, 산화 실리콘, 질화규소 등의 절연체를 이용할 수 있다. 이 경우, 절연체로 이루어지는 타겟을 이용하는 경우에는 전원부로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 플라즈마가 생성된다. 또한, 도전체로 이루어지는 타겟에 대해 고주파 전압을 인가해서 플라즈마를 생성하도록 해도 좋다.

또한, 마그네트 배열체는 회전 기구에 의해, 베이스체의 중심을 회전 중심으로 해서 연직축을 중심으로 회전시키도록 해도 좋다. 또한, 반드시 탑재부를 전극으로서 이용할 필요는 없으며, 해당 탑재부에 고주파 전력을 공급할 필요는 없다. 또한, 상기 마그네트 배열체는 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 피처리 기판의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되면 좋고, 마그네트의 배열은 상술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 내측 마그네트군을 구성하는 마그네트의 배열 간격이나 형상을 베이스체의 면내에 있어서 변화시키도록 해도 좋다.

또한, 마그네트군은 마그네트 배열체를 회전시켰을 때에, 피처리 기판의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하도록 구성되면 좋다. 따라서, 마그네트 배열체를 편심 회전시킬 때에는 회전시에 피처리 기판의 바깥둘레의 일부가 마그네트군의 외측에 위치하는 경우에도, 피처리 기판의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하는 경우에 포함된다.

또한, 상기 리턴용의 마그네트보다도 내측에 위치하는 마그네트군은 N극에 대응하는 마그네트의 강도의 합계와, S극에 대응하는 마그네트의 강도의 합계가 일치해 있으면 좋고, 마그네트의 강도는 마그네트의 개수나 크기 등, 어느 방법에 의해 조정해도 좋다.

다음에, 기술한 마그네트 배열체에 보조 마그네트를 마련하는 것에 의해, 타겟의 하면측에 있어서의 수평 자장의 강도를 조정하는 방법에 대해 기술한다. 도 22는 도 10에 나타내는 마그네트 배열체(5)에 보조 마그네트(65)를 마련한 예를 나타내고 있고, 타겟(31)측에서 마그네트 배열체(5A)를 본 평면도이다. 도 10에 나타내는 마그네트 배열체(5)의 마그네트(61, 62 및 53)는 후술하는 도 24에 나타내는 바와 같이 타겟(31)측과 그 반대측에서는 서로 다른 자극으로 되도록 착자되어 있다. 그리고, 보조 마그네트(65)는 마그네트(61)와 마그네트(62)의 간격, 및 마그네트(53)와 마그네트(62)의 간격을 묻도록 직방체형상으로 형성되어 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 보조 마그네트(65)는 길이 방향과 직교하는 방향으로 자극이 나누어져 있고, 긴 변인 1변측에 N극, 해당 1변과 대향하는 다른 변측에 S극이 각각 착자되어 있다.

타겟(31)측에 있어서의 보조 마그네트(65)의 자극과 마그네트(61)((62, 53))의 자극의 관계에 대해서는 보조 마그네트(65)의 1변에 인접하는 마그네트(61)((62, 53))의 자극과 해당 보조 마그네트(65)의 1변측의 자극이 동극으로 되도록 설정되어 있다. 따라서, 마그네트 배열체(5A)에 대해, 타겟(31)과는 반대측(베이스체(51)측)에 있어서는 도 24에 나타내는 바와 같이, 보조 마그네트(65)의 1변에 인접하는 마그네트(61)((62, 53))의 자극과 해당 보조 마그네트(65)의 1변측의 자극이 이극(異極)으로 되는 관계로 되어 있다.

이러한 보조 마그네트(65)를 구비한 마그네트 배열체(5A)에 있어서의 자계의 상태를, 마그네트(61, 62)의 사이에 보조 마그네트(65)를 마련한 부위를 예로 들어, 도 24에 나타낸다. 또한, 보조 마그네트(65)를 이용하지 않는 마그네트 배열체(5)에 있어서의 자계의 상태를 비교를 위해 도 25에 나타낸다.

베이스체(51)측에 있어서는 마그네트(61, 62)에 의해 발생하는 자력선과 보조 마그네트(65)에 의해 발생하는 자력선의 방향이 역방향이기 때문에, 마그네트(61, 62)에 의한 수평 자장이 보조 마그네트(65)의 수평 자장에 의해 부정(cancel)되어 약해지거나 혹은 소실된다.

한편, 타겟(31)측에 있어서는 마그네트(61, 62)에 의해 발생하는 자력선과 보조 마그네트(65)에 의해 발생하는 자력선의 방향이 동일 방향이기 때문에, 마그네트(61, 62)에 의한 수평 자장이 보조 마그네트(65)의 수평 자장과 중첩되고, 수평 자장이 강해진다.

보조 마그네트(65)로서, 마그네트(61, 62)와 동일 자력의 마그네트를 사용하면, 마그네트 배열체(5A)에 있어서의 타겟(31)측에 생기는 자계의 강도는 2배로 되고, 한편, 베이스체(51)측에 있어서는 자계는 대략 0으로 된다. 타겟(31)측에 생기는 자계의 강도는 보조 마그네트(65)의 자력의 크기에 의해 조정 가능하고, 표면 자속 밀도, 보조 마그네트(65)의 높이 혹은 폭에 의해 조절할 수 있다.

대표적인 보조 마그네트(65)인 직방체의 크기는 폭 치수가 마그네트(61, 62)의 직경 또는 변과 동일한 폭 치수인 20∼30㎜이며, 길이 치수가 마그네트(61)와 마그네트(62)의 사이의 거리인 30㎜, 높이 치수가 마그네트(61, 62)의 높이의 1/3, 1/2, 1/1이다. 또, 보조 마그네트(65)의 표면 자속 밀도는 4∼5kGauss이다. 보조 마그네트(65)의 표면 자속 밀도와 마그네트(61, 62)의 표면 자속 밀도가 대략 동일하면, 대략 마그네트(61, 62)의 높이에 대한 보조 마그네트(65)의 높이의 비율만큼, 타겟(31)측에 생기는 자장이 증대한다. 따라서, 전술한 바와 같이 보조 마그네트(65)의 높이를 마그네트(61, 62)의 높이의 1/3, 1/2, 1/1로 설정했을 때, 타겟(31)측에 생기는 자장의 강도는 각각 약 30%, 약 50%, 약 100% 증대한다. 베이스체(51)측에 있어서의 자장의 부정량도 마찬가지로 된다. 또한, 보조 마그네트(65)의 높이를 마그네트(61, 62)와 동일하게 하고, 폭을 1/3, 1/2, 1/1로 한 경우도 마찬가지의 효과가 얻어진다.

보조 마그네트(65)는 도 10에 나타내는 마그네트 배열체(5)에 마련하는 것에 한정되지 않는다. 도 26은 도 11에 나타내는 마그네트 배열체(511)에 대해 보조 마그네트(651)를 마련한 예를 나타내고 있고, 보조 마그네트(651)에 있어서의 자극과 마그네트(611, 621, 531)의 위치 관계는 도 22의 예와 마찬가지이다. 또 작용 효과도 마찬가지이다.

또한, 본 발명의 발명자는 상술한 실시형태로부터 얻어진 지견에 의거하여, 본 실시형태의 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여, 스퍼터 성막의 면내 균일성을 유지하면서 러닝 코스트를 비약적으로 저감시키는 방법에 대해 검토를 거듭하였다. 러닝 코스트를 저감하기 위해서는 성막 효율 및 타겟(31)의 사용 효율을 더욱 상승시키고, 또한 성막속도를 향상시키는 것이 중요하다고 고려된다.

성막 효율을 상승시키기 위해서는 타겟(31)의 하면과 웨이퍼(10)의 표면의 사이의 거리인 TS를 단축하는 것이 효과적이다. 타겟(31)에 인가하는 전력이 일정하다고 하면, TS가 짧을수록 성막량은 현격히 향상한다. 그러나, TS를 너무 축소하면, 충분한 면내 균일성이 얻어지지 않는다. 따라서, 높은 성막량을 유지하면서 충분한 면내 균일성이 얻어지는 TS의 범위를 파악할 필요가 있다.

한편, 타겟(31)의 사용 효율을 향상시키기 위해서는 타겟(31)에 생기는 이로전(erosion)을 균일화하는 것이 효과적이다. 이로전의 형상이 균일하면 최대의 타겟 사용 효율이 얻어지기 때문이다. 따라서, TS를 적절한 값으로 설정하면 충분한 성막 효율이 얻어지는 동시에, 균일한 이로전 하에서 필요한 성막 분포가 얻어진다.

그래서, 성막의 균일성에 착안하여, 상술한 실시형태에 따른 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 스퍼터링에 있어서, TS와 타겟 직경의 관계에 대해 시뮬레이션을 실행하였다. 이로전에 대해서는 타겟으로부터 입자가 등방적으로 방사되어 있고, TS의 제곱에 비례해서 타겟을 구성하는 입자의 양이 스퍼터되어 감소하고, 균일한 이로전이 형성되어 있는 것으로 가정하였다.

시뮬레이션의 결과를 도 27 및 도 28에 나타낸다. 해당 시뮬레이션에 있어서, 웨이퍼(10)에 있어서의 막두께의 면내 균일성의 평가에 대해서는 다음 식에서 산출하는 막두께 분포를 이용하였다.

막두께 분포(％)=표준편차(1σ)/각 점의 막두께의 평균값×100

구체적으로는 웨이퍼 직경 300㎜의 경우에 있어서, 타겟 직경을 300㎜에서 500㎜까지 20㎜씩 증대시키고, 각 타겟 직경마다, TS를 10.0㎜에서 100.0㎜까지 10㎜씩 증가시켜, 막두께 분포를 시뮬레이트하였다. 도 27은 타겟 직경을 횡축에 취하고, 막두께 분포를 종축에 취하여, TS를 파라미터로 해서 타겟 직경과 막두께 분포의 관계를 나타내는 그래프이지만, 선도의 중첩에 의한 도시의 번잡함을 피하기 위해, TS가 50∼90㎜의 선도에 대해서는 도시를 생략하고 있다. 도 27에 있어서, TS가 50∼90㎜의 선도는 TS가 40㎜의 경우와 100㎜의 경우의 사이에 위치하고 있다. 이 그래프로부터, 타겟 직경이 클수록, 또 TS가 짧을수록 막두께 분포가 향상하는 것을 알 수 있다.

도 28의 좌측(실선)의 그래프 a1은 도 27의 그래프에 있어서의 막두께 분포 3%의 라인과 각 곡선의 교점을 재플롯한 것이다. 도 28의 횡축은 타겟 직경, 종축은 TS의 타겟 직경에 대한 백분비이다. 도 28의 우측(파선)의 그래프 b1은 상술한 시뮬레이션과 마찬가지의 시뮬레이션을 웨이퍼 직경 450㎜의 경우에 대해서도 실행하고, 막두께 분포 3%의 경우에 있어서의 타겟 직경과 TS의 타겟 직경에 대한 백분비의 관계를, 마찬가지로 각각 횡축과 종축으로 해서 플롯한 것이다.

300㎜ 직경의 웨이퍼 양산의 현장에서 이용되는 타겟 직경은 일반적으로 450㎜∼500㎜이기 때문에， 450㎜ 직경 웨이퍼에 있어서의 타겟에 대해서는 300㎜ 웨이퍼의 경우의 상사형을 상정하고, 타겟 직경을 500㎜∼700㎜로 설정하였다. 도 28의 실선으로부터, 300㎜ 직경 웨이퍼에 대해 막두께 분포가 3%로 되는 TS는 타겟 직경이 450㎜일 때 타겟 직경의 약 2.4%(=약 11㎜), 타겟 직경이 500㎜일 때 타겟 직경의 약 5.5%(=약 27.5㎜)인 것을 알 수 있다.

도 28의 파선으로부터, 450㎜ 직경 웨이퍼에 대해 막두께 분포가 3%로 되는 TS는 타겟 직경이 650㎜일 때 타겟 직경의 약 2.5%(=약 16㎜), 타겟 직경이 700㎜일 때 타겟 직경의 약 5.3%(=약 37㎜)인 것을 알 수 있다.

따라서, 막두께 분포가 3% 이하로 되는 타겟 직경(㎜)에 대한 TS(㎜)의 비율(백분비)은 300㎜ 직경 웨이퍼의 경우에는 도 28의 그래프 a1의 아래쪽측 영역이고, 450㎜ 직경 웨이퍼의 경우에는 동일 도면의 그래프 b1의 아래쪽측 영역이다. 상기 비율 ((TS/R)×100%)을 Y％、타겟 직경을 R(㎜)로 하고, 그래프 a1, b1에 대해 Y와 R의 근사식으로 나타내면 각각 식 (1), (2)로 된다.

300㎜ 직경 웨이퍼…Y=0.0006151R²-0.5235R+113.4… (1)

450㎜ 직경 웨이퍼…Y=0.0003827R²-0.4597R+139.5…(2)

따라서, 막두께 분포가 3% 이하인 것이 바람직한 프로세스인 것으로 하면, 해당 바람직한 프로세스를 실행하기 위해서는 300㎜ 직경 웨이퍼에서는 식 (1’), 450㎜ 직경 웨이퍼에서 식 (2’)의 관계가 성립하면 좋다.

Y≤0.0006151R²-0.5235R+113.4…(1’)

Y≤0.0003827R²-0.4597R+139.5…(2’)

그런데, (1’)식, (2’)식은 근사식이며, 다소의 오차가 있다. 또, 웨이퍼에 스퍼터된 박막에 대해 기술한 식에서 정의된 막두께 분포가 3%를 다소 넘고 있어도 막두께 분포가 양호하다는 평가에 영향을 주는 것은 아니라고 할 수 있다. 또한, TS를 디지털적으로 바꾸었을 때의 시뮬레이션에 의한 도 27의 결과에 의거하여 도 28의 그래프(기술한 근사식 (1))를 구하고 있다. 이러한 것을 종합하면, 막두께 분포가 양호하다는 효과가 얻어지는 TS의 상한값(경계값)을 기술한 근사식 (1), (2)에 의해서만 결정하는 것은 최적이라고는 말하기 어렵다. 예를 들면, 웨이퍼 직경이 300㎜이고, 타겟 직경이 500㎜일 때에, 막두께 분포 3% 이하로 되는 TS의 상한값은 (1)식에 의해 계산하면, 27.125㎜이다. 그러나, TS가 30㎜인 경우에도, 도 27의 그래프로부터 막두께 분포가 3%를 다소 넘지만, 막두께 분포가 양호하다는 평가를 할 수 있다. 또, 웨이퍼 직경이 300㎜이고, 타겟 직경이 450㎜일 때에, 막두께 분포 3% 이하로 되는 TS의 상한값은 (1)식에 의해 계산하면, 10.722㎜이다. 그러나, TS가 12㎜인 경우에도, 도 27의 그래프로부터 막두께 분포가 3%를 다소 넘지만, 넘는 분은 약간이기 때문에, 그 효과는 막두께 분포가 3%라는 효과와 실질적으로 변함은 없다.

또, 웨이퍼 직경이 450㎜이고, 타겟 직경이 700㎜일 때에, 막두께 분포 3% 이하로 되는 TS의 상한값은 (2)식에 의해 계산하면, 36.631㎜이다. 그러나, TS가 40㎜인 경우에도, 막두께 분포가 3%를 다소 넘지만, 막두께 분포가 양호하다고 할 수 있다. 그래서, 막두께 분포가 양호하기 위한 TS의 상한값을 결정하는 지표로서 기술한 (1), (2)식을 활용하는 것으로 하고, 얻어진 TS의 값에 대해 다소의 마진을 부여하는 것에 의해, 상한값(경계값)의 결정에 적절성을 갖게 하는 것으로 하였다. 이 마진이 너무 크면 발명의 효과가 얻어지기 곤란하지만, 명세서의 성격으로서 발명을 명확하게 하는 요청이 있고, 이 관점으로부터 본 발명의 목적이 얻어지는 것에 의심이 생기지 않는 범위에 있어서 마진을 결정하였다. 구체적으로는 웨이퍼가 300㎜인 경우에는 (1)에서 구해진 TS의 값에 10% 이상 더한 값을 상한값으로 하고, 웨이퍼가 450㎜인 경우에는 (2)에서 구해진 TS의 값에 10% 이상 더한 값을 상한값으로 한다.

이 의미를 식으로 나타내면, 웨이퍼가 300㎜인 경우에는 적절한 TS(㎜)의 값은 다음식으로 구해진다.

Y=(TS´/R)×100(%)=0.0006151R²-0.5235R+113.4

TS≤1.1TS´…(3)

TS´는 (1)식으로부터 구한 웨이퍼와 타겟의 사이의 적절한 이간 거리이고, TS는 이 TS´에 10%의 마진을 부여한 적절한 이간 거리의 상한값이다.

또, 웨이퍼가 450㎜인 경우에는 적절한 TS의 값은 다음식으로 구해진다.

Y=(TS´/R)×100(%)=0.0003827R²-0.4597R+139.5

TS≤1.1TS´…(4)

TS의 하한값에 대해서는 규정하고 있지 않지만, 상한값보다도 약간 작아지면 본 발명의 효과가 얻어지지 않게 되는 것은 아니기 때문에, 하한값까지 정확하게 규정하는 의의는 없다고 고려된다. 또, 본 발명자는 스퍼터의 메커니즘 등을 종합하면, TS가 5㎜보다도 크면, 예를 들면 도 28에 나타내는 각 플롯에 있어서의 TS의 값과 동등한 효과가 얻어진다고 추측하고 있다.

한편, 성막속도 향상의 관점에서, 성막속도와 TS의 관계에 대해서도 시뮬레이션을 실행하였다. 구체적으로는 웨이퍼 직경이 300㎜ 및 450㎜의 경우에 있어서, 각각 3종류의 직경이 다른 타겟을 이용하여, 성막속도의 TS에 대한 의존성을 시뮬레이트하였다. 얻어진 결과를 도 29a 및 도 29b에 나타낸다. 도 29a가 웨이퍼 직경 300㎜, 도 29b가 웨이퍼 직경 450㎜의 시뮬레이션의 결과이다. 300㎜ 직경 웨이퍼의 경우, 종래는 TS를 70㎜로 설정하고 있는 경우가 많고, 이 때문에 TS=70㎜에 있어서의 성막속도를 기준으로 평가를 실행하기로 한다. 또한, 450㎜ 직경 웨이퍼의 경우에는 단순히 상사로 고려해서 TS는 1.5배의 105㎜에 있어서의 성막속도를 기준으로 평가를 실행하는 것으로 한다. 도 29a의 그래프로부터, TS=70㎜의 경우의 성막속도의 1.5배의 성막속도가 얻어지는 TS를 구하면, 약 35㎜이다. 마찬가지로, 도 29b의 그래프로부터, 450㎜ 직경 웨이퍼의 경우, TS=105㎜의 경우의 성막속도의 1.5배의 성막속도가 얻어지는 TS를 구하면, 약 55㎜이다. 따라서, 평가 기준에 대해 1.5배 이상의 성막속도가 얻어지는 TS의 거리는 웨이퍼 직경 300㎜인 경우에는 35㎜ 이하, 450㎜인 경우에는 55㎜ 이하이다. 이 TS의 거리를 비율(TS/타겟 직경)로 환산하면, 웨이퍼 직경 300㎜인 경우에는 타겟 직경이 450㎜인 것으로 하면, TS/타겟 직경은 약 8% 이하로 된다. 웨이퍼 직경 450㎜인 경우에는 타겟 직경이 700㎜인 것으로 하면, TS/타겟 직경은 약 8% 이하로 된다.

이 결과는 도 28의 그래프 a1 및 b1의 아래쪽측 영역이면, 성막속도에 대해서도, 평가 기준의 성막속도에 비해 1.5배의 성막속도가 얻어지는 것을 의미하고 있다. 따라서, 비율 Y(TS/타겟 직경 R)와, 타겟 직경 R의 관계가, 기술한 식 (1’) 및 (2’)를 만족하고 있으면, 막두께 분포 3% 이하와 성막속도 1.5배 이상을 양립시킨 성막이 가능해진다.

또한, 본 실시형태의 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여, 프로세스 압력을 조정하는 것에 의해, 저저항의 배선(도전로나 전극 포함)을 고속으로 성막할 수 있다. 이 방법에 대해 설명하면, 타겟 표면에서의 자장 강도가 예를 들면 100Ｇ 이상으로 되도록 마그네트군의 조정을 실행한다. 그리고, 프로세스 압력을 13.3Pa(100ｍTorr) 이상으로 설정하는 동시에, 전원부(33)(도 1 참조)로부터 직류 전력을 타겟(31)에 인가하고, 그 전력값을 타겟의 면적으로 나눈 방전 전력 밀도가 예를 들면 3W/㎠ 이상으로 되는 값으로 설정한다. 또, 타겟(31)에 인가하는 전압은 예를 들면 300V 이하로 하고, 고주파 전원부(41)로부터 탑재부(4)에 인가하는 고주파 전력은 예를 들면 500W∼2000W로 한다.

이 조건하에서 스퍼터링을 실행하면, 후술하는 실험예의 고찰에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 타겟과 기판(피처리 기판)의 거리가 좁은 것, 및 기술한 바와 같이 마그네트에 의해 기판의 전면에 걸쳐 방전하기 때문에, 기판 부근에 있어서도 이온 밀도가 높은 상태를 유지할 수 있고, 또한 13.3Pa 이상의 고압력 조건에 있어서 큰 성막속도로 W막을 성막하는 것에 의해서, 고속이고 또한 고효율의 스퍼터 및 성막된 막의 저저항화를 양립할 수 있다.

이상에 있어서, 본 발명의 마그네트론 스퍼터 장치는 반도체 웨이퍼 이외의 액정이나 태양 전지용 유리, 플라스틱 등의 피처리 기판의 스퍼터 처리에 적용할 수 있다.

[실시예]

(실시예 1)

도 11의 마그네트 배열체(511)를 구비한 마그네트론 스퍼터 장치에서, 기술한 처리 조건으로 성막 처리를 실행하고, 타겟 전극(3)에 인가하는 직류 전압과, 전류밀도의 관계의 평가를 실행하였다. 이 때, 타겟(31)과 웨이퍼(10)간의 거리를 30㎜로 하였다. 또한, 마그네트 배열체(511)에 있어서 리턴용 마그네트(531)를 마련하지 않은 구성(비교예 1), 도 23에 나타내는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치를 이용한 구성(비교예 2), 마그네트를 이용하지 않고, 직류 전압의 인가에 의해서 방전시키는 구성(비교예 3)에 대해서도, 마찬가지로 평가를 실행하였다.

그 결과를 도 16에 나타낸다. 도면 중, 횡축은 타겟 전극(3)에 인가하는 직류 전압, 종축은 타겟(31)과 웨이퍼(10)간의 전류 밀도를 각각 나타내고, 실시예 1에 대해서는 □, 비교예 1에 대해서는 ◇, 비교예 2에 대해서는 △, 비교예 3에 대해서는 ×로, 각각 플롯(plot)하였다.

그 결과, 전류밀도는 실시예 1은 2∼4mA/㎠, 비교예 1은 0.2∼0.5mA/㎠이며, 리턴용 마그네트를 마련하는 것에 의해, 전류밀도가 상당히 커지는 것이 보였다. 이에 따라, 리턴용 마그네트의 배열에 의해서 전자 손실을 억제할 수 있고, 플라즈마 밀도를 증대할 수 있는 것이 이해된다. 또한, 실시예 1은 비교예 2에 비해, 인가 전압이 작은 경우에도 높은 전류밀도를 확보할 수 있는 것이 보였다. 또한, 400W의 전력의 인가에 의해, 약 100㎚/min의 성막속도가 얻어지는 것이 확인되었다.

(실시예 2)

도 2의 마그네트 배열체(5)를 구비한 마그네트론 스퍼터 장치에서, 마그네트 배열체(5)를 회전시키지 않고, 기술한 처리 조건에서 각각 성막 처리를 실행하고, 웨이퍼 직경 방향에 있어서의 성막속도 분포를 구하였다. 또, 도 2의 마그네트 배열체(5) 대신에 도 10의 마그네트 배열체(5A)를 마련한 경우에 대해서도 마찬가지로 성막속도를 측정하였다. 그 결과에 대해, 마그네트 배열체(5)를 마련한 구성에 대해서는 도 17에, 마그네트 배열체(5A)를 마련한 구성에 대해서는 도 18에 각각 나타낸다.

여기서, 마그네트 배열체(5)와 마그네트 배열체(5A)의 차이는 마그네트(61, 62)를 구성하는 마그네트 요소(63)의 개수뿐이지만, 이 마그네트 요소(63)의 개수를 조정하는 것에 의해서, 웨이퍼(10)의 직경 방향의 성막속도 분포가 변화되는 것이 보였다. 이에 따라, 마그네트 요소(63)의 개수의 조정에 의해, 하나의 마그네트(61, 62)의 자력이 조정되고, 결과적으로 성막속도의 면내 균일성을 제어할 수 있는 것이 이해된다.

또한, 마그네트 배열체(5)는 N극과 S극의 개수가 동일하고, 배열 중심 O로부터 동일 반경에 있는 마그네트 요소(63)의 수가 동일하고, 또한 배열 중심 O로부터 멀어짐에 따라, 마그네트 요소(63)의 수가 감소하도록 구성되어 있지만, 도 17의 결과로부터, 마그네트 배열체(5)의 구성을 채용하는 것에 의해, 성막속도가 웨이퍼(10)의 직경 방향에 있어서 일치되고, 면내 균일성이 향상하는 것이 보였다.

또한, 모든 마그네트(61, 62)의 마그네트 요소(63)의 개수를 동일하게 한 경우에는 도 18의 결과로부터 웨이퍼(10)의 직경 방향의 둘레 가장자리부의 한쪽측의 성막속도가 커져 있는 것이 보였다. 이것은 내측 마그네트군(54A)의 4개의 코너부의 마그네트(61a∼61d)에서는 기술한 바와 같이, 인접하는 마그네트와의 사이의 자속이 많아지고, 그 부분의 수평 자장이, 내측의 자속의 밸런스가 취해져 있는 영역에서도 강하게 되기 때문으로 추찰된다. 단, 이러한 성막속도 분포는 내측 마그네트(54A)의 최외주의 외측 마그네트와 리턴용 마그네트의 거리나, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 조정하거나, 마그네트 배열체(5A)를 연직축을 중심으로 회전시키는 것에 의해, 더욱 균일한 분포에 근접시킬 수 있다.

(실시예 3)

도 2의 마그네트 배열체(5)를 구비한 마그네트론 스퍼터에서, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 20㎜로 설정하여, 마그네트 배열체(5)를 회전시키지 않고 기술한 처리 조건에서 각각 성막 처리를 실행하고, 웨이퍼 직경 방향의 성막속도 분포를 구하였다. 또한, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 50㎜로 설정한 경우에 대해서도, 마찬가지로 성막속도를 측정하였다. 그 결과를 도 19에, 마그네트 배열체(5)의 마그네트군(52)의 배열과, 타겟(31)의 이로전의 상태와 함께 나타낸다. 또, 이 실시예 3에서는 마그네트 배열체(5)의 마그네트군(52)보다도 큰 타겟(31)을 이용하고 있다.

이에 따라, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 20㎜일 때에는 50㎜일 때에 비해, 성막속도의 면내 균일성이 높은 것이 보였다. 또한, 상기 거리가 20㎜인 경우에는 약 4kWh의 전력으로 타겟 전극(3)에 직류 전압을 인가했을 때의 성막속도가 300㎚/min이며, 50㎜의 경우에 비해 평균의 성막속도도 커지는 것이 확인되었다. 또한, 성막속도의 웨이퍼(10)의 직경 방향의 분포는 다소 오목볼록한 형상으로 되어 있지만, 웨이퍼(10)의 직경 방향에 있어서 일정한 주기로 요철이 형성되는 것이 보였다. 이로전이 서로 이극의 마그네트끼리의 중간부에 형성되기 때문에, 성막속도는 이로전형상을 반영하고 있는 것이 이해된다.

또한, 상기 거리가 50㎜일 때에는 웨이퍼(10)의 외주부의 성막속도가 급격하게 저하하는 것이 보였다. 이것은 타겟(31) 외주측에서 스퍼터 입자가 바깥쪽측으로 비산해 버리고, 웨이퍼(10)에 도달하는 입자가 적어져, 성막 효율이 저하하기 때문으로 추측된다. 또, 웨이퍼(10)의 중앙측에서는 성막속도의 요철은 약해져 있지만, 이것은 타겟(31)으로부터의 거리가 크고, 입자가 확산하며, 이로전의 영향을 받기 어렵기 때문으로 고려된다.

이 실시예 3으로부터, 본 발명의 마그네트 배열체(5)는 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 접근시켰을 때에, 성막속도의 균일성을 확보할 수 있는 것이 보이고, 성막속도의 균일성과 성막 효율의 양립을 도모할 수 있는 것이 확인되었다.

(실시예 4)

도 2의 마그네트 배열체(5)를 구비한 마그네트론 스퍼터 장치에서, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 20㎜로 설정하여, 마그네트 배열체(5)를 회전시키면서 기술한 처리 조건으로 성막 처리를 실행하고, 웨이퍼 직경 방향의 성막속도 분포를 구하였다. 이 때, 마그네트 배열체(5)는 베이스체(51)의 중심으로부터 25㎜ 편심시킨 위치를 중심으로 해서 연직축을 중심으로 회전시켰다. 그 결과를 도 20에 실선으로 나타내고, 동일 도면에 있어서, 마그네트 배열체(5)를 회전시키지 않고 임의의 위치에서 정지시켜 스퍼터 처리를 실행했을 때의 데이터를 일점쇄선, 해당 위치로부터 1/4 회전시킨 위치에서 정지시켜 스퍼터 처리를 실행했을 때의 데이터를 점선으로 아울러 나타낸다.

이 결과로부터, 마그네트 배열체(5)를 정지시켰을 때의 성막속도 분포에서는 웨이퍼(10)의 직경 방향에 있어서 주기적으로 요철이 형성되지만, 베이스체(51)의 중심으로부터 편심시켜 회전시키는 것에 의해, 상기 요철이 상쇄되어, 결과적으로 성막속도 분포의 균일화를 도모할 수 있는 것이 보였다.

(실시예 5)

도 2의 마그네트 배열체(5)를 구비한 마그네트론 스퍼터 장치에서, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 20㎜로 설정하고, 마그네트 배열체(5)를 회전시키면서, 기술한 처리 조건으로 성막 처리를 실행하고, 웨이퍼 직경 방향의 성막속도 분포를 구하였다. 마그네트 배열체(5)의 편심량은 실시예 4와 마찬가지로 하였다. 이 때, 내측 마그네트군(54)의 최외주의 외측 마그네트와, 리턴용의 마그네트(53)의 이간 간격 L3을 5㎜로 설정한 경우 P1과, 30㎜로 설정한 경우 P2에 대해, 각각 평가를 실행하였다.

그 결과를 도 21에, P1에 대해서는 실선으로, P2에 대해서는 점선으로 각각 나타낸다. 이에 따라, 상기 이간 간격 L3을 변경하면, 성막속도 분포가 변화하는 것이 보이고, 마그네트의 위치의 조정에 의해, 이로전 위치를 제어할 수 있는 것이 이해된다. 이와 같이 해서, 마그네트의 크기나 배열, 마그네트끼리의 간격을 최적화하는 것에 의해, 원하는 이로전을 형성하고, 성막속도 분포의 최적화를 도모할 수 있는 것이 인정되었다.

(실시예 6)

도 2의 마그네트 배열체(5)를 구비한 마그네트론 스퍼터 장치에서, 직경이 400㎜인 타겟(31)과 300㎜ 웨이퍼(10)의 거리를 20㎜로 설정하고, 도 2에 나타낸 장치에 있어서 마그네트 배열체(5)를 회전시키면서 성막 처리를 실행하고, 웨이퍼 직경 방향의 성막속도 분포를 구하였다. 투입 전력 밀도는 투입 전력을 타겟의 면적으로 나눈 값이며, 이들에 대해 4.5W/㎠, 3.2W/㎠ 및 1.6W/㎠로 되는 조건하에서 실시하였다.

이 결과를 도 30에 나타낸다. 횡축은 진공용기(2)내의 압력, 종축은 성막속도이다. 투입 전력 밀도가 4.5W/㎠의 경우를 실선, 3.2W/㎠의 경우를 점선, 1.6W/㎠의 경우를 파선, 도 33에 나타내는 스퍼터링 장치의 경우를 일점 파선으로 나타냈다. 성막속도는 타겟에 인가하는 전력이 클수록 양호하고, 4.5W/㎠인 경우에는 성막속도는 13.3Pa(100ｍTorr) 부근까지 압력과 함께 증대하고, 450㎜/min의 성막속도에 도달하면 그 후 대략 일정으로 되어 있다. 또한, 3.2W/㎠의 경우에는 성막속도는 13.3Pa(100ｍTorr)부근까지 압력과 함께 증대하고, 300㎜/min의 성막속도에 도달하면 그 후 대략 일정으로 되어 있다. 한편, 도 33에 나타내는 장치에 있어서의 종래 기술의 스퍼터링(타겟-기판간 거리=50㎜)에서는 압력이 일정값을 넘으면 성막속도가 저하해 간다. 이 결과의 차에 대한 고찰은 실시예 7과 아울러 검토한다.

(실시예 7)

실시예 6에서 이용한 마그네트론 스퍼터 장치에 의해, 프로세스 압력을 여러가지로 바꾸어, 압력마다 타겟 전압(타겟에 인가하는 직류 전압)과 타겟에 흐르는 전류밀도의 관계를 구하였다. 프로세스 압력으로서는 0.91, 3.59, 13.0, 19.6, 23.3Pa(7, 27, 98, 147, 175ｍTorr)의 5가지로 설정하였다.

이 결과를 도 31에 나타낸다. 횡축은 타겟 전압, 종축은 타겟에 흐르는 전류 밀도이다(범례를 참조). 타겟(31)에 공급하는 전력이 동일해도, 압력이 높은 조건에서는 전류 밀도가 높고, 전압이 낮은 상태가 된다. 플롯으로부터, 동일 타겟 전압에 대해, 고압에서는 전류 밀도가 높아지는 한편, 저압에서는 전류 밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 고압력하에서 타겟 전력을 증대시키면, 저압력하의 경우와 달리, 타겟 전압을 거의 증가시키지 않고 타겟 전류 밀도를 증가시킬 수 있다. 이 전류가 높은 상태는 플라즈마 중의 Ar 이온의 수가 증대하는 것에 대응한다. 압력이 높으면 전자와 아르곤 원자의 충돌 빈도가 높아지고 전리가 심하게 실행되기 때문에, 아르곤 이온의 수가 증가하고, 타겟에 흐르는 전류가 증대한다. 압력이 높은 경우, 스퍼터된 원자와, 아르곤 이온이나 스퍼터 원자끼리와의 충돌이 심하고, 확산이 일어나며, 타겟면에 수직 방향의 기판 방향 뿐만 아니라, 타겟면에 수평 방향의 주위의 벽을 향해서도 스퍼터 원자는 확산하기 때문에, 성막속도는 저하해 버린다. 이 현상은 타겟과 기판간 거리가 크면 현저해지는 것은 자명하며, 종래의 스퍼터 기술에서는 6.65Pa(50ｍTorr) 이상의 압력에서 성막속도는 저하하지만, 본 발명의 좁은 갭(narrow-gap)에서는 더욱 높은 압력에서도 성막속도는 저하하지 않는 것이다. 또한, 실시예 6에서는 3.2W/㎠에서 충분한 성막속도가 얻어지고 있으므로, 전력 밀도는 3W/㎠ 이상으로, 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있다고 추측할 수 있다. 이 고압 조건하에서도 성막속도가 고속도이고 또한 저하하지 않는 것은 네로 갭인 것과, 본 발명의 마그네트에 의해, 타겟 전면에서 방전하기 때문이다．

(실시예 8)

실시예 6에 이용한 마그네트론 스퍼터 장치에 의해, 타겟 투입 전력 밀도를 4.5W/㎠, 3.2W/㎠ 및 1.6W/㎠의 3가지로 설정하고, 각 설정 조건마다, 프로세스 압력과 웨이퍼(10)에 성막된 Ｗ막의 비 저항에 대해 관계를 조사하였다.

이 결과를 도 32에 나타낸다. 횡축은 프로세스 압력, 종축은 W막의 비 저항이다. 투입 전력 밀도가 4.5W/㎠의 경우를 실선, 3.2W/㎠의 경우를 점선, 1.6W/㎠의 경우를 파선으로 나타내었다. 그래프로부터, 투입 전력 밀도가 4.5W/㎠의 경우, 및 3.2W/㎠의 경우, W막의 비 저항은 압력과 함께 10μΩ·㎝ 부근까지 저하하는 한편, 1 6W/㎠의 경우에는 11μΩ·㎝ 정도까지밖에 저하하지 않는다.

압력과 함께 비 저항이 저하하는 이유의 하나는 압력이 증대하면 Ar 이온의 수도 증대하고, 웨이퍼(10)측에 입사하는 Ar 이온의 수가 증대하는 결과, W막 표면에 에너지가 부여되고, W입자의 표면 확산이 촉진되기 때문으로 고려된다. 다른 이유로서는 압력의 증대와 함께 전술한 반도 Ar 원자가 에너지를 잃고, 웨이퍼(10)에 도달하지 않게 된 것으로 추측할 수 있다.

도 32의 그래프와 아울러 고찰하면, 진공용기(2)내의 압력의 상한은 W막이 저저항이고, 예를 들면 10μΩ·㎝ 부근에서 성막할 수 있는 압력이면 좋고, 이 경우 예를 들면 약 200ｍTorr이다. 투입 전력 밀도의 상한에 대해서도 마찬가지이며, 예를 들면 10μΩ·㎝ 부근에서 성막할 수 있으면 좋은 것으로 하면, 투입 전력 밀도의 상한값은 예를 들면 10W/㎠로 추측할 수 있다.

여기서, W입자의 표면 확산에 대해 또한 추고한다.

비특허문헌 2에는 스퍼터링에 있어서 입사 입자에 의해서 막 표면에 있어서의 표면 확산을 일으키기 위한 조건이 제안되어 있다. 이것에 의하면, 막 표면에 입사한 에너지의 총합이 W의 결합 에너지의 총합보다도 클 때, W입자는 이동 가능한 취지의 해석이 이루어지고 있다. 즉,

W의 결합 에너지의 총합 < (J₊/J_ｍ)×V_dc… (5)

여기서, J₊, Ｊ_m, 및 Ｖ_dc는 각각, 입사 입자가 모두 이온으로 한 경우에 있어서의 이온의 수, 동일 경우의 Ｗ원자의 수, 및 기판의 바로 위에 형성된 시스에 고주파 전원(41)으로부터 가해지는 직류 전압이다. 전술한 바와 같이, 기판에 인가하는 고주파 전력을 크게 하면 성막한 W막에 데미지를 주기 때문에, Ｖ_dc를 크게 하는 것보다도 J₊를 크게 하는 쪽이 바람직하다. W막의 스퍼터 임계값은 33eV이며, W의 금속 결합 에너지는 9eV이다. 따라서, (5)로부터

(J₊/J_m)×33eV > 9eV… (6)

이 성립된다.

만약 W막의 성막속도가 300㎚/min이라고 하면, Ｊ_ｍ=3×10¹⁶/㎠sec이므로, 이온 입사량 J₊는 최저 J₊=8×10¹⁵/㎠sec로 된다. J₊가 정해지면 공간 이온 밀도도 정해진다. 이 밀도는 J₊에 비해 10⁴의 수치로 낮으므로, 공간 이온 밀도의 수치는 최저 10¹¹/㎤이다. 또한, 압력을 증대시키면, 이온 밀도가 커지므로 성막속도도 커진다. 또, 타겟-기판간 거리가 30㎜보다도 넓은 통상의 스퍼터 장치의 조건하에서는 저압 분위기로 되므로 공간 이온 밀도의 수치는 10⁹/㎤로 된다. 이 때문에 통상의 스퍼터 장치에서는 이온 밀도가 작은 분 Ｖ_dc를 증대시킬 필요가 있지만, 전술한 바와 같이 과잉의 에너지를 가진 Ar 이온이 W막에 인입되고, 성막된 Ｗ막에 결함이 생긴다. W의 스퍼터 임계값은 33eV이기 때문에, 이온의 에너지는 수십 eV 정도의 수치로 해야 한다.

여기서, 타겟 면적당 직류 전력 투입 밀도가 4.5W/㎠인 경우, 직류 전압을 300V로 하면, 전자 드리프트부의 전류 밀도는 15mA/㎠로 산출된다. 타겟의 면적은 이것보다 작으므로, 타겟 근방의 전류밀도는 이 값보다도 크고, 따라서 타겟 근방의 이온 밀도는 약 1×10¹²/㎤ 이상으로 된다. 비특허문헌 3에 의하면, 이 때의 J₊는 다음의 식으로 계산할 수 있다.

J₊=0.61e·n_i·ｕB… (7)

여기서, e는 전자 1개의 전하, n_i는 이온 밀도, ｕB는 보옴(Bohm)　속도이다.

본 실시예에서는 타겟과 기판간의 거리가 20㎜로 근거리이기 때문에, 이온 밀도는 기판 근방과 타겟 근방의 밀도의 사이에 큰 차이는 없고, 10¹¹/㎤ 정도의 수치로 추정할 수 있다. 따라서, 종래 기술의 스퍼터링에 비해 2자리 정도 이온 밀도가 높은 것을 추측할 수 있다.

상술한 바와 같이, W막의 비 저항을 저하시키기 위해서는 이온 밀도를 높이는 것과 Ｖ_dc를 낮게 억제하는 것이 중요하다. 그러나, 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에서는 고속인 성막속도를 유지하면서 이러한 조건을 얻는 것은 곤란하다. 따라서, W막의 비 저항은 높아진다.

구체적으로 설명하면, 종래의 마그네트론 스퍼터 장치로는 타겟과 기판간의 거리가 길므로, 기판상의 이온 밀도는 10⁹/㎤대로 낮고, 방전도 불균일하여 단속적으로밖에 이온이 생기지 않으므로, 따라서 국소적으로밖에 플라즈마화할 수 없는 개소도 존재하는 것으로 생각된다. 기판상에서 플라즈마화하고 있지 않은 개소에서는 스퍼터된 Ｗ는 비래(飛來)해서는 오지만, 이온이 존재하지 않기 때문에, 비래한 Ｗ입자가 기판 표면에 양호하게 성막 되지 않는다. 한편, 플라즈마화된 개소에서는 이온이 존재하기 때문에, 비래한 Ｗ입자는 기판 표면에서 양호하게 성막된다. 이 때문에，W입자의 상태가 양호한 부분과 조악(粗惡)한 부분이 적층되고, 전체적으로 컨디션의 좋지 않은 막이 형성된다. 결과적으로, 형성된 Ｗ막의 비 저항은 높아져 버린다.

한편, 본 발명에서는 타겟과 기판간의 거리가 20㎜라는 네로 갭이며, 또한 상술한 식(5)

W의 결합 에너지의 총합 < (J+/J_m)×Ｖ_dc

를 항상 만족시키는 동시에, 전면 방전이기 때문에 마그네트 회전에서도 고밀도로 연속적으로 이온이 조사되므로, 기판 전체에서 양호한 Ｗ입자의 퇴적을 가능하게 하고, 결과적으로 비 저항이 낮은 막이 성막된다. 또, 성막속도도 400㎚/min 이상이라는 고속성이 유지된다. Ｗ 이외의 Ta, Ti, Mo, Ru, Hf, Co, Ni의 성막에 대해서도 마찬가지라고 말할 수 있다.

S 반도체 웨이퍼 2 진공용기
24 진공 펌프 3 타겟 전극
31 타겟 4 탑재부
41 고주파 전원부 5 마그네트 배열체
52 마그네트군 53 리턴용 마그네트
54 내측 마그네트군

Claims

진공용기 내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 상기 타겟의 배면측에 마그네트를 마련한 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,
상기 타겟에 전압을 인가하는 전원부와,
베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체와,
상기 마그네트 배열체를 피처리 기판에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전시키기 위한 회전 기구를 구비하고,
상기 마그네트 배열체는 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되고,
상기 마그네트군에 있어서의 최외주에 위치하는 마그네트는 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하도록 라인형상으로 배열되고,
스퍼터시에 있어서의 상기 타겟과 피처리 기판의 거리가 30㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
진공용기 내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 상기 타겟의 배면측에 마그네트를 마련하고, 직경 300㎜의 반도체 웨이퍼인 피처리 기판에 대해 마그네트론 스퍼터 처리를 실행하는 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,
상기 타겟에 전압을 인가하는 전원부와,
베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체와,
상기 마그네트 배열체를 피처리 기판에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전시키기 위한 회전 기구를 구비하고,
상기 마그네트 배열체는 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되고,
상기 마그네트군에 있어서의 최외주에 위치하는 마그네트는 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하도록 라인형상으로 배열되고,
타겟의 직경을 R(㎜), 타겟과 피처리 기판의 거리를 TS(㎜)로 하면,
(TS´/R)×100(%)=0.0006151R²-0.5235R+113.4, 또한
TS≤1.1TS´로 되도록 상기 거리(TS)가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
진공용기 내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 상기 타겟의 배면측에 마그네트를 마련하고, 직경 450㎜의 반도체 웨이퍼인 피처리 기판에 대해 마그네트론 스퍼터 처리를 실행하는 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,
베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체와,
상기 마그네트 배열체를 피처리 기판에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전시키기 위한 회전 기구를 구비하고,
상기 마그네트 배열체는 커스프 자계에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 타겟에 대향하는 면을 따라 서로 간격을 두고 배열되고,
상기 마그네트군에 있어서의 최외주에 위치하는 마그네트는 전자가 커스프 자계의 구속으로부터 해방되어 커스프 자계의 밖으로 튀어나가는 것을 저지하도록 라인형상으로 배열되고,
타겟의 직경을 R(㎜), 타겟과 피처리 기판의 거리를 TS(㎜)로 하면,
(TS´/R)×100(%)=0.0003827R²-0.4597R+139.5, 또한
TS≤1.1TS´로 되도록 상기 거리(TS)가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네트 배열체는 피처리 기판의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네트 배열체는 주 마그네트군과 보조 마그네트군으로 이루어지고, 상기 주 마그네트군의 Ｎ극 및 S극이 상기 타겟의 면의 법선 방향으로 배치되고, 상기 보조 마그네트군의 Ｎ극 및 S극이 상기 타겟의 면과 수평 방향으로 배치되어 있고, 타겟측에 있어서 보조 마그네트의 1변에 인접하는 주 마그네트의 자극과, 해당 보조 마그네트의 1변측의 자극이 동일 극으로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피처리 기판에 있어서의 타겟과는 반대측에 마련된 전극과,
이 전극에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부를 구비한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최외주에 위치하는 마그네트를 리턴용의 마그네트로 하는 것으로 하면, 리턴용의 마그네트를 제외한 마그네트군 중에서 최외주에 위치하는 외측 마그네트의 적어도 하나의 자력은 해당 외측 마그네트보다 내측에 위치하는 마그네트의 자력보다도 작은 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 리턴용의 마그네트보다 내측에 위치하는 마그네트는 복수의 마그네트 요소로 분할되어 구성되고, 마그네트 요소의 집합 수에 의해서 마그네트의 자력을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 리턴용의 마그네트보다 내측에 위치하는 마그네트군은 N극에 대응하는 마그네트의 강도의 합계와, S극에 대응하는 마그네트의 강도의 합계가 일치해 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 리턴용의 마그네트보다 내측에 위치하는 마그네트군은 마그네트를 매트릭스형상으로 배열해서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하고,
프로세스 압력을 13.3Pa(100ｍTorr) 이상으로 설정하고, 타겟에의 투입 전력을 타겟의 면적으로 나눈 투입 전력 밀도를 3W/㎠ 이상으로 설정하여, 피처리 기판에 대해 금속막을 성막하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 방법.