WO2013179544A1

WO2013179544A1 - マグネトロンスパッタ装置

Info

Publication number: WO2013179544A1
Application number: PCT/JP2013/002113
Authority: WO
Inventors: 亨北田; 貫人中村; 五味　淳; 哲也宮下
Original assignee: 東京エレクトロン株式会社
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-12-05
Also published as: KR20150023263A; CN104364417A; US20150187549A1; TW201408808A; JPWO2013179544A1

Abstract

【課題】磁性材料からなるターゲットを用いてマグネトロンスパッタを行うにあたり、装置の生産性を高くすることができる技術を提供すること。【解決手段】基板上にて、当該基板の中心軸から前記基板の面に沿った方向にその中心軸が偏移して配置され、磁性材料からなるターゲットである円筒体と、この円筒体を当該円筒体の軸周りに回転させる回転機構と、前記円筒体の空洞部内に設けられたマグネット配列体と、前記円筒体に電圧を印加する電源部と、を備える装置を構成する。そして、前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、円筒体の周方向における両端部よりも中央部が当該円筒体の周面側に突出している。これによって、厚さが比較的大きいターゲットを用いても、ターゲットから漏洩する磁場の強度の低下を抑え、且つエロ－ジョンの局所的な進行を抑えることができる。

Description

マグネトロンスパッタ装置

　本発明は、基板に成膜を行うマグネトロンスパッタ装置に関する。

　次世代のメモリとして期待されている磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access
Memory）やハードディスクドライブには、多くの磁性材料が使われており、この磁性材料の殆どがスパッタリングによって基板に形成された薄膜により構成される。前記ＭＲＡＭは、絶縁膜を強磁性層である磁性体膜で挟み込み、磁性体膜の磁化の方向が同じであるか逆方向であるかによって絶縁膜の通電量が異なることを利用した記憶素子である。

　前記スパッタリングは、通常、図２４に示すように真空容器に設けられる円形もしくは矩形の平板状の磁性体からなるターゲット１０１と、前記ターゲット１０１の背面に複数配置されるマグネット１０２とを備えた装置を用いたマグネトロンスパッタ法により行われる。図中１０３はターゲット１０１を冷却するための水冷プレートであり、１０４はマグネット１０２の支持部材である。

　前記マグネット１０２に基づく漏洩磁場により、ターゲット１０１の下面に沿った磁場が形成される。そしてターゲット１０１に例えば負の直流電力あるいは高周波電力を供すると、前記磁界に直交するように電界が形成され、真空容器内に導入されたアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスが、イオン化する。そして、直交電磁界により、プラズマ中の二次電子がサイクロイド運動し、ターゲット１０１の近傍に捕えられ、不活性ガスのイオン化効率が高くなり、ターゲット付近に高密度プラズマを形成することが可能となる。その結果として、基板における磁性体膜の成膜速度の高速化、二次電子のトラップによる前記基板が当該二次電子から受ける衝撃の低減化を図ることができる。また、不活性ガスの圧力低減が可能になることによる磁性体膜への前記不活性ガスの混入低減、つまり膜への不純物の混入低減といった効果が得られる。

　ところで、ターゲット１０１が磁性体であるため、マグネット１０２より生じる磁界は当該ターゲット１０１に吸収される。この吸収量はターゲット１０１の透磁率や飽和磁束密度などに依存する。即ち、ターゲット１０１によって吸収されきれずに漏洩した磁界により前記プラズマの形成が行われる。上記のようにプラズマの形成を行うために必要な漏洩磁界強度は一般的に２００ガウス以上が好ましい。

　ところで、装置の生産性を向上させるために、ターゲット１０１の交換頻度を減らすことが求められている。そのためにターゲット１０１の厚みを大きくすることが考えられるが、このターゲット１０１の厚みを大きくすれば、前記漏洩磁界の強度が低下するため、そのように厚みを十分に大きくすることが難しい。マグネット１０２の体積やこのマグネット１０２により構成される磁気回路について高い磁界強度が得られるように工夫がなされたり、カソードマグネットとしては例えばＮｄ－Ｆｅ－Ｂ（ネオジム－鉄－ホウ素）などの比較的高い磁束密度を有するものが用いられたりする。しかし、そのような対処をしても、ターゲット１０１の厚みを十分に大きくすることが難しい。例えば飽和磁束密度Ｂｓが２．４Tを有するＣｏ３５Ｆｅ６５（数値の単位は原子百分率（ａｔ％））合金によりターゲット１０１を構成した場合、その厚みは５ｍｍ程度が上限とされている。

　また、磁性体のターゲット１０１ではエロージョンの進行が加速度的に増大していくという問題がある。図２５は、ターゲット１０１がスパッタされることにより変化するエロージョン１０５のプロファイルを示している。図中上段、中段、下段は前記エロージョン１０５の初期、中期、後期の夫々のプロファイルを示している。図中の右側には当該ターゲット１０１のプロファイルを示し、左側には比較として非磁性体のターゲット１０６のプロファイルを示している。非磁性体のターゲット１０６の場合、初期から後期にかけてマグネット１０２から漏洩する磁界に変化は無いため、エロージョン１０５は一定の速度で進行する。

　しかし、磁性体のターゲット１０１の場合、エロージョン１０５が形成され、ターゲット１０１の厚みがその面内で変化すると、ターゲット１０１の厚みが小さい箇所において他の箇所よりも漏洩磁界の強度が大きくなり、その周囲に磁束１０７が集中する。その結果、当該箇所が優先的にスパッタリングされる。そしてスパッタリングが進行すると、この現象が顕著化するため、後期のプロファイルに示すようにエロージョン１０５は急峻な勾配を持つ。つまり、ターゲット１０１では、面内の特定の箇所においてエロージョン１０５が大きく進行するので、非磁性体のターゲット１０６に比べて十分な利用効率が得られない。その結果として、ターゲット１０１の交換の頻度が高くなってしまう。

　特開平６－１７２４７号公報にはターゲットが円筒に形成され、円筒が回転するときに基板が円筒上を通過して当該基板にスパッタによる成膜を行う技術について記載されている。また、特開平１１－２９８６６号公報にもターゲットを円筒により構成して、ターゲットに対して横方向に固定されて配置された基板にスパッタを行う技術について記載されている。また、特開２００９－１９１２号公報には回転するウエハに対して傾くように平板状のターゲットを設けてスパッタを行う技術について記載されている。しかし、これらの公報では、磁性体のターゲットを用いることにより生じる上記の問題については着目されておらず、この問題を十分に解決できるものではない。また、特開平６－１７２４７号公報の発明では基板が移動する領域を確保する必要があるため、処理室が大型化してしまうという問題もある。

　本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、磁性材料からなるターゲットを用いてマグネトロンスパッタを行うにあたり、装置の生産性を高くすることができる技術を提供することである。

　本発明のマグネトロンスパッタ装置は、真空容器内の回転自在な載置部に載置された基板に、マグネトロンスパッタ法により成膜する装置において、
　前記基板上にて、当該基板の中心軸から前記基板の面に沿った方向にその中心軸が偏移して配置され、磁性材料からなるターゲットである円筒体と、
　この円筒体を当該円筒体の軸周りに回転させる回転機構と、
　前記円筒体の空洞部内に設けられたマグネット配列体と、
　前記円筒体に電圧を印加する電源部と、を備え、
　前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、円筒体の周方向における両端部よりも中央部が当該円筒体の周面側に突出していることを特徴とする。

　本発明の具体的な態様としては、例えば下記の通りである。
　（ａ）前記ターゲットを構成する磁性材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの３ｄ遷移金属からなる元素のうちの一つ以上を主成分として含む金属または合金である。
　（ｂ）前記マグネット配列体を円筒体の軸方向に移動させるための移動機構を備えている。
　（ｃ）前記マグネット配列体を円筒体の周方向に移動させるための移動機構を備えている。
　（ｄ）前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、当該円筒体の内周面側の輪郭が前記両端部から中央部に向かって当該円筒体の内周面に沿って、曲線状または折れ線状に形成されている。
　（ｅ）前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、当該円筒体の内周面側の輪郭が前記両端部から中央部に向かって複数段の階段状の形状に構成されている。
　（ｆ）マグネット配列体は複数のマグネットを備え、各マグネットと前記円筒体の周面との距離が１５ｍｍ以下である。
　（ｇ）前記マグネット配列体は、第１のマグネットと、前記円筒体の周面側の磁極が、前記第１のマグネットにおける前記円筒体の内周面側の磁極と異なるように当該第１のマグネットを挟んで設けられた第２のマグネットと、前記第１のマグネットと第２のマグネットとにより形成される磁場を強めるために当該第１のマグネットと第２のマグネットとの間に、その磁極の向きが第１のマグネット及び第２のマグネットのいずれか一方側から他方側へ向かうように設けられた第３のマグネットとを備え、
　前記第３のマグネットは、前記第２のマグネットよりも前記円筒体の周面側に突出し、前記第１のマグネットは、前記第３のマグネットよりも円筒体の周面側に突出して設けられる。

　本発明によれば、基板に対して斜めに配置され、軸周りに回転する磁性材料からなるターゲットである円筒体が設けられ、マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、円筒体の周方向における両端部よりも中央部が当該円筒体の周面側に突出するように設けられている。従って、ターゲットの厚さを大きくしてもマグネット配列体から円筒体の外部に漏洩する磁場の強度が弱くなることが抑えられ、且つターゲットで局所的にエロージョンが進行することを抑えることができる。それによってターゲットの交換頻度が高くなることを抑え、装置の生産効率を高くすることができる。

本発明に係るマグネトロンスパッタ装置の縦断側面図である。前記マグネトロンスパッタ装置の横断平面図である。マグネット配列体を構成するマグネット及びターゲットを示す斜視図である。前記マグネット配列体及びターゲットの縦断側面図である。成膜時のステージ及びターゲットの動作を示す説明図である。前記ターゲットにおいてエロージョンが進行する様子を示す説明図である。前記ターゲットにおいてエロージョンが進行する様子を示す説明図である。前記ターゲットにおいてエロージョンが進行する様子を示す説明図である。他のマグネトロンスパッタ装置の横断平面図である。前記装置のマグネット配列体の動作を示す説明図である。さらに他のマグネトロンスパッタ装置の横断平面図である。マグネット配列体の他の構成例を示す側面図である。マグネット配列体のさらに他の構成例を示す側面図である。マグネット配列体のさらに他の構成例を示す側面図である。マグネット配列体のさらに他の構成例を示す側面図である。マグネトロンスパッタ装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。マグネットの角度の例を示す説明図である。他の実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置の縦断側面図である。前記マグネトロンスパッタ装置の横断平面図である。前記マグネトロンスパッタ装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。評価試験の結果を示す模式図である。評価試験の結果を示す模式図である。評価試験の結果を示すグラフ図である。従来の装置のターゲットの構成を示す説明図である。磁性体及び非磁性体のターゲットのエロ－ジョンが進行する様子を示す説明図である。

（第１の実施形態）
　本発明の一実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置１について、図面を参照しながら説明する。図１は前記マグネトロンスパッタ装置１の縦断側面図であり、図２は同装置１の横断平面図である。図中１１は例えばアルミニウム（Ａｌ）により構成され、接地された真空容器である。図中１２は真空容器１１の側壁に開口された基板であるウエハＷの搬送口であり、開閉機構１３により開閉される。

　真空容器１１内には円形のステージ２１が設けられ、基板である半導体ウエハ（以下、単にウエハとする）Ｗが当該ステージ２１の表面に水平に載置される。ステージ２１には、例えばその径が１５０ｍｍ～４５０ｍｍのウエハＷを載置できる。ステージ２１の裏面中央部には垂直方向に伸びる軸部２２の一端が接続されている。ステージ２１は膜厚分布の微調整を可能にするために、昇降機構を有するように構成し、処理条件によってその高さを変更するようにしてもよい。軸部２２の他端は真空容器１１の底部に設けられる開口部１４を介して真空容器１１の外部へ延出され、回転駆動機構２３に接続されている。この回転駆動機構２３によりステージ２１が、軸部２２を介して例えば０ｒｐｍ～３００ｒｐｍで鉛直軸回りに回転自在に構成される。軸部２２の周囲には、真空容器１１の外側から前記真空容器１１と軸部２２との隙間を塞ぐように筒状の回転シール２４が設けられている。図中２５は、回転シール２４に設けられるベアリングである。

　ステージ２１の内部には図示しないヒータが設けられ、ウエハＷが所定の温度に加熱される。また、このステージ２１には当該ステージ２１と図示しない真空容器１１の外部の搬送機構との間でウエハＷを受け渡すための図示しない突出ピンが設けられている。

　真空容器１１の下方には排気口３１が開口している。この排気口３１には排気管３２の一端が接続され、排気管３２の他端は排気ポンプ３３に接続されている。図中３４は排気管３２に介設された排気量調整機構であり、真空容器１１内の圧力を調整する役割を有する。真空容器１１の側壁の上部側にはプラズマ発生用のガスの供給部であるガスノズル３５が設けられており、ガスノズル３５は、例えばＡｒなどの不活性ガスが貯留されたガス供給源３６に接続されている。図中３７はマスフローコントローラからなる流量調整部であり、ガス供給源３６からガスノズル３５へのＡｒガスの供給量を制御する。

　真空容器１１内には円筒体であるターゲット４１が水平軸に沿って設けられている。ターゲット４１は、その長さ方向におけるウエハＷの中心軸側の端部Ｒが当該ウエハＷよりも高くなるようにウエハＷに対して斜めに配置されている。このターゲット４１から、スパッタ粒子が余弦則に従って放出される。つまり、スパッタ粒子が射出されるターゲット４１の面の法線に対する、スパッタ粒子が射出する方向の角度の余弦値に比例した量のスパッタ粒子が射出される。ターゲット４１を上記のようにウエハＷに対して斜めに配置するのは、ターゲット４１をウエハＷの直上に配置する場合に比べて、ターゲット４１のより広い範囲からウエハＷへスパッタ粒子を入射させることができるので、後述のオフセット距離、ＴＳ距離を適切に設定することで、スパッタ粒子をウエハＷに均一性高く堆積させることができるためである。また、ターゲット４１が合金の場合には、ウエハＷ上に成膜された膜の合金組成の均一性を高くすることができる。

　ターゲット４１と、前記ステージ２１上のウエハＷの中心との横方向の距離Ｌ１（オフセット距離とする）は例えば０ｍｍ～３００ｍｍに設定される。ターゲット４１の下端とステージ２１に載置されるウエハＷの中心との高さをＴＳ距離Ｌ２とすると、このＴＳ距離Ｌ２は例えば５０ｍｍ～３００ｍｍに設定される。このオフセット距離Ｌ１及びＴＳ距離Ｌ２については、磁性体膜に求められる膜厚、ターゲット４１のスパッタリングレート及び膜質により決定される。

　ターゲット４１は例えばＭＲＡＭの素子を構成するためのＣｏ－Ｆｅ－Ｂ（コバルト－鉄－ホウ素）合金、Ｃｏ－Ｆｅ合金、Ｆｅ、Ｔａ（タンタル）、Ｒｕ、Ｍｇ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどのいずれかの材質により構成されている。さらに説明すると、このターゲット４１としては、Ｆｅ,Ｃｏ,Ｎｉ（ニッケル）の３ｄ遷移金属からなる元素のうちの一つ以上を主成分として含む金属または合金により構成される。主成分として含むとは、製造時に不純物として混入された場合を含むものではなく、より具体的には、ターゲット４１全体に対して例えば１０％以上含む場合をいう。

　図２に示すように、前記ターゲット４１に並行してその両端が真空容器１１の内側から外側へ伸びる筒状の回転軸４２が設けられている。この回転軸４２において真空容器１１の内側に位置する端部は拡径されてフランジ４３を構成し、ターゲット４１の一端側を塞いでいる。回転軸４２はターゲット４１と真空容器１１を絶縁するための絶縁部材４４を介して真空容器１１に支持されている。そして、真空容器１１の外側から回転軸４２と真空容器１１との図示しない隙間を塞いで、真空容器１１の気密性を確保するために筒状の回転シール４５が設けられている。図中４６は回転シール４５に設けられるベアリングである。回転軸４２及びフランジ４３は導電性部材により構成され、ターゲット４１と共に電極４０を構成している。この電極４０には電源部４７により負の直流電圧が印加される。ただし、前記直流電圧に代わり高周波電圧を印加してもよい。

　ターゲット４１の他端側を塞ぐように例えば金属の円形の蓋４８が設けられ、この蓋４８の中心部から、ターゲット４１の軸方向に回転軸４９が真空容器１１の外部へ向かって伸びている。この回転軸４９と真空容器１１との間を塞ぐように、ターゲット４１の一端側と同様にベアリング４６を備えた回転シール４５が設けられている。回転軸４９は、回転軸４２と同様に絶縁部材４４を介して真空容器１１に支持されており、この絶縁部材４４により真空容器１１と電極４０とが絶縁されている。なお、このように回転軸４２、４９によりターゲット４１の両端側が真空容器１１に対して支持されるように構成する代わりに、回転軸４９を設けず、回転軸４２のみによってターゲット４１が真空容器１１に支持された構成としていてもよい。

　回転軸４２にはベルト５１が巻き掛けられており、回転機構をなすモータ５２によりベルト５１が駆動される。それによってターゲット４１がその軸回りに回転する。ターゲット４１の空洞部５０にはマグネット配列体５３が設けられている。このマグネット配列体５３は、前記軸方向に伸びる支持板５４と、この支持板５４に支持された例えばマグネット５５、５５、５６、５７、５７とを備えている。ターゲット４１の軸方向に見ると、各マグネット５５～５７は、前記空洞部５０をウエハＷに向かって側面視斜め下方に互いに並行に延び出すように設けられ、磁気回路を構成している。

　図３にはマグネット５５～５７の縦断斜視図を示しており、図４にはマグネット５５～５７の縦断側面図を示している。図中５８はマグネットの先端面である。各マグネット５５～５７は側面視互いに間隔をおいて配置されている。そして、マグネット５６を左右から挟むようにマグネット５７、５７が配置されており、さらにこれらマグネット５７、５７を左右から挟むようにマグネット５５、５５が配置されている。第１のマグネットであるマグネット５６は側面視長方形に構成されている。第２のマグネットであるマグネット５５及び第３のマグネットであるマグネット５７は、その側面から見ると、支持板５４から延び出した先端側が斜辺となる台形状に夫々構成されている。

　マグネット５６、５５はターゲット４１の外部に磁束６０を形成するためのマグネットである。マグネット５６、５５の磁場方向（磁極の向き）は、支持板５４からの伸長方向に沿っており、マグネット５６ではターゲット４１側がＮ極、マグネット５５ではターゲット４１側がＳ極となっている。マグネット５７は、前記マグネット５６、５５間の磁束６０を強めるために設けられる。そのような目的から、マグネット５７の磁極の向きはマグネット５６、５５の磁極の向きと直交するように構成されており、マグネット５６側がＮ極となっている。図４中実線の矢印で各マグネット５５～５７の磁極の向きを示している。

　そして各マグネット５５～５７の先端面５８を見ると、マグネット５５の配列方向において中央部に配置されたマグネット５５の先端面５８に向かうほど、支持板５４から離れてターゲット４１の周面に向かって突出するように構成されている。つまり、各マグネット５５～５７の先端面５８はあたかもターゲット４１の内周に沿うように構成され、側面視折れ線状に形成されている。別の見方をすれば、ターゲット４１の内周の曲面を直線に近似したとき、この近似した直線に平行するように前記各先端面５８が設けられている。

　このように各マグネットを構成することで、マグネット５５、５６と、ターゲット４１との距離を近づけ、ターゲット４１の外部における上記の磁束６０を強める。そして、マグネット５７の作用を比較的大きくすることができ、この磁束６０をさらに増大させることができる。つまり、ターゲット４１からの漏洩磁場を増大させることができる。図４中ｄで示したマグネット５６の先端面５８と、ターゲット４１の内周面との距離は例えば１５ｍｍ以下に設定される。他のマグネット５５、５７の先端面５８と前記ターゲット４１の内周面との距離も例えば同様に１５ｍｍ以下に設定される。

　図２に戻って説明を続ける。支持板５４にはブラケット２６が接続され、このブラケット２６はターゲット４１及び回転軸４２内を軸方向に伸びる支持棒２７に接続されることにより支持されている。支持棒２７の端部２８は真空容器１１の外部へ延出され、例えば図示しない壁部に支持されている。

　このマグネトロンスパッタ装置１は制御部６を備えている。制御部６は装置１の各部へ制御信号を送信するプログラムを備えている。このプログラムは、後述の成膜処理が行われるように装置１の各部の動作を制御する制御信号を送信する。具体的には、前記プログラムは、電源部４７から電極４０への電力供給動作、流量調整部３７によるＡｒガスの流量調整、排気量調整機構３４による真空容器１１内の圧力調整、回転駆動機構２３によるステージ２１の回転、モータ５２によるターゲット４１の回転などの各動作が前記制御信号により制御される。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。

　続いて、上述のマグネトロンスパッタ装置１の作用について説明する。真空容器１１の搬送口１２を開き、図示しない外部の搬送機構及び突き上げピンの協働作業により、ステージ２１にウエハＷを受け渡す。次いで、搬送口１２が閉じられ、真空容器１１内にＡｒガスが供給されると共に、排気量調整機構３４により排気量が制御され、真空容器１１内が所定の圧力に維持される。

　そして、図５の作用図に矢印で示すようにステージ２１が鉛直軸回りに回転すると共にモータ５２によりターゲット４１が軸回りに回転する。そして、電源部４７からターゲット４１に負の直流電圧が印加されて、ターゲット４１の周囲に電界が生じ、この電界によりＡｒガスが電離して電子を発生する。その一方で、マグネット５５からターゲット４１に吸収されず、外側に漏洩した磁界により、図５に点線で示すようにマグネット５５同士の間に磁束６０を構成する漏洩磁場が形成され、ターゲット４１の表面（スパッタされる面）近傍に水平磁場６１が形成される。

　こうして、ターゲット４１近傍の電界及び磁場によって前記電子は加速され、ドリフトする。そして、加速によって十分なエネルギーを持った電子が、さらにＡｒガスと衝突し、電離を起こしてプラズマを形成し、プラズマ中のＡｒイオン６２がターゲット４１をスパッタする。また、このスパッタにより生成された二次電子は前記磁場に捕捉されて再び電離に寄与し、こうして電子密度が高くなり、プラズマが高密度化される。

　図６～図８はターゲット４１の表面状態が時間と共に変化する様子を示す模式図である。図６、図７に示すようにＡｒイオン６２によりターゲット４１がスパッタされ、スパッタ粒子６３が放出されてエロージョン６４が形成されるが、マグネット５５に対してターゲット４１が回転しているため、図７、図８に示すようにターゲット４１のスパッタされる箇所がずれ、エロージョン６４はターゲット４１の周方向に広がるように形成される。そのため、漏洩磁界の強度が急激に大きくなることが防がれる。結果として、局所的にエロージョン６４がターゲット４１の厚さ方向に向けて大きくなることを抑えることができる。

　ターゲット４１のスパッタリングは、漏洩磁場のターゲット４１表面に対する水平成分が強い箇所ほど進行が早く、当該箇所から多くのスパッタ粒子６３が放出される。放出されたスパッタ粒子６３は、回転するウエハＷ表面に向かって入射して付着する。ウエハＷの周方向にスパッタ粒子６３が入射する位置がずれることにより、ウエハＷの周方向全体にスパッタ粒子が供給され、磁性体膜が形成される。電源部４７の電源がオンになってから所定の時間経過すると、この電源がオフになりプラズマの発生が停止し、Ａｒガスの供給が停止し、真空容器１１内が所定の排気量で排気され、ウエハＷが搬入時とは逆の動作で真空容器１１内から搬出される。

　このマグネトロンスパッタ装置１によれば、磁性体により構成される円筒型のターゲット４１が軸回りに回転しながらスパッタが行われ、中心軸周りに回転するウエハＷにスパッタ粒子が入射して成膜が行われる。それによって、ターゲット４１のエロ－ジョンが局所的に進行することを抑えることができるので、ターゲット４１の利用効率が高められる。そして、マグネット配列体５３が、ターゲット４１の軸方向に見てターゲット４１の両端部側よりも中央部がターゲット４１の内周面に向かって突出した形状に構成されている。それによって、ターゲット４１から漏洩する磁界の強度を大きくすることができるので、ターゲット４１の厚さを比較的大きくすることができる。従って、１つのターゲット４１により処理可能なウエハＷの枚数が増加するため、ターゲット４１の交換の頻度が抑えられる。結果として、装置１の生産性を高めることができる。

　前記第１の実施形態では、ターゲット４１をウエハＷに対して斜めに配置すること及びウエハＷを回転させて成膜を行うことでウエハＷ面内での膜厚の均一化を図っている。これ以降、より膜厚の均一性を高めるための装置の例を説明する。図９には装置１の第１の変形例を示している。上記の実施形態との差異点としては支持棒２７の端部が回転機構７１に接続され、マグネット配列体５３がターゲット４１とは独立して当該ターゲット４１の軸回りに回転できるように構成されていることである。それによって、図１０に示すようにマグネット配列体５３の傾きを変更することができる。

　例えば、成膜するときの真空容器１１内の圧力やターゲット４１の材質、及びターゲット４１への印加電圧などの処理条件によって、ターゲット４１からウエハＷに入射するスパッタ粒子の角度は変化する。そこで、実験により予め前記圧力、前記材質、及び前記印加電圧の各種の組み合わせに対応する適切なマグネット５５の傾きを取得しておく。そして、制御部６のメモリに前記圧力、前記材質、前記印加電圧及び前記マグネット５５の傾きを対応付けたデータベースを記憶させておく。そして、ユーザがウエハＷの処理前に制御部６にて、処理を行うために前記圧力、材質及び印加電圧を設定すると、前記データベースに基づいて適切なマグネット５５の傾きが決定される。その後、前記回転機構７１が支持棒２７を回転させ、マグネット５５が決定された傾きに固定されてウエハＷに処理が行われる。

　また、このように回転機構７１を設けた場合、ウエハＷの処理中に傾きを固定する代わりに、継続してマグネット５５の傾きが変更されるようにしてもよい。例えば図１０に示したように、マグネット５５が実線で示す水平に向く状態と、鎖線で示す下方に向く状態とが交互に繰り返されるように、当該マグネット５５の傾きが変化する。そして、制御部６のメモリには、マグネット５５の傾きの代わりに、このマグネット５５の移動経路における各地点の移動速度のデータが、上記の各処理条件と対応付けられて記憶されている。そして、ユーザが処理条件を設定すると、マグネット５５はその処理条件に対応した移動速度で移動経路の各位置を移動する。このようにして、ウエハＷの膜厚分布を制御してもよい。

　また、図１１には、装置１の第２の変形例を示している。この第２の変形例では、マグネット配列体５３がターゲット４１内をその長さ方向に往復移動できる大きさに形成されている。そして、支持棒２７が移動機構７２により長さ方向に進退し、マグネット配列体５３の位置が変更自在に構成されている。第１の変形例と同様に、処理条件に対応して、マグネット配列体５３の位置が固定されて処理が行われてもよい。また、処理中にマグネット配列体５３が往復移動を続け、この往復移動経路における各位置の移動速度が前記処理条件によって設定されるようにしてもよい。

　マグネット配列体５３の構成としては上記の例に限られない。例えば図１２に示すように、ターゲット４１の軸方向に見て、マグネット５５の先端面５８の輪郭が曲線状に形成されていてもよい。また、マグネット配列体５３を構成するマグネットの数は、上記のようにターゲット４１に対して水平な磁場を形成できればよい。より具体的には、１つのマグネットを挟むように２つのマグネットを配置し、内側のマグネット、外側のマグネットのそれぞれがターゲット面に対して反対方向を向いている構造であればよく、この図１２に示すように３個以上であればよい。つまり、磁場増強用のマグネット５７は設けなくてもよい。なお、この図１２以降の各図では図４と同様に各マグネットの磁極の向きを矢印で示している。また、図１３に示すようにマグネット配列体５３の両端側から中央部に向かうに従って、各先端面５８がターゲット４１に向かって形成された階段状に構成されていてもよい。

　また、図１４に示すように、支持板５４から放射状に各マグネット５５～５７が延び出すように構成してもよい。この例では側面から見てマグネット５７の幅が、ターゲット４１に向かうに従って大きくなっている。他のマグネット５５、５６についても、このマグネット５７と同様に延出方向の幅が一定であることには限られない。また、マグネット５５の磁極の向きを縦方向とすると、この例ではマグネット５７の磁極の向きはマグネット５５からマグネット５６へ向かう斜め方向に設定されている。このようにマグネット５７の磁極の向きは、マグネット５５、５６の磁極の向きに直交させることに限られない。

　また、上記の各例では支持板５４が側面視長方形に構成されているが、このように構成されることには限られない。図１５には支持板５４を側面視台形状に構成した例を示している。この台形の上面からマグネット５６が延び出し、マグネット５５、５５が台形の斜面から、放射状に延び出している。マグネット５７は、前記上面と前記斜面とのなす角部から放射状に延び出している。このように支持板５４を構成することで、マグネット形状を単純な直方体形状に加工することが可能となり、マグネットの製造コストを低減することが可能になる。加えて、互いに同じ形状のマグネット５５、５６を使用することができる。それによって、装置の製造時にマグネットごとに形状を調整する手間を抑えることができる。支持板５４のマグネット５５～５７の設置面はこれらの例に限られず、例えば曲面であってもよく、マグネット５５～５７の形状に従って任意の形状に構成することができる。

　ところで、各図に示した例においてマグネット５７を設けなくてもよい。また、マグネット５６の先端面５８よりもマグネット５７の先端面５８のターゲット４１の内周面への突出が抑えられるように構成されてもよい。ただし、既述のように漏洩磁場を増大させるために、マグネット５７を設けて、その先端面５８をマグネット５６の先端面５８よりも前記周面へ突出するように構成することが有効である。

　図９、図１０で説明した、第１の変形例におけるマグネトロンスパッタ装置１を用いて行う処理の一例について、図１６のタイミングチャートを参照して、さらに詳しく説明する。このタイミングチャートを構成する４つのグラフ８１～８４は、一枚のウエハＷの処理前から当該ウエハＷの処理後に至るまでの前記装置１の各部の動作を示している。グラフ８１は、電源部４７によりターゲット４１に電力が投入されるタイミングを示し、グラフ８２はターゲット４１の回転速度を示している。グラフ８３は、マグネット配列体５３を構成する一のマグネットの角度を示し、グラフ８４はウエハＷの角度を示す。

　各グラフ８１～８４についてさらに説明する。グラフ８１の縦軸はターゲット４１への投入電力を示し、電源がオンのときにはＰワットの電力が供給され、ウエハＷに成膜処理が行われる。この電力量Ｐの大きさは任意に設定される。グラフ８２の縦軸は、ターゲット４１の回転速度を示している。成膜処理中、ターゲット４１は例えば一定の速度Ｖで回転する。ターゲット４１において長時間連続して同じ箇所がスパッタされなければよく、また、ターゲット４１の回転速度が大きすぎると、この回転による作用で、ターゲット４１から飛散する粒子のうち、ウエハＷから外れた方向に飛散する粒子が多くなる。従って、回転速度Ｖは比較的遅い速度でよく、具体的には例えば０ｒｐｍより大きく、１０ｒｐｍ以下の速度である。

　グラフ８３の縦軸は、前記マグネットの角度を示している。マグネットの角度とは、例えばマグネット配列体５３を構成する一つのマグネットが支持板５４から伸びる方向と水平面とがなす角度である。成膜処理開始時のマグネットの角度をＴ１とする。そして、成膜処理終了時のマグネットの角度をＴ２とする。図１７には前記角度Ｔ１、Ｔ２の一例を示している。図中８０は前記水平面を示す。角度Ｔ１及び角度Ｔ１からＴ２までの範囲は、ターゲット４１の材質や成膜条件により適宜設定される。前記成膜条件は、ウエハＷに形成する膜の膜厚、ターゲット４１への投入電力、真空容器１１内の処理圧力を含む。マグネット配列体５３の移動速度が大きすぎると、ターゲット４１表面の磁場が不安定になることから、マグネット配列体５３の動作速度は比較的小さい速度にすることが好ましい。具体的には、例えば１．５°／秒～１０°／秒でマグネット配列体５３が移動することが好ましい。また、成膜処理中におけるマグネット配列体５３の移動方向は、ターゲット４１の回転方向と同じ方向であっても、逆方向であってもよい。

　グラフ８４の縦軸は、ウエハＷの角度を示している。このウエハＷの角度とは、ステージ２１に載置されたウエハＷにおいて、当該ウエハＷの側端に設けられる切り欠き（ノッチ）が所定の方向を向いた状態を、０°＝３６０°とした角度である。ウエハＷが１回転する間に形成される膜の膜厚分布のばらつきを均すために、成膜処理中に複数回、例えば８回以上ウエハＷを回転させることが好ましい。ただし、ウエハＷの回転速度が大きすぎると、ウエハＷの回転によりウエハＷに向かって入射した粒子がはじかれるため、この回転速度は例えば０ｒｐｍより大きく、１２０ｒｐｍ以下であることが好ましい。また、膜厚分布の均一性を高くするために、成膜処理が開始される時点と成膜処理が終了する時点とで、前記ウエハＷの角度が一致していることが好ましい

　タイミングチャートで示した処理について、順を追って説明する。先ず、ユーザにより所望の前記成膜条件が設定され、この設定に応じて制御部６により処理時間が決定される。ウエハＷが真空容器１１に搬入されると、ターゲット４１の回転速度が０ｒｐｍからＶｒｐｍになるように上昇すると共に、マグネットの角度が、所定の角度からＴ１になるように変化する。これらターゲット４１の回転速度の上昇及びマグネットの角度の変化に並行して、ウエハＷの角度が０°（＝３６０°）となるように合わせ込まれる。

　ターゲット４１の回転速度がＶｒｐｍに達すると、回転速度の上昇が停止し、ターゲット４１はＶｒｐｍで回転を続ける。そして、マグネットの角度がＴ１になり、ウエハＷの角度が０°になると、ターゲット４１に電力が供給され、成膜処理が開始される（図１６中時刻ｔ１）。この成膜処理中、ターゲット４１はＶｒｐｍで回転を続け、マグネット配列体５３は一定の速度で移動を続ける。また、ウエハＷも所定の速度で回転を続ける。ターゲット４１に電力の供給が開始されてからウエハＷが例えば８回転し、成膜開始時の角度になると共に決定された処理時間が経過すると、前記ターゲット４１への電力の供給が停止し、成膜処理が終了する。この電力供給の停止と共にウエハＷの回転及びマグネット配列体５３の移動が停止する（図１６中時刻ｔ２）。然る後、ターゲット４１の回転も停止する。

　図１６のグラフの成膜処理中においては、その角度がＴ１からＴ２になるように、マグネット配列体５３が一方向に移動しているが、図１０で説明したように往復移動してもよい。即ち、成膜処理中にマグネット配列体５３を構成するマグネットの角度が例えばＴ１から任意の角度Ｔ３になるように移動後、移動方向が逆になり、角度がＴ３からＴ１になるように移動してもよい。このような往復移動が繰り返し行われてもよい。

　続いて、マグネトロンスパッタ装置の他の構成例について説明する。図１８、図１９は夫々マグネトロンスパッタ装置９の縦断側面図、横断平面図である。このマグネトロンスパッタ装置９は、図９、図１０で説明した、第１の変形例におけるマグネトロンスパッタ装置１と略同様に構成されている。差異点としては、シャッタ９１が設けられていることが挙げられる。シャッタ９１は例えば傘状に形成され、ターゲット４１とステージ２１とを仕切るように設けられている。シャッタ９１の中央部上側には回転軸９２が接続されており、この回転軸９２は真空容器１１の外部に設けられる回転機構９３により回転自在に構成される。回転機構９３は、磁力により回転軸９２を回転させて、シャッタ９１を回転させる。

　シャッタ９１には開口部９４が形成されている。成膜処理を行うときにはターゲット４１から飛散した粒子がウエハＷに供給されるように、開口部９４がターゲット４１の下方に位置する。この位置を図１９に実線で示しており、開口部９４が当該位置にある状態をシャッタ９１が開いた状態とする。成膜処理を行わないときには、ターゲット４１とウエハＷとの間が遮られるように、開口部９４がターゲット４１の下方から外れるように位置する。この位置を図１９に鎖線で示しており、開口部９４が当該位置にある状態をシャッタ９１が閉じた状態とする。

　図２０は、マグネトロンスパッタ装置９の各部の動作の一例を示すタイミングチャートである。この図２０のタイミングチャートでは、既述のグラフ８１～８４と、グラフ８５とを示している。グラフ８５の縦軸は、前記シャッタ９１の開閉状態を示す。

　図２０のタイミングチャートで示したマグネトロンスパッタ装置９の動作について、既述のマグネトロンスパッタ装置１の第１の変形例における動作との差異点を中心に説明する。シャッタ９１が閉じた状態で、ターゲット４１の回転速度がＶｒｐｍになるように上昇する。それに並行して、マグネットの角度がＴ１になるように調整されると共にウエハＷの角度が０°になるように調整される。ターゲット４１の回転速度がＶｒｐｍに達すると、ターゲット４１に電力が供給され、ターゲット４１がスパッタされる。シャッタ９１によりウエハＷに向かうスパッタ粒子は遮られる。前記マグネットの角度がＴ１になると共にウエハＷの角度が０°になると、シャッタ９１が開き、前記スパッタ粒子がシャッタ９１の開口部７５を通過してウエハＷに入射し、スパッタ処理が開始される（時刻ｔ３）。シャッタ９１が開かれたときから、設定した成膜条件により決定された処理時間が経過すると、ターゲット４１への電力供給が停止し、成膜処理が停止する（時刻ｔ４）。

　即ち、上記の処理では、シャッタ９１を開くタイミングで、成膜処理を開始するタイミングを制御している。上記の処理においては、電力供給を停止する代わりにシャッタ９１を閉じて、成膜処理を停止させてもよい。

（評価試験）
　評価試験１　
既述のマグネット配列体５３を備えたターゲット４１の漏洩磁束密度の分布について、シミュレーションを行い確認した。ターゲット４１に関して、材質はＢｓ（黄銅）であり、磁束密度は２．２テスラであり、且つ、厚さが４ｍｍであるものとして設定した。図２１及び図２２に、このシミュレーションの結果を表示している。これらの図は、ターゲット４１表面から０．５ｍｍ外側に離れた面における磁束密度分布を示している。図２１、２２において、マグネット５５～５７の配列方向をＸ方向、ターゲット４１の円筒の長さ方向をＹ方向、マグネット５５～５７の先端側から基端側に向かう方向をＺ方向として示している。即ちＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する方向である。図２１はターゲット４１を斜めから見た磁束密度分布であり、図２２はターゲット４１をＺ方向に向かって見た、ＸＹ平面における磁束密度分布である。

　実際の測定結果における磁束密度分布は、磁場強度に応じて色及び色の濃さが異なるコンピュータグラフィックスによるカラー画像として得られている。図２１及び図２２では図示の便宜上、このカラー画像の代わりに、所定の範囲の磁場強度を示す領域を等高線で区画し、区画した領域ごとに互いに異なる模様を付して表示している。磁場強度が１３５０ガウス以下、１２００ガウスより大きい領域を黒く塗りつぶし、磁場強度が１２００ガウス以下、１０５０ガウスより大きい領域に網目模様を付している。磁場強度が１０５０ガウス以下、９００ガウスより大きい領域に斜線を付し、磁場強度が９００ガウス以下、６００ガウスより大きい領域に垂直線を付している。磁場強度が６００ガウス以下、３００ガウスより大きい領域を比較的濃いグレースケールで示し、磁場強度が３００ガウス以下、０ガウス以上の領域を比較的薄いグレースケールで示している。

　一般に、磁性材料であるターゲットに直流電圧を印加してマグネトロンスパッタを行うためには、当該ターゲットから漏洩する磁場強度が５００ガウス以上となることが必要であると考えられている。図２１及び図２２に示すように、ターゲット４１表面において５００ガウス以上の磁場強度となっている領域が存在し、最も高い磁場強度は１２００以上となっていることが確認された。即ち、既述のように構成されたマグネット配列体５３及びターゲット４１を用いて、問題無くウエハＷに成膜処理を行うことができることが示された。

　評価試験２　
　評価試験２－１として、図１６のタイミングチャートで説明したように成膜処理を行うシミュレーションを実施した。即ち、この評価試験２－１では成膜処理中にマグネット配列体５３が移動するように設定されている。そして、この成膜処理により得られるウエハＷの各部における膜厚の分布を百分率で算出し、１シグマ（標準偏差）を算出した。また、評価試験２－２として、成膜処理中にマグネット配列体５３を移動させずに、成膜処理を行うシミュレーションを実施した。成膜処理中にマグネット配列体５３を移動させないことを除いて、この評価試験２－２のシミュレーションは、評価試験２－１と同様の成膜条件となるように設定して行った。そして、このシミュレーションにより得られた膜厚の分布について、評価試験２－１と同様に１シグマを算出した。

　図２３の棒グラフは、評価試験２－１、２－２の結果を示す棒グラフである。グラフの縦軸は、前記１シグマを示す。即ち、この縦軸の数値が小さいほどウエハＷの各部における膜厚の均一性が高い。評価試験２－１では１シグマが０．７５程度であり、評価試験２－２では１シグマが２．７５程度である。つまり、評価試験２－１は、評価試験２－２よりも膜厚の均一性が高い。なお、マグネット配列体５３を構成するマグネットの配列について複数のパターンを作成し、各パターンを用いて、評価試験２－１、２－２を行った。そのようにマグネットの配列パターンを変更しても、評価試験２－１の方が評価試験２－２よりも膜厚の均一性が高かった。即ち、成膜処理中にマグネット配列体５３を移動させることで、膜厚の均一性を高くできることが示された。

Claims

　真空容器内の回転自在な載置部に載置された基板に、マグネトロンスパッタ法により成膜する装置において、
　前記基板上にて、当該基板の中心軸から前記基板の面に沿った方向にその中心軸が偏移して配置され、磁性材料からなるターゲットである円筒体と、
　この円筒体を当該円筒体の軸周りに回転させる回転機構と、
　前記円筒体の空洞部内に設けられたマグネット配列体と、
　前記円筒体に電圧を印加する電源部と、を備え、
　前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、円筒体の周方向における両端部よりも中央部が当該円筒体の周面側に突出していることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
　前記ターゲットを構成する磁性材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの３ｄ遷移金属からなる元素のうちの一つ以上を主成分として含む金属または合金であることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ装置。
　前記マグネット配列体を円筒体の軸方向に移動させるための移動機構を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のマグネトロンスパッタ装置。
　前記マグネット配列体を円筒体の周方向に移動させるための移動機構を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のマグネトロンスパッタ装置。
　前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、当該円筒体の内周面側の輪郭が前記両端部から中央部に向かって当該円筒体の内周面に沿って、曲線状または折れ線状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
　前記マグネット配列体の前記円筒体の軸と直交する断面形状は、当該円筒体の内周面側の輪郭が前記両端部から中央部に向かって複数段の階段状の形状に構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
　マグネット配列体は複数のマグネットを備え、各マグネットと前記円筒体の周面との距離が１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
　前記マグネット配列体は、第１のマグネットと、前記円筒体の周面側の磁極が、前記第１のマグネットにおける前記円筒体の内周面側の磁極と異なるように当該第１のマグネットを挟んで設けられた第２のマグネットと、前記第１のマグネットと第２のマグネットとにより形成される磁場を強めるために当該第１のマグネットと第２のマグネットとの間に、その磁極の向きが第１のマグネット及び第２のマグネットのいずれか一方側から他方側へ向かうように設けられた第３のマグネットとを備え、
　前記第３のマグネットは、前記第２のマグネットよりも前記円筒体の周面側に突出し、前記第１のマグネットは、前記第３のマグネットよりも円筒体の周面側に突出して設けられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。