特許 6559233 マグネトロンスパッタリング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6559233

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】マグネトロンスパッタリング装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/35 20060101AFI20190805BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20190805BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/35 C

   H01L21/31 D

   H01L21/316 Y

【請求項の数】2

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2017-520213(P2017-520213)

(86)(22)【出願日】2016年5月11日

(86)【国際出願番号】JP2016002308

(87)【国際公開番号】WO2016189809

(87)【国際公開日】20161201

【審査請求日】2017年11月6日

(31)【優先権主張番号】特願2015-104441(P2015-104441)

(32)【優先日】2015年5月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】中村 真也

(72)【発明者】

【氏名】藤井 佳詞

【審査官】 岡田 隆介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１１７０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２５５４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２１５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８４４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８９７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−００３４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６０３９８４８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／００−１４／５８

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空チャンバと、この真空チャンバに着脱自在なカソードユニットとを備え、カソードユニットは、真空チャンバ内を臨むように設置されるターゲットと、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されてスパッタ面側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットとを有するマグネトロンスパッタリング装置であって、真空チャンバ内でターゲットに対向配置される処理基板に対してターゲットをスパッタリングして成膜する間、ターゲット中心を回転中心として磁石ユニットを回転駆動する駆動源を有するものにおいて、
前記処理基板に成膜したときに生じる膜厚分布の偏りの方位に一致させて真空チャンバまたはカソードユニットのハウジングの外壁に、真空チャンバ内に漏洩磁場を作用させる補助磁石ユニットを局所的に設け、
前記ターゲットが絶縁物製であり、このターゲットが、内部に冷媒循環通路が設けられたバッキングプレートに接合された状態でカソードユニットに設けられ、
高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングして成膜する間、バッキングプレートの上壁に設けた冷媒の流入口から冷媒循環通路に冷媒を供給し、その上壁に設けた冷媒の流出口から排出しながら冷媒との熱交換でターゲットを冷却し、
前記補助磁石ユニットが、ターゲットの中心から流出口を経てのびる線と真空チャンバの外壁との交点を跨ぐように周方向に列設され、前記補助磁石ユニットで発生させる漏洩磁場の作用により、処理基板に成膜される薄膜の膜厚分布の偏りを抑制することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。

【請求項2】

請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置であって、
前記補助磁石ユニットは、複数個の夫々対をなす磁石から構成され閉磁場を形成することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＮＡＮＤ型フラッシュメモリのような次世代の半導体デバイスの製造工程において、酸化アルミニウム膜等の絶縁膜を成膜するために、マグネトロンスパッタリング装置が用いられる。マグネトロンスパッタリング装置としては、真空チャンバと、この真空チャンバに着脱自在なカソードユニットとを備え、カソードユニットは、真空チャンバ内を臨むように設置されるターゲットと、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されてスパッタ面側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットとを有し、真空チャンバ内でターゲットに対向配置される処理基板に対してターゲットをスパッタリングして成膜する間、ターゲット中心を回転中心として磁石ユニットを回転駆動する駆動源を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

このようなマグネトロンスパッタリング装置を用いた成膜では、真空チャンバに設けられた排気口の位置やガス導入口の位置に起因して、処理基板に成膜される薄膜の膜厚分布に偏りが生じることが知られている。次世代の半導体デバイスでは、膜厚面内分布を例えば１％未満に制御することが要求されており、この要求を満たすには、膜厚分布の偏りを如何に抑制するかが重要となる。この場合、磁石ユニットの磁石を一方向に移動自在に構成することが考えられるが、装置構成が複雑化するという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平５−２０９２６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記知見に基づき、簡単な構成で、膜厚分布の偏りを効果的に抑制することができるマグネトロンスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、真空チャンバと、この真空チャンバに着脱自在なカソードユニットとを備え、カソードユニットは、真空チャンバ内を臨むように設置されるターゲットと、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されてスパッタ面側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットとを有する本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、真空チャンバ内でターゲットに対向配置される処理基板に対してターゲットをスパッタリングして成膜する間、ターゲット中心を回転中心として磁石ユニットを回転駆動する駆動源を有し、前記処理基板に成膜したときに生じる膜厚分布の偏りの方位に一致させて真空チャンバまたはカソードユニットのハウジングの外壁に、真空チャンバ内に漏洩磁場を作用させる補助磁石ユニットを局所的に設けることを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、補助磁石ユニットで発生させる漏洩磁場の作用により、処理基板に成膜される薄膜の膜厚分布の偏りを効果的に抑制することができ、その結果、膜厚面内分布を向上できる。しかも、磁石ユニットを一方向に移動させる複雑な機構を設ける必要がなく、簡単な装置構成で実現できる。

【0008】

ところで、ターゲットが絶縁物製であり、この絶縁物製のターゲットが、内部に冷媒循環通路が設けられたバッキングプレートに接合された状態でカソードユニットに設けられ、高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングして成膜する場合、バッキングプレートの冷媒循環通路から冷媒を排出する部分での膜厚が薄くなっていることを判明した。これは、冷媒循環通路から冷却水が排出される流出口付近で高周波電力が消費されてプラズマのインピーダンスが局所的に低くなることに起因するとの知見するに至った。

【0009】

そこで、本発明において、補助磁石ユニットを、ターゲットの中心から流出口を経てのびる線と真空チャンバの外壁との交点を跨ぐように配置することで、流出口近傍におけるプラズマのインピーダンスが高められ、膜厚分布の偏りを効果的に抑制することができる。本発明者らの実験では、膜厚面内分布を０．６％未満に制御できることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態のマグネトロンスパッタリング装置を示す模式的断面図。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面図。

【図3】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の効果を確認する実験結果を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のマグネトロンスパッタリング装置について説明する。以下においては、図１を基準とし、真空チャンバ１の天井部側を「上」、その底部側を「下」として説明する。

【0012】

図１に示すように、マグネトロンスパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部には排気口１１が設けられ、この排気口１１は排気管１２を介してターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプＰが接続され、処理室１ａを所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の側壁にはガス導入口１３が設けられ、このガス導入口１３には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１４が介設されたガス管１５が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスを処理室１ａ内に所定流量で導入できるようになっている。

【0013】

真空チャンバ１の底部には、後述するターゲットと対向させて基板ステージ１６が配置されている。基板ステージ１６は図示省略する公知の静電チャックを有し、この静電チャックの電極に所定電圧を印加することで、基板ステージ１６上に処理すべき基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。

【0014】

真空チャンバ１の天井部には、カソードユニットＣが着脱自在に設けられている。カソードユニットＣは、真空チャンバ１内（処理室１ａ）を臨むように設置されるターゲット２と、ターゲット２のスパッタ面２ａと背向する面にインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合されるバッキングプレート３と、ターゲット２のスパッタ面２ａと背向する側に配置されてスパッタ面２ａ側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニット４とを有する。バッキングプレート３及び磁石ユニット４はハウジングＨで囲われている。ターゲット２は、成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁物製であり、公知の方法を用いて例えば平面視円形に作製されている。ターゲット２には、スパッタ電源Ｅとしての高周波電源からの出力が接続され、スパッタリング時、高周波電力が投入される。バッキングプレート３は、熱伝導の良いＣｕ等の金属製であり、内部に冷媒循環通路３１が形成されていると共に、上壁には、冷媒の流入口３２と流出口３３が設けられている。図外のチラーから供給される冷媒（例えば冷却水）を流入口３２から冷媒循環通路３１に供給し、冷媒循環通路３１を循環した冷媒を流出口３３から排出しながら、冷媒との熱交換でターゲット２を冷却出来るようになっている。磁石ユニット４としては、ヨーク４１と、ヨーク４１の下面に環状に列設した同磁化の複数個の第１の磁石４２と、第１の磁石４２の周囲を囲うように環状に列設した第１の磁石４２と同磁化の複数個の第２の磁石４３とを有する。ヨーク４１の上面には、駆動源４４の駆動軸４４ａが接続され、ターゲット２をスパッタリングして成膜する間、ターゲット２中心を回転中心として磁石ユニット４を回転駆動できるようになっている。

【0015】

上記マグネトロンスパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、マスフローコントローラ１０の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、駆動源４４の駆動、チラーの駆動等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いたスパッタリング方法について、アルミナ膜を成膜する場合を例に説明する。

【0016】

アルミナ製のターゲット２が配置された真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、基板ステージ１６に基板Ｗを受け渡し、静電吸着する。次いで、スパッタガスたるアルゴンガスを例えば、１５０〜２５０ｓｃｃｍの流量で導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は２〜４Ｐａ）、スパッタ電源Ｅからターゲット２に高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４ｋＷ）を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２のスパッタ面２ａがスパッタされ、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗの表面に付着、堆積させてアルミナ膜が成膜される。

【0017】

ここで、磁石ユニット４の第１及び第２の磁石４２，４３の位置は、処理基板Ｗに成膜されるアルミナ膜の膜厚面内分布が良好となるように設計されるが、排気口１１の位置やガス導入口１３の位置に起因して、処理基板Ｗに成膜される薄膜の膜厚分布に偏りが生じることが知られている。本実施形態では、バッキングプレート３の冷媒循環通路３１から冷媒を排出する流出口３３の部分での膜厚が薄くなっており、その結果、膜厚分布の偏りが生じることが判明した。

【0018】

そこで、本実施形態では、膜厚分布の偏りの方位に一致させて、つまり、ターゲット２の中心から流出口３３を経てのびる線と真空チャンバ１の外壁との交点Ｃｐを跨ぐように、真空チャンバ１の外壁に補助磁石ユニット５を局所的に設けた。補助磁石ユニット５は、周方向に列設した複数個（本実施形態では４個）の磁石５１で構成することができる。尚、膜厚の制御範囲を限定し、発散磁場でない閉磁場とさせるため、これら複数個の磁石５１は夫々対をなすことが好ましい。

【0019】

以上説明した実施形態によれば、補助磁石ユニット５により真空チャンバ１内に発生させる漏洩磁場の作用により、流出口近傍におけるプラズマのインピーダンスが高められ、膜厚分布の偏りを効果的に抑制することができ、その結果、膜厚面内分布を向上させることができる。しかも、磁石ユニット４を一方向に移動自在にする複雑な機構を設ける必要がなく、補助磁石ユニットという簡単な構成で実現することができ、設備コストの上昇を抑制できて有利である。

【0020】

次に、上記効果を確認するために、上記マグネトロンスパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。発明実験では、処理基板Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコン基板を用い、カソードユニットＣのターゲット２としてφ４００ｍｍの酸化アルミニウム製のものを用いた。このカソードユニットＣを組み付け、図２に示すように補助磁石ユニット５の４つの磁石５１を交点Ｃｐを跨ぐように真空チャンバ１の外壁に設けた。そして、真空チャンバ１内の基板ステージ１６に処理基板Ｗをセットした後、磁石ユニット４を回転速度４０ｒｐｍで回転させると共に、真空チャンバ１内にアルゴンガスを２００ｓｃｃｍの流量で導入し（このときの処理室１ａ内の圧力は３Ｐａ）、ターゲット２へ１３．５６ＭＨｚの高周波電力を４ｋＷ投入してプラズマを生成し、スパッタリングにより処理基板Ｗにアルミナ膜を成膜した。成膜したアルミナ膜の平均膜厚は４５．６１ｎｍ、膜厚面内分布（σ）は０．５５％であり、図３（ａ）に示すように、基板面内において線で結ばれる同一膜厚を有する部分が略同心円状となって膜厚面内分布の偏りが抑制されていることが確認された。尚、図３（ａ）に示す方向は、図２に示す方向に対応する。

【0021】

上記発明実験に対する比較のために比較実験を行った。比較実験では、補助磁石ユニット５を設けない点を除いて、上記発明条件と同様の条件を用いてアルミナ膜を成膜した。成膜したアルミナ膜の平均膜厚は４６．１６ｎｍ、膜厚面内分布（σ）は１．１９％であり、図３（ｂ）に示すように、流出口３３に対応する左側部分の膜厚が薄く、右側に向かうほど膜厚が厚くなるという膜厚分布の偏りが確認された。上記発明実験及び比較実験によれば、真空チャンバ１の外壁に補助磁石ユニット５を局所的に設けることで、膜厚分布の偏りを抑制でき、ひいては、膜厚面内分布を０．６％未満にまで大幅に向上できることが判った。

【0022】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、補助磁石ユニット５を真空チャンバ１の外壁に設ける場合を例に説明したが、膜厚分布の偏りの方位に一致させてハウジングＨの外壁に設けるようにしてもよい。また、上記実施形態では、補助磁石ユニット５を４個の磁石５１で構成しているが、漏洩磁場を作用させる範囲に応じて磁石５１の数を適宜設定すればよい。

【0023】

また、上記実施形態では、ターゲット２の材質として酸化アルミニウムを例に説明したが、これに限らず、ＭｇＯ、ＳｉＣ，ＳｉＮ等の絶縁物を選択でき、また、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属を選択できる。金属製のターゲット２を用いる場合、スパッタ電源Ｅとして公知の直流電源を用いればよい。

【符号の説明】

【0024】

ＳＭ…マグネトロンスパッタリング装置、Ｃ…カソードユニット、Ｃｐ…ターゲット中心２ｃから流出口３３を経てのびる線と真空チャンバ１の外壁との交点、Ｈ…ハウジング、Ｗ…処理基板、１…真空チャンバ、２…ターゲット、２ａ…スパッタ面、２ｃ…ターゲット２の中心、３…バッキングプレート、３１…冷媒循環通路、３２…流入口、３３…流出口、４…磁石ユニット、５…補助磁石ユニット。

【図1】

【図2】

【図3】