(57)【要約】  ウェーハをＲＦバイアスするステップを含むアルミニウムスパッタリングプロセスと、好ましくは２つの異なるプラズマスパッタ反応器（１６８、１７０）において２つの明確に異なる条件下のスパッタリングによって狭いビアホールにアルミニウムを充填するために使用される２段階アルミニウム充填プロセスおよびこのための装置。第１のステップ（１３０）は、例えば１５０℃未満に保持され、また該狭いホールおよび各オーバーハングにアルミニウム原子を引き付けるように比較的高度にバイアスされる比較的冷たいウェーハ上に高い割合のイオン化アルミニウム原子をスパッタリングするステップを含む。第２のステップ（１３２）は、例えば２５０℃より高く保持され、またより等方的かつ均一なアルミニウムフラックスを提供するために実質的に未バイアスの比較的温かいウェーハ上へのより中性的なスパッタリングを含む。該アルミニウムターゲットの背後で走査される該マグネトロンは（８０）該第１のステップにおいて比較的小型かつ非均衡であってもよく、また（６０）該第２のステップでは比較的大型かつ均衡がとれていてもよい。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にアルミニウムをスパッタリングするための方法であって、
ペデスタル電極上にサポートされている基板上にアルミニウムをスパッタリングする第１の堆積ステップと、
前記第１の堆積ステップ中にＲＦ電力で前記ペデスタル電極をバイアスして、前記基板上に負ＤＣ自己バイアスを展開するステップと、
を備える、方法。
【請求項２】
前記第１の堆積ステップで使用されるアルミニウムスパッタリングターゲットの中心軸を中心に非均衡マグネトロンを回転させるステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の堆積ステップ中に前記基板の温度を１５０℃未満に維持するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記基板上にアルミニウムをスパッタリングし、前記第２の堆積ステップ中に前記基板の温度を２５０℃より高く維持する後続の第２の堆積ステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板上にアルミニウムをスパッタリングし、前記第２の堆積ステップ中に前記基板の温度を２５０℃より高く維持する後続の第２の堆積ステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記堆積ステップのいずれもＲＦ電力を誘導結合するステップを含んでいない、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の堆積ステップおよび第２の堆積ステップが異なるプラズマスパッタ反応器で実行される、請求項５および６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の堆積ステップおよび第２の堆積ステップが同一のプラズマスパッタ反応器で実行される、請求項５および６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の堆積中に、前記基板がバイアスされないか、前記第１の堆積ステップ中に前記バイアスステップで印加された前記ＲＦ電力の１０％以下にバイアスされる、請求項５および６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の堆積ステップおよび第２の堆積ステップが真空移送チャンバを介して接続されている異なるスパッタ反応器で実行されて、前記基板が真空下の前記異なるスパッタ反応器間に移送されるようにする、請求項５および６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＲＦ電力が、円形の２００ｍｍ基板の面積に正規化されている１００Ｗ〜５００Ｗの電力レベルで印加される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記電力レベルが１００Ｗ〜３００Ｗである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
基板上にアルミニウムをスパッタリングするための方法であって、
前記第１の反応器の内部に面している第１のアルミニウムターゲットが嵌合されている第１のプラズマスパッタ反応器で実行される第１の堆積ステップであって、
前記反応器内で第１のペデスタル上に前記基板をサポートする工程、
２００ｍｍ直径の円形基板の面積に正規化されている１Ｗ〜７００ＷのＲＦ電力レベルを有するＲＦ電力によって前記ペデスタルをバイアスする工程、
前記基板を１５０℃未満の第１の温度に維持する工程、
前記第１のアルミニウムターゲットの中心軸を中心に第１のマグネトロンを回転させる工程、
スパッタ動作ガスを前記第１の反応器に許容する工程、
ＤＣ電力を前記第１のアルミニウムターゲットに印加することによって前記第１のアルミニウムターゲットをスパッタリングして第１のアルミニウム層を前記基板上に形成する工程であって、前記アルミニウムが前記基板の上部平面上に第１の厚さで形成される工程を含む、前記第１の堆積ステップと、
前記第２の反応器の内部に面しているアルミニウム前面を有する第２のターゲットが嵌合されている第２のプラズマスパッタ反応器で実行される第２の堆積ステップであって、
前記第２の反応器内の第２のペデスタル上に前記基板をサポートする工程、
２５０℃より高い第２の温度に前記基板を維持する工程、
前記第１のマグネトロンとは実質的に異なる磁界分布を生成する第２のマグネトロンを前記第２のアルミニウムターゲットの中心軸を中心に回転させる工程、
前記第２の反応器へのスパッタ動作ガスを許容する工程、
前記第２のアルミニウムターゲットにＤＣ電力を印加することによって前記第２のターゲットをスパッタリングして前記基板上の前記第１のアルミニウム層の上部に第２のアルミニウム層を形成する工程であって、前記第２のアルミニウム層が前記基板の前記上部平面に第２の厚さで形成される工程を含む、前記第２の堆積ステップと、
を備える、方法。
【請求項１４】
前記第１の反応器および第２の反応器のいずれも前記プロセスで使用されるＲＦ誘導コイルを含んでいない、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のマグネトロンが非均衡であり、前記第１のターゲットの第１の小面積未満の包含面積を有しており、前記第２のマグネトロンが、前記第２のターゲットの第２の小面積である包含面積を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の小面積が前記第１の小面積よりも大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の小面積が１５％以下であり、前記第２の小面積が２５％より大きい、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ペデスタルが前記第２の堆積ステップ中に実質的に未バイアスのままである、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の温度が２５０℃〜５５０℃である、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＲＦ電力レベルが１００Ｗ〜５００Ｗである、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板が少なくとも４のアスペクト比を有するホールを含んでおり、前記第１の堆積ステップおよび第２の堆積ステップが前記ホールを充填する、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のマグネトロンが、
前記第１のターゲットの前記中心軸に沿って第１の総磁気強度を有する第１の磁気極性の内極と、
前記第１の磁気極性と反対の第２の磁気極性の前記内極を囲み、前記第１の総磁気強度の少なくとも１５０％の第２の総磁気強度を有する外極と、
を備える、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
基板上にアルミニウムをスパッタリングするための方法であって、
前記第１の反応器の内部に面しているアルミニウム前面を有する第１のターゲットが嵌合されている第１のプラズマスパッタ反応器で実行される第１の堆積ステップであって、
前記反応器内の第１のペデスタル上に前記基板をサポートする工程、
前記基板の２００ｍｍ直径に正規化されている１Ｗ〜７００ＷのＲＦ電力レベルを有するＲＦ電力で前記ペデスタルをバイアスする工程、
１５０℃未満の第１の温度に前記基板を維持する工程、
（１）前記第１のターゲットの前記中心軸に沿って第１の総磁気強度を有する第１の磁気極性の内極と、（２）前記第１の磁気極性と反対の第２の磁気極性の前記内極を囲み、前記第１の総磁気強度の少なくとも１５０％の第２の総磁気強度を有する外極とを備える第１のマグネトロンを前記第１のアルミニウムターゲットの中心軸を中心に回転させる工程、
前記第１の反応器にスパッタ動作ガスを許容する工程、
前記第１のアルミニウムターゲットにＤＣ電力を印加することによって前記第１のアルミニウムターゲットをスパッタリングして前記基板上に第１のアルミニウム層を形成する工程であって、前記アルミニウムが前記基板の上部平面に第１の厚さで形成される工程を含む、前記第１の堆積ステップと、
前記第２の反応器の内部に面しているアルミニウム前面を有する第２のターゲットが嵌合されている第２のプラズマスパッタ反応器で実行される第２の堆積ステップであって、
前記反応器内の第２のペデスタル上に前記基板をサポートする工程であって、前記ペデスタルが実質的に未バイアスのままである工程、
２５０℃より高い第２の温度に前記基板を維持する工程、
前記第１のアルミニウムターゲットの中心軸を中心に第１の略均衡マグネトロンを回転させる工程、
前記第２の反応器へのスパッタ動作ガスを許容する工程、
前記第２のアルミニウムターゲットにＤＣ電力を印加することによって前記第２のターゲットをスパッタリングして前記基板上の前記第１のアルミニウム層の上部に第２のアルミニウム層を形成する工程であって、前記第２のアルミニウム層が前記基板の前記上部平面に第２の厚さで形成される工程を含む、前記第２の堆積ステップと、
を備える、方法。
【請求項２４】
チャンバと、
前記チャンバにシールされているアルミニウムスパッタリングターゲットと、
前記ターゲットに結合されているＤＣ電源と、
前記ターゲットに面している前記チャンバ内のペデスタル電極と、
結合回路を介して前記ペデスタル電極に結合されているＲＦ電源と、
前記ペデスタル電極を冷却するための冷却システムと、
を備える、アルミニウムスパッタ反応器。
【請求項２５】
ＲＦ誘導コイルを含んでいない、請求項２４に記載の反応器。
【請求項２６】
前記アルミニウムスパッタリングターゲットの背後で回転可能な非均衡マグネトロンをさらに備える、請求項２４に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は概して、スパッタリングによる材料の堆積に関する。特に、本発明は２段階アルミニウムスパッタリングプロセスおよびこれに使用される装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン集積回路は、きわめて高度な回路の銅メタライゼーションを強く強調するにも拘わらず、マルチレベルメタライゼーション構造における垂直および水平の配線の導電性材料としてしばしばアルミニウムを使用し続ける。アルミニウムはマグネトロンスパッタリングによって最も頻繁に堆積される。しかしながら、垂直配線のアスペクト比が増大し続けると、スパッタリングやアルミニウムスパッタリングには概して好ましくない形状は多くの困難に直面する。にもかかわらず、比較的従来のＤＣマグネトロンスパッタ反応器は、その簡潔さ、低コストおよび長期使用ゆえに好まれ続けている。
【０００３】
図１の断面図に概略的に図示されているように、ＤＣマグネトロンスパッタ反応器１０は、中心軸１４を中心に概して対称的に配列されている真空チャンバ１２を含んでいる。真空ポンプシステム１６はチャンバ１２を、１０−８トールの範囲のきわめて低いベース圧力にポンピングする。しかしながら、質量流コントローラ２０を介してチャンバに接続されているガス源１８はアルゴンをスパッタ動作ガスとして供給する。チャンバ１２内のアルゴン圧は通常低ミリトール範囲に保持されている。中心軸１４を中心に配列されているペデスタル２２は、スパッタコーティングされるウェーハ２４や他の基板を保持している。図示されていないクランプリングや静電チャックがウェーハ２４をペデスタル２２に保持するために使用されてもよく、これは普通温度コントロールされる。シールド２６はチャンバ壁およびペデスタル２２の側部をスパッタ堆積から保護する。平らな前面を有するターゲット２８がペデスタル２２の反対側に配列されており、これはペデスタル近くに延びる実質的な有効部分を有していない。アルミニウムスパッタリングについて、ウェーハ２４に面しているターゲット２８の少なくとも前面は、元素アルミニウムに加えて１つ以上の合金元素の１０原子％以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成される。ターゲット２８は、アイソレーター３０を介してチャンバ１２に真空シールされている。
【０００４】
ＤＣ電源３２は、正帯電アルゴンイオンが負バイアスターゲット２８およびスパッタ材料に引き付けられるように、電気的に接地されていればシールド２８に対して、あるいは他のチャンバ部分に対してターゲット２８を電気的に負でバイアスして、アルゴンスパッタ動作ガスをプラズマに放電させる。ターゲット２８から放出されたスパッタ材料の一部が層としてウェーハ２４上に堆積される。反応イオンスパッタリングにおいて、窒素などの反応ガスが付加的にチャンバに許容されて、金属窒化物などの金属化合物の堆積をもたらす。銅や耐熱バリア金属をスパッタリングする一部の用途において、他のＲＦ周波数も使用可能であるが例えば１３．５６ＭＨｚで動作するＲＦ電源３４は、容量結合回路３８によってペデスタル２２における電極３６をバイアスする。アルミニウムスパッタリングを含む他の用途において、ＲＦバイアス回路は従来省略されており、ペデスタル２２は電気的に浮遊しているままである。
【０００５】
用途に応じて、ウェーハ２４はスパッタコーティング中に加熱または冷却される必要がある場合もある。コントロール可能な電源４０は、ペデスタル２２に埋め込まれている抵抗ヒーター４２に電流を供給することによってウェーハ２４を加熱してもよい。他方、コントロール可能な冷却器４４は、ペデスタル２２に形成された冷却チャネル４６に冷却水や他の冷媒を循環させてもよい。図示されていないが、さらなる熱コントロールが、ペデスタル電極３６の上部表面に形成された畳み込みチャネルに送出されたアルゴン熱伝達ガスのコントロール可能な供給によって行われて、ウェーハ２４をペデスタル２２に熱的に結合させる。
【０００６】
アルミニウムスパッタリング用のダイオードＤＣマグネトロンスパッタ反応器は従来、著しくエネルギーをプラズマに結合させるエネルギーのＲＦ誘導またはマイクロ波源を含んでいない。
【０００７】
スパッタリング速度は、ターゲット２８の背後にマグネトロン５０を置くことによって大きく増大されることが可能である。マグネトロン５０は本発明の一態様であり、種々の形状および形態を想定可能である。これは、ターゲット２８の前面に隣接した高密度プラズマ（ＨＤＰ）のリング状領域５６を形成するための、反対の垂直磁気極性を帯び、かつ通常はリング状に配列されている磁極５２、５４の対を含むことがある。ＨＤＰ領域５６は、電子をトラップする近接磁極５２、５４間に水平に延びる磁界から生じることによって、プラズマ密度を増大させる。増大されたプラズマ密度は、ターゲット２８の隣接領域のスパッタリングを大きく増大させる。プラズマ密度はさらに、走査およびスパッタリング中のターゲットの面積よりもかなり小さい、例えば１５％未満の包含面積を有するマグネトロン５０によって増大され、これによってマグネトロン５０の縮小面積にターゲット電力を集中させる。より均一なターゲットスパッタリングパターンを提供するために、リング状マグネトロン５０は通常中心軸１４からオフセットされている。モーター６０は、中心軸１４に沿って延び、かつ磁極５２、５４をサポートするプレート６４に固定されている回転シャフト６２を駆動して、中心軸１４を中心にマグネトロン５０を回転させる。オフセットマグネトロン５０を回転させることは、アジマス的に均一な時間平均磁界を生成する。磁極５２、５４が対向する円筒形永久磁石のそれぞれのリングによって形成される場合、プレート６４は好都合なことに磁気材料から形成されて、磁気ヨークとして作用する。
【０００８】
複数の異なる設計のマグネトロンが図１に図示されている一般的設計の反応器に適用されてきた。Ｔｅｐｍａｎは米国特許第５，３２０，７２８号において、平坦化されたソラ豆（kidney）形状を有するマグネトロンについて説明している。例えば、図２の平面図に図示されているように、ソラ豆状のマグネトロン７０は、他方の磁気極性の内極７４を囲む一方の磁気極性の外極７２を含んでいる。２つの極７２、７４は通常、極片として作用し、かつ複数の永久磁石によって下敷きにされている軟性磁気ステンレス鋼の連続バンドから形成される。ほぼ一定の幅のギャップ７６は２つの極７２、７４を分離して、平坦化されたソラ豆状の周辺を有している。ギャップ７６は、２つの極７２、７４間の磁界がターゲット２８のスパッタリング表面に隣接しておよそ水平である環状バンドを画成する。ソラ豆状のマグネトロン７０はターゲット２８と比べて比較的大きく、例えば、ターゲットの全使用面積の２５％を上回る外極７４の内側周辺内の包含面積、つまりマグネトロン７０によって走査されることによってスパッタリングされる面積を有している。マグネトロン７０の回転中心１４は通常内極７４の内部、またはこの付近にある。Ｐａｒｋｅｒはソラ豆状マグネトロンの複数の変形例を米国特許第５，２４２，５６６号に図示している。
【０００９】
さらに最近では、自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）スパッタリングプロセスが、全体が参照して本明細書に組み入れられる米国特許第６，３０６，２６５号においてＦｕらによって説明されているように、主に銅スパッタリングで使用するために開発された。ＳＩＰスパッタリングは高ターゲット電力、高ウェーハバイアス、および比較的小型の非均衡マグネトロンに左右される。高ターゲット電力および小型マグネトロンは、バイアスされたウェーハが狭いアスペクト比ホール内深くで加速および引き付ける、イオン化されるスパッタ原子のかなりの割合を生成する。通常のＳＩＰマグネトロン８０は図３の概略底面図に図示されているが、レーストラック状、円形、楕円形などの他の形状も可能である。ＳＩＰマグネトロン８０は、中心軸１４に沿った垂直磁気極性の略三角形状の外極８２を含んでいる。外極８２の湾曲側８４は概して、ターゲット２８の隣接する外側周辺に続く。成形された外極８２の頂点８６はＳＩＰマグネトロン８０の回転中心１４近くにある。通常、回転中心１４は外極８２内にあるか、湾曲側８４に向かって外側に極めて近い。外極８２は、外極８２と反対の磁気極性を有し、かつほぼ一定のギャップ９０で分離されている三角形状の内極８８を囲んでいる。２つの極８２、８８間に生成され、かつ前方に水平に延びている磁界は、最小中心磁界フリーコア以外の図１の高密度プラズマ領域５６を作成する。ＳＩＰマグネトロンは普通小型であり、ターゲットの使用面積の２０％未満の外極８４の内側周辺内に包含面積を有している。
【００１０】
ＳＩＰマグネトロン８０は、外極８２の全磁気強度、つまり外極８２の面積全体に集積されている磁気フラックスが例えば少なくとも１５０％、好ましくは２００％または３００％の係数だけ内極８２より実質的に大きいという意味では非均衡である。通常、非均衡は、内極および外極８２、８８として作用する２つの極片の下方に、例えばＮｄＢＦｅからなる、異なる数の、同様に構築されているが反対向きに配向されている円筒形永久磁石を置くことによって達成される。しかしながら、他の構造も提案されてきた。非均衡によって磁界の非均衡部分がマグネトロン５０または８０から図１のウェーハ２４に投影され、これによってプラズマを延ばし、またイオン化スパッタ原子をウェーハ表面に直交させビアホール深くに案内し、とりわけロングスロー反応器に案内する。
【００１１】
上記スパッタリング方法のいずれも、図４の断面図に図示され、下部誘電層１０６の導電性部材１０４を被覆する上部誘電層１０２によって形成される高アスペクト比ビアホール１００にアルミニウムを充填するには不適切に思われる。高度な集積回路では、ホール１００は、４以上の深さ対幅のアスペクト比を有することがある。通常ＴｉまたはＴｉＮあるいはこれらの組み合わせからなる薄いバリア層１０８が、アルミニウム層１１０がその上にスパッタコーティングされる前に、ビアホール１００の側部にコーティングされる。好ましくは、バリア層１０８は、当業界で公知であるように、選択的スパッタリング条件または個別エッチングステップのいずれかによってビアホール１００の底部から除去される。
【００１２】
しかしながら、図３のＴｅｐｍａｎマグネトロンおよび非バイアスウェーハを使用する従来のアルミニウムスパッタコーティングは、高アスペクト比ホールを充填するのに不適切な中性スパッタ原子の概して等方性のフラックスパターンを生成する。特に、オーバーハング１１２はビアホール１００の上部角で展開する傾向があり、また側壁および底部のカバレージは悪い。特に、オーバーハング１１２は、ホール１００が充填される前にビアホール１００を閉じることもあり、これによってアルミニウム充填に間隙を残すことになる。このような間隙はたいてい、重大な信頼性の問題を除去および作成することが不可能である。
【００１３】
オーバーハングの回避方法の１つは、スパッタリング中に３００〜５００℃またはこれ以上の温度にウェーハを加熱することによって、アルミニウムがビアホール１００の底部に再流入することを含んでいる。しかしながら再流入は、アスペクト比が増大するビアホール１００によってさらに効果的でなくなる。また、再流入したアルミニウムは、他の材料の未コーティング表面を濡らすことはない。結果として、アルミニウムは、このような狭いホールを充填するのに必要な平滑層を形成するのではなくビアホール１００内に凝集する傾向がある。このような凝集を回避する方法の１つは、第１のスパッタ堆積ステップが比較的冷たいウェーハによって実行されてアルミニウムが酸化物の側壁に付着して薄い第１の層を形成し、また第２のスパッタ堆積がさらに高温で実行されて第１の層を流れてホールの残りの部分を充填するという２段階スパッタリングプロセスを含んでいる。しかしながら、Ｔｅｐｍａｎマグネトロンを使用する従来のアルミニウムスパッタ反応器によって実践されるこの技術は、第１の層を高アスペクト比ホールにコンフォーマルにコーティングするという問題を解決しない。
【００１４】
ＳＩＰスパッタリングは通常アルミニウムスパッタリングには使用されない。オーバーハングを排除し、かつ側壁および底部のカバーを改良しやすいとしても、小型ＳＩＰマグネトロンは、誘電層１０２の上部表面上のアルミニウム層のブランケット部分１１４の厚さにかなりの放射状不均一を作成すると思われる。ブランケット部分１１４は比較的厚いため、この堆積時間は最小化され、この厚さはデバイスの信頼性のために均一にされる必要がある。ＳＩＰスパッタリングはこれらの目的には不十分と考えられる。
【００１５】
従って、高アスペクト比ホールを均一に充填可能なアルミニウムスパッタリング堆積プロセスが望まれる。最も好ましくは、このプロセスは平らなダイオードスパッタ反応器のみを使用する。
【発明の概要】
【００１６】
本発明の広範な態様は、電気的にバイアスされる基板上にアルミニウムをスパッタリングすることを含んでおり、該スパッタリングされたアルミニウム原子の実質的部分がイオン化される。該プロセスは好ましくは、低温、例えば１５０℃未満または好ましくは１００℃未満に保持された基板で実行される。
【００１７】
アルミニウムは、例えば狭いビアホールに２段階プロセスによってスパッタ堆積される。第１のシードステップにおいて、比較的厚いアルミニウムシード層が、比較的高い割合のイオン化スパッタアルミニウム原子を有するアルミニウムスパッタリングフラックスからスパッタ堆積され、また該基板は強くバイアスされて、これに該アルミニウムイオンを引き付けかつ加速する。該第１のステップ中、該基板温度は比較的低く保たれる。第２の充填ステップにおいて、水平メタライゼーションのためにホールを充填または過剰充填可能な第２の層が、より中性的なアルミニウムフラックスによって、比較的バイアスされていないウェーハによって、またビアホールへの再流入を促進する高温に保持されたウェーハ基板によってスパッタ堆積される。
【００１８】
該第１のステップ時に、該基板バイアスは高い、例えば２００ｍｍの円形ウェーハでは１〜７００Ｗ、好ましくは１００〜５００Ｗ、より好ましくは２５０〜３００Ｗに及ぶはずである。該基板温度は低い、例えば１５０℃未満、好ましくは１００℃未満であるはずである。該第１のステップは、該バイアスが狭いホール内の深くまで該アルミニウム原子を引き込むように、イオン化率の高いスパッタリング済みアルミニウム原子を好むマグネトロンおよびチャンバ条件で実行されるはずである。該低温は誘電体側壁への接着を促進する。
【００１９】
該後続の第２のステップ時に、該基板バイアスは比較的低い、例えば該第１のステップの電力レベルの１０分の１であるはずであり、好ましくはペデスタル電極が電気的に浮遊しているままである。該第２のステップ時に、該基板は、該アルミニウムを該狭いホールに再流入させ、かつこれを充填させるように比較的高温に保たれるはずである。例えば、該基板やこれをサポートする該ペデスタルの温度は２５０℃を上回るはずである。好ましくは該第２のステップのこの温度は５５０℃未満、好ましくは４５０℃未満、最も好ましくは４００℃未満であるはずである。３５０℃の温度も再流入を効果的に促進する。
【００２０】
両ステップは、ターゲットおよびバイアスの電力の適切な調整によって同一のスパッタ反応器で実行可能である。しかしながら、該２つのステップは、例えば共通の真空移送チャンバに接続されている２つの反応器で実行されることが好ましい。該第１の反応器は好ましくは基板冷却と、該ターゲット中心を中心に回転し、かつ高ターゲット電力と組み合わさって高イオン化率を生成する小型非均衡マグネトロンとを含んでいる。該第２の反応器は好ましくは基板加熱と、均衡化可能な大型マグネトロンとを含んでいる。該大型マグネトロンはまた該ウェーハ中心を中心に回転されてもよい。該第２の反応器の配列は、中性であるが放射状により均一なアルミニウムフラックスを生成するために使用されてもよい。
【００２１】
該上部平面で測定された該充填層に対する該シード層のブランケット厚は、該充填層未満、好ましくはこの半分以下であるべきである。しかしながら、少なくとも該充填厚の４分の１のブランケット厚を有するシード層は商業的には効果的であることが分かっている。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００２２】
図５のアルミニウムメタライゼーション構造の断面図で図示されている本発明の一態様では、アルミニウムスパッタ充填プロセスが、薄いアルミニウムシード層１２０のスパッタ堆積と、厚いアルミニウム充填層１２２の後続のスパッタ堆積とに分割される。著しく異なる特徴を有する、これら２つの異なる層１２０、１２２の堆積は、２つのステップ間の、スパッタリング条件の著しい変化によって達成される。
【００２３】
本発明の広範な態様は、例えば、薄いほぼコンフォーマルなシード層１２０を狭いホールの深くに形成するためにアルミニウムを堆積するための冷たいバイアススパッタ堆積プロセスを含んでいるのに対して、ウェーハ２４はホール内深くにイオン化アルミニウムスパッタ原子を引き込むように負バイアスされており、またウェーハ２４は比較的低温に維持されることによってアルミニウムスパッタ原子はホール側壁上のバリア層１０８に付着する。
【００２４】
冷たいバイアスアルミニウムスパッタプロセスは、２段階アルミニウムスパッタ堆積プロセスの第１のステップを形成可能である。図６のプロセス図に図示されているように、第１の冷たいシードステップ１３０は、実質的な割合のイオン化アルミニウムスパッタ原子を生成するスパッタプロセスで薄いアルミニウムシード層をスパッタ堆積する。
【００２５】
ステップ１３０において、スパッタ反応器は、比較的高い割合のイオン化アルミニウムスパッタイオンを生成するように動作され、またウェーハがバイアスされて、アルミニウムイオンはビアホール内深くに引き込まれて、底部および側壁のカバレージを増大させる。強力なウェーハバイアスはさらに、暴露形状ゆえにビアホールの上部の角に暴露されたアルミニウムのアルミニウムイオンまたはイオン化アルゴンスパッタリングのいずれかによって選択的エッチングを促進する。角選択率はオーバーハングの形成を低減する。バイアスはまた、暴露された上部平面部分をエッチングする傾向があり、これによってビアホール内の側壁カバレージに対するブランケット堆積レートを低減する。ペデスタルは好都合なことに、２００ｍｍの円形ウェーハに正規化されている面積当たり１Ｗ〜７００Ｗの範囲のＲＦ電力で電気的にバイアスされる。しかしながら、好ましいバイアス電力範囲は１００〜５００Ｗであり、より好ましい範囲は１００Ｗ〜３００Ｗである。
【００２６】
さらに、ウェーハは第１のステップ１３０中に比較的冷たく保たれるため、シードアルミニウムは、これが衝突する表面に付着しやすい。一般的に、室温付近のスパッタリングが効果的である。約−４０℃に至るペデスタル温度が使用されることもある。温度は１５０℃未満、好ましくは１００℃未満に保たれるべきである。
【００２７】
第１の冷たいシードステップで必要とされる高イオン化率を達成するのに使用可能な複数の技術がある。しかしながら、効果的かつ費用効果の高いプロセスは、小型の非均衡マグネトロン、例えば図２のＳＩＰマグネトロン８０と関連した図１の平らなダイオード反応器１０を使用して、ターゲット２８に印加される比較的高レベルのＤＣ電力と関連して達成される。小型サイズのマグネトロン８０はターゲット電力を小面積に集中させることによって、プラズマの密度を増大させる。アルミニウムターゲットの自己イオン化プラズマスパッタリングがいくつかあり、また低減圧力はアルミニウムイオンの分散および中性化を減少させるため、高密度のプラズマによってチャンバ圧力は低減される。プラズマをサポートするのに誘導コイルは必要とされない。ターゲット２８とペデスタル２２間の距離は、プラズマ領域５６のサイズを収容するように増大されてもよい。つまり、反応器はロングスローであることを特徴としてもよい。ペデスタル加熱は通常必要とされないためペデスタル加熱要素４０、４２は排除されてもよいが、むしろペデスタル冷却は通常必要とされる。
【００２８】
これらの条件に従って堆積されたアルミニウムシード層１２０の通常のブランケット厚は、上部平面で測定されるように約２００ｎｍである。この比較的厚い層は、引き続き堆積される温かいアルミニウムをシードするのに適切な実質的な底部カバレージおよび側壁カバレージを提供する。
【００２９】
高イオン化率を生成するための他のスパッタリング技術も使用可能である。さらなるＲＦ電力が、しばしばイオン金属めっき（ＩＭＰ）と称されるプロセスにおいてチャンバに巻かれている誘導コイルによってプラズマ源領域に結合可能である。しかしながら、ＩＭＰは概して高アルゴン圧力を必要とし、これは冷たい第１のステップの必要性とは反対の熱いプロセスを生成する。より複雑に成形されたターゲットが、低チャンバ圧力で高イオン化圧力を生成するために使用されてきた。例えば、ターゲットは、中空陰極マグネトロンと称される技術で直円柱の形態でウェーハに面する丸天井を有することもあり、あるいはこの丸天井は、自己イオン化プラズマプラス（ＳＩＰ＋）と称される技術で環状リングを形成することもある。成形アルミニウムターゲットを具備するこのようなスパッタ反応器は冷たい第１のステップに優れた結果を提供すると予想されるが、このような成形ターゲットは、とりわけここで想定されている比較的厚いシード層に照らして高価である。反対に、図１の平らなターゲット２８は従来の形状を有しており、また合理的なコストで容易に使用可能である。小型ＳＩＰマグネトロンの使用はコストおよび複雑さをほとんど導入せず、またこれによって他の概して従来的な反応器は、必要レベルのイオン化アルミニウムをスパッタリング可能なＳＩＰ反応器を形成する。
【００３０】
図６の第２の温かい充填ステップ１３２は、厚いアルミニウム充填層１２２をスパッタ堆積する。アルミニウムイオン化およびウェーハバイアスは第２のステップ１３２では重要ではないため、スパッタプロセスはアルミニウムスパッタ原子のほぼ中性のフラックスを生成することもある。一部のＤＣ自己バイアスが依然として展開可能であるが、ウェーハは未バイアスのままあるいは電気的に浮遊しているままである場合がある。結果として、スパッタアルミニウムは、例えば中性スパッタリングに典型的なコサイン分布を有するさらなるより近い等方性分布を想定している。大きなプラズマ領域がない場合、ターゲット２８とペデスタル２２間の距離は、第１のステップ１３０で使用されるチャンバのものより低減されることもある。結果として、深いビアホール内部のカバレージが低減されたとしても、ウェーハ全体のスパッタリング均一性は概してとても良好である。第２のステップの実質的に未バイアスのペデスタル電極は、第１のステップで印加される電力の１０％未満が印加されるものを含むことが理解される。加えて、ウェーハは第２のステップ１３２中温かい温度に保持されるため、アルミニウムは、アルミニウムシード層全体のビアホールに再流入し、ホールを充填する傾向がある。連続アルミニウムシード層の存在は再流入を促進するため、ウェーハ温度は比較的低く、例えば５５０℃未満、より好ましくは４５０℃未満、最も好ましくは４００℃未満に保たれることが可能である。２５０℃と低い温度でも第２のステップ中のアルミニウム再流入を促進する。反対に、標準的な１段階再流入温度はしばしば６００℃または６２５℃を超える。高度な集積回路の処理はサーマルバジェットの低減を必要とするため、長期間の温度上昇は回避されるべきである。
【００３１】
図１のスイッチ１３８をトグルしてＲＦ電源３４をペデスタル２２から接続解除することによって、あるいはペデスタル２２に送出されるＲＦ電力量を低減することによって、第２のスパッタ堆積ステップ１３２に同じＳＩＰ反応器を使用することも可能である。イオン化率は、ターゲット２８に供給されるＤＣ電力を低減することによって低減可能である。しかしながら、この解決策は最適であるとはみなされない。小型ＳＩＰマグネトロンは、とりわけショートスロースパッタ反応器において所望の均一性を生成せず、また低減されたターゲット電力でのスパッタリング速度は非常に低いと感じられる。また、ペデスタルは、第２の温かいステップ１３２が効果的に開始可能になる前に、第１の冷たいステップ１３０から加熱する必要がある。
【００３２】
その代わり、多数の商業的用途において、第１のＳＩＰスパッタ反応器に加えて、図２のＴｅｐｍａｎマグネトロン７０などのより大型かつより均衡のとれたマグネトロンと関連して、図２の反応器１０の一般的構成の第２のスパッタ反応器を使用することは概して好ましい。第２の反応器はウェーハペデスタルをバイアスするのにＲＦ電源を必要とせず、またこれはペデスタルヒーター４０、４２を優先してペデスタル冷却器４４を省略してもよい。電気的に浮遊しているペデスタルは一部の負ＤＣバイアスを展開することが理解される。これらの条件に従って堆積されたアルミニウム充填層１２２の通常のブランケット厚は、上部平面で測定されるように約５００ｎｍである。温かい条件下でのこの厚さはホールを充填し、また十分なブランケット厚を提供して、誘電層１０２上のアルミニウムを水平接続でパターニングされるようにする。充填層のブランケット厚は好ましくはシード層よりも大きいはずであり、好ましくは少なくともこの厚さの２倍である。
【００３３】
結果として、２つの異なるタイプの平らなマグネトロンスパッタ反応器がアルミニウムを充填するのに使用されることが好ましく、考えうる相違点としては、一方は小型非均衡マグネトロンであり、もう一方はより大型かつ均衡のとれたマグネトロンである。このようなプロセス用の集積プラットフォーム１４０が図７の平面図に概略的に図示されている。これは、Ｅｎｄｕｒａシステムとしてカリフォルニア州、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されている。これは、チャンバ周辺に配列されている種々のステーション間にウェーハを移動させるためのそれぞれ第１および第２のロボット１４６、１４８をその中に含有する第１および第２の移送チャンバ１４２、１４４を含んでいる。
【００３４】
第１の移送チャンバ１４２は、適度に低い圧力、例えば約１ミリトールに真空ポンピングされるのに対して、第２の移送チャンバ１４４はかなり低い圧力、例えば１マイクロトールにポンピングされる。第１のロボットは、スリットバルブによって第１の移送チャンバ１４６から、かつウェーハ含有カセットがロードおよびアンロードされる真空ドアによって外部から選択的に隔離されているロードロックチャンバ１５０、１５２にロードされているカセットに対して、ウェーハをシステムに移動させる。より複雑なローディング配列が使用可能である。種々の処理チャンバ１５４、１５６、１５８、１６０は第１の移送チャンバ１４２の周辺に配列されており、アクティブ処理がチャンバでなされる場合には、それぞれのスリットバルブがこれらの間に配置される。プラットフォームがスパッタリング専用である場合、第１の移送チャンバ１４２周辺のチャンバは通常、脱ガス化、配向および事前クリーニングなどのスパッタリング以外の異なるタイプの事前処理を実行する。エッチングおよび、エッチング済み構造への後続のスパッタリング堆積の両方を同一プラットフォームで実行することが代替的に可能である。この場合、プラズマエッチング反応器およびプラズマアッシャーは、パターン化フォトマスクによって誘電体をエッチングしてからこのマスクを除去するために、第１の移送チャンバ１４２に結合されてもよい。
【００３５】
ロボット１４６、１４８は、２つの移送チャンバ１４６、１４８間の真空隔離を提供する二重ゲート通過チャンバ１６２、１６４によって２つの移送チャンバ１４２、１４４間にウェーハを移動させる。一部の構成では、ウェーハが一時的に通過チャンバ１６２、１６４のうちの一方に存在する間に事前クリーニング、冷却または他の動作が実行されてもよい。
【００３６】
第２の移送チャンバ１４４は通常、層間の堆積膜を酸化しないようにして汚染を少なくするように、スパッタ堆積、および高真空を必要とする他の動作専用である。第２の移送チャンバ１４４と関連した全てのスパッタ反応器はそれぞれのスリットバルブによってこれから分離される。本発明の一実践では、バリアスパッタ反応器１６６はバリア層を堆積する。アルミニウムメタライゼーションについて、バリア層は通常ＴｉまたはＴｉＮや、２つの材料の二層から構成される。ＴｉまたはＴｉＮは、チタンターゲットが嵌合され、かつ図１の反応器１０の構成を概して有しているバリアスパッタ反応器１６６で堆積可能である。窒化チタンの堆積が望まれる場合、チタンターゲットがスパッタリング中に窒素がバリアスパッタ反応器１６６に許容される。通常耐熱金属やこの窒化物、例えばＴａ、ＴａＮ、Ｗ、ＷＮおよびこれらのシリサイドから構成される他の公知のバリア材料が、耐熱金属のターゲットが嵌合されているバリアスパッタ反応器１６６に堆積されてもよい。
【００３７】
アルミニウムシードスパッタ反応器１６８もまた第２の移送チャンバ１４４に結合されている。上述のように、シードスパッタ反応器１６８は、アルミニウムターゲットから冷たいバイアスウェーハ上にアルミニウムをスパッタ堆積することができる。小型の入れ子状マグネトロンによって可能にされるように、スパッタアルミニウム原子の大部分がイオン化される。非均衡マグネトロンはさらに、スパッタイオンをウェーハに案内する際に効果的である。
【００３８】
第１のアルミニウム充填スパッタ反応器１７０および好都合なことには第２のアルミニウム充填スパッタ反応器１７２もまた第２の移送チャンバ１４４に結合されている。２つの充填スパッタ反応器１７０、１７２は同じ設計であり、また同一に操作されてもよい。充填堆積は通常バリア堆積およびシード堆積よりも時間がかかるため、複製が有用である。結果として、単一バリア反応器１６６および単一シード反応器１６８が交互に２つの充填反応器１７０、１７２を供給することがある。上述のように、アルミニウム充填スパッタ反応器１７０、１７２の各々がアルミニウムターゲットを有しており、また加熱ウェーハ上にアルミニウムをスパッタ堆積することができる。充填堆積用のウェーハはバイアスされる必要がなく、またイオン化率は低くてもよい。従って、大型の均衡マグネトロンが均一な堆積を促進するために使用されてもよい。
【００３９】
第２のロボット１４８は、通過チャンバ１６２、１６４のうちの一方から最初にバリアスパッタ反応器１６６に、次にアルミニウムシード反応器１６８に、次いでアルミニウム充填反応器１７０、１７２のうちの一方にウェーハ移送を実行して、そして最終的にウェーハを、好ましくは通過チャンバ１６２、１６４のうちのもう一方に戻す。
【００４０】
すべてのスパッタリング動作に関係する移送チャンバ内の圧力が１マイクロトール未満に維持され、あるいは一列のシステムが直列接続されたスパッタ反応器間の一方方向経路でウェーハを搬送する他の集積スパッタリングプラットフォームが使用可能である。
【００４１】
本発明は従って、現在使用可能な技術と矛盾しない、アルミニウムを狭いホールに充填するための経済的かつ効果的な方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】汎用スパッタリング反応器の概略断面図である。
【図２】従来の大型均衡マグネトロンの底面図である。
【図３】従来の小型非均衡マグネトロンの底面図である。
【図４】従来技術に従ってアルミニウムで充填されたビアホールの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に従った２段階スパッタリング動作で充填されたビアホールの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に従ったアルミニウム充填プロセスのフロー図である。
【図７】異なる設計の複数のアルミニウムスパッタリング反応器を含む集積プラットフォームの概略平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…ＤＣマグネトロンスパッタ反応器、１２…真空チャンバ、１４…中心軸、１８…ガス源、２０…質量流コントローラ、２２…ペデスタル、２４…ウェーハ、２６…シールド、２８…ターゲット、３０…アイソレーター、３２…ＤＣ電源、３４…ＲＦ電源、３８…容量結合回路、４０…電源、４４…冷却器、５０…マグネトロン、５２、５４…磁極、６０…モーター、６２…シャフト、６４…プラズマ、７０…マグネトロン、７２、７４…極、７６…ギャップ、８０…ＳＩＰマグネトロン、８２…極、８４…湾曲側、８６…頂点、８８…極、９０…ギャップ、１００…ビアホール、１０２…上部誘電層、１０４…導電性部材、１０６…下部誘電層、１０８…バリア層、１１０…ビアホール、１１２…オーバーハング、１１４…ブランケット部分、１２２…アルミニウム充填層、１３０…第１の堆積ステップ、１３２…第２のスパッタ堆積ステップ、１３８…スイッチ、１４０…集積プラットフォーム、１４２…第１の移送チャンバ、１４４…第２の移送チャンバ、１４６…第１のロボット、１４８…第２のロボット１５０、１５２…ロードロックチャンバ、１５４、１５６、１５８、１６０…処理チャンバ、１６２、１６４…通過チャンバ、１６６…バリアスパッタ反応器、１６８…シードスパッタ反応器、１７０…第１のアルミニウム充填スパッタ反応器、１７２…第２のアルミニウム充填スパッタ反応器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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