(57)【要約】【課題】基板上に膜を堆積する方法および装置を提供する。【解決手段】堆積期間に、ＤＣ電力をターゲットに印加して第１プラズマを形成し、材料がターゲットから基板上にスパッタされる。後続の形成期間中、高周波電力をターゲットに印加して基板の少なくとも一部から材料を除去する。堆積期間中、チャンバに導入されたスパッタリング作動ガスは第１圧力に維持されてよく、形成期間中、スパッタリング作動ガスの圧力は第２圧力に上昇してよい。【選択図】　図１
2004134733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理気相堆積チャンバ内で基板上に膜を堆積する方法であって、
堆積期間中、ＤＣ電力をターゲットに印加してスパッタリング作動ガスから第１プラズマを形成し、該ターゲットから材料を前記基板上にスパッタするステップと、
形成期間中、前記ターゲットに印加されていた前記ＤＣ電力を除去し、高周波電力を前記ターゲットに印加して前記スパッタリング作動ガスの第２プラズマを形成することにより、前記基板の少なくとも一部から材料を除去するステップと、
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が無線周波電力である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が約４００キロヘルツ（ｋＨｚ）から約５００メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲の周波数を有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が約１キロワットから約１０キロワットの範囲にある請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記堆積期間が、第１圧力を有する前記スパッタリング作動ガスを前記チャンバに供給することをさらに含み、前記形成期間が、第２圧力を有する前記スパッタリング作動ガスを前記チャンバに供給することをさらに含み、該第２圧力は該第１圧力より大きい請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１圧力が約２ミリトル未満である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２圧力が約１０ミリトルから約１００ミリトルの範囲にある請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記基板がペデスタルの上に保持され、前記堆積期間が、第１高周波バイアス電力を該ペデスタルに印加することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ペデスタルに印加される前記第１高周波バイアス電力が約１００ワット（Ｗ）から約５キロワット（ｋＷ）の範囲の電力を有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板がペデスタルの上に保持され、前記形成期間が、第２高周波バイアス電力を該ペデスタルに印加することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ペデスタルに印加される前記第２高周波バイアスが約１００ワット（Ｗ）から約１５００ワット（Ｗ）の範囲の電力を有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記スパッタリング作動ガスがアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）、およびこれらの組合せからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ターゲットがタンタル、チタン、タングステン、銅、アルミニウムおよびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記スパッタリングが、前記堆積期間、前記形成期間、およびこれらの組合せからなる群から選択される期間に、反応ガスを含む雰囲気中で実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
特徴部が形成された基板上に膜を堆積する方法であって、
堆積期間中、ＤＣ電力をターゲットに印加してスパッタリング作動ガスから第１プラズマを形成し、該スパッタリング作動ガスを使用して該ターゲットから材料を前記基板上にスパッタすることにより前記基板上に中間層を形成するステップで、該スパッタリング作動ガスは第１圧力を有する前記ステップと、
形成期間中、前記ＤＣ電力を除去し、高周波電力を前記ターゲットに印加して前記スパッタリング作動ガスの第２プラズマを形成し、該スパッタリング作動ガスを使用して前記中間層から材料をスパッタするステップで、該スパッタリング作動ガスは第２圧力を有し、該第２圧力は前記第１圧力より大きい、前記ステップと、
を含む、前記方法。
【請求項１６】
前記形成期間が、前記中間層の水平面から材料を前記中間層の垂直面上にスパッタすることを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が無線周波電力である請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が約４００キロヘルツ（ｋＨｚ）から約５００メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲の周波数を有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が約１ｋＷから約１０ｋＷの範囲にある請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１圧力が約２ミリトル未満である請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２圧力が約１０ミリトルから約１００ミリトルの範囲にある請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記基板がペデスタルの上に保持され、前記堆積期間が、第１高周波バイアスを該ペデスタルに印加することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記ペデスタルに印加される前記第１高周波バイアスが約１００ワット（Ｗ）から約５ｋＷの範囲にある請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記基板がペデスタルの上に保持され、前記形成期間が、第２高周波バイアスを該ペデスタルに印加することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ペデスタルに印加される前記第２高周波バイアスが約１００ワット（Ｗ）から約１５００Ｗの範囲の電力を有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記スパッタリング作動ガスがアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）、およびこれらの組合せからなる群から選択される請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ターゲットがタンタル、チタン、タングステン、銅、アルミニウムおよびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
前記スパッタリングが、前記堆積期間、前記形成期間、およびこれらの組合せからなる群から選択される期間に、反応ガスを含む雰囲気中で実行される請求項１５に記載の方法。
【請求項２９】
物理気相堆積チャンバ内で基板上に膜を堆積する方法であって、
堆積期間中、ＤＣ電力をターゲットに印加してスパッタリング作動ガスから第１プラズマを形成し、該ターゲットから材料を前記基板上にスパッタするステップで、該スパッタリング作動ガスは第１圧力を有する前記ステップと、
形成期間中、前記ターゲットに印加されていた前記ＤＣ電力を除去し、無線周波（ＲＦ）電力を前記ターゲットに印加して前記スパッタリング作動ガスの第２プラズマを形成することにより前記基板の少なくとも一部から材料を除去するステップで、該無線周波電力は約１キロワット（ｋＷ）から約１０キロワット（ｋＷ）の範囲にあり、該スパッタリング作動ガスは前記第１圧力より大きい第２圧力を有する、前記ステップと、
を含む、前記方法。
【請求項３０】
前記ターゲットに印加される前記無線周波電力が約４００キロヘルツ（ｋＨｚ）から約５００メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲の周波数を有する請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１圧力が約２ミリトル未満である請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２圧力が約１０ミリトルから約１００ミリトルの範囲にある請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記基板がペデスタルの上に保持され、前記堆積期間が、第１高周波バイアス電力を該ペデスタルに印加することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記ペデスタルに印加される前記第１高周波バイアス電力が約１００ワット（Ｗ）から約５ｋＷの範囲の電力を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板がペデスタルの上に保持され、前記形成期間が、第２高周波バイアス電力を該ペデスタルに印加することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記ペデスタルに印加される前記第２高周波バイアスが約１００ワット（Ｗ）から約１５００Ｗの範囲の電力を有する請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記スパッタリング作動ガスがアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）、およびこれらの組合せからなる群から選択される請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
前記ターゲットがタンタル、チタン、タングステン、銅、アルミニウムおよびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３９】
前記スパッタリングが、前記堆積期間、前記形成期間、およびこれらの組合せからなる群から選択される期間に、反応ガスを含む雰囲気中で実行される請求項２９に記載の方法。
【請求項４０】
前記堆積期間および前記形成期間が重なり合わない期間である請求項２９に記載の方法。
【請求項４１】
前記堆積期間が約１秒から約１００秒の範囲の持続時間を有する請求項２９に記載の方法。
【請求項４２】
前記形成期間が約１秒から約１００秒の範囲の持続時間を有する請求項２９に記載の方法。
【請求項４３】
前記堆積期間および前記形成期間を逐次的に繰り返すステップをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項４４】
物理気相堆積チャンバ内で基板上に膜を堆積する方法であって、
約１秒から約１００秒の持続時間を有する堆積期間中、約５キロワットから約４０キロワットの範囲のＤＣ電力をターゲットに印加して不活性なスパッタリング作動ガスから第１プラズマを形成し、該ターゲットから材料を前記基板上にスパッタして前記基板上に中間層を形成するステップで、該不活性なスパッタリング作動ガスは約２ミリトル未満の第１圧力を有する、前記ステップと、
前記堆積期間と重なり合わない約１秒から約１００秒の持続時間を有する形成期間中、前記ターゲットに印加されていた前記ＤＣ電力を除去し、約１キロワット（ｋＷ）から約１０キロワット（ｋＷ）の範囲の無線周波（ＲＦ）電力を前記ターゲットに印加して前記スパッタリング作動ガスの第２プラズマを形成し、該スパッタリング作動ガスは約１０ミリトルから約１００ミリトルの範囲の第２圧力を有し、前記中間層の水平面から材料をスパッタし、約１００ワットから約１５００ワットの範囲の無線周波バイアスを基板支持ペデスタルに印加するステップと、
を含む、前記方法。
【請求項４５】
前記ターゲットに印加される前記高周波電力が約４００キロヘルツ（ｋＨｚ）から約５００メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲の周波数を有する請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記堆積期間が、高周波バイアス電力を前記ペデスタルに印加することをさらに含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記ペデスタルに印加される前記高周波バイアス電力が約１００ワット（Ｗ）から約５ｋＷの範囲の電力を有する請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記不活性なスパッタリング作動ガスがアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）、およびこれらの組合せからなる群から選択される請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記ターゲットがタンタル、チタン、タングステン、銅、アルミニウムおよびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記スパッタリングが、前記堆積期間、前記形成期間、およびこれらの組合せからなる群から選択される期間に、反応ガスを含む雰囲気中で実行される請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
前記堆積期間および前記形成期間を逐次的に繰り返すステップをさらに含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
基板上に薄膜を堆積する装置であって、
プロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内に設置されたターゲットと、
ＤＣ電力源と、
高周波電力源と、
前記ターゲットと前記ＤＣ電力源および前記高周波電力源の両方との間に結合され、前記ターゲットを前記ＤＣ電力源または前記高周波電力源に結合するデバイスと、
前記ターゲットに対向しかつ前記ターゲットから離間している基板支持体と、
を含む、前記装置。
【請求項５３】
前記高周波電力源が無線周波電力源である請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記高周波電力源が約４００ｋＨｚから約５００ＭＨｚの範囲の周波数を有する請求項５２に記載の装置。
【請求項５５】
前記基板支持体に結合したバイアス電力源をさらに含む請求項５２に記載の装置。
【請求項５６】
前記ＤＣ電力源が約５ｋＷから約４０ｋＷの範囲の電力を供給するように適応している請求項５２に記載の装置。
【請求項５７】
前記高周波電力源が約１ｋＷから約１０ｋＷの範囲の電力を供給するように適応している請求項５２に記載の装置。
【請求項５８】
前記バイアス電力源が約１００Ｗから約５ｋＷの範囲の電力を供給するように適応している請求項５５に記載の装置。
【請求項５９】
基板上に薄膜を堆積する装置であって、
プロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内に設置されたターゲットと、
約５ｋＷから約４０ｋＷの範囲のＤＣ電力を供給するように適応したＤＣ電力源と、
約４００ｋＨｚから約５００ＭＨｚの範囲の周波数を有する無線周波電力源で、約１ｋＷから約１０ｋＷの範囲のＲＦ電力を供給するように適応している、前記無線周波電力源と、
前記ターゲットと前記ＤＣ電力源および前記無線周波電力源の両方との間に結合され、前記ターゲットを前記ＤＣ電力源または前記無線周波電力源に結合するデバイスと、
前記ターゲットに対向する基板支持体と、
前記基板支持体に結合され、約１００Ｗから約５ｋＷの範囲の電力を供給するように適応したバイアス電力源と、
を含む、前記装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は、概括的にはスパッタ堆積に関し、さらに詳細には堆積期間および形成期間を含む多段階スパッタ堆積プロセスを実行する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
スパッタリング型の物理気相堆積（スパッタ堆積またはスパッタリング）は、他の多くの堆積方法に比べて比較的単純なコンポーネントを利用する薄膜堆積方法であって、経費はかなり安く、プロセスの処理能力は高い。したがって、スパッタリングは集積回路の製造といった応用のための薄膜を堆積する望ましい方法である。
【０００３】
集積回路内の特徴部サイズがますます小さくなるのに伴い、スパッタ堆積に課される要求、特に膜の均一性とステップカバレジに関する要求はかなり増大している。例えば、現在の世代の集積回路のためには、寸法が１ミクロンの約４分の１未満の高アスペクト比の特徴部が必要である。
【０００４】
従来からのスパッタリングプロセスでは、堆積材料は広い角度分布にわたりスパッタされ、その分布は通常、ターゲットの周りにコサイン依存性を有する。このような広い分布は、高アスペクト比の構造を充填するには不利である。なぜならば、基板に対してほぼ垂直ではない方向にターゲットからスパッタされる材料（すなわち、スパッタリング分布の中心から外れた角度部分）は、高アスペクト比の構造の上側の隅周辺に優先的に堆積してオーバーハングを形成するからである。高アスペクト比の構造の上の大きなオーバーハングは、構造内へのバリア材料の堆積を制限し、また少なくとも構造の側壁と底面に沿ってカバレジが不十分となるか、あるいは厚さが大きく変動する原因となる。高アスペクト比の特徴部内に材料を堆積するために用いられるＰＶＤプロセスにおけるステップカバレジを改良するいくつかの技法が当分野で使用されているが、どの技法にもそれぞれの欠点がある。
【０００５】
それゆえ、スパッタ膜が高度のステップカバレジと均一性を有するように、高アスペクト比の特徴部内に材料をスパッタ堆積する方法および装置が必要である。
【考案の開示】
【０００６】
発明の概要
本発明の実施形態は、概括的には、基板上に膜をスパッタ堆積する方法および装置を提供する。この方法は、堆積期間に、チャンバ内のターゲットにＤＣ電力を印加することと、スパッタリング作動ガスを使用してターゲットから材料を基板上にスパッタすることとを含む。堆積期間に続く形成期間には、ターゲットに印加されていたＤＣ電力を切断し、高周波電力をターゲットに印加する。
【０００７】
堆積期間中は、チャンバに導入されるスパッタリング作動ガスは第１圧力を有する。ＤＣ電力をチャンバに印加し、作動ガスを点火してプラズマを形成する。スパッタリング作動ガスがターゲットから材料を基板上にスパッタし、基板上に中間層を形成する。形成期間中は、スパッタリング作動ガスの圧力を第２圧力に上昇させる。高周波電力をターゲットに印加してプラズマを形成し、このプラズマが基板上の特徴部の底から材料をスパッタすることになる。この材料が特徴部の底からスパッタされるに伴い、材料は特徴部の側壁に再堆積され得る。プラズマが基板上の特徴部から材料を除去する能力を向上させるため、形成期間中にバイアス電力をウェハ支持ペデスタルに印加してもよい。
【０００８】
本発明の上記の特徴を達成する手段を詳細に理解できるように、上に概説した本発明は、添付図面に図示する本発明の実施形態を参照してさらに詳細に説明される。
【０００９】
しかし、留意すべきこととして、添付図面は本発明の代表的な実施形態を図示しているに過ぎず、したがってこれによって本発明の範囲が限定されると解釈してはならない。その理由は、同等に効果的な他の実施形態も本発明によって提供可能であるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
詳細な説明
図１は、本明細書に記載される本発明の実施形態を実施するために使用可能な、スパッタリング型物理気相堆積（ＰＶＤ）反応器１０の概略断面図を示す。反応器１０には、ターゲット１４に封着した真空チャンバ１２がある。ターゲット１４は基板１６上にスパッタ堆積すべき材料を含む。基板１６は、加熱されるペデスタル１８によりチャンバ１２内に支持される。ターゲット１４は、材料のうちでも特に、例えばタンタル、タングステン、チタン、アルミニウム、銅を含み得る。基板１６は例えばシリコンウェハ等のウェハであってよい。チャンバ内に把持されるシールド２０は、スパッタされた材料からチャンバ壁１２を防護し、かつ陽極のグランドプレーンを提供する。ＤＣ電源２２はターゲット１４に結合してターゲット１４に負の電圧を印加する。ＤＣ電源２２はパルス電力または連続電力を供給するように構成されていてよい。ペデスタル１８、したがって基板１６は、電気的に浮遊状態に置かれてもよい。
【００１１】
またターゲット１４には、例えばマイクロ波またはＲＦの電源のような高周波電源４２も結合している。高周波電源４２の周波数は一般に約４００ｋＨｚから約５００ＭＨｚの間であるが、一実施形態では約１３．５６ＭＨｚである。高周波電源４２はパルス電力または連続電力を供給するように構成されていてよい。最大出力がプラズマに確実に伝達されるように、電源４２にはインピーダンス整合ネットワーク４４が結合している。
【００１２】
ＤＣ電源２２および高周波電源４２はともに、ＤＣ電力または高周波電力のいずれかをターゲット１４に結合するデバイスに結合される。そのデバイスは一実施形態ではスイッチ４６である。スイッチ４６は、ＤＣ電源２２からの電力または高周波電源４２からの電力のいずれかを選択して、ターゲット１４に結合する。他の実施形態では、このデバイスを単なる結合とし、かつ各電源を稼働化および不働化することにより容易に「切換え」をさせることもできる。ＤＣ電力とＲＦ電力を切換え、本発明の意図を満足する機能を持つような手段が多数あることは当業者には理解されるであろう。また、いくつかの実施形態では、ＤＣ電力とＲＦ電力の両方をターゲットに同時に結合するのが有利なこともある。したがって、当該デバイスはＲＦとＤＣをターゲットに容易に同時結合させるような回路を含むことが考えられる。
【００１３】
第１ガス源２４は、質量流量制御器２６を通じて、スパッタリング作動ガス、通常はとりわけアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガスをチャンバ１２に供給する。第２ガス源５４は、質量流量制御器５５を通じて、窒素（Ｎ）等の反応ガスをチャンバ１２に供給する。ガスは、シールド２０の底を貫通する１つまたは複数の入口パイプにより、またはシールド２０とペデスタル１８の間の隙間を通って、図示のようにチャンバの上部に、またはその底部に導入され得る。真空システム２８はチャンバを低圧に維持する。ベース圧力は約１０−７トル以下に保持され得るが、スパッタリング作動ガスの圧力は通常、約０．２ミリトルと約１００ミリトルの間に維持される。
【００１４】
効率的なスパッタリングを提供するために、一般にマグネトロン３２がターゲット１４の背後に設置される。マグネトロン３２には対向する磁石３４、３６があり、磁石３４、３６の近傍においてチャンバ内に磁界を作る。磁界は電子を閉じ込め、また電荷中立性のため、イオン密度も増加し、その結果高密度のプラズマ領域３８がマグネトロン３２に隣接してチャンバ内に形成される。マグネトロン３２の区域は変更可能であり、プラズマのイオン化度を制御するように調節され得る。マグネトロン３２は通常、ターゲット１４のスパッタリングにおける完全なカバレジを達成するために、ターゲット１４の中心の周りに回転される。
【００１５】
マグネトロン３２の形態には数種あり、例えば卵形、三角形、競技トラック形、円形、涙滴形等である。マグネトロン３２には内極と外極があってもよい（図示せず）。内極は連続的な外極によって包囲されていてよい。一実施形態では、磁石のデザインは不均衡であってよく、すなわち、外極の磁束は内極により作られる磁束より大きくてよい。マグネトロン３２の詳細は、同一譲受人の米国特許第６，２９０，８２５号、名称「イオン化金属堆積のための高密度プラズマ源（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｐｌａｓｍａ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｆｏｒ　Ｉｏｎｉｚｅｄ　Ｍｅｔａｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）」、２００１年９月１８日発行、に記載されており、参照により本明細書に援用される。
【００１６】
ＲＦ電源のようなバイアス電源１９２も、基板１６にバイアスをかけるためにペデスタル１８に結合されるが、その目的は基板上のスパッタ堆積層の堆積を制御することである。バイアス電力は通常、高周波源であり、その周波数は例えば１３．５６ＭＨｚであるか、または約４００ｋＨｚから約５００ＭＨｚの間である。バイアス電源１９２は例えば、高周波電源４２によって供給される電力の周波数に類似の周波数でバイアス電力を提供してよい。
【００１７】
マイクロプロセッサ制御器３０は、ＤＣ電源２２、高周波電源４２、バイアス電源１９２、質量流量制御器２６、および質量流量制御器５５を含む反応器を制御する。制御器３０は、各種チャンバおよびサブプロセッサを制御するために工業用設備で使用可能な汎用コンピュータプロセッサ（ＣＰＵ）のどのような形態のものでもよい。そのコンピュータは、例えばランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、フロッピーディスクドライブ、ハードディスク、またはその他ローカルであるかリモートであるかにかかわらず任意の形態のデジタル記憶装置等、適当なメモリを使用してよい。各種支援回路をＣＰＵに結合してプロセッサを通常の方式で支援してもよい。所要のソフトウェアルーチンはメモリに保存されてもよく、第２の遠隔ＣＰＵによって実行されてもよい。
【００１８】
プロセスの処方すなわち手順を開始するためにソフトウェアルーチンが実行される。ソフトウェアルーチンは、実行時に、汎用コンピュータを、チャンバ操作を制御する特定プロセス用コンピュータに転換し、その結果チャンバプロセスが実行される。例えば、本発明によるプロセス手順の実行のための電子制御バルブの稼働化を精密に制御するためにソフトウェアルーチンを使用してもよい。別法として、ソフトウェアルーチンは、特定用途向け集積回路またはその他の種類のハードウェア実施態様としてハードウェアで実行されてもよく、また、ソフトウェアまたはハードウェアの組合せで実行されてもよい。
【００１９】
薄膜堆積
図２は、本明細書に記載される本発明の実施形態による薄膜堆積のために使用される各ステップを詳細に説明する例示的なプロセス手順１００を示す。これらのステップは、例えば図１を参照して上記した反応器１０に類似のスパッタリング反応器を使用して実行してもよい。ステップ１０２に示すように、基板がチャンバ１２内のペデスタル１８に提供される。スパッタリング作動ガスがチャンバ１２に導入され、ステップ１０４に示すように第１圧力に維持される。第１圧力は例えば約２ミリトル未満であってよい。
【００２０】
ステップ１０６に示すように、堆積期間１２０中に、ＤＣ電源２２を使用してＤＣ電力がターゲット１４に印加される。ＤＣ電力はターゲット１４と例えばシールド２０の間に印加してもよく、それによりスパッタリング作動ガスが点火されてプラズマとなる。ＤＣ電力は約５キロワット（ｋＷ）から約４０キロワット（ｋＷ）の範囲でよい。一特定実施形態では、ＤＣ電力は約２０キロワット（ｋＷ）から約２４ｋＷの範囲でよい。正に荷電したスパッタリング作動ガスのイオンは負に荷電したターゲット１４に引きつけられる。スパッタリング作動ガスのイオンが相当のエネルギーでターゲット１４をたたくことにより、ターゲットの原子または原子クラスタがターゲット１４からスパッタされる。磁界、例えばマグネトロンから発生した磁界が、ターゲット１４からスパッタされる材料を高密度プラズマ領域３８のような領域内に閉じ込め得る。プラズマの組成はスパッタリング作動ガスのイオンよりもターゲット１４からスパッタされる材料のイオンによって支配される。堆積期間１２０中、スパッタリング作動ガスの流量は約１ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍの範囲であってよい。チャンバ１２は、温度範囲約２０℃から約２００℃および圧力２ミリトル未満に維持してよい。堆積期間１２０の持続時間は約１秒から約１００秒の範囲でよい。
【００２１】
ステップ１０８に示すように、バイアス電源１９２を使用して高周波バイアス、例えばＲＦバイアスをペデスタル１８に任意に印加して膜堆積を促進する。バイアスの電力は約１００ワットから約５ｋＷの範囲であってよい。バイアス電力により基板１６の負の電位が蓄積し、イオン化されたスパッタ材料を基板１６に向かって引きつける。
【００２２】
形成期間１３０中は、ステップ１１０に従って、スパッタリング作動ガスの圧力は、堆積期間１２０で説明した第１圧力よりも大きな第２圧力に上昇してよい。第２圧力は約１０ミリトルから約１００ミリトルの範囲でよい。一特定実施形態では、スパッタリング作動ガスの圧力は約２０ミリトルから約３０ミリトルの範囲に維持される。
【００２３】
形成期間１３０は、ステップ１１２に示すように、堆積期間１２０中にターゲットに印加されていたＤＣ電力を除去することを含む。ステップ１１４に示すように、スイッチ４６を使用してターゲット１４への電力を切換えて、ターゲット１４からＤＣ電力を除去し、高周波電源４２を使用してターゲット１４に高周波電力、例えばＲＦ電力を印加する。一実施形態では、高周波電力は約１ｋＷから約１０ｋＷの範囲にある。するとプラズマの組成はターゲット１４からスパッタされる材料のイオンよりもスパッタリング作動ガスのイオンによって支配されるようになる。スパッタリング作動ガスイオンの密度は１立方センチメートルあたり約１０９イオンから１立方センチメートルあたり約１０１１イオンの範囲でよい。形成期間１３０中は、スパッタリング作動ガスの流量は約１０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍの範囲であってよい。
【００２４】
ステップ１１６に示すように、形成期間１３０はさらにバイアス電源１９２を使用してバイアス電力、例えばＲＦバイアス電力をペデスタル１８に印加することを含んでもよい。ペデスタル１８に印加するバイアス電力は約１００ワット（Ｗ）から約１５００Ｗの範囲でよい。バイアス電力が基板に印加されると、（電子が蓄積して）負のＤＣ電位が基板１６上に生ずる。基板１６の負の電位は、イオン化したスパッタリング作動ガスを引きつける。スパッタリング作動ガスは、一般に基板にほぼ直交する方向で基板に引きつけられる。本方法はステップ１１８で終了する。
【００２５】
形成期間１３０中、プラズマは、堆積期間中に例えば水平面上に堆積した材料を除去する。形成期間中にターゲット１４に印加される電力を制限し高周波ＡＣ電力を使用することによりターゲット１４のスパッタリングは最小化される。本発明による堆積期間１２０と形成期間１３０の組合せは、同一チャンバ１２で都合よく遂行することができる。ターゲット１４に高周波電力を印加することは、例えば窒化物等の望ましくない化合物をターゲット１４から除去するのに役立つという追加的な利益も提供し得る。形成期間１３０の持続時間は約１秒から約１００秒の範囲でよい。形成期間１３０中、チャンバ１２は、約２０℃から約１００℃の温度範囲に維持されてよい。スパッタリング作動ガスの流量は約１０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍの範囲であってよい。
【００２６】
一実施形態では、堆積期間１２０と形成期間１３０とは逐次的でかつ時間の重なりがない期間である。すなわち、堆積期間の後に形成期間が続く。別法として、堆積期間１２０と形成期間１３０とが一部の時間で重なる期間となり、相互に排他的でなくてもよい。すなわち、堆積期間内に生起する上記の１つまたは複数の事象が同じく形成期間内で行われるものであってもよい。同様に、形成期間内で生起する上記の１つまたは複数の事象が同じく堆積期間内で行われるものであってもよい。
【００２７】
図３ａ〜３ｅは、図２に示すプロセス手順１００の段階ごとの基板２００の断面図を示す。図３ａに示す基板２００は、その上に膜プロセスが実行されるいかなるワークピースをも指す。プロセスの特定の段階に応じて、基板２００はシリコンウェハであってもよく、また基板２００上に形成された他の材料層を含んでいてもよい。基板２００上にはトレンチまたはビアのような特徴部２０２が形成されている。
【００２８】
図２および図３を参照すると、堆積期間１２０中はＤＣ電源２２を使用してＤＣ電力がターゲット１４に印加され、それによりスパッタリング作動ガスが点火してプラズマになる。正に荷電したスパッタリング作動ガスのイオンは負に荷電したターゲット１４に引きつけられる。スパッタされたターゲット粒子の一部は基板２００をたたき、それにより基板２００上に堆積され、図３ｂに示すようにターゲット材料の中間層２０４を形成する。中間層２０４は、形成期間１３０中に中間層２０４が追加プロセスを受け最終層として完成されるという意味で中間的である。
【００２９】
基板２００上にスパッタされた中間層２０４には垂直側壁２０４ｓ、底部領域２０４ｂ、およびフィールド２０４ｔがある。垂直側壁２０４ｓの厚さは底部領域２０４ｂの厚さより小さくてよい。垂直側壁２０４ｓの厚さはフィールド２０４ｔの厚さより小さくてよい。
【００３０】
形成期間１３０中になると、堆積期間１２０中にターゲットに印加されていたＤＣ電力は除去され、スイッチ４６が切換えられて高周波バイアスがターゲット１４に印加される。スパッタリング作動ガスのイオンは中間層２０４に向けられる。形成期間１３０中にペデスタルに印加される高周波バイアスは、スパッタリング作動ガスのイオンが基板２００上に形成されている特徴部２０２へ、特に中間層２０４の底部領域２０４ｂへ向かうのを促進する。
【００３１】
スパッタリング作動ガスイオンにより、中間層２０４由来の粒子２０６が中間層２０４からスパッタされる。図３ｃを参照すると、特に底部領域２０４ｂ由来の粒子がスパッタされ、例えば側壁２０４ｓ上に再堆積し得る。
【００３２】
図３ｄに示すように、形成期間１３０中に底部領域２０４ｂから粒子２０６が側壁２０４ｓにスパッタされた結果、最終膜２１４が形成される。最終膜２１４には垂直側壁２０４ｓ’、底部領域２０４ｂ’、およびフィールド２０４ｔ’がある。側壁２０４ｓ’の厚さは側壁２０４ｓの厚さより大きくてよい。底部領域２０４ｂ’の厚さは底部領域２０４ｂ’の厚さより小さい。また、形成期間１３０以前に存在していた側壁２０４ｓと底部領域２０４ｂの厚さの差は、底部領域２０４ｂから粒子２０６をスパッタすることにより減少し得る。
【００３３】
一実施形態では、図３ｅに示すように、形成期間１３０は、最終膜２１４の一部２０４ｒが完全に除去され特徴部の底部２４０が露出される時点まで続行されてよい。
【００３４】
上記のような、堆積期間１２０と、それに続く形成期間１３０とを含む手順は、例えば予め定めた厚さの最終膜２１４が堆積されるまで１回以上繰り返してよい。
【００３５】
本発明の実施形態は、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）の反応性スパッタリングのために実施され得る。この実施形態では、堆積期間１２０中に窒素等の反応ガスをスパッタリング作動ガスとともにチャンバに導入し、堆積期間１２０中に反応ガスを含む雰囲気中でターゲットがスパッタされる。また形成期間中に反応ガスをチャンバに供給してもよい。窒化タンタル層を形成する実施例では、窒素がターゲットからスパッタされたタンタル原子と反応して窒化タンタルを基板上に形成する。
【００３６】
窒化タンタル層を堆積する１つの例示的プロセスは、堆積期間に、アルゴンをチャンバ１２に導入し、約２０ｋＷのＤＣ電力をターゲット１４に印加し、アルゴンを点火してプラズマにすることを含む。アルゴンはターゲット１４からタンタルをスパッタする。アルゴンはチャンバ１２に約１０ｓｃｃｍの流量で供給され、窒素はチャンバ１２に約４０ｓｃｃｍの流量で供給される。堆積期間に続く形成期間では、ターゲットに印加されていたＤＣ電力を切断し、約５キロワットのＲＦ電力をターゲットに印加する。ターゲット１４に印加されるＲＦ電力はプラズマを形成し、そのプラズマが特徴部の底部から材料を基板上に「スパッタ堆積」する。堆積期間と形成期間の合計時間は約５秒であり、厚さ約１００オングストロームの窒化タンタル膜が形成される。
【００３７】
上記の例示的プロセスの延長として、窒化タンタル層の上にタンタル膜を堆積する。そのプロセスは、アルゴンをチャンバ１２に導入し、約２０ｋＷのＤＣ電力をターゲット１４に印加し、アルゴンを点火してプラズマにすることを含む。アルゴンはターゲット１４からタンタルをスパッタする。アルゴンは約１０ｓｃｃｍの流量でチャンバ１２に供給される。堆積期間に続く形成期間では、ターゲットに印加されていたＤＣ電力は切断され、約５キロワットのＲＦ電力がターゲットに印加される。ターゲット１４に印加されるＲＦ電力はプラズマを形成し、そのプラズマが特徴部の底部から材料を基板上にスパッタ堆積する。堆積期間と形成期間の合計時間は約１０秒であり、厚さ約１５０オングストロームの窒化タンタル膜が上記の窒化タンタル膜の上に形成される。
【００３８】
以上は本発明の好ましい実施形態に関するものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明の他のさらなる実施形態を考案することが可能であり、本発明の範囲は併記の特許請求の範囲によって定まる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本明細書に記載される本発明の実施形態の実施のために使用可能なプロセスチャンバの概略断面図である。
【図２】本明細書に記載される本発明の実施形態を使用して膜堆積をするためのプロセスフローの手順を示す。
【図３】スパッタ堆積手順の段階ごとの基板の断面図を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１０：反応器、１２：真空チャンバ、１４：ターゲット、１６：基板、１８：ペデスタル、２０：シールド、２２：ＤＣ電源、２４：第１ガス源、２６：質量流量制御器、２８：真空システム、３０：マイクロプロセッサ制御器、３２：マグネトロン、３４：磁石、３６：磁石、３８：プラズマ領域、４２：高周波電源、４４：インピーダンス整合ネットワーク、４６：スイッチ、５４：第２ガス源、５５：質量流量制御器、１００：プロセス手順、１２０：堆積期間、１３０：形成期間、１９２：バイアス電源、２００：基板、２０２：特徴部、２０４：中間層、２０４ｂ：底部領域、２０４ｂ’：底部領域、２０４ｒ：最終膜の一部、２０４ｓ：垂直側壁、２０４ｓ’：垂直側壁、２０４ｔ：フィールド、２０４ｔ’：フィールド、２０６：粒子、２１４：最終膜、２４０：底部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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