(57)【要約】【発明の課題】  傾斜したマルチカソードの各々でスパッタされた中性原子を用いることでウェハー表面のパターン化された孔または溝でより良い側壁および底部のカバレッジを形成できるマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置を提供すること。【解決手段】  本装置は次のように構成される。ウェハーホルダ１２がその中心軸周りに回転するようにされて底壁に設けられ、かつウェハーホルダ上に配置されたウェハーに対して少なくとも２つの傾斜されたカソード１１ａ〜１１ｄが上壁に設けられる反応容器１０を備え、カソードの各々はｒｆ発生器から整合回路を介してｒｆ電流が供給され、ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構を備える。当該装置において、反応容器の内部圧力は圧力制御機構によって相対的に高い圧力となるように制御されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その底壁にウェハーホルダがその中心軸周りに回転するように設けられ、かつ、前記ウェハーホルダ上に配置されたウェハーに対して、その上壁に少なくとも２つの傾斜されたカソードが設けられた反応容器を備え、
前記カソードの各々は整合回路を介してｒｆ発生器からｒｆ電流を供給され、
そして、ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構を備え、
上記において、前記反応容器の内部圧力は前記圧力制御機構によって相対的に高い圧力になるように制御されるマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項２】
前記上壁の中央部にさらにウェハーに平行な中央カソードを備える請求項１記載のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項３】
さらに、前記カソードの各々にＤＣ電圧を供給するＤＣ源を備える請求項１または２記載のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項４】
前記カソードの１つまたは多くはｒｆ電流に加えてＤＣ電流が供給される請求項１または２記載のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項５】
ウェハーホルダがその中心軸の周りに回転するように底壁に設けられ、かつ少なくとも２つの傾斜カソードが前記ウェハーホルダの上に配置されたウェハーに対して上壁に設けられた反応容器を備え、
前記カソードの各々にはＤＣ源からＤＣ電圧が供給され、
ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構と、前記上壁の中央部にウェハーに平行な中央カソードとを備え、
上記において、前記反応容器の内部圧力は前記圧力制御機構によって相対的に低い圧力に制御されているマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項６】
前記カソードのいずれのターゲット物質はＨｆＯ2またはＨｆＳｉＯＮのごとき高誘電率を有する物質である請求項１〜５に記載されたマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項７】
前記カソードのターゲット物質はＨｆＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3およびＨｆのごとき誘電体物質または金属であり、それらは共に、２以上のカソードが同時にｒｆ電圧またはＤＣ電圧を与えられる共同スパッタリングの間、ウェハー上に異なった誘電体物質を形成する請求項１〜５に記載されたマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【請求項８】
各々の前記カソードはその外側表面にマグネット配列を有し、それによりカソード表面を貫きかつ前記反応容器の内部に到達する磁力線が生成される請求項１〜７に記載のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置に関し、特に、同じ反応容器の内部で２つまたはそれ以上のカソードが配置され、それらを用いてスパッタによる成膜を行うプラズマ支援スパッタ成膜装置であり、この装置ではターゲットからのスパッタ原子がプラズマ領域内でイオン化され、自己バイアス電圧によってウェハーの表面上に対し加速され、サブミクロンの大きさにおける孔またはトレンチを有するウェハーの表面に堆積する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリング装置は、半導体産業で使用される基板またはウェハーの上に薄膜を堆積するため、広く応用されている。ウェハー、例えばシリコンウェハーの上に膜を堆積することにおいて、主要条件の１つは膜の均一性である。より高い均一性をもって膜を堆積するため、マルチカソードスパッタリング装置が発明され、用いられている。しかしながら、この装置は、パターンを有するウェハーの上、例えばミクロンの大きさの深い孔や溝を有する表面の上に膜を堆積する際、厳しい問題を持っている。この問題を図８〜図１１を参照して詳細に説明する。
【０００３】
図８は従来のマルチカソードスパッタリング装置の縦断面図を示し、他方、図９は所定配置の仕方で配置されたいくつかのカソードを備える上壁を内側から見た図を示す。ウェハー処理チャンバとして使用される反応容器１００は，マルチカソード１０１ａ〜１０１ｄ、ウェハーホルダ１０２、ガス導入部１０３およびガス排出部１０４から構成されている。図８において、例えば、カソードの数は４つであり、そしてこれらの４つのカソード１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃおよび１０１ｄは、傾斜状態で設けられている。各カソード１０１ａ〜１０１ｄは例えばＡｌ，Ｔｉ，Ｔａ等の金属で作られている。これらのカソードはスパッタされ、ウェハーホルダ１０２の上に搭載されたウェハー１１２上に膜を堆積させる。カソード１０１ａ〜１０１ｄは誘電体物質１０５を用いて反応容器１００から電気的に絶縁されている。一般的に、各カソードの上面には、或る特別な配置を有する複数のマグネット１０６が配置されている。さらに各カソード上に設けられたマグネット１０６は、回転機構（図示されず）によって、関連するカソード１０１の中心よりずれた軸または中心軸の周りに回転させられる。各カソード１０１はＤＣ電力源（図示されず）に接続されている。
【０００４】
ウェハーホルダは金属電極１０８、誘電体物質１０９、側壁１１０、およびシャフト１１１から構成されている。ウェハー１１２は図８に示されるごとく金属電極１０８の上に水平に配置されている。シャフト１１１は電気的モータ（図示されず）に連結されており、これによってウェハーホルダ１０２をその中心軸１０２ａの周りに回転させる。
【０００５】
１つまたはいくつかのカソード１０１ａ〜１０１ｄに電力を与えながら、他方で反応容器１００の内部圧力を適切な圧力に維持することによって、プラズマが反応容器１００の内部に作られる。カソード１０１ａ〜１０１ｄのより高い負電圧のために、プラズマ中のイオンは加速されカソードに向かいスパッタリングが行われる。これらのスパッタされた原子はその後プラズマを通って移動し、ウェハー１１２の上、およびプラズマが接触しない他の表面領域の上に堆積する。
【０００６】
傾斜したカソード１０１ａ〜１０１ｄの各々から水平なウェハー１１２に向かって到来するスパッタ原子の流れはウェハー１１２の表面上で径方向に均一ではない。カソード１０１ａからの仮想的なスパッタ原子の流れは、図１０で例えば矢印１１３によって示されている。ウェハーの表面上で均一な薄膜を得るため、ウェハーホルダ１０２は、前述したごとくその中心軸の周りに回転させられる。これが均一な膜という結果をもたらす。
【０００７】
カソードからのスパッタ原子は中性の状態にある。スパッタリングに関しては非常に低い圧力、例えば１０mTorr（１．３Ｐａ）よりも低い圧力が用いられているので、スパッタ原子はウェハー表面上に堆積する前に気相中で僅かな回数の衝突を受けることになる。たとえプラズマ中に衝突によってスパッタ原子をイオン化できるＡｒ+およびＡｒ*励起状態原子があるとしても、スパッタ原子はより少ない数の気相衝突によってイオン化されることは少ないように思われる。従って、ウェハー表面上での堆積の大部分は中性原子によって起きる。
【０００８】
中性原子による膜堆積は当該膜が平板状の表面上に堆積する場合には有用である。しかしながら、孔または溝（トレンチ）があるとき、特にサブミクロンの大きさでそのようなものがあるとき、中性原子による膜堆積は制限を受けることになる。このことは図１０および図１１を参照して説明される。スパッタ原子はウェハーの表面に対し角度を持って到来するので、孔または溝１１５の内部に堆積する膜１１４の大部分は、図１０で概略的に示されるように、原子の流れに対面する壁の部分に起きる。このことは図１１に示すごとく孔または溝１１５の側壁上に非対称の膜堆積をもたらすという結果になる。さらに孔の直径または溝の幅がサブミクロンの大きさであってより高いアスペクト比を有する場合、膜は孔または溝１１５の底に向かってだんだんと薄くなる。何故ならば、ほんのわずかな原子のみが孔または溝１１５の底に到達するからである。このことは孔または溝の側壁上の膜を不連続にさせる原因となる。それ故に、前述したスパッタリング装置をパターンを有するウェハーに応用することは制限を受ける。
【０００９】
下記の特許文献１はマルチカソードスパッタウェハー処理チャンバの一例を開示している。マルチカソードスパッタウェハー処理チャンバは天井部分において傾斜された４つのカソードを有している。要求される磁気多層膜は４つのカソードの各々を適宜にスパッタすることによってウェハーホルダ上に搭載されたウェハーに膜を堆積する。
【特許文献１】特開２００２−１６７６６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、スパッタリングによって傾斜カソードまたはターゲットで発生する中性原子を用いてウェハー表面に作られた孔または溝の内側表面に全体として均一な膜を堆積させることである。さらにウェハーがより高いアスペクト比を有するパターン化された深い孔または溝を有するときに、スパッタされた中性原子を用いることで開口部の入口から底に至るまで良好なカバレッジ（被覆率）を有する膜を堆積させることである。
【００１１】
本発明の目的は、傾斜したマルチカソードの各々でスパッタされた中性原子を用いることでウェハー表面のパターン化された孔または溝でより良い側壁および底部のカバレッジを形成できるマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るマルチカソードスパッタイオン化物理的気相成膜装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１３】
第１のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置は、次のように構成される。その底壁にウェハーホルダがその中心軸周りに回転するようにされて設けられ、かつ、ウェハーホルダ上に配置されたウェハーに対して、その上壁に少なくとも２つの傾斜されたカソードが設けられた反応容器を備え、カソードの各々はｒｆ発生器から整合回路を介してｒｆ電流が供給されており、ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構を備える。上記の装置において、反応容器の内部圧力は圧力制御機構によって相対的に高い圧力となるように制御されている。
【００１４】
上記の装置によれば、反応容器内のプラズマは５Ｐａ（パスカル）よりもより高い圧力の下で生成される。この条件はスパッタ原子をイオン化し、かつ成膜はウェハー表面への加速イオンによって主に起きる。
【００１５】
上記のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置において、好ましくは、当該装置は上壁の中央部にウェハーに平行な中央カソードを含んでいる。
【００１６】
上記のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置において、好ましくは、当該装置はカソードに対してそれぞれＤＣ電圧を供給するＤＣ源を備えている。
【００１７】
上記のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置において、好ましくは、カソードの１つまたはそれよりも多くはｒｆ電流に加えてＤＣ電流が供給される。
【００１８】
第２のマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置は次のように構成される。その中心軸の周りに回転するように底壁にウェハーホルダが設けられ、そして少なくともウェハーホルダ上に搭載されたウェハーに対して２つの傾斜したカソードが上壁に設けられた反応容器を備え、カソードの各々はＤＣ源からＤＣ電圧を供給されるようにされており、ガス導入部とガス排出部を含む圧力制御機構を備え、そして上壁の中央部にウェハーに平行な中央カソードを備える。上記の装置において、反応容器の内部圧力は圧力制御機構によって相対的に低い圧力となるように制御されている。
【００１９】
上記の装置において、カソードのいずれか１つのターゲット物質は好ましくはＨｆＯ2またはＨｆＳｉＯＮのごとき高誘電率を有する物質である。
さらに上記の装置において、例えばＨｆＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3およびＨｆのごとき誘電体物質または金属であり、それらは共同スパッタリングの間、ウェハーの上で他の誘電体物質を形成するように共に反応するものであり、そこでは２つまたはそれ以上のカソードは同時にｒｆまたはＤＣ電圧を与えられる。
【００２０】
各カソードは磁束線（磁気フラックス）を生成するマグネット配列をその外側表面に有し、その磁束線はカソード表面を貫き、反応容器の内部に到達する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るマルチカソードイオン化物理的気相成膜装置によれば、より高いアスペクト比を有するパターン化された孔または溝を有するウェハーに、より良い側壁カバリッジおよび底部カバレッジの状態で膜を堆積することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、添付した図面に従って好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通して、本発明の詳細は明らかにされる。
［実施形態１］
【００２３】
図１から図４に従って本発明の第１の実施形態が説明される。マルチカソードスパッタ成膜反応容器１０の縦断面図が図１に示される。マルチカソードの配列の下面図は図２に示される。反応容器１０は側壁１０a、上壁１０ｂ、および底壁１０ｃによって形成され、機密構造を有している。さらに反応容器１０はターゲットとして用いられる２つまたはいくつかのカソード（例えば４つのカソード１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、ウェハーホルダ１２と、ウェハーホルダ１２の中に組み込まれた部分である下部電極１５と、反応容器１０のその他の部分からカソードと下部電極１５を電気的に絶縁するための絶縁物質１３，１４を備えている。カソードの数は好ましくは４つである。４つのカソード１１ａ〜１１ｄは反応容器１０の上壁の内面に絶縁物質１３を介して傾斜状態で固定されている。４つのカソード１１ａ〜１１ｄは上壁の円形外縁に沿って等しい間隔で配置されている。
【００２４】
反応容器１０の内部には、反応容器１０内に単体のガスまたは混合体のガスを導入するための複数のガス導入部１６およびガス排出部１７がある。ガス導入部１６はガス供給装置（図示されず）に接続されており、かつガス排出部１７は真空ポンプ（図示されず）に接続されている。こうして、反応容器１０は、ガス導入部１６およびガス排出部１７等を含んで成る圧力制御機構を有しており、これは内部圧力を所望の圧力に制御するためのものである。
【００２５】
４つのカソード１１ａ〜１１ｄは、下部電極１５に平行な、上壁１０ｂの中央部分に傾斜をつけて設けられている。カソードの直径は重要な事項ではなく、反応容器１０の他の寸法に従って選択される。例えば、もし反応容器１０が直径３００ｍｍのウェハーを処理するように設計されているならば、カソード１１ａ〜１１ｄの直径は２００〜４００ｍｍの範囲にある。
【００２６】
カソードの材質またはターゲットの材質は、通常、Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｎ等のごとき金属である。さらにターゲットとして半導体または誘電体の材料でさえ用いることもできる。誘電体材料によって作られたターゲットは、例えば、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＨｆＯＮまたはＨｆＳｉＯＮのごときhigh-k誘電体材料である。すべてのカソード１１ａ〜１１ｄは同じ材料で作られるか、または異なる材料によって作られる。
【００２７】
カソード１１ａ〜１１ｄの各々の外側表面の上でどのようなマグネット配列を設けてもよいし、設けなくてもよい。図１において、各カソードの外側表面上に設けられた複数の分離したマグネット１８が示されている。通常、これらのマグネット配列は、カソードにおけるずれた軸で、または中央軸で回転させられる。マグネット１８に関してはいかなる特別の配列もない。マグネット配列の構成はターゲット利用上の効率および膜の均一性を考慮することによって選択することができる。
【００２８】
各カソード（１１ａ〜１１ｄ）は整合回路２０を介してｒｆ発生器１９に接続されている。ｒｆ発生器１９の周波数は重要なことではなく、１０〜３００ＭＨｚの範囲である。さらに、カソード１１ａ〜１１ｄのすべては、同じ周波数でまたは異なる周波数で動作するｒｆ電流を与えてもよい。
【００２９】
ウェハーホルダ１２は反応容器１０の底壁の上に設けられ、最も近いカソードの下側で少なくとも５０ｍｍの距離にて配置されている。ウェハーホルダ１２はシャフト２１に固定されており、このシャフト２１は電気モータ（図示せず）を用いることによって回転するようになっている。下部電極１５は、通常、Ａｌのごとき金属で作られており、整合回路２３を経由してｒｆ発生器２２に接続されている。しかしながら、ｒｆ発生器２２から下部電極１５へのｒｆ電力の応用はこの発明の目的にとって本質的なことではない。もしｒｆ電流が下部電極１５に与えられるならば、ｒｆ電流の周波数は重要な事項ではなく、１００ＫＨｚ〜５０ＭＨｚの範囲にある。膜が堆積されるウェハー２４は下部電極１５の上に搭載されている。
【００３０】
次に上記のマルチカソードスパッタ成膜装置の作用が説明される。第１に、プロセスガス、通常ではＡｒが、ガス導入部１６を通じて反応容器１０の中に供給される。反応容器１０の内部の圧力は５Ｐａ（パスカル）よりもより高く維持される。反応容器１０において、プラズマは、１つの選択されたカソードまたはいくつかの選択されたカソードにｒｆ電流を与えることによって生成される。ｒｆ電流は、通常、スパッタされるべき必要のある選択されたカソードに与えられる。従って、もし２つの異なる材質が同時にスパッタされることが必要であるならば、ｒｆ電流は同時に両方のカソードに与えられる。
【００３１】
プラズマがｒｆ電力の容量的結合によって生成されるとき、選択されたカソードの上に負の自己バイアス電圧が生成される。適用されたｒｆ電力に依存してｒｆ電流の周波数および圧力自己バイアス電圧の値は変化する。この負の自己バイアス電圧はカソード（１１ａ〜１１ｄ）の表面の上にＤＣ電界を生成し、このＤＣ電界はプラズマにおけるイオン、例えばＡｒ+イオンを加速する。カソード表面における高エネルギイオンの衝突はカソード材料をスパッタリングし、そのスパッタ物をプラズマ中にもたらす原因となる。
【００３２】
カソードから放出されるスパッタ原子は中性の状態にある。採用されたより高い圧力のために、これらのスパッタ原子はウェハー２４の上または反応容器１０の内部の他の表面に堆積する前に非常に多くの衝突を受けることになる。Ａｒ+イオンおよびＡｒ*励起状態との衝突はスパッタ原子のイオン化という結果をもたらす。従ってスパッタ原子の一部は気相中でイオン化する。スパッタ原子のイオン化された部分は、カソード（１１ａ〜１１ｄ）とウェハー２４の間の距離、圧力、そして反応容器１０内のプラズマ密度に依存している。
【００３３】
もし下部電極１５にｒｆ電流が与えられるのであるならば、負の自己バイアス電圧はウェハー２４の表面に生成される。この負の自己バイアス電圧はイオン化されたスパッタ原子をウェハーの表面に加速するＤＣ電界を発生する。
【００３４】
下部電極１５がｒｆ電流を与えられずかつ同様にまた接地に接続されていないならば、ウェハー２４は電気的に浮遊の状態にある。この状態において、ウェハーの電圧は浮遊電圧（Ｖｆ）として与えられる。この浮遊電圧（Ｖｆ）は常にプラズマの電圧（Ｖｐ）よりも低い。それ故にＶｐ−Ｖｆによって定義される電圧差（電界）が存在する。この電圧差はウェハー２４に向かって電界を発生する。この電界はプラズマ中のイオン化されたスパッタ原子をウェハーの表面に向かって加速する。それ故にイオン化されたスパッタ原子はほとんどウェハーの表面に垂直に到達する。
【００３５】
前述した現象は概略的に図３において示される。図３で、ウェハー２４の表面の近くの点線２５はカソード１１ａからの原子またはイオンの流れ（flux）の半径方向の輪郭形状を示し、領域２６はプラズマを示す。さらに上記の電界（Ｅ）は電圧差（Ｖｐ−Ｖｆ）に基づいて矢印で示されるごとくウェハー２４の表面に向かって生成される。プラズマ２６において、カソード１１ａから放出されたスパッタ原子は通路２７によって示されるごとく移動する。スパッタ原子の移動進路２７に従ってイオン化されたスパッタ原子はウェハー表面に加速され、ほとんどウェハーの表面に垂直に到達する。こうして当該作用は図４に示されるごとくウェハー２４における孔や溝２９において均一な側壁カバレッジおよびより良好なボトムカバレッジという結果をもたらす。
【００３６】
しかしながら、イオン化された原子または中性の原子の流れはウェハー表面において均一ではない。それは図３の線２５によって示されるごとく高度に非対称的なパターンである。線１５はカソード１１ａに関しての原子またはイオン化された原子の流れの密度を表している。しかしながら、図１に示されるごとくウェハー２４はその中心軸２４ａの周りに回転されているので、結果として得られる膜は良好な均一性を示す。
【００３７】
次に、上述したｒｆ発生器１９の代わりに、カソード１１ａ〜１１ｄにＤＣ電圧を供給するためのＤＣ電源を用いることもできる。カソードにＤＣ電圧を与える目的はカソードの負の電圧を増大させることによってカソードまたはターゲットのスパッタ速度を増加させることである。加えて、ｒｆ発生器またはＤＣ電源の使用はカソードの材料に依存して決定されてもよい。
【００３８】
第１の実施形態によれば、その効果は、ウェハー表面における孔または溝におけるより良い側壁カバレッジおよび底カバレッジを与えることである。
［実施形態２］
【００３９】
図５および図６に従って本発明の第２の実施形態が説明される。第２の実施形態において、図５および図６は、それぞれ、図１および図２に対応する。第１実施形態のマルチカソードスパッタ成膜装置に比較して、第２実施形態の装置では、下部電極１５に平行な中央カソード１１ｅが追加されている。中央電極１１ｅは、前述した傾斜カソード１１ａ〜１１ｄと実質的に同じ構造を有しており、同じ機能を有している。中央カソードの直径または大きさは傾斜カソードのそれと同じである必要は必ずしもない。中央カソードとこれに関連する構成に関する上記付加を除いて、他のハードウェアのすべては第１実施形態で説明されたものと同じである。それ故に、図５および図６において、第１実施形態で説明された要素と実質的に同じ要素は同じ参照番号が付されている。第２実施形態において得られる動作の方法および利点は、同様にまた、第１実施形態で説明されたものと同じである。
［実施形態３］
【００４０】
図７に従って本発明の第３実施形態が説明される。図７は、第２実施形態の図５に対応している。ここにおいて唯一の違いは、第２実施形態と比較すると、各カソード１１ａ〜１１ｅがｒｆ電力供給部に加えてＤＣ電力供給部３１に接続されていることである。それ故に、動作の間、１つまたはすべてのカソードにｒｆ電力に加えてＤＣ電力が与えられる。カソードへの付加的なＤＣ電力の応用は、その負の電圧の増加をもたらす。これはカソード１１ａ〜１１ｅのスパッタ速度を増加させる。ＤＣ電源３１を上記のごとく追加すること以外、すべてのハードウェアは、第１または第２の実施形態で説明されたものと同じである。それ故に、図７において、第１または第２の実施形態で説明された要素と実質的に同一な要素には同じ参照番号が付されている。得られる動作の方法および利点は同様にまた第１または第２の実施形態において述べられたそれらと同じである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明はＰＶＤスパッタリング装置において傾斜されたマルチカソードの各々においてスパッタされた中性原子を用いることでウェハーの表面でのパターン化された深い孔または溝の側壁および底部のより良いカバレッジを形成するのに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この図は、本発明の第１実施形態の装置の縦断面図である。
【図２】この図は、図１で示された反応容器におけるカソード配列を示す下面図である。
【図３】この図は、カソードからウェハー表面へのスパッタされた原子の進路を示す説明図である。
【図４】この図は、ウェハー表面での孔または溝における仮想的な側部および底部のカバレッジを示す縦断面図である。
【図５】この図は、本発明の第２実施形態の装置の縦断面図である。
【図６】この図は、図５で示した反応容器でのカソード配列の底面図である。
【図７】この図は、本発明の第３実施形態の装置の縦断面図である。
【図８】この図は、従来装置の縦断面図である。
【図９】この図は、図８に示した反応容器でのカソード配列の底面図である。
【図１０】この図は、スパッタ原子の流れの方向を示す説明図である。
【図１１】この図は、図８で示された反応容器を用いた薄膜成膜の後の孔または溝の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０              反応容器
１１ａ〜１１ｅ    カソード
１２              ウェハーホルダ
１５              下部電極
１８              マグネット
１９              ｒｆ発生器
【図１】
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【図２】
2005097672.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005097672.tif 000006
【図５】
2005097672.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005097672.tif 000009
【図８】
2005097672.tif 000010
【図９】
2005097672.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
[Title of the Invention]   Multi-cathode ionized physical vapor deposition system
[Technical Field]
[0001]
The present invention relates to a multi-cathode ionized physical vapor deposition system, and more particularly, to a plasma assisted sputter deposition system to perform sputtering films deposition using two or more of cathodes placed within the same reactor wherein sputtered atoms from targets get ionized within plasma region, accelerate onto a wafer surface by self-bias voltage and deposit on the wafer surface having holes or trenches in sub-micron scale.
[Arts of Background]
[0002]
Magnetron sputtering systems are in wide application to deposit thin films on substrates or wafers used in semiconductor industry. One of the major requirements in depositing the films on the wafers, for examples, on Si wafers, is the film uniformity. In order to deposit films with a greater uniformity, a multi-cathode sputtering system has been invented and in use. However, this system has severe problems in depositing films on patterned wafers, for example, on surfaces having deep holes or trenches in micron scale. This problem is explained in detail with reference to Figs. 8 - 11.
[0003]
Fig. 8 shows a longitudinal cross sectional view of the conventional multi-cathode sputtering system while Fig. 9 shows an inside view of a top wall on which some cathodes are disposed in a predetermined arrangement manner. A reactor 100 used as a wafer processing chamber is comprised of multi-cathodes 101a-101d, a wafer holder 102, gas inlets 103 and a gas outlet 104. In Fig. 8, for example, the number of the cathodes is four, and these four cathodes 101a, 101b, 101c and 101d are arranged in an angled state. Each cathode 101a-101d is made of a metal, for example, Al, Ti, Ta etc. that need to be sputtered and deposited onto a wafer 112 loaded on the wafer holder 102. The cathodes 101a-101d are electrically isolated from the reactor 100 using a dielectric material 105. Generally, on the upper surface of each cathode a plurality of magnet 106 with some specific arrangement has been placed. Further, the magnets 106 arranged on each cathode are rotated around an off-axis or the central axis of the relevant cathode 101 by a rotating mechanism (not shown). Each cathode (101) is connected to a DC power supply (not shown).
[0004]
The wafer holder is comprised of a metal electrode 108, a dielectric material 109, a side-wall 110, and a shaft 111. The wafer 112 is horizontally placed on the metal electrode 108 as shown in Fig. 8. The shaft 111 is connected to an electrical motor (not shown) in order to rotate the wafer holder 102 on its central axis 102a.
[0005]
Plasma is made within the reactor 100 by applying electric power to one or several cathodes 101a-101d while maintaining a suitable pressure inside the reactor 100. Owing to the higher negative voltage of the cathode 101a-101d, ions in the plasma accelerated to the cathode and sputtered. These sputtered atoms then travel through the plasma and deposit on the wafer 112 and other surface areas where the plasma is in contact with.
[0006]
The sputtered-atom flux coming from each of the angled cathodes 101a-101d against the horizontal wafer 112 is not radialy uniform on the surface of the wafer 112. For example, a hypothetical sputtered-atom flux from the cathode 101a is shown by arrows 113 in Fig 10. In order to get a uniform thin film on the wafer surface, wafer holder 102 is rotated around its central axis as mentioned above. This results in a uniform film. 
[0007]
The sputtered atoms from the cathode are in neutral state. Since very low-pressures, for example, pressures below 10 mTorr (1.3 Pa), are employed for the sputtering, the sputtered atoms are subjected to only a few collisions within the gas phase before depositing on the wafer surface. Even though there are Ar+ ions and Ar* excited state atoms within the plasma that can ionize the sputtered atoms by collisions, the sputtered atoms are less likely to be ionized due to the lower number of gas-phase collisions. Accordingly, almost all the deposition on the wafer surface is occurred by neutral atoms.
[0008]
Film deposition by the neutral atoms is useful if the film is deposited on a planar surface. However, if there are holes or trenches, especially in sub-micron scale, the film deposition by the neutral atoms has a limit. This is explained with reference to Figs. 10 and 11. Since the sputtered atoms are coming with an angle to the wafer surface, most of the films 114 deposited in holes or trenches 115 happens on the walls that face the atom flux as schematically shown in Fig. 10. This results in an asymmetric film deposition on the side-walls of the holes or trenches 115 as shown in Fig. 11. Further, if the diameter of the holes or the width of the trenches is in sub-micron scale with a higher aspect ratio, the films get thinner towards the bottom of the holes or trenches 115. Because, only a few atoms reach the bottoms of the holes or trenches 115. This causes discontinues film on the side-walls of the holes or trenches. Therefore, application of the above-explained sputtering system for patterned wafers is limited.
[0009]
A patent document 1 mentioned bellow discloses one example of the multi-cathodes sputtering wafer processing chamber. The multi-cathodes sputtering wafer processing chamber has four cathodes angled in a ceiling portion. Magnetic multi-films to be required are deposited on the wafer loaded on the wafer holder by sputtering each of the four cathodes suitably.
[Patent Document 1]   JP-A-2002-167661
[Disclosure of the Invention]
[Subject to be solved by the Invention]
[0010]
A subject of the present invention is to deposit films uniformly on the whole inside surface of the holes or trenches made on the wafer surface using the neutral atoms generated in the angled cathodes or targets by sputtering. Further, when the wafer has patterned deep holes or trenches with a higher aspect ratio, films with good coverage from the opening entrance to the bottom are deposited using the sputtered neutral atoms.
[0011]
An object of the present invention is to provide a multi-cathode ionized physical vapor deposition system capable of forming better side-wall and bottom coverage in patterned holes or trenches on the wafer surface using the neutral atoms sputtered on each of the angled multi-cathodes.
[Means to solve the problem]
[0012]
A multi-cathode sputter ionized physical vapor deposition system in accordance with the present invention is configured as follows in order to attain the above-mentioned object.
[0013]
A first multi-cathode ionized physical vapor deposition system is comprised of; a reactor in which a wafer holder is arranged to bottom wall so as to be rotated around its central axis, and at least two angled cathodes against a wafer placed on the wafer holder are arranged to a top wall, each of the cathodes is supplied with a rf current via a matching circuit from a rf generator, and pressure control mechanism including gas inlets and a gas outlet. In the system, an inner pressure of the reactor is controlled to be a high pressure relatively by the pressure control mechanism.
[0014]
In accordance with the above system, the plasma within the reactor is generated under the pressure higher than 5 Pa. This condition ionizes the sputtered atoms and deposition is mainly occurred by the accelerated ions to the wafer surface.
[0015]
In the above multi-cathode ionized physical vapor deposition system, preferably, the system comprises a central cathode parallel to the wafer at a center of the top wall.
[0016]
In the above multi-cathode ionized physical vapor deposition system, preferably, the system comprises DC sources respectively supplying to the cathodes with a DC voltage.
[0017]
In the above multi-cathode ionized physical vapor deposition system, preferably, one or more of the cathodes are supplied DC current on addition of rf current.
[0018]
A second multi-cathode ionized physical vapor deposition system is comprised of; a reactor in which a wafer holder is arranged to bottom wall so as to be rotated around its central axis, and at least two angled cathodes against a wafer placed on the wafer holder are arranged to a top wall, each of the cathodes is supplied with a DC voltage from a DC source, a pressure control mechanism including gas inlets and a gas outlet, and a central cathode parallel to the wafer at a center of the top wall. In the above system, an inner pressure of the reactor is controlled to be a low pressure relatively by the pressure control mechanism.
[0019]
In the above systems, the target material of either one of the cathodes is preferably high-dielectric constant material such as HfO2 or HfSiON.
Further, In the above systems, target materials of cathodes are dielectric materials or metals such as HfO2, Si3N4, Al2O3 and Hf, which are reacting together to form another dielectric material on the wafer during co-sputtering, where two or more cathodes are given rf or DC voltage at the same time.
[0020]
In the above systems, each cathode has a magnet arrangement on its outside surface to generate magnetic flux that penetrates a cathode surface and reaches the inside of the reactor.
[Effect of the Invention]
[0021]
In accordance with multi-cathode ionized physical vapor deposition system of the present invention can deposit films the wafer with patterned holes or trenches of higher aspect ratio in the state of better side-wall and bottom coverage. 
[Best Working Examples for Carrying Out the Invention]
[0022]
Hereinafter, preferred working examples will be explained according to the attached drawings. Through the explanation of the working examples, the details of the present invention will be clarified.
[Working Example 1]
[0023]
In accordance with Figs. 1-4 the first working example of the present invention is explained. A longitudinal cross sectional diagram of a multi-cathode sputter deposition reactor 10 is shown in Fig. 1. The bottom view of multi-cathode arrangement is shown in Fig. 2. The reactor 10 is formed by a side-wall 10a, top wall 10b and bottom wall 10c, and has an airtight structure. Further, the reactor 10 is provided with two or several cathodes (four cathodes 11a, 11b, 11c, 11d, for example) used as a target, wafer holder 12, lower electrode 15 which is an integrated part of the wafer holder 12, and insulating materials 13 and 14 to electrically isolate the cathodes and the lower electrode 15 from the rest of the reactor 10. The number of the cathodes is preferably four. The four cathodes 11a-11d are fixed on the inside surface of a top wall of the reactor 10 in an angled state through the insulating material 13. The four cathodes 11a-11d are arranged along a circled outer edge of the upper wall in an equivalent interval. 
[0024]
In the inside of the reactor 10, there is a plurality of gas inlets 16 to introduce a gas or a mixture of gas into the reactor 10 and a gas outlet 17. The gas inlets 16 are connected to a gas supply device (not shown) and the gas outlet 17 is connected to a vacuum pump (not shown). Thus, the reactor 10 has a pressure control mechanism including the gas inlets 16 and the gas outlet 17 etc. in order to control the inner pressure thereof to be required pressure.
[0025]
The four cathodes 11a-11d are arranged with an angle to a central portion of the top wall 10b, which is parallel to the lower electrode 15. The diameter of the cathode is not critical and selected according to the other dimensions of the reactor 10. For example, if the reactor 10 is designed to process wafers with diameter of 300 mm, the diameter of the cathode 11a-11d may lie in the range of 200 mm to 400 mm.
[0026]
The cathode material or target material is usually a metal, such as Al, Ti, Ta, Mn etc. Further, one can use even semiconductors or dielectric materials for the target. Targets made by the dielectric materials are, for example, SiO2, SiN or high-k dielectric materials such as HfON or HfSiON. All the cathodes 11a-11d may be made of the same material or different materials. 
[0027]
There may or may not be any magnet arrangement on the outer surface of each of cathodes 11a-11d. In Fig. 1, a plurality of separate magnets 18 arranged on the outer surface of each cathode is shown. Usually, these magnet arrangements may be rotated on off-axis or on the central axis of the cathode. There is no any specific arrangement for the magnets 18. The configuration of the magnet arrangement can be selected by considering the target utilization efficiency and film uniformity.
[0028]
Each cathode (11a-11d) is connected to a rf generator 19 via a matching circuit 20. The frequency of the rf generator 19 is not critical and can be in the range of 10 MHz to 300 MHz. Further, all of the cathodes 11a-11d may be given a rf current operating at the same frequency or different frequencies.
[0029]
The wafer holder 12 is arranged on a bottom wall of the reactor 10 and placed at least 50 mm below the closest cathode. The wafer holder 12 is fixed to a shaft 21 that can be rotated with the use of electric motor (not shown). The lower electrode 15 is usually made of a metal such as Al, and is connected to a rf generator 22 via a matching circuit 23. However, application of the rf power from the rf generator 22 to the lower electrode 15 is not essential for the purpose of this invention. If a rf current is applied to the lower electrode 15, the frequency of the rf current is not critical and lies in the range of 100 kHz to 50 MHz. A wafer 24 on which films are deposited is loaded on the lower electrode 15.
[0030]
Next, an operation of the above-mentioned multi-cathode sputter deposition system is explained. First, a process gas, usually Ar, is fed into the reactor 10 through the gas inlets 16. The inner pressure of the reactor 10 is maintained to be higher than 5 Pa. In the reactor 10 plasma is generated by applying the rf current to a selected cathode or some selected cathodes. The rf current is usually applied to the selected cathode that needs to be sputtered. Accordingly, if two different materials are needed to be sputtered simultaneously, rf currents are applied to both cathodes at the same time.
[0031]
When the plasma is generated by capacitively coupling of the rf power, a negative self-bias voltage is generated on the selected cathodes. Depending on the applied rf power, frequency of the rf current, and pressure, the value of self-bias voltage change. This negative self-bias voltage generates a DC electric field on the surface of cathode (11a-11d) that accelerates ions in the plasma, for example, Ar+ ions. Bombardment of high-energy ions on the cathode surface causes sputtering of cathode material into the plasma.
[0032]
Sputtered atoms emitted from the cathode are in neutral state. Owing to the higher pressure employed, these sputtered atoms are subjected to a large number of collisions before depositing on the wafer 24 or another surfaces within the reactor 10. The collisions with Ar+ ions and Ar* excited states results in ionization of the sputtered atoms. Accordingly, a fraction of the sputtered atoms ionize within the gas phase. The ionization fraction of the sputtered atoms depends on the distance between the cathode (11a-11d) and the wafer 24, pressure, and plasma density within the reactor 10.
[0033]
If the lower electrode 15 is given the rf current, a negative self-bias voltage is generated on the surface of the wafer 24. This negative self-bias voltage generates a DC electric filed that accelerate the ionized sputtered-atoms to the wafer surface.
[0034]
If the lower electrode 15 is not given the rf current and is also not connected to the ground, the wafer 24 is on an electrically floating state. In this state wafer potential is given as floating potential (Vf). This floating potential (Vf) is always lower than plasma potential (Vp). Therefore, there is a potential difference defined by Vp-Vf. This potential difference generates an electric field towards the wafer 24. This electric field accelerates the ionized sputtered atoms in the plasma to the wafer surface. Therefore, the ionized sputtered atoms come almost normal to the wafer surface. 
[0035]
The above-mentioned phenomenon is schematically shown in Fig. 3. In Fig. 3, a dotted line 25 near the surface of wafer 24 shows a radial profile of atoms or ions flux from the cathode 11a and region 26 shows the plasma. Further, the above electric field (E) is generated towards the surface of the wafer 24 in the basis of the potential difference (Vp-Vf), as shown by arrows. In the plasma 26, the sputtered atom emitted from the cathode 11a moves as shown by a path 27. In accordance with the moving path 27 of the sputtered atom, the ionized sputtered atom is accelerated to the wafer surface and comes almost normal to the wafer surface. Thus, the operation results in a uniform side-wall coverage and better bottom coverage 28 in holes or trenches 29 on the wafer 24 as shown in Fig. 4. 
[0036]
The ionized or neutral atom flux, however, is not uniform on the wafer surface. It is highly asymmetric pattern as shown by the line 25 in Fig. 3. The line 15 represents the atom or ionized atom flux density with related to the cathode 11a. However, as the wafer 24 is rotated around its central axis 24a as shown in Fig. 1, the resulted film shows a good uniformity.
[0037]
Next, instead of the rf generator 19 mentioned above, one can use a DC source to supply a DC voltage to the cathodes 11a-11d. The purpose of applying the DC voltage to the cathodes is to increase the sputter rate of the cathode or target by increasing the cathodes' negative voltage. In addition, the use of the rf generator or the DC source may be determined in dependence on materials of the cathodes.
[0038]
In accordance with the first working example, its effect is to give better side-wall and bottom coverage in the holes or trenches on the surface of the wafer. 
[Working Example 2]
[0039]
In accordance with Figs. 5 and 6 the second working example of the present invention is explained. In the second working example, Figs. 5 and 6 correspond to Figs. 1 and 2, respectively. Compared with a multi-cathode sputter deposition system of the first working example, in the system of the second working example, a central cathode 11e parallel to the lower electrode 15 is added. The central cathode 11e substantially has the same structure and function as the above-mentioned angled cathodes 11a-11d. The diameter or size of the central cathode is not necessarily the same as that of the angled cathode. Except the above addition of the central cathode and the related configuration, all the other hardware are the same as that explained in the first working example. Therefore, in Figs. 5 and 6, components substantially identical to those explained in the first working example are designated with the same reference numbers. The method of operation and the merits obtained in the second working example are also the same as that described in the first working example. 
[Working Example 3]
[0040]
In accordance with Fig. 7 the third working example of the present invention is explained. Fig. 7 corresponds to Fig. 5 of the second working example. Here only difference, as compared with the second working example, is that each cathode 11a-11e is connected to a DC power supply 31 in addition to rf power supply. During the operation, therefore, one or all cathodes may be given a DC power in addition to the rf power. Application of additional DC power to a cathode causes an increase of its negative voltage. This increases the sputter rate of the cathodes 11a-11e. Except the above addition of the DC power supply 31, all the other hardware are the same as that explained in the first or second working example. Therefore, in Fig. 7, components substantially identical to those explained in the first or second working example are designated with the same reference numbers. The method of operation and the merits obtained are also the same as that described in the first or the second working example. 
[0041]
[Usability in Industry]
The present invention is used for forming better side-wall and bottom coverage in patterned deep holes or trenches on the wafer surface with the use of the neutral atoms sputtered on each of the angled multi-cathodes in the PVD sputtering system.
[Brief Explanation of Drawings]
[0042]
[Fig. 1]
This figure is a longitudinal cross sectional diagram of the system of the first working example of the present invention.
[Fig. 2]
This figure is a bottom view of cathode arrangement in a reactor shown in Fig. 1.
[Fig. 3]
This figure is an explanation view showing a path of sputtered atom from a cathode to wafer surface.
[Fig. 4]
This figure is a cross sectional view showing a hypothetical side and bottom coverage in a hole or trench on the wafer surface.
[Fig. 5]
This figure is a longitudinal cross sectional diagram of the system of the second working example of the present invention.
[Fig. 6]
This figure is a bottom view of cathode arrangement in a reactor shown in Fig. 5.
[Fig. 7]
This figure is a longitudinal cross sectional diagram of the system of the third working example of the present invention.
[Fig. 8]
This figure is a longitudinal cross sectional diagram of the conventional system.
[Fig. 9]
This figure is a bottom view of cathode arrangement in a reactor shown in Fig. 8.
[Fig. 10]
This figure is an explanation view showing the direction of sputtered-atom flux.
[Fig. 11]
This figure is a cross sectional view of a hole or trench after the film deposition with the reactor shown in Fig. 8. 
[Explanation of Reference numbers]
[0043]
10        Reactor
11a-11e   Cathode
12        Wafer Holder
15        Lower Electrode
18        Magnet
19        Rf Generator
[Claim 1]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system is comprised of;
a reactor in which a wafer holder is arranged to a bottom wall so as to be rotated around its central axis, and at least two angled cathodes against a wafer placed on said wafer holder are arranged to a top wall,
each of said cathodes is supplied with a rf current from a rf generator via a matching circuit, and
a pressure control mechanism including gas inlets and a gas outlet,
wherein an inner pressure of said reactor is controlled to be a high pressure relatively by said pressure control mechanism.
[Claim 2]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system as claimed in claim 1, further comprising a central cathode parallel to the wafer at a center of said top wall.
[Claim 3]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system as claimed in claim 1 or 2, further comprising DC sources respectively supplying to said cathodes with a DC voltage.
[Claim 4]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system as claimed in claim 1 or 2, wherein one or many of said cathodes are supplied DC current in addition to rf current.
[Claim 5]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system is comprised of;
a reactor in which a wafer holder is arranged to bottom wall so as to be rotated around its central axis, and at least two angled cathodes against a wafer placed on said wafer holder are arranged to a top wall,
each of said cathodes is supplied with a DC voltage from a DC source,
a pressure control mechanism including gas inlets and a gas outlet, and
a central cathode parallel to the wafer at a center of said top wall,
wherein an inner pressure of said reactor is controlled to be a low pressure relatively by said pressure control mechanism.
[Claim 6]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system as claimed in claims 1-5, wherein target material of either one of said cathodes is a high-dielectric constant material such as HfO2 or HfSiON.
[Claim 7]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system as claimed in claims 1-5, wherein target materials of cathodes are dielectric materials or metals such as HfO2, Si3N4, Al2O3 and Hf, which are reacting together to form another dielectric material on the wafer during co-sputtering, where two or more cathodes are given rf or DC voltage at the same time.
[Claim 8]
A multi-cathode ionized physical vapor deposition system as claimed in claims 1-7, wherein said each cathode has a magnet arrangement on its outside surface to generate magnetic flux that penetrates a cathode surface and reaches the inside of said reactor.
[Abstract]
[Subject of the present invention]  To provide a multi-cathode sputter ionized physical vapor deposition system capable of forming better side-wall and bottom coverage in patterned holes or trenches on the wafer surface using the neutral atoms sputtered on each of the angled multi-cathodes.
[Means]  The system is comprised of; a reactor 10 in which a wafer holder 12 is arranged to bottom wall, and at least two angled cathodes 11a-11d against a wafer 24 are arranged to a top wall, each of the cathodes is supplied with a rf current via a matching circuit, and pressure control mechanism including gas inlets and a gas outlet. In the system, an inner pressure of the reactor is controlled to be high pressure relatively by the pressure control mechanism.
[Representative Figure]   Fig. 1
【Fig. 1】
2005097672.tif 000014
【Fig. 2】
2005097672.tif 000015
【Fig. 3】
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【Fig. 4】
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【Fig. 5】
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【Fig. 6】
2005097672.tif 000019
【Fig. 7】
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【Fig. 8】
2005097672.tif 000021
【Fig. 9】
2005097672.tif 000022
【Fig. 10】
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【Fig. 11】
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