(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の孔内に銅をスパッタ堆積させる方法であって、
銅からなり、スパッタコーティングされる基体を保持するためのペデスタルから、基体の直径の50％より大きい到達距離だけ離間しているターゲットを有するチャンバを準備するステップと、
(1)前記ターゲットと前記ペデスタルとの間の空間を取り囲んでいる接地シールドと、(2)前記ターゲットの面から前記ペデスタルに向かって、５乃至７ｃｍ延びている電気的に浮遊したシールドとを準備するステップと、
前記ターゲットの後方の周りにマグネトロンを回転させるステップと、
を含み、
前記マグネトロンは、前記ターゲットの面積の1/4より大きくない面積を有し、且つ一方の磁気極性の内側磁極と、それを取り囲んでいる逆の磁気極性の外側磁極とを含み、前記外側磁極の磁束は前記内側磁極の磁束より少なくとも50％大きく、
前記方法は、更に、
前記チャンバ内においてプラズマが点弧した後に、前記チャンバを５mTorrより高くない圧力までポンプするステップと、
前記チャンバを前記圧力にポンプしたまま、200ｍｍの基板上にスパッタするように形成されたターゲットの面積に正規化して少なくとも10ｋＷの直流電力を前記ターゲットに印加して、前記ターゲットから前記基体上へ銅をスパッタさせるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記圧力は、２mTorrより低いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記到達距離は、前記基体の直径の80％より大きいことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記圧力は１mTorrより低く、前記到達距離は前記基体の直径の140％より大きく、そして前記印加ステップは前記200ｍｍの基板上にスパッタするように形成されたターゲットの面積に正規化して少なくとも24ｋＷの直流電力を印加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記銅は前記基体の上部の平らな表面上に50乃至300ｎｍの厚みに堆積され、前記基体の誘電体層内に形成され且つ少なくとも４：１のアスペクト比を有する前記孔の残余内に銅を充填させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、一般的にはスパッタリングに関する。より詳しく述べれば、本発明は、半導体集積回路の形成における銅のスパッタ堆積に関する。
【背景技術】
【０００２】  半導体集積回路は、典型的に、多数の能動半導体デバイスの間を電気的に接続する多重レベルの金属化物を含んでいる。最新の集積回路、特にマイクロプロセッサ用集積回路は、５またはそれ以上の金属化レベルを含むことができる。従来は、金属化にはアルミニウムが好まれていたが、最新の集積回路の金属化物として銅が開発されてきた。【０００３】  典型的な金属化レベルを、図１に断面図で示す。下側レベル層１０は、導電性フィーチャ（幾何学的形態）１２を含む。もし下側レベル層１０が、シリカまたは他の絶縁材料のような下側レベル誘電体層であれば、導電性フィーチャ１２は下側レベル銅金属化物であることができ、上側レベル金属化物の垂直部分は、それが２つのレベルの金属化物を相互接続するのでビアと呼ばれる。もし下側レベル層１０がシリコン層であれば、導電性フィーチャ１２はドープされたシリコン領域であることができ、上側レベル金属化物の垂直部分は、それが電気的にシリコンと接触するのでコンタクトと呼ばれる。上側レベル誘電体層１４は、下側レベル誘電体層１０及び下側レベル金属化物の上に堆積される。ライン及びトレンチを含む更に他の孔の形状が存在する。また、後述する二重ダマシン及び類似の相互接続構造においては、孔は複雑な形状を有している。ある応用においては、孔は誘電体層を通って延びることはできない。以下にビア孔だけを説明するが、殆どの環境においては、この説明は公知のように僅かな変更を加えるだけで他の型の孔にも等しく適用される。【０００４】  伝統的に、誘電体は、前駆体としてテトラエチルオルトケイ酸（ＴＥＯＳ）を使用するプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によって形成された酸化シリコンである。しかしながら、他の組成の低ｋ材料、及び堆積技術が考慮されつつあり、本発明はこれらにも等しく適用可能である。開発中のある低ｋ誘電体は、フッ素化ケイ酸ガラスのようなケイ酸塩として特徴付けることができる。以下に、ケイ酸塩（酸化物）誘電体を直接的に説明するが、本発明は他の誘電体組成の大部分に適用可能である。【０００５】  ビア孔は、ケイ酸塩誘電体の場合には典型的にフッ素を基とするプラズマエッチングプロセスを使用して上側レベル誘電体層１４内にエッチングされる。最新の集積回路においては、ビア孔は0.18μｍ程度の幅を、またはそれより狭い幅さえ有することができる。誘電体層１４の厚みは通常は少なくとも0.7μｍ、場合によってはその２倍であるので、孔のアスペクト比は４またはそれより大きくなり得る。６またはそれより大きいアスペクト比が提唱されつつある。更に、殆どの環境においては、ビア孔は垂直のプロファイルを有しているべきである。【０００６】  ライナー層１６は、孔の底及び側上に、及び誘電体層１４の上にコンフォーマルに堆積される。ライナー１６は幾つかの機能を遂行する。金属薄膜は酸化物から剥離する傾向があるが、ライナー１６は誘電体と金属との間の接着層として働く。ライナー１６は、酸化物を基とする誘電体と金属との間の相互拡散に対するバリヤーとして働く。ライナー１６は、孔を充填する金属の堆積の均一な付着及び成長、及び多分低温リフローを増進させ、また別のシード層を平坦に成長させる核を形成するためのシード及び核形成層としても働く。【０００７】  次いで、例えば銅の金属層がライナー層１６上に堆積されて孔が充填され、誘電体層１４の上部がカバーされる。金属層１８の平面部分を選択的にエッチングすることによって、伝統的なアルミニウム金属化物が水平相互接続にパターン化される。しかしながら、二重ダマシンと呼ばれる銅金属化の好ましい技術は、誘電体層１４内の孔を２つの接続された部分に形成する。即ち、第１の部分は、誘電体の底部分を通る狭いビアであり、第２の部分は、表面部分内の幅広い、そしてビアを相互接続するトレンチである。金属堆積の後に化学機械研磨（ＣＭＰ）が遂行されて、誘電性酸化物上に露出された比較的柔らかい銅を除去するが、より硬い酸化物の上で停止する。その結果、上側レベルの多数の銅充填されたトレンチ（次の下側レベルの導電性フィーチャ１２に類似する）が互いに分離される。トレンチを銅で充填することは、銅充填されたビア間を水平に相互接続するように働く。二重ダマシン及びＣＭＰの組合せは、銅をエッチングする必要性を排除する。二重ダマシンのために幾つかの層構造及びエッチングシーケンスが開発されてきており、また他の金属化構造は類似製造要求を有している。【０００８】  二重ダマシンで経験するようなビア孔及び類似の高アスペクト比構造の充填は、それらのアスペクト比が増加し続けるにつれて絶えず挑戦されてきた問題である。アスペクト比は、孔の深さと、孔の最も狭い幅（通常はその上部表面付近）との比として定義される。またビア幅が0.18μｍであることは一般的であり、この値は更に減少して行くであろう。酸化物誘電体内に形成された最新の銅相互接続の場合、バリヤー層の形成が、核形成及びシード層から顕著に分離される傾向がある。拡散バリヤーは、Ｔａ／ＴａＮ、Ｗ／ＷＮ、またはＴｉ／ＴｉＮ、または他の構造のバリヤーから形成することができる。バリヤーは10乃至50ｎｍの厚みであることが典型的である。銅相互接続の場合、核形成及びシード機能を果たさせるためには、１またはそれ以上の銅層を堆積させる必要があることが解っている。以下の説明は、銅核形成及びシード層の形成、並びに最終的な銅による孔の充填に関する。【０００９】  スパッタリングとも呼ばれる普通の物理蒸着（ＰＶＤ）による金属化物の堆積は比較的高速である。直流マグネトロンスパッタリング反応器はスパッタ堆積させる金属からなるターゲットを含み、直流電源によって給電される。マグネトロンはターゲットの裏側の周りを走査し、その磁場をターゲットに接する反応器の部分内に突入させてその部分におけるプラズマ密度を増加させ、それによってスパッタリング速度を増加させる。しかしながら、従来の直流スパッタリング（以下、導入される他の型のスパッタリングと区別するためにＰＶＤと呼ぶ）は中性原子を支配的にスパッタする。ＰＶＤにおける典型的なイオン密度は109ｃｍ-3より小さい。またＰＶＤは、広角分布で、典型的にはターゲット垂線の周りに余弦依存性を有する分布で原子をスパッタする。このような広い分布は、図２に示すようなバリヤー層２４が既に堆積済みの、深く且つ狭いビア孔２２を充填する場合には不利である。多数の角度ずれしたスパッタ粒子が、孔２２の上側の隅の周りに銅層２６を選択的に堆積させて張出し２８を形成させる。大きい張出しは孔２２内への進入を更に妨害するので、少なくとも孔２２の側壁３０及び底３２への堆積が不十分になる。最悪の場合、孔２２が充填される前に張出し２８が孔２２を橋絡し、孔２２内の金属化物内にボイド３４を作る。一旦ボイド３４が形成されてしまうと、それは金属化物をその融点付近まで加熱することによってリフローさせることは殆ど不可能である。たとえ小さいボイドであっても、重大な信頼性の問題を導入する。もし電気めっき等によって第２の銅堆積が計画されていれば、橋絡した張出しがそれを不可能にする。【００１０】  この張出し問題を改善する１つのアプローチは、普通の反応器内における遠到達（長距離）スパッタリングである。遠到達スパッタリングにおいては、ターゲットはスパッタコーティングされるウェーバから比較的遠くに離間される。例えばターゲット・ウェーハ間の間隔は、ウェーハ直径の少なくとも50％、好ましくは90％以上、より好ましくは140％以上である。その結果、スパッタリング分布の角度ずれした部分が選択的にチャンバ壁に導かれるが、中心角部分はウェーハに導かれ続ける。台形の角度分布は、スパッタされた粒子のより多くを孔２２内へ深く導き、張出し２８の程度を減少させる。同じ効果は、ターゲットとウェーハとの間にコリメータを配置することによっても達成される。コリメータは高アスペクト比の多数の孔を有しているので、角度ずれしたスパッタ粒子はコリメータの側壁に衝突し、中心角の粒子だけが通過する。遠到達の遠到達ターゲット及びコリメータは共に、ウェーハに到達するスパッタ粒子の束を不都合に減少させる。即ち、これらはスパッタ堆積速度を低下させる。ビア孔のアスペクト比が増加して遠到達の距離をより長くする、及び平行化をより厳しくすることが必要になると、この速度低下はより顕著になる。遠到達は、スパッタされた粒子が走行しなければならない基体・ターゲット間の距離がより長くなることによって更に制限される。たとえ遠到達を用いても、従来のＰＶＤ内で使用される数mTorr（ミリトール）のアルゴン圧力においては、スパッタされた粒子をアルゴンが散乱させる可能性が大きくなる。従って、粒子が前方へ走行する幾何学的な選択が減少する。遠到達及び平行化の両者に伴うさらなる問題は、銅束が減少するために堆積時間を長くする必要があることである。これはスループットを低下させるだけではなく、スパッタリング中にウェーハが受ける最高温度を増加させる傾向もある。遠到達は張出しを減少させ、側壁の中央及び上側部分への堆積は良好になるが、下側及び底への堆積は劣る。【００１１】  深い孔を充填するための別の技術は、スパッタリングプロセスにおいて、イオン化金属めっき（ＩＭＰ）と称される高密度プラズマ（ＨＤＰ）を使用するスパッタリングである。高密度プラズマは、プラズマシースを除いて、プラズマ全域の平均プラズマ密度が少なくとも1011ｃｍ-3、そして好ましくは少なくとも1012ｃｍ-3を有するプラズマとして定義される。ＩＭＰ堆積においては、例えばＲＦ電力をターゲットとウェーハとの間のプラズマ源領域の周りに巻かれた電気コイルに誘導的に結合することによって、ウェーハから離��た領域内に別のプラズマ源領域を形成させる。この形態は、カリフォルニア州サンタクララのApplied MaterialsからＨＤＰ  ＰＶＤ反応器として市販されている。他のＨＤＰスパッタ反応器が利用可能である。より高い電力は、アルゴン作業ガスをイオン化するだけではなく、スパッタされた原子のイオン化された（即ち、金属イオンを発生させる）割合も大幅に増加させる。ウェーハは、負電位に自己帯電するか、またはＲＦバイアスしてその直流電位を制御する。金属イオンは、それらが負にバイアスされたウェーハに接近するにつれて、プラズマシースを横切って加速される。その結果、それらの角度分布が前方向に強いピークを有するようになり、ビア孔内に深く引き付けられる。ＩＭＰスパッタリングにおいては、張出しは遙かに小さい問題になり、底及び下側側壁への堆積は比較的高くなる。【００１２】  しかしながら、ＩＭＰ堆積された金属は、多くの問題を抱えている。第１に、ＨＤＰスパッタ反応器は高価である。第２に、遠隔プラズマ源を使用するＩＭＰスパッタリングは、通常は少なくとも30mTorrの高めの圧力で遂行される。高めの圧力及び高密度プラズマは極めて多数のアルゴンイオンを発生し、これらのイオンはスパッタ堆積される表面へプラズマシースを横切って加速される。高エネルギアルゴンイオンは、多くの問題をもたらす。アルゴンイオンエネルギは形成中の薄膜内に熱として直接散逸される。銅は、ＩＭＰにおいて経験する高温において（たとえ、50乃至75℃程度の温度においてさえ）、窒化タンタル及び他のバリヤー材料から脱湿する。更に、アルゴンは、発生中の薄膜内に埋没する傾向があり、これが良好な効果である筈がない。実験的に、図３に断面図で示すように、ＩＭＰは、極めて粗い、または不連続でさえある表面形態を有する銅薄膜３６を堆積させる。このような薄膜は、特にライナーを電気めっきのための電極として使用する場合には、孔の充填を増進させない。【００１３】  銅を堆積させるための別の技術は、1997年５月８日付のＦｕらの米国特許出願第08/854,008号、及び1999年８月12日付のFuの米国特許出願第09/373,097号に開示されている持続性自己スパッタリング（ＳＳＳ）である。銅ターゲットに近接するプラズマ密度が十分に高いと、十分に高密度の銅イオンは、銅イオンが１より大きい収量で銅ターゲットを再スパッタさせるようになる。そこで、銅プラズマが持続している間は、アルゴン作業ガスの源は排除することも、または少なくとも極めて低い圧力に低下させることもできる。アルミニウムはＳＳＳを受けにくい。Ｐd、Ｐt、Ａg、及びＡuのような幾つかのターゲットの材料もＳＳＳを受けることができる。【００１４】  銅の持続性自己スパッタリングによる銅の堆積は、多くの長所を有している。ＳＳＳによるスパッタリング速度は高い傾向がある。大きい割合の銅イオンがプラズマシースを横切って加速され、バイアスされたウェーハに向かうことができ、従ってスパッタ束の指向性を増大させる。チャンバ圧力は極めて低くすることができ（裏側冷却ガスの漏れによって制限されることが多い）、それによってアルゴンイオンからのウェーハの加熱が減少し、アルゴンによる金属粒子の散乱が減少する。しかしながら、標準遠到達ＰＶＤチャンバは、銅のＳ��Ｓを支持しないことを見出した。【００１５】  持続性自己スパッタリングを増進するための技術及び反応器構造が開発されてきた。同じ技術及び構造から恩恵を受けられるにも拘わらず、あるスパッタ材料は、多分、部分自己スパッタリング（部分自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）をもたらす）が原因で収量が１より小さくなるので、ＳＳＳを受けにくいことが解っている。更に、たとえアルゴン作業ガスを何等用いずにＳＳＳが達成できるとしても、低圧ではあるが有限のアルゴン圧力を用いてスパッタさせることが有利であることが多い。従って、銅のＳＳＳスパッタリングは、作業ガスの減圧または０圧力を含む（ＳＳＳがＳＩＰの１つの型であるような）より一般的なスパッタリングプロセスのための好ましい技術である。【００１６】  付加的な添加物との混合体としてCupraSelectという商品名でSchumacherから独占的に市販されているＣu−ＨＦＡＣ−ＶＴＭＳのような金属・有機前駆体を使用する化学蒸着（ＣＶＤ）によっても、銅を堆積させることができる。当分野においては公知のように、熱ＣＶＤプロセスをこの前駆体と共に使用することができるが、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）も可能である。ＣＶＤプロセスは、本説明において検討中の高アスペクト比の孔においてさえも、ほぼコンフォーマルな薄膜を堆積させることができる。最初の概念は、銅薄膜を薄いシード層としてＣＶＤ堆積させ、次いでＰＶＤまたは他の技術を使用して最終的に銅で孔を充填することであった。この提唱された概念は、多分0.25乃至0.5μｍ幅の比較的幅広いビア孔を充填するために必要とされるＣＶＤプロセス及び設備に関連する必要経費に基づいていた。しかしながら、ＣＶＤ銅シード層は、殆ど常に粗いことが観測されている。この粗さは、シード層としての、即ち、後に銅を孔内に深く堆積させるための低温リフローを増進させるリフロー層としてのその用途を損ねる。また、この粗さは、連続シード層を確実にコーティングするためには、50ｎｍ程度の比較的厚いＣＶＤ銅層を堆積させる必要があることを表している。ここで検討している狭いビア孔の場合には、必要な厚みのＣＶＤ銅シード層は何とか孔をほぼ充填することができる。しかしながら、ＣＶＤによって完全に充填を遂行させると中心に継ぎ目が発生する傾向があり、これはデバイスの信頼性に影響を及ぼし得る。【００１７】  別の、組合せ技術は、ＩＭＰスパッタリングを使用して、フラッシュ堆積とも呼ばれることがある薄い銅核形成層を堆積させ、次いでより厚いＣＶＤ銅シード層をＩＭＰ層の上に堆積させる。しかしながら、図３に示すように、ＩＭＰ層３６は粗くなる傾向があり、ＣＶＤ層は粗くされた基体にコンフォーマルに追随する傾向がある。従って、ＩＭＰ層の上のＣＶＤ層も粗くなる。【００１８】  開発中の、そして好ましい商用充填プロセスになると思われる更に別の銅堆積技術は、電気化学めっき（ＥＣＰ）である。この方法においては、ウェーハは銅電解液洛内に浸漬される。ウェーハは浴に対して電気的にバイアスされ、銅はほぼコンフォーマルプロセスでウェーハ上に電気化学的に堆積される。化学（無電気）めっき技術も利用可能である。電気めっき及びその関連プロセスは、それらが大気圧の下で、且つ簡単な設備で遂行でき、堆積速度が高く、液体処理がその後の化学機械研磨と矛盾しないことから有利である。【００１９】  しかしながら、電気めっきはそれ自体に要求を賦課する。電気めっきされる銅に核を形成させ、それをバリヤー材料に付着させるために、Ｔａ／ＴａＮのようなシード及び付着層をバリヤー層の上部に設ける必要がある。更に、一般にビア孔２２を取り囲む絶縁構造は、誘電体層１４とビア孔２２との間に電気めっき電極を形成させる必要がある。タンタル及び他のバリヤー材料は典型的に比較的貧弱な導電体であり、ビア孔２２と対面するバリヤー層２４の通常の窒化物の副層（銅電解質を含む）は、電気めっきに必要な長い横方向電流通路に関して更に導電性が低い。従って、もし電気めっきによってビア孔の底を効果的に充填させるのであれば、良好な導電性シード及び付着層を堆積させなければならない。
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】  バリヤー層２４の上に堆積された銅シード層は、典型的には電気めっき電極として使用される。しかしながら、その完全性が保証されていなければならず、連続した、滑らかな、そして均一な薄膜が好ましい。そのようにしなければ、電気めっき電流は銅でカバーされた領域だけへ導かれるか、またはより厚い銅でカバーされた領域へ選択的に導かれる。銅シード層を堆積させることは、それ自体に困難をもたらす。ＩＭＰ堆積されたシード層は高アスペクト比の孔の底に良好に堆積されるが、その側壁への堆積は、薄い薄膜が不連続の点で粗くなって側壁ボイドを生じさせる程に少ない。また薄くＣＶＤ堆積されたシードは粗過ぎる。ＩＭＰ銅上の厚めのＣＶＤシード層またはＣＶＤ銅は、所要の連続性を達成するためには過剰に厚いシード層を必要とする。また、電気めっきは主として孔の側壁全体が電極として動作するので、側壁への堆積は厚いことが望まれる。遠到達は側壁への堆積は十分であるが、底への堆積は不十分である。
【００２１】  従って、ビア孔を銅で充填するためのより良い方法が望まれている。
【００２２】  銅のスパッタリングは、他の電子材料のスパッタリングには見られない問題をもたらすことが解っている。散乱した銅原子は、特に低圧ＳＳＳ及びＳＩＰの場合には、スパッタリング装置内の狭い凹み内の遙か遠くまで拡散することが解っている。スパッタリング、特にＳＳＳ及びＳＩＰに関連する高電力レベルにおいては高電圧を含むので、誘電性絶縁体が異なってバイアスされている部分を分離しなければならない。しかしながら、これらの絶縁体は、ＳＳＳスパッタリング中に銅でコーティングされる傾向があり、従って屡々交換または清浄にする必要がある。
【００２３】その結果、これらの絶縁体を銅堆積から保護することが望まれている。
【００２４】  スパッタリングチャンバの標準部品は、チャンバ壁を堆積から保護するチャンバシールドである。壁ではなくシールドがコーティングされ、スパッタコーティングが過大な厚みまで累積した時点で、遙かに容易に取り外したり、清浄にされる。典型的にはシールドは金属であり、陰極ターゲットのためのグラウンド面として働くように電気的に接地されている。しかしながら、補助の、電気的に浮遊しているシールド（以下に、浮遊シールド（フローティングシールド）という）をターゲット付近のチャンバの上側部分の周りに配置すると、低圧でスパッタリングできることが知られてきた。このような浮遊シールドは、典型的に、クランピングを用いずにシールド絶縁体上に簡単に支持されていた。しかしながら、クランプされていないシールドは、熱サイクリング中に付加的な機械的運動を導入し、それがプラズマ暗空間に要求される公差、及び適切なターゲットバイアスに影響を与える。シールドがたわむと、過大な粒状の剥がれが発生し得る。シールドと絶縁体との間の間隙及び形状が不適切であると、電気的な短絡が発生する。熱サイクル中にクランプされていないシールドが運動すれば、冷却されたときにそれがその元の位置に戻ることが保証されていない場合が多く、従って次のサイクルではそれが更に片寄る恐れがある。
【００２５】  これらの理由から、クランプされていないシールドのためにより良好な整列が望まれる。
【００２６】  特にＳＩＰ及びＳＳＳに伴う低圧におけるプラズマスパッタリングは、プラズマの点弧に伴う問題を提起する。プラズマの点弧は、その連続励起とは異なるセットの条件を含む。アルゴンのようなより高圧の作業ガスをチャンバへ導入し、点弧を発生させる必要があることが多い。しかしながら、大量のアルゴンが存在する中でスパッタコーティングされた薄膜は、低圧スパッタリングにおいて望まれる薄膜の種類に順応しないことが多い。更に、プラズマの点弧は問題が多く、長くて頼りにならないシーケンスをもたらし得る。
【００２７】  従って、特に銅の、低圧スパッタリングのためのより良いプラズマの点弧を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２８】  本発明は、遠到達(long-throw)スパッタリングと自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）スパッタリングとを組合せて、銅をスパッタ堆積させる方法であると要約することができる。遠到達スパッタリングは、ターゲット・基体の距離と、基体の直径との比が比較的高いことが特徴である。遠到達ＳＩＰスパッタリングは、イオン化した銅及び中性の銅の両成分による深い孔のコーティングを増進させる。
【００２９】  ＳＩＰは、５mTorrより低い、好ましくは２mTorrより低い、より好ましくは１mTorrより低い低圧によって増進される。特にこれらの低圧におけるＳＩＰは、比較的小さい面積を有し、それによってターゲット電力密度を増加させるマグネトロンによって、及び非対称の磁石を有し、基体に向かって遠く突入する磁場を発生するマグネトロンによって増進される。ＳＩＰは、ターゲットから好ましくは６乃至10cmの範囲のように比較的遠くへ延び且つ電気的に浮遊しているスパッタリングシールドによっても増進される。有利なことには、浮遊シールドと接地されたシールド（以下に、接地シールドという）との間に第１の狭い回旋チャンネルが形成され、浮遊シールドとターゲットとの間に第２の狭い回旋チャンネルが形成されている。これらのチャンネルは、銅または他の金属原子イオンが、誘電体スペーサの領域、及びターゲット、浮遊シールド、接地シールドを分離しているＯリングに突入するのを防ぐ。これらのチャンネルの幅は、好ましくは100乃至120ミル（2.5乃至３ｍｍ）の範囲内にある。２つのシールド間のチャンネルの底円筒形部分のアスペクト比は、好ましくは少なくとも４：１、より好ましくは少なくとも８：１である。チャンネルは、好ましくは２回の90°の曲げを含む。
【００３０】  本発明の１つの面によれば、１つの作業ガスを使用するＳＩＰと、普通のスパッタリングとの間にバランスが得られるようにスパッタリング条件を制御し、それによってスパッタ束内の銅イオンと中性銅原子との比を制御する。
【００３１】  本発明は、銅シード層を堆積させるために使用され、特に、誘電体層を通して狭く且つ深いビアまたはコンタクトを形成するために有用な、後に堆積される層の核形成即ちシーディングを増進させる。第２の鋸屑は、電気化学めっき（ＥＣＰ）によって堆積させることができる。
【００３２】  孔を充填するための本発明のプロセスの別の実施の形態においては、第２の銅層は、化学蒸着（ＣＶＤ）によって堆積される。ＣＶＤ層自体は、その後のＥＣＰのためのシード層として使用することが可能であり、またはＣＶＤによって孔を、特に極めて高いアスペクト比の孔を完全に充填することができる。
【００３３】  銅シード層を形成するための本発明のプロセスの更に別の実施の形態においては、第１のステップは、イオン化金属めっき（ＩＭＰ）と呼ばれるプロセスで高密度プラズマ内において薄い銅シード層の一部を堆積させ、第２のステップは、ＳＩＰプロセスで銅シード層の別の部分を堆積させる。
【００３４】  本発明の別の面は、チャンバシールドを含む。長めの浮遊シールドが、プラズマ点弧を増進させる。更に、浮遊シールドと接地シールドとの間に狭い回旋チャンネルが好ましく形成されており、それによってこれらのシールドを支持し絶縁するために含まれている絶縁体がスパッタされた金属でコーティングされるのを保護する。センタリング手段が、温度サイクリングを通して浮遊シールドを電気的に、及び機械的に整列させ続ける。処理容積と、絶縁体、浮遊シールド、及び支持表面間に存在する滑り表面との間にバリヤーが形成されている。
【００３５】  本発明の更に別の面は、点弧シーケンスを含む。好ましくは、作業ガス圧を比較的高くし、ターゲット電力レベルを低くしてプラズマを点弧させる。プラズマが点弧した後にチャンバ圧力を低下させ、ターゲット電力をそれらの動作スパッタリングレベルまで増加させる。
【発明の実施の形態及び実施例】
【００３６】  銅ライナー自体によるか、またはスパッタされた銅核形成層上に化学蒸着（ＣＶＤ）により堆積された銅シード層と組合せることによって、直流マグネトロンスパッタリング反応器におけるイオン化した原子束と中性原子束との間の分布を適合させ、誘電体層内の孔の中に滑らかでコンフォーマルな銅ライナーを発生させることができる。銅ライナー層は、電気めっきされる銅のための薄いシード層として特に有用である。
【００３７】  従来技術の直流マグネトロンスパッタリング反応器は、普通の作業ガススパッタリングか、または持続性自己スパッタリングの何れかを遂行するようになっていた。これら２つのアプローチは、異なる型のスパッタリングを強調している。一方、イオン化銅原子と中性銅原子との間の分布を制御するために、銅ライナーのための反応器は従来技術のさまざまな面を組合せることが好ましい。このような反応器５０の例の概要を、図４に断面図で示す。この反応器は、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materialsから入手可能なEndura  ＰＶＤ反応器を改造したものである。反応器５０は、真空チャンバ５２を含んでいる。真空チャンバ５２は、通常は金属製であって電気的に接地されており、ターゲット絶縁体５４によってＰＶＤターゲット５６との間をシールされている。ＰＶＤターゲット５６は、ウェーハ５８上にスパッタ堆積される金属、この場合には銅または銅合金からなる少なくとも１つの表面部分を有している。合金元素は、典型的には５重量％より少なく存在するが、もし他の方法によって十分なバリヤーが形成されるならば、本質的に純粋な銅を使用することができる。ウェーハクランプ６０がウェーハ５８をペデスタル電極６２上に保持する。図示しないが、ペデスタル６２内の抵抗加熱器、冷媒チャンネル、及び熱伝達ガス空洞は、ペデスタルの温度を−４０℃より低い温度に制御することができ、それによってウェーハ温度を同様に制御することができる。
【００３８】  第２の誘電性シールド絶縁体６８によって分離されている浮遊シールド６４及び接地シールド６６がチャンバ５２内に保持され、チャンバ壁５２をスパッタされた材料から保護する。接地シールド６６は、陰極ターゲット５６に対向する陽極グラウンディング面としても働き、それによってプラズマを容量的に支持する。幾らかの電子が浮遊シールド６４上に堆積されて、その上に負電荷を累積させる。この負電位は、さらなる電子の堆積を反発するだけではなく、電子を主プラズマ領域内に閉じ込め、それによって電子の損失を減少させて低圧スパッタリングを持続させ、プラズマ密度を増加させる。
【００３９】  ターゲット及びシールドの詳細を、図５に拡大断面図で示す。ターゲット５６はアルミニウムまたはチタンの裏当て板７０を含み、この板７０に銅ターゲット部分７２がはんだ付けまたは拡散結合されている。裏当て板７０のフランジ７３はターゲット絶縁体５４上に載っており、ポリマー製のターゲットＯリング７４によってターゲット絶縁体５４に真空シールされている。ターゲット絶縁体５４は、好ましくはアルミナのようなセラミックからなる。ターゲット絶縁体５４はチャンバ５２上に載っており、アダプタＯリング７５によってチャンバ５２に真空シールされている。チャンバ５２は、実際には、主チャンバボディにシールされているアルミニウムアダプタであることができる。金属クランプリング７６は、その半径方向内側に上向きに延びる環状リム７７を有している。金属クランプリング７６は、チャンバ５２の内向きに延びる棚７８にボルト（図示せず）によって固定され、接地シールド６６のフランジ７９を捕捉している。それによって、接地シールド６６は接地されたチャンバ５２に機械的に、及び電気的に接続される。
【００４０】  クランプリング７６上に自由に載っているシールド絶縁体６８は、アルミナのようなセラミック材料から加工することができる。シールド絶縁体６８はコンパクトであるが、小さい幅に比して比較的大きい約165ｍｍの高さを有していて反応器に温度サイクリング中の強度を与える。シールド絶縁体６８の下側部分は、クランプリング７６のリム７７の外側を受け入れるための環状の凹みを有している。リム７７は、シールド絶縁体６８の内径をクランプリング７６に対してセンタリングするように働くだけではなく、セラミックシールド絶縁体６８と金属クランプリング７６との間の滑り表面８０において生成される何等かの粒子が、主処理領域に到達するのを防ぐバリヤーとしても働く。
【００４１】  浮遊シールド６４のフランジ８１はシールド絶縁体６８上に自由に載っており、シールド絶縁体６８の上外側隅に形成されている環状の凹み内へ入るようになっている、外側を下方に延びるタブまたはリム８２を有している。タブ８２は、シールド絶縁体６８の外径によって浮遊シールド６４をターゲット５６に対してセンタリングする。シールドタブ８２は、狭い間隙によってシールド絶縁体６８から分離されている。この間隙は、プラズマ暗空間を整列させるためには十分に小さいが、シールド絶縁体６８が動かなくなるのを防ぐためには十分に大きい。浮遊シールド６４のフランジ８１は、タブ８２の内側及び上の滑り接触領域８３においてシールド絶縁体６８上に載っている。
【００４２】  浮遊シールド６４の頭８５とターゲット５６との間に、狭いチャンネル８４が形成されている。このチャンネル８４の幅は約２ｍｍであり、プラズマ暗空間として働く。狭いチャンネル８４は、図示してあるよりも更に半径方向内側に延びる通路内に続いている。この通路は、裏当て板のフランジ７４の下方に突き出た隆起８６を通過して、シールドの頭８５とターゲット絶縁体５４との間の上側裏間隙８４ａに達している。これらの要素の構造及びそれらの特性は、1998年10月30日付のTangらの米国特許出願第09/191,253号に開示されているものと類似している。上側裏間隙８４ａの幅は、室温において約1.5ｍｍである。シールド要素は、温度サイクルを受けると変形する傾向がある。ターゲット５６に接する狭いチャンネル８４よりも小さい幅を有している上側裏間隙８４ａは、狭いチャンネル８４内にプラズマ暗空間を維持するのに十分である。上側裏間隙８４ａは下方に延び続け、内側がシールド絶縁体６８及びリングクランプ７６によって限定され、外側がチャンバボディ５２によって限定される下側裏間隙８４ｂに達している。この下側裏間隙８４ｂは、セラミックシールド絶縁体６８と、クランプリング７６及び浮遊シールド６４との間の滑り表面８０、８３において生成されるセラミック粒子を集めるための空洞として役立つ。シールド絶縁体６８は、その上内側の隅に浅い凹み８３ａを更に含み、滑り表面８３の半径方向内側からのセラミック粒子を集めるようになっている。
【００４３】  浮遊シールド６４は、下方に延びる大直径の上側円筒形部分８８を含む。この部分８８はフランジ８１から下方に延び、その下端において、移行部分９２を介して小直径の下側円筒形部分９０に接続されている。同様に、接地シールド６６は、浮遊シールド６４の上側円筒形部分８８の外側に、従って該部分８８よりも大直径の上側円筒形部分９４を有している。接地された上側円筒形部分９４の上端は接地シールドのフランジ７９に接続され、その下端はほぼチャンバの半径方向に延びる移行部分９８を通して小直径の下側円筒形部分９６に接続されている。接地されている下側円筒形部分９６は、浮遊している下側円筒形部分９０の外側に位置し、従って該部分９０よりも大直径であるが、浮遊している上側円筒形部分６４より約３ｍｍの半径方向分離だけ小さい。２つの移行部分９２、９８は互いに垂直方向に、及び水平方向にずれている。それによって、浮遊シールド６４と接地シールド６６との間に迷路のような狭いチャンネル１００が形成され、接地シールドの下側円筒形部分９６と浮遊シールドの上側円筒形部分８８との間のずれが、２つの垂直チャンネル部分の間を直接見通せないようにしている。チャンネル１００の目的は、２つのシールド６４、６６を電気的に絶縁しながら、クランプリング７６及びシールド絶縁体６８を銅堆積から保護することにある。
【００４４】  シールド６４、６６の下側円筒形部分９０、９６の間のチャンネル１００の下側部分は４：１またはそれより大きい、好ましくは８：１またはそれより大きいアスペクト比を有している。チャンネル１００の下側部分は、例えば0.25ｃｍの幅及び2.5ｃｍの長さを有しているが、幅及び長さの好ましい範囲はそれぞれ0.25乃至0.3ｃｍ、及び２乃至３ｃｍである。これによって、チャンネル１００内に侵入した如何なる銅イオン及び散乱した銅原子も、それらがクランプリング７６及びシールド絶縁体６８に向かう通路を見出し得るまでにはシールドで数回跳ね返らなければならず、そして少なくとも接地シールドの上側円筒形部分９４によって停止させられる。１回の跳ね返りにより、イオンはシールドによって吸収されるようになる。２つの移行部分９２、９８の間の２つの接近した90°の屈曲または曲げが、シールド絶縁体６８を銅プラズマから更に分離する。60°の曲げ、または45°の曲げによっても類似した、しかし低下した効果を達成することはできるが、シールド材料内により容易に形成されるのはより効果的な90°の曲げである。90°の屈曲は、それらがどの方向から到来する銅粒子をも少なくとも１回は大きい角度で衝突させ、それらのエネルギの殆どを失わさせて接地シールドの上側円筒形部分９４によって停止させる確率を増加させるので、遙かに効果的である。また90°の屈曲は、銅粒子による直接的な照射からクランプリング７６及びシールド絶縁体６８を隠蔽する。浮遊シールドの移行部分９２の底の水平表面、及び接地シールドの垂直上側円筒形部分９４（共に90°の屈折の一方の終わりにある）上に銅が選択的に堆積することを見出した。また、回旋チャンネル１００は、接地シールド６６の水平移行部分９８上で処理中にシールド絶縁体６８から生成されるセラミック粒子を集める。これらの集められた粒子が、これもここで集められた銅によってペースト化される。
【００４５】  図４に戻って、接地シールド６６の下側円筒形部分９６は下方に延びて、ウェーハ５８を支持しているペデスタル６２の上部の十分下方まで達している。次いで接地シールド６６は半径方向内向きのボウル部分１０２につながり、更にはぼウェーハ５８の高さまで垂直に上方へ延びる（しかし、ペデスタル６２の半径方向外側とは離間した）最も内側の円筒形部分１０４に達している。
【００４６】  シールド６４、６６は典型的にはステンレス鋼製であり、それらの上にスパッタ堆積される銅を付着し易くするために、ビードブラストその他によってそれらの内側を粗くすることができる。しかしながら、長時間スパッタリングに使用している間のある点において、銅は、剥がれ落ちて有害な粒子を発生する可能性のある厚みまで累積する。この点に到達する前に、シールドを清浄するか、またはより好ましくは新しいシールドに交換すべきである。しかしながら、より高価な絶縁体５４、６８は、殆どの保守サイクルにおいて交換する必要はない。更に、保守サイクルはシールドの剥がれによって決定され、絶縁体の電気的短絡によって決定されるのではない。
【００４７】  前述したように、浮遊シールド６４はある電子電荷を累積して負電位になる。それによって浮遊シールド６４へのさらなる電子損失は拒絶され、従ってプラズマはターゲット５６の付近に閉じ込められる。Dingらは、米国特許第5,736,021号においてやや類似した構造を用いた類似の効果を開示している。しかしながら図５の浮遊シールド６４の下側円筒形部分９０は、Dingらの対応部分よりも遙かに遠くターゲット５６から延びており、それによってプラズマをより大きい容積内に閉じ込める。しかしながら、浮遊シールド６４は、接地シールド６６をターゲット５６から電気的にシールドしているので、ターゲット５６から遠くまで延び過ぎるべきではない。もし長過ぎれば、それはプラズマを開始させることが困難になる。またもし短か過ぎれば、電子損失が増加するので低圧でプラズマを持続させることができなくなり、プラズマ密度が低下する。図５に示すように、浮遊シールド６６の下端１０６をターゲット５６の面から６ｃｍ分離させ、浮遊シールド６６の合計軸方向長さを7.6ｃｍにすることが最適の長さであることを見出した。銅スパッタリングが維持される最低圧力に関して、３つの異なる浮遊シールドを試験した。ターゲット電力を１ｋＷ及び18ｋＷにした場合の結果を図６に示す。横軸はシールドの合計長さで表されており、シールドの下端とターゲット５６との間の分離は図の長さより1.6ｃｍ短い。この分離の好ましい範囲は５乃至７ｃｍであり、長さで表せば好ましい範囲は6.6乃至８．６ｃｍである。シールドの長さを10ｃｍに延ばすと最低圧力は多少低下するが、プラズマを開始させるのに困難が増す。
【００４８】  再度図４を参照する。選択可能な直流電源１１０がターゲット５６を、接地シールド６６に対して約−400乃至−600ＶＤＣにバイアスし、プラズマを点弧させて維持する。典型的に１乃至５ｋＷのターゲット電力を使用してプラズマを点弧させ、説明中のＳＩＰスパッタリングのためには10ｋＷより大きい電力が好ましい。伝統的に、ペデスタル６２及び、従ってウェーバ５８は電気的に浮遊させたままであるが、それでも負の直流自己バイアスがその上に得られる。一方幾つかの設計では、ペデスタル６２上に発生する負の直流バイアスを更に制御するために、ペデスタル６２に直流またはＲＦバイアスを印加する制御可能な電源１１２を使用している。試験した形態においては、バイアス電源１１２は13.56ＭＨｚで動作するＲＦ電源である。この電源は６００ＷまでのＲＦ電力を供給することができ、200ｍｍのウェーハのために好ましい範囲は350乃至550Ｗである。
【００４９】  ガス源１１４は、化学的に不活性の希ガスであるアルゴンのようなスパッタリング作業ガスを、質量流量制御器１１６を通してチャンバ５２へ供給する。作業ガスは、チャンバの上部へ供給することも、または、図示のようにチャンバの底において開口を貫通している１つまたはそれ以上の入口パイプから接地シールド６６の底を通して、そして接地シールド６６とウェーハクランプ６０及びペデスタル６２との間の間隙１１８を通して供給することもできる。広いポンピングポート１２２を通してチャンバ５２に接続されている真空ポンプシステムは、チャンバを定圧に維持する。基底圧力を約10-7Torr、またはより低く保持することはできるが、作業ガスの圧力は典型的には、普通のスパッタリングにおいては約１乃至1000mTorrに維持され、ＳＩＰスパッタリングにおいては約５mTorrより低く維持される。コンピュータを基とする制御器１２４は、直流ターゲット電源１１０、バイアス電源１１２、及び質量流量制御器１１６を含む反応器を制御する。
【００５０】  効率的なスパッタリングを遂行させるために、マグネトロン１３０がターゲット５６の裏側に配置されている。マグネトロン１３０は、磁気ヨーク１３６によって接続され、支持されている逆向きの磁石１３２、１３４を有している。磁石は、マグネトロン１３０に近接するチャンバ５２内に磁場を発生させる。この磁場は電子を捕捉し、中性の原子に対してイオンの密度を増加させて高密度プラズマ領域１３８を形成させる。通常は、スパッタリングのカバレッジをターゲット５６の全域に広げるために、電動機によって駆動されるシャフト１４２によってマグネトロン１３０をターゲット５６の中心１４０の周りで回転させる。銅の持続性自己スパッタリングを可能にするような十分なイオン化密度の高密度プラズマ１３８を達成するためには、マグネトロン１３０に近接する領域へ送給される電力密度を高くしなければならない。これは、上述したFuの特許に開示されているように、直流電源１１０から供給される電力レベルを増加させることによって、且つマグネトロン１３０の面積を例えば三角形または競技走路の形状に減少させることによって達成することができる。60°三角形マグネトロンの１つの頂点をターゲットの中心１４０にほぼ一致させて回転させると、どの時点においてもターゲットの面積の約1/6だけしかカバーしない。ＳＩＰスパッタリングが可能な市販の反応器における好ましい最大カバレッジは、1/4である。
【００５１】  電子損失を低下させるために、内側磁石１３２によって表されている内側磁極及び図示してない磁極面は大きい開口を有するべきではなく、また外側磁石１３４及び図示してない磁極面によって表されている連続した外側磁極によって取り囲むべきである。更に、イオン化したスパッタ粒子をウェーハ５８へ案内するために、外側磁極は内側磁極より遙かに高い磁束を発生すべきである。延びた磁力線が電子を捕捉するので、プラズマはウェーハ５８の近くへ延びる。磁束の比は少なくとも150％、好ましくは200％より大きくすべきである。Fuの三角形マグネトロンの２つの実施の形態は、25個の外側磁石と、６個または10個の同一強度ではあるが逆極性の内側磁石とを有している。
【００５２】  アルゴンをチャンバ内へ導入すると、ターゲット５６と接地シールド６６との間の直流電圧差がアルゴンを点弧してプラズマにし、正に帯電したアルゴンイオンは負に帯電したターゲット５６に引き付けられる。イオンは実質的なエネルギでターゲット５６に衝突し、ターゲット原子または原子クラスタをターゲット５６からスパッタさせる。幾らかのターゲット粒子がウェーハ５８に衝突し、それによってウェーハ上に堆積され、それによってターゲット材料の薄膜が形成される。金属窒化物の反応性スパッタリングにおいては、付加的に窒素がチャンバ内へ導入されてスパッタされた金属原子と反応し、ウェーハ５８上に金属窒化物を形成する。
【００５３】  図示したチャンバは、持続性自己スパッタリングを含む銅の自己イオン化スパッタリングが可能である。この場合、ＳＳＳの場合にはプラズマが点弧した後にアルゴンの供給をカットオフし、銅イオンが１より大きい収量で銅ターゲットを再スパッタするのに十分な高密度を有するようにすることができる。代替として幾らかのアルゴンを供給し続け（但し、流量及びチャンバ圧力は低下させる）、多分純粋な持続性自己スパッタリングを支持するには不十分なターゲット電力密度でも、自己スパッタリングのかなりな、しかし減少した割合を支持することができる。もしアルゴン圧力を５mTorrよりかなり増加させれば、アルゴンが銅イオンからエネルギを除去して自己スパッタリングを低下させることになる。ウェーハバイアスは、イオン化した銅粒子部分を孔内へ深く引き付ける。
【００５４】  しかしながら、より深い孔を部分的に中性な束でコーティングするためには、ターゲット５６とウェーハ５８との間の距離を増加させる、即ち遠到達モードで動作させることが望ましい。遠到達モードにおいては、ターゲット・基体間隔は、基体直径の半分より大きく、好ましくはウェーハ直径より大きく、より好ましくは基体直径の少なくとも80％であり、最も好ましくは基体直径の少なくとも140％である。この実施の形態の例で用いた到達距離は、200ｍｍウェーハに関してである。普通のスパッタリングにおいては、遠到達はスパッタリング堆積速度を低下させるが、イオン化されたスパッタ粒子はこのような大きい低下を受けることはない。
【００５５】  普通の（アルゴンを基とする）スパッタリングと持続性自己スパッタリング（ＳＳＳ）とを制御しながら分割することによって、中性スパッタ粒子とイオン化されたスパッタ粒子との間の分布を制御することができる。このような制御は、高アスペクト比のビア孔内に銅シード層をスパッタ堆積させる場合に特に有利である。スパッタされた原子のイオン化される割合の制御を、自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）スパッタリングと呼ぶ。
【００５６】  本発明によって形成される構造の１実施の形態は、図７に断面で示すビアである。例えば図４の遠到達スパッタ反応器を使用して、ＳＩＰを増進させる条件の下で、バリヤー層２４上のビア孔２２内にシード銅層１５０を堆積させる。ＳＩＰ銅層１５０は、例えば50乃至300nmの、より好ましくは80乃至200nmのブランケット厚まで堆積させることができる。ＳＩＰ銅シード層１５０は、ビア側壁上に好ましくは２乃至20nm、より好ましくは７乃至15nmの範囲内の厚みを有している。孔が狭いので、側壁厚は50nmを越えるべきではない。薄膜の品質は、ペデスタル温度を０℃より低く、好ましくは−40℃より低く低下させることによって改善されるので、急速ＳＩＰ堆積によって提供される冷たさが重要になる。
【００５７】  ＳＩＰ銅シード層１５０は、底に良好に堆積し、また側壁に強化されて堆積されている。この層１５０が、バリヤー層２４上にＩＭＰまたはＣＶＤで直接銅堆積させるよりも遙かに滑らかであることが実験的に観測されている。コンフォーマル銅シード層１５０を堆積させた後に、好ましくはシード層１５０を電気めっき電極の一方として使用する電気化学めっきによって、図１に示すように孔を銅層１８で充填する。しかしながら、ＳＩＰ銅シード層１５０の滑らかな構造は、リフローまたは標準スパッタリングまたは物理蒸着（ＰＶＤ）による銅の高温堆積をも増進させる。
【００５８】  1.2μｍの酸化物内の0.20μｍ幅のビア孔内に、このようなシード層をＳＩＰ堆積させる幾つかの実験を遂行した。ターゲット・基体間隔を290ｍｍとし、チャンバ圧力を0.1mTorrより低くし（ＳＳＳモードであることを意味する）、そして60°三角形マグネトロンを用いて、ターゲットに14ｋＷの直流電力を印加した時に酸化物の上部上に0.2μｍの銅のブランケット厚を発生させる堆積は、ビアの底に18ｎｍを堆積させ、ビアの側壁に約12ｎｍを堆積させた。30秒及びそれ以下の堆積時間は典型的である。ターゲット電力を18ｋＷに増加させた時には、底の堆積は37ｎｍに増加したが、側壁の厚みには大きい変化は見られなかった。電力を高くすると底の厚みが増加することは、イオン化の割合が高いことを意味している。これらの両方の場合、堆積された銅薄膜は、ＩＭＰまたはＣＶＤの場合に見られる銅よりも遙かに滑らかであることが観測された。
【００５９】0.2μｍ／分より速くないＩＭＰ堆積速度に比して、ＳＩＰ堆積は0.5乃至1.0μｍ／分と比較的高速である。高速堆積速度は堆積期間を短縮させ、アルゴンイオンが加熱しないことと組合せて熱予算を大幅に減少させる。低温ＳＩＰ堆積が、極めて滑らかな銅シード層をもたらすものと考えられる。
【００６０】  290ｍｍの到達距離を10個の内側磁石と25個の外側磁石とを使用するFuの標準三角形マグネトロンと共に使用した。いろいろな条件の下で、イオン電流束をターゲット中心からの半径の関数として測定した。結果は図８のグラフにプロットされている。曲線１６０は、16ｋＷのターゲット電力と、０mTorrのチャンバ圧力において測定したものである。曲線１６２、１６４、１６６は、18ｋＷのターゲット電力と、それぞれ０、0.2及び１mTorrのチャンバ圧力において測定したものである。これらの電流は、普通のマグネトロン及びスパッタ反応器において用いられる109cm-3に比して、1011乃至1012cm-3に対応する。銅イオン化の割合を測定するためにも、０圧力状態を使用した。空間依存性は、直流ターゲット電力に直接的に依存して約10％と20％との間で変化するイオン化の割合とほぼ同一である。イオン化の割合が比較的低いことは、遠到達を使用しないＳＩＰが大きい中性銅束を有していることを表しており、これは普通のＰＶＤの好ましくない深孔充填特性を有している。結果は、イオン化を増加させてステップ堆積をより良くするためには、高電力における動作が好ましいことを表している。
【００６１】  次に、Fuのマグネトロンの内側磁石の数を６個に減少させて試験を繰り返した。即ち、この第２のマグネトロンは磁束の均一性が改善されており、ウェーハに向かうスパッタされたイオン束を均一にする。結果は、図９にプロットされている。曲線１６８は、12ｋＷのターゲット電力と、０mTorrの圧力におけるイオン電流束を表しており、曲線１７０は18ｋＷにおけるものである。14ｋＷ及び16ｋＷの場合の曲線は中間にある筈である。図示のように、変更したマグネトロンは、ウェーハを横切ってより均一なイオン電流を発生し、この電流もターゲット電力に依存し、高めの電力が好ましい。
【００６２】  イオン化の割合が10％乃至20％のように比較的低いことは、ＩＭＰの90％乃至100％の割合に比して、かなりの中性の銅の束であることを意味している。ウェーハバイアスは銅イオンを孔の中に深く案内することができるが、遠到達は中性の銅にとって殆ど同一のことを達成する。
【００６３】  スパッタ粒子の分布に対する到達距離及びチャンバ圧の組合せ効果を決定するために、一連の試験を遂行した。０チャンバ圧力において、140ｍｍの到達距離では約±45°の分布が発生し、190ｍｍの到達では約±35°の分布が発生し、そして290ｍｍの到達距離では約±25°の分布が発生する。圧力を190ｍｍの到達距離に対して変化させた。中心分布は、０、0.5、及び１mTorrに関してほぼ同一に留まった。しかしながら、最高圧力に関して、低レベルのテールが概ね10°押し出され、幾らかの粒子が散乱したことを表している。これらの結果は、５mT0rrより低ければ受入れ可能な結果が得られるが、好ましい範囲は２mTorrより低く、より好ましくは１mTorrより低く、最も好ましい範囲は0.2mTorr及びそれ以下であることを示している。また、予測したように、遠到達の場合に分布は最良である。
【００６４】  高アスペクト比の孔内に堆積されたＳＩＰ薄膜は好ましい側壁堆積を有し、張出しを生ずる傾向はない。一方、このような孔内に堆積されたＩＭＰ薄膜は底及び底隅により良く堆積するが、側壁薄膜は貧弱な堆積であり、且つ粗くなる傾向がある。２ステップによる銅シードスパッタ堆積を使用することによって、両型のスパッタリングの長所を組合せることができる。第１のステップにおいて銅は、例えばＲＦ誘導性電源を使用することによって高密度プラズマを発生するＩＭＰ反応器内で堆積される。堆積条件の例は、圧力が20乃至60mTorr、ＲＦコイル電力が１乃至３ｋＷ、直流ターゲット電力が１乃至２ｋＷ、そしてバイアス電力が150Ｗである。第１のステップによって良好な、しかし粗い底及び底側壁堆積が得られる。第２の、そして好ましい次のステップにおいて、銅は、銅イオン化の程度が低い上述した種類のＳＩＰ反応器内で堆積される。堆積条件の例は、圧力が１Torr、直流ターゲット電力が18乃至24ｋＷ、そしてバイアス電力が500Ｗである。第２のステップは良好で滑らかな上側側壁堆積を生じさせ、既に堆積されているＩＭＰ層を更に滑らかにする。２ステップのブランケット堆積厚みは、好ましくは、ＩＭＰ堆積で50乃至100ｎｍ、そしてＳＩＰ堆積で100乃至200ｎｍの範囲である。ブランケット厚みは、30:70乃至70:30の比であることができる。代替として、ＩＭＰ層の前にＳＩＰ層を堆積させることができる。銅シード層を２ステッププロセスによって堆積させた後に、孔の残余を例えば電気めっきによって充填する。
【００６５】  ＳＩＰによって側壁に堆積させることは、極めて狭い高アスペクト比のビアにとっては問題になり得る。0.13μｍ及びそれ以下のビアのための技術が開発されつつある。ブランケット厚が約100ｎｍより薄い場合には、側壁への堆積が不連続になる恐れがある。図１０に断面で示すように、ジオメトリが好ましくない場合には、ＳＩＰ銅薄膜１８０にボイド、またはビアの側壁３０上の他の欠陥１８２を含む不連続薄膜を形成させる。欠陥１８２は、銅、またはこのような銅の薄い層が存在しないことであり得、その箇所は局部的に電気めっきの陰極として働くことができない。それにも拘わらず、ＳＩＰ銅薄膜１８０は欠陥１８２以外は滑らかであり、十分に核形成されている。従ってこれらの難しいジオメトリにおいては、ＳＩＰ銅核形成薄膜１８０上にＣＶＤ銅シード層１８４を堆積させることが有利である。この層は化学蒸着によって堆積されるから、この層はほぼコンフォーマルであり、薄膜１８０によって十分に核形成される。ＣＶＤシード層１８４は欠陥１８２につぎ当てし、孔２２の充填を完了させるための次の銅の電気めっきのために連続した、粗くないシード層を与える。ＣＶＤ層は、前述した熱プロセスを使用するApplied Materialsから入手可能なCuxZチャンバのような、銅堆積用に設計されたＣＶＤチャンバ内で堆積させることができる。
【００６６】  20ｎｍのＣＶＤ銅を、ＳＩＰ銅核形成層及びＩＭＰ核形成層上に別々に堆積させる実験を遂行した。ＳＩＰとの組合せでは比較的滑らかなＣＶＤシード層が得られたのに対して、ＩＭＰとの組合せではＣＶＤ層内に不連続とも言える遙かに粗い表面をもたらした。
【００６７】  ＣＶＤ層１８４は、例えば5乃至20ｎｍの範囲内の厚みに堆積させることができる。孔の残余は、他の方法によって銅で充填させることができる。ＳＩＰ銅の核形成層の上部上にＣＶＤ銅によって発生された極めて滑らかなシード層は、作成中の狭いビアの銅による効率的な充填を可能にする。詳述すれば、電気めっきに対して滑らかな核形成及びシード層は、電気めっきプロセスに給電するための連続した、且つはぼ均一な電極を構成する。
【００６８】  極めて高いアスペクト比を有するビアまたは他の孔を充填する場合、電気めっきを省き、代わりに図１１に断面図で示すように、ビアを完全に充填するためにＳＩＰ銅核形成層１８０の上に十分に厚いＣＶＤ銅層１８８を堆積させることが有利であるかも知れない。ＣＶＤによる充填の利点は、分離した電気めっきステップの必要性を排除することにある。また電気めっきは、0.13μｍより狭い孔幅においては制御することが困難であり得る流体を必要とする。
【００６９】  本発明のこの実施の形態の銅バリヤーの長所は、比較的低い熱予算で銅堆積を遂行できることである。タンタルは、高い熱予算で酸化物から脱湿する傾向がある。ＩＭＰは深い孔の充填に関して同一にカバレッジする多くの長所を有しているが、ＩＭＰは高いエネルギを持ったアルゴンイオン束を発生し、堆積中の層内にそれらのエネルギを散逸させるので、遙かに高い温度で動作する傾向がある。更にＩＭＰは、堆積した薄膜内に幾らかのアルゴンを必ず注入する。これに対して、比較的薄いＳＩＰ層は比較的高い速度で堆積され、ＳＩＰプロセスはアルゴンが存在しないので本質的に熱くはない。また、ＳＩＰ堆積速度はＩＭＰより遙かに高速であるので、どのように熱い堆積でも時間は遙かに（半分まで）短い。
【００７０】  ＳＩＰプラズマを低温で点弧することによっても、熱予算を減少させることができる。低温プラズマ点弧及び処理シーケンスを図１２の流れ図に示す。ロードロック弁を通してウェーハをスパッタ反応器内へ挿入した後にロードロック弁を閉じ、ステップ１９０においてガス圧を平衡化させる。アルゴンチャンバ圧力を点弧に使用される圧力（典型的には、２乃至５〜約10mTorr）まで上昇させ、裏側冷却用アルゴンガスを約５乃至10Torrの裏側圧力でウェーハの裏側へ供給する。ステップ１９２において、典型的には１乃至５ｋＷの範囲内の低レベルのターゲット電力でアルゴンが点弧される。プラズマが点弧したことが検出されると、ステップ１９４においてターゲット電力を低レベルに維持したまま、チャンバ圧力を急速に（例えば、３秒以上）低下させる。もし持続性自己スパッタリングを計画しているのであれば、チャンバへのアルゴンの供給を遮断するが、プラズマはＳＳＳモードで持続する。自己イオン化プラズマスパッタリングの場合にはアルゴンの供給を減少させる。裏側冷却用ガスは供給し続ける。アルゴン圧を低下させた後に、スパッタリング１９６においてターゲット電力を、ＳＩＰまたはＳＳＳスパッタリングのために選択された予定スパッタリングレベル（例えば、200ｍｍウェーハの場合、10乃至24ｋＷまたはそれ以上）まで急速に上昇させる。
圧力の低下と電力の上昇を同時に行うことによって、ステップ１９４、１９６を組合せることができる。スパッタリング９８において、選択された厚みの材料をスパッタ堆積させるのに必要な時間の長さにわたって、選択されたレベルでターゲットに給電し続ける。この点弧シーケンスは、点弧のために予定しているスパッタリング電力レベルを使用するより冷たい。アルゴン圧が高いので点弧は容易であるが、もしスパッタ堆積に望ましい高めの電力レベルを維持し続ければ、スパッタされた中性原子に悪影響が出る。低めの点弧電力では、低電力における堆積速度が低いので、銅の堆積は極めて僅かである。またペデスタル冷却が、点弧プロセス中ウェーハを冷却し続ける。
【００７１】  本発明は、好ましくは、図１３に平面図で概要を示すEndura 5500プラットフォームのような統合多重チャンバツール上で実現される統合プロセスを含む。このプラットフォームの機能に関しては、Tepmanらの米国特許第5,186,718号を参照されたい。
【００７２】  誘電体層内にビア孔またはターゲットの構造をエッチングしてあるウェーバは、２つの独立的に動作するロードロックチャンバ２０２、２０４を通してシステム内ヘロードされ、及びシステムからアンロードされる。ロードロックチャンバ２０２、２０４は、それぞれのロードロックチャンバ内ヘロードされたウェーハカセットのウェーハをシステム内へ、及びシステムからカセットへ転送するように構成されている。ウェーハカセットがロードロックチャンバ２０２、２０４内へロードされた後に、そのチャンバは例えば10-3乃至10-4Torrの範囲の適度に低圧にポンプされ、そのロードロックチャンバと第１のウェーハ転送チャンバ２０６との間のスリット弁（図示せず）が開く。以後、第１のウェーハ転送チャンバ２０６の圧力はその低圧に維持される。
【００７３】  第１のウェーハ転送チャンバ２０６内に配置されている第１のロボット２０８は、ウェーハをカセットから２つの脱ガス／配向チャンバ２１０、２１２の一方へ、次いで第１のプラズマ予備清浄チャンバ２１４へ転送する。プラズマ予備清浄チャンバ２１４において、水素またはアルゴンプラズマによってウェーハの表面が清浄にされる。もしＣＶＤバリヤー層を堆積させるのであれば、第１のロボット２０８はウェーハをＣＶＤバリヤーチャンバ２１６へ引渡す。ＣＶＤバリヤー層を堆積させた後に、ロボット２０８はウェーハを通り抜けチャンバ２１８へ引渡し、第２のロボット２２０がウェーハをそこから第２の転送チャンバ２２２へ転送する。スリット弁（図示せず）が、処理及び圧力レベルを隔離するために、チャンバ２１４、２１６、２１８を第１の転送チャンバ２０６から隔離する。
【００７４】  第２のロボット２２０は、周縁の周りに配列されている反応チャンバへ、及びそれらからウェーバを選択的に転送する。第１のＩＭＰスパッタチャンバ２２４は、銅の堆積専用である。ＳＩＰスパッタチャンバ２２６は、ＳＩＰ銅核形成層の堆積専用である。もし、例えばＴa／ＴaＮのバリヤー層の少なくとも一部をＩＭＰスパッタリングによって堆積させるのであれば、第２のＩＭＰスパッタチャンバ２３０は、多分反応性窒素プラズマ内において耐熱金属をスパッタリングすることに専用される。同じＩＭＰチャンバ２３０を、耐熱金属及びその窒化物を堆積させるために使用することができる。ＣＶＤチャンバ２２８は、銅シード層の堆積専用であり、多分孔の充填を完了させるために使用される。各チャンバ２２４、２２６、２２８、２３０は、スリット弁（図示せず）によって第２の転送チャンバ２２２に選択的に開かれる。異なる構成を使用することが可能である。例えば、特にもし孔充填を完了させるのにＣＶＤを使用するのであれば、ＩＭＰチャンバ２２４、２３０の一方を第２のＣＶＤチャンバに置換することができる。
【００７５】  低圧処理の後に、第２のロボット２２０は、中間に配置されている熱チャンバ２３２ヘウェーハを転送する。熱チャンバ２３２は、もし先行処理が熱ければ冷却チャンバであることも、またはもし金属化物の焼鈍が必要であれば急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバであることもできる。熱処理の後に、第１のロボット２０８がウェーハを引き出し、それを一方のロードロックチャンバ２０２、２０４内のカセットに戻すように転送する。勿論、統合プロセスの諸ステップに依存して本発明を実現することができる他の構成が可能である。
【００７６】  システム全体は、各チャンバに関係付けられているサブ制御器（図示せず）と通信するための制御バス２４２を通して動作するコンピュータを基とする制御器２４０によって制御される。プロセスレシピは、制御器２４０内へ挿入可能な磁気フロッピーディスクまたはＣＤ−ＲＯＭのような記録可能な媒体によって、または通信リンク２４６を通して制御器２４０内に読込まれる。
【００７７】  本発明の装置及びプロセスの多くの特色は、遠到達を含まないスパッタリングに適用することができる。
【００７８】  本発明は、現時点では特に銅によるレベル間金属化のために有用であるが、本発明の異なる面を、他の材料のスパッタリングに、及び他の目的のために適用することができる。
【００７９】  以上に説明したように、本発明は簡単な要素の組合せを使用しているにも拘わらず、幾らかの難しいジオメトリ内へのスパッタリングに効果的な改善されたスパッタリングチャンバを提供する。本発明は、高アスペクト比の孔内に銅を充填するための直接のプロセスをも提供する。更に、本発明は、プラズマ点弧プロセスを簡易化する。これらの全ての長所は、従来技術に簡単な改造を施すだけで、孔を金属で（特に、銅で）充填する技術を前進させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術において実現された、誘電体の上部をもカバーしている金属化物で充填されたビアの断面図である。
【図２】  金属化物で充填中のビアの断面図であって、ビア孔上への張出し及び閉塞を示す図である。
【図３】  イオン化金属めっきによって堆積された粗いシード層を有するビアの断面図である。
【図４】  本発明と共に使用可能なスパッタリングチャンバの概要図である。
【図５】  図４の一部の拡大図であって、ターゲット、シールド、絶縁体、及びターゲットＯリングの詳細を示す図である。
【図６】  浮遊シールドの長さと、プラズマを支持するための最低圧力との間の関係を示すグラフである。
【図７】  本発明の一実施の形態によるビア金属化物の断面図である。
【図８】  ２つの異なるマグネトロン及び異なる動作条件においてウェーバを横切るイオン電流束をプロットしたグラフである。
【図９】  ２つの異なるマグネトロン及び異なる動作条件においてウェーバを横切るイオン電流束をプロットしたグラフである。
【図１０】  本発明の第２の実施の形態によるビア金属化物の断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態によるビア金属化物の断面図である。
【図１２】ウェーハの加熱を減少させるプラズマ点弧シーケンスの流れ図である。
【図１３】本発明を実現することが可能な統合処理ツールの概要図である。
【符号の説明】１０  下側レベル層
１２  導電性フィーチャ
１４  上側レベル層
１６  ライナー層
１８  金属層
２２  ビア孔
２４  バリヤー層
２６  銅層
２８  張出し
３０  孔の側壁
３２  孔の底
３４  ボイド
３６  銅薄膜（ＩＭＰ層）
５０  反応器
５２  真空チャンバ
５４  ターゲット絶縁体
５６  ターゲット
５８  ウェーハ
６０  ウェーハクランプ
６２  ペデスタル電極
６４  浮遊シールド
６６  接地シールド
６８  シールド絶縁体
７０  裏当て板
７２  ターゲット部分
７３  裏当て板のフランジ
７４  Оリング
７６  クランプリング
７７  環状リム
７８  棚
７９  接地シールドのフランジ
８０、８３  滑り表面
８１  浮遊シールドのフランジ
８２  タブ
８４  チャンネル
８５  浮遊シールドの頭
８６  隆起
８８  浮遊シールドの上側円筒形部分
９０  浮遊シールドの下側円筒形部分
９２  浮遊シールドの移行部分
９４  接地シールドの上側円筒形部分
９６  接地シールドの下側円筒形部分
９８  接地シールドの移行部分
１００  チャンネル
１０２  接地シールドのボウル部分
１０４  接地シールドの内側部分
１０６  浮遊シールドの下端
１１０  直流電源
１１２  直流／ＲＦ電源
１１４  ガス源
１１６  質量流量制御器
１１８  間隙
１２０  真空ポンプシステム
１２２  ポンピングポート
１２４  制御器
１３０  マグネトロン
１３２、１３４  磁石
１３６  磁気ヨーク
１３８  プラズマ領域
１４０  ターゲットの中心
１４２  シャフト
１５０  シード層
１８０  ＳＩＰ銅薄膜
１８２  側壁上の欠陥
１８４  ＣＶＤ銅シード層
１８８  ＣＶＤ銅層
２０２、２０４  ロードロックチャンバ
２０６、２２２  ウェーハ転送チャンバ
２０８、２２０  ロボット
２１０、２１２  脱ガス／配向チャンバ
２１４  プラズマ予備清浄チャンバ
２１６  ＣＶＤバリヤーチャンバ
２１８  通り抜けチャンバ
２２４、２３０  ＩＭＰスパッタチャンバ
２２６  ＳＩＰスパッタチャンバ
２２８  ＣＶＤチャンバ
２３２  熱チャンバ
２４０  制御器
２４２  制御バス
２４４  記録可能媒体
２４６  通信リンク
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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