(57)【要約】【課題】プラズマ反応チャンバ。【解決手段】プラズマ密度とプラズマのイオン化部分が処理空間を通過するプラズマ誘導ループによって高められるプラズマ反応チャンバ、特にＤＣマグネトロンスパッタリアクタ。チューブの２つの端部が処理空間の向かい合った面で真空チャンバに接続している。ＲＦ電源によって出力されるＲＦコイルは、チャンバのチューブの外側に隣接して位置し、磁界がチューブ軸に沿って誘起されるようにチューブの環状の円周にＲＦ磁界を生じるように配列している。それにより、処理空間を取り巻いているループにおいてチューブ内にプラズマが生成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理すべき基板を収容するように適合させた真空チャンバと、
前記チャンバの壁を通る少なくとも１対のポートと、
前記対の前記ポートのそれぞれを接続している各チューブと、
ＲＦ電源と、
前記ＲＦ電源に接続可能でかつ前記各チューブの円周をＲＦ磁界で取り囲むように前記チューブに隣接して配設されたコイルと、
を有するプラズマ反応チャンバ。
【請求項２】
前記真空チャンバ内でプラズマを誘起するダイオード電気的手段を更に有する請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項３】
複数の前記対のポートと、対応する複数のチューブとを有する請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項４】
複数の前記ＲＦ電源と、前記複数のチューブの対応するものに隣接して配設された対応する複数の前記コイルとを更に有する請求項３に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項５】
前記コイルが前記複数のチューブの少なくとも２つに隣接して配設される請求項３に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項６】
前記ポートが、処理される基板の表面上の領域において前記真空チャンバの側壁に配設される請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項７】
その上面上に処理すべき基板を支持しているペデスタルを更に有し、前記ポートが前記ペデスタルの底面に向いている前記真空チャンバの壁上に配設される請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項８】
プラズマスパッタリングリアクタとして構成される請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項９】
プラズマエッチングリアクタとして構成される請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項１０】
プラズマ増強化学的気相成長のチャンバとして構成される請求項１に記載のプラズマ反応チャンバ。
【請求項１１】
真空チャンバと、
スパッタ被覆すべき基板を支持するための前記チャンバ内のペデスタルと、
スパッタ被覆すべき物質を含んでいる前記チャンバに封入されたターゲットと、
前記ターゲットの後ろに位置するマグネトロンと、
前記ターゲットに接続されたＤＣ電源と、
前記真空チャンバに接続された２つの端部を有するチューブと、
前記チューブに隣接して位置しかつ磁界が前記チューブを取り囲むように配設された誘導コイルと、
前記コイルに接続されたＲＦ電源と
を有するＤＣマグネトロンスパッタリングリアクタ。
【請求項１２】
前記チューブの２つの端部が前記ターゲットと前記ペデスタルとの間の前記真空チャンバの側壁に接続される請求項１１に記載のリアクタ。
【請求項１３】
前記チューブの２つの端部が前記ターゲットから前記ペデスタルの反対側の前記真空チャンバの壁に接続される請求項１１に記載のリアクタ。
【請求項１４】
前記ターゲットが金属である請求項１１に記載のリアクタ。
【請求項１５】
前記ターゲットが基本的に銅を有する請求項１４に記載のリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、基板のプラズマ処理に関する。特に、本発明は、基板を処理するためのプラズマを増強させることに関し、もっとも典型的なものとして、基板上の金属層をプラズマスパッタリングするためのプラズマを励起させることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで継続的になされている集積回路の微細化は、集積回路の素子の大きさを縮小することによって、その大部分が達成されてきた。現在、先進の用途における集積回路の最小の横方向形状寸法はおよそ０．２５μｍで、これが急激に０．１３μｍまで下げられようとしており、０．１１μｍまでにさえなろうとしている。同時に、中間の誘電体層の厚さはおよそ１μｍの範囲で維持され続けている。減少する横方向寸法とほとんど一定の縦方向寸法との間の相互作用の結果として、集積回路の二つの層を相互接続するバイア或いはコンタクト穴のアスペクト比が急速に４：１から１０：１に増加しつつある。そのような高いアスペクト比の穴に金属を充填することは大きな技術課題である。
【０００３】
スパッタリング或いは物理的気相成長（ＰＶＤ）はその急速な堆積速度と装置が比較的低コストであることにより金属の穴充填に対して好ましい技術である。しかしながら、ＰＶＤはその一般的な弾道性と堆積のほぼ等方性のパターンのために、そのような高いアスペクト比の底の部分まで効果的に充填することができず、深く、狭い穴の充填に本質的に適していない。それにもかかわらず、ＰＶＤによる深い穴の充填がスパッタ付着した原子をイオン化することによって、また、イオン化されたスパッタ付着したイオンが穴に深く達する非常に異方性のあるパターンでウエハ方向に加速されるように何とかしてスパッタ被覆されているウエハを電気的にバイアスすることによって達成し得ることが認識されてきた。
【０００４】
金属の深い穴の充填に対してスパッタ付着された金属原子のイオン化部分を増加させることにより達成される少なくとも２つの方法が認識されてきた。一つの方法は、ダイオードのスパッタリングリアクタにおけるスパッタリングターゲットに隣接するプラズマ密度を増加させるとともにターゲットからずっと離れてプラズマを拡張させるさまざまな技術を用いるものである。これらの方法にはしばしばターゲットの上を、或いは複雑な形状をしたターゲット上を走査される必要のある小さなマグネトロンを使うことが含まれる。更に、高いイオン化部分はスパッタ付着される原子の高いイオン化部分を作り出すのに必要とされるよりも典型的には小さい電子温度を作り出す、より低いチャンバ圧力においてのみ達成される。
【０００５】
もう一つの方法は、別に一般的にダイオードリアクタとして形成されるリアクタにおいてスパッタ付着されるウエハから少なくともいくらか離れたプラズマ源領域に誘導的に結合するＲＦエネルギーを有するものである。スパッタリングに対して、この方法は、普通、ターゲットとウエハの間の処理する空間の周辺に巻かれた誘導コイルを有するものである。このような誘導結合は大量のＲＦ出力が拡張されたプラズマ源領域に結合されることを可能にする。著しく離れた距離に拡がる高密度プラズマと適度な圧力の組み合わせは、スパッタ付着した金属原子を加熱し、そしてそれらをイオン化する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属を堆積するスパッタリングリアクタに誘導的にＲＦ出力を結合させることは基本的な問題を呈する。ＲＦ誘導コイルがチャンバの外にある場合には、それがＲＦパワーを短絡しないようチャンバ壁は誘電性のものでなければならない。誘電チャンバ壁は水晶のようなもので利用可能であるが、そのようなセラミック壁は一般に１０−８トール近傍におけるスパッタリングの極限真空要求に適していない。スパッタリングリアクタに対するチャンバ壁はステンレススチールで構成されることが望ましいが、ステンレススチールは適度に導電性であり、それをよぎって励起されるＲＦ電界を短絡してしまう。更に、アルミニウムや銅のようなスパッタリング金属はチャンバ壁の上に金属の一部を必ず被覆するので、誘電壁でさえ、長く使っているうちに導電性としてしまう。
【０００７】
結果として、好ましい従来の構造は、真空チャンバ内のＲＦコイルをそれが生成するプラズマ源に隣接して置くことになる。スパッタリングに対しては、コイルは通常ターゲットとスパッタ被覆されるウエハとの間の円筒状空間の周囲に巻かれる。しかし、そのような構造は固有の問題を呈する。ＲＦコイルは真空チャンバの中に入っていかなければならない。もっと重要なことには、ＲＦコイルは大量のＲＦ出力を消費し、プラズマからエネルギーを吸収するので、その温度が１０００℃以下を保持するよう冷却されなければならない。高真空チャンバ内の冷却は常に難しく、電気的に著しくバイアスされた部品を有する場合は特に難しい。
【０００８】
従って、誘導コイルをチャンバ内に置くことなく高密度プラズマを生成させることが望まれる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はプラズマリアクタに関し、特に負にバイアスされたターゲットを有するＤＣマグネトロンスパッタリアクタに関し、このリアクタでは、リアクタの外に１以上のチューブがリアクタの処理空間を横切って配設された対になったポートに接続されている。プラズマがリアクタ内で励起されるとき、プラズマはチューブの中に拡がる。各々のチューブが、チューブを通り、リアクタの処理空間を横切るプラズマ流ループを画成する。ＲＦ電源はチューブ内の電流ループに磁気的に結合される誘導コイルに出力する。すなわち、誘導コイルが一次コイルでチューブが電気変換器の２次コイルである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来のＤＣマグネトロンスパッタリアクタに基づいている。図１の概略断面図に示されるように、リアクタは電気的に接地されているステンレススチールの真空チャンバを含んでいる。スパッタ−被覆されるべきウエハ１４は過熱および冷却要素とウエハ１４を保持するための静電チャックを含んでもよいペデスタル１６上に支持される。有利には、ペデスタル１６は電極としても働き、整合ネットワーク２０を通してＲＦ電源１８によって電気的にバイアスされる。スパッタ付着されるべき物質のターゲット２２、例えば、銅は、電気的アイソレータ２４を通してチャンバ１２の上に保持され、密封される。ターゲット２２はＤＣ電源２６によって約６００ＶＤＣの電圧へ負にバイアスされる。マグネトロン２８はターゲットの後ろに位置し、ターゲット２２に隣接するプラズマを増大するようチャンバ内に磁界をつくる。マグネトロン２８は、典型的には、より一様なスパッタリングをつくるためにチャンバの中心軸の周りに回転する。ガス源２９はアルゴンのようなワーキングガスをチャンバ内に供給し、図示されていない真空ポートと真空ポンプがチャンバ内部を低圧に保持する。
【００１１】
従来の動作において、ターゲット２２に印加されるＤＣ電圧はアルゴンをプラズマに励起するのに十分であり、正に荷電されたアルゴンイオンがエネルギー的にターゲット２２に引き付けられる。活性化したアルゴンイオンがターゲット原子、例えば、銅をターゲット２２からスパッタ付着し、スパッタ付着した原子が処理空間を横切り、ウエハ１４を被覆する。プラズマが十分強く、スパッタ付着した原子の軌道の重要な部分の上に拡がる場合には、原子の相当量がイオン化される。図は簡略化されており、チャンバ壁シールドのようなある形状やウエハ１４をチャンバに挿入する手段を省略している。この点までに記載された特徴はすべて従来のものであり、周知のものである。
【００１２】
本発明よれば、プラズマは処理空間から離れて誘導的に生成され、プラズマが処理空間を通過して電流ループを形成する。チューブ３０はチャンバ壁１２にあるポート３２、３４通じて真空チャンバの内部に接続されたその２つの端部の口径を持っている。チューブ３０がチャンバの上に配設されている図が示されているが、図２の平面図と図３の縦に配列された断面の側面図にはより詳細に図示されるように、チューブの長さは円筒のチャンバ壁１２の外側にかなり近くチューブを置くことによって短くすることができる。チューブ３０はそれが良好な真空壁でかつ磁界をシャントすることないように非磁気のステンレススチールで構成されていてもよい。真空封入しているＲＦアイソレータ３６，３８はチューブ３０とチャンバ１２の間に置かれてチューブ３０をチャンバ壁１２から電気的に分離している。別の方法では、チューブ３０の中央部における単一のアイソレータによってチューブ壁の電流路がさえぎられる。
【００１３】
第２のＲＦ源４２によって駆動されるＲＦコイル４０はＲＦコイルによって生成される磁界Ｂがチューブ３０を取り巻くように、その近傍にあるチューブ３０の軸に垂直に位置する巻き取り軸をもつチューブ３０に密接に隣接して置かれ、その結果として∂Ｂ／∂ｔに比例した電界（別の表現としてωＢと表され、ここでωはＲＦ周波数を表している）がチューブ３０の軸に沿って生成される。ＲＦ源４２の周波数は１０ｋＨｚ以上，好ましくは１ＭＨｚ以上で，もっとも好ましくは１３．５６ＭＨｚである。チューブ３０がプラズマを有するとき、それは電気的に高い導電性を持ち，チューブが電流の流路を画成する。チャンバ１２の内部もまたプラズマを有するとき、電流流路はそれを通して低いインピーダンスループを形成するよう拡がる。このループはＲＦコイル４０が一次巻線である、電力変換器の二次巻線として働く。それによって、第２のＲＦ源４２からのＲＦ出力はチャンバ内部の十分外側に位置するプラズマに誘導的に結合する。可変キャパシタ４６と磁界Ｂの周りに巻かれた結合コイル４８を有する整合ネットワークは、プラズマをチャンバとチューブ内に安定させるのに使うことができる。
【００１４】
本構造は周囲の電界がチャンバ内に誘導されるようＲＦ磁界がチャンバ或いはチューブの軸と整列している誘導的に結合したプラズマの通常の構造と異なっていることを留意されたい。そのかわり、図１〜３の装置においてＲＦ磁界がチューブを周辺的に取り巻き、それによってチューブ内に軸方向の電界を誘導するものである。また、本構造はプラズマが遠隔的に、例えば、マイクロ波又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によって生成され，プラズマが生成点から処理空間に拡散する遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）とは明白に異なっている。そのような長い拡散では、ラジカルが拡散時間を生き残るけれども、プラズマ内のイオン化されたパーティクルが再結合してしまうのは典型的なことである。そのかわり、図１〜３の装置では、ＲＦエネルギーが遠隔的に与えられが、処理空間を循環するイオン化されたプラズマループを電気的に駆動する。
【００１５】
チューブ内のプラズマはアルゴンワーキングガスから主として構成され，主な処理チャンバ内でそれが金属イオンを生成させるためにターゲットからスパッタ付着される金属原子と相互作用する。金属原子とイオンがチューブから一気に消去され，その内部に付着しないようにプラズマのチューブの中央部を通してアルゴンワーキングガスを供給することは有利である。
【００１６】
図１〜３の装置の動作原理は、ターゲットが２ ３／４インチ（７ｃｍ）の内径をもつプラズマチューブの両端に接続された接地プレートと置き換えられるスパッタリアクタで示されてきた。チャンバは１０ミリトールのアルゴンで加圧されている。１３．５６ＭＨｚのＲＦ出力１０００Ｗが２回転するチューブコイル４０に与えられると、明るいプラズマが主処理チャンバ内に形成される。更に、プラズマは安定し，接地されたターゲットプレートとウエハ表面との間のチャンバの大部分において拡がる。この出力範囲では，金属チュービングの冷却は周囲の空気冷却で十分である。
【００１７】
本実験の配置ではチューブコイル４０とチューブ３６の間の磁気結合は空気結合にのみ依存している。結合の効率はチューブコイル４０の内部を通り、チューブ３０の周りにループ型の磁気変換器コアを挿入することによって改善され得る。コア或いはチューブのいずれかは追加される磁気結合のため他の部材の周りに巻かれることもできる。
【００１８】
処理チャンバ内の高密度プラズマの均一性は異なる周辺方向の点でチャンバ内に入るチューブの数を増加させることによって高めることができる。例えば，図４の正射影による立面図に示されるように、２つのチューブ５０、５２の端部はチャンバ１２の周りに９０°で配置される４つのポートに接続されている。各チューブ５０、５２は１８０°で周りに拡がり、それによって２つのチューブ５０、５２は約９０°に対して重なり合い、お互いに干渉しないよう縦にわずかにオフセットしておかれる。チャンバ内のチューブ５０、５２よって設定される電流路はこのようにして９０°オフセットされる。
【００１９】
２つのチューブ５０、５２の重なり合う部分の利点は、単一のＲＦコイルとＲＦ源がチューブ５０、５２の重なり合う部分に隣接して位置することができ、同時にチューブ５０、５２の両方を駆動することができる。しかしながら、２つのプラズマループは次に同期され，２つのループ間の望ましくない固定された位相差がループを建設的或いは非建設的に干渉を生じさせ，処理領域におけるプラズマの極大や極小を発生させる可能性があることに注意が払われなければならない。その代わりの適度に同一の周波数をもつ独立したＲＦ電源が２つのチューブ５０、５２を駆動する場合には、２つの電流ループはウエハ処理の時間スケールで無相関となり，干渉を生じさせないことが保証される。
【００２０】
他の、また、より複雑なプラズマ回路も可能である。図４の二つのチューブ５０、５２は四つのポートの対向する端子でなく、隣接するポートにも接続し得る。図５の模式的な６つのチューブ５４は、チャンバ１２の周囲６０°間隔で配置された６つのポートに対向するポートに横断して接続し得る。内部の導電路５８はそれらが拡散し，３つのプラズマループの相対位相に強く依存するため大げさに簡略化されている。また、チューブ５４が隣接するポート５６、或いは次に隣接するポート５６に接続することができる。しかしまた、図６に模式的に示された６つのチューブ６０は、チャンバ１２の壁に沿って通常は通っている内部導電路６４をつくるようにチャンバ１２の周りに３０°で配置された１２のポート６２の隣接するポートを横切って接続し得る。
【００２１】
前の例は、プラズマループがチャンバの側壁を通過するものであった。別のものとして，チューブはチャンバの別の壁を入ることもできる。例えば，図７の概略断面図に示されるように、Ｕ字型のチューブ７０がペデスタル１６の下にあるチャンバの底壁７２の上でペデスタルの相対する側面上の二つのポート７２、７４間に接続することもできる。ＲＦ源４２によって出力されるチューブコイル４０はＵ字の底の部分に密接に隣接して配置され、チャンバ１２の内部を通してプラズマループを誘導する。ペデスタル１６の適当な電気的条件で、内部のプラズマ流路７８はウエハ１４の上に拡がり、それによって、ウエハ１４とターゲット２２の間に大量の高密度プラズマを形成する。前と同様に、本構造は多重チューブに一般化されてもよい。
【００２２】
本発明は，スパッタリングリアクタに制限されない。プラズマリアクタは化学的気相成長（ＣＶＤ）とプラズマ密度を増加させるＲＦ誘導コイルのような手段を用いるエッチングの両方に対して開発されてきた。これらのチャンバは処理ガスのプラズマを生成させるためのチャンバに容量的に結合した出力、通常はＲＦ出力へ形成される１つ以上の電極を通常有している。この構造は、一般にダイオードリアクタと呼ばれる。セラミックの誘電窓が（金属が堆積しないと仮定して）ＲＦ誘導出力を通過させるためこれらの高圧動作に使用し得るが、それらはなお問題がある。本発明のプラズマチューブとループの手段によって，処理領域内のプラズマ密度はセラミック壁或いはドームを必要とすることなく増加させることができ、金属のＣＶＤ堆積が非常に少ない問題で行うことができる。
【００２３】
上記の説明は、２００〜３００ｍｍの大きさの半導体ウエハが単一のウエハチャンバ内で処理されることを仮定してきた。本発明はそれに限定するものではない。例えば，平面パネル表示装置が１メートル近くの寸法をもつガラス基板上に半導体製造技術を用いて製造されている。非常に大きなプラズマ処理チャンバが必要とされる。大きなチャンバ全体に高いプラズマ密度を達成することは問題があった。本発明はほとんど任意の数のプラズマチューブとチャンバを通して配分される関連のプラズマループをもつＲＦ源を使用することでプラズマ密度、特にイオン化密度を補足することを可能にする。
【００２４】
本発明は、標準のプラズマ処理チャンバをプラズマチューブのポートを追加するわずかな設計変更を有利に可能にし、その結果、低いプラズマ密度のチャンバを容易に高いプラズマ密度の使用に適合させるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のスパッタリアクタの実施例を示す概略断面図である。
【図２】
図１のリアクタの平面図である。
【図３】
図２の線３‐３に沿って切り取った図１と図２のリアクタの概略断面の側面図である。
【図４】
本発明の２つのチューブをもつ実施例の正射影による立面図である。
【図５】
本発明の３つのチューブをもつ実施例の概略図を一般的に平面図で示したものである。
【図６】
本発明の６つのチューブをもつ実施例の概略図を一般的に平面図で示したものである。
【図７】
図７は底部接続を用いた本発明のスパッタリアクタの代替的実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１２…真空チャンバ、１４…ウエハ、１６…ペデスタル、１８…ＲＦ電源、２０…整合ネットワーク、２２…ターゲット、２４…アイソレータ、２６…ＤＣ電源、２８…マグネトロン、２９…ガス源、３０…チューブ、３２、３４…ポート、３６、３８…ＲＦアイソレータ、４０…ＲＦコイル、４２…第２ＲＦ電源、４６…可変キャパシタ、４８…結合コイル、５０、５２、５４…チューブ、５６…ポート、６０…チューブ、６２…ポート、７０…Ｕ字型チューブ、７２、７４…ポート、７８…プラズマ流路。
【国際公開パンフレット】
2004501277.tif 000003
2004501277.tif 000004
2004501277.tif 000005
2004501277.tif 000006
2004501277.tif 000007
2004501277.tif 000008
2004501277.tif 000009
2004501277.tif 000010
2004501277.tif 000011
2004501277.tif 000012
2004501277.tif 000013
2004501277.tif 000014
2004501277.tif 000015
2004501277.tif 000016
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004501277.tif 000017
2004501277.tif 000018
【国際調査報告】
2004501277.tif 000019
2004501277.tif 000020