(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣスパッタ反応器において、
中心軸に沿って延びる側壁を有する真空チャンバ、
前記側壁にシールされたターゲット、
スパッタ堆積される基板を前記ターゲットと対向して支持表面上に保持するための、前記真空チャンバ内の支持具、
前記ターゲットに隣接する前記側壁の第１部分の周りに配置され、前記第１部分をスパッタ堆積から保護するように構成され、所定の第１電位に保持される第１シールド、
前記ターゲットに選択的に結合し、前記ターゲットを前記所定の第１電位に対して負にバイアスし、前記チャンバ内にプラズマを生じることが出来る第１ＤＣ電源、及び、
前記第１部分より前記ターゲットから離れて配置された前記側壁の第２部分の周りに配置され、前記第２部分をスパッタ堆積から保護するように構成された第２シールド、を備え、前記第２シールドと前記側壁の第２部分は、前記ターゲットと前記支持具の前記支持表面の後側の軸方向位置の間を延び、
前記第２シールドに選択的に結合し、前記第２シールドを前記第１電位より正のシールド電圧にバイアスすることが出来る第２ＤＣ電源、
を備えることを特徴とする反応器。
【請求項２】
前記支持具の選択的に結合する第３電源を備える請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記所定の第１電位は接地電位であり、前記チャンバは電気的に接地されている請求項１に記載の反応器。
【請求項４】
前記第３電源は、前記支持具上に負の電位を発生することが出来る請求項３に記載の反応器。
【請求項５】
前記支持具に対して前記ターゲットの後側に配置され、前記ターゲットの中心の周りを回転可能なマグネトロンを備える請求項１に記載の反応器。
【請求項６】
前記マグネトロンは、第１磁極性で第１合計磁束の外側極と、前記外側極に取囲まれ、前記第１磁極性と反対の第２磁極性で前記第１合計磁束より小さい第２合計磁束の内側極とを備える請求項５に記載の反応器。
【請求項７】
前記第２シールドは、前記中心軸の半径方向に前記支持表面の後ろに延び、前記真空チャンバの底部壁を保護し、前記ターゲットに向かって軸方向に延び、前記支持具の側面を保護する請求項１に記載の反応器。
【請求項８】
ＤＣスパッタ反応器において、
中心軸に沿って延びる側壁を有する真空チャンバ、
前記側壁にシールされ、前記側壁から電気的に絶縁されたターゲット、
前記チャンバ内に配置され前記チャンバから電気的に絶縁され、前記ターゲットと対向して延びる支持表面上にスパッタ堆積される基板を保持するためのペデスタル、
前記真空チャンバに接地され、前記側壁の第１部分を保護する第１シールド、
前記真空チャンバから電気的に絶縁され、前記第１シールドより前記ペデスタルにより近く配置され、前記ターゲットと前記ペデスタルの後側の間を軸方向に延び、前記第１部分より前記ペデスタルにより近い、前記ターゲットと前記ペデスタルの間の前記側壁の第２部分をスパッタ堆積から保護するように構成された第２シールド、
前記ターゲットに負のＤＣ電圧をかけることが出来る第１ＤＣ電源、及び、
前記第２シールドに正のＤＣ電圧をかけることが出来る第２ＤＣ電源
を備えることを特徴とする反応器。
【請求項９】
前記ペデスタル電極上に負の電位が生じるようにする第３電源を備える請求項８に記載の反応器。
【請求項１０】
前記第２シールドは、前記側壁の前記第２部分を保護する外側円筒形部分と、前記外側円筒形部分に接続し、前記支持表面の前記ターゲットの反対側の面上に前記軸の半径方向に延び、前記真空チャンバの底壁を保護する底部分とを備える請求項８に記載の反応器。
【請求項１１】
前記第２シールドは、さらに前記底部分に接続し、前記ペデスタルの側面に沿って前記支持表面に向かって軸方向に延びる内側円筒形部分を備える請求項１０に記載の反応器。
【請求項１２】
前記第２電源は、ＤＣ10から50Ｖの範囲で前記正のＤＣ電圧をかけることが出来る請求項７に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはプラズマスパッタリングとこれに使用する反応器に関する。特に、本発明は、プラズマスパッタ反応器に使用するチャンバーシールドと、それに使用する電気バイアスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリングは、物理蒸着（ＰＶＤ）とも呼ばれ、半導体集積回路の製造で金属と関連材料の層を堆積させる最も一般的な方法である。最も商業的に重要な種類のスパッタリングであるＤＣマグネトロンスパッタでは、スパッタ堆積させる材料で出来た金属ターゲットは、チャンバに対して負にバイアスされる。アルゴン作用ガスが、低いミリトールの範囲でチャンバに入れられ、ターゲットのバイアスにより、アルゴンを励起してプラズマにする。正のアルゴンイオンが、負にバイアスされたターゲットに十分なエネルギーで引付けられ、アルゴンイオンは、ターゲットから金属原子をスパッタする。スパッタされた原子の幾らかは、ウェハを衝撃し、その上に薄い層で堆積する。反応性スパッタでは、例えば窒素又は酸素等の反応ガスが、追加してスパッタチャンバへ入れられ、スパッタされた金属原子は、窒素原子又は励起されたラジカルと反応して、ウェハ上に金属窒化物又は酸化物層を形成する。
【０００３】
スパッタリングの最も要求の厳しい用途は、非常に高いアスペクト比を有するレベル間のビアホールの側面と底面に金属又は金属窒化物を堆積することである。即ち、ホールは狭くて深い。進んだ回路の設計では、アスペクト比は５又はそれ以上が普通になってきている。スパッタリングは、一般にターゲットからスパッタコーティングされるウェハに向かう原子が、ほぼ等方的な放出パターンを生じる弾道的なプロセスである。この放出パターンは、深く狭いホールの側面をコーティングするのに適さない。初めの放出パターンが続くと仮定すると、スパッタされた原子のうち、ホールの底に到達するものはかなり少ない。さらに、厚い層では、十分な数のスパッタされた原子が、ホールの上側コーナー部をコーティングし、ホールの底部が充填される前に、ホールの頂部が橋絡され、ボイドが出来る。
【０００４】
しかし、高アスペクト比のホールにスパッタするアプローチは幾つかある。幾つかの商業的に重要なアプローチでは、イオン化されるスパッタ原子の数を増加し、プラズマとチャンバ壁に対してウェハを負にバイアスする。ターゲットに対向してウェハを支持するペデスタル電極に負のＤＣバイアスをかけることにより、バイアスをかけることができ、又は、ペデスタル電極にＲＦバイアスをかけ、プラズマの動力学により、ペデスタル電極上に負のＤＣバイアスを生じるようにして、バイアスをかけることができ、又はペデスタル電極を電気的に浮動状態にすることもでき、この場合でも負のＤＣバイアスは発生する。バイアスをかけたペデスタル電極は、ウェハに隣接してプラズマシースを作り、スパッタされたイオンをシースを横切ってウェハに向かって十分な速度で加速するので、スパッタされたイオンの全体のパターンは、異方性になり、ウェハ表面に対して垂直な成分が強い。従って、これらのイオンは、高アスペクト比のホール内に深く到達する。
【０００５】
イオン化する割合を増加させる1つの方法は、処理空間を取巻く誘導コイルにより、大量のＲＦエネルギーを処理空間に結合することにより達成される高密度プラズマ（ＨＤＰ）でスパッタすることである。スパッタされた原子はＨＤＰ処理空間を横切るとき、イオン化されやすい。ＨＤＰスパッタリングのイオン化割合は80％を超え、従って深いホールのコーティングに非常に有効である。しかし、ＨＤＰスパッタリング反応器は、比較的高価である。また、ＨＤＰスパッタリングは、高温のプロセスであり、50から100ミリトールの作用ガス圧力内で生じるアルゴンイオン等のエネルギーのあるイオンにより頼む。比較的低温に保持されたウェハにスパッタコートするのが好ましいことが多く、ＨＤＰスパッタ反応器内ではこのような温度制御は困難である。ＨＤＰスパッタされた薄膜の品質は、いつも最適というわけではない。
【０００６】
自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）と呼ばれる別のアプローチでは、色々の技術により、従来のＤＣマグネトロンスパッタ反応器で、ターゲットに近い限定された部分に比較的高いプラズマ密度を作り、またターゲットに向かって磁界を延長させる。イオン化密度はより小さく、一般的には5％を超えるが約20％程度であるが、簡単な装置を使用して低温低圧でホール内に深く妥当な磁束を起こすのには十分である。ＳＩＰスパッタリングは、2000年4月11日出願のFuらによる米国特許出願第09/546,798号、2000年3月2日出願のGopalrejaらによる米国特許出願第09/518,180号、1999年10月8日出願のChiangらによる米国特許出願第09/414,614号に記載されている。これらの出願の全体をここに参照する。
【０００７】
殆どのスパッタ反応器は、ChiangらによるＳＩＰチャンバを含め、ターゲットとペデスタルの間の処理空間を囲むチャンバ側壁の大部分の上に延びる接地されたシールドを使用する。シールドはさらに、チャンバ側壁に沿ってウェハの後ろまで軸方向下方へ延び、ペデスタルに向かって半径方向内側に延び、次にペデスタルの側面に沿って軸方向上方へ延びる。その結果、槽は環状で、外壁は長く内壁は短くなる。シールドは2つの機能を行う。スパッタリングにより、チャンバの内側に露出しターゲットに向く他の部分も、コーティングされてしまう。シールドが過剰にコーティングされると、清浄なシールドと交換され、チャンバ壁を清浄化する必要はない。第２に、電気的に接地されたシールドは、負にバイアスされたターゲットのカソードに対して、スパッタリングプラズマを保持するためのアノードとして作用する。ペデスタル電極を他の電位に保持して、スパッタ堆積のパターンを制御することが出来る。
【０００８】
有効なＳＩＰスパッタリングには、プラズマ電子とイオンのシールドでの損失が比較的低いことが必要である。上述したFuらの特許では、このような損失を減少させるのに、アンバランスマグネトロンを使用する。アンバランスマグネトロンは、合計の磁束が異なる２つの磁極をターゲットの後面に置き、強い極はターゲットの外周近くに置く。非対称の極パターンにより、ターゲットの前面に平行（水平）に近接して延びる磁界成分のみでなく、強いほうの極へ戻る前に、ターゲットの外周からシールドを離れウェハに向かって延びる垂直成分をも生じる。垂直成分は、電子を磁界ラインに沿ってトラップし、プラズマをウェハにより近く接地されたシールドから離れるように押出すのに十分である。そのため、電子の損失は減少し、スパッタされたイオンはウェハに向かって案内される。
【０００９】
Ciangらの上述した特許では、さらに電気的に浮動のシールドが、接地されたシールドとターゲットの間に位置する。浮動シールドは、幾らかの電子を収集し、負の電荷を作り、電子がその後沈み込まないようにする。その結果、プラズマを反応器の中央に向かって押す効果が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アンバランスマグネトロンは、欠点がある。それにより生じる磁界は、通常強いほうの極に戻る前に、ウェハに向かって部分的にしか戻らない。従って、そのプラズマをウェハに向かって案内する効果は、一般的にはウェハに到達する前に消失する。残りの80％の中性フラックスの少なくとも一部を取り除き、中心と縁部の均一性を改善するため、長到達距離の反応器が好まれる。そのため、この磁界が短くウェハに向かって部分的にしか戻らないことは、より影響が大きい。１つの典型的な長到達距離の反応器は、200ｍｍのウェハ用でターゲットとウェハの間に290ｍｍ空間がある。アンバランスマグネトロンの手段により、このような距離にわたって磁界を延長することは困難である。更に、アンバランスマグネトロンの非対称の磁界は、スパッタのカバレッジの均一性を損なう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従って、深いホールのスパッタコーティングを行うため、小さいアンバランスマグネトロンにより頼むことの代替となるものを提供することが望ましい。上側シールドは接地され、下側シールドはプラズマ電位より高い電圧に保持されるのが好ましい。
【００１２】
バイアスをかけたシールドは、イオン化されたスパッタ原子の割合が比較的高いスパッタリング装置と方法で使用されると有利である。
【００１３】
【発明の実施の形態及び実施例】
図１に、バイアスをかけるシールド12を備えるマグネトロンスパッタ反応器10の実施例の概略図を示す。反応器10の主な部品は、公知のダイオードスパッタ反応器にあるものであり、特にChingらによる上述した特許出願のＳＩＰスパッタ反応器にあるものである。反応器10は、電気的に接地された金属チャンバ14を備える。ターゲット16は、少なくとも１つの面がスパッタされる材料で出来ていて、第１電気絶縁体18により、チャンバに真空シールされる。ＤＣ電源20が、負のＤＣ電圧ＶTをかけ、後述するようにプラズマを励起し、保持する。通常、励起電圧は、プラズマを維持するのに必要な電圧より実質的に高い。スパッタコーティングするウェハ22が、ターゲット16に対向してペデスタル電極24上に保持される。クランプ即ちシャドーリング25を、ウェハ22の外辺の上と周りに配置してもよい。電気バイアス電源26が、ペデスタル電極24に結合する。バイアス電源26は、絶縁キャパシターを通してペデスタル電極に結合するＲＦバイアス電源（例えば13.56ＭＨｚ）が好ましい。このようなバイアス電源は、ペデスタル電極24上に、数十ボルトのオーダーの負のＤＣ自己バイアスＶBを生じる。アルゴン等の作用ガスが、ガス源28から質量流量制御器30を通り、次にガス入口32を通ってチャンバへ入る。真空ポンプシステム34が真空引きポート36を通ってチャンバを真空引きする。
【００１４】
バイアスをかけたシールド12は通常の形状であり、外側に突出すフランジ40と、ターゲット16の近くからペデスタル24の支持表面の後側へ軸方向下方に延び、チャンバの側壁を覆い保護する外側部分42と、ペデスタル24の支持表面より下を半径方向に延び、チャンバの底部壁を保護する底部分44と、ペデスタル24の支持表面近くまで軸方向上方に延び、ペデスタルの側面を保護する内側部分46とを備える。
【００１５】
本発明のこの実施例によれば、バイアスをかけたシールド12のフランジは、第２電気絶縁体48により、チャンバ壁上に保持され、電源50によりＤＣシールド電圧ＶSに電気的にバイアスされる。本発明の好適な使用では、シールド電圧ＶSは正で、10から50Ｖのオーダーである。
【００１６】
接地されたシールド56が、ターゲット16の近くのチャンバ壁の周りに位置し、壁に電気的に接地される。接地されたシールド56は、軸方向下方に延び、バイアスをかけたシールド12と幾らか重なり合う。
【００１７】
小面積磁石60が、ターゲット16の後ろに位置し、一方の極性のより強い外側磁石62と、他方の極性のより弱い内側磁石64とが、磁気ヨーク66により保持され磁気的に結合する。モーター（図示せず）が、磁気ヨーク66に固定されたシャフト68を回転させ、磁石60がチャンバの中心軸70の周りを回るようにし、ターゲット16のスパッタリングがより均一になるようにする。
【００１８】
ターゲット16に十分なターゲット電圧ＶTがかけられると、ターゲット16と接地されたシールド56の間で作用するアルゴンからプラズマが励起される。プラズマを維持するのに必要な典型的な電圧は、−400から−600ＤＣボルトである。マグネトロン60は、ターゲット16の前の２つの極62,64の間を水平に延びる強い磁界を生じる。磁界は電子をトラップし、ターゲット16に隣接するマグネトロンの位置で高密度プラズマの領域72を生じる。高密度プラズマは、スパッタリング割合を増加させる。より強い外側磁石62は、さらにウェハ22に向かって軸方向に幾らかの磁界ラインを投射し、その後これらの磁界ラインは、より強い外側磁石62の後面でヨークに戻る。垂直磁界成分が、接地された上側シールド56へ過剰に電子が損失されるのを防ぎ、より密度の高いプラズマをウェハ22の近くまで延ばす。
【００１９】
自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）スパッタリングは、スパッタされた原子の高いイオン化を生じる。２つの利点は、イオン化されたスパッタ粒子は、高アスペクト比のホール内に電気的に深く方向付けられることと、プラズマの点火後アルゴン圧力を減少できることである。銅と幾つかの他の金属では、ＳＩＰ反応器は、持続自己スパッタリング（ＳＳＳ）プラズマを生じることが出来、その中で、銅イオンの大きい割合が銅ターゲットに引付けられて戻され、それを十分な割合の別の銅イオンで再スパッタするので、いったんプラズマが点火されると、アルゴン作用ガスは止めることが出来る。
【００２０】
バイアスをかけたシールド12にかけられたバイアス電圧ＶSは、垂直の磁界が無い領域でも、シールド12からイオンを跳ね返すのに十分である。ＤＣプラズマスパッタリング反応器は、図２に示す電流電圧曲線80の間の非直線の関係を有するダイオードとして、電気的に特徴付けることが出来る。電流がゼロでも、プラズマを横切る電圧は、負の浮遊電位Ｖeである。電圧を増加させると、電流は上昇し、プラズマ電位Ｖpに関連付けられた屈曲部82の上で飽和し始める。一方の電極が接地されているとして、プラズマ電位Ｖpは、2つのプラズマシースの間のプラズマ内の実質的に一定の正の電位である。ラングミュアのプローブを使用して実験的にプラズマ電位を測定する方法は、知られている。バイアスをかけたシールド12等の補助電極が、プラズマの近くに位置すると（プラズマは励起され維持される）、補助電極は、電子を引付けてプラズマから奪うが、また正のイオンを跳ね返す。
【００２１】
商業用スパッタ堆積で使用される種類のプラズマと出力レベルでは、プラズマ電位Ｖpは、典型的には10から20Ｖの範囲の値である。シールド電圧ＶSは、プラズマ電位Ｖpより実質的に大きいが、主なアノードになるほど大きくなくすることが好ましい。シールド電圧の推奨範囲は、15から50Ｖである。
【００２２】
しかし、大きな正にバイアスされたシールドが存在すると、特にペデスタルの近くのプラズマに影響する。その結果、特にＲＦバイアス電源により、ＤＣ自己バイアスがペデスタル上に出現し、従来の大きな接地されたシールドの場合と比べて、より正に即ちより負ではなくなる。典型的な用途では、ＤＣ自己バイアスは負だからである。正にバイアスされたシールドがプラズマから電子を奪い取り、それによりプラズマとそれゆえペデスタル電極がより正になるという事実により、ＤＣ自己バイアスの変化が起こると考えられている。
【００２３】
実験が行われ、バイアスをかけた下側シールドと接地された上側シールドを使用して、0.18μｍ幅、1.2μｍ厚さの酸化物層のビア内に銅シード層をスパッタリングした。即ち、ビアホールのアスペクト比は、6.6である。このような高アスペクト比では、底部のカバレッジは大きくなる傾向にあるので、ビアホールの側壁カバレッジが最も厳しい要求である。
【００２４】
スパッタ反応器を、ターゲット電力15ｋＷ、ペデスタルバイアス電力200Ｗで動作させた。被覆厚さ194ｎｍの銅のスパッタ堆積中に＋30ＶのＤＣ電圧をバイアスシールドにかけるとき、側壁カバレッジは9ｎｍ（5％）、底部カバレッジは14ｎｍ（7％）であった。例えば、ホール内への電気化学めっき用で、この被覆厚さで、オーバーハングがビアホールの頂部を橋絡し始めたが、ホールへのアクセスをブロックするには至らなかった。9ｎｍの側壁カバレッジは、このようなめっき用のシードと電極層として十分であった。比較のため、バイアスされた電極が接地されたとき、側壁カバレッジは2.6％にすぎず、底部カバレッジは5％であった。
【００２５】
図１に示すマグネトロンは、例示のためのみである。円形又は長円形マグネトロンが発達しているが、ＳＩＰスパッタリングのためのアンバランスマグネトロンは、典型的には３角形又はレーストラック形である。図３に平面図に示す３角形のマグネトロンは、ターゲットの中心70の近くの細いコーナー90と、ターゲットの外辺近くの弧状側面92を備える。図4に示すレーストラック形（より一般的には細長い長円形）のマグネトロンは、ターゲットの中心70からターゲットの外辺部に延びる。どちらの場合も、外側極94又は96が、反対磁極性の内側極98又は100を取囲み、外側極の合計磁束は、実質的に内側極のそれより高い。これらの形状は両方とも、ターゲット面積の20％より小さい比較的小さい面積である。小さいマグネトロン面積により、ターゲットにおける有効電力密度が大きくなる。この有効電力密度は、ターゲット電力とマグネトロンの面積の比により求められる。ターゲット電力は、200ｍｍのウェハで典型的には20から40ｋＷであり、ターゲット電力密度は、約300Ｗ／ｃｍ2より大きくなり得る。本発明のバイアスをかけたシールドにより高いイオン化割合を達成するため、その上部に近接して極を有する小面積のマグネトロンは、電力密度が高く、マグネトロンの端部からプラズマの漏れが無いので、好ましい。しかし、バイアスをかけたシールドにより、極強さの強い非対称性の必要が減少する。バイアスされたシールドがプラズマとイオンをウェハに向かって案内する機能を果たすからである。その結果、バイアスをかけたシールドは、Fuらの丸形ターゲットに特に有用である。環状の円形の限定された形態内で強いアンバランスマグネトロンを設計するのは困難だからである。しかし、ターゲット外辺部の近くに位置するより強い極によりある程度の非対称性を作るのは、プラズマを上側接地シールドをすぎて案内するのに好ましい。
【００２６】
バイアスをかけたシールドにより、スパッタイオンの側を実質的に減少させること無く、スパッタ反応器の到達距離、即ちターゲットとウェハの距離を長くすることが出来る。ウェハの直径の125％より大きい距離が、遠到達距離と考えられる。到達距離が長くなると、狭いホールにうまくコーティングできない中性スパッタ原子の幾らかを取り除く。さらに、到達距離が短いと、ウェハの中心がウェハの縁部より大きい粒子束に晒される。到達距離が長くなると、粒子束の変化が少ないので、中心と縁部の均一性が増す。
【００２７】
本発明のバイアスをかけたシールドは、チャンバを少し複雑にするだけで、マグネトロンスパッタリングの制御の程度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイアスをかけたシールドを組込んだスパッタ反応器の断面図である。
【図２】ＤＣスパッタ反応器のダイオード特性を示す図である。
【図３】本発明で使用できる３角形のマグネトロンの平面図である。
【図４】長円形のマグネトロンの平面図である。
【符号の説明】
10  反応器
12  シールド
14  金属チャンバ
16  ターゲット
18  第１電気絶縁体
20  ＤＣ電源
22  ウェハ
26  バイアス電源
24  ペデスタル電極
25  クランプリング
26  バイアス電源
28  ガス源
30  質量流量制御器
32  ガス入口
34  真空ポンプシステム
36  真空引きポート
40  フランジ
42  外側部分
44  底部分
46  内側部分
48  第２電気絶縁体
50  電源
56  接地されたシールド
60  小面積磁石
62  外側磁石
64  内側磁石
66  磁気ヨーク
68  シャフト
70  中心軸
72  高密度プラズマ領域
80  電流電圧曲線
82  屈曲部
94,96  外側極
98,100  内側極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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