(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁を有する反応チャンバと、
前記チャンバ内に配置され、ターゲット材料からなるほぼ平坦な面を有するターゲットと、
前記チャンバのチャンバ軸線に沿って前記ターゲットに対向して基板を支持することができる、前記チャンバ内に配置された支持体と、
前記チャンバ内にプラズマを形成すべく負のバイアス電圧を前記ターゲットに印加するための直流電源と、
前記チャンバ内に設置されると共に、前記側壁がスパッタ堆積を受けないように前記チャンバ軸線に沿って前記プラズマと前記側壁との間で延びる部分を有する、電気的に浮遊したシールドと、
前記負のバイアス電圧よりも高い所定の電位で保持されると共に、前記ターゲットに対して陽極として機能するように前記支持体と前記電気的に浮遊したシールドとの間で前記チャンバ内に設置されている第２のシールドと、を備え、前記側壁は前記ターゲットと前記支持体との間で延びている、物理的気相堆積用の反応装置。
【請求項２】
前記電気的に浮遊したシールドは金属製部材からなる、請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記電気的に浮遊したシールドは、金属被膜を有するセラミック製部材からなる、請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記所定の電位はアース電位である、請求項１に記載の反応装置。
【請求項５】
前記側壁に支持された第１の絶縁体であって、前記ターゲットを備えるターゲットアセンブリが接するように配置される前記第１の絶縁体と、
前記側壁に支持された第２の絶縁体であって、前記電気的に浮遊したシールドが接するように配置される前記第２の絶縁体と、を備える、請求項１に記載の反応装置。
【請求項６】
前記電気的に浮遊したシールドと前記第２のシールドとは前記チャンバ軸線に沿って延びる部分を有しており、
前記第２のシールドは上部部分を有し、前記電気的に浮遊したシールドは、前記第２のシールドの前記上部部分に重なり合う下部部分を有しており、
前記上部部分と前記下部部分とは、前記チャンバ軸線に直交する方向において間隙をもって分離されている、請求項１に記載の反応装置。
【請求項７】
前記電気的に浮遊したシールドと前記第２のシールドとの間に介設された絶縁性部材であって、前記電気的に浮遊したシールドの前記下部部分により前記プラズマからシールドされる前記絶縁性部材を更に備える、請求項６に記載の反応装置。
【請求項８】
前記側壁は前記チャンバ内に径方向内方に延びている棚部を備え、前記第２の絶縁体は前記棚部を介して前記側壁に支持されている、請求項５に記載の反応装置。
【請求項９】
前記第２のシールドのリムは前記棚部の上で支持され、前記第２の絶縁体は前記第２のシールドのリムの上に配置される、請求項８に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ反応装置に関し、特に、反応チャンバの壁体を保護するためのシールドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の製造技術においては、金属がプラズマ反応装置を用いる物理的気相堆積法（ＰＶＤ）により堆積されるのが典型である。この堆積プロセスは、図１の概略断面図で示されるプラズマ反応装置１０において実行される。この反応装置は、Ｓｏｍｅｋｈ等による米国特許第５，２９４，３２０号明細書に開示されたものと同様である。この反応装置１０は、チャンバ壁１４及び他のシール部材と共に真空チャンバを形成するＰＶＤターゲット１２を備えている。ＰＶＤターゲット１２は、少なくとも真空チャンバの中央部分に面した部分が、例えばアルミニウムとうのスパッタされる材料から構成されている。スパッタ堆積される面を有する基板１６は、ターゲット１２に対して対向配置されたペディスタル１８上で支持される。真空チャンバ内にはガス供給システム２０から制御された種々のガス流が導入され、その間、真空ポンプ２１が固定ガス流で真空度を維持する。真空チャンバは減圧下、不活性のアルゴンで満たされる。しかし、用途によっては、反応性ガスが反応性スパッタリングを行うために真空チャンバ内に付加的に充填されることがある。アルミニウム又はステンレス鋼から通常作られている導電性のチャンバ壁１４は、一般的には接地されており、一方、ターゲット１２には約−５００Ｖの負電圧がＤＣ電源２４により印加される。ターゲット１２とチャンバ壁１４との間の絶縁リング２６により、両者間の電圧にバイアスが加えられる。この電気的なバイアスにより、ターゲット１２と基板１６との間の空間で、アルゴンは放電し、正に荷電されたアルゴンイオンと負の電子とからなるプラズマを形成する。アルゴンイオンは、負に帯電したターゲット１２に電気的に吸引され、ターゲット１２からターゲット粒子をスパッタするに十分なエネルギをもってターゲット１２に衝突する。スパッタされた材料は、弾道学的に、一般的には全方向に飛行し、その幾つかが基板１６に当たり、薄膜としてその上に堆積される。ペディスタル１８、ひいては基板１６は、通常、電気的に浮遊しているが、場合によっては、ＲＦバイアスが加えられることもある。
【０００３】
しかし、ここまで述べた構成においては、スパッタ粒子の相当数がチャンバ壁１４にも当たり、その上に薄膜を形成する。この薄膜は、より多くの基板が処理されるにつれて徐々に厚くなり、やがて、剥離を生ずるほどの厚さまで成長する。薄膜が剥離すると、極めて清浄である必要があるチャンバ内にパーティクルが生ずることとなる。チャンバ壁１４は定期的にクリーニングを行うことができるが、このクリーニングは手間がかかり、システム停止時間及びオペレータの作業時間に関してコストがかかることとなる。
【０００４】
好ましい解決方法としては、ターゲット１２とチャンバ壁１４との間の直線的な経路と交差するようプラズマ反応装置内に略円筒形のシールド２２を配置するというものがある。シールドは一般に、チャンバ壁１４に対する物率的な接触により接地されている。これにより、チャンバ壁１４の方に進むスパッタ粒子は、シールド２２により遮られ、その上に堆積する。シールド２２には、最終的には、スパッタリングされた材料の厚い層が蓄積される。しかしながら、シールド２２はインシチュ（in situ：その場）クリーニングされず、その代りとして、取外しと新規なシールド２２への交換を容易に且つ迅速に行えるよう設計されている。シールドは廃棄されるか、或は、オフラインで洗浄液内に浸漬することによりクリーニングされ、その後、再使用される。いずれにしても、シールドの使用は、粒子数を減じるよう反応装置１０を改造する費用を相当に減じる。
【０００５】
ＰＶＤの極めて有効な用途の一つは、基板に形成された小さな穴、例えば下層のシリコンまで絶縁体層を貫通するコンタクトホール又はインターレベルのヴィアホールを埋め込むというものである。これらの孔の幅は０．２５μｍ以下である。そして、アスペクト比、すなわち幅に対する深さの比は約５である。このような高アスペクト比の場合、穴の入口リムに集まる非垂直方向の粒子束が穴を閉じ、穴の中にボイドを残してしまい、穴を完全に埋めることは困難である。すなわち、ボトムカバレッジはアスペクト比が高くなるほど困難となる。周知のことではあるが、ターゲット原子の平均自由行程は典型的な運転圧力でチャンバ寸法にほぼ等しく、やや高い圧力では、衝突総数はスパッタ粒子の軌道をランダム化し或はそのエネルギを低下させると考えられるので、ガスの衝突はボトムカバレッジを減じる。
【０００６】
従って、スパッタリング反応装置１０内の圧力はガス衝突を減じるよう低減されるべきである。しかしながら、図１に示す従来設計は、約１．５ｍＴｏｒｒ以上と圧力の下限を制限している。この圧力以下ではプラズマは崩壊する。これは、従来一般のシールド２２がターゲット１２の近傍からの電子を容易に集めてしまうことに起因すると、本発明者は考えている。
【０００７】
プラズマ放電は、電子と中性のアルゴンとの間での「ｅ-＋Ａｒ  →  Ａｒ+＋ｅ-＋ｅ-」という連鎖反応により維持される。正に荷電されたアルゴンはターゲットに吸引されるが、付加的に発生した電子は、幾つかのメカニズテムを介しての電子損失が余り大きくないならば、プラズマ放電の維持に十分である。低圧下においては、電子はより拡散する傾向があり、シールド２２又は他のチャンバ構成要素に吸引される傾向がある。従って、そのような電子は反応を継続すべく他の中性のアルゴンと衝突することはない。かくして、電子がシールド２２を通って過剰にアースに流れた場合、反応は自己持続せず、プラズマは崩壊してしまう。
【０００８】
前述の米国特許のＳｏｍｅｋｈ等は、シールドに異なる電圧を選択的に印加する旨を述べているが、これはシールドクリーニング中に行われるものである。Ｃｌａｒｋｅによる米国特許第５，１３５，６３４号明細書にはシールドについての開示があるが、これは、本発明のシールドとは相当に異なる形状で別の目的を果たすものであると認められる。しかしながら、この米国特許第５，１３５，６３４号明細書には、電子を吸引し、正イオンをウェハの方に漏斗状に通すようシールドに正のバイアスをかけることが記載されている。
【０００９】
Ｇｅｇｅｎｗａｒｔによる米国特許第５，３３４，２９８号明細書は、電気的に浮遊した暗黒部（dark-space）シールドについて開示している。この暗黒部シールドは、ターゲット以外の構成部材がイオン化されたアルゴン原子によりスパッタされないように、ターゲットとほぼ同一の高さで且つターゲットの背面側に配置されている。しかし、それは、ターゲットの前面とチャンバ壁との間に介在された保護シールドとしては機能しないものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、より低圧でプラズマ反応装置、特にＰＶＤ（物理的気相堆積用）反応装置を稼働することが望まれている。従って、電子の接地効果を減じるように保護シールドの設計構造を改良することが望まれている。その一方、その設計構造については単純でなければならないという要請もある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、簡単には、電気的に浮遊しているプラズマ反応装置内の保護シールドということができる。これにより、シールドはプラズマから幾らかの電子を集め、その結果、付加的な電子については反跳させ始めるに十分なほど負に荷電される。シールドは２つの部分、すなわち電気的に浮遊したターゲットに近い部分と、接地されているターゲットから遠い部分とから形成してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２に示すＰＶＤブラズマ反応装置１０は、本発明の保護シールドの一実施形態を備えている。ターゲット１２に隣接して配置されているシールド３０は、電気的に浮遊した状態にされている。任意的ではあるが、基板１６の近傍に配置されている第２のシールド３２は従来と同様に接地されている。浮遊シールド３０は、単独で、或は接地シールド３２と共に、ターゲット１２と、チャンバ壁１４の全てではないにしてもその大部分との間に配置されており、それがスパッタ堆積されるのを防止している。好ましくは、下側の接地シールド３２の径は上側の浮遊シールド３０よりも大きく、２つのシールド３０，３２は軸方向において重なり合いバッフル構造を形成している。
【００１３】
プラズマ反応装置１０の稼働中、浮遊シールド３０は最初はゼロ電位であり、プラズマから幾らかの電子を集める。これらの電子は、浮遊シールド３０から漏出する電流経路を有していない。その結果として、電子は浮遊シールド３０に帯電し、負の電位が大きくなり始める。負の電位の値が大きくなるにつれて、浮遊シールド３０は徐々に電子を強く反発し始める。やがて平衡状態に達し、それ以上の電子がプラズマから浮遊シールド３０に引かれることはなくなる。本発明者らは、浮遊シールド３０が、ガス流に応じて変動する約−２０Ｖ〜約−１２０Ｖと、ターゲット電圧との間の安定状態の電圧になることを見いだした。
【００１４】
浮遊シールド３０は、チャンバ壁１４が堆積を受けないようにするという従来一般の接地シールドと同じ目的を果たす。浮遊シールド３０が非常に厚いスパッタ材料の層で被覆された場合、それは取り外され、新規の浮遊シールドと交換され得る。この交換は、電気的な接続がないことにより、容易に行うことができる。従来の接地シールドと同様に、この浮遊シールド３０はクリーニングされ再使用され得る。或はまた、使捨てとすることも考えられる。
【００１５】
図３は、本発明による浮遊シールド３０を有するＰＶＤ反応装置１０の一部を示す拡大断面図である。ＰＶＤターゲット１２は、ターゲット・バッキングプレート４０に固定されている。このバッキングプレート４０の裏面側には、図示しないが、走査型磁石とチャンバカバーとが配置されている。第１のＯリング４２は、ターゲット・バッキングプレート４０と絶縁体２６との間の真空シールを構成し、第２のＯリング４８は、チャンバ壁１４の一部を形成する壁アダプタ５０と絶縁体２６との間の真空シールを保っている。環状の棚部５２が真空チャンバ内に径方向内方に延びている。接地シールド３２は、アルミニウムやステンレス鋼のような金属から通常作られており、その上端に、外方に延びるリム５６と下方に延びるスカート５４とを有している。リム５６は、壁アダプタ５０の棚部５２上で支持され、接地されるようねじ（図示せず）により該棚部５２に電気的に接続されている。従って、接地シールド３２は、壁アダプタ５０と下部チャンバ壁１４の他の部分をＰＶＤ粒子束から保護している。
【００１６】
接地シールド３２のリム５６の上部には、環状の絶縁性のセラミックスペーサ６０が載置されており、このスペーサ６０は、ステンレス鋼からなる環状の浮遊シールド３０を支持している。浮遊シールド３０は、チャンバ絶縁体２６と接触しないように寸法決めされている。より詳細には、浮遊シールド３０は、セラミックスペーサ６０に載置された下部ノブ部６４と上端部６２とを有しており、これらの部分６２，６４は、上端部６２がチャンバ絶縁体２６に接した場合であっても下部ノブ部６４は壁アダプタ５０に接触しないように、寸法決めされている。浮遊シールド３０とセラミックスペーサ６０とは電流の経路を構成しておらず、しっかりと締結されるのではなく、重力により保持されているが、絶縁性の固定手段が浮遊シールド３０を所定の位置にしっかりと配置するのに用いられてもよい。浮遊シールド３０の上端部６２は、チャンバ絶縁体２６がスパッタ被覆されないように、ターゲット１２の前面よりも後側の位置まで上方に延びている。浮遊シールド３０とターゲット１２との間にはギャップ６６が維持されており、浮遊シールド３０と接地シールド３２との間にもギャップ６８が維持されている。このような構成により、浮遊シールド３０は電気的に浮遊した状態とされ、アースに対する電気的導通路は有していない。
【００１７】
浮遊シールド３０は、中実体として形成されており、放電が生じる機会を減じるために、プラズマにさらされるエリアの角部７０は丸められている。また、浮遊シールド３０は、セラミックスペーサ６０を保護するために、接地シールド３２のスカート５８と軸方向に僅かに重なり合う下方に延びるリップ７２を有している。
【００１８】
【実施例】
プラズマを維持できる最低チャンバ圧力を減じるのに浮遊シールドが有効であるか否かを判断するための実験が行われた。ターゲットは１％のシリコンと０．５％の銅を有するアルミニウム合金から作られた。ターゲットと基板との間の間隔は１６０ｍｍで固定し、−６４０Ｖの直流バイアス電圧をターゲットに印加した。その結果、ターゲットの電流は１６Ａであった。チャンバ内へのアルゴンの流量は１１ｓｃｃｍとし、本発明の浮遊シールドを用いて、アルゴンプラズマが維持された。アルゴンの流量を１０ｓｃｃｍに減じると、プラズマは消失した。圧力は、両流量について、バラトロン圧力計（baratron pressure guage）上で約０．４ｍＴｏｒｒであると測定された。バラトロン圧力計は、フルスケールが１００ｍＴｏｒｒであるので、この圧力範囲においては低分解能である。比較のために、図３の浮遊シールド３０が壁アダプタ５０に接続され接地されるよう、絶縁性のセラミックスペーサ６０を金属スペーサに交換した。この比較試験では、アルゴンプラズマは１７ｓｃｃｍのアルゴン流量では維持され、１６ｓｃｃｍでは消失した。チャンバ圧力は０．５〜０．６ｍＴｏｒｒであった。従って、浮遊シールドによって、プラズマを維持する最低チャンバ圧力は、低感度の圧力計での計測で約２７％低減され、高感度の質量流量コントローラによる間接的な計測で３５％低減された。
【００１９】
図４には特性が幅広く示されている。金属製の浮遊シールド３０が接地された場合と電気的に浮遊している場合とで、多数のスパッタリング電力値でプラズマが維持される最小ガス流量が計測された。線８０は、接地された浮遊シールドについての最小ガス流量を示しており、線８２は、電気的に浮遊したシールドについての最小ガス流量を示している。全スパッタリング電力において、接地されたシールドよりも浮遊したシールドの場合にプラズマは低圧で維持できた。なお、チャンバ圧力はガス流量に概ね比例して変化するものと仮定した。
【００２０】
更に、アスペクト比が２．５で幅０．５μｍの穴におけるボトムカバレッジへの圧力の影響を調べる実験を行った。ターゲットと基板との間が約２２０ｍｍである場合、チャンバ圧力が１．７ｍＴｏｒｒから０．５ｍＴｏｒｒに減じられると、ボトムカバレッジは１５％から２３％に改善された。この数値は、平坦な表面に堆積された量に対しての、穴の底面にスパッタされた材料の量をいう。
【００２１】
従って、本発明は、プラズマが維持されるプラズマ反応装置内の最低圧力を減じるのに有効である。この結果として、ボトムカバレッジも改善されることとなる。
【００２２】
本発明はＰＶＤに特に適用され得るものであるが、浮遊シールドは他の型式のプラズマ反応装置、例えばエッチングや化学的気相堆積（ＣＶＤ）に用いられるものにも有効に適用可能である。その場合には、プラズマはやや異なった態様で生ずる。例えば、電極のバイアスを逆にする場合がある。或はまた、ＲＦエネルギをプラズマに誘導結合したり、マイクロ波エネルギを遠隔マイクロ波ソースから供給したり、プラズマを遠隔のプラズマ供給源から供給したりする場合がある。
【００２３】
浮遊シールドの物理的構造は、上述したものとは異なる態様で変更可能である。例えば、浮遊シールドのリップは延ばされて、ペディスタルへと下方に延びるスカートとしてもよい。すなわち、接地シールドは、延長された浮遊シールドにより置換されてもよい。また、浮遊シールドは、ステンレス鋼以外の金属や、プラズマに面する表面が金属で被覆されたセラミックから作られてもよい。実際に、浮遊シールドは、アースへの導通路が必要ないので、絶縁セラミックから全体が作られ得る。しかし、シールド全体をセラミックから形成すると、シールドの色々な部分に様々な量の負の電荷が帯電し、電圧分布が生じてしまう。
【００２４】
シールドに能動的バイアスをかけることにより、より詳細にはチャンバ壁及び他の部分を基準として所定の量だけ負のバイアスをシールドにかけることにより、同じ効果が得られる。しかし、この能動的なバイアスは、真空チャンバを貫通するものを含む付加的な電源や電気接続部を必要とする。これに対して、浮遊シールドに対する効果的な負のバイアスは、電気的な接続がなくとも、受動的に得られるものである。
【００２５】
このように、浮遊シールドは許容チャンバ圧を減じる廉価な手段であり、ＰＶＤの場合には、高アスペクト比の穴についてのボトムカバレッジを向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来一般のシールドを備えるプラズマ反応装置の概略断面図である。
【図２】本発明によるシールドを備えるプラズマ反応装置の概略断面図である。
【図３】本発明によるシールドの一実施形態とプラズマ反応装置の一部を詳細に示す断面図である。
【図４】シールドが接地された場合と浮遊している場合とでのプラズマを維持できる最小ガス流量を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…プラズマ反応装置、１２…ターゲット、１４…チャンバ壁、１６…基板、１８…ペディスタル、２６…絶縁体、３０…浮遊シールド、３２…接地シールド、５０…壁アダプタ、５２…棚部、５４…スカート、５６…リム、６０…セラミックスペーサ、６２…上端部、６４…下部ノブ部、６６，６８…ギャップ、７０…丸められた角部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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