DE10196150T5

DE10196150T5 - Magnetron-Sputtern

Info

Publication number: DE10196150T5
Application number: DE10196150T
Authority: DE
Inventors: Carsten Goergens; Stephen Robert Ebbw Vale Burgess
Original assignee: Aviza Europe Ltd
Current assignee: SPP Process Technology Systems UK Ltd
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: US20040099524A1; CN1436361A; TWI296813B; GB2377228A; CN100437886C; WO2002011176A1; GB2377228B; GB2377228C; GB0224233D0; AU2001272643A1; DE10196150B4; US7378001B2

Abstract

Magnetron-Sputtervorrichtung, folgendes umfassend:
ein Target;
eine Magnetronanordnung für das Target, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß diese eine gleichmäßige Erosion des Targets über seine Oberfläche erzeugt; und
einen Träger zum Halten eines Substrates auf dem eine dünne Schicht aus Targetwerkstoff von dem Target abgelagert werden soll,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zusätzlich folgendes umfaßt:
eine geschlossene Magnetanordnung, welche um einen Umfang des Sputtertargets herum angeordnet ist, zum magnetischen Einschließen oder Begrenzen eines Plasmas, welches benachbart zur Targetoberfläche ausgebildet ist, zum Verändern des Erosionsmusters des Targets, und
eine Steuerung zum wahlweise Freigeben der Ausbreitung des Plasmas über im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Targets derart, daß die Oberfläche desselben erodiert wird, und zum wahlweise Einschließen des Plasmas innerhalb des Umfangs des Targets.

Description

In dem für Lai erteilten US Patent Nr. 5 593 551 , dessen Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Magnetron-Sputtern beschrieben, wobei zum Erzeugen eines geschlossenen magnetischen Tunnels auf der Vorderseite eines Sputtertargets eine erste geschlossene Magnetvorrichtung benachbart zu einer Rückseite des tellerförmigen Targets angeordnet ist, wobei die Magnetvorrichtung aus mehreren Magneten ausgebildet ist, die um eine Mittelachse eines tellerförmigen Sputtertargets herum angeordnet sind, um ein Plasma relativ zum Substrat zu umschließen und zu führen. Die Verbesserung betrifft eine zweite geschlossene Magnetvorrichtung, welche um den Umfang des Sputtertargets herum angeordnet ist und welche mehrere Kompensationsmagnete aufweist, die Permanentmagnete oder Elektromagnete sein können, die zusammenwirkend ein festes Feld um das Sputtertarget herum zur Verfügung stellen, wodurch das Aufweiten des Ableitweges des Plasmas hinter der Kante des Targets bei vermindertem Betriebsdruck des Sputter-Systems reduziert oder verhindert ist.
Die zweite geschlossene Magnetvorrichtung löst das Problem, daß die Spannung, bei der ein Magnetron arbeitet, primär eine Funktion der Leichte der Ionisation ist. Dies ist wiederum eine Funktion des Gases, seines Druckes, der angelegten Spannung, der Stärke des magnetischen Feldes und der Ionisationsverluste des Plasmas. Mit fallendem Druck steigt die Betriebsspannung bis praktische Grenzen erreicht werden, beispielsweise der Energieversorgung oder der elektrischen Anschlüsse zum Target. Extrem hohe Spannungen sind unerwünscht, da diese dazu führen, daß das Plasma höherenergetische, elektromagnetische Wellen emittiert, welche potentiell gefährlich sind. Daher wurde die Arbeit darauf konzentriert, Verluste des Plasmas zu reduzieren, beispielsweise durch Betreiben des Plasmas in einem abgeschlossen Bereich, der von einer Kompensationsanordnung umschlossen ist, wie in dem '551-Patent. Dies erlaubt einen Betrieb des Magnetrons bei Drücken von 0,1 mT bis 1 mT. Dieser Niederdruckbetrieb ist als Mittel zur Verbesserung der Stufenüberdeckung vorteilhaft.
Der Aufbau dieses Systems und Verfahrens zum Sputtern hat den Nachteil, daß aufgrund des Einschlusses des primären Magnetfeldes durch das sekundäre Magnetfeld am Umfang des Targets wenig oder keine Erosion des Targetwerkstoffes auftritt. Als Konsequenz kann es dazu kommen, daß der Umfang des Targets durch Ablagerungen von zurückgestreutem, erodiertem Werkstoff, wie Atomen oder Molekülen, kontaminiert sein kann. Dieser wieder abgelagerte Werkstoff haftet nicht besonders gut an dem ansonsten reinen Umfang des Targets und kann nachfolgend abblättern und das Substrat kontaminieren, auf das eine dünne Schicht des Werkstoffes aufgebracht wird oder werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es durch Ersetzen der permanenten Kompensationsanordnung gemäß dem Stand der Technik, welche im wesentlichen ein festes, senkrecht zum Erosionsbereich ausgerichtetes Magnetfeld zur Verfügung stellt, mit steuerbaren Gleichstromspulen, die benachbart aber außerhalb des Umfangs der Targetanordnung angeordnet sind, möglich ist, das magnetische Feld durch Verwendung geeigneter Schaltkreise und Steuerschaltungen zu variieren, um die vorangehend erläuterten Nachteile zu lindern und das gesamte Target zu "säubern", bevor ein neuer Prozeß zum Auftrage einer dünnen Schicht begonnen wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Magnetron-Sputtervorrichtung zur Verfügung gestellt, die folgendes umfaßt:
ein Target;
eine Magnetronanordnung für das Target, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß diese eine gleichmäßige Erosion des Targets über seine Oberfläche erzeugt; und
einen Träger zum Halten eines Substrates auf dem eine dünne Schicht aus Targetwerkstoff von dem Target abgelagert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich folgendes umfaßt:
eine geschlossene Magnetanordnung, welche um einen Umfang des Sputtertargets herum angeordnet ist, zum magnetischen Einschließen oder Begrenzen eines Plasmas, welches benachbart zur Targetoberfläche ausgebildet ist, zum Verändern des Erosionsmusters des Targets, und
eine Steuerung zum selektiven Freigeben der Ausbreitung des Plasmas über im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Targets derart, daß die Oberfläche desselben erodiert werden kann, und zum selektiven Einschließen des Plasmas innerhalb des Umfangs des Targets.
Magetronvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik wurden dahingehend entwickelt, daß diese eine gute, gleichmäßige Erosion des Targets zur Verfügung stellen, aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben vorzugsweise eine Erosion während das Ablagerung, wobei die Vorrichtung zusätzlich im normalen Reinigungsmodus betrieben werden kann. Mit dieser Anordnung ist es bei einer erfindungsgemäßen Sputtervorrichtung möglich, die Targetoberfläche in Intervallen zwischen Schritten zur Ablagerung von Targetwerkstoff auf einem gewünschten Substrat, wie beispielsweise einem Wafer, zu reinigen. Dies stellt sicher, daß sich keine Schichten oder Abblätterungen von zurück gestreutem, abgelagertem Targetwerkstoff auf dem Target selbst aufbauen, um danach beispielsweise abzublättern und den Wafer zu kontaminieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Magnetron-Sputtern eines Targets unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt, selektives Verändern oder eliminieren des magnetischen Feldes, welches durch die Spulen erzeugt wird, wodurch es dem Plasma ermöglicht wird, die gesamte Oberfläche des Targetwerkstoffes zu erodieren, wenn ein zu beschichtender Substratwerkstoff nicht den gesputterten Partikeln ausgesetzt ist, um dadurch einen Aufbau von unerwünschten Schichten oder Abblätterungen auf dem Targetwerkstoff um den Umfang desselben herum zu verhindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Sputterablagerung auf einem Substrat ohne Kollimationsfilter zur Verfügung, wobei während der Sputterablagerung das Plasma mittels einer radial umgebenden Spule auf ei nen mittleren Bereich des Targets begrenzt wird, und Anwenden eines magnetischen Einschlußfeldes um einen Raum oberhalb eines Trägers für das zu sputernde Substrat herum.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern einer Magnetron-Sputtervorrichtung mit einem Target mit Sputteroberfläche zur Verfügung gestellt, wobei der Magnet der Magnetronanordnung bezüglich des Targets bewegbar ist und einen Plasmagenerator sowie eine Plasmaeinschlußanordnung aufweist, wobei die Plasmaeinschlußanordnung in einem ersten, reinigenden Modus betrieben wird, wobei sich das Plasma über im wesentlichen die gesamte Sputteroberfläche erstreckt, und in einem zweiten, ablagernden Modus betrieben wird, wenn das Plasma innerhalb des Umfangs der Sputteroberfläche eingeschlossen ist, und Anwenden eines magnetischen Einschlußfeldes um einen Raum oberhalb eines Trägers für das zu sputernde Substrat herum.
Es hat sich herausgestellt, daß die Möglichkeit, das Plasma benachbart zu einem eingeschränkten Bereich des Targets einzuschließen, eine Winkelverteilung des Sputterwerkstoffes verringert und insbesondere in Kammern mit großer Entfernung zwischen Target und Substrat (sogen. 'Weitwurf-Kammern) die Notwendigkeit einer Kollimators selbst bei Löchern mit großem Längenverhältnis nicht mehr gegeben ist.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in
1 das Innere einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sputterkammer in schematischer, teilweise geschnittener Ansicht,
2 einen ausgewählten Abschnitt des von durch Plasma, welches durch die zweite Magnetvorrichtung eingeschlossen ist, teilweise erodiertem Targetwerkstoffes der Vorrichtung gemäß 1 in schematischer Schnittansicht,
3 eine gemäß 2 analoge Ansicht, wobei jedoch die gesamte Oberfläche einer Seite des Targetwerkstoffes erodiert wurde,
4 eine alternative Ausführungsform mit einer zusätzlichen Magnetanordnung in schematischer Schnittansicht,
5(a) und 5(b) Elektronenmikroskopaufnahmen jeweils von der Mitte und der Kante eines Wafers, welcher gemäß Experiment 1 behandelt wurde,
6(a) und 6(b) entsprechende Elektronenmikroskopaufnahmen für Experiment 2,
7(a) und 7(b) entsprechende Elektronenmikroskopaufnahmen für die erste Ausführungsform in Experiment 3,
8 eine grafische Darstellung einer Basisabdeckung über Gasdruck mit eingeschalteter Targetspule,
9 eine grafische Darstellung analog 8 mit ausgeschalteter Targetspule,
10 und 11 weitere grafische Darstellungen für unterschiedliche Vorspannungsbedingungen jeweils an der Mitte und Kante.
1 zeigt eine drehbare Magnetronanordnung, welche im wesentlichen mit 1 bezeichnet ist, mit einer geschlossenen Anordnung von Magneten, die zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Volumen zwischen der Vorderseite 2a eines Targets 2, welches typischerweise Titan ist, und einer Oberseite 3a eines Substrates 3, welches typischerweise ein Halbleiterwafer oder isolierender Wafer ist, dient.
Das Target 2 und das Substrat 3 sind beide innerhalb eines Niederdruckvakuumbehälters in Form einer Kammer 4 angeordnet, durch die ein Edelgas, wie beispielsweise Argon, über ein Einlaßventil 5 und ein Auslaßventil 6 von einem entsprechenden Speicher einer Gasquelle 7 zu einer Vakuumpumpe 8, typischerweise einer Kryogenpumpe, strömt.
In einer Seitenwand der Kammer 4 ist schematisch eine Zugangsluke 9 dargestellt, die einen Zugang zum Innenraum der Kammer 4 erlaubt und insbesondere zum Entfernen eines Substrates 3 in regelmäßigen Abständen dient, auf dem eine dünne Schicht des Werkstoffes des Targets 2 aufgrund von Sputtern des letzteren mittels Ionenbeschuß in bekannter Weise kondensierte.
Kontinuierlich gewundene DC-Spulen 10 umgeben die Magnetronanordnung 1 und liegen im wesentlichen koplanar mit der Hauptebene des Targets 2. Wie ersichtlich, können die DC-Spulen 10 effektiv als Elektromagnete wirken, wenn diese mit einem Gleichstrom erregt werden, um dadurch ein zusätzliches Magnetfeld zu erzeugen, wie mit gestrichelten Linien angedeutet, welches die Magnetronanordnung 1 umgibt, wodurch sich eine Kompensationsanordnung mit einwärts gerichteten, identischen Polen ergibt.
Zum selektiven Verändern der Stärke des von den Spulen 10 erzeugten Magnetfeldes ist eine Steuerung 10a vorgesehen, welche entsprechende Schaltmittel und zugeordnete Software aufweist, im Gegensatz zur im wesentlichen festen Feldanordnung gemäß dem '551 Patent. Dies hat einen erheblichen Vorteil, da vor dem Einführen eines Substrates in die Kammer 3 die Erregung der DC-Spulen 10 variiert werden kann, um einen räumlich breiteren Einschluß des umgebenden Plasmas derart zu erzeugen, daß die gesamte Oberfläche 2a des Targets 2 einer dieses reinigenden Sputterätzung ausgesetzt ist. Danach kann das Substrat 3 in die Kammer eingeführt, die Luke 9 geschlossen und eine kleinere, das Plasma einschließende "Wanne" verwendet, indem die Energiezuführung der DC-Spulen 10 in geeigneter Weise eingestellt wird.
Die von den Spulen 10 erzeugte Feldintensität kann durch einfache Reduktion der Bestromung bzw. Erregung dieser Spulen 10 in dem Intervall zwischen der Abla gerung einer dünnen Schicht auf einem gewünschten Substrat 3 variiert oder vollständig eliminiert werden. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 und 3 demonstriert. 2 zeigt ein Ätzmuster des Targets 2, wenn die DC-Spulen 10 in einem Zustand gehalten werden, bei dem das Plasma eng zusammen gehalten ist, d. h. wenn die Spulen 10 ein maximales Magnetfeld erzeugen. Es zeigt sich, daß sich in der Vorrichtung gemäß dem '551 Patent ein ringförmiger Umfang 2b aus wieder abgelagertem Targetwerkstoff in Form von Abblätterungen aufbaut.
Im Gegensatz dazu und wie aus 3 ersichtlich, wird die gesamte Oberfläche 2a des Targets 2 gereinigt, wenn das von den Spulen 10 erzeugte Magnetfeld derart variiert wird, daß die gesamte Oberfläche 2a des Targets 2 dem Ionenbeschuß ausgesetzt ist.
Eine Variation des Magnetfeldes der DC-Spulen 10 kann auch dadurch erreicht werden, daß der Stromfluß umgekehrt wird, wodurch ein umgekehrtes Feld erzeugt wird.
Die von der vorliegenden Erfindung ermöglichte Reinigung wird vorzugsweise bei höherem Druck von typischerweise 1 mT bis 10 mT ausgeführt, da es, wie zuvor bereits erläutert, Schwierigkeiten beim Betrieb des Magnetrons bei niedrigen Drücken gibt.
Ein Beispiel für die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens findet sich dort, wo Titan und Titannitrid als Barriereschicht auf einem Substrat abgelagert werden sollen. Aus Ökonomischen Gründen ist es vorteilhaft sowohl das Titan als auch das Titannitrid in der selben Prozeßkammer abzulagern und es ist übliche Praxis, das Titan durch Sputtern in einer inerten Umgebungsatmosphäre, wie beispielsweise Argon, abzulagern und das Titannitrid in einer reaktiven Umgebungsatmosphäre mit Stickstoff abzulagern. Bei dieser Technik ist es erforderlich, das Target nach jeder Ablagerung von Titannitrid zu reinigen um Stickstoffverunreinigungen von dessen Oberfläche zu entfernen. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens steht eine sehr komfortable Möglichkeit der zusätzlichen Reinigung der Kante des Targets zur Verfügung, indem das von den DC-Spulen 10 erzeugte Magnetfeld reduziert, entfernt oder umgepolt wird. Ein typischer Verfahrensablauf umfaßt folgende Schritte:

(1) Ablagern von Titan bei niedrigem Druck unter einem hohen magnetischen "Kompensations"-Feld, welches von den externen DC-Spulen 10 erzeugt wird.
(2) Verwenden eines von den DC-Spulen 10 erzeugten, ebenfalls hohen Magnetfeldes beim Ablagern von Titannitrid.
(3) Entfernen, Reduzieren oder Umpolen des von den DC-Spulen 10 erzeugten Magnetfeldes zum Reinigen der gesamten Targetoberfläche 2a, nachdem das Substrat 3 entfernt oder vor weiterer Ablagerung geschützt wurde, beispielsweise mittels eines Shutters, der auch als Kollektor für den sputtergereinigte Targetwerkstoff dienen kann.

Es versteht sich, daß dieselbe oben erläuterte Sequenz auch bei der Ablagerung anderer Kombinationen Metall/Metallnitrid verwendet werden kann, ohne dabei vom Kern oder Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die obigen Ergebnisse zeigen, daß die 'Target'-Spule eine Basis- bzw. Bodenabdeckung verbessert und es hat sich herausgestellt, daß dies durch hinzufügen einer weiteren Spule zusätzlich verbessert werden kann, wie in 4 dargestellt. Die zusätzliche Plattenspule 11 ist zwischen dem Target und dem Wafer angeordnet, jedoch unterhalb der'Target'-Spule 10.
Bevor diese Anordnung im Detail beschrieben wird, ist es hilfreich, einige grundlegende Erklärungen zu geben. Sputtern einer sogenannten 'Stufenabdeckung' ist wegen des höheren Energieniveaus das ankommenden Werkstoffes und der Möglichkeit von großflächigen Quellen nahe des Substrates, was zu einer weiten Winkelverteilung des ankommenden Targetwerkstoffes führt, besser als thermisches Aufdampfen. Heizen des Substrates verbessert dies weiter. Idealerweise ist eine konforme Oberflächenabdeckung gewünscht, aber die Löcher stellen ein Problem dar, weil der gesamte Werkstoff, der die Seiten und den Boden beschichtet, durch die Öffnung hindurch passieren muß.
Bei der Barriereablagerung sind die einzig interessierenden Oberflächen innerhalb der Löcher. Idealerweise würde nichts auf dem Feld ankommen (eine Unmöglichkeit). Bei Kontaktbarrieren benötigt nur der Boden des Loches eine Beschichtung, da der Kontakt am Boden des Loches angeordnet ist, und mit kleiner werdenden Kontaktlöchern und steigenden Längenverhältnissen würde idealerweise nur noch der Boden beschichtet, was ein größeres Volumen des Loches für den Hauptleiter, welcher einen geringen Widerstand als der Barrierewerkstoff aufweist, übrig läßt.
So wurden Techniken verwendet, die ein gerichtetes Sputtern verbessern und versuchen, dem gesputterten Werkstoff einen Flugweg senkrecht zur Substratoberfläche zu geben, um die Werkstoffablagerung auf dem Boden von Löchern mit hohem Längenverhältnis zu verbessern.
Zwei Haupttechniken werden verwendet: Ionisation und Kollimation. Diese schließen sich nicht gegenseitig aus und Ionisation des gesputterten Werkstoffes wurde in Kombination mit 'Kollimationsfiltern' (was Löcher mit großem Längenverhältnis sind, durch welche gesputterter Werkstoff passieren muß, bevor dieser auf dem Substrat ankommt) verwendet sowie Kollimation, wodurch die Entfernung von Quelle zu Substrat erhöht ist auf beispielsweise etwa 250 mm bis 500 mm (im Vergleich zu 25 mm bei normalem Magnetron-Sputtern). Dieser erhöhte Abstand erlaubt es, daß von der Quelle mit kleinem Winkel ausgehender, gesputterter Werkstoff sich zu den Seitenwänden verliert, so daß nur solcher Werkstoff auf dem Substrat ankommt, der sich im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrates bewegt, so daß sich der Anteil von auf dem Boden der Löcher abgelagerter Werkstoff erhöht (welche im wesentlichen selbst Kollimationsfilter sind).
In der vorliegenden Erfindung kann man sagen, daß Kollimation ohne gegenwärtige Kollimatoren erzielt wird, indem die Quelle des gesputterten Werkstoffes gesteuert wird. Die 'Target'-Spule umschließt das Plasma und reduziert dadurch eine Winkelverteilung des gesputterten Werkstoffes. Ein überraschendes Ergebnis der nachfolgend gezeigten Experimente liegt darin, daß optische Spektroskopie nahelegt, daß Metallionisation erfolgt und dadurch diese Anordnung viel von dem erzielt, was Ionisationsspulen leisten, ohne tatsächlich solche zu verwenden. Je denfalls wird die Boden- oder Basisabdeckung dieses Systems erheblich durch die Vorspannung auf dem Träger beeinflußt.
Eine weitere Gruppe von Experimenten untersuchte den Einfluß von zusätzlichen, elektromagnetischen Spulen auf die Lochbodenabdeckung von gesputterten, dünnen Titanschichten in einer 'Weitwurf'-Magnetron-Sputterkammer mit einem Target-Substrat-Abstand von etwa 240 mm. Der Ausdruck 'Weitwurf bezeichnet hierbei einen Target-Substrat-Abstand von über 200 mm.
Der Aufbau ist in 4 dargestellt. Ein Spulensatz ('Targetspulen") 10 war um das Target herum und in einem oberen Bereich der Sputterkammer angeordnet, wie schematisch aus 1 ersichtlich. Die Polarität des Spulenstromes wurde derart gewählt, daß ein Magnetfeld mit derselben Richtung wie der äußere Pol des Magnetrons ("stärkere äußere Pole") induziert wurde. Dies ermöglicht es der Apparatur bei niedrigen Arbeitsgasdrücken betrieben zu werden, durch Einschließen des Plasmas an der Kante des Targets, was die Plasma-Impedanz absenkt.
Zusätzlich wurde ein zweiter Satz elektromagnetischer Spulen ("Plattenspulen") 11 um den unteren Teil der Sputterkammer herum nahe des Trägers 3 angeordnet. Die beiden Spulensätze wurden unabhängig voneinander unter Verwendung verschiedener Energieversorgungen betrieben. Die Experimente wurden mit derartiger Erregung der Spulen durchgeführt, daß diese unterschiedliche Pole in der Sputterkammer erzeugten. Eine im allgemeineren erheblich verbesserte Basisabdeckung wurde dann erreicht, wenn die magnetische Polarität sowohl der Targetspule als auch der Plattenspule gegensätzlich zur den äußeren Polen des Targetmagnetrons war (in einer 'kompensierenden' Konfiguration), wie in Experiment 3 dargestellt. Wenn beispielsweise das Magnetron seinem äußeren Umfang einen Nordpol präsentierte, dann wurden die Spulen derart erregt, daß diese einen Nordpol an ihrer Innenseite präsentierten. Eine verbesserte Symmetrie der Basisabdeckung über den Wafer wurde damit erzielt, daß in Experiment 4 das Magnetfeld der Plattenspule(n) 11 umgekehrt wurde (so daß diese dem äußeren Feld des Magnetrons ein umgekehrtes Magnetfeld präsentieren); jedoch verringerte sich die Dicke der Basisabdeckung.

Kathodenleistung, Sputtergasdruck und Ablagerungstemperatur wurden konstant gehalten, während die Vorspannungsleistung der Platten und die Spulenströme variiert wurden. Die Eigenschaften der untersuchten dünnen Schichten sind die Basisabdeckung (in der Mitte und am Rand bzw. an der Kante des Wafers) und die Asymmetrie der Basisabdeckung (über den Wafer und innerhalb eines Kontakloches). 1. Experimentelle Prozeßparameter:

Target Leitung:	30 kW
Gasfluß Ar:	100 sccm
Druck:	2,5 mTorr
Plattentemp.:	200°C
Größe der Kontaktlöcher:	2,5 μm, Längenverhältnis: 2,7 : 1

2. Ergebnisse und Schlußfolgerungen: Experiment 1.

Targetspulenstrom =	0 A
Plattenspulenstrom =	0 A
Plattenvorspannung =	–105 V
Sputtereffizienz =	77 Å kW^–1 min^–1
Basisabdeckung Mitte =	26%
Basisabdeckung Kante, Durchschnitt =	25%
Asymmetrie der Basisabdeckung über den Wafer
(max – min)/(max + min) =	4%
Asymmetrie der Basisabdeckung innerhalb eines
Kontaktes (max – min)/(max + min) =	4%

Die erzielte Basisabdeckung ist in der Elektronenmikroskopaufnahme gemäß 5 dargestellt. Experiment 2.

Targetspulenstrom =	170 A
Plattenspulenstrom =	0 A
Plattenvorspannung =	–105 V
Sputtereffizienz =	45 Å kW^–1 min^–1
Basisabdeckung Mitte =	63%
Basisabdeckung Kante, Durchschnitt =	51%
Asymmetrie der Basisabdeckung über den Wafer
(max – min)/(max + min) =	19%
Asymmetrie der Basisabdeckung innerhalb eines	15%
Kontaktes (max – min)/(max + min) =

Die erzielte Basisabdeckung ist in der Elektronenmikroskopaufnahme gemäß 6 dargestellt.
Experiment
Die erzielte Basisabdeckung ist in der Elektronenmikroskopaufnahme gemäß 7 dargestellt.
Das Experiment 4 mit umgekehrtem Magnetfeld, bei dem lediglich das Feld der Plattenspulen umgekehrt ist, ist nicht vollständig vergleichbar. Das System weist eine Leistungssteuerung für die Substratvorspannung auf, jedoch ist das Sputtern durch die Spannung und nicht den Strom angetrieben. Alles über 100 V verursacht erhebliches Resputtern bzw. zurück Sputtern, wobei u. U. Resputtern des Werkstoffes von dem Boden der Löcher auf die Seitenwände erfolgt. (Es sind hier keine Elektronenmikroskopaufnahme für das umgekehrte Magnetfeld dargestellt).
Experiment
Wieder sind auch diese Experimente und insbesondere das Experiment mit umgekehrtem Magnetfeld nicht vollständig vergleichbar. Das System weist eine Leistungssteuerung für die Substratvorspannung auf, jedoch ist das Sputtern durch die Spannung und nicht den Strom angetrieben. Alles über 100 V verursacht erhebliches Resputtern bzw. zurück Sputtern, wobei u. U. Resputtern des Werkstoffes von dem Boden der Löcher auf die Seitenwände erfolgt. (Es sind hier keine Elektronenmikroskopaufnahme für das umgekehrte Magnetfeld dargestellt). Weitere Experimente erfordern das Halten der Vorspannung auf einen ≤ –100 V-Schwellwert.
Es ergibt sich unmittelbar anschaulich aus einem Vergleich von 5 und 6, daß die zusätzlichen 'Target'-Spulen die Basisabdeckung der gesputterten, dünnen Schichten sowohl in der Mitte als auch an der Kante des Wafers um mehr als 50 % verbessern.
Ein Nachteil ist jedoch die 3- bis 4-fache Erhöhung in der Asymmetrie der Basisabdeckung über den Wafer und innerhalb eines Kontakloches. Diese Erhöhung der Asymmetrie kann jedoch durch die zusätzlichen Plattenspulen 11 (4) erheblich reduziert werden. Diese 'Platten'-Spulen 11 erhöhen sowohl die Gleichförmigkeit (reduzierte Asymmetrie) als auch die Dichte des nahezu senkrecht zur Substratoberfläche ankommenden Targetwerkstoffes (erhöhte Lochboden- bzw. Lochbasisabdeckung). Das Umkehren des Magnetpoles der Plattenspule 11 erhöht zusätzlich die Symmetrie über den Wafer, jedoch bei reduzierter Basisabdeckung.
Es ist auch zu bemerken, daß die Sputtereffizienz fällt, wenn die 'Target'-Magnetspulen verwendet werden. Dies ist ein Maß für die durchschnittliche Werkstoffdicke auf dem Wafer pro Targetkilowatt der Leistung und pro Minute. Es könnte sein, daß die Einschließung des Targetplasmas (von vergleichbarer Leistung) auf einen kleineren Bereich die Dichte des Plasmas ausreichend erhöht, um die Ionisation des gesputterten Werkstoffes erheblich zu erhöhen, jedoch auf Kosten einer reduzierten Sputterrate aufgrund der Reduktion des Erosionsbereiches auf dem Target aufgrund des reduzierten Bereiches des Targets, der dem Plasma ausgesetzt ist. Dadurch wird weniger Targetwerkstoff gesputtert, jedoch auf einem höheren Energieniveau.
Wie zuvor erwähnt, nimmt man an, daß als Folge dieser neuen Anordnung eine Metallionisation stattfindet. Während es wünschenswert erscheint, einen Teil des gesputterten Werkstoffes zu ionisieren, ist eine vollständige Ionisation üblicherweise nicht geeignet.
Der Beweis hierfür lautet wie folgt:
Die Verbesserung der Basisabdeckung ist Unempfindlichkeit bzgl. Gasdruck. Während Anschalten der Vorspannung bei 1 mTorr eine ähnliche prozentuale Verbesserung in beiden Fällen zeigt, scheint es, daß die Tatsache der Druckunabhängigkeit der Verbesserung durch das Einschalten der Vorspannung zeigt, daß ein erheblicher Grad an Metallionisation auftritt. Dies ist äußerst ungewöhnlich für Magnetrons, von denen im allgemeinen angenommen wird, daß diese einen unerheblichen Anteil von Metallionen erzeugen, weshalb üblicherweise ionisierende HF-Spulen benötigt werden.
Es scheint, daß durch Einschließen des Plasmas und Anwenden hoher Leistungsniveaus auf das Magnetron bei den 'richtigen' Druckverhältnissen, Metallionisation ohne eine separate Ionisationsquelle verursacht wird. Die zusätzliche Spule 11 zwischen der 'Target'-Spule 10 und dem Substrat 3 verbessert zusätzlich die Basisabdeckung und die Symmetrie der Basisabdeckung über einen Wafer. Während diese in der dargestellten Ausführungsform als zwei separate DC-Spulenanordnungen ausgebildet sind, kann auch eine einzige Spulenanordnung mit variierender Windungsdichte verwendet werden, um einen magnetischen Feldstärkegradienten zwischen dem Targetbereich und dem Substratbereich der Kammer zur Verfügung zu stellen. Die Experimente scheinen zu zeigen, daß nur bei hohen Leistungsniveaus des Magnetrons eine Metallionisation auftritt. Bei niedrigeren Leistungsniveaus des Magnetrons ist die Basisabdeckung schlechter, vgl. 10 (Mitte) und 11 (Kante). Diese Experimente wurden nur mit erregter Targetspule ausgeführt. Sie zeigen den Einfluß auf die Lochbodenabdeckung des Wafers aufgetragen über den Druck bei zwei verschiedenen Leistungsniveaus des Targets, 30 kW und 8 kW. Es ist ersichtlich, daß bei 30 kW Targetleistung, was als 'Hoch'-Leistungsniveau zu betrachten ist, die Wafervorspannung einen erheblichen Effekt hat, während bei 'niedriger' Targetleistung die Vorspannung keinen signifikanten Effekt zeigt, wobei die Unterschiede als innerhalb des Meßfehlers liegend betrachtet werden.
Das in allen Experimenten berücksichtigte Magnetrontarget hat einen Durchmesser von 30 mm, eine konventionelle Größe für 200 mm Wafer, sowie eine konventionelle Magnetbewegungsanordnung, was bedeutet, daß ein Erosionspfad be nachbart zur magnetischen Rennbahn vorhanden ist, was zu einer ungleichmäßigen Plasmadichte über die Targetoberfläche führt.
Zusammenfassung
(zu veröffentlichen mit 1)
Eine Magnetron-Sputtervorrichtung umfaßt eine Steuerung (10a) zum wahlweise Freigeben der Ausbreitung des Plasmas auf dem Substrat (3) auf einem Träger (12). Die Steuerung kann das Plasma einschließen, wenn Targetwerkstoff auf dem Substrat abgelagert wird. Dies ermöglicht eine Reinigung der Targetoberfläche während Zeitabschnitten zwischen der Ablagerung von Targetwerkstoff auf einem Substrat, wie beispielsweise einem Wafer, und stellt sicher, daß zurück gestreuter Targetwerkstoff keine Schichten oder Abblätterungen auf dem Target selbst aufbaut. Zwischen dem Magnetron und dem Träger ist eine Plattenspule angeordnet, welche sowohl die Gleichmäßigkeit als auch Dichte des nahezu rechtwinklig auf der Substratoberfläche ankommenden Targetwerkstoffes verbessert.

Claims

Magnetron-Sputtervorrichtung, folgendes umfassend: ein Target; eine Magnetronanordnung für das Target, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß diese eine gleichmäßige Erosion des Targets über seine Oberfläche erzeugt; und einen Träger zum Halten eines Substrates auf dem eine dünne Schicht aus Targetwerkstoff von dem Target abgelagert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich folgendes umfaßt: eine geschlossene Magnetanordnung, welche um einen Umfang des Sputtertargets herum angeordnet ist, zum magnetischen Einschließen oder Begrenzen eines Plasmas, welches benachbart zur Targetoberfläche ausgebildet ist, zum Verändern des Erosionsmusters des Targets, und eine Steuerung zum wahlweise Freigeben der Ausbreitung des Plasmas über im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Targets derart, daß die Oberfläche desselben erodiert wird, und zum wahlweise Einschließen des Plasmas innerhalb des Umfangs des Targets.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Magnetanordnung vorgesehen und derart angeordnet ist, daß diese einen Raum oberhalb des Trägers umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung wahlweise die Ausbreitung des Plasmas freigibt, wenn ein auf dem Träger angeordnetes Substrat von dem Plasma abgeschirmt ist oder bevor ein Substrat auf dem Träger angeordnet ist, oder ein Einschließen des Plasmas auswählt, wenn ein Substrat mit dem Targetwerkstoff zu beschichten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Magnetanordnung eine niedrigere Stärke aufweist, als die bewegliche, geschlossene Magnetanordnung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnungen getrennte Steuerungen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Magnetanordnungen in einer Kompensationsanordnung bzgl. des Targetmagnetrons ausgebildet ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Magnetanordnung der geschlossenen Magnetanordnung elektromagnetische DC-Spulen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetumfang innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet ist und die zweite Magnetanordnung der geschlossenen Magnetanordnung extern bzgl. der Vakuumkammer angeordnete Spulen umfaßt.
Verfahren zum Steuern einer Magnetron-Sputtervorrichtung mit einem Target mit Sputteroberfläche, wobei der Magnet der Magnetronanordnung bezüglich des Targets bewegbar ist und einen Plasmagenerator sowie eine Plasmaeinschlußanordnung aufweist, mit folgenden Schritten: Betreiben der Plasmaeinschlußanordnung in einem ersten, reinigenden Modus, wobei sich das Plasma über im wesentlichen die gesamte Sputteroberfläche erstreckt, und in einem zweiten, ablagernden Modus, bei dem das Plasma innerhalb des Umfangs der Sputteroberfläche eingeschlossen ist, und Anwenden eines magnetischen Einschlußfeldes um einen Raum oberhalb eines Trägers für das zu sputternde Substrat herum.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaeinschlußanordnung aus mehreren DC-Elektromagneten ausgebildet ist, die in einer Kompensationsanordnung angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung den ersten Modus vor oder zwischen Ablagerungsschritten wählt und einen zweiten Modus während Ablagerungsschritten wählt.
Verfahren zur Sputterablagerung auf einem Substrat ohne Kollimationsfilter, wobei während der Sputterablagerung das Plasma mittels einer radial umgebenden Spule auf einen mittleren Bereich des Targets begrenzt wird, und Anwenden eines magnetischen Einschlußfeldes um einen Raum oberhalb eines Trägers für das zu sputernde Substrat herum.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieses in einer Weitwurf-Kammer ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß an das Substrat eine Vorspannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieses ohne eine separate Ionisationsspule ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der gesputterte Werkstoff während des Sputterprozesses wenigstens teilweise ionisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Reinigen des Targets dem Plasma eine Ausbreitung über den Mittelbereich des Targets erlaubt wird, wenn keine Ablagerung stattfindet.