DE10392235T5

DE10392235T5 - Vorrichtung zur Plasmabearbeitung

Info

Publication number: DE10392235T5
Application number: DE10392235T
Authority: DE
Inventors: Gordon Robert Green
Original assignee: Aviza Europe Ltd
Current assignee: Aviza Europe Ltd
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2005-07-07
Also published as: WO2003069013A2; TWI282820B; GB2401375A; JP2005517809A; US20030150720A1; WO2003069013A3; AU2003205849A1; TW200302875A; US6709556B2; GB2401375B; GB0416549D0; AU2003205849A8

Abstract

Sputtervorrichtung (10) umfassend:
(a) eine Kammer (13a),
(b) ein Target (11),
(c) einen Werkstückträger (12) mit einer Trägerfläche (12a),
(d) einen Prozessbereich (14) zwischen dem Target (11) und dem Werkstückträger (12),
(e) einen Einlass (24) für ein Prozessgas und
(f) einen Pumpenauslass (27) aus dem Prozessbereich (14) heraus,
wobei der Einlass im Wesentlichen den Träger umgibt, die Vorrichtung einen vom Einlass separaten Pumpenauslass umfasst und der Einlass vom Prozessbereich abgeschirmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Plasmabearbeitung und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Vorrichtungen zum Ablagern mittels Sputtern.
Beim Ablagern mittels Sputtern ist eine gleichmäßige Gasverteilung innerhalb der Kammer wichtig, um einen gleichmäßigen Prozess auf einem Substrat, wie beispielsweise einem Wafer, einer Scheibe oder einer Tafel aus Halbleiterwerkstoff oder isolierendem Werkstoff, zu erzielen. In derartigen Kammern ist im Allgemeinen ein Target gegenüber einem Substrat angeordnet, so dass übliche Mittel zur Gasverteilung, wie beispielsweise Duschköpfe, welche bei der chemischen Dampfabscheidung Anwendung finden, ungeeignet sind. Die meisten Sputterprozesse arbeiten jedoch, verglichen mit der chemischen Dampfabscheidung, bei einem relativ niedrigen Druck, und bei diesen niedrigen Drücken liegt im wesentlichen eine zufällige Bewegung von einzelnen Gasmolekülen innerhalb der Prozesskammer vor, so dass bereits mit sehr einfachen Gaseinlässen, wie beispielsweise einem etwas entfernt von dem Bereich, in dem das Gas benötigt beziehungsweise verbraucht wird, nämlich dem Target/Substrat-Bereich, angeordneten Ein-Punkt-Einlass, ein ausreichender Grad der gleichmäßigen Gasverteilung erzielt wird.
Sputtersysteme weisen jedoch im Allgemeinen aufwändige Abschirmteile auf, die zur Reinigung oder zum Austauschen herausnehmbar sind. Im Ergebnis sind der Gaseinlass und der Pumpenausgang im Allgemeinen unterhalb bzw. hinter der Abschirmung angeordnet, und dementsprechend erreicht ein großer Teil des Gases niemals den Target/Substrat-Bereich, da es abgepumpt wird, bevor die zufällige Bewegung diesen Teil des Gases zu dem Ort der Verwendung transportiert. Dort wo der Prozess nicht-reaktives Sputtern ist, ist dies ein geringes Problem, da das inerte Gas (Edelgas), typischerweise Argon, lediglich als Quelle für Ionen für den Sputterprozesse dient; der Gasfluss und das Pumpen dienen hier in erster Linie zum Entfernen von unerwünschten Kontaminationen. Bei dem reaktiven Sputtern (beispielsweise für hochschmelzende Metallnitride, welche für Barriereschichten auf Halbleitervorrichtungen Verwendung finden) wird ein reaktives Gas, typischerweise Stickstoff, in dem Prozess verbraucht. Hierbei ist die gleichmäßige Gasverteilung von außerordentlicher Bedeutung. Die Anordnung des Gaseinlasses kann zu schlechter Leistungsfähigkeit des Prozesses oder zu unerwünschten Anhäufungen von Stickstoff führen, bei dem es zum Abplatzen beziehungsweise Abblättern kommen kann, was zu entsprechender Teilchenkontamination führt.

US-A-6296747 beschreibt einen Ansatz, welcher dieses Problem lösen soll. Der Gaseinlass 44 und der Pumpenauslass 48 mit hoher Durchsatzkapazität sind vollständig unterhalb des unteren Sputterschildes 90 angeordnet. Das Gas wird durch Zufallsbewegung über den Spalt 34 verteilt. Zusätzliche Zuleitung zu dem Target/Substrat-Bereich wird durch Perforationen 92 in dem Schild 90 zur Verfügung gestellt, welches durch ein weiteres Schild 96 vor dem Plasma geschützt ist. Es ist zu bemerken, dass sowohl der Pumpenauslass zum Abpumpen aus dem Prozessbereich als auch der Gaseinlass zum Prozessbereich durch dieselben Öffnungen ausgebildet ist, d. h. durch den schmalen Spalt 34 und zusätzliche Löcher 92.

JP-1149956 offenbart eine Sputtervorrichtung ohne Schilde mit einem Substrathalter 4, welcher von einem ringförmigen Rohr 15 umgeben ist, welches Einlassöffnungen aufweist, die in regelmäßigen Abständen entlang seines Umfangs herum angeordnet sind. Der Halter 4 umfasst separate Bohrungen 7a, 7b, welche als Auslässe für das Gas verwendet werden. Die Bohrungen und die Pumpe 2a sind jedoch dem Target 3 zugewandt, was dazu führen kann, dass Werkstoff in die Pumpe und Pumpenbohrungen gesputtert wird, wodurch sich die Pumpe und dadurch das in ihr enthaltene Gas aufheizt, was bei Sputtervorrichtungen unerwünscht und unpraktisch ist.

Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die Erfindung eine Sputtervorrichtung, folgendes umfassend:

(a) eine Kammer,
(b) ein Target,
(c) einen Werkstückträger mit einer Trägerfläche,
(d) einen Prozessbereich zwischen dem Target und dem Werkstückträger,
(e) einen Einlass für ein Prozessgas, und
(f) einen Pumpenauslass aus dem Prozessbereich heraus,

dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass im wesentlichen den Träger umgibt, die Vorrichtung einen vom Einlass separaten Pumpenauslass umfasst und der Einlass vom Prozessbereich abgeschirmt ist.

Der Einlass kann dadurch abgeschirmt sein, dass er zwischen einer Wand der Kammer und einem Kammerschild angeordnet ist.

Der Einlass mündet optional oberhalb des Levels der Trägerfläche ein und zusätzlich oder alternativ ist der Einlass durch eine oder mehrere Öffnungen ausgebildet.

In einer bevorzugten Anordnung umfasst die Vorrichtung ferner eine Sammelkammer oder eine Galerie, die im Wesentlichen den Träger umgibt und stromauf des Einlasses angeordnet ist, wobei der Einlass derart ausgebildet ist, dass seine Gasleitfähigkeit geringer, vorzugsweise wesentlich geringer als die Gasleitfähigkeit der Galerie ist. Es ist besonders bevorzugt, dass die Leitfähigkeit des Einlasses über dessen Länge im Wesentlichen konstant ist. Die Gasleitfähigkeit von dem Einlass zu dem Auslass ist typischerweise geringer als die Gasleitfähigkeit von dem Einlass zu dem Prozessbereich.

Es versteht sich, dass bei einer normalen Konfiguration der Träger im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und sich der Einlass und/oder die Galerie im Wesentlichen in Umfangsrichtung um den Träger herum erstreckt. Dementsprechend ist der Einlass beispielsweise als kontinuierlicher Schlitz oder als Serie von Öffnungen gebildet, die sich um den Träger herum erstrecken, wie zuvor erwähnt. Der Pumpenauslass ist beispielsweise ringförmig und vorzugsweise um den Träger herum sowie diesen umgebend ausgebildet.

Vorzugsweise ist die Galerie zwischen einer Wand der Kammer und einem Kammerschild ausgebildet. Das Volumen der Galerie ist bevorzugt durch eine in der Kammerwand ausgebildete Kavität gebildet, das Volumen der Galerie kann jedoch auch teilweise oder vollständig durch die Form des Schildes ausgebildet sein.

Der Einlass ist beispielsweise zwischen einer Wand der Kammer und dem Kammerschild ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist der Einlass in dem Kammerschild ausgebildet. Hierzu weist das Kammerschild beispielsweise eine burgzinnenartige oder gezahnte Oberkante auf oder ist bei oder benachbart zu dieser Kante perforiert.

Der Träger ist beispielsweise derart ausgebildet, dass er während des Betriebes höhenverstellbar ist, wie im Stand der Technik bekannt, wobei in diesem Falle der Träger einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt und das Kammerschild eine Verlängerung aufweist, die sich in Richtung des Abschnittes mit konstantem Querschnitt erstreckt, um damit einen Pumpenauslass derart auszubilden, das der Auslass in allen Betriebspositionen des Trägers gleiche Ausmaße aufweist.

Optional ist ein weiteres Schild vorgesehen, welches sich von einem Punkt oberhalb des Einlasses in die Kammer hinein erstreckt, um einen Gasdiffusionspfad zwischen dem Einlass und der Kammer auszubilden. In diesem Falle ist es besonders bevorzugt, dass sich das zusätzliche Schild derart erhebt beziehungsweise erstreckt, dass es den Pumpenauslass abschirmt. Optional ist das zusätzliche Schild perforiert, um die Bewegung des Gases in Richtung des Prozessbereiches zu verbessern.

Gemäß einem anderen Aspekt umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Plasmabearbeitung mit einer Kammer und einem Werkstückträger innerhalb der Kammer, welcher während des Betriebes höhenverstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt aufweist und die Kammer oder ein Element hiervon eine Erhebung zum Zusammenwirken mit dem Abschnitt mit konstantem Querschnitt aufweist, um einen Gasauslass mit konstanten Ausmaßen bei allen Betriebspositionen des Trägers auszubilden.

Obwohl dieser Ansatz insbesondere für Sputtervorrichtungen von dem oben beschriebenen Typ vorteilhaft ist, versteht es sich, dass es für viele Arten von Ablagerungs- und Ätzvorrichtungen vorteilhaft ist, wenn unabhängig von der Betriebsposition des Trägers mit fester bzw. konstanter Rate abgepumpt werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher für jede Art von Substratsbearbeitungsvorrichtung in breitestem Sinne relevant, in welcher das Substrat während des Abpumpens zwischen verschiedenen Positionen bewegbar ist.

Obwohl die Erfindung vorstehend beschrieben wurde, versteht es sich, dass diese jede erfinderische Kombination von Merkmalen umfasst, die vorstehend oder in der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt sind.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, und spezielle Ausführungsformen werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in:

1 einen Querschnitt durch eine Kante einer Sputtervorrichtung; und

2 eine schematische Darstellung eines Einlasses, welcher aus einer Anzahl von Öffnungen gebildet ist.

Die aus 1 ersichtliche bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sputtervorrichtung 10 umfasst ein Target 11, einen Werkstückträger 12 und eine Kammer 13a, welche teilweise durch eine Wand gebildet ist, die im wesentlichen mit 13 bezeichnet ist. Ein Prozessbereich 14 ist zwischen dem Target 11 und dem Träger 12 angeordnet, und ein Werkstück oder Substrat 15 sitzt auf der Oberfläche 12a des Trägers 12. Der Träger 12 umfasst eine Platte 16 und eine Schürze 17 (dependent skirt), die bei 18 abgewinkelt ist, bevor sie sich in einen Abschnitt 19 mit konstantem Querschnitt erstreckt.

Ein Sammelraum oder eine Galerie 20 ist in die Kammerwand 13 geschnitten und im Wesentlichen durch ein Schild 21 abgeschlossen. Es ist zu bemerken, dass das Schild 21 einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist. Der aufrechte Abschnitt 22 erstreckt sich derart, dass er eine Seite der Galerie 20 ausbildet und weist eine abgewinkelte obere Kante 23 auf, die etwas von der Kammerwand 13 beabstandet ist, um einen ringförmig begrenzten Gaseinlass 24 für den Prozessbereich 14 auszubilden. Dem Sammelraum 20 wird Gas über einen oder mehrere Einlässe zugeführt, von denen einer schematische bei 25 dargestellt ist.

Der horizontale Arm 26 des Schildes 21 erstreckt sich seitlich, um zusammen mit dem Abschnitt 19 mit konstantem Querschnitt einen Pumpenauslass 27 auszubilden, wie nachfolgend im Detail näher beschrieben wird. Der auf diese Weise ausgebildete Pumpenauslass ist im Wesentlichen ringförmig und umgibt den Träger 12. Ein weiteres Schild 28 geht von einem Punkt oberhalb des Einlasses 24 aus, um einen Gasdiffusionskanal 29 auszubilden, der verhindert, dass Gas in den Prozessbereich 14 strahlförmig eintritt. Das Schild 28 erstreckt sich dann seitlich auswärts, um den Auslass 27 mit seinem Flansch 30 abzuschirmen. Das Schild 28 ist perforiert, beispielsweise bei 31, so dass Gas leicht in den Prozessbereich 14 einströmen kann.

Die Schilde 26 und 28 sind, wie üblich, für Wartungs- und Reinigungszwecke herausnehmbar.

Bei der beispielhaften Ausführungsform gemäß 1 ist der Einlass 24 in Form eines ringförmigen Schlitzes ausgebildet. Die Ausmaße dieser Öffnung oder dieses Schlitzes sind derart gewählt, dass dessen Vakuum-Leitfähigkeit im Vergleich zur Leitfähigkeit um den Umfang der Galerie 20 herum niedrig ist. Dies stellt sicher, dass ein minimaler Druckunterschied um die ringförmige Galerie 20 herum vorhanden ist, was wiederum einen gleichmäßigen Strom des Prozessgases durch den Einlass 24 in den Prozessbereich 14 sicherstellt. Dieser gleichmäßige Strom resultiert aus dem Gegendruck, welcher innerhalb der Galerie aufgrund der niedrigen Leitfähigkeit des Einlasses 24 erzeugt wird.

Nach dem Durchgang durch den Einlass 24 diffundiert das Gas entlang des Kanals 29 durch Öffnungen 31 oder einen Spalt 32 in den Prozessbereich 14. Es versteht sich, dass in dem Prozessbereich im Wesentlichen eine gleichförmige Gasverteilung erzielt wird, da dass Gas gleichförmig um den Umfang des Prozessbereiches 14 herum zugeführt wird.

Wie schematisch aus 2 ersichtlich ist, erstreckt sich der Schlitz 24 in Umfangsrichtung um die Kammer 14 herum oder ist in Öffnungen 24a unterteilt, wie im Sektor A angedeutet. Die Öffnungen 24a sind beispielsweise aus einer Mehrzahl von Schlitzen oder vielen sehr kleinen Löchern ausgebildet, abhängig von Erwägungen bezüglich des Designs der jeweiligen Vorrichtung.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 der Pumpenauslass 27 näher beschrieben. Der Werkstück- oder Substratträger 12 hat, wie zuvor erläutert, einen Abschnitt 19 mit einem konstanten horizontalen Querschnitt. Durch Anordnen der seitlichen Erhebung 26 in geeigneter Weise relativ zu diesem Abschnitt 19 kann der Auslass 27 zwischen diesen unabhängig von der vertikalen Betriebsposition des Trägers 12 ausgebildet werden. Die Ausmaße des Pumpenauslasses 27 bleiben daher bei all diesen Betriebspositionen unverändert. Wie im Stand der Technik wohlbekannt, ist es wünschenswert, den Träger zu bewegen, um erstens eine Handhabung des Substrats beim Auflegen auf die Platte oder Herunternehmen von der Platte zu ermöglichen und zweitens um ein Einstellen des Abstandes zwischen Target und Substrat zu ermöglichen, um Prozessbedingungen zu optimieren. Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass bei der Ablagerung von Barriereschichten der Barriereschicht-Prozess eine erste Ablagerung eines Metalls gefolgt von einer Ablagerung eines Metallnitrides, beispielsweise Tantal und Tantalnitrid, unter Verwendung von erstens Argon und dann zweitens Argon und Stickstoff als Sputtergase umfasst. Es hat sich herausgestellt, dass wenn beide dieser Prozesse sequenziell nacheinander in derselben Prozesskammer ausgeführt wer den, unterschiedliche Abstände zwischen Target und Substrat für einen optimalen Prozess benötigt werden.

Bei bekannten Anordnungen wurde der Pumpenauslass derart ausgebildet, dass dessen Ausmaße von der Position des Trägers abhängen. Dies musste entweder durch Einstellung des Gasflusses oder der Pumpengeschwindigkeit kompensiert werden und führte daher unerwünschte Komplexitäten in das Steuersystem ein.

Die Trennung des Pumpenauslasses 27 vom Gaseinlass 24 ermöglicht es, dass die Ausmaße von beiden für deren jeweiligen Zweck optimiert werden können und die Tatsache, dass beide jeweils von einem einzigen Teil der Abschirmung ausgebildet werden, die die beiden Kanäle wirksam gegeneinander abdichtet, bedeutet, dass erforderlichenfalls ein unterschiedlich dimensioniertes oder geformtes Abschirmungselement 21 für spezifische Prozesse hergestellt werden kann, wodurch eine einzige Kammer von einem Prozess zum nächsten angepasst und optimiert werden kann.

Die Abmessungen des Einlasses und des Pumpenauslasses von dem Prozessbereich sind gleichmäßig um die Seiten des Werkstückes auf der Werkstückauflagefläche ausgebildet. In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Gasleitfähigkeit vom Einlass 24 zum Prozessbereich 14 größer als die Gasleitfähigkeit direkt von dem Einlass zu dem Pumpenauslass 27, welcher vollständig unterhalb der Ebene der Trägerfläche 12a liegt. Dadurch wird ein Gas, insbesondere ein reaktives Gas, welches in die Prozesskammer 13 eingeleitet wird, mit höherer Wahrscheinlichkeit den Prozessbereich 14 (welcher über der Ebene der Auflagefläche 12a des Substratträgers liegt) passieren, anstatt daß es verschwendet wird, indem es abgepumpt wird, ohne den Prozessbereich zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zu Anordnungen im Stand der Technik, bei denen die Gasleitfähigkeit von dem Gaseinlass zum Prozessbereich nicht größer ist als die Gasleitfähigkeit von dem Gaseinlass direkt zum Pumpenauslass.

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabearbeitung mit einer Kammer (13a), die ein Target (11), einen Werkstückträger (12) und einen Prozessbereich (14) zwischen dem Target (11) und dem Träger (12) beinhaltet. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Einlass (24) für Prozessgase und einen Pumpenauslass (27) von dem Prozessbereich (14). Der Einlass (27) umgibt im Wesentlichen den Träger (12) und die Vorrichtung umfasst einen von dem Einlass (24) getrennten Pumpenauslass (27). Der Einlass (24) ist von dem Prozessbereich (14) abgeschirmt.

Claims

Sputtervorrichtung (10) umfassend: (a) eine Kammer (13a), (b) ein Target (11), (c) einen Werkstückträger (12) mit einer Trägerfläche (12a), (d) einen Prozessbereich (14) zwischen dem Target (11) und dem Werkstückträger (12), (e) einen Einlass (24) für ein Prozessgas und (f) einen Pumpenauslass (27) aus dem Prozessbereich (14) heraus, wobei der Einlass im Wesentlichen den Träger umgibt, die Vorrichtung einen vom Einlass separaten Pumpenauslass umfasst und der Einlass vom Prozessbereich abgeschirmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (24) dadurch abgeschirmt ist, dass er zwischen einer Wand (13) der Kammer (13a) und einem Kammerschild (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (24) oberhalb des Levels der Trägerfläche (12a) einmündet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (24) durch eine oder mehrere Öffnungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sammelkammer oder eine Galerie (20) umfasst, die im Wesentlichen den Träger (12) umgibt und stromauf des Einlasses (24) angeordnet ist und wobei die Gasleitfähigkeit des Einlasses (24) geringer als die Gasleitfähigkeit der Galerie (20) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Einlasses (24) über dessen Länge im Wesentlichen konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Galerie (20) zwischen einer Wand (13) der Kammer (13a) und einem Kammerschild (21) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitfähigkeit von dem Einlass (24) zu dem Pumpenauslass (27) geringer ist als die Gasleitfähigkeit von dem Einlass (24) zu dem Prozessbereich (14).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenauslass (27) den Träger (12) im Wesentlichen umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger im Betrieb höhenverstellbar ausgebildet ist und einen Abschnitt (19) mit konstantem Querschnitt aufweist, wobei das Kammerschild (21) eine Verlängerung (26) aufweist, welche sich in Richtung des Abschnittes (19) mit konstantem Querschnitt erstreckt, um mit diesem den Pumpenauslass (27) auszubilden, so dass der Auslass in allen Betriebspositionen des Trägers (12) konstante Abmessungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zusätzliches Schild (28) aufweist, welches sich von einem Punkt oberhalb des Einlasses (24) in die Kammer (13a) hinein erstreckt, um einen Gasdiffusionskanal zwischen dem Einlass (24) und der Kammer (13a) auszubilden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, soweit abhängig von Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das zusätzliche Schild (28) derart erhebt, dass es den Auslass (27) abschirmt.
Vorrichtung zur Plasmabearbeitung mit einer Kammer (13a) und einem Werkstückträger (12) innerhalb der Kammer, welcher während des Betriebes höhenverstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger (12) einen Abschnitt (19) mit konstantem Querschnitt aufweist und die Kammer (13a) oder ein Element hiervon eine Erhebung (26) zum Zusammenwirken mit dem Abschnitt (19) mit konstantem Querschnitt aufweist, um einen Gasauslass (27) mit konstanten Abmessungen bei allen Betriebspositionen des Trägers (12) auszubilden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (27) ein Pumpenauslass ist.