DE1765582B1

DE1765582B1 - Vorrichtung zur kathodenzerstaeubung und zum anschliessenden bedampfen

Info

Publication number: DE1765582B1
Application number: DE19681765582
Authority: DE
Inventors: Totta Paul Anthony; Gerard Selley; George Wald
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-06-15
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 1971-12-16
Also published as: NL167204C; NL167204B; US3507248A; NL6807988A; GB1158888A; FR1558882A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vakuumvorrichtung nigen oder zu ersetzen. Jegliche Verunreinigungen, zur Kathodenzerstäubung eines oder mehrerer Sub- die auf der Oberfläche von Halbleitersubstraten als strate auf einer Substrathalterung mit negativem Po- Ergebnis einer nicht gleichmäßigen Kathodenzertential mit Hilfe einer Gleichstromglimmentladung stäubung oder eines Niederschiagens von früher verin einem Edelgas, vorzugsweise Argon, und zum an- 5 dampftem Material auftreten, verringern entscheischließenden Bedampfen durch eine oder mehrere, dend die Zuverlässigkeit einer elektrischen Halbdirekt über dem Substrat angeordnete Masken. leiterschaltung. In einem Beispiel ergaben sich bei Beim Kathodenzerstäuben (engl.: Sputtern) wer- aufeinanderfolgenden Aufdampf schritten zur Herden Moleküle oder Atome von der Oberfläche eines stellung von Kontaktierungen und Halbleiterschal-Materials durch die Stöße von Gasionen abgetragen, io tungen mit Oberflächen, welche nicht mit der gewelche in einem elektrischen Feld beschleunigt wur- nügenden Sorgfalt gereinigt waren, eine ungeden. Dieses wird erreicht durch den Aufbau einer wünschte Ausbildung von Leckstrompfaden zu den Glimmentladung zwischen einer Anode und einer Seiten des Halbleiterplättchens. Auch ungenügende Kathode mit einem Stromfluß aus Elektronen und Verbindungen Metall—Halbleiter mit Undefinierten positiven Ionen. Die Ionen werden erzeugt durch 15 elektrischen Übergangswiderständen resultieren aus Ionisation von Gasmolekülen, welche sich innerhalb diesen Verunreinigungen. Im ganzen ergeben diese des Gebietes der Glimmentladung befinden. Die Ioni- mechanischen und elektrischen Schwächen, die auf sation ist zurückzuführen auf Stöße von Gasteilchen Grund von unsauberen Oberflächen auftreten, Ausmit Elektronen, welche sich von der Kathode zur fälle in dem Halbleiterprodukt und eine reduzierte Anode bewegen. 20 Ausbeute.

Es ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem ein Es ist bereits bekannt, bei einer selektiven Ober-

zu beschichtendes Teil der zu zerstäubenden Kathode flächenreinigung eines Substrats durch Kathodenzergegenüber angeordnet ist. Um ein unnötig starkes stäubung eine Maske direkt auf dem Substrat anzu-Abtragen des Kathodenmaterials zu verhindern, ist ordnen, so daß zerstäubtes Material nicht zwischen die nur dem zu beschichtenden Teil gegenüber- 25 dem Substrat und der Maske auftreten kann. Bei dieliegende Oberfläche der Kathode frei gehalten, wäh- ser bekannten Vorrichtung können jedoch Verunrend deren übrige Oberfläche durch Bleche abge- reinigungen des Substrats durch vorher niederschirmt ist. Es ist auch bekannt, diese Abschirm- geschlagene Materialien nicht vermieden werden, bleche in einem Abstand von der Kathode, der ge- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine

ringer ist als der Kathodendunkelraum, anzuordnen. 30 Vakuumvorrichtung zum kombinierten Kathodenzer-Es wird hierbei jedoch keine selektive Zerstäubung stäuben und nachfolgendem Bedampfen der anfangs vorgenommen und es ist auch nicht erforderlich, daß genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte das Material an der freiliegenden Oberfläche gleich- Reinigung der Oberflächen gewährleistet. Diese Aufmäßig abgetragen wird. gäbe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Die Entfernung von Oberflächenverunreinigungen 35 zwei Blendenschirme mit positivem oder Erdpotential eines Substrats durch Kathodenzerstäubung ist bereits über oder unter der Substrathalterung in der Weise bekannt. Bei einem solchen Verfahren in Verbindung angebracht sind, daß sie sich innerhalb des Dunkelmit einem Halbleitersubstrat werden Masken benutzt, raumes der Substrathalterung befinden, um ein selektives Ionenbombardement von ge- In einer Glimmentladung besteht ein Dunkelraum, wünschten Gebieten der Oberflächen des Halbleiters 40 in welchem keine Ionisation stattfindet, da die zu zu erreichen und andere Gebiete der Oberflächen beschleunigenden Teilchen noch nicht die notwendige vor Ionenbombardement zu schützen. Ein bisher un- kinetische Energie im elektrischen Feld aufgenomgelöstes Problem, welches in diesem Zusammenhang men haben, die benötigt wird, um ein anderes Teilauftrat, war die sogenannte Halo-Bildung um die chen zu ionisieren. Die Ausdehnung dieses Dunkel-Oberflächengebiete herum, die dem Ionenbombarde- 45 raums ist abhängig von dem entsprechenden Gas ment zur Säuberung ausgesetzt wurden. Diese un- und dem angelegten elektrischen Feld, erwünschten Halos bildeten sich dadurch aus, daß Durch den Aufbau in Form von aufeinanderfolüberflüssiges zerstäubtes Material im Plasma der genden Schalen eines ersten Blendenschirms, einer Glimmentladung zwischen der Maske und dem Halb- Substrathalterung, eines zweiten Blendenschirms und leitersubstrat auftrat. Dieses beeinflußte die Zerstäu- 5° durch Anlegen der entsprechenden Spannungen wird bung an den Rändern der zu reinigenden Gebiete, erfindungsgemäß erreicht, daß keine beschleunigten wodurch eine ungleichmäßige Abtragung der Ober- Ionen, welche aus dem Zwischenraum zwischen fläche entstand. Darüber hinaus bestand die Schwie- Blendenschirmen und Substrathalterung heraus berigkeit, daß bei der Benutzung einer Vorrichtung schleunigt werden, zur Ionisierung, d. h. zum Plasma zum Kathodenzerstäuben für eine anschließende Be- 55 der Glimmentladung beitragen können. Hierdurch dampfung des Substrates mit leitenden Metallschich- wird eine relativ homogene Beschießung des Subten, ζ. B. für Kontaktierungen von Halbleiterstruk- strats mit Ionen zum Zwecke der Reinigung bewirkt, türen, eine Verunreinigung auf der Oberfläche auf- da die Ionen nur durch die im Blendenschirm vortrat auf Grund des Niederschiagens von bereits früher gesehenen Öffnungen auf das Substrat eindringen verdampften Materialien, die sich irgendwo innerhalb 6° können. Auf dem Blendenschirm abgelagertes, überdes Apparates niedergeschlagen hatten. Gold und schüssiges Material von vorhergehenden Aufdampf-Kupfer z. B. lassen sich sehr leicht zerstäuben, und vorgängen wird während nachfolgenden Zerstäues war schwierig, eine Verunreinigung mit diesen bungsprozessen nicht wieder abgetragen, da der Metallen zu vermeiden. Es war also ein Problem, Schirm auf Anodenpotential liegt und somit nicht in ein und derselben Vorrichtung sowohl eine Ka- ⁶5 mit Ionen beschossen wird.

thodenzerstäubung vorzunehmen, als auch anschlie- Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Er-

ßend Metallschichten aufzudampfen, ohne zwischen- findung mit Hilfe der nachstehend aufgeführten durch oder nach einem solchen Zyklus Teile zu rei- Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

gefunden wurde, daß während des Ionenbombardements zum Reinigen der Halbleitersubstratscheiben mehr Material von den äußeren Teilen, d. h. von den Randteilen im Hinblick auf die topfförmige An-5 Ordnung 44, entfernt wurden, als von den inneren Teilen der Öffnung 46. Dieser Effekt würde eine unerwünschte Entfernung von größeren Materialdicken an den Randschichten des Substrats bewirken, falls das Substrat den gleichen Durchmesser hätte, wie die

Erreichen des gewünschten Drucks innerhalb des Rezipienten wird ein Edelgas durch die Leitung 18 in den Rezipienten gebracht. Dieses Edelgas ist vorzugsweise Argon, obwohl auch Helium benutzt wer-

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung und zum Aufdampfen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung eines Teils der Substrathalterung aus Fig. 1.

In Fig. 1 wird eine Vakuumglocke 10 gezeigt, welche auf der Grundplatte 12 mit Hilfe des Dichtungsringes 14 luftdicht abgeschlossen aufsitzt. Die zentrisch angeordnete Ansaugöffnung innerhalb der

Grundplatte 12 ist vorgesehen zur Evakuierung des io Öffnung 24 der ersten Schale 22.
Rezipienten auf einen passenden Druck in der Grö- Auf dem ringförmigen Teil 50 ist eine Maske 56

ßenordnung von 5 · 10~⁷ bis 5 · 10~⁵ Torr, Vorzugs- angeordnet, die zur Halterung des Substrats, vorzugsweise 5 · 10~^G Torr. Diese Ansaugöffnung 16 ist weise der Halbleiterscheibe 58, dient. Die Maske 56 verbunden mit einer entsprechenden Vakuumpumpe ist vorzugsweise aus Molybdän, wegen dessen gerin-(Diffusionspumpe), die nicht dargestellt ist. Nach 15 ger Stäubbarkeit und besteht aus einem Muster oder

einer Anordnung von Öffnungen, welche ein selektives Ionenstäuben zur Reinigung und/oder ein Bedampfen gestattet, in der Weise, daß nur die durch die Maske frei gelassenen Oberflächenteile gereinigt bzw.

den kann. Der Rezipient wird bis zu einem Partial- 20 durch Niederschlagen von Aufdampfmaterial bedruck von etwa 10~³ Torr mit Argon gefüllt. schichtet werden. Ein Federteil 60 in der Form einer Mit Hilfe der Stützen 20, die fest in Löchern der in der Mitte geöffneten konvexen Metallschale befin-Grundplatte 12 verankert sind, wird der Rest der det sich in Kontakt mit der Rückseite der Scheibe 58 Anordnung innerhalb des Rezipienten gehalten. Vor- und dient dazu, die Scheibe 58 federnd gegen die zugsweise dienen dazu drei Stützen, die gleich weit 25 Maske 56 zu drücken. Das Federkontaktteil 60 hat voneinander entfernt sind, d. h. gegeneinander um ein ringförmiges Flanschteil 62, welches mit dem ring-120° versetzt sind. Durch diese Stützen wird eine förmigen Metallteil 64 verbunden ist. Zur Durchfüherste sphärische Schale 22 mit Öffnungen 24 gehal- rung der Stifte 52 sind Öffnungen in den Elementen ten. Ein Teil dieses Schirms ist mit einem flachen 50, 56, 62 und 64 vorgesehen. Das Ringteil 64 wird Flansch 25 versehen und zwischen Klemmen 26 mit 30 durch die im wesentlichen U-förmigen Federn 66 an den Stützen 20 verbunden. Nicht gezeigte Langlöcher seinem Platz gehalten, welche mit passend geformten innerhalb des ebenen Flansches 25 geben einen Frei- Löchern ausgeführt sind, so daß sie in den Einschnitheitsgrad zum Ausrichten des Schirmes 22. Isolie- ten 68 der Stifte 52 passend gehalten werden können, rende Abstandsstücke 30, von denen nur eins gezeigt Mit dem Ringteil 64 ist ein Wärmestrahlungsteil 72 ist, isolieren die erste Schale 22 elektrisch von einer 35 verbunden, als eine Quelle für Strahlungswärme zur zweiten Schale 32, die durch diese Abstandsstücke Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur für über der Schale 22 getragen wird. Schrauben 34 die- die Scheibe 58 beim Aufdampfen. Dieses Wärmenen zur Befestigung. Der Abstand dieser beiden sphä- strahlungsteil 72 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl rischen Teile ist geringer als die Ausdehnung des und unmittelbar über, aber getrennt von der Rück-Dunkelraums beim Zerstäuben, wodurch erreicht 40 seite der Scheibe 58 angebracht,
wird, daß eine Stäubwirkung zwischen diesen beiden Dadurch wird eine Strahlungserwärmung der Scheibe sphärischen Flächen nicht auftritt. Elektrisch ist die 58 von der Vorderseite des Strahlungsteiles 72 durch erste sphärische Schale 22 mit den Stützen 20 auf der die öffnung des Federkontaktteiles 60 auf die Rückrechten Seite der F i g. 1 verbunden, welche wiederum seite der Scheibe 58 bewirkt. Über der zweiten sphäridurch die Leitung 36 mit dem positiven oder Erd- 45 sehen Schale 32, dem Objektträger, ist eine dritte sphäpotential der Spannungsversorgung 38 verbunden rische Schale 74 vorhanden, welche mit einer Anzahl sind. Die zweite sphärische Schale, der Objektträger von Quarzscheiben 76 versehen ist, die in öffnungen 32, ist durch die Leitung 40 elektrisch mit dem ne- unmittelbar hinter den Strahlungsteilen 72 angebracht gativen Pol der Spannungsversorgung 38 verbunden. sind. Jede Quarzscheibe 76 dient zur Weiterleitung Diese Spannungsversorgung 38 ist eine Hochspan- 50 von Strahlungswärme aus der Heizvorrichtung 78 in nungseinheit, die eine Potentialdifferenz von meh- F i g. 1 auf die Strahlungsteile 72. Die Quarzscheiben reren 1000 Volt Gleichstrom liefern kann. Die eigent- 76 lassen insbesondere Infrarotenergie durchtreten, liehen Substrathalterungen 42, von denen fünf in der Die Heizeinrichtung 78 besteht aus einer Heizspule F i g. 1 dargestellt sind, befinden sich auf dem Ob- 80, welche durch Keramikisolatoren 82 und Stützjektträger 32. F i g. 2 zeigt in einem vergrößerten 55 stifte 84 durch eine vierte sphärische Schale gehalten Bild, wie diese Substrathalterungen auf der Schale 32 wird. Die Anschlußdrähte der Heizspule 80 sind vorangeordnet sind. Topfförmige Anordnungen 44 mit zugsweise aus Wolfram und in geeigneter Weise mit Öffnungen 46 werden in Öffnungen 48 des Objekt- einer nicht gezeigten Wechselstromquelle verbunden, trägers 32 befestigt. Vorzugsweise besteht diese An- Drei Stützen 88, von denen in F i g. 1 nur eine gezeigt Ordnung 44 aus Tantal oder Molybdän, Materialien, 60 ist, verbinden den Flansch 90 der vierten sphärischen die widerstandsfähig gegen das Stäuben sind. Schale 68 mit dem Flansch 92 der dritten Schale 74.

Diese dritte Schale 74 ist fest verbunden mit der
Stütze 20. Durch bajonettartige Langlöcher im Flansch
92 der Schale 74 kann eine Justierung erfolgen, wo-65 bei die vierte Schale 86 ständig in ihrer Position über
der dritten Schale 74 gehalten wird. Der Abstand
zwischen der dritten Schale 74 und der zweiten Schale
32, dem Objektträger, ist so gewählt, daß er geringer

Ein ringförmiges Teil 50 befindet sich in der Einbuchtung der topfförmigen Anordnung 44 zur Halterung von Stiften 52, die mit ihren Köpfen 54 mit dem Teil 50 verbunden sind.

Die Öffnung 46 der topfförmigen Anordnung 44 hat einen kleineren Durchmesser als die Öffnung 24 der ersten Schale 22. Der Grund dafür ist, daß heraus-

ist als die Ausdehnung des Dunkelraums der Glimmentladung beim Stäuben.

Durch die Anordnung der dritten Schale 74 in einem Abstand von der Schale 32, der geringer als die Ausdehnung des Dunkelraums ist, wird erreicht, daß auf der Rückseite der zweiten Schale 32, welche die Halbleiterscheiben trägt, kein Stäuben erfolgt, wodurch verhindert wird, daß ungewünschte Verunreinigungen sich dort niederschlagen. Die dritte und vierte

Eine Reinigung durch ein solches Ionenbombardement erfolgt auf der gesamten durch die Maske 56 frei gelassenen Oberfläche und auf einem Teil des topfförmigen Einsatzes 44, da diese als Quelle für das beschleunigende elektrische Feld für Ionen anzusehen ist. Die positive Abschirmung der ersten Schale 22, welche innerhalb des Dunkelraums der Kathode von der zweiten Schale 32 liegt, verhindert, daß ein Stäuben erfolgt aus der Zone zwischen den beiden Scha-

Schale 74 und 76 sind jeweils elektrisch verbunden io len, so daß nur durch die Öffnungen 24 der ersten mit Hilfe der metallenen Abstandstücke 88. Die dritte Schale 22 beschleunigte Ionen auf das Substrat treffen. Nach etwa 15 Minuten dieses Ionenbombardements, wobei die Kathode auf einem Potential zwi

schen 1000 und 1500 Volt, vorzugsweise auf 1250 Volt

Schale ist elektrisch mit der Stütze 20 verbunden und
so auf dem positiven oder Erdpotential der Spannungsversorgung 38. Gegenüber der zweiten Schale
32 sind die dritte und vierte Schale 74 und 86 also 15 negativen Potentials gegenüber dem Anodenpotential auf positivem Potential. Die erste und dritte Schale der ersten Schale 22 liegt, wird das Stäuben beendet 22 und 74 sind auf dem gleichen positiven Potential, und die Argonquelle vom Rezipienten getrennt. Jetzt und da sie innerhalb des Dunkelraums der negativ kann zur Herstellung der metallischen Leitbahnen vorgespannten zweiten Schale 32 als Substrathalte- und der Kontaktierungen auf dem Wafer der Aufrung liegen, wird erreicht, daß nur Gebiete der Schale 20 dampfprozeß ausgeführt werden.
32 durch Stäuben und Aufdampfen beeinflußt wer- Während des Aufdampfens wird die Heizspule 80

den, welche sich hinter den Öffnungen 24 in der aus einer Wechselstromquelle mit Strom versorgt, um ersten Schale 22 befinden. jedes Substrat oder jede Halbleiterscheibe aufzuhei-

Diese Gebiete sind diejenigen, wo sich die einzel- zen und es bei einer Temperatur von etwa 250° C zu nen Haltevorrichtungen 42 für die Halbleiterscheiben 25 halten. Ein zusätzlicher Vorteil der dargestellten Vorbefinden. Die vierte Schale 86, die ebenfalls sphärisch richtung ist, daß überschüssiges Aufdampfmaterial, ausgeführt ist, ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl welches sich auf dem ersten Schirm 22 niedergeschla- und dient lediglich als Wärmereflektor für die Heiz- gen hat, nicht während eines nachfolgenden Stäubens spule 80. Diese beschriebene Vorrichtung gestattet wieder in der Glimmentladung abgetragen werden einen raschen Zugriff zu der zweiten Schale 32 zum 30 kann.

schnellen Ein- und Ausbringen einer Vielzahl von Dadurch ist es möglich, daß in dieser Vorrichtung

Halbleiterscheiben. bis zu etwa 50 aufeinanderfolgende Zyklen aus Stäu-

Zum Aufdampfen wird ein geeignetes Aufdampf- ben und Aufdampfen durchgeführt werden können, material in einen oder mehrere Verdampfer 98 ge- Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Aufbracht, welcher einen Flansch 100 besitzt und durch 35 dampfmaterial besonders Gold und Kupfer, welche Stifte 102 mit Schrauben 104 festgehalten wird. Für leicht zu stäuben sind, im Plasma der Glimmentlaeinen Chrom-Kupfer-Gold-Aufdampfprozeß, worin dung nicht vorhanden ist. Dieses wird gerade da-Chrom und danach Kupfer und danach Gold nach- durch erreicht, daß die erste Schale 22 sich auf Erdeinander auf dem Wafer 58 niedergeschlagen werden oder positivem Potential gegenüber der zweiten Schale sollen, werden drei Verdampfer benötigt. Diese 40 32 befindet. Hierdurch wird eine ungewünschte HaIo-Schichtenfolge ist z. B. günstig zur Herstellung von Bildung, welche Kupfer- und/oder Goldverunreini-Kontakten auf Halbleiterschaltungen. Durch Verbin- gungen auf das Substrat bringen könnte, vermieden, den der Wolfram-Verdampfer 98 mit einer geeigne- da diese Materialien zwischen der Maske 56 und dem ten Wechselstromquelle 105 wird die Halterung er- Substrat 58 nicht mehr auftreten können,
hitzt bis zur Verdampfungstemperatur des darin be- 45
endlichen Materials, und Chrom, Kupfer, Gold können nacheinander auf die exponierten Gebiete der
Wafer aufgebracht werden. Zur elektrischen Isolation
jeder Halterung 98 von der Grundplatte 12 sind Isolatoren 106 vorgesehen. Während des Aufdampfens 50
dient eine drehbare Blende 110,112 zur Öffnung und
zum Unterbrechen des Aufdampfstromes. Diese
Blende wird mit dem Knopf 116 in Drehrichtung 114
bewegt.

Im folgenden wird das Stäuben und Aufdampfen beschrieben. Beim Stäuben oder bei der Säuberung der unmaskierten, exponierten Oberflächengebiete der Halbleiterscheibe 58 durch Ionenbombardement wird Argongas durch die öffnung 18 in den Rezipienten eingelassen, welches ionisiert wird, durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der Kathode, der zweiten Schale 32, welche gleichfalls als Vorrichtung für die verschiedenen Halterungen 42 dient, und der übrigen Apparatur, welche sich auf Erd- oder positivem Potential befindet. Die positiven Ionen werden beschleunigt in die Gebiete hinter den Öffnungen 24 in der ersten Schale 22, bis sie auf die exponierten Gebiete der Substrate 58 gelangen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumvorrichtung zur Kathodenzerstäubung eines oder mehrerer Substrate auf einer Substrathalterung mit negativem Potential mit Hilfe einer Gleichstromglimmentladung in einem Edelgas, vorzugsweise Argon, und zum anschließenden Bedampfen durch eine oder mehrere, direkt über dem Substrat angeordnete Masken, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Blendenschirme (22,74) mit positivem oder Erdpotential über und unter der Substrathalterung (32) in der Weise angebracht sind, daß sie sich innerhalb des Dunkelraums der Substrathalterung befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Blendenschirm (22) mit Öffnungen (24) versehen ist, deren Projektion von der bzw. den Aufdampfquellen auf die Substrathalterung (32) mit dem bzw. den Substraten zusammenfällt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (80) das bzw. die Substrate während des Bedampfens von der Rückseite her aufheizt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquelle und dem aufzuheizenden Substrat (58) eine Quarzscheibe (76) und eine diese berührende metallische Fläche (72) angebracht ist, welche ihrerseits durch Wärmeabstrahlung die Rückseite des Substrats aufheizt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen