DE19936199B4

DE19936199B4 - Magnetronreaktor zum Bereitstellen einer hochdichten, induktiv gekoppelten Plasmaquelle zum Sputtern von Metallfilmen und Dielektrischen Filmen

Info

Publication number: DE19936199B4
Application number: DE19936199A
Authority: DE
Inventors: Tamarak Pandumsoporn; Mark Feldman
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: WSOU Investments LLC
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1999-07-31
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2019-08-01
Also published as: DE19936199A1; JP2000119851A; US6132575A; FR2784906B1; FR2784906A1

Abstract

Plasmareaktor (10) zum Behandeln eines Substrats mit einem Plasma, insbesondere zum Sputtern von Metallen und dielektrischen Filmen, mit: einer Plasmareaktorkammer (12) zur Aufnahme eines Prozessgases und zur Verbindung mit einer Evakuierungsquelle (17), einem Gleichstrom(DC)-getriebenem Magnetron (18), das in der Reaktorkammer (12) angeordnet ist, einer Gleichstromsignalquelle, die mit dem Magnetron (18) verbunden ist; einem bewegbaren Substrattragefuß (24), der ein in der Reaktorkammer (12) angeordnetes Substrat (26) halten kann und bewegbar ist, um das Substrat (26) in ausreichender Nähe am Sputtertarget (20) anzuordnen, um eine Abscheidung von Sputterprodukten auf dem Substrat (26) zu ermöglichen, einer ersten Radiofrequenzsignalquelle (28), die mit dem Substrattragefuß (24) über ein erstes Radiofrequenzanpassungsgerät (30) verbunden ist, das eine Phasenverschiebungseinstelleinrichtung (32) aufweist, einer Radiofrequenzantenne (34), die ein Substratende (36) aufweist, und einer zweiten Radiofrequenzsignalquelle (38), die mit der Radiofrequenzantenne (34) über ein zweites Radiofrequenzanpassungsgerät (40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron (18) ein Sputtertarget (20) hält, dass die...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmareaktor zum Behandeln eines Substrats mit einem Plasma, bzw. eine Reaktorvorrichtung zum Bereitstellen einer hochdichten Plasmaquelle, um Metallfilme und dielektrische Filme auf ein Substrat zu sputtern.
Magnetronsputtern ist ein bekanntes Verfahren zum physikalischen Aufdampfen (PVD), um Dünnfilme auf den verschiedensten Substratarten zu bilden. Magnetronsputtern wird im Allgemeinen ausgeführt, indem man benachbart zur Oberfläche eines Sputtertargets ein Plasma in einer Vakuumkammer erzeugt. Das Plasma wird in einem Trägergas gebildet, das bei einem sehr niedrigen Druck in die Kammer eingespeist wird. Eis reaktives Gas kann auch in die Kammer eingespeist werden. Ein elektrisches Potential wird zwischen dem Sputtertarget, das im Allgemeinen kathodisch ist, und einer Anode in der Vakuumkammer erzeugt. Das durch das Potential erzeugte elektrische Feld bewirkt, dass das Trägergas ionisiert wird, wodurch das Plasma gebildet wird. Ein Magnetfeld wird auch bereitgestellt, um die Plasmaentladung zu begrenzen. Das Magnetfeld stellt eine Elektronenfalle dar, so dass die Anzahl von Stößen zwischen den Elektronen und den Trägergasatomen erhöht wird. Dies wiederum erhöht die Iunenpopulation und verstärkt das Plasma.
Magnetronsputtern wird derzeit in der Halbleiterindustrie weitverbreitet verwendet, um Metallisierungsschichten bei Halbleiterbauelementen abzuscheiden. Weil die Abmessungen von Halbleiterbauelementen über die Jahre wesentlich verringert wurden und sich die Größe von Halbleiterwafern, die verwendet werden, um solche Halbleiterbauelemente herzustellen, während derselben Zeitdauer erhöht hat, haben sich die Anforderungen an das Präzisionssputtern erhöht. Präzisionssputtern erfordert die Erzeugung und Steuerung eines hochdichten Plasmas.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erzeugen und Steuern eines hochdichten Plasmas in einer Plasmakammer bereitzustellen, um Metallfilme und dielektrische Filme zu sputtern.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Plasmareaktor der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 8.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der angefügten Zeichnung zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Reaktorvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, und
2 eine graphische Orthogonaldarstellung der elektrischen und magnetischen Felder für die hochdichten Plasmen, die durch die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.
Es wird Bezug auf 1 genommen. Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein Plasmareaktor 10 zum Bereitstellen eines hochdichten Plasmas in der Größenordnung von etwa 10¹² Ionen pro cm³ zum Sputtern von Metallfilmen und dielektrischen Filmen auf ein Substrat eine Plasmareaktorkammer 12, die mit einem Gaseinlass 14 ausgerüstet ist, um ein Prozessgas in der Plasmareaktorkammer 12 aufzunehmen. Die Art von Prozessgas, die im Plasmareaktor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, variiert gemäß der vom Plasmareaktor durchzuführenden Behandlungsart.
Beispielsweise kann Argon zum Metallsputtern verwendet werden, während Sauerstoff oder Stickstoff für reaktives dielektrisches Sputtern verwendet werden kann. Wie weiter unten erläutert wird, kann das in die Reaktionskammer eingespeiste Prozessgas durch den Plasmareaktor 10 in drei Plasmabereiche in der Plasmareaktorkammer 12 ionisiert werden (2, P₁, P₂ und P₃). Zusätzlich zum Gaseinlass 14 ist die Plasmareaktorkammer 12 weiter mit einer Auslassleitung 16 versehen, um die Kammer mit einer Evakuierungsquelle, wie z. B. einer Vakuumpumpe 17, zu verbinden. Die Evakuierungsquelle sollte ausreichen, um einen sehr tiefen Arbeitsdruck in der Kammer im Bereich von etwa 1 bis 50 mTorr zu ermöglichen, der normalerweise ausreicht, um ein hochdichtes Plasma in der Größenordnung von etwa 10¹² Ionen pro cm³ aufrechtzuerhalten.
Der Reaktor besitzt weiter ein Magnetron 18, das in der Plasmareaktorkammer 12 in der Nähe ihres oberen Endes angebracht ist. Das Magnetron 18 ist üblicherweise angepasst, um ein Sputtertarget 20 benachbart zu halten, und ist mit einer Gleichstromsignalquelle (nicht gezeigt) verbunden, die kontinuierlich oder pulsierend sein kann. Das das Sputtertarget 20 bildende Material kann aus irgendeiner Metallart ausgewählt sein, die typischerweise zum Sputtern verwendet wird, einschließlich beispielsweise Aluminium, Kupfer, Tantal, Titan oder Wolfram. Eine geerdete Abschirmung 22 ist um das Magnetron 18 und das Sputtertarget 20 herum in der Kammer angeordnet. Das Magnetron 18 kann je nach Anforderung entweder ein statisches ebenes Magnetron oder ein rotierendes Magnetron sein.
Ein bewegbarer Substrattragefuß 24, der Einrichtungen, wie z. B. Klammern zum Halten eines Substrats 26 aufweist, ist in der Plasmareaktorkammer 12 in der Nähe ihres unteren Endes angebracht. Der Substrattragefuß 24 ist kontinuierlich zwischen einer unteren oder tiefen Position L und einer oberen oder hohen Position H bewegbar, so dass das dadurch gehaltene Substrat 26 in ausreichender Nähe beim Sputtertarget 20 angeordnet werden kann, um einen ausreichenden Target-zu-Substrat-Abstand zu erhalten, um eine Abscheidung von Sputterprodukten auf dem Substrat 26 zu ermöglichen. Für Fachleute ist ersichtlich, dass der Target-zu-Substrat-Abstand typischerweise auf der Grundlage der für den Sputterabscheidungsprozess verwendeten speziellen Plasma-Behandlungsbedingungen gewählt wird, wie z. B. Druck, Targetmaterial und Magnetrontyp. Eine geerdete Abschirmung 29 kann unter dem durch den Substrattragefuß 24 gehaltenen Substrat 26 vorgehen sein.
Zusätzlich dazu, dass er kontinuierlich zwischen einer tiefen und hohen Position bewegbar ist, ist der Substrattragefuß 24 durch ein Impedanzanpassungsgerät 30 mit einer ersten Radiofrequenz(RF)signalquelle 28 verbunden. Das Impedanzanpassungsgerät 30 ist weiter mit einem Phasenschieber 32 versehen. Der Phasenschieber 32 erlaubt eine Einstellung des Phasenwinkels des ersten Radiofrequenzsignals von der Radiofrequenzsignalquelle 28 in Bezug zu einem zweiten Radiofrequenzsignal. Vorzugsweise ist die erste Radiofrequenzsignalquelle 28 imstande, ein Radiofrequenzsignal bei etwa 13,56 MHz zu liefern. Wenn gewünscht, kann der Substrattragefuß 24 zum Steuern der Temperatur des Substrats 26 gebildet sein, indem man Durchlässe (nicht gezeigt) im Fuß vorsieht, um ein Fluid, wie z. B. Wasser oder ein Gas, wie z. B. Helium, durchströmen zu lassen.
Um eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle in der Plasmareaktorkammer 12 zu erhalten, ist der Reaktor 10 der vorliegenden Erfindung weiter mit einer Radiofrequenzantenne 34 ausgerüstet, die über der Plasmareaktorkammer 12 angeordnet ist. Die Radiofrequenzantenne 34 kann durch eine Strömung einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, oder eines anderen geeigneten Kühlmediums durch vorgesehene Kühldurchlässe (nicht gezeigt) temperaturgesteuert werden. Die Radiofrequenzantenne 34 weist ein Substratende 36 auf und ist mit einer zweiten Radiofrequenzsignalquelle 38 verbunden, vorzugsweise durch ein Impedanzanpassungsgerät 40. Wie die erste Radiofrequenzsignalquelle 28 ist die zweite Radiosignalfrequenzquelle 38 auch imstande, ein Radiofrequenzsignal bei etwa 13,56 MHz zu liefern. Das Substratende 36 der Radiofrequenzantenne 34 ist vorzugsweise so angeordnet, dass es sich ungefähr direkt über der oberen Grenze des Bewegungsbereichs des Substrattragefußes 24 befindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Elektromagnetspule 42 so um die Radiofrequenzantenne 34 herum, benachbart zu deren Substratende 36, angeordnet. Die Elektromagnetspule 42 ist mit einer Gleichstromversorgungsquelle 44 verbunden und wird durch eine geeignete Anzahl von Windungen der Elektromagnetspule 42 und durch die Gleichstromenergie gebildet, die derselben zugeführt wird, um ein gewünschtes Magnetfeld in der Reaktorkammer bereitzustellen. Die Elektromagnetspule kann auch temperaturgesteuert sein, indem man ein Gas oder eine Flüssigkeit strömen lässt. Für Fachleute ist es ersichtlich, dass das durch die Elektromagnetspule 42 erzeugte Magnetfeld steuerbar ist, indem man die Gleichstromenergie von der Stromversorgungsquelle 44 variiert.
Gemäß Figur kann bei einem Satz von Betriebsbedingungen der Reaktor der vorliegenden Erfindung bis zu drei Plasmabereiche P₁, P₂, und P₃ bereitstellen. Der erste Plasmabereich P₁ wird benachbart zum Magnetron erzeugt und wird durch das Magnetfeld B_M und elektrische Feld E_M beeinflusst. Das zweite Plasma 22 ist das induktiv gekoppelte hochdichte Plasma, das direkt über dem Substrat 26 erzeugt wird. Das induktiv gekoppelte hochdichte Plasma wird durch das Magnetfeld B_RF der Radiofrequenzantenne und das Magnetfeld B_EC der Elektromagnetspule sowie die elektrischen Felder E_RF und E_EC beeinflusst. Das hochdichte induktiv gekoppelte Plasma im Bereich P₂ ermöglicht, dass Reaktionsteilnehmer gleichförmiger über das Substrat 26 strömen. Die elektromagnetischen Felder werden verwendet, um die Plasmadichte zu steuern sowie die sich auf dem Substrat 26 abscheidenden Arten mit einem Richtungsvermögen zu versehen. Die Ionisation des induktiv gekoppelten Plasmas ist effizienter, weil sie Energieverluste zur Reaktorkammerwand verringert. Auch kann durch Kühlen der Antenne und Bereitstellen des magnetischen und elektrischen Feldes der Elektromagnetspule die Elektronentemperatur erhöht werden, was die Elektronendichte erhöht. Dies wiederum erhöht die Ionisationsrate der gesputterten Metallneutralteilchen. Der Bereich des dritten Plasmas P₃ wird benachbart zum Substrat 26 bereitgestellt. Das dritte Plasma P₃ wird durch ein Vorspannen des Substrats beeinflusst, das durch Phasenverschiebung des Signals von der ersten Radiofrequenz – in Bezug zum Signal von der zweiten Radiofrequenzquelle verursacht wird. Metall kann mit Steuerung durch Vorspannen des Substrats abgeschieden werden.
Der Reaktor der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um Metallschichten für die verschiedensten Zwecke abzuscheiden. Beispielsweise können bei der Waferherstellung von integrierten Schaltungen Metallschichten für Verbindungen oder Barriereschichten abgeschieden werden. Der Reaktor kann auch verwendet werden, um Metallschichten für Verbindungen, Spulen, Pole und Abschirmungen für induktive Magneto-Widerstands- oder Riesenmagneto-Widerstands-Köpfe in der Dünnfilmkopfindustrie bereitzustellen.
Der Reaktor der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um dielektrische Filme, wie z. B. Al₂O₃, AlN, Al₂O_xN_y, TaN, WN und TiN, beispielsweise mittels reaktivem Sputtern mit einem reaktiven Gas, wie z. B. Stickstoff oder Sauerstoff, abzuscheiden. TaN- und TiN-Materialien werden für Diffusions-, Barriere- und Antireflexionsschichten in Verbindung mit Metallschichten in der Halbleiter- und Dünnfilmkopfindustrie verwendet. Für die Industrie der optischen Beschichtung geeignete dielektrische Filme können auch mit dem Reaktor der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden.
Man sieht folglich, dass die Ziele und Vorteile, die oben dargelegt worden sind, und diejenigen, die aus den vorangehenden Beschreibungen ersichtlich gemacht worden sind, effizient erreicht werden, und es soll, da man gewisse Änderungen im obigen Aufbau vornehmen kann, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen, das in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Material als veranschaulichend und nicht in einem begrenzenden Sinn ausgelegt werden. Es versteht sich auch, dass die folgenden Ansprüche sämtliche der generischen und speziellen Merkmale der hierin beschriebenen Erfindung und alle Angaben des Bereichs der Erfindung abdecken sollen, von denen man sagen kann, dass sie sprachlich darunter fallen.

Claims

Plasmareaktor (10) zum Behandeln eines Substrats mit einem Plasma, insbesondere zum Sputtern von Metallen und dielektrischen Filmen, mit: einer Plasmareaktorkammer (12) zur Aufnahme eines Prozessgases und zur Verbindung mit einer Evakuierungsquelle (17), einem Gleichstrom(DC)-getriebenem Magnetron (18), das in der Reaktorkammer (12) angeordnet ist, einer Gleichstromsignalquelle, die mit dem Magnetron (18) verbunden ist; einem bewegbaren Substrattragefuß (24), der ein in der Reaktorkammer (12) angeordnetes Substrat (26) halten kann und bewegbar ist, um das Substrat (26) in ausreichender Nähe am Sputtertarget (20) anzuordnen, um eine Abscheidung von Sputterprodukten auf dem Substrat (26) zu ermöglichen, einer ersten Radiofrequenzsignalquelle (28), die mit dem Substrattragefuß (24) über ein erstes Radiofrequenzanpassungsgerät (30) verbunden ist, das eine Phasenverschiebungseinstelleinrichtung (32) aufweist, einer Radiofrequenzantenne (34), die ein Substratende (36) aufweist, und einer zweiten Radiofrequenzsignalquelle (38), die mit der Radiofrequenzantenne (34) über ein zweites Radiofrequenzanpassungsgerät (40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron (18) ein Sputtertarget (20) hält, dass die Radiofrequenzantenne (34) um die Reaktorkammer (12) herum angeordnet ist, dass eine Elektromagnetspule (42) um die Radiofrequenzantenne (34) herum und benachbart zu deren Substratende (36) angeordnet ist, und dass eine Gleichstrom-Energieversorgung (44) mit der Elektromagnetspule (42) verbunden ist.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Magnetron (18) verbundene Gleichstromsignalquelle eine pulsierende Gleichstromsignalquelle ist.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Magnetron (18) verbundene Gleichstromsignalquelle eine kontinuierliche Gleichstromsignalquelle ist.
Reaktor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrattragefuß (24) gekühlt ist.
Reaktor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiofrequenzantenne (34) gekühlt ist.
Reaktor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnetspule (42) gekühlt ist.
Reaktor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron (18) ein rotierendes Magnetron ist.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron (18) ein rotierendes Magnetron ist und die mit dem Magnetron (18) verbundene Gleichstromsignalquelle eine pulsierende Gleichstromsignalquelle ist.