JP2000273612A - 薄膜析出に使用する高融点被覆誘導コイルとその製造方法 - Google Patents

薄膜析出に使用する高融点被覆誘導コイルとその製造方法

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JP2000273612A JP2000055829A JP2000055829A JP2000273612A JP 2000273612 A JP2000273612 A JP 2000273612A JP 2000055829 A JP2000055829 A JP 2000055829A JP 2000055829 A JP2000055829 A JP 2000055829A JP 2000273612 A JP2000273612 A JP 2000273612A
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ケイ、エフ、ラム レイモンド
Paul S Gilman
エス、ジルマン ポール
Roo Chii-Fan
− ファン ロー チー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン化およびプラズマエンハンスＣＶＤお
よびＰＶＤ装置内で使用する誘導コイル、シャワーヘッ
ド、その他の構成素子を製造するための、より経済的か
つ時間効率のよい方法および装置を提供する。 【解決手段】 容易にコイル形状に成形可能な塑性金属
製のコイル基材を、溶射技術により、薄膜として析出さ
れる材料と事実上等しい材料によって被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス表
面へ薄膜被覆を析出する物理・化学蒸着に使用するため
の被覆された高融点誘導コイルおよびシャワーヘッド
と、それらの製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】イオン化金属プラズマ（ＩＭＰ）物理蒸
着法（ＰＶＤ）は、薄膜析出技術として普及している。
従来式のＰＶＤに比較して、ＩＭＰは、半導体デバイス
の金属化において、相互接合線やバイア充填（ｖｉａ
ｆｉｌｌｉｎｇ）がより良好である。誘導コイルをスパ
ッタ・ターゲットと、薄膜が析出される半導体ウェーハ
との間に配置することによって、イオンの衝突によりス
パッタ・ターゲット表面から飛び出す金属原子は、バイ
アスウェーハ表面に析出される前に、イオン化される。
【０００３】図示のように、処理チャンバ１８内のコイ
ル１６に無線周波数（ＲＦ）の電力を加えることによ
り、ターゲット１２と半導体ウェーハ１４との間に、誘
導結合Ａｒプラズマ１０が発生する。イオン化された金
属原子２０は、その場合、プラズマの電位（〜２０Ｖ）
とウェーハの浮動電位（〜−２Ｖ）との電位差によりウ
ェーハ１４に向けられる。誘導コイルは、薄膜の汚染を
防止するため、析出される薄膜の材料と等しい材料であ
ることが要求される。通常、伝導プラグや拡散バリヤと
して使用される高融点材料、例えばタングステンやタン
タルの場合、コイルの成形が困難であり、細さ1.5875m
m、直径279.4mm、幅50mmの誘導コイルを有するような装
置設計の場合には、特に困難である。したがって、ＩＭ
Ｐ ＰＶＤ装置用誘導コイルの製造は、析出されるべき
薄膜が伝導バイアスや拡散バリア用の場合には困難であ
る。これらの誘導コイルの製造には、高価で長時間にわ
たる工程を要することが分かっている。更に、誘導コイ
ルは、析出工程中に侵食され、同時にターゲット材料に
よって被覆される。その結果、誘導コイルは、通常、タ
ーゲット２つ毎に取り換えなければならない。同じよう
な問題は、例えば、プラズマエンハンス物理蒸着（ＰＥ
ＰＶＤ）に使用される誘導コイルや、プラズマエンハン
ス化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）に使用されるシャワーヘッド
／電極の場合にも存在する。ＰＥＣＶＤの場合、シャワ
ーヘッドは、ウェーハのすぐ近くでプラズマを励起する
電極として働くように、ＲＦエネルギーでバイアスを加
えられる。析出チャンバ内のＲＦ電界のパスに構成要素
が存在するどのようなＣＶＤまたはＰＶＤの場合でも、
その構成要素は、析出される薄膜の汚染の一因となる可
能性がある。
【０００４】米国特許第5,707,498号に開示されている
誘導コイルを得る技術の場合、現場でのペースト処理ま
たは被覆処理が析出チャンバ内で行われる。その場合、
誘導コイルへのＲＦ電力が止められ、「ダミー」ウェー
ハが物理蒸着によって被覆される。このペースト処理
中、ターゲットがスパッタされ、ターゲット材料が、イ
オン化されたターゲット粒子に暴露されたコイル表面に
被着される。次いで「ダミー」ウェーハが、実ウェーハ
に替えられ、コイルへＲＦ電力が供給され、薄膜析出工
程が始まる。コイルの被覆が侵食された場合、この工程
を反復することができる。現場でのこのペースト処理の
１つの欠点は、一定数のウェーハ析出の場合、その析出
工程は、原コイル材料がスパッタ工程中に暴露されない
ように保証するには、ペースト処理に相当する時間を要
する点である。したがって、所定数のウェーハを析出す
る処理時間は、２倍かかる。更に別の欠点として、極め
て被覆が薄く、通常、約数千オングストロームで、数百
マイクロメートルを超えない点、コイルの一部だけが被
覆され、残部は露出したままであるため、汚染の一因と
なる可能性がある点、被覆表面が滑らかで、次の析出中
にフレーキングを避けるための表面粗さが不十分である
点が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、イオン化
およびプラズマエンハンスＣＶＤおよびＰＶＤ装置内で
使用する誘導コイル、シャワーヘッド、その他の構成素
子を製造するための、より経済的かつ時間効率のよい方
法が必要とされる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明により、イオン化
金属プラズマおよびプラズマエンハンス薄膜析出に使用
される細いコイル、シャワーヘッド、その他の構成素子
を被覆する方法が得られる。導電性のコイル状コアまた
はシャワーヘッドは、薄膜として蒸着される材料と事実
上等しい高融点（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）または誘電性
の材料を用いて、溶射（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙ）
技術により被覆されるのが好ましい。溶射技術、あるい
はまたスパッタリング、電気メッキ、化学蒸着は、細い
コイル、それも複雑な形状を有し、したがって好ましく
は可塑性金属等の成形性のある金属製のコイルを被覆す
るのに適している。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の以上およびその他の目的
と利点は、以下で添付図面につき詳細に説明すること
で、より明らかになろう。本発明は、ＩＭＰ ＰＶＤお
よびＰＥＰＶＤ装置内に使用される誘導コイル、ＰＥＣ
ＶＤ装置内に使用されるシャワーヘッド、これら装置内
で使用されるその他の、薄膜汚染の一因となり得る構成
素子を、溶射または類似の技術を用いて、製造するもの
である。この目的のために、また本発明の原理により、
例えば薄手の可塑性金属等の成形性のある金属で造られ
た導電性コアが、所望のコイル形状またはシャワーヘッ
ドに成形され、薄膜として析出される材料と事実上等し
い高融点または誘電性の材料により被覆される。本発明
により、スパッタ・ターゲットと半導体ウェーハとの間
に配置される誘導コイルを製造する簡単かつ費用効果の
ある手段が得られ、これにより、ターゲットから叩き出
される金属原子がウェーハ表面に析出される前にイオン
化されることで、誘導コイルによる薄膜の汚染が発生し
なくなる。本発明は、更にＰＥＣＶＤ装置内で使用され
るシャワーヘッドを被覆する簡単な手段を提供する。こ
の手段により、薄膜析出用のプラズマと反応ガスとが発
せられることで、シャワーヘッドによる汚染が防止され
る。
【０００８】溶射被覆では、ワイヤまたは粉体が小滴に
溶融されてから、コイル基材またはシャワーヘッド基材
の表面へ吹き付けされることで、被覆が形成される。基
材表面に衝突時、小滴は小板となって表面に付着し、基
材構造を変質させることなく密な被覆が造出される。本
発明に有効な溶射技術には、プラズマ溶射、火炎溶射、
高速酸素燃料溶射、アーク溶射が含まれる。真空プラズ
マ溶射（ＶＰＳ）とも呼ばれる減圧プラズマ溶射（ＬＰ
ＰＳ）は、１０トル未満に真空化された真空チャンバ内
で行われるプラズマ溶射技術である。このプラズマ溶射
は、流れ強化ノズルを介して方向づけされるプラズマ生
成ガスへの、高キロワットアークからの熱伝達を利用し
て行われる。プラズマガンは、銅陽極とタングステン陰
極とを含み、これらの双方が水冷される。溶射装置内の
ガス流チャンバは、環状陽極を形成するノズルに隣接す
る軸方向棒状陰極を有している。アルゴン、窒素、水
素、ヘリウムいずれかのプラズマガスは、陰極周囲を流
れ、狭窄ノズルの形状を有する陽極を通過する。プラズ
マは、高電圧放電により起動され、この放電により、局
所的なイオン化が発生し、陰極と陽極との間に発生する
直流アーク用の伝導路が生ぜしめられる。アークによる
抵抗熱により、ガスは、5538℃（10000°F）を超える高
温に達し、分離され、イオン化されて、プラズマを生成
する。プラズマは、自由プラズマ炎または中性プラズマ
炎として、言い換えると電流を搬送しないプラズマとし
て、陽極ノズルから放出される。プラズマ炎内へは、陽
極ノズル出口近くに設けられた外部粉末口を介して粉末
が供給される。粉末は、高温ガス内で溶融され、高速で
コイル表面に吹き付けられる。高速の噴霧により、マッ
ハ２を超える速度でコイル基材表面またはシャワーヘッ
ド基材表面に溶融金属小滴が吹き付けられることで、ち
密な被覆が造出される。この工程は、真空チャンバ内で
行われる工程のため、塵埃なしの、環境に対し清浄な作
業である。この真空環境によって、粉末の再利用が可能
になる。ＬＰＰＳによって、ち密で孔の無い、通常９９
％の理論密度の被覆が得られる。更に、この被覆は、無
酸化物の高純度のものである。基材を高温に予熱するこ
とで、更に熱応力の低い値の被覆が得られ、このことに
より厚手の被覆が可能になる。被覆前に基材を清浄にす
ることが、また酸化物を含有しない、被覆と基材との間
の清浄な金属接合が生じる一因となる。したがって、Ｌ
ＰＰＳは、高い純度、低い酸化物汚染度、高い付着強
度、被覆の高密度特性により、本発明に特に適してい
る。
【０００９】コイル状のコア基材やシャワーヘッド基材
に高融点または誘電性の材料を被覆する他の技術には、
スパッタリング、電気メッキ、化学蒸着が含まれる。誘
導コイルとシャワーヘッドとは、薄膜析出用のチャンバ
内へ配置される前に被覆されるため、薄膜析出工程が、
従来の現場被覆法ほど長時間にはわたらない。本発明に
より、例えばタングステン、タンタル、コバルト、チタ
ン、モリブデン、プラチナ、クロム、ニオブ、ニッケ
ル、これらの金属の合金等の高融点材料、または例えば
窒化珪素タングステン、酸化タンタル、炭化珪素等の誘
電性材料が、例えば所望コイル形状に容易に成形可能な
銅、アルミニウム、チタン、鋼、その他の金属等の成形
性のある可塑性金属の表面、または例えばニッケル合金
等の、シャワーヘッド用の通常の材料の表面に被覆され
る。被覆材料は、薄膜の汚染を避けるため、薄膜として
析出される材料と等しくすべきである。更に汚染を防止
するには、高純度の高融点材料および誘電性材料を使用
する。本発明の原理により、被覆は、コイルまたはシャ
ワーヘッドの全表面に被着されるので、薄膜を汚染する
可能性のある被覆されない表面が露出することはない。
本発明の溶射または類似の技術は、図に示した誘導コイ
ル１６を製造するのに適している。この誘導コイルは、
厚さＴが約1.27mm〜約12.7mm、直径Ｄが約25.4mm〜約76
2mm、高さＨが約12.7mm〜約101.6mmである。また、被覆
は、約0.254mm〜約7.62mmの厚さに被着されるのが好ま
しい。従来の方法により被着された被覆より厚手の被覆
によって、誘導コイルは、交換したり再被覆するまで
に、より多くのウェーハの加工に使用することができ
る。本発明により被覆された細いコイルは、従来の方法
より低コストかつ短時間で容易に製造できる。溶射被覆
は、更に析出中の被覆のフレーキング（剥離）を防止す
るため、誘導コイルに高い目標表面粗さが得られる。
【００１０】以上、本発明を一実施例について、かなり
細部にわたり説明したが、特許請求の範囲は、前記細部
に限定されるものではない。当業者には、付加的な利点
や変更様態が容易に明らかになるであろう。したがっ
て、より広い観点からの本発明は、特定の細部、提示し
た装置、および方法、図示し説明した例に限定されるも
のではない。したがって、出願人の全体的な発明構想の
範囲と精神を逸脱することなしに、前記細部とは異なる
態様を提示することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン化金属プラズマ析出用の装置と方法とを
示す略図である。
【符号の説明】
１０ プラズマ １２ ターゲット １４ ウェーハ １６ 誘導コイル １８ 析出チャンバ ２０ 金属原子 Ｄ コイル直径 Ｈ コイル高さ Ｔ コイル厚さ
フロントページの続き (72)発明者 ポール エス、ジルマン アメリカ合衆国 ニューヨーク、サファ ン、マーゲット アン レイン ５ (72)発明者 チー − ファン ロー アメリカ合衆国 ニュージャージー、フォ ート リー、インウッド テラス 1110

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 析出チャンバ内でプラズマを発生させ
    て、ウェーハ表面への所定材料の析出を補助するため、
    該チャンバ内に配置可能な被覆構成要素の製造方法にお
    いて、 前記所定材料とは異なる材料製の、析出チャンバ内に適
    合する導電性コアを成形する段階と、 析出チャンバ内に配置する前に、前記所定材料と事実上
    等しい材料で導電性コアを溶射被覆する段階とを含む、
    被覆構成要素の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記構成要素が、物理蒸着の析出チャン
    バ内に配置可能な誘導コイルであり、前記コアが、コイ
    ル形状に成形される、請求項１に記載された製造方法。
  3. 【請求項３】 前記構成要素が、化学蒸着の析出チャン
    バ内に配置可能なシャワーヘッドであり、前記コアがシ
    ャワーヘッド基材として形成される、請求項１に記載さ
    れた製造方法。
  4. 【請求項４】 スパッタ析出チャンバ内でプラズマを発
    生させて、所定材料製のターゲットからのスパッタリン
    グによる析出を補助するため、析出チャンバ内に配置可
    能な誘導コイルの製造方法において、 前記所定材料とは異なる成形可能な材料により、前記析
    出チャンバ内に適合するコイル形状に製造された導電性
    コアを成形する段階と、 前記コイル形状のコアを、析出チャンバ内に配置する前
    に、ターゲット材料と事実上等しい材料で被覆する段階
    とを含む、誘導コイルの製造方法。
  5. 【請求項５】 前記被覆が、タンタル、チタン、タング
    ステン、ニッケル、モリブデン、プラチナ、クロム、ニ
    オブ、コバルト、これらの金属の合金から成る材料群の
    うちから選択された高融点材料を含む、請求項４に記載
    された製造方法。
  6. 【請求項６】 前記被覆が、誘電体を含む、請求項４に
    記載された製造方法。
  7. 【請求項７】 前記被覆が、溶射、スパッタリング、電
    気めっき、化学蒸着から成る方法群から選択された方法
    により被着される、請求項４に記載された製造方法。
  8. 【請求項８】 前記被覆が、プラズマ溶射、火炎溶射、
    高速酸素燃料溶射、アーク溶射から成る技術群のうちか
    ら選択された溶射技術によって被着される、請求項７に
    記載された製造方法。
  9. 【請求項９】 前記被覆が、減圧プラズマ溶射により被
    着される、請求項８に記載された製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記コイル形状のコアが、約1.27mm〜
    約12.7mmの厚さＴ、約25.4mm〜約762mmの直径Ｄ、約12.
    7mm〜約101.6mmの高さＨを有している、請求項４に記載
    された製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記コイル形状のコアが可塑性金属を
    含む、請求項４に記載された製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記可塑性金属が、銅、アルミニウ
    ム、チタン、鋼、これらの金属の合金から成る金属群の
    うちから選択された金属である、請求項１１に記載され
    た製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記被覆が約0.254mm〜約7.62mmの厚
    さに被着される、請求項４に記載された製造方法。
  14. 【請求項１４】 スパッタ析出チャンバ内でプラズマを
    発生させて、所定材料製のターゲットからのスパッタリ
    ングによる析出を補助するため、析出チャンバ内に配置
    可能な誘導コイルの製造方法において、 前記所定材料とは異なる成形可能な材料で製造された導
    電性コアを、厚さＴが約1.27mm〜約12.7mm、直径Ｄが約
    25.4mm〜約762mm、高さＨが約12.7mm〜約101.6mmのコイ
    ルの形状に成形する段階と、 析出チャンバ内に配置する前に、コイル形状の前記コア
    を被覆する段階とを含み、前記被覆が約0.254mm〜約7.6
    2mmの厚さを有し、かつ前記被覆がターゲット材料と事
    実上等しい材料を含み、しかも前記被覆が、溶射、スパ
    ッタリング、電気めっき、化学蒸着から成る方法群のう
    ちから選択された方法により被着される、誘導コイルの
    製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記被覆が、タンタル、チタン、タン
    グステン、ニッケル、モリブデン、プラチナ、クロム、
    ニオブ、コバルト、これらの金属の合金から成る材料群
    のうちから選択された高融点材料を含む、請求項１４に
    記載された製造方法。
  16. 【請求項１６】 前記被覆が誘電性材料を含む、請求項
    １４に記載された製造方法。
  17. 【請求項１７】 前記被覆が、プラズマ溶射、火炎溶
    射、高速酸素燃料溶射、アーク溶射から成る技術群のう
    ちから選択された溶射技術によって被着される、請求項
    １４に記載された製造方法。
  18. 【請求項１８】 前記被覆が減圧プラズマ溶射により被
    着される、請求項１７に記載された製造方法。
  19. 【請求項１９】 コイル形状の前記コアが可塑性金属を
    含む、請求項１７に記載された製造方法。
  20. 【請求項２０】 前記可塑性金属が、銅、アルミニウ
    ム、チタン、鋼、これらの合金から成る金属群のうちか
    ら選択された金属である、請求項１９に記載された製造
    方法。
  21. 【請求項２１】 スパッタ析出チャンバ内でプラズマを
    発生させて、所定材料製のターゲットによる析出を補助
    するため、析出チャンバ内に配置可能な誘導コイルにお
    いて、 ターゲット（１２）材料とは異なる成形可能な材料製の
    導電性コアが含まれ、このコアが、スパッタ析出チャン
    バ（１８）内に配置可能な誘導コイル（１６）の形式に
    成形され、かつ約1.27mm〜約12.7mmの厚さＴと、約25.4
    mm〜約762mmの直径Ｄと、約12.7mm〜約101.6mmの高さＨ
    とを有しており、 このコアの被覆が、ターゲット材料と事実上等しい材料
    を含み、約0.254mm〜約7.62mmの厚さを有している、誘
    導コイル。
  22. 【請求項２２】 前記導電性コアが、銅、アルミニウ
    ム、チタン、鋼、これらの合金から成る金属群のうちか
    ら選択された可塑性金属から成る、請求項２１に記載さ
    れた誘導コイル。
  23. 【請求項２３】 前記被覆が、タンタル、チタン、タン
    グステン、ニッケル、モリブデン、プラチナ、クロム、
    ニオブ、コバルト、これら金属の合金から成る材料群の
    うちから選択された高融点材料を含む、請求項２１に記
    載された誘導コイル。
  24. 【請求項２４】 前記被覆が誘電性材料を含む、請求項
    ２１に記載された誘導コイル。
  25. 【請求項２５】 所定材料製のターゲットからのプラズ
    マスパッタリングによりウェーハを被覆する方法におい
    て、 所定材料製のターゲット（１２）をスパッタ析出チャン
    バ（１８）内に配置する段階と、 ターゲット（１２）から間隔をおいてスパッタ析出チャ
    ンバ（１８）内にウェーハ（１４）を配置する段階と、 ターゲット材料とは異なる成形可能な材料製の導電性コ
    アと、ターゲット材料と事実上等しい材料のコア表面被
    覆とを有する誘導コイル（１６）を、スパッタ析出チャ
    ンバ（１８）内に配置する段階と、 誘導コイル（１６）を励起させ、析出チャンバ（１８）
    内でプラズマ（１０）を発生させ、ウェーハ（１４）表
    面にターゲット（１２）からのスパッタ材料を析出させ
    る段階とを含む、プラズマスパッタリングにより被覆す
    る方法。
  26. 【請求項２６】 ウェーハ表面への所定材料析出補助用
    に化学蒸着チャンバ内にプラズマを発生させ、かつ反応
    ガスを放出させるために、化学蒸着チャンバ内に配置可
    能なシャワーヘッドの製造方法において、 前記所定材料とは異なる材料製の、析出チャンバ内に適
    合するシャワーヘッド基材を成形する段階と、 析出チャンバ内に配置する前に、前記所定材料と事実上
    等しい材料によりシャワーヘッド基材を溶射被覆する段
    階とを含む、シャワーヘッドの製造方法。
  27. 【請求項２７】 所定材料製ターゲットからのプラズマ
    スパッタリングによりウェーハを被覆する装置におい
    て、 スパッタ析出チャンバ（１８）と、 前記析出チャンバ内に配置された所定材料製のターゲッ
    ト（１２）と、 前記ターゲットから間隔をおいて析出チャンバ（１８）
    内に配置されたウェーハ（１４）と、 ターゲット材料とは異なる成形可能な材料で造られ、か
    つターゲット材料と事実上等しい材料で表面を被覆され
    たコイル状導電性コアを有する誘導コイル（１６）と、 ターゲット（１２）から材料をウェーハ（１４）表面に
    スパッタ析出するために、誘導コイル（１６）を励起し
    て、析出チャンバ（１８）内にプラズマを発生させるた
    め、誘導コイル（１６）に接続された電源とを含む、プ
    ラズマスパッタリングによりウェーハを被覆する装置。
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