JP2004531702A - 膜堆積の間における金属の厚さの自動制御 - Google Patents

Abstract

成膜室において膜堆積の間に金属膜の厚さを自動的に制御する新規な方法。この方法では、成膜室でウエハに堆積される金属膜に向けて照射されるＸ線ビームを生成し、金属膜のＸ線蛍光を検出する必要がある。検出したＸ線蛍光に基づいて求められた金属膜の厚さと設定値とを比較し、求めた厚さが設定値未満の場合に堆積を継続する。求めた厚さが設定値に達した場合は堆積を停止する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本件出願は半導体デバイスの製造に関し、特に、Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）検出を利用して膜堆積の間に金属の厚さを自動的に制御することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造過程にあっては、半導体ウエハ上に薄い金属層を堆積させ、バイアや配線のほか、拡散バリア層、接着層またはシード層などのさまざまな層、一次導体、反射防止コーティング、エッチストップを形成している。たとえば、半導体ウエハでの金属薄膜構造体の製造には物理的蒸着（ＰＶＤ）とも呼ばれるスパッタ成膜が広く用いられている。スパッタリングは、固体材料から原子を叩き出し、こうして得られる蒸気を近くに置いた基板に堆積させるものである。
【０００３】
通常、スパッタ成膜はマグネトロンとして知られるダイオードプラズマシステムで行われる。このシステムではイオン衝撃によってカソードをスパッタして原子を放出させ、放出された原子を薄膜の形でウエハ上に堆積させている。リソグラフィ方式に応じて、これらの膜を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングするか、化学機械研磨（ＣＭＰ）を利用して研磨し、回路の特徴を描きやすくする。
【０００４】
現在、金属や合金、化合物の高速堆積に用いられる最も重要なタイプのシステムはマグネトロンカソードシステムと呼ばれるものである。このタイプのツールではプラズマ中の電子の磁気閉じ込めを利用しているが、これによってプラズマ密度が無線周波数（ｒｆ）または直流（ｄｃ）ダイオードシステムのいずれに比しても高くなる。プラズマ密度が高くなればなるほど放電インピーダンスが低くなり、低圧でより大きな電流の放電が起こる。大雑把な例として、２ｋＷで動作しているｒｆダイオードツールではピークトゥーピーク（Peak-to-Peak）のｒｆ電圧が２０００Ｖを上回る場合があり得る。２ｋＷで動作する従来のマグネトロンシステムでは、ｄｃ放電電圧が４００Ｖ、カソードに向かうイオン電流は５Ａになる場合もあり得る。
【０００５】
現在の製造規模のマグネトロンシステムはステンレス鋼から作られている。これらのシステムは一般に大径のバルブによって成膜室（デポジション・チャンバ）と直接接続されたクライオポンプを含む形で構成されており、得られるベース圧力（base pressure）は通常、ほとんどのカソードで１０^−８Ｔｏｒｒの範囲と低く、Ｔｉでは１０^−９Ｔｏｒｒの範囲である。このくらいになると、堆積された膜の化学的に活性な性質によってシステムの実ポンピング速度が大きく左右される可能性がある。
【０００６】
スパッタリング時の作動圧力は一般に０．５から３０ｍＴｏｒｒであるが、この圧力を得るには数十標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）のガス流が必要である。ベース圧力を得る都合上、製造レベルのシステムにはバッフルが設けられていないため、堆積時のチャンバにおける真の背圧がほぼそのまま維持されることになる。大規模な半導体の応用事例に用いられるマグネトロンチャンバ（ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）は一体型のプロセス・ロードロックツール上のポートとして構成され、ウエハはロードロックによって成膜室に送られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スパッタ成膜は堆積時間で管理される。時間を基準に速度を較正した後、一定の時間で膜を堆積させる。しかしながら、プロセスにはムラがあるため、特定のウエハまたはロットの堆積膜厚を膜堆積の間に制御するのは困難である。一般に、金属膜の厚さについてはいくつかの試作ウエハに堆積させたものを測定している。
【０００８】
しかしながら、金属膜の厚さ次第で製造後の半導体デバイスの機械特性や電気特性が大きく変わり、厚さのムラはデバイスの性能に大きく影響する。したがって、膜堆積の間に各ウエハの金属膜の厚さを制御することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体デバイスの製造時にウエハに堆積中の金属膜のパラメータを監視する新規な方法を提供するものである。この方法では、成膜室でウエハに金属膜を堆積している間に金属膜に向けて照射されるＸ線ビームを生成し、金属膜のＸ線蛍光を検出して膜に必要なパラメータを求める。
【００１０】
求めたパラメータと設定値とを比較し、求めたパラメータが設定値と異なる場合に金属膜の堆積を継続するようにしてもよい。求めたパラメータが設定値と一致した場合は金属膜の堆積を停止するようにしてもよい。
【００１１】
本発明の一態様によれば、金属膜に向けて照射されるＸ線ビームを生成し、膜のＸ線蛍光を検出することで、ウエハに堆積中の金属膜の厚さを膜堆積の間に自動的に制御する。
【００１２】
検出したＸ線蛍光に基づいて求めた金属膜の厚さと設定値とを比較し、求めた厚さが設定値未満の場合に堆積を継続するようにしてもよい。求めた厚さが設定値に達した場合は堆積を停止するようにしてもよい。
【００１３】
当業者であれば、本発明を実施することを想定したベストモードを単に例示する目的での本発明の好ましい実施形態を図示して説明したにすぎない以下の詳細な説明から、本発明のさらに他の態様および利点を容易に把握することができよう。いずれ明らかになるように、本発明から逸脱することなく、本発明は他の異なる実施形態をとり得るものであり、そのいくつかの細部を誰にでも分かるさまざまな意味で改変可能である。したがって、図面および明細書は事実上例示目的のものにすぎず、本発明を限定するものではないと解釈すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤなどのさまざまな堆積プロセスの間に金属の厚さを制御する目的で広く一般に適用可能なものであるが、金属膜のスパッタ成膜を例に本発明の好ましい実施形態について開示する。図１は、金属の厚さを制御するための本発明による代表的な自動システム１０を概略的に示す図である。システム１０は、成膜室内に配置されたウエハに対する、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｃｕなどの金属の堆積を制御することができる。
【００１５】
本発明の一態様によれば、Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）を利用してウエハに堆積中の金属膜の厚さを制御する。ＸＲＦ作用はフィルタ処理をしていないＸ線のビームを試料に照射することで得られるものである。十分に波長の短いＸ線放射を用いると、励起した試料からの特徴的なＸスペクトルを観察することができる。Ｘ線蛍光は、電子がＸ線を吸収して高い軌道に上がった後、励起された電子が一連の段階を経てエネルギの低い状態まで落ちてくる際に発生する。このプロセスによってエネルギの低い状態で光子が放出される。このようにして得られる蛍光Ｘ線の強度は、電子のビームを利用する直接励起で得られるＸ線ビームの強度に比してほぼ１０００分の１近く小さい。
【００１６】
システム１０は、ＸＲＦ検出に適したＸ線のビームを放出するＸ線源１２を含む。このＸ線源１２にはＸ線管を利用することができる。一般的なＸ線管は、Ｘ線放射を制限する重金属製ヘッドと、薄型のベリリウム窓と、真空が保たれたリエントラントガラスバルブとを含む。このヘッドは、電流を流すことで白熱状態まで加熱されて電子を放出するタングステンフィラメントを含む。こうして放出された電子は凹形の集束電極に集められ、高い正電位で動作するアノードまで加速される。アノードは重い銅製ブロックに包埋された薄い金属めっきからなり、これによって焦点から熱が放出される。焦点にはフィラメント電子が衝突するため、この焦点がＸ線の源になる。Ｘ線は四方八方に放出されるが、外に出るのはベリリウム窓を介して金属製ヘッドからである。
【００１７】
Ｘ線源１２は、ウエハ１６上への金属膜の堆積を行うのに用いられるスパッタ室１４の付近またはその内部に配置されている。たとえば、ＰＶＤ堆積法を利用することができる。スパッタ室１４内に配置されたスパッタターゲット１８に、このターゲット１８の固体材料から原子を叩き出すアルゴンイオンを衝突させる。こうして得られる蒸気をウエハ１６に堆積させる。ターゲット材料に加えて、ターゲット１８は銅製の裏当プレートを含むものであってもよい。強力な永久磁石のアレイからなるマグネトロンカソードをターゲット１８の背後に配置してもよい。これらの磁石によってターゲットの表面に磁場が発生し、電子が閉じ込められる。
【００１８】
ターゲットエロージョンの形成を担うアルゴンイオンの生成を、ターゲットをカソードとして利用し、スパッタ室の壁面または他のいくつかの電極をアノードとして利用するグロー放電プラズマ発生装置によって行うようにしてもよい。これらの電極に電圧をかけて自由電子を加速させ、加速した自由電子を気体分子にぶつけてイオンやさらに多数の自由電子、フリーラジカル、励起状態の分子を作り出す。後者は光子を放出しながら自然に緩和されて基底状態に戻ることができる。一度作り出されると、これらの粒子はターゲットに向かってプラズマから出て拡散する。
【００１９】
Ｘ線源１２は、堆積中の金属膜に向かってＸ線ビームを照射できるように設置する。このＸ線ビームによって金属膜から特徴的な蛍光線が放出される。スパッタ室１４の中またはその付近にＸＲＦ検出器２０を配置し、このＸ線蛍光を検出する。照準器を利用して発散するＸ線の照射範囲を変え、検出器の窓に平行光線を照射するようにしてもよい。Ｘ線源１２とＸＲＦ検出器２０をスパッタ室１４の外に設置する場合、スパッタ室１４内にＸ線透過窓を形成し、Ｘ線源１２で生成されたＸ線ビームを金属膜まで伝達できるようにすると同時に、金属膜から放出されるＸ線蛍光をＸＲＦ検出器２０まで伝達できるようにしてもよい。
【００２０】
たとえば、ウエハに堆積中の金属膜から放出されるＸ線蛍光の検出に固体半導体ＸＲＦ検出器を利用してもよい。この固体ＸＲＦ検出器２０には、ｐ型シリコンまたはゲルマニウムにリチウムを拡散して製造した領域を含む、シリコン単結晶半導体からなるリチウムドリフト型検出器を用いることができる。この領域はｐ型領域とｎ型領域との間に挟まれている。リチウムは拡散速度が非常に高いため、リチウムドリフト型ＸＲＦ検出器を用いる場合はこれを液体窒素温度に維持しておかなければならない。
【００２１】
入射Ｘ線光子が吸収されるたびに半導体に多数の電子正孔対が生成される。低ノイズで高利得の前置増幅器を利用して検出器からの検出信号を増幅してもよい。当業者であれば、気体を充満させたＸＲＦ検出器または光電ＸＲＦ検出器もＸＲＦ検出器２０として利用できることが分かるであろう。
【００２２】
膜厚を含む金属膜のさまざまなパラメータを金属膜のＸ線蛍光から知ることができる。ＸＲＦ検出器２０では金属膜のＸ線蛍光を示す出力信号が得られる。たとえば、ＸＲＦ検出器２０を事前に較正し、堆積中の特定の金属に対する膜厚の設定値に応じて所定の出力値が得られるようにしてもよい。ＸＲＦ検出器２０の出力信号は、金属薄膜のスパッタ成膜を制御するプロセスコントローラ２０に供給される。
【００２３】
コントローラ２０については、論理回路と後述する機能を果たすための他の構成要素とを有する特別に設計したチップとして実現するようにしてもよい。あるいは、汎用デジタル信号処理装置と適当なプログラミングとを利用してコントローラ２０を実現してもよい。
【００２４】
図２のフローチャートは、金属膜の厚さを制御する本発明の方法を示すものである。スパッタ室１４に入れたウエハ上への金属膜のスパッタ成膜時（ブロック３２）、金属膜に向けて照射されるＸ線ビームをＸ線源１２から放出する。次に、Ｘ線ビームが照射された金属膜から放出されるＸ線蛍光をＸＲＦ検出器２０によって検出する（ブロック３４）。金属膜の厚さを示すＸＲＦ検出器２０の出力信号が、金属膜の厚さを求めるとともに、検出した厚さと設定値とを比較するコントローラ２２に供給される。
【００２５】
金属膜の厚さが設定値未満であると判断すると（ブロック３６）、コントローラ２２はスパッタ成膜プロセスを制御して金属膜の堆積を継続する。金属膜の厚さが設定値に達したと判断すると、コントローラ２２は堆積プロセスを停止する。
【００２６】
したがって、本発明は、膜堆積の間に各ウエハ上の金属膜厚をその場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）自動制御し、所望の厚さの金属膜を堆積できるようにするものである。
【００２７】
発明思想の趣旨および範囲内で本発明をさまざまに改変する余地があることは当業者であれば明らかであろう。たとえば、上述したように、Ｘ線源１２、ＸＲＦ検出器２０およびプロセスコントローラ２２をさまざまな異なる方法で実現することができる。スパッタ室１４は、ＰＶＤ、ＣＶＤまたはＰＥＣＶＤなど、どのようなタイプの膜堆積を行って、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｃｕなどの金属を堆積するためのどのようなチャンバまたは炉であってもよい。
【００２８】
本願の開示では、本発明の好ましい実施形態についてのみ図示して説明したが、本発明は本願明細書に明示した発明思想の範囲内で変更および改変が可能なものであることは理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を実現するための代表的な制御システムを概略的に示した図である。
【図２】金属の厚さを自動的に制御する本発明の方法を示すフローチャートである。

Claims (10)

1. 成膜室でウエハに金属膜を堆積している間に前記金属膜に向けて照射されるＸ線ビームを生成するステップと、
   前記金属膜のＸ線蛍光を検出して前記金属膜のパラメータを求めるステップと、
   を含む、ウエハに堆積中の金属膜のパラメータを監視する方法。
2. ウエハに堆積中の前記金属膜の厚さを制御するために前記金属膜のＸ線蛍光を検出する、請求項１に記載の方法。
3. 求めたパラメータと設定値とを比較し、求めたパラメータが設定値と異なる場合に前記金属膜の堆積を継続するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 求めたパラメータが設定値と一致した場合は金属膜の堆積を停止する、請求項３に記載の方法。
5. スパッタ成膜を利用して前記金属膜の堆積を行う、請求項１に記載の方法。
6. 成膜室でウエハに金属膜を堆積している間に前記金属膜に向けて照射されるＸ線ビームを生成するステップと、
   前記金属膜のＸ線蛍光を検出して堆積中の前記金属膜の厚さを自動的に制御するステップと、
   を含む、ウエハに堆積中の金属膜の厚さを自動的に制御する方法。
7. 検出したＸ線蛍光に基づいて前記金属膜の厚さを求めるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 求められた金属膜の厚さと設定値とを比較し、求められた金属膜の厚さが前記設定値未満の場合に前記金属膜の堆積を継続するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 求められた金属膜の厚さが前記設定値に達した場合は前記金属膜の堆積を停止する、請求項８に記載の方法。
10. スパッタ成膜を利用して前記金属膜を堆積させる、請求項６に記載の方法。

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