JP2007092175A - 中空体プラズマ均一性調整デバイスと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸着とエッチングを組み合わせる同時的および連続的な処理における均一なプラズマ処理に寄与するように、プラズマを生成および調整する。また、ｉＰＶＤにより、高アスペクト比の被覆性に対し、均一なプラズマ処理を提供する。
【解決手段】開口端が処理スペースに面する状態で、中空体をチャンバ軸の上に位置決めすることによって、処理チャンバの軸へのピークに対する傾向を持ったプラズマ分布の均一性が改善される。中空体は中央から離れたプラズマの分布を制御し、プラズマの中央への配置を可能にする。中空体の幾何学構成は、所与の状態にプラズマを均一化ならしめるよう最適化できる。同時的および連続的なエッチングとｉＰＶＤ処理のような、組み合わせられた蒸着とエッチング処理において、中空体はエッチングのための均一なプラズマを提供する一方で、蒸着のために蒸着パラメータを最適化することを可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハのイオン化物理的気相蒸着（ｉＰＶＤ）処理、また一般的には、半導体技術における金属化プラズマ処理、におけるプラズマエッチング処理均一性の制御に関わり、特に、ｉＰＶＤとエッチングの処理を組み合わせる処理に関する。

イオン化ＰＶＤは金属化および相互接続のための半導体処理で利用され、そして、処理をサブミクロン技術に延長することの期待を示す。半導体ウェハ上の高アスペクト比（ＨＡＲ）のビアホール(via hole)とトレンチの金属化において、バリア層とシード層がウェハにわたって側壁と底面の良好な被覆性(coverage)を提供しなくてはならない。イオン化ＰＶＤは進歩したＩＣウェハにおけるバリアおよびシード層金属化のために使われる。イオン化ＰＶＤはビアおよびトレンチ構造における良好な側壁と底面の被覆性を提供する。しかしながら、幾何学構造が縮小し、ビア寸法が０.１５マイクロメートルを下回るほどに一層縮小するに従って、イオン化蒸着（堆積）の要求は、さらに深刻となる。このような用途では、底面の被覆性と側壁の被覆性が良好にバランスし、かつ張出し(overhang)が最小となるようなイオン化ＰＶＤ処理を備えることは、大いに望ましい。

金属化処理は、参考として明確にここに組み入れられている特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５に記載された特徴を持ったイオン化物理的気相蒸着（ｉＰＶＤ）装置を利用することができる。これらの特許に記載された処理装置は、特に連続的または同時的な蒸着およびエッチングに対してよく適している。連続的な蒸着とエッチング処理は、真空を破ることなく、またはチャンバからチャンバにウェハを移動させなることなく同じ処理チャンバ内で一基板に適用されうる。連続的な蒸着とエッチング処理は、参考として明確にここに組み入れられている特許文献６に記載されている。この装置の形状は、イオン化ＰＶＤ蒸着モードからエッチングモードへの、またはエッチングモードからイオン化ＰＶＤ蒸着モードへの速やかな移行が可能である。この装置の形状は、蒸着モードの際のイオン化ＰＶＤ処理制御パラメータと、エッチングモードの際のエッチング処理制御パラメータとの同時的な最適化をも可能にする。これらの利点の結果は、高度なビア金属化とそれに続く電気メッキ充填作業を持ったウェハの高い処理能力である。

このイオン化ＰＶＤの利点にもかかわらず、ｉＰＶＤの性能を最大限利用するのには依然としていくつかの制約条件がある。例えば、既存のハードウェアでは、広いプロセスウインドウ(process window)上で、特に広い圧力範囲において、蒸着とエッチング双方の均一性を同時に最適化することが可能ではない。環状のターゲットは、優れた平面状蒸着均一性を提供するが、均一なエッチング処理のための広範囲の低圧力プラズマを生成するのに広範囲の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を使用するには、幾何学構造が制限される。軸方向に位置したＩＣＰ源は、ターゲットからスパッタリングされた金属蒸気をイオン化させ、またウェハ中央における特徴(または形状：feature)を満たすのに最適であるが、このような源（source：ソース）は、連続的な蒸着−エッチング処理における均一なエッチング、あるいは無網状蒸着（ＮＮＤ：no net deposition process）を提供しないような、軸方向にピークをもつ高濃度プラズマプロフィールを作り出す。

組み合わせられた蒸着−エッチング処理のエッチング部分は増加したバイアスにおいて生じるので、蒸着された金属、通常は付着およびバリアとしてのＴａＮ/Ｔａ、あるいはシード層としてのＣｕは、平面領域、すなわち特徴(または形状：feature)の上面および底面のような水平の表面から除去されるが、特徴(または形状：feature)の側壁には残留する。この処理は、エッチング処理と蒸着処理の完全に同一な不均一性の分配、または高度に均一な処理を必要とする。
米国特許第６,０８０,２８７号明細書 米国特許第６,１３２,５６４号明細書 米国特許第６,１９７,１６５号明細書 米国特許第６,２８７,４３５号明細書 米国特許第６,７１９,８８６号明細書 米国特許第６,７５５,９４５号明細書 米国特許出願第１０／８５４,６０７号明細書

本発明の目的は、蒸着とエッチングを組み合わせる同時的および連続的な処理における均一なプラズマ処理に寄与するように、プラズマを生成および調整することである。本発明の特定の１つの目的は、イオン化ＰＶＤによって、高アスペクト比特徴の被覆性(coverage)に対して、特に大口径ウェハ、例えば３００ミリメートル（ｍｍ）ウェハに対して、均一なプラズマ処理を提供することである。

本発明は、大きな電極、望ましい実施形態においてはリング形のアンテナによるプラズマ生成のために、また、中空体の幾何学構成を持ち軸方向に配置されたデバイスの使用によるプラズマ濃度プロフィールの調整のために提供される。デバイスは、内部にエネルギーが結合されるプラズマ源の真空スペースに提供される。チャンバ内にその大きさと形状、および場所を含んだデバイスの幾何学構成は、特定のチャンバ幾何学構成と処理圧力範囲のために最適化されうる。

本発明のこれらおよび他の目的と利点は、本発明の例示的な実施形態の詳細な説明から容易に一層明らかとなるであろう。

本発明の実施形態を図１の装置との関連で説明する。しかし、他のタイプのシステムにさえも適用できる。この装置は、上記で言及した特許文献１および特許文献４に記載されたものに類似した特徴を備える。

典型的なｉＰＶＤシステム１０は、図１に示ように、真空チャンバ１１、ＩＣＰ源１２、金属源１３、処理スペース１６によって処理させるためのウェハ１５を支持するウェハホルダ１４を含みうる。また、処理スペース１６を通して、源１２および１３とウェハ１５が相互作用する。エネルギーは、プラズマ源１２から処理スペース１６に結合されてプラズマ１７を形成する。ｉＰＶＤにおいて、金属は、スペース１６内で金属源１３からプラズマ１７へとスパッタリングされ、そこでウェハ１５上に蒸着するためにイオン化される。プラズマ源１２がＩＣＰ源である場合、ＲＦエネルギーはプラズマ１７中に誘導結合される。

プラズマ処理システムが最大の配慮とコンピュータシミュレーションにより設計される一方で、多くの場合、真のプラズマによって行われた真の処理のみが、処理チャンバのいくつかのハードウェア部品の影響と、プラズマとの相互作用を示すことになる。通常、この影響は、ウェハにおける処理の均一性に関係する。例えば、処理における不均一性は、
処理条件を変更するとき、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）アンテナ幾何学構成からの、またチャンバ内部の異なるプラズマ処理の同時的な組み合わせからの金属源からの静磁界の相互作用によって生じうる。

特許文献１、特許文献４、および特許文献５に記載されたもののような既存のｉＰＶＤシステムは、例えば強いピークをもつプラズマ濃度を作る軸上ＩＣＰ源を持つ。このようなプラズマは、ターゲットからスパッタリングされた金属の優秀なイオン化と、それに続くスパッタリングされた金属のウェハへの輸送を提供することができる。

このようなｉＰＶＤシステム１０は、図２に示すように、中央にピークをもったプラズマ濃度プロフィール２１を示す。プロフィール２１は基板ホルダ１４に零テーブルバイアス(zero table bias)を表し、その状況で８００ワットのテーブルバイアスが同様の形状をもたらすものの、より小さいピークをもつプロフィール２２となる。チャンバ高さの低減によってプラズマプロフィールの平坦化を達成することができ、プロフィール２３のようなプロファイルを作り出すことができる。しかしながら、チャンバ高さのさらに大幅な低減は、全体的なｉＰＶＤハードウェアにおける徹底的な変化を必要とすることになる。プラズマ分布は、熱運動化された金属プラズマにおいて、また３０〜５０ｍＴｏｒｒを上回る高い圧力で実行されるとき、通常的には、ｉＰＶＤによる蒸着均一性には著しくは影響しない。だが、低い圧力におけるエッチング処理を行うとき、エッチング状態均一性は影響され得る。エッチング処理は、通常は、例えば１から１０ｍＴｏｒｒ範囲の圧力において行なわれる。

本発明の特定の原理に従って、蒸着処理に対する影響が最小であるエッチング速度均一性の問題を解決するため、図１の中央のＩＣＰ源１２をリング形のような源３０に置き換えたｉＰＶＤシステム５０が提供される。このリング形の源３０は同心の中空体デバイス４０を囲み、中空体デバイス４０は、後ろにリング形の源３０のアンテナが配置される誘電体ウインドウ４１のような、チャンバ壁の誘電体部内側の蒸着シールド６０より下の位置に置かれる。図２と図４は濃度プロフィールを比較した図であって、中空体プラズマ調整デバイスの半径方向または軸方向の寸法の増加によって中央ピーク状濃度プロフィールから皿状(dish)の濃度プロフィールに遷移することを示す。図４のグラフは図２の曲線を正規化したものであって、中空のデバイス４０の横および縦の寸法がプラズマ濃度プロフィールに影響を与えることを示した曲線２４も含む。図４は中空のデバイスの種々の寸法に対するプラズマ濃度プロフィールを示す。中空のデバイス４０の延長された表面は、チャンバ１１内の処理スペース１６中央領域における大量のプラズマ中のイオン化を妨げることにより、プラズマの再結合に影響を与える。プラズマ濃度プロフィールは、図４の曲線２１〜２３で示したドーム形から図４の曲線２４で示した皿形へと変化する。デバイス４０の形状と寸法の依存関係は、図５の異なる半径で示すようにプラズマの分布に影響を与える。一実施形態の一つの例を図３Ａと図３Ｂに示す。結果的に、チャンバ高さの減少によってプラズマ均一性のいくらかの改善が進むと同時に、中空のプラズマ成形デバイス４０を利用して実質的な均一性改善が実現できる。

さらに具体的には、図３に示す実施形態において、処理システム５０は上部のリング形のようなＩＣＰ源５２を含んだトップ部分５３を持っており、それはリング形のアンテナ３０と、ＲＦ発生器（図示せず）に整合ネットワーク(matching network)（図示せず）を通して接続されＲＦバイアスされたチャンバ５１の下部の基板ホルダ１４と、を含む。処理スペース５５は真空チャンバ５１によって囲まれ、そして金属源５６を含む。リング形のプラズマ源３０は誘導アンテナ５７を含み、その誘導アンテナ５７はテフロン（登録商標）スペーサー５８とチャンバ５１の壁内部の誘電体ウインドウ４１によって処理スペース５５から分離され、その誘電体ウインドウ４１は半径方向スロット（図示せず）を持った蒸着シールド６０によって保護される。中空のデバイス４０は、蒸着シールド６０よりも下、またはそこから処理スペース５０に向かって配置される。

デバイス４０の一例を図３Ａおよび図３Ｂに示す。それは処理に適合するアルミニウムまたは他の金属から作られた中空の円筒形状から成る。他の材料、例えばステンレス鋼、Ｃｕ、またはＴａを使うことができる。または、デバイス４０はＳｉＣ、アルミナ、または他の誘電体材料から作ることができる。図３Ａおよび図３Ｂに示したデバイス４０の円筒形状の実施形態に対する材料厚さは５ミリであるが、チャンバパラメータおよび処理パラメータによっては他の厚さも受容でき、あるいは好ましいと思われる。最高温度、熱伝導率、硬さ、粒子放出などのような他の実際的な理由に対しては、当技術分野における当業者に知られたスパッタリングシステムにおける内部表面に通常的に必要とされうるような表面のキメまたは提供された他のいくつかの処理表面を備えた、２ｍｍから１０ｍｍ範囲の厚さが適切であると思われる。プラズマ調整デバイス４０の寸法は、実際のチャンバの大きさとチャンバのアスペクト比に依存する。３００ミリウェハ処理のための円筒形状タイプのプラズマ調整デバイス４０の典型的な寸法は、４０ｍｍから１５０ｍｍの範囲の半径、好ましくは４０ｍｍから１００ｍｍの範囲の半径を含み、１０ｍｍから１５０ｍｍの高さ、好ましくは１０ｍｍから８０ｍｍの高さ、さらに好ましくは３０ｍｍから５０ｍｍの高さを含む。

デバイス４０のための典型的な幾何学形状は、円筒形状の中空体、あるいは、例えば図７ａに示すデバイス３０ａのような上面半径より大きい底面半径をもった円錐台形の幾何学形状である。放物線状または何らかの他の凸形、もしくは組み合わせ形状の断面を備えた半球面状の形状も有用である。一例は図７Ｂに示すデバイス３０ｂである。

２００４年５月２６日に出願され、参考として明確にここに組み入れられている出願人の特許文献７において、処理チャンバ内の金属原子とイオンの半径方向分布に相補的な影響を提供するバッファデバイス(buffer device)が開示されている。本発明により、プラズマ均一性と半径方向のプラズマ濃度制御を改善することによって、バッファリング性能(buffering performance)のための形状を持ったデバイスが提供される。

本発明の特定の模範的な実施形態のみを上記で詳細に記述してきたが、当技術分野の当業者ならば、本発明の新規な教示と利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正が上記模範的な実施形態において可能である、ということが容易に理解できるであろう。したがって、そのような修正のすべてが本発明の範囲の中に含まれることを意味する。

本発明を用いて使用するためのｉＰＶＤシステムの断面図である。 本発明のプラズマ調整デバイスのある場合とない場合における、イオン濃度の半径依存性を示すプラズマ濃度のグラフである。 本発明の原理によるプラズマ調整デバイスを備えた、図１に示すタイプのｉＰＶＤチャンバの一実施形態の断面図である。 図３の実施形態の中空体の斜視図である。 図３の実施形態の中空体の断面図である。 図２のグラフを正規化した形式のグラフである。 ２つの半径Ｒ＝４０ｍｍとＲ＝７０ｍｍのプラズマ調整デバイスの高さの関数としての、イオン濃度の均一性を示すグラフである。 ｉＰＶＤチャンバ内の等しいイオン濃度ラインの２次元的プロットであって、図１のような中央のＩＣＰ源を備えた基準チャンバにおけるピークをもったプラズマを示す。 ｉＰＶＤチャンバ内の等しいイオン濃度ラインの２次元的プロットであって、図１のようなチャンバであるが、拡張した直径のＩＣＰ源を備え、本発明によるプラズマ調整デバイスおよびリング形のプラズマ源のないものを示す。 ｉＰＶＤチャンバ内の等しいイオン濃度ラインの２次元的プロットであって、本発明の原理によって提供されたプラズマ調整デバイスを備えた、図３に類似するチャンバを示す。 本発明の他の実施形態による円錐形のプラズマ調整デバイスの正面図である。 本発明の他の実施形態による球面状のプラズマ調整デバイスの正面図である。

符号の説明

１０ ｉＰＶＤシステム
１１ チャンバ
１２ ＩＣＰ源（プラズマ源）
１３ 金属源
１４ ウェハホルダ（基板ホルダ）
１５ ウェハ
１６ 処理スペース
１７ プラズマ
３０ プラズマ源
３０ａ、３０ｂ プラズマ調整デバイス（中空体デバイス）
４０ プラズマ調整デバイス（中空体デバイス）
５１ チャンバ
５２ ＩＣＰ源
５３ トップ部分
５５ 処理スペース
５６ 金属源
５７ 誘導アンテナ
５８ テフロン（登録商標）スペーサー
６０ 蒸着シールド

Claims (20)

1. 半導体ウェハの処理における均一性を提供する方法であって、
   チャンバ内の処理スペースにおける環状領域の中央に、処理スペースに開いた端部を持った中空体を提供する段階と、
   前記中空体から見て処理スペースと反対のサポート上でチャンバ内のサポート上に、前記処理スペースに面するよう半導体ウェハを保持する段階と、
   前記環状の領域中のプラズマに前記処理チャンバの端部におけるアンテナからＲＦエネルギーを誘導結合する段階と、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記アンテナは、前記処理チャンバの外から前記処理スペースの環状領域の中に、前記チャンバ壁の誘電体部を通してＲＦエネルギーを誘導結合するよう構成されたリング形のアンテナである
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記中空体は、前記リング形のアンテナと軸方向に整列して、前記チャンバ壁の誘電体部の内部にマウントされるよう構成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. プラズマによって半導体ウェハをエッチングする段階
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記エッチングする段階は、１０ｍＴｏｒｒ未満のチャンバ内圧力で行なわれる
   ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記半導体ウェハの上に、ｉＰＶＤ処理によって、プラズマによる蒸着のためにイオン化された金属を蒸着する段階
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ｉＰＶＤ処理は、少なくとも３０ｍＴｏｒｒのチャンバ内圧力によって行なわれる
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 半導体ウェハ上への、インシチュで組み合わせられた蒸着とエッチング処理におけるエッチング均一性を提供するための請求項１に記載の方法であって、
   プラズマによって前記半導体ウェハをエッチングする段階と、
   前記半導体ウェハの上に、ｉＰＶＤ処理によって、プラズマによる蒸着のためにイオン化された金属を蒸着する段階と、
   をさらに有することを特徴とする方法。
9. 前記ｉＰＶＤ処理は、処理スペース内でプラズマを熱運動化するのに十分に高い圧力において行なわれ、
   前記エッチングは、処理スペース内でプラズマを熱運動化するのに必要であるよりも低い圧力において行なわれ、
   前記ｉＰＶＤ処理とエッチングは、
   圧力が前記ｉＰＶＤ処理とエッチングとの間で切り替えられる状態で、連続的に行なわれる
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記ｉＰＶＤ処理と前記エッチングは同時に行なわれる
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記ｉＰＶＤ処理と前記エッチングは、網状蒸着を作らないように同時に行なわれる
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 半導体ウェハの処理における広範囲の処理パラメータにわたるプラズマ均一性を提供するためのプラズマ源であって、
    真空処理チャンバの外から前記チャンバ内の処理スペースの中に、チャンバ壁の誘電体部を通してＲＦエネルギーを誘導結合するよう構成されたリング形のアンテナと、
    リング形のアンテナと軸方向に整列して、前記チャンバ壁の誘電体部の内部にマウントされるよう構成される中空体であって、前記処理スペースに面する開口端を有する中空体と、
    を有することを特徴とするプラズマ源。
13. 前記中空体は、前記開口端が円形である状態で、前記リング形のアンテナと軸方向に整列した一様な円筒形状を持つ
    ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記中空体は、前記開口端が円形である状態で、前記リング形のアンテナと軸方向に整列した一様な円筒形状を持つ
    ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
15. 処理スペースを囲む真空処理チャンバと、
    前記真空処理チャンバ内の真空処理圧力を保持するよう動作可能な真空システムと、
    チャンバ内で前記処理スペースと連通するスパッタリング表面を持ったスパッタリングターゲットと、
    前記処理スペース内の分布領域の中にＲＦエネルギーを組み合わせるよう構成された電極を有する高濃度プラズマ源と、
    前記処理スペースに面するチャンバ内の基板サポートと、
    前記分布領域の中央にあって前記処理スペースへ開口する端部を持った中空体と、
    を有し、
    前記スパッタリングターゲット、前記プラズマ源、前記中空体、前記処理スペース、および前記基板サポートは、真空処理チャンバの軸方向に整列しており、そして、
    前記真空処理チャンバ内の基板サポートの上で半導体ウェハのプラズマ処理を制御するように動作可能なコントローラ
    を有することを特徴とする半導体ウェハ処理装置。
16. 請求項１５に記載の装置であって、
    イオン化物理的気相蒸着システムであって、前記コントローラが
    プラズマが前記処理スペース生成される時に、そのプラズマの熱運動化をもたらすのに十分に高い圧力であるような、前記真空処理チャンバ内の真空処理圧力を保持するよう前記真空システムを制御し、
    前記真空処理スペースの中にコーティング材料をスパッタリングするようスパッタリングターゲットを制御し、
    前記処理スペース内に高い濃度の熱運動化プラズマを作るように高濃度プラズマ源を制御する
    ように動作可能であるイオン化物理的気相蒸着システムと、
    プラズマエッチングシステムであって、前記コントローラが、さらに、
    プラズマが前記処理スペースで生成される時に、エッチングのためには効果的で、そのプラズマの熱運動化をもたらすのに不十分な高さの圧力であるような、前記真空処理チャンバ内の真空処理圧力を保持するよう前記真空システムを制御し、
    前記半導体ウェハ上に網状蒸着がないようにスパッタリングターゲットを制御し、
    効果的に前記基板をエッチングするために前記高濃度プラズマ源と前記基板サポートのバイアス電圧を制御する
    ように動作可能であるプラズマエッチングシステムと、
    をさらに有することを特徴とする装置。
17. 前記コントローラは、前記基板を、前記処理チャンバ内にある時に同時的または連続的に被覆およびエッチングするために、前記蒸着システムおよび前記エッチングシステムを動作させるようプログラムされることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記コントローラは、さらに、前記処理チャンバ内のサポート上の半導体ウェハに連続的または同時的にｉＰＶＤ処理およびエッチング処理を行なうための装置を動作させるよう動作可能であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
19. 前記コントローラは、前記処理スペース内でプラズマを熱運動化するのに十分に高い圧力において前記ｉＰＶＤ処理を行なうよう前記装置を動作させ、前記処理スペース内でプラズマを熱運動化するのに十分な高さよりも低い圧力において前記エッチング処理を行なうよう前記装置を動作させるように、プログラムされることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記電極アンテナはリング形をしており、前記処理スペースの中に誘導的にＲＦエネルギーを結合するよう構成した処理チャンバの端部に位置していることを特徴とする請求項１５に記載の装置。