JP2007284794A - 膜の堆積／エッチング特性を変えるための磁気フィルタ装置を備えたプラズマ・システム - Google Patents

Abstract

【課題】有効な磁場の分布を変えることによって膜の堆積／エッチング特性を変えるための磁気フィルタ装置を備えたプラズマ・システムを提供すること。
【解決手段】磁気フィルタ装置が磁石または磁石群とターゲット（通常では半導体ウェハ）の間に配置され、望ましい処理結果を得るために磁場を変えるために選択され、構成される。堆積ごとに、この磁気フィルタはより均一な堆積を供給するように、後に続くエッチングまたは研磨処理におけるウェハのエッジでの増大したエッチング速度を補償するためにウェハのエッジまたは隣接部で増大した堆積速度を供給するように選択される。アニール処理とドーピングに関して、磁場はウェハ全域にわたってより均一で同等のアニール処理またはドーピングを供給するように変える。様々な応用が開示される。
【選択図】図５

Description

本発明はグロー放電堆積とエッチングのシステムの分野に関する。

グロー放電プラズマ堆積システムは金属やその他の膜の物理学的堆積のために一般的なＩＣ産業において使用される。グロー放電は自律型のプラズマ、すなわち同数の負電荷と正電荷、さらにはいくらかの異なる数の非イオン化気体粒子を含む部分的にイオン化した気体である。プラズマ・システムでは、高エネルギー粒子との衝突によってターゲット材料の表面から原子が除去またはスパッタされる。スパッタされた材料のいくらかがターゲットに対向したシリコン・ウェハの表面に到達してその場でウェハに付着し、それにより、この表面をスパッタされた材料の膜で被覆する。膜厚は堆積時間と電力に概して比例する。これらの金属膜は装置の相互接続、拡散バリヤ、抵抗器、電極などを含めた様々な目的のために使用される。

現在、工業において最も普通に使用されるシステムはマグネトロン・スパッタリング・システムである。このタイプのスパッタリングは、電子をターゲット表面付近に制限するのを助成するために磁場を使用して、イオン化衝突を引き起こす電子のパーセンテージを増大させる。このプラズマ、スパッタリング・ターゲット、ウェハは通常では堆積チャンバ内に収容される。静止型または回転型の磁石がターゲットの直ぐ上に配置される。この磁石がターゲットの上でかつターゲット面の極めて近くでプラズマを発生させる。このプラズマの密度は比較的に均一である。入れ替わって、これはウェハ上で厚さの殆ど均一な堆積膜へと形を変える。０．５μｍの厚さのアルミニウム層に対する通常のパーセンテージ標準偏差（％ＳＴＤ）は〜０．５％（厚さの範囲＝１５０Å）である。この不均一性は大部分のＶＬＳＩ装置用途にとって受容可能である。この作業の目的に関して、０．１μｍよりも上の厚さを備えた膜を「厚膜」と称する。

拡散バリヤ、ショットキー・ダイオードなどに必要とされる膜は約１００Åから１０００Åの厚さの範囲にある。本明細書では、これらの膜を「中厚膜」と称する。ＴａＮ、ＴｉＮ、ＣｏＳｉ₂、ＰｄＳｉ₂などといったこれらの膜は通常、不均一性が大きくなる。この増大した％ＳＴＤは初期の堆積やチャンバの問題点（シールド、堆積リング、ガス流量、ウェハのエッジ効果など）による不均一性などの様々な効果に起因する。３００ÅのＴｉＮに対して、％ＳＴＤは２．５％のであり、これは約〜１５％の範囲に換算される。実際の厚さはそれ自体増大していない（３００Åの１５％は４５Åである）が、しかし膜厚のパーセンテージとして、それゆえに膜の特性として％ＳＴＤが増大することに留意すべきである。したがって中厚膜はシート抵抗、導電率などといった特性においてそれでもなお大きな不均一性を示す。

「薄膜」、すなわち厚さが５０Åよりも下である膜、特に多成分ターゲットからスパッタされる膜は６％またはそれを上回る％ＳＴＤを示す。これらの超薄膜の堆積はプラズマ領域を横切るウェハの移動や極めて注意深いチャンバの設計などの「平均化技術」の使用を伴わないと制御することが困難である。残念ながらそのようなシステムはＶＬＳＩにおける一般的な使用にとって極めて高価である。産業におけるこれらのシステムのいくつかは概してＭＲＡＭまたはオプティカル・システムとして知られている。

例となる先行技術のグロー放電プラズマ堆積システムを図１に見ることができる。真空チャンバ２０はポート２２を通じてクライオポンプへと連結され、半導体ウェハ２６を保持するためのウェハ・ホルダまたはチャック２４を収容している。ウェハ・ホルダ２４の上側に金属の支持板３０によって支持されたターゲット材料のプレート２８が有り、これは真空チャンバの残り部分から絶縁される。ウェハ・ホルダ２４と堆積シールド３２は電気的にフローティングであり、シールド３４と真空チャンバ２０の大部分はシステムの接地電位へと接続される。ターゲット２８に通常では高周波ＡＣとＤＣ電圧の組合せであるターゲット電圧が印加される。金属の支持板３０の上、真空チャンバの外には中心軸３６の周囲を回るように装着されて堆積の方向を決める磁石３５のアレイがある。いくつかのグロー放電プラズマ・システムでは、磁石または磁石群は回転しなくてもよく、永久磁石ではなく電磁石であってもよい。しかしながら、これらの機能はそれでも同じであり、本発明はそのようなシステムにも同様に当てはまる。その点において、図示されるような磁石群の回転はウェハの円周方向で堆積速度を平均化する傾向の利点を有し、唯一ではないが、普通ではウェハの中心から外方向に減少する半径方向の変化として主要な堆積速度の変化を残している。

グロー放電プラズマ・エッチングはグロー放電プラズマ堆積の逆であり、堆積されるのではなく通常ではマスクを通じて材料が基板から除去される。ウェハ全域にわたるエッチング速度の不均一性の影響は通常では堆積速度の不均一性のように有意ではないが、それでもなおエッチング時間を最短にするため、および除去される層の下の層のプラズマ・エッチングへの曝露の時間を最短にするためにエッチング速度の均一性は望ましい。

好ましい実施形態では、本発明は厚膜の堆積のために設計される市販のシステムにおいて堆積の均一性を改善するためにグロー−プラズマ・システムへの新規な装置の追加を含む。本願明細書ではこの新規な装置は「磁気フィルタ」と称される。そのような磁気フィルタは極めて薄い多成分膜の堆積直後の％ＳＴＤを５倍以上の因数で改善すること、および全体的なシステムに殆どシステム費用を追加しないことを可能にし、システムの運転では追加コストがない。

図１に示される一般的なタイプの先行技術によるグロー−プラズマ堆積システムはターゲット付近で図２に示されるような磁気プロファイルを示す。この図はターゲット付近でウェハの場所に相対した垂直磁場と放射方向磁場を示している。結果として生じる厚膜堆積は図３に示されている。ここでは、正規化された膜厚が２００ミリメートルのウェハに関してウェハの中心からの距離に対してプロットされている。ウェハのエッジ付近で膜厚が急激に低下すること、およびウェハのエッジにおける極めて大きな変化と比べると概して小さいがそれでもなお実質的な変化が中心領域で観察されることをグラフが示していることは気付かれるであろう。代って図４は２００ミリメートルのウェハ上に堆積された薄膜の実測シート抵抗の輪郭を示している。これらのシート抵抗の輪郭は先行技術に付随する２つの問題点、すなわち非放射状堆積と高い標準偏差を例示しており、すなわち或る標準偏差は平均シート抵抗の４．５％に等しい。

本発明によると、磁気フィルタ３８は図５に見られ得るように金属の支持板３０と磁石３５の間に置かれる。この磁気フィルタは例を挙げるとＣｏ−Ｎｅｔｉｃなどの磁性材料から製造されるが、しかし所望であればＮｅｔｉｃなどの他の材料を使用してもよい。概して、この磁気フィルタは単一の軟磁性材料、すなわち永久磁石に一般的に使用されない材料、さらに好ましくは相対的に低いヒステリシスを示す材料の１つまたは複数のシートから製造されるが、しかし所望であれば複数の材料の磁気フィルタを使用してもよい。磁気フィルタの厚さを一般的には主に半径方向で変えるが、しかしより均一な膜堆積速度を達成するために必要に応じて円周方向に変えるようにしてもよい。特に、好ましいより均一な堆積速度とするために磁気フィルタの厚さｖｓ位置を経験則で決めることができる。一次的には、磁気フィルタ３８は別のさらに高い堆積速度の領域（磁気フィルタを備えない）で厚く、低い堆積速度の領域で薄いかまたは存在しないことが好ましい。この磁気フィルタは、磁場を局所的および全体的に再配向させることによって磁場強度が特に高くなるであろう領域の磁場強度を下げることができる。望ましい均一性の膜堆積厚さとするために適した磁気フィルタ３８の設置は殆ど経験則による方法であるが、磁気フィルタの変化が作るであろう影響に関する感触を当業者が極めて迅速に開発し、それにより、必要以上の実験をせずにそのようなグロー−プラズマ堆積システムで堆積速度の均一性を大幅に高める磁気フィルタ３８を開発することが可能である。

図６はターゲットの中心領域への第一グローバリ・スムージング磁気フィルタの効果を示している。この図は正規化された磁場ｖｓ走査の直径を示し、図２のオリジナルの垂直磁場と第１次スムージング・フィルタから結果として生じる磁場を示している。

図７ａはオリジナルの磁場分布に基づいて膜厚輪郭のほぼ正確な不均一性を例示している。他方で図７ｂは膜厚を比例して変えるための磁性材料のほぼ正確な厚さと形状を示している。この例では、４０ミルの最大厚さを備えたＣｏ−Ｎｅｔｉｃ材料が磁気フィルタに使用された。図８ａは、中心付近の相対的ピーク、エッジ周辺での厚さの強いロールオフが見え、さらに、厚さ輪郭の特有の形状を示している（磁気フィルタを備えない）オリジナルの堆積を示している。図８ｂは堆積厚さへの磁気フィルタの影響を示す。この特別な例では、２つの主要な効果が実現される。第１に、中心付近のピークが滑らかにされ、第２に、図８ａに示される大幅なロールオフ厚さとは逆に外側エッジが再び上昇させられ、結果としてウェハ全域にわたる堆積厚さの変化が大幅に削減された。

このようにして本発明のこの特定の用途では、１つの主要な恩典は磁気フィルタを追加するだけの極めて低いコストであり、全体的なシステム・コストのうちの無視し得る程度である。第２の主要で決定的な恩典は、磁気フィルタがターゲットと磁石の間に配置され、堆積チャンバの外にあることである。それ自体堆積チャンバに立ち入らず、したがって圧力、温度、電位などといった重大なチャンバの処理パラメータと直接干渉しない。後者に起因して、第３の主要な恩典は、改善された均一性のために堆積またはエッチング・システムとしての使用に関係なくこの技術を、すべてのプラズマ・システムに同等に良好に応用できることである。

他の用途では、対象の空間内の特定の場所で磁場の望ましい変化を生じさせるように、磁場の中の磁気フィルタを位置決めする必要がある。これはプラズマ・チャンバの内側か外側どちらでもよい。

磁気フィルタ処理の程度とタイプが、スパッタされた薄膜の堆積のための多成分ターゲットを備えた一般的なプラズマ堆積製造機器の全体的かつ局所的な改良に関して述べられた。磁気フィルタ材料に起因するプラズマ条件への変化は正規化された磁場強度の変化に関して示された。堆積膜の改善は輪郭マップと％ＳＴＤに関して示される。初期の堆積直後の膜の特性は高度に非線形であって様々な特性に応じて決まるが、必要以上の実験をせずにどのような条件のセットについても磁気フィルタを推定することが可能である。したがって、特定の用途のニーズに合うように膜材料パラメータを特別に仕上げることが可能となる。或る特定のケースでは、このフィルタ処理技術は集積回路製品のために使用される。変形の程度とタイプは直ぐには明らかでなく、文献で公表された利用可能な知識から推定することはできないが、経験的に決定することができる。

本明細書に提示されるデータは一般的なプラズマ製造機器、特にＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社の金属堆積システムで堆積される複合膜に関するものであるが、この技術はこの複合膜やこの特定の機器に限定されない。その代わりに、本方法は処理条件を補助するためにプラズマまたはイオン化ガスのどちらかを利用するすべてのプラズマ堆積、プラズマ・ドーピング、プラズマ・エッチング機器に同等および同様に応用可能である。この磁気フィルタは処理チャンバに立ち入る必要がないので、他の材料と機器を同様の方式で変更し改良することが想定される。

本発明は、はるかに均一な薄膜を製造可能となるように薄膜の堆積直後の均一性を改善する。したがって、さらに高価な堆積機器が不必要なのでウェハ当たりの薄膜コストを削減することができる。ウェハ全域にわたる製品装置の均一性を向上させることによって、ウェハ当たりの装置収率もやはり改善される。材料の調整が必要であるとき、本発明はウェハ全域にわたる調整エネルギーのばらつきを減少させ、それにより、調整時間を削減することができる。本発明はまた、特にウェハのエッジ付近における装置収率の損失も除くことができる。本発明はまた、処理中の膜堆積速度を低下させ、したがって、電源出力が良好に制御されないレベルに電源の設定点を下げることなく極めて薄い処理（および概して極めて短い堆積時間）のためのさらに良好なウェハ間タイミング制御を可能にする。

一般的に、プラズマ・システムの製造業者はウェハ内の膜均一性を向上させるために磁石セットを最適化することを試みる。しかしながら、その方式で達成されるであろう均一性には限界がある。本発明は、堆積（またはエッチング）均一性に対して、全部の磁石セットと堆積チャンバを再設計する試みの高価で多くの時間を消費する作業を伴うことなく薄膜の堆積をさらに可能にするための工程を取り入れる。

本発明によって達成される他の有利な応用法と効果は以下を含む。
ａ．単一または多成分のターゲットごとにスパッタ速度が変わる。磁場を全体的に変える処理がプラズマの電圧を変え、これが今度は各々の元素のスパッタ速度を変える。これは結果として異なったスパッタ膜組成と同等のパラメータ変化となる。
ｂ．プラズマによる損傷の削減。ウェハ全域にわたってより均一な磁場を作ることにより、プラズマの電圧を下げることができ、それゆえにプラズマによる損傷を削減するように処理を最適化することが可能である。
ｃ．半径方向の磁場均一性が変わる。例は、ウェハのエッジでのＣＭＰ（化学的機械的研磨）で増大する浸食を補償するためにウェハのエッジにおいてさらに厚い堆積を望む場合である。同様に、ウェハのエッジにおいて増大したエッチング速度を補償することが可能である。
ｄ．プラズマ・アニール処理。ウェハ全域にわたる均一で等価のアニール処理のために不均一なプラズマを作り、または改良する工程。
ｅ．プラズマ・ドーピング。ウェハ全域にわたる均一で等価のドーピングのために不均一なプラズマを作り、または改良する工程。
ｆ．スパッタ・ターゲットからの増大したスパッタ収率、それにより、処理所有コストを削減する。

添付の特許請求の範囲では、本発明が応用可能であるシステムはプラズマ・システムと称されるが、イオン化ガスを使用するシステムを含むと理解されるべきであり、例を挙げると堆積、ドーピング、アニール処理などのためのシステムの使用と無関係である。

したがって、具体的な例示を目的とし、限定を目的とせずに本願明細書に本発明の好ましい実施形態が開示されて説明されてきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく形態や細部に様々な変更が為され得ることは当業者によって理解されるであろう。

例となる先行技術のグロー放電プラズマ堆積システムを概略で示する図である。 図１に示される一般的なタイプの先行技術によるグロー−プラズマ堆積システムにおけるターゲット付近の磁気プロファイルを例示する図である。 図１に示される一般的なタイプの先行技術によるグロー−プラズマ堆積システムにおける図２の磁気プロファイルから結果として生じる厚膜堆積を示す図である。 図１に示される一般的なタイプの先行技術によるグロー−プラズマ堆積システムで、２００ミリメートルのウェハ上に堆積された薄膜の実測シート抵抗の輪郭を示す図である。 本発明による磁気フィルタ３８の使用を例示する図である。 本発明による、ターゲットの中心領域に対する、第１次スムージング磁気フィルタの有利な効果を例示する図である。 本発明による磁気フィルタを伴わないオリジナルの磁場分布に基づいた膜厚輪郭のほぼ正確な不均一性を例示する図（ａ）と膜厚を比例して変えるための磁性材料のほぼ正確な厚さを例示する図（ｂ）である。 本発明による磁気フィルタの使用を伴わずに得られる堆積を示す図（ａ）と結果として得られる堆積の厚さに対する、本発明による磁気フィルタの効果を例示する図（ｂ）である。

符号の説明

２０ 真空チャンバ、２２ ポート、２４ ウェハ・ホルダ（またはチャック）、２６ 半導体ウェハ、２８ ターゲット材料、３０ 金属の支持板、３２ 堆積シールド、３４ シールド、３５ 磁石、３６ 中心軸、３８ 磁気フィルタ

Claims (16)

1. 真空チャンバと、
   処理されるワークピースを保持するための前記チャンバの中のワークピース・ホルダと、
   前記ワークピース・ホルダの面に隣り合う電極と、
   前記電極が磁石と前記ワークピース・ホルダの間に位置することで前記磁石と前記ワークピース・ホルダの間に磁場を供給するように前記電極の面に隣り合って配置された１つまたは複数の磁石と、
   前記磁石と前記電極の間に配置された磁気フィルタを含み、
   前記磁気フィルタが、所定のワークピース処理結果を達成するために、ワークピース処理を変えるように前記電極と前記ワークピース・ホルダ上のワークピースの間の前記磁場を変えるために選択され、構成されるプラズマ・システム。
2. 前記ワークピースが半導体ウェハである請求項１に記載のシステム。
3. 前記電極がスパッタ堆積のためのターゲット材料を含み、前記磁気フィルタが、半導体ウェハの表面上へより均一にターゲット材料を堆積するために前記ターゲット材料と前記ワークピース・ホルダ上の半導体ウェハとの間の前記磁場を変えるために選択され、構成される請求項２に記載のシステム。
4. 前記電極が堆積のためのターゲット材料を含み、前記磁気フィルタが、前記半導体ウェハの他の領域よりも前記ワークピースのエッジに隣接する前記半導体ウェハの表面にターゲット材料がより多く堆積させるように、前記ターゲット材料と前記ワークピース・ホルダ上の半導体ウェハの間の前記磁場を変えるために選択され、構成される請求項２に記載のシステム。
5. 前記磁気フィルタが、半導体ウェハの表面をより均一な同等のアニール処理となるように前記電極と前記ワークピース・ホルダ上の半導体ウェハの間の前記磁場を変えるために選択され、構成される請求項２に記載のシステム。
6. 前記磁気フィルタが、半導体ウェハの表面をより均一な同等のアニール処理となるように前記ターゲット材料と前記ワークピース・ホルダ上の半導体ウェハの間の前記磁場を変えるために選択され、構成される請求項２に記載のシステム。
7. 前記磁石が前記真空チャンバの外にあり、実質的に前記ワークピース・ホルダの軸と位置合わせされた軸の周囲での回転するように配置される請求項１に記載のシステム。
8. 前記磁気フィルタが前記真空チャンバの外でかつ前記磁石と前記真空チャンバの間にある請求項７に記載のシステム。
9. 前記磁石が前記真空チャンバの外にあり、前記磁気フィルタが前記真空チャンバの外でかつ前記磁石と前記真空チャンバの間にある請求項１に記載のシステム。
10. 前記磁気フィルタがＣｏ−Ｎｅｔｉｃフィルタである請求項１に記載のシステム。
11. 真空チャンバと、
    上に堆積されるワークピースを保持するための前記チャンバの中のワークピース・ホルダと、
    前記ワークピース・ホルダの面に隣り合って配置された面を有する、堆積対象のターゲット材料の板と、
    前記ターゲット材料が磁石と前記ワークピース・ホルダの間に位置するように前記ターゲット材料の面に隣り合って配置された１つまたは複数の磁石と、
    前記磁石と前記ターゲット材料の間に配置された磁気フィルタを含み、
    前記磁気フィルタが、前記磁気フィルタを伴わないで達成されるよりもより均一な前記ターゲット材料の堆積をワークピース上に供給するために前記ターゲット材料と前記ワークピース・ホルダ上のワークピースの間の前記磁場を変えるために選択され、構成されるプラズマ・システム。
12. 前記ワークピースが半導体ウェハである請求項１１に記載のシステム。
13. 前記磁石が前記真空チャンバの外にあり、実質的に前記ワークピース・ホルダの軸と位置合わせされた軸の周囲での回転するように配置される請求項１１に記載のシステム。
14. 前記磁気フィルタが前記真空チャンバの外でかつ前記磁石と前記真空チャンバの間にある請求項１３に記載のシステム。
15. 前記磁石が前記真空チャンバの外にあり、前記磁気フィルタが前記真空チャンバの外でかつ前記磁石と前記真空チャンバの間にある請求項１１に記載のシステム。
16. 前記磁気フィルタがＣｏ−Ｎｅｔｉｃフィルタである請求項１１に記載のシステム。

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