JP2008542525A - 逆バイアス対向ターゲットスパッタリング - Google Patents

Abstract

本発明に係る半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置は、不活性ガスが出入りすることができる気密チャンバと、互いに対向してそれら間にプラズマ区域を形成するように気密チャンバの対向端部に各々置かれる一対のターゲットプレート１２０、１１０と、プラズマ区域１３０に亘って相異する極性の磁極が互いに対向することによりターゲットプレート１２０、１１０の間のプラズマ区域１３０に磁場を樹立するようにターゲットプレート１２０、１１０の付近に各々配置される一対の磁石１０２、１０４、１０６、１０８と、プラズマ区域１３０の付近に配置され、合金薄膜が上部に蒸着される基板２２２を維持するに適合するように形成される基板ホルダー２２４と、基板ホルダー２２４にカップリングされた逆バイアス電源２３６と、を含む。

Description

本発明は、低温で半導体デバイスを製造するシステム及び方法に関するものである。

各種の半導体製造ステップは低温で行われることを必要とする。例えば、強誘電性薄膜を高集積デバイスに付着する場合に、従来の工程は相対的に低い温度で膜を精密処理して形成するのに要求される薄膜表面上の緻密性及び均等性のような多様な条件を十分に充足させる強誘電性薄膜を提供できない。

ＵＳＰ第５，０００，８３４号（特許文献１）は低温で磁気記録ヘッド上に薄膜を形成するフェースターゲットスパッタリング（face target sputtering）と知られた真空蒸着技法を開示している。そのようなスパッタリング方法はＰＭＭＡで製作された基板上に薄膜を形成するのに広く使われるが、その理由は基板とその方法により形成される薄膜との親和性があるためである。スパッタリング方法により形成される希土類遷移金属合金の非晶質薄膜は消去可能な光磁気記録媒体に付着される。そのようなスパッタリング方法は次のように遂行される。まず、グロー放電（glow discharge）により形成されたアルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスの陽イオンを負極またはターゲット側に加速させた後に、その陽イオンをターゲットに衝突させる。そのようなイオン砲撃の結果、中性原子及びイオンがそれら間の運動量の交換に起因してターゲットの表面から真空チャンバへ移動する。結果的に、遊離したりスパッタリングされた原子及びイオンが真空チャンバの中に配置された、あらかじめ選択された基板上に蒸着されることになる。

ＵＳＰ第６，１５６，１７２号（特許文献２）はプラズマ発生ユニットと、対向ターゲット型スパッタリング装置を構成するためにプラズマ空間を基板ホルダーと組合させたコンパクトな構成を開示しているが、対向ターゲット型スパッタリング装置はその内部にスパッタリングガスが供給され、閉鎖真空容器の外壁プレート上に装着されるボックス型プラズマユニットを形成する装置と、ボックス型プラズマユニット内に互いに離隔して対向するように配置され、各々がそのスパッタリングの表面を備える一対以上のターゲットと、ターゲットの５個の平面を支持したりそれらから離隔した、あらかじめ決まった空間を限定するようにボックス型プラズマユニットを提供する一対の対向ターゲットと３個のプレート型部材を支持し、真空封入体が備えられた真空容器の外壁上に除去可能に装着できるフレーム構造物と、冷却管を備えるターゲットホルダーと、ターゲットの表面からスパッタリングを起こすターゲット用電源と、それぞれの対のターゲットの周りに配置されて対向ターゲットのスパッタリングの表面に垂直な方向に延びる少なくとも一つの磁場を発生させる永久磁石と、ターゲットホルダーを備えた永久磁石を受容するために、フレーム構造物上に除去可能に装着される装置と、真空容器内のスパッタリングプラズマユニットの流出口空間付近の位置にある基板ホルダーとを含む。フレーム構造物と連繋してターゲットの背面と磁石の容器の両者を全て冷却させる冷却装置からなった、そのような統合された構成はスパッタリング装置のコンパクト性を向上させる。
ＵＳＰ第５，０００，８３４号 ＵＳＰ第６，１５６，１７２号

本発明は、従来の蒸着方法を使用して以前に蒸着された他の素子を損傷させることがなく、高集積デバイスに適用して多数の素子を備えた付加の層を蒸着することができる低温半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態において、本発明の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置は不活性ガスが出入りすることができる気密チャンバと、互いに対向してそれらの間にプラズマ区域を形成するように気密チャンバの対向端部に各々置かれる一対のターゲットプレートと、プラズマ区域に亘って相異する極性の磁極が互いに対向することによりターゲットプレート間のプラズマ区域に磁場を樹立するようにターゲットプレートの付近に各々配置される一対の磁石と、プラズマ区域の付近に配置され、合金薄膜が上部に蒸着される基板を維持するに適合するように形成される基板ホルダーと、基板ホルダーにカップリングされた逆バイアス（back bias）電源を含む。

本発明の他の形態において、本発明に係る基板上に薄膜をスパッタリングする方法は、一つ以上のターゲットと、膜形成表面部分と背面部分を備えた基板を提供するステップと、膜形成表面部分が基板表面部分に垂直に誘導される磁場内に置かれるように磁場を生成するステップと、基板の背面部分に逆バイアスをかけるステップと、材料を膜形成表面部分上にスパッタリングするステップとを含む。

本発明の前述した長所と特徴及び他の長所と特徴を得る方式を説明するために、簡略に前述した本発明を添付の図面に図示されている本発明の特定の実施形態を参照してより具体的に説明する。その添付図面は単に本発明の代表的な実施形態を表すことに過ぎないので、本発明の範囲を限るのでないという理解下に、本発明を添付の図面を使用して付加的に特定して詳細に記述し説明する。

本発明によると、薄膜形成中の基板の温度が略室温の温度であり、工程所要時間が短いという効果が得られる。また、薄膜がほとんど全体工程終始非常に低い温度で形成されるので、従来に蒸着方法を使用して以前に蒸着された他の素子を損傷させることがなく、高集積デバイスに適用して多数の素子を備えた付加の層を蒸着することができる低温半導体製造装置が得られる。

以下、添付の図面をより詳しく参照すれば、そこには半導体処理システムの構造図及び工程の論理フロー図が図示されているが、その図面を検討することによって、一層容易に分かるように、低温でメモリデバイスを蒸着するシステムが使われるはずである。

図１は、半導体製造装置の一実施形態を示す図である。図１には本実施形態の反応器が概略的に図示されている。反応器１０は電気的に接地された金属チャンバ１４を含む。スパッタリングによりコーティングしようとするウエハまたは基板２２はターゲット１６と対向する受け台電極２４上に支持される。その受け台電極２４にはバイアス電源２６が接続される。バイアス電源２６は絶縁キャパシタを通じて受け台電極２４にカップリングされたＲＦバイアス電源であるものが好ましい。そのようなバイアス電源は受け台電極２４上に数十ボルト程度の負のＤＣ磁気バイアス（self bias）（ＶＢ）を生成する。アルゴンのような工程ガスがガス供給源２８から質量流れ制御器３０を介して、そして、そこからガス流入口３２を介してチャンバ内に供給される。真空ポンプシステム３４はポンピングポート３６を介してチャンバをポンピングする。

ＦＴＳユニットはウエハ２２と対向するように位置され、多数の磁石１０２、１０４、１０６、１０８を備える。第１ターゲット１１０は磁石１０２、１０４の間に位置される一方、第２ターゲットは磁石１０６、１０８の間に位置される。第１及び第２ターゲット１１０、１２０は電子限定区域１３０を形成する。電源１４０は正の電荷が第２ターゲット１２０に引き付けられるように磁石１０２乃至１０８とターゲット１１０、１２０に接続される。動作中に、ターゲット１１０、１２０が横に位置された一実施形態において、側方向ターゲット１１０、１２０に対して垂直に位置される基板１５０上に粒子がスパッタリングされる。基板１５０はターゲット１１０、１２０の平面に垂直に配置される。基板ホルダー１５２は基板１５０を支持する。

ターゲット１１０、１２０は２つの直四角形状の負極ターゲットが互いに対向してそれら間にプラズマ限定区域１３０を形成するように反応器１０内に位置される。そうすると、対向ターゲット１１０、１２０の背面に接触されるように設置された磁石により対向ターゲット平面間の空間の外部を垂直に覆いかぶせる磁場が発生する。対向ターゲット１１０、１２０は負極として使われて、遮蔽プレートは正極として使われて、その正極／負極は直流ＤＣ電源１４０の出力端子に接続される。また、真空容器と遮蔽プレートが正極に接続される。

圧力下で、電源からの電力が印加されながら対向ターゲット１１０、１２０の間の空間１３０にスパッタリングプラズマが形成される。磁場は対向ターゲット１１０、１２０の表面と垂直な方向に延びる周辺区域の周りで発生するので、対向ターゲット１１０、１２０の表面からスパッタリングされる高エネルギー電子が対向ターゲット１１０、１２０の間の空間内に限定されて、その空間１３０内で衝突によりガス等のイオン化を増大させる。スパッタリングガスのイオン化速度は基板２２上での薄膜の蒸着速度に相応し、それで、電子が対向ターゲットの間の空間１３０内に限定されることにより高速蒸着が具現されることになる。基板２２は対向ターゲット１１０、１２０の間のプラズマ空間から絶縁されるように配置される。

プラズマ空間からのプラズマの衝突回数が非常に少なく、ターゲット平面からの熱放射量が非常に小さいので、基板２２上への膜蒸着が低温範囲で処理されることになる。典型的な対向ターゲット型のスパッタリング方法はマグネトロン（magnetron）スパッタリング方法に比べて低い温度で高速蒸着により強磁性材料を蒸着する優れる特性を有する。充分のターゲット電圧（ＶＴ）が印加される場合、アルゴンからプラズマが励起される。チャンバ胴体（chamber enclosure）は接地される。チャックまたは受け台２４へのＲＦ電源２６はウエハとチャンバとの間に効果的なＤＣ"逆バイアス"を起こす。そのようなバイアスは負であるので、低速電子を反発させる。

図２は図１の装置での例示的な電子分布を示す図である。電子分布は標準マクスウェル分布曲線に従う。低エネルギー電子は２つの特徴を有する。即ち、低エネルギー電子は多数であり、蒸着された原子と非弾性衝突をする傾向があって、結果的に蒸着の間、非晶質化される。高エネルギー電子は逆バイアスがかかった遮蔽物を通じて出てくるが、顕著なエネルギー伝達無しに原子から效果的に飛び出す。そのような高エネルギー電子は結合をなす方式に影響を及ぼさない。特に、これは高エネルギー電子が原子の近くで大変少ない時間だけを過ごす反面に、低エネルギー電子が原子の近くでより多くの時間を過ごして結合をなすことを妨害するためである。

正のバイアスがかかった大型遮蔽物の存在はプラズマに、特に受け台電極２４に密接なプラズマに影響を及ぼす。その結果、特にＲＦバイアス電源により受け台２４上に形成されるＤＣ磁気バイアスは従来の大型接地遮蔽物から更に正になることができる。即ち、ＤＣ磁気バイアスが典型的な用途で負になることより少なく負になることができる。そのようなＤＣ磁気バイアスの変化は正のバイアスがかかった遮蔽物がプラズマから電子を枯渇させることによって、プラズマ及びそれによる受け台電極を更に正になるようにするという事実から始まったことと見なされる。

図３はＦＴＳシステムの他の実施形態を示す図である。本実施形態では、ウエハ２００がチャンバ２１０内に位置される。ウエハ２００はロボットアーム２２０を使用してチャンバ２１０内に移動する。ロボットアーム２２０はウエハ２００をウエハチャック２３０上に置く。ウエハチャック２３０はチャックモータ２４０により移動する。一つ以上のチャックヒータ２５０は処理の間、ウエハ２００を加熱する。

付加的に、ウエハ２００はヒータ２５０とマグネトロン２６０間に位置される。マグネトロン２６０は高効率マイクロ波エネルギー源としての役割をする。一実施形態では、マイクロ波マグネトロンが一定の磁場を形成して回転電子空間電荷を生成する。そのような空間電荷は多数のマイクロ波共振空洞と相互作用してマイクロ波の放射を発生させる。図１の発生器２６のような逆バイアス発生器に一つの電気ノード２７０が提供される。

図３のシステムでは、２つのターゲットプレートが互いに対向するように、チャンバ２１０の内部の両端に固定された２つのターゲットホルダー上に連結されて配置される。ターゲットホルダー間にターゲットプレートの表面とほとんど垂直に磁場を生成するようにターゲットホルダー内に一対の永久磁石が受納される。ウエハ２００は磁場（プラズマ区域を限定することになる）に密接に、好ましくは、それと対向するように配置される。電圧の印加により２つのターゲットプレートから放出される電子は磁場のため、ターゲットプレート間に限定されてプラズマ区域を形成するように不活性ガスのイオン化を増進させる。プラズマ区域に存在する不活性ガスの陽イオンはターゲットプレート側に加速される。不活性ガスの加速された粒子及びそのイオンによるターゲットプレートに対する砲撃はプレートを形成する材料の原子が放出されるようにする。薄膜が配置されるウエハ２００はプラズマ区域の周りに置かれるので、磁場によるプラズマ区域の効果的な限定のため、そのような高エネルギー粒子及びイオンが薄膜の平面に対する砲撃は防止される。逆バイアスＲＦ電源はウエハ２００とチャンバ２１０との間に効果的なＤＣ"逆バイアス"を起こす。そのようなバイアスは負であるので、低速電子を反発させる。

図４Ａは第２半導体製造装置の一実施形態を示す図である。図４Ａのシステムでは、多重１次元蒸着供給源（deposition sources）が蒸着チャンバ内に積層される。蒸着供給源の積層はウエハ移動量を減少させながら蒸着均一性を顕著に増大させる。ウエハ３００は移送チャンバ４３０を通じて移動するロボットアーム４２０を使用してチャンバ４１０内に挿入される。ウエハ３００はそのウエハ上に位置されるチャックヒータ（ら）４５０を備えた回転式チャック４４０上に位置される。線形モータ４６０はチャックを多数の蒸着チャンバ４７０を通じて移動させる。

図４Ａのシステムは多数の１次元スパッタリング蒸着チャンバを提供する。それぞれのチャンバは一系列の材料を蒸着することができる。線形モータ４６０によりウエハ３００を移動させることによって、２次元カバー区域（coverage）が得られることになる。

ここに、図４Ｂを見ると、半導体製造装置の第２実施形態が図示されている。本実施形態では、チャック５００がチャンバの内部に位置される。チャック５００はウエハ５０２を支持する。チャンバは真空ベローズ（bellows）５１０を備える。チャック５００はウエハ５０２とチャック５００を振り子のような方式で回転させるウエハ回転子５２０により駆動される。また、チャック５００は上下移動を提供する線形モータ５３０によっても駆動される。多数の供給源５４０乃至５４４はウエハ５０２上に材料の蒸着を行う。

図４Ｂのシステムは均一な蒸着のために３個の供給源を過ぎるウエハ５０２の線形移動を有する。それは横からよりは、むしろ下から支持されるチャックによりなされる。ジョイントされた振り子はウエハを支持し、振り子が振動する時にウエハをターゲットから一定の垂直距離を置いたままで維持させる。本システムは振り子を使用してウエハを振動させる。側方向線形アームを備えたシステムではチャック５００が粗大で重みがあって、ウエハ、ヒータ、ＲＦ逆バイアス回路を支持し、アームが揺れないように非常に厚い支持アームを必要とするので、本システムは側方向線形アームを備えたシステムより安定的である。また、側方向線形アームを備えたシステムにおいて線形アームは供給源から離れて延びなければならないので、装備を大型に作る結果をもたらしたはずである。本具現例では、アームがチャックの下に配置され、その結果、装備の部品が小型化され、併せて、アームが多くの重量を支持する必要がなくなる。

本発明の一実施形態において、２次元蒸着カバー区域を得るための工程が次のようなステップからなる。

使用者から希望する２次元パターンを受けるステップ;チャックを選択された蒸着チャンバに移動させるステップ;２次元パターンに沿って線形モータと回転チャックを作動させるステップ;現ウエハを次の蒸着チャンバに移動させるステップ;次のウエハを現チャンバ内に至るようにして工程を繰り返すステップ。

図５は図１のシステムで製造された例示的なデバイスのＳＥＭイメージを示す図であり、図６は図５のＳＥＭイメージの一部の拡大図である。図５のデバイスは低温（４００℃未満）で製造された。図５の底には酸化物層（２０ｎｍ厚さ）がある。酸化物層上には本場合にチタニウム層（２４ｎｍ厚さ）である金属層がある。その金属層上には本場合に白金（Ｐｔ）界面層（約５ｎｍ）である界面層がある。最後に、結晶質ＰＣＭＯ層（７９ｎｍ厚さ）が上段に形成される。本層にある粒状物（grains）が底から上段側に若干傾いて延びることを見ることができる。図６はＴｉ金属層、Ｐｔ界面層及びＰＣＭＯ粒状物をより詳細に示す拡大図である。

１つの逆バイアス電源を言及したが、多数の逆バイアス電源を使用することができる。そのような電源は互いに別個に制御されることができる。供給される電気エネルギーも別個に制御されることができる。したがって、形成される薄膜成分を毎回のスパッタリング配置工程で容易に制御できることになる。また、対向ターゲット型スパッタリング装置（ＦＴＳ）の使用により、膜の厚さ方向に薄膜の造成を変更することができる。

本説明で採用された各種の用語は互いに交換できることに留意しなければならない。したがって、本発明の前述した説明は例示的なものであり、限定的なものではない。当業者には、本明細書の見地で追加の修正をすることが自明である。

本発明を単に例示的なことに過ぎないし、限定的なことに解析されてはならない特定の例により説明した。本発明はディジタル電子回路またはコンピュータハードウェア、ファームウエア、ソフトウェアで具現でき、かつ、それらを組合させて構築されることができる。

製造装備を制御する本発明の装置はコンピュータプロセッサーによる実行のためにコンピュータで読取可能な格納デバイスに有形的に具現されるコンピュータプログラム製品で具現されることもできる。また、本発明の方法ステップは入力データを動作させて出力を発生させることによって、本発明の機能を遂行するプログラムを実行させるコンピュータプロセッサーにより行なわれることができる。適合したプロセッサーは、例えば、汎用マイクロプロセッサーと特殊用マイクロプロセッサーの両者を全て含む。コンピュータプログラム命令を有形的に具現するのに適合した格納デバイスはあらゆる形態の非揮発性メモリを含むが、その非揮発性メモリは、たとえそれに限るのではないが、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュデバイス等のような半導体メモリデバイスと、磁気ディスク（固定型、フロッピー型及び削除可能型）と、テープのようなその他の磁気媒体と、ＣＤ−ＲＯＭディスク等のような光媒体と、光磁気デバイスとを含む。前述したものの中のいずれも、特殊設計された注文型集積回路（ＡＳＩＣｓ）または適切にプログラムされたフィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）で補充されたりそれに統合されたりすることができる。

本発明の好ましい形態を添付の図面に図示して本明細書で説明したが、当業者にはそのような好ましい形態の変更が自明であるので、本発明を図示されて説明されたそのような特定の形態に限定されることと解析してはならない。したがって、本発明の範囲は次の請求の範囲及びその均等物により決まることになる。

半導体製造装置の一実施形態を示す図である。 図２装置の例示的な電子分布図である。 ＦＴＳシステムの他の実施形態を示す図である。 第２半導体製造装置の一実施形態を示す図である。 第２半導体製造装置の他の一実施形態を示す図である。 図１のシステムで製造された例示的なデバイスの横断面図のＳＥＭイメージを示す図である。 図５のＳＥＭイメージの一部の拡大図である。

符号の説明

１１０、１２０ ターゲット
２００、５０２ ウエハ
２２０ ロボットアーム
２３０ ウエハチャック
２４０ チャックモータ
２５０ チャックヒータ
２６０ マグネトロン
４２０ ロボットアーム
４３０ 移送チャンバ
４４０ 回転式チャック
４５０ チャックヒータ
４６０ 線形モータ
４７０ 蒸着チャンバ
５００ チャック
５０２ ウエハ
５１０ 真空ベローズ
５２０ ウエハ回転子
５３０ 線形上下移動モータ

Claims (20)

1. 不活性ガスが出入りすることができる気密チャンバと、
   互いに対向してそれらの間にプラズマ区域を形成するように気密チャンバの対向端部に各々置かれる一対のターゲットプレートと、
   前記プラズマ区域に亘って相異する極性の磁極が互いに対向することによりターゲットプレート間の前記プラズマ区域に磁場を樹立するようにターゲットプレートの付近に各々配置される一対の磁石と、
   プラズマ区域の付近に配置され、合金薄膜が上部に蒸着される基板を維持するに適合するように形成される基板ホルダーと、
   基板ホルダーにカップリングされた逆バイアス（back bias）電源と、
   を含むことを特徴とする半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
2. 前記逆バイアス電源はＤＣ電源またはＡＣ電源であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
3. 前記ターゲットプレートの中の一つにカップリングされる第１ターゲット電源を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
4. 前記第１ターゲット電源はＤＣ電源またはＡＣ電源であることを特徴とする請求項３に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
5. 残りのターゲットプレートにカップリングされる第２ターゲット電源を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
6. 第１及び第２ターゲット電源はＤＣ電源及びＡＣ電源を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
7. ウエハを移動させるロボットアームを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
8. チャンバにカップリングされたマグネトロンを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
9. ウエハ上に装着されたチャックヒータを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
10. ＦＴＳは並列に装着された第１及び第２ターゲットを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
11. 前記第１ターゲットと第２ターゲットとの間に位置された磁石を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
12. 前記磁石と前記ターゲットにカップリングされた電源を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
13. 前記基板は前記ターゲットの平面に垂直に位置されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
14. 前記基板を固定する基板ホルダーを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
15. 半導体層はＣＭＯＳ層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造用対向ターゲットスパッタリング装置。
16. 一つ以上のターゲットと、膜形成表面部分と背面部分を備えた基板を提供するステップと、
    前記膜形成表面部分が前記基板の表面部分に垂直に誘導される磁場内に置かれるように磁場を生成するステップと、
    基板の背面部分に逆バイアスをかけるステップと、
    材料を前記膜形成表面部分上にスパッタリングするステップと、
    を含むことを特徴とする基板上に薄膜をスパッタリングする方法。
17. 互いに対向する一対の前記ターゲットを提供するものの、前記一対のターゲット間に基板が配置されるようにするステップを含むことを特徴とする請求項１６に記載の基板上に薄膜をスパッタリングする方法。
18. 振り子を使用してウエハを振動させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の基板上に薄膜をスパッタリングする方法。
19. 側方向でなく、むしろ下からチャックを支持するステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の基板上に薄膜をスパッタリングする方法。
20. 前記基板上に前記材料を蒸着するための多数の供給源を提供するステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の基板上に薄膜をスパッタリングする方法。

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