JP2015529744A - 角度選択エッチングにより支援される膜蒸着 - Google Patents

Abstract

三次元フィーチャを有する基板上に薄膜を蒸着するイオンエッチング支援蒸着装置であって、基板に対して類似の角度で、且つ互いに対して傾斜して配置されたイオンエッチングソース及び蒸着ソースを使用する。角度ａは、基板上の三次元フィーチャと基板表面との間に形成された角度α’の補角に実質的に等しくなるように選択され、この構成において、エネルギーエッチングイオン及び蒸着原子の相対的な流れは、低品質な蒸着材料の成長を避けるように調整される。

Description

本発明は一般的に、薄膜蒸着方法に関する。より具体的に、本願発明は、表面上に材料を蒸着させること、及び表面上に残る材料の膜を制御する目的で、材料の一部をエッチングすること、を含む薄膜蒸着方法に関連している。

薄膜蒸着方法は、半導体及び他の電気、磁気、及び光デバイスの製造のために一般的に用いられている。しかしながら、従来の方法で蒸着された薄膜の質（材料特性）は、しばしばバルク材料と比較できるものではなく、それは特に、デバイスへの熱損傷を避けるために、基板の温度が膜の融点よりずっと下であることを維持しなければならないような、低温蒸着の場合において起こる。これは、しばしば成膜直後の膜の構造及び形態において欠陥をもたらす。

低い基板温度で蒸着した薄膜の特性の質を改善するために、様々なイオン支援蒸着（ＩＡＤ）法が開発されてきた。蒸着ソースは、蒸発ソース（熱または電子ビーム）、マグネトロンスパッタリング、及び例えば、エンドホール（Ｅｎｄ Ｈａｌｌ）ソースなどのカウフマン型（Ｋａｕｆｍａｎ−ｔｙｐｅ）グリッドイオンソースまたはグリッドレスイオンソースのようなイオンソースによって提供されるイオン支援であり得る。

ＩＡＤ工程は、エネルギーイオンが刺激し、表面での原子移動、並びに低い基板温度での表面の原子拡散及び脱離を引き起こすので、平坦な基板上に蒸着した膜の特性を改善することに役立つ。中性粒子を蒸着させる角度に対するイオンの入射角、及びイオンの流れの制御は、膜構造に影響を与えること（特に、膜密度を増大させること及び／または膜応力を修正すること）に役立つ。従来のＩＡＤ工程においてイオン衝撃に利用されるイオンエネルギーは、一般的に表面上の材料のスパッタリング閾値であるかそれに近く、イオンの流れは蒸着の流れと比べて比較的低い。

他の知られているイオン支援法は、デュアルイオンビーム蒸着（Ｄｕａｌ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であり、これは、第一の蒸着イオンビームソースが蒸着ターゲットからの材料を基板へスパッタし、第二の「支援」イオンビームソースが基板の表面へ向けられるものである。この方法は、別のイオン支援法のように、支援イオンビームの入射の角度が膜特性に影響を与えるように制御されることができるという利点を有している。さらに、例えばスパッタリングなどのプラズマベース薄膜蒸着工程で使用される別の種類のＩＡＤ法は、バイアス基板蒸着である。この方法において、プラズマ内のイオンは、電場によって基板に向けられる。しかしながら、この方法において基板のイオン衝撃は基本的に垂直の入射で起こる。本発明で行われる実験において、この方法で形成された酸化アルミニウム膜は、ステップフィーチャの端部でシームを形成する傾向にあり、第１の相対角度でステップフィーチャ上に蒸着した材料は、異なる相対角度で周囲に蒸着した材料と接触している。結果として生じたシーム欠陥は図１Ａの顕微鏡写真で見られる。これらのシームに隣接する材料の低品質は、ウェットエッチングが質の悪い蒸着した材料を除去するために使用されるときに特に明らかとなり、これは、図１Ｂに見られるように、ボイドを残しているシームに沿って見られる材料を優先的にエッチングしている。

これらの例は、薄膜の蒸着が一般的に三次元の表面上で行われるような、典型的な状況を示している。三次元の表面は、例えば、パターン蒸着及びエッチングの複数の段階の積み重ねの結果として、ほとんどのデバイスの製造のいくつかの段階でしばしば含まれる。基板のフィーチャにわたって蒸着した厚さの変化は、不十分なコンフォーマルカバレッジ、表面むらの増大、閉じ込められたボイド、シーム、及びフィーチャの角にある類似の問題に起因した問題をもたらし得る。コンフォーマルな膜は、どこでも同じ厚さを有する膜である。デバイスの寸法及び特性の変更は、デバイス寸法が縮小されるにつれてより危機的となる。

一般的に、蒸着した膜の、例えば、密度、応力及び光学指数などの特性が蒸着入射角に依存していることが認められている。不十分な膜特性は、より高い入射角と関連しているとみられる。三次元表面上に蒸着した膜の品質及びコンフォーマル性は、基板上への蒸着の角度を制御することにより（流れの方向に対して基板を傾斜させることにより）ある程度改善され得る。傾斜した蒸着工程において、基板は同様に、基板表面にわたって三次元フィーチャのまわりで均一な蒸着を得るために回転される。この技術は、薄膜蒸発及びイオンビーム蒸着システムにおいて使用され、並びに最近では低圧スパッタリング技術の普及と共にスパッタリングシステムにまで拡張されている。三次元フィーチャの底部及び側壁上に蒸着した膜の望ましい特性は、底部及び側壁表面のどちらかに対して、最大で、しかしそれを上回らない、５５から６５度の臨界角度の入射角に対して観測されている。しかしながら、入射角の制御は、成長の非常に最初の段階でのみ達成されることができる。成長の間、側壁の形状は変化し、並びに最終的に底部及び側壁表面において入射角かすめることをもたらす。結果として、角に蒸着した材料の品質は悪化し得る。

一つの周知例において、薄膜は、基板に対して４５度の角度でスパッタリングソースを含み、且つ基板にわたって均一な被覆を達成するために基板の回転を含む、マグネトロンスパッタリングを使用して蒸着する。このアプローチは、側壁は、垂直に近い入射角で材料が蒸着するので、三次元フィーチャの側壁のカバレッジの品質を改善する。しかしながら、本発明者によって実施された実験は、図１Ａ及び１Ｂを参照して説明した、前記工程において形成されたものよりはっきりしていないにもかかわらず、この種の角度のある蒸着工程でさえ最終的に、上で説明した側壁形状の旋回に起因して、フィールドとフィーチャ蒸着との間にシームラインを形成することを開示している。これらのシームラインは図２Ａで見ることができる。より低品質な材料を好むウェットエッチングによるそれに続く評価は、図２Ｂでみられるように、下にある三次元フィーチャの周辺でこれらのシームラインに沿ったボイドを残す。

別の既知のイオンエッチング支援蒸着法は、材料蒸着の間に、材料のスパッタリング閾値より上のイオンエネルギー井戸を含むビームが表面に向けられる、デュアルイオンビームのアプローチを使用する。このアプローチは、三次元表面上に蒸着した膜のコンフォーマル性を改善するために用いることができる。具体的に、Ｈａｒｐｅｒ， Ｊ．Ｍ．Ｅ．， Ｇ．Ｒ．Ｐｒｏｔｏ， 及びＰ．Ｄ Ｈｏｈらによる「イオンビーム再スパッタリングによる改善したステップのカバレッジ」（１９８１年３月）Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１８（２）（以下「Ｈａｒｐｅｒの文献」）においては、蒸着中性粒子の入射の角度が基板法線から２０度であり、及び「支援」（エッチング）ソースからのイオンの入射の角度は基板法線から２０度であるか、または蒸着角度の方向から４０度である、デュアルイオンビーム蒸着システム（ＩＢＤ）を使用して、ＳｉＯ２膜が、ＩＡＤ法によって、おおよそ９０度のステップを有するＮｂ基板上へ蒸着される。システムの一般的な構成は図３Ａでみられる。Ｈａｒｐｅｒの文献によると、ステップのカバレッジが改善され、しかしながら、Ｈａｒｐｅｒの文献における方法は、満足のいくようなコンフォーマルな膜を達成することができない。これらの先行技術の方法により蒸着した膜は、図３Ｂで見られるように、基板８におけるフィーチャでの被膜９の内側に凹んだ突出を示しており、及び／または図３Ｃ及び３Ｄにおいて見られるように、ステップの角上で薄いファセットを形成する傾向にある。このように、イオンエッチング支援蒸着に対するこの方法及び他の周知の方法を改善する必要が残っている。

既知の方法は、三次元トポグラフィーを含む表面上の膜を含む、所望の品質の膜を提供していない。特に、既知の方法は一般的に、基板にわたってカバレッジの不十分なコンフォーマル性及び均一性を有する膜をもたらす。このように、薄膜蒸着方法に関する改善の必要性が従来技術には存在している。

Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔｅｐ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｂｙ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｒｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ， Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１８（２）， Ｈａｒｐｅｒ，Ｊ．Ｍ．Ｅ．，Ｇ．Ｒ．Ｐｒｏｔｏ，及びＰ．Ｄ． Ｈｏｈ（１９８１年３月）

従来技術の前述の制限は、基板上に膜を形成するエネルギー粒子のビームと、回転しているかスウィープしている基板上に実装されたパターン化ウェーハ―の表面を同時にエッチングするイオンのビームの組み合わせを使用することによって膜を蒸着することによる本発明により克服することができる。本発明は、改善された蒸着膜特性を達成するために、異なる角度で、蒸着及びエッチング速度の相違を使用する方法を含む。具体的に、システムの構成は、（ａ）前記フィーチャ上のいかなる位置で蒸着及びエッチングビームの略等しい入射角、及び（ｂ）フィーチャの主表面上で得られる実質的に等しい入射の蒸着（エッチング）角度、を提供するように調整される。蒸着及びエッチングの流れは、エッチング速度は、臨界蒸着角度かそれより高い角度では蒸着速度より勝っており、それによって低品質材料の除去が達成される。

本発明の実施形態によると、イオンエッチング支援蒸着装置は、三次元フィーチャを有する基板上に薄膜を蒸着するために使用される。装置は、基板に対して類似の角度で、及び互いに対して角度αで配置されたエッチングソース及び蒸着ソースを含み、角度αは、基板上の三次元フィーチャと基板表面との間に形成された角度α’の補角に実質的に等しくなるように選択される。

基板動作の二つのモード、（ａ）回転及び（ｂ）スウィープは三次元フィーチャの均一な被覆を達成するために使用され得る。スウィープ動作は一つの軸に沿って伸びている三次元フィーチャに適することができる。

図１Ａ及び１Ｂは、ウェットエッチングの前後での、表面に対して法線角度での、従来技術の工程において蒸着した膜を図示している。 図２Ａ及び２Ｂは、ウェットエッチングの前後での、表面に対しておおよそ４５度の角度での、従来技術の工程において蒸着した膜を図示している。 従来技術によるデュアルイオンビームエッチング支援蒸着装置の図である。 図３Ａの装置で達成したステップのカバレッジを図示している。 図３Ａの装置で達成したステップのカバレッジを図示している。 図３Ａの装置で達成したステップのカバレッジを図示している。 デュアルイオンソースの間の好ましい角度αを示している、本発明の原理に従う薄膜を蒸着するためのデュアルビームシステムの略図である。 ソースと基板法線の間の相対傾斜角度の関数として示された、マグネトロンスパッタリング蒸着ソース及びエンドホールイオンビームエッチングソースによる酸化アルミニウムの蒸着速度及びエッチング速度の略図である。 図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃは、図４の蒸着及びイオンソースの三つの相対角度の構成を図示しており、ソースは、図６Ｄ、６Ｅ、及び６Ｆでそれぞれ示された、三次元フィーチャと基板との間の角度α’の補角となるように選択された角度αで配置されている。 いくつかの実施形態において、より大きなエッチング均一性及び出力を可能にし得る薄膜を蒸着するための別のシステムの略図である。 関連する構造をさらに詳細に示す薄膜を蒸着するためのシステムの平面図である。 ここで開示される発明による基板の表面上に薄膜を蒸着するための段階を示している。 図１０Ａ及び１０Ｂは、おおよそ９０度の角度α’の側壁を含むフィーチャで基板上に蒸着したステップのカバレッジを示しており、基板の中心及び端部付近において、ウェットエッチング前でシームラインがないことを示している。図１０Ｃ及び１０Ｄは、ウェットエッチングの後での構造を示しており、ボイドが無いことを示している。 図１１Ａ及び１１Ｂは、α’＝９０度と類似の角度で垂直な側壁を有する基板上での膜厚なクロム蒸着を示しており、シームラインがなく、効果的な埋めと平坦化を示している。 図１２Ａ及び１２Ｂは、おおよそ９０度の側壁角度α’を含む分離したフィーチャを含む基板上で得られたステップのカバレッジを示しており、基板の中心及び端部付近においてシームラインが無いことを示している。図１２Ｃ及び１２Ｄは、基板の中心及び端部付近におけるトレンチ上の類似の良好なステップのカバレッジを示している。 本発明の原理によるスウィープ動作の略図であり、連続的なスウィープ、回転（インデックス変更）、及びスウィープの段階の間に、基板のフィーチャの延伸する軸の方向に対する移動を示している。 写真の平面に垂直な軸上に延在する細長いフィーチャを有する基板上の蒸着を示しており、シームラインがなく、効果的な埋めと均一なカバレッジを示している。

図面を参照して、且つ図４からはじめて、本発明の原理に従う薄膜蒸着のためのシステムが示され、参照符号１０で一般的に示されている。システム１０は、薄膜蒸着技術において知られている、閉じたチャンバ内に置かれ得る。

システム１０は、表面上に薄膜として蒸着される材料のソースである蒸着ソース１２を含む。いかなる適切な蒸着ソースが使用されてもよく、それと共にいかなる適切な材料が使用されてもよい。例えば、スパッタターゲットがソースとして働き得る。蒸着ソース１２は、材料を受ける基板１６の表面に向かう軸１４に沿って材料を向けている。それとは別に、イオンソース１８は、基板１６の表面上に蒸着した材料をエッチングするためのイオンビームを生み出し、イオンビームは基板１６の表面に向かう軸２０に沿って向けられている。軸１４及び軸２０は、それぞれ蒸着及びエッチングビームの中心線を示している。それらは一般的に基板１６で交差し、同一平面を占有し得る。蒸着ソース１２及びイオンソース１８の相対位置は、以下でより詳細に説明するような調整で調整可能である。イオンソースはエンドホール（Ｅｎｄ Ｈａｌｌ）ソースまたはグリッドイオンソースであり得る。また、基板をエッチングすることのできる任意に向けられたエネルギー粒子のソース、例えば、プラズマビームエッチングまたは中性ビームソースによって置き換えられ得る。

基板１６は、そこに適用される薄膜を受けるいかなる基板であってもよく、及び例えば、ステップまたはトレンチを含む三次元のトポグラフィックなフィーチャを含み得る。基板１６は、蒸着ソース１２からの材料及びイオンソース１８からのイオンを受けるために、適切な構造によって支持されている。基板１６は、蒸着ソース１２及びイオンソース１８に対して（２４で示すように）ある角度で傾斜され得る。特に、基板の傾斜方向２４は、蒸着及びエッチングビームの両方の軸１４及び２０に対してそれぞれ直角な軸に沿っていてもよく、例えば、軸１４及び２０が同一平面にあると仮定すると、基板表面の法線２４は同一平面に置かれる。基板１６はまた、基板１６の表面に一般的に垂直な中心回転軸２２の周りで回転し得る。基板表面は平面であり、基板の傾斜角度の方向は、三次元フィーチャの「平坦な」表面、例えばステップまたはトレンチの底部または頂部の傾斜角度の方向と定義することが仮定される。

図５を参照すると、ソース１２の蒸着速度、ソース１８のエッチング速度、及び基板表面に垂直から離れる蒸着またはエッチング軸の傾斜角度を検討することができる。この図におけるデータは、マグネトロンスパッタリングによって蒸着され、且つエンドホールイオンビームソースによってエッチングされた酸化アルミニウムに特定されているが、示される傾向は、多くの他の材料並びに蒸着及びエッチングソースの代表である。蒸着ソース１２により生み出された粒子の流れは蒸着ソースからの材料の流れの大きさを示しており、基板１６に追加される材料の蒸着速度に関連していることが理解される。イオンソース１８により生み出されたイオンビームの流れは、イオンソースからのイオンの流れの大きさを示しており、材料が基板１６から除去されるエッチング速度に関連している。これらの流れの相対比率が、以下で説明されるように、この発明の方法に従って決定される限り、エネルギー粒子ビーム及びイオンビームのいかなる適切な流れが使用され得る。

蒸着及びエッチングの速度が、蒸着及びエッチングソースの基板に対する入射角と強い関数にあることが図５から理解される。蒸着速度は、蒸着ソースの軸１４が基板表面に垂直であるとき最も大きく、これは図５のグラフにおける傾斜角度０度に対応していることがみられる。蒸着速度は傾斜角度の増加とともに単調に落ちてゆき、傾斜角度が９０度に到達すると０の値になる。エッチング速度は反対の傾向を示し、傾斜角度がおおよそ４５度に到達するまでは単調に増大し、それから単調に減少する。

図５からわかるように、例えば、蒸着及びエッチングビームが同一角度で基板上に入射するとき、エッチング及び蒸着の流れは、蒸着速度がエッチング速度より大きくなる傾斜角度の第１の範囲、及びエッチング速度が蒸着速度を超える傾斜角度の第２の範囲があるように選択され得る。そのようにして調節されるとき、装置は、第２の範囲内の角度での蒸着を除外するが、これは、この傾斜角度で蒸着するいかなる材料が同時のエッチング工程によって本質的にすぐさま除去されてしまうからである。このように、図５でみられる二つの範囲を有するように蒸着及びエッチング速度を調整することは、制約される蒸着が、傾斜角度の所望の範囲、例えば、それより上では低品質な蒸着膜が得られてしまう臨界角度、例えばアルミ蒸着に対して図５で示されたような６５度より小さい傾斜角度、でのみ起こることができる。

この概念を三次元フィーチャ上の蒸着に適用する場合、蒸着形態は、フィーチャの主表面（例えば、ステップまたはトレンチの「平坦な」表面及び側壁）が、正味の品質の蒸着、すなわち、上で説明した（臨界角度より小さい）第１の範囲の角度を受けるように配置されることが必要とされる。同時に、低品質な蒸着をもたらす蒸着ビームに対して高い入射角での蒸着材料の成長の結果として形成される他の表面は、上で説明した第２の範囲の角度にさらされ、すなわち、これらの表面は蒸着のかわりにエッチングされる。これは、例えば、基板表面上及びフィーチャの側壁上の蒸着及びエッチングビームの角度が等しくなるように調整することによって達成され、そのような対称的な処理条件はコンフォーマルな被覆（側壁及び平坦な表面上の正味同一の蒸着厚さ）を達成するのに重要である。

実際には、蒸着膜の厚さ及び特性は、多くの要因、そのいくつかはここでは詳細に考慮しないが、特に、底部及び側壁から材料の再スパッタリング及び成長の結果としてのフィーチャの変化、の累積的影響によって決定される。そのようにして、いくつかの有益な、またはさらに好ましい構成において、角度条件は上で説明したものからいくらか変化し得る。

エッチングソース及び蒸着ソースは、一般的に異なる物理的位置を占有し、その結果、いかなる時点においても三次元フィーチャをエッチングするときに、前記フィーチャのいくつかの部分がエッチング及び蒸着の異なる方位角にさらされることは注目すべきである。しかしながら、基板表面に入射する極性（ｐｏｌａｒ）蒸着及びエッチングの入射角が等しく、且つ基板が成膜工程の間に十分な数の回転運動により回転される場合、如何なる点での平均エッチング及び蒸着角度は基本的に同一であり、これは十分である。

実際の実装において、図６Ａから６Ｆにおいて図式的に図示された、図４のシステム１０は、様々な三次元フィーチャを有する表面上に高品質被膜の蒸着を可能にしている。同時に起こる蒸着とエッチングが高品質の膜を作り出し、低品質の膜の成長を避けるようにソースの操作を保証するため、ソース１２及び１８の傾斜角度が、基板の三次元フィーチャにおいて被覆される表面の相対角度に対応するように選択され得る。例えば、図６Ａ−２で示されるように、基板のフィーチャは、側壁２４ａと直角、すなわち９０度の角度α’で交差する底部２２ａを含み得る。そのような構成は、一般的に表面の残余（ｒｅｓｔ）から上向きにのびる分離したフィーチャ、及び表面の残余から下向きにのびるトレンチフィーチャの両方が可能である。この場合において、図６Ａで見られるように、ソースは互いに９０度の角度αで配置されている。第二に、蒸着及びエッチングビームの両方が底部と側壁との間の角度を二等分し、これらの主表面で均等な蒸着及びエッチング角度をもたらすように、基板が傾斜される。この場合において、主表面上での蒸着とエッチングの両方は、基板法線に対して４５度、または基板表面に対して４５度の範囲で作動する。第三に、蒸着及びエッチングの流れは、それを上回ると蒸着する膜の質が低くなる臨界角度（図においては６５度）で蒸着速度がエッチング速度に等しくなる図５で示されたように調整される。このように、蒸着速度は主表面上で（基板法線に対して４５度の入射角で）エッチング速度を上回るのに対して、エッチング速度は前記臨界角度より上の角度で蒸着速度を上回る。

図６Ｂにおいて示されるように、底部２２ｂは、９０度よりいくらか小さい角度α’（例えば８０度）で側壁２４ｂと交差し得る。そのような構成は、ステップまたはトレンチフィーチャのどちらか一方が可能である。この場合において、フィーチャの底部及び側壁上で蒸着及びエッチングの等しい角度を達成するため、図６Ｂに見られるように、ソースは互いに対して角度α（例えば、１００度）で配置され、αはα’の補角であり、すなわち、α＋α’＝１８０度であり、及び第二に、基板は、蒸着及びエッチングビームから基板表面にα’／２（例えば、４０度）の角度で傾斜されている。上記の場合におけるように、蒸着及びエッチングビームは底部及び側壁の間の角度を二等分する。蒸着及びエッチングビームのこれらの基板への入射の、基板法線（図５を参照）に対する角度は、α／２（例えば、５０度）である。蒸着及びエッチングの流れは、図６Ａで説明されたように調整される。

図６Ｃで示されるように、底部２２ｃは、９０度よりいくらか大きい角度α（例えば１００度）で側壁２４ｃに交差し得る。そのような構成は、ステップまたはトレンチフィーチャの両方で可能である。そのような場合において、前で述べたように、主表面上で蒸着及びエッチングの等しい角度を達成するために、ソースは互いに対して角度α（例えば８０度）で位置しており、ここでα＋α’＝１８０度であり、図６Ｆにおいて見られるように、基板の傾斜角度は、各々のビームの角度が底部と側壁の間の角度を二等分する、すなわち、基板表面への角度がα’／２（例えば５０度）となるように調整される。蒸着及びエッチングビームの主なフィーチャへの入射の基板法線（図５を参照）に対する角度は、α／２（例えば、４０度）であり、これは高品質蒸着の範囲内である。蒸着及びエッチング速度の流れは図６Ａで説明したように調整される。

一般的に、蒸着ソース１２及びイオンソース１８の相対位置は、蒸着ソースの軸１４とイオンソースの軸２０の間の角度分離が一般的に、基板１６の表面上の一つ以上のフィーチャの角度α’の補角となるように、調整される。このようにして、底部２２ａと側壁２４ｂが直角で交差すると（図６Ａ−２）、蒸着ソースの軸１４とイオンソースの軸２０も一般的に直角となる（図６Ａ）。

同様に、底部２２ｂ及び側壁２４ｂが９０度より小さい角度α’で交差すると（図６Ｅ）、蒸着ソースの軸１４とイオンソースの軸２０の間の角度は一般的に９０度より大きく、例えば、１８０−α’である（図６Ｂ）。

底部２２ｃ及び側壁２４ｃが９０度より大きい角度α’で交差すると（図６Ｆ）、蒸着ソースの軸１４とイオンソースの軸２０の間の角度は一般的に９０度より小さく、例えば、１８０−α’である（図６Ｃ）。

一般的に、基板１６は、蒸着ソースの軸１４とイオンソースの軸２０が基板の回転軸２２から等角距離となるように、蒸着ソース１２及びイオンソース１８に対して傾斜され得る。このように、図４及び図６Ａから６Ｃにおいて見られるように、蒸着ソースの軸１４は基板の（基板の中心点を通る基板表面の法線と共線にある）回転軸２２からαの半分またはα／２で間隔を置かれ、イオンソースの軸２０は同様に、基板の回転軸２２または表面の法線２６からαの半部またはα／２で間隔を置かれ、ここでα＝１８０−α’である。

図７を参照すると、薄膜を蒸着するためのシステムの別の実施形態が示されており、且つ参考符号１０ａで示されている。システム１０ａは、上で議論したシステム１０の特徴を含み、同様に基板１６の表面に向かう軸２１に沿って向けられるイオンのビームを生成する第２のイオンソース１９を含む。第２のビームは、基板表面にわたって均一性を改善し得、及び／または所望のエッチング速度を達成するために十分なエネルギーイオンの生成を支援し得る。

図８を参照すると、薄膜を蒸着するためのシステムのより詳細な実施形態が示されており、参照符号３０で示されている。システム３０は、蒸着ソースとしてマグネトロン３２及びイオンソースとしてマルチビームレット広域グリッドイオンソース３４を含む。薄膜を受ける基板３６は、基板３６の傾斜と回転を提供する固定具３８上に位置している。固定具３８は同様に、図１３を参照して以下で図示され且つ議論されるように、定義された方位インデックス角（ａｚｉｍｕｔｈａｌ ｉｎｄｅｘ ａｎｇｌｅ）の周りでスウィープ運動を行い、インデックス角に対する方位角の特定の範囲で、正及び負の両方の方向でスウィープすることができる。コリメータ４０はマグネトロン３２と固定具３８との間に提供される。

図９を参照すると、ここで開示される発明による基板の表面上に薄膜を蒸着するための方法は、蒸着ソース、イオンソース、及び基板を含むシステムを用いて実施され、基板は支持されて蒸着ソース及びイオンソースに対して傾斜でき、並びに中心回転軸に対して回転することができる。既知でない場合、薄膜を受ける基板の表面の三次元のトポグラフィックなフィーチャは、基板の表面上で重要な関心であるフィーチャに対する交点α’の角度を決定するために調査される。蒸着ソースは、それによって生成される材料のエネルギー粒子のビームが蒸着ソースの軸に沿って基板に向けられるように位置され、且つイオンソースはそれによって生成されるイオンのビームがイオンソースの軸に沿って基板に向けられるように位置される。蒸着ソースの軸とイオンソースの軸との間の角度分離は、角度α’に応じて調節される。いくつかの実施形態において、蒸着ソースの軸とイオンソースの軸との間の角度分離は、実質的にα’の補角となるように調節される。基板は、蒸着ソースの軸及びイオンソースの軸が、基板が回転する中心の回転軸から等角に間隔を置かれ、それ故基板の平面から一般的にα’／２の角度となるように傾斜され得る。蒸着ソースからの材料の流れとイオンソースからの材料の流れは、入射角が臨界入射蒸着角度におおよそ等しいかそれより大きいときに、蒸着速度に等しいかそれより高いエッチング速度を提供するように調節され得、ここでの臨界角度は最終的な膜特性が不満足な割合で悪化する角度を超える角度である。

例示的な薄膜がここで含まれる技術に従って用意される。以下の実施例の説明は、実例を提供しているだけであり、本発明の範囲を限定していない。

［実施例１］
Ａｌ２Ｏ３の膜が、長方形に近い形状を含む、高さ１μｍの複数の分離したＳｉＯ２フィーチャを含む８インチのＳｉウェーハ上に蒸着された。

蒸着は、パルスＤＣマグネトロン及びエンドホールイオンビームソースで構成されたチャンバ内で実施された。アルミニウムターゲット及びアルゴン／酸素混合気体がスパッタリングのために使用された。サンプルは、「金属モード」の蒸着を利用し、高速Ｏ２粒子圧力フィードバック制御で作動して蒸着された。高速粒子圧力制御の利用は、能動フィードバック無しで一般的にみられる「ポイズン」ターゲットへの遷移を除去し、ポイスンモードにおける同一のターゲット出力で得られるものより最大で５Ｘ高いＡｌ２Ｏ３蒸着を可能にしている。アルゴンはエンドホールソースの供給ガスとして使用された。システムは、（基板表面の法線に対して）様々な処理角度での蒸着を可能にするために傾斜可能な基板固定具を使用した。基板温度はＦｌｏｗｃｏｏｌ（登録商標）背面ガス冷却システムによって維持された。システムは、蒸着に先立ってターゲットのインサイチュー前処理を可能にするために固定シャッターを有している。

構成を次のように設定した：スパッタ材料の軸とイオンビームの軸との間の角度αは９０度に設定され、フィーチャの角（ｃｏｒｎｅｒ）おける底部と側壁の間の９０度の角度α’に対応されている；蒸着及びエッチングに対する入射角は、それぞれ４５度またはα’／２であった。スパッタビーム及びイオンのビームの流れは、６５度の臨界入射蒸着角で蒸着速度に等しいエッチング速度を提供するように調節された。マグネトロンスパッタリングの出力は６．５ｋＷであった。エンドホールビームの電圧及び電流はそれぞれ２００Ｖ及び１５Ａであった。

この処理の結果は次を含んでいる：光学スペクトル：インデックスｎ〜１．６６、吸光係数ｋ〜０、これは良好な膜特性を示している；正味の蒸着速度：６００Ａ／分、８インチ領域にわたる均一性：２．５％。長方形フィーチャの断面のＳＥＭ画像が図１０Ａから１０Ｄに示されている。成膜直後の膜の画像（図１０Ａ、１０Ｂ）は、シームラインまたは割れ目がないことを明示しており、均一な明暗は角の領域のまわりで均一な構造（欠陥がなく、良好な密度）、中心及び端部（８インチの直径）における良好なコンフォーマル性の証拠である。標準のエッチング試験の後のサンプルの画像（図１０Ｃ、１０Ｄ）は、ボイドの無い高品質を明示している。

［実施例２］
Ｃｒの膜が、長方形に近い形状を含む、高さ１μｍの複数の分離した二酸化シリコン（ＳｉＯ２）フィーチャ及びトレンチを含む８インチのＳｉウェーハ上に蒸着された。トレンチのアスペクト比（ＡＲ）は、〜１：２である。

蒸着は、パルスＤＣマグネトロン及びエンドホールソースで構成されたチャンバ内で実施された（実施例１を参照）。クロムターゲット及びアルゴン気体がスパッタリングのために使用された。アルゴンはエンドホールソースの供給ガスとして使用された。

構成を次のように設定した：スパッタ材料の軸とイオンビームの軸との間の角度αは９０度に設定され、フィーチャの角における底部と側壁の間の９０度の角度α’に対応されている；蒸着及びエッチングに対する入射角はα’／２＝４５度であった。スパッタビーム及びイオンのビームの流れは、６５度の臨界入射蒸着角で蒸着速度に等しいエッチング速度を提供するように調節された。マグネトロンスパッタリングの出力は２．５ｋＷであった；エンドホールビームの電圧及び電流はそれぞれ１７５Ｖ及び１２Ａであった。

実施例２の結果は、「埋める（ｆｉｌｌ）」または平坦化の応用における図１１Ａ−１１Ｂにおいて見られる：蒸着した膜の厚さは〜２．３μｍであり、抵抗率は〜２０ｏｈｍ／ｃｍ２であり、良好な品質の証拠である；蒸着速度：３００Ａ／分、８インチ領域にわたる均一性：３％。長方形の断面を含むフィーチャのＳＥＭ画像が図１１Ａで示されており、画像はシームラインまたは割れ目がなく、均一で細孔がなく、角の領域のまわりで良好な密度、及び良好なコンフォーマル性を明示した。膜／トレンチ（ＡＲ＝１：２）構造のＳＥＭ画像はまた、良好な密度、及びコンフォーマル性、割れ目がなく、優れた平坦化効果を示した。

「シード層」の応用に対する実施例２のさらなる結果が図１２Ａ−１２Ｄで見られる。蒸着した膜の厚さは、〜０．３μｍであり、８インチ領域にわたる均一性：３％；長方形のフィーチャ（図１２Ａ及び１２Ｂ）及びトレンチの断面（図１２Ｃ及び１２Ｄ）のＳＥＭ画像は、コンフォーマルな蒸着を明示し；角は材料で埋められている。良好な結果が基板の中心（図１２Ａ及び１２Ｃ）及び端部（図１２Ｂ及び１２Ｄ）においてみられている。

［実施例３］
Ｃｒの膜が、長軸及び長方形に近い形状を含む、高さ１μｍの複数の分離した二酸化シリコン（ＳｉＯ２）フィーチャを含む８インチ直径のシリコンウェーハ上に蒸着された。

蒸着は、パルスＤＣマグネトロン及びエンドホールソースで構成されたチャンバ内で実施された（実施例２を参照）。クロムターゲット及びアルゴン気体がスパッタリングのために使用された。アルゴンはエンドホールソースの供給ガスとして使用された。

チャンバは次のように調整された：スパッタ材料の軸とイオンビームの軸との間の角度αが９０度に等しく、これはフィーチャの角における底部と側壁の間の９０度の角度α’に対応している；蒸着及びエッチングに対する入射角はα’／２＝４５°であった。スパッタビーム及びイオンのビームの流れは、６５度の臨界入射蒸着角で蒸着速度に等しいエッチング速度を提供するように調節された：マグネトロンスパッタリングの出力は５ｋＷであった：エンドホールビームの電圧及び電流はそれぞれ１３０Ｖ及び１２Ａであった。

基板は、図１３において図式的に示されたように、長軸方向に対称である細長い三次元フィーチャを含む。このような構成における細長いフィーチャに対して、均等な蒸着形状／厚さは、図１３において図示されたように、スウィープ動作４２とインデックス動作４４の組み合わせを使用する、スウィープモードを利用してフィーチャの各々の細長い側部上で達成される。スウィープ動作４２の一般的な範囲は±３０−７０°であり、９０度まで及ぶ；おおよそ±４５°のスウィープ動作４２が、図１３で図示されている。スウィープは二つ以上の方位インデックス角の周りで実行され、これはウェーハを各々の方位インデックス角に回転させるインデックス動作４４によって交互に選択される。各方位インデックス角のスウィープ動作は数回繰り返される。図１３で図示された場合において、二つの方位インデックス角があり、ウェーハは１８０°のインデックス動作４４を含むこれらの角度の間でインデックス化されている。任意の数のスウィープサイクルをプログラムすることができ、２つ以上の方位インデックス角が特定の基板フィーチャの構成のために決定され得る。方位インデックス角は、フィーチャの均一な被覆のために、蒸着及びエッチングビームに対するフィーチャの臨界寸法の所望の配向を得るように設定される。細長いフィーチャの場合において、フィーチャの臨界寸法は一般的にフィーチャの長軸である。第１の基板方位インデックス角は、基板のフィーチャの長軸が蒸着及びエッチングビームの方向（図４における軸１４及び２０）に直角であり、且つ基板固定具の傾斜軸に平行であるように設定される。この方位インデックス角では、フィーチャの一つの細長い側部は蒸着にさらされ、エッチングから遮られ、及びフィーチャの反対の細長い側部はエッチングにさらされ、蒸着から遮られる。１８０°の再配向の後で、前回蒸着にさらされ、且つエッチングから遮られた側部は、エッチングにさらされ、且つ蒸着から遮られ、逆もまた同様である。処理の間、スウィープ動作４２は、数回のサイクルの間、例えば４５°の方位角スウィープ範囲内で、方位インデックス角の周りで実施される。それから、基板は新たな方位インデックス角まで回転され、図示された場合においては、第２のインデックス角まで１８０°回転し、スウィープ動作４２が数回のサイクルの間に新たなインデックス角で繰り返される。スウィープ動作４２及びインデックス動作４４のサイクルは、Ａ及びＢの両方の側部でコンフォーマルな同質の被覆の所望の厚さを蒸着するために、複数回生じる。

実施例３に対して、スウィープのための第１の方位インデックス角は、図１３においてみられるように、基板フィーチャの細長い軸に垂直に設定された。スウィープは±４５°の範囲で実施され、且つ６０回のスウィープサイクルが、それぞれ二つの１８０°対向する方位インデックス角で実施された。

実施例３の結果は、ステップのフィーチャにわたってボイドの無いコンフォーマルな膜を形成することに対して、発明の適用性を示している。蒸着した膜の厚さは〜１μｍであり、抵抗率は１７ｏｈｍ／ｃｍ^２（良好な品質を証明している）、蒸着速度：６５０Ａ／分、８インチ領域にわたる均一性：−４％。長方形の断面を含むフィーチャのＳＥＭ画像が図１４に示されており、画像は、シームラインまたは割れ目がなく、均一で細孔がなく、角の領域の周りで良好な密度、及び良好なコンフォーマル性を明示している。

本発明により蒸着したクロム膜の電気抵抗は平均で２０から２５ｏｈｍ／ｃｍ^２であり、エッチング支援の無いマグネトロンスパッタリングにより蒸着した膜の平均抵抗率であるおおよそ３５から４０ｏｈｍ／ｃｍ^２より低く、且つ良好な品質のクロムバルクの抵抗率に一致している。より高いイオンエッチング出力で、フィルムの抵抗率はフィルムの高密度化に起因して２０ｏｈｍ／ｃｍ^２より下まで減少する。

エッチング支援の有益な効果を明示するために、Ｃｒ膜を、基板平面から９０度の角度で側壁を有する分離したフィーチャを含む基板上に、エッチング支援無しで蒸着した。おおよそ４５度の固定傾斜が、本発明に従って使用された条件と合うように使用された。蒸着した膜は、フィーチャの角で割れ目を含む、純柱状構造を示した（類似のものが図２Ａ及び２Ｂにおいてみられる）。フィルムの抵抗率は、本発明の処理で達成した２０ｏｈｍ／ｃｍ^２またはそれより下の抵抗率と比べて、３５ｏｈｍ／ｃｍ^２であった。

新規で且つ独創性のある表面処理システム、及びそれに関する新規な応用がここで説明されてきたと認められる。出願人は、この説明な説明によって、保護されるべき発明の範囲を限定することを目的としておらず、むしろ、その保護は、以下の特許請求の範囲を参照することによって決定される。

８ 基板
９ 被膜
１０ システム
１０ａ システム
１２ 蒸着ソース
１４ 蒸着ソースの軸
１６ 基板
１８ イオンソース
１９ 第２のイオンソース
２０ イオンソースの軸
２１ 軸
２２ 基板の回転軸
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 底部
２４ 基板の傾斜方向
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 側壁
２６ 法線
３０ システム
３２ マグネトロン
３４ グリッドイオンソース
３６ 基板
３８ 固定具
４０ コリメータ
４２ スウィープ動作
４４ インデックス動作

Claims (45)

1. 角の領域においてフィーチャの壁と底部との間の角度α’によって特徴付けられた三次元フィーチャを含む表面を有する基板上への薄膜蒸着の方法であって、
   真空チャンバ内で前記基板を回転させる段階と、
   その上に蒸着するために、前記基板表面の平面に対して実質的にα’／２に等しい角度で、粒子のビームを前記基板の表面の方に向ける段階と、
   同時に、それに対応するエッチングのために、前記基板表面の平面に対して実質的にα’／２に等しい角度で、エネルギー粒子のビームを前記基板の表面の方に向ける段階と、
   を含み、
   前記粒子のビーム及び前記イオンのビームの流れは、前記ビームの入射角が臨界入射蒸着角より大きいとき、前記粒子の平均蒸着速度に等しいかそれより高い前記基板表面の平均エッチング速度を提供する、方法。
2. 前記臨界入射蒸着角は５５度から７５度である、請求項２に記載の方法。
3. 前記蒸着した誘電体膜は、Ａｌ_２Ｏ_３である、請求項１に記載の方法。
4. 他の蒸着した薄膜が、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
5. 前記蒸着した薄膜が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、及びＴａからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
6. 前記蒸着した薄膜が、Ｓｉ及びＧｅからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
7. 蒸着のための粒子のビームは、ターゲット材料のスパッタリングによって生成される、請求項１に記載の方法。
8. 蒸着のための粒子のビームは、気体イオンによってターゲット材料をスパッタリングすることによって生成される、請求項７に記載の方法。
9. 気体イオンによってターゲット材料をスパッタリングすることは、ターゲット材料のマグネトロンスパッタリングを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ターゲットの浸食領域は、前記基板の直径を超えている、請求項９に記載の方法。
11. ターゲット材料のマグネトロンスパッタリングは、不活性気体のイオン衝撃を備えている、請求項８に記載の方法。
12. ターゲット材料のマグネトロンスパッタリングは、不活性気体及び反応性気体のイオン衝撃を備えている、請求項８に記載の方法。
13. 前記不活性気体はＡｒであり、前記反応性気体はＯ_２である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ターゲットと前記基板との間に、前記ターゲットから１−３インチで位置している、物理的コリメータで粒子をターゲットの平面内にコリメートする段階をさらに含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記エネルギー粒子のビームは、少なくとも１つのプラズマソースからイオンを励起することによって生成される、請求項１に記載の方法。
16. 前記プラズマソースは、単一のビームエンドホールイオンソースを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記プラズマソースは、マルチビームレットのイオンビームソースを含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記マルチビームレットのイオンソースは、グリッド広域イオンソースを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記マルチビームレットのイオンソースは、同一平面に位置する出口及び単一ソースとして同一軸を含む、複数のエンドホールイオンソースを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 不活性気体イオンビームプルーム分布によりイオンビーム流の均一性を調整する段階をさらに含む請求項１５に記載の方法。
21. 前記不活性気体イオンビームプルーム分布を調節する段階は、前記基板の前記平面に垂直な軸に対して前記イオンソースを傾斜させる段階を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記不活性気体イオンビームプルーム分布を調節する段階は、前記基板の中心点に対して前記イオンソースの中心軸をオフセットさせる段階を含む、請求項２０に記載の方法。
23. 長軸及び角の領域におけるフィーチャの壁と底部との間の角度α’によって特徴付けられた三次元フィーチャを含む表面を有する基板上への薄膜蒸着の方法であって、
    第１の方位インデックス角に関して前記基板の方位角でスウィープすることによって、真空チャンバ内で基板を回転させ、その後で、第２の方位インデックス角まで前記基板を回転させ、且つ前記第２の方位インデックス角に関して前記基板の方位角でスウィープする段階と、
    スウィープすることによって前記基板を回転させる段階を複数回繰り返す段階と、
    その上に蒸着するために、前記基板表面の平面に対して実質的にα’／２に等しい角度で、粒子のビームを前記基板の表面の方に向ける段階であって、前記基板が前記第１の方位インデックス角であるとき、前記方向を持った粒子のビームは、前記フィーチャの前記長軸に対して実質的に直角である、段階と、
    同時に、それに対応するエッチングのために、前記基板表面の平面に対して実質的にα’／２に等しい角度で、エネルギー粒子のビームを前記基板の表面の方に向ける段階であって、前記方向を持ったエネルギー粒子のビームは、前記第１の方位インデックス角度で前記フィーチャの前記長軸に対して実質的に直角である、段階と、
    を含む、方法。
24. 前記粒子のビーム及び前記イオンのビームの前記流れは、前記ビームの前記入射角が臨界入射蒸着角より大きいとき、前記粒子の前記平均蒸着速度に等しいかそれより高い前記基板表面の平均エッチング速度を提供する、請求項２３に記載の方法。
25. 前記臨界入射蒸着角度は５５度から７５度である、請求項２３に記載の方法。
26. 前記蒸着した誘電体膜は、Ａｌ_２Ｏ_３である、請求項２３に記載の方法。
27. 他の蒸着した薄膜は、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５からなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
28. 前記蒸着した薄膜が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、及びＴａからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
29. 前記蒸着した薄膜が、Ｓｉ及びＧｅからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
30. 粒子のビームを生成する段階は、ターゲット材料のスパッタリングを含む、請求項２３に記載の方法。
31. 粒子のビームを生成する段階は、気体イオンによりターゲット材料をスパッタリングする段階を含む、請求項３０に記載の方法。
32. 気体イオンによりターゲット材料をスパッタリングする段階は、ターゲット材料のマグネトロンスパッタリングを含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記ターゲットの浸食領域は、前記基板の直径を超えている、請求項３２に記載の方法。
34. ターゲット材料のマグネトロンスパッタリングは、不活性気体のイオン衝撃を含む、請求項３１に記載の方法。
35. ターゲット材料のマグネトロンスパッタリングは、不活性気体及び反応性気体のイオン衝撃を含む、請求項３１に記載の方法。
36. 前記不活性気体はＡｒであり、前記反応性気体はＯ_２である、請求項３５に記載の方法。
37. 前記ターゲットと前記基板との間に、前記ターゲットから１−３インチで位置している、物理的コリメータで粒子をターゲットの平面内にコリメートする段階をさらに含む、請求項３２に記載の方法。
38. 粒子のビームを生成する段階は、少なくとも１つのプラズマソースからイオンを励起する段階を含む、請求項２３に記載の方法。
39. 前記プラズマソースは、単一のビームエンドホールイオンソースを含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記プラズマソースは、マルチビームレットのイオンビームソースを含む、請求項３７に記載の方法。
41. 前記マルチビームレットのイオンソースは、グリッド広域イオンソースを含む、請求項４０に記載の方法。
42. 前記マルチビームレットのイオンソースは、同一平面に位置する出口及び単一ソースとして同一軸を含む、複数のエンドホールイオンソースを含む、請求項４０に記載の方法。
43. 不活性気体イオンビームプルーム分布によりイオンビーム流の均一性を調整する段階をさらに含む請求項３８に記載の方法。
44. 前記不活性気体イオンビームプルーム分布を調節する段階は、前記基板の前記平面に垂直な軸に対して前記イオンソースを傾斜させる段階を含む、請求項４３に記載の方法。
45. 前記不活性気体イオンビームプルーム分布を調節する段階は、前記基板の中心点に対して前記イオンソースの中心軸をオフセットさせる段階を含む、請求項４３に記載の方法。

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