JP3611132B2 - プラズマからのイオン抽出を採用するｐｖｄ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜蒸着、特に半導体集積回路の製造に関わる固体材料の物理蒸着法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的にアルミニウムの金属層の蒸着は、半導体基板上へのまたはウエハ上への大規模集積回路（ＶＬＳＩ）の通常の組立処理工程である。概して、しばしばＩＣチップと呼ばれる多くのばらばらな素子が単一ウエハ上に形成される。典型的に、金属層は複雑な素子がウエハ上に形成された後にのみ蒸着される素子配線として使用される。素子間の電気的結合を与え及び／または素子内の細溝を満たすために、ビアとして周知の小穴を金属で満たすことが所望される。
【０００３】
現在、最も使用されているアルミまたは他の金属の薄膜蒸着法は、周知のスパッタリング処理による物理蒸着法である。スパッタリング装置において、比較的低圧の典型的にアルゴンである不活性ガスのプラズマが、蒸着されるべき材料から成るターゲットカソードの近傍に作られる。プラズマからのイオンがターゲットカソードをたたき、その結果ターゲット材料原子が放出される。これらの原子はスパッタリングチャンバを通って半導体基板上に蒸着される。マグネトロンスパッタリング装置において、磁場は電子を閉じこめかつプラズマを強化するために、ターゲットの近傍に作られ、それによって、スパッタソースの効率が増加する。商業的スパッタリング装置において、実質的にすべてのターゲットから放出された原子は中性のままである。すなわちほぼ９８％またはそれ以上の原子がスパッタチャンバ中を基板まで飛ぶ際にイオン化されない。また、２％のイオン化されたターゲット原子のほとんどは、電子に沿った場により閉じこめられ、基板に達することはない。
【０００４】
半導体素子の設計のトレンドは、より小さな素子形状に向かっていて、金属で満たされるビア及び細溝の幅は今や１ミクロン以下である。ここにスパッタリングに関する問題が生じる。スパッタターゲット表面から放出された原子は様々な角度で離れ、及びスパッタリング装置内の典型的な真空レベルにおいて放出された金属原子の平均自由工程はターゲットと基板との間の距離に比べ小さいため、ランダムな衝突が発生することは概して理解される。したがって、金属ターゲット原子は概してコサイン分布に一致する広範囲の角度で基板上に入射される。
【０００５】
一方、非常に小さい幅のビアまたは細溝を満たす際、底の方から満たすことが重要である。底が満たされる前にビアまたは細溝の側壁に大量に蒸着されてしまうと、該側壁層により原子がブロックされ底まで届かず良好な電気的結合が得られない。大量な側壁への蒸着は、スパッタ原子がコサイン分布により定義された角度でウエハに到達する場合に発生する。
【０００６】
したがって、ウエハに到達する放出ターゲット原子により大きな直進性を授けるための手段を与えることが、スパッタ装置の製造目標であった。理想的に、ビア及び細溝を満たすためには、スパッタ原子はウエハ面に対しノーマルな角度で到達しなければならない。
【０００７】
基板に到達するスパッタ原子により大きな直進性を授けるためのさまざまなアプローチがなされた。ひとつのアプローチはスパッタソースと基板との距離を増加させることである。しばらく気体の散乱を無視すると、もしソース及び基板の直径と比較してその距離が大きいときは、基板に対しノーマルな角度に近い角度で放出された原子のみ基板に達する。これは配置の幾何形状に従う。しかし、このアプローチを使って直進性を改良すると、装置の効率が犠牲になる。当該幾何形状はターゲットからの適正放出角度を有する原子のみを選択するので、ターゲットから放出されたその他の原子は無駄になり結果としてターゲット利用率が低下し、蒸着速度が遅くなる。経済的に、商業的半導体組立装置のキーファクタは装置のスループットの増加に対する要求である。したがって、蒸着時間が長いようなアプローチは経済的に許容できない。
【０００８】
ウエハ基板に到達する原子へより大きな直進性をもたらすための他の方法は、ソースと基板の間にコリメータフィルタを挿入するものである。そのフィルタは、それぞれが基板表面と垂直な軸を有する細長いセルのような構造のネットワークを構成する。基板表面にほぼ垂直に移動する原子は妨げられることなくセルを通じて移動する。鋭角で移動する原子はセルの一つの壁に遮られかつ捕獲される。このアプローチは良い直進性を与えるが、大部分のターゲット材料が無駄になり、かつセル壁上に積み重なるため効率的ではない。材料の山積は装置内の粒子数の不都合な増加をもたらし、しばしばコリメータの交換または清掃が必要となる。このアプローチはコンパクトな装置に関して上述のアプローチの改良型であ
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、たとえ上記方法のいずれかを使って直進性が達成されても、気体散乱がターゲット原子の飛行角度の乱雑さを再び導入してしまう。（全体の経路長がより短く及びセルの口がウエハ表面に近接配置されているため、このファクタはコリメータ装置についてはあまり重要でない。）プラズマ密度及び蒸着率を大きく減少させることなく、気体圧力を減少させ、それによって放出原子の平均自由工程を増加させることは困難である。上記したように、装置のスループットにおける結果的減少のため、低蒸着率は商業的半導体素子製造に関し、受け入れられない。
【００１０】
蒸着されるべき金属に直進性を与えるもう一つの解は、イオン・インプランテーションに使用されるようなイオンビームを使用するある形式のイオンメッキである。イオンの軌跡は、イオンがウエハ表面に対しノーマルに方向付けられるように、周知の磁気または静電集束技術を使って制御される。しかし、これらの機械の空間電荷効果が許容範囲の蒸着率を与える十分なフラックスのビームの使用を妨げるため、典型的なイオン・インプランテーションビームを使用すれば当該蒸着率は問題であり続ける。
【００１１】
ビア及び細溝を満たすべくスパッタソースの能力を改良する他のアプローチは、ウエハ基板にＲＦバイアスを印加し、それによって負の電荷を周知の方法で積み上げることであった。この負の電荷によりスパッタチャンバ内の気体イオンはウエハをたたき、ある程度の表面モビリティを蒸着アルミニウム原子に与え、それをウエハ表面に沿って広げる。このアプローチは便利だったが、基板をたたくイオンのエネルギーが基板上に存在する部分的に組み立てられた素子を破壊するようなレベル以下でなければならないという事実により制限されている。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、半導体ウエハ上へ金属層を蒸着するための改良された直進性を有する物理蒸着ソースを与えることである。
【００１３】
本発明の他の目的は許容できる高い蒸着率を有する金属層を蒸着するための指向ソースを与えることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
当業者にとって明白な他の問題に沿って本発明の上記目的は、実質的数のイオン化ターゲット材料の原子をもたらす高い強度のプラズマを狭い閉止容器内に生成させることにより達成される。高強度プラズマはミラーとして機能する空白（ｎｕｌｌ）を有する磁気捕獲場により維持される。軸流速度のみを有する電子及びイオンのみが逃げられ、抽出される。
【００１５】
プラズマは通常、プラズマ境界とウエハ表面との間にポテンシャル勾配を有するよう正の低電位被膜を基板表面に形成する。このポテンシャル勾配は、プラズマから蒸着されるべき材料のイオンを抽出し、高い直進性を伴ってウエハ表面上にイオンを加速する。その他、外部バイアスが蒸着の直進性向上のため基板上に印加される。
【００１６】
【実施例】
図１は本発明の原理及び利点を示した空白場マグネトロンの略断面図である。容器２の開口部に磁気空白領域１を有する磁場を与えることにより、軸流速度を有しかつ半径方向速度をほとんど有しないで領域３の低い方のエッジ６での空白領域内に進入する粒子を除いて、容器２の内部へイオン及び電子を捕獲しかつ維持することが可能である。最初に軸流速度を有するイオン及び電子は領域の上部エッジでの軸に沿って容器から飛び出すことができる。他の粒子は跳ね返され容器内に維持される。
【００１７】
さらに、図１に示されるような永久磁石の配置は、面５及び５′に平行であり、標準的なスパッタマグネトロン形状と同様に容器の壁５及び５′近傍に電子及びイオンを捕獲するようにループを描く磁力線を容器２内部に形成する。
【００１８】
本発明の形状において、容器の幅及び深さは同程度の大きさである。この形状は、面５または５′を離れる中性スパッタターゲット原子が大高輝度プラズマによりイオン化されるか、または反対の壁上に再蒸着された後壁５に再スパッタされるかのいずれかであるような高い確率を与える。図１に対し円筒の対称性を仮定すれば、単一の電磁石では、磁石４−４′により与えられる磁場に対する２つの要求を満足することができない。単一の電磁石では磁気空白場領域を与えることができない。複数の電磁石はこれらの要求を満足させるよう配置されるが、好適にはカップのようなプラズマ容器２に対する単一トロイダル磁石４またはプラズマ容器２が細溝であるところの形状に対する棒状磁石４及び４′である。
【００１９】
図２は本発明による空白場磁石を有する円筒型カソード容器の中心領域１０からのみ流出するプラズマを描いた写真である。明らかにプラズマは、軸方向にのみ容器からプラズマが放出されるところの本発明のマグネトロンの動作を示す図２に示されるような光放射を与えるべく十分に励起される。空白場を与える磁場の形状は、カソード内に高密度プラズマを維持するべくほとんどの荷電粒子たとえばイオンを反射するミラーとして機能する。磁気ミラーは電子の破片を磁気空白を通じて外界へ逃がすための損失コーンを有する。電荷のバランスを維持するために、正イオンが電子に沿って両極性拡散により引きずられる。結果として、イオン化ターゲットイオンのビームが、開発されかつ中空閉込め容器の開口部中心から放出される。
【００２０】
プラズマを抽出するために磁気ミラーを使用するのにはいくつかの利点がある。一度電子が放電領域を離れると、空白ミラーがプラズマ内で電子を隔離し中空カソード内部の電子とそれらのビームが結合するのを妨げる。それゆえ、励起プラズマビームはカソードに対し放電特性への影響を与えることなく、処理されまたはバイアスされる。他の特徴はプラズマビームの質である。ミラーの損失コーンを通じて逃げるため、逃げる電子の磁気モーメントはミラーのミラー比より小さくなければならない。結果として、プラズマビームの横方向速度は非常に小さい。このことにより、プラズマビームは小さい磁石または電場を使って方向付けされ、集束されまたは拡張される。
【００２１】
本発明による閉込めカソードの１次元モデルは以下の式で表される。
【数１】

【００２２】
ここでｎ_ｅは平均電子密度、Ｖ_ｅは電子速度、σは電子衝撃による全イオン化断面積、Ｔ_ｎは再蒸着前の中性の生存時間、及びＶ_{ｉｏｎｉｚｅ}は本発明の閉込めカソード内の電子衝撃による中性原子によりもたらされたイオン化衝突の平均数である。
【００２３】
スパッタされた中性原子の断片またはイオン化効果はｆ＝１− ｅｘｐ（−Ｖ_{ｉｏｎｉｚｅ}）により与えられる。
【００２４】
Ｖ_{ｉｏｎｉｚｅ}は、ｎ_ｅ及び、Ｔ_ｎがＷに比例しているため閉込めカソードの幅Ｗに比例することが示されている。電子密度は印加されるパワーとともに増加するが、パワーはＷ^３に比例するところ冷却能力は表面積またはＷ^２に比例する。従って、ある大きさにおいて、カソード温度はその機械的安定／融点を拡大するため、電子密度は増加するＷにより不定に増加する。これは、効果的な溝などの冷却構造においてＷに維持される状態で、その幅に直交する方向にカソードサイズを増加させることにより、増加プラズマが得られることを提示している。
【００２５】
閉じ込めカソード構造内の電子温度は、その動作圧力に反比例する。電子温度が原子のイオン化エネルギーより高いとき、以下の式に示される。
【数２】

ここで、σ_ｍａｘは最適電子エネルギーにおけるイオン化断面積であり、Ｍ_ｎは原子質量、Ｗは閉じ込めの幅、ｍは電子質量、Ｘ_ｉはＥ_ｎ／Ｋｔ_ｅ、Ｅ_ｎはスパッタ中性原子のエネルギー、Ｔ_ｅは電子の温度、及びＥ_ｉは中性原子のイオン化エネルギーをそれぞれ表し、Ｗ＝１．９ｃｍ及び長さ１．０インチの円筒型アルミニウム閉じ込め容器に対し３ＫＷの入力パワーで、プラズマビームのくびれ付近のＮ_ｅをほぼ１０^１３ｃｍ^−３に決定した。２ミリトルでの電子温度は８ｅＶであった。以上のパラメータとＥ_ｎ＝５．９８５ｅＶにより、Ｖ_{ｉｏｎｉｚｅ}は０．７９５と計算された。これはイオン化効果Ｅｆｆ．＝５４．８％に対応する。
【００２６】
この計算は控えめな結果であるが、従来のスパッタマグネトロンの２％のターゲットイオン化効果と好対照をなす。幾何形状に関し、ほとんどの非イオン化ターゲット原子は再蒸着により反対の壁につかまってしまい、非常に小さな割合の中性原子のみが蒸着の照準線に沿って基板に到達する。これは、抽出プラズマビーム内には９０％のイオン化金属が存在することを暗示している。
【００２７】
プラズマポテンシャルの語はプラズマ内の異なる質量のイオン及び電子により誘起される電位である。電子は非常に早く動きかつリークオフし、簡単に捕獲されるため、プラズマは正のポテンシャルを開発する。シースポテンシャル（ｓｈｅａｔｈ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の語は特定面とプラズマとの間の電位レベルを定義する。シースポテンシャルは、電源による外部バイアスにより決定されるか、または面が浮いている状態で誘起するポテンシャルであるようなある値をとる。領域１の空白点６のカソード容器側面のプラズマポテンシャルは、空白点６の外側の抽出領域１１内のプラズマポテンシャルより幾分高い正のポテンシャルであるように決定された。従って、基板１３０（図３）方向に延長するプラズマビームは正のプラズマポテンシャルを有し、基板がプラズマポテンシャルより低いかぎり、正イオンはプラズマから基板に引きつけられる。
【００２８】
図３は本発明を実行するのに便利な高密度マグネトロンスパッタソース１１０の断面図である。スパッタソース１１０は、直径Ｗの底面１２４及び高さＬの円筒壁１２５から成る中空の概してカップ形状部分１２３を有するカソード１２０から成る。またカソード１２０は環状の平坦上部面１２７を有する。カソード１２０はスパッタターゲットとして機能するので、基板１３０に蒸着されるべきアルミニウムのような金属材料からなる。さらに詳しく以下で説明されるように、スパッタソース内に形成されるプラズマはカソード１２０の中空カップ１２３内部に集中され、結果としてほとんどのスパッタリングはカップ部分１２３内から発生する。Ｗは好適には１．０インチ以内でＬより小さい。この形状はスパッタ原子をより強いプラズマに対し閉じ込める。最強プラズマ放電領域は符号１７０で示されるが、以下で説明するようにプラズマは最強の領域１７０を越えて拡大することがわかる。比較的少量の材料が上部面１２７からスパッタされる。従って、図３に示されるようにカップ状カソード部１２３は、利用限度までターゲットが浸食された後ばらばらに交換可能なように、平坦カソード部１２７から分離した部片として組み立てられている。ほとんどの浸食は円筒壁１２５からのものであるため、カソード１２０の部片は、以下で説明されるように維持される冷却装置と良好に温度接触するカソード底部１２４から分離して組み立てられる。図３において、円筒壁部１２５はカソードカップ１２３内に別々に挿入される。ガス吸気口１２８はカソードカップ１２３内に配置され、プラズマ形成用のアルゴンなどの不活性ガスを導入する。
【００２９】
基板１３０は純粋な単結晶シリコンからなる半導ウエハであって、すでにＶＬＳＩの多層処理工程がすんだものである。明確にするため、図３の基板及び基板とスパッタソース間の距離は実測されていない。ウエハ表面上に部分的に形成された素子全体への金属層の蒸着は、ＶＬＳＩまたはチップの周知の組立工程の一部である。電気的結合を得るためにウエハ表面のビアまたは細溝内部を金属で深く蒸着することがしばしば必要である。しかし、本発明は半導体基板上に金属層を蒸着することに関して説明されているが、そのような応用に限定するつもりはない。本発明が他のタイプの基板に対しても有利であることは当業者の知るところのである
。
【００３０】
典型的にアースに固定された電極１４０は、マイナス数百ボルトに固定されたターゲットカソード１２０に関して電位差を生じるように使用される。典型的なガス圧力及び幾何形状から電位は−４００Ｖから−５００Ｖの間で使用される。
【００３１】
積み重なった環状磁石１５０、１５１及び１５２はカソードカップ部１２３の側壁１２５を通るループを描き、カソードの開口部すぐ上部に磁気的空白領域を形成する磁力線を有する新規なフリンジ磁場を作り出す。これらの磁力線は集中を補助するカスプ磁場を形成しかつプラズマを閉じ込めそれにより放電を支持する。ターゲット付近にプラズマを閉じ込めるためにルーピング磁場を使用するが、それ自体はスパッタリングの周知技術である。
【００３２】
また高輝度スパッタソース１１０はターゲットカソードの過熱を防止するためのウエハ水冷却装置を含む。過熱は装置を悲惨な結末に導くものである。以下に説明するように、本発明の採用するプラズマパワー密度は実質的に従来のスパッタ装置で使用されるものより大きい。したがって、効果的なカソード冷却への要求は従来のスパッタリング装置より大きい。
【００３３】
水または他の適当なクーラント液体は導水コンジット１６０を通って冷却装置に入り、排水コンジット１６３を通って装置から出る。導水コンジットと排水コンジットとの間には熱交換機１６７があり、冷却液の乱流を生成するよう設計され、それによって冷却効果を強化する。水路１８５から成る分離水冷ジャケット１８０もソース１１０の温度をさらに制御するよう含まれる。クーラント液を循環させるための手段は当業者には周知であり、これ以上議論する必要はない。付加的な冷却ジャケット（図示せず）は最も高温にさらされる円筒壁部１２５を囲むよう使用される。スパッタソースが動作するに従い、円筒ターゲット部１２５の熱膨張により壁が周囲の冷却ジャケットと完全に接触しその結果十分な熱的接触が得られる。
【００３４】
全体のソース１１０はさらに円筒形外壁１９０及びアースされた環状底壁１９１から成る。インシュレータ１９５及び１９６は電極１４０を電気的にカソード１２０から絶縁する。円筒外壁１９０に近接しそれと同軸の円筒内壁１９２、及び外底壁１９１に近接しそれと平行な環状内部底壁１９３は、カソードの電位に保持されかつ寄生放電を抑制するためのスクリーンとして機能する。全体のソース１１０は真空チャンバ（図示せず）内で動作するよう設計されている。図３に示されるようなソースは簡易に組立てられ、ウエハ１３０に面した前方部分のみが真空チャンバ内に存在することは当業者の知るところである。適当なシールにより、ソースの背面は大気圧に保持される。このような構造は多くの利点を有する。
【００３５】
概して、本発明によるマグネトロン・スパッタリング・ソースは動作に関し従来のものと比べ多くの点で共通している。真空チャンバ（図示せず）は１０−５トル以下に十分低圧に排気される。アルゴンなどの少量の不活性ガスが真空チャンバ内に吸入されチャンバ内の圧力が１乃至５ミリトル上がる。好適実施例において、アルゴンは吸気口１２８を通じてカソードカップに直接吸入され、プラズマが放電する場所にもっとも集中する。プラズマガスをカソードカップに直接吸入することにより、装置全体の動作圧力をより低くすることができる。プラズマ放電は、以下に説明するような周知の方法でターゲットカソードに負の高電位を印加することにより生成される。プラズマ１７０はまず磁力線１５５によりターゲットカソード１２０の表面に近接した領域内に集中される。ガスイオンが、プラズマで形成され、スパッタターゲットの表面に衝突し、典型的にアルミニウムのような金属のターゲット材料の中性原子を発生させ、ターゲット表面から放出される。一般的に言うと、放出された原子の移動方向はランダムであり得る。
【００３６】
典型的な従来技術のスパッタリングデバイスのスパッタした原子が中性であることから、その軌道が、イオン及び電子の軌道を制御するのに使用される標準的な磁気又は静電手段に影響されない。さらに、スパッタリングシステムに通常使用される圧力範囲のため、放出した原子の平均自由行程が、ターゲットカソードと基板との間の距離と比較して相対的に短い。これらの事実を見ると、従来技術のスパッタリング源では、高度の方向維持性を基板表面に入射する金属原子に与えることはできない。上記のように、基板上に蒸着した原子の入射角度は、一般にコサイン分布に従う。上述のとおり、スパッタした原子の方向維持性を提供しない従来技術の周知の手段は、効率性も、実用性も与えなかった。
【００３７】
デバイスの形状が縮小すると、満足できる方向維持性を提供する高効率のスパッタ源を提供する能力が無くなり、細溝又はビアに金属を蒸着させる方法としてのスパッタリングの便利さの制限要因になる。
【００３８】
本発明の１つの特徴は、ガス原子だけでなく蒸着される物質の多数の原子のイオン化を顕著に起こさせるプラズマの使用である。ここで使用されるように、高輝度プラズマという用語は、イオン化するのにスパッタされる物質の実質的な数の原子を顕著に発生させるプラズマという意味であることが理解される。プラズマの強度は、プラズマ密度に直接的に関係する。従来技術のマグネトロンスパッタ源の最大プラズマ密度が約１０^１２粒子／ｃｃであると予想される。本発明の高強度プラズマは好適に、これよりも、すなわち約１０^１３粒子／ｃｃ或いはもっと高い強度の領域ではそれよりも大きい値のオーダーの密度を有する。
【００３９】
以下で述べるように、シリコン基板の金属化に関して少なくともいくつかの本発明の利点が、約１０パーセントという低い、蒸着されるスパッタ物質のイオンのパーセンテージであるところで見られる。従来技術のマグネトロンスパッタ源が約１パーセント又はそれ以下のイオン形状のスパッタ物質を与えることがわかる。本発明のイオン源の他の使用があり、それは、１０パーセント以下のイオンがビームで与えられるときに利点があり得る。従って、イオン化される金属原子の数を参照して使用されるとき、ウエーハの金属化に関係する実質的な数という用語は、約１０パーセント又はそれ以上を意味していることが理解できる。
【００４０】
金属原子がイオン化されるメカニズムは周知であり、詳細に説明する必要はない。簡単に言うと、金属原子は、十分なエネルギー粒子によって衝突されるときに１個又はそれ以上の電子を原子が失うというようなガスイオンのイオン化をさせるメカニズムによってイオン化されるようになる。アルミニウムのイオン化ポテンシャルは約６電子ボルト（ｅＶ）であることから、プラズマ内にアルミニウムイオンを創り出すことは困難なことではない。それにもかかわらず、従来技術のスパッタリングシステムの低強度プラズマのため、及びターゲット物質の中性原子がプラズマを通じて短い距離のみを移動するようなところのこのようなシステムの形状を見ると、１パーセント以下の中性原子が周知の従来技術のシステムで典型的にイオン化されることになる。
【００４１】
高強度プラズマが、十分な数の金属イオンを創り出すのに使用され、許容できる蒸着率を与える。ターゲット物質に従って、一旦十分な数の金属イオンがイオン化されると、それらはプラズマのみを補助することができる。つまり、アルゴンがプラズマを維持するか又はターゲット物質のスパッタリングを起こすのに使用されることがなくなる。よって、プラズマを初期的に創り出す目的のためのみのアルゴン又は他の不活性ガスの流れを使用し、一旦プラズマが初期的に創り出され安定されるとこのガスの流れが次に停止されることが、本発明の範囲内である。
【００４２】
高強度プラズマを形成するために、小さい領域に強烈な磁場を創り出し、その領域内に入力される十分な高電力を有する必要がある。これを効率的に行うために、図３に示すような中空カップ状カソード１２０が１つの実施例で使用される。このカソードの形状は、永久磁石１５０、１５１、１５２を取り囲むのに使用されることによって“カップ”内に閉じ込められた強烈な磁場を簡単に創り出せることから集中したプラズマを創り出すのに非常に適している。永久磁石が示され、好適であるが、複数の電磁石が配列されて空白領域及びループ場を与え得ることは当業者にとって明白である。同様に、複数の固定した磁石が示されるが、それに代えて１個の永久磁石とすることができることは明白である。付加的に、ＬがＷよりもやや大きく、Ｗが１インチのオーダーであるカップの形状が、ターゲットから離れた中性原子をイオン化させるのに十分な長さに強烈なプラズマ内に存在させる可能性を増大させる。
【００４３】
プラズマ放出はまた、プラズマに送られる電力を増加させることによって強くされる。当業者に周知のように、プラズマに送られる電力は主に、電流の機能である。プラズマを創り出すのに使用される電圧は、与えられた圧力及び形状において概ね一定となる。同等に、電圧の少ない増加は、プラズマを通じる電流の顕著な増加となる。本発明の実施例において、２キロワットの電力レベルが使用される。１インチ以下の直径の領域内にほとんど集中される電力が与えられると、この電力レベルは周知の従来技術のスパッタリングシステムに使用されるものの値のオーダーよりも相当に大きい電力密度を与える。
【００４４】
十分な数の金属イオンを創り出すことが解決の一つである。一旦イオンが創り出されると、従来技術は、蒸着に対して十分な数でプラズマから方向を維持してそれらを抽出することができなかった。よって、本発明の他の特徴は、プラズマをウエーハ表面と“接触”させるための手段を含むことである。上述のように、磁気空白領域が、ビームにおいてプラズマ容器の外に漏れるイオン及び電子を許容する磁気カスプを創り出す。このビームがウエーハのようなビームが基板表面に接触するように運ばれるとき、プラズマは、非常に薄い低電圧シースをプラズマとウエーハ表面との間に自然に形成する。（事実、このシースのため、プラズマがウエーハ表面に実際に“接触”しない。よって、ウエーハに“接触”するプラズマという場合、シースを創り出すためにプラズマをウエーハ表面の十分近くに運ばれてるという意味であることがわかる。）ウエーハが電気的に浮くことができる場合、典型的に約１０μｍの厚さであるこの薄いシースは、隣接するプラズマ境界に関して自然に負になるウエーハ表面と数十ボルトの範囲の電位を有する。シースの厚さ及びそれを横切る電位がプラズマ密度に関係することは、当業者によって理解できるであろう。
【００４５】
プラズマと個体表面との間にシースを創り出すことは、周知の現象である。この現象の詳細は本発明を実施するのに必要なくこの開示範囲を越えるが、簡単に、電位を創り出すメカニズムが、プラズマを作り上げる正のイオンと負の電子との間の速度差に関係すると考えられる。全体で、プラズマは電気的に中性であり、電子の全電荷がイオンの全電荷をオフセットする。イオンの各々が単一の正電荷を有すると仮定すると、電子及びイオンの数も同一である。いずれの１個の領域においても、プラズマ温度は局部的に一定である。イオンよりも非常に小さい電子が、与えられた温度でイオンよりも非常に大きい平均速度を有する。この非常に大きい速度が一層大きい移動性に言い換えられる。よって、基板表面に隣接したプラズマの端部において、電子が基板表面に非常に迅速に移動し、負電荷のビルドアップをさせる。短時間後、基板上の負電荷は、基板表面に接近する電子を寄せ付けず、正イオンを引きつける点に作る。電荷のビルドアップに抗される電子の全流れが、電荷のビルドアップに促進されるイオンの全流れと等しくなると、平衡条件が達せられる。この点において、基板表面に入射するイオン及び電子の連続フラックスがあるが、他の全電荷移動はない。数十ボルトのオーダーの定常状態の電位差がその後、プラズマ端部と基板表面との間に存在する。
【００４６】
本発明は、このプラズマシースの特性を用いることができ、金属イオンの指向的蒸着をさせる。正に帯電したプラズマの金属イオンが負に帯電したウエーハ表面に向けて引きつけられ加速される。プラズマシースを横切る電位傾斜は、ウエーハ表面に垂直である。温度に関係したプラズマのイオン速度は、この電位傾斜による速度と比較して相対的に低い。典型的に、イオンの熱エネルギーは、平均して、数電子ボルトである。言い換えると、シースを横切って加速されるイオンに与えられる運動エネルギーは数十電子ボルトのオーダーである。よって、それらがシースを横切って加速された後にウエーハ表面に達すると、イオンはほぼ垂直な角度で一般に移動している。従って、この技術を使用することによって、高度の方向維持性を膜として蒸着されるイオンに与えることができ、これにより、深いビア及び細溝を満たすという問題を処理する。プラズマが、空白領域を通過するときにくびれ部分を示す軸方向のビームにおいてカソードのカップ形状の外に漏れるという事実において、ビームは容器のプラズマから実質的に減結合される。従って、ビームは、容器のプラズマを乱すことなく標準の静電及び電磁気技術によって進められ走査される。
【００４７】
上述のように、シースを横切りウエーハ上に蒸着されるイオンがプラズマからの電子によって中性化される。ウエーハが浮くときにウエーハへの全電荷移動がないことから、シースを横切る電位傾斜は蒸着処理を通じて一定のままである。
【００４８】
この点で、プラズマシースを横切る電位については、電気的に“浮く”ことのできるウエーハに関連して議論された。ＲＦバイアスを、たとえば１３．５ＭＨｚの周波数でウエーハに印加することで、プラズマ密度とは独立にシース電圧を制御できる。シース電圧よりもより高い電圧もまた、たとえば以下の理由から望ましい。
【００４９】
スパッターターゲットの表面から放出される金属原子のすべてがイオン化される必要のないことは理解されよう。したがって、中性原子はプラズマ内で存在し、従前の通りにウエーハ表面に蒸着する。中性原子の付蒸着とイオンの蒸着の比は、装置の形状およびプラズマの強度の関数となる。しかし、蒸着材料の比較的小さい割合、例えば１０％のみが、所望の方向性を有するイオンによるものとすると、ビアまたは溝の充填についての改良は従来技術を越えた重要な利点である。さらに、ウエーハ表面に衝突する比較的たくさんの活動的なイオンが、中性原子に表面移動性を与え、それらは表面に沿って広がり、これにより中性原子によりビアおよび溝を充填する能力が高められると考えられる。この後者の現象は、実際上、蒸着する材料の中性原子の最上のイオン化レベルを決定する際に重要となる。イオン化の最上の程度は決定できない。しかし、１００％のイオン化が最適とならないだろう。ある意味では、イオン化の割合のさらなる上昇（これは、電力の消費や冷却条件に関してコスト高をまねく）は、ビアおよび溝の充填に関し、よい結果を与えるとは限らない。
【００５０】
本発明にしたがって蒸着したイオンが従来のスパッタリング技術にしたがって蒸着した中性原子よりもさらに活動的であるが、基板にダメージを与えるほどではない。特に、約１００ｅｖ以下のエネルギーをもつイオンはウエハにダメージを与えない。ダメージを引き起こすエネルギーレベルは、本発明のしたがって蒸着した金属イオンのエネルギーよりも高い。
【００５１】
磁石１５０、１５１、および１５２からの磁力線１５５はまた空白領域を除き、アノードおよびウエーハとの間の領域を満たす上方の環状カソード部分１２７の上から上向きにループを描く。プラズマの強度がカソードカップ内で最も強いことを理解するべきである。特に、プラズマはカップ状の壁１２５に近接するドーナツ状の領域で最も強くなる。上述したように、基板に近接したプラズマの強度はカソードカップ内での強度よりも低くなろう。プラズマ密度は基板の近くで、より低い大きさとなると見込まれる。
【００５２】
図３に示されるような、本発明の基本的な実施例において、円筒状の中空カソード部分１２３の直径は１インチよりも小さくてよい。これは、典型的な半導体ウエーハ（８インチよりも大きいもの）の直径よりも非常に小さい。
【００５３】
最も現代的な半導体処理において、蒸着源が非常に硬度の“一様性”を必要とする。ここで使用する一様性という用語は、ウエーハの表面のいろいろな点での蒸着層の厚さが小さな許容内で同じであるということをいう。基板の領域での蒸着率は一般的にその領域に隣接したプラズマ密度の関数となる。したがって、一様性は、プラズマ密度が基板の全表面にわたってほとんど同じであることを要する。
【００５４】
本発明の図３の実施例のカソードとウエーハの大きさの間の大きさの違いを考慮すると、ウエーハがカソードに非常に近接すると、蒸着層の一様性は悪くなる。ウエーハに接するプラズマの密度、したがって、ウエーハに突き当たる金属イオンの密度はウエーハの縁でよりも中心近くでより高くなる。さらに、上述したように、スパッタターゲットからの中性金属原子の蒸着が連続し、装置の形状によりウエーハの中心付近でより集中することになる。
【００５５】
一様性を改良する一つの方法は、カソードから実質的な距離をおいてウエーハを配置することである。しかし、その距離が増加すると、蒸着の効率は、蒸着率とターゲット材料利用の両方を考慮すると、低くなる。一様性を改良する他の方法は、比較的小さな源から生じたプラズマをウエーハの全表面にわたって一様に広げる特別に限定された磁場を使用することである。理想的には、磁場は、ウエーハ表面に蒸着するイオンの軌道に影響を与えるので、ウエーハの表面に垂直であるべきである。プラズマを広げ、同時にウエーハ表面に垂直な磁力線を有する磁石の形状を設計することは難しいと信じられている。
【００５６】
環状のアノード１４０は絶縁体（ディスク）１９５および円筒状絶縁体１９６いよりカソード１２０から分離されている。アノードはその内側縁にプラズマ容器に近接したシールドリップを有する。リップは視線を減らし、短絡を避けるためにスパッタされた金属でコートされることから絶縁体１９５をシールドすることになる。
【００５７】
図４および図５は効率を犠牲にすることなく、蒸着の一様性を改良する本発明の他の実施例にしたがったカソード構造を示す。図４および図５の実施例は非常に大きなターゲットを提供するという更なる利点を有し、したがって寿命まで浸食される前により多くの材料を遠くにとばすことができる。この実施例において、平坦な上部分２２７、内側および外側環状側壁２２５および２２６をそれぞれ有する環状に溝があけられた部分２２３、ならびに環状底２４から成る。図５に示されているように、環状磁石３５０および３５１は溝の内側および外側側壁２２５、２２６をそれぞれ囲む。図５にもまた示されているように、カソード溝２２４の底は冷却水を循環するためのチャネル３６０を含んでもよい。冷却水のチャネルはまた熱交換効率を改良するために乱流を導入する手段（図示せず）を含んでもよい。この実施例において、プラズマは溝の中で最も強く、蒸着される材料のほとんどが溝内から除去される。侵食がカソード溝部分２２３内で最も大きいので、カソードのこの部分は、おおくの侵食を受ける平坦なカソード２２７を置き換える必要なく、置き換えを可能にするように、個別に製造され取り付けられ得る。
【００５８】
強い磁場３５５（溝の側壁を通してループを描く）が形成されるように、磁場は環状磁石３５０および３５１により形成される。放電が開始すると、この磁場は溝内に高い強度のプラズマ３７０を集中する。図示したように、両磁場はカソードの平坦な部分２２７に隣接した同じ磁極を有する。したがって、磁力線は、プラズマを広げ、ウエーハに接触させる、磁石のそれぞれの上で上方にウエーハ（図示せず）に向かってループを形成する。磁石はまた、前述したようにプラズマを限定する溝の開口に隣接して空白領域を形成し、グロー容器に対して前述したのと同じ、溝のための抽出機構を与える。
【００５９】
図３の実施例におけるように、十分な強度のプラズマを生成するために、溝の壁の間の距離Ｗはコートされる基板ウエーハの直径よりも実質的に小さい。その幾何形状により、円形の源が、ウエーハをカソードから非常に距離をおいて配置することなく、非常に改良された蒸着の一様性をもたらすことが示される。さらに、この形状を用いることで、源に伝えられる全電力を増加させることが可能となり、これにより特別な位置で電力密度を増加させることなくターゲットから除去される材料の量を増加させることが可能となる。事実上、電力は非常に広い範囲にわたって広がる。
【００６０】
図６および図７のカソードの実施例は、前に説明した実施例よりもさらによい一様性を与える。この実施例は、図４及び図５の実施例を似ているが、広い領域にわたって高い強度のプラズマを生成することができる迷路のような溝４２３を含む。また、カソード４２０は平坦な上部分４２７および迷路の溝部分４２３から成る。この実施例の迷路形状により、カソード４２０はすべての溝が連結されていることから一つの溝を含み、したがって、一つの曲がりくねった高い強度のプラズマ５７０が生成される。図６および図７の実施例における一つの溝の使用は、一つの系で複数の分離した溝内に高い強度のプラズマを維持することが困難である場合に重要と思われる。したがって、構成することがより難しくとも、一つの迷路の溝は、例えば複数の分離した同中心の溝よりも好適である。また、迷路の設計は前述したいずれの実施例よりも、有効な寿命に至る前に、遠くによりターゲット材料を飛ばすことができる。
【００６１】
図６および図７のカソードの実施例は前述した他のカソード構造物と同じように機能する。すなわち、高い強度のプラズマは、磁石５５０−５５５の周囲の議力線４５５により溝内に生成され、磁力線によりカソードの上でウエーハ（図示せず）に接触するようになる。また、強いプラズマの全領域は顕著に増加し、これにより局部的な電力密度を増加させる必要なく、プラズマに伝えられる全電力が増加させられる。このような強度では、チャネル５６０による冷却は、構造物の加熱による損傷を防止するために重要である。
【００６２】
図８はプラズマ内でイオン化する金属原子の数をさらに増加するためのマクロ波エネルギーを利用する本発明の他の実施例を示す。マイクロ波エネルギーはプラズマの強度を高める。この実施例は図１に関連して説明したものと同じ中空のカソード（閉じ込め容器）６２０を含む。カソード６２０は平坦部分６２７、および円筒状壁６２５および底６２４を含むカップ状部分６２３から成る。カソード６２０は、円筒状壁６２５を通り、カソードの平坦な部分６２７から外に向かって、基板６３０へとループを形成する磁力線６５５を生成する環状磁石６５０により囲まれている。入り口６６０および出口６６３並びに６６７から成るカソード冷却系が制御された温度にカソードを維持するために設けられている。この形状は、マイクロ波空洞が別個に冷却できるので、カソード容器の冷却能力が最大になるときに、プラズマへの電力量を増加させると、特に有用となる。
【００６３】
マイクロ波電力はマイクロ波源（図示せず）の周波数に同調する共振空洞６８０により伝えられる。マイクロ波源の周波数は、便宜２０４５ＧＨｚとしてもよい。ＲＦエネルギーはコネクター６８５を経て空洞６８０に伝えられる。ほぼ円筒形の空洞はカソード６２３とほぼ同じ直径で、かつ同軸に位置する中央開口部を有する。内側および外側フランジ６８７および６８８はそれぞれ、マイクロ波の漏れを防止する空洞を通過する開口部の周囲に取り付けられている。
【００６４】
また、この実施例のおいて、プラズマ６７０は磁石６５０の広がる磁力線によりウエーハ６３０の表面と接触するように導かれる。マイクロ波空洞６３０はプラズマを広げることには寄与せず、むしろターゲットカソード６２０から飛び出す金属原子のない領域でよりイオン化を行わせることによりプラズマの強度を単に高める。
【００６５】
本発明は図面に示された実施例を参照して詳細に説明されているが、発明をこれら実施例に限定する意図ではない。当業者であれば、本発明の範囲または思想から逸脱することなく、前記説明および図面から種々の変形をなしうることは明らかである。したがって、本発明は特許請求の範囲にのみに限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の空白場マグネトロンの略示図である。
【図２】図２はプラズマがいかに空白場の中心からのみ流出するかを示した抽出プラズマビームのデジタル映像写真である。
【図３】図３はプラズマ形成手段として高輝度マグネトロンスパッタソースを使用する本発明の実施例の断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施例にしたがったターゲットカソードの平面図である。
【図５】図５は図４の線３−３に沿った断面図である。
【図６】図６は本発明の他の実施例によるターゲットカソードの平面図である。
【図７】図７は図６の線５−５に沿った断面図である。
【図８】図８はプラズマをさらに強化するためのマイクロ波ソースから成る本発明の他の実施例の断面図である。
【符号の説明】
１ 磁気空白領域
２ プラズマ容器
３ 磁力線
４ 磁石
４′ 磁石
５ カソード内側面
５′ カソード内側面
６ エッジ

Claims (29)

1. スパッタマグネトロン装置であって、
   a. 高強度プラズマ誘導手段であって、
   １）スパッタカソードであって、前記スパッタカソードは壁及びそこからのイオン抽出を可能にするひとつの開口側を有する粒子閉じ込め容器であり、前記壁は選択されたターゲット材料から成る内側面を有し、前記スパッタカソードは前記スパッタカソードに電圧を印加するための手段を含む、ところのスパッタカソードと、
   ２）前記粒子閉じ込め容器内に電子を与えかつ維持するための手段と、
   ３）前記スパッタカソードの前記開口側付近の領域に空白磁場を与えるための、及び前記スパッタカソードの前記壁を通ってループを形成する磁力線を与えるための磁場生成手段であって、それによって前記スパッタカソードの前記壁の少なくとも一部付近に前記電子を保持するための力が与えられる、ところの磁場生成手段と、
   を含む高強度プラズマ誘導手段と、
   b. イオン抽出手段であって、前記空白磁場の領域を含み、イオンが前記粒子閉じ込め容器を離れ前記イオン抽出手段により決定される経路に従うように前記空白磁場の領域付近のイオンと協働して該イオンを誘導する、ところのイオン抽出手段と、
   から成る装置。
2. 請求項１に記載のスパッタマグネトロン装置であって、前記イオン抽出手段が、
   a. 動作中、前記スパッタカソード内にあるプラズマであって、前記プラズマが定常状態に達するところの及び前記スパッタカソード内の前記プラズマが前記プラズマからの電子の漏れの結果第１正プラズマ電位を有するところのプラズマと、
   b. 前記プラズマと前記容器から離れた第１表面との間に電場シース電位を確立するための手段であって、前記電場シース電位は正イオンを前記プラズマから前記第１表面に引きつけるための極性を有し、前記容器から離れた前記第１表面の領域内のプラズマは前記第１正プラズマ電位より低い正の第２プラズマ電位を有するところの手段と、
   を含むところの装置。
3. 請求項２に記載のスパッタマグネトロン装置であって、前記第１表面は前記プラズマからの正の金属イオンで膜付けされる半導体ウエハである、
   ところの装置。
4. 請求項３に記載のスパッタマグネトロン装置であって、前記プラズマと前記半導体ウエハとの間の前記電場シース電位は前記第２プラズマ電位より高い負の電位であるところの装置。
5. 請求項２に記載のスパッタマグネトロン装置であって、さらに
   前記スパッタカソード容器内の前記スパッタカソードの材料のイオンの集中を高めるための手段であって、前記集中を高める手段は前記プラズマと相互作用する電磁波を発生させるための手段であり前記電磁波は前記プラズマにエネルギーを与えかつスパッタカソード材料の中性原子がプラズマからのイオン衝撃により前記カソードの表面からたたき出された後当該中性原子の平均自由工程を減少させる、
   ところの手段を含む装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、前記電磁波の前記エネルギーを前記プラズマの近傍に導入するための電磁波伝送手段を含む装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、前記プラズマの前記近傍は前記空白磁場の領域を包囲するところの装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、前記高強度プラズマは１０^１３粒子/ccのオーダ以上であるところの装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、前記粒子閉じ込め容器は１インチのオーダ以下の幅Ｗを有する細溝であるところの装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記細溝は複数の細溝であるところの装置。
11. 請求項１０に記載の装置であって、前記細溝は動作中同時連続プラズマが１つだけ存在するように相互接続されるところの装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、前記粒子閉じ込め容器は１インチ以下のオーダの直径Wを有するカップ形状であるところの装置。
13. 請求項８に記載の装置であって、前記粒子閉じ込め容器は１インチ以下のオーダの直径Wを有するカップ形状であるところの装置。
14. 請求項１２に記載の装置であって、動作中前記高強度プラズマは２．０％以上の割合のターゲット材料イオンを含むところの装置。
15. 請求項１１に記載の装置であって、動作中前記高強度プラズマは２．０％以上の割合のターゲット材料イオンを含むところの装置。
16. 請求項１４に記載の装置であって、膜付けされる半導体ウエハが前記空白磁場の領域の付近から前記スパッタカソード容器を飛び出した前記ターゲット材料イオンを受け取るべく載置されている、ところの装置。
17. 請求項１５に記載の装置であって、膜付けされる半導体基板が前記空白磁場の領域の付近から前記スパッタカソード容器を飛び出した前記ターゲット材料イオンを受け取るべく載置されている、ところの装置。
18. 請求項１２に記載の装置であって、さらに前記粒子閉じ込め容器の壁を貫通するアパーチャであるガスポート手段であって、前記アパーチャは前記粒子閉じ込め容器内へのプラズマ開始ガスの通路用の前記開口側から離れた壁上にありそれによって動作圧力がより低くできるところのガスポート手段から成る装置。
19. 請求項１２に記載の装置であって、さらに前記粒子閉じ込め容器と熱交換関係を有するよう配置されたクーラント液を導くための吸水及び排水コンジットから成る装置。
20. 請求項１９の装置であって前記コンジットが熱交換を生み出す乱流に結合されるところの装置。
21. ターゲット材料イオンを被処理体に方向付けるための装置であって、
    ２．０％より大きな割合のターゲット材料イオンを含む１０^１３粒子/ccのオーダの高強度プラズマ生成手段と、
    前記プラズマを前記被処理体に接触させるための手段であって、それによって前記プラズマ内の蒸着されるターゲット材料イオンが前記被処理体の表面に対して概して垂直な角度で前記被処理体に方向付けられるところの手段と、
    磁場生成手段と、
    前記高強度プラズマ生成手段が、前記被処理体上に蒸着される材料から成るターゲットカソードを含むマグネトロンスパッタソース手段から成り、前記ターゲットカソードは対向するプラズマ閉じ込め壁及び１つの開口側を有するプラズマ閉じ込め容器から成り、対向するプラズマ閉じ込め壁は１インチのオーダの小さな距離Wで分離されていて、前記磁場生成手段は最初前記対向する閉じ込め壁に平行である磁気フラックス線を与えるところの、及び前記磁場生成手段がさらに前記１つの開口側付近に空白磁場領域を与えるところの、前記高強度プラズマ生成手段と、
    から成る装置。
22. 請求項２１に記載の装置であって、前記プラズマ閉じ込め容器が細溝から成るところの装置。
23. 請求項２２に記載の装置であって、前記細溝が環状形状であるところの装置。
24. 請求項２２に記載の装置であって、前記細溝が迷路形状であるところの装置。
25. 請求項２１に記載の装置であって、さらに前記マグネトロンスパッタソース手段を冷却するための手段から成る装置。
26. 真空チャンバ内の平坦な基板上に薄膜を蒸着させるための装置であって、
    ターゲットカソードのより多くの実質的イオン数から成るプラズマを生成するための、蒸着材料から作られたターゲットカソードを含む高強度マグネトロンスパッタソース手段と、
    前記ターゲットカソードと前記基板との間に空白磁場領域を有する磁場を形成するための磁場生成手段と、
    から成り、
    それによって前記ターゲットカソードが概して平坦な面及び蒸着材料がスパッタされる対向壁を有する細溝部を有し、プラズマ密度が前記細溝部内で最も高いところの及び前記細溝部の前記対向壁が１インチのオーダの距離で分離されるところの、並びに
    前記平坦な基板方向に向けられている前記ターゲットカソードの原子は実質的に少なくとも１０％の前記ターゲットカソードのイオン化原子を有するところの装置。
27. 請求項２６に記載の装置であって、前記細溝は環状であるところの装置。
28. 請求項２６に記載の装置であって、前記細溝は迷路であるところの装置。
29. 請求項１３に記載の装置であって、隔離手段により前記スパッタカソードから離隔されかつ絶縁されるアノードと、
    スパッタカソードとアノードの短絡を防止するべく、前記スパッタカソードから絶縁体への目視線を遮ることによりスパッタカソード材料による膜付けから前記絶縁体を保護する手段と、
    から成る装置。

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