JP3706148B2 - 低圧スパッタリングの方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は低圧スパッタリング、特に１．０ミリトル未満、特に０．０５から０．５ｍトル以下の範囲の圧力で高い縦横比機構のスパッタ被覆に於いてプラズマを点火し、プラズマを維持する方法および装置に関する。
発明の背景
超大規模集積（ＶＬＳＩ）半導体デバイスの製造においては、機構（features）はますます小さくなっている。現在、幅０．２５から０．３５ミクロン（６．３５〜８．８９×１０^-9ｍ）の範囲にある縦横比が高い機構の底部で、接点を金属被覆する必要がある。このような接点を、スパッタ被覆プロセスで金属被覆することが望ましいのは、スパッタリングが代替のプロセスに対して時間、費用および装置の単純さの面で商業的な利点を有するからであり、特に基板上のデバイスが化学蒸着（ＣＶＤ）などの被覆プロセスに必要な高温に曝された場合に、損傷を受けるような場合は、なおさらである。しかし、縦横比が高く、機構のサイズ即ち寸法が小さくなるとともに、スパッタリング・プロセスに対する需要、およびスパッタする材料の方向性を高める必要が高まっている。ウェーハの台にＲＦでバイアスをかけることによって、粒子をイオン化し、基板に向かって電気的に加速するのも、スパッタされ、基板に向かって移動する粒子に望ましい垂直の方向性を維持するために提案された方法である。このような機構は、あまり成功せず、広く使用されているわけではない。
スパッタした粒子の路を基板に対して垂直に向ける方法は何であれ、スパッタリングに使用する１から３ｍトル（０．１３３〜０．４００Ｎ／ｍ²）という典型的な圧力で基板に向かって移動する粒子は、基板への途上でアルゴン・ガスの原子と衝突する。このような衝突によって、粒子は散乱する。散乱により、ある角度で基板に衝突する路に沿った粒子の多くが方向転換し、基板では、窪んだ機構に入ることがあり、したがって被覆することが好ましい底部ではなく、主に側壁に衝突してしまう。チャンバ内の圧力を低下させると、それに対応して粒子が遭遇する衝突数も低下する。しかし、１ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ²）未満の場合、ＤＣまたはパルス状のＤＣプラズマを維持することが益々困難になって、陰極を改造する必要があり、費用および複雑さが増大する。さらに、プロセス圧力が低いと、成長する膜に組み込まれる不純物の量が少なくなり、膜の純度およびそのような膜で形成される集積デバイスの信頼性が向上することがよく知られている。
したがって、高縦横比の機構を被覆しなければならない場合に、スパッタされる材料の方向性を維持するという問題が残っており、スパッタリングを低圧で、とくに１ｍトル以下で実行する場合に、プラズマを維持する必要もある。
欧州特許出願第0479189号は、半導体集積回路にエッチングを施すマグネトロン・プラズマ処理装置について記載している。装置は、真空チャンバおよびエッチング・ガス供給源、高周波（ＨＦ）電源に接続するか接地することができる底部電極、および接地するかＨＦで電力を供給できる頂部電極を備える。したがって、エッチング・プロセスは、陽極または陰極結合システムとして操作することができる。Ｄ１のＨＦの定義は、無線周波数を含む。好ましい使用圧力は１０〜１００ｍトルであり、圧力は高い方が好ましい。
欧州特許第0469469号は、半導体デバイスの製造方法について記載している。真空チャンバ、流量発生器を有する処理ガス入口、接地された電極およびＲＦエネルギー源およびマッチングした回路を有するＲＦ電極を備える装置が開示される。方法および装置は、スパッタリングの装置に使用することができる。しかし、そのように使用するためのプロセスのパラメータが開示されていない。
発明の概要
本発明の主な目的は、ＶＬＳＩ半導体デバイスの高い縦横比機構（high aspect ratio features）をスパッタリング被覆し、特にこのような機構の底部にある接点の方向性の高いスパッタリング被覆の有効性を向上させることである。本発明の特定の目的は、スパッタされる粒子の散乱を減少させ、スパッタリング被覆プロセスにおけるスパッタリング粒子の方向性を維持することである。
本発明の別の目的は、低圧プラズマ処理用途でプラズマを維持する方法および装置を提供することである。本発明のさらに特定の目的は、例えば０．０５から０．５ｍトル（０．００６７〜０．０６７Ｎ／ｍ²）の範囲以下など、１ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ²）未満の処理圧力で行う高縦横比の機構の被覆など、スパッタリング被覆の用途で、低圧プラズマを維持することである。
本発明の原理によると、基板に向かって移動するスパッタリング材料の方向性が失われる可能性は、通常は１から３ｍトル（０．１３３〜０．４００Ｎ／ｍ²）未満、例えば０．０５から０．５ｍトル（０．００７〜０．０６７Ｎ／ｍ²）の範囲内、およびさらに低圧という低圧でスパッタリングをすることにより低下する。本発明の別の原理によると、ターゲットから材料をスパッタするのに使用するガスをイオン化するのに使用する主なプラズマに加え、補助プラズマを提供することにより、低圧でプラズマが維持される。
本発明の好ましい実施形態によると、好ましくは０．０５から０．５ｍトル（０．００７〜０．０６７Ｎ／ｍ²）の範囲など、１ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ²）未満の圧力で、低圧スパッタリング被覆プロセスが提供され、ＤＣまたはパルス状ＤＣマグネトロンで強化したプラズマなどの主プラズマが、補助ＲＦプラズマをターゲットの表面付近に設けることにより維持される。補助プラズマおよび低いスパッタリング圧力は、有効範囲および膜の品質を改良するためにバイアスをかけた基板と組み合わせると、特に有用である。補助プラズマは、誘導結合または静電結合することができる。プロセス・ガス圧を動的に制御して、補助プラズマの点火を容易にし、その後、プラズマを低圧に維持する。特に、プロセス・ガスは、補助プラズマの点火中に１〜３０ｍトル０．１３３〜４．０００Ｎ／ｍ²）の範囲に維持され、次に、処理のために１ｍトル未満、好ましくは０．０５から０．５ｍトル（０．００７〜０．０６７Ｎ／ｍ²）の範囲に低下させる。さらに、ターゲットへの電力レベルを変動させることにより、蒸着率を制御する。
好ましい実施形態は、ターゲットの周囲にある単コイルに誘導結合されたＲＦエネルギーを使用して、補助プラズマを生成し、コイルはマグネトロンのターゲットおよび暗部シールドの近傍に配置することが好ましい。例えば区分した螺旋コイルなどの他の形態のコイルを使用してもよい。代替実施形態は、別個のＲＦターゲットに静電結合され、主ターゲットの縁の近傍に配置されたＲＦエネルギーを含み、別個のターゲットは主スパッタリング・ターゲットと同じ材料で作成する。
図２Ｃでは、コイル３０ａおよび３０ｂのさらなる代替品、つまり環状補助ターゲット３０ｃが図示される。ターゲット３０ｃは、ターゲット１６と同じ材料で作成することが好ましい。ターゲット３０ｃは、ＲＦエネルギーをガスと静電結合して補助プラズマを形成するよう、ＲＦエネルギー源３５の出力リード線と接続される。
処理ガス４０の源は、流量制御デバイス４１を通してチャンバ１１に接続される。スパッタ処理の場合、供給源４０からのガスは、通常、アルゴンなどの不活性ガスである。制御部４１は、チャンバ１１に入る少量のガスの流れを調整し、チャンバ１１に接続した真空ポンプ（図示せず）を使用してチャンバを概ね排気して高度の真空にした後、チャンバ内の圧力を微制御する。
装置１０は、主コントローラ５０も含み、これは上述した構成要素の操作を整理し、制御するよう作動できる、マイクロプロセッサ・ベースのプログラマブル・コントローラであることが好ましい。コントローラ５０は、陰極電源２０および２４、基板のバイアス電源２７、補助プラズマ・エレメント３０およびガス流制御部４１に通電するＲＦ発電機、およびガス流制御部４１への通電を制御する出力部を有する。本発明の特定の原理によると、コントローラ５０は、ガス流制御部４１を操作して、チャンバ内の圧力を１ｍトルと５０ｍトル（０．１３３〜６．６６６Ｎ／ｍ²）との間まで上昇させ、次にＲＦ発電機３２がエレメント３０に通電し、ターゲット１６の表面のすぐ近傍でチャンバ１１内に補助プラズマを点火し、維持するようプログラムされる。このプラズマが安定したら、コントローラ５０によって圧力が０．５ｍトル（０．６６７Ｎ／ｍ²）以下に低下し、主ターゲット１６への電源２０が起動してターゲット１６に主プラズマを生成し、ＲＦ補助プラズマは、エレメント３０と静電結合したＲＦエネルギーによって維持されて、主プラズマを点火して維持するが、これは他の方法では、１ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ²）未満の圧力では点火されない。この主プラズマを用いて、ウェーハ１５を低圧で処理し、その上にある高縦横比の機構の底部の被覆を向上させる。
図３は、コントローラ５０のプログラムが装置１０を制御する方法を、より詳細に示す。図３で、曲線６０は、コントローラ５０からガス流制御部４１への信号を表す。曲線６０で、曲線は時間Ｔ１（サイクル開始）で開始し、時間Ｔ４（通常はＴ１から約２〜５秒後）で終了する通常は約２から５秒間、高い流量値６０ａになる。曲線６１では、圧力が時間Ｔ１で上昇し始め、時間Ｔ２の前にほぼ１０〜５０ｍトル（１．３３３〜６．６６６Ｎ／ｍ²）の範囲にある所望の高い方の圧力に到達し、時間Ｔ４まで１ｍトル（１．３３Ｎ／ｍ²）より上の値にあり、Ｔ４で低下し始める。Ｔ４で、流量制御信号は低い流量制御値に変化し、これは通常、曲線６０の６０ｂで示すように、チャンバへ１〜１０ｓｃｃｍという流れの信号を送ることによって達成される。これによって、チャンバ１１内の圧力は、時間Ｔ４から時間Ｔ５でレベル６１ａからレベル６１ｂへと低下する。
曲線６２は、ＲＦ源３５からＲＦエレメント３０へ送出されるＲＦ電力を表す。コントローラ５０によって、ＲＦエネルギーは、１〜６０ＭＨｚの範囲で、時間Ｔ２でゼロから、プラズマに点火するのに十分なレベル、通常は曲線６２の６２ａで示すように１〜５ｋＷまで上昇する。このＲＦ電力は、時間Ｔ３まで高レベル６２ａを維持し、時間Ｔ３は時間Ｔ１およびＴ２から０．５ないし３秒後である。時間Ｔ３から時間Ｔ８は、Ｔ３から約．５〜５秒後で、その間、ＲＦ電力レベルによって、レベル６２ａから低レベル６２ｂへと減少し、それはプラズマを維持するのに必要な最低値から基板１５への蒸着率を制御できる値との間の値である。このレベル６２ｂは、通常、０．１〜３ｋＷで、周波数は．１〜６０ＭＨｚである。
時間Ｔ３の前に、好ましくはプロセス・ガスの圧力が高レベル６１ａから低レベル６１ｂへと低下する前に、ターゲット１６へのＤＣ電力は、曲線６３に示すように、ゼロから作動電力レベル６３ａまで増加し、これは通常、一般に使用される直径１２インチ（３０．４８ｃｍ）のターゲットでは０．５〜３０ｋＷである。ターゲット電力の増加は、時間Ｔ９とＴ１０の間、つまり最大約５秒以内に発生する。ＤＣ電力は、ターゲット１６上に時間Ｔ６までレベル６３ａに維持され、それはウェーハ１５が処理されるまでの時間であり、通常は時間Ｔ１０から１０秒ないし数分である。時間Ｔ６で、ＤＣ電力レベル６３ａがターゲット１６から除去され、持続しているＲＦ電力レベル６２ｂは、時間Ｔ６以降に補助エレメント３０から除去される。次に時間Ｔ７で、ガス流はゼロに減少し、そこにかかるガス圧は低い方のポンプ・ダウン圧力へと低下する。ウェーハが新しいものと交換されると、サイクルが繰り返される。

Claims (16)

1. スパッタリング方法であって、
   真空スパッタリング・チャンバ内で、スパッタリング陰極アセンブリに取り付けられたスパッタリング被覆材料のターゲットに面して、基板を支持するステップと、
   チャンバ内に真空圧を確立するステップと、
   補助プラズマ電極からのＲＦエネルギーをチャンバ内のガスと結合するステップと、
   チャンバ内の圧力および補助プラズマ電極への電力を、チャンバ内のガス中でプラズマを点火するのに十分なレベルに制御するステップと、
   プラズマの点火に続いて、ターゲット電源によりターゲットに通電して、プラズマからのイオンによるターゲットからの被覆材料のスパッタを開始するステップと、
   ターゲットに通電しながら、圧力または補助プラズマ電極へのＲＦ電力を、プラズマに点火するのに必要なレベルよりは低いが、ターゲットから被覆材料をスパッタするようにプラズマを維持するのに必要なレベルよりは高いレベルまで低下させるステップと、
   １ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ ² ）未満の圧力でターゲットから材料をスパッタするのに十分な程度にターゲットの通電を続け、それによりスパッタされた材料で基板を被覆するステップとを含む方法。
2. 圧力または補助プラズマ電極へのＲＦ電力を低下させるステップが、圧力および補助プラズマ電極への電力をプラズマに点火するのに必要なレベルよりは低いが、ターゲットから被覆材料をスパッタするようにプラズマを維持するのに必要なレベルよりは高いレベルまで低下させるステップを含む請求項１に記載の方法。
3. スパッタリング・チャンバ内で、スパッタリング陰極アセンブリの近傍に補助プラズマ電極を設けるステップを更に含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. ターゲットの周縁の近傍、およびチャンバ内でターゲットの周囲の暗部シールドの近傍に補助プラズマ電極を設けるステップを更に含む、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法。
5. ターゲットのスパッタリング表面を通る面の近傍に補助プラズマ電極を設けるステップを更に含む、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法。
6. ＲＦエネルギーが、ターゲットの周縁の近傍でそれを囲むスパッタリング材料の補助ターゲットにエネルギーを与えることにより、ガスに静電結合される、請求項１に記載の方法。
7. ＲＦエネルギーが、ターゲットの周縁の近傍でそれを囲むコイルにエネルギーを与えることにより、ガスに誘導結合される、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法。
8. コイルが、スパッタリング陰極アセンブリの周辺でチャンバ内に対称に設け、区分された螺旋コイルである、請求項７に記載の方法。
9. 陰極アセンブリがＤＣ電力で通電される、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 陰極線アセンブリがパルス状ＤＣ電力で通電される、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の方法。
11. 基板にバイアスをかけるステップと、ターゲットから遠い点でターゲットからスパッタされた材料をイオン化するステップと、バイアスを制御して、イオン化したスパッタリング粒子を基板に向かって引きつけるステップを更に含む、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法。
12. 補助プラズマ電極へのＲＦ電力を制御して、結合されたＲＦエネルギーを変化させ、基板の蒸着率を制御するステップを更に含む、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. プラズマが、チャンバ内の少なくとも１ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ²）の圧力が陰極を操作して点火され、チャンバ内の圧力が、陰極でスパッタリング・プラズマを生成するよう１ｍトル以下に維持される、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の方法。
14. スパッタリング装置であって、真空スパッタリング・チャンバと、チャンバ内のスパッタリング材料のターゲットを含むスパッタリング陰極アセンブリと、陰極アセンブリに接続された陰極電源と、チャンバ内へのガスの流れを制御し、チャンバ内の圧力に影響を与えるガス流制御部と、補助プラズマ電極と、電極に接続されたＲＦエネルギー源と、ガス流制御部、電源およびＲＦ源に接続されコントローラとを備え、コントローラが、ＲＦ源が陰極アセンブリに隣接したプラズマを点火するレベルでＲＦ電極に通電する間、チャンバ内の圧力を制御するようにし、陰極電源が陰極アセンブリに通電してスパッタさせる間、ガス流制御部がチャンバ内の圧力を１ｍトル（０．１３３Ｎ／ｍ²）未満に維持するように構成されるスパッタリング装置。
15. 電極が、スパッタリング材料で作成されるか、少なくともそれで被覆された補助ターゲットであり、電極が、ＲＦエネルギーをチャンバ内のガスと静電結合させて、その中のプラズマに点火し、それを維持するよう構成される、請求項１４に記載の装置。
16. 電極が、ターゲットを囲み、その周辺に近いコイルであり、ＲＦエネルギーをチャンバ内のガスに誘導結合して、その中のプラズマに点火し、それを形成する、請求項１４に記載の装置。

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