JP4150504B2

JP4150504B2 - イオン化物理蒸着のための方法および装置

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Publication number: JP4150504B2
Application number: JP2000583063A
Authority: JP
Inventors: スモラノフ、ジェイソン; ズイブリーダ、ジム; ジッテルマン、ブルース; ライカタ、トマス、ジェイ
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2019-11-01
Also published as: DE19983714T1; US6117279A; JP2002530531A; KR100659828B1; KR20010089324A; GB2359189A; GB0110556D0; WO2000030147A1; GB2359189B; TW507016B

Description

【０００１】
この発明は、スパッタコーティングに関し、更に詳しくは、コーティング材の基板へのイオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）に関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体製造に於ける、バイア、トレンチおよび接触孔のような、小さく高アスペクト比の形態は、半導体処理装置に強い要求を課す。例えば、ある物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスを使ってそのような形態の底にある接触子をライナでコーティングし且つこれらの形態を導電性フィルムで詰めることは、この基板の方へ蒸着する材料の運動に高度の指向性の達成を要求する。形態が小さければ小さいほど、およびアスペクト比が高ければ高いほど、強い指向性を要求する。基板表面上の狭い高アスペクト比の孔の底の接触子を効果的にコーティングするためには、コーティング材の粒子がこの垂直線に対してこれらの形態の角開口より実質的に大きくない角度で動くことが必要である。さもなければ、これらの形態の上側への過剰な堆積または形態の口の閉鎖が起るだろう。
【０００３】
スパッタコーティング法は、典型的には基板および高純度コーティング材のターゲットを、アルゴンのような不活性ガスまたは窒素のような反応性ガスで満たした真空室内に置き、このガスにプラズマを創ることによって行う。このプラズマは、典型的にはこのターゲットがこの室内のガスを励起し、このターゲット表面近くにプラズマを作る電子を供給するカソードとして機能するように、このターゲットを一定にかまたは間欠的に負電位に維持することによって発生する。このプラズマ発生は、通常、ターゲットの後ろの磁石が電子をこのターゲットの表面上に高密度で閉込め、そこでそれらがこのプロセスガスの原子と衝突し、ガスの原子から電子を剥がして正イオンを作る、マグネトロンカソード組立体で増進する。これらのガスイオンは、負にバイアスされたターゲットの方へ加速してターゲット表面と衝突し、このターゲット表面から、このプラズマを維持する役割を果す２次電子は勿論、原子および原子クラスタまたはターゲット材料の粒子を放出する。
【０００４】
従来のスパッタコーティングでは、ターゲット材料の放出した原子の大多数が中性電荷でこの真空空間を通って種々の方向に伝播し、幾つかが基板に当ってそれに付着し、フィルムを形成する。このターゲット表面からの放出粒子の移動方向は、このターゲット表面に対する角度のやや広い統計分布に従う。これらの伝播粒子を基板表面に向い且つそれに垂直な真っ直ぐな線で動かすために種々の案が使われた。イオン化物理蒸着またはＩＰＶＤでは、コーティング材をマグネトロンスパッタリング、その他の従来のスパッタリングまたは蒸着技術を使ってターゲットからスパッタし、そこでこれらの粒子を静電的に加速またはその他の方法でこの基板の方へそれと垂直方向に電気的に操縦できるようにこれらの粒子をイオン化することによってこれらの粒子の指向性を改善する。
【０００５】
ＩＰＶＤでは、追加または２次のプラズマをこのターゲットまたは材料源と基板の間でこの室内の空間内に創る。この空間を通過するスパッタ材料の粒子は、イオン化したプロセスガスの電子または準安定中性物質と衝突し、それらはスパッタ粒子の原子から電子を剥がし、これらの粒子を正に帯電したままにしがちである。正に帯電したスパッタ材料のこれらの正イオンは、例えば、基板に負のバイアスを掛けることによってこの基板の方へ電気的に加速することが出来る。基板でのコーティング粒子の方向を正規化する際のこのＩＰＶＤプロセスの有効度は、この２次プラズマによって創ったスパッタ材料のイオン化の分率に比例する。
【０００６】
スパッタした材料を高イオン分率にするには、２次プラズマが高電子密度を有することが必要である。この２次プラズマからターゲットでの主プラズマへ、または壁若しくはシールドのような室構造体への電子の消失は、スパッタ材料をイオン化するための２次プラズマの有効度を減少させることがあり、且つこの２次プラズマが消滅する結果となることがある。２次プラズマからの電子の減損を最少にし且つＩＰＶＤ処理をする際に他の方法でスパッタ材料を高イオン化分率にすることが重要である。
【０００７】
その上、２次プラズマを囲む壁またはシールドのような構造体が鞘と呼ばれる領域でこの２次プラズマと直接接触している。この鞘幅は、部分的に２次プラズマとこの構造体の間の電位差に依る。この構造体が電気的に接地してある場合、例えば、電子密度および電子温度が、それぞれ、約１０¹⁰ｃｍ^-3および４Ｖのとき、典型的鞘幅は、約０．１４ｍｍの数電子デバイ距離である。しかし、もしこの構造体上に負の直流電位の存在が許されるならば、それは、このプラズマ鞘の幅の増加のためにこのプラズマから正イオンを吸引する効果を有し、それによってそれがスパッタ材料を高イオン分率にする際のプラズマの有効度を減ずる。誘導的に結合したプラズマを作るために、例えば、周辺コイルから２次プラズマの中へのエネルギーの結合を容易にすることが必要である場合、シールドおよびその他の構造体を囲むプラズマが電気的に浮遊し、それは、このプラズマの中の正イオンより高速度を有する電子がこのシールドおよびその他の構造体に負の直流電荷を蓄積する傾向を増す。これは、このプラズマ鞘を２次プラズマに望む空間に侵入させる。
ＷＯ−Ａ−９８／４８４４４は、イオン化物理蒸着のための方法および装置を開示し、この装置は、中に処理ガスを真空圧レベルで収容するための容積を有する封止可能真空室、この室内にこの容積の端にあり、且つ上にこの室のこの容積に面するスパッタリングターゲットを保持するためのターゲット支持体を含むスパッタリングカソード、このスパッタリングカソードを付勢するためにこのカソードに接続したカソード電源装置、この室内にこの容積のターゲット支持体と反対の端にあり、且つ上に、この容積の向う側のターゲットに面し、このターゲット支持体上に支持したターゲットからスパッタした材料でコーティングすべき基板を支持するための基板支持体、高周波周波数を有し且つこの容積に接続され、このターゲットからこの容積を通過するスパッタした材料をイオン化するために十分な密度の、その中のガス中の２次高周波プラズマを付勢するための高周波エネルギー源で、この２次プラズマを付勢するように高周波エネルギーをこの容積に誘導的に結合するために、この基板支持体とこのターゲット支持体の間でこの室のこの容積を囲む少なくとも一つのコイルを含むエネルギー源、このコイルと、その上の電位がこの高周波エネルギー源高周波周波数でこのプラズマの電位と浮遊するこの容積との間でこの室の周りに拡がり、この容積から半径方向に外方に動くスパッタした材料を遮断するように形作られ且つ位置付けられた導電性シールド構造体で、このシールド構造体の中の導電路がこの室の周りを円周方向に伸びるのを遮断するに十分な少なくとも一つの軸方向不連続部をその中に有し、それでこのコイルが高周波エネルギーをこのコイルからこの容積の中へそこを通すシールド構造体を含む。
【０００８】
従って、スパッタした材料を高イオン化分率にし、および特にスパッタした材料をイオン化するために設けたプラズマからの電子の減損を最少にするＩＰＶＤ装置および方法の必要がある。更に、特に、スパッタした材料のイオン化のために設けたプラズマを囲むプラズマ鞘が２次プラズマの空間の中へ伸長するのを避けることによって、スパッタした材料を高イオン化分率にするＩＰＶＤ装置および方法の必要がある。
【０００９】
（発明の概要）
本発明の主な目的は、イオン化物理蒸着でスパッタした材料の高イオン化分率を達成する方法および装置を提供することである。本発明の詳細な目的は、コーティング材イオン化のために設けたプラズマからの荷電粒子の減損を最少にまたは減少する、そのような方法および装置を提供することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、構成要素を、コーティング材をイオン化するために設けたプラズマが占める領域内の電磁場への悪影響を防ぐように形成し且つ作動させるイオン化物理蒸着装置および方法を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、スパッタリングターゲットからコーティング材を効率的にスパッタするための主プラズマを設けるためにマグネトロン磁場源を利用し、および２次プラズマを使ってこのターゲットからスパッタした材料を高イオン化分率にする、イオン化物理蒸着のための方法および装置を提供することである。本発明の更に詳細な目的は、この２次プラズマからの荷電粒子の減損を最少にまたは減少する、そのような方法および装置を提供することである。
【００１２】
本発明のその上更なる特別の目的は、この２次プラズマを物理的に拘束し、この２次プラズマからの正イオンの逸れを減少する、壁、シールドまたはその他の構造体を備える、イオン化物理蒸着方法および装置を提供することである。本発明の更に詳細な目的は、２次プラズマ拘束シールドまたはその他の構造体が、このプラズマへのエネルギーの結合と干渉することなく、その上の負電位の蓄積またはこのプラズマからの正イオンの逸れに抗するイオン化物理蒸着装置および方法を提供することである。
【００１３】
本発明は、少なくとも部分的に、２次プラズマからの荷電粒子の実質的減損およびその結果のこのプラズマによるスパッタ材料のイオン化分率の減少、および２次プラズマの消滅さえ、イオン化物理蒸着プロセスの構成要素を、この２次プラズマが占める領域の電磁場がこのプラズマの中の荷電粒子の保持を最適化するように作用させるように形成することによって防げるという原理に基づく。
【００１４】
本発明は、更に、部分的に、２次プラズマからの正イオンの実質的減損およびその結果のこの２次プラズマによるスパッタイオンのイオン化分率の減少、および２次プラズマの消滅さえ、イオン化物理蒸着プロセスでスパッタ材料のイオン化のために使う２次イオンの周辺に使用する導電性シールドが実質的に負の直流電位の成長を止めるとき、防がれるという原理に基づく。本発明は、更に、部分的に、２次プラズマを囲む導電性シールドまたは室壁の存在が、もし、強く負の直流電位の成長を止め、またはもし、この室の中心から遠くに置くならば、この２次プラズマからこれらの壁またはシールドへの正イオンの操向を減ずるだろうという概念に基づく。この発明は、特に、エネルギーの２次プラズマへの効果的且つ効率的結合を可能にする高周波シールドを維持しながら、これらの効果をもたらすという概念に基づく。
【００１５】
本発明のある原理によれば、スパッタリングターゲットに隣接する主プラズマを付勢するための直流またはパルス化直流源で付勢したターゲット、およびこのターゲットと好ましくはこのターゲットにスパッタリング室の反対端で平行に向いた基板との間の空間にある２次プラズマを付勢するための高周波リアクタンス結合源を利用するイオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）方法および装置を提供する。中で２次プラズマを発生するこの空間は、電気的に浮遊し且つこの高周波源に高インピーダンスを示す導電性構造体で囲んである。この構造体は、更に、低インピーダンス直流路を提供する低域通過フィルタを介して大地または他の電位に接続してある。
【００１６】
この発明の好適実施例に従って、ＩＰＶＤ方法および装置が、ターゲットの後ろに位置してこのターゲットの表面近くに主スパッタリングプラズマを作るための回転磁石組立体を含む直流回転マグネトロンカソードを使用する。このターゲットは、蒸着室の一端に位置し、それはこの室の他端にあり且つ好ましくはこのターゲットと室の軸上に中心を置く、このターゲットと平行な基板支持体と向い合っている。高周波源がこのターゲットと基板の間のこの室内の容積に誘導的に結合してあり、好ましくはこの主プラズマと基板支持体に取付けた基板との間のこの容積に誘導的に結合したプラズマ（ＩＣＰ）を作る。このＩＣＰの横境界は、この室の壁および石英誘電体窓または障壁が形成し、その窓の後ろに２次プラズマを支援するためにこの室の容積内にエネルギーを結合するためにこの室の容積を囲むコイルが位置する。この窓は、この壁の開口に封止され、この室の真空格納構造体の一部を構成し、このコイルは、この室の真空環境の外部の大気圧環境にあるのが好ましい。この窓の内部に位置する金属シールドがこの窓をその上の導電性スパッタ材料の堆積から保護し、そのスパッタ材料は、もし、この窓上に蓄積すると、この室をコイルから遮断する。このマグネトロン磁場、またはＭＭＦを作るこの磁石の特性は、このコイルがこの室の内部に位置し、エネルギーが少なくとも一部容量的にこの２次プラズマに結合される場合にも有用である。
【００１７】
このシールドは、この高周波プラズマに関して電気的に浮遊し、この高周波プラズマに高インピーダンスを示す。このプラズマの高周波エネルギーに対して高インピーダンスを維持しながら、このシールドに低直流インピーダンスを示すために、例えば、ＬＣ回路の形の、低域通過フィルタがこのシールドと大地か何か他の所定の固定または別様に制御した電位との間に接続してある。このシールドは、このターゲットの縁から、好ましくは２５ないし５０ｍｍの距離だけ、半径方向に外方に位置するのも好ましい。結果として、このターゲットと基板の間の、２次プラズマを維持することが望ましい、この室の容積の近くの表面上に負電位が蓄積するのを防ぐ。この直流電位の形成がこの表面上に蓄積するのを防ぐことは、準鞘または予備鞘の長さを減少し、この２次プラズマのプラズマ電位を上げるだろう。この予備鞘の減少および２次プラズマと基板の間の電位差の増加は、この基板を衝撃するイオン密度の増加に繋がるだろう。
【００１８】
本発明は、濃い２次プラズマを維持し、それは、典型的なスパッタリングプラズマの、例えば、１０００倍のイオン密度を有するかも知れず、且つターゲットと基板の間のこの容積を占め、この２次プラズマにターゲットから基板まで通行するスパッタ材料を高イオン化分率にさせ得る。電場または磁場の使用は、荷電粒子に力を加え、それらを基板の方へ電気的に操縦可能にする。特に、基板上にバイアス電位を確立することは、この基板表面に垂直な角度でイオン化したスパッタ材料の方向成分を増し、この基板上の高アスペクト比形態の底の優れたコーティングをもたらす。
【００１９】
本発明で、高アスペクト比の孔を効果的に詰めることができ、そのような形態の底にある接触子をより効果的にコーティングできる。
【００２０】
本発明のこれらおよびその他の目的および利点は、この発明の好適実施例の以下の詳細な説明から更に容易に明白となろう。
【００２１】
（好適実施例の詳細な説明）
図１は、本発明の原理を具体化するスパッタコーティング装置１０を概略的に示す。この装置１０は、室壁１３によって区切られた空密室１２を含む。この室１２内には、プラズマ処理空間１１がある。この室１２にその一端で取付けてあるのは、半導体ウエハ１５を支持するためのウエハ支持体または保持台１４で、その上に取付けたウエハをイオン化物理蒸着プロセスでコーティングまたはフィルムを付けることによって処理する。このウエハ１５は、支持体１４に取付けたとき、この室１２内に、基板ホルダ１４と反対端に取付けたカソード組立体１７に取付け且つその一部であるターゲット１６と平行であり且つそれに面する。このターゲット１６は、このターゲット１６を固着したターゲット背板１８を含んでもよい。カソード組立体１７は、磁石組立体２０の形をした磁石構造体を含み、それは典型的にはターゲット１６の後ろにそれの空間１１と反対側に設けてある。暗空間遮蔽板（図示せず）もターゲット１６の周辺に設けてもよい。室１２、ターゲット１６および基板支持体１４は、共通軸２９上に整列してある。
【００２２】
磁石構造体２０は、ターゲット１６の表面の上に閉じた磁気トンネルを作り、当業者がよく知っているように、カソード組立体１７を負電位に電気的に付勢したとき、このカソード組立体１７が室１２の中へ出す電子を閉込めるのが好ましい。この磁石構造体、磁石組立体または磁石パック２０は、固定磁石または回転その他の可動磁石を含んでもよく、それらは、永久磁石または電磁石、およびここの説明と矛盾しない、この技術に周知の多数のマグネトロンスパッタリング組立体の何れか一つのその他の特徴があるものでもよい。
【００２３】
ターゲット電源装置または電力源２１は、ターゲット１６に電気的エネルギーを与える。このターゲット電源装置２１は、通常一定のまたはパルス型直流電源で、カソード組立体１７と、大地電位でこのシステムのアノードの役をする室壁１３のようなある要素との間に接続してある。カソード組立体１７は、この室１２の壁から絶縁してある。電源装置２１は、高周波フィルタ２２を介してカソード組立体１７に接続するのが好ましい。高周波発生装置２４のような代替エネルギー源を整合ネットワーク２５を介してカソード組立体１７に随意に接続してもよい。バイアス回路２７も設け、整合ネットワーク２８を介して基板ホルダ１４に接続してある。このバイアス回路２７は、ホルダ１４上に取付けたウエハ１５にバイアス電位を加える。バイポーラ直流供給装置または高周波供給装置をこの目的に使うことが出来る。
【００２４】
定常型またはパルス型電源装置２１および／または高周波発生装置２４からの電力がターゲット１６上に負電位を作る。この負電位は、このターゲットの表面の方へイオンを加速し、それが衝突すると、ターゲット１６の表面から電子を出させる。これらの電子は、磁石パック２０が発生した磁場によってターゲット１６の表面の上に、結局、これらの電子が当り、それによってプロセスガスの原子をターゲット１６の表面に極めて接近してイオン化し、ターゲット１６の表面に隣接する容積１１の領域２３に主プラズマを作るまで、閉込めるようになる。領域２３のこの主プラズマは、ターゲット１６の負に帯電した表面の方へ加速され、それと衝突し、それによってこのターゲット１６からコーティング材の粒子を出す、ガスの正イオン源となる。
【００２５】
ターゲット１６の表面と基板支持体１４の間の空間１１は、二つの部分から成ると考えることができる。一つの部分２３は、ターゲット１６のスパッタリング表面上に所望の腐食パターン作るために磁石組立体２０によって形作られた主プラズマによって主として占められ、一方空間１１の第２の部分は、この主プラズマ領域２３と支持体１４上の基板１５との間にある残りの容積２６である。ターゲット１６からスパッタされた粒子は、一般的にターゲット１６の表面から電気的中性粒子として離れ、空間１１の端から端までだけ運動量によって伝播する。従来のスパッタリング装置で、主プラズマ領域２３を通過する中性のスパッタ粒子は、この主プラズマが比較的密でなく、ターゲット１６の表面近くの比較的小さい容積を占め、スパッタリングに使う低動作圧で、中性スパッタ粒子と主プラズマ粒子に僅かな衝突しか起らないので、それ程イオン化されない。それで、スパッタ粒子は、主プラズマ領域２３を大抵中性で出て、従来のスパッタリングでは、これらの粒子が基板１５上に薄膜として堆積するとき中性のままである。
【００２６】
基板１５上の高アスペクト比の孔の底にある接触子およびその他の形態をコーティングするため、およびそのような孔をスパッタした導電性材料で埋めることによってそれらを金属化するために使うもののような、幾つかのスパッタリングプロセスに対しては、ＶＬＳＩ半導体装置製造で、これらの粒子が、これらの形態側面に触れまたは陰にされることなく、これらの形態および形態の底に直接進めるように、基板１５の垂直線の周りに浅い角分布でこの基板上に衝突することが非常に好ましい。基板１５上の粒子のこの垂直衝突は、この装置１０では、スパッタした粒子が容積２６を通過するときこれらの粒子が正電荷を発生するようにイオン化することによって容易にされる。一旦正に帯電すると、これらのスパッタした粒子は、静電的に加速され、または別の方法で電気的若しくは磁気的に、室１２の軸２９に平行で基板１５の表面に垂直な経路に、向けられ得る。スパッタした材料の正イオンの基板１５の方へのそのような吸引は、例えば、バイアス電源装置２７の作動によって基板１５に負バイアスを掛けることによって達成できる。そのようなバイアスは、正のスパッタしたイオンを吸引し、基板ホルダ１４の前のプラズマ鞘の電位勾配を作ることによってイオン化したスパッタ粒子の基板１５の方への指向性を増し、それがこれらの正にイオン化したスパッタ粒子をこの基板表面の方およびその上へ加速する力を与える。シリコン半導体ウエハに対して、このバイアス電源装置２７は、約０．０５ＭＨｚから８０ＭＨｚまでの範囲で作動する高周波発生装置であるのが好ましい。スパッタした粒子をイオン化することによって使用できる力を利用するというそのようなプロセスは、イオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）またはイオン利用スパッタコーティングと呼ぶプロセスの特徴である。
【００２７】
スパッタ粒子が空間１１を通過するときのそれらの飛行中イオン化は、容積２６に２次プラズマを作って実行する。そのようなプラズマを発生するために先行技術で知られる幾つかの方法がある。装置１０では、このプラズマを、容積２６を囲み且つ好ましくは真空室１２の外部にある高周波コイル３０から高周波エネルギーを容積２６の中へ誘導的に結合することによって発生するのが好ましい。このコイル３０は、室１２を囲み、室１２の軸２９に相当する軸を中心とする。このコイル３０は、ヘリカルコイルの形が好ましいが、ヘリカル以外のコイル形状を使ってもよい。この高周波エネルギーは、図１に示すように、このコイルの中心にセンター高周波タップを加え、他の２本のリード線を接地しまたはその逆にすることによって、図１に示すように、このコイルの端から端へ接続したリード線によってコイル３０へ供給してもよい。このコイル３０は、誘導的にエネルギーを容積３６の中のプロセスガスに結合し、一般的に空間２６を満たす濃いプラズマを形成する。好ましくは、約２ＭＨｚの周波数で機能する高周波発生装置３２を整合ネットワーク３３を介してコイル３０に接続し、コイル３０にエネルギーを与えて容積２６にプラズマを形成する。
【００２８】
プロセスガス源４０が、流量制御装置４１を介して、室１１に接続してある。スパッタ処理用には、この源４０からのガスが、典型的にはアルゴンのような不活性ガスである。反応性プロセス用には、窒素、水素、アンモニア、酸素またはその他のガスのような、追加のガスを補助流量制御装置を介して導入することが出来る。高真空ポンプ３９も室１２を１．３３×１０^-7ないし１．３３×１０^-6Ｐａの範囲（１０^-9ないし１０^-8Ｔｏｒｒの範囲）の真空に排気し、蒸着中真空を維持するためにこの室に接続してある。大抵の処理用には、０．１３３ないし０．６８５Ｐａの範囲（１ないし５０ｍＴｏｒｒの範囲）の圧力が典型的に好ましい。ポンプ３９は、例えば、１ないし５００標準状態立方センチメートル毎秒（ｓｃｃｍ）のガス流を使って、例えば、０．０６６ないし０．５３２Ｐａ（０．５ないし４０ｍＴｏｒｒ）のプロセス圧力を維持するように、調整してもよい。
【００２９】
室１２のコイル３０と空間１１の間の壁に、誘電体窓６０を備える。この窓６０は、石英、またはコイル３０を囲む磁場が容積２６に達するのを妨害しないその他の材料のような、真空適合性の誘電体材料で作ってある。この窓６０は、室１２の壁と空蜜シールを形成するように取付けてあり、コイル３０が窓６０の外部で大気圧の環状空洞６２内にあるようにする。この窓６０は、電気的に絶縁性で磁気的に透明な材料の単一円筒形品であるのが好ましいが、閉込め構造の電気的に絶縁性の窓の形に全体として円筒形保護構造体を作るように配置した材料の繋ぎ合せた部分で作ってもよい。伝導性金属の外部囲い６１が封止した環状空洞６２の外壁を形成し、コイル３０を外部環境から電気的に絶縁し、並びに電磁エネルギーがコイル３０からおよび室１２内から室１２の外部へ放射するのを防ぐ。囲い６１内の空間は、外部大気に通じていても、またはコイル３０を付勢したとき、空洞６２内のガスがプラズマの形成を支援しなければ、大気圧または低圧の不活性ガスで満たしてもよい。
【００３０】
窓６０自体は導電性でないが、ターゲット１６からスパッタした導電性材料のコーティングの蓄積に影響されやすい。窓６０の電気伝導度は、この室の周りの方位電流の誘導を支援し、それがコイル３０からのエネルギーの容積２６内の２次プラズマへの高周波結合の有効性を削減し、打消しまたはその他の方法で害する。窓６０の、特に方位角（円周）方向、即ち、室１２の軸２９の周りに拡がる方向のそのような伝導度が電子流のための誘導的に結合した短絡回路を作り、それが容積２６の中へ誘導的に結合したエネルギーの全てまたは大部分を打消すことがある。
【００３１】
窓６０への導電性スパッタ材料のそのような堆積を防ぐため、空間１１と窓６０の間の室１２の真空内に、この窓６０の内側表面に極めて接近して、シールド７０が設けてある。このシールド７０は、全体として円筒形であるのが好ましい。このシールド７０は、窓６０をターゲット１６からスパッタされる材料から陰にし、ターゲット１６の表面のあらゆる点と窓６０の間の全ての直接視線経路を阻止するのが好ましい。シールド７０は、窓６０同様、それを室１２内に置いたとき、それ自体、導電的円周短絡回路を作ってはならない。このため、シールド７０は、室１２の軸２９に平行な縦スリット７３を備える。このスリット７３は、軸２９周りの円周電流路を遮断する。円周電流および渦電流のような電流を遮断するように作った、単一スリットまたは複数のスリットを備えるシールドをその代りに使うことが出来、またはこのシールドを分割式シールド若しくはシールドアレイとして作ってもよい。別の一般的に円筒形のシールドの中の単一スリット７３が、このシールド７０の円周方向または方位電流の誘導を防ぐために室１２の周りのシールド７０の円周経路を実質的に遮断するシールド７０の適当な実施例である。スリット７３に隣接するシールド７０の縁は、室１２の周りの円周電流路を遮断するときに、このスリット７３が空間１１から窓６０への直線経路を伝播するスパッタ粒子を通さないように、重なっているのが好ましい。スリット７３の幅は、図１Ａに示すように、スリット７３に隣接するシールド７０の対向する縁間の１対の誘電体のビードまたはスペーサ７４によって維持する。複数のスリットの場合、これらのスリットは、コイル巻回の上および下に伸び、直交するコイルピッチとほぼ同じピッチを有するのが好ましい。
【００３２】
シールド７０も、コイル３０からの磁場の実質的に全有効軸方向範囲に達するコイル３０の軸方向範囲を越える軸方向範囲を有するのが好ましい。その結果、この導電シールド７０は、室１２の軸に平行な、高周波プラズマ内の電場を効果的に抑制し、コイル３０を容積２６から容量的に遮蔽するような軸方向電場を防ぎ、その電場があれば今度はコイル３０から容積２６へのエネルギーの結合効率を害するだろう。シールド７０は、ターゲット１６の表面の平面の後ろから窓６０およびコイル３０を越えるまで軸方向に伸びるのが好ましい。
【００３３】
シールド７０は、窓６０から、室１２内のガスの中の原子または分子の平均自由行程またはプラズマの最小拡散距離を超えない距離に維持する。装置１０では、約５ないし５０ｍＴｏｒｒの範囲内の処理ガス圧を使うことをを意図する。そのような圧力でのアルゴンガスの平均自由行程は、それぞれ１１ｍｍないし１．０ｍｍである。その結果、窓６０からのシールド７０の好適間隔は、約１〜３ｍｍである。
【００３５】
装置１０では、基板１５に達するコーティング材の所望の指向性を達成する際のスパッタ粒子のイオン化の有効性は、容積２６の中の２次プラズマを通過してイオン化されたスパッタ粒子のイオン分率、または百分率に依る。イオン分率が高ければ高いほど、基板１５上により高フラックスの正イオンを可能にし、蒸着により強い指向性を与える。基板１５および基板ホルダ１４上に一定の電位を維持するためにバイアス電源装置２７が要求する電力量は、基板１５上へのイオンフラックスの直接表示である。
【００３６】
この２次プラズマから漂遊する電子の割合は、基板１５に到達するスパッタ材料の高イオン分率を作るための２次プラズマの有効性に直接影響する。コイル３０、またはその他の２次プラズマ付勢源は、電子のこの２次プラズマ内への保持を最適化するように設計できる。
【００３７】
電子は、この２次プラズマから室壁１３、シールド７０若しくはこの２次プラズマを拘束するその他の構造体の中か、または磁石組立体２０によって空間２３内に閉込められた主プラズマの中へ消滅する。この主プラズマ２０の中への電子の消失の計量は、このＩＣＰだけの動作中に、即ち、コイル３０を電源装置３２によって付勢し、ターゲット電源装置２１を切るが、磁石組立体２０の磁石は、適所に置いて、ターゲット１６が集めた電流を測定することによって行う。回転カソード磁石組立体では、この測定をターゲットのスパッタリング中に使うのと同じマグネトロン磁場を作るために回転する磁石組立体の磁石で行う。これらの条件の下でターゲット１６で測定した電流は、２次プラズマの中の残りの電子が作ったイオンによるものである。電流が高ければ高いほど、２次プラズマの中の電子の数が多きことを示す。
【００３８】
好適カソード磁石組立体２０は、ターゲット１６の付近に閉込められたマグネトロン磁場を作る。このマグネトロン磁場は、コイル３０の磁場をカソード磁石組立体２０のものと効果的に結合するために十分な強度で有意義には室１２の容積２６の中へ入り込まない。このマグネトロン磁場の複合強度および範囲がそれによって主プラズマを２次プラズマから効果的に切離す。その全ての磁石がその全体の磁場に貢献する磁石組立体２０は、それらのＮＳ極軸が室１２およびコイル３０の軸２９と実質的に垂直に向いているのが好ましい。一つの好適な磁石組立体は、米国特許第５，１３０，００５号に記載してあるものであり、この特許に記載してある種類のリボン磁石を、図２に示すように、この組立体の回転面にかなりの角度で傾斜した補助磁石なしに使うのが好ましい。
【００３９】
図２に示すように、磁石組立体２０は、軸２９の周りに回転し且つその上に閉ループに配置された連続リボン磁石７６を有する回転可能担体７５を含む。このリボン磁石７６は、複数の層７７で作ってあり、各層がそのＮ極である横面と反対側にこのリボンのＳ極である面を有し、それによってそのＮＳ極軸が軸２９に垂直な平面にある複合リボン磁石７６を作る。この磁石７６は、一般的に坦体７５の回転面に平行な極軸を有する、一つ以上の個々の棒磁石、電磁石またはその他の形の磁石で作ることができる。ターゲット１６の表面の平面に沿って平らになりがちな磁力線を作り、またはさもなければ大して大きい強度で容積２６の中へ拡がらない、他の磁石構造体も図示する磁石の代りにまたはそれに加えて使ってよい。図３は、この好適磁石組立体の磁石７６が作る磁場を線図で示す。
【００４０】
シールド７０に近い２次プラズマの領域に正イオンを保持することは、シールド７０と、調整電圧レベルを維持し、ある実施例では単に接地接続である電圧制御回路８１との間に接続したフィルタ回路８０を設けることによって充実する。このフィルタ回路８０は、２次プラズマからの電子の蓄積のために負の直流電位がシールド７０に増えるのを防ぎ、その或る程度は避けるのが困難である。シールド上のかなりの負の直流電位が２次プラズマの鞘または鞘に近い領域から正イオンを引付け、それはこの２次プラズマの中のイオン密度を減ずるかも知れない。そのような負の直流電位は、この室内の電場も変え、それがこの室内のイオン経路に影響し、且つプラズマ電位を増すことがあり、それがプラズマからウエハへの電圧降下を増す。フィルタ回路８０は、シールド７０をコイル３０からこの２次プラズマへ結合したエネルギーの高周波に関して浮遊可能にする。
【００４１】
このフィルタ回路８０は、本質的にこの調整電圧レベルに低直流インピーダンスを示すように形作った低域通過フィルタであり、それによってシールド７０の平均電位を大地電位またはこのプラズマ電位に対して実質的に負でない何か他の電位に固定する。このフィルタ８０は、コイル３０の高周波から結合した電位に高インピーダンスを示し、それが、コイル３０から２次プラズマの中への高周波エネルギーの結合を減ずる、コイル３０との電気遮蔽効果を生ずるのを避ける。
【００４２】
図４に概略的に示すフィルタ回路８０は、インダクタ８２を含むＬＣ回路である。それは、シールド７０と電圧維持回路８１の間に直列に接続して、合計正味インダクタンスが２０ｍＨであるように形作ったとき有効であった。０．１μＦ、８００Ｖコンデンサ８３がこの電圧源８１とアースに跨って並列に接続してある。一例で、シールド７０に２ＭＨｚ高周波エネルギーに対して約２５０ｋΩのインピーダンスを生ずるフィルタ８０を使った。この例では、インダクタ８２を、各定格２Ａの三つの並列２０ｍＨコイル８６を３組８５直列接続して作った。これは、約１８Ａの直流電流を扱うための熱放散性能を有するコイル８２を作る。フィルタ８０が５００ｋΩの総合的インピーダンス、および好ましくはこの高周波発生装置または発生源２４の周波数に対して７５０ｋΩのインピーダンスを示すのが好ましい。そのような値の選択は、このコイルに関する高周波電力の周波数の選択、並びに他の設計パラメータの選択によって変る。
【００４３】
基板１５上へのイオンフラックスの表示である、基板１５にバイアス電圧を維持するために必要な測定電力を以下の表１に示す：
【００４４】
【表１】

【００４５】
このデータは、ターゲット電力が増加し、従ってスパッタ材料の量が増加すると、基板１５上へのこの材料の分別イオン化が低下することも示す。このデータは、予備運転プロセスパラメータを使って作り、それには：大体のピークトゥーピーク電圧６４０Ｖを作る、シールド７０に２ＭＨｚの周波数で２．２ｋＷの電力；室１２内の圧力１１ｍＴｏｒｒ；２５４ｍｍのターゲット；および上に示す通りの真空室寸法があった。フィルタ８０ありで、シールド７０の直流電位は、本質的に大地電位で、それは電圧制御源８１の設定値であった。フィルタ８０がなければ、１．８ないし２．５ｋＷの範囲のターゲット電力で、シールド７０の電位が約−６０Ｖであった。プラズマ密度の増加の結果として、基板１５上の高アスペクト比形態（例えば、幅０．３９μｍ、高さ０．９μｍ、即ち、アスペクト比２．３）の底充填率は、フィルタ８０なしの約５０〜５５％からフィルタ８０ありの約８５〜９０％へ変った。
【００４６】
更に、フィルタ８０のインダクタ８２のインダクタンスが１０ｍＨ以下のとき、シールド７０上の２ＭＨｚエネルギーの大地電位との相互作用は、例えば、基板１５上へ入射する材料のイオン密度を無効なレベルに減少することが認められた。
【００４７】
プラズマ電位、イオン密度、および電子温度のような、プラズマ特性を、１．８ｋＷ直流マグネトロンプロセスを使うラングミュアプローブを使って測定することによって、本発明の利点を実証した。フィルタ８０は、基板１５に到達するイオン密度を約３倍増加した。これは、このシールド上の直流電位の減少に寄与し、これがこのシールドへのイオン吸引のための親和力に控除、並びに基板へ到達する金属およびアルゴンの両方のイオン数の増加になる、基板へのイオン吸引力の増加を生ずると信じられている。フィルタ８０の付加は、プラズマ電位がこのフィルタなしの２５Ｖからこのフィルタ付きの３９Ｖへ増加する結果となった。このシールド上のプラズマ誘起直流電位の減少は、プラズマ電位、およびこのプラズマと基板の間の電位差も増加する結果となった。基板順方向電力は、イオン密度およびプラズマと基板の間の電位差の両方に比例するので、基板に当るイオン数が大きい。電子温度は、約２ｅＶで、１．８ｋＷのマグネトロン電力でのフィルタ８０の付加では実質的に変らなかったが、１ｋＷ未満の低マグネトロン電力では、フィルタ８０の付加が電子温度を約１ｅｖだけ増すことに気付いた。これは、鞘−予備鞘境界でのプラズマ電位がこの電子温度の半分に等しいためと信じられている。この予備鞘摂動を減少することによって、この予備鞘電位がこれらの条件下のバルクプラズマ電位に匹敵すると考えられているので、この電位が増加する。この機構は、低電力で有意義である。高電力では、原子フラックスおよび主マグネトロンプラズマと２次プラズマの間の相互作用がより有意義になるので、この効果はあまり有意義でない。
【００４８】
当業者は、ここに示す本発明の実施を変えられること、およびこの発明を好適実施例で説明してあることが分るだろう。従って、この発明の原理および意図から逸脱することなく、付加および修正を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のある実施例によるＩＰＶＤ装置の立面概略図である。
【図１Ａ】図１の線１Ａ−１Ａによる部分断面図である。
【図２】図１の線２−２による、マグネトロン磁石組立体の断面図である。
【図３】図２の線３−３による断面線図で、図２の装置のマグネトロン磁石組立体の磁場形状を描く。
【図４】図１の装置のフィルタ回路の一実施例の回路図である。

Claims

イオン化物理蒸着装置（１０）であって：
中に処理ガスを真空圧レベルで収容するための容積（２６）を有する封止可能真空室（１２）；
この真空室（１２）内で前記容積（２６）の端にあり、且つ上に真空室（１２）の該容積（２６）に面するスパッタリングターゲット（１６）を保持するためのターゲット支持体を含むスパッタリングカソード（１７）；
スパッタリングカソード（１７）を付勢するためにこのカソード（１７）に接続したカソード電源装置（２１）；
前記真空室（１２）内で前記容積（２６）のターゲット支持体と反対の端にあり、且つ、この容積（２６）の向う側のターゲット（１６）に面し、ターゲット支持体上に支持したターゲットからスパッタした材料でコーティングすべき基板を支持するための基板支持体（１４）；
高周波周波数を有し且つ前記容積（２６）に接続され、ターゲット（１６）からこの容積（２６）を通過するスパッタした材料をイオン化するために十分な密度の、その中のガス中の２次高周波プラズマを付勢するための高周波エネルギー源（３２）で、この２次プラズマを付勢するように高周波エネルギーを前記容積（２６）に誘導的に結合するために、基板支持体（１４）とターゲット支持体の間で真空室（１２）の前記容積（２６）を囲む少なくとも一つのコイル（３０）を含むエネルギー源；
このコイル（３０）と、その上の電位が高周波エネルギー源（３２）の高周波周波数でプラズマの電位と浮遊する前記容積（２６）との間で真空室（１２）の周りに設けられ、該容積（２６）から半径方向に外方に動くスパッタした材料を遮断するように形作られ且つ位置付けられた導電性のシールド構造体（７０）であって、このシールド構造体（７０）の中の導電路が真空室（１２）の周りを円周方向に延びるのを遮断するに十分な少なくとも一つの軸方向不連続部をその中に有していて、前記コイル（３０）が高周波エネルギーをこのコイル（３０）から該シールド構造体を通して前記容積（２６）の中へ導くようになっているシールド構造体を含む装置に於いて；
高周波エネルギー源（３２）の周波数で高インピーダンスを有し且つ低直流インピーダンスを有するフィルタ（８０）が前記シールド構造体と電圧制御回路（８１）との間に接続され、それによって、前記カソード電源装置（２１）からのエネルギーが真空室（１２）内のガス中に主プラズマを作り、その主プラズマがターゲット支持体上のターゲット（１６）から材料を前記容積（２６）の中へスパッタし、前記高周波エネルギー源（３２）から誘導的に結合したエネルギーによってこの容積（２６）の中に２次プラズマが作られるときに、前記シールド構造体（７０）に到達する負電荷が前記電圧制御回路（８１）へ導かれ、一方このシールド構造体（７０）が高周波周波数でプラズマと電気的に浮遊し、それでこのプラズマとシールド構造体（７０）の間のプラズマ鞘が狭く、かつこのプラズマが、前記ターゲット（１６）から前記容積（２６）を通過するスパッタした材料を基板支持体（１４）上の基板（１５）の方へ且つそれに垂直に向かわせることができるように該スパッタした材料を効果的にイオン化するために前記容積（２６）を十分に満たすようになっていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置に於いて：
カソード（１７）電源装置が一定のまたはパルス型直流電源装置であり、およびこのフィルタ（８０）が直流に低インピーダンスの低域通過型であることを特徴とする装置。
請求項１または請求項２に記載の装置に於いて：
この電圧制御回路（８１）がこのフィルタ（８０）を大地電位に接続することを特徴とする装置。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の装置に於いて：
このフィルタ（８０）がＬＣフィルタ（８０）であることを特徴とする装置。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の装置に於いて：
前記フィルタ（８０）が前記高周波エネルギー源の高周波周波数で１／４ＭΩのインピーダンスを有することを特徴とする装置。
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の装置に於いて：
この室（１２）が開口のある壁を有し；
この装置が、更に、この室（１２）内のこの容積（２６）にこのガスをこの真空圧レベルで隔離するためにこの開口の周りでこの壁に封止した誘電体窓を含み；および
この少なくとも一つのコイル（３０）がこの窓（６０）の後ろのこの室（１２）の外部にあり且つこの窓（６０）によってこの容積（２６）内のガスとの接触から遮断され；並びに
このシールド構造体（７０）がこの窓（６０）の内部でそれに極めて接近してこの室（１２）を囲み且つこの窓（６０）をスパッタ材料から陰にするために軸方向に十分長く伸びることを特徴とする装置。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の装置に於いて：
この支持体上の基板（１５）を電気的にバイアスしてスパッタ材料のイオンをこの基板（１５）に垂直方向に加速するために、この支持体に接続したバイアス電位発生装置（２７）を含むことを特徴とする装置。
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の装置に於いて：
このシールド構造体（７０）のこの少なくとも一つの軸方向不連続部がこのシールド構造体（７０）の半径方向に離間し且つ円周方向に重なる二つの縁の間に作られた少なくとも一つの軸方向スリットの形をしていることを特徴とする装置。
イオン化物理蒸着方法であって：
中に処理ガスを真空圧レベルで収容するための容積（２６）を有する封止可能な真空室（１２）、真空室（１２）内でこの容積（２６）の端にあるターゲット支持体、および前記容積（２６）のターゲット支持体と反対の端にあってこの容積（２６）の向う側のターゲット支持体に面し、ターゲット支持体上に支持したターゲットからスパッタした材料でコーティングすべき基板（１５）を支持するための基板支持体（１４）を設ける工程；
ターゲット支持体に取付けたターゲット（１６）を付勢することによってターゲット（１６）から材料を前記容積（２６）内にスパッタするスパッタ工程；および
高周波源から、高周波周波数で、高周波エネルギーを前記容積（２６）に誘導的に結合し、この結合した高周波エネルギーで該容積（２６）内のガスの中の２次高周波プラズマを付勢し、この２次高周波プラズマでターゲット（１６）から該容積（２６）へ動くスパッタ材料をイオン化する結合工程を含み；
前記スパッタ工程および結合工程を行う間に、前記高周波源と前記容積との間のシールド構造体（７０）を低直流インピーダンスを介して接地するか制御した電位に連結することによって該シールド構造体（７０）を高周波エネルギーの高周波周波数で浮遊する電位に維持するとともに、シールド構造体（７０）と高周波エネルギーとの間に高い高周波インピーダンス結合を維持し、それによって高周波プラズマとシールド構造体（７０）との間に狭いプラズマ鞘を維持するようにすることを特徴とする方法。
請求項９に記載の方法であって：
このスパッタおよび結合工程を行う間、このシールド構造体（７０）に存在する、この高周波源の周波数でのエネルギーに対し少なくとも２５０ｋΩのインピーダンスを与える工程に特徴がある方法。
請求項９または請求項１０に記載の方法であって：
このスパッタおよび結合工程を行う間、このシールド構造体（７０）に存在する、この高周波源の周波数でのエネルギーに対し少なくとも７５０ｋΩのインピーダンスを与える工程に特徴がある方法。
請求項９から請求項１１までのいずれか一項に記載の方法に於いて：
この高周波エネルギー結合工程がこの基板支持体（１４）とこのターゲット支持体の間でこの室（１２）のこの容積（２６）を囲む少なくとも一つのコイル（３０）から高周波エネルギーを結合し、およびこの容積（２６）内の高周波磁場を介してこの容積（２６）内のガスの中のこの２次プラズマを付勢するために、このコイル（３０）から高周波エネルギーをこの容積（２６）に中へ誘導的に結合する工程を含むことを特徴とする方法。
請求項９から請求項１２までのいずれか一項に記載の方法に於いて：
この高周波エネルギー結合工程がこのコイル（３０）を、この室（１２）の真空収容壁に封止され且つこの容積（２６）内のガスとの接触から遮断する誘電体窓（６０）の後ろに維持する工程を含むことを特徴とする方法。
請求項９から請求項１３までのいずれか一項に記載の方法であって：
この支持体上の基板（１５）をバイアスして、この主プラズマによってこのターゲット（１６）からスパッタし且つこの２次プラズマによってイオン化した材料の正イオンをこの基板（１５）の方へ吸引し、それによってスパッタした粒子のこの基板（１５）上への入射角を増す工程に特徴がある方法。