JP4213030B2 - リング型スパッタリング・ターゲット - Google Patents

Description

本発明は、長寿命のスパッタリング・ターゲット、およびこれらの長寿命のスパッタリング・ターゲットを用いる方法に関するものである。

スパッタリングは、不活性ガスで満たした処理チャンバ内で半導体ウェハまたは他の基板を被覆する処理工程である。これらのチャンバは、スパッタリング・ターゲット、およびスパッタリング・ターゲットに近接する電気的バイアスをかけたウェハを含む。チャンバ内の電界が不活性ガスをイオン化し、ターゲットから原子を放出させてスパッタ・ターゲット材料をウェハに被着させる。一般に、処理チャンバは、スパッタリング・ターゲットの一部に環状模様の溝を生成するマグネトロンを含むことができる。残念ながら、これらの溝がスパッタリング・ターゲットの寿命を著しく縮めることがある。さらに、ターゲットの直径を大きくした場合に、これらの溝による悪影響が大きくなる傾向がある。

いくつかの特許には、ターゲット寿命を延ばすための隆起したリングまたは表面が開示されている。たとえば、シュトラウス（Ｓｔｒａｕｓｓ）等は欧州特許公開第１０８７０３３号で、間隔をあけて配置された２つの環状リングを有するスパッタリング・ターゲットを開示している。これらのリングは、スパッタリング中に最もエロージョンを受けるターゲット領域に対応する。ダキシンジャ（Ｄａｘｉｎｇｅｒ）等は米国特許第６０６８７４２号で、反転可能なスパッタリング・ターゲットを開示している。このターゲットのいずれの面も、ターゲット寿命を延ばすように設計された周辺を取り巻く形状の２つの突起を含む。マサフラ（Ｍａｓａｈｕｒａ）等は特開平４−１７３９６５号で、単一の突起リングを含むターゲットを開示している。この突起リングは、ターゲット材料の再付着を防ぐための平滑面と、平滑面をもつリングに近接する粗面とを有する。この組合せにより、スパッタリング処理工程の寿命全体を通して、粉付着の影響が低減される。

最近では、リングを強調した設計が、メモリ・チップ作製用スパッタリング層に有効であることが分かっている。メモリ・チップは、一般に金属層を２つしか含まないため、これらのメモリの用途では、膜の均一性は重要ではない。メモリ・チップの用途とは異なり、論理チップの用途ではしばしば、より高い膜の均一性が求められる。残念なことに、リングを強調した設計を含むターゲットでは、いくつかの論理チップの用途に求められる厳密な膜の均一性を実現することができない。これは、被着させる膜の数の増加や、デバイス設計の規則に起因する。さらに、論理チップの用途では金属層が多くなるため、製造業者が被着層の化学機械研磨（ＣＭＰ）を省略した場合、後の層になる程に均一性の低さが目立つようになる。積層した膜の均一性が低下するにつれて、上層でのフォトリソグラフィが難しくなる。

膜の均一性は、デバイス製造の観点からも重要である。デバイスをエッチングするとき、しばしばある程度の過剰エッチングが生じる。このエッチングがウェハの中心で最大になり膜が中心でより薄くなると、デバイスの生産損失の高まる可能性がある。

さらに、均一性を欠くと、直径が２５０ｍｍを超えるターゲットような大型ターゲットでは、膜厚およびシート抵抗の均一性に顕著な影響を及ぼす。これらの大直径のターゲットでは、リングがターゲット耐用期間に悪影響を及ぼすことがある。知られている限りにおいて、これらのリングを強調した設計ではいずれも、前記の均一性の問題や他のスパッタリングによって引き起こされる欠陥のために、厳しいデバイスの用途では商業的に受け入れられていない。

スパッタリング・ターゲットは、材料を基板に均一に被着させるための設計を有する。ターゲットは円形ディスクを含み、このディスクは半径および上面を有する。上面は、半径の内側半分以内の中心領域と、半径の外側半分以内の外側リング形状領域と、中心領域をリング形状領域から分離するベース領域とを有する。外側リング形状領域は、スパッタリング・ターゲットの寿命を延ばすために、突出高さを有する。中心領域に近接する基板へのスパッタリングの被着速度を高めるために、中心領域は外側リング形状領域の突出高さより低い突出高さを有する。

この方法は、スパッタリング・ターゲットまたはカソードを用いて、基板に材料をスパッタリングするものである。まずスパッタリング・チャンバ内でカソード付近の不活性ガスをイオン化することにより、スパッタリングのためにチャンバを準備する。カソードは、均一なスパッタリングのための、初期のウェハ対カソード距離および第２のウェハ対カソード距離を有する。第２のウェハ対カソード距離は、初期のウェハ対カソード距離より大きい。回転マグネトロンによってカソードから原子を放出させ、初期のウェハ対カソード距離を用いてウェハに被膜を被着させる。初期の距離により、初期期間中にスパッタリング被着の均一性が最適化される。次いで、初期期間の後に回転マグネトロンによってカソードから更に原子を放出させ、第２のウェハ対カソード距離を用いてウェハに被膜を被着させる。第２のウェハ対カソード距離により、第２の期間中はスパッタリングによる被着の均一性が最適化される。

隆起した外側リング、およびそれより低い隆起の内側領域を含むターゲットにより、スパッタリングの均一性が改善された。このターゲットは、通常のスパッタリング装置と共に首尾よく作動し、ウェハの中心部で低いシート抵抗（Ｒｓ）を示す。シート抵抗は、電流に対する抵抗を測定することにより、複数の位置での被着物の厚さを比較する間接的な方法である。

ターゲットは、有利には、均一なスパッタリングのための初期の最適なウェハ対カソード距離、および均一なスパッタリングのための第２のウェハ対カソード距離を有する。第２のウェハ対カソード距離は、初期のウェハ対カソード距離より大きい。さらに性能を改善するためには、この最適なウェハ対カソード距離の変更が、スパッタリング後、カソード寿命の少なくとも約３０パーセントで行なうと有利である。この変更がスパッタリング後、カソード寿命の少なくとも約４０パーセントで行なうと最も有利である。変更の前後での最適なスパッタリングのための初期位置および第２の位置の正確な距離は、機械によって変わる傾向がある。さらに、最適なスパッタリング性能を維持するために、複数回の位置調整または変更が可能である。しかしながら、試験により、設定期間の後に１回変更すれば、操作員にできるだけ不便をかけずに、優れた均一性が実現されることが示されている。

図１Ａおよび１Ｂを参照すると、ターゲット１０は、ベース領域１２、円盤形状の中心領域１４、および外側リング形状領域１６を含んでいる。リング形状領域１６が、外縁領域１８および外縁２０に近接し、上に延びると有利である。外縁領域１８が、ベース領域１２の厚さと等しい厚さを有すると最も有利である。任意選択で、リング形状領域１６は外側に向かって外縁２０まで延在してもよい。

ターゲット１０は、中心２５から外縁２０に至る半径Ｒを有する。半径の内側半分は中心領域１４を含み、半径の外側半分はリング形状領域１６を含む。中心領域１４が、中心２５および外縁２０からの半径距離の内側約３５パーセント以内にあると有利であり、内側約３０パーセント以内にあると最も有利である。同様に、外側リング形状領域１６が、中心２５および外縁２０からの半径距離の７０から９５パーセントの間であると最も有利である。

均一な高さの固い円盤形状の突部で形成された中心領域が有効であることが分かっている。任意であるが、ベース領域１２と中心領域１４との間、およびベース領域１２とリング形状領域１６との間に位置する傾斜領域２２は、不均一にスパッタリングされやすい領域内のスパッタリングを一様にする働きをする。さらに、ねじ切りした開口部２８を含むフランジ２６は、スパッタリング・ターゲットのスパッタリング・チャンバへの固定を容易にする。

図１Ｂは、外側リング形状領域１６と中心領域１４との間の突出高さの差を示している。突出高さは、ベース領域１２と、中心領域１４または外側リング形状領域１６との厚さの差の大きさである。中心領域１４の突出高さが外側リング形状領域１６に対して低くなると、予想以上に被着物の均一性が高まる。さらに有利には、これにより、原子の放出がベース領域より中心領域および外側リング形状領域で高速に起こるようになる。

中心領域１４が、外側リング形状領域１６の少なくとも約２０パーセントより小さい突出高さを有すると有利である。たとえば、外側リング形状領域１６の高さが５ｍｍであれば、中心領域１４の高さは４ｍｍ以下になる。中心領域１４が、外側リング形状領域１６の突出高さの約２０〜８０パーセントの突出高さを有することが好ましい。リング部を含むターゲットが、突出高さをもたない中心領域を含む場合には、スパッタリング・ターゲットはあまりうまく作動しない。中心領域１４が、外側リング形状領域１６の突出高さの約３０〜７０パーセントの突出高さを有すると最も有利である。中心領域の突起の公称高さを、外側リング形状領域１６の約５０パーセントだけ小さくすると最も有効であることが分かっている。

図２Ａおよび２Ｂは、中心領域１４が円盤形状の突部３０を含む、任意の実施例を示している。この実施例では、円盤形状の突部３０はくぼみ領域３２を含んでいる。任意に、くぼみ領域３２の厚さは、ベース領域３２よりも小さいか、等しいか、またはも大きく選択できる。くぼみ領域３２が、ベース領域１２に等しい厚さを有すると最も有利である。さらに、くぼみ領域３２は、円形、星形、あるいは他の対称または準対称の形状を有することができる。くぼみ領域３２が、例示した円筒形状のような対称形状を有すると最も有利である。

２つの同心状の突起リング（高さ４ｍｍ）を有する、部分的に消耗した直径３００ｍｍのＡｌＣｕ（０．５％）ターゲットが、Ａ型磁石を用いたエンデュラ（Ｅｎｄｕｒａ）装置（チャンバ４内に取り付けられたターゲット、および標準のシールドの組）により、約８００ｋｗｈのスパッタリングを行なったところ、厳密な仕様から外れた均一な厚さの膜が製造された。なおこの装置は、後述例でのスパッタリング装置も提供した。この装置のマグネトロンは、軸の回りを回転するいくつかの磁石を含み、より均一な磁場を生成する。残念なことに、回転マグネトロンは、外縁部（縁から６ｍｍ）よりウェハの中心で高いシート抵抗値をもたらす（図３参照）。これは、ウェハの外側領域に比べて、ウェハの中心部での膜厚が薄いことを示している。

内側リングを機械加工して高さ２ｍｍの薄いディスクを作製することによってターゲットの中心部に変更を加えた後、さらに試験を行った。ターゲットの４ｍｍの外側リングはすでに磨耗し、溝のようなくぼみを形成していた。これら中心部の変更が完了した後、試験前にターゲットを５ｋｗｈまでの通電テストを行なった。表１および表２は、それぞれ部分的に消耗した４ｍｍの同心リング、および中心部を変更した種類によるシート抵抗（Ｒｓ）均一性および厚さのデータを示している。

表１は、６ｍｍの縁を除いた、２００ｍｍの酸化ウェハについて４９箇所でＲｓ均一性（パーセント １シグマまたは１標準偏差）を測定した値である。

表１は、内部リングの高さを低くすると、最適なウェハ対カソード距離が、予想外に変化することを示している。さらに、中心部を変更した設計ではＲｓの均一性が改善された。

表２のデータは、ウェハ対カソード距離が５２ｍｍで、チャンバの圧力が２ミリトールの場合に、温度３００℃で１８ｓｃｃｍチャンバ／１５ｓｃｃｍ支持板のアルゴン流量を用いてエンデュラ装置を６０秒間作動させて得られたものである。デルタは、中心部の測定値と、図３に従った外縁に近い位置にある上部、左部、底部、および右部の４つの外縁部の測定値との厚さの差のうちの最大値（Å）である（標準５点試験）。試験を行う位置が多いほど、標準偏差またはシグマ値が小さくなる傾向がある。したがって、標準５点試験は５箇所でしか試験を行わないので、いくつかの位置での厚さを測定する代替の試験よりはるかに厳密である。

高さ４ｍｍ、幅１．１８インチ（３．０ｃｍ）の外側リングと、高さ２ｍｍ、幅３．５４インチ（９．０ｃｍ）の内側円盤とを有するＡｌ−Ｃｕ（０．５％）のスパッタリング・ターゲットを製造し、シート抵抗および膜厚の均一性の両方を改善した。約１ミクロンの膜を２００ｍｍの熱酸化ウェハに被着させて、ターゲットの性能を測定するための基礎を形成した。評価には、以下のような標準的な処理条件を用いた。
出力 １０．６ｋｗ
アルゴン流量（チャンバ） １８ｓｃｃｍ
アルゴン流量（支持板） １５ｓｃｃｍ
チャンバの圧力 ２．０４ｍＴｏｒｒ
温度 ３００℃
ターゲット対ウェハ距離 ４６ｍｍおよび５２ｍｍ（厚さ）
可変（Ｒｓ均一性）

Ｒｓ均一性を、４Ｄ自動４点探測機を用いて２００ｍｍウェハの４９箇所で測定した。６ｍｍの外縁部は除去した。膜厚は、標準５点試験に従って各ウェハの５箇所で測定した。初期の試験を、Ｒｓ均一性については３、７ｋｗｈ、および１５ｋｗｈで行い（表３）、膜厚については３、５、７、９、１２、および１５ｋｗｈの間隔で行った（表４）。膜厚およびＲｓ均一性の測定は、標準的なウェハ対カソード距離である５２ｍｍで行った。さらに、さまざまなウェハ対カソード距離（４４〜５３ｍｍ）に応じて１００〜１４００ｋｗｈで試験を行って、Ｒｓ均一性が低い膜を被着させるための最適距離を探した。

表３は、さまざまなウェハ対カソード距離を有するターゲットでの、Ｒｓ均一性の結果を示している。

これらのデータは、最高の均一性を得るために最適なウェハ対カソード距離が、予想外に初期には小さいことを示している。中心領域の厚さを減じたターゲットでは、初期の最適なウェハ対カソード距離は約４６ｍｍに減少した。高さ４ｍｍの外側リングと、高さ２ｍｍの内側円盤とを有するターゲットは、ウェハ対カソード距離が５０から５２ｍｍの間の場合に最適な均一性を有していた。次いで、約９００ｋｗｈのスパッタリング後には、最適なウェハ対カソード距離は５２ｍｍまで増加した。

表４に、５２ｍｍのウェハ対カソード距離を用いて得られた、膜厚の均一性を示す。

以上に示したとおり、また図４に示すように、ウェハの中心部と外径部との間の膜厚均一性のデルタは、Ｒｓ均一性のデータに従っている。したがって、ターゲット寿命の大部分で、厚さの差は、Ｒｓ均一性の値が低い試験点で最小であった。しかし、ターゲット寿命の終わりに向けて、この相関関係にある程度の相違が生じるものと思われる。

表５は、標準のウェハ対カソード距離が５２ｍｍ、および最適距離４６ｍｍでの各試験期間の後に、ターゲットに対して標準５点試験を用いて得られた厚さのデルタの測定結果を比較したものである。

表５および図４のデータは、シート抵抗またはＲｓ均一性を最適化するための、２部方法を示している。まず、最適なウェハ対カソード距離を平板状ターゲットに比べて内側に移動させて４６ｍｍにする。次いで、ターゲットを少なくとも約９００時間通電した後、距離を５２ｍｍまで増加させる。この移動により、スパッタリング製造業者にとって、標準５点試験で、１シグマが約１．５パーセント未満のレベルのＲｓ均一性、および約２５０Åの最大の厚さのデルタを維持することが可能になる。最も有利には、約１．３パーセント未満の１シグマのレベルにＲｓ均一性を維持する。

表６は、最適なウェハ対カソード（Ｗ／Ｃ）距離を用いて１００ｋｗｈで測定した、さまざまな２００ｍｍＡｌ／Ｃｕ ．５％ターゲットの膜厚のデータを示している。

隆起した外側リング、およびそれより低い隆起の内側領域を含むターゲットにより、スパッタリングの均一性の改善が容易になる。このターゲットは、通常のスパッタリング装置で首尾良くスパッタリングを行い、均一性が高い被着物を生成した。このターゲットは、アルミニウムおよびアルミニウム合金のスパッタリング・ターゲットの設計に対して特に有効である。たとえば、このターゲットは、最大で約１．５パーセントのシグマのシート抵抗均一性で基板を被覆する。さらに、それは、Ａ型磁石を用いた回転マグネトロン・スパッタリング・チャンバ内で、少なくとも１０００ｋｗｈの寿命を有する。最も有利には、ターゲットが少なくとも１２００ｋｗｈの寿命を有し、少なくとも１４００ｋｗｈの寿命に対する試験を首尾良く行う。これは、約９００ｋｗｈのターゲット寿命を有する通常の平板状の設計と比べて有利である。

本発明により、その範囲から逸脱することなく、多くの可能な実施例を作ることが可能であり、したがって本明細書に記載したあらゆる事柄は、例示的であり限定的なものではないと解釈すべきである。

円盤形状の中心領域を含むスパッタリング・ターゲットの上面図。 図１Ａのスパッタリング・ターゲットの線１−１に沿った断面図。 リング形状の中心領域を含むスパッタリング・ターゲットの上面図。 図２Ａのスパッタリング・ターゲットの線２−２に沿った断面図。 ウェハの膜厚を測定する位置を示す概略図。 中心領域の設計を用いて得られた、改善された均一性を示す図。

Claims (9)

1. 円形ディスクを含む、材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲットにおいて、
   前記円形ディスクが、半径と、上面とを有し、
   前記上面が、前記半径の内側半分以内の中心領域と、前記半径の外側半分以内の外側リング形状領域と、前記中心領域を前記外側リング形状領域から分離するベース領域とを有し、
   前記外側リング形状領域が、前記スパッタリング・ターゲットのスパッタリング寿命を延ばすために突出高さを有し、
   前記中心領域に近接する前記基板へのスパッタリングの被着速度を高め、スパッタリングの均一性を向上させるために、前記ベース領域から測定して前記外側リング形状領域の突出高さより低い突出高さを、前記中心領域が有する、材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
2. 前記中心領域が、均一な高さの固い円盤形状の突部である請求項１に記載された材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
3. 前記中心領域が、円盤形状の突部と、円盤形状の突部内のくぼみ領域とを含む請求項１に記載された材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
4. 円形ディスクを含む、材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲットにおいて、
   前記円形ディスクが、半径と、上面とを有し、
   前記上面が、前記半径の外側６０パーセント以内の外側リング形状領域と、中心領域を前記外側リング形状領域から分離するベース領域とを有し、
   前記外側リング形状領域が、前記スパッタリング・ターゲットのスパッタリング寿命を延ばすために突出高さを有し、
   前記中心領域に近接する基板へのスパッタリングの被着速度を高め、スパッタリングの均一性を向上させるために、ベース領域から測定して外側リング形状領域の突出高さより２０〜８０パーセントだけ低い突出高さを、前記中心領域が有する、材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
5. 前記中心領域が、円盤形状の突部と、円盤形状の領域内のくぼみ領域とを含む請求項４に記載された材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
6. 前記中心領域の突出高さが、ベース領域から測定して外側リング形状領域の突出高さより３０〜７０パーセントだけ低い請求項４に記載された材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
7. 前記スパッタリング・ターゲットがアルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項４に記載された材料を基板に被着させるためのスパッタリング・ターゲット。
8. 材料を基板にスパッタリングする方法において、
   スパッタリング・チャンバ内の円形カソード付近の不活性ガスをイオン化する段階であって、前記カソードが、半径と上面とを有し、該上面が、半径の内側半分を有する中心領域と、半径の外側半分以内の外側リング形状領域と、中心領域を外側リング形状領域から分離するベース領域とを有し、前記外側リング形状領域が、前記カソードのスパッタリング寿命を延ばすために突出高さを有し、前記中心領域が、スパッタリング被着速度を増加させスパッタリング均一性を向上させるために、ベース領域から測定して外側リング形状領域の突出高さより低い突出高さを有する、不活性ガスをイオン化する段階と、
   回転マグネトロンにより、前記カソードから材料を放出させて、前記基板に前記材料を被着させる段階とを含む、材料を基板にスパッタリングする方法。
9. 前記カソードが、初期の基板対カソード距離と、第２の基板対カソード距離とを有し、前記第２の基板対カソード距離が前記初期の基板対カソード距離より大きく、
   前記回転マグネトロンにより、前記カソードから前記材料を放出させて、前記基板に前記材料を被着させる段階が、
   初期の期間に、スパッタリング被着の均一性を最適化するために、前記初期の基板対カソード距離を用いて、前記カソードから材料を放出させて、基板に被覆の第１の部分を被着させる段階と、
   第２の期間に、スパッタリング被着の均一性を最適化するために、前記初期の期間の後に、前記第２の基板対カソード距離を用いて、前記カソードから更に材料を放出させて、前記基板に被覆の第２の部分を被着させる段階とを含む請求項８に記載された材料を基板にスパッタリングする方法。

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