JP4435353B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作物上に材料を被着させるためのスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料を１つの標的からスパッタリングし、真空チャンバ内でイオン化しその後例えば半導体ウェハである工作物に対し電界を用いて引きつけさせることができるということは周知のことである。
【０００３】
スパッタリングされた材料をイオン化する１つの適切な手段は、無線周波数で駆動される液浸コイルを使用することにあり、かかる装置については、「内蔵高周波コイル型スパッタリング装置の基本的特性」、J.Vac, Sci. Technol.Ａ７（２），Mar/Apr １９８９、の中で記述されている。しかしながら、スパッタリングされた材料を充分に高い割合でイオン化するためには、比較的高い（〜４．０Ｐａ、即ち〜３０ｍＴ）チャンバ圧力が必要とされる。この圧力は、イオン化用ＲＦコイルの存在と組合わさって、例えば典型的に２０〜３０％の表面厚みの標準偏差といった受容できないほど高い被着不均等性を工作物全体に渡って作り出す。非常に不均等ではあるものの、基板上の被着は、半径方向の対称性を有するように、つまり中心が最も厚く縁部が最も薄くなるように工学処理され得る。かかる対称性は、スパッタリング材料の二次的供給源を基板のまわりに同心的に位置づけして付加することによって、かかる不均等性を補償する可能性を提供する。第２の供給源は好ましくは、基板縁部に材料を被着させ、例えば表面厚みの標準偏差＜８％といった受容可能な均等な全体的厚みプロフィールを提供することになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
２部分標的については、米国特許第４６０６８０６号に記述されており、これは、内側平面部分と円錐台形外側部分を含んでいる。欧州特許Ａ−０８０７９５４においては、補償標的は、イオン化コイル及び二次スパッタ供給源の両方として動作する標的材料のソレノイド環を含んで成る。この装置は、金属のグレードが約９９．９９９％の精製率でなくてはならないことから製造が非常に高くつきかつ消費されるにつれて頻繁に交換する必要があるという多大な欠点を有する。かかる材料の成形は非常に高くつき、これらを経済的な形で冷却することは極めて困難である。このことは、結果として生じる熱応力が剥離をもたらすことから、不利である。
【０００５】
かくして、欧州特許Ａ−０８０７９５４では、一次標的から二次標的／コイル上へのスパッタリングを防ぐため、遮蔽リンダが具備されている。多くのプロセスにとって、これは適切にうまく機能するが、好ましくは同じチャンバ内でＴｉとそれに続くＴｉＮから成る種々の層を半導体ウェハ上に被着させるための一般的プロセス必要条件に関して問題が生じる。ＴｉＮは、Ｔｉスパッタリングプロセス中に少量の窒素を流動させることによって被着させられる。こうして、チタン標的表面は窒化させられ、窒化チタンが基板表面上にスパッタリングされる。
【０００６】
ＴｉとＴｉＮは、非常に異なる熱膨張係数を有し、あらゆる熱循環が付加的な応力を作り出して特に未冷却標的コイルからの剥離の確率をさらに高くする。ＥＰ−Ａ−０８０７９４４の装置は、Ｔｉ及びＴｉＮプロセスの間に極度に長いエッチングプロセスを発生させない限り、この問題を充分に克服するものではない。
【０００７】
本発明は、これらの問題の少なくともいくつかを緩和することを目的とし、いくつかの実施形態は、全ての面で有意義な改善を提供している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
１つの態様によると、本発明は、チャンバ、チャンバ内に露出された標的及びチャンバ内で標的とは反対側に位置設定された工作物サポートを内含する、工作物上に材料を被着させるためのスパッタリング装置において、この装置にはさらに、被着の均等性を高めるべく工作物の周囲上に再度スパッタリングするために、標的材料のコーティングを受けるための導電性非標的材料の工作物と該標的の間に配置された再スパッタリング表面、及びコーティングの再スパッタリングを可能にするため該表面を負にバイアスさせるための手段が含まれていることを特徴とするスパッタリング装置から成る。
【０００９】
好ましくは再スパッタリング表面は、一般にサポートの周辺に配置されており、この再スパッタリング表面又はその一部分はサポートに向かって傾斜させられていてよい。再スパッタリング表面はリングの形をしていてよく該リングは、台形の断面を有していてよい。表面は、ステンレス鋼又はその他の、真空環境内で使用可能で容易に成形され又は頑強である適切な材料でできていてよい。この装置は、さらに表面に対する標的材料の付着性を増強するため、再スパッタリング表面上に例えばモリブデンのコーティングといった付着性増強用コーティングをさらに含んでいてよい。
【００１０】
チャンバ内には、標的と再スパッタリング表面の間にＲＦコイルが配置されていてよい。この場合、ＲＦコイルは好ましくは非標的材料で形成され、非標的材料のスパッタリングを防ぐため標的材料のコーティングを受けるための外側表面又は複数の表面を有する。適切には、再スパッタリング表面は、標的に対して影になっているコイルの部分上に材料をスパッタリングできるようにコイルとサポートの間に位置設定される。
【００１１】
コイル及び／又はスパッタリング表面は、中に液体冷却材のための通路を構成するため中空であってよく、コイルは、ステンレス鋼又はその他の適切な材料で作られていてよい。
これらのケースのいずれにおいても、再スパッタリング表面及び／又はコイル上のコーティングの少なくとも一部分は、装置の前処理作業中、すなわちサポート上への工作物の位置づけに先立って行なわれる作業の間に標的からスパッタリングすることによって形成され得る。
【００１２】
一般的な実践方法であるように、工作物上への被着に先立って、これは、好ましくは標的の予備スパッタリングと同時に行なうことができる。スパッタ材料が工作物サポート上に被着するのを防ぐため、一般にシャッタが利用される。
【００１３】
この装置は、その後に続くプロセスのため標的材料で再スパッタリング表面及び／又はコイルをコーティングするための工作物が存在しない第１の前処理モード及び、標的材料が同じく工作物上に被着される第２の被着モードで装置を作動させるための制御手段を内含していて良い。この制御手段は、全ての特定の選択された第２のモードでの作動のために、第１のモードについて必要な条件を計算するためのコンピュータプログラムを内含することができる。
【００１４】
さらなる態様によると、本発明は、チャンバ、チャンバ内に配置された標的、チャンバ内で標的と反対側に位置設定された工作物サポート、及びチャンバ内で標的とサポートの間に配置されたＲＦコイルを内含する、工作物を処理するためのスパッタリング装置において、コイルが非標的材料で作られており、工作物の処理以前及び／又はその間、標的材料のコーティングを支持するか又は具備していること、及び、最初に言及した標的との関係において影になっているコイルの部分上に材料をスパッタリングするため、コイルとサポートの間にさらなる標的が位置設定されていることを特徴とするスパッタリング装置から成っていてよい。
【００１５】
さらなる標的は環状であってよく、又一般に台形の断面を有していてよい。コイル及び／又はさらなる標的は、中に液体冷却材のための通路を構成するべく中空であってよく、それらの各々又はいずれかはステンレス鋼でできていてよい。コイル上のコーティングは少なくとも部分的に、装置の前処理作業中に標的から、又はさらなる標的が非標的材料でできている場合にはまず第１に最初の標的からスパッタリングすることによって形成することができる。
【００１６】
コイルは、好ましくは、その直流電位を最小限におさえ、かくしてその正味のスパッタリングを最小限にし、かくしてそれが工作物処理全体を通して標的材料でコーティングされた状態に確実にとどまることになるような周波数、電力及びモードで作動させられる。これは、正味の接地電位で、セグメント化された状態で、又はその他の方法で、プロセスと矛盾しない程度に低い負の直流バイアスで作動させることができる。
【００１７】
さらにもう１つの態様によると、本発明は、チャンバ及びチャンバ内に配置された標的を内含する、工作物上に材料を被着させるためのスパッタリング装置において、この装置にはさらに、再スパッタリングするために、標的材料のコーティングを受けるための導電性非標的材料の再スパッタリング用表面、及び、コーティングが表面上に形成されかつ同様に工作物上へのスパッタ被着の間に実質的に再スパッタリング表面全ての上に標的材料のコーティングがつねに存在するような形で再スパッタリングされるように、表面のバイアスを制御するための手段が含まれていることを特徴とする装置から成る。
【００１８】
本発明は更に、非標的材料が処理作業中にスパッタリングされないように及び／又は被着の均等性が増強されるように、非標的材料から作られている装置の予備コーティング要素を内含するスパッタリング装置の作動方法にも関する。本発明は更に、以上に記したその他の段階も内含しうる。
本発明について以上で定義したが、本発明は、以上で述べた又は以下に記載される特徴の発明的な全ての組合せを含むことを理解すべきである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、種々の方法で実行でき、次に一例として、添付図面を参照しながら、１つの特定の実施形態について記述する。
【００２０】
全体として１０で表されているスパッタリング装置が、図１に概略的に示されている。この装置は、ポンプ（図示せず）に連結されている排出用出口１２をもつ真空チャンバ１１を内含している。チャンバ１１の上端部は、実質的に、高度に精製された標的材料で作られた標的１３により形成され、その上には標的１３の均等な消耗を高めるため当該技術分野において周知である通りに構成され作動させられるマグネトロンアセンブリ１４が載っている。工作物つまりウェハのサポート１５が、標的１３の反対側に工作物を支持するように位置設定され、ＲＦ電源１７によりバイアスされうる。
【００２１】
チャンバ１１内部でサポート１５と標的１３の間には、標的１３からスパッタリングされた材料をイオン化しかくしてそれが好ましくはサポート１５上の負のバイアスによりウェハ１６に向かって導かれ得るようにするため、コイル１８が配置されている。コイル１８は、ＲＦ電源１９により給電を受け、標的１３は、直流電源２０により負に直流バイアスされる。標的１３から材料をスパッタリングするイオン及び例えば反応性スパッタリングの場合のように何らかのさらなる反応を作り出すガスの導入を可能にするため、ガス入口２１が具備されている。
【００２２】
ここまで、装置は基本的に従来通りであり、その動作は、当該技術分野の範囲内で充分理解される。手順は、John Wyllie and Sonsにより出版された Brian Chapmanによる「グロー放電プロセス」の第６章において特によく記述されており、この章の関連するセクションは本書に参考として内含されている。
しかしながら、以上で説明してきた通り、標的材料からコイルを形成すること及び均等な被着を達成することに関し問題が存在する。これらの問題は、以下の特徴によって現出願の中で対処されている：
【００２３】
１．コイル１８は、矢印Ａで示されているようにコイルの中を通過させることのできる液体冷却材（例えば水）のための通路を構成するような形で、ステンレス鋼管で形成される。
【００２４】
２．コイル１８は、構築に先立って標的材料で予備コーティングしてもよいが、より一般的には、前処理動作で装置１１を作動させることによって、標的材料で少なくとも部分的にコーティングされる。この前処理動作は、どの様な場合でも、この様な装置の標準的な動作の一部分である。いずれの場合でも、コーティングは、ステンレス鋼管のスパッタリングに対して保護し、工作物の処理中にコイルから再スパッタリングされるあらゆる材料が確実に標的材料であるようにする。標的材料のさらなる被着は、工作物処理段階中に起こることになる。
【００２５】
３．二次的標的つまり再スパッタリング表面を、サポートとコイル１８の間及びサポート１５の周辺に配置されるリング２２によって形成することが可能である。このリング２２は、標的１３との関係において影になっているコイルの部分上に標的材料を再スパッタリングすることができる。
【００２６】
４．リング２２は、好ましくは標的材料で形成されているが、それ自体ステンレス鋼で形成し、前処理作業中及び工作物処理中の両方において、標的から再スパッタリングのための標的材料コーティングを獲得することもできる。この場合、リングは、中空で冷却されていてよく、これによっても又ステンレス鋼は保護され得る。
【００２７】
５．標的リング２２は、優先的にウェハ１６の縁部に向かって材料をスパッタリングしかくして均等性を高めるべく位置づけされ形作られる。それが確実に標的材料でコーティングされた状態にとどまるようにするため、その負のバイアス（直流又はＲＦ電源２３）は、中央制御装置２５によって入念に制御される。標的リング２２には、ウェハ１６の縁部上への優先的スパッタリングを増強するため傾斜した表面２４ａが具備されていてよく、このリングは、コイル１８の外側部分に達するための面２４ｂをさらに内含していてよい。
【００２８】
６．コイル１８及び／又はリング２２は、標的材料の付着性を高めるためモリブデンといった材料で予備コーティングされていてよく、さらには標的材料のプリコートを有していてもよい。
【００２９】
これらの特徴の組合せは、均質性の問題に対処すると同時に、比較的廉価で冷却可能な液浸コイルの使用をも可能にするということがわかるだろう。環状の標的は、均等性の補償を提供し、これらの特徴のいずれかを独立して利用することが可能である。コイルが標的リングから別個に使用される場合には、ステンレス鋼がイオン化に対し露出される可能性を克服するべく、ダークスペース遮蔽を利用することができる。
【００３０】
標的リング２２の形状、場所及びサイズは、いずれかの特定のチャンバ又は工作物の幾何形状及びさらには実行されるべきプロセスに従って変動しうるということがわかるだろう。一般に、リングのサイズは、主標的１３より大きくなく、この標的の反対側に位置設定されることになる。内側の傾斜表面２４ａは一般に、基板表面に対して鈍角を成すことになる。電源２３及び１７は、単一電源によって形成されうる。
【００３１】
装置の動作は、適切な制御によって大幅に強化することが可能で、電源、バルブ及びポンプは中央制御装置２５にリード線２６によって接続されていることが観察されるだろう。制御装置２５は好ましくは、前処理及び被着段階中に被着されるべき厚み及び必要とされる動作順序を計算するべく予備プログラミングされうるコンピュータを内含している。
【００３２】
図１に示す装置は、チタン用イオン化スパッタリングのために利用されてきた。各ケースにおいて、標的は直流３kwで、イオン化コイルはＲＦ１．５kwで作動され、４．０Ｐａ（３０ｍＴ）の圧力でアルゴンが供給された。第１の例では、ウェハ及びリング２２は、共用電源により−５０Ｖの比較的低い値まで直流バイアスされ、これにより３０％というフィルム厚みの標準偏差（不均等性）をもたらした。この多少の差こそあれ典型的な結果は、バイアス電圧が、その特定の標的材料について再スパッタリングが起こるためのしきい値近くまたはそれより低いものであり、従って均等性の改善は見られない、ということを表わしている。これらの結果は図２に例示されている。図３では、ウェハ及びリング上の直流バイアスは−３５０Ｖでありかくしてリングからの再スパッタリングを著しく増大させ、不均等性は７．６％まで低減した。測定は、抵抗率マッピングを用いたものであり、等抵抗率ラインが「輪郭」マップとして示されている。
【００３３】
この実験はかくして、イオン化されたスパッタリング装置内の被着の均等性を改善するための再スパッタリングの使用を立証した。
さらなる実験も行なわれ、例としては、以下の結果が達成された。
【００３４】

【００３５】
絶対値では、被着された材料の厚みの増加が、ホールのベースにおいてもフィールド内でもほぼ同じであることがわかるだろう。このことは驚くべきことに、再スパッタリングされた材料が高度にイオン化されていることを示唆している。
さらなる実験は、内側斜面２４ａの角度が好ましくは５０°の領域内にあることを示唆し、５３°という角度が特に適していることが証明された。実際には、２ＭHzが単巻コイルのための適切な駆動周波数であることが証明された。
【００３６】
ＴｉＮをスパッタリングする場合、ウェハは典型的に、−３０〜４０Ｖの直流にバイアスされ、再スパッタリングは、ウェハフィールド全体に渡って受容可能な均等性を提供するよう直流１０００Ｖで駆動された。高い直流電圧は、ＲＦコイルによりクランプされている電流に起因し、従って、ＴｉＮといったさらに低い収量の材料についてはパルス直流又はＲＦ電源を使用することが望ましいかもしれない。このような手段により、電圧を再スパッタリングのリング上で減少させることが可能である。高圧は、真空フィードスルー及び遮蔽及びチャンバ部分に対するアークの発生についての問題をもたらす。
【００３７】
コイル及びさらなる標的の有効なプリスパッタコーティングを可能にする最適化されたプロセス順序は、ＤＲＡＭ相互接続ライナーのためには以下のとおりである。
【００３８】
１．ウェハサポート１５をシャッタでカバーし、チタン１３に例えば１．６Ｐａ（１２ｍＴ）で３０秒間直流１５０００Ｗを給電する。この段階は、全てのスパッタリングシステムにおいて、そして以前にスパッタリングされた材料が窒化チタンであってしかも標的表面が窒素で汚染されることになるために特にこのプロセスフローにおいては、ウェハ上へのチタンのスパッタリングに先立って行なわれる。このシステムでは、この標的清浄段階は同様にイオン化コイル及び第２の標的２２の再スパッタリング表面上に新鮮な材料を「貼りつける」。
【００３９】
２．ウェハを投入し、シャッタを開く。
３．典型的に２０ｎｍの厚さを有するチタンをスパッタリングする。
プロセス：
直流７５０Ｗを標的マグネトロン１４に印加。
直流２５０Ｗを再スパッタリング用第２の標的２２に印加。
直流接地電位イオン化コイル１８に対し２ＭHzのＲＦ電力１０００Ｗを印加。
６０秒間、４．７Ｐａ（３５ｍＴ）で１３．５６mhz のＲＦ電力により、ウェハに−３５Ｖ直流をバイアス。
この段階中、第２の標的２２から旧標的材料のみが再スパッタリングされる。
【００４０】
４．典型的に４０ｎｍの厚さを有する窒化チタンをスパッタリングする。
プロセス：
４，０００Ｗの直流電力を標的マグネトロン１４に印加。
直流２，２００Ｗを再スパッタリング表面標的２２に印加。
直流接地電位イオン化コイル１８に対し３０００Ｗの２ＭHzＲＦ電力を印加。
７０秒間、３．３Ｐａ（２５ｍＴ）で１３．５６mhz のＲＦ電力により、−３５Ｖがウェハに直流バイアス。
この段階中、再スパッタリングされた材料は消費され、再スパッタリング用標的２２の一部も同様に消費され、かくしてこの実験には、再スパッタリング用標的２２が基本的に標的材料と同一の材料の表面を有することが必要とされる。
【００４１】
ＲＦイオン化コイルは直流接地され従ってかなりのスパッタリング力（イオンボンバードメント）を受けていないこと、さらに標的によってその上に被着されず、その結果ＰＲイオン化コイルに対して標的材料の被着が無いので、ＲＦイオン化コイルはスパッタしない。
２５枚のウェハのバッチについての結果は以下の結果を生み出した。
【００４２】

【図面の簡単な説明】
【図１】スパッタリング装置の概略図である。
【図２】１つの条件下でのスパッタリング装置の作動中の均等性レベルを示すチャート及び表である。
【図３】好ましい１セットの条件についての図２と同じ表及びダイアグラムである。
【符号の説明】
１０…スパッタリング装置
１１…真空チャンバ
１２…排出用出口
１３…標的
１４…マグネトロンアセンブリ
１５…サポート
１６…ウェハ
１７…ＲＦ電源
１８…コイル
１９…ＲＦ電源
２０…直流電源
２１…入口
２２…リング
２３…直流又はＲＦ電源
２４…表面
２５…中央制御装置
２６…リード線

Claims (21)

1. チャンバ、該チャンバ内に配置された標的及び該チャンバ内で標的とは反対側に位置設定された工作物サポートを内含する、工作物上に材料を被着させるためのスパッタリング装置において、該装置にはさらに、被着の均等性を高めるべく工作物の周囲上に再度スパッタリングするために、標的材料のコーティングを有し及び／又は標的材料のコーティングを受けるための再スパッタリング表面であって、前記工作物サポートと該標的の間に配置された再スパッタリング表面、コーティングの再スパッタリングを可能にするため前記再スパッタリング表面を負にバイアスさせるための手段、及び、前記標的と前記再スパッタリング表面の間に配置されたＲＦコイル、が含まれていることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記再スパッタリング表面が、一般に前記サポートの周辺に配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記再スパッタリング表面又はその一部分が前記サポートに向かって傾斜させられている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記再スパッタリング表面がリングの上に形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記リングが一般に台形の断面を有する請求項４に記載の装置。
6. 前記表面が前記標的材料のコーティングで形成されるか、又は、少なくとも前記標的材料を有している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記表面がステンレス鋼でできている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記表面に対する標的コーティング材料の付着性を増強するため前記再スパッタリング表面上に付着性増強用コーティングをさらに含んで成る、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記再スパッタリング表面をＤＣバイアスするための手段をさらに内含する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記ＲＦコイルが非標的材料で形成されており、非標的材料のスパッタリングを防ぐべく標的材料のコーティングを受けるための外側表面又は複数の表面を有している、請求項１に記載の装置。
11. 前記再スパッタリング表面は、標的に関して影になっている前記ＲＦコイルの部分上に材料をスパッタリングするため、前記工作物サポートと前記ＲＦコイルの間に位置設定されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記ＲＦコイル及び／又は前記再スパッタリング表面が、その中に液体冷却材のための通路を構成するため中空である、請求項１〜１１の何れか１項に記載の装置。
13. 前記ＲＦコイルがステンレス鋼で作られている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記再スパッタリング表面及び／又は前記ＲＦコイルを前記標的材料でコーティングするための、工作物が存在しない第１の前処理モード及び、前記標的材料が工作物上に被着される第２の被着モードで装置を作動させるための制御手段を内含する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記制御手段は、標的材料が前記コイル及び前記再スパッタリング表面上に確実に存在するようにするために必要な条件を計算するべくプログラミングされたコンピュータを内含する、請求項１４に記載の装置。
16. チャンバ、該チャンバ内に配置された標的、該チャンバ内で前記標的の反対側に位置設定された工作物サポート、及びチャンバ内で標的とサポートの間に配置されたＲＦコイルを内含する、工作物を処理するためのスパッタリング装置において、前記コイルが非標的材料で作られており、工作物の処理以前には標的材料のコーティングを支持するか又は具備していること、及び、最初に言及した前記標的との関係において影になっているコイルの部分上に材料をスパッタリングするため、前記コイルと前記サポートの間にさらなる標的が位置設定されていることを特徴とするスパッタリング装置。
17. 前記さらなる標的が環状である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記さらなる標的が一般に台形の断面を有する、請求項１６又は１７に記載の装置。
19. 前記コイル及び／又は前記さらなる標的が、中に液体冷却材用通路を構成するべく中空である、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記コイル及び／又は前記さらなる標的がステンレス鋼でできている、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記コイル上のコーティングが、当該装置の前処理作業中少なくとも部分的に前記標的からスパッタリングされることによって形成されるように、当該装置を動作させるための制御手段をさらに含む、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の装置。

Images