JP4685994B2 - スパッタチャンバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、スッパタされた粒子がターゲットの側壁上に再堆積しないようにするスパッタターゲットに関する。特に、本発明は、全ての再堆積した種がイオンスパッタリングにより直ちにきれいにされるように、それ自身がスパッタされる側壁を有するスパッタターゲットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリングのプロセスは、固体金属、例えばアルミニウムがソース（“ターゲット”とも呼ばれる）として用いられる物理気相堆積（ＰＶＤ）技術である。金属原子は高エネルギーイオンの衝撃でターゲットから金属原子を取り出すことによって生成される。スパッタリングを生じる高エネルギーイオンはプラズマによって発生されたアルゴンのような不活性ガスのイオンである。
従来のスパッタリングターゲットを含む従来のスパッタリングチャンバの簡単な断面図が図１に示されている。一般に、チャンバ１０は、少なくとも１つのガスの入口１４を有するチャンバのエンクロージャー（囲い）の壁１２を有する。基板支持ペデスタル２０がチャンバ１０の下端に配置され、ターゲット１８がチャンバ１０の上端に取付けられている。ターゲット１８は絶縁部材２２、例えばアルミニウムの酸化物、によってエンクロージャーの壁１２から電気的に絶縁される。この絶縁部材２２は、ターゲット１８とエンクロージャーの壁１２間に電気的短絡回路を形成する、それらの上の堆積をさけるために、ターゲットの下面２４より上に一般に位置される。エンクロージャーの壁１２は好ましくは接地されので、接地されたエンクロージャーの壁１２に対して、負の電圧がターゲット上に維持される。シールド２６は、チャンバ１０内につり下げられ、ペデスタル２０が図１に示されるようにチャンバ１０内において下方に縮められたとき、クランプリング３０（或いは、コリメータ）がペデスタル２０の上方に掛けられる環状の、上向きの壁２８を有している。
【０００３】
バイアススパッタリング(bias sputtering) において、チャンバは、ターゲット１８から電源３４によって発生されるプラズマに関して、負の電位に保持されている基板３２へ粒子をスパッタリングすることによって、金属膜を形成するために用いられる。スパッタされた金属原子、或いは原子グループの大部分は、チャンバ内に保持された低い気圧によって、角度分布に関して実質的にリニアな軌道に従う。スパッタリングチャンバ１０におけるガスの成分および圧力は、チャンバをアルゴンで数ミリトールの圧力に満たす前に、チャンバをおよそ１０^-7トールまで真空にすることによって、一般に達成される。これらのガスの圧力においてペデスタル２０は、ターゲット１８と基板３２間の距離がアルゴンのガス分子の平均自由行程より小さくなるように、チャンバ内で上昇される。従って、多くのスパッタされた粒子は、衝突することなく基板へ直接移動する。
【０００４】
しかし、スパッタされた粒子の大部分は、ガスとの衝突や電界効果等により、ガス内に散乱される。これらの散乱された粒子は、壁１２、絶縁部材２２、ペデスタル２０、クランプリング３０またはシールド部材２６、およびターゲット自体を含むチャンバのいろいろな表面に再堆積する。絶縁部材２２への導電性スパッタ材料の再堆積によって、ターゲット１８とエンクロージャーの壁１２間に電気的短絡が事実上形成され、そのチャンバは停止されたり、クリーニングされる必要を生じる。他のチャンバ表面への再堆積は、周期的に薄片となって落ちる材料の増大をもたらし、それにより集積回路に致命的な欠陥を生じる好ましくない微片を生成する。
スパッタチャンバにおける粒子の集中を減少するための努力において、多くのいろいろなアプローチが取られている。例えば、チャンバにおける粒子の集中を制御する方法は、スパッタされた粒子がチャンバ壁上に直接堆積するのを防止するスパッタシールド（例えば、図１におけるシールド２６）の使用を含んでいる。スパッタシールドは、増大の程度が制限されるようにプロセスキットの一部として定期的に取替えられる。この方法は、チャンバ１０がきれいにされなければならない周期を減少することができるが、スパッタされた粒子の断片が、シールドの周りを通過し、クリーニングが必要であるようなチャンバ壁上に堆積および成分を事実上形成する。
【０００５】
スパッタチャンバにおける粒子の集中を減少する他の方法は、堆積物と反応するクリンーニングガスを導入している。これらの反応のガス状の副産物は、真空ポンプに結合された排気ポートを通してチャンバから除去される。しかし、堆積プロセスは、クリーニングプロセス中および堆積プロセスが再び始まる前のクリーニングおよび副産物のガスの排気中は停止されなければならない。従って、ここに記載されたこれらの方法の何れも、堆積物が形成するのを妨げるよりは、すでに形成したチャンバの堆積物を除くことを目的としている。
ターゲット自体の側壁へのスパッタされた材料の再堆積は、チャンバにおける好ましくない粒子源として認識されている。チャンバの雰囲気において散乱されたスパッタされた粒子は、ターゲットの側面に再堆積し、蓄積して、材料の微片またはシートを形成する。基板上へのスパッタ堆積中に、直流（ＤＣ）電源がターゲットに印加され、基板間のターゲットから除かれる。再堆積された材料ばかりでなくターゲットも連続的に加熱されたり、冷却されたりし、それによりそれ自体を熱ストレスにさらす。ある期間にわたって、このストレスは、ターゲットの側壁上に堆積された材料の粒子が離れて、基板上に落下するようにする。
【０００６】
ターゲットの側壁上の再堆積を防ぐ１つの試みはが図３に示されている。チャンバ５０は、スパッタされるターゲット面５４の一部になっている部分的に傾斜した周辺エッジ５２を有する、プラズマに接触しているターゲットを含む。傾斜したエッジ５２は、再堆積が生じる側壁５６の表面積を効果的に減少する。この側壁は、ターゲット５１がエンクロージャーの壁１２から電気的に分離する絶縁体５８へ直接粒子の見通しスパッタリングを避けるために必要である。
しかし、前述の努力にもかかわらず、形成されている集積回路を損傷する微片を殆ど発生しないスパッタチャンバに対する必要性がある。更に、ターゲットの側壁へスパッタされた粒子の再堆積を除き、絶縁体上へのスパッタされた材料の増大を防ぐスパッタチャンバおよびスパッタターゲットに対する必要性がある。もし、チャンバが追加の装置を必要せず、取替えプロセスキットとして据え付けられるならば、それは望ましいことである。
【０００７】
【本発明の概要】
本発明は、ターゲットの側壁への再堆積をなくす物理気相堆積システム用のスパッタターゲットを提供する。このターゲットは、中央領域と傾斜されてエッジを有するスパッタできる材料を有する。中央領域は、実質的に平らであるか、所望の堆積特性を達成するために等高線の輪郭がつけられる。しかし、ターゲットは、一般に丸いのが好ましく、実質的に切頭円錐形(frustoconical) 状の傾斜のついたエッジを有している。ターゲットのエッジは、約１５度と約６０度の間、好ましくは、約２０度と約４５度の間の角度で中央領域に関して傾斜している。
ターゲットは、バッキングプレートに取り付けるられてもよい。
本発明は、エンクロージャー、アノードを形成する基板支持部材、およびエンクロージャー内にあり、アノードから電気的に絶縁された、基板支持部材に面したスパッタターゲットを含む改善されたスパッタチャンバを提供する。上述されたターゲットは、チャンバに設けられ、プラズマを生成するためのＤＣ電源に結合される。スパッタシールドは、ターゲットと共に用いられ、絶縁部材への見通しの堆積から、バッキングプレートとエンクロージャーの壁の間に配置された絶縁部材を保護する。
【０００８】
更に、本発明は、スパッタリングチャンバ用のプロセスキットを含む。このキットは中央領域を有するターゲット、傾斜した側壁と周辺エッジおよびターゲットの周辺エッジに向かって延びるスパッタシールドを含み、それらの間にギャップを形成する。好適なギャップは、プラズマがギャップに入るのを防止するように充分小さい。スパッタシールドは絶縁部材への見通しの堆積を防止する。
【０００９】
【実施の形態】
本発明の特徴、利点、目的が達成される態様が詳細に理解されるように、上述の要約された本発明の特定の記載が、添付図面に示された実施の形態を参照することによって成される。
添付図面は、本発明の代表的な実施の形態のみを示しており、従って、本発明の範囲を定めることを意図するものでないことが留意されるべきである。
本発明は、一般に、ターゲットへのスパッタされた材料の再堆積がないようにし、ターゲットとエンクロージャーの壁間の絶縁部材上への堆積物の形成を防止する改善されたスパッタチャンバを提供する。スパッタターゲットとシールドは、見通しの堆積から絶縁部材を保護する一方で、プラズマがターゲットの全側壁をスパッタするように設計される。
【００１０】
図２を参照すると、本出願と共通の譲渡人を有する継続中の米国特許出願に開示された、ターゲットの側壁上への再堆積を防ぐための新規なスパッタターゲットをシールドの設計が示されている。ターゲット４０の形状は、その周りに逆角度の出張りを形成する側壁４２を有する。シールド２６は、シールド２６とターゲットの側壁４２間の狭い通路を形成するために、ターゲット１８の下面４６より上方に延び、バッキングプレート４８に近づく上側部分４４を有する。この狭い通路４９は、ターゲットの側壁４２に接触するスパッタ材料の量を制限する。更に、この通路を通って入るスパッタ材料の僅かな量は、バッキングプレート４８上、或いは逆角度の側壁４２上に堆積することができる。従って、幾らかの粒子の発生は、以前として起こる。
【００１１】
図４および図５(a)-(d) を参照すると、中央部分とターゲット周辺の傾斜したエッジ又は側壁面を有してディスク形状化されている本発明のターゲットが示されている。中央領域は、従来のものによってわかるように、実質的に平らでかる（図４および図５(a)-(c))か、あるいは等高線の輪郭（図５(d))を有している。更に、ターゲットのエッジまたは側壁の傾斜は一定であっても、変化していてもよい。好適なエッジ６４は図５(a) に示されており、ターゲット６２は円形で、エッジの傾斜は中央領域６２からバッキングプレートまで一定であり、切頭円錐形状面６４を形成する。ここで用いられている用語“切頭円錐形”は、表面が円錐形の一部を形成していることを意味する。傾斜した側壁は平らなターゲット面に対して垂線より充分小さな角度α（９０度より小さい）で傾斜しており、プラズマがターゲットの全面をスパッタすることができる。即ち、スパッタされるターゲット面は、平らな面と傾斜した側壁を有する。このようにして、傾斜した側壁に再堆積されたあらゆるスパッタされた粒子は、再スパッタされるので、材料が傾斜した側壁を含むターゲット面上の何れの場所にも積もることができない。
【００１２】
図５(b) に示されるように、プラズマが全ての面をスパッタする場合には、ターゲット８０は、１つの傾斜した部分より多い側壁８０、８４を有してもよい。従って、個々の傾斜した部分８２、８４の双方は、それぞれ約１５度と約６０度の間、好適には約３０度と約４５度の間の角度の傾斜α₁ と傾斜α₂ を有する必要がある。更に、図５(c) に示すように、プラズマが全ての面をスパッタする場合には、ターゲット９０はカーブした（曲線状の）側壁を有してもよい。一般に、これは、傾斜した部分に対して規定された範囲内で、曲線９２に接するラインが角度α_max を有する必要がある。更に、図５(d) に示されたターゲット１００は、中央領域１０６と側壁１０２間でゆるやかな移行或いはカーブした面１０４を含む側壁１０２を有する。図５(d) は、等高線の輪郭のあるターゲットの中央領域１０５も有している。
【００１３】
図４に戻って参照すると、ターゲットは、ターゲットの傾斜した側壁がバッキングプレートと出合う点に近接して上方に延びるスパッタシールドと協同する。従って、シールドは、スパッタ材料の著しい量がバッキングプレートに再堆積するのを防止する。もし、あらゆる堆積物がバッキングプレート上に積ったなら、そこから生成さた殆どの粒子は、シールドとバッキングプレート間に形成された狭い通路内に残るであろう。更に、好ましくは、シールドは絶縁部材の頂部上まで、或いはその近くまで延びて、ターゲットからいかなる見通しの堆積もないようにする。図４の絶縁部材はバッキングプレートから下方へある距離隔てられて示されているけれども、この絶縁部材は、図１の絶縁体の位置を含んで、本発明の範囲内でバッキングプレートに近い距離に、あるいはそこから遠い距離に位置されることができる。
【００１４】
本発明の利点は、ターゲット及びシールドが他のスパッタチャンバの据え付けられた基台内で用いることができることである。本発明のターゲット及びシールドは、他のターゲット及びシールドの交換する場合に使用され、それらはプロセスキットの一部として定期的に取替えられる。
再び図４を参照すると、本発明のスパッタリングチャンバの簡単な断面図が示されている。チャンバ６０は、少なくとも１つのガスの入口１４を有するチャンバのエンクロージャーの壁１２を一般に有する。基板の支持ペデスタル２０はチャンバ６０の下端に配置され、ターゲット６２はチャンバ６０の上端に取付けられる。ターゲット６２はエンクロージャーの壁１２から絶縁部材２２、例えばアルミニウム酸化物によって電気的に絶縁されている。エンクロージャーの壁１２は、好ましくは接地されており、接地されたエンクロージャーの壁１２に対して負の電圧がターゲット上に保持される。シールド７０がチャンバ６０内につり下げられ、ペデスタル２０が図４に示されるようにチャンバ６０内において下方に縮められたとき、クランプリング３０（或いは、コリメータ）がペデスタル２０の上方に掛けられる環状の、上向きの壁７２を有している。
【００１５】
処理のためにチャンバ６０へ半導体ウェハまたは基板を受け入れるための準備において、基板の支持ペデスタル２０は、ペデスタルの底がピンの位置決めプラットフォーム１３に接近するようにシールド７０上に掛けられたクランプリングの充分下へ駆動機構によって下降される。ペデスタル２０は、代表的に３つ、或いはそれ以上のボア（図示せず）を有し、その各々は垂直にスライド可能なピン１５がそこを通過するようにする。ペデスタル２０がいま記載した下降された位置にあるとき、各々のピンの上部先端は、ペデスタル２０の上面より上に突出する。ピン１５の上部先端は、ペデスタル２０の上面に平行な面を規定する。
代表的には、従来のロボットアームは基板３２をチャンバ６０へ運び、その基板３２をピン１５の上部先端上に置く。昇降機構１７はピンのプラットフォーム１３を上方へ移動し、基板３２の下側に対してピン１５の上部先端を配置し、更に、基板３２をロボットブレード（図示せず）から離して上昇する。そこで、ロボットブレードはチャンバ６０から引っ込められ、昇降機構１９はペデスタル２０をピン１５より上に上昇し、それにより基板をペデスタル２０の上面に配置する。
【００１６】
昇降機構１９は、基板３２がターゲットから適切な位置にくるまでペデスタル２０を上昇し続ける。環状のクランプリング３０が用いられた場合、基板３２は、上方に折れ曲がった壁部分７２に載っている環状のクランプリングの内部に接触する。クランプリング３０の内径は基板の直径より僅かに小さい。
この点で、膜の堆積プロセスが始まる。プロセスガス（代表的にはアルゴン）がガスの入口１４をとおしてチャンバ６０へ供給され、ＤＣ電源３４は負の電圧をスパッタリングターゲット６２に印加する。この電圧はアルゴンガスをプラズマ状態に励起し、アルゴンイオンは負にバイアスされたターゲット６２に衝突して、ターゲットの材料をスパッタする。スパッタされた材料は、クランプリング３８によってシールドされた基板の周辺を除いて、基板３２上に堆積する。
【００１７】
膜の層が基板３２上に堆積した後、基板は、基板がチャンバへ運び込まれたステップのシーケンスと逆のシーケンスによって、チャンバから取り出される。特に、昇降機構１９はペデスタル２０を上方に曲げられた壁の部分７２より下へ下降させるので、クランプリングの重量が基板３２とペデスタル２０によってでなく、シールド７０によって支持されるように、クランプリング３０は下がる。昇降機構１７は、基板３２が支持部材２０の面より上へ持ち上げられるまで、ピン１５を上昇する。ロボットブレードは、ピン１５が下降される前に基板の下の位置にチャンバへ入れることができる。
本発明の１つの特徴は、プラズマによってスパッタされるターゲット面６６の一部になるように著しく傾斜された周辺部分或いは側壁を含むターゲットを有するチャンバ６０が提供される。図４の角度αによって規定された傾斜は約１５ど約６０の間にあり、好ましい角度αは約３０と約６０度の間にある。基板に実質的に平行なターゲットの中央の平らな部分は基板の直径より大きい直径を有しているのが好ましい。このように設計されたターゲットにとって、ターゲット６２の全面６６がスパッタされ、ターゲットの一部が再堆積された材料を累積することができない。ターゲット上に再堆積された材料の累積がないので、破損粒子の形成が減少され、あるいは除かれる。
【００１８】
シールド７０はチャンバ６０内に設けられ、バッキングプレート６８と絶縁部材２２への材料の再堆積を制限する。シールド７０はターゲット側壁６４の外周に隣接するバッキングプレートに近接するように上方に延びて、シールド７０とバッキングプレート６８間の非常に狭い通路６９のみを残す。この狭い通路は２つの特徴を与える。即ち、第１に、シールドとバッキングプレート間の距離として規定された通路６９は著しく狭く、通路におけるプラズマの形成に対し導電性でない状態を維持し、次に、通路６９はシールドとターゲットとの組み合わせにおいて、粒子がターゲット材料の周辺に露出されたバッキングプレート面に堆積する電位を最小にするように遠回りの通路を与える。プラズマの形成を妨げるにの必要な通路の狭さは、ガスの圧力およびシールドとバッキングプレート間の電位がわかると、当業者によって容易に決定される。しかし、通路はシールドとバッキングプレート間にアークが生じるほど小さく或いは狭くする必要はない。
【００１９】
更に、シールドは、見通しの堆積が絶縁材料上に生じることを防ぐために、絶縁部材の頂部上に或いはその近くに延びるのが好ましい。シールドの残りの部分はクランプリング或いはコリメータ３０の支持のための機構を含んでいれば、どのような形状でもよい。シールド７０は取替え可能な部材であり、好ましくは、ターゲットと一緒に、或いは多数のターゲットの後に定期的に取替えられるプロセスキットの一部であるのが最も好ましい。本発明のターゲットとシールドは一緒に用いられるのが好ましいが、それらは、別々に用いられてもよいことが認識されるべきである。
本発明の他の特徴は、スパッタチャンバ６０において使用するためにターゲット６２とシールド７０を有するプロセスキットが提供されることである。このプロセスキットは、同じ、あるいは異なる周期で取替えられるターゲットとシールドと共に定期的に取替えられるのが好ましい。
【００２０】
以上は、記載本発明の好適な実施の形態について記載されたけれども、本発明の他の実施の形態は、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく考えられる。
本発明の範囲は、特許請求の範囲の請求項によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスパッタリングターゲットを含むスタッパリングチャンバの簡単な断面図である。
【図２】ターゲットの側壁への再堆積を減少するために、逆角度の突起を有するターゲットおよびその突起と協同するシールドを含むスパッタリングチャンバの簡単な断面図である。
【図３】傾斜のあるエッジを有するターゲットおよび窪みのある絶縁体を含むスパッタリングチャンバの簡単な断面図である。
【図４】プラズマによってスパッタされるターゲット面の一部となるように、充分に傾斜がつけらえた側壁を有するターゲットを含む、本発明のスパッタリングチャンバの簡単な断面図である。
【図５】 (a)-(b) は、本発明の範囲内のいろいろな輪郭を有するターゲットの側面図である。

Claims (1)

1. スパッタチャンバであって、
   エンクロージャと、
   アノードを形成する基板支持部材と、
   前記エンクロージャ内の前記基板支持部材に面し、前記アノードから電気的に絶縁されたスパッタターゲットと、
   前記スパッタターゲットに結合されたＤＣ電源と、
   を具備し、
   前記スパッタターゲットが中央領域と切頭円錐状に傾斜したエッジとからなり、
   前記スパッタターゲットが円形であり、
   プラズマが前記スパッタターゲットの全表面をスパッタすることができるように、前記傾斜したエッジの表面が、前記中央領域から前記スパッタターゲットの周辺まで延びる曲線を有し、
   前記曲線上における各接線の前記中央領域に対する角度が最大で６０度であり、
   さらに、当該スパッタチャンバが、
   前記スパッタターゲットを前記アノードから電気的に絶縁させる絶縁部材と、
   前記スパッタターゲットの前記エッジに向かって延びて、該エッジとの間にギャップを形成するスパッタシールドと、
   を具備し、
   前記ギャップは、前記プラズマが該ギャップに入るのを妨げるように十分に小さいものであり、
   前記スパッタシールドが、前記スパッタターゲットの前記エッジと前記絶縁部材との間に配置され、
   前記スパッタシールドが、前記絶縁部材における見通しの堆積を防ぐものである、
   ことを特徴とするスパッタチャンバ。

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