JP5291338B2 - スパッタ反応装置内で金属バリアを形成するために特にマルチステッププロセスで使用される可変四重電磁石アレー - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、一般に基板のプラズマ処理に関する。特に、本発明は、スパッタ反応装置内で使用される、特にマルチステッププロセスのバリアプロセスで使用されるＲＦコイル及び補助磁石、例えば電磁石に関する。

物理的気相堆積法（ＰＶＤ）とも呼ばれるスパッタリングは、半導体集積回路の製造において幾つかの異なる金属層及び関連する材料を堆積させるために使用される。要求の厳しい一用途においては、最も典型的には、シリコン酸化物又は同様の酸化物材料から成る層間絶縁層中にエッチングされ、多くの場合に層間誘電体層を貫通する狭いホールの壁部上及び底部上に薄いバリア層がスパッタされる。ホールの残りは、その後、誘電体層を貫通するビア内で垂直に電気的接続を果たす、又は誘電体層の表面に形成されたトレンチ相互接続内で水平に電気的接続を果たすために金属で満たされる。バリア層は、金属と酸化物誘電体との間で拡散を防止し、それにより、酸素が金属導電率を悪化させないようにするとともに、金属が誘電体の抵抗率を減少させないようにする。

高性能集積回路では、銅がメタライゼーション材料として益々使用されている。これは、銅の高い導電性及び低いエレクトロマイグレーションによるものである。銅メタライゼーションに関しては様々なバリア材料が提案されてきた。最も一般的なバリア材料は、タンタル系であり、典型的にはＴａＮ層が酸化物に対する接着を行ない且つＴａ層がその上に堆積された銅のための濡れ層を提供するＴａＮ／Ｔａ二層構造の形態を成している。図１に断面で概略的に図示されるマグネトロンスパッタ反応装置１０は、Ｔａ及びＴａＮから成る薄膜を、高アスペクト比のホール内に効果的にスパッタすることができるとともに、基板をプラズマ洗浄し且つ堆積されたタンタル系膜の一部を選択的にエッチングするように更に作用することができる。反応装置１０は、中心軸１４を中心に略対称に配置された真空チャンバ１２を含んでいる。真空ポンプシステム１４は、１０^−６トールの範囲の非常に低いベース圧力までチャンバ１２を真空引きする。しかしながら、マスフローコントローラ２０を介してチャンバに接続されたガス源１８は、スパッタ作動ガスとしてアルゴンを供給する。チャンバ１２内のアルゴン圧力は、典型的に低いミリトール範囲に保たれる。第２のガス源２２は、タンタル窒化物が堆積される際に、別のマスフローコントローラ２４を介して窒素ガスをチャンバ内に供給する。

中心軸１４を中心に配置されたペデスタル３０は、スパッタコーティングされるウエハ３２又は他の基板を保持する。ウエハ３２をペデスタルに対して保持するために図示しないクランプリング又は静電チャックが使用されてもよい。導電性を有し且つ電極としての機能を果たすペデスタル３０には、静電結合回路３６を介してＲＦ電源３４が接続されている。プラズマの存在下で、ＲＦバイアスがかけられたペデスタル３０は、プラズマ中のプラスイオンを引き寄せて加速させる際に有効なマイナスＤＣバイアスを生み出す。電気的に接地されたシールド３６は、チャンバ壁及びペデスタルの側部をスパッタ堆積から保護する。ペデスタル３０と対向してターゲット３８が配置されており、このターゲット３８はアイソレータ４０を介してチャンバ１２に対して真空密閉されている。ターゲット３８の少なくとも前面は、ウエハ３２上に堆積される金属材料から成り、この場合にはタンタルから成る。

ＤＣ電源４２は、ターゲット３８に電気的にバイアスをかけて、接地されたシールド３６に対してターゲット３８をマイナスの電圧にする。それにより、アルゴンがプラズマ中に放出され、プラスに帯電されたアルゴンイオンがマイナスにバイアスがかけられたターゲット３８へと引き付けられ、それによりタンタルをスパッタする。タンタルの一部はウエハ３２上に落下してタンタルターゲット材料層を堆積させる。反応性スパッタリングにおいては、更に、スパッタされるタンタルと反応させるために反応窒素ガスが窒素源１８からチャンバ１２内へと供給され、それにより、ウエハ３２上にタンタル窒化物層の堆積が起こる。

また、反応装置１０は誘導コイル４６を含んでおり、このコイルは、好ましくは、接地されたシールド２６の内側で中心軸１４の周囲に巻回され且つペデスタル３０の上側にターゲット３８までの距離のおおよそ１／３の距離で位置された１つの幅広い巻回部を有している。コイル４６は、接地されたシールド２６又は別の内側管状シールド上に支持されているが、シールドから電気的に絶縁され、また、コイル４６に給電するために、電気的なリード線がシールド２６及びチャンバ１２の側壁を貫通している。コイル４６は、ターゲット３８と同じバリア材料から成ることが好ましい。ＲＦ電源４８は、ＲＦ電流をコイル４６に印加して、軸方向ＲＦ磁場をチャンバ内に引き起こし、したがって、電力をプラズマに結合してその密度を高める際に非常に有効な方位角ＲＦ電場を生じさせる。誘導結合されたＲＦ電源は、ターゲット電力がＯＦＦされるときには一次プラズマ電源として使用されてもよく、また、スパッタ反応装置は、アルゴンイオンを用いて或いは他の目的でウエハ３２をエッチングするために使用できる。代替として、誘導結合されたＲＦ電源は、ターゲット３８へと延びるプラズマの密度を増大させるように作用してもよい。

コイル４６は、比較的幅広くてもよく、また、適切な条件下で二次スパッタリングターゲットとしての機能を果たすためにタンタルから成っていてもよい。

ターゲットスパッタ率及びスパッタ原子のスパッタイオン化率は、ターゲット３８の裏側にマグネトロン５０を配置することにより大きく増大させることができる。マグネトロン５０は、小型で、強力で、不安定であることが好ましい。小ささ及び強度はイオン化率を増大させ、また、不安定さは、スパッタイオンをウエハへと案内し且つ壁に対するプラズマ損失を減少させるという少なくとも２つの効果のために磁場を処理領域へ投入する。このようなマグネトロンは、中心軸に沿って１つの磁極性をもつ内側磁極５２と、内側磁極５２を取り囲み且つ反対の磁極性を有する外側磁極５４とを含んでいる。ターゲット３８の前方において磁極５２，５４間で延びる磁場は、ターゲット４６の前面に隣接する高密度プラズマ領域５６を作成し、これにより、スパッタ率が増大する。マグネトロン５０は、外側磁極５４の全磁力、すなわち、そのエリアにわたって合成された磁束が内側磁極のそれよりもかなり大きく、例えば２ファクタ以上大きいという意味で不安定である。不安定な磁場がターゲット３８からウエハ３２に向けて投入され、これにより、プラズマが拡張して、スパッタイオンがウエハ３２へと案内されて、側部へのプラズマ拡散が減少される。より均一なターゲットスパッタリングパターンを与えるため、マグネトロン４０は、典型的に、中心軸１４に対して非対称な三角形状に形成されるが、中心軸１４に沿って延び且つ磁極５２，５４を支持するプレート６６に固定された回転軸６２をモータ６０が駆動させ、これにより、マグネトロン４０が中心軸４０を中心に回転されて、方位角的に均一な時間平均化された磁場が生成される。対向する円筒状の永久磁石から成るそれぞれのアレーによって磁極５２，５４が形成される場合、プレート６６は、磁気ヨークとしての機能を果たすため、磁気的に軟らかいステンレススチールなどの磁性体によって形成されることが有益である。その全体が参照として本明細書に組み込まれる２００４年９月２３日に出願された米国特許出願１０／９４９，６３５号においてＧｕｎｇらにより記載されるように、スパッタリングプロセスの異なる段階とチャンバ洗浄との間でマグネトロンの径方向位置を変えることができるマグネトロンシステムは知られている。

タンタルを高アスペクト比のホール内にスパッタするには、スパッタリング状態を注意深く制御して、ウエハ全体にわたって堆積均一性を釣り合わせるとともに、上端平面をエッチングすることなくＴａ及びＴａＮの両方において良好な側壁被覆率を得ることが必要である。ビア底部は、層間に銅接点を設けるためにビア内でコーティングされないままであることが好ましく、一方、トレンチ底部は依然としてコーティングしたままにしておく必要がある。スパッタリングプロセスには３つの活性種、すなわち、中性タンタルＴａ^０、タンタルイオンＴａ^＋、アルゴンイオンＡｒ^＋が存在する。ウエハバイアスの不存在下でのウエハにわたるこれらの活性種の流束分布が図２，３，４にプロットＡ，Ｂ，Ｃで示されている。これらの全てのプロファイルは、ウエハと適度に寸法付けられたターゲットとの間の限られた間隔に起因する幾何学的効果により、また、プラズマイオンが低い磁場の中心領域へと拡散する傾向があることにより、中央において重く、エッジにおいて軽い。ウエハバイアスが無い場合、図５に示される正味のタンタル堆積プロファイルは、２つのタンタルプロファイルの合計Ａ＋Ｂである。中央のピークは、ターゲットエッジの近くで重いスパッタリングを引き起こすようにマグネトロンを形成することにより幾らか抑えることができる。しかしながら、このアプローチにより、スパッタされたタンタル流束は、ウエハの中心に向かう大きな水平速度成分を有するようになる。径方向粒子の非対称性は、コーティングされるホールの対向する壁間の非対称性を生じさせる。代替として、径方向堆積の均一性を高めるためにウエハバイアスを使用することができる。特に、ウエハバイアスを最適化することにより、アルゴンイオンは、堆積するタンタルを部分的にエッチングすることができる。また、アルゴンプロファイルも中央でピークに達するため、タンタルエッチングも中央で強くなる。図５のプロファイルにより示される最適化された正味タンタル堆積はＡ＋Ｂ−αＣの合計である。ここで、αはバイアスによって決まる。プロファイルは完全に均一ではないが、中央部での堆積をエッジでの体制と略等しい程度まで減少させることができる。ウエハバイアスが更に増大されると、結果として得られる図７に示されるプロファイルは、軽い中央の堆積に対して、重いエッジ堆積を示す。これは図６のプロファイルよりも悪化していると考えられる。

バイアスの最適化それ自体は、プロセスウインドウが比較的狭いという問題を有している。最適な状態からの変動が小さくても、正味タンタル堆積に大きな変化をもたらす場合がある。側壁被覆率、底部除去、部分的なブランケットエッチングのためには、同様のタイプの釣り合わせが必要とされる。従来、そのような釣り合わせは、主に、ターゲット電力、バイアス電力、コイル電力の変動によって行なわれてきた。より制御された変数は、最適化プロセスを容易にするとともに、恐らく更に広いプロセスウインドウを与える。

スパッタリング状態を制御するために補助的なマグネットアレーが提案されてきた。永久磁石は、ＲＦコイルが無い簡単なＤＣマグネトロンスパッタ反応装置の構造において均一性を高めることを示してきた。しかしながら、磁化量が容易に変えられないため、最適化は依然として難しい。ソレノイドコイルも示唆されてきた。ソレノイドコイルを駆動するＤＣ電力は更に容易に変えることができるが、それは依然としてたった１つの更なる制御である。また、ソレノイドコイルは、チャンバの外側に浮遊磁場が生成されるという問題を引き起こす。スパッタ反応装置は、しばしば、クラスタツール上で、他のスパッタ反応装置又は厳重に制御される磁場に依存する他のタイプの反応装置と狭い間隔で置かれている。したがって、交差効果を回避する必要がある。慣例は、反応装置の中心から２０インチ（５０ｃｍ）の場所で浮遊磁場が１ガウス（約１／２ガウスの地磁気と比較して）を超えないようにするということである。距離は、クラスタツール上の隣接する反応装置の場所に略対応している。低レベルの浮遊磁場は、３００ｍｍウエハを処理する反応装置において厳しい要件を与える。

米国特許６，３５２，６２９においてＷａｎｇにより、また、米国特許６，７３０，１９６においてＷａｎｇらにより開示されるように、電磁石がスパッタリング反応装置に対して適用された。Ｇｕｎｇらは、同一出願人による米国特許１０／６０８，３０６におけるスパッタ反応装置で使用するための実質的に同じ半径を有する２つの同軸電磁石を開示している。

集積回路における特徴サイズが減少し、様々な層の深さ及び厚さも減少するにつれて、高アスペクト比のビア内で側壁被覆率を達成して底部バリア層を除去する際に非常に活性なスパッタイオンを使用することは好ましくない。これは、これらのスパッタイオンがダメージを引き起こす場合があるからである。それにもかかわらず、選択的な堆積及び除去は依然として必要とされる。

ウエハの移送及びチャンバのポンプダウンは高い諸経費がかかる。したがって、所望の構造を達成する際に必要とされるチャンバの数を減らすことが望ましい。多くの異なるモードで、例えばプロセスの異なるステップ中にウエハバイアス及びイオン化率を変化させてスパッタ反応装置を使用することは知られている。突出部又は底部バリアを除去するためにバリアメタルが堆積された後にウエハをアルゴンでスパッタすることもできる。従来、チャンバは、複数の動作モードにおいて最適化されてこなかった。これらの異なるステップに焦点を当てて異なる磁気を与えることが望ましい。

更なる検討材料は、タンタル及び銅の堆積並びに幾つかの耐熱金属の堆積の両方を含む高度な用途において同様のスパッタ反応装置が異なるプロセスで使用されるということである。タンタルバリア堆積の場合であっても、異なる製造ラインが異なる構造のために最適化し、また、同じ製造メーカーの場合であっても集積回路の設計が経時的に発展する。したがって、プロセスの最適化を簡単に行なうことができ且つ異なる堆積ステップ及び材料の必要性を満たすように適合可能な十分な自由度をもつスパッタ反応装置を製造することは商業的に有益である。

発明の概要

プラズマスパッタ反応装置は、チャンバの軸を中心に配置された電磁石コイルのアレーを含んでいる。コイル電磁石のうちの少なくとも２つは異なる半径を有している。アレーは、好ましくは３つの電磁石を含んでおり、更に好ましくは矩形アレーを成して配置された４つの電磁石を含んでいる。

また、本発明は、異なる磁場分布を生成するために電磁石が異なるステップで異なる給電を受けるマルチステップ堆積プロセスも含んでいる。電磁石アレーは、プラズマに電力を供給するためのＲＦコイルを有するスパッタ反応装置に適用されるのが有益であり、アレーは、ＲＦコイルの略裏側に置かれる。また、ＲＦコイルは、スパッタリングを促進させるためにＤＣバイアスがかけられてもよい。本発明のマルチステッププロセスはＲＦの異なる給電を含んでいる。

複数の独立した電源又は電流切換回路は、アレー中の異なるコイルに対して異なる比率の電流を選択的に印加する。これにより、スパッタ反応装置を異なるモードで動作させることができる。特に、ある１つのコイル電流分布を伴うある１つのモードは、ターゲットからの材料を基板上に対してスパッタし、別のコイル電流分布を伴う別のモードは、例えばアルゴンイオンを用いて基板をエッチングする。

また、本発明は、スパッタ反応装置の外側に離れて延在して他の反応装置に影響を及ぼす可能性がある浮遊磁場を減少させるのに役立つ。コイル間の磁気コア及び内側コイルと外側コイルとの間の特定の比率の逆回転コイル電流により磁場シールドが高められる。

四重電磁石コイルアレーは巻線スプール上に巻き付けられてもよい。２つの内側コイルは、最初に、それらの間にある非磁性径方向スパレータを用いて巻き付けられる。管状の軸方向に延びるセパレータが内側コイルの外面上にわたってスライドされるとともに、このセパレータは別の非磁性径方向セパレータを含んでいる。外側の２つのコイルは管状のセパレータ上に巻き付けられる。幾つかの実施形態において、管状セパレータは磁性体により有利に形成され、それにより、チャンバの外側で浮遊磁場が減少されるとともに、チャンバ内の所定の磁場強度のために必要な電流が減少される。

マルチコイルアレーは、例えば径方向外側にある電磁石コイルのうちの少なくとも２つと熱的に接触するように固定された螺旋冷却コイルを通じて循環する水又は他の冷却剤によって冷却されてもよい。金属コイルセパレータは、径方向外側の冷却コイルから内側コイルへの熱伝達を容易にする。

バリア層を堆積させるそのようなスパッタ反応装置で実行されるマルチステッププロセスは、エッチングステップを含んでいてもよい。マルチステッププロセスの一実施形態は、スパッタイオン化及び強いウエハバイアスを促進させてイオンエネルギ及び方向性を高めるために高ターゲット給電下でタンタルなどの耐熱金属及びその窒化物により形成されるバリア層をスパッタ堆積させ、それにより、ビアホール内で高い側壁被覆率及び低い底部被覆率を与えることを含んでいる。好ましくは、窒化物は、窒化物底部被覆率が低く、可能であればゼロとなるように耐熱金属よりも高いエネルギでスパッタされ、更に下側の接点を洗浄することができる。アルゴンエッチングステップは、ターゲット電力を最小にし且つコイルヘのＲＦ電力を大きくした状態で行なわれる。耐熱金属のフラッシュスパッタ堆積は、高い中性スパッタ流束を生成してフィールド被覆率を確保するために行なわれる。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明の一態様は、本発明によって可能となるスパッタ・エッチングプロセスの複数のステップにおいてスパッタチャンバ内の磁場を柔軟に調整するために好ましくは所定のアレーで配置された複数のソレノイドコイル又は電磁石に依存している。図８に断面で概略的に図示されるプラズマ反応装置７０は、ＲＦコイル４６の略裏側に位置された四重電磁石アレー７２を含んでいる。四重電磁石アレー７２は、反応装置７０の中心軸１４を中心として略円形に対称的に巻回された４つのソレノイドコイル７４，７６，７８，８０を含んでいる。コイル７４，７６，７８，８０は、中心軸周りに延びる２次元アレーで配置されていることが好ましい。これらを、上側内側磁石（ＴＩＭ）７４、上側外側磁石（ＴＯＭ）７６、下側内側磁石（ＢＩＭ）７８、下側外側磁石（ＢＯＭ）８０と称する。コイル７４，７６，７８，８０はそれぞれ、例えば対応する可変ＤＣ電流供給源８２，８４，８６，８８により、好ましくはバイポーラＤＣ電源により別個に給電されてもよい。対応する図示しないグランド又は戻し経路は、複数巻回コイル７４，７６，７８，８０の他端に接続されている。しかしながら、最も一般的な場合においては、全てのコイル７４，７６，７８，８０を共通のグランド又は他の共通電位に接続する必要はない。他の配線パターンも考えられる。全てのコイル７４，７６，７８，８０は、組立チャンバの外部から容易に接近できる少なくとも１つの、好ましくは２つの端部接続部を有しており、これにより、別個の電源又は他の電流経路への接続を行なうことができるとともに、これらの接続の再構成を容易に行なうことができ、それにより、開発中又は異なる用途においてチャンバを構成する自由度を大きく高めることができる。製造時には、電流供給源８２，８４，８６，８８の数を減らすこともできるが、依然として４つの異なるコイル７４，７６，７８，８０に対して選択的に且つ別個に給電することができ、反応装置７０内でプロセスが変わる際に必要性が生じる場合には好ましくは極性を選択して給電することができる。また、一般的なプロセス方法が確立されれば、電流スプリッタ及びコンバイナ並びにコイルの直列（並列及び逆並列）接続を使用できる。

特にプロセス開発中には、４つのコイル７４，７６，７８，８０の８本のワイヤを図２０に関して後述する接続ボードの対応する端子へ導くことが有益である。ボードの他の端子は１つ以上の電源８２，８４，８６，８８に対して接続される。オペレータは、コイルアレー７２やスパッタリングチャンバ７０を分解することなく、端子の選択された対間にジャンパー線を伴う接続方式を手動で再構成することができる。異なる構成のために電子的に制御されたスイッチを使用することもできる。

また、ＲＦコイル４６にＤＣ電圧を印加してＲＦコルのスパッタを良好に制御するために、ＲＦコイル４６にはＤＣ電源４９が接続されている。コイルＲＦ電源４８とコイルＤＣ電源４９との図示の並列接続は単に機能上のものである。これらが直列に接続されてもよく、又はＲＦ電力及びＤＣ電力の両方を選択的に課すことができるようにカップリング及びフィルタ回路が使用されてもよく、例えば、ＲＦ電源４８と直列な容量回路及びＤＣ電源４９と直列な誘導回路が使用されてもよい。両方のタイプの給電のために１つのコイル電源を設計することができる。

コントローラ８９は、３２ウエハにおいて所望の構造を得るためのプロセスレシピがロードされているディスクなどのメモリ８９を含んでいる。それに応じて、コントローラ８９は、プロセス制御要素、例えば真空システム１６、プロセスガスマスフローコントローラ２０，２４、ウエハバイアス電源３４、ターゲット電源４２、ＲＦコイル電源及びＤＣコイル電源４８，４９を制御し、マグネトロンモータ６０の回転速度したがってマグネトロンの位置を制御するためにマグネトロンモータ６０を制御し、また、４つの電磁石電流供給源８２，８４，８６，８８を制御する。

正確な解決策は、中心軸を中心とする半径ａを有し且つ電流Ｉ_０を伝える理想的な電流ループにより生成されるベクトル磁場分布に関して知られている。Ｓｃｈｉｌｌ Ｊｒ．らによる“Ｇｅｎｅｒａｌ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｏｏｐ：Ａ Ｃｌｏｓｅｒ Ｌｏｏｋ”（磁気学に関するＩＥＥＥ報告書、第３９刊、第２号、２００３年３月）を参照されたい。中心軸から半径ｒで且つコイルの軸方向位置ｚ_０に対する軸に沿う距離ｚにおける径方向磁場Ｂ_ｒ（ｒ，ｚ）及び軸方向磁場Ｂ_ｚ（ｒ，ｚ）は、以下によって与えられる。

これらの方程式において、Ｋ（ｋ）及びＥ（ｋ）は、第１種及び第２種の完全楕円積分関数であり、II（ｋ，ｎ，π／２）は以下のように規定される第３種の完全楕円積分関数である。

ここで、

全てのコイルが同じ中心軸に関して対称であるとすると、４つの全てのコイルに関して同じ関係が成り立ち、それぞれのコイルは、対応する半径ａ_ｉ及び高さｚ_ｉに位置されるとともに、対応する電流Ｉ_ｉを伝える。また、全磁場は４つのコイルの寄与部分の合計である。図８に図示される電磁石アレー７２の矩形の幾何学的形状においては、２つの半径及び２つの高さのみが存在し、これらの４つの組み合わせが４つのコイルを画成し、また、これらの寸法は、コイルアレーが好ましくは単一構造で製造されてしまうと、簡単には変わらない。しかしながら、４つの電流は簡単且つ別個に変えることができ、それにより、磁場分布をかなり自由に調整することができる。

しかしながら、何らかの更なる理論は、最適な電流値の決定において特定の指針を与える。スパッタ反応装置の内部において、イオン流出すなわちスパッタ金属イオン及び作動ガスの両方を制御できる能力は、厚さ、側壁・底部被覆率、抵抗率、金属相を含むウエハにわたる膜の均一性の膜特性を決定する。スパッタ反応装置の動作は、チャンバ内のプラズマがプラズマシース領域を除く殆どの電場をシールドし且つイオン流出を変える有効な方法が以下の連続方程式によって支配される磁場形成に依存しているということの実現に基づいている。

ここで、Ｌ及びＲはそれぞれ解離速度及び再結合速度を表わしている。ここで、
Ｊ＝ρｖ−Ｄ∇ｎ
は、イオン流出密度であり、
ρ＝ｑｎ
は、電荷密度である。

は、拡散定数であり、ｎは数密度である。

イオン及び中性粒子は非常に速く移動するため、回転するＤＣマグネトロンは静止していると見なすことができ、定常状態条件が以下によって与えられる。

拡散定数Ｄにおいては、サイクロトロン周波数が垂直磁場に関連付けられるため、

定常状態連続方程式は、磁場強度Ｂ_⊥だけでなくその勾配∇Ｂ_⊥も包含している。

電磁石アレーは、ウエハエッジの近くに磁気ヌルを作成することにより電離されたスパッタイオン及びアルゴニオンをウエハエッジの方へと引き寄せる更に直接的な方法を与える。磁気ヌルは、イオンシンクとしての機能を果たし且つ領域内に高いプラズマ密度を与えることで知られている。

図９に概略的に図示される４つの電磁石コイルにより生成可能な磁場分布の第１の例は、１つだけの水平なコイル対、例えば下側外側コイル８０、下側内側コイル７８に給電するが、これに代えて或いはこれに加えて上側コイル７４，７６を使用することもできる。この動作は内側／外側モードと呼ばれる。巻数が１８２の各コイルにおいては約１９Ａの電流が有効である。概略的に図示されるように、２つのコイル７８，８０には反対方向に流れる電流が給電され、それにより、逆回転する磁場ループが作成され、全体の磁場が下側内側コイル７８に従う。しかしながら、内側コイル７８よりも大きい電流が外側コイル８０内で流れる場合には、環状の磁気ヌル９０がウエハ３２のエッジの近くで２つのコイル７８，８０の面内に形成される。ヌル９０の径方向位置は、逆平行コイル電流の相対値によって決まる。ヌル９０は、高プラズマ密度の領域をウエハエッジの近くに作成するとともに、ヌル９０の径方向外側のイオンが中心軸の近くの低磁場領域へ拡散することを防止する。この磁場構成はスパッタ堆積段階で役立つ。一方、外側コイルを流れる電流が下側内側コイル７８における逆回転電流よりも少ない場合には、更に大きな磁気ヌルが外部に作成される。これは磁気シールドの目的に役立つ場合がある。

上／下モードにおいて、内側に隣接するコイル７４，７８の電流と反対で且つ電流レベルが小さい電流を外側コイル７６，８０に給電することにより、例えば内側コイル７４，７８に１５Ａを流し且つ外側コイル７６，８０に７．５Ａを流すことにより、浮遊磁場をかなり減らすことができる。特にチャンバの外側では、外側コイル７６，８０からの磁場が、更に強い内側コイル７４，７８からの磁場と干渉して当該磁場を大幅にキャンセルする。相対電流レベルは、場合によっては異なるコイルの異なる巻数を考慮して、所望の磁場分布を生成するように選択される。

図１０に概略的に図示される第２の例は、１つだけの垂直なコイル対、例えば上側内側コイル７４及び下側内側コイル７８に給電し、また、図示のように、電流は２つのコイル７４，７８内を反対方向に流れる。動作は上／下モードと呼ばれる。２つの逆平行電流が等しい場合であっても、中心軸に沿う弱い磁場領域内の１つの点で磁気ヌルが生成される。しかしながら、コイル７４，７８のうちの一方におけるかなり大きい電流、例えば上側コイル７４内の大きな電流により、環状ヌル９２が中心軸１４から遠く且つターゲットエッジの方に近い位置に形成される。電流の不均衡が増大すると、ヌル９２は、シールド３６の近傍まで径方向に押し出されるとともに、更に強いコイルの近傍へと軸方向に押し出される。

無論、２つの例に示される類似する差動電流を４つの全てのコイル７４，７６，７８，８０に給電できることは言うまでもない。内側及び外側コイルに差動的に給電することができ、また、上側及び下側コイルに同時に且つ差動的に給電して、１つ以上のヌルにわたって更なる制御を及ぼすこともできる。代替として、内側及び外側又は上側及び下側コイルに対し、差動的に給電される他の設定をもって同様に給電し、それにより、図９又は図１０の更に顕著なバージョンを生成することもできる。

図１１に概略的に図示される第３の例は、図８の反応装置７０を動作させるエッチング段階中に異なる方途で同じコイルを使用する。エッチング段階において、ターゲットはあまり給電されないが、ＲＦ電力がＲＦコイル４６に対して供給される。ＲＦコイル４６が下内側コイル７８と共に位置されているとしても、そのコイルだけがプラズマを閉じ込めるためにＲＦコイル４６の内側環状面と平行な強い磁場に対して強く給電される。他のコイル７４，７６，８０に給電する必要はない。しかしながら、更に少ない逆回転電流を下側外側コイル７８に対して印加することができる。１つの主要な利点は、第２の磁場が特に外側コイル８０の径方向外側の一次磁場をキャンセルし、それにより、スパッタ反応装置の外側で広がる浮遊磁場が減少するという点である。コイルアセンブリ７２がＲＦコイル４６の背後に中心付けられる場合、上側コイル７４，７６には、対応する下側コイル７８，８０における電流と同じ大きさ及び極性を有する電流が給電されてもよい。

図１２に概略的に図示される第４の例は、図１１の第３の例と類似しているが、対応する下に横たわる下側コイル７８，８０に対するものと同じ極性の電流が上側コイル７４，７６に対して供給される。この構成は、ＲＦコイル４６が電磁石７４，７６，７８，８０のアレー７２と略同じ高さにある場合に特に有効である。

４つのコイル７４，７６，７８，８０を形成する絶縁ワイヤの複数の巻回部を高分子やプラスチックなどの非磁性体又はアルミニウムや何らかのタイプのステンレス鋼を含む非磁性体から成る環状セパレータ１００上に巻回し又は貼り付けることにより、図１３の断面図に図示されるように四重コイルアセンブリ７２を形成することができる。セパレータ１００は、内側コイル７４，７８を外側コイル７６，８０から分離する２つの垂直アーム１０２，１０４と、上側コイル７４，７６を下側コイル７８，８０から分離する２つの水平アーム１０６，１０８とを含んでおり、これにより、磁場は、まるで自由空間のようにコイル間を流れることができる。様々なアーム１０２，１０４，１０６，１０８が分離されてもよい。セパレータ１００は、中心軸１４を中心に略円対称であり、真空チャンバ１２の側壁から外側に延びる棚部により支持されている。

コイルを巻線スプール上に巻回することができる。内側水平アーム１０６に対応する矩形環が巻線スプールに対して固定される。２つの内側コイル７４，７８は、アーム１０６によって分離された別個のワイヤと共に巻き付けられる。この場合、両方のワイヤの両端部は軸方向端部で外側へと導かれている。必要に応じて、巻き付けられたワイヤにエポキシ又は接着剤を植設することができる。第１の巻き付けが完了した後、垂直アーム１０２，１０４に対応するチューブが、巻き付けられた内側コイル７４，７８上にわたってスライドされ、或いは、それらの周囲に管状セグメントが組み付けられてもよい。チューブには外側水平アーム１０８が形成され、或いは、別個の矩形環がチューブ上にわたってスライドされ或いは組み付けられる。硬質な環状セパレータ１００を設けるために接着又は溶接が使用されてもよい。その後、２つの外側コイル７６，８０が巻き付けられる。この場合、巻き付け及び植設が完了すると、２対のワイヤ端部に接近できる。その後、環状アセンブリ７２が巻線スプールから外される。必要に応じて、機械的構造体をアセンブリ７２に対して取り付けて、保護及び結合を行なう。

図１４の断面図に図示される磁気コアを有する変更された四重コイルアセンブリ１２０は、タイプ１４０ステンレス鋼などの磁性体により形成された管状磁気コア１２４を有する環状セパレータ１２２を含んでいる。チューブの壁の例示的な厚さは０．５５”（１．４ｃｍ）であり、好ましい厚さ範囲は０．７５〜３ｃｍである。アーム１０６，１０８は非磁性体であってもよいが、本発明の少なくとも幾つかの実施形態では、アーム１０６，１０８が不要である。水平アームの厚さは０．２５”（０．６３５ｃｍ）であり、好ましい範囲は０．３〜１．２ｃｍである。図示の構造体の全体のサイズは３”及び１．７５”幅であってもよい（更に２ファクタ大きい或いは小さい範囲を伴う）。

電磁石アレーの別の実施形態は、管状磁性スペーサ又は非磁性スペーサ１２４により分離される２つのコイル７４，７６のみを含んでいる。別の実施形態では、アーム１０６，１０８が磁性体から成ることも可能である。磁性水平アーム１０６，１０８は、チャンバ内の磁場分布に大きな影響を与えるとは思われないが、プラスチック又はアルミニウム水平アームは満足な性能を与える。

磁気コア１２４はチャンバ内の磁場形状に大きな影響を与えない。幾つかのモードでは、コイル電流をかなり減少させて、磁気コア１２４内のイメージコイル電流から明らかに生じる同様の磁場レベルをチャンバ内に生成できることが認められた。磁気コア１２４は、チャンバから離れた浮遊磁場を減少させる際に特に有効である。外側電流及び内側電流は、いずれもコイルが１つであろうと２つであろうと、ことが分かった。

電磁石コイルアレーは、図１５において上側から且つ図１６において下側から斜視図で図示されたアダプタ１３０と一体化されることが有益である。アダプタは、しばしば、ターゲット３８の下側及びペデスタル３０の上側におけるチャンバ１２の部位を形成するために図１のスパッタ反応装置１０において使用される。チャンバ１２の下側部分は、比較的複雑であり、真空引きポートと、ガス供給ポートと、チャンバ１２に対してウエハ３２を移動させるためのスリットバルブとを含んでいる。ターゲット３８とペデスタル３０との間の反応装置１０の投入距離は、チャンバ全体を再設計及び再加工する必要なく、異なる長さのアダプタに変えることにより調整できる。図１５及び図１６のアダプタ１３０は、中心軸１４周りに配置されたアルミニウムアダプタ本体１３２を含んでおり、アルミニウムアダプタ本体１３２は、図１のアイソレータ４０に対して密閉するためにＯリング溝１３４が形成された上面１３２と、外側に延びるフランジ１３８を有する略平坦な下面１３６とを有しており、フランジ１３８は、チャンバ１２の下側部分の同じように成形される部分に保持されるＯリング上に支持されて当該Ｏリングに対して密閉される。上面の近くの出っ張り部１４０は、チャンバシールド２６を支持するとともに、電気的に接地する。２つのポート１４２，１４４は、ＲＦ電力のための電気的な真空フィードスルーとシールド２６上に支持されるがシールド２６から絶縁されるＲＦコイル４６へのグランドラインとを収容するためにチャンバ本体１４２を貫通して機械加工される。

アダプタ１３０は、図１７に断面でも図示されているが、図１８の分解断面図に更に図示される電磁石コイルアレー１５０を含んでいる。これらのコイルは、マルチステッププロセスでアダプタ１３０上に直接に巻回される。最初に、３つの水平に延びるディスク状の上側、内側中央、下側スぺーサ１５２，１５４，１５６が、アダプタフランジ１３８の上側のアダプタ本体に形成されたエポキシ樹脂により環状溝内に接着される。スペーサ１５２，１５４，１５６は、電気的に絶縁しているが機械的に強い例えばＧ１０などのプラスチックにより形成されるのが有益である。この実施形態において、スペーサは全て非磁性体である。スペーサ１５２，１５４，１５６は、外側に面する溝内に嵌合するようにセグメントにより形成されていてもよい。上側内側コイル１５８及び下側内側コイル１６０は、正方形状の銅マグネットワイヤから、例えば薄い絶縁コーティング剤がコーティングされた１３ＡＷＧから、スペーサ１５２，１５４，１５６間に形成された空間内で個別に巻回される。巻き付ける前に、それぞれの図示しない開始リード線が、２つのコイル巻線の最初の端部に対して機械的且つ電気的に固定される。開始リード線は、プラスチックカバーを伴い且つコイルアレー１５０からかなり離れて延びることができる十分な長さを有するマルチストランド電気ケーブルである。巻き付け中、マグネットワイヤを所定位置に接着するため、エポキシが連続的に塗布される。２つの内側コイル１５８，１６０の巻き付けが完了した後、２つの端部リード線は、２つのコイル巻線の最終端部に対して固定され、同様にコイルアレー１５０からかなり離れて延在する。巻き付けられたコイル１５８，１６０は更に所定位置でエポキシ樹脂により接着される。

管状セグメントから組み立てられる垂直に延びる管状スペーサ１６２は、２つの内側コイル１５８，１６０及び内側中央スペーサ１５４の露出面上にエポキシ樹脂により接着され、また、ディスク状の外側中央スペーサ１６４は、内側中央スペーサ１５４の略平面内であるが内側コイル１５８，１６０からのリードワイヤを収容して、管状スペーサ１６２に対してエポキシ樹脂により接着されている。外側中央スペーサ１６４は、上側及び下側スペーサ１５２，１５６の外径に向かって径方向外側に延びている。管状スペーサ１６２は、熱伝導率を高めるためにアルミニウムにより形成されることが有益であり、一方、外側中央スペーサ１６４はＧ１０により形成されていてもよい。その後、上側外側コイル１６６及び下側外側コイル１６８が、外側中央スペーサ１６４と上側及び下側スペーサ１５２，１５６との間に形成された２つの空間内でマグネットワイヤから個別に巻き付けられる。巻き付けプロセスは２つの内側コイル１５８，１６０のそれに従い、また、別個の開始リード線及び最終リード線は、外側コイル１６６，１６８に接続されるとともに、コイルアレー１５０から離れて延びている。全てのコイル１５８，１６０，１６６，１６８が巻線から成る７つの層を有していてもよいが、下側コイル１６０，１６８は上側コイル１５８，１６６の約２倍の数の巻回部を有していることが有益である。下側コイル１６０，１６８よりも上側コイル１５８，１６６の方の巻回部をかなり多くすることにより、例えば１８２対２２８とすることにより、すなわち、少なくとも５０％だけ多くすることにより、良好な磁気分布及び冷却結果が得られることが分かった。

コイルはチャンバ壁の外側に位置されていることが有益であるが、コイルを真空チャンバ内に、したがって処理エリアに接近して置くこともできる。このように、本発明は、特定の動作モード及び異なるモード間での変更に関して、高度スパッタリング及び他のプラズマ処理機器を動作させるための自由度を大きくする。

図１９の斜視図に図示される水冷却コイル１７０は、軸方向に沿って延びる内側流体冷却チャンネルを具備する押出矩形アルミニウムチューブ１７２から成る３つの螺旋巻き部を含んでいる。２つのアルミニウム水取付具１７４，１７６は、アルミニウムチューブ１７４の端部に対して溶接されるとともに、チューブ１７２の内部への水ポート１７８と、コイル１７０をアダプタに装着し且つ水供給ラインを取付具１７４，１７６に対して装着するための図示しないネジ穴とを含んでいる。矩形チューブ１７４は、図１７及び図１８のコイルアレー１５０の外径と等しい直径を有するマドレル上に巻回されるとともに予め曲げられている。螺旋水冷却コイル１７０は、これを拡張させて図１６及び図１７のアダプタ１３０の底部にあるフランジ１３８上にわたってスライドさせることができる程度に十分に柔軟であり、また、それにより、冷却コイル取付具１７４，１７８がブラケット１８０を介してアダプタ本体１３２上に装着され且つ冷却コイル１７０が電磁石コイルアレー１５０の外側にエポキシ樹脂により接着される際に螺旋水冷却コイル１７０を電磁石コイルアレー１５０の外側にしっかりと取り付けることができる。

動作時、冷水又は他の冷却流体又は冷却剤のもとが、水コイル１７０を通じて循環して電磁石コイルを冷却するために供給されるとともに水取付具１７４，１７６の水ポート１７８を介して除去される。冷却コイル１７０は、複数の電磁石コイルを冷却する冷却システム及び単一コイルの利点を有している。管状に成形された冷却及び電磁石コイルによって与えられる局所的平面の幾何学的構造は有効な冷却を促進させる。アルミニウム又は他の金属管状スペーサ１６２は、径方向に配置されたコイル間の熱伝達を促進させる。冷却コイルにおいて複数の巻き部を使用することにより、広い領域が冷却されるとともに、熱伝達が増大する。アレー内に冷却通路を有する構造を含む、電磁石アレーを具備する他の冷却コイル構造が使用されてもよい。

図１５に図示されるように、アダプタ本体１３２には端子台ブラケット１９０が螺着されており、この端子台ブラケット１９０は、４つの電磁石コイル１５８，１６０，１６６，１６８にそれぞれ関連付けられた４つの端子台１９２を含んでいる。各端子台１９２は、図２０の正面図に明確に図示されるように、端子台１９２をブラケット１９０したがってアダプタ本体１３２に対して固定する４つのナット１９４を含んでいるとともに、小型無頭ネジを取り付けるための２つのネジ穴２００を有する２つの端子ストリップ１９６，１９８を含んでいる。一方の小型無頭ネジは、１つのコイルからの開始リード線を一方の端子ストリップ１９４に対して半永久的に固定し、そして他方の小型無頭ネジは、同じコイルからの最終リード線を同じ端子台１９２の他方の端子ストリップ１９４に対して半永久的に取り付ける。図は、上側内側マグネットコイルなどのための開始リード線及び最終リード線における８個のリード線ＴＩＭ^＋，ＴＩＭ⁻などの位置を図示している。４つの端子台１９２上の残りの８個のネジ穴２００により、更なる小型無頭ネジ又は他の手段は、外部又は接続ケーブルを固定して、４つの電磁石コイルの８本の開始及び最終リード線に対して電気的に接続することができる。端子ストリップ１９６，１９８は、図８の反応装置７０内に装着され且つ冷却コイル１７０によって覆われた場合であってもアダプタ１３０の外部から容易に接近でき、それにより、４つの電磁石コイルにおける電気的接続の再構成を容易に行なうことができる。例えば、コイルは、直列に接続されてもよく、共通のグランドを有していてもよく、それらの極性が逆にされてもよく、或いは、反応装置７０又は電磁石コイルアレー１５０を分解する必要なくその役目が選択的に解かれてもよい。

本発明の別の態様は、逆向きに伝搬する電流を伴う２つの同心であるが離間するコイルの使用を含んでいる。前述したように、非磁性スペーサ又は磁気コアがコイル間に介挿されてもよい。冷却を高めるため、スペーサがアルミニウムなどの金属により形成されることが有益である。

コイルの矩形アレーが特に有利であるが、４つのコイルが平行四辺形又は他の四辺アレーを形成してもよい。３つのコイルの三角形アレーも本発明の利点の多くを与える。コイルがチャンバ壁の外側に有利に巻き付けられてもよいが、それらを真空チャンバの内側で形成することができる。

また、背景技術に記載したように、また、その全体が参照として本明細書に組み込まれる２００４年９月１６日に出願されＨｏｎｇらによる米国特許出願１０／９４２，２７３に記載されるように、四重電磁石アレー７２及びＲＦコイル４６は、マグネトロンとターゲットとの間の可変間隔と有利に組み合わせることもできる。

四重電磁石アレー７２及びＲＦコイル４６は、他にも理由があるがターゲットを洗浄できるようにターゲット３８上で径方向に動かすことができるマグネトロン５０と有利に組み合わせることができる。Ｓｕｂｒａｍａｎｉらは、２００４年３月２４日に出願された仮出願６０／５５５，９９２において、そのような可動マグネトロンを開示している。Ｇｕｎｇらは、その全体が参照として本明細書に組み込まれる２００４年９月２３日に出願された出願１０／９４９，６３５において、より一般的なメカニズム及びプロセスを開示している。Ｓｕｂｒａｍａｎｉらの径方向に移動できるマグネトロンは、図２１の斜視図に図示される２位置遠心回動マグネトロンアセンブリ２１０を含んでおり、このアセンブリは、単一回転方向での回転速度に応じて２つの回転半径間で切り換わることができる。マグネトロンアセンブリ２１０は、反応装置の中心回転軸６０周りに回転する回転駆動軸６２に対して固定されるブラケット２１２を含んでいる。ブラケット２１２の一方のアームの端部は、ピボットプレート２１４を回動軸２１８を中心に回動させることができるピボット機構２１６を介して、ピボットプレート２１４をその下側で回転可能に支持している。ピボットプレート２１４は、マグネトロン５０のヨークを形成するために強磁性材料から成るバックプレート２２０を支持している。構造的な目的のため、バックプレート２２０はピボットプレート２１４の一部と見なすことができる。その理由は、これらが共に回動軸２１８を中心に回動するからである。１つのブッシング２２２が回動軸１４とピボット機構２１６との間でブラケット２１２に付設されており、また、別のブッシング２２４がバックプレート２２０上のマウント２２５に固定されている。引っ張りバネ２２６の２つの端部が２つのブッシング２２２，２２４に取り付けられている。第１のナイロンストッパ２３０がブラケット２１２の一方側でピボットプレート８４に対して螺着されており、第２のナイロンストッパ２３２がブラケット２１２の他方側でバックプレート２２０に対して螺着されている。各ストッパ２３０，２３２は、ネジのための貫通孔を有する金属ノブと、ブラケットに対する突然の当接の衝撃及び影響を和らげるためにその外側に嵌合された管状の柔軟な弾性ナイロンシースとを含んでいる。バネ２２６は、第２のストッパ２３２を有するバックプレート２２０の側をブラケット２１２に向けて付勢し、したがって、マグネトロンを回転軸６０の方へ付勢する。しかしながら、この内側方向の回動は、ブラケット２１２と当接して係合する第２のストッパ２３２によって制限される。一方、駆動軸６２の回転は、かなりの遠心力を重いマグネトロン５０及び関連する要素に対して及ぼすとともに、第２のストッパ２３２を有するバックプレート２２０の側をブラケット８２から離れるように径方向外側へ押し出して回転軸６０から離間させる。しかしながら、外側方向の回動は、ブラケット８２と当接して係合する第１のストッパ２３０により制限される。回転速度は、内側へのバネ付勢が勝るか、又は外側への遠心力が勝るかどうかを決定する。バックプレート２２０上に装着された磁気エミッタ２３６により、回転マグネトロン５０の上側の反応装置上に強固に装着された磁気検出器は、マグネトロン５０が内側位置にあるか或いは外側位置にあるかどうかを決定する。

マグネトロン５０の好ましい実施は、図２２の底面図に図示される円弧形状マグネトロン（ＬＤＲマグネトロンとも呼ばれる）２４０である。実線は、ターゲット３８の有用領域の後側のその外側位置にある円弧形状マグネトロン２４０を図示しており、鎖線は、回動軸２１８を中心に回動したその内側位置にある円弧形状マグネトロン２４０を示している。円弧状マグネトロン２４０は、帯状外側磁極片２４２と、隙間２４６により離間されて囲まれた円弧状内側磁極片２４４とを含んでいる。２つの磁極片２４２，２４４における穴２４８は、回転軸１４に沿って反対方向に分極された円筒磁石のそれぞれの組の端部を捕捉するとともに、外側磁極２４２の全磁力が内側時局２４４のそれよりもかなり大きいことを図示している。

ＲＦコイル４６と四重電磁石アレー７２と選択的にバイアスがかけられるペデスタル電極３０と２位置マグネトロンとの組み合わせにより、図２３の断面図に図示されるデュアルダマスク構造２５０における銅メタライゼーションのためのバリア構造を有効に形成する自由度の高いマルチステッププロセスが可能となる。下側誘電体層２５２にはその上面に銅接点２５４が形成されている。下側誘電体層２５２上には上側誘電体層２５６が堆積されており、デュアルダマスク穴２５８が上位誘電体層２５６を貫通してエッチングされる。誘電体層２５２，２５６は、典型的に、単に酸化物層と称されるシリコン酸化物系の材料によって形成される。酸化物がドーピングされ、又は代替の材料が使用される低誘電率誘電体の内包的発展がある。デュアルダマスク穴２５８は、銅接点２５４上に横たわる上側誘電体層の２５６の下側半分に狭いビアホール２６０を含むとともに、上側半分に幅広いトレンチ２６２を含んでいる。最終的に、ビアホール２６０及びトレンチ２６２の両方がＥＣＰプロセスにおける上位メタライゼーションとして銅で満たされ、これにより、両方が銅接点２５４と接触して、２つのメタライゼーション層間で垂直な相互接続が行なわれ、更に、上位メタライゼーションにおいてトレンチ２６２による水平な相互接続が行なわれる。銅接点２５４は、典型的に、下側誘電体層２５２の対応するトレンチ内に形成される。

ビアホール２６０及びトレンチ２６２内に満たされる銅が酸化物に付着して酸化物中に拡散しないことが重要である。また、デュアルダマスク穴２５８中にその後に堆積される銅層は下側に横たわる層に付着する。したがって、デュアルダマスク穴２５８内にリニア層が堆積されるが、デュアルダマスク穴２５８内の異なる部分及び上側誘電体層２５６の上端のフィールド領域２６４で堆積を変化させることが非常に望ましい。

銅メタライゼーションにおいて、典型的なリニア層は、タンタル窒化物（ＴａＮ）層２６６及びその上側のタンタル（Ｔａ）層２６８を含む。ＴａＮ層２６６は酸化物に対して容易に付着して、有効な拡散バリアを形成する。その結果、ＴａＮ層は、トレンチ２６２の側壁及び底面上及びビアホール２６０の側壁上に連続層を形成しなければならない。ＴａＮ層２６６は必ずしもフィールド領域２６８内で延在する必要はない。これは、フィールド領域２６４上に横たわる任意の銅が化学機械研磨（ＣＭＰ）のその後のステップで除去されるからである。しかしながら、タンタル窒化物は、不良導体であるため、除去されなければならず、或いは、ビアホール２６０の底部で最小の厚さを有していなければならない。Ｔａ層２６８はＴａＮ層２６６に対してうまく付着し、そして銅は、タンタルにうまく付着して銅の成長の核を有効に成すが、銅はタンタル窒化物に対してうまく付着しない。したがって、Ｔａ層２６８は、トレンチ２６２及びビアホール２６０の側壁上及びトレンチ２６２の底面上で連続でなければならない。タンタルは適度に導電性があるため、Ｔａ層２６８は、ビアホール２６０の底部を覆ってもよく、或いは、そこに存在しない方が有利な場合もある。しかしながら、タンタル層２６８は、フィールド領域２６４を覆って、少なくとも、その上に形成される銅シード層のための核生成・接着層を形成しなければならず、この層は、その後の電気化学研磨（ＥＣＰ）によるデュアルダマスク穴２５８の充填中に電極及びメッキ電流経路としての機能を果たす。

マルチステップリニアＴａ／ＴａＮリニアプロセスが図２４のフローチャートに図示されている。正確なプロセス条件の一例が、３００ｍｍウエハ用に構成されたチャンバに関して表１に載っているが、表に載っている値は単なる一例である。表に載っている圧力は、レシピでアクティブに制御されないため、おおよそのものである。

ウエハ３２が図８のチャンバ７０内に挿入された後、ステップ２８０において、タンタルイオンの高いイオン化率を生じさせる条件下で且つタンタルスパッタ流束のかなりの部分が高いエネルギを有して高い異方性を有し、活性なＴａ^＋イオンがビアホールの深部に引き寄せられるような高いウエハバイアス条件下で、ＴａＮがウエハ上に反応性スパッタ堆積される。その結果、ＴａＮのスパッタ堆積とこの材料のリスパッタリングとが混在する。チャンバ内を流れる１よりも大きい比率Ｎ_２／Ａｒの反応ガス及びスパッタリングガスは、ウエハ上にＴａＮの反応性スパッタ堆積を引き起こす。ビアホールの底部からの活性なＴａ^＋イオンによりリスパッタされたＴａＮは、ビアホール内で改善された側壁被覆率を生じさせ、底部におけるＴａＮ層の厚さを減少させる。トレンチ底面及びフィールド領域からのリスパッタリングはあまり有効ではない。これは、特に、トレンチ底面及びフィールド領域がかなり大きいイオン化されていないＴａ^０である中性タンタル流束を受けるからである。高いタンタルイオン化率は、高いターゲット電力と、ウエハの外側部分上に横たわるその外側位置に位置された図２２の強力であるが小型のＬＤＲマグネトロンとを用いて得られる。ターゲット電力は、３００ｍｍウエハの面積に対して規格化された１０〜４０ｋＷの範囲であってもよいが、１５ｋＷは、このチャンバにおけるリスパッタリング及び他の処理値を最適化すると考えられる。ＴａＮ堆積中には、２つの軸方向に離間する内側電磁石７４，７８だけが反対方向で給電されることにより、チャンバ側壁３６から離れてチャンバ内のプラズマ及びイオン流束を閉じ込めるように作用する図１０の対向磁場が生成され、それにより、イオン流束の径方向の均一性が向上する。２つの磁気コイル磁場は略等しくなるように意図されており、表１のコイル電流の違いは、２つのコイルにおける巻線の数の違いを反映している。

ステップ２８２では、チャンバ７０内に残っているウエハ３２上にタンタルがスパッタ堆積される。このステップの前に、窒素流が停止され、そのため、タンタルがその元素形態で堆積する。タンタルスパッタ流束は、維持された高い方向性を特徴としてもよい。これは、小型のＬＤＲマグネトロンの存在下で高いターゲットバイアスが維持されるが、ウエハバイアスの減少に起因してエネルギが低下されるからである。エネルギが減少すると、ビアホールの底部、トレンチの底面、フィールド領域でリスパッタリングが減少する。

ステップ２８４において、ウエハ３２は、同じチャンバ７０内に残存しているが、ＲＦコイルから供給されたＲＦ電力により主にスパッタされるプラズマによるアルゴンイオンによるスパッタエッチングに晒される。ＲＦ電力は、高出力でのアルゴンイオン濃度の増大に伴って１〜３ｋＷで変化可能である。エッチング速度は約１．５〜２ｋＷでピークに達する。１．２５ｋＷのＲＦ電力が最適であると考えられる。チャンバ内へのアルゴンの流れが増大され、ＲＦコイルがアルゴンをプラズマへと励起させる。アルゴンを強く引き付けるためにウエハに印加されるバイアス電力が増大され、それにより、ビアホールの底部をエッチングして、そこにある任意のＴａＮを除去するとともに、Ｔａの少なくとも一部を除去する。ウエハバイアス電力を減少させることができるが、約５００Ｗ未満でエッチング速度がゼロに近づく。ターゲット電力及びＤＣコイル電力を調整して、トレンチ／ビア選択性及び均一性を最適化することができる。一般に、エッチングステップ中のターゲット電力は、２つのスパッタ堆積ステップ２８０，２８２中におけるターゲット電力の１０％未満である。ビアホール底部からのアルゴンイオンによりリスパッタされるタンタルは側壁被覆率を高める。ビア底部上のタンタルが完全に除去されると、アルゴンスパッタエッチングは、酸化されてしまっている場合がある、又はウエハ３２がスパッタチャンバ７０内に挿入される前に汚染されてしまっている場合がある下側の銅２５４を洗浄する。トレンチの底面及びフィールド領域で露出されたタンタルもエッチングされるが、ステップ２８２においてこれらの領域に堆積されたタンタル層は、そのステップにおける中性Ｔａ^０部分に起因して、したがって、それがトレンチの底面及びフィールド領域上でエッチング除去される前にビアホール底部からエッチング除去されたタンタルに起因して、厚い。ウエハバイアスが高いため、側壁エッチングは非常に僅かしか生じない。しかしながら、トレンチの内側角部及び外側角部でタンタルがエッチングされて貫通される（穿孔される）という問題が起こり得る。

穿孔は、軽い、殆どの場合中性のタンタルスパッタ堆積を同時に行なうことにより防止される。タンタルターゲット及びＲＦコイル（それ自体タンタルから成る）の両方には小さな値の負のＤＣ電力がバイアスされる。コイルのＤＣスパッタリングを促進させるため、２つの径方向に離間する下側電磁石７８，８０が反対方向で給電されて、図１１に示されるような磁場分布が生成され、それにより、コイル４６の内面上に水平な磁場が作成され、これがコイルスパッタリングを増大させるためのマグネトロンとしての機能を果たす。外側電磁石コイル８０によって生成される等しい略反対の磁場は、アルゴンイオンの搬送を妨げる強いソレノイド磁場がチャンバの外側又はチャンバ処理エリアの中心部分に作成されることを防止する。

スパッタエッチングステップ２８４中においては、マグネトロンがその内側位置へ移動された。この位置では、ターゲット中心が洗浄され、特にＴａＮスパッタ堆積のステップ２８０中にターゲット上に堆積された任意の窒化物が除去される。また、スパッタエッチングステップ２８４中における僅かなタンタルスパッタ流束は大部分が中性であるため、マグネトロンを図２２に図示されるその更に径方向に延びる内側位置に置くことが有益である。しかしながら、ターゲットの洗浄も行なうスパッタエッチングステップに加えて、異なるターゲット洗浄ステップを定期的に、例えば１００個のウエハが処理された後に行なうことも推奨される。図示しない接地されたスパッタシャッターが閉じられ、ペデスタルがターゲットからシールドされる。その後、マグネトロンをその外側位置及び内側位置に連続的に置き、ターゲットがスパッタされる。ターゲットは、強力にバイアスがかけられ、外側位置で長時間、例えば１０ｓ間にわたってスパッタされるとともに、その内側位置で短時間、例えば１ｓ間スパッタされる。

マグネトロンの移動中においては、例えばターゲットへのＤＣ電力又はコイルへのＲＦ電力をオフすることによりプラズマをＯＦＦし、その後、マグネトロン回転速度を変えることによりマグネトロンを移動させることが推奨される。その後、典型的にはその後の処理ステップにおける場合よりも高いアルゴン流及び高いターゲット電力又はコイル電力を使用して、プラズマが再び発生される。表１のレシピは、当分野において周知のように、プラズマ発生前の電力立ち上げ時間を含んでいない。

ステップ２８６においては、タンタルイオン化率が少ないフラッシュ層中にタンタルがスパッタ堆積される。このフラッシュステップは、連続的なタンタル層２６８をフィールド領域、トレンチ底面、トレンチの角部に確保する。堆積条件は、ターゲット電力が少なくとも２ファクタだけ減少される点を除き、最初のタンタル堆積ステップの場合と略同じである。その結果、タンタルイオン化率が減少される。結果として、タンタル流束は更に中性となって等方性を有し、それにより、高いフィールド被覆率及び適度なトレンチ底面被覆率が確保される。マグネトロンは、Ｔａフラッシュステップ２８６中にその外側位置に位置されることが好ましい。

図２４のリニアステップの終了時及び図２３のリニア構造の形成時、ウエハがタンタルスパッタ反応装置から取り除かれる。典型的に、残存するＴａ層２６８上及びビアホール２６０の底部で露出された銅接点２５４上にはコンフォーマルな薄い銅シード層がスパッタされる。その後、ＥＣＰプロセスにおいてビアホール２６０及びトレンチ２６２に銅が充填及び過充填される。銅シード層及びＥＣＰ充填物中の銅が最大１０重量％の他の元素を含有していてもよいことは理解される。トレンチ２６２の上側に残る過度なＥＣＰ銅はＣＭＰによって除去される。

本発明の多くの態様は、図示のタンタルスパッタ反応装置又は上記のＴａ／ＴａＮリニアプロセスに限定されない。他のタイプのスパッタ反応装置及び他のターゲット組成、例えばチタン、タングステン、ルテニウムなどの他の耐熱金属も本発明によって利益を得る。また、本発明を組み入れる磁気ステアリングやプラズマ及びイオン閉じ込めは、他のプラズマ処理反応装置で使用できる。そのような反応装置としては、スパッタエッチャーを含むプラズマエッチング反応装置やプラズマＣＶＤ反応装置が挙げられる。

本発明の反応装置は大きな自由度及び高い性能を与える。また、本発明の反応装置は、次世代の集積回路で期待されるサイズの小さいビア内で形成される上記のＴａ（Ｎ）バリアなど、複雑なマルチステッププロセスを可能にする。

従来のタンタルスパッタ反応装置の断面図である。 図１の反応装置内の中性タンタル、タンタルイオン、アルゴンイオンのそれぞれにおけるウエハ直径にわたる磁束プロファイルの概略プロットである。 図１の反応装置内の中性タンタル、タンタルイオン、アルゴンイオンのそれぞれにおけるウエハ直径にわたる磁束プロファイルの概略プロットである。 図１の反応装置内の中性タンタル、タンタルイオン、アルゴンイオンのそれぞれにおけるウエハ直径にわたる磁束プロファイルの概略プロットである。 図１の反応装置内のゼロバイアス、最適バイアス、過剰バイアスのそれぞれにおけるウエハ直径にわたるタンタル堆積プロファイルの概略プロットである。 図１の反応装置内のゼロバイアス、最適バイアス、過剰バイアスのそれぞれにおけるウエハ直径にわたるタンタル堆積プロファイルの概略プロットである。 図１の反応装置内のゼロバイアス、最適バイアス、過剰バイアスのそれぞれにおけるウエハ直径にわたるタンタル堆積プロファイルの概略プロットである。 四重電磁石アレーを含む本発明のスパッタ反応装置の断面図である。 異なるモードで四重電磁石アレーを動作させることにより生じる磁場分布の概略正面図である。 異なるモードで四重電磁石アレーを動作させることにより生じる磁場分布の概略正面図である。 異なるモードで四重電磁石アレーを動作させることにより生じる磁場分布の概略正面図で異なるモードで四重電磁石アレーを動作させることにより生じる磁場分布の概略正面図である。ある。 異なるモードで四重電磁石アレーを動作させることにより生じる磁場分布の概略正面図である。 四重電磁石アレーの実施形態の断面図である。 四重電磁石アレーの実施形態の断面図である。 電磁石コイル及び冷却コイルの四重アレーを含むチャンバアダプタの上側から見た斜視図である。 電磁石コイル及び冷却コイルの四重アレーを含むチャンバアダプタの下側から見た斜視図である。 図１５及び図１６のアダプタの断面図である。 図１５〜図１７のアダプタ及び電磁石アレーの分解断面図である。 図１５〜図１７の冷却コイルの斜視図である。 電磁石アレーに電気的に接続するための電気端子ボードの平面図である。 遠心２位置マグネトロンの斜視図である。 ターゲット上におけるマグネトロンの２つの位置の平面図である。 本発明を用いて得られるデュアルダマスクリニア構造の断面図である。 本発明のエッチングプロセス及びマルチステップ堆積を図示するフローチャートである。

符号の説明

１４…中心軸、４６…ＲＦコイル、７０…プラズマ反応装置、７２…四重電磁石アレー、７４，７６，７８，８０…ソレノイドコイル。

Claims (9)

1. 真空チャンバの中心軸に対して垂直な面内に配設された基板支持体を有するプラズマ処理反応装置における、前記中心軸を中心に配置された４つの個別に制御可能な電磁石コイルのアレーであって、前記中心軸を中心に四辺パターンで配置され前記真空チャンバ内の磁気ヌルの位置を制御することが出来るアレー（array）。
2. 前記コイルのうちの少なくとも２つと熱的に接触するマルチラップ冷却コイルを更に備える、請求項１に記載のアレー。
3. １つの軸を中心とする四辺パターンの環状アセンブリを形成する相互に固定された４つの電磁石コイルを備えるとともに、内部に置かれた基板を処理する為のプラズマ処理反応装置の軸に沿って延びる側壁部の外側周囲に配設されるように構成された四重アレーであって、前記側壁部内で磁気ヌルの位置を制御することが出来る四重アレー。
4. 前記４つの電磁石コイルと熱的に接触する、１つの螺旋状に巻き付けられた流体冷却コイルを更に備える、請求項３に記載のアレー。
5. プラズマ処理反応装置であって、
   中心軸を中心に略対称的に配置されたチャンバ本体と、
   その前面がプラズマ処理される基板を前記反応装置内で支持するための支持体と、
   前記前面の上側に偏位し前記チャンバ本体の頂部下の複数の軸方向距離において、前記チャンバ本体の周りに巻き付けられ、且つ前記中心軸の周りに四辺アレーで配置され、そのうちの少なくとも幾つかが独立に給電可能であり、前記真空チャンバ本体内の磁気ヌルの位置を制御することが出来る４つの電磁石のアレーと、
   を備えるプラズマ処理反応装置。
6. 前記チャンバ本体の頂部に固定され且つ前記中心軸を中心に配置されたスッパタリングターゲットと、前記中心軸に沿って前記アレイと重複するように配置されたＲＦコイルと、を更に備える、請求項５に記載の反応装置。
7. スパッタチャンバ内で行なわれるとともに、耐熱金属を備えるターゲットと対向して前記チャンバ内のペデスタル電極上に置かれた基板の誘電体層中に形成されるホール内にバリア層を堆積させるプロセスであって、前記スパッタチャンバは、前記ペデスタル電極と前記ターゲットとの間の四辺アレーで、前記チャンバの周りに巻き付けられた４つの電磁石コイルを含み、前記電磁石コイルは、前記チャンバ内で磁気ヌルの位置を制御することが出来、連続的に、
   （ａ）窒化物堆積ステップであって、
   前記ターゲットに第１のレベルのＤＣ電力を印加してプラズマを励起することにより前記ターゲットをスパッタする工程と、
   第１のレベルのＲＦ電力を前記ペデスタル電極に対して印加する工程と、
   前記中心軸の周りの２つの軸方向位置で前記軸を中心に巻回された２つの第１の電磁石コイルに給電して、対向する磁場を生成する工程と、
   前記チャンバ内に窒素ガスを流して、前記耐熱金属の窒化物を前記基板上に形成する工程と、含む前記窒化物堆積ステップと、
   （ｂ）耐熱金属堆積ステップであって、
   第２のレベルのＤＣ電力を前記ターゲットに印加してプラズマを励起することにより前記ターゲットをスパッタする工程と、
   第２のレベルのＲＦ電力を前記ペデスタル電極に対して印加する工程と、
   前記２つの第１の電磁石コイルに給電して、対向する磁場を生成する工程と、
   前記チャンバ内に窒素ガスを流すことを実質的に中止する工程と、を含む前記耐熱金属堆積ステップと、
   （ｃ）エッチングステップであって、
   前記チャンバ内にアルゴンを流す工程と、
   前記ＲＦコイルにＲＦ電力を印加して、前記アルゴンをプラズマへと励起する工程と、 前記中心軸の周りの２つの軸方向位置で前記軸を中心に巻回された２つの第２の電磁石コイルに給電して、対向する磁場を生成する工程と、
   第３のレベルのＲＦ電力を前記ペデスタル電極に対して印加する工程と、を含む前記エッチングステップと、
   が行なわれる、前記プロセス。
8. 前記（ｃ）ステップの後に、
   （ｄ）フラッシュ堆積ステップであって、
   前記第１及び第２のレベルのＤＣ電力よりも小さいレベルのＤＣ電力を前記ターゲットに印加して、前記ターゲットをスパッタする工程と、
   前記２つの第１の電磁石コイルに給電して、対向する磁場を生成する工程と、
   前記第１、第２、第３のレベルのＲＦ電力よりも小さい第４のレベルのＲＦ電力を前記ペデスタル電極に印加する工程と、
   を含む前記フラッシュ堆積ステップを備える、請求項７に記載のプロセス。
9. 前記エッチングステップが、第１及び第２のレベルのＤＣ電力の１０％未満のレベルのＤＣ電力を前記ターゲットに対して印加する工程を含む、請求項８に記載のプロセス。

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