JP5410400B2 - 誘導性結合プラズマの均一性を改善する側壁磁石及びそれと共に使用するシールド - Google Patents

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関連技術

本出願は、２００２年１１月１４日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０２／３６９４０号の一部継続出願であり、該出願は、２００１年１１月１４日に出願され、無料で発行された特許出願第０９／９９３，５４３号の一部継続出願であり、これら両方の出願は、参考としてその全体をここに援用する。

本発明は、概略的に、材料のスパッタリングに関する。より詳細には、本発明は、誘導性結合プラズマリアクタに使用される補助磁石に関する。また、本発明は、スパッタリアクタに使用されるシールドにも関する。

スパッタリングは、別名、物理的気相堆積（ＰＶＤ）とも称されるが、半導体集積回路の製造において金属及び関連材料の層を堆積する最も普及した方法である。スパッタリングの１つの用途は、図１に断面で示されたビア構造に関連したバリア層及びシード層を堆積することである。通常、酸化シリコン又は他のケイ酸ガラスで形成されて、おそらく低い誘電率をもつようにドープされた下部誘電体層１２の表面に導電性特徴部１０が形成される。下部誘電体層１２の上に上部誘電体層１４が堆積され、次いで、導電性特徴部１２のエリアにおいてこの上部誘電体層１４を貫通してビアホール１６がエッチングされる。近代的な回路では、ビアホール１６は、深さ対最小巾で測定したアスペクト比が４：１又はそれより大きくなるものもある。最終的に、金属がビアホール１６に充填されて、導電性特徴部１０を含む下部配線レベルと、上部誘電体層１４の上面に形成された上部配線レベルとの間に垂直方向の電気的相互接続部を形成する。単純なまっすぐなビア１６が示されている。デュアルダマシンでは、単純なビア１６は、誘電体層１４の下部の狭いビアがその上部の広いトレンチに接続されたものに置き換えられ、このトレンチは、水平方向にかなりの距離延びて、上部配線層の水平相互接続部を形成する。

ビアを金属化する前に、誘電体層１４の上面と、ビアホールの底壁及び側壁とにライナー層２０が堆積される。このライナー層１４は、ビア金属と酸化物誘電体との間の拡散に対するバリア、酸化物と金属との間の接着層、及びその後に堆積される金属に対するシード又は核生成層を含む多数の機能を遂行する。過去において有力な金属はアルミニウムであったが、デュアルダマシン構造では銅が進歩型集積回路にとって有力なものとなり始めている。というのは、電気的抵抗率及びエレクトロミグレーションが低く、且つ電気−化学メッキ（ＥＣＰ）を使用してビアホール１６に銅を充填することができるからである。銅の場合に、導電性特徴部１０は、通常、デュアルダマシン金属化のトレンチ部分である。銅に対するライナー層２０は、通常、窒化タンタル（ＴａＮ）のバリア層、Ｔａの接着層を含む。薄い銅シード層は、ＥＣＰ銅の核を生成すると共に、電気−化学的プロセスの電極としても働く。化学的気相付着（ＣＶＤ）又はその改良である原子層堆積（ＡＬＤ）は、幾つかの層に使用することができる。両技術は、高アスペクト比のホールに適合層を被覆する傾向があり、また、ＡＬＤは、化合物の非常に薄い層を被覆することができる。しかしながら、多数の固有の問題を克服できれば、その経済性と、膜のクオリティの高さから、通常、スパッタリングが好ましい。側壁カバレージが概して不充分で、ホール１６内の深部に形成される側壁部分２２が薄くなる。スパッタリングは、ホール１６の頂部にオーバーハング２４を形成する傾向があり、これは、最低限、ホール１６へその後に被覆するための有効アスペクト比を高め、最悪の場合、ホール１６の頂部を橋絡して、ホール１６への更なる堆積を妨げる。ウェハを電気的にバイアスすることを組み込んだ種々の技術を使用して、オーバーハング２４を減少すると共に、側壁カバレージを増加することができる。これらの技術は、厚い底部２６で表されたように、底部カバレージを改善する傾向がある。しかしながら、底部２６は、下部導電性特徴部への導電性経路にある。タンタルは、金属であるが、電気的抵抗率が若干高い。窒化タンタルは、著しく抵抗性である。その結果、底部２６をエッチング除去することが望ましい。他方、オーバーハング２４のエッチングは、その下に横たわるバリア層を除去してはならない。

親の国際出願において、ディン氏等は、Ｔａ及びＴａＮの両方を堆積できる図２に概略的に示すスパッタリアクタを使用することにより、これらの多数の矛盾する要件に対処している。真空チャンバーの側壁３０は、リアクタの中心軸３２の周りに配列される。タンタルターゲット３４がチャンバー３０に支持され、環状アイソレータ３６を経て真空密封される。ペデスタル３８は、スパッタ処理されるべきウェハ４０を中心軸３２に沿ってターゲット３４に対向して保持する。真空ポンプシステム４２は、チャンバー３０を１０^−８トールの低い圧力にポンピングすることができる。しかしながら、アルゴン作用ガスが、ガス源４４からマスフローコントローラ４６を経て通常０．１から１０ミリトールの範囲の圧力で供給される。選択的ＤＣ電源４８は、接地された金属チャンバー３０又はその図示されていないシールドに対してターゲット３４を負にバイアスし、作用ガスをプラズマへと放電させる。負のターゲットバイアスは、正のアルゴンイオンをターゲット３４に引き付けると共に、エネルギーのあるイオンがターゲット３４からタンタル原子をスパッタさせる。幾つかのタンタルイオンがウェハ４０に当り、そこにタンタル層を堆積する。プロセスのある部分において、窒素ガスがガス源５０からそのマスフローコントローラ５２を経てチャンバー３０に供給される。窒素は、反応性イオンスパッタリングと称するプロセスにおいて、スパッタされたタンタルと反応してウェハ４０上に窒化タンタルを形成する。

ターゲット３４付近のプラズマの密度は、ターゲットの背後に置かれた小さな不平衡ネスト状マグネトロン５６により高められる。フュー氏は、米国特許第６，１８３，６１４号においてこのようなマグネトロンを説明している、これは、一方の磁気極性の内部磁極６２を、逆極性の環状の外部磁極６４で包囲したものを備え、その両磁極は、磁気ヨークに支持されて磁気結合されている。ターゲット３４の前方の磁界の水平成分が電子を捕獲し、プラズマ密度、ひいては、スパッタリング率を高める。マグネトロン６０の小さな面積は、マグネトロン６０付近のエリアにおけるターゲットスパッタリング電力を集中させ、これも、プラズマ密度を高める。マグネトロン５６は、円形、楕円形、三角形及びレーストラックを含む種々の形状をもつことができる。均一なスパッタリングを与えるために、マグネトロン６０は、ロータリ駆動シャフト６８に支持されて、中心軸３２の周りで回転される。外部磁極６４の全磁界強度、即ちその面を横切って一体化される磁束は、内部磁極６２より著しく大きく、マグネトロン６０を不平衡にさせる。その比は、少なくとも１．５であり、好ましくは、２．０より大きい。この不平衡状態は、外部磁極６４からウェハ４０に向けて磁気成分を突出させ、プラズマを閉じ込めると共に、タンタルイオンをウェハ４０へ誘導させる。

充分な電力密度がターゲット３４に与えられる場合には、マグネトロン６０の下の高密度プラズマ領域が、スパッタされたタンタル原子の大部分をイオン化する。タンタルイオンは、ターゲット３４に戻るように引き付けられて、自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）スパッタリングと称される効果において更なるスパッタリングを生じさせることができる。その結果、アルゴンのスパッタリングガスは、プラズマを維持する上で重要性が低くなり、アルゴンの圧力を下げることができる。銅のスパッタリングを伴うある状態では、ＳＩＰプラズマが自己持続され、アルゴンの供給を遮断することができる。

ウェハ４０より大きくて２つの個別の端を有するバンド形状のＲＦコイル７０がチャンバー３０内に位置され、その図示されていないシールドが、ターゲット３４とウェハ４０との間の処理スペースの下半分又は１／３に置かれる。一実施形態では、コイル７０は、ターゲットと同じ材料で作られ、即ち、この実施例では、タンタルについて述べる。更に、これは、中心軸３２に沿って管状の形状を有し、軸の長さ対半径方向厚みのアスペクト比は、通常、少なくとも４である。この組成及び形状は、コイル７０が１つの動作モードにおいて第２のスパッタリングターゲットとして働くのを許容する。ＤＣ電源７２及びＲＦ電源７４は、図示されていない結合回路及び分離回路を経て結合され、コイル７０を独立してＤＣバイアスするか、又はＲＦエネルギーをコイル７０に誘導性結合させるか、或いはこれら２つを結合して行うのを許容する。ＲＦ電源は、コイル７０の一端でキャパシタ７６を経て接地されるが、このキャパシタは、ＤＣ電源７２によりコイル７０をＤＣ分離する。この図は、電源７２、７４の相対的な位置、及びコイル７０の接地点を示していない。コイルは、中心軸３２に垂直な平面内をほぼ３６０°に延び、その両端は、中心軸３２の周りで最小距離、例えば、２５°未満で分離されるのが好ましい。これらの端の一方は電力供給され、他方は接地される。

コイル７０が負にバイアスされると、アルゴンイオンを引き付けてコイル７０からタンタルをスパッタさせる。コイル７０は、ＲＦ電力で駆動されると、軸方向ＲＦ磁界を発生し、これは、方位電界を誘起して、チャンバー３０の下部にプラズマ領域を誘起させる。即ち、二次プラズマ源は、アルゴンイオンの円板状領域をウェハ付近に形成する。別のＲＦ電源が容量性結合回路８０を経てペデスタル電極３８に結合され、これは、付近のプラズマのエッジに負のＤＣ自己バイアスを誘起する。その結果、二次プラズマ源内及び頂部マグネトロン／ターゲット源からのアルゴンイオンがウェハ４０へと加速されて、これをスパッタエッチングする。加速により生じる非等方性のために、エネルギーのあるイオンがビアホールの底部に到達し、側壁部分２２に比べて底部２６を効果的に選択的エッチングする。

ここに示すリアクタは、多数のモードで動作できるが、２つの極端なモードが考えられる。堆積モードでは、コイル７０へのＲＦ電力がターンオフされる。大きなＤＣ電力がターゲット３４に印加される。自己イオン化プラズマであるために、アルゴンの圧力を下げて、ウェハ４０のアルゴンイオンスパッタエッチングを減少することができる。もし希望であれば、コイル７０をＤＣバイアスして、二次ターゲットとして働くようにしてもよい。このモードは、主として、ウェハのスパッタエッチングを最小にしてタンタルを堆積する。他方、エッチングモードでは、２つのＤＣターゲット電力４６、７２がターンオフされ、タンタルは本質的にスパッタされない。更に、コイル７０へのＲＦ電流が増加され、ＲＦバイアス電源７８がウェハ７０をＤＣ自己バイアスする。その結果、タンタルはほとんど堆積されず、第２プラズマ源からのアルゴンイオンがウェハ４０をスパッタエッチングする。全電源４６、７２、７４、７８を使用することにより、同時堆積及びエッチングの組み合せを達成することができる。

しかしながら、このような装置で遂行されるエッチングは、ウェハの直径にわたって非常に非均一であることが分かった。図３のグラフに示す２本の曲線は、８００Ｗ及び４５０Ｗのバイアス電力をペデスタルに印加した場合に実験で観察されるエッチングレートを各々表している。エッチングレートは、ウェハの中心付近で最も高く、ウェハのエッジに向かって約４０％降下する。図２のスパッタリアクタは、スパッタ堆積については受け容れられる均一性を示すが、スパッタエッチングの均一性は改善を必要とする。

コイル７０は、電気的に接地されたチャンバー壁３０内だけでなく、接地されたスパッタシールド内でも支持しなければならず、これらスパッタシールドは、堆積から壁を保護するのに使用されるだけでなく、カソードターゲット３４に対向するアノードとして働くようにも使用される。コイルを支持すると共に、コイルへの電気的接続を与えるために、簡単で容易に修理可能な機械的システムが必要とされる。特に、近年開発された３００ｍｍチャンバーに伴う更に別の問題は、貴重なクリーンルームスペース内におけるリアクタの設置面積を減少するためにチャンバーのサイズを最小限にする必要があることである。

プラズマスパッタリングに関連した本発明の１つの態様は、コイルの後方に位置された磁気リングであって、コイルの軸に沿って磁気極性を有する磁気リングを包含する。コイルは、処理されている基板の付近にプラズマを誘起し、特に、基板をスパッタエッチングするのに使用できると共に、スパッタ堆積のための二次ターゲットとしても使用できる。２つのプロセス間の切り換え又はそれらの結合は、コイルにおけるＲＦ及びＤＣバイアス状態に依存すると共に、ターゲット及びウェハのバイアスにも依存する。磁気リングは、プラズマバリアとして働く軸方向ＤＣ磁界をコイル付近に発生し、従って、コイルにより誘導的に形成されたプラズマが、基板へと拡散されるかさもなければ引き付けられる前にコイルに接地されるのを防止し、これにより、基板のスパッタエッチングの半径方向均一性を改善する。また、軸方向ＤＣ磁界は、コイルのスパッタリング用マグネトロンとしても働く。

磁気リングは、中心軸と同軸的な１つ以上のソレノイドにより、又は小さなソレノイドの環状アレイにより、軸方向に分極された永久磁石の環状アレイで形成することができる。コイルは、管状の形状を有するのが好ましく、従って、磁気リングは、コイルの中心軸方向部分からコイルを越えて基板に向けて延びるのが好ましい。複数のソレノイドは、電気的に直列に配列され、個別に及び独立して電力供給されてもよい。

ネスト状不平衡ルーフマグネトロンが一次ターゲットの後方に使用される場合には、コイルのボア内に磁気リングにより発生されるＤＣ磁界の軸方向極性が、ルーフマグネトロンの外部磁極により形成される極性と逆であるのが好ましい。
磁石アレイは、真空チャンバーの外部側壁に装着されるのが好ましい。

本発明の別の態様は、磁気リングを合体したものを含むがこれに限定されないプラズマスパッタリアクタと共に使用可能なシールドシステムを包含する。内部シールドが、ターゲットから、ウェハを支持するペデスタルへと延び、シールドの中央部のフランジにより支持される。内部シールドの内面は、滑らかな輪郭を有し、チャンバー軸から１０°を越えてずれる面はない。ＲＦコイルは、内部シールドにより支持され、その電気的リードが内部シールドを貫通している。

従来のビアライナーに伴う多数の問題を示す概略断面図である。 プラズマ源及びスパッタリングターゲットとして動作する小型の不平衡マグネトロン及び誘導性コイルを使用したプラズマスパッタリアクタを示す概略断面図である。 図２の形式のスパッタリアクタで観察される非均一なスパッタエッチングを示すグラフである。 図３の非均一なエッチングを説明するための概略図である。 ＲＦコイル及びコイル後方の外部磁石アレイを備えた本発明のリアクタを示す概略断面図である。 図５の形式のスパッタリアクタで観察されるより均一なスパッタエッチングを示すグラフである。 永久磁石のアレイに取って代わる磁気リングとして使用される１つのソレノイドコイルの概略図である。 磁気リングとして使用される２つの同軸コイルの概略図である。 ＲＦコイルと、磁石リングと、内部シールド、外部シールド及びスカートシールドのシールドシステムとを組み込んだスパッタリアクタの断面図である。 内部シールドの平面図である。 内部シールドの正射投影図である。 外部シールドの正射投影図である。

好ましい実施形態の説明

非均一なレートの原因であると考えられるメカニズムを、図４の概略図を参照して説明する。ＲＦ誘導性コイル７０は、該コイル７０付近に主として集中する初期プラズマ分布８０を生成する。エッジ局所化は、生成されるプラズマの表皮深さに関して説明することができる。ＲＦコイル７０は、中心軸３２に概略的に沿ったＲＦ磁界を発生する。このＲＦ磁界は、次いで、方位電界を発生して方位電流を励起し、これは、プラズマを維持すると共に、その密度を高める。しかしながら、電界は、次いで、高導電性プラズマにより電気的に短絡される。即ち、ＲＦ磁界は、プラズマの表皮深さまでしかプラズマに到達しない。しかしながら、プラズマは、分布８２で示すように、軸方向にウェハ４０に向かって且つ半径方向にも拡散する。半径方向の拡散は、中心軸３２に向かう内方成分と、コイル７０に向かう外方成分とを含み、これは、電気的に駆動されるコイル７０に当たる電子を弱める。中性プラズマでは、イオン密度が電子の密度に従う。エッジロスは、実際に、その後の分布８４へと鋭敏になり、ここで、エッジは、中心３２へ以前に拡散した電子を流出させる。その結果、プラズマがウェハに当たると、プラズマ密度の分布が、中心３２における最大値から、ウェハ４０のエッジに向かって減少する。このプラズマ密度分布は、スパッタエッチングレートで直接的に表される。

無磁界領域における拡散のレート、より詳細には、ベクトル拡散フローＪは、プラズマ密度ｎの勾配に拡散定数Ｄ_０を乗算したものに比例し、即ち、
Ｊ＝Ｄ_０▽ｎ
となる。本発明者の理解によれば、拡散を磁気的に制御することができる。磁界中の中性プラズマの有効拡散定数Ｄは、次式で与えられることが知られている。

但し、Ｔｃは、サイクロトロン周波数で、次式により磁界Ｂに関係付けられる。

本発明の１つの態様によれば、磁界は、電子を捕獲するための磁気バリアを生成し、ひいては、プラズマ電子がコイル７０、チャンバー側壁３０、又はそれらの間の図示されていないシールドへ漏れるのを防止するように配置される。軸方向の磁界は、壁への拡散を防止する上で最も効果的である。方位磁界も、壁への拡散を低速化するが、スパッタリアクタの略円対称の幾何学形状と一致せず、ウェハへのプラズマの軸方向拡散を更に低速化する。半径方向磁界は、半径方向拡散を低速化せず、軸方向拡散のみを低速化する。

これらの概念は、図５に概略的に示すスパッタリアクタに組み込まれた補助的な側壁リング磁石９０に組み入れられる。簡単化のため、この図は、図２に既に示された電源回路を示していない。この点において、より現実的な構造は、以下で詳細に説明するが、この図は、本発明の磁気部分及びそれらの実施を理解するのに充分であることを述べておく。

磁気リング９０は、チャンバー側壁３０の外部で、コイル７０の略半径方向外方に位置されて、ダイポールリング磁界９２を生成する。この磁界は、主として軸方向（中心軸３２に平行）であって、コイル７０の面に隣接し且つそれに平行である。内部コイル面のこの軸方向部分は、プラズマ電子を、それらのエネルギー及び速度方向に基づいて捕獲する傾向があり、ひいては、コイル７０又は以下に述べるシールドへのプラズマ電子の拡散を著しく減少する磁気バリアを生成する。磁気リング９０は、チャンバー３０の外周に配列された同じ極性の複数の永久磁石で形成することができる。概略的に、リングの磁気極性は、希望のバリアに直接影響しないが、リング９０の極性は、ルーフマグネトロン６０の強力な外部磁極６４の極性と逆又は逆平行であるのが好ましい。他方、平行な配向は、内部コイル面から離れて隣接ルーフマグネトロン６０の外部磁極６４に向けて磁界９２を引っ張る傾向があり、従って、コイル７０の１つの点における希望の作用を低下させる。ディン氏等は、祖父母の米国特許出願第０９／９９３，５４３号、現在、ＵＳ２００３−０８９，６０１−Ａ１号として公告された、において、同様の磁石リングを同様の位置に入れているが、コイルを欠いている。しかしながら、彼等は、磁石リングをルーフマグネトロン６０の外部磁極６４と平行な極性配向にして、外部磁極６４からの投影磁界をウェハ４０に向けて更に延ばし、ひいては、ターゲットからスパッタされたイオンを更に誘導することを唱えている。

磁気リング９０は、その磁石及び磁極面を含めて、コイル７０の半径方向外方に少なくとも部分的に延びねばならない。また、磁気リング９０は、その軸方向距離も、好ましくは、コイル７０と少なくとも同程度の長さに延びねばならない。一実施形態では、磁気リング９０の上端は、バンドコイル７０の軸方向中間面と同一平面又はその若干上にあり、一方、その下端は、コイル７０の軸方向最下面より下に延びる。この配置は、ウェハ４０に向かうプラズマの拡散及び磁界駆動電流を制御するコイル７０の面付近及びその軸方向下側の最も強力な二次プラズマ源領域付近の重要な軸方向磁気成分を増強する。

磁気リング９０は、マグネトロンとして働く付加的な作用を有する。バンドコイル７０の面に平行な磁気成分は、電子を捕獲し、従って、プラズマ強度及びバンドコイル７０からのスパッタリングレートを増加させる。この作用の効果は、少なくとも、主ターゲット３４からスパッタされるものと同じ材料で構成されたバンドコイル７０の表面部分に依存する。コイルのスパッタリングは、コイル７０が二次プラズマ源に誘導的に電力供給するスパッタエッチングではなく、スパッタ堆積に貢献する。

リング磁石なしで図３のデータを得るのに使用した実験を、本発明の磁石リングを使用して繰り返した。ウェハの直径にわたるエッチングレートが、２つの異なるバイアス電力に対して図６にプロットされている。明らかに、リング磁石は、エッチングの均一性を大幅に改善する。

電磁石は、永久磁石と若干同様の作用を与えることができる。図７に断面で示すように、電磁石とも称されるソレノイドコイル１００は、図５の磁石リング９０と同様の磁石リングとして働くようにチャンバー壁３０の外部で中心軸３２の周りに巻かれる。ＤＣ電流源１０２又は他の電源がソレノイド１００に電力供給して磁界１０４を発生し、この磁界は、ＲＦバンドコイル７０の内面にほぼ垂直であり、ソレノイド１００のボア内の極性は、図５のルーフ磁石６４の外部磁極６４と逆であるのが好ましい。磁界の強度を変えて、プロセスを最適化するか、又はプロセスのステップ間で磁界を変えるように、電流源１０２が選択的であるのが好都合である。ソレノイド１００は、図５の永久磁石リング９０と同様の長さ及び位置を有するのが好ましい。ソレノイド１００は、単一のターンを有してもよいし複数のターンを有してもよく、且つ好ましいＲＦコイル７０と同様の環状バンドとして形成されてもよい。単一ターンの実施形態は、円の全３６０°の範囲を越える必要はなく、コイル７０の２つの端間に２５°、好ましくは、約１８°の角度ギャップが存在して、２つの端への分離した電気的接続を許容してもよい。

ソレノイドが発生する磁界は、ダイポール磁界である永久磁石のリングにより発生される磁界と厳密ではないが同様の形状を有する。更に、リングのダイポール磁界は、約１／ｔの依存性で磁石から減衰し、ここで、ｔは、磁石からの距離であり、リングの半径より著しく小さい。他方、ソレノイドの磁界は、ｔと共に対数的に減衰する。プラズマは、ＤＣ磁界を短絡しないので、ソレノイド磁界は、中心軸に沿ったボアの中心において強くなる。従って、ソレノイド磁界は、中心に向かう環状プラズマ源の内方拡散を防止する傾向となる。それにもかかわらず、電気コイルを使用して、リングダイポール分布に近い磁界分布を発生することができる。図８に示すように、２つの同軸ソレノイド１０６、１０８がチャンバー壁３０の外部に巻かれる。それらは、同じ軸方向位置を有するが、距離ｓだけ半径方向に分離されている。それらは、互いに逆の方位方向又はセンスで電力供給されると、それらの共通ボア内に実質的に逆平行の磁界を各々発生する。全磁界、即ち２つの大きさの差は、ｓの値に依存し、リングダイポール磁界分布を近似する。２つのコイル１０６、１０８は、直列であるが逆のセンスで単一の電源に接続されてもよいし、或いは図示されたように、各々の独立した電源１０２ａ、１０２ｂに接続されてもよい。

ソレノイド磁気リングは、プロセス最適化のために、且つ同じプロセスの異なるステップ間で、磁界、ひいては、プラズマバリア及びターゲットスパッタリングを変更するために、同調をなし得るという効果を有する。独立して電力供給される同軸ソレノイドは、これもプロセス最適化又はプロセスステップ間で、ソレノイド磁界とダイポールリング磁界との間で同調をなし得るという更に別の効果を有する。このような同調性は、ＲＦコイルを欠いたスパッタリングリアクタに使用することができる。

環状電磁リングの別の形式は、磁石リングの永久磁石に有効に個々に置き換わる小型の軸方向配向ソレノイドの環状アレイである。ディン氏等は、祖父母の特許出願第０９／９９３，５４３号にこの構成を説明している。このようなソレノイドアレイは、ソレノイドが個々に電力供給される場合に方位的に同調することができる。

電磁石の使用は、ＲＦコイルの近くでチャンバー内にコイルを配するのを容易にする。

より現実的なプラズマスパッタリアクタが図９に示されているが、ルーフマグネトロン、電源、及びペデスタルの部分といった多数の部品は、図示されておらず、図２及び５に見ることができる。上部チャンバーは、上部チャンバー壁１２０及び金属性リム１２２により形成され、これらは両方とも中心軸１２４の周りでほぼ対称的である。アイソレータ１２６は、それを支持するリム１２２に対して密封されると共に、アイソレータ１２６が支持するターゲットバッキングプレート１３０のフランジ１２８に対して密封される。バッキングプレート１３０は、角をもつくぼみ１３２を含み、その下で、ターゲット層１３４がバッキングプレート１３０に接合される。ターゲット層１３４は、スパッタされるべき金属、例えば、タンタル又は他の耐火金属で構成される。銅又はアルミニウムをスパッタすべき場合には、ターゲットの設計が非常に簡単でよい。

本発明の磁気リング１３６は、上部チャンバー壁１２０の下部のくぼみに部分的に嵌合されて支持される。磁気リング１３６は、２つの１８０°セグメントを一緒に端−端固定して、非常に多数の永久磁石、例えば、２０個以上を捕獲する円形構造体としたもので形成することができる。そのキャリアは、図示されていない機械的構造体によりチャンバー壁１２０に固定される。一般的なキャリア及び磁石設計は、ディン氏等により特許出願第０９／９９３，５４３号に開示されている。

下部チャンバーは、上部チャンバー壁１２０に密封されてそれを支持する下部チャンバー壁１４０により形成される。下部チャンバーは、大きな真空ポンピングポート１４２と、ペデスタル１４６の図示されていないステムのための密封された通路１４４とを備えている。外部で操作されるステムは、ペデスタル１４６を、図示された処理位置から下部移送位置へ下げることができ、ウェハを、スリットバルブアパーチャー１４８を経てペデスタル１４６へ及びペデスタル１４６から移送できるようにする。ペデスタル１４６を堆積から保護するために、図示されていない堆積リングがペデスタルの棚１５０に支持される。プロセスガスのための１つ以上のガスポート１５２も下部チャンバーに置かれる。

アスペクト比が好ましくは少なくとも４であるバンド形状又は管状のＲＦコイル１６０は、コイル１６０の外方に延びるタブ１６６を捕獲する５つの絶縁スタンドオフ１６４を経て単一部片の内部シールド１６２に支持される。ＲＦコイル１６２は、金属シールド内に位置させて、シールドがＲＦ磁界を短絡するのを防止しなければならない。シールドは、それらが非磁性材料で作られる限り、リング磁石１３６からのＤＣ磁界にあまり影響を及ぼさない。ＲＦコイル１６０及び磁石リング１３６の相対的な位置は、図５を参照して既に説明した。

内部シールド１６２は、ターゲットバッキングプレート１３０付近の上端からＲＦコイル１６０より下の下端まで延び、通常、処理位置にあるペデスタル１４６の上面のすぐ下まで延びる。内部シールド１６２は、チャンバー壁１２０をスパッタ堆積から保護するもので、通常は、かなりの厚みまで蓄積した堆積材料が剥げ落ちて粒子を形成しないように固定数の堆積サイクル後に交換される消耗品と考えられる。内部シールド１６２の上端は、ターゲットフランジ１２８及びその角により形成されたくぼみ１３２に嵌合され、また、内部シールド１６２の角部とターゲットフランジ１２８及びアイソレータ１２９との間には小さな分離がある。この小さなギャップは、プラズマを維持しないプラズマダークスペースとして働き、従って、ギャップ内に金属がスパッタ堆積したりターゲットが接地されたシールド１６２又は金属リム１２２に短絡したりするのを防止する。環状フランジ１６８は、内部シールド１６２から半径方向外方に延び、上部チャンバー壁１２０の内部棚に支持されて電気的に接地される。フランジ１６８は、内部シールド１６２の上端と下端との間に置かれ、内部シールド１６２の上端がリム１２２及びアイソレータ１２６の両方の前方に延びるのを許容する。シールドをチャンバー壁１２０にスクリュー固定するのを許容するためには、個別リム１２２が好ましい。内部シールド１６２の内面は、ビードブラスティングを越える滑らかな輪郭を有し、丸み付けされた上下の尖端を除くと垂直から１０°以上ずれる面はない。この滑らかな面は、鋭い角に堆積した材料の剥げ落ちを減少する。

内部シールド１６２は、更に、図１０に平面図で、また、図１１に正射投影図で示されている。５つの円形くぼみ１７０がシールド１６２の外壁に形成されて、外部キャップ１７２を、ホールを通過するスクリューと一緒に受け入れ、外部キャップ１７２及び内部カラー１７６が、くぼみ１７０のエリアにおいてシールド１６２を貫通するアパーチャー１７８を経てコイルタブ１６６を捕獲し、従って、コイル１７０を内部シールド１６２に固定するのを許容する。

シールドフランジ１６８は、多数のスルーホール１８０を含み、これを通してシールドをチャンバー本体にスクリュー固定する。フランジ１６８の外部上角に形成された２つの部分くぼみ１８２は、ホール１８４を通過するねじ切りされた部材にねじ込まれるナットを受け入れて、２つのシールドをユニットとしてアッセンブルするのを許容する。一対のホール１８４にねじ切りして、頭上ホイストへの一時的なねじ接続を許し、シールドユニットを機械的に持ち上げることができる。２つの角度的にオフセットした平らな面１８６が外壁面に形成されて、ＲＦフィードスルーをシールド１６２から分離する絶縁セラミックプレートを受け入れる。スルーホール１８８に入れられるセラミックブッシングは、コイル１６０の外方に延びる円形端を、それらが貫通するシールド１６２から分離させる。ホール１９０は、シールド１６２へのフィードスルー構造体のねじ固定を許容する。平らな面１８６のエリアにおけるフランジ１６８の外側部分を貫通する２つの略半円形の欠切部１９２は、各平らな面１８６に置かれたコイル端を、チャンバー壁１２０を貫通するＲＦ真空フィードスルーにねじ固定するのを許容する。

図９に断面で示され、図１２に正射投影図で示された環状外部シールド２００は、概略的に、内部シールド１６２と上部チャンバー壁１２０との間に配置される。これは、内部シールド１６２のフランジ１６８とチャンバー壁１２０の棚との間に位置されたフランジ２０２を備えている。１組のスクリューが内部シールド１６２のスルーホール１８０及び外部シールド２００のスルーホール２０４を通過して、それらをチャンバー壁１２０に固定すると共に、それを通して電気的に接地する。

外部シールド２００は、その下端に、半径方向に延びる底壁２０６及び上方に延びる短い内壁２０８を含むボウル部分を備え、それらは両方とも下部チャンバーを堆積から保護する。図示されていないシャドーリングは、ペデスタル１４６が処理位置にあるときにはペデスタルの棚１５０にある堆積リングに支持されるが、ペデスタル１４６がウェハ移送のために下げられたときには内部シールド壁２０８に支持される。

非常に多数の円形アパーチャー２１０、例えば、少なくとも２０個が、外部シールド２００のまっすぐな外壁２１２の底付近に円形アレイで形成される。これらのガスアパーチャー２１０は、下部チャンバーのガスポート１５２から上部チャンバーの処理スペースへ処理ガスが容易に流れるのを許容する。ガス流の向上は、１つのガス種が消費される反応性スパッタリングに対して特に重要である。ガス流は、内部シールド１６２の底付近で背部に環状くぼみ２１４を形成することにより形成することにより、更に向上される。

まっすぐな壁２１２には、小さなアパーチャー２１０の上に５つの大きな円形アパーチャー２１６が形成される。これらの大きなアパーチャー２１６は、内部シールド１６２に固定されるスタンドオフ１６４に対応して形成され、スタンドオフ１６４の外部カップ１７２へのアクセス及びそのためのスペースを許容する。更に、ＲＦフィードスルー及びＲＦコイル１６０の端のエリアには、まっすぐな壁２１２及びフランジ２０４に大きな長方形のスルーアーク状欠切部２１８が切られる。大きなアパーチャー２１６及び欠切部２１８も、ガス流を促進する。

図９に示す第３の環状スカートシールド２２０は、上部チャンバー壁１２０に固定されるが、外部シールド２００の底付近まで降下し、若干の内方テール即ちひだ２２２で終わる。このシールドは、上部及び下部チャンバー壁１２０、１４０を、小さなガスアパーチャー２１０を経て漏れることのある堆積から保護する。内部及び外部シールド１６２、２００は、通常、アルミニウムで形成されるが、スカートシールド２２０は、非磁性スチールで形成することができる。

シールド設計は、リアクタ内で比較的僅かなスペースしか占有しないが、それでも、ガス流を促進する。更に、シールドシステムは、ＲＦコイルを支持し、そこへの電気的接続を通す。シールドシステムは、内部コイル及び外部磁石リングを伴うリアクタの一実施例内で説明したが、このようなコイル又は磁石を欠いた他のリアクタにも使用できる。リアクタが内部ＲＦコイルを欠く場合には、内部シールドの円形くぼみ、並びに外部シールドの大きなアパーチャー及び欠切部を含ませる必要はない。

スパッタリアクタの上述した実施形態は、タンタルターゲットを含むものであった。他の金属ターゲット、特に、耐火金属チタン及びタングステンを使用してもよい。本発明は、銅のスパッタリングに適用できるが、銅のＲＦコイルを溶融しないように注意を払う必要があり、アルミニウムについても同様である。

上述したリアクタ及びその部品は、小さな設置面積及び僅かな追加コストで改良された融通性のある性能を発揮するものである。

１０…導電性特徴部、１２…下部誘電体層、１４…上部誘電体層、１６…ビアホール、２０…ライナー層、２２…薄い側壁部分、２４…オーバーハング、２６…厚い底部分、３０…側壁、３２…中心軸、３４…タンタルターゲット、３６…環状アイソレータ、３８…ペデスタル、４０…ウェハ、４２…真空ポンプシステム、４４、５０…ガス源、４６、５２…マスフローコントローラ、４８…ＤＣ電源、６０…不平衡ネスト状マグネトロン、６２…内部磁極、６４…外部磁極、６８…駆動シャフト、７０…コイル、７２…ＤＣ電源、７４…ＲＦ電源、７８…ＲＦバイアス電源、８０…容量性結合回路、８０…初期プラズマ分布、８２…分布、８４…その後の分布、９０…リング磁石、９２…磁界、１００…ソレノイドコイル、１０２…ＤＣ電流源、１０２ａ、１０２ｂ…電源、１０４…磁界、１０６、１０８…同軸ソレノイド、１２０…上部チャンバー、１２２…金属性リム、１２４…中心軸、１２６…アイソレータ、１２８…フランジ、１３０…ターゲットバッキングプレート、１３２…くぼみ、１３４…ターゲット層、１３６…磁石リング、１４２…真空ポンピングポート、１４４…通路、１４６…ペデスタル、１５０…棚、１５２…ガスポート、１６０…ＲＦコイル、１６２…内部シールド、１６４…スタンドオフ、１６６…タブ、１６８…フランジ、２００…外部シールド、２２０…第３の環状スカートシールド

Claims (3)

1. プラズマスパッタリアクタに使用するよう適応され、軸の周りで略円形対称であるシールド組立体において、
   (1) 内部シールドであって、前記軸に沿って延びる上端であって、前記上端の上方終端は、前記プラズマスパッタリアクタのターゲットと、前記ターゲットと金属側壁との間に配置されたアイソレータとの間にプラズマダークスペースを形成する形状とされる前記上端と、
   前記軸に沿って延びる下端と、
   前記下端の外面に円形アレイで形成された複数のくぼみであって、前記くぼみは、前記シールドの内側にＲＦコイルを支持するために、前記くぼみのエリアにおいて前記下端を通過する電気的スタンドオフの部分を受け入れるように構成される前記くぼみと、
   前記下端の外面に形成され、各プレートを受け入れるための互いに隣接した２つの平らな面であって、各電気的ラインをＲＦコイルに通すために各ホールが貫通形成されている平らな面と、
   前記上端と下端との間で前記軸から半径方向外方に延びるフランジと、
   を備え、前記内部シールドの前記軸に面した内面は、前記軸からの傾斜が１０°以下で、それ以外は滑らかであるようにした前記内部シールド、及び
   (2) 前記軸の周りで前記内部シールドを囲み、環状外部シールドのまっすぐな外壁の底付近に多数のアパーチャーが円形アレイで形成された環状外部シールド、を備え、
   前記アパーチャーに対応する前記内部シールドの前記下端の下方部分は、該下方部分の半径方向厚みを減少するように前記下端の外面に形成された環状くぼみを有する、シールド組立体。
2. 前記内部シールドは、前記２つの平らな面に隣接して前記フランジの外側に２つの欠切部を更に備えた、請求項１に記載のシールド組立体。
3. （ａ）中心軸の周りに配列された真空チャンバーと、（ｂ）ターゲットであって、このターゲットを前記チャンバーに支持する支持フランジ、及び該フランジとターゲットのスパッタリング領域との間に形成されたくぼみを含むようなターゲットと、（ｃ）前記チャンバー内の前記中心軸の周りに配列されたＲＦコイルと、（ｄ）基板を前記ターゲットに対向して支持するために前記中心軸に沿って動作位置を有しているペデスタルと、を備えたスパッタリアクタに使用するために、前記中心軸の周りで略円形対称であるシールド組立体が、
   (1) 内部シールドであって、前記軸に沿って前記くぼみへと延びる上端であって、前記上端の上方終端は、前記ターゲットとアイソレータとの間にプラズマダークスペースを形成する形状とされ、前記アイソレータは、前記ターゲットと前記チャンバーの金属性側壁との間に配置される前記上端と、
   前記軸に沿って、前記動作位置にある前記ペデスタルの上面の後方へと延びる下端と、 前記下端の外面に円形アレイで形成された複数のくぼみであって、前記くぼみは、前記ＲＦコイルを支持するため、前記くぼみのエリアにおいて前記下端を通過する電気的スタンドオフの部分を受け入れるように構成される前記くぼみと、
   各プレートを受け入れるための互いに隣接した２つの平らな面であって、各電気的ラインをＲＦコイルに通すために各ホールが貫通形成されている平らな面と、
   前記上端と下端との間で前記軸から半径方向外方に延びるフランジと、
   を備え、前記内部シールドの前記軸に面した内面は、前記軸からの傾斜が１０°以下で、それ以外は滑らかであるようにした前記内部シールド、及び
   (2) 前記軸の周りで前記シールドを囲み、環状外部シールドのまっすぐな外壁の底付近に多数のアパーチャーが円形アレイで形成された環状外部シールド、を備え、
   前記内部シールドの前記下端の下方部分は、該下方部分の半径方向厚みを減少するように前記下端の外面に形成された環状くぼみを有するシールド組立体。

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