JP6549112B2 - 物理的気相堆積チャンバで利用される双極性コリメータ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、金属含有層を基板に形成するための物理的気相堆積チャンバで利用されるコリメータに関し、より詳細には、半導体生産プロセスで金属含有層を基板に形成するための物理的気相堆積チャンバで利用される双極性コリメータに関する。

サブミクロン以下のフィーチャを確実に生成することは、半導体デバイスの次世代の超大規模集積（ＶＬＳＩ）および極超大規模集積（ＵＬＳＩ）のための重要な技術の１つである。しかしながら、回路技術の小型化が押し進められるにつれて、ＶＬＳＩおよびＵＬＳＩ技術の相互接続の寸法を縮小することが、処理能力に追加の要求を出すことになっている。この技術の中核にある多層相互接続は、ビアおよび他の相互接続などの高アスペクト比のフィーチャを正確に処理することを必要とする。これらの相互接続を信頼性高く形成することが、ＶＬＳＩおよびＵＬＳＩの成功にとって、および個々の基板の回路密度および品質を向上させるための継続的な取組みにとって非常に重要である。
次世代デバイスでは回路密度が増加するので、ビア、トレンチ、コンタクト、ゲート構造、および他のフィーチャなどの相互接続、ならびにそれらの間の誘電体材料の幅は、４５ｎｍおよび３２ｎｍの寸法に減少するが、一方、誘電体層の厚さは実質的に一定のままであり、フィーチャのアスペクト比の増加という結果を伴う。

物理的気相堆積（ＰＶＤ）としても知られているスパッタリングは、集積回路の金属フィーチャを形成する重要な方法である。スパッタリングは、材料層を基板に堆積させる。ターゲットなどの原材料は、電界によって強く加速されたイオンによって射突される。射突は、ターゲットから材料をはじき出し、次に、材料は基板に堆積する。
物理的気相堆積プロセスは、最近になって、基板に形成された高アスペクト比をもつトレンチおよびビアに材料を堆積させるように適応されている。誘電体層は、一般に、導電層またはフィーチャの上に形成され、ビアまたはトレンチの底部の導電性フィーチャを露出するためにパターン化される。バリア層が、一般に、層間の相互拡散を防止するために堆積され、次に、金属がトレンチにスパッタされる。

物理的気相堆積プロセスでは、高速で移動するイオンが、ターゲット中に突進し、ターゲット表面から粒子を叩き出す。粒子は、電荷移送機構による入射イオンとの相互作用によって帯電することがある。代替として、粒子は空間に存在する電界との相互作用により帯電することがあり、または粒子は荷電しないままであることがある。堆積は、一般に、電界領域で、およびトレンチ側壁の上部の近くでより速く行われる。堆積の間、はじき出された粒子は、基板表面に対して全体的に垂直の方向に進むのではなく全方向に進み、それによって、トレンチ中に深く入り込む前に、トレンチの角にオーバーハング構造を形成することになる場合がある。オーバーハングは金属プラグをもたらし、孔またはボイドがトレンチ内に形成されることがある。例えば、トレンチの対辺のオーバーハング部分が、一緒に成長し、それが、早すぎる閉鎖状態をもたらし、それにより、トレンチの完全な充填が妨げられ、孔またはボイドが形成されることがある。そのような孔は導電性でなく、形成されたフィーチャの導電性を極度に減少させる。半導体基板上に形成されるデバイスがますます小さくなるにつれて、基板層に形成されるトレンチおよびビアのアスペクト比、すなわち、幅に対する高さの比が大きくなっている。アスペクト比が高い幾何形状ほど、ボイドなしに充填することの難易度が高くなる。
従来、基板表面に達するイオン分率またはイオン密度を所望の範囲で制御して、金属層堆積プロセス中の底部および側壁カバレッジを改善することができている。１つの例では、ターゲットから叩き出された粒子をイオン化し、基板に印加された電気バイアスの下で加速して、トレンチが早めに閉じる前に粒子がトレンチの中に下方に進むように助成することができる。基板表面に達するイオン分率／イオン密度を制御することによって、トレンチの底部まで降りて達するイオン軌道が効率的に促進され得ると考えられる。加速されたイオンは、基板の表面に対して垂直な方向に、より均一に進むことができる。加速されたイオンが基板表面に接近するとき、加速されたイオンによって運ばれる運動量は、トレンチの中に下方に深く達することができ、そこで、加速されたイオンは、電気バイアスの影響の下でトレンチ側壁の方に向きがそれる。それにもかかわらず、トレンチ中により深く侵入するために、側壁の上部の近くのオーバーハングの影響は低減される。しかしながら、トレンチのアスペクト比が高くなるにつれて、および基板サイズが大きくなるにつれて、トレンチ底部まで降りて達するイオン分率／イオン密度を制御することと、さらに、基板表面の端から端まで均一に分配することとが困難になってきている。したがって、物理的気相堆積プロセスには、オーバーハング管理のますます厄介になっている問題を克服するという難題が残っている。

それゆえに、良好な底部および側壁管理を用いて金属含有層を形成するための改善された方法および装置の必要性がある。

本発明は、物理的気相堆積チャンバに配設された双極性コリメータを含む装置と、それを使用する方法とを提供する。１つの実施形態では、装置は、チャンバ本体、およびチャンバ本体の中に処理領域を画定するチャンバ本体に配設されたチャンバリッドと、処理領域に配設されたコリメータと、コリメータに結合された電源とを含む。
別の実施形態では、装置は、チャンバ本体、およびチャンバ本体の中に処理領域を画定するチャンバ本体に配設されたチャンバリッドと、チャンバリッドの下に配設されたターゲットと、処理領域においてリッドの下に配設されたコリメータと、コリメータに結合された電源とを含む。

さらなる別の実施形態では、金属含有エッチングストップ層を基板にスパッタ堆積させる方法は、基板を処理チャンバに移送するステップと、混合ガスを処理チャンバに供給するステップと、ＲＦ源電力を印加して、混合ガスからプラズマを形成し、それによって、処理チャンバに配設されたターゲットからの原材料をスパッタするステップと、処理チャンバに配設されたコリメータにＤＣバイアス電力を印加するステップと、スパッタされた原材料から基板上に金属層を堆積させるステップとを含む。
本発明の上述で列記した特徴が達成され、詳細に理解されるように、上述で簡単に要約された本発明のより特定の説明を、添付図面に示されている本発明の実施形態を参照して行うことができる。

本発明によるプロセスチャンバの１つの実施形態の概略断面図である。 本発明の１つの実施形態による双極性コリメータの１つの実施形態の上面図である。 本発明の１つの実施形態による時間の関数としてプロットされた図２の双極性コリメータに印加された電圧を示す図である。 本発明の１つの実施形態による双極性コリメータの別の実施形態を示す図である。 本発明の１つの実施形態による双極性コリメータのさらなる別の実施形態を示す図である。 本発明の１つの実施形態による金属層堆積プロセスの生産の間の基板の断面図である。 本発明の１つの実施形態による金属層堆積プロセスの生産の間の基板の断面図である。

理解を容易にするために、同一の参照番号は、可能な場合、図に共通する同一の要素を指定するために使用されている。ある実施形態の要素および特徴は、さらなる詳述なしに他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが意図されている。
しかしながら、添付図面は本発明の例示的な実施形態しか示しておらず、それゆえに、本発明は他の等しく効果的な実施形態を認めることができるので添付図面は本発明の範囲を限定すると見なされるべきでないことに留意されたい。
本発明は、物理的気相堆積チャンバを通過する異なる方向性をもつイオンを加速させるのに利用することができる物理的気相堆積チャンバに配設された双極性コリメータを有する装置を提供する。１つの実施形態では、物理的気相堆積プロセスの間イオン軌道挙動を効率的に制御し、ボトムアップ充填能力を支援するようにイオン／ニュートラルフィルタ処理効果を効率的に制御するために、物理的気相堆積チャンバに配設されたコリメータに双極性ＤＣバイアス電源を結合することができる。

図１は、本発明の１つの実施形態による、材料をスパッタ堆積させるのに好適である、双極性コリメータ１１８が中に配設されている物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ１００（例えば、スパッタプロセスチャンバ）を示す。本発明から利益を得るように構成することができるＰＶＤチャンバの例には、カリフォルニア、サンタクララ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から市販されているＡＬＰＳ（登録商標）ＰｌｕｓおよびＳＩＰ ＥＮＣＯＲＥ（登録商標）ＰＶＤ処理チャンバが含まれる。他の製造業者から入手できる処理チャンバも本明細書で説明する実施形態を実行するように構成できることが考えられる。
堆積チャンバ１００は、堆積チャンバ１００の内部容積部１０６を密閉する本体１０５を画定する上部側壁１０２、下部側壁１０３、およびリッド部分１０４を有する。上部側壁１０２と下部側壁１０３との間に、アダプタプレート１０７を配設することができる。ペデスタル１０８などの基板支持体が、堆積チャンバ１００の内部容積部１０６に配設される。基板移送ポート１０９が、基板を内部容積部１０６の中におよび内部容積部から移送するために下部側壁１０３に形成される。

１つの実施形態では、堆積チャンバ１００は、基板１０１などの基板に、例えば、チタン、アルミニウム酸化物、アルミニウム、アルミニウム酸窒化物、銅、タンタル、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、チタン酸窒化物、タングステン、またはタングステン窒化物を堆積させることができる物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバとしても知られているスパッタリングチャンバを含む。
ガス源１１０が、プロセスガスを内部容積部１０６に供給するために堆積チャンバ１００に結合される。１つの実施形態では、プロセスガスは、不活性ガスと、非反応性ガスと、必要ならば反応性ガスとを含むことができる。ガス源１１０で供給することができるプロセスガスの例には、限定はしないが、数ある中で、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、窒素ガス（Ｎ₂）、酸素ガス（Ｏ₂）、およびＨ₂Ｏが含まれる。

内部容積部１０６の圧力を制御するために、ポンプデバイス１１２が内部容積部１０６と連通して堆積チャンバ１００に結合される。１つの実施形態では、堆積チャンバ１００の圧力レベルは、約１トール以下に維持することができる。別の実施形態では、堆積チャンバ１００の圧力レベルは、約５００ミリトール以下に維持することができる。さらなる別の実施形態では、堆積チャンバ１００の圧力レベルは、約１ミリトールおよび約３００ミリトールに維持することができる。
リッド部分１０４は、ターゲットなどのスパッタリング源１１４を支持することができる。１つの実施形態では、スパッタリング源１１４は、チタン（Ｔｉ）金属、タンタル金属（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）金属、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、それらの合金、それらの組合せなどを含む材料から製造することができる。本明細書に示されている例示的な実施形態では、スパッタリング源１１４は、チタン（Ｔｉ）金属、タンタル金属（Ｔａ）、またはアルミニウム（Ａｌ）で製造することができる。
スパッタリング源１１４は、スパッタリング源１１４のための電力供給装置１１７を含む電源アセンブリ１１６に結合することができる。磁石の組を含むマグネトロンアセンブリ１１９がスパッタリング源１１４に隣接して結合され、それにより、処理の間スパッタリング源１１４から材料を効率的にスパッタするのを強化することができる。マグネトロンアセンブリの例には、数ある中で、電磁気直線的マグネトロン、サーペンタインマグネトロン、螺旋マグネトロン、二重指状突起（ｄｏｕｂｌｅ−ｄｉｇｉｔａｔｅｄ）マグネトロン、長方形螺旋マグネトロンが含まれる。

１つの実施形態では、スパッタリング源１１４から叩き出された金属イオンへの電子場の発生を支援するために、第１の組の磁石１９４をアダプタプレート１０７と上部側壁１０２との間に配設することができる。それに加えて、材料をスパッタリング源１１４から叩き出すための電極場の発生を支援するために、第２の組の磁石１９６をリッド部分１０４に隣接して配設することができる。堆積チャンバ１００のまわりに配設される磁石の数は、プラズマ解離およびスパッタリング効率を改善するのに必要なだけの数とすることができることに留意されたい。
必要に応じてスパッタリング源１１４とペデスタル１０８との間にバイアス電力を供給するために、追加のＲＦ電源１８０をペデスタル１０８を通して堆積チャンバ１００に結合することもできる。１つの実施形態では、ＲＦ電源１８０は、約４００Ｈｚと約６０ＭＨｚとの間、例えば、約１３．５６ＭＨｚなどの周波数を有することができる。

コリメータ１１８が、内部容積部１０６においてスパッタリング源１１４とペデスタル１０８との間に位置づけられ得る。コリメータ１１８は、それを通過するイオンの方向を制御するように双極性モードのものとすることができる。制御可能な直流（ＤＣ）またはＡＣコリメータ電源１９０をコリメータ１１８に結合して、双極性モードでコリメータ１１８を制御するように交互パルス正または負電圧をコリメータ１１８に供給することができる。双極性モードコリメータ１１８に関する詳細は、図２〜３を参照して以下でさらに論じる。本明細書に示す１つの実施形態では、電源１９０はＤＣ電源である。

シールド管１２０が、コリメータ１１８とリッド部分１０４の内部との近くにあってもよい。コリメータ１１８は、ガスおよび／または材料流束を内部容積部１０６内に導くために複数の開孔を含む。コリメータ１１８は、シールド管１２０に機械的および電気的に結合することができる。１つの実施形態では、コリメータ１１８は、溶接法などによってシールド管１２０に機械的に結合され、それにより、コリメータ１１８はシールド管１２０と一体化される。別の実施形態では、コリメータ１１８は、チャンバ１００内で電気的に浮いていてもよい。別の実施形態では、コリメータ１１８は、電力源に結合され、および／または堆積チャンバ１００の本体１０５のリッド部分１０４に電気的に結合され得る。

シールド管１２０は、その上面に形成された凹部１２２を有する管状本体１２１を含むことができる。凹部１２２は、コリメータ１１８の下部表面との噛み合わせインタフェースを提供する。シールド管１２０の管状本体１２１は、管状本体１２１の残りの部分の内径よりも小さい内径を有する肩領域１２３を含むことができる。１つの実施形態では、管状本体１２１の内面は、肩領域１２３の内面までテーパ化表面１２４に沿って半径方向内側に移行する。シールドリング１２６が、チャンバ１００において、シールド管１２０に隣接し、シールド管１２０とアダプタプレート１０７との中間に配設され得る。シールドリング１２６は、シールド管１２０の肩領域１２３とアダプタプレート１０７の内部側壁との対向する側によって形成される凹部１２８に少なくとも部分的に配設することができる。

１つの態様では、シールドリング１２６は、シールド管１２０の肩領域１２３の外径よりも大きい内径を含む軸方向に突き出ている環状側壁１２７を含む。半径方向フランジ１３０は環状側壁１２７から延びる。半径方向フランジ１３０は、シールドリング１２６の環状側壁１２７の内径表面を基準にして約９０度（９０°）よりも大きい角度で形成することができる。半径方向フランジ１３０は、その下部表面に形成された突出部１３２を含む。突出部１３２は、シールドリング１２６の環状側壁１２７の内径表面と実質的に平行な方位に半径方向フランジ１３０の表面から延びる円形リッジとすることができる。突出部１３２は、一般に、ペデスタル１０８に配設されたエッジリング１３６に形成された凹状フランジ１３４と噛み合うように構成される。凹状フランジ１３４は、エッジリング１３６に形成された円形溝とすることができる。突出部１３２と凹状フランジ１３４とが係合することにより、シールドリング１２６が、ペデスタル１０８の長手軸に関して中心に置かれる。基板１０１（リフトピン１４０に支持された状態で示されている）は、ペデスタル１０８とロボットブレード（図示せず）との間の座標位置決め較正（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）によってペデスタル１０８の長手軸に対して中心に置かれる。このようにして、基板１０１を、堆積チャンバ１００内で中心に置くことができ、シールドリング１２６を、処理の間基板１０１まわりで半径方向に中心を置くことができる。

動作時に、基板１０１が上にあるロボットブレード（図示せず）は、基板移送ポート１０９を通して延ばされる。ペデスタル１０８を下げて、ペデスタル１０８から延びているリフトピン１４０に基板１０１を移送できるようにすることができる。ペデスタル１０８および／またはリフトピン１４０の昇降は、ペデスタル１０８に結合された駆動部１４２で制御することができる。基板１０１は、ペデスタル１０８の基板受け面１４４上に下げることができる。基板１０１がペデスタル１０８の基板受け面１４４に位置づけられた状態で、スパッタ堆積を基板１０１に実行することができる。エッジリング１３６は、処理の間基板１０１から電気的に絶縁され得る。それゆえに、基板受け面１４４は、基板１０１がエッジリング１３６に接触するのを防止するために、基板１０１に隣接するエッジリング１３６の部分の高さよりも大きい高さを含むことができる。スパッタ堆積の間、基板１０１の温度は、ペデスタル２０８に配設された熱制御チャネル１４６を利用することによって制御することができる。

スパッタ堆積の後、基板１０１は、リフトピン１４０を利用してペデスタル１０８から離間された位置まで持ち上げることができる。上昇場所は、アダプタプレート１０７に隣接するシールドリング１２６およびリフレクタリング１４８の一方または両方に近接することができる。アダプタプレート１０７は、リフレクタリング１４８の下部表面とアダプタプレート１０７の凹表面１５２との中間でアダプタプレート１０７に結合された１つまたは複数のランプ１５０を含む。ランプ１５０は、赤外（ＩＲ）および／または紫外（ＵＶ）スペクトルなどにおける可視または近可視波長の光および／または放射エネルギーを供給する。ランプ１５０からのエネルギーを基板１０１の裏側（すなわち、下部表面）の方に半径方向に内側に集束して、基板１０１と、その上に堆積された材料とを加熱する。基板１０１を囲むチャンバ構成要素の反射面は、エネルギーが失われおよび／または利用されないことになる他のチャンバ構成要素から離れるように、基板１０１の裏側の方にエネルギーを集束する役目をする。アダプタプレート１０７は、加熱の間アダプタプレート２０７の温度を制御するために冷却剤源１５４に結合することができる。

基板１０１を所望の温度に制御した後、基板１０１は、ペデスタル１０８の基板受け面１４４の位置まで下げられる。基板１０１は、ペデスタル１０８の熱制御チャネル１４６を利用して、伝導を介して、迅速に冷却することができる。基板１０１の温度は、第１の温度から第２の温度までほんの数秒から約１分で下降することができる。基板１０１は、さらなる処理のために基板移送ポート１０９を通して堆積チャンバ１００から取り出すことができる。基板１０１は、必要に応じて摂氏２５０度未満などの所望の温度範囲に維持することができる。

コントローラ１９８が堆積チャンバ１００に結合される。コントローラ１９８は、中央処理装置（ＣＰＵ）１６０、メモリ１５８、および支援回路１６２を含む。コントローラ１９８を利用して、プロセスシーケンスを制御し、それにより、ガス源１１０から堆積チャンバ１００へのガス流を調整し、スパッタリング源１１４のイオン射突を制御する。ＣＰＵ１６０は、工業環境で使用できる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサとすることができる。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、フロッピーもしくはハードディスクドライブ、または他の形態のデジタル記憶装置などのメモリ１５８に記憶することができる。支援回路１６２は、従来、ＣＰＵ１６０に結合されており、キャッシュ、クロック回路、入力／出力サブシステム、電力供給装置などを含むことができる。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１６０によって実行されると、堆積チャンバ１００を制御する特定用途コンピュータ（コントローラ）１９８にＣＰＵを変換し、その結果、プロセスが本発明に従って実行される。ソフトウェアルーチンは、さらに、チャンバ１００から遠隔に配置された第２のコントローラ（図示せず）で記憶するおよび／または実行することもできる。

処理の間、材料は、スパッタリング源１１４からスパッタされ、基板１０１の表面に堆積される。スパッタリング源１１４および基板支持体ペデスタル１０８は、ガス源１１０によって供給されるプロセスガスから形成されるプラズマを維持するために、電源１１７または１８０によって互いに対してバイアスがかけられる。コリメータ１１８に印加されるＤＣパルスバイアス電力は、さらに、コリメータ１１８を通過するイオンおよびニュートラルの比を制御し、それによって、トレンチ側壁および底部充填性能を強化するのを支援する。プラズマからのイオンは、スパッタリング源１１４の方に加速され、スパッタリング源１１４に突き当たり、それにより、ターゲット材料が、スパッタリング源１１４から叩き出される。叩き出されたターゲット材料およびプロセスガスは、所望の組成物で基板１０１に層を形成する。

図２は、図１の堆積チャンバ１００に配設することができる、コリメータ電源１９０に結合されたコリメータ１１８の上面図を示す。コリメータ１１８は、一般に、六角形壁２２６が六角形開孔２４４を最密配列で分離しているハニカム構造である。六角形開孔２４４のアスペクト比は、開孔２４４の深さ（コリメータの長さに等しい）を開孔２４４の幅２４６で割ったものとして定義することができる。１つの実施形態では、壁２２６の厚さは、約０．０６インチと約０．１８インチとの間にある。１つの実施形態では、壁２２６の厚さは、約０．１２インチと約０．１５インチとの間にある。１つの実施形態では、コリメータ１１８は、アルミニウム、銅、およびステンレス鋼から選択された材料で構成される。

コリメータ１１８のハニカム構造は、コリメータ１１８を通過するイオンの流路、イオン分率、およびイオン軌道挙動を最適化するための一体化流束オプティマイザ２１０として役立つことができる。１つの実施形態では、シールド部分８９２に隣接する六角形壁２２６は、面取り部２５０および半径部を有する。コリメータ１１８のシールド部分８９２は、コリメータ１１８を堆積チャンバ１００中に設置するのを支援することができる。
１つの実施形態では、コリメータ１１８は、アルミニウムの単一の塊から機械加工することができる。コリメータ１１８は、オプションとして、被覆するかまたは陽極処理することができる。代替として、コリメータ１１８は、処理環境に適合する他の材料から製作することができ、さらに、１つまたは複数のセクションで構成することができる。代替として、シールド部分８９２および一体化流束オプティマイザ２１０は、別個の部片として形成され、溶接などの好適な取付け手段を使用して一緒に結合される。

コリメータ１１８は、基板１０１に対して垂直に近い選択された角度を超える角度でスパッタリング源１１４からの材料から放出されたイオンおよびニュートラルを捕捉するためのフィルタとして機能する。コリメータ１１８は、スパッタリング源１１４からの材料の中心または周辺領域から放出された異なる割合のイオンがコリメータ１１８を通過できるようにするために、必要に応じてコリメータ１１８の幅にわたってアスペクト比を変化させることができる。その結果として、基板１０１の周辺領域および中心領域上に堆積されるイオンの数およびイオンの到来角の両方が調節され制御される。それゆえに、材料は、基板１０１の表面にわたってより均一にスパッタ堆積され得る。追加として、材料は、高アスペクト比フィーチャの底部および側壁、特に、基板１０１の周辺の近くに配置された高アスペクト比のビアおよびトレンチに、より均一に堆積され得る。

図４〜５を最初に参照すると、図４〜５は、コリメータ４００、５００に形成された六角形開孔のアスペクト比（例えば、六角形開孔の深さを開孔の幅２４６で割ったものとして定義される）が異なっているコリメータ４００、５００の異なる実施形態を示す。コリメータ４００、５００は、それを通って延びる複数の開孔を有するものを含み、中心領域に配置された開孔は、コリメータの周辺領域に配置された開孔と異なるアスペクト比を有する。図４に示したコリメータ４００の断面図の実施形態では、コリメータ４００は、高アスペクト比を有する中心領域４２０および第１の周辺領域４３０を含むとともに、低アスペクト比を有する第２の周辺領域４３５を含む。図５に示したコリメータ５００の断面図の実施形態では、コリメータ５００は、高アスペクト比を有する中心領域５２０を含むとともに、低アスペクト比を有する第２の周辺領域５４０を含む。コリメータにおける六角形開孔のアスペクト比の設計および配列は、異なるプロセス要求を満たすために、必要に応じて任意の方法で変更または修正することができることに留意されたい。

１つの実施形態では、コリメータ１１８に結合されたコリメータ電源１９０は、基板１０１上への局所堆積を支援するために、電圧電力をコリメータ１１８にパルス出力または交互様式で供給することができる。コリメータ電源１９０は、必要に応じて単極性または双極性モードでコリメータ１１８を制御するために負および／または正電圧パルスをコリメータ１１８に供給するように構成される。１つの実施形態では、双極性モードで制御されるコリメータ１１８は、コリメータ１１８を通過するイオンおよびニュートラルの異なる比を作り出すようにイオンを制御し捕捉することができる。コリメータ１１８に印加された正電圧パルスは、プラズマ中の電子を基板表面の方に引っ張ることができ、一方、コリメータ１１８に印加された負電圧パルスは、プラズマ中の電子をターゲットの方にはね返すことができると確信される。それゆえに、交互の正および負電圧をコリメータ１１８にパルス出力することによって、コリメータ１１８を通過するイオンおよびニュートラルの方向性を効率的に制御することができる。

図３は、コリメータ１１８にＤＣ電力を印加したとき、コリメータ１１８から検出された電圧信号３０２を示す。コリメータ電源１９０からコリメータ１１８に供給されるような電圧を、図３に示すように、パルスモードで制御して、交互の正電圧３１０および負電圧３１２をコリメータ１１８にパルス出力することができる。正および負電圧パルス３１０、３１２は、それぞれ、必要に応じて所定のパルス幅３０４、３０８（例えば、パルス時間）と、パルス振幅３０６、３１４（例えば、パルス電圧値）を有することができる。パルス変調（例えば、パルス幅およびパルス振幅）は、所望の堆積プロファイルをもたらすように制御される。例えば、ボトムアップ充填能力を強化するために、より方向性のあるイオンを基板表面の方に加速させることが望まれる実施形態では、正電圧を、より長いパルス幅（例えば、より長いパルス時間）で供給して、トレンチの底部の堆積を支援することができる。対照的に、全方向性イオンが、トレンチの側壁に堆積するか、またはトレンチのコーナーの堆積物をスパッタエッチングすることが望まれる実施形態では、負電圧を、より長いパルス幅（例えば、より長いパルス時間）で供給して、側壁堆積管理を強化することができる。コリメータ１１８に供給される電圧は、必要に応じて連続モードとすることもできることに留意されたい。

１つの実施形態では、コリメータ電源１９０からのＤＣバイアス電力パルスは、約４００Ｈｚと約６０ＭＨｚとの間のバイアス周波数で、約５パーセント（例えば、５パーセントのオンおよび９５パーセントのオフ）から約７０パーセント（例えば、７０パーセントのオンおよび３０パーセントのオフ）の間、例えば、約５パーセントと約５０パーセントとの間など、例えば、約１５パーセントから４５パーセントの間などのデューティサイクルを有することができる。代替として、コリメータ１１８にパルス出力されるＤＣバイアス電力のサイクルは、実行される期間の所定の数によって制御され得る。例えば、ＤＣバイアス電力は、約１ミリ秒ごとと、約１００ミリ秒ごととの間でパルス出力され得る。コリメータ１１８にパルス出力されるＤＣバイアス電力のデューティサイクルは、必要に応じて何度も繰り返すことができることに留意されたい。１つの実施形態では、ＤＣバイアス電力は、約１キロワットと約１０キロワットとの間で制御することができる。

１つの例示的な実施形態において、本明細書で示している堆積チャンバ１００で利用されるスパッタリング源１１４からの材料は、図６Ａに示すように基板１０１に配設された絶縁材料６０４に形成された開口６０２中に銅層を堆積させるように構成された銅合金である。堆積の間、混合ガスが堆積チャンバ１００に供給されて、銅層６０６が、基板１０１に形成された開口６０２中への高いボトムアップ充填能力を伴って、スパッタされた材料から形成される。１つの実施形態では、混合ガスは、反応性ガス、非反応性ガス、不活性ガスなどを含むことができる。反応性ガスおよび非反応性ガスの例には、限定はしないが、数ある中で、Ｏ₂、Ｎ₂、Ｎ₂Ｏ、ＮＯ₂、ＮＨ₃、およびＨ₂Ｏが含まれる。不活性ガスの例には、限定はしないが、数ある中で、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｘｅ、およびＫｒが含まれる。本明細書で示す１つの特定の実施形態では、プロセスチャンバに供給される混合ガスは、少なくとも１つの窒素含有ガスおよび／または不活性ガスを含む。銅含有合金から製作された金属合金ターゲットは、スパッタプロセスのためのスパッタリング源１１４の原材料として利用することができる。ここで説明するような銅（Ｃｕ）含有ターゲットは、単に例証目的のためのものであり、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきでないことに留意されたい。それに加えて、スパッタリング源１１４として利用できる金属合金ターゲットは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、それらの合金、それらの組合せなどからなる群からの材料で製作することができる。

混合ガスが、処理のために堆積チャンバ１００に供給された後、高電圧電力をスパッタリング源１１４、例えば、Ｃｕターゲットに供給して、スパッタリング源１１４からの金属Ｃｕ原材料をＣｕ²⁺などの銅イオンの形態でスパッタする。スパッタリング源１１４と基板支持体ペデスタル１０８との間に印加されるバイアス電力は、堆積チャンバ１００において混合ガスから形成されるプラズマを維持する。コリメータ１１８に供給されるＤＣバイアスパルス電力は、基板表面の方に達するイオン分率、比、およびイオン軌跡経路を制御するのを支援することができる。主としてプラズマの混合ガスからのイオンが、スパッタリング源２１４からの材料に射突し、その材料をスパッタして分離させる。スパッタリング堆積プロセス中に、混合ガスおよび／または他のプロセスパラメータを変更し、それによって、異なる膜品質要求のために所望の膜性質をもつ堆積膜６０６の勾配を作り出すことができる。

１つの実施形態では、ＲＦ源電力は、約４００ｋＨｚと約１３．５６ＭＨｚとの間の周波数で、約５００ワットと約２５キロワットとの間で供給することができる。ＲＦバイアス電力は、約１３．５６ＭＨｚまたは２ＭＨｚの周波数で、約０ワットと約３０００ワットとの間で基板支持体に印加することができる。１つの実施形態では、ＲＦ源電力は、約４００ｋＨｚと約１３．５６ＭＨｚとの間の周波数で、約１００ワットと約３０００ワットとの間で混合ガスに供給することができる。ＤＣバイアス電力は、パルスモードで、約１キロワットと約４キロワットとの間でコリメータに印加することができる。ＤＣバイアス電力は、必要に応じて連続モードでコリメータに印加できることに留意されたい。

混合ガスおよびパルスＲＦバイアス電力モードを与えて堆積プロセスを実行している間、いくつかのプロセスパラメータをさらに制御することができる。処理チャンバの圧力は、約０．５ミリトールと約５００ミリトールとの間で、例えば、約１ミリトールと約１００ミリトールとの間などで、例えば、約２０ミリトールで制御することができる。基板温度は、摂氏約−４０度と摂氏約４５０度との間に制御することができる。

堆積プロセスの後、銅層などの金属層６０６が、図６Ｂに示すように、良好な側壁および底部堆積管理によって開口６０２に共形に堆積され得る。絶縁材料６０４の層に画定された開口６０２が、想像線６０８で示しているように金属層６０６で完全に充填されるまで、堆積プロセスは連続的に実行できることに留意されたい。

このようにして、物理的気相堆積チャンバに配設された双極性コリメータを有する装置と、それを使用する方法とが、本明細書で提供された。物理的気相堆積チャンバで双極性コリメータを利用することによって、イオン／ニュートラルフィルタ処理効果の効率的な制御を得て、物理的気相堆積プロセスの間イオン軌道挙動を効率的に制御し、ボトムアップ充填能力を支援することができる。

前述は本発明の実施形態に関するが、本発明の基本範囲から逸脱することなく本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (13)

1. コリメータであって、それを通って延びる複数の開孔を備えたコリメータを備え、
   前記コリメータは双極子であり、前記コリメータは、第１の周辺領域と第２の周辺領域の間に形成される中心領域を有しており、
   前記第１及び第２の周辺領域はそれぞれ、前記コリメータの最外エッジ周辺部を含んでおり、
   前記コリメータは、前記コリメータの全体にわたって形成されるハニカム構造を含んでおり、
   前記ハニカム構造は、前記コリメータに形成される前記開孔を画定しており、
   前記開孔は、前記中心領域から前記第２の周辺領域へ高さが低くなっており、
   前記第１の周辺領域のアスペクト比の部分は、前記中心領域のアスペクト比の部分と同じであり、
   前記第１の周辺領域の前記開孔は、前記中心領域の前記開孔と同じ高さを有しており、
   前記第１及び第２の周辺領域と前記中心領域は、前記第１の周辺領域と前記中心領域の第１の下面に平行な上面を共有しており、
   前記第２の周辺領域の第２の下面は、前記上面と前記第１の下面を横切る面内にある、装置。
2. 前記コリメータに接続されたＤＣ電源を更に備えている、請求項１に記載の装置。
3. 前記コリメータに接続された極性電力供給装置を更に備えている、請求項１に記載の装置。
4. 前記電源が双極性パルスＤＣ電源である、請求項２に記載の装置。
5. 前記コリメータが双極性モードで構成される、請求項１に記載の装置。
6. チャンバ本体と、前記チャンバ本体の中に処理領域を画定する前記チャンバ本体に配置されるチャンバリッドと、前記チャンバリッドの下に配設されたターゲットと
   をさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記ターゲットが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、それらの合金、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つから製造される、請求項６に記載の装置。
8. 前記ターゲットが銅から製造される、請求項６に記載の装置。
9. 前記コリメータの上方の前記チャンバ本体のまわりに配設された第１の磁石
   をさらに含む、請求項６に記載の装置。
10. 前記コリメータより下方の前記チャンバ本体のまわりに配設された第２の磁石
    をさらに含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記チャンバリッドの上方に配設されたマグネトロンアセンブリ
    をさらに含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記処理チャンバに配設された基板支持体に結合されたＲＦバイアス電力
    をさらに含む、請求項６に記載の装置。
13. チャンバ本体、および前記チャンバ本体の中に処理領域を画定する前記チャンバ本体に配設されたチャンバリッドと、
    前記チャンバリッドの下に配設されたターゲットと、
    前記処理領域において前記リッドの下に配設されたコリメータを備え、
    前記コリメータは双極子であり、前記コリメータは、それを通って延びる複数の開孔を備え、
    前記コリメータは、第１の周辺領域と第２の周辺領域の間に形成される中心領域を有しており、
    前記第１及び第２の周辺領域はそれぞれ、前記コリメータの最外エッジ周辺部を含んでおり、
    前記第１及び第２の周辺領域は、そこに形成される高さが異なる前記開孔を有しており、
    前記コリメータは、前記コリメータの全体にわたって形成されるハニカム構造を含んでおり、
    前記ハニカム構造は、前記コリメータに形成される前記開孔を画定しており、
    前記開孔は、前記中心領域から前記第２の周辺領域へ高さが低くなっており、
    前記第１の周辺領域のアスペクト比の部分は、前記中心領域のアスペクト比の部分と同じであり、
    前記第１の周辺領域の前記開孔は、前記中心領域の前記開孔と同じ高さを有しており、
    前記第１及び第２の周辺領域と前記中心領域は、前記第１の周辺領域と前記中心領域の第１の下面に平行な上面を共有しており、
    前記第２の周辺領域の第２の下面は、前記上面と前記第１の下面を横切る面内にあり、
    更に、前記コリメータに接続されるＤＣ電源
    を備える装置。

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