JP6896754B2 - 物理的気相堆積プロセスにおけるイオン分画を制御するための方法および装置 - Google Patents

物理的気相堆積プロセスにおけるイオン分画を制御するための方法および装置 Download PDF

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Description

本開示の実施形態は、一般に、半導体製造システムにおいて使用される基板処理チャンバに関する。
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、集積回路において金属特徴を形成する方法である。スパッタリングは、基板上に材料層を堆積させる。ターゲットなどのソース材料には、電界によって強く加速されたイオンによって衝撃が与えられる。この衝撃によって、ターゲットから材料が放出され、次いでその材料が基板上に堆積する。堆積中に、放出された粒子は、基板表面に概ね垂直ではなく、様々な方向に進むことがあり、望ましくないことには基板の高アスペクト比の特徴のコーナにオーバーハング構造を形成する。オーバーハングによって、望ましくないことには、堆積した材料内部に孔またはボイドが形成されることがあり、結果として、形成された特徴の導電率が減少する。高アスペクト比の幾何学形状は、ボイドを生じずに充填する難易度が高くなる。
基板表面に達するイオン分画またはイオン密度を所望の範囲に制御することによって、金属層堆積プロセス中に底部および側壁のカバレージを改善する（およびオーバーハングの問題を低減する）ことができる。一例において、ターゲットからたたき出された粒子は、コリメータなどのプロセスツールによって制御され、粒子の特徴内への軌道が垂直になるのを容易にすることができる。コリメータは、コリメータの通路に衝撃を与えて付着する非垂直に進む粒子をフィルター除去するために、ターゲットと基板との間に比較的長い一直線の狭い通路を備える。
しかしながら、本発明者らは、一部の用途では、コリメータが基板上の堆積均一性に悪影響を及ぼす可能性があることを見出した。具体的には、場合によっては、通路の形状が基板にインプリントされる。本発明者らは、イオンおよびイオン分画（すなわち、プラズマ中のイオンの数対中性粒子の数）に対する制御を使用して、基板上の、例えば均一性などの堆積特性を制御することができることをさらに見出した。
したがって、本発明者らは、物理的気相堆積プロセスにおけるイオン分画を制御するための方法および装置の改善された実施形態を提供した。
物理的気相堆積プロセスにおけるイオン分画を制御するための方法および装置が開示される。一部の実施形態では、所与の直径を有する基板を処理するためのプロセスチャンバは、内部容積、およびスパッタされるターゲットを含むリッドアセンブリを有する本体であって、内部容積は、ほぼ所与の直径を有する中央部分および中央部分を取り囲む周辺部分を含む、本体と、ターゲット上方に配置されたマグネトロンであって、プロセスチャンバの中心軸の周りで複数の磁石を回転させて内部容積の周辺部分に環状プラズマを形成するように構成され、複数の磁石の回転半径が所与の直径と実質的に等しいかまたはそれよりも大きい、マグネトロンと、内部容積の中にターゲットに対向して配置され、所与の直径を有する基板を支持するように構成された支持面を有する基板支持体と、周辺部分において実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するために、本体の周りにおよびターゲットに近接して配置された第１の組の磁石と、支持面の中心に向けられた磁力線を有する磁場を形成するために、本体の周りにおよび基板支持体の支持面上方に配置された第２の組の磁石と、ターゲットを電気的にバイアスするために、ターゲットに結合された第１の電源と、基板支持体を電気的にバイアスするために、基板支持体に結合された第２の電源と、を含む。
一部の実施形態では、所与の直径を有する基板を処理するためのプロセスチャンバは、内部容積、およびスパッタされるターゲットを含むリッドアセンブリを有する本体であって、内部容積がほぼ所与の直径を有する中央部分および中央部分を取り囲む周辺部分を含む、本体と、ターゲット上方に配置されたマグネトロンであって、プロセスチャンバの中心軸の周りで複数の磁石を回転させて内部容積の周辺部分にプラズマを形成するように構成され、複数の磁石の回転半径が所与の直径と実質的に等しいかまたはそれよりも大きい、マグネトロンと、内部容積の中にターゲットに対向して配置され、所与の直径を有する基板を支持するように構成された支持面を有する基板支持体と、ターゲットと基板支持体との間に配置されたコリメータと、周辺部分において、およびコリメータを通る実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するために、本体の周りにおよびターゲットに近接して配置された第１の組の磁石と、支持面の中心に向けられた磁力線を有する磁場を形成するために、本体の周りにおよび基板支持体の支持面上方に配置された第２の組の磁石と、コリメータの基板対向面と同一であるかまたはその面より下の高さで本体の周りに配置された第３の組の磁石であって、中央部分に向かってならびに支持面の中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁力線を有する磁場を生成するように構成されている、第３の組の磁石と、ターゲットを電気的にバイアスするために、ターゲットに結合された第１の電源と、基板支持体を電気的にバイアスするために、基板支持体に結合された第２の電源と、を含む。
一部の実施形態では、基板を処理する方法は、ターゲットからの材料をスパッタするために、基板上方のプロセスチャンバの環状領域内部に、およびターゲットに近接してプラズマを形成するステップであって、環状領域の内径は、プラズマの主要部分が基板の上方でありかつ半径方向外側の位置に配置されるように、基板の直径と実質的に等しいかまたはそれよりも大きい、ステップと、ターゲットからスパッタされた材料を基板に向かって誘導するステップと、ターゲットからスパッタされた材料を基板上に堆積させるステップと、を含む。
本開示の他のおよびさらなる実施形態について以下に記載する。
上で簡単に要約され、以下でより詳細に論じる本開示の実施形態は、添付図面に表された本開示の例示的な実施形態を参照することによって理解され得る。しかしながら、添付図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって、範囲を限定していると考えられるべきではなく、その理由は本開示が他の等しく効果的な実施形態を受け入れることができるためである。
本開示の一部の実施形態によるプロセスチャンバの概略断面図である。 本開示の一部の実施形態によるコリメータの上面図である。 本開示の一部の実施形態による基板を処理する方法を表す流れ図である。
理解を容易にするために、各図に共通の同一の要素を指定するために、可能な場合は、同一の参照数字が使用された。図は、縮尺通りには描かれておらず、明瞭にするために簡略化されることがある。一部の実施形態の要素および特徴は、さらに詳説することなく他の実施形態において有益に組み込まれることがある。
物理的気相堆積プロセスにおけるイオン分画を制御するための方法および装置の実施形態が本明細書に開示される。本発明の方法および装置は、有利にはＰＶＤプロセスにおけるイオンに対するより大きな制御を提供し、したがって、基板上の材料の堆積の均一性などの堆積結果に対する制御をさらに有利に容易にする。また、本発明の装置および方法の実施形態は、有利には基板中の特徴の堆積を改善することができ、基板上に堆積させるイオンの数を増加させ、中性物質の数を減少させることによって、必要な堆積速度を低下させる。
本開示の実施形態は、物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバに関して本明細書で例示的に記載される。しかしながら、本発明の方法は、本明細書に開示された教示に従って改変された任意のプロセスチャンバにおいて使用されてもよい。図１は、所与の直径を有する基板上に材料をスパッタ堆積させるのに適した、本開示の実施形態によるＰＶＤチャンバ（プロセスチャンバ１００）、例えば、スパッタプロセスチャンバを示す。一部の実施形態では、ＰＶＤチャンバは、内部に配置された、プロセスツールアダプタ１３８によって支持されたコリメータ１１８をさらに含む。図１に示す実施形態では、プロセスツールアダプタ１３８は、冷却されたプロセスツールアダプタである。本開示から恩恵を受けるように適合され得る適切なＰＶＤチャンバの実例には、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、両方ともサンタクララ、カリフォルニアのアプライドマテリアルズ社から市販されている。アプライドマテリアルズ社ならびに他のメーカーから入手可能な他の処理チャンバも、本明細書に記載された実施形態に従って適合され得る。
プロセスチャンバ１００は、一般に、内部容積１０６を囲む本体１０５を画成する上部側壁１０２、下部側壁１０３、接地アダプタ１０４、およびリッドアセンブリ１１１を含む。内部容積１０６は、処理される基板のほぼ所与の直径を有する中央部分、および中央部分を取り囲む周辺部分を含む。加えて、内部容積１０６は、基板上方の、およびターゲットに近接する環状領域を含み、環状領域の内径は、プラズマの主要部分が基板の上方でありかつ半径方向外側の位置に配置されるように、基板の直径と実質的に等しいかまたはそれよりも大きい。
アダプタプレート１０７は、上部側壁１０２と下部側壁１０３との間に配置されてもよい。基板支持体１０８は、プロセスチャンバ１００の内部容積１０６内に配置される。基板支持体１０８は、所与の直径（例えば、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍなど）を有する基板を支持するように構成される。基板移送ポート１０９は、基板を内部容積１０６に出し入れするために下部側壁１０３に形成される。
一部の実施形態では、プロセスチャンバ１００は、基板１０１などの基板上に、例えば、チタン、アルミニウム酸化物、アルミニウム、アルミニウム酸素窒化物、銅、タンタル、タンタル窒化物、タンタル酸素窒化物、チタン酸素窒化物、タングステン、またはタングステン窒化物を堆積させるように構成される。適切な用途の非限定的な例には、ビア、トレンチ、デュアルダマシン構造などにおけるシード層の堆積が含まれる。
内部容積１０６にプロセスガスを供給するために、ガス源１１０がプロセスチャンバ１００に結合されている。一部の実施形態では、プロセスガスは、必要に応じて、不活性ガス、非反応性ガス、および反応性ガスを含むことができる。ガス源１１０によって供給することができるプロセスガスの例には、とりわけ、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）、および水蒸気（Ｈ2Ｏ）が含まれるが、これらに限定されない。
内部容積１０６の圧力を制御するために、ポンピング装置１１２が、内部容積１０６と連通するプロセスチャンバ１００に結合されている。一部の実施形態では、堆積中に、プロセスチャンバ１００の圧力レベルは、約１Ｔｏｒｒ以下に維持されてもよい。一部の実施形態では、プロセスチャンバ１００の圧力レベルは、堆積中に約５００ｍＴｏｒｒ以下に維持されてもよい。一部の実施形態では、プロセスチャンバ１００の圧力レベルは、堆積中に約１ｍＴｏｒｒ〜約３００ｍＴｏｒｒに維持されてもよい。
接地アダプタ１０４は、ターゲット１１４などのターゲットを支持することができる。ターゲット１１４は、基板上に堆積させる材料から製造される。一部の実施形態では、ターゲット１１４は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金、これらの組合せなどから製造されてもよい。一部の実施形態では、ターゲット１１４は、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、またはアルミニウム（Ａｌ）から製造されてもよい。
ターゲット１１４は、ターゲット１１４用の電源１１７を備える電源アセンブリに結合されてもよい。一部の実施形態では、電源１１７は、整合ネットワーク１１６を介してターゲット１１４に結合されることがあるＲＦ電源であってもよい。一部の実施形態では、電源１１７は代わりにＤＣ電源であってもよく、その場合は、整合ネットワーク１１６が省略される。一部の実施形態では、電源１１７は、ＤＣ電源およびＲＦ電源の両方を含んでもよい。
マグネトロン１７０は、ターゲット１１４上方に配置されている。マグネトロン１７０は、シャフト１７６に接続されたベースプレート１７４に支持された複数の磁石１７２を含むことができ、シャフト１７６は、プロセスチャンバ１００および基板１０１の中心軸と軸方向に整列することができる。磁石１７２は、ターゲット１１４の前面近くのプロセスチャンバ１００内部に磁場を生成して、プラズマを発生させ、そのためかなりのイオンフラックスがターゲット１１４に衝突し、ターゲット材料のスパッタ放出を引き起こす。ターゲット１１４の表面全体にわたって磁場の均一性を向上させるために、磁石１７２をシャフト１７６の周りで回転させてもよい。マグネトロンの例には、とりわけ、電磁線形マグネトロン、蛇行マグネトロン、螺旋マグネトロン、二重指状突起マグネトロン、矩形化螺旋マグネトロン、二重運動マグネトロンが含まれる。磁石１７２は、基板のほぼ外径と内部容積１０６のほぼ外径との間に延在する環状領域の内部で、プロセスチャンバ１００の中心軸の周りに回転する。一般に、磁石１７２は、磁石１７２の回転中の最も内側の磁石位置が、処理されている基板の直径を上回ってまたは外側に配置されるように回転することができる（例えば、回転軸から磁石１７２の最も内側の位置までの距離が、処理されている基板の直径と等しいかまたはそれよりも大きい）。
マグネトロンは、マグネトロンの磁石が基板のほぼ外径と処理容積の内径との間の環状領域内部で回転する任意の適切な運動パターンを有することができる。一部の実施形態では、マグネトロン１７０は、プロセスチャンバ１００の中心軸の周りに磁石１７２の固定の回転半径を有する。一部の実施形態では、マグネトロン１７０は、プロセスチャンバ１００の中心軸の周りに磁石１７２の複数の回転半径または調整可能な回転半径のいずれかを有するように構成される。例えば、一部の実施形態では、マグネトロンは、（例えば、３００ｍｍの基板を処理するために）約５．５インチ〜約７インチの調整可能な回転半径を有することができる。例えば、一部の実施形態では、マグネトロンは、磁石１７２が第１の所定の期間は第１の半径（例えば、３００ｍｍの基板を処理する場合は約６．７インチ）で、および第２の所定の期間は第２の半径（例えば、３００ｍｍの基板を処理する場合は約６．０インチ）で回転する二重運動を有する。一部の実施形態では、第１および第２の所定の期間は、実質的に等しい（例えば、マグネトロンは、処理時間の約２分の１は第１の半径で、および処理時間の約２分の１は第２の半径で回転する）。一部の実施形態では、マグネトロンは、別個の期間ごとに離散的に設定できるかまたは処理全体を通して連続的に変化する複数（すなわち３以上）の半径で回転する。本発明者らは、ターゲット寿命およびプラズマ安定性がマグネトロンのマルチ半径回転を使用して処理する場合に有利にはさらに改善されることを見出した。
プロセスチャンバ１００は、上部シールド１１３および下部シールド１２０をさらに含む。コリメータ１１８は、ターゲット１１４と基板支持体１０８との間の内部容積１０６内に配置される。一部の実施形態では、コリメータ１１８は、厚さＴ1を有する中央領域１３５、およびＴ1よりも薄い厚さＴ2を有する周辺領域１３３を有する。中央領域１３５は、処理されている基板の直径に概ね対応する（例えば、基板の直径と等しいか、または実質的に等しい）。したがって、周辺領域１３３は、処理されている基板の半径方向外側の環状領域に概ね対応する（例えば、周辺領域１３３の内径は、実質的に基板の直径と等しいか、またはそれよりも大きい）。あるいは、コリメータ１１８の中央領域は、処理されている基板の直径よりも大きな直径を有してもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１８は、別々の中央領域および周辺領域なしにコリメータ全体にわたって均一の厚さを有することができる。コリメータ１１８は、任意の固定手段を使用して、上部シールド１１３に結合される。一部の実施形態では、コリメータ１１８は、上部シールド１１３と一体に形成されてもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１８は、プロセスチャンバ内部の何らかの他の構成要素と結合されてもよく、上部シールド１１３に対して適位置で役立つ。
一部の実施形態では、コリメータ１１８は、電気的にバイアスされて、基板へのイオンフラックスおよび基板における中性物質角度分布を制御するとともに、追加されたＤＣバイアスのために堆積速度を増加させることができる。コリメータを電気的にバイアスすることにより、結果としてコリメータへのイオン損失が低下し、有利には基板においてより大きなイオン／中性物質比がもたらされる。コリメータ電源１９０（図２で示す）は、コリメータ１１８に結合され、コリメータ１１８のバイアスを容易にする。
一部の実施形態では、コリメータ１１８は、接地アダプタ１０４などの接地されたチャンバ部品から電気的に絶縁されてもよい。例えば、図１に表すように、コリメータ１１８は上部シールド１１３に結合され、この上部シールド１１３がプロセスツールアダプタ１３８に結合されている。プロセスツールアダプタ１３８は、プロセスチャンバ１００における処理条件に適合する適切な導電性材料から作られてもよい。絶縁体リング１５６および絶縁体リング１５７は、プロセスツールアダプタ１３８の両側に配置され、プロセスツールアダプタ１３８を接地アダプタ１０４から電気的に絶縁する。絶縁体リング１５６、１５７は、適切なプロセス適合性誘電体材料から作られてもよい。
一部の実施形態では、第１の組の磁石１９６は、接地アダプタ１０４に隣接して配置され、たたき出されたイオンをターゲット１１４から周辺領域１３３を通って誘導するための磁場の生成を支援することができる。第１の組の磁石１９６によって形成された磁場は、代わりにまたは組み合わせて、イオンがチャンバの側壁（または上部シールド１１３の側壁）に衝突するのを防止し、イオンを、コリメータ１１８を通って垂直の方向に向けることができる。例えば、第１の組の磁石１９６は、周辺部分において実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するように構成される。実質的に垂直の磁力線は、有利には、イオンを内部容積の周辺部分を通って、および存在する場合はコリメータ１１８の周辺領域１３３を通って誘導する。
一部の実施形態では、第２の組の磁石１９４は、コリメータ１１８の底部と基板との間に磁場を形成する位置に配置され、ターゲット１１４からたたき出された金属イオンを誘導して、イオンを基板１０１の全面にわたってより均一に分布させることができる。例えば、一部の実施形態では、第２の組の磁石は、アダプタプレート１０７と上部側壁１０２との間に配置されてもよい。例えば、第２の組の磁石１９４は、磁力線が支持面の中心に向けられた磁場を形成するように構成される。支持面の中心に向けられた磁力線は、有利には、内部容積の周辺部分から内部容積の中央部分へ、および基板１０１の全面にわたってイオンを再分布させる。
一部の実施形態では、第３の組の磁石１５４は、第１の組の磁石１９６と第２の組の磁石１９４との間に配置され、コリメータ１１８の中央領域１３５の基板対向面と中心がほぼ同じであってもよく、またはその面より下にあってもよく、基板１０１の中心に向かって金属イオンをさらに誘導することができる。例えば、第３の組の磁石１５４は、磁力線が支持面の中央部分および中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁場を生成するように構成される。支持面の中心に向けられた磁力線は、有利には、内部容積の周辺部分から内部容積の中央部分へ、および基板１０１の全面にわたってイオンを再分布させる。
プロセスチャンバ１００の周りに配置される磁石の数は、プラズマ解離、スパッタリング効率、およびイオン制御を制御するように選択されてもよい。第１、第２、および第３の組の磁石１９６、１９４、１５４は、金属イオンをターゲットから、コリメータを通って、基板支持体１０８の中心に向かう所望の軌道に沿って誘導するのに必要な電磁石および／または永久磁石の任意の組合せを含むことができる。第１、第２、および第３の組の磁石１９６、１９４、１５４は、チャンバの中心軸と平行な方向に一組の磁石の位置を調整するために、静止していても、または移動可能であってもよい。
ターゲット１１４と基板支持体１０８との間にバイアス電力を提供するために、ＲＦ電源１８０が基板支持体１０８を介してプロセスチャンバ１００に結合されてもよい。一部の実施形態では、ＲＦ電源１８０は、約１３．５６ＭＨｚなどの、約４００Ｈｚ〜約６０ＭＨｚの周波数を有することができる。一部の実施形態では、基板１０１の中心に向かって金属イオンを引きつけるために、第３の組の磁石１５４を排除して、バイアス電力が使用されてもよい。
動作時に、磁石１７２を回転させて、内部容積１０６の環状部分にプラズマ１６５を形成し、ターゲット１１４をスパッタする。プラズマ１６５は、コリメータ１１８が存在する場合は、周辺領域１３３上方のターゲット１１４をスパッタするために、コリメータの周辺領域１３３上方に形成されてもよい。磁石１７２の回転半径は、基板１０１の半径よりも大きく、スパッタされる材料が基板１０１上方にほとんど存在しないことを確実にする。本開示による適切な半径または半径範囲で回転するように改変することができる適切なマグネトロンの非限定的な例には、２０１２年２月１４日にＣｈａｎｇらに交付された「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｓｃａｎ Ｐａｔｈ ｏｆ ａ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ」という名称の米国特許第８，１１４，２５６号、および２０１７年２月２８日にＭｉｌｌｅｒらに交付された「Ｓｐｕｔｔｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｈａｍｂｅｒ」という名称の米国特許第９，５８０，７９５号に開示されたマグネトロンが含まれる。
第１の組の磁石１９６は、周辺領域１３３に近接した磁場を形成し、スパッタされた材料を周辺領域１３３の方に引きつける。一部の実施形態では、スパッタされた材料（例えば、イオン化されたスパッタされた材料）の主要部分は、第１の組の磁石によって周辺領域に向かって引き寄せられる。
コリメータ１１８は、金属のスパッタされた材料を、コリメータ１１８を通過させるように正にバイアスされる。しかしながら、プラズマ１６５、および金属のスパッタされた材料のすべてではないにしてもほとんどが、周辺領域１３３に配置されるため、金属のスパッタされた材料は、周辺領域１３３を通過するだけである。さらに、コリメータの中央領域に向かって進む中性のスパッタされた材料のすべてではないにしてもほとんどは、コリメータ壁に衝突して付着する可能性が高い。基板支持体１０８に印加されるバイアス電力に加えて、第２の組の磁石１９４および第３の組の磁石１５４（存在する場合は）は、スパッタされた金属イオンの軌道を基板１０１の中心に向け直す。その結果、コリメータ１１８の形状によって引き起こされる基板へのインプリントが回避され、より均一な堆積が達成される。
金属の中性物質の指向性は変更することができないため、金属の中性物質のすべてではないにしてもほとんどは、有利には、基板上に堆積しない。スパッタされた金属イオンの軌道を変更するのに十分な空間を有することを確実にするために、コリメータ１１８は、基板支持体１０８の支持面１１９上方に所定の高さｈ1で配置される。一部の実施形態では、（コリメータ１１８の底部から支持面１１９まで測った）高さｈ1は、約４００ｍｍ〜約８００ｍｍ、例えば、約６００ｍｍである。また、高さｈ1は、基板１０１上の堆積特性をさらに改善するために、コリメータ１１８の真下の磁場を用いてイオンの制御を容易するように選ばれる。コリメータ１１８上方の磁場の変調を可能にするために、コリメータ１１８は、ターゲット１１４の真下で所定の高さｈ2に配置されてもよい。高さｈ2は、約２５ｍｍ〜約７５ｍｍ、例えば、約５０ｍｍであってもよい。全体的なターゲットから基板までの間隔（またはターゲットから支持面までの間隔）は、約６００ｍｍ〜約８００ｍｍである。
プロセスツールアダプタ１３８は、内部容積１０６内部で、コリメータ１１８などのプロセスツールを支持するのを容易にする１つまたは複数の特徴を含む。例えば、図１に示すように、プロセスツールアダプタ１３８は、上部シールド１１３を支持するために半径方向内向きに延在する取付けリングまたは棚１６４を含む。一部の実施形態では、取付けリングまたは棚１６４は、プロセスツールアダプタ１３８に取り付けられた上部シールド１１３とのより均一な熱コンタクトを容易にするための、プロセスツールアダプタ１３８の内径の周りの連続的なリングである。
一部の実施形態では、冷却剤チャネル１６６がプロセスツールアダプタ１３８に設けられ、冷却剤を、プロセスツールアダプタ１３８を通して流すのを容易にし、処理中に発生する熱を除去することができる。例えば、冷却剤チャネル１６６は、水などの適切な冷却剤を提供するために冷却剤源１５３に結合されてもよい。冷却剤チャネル１６６は、有利には、接地アダプタ１０４などの他の冷却されたチャンバ部品に容易には伝達されない熱をプロセスツール（例えば、コリメータ１１８）から除去する。例えば、プロセスツールアダプタ１３８と接地アダプタ１０４との間に配置された絶縁体リング１５６、１５７は、典型的には、熱伝導率の低い材料から作られている。したがって、絶縁体リング１５６、１５７は、コリメータ１１８から接地アダプタ１０４への伝熱速度を低下させ、プロセスツールアダプタ１３８は、有利には、コリメータ１１８の冷却速度を維持するかまたは増加させる。プロセスツールアダプタ１３８に設けられた冷却剤チャネル１６６に加えて、接地アダプタ１０４も、処理中に発生した熱を除去するのをさらに容易にするために冷却剤チャネルを含むことができる。
プロセスチャンバ１００の内部容積１０６内部の中央開口部内で上部シールド１１３を支持するために、半径方向内向きに延在するレッジ（例えば、取付けリングまたは棚１６４）が設けられている。一部の実施形態では、棚１６４は、冷却剤チャネル１６６に近接した位置に配置され、使用中にコリメータ１１８から、冷却剤チャネル１６６内を流れる冷却剤への熱伝達を最大化するのを容易にする。
一部の実施形態では、下部シールド１２０が、コリメータ１１８に近接して、接地アダプタ１０４または上部側壁１０２の内部に設けられてもよい。コリメータ１１８は、ガスおよび／または材料フラックスを内部容積１０６内部に導くための複数の開孔を含む。コリメータ１１８は、プロセスツールアダプタ１３８を介してコリメータ電源に結合されてもよい。
下部シールド１２０は、管状体１２１の上面に配置された、半径方向外向きに延在するフランジ１２２を有する管状体１２１を含むことができる。フランジ１２２は、上部側壁１０２の上面との嵌合インターフェースを提供する。一部の実施形態では、下部シールド１２０の管状体１２１は、管状体１２１の残りの部分の内径よりも小さな内径を有する肩部領域１２３を含むことができる。一部の実施形態では、管状体１２１の内面は、テーパ面１２４に沿って半径方向内向きに肩部領域１２３の内面に移行する。シールドリング１２６は、下部シールド１２０に隣接して、下部シールド１２０とアダプタプレート１０７の中間のプロセスチャンバ１００内に配置されてもよい。シールドリング１２６は、下部シールド１２０の肩部領域１２３の相対する側とアダプタプレート１０７の内部側壁とによって形成された凹部１２８に少なくとも部分的に配置されてもよい。
一部の実施形態では、シールドリング１２６は、下部シールド１２０の肩部領域１２３の外径よりも大きい内径を有する軸方向に突出する環状側壁１２７を含むことができる。半径方向フランジ１３０は、環状側壁１２７から延在する。半径方向フランジ１３０は、シールドリング１２６の環状側壁１２７の内径面に対して約９０度（９０°）よりも大きな角度で形成されてもよい。半径方向フランジ１３０は、半径方向フランジ１３０の下面に形成された突部１３２を含む。突部１３２は、シールドリング１２６の環状側壁１２７の内径面と実質的に平行な配向で半径方向フランジ１３０の表面から延在する円形隆起部であってもよい。突部１３２は、一般に、基板支持体１０８上に配置されたエッジリング１３６に形成された凹部１３４と嵌合するようになされている。凹部１３４は、エッジリング１３６に形成された円形溝であってもよい。突部１３２と凹部１３４との係合は、シールドリング１２６を基板支持体１０８の長手方向軸に対してセンタリングする。基板１０１（リフトピン１４０上に支持されて示されている）は、基板支持体１０８とロボットブレード（図示せず）との間の調整された位置決め較正によって、基板支持体１０８の長手方向軸に対してセンタリングされる。したがって、基板１０１は、プロセスチャンバ１００内部でセンタリングされ得て、シールドリング１２６は、処理中に基板１０１の周りで半径方向にセンタリングされ得る。
動作時、基板１０１が配置されたロボットブレード（図示せず）は、基板移送ポート１０９を貫いて延在する。基板支持体１０８から延在するリフトピン１４０に基板１０１を移送することができるように基板支持体１０８を降下させることができる。基板支持体１０８および／またはリフトピン１４０の上昇および降下は、基板支持体１０８に結合された駆動装置１４２によって制御されてもよい。基板支持体１０８の基板受け取り面１４４上に基板１０１を降下させることができる。基板１０１を基板支持体１０８の基板受け取り面１４４上に配置した状態で、基板１０１上にスパッタ堆積を行うことができる。エッジリング１３６は、処理中に基板１０１から電気的に絶縁されてもよい。したがって、基板受け取り面１４４は、基板１０１がエッジリング１３６に接触するのを防止するように、基板１０１に隣接するエッジリング１３６の部分の高さよりも高い高さを含むことができる。スパッタ堆積中に、基板１０１の温度は、基板支持体１０８に配置された熱制御チャネル１４６を利用することによって制御されてもよい。
スパッタ堆積の後、基板１０１は、リフトピン１４０を利用して基板支持体１０８から間隔を置いて配置された位置まで上昇させることができる。上昇した位置は、シールドリング１２６およびアダプタプレート１０７に隣接するリフレクタリング１４８の一方または両方に近接していてもよい。アダプタプレート１０７は、リフレクタリング１４８の下面とアダプタプレート１０７の凹面１５２の中間の位置に、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、可視波長あるいは赤外線（ＩＲ）および／または紫外線（ＵＶ）スペクトルなどの近可視波長の、光学および／または放射エネルギーを提供する。ランプ１５０からのエネルギーは、基板１０１の裏側（すなわち下面）に向かって半径方向内向きに集束され、基板１０１およびその上に堆積した材料を加熱する。基板１０１を取り囲むチャンバ部品上の反射面は、エネルギーを基板１０１の裏側に向かって集束させ、エネルギーが失われるおよび／または利用されない他のチャンバ部品から遠ざけるように働く。アダプタプレート１０７は、加熱中にアダプタプレート１０７の温度を制御するために、冷却剤源１５３に結合されてもよい。
基板１０１を所定の温度に制御した後、基板１０１を、基板支持体１０８の基板受け取り面１４４上の位置まで降下させる。基板１０１は、基板支持体１０８の熱制御チャネル１４６を利用して、伝導を介して速やかに冷却され得る。数秒から約１分で基板１０１の温度を第１の温度から第２の温度に下げることができる。基板１０１は、さらなる処理のために、基板移送ポート１０９を通してプロセスチャンバ１００から除去されてもよい。基板１０１は、摂氏２５０度未満などの所定の温度範囲で維持されてもよい。
コントローラ１９８は、プロセスチャンバ１００に結合されている。コントローラ１９８は、中央処理装置（ＣＰＵ）１６０、メモリ１５８、およびサポート回路１６２を含む。コントローラ１９８は、プロセスシーケンスを制御するために利用され、ガス源１１０からプロセスチャンバ１００内へのガス流を調節し、ターゲット１１４のイオン衝撃を制御する。ＣＰＵ１６０は、産業環境で使用することができる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサであってもよい。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、フロッピーまたはハードディスクドライブなどのメモリ１５８、あるいは他の形態のデジタルストレージに記憶することができる。サポート回路１６２は、通常、ＣＰＵ１６０に結合され、キャッシュ、クロック回路、入力／出力サブシステム、電源などを備えることができる。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１６０によって実行されると、ＣＰＵを、プロセスチャンバ１００を制御する特定目的のコンピュータ（コントローラ）１９８へと変え、それにより以下に開示されるプラズマ点火プロセスを含むプロセスが本開示の実施形態に従って行われる。また、ソフトウェアルーチンは、プロセスチャンバ１００から遠隔に位置する第２のコントローラ（図示せず）によって記憶されおよび／または実行されてもよい。
処理中に、材料は、ターゲット１１４からスパッタされ、基板１０１の表面に堆積する。ターゲット１１４および基板支持体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たプラズマを維持するために、電源１１７またはＲＦ電源１８０によって互いにバイアスされる。コリメータ１１８に印加されるＤＣパルス状のバイアス電力も、コリメータ１１８を通過するイオンと中性物質の比を制御するのを支援し、有利には、トレンチ側壁および底部充填能力を向上させる。プラズマからのイオンは、ターゲット１１４に向かって加速され、ターゲットに衝突し、ターゲット材料をターゲット１１４からたたき出す。たたき出されたターゲット材料およびプロセスガスは、所望の組成で基板１０１上に層を形成する。
図２は、図１のプロセスチャンバ１００内に配置することができる、コリメータ電源１９０に結合された例示的なコリメータ１１８の上面図を表す。一部の実施形態では、コリメータ１１８は、一般に、六角形の開孔２４４を最密配置で分離する六角形の壁２２６を有するハニカム構造を有する。しかしながら、他の幾何学的構成を使用することもできる。六角形の開孔２４４のアスペクト比は、開孔２４４の深さ（コリメータの長さと等しい）を開孔２４４の幅２４６で割ったものとして規定されてもよい。一部の実施形態では、壁２２６の厚さは、約０．０６インチ〜約０．１８インチである。一部の実施形態では、壁２２６の厚さは、約０．１２インチ〜約０．１５インチである。一部の実施形態では、六角形の開孔２４４のアスペクト比は、周辺領域１３３では約１：１〜約１：５であり、中央領域１３５では約３：５〜約３：６であってもよい。一部の実施形態では、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からなる。
コリメータ１１８のハニカム構造は、一体型フラックスオプティマイザ２１０として働き、コリメータ１１８を通過するイオンの流路、イオン分画、およびイオン軌道挙動を最適化することができる。一部の実施形態では、シールド部分２０２に隣接する六角形の壁２２６は、チャンファー２５０および半径を有する。コリメータ１１８のシールド部分２０２は、コリメータ１１８をプロセスチャンバ１００内に据え付けるのを支援することができる。
一部の実施形態では、コリメータ１１８は、単一のアルミニウム塊から機械加工されてもよい。コリメータ１１８は、任意選択で被覆されるかまたは陽極酸化されてもよい。あるいは、コリメータ１１８は、処理環境に適合する他の材料から作られてもよく、１つまたは複数の部分品で構成されてもよい。あるいは、シールド部分２０２および一体型フラックスオプティマイザ２１０は、別々の部品として形成され、溶接などの適切な取付け手段を使用して互いに結合される。
図３は、基板を処理する方法３００を示す。方法３００は、上で論じたものと同様の装置において行われてもよく、図１のプロセスチャンバ１００に関連して記載される。本方法は、一般に、プラズマがプロセスチャンバ１００の環状領域内部に形成される３０２で始まる。環状領域は、基板１０１の直径と実質的に等しいかまたはそれよりも大きい内径を有する。例えば、プラズマは、ターゲットからの材料をスパッタするために、基板上方のプロセスチャンバの環状領域内部でターゲットに近接して形成されてもよく、環状領域の内径は、プラズマの主要部分が基板の上方でありかつ半径方向外側の位置に配置されるように、基板の直径と実質的に等しいかまたはそれよりも大きい。
３０４で、ターゲットからスパッタされた材料が、基板に向かって誘導される。材料（例えば、イオン）は、本明細書に開示された技法のいずれかを単独でまたは組み合わせて使用して、基板に向かって誘導され得る。例えば、一部の実施形態では、コリメータ（例えば、コリメータ１１８）を設けて、基板１０１に向かって実質的に垂直に進まず、したがって、コリメータ１１８の通路の側壁に衝突して付着する中性粒子などの材料をフィルター除去することができる。加えて、３０６で示すように、コリメータ１１８を、プラズマ中に形成されるイオンの極性と同じ極性を有する電圧で電気的にバイアスして、コリメータの通路の側壁へのイオンの衝突を低減させ、イオンの軌道をより垂直になるようにまっすぐにすることができる。例えば、正に帯電したイオン（銅イオンなど）が存在する場合、正の電圧が提供されてもよい。代わりにまたは組み合わせて、３０８で示すように、第１の組の磁石を使用して第１の磁場を生成して、環状領域における（および存在する場合はコリメータ１１８を通る）実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成することができる。代わりにまたは前述の事項と組み合わせて、３１０で示すように、第２の組の磁石を使用して第２の磁場を生成して、基板の中心に向けられた磁力線を有する磁場を形成することができる。代わりにまたは前述の事項と組み合わせて、第３の組の磁石を使用して第３の磁場を生成して、基板の中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁力線を有する磁場を生成することができる。代わりにまたは前述の事項と組み合わせて、基板支持体は、基板に向かってイオンを引きつけるように電気的にバイアスされてもよい。
次に、３１２で、ターゲットからスパッタされた材料を基板上に堆積させる。所望の厚さに堆積させると、方法３００は、一般に終了し、基板のさらなる処理が行われてもよい。
例えば、方法３００の一部の実施形態では、プラズマ１６５が、磁石１７２を使用して、コリメータ１１８の周辺領域１３３上方に形成され、材料が周辺領域１３３上方のターゲット１１４からスパッタされる。第１の組の磁石１９６を使用して、周辺領域１３３に近接して第１の磁場が生成され、スパッタされた材料を周辺領域１３３に向かって引きつける。コリメータ１１８は、コリメータ１１８の周辺領域１３３を通ってスパッタされた材料を引き寄せるために、正電圧にバイアスされる。コリメータ１１８の下方に第２の磁場が生成され、コリメータ１１８を通って材料を引き寄せて、スパッタされた材料のイオンを基板支持体の中心に向け直す。第２の磁場は、基板支持体１０８に印加されるバイアス電力および第２の組の磁石１９４の１つまたは複数によって生成されてもよい。任意選択で、第３の組の磁石１５４を使用して第３の磁場を生成して、基板１０１の中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁力線を有する磁場を生成することができる。加えて、基板支持体１０８は、基板１０１に向かってイオンを引きつけるように、電気的にバイアスされてもよい。
したがって、基板堆積均一性を改善するための実施形態の方法および装置が本明細書に開示された。本発明者らは、本発明の方法および装置がコリメータを使用する従来の堆積プロセスによって引き起こされるインプリントを実質的になくし、結果として処理されている基板上のより均一な堆積が得られることを見出した。
前述の事項は、本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態が本開示の基本的な範囲から逸脱せずに考案されてもよい。

Claims (15)

  1. 所与の直径を有する基板を処理するためのプロセスチャンバであって、
    内部容積、およびスパッタされるターゲットを含むリッドアセンブリを有する本体であって、前記内部容積は、前記所与の直径を有する中央部分および前記中央部分を取り囲む周辺部分を含む、本体と、
    前記ターゲット上方に配置されたマグネトロンであって、前記プロセスチャンバの中心軸の周りで複数の磁石を回転させて前記内部容積の前記周辺部分に環状プラズマを形成するように構成され、前記複数の磁石の回転半径が前記所与の直径と等しいかまたはそれよりも大きい、マグネトロンと、
    前記内部容積の中に前記ターゲットに対向して配置され、前記所与の直径を有する基板を支持するように構成された支持面を有する基板支持体と、
    前記周辺部分において実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するために、前記本体の周りにおよび前記ターゲットに近接して配置された第１の組の磁石と、
    前記支持面の中心に向けられた磁力線を有する磁場を形成するために、前記本体の周りにおよび前記基板支持体の支持面上方に配置された第２の組の磁石と、
    前記ターゲットを電気的にバイアスするために、前記ターゲットに結合された第１の電源と、
    前記基板支持体を電気的にバイアスするために、前記基板支持体に結合された第２の電源と、
    を備えるプロセスチャンバ。
  2. 前記ターゲットと前記基板支持体との間に配置されたコリメータ
    をさらに備える、請求項１に記載のプロセスチャンバ。
  3. 前記コリメータが、前記所与の直径と等しいかまたはそれよりも大きい直径を有する中央領域、および前記中央領域を取り囲む周辺領域を含む、請求項２に記載のプロセスチャンバ。
  4. 前記コリメータの基板対向面と同一であるかまたはその面より下の高さで前記本体の周りに配置された第３の組の磁石であって、前記中央部分に向かってならびに前記支持面の前記中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁力線を有する磁場を生成するように構成されている、第３の組の磁石
    をさらに備える、請求項２に記載のプロセスチャンバ。
  5. 前記コリメータがバイアスされている、請求項２に記載のプロセスチャンバ。
  6. 前記コリメータが４００ｍｍ〜６００ｍｍの第１の高さだけ前記基板支持体の前記支持面から離間されている、請求項２に記載のプロセスチャンバ。
  7. 前記コリメータが２５ｍｍ〜７５ｍｍの第２の高さだけ前記ターゲットから離間されている、請求項２に記載のプロセスチャンバ。
  8. 前記マグネトロンが前記所与の直径と前記内部容積の内径との間の回転半径を有する、請求項１から７までのいずれか１項に記載のプロセスチャンバ。
  9. 前記回転半径が５．５インチ〜７インチの間で調整可能である、請求項１から７までのいずれか１項に記載のプロセスチャンバ。
  10. 前記第２の電源が、スパッタされた材料を前記基板支持体の中心に向かって引き寄せるように構成されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のプロセスチャンバ。
  11. ターゲットからの材料をスパッタするために、基板上方のプロセスチャンバの環状領域内部に、および前記ターゲットに近接してプラズマを形成するステップであって、前記環状領域の内径は、前記プラズマの主要部分が前記基板の上方でありかつ半径方向外側の位置に配置されるように、前記基板の直径と等しいかまたはそれよりも大きい、ステップと、
    前記ターゲットからスパッタされた材料を前記基板に向かって誘導するステップと、
    前記ターゲットからスパッタされた材料を前記基板上に堆積させるステップと、
    を含む、基板を処理する方法。
  12. 前記ターゲットからスパッタされた材料を誘導するステップが、
    前記環状領域の下に、および前記ターゲットと前記基板との間に配置されたコリメータによって材料を誘導するステップ、
    前記環状領域内に実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するために、第１の組の磁石を使用して第１の磁場を生成するステップ、
    前記基板の中心に向けられた磁力線を有する磁場を形成するために、第２の組の磁石を使用して第２の磁場を生成するステップ、
    または
    前記基板の前記中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁力線を有する磁場を生成するために、第３の組の磁石を使用して第３の磁場を生成するステップ、
    のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記基板に向かってイオンを引きつけるために、前記基板を支持する基板支持体を電気的にバイアスするステップ、
    をさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 前記ターゲットからスパッタされた材料を誘導するステップが、
    前記環状領域の下に、および前記ターゲットと前記基板との間に配置されたコリメータによって材料を誘導するステップと、
    前記プラズマ中に形成されたイオンの極性と同一の極性を有する電圧によって前記コリメータをバイアスするステップ、または
    前記環状領域における、および前記コリメータを通る実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するために、第１の組の磁石を使用して第１の磁場を生成するステップ
    のうちの少なくとも１つのステップと、
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記環状領域の下に、および前記ターゲットと前記基板との間に配置されたコリメータによって材料を誘導するステップと、
    前記プラズマ中に形成されたイオンの極性と同一の極性を有する電圧によって前記コリメータをバイアスするステップと、
    前記環状領域における、および前記コリメータを通る実質的に垂直の磁力線を有する磁場を形成するために、第１の組の磁石を使用して第１の磁場を生成するステップと、
    前記基板の中心に向けられた磁力線を有する磁場を形成するために、第２の組の磁石を使用して第２の磁場を生成するステップと、
    前記基板の前記中心に向かって内向きにおよび下方に向けられた磁力線を有する磁場を生成するために、第３の組の磁石を使用して第３の磁場を生成するステップと、
    前記基板に向かってイオンを引きつけるために、前記基板を支持する基板支持体を電気的にバイアスするステップと、
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
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