JP6916789B2 - マルチターゲットを同時スパッタリングするための方法および装置 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、物理的気相堆積（ＰＶＤ）によって基板に材料を堆積させるための方法および装置に関する。

半導体製造における物理的気相堆積（ＰＶＤ）は、典型的には、所望の膜材料で作られたターゲットを用いて行われる。合金の場合、ターゲットは、典型的には、スパッタリングされる合金から構成される。新規の不揮発性メモリの場合、異なる組成物の合金が使用される。そのため、本発明者らは、マルチカソード（例えば、マルチターゲット）ＰＶＤチャンバにおけるマルチターゲットの同時スパッタリングを研究している。しかしながら、マルチターゲットの相互汚染のために、ターゲットを定期的に洗浄して、膜一貫性を維持している。例えば、マルチターゲットの１つまたは複数は、洗浄プロセス中にシャッターによってカバーされることがあり、これが粒子の生成をもたらすことがある。
したがって、本発明者らは、ＰＶＤ処理システムにおける複数のターゲット材料の改善された同時スパッタリングのための方法および装置の実施形態を提供した。

複数のターゲット材料を同時スパッタリングするための方法および装置の実施形態が本明細書で提供される。一部の実施形態では、プロセスチャンバは、基板を支持する基板支持体と、キャリアに結合され、基板上にスパッタリングされる対応する複数のターゲットを有する複数のカソードと、キャリアに結合され、複数のターゲットの隣接する対の間に延在するプロセスシールドと、を含む。
一部の実施形態では、物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバは、基板を支持する基板支持体と、基板支持体に相対して配置され、それぞれのターゲットが基板上にスパッタリングされる材料を含む、複数のターゲットと、基板支持体と複数のターゲットとの間に回転自在に配置されたシールドであって、複数のターゲットのうちの２つ以上の組を同時に露出させ、一方で複数のターゲットの残りをカバーするようにサイズが調整され位置づけられた２つ以上の孔を含み、複数のターゲットのうちの２つ以上の異なる組を露出させることができ、一方でシールドの回転位置を選択することによって複数のターゲットの残りをカバーする、シールドと、を含む。
一部の実施形態では基板を処理する方法は、シールドの２つ以上の孔を介して複数のターゲットの第１の組を露出させるステップであって、シールドが、基板を支持する基板支持体の上方に配置されたキャリアに回転自在に結合されている、ステップと、複数のターゲットの第１の組を同時スパッタリングするステップと、を含む。
本開示の他のおよびさらなる実施形態が以下に記載される。
上で簡単に要約され、以下でより詳細に論じられる本開示の実施形態は、添付図面に表される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マルチカソード処理チャンバの断面図である。 図１のマルチカソード処理チャンバ内の回転シールドの底部概略図である。 本開示の一部の実施形態によるマルチカソード処理チャンバで使用されるシールドの斜視図である。 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てもよい。
複数のターゲット材料を同時スパッタリングするための方法および装置の実施形態が本明細書で提供される。開示された方法および装置は、有利には、複数のターゲットの同時スパッタリングを可能にし、一方でターゲット間の相互汚染を実質的に最小化または排除することができる。

一部の実施形態では、マルチカソード−ＰＶＤチャンバは、頂部アダプタに取り付けられた複数のカソード、またはターゲット（例えば、５つのカソード）を含む。各カソードは、ＤＣ／パルスＤＣまたはＲＦターゲット、および関連付けられたマグネトロンを有することができる。また、各カソードは、ターゲットからウエハまでの見通し線を遮らない長い管であるシュラウドを有する。共通の回転シールドが、すべてのカソードによって共有されるチャンバの中心に設けられている。同時にスパッタリングする必要があるターゲットの数に応じて、回転シールドは、１つまたは複数の孔、例えば、１つ、２つ、または３つの孔を有することができる。各ターゲットを取り囲むシュラウドは、有利には、ウエハの方に向かわない、したがってウエハ上に着地する可能性がある大部分のターゲットフラックスを捕捉し、したがって、ターゲットの相互汚染を著しく最小化する。一部の実施形態では、シュラウド材料および表面処理は、スパッタリングされている特定のターゲット材料に合せて調製され、したがって、欠陥性能を改善することができる。

一部の実施形態では、プロセスキャビティを各カソードターゲットに対応するいくつかの区域に分割するために、プロセスシールドが設けられてもよい。プロセスシールドは、有利には、相互汚染を同様に制限または排除するが、回転部分はない。例えば、５つのカソードが設けられている一部の実施形態では、プロセスキャビティは、星のように成形されたプロセスシールドを用いて５つの等しい区域に分割されてもよい。プロセスシールドは、クロストークを回避するようにできる限り長い。一部の実施形態では、プロセスシールドは、Ｚ−Θ運動を有することができる。そのような実施形態では、ウエハ上の堆積中にプロセスシールドを異なるカソードに位置づけることができる。次いで、ペーストステップ中に、プロセスシールドを異なるカソードに回転させることができる。堆積カソードおよびペーストカソードからの材料による堆積応力は、互いに打ち消し合い、またはプロセスシールド上に堆積した膜の応力を少なくとも低減させ、したがって、非常に良好な粒子性能を有する非常に低い応力の膜を生み出すことができる。本明細書に記載されるようなプロセスシールドを使用する場合、任意の数のカソードからの同時スパッタリングの柔軟性が可能である。

図１は、本開示の一部の実施形態によるマルチカソードプロセスチャンバ（プロセスチャンバ１００）の断面図を表す。プロセスチャンバ１００は、プロセスチャンバ１００の上方部分に結合された複数のカソード１０２と、複数のカソード１０２の１つまたは複数を選択的にカバーするための回転シールド１０６と、複数のカソード１０２の下のプロセスチャンバ１００内部に配置された基板支持体１１０と、を含む。一部の実施形態では、基板支持体１１０は、回転ペデスタルであってもよい。一部の実施形態では、基板支持体１１０は、垂直に移動可能であってもよい。
複数のカソード１０２は、異なる材料を基板１０８上にスパッタリングするために使用されてもよい。一部の実施形態では、基板１０８は、集積回路の製造に使用される半導体材料を有する構造体である。例えば、基板１０８は、ウエハを含む半導体構造体を表わすことができる。
カソード１０２は、基板支持体１１０上の基板１０８の上に配置された回転シールド１０６の開口部または孔１０４を介して露出する。カソード１０２からの材料は、孔１０４を介して基板１０８（例えば、図１に示すような材料１０３）上に堆積することができる。

電源１１２は、複数のカソード１０２のそれぞれに結合されてもよい。電源１１２は、直流（ＤＣ）、パルス状ＤＣ、または高周波（ＲＦ）電源を含んでもよい。回転シールド１０６は、スパッタリング中に複数のカソード１０２の２つ以上を露出させ、残りのカソード１０２を相互汚染からシールドすることができる。相互汚染は、カソード１０２の１つからカソード１０２の別の１つへの堆積材料の物理的移動または移送から生じる。各カソード１０２は、対応するターゲット１１４の上に位置づけられる。スパッタリングする必要があるターゲット１１４の数に応じて、回転シールド１０６は、対応する１つまたは複数の同時スパッタリングされるターゲットを選択的に露出させるために、２つ以上の孔１０４（図１Ａで例示的に示す２つの孔）を有することができる。選択されたターゲットをスパッタリングするために、回転シールド１０６を回転させて、スパッタリングされる選択されたターゲットを露出させる。ターゲット１１４は、基板１０８上にスパッタリングされることが望まれる任意の材料で形成されてもよい。回転シールド１０６の回転を容易にするために、モータ１３１がシャフト１３２を介して回転シールド１０６に結合されている。

一部の実施形態では、各カソード１０２は、ターゲット１１４から、基板支持体１１０上に配置された基板までの見通し線を妨げない長い管であるシュラウド１２６を含む。各シュラウド１２６は、約２０〜９０度の角度１３０でカソード１０２を提供するためのシュラウド回転１２８を含む。角度１３０の異なる値は、基板の表面上に異なる均一性プロファイルを提供する。角度１３０は、ターゲット１１４のうちの１つの平面と基板支持体１１０の平面との間で測定される。各シュラウドは、基板の方に向かわない、したがって基板上に着地する可能性がある大部分のターゲットフラックスを捕捉するように構成される。そのため、シュラウドは、ターゲット相互汚染を著しく最小化する。加えて、シュラウド材料およびシュラウドの表面処理は、特定のターゲット材料に合せて調製され、したがって欠陥性能を改善することができる。
基板１０８がチャンバの中にまたは外に移動する前に、基板１０８は、プロセスチャンバの下方部分に配置された円錐形のシールド１１８の下を移動することができる。伸縮式カバーリング１２０が円錐形のシールド１１８の上に配置され、基板１０８を取り囲む。基板支持体１１０が下方に移動すると、基板１０８は、基板１０８がチャンバから外に移動する前に、ロボットアームで持ち上げられてもよい。

伸縮式カバーリング１２０は、基板を配置することができる皿またはボウルを形成するために、上方に湾曲し、かつ所定の厚さを有するリング部分１２２を含むことができ、リング部分１２２が基板１０８を取り囲み基板１０８の上方に配置される。また、伸縮式カバーリング１２０は、円錐形のシールド１１８に対して所定の間隙１２４および所定の長さを含むことができる。したがって、材料１０３を基板１０８上に堆積させるとき、材料１０３が基板支持体１１０の下または円錐形のシールド１１８の外側に堆積することが防止され、または実質的に防止される。上述したように材料１０３の堆積を制御することによって、有利には、基板１０８への、またはプロセスチャンバ内部での汚染物質の拡散を防止する、または低減させる。

図２は、回転シールド１０６の代わりに使用することができる、プロセスチャンバ１００などのマルチカソードプロセスチャンバで使用するための代替のシールドの斜視図を表す。一部の実施形態では、上述した回転シールド１０６と同様の結果を実現するために、プロセスシールド（プロセスシールド２００）を使用することができるが、回転部分は全くない。そのような実施形態では、プロセスシールド２００は、ターゲットの隣接する対の間に延在する。一部の実施形態では、プロセスシールド２００は、隣接するターゲット間に配置された、いくつかの壁を備えることができる。一部の実施形態では、図２に示すように、プロセスシールド２００は、例えば、所与のターゲットから他のターゲットのいずれかへの直接的な見通し線を防止するために、中心線で結合された、プロセスキャビティのエッジに向かって放射状に外へ延在するいくつかの壁を備える星形であってもよい。一部の実施形態では、プロセスシールド２００は、各ターゲットを取り囲むために、中心線から外へ延在する壁を接続する外部壁（図示せず）をさらに含んでもよい。一部の実施形態では、複数のターゲットは、５つのターゲットを含み、プロセスキャビティは、プロセスシールド２００によって５つの等しい区域に分割される。プロセスシールド２００は、ターゲット１１４間のクロストークを回避するのに十分な長さを有する。一部の実施形態では、ターゲット１１４のいずれかがスパッタリングのために選択されてもよいようにターゲット１１４のすべてを露出させてもよい。ターゲットのすべてを露出させる実施形態では、プロセスシールド２００は、シールドまたはシュラウドが全くない場合に比べて、スパッタリングされるターゲットによるスパッタリングされないターゲットの汚染を１桁も著しく低減させる。加えて、プロセスシールド２００は、有利には、スパッタリングされるターゲットを選択的に露出させるためにいかなる部品も移動させることなく、スパッタリングされるターゲットのいずれか１つまたは複数を選択する柔軟性を可能にする。

一部の実施形態では、プロセスシールド２００は、任意選択でＺ−Θ運動を有することができ、それによって、プロセスシールド２００の区域を基板上の堆積中に異なるカソード１０２に位置づけ、その後、ペーストステップ中に異なるカソード１０２に回転させることができる。Ｚ−Θ運動は、プロセスシールド２００の垂直運動とそれに続く回転運動とを含み、もともとはターゲット１１４の１つを取り囲んでいたプロセスシールド２００の所与の区域をターゲット１１４の異なる１つに選択的に露出させる。堆積カソードおよびペーストカソードからの材料の堆積に関連付けられた応力は、少なくとも部分的に互いに相殺され、有利には、改善された粒子性能を有する非常に低い応力の膜を生み出す。例えば、第１のステップ中にプロセスシールド２００の所与の区域に堆積した材料は、引張り応力を呈することがある。所与の区域に堆積した材料の引張り応力を相殺するために、プロセスシールド２００を回転させ、それによって所与の区域が、圧縮応力を呈する材料を生み出すカソードの周りに配置されるようにする。その結果、所与の区域に堆積した２つの異なる材料による引張り力および圧縮力が互いに相殺する。したがって、プロセスシールド２００を使用する場合、任意の数のカソードからの同時スパッタリングの柔軟性が可能である。

一部の実施形態では、カソード１０２は、プロセスシールド２００が同時スパッタリングされているターゲット１１４の相互汚染を著しく低減させまたは排除するため、シュラウドを含まない。一部の実施形態では、各カソード１０２は、代わりに、図１に表すシュラウド１２６よりも短いシュラウド２２６を含むことができる。シュラウド２２６は、有利には、頂部アダプタの汚染を著しく低減させまたは排除することができる。例えば、シュラウド２２６は、長さが約５インチ〜約６インチであることがあるシュラウド１２６とは対照的に、長さが約１インチであってもよい。一部の実施形態では、シュラウド２２６は、シュラウド上にスパッタリングされた材料の付着を容易にするために、望ましい熱伝導率および表面仕上げを有するアルミニウムまたは任意の他の金属で形成されてもよい。一部の実施形態では、シュラウド２２６は、粒子の接着を改善するためにテクスチャ加工されてもよい。例えば、シュラウド２２６は、スパッタリングされる材料のシュラウド上への付着を容易にするために、ビーズブラスト処理されても、またはコーティングで被覆されてもよい。一部の実施形態では、図１のシュラウド１２６は、同様にテクスチャ加工されてもよい。一部の実施形態では、例えば、コーティングは、アルミニウムアーク溶射、タンタルアーク溶射、モリブデンアーク溶射などで形成されてもよい。

星形として表されているが、プロセスシールド２００は、処理される基板上へのスパッタリング材料の堆積を妨げることなく、各カソード１０２を別々の空間に分割する任意の形状を有する。例えば、各ターゲット１１４が約６インチの直径を有すると仮定すると、星形のプロセスシールド２００は、約１５インチ未満の高さを有する。プロセスシールド２００の高さが１５インチを超えて高くなるほど、プロセスシールド２００は、処理される基板上へのスパッタリング材料の堆積をますます妨害し始める。ターゲットの直径が６インチよりも大きい場合、プロセスシールド２００の高さも、堆積プロセスに悪影響を及ぼすことなく、１５インチよりも大きくてもよい。言いかえれば、プロセスシールド２００の高さは、ターゲットのそれぞれの直径に比例する。いずれの場合も、各ターゲットは、処理される基板の直径の少なくとも半分の直径を有する。
図３は、複数のターゲットを同時スパッタリングする方法を表す流れ図である。３０２で、複数のターゲットの第１の組をプロセスシールド（例えば、回転シールド１０６）の２つ以上の孔を介して露出させ、一方で残りのターゲットをシールドによってカバーする。

３０４で、ターゲットの第１の組が同時スパッタリングされる。例えば、ＤＣまたはＲＦエネルギーがターゲットの第１の組のそれぞれに印加され、ターゲットの第１の組からの材料を基板上にスパッタリングすることができる。一部の実施形態では、プロセスガスがチャンバ内へ供給され、それぞれのカソードから供給されたＲＦエネルギーを使用して、プロセスガスからプラズマが形成され、プラズマからのイオンをターゲットに衝突させて、それぞれのターゲットからの材料を基板上にスパッタリングする。
任意選択で、３０４で、第１の組とは異なるターゲットの別の組がスパッタリングされる場合、シールド１０６を回転させて、複数のターゲットの第２の組を露出させ、一方で残りのターゲット（すなわち、ターゲットの第１の組および／または複数のターゲットのさらなる組）をカバーする。

３０６で、ターゲットの第２の組は、上述したように、ターゲットの第１の組と同様のやり方で同時スパッタリングされる。各ターゲット１１４が対応するシュラウド１２６を含んでいるため、所与のシュラウドへのターゲット材料の蓄積は、１つのターゲットに対応する。そのため、相互汚染が有利には回避される。一部の実施形態では、洗浄プロセスにおいて露出していないターゲットがシールド１０６の孔を介してシールド１０６の裏側にスパッタリングされてもよく、それによって、洗浄されたターゲットからより清浄な膜を基板上に堆積させることができる。

プロセスシールド２００が利用される実施形態では、複数のターゲットがすべて露出され、所望によりターゲットの１つまたは複数がスパッタリングされる。すなわち、プロセスシールド２００を使用してターゲットを同時スパッタリングするための方法は、それぞれの組を同時スパッタリングするためにターゲットの第１および第２の組を露出させる必要がないということを除いて、方法３００と同様である。代わりに、プロセスシールド２００が使用される実施形態ではすべてのターゲットが露出しているため、複数のターゲット１１４の第１の組が同時スパッタリングされ、その後、（第１の組とは異なる）複数のターゲット１１４の第２の組が同時スパッタリングされる。プロセスシールド２００がターゲットの相互汚染を回避するのに十分な高さであるため、ターゲットの異なる組を選択的に露出させるためにシールドを回転させる必要がない。したがって、スループットが有利には向上する。一部の実施形態では、プロセスシールド２００は、相互汚染からのさらなる保護を提供するために、回転シールド１０６に結合されてもよい。
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 (14)

1. 基板を支持する基板支持体と、
   キャリアに結合され、前記基板上にスパッタリングされる対応する複数のターゲットを有する複数のカソードと、
   前記キャリアに結合され、前記複数のターゲットの隣接する対の間に延在するプロセスシールドと、
   を備え、
   前記プロセスシールドは、垂直方向に移動し、前記複数のカソードに対して回転するように構成される、プロセスチャンバ。
2. 前記プロセスシールドが星形である、請求項１に記載のプロセスチャンバ。
3. 前記複数のターゲットのすべてが露出されている、請求項１に記載のプロセスチャンバ。
4. 前記プロセスシールドの高さが前記複数のターゲットのそれぞれの直径に比例する、請求項１から３までのいずれか１項に記載のプロセスチャンバ。
5. それぞれが前記複数のターゲットの対応する１つを取り囲む複数のシュラウド、
   をさらに備える、請求項１から３までのいずれか１項に記載のプロセスチャンバ。
6. 前記複数のシュラウドのそれぞれが約１インチの高さを有する、請求項５に記載のプロセスチャンバ。
7. 前記複数のシュラウドがアルミニウムで形成されている、請求項５に記載のプロセスチャンバ。
8. 基板を支持する基板支持体と、
   キャリアに結合され、前記基板上にスパッタリングされる対応する複数のターゲットを有する複数のカソードと、
   前記キャリアに結合され、前記複数のターゲットの隣接する対の間に延在するシールドであって、垂直方向に移動し、前記複数のカソードに対して回転するように構成されるシールドと、を備えた物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバであって、
   前記複数のターゲットは、前記シールドを介して露出され、
   物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバは、更に、
   前記複数のターゲットの対応する１つをそれぞれが取り囲む複数のシュラウドを備えた、物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ。
9. 前記複数のシュラウドがアルミニウムで形成されている、請求項８に記載のＰＶＤチャンバ。
10. 前記複数のシュラウドが、前記複数のシュラウドの粒子接着を改善するためにテクスチャ加工されている、請求項９に記載のＰＶＤチャンバ。
11. 前記複数のシュラウドのそれぞれが約５インチ〜約６インチの高さを有する、請求項８から１０までのいずれか１項に記載のＰＶＤチャンバ。
12. 前記シールドに結合され、前記複数のターゲットの隣接する対の間に延在するプロセスシールド、
    をさらに備える、請求項８から１０までのいずれか１項に記載のＰＶＤチャンバ。
13. シールドの孔を介して複数のターゲットを露出させるステップであって、前記シールドが、基板を支持する基板支持体の上方に配置されたキャリアに結合されており、前記シールドが、前記複数のターゲットの隣接する対の間に延在しており、垂直方向に移動し、前記複数のターゲットに対して回転するように構成される、ステップと、
    前記複数のターゲットの第１の組を同時スパッタリングするステップと、
    を含む、基板を処理するための方法。
14. 前記第１の組とは異なる前記複数のターゲットの第２の組を露出させるために前記シールドを回転させるステップと、
    前記複数のターゲットの前記第２の組を同時スパッタリングするステップと、
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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