JP6959863B2 - 基板処理チャンバで使用するためのコリメータ - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般に半導体製造システムで使用される基板処理チャンバに関する。

サブミクロン以下の特徴を確実に生産することは、次世代の半導体デバイスの超大規模集積（ＶＬＳＩ）および超々大規模集積（ＵＬＳＩ）にとって技術的な課題である。しかしながら、回路技術の小型化が続くとともに、ＶＬＳＩおよびＵＬＳＩ技術の相互接続部の寸法の縮小は、処理能力にさらなる要求を突きつけてきた。例えば、回路密度が次世代デバイスに向けて増加するとともに、ビアホール、トレンチ、コンタクトなどの相互接続部、ゲート構造および他の特徴、ならびにそれらの間にある誘電体材料の幅が減少し、一方で誘電体層の厚さは、実質的に一定のままであり、結果として特徴のアスペクト比が増加する。
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、集積回路の金属特徴を形成する一般的に用いられる方法である。スパッタリングは、材料層を基板に堆積させる。ターゲットなどのソース材料は、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。その衝撃によって、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、基板表面に略垂直ではなく、様々な方向に進み、したがって、結果として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が形成されることがある。オーバーハングは、望ましくないことには、堆積させ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。幾何学形状のアスペクト比が高くなるほど、ボイドなしに充填する困難さの度合いがより高くなる。

基板表面に達するイオン分画またはイオン密度を特定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、ターゲットから追い出された粒子は、特徴内への粒子の軌跡がより垂直となるのを容易に実現するために、コリメータなどのプロセスツールによって制御されることがある。コリメータは、コリメータの通路に衝撃を与え、張り付く、非垂直に進む粒子をフィルタ除去するために、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。
所与のコリメータによって達成される実際のフィルタリング量は、少なくとも一部はコリメータを貫通する開孔のアスペクト比に依存する。そのため、基板に垂直に近い経路を進む粒子がコリメータを通過し、基板に堆積し、これによって高アスペクト比の特徴の底部のカバレッジを改善する。しかしながら、典型的には全体的に六角形の形状を有する従来技術のコリメータの使用に関してある問題が存在する。残念ながら、従来技術コリメータを有するＰＶＤチャンバでは、六角形のコリメータのコーナのシャドーイングにより基板のエッジの近くに６点の堆積が残る。
したがって、本発明者は、改善された堆積均一性を有する改善された装置の実施形態を提供した。

基板処理チャンバで使用するコリメータ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、コリメータは、中心領域、周辺領域、および中心領域と周辺領域との間に配置された遷移領域を有する本体と、第１のアスペクト比を有する中心領域の第１の複数の開孔と、第１のアスペクト比よりも小さい第２のアスペクト比を有する周辺領域の第２の複数の開孔と、遷移領域の第３の複数の開孔であって、遷移領域が中心領域を取り囲む円錐形を形成するように切削されている、第３の複数の開孔と、を含む。

一部の実施形態では、基板処理チャンバで使用するためのコリメータは、中心領域、周辺領域、および中心領域と周辺領域との間に配置された遷移領域を有する本体と、第１のアスペクト比を有する中心領域の第１の複数の開孔と、第１のアスペクト比よりも小さい第２のアスペクト比を有する周辺領域の第２の複数の開孔と、遷移領域の第３の複数の開孔であって、遷移領域が中心領域を取り囲む円錐形を形成するように切削されている、第３の複数の開孔と、を含み、第１の複数の開孔、第２の複数の開孔、および第３の複数の開孔がテクスチャ加工され、第１の複数の開孔、第２の複数の開孔、および第３の複数の開孔の上方部分がチャンファーを含む。
一部の実施形態では、プロセスチャンバは、内部容積を画成するチャンバ本体と、内部容積の上方部分に配置されたスパッタリングターゲットと、スパッタリングターゲットの下に配置された基板支持体と、スパッタリングターゲットと基板支持体との間の内部容積に配置されたコリメータとを含み、コリメータが、中心領域、周辺領域、および中心領域と周辺領域との間に配置された遷移領域を有する本体、第１のアスペクト比を有する中心領域の第１の複数の開孔、第１のアスペクト比よりも小さい第２のアスペクト比を有する周辺領域の第２の複数の開孔、ならびに遷移領域の第３の複数の開孔であって、遷移領域が中心領域を取り囲む円錐形を形成するように切削されている、第３の複数の開孔を含む。

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プロセスチャンバの簡略化された概略側部断面図である。 本開示の一部の実施形態によるコリメータの等角底面／側面図である。 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。 図２のコリメータの側部断面図である。

理解を容易にするために、可能な場合は同一の参照数字を使用して、各図に共通の同一の要素を指定した。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。
半導体基板のマイクロ電子デバイスの製造に使用されるようなコリメータの実施形態が本明細書で提供される。本明細書に開示されるようなコリメータは、有利には処理される基板全体にわたって堆積の均一性を改善する。
本開示の実施形態は、本明細書では物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバに関して例示として記載される。しかしながら、本発明のコリメータは、一般に、非垂直に進む粒子をフィルタするためにいかなる基板処理チャンバでも使用され得る。図１は、本開示の実施形態による、材料をスパッタ堆積させるのに適した、内部にコリメータ１１０が配置された処理チャンバ１００（例えば、ＰＶＤチャンバ）を示す。本開示から恩恵を得るように構成されてもよい適切なＰＶＤチャンバの説明に役立つ例は、ＡＬＰＳ（登録商標）ＰｌｕｓおよびＳＩＰ ＥＮＣＯＲＥ（登録商標）ＰＶＤ処理チャンバを含み、両方ともカリフォルニアのサンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されている。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．ならびに他のメーカーから市販されている他の処理チャンバも、本明細書に記載された実施形態により適合させることができる。

チャンバ１００は、内部容積１０６を画成するチャンバ本体１０５を有する。チャンバ本体１０５は、接地されたチャンバ壁１５０、および接地されたチャンバ壁１５０の上に配置された、接地された導電性アダプタ１４４を含む。一部の実施形態では、処理チャンバ１００は、下部シールド１８０、上部シールド１８６、およびコリメータ１１０を有するプロセスキット１４０を含む。また、処理チャンバ１００は、スパッタリング面１４５を有するターゲット１４２などのスパッタリング源、および基板１５４を受けるための、周辺エッジ１５３を有する基板支持体１５２を含む。基板支持体１５２は、接地されたチャンバ壁１５０内部に配置されてもよい。

ターゲット１４２は、誘電体アイソレータ１４６を介して、接地された導電性アダプタ１４４によって支持されている。ターゲット１４２は、スパッタリング中に基板１５４の表面に堆積させる材料を含み、基板１５４に形成される高アスペクト比の特徴にシード層として堆積させるための銅を含むことができる。本明細書で使用されるように、用語アスペクト比は、要素の幅に対する要素の高さ、長さ、または深さの比を指す。一部の実施形態では、ターゲット１４２は、銅などのスパッタ可能な材料の金属表面層とアルミニウムなどの構造材料のバッキング層との結合組成物も含むことができる。
一部の実施形態では、基板支持体１５２は、スパッタ被覆される高アスペクト比の特徴を有する基板１５４を支持し、この特徴の底部がターゲット１４２の主表面に平面対向している。基板支持体１５２は、ターゲット１４２のスパッタリング面と略平行に配置された平面の基板受取り面を有する。基板支持体１５２は、基板１５４を処理チャンバ１００の下方部分のロードロックバルブ（図示せず）を通って基板支持体１５２上に移送することができるように、底部チャンバ壁１６０に接続されたベローズ１５８によって垂直に移動可能であってもよい。その場合、基板支持体は、図示されるような堆積位置へ持ち上げられてもよい。

一部の実施形態では、処理ガスは、質量流量制御装置１６４によってガス源１６２から処理チャンバ１００の下方部分内へ供給されてもよい。処理チャンバ１００に結合された制御可能な直流（ＤＣ）電源１４８を使用して、ターゲット１４２に負電圧またはバイアスを印加することができる。基板１５４上にＤＣ自己バイアスを誘起するために、高周波（ＲＦ）電源１５６が基板支持体１５２に結合されてもよい。一部の実施形態では、基板支持体１５２は、接地されてもよい。一部の実施形態では、基板支持体１５２は、代わりに電気的に浮遊状態であってもよい。

一部の実施形態では、マグネトロン１７０は、ターゲット１４２の上に配置されている。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によって支持された複数の磁石１７２を含むことができ、このシャフト１７６は、軸方向に処理チャンバ１００および基板１５４の中心軸と位置合わせされてもよい。磁石１７２は、プラズマを発生させて、それにより著しいイオンフラックスがターゲット１４２を打つよう、ターゲット１４２の正面近くの処理チャンバ１００内部で磁場を生成し、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１４２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の回りで回転させてもよい。
一部の実施形態では、処理チャンバ１００は、チャンバ壁１５０によって支持された、チャンバ壁１５０と電気的に結合された支持体フランジ１８２を有する接地された下部シールド１８０を含んでもよい。上部シールド１８６は、導電性アダプタ１４４のフランジ１８４によって支持され、フランジ１８４に電気的に結合されている。上部シールド１８６および下部シールド１８０は、導電性アダプタ１４４およびチャンバ壁１５０がそうであるように、電気的に結合されている。一部の実施形態では、上部シールド１８６および下部シールド１８０は、両方ともステンレス鋼で構成されている。一部の実施形態では、処理チャンバ１００は、上部シールド１８６に結合された中間のシールド（図示せず）を含んでもよい。一部の実施形態では、上部シールド１８６および下部シールド１８０は、処理チャンバ１００内部で電気的に浮遊状態であってもよい。一部の実施形態では、上部シールド１８６および下部シールド１８０は、代わりに電源に結合されてもよい。

一部の実施形態では、上部シールド１８６は、上部シールド１８６とターゲット１４２との間の狭い間隙１８８によってターゲット１４２の環状の側面凹部にぴったりと嵌合する上方部分を有してもよく、この間隙１８８は、プラズマが侵入して、誘電体アイソレータ１４６をスパッタ被覆するのを防ぐのに十分に狭い。また、上部シールド１８６は、下向きに突き出る先端部１９０を含んでもよく、この先端部１９０は、スパッタ堆積材料による下部シールド１８０と上部シールド１８６との結合を防ぐために、下部シールド１８０と上部シールド１８６との間の接触面をカバーする。

一部の実施形態では、下部シールド１８０は、円筒状の外バンド１９６内へと下方に延在してもよく、この外バンド１９６は、全体にチャンバ壁１５０に沿って基板支持体１５２の上面よりも下に延在する。下部シールド１８０は、円筒状の外バンド１９６から放射状に内向きに延在するベースプレート１９８を有することができる。ベースプレート１９８は、基板支持体１５２の周辺を取り囲む、上向きに延在する円筒状の内バンド１０３を含んでもよい。一部の実施形態では、カバーリング１０２は、基板支持体１５２が下方の装荷位置にある場合は、円筒状の内バンド１０３の頂部に載り、基板支持体が上方の堆積位置にある場合は、基板支持体１５２の外周部に載り、基板支持体１５２をスパッタ堆積から保護する。
下部シールド１８０は、基板支持体１５２に面するターゲット１４２のスパッタリング面１４５を取り巻き、基板支持体１５２の外周壁も取り巻く。また、下部シールド１８０は、下部シールド１８０の背後の構成要素および表面上への、ターゲット１４２のスパッタリング面１４５に由来するスパッタ堆積物の堆積を低減させるために処理チャンバ１００のチャンバ壁１５０をカバーし、陰にする。例えば、下部シールド１８０は、基板支持体１５２の表面、基板１５４の部分、チャンバ壁１５０、および処理チャンバ１００の底部壁１６０を保護することができる。

一部の実施形態では、コリメータ１１０をターゲット１４２と基板支持体１５２との間に配置することによって指向性のスパッタリングを実現することができる。コリメータ１１０は、機械的に、および電気的に上部シールド１８６に結合されてもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１０は、処理チャンバ１００の下方に配置された中間のシールド（図示せず）に結合されてもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１０は、上部シールド１８６に一体化されていてもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１０は、上部シールド１８６に溶接されている。一部の実施形態では、コリメータ１１０は、処理チャンバ１００内部で電気的に浮遊状態であってもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１０は、電源に結合されていてもよい。コリメータ１１０は、チャンバ内部のガスおよび／または材料のフラックスを導くために複数の開孔１２８を含む。一部の実施形態では、図２〜図４に示されるように、開孔１２８は、六角形の形状を有してもよい。

図２は、本開示の一部の実施形態によるコリメータ１１０の等角図である。図３は、図１の処理チャンバ１００に配置することができるコリメータ１１０の平面図である。一部の実施形態では、コリメータ１１０は、最密配置で開孔１２８を分離する壁１２６を有する略ハニカム構造を有する。開孔１２８のアスペクト比は、開孔１２８の幅１２９で割った開孔１２８の深さ（特定位置でコリメータの長さに等しい）として規定されてもよい。一部の実施形態では、壁１２６の厚さは、約０．０６インチ〜約０．１８インチの間である。一部の実施形態では、壁１２６の厚さは、約０．１２インチ〜約０．１５インチの間である。一部の実施形態では、開孔１２８のそれぞれに外接する円３０５の直径は、１．５インチであってもよい。一部の実施形態では、コリメータ１１０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ている。

コリメータ１１０のハニカム構造は、コリメータ１１０を通過するイオンの流路、イオン分画、およびイオン軌道の挙動を最適化するために、一体型フラックスオプティマイザー３１０として働くことができる。一部の実施形態では、シールド部分２０２に隣接する壁１２６は、チャンファー３５０および半径を有する。コリメータ１１０のシールド部分２０２は、処理チャンバ１００にコリメータ１１０を設置するのに役立つ。
一部の実施形態では、コリメータ１１０は、単一のアルミニウムの塊から機械加工されてもよい。コリメータ１１０は、被覆され、または陽極酸化されてもよい。あるいは、コリメータ１１０は、処理環境と両立可能な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ー３１０は、別々の部片として形成され、溶接などの適切な取り付け手段を使用して互いに結合される。一部の実施形態では、コリメータ１１０の壁１２６は、高応力膜（例えば、銅合金）の壁１２６への接着を改善するためにテクスチャ加工（例えば、ビーズブラスト）されてもよい。

一部の実施形態では、コリメータ１１０は、コリメータ１１０を通過するイオンの方向を制御するようにバイポーラモードで電気的にバイアスされてもよい。例えば、コリメータ１１０をバイアスするようにコリメータ１１０に交互するパルス状の正または負の電圧を提供するために、制御可能な直流（ＤＣ）またはＡＣコリメータ電源（電源３９０）がコリメータ１１０に結合されてもよい。一部の実施形態では、電源３９０は、ＤＣ電源である。
コリメータ１１０は、基板１５４に対して垂直に近い、所定の角度を上回る角度でターゲット１４２の材料から放出されたイオンおよび中性粒子をトラップするために、フィルタとして機能する。コリメータ１１８の開孔１２８は、ターゲット１４２の材料の中心領域または周辺領域から放出されたイオンが異なる割合でコリメータ１１０を通過することができるように、コリメータ１１０の幅全体にわたってアスペクト比が変化してもよい。その結果、基板１５４の周辺領域ならびに中心領域に堆積するイオンの数およびイオンの到来角が両方とも調整され制御される。したがって、基板１５４の表面全体にわたって材料をより均一にスパッタ堆積させることができる。さらに、高アスペクト比の特徴、特に基板１５４の周辺部近くに位置する高アスペクト比のビアホールならびにトレンチの底部および側壁に材料をより均一に堆積させることができる。

図４は、図２に示されるコリメータ１１０の断面図である。コリメータ１１０は、約２．５：１〜約３．３：１などの高アスペクト比を有する第１の複数の開孔を有する中心領域２２０を有する本体２１８を含む。一部の実施形態では、中心領域の第１の複数の開孔は、約３．３：１のアスペクト比を有する。コリメータ１１０の第２の複数の開孔のアスペクト比は、周辺領域２４０において減少する。一部の実施形態では、周辺領域２４０の第２の複数の開孔は、約１：１のアスペクト比を有する。アスペクト比が高くなるほど、コリメータ１１０の中心領域２２０の開孔をより多くすることができる。一部の実施形態では、例えば、中心領域２２０は、６１個の開孔を含む。

一部の実施形態では、コリメータ１１０の半径方向の開孔の減少は、中心領域２２０と周辺領域２４０との間に配置された遷移領域２６０を設けることによって達成される。第３の複数の開孔は、遷移領域２６０が第１の複数の開孔を取り囲む円錐形を形成するように所定の角度に沿って切削されている。一部の実施形態では、所定の角度は、１５°〜４５°の間であってもよい。遷移領域は、有利には中心領域２２０で円形プロファイル２８０の開孔を備え、これによって、従来の六角形のコリメータのコーナによって引き起こされるシャドーイングによる基板１５４のエッジ近くの６点堆積を克服する。

開孔１２８の壁１２６の上方部分は、開孔１２８がスパッタされた材料によってふさがれる割合を減少させるためにチャンファー４０６を有する。チャンファー４０６は、開孔１２８内へ所定の距離４０２延在し、所定の角度４０４で形成されている。一部の実施形態では、所定の距離４０２は、約０．１５インチ〜約１インチの間であり、所定の角度は、約２．５°〜約１５°の間である。一部の実施形態では、所定の距離４０２および所定の角度４０４は、それぞれ約０．１５インチおよび１５°である。一部の実施形態では、所定の距離４０２および所定の角度４０４は、それぞれ約１インチおよび２．５°である。

したがって、冷却プロセスツールアダプタおよびこれを用いるプロセスチャンバの実施形態が本明細書で開示された。冷却プロセスツールアダプタは、有利にはプロセスチャンバのプロセスツールを支持し、一方で使用中に生成されるプロセスツールからの熱を除去するのを容易にする。

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. 中心領域、周辺領域、および前記中心領域と前記周辺領域との間に配置された遷移領域を有する本体と、
   第１のアスペクト比を有する前記中心領域の第１の複数の開孔と、
   前記第１のアスペクト比よりも小さい第２のアスペクト比を有する前記周辺領域の第２の複数の開孔と、
   前記遷移領域の第３の複数の開孔であって、前記遷移領域が前記中心領域を取り囲む円錐形を形成するように切削されている、第３の複数の開孔と、
   を備え、
   前記中心領域は、前記遷移領域によって形成される円形のエッジを有する、基板処理チャンバで使用するためのコリメータ。
2. 前記第１の複数の開孔、前記第２の複数の開孔、および前記第３の複数の開孔がテクスチャ加工されている、請求項１に記載のコリメータ。
3. 前記第３の複数の開孔が所定の角度で切削されている、請求項１に記載のコリメータ。
4. 前記所定の角度が１５°〜４５°の間である、請求項３に記載のコリメータ。
5. 前記第１の複数の開孔が６１個の開孔を含む、請求項１に記載のコリメータ。
6. 前記第１の複数の開孔、前記第２の複数の開孔、および前記第３の複数の開孔の上方部分がチャンファーを含む、請求項１から５までのいずれか１項に記載のコリメータ。
7. 前記チャンファーが２．５°〜１５°である、請求項６に記載のコリメータ。
8. 前記チャンファーが０．１５インチ〜１インチの長さを有する、請求項６に記載のコリメータ。
9. 前記第１の複数の開孔のアスペクト比が２．５：１〜３．３：１である、請求項１から５までのいずれか１項に記載のコリメータ。
10. 前記第１の複数の開孔、前記第２の複数の開孔、および前記第３の複数の開孔のそれぞれが六角形である、請求項１から５までのいずれか１項に記載のコリメータ。
11. 前記第１の複数の開孔のそれぞれに外接する円が１．５インチの直径を有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載のコリメータ。
12. 前記第１の複数の開孔、前記第２の複数の開孔、および前記第３の複数の開孔がテクスチャ加工され、前記第３の複数の開孔が所定の角度で切削されている、請求項１に記載のコリメータ。
13. 前記チャンファーが、２．５°〜１５°の間であり、０．１５インチ〜１インチの長さを有する、請求項６に記載のコリメータ。
14. 前記第１の複数の開孔のアスペクト比が２．５：１〜３．３：１である、請求項１２または１３に記載のコリメータ。
15. 内部容積を画成するチャンバ本体と、
    前記内部容積の上方部分に配置されたスパッタリングターゲットと、
    前記スパッタリングターゲットの下に配置された基板支持体と、
    前記スパッタリングターゲットと前記基板支持体との間の前記内部容積に配置されたコリメータであって、請求項１から１４までのいずれか１項に記載される、コリメータと、
    を備える、基板処理チャンバ。

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