JP7208711B2 - チタン－タングステンターゲットにおける小結節制御のための方法および装置 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般に基板処理システムに関する。

タングステン膜およびチタン膜は、例えば、シリコン基板とアルミ合金メタライゼーションとの間の拡散バリアとして半導体デバイスの製造において頻繁に使用される。チタン－タングステン（ＴｉＷ）膜は、チタン－タングステンターゲットをスパッタリングすることによって形成される。

スパッタリングプロセス中に、チタン－タングステン材料は、ターゲットの表面からスパッタされ、ターゲットの表面に対向して配置された基板上に堆積する。しかしながら、本発明者らは、ターゲットの中心部分からの材料がスパッタされ、基板上ではなくターゲット面の外周エッジ上に再堆積するために、小結節がターゲットのスパッタリング面上に形成されることがあることに気づいた。さらに、小結節は、剥がれ落ちて、パーティクルを生成する傾向を有し、このパーティクルが、基板上の堆積させたチタン－タングステン膜を汚染し、その品質に悪影響を及ぼす可能性がある。

したがって、本発明者らは、チタン－タングステン（ＴｉＷ）ターゲットの小結節形成を制御するための改善された方法および装置を提供した。

本開示の実施形態は、チタン－タングステン（ＴｉＷ）ターゲットの小結節形成を制御するための方法および装置を含む。一部の実施形態では、ターゲットは、チタン粉末とタングステン粉末の混合物から形成された、チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）を主に含むソース材料であって、過半量のチタン粉末の粒径が過半量のタングステン粉末の粒径以下である、ソース材料を含む。

一部の実施形態では、チタン－タングステン（Ｔｉ－Ｗ）ターゲットを形成する方法は、タングステン粉末とチタン粉末を混合して混合物を形成するステップであって、混合物の過半量のチタン粉末の粒径が過半量のタングステン粉末の粒径以下である、ステップと、混合物を圧縮するステップと、混合物を加熱してターゲットを形成するステップと、を含む。

一部の実施形態では、ターゲットから小結節を除去する方法は、（ａ）ターゲットを不活性ガスにさらすステップであって、ターゲットがチタン粉末とタングステン粉末の混合物から形成された、チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）を主に含むソース材料を含み、過半量のチタン粉末の粒径が過半量のタングステン粉末の粒径以下である、ステップと、（ｂ）不活性ガスを点火してプラズマを形成するために、第１の電力で、ターゲットにＤＣ電力を印加するステップと、（ｃ）ターゲットから小結節を除去するために、ターゲットへのＤＣ電力を第２の電力に増加させるステップと、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ターゲット組立体を有する処理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チタン－タングステン（ＴｉＷ）ターゲットの小結節を制御する方法である。

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ている。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ることがある。

本開示の実施形態は、チタン－タングステン（ＴｉＷ）ターゲットの小結節形成を制御するための方法および装置を含む。本開示の実施形態では、チタン－タングステン（ＴｉＷ）ターゲット上の小結節の形成を、ターゲット原材料の粒径の制御によって、ならびに任意選択の定期的な洗浄プロセスによって、有利に、低減させる、なくす、または実質的になくすことができる。本開示の実施形態では、ターゲットの粒径の制御は、有利に、小結節形成を妨げる、または遅らせ、一方、洗浄プロセスは、有利に、ターゲットの表面上に生成されるすべての小結節を除去する。

図１は、物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ１００の簡略断面図を表す。ＰＶＤチャンバ１００は、本開示の一部の実施形態による基板支持体１０６を備える。本明細書に提供された教示による修正に適したＰＶＤチャンバの例は、超高周波（ＶＨＦ）源を有するチャンバである、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Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．，ｏｆ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａから市販されている。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．または他のメーカーからの他の処理チャンバも、本明細書に開示された発明性のある装置による修正形態から恩恵を受け、本明細書に開示された発明性のある方法の実施形態を行うために使用され得る。

一部の実施形態では、ＰＶＤチャンバ１００は、チャンバ本体１０４の上に配置された、チャンバ本体１０４から取外し可能なチャンバリッド１０１を含む。チャンバリッド１０１は、ターゲット組立体１０２および接地組立体１０３を含むことができる。

ターゲット組立体１０２は、ターゲット１１４を備える。ターゲット１１４は、ソース材料１１３、およびソース材料１１３を支持するためのバッキング板１６２を備えることができる。ソース材料１１３は、図１に示されるようにバッキング板１６２の側面に面する基板支持体上に配置されてもよい。バッキング板１６２は、導電性材料、例えば、銅亜鉛、銅クロム、またはターゲットと同じ材料などを含んでもよく、それにより、ＲＦおよびＤＣ電力がバッキング板１６２を介してソース材料１１３に結合され得る。あるいは、バッキング板１６２は、非導電性であってもよく、導電素子（図示せず）、例えば、電気的なフィードスルーなどを含んでもよい。

ソース材料１１３は、スパッタリング中に基板１０８などの基板（例えば、半導体または他の材料ウエハ）上に堆積する。一部の実施形態では、ソース材料１１３は、主に、チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）を含む。一部の実施形態では、ソース材料１１３は、チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）から構成され、またはチタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）から本質的に構成されている。一部の実施形態では、ターゲット１１４のソース材料１１３は、約９０質量パーセントのタングステン（Ｗ）および約１０質量パーセントのチタン（Ｔｉ）を含む。一部の実施形態では、ターゲット１１４のソース材料１１３は、少なくとも約９８パーセントの密度（すなわち、質量／容積）を有する。一部の実施形態では、ターゲット１１４は、少なくとも５Ｎの純度（すなわち、９９．９９９％の純度）を有する。

一般に、チタン－タングステンターゲットは、タングステン原材料粉末とチタン原材料粉末を混合することによって作製される。結果として生じる混合物は、不活性ガス高温圧縮、真空高温圧縮、熱間静水圧圧縮、冷間圧縮／焼結などの適切な形成方法を使用して、圧縮され、加熱される。本発明者らは、一旦ターゲット１１４の表面がチタンリッチまたはタングステンリッチな領域を形成すると、小結節が形成される傾向にあることに気づいた。本発明者らは、タングステン原材料粉末およびチタン原材料粉末の平均粒径を調整することによって、チタンリッチまたはタングステンリッチな領域を低減させることができ、したがって有利に、小結節形成を低減させる、またはなくすことができることにさらに気づいた。

一部の実施形態では、過半量のチタン粉末の粒径は、過半量のタングステン粉末の粒径以下である。一部の実施形態では、チタン粉末の平均粒径は、タングステン粉末の平均粒径以下である。一部の実施形態では、実質的にすべてのチタン粉末の粒径が、実質的にすべてのタングステン粉末の粒径以下である。例えば、一部の実施形態では、チタン粒子の平均粒径は、約３０μｍ未満、または一部の実施形態では約２０μｍ未満である。一部の実施形態では、タングステン粒子の平均粒径は、約２０μｍ～約４５μｍである。一部の実施形態では、チタン粉末の平均粒径およびタングステン粉末の平均粒径は、それぞれ約２０μｍ～約３０μｍである。一部の実施形態では、ターゲットを形成した後、ターゲットは、約６０μｍの平均的なチタン－タングステン粒径を有することがある。

本発明者らは、上で論じた粒径を有するチタン粉末およびタングステン粉末を使用してターゲットを形成することが、有利に、ターゲット１１４上の小結節の形成を低減させる、またはなくすことを見出した。さらに、本発明者らは、本明細書に記載されるように形成されたターゲットの寿命が、予想外に、有利に、約５倍（例えば、約７０キロワット時から約３５０キロワット時に）増大したことにさらに気づいた。

一部の実施形態では、ソース材料１１３の表面上に生成された小結節を除去するために、任意選択の定期的な洗浄プロセスが行われる。図２は、本開示の一部の実施形態による、ソース材料１１３の表面上に形成された小結節を除去する方法２００を表す。

本方法は、一般に２０２で始まり、ここでターゲット１１４が、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスにさらされる。一部の実施形態では、不活性ガスは、適切な流量、例えば、約２００ｓｃｃｍで提供される。

２０４で、第１の容積１２０内で不活性ガスを点火してプラズマを形成するのに十分な第１の電力で、ＤＣ電力がターゲット１１４に印加される。一部の実施形態では、第１の電力は、約５００ワットである。一部の実施形態では、ターゲット１１４は、約２秒間、不活性ガスから形成されたプラズマにさらされる。

２０６で、ターゲット１１４から小結節を除去するために、ターゲットへのＤＣ電力を第２の電力に増加させる。一部の実施形態では、第２の電力は、約１０００ワットである。一部の実施形態では、ターゲット１１４は、約６００秒間、第２の電力で不活性ガスから形成されたプラズマにさらされる。

方法２００は、所定数の基板１０８を処理した後、所定のターゲット寿命時間数の後、パーティクルの増加に気づいた後など、のうち１つまたは複数に行われてもよい。例えば、一部の実施形態では、方法２００は、１２枚の基板を処理するごとに、またはターゲット寿命の１００キロワット時ごとに、あるいはそれらの組合せの後に行われてもよい。一部の実施形態では、２０２～２０６は、ターゲット１１４からすべての、または実質的にすべての小結節を除去するのに適切な期間にわたって繰り返されてもよい。本発明者らは、本明細書に記載されるように、および方法２００に従うように、チタン粉末とタングステン粉末の混合物から形成されたターゲットのターゲット寿命を、有利に、予想外に約７倍（例えば、約７０キロワット時から約５００キロワット時に）増大させることができることに気づいた。

図１に戻って、チャンバ本体１０４は、基板１０８を受けるための基板支持体１０６を含む。基板支持体１０６は、下側の接地されたエンクロージャ壁１１０内部に置かれてもよく、このエンクロージャ壁１１０は、チャンバ本体１０４のチャンバ壁であってもよい。下側の接地されたエンクロージャ壁１１０は、ＲＦリターンパスがチャンバリッド１０１の上方に配置されたＲＦ電源１８２に提供されるように、チャンバリッド１０１の接地組立体１０３に電気的に結合されてもよい。あるいは、他のＲＦリターンパス、例えば、処理キットシールド（例えば、以下で論じるようなシールド１３８）を介して基板支持体１０６から進み、究極的にはチャンバリッド１０１の接地組立体１０３に戻るＲＦリターンパスなどが可能である。ＲＦ電源１８２は、以下で論じるように、ターゲット組立体１０２にＲＦ電力を提供することができる。

基板支持体１０６は、ターゲット１１４（またはソース材料）の主表面に面する材料受取り表面を有し、ターゲット１１４の主表面に対向する平面の位置で、ターゲット１１４からの材料でスパッタ被覆される基板１０８を支持する。一部の実施形態では、基板１０８は、真空によって、または静電引力によって基板支持体１０６上に保持されてもよい。一部の実施形態では、基板支持体１０６は、基板支持体１０６に静電気チャッキング電力またはＲＦバイアス電力を提供するために使用することができる電極（図示せず）を含んでもよい。

基板支持体１０６は、チャンバ本体１０４の第１の容積１２０内で基板１０８を支持することができる。第１の容積１２０は、基板１０８を処理するために使用されるチャンバ本体１０４の内部容積の一部であってもよく、基板１０８の処理中に内部容積の残りの部分（例えば、非処理容積）から分離されていてもよい。第１の容積１２０は、処理中に基板支持体１０６の上方の領域（例えば、処理位置にある場合、ターゲット１１４と基板支持体１０６との間）として画成される。

一部の実施形態では、基板支持体１０６は、基板１０８をチャンバ本体１０４の下側部分においてロードロックバルブまたは開口部（図示せず）を通って基板支持体１０６上に移送し、その後、特定の用途のために上昇させ、または下降させることができるように垂直に移動可能であってもよい。底部チャンバ壁１２４に接続されたベローズ１２２は、チャンバ本体１０４外側の大気からチャンバ本体１０４の内部容積を分離するのを維持するために設けられることがある。１つまたは複数のガスが、質量流量制御装置１２８によってガス源１２６からチャンバ本体１０４の下側部分内へ供給されてもよい。排気口１３０は、チャンバ本体１０４の内部を排気するために、およびチャンバ本体１０４内側の所定の圧力を維持するのを容易にするために設けられ、バルブ１３２を介してポンプ（図示せず）に結合されてもよい。

チャンバ本体１０４は、処理キット１４２をさらに備える。処理キットは、第１のリング１４３（すなわち、堆積リング）および第２のリング１４４（すなわち、カバーリング）を含むことができる。一部の実施形態では、第１のリング１４３は、基板支持体１０６の側壁および周辺エッジをプロセス堆積物からシールドするための、基板支持体１０６を取り巻く環状リングである。一部の実施形態では、第２のリング１４４は、第１のリング１４３の上方に配置された環状リングであり、基板よりも下の堆積を防ぐために、および基板のエッジでの堆積または基板のエッジよりも下の堆積を制御するのを支援するために一般に使用される。一部の実施形態では、第１のリング１４３および第２のリング１４４は、基板および基板支持体の形状寸法に応じて、他の適切な構成を有してもよい。

チャンバ本体１０４は、チャンバ本体１０４の処理容積、または第１の容積を取り囲むために、ならびに他のチャンバ部品を処理による損傷および／または汚染から保護するために処理キットシールド、またはシールド１３８をさらに含む。一部の実施形態では、シールド１３８は、チャンバ本体１０４の上側の接地されたエンクロージャ壁１１６の突起に接続された、接地されたシールドであってもよい。

シールド１３８は下方に延在し、第１の容積１２０を取り囲むように構成された１つまたは複数の側壁１３９を含むことができる。第２のリング１４４は、シールド１３８の底部のｕ字形部分の頂部に載っている。一部の実施形態では、図１に表されるように、シールド１３８の側壁１３９は、シールドの側壁１３９に付着することがある、スパッタされたターゲット材料のはがれを防ぐために、大きな半径を有する平坦な領域を提供するように実質的に垂直である。

一部の実施形態では、磁石１５２が、基板支持体１０６とターゲット１１４との間の磁場を選択的に提供するためにチャンバ本体１０４のまわりに配置されてもよい。例えば、図１に示されるように、処理位置にあるとき、磁石１５２は、基板支持体１０６の直ぐ上の領域内の、下側の接地されたエンクロージャ壁１１０の外側のまわりに配置されてもよい。一部の実施形態では、磁石１５２は、それに加えてまたは代わりに、他の位置に、例えば、上側の接地されたエンクロージャ壁１１６に隣接して配置されてもよい。磁石１５２は、電磁石であってもよく、電磁石によって生成される磁場の大きさを制御するために電源（図示せず）に結合されてもよい。

チャンバリッド１０１は、一般にターゲット組立体１０２のまわりに配置された接地組立体１０３を含む。接地組立体１０３は、ターゲット組立体１０２の裏側と略平行で、ターゲット組立体１０２の裏側に対向していてもよい接地板１５６を含むことができる。接地シールド１１２は、接地板１５６から延在し、ターゲット組立体１０２を取り囲むことができる。

ターゲット組立体１０２は、ターゲット１１４の裏側に対向する、ターゲット１１４の周辺エッジに沿ってターゲット１１４に電気的に結合されているソース分配板１５８を含むことができる。ＲＦエネルギーをソース分配板１５８からターゲット１１４の周辺エッジへ伝搬させるために、導電性部材１６４が、ソース分配板１５８とターゲット１１４の裏側との間に配置されてもよい。

絶縁用間隙１８０が、接地板１５６と、ソース分配板１５８、導電性部材１６４およびターゲット１１４（ならびに／またはバッキング板１６２）の外表面との間に設けられている。絶縁用間隙１８０は、空気、またはセラミック、プラスチックなどの他の適切な誘電体材料で充填されていてもよい。

一部の実施形態では、ターゲット組立体１０２は、電極１５４に接続されたＲＦ電源１８２（例えば、ＲＦ給電構造）を有することができる。ＲＦ電源１８２は、ＲＦ発生器、および例えば、動作中に反射されてＲＦ発生器に戻る反射ＲＦエネルギーを最小化するための整合回路を含むことができる。例えば、ＲＦ電源１８２によって供給されるＲＦエネルギーは、約１３．５６ＭＨｚ～約１６２ＭＨｚ、またはそれを超える周波数範囲にあってもよい。例えば、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、または１６２ＭＨｚなどの非限定的な周波数を使用することができる。

一部の実施形態では、処理中にターゲット１１４にエネルギーを提供するために、第２のエネルギー源１８３がターゲット組立体１０２に結合されてもよい。一部の実施形態では、第２のエネルギー源１８３は、例えば、ターゲット材料のスパッタリング速度（したがって基板上の堆積速度）を向上させるために、ＤＣエネルギーを提供するＤＣ電源であってもよい。一部の実施形態では、第２のエネルギー源１８３は、例えば、ＲＦ電源１８２によって提供されるＲＦエネルギーの第１の周波数とは異なる第２の周波数でＲＦエネルギーを提供するために、ＲＦ電源１８２と同様の第２のＲＦ電源であってもよい。第２のエネルギー源１８３がＤＣ電源である実施形態では、第２のエネルギー源は、ＤＣエネルギーをターゲット１１４に電気的に結合するのに適切な任意の位置で、電極１５４または他の導電性部材などの、ターゲット組立体１０２に結合されてもよい。第２のエネルギー源１８３が第２のＲＦ電源である実施形態では、第２のエネルギー源は、電極１５４を介してターゲット組立体１０２に結合されてもよい。

ターゲット組立体１０２は、ターゲット１１４の裏側とソース分配板１５８との間に配置されたキャビティ１７０を含んでもよい。キャビティ１７０は、マグネトロン組立体１９６を少なくとも一部分は収納することができる。一部の実施形態では、キャビティ１７０は、例えば、少なくとも一部分が、水（Ｈ₂Ｏ）などの冷却流体１９２で満たされていてもよい。マグネトロン組立体１９６の１つまたは複数の部分は、少なくとも一部分はキャビティ１７０内部に配置されてもよい。マグネトロン組立体は、チャンバ本体１０４内部のプラズマ処理を支援するために、ターゲットに近接した回転磁界を提供する。一部の実施形態では、マグネトロン組立体１９６は、キャビティ１７０内部で回転させることができる磁石支持部材１７２に結合された複数の磁石１８８を含む。

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 (9)

1. チタン粉末とタングステン粉末の混合物を混合された状態のまま含み、チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）を主に含むソース材料であって、過半量の前記チタン粉末の粒径が過半量の前記タングステン粉末の粒径以下であるソース材料から形成されるターゲットであって、
   前記チタン粉末の平均粒径が２０μｍ未満であり、前記タングステン粉末の平均粒径が２０μｍ～４５μｍである、
   ターゲット。
2. 前記ソース材料が、チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）から本質的に構成されている、請求項１に記載のターゲット。
3. 前記チタン粉末の実質的にすべての前記粒径が前記タングステン粉末の実質的にすべての前記粒径以下である、請求項１に記載のターゲット。
4. 前記ソース材料が９０質量パーセントのタングステン（Ｗ）および１０質量パーセントのチタン（Ｔｉ）を含む、請求項１に記載のターゲット。
5. 前記ターゲットが少なくとも９８パーセントの密度をさらに備える、請求項１に記載のターゲット。
6. チタン－タングステン（Ｔｉ－Ｗ）ターゲットを形成する方法であって、
   タングステン粉末とチタン粉末を混合して混合物を形成するステップであって、前記混合物中の過半量の前記チタン粉末の粒径が過半量の前記タングステン粉末の粒径以下である、ステップと、
   前記混合物を圧縮するステップと、
   前記混合物を加熱して前記ターゲットを形成するステップと、
   を含み、
   前記チタン粉末の平均粒径が２０μｍ未満であり、前記タングステン粉末の平均粒径が２０μｍ～４５μｍである、
   チタン－タングステン（Ｔｉ－Ｗ）ターゲットを形成する方法。
7. 前記ソース材料が９０質量パーセントのタングステン（Ｗ）および１０質量パーセントのチタン（Ｔｉ）を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ターゲットが少なくとも９８パーセントの密度をさらに備える、請求項６に記載の方法。
9. ターゲットから小結節を除去する方法であって、
   （ａ）チタン（Ｔｉ）およびタングステン（Ｗ）を主に含むソース材料からターゲットを形成するステップであって、前記ソース材料において、過半量のチタン粉末の粒径が過半量のタングステン粉末の粒径以下であり、前記チタン粉末の平均粒径が２０μｍ未満であり、前記タングステン粉末の平均粒径が２０μｍ～４５μｍである、ステップと、
   （ｂ）前記ターゲットを不活性ガスにさらすステップと、
   （ｃ）前記不活性ガスを点火してプラズマを形成するために、第１の電力で、前記ターゲットにＤＣ電力を印加するステップと、
   （ｄ）前記ターゲットから小結節を除去するために、前記ターゲットへの前記ＤＣ電力を第２の電力に増加させるステップと、
   を含む、方法。

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