JPH1072665A - プラズマ反応装置における電気的に浮遊したシールド - Google Patents

プラズマ反応装置における電気的に浮遊したシールド

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JPH1072665A JP9171909A JP17190997A JPH1072665A JP H1072665 A JPH1072665 A JP H1072665A JP 9171909 A JP9171909 A JP 9171909A JP 17190997 A JP17190997 A JP 17190997A JP H1072665 A JPH1072665 A JP H1072665A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ反応装置、特に半導体基板上に物理
的気相堆積を行うための反応装置を、より低圧環境下で
稼働させるための手段を提供すること。 【解決手段】 プラズマ反応装置１０において、チャン
バ壁１４の内側であって、ＰＶＤターゲット１２と基板
１６との間に、シールド３０が配置されている。本発明
によれば、シールド３０は電気的に浮遊されており、こ
れにより、プラズマ又はターゲットから発せられシール
ド３０に衝突する荷電イオンと電子が当該シールドを荷
電し、やがて電子束が反跳するレベルで平衡する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ反応装置
に関し、特に、反応チャンバの壁体を保護するためのシ
ールドに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体集積回路の製造技術におい
ては、金属がプラズマ反応装置を用いる物理的気相堆積
法（ＰＶＤ）により堆積されるのが典型である。この堆
積プロセスは、図１の概略断面図で示されるプラズマ反
応装置１０において実行される。この反応装置は、Ｓｏ
ｍｅｋｈ等による米国特許第５，２９４，３２０号明細
書に開示されたものと同様である。この反応装置１０
は、チャンバ壁１４及び他のシール部材と共に真空チャ
ンバを形成するＰＶＤターゲット１２を備えている。Ｐ
ＶＤターゲット１２は、少なくとも真空チャンバの中央
部分に面した部分が、例えばアルミニウムとうのスパッ
タされる材料から構成されている。スパッタ堆積される
面を有する基板１６は、ターゲット１２に対して対向配
置されたペディスタル１８上で支持される。真空チャン
バ内にはガス供給システム２０から制御された種々のガ
ス流が導入され、その間、真空ポンプ２１が固定ガス流
で真空度を維持する。真空チャンバは減圧下、不活性の
アルゴンで満たされる。しかし、用途によっては、反応
性ガスが反応性スパッタリングを行うために真空チャン
バ内に付加的に充填されることがある。アルミニウム又
はステンレス鋼から通常作られている導電性のチャンバ
壁１４は、一般的には接地されており、一方、ターゲッ
ト１２には約−５００Ｖの負電圧がＤＣ電源２４により
印加される。ターゲット１２とチャンバ壁１４との間の
絶縁リング２６により、両者間の電圧にバイアスが加え
られる。この電気的なバイアスにより、ターゲット１２
と基板１６との間の空間で、アルゴンは放電し、正に荷
電されたアルゴンイオンと負の電子とからなるプラズマ
を形成する。アルゴンイオンは、負に帯電したターゲッ
ト１２に電気的に吸引され、ターゲット１２からターゲ
ット粒子をスパッタするに十分なエネルギをもってター
ゲット１２に衝突する。スパッタされた材料は、弾道学
的に、一般的には全方向に飛行し、その幾つかが基板１
６に当たり、薄膜としてその上に堆積される。ペディス
タル１８、ひいては基板１６は、通常、電気的に浮遊し
ているが、場合によっては、ＲＦバイアスが加えられる
こともある。
【０００３】しかし、ここまで述べた構成においては、
スパッタ粒子の相当数がチャンバ壁１４にも当たり、そ
の上に薄膜を形成する。この薄膜は、より多くの基板が
処理されるにつれて徐々に厚くなり、やがて、剥離を生
ずるほどの厚さまで成長する。薄膜が剥離すると、極め
て清浄である必要があるチャンバ内にパーティクルが生
ずることとなる。チャンバ壁１４は定期的にクリーニン
グを行うことができるが、このクリーニングは手間がか
かり、システム停止時間及びオペレータの作業時間に関
してコストがかかることとなる。
【０００４】好ましい解決方法としては、ターゲット１
２とチャンバ壁１４との間の直線的な経路と交差するよ
うプラズマ反応装置内に略円筒形のシールド２２を配置
するというものがある。シールドは一般に、チャンバ壁
１４に対する物率的な接触により接地されている。これ
により、チャンバ壁１４の方に進むスパッタ粒子は、シ
ールド２２により遮られ、その上に堆積する。シールド
２２には、最終的には、スパッタリングされた材料の厚
い層が蓄積される。しかしながら、シールド２２はイン
シチュ（in situ：その場）クリーニングされず、その
代りとして、取外しと新規なシールド２２への交換を容
易に且つ迅速に行えるよう設計されている。シールドは
廃棄されるか、或は、オフラインで洗浄液内に浸漬する
ことによりクリーニングされ、その後、再使用される。
いずれにしても、シールドの使用は、粒子数を減じるよ
う反応装置１０を改造する費用を相当に減じる。
【０００５】ＰＶＤの極めて有効な用途の一つは、基板
に形成された小さな穴、例えば下層のシリコンまで絶縁
体層を貫通するコンタクトホール又はインターレベルの
ヴィアホールを埋め込むというものである。これらの孔
の幅は０．２５μｍ以下である。そして、アスペクト
比、すなわち幅に対する深さの比は約５である。このよ
うな高アスペクト比の場合、穴の入口リムに集まる非垂
直方向の粒子束が穴を閉じ、穴の中にボイドを残してし
まい、穴を完全に埋めることは困難である。すなわち、
ボトムカバレッジはアスペクト比が高くなるほど困難と
なる。周知のことではあるが、ターゲット原子の平均自
由行程は典型的な運転圧力でチャンバ寸法にほぼ等し
く、やや高い圧力では、衝突総数はスパッタ粒子の軌道
をランダム化し或はそのエネルギを低下させると考えら
れるので、ガスの衝突はボトムカバレッジを減じる。
【０００６】従って、スパッタリング反応装置１０内の
圧力はガス衝突を減じるよう低減されるべきである。し
かしながら、図１に示す従来設計は、約１．５ｍＴｏｒ
ｒ以上と圧力の下限を制限している。この圧力以下では
プラズマは崩壊する。これは、従来一般のシールド２２
がターゲット１２の近傍からの電子を容易に集めてしま
うことに起因すると、本発明者は考えている。
【０００７】プラズマ放電は、電子と中性のアルゴンと
の間での「ｅ-＋Ａｒ → Ａｒ+＋ｅ-＋ｅ-」という連
鎖反応により維持される。正に荷電されたアルゴンはタ
ーゲットに吸引されるが、付加的に発生した電子は、幾
つかのメカニズテムを介しての電子損失が余り大きくな
いならば、プラズマ放電の維持に十分である。低圧下に
おいては、電子はより拡散する傾向があり、シールド２
２又は他のチャンバ構成要素に吸引される傾向がある。
従って、そのような電子は反応を継続すべく他の中性の
アルゴンと衝突することはない。かくして、電子がシー
ルド２２を通って過剰にアースに流れた場合、反応は自
己持続せず、プラズマは崩壊してしまう。
【０００８】前述の米国特許のＳｏｍｅｋｈ等は、シー
ルドに異なる電圧を選択的に印加する旨を述べている
が、これはシールドクリーニング中に行われるものであ
る。Ｃｌａｒｋｅによる米国特許第５，１３５，６３４
号明細書にはシールドについての開示があるが、これ
は、本発明のシールドとは相当に異なる形状で別の目的
を果たすものであると認められる。しかしながら、この
米国特許第５，１３５，６３４号明細書には、電子を吸
引し、正イオンをウェハの方に漏斗状に通すようシール
ドに正のバイアスをかけることが記載されている。
【０００９】Ｇｅｇｅｎｗａｒｔによる米国特許第５，
３３４，２９８号明細書は、電気的に浮遊した暗黒部
（dark-space）シールドについて開示している。この暗
黒部シールドは、ターゲット以外の構成部材がイオン化
されたアルゴン原子によりスパッタされないように、タ
ーゲットとほぼ同一の高さで且つターゲットの背面側に
配置されている。しかし、それは、ターゲットの前面と
チャンバ壁との間に介在された保護シールドとしては機
能しないものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、より低圧でプ
ラズマ反応装置、特にＰＶＤ（物理的気相堆積用）反応
装置を稼働することが望まれている。従って、電子の接
地効果を減じるように保護シールドの設計構造を改良す
ることが望まれている。その一方、その設計構造につい
ては単純でなければならないという要請もある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、簡単には、電
気的に浮遊しているプラズマ反応装置内の保護シールド
ということができる。これにより、シールドはプラズマ
から幾らかの電子を集め、その結果、付加的な電子につ
いては反跳させ始めるに十分なほど負に荷電される。シ
ールドは２つの部分、すなわち電気的に浮遊したターゲ
ットに近い部分と、接地されているターゲットから遠い
部分とから形成してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】図２に示すＰＶＤブラズマ反応装
置１０は、本発明の保護シールドの一実施形態を備えて
いる。ターゲット１２に隣接して配置されているシール
ド３０は、電気的に浮遊した状態にされている。任意的
ではあるが、基板１６の近傍に配置されている第２のシ
ールド３２は従来と同様に接地されている。浮遊シール
ド３０は、単独で、或は接地シールド３２と共に、ター
ゲット１２と、チャンバ壁１４の全てではないにしても
その大部分との間に配置されており、それがスパッタ堆
積されるのを防止している。好ましくは、下側の接地シ
ールド３２の径は上側の浮遊シールド３０よりも大き
く、２つのシールド３０，３２は軸方向において重なり
合いバッフル構造を形成している。
【００１３】プラズマ反応装置１０の稼働中、浮遊シー
ルド３０は最初はゼロ電位であり、プラズマから幾らか
の電子を集める。これらの電子は、浮遊シールド３０か
ら漏出する電流経路を有していない。その結果として、
電子は浮遊シールド３０に帯電し、負の電位が大きくな
り始める。負の電位の値が大きくなるにつれて、浮遊シ
ールド３０は徐々に電子を強く反発し始める。やがて平
衡状態に達し、それ以上の電子がプラズマから浮遊シー
ルド３０に引かれることはなくなる。本発明者らは、浮
遊シールド３０が、ガス流に応じて変動する約−２０Ｖ
〜約−１２０Ｖと、ターゲット電圧との間の安定状態の
電圧になることを見いだした。
【００１４】浮遊シールド３０は、チャンバ壁１４が堆
積を受けないようにするという従来一般の接地シールド
と同じ目的を果たす。浮遊シールド３０が非常に厚いス
パッタ材料の層で被覆された場合、それは取り外され、
新規の浮遊シールドと交換され得る。この交換は、電気
的な接続がないことにより、容易に行うことができる。
従来の接地シールドと同様に、この浮遊シールド３０は
クリーニングされ再使用され得る。或はまた、使捨てと
することも考えられる。
【００１５】図３は、本発明による浮遊シールド３０を
有するＰＶＤ反応装置１０の一部を示す拡大断面図であ
る。ＰＶＤターゲット１２は、ターゲット・バッキング
プレート４０に固定されている。このバッキングプレー
ト４０の裏面側には、図示しないが、走査型磁石とチャ
ンバカバーとが配置されている。第１のＯリング４２
は、ターゲット・バッキングプレート４０と絶縁体２６
との間の真空シールを構成し、第２のＯリング４８は、
チャンバ壁１４の一部を形成する壁アダプタ５０と絶縁
体２６との間の真空シールを保っている。環状の棚部５
２が真空チャンバ内に径方向内方に延びている。接地シ
ールド３２は、アルミニウムやステンレス鋼のような金
属から通常作られており、その上端に、外方に延びるリ
ム５６と下方に延びるスカート５４とを有している。リ
ム５６は、壁アダプタ５０の棚部５２上で支持され、接
地されるようねじ（図示せず）により該棚部５２に電気
的に接続されている。従って、接地シールド３２は、壁
アダプタ５０と下部チャンバ壁１４の他の部分をＰＶＤ
粒子束から保護している。
【００１６】接地シールド３２のリム５６の上部には、
環状の絶縁性のセラミックスペーサ６０が載置されてお
り、このスペーサ６０は、ステンレス鋼からなる環状の
浮遊シールド３０を支持している。浮遊シールド３０
は、チャンバ絶縁体２６と接触しないように寸法決めさ
れている。より詳細には、浮遊シールド３０は、セラミ
ックスペーサ６０に載置された下部ノブ部６４と上端部
６２とを有しており、これらの部分６２，６４は、上端
部６２がチャンバ絶縁体２６に接した場合であっても下
部ノブ部６４は壁アダプタ５０に接触しないように、寸
法決めされている。浮遊シールド３０とセラミックスペ
ーサ６０とは電流の経路を構成しておらず、しっかりと
締結されるのではなく、重力により保持されているが、
絶縁性の固定手段が浮遊シールド３０を所定の位置にし
っかりと配置するのに用いられてもよい。浮遊シールド
３０の上端部６２は、チャンバ絶縁体２６がスパッタ被
覆されないように、ターゲット１２の前面よりも後側の
位置まで上方に延びている。浮遊シールド３０とターゲ
ット１２との間にはギャップ６６が維持されており、浮
遊シールド３０と接地シールド３２との間にもギャップ
６８が維持されている。このような構成により、浮遊シ
ールド３０は電気的に浮遊した状態とされ、アースに対
する電気的導通路は有していない。
【００１７】浮遊シールド３０は、中実体として形成さ
れており、放電が生じる機会を減じるために、プラズマ
にさらされるエリアの角部７０は丸められている。ま
た、浮遊シールド３０は、セラミックスペーサ６０を保
護するために、接地シールド３２のスカート５８と軸方
向に僅かに重なり合う下方に延びるリップ７２を有して
いる。
【００１８】
【実施例】プラズマを維持できる最低チャンバ圧力を減
じるのに浮遊シールドが有効であるか否かを判断するた
めの実験が行われた。ターゲットは１％のシリコンと
０．５％の銅を有するアルミニウム合金から作られた。
ターゲットと基板との間の間隔は１６０ｍｍで固定し、
−６４０Ｖの直流バイアス電圧をターゲットに印加し
た。その結果、ターゲットの電流は１６Ａであった。チ
ャンバ内へのアルゴンの流量は１１ｓｃｃｍとし、本発
明の浮遊シールドを用いて、アルゴンプラズマが維持さ
れた。アルゴンの流量を１０ｓｃｃｍに減じると、プラ
ズマは消失した。圧力は、両流量について、バラトロン
圧力計（baratron pressure guage）上で約０．４ｍＴ
ｏｒｒであると測定された。バラトロン圧力計は、フル
スケールが１００ｍＴｏｒｒであるので、この圧力範囲
においては低分解能である。比較のために、図３の浮遊
シールド３０が壁アダプタ５０に接続され接地されるよ
う、絶縁性のセラミックスペーサ６０を金属スペーサに
交換した。この比較試験では、アルゴンプラズマは１７
ｓｃｃｍのアルゴン流量では維持され、１６ｓｃｃｍで
は消失した。チャンバ圧力は０．５〜０．６ｍＴｏｒｒ
であった。従って、浮遊シールドによって、プラズマを
維持する最低チャンバ圧力は、低感度の圧力計での計測
で約２７％低減され、高感度の質量流量コントローラに
よる間接的な計測で３５％低減された。
【００１９】図４には特性が幅広く示されている。金属
製の浮遊シールド３０が接地された場合と電気的に浮遊
している場合とで、多数のスパッタリング電力値でプラ
ズマが維持される最小ガス流量が計測された。線８０
は、接地された浮遊シールドについての最小ガス流量を
示しており、線８２は、電気的に浮遊したシールドにつ
いての最小ガス流量を示している。全スパッタリング電
力において、接地されたシールドよりも浮遊したシール
ドの場合にプラズマは低圧で維持できた。なお、チャン
バ圧力はガス流量に概ね比例して変化するものと仮定し
た。
【００２０】更に、アスペクト比が２．５で幅０．５μ
ｍの穴におけるボトムカバレッジへの圧力の影響を調べ
る実験を行った。ターゲットと基板との間が約２２０ｍ
ｍである場合、チャンバ圧力が１．７ｍＴｏｒｒから
０．５ｍＴｏｒｒに減じられると、ボトムカバレッジは
１５％から２３％に改善された。この数値は、平坦な表
面に堆積された量に対しての、穴の底面にスパッタされ
た材料の量をいう。
【００２１】従って、本発明は、プラズマが維持される
プラズマ反応装置内の最低圧力を減じるのに有効であ
る。この結果として、ボトムカバレッジも改善されるこ
ととなる。
【００２２】本発明はＰＶＤに特に適用され得るもので
あるが、浮遊シールドは他の型式のプラズマ反応装置、
例えばエッチングや化学的気相堆積（ＣＶＤ）に用いら
れるものにも有効に適用可能である。その場合には、プ
ラズマはやや異なった態様で生ずる。例えば、電極のバ
イアスを逆にする場合がある。或はまた、ＲＦエネルギ
をプラズマに誘導結合したり、マイクロ波エネルギを遠
隔マイクロ波ソースから供給したり、プラズマを遠隔の
プラズマ供給源から供給したりする場合がある。
【００２３】浮遊シールドの物理的構造は、上述したも
のとは異なる態様で変更可能である。例えば、浮遊シー
ルドのリップは延ばされて、ペディスタルへと下方に延
びるスカートとしてもよい。すなわち、接地シールド
は、延長された浮遊シールドにより置換されてもよい。
また、浮遊シールドは、ステンレス鋼以外の金属や、プ
ラズマに面する表面が金属で被覆されたセラミックから
作られてもよい。実際に、浮遊シールドは、アースへの
導通路が必要ないので、絶縁セラミックから全体が作ら
れ得る。しかし、シールド全体をセラミックから形成す
ると、シールドの色々な部分に様々な量の負の電荷が帯
電し、電圧分布が生じてしまう。
【００２４】シールドに能動的バイアスをかけることに
より、より詳細にはチャンバ壁及び他の部分を基準とし
て所定の量だけ負のバイアスをシールドにかけることに
より、同じ効果が得られる。しかし、この能動的なバイ
アスは、真空チャンバを貫通するものを含む付加的な電
源や電気接続部を必要とする。これに対して、浮遊シー
ルドに対する効果的な負のバイアスは、電気的な接続が
なくとも、受動的に得られるものである。
【００２５】このように、浮遊シールドは許容チャンバ
圧を減じる廉価な手段であり、ＰＶＤの場合には、高ア
スペクト比の穴についてのボトムカバレッジを向上させ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来一般のシールドを備えるプラズマ反応装置
の概略断面図である。
【図２】本発明によるシールドを備えるプラズマ反応装
置の概略断面図である。
【図３】本発明によるシールドの一実施形態とプラズマ
反応装置の一部を詳細に示す断面図である。
【図４】シールドが接地された場合と浮遊している場合
とでのプラズマを維持できる最小ガス流量を示すグラフ
である。
【符号の説明】
１０…プラズマ反応装置、１２…ターゲット、１４…チ
ャンバ壁、１６…基板、１８…ペディスタル、２６…絶
縁体、３０…浮遊シールド、３２…接地シールド、５０
…壁アダプタ、５２…棚部、５４…スカート、５６…リ
ム、６０…セラミックスペーサ、６２…上端部、６４…
下部ノブ部、６６，６８…ギャップ、７０…丸められた
角部。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年７月３１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チェン シュ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， フォスター シティー， ハドソン ベイ ストリート 279 (72)発明者 ジアンミン フ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， サン ノゼ， サリナ ドライヴ 4631

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つの実質的に内側にくぼん
    だ側壁を有する反応チャンバと、 前記チャンバ内に配置され、ターゲット材料からなるほ
    ぼ平坦な面を有するターゲットと、 前記チャンバのチャンバ軸線に沿って前記ターゲットに
    対向して基板を支持することができる、前記チャンバ内
    に配置された支持体と、 前記チャンバ内にプラズマを形成すべく負のバイアス電
    圧を前記ターゲットに印加するための直流電源と、 前記チャンバ内に設置されると共に、前記少なくとも一
    つの側壁がスパッタ堆積を受けないように前記チャンバ
    軸線に沿って前記プラズマと前記少なくとも一つの側壁
    との間で延びる部分を有する、電気的に浮遊したシール
    ドと、 前記負のバイアス電圧よりも高い所定の電位で保持され
    ると共に、前記ターゲットに対して陽極として機能する
    ように前記支持体と前記電気的に浮遊したシールドとの
    間で前記チャンバ内に設置されている第２のシールド
    と、を備え、前記少なくとも一つの側壁は前記ターゲッ
    トと前記支持体との間で延びている、物理的気相堆積用
    の反応装置。
  2. 【請求項２】 前記電気的に浮遊したシールドは金属製
    部材からなる、請求項１に記載の反応装置。
  3. 【請求項３】 前記電気的に浮遊したシールドは、金属
    被膜を有するセラミック製部材からなる、請求項１に記
    載の反応装置。
  4. 【請求項４】 所定の電位で保持される第２のシールド
    を更に備える、請求項１に記載の反応装置。
  5. 【請求項５】 前記所定の電位はアース電位である、請
    求項４に記載の反応装置。
  6. 【請求項６】 前記側壁上に配置された第１の絶縁体で
    あって、前記ターゲットがその上に配置される前記第１
    の絶縁体と、 前記側壁上に配置された第２の絶縁体であって、前記第
    １の絶縁体がその上に配置される前記第２の絶縁体と、
    を備える、請求項４に記載の反応装置。
  7. 【請求項７】 前記電気的に浮遊したシールドと前記第
    ２のシールドとは前記チャンバ軸線に沿って延びる部分
    を有しており、 前記第２のシールドは上部部分を有し、前記電気的に浮
    遊したシールドは、前記第２のシールドの前記上部部分
    に重なり合う下部部分を有しており、 前記上部部分と前記下部部分とは、前記チャンバ軸線に
    直交する方向において間隙をもって分離されている、請
    求項４に記載の反応装置。
  8. 【請求項８】 前記電気的に浮遊したシールドと前記第
    ２のシールドとの間に介設された絶縁性部材であって、
    前記電気的に浮遊したシールドの前記下部部分により前
    記プラズマからシールドされる前記絶縁性部材を更に備
    える、請求項７に記載の反応装置。
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