JPH1171666A

JPH1171666A - イオンメタルプラズマプロセスにおけるオーバヘッドタイムを減少する方法

Info

Publication number: JPH1171666A
Application number: JP10162731A
Authority: JP
Inventors: Kenny King-Tai Ngan; キング−タインガンケニー
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 1999-03-16
Also published as: US6207027B1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、高密度イオンメタルプラズマプロ
セスに伴うオーバヘッドタイムを減少する方法を提供す
ることを目的とする。【解決手段】本発明方法は、ガスを第１流速で流すと
共に、定常状態でガスをチャンバから排気する速度がチ
ャンバへのガスの流速に等しくなるようにチャンバを一
定速度で排気する。本発明の別の方法は、ガスを第１速
度で流した後、定常状態でガスをチャンバから排気する
速度にぼぼ等しい第２流速でガスを流す工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度イオンメタ
ルプラズマプロセスに伴うオーバヘッドタイムを減少す
る方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最新の半導体集積回路は通常、誘電体
（絶縁）層によって分離された多重層を含み、誘電体層
はしばしば単に酸化物層と呼ばれる二酸化ケイ素又はシ
リカ等であり、他の材料を誘電体として用いることも考
慮されている。多重層は、下に重なる導電フィーチャに
接触する中間の酸化物層を貫通するホールによって電気
的に相互接続される。ホールはエッチングされた後、金
属、すなわちアルミニウム又は銅で充填され、底部層を
上部層に電気的に接続する。一般的構造は、プラグと称
される。下に重なる層がシリコン又はポリシリコンの場
合、プラグはコンタクトである。下に重なる層が金属の
場合、プラグはバイアである。

【０００３】集積回路を形成する回路素子の密度が増大
するにつれて、フィーチャサイズは縮小を続けているの
で、プラグは益々困難な問題を提起している。酸化物層
の厚さは１μｍ近傍に抑えられていると考えられるが、
プラグの直径は０．２５μｍ又は０．３５μｍの近傍か
ら０．１８μｍ以下まで縮小されつつある。その結果、
プラグのアスペクト比（深さ対最小横寸法の比）は５：
１以上に押し上げられている。

【０００４】サイズが減少を続ける中で、小さなフィー
チャに金属を堆積させる新しいプロセスが開発されてい
る。開発されたプロセスの１つは、イオンメタルプラズ
マプロセスと呼ばれる高密度プラズマ物理的気相堆積で
ある。このプロセスは、ＲＦエネルギーで駆動されるソ
ースコイルをプロセスチャンバに配置して、チャンバ内
のターゲットから追い出されたスパッタ金属イオンをイ
オン化する特徴がある。チャンバ内で基板を支持するサ
セプタに接続された電気的バイアスは、エネルギーを基
板に容量的に結合すると共に、基板表面でイオンの向き
を変更(redirect)して、金属による小さなフィーチャの
充填を可能にする。

【０００５】イオンメタルプラズマプロセスで遭遇する
１つの問題は、物理的気相堆積プロセスで通常に使用さ
れるよりも高い圧力でプロセスを実施するのが望ましい
ことである。通常のイオンメタルプラズマプロセスは約
１５〜３０ｍＴｏｒｒの圧力範囲で実施される。プロセ
ス圧力を高くすると、処理に先立ってチャンバ内のガス
を安定化するために必要な時間が長くなり、また基板を
チャンバ外に移動する前にチャンバの減圧に要する時間
が長くなる。通常、トランスファチャンバは、スリット
開口部とバルブアセンブリとを介してプロセスチャンバ
に結合され、トランスファチャンバは約１０^-3Ｔｏｒｒ
以上の高真空に維持される。その結果、イオンメタルプ
ラズマ・チャンバは処理の後、スリットバルブを開いて
基板をトランスファチャンバに移動する前に、高度の真
空まで減圧しなければならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ガス安定化時間と減圧
時間は、これまで任意に設定されていたので、オーバヘ
ッドタイムは大きかった。一例として、図１はチタン・
イオンメタルプラズマプロセスを示すが、この場合、ガ
ス安定化時間は２０秒、堆積後の減圧時間は１０秒なの
で、総オーバヘッドタイムは３０秒になる。この例示的
プロセスでは、ガス安定化ステップと堆積ステップ時
に、アルゴンガスが約４７ｓｃｃｍの速度でチャンバに
流入される。

【０００７】従って、堆積プロセスでのオーバヘッドタ
イムを減少すると共に、イオンメタルプラズマプロセス
を最適化する方法に対するニーズが存在する。特定のチ
ャンバとプロセスに伴う最少のオーバヘッドタイムが達
成できることが望ましい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガス安定化時
に第１流速又は２つの異なる流速でガスをプロセスチャ
ンバへ流した後、堆積後にチャンバを減圧することによ
って、プラズマプロセスに伴うオーバヘッドタイムを減
少する方法を提供する。一実施形態では、ガスを第１速
度でチャンバに流すと共に、定常状態のガスの流れがチ
ャンバへのガスの流れに等しくなるように、ガスを一定
速度でチャンバから排気する。チャンバ圧力が時間に対
してモニタされて、ガスの安定化を達成する時点が決定
される。別の実施形態では、ガスが定常状態でチャンバ
から排気される速度よりも最初は高い第１速度に近い速
度で、まずガスをチャンバに流した後、ガスが定常状態
でチャンバから排気される速度にほぼ等しい第２速度で
ガスをチャンバに流す。処理後のチャンバ減圧時には、
高真空ポンプがチャンバ内を真空に引いてチャンバの所
望の真空を達成する。

【０００９】本発明の上記の特徴、利点、及び目的を達
成する方法を細部にわたって理解できるように、上記に
簡単に要約した本発明を、付属の図面で示す実施形態を
参照して更に詳細に説明する。

【００１０】しかしながら、付属の図面は本発明の単な
る代表的な実施形態を示すもので、従って、その範囲を
限定すると見做してはならないことを強調しておく。と
いうのも、本発明は他の同等に有効な実施形態も含んで
もよいからである。

【００１１】

【発明の実施の形態】

「装置」図２は、本発明のＰＶＤプロセスの実施に適し
たイオンメタルプラズマ・チャンバ７０の概略断面図で
ある。概略的にのみ図示する本図に示すように、真空チ
ャンバは、主としてチャンバ壁７１とターゲット・バッ
キングプレート７２によって画成される。ＰＶＤターゲ
ット７３はターゲット・バッキングプレートに取り付け
られ、スパッタ堆積される材料の少なくとも一部から成
る組成を有する。チタン（Ｔｉ）と窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）の両者の堆積では、ターゲット７３はチタンで作ら
れる。ＰＶＤ膜の層でスパッタ堆積される基板７４は、
ターゲット７３に対向配置されたペデスタル電極７５上
に支持される。処理ガスは、それぞれの質量流量コント
ローラ７６、７７によって計量されると、ガス源８４、
８５からチャンバ７０に供給され、真空ポンプシステム
７８がチャンバ７０を所望の低圧に保つ。図示のチャン
バは約２，６００ｉｎ（インチ）³ の容積を有する。
「ＣＴＩ−ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳＯＮ−ＢＯＡＲＤ
８Ｆ」の高真空ポンプは、チャンバに接続されて、チャ
ンバを排気すると共に所望のチャンバプロセス圧力を維
持する。Sytec Inc.の「ＳＥＣ−４４００」質量流量コ
ントローラは、チャンバへのガス流を調整する。

【００１２】誘導コイル７９は、ターゲット７３とペデ
スタル７５間のスペースのまわりに巻かれている。この
タイプの誘導結合スパッタリングチャンバには、３個の
独立電源が使用される。ＤＣ電源８０はターゲット７３
を、ペデスタル７５に対して負にバイアスする。ＲＦ電
源８１はＭＨｚ範囲の電力を誘導コイル７９に供給す
る。ターゲット７３と基板７４間に印加されるＤＣ電圧
は、チャンバに供給される処理ガスによる放電とプラズ
マの形成をもたらす。コイル７９によってチャンバ７０
に誘導結合されたＲＦコイル電力は、プラズマの密度を
増加させる、すなわちイオン化粒子の密度を増加させ
る。ターゲット７３の背後に配置されたマグネット８２
は、スパッタリング効率を増大するために、ターゲット
７３に隣接するプラズマの密度を大幅に増加させる。別
のＲＦ電源８３は、ペデスタルをプラズマに対してバイ
アスするために、１００ＫＨｚないし数ＭＨｚの周波数
範囲の電力をペデスタル７５に加える。

【００１３】ガス源８４からのアルゴンは、主スパッタ
リングガスである。アルゴンはプラズマ内でイオン化
し、その正に帯電したイオンが充分なエネルギーで、負
にバイアスされたターゲット７３に誘引されるので、イ
オンがターゲット７３から粒子をスパッタする、すなわ
ちターゲット原子又は多原子粒子がターゲットから追い
出される。スパッタされた粒子は主として弾道経路に沿
って進み、それらの一部が基板７４に衝突して、ターゲ
ット材料の膜として基板上に堆積する。ターゲット７３
がチタンで、更なる反応がないとすると、チタン膜がス
パッタ堆積されることになる。

【００１４】図３は、チャンバ７０が取り付けられたス
テージ付き（staged) 真空プラットホームの概略部分断
面図である。材料層が基板７４上にスパッタされる前
に、基板は通常、エンクロージャ壁７１内のスリットバ
ルブ（図示せず）と連通するロードロック１０２を通っ
て、ロボットアーム１０４、ブレード、又はその他の基
板ハンドリング装置（図示せず）によってチャンバ７０
内に配置され、サポートペデスタル７５上に受け入れら
れる。ピンの上端は、ペデスタルの上面に平行な平面を
形成する。

【００１５】上記のプロセスチャンバの場合のようなダ
イナミックシステムでは、ガスがチャンバに流入され
て、圧力が所定のプロセス圧力で一定に保たれることが
望ましい。ポンプ排気システムを同時に運転して、圧力
の安定化を達成すると共にプロセスステップ時に定常圧
力を維持する。このダイナミックシステムは、次の最終
圧力ｐ_us式によって定義される。

【００１６】ｐ_us＝Ｑ_g ／Ｓここに、Ｑ_g はほぼ一定速度のガス負荷で、Ｓはポンプ
のポンプ排気速度である。安定化時のチャンバ圧力は、
チャンバへの一定ガス流と一定ポンプ排気の間の均衡点
である。均衡点に到達するために要する時間がガス安定
化時間を決定する。質量流量コントローラは、一定速度
又は必要に応じて可変速度でチャンバにガスを流入させ
る。本明細書に記載の実施例では、ガスはアルゴンで、
ポンプは低温ポンプである。しかしながら、記載の実施
形態は単に発明を説明するためであって、本発明の範囲
を制限すると見做してはならない。

【００１７】「プロセス」本発明の方法によれば、ガス
は選ばれた速度（単数又は複数）でチャンバ内に流入さ
れ、チャンバのポンプ排気システムはチャンバから一定
速度でガスを排気する。ガスがチャンバに流入する前
に、チャンバは通常、プロセス圧力（例えば約１０^-3な
いし約１０^-9）よりも低圧／高真空状態にある。従っ
て、ガスをチャンバに流入してチャンバの圧力を増加さ
せることと、堆積プロセスが始まる前にガスを安定化す
ることが重要である。このガス安定化期間は、より低い
切換え圧力を再設定するための処理後減圧時間と共に通
常、オーバヘッドタイム、つまり基板処理のためにチャ
ンバを準備する期間、と呼ばれる。本発明は、イオンメ
タルプラズマプロセスに伴うオーバヘッドタイムを減少
するための最適なガス流量（単数及び／又は複数）とポ
ンプ排気速度とを提供する。ガス安定化時のチャンバ圧
力は、一定ガス流と一定ポンプ排気の間の均衡点であ
る。この均衡点に到達する時間がガス安定化時間を決定
する。真空レベルへのチャンバの減圧は、低温ポンプそ
の他の高真空ポンプ、通常は拡散型ポンプによって達成
される。ガス安定化時には、チャンバと、上記のチャン
バ構成の高真空ポンプの間のゲートバルブが中間位置に
セットされて、イオン化のためにチャンバ圧力を約１５
ｍＴｏｒｒ以上に維持する。堆積プロセス後の減圧ステ
ップでは、ゲートバルブはポンプ排気速度が最大になる
ように全開される。

【００１８】実施例１図４の線図で示す一実施例では、最初に約１０^-3Ｔｏｒ
ｒまで減圧排気されたチャンバに、アルゴンガスがガス
安定化ステップで約４７ｓｃｃｍの速度で、１５ｍＴｏ
ｒｒの所望チャンバ圧力が達成されるまで流された。使
用チャンバは上記のもので、カリフォルニア州サンタク
ララの Applied Materials, Inc. から入手できる。上
記のチャンバ及び「ＣＴＩＯＮ−ＢＯＡＲＤ８Ｆ」
高真空ポンプと共に、４７ｓｃｃｍのアルゴン流速が決
定された。ポンプ排気速度を減少させるために、３ポジ
ション・ゲートバルブその他の絞りバルブが一般的に使
用される。この実施例で使用されたチャンバ容積は、
２，６００ｉｎ³ であった。ゲートバルブは中間位置に
セットされ、ポンプ排気速度はガス安定化時に約３９．
６７Ｌ／秒であった。チャンバ圧力は経時的にモニタさ
れて、１段階のアルゴン流を使用してチャンバ圧力を安
定化するために要する最少プロセスタイムが決定され
た。ガス流速は、約２０秒続く堆積ステップの間、約４
７ｓｃｃｍに維持された。

【００１９】図４の線図で示すように、アルゴンを約４
７ｓｃｃｍでチャンバに流すステップは、約１１秒でガ
スの安定化を達成した。次に、約１１秒と決定された最
少ガス安定化期間の後、堆積プロセスが実行された。

【００２０】堆積ステップの後、真空ポンプとチャンバ
間のゲートバルブを全開にしてポンプを高速で運転する
ことによって、チャンバが減圧された。５秒の最少減圧
時間が達成された。従って、総オーバヘッドタイムは、
約１６秒と決定され、従前のプロセスに伴う３０秒のオ
ーバヘッドタイムに比べて劇的な改善であった。

【００２１】実施例２図５の線図で示す別の実施例では、最初にアルゴンガス
を約９４ｓｃｃｍの速度で約３秒間チャンバに流した後
に、約４７ｓｃｃｍの速度で流し、その時点で所望のプ
ロセス圧力がチャンバ内に達成、維持された。チャンバ
のセットアップは、アルゴンの流速を除き、実施例１に
記載されたものと同一であった。

【００２２】図５の線図で示すように、プロセス圧力を
維持できる（例えばこのシステムでは４７ｓｃｃｍ）約
２倍の速度でアルゴンをチャンバに最初に流すステップ
は、約８秒でガスの安定化を達成した。

【００２３】次に堆積プロセスが約２０秒間、実行され
た。その後、真空ポンプとチャンバ間のゲートバルブを
全開してポンプを高速で運転させることによって、チャ
ンバが減圧された。再び、５秒の減圧時間が達成され
た。従って２段階のアルゴン流に対する総オーバヘッド
タイムは、約１３．５秒と決定された。

【００２４】「コンピュータ制御」プロセスは、カリフ
ォルニア州 Synenergy Microsystems から市販される、
例えば６８４００マイクロプロセッサ等の周辺制御コン
ポーネントを持つ記憶システムに接続された中央処理装
置（ＣＰＵ）を備える従来型コンピュータシステム上で
動作する、コンピュータプログラム製品を使って実施で
きる。コンピュータプログラムコードは、例えば６８０
００アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、又はパスカル等の任
意の従来のコンピュータ読取り可能プログラミング言語
で書き込める。適当なプログラムコードが、従来のテキ
ストエディタを使ってシングル又はマルチファイルに入
力され、コンピュータの記憶システム等のコンピュータ
使用可能媒体に格納又は組み入れられる。入力されたコ
ードテキストが高レベル言語の場合、コードはコンパイ
ルされ、次いで、結果のコンパイラコードが、プリコン
パイルされたウインドウズライブラリ・ルーチンのオブ
ジェクトコードとリンクされる。リンクされたコンパイ
ル済みオブジェクトコードを実行するには、システムユ
ーザーはそのオブジェクトコードを呼び出して、コンピ
ュータシステムにメモリ内のコードをロードさせ、ＣＰ
Ｕがそのコードを読み取って実行して、プログラムで識
別されたタスクを実行する。

【００２５】プロセスガス制御サブルーチンは、プロセ
スガスの組成と流速とを制御するためのプログラムコー
ドを有する。一般に、各プロセスガスに対するプロセス
ガス供給ラインは、（ｉ）チャンバへのプロセスガスの
流れを自動又は手動で遮断するために使用できる安全遮
断バルブ（図示せず）、及び（ｉｉ）ガス供給ラインを
通る特定ガスの流れを測定する質量流量コントローラ
（これも図示せず）を含む。プロセスで有毒ガスが使用
されるときは、いくつもの安全遮断バルブが各ガス供給
ラインに従来の構成で配置される。プロセスガス制御サ
ブルーチンは、安全遮断バルブの開／閉位置を制御する
と共に、所望のガス流速を得るために質量流量コントロ
ーラを断続（ramps up/down）調整する。プロセスガス
制御サブルーチンは、すべてのチャンバコンポーネント
サブルーチンと同様、チャンバマネジャー・サブルーチ
ンによって呼び出されて、所望のガス流速に関係するプ
ロセスパラメータをチャンバマネジャー・サブルーチン
から受け取る。通常、プロセスガス制御サブルーチン
は、ガス供給ラインを開くと共に、反復して（ｉ）必要
な質量流量コントローラの読みを取り、（ｉｉ）その読
みをチャンバマネジャー・サブリーチンから受け取った
所望の流速と比較し、（ｉｉｉ）必要に応じてガス供給
ラインの流速を調節することによって、動作する。更
に、プロセスガス制御サブルーチンは、安全でない速度
がないかガス流速をモニタすると共に、安全でない状態
が検出されたときは遮断バルブを作動させるためのステ
ップを含む。

【００２６】圧力制御サブルーチンが呼び出されると、
所望の又は目標圧力レベルがチャンバマネジャー・サブ
ルーチンからパラメータとして受け取られる。圧力制御
サブルーチンは、チャンバに接続された１つ以上の従来
型圧力計を読んでチャンバの圧力を測定し、その測定値
（単数、複数）を目標圧力と比較し、目標圧力に対応す
る、記憶された圧力テーブルからＰＩＤ（比例、積分、
及び微分）値を入手して、圧力テーブルから入手したＰ
ＩＤ値に従ってスロットルバルブを調節するように動作
する。その他に、圧力制御サブルーチンを、ゲートバル
ブを特定開口サイズに開、閉して所望の圧力にチャンバ
を調整するように、書き込むこともできる。

【００２７】上記は本発明の好ましい実施形態に向けら
れるが、本発明の他の更なる実施形態をその基本的な範
囲から逸脱することなく案出することが可能であり、そ
の範囲は請求項によって決定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のプロセスに伴うオーバヘッドタイム
を示す線図である。

【図２】イオンメタルプラズマプロセスチャンバを示す
断面図である。

【図３】本発明方法の実施に適した、チャンバを有する
ステージ付き真空プラットホームを示す概略部分断面図
である。

【図４】本発明の一実施例に伴うオーバヘッドタイムを
示す線図である。

【図５】本発明の別の実施例に伴うオーバヘッドタイム
を示す線図である。

【符号の説明】

７０…イオンメタルプラズマ・チャンバ、７１…チャン
バ壁、７２…ターゲット・バッキングプレート、７３…
（ＰＶＤ）ターゲット、７４…基板、７５…ペデスタル
電極、７６，７７…質量流量コントローラ、７８…真空
ポンプシステム、７９…誘導コイル、８０…ＤＣ電源、
８１，８３…ＲＦ電源、８２…マグネット、８４，８５
…ガス源、１０２…ロードロック、１０４…ロボットア
ーム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロセスチャンバにおけるオーバヘッド
タイムを減少する方法であって、ａ）１つ以上のガスを第１速度でプロセスチャンバに流
入する工程と、及びｂ）定常状態のガスの流れが前記チャンバへのガスの流
入に等しくなるように、前記チャンバを一定速度で排気
する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】更に、ｃ）基板を処理する工程と、及び、その後ｄ）前記工程ｂ）で前記１つ以上のガスが前記チャンバ
から排気される速度の２倍以上の速度で前記チャンバを
排気する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載
の方法。
【請求項３】更に、ｅ）前記チャンバの圧力をモニタして、所望のチャンバ
圧力が達成される時点を決定する工程とを含むことを特
徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】更に、ｆ）基板を処理する工程と、及び、その後ｇ）前記工程ｂ）で前記１つ以上のガスが前記チャンバ
からポンプ排気(pumped)される速度の２倍以上の速度で
前記チャンバをポンプ排気する工程とを含むことを特徴
とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】基板を処理する方法であって、ａ）基板をチャンバ内に導入する工程と、ｂ）１つ以上のプロセスガスを、前記チャンバがポンプ
排気される速度より最初は高い速度で前記チャンバに流
入する工程と、及びｃ）前記１つ以上のガスが前記チャンバからポンプ排気
される速度に等しい速度で、ガスを流す工程とを含むこ
とを特徴とする方法。
【請求項６】前記１つ以上のガスを、プロセス圧力が
実質的に定常に保たれる速度に等しい速度で前記チャン
バへ最初に流入することを特徴とする請求項５に記載の
方法。
【請求項７】前記１つ以上のガスを、プロセス圧力が
実質的に定常に保たれる速度の少なくとも２倍の速度で
前記チャンバへ最初に流入することを特徴とする請求項
５に記載の方法。
【請求項８】更に、ｄ）前記チャンバとポンプとの間に配置されたバルブを
その全開位置に開くことによって、処理後に前記チャン
バを減圧する(pumping down)工程とを含むことを特徴と
する請求項６に記載の方法。
【請求項９】更に、ｅ）前記チャンバとポンプとの間に配置されたバルブを
その全開位置に開くことによって、処理後に前記チャン
バを減圧する工程とを含むことを特徴とする請求項５に
記載の方法。
【請求項１０】プロセスチャンバにおけるオーバヘッ
ドタイムを減少する方法であって、ａ）プロセス圧力が達成可能な速度の約２倍の第１速度
で、１つ以上のガスをプロセスチャンバに流入する工程
と、その後ｂ）前記第１速度の約半分の第２速度で前記１つ以上の
ガスを流す工程と、及びｃ）前記チャンバの定常処理圧力を達成するために、一
定速度でポンプを運転する工程とを含むことを特徴とす
る方法。
【請求項１１】更に、ｄ）基板を処理する工程と、及び、その後ｅ）前記工程ｃ）で前記１つ以上のガスが前記チャンバ
から排気される速度の少なくとも約２倍の速度で前記チ
ャンバをポンプ排気する工程とを含むことを特徴とする
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】更に、ｄ）前記チャンバの圧力をモニタして、所望のチャンバ
圧力が達成される時点を決定する工程とを含むことを特
徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】更に、ｅ）基板を処理する工程と、及び、その後ｆ）前記工程ｃ）で前記１つ以上のガスが前記チャンバ
からポンプ排気される速度の２倍以上の速度で前記チャ
ンバをポンプ排気する工程とを含むことを特徴とする請
求項１２に記載の方法。