KR20120137447A - 가공물을 통해 인가되는 소스 및 바이어스 전력 주파수들을 이용한 금속 플라즈마 기상 증착 및 재-스퍼터를 위한 장치 - Google Patents

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칼 엠. 브라운
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

플라즈마 반응기는 측벽, 천장 및 진공 챔버의 플로어 근처의 웨이퍼 지지 페디스털을 포함하는 진공 챔버 및 진공 챔버에 결합된 진공 펌프를 포함한다. 프로세스 가스 유입부는 상기 챔버에 결합되고, 프로세스 가스 소스는 상기 프로세스 가스 유입부에 결합된다. 상기 반응기는 천장에 위치한 금속 스퍼터 타겟, 상기 스퍼터 타겟에 결합된 고전압 D.C. 소스, 웨이퍼 지지 페디스털에 결합되며 운동 전자들을 여기시키기에 적합한 주파수를 갖는 RF 플라즈마 소스 전력 생성기, 및 상기 웨이퍼 지지 페디스털에 결합되며 플라즈마 이온들에 에너지를 결합시키기에 적합한 주파수를 갖는 RF 플라즈마 바이어스 전력 생성기를 더 포함한다.

Description

가공물을 통해 인가되는 소스 및 바이어스 전력 주파수들을 이용한 금속 플라즈마 기상 증착 및 재-스퍼터를 위한 장치{APPARATUS FOR METAL PLASMA VAPOR DEPOSITION AND RE-SPUTTER WITH SOURCE AND BIAS POWER FREQUENCIES APPLIED THROUGH THE WORKPIECE}
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은 칼 엠. 브라운(Karl M. Brown) 등에 의한 그리고 본 양수인에게 양도된 미국특허 가출원 일련번호 제60/616,418호(출원일: 2004년 10월 5일, 발명의 명칭: APPARATUS AND METHOD FOR METAL PLASMA VAPOR DEPOSITION AND RE-SPUTTER WITH SOURCE AND BIAS POWER FREQUENCIES APPLIED THROUGH THE WORKPIECE)의 우선권을 주장한다.
집적 회로 설계에 있어 최근의 기술 진보들에 의하여, 반도체 트랜지스터들 위에 놓이는 다층 상호접속 구조의 상호접속층들이 이제 무려 6개 내지 10개이다. 절연체 층들은 연속하는 전도체 층들을 분리시킨다. 전도체 상호접속층들은 완전히 상이한 전도체 패턴들을 가질 수 있으며 절연체 층들을 통해 수직으로 연장되는 비아(via)들을 통해 서로 접속되고 상이한 위치들에서 트랜지스터 층에 접속된다. 본 발명의 관심사는 비아들의 형성이다.
집적 회로에서의 저항 전력 손실들을 감소시키기 위해, 상호접속층들 및 비아들은 통상적으로 알루미늄을 사용하며, 보다 최근에는 주 전도체로서 구리를 사용한다. 보다 최근에 보다 낮은 유전 상수를 갖는 이산화 규소가 아닌 유전 물질들이 점차적으로 사용되고 있지만, 절연체 층들은 이산화 규소이다. 구리가 재해적인 단락을 야기하도록 절연체 층을 통해 시간에 따라 확산하는 경향이 있기 때문에, 2개의 물질들이 집적 회로에서 인터페이싱하는 모든 경우에 구리 확산을 차단하는 배리어층이 구리 물질과 유전 물질 사이에 배치된다. 상기 배리어층은 절연체 층과 접촉하는 밑에 놓이는 티타늄 질화물 층 또는 탄탈 질화물 층, 위에 놓이는 순수한 (또는 거의 순수한) 탄탈(또는 티타늄) 층, 및 마지막으로, 순수한 탄탈 (또는 티타늄) 층 위의 구리 시드층(copper seed layer)으로 통상적으로 형성된다. 전도체가 구리라면, 탄탈이 바람직하다. 구리 전도체는 구리 시드층 상에 증착된다. 상기 배리어층은 유전 물질 안으로의 구리 원자들의 이동 또는 확산을 방지한다. 탄탈 및 탄탈 질화물(또는 티타늄 및 티타늄 질화물) 층들은 구리에 비해 질이 떨어지는 전도체들이다. 배리어층의 형성과 구리 전도체들의 형성은 물리 기상 증착에 의해 수행된다. 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 또는 전기 도금과 같은 다른 증착 프로세스들은 금속 충전 단계(구리 증착)를 위해 사용될 수 있다.
수평 상호접속층들 사이에서 연장되는 수직으로 연장되는 비아들을 형성할 때 다음과 같은 문제점이 발생한다. 밑에 놓인 수평 상호접속층 내의 구리 전도체의 일부분을 노출시키기 위해 위에 놓인 수평 절연체 (이산화 규소) 층을 통해 홀(hole)을 에칭함으로써 각각의 수직 비아 개구가 형성된다. 비아를 통해 접속이 이루어지는 것은 이 노출된 부분이다. 상기 설명된 바와 같은 구리 이동을 방지하기 위해, 배리어층은, 비아 내에 구리 전도체가 형성될 수 있기 전에 비아의 내부 표면들 상에 증착되어야 한다. 이러한 배리어층은 비아의 모든 내부 표면들을 커버할 때, 밑에 놓인 구리 전도체의 노출된 부분을 커버한다. 배리어층이 질이 떨어지는 전도체이므로, 상기 배리어층은 (에치 프로세스시) 비아의 다른 내부 표면으로부터 배리어층의 나머지를 제거하지 않고 밑에 놓인 구리 전도체로부터 선택적으로 제거되어야 한다. 이러한 제거 단계는, 밑에 놓인 구리 표면으로부터 배리어층을 선택적으로 제거하는 단계가 수행되는 에치 챔버 내에 웨이퍼를 배치시키기 위해 물리 기상 증착 프로세스의 중단을 필요로 했다. 그 다음, 웨이퍼는 구리 전도체(들)의 형성을 위해 물리 기상 증착 반응기로 복귀된다.
배리어층의 선택적인 제거에 의해 나타나는 중단은 보다 높은 생산 비용을 수반하고 생산 시간을 소비한다. 최근에, 반응기로부터 웨이퍼를 제거하지 않고, 배리어층의 물리 기상 증착 및 배리어층 형성 단계 이후 배리어층의 선택적인 제거 모두가 가능한 이중 목적 반응기가 개발되었다. 이 결과, 생산 비용과 생산 시간에 있어서 큰 절감들이 실현되었다. 이것은 물리 기상 증착 챔버 내에서 웨이퍼 근처에 별도의 코일을 제공함으로써 달성되었다. 배리어층 형성 후에, 상기 코일은 수평 표면들(즉, 밑에 놓인 구리 전도체에 의해 형성된 플로어)로부터 배리어층을 선택적으로 스퍼터하는 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 선택적인 스퍼터링(이하에 "재-스퍼터링(re-sputtering)"이라 함)은 대부분 수직인 이온 속도 분포를 달성하기 위해 웨이퍼에 RF 바이어스 전력을 인가함으로써 달성된다. 이러한 이중-목적 반응기가 극히 잘 동작하지만, 이는 약간의 추가의 비용을 수반한다. 예컨대, 배리어층 증착 단계가 금속 타겟을 스퍼터링하는 것을 수반하고, 이에 따라 반응기 챔버의 모든 내부 표면들 위에 금속을 증착시키기 때문에, 금속화된 표면들이 코일을 차폐시키지 않거나, 그렇지 않으면, 재-스퍼터링 코일로부터 플라즈마로의 RF 전력의 유도 결합을 방지하지 않도록, 재-스퍼터링 코일이 챔버 내부에 위치되어야 한다. 프로세스 오염을 회피하기 위해, 재-스퍼터링 코일은 순수한 탄탈로 형성되는데, 이는 비용을 추가시킨다. 상기 코일은 자신의 수명 동안 상당히 큰 온도 변동들을 겪게 되며, 주기적으로 교환되어야 한다. RF 전력은 반응기 챔버의 진공 시일(seal)을 통해 그리고 금속 증기에 의해 주기적으로 완전히 채워지는 환경을 통해 재-스퍼터링 코일에 결합되어야 한다. 따라서, 금속 증착을 견딜 수 있고, 자신의 수명에 걸쳐 광범위한 온도 편차(excursion)들을 견딜 수 있는 RF 피드스루(feedthrough)가 사용되어야 하고, 상기 RF 피드스루의 외부 표면들은 증착된 물질들의 과도한 축적 및 박편화(flaking)를 회피하도록 텍스츄어(texture)된다.
다른 주지된 이중-목적 반응기는 금속 스퍼터 타겟에 의해 차단되지 않는 천장의 일부분 위에 놓인 외부 유도 코일을 사용한다. 하나의 문제점은 금속 기상 증착 프로세스가 금속에 의해 천장을 코팅할 수 있어서 코일 안테나로부터의 유도 결합을 차단한다는 것이다. 보다 중요한 문제점은, 코일에 의해 발생된 RF 플라즈마가 타겟으로부터 높은 비율의 금속 이온들을 발생시켜서, 웨이퍼 바이어스가 타겟으로부터의 금속 이온들/증기의 플럭스에 영향을 주지 않고 수평 표면들에 대한 에치 선택도를 위해 최적화될 수 없다는 것이다(탈-최적화(de-optimizing)). 따라서, 금속 증착 프로세스 및 재-스퍼터 프로세스는 별도의 시간들에서 수행되어야 한다.
상기 이중 목적 반응기들이 Ta/TaN 배리어층 증착 단계 및 재-스퍼터링 단계 모두를 수행할 수 있지만, 상이한 반응기가 통상적으로 추후 구리 증착 단계를 수행하기 위해 사용됨이 주의 되어야 한다. 이것은 웨이퍼 상에 구리 이온들의 높은 플럭스가 요구되고, 그리고 스퍼터된 구리 원자들이 구리 타겟에서의 매우 밀집한 플라즈마 내에서 자체-이온화 하도록 PVD 반응기가 특수하게 구성되어야 하기 때문이다. 특히, 매우 높은 D.C. 전력 레벨 (40-56 kWatts)이 구리 타겟에 인가되고, 특수하게 구성된 마그네트론이 타겟에 보다 집중된 플라즈마를 위해 사용된다. 타겟 근처 고밀도의 구리 이온들로 인해, 상기 타겟은 웨이퍼 위로 상당히 높이 위치되며(390 mm), 이는 구리 증착 속도를 허용가능한 임계값으로 제한한다(또한 구리 중성 입자(copper neutral)들의 다소의 유리한 시준을 제공한다). 그러나, 통상적으로 구리 이온들의 큰 몫은 챔버 내의 실드(shield)들 상에 증착되며, 그렇지 않으면, 이러한 긴 거리를 거쳐 이동하는 동안 손실된다.
*구리 PVD 챔버 및 배리어 PVD 챔버에 대한 요구조건에 더하여, 구리 PVD 챔버 및 배리어 PVD/재-스퍼터 챔버가 세정/에치 프로세스들에 적합하지 않기 때문에, 제 3 챔버, 즉 에치 챔버가 증착전 세정 프로세스를 수행하는데 사용되어야 한다.
다른 문제점은 배리어 층의 형성 동안 증착된 탄탈 및/또는 탄탈 질화물 물질이, 비아 벽들을 따라 비-균일한 두께로 증착하고, 그리고 특히 수직벽들의 상부 모서리들 근처에 보다 빨리 축적하여 핀치-오프하는 일부 경향을 나타내도록 하는 경향이다. 이것은 이러한 문제점들을 개선하기 위해 프로세스 윈도우를 제한하는 것을 필요하게 한다. 이런 문제점은 배리어층 증착 프로세스의 완료 시에, 재-스퍼터링 프로세스가 실행되면, 어느 정도 해결되는데, 그 이유는 상기 재-스퍼터링 프로세스가, 비아들의 수평 표면들(플로어들)로부터 제거된 탄탈(또는 탄탈 질화물) 물질을 비아 측벽들의 보다 하부 부분들 상으로 운반하면서, 다른 곳보다도 빠르게 비아 벽들의 상부들 및 모서리들로부터 탄탈 또는 탄탈 질화물을 제거하는 경향이 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 핀치-오프의 임의의 위험을 제거하기 위해, 초기의 비-균일한 탄탈 또는 탄탈 질화물 증착 문제를 완전히 방지하는 것이 유리할 것이고, 이는 프로세스 윈도우의 일부의 자유화를 허용한다.
내부 재-스퍼터링 코일의 필요성을 회피하는 것은, 그 이익들 중 적어도 일부가 보다 간단한 방법으로 구현될 수 있다면, 또한 이익일 것이다.
본 발명은 이러한 코일에 대한 필요없이 내부 재-스퍼터링 코일에 의해 제공되는 이익들에 적어도 접근하는 이익들을 제공한다. 본 발명은 추가로 배리어층의 비-균일한 증착을 개선하거나 회피하는 방법과, 배리어층의 형성 동안 비아의 플로어를 형성하는 노출된 구리 전도체 표면 상에 배리어층의 증착을 회피하거나 최소화하는 방법을 제공한다.
플라즈마 반응기는 측벽, 천장 및 진공 챔버의 플로어 근처의 웨이퍼 지지 페디스털을 포함하는 진공 챔버, 및 상기 진공 챔버에 결합된 진공 펌프를 포함한다. 프로세스 가스 유입부가 상기 챔버에 결합되고, 프로세스 가스 소스가 프로세스 가스 유입부에 결합된다. 상기 반응기는 천장에 있는 금속 스퍼터 타겟, 상기 스퍼터 타겟에 결합된 고전압 D.C. 소스, 웨이퍼 지지 페디스털에 결합되며 운동 전자(kinetic electron)들을 여기시키기에 적합한 주파수를 갖는 RF 플라즈마 소스 전력 생성기, 및 상기 웨이퍼 지지 페디스털에 결합되며 플라즈마 이온들에 에너지를 결합시키기에 적합한 주파수를 갖는 RF 플라즈마 바이어스 전력 생성기를 더 포함한다
도 1은 본 발명을 구체화하는 플라즈마 반응기의 절단 측면도이다.
도 2는 일 양상에 따른 웨이퍼 지지 페디스털의 확대된 절단도이다.
도 3은 다른 양상에 따른 웨이퍼 지지 페디스털의 확대된 절단도이다.
도 4는 도 1의 반응기의 2개의 상이한 플라즈마 바이어스 전력 주파수들의 사용을 도시한다.
도 5는 도 4의 실시예의 상이한 바이어스 전력 주파수들의 상이한 이온 에너지 분포들의 조합을 예시하는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 프로세스에 따른, 집적 회로의 일부분의 순차적인 단면도들이다.
도 7은 도 6a 내지 도 6e의 프로세스에서 형성되는 배리어층의 확대된 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 프로세스의 일 실시예에서 배리어층의 형성을 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 프로세스의 바람직한 실시예에서 배리어층의 형성을 도시한다.
도 10은 본 발명의 바람직한 프로세스의 블록 흐름도이다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 유전층을 관통하는 좁은 개구의 측단면도들이며, 도 1의 반응기의 3개의 각각의 모드들 즉, 컨포멀(conformal mode) 모드, 비-컨포멀 모드 및 펀치-쓰루(punch-through) 모드에서의 증착 결과들을 각각 도시한다.
도 12는 제 1 대안적인 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한다.
도 13은 제 2 대안적인 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한다.
도 14는 제 3 대안적인 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한다.
도 15는 제 4 대안적인 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한다.
도 16은 제 5 대안적인 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한다.
도 17은 도 1의 반응기가 동일한 웨이퍼 상에 증착전 세정 프로세스, 유전 배리어층 증착 프로세스 및 금속 배리어층 증착 프로세스를 수행하는 프로세스를 도시하는 도면이다.
플라즈마 반응기는 집적 회로의 연속적인 상호접속층들 사이에 있는 트렌치들 또는 스루 비아(through via)들 내의 전도체들(예:구리, 상기 구리에 대해 배리어는 탄탈/탄탈 질화물이어야 함)을 위한 (탄탈/탄탈 질화물막 또는 티타늄/티타늄 질화물막과 같은) 배리어층들을 형성한다. 플라즈마 반응기는 비아의 플로어를 구성하는 밑에 놓인 전도체의 노출된 수평 표면들로부터 배리어 물질을 제거하기 위해 물리 기상 증착과 고도로 선택적인 재-스퍼터링 둘 다를 할 수 있다. 중요하게, 반응기는 완전하고 정밀하게 제어가능한 재-스퍼터링 단계를 위해 종래에 요구되었던 내부 코일없이 이 모든 것을 달성한다. 대신에, 재-스퍼터링 단계를 수행하기 위해 웨이퍼 근처에 플라즈마가 형성된다. 이를 위해, 아르곤과 같은 프로세스 가스가 도입될 수 있으며, 웨이퍼 근처의 아르곤 플라즈마 이온들을 여기시키기 위해 운동 전자(kinetic electron)들에 에너지를 용량성으로 결합시키는데 효과적인 RF 주파수에서 웨이퍼에 소스 전력(source power)이 인가된다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "소스 전력"은 플라즈마 내의 운동 전자들에 전력을 결합시킴으로써 RF-결합된 플라즈마를 유지시키기에 적합한 RF 전력을 가리킨다. 상기 소스 전력은 D.C. 여기된 금속 스퍼터링 타겟을 가리킬 때의 용어 "소스(source)"의 사용과 구별되어야 하며, 이 소스는 금속 증착 프로세스시 금속 원자들 또는 이온들의 "소스"이다. 통상적으로, 소스 전력 주파수는 전자들의 낮은 질량-대-전하 비(low mass-to-charge ratio)로 인해 VHF 주파수이다. 웨이퍼 근처에 형성된 VHF-결합된 플라즈마의 이온들은 재-스퍼터링 단계에서 사용된다. 수평 표면들에 대한 재-스퍼터링 단계의 선택도는 이온들(예를 들어, 아르곤 이온들)에 에너지를 결합시키는데 유효한 RF 주파수에서 바이어스 전력을 웨이퍼에 인가함으로써 구축되고, 이러한 RF 주파수는 이온들의 높은 질량-대 전하 비로 인해 통상적으로 HF 또는 LF 주파수이다. 이것은 웨이퍼 표면에서의 플라즈마 쉬스(sheath)를 가로지르는 이온 속도 분포를 챔버 축에 대한 작은 방향성 범위, 통상적으로 수직 방향으로 제한시켜, 재-스퍼터링 단계가 챔버 축에 수직인 표면들, 통상적으로 수평 표면들에 대해 고도로 선택적이게 한다. 중요한 특징은, 타겟으로부터 웨이퍼를 향하는 금속 원자들의 플럭스에 영향을 미치지 않고 바이어스 전력이 이온 재-스퍼터 또는 에치 단계의 선택도를 제어한다는 것이다. 이것은 웨이퍼에 인가되는 바이어스 전력에 의해 영향받지 않는 타겟으로부터의 중성 금속 입자들 또는 원자들을 주로 발생시키는, 타겟 표면에서의 낮은 전력(2-5 kW) D.C. 방전 플라즈마에 의해 가능해진다. 따라서, 2개의 상이한 플라즈마들이 사용되는데, 하나의 플라즈마는 타겟에서의 D.C. 방전 플라즈마이고, 다른 하나의 플라즈마는 웨이퍼에서의 RF (VHF) 플라즈마이다. 따라서, 타겟 스퍼터링은 웨이퍼에서의 재-스퍼터링 플라즈마에 영향을 주지 않고 최적화될 수 있는 반면, 바이어스 전압은 타겟 스퍼터링에 영향을 주지 않고 최적화될 수 있다. 이러한 특징은 물리 기상 증착 프로세스를 위해 금속 이온들을 발생시키도록 타겟 근처의 RF 결합된 플라즈마를 사용하는 종래의 이온 물리 기상 증착 반응기들에서는 가능하지 않다.
물리 기상 증착 및 재-스퍼터링이 동시에 수행될 수 있으며, 재-스퍼터 또는 에치 프로세스의 선택도가 타겟으로부터의 금속 원자들의 플럭스에 영향을 주지않고 조절되는 본 발명에 고유한 유리한 모드가 제공된다.
상기 재-스퍼터링 단계는 배리어층 물질의 비-균일한 증착을 보상하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서, 재-스퍼터 단계는 배리어 증착 단계와 동시에 수행된다. 이것은 본 발명의 바람직한 실시예가 2개의 어느 정도 독립적인 플라즈마들 즉, 타겟 위의 마그네트론(magnetron)에 의해 한정되는 타겟 또는 천장 근처의 D.C. 방전 플라즈마 및 재-스퍼터링을 수행하기 위한 웨이퍼 표면 근처의 RF 플라즈마를 발생시키기 때문에 가능하다. 따라서, 천장 근처의 플라즈마는 타겟을 스퍼터링하기 위해 최적화되는 반면 (동시에), 웨이퍼에서의 플라즈마는 각각의 비아의 플로어를 재-스퍼터링하고 선택적으로 에칭하기 위해 최적화된다. 하나의 장점은 증착된 배리어층 막의 현저한 비-균일성들이 감소되거나 결코 형성되지 않아서, 비아들 내에서의 핀치-오프(pinch-off) 또는 다른 문제들의 위험성을 감소시킬 수 있다는 것이다. 본 실시예의 다른 장점은, 전체 배리어 증착/재-스퍼터 프로세스에 걸쳐, 비아의 플로어를 형성하는 밑에 놓인 전도체의 노출된 수평 표면 상에 배리어 물질의 축적이 완전히 회피될 수 있다는 것이다. 이것은 (웨이퍼에 인가된 VHF 플라즈마 소스 전력에 의해 주로 제어되는) 재-스퍼터 속도에 관하여 (탄탈 타겟 D.C. 스퍼터 전압에 의해 주로 제어되는) 배리어 물질 증착 속도를 조절함으로써 달성된다.
본 발명은 그 응용 분야에 따라 특정한 장점들을 제공할 수 있다. 예컨대, 금속 중성 입자들이 요구되기 때문에, 구리, 탄탈 및 티타늄을 포함하는 금속 타겟을 모든 증착 프로세스 동안 스퍼터링하기 위해 낮은 전력(2-5 kW) D.C. 전력 레벨이 사용된다. 따라서, 웨이퍼 위로의 타겟 높이 및 마그네트론 설계는 이들 모든 프로세스들에서 동일해서, 동일한 챔버가 이들 모든 프로세스 또는 임의의 프로세스를 수행할 수 있다. 웨이퍼 위로의 타겟 높이는 비교적 낮을 수 있는데, 즉 예컨대 약 225mm 내지 290mm일 수 있다. 게다가, 각각의 증착 프로세스에 앞서 증착전 세정 프로세스를 수행하기 위해, VHF 소스 전력 인가기(applicator) 및 HF 바이어스 전력 인가기는 (아르곤 플라즈마 같은) 플라즈마를 여기시키기 위해 타겟 없이 사용될 수 있다. 이러한 예비-세정 프로세스는 배리어 금속(탄탈) 증착 단계, 배리어 유전 (탄탈 질화물) 배리어 증착 단계, 구리 시드층 증착 단계 및 구리 전도체 증착 단계를 포함한 증착 단계들 모두 및 각각에 앞서 반복될 수 있다.
반응기 장치:
도 1을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예의 반응기는 원통형 측벽(10), 디스크-형 천장(12), 및 프로세스될 반도체 웨이퍼(16)를 지지하기 위한 웨이퍼 지지 페디스털(14)에 의해 한정되는 진공 챔버를 포함한다. 웨이퍼(16) 상에 증착될 금속(예컨대, 탄탈)의 타겟(18)이 천장(12)에 장착된다. 원통형 실드(20)로 이루어지는 프로세스 키트가 웨이퍼(16) 및 타겟(18)을 둘러싼다. 종래 유형의 마그네트론(22)은 천장(12)의 외부측 상에서 타겟(18) 위에 놓인다. 고전압 DC 소스(24)는 타겟(18)에 결합된다. 프로세스 가스 분사기(26)는 공급부(28)로부터 챔버의 내부 안으로 프로세스 가스를 공급했다. 진공 펌프(30)는 진공 챔버 내에 원하는 감압(sub-atmospheric pressure)을 유지시킨다.
웨이퍼 페디스털(14)은 임피던스 매치 네트워크(34)를 통해 VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(36)에 그리고 HF 또는 LF 플라즈마 바이어스 전력 생성기(38)에 결합된다. 고전압 D.C. 소스(24)는 타겟(18) 근처에 상부 플라즈마(40)를 유지시킨다. VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(36)는 웨이퍼(16)의 표면에 또는 그 근처에 하부 플라즈마(42)를 유지시킨다. 2개의 플라즈마들(40, 42)은 동시에 유지될 수 있거나 또는 상이한 시간들에 발생될 수 있다. 상부 플라즈마(40)는 타겟(18)으로부터의 약간의 금속 이온들과 함께, 웨이퍼 상에 증착하는 타겟(18)으로부터의 중성 금속 원자들을 주로 발생시키도록 타겟(18)의 스퍼터링을 가능하게 하는 D.C. 방전 플라즈마이다. 하부 플라즈마(42)는 웨이퍼(16) 상의 수평 표면의 선택적인 에칭을 촉진하는 용량성으로 결합된 RF 플라즈마이다. 2개의 플라즈마들(40, 42)은 금속 증착 프로세스 및 재-스퍼터 프로세스의 별도의 제어를 위해 독립적으로 제어될 수 있다. 웨이퍼에 인가된 LF 바이어스 전력은 수평 표면들에 대한 재-스퍼터/에치 프로세스의 선택도를 결정한다. 플라즈마 균일성, 특히 웨이퍼에 가장 근접한 플라즈마(42)의 균일성은 반응기 챔버의 원통형 측벽 둘레에 감겨지고 전류 소스 제어기(45)에 의한 D.C. 전류가 공급되는 전자기 코일(43)에 의해 제어된다.
VHF 소스 전력과 HF 또는 LF 바이어스 전력의 웨이퍼로의 결합은 도 2에 도시된다. 웨이퍼 지지 페디스털(14)은 제 위치에 웨이퍼(16)를 정전기식으로 유지시키기 위한 정전 척(electrostatic chuck; ESC)일 수 있다. 이 경우, ESC 또는 페디스털은 전도성 베이스(conductive base; 51) 상에 장착된 절연층(50) 및 절연층(50) 내부에 매설된 전도성 메쉬(conductive mesh)와 같은 전극(52)으로 이루어진다. 페디스털 구조는 전극(52)에 접속된 중심 전도체(54), 절연 중간층(56) 및 전도성 베이스(51)에 접속된 외부 전도체(58)로 이루어진 동축 어레인지먼트(arrangement)로 아래로 연장될 수 있다. 전도성 베이스는 보다 연속적인 접지 기준을 제공하도록 전도성 탭들(60)에 의해 원통형 실드(20)의 바닥에 결합될 수 있다. 중심 전도체(54)는 RF 전력 소스들에 결합되는 반면 외부 전도체(58)는 접지된다. 임피던스 매치 네트워크(34)는 RF(VHF) 플라즈마 소스 전력 생성기(36)에 결합된 종래의 임피던스 매치 회로(64) 및 RF(HF 또는 LF) 플라즈마 바이어스 전력 생성기(38)에 결합된 종래의 임피던스 매치 회로(68)로 이루어진다. 임피던스 매치 회로(64)의 출력부는 하이 패스(high pass) 필터(65)를 통해 웨이퍼 페디스털 중심 전도체(54)에 접속되는 반면, 임피던스 매치 회로(68)의 출력부는 로우 패스(low pass) 필터(69)를 통해 웨이퍼 페디스털 중심 전도체(54)에 접속된다. 게다가, D.C. 척 전압 소스(74)는 웨이퍼 페디스털 중심 전도체(54)에 접속되며 절연 커패시터(76)에 의해 RF 전력으로부터 분리된다. 하이 패스 필터(65)는 RF 생성기(38)로부터의 HF 또는 LF 전류가 VHF 매치 회로(64)에 도달하는 것을 방지하기 위해 충분히 높은 차단 주파수를 가지는 반면, 로우 패스 필터는 RF 생성기(36)로부터의 VHF 전류가 HF (또는 LF) 매치 회로(68)에 도달하는 것을 방지하기 위해 충분히 낮은 차단 주파수를 갖는다.
도 3은 웨이퍼 지지 페디스털(14)의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 전극(52)이 웨이퍼에 접촉되고 웨이퍼의 정전기 척 작용이 없다. 이 경우, 전극(52)이 플라즈마에 잠재적으로 노출되므로, 전극(52)은 탄탈과 같이 웨이퍼 상에 증착될 물질로 형성될 수 있다.
도 4는 바이어스 전력이 HF 및 LF 주파수들(예컨대, 각각 13.56 MHz 및 2 MHz) 모두로 이루어지는 실시예를 도시한다. 이를 위해, 2개의 바이어스 전력 RF 생성기들 즉, HF 바이어스 전력 생성기(38a) 및 LF 바이어스 전력 생성기(38b)가 존재하며, 상기 생성기들(38a, 38b)은 각각의 매치 회로들(68a, 68b)을 통해 웨이퍼 페디스털 중심 전도체(54)에 결합된다. VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(36)는 자신의 임피던스 매치 회로(64)를 통해 그리고 하이 패스 필터(65)를 통해 웨이퍼 페디스털 중심 전도체(54)에 결합된다. 이러한 실시예의 하나의 장점은 HF 바이어스의 보다 낮은 이온 에너지 분포 및 LF 바이어스의 보다 높은 이온 에너지 분포(도 5에 모두 도시됨)가 LF 및 HF 이온 에너지 분포들의 정점(peak)들 사이에서 정점에 이르는 이온 에너지 분포를 발생시키도록 결합될 수 있다는 것이다. LF 및 HF 전력 생성기들(38a, 38b)의 상대적 전력 레벨들을 조절함으로써, 이러한 정점은 에너지에 있어서 상승 또는 하강 이동될 수 있다.
타겟 물질(예컨대 탄탈)의 증착 속도는 D.C. 전압 소스에 의해 타겟으로 전달되는 전력에 의해 주로 결정된다. (수평 표면들에 대한) 에치/재-스퍼터 프로세스의 선택도는 바이어스 전력에 의해 결정되는 반면, 에치/재-스퍼터 프로세스의 속도는 주로 소스 전력 레벨에 의해 결정된다. 따라서, 서로 독립적으로 제어될 수 있는 3개의 파라미터들 즉, 금속 증착 속도, 수평 표면들에 대한 에치 선택도, 및 에치 속도가 존재한다. 이들 모두가 서로 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 필요하다면, 금속 증착 및 에치/재-스퍼터 프로세스가 동시에 수행될 수도 있다.
PVD /재- 스퍼터 방법:
도 1의 반응기는 집적 회로의 연속적인 상호접속층들 사이에 금속 접촉부들을 형성할 때 특히 유용하다. 통상적으로, 집적 회로는 수 천 개의 트랜지스터들을 갖는 능동 반도체층과 상기 능동 반도체층 위에 적층되고 상기 트랜지스터들 사이에 복합 상호접속 회로들을 제공하는 다수의 절연된 상호접속층들을 포함한다. 상호접속층들 사이의 접속부들은 구리 같은 금속으로 홀들을 충전함으로써 상호접속층들 사이의 비아들 또는 수직 홀들을 통해 형성된다. 절연 물질을 통한 구리의 확산으로 인한 단락(short circuiting)에 의한 고장을 방지하기 위해, 탄탈 및 탄탈 질화물의 배리어층이 구리와 절연 물질 사이에 배치된다. 도 1의 반응기가 큰 장점을 제공하는 것은 비아 내부에서의 배리어층의 증착에 있어서이다 .
도 6a는 능동 반도체층(도시되지 않음) 위에 놓이는 다수의 상호접속층들의 스택(stack) 내의 상호접속층(100)의 부분적으로 제조된 부분의 확대된 측단면도이다. 도 6b는 대응하는 평면도이다. 상호접속층(100)은 다수의 전도체들 중에 절연체(이산화 규소) 층(106) 내에 매설된 평행한 한 쌍의 구리 전도체들(102, 104)을 포함한다. 각각의 구리 전도체(102, 104)는 유전층(106) 안으로의 구리 원자들의 확산을 방지하는 배리어층(108)에 의해 유전층(106)으로부터 분리된다. 바람직하게, 배리어층(108)은 탄탈 질화물층을 포함하는데, 상기 탄탈 질화물층은 절연체 층(106)과 접촉하며 탄탈층 및 구리 시드층에 의해 커버된다. 상기 구조는 도 7의 확대도에 가장 잘 도시되어 있는데, 도 7은 절연체 층(106)을 커버하는 탄탈 질화물층(110), 탄탈 질화물층(110) 위에 놓이는 탄탈 금속층(112) 및 탄탈 금속층(112) 위에 놓이는 구리 시드층(114)을 도시한다. 구리 전도체(102)와 같은 구리 전도체가 구리 시드층(114) 위에 놓인다. 탄탈 금속층(112)은 탄탈 질화물층(110)과 고품질 본드(bond)를 구축하는데 반해, 구리 시드층은 일면 상에서 탄탈 금속층(112)과 반대면 상에서 구리 전도체(102)와 고품질의 본드를 구축한다.
절연체 층(106)의 상부 표면 상에 다음의 상호접속층이 형성되기 전에, 통상적으로 에치 프로세스들에 의해 절연체 층(106)을 통해 수직 개구 또는 비아(120)가 개방된다(도 6a 및 도 6b). 상기 비아(120)는 절연체 층(106)을 통해 부분적으로만 연장되는 큰 개구(122) 및 각각의 구리 전도체들(102, 104) 쪽으로 아래로 연장되는 보다 작은 한 쌍의 개구들(124)로 이루어진다. 통상적으로, 보다 작은 2개의 개구들(124)을 형성하는 에칭 프로세스는 각각의 전도체(102, 104) 위에 놓이는 배리어층(108)의 노출 부분을 제거하도록 충분히 수행된다(도 6a).
비아(120)는 추후 구리로 채워지는 경우 수직 전도체를 형성한다. 그러나, 비아(120) 내부로 구리가 증착되기 전에, 배리어층(130)이, 도 6c에 도시된 바와 같이 비아(120) 내의 모든 표면들 상에 그리고 절연체 층(106)의 상부 표면상에 증착된다. 배리어층(130)은, 탄탈 질화물층(110), 금속 탄탈층(112) 및 구리 시드층(114)을 포함하는 도 7을 참조하여 상술된 구조와 동일한 구조를 갖는다. 본 발명의 일실시예에서, 배리어층(130)의 각각의 서브-층(110, 112, 114)은 적절한 물질(서브-층들(110, 112)을 위한 탄탈 및 서브-층(114)을 위한 구리)을 금속 타겟(18)에 제공함으로써 별도의 단계에서 증착된다. 타겟(18)은 스퍼터 전압 소스(24)로부터의 큰 D.C. 스퍼터링 전압에 의해 타겟의 근처에서 이온화되는 프로세스 가스를 도입함으로써 스퍼터된다. 탄탈 질화물 서브-층(110)을 증착시키기 위해, 프로세스 가스로서 질소가 사용되며, 질소 원자들 및 탄탈 원자들이 웨이퍼와 충돌할 때 탄탈 원자들은 질소 원자들과 결합하여 탄탈 질화물 막을 형성한다. 금속 탄탈층(112)을 증착하는 경우, 그리고 이후, 구리 시드층(114)을 증착하는 경우, 프로세스 가스는 아르곤과 같은 불활성 또는 비-반응성 가스이다. 따라서, 3개의 증착 단계들이 수행된다. 첫째, 탄탈 스퍼터링 타겟 및 질소 프로세스 가스를 사용하여, 탄탈 질화물이 증착된다. 둘째, 탄탈 타겟 및 아르곤 프로세스 가스를 사용하여, 금속성 탄탈이 증착된다. 셋째, 구리 타겟 및 아르곤 가스를 사용하여, 구리 시드층이 증착된다.
본 발명의 일 실시예에서, 적당한 레벨의 플라즈마 RF(HF 또는 LF) 바이어스 전력이 인가될 수 있지만, 웨이퍼 지지 페디스털(14)에 플라즈마 RF (VHF) 소스 전력은 인가되지 않는다. 이러한 방법으로, 금속이 타겟(18)으로부터 스퍼터 되며 웨이퍼(16) 상에 증착된다. 이 결과, 연속적인 서브-층들(110, 112, 114)을 위한 3개의 증착 단계들을 수행함으로써 배리어층(130)이 형성된다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 배리어층(130)은 작은 개구들(124)에 의해 노출된 구리 전도체들(102, 104)의 부분들을 포함하는 모든 노출 표면들을 커버한다.
3개의 증착 단계들 각각이 완료된 후에, 에치/재-스퍼터 단계가 수행되는데(도 6d), 여기서 VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(36) 및 HF (또는 LF) 플라즈마 바이어스 전력 생성기(38)는 웨이퍼 지지 페디스털(14)에 전력을 전달한다. 이것은, 인가된 플라즈마 바이어스 전력에 의해 수평 표면들로 안내되는 이온들을 공급하는, 웨이퍼 근처의 플라즈마를 생성한다. 이들 이온들은 작은 개구들(124)의 바닥에 있는 배리어층(130)의 부분과 같이, 상기 수평 표면들 위에 증착된 막들을 제거하기 위해 상기 수평 표면들을 스퍼터한다. 작은 개구들(124)의 내부에서, 수직벽들의 밀접한 근접성(또는 개구들(124)의 작은 직경)은 각각의 개구(124)의 플로어(124a)로부터 스퍼터되는 원자들의 수직 측벽 상으로의 재-증착을 촉진한다. 이것은 도 6d에 도시된 바와 같이 원해지는 바와 같이 구리 전도체들을 언커버한다. 절연체 층(106)의 상부 표면의 대영역과 같이 수직벽이 없는 다른 영역들에서는, 수평 표면상에 스퍼터된 원자들이 재-증착되므로, 순손실은 없다.
바람직한 실시예에서, (3개의 층들(110, 112, 114)에 대응하는) 3개의 증착 프로세스 단계들 각각은 에치 및 재-스퍼터 프로세스 단계와 동시에 수행된다. 이러한 바람직한 실시예에서, 스퍼터 전압 소스(24)는 타겟(18)으로 전력을 전달하고, 동시에 VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(36) 및 HF (또는 LF) 플라즈마 바이어스 전력 생성기(38)는 웨이퍼 지지 페디스털(14)에 전력을 전달한다. 이것은, 타겟(18)으로부터의 원자들이 증착되고 있는 동안 인가된 플라즈마 바이어스 전력에 의해 수평 표면들로 안내되는 이온들을 공급하는, 웨이퍼 근처의 플라즈마를 생성한다. 수평 표면들 상의 에치 속도가 타겟(18)으로부터의 원자들의 증착 속도에 필적한다면, 구리 전도체들(102, 104)의 노출 부분들과 같은 수평 표면들 상에 타겟(18)으로부터의 원자들의 증착은 회피된다. 이러한 조건은 (증착 속도를 조절하기 위해) D.C. 스퍼터 전압 소스(24)의 전압과 VHF 소스 전력 생성기(36)의 전력 레벨의 적절한 조절에 의해 실현된다. HF (또는 LF) 바이어스 전력 생성기(38)의 전력 레벨은 수평 표면들에 대한 원하는 정도의 에치 선택도를 달성하기 위해 조절된다. 이 결과, 배리어층(130)은 비아(120)의 수평 플로어 위에 형성되지 않고, 따라서 프로세스 시퀀스가 도 6c에 도시된 상태를 건너뛴다.
다음 단계(도 6e)는, 도 6e에 도시된 바와 같이, 다음의 상호접속층(200) 및 하부 상호접속 전도체들(102, 104)과 상부 상호접속층(200) 사이에서 비아(120)를 통해 연장되는 수직 전도체들을 형성하도록 두꺼운 구리층을 증착하는 것이다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 시퀀스는 도 6d의 재-스퍼터링 단계의 하나의 장점을 보여준다. 도 8a는 배리어층(130)의 증착 전의 작은 개구들(124) 중 하나를 도시한다. 도 8b는 재-스퍼터링 단계가 증착 단계와 동시에 수행되지 않는 경우들에서 배리어층(130)이 어떻게 형성되는지를 보여준다. 특히, 배리어층(130)은 작은 개구(124)의 상부 엣지 근처에 보다 큰 두께를 가지며 작은 개구(124)의 바닥 근처에서 보다 작은 두께를 가지면서 축적하는 경향이 있다. 상기 재-스퍼터링 단계는 상부 엣지로부터 초과 물질을 제거하고 작은 개구의 플로어로부터 물질을 제거하고 그리고 수직 측벽 상에 이 물질을 재-증착시켜서, 도 8c에 도시된 바와 같이, 수직 측벽을 따르는 두께 분포가 보다 균일하게 된다. 문제점은 작은 개구(124)의 상부 엣지 근처에 배리어 물질의 보다 두꺼운 축적이 핀치-오프를 유도할 수 있어서, 재-스퍼터 단계가 유리한 효과를 가질 수 없고, 디바이스가 고장날 것이라는 것이다.
이러한 위험은 재-스퍼터 단계(도 6d)와 증착 단계(도 6c)가 동시에 수행되는 바람직한 방법에서 회피된다. 이러한 바람직한 모드에서, 프로세스는 도 9a에서의 새로이 형성된 작은 개구(124)에서 시작되며, 도 9b에서 균일한 배리어층(130)으로 직접 변천된다. 동시 증착/재-스퍼터링은 증착 프로세스가 배리어층(130)의 상당한 비-균일성들을 형성하는 것을 방지한다. 이것은, 도 8b에 도시된 핀치-오프 효과(pinch-off effect)의 위험성을 제거한다.
도 10은 바람직한 프로세스를 도시하는 블록도이다. 도 10의 블록(310)에서, 웨이퍼 상에 타겟(18)으로부터의 원자들을 증착시키기 위해 타겟(18) 주위(천장 근처)에 증착 D.C. 방전 플라즈마가 생성된다. 블록(312)에서, 타겟(18)으로부터의 증착된 원자들을 재-스퍼터하기 위해 웨이퍼에 충격을 가하기 위한 이온들을 발생시키기 위해 웨이퍼 근처에 재-스퍼터 용량성 결합 RF 플라즈마가 생성된다. 블록(314)의 단계에서, 플라즈마 RF 바이어스 전력은 웨이퍼에 인가된다. 상기 바이어스 전력은 스퍼터링이 수평 표면들에 대해 고도로 선택적이도록 하기에 충분하다. 블록(320)에서, 웨이퍼에 인가된 플라즈마 소스 전력과 타겟에 인가된 D.C. 스퍼터 전압은 서로에 대해 조절되어, 재-스퍼터 속도가 적어도 거의 스퍼터 증착 속도만큼 빠르다.
본 발명의 PVD/재-스퍼터 반응기의 일 실시예는 3개의 상이한 모드들에서 동작함으로써 3개의 상이한 유형의 층들을 증착시킬 수 있는데, 구체적으로, 모드(A)에서, 균일한 측벽 및 수평 표면 커버리지를 갖는 고도의 컨포멀층(highly conformal layer)과, 모드(B)에서, 측벽 커버리지가 거의 없거나 또는 전혀 없는 비-컨포멀층(non-conformal layer)과, 그리고 모드(C)에서, 큰 필드에서 양호한 측벽 커버리지 및 양호한 수평 표면 커버리지를 가지지만, 고종횡비 개구들의 바닥 표면들에는 커버리지가 없는 "펀치 쓰루(punch through)"층을 증착시킬 수 있다. 도 11a에 도시된 모드(A)의 컨포멀층은 타겟에 비교적 낮은 레벨의 D.C. 전력(예컨대, 5kW)을 인가하고, 웨이퍼에 높은 VHF 소스 전력(60MHz에서 1kW)를 인가하며, 그리고 웨이퍼에 낮은 레벨의 HF 바이어스 전력(13.56MHz에서 약 100W)를 인가함으로써 얻어진다. 도 11b에 도시된 모드(B)의 비-컨포멀층은 HF 바이어스 전력 레벨이 영(zero)으로 감소되는 것을 제외하고 동일한 조건들 하에서 얻어진다. 도 11c에 도시된 모드(C)의 "펀치-쓰루"층은 높은 레벨(13.56MHz에서 500W)로 바이어스 전력을 증가시킴으로써 얻어진다. 컨포멀 모드는 구리 전도체 층을 증착시키는데 특히 유용하다. 비-컨포멀 모드는 탄탈 또는 티타늄과 같은 낮은-저항 금속에 의해 비아의 바닥 또는 플로어를 커버하는데 특히 유용하다. 펀치-쓰루 모드는 비아 내에 배리어층(Ta 및 TaN)을 증착시키는데 바람직한 모드이다.
일부의 경우들에서, 플라즈마 밀도 분포는 상술된 3개의 모드들 사이에서 상이할 수 있다. 보다 균일한 플라즈마 밀도 분포를 유지하기 위해, 전류 소스 제어기(45)는 상이한 레벨들의 D.C. 전류가 3개의 모드들 중 상이한 모드들에서 전자석 코일(43)을 통해 흐르게 할 수 있다. 임의의 경우, 전류 제어기(45)에 의해 공급되는 전류 레벨은 프로세스 존(zone) 내의 방사상 플라즈마 이온 밀도 균일성을 향상시키도록 바람직하게 최적화된다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c를 참조하여 상술된 3개의 모드들 각각은 도 1에 도시된 프로세스 제어기(210)에 의해 구현될 수 있으며, 상기 제어기의 출력들은 타겟 고전압 D.C. 공급부(24)의 전력 레벨, VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(36)의 전력 레벨 및 HF 또는 LF 바이어스 전력 생성기(38)의 전력 레벨을 제어한다. 프로세스 제어기(210)는 사용자 인터페이스(212)를 통해 사용자에 의해 제어될 수 있어서, 컨포멀 모드, 비-컨포멀 모드 및 펀치 쓰루 재-스퍼터 모드에 대해 앞서 정의된 임의의 동작 상태들 사이에서 도 1의 반응기가 자동으로 변환하도록 사용자가 제어기를 프로그래밍하게 한다. 따라서, 프로세스 제어기(또는 프로세서)(210)는 사용자가 시작할 프로세서(210)를 설정 또는 프로그래밍할 수 있는 3개의 상태들을 갖는다. 하나의 상태는 프로세서(210)가 상기 공급부(24)의 D.C. 전력 레벨을 낮은 레벨로 설정하고, VHF 생성기(36)의 전력 레벨을 높은 레벨로 설정하며, 그리고 HF/LF 바이어스 생성기(36)를 낮은 레벨로 설정하는 컨포멀 증착 모드이다. 다른 상태는 프로세서(210)가 상기 공급부(24)의 D.C. 전력 레벨을 낮은 레벨로 설정하고, VHF 생성기(36)의 전력 레벨을 높은 레벨로 설정하며, 그리고 HF/LF 바이어스 생성기(38)를 영(zero)(또는 거의 영) 레벨로 설정하는 비-컨포멀 모드이다. 나머지 상태는 프로세서(210)가 상기 공급부(24)의 D.C. 전력 레벨을 낮은 레벨로 설정하고, VHF 생성기(36)의 전력 레벨을 높은 레벨로 설정하며, 그리고 HF/LF 바이어스 생성기(38)를 높은 레벨로 설정하는 펀치 쓰루 상태이다.
상기 프로세서(210)는 또한 전자석 전류 소스(45)를 제어할 수 있어서, 3개의 모드들(도 11a, 도 11b, 도 11c) 각각에서 전류 레벨은 플라즈마 이온 밀도 분포의 보다 균일한 방사상 분포를 위해 최적화된다.
금속 타겟(18)은 도 1에 도시된 디스크 형상과 상이한 형상을 취할 수도 있다. 예컨대, 도 12에 도시된 바와 같이, 천장(12)의 중심부(12a)를 노출되도록 하고 환형부(12')를 타겟(18')에 의해 차단되게 하는 환형 형상을 갖는 변형된 타겟(18')이 사용될 수 있다. 위에 놓인 마그네트론(22')은 대응하는 환형 구조를 갖는다. 선택적으로, VHF 플라즈마 소스 전력은 추가의 VHF 소스 전력 생성기(36')(도 12에서 점선으로 도시됨)에 의해 천장 중심부(12a)에 인가될 수 있다. 이것은 웨이퍼 지지 페디스털(14)에 결합된 VHF 소스 전력 생성기(36)에 추가되거나 또는 이를 대신할 수 있다. 그러나, 천장(12) 보다는 상기 페디스털(14)에 VHF 소스 전력을 결합시키는 것이 바람직하다.
도 13은 다른 옵션을 도시하는데, 여기서, 코일 안테나(400)가 유도 결합 플라즈마를 발생시키기 위해 천장 중심부(12a) 위에 배치될 수 있고 임피던스 매치 회로(415)를 통해 RF 소스 전력 생성기(410)에 결합될 수 있다. 루버식 실드(louvered shield; 420)는 천장 중심부(12a)의 금속 커버리지를 회피하기 위해 금속 증착 동안 천장 중심부(12a)를 커버할 수 있어서, 코일 안테나(400)는 플라즈마로부터 차폐되지 않을 것이다.
도 14는 코일 안테나(400) 및 타겟(18')의 구조가 도 13에 도시된 구조로부터 어떻게 바뀌어질 수 있는지를 도시한다. 도 14에서, 코일 안테나(400)는 환형 형상이지만 디스크-형상 타겟(18)이 천장 중심부(12a)에 위치된다. 도 14의 반응기는 다음과 같이 변형될 수 있다: 환형 코일 안테나(400)가 제거될 수 있고, 천장(12)의 주변부(12')가 전도성일 수 있으며, 도 14에서 점선으로 도시된 바와 같이 임피던스 매치 회로(415)를 통해 VHF 플라즈마 소스 전력 생성기(410)에 결합될 수 있다.
도 15는 타겟(18)이 반전된 컵 형상으로 구성되는 다른 대안적인 실시예를 도시한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 컵 형상은 이온 분포를 향상시키도록 상기 컵 형상의 측면을 따라 자석들(450)의 어레이를 수용하기에 충분한 높이를 가질 수 있다.
도 17은 도 1의 PVD/재-스퍼터 챔버에서 수행되는 프로세스의 흐름도이다. 블록(1710)의 단계에서, 예비-세정 프로세스는 금속 타겟에 전력을 인가하지 않고, 에천트 프리커서 가스 이를테면 불소-함유 가스 또는 중성 가스 이를테면 아르곤을 도입시키고, VHF 생성기(36)로부터 웨이퍼에 충분한 VHF 플라즈마 소스 전력을 인가하며, 그리고 HF 생성기(38)로부터 웨이퍼에 소량의 HF 바이어스 전력을 인가함으로써 수행된다. 다음의 블록(1720) 단계에서, VHF-주도식(driven) 아르곤 플라즈마를 웨이퍼 근처에 유지시키고 웨이퍼에 바이어스 전력을 인가함으로써 재-스퍼터링하는 동안 질소 가스를 도입시키고 금속 타겟(예컨대, 탄탈)을 스퍼터링함으로써 배리어층의 유전막(예컨대, TaN)이 증착된다. 다음 단계(블록 1730)에서, 질소 가스의 공급을 중단함으로써 배리어층의 금속막이 증착되어, VHF-주도식 아르곤 플라즈마가 재-스퍼터링을 수행하는 동안 순수한 금속이 증착된다. 따라서, 연속하는 3개의 프로세스들은 반응기로부터 웨이퍼를 제거하지 않고 도 1의 PVD 재-스퍼터 반응기에서 수행될 수 있다.
바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명이 상세히 설명되었지만, 본 발명의 진정한 사상과 범위에서 벗어나지 않고 본 발명의 변경들 및 변형들이 이루어질 수 있음이 이해된다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법으로서,
    상기 챔버의 천장 근처에 금속 타겟을 제공하는 단계;
    상기 챔버의 플로어 근처에 상기 타겟과 마주하는 웨이퍼 지지 페디스털을 제공하는 단계;
    상기 진공 챔버 안으로 프로세스 가스를 도입시키는 단계;
    기상 증착을 위해 상기 타겟으로부터 상기 웨이퍼 지지 페디스털을 향해 흐르는 주로 중성 원자들의 스트림을 발생시키도록 상기 타겟에 타겟-스퍼터링 플라즈마를 유지시키는 단계;
    재-스퍼터링을 위해 상기 웨이퍼 지지 페디스털을 향해 스퍼터링 이온들의 스트림을 발생시키기 위해, 웨이퍼를 통해 상기 웨이퍼-스퍼터링 플라즈마에 RF 전력을 용량성으로 결합시킴으로써 상기 웨이퍼 지지 페디스털 근처에 웨이퍼-스퍼터링 플라즈마를 유지시키는 단계; 및
    상기 웨이퍼 지지 페디스털의 표면에 수직한 방향으로 상기 스퍼터링 이온들을 가속화시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 웨이퍼-스퍼터링 플라즈마를 유지시키는 단계는 플라즈마 내의 운동 전자들을 여기시키기에 충분히 높은 주파수에서 RF 소스 전력을 상기 웨이퍼 지지 페디스털에 결합시키는 단계를 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 이온들을 가속화시키는 단계는 플라즈마 쉬스를 가로질러 이온들을 가속화시키기에 충분히 낮은 주파수에서 RF 바이어스 전력을 상기 웨이퍼 지지 페디스털에 결합시키는 단계를 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 타겟-스퍼터링 플라즈마를 유지시키는 단계는 상기 타겟에 높은 D.C. 전압을 인가하는 단계를 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 타겟-스퍼터링 플라즈마를 유지시키는 단계는 상기 타겟의 근처에 자기장을 제공하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 플라즈마를 유지시키는 단계는 증착전 세정 단계에 후속하며,
    상기 증착전 세정 단계는,
    세정 플라즈마를 발생시키도록 상기 웨이퍼에 VHF 소스 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 웨이퍼에 HF 소스 전력을 인가하는 단계
    를 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 3개의 모드들 중 하나의 모드에서 동작하며, 상기 3개의 모드들은,
    (a) 상기 타겟에 낮은 레벨의 D.C. 전력을 인가함으로써 상기 타겟 스퍼터링 플라즈마가 유지되며, 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 VHF 소스 전력을 인가하고 상기 웨이퍼에 낮은 레벨의 HF 또는 LF 바이어스 전력을 인가함으로써 상기 웨이퍼 스퍼터링 플라즈마가 유지되는 컨포멀 증착 모드;
    (b) 상기 타겟에 낮은 레벨의 D.C. 전력을 인가함으로써 상기 타겟 스퍼터링 플라즈마가 유지되며, 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 VHF 소스 전력을 인가하고 상기 웨이퍼에 적어도 거의 영(zero) 레벨의 HF 또는 LF 바이어스 전력을 인가함으로써 상기 웨이퍼 스퍼터링 플라즈마가 유지되는 비-컨포멀 증착 모드; 및
    (c) 상기 타겟에 낮은 레벨의 D.C. 전력을 인가함으로써 상기 타겟 스퍼터링 플라즈마가 유지되며, 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 VHF 소스 전력을 인가하고 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 HF 또는 LF 바이어스 전력을 인가함으로써 상기 웨이퍼 스퍼터링 플라즈마가 유지되는 펀치-쓰루 재-스퍼터 모드
    를 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟에 낮은 레벨의 D.C. 전력을 인가하고, 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 VHF 소스 전력을 인가하며, 그리고 상기 웨이퍼에 낮은 레벨의 HF 또는 LF 바이어스 전력을 인가함으로써 컨포멀 증착 모드 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟에 낮은 레벨의 D.C. 전력을 인가하고, 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 VHF 소스 전력을 인가하며, 그리고 상기 웨이퍼에 적어도 거의 영(zero) 레벨의 HF 또는 LF 바이어스 전력을 인가함으로써 비-컨포멀 증착 모드 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟에 낮은 레벨의 D.C. 전력을 인가하고, 상기 웨이퍼에 높은 레벨의 VHF 소스 전력을 인가하며, 그리고 상기 웨이퍼에 적어도 거의 영(zero) 레벨의 HF 또는 LF 바이어스 전력을 인가함으로써 비-컨포멀 증착 모드 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 반응기 둘레에 외부 전자석을 포함하며,
    상기 방법은 상기 웨이퍼 근처에서 플라즈마 이온 분포의 균일성을 향상시키기 위해 상기 전자석을 통한 D.C. 전류 흐름의 레벨을 각각의 상기 모드들에서의 각각의 레벨들로 조절하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 반응기의 진공 챔버 내의 집적 회로의 물리 기상 증착 및 재-스퍼터링을 수행하는 방법.
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