金属のイオン物理蒸着におけるスパッタリングソース
プラズマを用いて基板を処理するための処理システム（１０）は、両端が開口した円筒型のターゲット（３２）と、中空陰極マグネトロン（ＨＣＭ）を形成する米国特許５，４８２，６１１に開示されたタイプのマグネットアレイ（３４）とを用いて提供される。その円筒型ターゲットの開口端部の１つには、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に記載されているように誘導結合ＲＦエネルギーソース（４０）が配置される。その円筒型ターゲットの一端の誘電体窓（４１）は、外気と処理システムの間にシールを形成するように作用し、真空空間内に位置する蒸着バッフルシールド（４４）によって蒸着から保護され、チャンバー内にコイルからのＲＦエネルギーの供給を可能にするように設計される。ＲＦソースに対向するその円筒型のターゲットの開口端部（１３）は、真空チャンバー（１１）内の処理空間に面する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハプロセスのようなプロセスに有用な高密度プラズマの生成に係り、特に半導体基板上における金属のイオン物理蒸着に有用な高密度プラズマの生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン物理蒸着（ｉＰＶＤ）は、半導体ウェハ基板上に薄膜を堆積するために提案され、特に、高いアスペクト比を有するサブミクロン形態の側壁または底部を被覆する。そのｉＰＶＤプロセスは、タンタルや銅のような金属の堆積のために提案される。そのような用途におけるｉＰＶＤにおいて、異なる高電位プラズマによって形成され、ターゲットのプラズマシースを横切って加速されたイオンによってターゲットからスパッタされたスパッタ材料、典型的には金属に電圧を加えるために、高密度低電位プラズマは、スパッタ処理チャンバー内で生成される。その高密度低電位プラズマは、イオン化されたスパッタ材料の高いイオンフラクションあるいは高い割合を得るために用いられるので、そのコーティング材料のイオンは電気的に基板表面に対して略直角に基板に引き付けられる。
【０００３】
ＤＣエネルギーは、ターゲットの材料をスパッタリングするために用いられる高電位プラズマにおける主要なエネルギー源である。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）は、スパッタされる材料をイオン化するために用いられる高密度低電位プラズマに電圧を加えるためのｉＰＶＤにおいて有用であることが分かっている。特に、ｉＰＶＤ装置やｉＰＶＤプロセスは、ターゲットの中央に位置されたＲＦエネルギー源を有する環状のスパッタリングターゲットからなるイオン化されたスパッタ材料源を有することが提案されている。そのようなエネルギー源は、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に開示されており、これらは共に参照することによりここに明示的に本書に含まれる。
【０００４】
これらのｉＰＶＤ装置やｉＰＶＤ方法のソースは、従来文献の他のソースに比べて多くの優れた点がある。約１３．５６ＭＨｚの周波数で動作する５．５ｋＷのＲＦ電力供給部を用いて作製されたそのようなソースは、比較的コンパクトで、それほど高価ではない。そのようなソースが供給する出力より強い出力が、より多くのエネルギーをプラズマに供給するために要求され、それによってプラズマ中のイオンフラクションが増加する。より大きなＲＦ電力供給器、例えば、１０ｋＷの電力供給器を用いてそのような大きな電力を供給することによって、要求されるマッチング回路や増加された冷却器に関する付加的なコストを伴って、そのモジュールの費用を１万ドル高くするだろう。さらに、現在、５ｋＷのＲＦ供給部は固体状態の構成物で作られるが、より大きいＲＦ供給部は、より大きくて非常に重い真空チューブをしばしば必要とする。
【０００５】
さらに、上述の特許によるｉＰＶＤソースは、高い圧力（６０ｍＴｏｒｒ以上）で効率的に動作する。用途によるが、高圧の使用は、気相核形成を避けるためのケアを要求し、気相核形成はプラズマ中で粒子を発生させ、暗部の許容差を臨界以上に形成する。ある時点で、圧力を増加することは、潜在的にターゲットが近接する構造物へアークを発生することを引き起こし、結果として大きな損傷を与え、処理されるウェハを汚染する莫大な量の粒子を生成する。
【０００６】
したがって、上記の特許のｉＰＶＤ装置におけるプラズマに供給されるエネルギーを効率的に増加させることは有益である。そのような装置の他の利点を維持したまま、低圧で動作することができるそのような装置を備えることも有益である。
【０００７】
多くのスパッタリングソースは、半導体ウェハプロセス用に考案されており、それぞれは独自の特徴を有する。以下に記述された発明の特徴を有するそのようなソースの１つは、中空陰極マグネトロン（ＨＣＭ）と呼ばれ、米国特許５，４８２，６１１に記載されている。この特許の装置は、高密度プラズマを生成するスパッターマグネトロンイオンソースであり、そのプラズマは、円筒型の陰極キャビティの中で生成する。ターゲット材料のイオンは、その陰極キャビティの開口端に近接した空領域にあるマグネトロンマグネットを用いたカスプ配置の磁場を作り出すことによって、そのキャビティから取り出されてビームになる。ＨＣＭソースはｉＰＶＤ用に提案され、現在使用されている。
【０００８】
ＨＣＭソースに対する主要な欠点の１つは、提案された配置のターゲットが非常に高価であるという点である。特にタンタルのような金属用の場合は、これに当てはまる。大きなバケット型のＨＣＭ陰極は組み立てるのが困難であり、非常に高価なターゲット材料を使用する。さらに、使用中に、そのターゲットの円筒型のキャビティの閉端部の材料はほとんど侵食しない。あるＨＣＭターゲットでは、ターゲットの閉端部には網状の堆積が発生し、乏しいターゲットの利用率に加えて、粒子問題を引き起こす。そのような問題を避けるために、回転する小さな永久磁石は、そのキャビティの閉端部にあるターゲットの後部のＨＣＭ装置に付けられており、それが機器費用を増大させ、装置を複雑にする。陰極の直径が増加するにつれて、そのＨＣＭは、高いイオンフラクションを得るために非常に高いＤＣ電源を使用する。これは、そのシステムの全費用と所有費を増加させる。さらに、プラズマ密度を向上させるためにマグネトロンソースにＤＣ電源を用いることは、堆積速度とイオン化フラクションが密接不可分であることを意味し、より高いＤＣ電源は、高い堆積速度とイオンフラクションを与える。陰極に出力を供給する問題よりも大きなＨＣＭに関する問題は、熱を除去することである。そのＨＣＭの発明者は、それらの特許の中で、ＨＣＭを動作するために要求される電力がその直径の３乗に比例して増加し、冷却器はその直径の２乗に比例して増加するということを指摘している。したがって、小さいバージョンで得られるのと同じイオンフラクションを維持したまま、ＨＣＭソースをより大きな直径を有するように大型化することは、大量のＤＣ電源を必要とし、十分にターゲットを冷却することが難しいため困難である。
【０００９】
したがって、ＨＣＭはｉＰＶＤシステムにおいて高エネルギーのプラズマを生成するために有用であるが、ＨＣＭの特徴がＩＣＰソースの性能を高めるために用いることができかどうか検討されていないし、もし、それが検討されているとしても、ＨＣＭとＩＣＰの特徴との結合方法は従来文献では検討されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、環状のターゲットを有するタイプのｉＰＶＤ装置の高密度誘導結合プラズマへのエネルギーの結合を増加することである。本発明のさらなる目的は、低い動作圧力でのＩＣＰ−ｉＰＶＤ装置の使用を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、中空陰極マグネトロン（ＨＣＭ）の原理は、その中央にＲＦエネルギーソースを有する環状のターゲットのＩＣＰを有するタイプのｉＰＶＤソースの原理と組み合わせることである。その組み合わせは、ＨＣＭターゲットの閉端部をそのようなｉＰＶＤ環状ターゲットソースのＲＦＩＣＰエネルギーソースに置き換えることによって行われる。任意に、平らな、または円錐状のリング形の環状ターゲットマグネトロン陰極は、ＨＣＭを囲うように、例えばＨＣＭの開口を囲うように提供され、すなわち、ＲＦエネルギーソースの円筒型のＨＣＭターゲットの反対側の端部に提供される。
【００１２】
本発明の図示された形態の１つによれば、ＨＣＭ配置の陰極は、除去された閉端部を有して供給されるので、その陰極は２つの開口端部を有する円筒型のターゲットを含む。その円筒型のターゲット開口端部の１つには、ここでは便宜上ＲＦソース端と呼ぶが、ＲＦエネルギーソースが配置されている。そのＲＦエネルギーソースは、チャンバーの外側に外部のＲＦコイルを有するＩＣＰソースでありえ、そのチャンバーは、チャンバー壁の一部を形成する誘電体窓を通してＲＦエネルギーが供給される。蒸着シールドは、窓やシールドを通してチャンバー内にそのコイルからのＲＦエネルギーの供給を可能にする一方で、蒸着からその窓を保護するためにチャンバーの内部に位置されてもよい。
【００１３】
本発明の別の形態では、ｉＰＶＤソースは２つのターゲットで構成され、それらは円筒型のターゲットと、平らな、又は円錐台形状の環状ターゲットである。その円筒型のターゲットは、一端が誘電体窓に配置され、バッフルシールドによって保護され、真空チャンバーの外側に位置するアンテナからのＲＦエネルギーが供給され、他端には平らな又は円錐台形状の環状ターゲットがあり、基板に対向し、円筒型ターゲットの開口端部と同一平面または下部に位置する。すなわち、平らな、又は円錐台形状の環状ターゲットは、ＲＦエネルギーの円筒型ターゲットの反対側の端部に位置する。２つのターゲットは、電気的に分離されており、それぞれが有する独立したマグネトロンマグネットを用いて、それぞれ電力供給される。そのような配置は、より複雑であるけれども、薄膜の厚さの均一性を改善したり、薄膜の蒸着速度を増加したりするために用いられ、所謂“銅シード”蒸着プロセスにおいては特に重要である。
【００１４】
さらに他の形態では、円筒型のターゲットは、一端あるいは両端に小さな枠またはフランジを有して提供される。これは、都合よく円筒型のターゲットの剛性を増加させ、実装において構造的な支持体となる。しかしながら、プラズマは、基板に近接するその円筒物の開口端部にあるそのようなフランジ領域を通常スパッタせず、蒸着物は通常この領域上に積み上がる。そのような蒸着物が粉砕されたり、工程チャンバーを粒子で汚染したりすることを防止するために、ターゲットのフランジは、折り目加工されたり、粗くされたりするべきである。
【００１５】
ＲＦソースに対向する円筒型のターゲットの開口端部は、便宜上プロセス端部と称されるが、真空チャンバー内のプロセス空間に面している。そのターゲットの後部のマグネトロンマグネットは、その円筒型のターゲットの内表面に近接したスパッタリングプラズマを支持し、円筒型のターゲットとＲＦエネルギーソースを有するスパッタリング材料のソースをｉＰＶＤプロセスにおいて半導体ウェハが支持されるプロセス空間から分離する磁場鏡面を定義するカスプ磁場を作り出す。そのＨＣＭのマグネトロンマグネットは、その鏡面からプロセス空間まで延び、プラズマソース空間からプロセス空間までイオンの抽出を容易にするために機能する空領域を形成する。
【００１６】
本発明のｉＰＶＤソースは、ＩＣＰソースまたはＨＣＭソースのどちらかの使用による初期費用の小幅な増加と複雑さしか伴わないで本発明の目的を成し遂げる。費用面でのこの増加は、ＨＣＭターゲットの閉端部のコストにおける節約によるオフセットよりも大きい。特に、もし、Ｔａ／ＴａＮのような蒸着材料におけるターゲットの費用を考慮した場合、本発明のソースは、単独のＨＣＭデザインのＴａ／ＴａＮソースよりも安い。さらに、本発明は、蒸着とエッチングプロセスの両方に見合うプロセスパラメータを有するので、本発明の原理によるソースは、同一チャンバー内で行われる蒸着とエッチングプロセスに理想的に適している。
【００１７】
本発明のソースにおける円筒型の陰極の製造は、一般に知られるＨＣＭソースに特有のバケットタイプの陰極よりも容易である。バケットタイプのＨＣＭの閉端部は本発明の陰極には無いので、そのターゲットを製造するためには高価なターゲット材料は用いられない。さらに、ターゲットの一部から材料をスパッタするために、そのターゲットの閉端部の後部に回転マグネトロンは必要ではない。
【００１８】
本発明のソースを有するその窓を覆うために用いられるその蒸着バッフルシールドは、蒸着物を堆積するが、良好な接着を得、粒子が剥れ落ちるのを最小化するためにビードブラストされる。さらに、その蒸着バッフルは、何度も繰り返し使用され、ＨＣＭターゲットの閉端部の使用されなかったターゲット材料は、可能な限り再利用される。
【００１９】
タンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）の蒸着プロセスにおいて、タンタルと同様の膨張係数を有し、低い抵抗値を有するモリブデンや他の材料の蒸着バッフルは用いられる。銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）ターゲットを用いることによって、蒸着バッフルは、銅やアルミニウムやそれらの合金で製造される。ＩＣＰソースからのＲＦは、ＨＣＭを単独で用いることによって、ＤＣのみの場合に比べてより効率的にプラズマを加熱し、本発明のソースは、ＨＣＭソース単独よりも大きな直径を有することは容易である。
【００２０】
ＨＣＭターゲットの円筒部の端部を通してＲＦを追加することは、プラズマを加熱するためにより効率的な方法であり、ＨＣＭのＤＣソースを単独で用いて同様のプラズマ濃度を達成させる場合に要求される冷却に比べて、ターゲットの付加的な冷却は要求されない。さらに、蒸着速度とイオンフラクションは、本発明によって独立して制御され、ここで、ＨＣＭを用いることで、両方は、陰極へのＤＣ電源を調節することのみによって制御可能である。イオンフラクションを増加するためにＲＦ電源を増加することは、本発明では全体の蒸着速度を増加する必要はなく、ＤＣ電源は、本発明ではイオンフラクションを増加するために増加させたり維持させたりする必要はなく、同一のチャンバーで蒸着とエッチングプロセスを切り替えることを現実的にする。
【００２１】
その中央にＲＦソースを有する環状のターゲットを有するｉＰＶＤソースでは（例えば、米国特許６，０８０，２８７、６，２８７，４３５のソースを有する）、環状のターゲットに電力を供給するＤＣ電力供給器は、高密度プラズマの電力密度を増加することはほとんどない。もし、環状のターゲット配置の代わりにＨＣＭを用いた場合、円筒型ターゲットに供給するＤＣ電力は、ソース内の高密度低エネルギープラズマの体積を増加する働きをする。これは、金属被覆材料の高いイオンフラクションを生成する。
【００２２】
マグネトロン陰極のＤＣ電力を高密度プラズマに供給することによって、高レベルのＤＣ電力は、実質的にプラズマの加熱に寄与し、高価な高電力ＲＦ供給器やマッチング回路の必要性を減少する。ＲＦＩＣＰプラズマソースと環状のターゲットを用いて達成される本発明を用いてこの方式でプラズマ体積を増加することは、気相核形成のリスクを減少し、暗部構成物の緩和された許容差を許容し、低圧で同じイオン化フラクションを達成することを可能にする。さらに、陽極リングは、円筒型の陰極の開口端部でターゲットが蒸着バッフルにアークする可能性を減少させるために用いられることができる。さらに、繰り返しスパッタされ、他の環状のＩＣＰ−ｉＰＶＤソースに比べてターゲットの使用を増加することによって、イオン化されていないスパッタされた材料は、その円筒型の陰極の反対側の壁に蒸着されるだろう。
【００２３】
本発明のソースは、ＨＣＭとＩＣＰ−ｉＰＶＤソースのどちらかのソースに関するさらなる複雑さを招くが、それは単独であると考えられる。ＨＣＭターゲットの高コストを考慮すると、そのターゲットの費用、特にタンタルターゲットの費用は、本発明に関しては安い。イオンＰＶＤ用途において、ターゲットの費用は所有費への大きな寄与の１つであるので、本発明に関してターゲット費用の節約は特に重要である。既存のＲＦＩＣＰソースに使用される平らな、又は円錐台形状のリング形の環状ターゲットを本発明による円筒型ターゲットのＨＣＭに置換することによってほとんど又は全く追加のコストを招来しない。
【００２４】
本発明のソースは、平らな、又は円錐台形状のリング形の環状ターゲットの圧力より低い圧力で効率的で効果的に動作する。これは、時間のかかる圧力循環なしに、同一チャンバー内で蒸着とエッチングプロセスの両方を遂行することを容易にし、組み合わされたプロセスにおいて改善された均一性をもたらすだろう。その蒸着とエッチングは、約１〜４０ｍＴｏｒｒで実行され、好ましくは約１０ｍＴｏｒｒで実行される。
【００２５】
これまでの記載や本発明の他の目的や利点は、以下の詳細の説明によってより明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、チャンバー壁１２で囲まれた真空プロセスチャンバー１１を有するイオン物理蒸着装置１０を示し、チャンバー壁１２は、チャンバー１１内に真空プロセス空間を有する。イオン化被覆材料のソース２０またはｉＰＶＤソースは、チャンバー壁１２の上部の開口部１３に配置されており、チャンバー壁１２の開口部１３の周囲に対してイオン化材料のソース２０の下端部２１付近を電気絶縁体２２を用いて真空密閉シールを形成する。基板支持部１４は、半導体ウェハ１６を支持するためにチャンバー１１の底部にある昇降機１５上の中心に位置しており、処理のためのプロセス空間の向こう側のイオン化材料のソース２０に対向している。チャンバー１１は、一般的に試用されるポンプ（不図示）によって真空状態に維持されている。チャンバー壁１２は、チャンバー１１の外部の清浄な外気雰囲気１７からチャンバー１１内の真空を分離する。
【００２７】
イオン化材料のソース２０は、円筒型の被覆材料のソース、またはイオン化材料のソース２０の下端部２１からその頂部の内側の円形開口部３１まで延びた円筒型のターゲット３２を含む。また、そのイオン化材料のソース２０は、コーティングするターゲット３２の開口部３１に載置されたＲＦエネルギー源４０を含む。
【００２８】
円筒型のターゲット３２は、中空陰極マグネトロンまたは米国特許番号５，４８２，６１１に記載されたＨＣＭタイプであり、その円筒型ターゲット３２の両端に２つの開口端部を有する。その円筒型のターゲット３２は、好ましくは、チャンバー１１の内部の真空と外部の外気雰囲気１７とを分離するチャンバー壁１２の一部を形成する。その円筒型のターゲット３２は、チャンバー１１の内部に円筒型のプラズマ源（プラズマソース）の空間３３を囲み、そのプラズマ源の空間３３に面する内部円筒スパッタリング表面を有する。そのプラズマ源の空間３３は、チャンバー１１内のプロセス空間と通じている。
【００２９】
その円筒型のターゲット３２は、円筒型のターゲット３２の内部スパッタリング表面に近接したプラズマ源の空間３３の内部の周囲に閉環状の磁気トンネル３５を形成する定常磁場を発生させるために配置されたターゲット３２の後部に配置されたマグネトロンマグネットまたはマグネットアレイ３４を有するスパッタリング陰極の一部である。そのマグネットアレイ３４は、開口部１３に平行で、その下部にあるチャンバー１１の内部に磁場鏡面３６を定義するカスプ磁場を生成するために配置されている。マグネットアレイ３４によって生成された磁場は、磁場鏡面３６からチャンバー１１内のプロセス空間の中央まで延びる損失コーン３７を定義する。ＤＣソース３９は、チャンバー壁に対して負である円筒型のターゲット３２に電位を供給するために円筒型のターゲット３２に電気的に接続されている。この電位は、電子の発生と、磁気トンネル中の電子に衝突するガス原子から生成されるガスイオンのターゲットのスパッタリング表面への誘引とを促進する。冷却液は、冷却システム３８によってターゲット３２の後部で循環されており、円筒型のターゲット３２のスパッタリング中に発生する熱を取り除く。
【００３０】
イオン化材料のソース２０は、前述のように、米国特許番号５，４８２，６１１で検討されたものと完全に同一であり、上記に参照することによって本願に含まれており、ここではＨＣＭソースとして称される。イオン化材料のソース２０は、その特許のＨＣＭソースとは異なり、開口端を１つしか有しないスパッタリング材料のキャビティを形成する円筒型のターゲット３２ではなく、本発明による円筒型のターゲット３２は、両端に開口を有する円筒形状であり、ＲＦソース４０によって一端が塞がれている。
【００３１】
イオン化材料のソース２０は、円筒型の被覆材料のソースまたは円筒型のターゲット３２に加えて、図２に示されているように追加的にターゲット３２を囲う環状のターゲット３０をさらに含む。そのターゲット３０は、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に記載されている型でありえ、上述に参照することによって本願に含まれている。そのターゲット３２と３０は互いに絶縁体２２ａによって絶縁されており、接地されたチャンバー壁１２から絶縁体２２ｂによって絶縁されている。陽極リング（不図示）は、ターゲット３２と３０の間に配置されることもでき、両方のターゲット３０、３２と接地されたチャンバー壁１２とから絶縁される。両方のターゲット３２、３０は、それぞれ２つの異なるＤＣ電源３９、３９ａから負のＤＣ電位が印加される。ターゲット３０、３２は互いに絶縁されているので、ＤＣ電源３９、３９ａの異なる出力から独立して制御されることができる。ターゲット３０は、図２では、平らなリング形状を有する環状ターゲットとして記載されている。あるいは、その環状ターゲットは、円錐台形状であってもよく、それは、図３に示されるターゲット３０ａのように配置されている。そのような追加のターゲット３０、３０ａは、基板に形成される被覆材料の均一性を改善したり、蒸着速度を増加させたりするために、ある形態では要求される。
【００３２】
図１、２及び３を参照すると、ＲＦソース４０は誘電体窓４１を含み、それは円形や平面形で図示され、円筒型のターゲット３２の上部の開口部３１の周辺に付けられた円形の枠の周囲をシールする。チャンバー１１内の空間３３に窓４１を通してＲＦエネルギーを供給するために、ＲＦソース４０は、チャンバー１１の外部に位置し、窓４１に近接するＲＦコイルまたはアンテナ４２を含む。そのコイル４２は、マッチング回路（不図示）を介してＲＦ発生器４３に接続される。窓４１の内部には、被覆材料の堆積物から窓４１を保護する蒸着バッフルまたは蒸着シールド４４がある。そのシールド４４は、そのコイル４２からその空間３３に供給する磁気エネルギーを減衰するシールド上に形成するシールドやコーティング内の電流の誘導を防止するために、コイル４２に対して設定されて位置合わせされたスロット４５を有する。ＲＦエネルギーソース４０の詳細や操作方法は、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に完全に記載されており、上記に参照することによって本願に含まれている。本発明におけるｉＰＶＤでは、蒸着シールドは、好ましくは、銅、モリブデン、またはアルミニウムで製造されたり、被覆されたりする。
【００３３】
ＲＦ電力発生器４３からコイル４２によって連結されたＲＦエネルギーは、ＤＣ電力供給部３９からのエネルギーと合わさって、空間３３内に高密度プラズマを生成する。電源４３、３９は共に、プラズマに供給される総エネルギーに実質的に寄与する能力を有し、それぞれ高密度プラズマの総エネルギーの少なくとも２０％に寄与することが一般的に期待され、そのプロセスにおいて要求される。中空陰極マグネトロンを有するＲＦソース４０の円筒型ターゲット３２との結合は、上記の如何なる特許のソースが単独で生成するよりも高いプラズマ密度を生成する。それは、米国特許５，４８２，６１１に記載の中空陰極マグネトロンで必要な費用よりも実質的に安い費用のターゲットを用いる。
【００３４】
以上の記述及び添付した図面は本発明の様々な形態を説明しているが、本発明の思想から離れることなく追加や修正ができることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の原理に従うｉＰＶＤ装置におけるハイブリッドＨＣＭ−ＩＣＰソースの概略断面図である。
【図２】図１と同様に、本発明の原理に従うｉＰＶＤ装置におけるハイブリッドＨＣＭ−ＩＣＰソースの他の形態の概略断面図である。
【図３】図１、図２と同様に、本発明の原理に従うｉＰＶＤ装置におけるハイブリッドＨＣＭ−ＩＣＰソースの他の形態の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ イオン物理蒸着装置
１１ 真空プロセスチャンバー
１２ チャンバー壁
１３ 開口部
１４ 基板支持部
１５ 昇降機
１６ 半導体ウェハ
１７ 外気雰囲気
２０ イオン化被覆材料のソース
２１ 下端部
２２ 電気絶縁体
２２ａ、２２ｂ 絶縁体
３０、３０ａ ターゲット
３１ 開口部
３２ ターゲット
３５ 磁気トンネル
３４ マグネットアレイ
３６ 磁場鏡面
３７ 損失コーン
３８ 冷却システム
３９、３９ａ ＤＣ電源
４０ ＲＦエネルギーソース
４１ 誘電体窓
４２ コイル
４３ ＲＦ発生器
４４ 蒸着シールド
４５ スロット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハプロセスのようなプロセスに有用な高密度プラズマの生成に係り、特に半導体基板上における金属のイオン物理蒸着に有用な高密度プラズマの生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン物理蒸着（ｉＰＶＤ）は、半導体ウェハ基板上に薄膜を堆積するために提案され、特に、高いアスペクト比を有するサブミクロン形態の側壁または底部を被覆する。そのｉＰＶＤプロセスは、タンタルや銅のような金属の堆積のために提案される。そのような用途におけるｉＰＶＤにおいて、異なる高電位プラズマによって形成され、ターゲットのプラズマシースを横切って加速されたイオンによってターゲットからスパッタされたスパッタ材料、典型的には金属に電圧を加えるために、高密度低電位プラズマは、スパッタ処理チャンバー内で生成される。その高密度低電位プラズマは、イオン化されたスパッタ材料の高いイオンフラクションあるいは高い割合を得るために用いられるので、そのコーティング材料のイオンは電気的に基板表面に対して略直角に基板に引き付けられる。
【０００３】
ＤＣエネルギーは、ターゲットの材料をスパッタリングするために用いられる高電位プラズマにおける主要なエネルギー源である。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）は、スパッタされる材料をイオン化するために用いられる高密度低電位プラズマに電圧を加えるためのｉＰＶＤにおいて有用であることが分かっている。特に、ｉＰＶＤ装置やｉＰＶＤプロセスは、ターゲットの中央に位置されたＲＦエネルギー源を有する環状のスパッタリングターゲットからなるイオン化されたスパッタ材料源を有することが提案されている。そのようなエネルギー源は、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に開示されており、これらは共に参照することによりここに明示的に本書に含まれる。
【０００４】
これらのｉＰＶＤ装置やｉＰＶＤ方法のソースは、従来文献の他のソースに比べて多くの優れた点がある。約１３．５６ＭＨｚの周波数で動作する５．５ｋＷのＲＦ電力供給部を用いて作製されたそのようなソースは、比較的コンパクトで、それほど高価ではない。そのようなソースが供給する出力より強い出力が、より多くのエネルギーをプラズマに供給するために要求され、それによってプラズマ中のイオンフラクションが増加する。より大きなＲＦ電力供給器、例えば、１０ｋＷの電力供給器を用いてそのような大きな電力を供給することによって、要求されるマッチング回路や増加された冷却器に関する付加的なコストを伴って、そのモジュールの費用を１万ドル高くするだろう。さらに、現在、５ｋＷのＲＦ供給部は固体状態の構成物で作られるが、より大きいＲＦ供給部は、より大きくて非常に重い真空チューブをしばしば必要とする。
【０００５】
さらに、上述の特許によるｉＰＶＤソースは、高い圧力（６０ｍＴｏｒｒ以上）で効率的に動作する。用途によるが、高圧の使用は、気相核形成を避けるためのケアを要求し、気相核形成はプラズマ中で粒子を発生させ、暗部の許容差を臨界以上に形成する。ある時点で、圧力を増加することは、潜在的にターゲットが近接する構造物へアークを発生することを引き起こし、結果として大きな損傷を与え、処理されるウェハを汚染する莫大な量の粒子を生成する。
【０００６】
したがって、上記の特許のｉＰＶＤ装置におけるプラズマに供給されるエネルギーを効率的に増加させることは有益である。そのような装置の他の利点を維持したまま、低圧で動作することができるそのような装置を備えることも有益である。
【０００７】
多くのスパッタリングソースは、半導体ウェハプロセス用に考案されており、それぞれは独自の特徴を有する。以下に記述された発明の特徴を有するそのようなソースの１つは、中空陰極マグネトロン（ＨＣＭ）と呼ばれ、米国特許５，４８２，６１１に記載されている。この特許の装置は、高密度プラズマを生成するスパッターマグネトロンイオンソースであり、そのプラズマは、円筒型の陰極キャビティの中で生成する。ターゲット材料のイオンは、その陰極キャビティの開口端に近接した空領域にあるマグネトロンマグネットを用いたカスプ配置の磁場を作り出すことによって、そのキャビティから取り出されてビームになる。ＨＣＭソースはｉＰＶＤ用に提案され、現在使用されている。
【０００８】
ＨＣＭソースに対する主要な欠点の１つは、提案された配置のターゲットが非常に高価であるという点である。特にタンタルのような金属用の場合は、これに当てはまる。大きなバケット型のＨＣＭ陰極は組み立てるのが困難であり、非常に高価なターゲット材料を使用する。さらに、使用中に、そのターゲットの円筒型のキャビティの閉端部の材料はほとんど侵食しない。あるＨＣＭターゲットでは、ターゲットの閉端部には網状の堆積が発生し、乏しいターゲットの利用率に加えて、粒子問題を引き起こす。そのような問題を避けるために、回転する小さな永久磁石は、そのキャビティの閉端部にあるターゲットの後部のＨＣＭ装置に付けられており、それが機器費用を増大させ、装置を複雑にする。陰極の直径が増加するにつれて、そのＨＣＭは、高いイオンフラクションを得るために非常に高いＤＣ電源を使用する。これは、そのシステムの全費用と所有費を増加させる。さらに、プラズマ密度を向上させるためにマグネトロンソースにＤＣ電源を用いることは、堆積速度とイオン化フラクションが密接不可分であることを意味し、より高いＤＣ電源は、高い堆積速度とイオンフラクションを与える。陰極に出力を供給する問題よりも大きなＨＣＭに関する問題は、熱を除去することである。そのＨＣＭの発明者は、それらの特許の中で、ＨＣＭを動作するために要求される電力がその直径の３乗に比例して増加し、冷却器はその直径の２乗に比例して増加するということを指摘している。したがって、小さいバージョンで得られるのと同じイオンフラクションを維持したまま、ＨＣＭソースをより大きな直径を有するように大型化することは、大量のＤＣ電源を必要とし、十分にターゲットを冷却することが難しいため困難である。
【０００９】
したがって、ＨＣＭはｉＰＶＤシステムにおいて高エネルギーのプラズマを生成するために有用であるが、ＨＣＭの特徴がＩＣＰソースの性能を高めるために用いることができかどうか検討されていないし、もし、それが検討されているとしても、ＨＣＭとＩＣＰの特徴との結合方法は従来文献では検討されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、環状のターゲットを有するタイプのｉＰＶＤ装置の高密度誘導結合プラズマへのエネルギーの結合を増加することである。本発明のさらなる目的は、低い動作圧力でのＩＣＰ−ｉＰＶＤ装置の使用を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、中空陰極マグネトロン（ＨＣＭ）の原理は、その中央にＲＦエネルギーソースを有する環状のターゲットのＩＣＰを有するタイプのｉＰＶＤソースの原理と組み合わせることである。その組み合わせは、ＨＣＭターゲットの閉端部をそのようなｉＰＶＤ環状ターゲットソースのＲＦＩＣＰエネルギーソースに置き換えることによって行われる。任意に、平らな、または円錐状のリング形の環状ターゲットマグネトロン陰極は、ＨＣＭを囲うように、例えばＨＣＭの開口を囲うように提供され、すなわち、ＲＦエネルギーソースの円筒型のＨＣＭターゲットの反対側の端部に提供される。
【００１２】
本発明の図示された形態の１つによれば、ＨＣＭ配置の陰極は、除去された閉端部を有して供給されるので、その陰極は２つの開口端部を有する円筒型のターゲットを含む。その円筒型のターゲット開口端部の１つには、ここでは便宜上ＲＦソース端と呼ぶが、ＲＦエネルギーソースが配置されている。そのＲＦエネルギーソースは、チャンバーの外側に外部のＲＦコイルを有するＩＣＰソースでありえ、そのチャンバーは、チャンバー壁の一部を形成する誘電体窓を通してＲＦエネルギーが供給される。蒸着シールドは、窓やシールドを通してチャンバー内にそのコイルからのＲＦエネルギーの供給を可能にする一方で、蒸着からその窓を保護するためにチャンバーの内部に位置されてもよい。
【００１３】
本発明の別の形態では、ｉＰＶＤソースは２つのターゲットで構成され、それらは円筒型のターゲットと、平らな、又は円錐台形状の環状ターゲットである。その円筒型のターゲットは、一端が誘電体窓に配置され、バッフルシールドによって保護され、真空チャンバーの外側に位置するアンテナからのＲＦエネルギーが供給され、他端には平らな又は円錐台形状の環状ターゲットがあり、基板に対向し、円筒型ターゲットの開口端部と同一平面または下部に位置する。すなわち、平らな、又は円錐台形状の環状ターゲットは、ＲＦエネルギーの円筒型ターゲットの反対側の端部に位置する。２つのターゲットは、電気的に分離されており、それぞれが有する独立したマグネトロンマグネットを用いて、それぞれ電力供給される。そのような配置は、より複雑であるけれども、薄膜の厚さの均一性を改善したり、薄膜の蒸着速度を増加したりするために用いられ、所謂“銅シード”蒸着プロセスにおいては特に重要である。
【００１４】
さらに他の形態では、円筒型のターゲットは、一端あるいは両端に小さな枠またはフランジを有して提供される。これは、都合よく円筒型のターゲットの剛性を増加させ、実装において構造的な支持体となる。しかしながら、プラズマは、基板に近接するその円筒物の開口端部にあるそのようなフランジ領域を通常スパッタせず、蒸着物は通常この領域上に積み上がる。そのような蒸着物が粉砕されたり、工程チャンバーを粒子で汚染したりすることを防止するために、ターゲットのフランジは、折り目加工されたり、粗くされたりするべきである。
【００１５】
ＲＦソースに対向する円筒型のターゲットの開口端部は、便宜上プロセス端部と称されるが、真空チャンバー内のプロセス空間に面している。そのターゲットの後部のマグネトロンマグネットは、その円筒型のターゲットの内表面に近接したスパッタリングプラズマを支持し、円筒型のターゲットとＲＦエネルギーソースを有するスパッタリング材料のソースをｉＰＶＤプロセスにおいて半導体ウェハが支持されるプロセス空間から分離する磁場鏡面を定義するカスプ磁場を作り出す。そのＨＣＭのマグネトロンマグネットは、その鏡面からプロセス空間まで延び、プラズマソース空間からプロセス空間までイオンの抽出を容易にするために機能する空領域を形成する。
【００１６】
本発明のｉＰＶＤソースは、ＩＣＰソースまたはＨＣＭソースのどちらかの使用による初期費用の小幅な増加と複雑さしか伴わないで本発明の目的を成し遂げる。費用面でのこの増加は、ＨＣＭターゲットの閉端部のコストにおける節約によるオフセットよりも大きい。特に、もし、Ｔａ／ＴａＮのような蒸着材料におけるターゲットの費用を考慮した場合、本発明のソースは、単独のＨＣＭデザインのＴａ／ＴａＮソースよりも安い。さらに、本発明は、蒸着とエッチングプロセスの両方に見合うプロセスパラメータを有するので、本発明の原理によるソースは、同一チャンバー内で行われる蒸着とエッチングプロセスに理想的に適している。
【００１７】
本発明のソースにおける円筒型の陰極の製造は、一般に知られるＨＣＭソースに特有のバケットタイプの陰極よりも容易である。バケットタイプのＨＣＭの閉端部は本発明の陰極には無いので、そのターゲットを製造するためには高価なターゲット材料は用いられない。さらに、ターゲットの一部から材料をスパッタするために、そのターゲットの閉端部の後部に回転マグネトロンは必要ではない。
【００１８】
本発明のソースを有するその窓を覆うために用いられるその蒸着バッフルシールドは、蒸着物を堆積するが、良好な接着を得、粒子が剥れ落ちるのを最小化するためにビードブラストされる。さらに、その蒸着バッフルは、何度も繰り返し使用され、ＨＣＭターゲットの閉端部の使用されなかったターゲット材料は、可能な限り再利用される。
【００１９】
タンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）の蒸着プロセスにおいて、タンタルと同様の膨張係数を有し、低い抵抗値を有するモリブデンや他の材料の蒸着バッフルは用いられる。銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）ターゲットを用いることによって、蒸着バッフルは、銅やアルミニウムやそれらの合金で製造される。ＩＣＰソースからのＲＦは、ＨＣＭを単独で用いることによって、ＤＣのみの場合に比べてより効率的にプラズマを加熱し、本発明のソースは、ＨＣＭソース単独よりも大きな直径を有することは容易である。
【００２０】
ＨＣＭターゲットの円筒部の端部を通してＲＦを追加することは、プラズマを加熱するためにより効率的な方法であり、ＨＣＭのＤＣソースを単独で用いて同様のプラズマ濃度を達成させる場合に要求される冷却に比べて、ターゲットの付加的な冷却は要求されない。さらに、蒸着速度とイオンフラクションは、本発明によって独立して制御され、ここで、ＨＣＭを用いることで、両方は、陰極へのＤＣ電源を調節することのみによって制御可能である。イオンフラクションを増加するためにＲＦ電源を増加することは、本発明では全体の蒸着速度を増加する必要はなく、ＤＣ電源は、本発明ではイオンフラクションを増加するために増加させたり維持させたりする必要はなく、同一のチャンバーで蒸着とエッチングプロセスを切り替えることを現実的にする。
【００２１】
その中央にＲＦソースを有する環状のターゲットを有するｉＰＶＤソースでは（例えば、米国特許６，０８０，２８７、６，２８７，４３５のソースを有する）、環状のターゲットに電力を供給するＤＣ電力供給器は、高密度プラズマの電力密度を増加することはほとんどない。もし、環状のターゲット配置の代わりにＨＣＭを用いた場合、円筒型ターゲットに供給するＤＣ電力は、ソース内の高密度低エネルギープラズマの体積を増加する働きをする。これは、金属被覆材料の高いイオンフラクションを生成する。
【００２２】
マグネトロン陰極のＤＣ電力を高密度プラズマに供給することによって、高レベルのＤＣ電力は、実質的にプラズマの加熱に寄与し、高価な高電力ＲＦ供給器やマッチング回路の必要性を減少する。ＲＦＩＣＰプラズマソースと環状のターゲットを用いて達成される本発明を用いてこの方式でプラズマ体積を増加することは、気相核形成のリスクを減少し、暗部構成物の緩和された許容差を許容し、低圧で同じイオン化フラクションを達成することを可能にする。さらに、陽極リングは、円筒型の陰極の開口端部でターゲットが蒸着バッフルにアークする可能性を減少させるために用いられることができる。さらに、繰り返しスパッタされ、他の環状のＩＣＰ−ｉＰＶＤソースに比べてターゲットの使用を増加することによって、イオン化されていないスパッタされた材料は、その円筒型の陰極の反対側の壁に蒸着されるだろう。
【００２３】
本発明のソースは、ＨＣＭとＩＣＰ−ｉＰＶＤソースのどちらかのソースに関するさらなる複雑さを招くが、それは単独であると考えられる。ＨＣＭターゲットの高コストを考慮すると、そのターゲットの費用、特にタンタルターゲットの費用は、本発明に関しては安い。イオンＰＶＤ用途において、ターゲットの費用は所有費への大きな寄与の１つであるので、本発明に関してターゲット費用の節約は特に重要である。既存のＲＦＩＣＰソースに使用される平らな、又は円錐台形状のリング形の環状ターゲットを本発明による円筒型ターゲットのＨＣＭに置換することによってほとんど又は全く追加のコストを招来しない。
【００２４】
本発明のソースは、平らな、又は円錐台形状のリング形の環状ターゲットの圧力より低い圧力で効率的で効果的に動作する。これは、時間のかかる圧力循環なしに、同一チャンバー内で蒸着とエッチングプロセスの両方を遂行することを容易にし、組み合わされたプロセスにおいて改善された均一性をもたらすだろう。その蒸着とエッチングは、約１〜４０ｍＴｏｒｒで実行され、好ましくは約１０ｍＴｏｒｒで実行される。
【００２５】
これまでの記載や本発明の他の目的や利点は、以下の詳細の説明によってより明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、チャンバー壁１２で囲まれた真空プロセスチャンバー１１を有するイオン物理蒸着装置１０を示し、チャンバー壁１２は、チャンバー１１内に真空プロセス空間を有する。イオン化被覆材料のソース２０またはｉＰＶＤソースは、チャンバー壁１２の上部の開口部１３に配置されており、チャンバー壁１２の開口部１３の周囲に対してイオン化材料のソース２０の下端部２１付近を電気絶縁体２２を用いて真空密閉シールを形成する。基板支持部１４は、半導体ウェハ１６を支持するためにチャンバー１１の底部にある昇降機１５上の中心に位置しており、処理のためのプロセス空間の向こう側のイオン化材料のソース２０に対向している。チャンバー１１は、一般的に試用されるポンプ（不図示）によって真空状態に維持されている。チャンバー壁１２は、チャンバー１１の外部の清浄な外気雰囲気１７からチャンバー１１内の真空を分離する。
【００２７】
イオン化材料のソース２０は、円筒型の被覆材料のソース、またはイオン化材料のソース２０の下端部２１からその頂部の内側の円形開口部３１まで延びた円筒型のターゲット３２を含む。また、そのイオン化材料のソース２０は、コーティングするターゲット３２の開口部３１に載置されたＲＦエネルギー源４０を含む。
【００２８】
円筒型のターゲット３２は、中空陰極マグネトロンまたは米国特許番号５，４８２，６１１に記載されたＨＣＭタイプであり、その円筒型ターゲット３２の両端に２つの開口端部を有する。その円筒型のターゲット３２は、好ましくは、チャンバー１１の内部の真空と外部の外気雰囲気１７とを分離するチャンバー壁１２の一部を形成する。その円筒型のターゲット３２は、チャンバー１１の内部に円筒型のプラズマ源（プラズマソース）の空間３３を囲み、そのプラズマ源の空間３３に面する内部円筒スパッタリング表面を有する。そのプラズマ源の空間３３は、チャンバー１１内のプロセス空間と通じている。
【００２９】
その円筒型のターゲット３２は、円筒型のターゲット３２の内部スパッタリング表面に近接したプラズマ源の空間３３の内部の周囲に閉環状の磁気トンネル３５を形成する定常磁場を発生させるために配置されたターゲット３２の後部に配置されたマグネトロンマグネットまたはマグネットアレイ３４を有するスパッタリング陰極の一部である。そのマグネットアレイ３４は、開口部１３に平行で、その下部にあるチャンバー１１の内部に磁場鏡面３６を定義するカスプ磁場を生成するために配置されている。マグネットアレイ３４によって生成された磁場は、磁場鏡面３６からチャンバー１１内のプロセス空間の中央まで延びる損失コーン３７を定義する。ＤＣソース３９は、チャンバー壁に対して負である円筒型のターゲット３２に電位を供給するために円筒型のターゲット３２に電気的に接続されている。この電位は、電子の発生と、磁気トンネル中の電子に衝突するガス原子から生成されるガスイオンのターゲットのスパッタリング表面への誘引とを促進する。冷却液は、冷却システム３８によってターゲット３２の後部で循環されており、円筒型のターゲット３２のスパッタリング中に発生する熱を取り除く。
【００３０】
イオン化材料のソース２０は、前述のように、米国特許番号５，４８２，６１１で検討されたものと完全に同一であり、上記に参照することによって本願に含まれており、ここではＨＣＭソースとして称される。イオン化材料のソース２０は、その特許のＨＣＭソースとは異なり、開口端を１つしか有しないスパッタリング材料のキャビティを形成する円筒型のターゲット３２ではなく、本発明による円筒型のターゲット３２は、両端に開口を有する円筒形状であり、ＲＦソース４０によって一端が塞がれている。
【００３１】
イオン化材料のソース２０は、円筒型の被覆材料のソースまたは円筒型のターゲット３２に加えて、図２に示されているように追加的にターゲット３２を囲う環状のターゲット３０をさらに含む。そのターゲット３０は、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に記載されている型でありえ、上述に参照することによって本願に含まれている。そのターゲット３２と３０は互いに絶縁体２２ａによって絶縁されており、接地されたチャンバー壁１２から絶縁体２２ｂによって絶縁されている。陽極リング（不図示）は、ターゲット３２と３０の間に配置されることもでき、両方のターゲット３０、３２と接地されたチャンバー壁１２とから絶縁される。両方のターゲット３２、３０は、それぞれ２つの異なるＤＣ電源３９、３９ａから負のＤＣ電位が印加される。ターゲット３０、３２は互いに絶縁されているので、ＤＣ電源３９、３９ａの異なる出力から独立して制御されることができる。ターゲット３０は、図２では、平らなリング形状を有する環状ターゲットとして記載されている。あるいは、その環状ターゲットは、円錐台形状であってもよく、それは、図３に示されるターゲット３０ａのように配置されている。そのような追加のターゲット３０、３０ａは、基板に形成される被覆材料の均一性を改善したり、蒸着速度を増加させたりするために、ある形態では要求される。
【００３２】
図１、２及び３を参照すると、ＲＦソース４０は誘電体窓４１を含み、それは円形や平面形で図示され、円筒型のターゲット３２の上部の開口部３１の周辺に付けられた円形の枠の周囲をシールする。チャンバー１１内の空間３３に窓４１を通してＲＦエネルギーを供給するために、ＲＦソース４０は、チャンバー１１の外部に位置し、窓４１に近接するＲＦコイルまたはアンテナ４２を含む。そのコイル４２は、マッチング回路（不図示）を介してＲＦ発生器４３に接続される。窓４１の内部には、被覆材料の堆積物から窓４１を保護する蒸着バッフルまたは蒸着シールド４４がある。そのシールド４４は、そのコイル４２からその空間３３に供給する磁気エネルギーを減衰するシールド上に形成するシールドやコーティング内の電流の誘導を防止するために、コイル４２に対して設定されて位置合わせされたスロット４５を有する。ＲＦエネルギーソース４０の詳細や操作方法は、米国特許６，０８０，２８７や６，２８７，４３５に完全に記載されており、上記に参照することによって本願に含まれている。本発明におけるｉＰＶＤでは、蒸着シールドは、好ましくは、銅、モリブデン、またはアルミニウムで製造されたり、被覆されたりする。
【００３３】
ＲＦ電力発生器４３からコイル４２によって連結されたＲＦエネルギーは、ＤＣ電力供給部３９からのエネルギーと合わさって、空間３３内に高密度プラズマを生成する。電源４３、３９は共に、プラズマに供給される総エネルギーに実質的に寄与する能力を有し、それぞれ高密度プラズマの総エネルギーの少なくとも２０％に寄与することが一般的に期待され、そのプロセスにおいて要求される。中空陰極マグネトロンを有するＲＦソース４０の円筒型ターゲット３２との結合は、上記の如何なる特許のソースが単独で生成するよりも高いプラズマ密度を生成する。それは、米国特許５，４８２，６１１に記載の中空陰極マグネトロンで必要な費用よりも実質的に安い費用のターゲットを用いる。
【００３４】
以上の記述及び添付した図面は本発明の様々な形態を説明しているが、本発明の思想から離れることなく追加や修正ができることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の原理に従うｉＰＶＤ装置におけるハイブリッドＨＣＭ−ＩＣＰソースの概略断面図である。
【図２】図１と同様に、本発明の原理に従うｉＰＶＤ装置におけるハイブリッドＨＣＭ−ＩＣＰソースの他の形態の概略断面図である。
【図３】図１、図２と同様に、本発明の原理に従うｉＰＶＤ装置におけるハイブリッドＨＣＭ−ＩＣＰソースの他の形態の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ イオン物理蒸着装置
１１ 真空プロセスチャンバー
１２ チャンバー壁
１３ 開口部
１４ 基板支持部
１５ 昇降機
１６ 半導体ウェハ
１７ 外気雰囲気
２０ イオン化被覆材料のソース
２１ 下端部
２２ 電気絶縁体
２２ａ、２２ｂ 絶縁体
３０、３０ａ ターゲット
３１ 開口部
３２ ターゲット
３５ 磁気トンネル
３４ マグネットアレイ
３６ 磁場鏡面
３７ 損失コーン
３８ 冷却システム
３９、３９ａ ＤＣ電源
４０ ＲＦエネルギーソース
４１ 誘電体窓
４２ コイル
４３ ＲＦ発生器
４４ 蒸着シールド
４５ スロット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー壁に囲われた真空チャンバーであって、その中にプラズマ処理空間と該処理空間に面する半導体基板を支持するために構成された基板支持部とを有する真空チャンバーと、
前記チャンバー内に連通しているスパッタリング表面を有する中空円筒型スパッタリングターゲットと、前記ターゲットに電気的に接続されたチャンバーの外側にあるＤＣ電源と、前記ターゲットの後部にあるマグネットアセンブリと、を含むマグネトロンスパッタリング陰極と、
前記チャンバー内の円筒型のプラズマソース空間を囲い、前記処理空間に近接するスパッタリングターゲットであって、前記円筒型の空間の両側に２つの開口端を有するスパッタリングターゲットと、
前記プラズマソース空間の外側に配置され、前記チャンバー内に磁場を発生するように構成されたマグネットアセンブリであって、前記磁場は、前記ターゲットのスパッタリング表面付近に電子を閉じ込めるために前記ターゲットのスパッタリング表面に近接した閉磁気トンネルと、前記プラズマソース空間と前記処理空間との間に磁場鏡面を定義するカスプ磁場と、前記カスプ磁場から前記処理空間まで延びる空磁場と、を含むマグネットアセンブリと、
前記チャンバー壁の一部を形成し、前記処理空間の反対側にある前記ターゲットの開口端部にある誘電体窓と、
前記チャンバーの外側にあるＲＦ電源と、
前記ＲＦ電源に電気的に接続され、前記窓の外側であって前記チャンバーの外側にあるＲＦコイルであって、前記ＲＦ電源からのＲＦエネルギーを前記プラズマソース空間に前記窓を通して供給するように構成されたＲＦコイルと、を備え、
前記ターゲットと前記マグネトロンマグネットと前記ＲＦコイルは、前記ターゲットからスパッタされた材料のイオンを含む前記空間内に高密度プラズマを共同して生成するために構成され、前記ＤＣ電源と前記ＲＦ電源のそれぞれによって実質的に電圧が印加されている、半導体基板を処理するためのイオン物理蒸着装置。
【請求項２】
前記処理空間端部にある前記円筒型のスパッタリングターゲットの開口端部を囲う環状のスパッタリングターゲットであって、その中に基板支持部を有する処理空間に面するリング形状のスパッタリング表面を有する前記環状型のスパッタリングターゲットをさらに含む請求項１に記載のイオン物理蒸着装置。
【請求項３】
前記アンテナ側からみて前記窓の反対側の前記円筒型のスパッタリングターゲットの前記ＲＦ電源側端部上のチャンバー内で前記窓に近接離間し、かつ平行に配置された蒸着シールドであって、スパッタされた材料の堆積物から前記窓を保護するように構成され、前記アンテナから前記プラズマソース空間にＲＦエネルギーの誘導結合を可能にする前記シールドをさらに含む請求項１に記載のイオン物理蒸着装置。
【請求項４】
中空円筒型スパッタリングターゲットと、前記円筒型スパッタリングターゲットに電気的に接続されたチャンバーの外側にある第１ＤＣ電源と、前記ターゲットの後部にあるマグネットアセンブリと、を含むマグネトロンスパッタリング陰極と、
前記チャンバー内に円筒型のプラズマソース空間を囲み、前記プラズマソース空間に連通する円筒型スパッタリング表面を有し、前記空間の両端にＲＦ電源側端部と処理側端部とを含む２つの開口端部を有する円筒型スパッタリングターゲットと、
前記プラズマソース空間の外側にあり、前記プラズマソース空間内に磁界を発生するように構成されたマグネットアセンブリであって、前記磁場は、前記ターゲットの表面付近に電子を閉じ込めるために前記ターゲットのスパッタリング表面に近接した閉磁気トンネルと、前記円筒型スパッタリングターゲットの処理側端部に平行な磁場鏡面を定義するカスプ磁場と、前記磁場鏡面まで拡大して延びる空磁場と、を含むマグネットアセンブリと、
前記円筒型スパッタリングターゲットのＲＦ電源側端部にある誘電体窓と、
前記ＲＦ電源に電気的に接続され、前記プラズマソース空間からみた窓の反対側にＲＦアンテナを有するＲＦ電源であって、前記ＲＦアンテナは、前記ＲＦ電源から前記窓を通してプラズマソース空間にＲＦエネルギーを供給するように構成されている前記ＲＦ電源と、を備え、
前記ターゲットと前記マグネトロンマグネットと前記ＲＦアンテナは、前記ターゲットからスパッタされた材料のイオンを含む前記プラズマソース空間内に高密度プラズマを共同して生成するために構成され、前記ＤＣ電源と前記ＲＦ電源のそれぞれによって電圧が印加されている、イオン化されたスパッタ材料のｉＰＶＤソース。
【請求項５】
処理空間に面する前記円筒型スパッタリングターゲットの前記開口処理端部に近接して囲う環状のスパッタリングターゲットをさらに含む請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項６】
前記環状のスパッタリングターゲットは、平面的なリング形状の環状のスパッタリングターゲットである請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項７】
前記環状のスパッタリングターゲットは、円錐台形状のスパッタリングターゲットである請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項８】
前記環状のスパッタリングターゲットの後部に配置された環状の永久磁石を含む請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項９】
前記環状のスパッタリングターゲットに接続された第２ＤＣ電源と、前記円筒型のスパッタリングターゲットから電気的に絶縁された前記環状のスパッタリングターゲットとを含む請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１０】
前記第１ＤＣ電源と第２ＤＣ電源は、前記円筒型のスパッタリングターゲットと前記環状のスパッタリングターゲットのスパッタリングをそれぞれ制御可能である請求項９に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１１】
前記アンテナ側からみて反対側の前記窓に近接離間し、かつ平行に配置された蒸着シールドであり、スパッタされた材料の堆積物から前記窓を保護するように構成され、前記アンテナから前記プラズマソース空間にＲＦエネルギーの誘導結合を可能にする前記シールドをさらに含む請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１２】
前記蒸着シールドは、本質的に金属の銅、モリブデン、アルミニウム、及びそれらの合金からなる群から選択される請求項１１に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１３】
前記蒸着シールドは、本質的に銅、モリブデン、アルミニウム、及びそれらの合金からなる群から選択される金属を用いて被覆される請求項１１に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１４】
前記円筒型のスパッタリングターゲットは、少なくともその開口端の１つに一体的に形成された環状のフランジを有する請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１５】
前記円筒型のスパッタリングターゲットは、蒸着材料の接着力を増加するように構成された少なくともその開口端の１つに一体的に形成された環状のフランジを有する請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１６】
真空チャンバーと、前記真空チャンバーの一端に位置する被覆材料ソースと、前記被覆材料ソースに面する前記真空チャンバー内に位置する基板支持部と、を有する真空処理装置を用意し、
前記処理チャンバーに面する開口処理端部と、前記円筒型のマグネトロンスパッタリングターゲットによって囲われたプラズマソース空間内に前記窓を通してＲＦエネルギーを供給するためにその外側にあるＲＦアンテナを有する誘電体窓によって覆われたＲＦ電源側開口端部と、を有する中空円筒型マグネトロンスパッタリングターゲットを有する前記被覆材料ソースを用意し、
スパッタリングターゲットにＤＣ電位を印加して材料をスパッタリングして前記空間に供給し、
前記ＤＣ電位と前記ＲＦ電源のそれぞれによって実質的に電圧が印加された前記ターゲットからのスパッタされた材料のイオンを有する前記プラズマソース空間に高密度プラズマを生成するために前記ＲＦアンテナからのエネルギーと前記ＤＣ電位からのエネルギーを用いて前記スパッタリングターゲットからスパッタされた前記材料を前記空間内でイオン化し、
前記真空チャンバー内でプラズマソース空間からのイオン化されたスパッタ材料を前記基板上に蒸着することによって基板を処理することを含むｉＰＶＤ方法。
【請求項１７】
前記真空チャンバー内において、交互に前記イオン化された材料を前記基板上に蒸着し、前記基板をエッチングする請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項１８】
複数回の蒸着とエッチングサイクルとを経て前記基板を処理する請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項１９】
前記蒸着と前記エッチングは約１ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒで行う請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項２０】
前記基板に材料を蒸着したり、基板をエッチングしたりするために、前記円筒型スパッタリングターゲットにＤＣ電位を交互に断続して繰り返し印加する請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項１】
チャンバー壁に囲われた真空チャンバーであって、その中にプラズマ処理空間と該処理空間に面する半導体基板を支持するために構成された基板支持部とを有する真空チャンバーと、
前記チャンバー内に連通しているスパッタリング表面を有する中空円筒型スパッタリングターゲットと、前記ターゲットに電気的に接続されたチャンバーの外側にあるＤＣ電源と、前記ターゲットの後部にあるマグネットアセンブリと、を含むマグネトロンスパッタリング陰極と、
前記チャンバー内の円筒型のプラズマソース空間を囲い、前記処理空間に近接するスパッタリングターゲットであって、前記円筒型の空間の両側に２つの開口端を有するスパッタリングターゲットと、
前記プラズマソース空間の外側に配置され、前記チャンバー内に磁場を発生するように構成されたマグネットアセンブリであって、前記磁場は、前記ターゲットのスパッタリング表面付近に電子を閉じ込めるために前記ターゲットのスパッタリング表面に近接した閉磁気トンネルと、前記プラズマソース空間と前記処理空間との間に磁場鏡面を定義するカスプ磁場と、前記カスプ磁場から前記処理空間まで延びる空磁場と、を含むマグネットアセンブリと、
前記チャンバー壁の一部を形成し、前記処理空間の反対側にある前記ターゲットの開口端部にある誘電体窓と、
前記チャンバーの外側にあるＲＦ電源と、
前記ＲＦ電源に電気的に接続され、前記窓の外側であって前記チャンバーの外側にあるＲＦコイルであって、前記ＲＦ電源からのＲＦエネルギーを前記プラズマソース空間に前記窓を通して供給するように構成されたＲＦコイルと、を備え、
前記ターゲットと前記マグネトロンマグネットと前記ＲＦコイルは、前記ターゲットからスパッタされた材料のイオンを含む前記空間内に高密度プラズマを共同して生成するために構成され、前記ＤＣ電源と前記ＲＦ電源のそれぞれによって実質的に電圧が印加されている、半導体基板を処理するためのイオン物理蒸着装置。
【請求項２】
前記処理空間端部にある前記円筒型のスパッタリングターゲットの開口端部を囲う環状のスパッタリングターゲットであって、その中に基板支持部を有する処理空間に面するリング形状のスパッタリング表面を有する前記環状型のスパッタリングターゲットをさらに含む請求項１に記載のイオン物理蒸着装置。
【請求項３】
前記アンテナ側からみて前記窓の反対側の前記円筒型のスパッタリングターゲットの前記ＲＦ電源側端部上のチャンバー内で前記窓に近接離間し、かつ平行に配置された蒸着シールドであって、スパッタされた材料の堆積物から前記窓を保護するように構成され、前記アンテナから前記プラズマソース空間にＲＦエネルギーの誘導結合を可能にする前記シールドをさらに含む請求項１に記載のイオン物理蒸着装置。
【請求項４】
中空円筒型スパッタリングターゲットと、前記円筒型スパッタリングターゲットに電気的に接続されたチャンバーの外側にある第１ＤＣ電源と、前記ターゲットの後部にあるマグネットアセンブリと、を含むマグネトロンスパッタリング陰極と、
前記チャンバー内に円筒型のプラズマソース空間を囲み、前記プラズマソース空間に連通する円筒型スパッタリング表面を有し、前記空間の両端にＲＦ電源側端部と処理側端部とを含む２つの開口端部を有する円筒型スパッタリングターゲットと、
前記プラズマソース空間の外側にあり、前記プラズマソース空間内に磁界を発生するように構成されたマグネットアセンブリであって、前記磁場は、前記ターゲットの表面付近に電子を閉じ込めるために前記ターゲットのスパッタリング表面に近接した閉磁気トンネルと、前記円筒型スパッタリングターゲットの処理側端部に平行な磁場鏡面を定義するカスプ磁場と、前記磁場鏡面まで拡大して延びる空磁場と、を含むマグネットアセンブリと、
前記円筒型スパッタリングターゲットのＲＦ電源側端部にある誘電体窓と、
前記ＲＦ電源に電気的に接続され、前記プラズマソース空間からみた窓の反対側にＲＦアンテナを有するＲＦ電源であって、前記ＲＦアンテナは、前記ＲＦ電源から前記窓を通してプラズマソース空間にＲＦエネルギーを供給するように構成されている前記ＲＦ電源と、を備え、
前記ターゲットと前記マグネトロンマグネットと前記ＲＦアンテナは、前記ターゲットからスパッタされた材料のイオンを含む前記プラズマソース空間内に高密度プラズマを共同して生成するために構成され、前記ＤＣ電源と前記ＲＦ電源のそれぞれによって電圧が印加されている、イオン化されたスパッタ材料のｉＰＶＤソース。
【請求項５】
処理空間に面する前記円筒型スパッタリングターゲットの前記開口処理端部に近接して囲う環状のスパッタリングターゲットをさらに含む請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項６】
前記環状のスパッタリングターゲットは、平面的なリング形状の環状のスパッタリングターゲットである請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項７】
前記環状のスパッタリングターゲットは、円錐台形状のスパッタリングターゲットである請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項８】
前記環状のスパッタリングターゲットの後部に配置された環状の永久磁石を含む請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項９】
前記環状のスパッタリングターゲットに接続された第２ＤＣ電源と、前記円筒型のスパッタリングターゲットから電気的に絶縁された前記環状のスパッタリングターゲットとを含む請求項５に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１０】
前記第１ＤＣ電源と第２ＤＣ電源は、前記円筒型のスパッタリングターゲットと前記環状のスパッタリングターゲットのスパッタリングをそれぞれ制御可能である請求項９に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１１】
前記アンテナ側からみて反対側の前記窓に近接離間し、かつ平行に配置された蒸着シールドであり、スパッタされた材料の堆積物から前記窓を保護するように構成され、前記アンテナから前記プラズマソース空間にＲＦエネルギーの誘導結合を可能にする前記シールドをさらに含む請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１２】
前記蒸着シールドは、本質的に金属の銅、モリブデン、アルミニウム、及びそれらの合金からなる群から選択される請求項１１に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１３】
前記蒸着シールドは、本質的に銅、モリブデン、アルミニウム、及びそれらの合金からなる群から選択される金属を用いて被覆される請求項１１に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１４】
前記円筒型のスパッタリングターゲットは、少なくともその開口端の１つに一体的に形成された環状のフランジを有する請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１５】
前記円筒型のスパッタリングターゲットは、蒸着材料の接着力を増加するように構成された少なくともその開口端の１つに一体的に形成された環状のフランジを有する請求項４に記載のｉＰＶＤソース。
【請求項１６】
真空チャンバーと、前記真空チャンバーの一端に位置する被覆材料ソースと、前記被覆材料ソースに面する前記真空チャンバー内に位置する基板支持部と、を有する真空処理装置を用意し、
前記処理チャンバーに面する開口処理端部と、前記円筒型のマグネトロンスパッタリングターゲットによって囲われたプラズマソース空間内に前記窓を通してＲＦエネルギーを供給するためにその外側にあるＲＦアンテナを有する誘電体窓によって覆われたＲＦ電源側開口端部と、を有する中空円筒型マグネトロンスパッタリングターゲットを有する前記被覆材料ソースを用意し、
スパッタリングターゲットにＤＣ電位を印加して材料をスパッタリングして前記空間に供給し、
前記ＤＣ電位と前記ＲＦ電源のそれぞれによって実質的に電圧が印加された前記ターゲットからのスパッタされた材料のイオンを有する前記プラズマソース空間に高密度プラズマを生成するために前記ＲＦアンテナからのエネルギーと前記ＤＣ電位からのエネルギーを用いて前記スパッタリングターゲットからスパッタされた前記材料を前記空間内でイオン化し、
前記真空チャンバー内でプラズマソース空間からのイオン化されたスパッタ材料を前記基板上に蒸着することによって基板を処理することを含むｉＰＶＤ方法。
【請求項１７】
前記真空チャンバー内において、交互に前記イオン化された材料を前記基板上に蒸着し、前記基板をエッチングする請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項１８】
複数回の蒸着とエッチングサイクルとを経て前記基板を処理する請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項１９】
前記蒸着と前記エッチングは約１ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒで行う請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【請求項２０】
前記基板に材料を蒸着したり、基板をエッチングしたりするために、前記円筒型スパッタリングターゲットにＤＣ電位を交互に断続して繰り返し印加する請求項１６に記載のｉＰＶＤ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００７−５１６３４６（Ｐ２００７−５１６３４６Ａ）
【公表日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３３０７９（Ｐ２００６−５３３０７９）
【出願日】平成１６年５月１３日（２００４．５．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１５１８７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００１１５６
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（５９８１３３７６８）トーキョー エレクトロン アリゾナ インコーポレイテッド (5)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月１３日（２００４．５．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１５１８７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００１１５６
【国際公開日】平成１７年１月６日（２００５．１．６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（５９８１３３７６８）トーキョー エレクトロン アリゾナ インコーポレイテッド (5)
【Ｆターム（参考）】
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