JP3914287B2

JP3914287B2 - スパッタ装置及びコリメータ付着物の処理方法

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Publication number: JP3914287B2
Application number: JP24209296A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎田中
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2016-09-12
Also published as: JPH1088337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コリメータを有するスパッタ装置に関し、特に、コリメータに付着した付着物の剥離を防止する手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体デバイスの高集積化、微細化の進展に伴い、金属配線形成技術の分野においては多層配線構造の採用が急速に進んでいる。例えば、アルミニウム膜を配線層とした場合、その下地層として窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）を形成するのが一般的となっている。
【０００３】
ＴｉＮ膜の成膜は、通常、反応性スパッタ技術を用いて行っている。すなわち、真空処理チャンバ内にアルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ₂）の混合ガスを導入し、チタン（Ｔｉ）製のターゲットからスパッタされたＴｉを処理チャンバ内のＮ₂と反応させてＴｉＮを形成し、このＴｉＮを半導体ウェハ上に堆積させて成膜を行うこととしている。
【０００４】
また、金属配線形成技術においては、近年のデザインルールの細線化に伴い、十分なボトムカバレッジ率を確保すべく、ターゲットと半導体ウェハとの間にコリメータと呼ばれる多数の孔を有する円板を設置する方法、いわゆるコリメーションスパッタ法が採用される傾向にある。コリメーションスパッタ法は、スパッタ粒子をコリメータの孔に通すことで、本来無指向性であるスパッタ粒子に指向性をもたせ、半導体ウェハ上に主として垂直方向成分のスパッタ粒子のみを堆積するようにしたものである。
【０００５】
ところで、上述したような成膜技術を用いてＴｉＮ膜を半導体ウェハ上に形成する際、スパッタ粒子は半導体ウェハのみならず、真空処理チャンバ内のシールドやコリメータ等にも付着してＴｉＮ膜を形成する。半導体ウェハ以外に形成されたＴｉＮ膜は発塵源となるため、従来一般には、連続したＴｉＮの成膜プロセスの間にＴｉのみを成膜するペースティングプロセスを入れ、シールド等に付いたＴｉＮ膜をＴｉ膜で封じ込めることとしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＴｉによるペースティングは、ターゲットに対向する面に形成されたＴｉＮ膜の剥離防止手段としては簡便な方法であり、効果的なものである。しかしながら、コリメータの下面（ターゲットとは反対側の面）に形成されたＴｉＮ膜に対しては十分な剥離防止効果がないという問題点があった。これは、コリメータ下面のＴｉＮ膜及びＴｉ膜がいずれも、ガス中の拡散のみにて付着して形成される膜であるため、付着力が弱く不安定な膜となっているからである。また、粒子が付着した際に膜中の表面拡散が殆ど起こらないため、膜中に空孔等が生じ、低密度で脆弱な膜となっていることにも原因があると考えられる。このため、従来においては、ペースティングを繰り返し行っていくと、コリメータ上面のＴｉＮ膜は完全に封じ込まれた状態であるにも拘らず、コリメータ下面のＴｉＮ膜が剥離する恐れが出てくるため、早期にコリメータを交換する必要があった。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的はコリメータ下面の付着物の剥離を効果的に防止する手段を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明によるスパッタ装置は、真空チャンバと、この真空チャンバ内で基板を支持するための支持手段と、支持手段により支持された基板の表面に対向するように設けられたターゲットと、ターゲット及び前記支持手段の間の空間にプロセスガスを供給するガス供給手段と、前記空間に供給されるプロセスガスをプラズマ化するプラズマ化手段と、ターゲット及び支持手段の間に配置されたコリメータと、コリメータを負に電荷する電荷手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
かかる構成において、ターゲットと支持手段との間にプラズマを発生させ、コリメータを負に電荷すると、プラズマ中の正のイオン、例えばＡｒイオンがコリメータに衝突し、ＴｉＮ膜等の付着物を下地に対して押し付けることとなる。これにより、特にコリメータの裏面において、付着物の付着力が増し、また、付着物中で拡散が生じて空孔が埋められ、付着物の剥離が防止されることとなる。
【００１０】
前記の電荷手段としては、コリメータを真空チャンバ、支持手段及びターゲットに対して電気的に絶縁状態とする手段が考えられる。コリメータをこのような絶縁状態、いわゆるフローティング状態とした場合、プロセスガスを流し、プラズマを立てると、コリメータに自己バイアスが発生することになる。また、コリメータに直流電源を接続して、所望の電位としてもよい。
【００１１】
一方、コリメータに衝撃するイオンのエネルギが大きい場合には、正イオンは一旦付着物内に吸収され、エッチングを行うようになる。従って、本発明は、コリメータに正イオンが高エネルギで衝突するような形でプラズマを発生させ、コリメータ付着物をプラズマエッチングする方法も特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付することとする。
【００１３】
図１は、本発明が適用されたスパッタ装置１０を示す断面部分図であり、図２は、図１のスパッタ装置１０におけるガス系統及び電気系統を示す概略図である。このスパッタ装置１０は、ＴｉＮ膜成膜用のものであり、真空チャンバ１２と、その上部開口部に配置されたＴｉ製のターゲット１４とを備えている。真空チャンバ１２の内部には、ターゲット１４と同軸に基板支持手段たるペディスタル１６が配置されている。ペディスタル１６は、その上面で被処理基板である半導体ウェハ１８を支持するよう構成されている。また、ペディスタル１６は導電性材料から成り、好ましくは、ＴｉＮ成膜プロセスに対して融和性の高いＴｉから作られている。このペディスタル１６は、リフト機構（図示せず）により、成膜処理が行われる処理位置（図１において実線で示す位置）と、その下方の非処理位置（図１において二点鎖線で示す位置）との間で上下動可能となっている。
【００１４】
真空チャンバ１２は、基本的には、導電性材料のチャンバ本体２０と、その上部に配置されるプロセスキット２２とから構成されている。プロセスキット２２は、チャンバ本体２０の上部フランジ２４に着脱可能に取り付けられた環状の下部アダプタ２６と、この下部アダプタ２６の上面に着脱可能に取り付けられた環状の上部アダプタ２８とを備えている。これらのアダプタ２６，２８は導電性材料から成り、通常はステンレス鋼やアルミニウム（Ａｌ）、Ｔｉ等から作られている。上部アダプタ２８の上面には、石英やアルミナ等から成る絶縁リング３０を介して、ターゲット１４の周フランジ３２が載置され、着脱可能に固定されている。なお、図１において、符号３４，３６，３８，４０は、部材間の気密性を保つためのＯリングである。
【００１５】
また、図示実施形態のプロセスキット２２はコリメータ４２を有している。このコリメータ４２は、断面六角形の孔４３を蜂の巣状に有する従来から知られた型式の円板状プレートであり、Ｔｉから作られている。コリメータ４２は、下部アダプタ２６の内周面から内方に突出する内フランジ４４に載置されたサポートアセンブリ４６により支持されている。より詳細に述べるならば、サポートアセンブリ４６は、下部アダプタ２６の内フランジ４４に載置されるステンレス鋼、Ａｌ或はＴｉ等の導電性材料から成るアウタサポートリング４８と、このアウタサポートリング４８の内周面の内フランジ５０に載置される石英或はアルミナ等の絶縁材料から成るインナサポートリング５２とから構成されている。そして、コリメータ４２は、インナサポートリング５２の内周面下縁から内方に延びる突出部５４に載置され、これにより、ターゲット１４とペディスタル１６との間に平行に配置されるようになっている。
【００１６】
プロセスキット２２には、更に、チャンバ内壁面がスパッタ粒子でコーティングされるのを防止するためのシールドが設けられている。図示実施形態においては、上部アダプタ２８とコリメータ４２との間のチャンバ内壁面を保護する環状の上部シールド５６と、コリメータ４２と処理位置にあるペディスタル１６との間のチャンバ内壁面を保護する環状の下部シールド５８とが設けられている。これらのシールド５６，５８は導電性材料から成り、好ましくはＴｉから作られている。上部シールド５６は、上部アダプタ２８の下面にねじ止めされ、コリメータ４２の上部外周縁の近傍まで延びており、その下縁部はコリメータ４２から一定の間隙をもって離隔されている。また、下部シールド５８は、下部アダプタ２６の下面にねじ止めされ、処理位置のペディスタル１６の外周面の近傍まで延びている。
【００１７】
下部シールド５８の自由縁部は上方に折り返されており、この部分６０は、ペディスタル１６が非処理位置に下降された際、クランプリング６２を支持するようになっている。クランプリング６２は、ペディスタル１６が処理位置に上昇されたときに半導体ウェハ１８をペディスタル１６に押え付け、ウェハ１８の裏面に、ガス加熱のため、圧力が均等に加わるようにするためのものである。
【００１８】
上記説明から理解されるように、チャンバ本体２０、上下のアダプタ２６，２８、上下のシールド５６，５８及びアウタサポートリング４８は互いに電気的に接続されており、また、ペディスタル１６もチャンバ本体２０に電気的に絶縁されている。一方、ターゲット１４は絶縁リング３０によりチャンバ本体２０等から絶縁されている。図２に示すように、ターゲット１４には直流電源６４の負端子が接続されており、直流電源６４の正端子はチャンバ本体２０に接続されると共に接地されている。更に、コリメータ４２は、絶縁材料から成るインナサポートリング５２によりチャンバ本体２０等から絶縁されているが、コリメータ４２とチャンバ本体２０等との間は、スイッチ６６が介接された電気配線６８により接続されている。
【００１９】
チャンバ本体２０には、更に、プロセスガスの供給手段としてＡｒガス供給源７０及びＮ₂ガス供給源７２が接続されており、また、チャンバ１２内を真空とするための真空ポンプ７４が接続されている。
【００２０】
このような構成のスパッタ装置１０において、半導体ウェハ１８の表面にＴｉＮ膜を反応性スパッタ法により成膜する場合、まず、真空ポンプ７４を作動させて真空チャンバ２０内を所定の真空度まで減圧した後、Ａｒガス供給源７０及びＮ₂ガス供給源７２から所定流量でＡｒガスとＮ₂ガスを供給して混合ガスとし、真空チャンバ１２内に導入する。次いで、ペディスタル１６の上面に半導体ウェハ１８を載置し、ペディスタル１６を上昇させて処理位置に配置する。そして、スイッチ６６を閉じた状態とし、直流電源６４を投入してターゲット１４に負のバイアスをかけると、ターゲット１４とペディスタル１６との間、より詳細にはターゲット１４とコリメータ４２との間にプラズマが発生し、プラズマ中の正のＡｒイオンが、負に電荷しているターゲット１４を衝撃する。Ａｒイオンがターゲット１４に衝突すると、ターゲット１４からターゲット原子、すなわちＴｉ粒子がはじき出される。このＴｉは真空チャンバ１２内のＮ₂と反応してＴｉＮとなり、半導体ウェハ１８上に堆積されＴｉＮ膜を形成する。
【００２１】
この成膜プロセスにおいて、ターゲット１４とペディスタル１６との間には、接地されたコリメータ４２が配置されているため、ターゲット１４からペディスタル１６に向かうＴｉＮ粒子のうち実質的に垂直方向に進む粒子のみがコリメータ４２の孔４３を通過する。従って、半導体ウェハ１８上に成膜されたＴｉＮ膜は、ボトムカバレッジ率の高いものとなる。
【００２２】
一方、垂直方向成分以外のＴｉＮ粒子はコリメータ４２の上面４２ａや孔４３の内面４２ｂに付着してＴｉＮ膜を形成する。また、ガスの拡散により、コリメータ４２の下面４２ｃにもＴｉＮ粒子は付着する。かかるコリメータ４２に形成されたＴｉＮ膜は発塵源となる可能性がある。特に、コリメータ４２の下面４２ｃに形成されたＴｉＮ膜は、前述したように付着力が弱く、低密度で脆弱な膜となっているため、剥離し易い。
【００２３】
そこで、上記の成膜プロセスが連続して所定回数行われたならば、コリメータ４２に形成されたＴｉＮ膜の剥離を防止するためのプロセスを引続き行う。このＴｉＮ膜剥離防止プロセスでは、まず、従来と同様にしてＴｉによるペースティングを行う。すなわち、ＡｒとＮ₂の混合ガスの導入を停止し、真空チャンバ１２内を清浄化すべく真空引きを行った後、Ａｒガスのみを真空チャンバ１２内に導入する。また、ペディスタル１６上に半導体ウェハ１８と同一形状のシャッタディスク（図示せず）を載置し、ペディスタル１６を処理位置に上昇させる。この後、スイッチ６６が閉じられていることを確認し、直流電源６４を投入してターゲット１４とコリメータ４２との間にプラズマを発生させると、プラズマ中のＡｒイオンがターゲット１４に衝撃してＴｉ粒子がスパッタされ、シャッタディスクの上面はもとより、コリメータ４２やシールド５６，５８、クランプリング６２等の表面に形成されたＴｉＮ膜上に堆積する。ターゲット１４からスパッタされたＴｉ粒子が直接コリメータ４２の上面等に付着する場合、そのＴｉ粒子の持つエネルギが大きいので、形成されるＴｉ膜は高密度で安定した膜となり、下層となるＴｉＮ膜の剥離が防止される。
【００２４】
Ｔｉによるペースティングを開始して一定時間経過したならば、次に、直流電源６４をオンの状態としたまま、スイッチ６６を切る。これにより、コリメータ４２は、チャンバ本体２０及びターゲット１４等から電気的に分離した浮遊（フローティング）状態となり、負の浮遊電位が与えられる。従って、プラズマ中に存するＡｒイオンの一部が、負の電位を持つコリメータ４２に向い、コリメータ４２上の膜に衝撃する。このプロセスでは、プラズマはペディスタル１６とターゲット１４との間で生じ、コリメータ４２の下側の領域にもプラズマが存在する。このため、コリメータ４２の下面側もＡｒイオンの衝撃を受ける。
【００２５】
コリメータ４２の下面４２ｃ側のＴｉＮ膜及びＴｉ膜は、ガス中の拡散により飛来する粒子から形成されているため、付着力が弱く、空孔も多い。かかる膜がＡｒイオンの衝撃を受けた場合、押し固められて下地に対する付着力を増す。また、イオン衝撃により膜中で拡散が起こり、空孔がＴｉＮ又はＴｉにより埋まり、Ｔｉ膜及びＴｉＮ膜はじん性を有する高密度の膜となる。既に有効にペースティングがなされているコリメータ４２の上面４２ａ側の膜についても同様な作用を受ける。このようにして、コリメータ４２の表面に形成されたＴｉＮ膜は全体的にＴｉ膜によりしっかりとペースティングされた状態となり、剥離が防止される。なお、コリメータ４２の負の浮遊電位はターゲット１４の負の電位よりも相当に高いため、コリメータ４２に向うＡｒイオンのエネルギは低く、エッチング作用が生ずることはない。
【００２６】
スイッチ６６を切ってから所定時間経過したならば、すなわちコリメータ４２にイオンを低エネルギで衝撃させるプロセス（以下、「イオン衝撃プロセス」という）が終了したならば、直流電源６４をオフにして、一連のＴｉＮ膜剥離防止プロセスを完了する。
【００２７】
上記のＴｉＮ膜剥離防止プロセスでは、Ｔｉによるペースティングプロセスの後に、スイッチ６６を切ってイオン衝撃プロセスを行うこととしているが、直流電源６４の投入と同時にスイッチ６６を切り、イオン衝撃プロセスのみを行うことも考えられる。イオン衝撃プロセスにおいても、ターゲット１４からＴｉがスパッタされてコリメータ４２上に付着するが、Ｔｉによるペースティング効果よりもむしろ、Ａｒイオンの衝撃に起因する膜の稠密化、付着力の増大化による膜剥離防止効果の方が顕著となる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施形態を示す概略図である。上記の第１実施形態では、膜剥離防止プロセスにおいてコリメータ４２を真空チャンバ１２及びターゲット１４から電気的に絶縁することで、浮遊電位を与える構成としているが、第２実施形態は、コリメータ４２に第２の直流電源７６により負の電位を与えるよう構成されている。より詳細には、コリメータ４２は、切換えスイッチ７８により第２の直流電源７６の負端子側又は接地側のいずれかに選択的に接続可能とされており、第２の直流電源７６の正端子は接地されている。その他の構成については、第１実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００２９】
このような構成において、通常の成膜プロセス及びペースティングプロセスでは、第１実施形態の場合と同様に、コリメータ４２は接地された状態に維持される。また、膜剥離防止のためのイオン衝撃プロセスも前述とほぼ同じ手順で行われるが、スイッチ７８を切り換えてコリメータ４２を第２の直流電源７６の負端子に接続する点で相違する。コリメータ４２に直流電源７６が接続されると、コリメータ４２は直流電源７６により規定される負の電位となる。従って、ペディスタル１６とターゲット１４との間で生成されたプラズマ中のＡｒイオンの一部はコリメータ４２に向い、コリメータ４２上のＴｉ膜或はＴｉＮ膜を叩く。その結果として、コリメータ４２上の膜は下地に対して付着力を増し、また、膜中の空孔が埋められて高密度で安定した膜となる。
【００３０】
ここで、第２の直流電源７６により与えられるコリメータ４２の電位は、Ａｒイオン衝撃による付着力の増大化ないしは高密度化という効果が有効に発揮される電位であればいかなる値でもよい。例えば、真空チャンバ１２内の圧力が１〜５ｍＴｏｒｒ、ターゲット１４の電位が−４００〜６００Ｖである場合、コリメータ４２の電位は−１０〜−１００Ｖ程度とするのが好適である。
【００３１】
なお、コリメータ４２に向うＡｒイオンのエネルギが或るしきい値を超えた場合には、膜の高密度化ではなく、コリメータ４２上の膜に吸収されてエッチングを行うようになる。かかるエッチングは、発塵源となる膜そのものを除去するものであり、結果的に膜の剥離防止となる。エッチングを行う場合、図３に示すように、第２の直流電源７６に代えて高周波電源８０をコリメータ４２に接続し、プラズマで自己バイアスを発生すればよい。この場合、成膜プロセスの終了後、排気しＡｒガスのみを真空チャンバ１２内に供給し、高周波電源を投入して、コリメータ４２とペディスタル１６との間でプラズマを生成させることとなる。これにより、プラズマ中のＡｒイオンがコリメータ４２の下面４２ｃ側に衝突し、付着しているＴｉＮ膜をスパッタエッチングすることが可能となる。
【００３２】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、剥離防止の対象はＴｉＮ膜であるが、他の材料、例えばタングステンから成る膜の剥離を防止するようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、コリメータ上の付着物の剥離が容易に起こらない状態とすることができ、或はまた、付着物そのものを除去することができる。従って、コリメータ上の付着物が原因となる汚染粒子が生ずる可能性が低減され、製造される半導体デバイス等の歩留りが向上する。
【００３４】
また、長期にわたり、コリメータを交換せずに成膜プロセスを実施することが可能となる。コリメータを交換する場合、真空チャンバを開放する必要があり、また、再度チャンジ内を所定の真空度まで減圧するには相当な時間を要するため、スパッタ装置の稼働停止時間が長くなり、生産効率が低下するが、本発明によれば、コリメータの交換回数が減るため、生産性、コスト・オブ・オーナーシップが格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスパッタ装置の一実施形態を示す断面部分図である。
【図２】第１実施形態におけるスパッタ装置のガス系統及び電気系統を示す概略図である。
【図３】第２実施形態におけるスパッタ装置のガス系統及び電気系統を示す概略図である。
【図４】第３実施形態におけるスパッタ装置のガス系統及び電気系統を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…スパッタ装置、１２…真空チャンバ、１４…ターゲット、１６…ペディスタル、１８…半導体ウェハ、２０…チャンバ本体、２２…プロセスキット、４２…コリメータ、６４…直流電源、６６…スイッチ、７０…Ａｒガス供給源、７２…Ｎ₂ガス供給源、７６…第２の直流電源、７８…切換えスイッチ、８０…高周波電源。

Claims

真空チャンバと、
前記真空チャンバ内で基板を支持するための支持手段と、
前記支持手段により支持された基板の表面に対向するように設けられたターゲットと、
前記ターゲット及び前記支持手段の間の空間にプロセスガスを供給するガス供給手段と、
前記空間に供給されるプロセスガスをプラズマ化するプラズマ化手段と、
前記ターゲット及び前記支持手段の間に配置されたコリメータと、
前記コリメータに前記プラズマガスの正イオンを衝撃させ前記コリメータ上の付着物を高密度化すべく前記コリメータを負に電荷するための、前記コリメータに接続された直流電源と、
を備えるスパッタ装置。
前記プラズマ化手段が、前記ターゲットと前記支持手段との間に接続された直流電源である請求項１に記載のスパッタ装置。
前記プロセスガスがアルゴンガスである請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
前記ターゲットがチタンであり、前記ガス供給手段が、アルゴンガス及び窒素ガスの混合ガス又はアルゴンガスをプロセスガスとして選択的に供給できるようになっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
真空チャンバと、前記真空チャンバ内で基板を支持するための支持手段と、前記支持手段により支持された基板の表面に対向するように設けられたターゲットと、前記ターゲット及び前記支持手段の間に配置されたコリメータとを有するスパッタ装置において、前記コリメータ上の付着物の剥離を防止するための処理方法であって、
前記真空チャンバ内にプロセスガスを供給するステップと、
前記ターゲットと前記支持手段との間でプラズマを生成するステップと、
前記プラズマ中に存在するプロセスガス成分の正イオンを前記コリメータに衝撃させ前記コリメータ上の付着物を高密度化すべく、前記コリメータに直流電源を接続することにより前記コリメータを負に電荷するステップと、
を備えるコリメータ付着物の処理方法。
前記プラズマを生成するステップは、前記ターゲットと前記支持手段との間に直流電源を接続することにより行われる請求項５に記載のコリメータ付着物の処理方法。
前記プロセスガスがアルゴンガスである請求項５又は６に記載のコリメータ付着物の処理方法。
前記付着物が窒化チタンである請求項５〜７のいずれか１項に記載のコリメータ付着物の処理方法。
前記コリメータを負に電荷するステップに先立ち、前記付着物である窒化チタンの上にチタンを堆積させペースティングを行う請求項８に記載のコリメータ付着物の処理方法。