JP2008163451A - 位置制御型デュアルマグネトロン - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットの中心部に再堆積された材料物質が、該ターゲットから剥がれて、集積回路に欠陥をもたらさない、再堆積物質を洗浄する装置を提供する。
【解決手段】スパッタリング用デュアルマグネトロンにおいて、該マグネトロンの位置は、スパッタ堆積とターゲット洗浄の間で、相補的半径方向に動かすことができる。該マグネトロンは、異なる特徴のサイズ、強度及び不平衡を有する。該ソースマグネトロンは、より小さく、より強く、かつアンバランスのソースマグネトロン６２であり、スパッタ堆積及びエッチングにおいて、ウェーハのエッジ近くに位置している。該補助マグネトロン６４は、より大きく、弱く、かつより平衡しており、該ターゲットの中心を洗浄し、スパッタ堆積において、スパッタイオンを該ソースマグネトロンからガイドするのに使用される。
【選択図】図４

Description

発明の分野

本発明は、一般的に、材料物質のスパッタリングに関する。より具体的には、本発明は、プラズマスパッタリングに使用するマグネトロンに関する。

物理気相堆積法（ＰＶＤ）とも呼ばれるスパッタリングは、半導体集積回路の製造において、金属及び関連する材料物質の層を堆積する最も普及している方法である。スパッタリングは、電気的接触のためのアルミニウムメタライゼーションの平坦な層をスパッタ堆積するために大いに発展した。しかし、近年、高度な集積回路は、電解めっき（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌａｔｉｎｇ；ＥＣＰ）によって施された銅メタライゼーションを急速に使用してきているが、それでも、後に施されるＥＣＰ銅のためのＴａ／ＴａＮや銅シード層等のバリア層を含む高アスペクト比のホール内への薄い等角線形層の堆積のためのスパッタリングに依存している。

ビア等の深いホール内への薄層のスパッタリングは、ターゲットからスパッタされたスパッタ原子の大部分がイオン化されること、及び該イオンを該ホール内に深く引き付けるように、ウェーハが電気的にバイアスされることを必要とした。幅広く使用されるアプローチにおいては、小さなマグネトロンがその中心のターゲットの周辺で回転されて、該ターゲットのスパッタリング面に隣接した強力な磁界を突出させて高密度プラズマをもたらし、このことは、スパッタリング速度を高めるだけではなく、高細分化されたイオン化スパッタ粒子も発生する。マグネトロンがターゲットの中心から離れて配設されても、該イオンは、該中心の方へ拡散して、ウェーハ全体にわたってスパッタ堆積される傾向がある。実際には、他の予防策がとられない限り、該スパッタ堆積は、チャンバ壁に対するイオンのエッジ損のため、ウェーハエッジにおいてよりもウェーハ中心において激しくなる傾向がある。

しかし、周辺に配設された小さなマグネトロンは、スパッタされた原子のうちのかなりの割合が、スパッタされていないターゲットのエリアに再び堆積するという問題に悩まされる。ターゲットの中心部に再堆積された材料物質は、更なるスパッタリングの影響を受けにくく、下にあるターゲットにうまく付着しない厚くなった膜を形成する。ある時点で、該再堆積した膜は、該ターゲットから剥がれて、該チャンバ内に過剰な数の粒子を生成する。このような粒子は、処理中のウェーハ上に落下する傾向があり、結果としてもたらされる歩留まりの損失又はデバイスの信頼性の低下を伴って、結果として生じる集積回路に欠陥をもたらす。その結果として、ターゲットを時々洗浄することが一般的となっている。通常、ウェーハの製造を休止している状態のスパッタリングチャンバの洗浄モードにおいては、スパッタリング条件は、ターゲットの中心が、そこに再堆積されたスパッタ材料を除去するようにスパッタされるように変更される。

既知の洗浄方法は、周辺に配設されたマグネトロンのダウンサイジング、及び洗浄を要するターゲットの中心エリアのサイズの増加により複雑化してきている。しかし、どのような解決法も、チャンバの複雑性又はコストの大幅な増加を招いてはならず、あるいは、過剰な洗浄時間によってシステムの生産性に影響を与えるべきではない。

発明の概要

本発明の一態様は、共に、異なる可変半径で、スパッタリングターゲットの裏で回転する２つのマグネトロンを含む。該マグネトロンは、サイズ、強度及び不平衡が異なっていてもよい。

ソースマグネトロンは、比較的小さく、強くかつ不平衡であり、スパッタ堆積及びスパッタエッチング中に、ターゲットの周辺近くで回転される。補助マグネトロンは、比較的大きく、脆弱でより小さな不平衡であり、ターゲットの洗浄中に、該ターゲットの中心エリアの大きな部分の上で回転される。

該ソースマグネトロンは、それぞれの径方向内側位置であるが、スパッタ堆積中にはターゲット周辺近くに、及び、そのときにはプラズマが抑制又は遮断されるターゲットの洗浄中には、チャンバ壁に隣接する径方向外側部分に配設される。該補助マグネトロンは、ターゲットの洗浄中に、ターゲットの中心近くの領域に重なるそれぞれの径方向内側位置に配設され、また、そのときには好ましくは、プラズマが抑制又は遮断されるスパッタ堆積中には、該チャンバ壁近くの径方向外側位置に配設される。これら２つのマグネトロンは、相補的半径方向に動く。製造ウェーハは、スパッタ堆積中であって、ターゲットの洗浄中でないときに、該ターゲットと反対側に配設される。

該２つのマグネトロンは、スイング部材を、チャンバ中心軸からずれた枢軸周りに枢動させる状態で該チャンバ中心軸周りに回転するアーム上に支持された該スイング部材上に支持することができる。該２つのマグネトロンは、該アームの両側に配設することができ、また、該アームに係合する２つの同様に置かれたバンパーが、該枢動を制限する。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明は、従来のマグネトロンスパッタチャンバを、回転中心周りに相補的半径方向にシフトして、スパッタ堆積又はスパッタエッチング及びターゲット洗浄を含むスパッタリングプロセスの異なる段階の更なる制御を提供することができる多数の異種マグネトロンを含むように変更する。

ＰＶＤ又はスパッタチャンバ１０を、図１の断面図に概略的に図示する。この説明図は、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＥｎｄｕｒａ ＰＶＤスパッタシステムに基づいている。スパッタチャンバ１０は、中心軸１４の周りに配置され、かつ静電チャック又は図示されていないウェーハクランプによってヒータ電極ペデスタル２２上に保持されたウェーハ２０又は他の基板上にスパッタ堆積される材料物質、通常、金属から成るスパッタターゲット１８に対して、セラミックアイソレータ１６を介して密封された真空チャンバ１２を含む。該ターゲット材料物質は、アルミニウム、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、少量の合金化元素を含有するこれらの金属の合金、又はＤＣスパッタリングの影響を受けやすい他の金属とすることができる。該チャンバ内に保持された電気的に接地されたシールド２４は、真空チャンバ１２の壁をスパッタされた材料物質から保護し、陽極接地面を提供する。選択可能で制御可能なＤＣ電源２６は、ターゲット１８にシールド２４に対して約−６００ＶＤＣまでの負のバイアスをかける。ペデスタル２２及びウェーハ２０は、電気的に浮かしたままでもよいが、ある種のスパッタリングの場合、電極ペデスタル２２が、高アスペクト比のホール内深くに、高密度プラズマ中で生成された正電荷のスパッタイオンを引き付けるＤＣ自己バイアス電圧を生じさせることができるように、ＲＦ電源２８が、ＡＣ容量結合回路３０又はより複雑な整合及び分離回路を介してペデスタル２２に結合される。ペデスタル２２が電気的に浮いたままである場合でも、該ペデスタルは、ある程度のＤＣ自己バイアスを生じる。

スパッタガスソース３４は、スパッタリング作業ガス、典型的にはアルゴンを、マスフローコントローラ３６を介してチャンバ１２に供給する。例えば、窒化チタン又は窒化タンタル等の反応性金属窒化物スパッタリングにおいては、窒素が反応性ガスソース３８からマスフローコントローラ４０を介して供給される。Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物を発生させるために、酸素も供給することができる。これらのガスは、１つ以上のインレットパイプがシールド２４の裏でガスを供給する状態で、図示のような底部近傍からを含むチャンバ１２内の様々な位置から入れることができる。該ガスは、シールド２４の底部におけるアパーチャを通って、又は、ペデスタル２２とシールド２４の間に形成されたギャップ４２を通って突き通る。チャンバ１２に接続された真空ポンピングシステム４４は、広いポンピングポート４６を介して、チャンバ１２の内部を低圧に維持する。基準圧力は、約１０^−７トール又はそれよりも低くにも保持することができるが、アルゴン作用ガスの従来の圧力は、典型的には、約１〜１０００ミリトールに維持される。しかし、半イオン化スパッタリングの場合、該圧力は、多少低く、例えば、０．１ミリトールに下げてもよい。持続性自己スパッタリング（ｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｓｅｌｆ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎ；ＳＳＳ）の場合、一旦、プラズマが点火されると、アルゴンの供給は停止させてもよく、また、チャンバ圧力は、非常に低くすることができる。コンピュータベースのコントローラ４８は、ＤＣ電源２６及びマスフローコントローラ３６、４０を含むリアクタを制御する。

アルゴンが該チャンバ内に入ると、ターゲット１８とシールド２４の間のＤＣ電圧が該アルゴンを点火してプラズマにする。該ターゲットの底部周辺部と接地されたシールド２４の間のプラズマ暗部領域５０における分離は、プラズマをサポートする最小距離以下に保たれるため、シールド２４は、該プラズマを介して、バイアスがかけられたターゲット１８を遮断しないことに留意する。プラズマ暗部領域５０内には、強い電界が存在するが、該プラズマ暗部全体に電流を流す荷電プラズマ粒子は実質的に存在しない。

プラズマ中で励起された正荷電アルゴンイオンは、負にバイアスされたターゲット１８に引き付けられて、ターゲット１８にぶつかったときに、該イオンがターゲット原子をターゲット１８からスパッタさせるのに十分なかなりのエネルギまで加速される。該ターゲット粒子の一部は、ウェーハ２０にぶつかり、それによって該ウェーハ上に堆積し、それによって該ターゲット材料物質からなる膜を形成する。金属窒化物の反応性スパッタリングにおいては、窒素がチャンバ１２内に追加的に入れられ、該窒素は、スパッタされた金属原子と反応して、ウェーハ２０上に金属窒化物を形成する。

有効なスパッタリングを提供するために、マグネトロンシステム６０は、ターゲット１８の裏に位置決めされ、該ターゲットのスパッタリング面の近くの該真空チャンバ内に磁界をもたらす。この磁界は、電子及びイオンを捕捉し、それによって、プラズマ密度を増加させ、またそれによって、スパッタリング速度も増加させることができる。本発明の一実施形態によれば、マグネトロンシステム６０は、共に、チャンバ１２の中心軸１４に対して回転アーム６６の異なる位置に支持されている、ソースマグネトロン６２と補助マグネトロン６４とを含む。２つのマグネトロン６２、６４は、同様であるが多少異なる構造を有し、適切な制御下で異なる効果を実現する。ソースマグネトロン６２は、第１の半径方向位置で回転アーム６６に固定され、かつ垂直方向に第１の磁極性の外側極７２と、外側極７２によって囲まれ、かつ閉塞リング内に形成されたギャップ７８によって該外側極と隔てられた、該第１の磁極性と逆の第２の磁極性の内側極７４とを支持し及び磁気的に結合する磁気ヨーク７０を含む。２つの極７２、７４間に拡がる磁界は、ターゲット１８のスパッタリング面の第１の部分に隣接してソース高密度プラズマ領域８０をもたらす。ソース高密度プラズマ領域８０は、ギャップ７８の形状に追従する閉じたプラズマトラック又はループという形で形成され、このことは、該プラズマの端損失を防ぐ。同様に、補助マグネトロン６４は、第２の半径方向位置で回転アーム６６に固定され、かつ好ましくは第１の磁極性の外側極８４と、外側極８４によって囲まれ、かつ別の閉塞リング内に形成されたギャップ８８によって該外側極と隔てられた、逆の磁極性の内側極８６とを支持し及び磁気的に結合する磁気ヨーク８２を含む。２つの極８４、８６間に拡がる磁界は、ターゲット１８のスパッタリング面の第２の部分に隣接して補助高密度プラズマ領域９０をもたらす。補助高密度プラズマ領域９０は、ギャップ８８の形で別の閉じたプラズマトラック又はループという形で形成され、このことは、同様にプラズマの端損失を防ぐ。これら２つの高密度プラズマ領域８０、９０におけるプラズマループは、互いに独立して大きく隔てられ、かつ大いに作用する。重要なことには、後述するように、一方のプラズマループを励起することができ、その間、他方が消される。

モータ９６によって駆動される回転シャフト９４は、中心軸１４に沿って延び、半径方向移動機構９８を支持し、該移動機構は、その下に回転アーム６６及び２つのマグネトロン６２、６４を支持する。それによって、半径方向移動機構９８は、２つのマグネトロン６２、６４を相補的半径方向に動かし、すなわち、一方は、中心軸１４に向かって半径方向に動き、他方は、該中心軸から離れて半径方向に動く。これら２つの半径方向は、共通の直径を専有する必要はない。

スパッタリングは、ターゲット１８をかなり加熱する。それに応じて、バックチャンバ１００は、ターゲット１８の裏に対して密封され、冷水の流体浴１０２によって満たされ、該冷水は、図示されていない冷却装置、及び該冷水を再循環させる配管によって冷却される。回転シャフト９４は、回転シール１０４を通ってバックチャンバ１００内に突き抜ける。半径方向移動機構９８を含むマグネトロンシステム６０は、流体浴１０２に浸される。

ソースマグネトロン６２は小さく、強力で平衡していない。そのサイズは、外側極７２の外周部によって包囲されるエリアによって規定することができる。不平衡は、内側極７４に対して統合された総磁気密度又は磁束によって分けられた、外側極７２に対して統合された総磁気密度又は磁束の割合として規定される。この不平衡は、一方よりもかなり、例えば、４倍以上大きい。磁気的不平衡は、外側極７２から発する磁界の一部を、ウェーハ２０に向かって突出させて、イオン化されたスパッタ粒子をウェーハ２０へ導く。ソースマグネトロン６２は小さいため、該ソースマグネトロンは、ターゲット１８に加えられるパワーを、ソースマグネトロン６２の下にあるエリアに集中させる。すなわち、パワー密度が増加する。ソースマグネトロン６２の強度は、より高密度のプラズマを生成する。該強度の一部は、ギャップ７８の幅に逆相関する。その結果として、ターゲット１８は、ソースマグネトロン６２のエリア内に強力にスパッタされ、高密度のプラズマ８０は、スパッタされた粒子の相当量をイオン化させる。イオン化された粒子は、平衡でない磁界によってウェーハ２０に導かれる。

一方、補助マグネトロン６４は、比較的大きく、ソースマグネトロン６２よりも不平衡を少なくすることができる。典型的には、そのサイズはより大きく、また、そのギャップ８８は、ソースマグネトロン６２のギャップ７８よりも広い。

イオン拡散及び誘導磁界は、スパッタイオンを中心軸１４の方へ押す傾向があるため、ソースマグネトロン６２をターゲット１８の半径方向外側部分に位置決めされた場合に、そのようなマグネトロンによるスパッタ堆積の均一性が改善されることが分かっている。しかし、主たるスパッタリングが、ターゲット１８の外周帯部で行われた場合、スパッタされたターゲット原子の一部は、該スパッタされた帯部内のターゲット１８の内側部分に再堆積しやすくなる。ソースマグネトロン６２から離れて行われるスパッタリングは非常に少ないため、再堆積した材料物質は、緩く結合した材料物質からなる厚い層になりやすい。該再堆積した膜が十分に厚く成長した場合、該膜は、剥がれて、相当量の粒子を生成しやすく、それによって、ウェーハ２０上に堆積された該膜、及びターゲット１８の中間部から落下する粒子近傍で形成された何らかのデバイスの品質を低下させる。

米国特許出願公開第２００６／００７６２３２号として公開された、２００５年９月１４日に出願され、参照として本明細書に組み入れられる米国特許出願第１１／２２６，８５８号明細書において、Ｍｉｌｌｅｒらは、洗浄モード中に、ソースマグネトロンを、ターゲットの中心方向に動かすことによって、該ターゲットの内側部分を時々洗浄する必要性を認めている。該明細書の主要な実施形態は、２つの半径方向位置の間で、機械的にバイアスがかけられたソースマグネトロンを変化させる遠心力及び可変回転速度に依存する。しかし、そのような遠心力による作動は、該マグネトロンを中心に置くように動かす難しさのため、及び非常に小さなサイズのソースマグネトロンは、別の半径方向位置において、再堆積した中心エリアを洗浄するのに力不足である可能性があるため、該ターゲットの極めて中心の洗浄に容易に適合しない。また、Ｍｉｌｌｅｒらは、該ソースマグネトロンをウェーハ半径を横断させて積極的に動かすいくつかの装置を提案している。そのようなアクティブな制御は可能ではあるが、実施し、維持するのが難しい。Ｒｏｓｅｎｓｔｅｉｎらは、米国特許第６，２２８，２３６号明細書において、関連する問題に対応しており、ソースマグネトロンは、主にウェーハの中心部分をスパッタするが、外側部分を洗浄するために動くことができる。これらの装置は、回転アーム及び支持されたマグネトロンを２つの半径方向位置において変化させる水力又は流体力学的ドラッグによって作動する可逆的回転動及び２次フリー回転アームに依存する。しかし、ここでもまた、そのような機構は、該ターゲットの極めて中心及び極めてエッジを洗浄する小さなソースマグネトロンには適合し難い。本発明者の１人であるＧｕｎｇは、参照として本明細書に組み入れられる、２００４年９月２３日に出願され、現在、米国特許出願公開第２００６／００６０４７０号として公開されている米国特許出願第１０／９４９，８２９号明細書において、異なるサイズの半径方向に固定された２つのマグネトロンを開示している。彼は、スパッタ堆積中に、チャンバ圧力を、大きい方のマグネトロンがプラズマをサポートする最小圧力以下に低下させることにより、該２つのマグネトロンのうちの小さい方のみを励起することを記載している。しかし、そのような圧力のスイッチングは、窒化物の反応性スパッタリングに使用される高いチャンバ圧力においては効果のないことが分かっている。

本発明の一態様によれば、ソースマグネトロン６２と比較して比較的大きい補助マグネトロン６４は、ターゲット１８の中心を洗浄するのに使用される。しかし、主たるスパッタリング工程中には、補助マグネトロン６４のプラズマを消すことが望ましい。それに応じて、図２のプロセスフロー図に図示するように、ステップ１１０において、ソースマグネトロン６２は、ターゲット１８がスパッタ堆積のためにスパッタされるプロセス半径まで半径方向内方へ動かされ、また、補助マグネトロン６４は、半径方向外方へ動かされる。しかし、その内方位置においても、ソースマグネトロン６２は、概してウェーハ２０の外側部分上に位置している。補助マグネトロン９４の外側位置においては、そのプラズマトラックは、プラズマ暗部５０を封じて電気的に短絡させ、又は、場合により、接地されたシールド２４に直接、接地する。いずれの場合においても、補助的な高密度プラズマ領域９０における過剰なプラズマ損失は、スパッタリング条件の下で、補助マグネトロン６４の外側位置における補助的プラズマの維持を防ぐのに十分である。マグネトロン６２、６４をこのように位置決めした状態で、ステップ１１２において、ターゲット１８は、ソースマグネトロン６２のエリア内でスパッタされ、該マグネトロンは、プラズマが消えることを防ぐように、プラズマ暗部５０から十分に離れて動かされる。処理条件により、ターゲットスパッタステップ１１２において、ウェーハ２０をスパッタ堆積ではなく、スパッタエッチングしてもよいことに留意する。１枚以上のウェーハ２０をステップ１１２の間に処理してもよい。

ある時点で、再堆積した材料物質が、ターゲット１８の中心に蓄積され、除去する必要がある。ステップ１１４において、ソースマグネトロン６２は、そのプラズマトラックがプラズマ暗部５０を通って流れ、接地されたシールド２４に直接、接地されるように、外側へ動かされる。一方、補助マグネトロン６４は、プラズマ暗部５０から離れて内方に、及び洗浄を必要とする全てのエリアを含む該ターゲットの中心１４に向かって動かされる。マグネトロン６２、６４をそのように再位置決めした状態で、ステップ１１６において、ターゲット１８は、好ましくは、該処理チャンバ内に製造ウェーハがない状態で洗浄される。高ターゲットパワーの下でも、ソースマグネトロン６２は、プラズマをサポートすることができないため、全てのターゲットパワーは、洗浄プラズマへ送られる。

約３／４インチ（２ｃｍ）の半径方向の動程が、２つのマグネトロンのうちの一方又は他方に関連するプラズマを消すのに十分であることが分かっている。

本発明は、図３の底部平面図に図示したマグネトロンを使用して検証した。この実施形態のソースマグネトロン６２は、前に引用した特許出願において、Ｍｉｌｌｅｒらによって記載されたＬＤＲマグネトロンとすることができる。その外側極は、磁極片１２０の下で単一の列として配置された、図示されているような第１の磁極性Ｎの２０個の円筒形磁石１２２を内在する環状磁極片１２０を含む。その内側極は、２つの密集した列として配置された、図示されているような第２の磁極性Ｓの１０個の磁石１２６を内在する円弧状磁極片１２４を含む。ソースマグネトロン６２は、２：１と磁気的にアンバランスである。磁極片１２０、１２４は、実質的に一定幅の閉じたギャップ１２８によって隔てられている。磁石１２２、１２６は、磁極片１２０、１２４と磁気支持ヨーク７０との間に捕捉されている。磁極片１２０、１２４の円弧状部分及びギャップ１２８の一部は、ギャップ１２８の実質的な離間距離を伴って中心軸１４を中心とする回転円に追従する傾向があり、回転中心１４から該プラズマループを画成する。補助マグネトロン６４の外側極は、第１の磁極性の３４個の磁石１３２を内在し、連続的かつなだらかに湾曲し、回転軸１４の近くにその頂点を有する概して三角形状で配置された、環状外側磁極片１３０を含む。その内側極は、２列で配置された第２の磁極性の２８個の磁石１３６が内在する内側磁極片１３４を含む。補助マグネトロン６４は、１７：１４と多少磁気的にアンバランスであるが、該ソースマグネトロンよりは少ない。内側磁極片１３４は、内部開口１３８を有し、かつソースマグネトロン６２のギャップ１２８の幅よりも大きいほぼ一定の幅の閉じたギャップ１４０によって外側磁極片１３０から隔てられている同様の連続的かつなだらかにする概して三角形状を有する。補助マグネトロン６２は、ソースマグネトロン６２より大きく、より小さなアンバランスであり、ギャップ１４０の幅の増加のため、概して低下した磁界密度を作り出す。一実施形態において、２つのマグネトロン６２、６４は、図示した離間距離及び幾何学的配置を維持するが、回転中心１４の位置は、作動モードの変化中に、一方又は他方のマグネトロン６２、６４の方へ動く。

マグネトロンシステム６０を、作動位置の概して上から見た図４の正投影図に図示する。該システムは、クランプ１５２によって回転シャフト９４に対してその中心で固定されたクロスアーム１５０を含む。該クロスアームの一端部は、マグネトロンシステム６０の回転軸１４周りの回転の外部磁気モニタリングを可能にするために、ポスト１５８の上部に馬蹄形磁石１５６を含むカウンターウェイト１５４を支持する。回転軸１４を横切るクロスアーム１５０の他端部は、オフセット垂直旋回軸１６３周りの回転のためのＬ字状リンク１６２を回転可能に支持する回転軸受１６０を支持する。リンク１６２は、ねじ１６６によって、ソースマグネトロン６２の支持ヨーク７０の拡張側部に固定された第１のアーム１６４を含む。また、リンク１６２は、オフセット回転軸１６３から、第１のアーム１６４に対して略垂直に延びる第２のアーム１６８も含む。第２のアーム１６８は、ねじ１７０によって、補助マグネトロン６４の支持ヨーク８２の中心部に固定されている。アーム１６４、１６８を含むリンク１６２は、２つのマグネトロン６２、６４を支持し、かつ該マグネトロンを旋回軸１６３周りに枢動させるスイング部材として機能する。

該スイング部材の図示した構成は、マグネトロン６２、６４を、回転中心１４に対して、異なる半径方向及び相補的半径方向でスイングさせる。該相補的動きは、概して第１のアーム１６４に追従する、ソースマグネトロン６２の中心と旋回中心１６３との間のソース軸が、概してクロスアーム１５０に追従する、回転中心１４と旋回軸１６３間に延びる該旋回アームの一方の側に位置し、一方、概して第２のアーム１６８に追従する、補助マグネトロン６４の中心と旋回中心１６３との間の補助軸が、該旋回アームの他方側に位置するために生じる。該マグネトロンの中心は、該マグネトロンの対向する極の間のギャップの中心線をたどる周辺部を有するエリアに対する重心の幾何学的中心の中心として定義することができる。しかし、典型的には、該中心は、該内側極の外周部の内部のいずれかの箇所によって近似される。

マグネトロンシステム６０は、ターゲット１８の裏で、冷却槽１０２内に浸され、そのマグネトロン６２、６４は、導電性ターゲット１８から近接して離間されている。その結果として、回転シャフト９４は、マグネトロン６２、６４を回転軸１４周りのいずれかの方向に回転させ、冷却槽１０２の粘性液体からの水力ドラッグ及び導電性ターゲット１８内にマグネトロン６２、６４によって誘導される磁気渦電流は共に、該回転を妨げる傾向がある。同じ円周方向に作用する水力ドラッグ及び渦電流の結果として、マグネトロンシステム６０の中心軸１４周りの回転中に、マグネトロン６２、６４は、該回転方向と逆方向の妨げる力を受ける。この妨げる力は、旋回軸１６３周りの回転モーメントを生じ、リンク１６２を旋回軸１６３周りに回転させる。該水力ドラッグは、回転シャフト９４が回転を始め、又は方向を変えるときに最も大きくなるが、冷却水が補充されるため、槽１０２がマグネトロンシステム６０と共に渦巻くので、恐らくなくなることはない。該渦電流は、回転時間中、著しく低下しない。遠心力からの寄与もあるが、それは、２つのマグネトロン６２、６４の同様の重量及びモーメントアームのため、比較的少ない。リンク１６２の形状及びその支持されたマグネトロン６２、６４は、マグネトロン６２、６４の一方を中心軸１４に向かって動かし、他方を離れるように動かす。一方のマグネトロンの内方への動き、及び他方のマグネトロンの外方への動きは、クロスアーム１５０の両端に係合することにより、それぞれの更なる内方への動きから停止される、代替的にストップと呼ばれる２つのバンパー１７４、１７６によって制限される。第１のバンパー１７４は、ねじ１８０によって、ソースマグネトロン６２の支持ヨーク７０の別の拡張部分に固定されたアーム１７８に固定されており、一方、第２のバンパー１７６は、補助マグネトロン６４の支持ヨーク８２に固定されている。

これら２つの位置の間のスイッチングは、回転シャフト９４の回転軸１４周りの回転、すなわち、マグネトロンシステム６０全体の回転軸１４周りの回転の方向を逆転させるコンピュータ制御のモータ９６によって実施される。図５の平面図に図示するように、回転シャフト９４がクロスアーム１５０を回転軸１４の周りに反時計回りに回転させた場合、上記妨げる力は、ソースマグネトロン６２に固定されたバンパー１７４が、クロスアーム１５０の一方の側に係合するまで、リンク１６２及びそのアーム１６４、１６８を、旋回軸１６３の周りを時計回り方向に回転させる。この処理構成において、ソースマグネトロン６２は、ソースマグネトロン６２が、ウェーハ２０のスパッタ堆積又はスパッタエッチングのためのプラズマをサポートすることができるように、チャンバ壁１２、接地シールド２４及びプラズマ暗部５０から離れた半径方向内方位置に設置される。また、この処理構成においては、補助マグネトロン６４は、該プラズマトラックが該プラズマ暗部を介して排出され、又はシールド２４に接地されるように、チャンバ壁１２の近くの半径方向外側位置に設置される。従って、半径方向外側位置における補助マグネトロン６４は、相当量のプラズマをサポートすることができない。

しかし、図６の平面図に図示するように、回転シャフト９４がクロスアーム１５０を回転シャフト９４周りで時計回りに回転させた場合、該妨げる力は、補助マグネトロン６４に固定されたバンパー１７６がクロスアーム１５０の他方の側に係合するまで、リンク１６２及びアーム１６４，１６８を、旋回軸１６３周りに反時計回りに回転させる。この洗浄構成において、補助マグネトロン６４は、補助マグネトロン６４が、少なくともより高いチャンバ圧力でプラズマをサポートし、該ターゲットを洗浄できるように、チャンバ壁１２及び電気的接地要素から離れて内方方向に配置される。更に、該内方位置において、該大きい補助マグネトロン６４は、ターゲット中心１４近くを含む広いエリアにわたって拡がっており、それによって、ターゲット１８の大きな中心部分の有効な洗浄を提供する。一方、この洗浄構成において、ソースマグネトロン６２は、チャンバ壁１２、接地されたシールド２４及びプラズマ暗部５０の近くで、その外側位置に配置される。その結果として、ソースマグネトロン６２は、洗浄段階中に、ターゲット１８をあまりスパッタリングせず、かつ腐食しないため、プラズマのサポートに対してそれほど有効ではない。

該処理モードは、典型的には、その内側位置において、ソースマグネトロン６２の近くの該ターゲットのエリアにおいて高割合のイオン化を促進する低いチャンバ圧力で実行される。そのような低圧では、補助マグネトロン６４は、その外側位置において、その電気的接地から離れていても、プラズマをサポートすることができない。その結果として、該補助マグネトロンが該処理モード中に接地されないことは必要ではない。しかし、前に指摘したように、ＴａＮ又はＴｉＮの反応性スパッタリングは、典型的には、補助マグネトロン６４がプラズマをサポートすることができる高いチャンバ圧力で実行される。従って、処理中に、ソースマグネトロン６２にターゲットパワーを集中させるためには、補助マグネトロン６４を積極的に短絡させることが望ましい。プラズマをサポートする、又はサポートしない場合、補助マグネトロン６４は、ソースマグネトロン６２近くで発生したスパッタイオンをガイドするように機能する補助的磁界を発生させる。図１及び図３に図示されているように、該処理モード中に、両マグネトロンの外側極が同じ極性を有する場合、該補助マグネトロンは、イオンをターゲット中心１４から離れて反発させるように機能する。Ｔａｎｇらが、２００７年３月２２日に出願された米国特許出願第１１／６８９，７２０号で説明しているように、小さなオフセットのソースマグネトロンの単独での使用は、中心部に集中するスパッタ堆積及びスパッタエッチングを招く傾向がある。プラズマをサポートしていないときに補助マグネトロン６４によって生成される反発作用は、大部分がソースマグネトロン６２によって発生するスパッタ堆積及びスパッタエッチングの半径方向均一性を有利に改善する。しかし、２つのマグネトロン６２、６４は、他の用途に対して、両極性の外側極を有することができる。補助マグネトロン６４の相対極性は、該均一性を改善する補助的磁界を提供する際のソースマグネトロン６２のプロセス要件、すなわち、スパッタ堆積かスパッタエッチングのためかによる。

説明した実施形態は、２つのマグネトロンの半径方向の動きに強く関連するが、他の実施形態も、それぞれの半径方向の動きの別々の制御を可能にすることができる。

説明した実施形態は、２つのマグネトロンの半径方向位置の変化を実施するために、回転方向の反転に依存するが、Ｍｉｌｌｅｒらによって説明されているような遠心力可変速度制御、すなわち、２つのマグネトロンの共同の動きのためか、又は該２つのマグネトロンの別々に制御された動きのためのいずれかのために正の半径方向の動きを提供する１つ以上のアクチュエータを含む他の種類の制御も可能である。図４の２つのマグネトロン６２、６４の相補的な動きに対する機械的位置制御の単純な構造は、クロスアーム１５０と、リンクアーム１６４、１６８の一方との間の外部制御の機械的アクチュエータを、反対側の枢動方向に機能する同様に配置されたバイアスばねの実行可能な追加と結びつける。それにより、該マグネトロンの位置を、回転方向及び回転速度と無関係に素早く制御することができる。

従って、本発明は、スパッタリング装置において、スループットに対する影響を抑え、かつ比較的単純で費用のかからないアップグレードによって、高度なスパッタ堆積性能及び有効なターゲット洗浄を可能にする。

本発明のデュアルマグネトロンを組込んだプラズマスパッタチャンバの断面図である。 本発明に含まれるスパッタリングプロセスのフロー図である。 本発明のデュアルマグネトロンの一実施形態におけるソースマグネトロン及び補助マグネトロンの平面図である。 図３のソースマグネトロン及び補助マグネトロンを組込んだマグネトロンシステムの正投影図である。 スパッタ堆積位置におけるソースマグネトロン及び補助マグネトロンの平面図である。 ターゲットの洗浄位置におけるソースマグネトロン及び補助マグネトロンの平面図である。

符号の説明

１４…中心軸、６０…マグネトロンシステム、６２…ソースマグネトロン、６４…補助マグネトロン、１５０…クロスアーム、１６３…オフセット回転軸。

Claims (21)

1. プラズマスパッタチャンバ内のターゲット付近での使用のためのマグネトロンシステムであって、
   回転軸に沿って延びる回転シャフトに固定するために構成されたアームと、
   前記回転軸からずれた旋回軸において、前記アームに回転可能に取り付けられたスイング部材と、
   前記スイング部材上の第１の位置に支持された第１のマグネトロンと、
   前記スイング部材上の第２の位置に支持された、前記第１のマグネトロンとは異なる構成を有する第２のマグネトロンと、
   を備え、
   前記スイング部材の一方向における回転が、前記第１のマグネトロンを前記回転軸から離れて動かし、かつ前記第２のマグネトロンを前記回転軸の方へ動かす、システム。
2. 前記第１の位置が、前記アームの一方の側にあり、前記第２の位置が、前記アームの反対側の第２の側にあり、前記アームの両方の側の前記旋回部材に固定された第１バンパー及び第２バンパーを更に備え、前記第１バンパー及び第２バンパーは、前記スイング部材が前記旋回軸周りに旋回したときに前記アームに係合可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のマグネトロンが：
   第１の総磁気強度を有する第１の磁極性の、外側の第１の磁極と；
   第２の総磁気強度を有し、前記第１の磁極に囲まれ、かつ第１のギャップによって前記第１の磁極と隔てられている、前記第１の磁極性とは逆の第２の磁極性の、内側の第２の磁極と；
   を含み、
   前記第２のマグネトロンが：
   第３の総磁気強度を有する第３の磁極性の、外側の第３の磁極と；
   第４の磁気強度を有し、前記第３の磁極によって囲まれ、かつ第２のギャップによって前記第３の磁極から隔てられている、前記第３の磁極性とは逆の第４の磁極性の、内側の第４の磁極と；
   を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１及び第３の磁極性が、同じ方向に延びている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１のギャップが、前記第２のギャップよりも小さい、請求項３に記載のシステム。
6. 前記第１の磁極の外周部によって取り囲まれたエリアが、前記第３の磁極の外周部によって取り囲まれたエリアよりも少ない、請求項３に記載のシステム。
7. 前記第１の総磁気強度と前記第２の磁気強度の比が、前記第３の総磁気強度と前記第４の磁気強度の比よりも大きい、請求項３〜６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 処理される基板のための支持体を包含し、かつターゲットによって密封されるように構成された、中心軸の周囲に配置された真空チャンバボディと、
   前記中心軸に沿って配置された回転シャフトと、
   前記回転シャフトによって回転され、かつ前記中心軸に対して半径方向にずれている第１のマグネトロンと、
   前記第１のマグネトロンとは異なる構成を有し、前記回転シャフトによって回転され、かつ前記中心軸に対して半径方向にずれている第２のマグネトロンと、
   を備える、プラズマスパッタリングシステム。
9. 前記第１のマグネトロンと第２のマグネトロンが、相補的な半径方向に動くようにつながっている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記マグネトロンの各々が、それぞれの半径方向内側位置において、プラズマをより効果的にサポートし、それぞれの半径方向外側位置において、プラズマをあまり効果的にサポートしない、請求項８に記載のシステム。
11. 前記第１のマグネトロンが：
    第１の総磁気強度を有する第１の磁極性の、外側の第１の磁極と；
    第２の総磁気強度を有し、前記第１の磁極によって囲まれ、かつ第１のギャップによって前記第１の磁極から隔てられている、前記第１の磁極性とは逆の第２の磁極性の、内側の第２の磁極と；
    を含み、
    前記第２のマグネトロンが：
    第３の総磁気強度を有する第３の磁極性の、外側の第３の磁極と；
    第４の総磁気強度を有し、前記第３の磁極によって囲まれ、かつ第２のギャップによって前記第３の磁極から隔てられている、前記第３の磁極性とは逆の第４の磁極性の、内側の第４の磁極と；
    を含む、請求項８に記載のシステム。
12. 前記第１の磁極性と第３の磁極性が、同じ方向に延びている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１のギャップが前記第２のギャップよりも小さい、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記第１の磁極の外周部によって取り囲まれたエリアが、前記第３の磁極の外周部によって取り囲まれたエリアよりも少ない、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記第１の総磁気強度と第２の総磁気強度の比が、前記第３の総磁気強度と第４の総磁気強度の比よりも大きい、請求項８〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記第１のマグネトロンが：
    第１の総磁気強度を有する第１の磁極性の、外側の第１の磁極と；
    第２の総磁気強度を有し、前記第１の磁極によって囲まれ、かつ第１のギャップによって前記第１の磁極から隔てられている、前記第１の磁極性とは逆の第２の磁極性の、内側の第２の磁極と；
    を含み、
    前記第２のマグネトロンが：
    第３の総磁気強度を有する前記第１の磁極性の、外側の第３の磁極と；
    第４の総磁気強度を有し、前記第３の磁極によって囲まれ、かつ前記第１のギャップよりも小さい第２のギャップによって前記第３の磁極から隔てられている、前記第３の磁極性とは逆の前記第２の磁極性の、内側の第４の磁極と；
    を含み、
    前記第１の磁極の外周部によって取り囲まれたエリアが、前記第３の磁極の外周部によって取り囲まれたエリアよりも少なく、
    前記第１の総磁気強度と第２の総磁気強度の比が、前記第３の総磁気強度と第４の総磁気強度の比よりも大きい、請求項１５に記載のシステム。
17. 中心軸の周囲に配置され、かつ基板のための支持体と対向してターゲットを有するスパッタチャンバ内で実行するスパッタリング方法であって、
    動作の第１のモードにおいて、前記ターゲットの裏で、前記中心軸周りに、第１の半径で第１のマグネトロンの第１の中心を、及び第２の半径で、前記第１のマグネトロンとは異なる磁気構成の第２のマグネトロンの第２の中心を回転させるステップと、
    動作の第２のモードにおいて、前記ターゲットの裏で、前記中心軸周りに、前記第１の半径よりも大きい第３の半径で、前記第１のマグネトロンの前記第１の中心を、及び前記第２の半径よりも大きい第４の半径で、前記第２のマグネトロンの中心を回転させるステップと、
    を備える方法。
18. 前記第１のモードにおいて、製造基板が、スパッタ処理される前記支持体上に設置され、前記第２のモードにおいては、前記ターゲットが洗浄されている間が、前記支持体上に製造基板が設置されない、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１のマグネトロンが、前記第２のモードよりも前記第１のモードにおいて、前記チャンバ内のプラズマをより効率的にサポートし、前記第２のマグネトロンが、前記第１のモードよりも前記第２のモードにおいて、前記チャンバ内のプラズマをより効率的にサポートする、請求項１７に記載の方法。
20. 前記第１及び第２のマグネトロンが、前記中心軸に沿って延びる回転シャフトに固定されたアーム上の旋回中心周りに旋回するスイングプレート上に取り付けられている、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記第１のモードにおいて、前記回転シャフトが、第１の回転方向に回転され、前記第２のモードにおいて、前記回転シャフトが、逆の第２の回転方向に回転される、請求項２０に記載の方法。

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