Ｈｉｐｉｍｓによる反応性スパッタリング

专利摘要:
基板に形成された高いアスペクト比を有するキャビティの表面上に、絶縁層をスパッタ堆積するための方法および装置が提供される。絶縁層に含まれる材料から少なくとも一部が形成されるターゲットおよび基板が、ハウジングによって画定される実質的に閉鎖されたチャンバ内に設けられる。実質的に閉鎖されたチャンバ内でプラズマが点火され、少なくとも一部がターゲットの表面の近傍にプラズマを含むように磁界がターゲットの表面の近傍に生成される。カソードとアノードとの間に高出力電気パルスを反復的に確立するように、電圧を急速に上昇させる。電気パルスの平均出力は少なくとも０．１ｋＷであり、任意でより大きくすることができる。スパッタ堆積の動作パラメータは、金属モードと反応モードとの間の移行モードで、絶縁層のスパッタ堆積を促進するように制御される。
公开号:JP2011506759A
申请号:JP2010536473
申请日:2008-12-05
公开日:2011-03-03
发明作者:スタニスラフ・カドレック；モハメド・エルガザリ；ユルゲン・ヴァイシャルト
申请人:オーツェー・エリコン・バルザース・アーゲー；
IPC主号:C23C14-35

专利说明:

[0001] 関連出願の相互参照
本願は、２００７年１２月７日に出願された米国仮出願第６１／０１２，１０３号の優先権を主張し、その全体を参照によって本願に援用する。]
[0002] 本願は、一般に反応性スパッタリング方法および装置に関し、より詳細には、適切なスパッタ速度およびターゲットと装置のアノードまたは他の部分との間に起きるアーク発生を最小限化するための方法および装置に関する。]
背景技術

[0003] 反応性マグネトロンスパッタリングは、一般に金属のターゲットから窒化または酸化層を生成するために使用される。反応性マグネトロンスパッタリングを使用することができる用途の例には、摩耗防止目的のためのハードコーティングの製造、フィルターおよび反射防止コーティングのための光学コーティングの製造、および電子機器分野での拡散バリアおよび絶縁層の製造を含む。しかし、従来のスパッタ堆積プロセスによって形成されたそのような層は、層を使用する特定の用途にとって最適ではない硬度、密度、ピンホール含有などの特性を含むことが多い。]
[0004] これらの層のそのような特性を改善する１つの試みとして、パルススパッタリングプロセスが提案されてきた。最近の開発によると、０．５から１０％の低いデューティサイクルおよび最大で数メガワットの出力レベルのパルスなど、非常に高い出力と組み合わせた非常に短いパルスによるパルスプラズマによって、例えば、９０％超の高い金属蒸気イオン化がもたらされる。そのような堆積プロセスは、一般に、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（「ＨＩＰＩＭＳ」）と呼ばれる（高出力パルスマグネトロンスパッタリング、または「ＨＰＰＭＳ」ともいう）。ＨＩＰＩＭＳではまた、層の特性の改善のほかに、イオン化金属を電界によって加速できることにより、３次元特徴への方向性スパッタリングも可能である。この特徴は、一般に半導体用途で最も有益である。]
[0005] 半導体チップは、サイズを小型化しながら性能を向上させることを目指して常に開発が行われている。これらの小型チップに課せられた物理的制限によって、単層上に形成される集積回路（ＩＣ）での電力消費は制限され、そのようなチップを形成するためのプロセス技術は、適切な小型回路を形成する能力の限界に近付いている。したがって、単層上での水平デバイス密度をさらに増加させるには加工の問題が生じ得るので（例えば、ワイヤボンディング技術）、今後のＩＣは複数の積層された基板上に形成し、水平デバイス密度をさらに増加させる代わりに、積層ＩＣを製造することができる。この３次元集積は、コンピュータ読取可能メモリ、電気光学用途、ＭＥＭＳ、センサー、上記ＩＣ撮像装置、表示器および他の用途に適用することができる。]
[0006] 積層ＩＣは、複数の基板の平面上に垂直に積層されて設けられた回路を含む。積層された基板のそれぞれに設けられた回路間に電気接続を確立するように、積層された基板にスルーシリコンビア（「ＴＳＶ」）が形成される。現在の技術では、このようなＴＳＶを、例えば基板に溝または列をレーザードリル加工またはドライエッチングすることによって形成する。次いで、次の金属化の前に、溝を絶縁層で被覆する。溝または列を金属で充填した後、基板を接地し、金属接続が溝または列を形成するように少なくとも一部が除去された平面と反対側の基板の平面で、露出されるようになる。次いで、基板の一方または両方の平面で露出された最終的なＴＳＶ接点を、積層ＩＣを形成する複数の基板の別の基板に設けられた対応する接点と位置合わせし、積層された基板が互いに結合されるとそれらの間に電気接続が確立される。しかし、ＩＣの基板の使用可能領域を最大化するように適切に小さい接点を設けるために、ＴＳＶは、将来的なデバイスに対応するように、少なくとも１０：１、または少なくとも２０：１のアスペクト比を有することが望ましい。]
[0007] 金属をスパッタ堆積するために、反応性スパッタリング方法が使用されてきた。しかし、窒化物の堆積中、特定の金属のスパッタリング中に窒素を追加することによって、例えばＴｉＮまたはＴａＮなどの導電層が生成される。（ごく少量の反応性ガスの存在を伴うまたは伴わない）純金属のスパッタリングは、反応性ガスを含むいわゆる「反応モード」とは反対に、「金属モード」における導電性スパッタ堆積として説明されることが多い。それ以外は同一のプロセス特性で、金属モードから、または反応モードから特定のスパッタリング状態になるかどうかによる、ヒステリシスすなわち堆積速度（およびターゲット電圧）の違いは、窒素を追加するときは一般に小さい。非導電性酸化物およびＳｉ３Ｎ４などの非導電性窒化物の堆積は、酸素または窒素を加えたとき、ターゲットおよびシールドの帯電とともに顕著なヒステリシスによって、一般に、より困難を呈する。反応性ガスとして酸素を用いる反応モードでは、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３の堆積速度は大幅に低下し、一般に金属モードでの堆積より５倍以上低くなる。例えばＳｉ３Ｎ４を堆積するときなど、反応性ガスとして窒素を用いる反応モード堆積でも、それより顕著ではないが同様の速度低下が見られる。]
[0008] 現在の水準のＨＩＰＩＭＳ電源を、ＡｌターゲットによるＡｌ２Ｏ３などの反応性酸化プロセスに適用するとき、合理的な出力レベルで、多量のアーク発生が間もなく観察され得ることが分かる。アーク発生は、真空システムの部品（ターゲット自体、シールド…）の上に絶縁層が蓄積されたことによって、カソード（ターゲット）とアノードまたは真空処理システムの電気接地との間に、誘電性（コンデンサの原理）によってカソードとアノードとの間の分圧器として作用する、短絡が発生していることを示す。完全に酸化された（不活性化された）ターゲットを用いる反応モードでは、２０μ秒（すなわち、２０×１０−６秒）から２００μ秒（すなわち、２００×１０−６秒）の間の範囲のＨＩＰＩＭＳパルスのパルス長さは、絶縁ターゲット表面に放電を起こすには長すぎる。完全反応（不活性化または酸化）モードでのＨＩＰＩＭＳを用いるスパッタリングでは、スパッタ速度が低下する。]
先行技術

[0009] 米国仮出願第６１／０１２，１０３号]
発明が解決しようとする課題

[0010] したがって、当技術分野では、高いアスペクト比を有するＴＳＶに絶縁層を適用するための方法および装置が必要とされている。そのような方法および装置は、最小限のピンホールで高密度の絶縁層を可能にするように高い方向性を提供することができ、最小限のアーク発生で、限られた導電性を有するターゲット材料のスパッタ堆積を促進することができる。]
課題を解決するための手段

[0011] １つの態様では、本願は、基板に形成された高いアスペクト比を有するキャビティの表面上に、絶縁層をスパッタ堆積するためのスパッタリング装置を含む。装置は、実質的に閉鎖されたチャンバを画定するハウジング、およびスパッタ堆積中に基板をチャンバ内の適切な位置で支持するためにチャンバの内部に露出されるペデスタルを含む。磁石アセンブリは、キャビティの表面に堆積される絶縁層に含まれる材料から少なくとも一部が形成されたターゲットの表面の近傍に、磁界を生成する。電源は、カソードとアノードとの間の磁界内でプラズマの急速な電圧増加を維持する高出力電気パルスを確立し、電気パルスの平均出力は少なくとも０．１ｋＷである。また、実質的に金属モードと反応モードとの間の移行モードで絶縁層のスパッタ堆積を実行するように、スパッタリング装置の動作パラメータを制御するための制御装置も含む。]
[0012] 別の態様では、本願は、基板に形成された高いアスペクト比を有するキャビティの表面上に、絶縁層をスパッタ堆積する方法を含む。方法は、絶縁層に含まれる材料から少なくとも一部が形成されるターゲットおよびハウジングによって画定される実質的に閉鎖されたチャンバ内に基板を設けるステップと、実質的に閉鎖されたチャンバ内でプラズマを点火するステップとを含む。少なくとも一部がターゲットの表面の近傍にプラズマを含むように、磁界がターゲットの表面の近傍に生成される。カソードとアノードとの間に高出力電気パルスを反復的に確立するように、電圧パルス波形の先頭が急速に増加する。電気パルスの平均出力は、少なくとも０．１ｋＷである。]
[0013] 上記の要約は、本明細書で説明されるシステムおよび／または方法のいくつかの態様の基本的理解を提供するために、簡略化した要約である。本要約は、本明細書で説明されるシステムおよび／または方法の詳細な概要ではない。これは主要／重要な要素を識別し、またはそのようなシステムおよび／または方法の範囲を概説することを意図するものではない。以下で述べるさらに詳細な説明の序文として、いくつかの概念を簡略化した形態で表すことが、唯一の目的である。]
[0014] 本発明は、特定の部品および部品の配置における物理的形態をとることができ、その実施形態を、本明細書で詳細に説明し、本明細書の一部を形成する添付の図面で図示する。]
図面の簡単な説明

[0015] 溝の実質的に垂直な側壁に導電性材料をスパッタ堆積するための、スパッタリアクタの一部が破断されているＨＩＰＩＭＳスパッタリング装置の例示的な実施形態を示す図である。
ＨＩＰＩＭＳパルスに同期された高周波信号を確立する実施形態を示すタイミング図である。
約６０μ秒間持続するパルスを含む電気パルス中の、様々なＤＣパルス出力レベルのＤＣ電流の例を示す図である。
導電性材料がスパッタされる基板を支持するペデスタルに、ＨＩＰＩＭＳパルス中にペデスタルに適用される高周波信号によって生成された自己バイアス電圧波形を、時間の関数として示す図である。
一定の電気パルス電圧および一定の反応性ガス流量で、ＨＩＰＩＭＳを用いる反応性スパッタリング中の電気パルスの平均およびピーク電流を、電気パルス期間の関数として示す図である。
一定の電気パルス電圧および一定の反応性ガス流量で、ＨＩＰＩＭＳを用いる反応性スパッタリング中の電気パルスの平均およびピーク電流を、電気パルス期間の関数として示す図である。
一定の電気パルス電圧および一定の反応性ガス流量で、ＨＩＰＩＭＳを用いる反応性スパッタリング中の電気パルスの平均およびピーク電流を、電気パルス期間の関数として示す図である。
異なる反応性ガス流量に一定の電気パルス電圧で、ＨＩＰＩＭＳを用いる反応性スパッタリング中の電気パルスの平均およびピーク電流を、電気パルス期間の関数として示す図である。
異なる反応性ガス流量に一定の電気パルス電圧で、ＨＩＰＩＭＳを用いる反応性スパッタリング中の電気パルスの平均およびピーク電流を、電気パルス期間の関数として示す図である。
異なる反応性ガス流量に一定の電気パルス電圧で、ＨＩＰＩＭＳを用いる反応性スパッタリング中の電気パルスの平均およびピーク電流を、電気パルス期間の関数として示す図である。
実質的に透明なＡｌ２Ｏ３絶縁層を移行モードでスパッタするためのＨＩＰＩＭＳ放電電流のプロットを示す図である。
様々なパラメータセットでのＨＩＰＩＭＳ放電電流のオシロスコープトレースを示す図である。
本発明の態様による、基板に形成された溝および堆積された絶縁層のＳＥＭ写真を示す図である。
本発明の態様による、絶縁層を備える溝の様々な表面を識別する、溝の概略図である。
図１０で識別された、絶縁層を備えた表面の被覆プロフィールを示す図である。
低インピーダンスＨＩＰＩＭＳ放電をバイアスする、高周波信号を生成するＲＦ電源のインピーダンスマッチングネットワークの例を示す図である。
図１２に示すインピーダンスマッチングネットワークを使用してインピーダンスマッチングの改善を達成した電流および高周波電圧トレースのプロットを示す図である。] 図１０ 図１２
実施例

[0016] 本明細書で使用される特定の用語は簡便性のために過ぎず、本発明を制限すると解釈されるべきではない。本明細書で使用される関連用語は、図面を参照すると最も良く理解され、図面では同様の参照番号を使用して同様または同じ要素を識別する。さらに、図面では、特定の特徴はいくらか概略的な形態で示すことができる。]
[0017] 複数の部材「の少なくとも１つ」という表現は、本明細書で使用される場合、部材の１つ、または部材の２つ以上の組み合わせを意味することにも留意されたい。例えば、「第１の機器および第２の機器の少なくとも１つ」は、本願では、第１の機器、第２の機器、あるいは第１の機器および第２の機器を意味する。同様に、「第１の機器、第２の機器および第３の機器の少なくとも１つ」は、本願では、第１の機器、第２の機器、第３の機器、第１の機器および第２の機器、第１の機器および第３の機器、第２の機器および第３の機器、または第１の機器および第２の機器および第３の機器を意味する。]
[0018] 本願は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（「ＨＩＰＩＭＳ」）スパッタリング装置１０およびターゲット１２から導電性材料を強磁性スパッタし、ターゲット１２からの材料を反応性ガスと反応させて絶縁材料を形成し、絶縁材料を半導体基板１８に形成された溝１６の実質的に垂直な側壁１４上に堆積して絶縁層１５（図９）を形成するための方法に関する。そのようなスパッタリング装置１０の例示的な配置が図１に示されており、これは実質的に閉鎖されたチャンバ２４を画定するリアクタハウジング２０を含み、ハウジング２０内で半導体基板１８への絶縁層１５のＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積が行われる。本明細書では絶縁層１５を半導体基板１８に形成された溝の表面に堆積すると説明しているが、本技術を使用して、どのようなタイプの基板のどのような表面にも絶縁層１５を堆積することができる。表面は、基板に形成された溝または他のタイプのキャビティの実質的に垂直な側壁を任意で含むことができる。さらに、基板は特定の用途に適した材料から形成することができる。しかし、本発明を明確に説明するため、および簡潔性のために、ＴＳＶを金属充填する前のＴＳＶ形成中の、溝の側壁表面への絶縁層の堆積を、以下で詳細に説明する。] 図１ 図９
[0019] 金属または金属合金などの導電性材料から作製されたペデスタル２８が、スパッタ堆積動作のためにチャンバ内の適切な位置で半導体基板１８を支持するように、例えばチャンバ２４に露出され、任意で少なくとも一部がチャンバ２４へと延びている。図１でペデスタル２８に載っていることが示されている半導体基板１８は実質的に平坦なウエハであり、上平面３２およびチャンバ内でペデスタルに載っている底平面３４を有する。半導体基板１８に形成された１つまたは複数の溝１６は、上平面３２で開いており、底平面３４によって閉じており、図１に示すように深さＤ寸法に沿って少なくとも一部が半導体基板１８へと延びる、全体的にＵ字形断面を有する溝１６を形成することができる。溝１６の側壁は、半導体基板１８の上平面３２と底平面３４との間の溝１６の内周面を画定する。それぞれの側壁は、溝の一般にアスペクト比といわれるものが少なくとも１０：１となるように、溝の幅Ｗに対して半導体基板１８へと適切な深さＤだけ延びることができる。溝の他の実施形態は、任意で少なくとも２０：１のアスペクト比を有することができる。アスペクト比は、本明細書では、溝１６の幅に対する溝の深さの比として表される。] 図１
[0020] 複数の永久磁石３７または他の適切な磁界発生装置を含む磁石アセンブリ３６が、ターゲットの露出された表面４０の近傍に磁界３８を生成するように配置されており、ターゲットは少なくとも一部が、以下に説明するように、反応性ガスと反応して溝１６の内表面上に堆積される絶縁層１５を形成する絶縁材料を形成する導電性材料から形成されている。磁石アセンブリ３６によって生成された磁界３８は、プラズマ４２を、閉じ込め領域と呼ばれる、ターゲット１２の露出された表面４０の付近、または任意で表面４０の上に閉じ込める。さらに、磁界３８は、ターゲット１２から放出された二次電子の非バイアス軌道を、閉じ込め領域内の不活性スパッタリングガスがイオン化される確率を最大化するように変化させる、電子トラップとしても作用する。]
[0021] 例えばアルゴンなどの一般的に不活性ガスである不活性スパッタリングガスが、ガス供給装置４８から供給され、制御装置５８に動作可能に連結されている質量流量制御装置５２を通って、チャンバへと送られる。スパッタリングガスは、ハウジングに形成された入口ポート５４を通って流れる。チャンバ内の圧力は、チャンバと動作可能に流体連通された真空ポンプシステム（図示せず）によって維持されている。チャンバの標準圧力は約１０−８トルであるが、完全な持続自己スパッタリングを伴わない一般的なスパッタリング動作では、チャンバ圧力は、サブ範囲を含む、約０．１ミリトルから約５ミリトルの範囲内で維持することができる。]
[0022] 不活性スパッタリングガスに加えて、ターゲット１２から放出される原子と反応することができる反応性ガスが、ガス供給装置４８に設けられた反応性ガスタンクからチャンバ２４へと供給される。適切な反応性ガスの例は、例えば、酸素および窒素を含むが、他の適切な反応性ガスも本技術の範囲内であると考えられる。１つの実施形態では、ターゲットはアルミニウム原子を放出することができ、アルミニウム原子と反応性ガスとの反応から生成される絶縁材料はＡｌ２Ｏ３であり、絶縁層１５として堆積することができる。他の適切な絶縁材料の例は、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉＯ２を含むが、これに限定されない。]
[0023] プラズマ４２は、アルゴンまたは他のスパッタリングガスをチャンバへと流入し、接地されたアノード５７および負にバイアスされたカソードにわたるターゲット１２に電気的に接続されたＤＣ電源５６でＤＣ電圧を選択的に確立することによって、それに点火してプラズマにすることによって開始され、本実施形態ではカソードはターゲット１２を含む。開始にはより高いＤＣ電圧が必要であるが、−５００ＶＤＣ、−６００ＶＤＣなど、約−４００から−７００ＶＤＣの範囲内のターゲットＤＣ電圧、または約−３５０ＶＤＣから約−５ｋＶＤＣの範囲内の他の適切な電圧（その範囲内のすべての電圧を含む）によって、閉じ込め領域内にプラズマ４２の存在を維持することができる。ＤＣ電源５６からのＤＣ電圧が停止した後も、帯電した粒子はチャンバ２４内に残り、減衰するＤＣ電圧に数十μ秒間寄与し、その結果、ＤＣ電源５６からのＤＣ電圧停止後にアフターグロー効果が生じる。制御装置５８もＤＣ電源５６に動作可能に連結されており、本明細書で説明するように、ＤＣ電源５６の出力を制御する。プラズマ４２がいったん開始されると、アルゴンまたは他のスパッタリングガスの供給は、プラズマ４２が開始されたときの流量から低減することもでき、または任意で、制御装置５８からの指示に基づいて、ともに中断することもできる。絶縁層１５のＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積中、高出力、低デューティサイクルの電気パルスを放電するＤＣ電源の起動および停止も、制御装置５８によって制御することができる。]
[0024] 例えば、制御装置５８は、それぞれのパルスの先頭で少なくとも０．１ｋＷの平均出力の電気パルスを生成するように、ＤＣ電源５６によって加えられるＤＣ電圧を、任意で反復的および急速に増加させることができる。一般に、ＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積による電気パルスは、約１ｋＷから約５ｋＷの範囲内の平均出力を有するが、約０．１ｋＷから約７ｋＷまでの高い平均出力を含むこともできる。ピークパルス出力は約３０ｋＷから約３００ｋＷが一般的であり、約１ＭＷのピーク出力を含む、より高いピーク出力を、それぞれの電気パルスによって生成することも可能である。]
[0025] そのような出力レベルでは、少なくとも１０μ秒とすることができるが、より一般的には約４０μ秒から２００μ秒の短期間である電気パルスで、１ｋＷｃｍ−２またはそれ以上のオーダーの高出力密度を加えることができる。デューティサイクル（オン時間／オフ時間の比）は、約１０％またはそれ以下などの低いものとなるが、約２％から約１０％のデューティサイクルとすることもできる。]
[0026] 可変ＲＦ電源６２、または他の適切な交流電源がペデスタル２８に電気的に接続されており、ＨＩＰＩＭＳスパッタリング動作中、ペデスタルに高周波信号を供給し、ペデスタル２８上に支持された半導体基板１８の近傍に自己バイアス磁界を生成する。自己バイアス磁界は、ターゲット１２から半導体基板１８に対して垂直方向に放出される材料のイオンを加速するのに効果的であり、したがって、少なくとも１０：１、および代替実施形態では少なくとも２０：１の高いアスペクト比を有するにもかかわらず、溝の側壁の下側部分および溝１２の底面に沿って、最終的な絶縁材料の堆積を促進する。自己バイアス電圧は、可変ＲＦ電源６２によって生成されペデスタル２８に供給された高周波信号の出力を変化させることによって、選択的に制御することができる。本明細書で説明される例示的な実施形態では、高周波信号の出力を、サブ範囲および中間の値を含む、約３００ワットから約３，０００ワットの範囲内の値に調整することができる。]
[0027] ＤＣ電源５６および流量制御装置５２と同様に、可変ＲＦ電源６２は、所望のＨＩＰＩＭＳスパッタリングプロセスを実行する必要性に合うように、制御装置５８によって制御することができる。図１に示す実施形態では、制御装置は、可変ＲＦ電源６２からの高周波信号の周波数を、例示的な実施形態ではサブ範囲および中間の値を含む約１ＭＨｚから約７０ＭＨｚの範囲内、他の例示的な実施形態ではサブ範囲および中間の値を含む約１ＭＨｚから約５０ＭＨｚの範囲内の周波数に調整するための、周波数チューナー６４を含む。さらに他の例示的な実施形態では、ターゲット周波数を約１３．５６ＭＨｚに調整することができ、他のターゲット周波数には、周波数チューナー６４は、高周波信号の周波数を特定のＨＩＰＩＭＳスパッタリング用途に適した許容範囲内に調整することができる。例えば、周波数チューナー６４は、高周波信号の周波数を、ターゲット周波数の±５％以内、または他の適切な許容範囲内に調整することができる。しかし、簡潔性および明確性のために、以下では約１３．５６ＭＨｚのターゲット周波数の±５％以内の高周波信号を使用して、スパッタリングプロセスを説明する。] 図１
[0028] 制御装置５８は、周波数に加えて、ペデスタル２８に供給される高周波信号の期間またはデューティサイクルも制御することができる。例えば、制御装置５８は、高周波信号のデューティサイクルを、ＤＣ電源からのＤＣ電圧のパルスのデューティサイクルより大きい値、しかし任意で著しく大きくはない値に調整することができる。他の実施形態では、制御装置５８は、ペデスタル２８への高周波信号の供給を、少なくともＤＣ電圧の対応する電気パルスがターゲット１２に供給されている間、任意で維持することができ、以下でさらに詳細に説明するように、ＤＣ電源によって、ペデスタル２８に供給される高周波信号の出力を、ターゲット１２およびアノードにかかるＤＣ電圧の停止後にのみ、任意で中断し、または少なくとも低減することができる。]
[0029] さらに他の実施形態では、制御装置５８は、ＤＣ電源からのＤＣ電圧の電気パルスの開始前に、高周波信号のペデスタル２８への伝達を開始し、ＤＣ電源５６からのＤＣ電圧の電気パルスの間、および任意でその終了後まで、高周波信号のペデスタルへの伝達を維持し、ＤＣ電源５６からのＤＣ電圧の電気パルスの終了後、高周波信号のペデスタル２８への伝達を中断することができる。そのような実施形態が図２のタイミング図に図示されており、高周波信号のオン／オフが線ＨＦによって表され、電気パルスのオン／オフが線ＶＤＣとして表されている。したがって、高周波信号は、ＤＣ電源５６からの電気パルスとエンベロープまたは同期しているといえる。] 図２
[0030] インピーダンスマッチングネットワーク６６（図１）が、制御装置５８内に動作可能に連結され、任意で組み込まれている。インピーダンスマッチングネットワーク６６は、可変ＲＦ電源６２の出力インピーダンスを、可変ＲＦ電源６２が高周波信号を供給する負荷の入力インピーダンスとほぼ一致するように調整する。インピーダンスをそのような方法で一致させることによって、出力伝達が最大化され、ＲＦ電源６２から見た負荷からの反射電力が最小化される。インピーダンスマッチングネットワーク６６は、任意で可変または一定とすることができ、電気パルスの発生中、ＤＣ電源からの最大ＤＣ電流とほぼ同時に自己バイアス磁界の最大電圧を確立するように、動作可能である。] 図１
[0031] 自己バイアス磁界の最大電圧と電源５６からの電気パルスの最大ＤＣ電流がほぼ同時に発生することは、図３および４から見ることができる。図３は、約６０μ秒間持続するパルスを含むパルス周期中の、様々なＤＣパルス出力レベルのＤＣ電流の例を示す。図４は、同じ出力レベルで可変ＲＦ電源６２によって生成される、半導体基板１８での自己バイアス磁界の自己バイアス電圧の対応する反応の例を示す。図３に見られるように、それぞれの別個の出力レベルトレースでの電気パルスの最大ＤＣ電流は、この特定のパルスのＤＣ電圧を加えた後、約６０μ秒（すなわち、横座標に沿って６．０Ｅ−０５）で起きる。同様に、図４は、それぞれの出力レベルトレースでの最大自己バイアス電圧もまた、本パルス中、アノード５７およびターゲット１２にＤＣ電圧パルスを加えた後、約６０μ秒（その合理的な近接範囲内）で起きることを示す。したがって、最大ＤＣ電流および最大自己バイアス電圧は、それぞれのパルスで実質的に同時に起こり得る。] 図３ 図４
[0032] 本明細書で説明するＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積は、「金属モード」と「反応モード」との間（「移行モード」という）で実質的に実施される。反応性ガスの不在下で、または実質的に反応性ガス（または反応性ガスの超過量）の存在なしで、純金属をスパッタ堆積することは、スパッタリングプロセスの「金属モード」と呼ばれることが多い。チャンバ２４内に注入された反応性ガスは、もしあればそのほとんどすべてが、ターゲット１２からのスパッタ粒子との反応に消費される。反対に、いわゆる「反応モード」では、チャンバ２４に臨界量より多量に存在する反応性ガスとのスパッタ堆積が起きる。反応性ガスの臨界量に達すると、チャンバ２４内の反応性ガスの部分的圧力の急上昇を観察することができる。移行モードによるＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積は、金属モードと反応モードとの間の状態で行われる。]
[0033] 金属モードから反応モードへの変更、またはその反対は、実質的に閉鎖されたチャンバ２４への反応性ガスの流量およびＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積のための電気パルスの電圧を実質的に一定値に保持することによって、達成することもできる。チャンバ２４への反応性ガスの流量を変化させる代わりに、ＤＣ電源５６からの電気パルスの期間を調整することができる。図５Ａの例に示すように、電気パルスの平均放電電流およびピーク電流は、電気パルスの期間の関数としてプロットされる。電気パルスの電圧が約６００Ｖで一定であり、反応性ガス（本例ではＯ２）の流量が約６ｓｃｃｍの場合、３Ａから４Ａの間の平均電流で約１４０μ秒のパルス長さが生成される。比較的長いパルス期間によって、ターゲットから放出される粒子は反応性ガスの大部分と反応し、したがって、そのようなパルス期間は金属モードと対応する。] 図５Ａ
[0034] 電気パルスの期間が短くなると、平均電流は、約５０μ秒のパルス長さに対応する、１Ａを超えただけの極小値に達するまで低下する。電気パルスの期間を極小値に対応する時間の長さを超えてさらに短くすると、ＤＣ電源５６によって生成される電気パルスの平均放電電流は急速に上昇し、反応モードへの移行を示す。平均放電電流の急上昇は、例えば、アルミニウムターゲット材料が完全酸化に近付いているために、酸化アルミニウムの二次電子放出係数が、金属アルミニウムの二次電子放出係数に対して、より高いことに起因し得る。移行モードでのＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積は、電気パルスの期間が、金属モードを示す平均放電電流に対応する電気パルスの時間の長さと反応モードを示す平均放電電流に対応する電気パルスの時間の長さとの間で持続するときに起きる。より一般的には、移行モードでのＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積に対応するパルスの期間は、金属モードと反応モードとの間の平均放電電流の極小値に対応する電気パルスの期間と実質的に同様である。図５ｂに示す例では、円７７で示す、移行モードでＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積を実施する電気パルスの期間は、５０μ秒よりわずかに低いが５０μ秒の合理的な近接範囲内になるように選択されている。電気パルスの期間は５０μ秒よりわずかに低くなるように選択されているので、ＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積は移行モードで実施されるが、任意で金属モードより反応モードに近くなるように行うことができる。]
[0035] 他の実施形態では、制御装置５８は、移行モードでＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積を実施する電気パルスの期間を変化させる代わりに、電気パルスの周波数を任意で変化させることができる。パルスの期間を同一に維持したまま、制御装置５８の周波数チューナー６４によって周波数を変化させて、金属モードと反応モードとの間の移行モードで絶縁層１５の堆積を実行する電気パルスの所望の平均放電電流を確立することができる。]
[0036] 高感度の電子デバイスを製造するための半導体基板１８の作製など、いくつかの実施形態では、非常に過渡的なＨＩＰＩＭＳ電気パルスは、半導体基板１８を損傷する可能性がある。そのような損傷を最小限化するために、絶縁層１５をＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積する前に、（チャンバ２４以外の別個の堆積チャンバ内で）溝１６の表面に誘電層を任意で堆積することができる。誘電層は、ＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積中、電気パルスからの放射によって生じる損傷から半導体基板１８を保護するために十分な厚さのものとする。誘電層は、ＨＦバイアス、ＨＦマグネトロンスパッタリング、ＰＥＣＶＤ、原子層堆積（「ＡＬＤ」）を用いない従来のＤＣパルスマグネトロンスパッタリング、または他の適切な堆積プロセスによって製造することができる。したがって、絶縁層１５は、本明細書で説明するように、移行モードでＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積によって堆積されるとき、誘電層によって溝１６の表面から隔離される。]
[0037] 絶縁層１５のＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積の前に誘電層が堆積されるかどうかにかかわらず、絶縁層１５を有する溝１２を、導電性材料で被覆または他の方法によって充填することができる。別の任意のステップとして、例えば、スルーシリコンビアを形成するために、半導体基板１８の底平面３４の少なくとも一部分を、例えば、研削、研磨、または他の適切なプロセスによって除去することができる。半導体基板１８の底平面３４の一部分を除去することによって、導電性材料を半導体基板１８の新しく形成される底平面３４に溝１６内で露出し、半導体基板１８に別の半導体基板を積層することを可能にする。半導体基板１８の底平面３４の露出された接点を他の半導体基板と位置合わせすることによって、基板間の電気接続を確立することができ、したがってＩＣを上に形成することができる半導体基板の積層配置が形成される。]
[0038] 実験例
ＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積方法による、上記の装置を使用する堆積操作を実施した。例えば、ＯＣ Ｏｅｒｌｉｋｏｎ ＢａｌｚｅｒｓＡＧ社によって製造されているエリコンクラスターツールなどの単一基板真空処理システムで、ターゲット１２の下に回転磁石アレーを配置して、２００ｍｍシリコン基板１８上にＡｌ２Ｏ３をＨＩＰＩＭＳによって反応的にスパッタした。堆積パラメータを以下のＴａｂｌｅ １ （表１）に示す。]
[0039] 一定の電気パルス電圧および反応性ガス（０２）流量のセットでは、ＨＩＰＩＭＳ電気パルスの長さは、５００Ｈｚの周波数で１０％の高い電気パルスデューティサイクルにより、金属モードでＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積が実施された、約２００μ秒の最大値から調整される。このモードで堆積された薄膜は、Ａｌ含有量の高いＡｌ２Ｏ３の混合物を含み、茶色がかった色調であるが、多少透明である。この開始点から、ＨＩＰＩＭＳ電気パルスの長さを徐々に低減し、電気パルスの平均放電電流を記録する。デューティサイクルが低下すると、平均放電電流が極小値まで低下する。この最小値を超えると、電流は再び増加し、反応モードへの移行を示す。増加する電流、したがって堆積される出力は、酸化したＡｌの二次電子放出係数が金属性Ａｌに対して高いことによるものである。この移行領域では、透明なＡｌ２Ｏ３絶縁層および高い堆積速度（金属モードで経験するものとほぼ同様）を経験した。電気パルス期間をさらに低減することによって、ターゲットが実質的に完全酸化するようになり、堆積速度が大幅に低下する。図５ａ〜５ｃのプロットは、一定のＯ２流量と電気パルス電圧の様々なセットの平均電流およびピーク電流を、ＨＩＰＩＭＳ電気パルス長さの関数として示す。]
[0040] ]
[0041] 最初に、ＤＣ電源５６を、６００Ｖの電気パルスを生成するように一定電圧モードに設定し、その結果を図５ａ、５ｂおよび５ｃに示す。上述の図５ａは、約６００Ｖの一定電圧および約６ｓｃｃｍの反応性ガス（Ｏ２）流量で、電気パルスの期間を約１４０μ秒から約４０μ秒まで変化させた結果を示す。堆積した絶縁層１５は、Ａｌ２Ｏ３であった。同様に、図５ｂは、約６００Ｖの一定電気パルス電圧および約８ｓｃｃｍの一定の反応性ガス（Ｏ２）流量で、電気パルスの期間を約１４０μ秒から約３０μ秒まで変化させた結果を示す。この実験で選択された移行モードの電気パルスの期間は、円７７によって示されている。最終的な絶縁層１５は、移行モードで堆積されたとき、実質的に透明である。同様に、図５ｃは、約６００Ｖの一定電気パルス電圧および約１２ｓｃｃｍの一定の反応性ガス（Ｏ２）流量で、電気パルスの期間を約１４０μ秒から約６０μ秒まで変化させた結果を示す。]
[0042] 図６Ａ〜６Ｃは、約８ｓｃｃｍの一定の反応性ガス（Ｏ２）流量および異なる電気パルス電圧（それぞれ５００Ｖ、６００Ｖ、および７００Ｖ）でのＨＩＰＩＭＳ電気パルスの平均およびピーク電流のプロットを、ＨＩＰＩＭＳ電気パルス期間の関数として示す。やはり、図６Ｂは、約６００Ｖの一定の電気パルス電圧および約８ｓｃｃｍの一定の反応性ガス流量でのパルス期間を識別する円７７を含む。円７７内に該当するパルス期間で堆積された絶縁層は、実質的に透明なＡｌ２Ｏ３が高速で堆積される。これらのＨＩＰＩＭＳ堆積操作を通して、Ｔａｂｌｅ ２ （表２）の特定の堆積速度を観察した。これらの観察から、移行モードでのＨＩＰＩＭＳ絶縁堆積速度は、反応モードより８倍以上高いことが判断できる。本明細書で説明されるように移行モードで絶縁層として堆積された、最終的なＡｌ２Ｏ３の光学的特性を、分光エリプソメトリによって測定し、以下のＴａｂｌｅ ３ （表３）にまとめた。] 図６Ａ 図６Ｂ 図６Ｃ
[0043] ]
[0044] ]
[0045] 図７は、４５０Ｖの一定電圧および約１１ｓｃｃｍの反応性ガス（Ｏ２）流量で４５μ秒間の電気パルス、および２００Ｖの一定電圧および約６ｓｃｃｍの反応性ガス（Ｏ２）流量で２００μ秒間の電気パルスの放電電流の変化のオシロスコープトレースを示す。堆積された最終的なＡｌ２Ｏ３絶縁層は、どちらも実質的に透明であった。これらの絶縁層の特性を以下のＴａｂｌｅ ４ （表４）にまとめた。] 図７
[0046] ]
[0047] 溝の表面の大部分の上に絶縁層を堆積する所望の方向のＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積を達成するために、ＲＦ可変電源からの高周波信号で生成された重畳電界によって強くイオン化されたＨＩＰＩＭＳ放電で生成されたイオンの加速を含む、別の堆積操作を実施した。成長する薄膜の絶縁性質のために、高周波（ＨＦ）バイアスを使用した。ＨＦ信号は、密度の増加にかかわらず、電圧の加速を持続することが可能な適切なインピーダンスマッチングネットワークを介して適用した。放電電流を時間の関数として測定し、図８のグラフに示した。] 図８
[0048] Ａｌ２Ｏ３絶縁層を、ディープシリコンエッチング（「ＤＳＥ」）によって作製された約２．５：１および約１０：１のアスペクト比の溝へと堆積した。図９は、これらの被覆された溝のＳＥＭ断面を示す。図１０に図示されている場所における、Ａｌ２Ｏ３ステップの被覆をこれらの断面から定量的に分析し、結果を図１１のグラフにまとめた。アスペクト比１０：１の溝では、約１５％の底面被覆を達成することができることが分かる。溝の縁部の被覆は３から４％の間であるが、これらの値は最適化されたＨＦバイアスマッチワークによって改善することができることが明らかであり、図８で測定および再現したように、電圧低下を低減することが可能である。そのような最適化されたＨＦバイアスマッチワークの例は図１２に図示されており、０．６μＨのコイルとともに２つの調整可能な真空コンデンサを含む。図１３は、結果をオシロスコープトレースとしてグラフで示し、約３００ＡまでのＨＩＰＩＭＳ電流でＨＦバイアス電圧が約１８０Ｖであることを示している。] 図１０ 図１１ 図１２ 図１３ 図８ 図９
[0049] 例示的な実施形態を上記で説明した。上記のデバイスおよび方法は、本発明の一般的な範囲から逸脱することなく、改変および修正を組み込むことができることが、当業者には明らかであろう。そのような修正および改変はすべて、本発明の範囲内とする。さらに、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」が使用される場合は特許請求の範囲における移行句として解釈されるため、明細書または特許請求の範囲のいずれかで「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」という用語が使用される限り、そのような用語は「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という用語と同様に包括的であるものとする。]
[0050] １０スパッタリング装置
１２ターゲット
１４側壁
１５絶縁層
１６ 溝
１８半導体基板
２０ハウジング
２４チャンバ
２８ペデスタル
３２ 上平面
３４底平面
３６磁石アセンブリ
３７永久磁石
４０ 表面
４２プラズマ
４８ガス供給装置
５２質量流量制御装置
５４入口ポート
５６ＤＣ電源
５７アノード
５８制御装置
６２可変ＲＦ電源
６４周波数チューナー
６６インピーダンスマッチングネットワーク
７７ 円]

权利要求:

請求項1
基板に形成された高いアスペクト比を有するキャビティの表面上に絶縁層をスパッタ堆積するためのスパッタリング装置であって、実質的に閉鎖されたチャンバを画定するハウジングと、スパッタ堆積中に前記基板を前記チャンバ内の適切な位置で支持するために前記チャンバの内部に露出されるペデスタルと、前記キャビティの表面に堆積される前記絶縁層に含まれる材料から少なくとも一部が形成されたターゲットの表面の近傍に、磁界を生成するための磁石アセンブリと、カソードとアノードとの間の磁界内でプラズマの急速な電圧増加を維持する高出力電気パルスを確立するための、前記電気パルスの平均出力が少なくとも０．１ｋＷである電源と、実質的に金属モードと反応モードとの間の移行モードで、前記絶縁層のスパッタ堆積を実行するように、スパッタリング装置の動作パラメータを制御するための制御装置と、を備えているスパッタリング装置。
請求項2
実質的に閉鎖されたチャンバへの反応性スパッタガスの流量を調節するための可変速度流量制御装置をさらに備えており、前記移行モードでスパッタ堆積を実行するように前記制御装置によって制御される動作パラメータが反応性スパッタガスの流量である、請求項１に記載のスパッタリング装置。
請求項3
前記反応性スパッタガスが酸素および窒素からなる群から選択された、請求項２に記載のスパッタリング装置。
請求項4
前記絶縁層に含まれる前記ターゲットの材料が、シリコンおよびアルミニウムからなる群から選択された、請求項１から３の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項5
前記絶縁層のスパッタ堆積中に前記電気パルスの電圧が実質的に一定に維持されている、請求項１から４の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項6
実質的に前記移行モードで前記絶縁層のスパッタ堆積を実行するように前記制御装置によって制御される前記動作パラメータが電気パルスの期間である、請求項１から５の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項7
前記電気パルスの期間が前記制御装置によって制御され、前記電気パルスの電圧および前記実質的に閉鎖されたチャンバへの反応性ガスの流量の少なくとも一方が実質的に一定の値に維持される、請求項１から６の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項8
実質的に前記移行モードで前記絶縁層のスパッタ堆積を実行するように前記制御装置によって制御される前記動作パラメータが前記電気パルスの周波数である、請求項１から７の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項9
前記電気パルスの周波数が前記制御装置によって制御され、前記電気パルスの電圧および前記実質的に閉鎖されたチャンバへの反応性ガスの流量の少なくとも一方が実質的に一定の値に維持される、請求項８に記載のスパッタリング装置。
請求項10
前記基板の近傍に自己バイアス磁界を生成するように、前記基板を支持するための前記ペデスタルに高周波信号を適用するために、前記ペデスタルに電気的に接続されている可変電源をさらに備えている、請求項１から９の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項11
前記絶縁層のインピーダンスが増加するように電圧の増加を持続させるため、供給される負荷のインピーダンスを前記可変電源によって生成される高周波信号とマッチングするためのインピーダンスマッチングネットワークをさらに含む、請求項１０に記載のスパッタリング装置。
請求項12
前記インピーダンスマッチングネットワークが、前記高出力電気パルスを確立する前記電源によって供給される最大放電電流とほぼ同時に最大自己バイアス電圧を確立する、請求項１１に記載のスパッタリング装置。
請求項13
移行モードで堆積される前記絶縁層の特定の堆積速度が少なくとも２．５Å／ｋＷｓである、請求項１から１２の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項14
移行モードで堆積される前記絶縁層の特定の堆積速度が約２．５Å／ｋＷｓから約４．２Å／ｋＷｓの範囲内である、請求項１から１３の一項に記載のスパッタリング装置。
請求項15
基板に形成された高いアスペクト比を有するキャビティの表面上に絶縁層をスパッタ堆積する方法であって、前記絶縁層に含まれる材料から少なくとも一部が形成されるターゲットおよびハウジングによって画定される実質的に閉鎖されたチャンバ内に前記基板を提供するステップと、前記実質的に閉鎖されたチャンバ内でプラズマを点火するステップと、ターゲットの表面の近傍に前記プラズマを少なくとも部分的に含むように、前記ターゲットの表面の近傍に磁界を提供するステップと、カソードとアノードとの間に高出力電気パルスを反復的に確立するように電圧を急速に増加させ、前記電気パルスの平均出力は少なくとも０．１ｋＷであるステップと、実質的に金属モードと反応モードとの間の移行モードで、前記絶縁層の前記スパッタ堆積を促進するように、動作パラメータを制御するステップと、前記ターゲットからの材料と前記実質的に閉鎖されたチャンバ内の反応性ガスとを反応させて絶縁材料を形成し、前記絶縁材料を前記キャビティの表面上に堆積するステップと、を備えている方法。
請求項16
前記絶縁材料を前記キャビティの表面上にスパッタ堆積する前に、誘電層を前記キャビティの表面上に堆積するステップをさらに備えており、前記誘電層は前記絶縁層を前記キャビティの表面から隔離させる、請求項１５に記載の方法。
請求項17
実質的に移行モードで、前記絶縁層のスパッタ堆積を促進するように、前記動作パラメータを制御するステップが、前記電気パルスの平均放電電流を実質的に最小限化するように前記電気パルスの期間を制御するステップを備えている、請求項１５または１６に記載の方法。
請求項18
前記電気パルスの電圧および前記実質的に閉鎖されたチャンバへの反応性ガスの流量の少なくとも一方を実質的に一定の値に維持するステップをさらに備えている、請求項１５から１７の一項に記載の方法。
請求項19
実質的に移行モードで、前記絶縁層のスパッタ堆積を促進するように、前記動作パラメータを制御するステップが、前記電気パルスの周波数を制御するステップをさらに備えている、請求項１５から１８の一項に記載の方法。
請求項20
前記電気パルスの電圧および前記実質的に閉鎖されたチャンバへの反応性ガスの流量の少なくとも一方を実質的に一定の値に維持するステップをさらに備えている、請求項１５から１９の一項に記載の方法。
請求項21
前記基板の近傍に自己バイアスの磁界を生成するように、前記実質的に閉鎖されたチャンバ内で前記基板を支持するための支持部に高周波信号を適用するステップをさらに備えている、請求項１５から２０の一項に記載の方法。
請求項22
前記絶縁層のインピーダンスが増加するように電圧の増加を持続させるため、供給される負荷のインピーダンスを可変電源によって生成される高周波信号とマッチングするステップをさらに備えている、請求項２１に記載の方法。
請求項23
前記インピーダンスマッチングネットワークが、前記高出力電気パルスを確立する前記電源によって供給される最大放電電流とほぼ同時に最大自己バイアス電圧を確立する、請求項２２に記載の方法。