JPH03223461A - 閉ループ制御反応スパッタリングにより所定成分比の金属化合物層を形成するプロセス及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、基板への金属化合物の層の反応スパッタリン
グに関する。特に、本発明は、ターゲットから該金属を
スパッタリングするのに使われる電圧を制御し、スパッ
タリングされる金属原子への反応ガスの流れを促進して
所定成分比の金属化合物層を形成させることを含む、半
導体基板上に所定成分比の金属化合物層を反応スパッタ
リングによって形成するプロセス及び装置に関する。

（従来技術とその問題点） 例えば平面型マグネトロンなどのパワーソースを一定パ
ワーの発生源として使用して例えばチタンターゲットな
どの金属ターゲットを窒素（Ｎ２）などの反応ガス雰囲
気中でスパッタリングする技術は、例えば窒化チタン（
ＴｉＮ）などの金属化合物の膜を高速蒸着させる周知の
技術である。しかし、この様な反応スパッタリングプロ
セスを制御して、蒸着又は膜形成の速度を最大にし、膜
の成分比を制御することは、共に、達成困難であった。

反応スパッタリングは非常に融通の効くコーティング技
術であり、チタンターゲットと反応ガスとしてのＮ２と
を使って、例えばＴｉＮなどの、多様な化合物材料の調
製を可能にするものである。

しかし、それには、従来から、一つの大きな欠点があっ
た。Ｎ２等の反応ガスの分圧が、基板表面上に金属化合
物の所定成分比の膜を形成するのに適当なレベルに達す
ると、同じ金属化合物が金属ターゲットの表面にも形成
される。これに起因して、ターゲットの表面に金属化合
物が形成される結果として、チャンバ内の反応ガスと反
応させることの出来るターゲット金属の量が少なくなる
ので、チャンバ内の反応ガスの分圧が上昇する。その原
因は、金属ターゲットのスパッタリング速度がターゲッ
ト表面の金属化合物の存在により変化して、ターゲット
から弾き出されて反応ガスと反応出来る金属イオンの量
が少な（なること、反応ガスとの反応に利用できる金属
ターゲット表面が狭まること、の両方である。

反応ガス濃度の上昇と、ターゲット上に金属化合物が形
成されることに起因するターゲットのスパッタリング速
度の変化とに基づいて、形成される金属化合物膜の成分
比かこの様に変化するので、反応ガスと反応させること
の出来る弾き出された金属イオンの濃度が変化し、その
結果として、弾き出された金属原子及び反応ガス原子の
両方を含むけれども所望成分比の金属化合物の均一な層
を形成するの適した成分比を持たない望ましくない膜が
基板上に生じることとなる。

チャンバ内のＮ２の分圧を監視し、窒素圧の低下を感知
したときにＮ２の流れを減少させることによってチタン
の反応スパッタリングを制御してＴｉＮ膜を形成するこ
とが提案されている。これは、１９８５年５月／り月に
刊行された真空科学技術誌（ｔｈｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ。

Ａ　３（３）の５９２−５９５ページの、Ｈ，Ｆ、　Ｈ
ｍｉｅｌによる「反応スパッタリングされる窒化チタン
の分圧制御Ｊ（Ｐａｒｔｉａｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ　ｏｆＲｅａｃｔｉｖｅｌｙ　　５ｐｕｔ
ｔｅｒｅｄ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ”）に
詳しく記載されている。著者は、マイクロプロセッサ制
御されるアルゴン及び窒素フローバルブと共に四重極質
量分析計を使用してスパッタリングチャンバ内へのアル
ゴン及び窒素の両方の流れを制御してスパッタリングを
制御することを説明している。

残念なことに、この種のシステムの応答時間は遅い。そ
れは、スパッタリングチャンバからサンプリングされた
ガスの窒素含有量を質量分析計内で分析し、その結果を
マイクロプロセッサに送らなければならず、その後に該
マイクロプロセッサがスパッタリングチャンバ内への窒
素の流れを調整して、結局は該チャンバ内の窒素濃度の
所望の変化を生じさせなければならないからである。

この前に、アルミニウム・ターゲット及びＡｒ／Ｎ２ス
パッタリングガス混合物を使うＡＩＮ膜の反応スパッタ
リングの制御が１９８２年３月に刊行された真空科学技
術誌（ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＶａｃｕｕｍＳ
ｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　Ａ　２０（３
））の第３７６−３７８ページのｒＡ　Ｉ　Ｎ薄膜の電
圧制御反応プレーナーマグネトロン−スパッタリング」
（“Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ。

Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｌａｎａｒ　Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ
　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ＡｌＮＴｈ１ｎ　Ｆｉ
ｌｍｓ”）においてマクマホン（ＭｃＭａｈｏｎ　）、
アフィニト（Ａｆｆｉｎｉｔｏ）、及びパージング（Ｐ
ａｒｓｏｎｓ）により考究されると共に、■９８４年７
月−り月の真空科学技術誌（ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　ＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ、　Ａ　２　（３）の第１２７５−１２８４ページ
のｒＡｒ／Ｎ、及びＡｒ１０ｔ雰囲気中でのＡＩの電圧
制御反応プレーナーマグネトロン・スパッタリングのメ
カニズム」（“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆＶｏｌｔａ
ｇｅ　　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ、　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　
ＰｌａｎａｒＭａｇｎｅｔｒｏｎ　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎ
ｇ　ｏｆ　Ａｌ　ｉｎ　Ａｒ／Ｎ２ａｎｄ　Ａｒ１０ｚ
ＡｔｍｏＡｒ１０ｚＡｔ”）においてアフィニト（Ａｆ
ｆｉｎｉｔｏ）。

及びパージング（Ｐａｒｓｏｎｓ）により考究された。

この二つの論文において、アルゴン／窒素混合気中での
アルミニウムの反応スパッタリングにより所定成分比の
ＡＩＮ薄膜を形成するためのガス供給、パワー、電流、
及び電圧の制御が論じられている。先の論文において、
著者は、一定ガス流量及び電圧の制御がアルミニウムの
反応プレーナーマグネトロン・スパッタリングには最も
適していると結論した。

（先の論文の著者のうちの二人による）後の論文におい
て、著者は、ＡＩ　　Ａｒ／Ｎ２系にはＶ（カソード電
圧）及びＰ（反応ガス分圧）の間に一価の単調な関数関
係が存在し、■　（電流）各値がＶ又はＰの三つの値に
対応する範囲が存在することを既に発見していたと述べ
る共に、■を制御することによって排気が操作されると
きには、Ｉ　−Ｖ−Ｐの組合せの全範囲で操作すること
が出来た、と述べた。しかし、その後で、著者は、その
後に、Ａｒ１０２雰囲気中でのＡＩ、　Ｚｎ、　Ｉｎ及
びＭＯでの実験から、裸の金属ターゲットの状態と、完
全に被覆されたターゲットの状態との間の遷移時には電
圧制御が不可能であることが明らかとなった、と記した
。著者は、Ａｒ／Ｎｔ雰囲気中では、制御はＭｏでは不
可能であったがＺｎでは可能であったとも記している。

反応ガスによる半導体ウェーハ上への所定成分比の金属
化合物の形成のプロセスの制御を改善する必要がある。

（本発明の目的） 従って、本発明の目的は、反応スパッタリングによる半
導体ウェーハ上への所定成分比の金属化合物層の形成を
改善する方法及び装置を提供することである。

本発明の他の目的は、定電力源の電力レベルをリセット
してターゲット電圧を調整して、金属化合物が正しい成
分比を持って形成される範囲内に反応条件を維持するこ
とにより、反応スパッタリングによる半導体ウェーハ上
への所定成分比の金属化合物層の形成を改善する方法及
び装置を提供することである。

本発明の他の目的は、ターゲット電圧監視信号から定電
力源上の電力レベルセット信号へのフィードバックルー
プを設けてターゲット電圧を調整して、金属化合物か正
しい成分比を持って形成される範囲内に反応条件を維持
することにより、反応スパッタリングによる半導体ウェ
ーハ上への所定成分比の金属化合物層の形成を改善する
方法及び装置を提供することである。

本発明の他の目的は、チャンバ内の反応ガスを、スパッ
タリングされている金属ターゲットと、スパッタリング
された金属及び反応ガスの反応生成物が蒸着されるウェ
ーハとの間の領域へ輸送する手段を設けて、正しい成分
比を持った反応生成物の形成を促進することにより、反
応スパッタリングによる半導体ウェーハ上への所定成分
比の金属化合物層の形成を改善する方法及び装置を提供
することである。

（実施例） 本発明は、反応ガスの存在下でターゲットから金属を弾
き出すことによって形成される所定成分比の金属化合物
層を半導体ウェーハ上に形成蒸着させる方法及び装置か
ら成るものである。

本発明は、反応スパッタリングによって所定成分比の金
属化合物層を形成する反応条件を制御するべくターゲッ
ト電圧を調整し制御するプロセス及び装置も包含する。

本発明は、スパッタリングされるターゲットと、反応ガ
スとスパッタリングされる金属との所定成分比の反応生
成物の層が形成されるウェーハとの間の領域に充分な量
の反応ガスを輸送するプロセス及び装置も包含する。

本書において、「反応ガス」という用語は、金属ターゲ
ットから弾き出された金属イオンと反応して金属化合物
を形成することが出来ると共に、スパッタリングされる
金属ターゲットと、所定成分比の生成物がその上に生じ
るウェーハとの間の領域に供給されて反応と所定成分比
の反応生成物の形成とを可能にするガスを定義するもの
である。

［反応スパッタリング」という用語は、金属ターゲット
のスパッタリングが、弾き出された金属イオンと反応す
ることの出来る反応ガスの存在下で行われて、半導体ウ
ェーハの表面上に反応生成物層を形成させるスパッタリ
ングプロセスを定義するものである。

Ｕ所定成分比の化合物Ｊという用語は、ウェーハ上の原
子の物理的混合物ではなくて、化学的化合物を形成する
金属原子と反応ガス原子との反応生成物を意味する。ウ
ェーハ上に形成される層は、例えば５０原子％チタン及
び５０原子％窒素などの単相物質だけで含有するならば
、所定成分比の化合物と見なされる。

反応窒素ガスの存在下でのチタン金属ターゲットの反応
スパッタリングとの関係で本発明を説明するけれども、
これは例示であって、限定的意味に解されるべきではな
い。

ターゲット電圧を制御する方法及び手段と、ターゲット
及びウェーハの間の領域に反応ガスを輸送する方法及び
手段とを含む、半導体ウェーハ上に所定成分比の窒化チ
タン層を形成する後述の反応スパッタリングプロセス及
び装置は、半導体ウェーハ上に他の金属化合物を反応ス
パッタリングにより形成するのにも、同じ（適用可能で
ある。

例えば、スパッタリングされる金属は、チタンの他に、
ＡＩ、　Ｓｉ、　Ｔａ、　Ｃｕ、及びＺｎであってもよ
く、反応ガスは、窒素の他に、０□、シラン（ＳｉＨ＜
）、及びＮ、０であってもよい。

以下に一層詳しく参照する第２図は、反応スパッタリン
グプロセスに使われる装置を一般的に示す。頂壁１４を
有するチャンバ１ｏｉｔガス人口１８を備えており、こ
れを通してアルゴンなどのスパッタリングガスと窒素な
どの反応ガスの混合気をチャンバ１０へ送り込むことが
出来る。

チャンバ１０は出口ポート２０も備えており、これは、
約Ｉ　Ｘ　ｌ　Ｏ−’Ｔｏｒｒないし約Ｉ　Ｘ　１０−
’Ｔｏｒｒの範囲内の真空をチャンバＩＯ内に維持する
ために真空ポンプ手段（図示せず）に接続されている。

例えばチタンなどの、スパッタリングされるべき金属か
ら成るターゲットが絶縁体３２を介してチャンバＩＯの
頂壁１４に取り付けられている。

このターゲットは、プレーナーマグネトロンなどの定電
力接地電源４０の負端子に接続されており、この電源は
、約５００ないし約１５，０００ワツトの範囲内の一定
電力を、約−２５０ないし約７５０ボルトの、好ましく
は約−３００ないし約−４００Ｖの負電圧のターゲット
に供給する。

チャンバＩＯは、反応スパッタリングプロセス中にウェ
ーハを約２５℃ないし約５００℃の、好ましくは約３０
０℃ないし約５００℃の範囲内の、典型的には約４５０
℃の温度に保つ加熱手段６２を包含するウェーハ支持プ
ラットフォーム６０も包含している。

プラットフォーム６０は、更に、プラット７オーム６０
の上面に密封的に取り付けられたウェーハ７０の裏側に
アルゴンなどのガスを導入するためのガスポート６４を
包含する。このガスは、加熱及び冷却の目的でウェーハ
を支持プラットフォームに熱的に結合させる役割を果た
す。ウェーハ７０がチャンバ１０内のプラットフォーム
６０上に装填された後、プラットフォーム及びウェーハ
は第２図に示されている位置まで昇降手段８０によって
持ち上げられる。

スパッタリンプロセスを開始させるために、アルゴンな
どのスパッタリングガスが、反応ガスと共に、又は反応
ガス無しで、入口ポート１８を通してチャンバ内に導入
され、ターゲットとチャンバＩＯの接地されている壁と
の間にプラズマが点火される。

プラズマ中のイオン化されたアルゴン原子は、チタンタ
ーゲット３０に衝突してチタンイオンを表面から弾き出
す。反応ガスが未だ流れ始めていなければ、窒素などの
反応ガスの流れが始められて、反応窒素ガスと弾き出さ
れたチタンイオンとが半導体ウェーハ上又はその付近で
反応し、チタン及び窒素の両方の原子を含有する層が蒸
着される結果となる。

典型的には、スパッタリングガスの流れは約３０ないし
約１５０標準立法ｃｍ／分（ｓｅｅｍ）であり、反応ガ
スの流れは約３０ないし約１５０ｓｅｃｍである。該混
合気中のガスの該チャンバ中への流れの正確な量は、チ
ャンバのサイズ、真空ポンプシステムの容量などの他の
要素にも依存する。

該プロセスを、蒸着の速度と、形成される金属化合物の
層の所望の厚みとに関連する時間にわたって行わせるこ
とが出来る。蒸着速度は、普通は、毎分約５００人ない
し毎分約５０００人にわたる範囲内の速度である。金属
化合物の蒸着される膜の厚みは普通は約５００人ないし
約２００　ＯＡの範囲内の厚みである。

ここで第３図のグラフを参照すると、チタンターゲット
をスパッタリングするのに使用されるターゲット電圧が
、反応スパッタリングプロセスが起こっているチャンバ
１０内への反応ガスとしての窒素の流れと対照されてプ
ロットされている。

このグラフにおいて、点を伴って図示されている線は、
チタンターゲットが最初にスパッタリングされてチタン
イオンを生じさせ、このイオン窒素ガス中の窒素原子と
反応して窒化チタンを形成するときの反応を示す。電圧
が高まり、窒素の流れも増えるにつれて、窒素の一部か
点Ｅからチタンターゲットと反応し始めてターゲットの
表面に窒化チタンを形成し、その結果として、定電力源
を使用していて窒化チタン層の抵抗が増大して電流の流
れが低下したためにグラフ上の点Ｆに示されている様に
ターゲット電圧が急に上昇する。

その後、スパッタリングプロセスは、いわゆる「減殺」
モード（ｐｏｉｓｏｎｅｄ　ｍｏｄｅ）に入って、チタ
ンターゲットは、その上の窒化チタンの層と共にスパッ
タリングされ続けて、少なくとも、窒素原子と反応し得
るチタン原子の産出が続くと共に、ターゲット表面に形
成されつつある窒化チタンのスパッタリングがある程度
行われる結果となる。

しかし、蒸着された層を分析することによって、基板上
に形成される、チタン及び窒素の両方を含む蒸着層は、
ターゲット電圧の急激な上昇の前にも後にも、所望の所
定成分比のＴｉＮではないことが分かった。点Ｅと点Ｆ
との間にプロットされたターゲット電圧及び窒素流の反
応条件の下では、窒化チタンは、あるとしても極僅かで
、主としてチタンがターゲットから弾き出されるので、
蒸着する反応生成物はチタン含有量が多過ぎる。

一方、点を伴う線の上の点Ｆより右側の反応条件の下で
は、即ち、ターゲット電圧が突然上昇した後は、窒素流
が減少すると共に弾き出される使用可能なチタンイオン
が減少するので、反応生成物は窒素含有量が多過ぎるこ
とになる。

この点では、シーケンスを逆転させるためにオペレータ
によって窒素ガス流が減少させられるか又はターゲット
電圧が下げられる。しかし、グラフ中の十字印が付され
ている線により示されている様に、プロセス条件の逆転
は、先のプロットをたどらずに、点りに到るまでターゲ
ット電圧及び窒素流の両方を徐々に低下させ、この時に
窒素流及び該電圧の両方が急速に低下し始める。

タープ・シト電圧及び窒素流量の両方を、曲線上に十字
印で示した点Ｃと点りとの間の範囲に保つことが出来る
ならば、所定成分比のＴｉＮ生成物の層を半導体ウェー
ハ上に形成させることが出来ることか分かっている。

従来技術において、窒素流の制御によって所定成分比の
ＴｉＮを形成させることが出来ることが認められている
が、これに対して、本発明では、ターゲット電圧を監視
して、スパッタリングされているターゲットに接続され
た定電力源の電力レベルをリセットして所望のターゲッ
ト電圧を得ることによって、ターゲットの電圧レベルを
グラフ上の点Ｃと点りとの間の範囲に、即ち、約３７０
ないし約３８５ボルトの範囲に保つことにより反応条件
を制御する。

ここで第３図の略図を参照すると、定電力源又は電源４
０を制御するのに使われる回路が示されている。電源４
０は、アドバンスト・エネルギー・インダストリーズ（
ＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｅｒｇｙＩｎｄｕｓ　ｔｒ　ｉｅ
ｓ　）のモデルＭＤＩＩＯ定電力源などの定電力接地電
源でるあが、電力セット入力端子を備えていて、これを
通して信号を該電源に送り込んで定電力のレベルをセッ
トすることが出来る。

第２図及び第４図に示されている様に、電力セット信号
を、最初に、電力セット４８に接続されたＢ端子にスイ
ッチ５０をセットすることによって初期電力セット源４
８から電源４０に送り込むことが出来る。この初期電力
セット信号は、０ないしＩＯＶの範囲内の調整可能な電
圧源から成るか、或いは、温度、圧力などの他のプロセ
スパラメータを監視し制御するのに使うことの出来るコ
ンピューターなどの、−層複雑な制御メカニズムから成
る。最も単純な形においては、電力セット４８は、単に
、第３図において点Ｃと点りとの間に指定される範囲内
でプロセスを開始させるのに一般に必要とされる大体の
電力レベルを提供するために経験的に決定することの出
来る電圧の信号から成る。

スイッチ５０がＢ位置にある間に、１５Ｖ直流電源９０
に接続されているポテンショメーターＲ１は零に調整さ
れ、又は、電圧計５２の読みがセロとなるように点Ａ及
びＢの間の電圧を均衡させる。次にスイッチ５０は点Ａ
に切り換えられ、電源４０の電力レベルのフィードバッ
クループ制御が始まる。

第２図及び第４図の両方に示されている様に、電源４０
は電圧監視信号端子も備えており、この端子には、電力
セット信号を介してセットされた電力レベルにおける電
源４０の出力電圧に比例する低電圧が現れる。

この、電源４０からの電圧監視信号は、フィードバック
制御ループの点５４に入力される。点Ａ及び点Ｂの両方
に現れる電圧は、最初、ポテンショメーターＲ１で均衡
させられ、スイッチ５０は点Ｂにセットされ、即ち、初
期電圧セットコントローラに接続されるので、スイッチ
−５０が点Ａに移動させられた直後に最初に電源４０に
フィードバックされる電力セット信号の電圧レベルは変
化するべきではない。

しかし、（電力レベルは一定値のままであるので）電流
の変化を反映してターゲット電圧監視信号が変化すると
き、演算増幅器５６及び５８により増幅されるターゲッ
ト電圧監視信号が変化した結果として、より高い又はよ
り低い電力セット信号が電源４０にフィードバックされ
て電源４０の定電力セツティングを変化させる。

よって、例えば、ターゲット電圧が上昇していることを
示して電圧監視信号が上昇し始めるとき、点５４の電圧
がより高くなる結果として、電源４０にフィールドバッ
クされる電力セット信号がより高くなり、定電力レベル
がより高いレベルにリセットされることとなる。

その結果、より多量のチタンが弾き出されて、ターゲッ
ト電圧が低下して所望の電圧レベルに戻り、この点で電
圧監視信号が低下して電力レベルが再びリセットされる
ことになる。よって、スパッタリング条件の変化を反映
し、従って、反応する窒素の一定の流れと反応出来る弾
き出されたチタン原子の変化を反映するターゲット電圧
が変化すると、電源４０の電力レベルが変化して、弾き
出されるチタン原子と反応性の窒素との比率が回復する
状態にターゲット電圧を戻す。よってＴｉＮなどの、所
定成分比の金属化合物がウェーハ上に確実に形成蒸着さ
れる。

ターゲット電圧を制御して所定比率のチタン原子を反応
性窒素原子と反応させるべく確実に供給することに加え
て、チャンバ１０内に窒素などの反応ガスの流れを導入
する結果として、ターゲット３０とウェーハ７０との間
の小さな領域（第２図に１００として記されている）に
おいて充分な量の窒素原子が弾き出されたチタン原子と
反応することが重要である。換言すれば、チャンバ１０
内への窒素原子全体の流れの量が、所望の所定成分比を
もたらす量であっても、充分な量の窒素原子が実際に領
域１００に到達しなければ、（チャンバＩＯに入る流れ
から計算される）窒素原子の対応する量と釣り合わせる
のに必要な電圧の低下の結果として、たとえ所望の成分
比が保たれたとしてもＴｉＮ層の実際の形成蒸着速度の
望ましくない低下が生じると共に、所望の成分比に影響
が及ぶ可能性が生じる。

従って、本発明は、他の面においては、弾き出された金
属と反応ガスとの反応生成物が、領域１００から、該反
応生成物がチャンバ壁に蒸着して、チャンバ内の斯かる
有害な蒸着物を除去するために必要な定期的清掃の範囲
を拡大する様なチャンバ１０の他の部分への流出と蒸着
とを阻止しながら反応ガスをチャンバＩＯの外側部分か
らターゲット３０及びウェーハ７０の間の領域に効率的
に輸送する方法及び手段を提供する。

再び第２図を第５図及び第６図と共に参照すると、本発
明のこの面に従って、チャンバ１０の頂壁１４から下方
に垂れ下がる第１円柱状部材１１０が設けられる。円柱
状部材１１０は、ほぼ、頂壁１４に取り付けられている
。

円柱状部材１１０は第２の円柱状部材１２０内に同軸に
収められており、この第２円柱状部材は、チャンバ１０
の頂壁１４から離間していて、第１円柱状部材１１０へ
延在する支持ピン１２２によってチャンバＩＯ内に支持
される。第２円柱状部材１２０は、第１円柱状部材１１
０のそれより大きな距離だけチャンバＩＯの底に向かっ
て下方に延びている。

第１円柱状部材１１０内に同軸に収められて、第２円柱
状部材１２０のそれとほぼ等しい距離だけチャンバ１０
の底に向かって下方に伸びる第３の円柱状部材１３０が
、第２円柱状部材１２０及び第３円柱状部材１３０のそ
れぞれの底部円柱状エツジに密封的に接合された底壁１
３６を介して第２円柱状部材１２０に結合され支持され
ている。

第３円柱状部材１３０は、ターゲット３０からのウェー
ハ７０の所望の距離にほぼ等しい距離だけターゲット３
０から下方に位置する。第３円柱状部材１３０の上端に
クランプ手段１４０が担持されており、この手段は、ウ
ェーハ７０の上面の外周を掴んで、ウェーハ支持プラッ
ートフォーム６０の上面周辺部に担持された密封手段６
６にそれを密封的に押しつける様になっている。

クランプ手段１４０は、単に別の円柱状部材で構成する
ことの出来るものであり、この部材は、第３円柱状部材
１３０の周囲に入れ予成に受容されたスカート１４２と
、第３円柱状部材１３０の頂部エツジ上に延在してウェ
ーハ７０の上面のエツジに係合する内方に垂れ下がる水
平フランジ１４４とを有する。

クランプ手段１４０は、ウェーハ７０をプラットフォー
ム６０に固着するだけではなくて、密封手段６６と協働
して、プラットフォーム６０とつニーハフ０の裏側との
間にチャンバの形成を可能にするものであり、このチャ
ンバにプラットフォーム６０内のがスポート６４を介し
てポンピングによりガスを送り込むことによりウェーハ
７０とプラットフォーム６０との熱的結合を改善するこ
とが出来る。

第５図に示されている様に、プラットフォーム６０が下
降位置にある間にウェーハ７０が始めてチャンバ１０内
のプラットフォーム６０に載せられる。次にプラットフ
ォーム６０は第３円柱状部材１３０の内側の点に持ち上
げられ、そこでクランプ手段１４０のフランジ１４４は
、第２図に示されている様にウェーハ７０に係合する。

ウェーハ７０を第１円柱状部材１１０及び第３円柱状部
材１３０の中のこの位置に持ち上げると、チャンバＩＯ
内により小さな領域１００が画定され、ここで反応スパ
ッタリングプロセスが生じる。

ウェーハ７０が第２図に示されている位置に持ち上げら
れた後、反応スパッタリングプロセスを開始させること
が出来る。この時、反応ガスとスパッタリングガスとの
混合気、又はスパッタリングガスだけがチャンバ１０内
へ導入され、ターゲット３０とチャンバＩＯの接地され
た部分との間にプラズマが点火される。

本発明により、ガスは、第２円柱状部材１２０の頂部と
チャンバＩＯの頂壁１４との間のスペースにより画定さ
れる通路１２６を通過してチャンバ１０外側部分から領
域１００に入る。次に、ガスは、第２円柱状部材１２０
内壁と第１円柱状部材１１０の外壁とにより画定される
スペース内を下降し、次に第１円柱状部材１１０の底と
底壁１３６との間のスペースにより画定される第２通路
１３２を通過する。次に、ガスは、第１円柱状部材１１
０の内壁と第３円柱状部材２３０の外壁との間に画定さ
れたスペースを上向きに通過して、クランプリング１４
０に隣接する第１円柱状部材１１０と第３円柱状部材１
３０との間の第３通路１３８の領域１００内に入る。

円柱状部材１１０．１２０、及び１３０により画定され
る、反応ガスが領域１００へ入る道となるこの曲がりく
ねった経路は、充分な量の反応ガスが領域１００に入っ
て所望の所定成分比の反応生成物を形成する同時に、生
じた反応生成物が領域１００から移動してチャンバ１０
の他の部分に蒸着するのを阻止又は抑制する。

第２図、第５図及び第６図に示されている様に、第１円
柱状部材１１０は、更に、弾き出された金属と反応ガス
との反応生物の領域１００の外への逆流を更に抑制する
内方に垂れ下がるフランジ１１２を備える。

部材１１０．１２０及び１３０を円柱状部材として説明
したけれども、相互に対称的に位置して均一なガス流と
、領域１００内へのガスの均一な配給とを保証する限り
、他の形状を使用しても良い。均一なガス流及び領域１
００内へのガスの均一な配給を最大とすることが出来る
ので、円柱状部材が好都合である。

本発明を更に説明するために、三つの入れ子にされたシ
リンダを通る上記の反応ガス経路を備えた反応スパッタ
リングチャンバ内にチタンターゲットを装置した。１２
５ｍｍシリコンウェーハをチャンバ内のプラットフォー
ム上に載せ、これを、最も内側のシリンダ上のクランプ
リングがウェーハの上面のエツジに係合する点まで上昇
させた。

ウェーハを約４５０℃の温度まで加熱し、チャンバを約
１　ｘ１０”　Ｔｏｒｒの圧力まで排気した。１１００
５ＣＣのアルゴンバッタリングガスと、４０ｓｅｃｍの
Ｎ−、ガスとチャンバに導入し、約５０００ワツトの電
力レベルのプラズマをターゲット間に点火したが、これ
は約−３８０ｖの初期電位に保たれた。

次に電源コントローラを作動させて、ターゲット電圧を
監視することによって、プレーナーマグネトロン電源の
定電力レベルをリセットしてターゲット電圧を約−３５
０ないし約−３８０Ｖの範囲内に維持した。

１分後、ガス流と電力とを遮断し、被覆されたウェーハ
をチャンバから取り出し、細か（分けて、走査型電子顕
微鏡、釘型プロフィールメーター（ｓｔｙｌｕｓ　ｐｒ
ｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）、シート抵抗モニター及び応力
モニターの下で検査した。約５０−８０μΩｃｍの抵抗
率と５Ｘ１０’ダイン／ｃｍ２未満の応力とを有する１
０００人窒化チタン層がつ工−ハの表面上に形成された
ことが分かった。この層を、ラザフォード後方散乱オー
ジェ（ＲＢＳ）分析法と、スパッタリング中性質量分光
（ＳＭＭＳ）分析法とにより分析し、この層が完全に所
定成分比のＴｉＮ層、即ち、５０原子％チタン及び５０
原子％窒素を含有する単相の相であることが分かった。

シリンダ内の、ターゲットとウェーハとの間の領域へ窒
素とアルゴンとの混合気体を導入しながら窒化チタン反
応生成物を円柱状部材が包含しないことを示す蒸着物に
ついて円柱状部材の外側のチャンバ壁を視覚的に検査し
た。チャンバ壁土には、窒化チタン蒸着物の形跡は殆ど
発見されず、入れ千成の円柱状部材により画定される曲
がり（ねったガス経路が、ターゲットとウェーハとの間
の反応領域の外側への窒化チタン反応生成物の移動を阻
止したことが示された。

よって、本発明は、定電力源の電力レベルの調整を通じ
てのターゲット電圧の新規な制御方法と、ターゲットと
、反応生成物がその上に形成されるウェーハとの間の反
応領域内へのガスの流れを制御して、ターゲットとウェ
ーハとの間の反応領域を囲む表面へ反応生成物を蒸着さ
せつつ反応ガスを充分に供給する新規な手段とにより、
スパッタリングされた金属と反応ガスとの所定成分比の
反応生成物の反応スパッタリングを行う新規なプロセス
と装置とを提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のプロセスを示す流れ図である。 第２図は、反応スパッタリングによって所定成分比の化
合物を形成蒸着させるのに一般的に使われる反応スパッ
タリング装置の垂直断面図であり、スパッタリングされ
た金属及び反応ガスの反応生成物の所定成分比の層を形
成させ蒸着させるのに充分な量の反応ガスをターゲット
及びウェーハ間の反応領域に供給するのに使われる通路
手段を詳しく示す。 第３図は、ＴｉＮの所定成分比の層を形成させ蒸着させ
るための、チタン金属ターゲットのターゲット電圧及び
反応窒素ガス流の所望運転範囲を示すグラフである。 第４図は、ＴｉＮの所定成分比の層を形成させ蒸着させ
るためにターゲット電圧を制御してプロセスを所望運転
範囲内に維持するのに使われる回路の電気略図である。 第５図は、第２図に示されている装置の中央部分の断片
的垂直断面図であり、スパッタリングされる金属と反応
ガスとの反応生成物の所定成分比の層が形成蒸着される
位置に持ち上げられる前の装填位置にウェーハが示され
ている。 第６図は、第５図に示されている構造の、線■■に沿う
上面図であり、図を明確にするためにウェーハの周囲の
クランプリングは省略されており、ターゲット及びウェ
ーハの間の領域に反応ガスを輸送する通路を形成する手
段の位置を示すためにウェーハは点線で示されている。 ｉｇｕｒｅ

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応ガスの存在下で金属の反応スパッタリングを
   行うことにより半導体ウェーハ上に所定成分比の金属化
   合物の層を形成する改良されたプロセスであって、ター
   ゲット電圧を監視することにより金属ターゲットの負電
   位を変化させて、反応ガスの一定流で反応ガス原子と反
   応し得るスパッタリングされた金属原子の供給を増加又
   は減少させ、ターゲット電圧の変化に応じて、前記ター
   ゲットに電気的に接続された定電力源の電力レベルをリ
   セットしてターゲット電圧レベルを回復させて前記ウェ
   ーハ付近で前記のスパッタリングされた金属原子の量と
   前記反応ガス原子の量との所定の比率を与えて前記所定
   成分比の金属化合物を形成させることを特徴とするプロ
   セス。
2. （２）ターゲット電圧監視信号を電力レベルセット信号
   として前記電源に帰還させて定電力源の電力レベルを変
   化させることにより前記定電力源の電力レベルをリッセ
   トすることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
3. （３）ターゲット電圧監視信号は、電力レベルセット信
   号として電源に帰還させられることに増幅されることを
   特徴とする請求項２に記載のプロセス。
4. （４）スパッタリングされる前記金属は、チタン、アル
   ミニウム、シリコン、タンタル、銅、及び亜鉛から成る
   グループから選択され、前記反応ガスは、窒素、酸素、
   シラン（ＳｉＨ＿４）、及び亜酸化窒素（Ｎ＿２Ｏ）か
   ら成るグループから選ばれることを特徴とする請求項２
   に記載のプロセス。
5. （５）スパッタリングされる前記金属はチタンから成り
   、前記反応ガスは窒素から成り、前記所定成分比の金属
   化合物はＴｉＮから成ることを特徴とする請求項４に記
   載のプロセス。
6. （６）前記ターゲット電圧を約−２５０ボルトないし約
   −７５０Ｖの範囲内に保つために前記電力レベルをリセ
   ットすることを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
7. （７）前記ターゲット電圧を約−３００ボルトないし約
   −４００Ｖの範囲内に保つために前記電力レベルをリッ
   セトすることを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
8. （８）前記ターゲット電圧を第３図のグラフ上の点Ｃ及
   び点Ｄの間に定義される範囲内に保つために前記電力レ
   ベルをリセットすることを特徴とする請求項２に記載の
   プロセス。
9. （９）反応ガスの存在下でチャンバ内で金属ターゲット
   の反応スパッタリングを行うことにより半導体ウェーハ
   上に所定成分比の金属化合物の層を形成する改良された
   プロセスであって、 （ａ）前記ターゲットに電気的に接続されている定電力
   源の電力レベルをリセットすることにより金属ターゲッ
   ト負電位を変化させて、前記反応ガスの一定流で前記反
   応ガスの原子と反応し得るスパッタリングされた金属原
   子の供給を増加又は減少させ、 （ｂ）前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域から
   の前記所定成分比の金属化合物の移動を制限しながら前
   記領域へ前記反応ガスを流すための経路を設けることに
   よって、 前記ウェーハ付近で前記のスパッタリングされた金属原
   子の量と前記反応ガス原子の量との所定の比率を与えて
   前記所定成分比の金属化合物を前記ウェーハ上に形成さ
   せることを特徴とするプロセス。
10. （１０）前記反応ガスの前記経路を設ける前記ステップ
    は、更に、前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域
    を囲む一連の同軸に入れ子にされた部材を設けて街部材
    間に一つ以上のガス通路を画定させることから成ること
    を特徴とする請求項９に記載のプロセス。
11. （１１）前記反応ガスの前記経路を設けるステップは、
    更に、ターゲットとウェーハとの間の領域を囲む同軸に
    入れ子にされた一連の少なくとも三つの部材を設けて、
    その最も外側の部材と最も内側の部材とを前記チャンバ
    の頂壁から下方に離間させて前記チャンバの頂壁と前記
    の最も外側の部材との間には入口通路を画定させ、前記
    の最も内側の部材と前記頂壁との間には出口通路を画定
    させ、前記の最も内側の部材の底縁と前記の最も外側の
    部材の底縁とを接合する底壁を設け、昼間の部材を前記
    チャンバの前記頂壁から下方に、前記底壁の上に離間し
    た点まで垂れ下げて前記部材間にガス通路を画定するこ
    とから成ることを特徴とする請求項１０に記載のプロセ
    ス。
12. （１２）反応ガスの存在下で金属の反応スパッタリング
    を行うことにより半導体ウェーハ上に所定成分比の金属
    化合物の層を形成する改良された装置であって、ターゲ
    ット電圧を監視する手段を含む、金属ターゲットの負電
    位を変化させて、反応ガスの一定流で反応ガス原子と反
    応し得るスパッタリングされた金属原子の供給を増加又
    は減少させる手段と、ターゲット電圧の変化に応じて、
    前記ターゲットに電気的に接続された定電力源の電力レ
    ベルをリセットしてターゲット電圧レベルを回復させて
    前記ウェーハ付近で前記のスパッタリングされた金属原
    子の量と前記反応ガス原子の量との所定の比率を与えて
    前記所定成分比の金属化合物を形成させる手段と、から
    成ることを特徴とする装置。
13. （１３）前記定電力源の電力レベルをリセットする前記
    手段は、ターゲット電圧監視信号を電力レベルセット信
    号として前記電源に帰還させて定電力源の電力レベルを
    変化させる手段を更に備えることを特徴とする請求項１
    ２に記載の装置。
14. （１４）前記ターゲット電圧監視信号を前記電源に帰還
    させる手段は、電力レベルセット信号として前記電源に
    帰還させられる前記電圧監視信号を増幅する手段を更に
    備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. （１５）スパッタリングされる前記金属は、チタン、ア
    ルミニウム、シリコン、タンタル、銅、及び亜鉛から成
    るグループから選択され、前記反応ガスは、窒素、酸素
    、シラン（ＳｉＨ＿４）、及び亜酸化窒素（Ｎ＿２Ｏ）
    から成るグループから選ばれることを特徴とする請求項
    １２に記載の装置。
16. （１６）スパッタリングされる前記金属はチタンからら
    成り、前記反応ガスは窒素から成り、前記所定成分比の
    金属化合物はＴｉＮから成ることを特徴とする請求項１
    ５に記載の装置。
17. （１７）前記電力レベルをリセットする前記手段は、前
    記ターゲット電圧を約−２５０ボルトないし約−７５０
    ボルトの範囲内に保つ手段を更に備えることをち特徴と
    する請求項１３に記載の装置。
18. （１８）前記電力レベルをリッセトする前記手段は、前
    記ターゲット電圧を約−３００ボルトないし約−４００
    ボルトの範囲内に保つ手段を更に備えることを特徴とす
    る請求項１３に記載の装置。
19. （１９）前記電力レベルをリセットする前記手段は、前
    記ターゲット電圧を第３図のグラフ上の点Ｃ及び点Ｄの
    間に定義される範囲内に保つ手段を更に備えることを特
    徴とする請求項１３に記載の装置。
20. （２０）前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域か
    らの前記所定成分比の金属化合物の移動を制限しながら
    前記領域へ前記反応ガスを流すための経路を提供する手
    段を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の装
    置。
21. （２１）前記反応ガスの前記経路を提供する前記手段は
    、更に、前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域を
    囲んで、その間に一つ以上のガス通路を画定する一連の
    同軸に入れ子にされた部材を備えることを特徴とする請
    求項２０に記載の装置。
22. （２２）反応ガスの存在下でチャンバ内で金属ターゲッ
    の反応スパッタリングを行うことにより半導体ウェーハ
    上に所定成分比の金属化合物の層を形成する改良された
    装置であって、 （ａ）前記ターゲットに電気的に接続されている定電力
    源の電力レベルをリセットする手段から成る、金属ター
    ゲットの負電位を変化させて、前記反応ガスの一定流で
    前記反応ガスの原子と反応し得るスパッタリングされた
    金属原子の供給を増加又は減少させる手段と、 （ｂ）前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域から
    前記チャンバの他の部分への前記所定成分比の金属化合
    物の移動を制限しながら前記領域へ前記反応ガスを流す
    ための経路を提供する手段とから成り、 前記ウェーハ付近で前記のスパッタリングされた金属原
    子の量と前記反応ガス原子の量との所定の比率を与えて
    前記所定成分比の金属化合物を前記ウェーハ上に形成さ
    せることを特徴とする装置。
23. （２３）前記反応ガスの前記経路を提供する前記手段は
    、更に、前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域を
    囲んで、その間に一つ以上のガス通路を画定する一連の
    同軸に入れ子にされた部材を更に備えることを特徴とす
    る請求項２２に記載の装置。
24. （２４）前記反応ガスの前記経路を提供する前記手段は
    、更に、前記ターゲットと前記ウェーハとの間の領域を
    囲む一連の少なくとも三つの同軸に入れ子にされた部材
    を更に供え、該部材は、 （ａ）前記チャンバの頂壁から下方に離間した最も外側
    の部材及び最も内側の部材であって、前記チャンバの頂
    壁と前記の最も外側の部材との間には入口通路を画定し
    、前記の最も内側の部材と前記頂壁との間には出口通路
    を画定する最も外側の部材及び最も内側の部材と、 （ｂ）前記の最も内側の部材の底縁と前記の最も外側の
    部材の底縁とを接合する底壁と、 （ｃ）前記チャンバの前記頂壁から前記底壁の上に離間
    した点まで下方に垂れ下がる中間の部材とから成り、 これにより、前記部材の外側の前記チャンバの部分から
    前記部材内の前記領域まで前記部材間にガス通路を画定
    することを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. （２５）反応スパッタリングを行って、スパッタリング
    された金属と反応ガスとの反応により所定成分比の金属
    化合物の層を半導体ウェーハ上に形成する装置であって
    、 （ａ）頂壁を有する真空チャンバと、 （ｂ）前記チャンバの前記頂壁の付近に装置された金属
    ターゲットと、 （ｃ）前記ターゲットの下の位置に保持されて、これと
    ほぼ軸方向に整列する前記チャンバ内の円形の半導体ウ
    ェーハと、 （ｄ）前記チャンバの前記頂壁に取り付けられた上端を
    有し、前記ターゲットの下に垂れ下がり、ほぼ対称的に
    前記ターゲットを囲む第一シリンダと、 （ｅ）ほぼ同軸に前記第一シリンダを囲むと共に、前記
    頂壁から離間して、その間に第一通路を画定する上端部
    と、前記第一シリンダの下端を越えて下方に垂れ下がる
    下端とを有する第二シリンダと、 （ｆ）前記第一シリンダを同軸に囲む前記チャンバ内の
    前記位置に前記第二シリンダを支持する前記チャンバ内
    の支持手段と、 （ｇ）前記半導体ウェーハより僅かに大きい内径を有す
    る前記第一シリンダ内に同軸に位置すると共に、前記チ
    ャンバの前記頂壁から離間してその間に第二通路を画定
    する上端部と、前記第二シリンダの前記下端とほぼ同じ
    距離だけ垂れ下がる下端とを有する第三シリンダと、 （ｈ）前記第二及び第三のシリンダの前記下端に接合さ
    れて、その間のスペースを密封する円形の底壁とから成
    り、 これにより、前記第二シリンダの外側の、前記チャンバ
    内のスペースから前記第一通路を通じて前記前記第一及
    び第二のシリンダの間のスペース内に伸び、次に前記第
    一シリンダの前記下端の周囲を下向きに延びて前記第一
    及び第三のシリンダの間のスペースへ伸び、次に前記第
    二通路を通じて延びるガス通路が画定されて、これによ
    り前記反応ガスは前記ウェーハの付近に出現して前記の
    スパッタリングされた金属と反応して前記の被膜を前記
    ウェーハ上に形成することが出来ることを特徴とする装
    置。
26. （２６）前記第一シリンダはフランジを有し、このフラ
    ンジは、前記下端に取り付けられて前記第三シリンダの
    外壁に向かって内方に垂れ下がって前記のスパッタリン
    グされる金属と反応ガスとの反応生成物の逆流を妨げて
    前記シリンダ外の前記チャンバの残りの部分の汚染を防
    止することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. （２７）前記フランジは、前記第一シリンダの壁にほぼ
    垂直に前記第一シリンダの前記下端に取り付けられてい
    ることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. （２８）前記第三シリンダは、前記シリンダの上端に担
    持されて前記ウェーハの外側エッジに係合するクランプ
    リングを有することを特徴とする請求項２５に記載の装
    置。