Sputterreaktor und Verfahren zu dessen Betrieb.

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen, insbesondere bei der Siliziumprozeßtechnik, erfolgt die Abscheidung von Schichten, insbesondere aus Metall, vielfach durch Sputtern (Kathodenstrahlzerstäuben) in Sputterreaktoren. In den Sput- terreaktoren ist ein Target aus dem Material, aus dem die

Schicht abgeschieden werden soll, und ein Scheibenhalter zur Aufnahme einer Substratscheibe, auf der die Schicht abge¬ schieden werden soll, vorgesehen. Zur Schichtabscheidung wird in dem Sputterreaktor ein Plasma erzeugt. Durch Ionenbeschuß aus dem Plasma werden aus der Targetoberfläche Atome heraus¬ geschlagen, die auf die Oberfläche der Substratscheibe auf¬ treffen und dort die gewünschte Schicht bilden.

Bei der Sputterabscheidung werden Inhomogenitäten der Ab- scheideraten zwischen der Mitte und dem Rand des Sputterreak- tors beobachtet. Erfolgt die Schichtabscheidung auf Substrat¬ scheiben mit großem Durchmesser, so wirken sich diese Inhomo¬ genitäten besonders störend aus. Dieses ist besonders gravie¬ rend bei Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von 8" oder mehr, wie sie bei der Herstellung von Schaltungsstrukturen in der 0,35 um und 0,25 um Generation vorgesehen werden.

Vielfach ist im Sputterreaktor zwischen dem Target und der Substratscheibe zusätzlich ein Kollimator vorgesehen. Die In- homogenität der Abscheiderate führt hier zu einem unter¬ schiedlichen Zusputtern der Kollimatorlöcher (siehe A. Kersch et ai, IEDM 1992 Digest of technical papers, Seite 181), was die Standzeit des Kollimators reduziert.

Es ist vorgeschlagen worden, zur Erzielung homogener Schicht- dicker, über den Durchmesser der Substratscheibe sm Ort de£ Targets e ne inhomogene Verteilung eines Magnetfeldes er-

zeugen. Dadurch wird die Sputterrate am Target künstlich in¬ homogen gemacht, so daß auf der Substratscheibe eine mög¬ lichst homogene Abscheiderate auftritt. Dazu werden Perma¬ nentmagneten, bei einigen Reaktortypen in rotierender Anord¬ nung, vorgesehen. Die Anordnung der Permanentmagneten wird für den jeweiligen Anlagentyp beim Hersteller der Anlage op¬ timiert. Eine Anpassung an das Langzeitverhalten von Reaktor, Kollimator und Target beim Benutzer der Anlage ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sputterreak¬ tor anzugeben, bei dem die Inhomogenität in der Abscheiderate auf andere Weise vermieden wird. Ferner st es Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen derartigen Sputterreaktor anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sput¬ terreaktor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Be¬ trieb gemäß Anspruch 5. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

In dem erfindungsgemäßen Sputterreaktor ist anstelle eines durchgehenden Targets eine Targetanordnung mit mindestens zwei oder mehr Targetelementen vorgesehen. Diese Targetele- mente weisen jeweils im wesentlichen dieselben Materialzusam¬ mensetzung auf. Die Targetelemente sind unabhängig von einan¬ der elektrisch ansteuerbar. Insbesondere werden die Targete¬ lemente im Betrieb mit unterschiedlichen Gleich- oder Wech¬ selspannungen beaufschlagt. Durch die unterschiedliche Span- nung an den einzelnen Targetelementen wird die Sputterrate an der Targetanordnung inhomogen. Im Betrieb werden die Targete¬ lemente derartig unterschiedlich mit Spannungen beaufschlagt, daß am Ort der Substratscheibe eine homogene Abscheiderate über den Durchmesser der Substratscheibe auftritt.

Da in der Siliziurr.prozeStechr.ik meist εcheibenfcrπge Substrate verwendet werden, ist es vorteilhaft, eines der

Targetelemente kreisförmig auszubilden und das oder die wei¬ teren Targetelemente ringförmig auszubilden. Das kreisförmige Targetelement und das oder die ringförmigen Targetelemente werden dann konzentrisch in einer Ebene angeordnet. Durch diese kreis-/ringförmigen Targetelemente werden in einer Zy- lindersymmetrie, wie sie bei der Verwendung von scheibenför¬ migen Substraten vorliegt, Inhomogenitäten der Abscheiderate am Ort des Substrats optimal ausgeglichen.

Weist das zu prozessierende Substrat eine andere Geometrie auf, so liegt es im Rahmen der Erfindung, die Targetelemente mit anderer Geometrie, zum Beispiel als Sektoren eines Krei¬ ses, vorzusehen.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar als Sput¬ terreaktor mit einem Kollimator, da hierbei neben der homoge¬ nen Dicke der abgeschiedenen Schicht auch eine Verlängerung der Standzeit des Kollimators erzielt wird. ^"

Die Spannungen, mit denen die Targetelemente beaufschlagt werden, werden auf einfachste Weise über Eichmessungen ermit¬ telt. Dazu werden Versuchsreihen mit verschiedenen Spannungen an den einzelnen Targetelementen durchgeführt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die elektrische Ansteuerung der Targetelemente in situ zu optimieren. Dazu sind im Sput¬ terreaktor zwei oder mehr Meßeinrichtungen vorgesehen, mit denen während einer Abscheidung einer Schicht auf der Substratscheibe die Dicke der abgeschiedenen Schicht an in- destens zwei Orten der Substratscheibe meßbar ist. In Abhän¬ gigkeit der gemessenen Dicken wird mit Hilfe einer Steuerein¬ heit die an die Targetelemente angelegte Spannung nachge¬ stellt. Zur Messung der Schichtdicke sind Schwingquarz- oder Wirbelstromsensoren, wie sie zum Beispiel aus G. G. Barna et al, IEEE Trans, on Semiconductor Manufacturing, Vol. 7, 1994, Seite 149 und R. Iscoff, Semidonductor International, August 1994, Seite 69, bekannt sind, geeignet.

Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, durch Vergleich der gemessenen Dicken an verschiedenen Orten der Substrat- scheibe mit dem entsprechenden Wert einer numerischen Si ula- tion des Sputterreaktors iterativ optimale Werte für die Spannung an den einzelnen Targetelementen zu bestimmen und mit diesen den Prozeß durchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels und der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Sputterreaktor mit einer Targetanord¬ nung, die drei elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbare Targetelemente umfaßt.

Ein Sputterreaktor umfaßt eine Reaktionskammer 1, die mit Pumpstutzen 2 und Gaszuführungen 3 versehen ist. Die Reakti¬ onskammer 1 ist mit Bezugspotential, zum Beispiel Erdpoten¬ tial verbunden.

In der Reaktionskammer 1 ist ein Scheibenhalter 4 vorgesehen zur Aufnahme einer zu prozessierenden Substratscheibe 5 zum Beispiel aus Silizium. Der Scheibenhalter 4 ist ebenfalls mit Bezugspotential verbunden.

In der Reaktionskammer 1 ist darüber hinaus ein Kollimator 6 und eine Targetanordnung 7 vorgesehen. Der Kollimator 6 ist zwischen der Targetanordnung 7 und dem Scheibenhalter 4 ange¬ ordnet. Der Kollimator 6 umfaßt zylinderförmige Kollimatorlö- eher, deren Zylinderachse im wesentlichen senkrecht zur Ober¬ fläche der Substratscheibe 5 ausgerichtet ist.

Die Targetanordnung 7 umfaßt mehrere, zum Beispiel drei Tar¬ getelemente 71, 72, 73. Die Targetelemente 71, 72, 73 weisen jeweils dieselbe Materialzusammensetzung auf. Zur Abscheidung von zum Beispiel Titan enthalten die Targetelemente 71, 72, 73 zum Beispiel Titan.

Der Sputterreaktor ist mit einer Spannungsversorgung 8 verse¬ hen, die mit jedem der Targetelemente 71, 72, 73 verbunden ist. Über die Spannungsversorgung 8 wird an jedes der Targe¬ telemente 71, 72, 73 unabhängig von den übrigen Targetelemen¬ ten eine Spannung angeleg . Die Spannungsversorgung 8 kann als ein Spannungsgenerator mit zum Beispiel drei unabhängigen Ausgängen oder als drei unabhängige Spannungsgeneratoren rea¬ lisiert sein.

In der Reaktionskammer 1 sind mehrere, zum Beispiel drei Sen¬ sorelemente 91, 92, 93 vorgesehen. Die Sensorelemente 91, 92, 93 sind an drei unterschiedlichen Orten oberhalb der Substratscheibe 5 angeordnet. Die Sensorelemente 91, 92, 93 sind zur Dickenmessung einer auf der Substratscheibe 5 abge¬ schiedenen Schicht geeignet. Sie werden zum Beispiel als Schwingquarz oder Wirbelstromsensor realisiert.

Der Sputterreaktor umfaßt darüber hinaus eine Steuereinheit 10, die zum Beispiel drei Eingänge und drei Ausgänge auf¬ weist. Die Eingänge der Steuereinheit 10 sind jeweils mit ei¬ nem der Sensorelemente 91, 92, 93 verbunden. Die Ausgänge der Steuereinheit 10 werden mit Steuereingängen der Spannungsver¬ sorgung 8 verbunden.

Der Sputterreaktor kann darüber hinaus Mittel zur Plasmaer¬ zeugung umfassen (der Übersichtlichkeit halber nicht darge¬ stellt), zum Beispiel einen Mikrowellen- oder Hochfrequenz¬ sender. Im Betrieb des Sputterreaktors wird die Reaktions- kammer 1 über die Gaszuführungen 3 mit einem Prozeßgas, zum Beispiel Argon beaufschlagt. In der Reaktionskammer wird ein Druck von 0,5 bis 5 mTorr eingestellt. Durch Einkopplung ei¬ ner elektrischen Hochfrequenzenergie mit einer Leistung von 1 bis 5 kW und einer Frequenz von zum Beispiel 13,56 MHz wird in der Reaktionskammer 1 ein Plasma angeregt. An die Targe¬ telemente 71, 72, 73 wird eine Spannung angelegt. Je nach den Eigenschaften des abzuscheidenden Materials wird dabei eine

Gleich- oder WechselSpannung angelegt. Die Temperatur in der Reaktionskammer beträgt 25 bis 300°C. Bei diesen Parametern beträgt die Abscheiderate 0,1 bis 1 nm/s.

Über die Sensorelemente 91, 92, 93 wird bei der Schichtab¬ scheidung die aktuelle Schichtdicke gemessen. Die Steuerein¬ heit 10 umfaßt einen Mikroprozessor, über den eine Bewertung der Verteilung der aktuellen Schichtdicke erfolgt. Abhängig von den über die Sensorelemente 91, 92, 93 gemessenen Schichtdicken erzeugt die Steuereinheit 10 Ausgangsεignale zur Ansteuerung der Spannungsversorgung 8. Abhängig von den Ausgangssignalen der Steuereinheit 10 werden die Spannungen an den Targetelementen 71, 72, 73 unabhängig voneinander nachgestellt. Die am Ausgang der Steuereinheit erzeugten Si- gnale steuern die Spannungsversorgung 8 dabei so an, daß die Sputterrate an den einzelnen Targetelementen 71, 72, 73 zu einer über den Durchmesser der Substratscheibe 5 im wesent¬ lichen homogenen Abscheiderate führt.

Das Targetelement 71 ist zum Beispiel kreisförmig mit einem Durchmesser von zum Beispiel 20 cm. Das Targetelement 72 ist zum Beispiel ringförmig mit einem Außendurchmesser von zum Beispiel 36 cm. Das Targetelement 73 ist zum Beispiel ring¬ förmig mit einem Außendurchmesser von zum Beispiel 52 cm. Die Targetelemente 71, 72, 73 sind konzentrisch in einer Ebene angeordnet, wobei zwischen dem Targetelement 71 und 72 sowie zwischen den Targetelementen 72 und 73 jeweils ein Abstand von 5 mm eingehalten wird. Die Spannungen an den Targetele¬ menten 71, 72, 73 werden zum Beispiel im Bereich zwischen 500 und 1500 Volt geregelt.

Zu Beginn des Prozesses ist es vorteilhaft, an das Targetele¬ ment 71 1167 Volt, an das Targetelement 72 616 Volt und an das Targetelement 73 600 Volt anzulegen. Für diese Werte wur- den mit Hilfe einer numerischen Simulation eine homogene Ab¬ scheiderate als Funktion der Position auf der Substratscheibe errechnet. Die numerische Simulation ergibt, daß das abge-

schiedene Material in gewissen Bereichen der Substratscheibe jeweils im wesentlichen von einem der Targetelemente her¬ rührt. Daher wird die Homogenität durch eine Überlagerung der Abscheideraten der einzelnen Targetelemente 71, 72, 73 opti¬ miert.