(57)【要約】      （修正有）【課題】高い膜応力を引き起こすことなく、非晶質で緻密な炭素膜を形成するための基板処理システムの提供。【解決手段】パルスＲＦバイアス発生器とＨＩＰＩＭｓ発生器との間に結合されたパルス同期コントローラを初期化することによって開始される。第１のタイミング信号が、パルス同期コントローラによってパルスＲＦバイアス発生器およびＨＩＰＩＭｓ発生器に送信される。スパッタリングターゲットおよび基板支持体内に配置されたＲＦ電極が、第１のタイミング信号に基づいて、活性化される。ターゲットと電極が、タイミング信号の終了に基づいて、非活性化される。第２のタイミング信号が、パルス同期コントローラによってパルスＲＦバイアス発生器に送信され、電極が、第２のタイミング信号に応答してターゲットを活性化することなく活性化および非活性化される。【選択図】図５
2019090104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと連通しているターゲット電源であって、ターゲットバイアスを第１のターゲット電圧と第２のターゲット電圧との間で変化させるように動作可能であるターゲット電源と、
基板支持体内に配置されたＲＦ電極と連通しているＲＦバイアス源であって、前記ＲＦ電極を第１の電極電圧と第２の電極電圧との間で活性化させるように構成されたＲＦバイアス源と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源に結合された同期コントローラであって、それぞれの第１または第２の電圧に移行するように、前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源に複数の同期信号を供給する同期コントローラと
を備えるパルス同期システム。
【請求項２】
前記同期コントローラが、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源の両方を活性化させるように構成された第１の持続時間の第１のオン信号と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源を非活性化させるように構成された第２の持続時間の第１のオフ信号と、
前記ＲＦバイアス源のみを活性化させるように構成された第３の持続時間の第２のオン信号と
をさらに備える、請求項１に記載のパルス同期システム。
【請求項３】
前記ＲＦバイアス源が、前記第１のオン信号の活性化時に前記ＲＦ電極を活性化させることにおいて遅延を有する、請求項２に記載のパルス同期システム。
【請求項４】
前記ＲＦ電極を活性化させることにおける前記遅延が、約３μｓである、請求項３に記載のパルス同期システム。
【請求項５】
前記同期コントローラが、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源の両方を活性化させるように構成された第１の持続時間の第１のオン信号と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源を非活性化させるように構成された第２の持続時間の第１のオフ信号と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源の両方を活性化させるように構成された第３の持続時間の第２のオン信号と
をさらに備える、請求項１に記載のパルス同期システム。
【請求項６】
側壁および底部を有するチャンバ本体と、
前記チャンバ本体上に配置されて内部空間を形成するリッドアセンブリであって、スパッタリングターゲットを有するリッドアセンブリと、
電極を有する基板支持体であって、前記リッドアセンブリの下の前記内部空間に配置され、処理中に基板を支持するように構成された基板支持体と
を備える基板処理チャンバと、
処理チャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと連通しているターゲット電源であって、ターゲットバイアスを第１のターゲット電圧と第２のターゲット電圧との間で変化させるように動作可能であるターゲット電源と、
基板支持体内に配置されたＲＦ電極と連通しているＲＦバイアス源であって、前記ＲＦ電極を第１の電極電圧と第２の電極電圧との間で活性化させるように構成されたＲＦバイアス源と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源に結合された同期コントローラであって、それぞれの第１または第２の電圧に移行するように、前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源に複数の同期信号を供給する同期コントローラと
を備えるパルス同期システムと
を備える基板処理システム。
【請求項７】
前記同期コントローラが、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源の両方を活性化させるように構成された第１の持続時間の第１のオン信号と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源を非活性化させるように構成された第２の持続時間の第１のオフ信号と、
前記ＲＦバイアス源のみを活性化させるように構成された第３の持続時間の第２のオン信号と
をさらに備える、請求項６に記載の基板処理システム。
【請求項８】
前記ＲＦバイアス源が、前記第１のオン信号の活性化時に前記ＲＦ電極を活性化させることにおいて遅延を有する、請求項７に記載の基板処理システム。
【請求項９】
前記ＲＦ電極を活性化させることにおける前記遅延が、約３μｓである、請求項８に記載の基板処理システム。
【請求項１０】
前記同期コントローラが、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源の両方を活性化させるように構成された第１の持続時間の第１のオン信号と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源を非活性化させるように構成された第２の持続時間の第１のオフ信号と、
前記ＲＦバイアス源および前記ターゲット電源の両方を活性化させるように構成された第３の持続時間の第２のオン信号と
をさらに備える、請求項６に記載の基板処理システム。
【請求項１１】
高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭｓ）中にターゲットパルスをＲＦバイアスパルスと同期させる方法であって、
パルスＲＦバイアス発生器とＨＩＰＩＭｓ発生器との間に結合されたパルス同期コントローラを初期化することと、
第１のタイミング信号を、前記パルス同期コントローラによって前記パルスＲＦバイアス発生器および前記ＨＩＰＩＭｓ発生器に送信することと、
前記第１のタイミング信号に基づいて、スパッタリングターゲットおよび基板支持体内に配置されたＲＦ電極を活性化させることと、
前記タイミング信号の終了に基づいて、前記ターゲットおよび前記電極を非活性化させることと、
第２のタイミング信号を、前記パルス同期コントローラによって前記パルスＲＦバイアス発生器に送信することと、
前記第２のタイミング信号に応答して、前記ターゲットを活性化させることなく、前記電極を活性化および非活性化させることと
を含む方法。
【請求項１２】
第３のタイミング信号を、前記パルス同期コントローラによって前記パルスＲＦバイアス発生器および前記ＨＩＰＩＭｓ発生器に送信することと、
前記第３のタイミング信号に基づいて、前記ターゲットおよびＲＦメッシュを活性化させることと、
前記第３のタイミング信号の終了に基づいて、前記ターゲットおよび前記ＲＦメッシュを非活性化させることと、
第４のタイミング信号を、前記パルス同期コントローラによって前記パルスＲＦバイアス発生器に送信することと、
前記第３のタイミング信号に応答して、前記ターゲットを活性化させることなく、前記ＲＦメッシュを活性化および非活性化させることと
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第３のタイミング信号の開始時に前記ＲＦメッシュを活性化させることを遅延させること、をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＲＦメッシュを活性化させることにおける遅延が、約３μｓである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のタイミング信号が、前記ＨＩＰＩＭｓ発生器に追加的に送信され、前記ＨＩＰＩＭｓ発生器が、前記ターゲットを活性化させる、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］本明細書に記載の実施形態は、一般に、基板処理システムに関し、より詳細には、処理チャンバ内で使用するためのパルス形成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］半導体産業が、より高性能でより大きな機能性を有する新しい世代の集積回路（ＩＣ）を導入するにつれて、これらのＩＣを形成する要素の密度が増加する一方で、個々の構成要素または要素間の寸法、サイズおよび間隔が縮小される。従来、このような縮小は、フォトリソグラフィを用いて構造を画定する能力によってのみ制限されていたが、マイクロメートルまたはナノメートルで測定される寸法を有するデバイス形状は、導電性相互配線の導電率、相互配線間に使用される絶縁材料の誘電率、３Ｄ  ＮＡＮＤもしくはＤＲＡＭ形成プロセスにおいて小さな構造をエッチングすること、または他の課題などの新たな制限要因を生み出した。これらの制限は、より耐久性があり、より高い熱伝導率の、より硬いハードマスクによって利益を得ることができる。
【０００３】
［０００３］ＨｉＰＩＭＳは、マグネトロンスパッタ堆積に基づく薄膜の物理的気相堆積のための方法である。ＨｉＰＩＭＳは、約１０％のデューティなどの４０％未満の低デューティサイクルの数十マイクロ秒の短パルス（インパルス）でｋＷ／ｃｍ２のオーダーの極めて高い電力密度を利用する。炭素膜の高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）堆積の間、−２ｋＶまでの２５μｓのパルスが、２〜８ｋＨｚの周波数でターゲットに印加されてもよい。炭素ターゲットの場合、基板処理チャンバ内の電流は、１５０Ａピークまでスパイクすることがある。従来のＨｉＰＩＭＳによる炭素膜の堆積は、粗い柱状膜を生じる。膜をより非晶質かつ緻密にするために、ＲＦを使用することができる。ＲＦバイアスは、炭素イオンエネルギーを増加させ、堆積膜をより緻密にする。しかし、従来の連続波モードのＲＦバイアスは、高い膜応力を引き起こす。膜応力を緩和する１つの方法は、ソースＨＶ  ＤＣパルスがオンのときにのみＲＦがオンになるように、ＲＦバイアスをパルスにすることである。しかしながら、ＨｉＰＩＭＳ  ＨＶパルスがオフのとき、キャリアイオン（クリプトン）の衝突がないので、炭素膜のモルフォロジーは十分に改善されない。
【０００４】
［０００４］したがって、炭素膜応力を増加させることなく、改善された炭素膜のモルフォロジーを有する膜を堆積させるための改善された基板処理システムが必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
［０００５］本明細書に提示される実施形態は、半導体処理システム内で基板を処理する方法および装置に関する。この方法は、パルスＲＦバイアス発生器とＨＩＰＩＭｓ発生器との間に結合されたパルス同期コントローラを初期化することによって開始される。第１のタイミング信号が、パルス同期コントローラによってパルスＲＦバイアス発生器およびＨＩＰＩＭｓ発生器に送られる。スパッタリングターゲットおよび基板支持体内に配置されたＲＦ電極が、第１のタイミング信号に基づいて、活性化される。ターゲットと電極が、タイミング信号の終了に基づいて、非活性化される。第２のタイミング信号が、パルス同期コントローラによってパルスＲＦバイアス発生器に送られ、第２のタイミング信号に応答して、ターゲットを活性化することなく、電極が活性化され、そして非活性化される。
【０００６】
［０００６］本開示の上記の特徴が詳細に理解できるように、実施形態を参照することにより、上記で簡潔に要約された本開示のより詳細な説明を得ることができ、実施形態のいくつかが、添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示は他の同等に有効な実施形態を認めることができるので、その範囲を限定するものとみなされるべきではないことに、留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）プロセスを使用して材料をスパッタ堆積するのに適した物理的気相堆積（ＰＶＤ）処理チャンバを示す。
【図２】高出力インパルスマグネトロンスパッタリングにおけるターゲットパルスおよびＲＦバイアスパルスのための電力供給システムを示す部分概略ブロック図を示す。
【図３】シングル同期信号を使用する第１の実施形態におけるターゲットパルスおよびＲＦバイアスパルスの信号電圧を示す。
【図４】デュアル同期信号を使用する第２の実施形態におけるターゲットパルスおよびＲＦバイアスパルスの信号電圧を示す。
【図５】高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭｓ）中にターゲットパルスをＲＦバイアスパルスと同期させる方法である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［００１２］明快さのため、適用可能な場合、図面間で共通する同一の要素を示すのに、同一の参照番号が使用されている。さらに、一実施形態の要素は、本明細書に記載される他の実施形態における利用のために、有利に適合され得る。
【０００９】
［００１３］図１は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）プロセスを用いて材料をスパッタ堆積するのに適した物理的気相堆積（ＰＶＤ）処理チャンバ１００（例えば、スパッタ処理チャンバ）を示す。処理チャンバ１００は、処理空間１０４を画定するチャンバ本体１０２を含む。チャンバ本体１０２は、側壁１０６および底部１０８を含む。基板支持アセンブリ１４０が、処理空間１０４内に配置される。チャンバリッドアセンブリ１１０が、チャンバ本体１０２の上部に取り付けられている。チャンバ本体１０２は、アルミニウムまたは他の適切な材料から製造することができる。基板アクセスポート１１２が、チャンバ本体１０２の側壁１０６を通って形成され、処理チャンバ１００へのおよび処理チャンバからの基板１０１の移送を容易にする。アクセスポート１１２は、基板処理システムの移送チャンバおよび／または他のチャンバと連通することができる。
【００１０】
［００１４］チャンバリッドアセンブリ１１０は、一般に、ターゲット１２０と、それに結合された接地シールドアセンブリ１２２とを含む。ターゲット１２０は、ＰＶＤプロセス中にスパッタリングされて基板１０１の表面上に堆積され得る材料源を提供する。ターゲット１２０は、ＤＣスパッタリング中にプラズマ回路のカソードとして機能する。ターゲット１２０は、堆積層に利用される材料、またはチャンバ内に形成される堆積層の要素から製造することができる。電源１２４（図２でより詳細に説明される）などの高電圧電源が、ターゲットから材料をスパッタリングすることを容易にするために、ターゲット１２０に接続されている。一実施形態では、ターゲット１２０は、グラファイト、アモルファスカーボン、それらの組み合わせなどの炭素含有材料から製造することができる。
【００１１】
［００１５］ターゲット１２０は、一般に、周辺部１２６および中央部１２８を含む。周辺部１２６は、処理チャンバ１００の側壁１０６の上に配置される。ターゲット１２０の中央部１２８は、基板支持アセンブリ１４０上に配置された基板１０１の表面に向かってわずかに延びる曲面を有してもよい。一実施形態では、ターゲット１２０と基板支持アセンブリ１４０との間の間隔は、約５０ｍｍと約２５０ｍｍとの間に維持される。
【００１２】
［００１６］チャンバリッドアセンブリ１１０は、マグネトロンカソード１３２をさらに備えることができる。一実施形態では、マグネトロンカソード１３２は、ターゲット１２０の上に取り付けられ、これにより、処理中にターゲット１２０から材料を効率的にスパッタリングすることを増進する。マグネトロンカソード１３２は、効率的なプロセス制御および適合した膜特性を可能にしながら、一貫したターゲットの浸食および基板１０１のいたる所における均一な堆積を保証する。
【００１３】
［００１７］リッドアセンブリ１１０の接地シールドアセンブリ１２２は、接地フレーム１３４および接地シールド１３６を含む。接地シールド１３６は、接地フレーム１３４によって周辺部１２６に結合され、処理空間１０４内でターゲット１２０の中央部１２８の下方に上部処理領域１３８を画定する。接地フレーム１３４は、接地シールド１３６をターゲット１２０から電気的に絶縁しながら、側壁１０６を通って処理チャンバ１００のチャンバ本体１０２への接地経路を提供するように構成される。プラズマからのイオンがターゲット１２０の中央部１２８からターゲットソース材料を飛び出させて、飛び出したターゲットソース材料が側壁１０６よりむしろ基板表面上に主に堆積されるように、接地シールド１３６は、処理中に生成されたプラズマを上部処理領域１３８内に閉じ込めるように構成される。
【００１４】
［００１８］基板支持アセンブリ１４０は、シャフト１４２と、シャフト１４２に結合された基板支持体１４４とを含む。基板支持体１４４は、処理中に基板１０１を支持するように構成された基板受け面１４６を含む。シャフト１４２は、チャンバ本体１０２の底部１０８を通って延び、リフト機構１５６に結合されている。リフト機構１５６は、基板支持体１４４を下部移送位置と上部処理位置との間で移動させるように構成される。ベローズ１４８が、シャフト１４２の周りを囲み、チャンバ本体１０２とシャフト１４２との間に可撓性のシールを提供するように構成される。
【００１５】
［００１９］基板支持体１４４は、誘電体内に埋め込まれた電極１７０を有する静電チャックとして構成されてもよい。基板支持体１４４は、静電チャック（ＥＳＣ）として構成されている場合、基板１０１を保持するために、反対の電荷の引力を使用する。ＤＣ電源１７２が、整合回路１７３を通って電極１７０に結合されている。ＤＣ電源１７２は、約２００〜約２０００ボルトのＤＣチャッキング電圧を電極１７０に供給することができる。ＤＣ電源１７２はまた、基板１０１をチャッキングおよびデチャッキングするためにＤＣ電流を電極１７０に向けることによって電極１７０の動作を制御するためのシステムコントローラ（図示せず）を含むことができる。
【００１６】
［００２０］バイアス源１７８からＲＦ整合回路１７３を通って基板支持体１４４内のバイアス電極１７６にバイアスを供給することができる。ＲＦ整合回路１７３は、バイアス源１７８からバイアス電極１７６への電力供給を最適化し、バイアス源１７８からバイアス電極１７６に供給される電力を調節または調整する。バイアス電極１７６は、オン状態にあるとき、堆積プロセスの１つ以上の段階でプラズマ中に形成されたイオンを基板１０１に衝突させる。
【００１７】
［００２１］処理チャンバ１００は、シャドウフレーム１５０およびチャンバシールド１５２をさらに含むことができる。シャドウフレーム１５０は、基板支持アセンブリ１４０の周囲に配置される。シャドウフレーム１５０は、ターゲット１２０からスパッタリングされたソース材料の堆積を基板表面の所望の部分に限定するように構成される。チャンバシールド１５２は、チャンバ本体１０２の内壁に配置されてもよい。チャンバシールド１５２は、処理空間１０４に向かって内側に延びるリップ１５４を含む。リップ１５４は、基板支持アセンブリ１４０の周囲に配置されたシャドウフレーム１５０を支持するように構成される。基板支持体１４４が、処理のために上方位置まで上昇すると、基板受け面１４６上に配置された基板１０１の外側縁部が、シャドウフレーム１５０と係合し、シャドウフレーム１５０を持ち上げて、チャンバシールド１５２から離す。基板支持体１４４が、アクセスポート１１２に隣接する移送位置まで下降すると、シャドウフレーム１５０は、チャンバシールド１５２上に戻される。リフトピン（図示せず）が、基板支持体１４４を通って選択的に動かされて、基板１０１を基板支持体１４４の上に持ち上げて、ロボット（図示せず）などの移送機構による基板１０１へのアクセスを容易にする。
【００１８】
［００２２］プロセスガスを処理空間１０４に供給するために、ガス源１１４が、チャンバ本体１０２に結合されている。一実施形態では、プロセスガスは、不活性ガス、非反応性ガス、および反応性ガスのうちの１つ以上を含むことができる。ガス源１１４によって供給され得るプロセスガスの例は、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などを含むが、これらに限定されない。
【００１９】
［００２３］処理チャンバ１００は、ポンピングポート１１６およびポンピング装置１１８をさらに含む。ポンピングポート１１６は、チャンバ本体１０２の底部１０８を通って形成することができる。ポンピング装置１１８が、処理空間１０４に結合されて、排気を行い、内部の圧力を制御する。一例では、ポンピング装置１１８は、約１ミリトルと約５００ミリトルとの間の圧力に処理チャンバ１００を維持するように構成されてもよい。
【００２０】
［００２４］システムコントローラ１９０が、処理チャンバ１００に結合されている。システムコントローラ１９０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１９４、メモリ１９２、およびサポート回路１９６を含む。システムコントローラ１９０は、プロセスシーケンスを制御し、ガス源１１４からのガス流を調節し、ターゲット１２０のイオン衝突を制御するように構成される。ＣＰＵ１９４は、産業環境で使用できる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサであってよい。ソフトウェアルーチンを、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーもしくはハードディスクドライブ、または他の形態のデジタル記憶装置などのメモリ１９２に格納することができる。サポート回路１９６が、従来通りにＣＰＵ１９４に結合されている。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１９４によって実行されると、処理チャンバ１００を制御する専用コンピュータ（システムコントローラ１９０）にＣＰＵを変換し、プロセスが本開示に従って実行される。ソフトウェアルーチンは、処理チャンバ１００から遠隔に位置する第２のコントローラ（図示せず）によって格納され、かつ／または実行されてもよい。処理中、材料が、ターゲット１２０からスパッタリングされ、基板１０１の表面上に堆積される。いくつかの構成では、ターゲット１２０は、ガス源１１４によって供給されたプロセスガスから形成されるプラズマを生成し維持するために、電源１２４によって接地または基板支持体１４４に対してバイアスされる。プラズマ中で生成されたイオンは、ターゲット１２０に向かって加速され、ターゲット１２０に衝突し、ターゲット材料がターゲット１２０から飛び出す。飛び出したターゲット材料は、所望の結晶構造および／または組成を有する層を、基板１０１上に形成する。ＲＦ、ＤＣ、または高速スイッチングパルスＤＣ電源、またはそれらの組み合わせは、ナノ結晶ダイヤモンド材料のためのスパッタリング組成および堆積速度の正確な制御のために調整可能なターゲットバイアスを供給する。
【００２１】
［００２５］ＨｉＰＩＭＳ  ＰＶＤ炭素膜は、ＲＦバイアスをオフにすると、規定の粗さ／モルフォロジーを満たさないことがある。連続波（ＣＷモード）でのＲＦバイアスは、膜を緻密で滑らかにするが、高応力、例えば−３ＧＰａよりも大きな応力を生じさせ、厚さ１ｋＡの膜に対して３００μｍ以上のウェハの反り（ｂｏｗ）をもたらす。一方、ＲＦバイアスをパルスモードでパルスにすると、炭素イオンエネルギーを高めることによって膜密度が増加する。しかしながら、ＨｉＰＩＭＳ高電圧（ＨＶ）パルスがオフにされたとき、キャリアイオン（クリプトン）の衝突がないので、膜のモルフォロジーは十分に改善されない。ＨｉＰＩＭＳ高電圧（ＨＶ）パルスがオフにされたときにキャリアイオンの衝突を増加させて、膜応力を最小にしながら膜のモルフォロジー（密度）を改善するために、各ＨｉＰＩＭＳ  ＨＶパルスに対して２つの同期パルスを出力することができる同期コントローラ２００が、設けられる。例えば、１つの同期パルスを使用して、ＨｉＰＩＭＳパルスがオンの間、ＲＦバイアスをオンにして、炭素で膜を緻密化することができる。ＨｉＰＩＭＳがオフの間、第２のパルスをオンにすることにより、膜をキャリアガスで処理して、膜のモルフォロジーを改善することができる。膜応力を最小にしながら最適な膜特性を達成するために、両方のパルス持続時間は、別々に調整することができる。最大の調整能力を得るために、どちらかのパルスを完全にオフにすることもできる。同期コントローラは、約０．４ｎｍと約１ｎｍとの間の許容可能な粗さと、約−０．２ＧＰａと約−４ＧＰＡとの間の許容可能な応力とを達成するようにプロセスを調整することができ、厚さ１ｋＡの膜に対して約１０μｍと約３００μｍとの間の許容可能な反りをもたらす。同様の結果が、２μｍまでの厚さの膜で得られ得る。同期コントローラ２００は、システムコントローラ１９０の一部であってもよく、または別個のコントローラ、例えば、システムコントローラ１９０と連通する外部コントローラとして提供されてもよい。
【００２２】
［００２６］図２は、図１の高出力インパルスマグネトロンスパッタリングにおけるターゲットパルスおよびＲＦバイアスパルスのための電力供給システムを示す部分概略ブロック図を示す。同期コントローラ２００は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）プロセスを使用して材料をスパッタ堆積するのに適しており、ＰＶＤ処理チャンバ１００に上記のように設けることができる。同期コントローラ２００は、電源１２４およびバイアス源１７８に結合される。例えば、同期コントローラ２００は、電源１２４と連通するための第１の接続部２０８を有することができる。さらに、同期コントローラ２００は、バイアス源１７８と連通するための第２の接続部２０４を有することができる。電源１２４は、パルス信号経路２８２およびパルス戻り経路２８３を有する（パルス形成コントローラは図示せず）。バイアス源１７８は、基板支持体１４４に埋め込まれたバイアス電極１７６、すなわちＲＦメッシュと連通するバイアスチャネル２７２を有する（パルス形成コントローラは図示せず）。バイアスチャネル２７２は、図１に示され、簡略化のため図２には示されていないＲＦ整合回路１７３を通って連通する。
【００２３】
［００２７］ＨｉＰＩＭＳ  ＰＶＤ炭素膜堆積中、ＨｉＰＩＭＳソース発生器（電源）１２４は、高出力スパッタリング工程を制御する。バイアス源１７８は、基板１０１に向けられたスパッタ材料のエネルギーを制御する。ＲＦバイアスは、スパッタ材料を基板１０１に引き付けるためにバイアス電極１７６を活性化することを制御し、ここで、バイアスが大きいほど、基板１０１に向かうスパッタ材料のエネルギーが大きくなる。同期コントローラ２００は、電源１２４およびバイアス源１７８の両方の動作のための命令を供給する。同期コントローラ２００は、クロックを有し、電源１２４およびバイアス源１７８のデューティサイクルを遅延および制御するように構成可能である。同期コントローラ２００は、電源１２４およびバイアス源１７８の両方を個別に制御するための１つ以上の信号電圧を供給する。したがって、電源１２４およびバイアス源１７８の動作を調和させることができる。例えば、同期コントローラ２００は、ＨＩＰＩＭＳ  ＨＶパルスの間ＲＦバイアスをオンにして、基板表面の炭素イオン衝突を増強するように構成されたバイアス源１７８への１つの同期パルス、および／またはキャリアガスによる基板の表面処理を可能にするためにＨｉＰＩＭＳがオフのときＲＦバイアスをオンにするように構成された別の同期パルスを供給することができる。電源１２４およびバイアス源１７８の遅延および「オン時間」は、調整の柔軟性を達成するため、同期コントローラ２００によって個別に設定することができる。連続波バイアス堆積は、膜のモルフォロジー／表面粗さおよび膜密度（ＲＩ）を改善するが、膜応力を増加させる。同期コントローラ２００は、バイアスを同期させることによってモルフォロジー／表面粗さを制御して、連続波（ＣＷ）モードと比較して膜応力を低減させながら膜の表面粗さ／モルフォロジーおよび屈折率（ＲＩ）を改善するための新しい処理ウィンドウを開く。ナノスケール多孔性膜のＲＩ測定は、膜密度の測定に関連する。表面粗さは、ナノメートル（ｎｍ）で報告され、ｎｍ二乗平均平方根（ＲＭＳ）の単位が、基板表面全体にわたる平均粗さを示す。同期コントローラ２００は、許容可能なレベルを超えて、すなわち０．５ＧＰａを超えて膜応力を増加させることなく、より高いバイアス電力で表面粗さおよびモルフォロジーを改善することを可能にする。
【００２４】
［００２８］図３は、シングル同期信号３７０を使用する第１の実施形態におけるターゲットパルス３８０およびＲＦバイアスパルス３２０を示す。ｘ軸は、各プロットに共通の時間を表すが、ターゲットパルス３８０、ＲＦバイアスパルス３２０および同期信号３７０の各々のｙ軸は、それら自身の対応する尺度を有し、正の大きな値が上方に延びている。ターゲットパルス３８０のｙ軸に沿った値は、目盛りのない上記のグラフにおいて、ＲＦバイアスパルス３２０の値よりも大きい。例えば、ターゲットは約２ｋＶであってもよいし、バイアスは約数百ボルトであり、同期信号は、約５Ｖなどの、２４Ｖ未満の低電圧である。
【００２５】
［００２９］同期コントローラ２００は、シングル同期信号３７０を供給する。シングル同期信号３７０は、信号電圧３７９とすることができる。信号電圧３７９は、オン状態３７２とオフ状態３７３との間で移動し得る。信号電圧３７９は、オフ状態３７３において約ゼロの電圧を有し得る。あるいは、オフ状態３７３における電圧は、任意の定常状態基準電圧、すなわち約５Ｖであってもよい。オン状態３７２は、オフ状態と測定可能に異なる電圧を有し得る。例えば、オフ状態３７３とオン状態３７２との間の電圧差は、約１ボルトから約１０ボルトの間であってもよい。測定可能な任意の信号特性を使用して、オフ状態３７３またはオン状態３７２のいずれかを伝達することができる、ということが理解されるだろう。
【００２６】
［００３０］同期信号３７０は、同期コントローラ２００のクロックと同期させることができる。オフ状態３７３またはオン状態３７２は、秒、数十秒、数分の１秒、または他の適切な時間単位などの時間単位に対応してもよい。オフ状態３７３またはオン状態３７２のいずれかの時間間隔は、プロセスおよび性能によって規定される任意の適切な間隔であってよい、ということが理解されるだろう。例えば、オン状態３７２が、５０マイクロ秒持続し、その後に２００マイクロ秒のオフ状態が続いてもよい。このようにして、ターゲットパルス３８０およびＲＦバイアスパルス３２０のタイミングおよび／または同期は、高度に設定可能である。
【００２７】
［００３１］ターゲットパルス３８０は、低電圧状態３８９および高電圧状態３８２を有する。ターゲットパルス３８０は、低電圧状態３８９でオフである。ターゲットパルス３８０は、負のバイアス電圧として表現され、高電圧状態３８２での約−２ｋＶと、低電圧状態３８９での、接地電圧などの基準電圧、または約−１００Ｖなどの他の低電圧との間の範囲で動作し得る。時間ゼロ３８１において、ターゲットパルス３８０が、高電圧状態３８２に設定され得る。ターゲットパルス３８０がスイッチオフされると、高電圧状態３８２は、低電圧状態３８９に達するまで減衰する３８６。高電圧状態３８２の間、プロセスキャビティ内のガスはイオン化し、ガスからの陽イオンは、ターゲットに向かって加速し、したがってターゲット材料を叩き出し（またはスパッタし）、ターゲット材料は、ターゲットの真下に位置する基板上に堆積する。イオン化されたガスからの電子は、ターゲットから離れて接地シールドに向かって移動する。一実施形態では、約０Ｖなどの第１の低電圧状態３８３のターゲットパルス３８０が、時間ゼロ０において、約−１．９ＫＶの高電圧状態３８２にスイッチオンされる。時間ｔの後、ターゲットパルス３８０はオフにされ、ターゲットパルス３８０が約０Ｖになるまで、ターゲットから供給する材料が次第に少なくなりながら、減衰する３８６。
【００２８】
［００３２］ＲＦバイアスパルス３２０は、バイアス電圧３１０を有する。バイアス電圧３１０は、一般に、バイアス状態３２４と非バイアス状態３２３の両方を提供する。バイアス状態３２４は、プロセスガスおよびスパッタされた材料からチャンバ環境内に形成されたイオンを基板の表面に向かって引き付ける。ＲＦバイアスパルス３２０は、非バイアス状態３２３における約０（ゼロ）ワットとバイアス状態３２４における約６００ボルトとの間で動作してもよい。基板１０１上に堆積された膜の圧縮応力は、比例的にバイアス電圧３１０に関係している。さらに、基板１０１上に堆積された膜の屈折率によって測定される密度は、比例的にバイアス電圧３１０に関係している。バイアス電圧３１０が増加するにつれて、膜密度は、膜応力と共に増加する。
【００２９】
［００３３］ＲＦバイアスパルス３２０は、連続波で動作してもよく、または同期コントローラ２００によってターゲットパルス３８０と同期されてもよい。連続波を利用する膜は、無バイアスのベースラインよりも良好な膜密度、モルフォロジーおよび粗さを生じる。しかしながら、結果として生じる膜応力は、望ましくないほど高い。良好な１Ｋオングストロームの膜の粗さは、０．５ＧＰａ未満の膜応力を有しながら、約１ｎｍＲＭＳ以下であり得る。以下は、上述のＨｉＰＩＭＳシステムで処理された基板上の膜モルフォロジーについての実施例の結果を提供し、システムパラメータは、炭素ターゲット、クリプトンのプロセスガス、およびＨｉＰＩＭＳソース発生器と同期されたＲＦバイアス発生器を提供する。
【００３０】
［００３４］一連の実施例を、以下の表１に提供する。ソース発生器のパラメータを固定したままで、ＲＦバイアス電力が増加するにつれて、表面粗さがより良好になり、屈折率、したがって密度がより良好になるが、圧縮応力が悪化する傾向が見られる。
2019090104.tif 000003
【００３１】
［００３５］同期コントローラ２００は、各ＨｉＰＩＭＳ  ＨＶパルスに対して２つの同期パルスを出力することができる。第１の同期パルスを用いて、ＨＩＰＩＭＳ  ＨＶパルスが「オン」状態にある間、ＲＦバイアスをオンにして、チャンバ内の炭素イオンを増強する。第２の同期パルスを用いて、ＨｉＰＩＭＳが「オフ」状態にあるときにＲＦバイアスをオンにして、チャンバ内のキャリアガスおよび炭素イオンによる表面処理を可能にする。ＨｉＰＩＭＳ  ＨＶパルスとバイアスパルスは両方とも、調整の柔軟性のためにオン時間とオフ時間における遅延で個別に設定することができる。さらに、バイアスパルスは、ソースよりも低い周波数（毎秒のオン／オフサイクル数）で動作させることができ、ＲＦバイアス処理とＲＦバイアス処理の間に基板上にいくらか炭素が蓄積し、応力を増加させることなく密度およびモルフォロジーを改善することを可能にする。
【００３２】
［００３６］図４は、デュアル同期信号を使用する第２の実施形態におけるターゲットパルスおよびＲＦバイアスパルスの信号電圧を示す。図３と同様に、図４は、ｘ軸が各プロットに共通の時間を表すことを示している。ターゲットパルス３８０、ＲＦバイアスパルス３２０、および同期信号３７０が、ｙ軸に沿って提供され、各々がそれ自身の対応する大きさ尺度を有する。
【００３３】
［００３７］時間ゼロ４０１において、第１の同期信号４７１が供給される。ターゲットパルス３８０は、第１の同期信号４７１で「オン」状態４８１に入ることができる。さらに、ＲＦバイアスパルス３２０が、第１の同期信号４７１の発生時に「オン」状態４２１に入ることができる。任意選択で、ＲＦバイアスパルス３２０またはターゲットパルス３８０の開始前に遅延が設けられてもよい。一実施形態では、遅延は、約０μｓから約２００μｓの間であってもよい。第１の同期信号４７１の終わりに、ターゲットパルス３８０は、「オフ」状態４８５に入ることができる。さらに、第１の同期信号４７１の終わりに、ＲＦバイアスパルス３２０は、「オフ」状態４２８に入ることができる。任意選択で、同期信号３７０が、ＲＦバイアスパルス３２０またはターゲットパルス３８０の「オフ」状態４２８、４８５の信号を送る前または後に、遅延が設けられてもよい。他のシナリオでは、ＲＦバイアスパルス３２０またはターゲットパルス３８０の一方が、オンもしくはオフ状態に入る遅延を有し、他方が、逆のオンもしくはオフ状態の遅延で動作するか、または遅延なしで動作すらしてもよい。例えば、開始４０１時または第１の同期信号４７１が発生時に、ターゲットパルス３８０は、直ちに「オン」状態４８１を開始し、ＲＦバイアスパルス３２０は、「オン」状態４２１に入る前に３μｓの遅延を経験してもよい。第１の同期信号４７１が、「オフ」状態に入り、これは、ＲＦバイアスパルス３２０およびターゲットパルス３８０に、「オフ」状態４２８、４８５に入るよう、直ちに信号を送る。
【００３４】
［００３８］同期信号３７０は、第２の信号４７２を供給することができる。第２の信号４７２は、ターゲットパルス３８０に影響を与えず、ターゲットパルス３８０は、「オフ」状態４８５に留まる。しかしながら、第２の信号４７２は、第２の「オン」状態４２２に入るようにＲＦバイアスパルス３２０に信号を送ることができる。第２の信号４７２の終了または持続時間は、ＲＦバイアスパルス３２０の「オン」状態４２２の終了または持続時間と実質的に同様であってもよい。
【００３５】
［００３９］同期信号３７０は、第３の同期信号４７３を供給することができる。第３の同期信号４７３の動作によって、ターゲットパルス３８０は、第２の「オン」状態４８２に入ることができる。さらに、ＲＦバイアスパルス３２０は、第３の同期信号４７３の発生時に第３の「オン」状態４２３に入ることができる。上述のように、ＲＦバイアスパルス３２０またはターゲットパルス３８０のいずれかが、第３の同期信号４７３の開始４０９時に「オン」状態に入るまたは「オン」状態を出ることにおいて任意選択で遅延を有してもよい。さらに、ＲＦバイアスパルス３２０またはターゲットパルス３８０のいずれかが、第３の同期信号４７３の終了時に「オン」状態を終了させることにおいて任意選択で繰り上げを有してもよい。
【００３６】
［００４０］同期信号３７０は、第４の信号４７４を供給することができる。第４の信号４７４は、ターゲットパルス３８０に影響を与えず、ターゲットパルス３８０は、「オフ」状態４８５に留まる。しかしながら、第４の信号４７４は、第４の「オン」状態に入るようにＲＦバイアスパルス３２０に信号を送ることができる。ＲＦバイアスパルス３２０の長さまたは持続時間は、ＲＦバイアスパルス３２０およびターゲットパルス３８０の「オン」状態と一致するパルスと、ＲＦバイアスパルス３２０のみの「オン」状態に対応するパルスとで異なってもよい。例えば、第３の同期信号４７３に対応する第１の持続時間４４４は、第４のパルス４２４に対応する第２の持続時間４４２より長くてもよい。
【００３７】
［００４１］このようにして、図４に記載のデュアルパルス方式を用いて、屈折率２．５、表面粗さ１ｎｍ未満、応力１９００ＭＰＡ未満の膜を堆積させることができるが、図３に記載のシングルパルス方式を用いると、同じ品質の膜は、３０００ＭＰＡの応力をもたらす。合計のＲＦオン時間と電力は、両方の膜で同じである。違いは、シングルパルスは、ソースが「オン」の間に全てのＲＦ電力を供給するのに対して、デュアル方式は、ソースの「オン」時間の間に６０％のＲＦ電力しか供給せず、残りの電力はソースのオフ時間の間に供給されるということである。それによって、高エネルギー炭素イオンによって引き起こされる応力を制限する。膜応力をさらに最小限に抑えるために、ソースの「オン」時間の間と「オフ」時間の間の両方でＲＦの「オン」時間を調整することができる。場合によっては、ソースが「オン」のときにＲＦパルスを完全に除去し、ソースがオフのときにのみＲＦバイアスをオンにすることが有益な場合がある。同期信号３７０が本質的にＲＦバイアスパルス３２０をオン／オフにする一実施形態において、同期信号３７０の立ち上がりエッジからＲＦバイアスパルス３２０の立ち上がりエッジまで２．５μｓの遅延があってもよい。この時間は、ＲＦ発生器がコマンドを処理して出力をオンにするために必要とする時間と一致し得る。
【００３８】
［００４２］図５は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭｓ）中にターゲットパルスをＲＦバイアスパルスと同期させる方法５００である。この方法は、パルスＲＦバイアス発生器とＨＩＰＩＭｓ発生器との間に結合されたパルス同期コントローラを初期化するブロック５０１において開始される。パルスＲＦバイアス発生器は、基板支持体内のＲＦメッシュに結合され、ＨＩＰＩＭｓ発生器は、ターゲットに結合される。パルス同期コントローラは、オン状態およびオフ状態を示す信号を供給するように動作可能であり、パルス同期はオフ状態になるように初期化される。
【００３９】
［００４３］ブロック５０２において、パルス同期コントローラは、第１の信号をパルスＲＦバイアス発生器およびＨＩＰＩＭｓ発生器に送信する。第１のタイミング信号は、パルスＲＦバイアス発生器とＨＩＰＩＭｓ発生器の両方の動作を制御するように働く。タイミング信号は、ＨＩＰＩＭｓ発生器に対してターゲットを活性化し始めるように命令を供給し、パルスＲＦバイアス発生器に対してＲＦメッシュを活性化し始めるように命令を供給することができる。命令は、パルスＲＦバイアス発生器とＨＩＰＩＭｓ発生器の両方によって別々に処理される。
【００４０】
［００４４］ブロック５０３において、ターゲットは、第１のタイミング信号に基づいて活性化される。ＨＩＰＩＭｓ発生器が、ターゲットを活性化する。ターゲットを活性化するタイミング信号をＨＩＰＩＭｓ発生器が受信してから遅延が設けられてもよい。ＨＩＰＩＭｓ発生器の動作パラメータは、ターゲットの活性化の遅延および／または持続時間を設定することができる。例えば、ターゲットは、任意選択で、ＨＩＰＩＭｓ発生器が第１のタイミング信号を受信してから約０μｓ〜約２μｓ後に、ターゲットを活性化してもよい。
【００４１】
［００４５］ブロック５０４において、ＲＦメッシュは、第１のタイミング信号に基づいて活性化される。ＲＦバイアス発生器が、ＲＦメッシュを活性化する、すなわちＲＦバイアスを印加する。ＲＦメッシュを活性化するタイミング信号をＲＦバイアス発生器が受信してから遅延が設けられてもよい。ＲＦバイアス発生器の動作パラメータは、ＲＦメッシュの活性化の遅延および／または持続時間を設定することができる。例えば、ＲＦ発生器は、任意選択で、ＲＦバイアス発生器が第１のタイミング信号を受信してから約０μｓ〜２μｓ後に、ＲＦメッシュを活性化してもよい。
【００４２】
［００４６］ブロック５０５において、タイミング信号の終了に基づいて、ＲＦメッシュが非活性化される。第１のタイミング信号の終了が、ＲＦバイアス発生器によって知覚される。ＲＦバイアス発生器は、第１のタイミング信号の終了時にＲＦメッシュの活性化を停止することができる。任意選択で、ＲＦバイアス発生器は、ＲＦバイアス発生器の動作のための設定パラメータに基づいて、停止する前にカウントまたは遅延を開始してもよい。あるいは、ＲＦバイアス発生器は、動作パラメータに設定されたＲＦメッシュ活性化の持続時間の短縮により、第１のタイミング信号の終了前にＲＦメッシュを非活性化してもよい。
【００４３】
［００４７］ブロック５０６において、第１のタイミング信号の終了に基づいて、ターゲットが非活性化される。第１のタイミング信号の終了が、ＨＩＰＩＭｓ発生器によって知覚される。ＨＩＰＩＭｓ発生器は、第１のタイミング信号の終了時にターゲットの活性化を停止することができる。任意選択で、ＨＩＰＩＭｓ発生器は、ＨＩＰＩＭｓ発生器の動作のための設定パラメータに基づいて、停止する前にカウントまたは遅延を開始してもよい。あるいは、ＨＩＰＩＭｓ発生器は、動作パラメータに設定されたターゲット活性化の持続時間の短縮により、第１のタイミング信号の終了前にターゲットを非活性化してもよい。
【００４４】
［００４８］ブロック５０７で、パルス同期コントローラは、パルスＲＦバイアス発生器だけに第２の信号を送る。あるいは、第２の信号は、ＨＩＰＩＭｓ発生器に送信されてもよい。ＨＩＰＩＭｓ発生器は、シーケンス内などで、特定の同期タイミング信号を無視するように構成されてもよい。例えば、ＨＩＰＩＭｓ発生器は、一つおきの同期タイミング信号を無視してもよい。ＲＦメッシュは、第２のタイミング信号に基づいて活性化される。ＲＦバイアス発生器が、ＲＦメッシュを活性化する、すなわちＲＦバイアスを印加する。ＲＦメッシュを活性化するタイミング信号をＲＦバイアス発生器が受信してから遅延が設けられてもよい。ＲＦバイアス発生器の動作パラメータは、ＲＦメッシュの活性化の遅延および／または持続時間を設定することができる。例えば、ターゲットは、任意選択で、ＲＦバイアス発生器が第１のタイミング信号を受信してから約０μｓ〜２μｓ後に、ＲＦメッシュを活性化してもよい。第２のタイミング信号の終了に基づいて、ＲＦメッシュが非活性化される。第２のタイミング信号の終了が、ＲＦバイアス発生器によって知覚され、第１のタイミング信号の終了時にＲＦメッシュの活性化を停止する。
【００４５】
［００４９］この方法は、所望の膜厚および密度が達成されるまでブロック５０１から５０７までを繰り返すことによって継続することができる。有利には、同期コントローラは、バイアスを同期させることによってモルフォロジー／粗さを制御して、ＣＷモードと比較して膜応力を低減させながら膜の粗さ／モルフォロジーおよび屈折率（ＲＩ）を改善するための新しい処理ウィンドウを開く。同期コントローラは、許容可能なレベルを超えて、すなわち例えば０．５ＧＰａを超えて膜応力を増大させることなく、より高いバイアス電力で膜の粗さを約１．００ｎｍ未満に改善することを可能にする。
【００４６】
［００５０］上記は、特定の実施形態を対象とするが、その基本的な範囲から逸脱することなく、他のさらなる実施形態を考え出すこともでき、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【符号の説明】
【００４７】
１００  処理チャンバ
１０１  基板
１０２  チャンバ本体
１０４  処理空間
１０６  側壁
１１０  チャンバリッドアセンブリ
１１２  アクセスポート
１１４  ガス源
１１６  ポンピングポート
１１８  ポンピング装置
１２０  ターゲット
１２２  接地シールドアセンブリ
１２４  電源
１２６  周辺部
１２８  中央部
１３２  マグネトロンカソード
１３４  接地フレーム
１３６  接地シールド
１３８  上部処理領域
１４０  基板支持アセンブリ
１４２  シャフト
１４４  基板支持体
１４６  基板受け面
１４８  ベローズ
１５０  シャドウフレーム
１５２  チャンバシールド
１５４  リップ
１５６  リフト機構
１７０  電極
１７２  ＤＣ電源
１７３  整合回路
１７６  バイアス電極
１７８  バイアス源
１９０  システムコントローラ
１９２  メモリ
１９４  ＣＰＵ
１９６  サポート回路
２００  同期コントローラ
２０４  第２の接続部
２０８  第１の接続部
２７２  バイアスチャネル
２８２  パルス信号経路
２８３  パルス戻り経路
３１０  バイアス電圧
３２０  ＲＦバイアスパルス
３２３  非バイアス状態
３２４  バイアス状態
３７０  シングル同期信号
３７２  オン状態
３７３  オフ状態
３７９  信号電圧
３８０  ターゲットパルス
３８１  時間ゼロ
３８２  高電圧状態
３８３  第１の低電圧状態
３８６  減衰
３８９  低電圧状態
４０１  時間ゼロ
４０９  開始
４２１  状態
４２２  状態
４２３  状態
４２４  第４のパルス
４２８  オフ状態
４４２  第２の持続時間
４４４  第１の持続時間
４７１  第１の同期信号
４７２  第２の信号
４７３  第３の同期信号
４７４  第４の信号
４８１  状態
４８２  状態
４８５  オフ状態
５００  方法
５０１  ブロック
５０２  ブロック
５０３  ブロック
５０４  ブロック
５０５  ブロック
５０６  ブロック
５０７  ブロック
【図１】
2019090104.tif 000004
【図２】
2019090104.tif 000005
【図３】
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【図４】
2019090104.tif 000007
【図５】
2019090104.tif 000008
【外国語明細書】
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2019090104000002.pdf
2019090104000003.pdf
2019090104000004.pdf