(57)【要約】マグネトロンスパッタリングシステムで、ピーク電力密度が１ｋＷ／ｃｍ２超で、ピーク電力を０．１ＭＷ〜数ＭＷまで供給できる能力を有するパルスＤＣ電源を備えたシステムが提供される。高度イオン化状態のスパッタリングプラズマが、最初にアーク放電状態となることなく、生成する。電源には、パルス回路を含み、そのパルス回路は、エネルギー蓄積キャパシターと、プラズマからパルス回路を遮断するためのスイッチ手段を有するインダクターと直列に接続しており、その手段はまた、アーク条件を検出し、インダクターエネルギーをエネルギー蓄積キャパシターへとリサイクルする。そのエネルギー蓄積キャパシターと、直列に接続したインダクターは、プラズマに見合ったインピーダンスを供給し、電流の立ち上がり速度と、アーク時のピークの大きさを制限し、プラズマへの電圧パルスを整形する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ堆積方法であって、
ａ）  その内部に配置されたスパッタリングガスを有するプラズマチャンバーを提供することと、
ｂ）  該プラズマチャンバーに配置される材料ターゲットを提供することと、
ｃ）  電圧パルスを該材料ターゲットに周期的に印加するパルスＤＣ電源を提供することであって、該電圧パルスが、プラズマ発生のために、該スパッタリングガスをイオン化し、該プラズマが、最初にアーク放電状態になることなく、高度イオン化状態となる、ことと、
ｄ）  該プラズマからのイオンを該材料ターゲットに衝突させることで、該ターゲットからの原子をスパッタすることであって、その際、該原子が該プラズマに近接した基板表面上に堆積される、ことと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記パルスＤＣ電源が、１ｋＷ／ｃｍ２を超えるピーク電力密度を有する、０．１ＭＷを超える電力を印加する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記材料ターゲットに印加される前記電圧パルスの前記電圧立ち上がり速度を制御することによって、前記プラズマが、最初にアーク放電状態となることなく、前記高度イオン化状態となる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
キャパシターと直列に接続された抵抗を備えた回路を用いて、前記電圧パルスの前記電圧立ち上がり速度は、制御される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電圧パルスの振幅を最大レベルに制限することによって、前記プラズマが、最初にアーク放電状態となることなく、前記高度イオン化状態となる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
キャパシターと直列に接続された抵抗を備えた回路を用いて、前記電圧パルスの振幅は、制限される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
逆バイアスダイオード、キャパシター、およびクランプ電圧電源を備える回路を用いて、前記電圧パルスの振幅は、制限される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
スパッタ堆積システムであって、
ａ）  その内部にスパッタリングガスを有するプラズマチャンバーと、
ｂ）  該プラズマチャンバーに配置される材料ターゲットと、
ｃ）  電圧パルスを該材料ターゲットに周期的に印加するパルスＤＣ電源であって、該電圧パルスが、高度イオン化プラズマ発生のために、該スパッタリングガスをイオン化する、パルスＤＣ電源と、
ｄ）  該プラズマが、最初にアーク放電状態になることなく、高度イオン化状態にすることができるように電圧パルスを整形する、パルス整形回路と
を備える、スパッタ堆積システム。
【請求項９】
前記パルス整形回路は、前記電圧パルスの前記電圧立ち上がり速度を制御する、請求項８に記載のスパッタ堆積システム。
【請求項１０】
前記パルス整形回路は、キャパシターと直列に接続された抵抗を備える、請求項９に記載のスパッタ堆積システム。
【請求項１１】
前記パルス整形回路は、前記電圧パルスの振幅を最大レベルに制限する、請求項８に記載のスパッタ堆積システム。
【請求項１２】
前記パルス整形回路は、逆バイアスダイオード、キャパシター、およびクランプ電圧電源を備える、請求項１１に記載のスパッタ堆積システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、マグネトロンスパッタリング装置および方法に関し、より詳細には、アークハンドリング能力を用いて、高ピーク電力をスパッタリングマグネトロンプラズマ負荷に供給するマグネトロンスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（従来技術の簡単な説明）
金属イオンを発生させ、電気バイアスをかけて、そのイオンを工作物に引き付け、基板をコーティングすることは望ましいことである。このアプローチの効用には、通常のスパッタリング（このスパッタリングは、基本的には、スパッタリング源から工作物形態までの視線を必要とする）による均一な堆積を阻み得る凹凸を有する表面のコーティングという用途がある。堆積コーティングのみならず、半導体デバイスで高アスペクト比のトレンチを埋めることですら、ウェハにバイアスをかけ、イオンを引き付ければ、可能である。これについては、Ｍｏｎｔｅｉｒｏによる、ＪＶＳＴ  Ｂ  １７（３），１９９９ｐｇ．１０９４で、また、ＬｕとＫｕｓｈｎｅｒによる、ＪＶＳＴ  Ａ  １９（５），２００１  ｐｇ．２６５２で報告されている。
【０００３】
スパッタリング堆積は、高度イオン化状態のプラズマを利用して、促進され得る。従来型スパッタリングマグネトロンを稼動し、高ピーク電力と低い負荷時間率を有する電気パルスで、高度にイオン化され、高密度を有する金属プラズマを発生させる方法は、Ｋｏｕｚｎｅｔｓｏｖらによって、Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １２２（１９９９）ｐｇ．２９０に報告されている。さらなる教示は、ＭａｃａｋらのＪＶＳＴ  Ａ  １８（４），２０００ｐｇ．１５５３、ＧｕｄｍｕｎｄｓｓｏｎらのＡＰＬ，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．２２，２８  Ｍａｙ  ２００１，ｐｇ．３４２７、および、ＥｈｉａｓａｒｉａｎらのＶａｃｕｕｍ  ６５（２００２）ｐ．１４７にも、見出すことができる。
【０００４】
米国特許番号第６，２９６，７４２  Ｂ１号には、マグネトロンスパッタリング向けの完全にイオン化したプラズマを発生させる方法が記載されている。パルス発生器が、スパッタリングターゲットに、１０ＭＷまでのパルスを発生させる。その結果、スパッタリングガスが完全にイオン化する。この方法で、スパッタリングガスは、まず、グロー放電状態の形をとり、次いで、アーク放電状態になり、最終的に、完全イオン化状態になる。その特許の図１に示されように、アーク放電状態は、異常グロー放電領域の電流密度以上になった場合に起こるブレークダウン状態として、記述でき、電流密度が一段と高くなったときに、プラズマ電圧が急激な低下によって示されるようなプラズマインピーダンスの急激な低下によって特徴づけられる。実際のシステムでは、通常、せいぜい数十ボルトのプラズマにおける電圧降下で示され、スパッタリングターゲットのある一部とチャンバーとの間で、放電をともない得る。‘７４２特許は、この特許の教示に基づけば、プラズマは、このアーク領域を通過した後、完全にイオン化すると、指摘している。
【０００５】
これら技術が訴えていることの一部は、イオン種の大きな集団を発生させ、そのバイアス電圧をかけることで、工作物を引き付け得る能力である。高ピーク電力技術に関する上述の参考文献は、インダクターを通じ、単なるキャパシター放電を用いているように見える。しかしながら、これら参考文献に教示されている技術は、ハンドリング性能については、何ら開示していないし、実際、一度、完全なイオン化状態が得られると、それ以降はアークフリーな操作を達成することが可能なことを示唆している。ハード面で不完全な点があるのは不可避であるが、操作時（最初のアーク状態の通過後）に、完全にアークフリーな領域を物理的に実現するのは、この存在が理論で示唆されているにせよ、基本的に不可能である。この技術を用いることは、つまり、アークハンドリング性能なしには、商業的に使用するのは、実際的でないようだ。また、最低でも、アークフリーに近い状態で操作するために、ターゲットの条件設定に長い時間が必要とされる可能性もあるので、処理時間が長くかかる可能性もあり、また、最低限でも、ターゲットの適切な条件設定をできないので、最高電力レベルでの操作を回避する可能性もある。したがって、高ピーク電力パルスを用い、マグネトロンが高密度で、高度にイオン化したプラズマを生み出すような装置で、アークエネルギーを最小限にして、それでも、アークによる製品とターゲットのダメージを許容可能範囲に収める装置が、提供されることが望ましい。パルス発生開始時にアーク状態を通過するため、ダメージができることを考えると、高度イオン化状態の当初、アーク状態の発生を避けることが、非常に望ましい。
【０００６】
典型的なアーク調整およびアーク転換（ｄｉｖｅｒｔｉｎｇ）装置は、アークを検出し、負荷から電源を遮断する回路か、あるいは、アークを消すために電源を実質的に短絡するスイッチ回路のいずれかから成り立っていた。これらのタイプのアークハンドリング方法は、非常に高価である。その理由は、プロセスの電源を完全に切ったり、高価なストック材を無駄にしたり、あるいは、電源回路に蓄えられたエネルギーを全て完全に発散することが必要になるからである。高電力で用いる場合は、電源装置の短絡は、非常に高い電流を発生し得、−電源自体をも破壊するのに十分な場合もあり−、また、蓄積エネルギーを繰り返し発散するためには、いかなる場合も、高ピーク電力および高平均電力用の高価な抵抗素子のみならず、これらを冷却する方法も必要とする。
【０００７】
さらに、１ＭＷ以上のピーク電力を発生し得、商業的利用で高歩留まりが得られ、アークハンドリング能力に優れたマグネトロンスパッタリング装置と方法が提供されることも望ましい。本発明の目的の一つは、アークの検出と、アークに供給されるエネルギーを制限するアクション実行との双方の能力を有するマグネトロンスパッタリングプラズマシステムを提供することである。また、本発明の更なる目的は、最初にアーク放電状態になることなく、これで、チャンバー、基板、あるいはターゲットにダメージを与えるかもしれない状態になることなく、たとえ、個々のパルスの過渡的状況であっても、そのようなことがなく、高度にイオン化された状態となるマグネトロンスパッタリングプラズマを生成するシステムを提供することである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（本発明の概要）
本発明は、アークハンドリング能力に優れた高密度マグネトロンプラズマに高ピーク電力を与えるのに適した高電流パルス発生の装置と方法を提供する。本発明の一実施形態として、エネルギー蓄積キャパシターからなるパルス回路が、プラズマと直列なインダクターを通して、繰り返し、荷電され、放電される。インダクターとキャパシターの組合せが、パルス整形に寄与し、これは３つの機能を有している。第一に、適切にパルスを整形（ｓｈａｐｅ）することで、初期アーク条件を回避可能なことが分かってきた。これは、電圧パルスの最初を調整することで行われる。実施形態の一つとして、回路網が一つ付け加えられ、電圧の立ち上がり速度を制御し、プラズマが着火しない場合はパルス電圧のクランプされていないピーク振幅を制御し、電圧波形がリングする周波数を、特にプラズマが着火しない場合に、制御する。本実施形態によるこの回路は、パルサーの出力側で短絡したキャパシターと直列な抵抗に相当するか、あるいは、多くのディスクリートキャパシターと抵抗からなる分散型回路のように実現されたそれと同等なものに相当する。デバイスや回路コンダクターにおいては、寄生キャパシターや抵抗も使われ得る。さらに、回路は、電圧パルスを最大レベルにクランプまたは制限を行い、ダイオードとともに機能し、そのダイオードは通常はクランプ電圧に保たれたキャパシターと直列で逆バイアスをかけられており、パルサーの出力側に接続している。この回路は、電圧パルスの振幅が調整可能な設定値を超えると作動し、電圧が設定値を超えないように働く。これは、真空チャンバーの内外で、望まれないアーク発生を防止できる面で、利点がある。この全てにより、最初（ｆｉｒｓｔ）にアーク状態となることなく、高度にイオン化されたプラズマ状態が達成できる。
【０００９】
第二に、パルス回路網あるいはメッシュは、プラズマに見合ったインピーダンスを提供する役を担う。第三に、この回路網は、後のアーク発生時に、電流の立ち上がり速度とピーク振幅を抑える役を担う。アークは、パルス中に、放電電圧が下落し、設定電圧の閾値以下になることで、あるいは、放電電流が増加し、設定電流の閾値以上になることで、検出され得る。アーク状態がプラズマのインピーダンスを下げることを表し、また、電圧と電流の比率によっても表されるが、つまり、その一方または双方を検出する方法が、役に立つということに留意されたい。アークが検出されたら、エネルギー蓄積キャパシターは、電流の増大を停止するため、直列しているインダクターを切り離す。パルス回路は、プラズマ負荷から遮断され、インダクターのエネルギーは、エネルギー蓄積キャパシターにリサイクルされる。
【００１０】
典型的なスパッタリングプラズマでは、グローあるいは異常なグロー状態で、イオン種の比率は、比較的低く、せいぜい数％のオーダーである。本発明を用いれば、高度にイオン化された状態でのスパッタリングプラズマは、イオン化比率を１０％以上とすることも、達成し得る。炭素のスパッタリングシステムのように、イオン化比率が通常は非常に少ないようなスパッタリングシステムにおいても、高度にイオン化されたプラズマは、本発明を用いて、プラズマ内のイオン種の割合を５倍以上にすることで、達成し得る。
【００１１】
本発明の装置と方法を用いることで、高度イオン化状態のスパッタリングプラズマは、最初にアーク放電状態をとることなく、生成され得る。本発明のアークハンドリングの特徴は、スパッタリングプラズマが存在する間に発生するアークを緩和し、消滅するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（詳細な説明）
図１は、マグネトロンプラズマ処理システム１０の一実施形態を示す。ＤＣ電源１２は、パルス回路１６経由で、マグネトロンプラズマ処理チャンバー１４に接続している。マグネトロンプラズマ処理チャンバーは、当業者にはよく知られたマグネトロンカソード１８と、アノード２０を有する従来型のマグネトロンチャンバーで、あってもよい。スパッタリング実行時には、材料ターゲットが、カソード１８の役割を果たす。パルスＤＣ電源１６は、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，  Ｉｎｃ．製のＭｅｇａＰｕｌｓｅｒＴＭモデルのような型でもよく、カソード１８とアノード２０との間で高電圧パルスを印加し、電極間でプラズマ２２を着火させる。プラズマは、カソード１８の材料に作用し、その結果、チャンバー内にある基板２６がコーティングされる。これは、プラズマ２２からのイオンを材料ターゲット、つまり、カソード１８に衝突させることで成される。その結果、ターゲットからスパッタされた原子が、基板２６の表面に堆積される。図１の実施形態には、より小さなオプションのｄｃ電源２８も含んでいる。これは、パルス回路１６からの高電圧パルス間も、プラズマを着火したままにし、マグネトロンを最低電圧で維持するための電源である。この電源は、高いパルスでの稼動開始前にプラズマを当初から着火するためにも、使われ得る。
【００１３】
マグネトロン処理チャンバーに、高電圧パルスを与えるにあたり、パルス回路１６は、インダクターＬ１に、スイッチＳ１経由で直列に接続したエネルギー蓄積キャパシターＣ１からなる。インダクターＬ１は、スイッチＳ２経由で、マグネトロンのカソードに接続している。
【００１４】
図２は、回路を通常に作動させた場合の波形を示す。全シークエンスの間、Ｓ２は閉じており、Ｓ３は開いている。キャパシターＣ１は、ｄｃ電源１２によって、その初期電圧に荷電されている。放電は、Ｓ１によって開始し、キャパシターＣ１は、インダクターＬ１を通じ、プラズマ負荷に放電される。制御回路は、キャパシターＣ１のチャージ時間を制御するスイッチのタイミングを開始し、そのパルスは負荷に放電する。Ｖｃ、Ｉｉｎｄｕｃｔｏｒ、ＶＬＯＡＤ、およびＩｌｏａｄの波形は、Ｖｃの初期値、Ｃ１値とＬ１値、および、プラズマ負荷と出力ケーブルの特性だけによってのみ、決定される。
【００１５】
図３は、パルス回路１６からのパルス１つの間に発生するアークの代表的な波形である。シークエンスは、図２で示し、上述されたように始まるが、アークが発生すると、アークを検出するまで、電流値が増大し、電圧が下がる。アークは、一つ、または二つの方法で検出される。アーク検出方法を実行するのに必要な、特有の回路技術は、当業者の間では、周知である。一つの方法は、負荷電流が設定した閾値を超えた場合に、アークは検出でき得る。この閾値は、出力電流の予測をパルス毎に行うことによって、実際に合うように更新できる。出力電流の予測は、プラズマ負荷特性およびＶｃの初期値、Ｃ１値とＬ１値に基づき、誤った検出を防ぐためのマージンを加える。これらパラメーターに基づく出力電流の予測は、当業者にとって、周知である。代替的に、電流の閾値は、平均ピーク電流に、誤ったアーク検出を防ぐためのマージンを加えたものに基づき得る。この際、高いアーク電流をともなったパルスは、平均値計算から除くことが望ましい。もう一つの方法は、負荷電圧が設定した閾値以下になったときに検出される。それは、負荷電流が、この第二の方法にのみ用いる、第二の電流閾値を超えた場合である。アークが検出された場合、Ｓ１は、直ちに開き、Ｓ３は、わずかに遅れて閉じ、Ｓ２は、それからわずかに遅れて開く。これで、パルス回路１６から負荷を遮断し、インダクターＬ１からキャパシターＣ１へのエネルギーのレゾナント・トランスファー（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）を開始する。この結果、アーク発生時に、インダクターＬ１にあるエネルギーは、キャパシターＣ１にリサイクルされる。このアークハンドリングシークエンスは、アークの際の負荷に送られるエネルギーを最小限にする。アークハンドリング準備（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓ）がなければ、Ｃ１に蓄積されたエネルギーと、Ｌ１に蓄積されたエネルギーとが、アークに流れ、ターゲットと工作物に、ほとんど確実にダメージを与えることになろう。アークハンドリング準備を行うことで、この方法を商業的に用いることが可能になる。
【００１６】
図１に示された本実施形態は、マグネトロンプラズマに供給される電圧パルスを整形するための回路構成も備える。リングアップ回路３０は、パルスの電圧立ち上がり速度、電圧パルスの大きさ、電圧波形がリングする頻度を調整する目的で、用意されている。リングアップ回路３０は、電源出力に短絡したキャパシターＣ２と直列な抵抗Ｒ１を備える。リングアップ回路は、ディスクリートキャパシターあるいは抵抗の分散回路網として、適用され得るし、デバイスの他の回路要素や構成において見られる寄生容量あるいは抵抗として使用され得る。リングアップ回路を用いて、プラズマに供給される電圧パルスを整形することで、パルス開始にともなうアーク発生は解消され得、パルス開始の間には、アーク状態には入らない。
【００１７】
図１の実施形態から発生する電圧パルスは、クランプ回路３２によっても、整形され、調整される。クランプ回路は、クランプ電源３４と並列のキャパシターＣ３の組合せと直列に、逆バイアスをかけたダイオードＤ３を備える。クランプ回路３２は、パルスの電圧レベルが、所定の最大値レベルに達しないように働く。パルス電圧を制限することで、クランプ回路は、アーク条件が、電圧暴走で、例えば、電源出力における寄生容量によってパルス電圧が増加したときなどに、大きくなるのを防ぐ。このように、クランプ電圧は、プラズマが高度イオン化状態に達しうるのに十分なほど高い値に、しかし、過電圧のためにアーク条件にならない程度に、セットされ得る。
【００１８】
図４は、最初にアーク放電状態になることなく、高度イオン化状態で、スパッタリングプラズマを生成させるためのマグネトロンプラズマ処理システムの作動を示す。図４に示すのは、デバイス作動中のパルス波１つ通過時の、スパッタリングプラズマの電圧、電流、およびインピーダンスの特性の時間に対する変化である。パルスＤＣ電源は、まず、マイナス１８００Ｖを超える大きな負電圧を、スパッタリングシステムの材料ターゲット（カソード）に与える。プラズマが発生すると、電流はプラズマを通して増大し、マイナス４００Ａに近いレベルになる。この時点で、プラズマは、高度にイオン化された状態である。約１５０マイクロ秒続くパルスが通過する際に、数十Ｖのレベルに電圧が突然落ちることがない。これは、アーク放電状態の特徴であろう。プラズマ状態は、プラズマインピーダンスを参照しても理解できる。プラズマが発生すると、プラズマインピーダンスは最初では高いが、次いで、約３．５Ωのほぼ一定値に落ち着く。パルスの終了時に、電流が再びゼロに落ちるにつれ、インピーダンスは、再び、急激に立ち上がる。プラズマインピーダンスが、アークレベル、つまり、定常状態レベル約３．５Ωのかなり下の値に、急激に落ちることは決してない。
【００１９】
本発明は、したがって、アークハンドリングをともなったマグネトロンスパッタリング向けの新たな高ピーク電力プラズマパルス電源で、アークによる損傷を最小限とする電源を提供するものである。本発明が、これをなせるのは、高度イオン化状態に入る前に、アーク状態になることを防いで、パルスの初期を調整し、さらに、プラズマ負荷からパルス回路を遮断し、かつ、アーク条件の検出時に、エネルギー蓄積キャパシターに戻って、高ピーク電力パルスのために蓄積されたインダクターエネルギーをリサイクルするからである。このアーク条件は、一度、高度イオン化状態が発生すると、起こる。
【００２０】
本出願には、特定の構造と作動の詳細とが図示され、記述されているが、これらの記述は、例示であり、この発明の精神や範囲を逸脱しない範囲で、代替の実施形態や均等物も、当業者によって容易にでき得ることは、理解されるべきである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神と範囲内にあるこうした代替の実施形態や均等物全てを含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の原理を組み込んだマグネトロンプラズマ処理システムの略図を示す。
【図２】図２は、図１に示すマグネトロンプラズマ処理システムの通常作動時の波形を示す。
【図３】図３は、アークハンドリング作動時の波形を示す。
【図４】図４は、マグネトロンプラズマ処理システム作動中の、スパッタリングプラズマの電流、電圧、およびインピーダンスの特性を示す。
【図１】
2006528731.tif 000003
【図２】
2006528731.tif 000004
【図３】
2006528731.tif 000005
【図４】
2006528731.tif 000006
【国際調査報告】
2006528731.tif 000007