(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマの点弧の間損傷を受け易いウエハーの領域に対する物理的蒸着方法において、
ＤＣマグネトロンスパッタリング陰極を備え、真空処理室を中に有するＰＶＤ装置であって、スパッタリングパワーレベルで前記スパッタリング陰極にパワーを供給するとプロセスガスを真空処理圧力レベルに保持した状態で前記室において基板に物理的蒸着を実行するように構成されたＰＶＤ装置を提供する段階と、
前記室において基板ホルダにウエハーを配置し、前記室を外部雰囲気から密封する段階と、
点弧ガス種のバーストを前記室中へ噴射し、前記真空処理圧力レベルよりも高い点弧真空圧力レベルを前記室において発生させる段階と、
前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記陰極に供給することなく電力を供給することによって前記室において点弧ガス圧力レベルで前記点弧ガス種における前記プラズマを点弧する段階と、次いで、
前記室においてプロセスガスを保持し、前記プロセスガスにおいて前記プラズマを持続している間に前記室における圧力を前記真空処理圧力レベルまで下げる段階と、
次いで、前記スパッタリングパワーレベルにおけるパワーを前記スパッタリング陰極に供給し、前記ウエハーにスパッタリングした材料の膜を形成するために前記スパッタリング陰極から該ウエハー上へ材料をスパッタリングする段階と、
ａ）点弧ガス種を選択し、該点弧ガス種噴射段階及びそれと共にプラズマ点弧段階とを実行し、次いで、前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記スパッタリング陰極に供給し、前記ウエハー上にスパッタリングした材料の膜を形成するよう前記スパッタリング陰極から該ウエハー上に材料をスパッタリングする前に、前記室においてプロセスガスを保持し、前記プロセスガスにおいて前記プラズマを持続させている間に前記室における圧力を前記真空処理圧力レベルまで下げる段階と、
ｂ）プラズマ点弧を実行している間に前記ＰＶＤ装置の前記ＤＣマグネトロンの磁界強度を前記スパッタリング陰極での第１のプラズマ点弧磁界強度に設定し、次いで、前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記スパッタリング陰極に供給するとき前記磁界強度を第２のより低い強度まで低下させ、前記ウエハー上にスパッタリングした材料の膜を形成するために前記スパッタリング陰極から前記ウエハー上に材料をスパッタリングする段階と、
ｃ）前記プラズマを点弧するとき前記スパッタリング陰極からプラズマ点弧距離に前記ウエハーを配置し、次いで該ウエハー上にスパッタリングした材料の膜を形成するために前記スパッタリング陰極から該ウエハー上に材料をスパッタリングするとき前記距離をより短い距離まで短くする段階と、
ｄ）前記プラズマを点弧するとき前記ウエハーとシステム接地との間に接続されたツェーナダイオードによって前記ウエハーの電位を制限する段階とから成るパラメータ制御段階ａ〜ｄの群から選択される少なくとも１つのパラメータ制御段階と
を含むことを特徴とする物理的蒸着方法。
【請求項２】
前記パラメータ制御段階ａ〜ｄの群から選択した少なくとも２つの異なるパラメータ制御段階を実行することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも２つの異なるパラメータ制御段階が、前記段階ｂと前記段階ｃを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記パラメータ制御段階ａ〜ｄの群から選択した少なくとも３つの異なるパラメータ制御段階を実行することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも３つの異なるパラメータ制御段階が、前記段階ｂ、前記段階ｃおよび前記段階ｄを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのパラメータ制御段階を実行することが前記群を構成するパラメータ制御段階ａ〜ｄの４つ全ての組み合わせを実行することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのパラメータ制御段階が前記段階ａを含み、前記点弧ガス種を選択する段階がクリプトンおよびクセノンからなる群から点弧ガス種を選択し、それによって前記点弧ガス種噴射を実行する段階を含み、
前記室の圧力を前記真空処理圧力レベルまで下げる段階が前記室をアルゴンプロセスガスで充填した状態に保ち、次いで前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記スパッタリング陰極に供給し、アルゴンイオンによって前記スパッタリング陰極から材料をスパッタリングすることを含むことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのパラメータ制御段階が前記段階ａを含み、
前記点弧ガスを選択する段階が弗化した分子ガスを含有する点弧ガス種を選択し、それによって前記点弧ガス種噴射を実行する段階を含み、
前記室の圧力を前記真空処理圧力レベルまで下げる段階が前記室をアルゴンプロセスガスで充填した状態に保持し、次いで、前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記スパッタリング陰極に供給し、アルゴンイオンによって前記スパッタリング陰極から材料をスパッタリングする段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのパラメータ制御段階が前記段階ｂを含み、前記スパッタリング陰極での磁界の前記プラズマ点弧強度が４００ガウスであることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのパラメータ制御段階が前記段階ｃを含み、前記段階がプラズマ点弧段階を実行している間に前記陰極から前記ウエハー上に材料をスパッタリングしている間の前記基板ホルダから前記スパッタリング陰極までの距離の２倍である、前記スパッタリング陰極からの距離に前記基板ホルダを配置する段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記点弧ガス種を噴射する段階を実行する前に前記目標から材料をスパッタリングすることによって該目標を予備調整する段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記室が開放した後、あるいは前記陰極からのスパッタリング処理が少なくとも２０分中断したとき、前記ウエハーを前記基板ホルダ上に配置する前に前記陰極から材料をスパッタリングして該陰極を予備調整し、前記点弧ガス種のバーストを噴射し、前記プラズマを点弧する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記陰極へのパワーをより低いレベルから徐々に増すことによって前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記スパッタリング陰極に供給し、前記ウエハー上にスパッタリングした材料の膜を形成するために前記スパッタリング陰極から該ウエハー上に材料をスパッタリングする段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも６秒の時間に亘ってパワーを前記スパッタリングパワーレベルまで徐々に増すことによって該スパッタリングパワーレベルのパワーを前記陰極に供給する段階を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ウエハーの電位差が前記基板ホルダと接地に対して固定された電位との間でツェーナダイオードを接続することによって制限されることを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記スパッタリング陰極が金属目標を含むことを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ウエハーがガリウム砒化物ウエハーであることを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の方法によって前記装置を作動させるようにプログラム化された制御装置を有することを特徴とする物理的蒸着装置。
【請求項１９】
物理的蒸着装置であって、
ＤＣマグネトロンスパッタリング陰極を備え、真空処理室を中に有するＰＶＤ装置であって、スパッタリングパワーレベルのパワーをスパッタリング陰極に供給するとプロセスガスを真空処理圧力レベルに保持した状態で前記室において基板に物理的蒸着を実行するように構成された、前記ＰＶＤ装置と、
前記室における基板ホルダと、
点弧ガス種のバーストを前記室中へ噴射し、それによって前記真空処理圧力レベルよりも高い点弧真空圧力レベルを前記室において発生させる手段と、
前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記陰極に供給することなく電力を供給することによって前記室において点弧ガス圧力レベルで点弧ガス種におけるプラズマを点弧する手段と、
前記室においてプロセスガスを保持し、前記プロセスガスにおいて前記プラズマを持続させている間に前記室の圧力を前記真空処理圧力レベルまで下げる手段と、
前記スパッタリングパワーレベルのパワーを前記スパッタリング陰極に供給し、前記ウエハー上でスパッタリングした材料の膜を形成するよう前記スパッタリング陰極から該ウエハー上へ材料をスパッタリングする手段と、
パラメータ制御段階の群から選択した少なくとも１つのパラメータ制御段階を実行するようにプログラム化された制御装置とを有し、
前記パラメータ制御段階の群が、
前記点弧ガス種を選択し、該点弧ガス噴射段階と、それと共にプラズマ点弧段階を実行する段階、
前記プラズマ点弧段階を実行している間に前記スパッタリング陰極の磁界強度を増すために前記ＰＶＤ装置の前記ＤＣマグネトロンを変える段階、
前記ウエハーから前記スパッタリング陰極までの距離を該スパッタリング陰極から該ウエハー上に材料をスパッタリングするときのより短い距離から前記プラズマを点弧するときのより長い距離まで長くする段階、
前記ウエハーを前記ホルダに配置し、前記プラズマを点弧する前に前記基板ホルダに該ウエハーがない状態で前記目標から材料をスパッタリングすることによって該目標を予備調整する段階、
前記目標へのパワーをより低いレベルから前記スパッタリングパワーレベルまで徐々に増すことによってスパッタリングする前記目標へパワーを供給する段階、および
前記プラズマを点弧するとき前記ウエハーの電位を制限する段階を含むことを特徴とする、前記物理的蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は物理的蒸着に関し、基板、特に、ガリウム砒化物から形成された基板、被覆、特に耐火性金属被覆を物理的蒸着によって溶着する方法と装置とに関する。
【０００２】
（発明の背景）
ガリウム砒化物（ＧａＡｓ）のウエハーを使用した半導体の製造において、例えば集積回路の注入深さやゲート幅のような素子の形成物（ｆｅａｔｕｒｅ）の寸法は低減し続けている。そのような形成物を形成するには、耐火性金属の溶着が典型的に採用されている。耐火性金属を溶着する従来の方法は電位差が、そのように低減した寸法の形成物を有する形成された素子に悪影響を与えるＧａＡｓの損傷を起因させている。物理的蒸着（ＰＶＤ）法が、例えばオーム（ｏｈｍｉｃ）およびショットキー（Ｓｈｏｔｔｋｙ）接点のようなサブミクロン寸法の形成物をＧａＡｓウエハーに形成するために耐火性金属を溶着するのに有用なプロセスとして認識されてきている。
【０００３】
例えばプラズマ点弧段階のようなＰＶＤプロセスのある段階はＧａＡｓ基板の表面に損傷をもたらし得る。例えば、ＤＣマグネトロンＰＶＤシステムにおいてプラズマ点弧段階に直接露出される注入されたｎ−型のＧａＡｓの面はイオンから、およびプラズマ点弧の間に発生する反射した高速の中性原子から二次電子が衝突することから損傷を被り得る。ＤＣマグネトロンスパッタ被覆ＰＶＤプロセスによってもたらされる損傷は例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）および電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチングのような典型的なプラズマ処理技術のそれの約１０―3倍である。ＤＣマグネトロンスパッタリングはＧａＡｓ基板に対して比較的低度の損傷をもたらすものの、例えば電界効果型トランジスタ（ＦＥＴｓ）のようなある素子の性能はＤＣマグネトロンＰＶＤから起因する損傷によって影響を受け得る。損傷によって影響を受ける素子のパラメータはＦＥＴゲイン、破壊電圧、およびトランスコンダクタンスである。そのような損傷の典型例はイオンおよび中性原子の注入、表面の顕微鏡組織における結合の破壊（ｂｒｏｋｅｎ  ｂｏｎｄ）およびダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇ  ｂｏｎｄ）、および表面状態の密度および型の変化である。
【０００４】
ＲＩＥおよびＥＣＲとは相違して、ＤＣマグネトロンＰＶＤスパッタリングによって誘発される損傷は自己制限性でる。例えば、処理時間とは無関係に、プロセスの一秒内（ｗｉｔｈｉｎ  ｔｈｅ  ｆｉｒｓｔ  ｓｅｃｏｎｄ）で全体の損傷の７５％は完了しており、２秒後損傷は１００％が発生する。ＤＥマグネトロンＰＶＤ処理の物理学的特性のため、それがＧａＡｓにおいて発生させる損傷はＧａＡｓ注入領域の表面の近傍の領域（３０Åから６０Åの深さ）に局所化されるものと考えられる。しかしながら、プラズマ点弧の間に発生する損傷はＰＶＤによって製造された素子の品質および量を著しく低減させるに十分である。
【０００５】
今日まで、例えばバッチプロセッサあるいはクラスタスタイルのツールのようなＰＶＤスパッタリング装置を使用して耐火性オームあるいはゲート金属をスパッタリングする場合、例えばＧａＡｓ基板のような基板をプラズマ点弧の間に発生する損傷している粒子から保護するために基板の前に物理的シャッタを配置することが必要とされた。物理的シャッタはプラズマ点弧の間損傷を低減する上で効果的ではあるが、製造環境において物理的あるいは機械的シャッタを使用することには数々の欠点がある。例えば、物理的シャッタは典型的にウエハーより上に位置するので、大量の金属の堆積物を受け取る。それは真空中を移動するので、典型的には０．５ミクロン以上の５００以上の粒子である顕著な数の粒子を発生させる。ゲート寸法が小さくなるにつれて、高粒子密度が製造される欠陥素子の数を増加させ、そのため素子の歩留まりを低下させる。更に、物理的シャッタは機械的な故障が起き易く、保護的な保守を必要とするが、双方共システムの停止時間を増加させる。
【０００６】
従って、損傷のない溶着を提供しながら、ＧａＡｓ基板上に耐火性金属をＰＶＤする上で物理的シャッタの必要性を排除する必要がある。
【０００７】
（発明の要約）
本発明の主要な目的はプラズマの点弧の間、損傷を受け易い基板が物理的シャッタによってそのような基板を遮蔽する必要なくそのような損傷から保護される方法と装置とを提供することである。本発明の特別の目的は基板の面に発生する損傷を最小にしながら物理的蒸着方法によって特にガリウム砒化物のような損傷を受け易い基板上に耐火性金属を溶着する方法と装置とが提供される。本発明の別の特別の目的は、特にＧａＡｓ基板上に耐火性金属をＰＶＤする上で、ＰＶＤにおける物理的シャッタの必要性を全体的に排除することである。
【０００８】
本発明はプラズマ点弧の間に形成される高密度エネルギ粒子（ｔｈｅ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ｅｎｅｒｇｙ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）が基板に到達するのを最小にするような仕方でＰＶＤシステムのパラメータを制御することによって部分的に前記目的を達成する。そのような高エネルギ粒子は例えばＧａＡｓウエハーのような基板を損傷させるに十分なエネルギを有する粒子である。本発明は機械的あるいは物理的ウエハーを使用することなくそのような目的を達成する。本発明は当該システムの１つ以上のパラメータを制御することと組み合わせて比較的高い圧力のガスバーストを使用してプラズマ点弧プロセスを組み込んでいる。その他のパラメータの制御は、（ａ）プラズマ点弧ガス成分を変えること、および（ｂ）目標から基板までの距離を変えることを含み、その各々共ガス位相拡散事象の有効性と数とを最大化する。その他のパラメータの制御は更に、（ｃ）スパッタリング目標から放出される大量の二次電子を捕捉するためにマグネトロン磁界強度を増大すること、および（ｄ）二次電子の放出の密度を下げるためにスパッタリング目標の清浄工程を使用することである。更に、その他のパラメータの制御は（ｅ）目標に対する電源パワーランピングアップ時間を調整すること、および（ｆ）浮動ＧａＡｓ基板における電荷の堆積をドレインする（ｄｒａｉｎ  ｃｈａｎｇｅ）回路を使用することを含む。
【０００９】
本発明の好適実施例において、その他のパラメータを制御する段階の中の複数の、より好ましくは大部分がプラズマ点弧順序において高圧のガスバーストと共に採用されている。その他のパラメータ制御の全ては機械的シャッタを使用することなく、プラズマ点弧の間に形成され、ＧａＡｓウエハーを損傷させるに十分なエネルギを有してＧａＡｓ基板に達する粒子の密度を最小化するように使用され、かつ最適化し得る。
【００１０】
本明細書において説明する本発明によるプラズマ点弧順序は「仮想シャッタ（ｖｉｒｔｕａｌ  ｓｈｕｔｔｅｒ）」と称し、ＧａＡｓ面にＤＣマグネトロンＰＶＤスパッタリング方法のプラズマ点弧段階の間もたらされる損傷を阻止するための、機械的シャッタを使用することによってこれまで達成されてきた望ましい機能を提供する。しかしながら、本発明は物理的あるいは機械的シャッタを使用することなく、従って物理的シャッタの欠点を伴うことなくそのようにする。二次電子の衝突による面の状態を変化させる損傷が本発明による仮想シャッタを使用して特に排除される。
【００１１】
本発明のこれら、およびその他の目的や実施例は添付図面についての以下の詳細説明に記載されている。
【００１２】
（好適実施例の詳細説明）
本発明の好適実施例は例えばスパッタ被覆装置のような物理的蒸着（ＰＶＤ）装置用の仮想シャッタを提供する。そのような一装置を参考のために本明細書に明確に援用し、本発明と共通に譲渡されている米国特許第４，９１５，５６４号に記載されている。「仮想シャッタ」とは当該装置の作動のある局面の間のエネルギあるいは粒子によるコーテイング材料の溶着あるいは衝撃から基板あるいはその他の物品を遮断するスパッタ被覆あるいはその他のＰＶＤ装置において一般に使用されているタイプの物理的あるいは機械的シャッタの目的を果たすが、実際には物理的あるいは機械的シャッタを使用することなくそうするような形成物あるいは形成物の組み合わせを意味する。
【００１３】
本発明による仮想シャッタはその好適実施例において、（１）プラズマ点弧ガスバースト順序、および（ａ）プラズマ点弧ガス種（species）の選択、（ｂ）ＤＣマグネトロン磁界強度の変更，（ｃ）目標から基板までの距離の変更、（ｄ）スパッタリング目標の調整手順、（ｅ）陰極パワーのランプ制御、および（ｆ）基板の浮動電位の制御からのパラメータの制御を含む数種の要素を有するハードウェアおよびプロセス構成の組み合わせを提供する。
【００１４】
前記組み合わせの各要素は二次電子、反射した中性原子およびイオンがＧａＡｓ面に衝突しないようにする仮想シャッタの機能に寄与する。二次電子の放出はスパッタリング材料とは独立しているので、仮想シャッタの最適形態は使用されるスパッタリング材料によって左右され、従って該最適形態は仮想シャッタの有効性を最大化するためにスパッタリング材料毎に異なる。
【００１５】
プラズマ点弧ガスバースト順序（Ｐｌａｓｍａ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  Ｇａｓ  Ｂｕｒｓｔ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ）
プラズマ点弧ガスバースト順序を使用することは本発明の好適実施例の仮想シャッタに対して不可欠である。プラズマ点弧ガスバースト手順の信頼性と有効性とは以下説明するその他のパラメータ制御の形態によって変わる。プラズマ点弧ガスバースト順序は機械的なシャッタを閉鎖した状態のプラズマ点弧順序と対比し得る低損傷プラズマを点弧し、機械的シャッタを開放した状態で実行されたものと対比し得るプロセスの部分の間薄膜を溶着するための前記室の状態を整えるように構成された予備溶着プロセスである。プラズマ点弧ガスバースト順序はアルゴン（Ａｒ），クリプトン（Ｋｒ），クセノン（Ｘｅ）あるいはＡｒ，Ｋｒ，またはＸｅバーストガスと弗化した分子ガスの混合物のいずれかを使用する。
【００１６】
プラズマ点弧ガスバースト順序の第１の段階において、プラズマ点弧ガスが処理室中へ解放され、例えば１００から５００ミリトール（ｍ  Ｔｏｒｒ）の範囲の比較的高圧を前記処理室において発生させる。この段階のおけるプロセス時間はガスが該室を通して均等化し得るようにするに十分長くなるように設定される。プラズマ点弧ガスバースト順序の第２の段階において、例えば５０―２００ワット（Ｗａｔｔｓ）」の低い点弧パワーレベルを使用してプラズマ点弧が行われる。これらの二つの段階は本明細書においてはプロセスの仮想シャッタの閉鎖部分と称される。
【００１７】
プラズマの点弧に続いて、ガスバーストが終了し、プロセスはアルゴン（Ａｒ）のプロセスガスをスパッタリングのために前記室中へ導入して本明細書において仮想シャッタの開放部分と称する部分まで進行する。仮想シャッタの「開放」の間、プラズマは陰極電圧が安定し得るようにするに十分な時間低い点弧パワーレベルに留まっている。
【００１８】
次いで、薄膜溶着がＤＣマグネトロンパワーをプロセスパワーの設定点まで増大させながら始まる。このことを達成するためには、本装置の電源は６秒で設定点に達するようにプログラム化されている。
【００１９】
ＰＶＤで処理するためにより低い圧力まで復帰することに続いてプラズマ点弧において昇圧を使用することの詳細は、参考文献として本明細書に明確に援用した、「低圧スパッタリングのための方法と装置」（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）という名称の本発明と共通に譲渡された米国特許第５，８３０，３３０号に開示されている。
【００２０】
プラスマ点弧ガス種（Ｐｌａｓｍａ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  Ｇａｓ  Ｓｐｅｃｉｅｓ）
プラスマ点弧ガスバーストシーケンスの効果はガスバーストシーケンスに使用されるプラズマ点弧ガス種のようなその他のパラメータを制御することによって最適化される。これは蒸着されつつあるスパッタ材料によって変動し得る。例えばタングステンーチタニウム（ＷＴｉ）のような高レベルの損傷をもたらすものと認められた材料に対しては、クセノンが好ましい。チタニウムをスパッタリングする場合損傷ははるかに低いので、アルゴンで十分である。例えば絶縁材料あるいは高炭素あるいは酸素含有量の面のような高度の二次電子放射係数の材料に対しては、弗化分子と希ガスの混合物が好ましい。
【００２１】
ＤＣマグネトロン磁界強度（ＤＣ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｍａｇｎｅｔ  ｆｉｅｌｄ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）
プラズマ点弧ガスバーストシーケンスの効果は、可能なら、例えばＤＣマグネトロン磁界強度のようなその他のパラメータを制御することによって最適化し得る。代替的なマグネトロン磁石組立体が利用可能である場合、より高い磁界強度を発生させるものはより弱いマグネトロン磁界を発生させるものよりも大きな程度基板に対してプラズマ点弧位相損傷を低減する。例えば、３００ガウス未満の磁界強度を発生させるＤＣマグネトロン磁石パックを例えば約４００ガウスのようなより高い磁界強度を発生させるものに交換することにより閉鎖状態での仮想シャッタの機能を最適化し、プラズマ点弧の間の基板の損傷を低減する。例えば電磁石を使用したマグネトロンを使用して、あるいは永久磁石を動かすことにより磁界強度が調整可能であるようなシステムにおいて磁界強度が電気的に制御可能である場合、仮想シャッタを閉鎖した状態の間磁界強度を増すことによってプラズマ点弧の間の基板の損傷を低減させる。
【００２２】
目標から基板までの距離（Ｔａｒｇｅｔ−Ｓｕｂｓｔａｒｅ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）
プラズマ点弧ガスバーストシーケンスの効果は例えば目標から基板までの距離を増すように、他のパラメータを制御することによって最適化される。望ましい距離の変動はスパッタ材料によって変わる。仮想スパッタを閉鎖した状態での作動の間、すなわち点弧ガスバーストシーケンスおよびプラズマ点弧の間従来のものより長い目標から基板までの距離を提供することによってその他のパラメータによって発生する損傷の回避性を高める。目標から基板までの距離は蒸着処理の間にさもなければ必要とされるものより長い距離にセットし得る。目標から基板までの距離は、プラズマ点弧の間、目標から基板上への通常のスパッタ蒸着の間の目標から基板までの距離の２倍以上であることが好ましい。前記距離はＰＶＤ処理の間使用されたものからプラズマ点弧に対して増加させ、プラズマ点弧の間倍以上にされることが好ましい。例えば、蒸着中の約 ５．０８センチメートル（２インチ）からプラズマ点弧順序（シーケンス）の間の約 １２．７センチメートル（５インチ）まで目標から基板までの距離を増すことが好ましく、次いで、次の溶着順序に対して約 ５．０８センチメートル（２インチ）まで戻る。
【００２３】
スパッタ目標調整順序（Ｓｐｕｔｔｅｒ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ）
プラズマガスバースト順序の効果は例えば目標の予備調整のようなその他のパラメータを制御することによって最適化される。調整順序はプラズマの点弧および溶着に先立って実行すればよく、例えばチタニウムあるいはチタニウムータングステンのような材料がスパッタリングされる場合の例えば２０分以上のような著しく長い時間当該システムが使用されていない場合はいつでも好ましい。特定の目標調整の一例を以下の例で説明する。それはプロセスウエハーと溶着プロセスを擬似したスパッタリングパラメータを使用する段階を含むことが好ましい。この段階に対して使用されるＤＣマグネトロン陰極パワーは溶着検査に対して使用されるものと同じであることが好ましい。各プロセス作動の間、陰極電圧は監視され、調整段階は陰極目標電圧が安定すると完了したものと見なされる。殆どの材料に対して、３から１０の処理段階が陰極電圧を安定させる。
【００２４】
電源ランプ時間（Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ  Ｒａｍｐ  Ｔｉｍｅ）
プラズマ点弧ガスバースト順序の効果は例えば数秒に亘って目標電源のランプ時間を制御するように、その他のパラメータを制御することによって最適化される。少なくとも約３秒のランプ時間が好ましい。しかしながら、少なくとも約６秒に近いところで電源ランプ時間を設定することがより好ましい。
【００２５】
基板浮動電位の制御（Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）
基板の浮動電位は固定されるように制御されることが好ましい。例えば、基板電位を約−１２ボルトに固定することが好ましい。これはダイオードの陰極側をシステム接地に接続し、ダイオードの陽極側を基板に接続させて１２ボルトのツェーナダイオード（ｚｅｎｅｒ  ｄｉｏｄｅ）を使用することにより達成することができる。
【００２６】
実施例
損傷を減少させるために評価した仮想シャッタの概念の各要素はｎ−タイプのＧａＡｓ基板上でのシート抵抗（ＲS）の変化を監視することによって実験において評価された。そのような実験において、ＧａＡｓ基板は新規のＧａＡｓウエハーにシリコンを注入し、窒素シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）で密閉することによって調製し、注入は急速熱焼鈍を使用して活性化された。Ｓｉ3Ｎ4を除去した後、ｎ−ＧａＡｓの予備溶着ＲSが非接触抵抗測定システムを使用して測定された。次いで、n−ＧａＡｓウエハーは各種のプラズマ点弧と溶着順序とを検査するために使用された。ＰＶＤ処理の後、溶着された金属は化学的にエッチングされ、溶着後のＲｓが測定された。Ｒｓの変化は平均の溶着後および溶着前の値の差異を使用して計算された。
【００２７】
Ｒｓの変化の大きさはＦＥＴ素子の性能を強力に指示するものである。Ｒｓの変化の増加は高いレベルの損傷に対応する。実験による手順は約１０オーム／平方（ｏｈｍｓ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ）のエラーを有していた。Ｒｓの変化とＦＥＴ素子の性能の間の相関関係は電気データにより検証された。２０オーム／平方（Ｏｈｍｓ／ｓｑ）以下の測定されたＲｓの変化は、ＧａＡｓ注入領域に対して８００Åおよびそれ以上の深さのｎ−ＧａＡｓの面に電気的における検出されない損傷と関連している。
【００２８】
仮想シャッタの各要素の寄与によりＲｓの変化を下げ、従って面に対する損傷を低下させる。仮想シャッタはチタニウム（Ｔｉ）とタングステン−（１０％）チタニウム（ＷＴｉ）をスパッタリング目標材料として実施した。前述のように、仮想シャッタは種々のスパッタ材料のタイプに対して種々構成された。以下の表において、基準は本発明を使用しない場合のＰＶＤシステムからの損傷の寄与を指示する。Ｔｉスパッタ溶着に対する見本の仮想シャッタ構成およびＷＴｉスパッタ溶着が表１に記載されている。
0003798316.tif 000002
【００２９】
プラズマ点弧ガスバースト順序は物理的シャッタの機能を擬似するように構成されている。要素は種々のスパッタリング材料を受け入れるように変化するものの、順序はスパッタリング材料毎に概ね同じ状態に留まる。前記の予備プラズマ点弧の高圧力段階は閉鎖位置にあるシャッタがある場合である。シャッタの有効性はスキャッタリング断面と、平均自由行程、二次電子、原子およびイオンのプラズマ点弧ガスとの衝突頻度に直接関連する。ガスバーストの間の典型的な室内圧力は１６０から２５０ミリトール（ｍ  Ｔｏｒｒ）の間である。これらの圧力において、原子およびイオンの平均自由行程は１０―4メートル程度である。５．０８から１２．７センチメートル（２から５インチ）の目標から基板までの距離において、これらの粒子は数百回の衝突を経験し、基板に到達するまでに熱中性子化され、それらが基板の損傷を無視し得る程度にするよう寄与する。一次電子の平均自由行程は１０―2から１０―3メートル程度の可成り長いものである。
【００３０】
図１に示すチタニウム溶着（Ｔｉ）に対して、一旦高い圧力バーストがその他の制御されたパラメータと組み合わされると損傷は無視し得る程度となる。例えば、より高い磁界強度を除いて、制御されたパラメータの各々は、単独で、あるいは他のパラメータと組み合わされてＲｓの変化を２５オーム／平方の範囲まで低下させる。ガスバーストを修正して実行することによってＲｓの変化をスパッタリングガスに対してＡｒを使用することにより係数（ｆａｃｔｏｒ）２．５まで低下させた。
【００３１】
プロセスガスとしてＡｒを使用してＴｉを溶着するための仮想シャッタ技術の性能の繰り返し性を１ヶ月の期間に亘り同一のプロセスを繰返すことにより検査した。この時間の間、本システムは通常の防止保全計画を実施し、材料が数キロワット時スパッタリング目標から除去された。このデータは使用中の素子からの電気データを使用して検証された。仮想シャッタからの結果は図２に示すように極めて再現性がある。作動回数６、７、１０および１１における変動は試料を調製するために使用する化学エッチングにおける変動によるものである。
【００３２】
典型的なスパッタリング圧力において、タングステンーチタニウム（ＷＴｉ）溶着に対するＲｓの変化は図１に示すパラメータ制御の全てが使用させる場合チタニウム（Ｔｉ）溶着に対してよりも約４０％高いことが判明した。アルゴンと、１３．５センチメートル（２．５インチ）の目標から基板までの間隔（Ｔ−Ｓ）を使用したＷＴｉ処理によってＲｓの変化を約２８％少なくした。Ｔ−Ｓをアルゴンを使用して１２．７センチメートル（５．０インチ）まで増すことによってＲｓを更に２０％低下させた。Ｔ−Ｓが大きくなるにつれて、衝突の平均数は増加し、Ｒｓは減少した。ＷＴｉの損傷は標準的なプロセスから殆ど５０％減少し、依然として可成の数の損傷が発生している。
【００３３】
仮想シャッタ圧力と目標から基板までの間隔の増加は原子を効果的に拡散させ、Ｔｉでスパッタリングするときの損傷による影響を排除するに十分である。従って、スパッタ材料の依存関係がプロセスにおいて見られた。仮想シャッタの有効性に影響を与えるものと考えられているスパッタ材料の間の一つの差異は二次電子放射係数である。ＴｉおよびＷに対する二次電子放出係数の実験によるデータおよび理論データがと表２に示されている。
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Ｗの係数はＴｉ（入射一次電子当たりの放出）のそれよりも５０％高く、一方Ｗに対する理論係数はＴｉ（入射イオン当たりの放出）のそれより僅かに低い。表２における理論値は係数の大雑把な推定である。実際の二次放出係数は表面状態、合金成分、汚損、および形態学によって変わる。Ｒｓの変化およびｎ−ＧａＡｓ基板からの電気データとはＷＴｉ合金がＴｉよりも高い二次放出係数を有していることを示している。
【００３４】
従って、より少ない二次電子を発生させるプラズマ点弧状態が好ましい。仮想シャッタの有効性は少なくとも部分的にプラズマ点弧の間の衝突事象に基づいている。関連要素の物理的特性は表３に記載されている。
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従って、表３における物理的特性と表２に見られるＷＴｉ の傾向とを使用すれば、Ｘｅのプラズマ点弧ガス種が好ましい。Ｘｅはその他の希ガスと比較して高度の極性化性と低いイオン化電位とによりプラズマ点弧を促進する。Ｘｅガスの極性化性はＡｒガスの値の２．５倍であり、イオン化電位はＡｒのものより３．６２９ｅＶ低い。更に、Ｘｅに対して１トール（Ｔｏｒｒ）においてガスの１センチメートルの通路における衝突の平均数として定義される電子の衝突の確率はＡｒに対して３．３倍高い。更に、Ｘｅは二次電子の運動エネルギを低下させる。二次電子（ｓｅ）の運動エネルギ（ＫＥ）はプロセスガスのイオン化電位（ＩＰ）によって変わる。
【００３５】
ＫＥ（ｓｅ）＝IP（プロセスガス）―（２×作用係数（スパッタ材料））
点弧の間プロセスガスのＩＰを下げることによって、二次電子のエネルギは減少する。また表２に示すように、プロセスガスの質量を増すことによって、二次放出係数は所定のエネルギに対して減少する。プロセス点弧ガスとしてＸｅを使用することによりＡｒおよび１２．７センチメートル（５インチ）のＴ−Ｓを使用する損傷は仮想シャッタ構成から更に３５％低下した。全体的に、仮想シャッタはＷＴｉの損傷を７５オーム／平方以上のＲｓの変化から２８オーム／平方まで減らした。このような形態は更にＲｓの変化をＷＴｉに対して２０以下まで減らすように最適化可能である。
【００３６】
プラズマ点弧ガスバーストの改良はプラズマの点弧に使用する希ガスを含むことにより少量の弗化したガス分子を組み込むことによって実行することができる。このことによって電子の極性化拡散、弾性および非弾性衝突の寄与を増し、電子―イオンの再組み合わせを促進する。このことは典型的に高度の二次電子放出係数を有する絶縁材料をスパッタリングするために特に有用である。
【００３７】
各種のガスバースト種とＴ−Ｓ値とを使用することに加えて、ＤＣマグネトロン磁界が増大されることが好ましい。マグネトロン用に使用する磁界は二次電子を閉じ込め、放電を維持するためにプラズマへの二次電子の戻りを促進するよに構成されている。標準的な磁石パック構成は３００ガウス未満の電界強度を有し得る。より多くの二次電子を捕捉するために約４００ガウスまで磁界強度を増すことによって、Ｒｓの変化が例えば図１に示すように５２から４０オーム／平方まで低下、すなわち２３％減少した。
【００３８】
Ｒｓの変化はスパッタ面の調整と可成り相関関係がある。図４において、スパッタリング目標の調整順序は５２から平均２５オーム／平方までＲｓ変化を減少させる。二次電子の歩留まりはスパッタリング面の状態に対して敏感である。例えば、スパッタリング面が有機あるいは酸化材料で汚染されると二次電子放出係数を２から３の係数だけ増加させ得る。使用される調整順序はＧａＡｓ基板の実際の被覆を実行する前に幾つかのウエハーに対するＰＶＤスパッタリングプロセスの性能と均等である。スパッタリングプロセスは汚染物および酸化物をスパッタ材料の面から清浄にする。陰極電圧は図５に示すようにスパッタ材料の清浄度を検出するために監視することができる。スパッタ材料が清浄されるにつれて、陰極の電圧が減少する。Ｔｉに対して、この手順は３回のウエハー処理サイクルに匹敵する材料が目標からスパッタリングされた後完了する。一方ＷＴｉに対しては１０回までのウエハー処理サイクルのスパッタリングが好ましいことが判明している。二次電子の歩留まりを減少することの他に調整スパッタ順序はプロセス室のインピーダンスを特徴とし、将来の検査および処理のための室の品質基準を提供する。
【００３９】
基板は頻繁に電気的に浮動する。プラズマ点弧の間、基板は正の電位となり、プラズマが安定した後僅かに負となる。電気的に浮動する特性を保ちながら基板の電気の範囲を減らすために、１２ボルトのツェーナダイオードはダイオードの陰極側をシステム接地に接続し、陽極側を基板に取付けて基板に取り付ければよい。ツェーナダイオードにより、基板は、プラズマの点弧および処理の間、例えば−１２ボルトに固定される。粒子の衝突による電荷の堆積は接地まで通される。ツェーナダイオードは標準の場合よりもＲｓの変化を約３０オーム／平方だけ低下させた（図１参照）。
【００４０】
ｎ−ＧａＡｓ基板に対する損傷は電子を放出するために基板にＤＣ電界を供給することによって電子から発生することが確認されており、図６に示す結果をもたらす。基板に供給される負のＤＣ電位は少なくとも低いエネルギの電子をはじく。負の電位が減少するにつれて、Ｒｓが図に示すデータが示すように「標準」から約５０％減少する。
【００４１】
本発明の好適実施例は全ての要素あるいは前述したその他の制御パラメータがｎ−ＧａＡｓ面で電気的に検出不可能なレベルまで損傷を下げるために採用されているような実施例である。ＧａＡｓ面に対する損傷およびＦＥＴ素子パラメータの劣化のメカニズムはｎ−ＧａＡｓ面に二次電子が衝突し、面の密度およびタイプの状態を変えることが大きな要因であると考えられている。例えば、ｎ−ＧａＡｓ面は多数のドナー状態を有し得る。ＰＶＤプロセスの間、前記面は二次電子の衝突を受け、これらの状態が中性化し、そのためＦＥＴの性能を低下させるものと考えられている。これは単に前記メカニズムの理論的な見解であり、本発明の範囲はこの理論によって限定される意図のものではない。
【００４２】
図７は本発明の方法を実行することができるスパッタコーテイング装置１０を示す。それは各種のガスのいずれもそこを通して室１１中へ導入し得るガス入口制御装置１２を有する真空処理室１１を含む。例えば、電源１２はスパッタリングのために使用するアルゴンの供給源１３とプラズマ点弧に使用するクセノンの供給源１４とを含み得る。プラズマ点弧の間その供給源１４からもクセノンで室１１を充填させ、次いで真空ポンプ１６によって低圧まで前記室１１からクセノンを汲み出しながらクセノンを排出し、スパッタ被覆の間供給源１３からのアルゴンでこのような低圧で前記室１１を充填するようにプログラム化し得る制御装置１５が設けられている。
【００４３】
前記室１１は制御装置１５の制御により昇降装置２２で昇降し得る可動のマウント２１の頂部に一端において固定された基板支持体すなわちホルダ２０を有している。前記支持体２０とは反対側の前記室１１の他端には支持体２０上の例えばＧａＡｓの基板２７と対面するスパッタリング目標２４を支持しているスパッタリング陰極組立体２４が位置している。昇降装置２２は、マウント２１がプラズマ点弧の間目標２４からの距離を増すように降下され、溶着の間基板２７を目標２４に近接させるように上昇するように、制御装置１５によって制御し得る。
【００４４】
電源３０が基板２７をスパッタ処理するために目標２４を励磁するべく陰極２５に接続されている。電源３０は、プラズマ点弧の間は目標へのパワーが低く、スパッタリングに使用するパワーレベルまで約４から８秒の時間に亘って徐々に増すように制御装置１５によって制御されることが好ましい。マグネトロン磁石組立体４０がプラズマ点弧の間、室１１において比較的強力な磁界を発生するように構成した陰極組立体２５に含まれている。この磁石は、例えばプラズマ点弧の間磁界強度を増すような仕方で制御装置１５によって制御される電磁石あるいは可動の永久磁石のような磁界強度可変のものでよい。代替的に、プラズマ点弧の間磁界強度を増すように個別の磁石を設けてもよい。もしも可変磁石が実用的でないとすれば、平均磁界よりも強力な磁界を提供するマグネトロン磁石を選択すべきである。
【００４５】
プラズマ点弧の間基板２７での電位を制限するためにまた、基板の支持体２０と室の接地との間に電圧制限回路４５が設けられている。この回路４５はプラズマ点弧の間、基板に高電位が発生しないようにツェーナダイオード４６あるいはその他の要素あるいは制御装置を含み得る。
【００４６】
前述の実施例をＧａＡｓウエハーを損傷から保護することに関連して説明した。現在のところ。本発明はプラズマ点弧の間、ＧａＡｓ基板を損傷から保護する上で最も有用である。しかしながら、本発明は、例えば浅い接合装置を有するもののようなその他のタイプのウエハーに対しても有用である。例えばプラズマ点弧の間発生する二次電子によって起因される損傷のような、プラズマ点弧の間に損傷を受け易いウエハーにも有用である。
【００４７】
当業者には本明細書における本発明の実行は変更可能であり、本発明は好適実施例によって説明していることが認められる。従って、本発明の原理や意図から逸脱することなく追加や修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における各種の制御されたパラメータの効果を比較するグラフである。
【図２】   図１に示すデータの繰返し性を示すグラフである。
【図３】  種々の制御されたパラメータの効果を比較した図１と類似のグラフである。
【図４】  目標の状態の制御されたパラメータの効果を示す図３と類似のグラフである。
【図５】  目標電圧と調整作動の数との間の関係を示すグラフである。
【図６】  基板バイアスの制御されたパラメータの効果を示す図４と類似のグラフである。
【図７】  本発明の原理を採用したスパッタ被覆室の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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