JP2016509134A - 誘電性化学量論薄膜の高速反応性スパッタリング - Google Patents

Abstract

反応性スパッタ析出を監視およびコントロールするための方法および装置を提供する。これらは特に、金属ターゲットのハイパワーマグネトロンスパッタリングを用いた種々の基板上での誘電性化学量論化合物（例えば金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物等）の高速析出に有用である。これは、短いターゲット（カソード）電圧パルス（典型的に４０μｓ〜２００μｓまで）における数ｋＷｃｍ−２までのターゲットパワー密度を伴う大電流マグネトロンスパッタリングを含む。所与の公称ターゲットパワーレベル、ターゲット材料、および、供給源ガスに対して、真空チャンバ内への反応性ガスのパルス状の流量が一定のターゲット電圧でコントロールされる。これは、電源によって維持される。これによって「金属モード」と「被覆（被汚染モード）」との間の移行領域における、誘電性化学量論薄膜のスパッタ析出が促進される。

Description

１．本発明の分野
本発明は、一般的に、反応性スパッタリング方法および装置に関する。より詳細には、本発明は、誘電性化学量論薄膜の高速析出を実現するための方法および装置、並びに、ターゲットとアノードまたは真空システムの他の部分との間に生じるアーク放電を最小化するための方法および装置に関する。

２．関連分野の説明
誘電性薄膜（特に酸化物および窒化物）は、幅広い分野で幅広く使用されている。これは例えば半導体チップ、磁気記録および光学記録、フラットパネルディスプレイ、インクジェットプリンターヘッド、太陽電池、光集積回路、光学薄膜および硬質保護薄膜である。金属製のターゲットをアルゴンと酸素の混合ガスまたはアルゴンと窒素の混合ガス内でスパッタリングすることを伴う反応性マグネトロンスパッタリングは、これらの薄膜を生成するために通常使用されている析出方法である。

しかし、成膜速度または薄膜成形速度を最大にし、かつ、適切な薄膜化学量論組成が得られるように、このような反応性スパッタリングプロセスをコントロールすることは困難である。

反応性スパッタリングは極めて用途の広いコーティング技術であり、これによって、多様な複合材が得られる。しかし、反応性スパッタリングは以前から、１つの主要な欠点を有している。反応性ガス（例えば酸素または窒素）の分圧が、基板表面上に金属化合物（例えば酸化物または窒化物）の化学量論薄膜を形成するのに適したレベルに達すると、同じ金属化合物が金属ターゲットの表面上にも形成されてしまうのである。これは、転じて、薄膜の成膜速度を格段に低減させてしまうこととなる。これは、金属ターゲットの化合物部分からの金属原子のスパッタリング収率が低くなることに依る。さらに、高いターゲットパワー密度が加えられているこのような条件下では、析出された薄膜の質を低下させる多量のアーク放電がターゲット上で観察されることがある（例えば高いパワーパルスマグネトロンスパッタリング）。アーク放電によって、ターゲット（カソード）とアノードまたは真空システムの電気的アースとの間に短絡が生じる。これはターゲット上に絶縁薄膜が形成されることに依る。化合物薄膜を析出するために、金属ターゲットの反応性スパッタリングには２つの動作「モード」がある。真空チャンバ内への反応性ガスの流量が低い場合には、ターゲットは金属のままである。反応性ガスの流量が多い場合には、ターゲットは、化合物によって被覆される。より速い（通常は５〜１０倍）成膜速度は、「被覆（被汚染：poisoned）モード」におけるよりも、「金属モード」において得られる。反応性ガス流量が変化すると、金属モードと被覆モードとの間に移行が生じる。この移行は、ヒステリシスを示す。すなわち、成膜速度（およびターゲット電圧）における差は、その他が同一のプロセス状態である場合には、金属モードから特定のスパッタリング状態になったのか、被覆モードから特定のスパッタリング状態になったのかに依存する。高速で、質の高い誘電性化学量論薄膜を形成するために、反応性スパッタリングは、金属モードと被覆モードとの間の移行領域において行われなければならない。

十分に確立されたマグネトロンスパッタリング技術の近年の発展は、大電流マグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）である。これは短い電圧パルスの間に加えられる（典型的に４０μｓ〜２００μｓ）、ｋＷｃｍ^−２のオーダーのターゲットパワー密度を特徴とする。高いターゲットパワー密度によって、極めて密度の高い放電プラズマが生成される。これは、スパッタリングされる原子の高い度合いのイオン化を伴う。結果として、薄膜析出を、ターゲット材料原子の高イオン化流で実行することができる。これは、高アスペクト比のトレンチおよびビア構造内への方向性の析出、基板コーティングインタフェース工学および薄膜のイオンアシストされた成長にとって極めて興味深いものである。これらの、誘電性薄膜の反応性スパッタ析出システムの幾つかの成功した使用にもかかわらず、依然として、高いターゲットパワー密度および低い成膜速度で行われる析出プロセスの間のアーク放電に係わる実質的な問題が残っている。

従って、ＨｉＰＩＭＳの分野では、アーク放電を最小化しつつ、誘電性化学量論薄膜の高速析出を実現するための、反応性スパッタリングプロセスの有効かつ信頼できるコントロールを提供する方法および装置に対するニーズがある。

概要
本発明は、大電流マグネトロンスパッタリングにおいて金属ターゲットが使用されている場合においても、上述の問題を克服する。これは、電源によって保たれる一定のターゲット電圧で、真空チャンバ内へのパルス状の反応性ガス流量をコントロールする反応性スパッタリング処理システムおよび方法を提供することによって行われる。これによって、金属モードと被覆（被汚染）モードとの間の移行領域における誘電性化学量論薄膜の高速析出が促進される。

所与のターゲット材料および反応性プロセスガスに対して、プロセスコントローラによって同時に監視されるこれら２つのプロセスパラメータ（すなわちターゲット電流、択一的にパルス電源の一期間における平均ターゲット電流、または、真空チャンバ内の反応性ガス分圧）のうちの１つが、コントロールプロセスパラメータとして選択される。所与の公称ターゲットパワー、ターゲット材料および反応性プロセスガスに対して、最適化された一定のターゲット電圧、非反応性ガス（アルゴン）分圧、真空チャンバ内への総反応性ガス流量および反応性ガス導管システムの構造は、選択されたコントロールプロセスパラメータのクリチカルな値とともに、経験的に、このコントロールパラメータのセンシングされた時間依存の値に基づいて、反応性スパッタリングプロセスをコントロールする装置を用いて確定される。この確定は、成膜速度の測定および析出される薄膜の特性に基づく。コントロールパラメータのクリチカルな値は、チャンバ内へのコントロールされたパルス状反応性ガス流量によって、チャンバ内での反応性ガス分圧の範囲を明確にする。これによって、金属モードと被覆（被汚染）モードとの間の移行領域における、誘電性化学量論薄膜の安定した高速反応性マグネトロン析出が実行される。

本発明の重要な態様は、ＨｉＰＩＭＳ放電の利点を使用することを可能にするように設計された方法および装置である。ＨｉＰＩＭＳ放電は、誘電性化学量論薄膜の高速析出において、短いターゲット電圧パルス（典型的に４０μｓ〜２００μｓ）の間の数ｋＷｃｍ^−２までのターゲットパワー密度を有する。

特に、本発明は、スパッタ析出プロセスをコントロールするための方法に関する。これは、反応性ガス種と、カソードとして作用するターゲット内に含まれる材料との間の反応を伴う。この方法は以下のステップを有している。すなわち、
所与のターゲット材料および反応性プロセスガスに対して、コントロールプロセスパラメータを選択するステップと、
所与の公称ターゲットパワーレベルに対して、反応性スパッタ析出プロセスに対する動作体制を確立するステップと、
真空チャンバ内への、コントロールされた、パルス状反応性ガス流量によって、高速で、金属モードと被覆モードとの間の移行領域において、誘電性化学量論薄膜の安定した反応性析出を実行するステップと
を有している。

金属モードと被覆モードとの間の移行領域は、コントロールプロセスパラメータのクリチカルな値を用いて明確にされた、真空チャンバ内の反応性ガスの分圧の範囲に基づいて確定される。

ターゲットは金属であり、反応から生成される化合物は、誘電性化学量論材料である。

基板上への化合物のスパッタ析出は、実質的に同一のパワー条件において、反応性ガスが存在しない場合の動作に相応する金属モードにおけるターゲット材料の成膜速度の少なくとも約４０％の速度で行われる。

化合物は、酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、硫化物、フッ化物、塩化物、ホウ化物およびそれらの混合物から選択される。

コントロールプロセスパラメータは、連続ＤＣスパッタリングの場合にはターゲット電流である、または、パルス状スパッタリングの場合にはパルス電源の１つの周期における平均ターゲット電流である、または、真空チャンバ内の反応性ガス分圧である。

一定のターゲット電圧での、真空チャンバ内への反応性ガスの一定の流量パルスに対する、連続ＤＣスパッタリングの場合のターゲット電流の感応度、または、パルス状スパッタリングの場合のパルス電源の１つの周期における平均ターゲット電流の感応度および真空チャンバ内の反応性ガス分圧の感応度は、同じ放電条件下で確定される。換言すれば、プロセスの特徴付けが行われ、上述したパラメータが、どのように、一定のターゲット電圧での真空チャンバへの反応性ガスの一定の流量パルスに応答するのかが同じ放電条件下で定められる。

同じ放電条件下で、一定のターゲット電圧で、真空チャンバへの反応性ガスの一定の流量パルスに対して最も高い感応度を示したパラメータが、コントロールプロセスパラメータとして選択される。

動作体制は、（最適化された）一定のターゲット電圧と、例えばアルゴンのような非反応性ガスの分圧と、真空チャンバ内への総反応性ガス流量と、反応性ガス導管システムの構造の確定に基づいて確立される。これは、選択されたコントロールプロセスパラメータのクリチカルな値と相俟って行われる。これによって、形成される薄膜の所与の成膜速度および所望の物理的な特性が、アーク放電が所与のレベルを下回っている状態で得られる。

この結果、アーク放電が最小化されつつ、高い成膜速度および形成される薄膜の所望の元素組成および物理的な特性が得られる。上述した量の確定は、反応性マグネトロンスパッタリングの分野における基礎的な知識、成膜速度の測定、析出された薄膜の特性および放電の不安定性（アーク放電）の検出に基づく。

コントロールプロセスパラメータのクリチカルな値は、真空チャンバ内への、プリセットされた一定の反応性ガス流量パルスの終了時間および次の開始時間を定めるために使用される。

ターゲットパワーは、ＤＣ電源を用いて一定のターゲット電圧で、または、パルス電源を用いて放電パルスの間の一定のターゲット電圧で供給される。これは、短いターゲット電圧パルスにおける、数ｋＷｃｍ^−２までのターゲットパワー密度を伴う、ハイパワーのパルスＤＣ電源を含む。

本発明は、反応性スパッタ析出装置にも関する。これは、
真空チャンバと、
アノードと、
反応性ガス源と、
真空チャンバ内のカソードであるターゲットと、
電源と、
コントロールデバイスとを含んでいる。

反応性ガス源は、反応性ガスを真空チャンバ内に供給する。この反応性ガスは、チャンバ内への所与のパルス状流量によって特徴付けされる。これは、質量流量コントローラによって、または、チャンバ内の所与の分圧によって維持される。この分圧は、非反応性ガス分圧の固定のプリセットされた値で測定された、チャンバ内の総ガス圧から確定される。ターゲットは、反応性ガス種と結合して化合物を形成する材料を含んでいる。電源は、ターゲットと電気的に結合されており、このターゲットは、選択的に電源によって給電されて、反応性ガス種とともに放電プラズマをチャンバ内に形成する。この反応性ガス種は、ターゲット材料と結合して、化合物を形成する。

コントロールデバイスは、コントロールプロセスパラメータの時間に依存する値をセンシングし、質量流量コントローラに信号を供給し、これによって、非反応性ガスの分圧の一定の値の下で、真空チャンバ内へのパルス状反応性ガス流量を調整する。これによって、誘電性化学量論薄膜の安定した反応性析出が、高速で、および、アーク放電が最小化された状態で、金属モードと被覆モードとの間の移行領域において実行される。

上記のターゲットは金属であり、上記の化合物は誘電性化学量論材料であり得る。

コントロールデバイスは、上記の真空チャンバ内の反応性ガス分圧と、連続ＤＣスパッタリングの場合のターゲット電流またはパルス状スパッタリングの場合のパルス電源の１つの周期における平均ターゲット電流とを同時に監視することを可能にするように構成される。これによって、これらのうちの１つを、所与のターゲット材料および反応性プロセスガスに対する上記のコントロールプロセスパラメータとして選択する。この選択は、同一の放電条件下で、一定のターゲット電圧で上記反応性ガスの上記真空チャンバ内への一定である流量パルスに対して、これらの量のうちのどちらが、より高い感応度を有しているのかに基づく。

電源は、一定のターゲット電圧で動作するＤＣ電源または放電パルスの間の一定のターゲット電圧で動作するパルス電源であり得る。これは、短いターゲット電圧パルスでの数ｋＷｃｍ^−２までのターゲットパワー密度を伴うハイパワーパルスＤＣ電源を含む。このパルス電源は、内部または外部のコンピュータコントロール能力を有する。これによって、反応性ガス流量パルス化の間のパルス電源の１つの周期における時間に依存した平均ターゲット電流を評価することが可能になる。

本発明は、特定のパーツおよびパーツの配列において物理的な形状をとる。この実施例を詳細にこの明細書内に記載し、添付図面に示す。この添付図面は本明細書の一部を成す。

本発明を実施するのに用いられるスパッタリングシステムの構成部品の概略図 ＺｒＯ_２薄膜のコントロールされた反応性ＨｉＰＩＭＳの間の、１つの周期および５０μｓの電圧パルス持続時間における、固定された、５０Ｗｃｍ^−２の平均ターゲットパワー密度でのターゲット電圧とターゲット電流密度の波形を示す図 Ｔａ_２Ｏ_５薄膜のコントロールされた反応性ＨｉＰＩＭＳの間の、１つの周期および５０μｓの電圧パルス持続時間における、固定された、５０Ｗｃｍ^−２の平均ターゲットパワー密度でのターゲット電圧とターゲット電流密度の波形を示す図 ＺｒＯ_２薄膜の相応する吸光係数（extinction coefficient）と屈折率とが記載された、デューティサイクルの関数としての成膜速度を示す図。ここで、１つの周期における、固定された、平均ターゲットパワー密度は５０Ｗｃｍ^−２である。 Ｔａ_２Ｏ_５薄膜の相応する吸光係数（extinction coefficient）と屈折率とが記載された、デューティサイクルの関数としての成膜速度を示す図。ここで、１つの周期における、固定された、平均ターゲットパワー密度は５０Ｗｃｍ^−２である。

本発明の方法および関連する装置は、金属ターゲットの反応性ハイパワーマグネトロンスパッタリング（特にＨｉＰＩＭＳ）の間の、ターゲット表面での、および、成長薄膜の表面での、および、放電プラズマにおける、ターゲット材料原子と反応性ガス原子および分子との間の相互作用の状態をコントロールおよび有利には最適化し、これによって高品質の誘電性化学量論薄膜が高い成膜速度で析出されるように、設計されている。

図１では、概略的に、本発明を実施するのに用いられるスパッタリングシステムの構成部品が示されている。真空チャンバ１０は、基板材料１４（例えばシリコンウェハ、ガラス、鋼等）がチャンバ１０内のホルダー１６上に取り付けられた後、ポンプ１２によって真空化される。ターゲット材料１８（例えばジルコニウム、タンタルまたは他の材料）も、チャンバ１０内に取り付けられる。ターゲット１８は、このプロセスにおいてカソードとして用いられ、チャンバ１０の内壁はアノードとして用いられる。有利には、この分野において既知のように、カソードは、マグネトロンスパッタ源（詳細な構造は示されていない）の一部である。

非反応性ガス（例えばアルゴン等の不活性ガス）は、チャンバ１０へ、供給源２０から、質量流量コントローラ２２と、しゃ断弁２４と、導管とを介して入れられる。反応性ガス（例えば酸素、窒素、メタン、アセチレン等）は、供給源２６から、一般的に、スパッタリングされるターゲットの前の２つの異なる位置に配置されている質量流量コントローラ２８および３０と、しゃ断弁３２および３４と、導管３６および３８とを介して、供給される。これによって、反応性ガス分子の分離が、基板上の流れにおいてだけではなく、ターゲット上の流れにおいても格段に増大する場合に、特にハイパワーマグネトロンスパッタリングプロセスの間の、化合物によるターゲット被覆が低減される。これは、反応性ガス分子の分離が、基板上の流れにおいてだけではなく、ターゲット上の流れにおいても格段に増大する場合である。択一的な実施形態では、反応性ガス供給源２６は、２つの異なる反応性ガス（例えば酸素および窒素）源によって置き換え可能である。これは、反応して、三元化合物（例えば、酸窒化物または酸化物と窒化物材料相との混合物）をスパッタ析出する。圧力センサ４０は、質量流量コントローラ２２によって保持された、アルゴン分圧の固定されたプリセット値での真空チャンバ内の総体的な圧力を測定する。プロセスコントローラ４２（有利には、プログラマブルロジックコントローラ）は、コントロール信号を質量流量コントローラ２８および３０に供給する。この供給は例えば、ＺｒＯ_２薄膜のスパッタ析出の場合には、センシングされたターゲット電流（択一的に、使用されているパルス電源４４の動作をコントロールするコンピュータによって評価される１つの周期での平均ターゲット電流）の時間に依存する値に基づいて、または、（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜のスパッタ析出の場合には）圧力センサ４０によって確定された真空チャンバ内の総体的な圧力の、時間に依存する値に基づいて行われる。これは以下でさらに詳細に説明される。

電源４４は、電力をターゲット１８に供給する（これは例えば、ターゲットへカソードターミナルコンダクターを電気的に接続することによって行われる。従ってターゲットは、このように接続されている場合には、カソードの一部として作用する）。本発明の有利な実施形態では、アーク処理能力（迅速なアーク検出技術と抑圧技術）を有するハイパワーパルスＤＣ電源４４が、短い（典型的に４０μｓ〜２００μｓの）負の定圧パルスをターゲットに提供する。これは、ＨｉＰＩＭＳの分野で既知の、ｋＷｃｍ^−２のオーダーのターゲットパワー密度と２％〜１０％の範囲の典型的なデューティサイクル（周期持続時間に対する、電圧パルス持続時間の比）とを伴う。本発明の択一的な実装は、種々の連続ＤＣ電源、パルス電源またはＲＦ電源を電源４４として用いる。このようなターゲット電源技術は、この分野では一般的に知られている。

従って、反応性スパッタリングプロセスの基本の、良く知られている動作に関連して、チャンバへ向かう反応性ガスフローおよび非反応性ガスフローと、カソードに供給される電力とが、カソードとアノードとの間に電気的なポテンシャルをもたらす。従って、チャンバ内に放電プラズマが形成される。このプラズマは、非反応性ガス原子およびイオン、反応性ガス原子、分子およびイオン、並びに、スパッタリングされるターゲット材料原子およびイオンを、特に高いターゲットパワー密度で含んでいる。基板上の析出のための金属原子の供給源は、イオン衝撃によるターゲットからのそのスパッタリングである。基板上の析出のための反応性ガスの主要供給源は、真空チャンバ内への反応性ガスの流れである。これは、反応性ガス分圧に関する。付加的に、反応性ガス種が、ターゲット表面でターゲット材料と反応し、ターゲット上に化合物を形成する（例えばターゲットの酸化）ことがある。ターゲット上のこのような化合物形成は、反応性スパッタリングの主要な問題として良く認識されており、特に、高い成膜速度で、誘電性化学量論薄膜を生成する金属ターゲットの反応性スパッタリングにおいて問題である。

本発明では、プロセスコントローラ４２が、コントロール信号を質量流量コントローラ２８および３０に提供し、（プリセットされた一定のガス流量パルスの持続時間によって）チャンバ内へのパルス状の反応性ガス流量が調整される。この調整によって、チャンバ内の反応性ガス分圧に関する反応性ガス流量が、ある特定の範囲内に維持される。チャンバ内への反応性ガス流量のこの範囲（およびチャンバ内での反応性ガス分圧）は、以下のようなプロセス開発手順をベースに決められる。

第１に、所与のターゲット材料および１種類の反応性プロセスガス（または複数種類のガス）に対して、プロセスコントローラ４２によって同時に監視される２つのプロセスパラメータのうちの１つ（すなわち、ターゲット電流、または、択一的にパルス電源の１つの周期における平均ターゲット電流、または、アルゴン分圧の固定されたプリセット値での、チャンバ内の総体的な圧力、すなわち、チャンバ内の反応性ガス分圧）が、これらの量のうちのどれが、一定のターゲット電圧のもとで（択一的に、放電パルスの間の一定のターゲット電圧のもとで）一定の真空チャンバ内への反応性ガスの流量パルスに対して、同一の放電条件下でより高い感応度を有しているのかに基づいて、コントロールプロセスパラメータとして選択される。当該分野において既知であるように、種々のターゲット材料の異なる特性は主に、ターゲット表面上での反応性ガスとの化学反応に対するその異なる親和力によって、およびターゲット被覆への、部分的に被覆されたターゲットに対する２次電子放出係数（例えば酸化物または窒化物による）の異なる、または、反対ですらある依存性によって生じる。

第２に、所与の公称ターゲット電力、ターゲット材料、および、反応性プロセスガスに対して、最適化された一定のターゲット電圧、非反応性ガス（アルゴン）分圧、両方の導管３６および３８における総体的な反応性ガス流流量およびそれらへの区分並びにターゲットの前の導管の場所および導管からの反応性ガス流の方向（例えばターゲットまたは基板へと向かう方向）が、選択されたコントロールプロセスパラメータ（それぞれ図２Ａおよび２Ｂにおける、ＺｒＯ_２薄膜のスパッタ析出の場合の、１期間における平均ターゲット電流およびＴａ_２Ｏ_５のスパッタ析出の場合の酸素分圧）のクリチカルな値とともに、装置を用いて確定される。この装置は、コントロールパラメータのセンシングされた時間依存の値に基づいて、反応性スパッタリングプロセスをコントロールする。この確定は、反応性マグネトロンスパッタリングの分野における基礎的な知識および成膜速度の測定および析出される薄膜の特徴（特に、光学的な透過性、元素組成、硬さ、質量密度、構造および表面の形態）に基づく。コントロールパラメータのクリチカルな値は、チャンバ内での反応性ガス分圧の範囲を明確にする。これによって、金属モードと被覆（被汚染）モードとの間の移行領域において、誘電性化学量論薄膜の安定した高速反応性マグネトロン析出を行うことが可能になる。監視されているコントロールパラメータの値が相応するクリチカルな値よりも大きくなると、プロセスコントローラ４２は、信号を、質量流量コントローラ２８および３０に提供する。これによって、真空チャンバ内への反応性ガス流がオフされる。従って、金属ターゲットの化合物部分上のアーク放電が最小化され、薄膜の成膜速度の実質的な低減が回避される。主に、チャンバ内の反応性ガス分圧の変化に関連する「慣性」による、コントロールパラメータにおける継続的な増大の後、コントロールパラメータの値は低減する（図２Ａおよび２Ｂに示されているように）。コントロールパラメータの瞬間的な値がそのクリチカルな値以下になると、プロセスコントローラ４２は、信号を、質量流量コントローラ２８および３０に提供し、これによって、真空チャンバへの反応性ガス流がオンにされる。従って、薄膜内への反応性ガス原子の十分な組み込みが実現される（化学量論）。高速での、誘電性化学量論薄膜の安定した反応性析出のためのこの動作体制の確立プロシージャは、種々の公称出力で繰り返され得る。

２０Ｗｃｍ^−２を下回る通常のターゲットパワー密度を有する標準的な「低出力」の連続的なＤＣ電源、パルス電源またはＲＦ電源を電源４４として用いた、本発明の種々の択一的な実装に加えて、誘電性化学量論化合物の高速析出に対して、金属ターゲットのハイパワーマグネトロンスパッタリングを用いるのは特に有用である。これは、短い電圧パルス（典型的に４０μｓ〜２００μｓまで）における数ｋＷｃｍ^−２までのターゲットパワー密度を有する大電流マグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）を含む。市販されているハイパワーパルスＤＣ電源を使用した、本発明に即したパルス状の反応性ガス流コントロールの使用は、以下の特徴を有する。すなわち（ｉ）実質的に一定の値での負の電圧パルスの生成（いわゆる動作の定圧モード）、（ｉｉ）効果的なアーク操作能力（迅速なアーク検出技術および抑圧技術）および（ｉｉｉ）反応性ガス流量パルス化の間のパルス電源の一周期における、時間に依存した平均ターゲット電流を評価することを可能にするコンピュータコントロール（図２Ａに示されている）。これによって、この分野において知られているＨｉＰＩＭＳ放電の利点を利用することが可能になる。電圧パルスの間のターゲットへの極めて大きい総イオン流が存在する。これは、ターゲットでの金属破片からの金属原子の強度のスパッタリングおよびターゲットでの化合物破片からの反応性ガス原子の強度のスパッタリングを生じさせる。これは、化合物によるターゲット被覆を低減させ、ひいては、薄膜の成膜速度を上昇させる。さらに、電圧パルスの間の、反応性ガス原子および分子の、ターゲットへの流れは、スパッタリングされた原子の強い「スパッタリング風」によって実質的に低減され、これによって、ターゲットの前のガス混合の希薄化が生じる。基板上の流れにおける反応性ガス分子の分離の高い度合いによって、薄膜のより高い成膜速度、および、薄膜内への反応性ガス原子のより高い組み込みが得られる。これは、反応性ガス分子と比べて格段に多い、基板表面での反応性ガス原子の付着係数によるものである。さらに、基板へのより大きい総イオン流は、成長薄膜内への反応性ガス原子のサブプランテーション、および、その高密度化を、結果として生じさせる。

プロセスコントローラ４２は、種々の方法で実装可能である。しかし、データ獲得およびコントロールインタフェースを備えたプログラマブルロジックコントローラまたはプログラミングされたデジタルコンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータまたはワークステーション）が有利である。プロセスコントローラ４２を電源４４自体内に組み込むことが理解されるだろう。

上述した実施形態に従った、ＺｒＯ_２およびＴａ_２Ｏ_５薄膜のための反応性スパッタ析出の開発および実行において得られた実験結果の以降の例は、本発明の特徴および特性を表すために、単に例として挙げられたものであり、これは、本発明を限定するものではない。

例
実験は、標準的なステンレス−スチール真空チャンバ（直径５０７ｍｍ、長さ５２０ｍｍ）内での直接的に水冷却される平面のジルコニウムターゲットまたはタンタルターゲット（９９.９％のジルコニウムおよびタンタル純度、直径１００ｍｍ、厚さ６ｍｍ）を伴う、強度にアンバランスのマグネトロンスパッタリング源を用いて行われた。この真空チャンバは、ロータリーポンプ（３０ｍ^３ｈ^−１）によってバックアップされた拡散ポンプ（２ｍ^３ｓ^−１）によって真空にされた。析出前の基本圧力は１０^−３Ｐａであった。アルゴンと酸素の混合気の総圧力は、約２Ｐａであった。

マグネトロンは、ハイパワーパルスＤＣ電源によって駆動された（ＨＭＰ ２／１、Ｈｕｅｔｔｉｎｇｅｒ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ）。繰り返し周波数は５００Ｈｚであり、電圧パルス持続時間は５０μｓ〜２００μｓの範囲であった。これは２.５％〜１０％の相応するデューティサイクルを伴う。ＺｒＯ_２およびＴａ_２Ｏ_５薄膜は、浮遊電位で、シリコン基板上に析出された。ターゲットと基板との間の距離は１００ｍｍであった。薄膜の厚さ（典型的に８００ｎｍと１２００ｎｍとの間）は、形状測定によって測定された（Ｄｅｋｔａｋ ８ Ｓｔｙｌｕｓ Ｐｒｏｆｉｌｅｒ，Ｖｅｅｃｏ）。析出の間、基板温度は３００℃を未満であった。薄膜の元素組成は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ波長分散Ｘ線蛍光分光計ＭａｇｉＸＰＲＯによって測定された。これは、ラザフォードバックスキャッタリング分光測定法によって実行される較正を伴う。薄膜の構造は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ回折計を用いて、調査された。屈折率はおよび吸光係数は、Ｊ.Ａ.Ｗｏｏｌｌａｍ Ｃｏ.Ｉｎｃ.の器具を用いた可変角分光エリプソメトリーによって確定された。薄膜の硬さは、２０ｍＮのプリセットされた最大負荷を有する、コンピュータによってコントロールされる微小硬さテスター（Ｆｉｓｃｈｅｒｓｃｏｐｅ Ｈ−１００Ｂ）を用いて確定された。

図２Ａおよび２Ｂは、１つの周期における５０Ｗｃｍ^−２のプリセットされた平均ターゲットパワー密度および５０μｓの電圧パルス持続時間に対する、ターゲット電圧およびターゲット電流密度の時間発展を示している。これは、（２Ｐａのプリセットされたアルゴン分圧での）１つの周期における平均ターゲット電流および（１.５Ｐａのプリセットされたアルゴン分圧での）酸素分圧の相応する時間発展を伴う。これらはそれぞれ、高い透過性の、化学量論のＺｒＯ_２薄膜およびＴａ_２Ｏ_５薄膜の反応性スパッタ析出の間の酸素流量パルスをコントロールする。酸素流量の示された値がそれぞれ、ＺｒＯ_２薄膜の析出の間のターゲットから２０ｍｍおよび４０ｍｍ離れて配置された導管３６および３８における総酸素流量と、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜の析出の間のターゲットから２０ｍｍ離れて配置された導管３６および３８における総酸素流量を表していることに留意されたい（図１を参照）。導管３６および３８における酸素流量の間の比は、ＺｒＯ_２薄膜の析出のための基板へ向けられた流れを伴う場合には５：２であり、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜の析出のためのターゲットへ向けられた流れを伴う場合には１：１であった。図２Ａおよび２Ｂにおいて見て取れるように、プロセスコントローラ４２によって許される、相応する最小酸素分圧と最大酸素分圧との間で、平均ターゲット電流密度は、それぞれ、パルスにおいて、ＺｒＯ_２薄膜のコントロールされた析出の場合には１.７０ｋＷｃｍ^−２から２.１０ｋＷｃｍ^−２の範囲にあり、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜のコントロールされた析出の場合には１.７１ｋＷｃｍ^−２から２.０２ｋＷｃｍ^−２の範囲にある。

図３Ａおよび３Ｂは、薄膜の成膜速度と、パルスにおける平均ターゲットパワー密度とを示している。ここでは、測定される薄膜の、５５０ｎｍでの、吸光係数ｋと、屈折率ｎも一緒に示されている。これは、１つの周期における、５０Ｗｃｍ^−２の、固定された平均ターゲットパワー密度の場合である。さらに、これは、２.５％〜１０％の相応するデューティサイクルを伴う析出の間の５０μｓ〜２００μｓの範囲の種々の電圧パルス持続時間の場合である。固定されたアルゴン分圧は、ＺｒＯ_２薄膜の全ての析出に対して、２Ｐａであった。またアルゴン分圧は、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜の析出では、５０μｓの電圧パルスの場合の１.５Ｐａから、２００μｓの電圧パルスの場合の１Ｐａの範囲にある。見て取れるように、化学量論ＺｒＯ_２薄膜に対しても、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜に対しても、極めて高い成膜速度が得られた。これらは、高い光学的な透過性と、高密度化を有している（質量密度は、各バルク材の質量密度の９５％までである）。ＺｒＯ_２薄膜は結晶性であり（単斜晶相）、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜はナノ結晶である（３００℃未満での基板温度での予測）。これらの硬さはそれぞれ１０ＧＰａ〜１６ＧＰａの範囲、および７ＧＰａ〜８ＧＰａの範囲にある。

上述の説明は多くの特定を提供したが、これらが可能にした詳細は、本発明の範囲を限定するものとされるべきではなく、当業者であれば容易に、その範囲から逸脱することなく、かつ、その利点を減少させることなく、本発明には多くの修正および同等の実装が許される、ということを理解するだろう。従って、本発明は、開示された実施形態に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲に従って定義されるべきである。

Claims (14)

1. 反応性ガス種と、カソードとして作用するターゲット内に含まれる材料との間の反応を伴う、スパッタ析出プロセスをコントロールするための方法であって、
   当該方法は以下のステップを有する、すなわち、
   所与のターゲット材料および反応性プロセスガスに対して、コントロールプロセスパラメータを選択するステップと、
   所与の公称ターゲットパワーレベルに対して、反応性スパッタ析出プロセスに対する動作体制を確立するステップと、
   真空チャンバ内への、コントロールされた、パルス状反応性ガス流量によって、高速で、金属モードと被覆モードとの間の移行領域において、誘電性化学量論薄膜の安定した反応性析出を実行するステップと
   を有する、
   ことを特徴とする、スパッタ析出プロセスをコントロールするための方法。
2. 前記ターゲットは金属であり、前記反応から生成される化合物は、誘電性化学量論材料である、請求項１記載の方法。
3. 基板上への化合物のスパッタ析出を、実質的に同一のパワー条件において、前記反応性ガスが存在しない場合の動作に相応する金属モードにおける前記ターゲット材料の成膜速度の少なくとも約４０％の速度で行う、請求項１記載の方法。
4. 前記化合物は、酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、硫化物、フッ化物、塩化物、ホウ化物およびそれらの混合物から成るグループから選択される、請求項１記載の方法。
5. 前記コントロールプロセスパラメータは、連続ＤＣスパッタリングの場合にはターゲット電流である、または、パルス状スパッタリングの場合にはパルス電源の１つの周期における平均ターゲット電流である、または、真空チャンバ内の反応性ガス分圧である、請求項１記載の方法。
6. 一定のターゲット電圧での、真空チャンバ内への反応性ガスの一定の流量パルスに対する、連続ＤＣスパッタリングの場合の前記ターゲット電流の感応度、または、パルス状スパッタリングの場合のパルス電源の１つの周期における前記平均ターゲット電流の感応度および真空チャンバ内の前記反応性ガス分圧の感応度を、同一の放電条件下で確定する、請求項５記載の方法。
7. 一定のターゲット電圧での、真空チャンバへの反応性ガスの一定の流量パルスに対して、前記同一の放電条件下で最も高い感応度を示したパラメータを、コントロールプロセスパラメータとして選択する、請求項６記載の方法。
8. 一定のターゲット電圧と、例えばアルゴンのような非反応性ガスの分圧と、真空チャンバ内への総反応性ガス流量と、反応性ガス導管システムの構造の確定に基づいて、前記選択されたコントロールプロセスパラメータのクリチカルな値とともに前記動作体制を確立し、これによって、形成される薄膜の所与の成膜速度および所望の物理的な特性が、アーク放電が所与のレベルを下回っている状態で得られるようにする、請求項１記載の方法。
9. 前記コントロールプロセスパラメータの前記クリチカルな値を、前記真空チャンバ内への、プリセットされた一定の反応性ガス流量パルスの終了時間および次の開始時間を定めるために用いる、請求項１記載の方法。
10. 前記ターゲットパワーをＤＣ電源を用いて一定のターゲット電圧で供給する、または、パルス電源を用いて放電パルスの間の一定のターゲット電圧で供給し、前記電源は、短いターゲット電圧パルスにおける数ｋＷｃｍ^−２までのターゲットパワー密度を伴うハイパワーパルスＤＣ電源を含んでいる、請求項１記載の方法。
11. 反応性スパッタ析出装置であって、当該装置は、
    真空チャンバと、
    アノードと、
    反応性ガス源と、
    真空チャンバ内のカソードであるターゲットと、
    電源と、
    コントロールデバイスとを含んでおり、
    前記反応性ガス源は反応性ガスを前記真空チャンバ内に供給し、当該反応性ガスは前記チャンバ内への所与のパルス状流量によって特徴付けされ、質量流量コントローラによって、または、前記チャンバ内の所与の分圧によって維持され、当該分圧は、非反応性ガス分圧の固定されたプリセット値の下で測定された、前記チャンバ内の総ガス圧から確定され、
    前記ターゲットは、反応性ガス種と結合して化合物を形成する材料を含んでおり、
    前記電源は、前記ターゲットと電気的に結合されており、これによって当該ターゲットは、選択的に前記電源によって給電されて、前記反応性ガス種とともに放電プラズマを前記チャンバ内に形成し、前記反応性ガス種は、前記ターゲットの材料と結合して、前記化合物を形成し、
    前記コントロールデバイスは、前記コントロールプロセスパラメータの時間に依存する値をセンシングし、前記質量流量コントローラに信号を供給し、これによって、前記非反応性ガスの分圧の一定の値の下で、前記真空チャンバ内へのパルス状反応性ガス流量を調整し、これによって、誘電性化学量論薄膜の安定した反応性析出が、高速で、および、アーク放電が最小化された状態で、金属モードと被覆モードとの間の移行領域において実行される、
    ことを特徴とする反応性スパッタ析出装置。
12. 前記ターゲットは金属であり、前記化合物は誘電性化学量論材料である、請求項１１記載の反応性スパッタ析出装置。
13. 前記コントロールデバイスは、前記真空チャンバ内の反応性ガス分圧と、連続ＤＣスパッタリングの場合のターゲット電流またはパルス状スパッタリングの場合のパルス電源の１つの周期における平均ターゲット電流とを同時に監視することを可能にし、これによってこれらのうちの１つを、所与のターゲット材料および反応性プロセスガスに対する前記コントロールプロセスパラメータとして選択し、当該選択は、一定のターゲット電圧での、前記反応性ガスの前記真空チャンバ内への一定の流量パルスに対して、前記量のうちのどれが、同一の放電条件下でより高い感応度を有しているのかに基づいて行われる、請求項１１記載の反応性スパッタ析出装置。
14. 前記電源は、一定のターゲット電圧で動作するＤＣ電源または放電パルスの間の一定のターゲット電圧で動作するパルス電源であり、前記電源は、短いターゲット電圧パルスにおける数ｋＷｃｍ^−２までのターゲットパワー密度を伴うハイパワーパルスＤＣ電源を含んでおり、前記パルス電源は、内部または外部のコンピュータコントロール能力を有しており、これによって、前記反応性ガス流量のパルス化の間の前記パルス電源の１つの周期における、時間に依存した平均ターゲット電流を評価することが可能になる、請求項１１記載の反応性スパッタ析出装置。

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