JP2020507675A - 堆積、注入、及び処理のための、複数の反応ガス、高バイアス電力、並びに高電力インパルス源によるｐｖｄチャンバの拡張 - Google Patents

堆積、注入、及び処理のための、複数の反応ガス、高バイアス電力、並びに高電力インパルス源によるｐｖｄチャンバの拡張 Download PDF

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Abstract

本開示の実施形態は、スパッタリングチャンバにインシトゥイオン注入能力を提供する。一実施形態では、スパッタリングチャンバは、ターゲットと、ターゲットに連結されたＲＦ及びＤＣ電源と、平坦な基板受容面を備える支持体本体と、支持体本体に連結されたバイアス電源と、バイアス電源に連結されたパルスコントローラであって、約１００〜２００マイクロ秒のパルス持続時間と約１〜２００Ｈｚのパルス反復周波数を有する通常のパルスモードで、或いは、約１００〜３００マイクロ秒のパルス持続時間と約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでのパルス反復周波数を有する高周波数パルスモードで、バイアス電力が供給されるように、バイアス電源にパルス制御信号を印加するパルスコントローラと、処理チャンバの底部を通って形成された同心の排出口を有する排気アセンブリとを備える。【選択図】図２

Description

［０００１］ 本開示の実施態様は、概して、金属層と誘電体層の形成並びにイオン注入の装置及び方法に関する。
［０００２］ 半導体デバイスの製造には、ドープされた領域を形成するため、半導体基板へのドーピング元素の導入が部分的に含まれる。ドーピング元素は、電気キャリアを生成し、半導体材料の導電率を変えるように、半導体材料に結合するように選択される。電気キャリアは、電子（Ｎ型ドーパントとして生成される）又はホール（Ｐ型ドーパントとして生成される）のいずれかになりうる。そのように導入されるドーパント元素の濃度は、結果として得られる領域の導電率を決定する。このようなＮ型及びＰ型ドーピング領域の多くは、全体で半導体デバイスとして機能するトランジスタ構造、絶縁構造、及びその他の電子的構造を形成するように作成される。他の幾つかの応用には、表面機能を変えるためのゲート金属材料の導入が含まれうる。
［０００３］ 半導体基板へのドーパント導入の１つの方法は、イオン注入によるものである。イオン注入は、所望のドーパント材料がイオン源でイオン化され、そのイオンが電場によって加速され、イオンビームを形成する工程である。イオンビームは、イオンビームのエネルギーを制御することによって、制御可能なドーピングプロファイルで基板にイオンを注入するように、基板に向けられる。所定の時間内に基板に供給されうる注入量は、概ねイオンビームの電流密度と電力の関数になっている。イオン注入工程で遭遇する１つの問題は、注入電流がある閾値（例えば、約７５ミリアンペア）を超えると、イオンビームが扱いにくくなり、熱損傷又は不安定な注入プロファイルが起こりうることである。希土類金属などのある種のドーパント材料は融点が高いため、イオン化には高いイオンビーム電力が要求されるので、イオンビーム電力の制限は望ましくない。
［０００４］ そのため、様々な種類の材料のイオン注入のためには、プラズマドーピングシステムの改良が必要である。
［０００５］ 本開示の実施形態は概して、金属から誘電体まで様々な材料に対して、高い膜品質でのインシトゥイオン注入能力を有する、改良されたスパッタリングチャンバを提供する。一実施形態では、スパッタリングチャンバは、処理チャンバの処理領域に配設された第１の面並びに第１の面と反対側の第２の面を有するターゲットと、ターゲットに連結されたＲＦ及びＤＣ電源と、基板支持体の直径全体にわたる平坦な基板受容面を備える支持体本体と、支持体本体に連結されたバイアス電源と、バイアス電源に連結されたパルスコントローラであって、約１００ミリ秒から約２００ミリ秒までのパルス持続時間と約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有する通常のパルスモードで、或いは、約１００ミリ秒から約３００ミリ秒までのパルス持続時間と約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでのパルス反復周波数を有する高周波数パルスモードで、バイアス電力が供給されるように、バイアス電源にパルス制御信号を印加するパルスコントローラと、処理チャンバの底部を通って形成された同心円状の排出口を有する排気アセンブリとを備える。
［０００６］ 別の実施形態では、スパッタリングチャンバは、スパッタリングターゲットと、スパッタリングターゲットの表面に隣接して配設された回転マグネトロンと、スパッタリングターゲットに連結されたＲＦ電源と、スパッタリングターゲットに連結されたＤＣ電源と、基板受容面を備える支持体本体であって、基板受容面の少なくとも直下の部分は基板受容面の直径全体にわたる一様な厚みを有する支持体本体と、支持体本体に連結されたバイアス電源と、バイアス電源に連結されたパルスコントローラであって、約１００ミリ秒から約２００ミリ秒までのパルス持続時間と約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有する通常のパルスモードで、或いは、約１００ミリ秒から約３００ミリ秒までのパルス持続時間と約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでのパルス反復周波数を有する高周波数パルスモードで、バイアス電力が供給されるように、バイアス電源にパルス制御信号を印加するパルスコントローラと、処理チャンバの側壁に配設されたガス導管と、処理チャンバの側壁に連結されたシールドであって、処理領域の一部を少なくとも部分的に包囲するように下向きに延在するシールドと、処理チャンバの底部を通って形成された排出口を有する排気アセンブリであって、排出口が処理チャンバの中心を通る中心軸の周りに対称に配設される排気アセンブリとを備える。
［０００７］ 更に別の実施形態では、基板を処理するための方法が提供される。本方法は、処理チャンバの処理領域に配設された基板支持体の上に基板を提供することであって、処理チャンバは処理チャンバ内に配設されたターゲットに連結されたＲＦ電源とＤＣ電源を有する、基板を提供することと、処理領域をｍＴｏｒｒレンジまで排気することと、処理領域にプラズマを形成するため、ターゲットにＲＦ電力を供給することと、基板の表面に膜層を形成するため、ターゲットにＤＣ電力を供給することと、所定の厚さの膜層が形成された後、ＲＦ電源とＤＣ電源をオフにすることと、処理領域に残っているイオンを基板の表面に注入する短い時間だけ、約１ｋＷから約３０ｋＷのバイアス電力を、基板支持体に供給することとを含む。
［０００８］ 上述の本開示の特徴を詳細に理解しうるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって得られ、一部の実施形態は、付随する図面に例示されている。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容しうることから、付随する図面はこの開示の典型的な実施形態のみを例示しており、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではないことに、留意されたい。
本開示の一実施形態による例示的な処理チャンバを示す。 クラスタツールの処理位置に連結された処理チャンバの等角図である。 本開示の一実施形態による、ターゲット側から見たマグネトロンの等角図である。 本開示の一実施形態による、マグネトロンの一部の底面図である。 本開示の一実施形態による、マグネトロンの一部の底面図である。 本開示の一実施形態による、マグネトロンの一部の底面図である。 本開示の実施形態による、カーボンベース膜を形成するための例示的な処理フロー図である。 図４の処理フロー図を用いて形成されたカーボンベース膜の概略断面図である。 本開示の実施形態による、バイアス電力の関数であるＤＣ電圧と線量のグラフである。 本開示の実施形態による、バイアス電力の関数であるスパッタのグラフである。 本開示の実施形態による、イオン種注入プロファイルのシミュレーションデータのグラフである。 本開示の実施形態による、通常のパルスモードでのデューティサイクルとパルス変動の概略図である。 本開示の実施形態による、高周波数パルスモードでのデューティサイクルとパルス変動の概略図である。
［００２１］ 図１は、本開示の実施形態による、例示的な処理チャンバ１００を示す。処理チャンバ１００は一般的に、上方処理アセンブリ１０８、処理キット１５０及びペデスタルアセンブリ１２０を含み、これらはすべて、処理領域１１０内に配設された基板１０５を処理するように構成されている。図示した実施形態では、処理チャンバ１００は、ターゲット１３２の１つ又は複数の組成材料を基板１０５の上に堆積することができる物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバなどのスパッタリングチャンバである。ＰＶＤチャンバを示し、説明しているが、本開示の実施形態は他の処理チャンバ、例えば、プラズマエッチングチャンバ、プラズマ化学気相堆積チャンバ、プラズマ処理チャンバ、イオン注入チャンバ、又は他の好適な真空処理チャンバに等しく適用可能であることが想定されている。他の製造業者から入手可能なものを含む他の処理チャンバは、本書に記載の開示の一又は複数の実施形態から恩恵を受けるように適合されうることが想定されている。
［００２２］ 処理チャンバ１００は、処理領域１１０又はプラズマゾーンを取り囲む、側壁１０４、底部壁１０６、及び上方処理アセンブリ１０８を有するチャンバ本体１０１を含む。チャンバ本体１０１は一般的に、ステンレス鋼の溶接されたプレート、或いは、陽極酸化された又は陽極酸化されていないアルミニウムの単一ブロックから製造される。一実施形態では、側壁はアルミニウムを含み、底部壁はステンレス鋼プレートを含む。側壁１０４は、処理チャンバ１００との間で基板１０５を出し入れするためのスリットバルブ１２４を含む。
［００２３］ 処理キット１５０は、例えば、構成要素の表面からスパッタリング堆積物を取り除くため、腐食した構成要素を交換又は修理するため、チャンバ１００を他の処理に適用するため、チャンバ１００から容易に取り外し可能な様々な構成要素を備えうる。一実施形態では、処理キット１５０は、シールド１６０及びアイソレータリングアセンブリ１８０を備える。シールド１６０は、アダプタ１０２のレッジ１６１によって締結及び支持される。アダプタ１０２は側壁１０４に連結され、上方処理アセンブリ１０８とアイソレータリングアセンブリ１８０の取り外しを支援するように構成されている。シールド１６０は下向きに延在し、一般的に一定の直径の管状形状を有しうる。一実施形態では、シールド１６０は側壁１０４に沿って下向きに、ガス導管１４４に隣接する点まで延在する。一実施形態では、シールド１６０は、接地に電気的に連結される。シールド１６０は、基板受容面上の処理領域１１０の一部を、少なくとも部分的に取り囲む。処理チャンバ１００の上方処理アセンブリ１０８の構成要素はシールド１６０及びペデスタルアセンブリ１２０と協働して、処理領域１１０外での浮遊プラズマおよび粒子生成を低減する。特に、シールド１６０の管状形状は、処理領域１１０内に形成されたプラズマを基板１０５の上方の内部処理領域に封じ込め、これによって、プラズマと基板１０５の表面との相互作用を高め、一方で、側壁１０４などのチャンバ構成要素の上へのスパッタされた材料の望ましくない堆積を減らす。
［００２４］ 図２は、クラスタツール１０３の処理位置に連結される処理チャンバ１００の等角図である。クラスタツール１０３はまた、処理チャンバ１００内での堆積処理実施の前後に、基板上で一又は複数の処理ステップを実施するように適合されている他の処理チャンバ（図示せず）を含みうる。例示的なクラスタツール１０３は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから入手可能なＣｅｎｔｕｒａ（商標）又はＥｎｄｕｒａ（商標）システムを含みうる。クラスタツール１０３は、一又は複数のロードロックチャンバ（図示せず）、一又は複数の処理チャンバ、及びクールダウンチャンバ（図示せず）含んでよく、これらはすべて中央移送チャンバ１０３Ａに装着される。一実施例では、クラスタツール１０３は、周期的層堆積、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、エッチング、予洗浄、脱ガス、アニーリング、配向付け、及びその他の基板処理といった、いくつかの基板処理工程を実施するよう構成されている、処理チャンバを有しうる。移送ツール、例えば、移送チャンバ１０３Ａに配設されたロボット（図示せず）は、クラスタツール１０３に装着された一又は複数のチャンバとの間で基板を移送するために使用されうる。
ペデスタルアセンブリ
［００２５］ ペデスタルアセンブリ１２０は一般的に、プラットフォーム１２８に連結された支持体１２６を含む。プラットフォーム１２８は一般的に、ステンレス鋼又はアルミニウムなどの金属材料から製造される。支持体１２６は、アルミニウム又はセラミックで構成されうる。冷却チャネル１２５は、媒体源（図示せず）からの伝熱媒体を循環することによって、支持体１２６の温度を調整するように、プラットフォーム１２８内に配設されている。代替的には、冷却プレートが使用されうる。そのような場合に、冷却プレートは支持体１２６の底面に対して配設されうる。冷却プレートと支持体１２６との間の一様な熱伝導を促進するため、冷却プレートは良好な熱伝導率を有する材料から製造されうる。例えば、冷却プレートは銅、ステンレス鋼、タングステン、又はモリブデンなどから製造されうる。冷却プレートは、低い線熱膨張係数又はプラットフォーム１２８及び／又は支持体１２６に適合する熱膨張係数を有していなければならない。一例として、冷却プレートはタングステン又はモリブデンから作られる。
［００２６］ ペデスタルアセンブリ１２０は、チャンバ１００の底部１０６又はチャンバ１００の側壁１０４に装着されたカンチレバーから支持されうる。図示した実施形態では、ペデスタルアセンブリ１２０は、プラットフォーム１２８を介してチャンバ１００の側壁１０４によって支持される。チャンバ壁の一部、例えば側壁１０４は接地される。追加的に又は代替的に、プラットフォーム１２８はチャンバ壁を経由して接地されうる。回路配線の複雑度を軽減するため、ペデスタルアセンブリ１２０は固定タイプの構成で示されているが、ペデスタルアセンブリ１２０は、リフト機構１２２のリフトピン１２３によって、異なる処理位置間を垂直に動くように構成されうると想定されている。
［００２７］ 支持体１２６は、処理中に基板１０５を受容し、支持する基板受容面１２７を有し、基板受容面１２７は、ターゲット１３２のスパッタリング面１３３にほぼ平行になっている。支持体１２６はまた、基板１０５の張り出したエッジの前で終わる周辺エッジ１２９を有する。支持体１２６は、静電チャック、セラミック体、ヒータ、冷却器（ｃｈｉｌｌｅｒ）、又はこれらの任意の組み合わせになりうる。一実施形態では、支持体１２６は、内部に配設された一又は複数の電極（バイアス電極１４３など）を有するセラミック体である。別の実施形態では、支持体１２６は、内部に配設された一又は複数の電極（バイアス電極１４３など）を有する誘電体を含む静電チャックである。誘電体は一般的に、熱分解性の窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ、又は等価材料などの高熱伝導性誘電体材料から作られる。
［００２８］ ペデスタルアセンブリ１２０は、基板１０５に沿って堆積リング５０２を支持する。堆積リング５０２は一般的に、支持体１２６を取り囲む環状の形、又は環状のバンドで形成される。堆積リング５０２は、処理中に支持体１２６の周辺エッジ１２９上のスパッタ堆積の形成を低減するように構成されている。図示した実施形態では、プラズマ種が周辺エッジの周りの基板１０５の裏側に接触するのを妨げるため、或いは防止するため、堆積リング５０２はまた、堆積リング５０２の上面から上向きに延在する隆起又は突起を含みうる。堆積リング５０２は、スパッタリングプラズマによる浸食に耐えることができる材料、例えば、ステンレス鋼、チタン又はアルミニウムなどの金属材料、或いは酸化アルミニウムなどのセラミック材料から製造されうる。一実施形態では、堆積リング５０２はステンレス鋼材料から形成される。
［００２９］ リフト機構１２２は、スリットバルブ１２４を通る基板搬送機構（図示していないが、処理チャンバ１００の外に配設される）によって、基板の交換を容易にするため、ペデスタルアセンブリ１２０から離れた位置に基板を配置するようにリフトピン１２３を移動するように構成されている。
［００３０］ 一実施形態では、バイアス電源１４１は、整合ネットワーク１３７を介して支持体１２６に埋め込まれたバイアス電極１４３に提供され、接続される。バイアス電極１４３は図示したように、支持体１２６の直径全体にわたって延在する単一の電極プレートになりうる。代替的に、バイアス電極１４３は、同心円状パターン、螺旋状パターン、又は放射状スポークパターンなど、任意の所望の位置に配置された個別のバイアス電極１４３からなる。バイアス電源１４１は、支持体１２６に、また、その結果として、基板受容面１２７に配置された基板１０５に、高い負のバイアス電圧を印加する。様々な実施例で、バイアス電源１４１は、約０．１ｋＷから約５０ｋＷまで、約０．５ｋＷから約３０ｋＷまでの間、例えば、約１ｋＷから２５ｋＷまでのバイアス電力を供給するように構成されうる。一実施形態では、バイアス電源１４１は、約１０ｋＷから約１６ｋＷまで、例えば、約１４ｋＷのバイアス電力を供給するように構成されている。
［００３１］ バイアス電極１４３は、支持体１２６内に配設された、少なくとも電気バイアス絶縁体（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｂｉａｓ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）１６１及び／又は内側密閉リング１６３によって、支持体１２６内に直接的に又は間接的に支持されうる。電気バイアス絶縁体１６１及び内側密閉リング１６３は、石英、及び他の絶縁体などの誘電体材料を含みうる。内側密閉リング１６３は、図示したようにバイアス電源１４１からバイアス電極１４３までの配線を可能にするため、電気バイアス絶縁体１６１を通って延在しうる。電気バイアス絶縁体１６１及び内側密閉リング１６３は、支持体１２６とバイアス電極１４３の間に低いキャパシタンスをもたらすようにサイズ調整されうる。幾つかの実施形態では、電気バイアス絶縁体１６１は、ペデスタルアセンブリ１２０から支持体１２６の上方部分（例えば、基板受容面１２７の直下又は基板受容面１２７に隣接する部分）を電気絶縁するようにサイズ調整され、これによって、バイアス電極１４３に高バイアス電圧（例えば、１ｋＷ以上）が供給されるとき、処理チャンバ１００内でのアーク放電を防止する。図示した実施形態では、電気バイアス絶縁体１６１は、支持体１２６の直径全体にわたって延在される。バイアス電源１４１は、パイポーラＤＣ電源又はＲＦ電源を使用しうる。
［００３２］ 低圧力又は真空環境下で基板とペデスタルアセンブリとの間で、冷却ガス（例えば、ヘリウム）の熱伝導を促進するため、ペデスタルアセンブリ１２０の上面にガス導管又は溝を提供する従来のペデスタル設計と異なり、本開示のペデスタルアセンブリ１２０は、ガス導管又は溝のない平坦な基板受容面１２７を使用する。従来のペデスタル設計と共通の問題は、ペデスタルが高バイアス電圧（例えば、４００Ｗ以上）及び基板直上の高密度プラズマに曝されるとき、ペデスタルの上面でアーク放電が起こりやすいということである。このアーク放電が起こる１つの原因は、ペデスタルの滑らかな上面のガス導管又は溝が空隙を形成して、ペデスタル表面に不連続をもたらしていることで、これは不連続の近傍の電場を歪ませ、アーク放電を起こりやすくする。ガス導管又は溝はまた、基板受容面の直径全体にわたって固体と固体の接触領域を減らすことで、基板とペデスタルとの間の熱伝導の効率を低下させる。
［００３３］ 冷却チャネル１２５と基板１０５との間のアーク放電を減らし、熱伝導効率を改善するため、本開示のペデスタルアセンブリ１２０の支持体１２６は、支持体１２６の直径全体にわたって平坦な基板受容面１２７を有するセラミック体を使用する。本書に記載の「平坦な」基板受容面は、面内に空洞、孔又は溝のない、完全に水平な表面として定義されうる。図示した実施形態では、基板受容面１２７の直下の支持体１２６の少なくとも一部、又は基板１０５に物理的に接触する支持体１２６の一部は、基板受容面１２７の直径にわたって一様な厚みを有する。支持体１２６をバルクセラミックから製造することによって、処理中に用いられる高バイアス電圧によって支持体１２６が容易に破壊されるのを防ぐことができる。平坦な基板受容面１２７は、裏側を冷却するためのガス導管又は溝を用いる従来のペデスタル設計に見られたペデスタルアセンブリと基板との間の空隙をなくすため、高バイアス電圧がバイアス電極１４３に供給されるときであっても、アーク放電は大幅に低減されるか、除去される。基板１０５は基板受容面１２７で、固体同士で完全に接触するため、熱伝導効率も改善される。したがって、ペデスタルアセンブリ１２０は、はるかに高いバイアス電力（すなわち、１ｋＷを超える）を扱う能力を有し、これにより、スパッタリングチャンバは、従来のＰＶＤチャンバではこれまで可能ではなかったインシトゥ（その場）イオン注入処理を行うことができる。
［００３４］ パルスコントローラ１７３は、バイアス電源１４１に接続され、パルス制御信号を印加することができる。代替的に、高い負のバイアス電圧は一定の方法で供給されうる。パルスコントローラ１７３は、バイアス電源１４１に対して所望のパルスモード及び／又はデューティサイクルを生成するようにプログラム可能である。例えば、バイアス電源１４１は、通常のパルスモード又は高周波数パルスモードで操作されうる。通常のパルスモードでは、高い負のバイアス電圧は、約１００マイクロ秒から約２００マイクロ秒までのパルス持続時間と、約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでの、例えば、約５０Ｈｚから約１００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有しうる。高い負のバイアス電圧は、１％から１０％のデューティサイクルで提供されうる。高周波数パルスモードでは、高い負のバイアス電圧は、約１００マイクロ秒から約３００マイクロ秒までのパルス持続時間と、約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでの、例えば、約３００Ｈｚから約６００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有しうる。高い負のバイアス電圧は、１％から２０％のデューティサイクルで提供されうる。パルス持続時間又は反復周波数は、指定された膜厚と成長速度を実現するように調整されうる。
［００３５］ 以下でより詳細に説明されるように、バイアス電源１４１は、堆積した膜のイオン注入のため、スパッタリング堆積の各サイクルの終わりに短時間だけオンにしてよく、これは膜応力を解放し、膜の粗度を滑らかにする。バイアス電源１４１は、スパッタリング堆積処理から残存する正のスパッタされたイオンを引きつけるため、バイアス電極１４３に高い負のバイアス電圧を供給する。特に、高い負のバイアス電圧は、支持体１２６前方のプラズマシースに電位勾配を作り出すことによって、基板１０５に向かってスパッタされたイオンの指向性を高め、そのことは、正にイオン化されたスパッタされたドーパント材料を、基板表面に向かって、また、基板表面上へと加速する力を提供する。バイアス電圧が高いため、基板に衝突するイオンの運動エネルギーは大きくなる。その結果、より大きなドーピングプロファイルが実現される。
［００３６］ 幾つかの実施形態では、注入ＤＣ電圧、ＤＣ電流（或いは、ＲＦ電力が使用されるときには、ＲＦ電圧／電流）、及び瞬間線量を、同時に又はほぼ同時に測定及び／又は監視するため、プローブ１５１は、整合ネットワーク１３７と埋め込まれたバイアス電極１４３との間のフィードポイント１５３に配置されうる。測定された電流は、線量を制御するため、又は終点を決定するために使用されうる、イオン線量率及び／又は線量プロファイルを推定するために使用される。プローブ１５１は電圧／電流プローブであってよい。代替的に、プローブ１５１は、電圧センサ及び電流センサなどの個々の機器によって置き換えられうる。
［００３７］ 正確な線量管理のためプラズマ種を監視するには、処理チャンバ１００内部で生成されたプラズマの励起種からの発光を定量的に測定するため、発光分光器（ＯＥＳ）１７０などの質量分布センサが処理チャンバ１００に提供されてもよい。図示した一実施形態では、発光分光器１７０は、チャンバ本体１０１上に形成された石英ウィンドウ１７２に隣接して配設されている。発光分光器１７０は、石英ウィンドウ１７２の隣に配設されたレンズ１７４を備えうる。分光器１７６に接続されたレンズ１７４は、石英ウィンドウ１７２を通過するプラズマ又は励起種の放射をコリメートするように構成されうる。分光光度計１７６は次に、波長に基づいて放射線をスペクトル分解し、一又は複数の空間的に分離された波長に対して検出信号を生成する。イオン化されスパッタされたドーパント材料などの励起種は、光を発することによって、励起されたエネルギーレベルから低エネルギーレベルへ減衰しうる。遷移は異なる原子エネルギーレベル間で起こるため、発せられた光の波長は励起種の特定に使用することができる。加えて、発せられた光の強度はまた、プラズマ中の異なる核種の濃度又は分布を反映しうる。したがって、発光分光器１７０を使用すれば、これらの発光の一部を検出することで、正確な線量管理のため、プラズマ種を監視することができる。コントローラ１９０中のデータ取得装置は、分離された波長、更にはプラズマ中のイオン種の特性を表すデータを、周期的なサンプリングレートで収集するために使用されうる。収集されたデータは、処理パラメータ（例えば、処理中の基板表面への衝突の程度を制御する、基板上でのバイアス電圧）を調整するため、処理チャンバ１００のバイアス電源１４１や他の制御可能な構成要素に制御信号を生成するため、処理され分析される。
集中排気アセンブリ
［００３８］ 排出領域１１１を経由して処理チャンバ１００から使用済み処理ガス、汚染物質及び副生成物を取り除く排気アセンブリ１４８によって、処理領域１１０内に真空が維持される。排気アセンブリ１４８は、処理チャンバ１００の底部に隣接して配設される真空ポンプ１４９を含む。真空ポンプ１４９は、排気導管１７１を経由して排出領域１１１と流体連通している。排気導管１７１は、処理チャンバ１００の底部を通って形成された排出口１４６につながっている。スロットルバルブ１４７は、使用していないときには真空ポンプ１４９を分離できるように、排気導管１７１内に設けられている。真空ポンプ１４９は、ターボ分子ポンプなどの任意の好適なポンプであってよい。スロットルバルブ１４７は真空ポンプ１４９と併用され、処理領域１１０から排出領域１１１へ、更に排出口１４６を経由して処理チャンバ１００の外へ排気ガスを対称に引き出すことによって、ｍＴｏｒｒレンジでの正確な圧力制御を可能にする。
［００３９］ 様々な実施形態では、排出口１４６はペデスタルアセンブリ１２０の直下に配設される。一実施形態では、排出口１４６は、処理チャンバ１００とほぼ同心になりうる。例えば、排出口１４６は、処理チャンバ１００の中心を垂直に通る中心軸１９４の周りに対称に配設されうる。中心軸１９４の周りに排出口１４６を対称に配置することによって、処理チャンバ１００内のガス流の対称性が改善され、基板の円周全体の周りの基板表面上、及び処理チャンバ１００の半径方向下向き及び外向きに、更に一様なガス流が可能になる。このように、中心に配置された排出口は一様なプラズマ形成を促進し、チャンバの排出口が非対称であったため、一様なプラズマ密度の供給が困難な従来のプラズマシステムと比較して、処理領域１１０内のプラズマ種とガス流の大きな制御を可能にする。
リッドアセンブリ
［００４０］ 上方処理アセンブリ１０８は、ＲＦ源１８１、直流（ＤＣ）源１８２、アダプタ１０２、モーター１９３、及びリッドアセンブリ１３０を備えうる。リッドアセンブリ１３０は概して、ターゲット１３２、マグネトロンシステム１８９及びリッドエンクロージャ１９１を備える。上方処理アセンブリ１０８は、図１に示したように、閉鎖位置にあるときには、側壁１０４によって支持される。セラミックターゲットアイソレータ１３６は、アイソレータリングアセンブリ１８０、ターゲット１３２とリッドアセンブリ１３０のアダプタ１０２との間に配設されて、その間の真空漏れを防止する。上述のように、アダプタ１０２は側壁１０４に連結され、上方処理アセンブリ１０８とアイソレータリングアセンブリ１８０の除去を支援するように構成されている。
［００４１］ 処理位置にあるとき、ターゲット１３２はアダプタ１０２に隣接して配設され、処理チャンバ１００の処理領域１１０に露出される。ターゲット１３２は、スパッタリング又はイオン注入処理中に、基板１０５に埋め込まれる又は堆積される材料を含む。アイソレータリングアセンブリ１８０は、ターゲット１３２をシールド１６０及びチャンバ本体１０１から電気絶縁するため、ターゲット１３２とシールド１６０とチャンバ本体１０１との間に配設される。
［００４２］ スパッタリング処理中、ターゲット１３２は、高圧力下でＲＦ源１８１及び直流（ＤＣ）源１８２に配設されたソース電力によって、処理チャンバの接地領域（例えば、チャンバ本体１０１及びアダプタ１０２）に対してバイアスされる。ＲＦ電源とＤＣ電源の組み合わせにより、ＲＦ電力のみの場合と比べて処理中に使用される全体のＲＦ電力を低く抑えることが可能で、プラズマに関連する基板の損傷を低減し、デバイスの歩留まりを高めるのに役立つ。しかも、ＤＣ電力が供給されているターゲットにＲＦ電力を供給することにより、ターゲット電圧を引き下げ、ＤＣ電力が誘導したシースを取り囲み優位に立つ対応のシースを提供する。ＲＦ−ＤＣ電力が供給されたターゲットは、ターゲットの下方に形成されるより厚いプラズマシースを有し、ターゲットとプラズマとの間に全体的により大きな電圧の低下を有するが、プラズマ中のイオン濃度が上昇するためプラズマの導電率は上がり、これによりターゲット電圧を低・中間ＲＦ電力で低下させる。したがって、アルゴンイオン（Ａｒ＋）は、より厚いシースで更に加速され、より高いスパッタリングイオンエネルギーをもたらす。より厚いプラズマシースはまた、散乱イールドを高める。ＲＦ電力の追加はまた、プラズマのイオン化を高め、これにより堆積イオンへの基板バイアスの影響を改善し、その結果、膜のステップカバレッジの改善に役立つ。
［００４３］ 一実施形態では、ＲＦ源１８１は、ＲＦ電力を効率よくターゲット１３２に供給するように構成されたＲＦ電源１８１ＡとＲＦ整合器１８１Ｂを備える。多くの実施例では、ＲＦ電源１８１Ａは、約０ｋＷから約２０ｋＷまでの間、例えば約２ｋＷから約１０ｋＷまでの電力で、約１ＭＨｚから約１２８ＭＨｚまでの間、例えば、約２ＭＨｚから約１３．５６ＭＨｚまでの周波数で、ＲＦ電流を生成することができる。一実施例では、ＲＦ電源１８１Ａは、５ｋＷの電力で、１３．５６ＭＨｚの周波数でＲＦ電流を供給するように構成されている。ＤＣ源１８２の中のＤＣ電源１８２Ａは、約０ｋＷから約１０ｋＷの間、例えば、約４ｋＷのＤＣ電力を供給することができる。処理中に通常のパルスモード又は高周波数パルスモードのどちらが適用されるかにかかわらず、ＲＦ電源１８１Ａはターゲットに約０から約３３ｋＷ／ｍ２の間のＲＦ電力密度を生成するように構成され、ＤＣ源１８２は約０から約６６ｋＷ／ｍ２の間の電力密度を生成するように構成されうる。
［００４４］ パルスコントローラ１７３は、ＲＦ電源１８１ＡとＤＣ源１８２の各々に接続されてよく、パルス制御信号を適用しうる。代替的に、ソース電力は一定の方法で供給されうる。パルスコントローラ１７３は、ＲＦ電源１８１ＡとＤＣ源１８２に対して所望のパルスモード及び／又はデューティサイクルの関係を生成するようにプログラム可能である。同様に、ＲＦ電力とＤＣ電力は、通常のパルスモード又は高周波数パルスモードで動作されうる。通常のパルスモードでは、ＲＦ電力とＤＣ電力は、約３００マイクロ秒から約８００マイクロ秒までのパルス持続時間と、約１Ｈｚから約２００Ｈｚまで、例えば、約５０Ｈｚから約１００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有しうる。ＲＦ電力とＤＣ電力は、５０％から９０％のデューティサイクルで提供されうる。高周波数パルスモードではＲＦ電力とＤＣ電力は、約１００マイクロ秒から約
３００マイクロ秒までのパルス持続時間と、約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまで、例えば、約３００Ｈｚから約６００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有しうる。ＲＦ電力とＤＣ電力は、１％から１０％のデューティサイクルで提供されうる。いずれのモードでも、ＲＦ源１８１とＤＣ源１８２は同期的に又は非同期的にパルス動作しうる。パルス持続時間又は反復周波数は、指定された膜厚と成長速度を実現するように調整されうる。高パルス高周波数電源は、ターゲットの化学結合を分解し、ターゲット材料のイオン種の大きな分画（ｆｒａｃｔｉｏｎ）でプラズマを生成するのに役立つ。
［００４５］ スパッタリング堆積処理中、アルゴンなどのガスは、チャンバ本体１０１の側壁１０４に配設されたガス導管１４４（１つのみを示した）を経由して、ガス源１４２から処理領域１１０へ供給される。ガス源１４２は、高いエネルギーで衝突することができるアルゴン、クリプトン、ヘリウム又はキセノンなどの非反応性ガスと、ターゲット１３２からのスパッタリング材料を含みうる。ガス源１４２はまた、スパッタリング材料と反応して基板上に層を形成することができる、一又は複数の酸素含有ガス又は窒素含有ガスなど、任意の所望の反応性ガスを含みうる。他のドーピング種を可能にするため、複数のガス源とガス導管が提供されうる。プラズマは、基板１０５とターゲット１３２との間でガスから形成される。プラズマ内のイオンは、ターゲット１３２に向かって加速され、材料をターゲット１３２から遊離させる。遊離したターゲット材料は次に基板上に堆積するか、ペデスタルアセンブリ１２０に高いバイアス電力を印加すると基板に注入される。
［００４６］ 使用済み処理ガスと副生成物はチャンバ１００から排出口１４６を経由して排出される。排出口は、使用済み処理ガスを受容し、使用済み処理ガスを位置調整可能なスロットルバルブ１４７を有する排気導管１７１へ向け、処理チャンバ１００内の処理領域１１０の圧力を制御する。排気導管１７１は一又は複数の真空ポンプ１４９に接続されている。一般的に、処理中のチャンバ１００内のスパッタリングガスの圧力は、真空環境などの準大気圧レベル、例えば０．６ｍＴｏｒｒから４００ｍＴｏｒｒの圧力に設定される。一実施形態では、処理圧力は約５ｍＴｏｒｒから約１００ｍＴｏｒｒの間に設定される。１つのガス導管１４４のみが示されているが、処理チャンバの側面を介して他のドーピング種を流し、チャンバ動作圧力でドーピング種を拡散することができるように、側壁１０４に複数のガス導管を配設しうることが想定されている。
［００４７］ リッドエンクロージャ１９１は概して、導電性壁１８５、中心フィード１８４及びシールディング１８６を備える。図示した一構成では、導電性壁１８５、中心フィード１８４、ターゲット１３２及びモーター１９３の一部は後方領域１３４を取り囲み、形成する。後方領域１３４はターゲット１３２の背面上に配設された密閉領域で、処理中にターゲット１３２で生成された熱を除去するため、一般的に処理中には流れる流体で満たされている。シールディング１８６は、取り囲むように配置される一又は複数の誘電体材料を備え、ターゲット１３２に供給されるＲＦエネルギーが、クラスタツール１０３（図２）内に配設された他の処理チャンバと干渉し、影響を及ぼすのを防止しうる。一実施形態では、導電性壁１８５と中心フィード１８４は、モーター１９３とマグネトロンシステム１８９を支持するように構成されており、その結果、モーター１９３は処理中にマグネトロンシステム１８９を回転することができる。モーター１９３は、誘電体層１９３Ｂを使用することによって、電源から供給されるＲＦ又はＤＣ電力から電気絶縁されうる。
マグネトロンアセンブリ
［００４８］ 効率的なスパッタリングを提供するため、マグネトロンシステム１８９は、ターゲット１３２のスパッタリング面１３３に隣接する処理領域１１０に磁場を生成するため、上方処理アセンブリ１０８のターゲット１３２の後方に配置される。磁場は電子とイオンをトラップするために生成され、これによってプラズマ密度を高め、また、これによってスパッタリング速度を高める。本開示の一実施形態によれば、マグネトロンシステム１８９は、回転プレート３１３、外側の極３２１及び内側の極３２２を備えるソースマグネトロンアセンブリ３２０を含む。回転プレート３１３により、ソースマグネトロンアセンブリ３２０内の磁場生成構成要素は、処理チャンバ１００の中心軸１９４に対して動くように配置することができる。
［００４９］ 図３Ａ、３Ｂ及び図３Ｄは、ターゲット１３２のスパッタリング面１３３側から見たとき、中心軸１９４に対して第１の半径方向の位置に配置されるソースマグネトロンアセンブリ３２０を示している。図３Ｃは、第１の半径方向の位置とは異なる中心軸１９４に対する第２の半径方向位置に配置されているソースマグネトロンアセンブリ３２０を示しており、これは以下で説明されるように、回転方向と速度を調整することによって生成される。回転プレート３１３は一般的に、垂直方向において第１の磁気極性の外側の極３２１と、第１の磁気極性とは反対の第２の磁気極性を有する内側の極３２２とを支持し、磁気的に結合するように適合されている。内側の極３２２は間隙３２６によって外側の極３２１から分離され、それぞれの極は一般的に一又は複数の磁石及び磁極片３２９を備える。２つの極３２１、３２２の間に延在する磁場は、ターゲット１３２のスパッタリング面の第１の部分に隣接するプラズマ領域“Ｐ”（図３Ｄ）を生成する。プラズマ領域“Ｐ”は、一般的に間隙３２６の形状に従う高密度のプラズマ領域を形成する。
［００５０］ 一実施形態では、図３Ａ〜図３Ｄに示したように、マグネトロンシステム１８９は、プラズマ領域“Ｐ”に形成されたプラズマの強度を低減する非閉鎖ループ設計（例えば、開ループ設計）で、ＲＦ源１８１から、ターゲット１３２まで、ＲＦ電力を供給することによって生成される、改善されたイオン化電位の使用を補償する。ＲＦ電力が供給されたプラズマは、プラズマ内の電子への印加されたエネルギーのより効率的な結合、並びに、電子のエネルギーを増やし、プラズマ内のイオン化レベルを高める他の電子−プラズマ相互作用現象により、ＤＣ電力が供給されたプラズマよりも、プラズマ内の原子（例えば、ガス原子及び散乱された原子）のイオン化を高めるのにより有効であることが、留意されるであろう。
［００５１］ 一般的に、「閉ループ」マグネトロン構成は、マグネトロンの外側の極が、マグネトロンの内側の極を取り囲んで、極同士の間に連続ループである間隙を形成するように、構成される。閉ループ構成では、「閉ループ」パターンを形成するターゲットの表面から現れて再入する磁場は、閉パターンでターゲットの表面付近に電子を閉じ込めるために使用することができるが、これはしばしば、「レーストラック」タイプパターンと称される。開ループとは反対に、閉ループのマグネトロン構成は、ターゲット１３２のスパッタリング面１３３の近傍に電子を閉じ込め、高密度のプラズマを生成して、スパッタリング収率を高めることができる。
［００５２］ 開ループマグネトロン構成では、内側の極と外側の極との間に捕捉された電子は、移動し、マグネトロンの開放端に生成されたＢ場（Ｂ−ｆｉｅｌｄｓ）から漏れて抜け出し、その結果、電子の閉じ込めが低下するため、電子はスパッタリング処理中の短い時間だけ保持される。しかしながら、驚いたことに、本書に記載のような開ループマグネトロン構成の利用は、本書に記載のターゲットのＲＦ及びＤＣスパッタリングと併用した場合には、基板表面全体にわたる材料組成の均一性の改善をもたらすことが明らかになった。
［００５３］ マグネトロンシステム１８９の一実施形態では、モーター１９３によって動力が供給されるロータリシャフト１９３Ａは中心軸１９４に沿って延在し、半径方向のシフト機構３１０を支持し、シフト機構３１０は回転プレート３１３、釣り合いおもり３１５及びソースマグネトロンアセンブリ３２０を備える。これにより、半径方向のシフト機構３１０は、ソースマグネトロンアセンブリ３２０を補完的な半径方向に、例えば、モーター１９３が時計廻り方向Ｒ１及び反時計廻り方向Ｒ２（図３Ｂ、図３Ｃ）に回転されるにつれて、中心軸１９４（すなわち、図３Ａの参照符号“Ｓ”）に向かう、或いは中心軸１９４から離れる半径方向に移動する。
［００５４］ マグネトロンシステム１８９の一実施形態の等角図である図３Ａは一般的に、クランプ３１４Ａによって、その中心でロータリシャフト１９３Ａに固定されたクロスアーム３１４を含む。クロスアーム３１４の一端は釣り合いおもり３１５を支持する。釣り合いおもり３１５から回転軸１９４を横切るクロスアーム３１４の他端は、オフセット垂直ピボット軸３１９の周りの回転のために、ソースマグネトロンアセンブリ３２０を回転可能に支持するために使用される、ピボット３１２又は回転軸受を支持する。一構成では、ピボット軸３１９は回転軸１９４にほぼ平行である。この構成では、クロスアーム３１４上のマグネトロン３２０により、回転中心１９４に関して、異なる補完的な半径方向に振れることができる。ソースマグネトロンアセンブリ３２０の質量中心がピボット軸３１９から離れているため、補完的な動きが起こる。したがって、クロスアーム３１４とソースマグネトロンアセンブリ３２０がモーター１９３によって回転されるにつれ、ソースマグネトロンアセンブリ３２０に作用する求心加速度により、モーター１９３の回転する方向に応じて、ソースマグネトロンアセンブリ３２０はピボット軸３１９の周りで一方向に、或いはもう一方の方向に旋回する。ソースマグネトロンアセンブリ３２０の質量中心は、図３Ａ〜図３Ｄに示した構成に関して、内側の極３２２の内部、又は回転軸１９４の近傍に位置しうるソースマグネトロンアセンブリ３２０の重心として定義されうる。
［００５５］ ２つの位置の間の切替は、回転軸１９４の周りのロータリシャフト１９３Ａの回転方向の反転、及びその結果として、回転軸１９４の周りのマグネトロンシステム１８９全体の回転方向の反転によって、有効とされる。図３Ｄの上面図に図示されているように、ロータリシャフト１９３Ａがクロスアーム３１４を回転軸１９４の周りの反時計廻り方向Ｒ１に回転するとき、慣性力及び抵抗力（ｉｍｐｅｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）により、ソースマグネトロンアセンブリ３２０に固定されたバンパ３１６がクロスアーム３１４の側面に係合するまで、ソースマグネトロンアセンブリ３２０はピボット軸３１９の周りを反時計廻り方向に回転する。この処理構成、又はマグネトロン処理位置では、ソースマグネトロンアセンブリ３２０はターゲット１３２のエッジに近接した半径方向外向きの位置に配設され、その結果、ソースマグネトロンアセンブリ３２０は、基板１０５のスパッタ堆積又はスパッタ注入のため、プラズマをサポートすることができる。この位置はマグネトロン「外」位置、又は第１の処理位置と称されうる。
［００５６］ あるいは、図３Ｃの上面図に示したように、ロータリシャフト１９３Ａが回転軸１９４の周りで反時計廻り方向Ｒ２に回転するとき、慣性力及び抵抗力により、ソースマグネトロンアセンブリ３２０に固定されたバンパ３１７（図３Ａ）がクロスアーム３１４の他方の側面に係合するまで、ソースマグネトロンアセンブリ３２０はピボット軸３１９の周りを時計廻り方向に回転する。この構成では、ソースマグネトロンアセンブリ３２０は、ターゲット１３２のエッジから離れた内側の位置に配設され、回転軸１９４に接近しており、その結果、ソースマグネトロンアセンブリ３２０は、ターゲットの中心付近においてプラズマをサポートし、この領域をクリーンな状態にすることができる。この位置はマグネトロン「内」位置、又は第２の処理位置と称されうる。
［００５７］ 一実施形態では、前述し、図３Ａ及び図３Ｄに示したように、ソースマグネトロンアセンブリ３２０は、プラズマ領域“Ｐ”に形成されたプラズマの強度を低減するため、非閉鎖ループ設定で形成される。この構成では、非閉鎖ループ設計は、半径Ｄ（図３Ｂ及び図３Ｄ）を有する円弧形状で形成され、円弧の中心から間隙３２６の中心まで延在する。円弧は、第１の処理位置でマグネトロン内に配設されるとき、円弧の半径Ｄの中心が回転軸１９４の中心と同一の広がりを持つように、サイズ決定され配置される。一実施形態では、形成された円弧は、約７．３インチ（１８５ｍｍ）から８．３インチ（２１０ｍｍ）の間の半径Ｄを有し、ターゲット１３２は約１７．８インチ（４５４ｍｍ）の直径を有する。一実施形態では、円弧は円形状で、約７０度から約１８０度の間、例えば約１３０度の角度３４１（図３Ｄ）に対応する。一実施形態では、回転軸１９４から旋回軸３１９までの距離は円弧の半径Ｄにほぼ等しい。
［００５８］ 様々な実施形態では、外側の極３２１と内側の極３２２はそれぞれ、間隙３２６のそれぞれの側にアレイパターンで配置され、磁極片３２９（図３Ａ）によってキャップされる複数の磁石３２３を備える。一構成では、外側の極３２１の磁石３２３の北（Ｎ）極は、回転プレート３１３から離れて配置され、内側の極３２２の磁石３２３の南（Ｓ）極は回転プレート３１３から離れて配置される。幾つかの構成では、磁気ヨーク（図示せず）は、内側及び外側の極の磁石と回転プレート３１３との間に配設される。一実施例では、ソースマグネトロンアセンブリ３２０は、内部に１８個の磁石を有する外側の極３２１と、内部に１７個の磁石を有する内側の極３２２とを備える。一実施形態では、磁石３２３はそれぞれ、先端付近で約１．１ｋガウスから約２．３ｋガウスの間の強度を有する磁場を生成するように構成されている。
例示的な処理
［００５９］ 上記で概説したスパッタリングチャンバは、ＣＶＤシステム及びＡＬＤシステムと比較して、高い膜品質で様々な金属及び誘電体の低温堆積を可能にすることが証明されている。スパッタリングチャンバの改良で恩恵を受けうる１つの例示的な処理は、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリ応用で使用されるカーボンベースのハードマスク膜である。アモルファス水素化炭素膜（ａ−Ｃ：Ｈ）などのカーボンベースの材料は、その化学的な不活性、光透過性、及び良好な機械特性により、金属、誘電体材料、又はポリシリコン用のエッチングハードマスクとして使用されてきた。しかしながら、高い水素濃度を有するカーボン膜は、膜構造及び内在的な膜応力の弱さを示すことが多く、その結果、その後のエッチング処理中に、パターン形成された直線的な折れ曲がり又は直線的な破損が起こりうる。実質的にカーボンのみからなるアモルファスカーボン膜は、膜が大きな割合のダイヤモンド結合（ｓｐ３結合）を含むため、高い膜硬度と優れたエッチング選択性を示した。水素フリーアモルファスカーボン膜は、ＰＶＤ法を用いて形成されうる。しかしながら、ＰＶＤ堆積されたアモルファスカーボン膜はまた、大きな表面粗度及び高い圧縮応力に悩まされている。上記で提案した改良済みのスパッタリングチャンバを用いた、水素フリー膜へのカーボンイオンの注入は、膜応力を大幅に開放し、表面粗度を摩滅することができる。最終の膜ポスト注入は、現行技術水準のカーボンベースハードマスクよりも３倍高い応力の緩和、滑らかな表面、及びエッチング選択性を示す。図１Ａ、図１Ｂから図３Ａ〜図３Ｄに関して、上述の処理チャンバを用いて例示的な処理が以下で説明される。
［００６０］ 図４は、本開示の実施形態によるカーボンベース膜を形成するための例示的な処理のフロー図である。図５Ａ〜図５Ｃは、図４の処理フロー図を用いて形成されたカーボンベース膜の概略断面図を示す。処理は、ボックス４０２で、図１に示した処理チャンバ１００内に配設されたペデスタルアセンブリ１２０の上に基板を配置することによって始まる。基板５０２は、図５Ａに示したように、ほぼ平坦な面を有する。代替的に、基板５０２は、パターン形成された構造、内部に形成されたトレンチ、孔、又はビアを有しうる。基板５０２は単一の本体として描かれているが、応用に応じて、基板５０２は、一又は複数の金属層、一又は複数の誘電体材料、半導体材料、及びこれらの組み合わせを含みうる。
［００６１］ ボックス４０４では、処理チャンバ１００の圧力は、図１に示した真空ポンプ１４９を用いて、約０．６ｍＴｏｒｒから約４００ｍＴｏｒｒまでの間、例えば、約５ｍＴｏｒｒから約３０ｍＴｏｒｒまでの間に設定される。アルゴンなどの不活性ガスは、処理チャンバのガス導管１４４を経由して処理領域１１０に導入される。不活性ガスの流量はチャンバサイズに応じて変動し、直径２００ｍｍの処理領域１１０を有する処理チャンバでの約３０〜３００ｓｃｃｍから、面積が１３００ｍｍ×１５００ｍｍの処理領域１１０を有する処理チャンバでの８００〜２０００ｓｃｃｍまで変化する。当業者であれば、処理チャンバのサイズに応じて、本書に記載の適切な流量及び関連する処理パラメータを容易に決定することができる。
［００６２］ ボックス４０６では、プラズマは、（ＲＦ源１８１からの）ＲＦ電力を処理チャンバ１００に配設されたターゲット１３２に連結することによって、処理チャンバ１００の処理領域１１０に形成される。カーボン膜が望ましい場合には、カーボンターゲット又はカーボン含有ターゲットが使用される。ＲＦ電力は、約０ｋＷから約１０ｋＷまで、例えば約１ｋＷから約５ｋＷまでの範囲で、約２ＭＨｚから約１３．５６ＭＨｚまでの周波数でターゲット１３２に供給されうる。
［００６３］ ボックス４０８では、ターゲット１３２はＲＦ電力によって電気的にバイアスされ、ＤＣ源１８２は、ＤＣ電力をターゲット１３２に供給するため、オンにされる。ターゲットに連結されたＤＣ電力は、処理領域１１０内のアルゴンイオンに高いスパッタリングイオンエネルギーを供給し、カーボンターゲット表面に強い衝撃を与えて、ターゲット１３２から炭素原子を叩き出す。スパッタされた炭素原子は、基板５０２の表面に向かって移動して、基板５０２の表面に到達し、図５Ａに示したように、基板の上にカーボン膜５０４の第１の層を形成する。スパッタリング処理中、ターゲット１３２には、１３．５６ＭＨｚの周波数で約０ｋＷから２０ｋＷまでの範囲の、例えば、約１ｋＷから約１０ｋＷまでの範囲のＲＦ電力と、約０ｋＷから約１０ｋＷまでの、例えば、約１ｋＷから約５ｋＷまでの範囲のＤＣ電力とが供給されうる。一実施形態では、約１ｋＷ／ｍ２のＲＦ電力密度と約５ｋＷ／ｍ２のＤＣ電力密度がターゲットに連結される。スパッタリング処理はある期間、例えば、約０．１秒から約１２０秒間だけ実行されうるが、この期間はカーボン膜の所望の厚さに応じて変化しうる。
［００６４］ ソース電力、すなわち、ＲＦ電力とＤＣ電力は、定常的に又はパルス状に供給されうる。幾つかの実施形態では、ＲＦ電力は定常的に供給されてよく、一方、ＤＣ電力はパルス状に供給されてよい、或いはその逆も可能である。幾つかの実施形態では、ＲＦ電力とＤＣ電力はパルス状に操作される（パルスＲＦ−ＤＣ操作）。既に説明したように、パルスＲＦ−ＤＣ操作は、通常のパルスモードと、図１に示したパルスコントローラ１７３によって制御された高周波数パルスモードを含みうる。通常のパルスモードが望ましい場合、ターゲット１３２に供給される各ＲＦ／ＤＣパルスは、約３００マイクロ秒から約８００マイクロ秒の、例えば、約３５０マイクロ秒から約６５０マイクロ秒のパルス持続時間を有しうる。ターゲット１３２に供給される各ＲＦ／ＤＣパルスは、約１Ｈｚから約２００Ｈｚまで、約５Ｈｚから約１００Ｈｚまで変化するパルス反復周波数を有しる。ＲＦ電力とＤＣ電力は、５０％から９０％のデューティサイクルで提供されうる。高周波数パルスモードが望ましい場合、ターゲット１３２に供給される各ＲＦ／ＤＣパルスは、約１００マイクロ秒から約３００マイクロ秒の、例えば、約１５０マイクロ秒から約２５０マイクロ秒のパルス持続時間を有しうる。ターゲット１３２に供給される各ＲＦ／ＤＣパルスは、約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまで、例えば、約３００Ｈｚから約６００Ｈｚまで変化するパルス反復周波数を有しる。ＲＦ電力とＤＣ電力は、１％から１０％のデューティサイクルで提供されうる。パルス持続時間又は反復周波数は、指定された膜厚と成長速度を実現するように調整されうる。いずれのモードでも、ＲＦ源１８１とＤＣ源１８２は同期的に又は非同期的にパルス動作しうる。高周波数パルスモードは、ターゲットの化学結合を分解し、ターゲット材料イオン種の大きな分画を有するプラズマの生成に役立つと考えられている。
［００６５］ スパッタリング処理中、図１に示したマグネトロンシステム１８９が図３Ｄに示したように第１の処理位置に配置されるように、マグネトロンシステム１８９はターゲット１３２に対して平行移動されてよい。代替的に、マグネトロンシステム１８９は、ターゲットの中心点の周りでマグネトロンシステム１８９を回転することによって、図３Ｂ〜図３Ｃに示した任意の所望の処理位置まで移動されてもよい。マグネトロンシステムは、複数の磁石３２３を備える外側の極３２１と、複数の磁石３２３を備える内側の極３２２を含み、内側の極と外側の極は開ループマグネトロンアセンブリを形成する。既に説明したように、開ループマグネトロン構成の利用は、高圧力下でのターゲットのＲＦ及びＤＣスパッタリングと併用すると、基板表面全体にわたる基板組成の均一性の改善をもたらす。代替的に、幾つかの実施形態では、外側の極と内側の極は閉ループマグネトロン構成を形成しうる。
［００６６］ ボックス４１０では、カーボン膜の第１の層が基板５０２の表面に堆積すると、ＲＦ源１８１とＤＣ源１８２は共にオフにされる。図５Ｂに示したように、高い負のバイアス電圧は次に（バイアス電源１４１によって）、処理領域１１０内にまだ残っているカーボンイオン５０６を堆積されたカーボン膜に注入するため、短時間だけ図１のペデスタルアセンブリ１２０に提供される。負のバイアス電圧は、約１ｋＷから約３０ｋＷまでの間、例えば約５ｋＷから約１０ｋＷまでの間になりうる。基板に衝突したカーボンイオンの運動エネルギーは、このような負のバイアス電圧と共に大きくなり、処理されたカーボン膜は、アモルファスと粗い組織により低密度を有する。加えて、高いバイアス電圧が使用されると、高エネルギーカーボンイオン照射により、基板温度は上昇する。その結果、堆積したカーボン膜内の残留応力は緩和される。図５Ｃは、膜応力が緩和され、滑らかな表面粗度を有する、処理されたカーボン膜を示している。
［００６７］ 高い負バイアス電圧は、定常的にペデスタルアセンブリ１２０に印加されうる。幾つかの実施形態では、高い負のバイアス電圧は、既に述べたように、通常のパルスモード又は高周波数パルスモードでペデスタルアセンブリ１２０に印加される。通常のパルスモードが望ましい場合には、高い負のバイアス電圧は、約１００マイクロ秒から約２００マイクロ秒までのパルス持続時間と、約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでの、例えば、約５０Ｈｚから約１００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有しうる。高い負のバイアス電圧は、１％から１０％のデューティサイクルで提供されうる。高周波数パルスモードが望ましい場合には、高い負のバイアス電圧は、約１００マイクロ秒から約３００マイクロ秒までのパルス持続時間と、約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでの、例えば、約３００Ｈｚから約６００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有しうる。高い負のバイアス電圧は、１％から２０％のデューティサイクルで提供されうる。パルス持続時間又は反復周波数は、指定された膜厚と成長速度を実現するように調整されうる。一実施形態では、高周波数パルスモードが適用される場合、バイアス電圧とソース電力は、高周波数パルス源によって励起された高密度のターゲットイオン種が基板表面に堆積及び注入されるように、同期される。その結果、高い堆積速度が実現される。
［００６８］ 図６Ａ及び図６Ｂは、図１の処理チャンバを用いた、バイアス電圧と注入特性との関係を示している。具体的には、図６Ａは、本開示の実施形態により、ＤＣ電圧と線量をバイアス電力の関数として示している。図６Ｂは、本開示の実施形態により、スパッタ速度のグラフをバイアス電力の関数として示している。図に示すように、注入線量及びスパッタリング速度は共に、バイアス電力が高くなると増加する。これは、高い負のバイアス電力は、ドーピングレベルに加えて、基板表面に当たるイオンのエネルギーに影響を及ぼすからである。図６Ｃは、本開示の実施形態による、イオン種の注入プロファイルのシミュレーションデータのグラフを示している。特に、図６Ｃは、シミュレーション及び二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によるターゲット膜中のドープされたアルゴン及び微量のカーボンイオンの特徴を示している。これらすべての情報により、当業者は、ＤＣバイアス電圧モニタリングに基づいて、指定された注入エネルギーを調整又は制御することができ、堆積ー注入サイクルを実行するため、本開示で説明したように、バイアス、ソース電力、圧力及びパルス持続時間を制御することによって、総線量を制御し、計算し、スパッタ速度を調整することができる。
［００６９］ 図７Ａ及び図７Ｂは、本開示の様々な実施形態に適用されうる通常のパルスモード及び高周波数パルスモードのそれぞれに対するデューティサイクル及びパルス変動の概略図である。図７Ａでわかるように、ソース電力（すなわち、ＲＦ電力とＤＣ電力）のパルス及びバイアス電圧は循環的な堆積及び処理工程に対して制御され、バイアス電圧は、ソース電力がオフサイクル“Ｔ（ｏｆｆ）”の間にオン“Ｔ（ｏｎ）”にされ、注入イオンのソースプラズマの残留ラジカルを使用する。図７Ｂは、堆積速度を高めるため、バイアス電圧とソース電力が同期されていることを示している。
［００７０］ ボックス４１２では、堆積したカーボン膜がカーボンイオンで処理されると、基板５０２は次の成長サイクルのため冷却される。
［００７１］ ボックス４１４では、カーボン膜が所望の厚さに達するまで、ボックス４０６〜４１２で記述された処理が反復される。図５Ｄ〜図５Ｉは、カーボン膜の第２の層５１０及びカーボン膜の第３の層５１２がカーボン膜の第１の層５０４の上に順次形成され、カーボンイオンで処理される、別の２つの成長サイクルを概略的に示している。カーボン膜の３つの層が図解されているが、本開示の実施形態は、特定の数の層に限定されない。
［００７２］ 上の記述は主にカーボン膜形成の工程を説明しているが、この概念は本書に記載の開示の範囲を限定することを意図していない。本開示の実施形態は、金属を堆積する能力を提供するもので、その金属には、限定するものではないが、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｈ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、及びハフニウム（Ｈｆ）が含まれうる。アルミニウム、銅、ニッケル、プラチナ、銀、クロム、金、モリブデン、シリコン、ルテニウム、タンタル、窒化タンタル、炭化タンタル、窒化チタン、タングステン、窒化タングステン、アルミナ、酸化ランタン、ニッケルプラチナ合金、及びチタン、並びにこれらの組み合わせなどの他の金属もまた、本開示の恩恵を受けうる。
［００７３］ 要約すると、本開示の実施形態は、高バイアス電圧（例えば、１ｋＷ以上）をペデスタルアセンブリに連結することによって、スパッタリングチャンバがインシトゥ（その場）イオン注入機能を提供することを可能にする。ペデスタルアセンブリは平坦な基板受容面を有し、高電力で容易にアーク放電を引き起こしうる基板受容面に形成されたガス導管又は溝を有さないバルクセラミックによって製造される。スパッタリングチャンバは、基板の損傷に関連付けられるプラズマを最小限としながら、ターゲットに強力な衝撃を与えるためターゲットに連結されるＲＦ−ＤＣ電源を利用する。ターゲットにＲＦ電力を加えることはまた、堆積するイオンへの基板バイアスの影響の改善に役立つプラズマのイオン化を高める。発光分光器は、正確な線量制御のため、注入バイアス電圧及び線量を同時に又はほぼ同時に測定及び／又は制御するため、ペデスタルアセンブリに取り付けられたプローブを用いて操作するため、スパッタリングチャンバ内部に配設される。スパッタリングチャンバはまた、スパッタリングチャンバに同心に配設された排出口を有する、側面ガス注入及び排気アセンブリを提供する。排出口の対称な配置は、基板表面上でより一様なガス流を可能にし、一様なプラズマ形成を促進するため、スパッタリングチャンバ内に改善された対称なガス流をもたらす。これらの独自のチャンバ設計は組み合わせることにより、従来のＰＶＤ、ＣＶＤ又はＡＬＤシステムと比較して、高い膜品質で、金属から誘電体まで複数の材料で、低温堆積を可能にする。
［００７４］ 上記の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱しなければ、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は以下の特許請求の範囲によって決まる。

Claims (15)

  1. 基板処理のための処理チャンバであって、
    前記処理チャンバの処理領域に配設された第１の面、並びに前記第１の面と反対側の第２の面を有するターゲットと、
    前記ターゲットに連結されたＲＦ電源と、
    前記ターゲットに連結されたＤＣ電源と、
    基板支持体であって、該基板支持体の直径全体にわたる平坦な基板受容面を有する支持体本体を備える基板支持体と
    前記基板支持体に連結されたバイアス電源と、
    前記バイアス電源に連結されたパルスコントローラであって、約１００マイクロ秒から約２００マイクロ秒までのパルス持続時間と約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有する通常のパルスモードで、或いは、約１００マイクロ秒から約３００マイクロ秒までのパルス持続時間と約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでのパルス反復周波数を有する高周波数パルスモードで、バイアス電力が供給されるように、前記バイアス電源にパルス制御信号を印加するように構成されたパルスコントローラと、
    前記処理チャンバの底部を通って形成された同心の排出口を有する排気アセンブリと
    を備える、処理チャンバ。
  2. 前記ターゲットの前記第２の面に隣接して配設された回転可能なマグネトロンを更に備える、請求項１に記載の処理チャンバ。
  3. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、約３００マイクロ秒から約８００マイクロ秒までのパルス持続時間と約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでのパルス反復周波数で動作するように構成されている、請求項１に記載の処理チャンバ。
  4. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、５０％から９０％のデューティサイクルで動作するように構成されている、請求項３に記載の処理チャンバ。
  5. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、約１００マイクロ秒から約３００マイクロ秒までのパルス持続時間と約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでのパルス反復周波数で動作するように構成されている、請求項１に記載の処理チャンバ。
  6. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、１％から１０％のデューティサイクルで動作するように構成されている、請求項５に記載の処理チャンバ。
  7. 前記バイアス電源は、約１ｋＷから約２５ｋＷまでの負のバイアス電圧を供給するように構成されている、請求項１に記載の処理チャンバ。
  8. 前記バイアス電源は、１％から１０％のデューティサイクルで稼働する通常のパルスモードで動作するように構成されている、請求項７に記載の処理チャンバ。
  9. 前記バイアス電力は、１％から２０％のデューティサイクルで稼働する高周波数パルスモードで動作するように構成されている、請求項７に記載の処理チャンバ。
  10. プラズマ処理チャンバであって、
    スパッタリングターゲットと、
    前記スパッタリングターゲットの表面に隣接して配設された回転マグネトロンと、
    前記スパッタリングターゲットに連結されたＲＦ電源と、
    前記スパッタリングターゲットに連結されたＤＣ電源と、
    基板受容面を備え、前記処理チャンバの側壁からカンチレバーによって装着されている支持体本体であって、前記基板受容面の少なくとも直下の部分は前記基板受容面の直径全体にわたって一様な厚みを有する支持体本体と、
    前記支持体本体に連結されたバイアス電源と、
    前記バイアス電源に連結されたパルスコントローラであって、約１００マイクロ秒から約２００マイクロ秒までのパルス持続時間と約１Ｈｚから約２００Ｈｚまでのパルス反復周波数を有する通常のパルスモードで、或いは、約１００マイクロ秒から約３００マイクロ秒までのパルス持続時間と約２００Ｈｚから約２０ＫＨｚまでのパルス反復周波数を有する高周波数パルスモードで、バイアス電力が供給されるように、前記バイアス電源にパルス制御信号を印加するパルスコントローラと、
    前記処理チャンバの前記側壁を通って配設されたガス導管と、
    前記処理チャンバの前記側壁に連結されたシールドであって、処理領域の一部を少なくとも部分的に包囲するように下向きに延在するシールドと、
    前記処理チャンバの底部を通って形成された排出口を有する排気アセンブリであって、前記排出口が前記処理チャンバの中心を通る中心軸の周りに対称に配設される排気アセンブリと、
    を備える、プラズマ処理チャンバ。
  11. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、前記バイアス電源と同期して動作するように構成されている、請求項１０に記載のプラズマ処理チャンバ。
  12. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、前記バイアス電源とは非同期的に動作するように構成されている、請求項１０に記載のプラズマ処理チャンバ。
  13. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、５０％から９０％のデューティサイクルで動作するように構成されている、請求項１０に記載の処理チャンバ。
  14. 前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源は、１％から１０％のデューティサイクルで動作するように構成され、前記バイアス電源は、約１ｋＷから約２５ｋＷまでの負のバイアス電圧を供給するように構成されている、請求項１０に記載の処理チャンバ。
  15. 基板処理の方法であって、
    処理チャンバの処理領域に配設された基板支持体の上に基板を提供することであって、前記処理チャンバは前記処理チャンバ内に配設されたターゲットに連結されたＲＦ電源とＤＣ電源を有する、基板を提供することと、
    前記処理領域をｍＴｏｒｒレンジまで排気することと、
    前記処理領域にプラズマを形成するため、前記ターゲットにＲＦ電力を供給することと、
    前記基板の表面に膜層を形成するため、前記ターゲットにＤＣ電力を供給することと、
    所定の厚さの前記膜層が形成された後、前記ＲＦ電源と前記ＤＣ電源をオフにして、前記処理領域に残っているイオンを前記基板の前記表面に注入する短い時間だけ、約１ｋＷから約３０ｋＷまでのバイアス電力を、前記基板支持体に供給することと、
    を含む、基板処理の方法。
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