JPH0841636A - 反応性スパッタ方法および装置 - Google Patents

反応性スパッタ方法および装置

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JPH0841636A
JPH0841636A JP7150301A JP15030195A JPH0841636A JP H0841636 A JPH0841636 A JP H0841636A JP 7150301 A JP7150301 A JP 7150301A JP 15030195 A JP15030195 A JP 15030195A JP H0841636 A JPH0841636 A JP H0841636A
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plasma
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Jeff C Sellers
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ENI Inc
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II N I A DEIBIJIYON OF ASTEC AMERICA Inc
ENI Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 反応性スパッタ法におけるアーク発生を防止
する。 【構成】 直流スパッタ時にターゲットに正電圧のパル
スを印加して逆バイアスを生成させる。それによりター
ゲット上の絶縁堆積層を同じ逆バイアスレベルに帯電さ
せ、その結果、負のスパッタ電圧をターゲットに印加し
たときに、絶縁堆積層が優先的にスパッタされて除去さ
れる。この逆バイアスパルスは低い動作周期すなわちパ
ルス幅１〜３マイクロ秒、パルスレート約４０〜１００
ｋＨｚで印加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜の堆積方法に関
し、特に、ターゲット材料の原子を導電性ターゲットか
ら解放し、反応性ガスと反応させて形成した皮膜を基材
上に堆積させる反応性スパッタ法に関する。これは、例
えば電気部品の表面に誘電絶縁層を形成したり、機械部
品の表面に耐摩耗層を形成したりするのに用いられる。
【０００２】更に詳しくは、本発明は、導電性ターゲッ
トに付着した誘電皮膜材料を除去することによって、ア
ーク発生の主原因を回避する直流スパッタ方法に関す
る。スパッタ法は真空堆積法の一種であり、スパッタ用
ターゲットをイオン（典型的にはイオン化した貴ガス）
で叩き、運動量移動によりターゲット材料の原子を機械
的に解放する。このターゲット材料が近くの基材を被覆
する。
【０００３】
【従来の技術】反応性スパッタ法においては、反応性ガ
スを堆積チャンバに導入し、解放されたターゲット材料
をこの反応性ガスと反応させて皮膜材料を形成する。例
えば、ターゲット材料としてアルミニウムを用い、反応
性ガスとして酸素を導入して、酸化アルミニウムの皮膜
を生成することができる。反応性ガスとして、アセチレ
ン等の炭素質ガスを用いてＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物皮膜
を生成したり、アンモニアを導入してＴｉＮ等の窒化物
皮膜を生成したりすることができる。いずれの場合に
も、導電性ターゲットの原子と反応性ガスとがチャンバ
内のプラズマ中で反応して、皮膜として機能する化合物
を生成する。一つの典型例としては、アルミニウムのタ
ーゲットから解放されたアルミニウム原子が、アルゴン
と酸素のプラズマ内に進入して、酸化アルミニウムの堆
積層を生成する。
【０００４】直流スパッタはランダムなプロセスであ
り、絶縁皮膜材料はその場にある表面の全てに堆積す
る。すなわち、絶縁材料は対象としている品物だけでな
く、チャンバ内にあるターゲットを含めた全ての表面を
被覆する。そのため、反応性スパッタで酸化アルミニウ
ムの堆積を行う際には、Ａｌ2 Ｏ3 の分子がアルミニウ
ムのターゲットの表面にも堆積する。このようにしてタ
ーゲット表面に絶縁物が堆積すると、スパッタ速度が低
下したり、アークが発生し易くなる等の重大な問題の原
因になる。
【０００５】従来の直流スパッタでも、大気中のガス、
水滴、混入物質等の汚染源によってターゲットの汚染が
発生することがある。これら汚染源はいずれもアーク発
生の原因となり、その存在によってターゲット上の有効
スパッタ面積が減少するため堆積速度も低下する。この
ような問題があるので、ターゲット表面のクリーニング
を頻繁に行うことが必要になる。
【０００６】このような問題があるということは知られ
てはいたが、その原因については十分に把握されていな
かった。反応性スパッタにおいてアーク発生を制御する
等の対策がとられたが、これまでに十分満足な効果は得
られていない。標準的な対策の一つとして、アークの発
生を検知し、電流の流れを遮断する方法がある。これに
よりアークは制御できるが、ターゲットが絶縁皮膜で被
覆されることは何ら解消されない。
【０００７】初期に試行錯誤的に行われた一つのアーク
対策は、直流電源とスパッタを行うプラズマ発生装置と
の間の電流を周期的に遮断するものであった。このよう
に直流電源を切ると初期のアーク発生を解消する作用が
ある。すなわち一定動作周期の単一極性パルス電源がタ
ーゲットに供給される。その利点は、ターゲット上の誘
電堆積層の一部だけで電荷の蓄積が起きるので、アーク
が発生し難くなり、堆積層のスパッタを少量にすること
もできる。しかしこの方法は、ターゲット上への絶縁物
の堆積速度を減少はするが、堆積を逆転はしない。
【０００８】もう一つの従来法は、低エネルギー小パッ
ケージアーク抑制回路と呼ばれる。この方法において
は、電子スイッチが２ＫＨｚ程度のサイクルで作動して
ターゲットへの電流を切断する。これによりターゲット
上の電圧がプラス数ボルトまで実質的に逆転し、プラズ
マの電子の一部を絶縁堆積層の上面へ引きつける。それ
によって堆積層上面のアニオンが中和され、層に蓄積し
た電圧を放出し、誘電層のブレークダウンとアーク発生
を大幅に減らす。また、絶縁層上面の放電によって、表
面電位がほぼターゲット電位にまで低下する。また、誘
電堆積層の放電により、プラズマ中のアルゴンイオンが
絶縁誘電材料と衝突することができるようになる。その
結果、堆積した材料の分子の再スパッタが起きて、ター
ゲット上への堆積速度が低下する。
【０００９】しかしこの方法では、堆積化合物の分子の
スパッタはターゲット材料の原子ほどには多量に起きな
いので、反応性スパッタ中にターゲット上の堆積層を除
去するトータルの効率は低い。異なる材料でスパッタを
行うには、スパッタ用ターゲットに印加する電圧も変え
る必要がある。例えば、金の原子はアルミニウムの原子
に比べて非常に重いので、ターゲットから金原子を解放
するにはイオンのエネルギーを非常に大きくする必要が
ある。典型的には、アルミニウムのターゲットを用いる
プロセスでは、必要な印加電圧は約−４５０Ｖであるの
に対して、金のターゲットを用いた同様のプロセスでは
印加電圧を約−７００Ｖにしなくてはならない。
【００１０】酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）分子がア
ルミニウム原子に比べて非常に重いことを考えれば、Ａ
ｌ2 Ｏ3 皮膜を再スパッタするのに十分なエネルギーを
アルゴンイオンに付与するには高い電位が必要になるこ
とが分かる。もちろん、このことは他の材料についても
同様である。もう一つの解決策として、スパッタ用ター
ゲットを２つ用い、一方をカソードとし、他方をアノー
ドとする方法がある。印加電圧を周期的に逆転させて、
両方のターゲットで交互にスパッタを行わせる。この方
法においても、堆積した絶縁材料上の電荷が逆転し、ア
ーク発生の頻度が減少し、各ターゲット上の絶縁材料の
再スパッタも起きる。しかしこの装置は複数のターゲッ
トを必要とするため、実用にするには煩雑で高価であ
る。
【００１１】上記従来の解決策は、単一極性パルス電源
を用いたり、複数ターゲットを交互用いることにより、
ターゲット上に再堆積した絶縁膜上の電圧ストレスを低
減するには有効であったが、再堆積層の除去あるいは再
堆積の防止には有効でなかった。上記従来の方法では、
絶縁層を蓄積する以前に最初からスパッタ除去すること
はできず、ターゲット上への絶縁膜の堆積を防止するこ
とも停止させることもできなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的の一つ
は、導電性ターゲット上への絶縁堆積層の蓄積を回避す
るように反応性スパッタを改良することである。本発明
のもう一つの目的は、アーク発生源を無くした条件下で
反応性スパッタを行い、スパッタ速度を最大化すること
である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、ターゲットをスパッタして放出させたターゲット材
料を、プラズマチャンバ内に導入された反応性ガスと反
応させるように、プラズマチャンバ内で導電性ターゲッ
トに電位を印加することによりプラズマチャンバ内で反
応性直流スパッタを行う。プラズマチャンバ内の導電性
表面を接地電位に保持してアノードとして作用させ、適
当なレベル例えば−５００Ｖの直流電圧を電源からスパ
ッタ用ターゲットに印加する。チャンバ内にある貴ガス
例えばアルゴンをイオン化してプラズマ例えばアルゴン
陽イオンと自由電子を生成する。電子はアノード中に引
き込まれ、アルゴン陽イオンはカソードすなわち導電性
ターゲットへ向けて加速される。アルゴンイオンは運動
量移動によりターゲットからターゲット材料の原子を叩
き出す。アルゴンイオンは負に帯電したターゲットから
電子を拾い上げてプラズマへ戻る。解放されたターゲッ
トの原子はプラズマ内に入り、チャンバ内に導入されて
いる反応性ガスと反応する。反応性ガスとしては、例え
ば酸素、ボラン、アセチレン、アンモニア、シラン、ア
ルシン(arsene)、その他種々のガスを用いることができ
る。反応生成物は、プラズマに隣接して配置された基材
上に堆積する。基材としてマスクした半導体ウェハを用
い、その上にＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 あるいはその他の絶
縁体もしくは誘電体を堆積させることができる。場合に
よっては、ドリルビット、摺動板、バルブスピンドル、
その他の機械部品を基材とし、その上にＷＣ、ＴｉＮ等
の耐摩耗皮膜を堆積させることもできる。
【００１４】既に述べたように、反応性スパッタ法によ
る反応生成物はランダムに堆積し、対象とする基材のみ
を被覆するのではなく、その他にチャンバ壁やスパッタ
用ターゲット等の表面も被覆する。絶縁皮膜の蓄積によ
りアークが発生することがあるし、スパッタ用ターゲッ
トの有効面積が減少し、それにより時間経過と伴にスパ
ッタ速度が低下する。
【００１５】本発明においては、ターゲットに印加する
負の直流電圧を、アノードに対して正の直流電圧の逆バ
イアスパルスによって、周期的に中断させる。望ましく
は、逆バイアスパルスを接地電位より５０〜３００Ｖ高
いレベルとし、パルス周波数４０ｋＨｚ〜１００ｋＨ
ｚ、パルス幅１マイクロ秒〜３マイクロ秒で印加する。
これにより低い動作周期のパルス（約１０％以下）が得
られる。この逆バイアスにより絶縁材料の両側で電荷が
逆転する。これらの蓄積層はキャパシタとして作用し、
導電性ターゲットが一方のプレートとなり、導電性プラ
ズマが他方のプレートとなる。逆電圧は、キャパシタ電
荷の極性が（最大−３００Ｖまで）逆転するのに十分な
長い時間印加する。
【００１６】順方向すなわち負のスパッタ電圧が再び印
加されたときには、プラズマ内のアルゴンイオンが逆向
きに帯電した誘電材料へ向けて加速されることが望まし
い。これらのイオンは、電位差が付加されたことによっ
て、より大きいエネルギーにまで加速される。その結
果、堆積層の分子が再びスパッタされターゲットから離
脱させられる。この過程によりターゲットから堆積層が
除去され、それによりアーク発生の主因が無くなる。こ
の過程により、ターゲットの活性スパッタ表面もできる
限り大きく残る。
【００１７】この過程により、反応性スパッタの場合も
単なるスパッタの場合も、ターゲット表面の他の絶縁汚
染物質も除去する。以下に、添付図面を参照して、実施
例により本発明を更に詳細に説明する。
【００１８】
【実施例】先ず図１において、直流スパッタ装置１０は
プラズマチャンバ１２および調整機能付直流電源１４を
備えている。真空ポンプ（図示せず）で排気したプラズ
マチャンバ１２に、制御された量の貴ガス、典型的には
アルゴンを供給する。チャンバ１２内に配置した導電性
ターゲット１６がカソードとして作用する。このターゲ
ット１６は電源１４のマイナス端子に接続してある。タ
ーゲット１６としては、アルミニウム、タングステン、
シリコンその他の導電材料の平板を用いることができ
る。チャンバ１２内に配置したアノード１８は電源１４
のプラス端子に接続してある。アノードの表面積はター
ゲット１６に対して相対的に大きくてよい。流量を調整
した反応性ガスをガス導管２０からチャンバ１２内に送
り込み、ターゲットから解放されたターゲット材料原子
と反応させる。アノード１８とターゲット１６の間の空
間にある貴ガス中にプラズマ２２が生成し、被覆する基
材２４はチャンバ１２内でプラズマ２２と隣接する位置
に配置する。本プロセスにおいて基材は受動的（不活
性）な存在であり、被覆したい部品あるいは部材なら何
でもよい。例えば、軸受等の鋼製機械部品を基材とし、
反応性スパッタにより硬質耐摩耗皮膜として窒化チタン
層を堆積させることができる。あるいは半導体ウェハを
基材として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の
誘電層を堆積させることもできる。
【００１９】スパッタ装置内に、ターゲットの熱を除去
するための適当な手段を備えることもできる。実際に皮
膜堆積を行うには、プラズマ２２の点火が必要である。
プラズマを発生させるには、スパッタガスすなわちアル
ゴンの少なくとも一部分が電離（イオン化）するのに十
分な高電圧を、アノード１８とカソードすなわちターゲ
ット１６との間の空間に印加する。
【００２０】強い電界によりガス原子の外殻電子が剥ぎ
取られ、Ａｒ+ 等のアニオンと電子とが生成する。これ
により、直流電源１４から定常印加電流を供給される定
常状態が形成される。陽イオンＡｒ+ は定常状態の電界
によって加速されてターゲット１６（すなわちカソー
ド）に到達し、ターゲット中の電子と再結合する。スパ
ッタ効果を得るには、イオンがターゲット１６に衝突し
たときイオンの運動エネルギーによってターゲット材料
原子が叩き出されるように十分なエネルギーをイオンに
付与する。叩き出された（解放された）ターゲット原子
はプラズマ中に入り、チャンバ内に導入されている反応
性ガスと反応する。この反応の生成物が、その場にある
種々の表面に堆積し、望ましくは基材２４上に堆積す
る。反応生成物はプラズマチャンバ内の他の表面と同様
にターゲット１６にも堆積する。ターゲット上に絶縁堆
積層が蓄積すると、アーク発生等の問題が生ずる。
【００２１】スパッタ過程を制御するには、電圧、電
流、および電流密度を制御することが必要である。スパ
ッタには電流が必要であり、他の条件が同じならば、電
流の増加に比例してターゲット上へのＡｒ+ イオンの衝
突が増加する。したがって、堆積速度を高くするには電
流を大きくする必要がある。
【００２２】ターゲットの材質によって、印加する電圧
レベルを変える必要がある。例えば、金の原子はアルミ
ニウムの原子に比べて非常に重いので、ターゲットから
原子を叩き出すのに必要なエネルギーも大きい。金ター
ゲットやアルミニウムターゲットを用いることができる
典型的な直流スパッタ法においては、アルミニウムの場
合に必要な電圧は約４５０Ｖであるのに対し、金の場合
にはそれよりもかなり高い７００Ｖが必要である。した
がって、プラズマは生成するがイオンのエネルギーが不
十分でスパッタは起きない下限の電圧が存在する。各プ
ロセスには、ターゲット材料によって異なるスパッタ電
圧の下限がある。
【００２３】電流密度は重要なファクターであり、制御
する必要がある。スパッタプロセスでは、堆積速度を最
大にしたいが、同時にアーク放電も回避する必要があ
る。プラズマの電流密度がいわゆるスーパーグロー放電
領域内に入るときが、堆積速度の上限である。これを説
明するために、プラズマ内の電流密度とプラズマ両端で
の電圧降下との関係を図２に示す。この曲線はいわゆる
パッション曲線（Passione curve）である。
【００２４】図２の左端にある初期領域はプラズマの点
火前で、電流密度がゼロであり、点火に必要な全電圧が
ガス媒体に印加されていることが現れている。電流密度
が低いところは点火領域として示した負抵抗領域であ
り、プラズマ両端の電圧が電流の増加に伴って低下し、
その次がほぼ平らな領域すなわちグロー放電領域にな
る。更に電流密度が増加すると、スーパーグロー放電領
域になる。そこではプラズマのエネルギーが更に大きく
なっていて、アルゴンイオンがプラズマを貫通する際の
抵抗が大きい。そしてプラズマ両端での電圧が大きくな
る。この領域を超えると、電流密度が非常に大きくなっ
て、プラズマ自体によってイオンが加熱され、プラズマ
から熱電子と光子が発生して、イオン化の暴走に至る。
それによりイオンの個数すなわちプラズマ内の電荷キャ
リアの個数が急激に増加する。プラズマのインピーダン
スが低下し、電流が増加する。その結果、シャープな負
抵抗領域が生成して、インピーダンスが非常に小さく電
源の出力インピーダンスだけが電流を限定するアーク発
生領域が生成する。ここで生成したアークはターゲット
のピッティング（孔発生）、フレーキング（剥離）、ク
ラッキング（割れ）や局所的過剰加熱等の致命的な影響
を生じる。更に、アーク発生と同時にスパッタが停止す
る。
【００２５】したがって、スパッタプロセスには多数の
ファクターが影響を及ぼし、堆積速度は電流と直接関係
し、印加電圧はターゲット材料の特性によって決まり、
アーク放電は過剰電圧密度状態によって直接引き起こさ
れる。ターゲット１６上に反応生成物としての絶縁物を
堆積させる際に起きる問題について、図３、４、５を参
照して説明する。図３に示したように、正のアノード１
８と負のターゲット１６との間の電位差によって、アノ
ードからターゲットまでの電界線が生成する。典型的に
は３００〜５００ボルト程度の直流電圧である印加電圧
ＶAPP を電源１４からアノード１８とターゲット１６に
印加する。この例では、ターゲットはアルミニウム製で
あり、プラズマ２２はアルゴンイオンＡｒ+ で形成され
ており、反応性ガスとして酸素Ｏ2 を導入する。最初
は、電界線がターゲットの表面上に概ね均一に分布して
いて、アルゴンイオンがターゲット１６を全面にわたっ
て叩く。アルゴンイオンが衝撃を与えた箇所では、叩か
れたアルミニウム原子が運動量移動により解放される。
アルゴンイオンは負のターゲット１６から電子を拾い、
プラズマ内の電子はアノード１８内に吸収される。
【００２６】解放されたアルミニウム原子はプラズマ２
２内に入ってプラズマ内の酸素と反応し、アルミナＡｌ
2 Ｏ3 を生成する。アルミナ分子は中性であり非導電性
であるので、その場にある表面に接触するとそこに堆積
する。アルミナの一部はターゲット１６上に到着して、
図４に示したように堆積層として絶縁層２６を生成す
る。
【００２７】絶縁堆積層２６は誘電体すなわち絶縁体で
あるため、プラズマに対面している表面（図４では上
面）には正の電荷が蓄積する。これにより電界線は堆積
層２６を迂回するように曲がる。イオンは電界線に沿っ
て進行するので、ターゲット上の被覆されていないアル
ミニウムの部分に向けて加速される。アルゴンイオンは
アルミニウムに衝突してこれをスパッタするが、Ａｌ2
Ｏ3 の部分を再スパッタすることはない。結局、アルミ
ナはターゲット露出表面を被覆し続け、スパッタ用とし
て有効なアルミニウム金属部分の相対的な面積は縮小し
てゆく。その結果、電流密度は増加するが電流の総量は
減少し、堆積速度が低下する。最終的にはターゲット１
６のほぼ全面が被覆され、ターゲット表面の僅かな面積
が被覆されずにスパッタに有効な部分となる。その結
果、図５に示したように電界線が局所的なスポットに集
中する。イオンがこのスポットに高電流密度の衝撃を与
え、アーク放電を生ずる。
【００２８】ターゲット上への絶縁層の堆積による悪影
響を図７および８を参照して説明する。グロー放電また
はスーパーグロー放電条件下では、プラズマ２２は多数
の大抵抗を並列に接続し各リード部をターゲット１６の
面上に均一に配置したものとして作用すると考えること
ができる。すなわち、プラズマは図６に示したような数
千メガオームの抵抗器の群と考えることができる。絶縁
材料の皮膜がターゲット表面で拡大してゆくにつれて、
ターゲットの有効面積は減少してゆき、究極的には小さ
な無被覆ギャップ２８が残る。ギャップ２８の電流密度
はパッション曲線（Passione curve：図２）の負抵抗領
域に入り、電流経路が限定されてくる。実効的抵抗値は
例えば図７に示した０．０１オームにまで低下する。こ
れらの条件下でアークが発生する。
【００２９】上記の問題が発生する原因は、導電性プラ
ズマ２２が構成する電極と導電性ターゲット１６が構成
する電極との間に、絶縁膜２６によって形成された誘電
体が介在することである。絶縁膜２６の上面すなわちプ
ラズマ側表面は、正に帯電したアルゴンイオンから受け
取る電荷によって、印加電圧＋ＶAPP にまで帯電する。
【００３０】正に帯電したイオン同士には静電気による
反発力が働くので、アルゴンイオンＡｒ+ はターゲット
の被覆部分から無被覆部分の方へそれていく。そのため
無被覆部分での電流密度が上昇する。そのため、電流密
度をスーパーグロー範囲内に保つには電流の総量を減少
させなくてはならず、当然その結果堆積速度が低下す
る。また、アルゴンイオンがターゲット１６の被覆部分
からそれていくので、絶縁膜２６の再スパッタはほとん
ど起きない。結局、絶縁膜の再堆積は減らずに続き、ス
パッタプロセスを停止せざるを得なくなる。
【００３１】絶縁膜の領域は直流電圧が印加されたキャ
パシタと考えることができる。ターゲット１６上の絶縁
膜２６は印加電圧ＶAPP まで充電される。キャパシタが
充電されると以後は電流が流れず、すなわち絶縁膜に被
覆された領域はスパッタに有効ではなくなる。プラズマ
の電流はそれ以外の領域に向かい、ターゲット上の無被
覆ギャップ２８への電流密度が増加する。最終的に、反
応性直流スパッタを行える限界となるパッション曲線ア
ーク放電領域（図２）にまで電流密度が上昇する。
【００３２】誘電層２６の蓄積により起きるもう一つの
問題は、誘電層は全印加電圧部ＶAP P に十分耐える強度
があるとは限らないことである。その場合、誘電層は貫
通され破壊される。これが起きると、破壊領域に電荷が
大量に流入して局所的なコンダクタンスが急激に増加
し、それにより局所的な電流密度が増加する。その結
果、局所的なアーク発生が起きることがあり、プラズマ
２２が全体にアーク放電条件になることがある。
【００３３】再び図２のパッション曲線を参照すると、
グロー領域およびスーパーグロー領域では、プラズマ２
２は正の抵抗を持ち、安定した挙動を示す。たとえ局所
的であれ電流密度がスーパーグロー放電限界を超えれ
ば、アーク放電領域に入る。アーク放電はアノードとタ
ーゲットとの間の短絡に似た挙動をし、負の抵抗を示
し、その電流が多くなるほど、抵抗が減少する。アーク
放電を停止させるには、プラズマ内の電流密度がグロー
放電領域またはスーパーグロー放電領域の値にまで減少
する必要がある。
【００３４】これを実行する最も確実な方法は、全ての
電流をできるだけ素早く除去することである。しかし電
流が再び流れ始めた場合、アーク放電の条件が再来する
ことを防ぐものは何もない。最近の直流スパッタ用電源
の多くはアーク検知回路を備えていて、アークを検知す
ると電流を切るようになっている。電流切断期間はアー
ク電流が衰微するのに十分な長さにする必要がある。こ
れによりプラズマチャンバ１２への有効正味電力が減少
し得る。アーク防止のための一つの試みとして、単一極
性パルスが用いられてきた。この技術は、電力供給を切
断して一定の周波数（パルスレート：pulse rate）およ
び動作周期（duty cycle）のパルスを生成させる。これ
により、ターゲットには負電圧と接地電圧とが交互に印
加され、その結果、正に帯電した層２６の誘電材料を、
あるバイアス点に関して交互に半帯電および半放電させ
ることができる。それにより、絶縁層への電圧ストレス
が減少し、絶縁層の再スパッタをある程度起こさせるこ
とができる。
【００３５】図８と図９を参照してこのシステムを説明
する。図８（Ａ）および（Ｂ）に示したように、プラズ
マチャンバはキャパシタ回路と考えることができ、その
キャパシタ内でターゲット１６は一方の電極（プレー
ト）として作用し、絶縁材料の堆積層２６はキャパシタ
の誘電層として作用し、プラズマ２２は直列の抵抗２２
ａ且つキャパシタの他方の（正の）電極（プレート）２
２ｂとして作用する。ターゲットに印加される電圧ＶT
を、印加電位ＶAPP と接地電位（０ボルト）とを交番す
るパルス化直流電圧とすることができる。アノード１８
は接地電位になっていると考える。この従来の単一極性
パルス化電源システムにおいて、キャパシタの上側プレ
ート２２ｂは、すなわち誘電層２６は、ターゲット電位
へ低下して戻ることが可能である。図８（Ｂ）におい
て、キャパシタの上側プレートの電圧はＶCAP で示して
ある。典型的には、印加電圧は１０マイクロ秒以上中断
する周波数２ｋＨｚ（すなわちパルス期間５００マイク
ロ秒）である。この技術は誘電層すなわち絶縁層２６上
に高電圧が形成するのを防止することを意図している
が、実際には正電荷を除去することができない。結局、
絶縁層がイオンに叩かれて再スパッタがある程度は起き
るとしても、その実質的な効果はターゲット上の絶縁膜
蓄積速度を遅くするだけである。
【００３６】図１０および図１１を参照して本発明の技
術を説明する。この技術においては、負の直流スパッタ
電圧−ＶAPP に逆バイアス電圧＋ＶREV のパルス３０を
挿入してある。この作用は、ターゲット電圧ＶT を接地
電位より高い逆バイアス電圧＋ＶREV にすることであ
る。これによりキャパシタ電圧ＶCAP すなわち誘電層２
６上面の電位を高電位に引き上げ、層２６にプラズマ２
２から自由電子を吸収させて、層２６をアノード１８の
電位に対応する接地電位に到達させる。この衰微現象を
図１１に曲線３２で示す。
【００３７】次に、パルスの端部で負の印加電圧が再び
生起する。これによりキャパシタの下側電極すなわちタ
ーゲット１６が負電圧−ＶAPP になる。次に、誘電堆積
層２６の上面すなわちプラズマ対向面が、さらに負の電
位すなわちターゲット電位よりも−ＶREV だけ負側の電
位になる。反応性スパッタシステムの一つの実例とし
て、例えばＡｌからＡｌ2 Ｏ3 を生成する場合、印加電
圧ＶAPP を−４００Ｖ直流とし、逆バイアス電圧を＋１
５０Ｖとすることができる。この場合、層２６の上面に
現れる電圧ＶAPP は図１１の電圧波形に従う。ターゲッ
ト１６に−４００Ｖの印加を開始すると、誘電層の電圧
は−５５０Ｖに低下する。これはターゲット電位よりも
負であり、正電荷を持つアルゴンイオンがターゲット上
のＡｌ2 Ｏ3 蓄積部に引き寄せられる。無被覆のターゲ
ットに比べて電位が高い５５０ボルトであるため、Ａｌ
2 Ｏ3 を叩くイオンは無被覆のターゲットを叩くイオン
よりもエネルギーが大きい。このエネルギーが大きいイ
オンは重い酸化物分子を絶縁層２６から解放することが
でき、解放された酸化物分子は別の所に堆積する。この
ように逆バイアスパルスによりターゲットから絶縁堆積
層が除去されるので、スパッタは弱まることなくターゲ
ットが消耗するまで持続する。
【００３８】逆バイアスパルスはターゲット１６の不純
物や介在物を除去する効果もある。この技術は、外気に
曝されていたアルミニウムターゲットを予備処理あるい
は「コンデショニング」するためにも用いることができ
る。標準的なアルミニウムの反応性スパッタ技術におい
ては、別個のコンディショニング工程が必要なため、そ
の際にアルミニウムターゲットにピット発生（pitting)
やストレス負荷による損傷が生じることがある。この前
コンディショニングによるストレス損傷は、後のスパッ
タ時のアーク発生の原因になる。これに対して、本発明
の逆バイアスパルス技術は、ターゲットに殆どあるいは
全く損傷を生ぜずに且つアークを発生させることもな
く、酸化物および不純物をスパッタ除去する。
【００３９】この技術の主たる利点は、アーク発生を単
に抑制あるいは制限するのではなく、アーク発生源を除
去することである。この技術によれば、スーパーグロー
放電領域の上限に極力近いところで反応性スパッタ操業
を行うことができ、それによってアーク放電条件を生ず
る危険をなくして堆積速度を最大にすることができる。
【００４０】望ましい態様においては、１５０ボルト、
パルス時間２マイクロ秒、パルス繰り返し率５０ｋＨｚ
の逆バイアスパルスを用いる。動作周期はスパッタが不
必要に中断しないように短く保つべきである。パルス時
間は誘電層に逆バイアスを印加し得るように十分な長さ
とすべきであり、１マイクロ秒〜３マイクロ秒とするこ
とができる。パルス繰り返し率は４０ｋＨｚ〜２００ｋ
Ｈｚとすることができる。正の逆バイアス電圧は、負の
印加電圧と同様に個々のスパッタ操業に合わせて決め
る。すなわち印加電圧ＶAPP は−３００Ｖ〜−７００Ｖ
とすることができ、逆バイアス電圧は＋５０Ｖ〜＋３０
０Ｖとすることができる。
【００４１】図１２に、本発明の逆バイアスパルス方式
を用いた反応性スパッタ装置の一実施例を示す。チャン
バ１２内に、ターゲット１６が電源１４のマイナス端子
に接続されており、アノード１８が電源１４のプラス端
子に接続されている。このプラズマチャンバ内に、基材
２４を配置し、アルゴン等の適当なスパッタガスをガス
導管３８から導入し、酸素等の反応性ガスを反応性ガス
導管２０から送り込む。真空ポンプ（図示せず）により
チャンバを連続的に排気する。
【００４２】直流電源１４とプラズマチャンバ１２との
間に、逆バイアスパルス装置４０を配置してある。この
装置の持つ直流電源４２は制御スイッチ４４と直列に接
続してある。電源４２は３００Ｖまで可変のスイッチ方
式電源とすることができる。一対の直列インダクタンス
４６が電源１４のマイナス端子とターゲット１６との間
に接続してあり、別に一対の直列インダクタンス４８が
電源１４のプラス端子とアノード１８との間に接続して
ある。電源４２とスイッチ４４とで構成する直列回路
は、一方の対をなすインダクタンス４６の接合部と他方
の対をなすインダクタンス４８の接合部との間に接続し
てある。
【００４３】パルス幅・パルスレート制御回路５０が生
成する信号がスイッチ４４を駆動して、適当な動作周期
とパルス周波数の逆バイアスパルスを生成する。スイッ
チ閉鎖時間を制御回路５０で制御でき、電源４２の出力
電圧も例えば５０〜３００ボルトの範囲に制御できる。
スイッチ４４が閉じている場合、逆バイアス電源４２は
ターゲット１６に正電圧を供給し、アノード１８に負電
圧を供給する。次に、スイッチ４４が開いている場合、
電源４２は切断され、ターゲットの電位は逆転して電源
１４からの負の印加電圧ＶAPP になる。
【００４４】逆バイアスパルス装置４０とパルス幅・パ
ルスレート制御回路５０を含む部分は、標準的な電源１
４と標準的なプラズマチャンバ１２との間に接続できる
コンパクトな完成ユニットとして作製することができ
る。以上、望ましい実施態様を参照して本発明を説明し
たが、特許請求の範囲に規定した本発明の原理を逸脱す
ることなく種々の態様が可能であることは当業者には理
解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】反応性直流スパッタ法の原理を説明するための
直流スパッタ装置の模式図。
【図２】スパッタ中のプラズマの挙動の種々の領域を示
す、電圧と電流密度との関係のパッション曲線（Passio
ne curve）。
【図３】スパッタ用ターゲット上への膜蓄積による悪影
響を説明するための模式図。
【図４】スパッタ用ターゲット上への膜蓄積による悪影
響を説明するための模式図。
【図５】スパッタ用ターゲット上への膜蓄積による悪影
響を説明するための模式図。
【図６】理想的なスパッタを示す模式図。
【図７】アーク放電が発生しているスパッタを示す模式
図。
【図８】スパッタ用ターゲット上への絶縁膜蓄積がキャ
パシタと等価であることを示す模式図。
【図９】従来技術による単一極性直流スパッタのパルス
波形を示すチャート。
【図１０】本発明による短時間通電サイクル逆バイアス
直流スパッタ法のパルス波形を示すチャート。
【図１１】本発明の一実施態様による、導電性ターゲッ
ト上への絶縁膜蓄積中のプラズマ対向面での電位の挙動
を示し波形チャート。
【図１２】本発明の原理による反応性直流スパッタを行
うための装置の模式図。
【符号の説明】
１０…直流スパッタ装置 １２…プラズマチャンバ １４…調整機能付直流電源 １６…導電性ターゲット １８…アノード ２０…ガス導管（反応性ガス用） ２２…プラズマ ２２ａ…抵抗 ２２ｂ…正の電極（プレート） ２４…基材 ２６…絶縁層（ターゲット上に堆積したもの） ２８…無被覆ギャップ（ターゲット上で絶縁層に被覆さ
れず残った露出表面） ３０…逆バイアス電圧＋ＶREV のパルス ３２…衰微現象を示す曲線 ３８…ガス導管（スパッタガス用） ４０…逆バイアスパルス装置 ４２…可変直流電源 ４４…制御スイッチ ４６…一対の直列インダクタンス ４８…別の一対の直列インダクタンス ５０…パルス幅・パルスレート制御回路

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマチャンバ内で、導電性ターゲッ
    トをスパッタしてターゲット材料を放出させ、該チャン
    バ内の反応性ガスと反応させ、生成した化合物を基材上
    に堆積させる反応性スパッタ方法であって、 該ターゲットと該チャンバ内のアノードとの間に、該タ
    ーゲットから該ターゲット材料の原子を解放するのに十
    分なエネルギーで貴ガスイオンを該ターゲットに衝突さ
    せるレベルの直流電圧を印加する工程、および該反応性
    ガスを該チャンバ内に導入して該ターゲット材料の解放
    された原子と反応させる工程を含み、 該直流電圧を印加する工程において、該アノードを基準
    として所定レベルの負の電圧を該ターゲットに印加し、
    且つ該アノードを基準として正の電圧のパルスを所定パ
    ルスレートおよび所定パルス幅で周期的に該ターゲット
    に印加することにより、該ターゲット上に堆積している
    該化合物の蓄積層を、該化合物の分子を該ターゲットか
    ら解放するのに十分なエネルギーを持つ該貴ガスイオン
    で叩く反応性スパッタ方法。
  2. 【請求項２】 該負の電圧が実質的に３００〜７００Ｖ
    であり、該正の電圧が実質的に５０〜３００Ｖである請
    求項１記載の反応性スパッタ方法。
  3. 【請求項３】 該正の電圧のパルスはパルス幅が１マイ
    クロ秒〜３マイクロ秒である請求項１記載の反応性スパ
    ッタ方法。
  4. 【請求項４】 該パルスレートが４０ｋＨｚ〜２００ｋ
    Ｈｚである請求項１記載の反応性スパッタ方法。
  5. 【請求項５】 ターゲット材料を反応性ガスと反応さ
    せ、生成した化合物を基材上に堆積させる反応性スパッ
    タ用直流プラズマ装置であって、 直流プラズマチャンバであって、該ターゲット材料で作
    られていてカソードとして機能するスパッタ用ターゲッ
    トと、該チャンバ内に形成されたアノードと、該反応性
    ガスを該チャンバ内に導入する手段とを収容した直流プ
    ラズマチャンバ、 直流電源であって、該ターゲット材料の解放された原子
    が該反応性ガスと反応して該化合物を生成するように、
    該ターゲット材料の原子を該ターゲットから解放するの
    に十分なエネルギーを持つ貴ガスイオンを該チャンバ内
    で該ターゲット衝突させる所定レベルの負の電圧を該タ
    ーゲットに付与する直流電源、および逆バイアス手段で
    あって、該直流電源と該プラズマチャンバとの間の回路
    内に挿入されていて、該ターゲット上に堆積している該
    化合物の蓄積層を、該化合物の分子を該ターゲットから
    解放するのに十分なエネルギーを持つ該貴ガスイオンが
    叩くように、該アノードを基準として該所定レベルの該
    負の電圧を該ターゲットに印加し且つ該アノードを基準
    として正の電圧のパルスを所定パルスレートおよび所定
    パルス幅で周期的に該ターゲットに印加する逆バイアス
    手段、を備えた反応性スパッタ用直流プラズマ装置。
  6. 【請求項６】 該直流電源が３００〜７００Ｖのレベル
    の該負の電圧を供給し、該逆バイアス手段が５０〜３０
    ０Ｖのレベルの該正の電圧パルスを供給する請求項５記
    載の反応性スパッタ用直流プラズマ装置。
  7. 【請求項７】 該逆バイアス手段が１マイクロ秒〜３マ
    イクロ秒のパルス幅の該正の電圧パルスを供給する請求
    項５記載の反応性スパッタ用直流プラズマ装置。
  8. 【請求項８】 該逆バイアス手段が４０ｋＨｚ〜２００
    ｋＨｚのパルスレートの該正の電圧パルスを供給する請
    求項５記載の反応性スパッタ用直流プラズマ装置。
  9. 【請求項９】 プラズマチャンバ内で、導電性ターゲッ
    トをスパッタしてターゲット材料を放出させ、基材上に
    堆積させる直流スパッタ方法であって、 該ターゲットとアノードとの間に、該ターゲットから該
    ターゲット材料を解放するのに十分なエネルギーで貴ガ
    スイオンを該ターゲットに衝突させるレベルの直流電圧
    を印加する工程を含み、 該直流電圧を印加する工程において、該アノードを基準
    として所定レベルの負の電圧を該ターゲットに印加し、
    且つ該アノードを基準として正の電圧のパルスを該ター
    ゲットに印加することによって、該ターゲットから該化
    合物の分子を解放するのに十分なエネルギーで該貴ガス
    イオンが該ターゲット上の絶縁化合物の蓄積層を叩くよ
    うにする直流スパッタ方法。
  10. 【請求項１０】 該負の電圧が実質的に３００〜７００
    Ｖであり、該正の電圧が実質的に５０〜３００Ｖである
    請求項９記載の直流スパッタ方法。
  11. 【請求項１１】 該正の電圧のパルスはパルス幅が１マ
    イクロ秒〜３マイクロ秒である請求項９記載の直流スパ
    ッタ方法。
  12. 【請求項１２】 該パルスレートが４０ｋＨｚ〜１００
    ｋＨｚである請求項９記載の直流スパッタ方法。
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