特許 6673903 高密度高Ｓｐ３含有層を実現するための高電力インパルスマグネトロンスパッタリング処理

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6673903

(24)【登録日】2020年3月9日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】高密度高Ｓｐ３含有層を実現するための高電力インパルスマグネトロンスパッタリング処理

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20200316BHJP

   C23C 16/27 20060101ALI20200316BHJP

   C23C 14/58 20060101ALI20200316BHJP

   C23C 14/35 20060101ALI20200316BHJP

   C01B 32/05 20170101ALI20200316BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20200316BHJP

   H01L 21/314 20060101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/06 F

   C23C16/27

   C23C14/58 B

   C23C14/35 C

   C01B32/05

   H05H1/46 A

   H01L21/314 A

【請求項の数】13

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-510506(P2017-510506)

(86)(22)【出願日】2015年8月14日

(65)【公表番号】特表2017-534750(P2017-534750A)

(43)【公表日】2017年11月24日

(86)【国際出願番号】US2015045318

(87)【国際公開番号】WO2016028640

(87)【国際公開日】20160225

【審査請求日】2018年8月8日

(31)【優先権主張番号】62/040,809

(32)【優先日】2014年8月22日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/820,152

(32)【優先日】2015年8月6日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ストーウェル， マイケル ダブリュ．

(72)【発明者】

【氏名】チェン， ヨンメイ

【審査官】 宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０９６０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１５７６０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／０６

Ｃ０１Ｂ ３２／０５

Ｃ２３Ｃ １４／３５

Ｃ２３Ｃ １４／５８

Ｃ２３Ｃ １６／２７

Ｈ０１Ｌ ２１／３１４

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭素含有層を形成する方法であって、
第１の処理チャンバの処理領域に位置付けられた基板にスパッタガスを供給することであって、前記第１の処理チャンバが炭素含有スパッタターゲットを有している、供給することと、
スパッタリングプラズマを作り出すために前記スパッタガスにエネルギーパルスを供給することであって、前記スパッタリングプラズマが、１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力及び１００μｓ未満かつ３０μｓ超であるパルス幅を有するエネルギーパルスによって形成され、３００ガウス未満である磁場に曝される、供給することと、
前記炭素含有スパッタターゲットからスパッタされた炭素含有材料を含むイオン化種を形成することであって、前記イオン化種が前記基板の上に結晶性の炭素含有層を形成する、形成することと、
前記結晶性の炭素含有層を有する前記基板を第２の処理チャンバに移送することと、
前記第２の処理チャンバ内において、活性化堆積ガスを形成するために、炭素含有源を含む堆積ガスの存在下でプラズマを形成することと、
前記第２の処理チャンバ内において前記結晶性の炭素含有層の上にナノ結晶ダイヤモンド層を形成するために、前記活性化堆積ガスを前記基板に供給することと
を含む方法。

【請求項2】

前記第１の処理チャンバ内および／または前記第２の処理チャンバ内において、前記基板にバイアスを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記堆積ガスが、水素源を更に含む、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記炭素含有スパッタターゲットが、グラファイト状ターゲットである、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記基板の上に前記結晶性の炭素含有層を形成する間、前記基板が、摂氏１００度未満の温度で維持される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記結晶性の炭素含有層が、ナノ結晶ダイヤモンドを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記堆積ガスが、マイクロ波源を使用して活性化される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記磁場が、２００ガウス未満である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

炭素含有層を形成するための方法であって、
第１の処理チャンバの処理領域に位置付けられた基板にスパッタガスを供給することであって、前記第１の処理チャンバがグラファイト状ターゲットを有している、供給することと、
スパッタリングプラズマを作り出すために前記スパッタガスにエネルギーパルスを供給することであって、前記スパッタリングプラズマが、１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力及び１００μｓ未満であるパルス幅を有するエネルギーパルスによって形成され、３００ガウス未満である磁場によって制御される、供給することと、
中間の炭化物層が前記基板の上に形成されるように、前記スパッタリングプラズマを形成することと、
前記中間の炭化物層を有する前記基板を第２の処理チャンバに移送することと、
前記第２の処理チャンバに、炭素含有源を含む堆積ガスを供給することと、
前記堆積ガスを活性化して、活性化堆積ガスを作り出すことと、
前記活性化堆積ガスを前記基板に供給することと、
ナノ結晶ダイヤモンド層を前記中間の炭化物層上において成長させることと
を含む方法。

【請求項10】

デューティサイクルが、スパッタリング持続時間の１０％未満である、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記堆積ガスが、マイクロ波源を使用して活性化される、請求項９または１０に記載の方法。

【請求項12】

前記磁場が、２００ガウス未満である、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

炭素含有層を形成するための方法であって、
ＰＶＤ処理チャンバの処理領域に位置付けられた基板にスパッタガスを供給することであって、前記ＰＶＤ処理チャンバがグラファイト状スパッタターゲットを有している、供給することと、
スパッタリングプラズマを作り出すために前記スパッタガスにエネルギーパルスを供給することであって、前記スパッタリングプラズマが、１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力及び１００μｓ未満かつ３０μｓ超であるパルス幅を有するエネルギーパルスによって形成され、３００ガウス未満である磁場に曝される、供給することと、
前記基板上に結晶性の炭素含有層を形成するために、前記グラファイト状スパッタターゲットに前記スパッタリングプラズマを供給することと、
前記ＰＶＤ処理チャンバの前記処理領域に位置付けられた前記基板に不活性ガスを供給することと、
摂氏１００度未満の温度で前記ＰＶＤ処理チャンバを維持することと、
スパッタリングプラズマを作り出すために前記不活性ガスにエネルギーパルスを供給することであって、前記スパッタリングプラズマがスパッタリング持続時間を有し、前記エネルギーパルスが、１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力、前記平均電力を上回るパルス電圧、及び１００μｓ未満であるパルス幅を有し、前記スパッタリングプラズマが、２００ガウス以下である磁場によって制御される、供給することと、
ナノ結晶ダイヤモンド層を前記結晶性の炭素含有層の上に形成するために、前記グラファイト状スパッタターゲットに前記スパッタリングプラズマを供給することと
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示される実施形態は、概して膜の堆積方法に関する。より具体的には、半導体装置で使用されるナノ結晶ダイヤモンド膜を堆積する装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体産業が性能が機能性が大きい新世代の集積回路（ＩＣ）を導入するにつれ、それらのＩＣを形成する要素の密度が増加する一方で、個々の部品又は要素の間の寸法、サイズ及び間隔は減少している。これまで、このような減少は、フォトリソグラフィを用いて構造を画定する能力によってのみ制限されていたが、マイクロメートル（μｍ）又はナノメートル（ｎｍ）で測定された寸法を有する装置の幾何学的形状は、導電性相互接続の導電率、相互接続間に使用される絶縁材料の誘電率、小さな構造のエッチング、又は３Ｄ ＮＡＮＤフォーム処理若しくはＤＲＡＭフォーム処理における他の課題など、新たな限定要因を作り出した。これらの制限は、より耐久性があり、熱伝導率がより高く、硬度がより高いハードマスクによって利益が得られることがある。

【0003】

厚い炭素ハードマスクがよく知られており、ＰＯＲ膜として一般に使用されている。しかしながら、現在のグラファイト状炭素ハードマスク、Ｓｐ２タイプの炭素ハードマスク又は他の炭素ハードマスクの組成物は、ＤＲＡＭ及びＮＡＮＤが１０ｎｍ未満の状態まで縮小し続けると不十分であると予測される。この縮小は、更に高いアスペクト比の深いコンタクト孔又は深いトレンチを形成するエッチングを必要とするだろう。目詰まり、孔形状の歪み、及びパターンの変形、最大限界寸法の膨張、ラインの屈曲、形状の反りを含む、高アスペクト比のエッチング問題が、一般的にこれらの用途で見られる。多くのエッチング課題は、ハードマスク材料特性に左右される。深いコンタクト孔の変形は、低いハードマスク密度及び不十分な熱伝導率に関連している可能性がある。スリットパターンの変形又はライン屈曲は、ハードマスク材料の選択性及び応力が低いことに起因する。したがって、より高い密度、より高いエッチング選択性、より低い応力及び優れた熱伝導率を有するエッチングハードマスクを有することが望ましい。

【0004】

ダイヤモンド及びダイヤモンドのような材料は、高硬度材料として知られている。高硬度、表面不活性、及び低い摩擦係数のために、合成ダイヤモンド材料は、保護コーティングとして及び他の用途の中で微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で適用されてきた。ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）などのダイヤモンド膜は、熱フィラメントＣＶＤ及びマイクロ波ＣＶＤによって合成されてきた。しかしながら、ナノ結晶ダイヤモンド膜を形成するための熱フィラメントＣＶＤ及びマイクロ波ＣＶＤ処理の使用には様々な困難がある。

【0005】

熱フィラメントＣＶＤでは、堆積用の前駆体ガスを活性化するために、金属フィラメントが使用される。予測通り、金属フィラメントは、膜形成処理中に前駆体ガスに曝される。その結果、前駆体ガスは、金属フィラメントと反応して、最終生成物において金属汚染の問題を引き起こす可能性がある。熱フィラメントＣＶＤと比較して、マイクロ波ＣＶＤは、汚染物質の問題が少ない。しかしながら、マイクロ波ＣＶＤは、膜の均一性に影響を及ぼし得る高い処理圧力を必要とする。更に、マイクロ波ＣＶＤハードウェアによって生成されたマイクロ波生成プラズマは比較的低いイオンエネルギーを有するが、これらの生成イオンは、依然としてＮＣＤ粒界を攻撃し、粒子構造障害を誘発する可能性がある。

【0006】

したがって、高品質のダイヤモンド膜を形成するための改良された装置及び方法が必要とされる。

【発明の概要】

【0007】

本明細書に開示される実施形態は、概して半導体装置に適用されるようなナノ結晶ダイヤモンド層に関する。スパッタリングターゲットに近接して位置付けられたマグネトロンによって提供される磁場強度を制御することによって、スパッタリングターゲットに印加されるパルスにおけるエネルギー量及び／又はパルス幅、所望の特性を有するナノ結晶ダイヤモンド膜が、低温で基板上に形成され得る。リソグラフィ処理及びエッチング処理中にハードマスクとして作用するナノ結晶ダイヤモンド層などの、これらのナノ結晶ダイヤモンド膜は、多様な工程で使用され得る。１つの実施形態では、炭素含有層を形成する方法は、第１の処理チャンバの処理領域に位置付けられた基板にスパッタガスを供給することであって、第１の処理チャンバが炭素含有スパッタターゲットを有している、供給することと；スパッタリングプラズマを作り出すためにスパッタガスにエネルギーパルスを供給することであって、スパッタリングプラズマが、約１Ｗ／ｃｍ^２から約１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力及び１００μｓ未満かつ３０μｓ超であるパルス幅を有するエネルギーパルスによって形成さる、供給することとを含むことができる。スパッタリングプラズマは、３００ガウス未満である磁場によって制御され、基板の上に結晶性の炭素含有層を形成するためにスパッタリングプラズマが形成される。

【0008】

別の実施形態では、炭素含有層を形成するための方法は、ターゲットと基板との間に形成された領域にスパッタリングガスを供給することであって、基板がグラファイト状ターゲットを有する第１の処理チャンバの処理領域に位置付けられる、供給することと；スパッタリングプラズマを作り出すためにスパッタガスにエネルギーパルスを供給することであって、スパッタリングプラズマが、約１Ｗ／ｃｍ^２から約１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力及び１００μｓ未満であるパルス幅を有するエネルギーパルスによって形成さる、供給することとを含むことができる。スパッタリングプラズマは磁場によって制御され、平均磁場強度は３００ガウス未満であり、中間の炭化物層が基板の上に形成されるようにスパッタリングプラズマが形成される。次いで、中間炭化物層を有する基板を第２の処理チャンバに移し、第２の処理チャンバに堆積ガスを供給し、ＣＨ^４、Ｈ_２、Ａｒ、ＣＯ_２又はこれらの組み合わせを含む堆積ガスを活性化堆積ガス生成のために活性化させ、活性化された堆積ガスを基板に供給し、基板の表面上にナノ結晶ダイヤモンド層を成長させる。

【0009】

別の実施形態では、炭素含有層を形成するための方法は、ＰＶＤ処理チャンバの処理領域に位置付けられた基板に不活性ガスを供給することであって、ＰＶＤ処理チャンバがグラファイト状スパッタターゲットを有している、供給することと；基板を摂氏１００度未満の温度に維持することと；スパッタリングプラズマを作り出すためにスパッタガスにエネルギーパルスを供給することであって、スパッタリングプラズマが、約１Ｗ／ｃｍ^２から約１０Ｗ／ｃｍ^２の間の平均電力及び１００μｓ未満であるパルス幅を有するエネルギーパルスによって形成さる、供給することとを含むことができる。スパッタリングプラズマは、２００ガウス以下である磁場によって制御され、基板の上にナノ結晶ダイヤモンド層を形成するためにスパッタリングプラズマがスパッタターゲットに供給される。

【0010】

本発明の上述の特徴が詳しく理解できるように、上記に簡単に要約されている本発明のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ、それら一部の実施形態は添付図面に示されている。しかしながら、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容し得ることから、添付図面は本発明の典型的な実施形態のみを例示し、したがって、発明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。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本明細書に記載される実施形態で使用可能なＰＶＤ処理チャンバの概略断面図である。

【図2】本明細書に記載される実施形態で使用可能なＣＶＤ処理チャンバの概略断面図である。

【図3】基板の上にナノ結晶ダイヤモンド層を作り出すのに適した例示的クラスタツールを図示する。

【図4A】実施形態による、内部で高電力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）処理を作り出すために処理チャンバに提供されたエネルギー供給処理シーケンスを示す。

【図4B】実施形態による、ナノ結晶ダイヤモンド層を堆積させるための方法のフロー図である。

【図5】実施形態による、中間の炭化物層を堆積させるための方法のフロー図である。

【図6】３つの異なる磁場強度に対するターゲットからの距離の関数としての浮遊電位を示すグラフである。

【図7A】パルス電圧が浮動電圧及び密度に及ぼす影響を示すグラフである。

【図7B】パルス電圧が浮動電圧及び密度に及ぼす影響を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

理解を容易にするため、可能な場合には、上記の図に共通する同一の要素を示すのに同一の参照番号を使用した。１つの実施形態で開示する要素は、具体的な記述がなくとも、他の実施形態で有益に利用できることが企図されている。

【0013】

本明細書に開示された実施形態は、概して、基板の上に形成されたナノ結晶ダイヤモンド層に関する。本明細書に記載される処理によって形成されるナノ結晶ダイヤモンド層は、概して、小さな特徴サイズを有している集積回路（ＩＣ）装置を形成するために必要とされる、より高い質量密度、より高いエッチング選択性、低い応力及び優れた熱伝導率を有している。実施形態は、以下の図を参照してより明確に説明される。

【0014】

図１は、高電力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）処理を使用して材料をスパッタ堆積するのに適した、例示的な物理的気相堆積（ＰＶＤ）処理チャンバ１００（例えば、スパッタ処理チャンバ）を示している。ナノ結晶ダイヤモンド層を形成するために適合され得る処理チャンバの１つの例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＰＶＤ処理チャンバである。他の製造業者から入手可能なものを含む他のスパッタ処理チャンバが、本発明を実施するために適合され得ることに留意されたい。

【0015】

処理チャンバ１００は、内部に画定される処理空間１１８を有するチャンバ本体１０８を含む。チャンバ本端１０８は、側壁１１０及び底部１４６を有している。チャンバ本体１０８及び処理チャンバ１００の関連部品の寸法は限定的なものではなく、一般的に、処理される基板１９０のサイズに比例して大きくなる。任意の適した基板サイズが処理され得る。適した基板サイズの例は、２００ｍｍの直径、３００ｍｍの直径、４５０ｍｍの直径又はそれより大きな直径を有する基板を含む。

【0016】

チャンバリッドアセンブリ１０４は、チャンバ本体１０８の最上部に装着される。チャンバ本体１０８は、アルミニウム又は他の適した材料から製造され得る。基板アクセスポート１３０は、チャンバ本体１０８の側壁１１０を通って形成され、基板１９０の処理チャンバ１００内外への移送を促進する。アクセスポート１３０は、移送チャンバ及び／又は基板処理システムの他のチャンバに連結され得る。

【0017】

ガス源１２８は、処理ガスを処理空間１１８内に供給するためにチャンバ本体１０８に連結される。１つの実施形態では、処理ガスは、不活性ガス、非反応性ガス、及び必要であれば反応性ガスを含み得る。ガス源１２８によって提供され得る処理ガスの例は、数ある中でも、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素ガス（Ｎ_２）、酸素ガス（Ｏ_２）、水素ガス（Ｈ_２）、フォーミングガス（Ｎ_２＋Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、メタン（ＣＨ_４）、一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は二酸化炭素（ＣＯ_２）を含むがこれらに限定されない。

【0018】

ポンピングポート１５０は、チャンバ本体１０８の底部１４６を通って形成される。ポンピング装置１５２は、内部を排気し圧力制御するために処理空間１１８に連結される。ポンピングシステム及びチャンバ冷却設計により、例えば、摂氏−２５度から摂氏＋６５０度などの熱収支ニーズに適した温度で、高いベース真空（１Ｅ−８（即ち、１ｘ１０^−８）Ｔｏｒｒ以下）及び低い立ち上がり速度（１０００ｍＴｏｒｒ／分）が可能になる。ポンピングシステムは、結晶構造（例えば、Ｓｐ３含有量）、応力制御及び調整についての重要なパラメータである処理圧力の正確な制御を提供するように設計される。処理圧力は、約１ｍＴｏｒｒから約５００ｍＴｏｒｒの間、例えば、約２ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの間などの範囲で維持され得る。

【0019】

リッドアセンブリ１０４は、概して、ターゲット１２０と、ターゲット１２０に連結された接地シールドアセンブリ１２６とを含む。ターゲット１２０は、ＰＶＤ処理中に基板１９０の表面にスパッタ及び堆積させることができる材料源を提供する。ターゲット１２０は、ＤＣスパッタリング中にプラズマ回路のカソードとして機能する。

【0020】

ターゲット１２０又はターゲットプレートは、堆積層に用いられる材料、又はチャンバの中で形成される堆積層の要素から製造され得る。電力源１３２などの高電圧電源は、ターゲット１２０からの材料のスパッタリングを促進するためにターゲット１２０に結合される。１つの実施形態では、ターゲット１２０は、グラファイト、アモルファスカーボン、それらの組み合わせなどを含む材料など、炭素含有材料から製造され得る。ターゲットはまた、グラファイト状とすることもできるだろうし、及び／又はＳｐ２タイプの炭素材料構造を含有することもできるだろう。堆積処理は、Ｓｐ２炭素材料が他の構造化されていない炭素ターゲットよりも構造的にＳｐ３に近いので、Ｓｐ３層の堆積のための堆積ターゲットを含むＳｐ２材料の使用から利益を得ることがあろう。１つの実施形態では、ターゲットは、グラファイト状ターゲットである。電源１３２、つまり電源は、パルス状に（一定の場合とは反対に）ターゲットに電力を供給することができる。要するに、電源は、幾つかのパルスをターゲットに供給することによって、電力をターゲットに供給することができる。

【0021】

ターゲット１２０は、概して、周辺部分１２４及び中央部分１１６を含む。周辺部分１２４は、チャンバの側壁１１０上に配置される。ターゲット１２０の中央部分１１６は、基板支持体１３８の上に配置された基板１９０の表面に向かってわずかに延びる湾曲面を有し得る。幾つかの実施形態では、ターゲット１２０と基板支持体１３８との間の間隔は、約５０ｍｍから約２５０ｍｍの間で維持される。ターゲット１２０の寸法、形状、材料、構成及び直径は、特定の処理条件又は基板条件で変化し得ることに留意されたい。１つの実施形態では、ターゲット１２０は、基板表面にスパッタされることが望ましい材料によって接着及び／又は製造される中央部分を有するバッキング板を更に含み得る。

【0022】

リッドアセンブリ１０４は、処理中にターゲット１２０からの有効なスパッタリング材料を強化する、ターゲット１２０の上に装着されたフルフェースエロ―ジョンマグネトロンカソード（ｆｕｌｌ ｆａｃｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｃａｔｈｏｄｅ）１０２を更に備え得る。フルフェースエロ―ジョンマグネトロンカソード１２１は、ウエハ全域にわたり一貫したターゲットエロージョン及び均一な堆積を保証しつつ、容易かつ迅速な処理制御及び調整された膜特性を可能にする。マグネトロンアセンブリの例には、処理のパルス又はＤＣプラズマ段階中に、ターゲット面に所望のエロ―ジョンパターンを形成し、望ましいシース形成を可能にするために、数ある形状の中で、直線的マグネトロン、蛇行マグネトロン、螺旋マグネトロン、ダブルディジテート（ｄｏｕｂｌｅ−ｄｉｇｉｔａｔｅｄ）マグネトロン、矩形化螺旋マグネトロンが含まれる。幾つかの構成では、マグネトロンは、上述したパターン（例えば、直線、蛇行、螺旋、ダブルディジテートなど）の１つなど、ターゲットの表面上に所望のパターンで位置付けられている永久磁石を含み得る。他の構成では、所望のパターンを有する可変磁場型マグネトロンは、交互に、又は更に永久磁石に加えて、ＨＩＰＭＳ処理の一又は複数の部分全体にわたりプラズマの形状及び／又は密度を調整するために使用され得る。

【0023】

リッドアセンブリ１０４の接地シールドアセンブリ１２６は、接地フレーム１０６及び接地シールド１１２を含む。接地シールドアセンブリ１２６はまた、他のチャンバシールド部材、ターゲットシールド部材、暗部シールド及び暗部シールドフレームを含み得る。接地シールド１１２は、接地フレーム１０６によって周辺部分１２４に連結され、処理空間１１８のターゲット１２０の中央部分の下に上部処理領域１５４を画定する。接地フレーム１０６は、接地シールド１１２をターゲット１２０から電気的に絶縁し、その一方で側壁１１０を通して処理チャンバ１００のチャンバ本体１０８への接地経路を提供する。接地シールド１１２は、上部処理領域１５４内部での処理中に生成されるプラズマを抑制し、ターゲット源材料をターゲット１２０の制限された中央部分１１６から除去し、これにより、除去されたターゲット源材料が、主にチャンバ側壁１１０ではなく基板表面に堆積可能となる。

【0024】

チャンバ本体１０８の底部１４６を通って延びるシャフト１４０は、リフト機構１４４に連結する。リフト機構１４４は、下部移送位置と上部処理位置との間で基板支持体１３８を移動させるように構成される。ベローズ１４２は、シャフト１４０に外接し、基板支持体１３８に連結され、その間にフレキシブルシールを提供し、これによりチャンバ処理空間１１８の真空統合性が維持される。

【0025】

基板支持体１３８は、静電チャックであり、電極１８０を有し得る。基板支持体１３８は、静電チャック（ＥＳＣ）の実施形態を用いる際に、絶縁導電両型基板１９０を保持するために、反対電荷の引力を使用し、ＤＣ電源１８１により電力供給される。基板支持体１３８は、誘電体本体内部に埋設された電極を含むことができる。ＤＣ電源１８１は、約２００ボルトから約２０００ボルトのＤＣチャッキング電圧を電極に供給し得る。ＤＣ電源１８１はまた、基板１９０をチャック及びデチャックするためのＤＣ電流を電極へ案内することによって電極１８０の動作を制御するためのシステムコントローラを含み得る。

【0026】

ＰＶＤ処理の温度は、堆積した膜特性が望ましくなくなる温度未満で維持され得る。例えば、温度は、摂氏約２５０度未満であり、ナノ結晶ダイヤモンド層又は中間炭化物層の堆積を補助するために摂氏約５０度のマージンを有し得る。基板支持体１３８は、装置集積化要求の熱収支により必要とされる温度範囲で作動する。例えば、基板支持体１３８は、摂氏２５度から摂氏１００度の温度範囲用の取り外し可能なＥＳＣ（ＤＴＥＳＣ）、摂氏１００度から摂氏２００度の温度範囲用のＭｉｄ−Ｔｅｍｐ ＥＳＣ（ＭＴＥＳＣ）、ウエハの迅速かつ均一な加熱を保証する、摂氏２００度から摂氏５００度の温度範囲用のＨｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ又はＨｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｂｉａｓａｂｌｅ又はＨｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｈｉｇｈ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ＥＳＣ（ＨＴＥＳＣ又はＨＴＢＥＳＣ又はＨＴＨＵＥＳＣ）であり得る。

【0027】

処理ガスが処理チャンバ１００に導入された後に、ガスにエネルギーが供給され、ＨＩＰＩＭＳ型ＰＶＤ処理が実行できるようにプラズマが形成される。ＨＩＰＩＭＳ型ＰＶＤ処理の例が、更に以下に記載される。

【0028】

シャドウフレーム１２２は、基板支持体１３８の外周領域に配置され、ターゲット１２０から基板表面の所望の位置までスパッタされる源材料の堆積を制限するように構成される。チャンバシールド１３６は、チャンバ本体１０８の内壁に配置され、基板支持体１３８周囲に配置されたシャドウフレーム１２２を支持するように構成された、処理空間１１８に対して内側に延びるリップ１５６を有し得る。基板支持体１３８が処理のために上部位置まで上昇すると、基板支持体１３８に配置された基板１９０の外側エッジがシャドウフレーム１２２によって係合され、シャドウフレーム１２２は持ち上げられ、チャンバシールド１３６から間隔を空ける。基板支持体１３８が基板移送アクセスポート１３０に隣接した移送位置まで下げられると、シャドウフレーム１２２は、チャンバシールド１３６に後退する。基板１９０を基板支持体１３８の上方に持ち上げて、移送ロボット又はその他の適切な移送機構による基板１９０へのアクセスを容易にするために、リフトピン（図示せず）が、基板支持体１３８を通って選択的に移動する。

【0029】

コントローラ１４８が、処理チャンバ１００に連結される。コントローラ１４８は、中央処理装置（ＣＰＵ）１６０、メモリ１５８、及び支持回路１６２を含む。コントローラ１４８は、処理シーケンスを制御するために用いられ、ガス源１２８から処理チャンバ１００内へのガス流の規制、及びターゲット１２０のイオン衝撃の制御が行われる。ＣＰＵ１６０は、工業環境で使用することができる汎用コンピュータプロセッサの任意の形態であり得る。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、フロッピー若しくはハードディスクドライブ、又は他の形式のデジタルストレージなどのメモリ１５８に格納することができる。支持回路１６２は、従来、ＣＰＵ１６０に接続されており、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、電源などを備え得る。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１６０によって実行されると、プロセスチャンバ１００を制御する特定目的のコンピュータ（コントローラ）１４８にＣＰＵを変換し、本発明に従って処理が実行される。ソフトウェアルーチンはまた、処理チャンバ１００から離れて配置された第２のコントローラ（図示されず）によって格納及び／又は実行されてもよい。

【0030】

処理中に、材料がターゲット１２０からスパッタされ、基板１９０の表面に堆積される。幾つかの構成では、ターゲット１２０は、ガス源１２８により供給される処理ガスから形成されるプラズマを生成及び維持するために電源１３２によって、接地又は基板支持体に対してバイアスされる。プラズマで発生したイオンは、ターゲット１２０に向かって加速され、ターゲット１２０に衝突し、ターゲット材料がターゲット１２０から除去されるようにする。除去されたターゲット材料は、基板１９０に所望の結晶構造及び／又は組成物を有する層を形成する。ＲＦ、ＤＣ又は高速スイッチングパルスＤＣ電源又はそれらの組み合わせは、ナノ結晶ダイヤモンド材料にスパッタリング組成及び堆積速度の正確な制御のための調整可能なターゲットバイアスを提供する。

【0031】

電源１３２は、ＨＩＰＩＭＳ電源である。本明細書で使用される典型的なＨＩＰＩＭＳ電源１３２は、約１０μｓから約２００μｓまでの短い持続時間にわたって約１メガボルト（ＭＶ）から約８ＭＶまでなどの高電圧で電力インパルスを供給するように構成される。ＨＩＰＩＭＳ処理の考察が、図４Ａ及び図４Ｂ並びに図７Ａ及び図７Ｂと併せて以下で更に説明される。

【0032】

幾つかの実施形態では、ナノ結晶ダイヤモンド層堆積処理の様々な段階において、バイアスを基板に別々に適用することがまた望ましい。したがって、バイアスは、源１８５（例えば、ＤＣ及び／又はＲＦ源）から基板支持体１３８のバイアス電極１８６（又はチャック電極１８０）に提供され得、よって、基板１９０は、堆積処理の一又は複数の段階において、プラズマに形成されたイオンと衝突することになる。幾つかの処理例では、バイアスは、ナノ結晶ダイヤモンド膜堆積処理が実行された後に、基板に適用される。幾つかの処理例において、バイアスは、ナノ結晶ダイヤモンド膜堆積処理中に、交互に適用される。より大きな負の基板バイアスは、プラズマ内で発生した正のイオンを基板に向かって又はその逆に駆動する傾向があり、その結果、イオンは、基板表面に衝突するときに、より大量のエネルギーを有している。

【0033】

図２は、本明細書に記載の実施形態による炭素系の層を堆積させるために使用され得る処理チャンバ２００の概略断面図である。本明細書に記載される炭素層堆積方法を実施するために適合され得る処理チャンバは、カリフォルニア州サンタクララに位置するＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）化学気相堆積チャンバである。以下に記載されるチャンバは例示的な実施形態であり、他の製造業者からのチャンバを含む他のチャンバは、本明細書に記載される本発明の特徴から逸脱することなく、本発明の実施形態と共に使用され又はそれらの実施形態に適合するように修正され得る。

【0034】

処理チャンバ２００は、中央移送チャンバに結合されロボットにより保守点検される複数の処理チャンバを含む処理システムの一部であり得る。１つの実施形態では、処理システムは、図３に記載されるクラスタツール３００である。処理チャンバ２００は、処理量２１２を画定する、壁２０６、底部２０８、及びリッド２１０を含む。壁２０６及び底部２０８は、アルミニウムの単一ブロックから製造することができる。処理チャンバ２００はまた、他のポンピング部品（図示されず）だけではなく、処理量２１２を排気口２１６に流体連結するポンピングリング２１４も含み得る。

【0035】

加熱されることがある基板支持アセンブリ２３８は、処理チャンバ２００内部の中央に配置され得る。基板支持アセンブリ２３８は、堆積処理中に基板２０３を支持する。基板支持アセンブリ２３８は、概して、アルミニウム、セラミック又はアルミニウムとセラミックの組み合わせから製造され、少なくとも１つのバイアス電極２３２を含む。バイアス電極２３２は、ｅチャック電極、ＲＦ基板バイアス電極又はそれらの組み合わせであり得る。

【0036】

真空ポートは、基板２０３と基板支持アセンブリ２３８との間に真空を適用し、堆積処理中に基板２０３を基板支持アセンブリ２３８に固定するために使用され得る。バイアス電極２３２は、例えば、基板支持アセンブリ２３８に配置される電極２３２であり、バイアス電源２３０Ａ及び２３０Ｂに連結され得、基板支持アセンブリ２３８及びその上に位置付けられた基板２０３を処理中に所定のバイアス電力レベルまでバイアスする。

【0037】

バイアス電源２３０Ａ及び２３０Ｂは、約２ＭＨｚから約６０ＭＨｚまでの周波数など、様々な周波数で、基板２０３及び基板支持アセンブリ２３８に電力を供給するように独立して構成することができる。本明細書に記載される周波数の様々な置換は、本明細書に記載の発明から逸脱せずに用いることができる。

【0038】

一般的に、基板支持アセンブリ２３８は、ステム２４２に連結される。ステム２４２は、基板支持アセンブリ２３８と処理チャンバ２００の他の構成要素との間に導線、真空及びガス供給ライン用の導管を提供する。加えて、ステム２４２は、ロボットの移送を促進するために、上昇位置（図２に示される）と下降位置（図示されず）との間で基板支持アセンブリ２３８を移動させるリフトシステム２４４に基板支持アセンブリ２３８を連結する。ベローズ２４６は、プロセス空間２１２とチャンバ２００外部の大気との間に真空シールを提供する一方で、基板支持アセンブリ２３８の移動を促進する。

【0039】

シャワーヘッド２１８は、一般的に、リッド２１０の内部側面２２０に連結され得る。処理チャンバ２００に侵入するガス（即ち、処理ガス及び／又はその他のガス）は、シャワーヘッド２１８を通過して、処理チャンバ２００内に進む。シャワーヘッド２１８は、処理チャンバ２００へのガスの均一な流れを提供するように構成され得る。基板２０３上での均一な層形成を促進するためには、均一なガス流は望ましい。遠隔プラズマ源２０５は、処理空間２１２及びガス源２０４と連結することができる。本明細書で示されるように、遠隔プラズマ発生器などの遠隔活性化源が、処理空間２１２内に続いて供給される反応性種のプラズマを発生させるために使用される。例示的な遠隔プラズマ発生器は、ＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．及びＡｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．といったベンダーから入手可能である。

【0040】

加えて、プラズマ出力源２６２は、シャワーヘッド２１８を通って、基板支持アセンブリ２３８上に配置された基板２０３に向かってガスにエネルギーを与えるために、シャワーヘッド２１８に連結され得る。プラズマ出力源２６２は、プラズマ形成のために、ＲＦ電力又はマイクロ波電力などの電力を供給し得る。

【0041】

処理チャンバ２００の機能は、計算装置２５４によって制御することができる。計算装置２５４は、様々なチャンバ及びサブプロセッサを制御するための工業的設定で使用することができる汎用コンピュータの任意の形態の１つであり得る。計算装置２５４は、コンピュータプロセッサ２５６を含む。計算装置２５４は、メモリ２５８を含む。メモリ２５８は、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ、ハードディスク、又はローカル又はリモートの任意の他の形態のデジタルストレージなどの任意の適したメモリを含み得る。計算装置２５４は、従来の方法でコンピュータプロセッサ２５６を支持するためにコンピュータプロセッサ２５６に結合することができる様々な支持回路２６０を含み得る。ソフトウェアルーチンは、必要に応じて、メモリ２５８に格納されてもよく、遠隔に配置された第２の計算装置（図示されず）によって実行されてもよい。

【0042】

計算装置２５４は、一又は複数のコンピュータ可読媒体（図示されず）を更に含み得る。コンピュータ可読媒体は、一般に、計算装置によって検索可能な情報を格納することができる、ローカル又はリモートのいずれかに位置する任意の装置を含む。本発明の実施形態で使用可能なコンピュータ可読媒体の例には、ソリッドステートメモリ、フロッピーディスク、内部又は外部ハードドライブ、及び光学メモリ（ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＲ−Ｄなど）が含まれる。１つの実施形態では、メモリ２５８は、コンピュータ可読媒体であってもよい。ソフトウェアルーチンは、計算装置によって実行されるコンピュータ可読媒体に格納されてもよい。

【0043】

ソフトウェアルーチンは、実行されると、チャンバ処理が実行されるように、汎用コンピュータをチャンバ動作を制御する特定の処理コンピュータに変換する。代替的には、ソフトウェアルーチンは、特定用途向け集積化回路又は他の種類のハードウェア実装、又はソフトウェアとハードウェアとの組み合わせとしてハードウェアで実行されてもよい。

【0044】

例示的処理チャンバ１００又は例示的処理チャンバ２００は、クラスタツールの一部であってもよい。図３は、基板の上にナノ結晶ダイヤモンド層を作り出すのに適した例示的クラスタツールを示す。クラスタツール３００は、上述の少なくとも１つの処理チャンバ１００を特徴付ける。クラスタツール３００の例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＥｎｄｕｒａ（登録商標）システムである。他で製造されたクラスタツールが、同様に使用されてもよい。

【0045】

クラスタツール３００は、クラスタツール３００への及びクラスタツール３００からの基板移送のための一又は複数のロードロックチャンバ３０６Ａ、３０６Ｂを含むことができる。典型的には、クラスタツール３００が真空下にあるので、ロードロックチャンバ３０６Ａ、３０６Ｂは、クラスタツール３００内に導入される基板を「ポンプダウン（ｐｕｍｐ ｄｏｗｎ）」し得る。第１のロボット３１０は、ロードロックチャンバ３０６Ａ、３０６Ｂと第１の組の一又は複数の基板処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８（４つが図示される）との間で基板を移送し得る。各処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８は、周期的層堆積（ＣＬＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、前洗浄、ガス抜き、配向、及び他の基板処理に加えて、本明細書に記載されるエッチング処理を含む幾つかの基板処理工程を実施するように装備することができる。

【0046】

第１のロボット３１０はまた、基板を一又は複数の中間移送チャンバ３２２、３２４に／から移送することができる。中間移送チャンバ３２２、３２４は、クラスタツール３００内部で基板を移送可能にしながら超高真空条件を維持するために使用することができる。第２のロボット３３０は、中間移送チャンバ３２２、３２４と第２の組の一又は複数の処理チャンバ３３２、３３４、３３６、３３８との間で基板を移送することができる。処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８と同様に、処理チャンバ３３２、３３４、３３６、３３８は、例えば、周期的層堆積（ＣＬＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、前洗浄、熱処理／ガス抜き、及び配向に加えて、本明細書に記載のエッチング処理を含む様々な基板処理動作を実行するように装備することができる。特定の処理がクラスタツール３００によって実行される必要がない場合、基板処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８、３３２、３３４、３３６、３３８のいずれかがクラスタツール３００から除去されてもよい。

【0047】

例示的なマルチ処理クラスタツール３００は、上述の処理チャンバ２００と同様に構成された４つまでの処理チャンバ３３２、３３４、３３６、３３８（３３４と３３６との間の第５のチャンバのオプションを含む）を含むことができる。ＰＶＤチャンバ又はＡＬＤチャンバ３１２若しくは３１４は、薄いＡＲＣ／アッシング層（例えば、ＡｌＮ又はＳｉＮ若しくはＴｉＮ）を堆積させるように構成されてもよい。

【0048】

クラスタツール３００は、以下の図４及び図５に記載される方法を実行するために使用されてもよい。幾つかの処理フローでは、基板がクラスタツール３００で更に処理される、又は更に典型的には、図３に示されるクラスタツールと同様に構成された別個のクラスタツールで処理されることが望ましいだろう。

【0049】

図４Ａは、高電力インパルススマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）処理の少なくとも一部を完了するために使用される電力供給処理シーケンスのグラフ４５０を示す。グラフ４５０は、一種のＨＩＰＩＭＳ処理を説明するものであり、例示的であるため、一般に縮尺通りに描かれていない。上述のように、典型的なＨＩＰＩＭＳ電源は、ＨＩＰＩＭＳ処理中に高密度及びエネルギーのプラズマを生成するために、短い時間にわたって高電圧で電力インパルスを供給することができる。高電圧は、約１，０００，０００Ｖから約８，０００，０００Ｖまでなどの範囲内とすることができる。電力インパルス４５２（又はエネルギーパルス）は、持続時間４５４（又はパルス幅）及びパルスサイクル時間４５６で電源１３２によって生成することができる。１つの例では、各電力インパルス４５２の持続時間４５４は、約１０μｓから約４０μｓの間であり、パルスサイクル時間４５６は２００μｓであり、これは、５０００Ｈｚのパルス繰り返し周波数、即ち、１６０μｓ−１９０μｓの連続するパルス間のインターバルに対応する。パルスサイクル時間４５６にわたって供給される電力又はエネルギーは、持続時間４５４の間に非正方形の波形（図示されず）を有してもよく、したがって、持続時間４５４にわたる平均電力は、約１０キロワット（ｋＷ）から１００ｋＷまで、例えば、１０ｋＷから４０ｋＷまでの値にあり得る。幾つかの実施形態では、ターゲットに供給される各電力インパルスは、等しい電力量及び／又は等しい持続時間を有することができる。しかし、本開示の実施形態は、それに限定されない。例えば、ターゲットに供給される各パルスは、異なる電力量及び／又は異なる持続時間を有することができる。引用された値は、単に例として理解されるべきであり、広い範囲で変化させることができる。例えば、１０μｓから１００μｓまでの範囲内のインパルス持続時間と、２００μｓから１ミリ秒（ｍｓ）までのパルス繰り返し時間で、直接動作することができる。高電力がターゲット（カソード）に印加される時間は、しばしば、電源の定格及び介在期間４５８中に電源を再充電するのにかかる時間によって制限される。一又は複数のカソードに高電力インパルスを印加することにより、スパッタされた材料は、高い量の反応性エネルギー（即ち、化学ポテンシャル）及び高度のイオン化を有するだろうことが分かった。幾つかの例では、一又は複数のカソードから出てくるスパッタされた材料のイオン化の程度は、４０％から１００％までの範囲内であり得る。幾つかの実施形態では、この高度のイオン化を使用して、より多くのスパッタリングされたイオンを浮遊する又はバイアスされた基板に引き付け、そこに高運動エネルギーで到達させることが望ましく、これにより、より高密度のコーティング、及びより迅速なコーティング処理につながる。

【0050】

ＨＩＰＩＭＳ処理の間にスパッタされた材料の大量の反応性エネルギー及び高度のイオン化を実現するために、生成されたスパッタ材料が確実にこれらの望ましい特性を有するように、様々な処理パラメータを制御する必要がある。いくつかの実施形態では、処理パラメータは、ターゲット面に隣接して位置付けられたマグネトロンの磁場強度と、持続時間４５４にわたって電力インパルス４５２内に供給される電力量との制御を含み、所望のエネルギー（例えば、電子温度Ｔ_ｅ）及びプラズマ密度（Ｎ_ｅ）を有するプラズマを生成する。パルス幅を制御することによって、Ｓｐ３含有のスパッタされた炭素材料の供給されたパルスのうちの各パルス及びディーティサイクルに供給されるエネルギーは、基板表面の層の中に形成することができることが分かった（Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ， ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ ｉｎ ｅａｃｈ ｐｕｌｓｅ ａｎｄ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ ｐｕｌｓｅｓ ｔｈａｔ ａ Ｓｐ３ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ａ ｌａｙｅｒ ｏｎ ａ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）。

【0051】

図７Ａ及び図７Ｂは、プラズマエネルギー（例えば、電子温度Ｔ_ｅ）及びプラズマ密度に対するターゲットバイアス（パルス電圧）の影響の例を示すグラフである。図７Ａは、プラズマエネルギー（例えば、電子温度Ｔ_ｅ）におけるパルス幅の関数として、ターゲットバイアス電圧（例えば、電力インパルス４５２）の影響を示す。図７Ａに示すように、電源の固定電力設定点において、プラズマエネルギーは、パルス幅が増加するにつれて、初期ピーク値からより小さい値に減少することになる。ピークプラズマエネルギーは、この例では約６．５ボルト（ｅＶ）から７ｅＶである、処理チャンバの処理空間内でプラズマを生成し維持することができる最小のパルス幅と一致する。パルス幅が増加するにつれて、固定電力供給設定点（例えば、２０ｋＷｓ）を維持しながら、電子温度又はプラズマエネルギーは、ピーク値からいくらか低い値まで低下する。ターゲットバイアスが増加するにつれて生成されるプラズマ密度の増加のために、より大きなターゲットバイアス電圧に対してプラズマエネルギーがより急速に低下することが分かるだろう。異なるターゲットバイアス電圧におけるプラズマエネルギーの低下は、プラズマ中のイオンと電子との間の衝突回数の増加に関連し、したがって、平均プラズマエネルギー（例えば、電子温度Ｔ_ｅ）を低下させると考えられる。更に、プラズマエネルギーは、スパッタされた原子が基板の表面上に着く際に含むエネルギーにも関係し、従って、ターゲットバイアスを増加させることは、プラズマの中の及び基板の表面に着くスパッタされた原子のエネルギーを低下させる傾向があることが分かるだろう。

【0052】

図７Ｂでは、プラズマ密度が、パルス幅及びターゲットバイアス電圧の関数として示されている。一般に、各ターゲットバイアス電圧でのある下限値よりも小さいパルス幅は、高密度プラズマを形成する際に効果的でなく、上限値よりも大きいパルス幅は、同一のターゲットバイアス電圧での高密度プラズマを形成する際に同様に効果的でないことが図７Ｂから分かるだろう。したがって、図７Ｂに示すように、一定のターゲットバイアスで下限値よりも大きく上限値よりも小さいパルス幅を有する電力インパルス４５２を供給することにより、プラズマ密度（Ｎ_ｅ）は、ピーク値に又はピーク値付近に維持することができる。より高いプラズマ密度は、プラズマを通過するスパッタされた原子のＨＩＰＩＭＳ堆積速度及びイオン化速度を増加させることが分かるだろう。また、プラズマ密度のピークは、バイアス電圧が増加するにつれてより短いパルス幅にシフトし、したがって、ピークプラズマ密度が、ターゲットバイアス電圧及びパルス幅の関数であることも分かるだろう。１つの例では、電力インパルス４５２の間に印加される１０００Ｖのターゲットバイアスは、約１７５μｓから約３５０μｓの間にある、６００Ｖのターゲットバイアスにおけるピークプラズマ密度（Ｎ_ｅ）とは異なる、約１２５μｓから約２２５μｓまでのパルス幅でピークプラズマ密度（Ｎ_ｅ）を有している。

【0053】

したがって、成長するスパッタ堆積膜が望ましい物理的、化学的及び構造的特性、例えば、Ｓｐ３ダイヤモンド構造などを確実に有するためには、プラズマエネルギー（図７Ａ）及びプラズマ密度（図７Ｂ）のような競合する処理状態の平衡を保ち調節することが必要である。よって、望ましいＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積速度、膜結晶構造及び膜応力を実現するために、所望量のエネルギー、高いイオン化速度及びスパッタされた原子へのイオン化度を与えることになるプラズマを形成するターゲットバイアス電圧及びパルス幅の選択を含むＨＩＰＩＭＳ処理が必要である。

【0054】

更に、ＨＩＰＩＭＳ処理で使用される短いパルス幅又は持続時間４５４のために、スパッタリングプラズマ形成の初期段階での「プレシース（ｐｒｅ−ｓｈｅａｔｈ）」の生成は、高エネルギーかつ高度にイオン化されたスパッタリング材料を形成する処理に著しい影響を及ぼすことが分かった。一般に、「プレシース」は、平衡プラズマシース領域が形成されている際に、ターゲットと基板との間の処理領域（例えば、図１の処理空間１１８）内部で、時間とともに変化する様々なサイズを有するプラズマの非平衡領域である。したがって、プラズマを形成する処理の初期段階において、処理チャンバの処理領域に配置されたスパッタリングガス（例えば、アルゴン（Ａｒ））に結合されるターゲットに供給される電力の能力は、ターゲットの表面から材料をスパッタするために使用されるイオンエネルギーに大きな影響を与える。プレシース形成処理は、電力インパルス４５２がターゲットに適用されたとき、最初の約１０μｓから４０μｓの間続くと考えられる。

【0055】

図６は、各々が異なる磁場強度を有する異なるマグネトロンのターゲットからの距離の関数として、プラズマ中に形成された浮遊電位のプロットを示す。図６に示すように、２００ガウスのマグネトロンは、ダイヤモンドで表され、第１の対応する曲線を有しており；５００ガウスのマグネトロンは、正方形で表され、第２の対応する曲線を有しており；８００ガウスのマグネトロンは、三角で表され、第３の対応する曲線を有している。これらの例は、マグネトロン構成毎に同一のターゲットバイアス電圧及び電力を用いる、５０μｓのパルス幅のＨＩＰＩＭＳ処理の使用を含む。注目すべきは、浮遊電位が、２００ガウスのマグネトロンアセンブリのターゲットと基板との間で大きく変化しないことである。５００ガウスの例では、ターゲットと基板との間の浮遊電位は、チャンバの基板端部近くでも実質的に一定であるが、ターゲットの表面付近を移動するにつれ、次第に低下する傾向にある（例えば、プラズマは、増加する負の浮遊電位を有する）。８００ガウスの例では、浮遊電位は、基板の表面からターゲットの表面に向かって移動するにつれて劇的に低下するため、ターゲットと基板との間の電位は大きく異なる。より高いマグネトロン磁場強度が、増加した磁場強度（例えば、ターゲットの表面を通過する磁力線の数）のために、バイアスされたターゲットの表面から放出された電子を捕捉するマグネトロンの能力を増大させることを当業者は理解するだろう。また、低磁場は、典型的には、スパッタリング処理中にターゲットから放出された電子を効果的に捕捉しないので、低磁場強度（例えば、＜＜２００ガウス）のマグネトロンもまた望ましくないことを当業者は理解するだろう。磁場によって捕捉捕獲された電子は、一般に、スパッタリングガス及びスパッタされた材料のイオン化を改善するために使用され、したがって、低磁場強度マグネトロンの使用は、均一で信頼できるプラズマが形成されるのを妨げる。

【0056】

２００ガウスのマグネトロンによって生成されるプロファイルなどの実質的に平坦な浮遊電位（Ｖ_ｆ）プロファイルを提供しないマグネトロンアセンブリを使用すると、図６に示す第１の対応する曲線は、プラズマからイオンを抽出する能力が低下することになると考えられる。換言すれば、マグネトロンによって生成された磁場が増大すると、ターゲット面近くのプラズマ中にイオンをトラップするマグネトロンの能力が増大し、これにより、ガスイオン及びイオン化したスパッタされた材料が、処理中に浮遊基板、接地基板又はバイアスされた基板に引きつけられるのを防止する。プラズマからイオンを抽出することができないと、基板表面に堆積層を形成するために使用されるスパッタされた材料の堆積速度及びエネルギーに影響を与える。したがって、幾つかの実施形態では、実質的に平坦な浮遊電位プロファイルを有するマグネトロンを選択することが望ましい。

【0057】

幾つかの実施形態では、成長するスパッタ堆積膜が確実に望ましい物理的、化学的及び構造的特性、例えばＳｐ３ダイヤモンド構造を有するように、プラズマエネルギー、プラズマ密度の平衡を保ち、調節し及び／又は制御すること、またマグネトロンアセンブリによって供給される望ましい磁場強度を選択することが必要である。したがって、所望のＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積速度、膜結晶構造及び膜応力を実現するために、所望の浮遊電位プロファイル（例えば、実質的に平坦なプロファイル）、及び望ましい量のエネルギー、高いイオン化速度及びスパッタされる原子へのイオン化の程度を与えることになるプラズマを形成するターゲットバイアス電圧及びパルス幅を提供するために望ましい磁場強度を有するマグネトロンアセンブリの選択を含むＨＩＰＩＭＳ処理が必要とされている。

【0058】

図４Ｂは、処理チャンバ２００などのＰＶＤ処理チャンバ内にナノ結晶ダイヤモンド層を堆積させる方法のフロー図である。上述のように、磁場強度が増大するにつれて、プラズマ形成処理のプレシース生成段階の間にプラズマからイオンを抽出する能力はより困難になる。より低いガウスレベルにより、プラズマは、プレシース形成に影響を与えないように、ターゲットに接近して生成可能となる。したがって、磁場強度を３００ガウス未満まで、例えば約２００ガウスまで、低減することにより、所望のプレシースを作り出すために、より短いパルス時間が使用され得る。それゆえ、磁場とパルス時間との間の相互作用は、堆積の質を維持しつつ室温などの低温で、ナノ結晶ダイヤモンド堆積の高い堆積速度を可能にする。

【0059】

方法４００は、一般に、実質的に炭素含有スパッタターゲットを有する処理チャンバの処理領域にスパッタガスを供給することを含む。次いで、スパッタリングプラズマを作り出すために、エネルギーパルスをスパッタガスに供給する。１つの例では、スパッタリングプラズマは、スパッタリング持続時間を有し、エネルギーパルスは１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２の平均電力を有し、パルス幅は１００μｓ未満かつ３０μｓ超であり、スパッタリングプラズマは磁場によって制御されており、磁場は３００ガウス未満である。これにより、スパッタリングプラズマを実質的に炭素含有スパッタターゲットに隣接する処理空間に形成して、スパッタされたイオン化炭素含有種を形成し、スパッタされたイオン化炭素含有種が基板上に結晶性の炭素含有層を形成する。

【0060】

方法４００は、４０２において、炭素含有スパッタターゲットを有する処理チャンバの処理空間にスパッタガスを供給することによって開始する。１つの例では、処理チャンバは、図２を参照して上述した処理チャンバ２００である。別の例では、処理チャンバは、本明細書に記載の動作を実行するように変更された処理チャンバである。処理チャンバは、グラファイト状ターゲットのような炭素含有ターゲットを有する。スパッタガスは、一般に、基板又はスパッタターゲットに対して不活性なガスである。１つの例では、スパッタリングガスはアルゴンである。

【0061】

４０４では、基板が処理空間内に位置付けられた状態で、一連のエネルギーパルスがスパッタガスに供給され、スパッタリングプラズマが生成される。スパッタリングプラズマは、図４Ａに関連して説明したエネルギー供給処理を用いて形成することができる。一般に、この処理の段階中に提供されるエネルギーパルスは、望ましいエネルギー量を与えることになるプラズマを形成するターゲットバイアス電圧及びパルス幅の選択を含み、所望のプラズマエネルギー（例えば、電子温度Ｔ_ｅ）及びプラズマ密度（Ｎ_ｅ）を実現し、スパッタされた原子に対して高いイオン化速度及びイオン化の程度を実現し、望ましいＨＩＰＩＭＳスパッタ堆積速度、膜結晶構造及び膜応力を実現する。１つの例では、スパッタリングプラズマを形成するために使用されるエネルギーパルスは各々、１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２までの平均電力を有することができる。このプロセスステップ中のマグネトロンの磁場強度はまた、このＨＩＰＩＭＳ ＰＶＤ処理で利用される短いパルス幅のために望ましいプレシースが形成され、プラズマからの望ましいイオン抽出量が基板表面に生成されることを確実にするために選択されたことに留意すべきである。マグネトロンの磁場は、３００ガウス未満、例えば、約２００ガウスであり得る。

【0062】

理論に拘束されるつもりはないが、安定したプレシースの生成は、ナノ結晶ダイヤモンドの低温堆積に有益であると考えられている。プラズマ形成処理の間、最初は電場がかなり高い。プラズマ形成の開始時には、プラズマ自体が比較的大きな空間を占めてしまう。そしてシースは、処理チャンバの処理空間に流入する電流すべてを収容するに至るまで、収縮し高密度化される。プレシースは、ターゲットの周りの正に帯電した粒子の収縮及び高密度化の直前に形成される。プレシースは、スパッタされたターゲットのエネルギー、イオン化率、及びスパッタ率の動力学に影響を及ぼす。従来のＨＩＰＩＭＳ技術は、標準ＰＶＤ堆積よりも多少低い堆積速度を提供する。処理空間へのエネルギー供給処理（図４Ａ）を制御することによって、初期段階で形成され、本明細書に記載のＨＩＰＩＭＳ ＰＶＤプロセスの電力供給部分の大部分の間に維持される、形成されたプリシースが、ＨＩＰＩＭＳ ＰＶＤ処理が高い堆積速度を有し、スパッタされた原子に十分なエネルギーを供給してＳｐ３炭素層を基板上に形成可能にする所望の特性を包含するように、所望のプラズマエネルギー（Ｔ_ｅ）及びプラズマ密度（Ｎ_ｅ）がプラズマに与えられることが分かった。

【0063】

いったんプラズマが形成されると、４０６で、スパッタリングプラズマは、スパッタターゲットに供給されて、イオン化種が形成され、このイオン化種は、基板上に結晶性の炭素含有層を形成する。スパッタリング電力、デューティサイクル及び磁場は、上述のように、基板上のＳｐ２堆積の上に増加した割合のＳｐ３を実現する。

【0064】

図５は、本明細書に記載の実施形態による、中間炭化物層を形成するための方法のフロー図である。炭化物層は、ダイヤモンドのような炭素層とは異なるナノ結晶ダイヤモンド層の成長に有益であると考えられる。別の実施形態では、上記のＨＩＰＩＭＳ ＰＶＤ方法は、一又は複数の中間層を形成するために使用されてもよい。いったん中間層が形成されると、ナノ結晶ダイヤモンド層は、ＣＶＤ方法などの二次成長方法を使用して成長し得る。方法５００は、５０２において、炭素含有スパッタターゲット及びスパッタガスを有する第１のＨＩＰＩＭＳ ＰＶＤ処理チャンバ（例えば、処理チャンバ１００）内に基板を配置することと；エネルギー供給処理（例えば、図４Ａに示される）を用いて第１のプラズマを形成するために、一連のエネルギーパルスをスパッタガスに供給することとを含む。５０４では、第１のプラズマが磁場によって制御される。これにより、５０６で、第１のプラズマがスパッタターゲットに供給され、イオン化種が形成され、この結果、イオン化種は、基板上で中間炭化物層を形成する。次いで、５０８で、基板が第２の処理チャンバに移送される。第２の処理チャンバでは、核形成ガスの存在下でプラズマが形成され、活性化核形成ガスが形成され、核形成ガスは、炭素含有源を含んでいる。次いで、５１０では、核形成ガスが活性化され、基板上に核形成層が形成される。次いで、５１２では、堆積ガスが活性化され、活性化堆積ガスが形成される。次いで、５１４では、活性化堆積ガスが基板に供給され、活性化堆積ガスが、基板上にナノ結晶ダイヤモンド層を形成する。

【0065】

方法５００は、５０２において、炭素含有スパッタターゲット及びスパッタガスを有する第１の処理チャンバに基板を位置付けることによって開始する。基板は、結晶シリコン基板などの任意の組成物とすることができる。基板はまた、基板の表面に形成されるビア又は相互結合などの一又は複数の特徴を含むことができる。基板は、基板支持体上で支持することができる。１つの実施形態では、本実施形態で使用されるスパッタターゲット及びスパッタガスは、図４Ａ及び図４Ｂと関連して先ほど記載されたものと同一である。

【0066】

本明細書で使用される「基板表面」は、膜処理が実行されると基板上に形成される任意の基板又は材料の表面を指す。例えば、処理が実行できる基板表面は、用途次第で、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたケイ素、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、ガラス、サファイア、並びに金属、窒化金属、金属合金及び他の導電性材料などの他の任意の材料などの材料を含む。基板表面はまた、二酸化ケイ素及び炭素がドープされた酸化ケイ素などの誘電体材料を含み得る。基板は、長方形又は正方形のペインだけではなく、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ又は他の直径のウエハなど、様々な直径を有し得る。

【0067】

次いで、要素５０４で、第１のプラズマを形成するために、エネルギーパルスをスパッタガスに供給することができる。１つの実施形態では、エネルギーパルスは、上記のような高電力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）インパルスである。ＨＩＰＩＭＳ処理のパルス電力、パルス時間、平均電力、磁場強度及び他のパラメータは、図４及び図４Ｂに関連して記載されたものと同一であり得る。

【0068】

上述のように、ＨＩＰＩＭＳ ＰＶＤ処理は、１０％未満の低デューティサイクル（オン／オフ時間比）で数十マイクロ秒の短いパルス（インパルス）でほぼｋＷ・ｃｍ^−２程度の高電力密度を利用する。ＨＩＰＩＭＳの際立つ特徴は、スパッタされた材料の高度なイオン化及び高速の分子ガス解離であり、それらは、高密度の堆積膜を生じさせる。イオン化および解離度は、ピークカソード電力に応じて増加する。磁場強度は、ターゲットと基板との間の低い電位差、例えば、３００ガウス未満（例えば約２００ガウス）などを維持しながら短いパルスが使用され得るように選択される。

【0069】

一又は複数の実施形態では、ターゲットに提供される各パルスは、少なくとも１キロワットの平均電力を有することができる。幾つかの実施形態では、ターゲットに提供される各パルスは、少なくとも１メガワットの電力を有することができる。例えば、各パルスは、およそ１−３メガワットの電力を有することができる。加えて、一又は複数の実施形態では、ターゲットに提供された各パルスは、およそ１マイクロ秒から３００マイクロ秒、例えば１０マイクロ秒から１００マイクロ秒までなどの持続時間を有することができる。幾つかの実施形態では、ターゲットに提供された各パルスは、およそ１マイクロ秒から２００マイクロ秒の持続時間、又はおよそ１００マイクロ秒から２００マイクロ秒の持続時間を有することができる。例えば、各パルスは、およそ５０マイクロ秒の持続時間を有することができる。更に、一又は複数の実施形態では、ターゲットに提供された各パルスは、およそ１００ミリ秒の持続時間によって分離することができる。即ち、ターゲットに提供された各パルスの間は１００ミリ秒とすることができる。しかしながら、本開示の実施形態は、特定の持続時間に限定されない。

【0070】

スパッタプラズマは、次に、要素５０６において、イオン化種を形成するためにスパッタターゲットに供給することができ、そのイオン化種は、基板上に中間炭化物層を形成する。スパッタターゲットは、グラファイトターゲットなどの炭素含有ターゲットとすることができる。ターゲット蒸気の電離度は、パルス幅及び磁場強度だけではなく、放電のピーク電流密度の関数である。１つの実施形態では、エネルギーパルスは、１Ｗ／ｃｍ^２から１０Ｗ／ｃｍ^２までの電力、１０％未満のデューティサイクル、及び約１０マイクロ秒から１００マイクロ秒までのパルス長を有することができる。

【0071】

イオン化種は、基板に達し、基板の上に中間炭化物層を形成する。中間炭化物層は、更なる堆積のためのシード層として作用する。

【0072】

基板は、５０８において、第２の処理チャンバに移送することができる。一又は複数の実施形態で使用される処理チャンバは、前述の処理チャンバ１００又は他の製造業者からのチャンバなどの遠隔プラズマ源を有する任意のＣＶＤ処理チャンバとすることができる。以下に記載される流量及び他の処理パラメータは、３００ｍｍの基板に対するものである。これらのパラメータは、本明細書で開示される発明から逸脱せずに処理される基板のサイズ及び使用されるチャンバの種類に基づき調節することができると理解すべきである。

【0073】

オプションで、基板は、次にバイアスすることができる。バイアスは、バイアス強化された核形成処理の一部であり得る。バイアス強化された核形成の場合、基板は、負のバイアスとすることができる。１つの例では、基板は、バイアス事前処理でバイアスされる。バイアスは、約１００ミリアンペアから約２００ミリアンペアまでの電流を有することができる。バイアスは、約１５０ボルトから約２５０ボルトまでの電圧を有することができる。

【0074】

次いで、プラズマは、要素５１０において、活性化堆積ガスを形成するために堆積ガスの存在下で形成することができる。プラズマは、堆積ガス又は二次ガス、例えば不活性ガスなど、から形成することができる。プラズマは、局部的に又は遠隔でのどちらかで形成することができる。堆積ガスは、電源を使用してプラズマを形成することによって活性化することができる。ガスを反応性核種に活性化させ、反応性核種のプラズマを維持することができる任意の電源が使用されてもよい。例えば、高周波（ＲＦ）、直流（ＤＣ）、又はマイクロ波（ＭＷ）ベースの電力放電技法が使用されてもよい。堆積ガスは、炭素含有源、水素含有源、不活性ガス又はそれらの組み合わせを含むことができる。

【0075】

炭素含有前駆体は、アルカン前駆体、アルケン前駆体、又はアルキン前駆体とすることができる。アルカン前駆体は、飽和非分枝炭化水素、例えば、メタン、エタン、プロパン、及びそれらの組み合わせなど、とすることができる。他のアルカン前駆体は、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｎ−オクタン、及びそれらの組み合わせを含む。水素含有ガスは、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_３又は他の水素含有分子を含むことができる。堆積ガスは、不活性ガスを更に含むことができる。不活性ガスは、アルゴンなどの希ガスとすることができる。

【0076】

活性化堆積ガスは、次いで、要素５１２において、基板に供給することができ、活性化堆積ガスは、核形成層の上にナノ結晶ダイヤモンド層を成長させる。先に形成された活性化された堆積ガスからのラジカルは、基板表面に衝突してナノ結晶ダイヤモンド層を形成する。本明細書で使用する基板表面は、中間炭化物層などの基板表面上に形成された任意の層を含み得る。

【0077】

上記方法は、ナノ結晶ダイヤモンド層の成長のための少なくとも中間炭化物層の形成を教示する。均一な中間炭化物層を堆積させることによって、ナノ結晶ダイヤモンドは、共形的にかつ粗さが低減された状態で堆積させることができる。

【0078】

上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の更なる実施形態を考案することもでき、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】