KR20080056767A - 시트 플라즈마 성막장치 - Google Patents

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KR20080056767A
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마사오 마루나카
타카유키 츠치야
아츠히로 테라쿠라
키요시 타케우치
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신메이와 인더스트리즈,리미티드
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Abstract

본 발명의 시트 플라즈마(sheet plasma) 성막장치(100)는, 소스 플라즈마(source plasma)(22)를 수송방향을 향하여 방출 가능한 플라즈마 건(plasma gun)(40)과, 수송방향으로 연장된 수송공간(21)을 가지는 시트 플라즈마 변형실(20)과, 서로 동극(同極)끼리를 마주보게 하고, 수송공간(21)을 사이에 두도록 배치되는 제1 자계발생수단의 쌍(24A),(24B)과, 수송공간(21)에 연통한 성막공간(31)을 가지는 성막실(30)과, 서로 이극(異極)끼리를 마주보게 하고, 상기 성막공간을 사이에 두도록 배치되는 제2 자계발생수단의 쌍(32),(33)을 구비하고, 소스 플라즈마(22)는, 수송공간(21)을 이동하는 동안에 상기 제1 자계발생수단의 쌍(24A),(24B)의 자계에 의해 중심을 포함하는 주면(S)을 따라 시트형으로 넓어지고, 시트형 플라즈마(27)가 성막공간(31)을 이동하는 동안에 상기 제2 자계발생수단의 쌍(32),(33)의 자계에 의해 주면(S)으로부터 볼록형으로 변형되는 장치이다.
시트 플라즈마 성막장치, 플라즈마 건, 시트 플라즈마 변형실, 제1 자계발생수단의 쌍, 성막실, 제2 자계발생수단의 쌍

Description

시트 플라즈마 성막장치{SHEET PLASMA FILM-FORMING APPARATUS}
본 발명은, 시트 플라즈마 성막장치(sheet plasma film-forming apparatus)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시트(sheet)형 플라즈마 내의 하전(荷電)입자의 타깃(target) 충돌에 의한 진공 스퍼터링(sputtering) 기술의 개량에 관한 것이다.
원주(圓柱)형 플라즈마를, 동극(예를 들면 N극)끼리를 서로 대향시켜서 강력한 반발자계를 발생하게 하는 영구자석의 쌍에 끼워 넣어, 이에 의해 균일하고도 고밀도한 시트형 플라즈마를 형성할 수 있음이 알려져 있다(특허문헌1 참조).
또 이와 같은 시트형 플라즈마를 타깃과 기판 사이의 성막공간으로 인도하고, 이에 의해 시트형 플라즈마 내의 하전입자(양(+) 이온)를 이용한 스퍼터링에 의해 타깃 재료(스퍼터 입자)를 내쫓은 후에, 해당 스퍼터 입자를 시트형 플라즈마에 통과시켜 전리시키고 기판 표면에 비산(飛散), 퇴적시키는 스퍼터링 기술이 이미 개발되어 있다(특허문헌2 참조).
특허문헌1: 일본 특공평 4-23400호 공보
특허문헌2: 일본 특개 2005-179767호 공보
본건 발명자 등은, 반도체 디바이스의 미세화나 고속화에 대응하여 상기 시트형 플라즈마 기술을 응용함으로써 기존 기술로는 도달 곤란하였던 고품질 금속(예를 들면 구리)의 배선막을 기판 상의 배선홈에 형성하는 진공성막기술의 개발에 몰두하고 있다.
이와 같은 개발 과정에 있어서, 시트형 플라즈마를, 진공성막실 안(內)을 건너가도록 이동시키는 동안에 그 이동경로로서 예를 들면 상기 특허문헌2에 기재된 시트 플라즈마 기술을 그대로 적용한 것에서는 성막입자(예를 들면 구리(Cu) 스퍼터 입자)에 의한 기판 상의 배선홈의 입구가 폐쇄된다는 문제가 현재화(顯在化)하였다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로서, 시트형 플라즈마 기술의 채용에 즈음하여 기판 상의 배선홈에 형성한 배선막의 막 특성을 개선 가능한 시트 플라즈마 성막장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그런데 본건 발명자 등에 의한 예의 검토의 결과, 시트형 플라즈마를 자계에 의해 볼록(凸)형으로 변형시킴으로써 상기 과제에 적절하게 대처 가능하다는 식견이 얻어졌다.
예를 들면 미세한 배선 패턴(pattern)의 각 배선홈으로의 스퍼터링에 의한 구리배선 형성을 상정(想定)한 경우, 시트형 플라즈마를 그 주면(主面)으로부터 만곡시킴으로써 시트형 플라즈마 내의 하전입자(양(+) 이온)에 의해 내쫓긴 구리(Cu) 입자는, 상기 특허문헌2에 기재된 시트형 플라즈마 기술에 비하여, 구리(Cu) 입자에 의한 배선홈의 입구 폐쇄를 개선하면서 구리(Cu) 입자의 배선홈 내부로의 적정한 매립을 도모할 수 있도록, 바람직한 방향으로 모여서 배선홈에 도달하는 것을 알게 되었다.
따라서 본 발명에 관한 시트 플라즈마 성막장치는, 플라즈마 수송방향의 중심에 대하여 대략 등밀도 분포하는 소스 플라즈마(source plasma)를 방전에 의해 형성하여, 상기 소스 플라즈마를 상기 수송방향을 향하여 방출 가능한 플라즈마 건(plasma gun)과, 상기 수송방향으로 연장한 수송공간을 가지는 시트 플라즈마 변형실과, 서로 동극(同極)끼리를 마주보게 하여, 상기 수송공간을 사이에 두도록 배치되는 제1 자계발생수단의 쌍과, 상기 수송공간에 연통한 성막공간을 가지는 성막실과, 서로 이극(異極)끼리를 마주보게 하여, 상기 성막공간을 사이에 두도록 배치되는 제2 자계발생수단의 쌍을 구비하여 구성되고, 상기 소스 플라즈마는 상기 수송공간을 이동하는 동안에 상기 제1 자계발생수단의 쌍의 자계에 의해 상기 중심을 포함하는 주면을 따라 시트형으로 넓어지고, 상기 시트형 플라즈마는 상기 성막공간을 이동하는 동안에 상기 제2 자계발생수단의 쌍의 자계에 의해 상기 주면으로부터 볼록형으로 변형되는 장치이다.
이와 같은 시트 플라즈마 성막장치의 구성에 따르면, 시트 플라즈마를 그 주면으로부터 자계에 따라 볼록형으로 변형시킴으로써 장치의 성막특성의 개선을 도모할 수 있다. 예를 들면, 배선홈으로의 스퍼터링에 의한 스퍼터 입자의 퇴적 시에 스퍼터 입자의 지향성을 개선하여, 기판의 배선홈에의 스퍼터 입자의 적정한 매립효과나 스퍼터 입자에 의한 배선홈 폐쇄의 개선효과가 발휘된다.
또 여기서, 상기 제2 자계발생수단의 쌍은 1쌍의 전자코일(電磁 coil)이고, 상기 전자코일의 코일면의 법선이 상기 주면에 대하여 경사져서 구성되어도 좋다.
이와 같이 하여, 전자코일의 자계에 따라 시트 플라즈마를 적절히 그 주면으로부터 볼록형으로 변형시킬 수 있다.
여기서, 타깃을 장착하는 타깃 홀더(target holder)와, 상기 시트 플라즈마 내의 하전입자에 의해 내쫓긴 상기 타깃의 재료를 퇴적하는 기판을 장착하는 기판 홀더를 구비하고, 상기 타깃 및 상기 기판은, 상기 시트형 플라즈마의 두께방향으로 간격을 두고, 또한 상기 시트형 플라즈마를 사이에 두도록 하여, 상기 성막공간 내에 서로 대향하여 배치되며, 상기 시트형 플라즈마는 상기 주면으로부터 타깃을 향하도록 상기 시트형 플라즈마의 두께방향으로 돌출한 만곡부를 가져도 좋다.
시트 플라즈마를 자계에 따라 만곡시키면 상기 스퍼터 입자의 배선홈으로의 적정한 매립효과와 배선홈 폐쇄 개선효과가 기대된다.
또 상기 시트형 플라즈마를 대략 일정한 곡률반경으로 만곡시켜도 좋다. 그리고 이 경우, 상기 전자코일 각각의 코일면의 법선이 상기 타깃 측으로 경사지도록 상기 주면과 소정 경사각을 이루어도 좋다.
또 상기 시트형 플라즈마의 만곡부는, 상기 주면으로부터 최대로 변형된 정상부를 가지고, 상기 타깃의 표면이 상기 정상부에 위치하는 시트형 플라즈마 내의 하전입자에 맞히지 않도록 상기 경사각의 상한이 설정되어도 좋다.
이와 같은 구성에 따르면, 시트 플라즈마와 타깃의 접촉(회로적으로 도통상태)을 미연에 회피하여 타깃에 적절하게 바이어스(bias) 전압(마이너스(-) 전압)을 인가할 수 있어 알맞다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은, 첨부도면 참조 하에, 이하의 바람직한 실시태양의 상세한 설명으로부터 명확해진다.
본 발명에 따르면, 기판 상의 배선홈에 형성한 배선막의 막 특성을 개선 가능한 시트 플라즈마 성막장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 시트 플라즈마 성막장치의 구성 예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 시트 플라즈마 형성법의 개략을 설명하는 모식도이다.
도 3a 및 도 3b는 시트 플라즈마를 만곡시킨 경우와, 그렇게 하지 않은 경우에 있어서, 시트 플라즈마의 하전입자에 의한 스퍼터링 타깃 재료의 비산(飛散)상황을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 시트 플라즈마를 만곡시킨 경우와, 그렇게 하지 않은 경우에 있어서, 기판 상의 배선홈에의 구리(Cu)입자 퇴적 실험 결과의 단면사진을 모사한 도면이다.
**** 부호의 설명 ****
11: 플랜지(flange)
12: 제1 전자코일
20: 시트 플라즈마 변형실
21: 수송공간
22: 원주(圓柱) 플라즈마
23: 제2 전자코일
24A, 24B: 봉(棒)자석
25, 36: 진공펌프(pump)
26, 37: 밸브(valve)
27: 시트 플라즈마
27A: 만곡부
27B: 정점부
28: 병목(bottle neck)부
29: 통로
30: 진공성막실
31: 성막공간
32: 제3 전자코일
33: 제4 전자코일
32A, 33A: 코일면
32B,33B: 법선
34A: 기판 홀더
34B: 기판
35A: 타깃 홀더
35B: 타깃
38: 영구자석
40: 플라즈마 건(plasma gun)
50: 배선홈
51: 구리(Cu) 퇴적막
52: 빈구멍
100: 시트 플라즈마 성막장치
A: 애노드(anode)
K: 캐소드(cathode)
P: 수송중심
S: 주면
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 시트 플라즈마 성막장치의 구성 예를 나타내는 개략도이다.
이하, 도 1을 참조하면서 본 실시형태의 시트 플라즈마 성막장치에 관하여 설명한다.
또 여기서는 편의상, 도 1에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 수송의 방향을 Z 방향으로 정하고, 이 Z방향에 직교하고 또 봉자석(24A),(24B)(후술함)의 자화방향을 Y방향으로 정하고, 이들 Z방향 및 Y방향의 양측에 직교하는 방향을 X방향으로 정하여 이 시트 플라즈마 성막장치의 구성을 기술한다.
본 실시형태의 시트 플라즈마 성막장치(100)는, 도 1에 도시한 바와 같이, YZ평면에 있어서 대략 십자형을 이루고 있고, 플라즈마 수송의 방향(Z방향)에서 보아서 차례로, 플라즈마를 고밀도로 생성하는 플라즈마 건(40)과, Z방향 축을 중심으로 한 원통(圓筒)형 비자성(예를 들어 스테인리스(stainless)제나 글라스(glass)제) 시트 플라즈마 변형실(20)과, Y방향 축을 중심으로 한 원통형 비자성(예를 들어 스테인리스제) 진공성막실(30)을 구비하고 있다. 또 이들 각 부분(40),(20),(30)은 플라즈마를 수송하는 통로를 통하여 서로 기밀상태를 유지하면서 연통되어 있다.
플라즈마 건(40)은, 감압 가능한 방전공간(미도시)을 가지고, 이 플라즈마 건(40)의 Z방향의 일 단부는, 이 방전공간을 막도록 플랜지(11)(캐소드 마운트(cathode mount))가 배치되어 있다. 이 플랜지(11)에는, 플라즈마 방전 유발용 열전자(熱電子)를 방출하는 캐소드(K)가 배치되어 있음과 동시에 이러한 방전에 의해 전리되는 방전가스로서의 아르곤(Ar) 가스를 이 방전공간으로 인도하는 가스도입수단(미도시)이 설치되어 있다.
또 플라즈마 건(40)의 방전공간의 적소(適所)에는, 캐소드(K)와의 사이에서 플라즈마 방전(글로우(glow) 방전)을 유지하기 위하여, 직류전원(V1)과 적절한 저 항(Rv),(R1),(R2)의 조합에 의해 소정의 플라즈마 전압을 인가받는 1쌍의 그리드(grid)전극(G1),(G2)(중간전극)이 배치되어 있다. 또 상기 캐소드(K)가 저항(Rv)을 통하여 전원(V1)의 음극단자에 접속되고, 후술하는 애노드(A)가 전원(V1)의 양극단자에 접속되어 있다. 또 그리드전극(G1)은, 저항(R1)을 통하여 전원(V1)의 양극단자에 접속되어 있고, 그리드전극(G2)은, 저항(R2)을 통하여 전원(V1)의 양극단자에 접속되어 있다.
그리고 상기 플라즈마 방전에 의해, 플라즈마 건(40)의 방전공간에는 하전입자(여기서는 아르곤(Ar+)과 전자)의 집합체로서의 플라즈마가 형성된다.
또 여기서는 전원(V1)에 기초한 저전압 그리고 대전류의 직류 아크(arc)방전에 의해 캐소드(K)와 애노드(A)(후술함) 사이에 고밀도 플라즈마 방전을 가능하게 하는, 공지된 압력구배형 플라즈마 건(40)이 채용되어 있다.
플라즈마 건(40)의 주위에는, 이 플라즈마 건(40)의 측면 주위를 둘러싸도록 원형의 제1 전자코일(12)(공심(空心)코일)이 배치되고, 이 제1 전자코일(12)의 권선에 전류를 흘림으로써 플라즈마 건(40)의 방전공간에는 코일자계에 따르는 자속밀도의 Z방향 구배가 형성된다. 이와 같은 자속밀도의 Z방향 구배에 의해 플라즈마를 구성하는 하전입자는, 이 방전공간으로부터 Z방향(애노드(A)를 향하는 방향)으로 운동하도록 자력선의 주위를 선회하면서 Z방향으로 나아가고, 이들 하전입자의 집합체로서의 플라즈마가, Z방향 수송중심(P)(도 2 참조)에 대하여 대략 등밀도 분 포하여 이루어지는 원주(圓柱)형 소스(source) 플라즈마(이하, 「원주 플라즈마(22)」라고 한다)로서, 플라즈마 건(40)의 Z방향 타단부와 시트 플라즈마 변형실(20)의 Z방향 일 단부 사이에 개재하는 통로(미도시)를 통하여 시트 플라즈마 변형실(20)로 인출된다.
시트 플라즈마 변형실(20)은, Z방향 축을 중심으로 한 원주형의 감압 가능한 수송공간(21)을 가지고, 이 수송공간(21)은, 밸브(26)에 의해 개폐 가능한 배기구로부터 진공펌프(25)(예를 들면 터보펌프(turbo pump))에 의해 진공 흡입되고, 이에 따라 해당 수송공간(21)은 원주 플라즈마(22)를 수송 가능한 수준의 진공도까지 빠르게 감압된다.
시트 플라즈마 변형실(20)의 측면 주위에는, 이 시트 플라즈마 변형실(20)을 둘러싸고, 원주 플라즈마(22)의 Z방향 추진력을 발생하는 원형의 제2 전자코일(23)(공심코일)이 배치되어 있다. 또 제2 전자코일(23)의 권선에는, 캐소드(K) 측을 S극, 애노드(A) 측을 N극으로 하는 방향의 전류가 통전되어 있다.
또 이 제2 전자코일(23)의 Z방향 전방측(애노드(A)에 가까운 쪽)에는, 이 시트 플라즈마 변형실(20)(수송공간(21))을 사이에 두고, 동극(여기서는 N극)이 서로 대향하도록 하여 Y방향으로 자화되고, 또 X방향으로 연장하는 1쌍의 각형(角形) 봉자석(24A),(24B)(영구자석; 제1 자계발생수단의 쌍)이 Y방향으로 소정 간격을 두고 배치되어 있다.
상기 제2 전자코일(23)의 권선에 전류를 흘림으로써 시트 플라즈마 변형실(20)의 수송공간(21)에 형성되는 코일자계와, 봉자석(24A),(24B)에 의해 이 수송 공간(21)에 형성되는 자석자계의 상호작용에 따라, 시트 플라즈마 변형실(20)의 수송공간(21)을 원주형 플라즈마(22)가 Z방향으로 이동하는 동안에, 이 원주 플라즈마(22)는 그 수송방향(Z방향) 수송중심(P)을 포함하는 XZ평면(이하, 「주면(S)」이라고 한다)을 따라 넓어지는, 균일한 시트형 플라즈마(이하, 「시트 플라즈마(27)」라고 한다)로 변형된다.
이하, 제2 코일(23) 및 1쌍의 봉자석(24A),(24B)에 의한 자계 상호작용에 기초하여, 원주 플라즈마(22)에서 시트 플라즈마(27)로 변형시키는 방법에 관하여, 도 2를 참조하면서 기술한다.
도 2a 및 2b는, 시트 플라즈마 형성법의 개략을 설명하는 모식도로서, 도 2a는 봉자석의 Z방향 대략 중앙 근처의 XY평면에 평행한 단면의 모식도이고, 도 2b는 봉자석의 X방향 대략 중앙 근처의 YZ평면에 평행한 단면의 모식도이다.
또 도 2a 및 2b 내의 부호 Bx, By 및 Bz는 각각 도 1 내의 X방향, Y방향 및 Z방향의 자속밀도 벡터(vector) 성분을 표시하고 있다.
도 2b로부터 이해되는 바와 같이, 제2 전자코일(23)의 자계에 의해 봉자석(24A),(24b)에 도달하기 전의 원주 플라즈마(22)의 Z방향으로 작용하는 초기 자속밀도성분(Bz0)이 형성되어 있다. 이때, 초기 자속밀도성분(Bz0)과, 1쌍의 봉자석(24A),(24B)이 만드는 Z방향 자속밀도성분(Bz) 사이의 대소관계를 적정하게 유지하도록 제2 전자코일(23)의 배치나 제2 전자코일(23)의 권선에 흐르는 전류량을 설정할 필요가 있다. 양자 간의 적정한 관계를 유지하지 못하면 원주 플라즈마(22)를 시트 플라즈마(27)로 변형시킬 때의, 플라즈마 형태가 흐트려져(예를 들면, 소위 모서리의 발생), 주면(S)을 따라 원주 플라즈마(22)를 균일하게 넓히기 어려운 것으로 생각되고 있다.
다음으로, 도 2a에서 이해되는 바와 같이, XY 평면 상에는, 1쌍의 봉자석(24A),(24B)의 N극면에서부터 서로 수송중심(P)으로 근접하는, 자속밀도의 Y방향 성분(By)의 쌍이 형성됨과 동시에, 이들 봉자석(24A),(24B)의 N극면과 평행하게 수송중심(P)에서부터 서로 멀어지는, 자속밀도의 X방향 성분(Bx)의 쌍이 형성되어 있다.
자속밀도의 Y방향 성분(By)의 쌍에 관해서는, 봉자석(24A),(24B)의 N극면을 서로 대향 배치시키고 있기 때문에 이것들의 N극면에서부터 수송중심(P)으로 근접함에 따라 그 Y방향 성분으로 서로 상쇄되고, 이들의 자속밀도의 Y성분에 적절한 마이너스 구배를 갖게 할 수 있다.
이와 같은 자속밀도의 Y방향 성분(By)의 구배는, 도 2a의 화살표로 나타내는 바와 같이, 수송중심(P)을 향하여 Y방향으로 원주 플라즈마(22)를 압축하는 방향으로 하전입자를 운동시키고, 이에 따라 원주 플라즈마(22) 내의 하전입자는 자력선 주위를 선회하면서 수송중심(P)의 방향으로 나아간다.
한편 자속밀도의 X방향 성분(Bx)의 쌍에 대해서는, 봉자석(24A),(24B)의 배치나 그 자장강도의 적절한 설계에 따라, 수송중심(P)에서부터 X방향으로 멀어짐에 따라, 이것들의 자속밀도의 X성분에 적절한 마이너스 구배를 갖게 하도록 조절할 수 있다.
이와 같은 자속밀도의 X방향 성분(Bx)의 구배는, 도 2a의 화살표로 나타내는 바와 같이, 원주 플라즈마(22)를 주면(S)(XZ평면)을 따라 넓어지는 방향으로 하전입자를 운동시키고, 이에 따라 원주 플라즈마(22) 내의 하전입자는 자력선 주위를 선회하면서 수송중심(P)으로부터 멀어지는 방향으로 나아간다.
이렇게 하여, 원주 플라즈마(22)는, 시트 플라즈마 변형실(20)을 Z방향을 이동하는 동안에, 제2 전자코일(23) 및 봉자석(24A),(24B)에 의한 자계 상호작용에 의하여, 주면(S)에 따른 시트 플라즈마(27)로 균일하게 변형된다. 또 시트 플라즈마(27)의 폭, 두께 및 하전입자 밀도분포 등은, 이것들의 자속밀도(Bx),(By),(Bz0)를 적절하게 변경함으로써 조정 가능하다.
이와 같이 하여 변형된 시트 플라즈마(27)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 시트 플라즈마 변형실(20)의 Z방향 타단부와, 진공성막실(30)의 측벽 사이에 개재하는, 시트 플라즈마(27) 통과용 슬릿(slit)형 병목부(28)를 통하여 진공성막실(30)로 인출된다. 또 병목부(28)의 간격(Y방향 치수) 및 두께(Z방향 치수) 및 폭(X방향 치수)은 시트 플라즈마(27)가 적절하게 통과하도록 설계되어 있다.
또 여기서 진공성막실(30)로는, 예를 들면, 시트 플라즈마(27) 내의 아르곤(Ar+)의 충돌에너지에 의해 타깃(35B)의 구리(Cu)재료를 스퍼터 입자로서 내쫓는 진공 스퍼터링 장치가 채용되어 있다.
진공성막실(30)은, Y방향 축을 중심으로 한 원주형의 감압 가능한 스퍼터링 프로세스(process)용 성막공간(31)을 가지고, 이 성막공간(31)은 밸브(37)에 의해 개폐 가능한 배기구로부터 진공펌프(36)(예를 들면 터보펌프)에 의해 진공 흡입되고, 이에 따라 해당 성막공간(31)은 스퍼터링 프로세스 가능한 수준의 진공도까지 빠르게 감압된다.
여기서 성막공간(31)은, 그 기능상, 상하방향(Y방향)에 있어서, 병목부(28)의 간격에 대응하는 수평면(XZ평면)에 따른 중앙공간을 경계로 하여, 판(板)형의 구리(銅)제 타깃(35B)을 격납하는 둘레부에 의해 구획된 타깃 공간과, 판형 기판(34B)을 격납하는 둘레부에 의해 구획된 기판공간으로 구분하여 이해될 수 있다.
요컨대, 타깃(35B)은, 타깃 홀더(35A)에 장착된 상태에서, 중앙공간의 상측에 위치하는 타깃 공간 내에 격납되고, 적절한 액추에이터(actuator)(미도시)에 의해 타깃 공간 안을 상하(Y방향)로 이동 가능하게 구성되어 있다. 한편 기판(34B)은, 기판 홀더(34A)에 장착된 상태에 있어서, 중앙공간의 하측에 위치하는 기판공간 내에 격납되고, 적절한 액추에이터(미도시)에 의해 기판공간 안을 상하(Y방향)로 이동 가능하게 구성되어 있다.
또 상기 중앙공간은, 진공성막실(30)에 있어서, 시트 플라즈마(27)의 주성분을 수송시키는 공간이다. 단 본 실시형태에 있어서는, 후기하는 바와 같이, 이 시트 플라즈마(27)를 코일자계에 의해 만곡시킴으로써 이 시트 플라즈마(27)의 일부를 타깃 공간으로 진입시켜도 좋다.
이와 같이, 타깃(35B) 및 기판(34B)은 서로 시트 플라즈마(27)의 두께방향(Y방향)으로 소정의 알맞은 간격을 두도록 하여 이 시트 플라즈마(27)(중앙공간)를 사이에 두고 성막공간(31) 내에 대향하여 배치되어 있다.
또 타깃(35B)은, 스퍼터링 프로세스 중에는 직류전원(V3)에 의해 바이어스전 압(마이너스 전압)을 급전 받고, 이에 따라 시트 플라즈마(27) 내의 아르곤(Ar+)이 타깃(35B)을 향하여 끌어당겨지고, 그 결과 아르곤(Ar+)과 타깃(35B) 사이의 충돌에너지에 의해 타깃(35B)의 스퍼터 입자(예를 들면 구리입자)가 타깃(35B)에서부터 기판(34B)을 향하여 내쫓긴다.
또 기판(34B)은, 스퍼터링 프로세스 중에는, 직류전압(V2)에 의해 바이어스전압(마이너스 전압)을 급전 받고, 이에 따라 시트 플라즈마(27)에 의해 전자를 떼어내어 전리된 스퍼터 입자(예를 들면 구리이온)가 기판(34B)을 향하여 가속되고, 이 기판(34B)에 대하여 부착강도를 높여 퇴적된다.
다음으로, 병목부(28)에서 보아서 Z방향에 대향하는 위치의 진공성막실(30)의 주변 구성을 설명한다.
해당 위치의 진공성막실(30)의 측벽에는 애노드(A)가 배치되고, 이 측벽과 애노드(A) 사이에는 플라즈마 통과용 통로(29)가 설치되어 있다.
애노드(A)는, 캐소드(K)와의 사이에서 적절한 플러스 전압(예를 들면 100V)을 인가받고, 이에 따라 캐소드(K) 및 애노드(A) 사이의 직류 아크방전에 의한 시트 플라즈마(27) 내의 하전입자(특히 전자)를 회수하는 역할을 담당하고 있다.
또 애노드(A)의 뒷면(캐소드(K)에 대한 대향면의 반대측의 면)에는, 애노드(A) 측을 S극, 대기측을 N극으로 하는 영구자석(38)이 배치되어 있다. 이 때문에, 이 영구자석(38)의 N극으로부터 나와서 S극으로 들어가는 XZ 평면을 따른 자력선에 의해 애노드(A)를 향하는 시트 플라즈마(27)의 폭방향(X방향) 확산을 억제하 도록 시트 플라즈마(27)가 폭방향으로 집속되어, 시트 플라즈마(27)의 하전입자가 애노드(A)에 적절하게 회수될 수 있다.
여기서, 원형의 제3 및 제4 전자코일(32),(33)(공심코일; 제2 자계발생수단의 쌍)은, 서로 쌍을 이루어, 진공성막실(30)은 측벽을 향하도록 하여 성막공간(31)을 사이에 두고 이극끼리(여기서는, 제3 전자코일(32)은 N극, 제4 전자코일은 S극)를 서로 마주보게 하고, 또한 이것들의 코일면(32A),(33A)의 법선(32B),(33B)을, 시트 플라즈마(27)의 주면(S)에 대하여 YZ 평면에 있어서 팔자(八字)형으로 경사지도록 배치되어 있다.
더욱 상세하게는, 제3 전자코일(32)은, 제3 전자코일(32)의 권선이 1쌍의 봉자석(24A),(24B)과 진공성막실(30) 사이의 Z방향 적소(適所)를 둘러싸도록, 또한 제3 전자코일(32)의 코일면(32A)의 법선(32B)(제3 전자코일(32)의 중심축)이 타깃(35B)측으로 시트 플라즈마(27)의 주면(S)과 경사각(θ)을 이루며 연장하도록 배치되어 있다.
또 제4 전자코일(33)은, 제4 전자코일(33)의 권선이 진공성막실(30)의 측벽과 애노드(A) 사이의 Z방향 적소를 둘러싸도록, 또한 제4 전자코일(33)의 코일면(33A)의 법선(33B)(제4 전자코일(33)의 중심축)이 타깃(35B)측으로 시트 플라즈마(27)의 주면(S)과 경사각(θ)을 이루며 연장하도록 배치되어 있다.
이와 같은 제3 및 제4 전자코일(32),(33)의 쌍의 권선에 전류를 흘림으로써 만들어지는 코일자계(예를 들면, 10G~300G 정도)에 의하면, 시트 플라즈마(27)의 폭방향(X방향)에 대해서는, 시트 플라즈마(27)는 진공성막실(30)의 성막공간(31)을 건너도록 Z방향으로 이동하는 동안에, 미러(mirror)자계로서 그 폭방향 확산을 적절하게 억제하도록 형상이 정형(整形)되어 있다.
또 시트 플라즈마(27)의 두께방향(Y방향)에 대해서는, 제3 및 제4 전자코일(32),(33)의 YZ평면에 있어서의 자력선의 주성분이 법선(32B),(33B)의 방향을 따라 진행하기 때문에, 이 시트 플라즈마(27)의 하전입자도 이러한 자력선에 감겨져 진행한다. 이에 따라 시트 플라즈마(27)는 진공성막실(30)의 성막공간(31)을 건너도록 Z방향으로 이동하는 동안에 시트 플라즈마(27)의 주면(S)으로부터 볼록형으로 변형되어, 이 주면(S)에서부터 타깃(35B)을 향하도록 시트 플라즈마(27)의 두께방향으로 돌출한, 대략 일정한 곡률반경으로 부채꼴로 만곡한 만곡부(27A)를 가지게 된다.
또 여기서는, 만곡부(27A)는, 시트 플라즈마(27)의 주면(S)로부터 최대로 변형된 정상부(27B)를 가지고 있고, 타깃(35B)의 표면이 정상부(27B)에 위치하는 시트 플라즈마(27) 내의 하전입자에 쬐이지 않도록 경사각(θ)의 상한은 설정되어 있다.
즉 제3 및 제4 전자코일(32),(33)은, 시트 플라즈마(27)와 타깃(35B)의 접촉(전기회로적으로 도통상태)을 미연에 회피시켜, 타깃(35B)에 적절하게 바이어스전압(마이너스 전압)을 인가할 수 있도록, 그 최대 경사를 적절히 제한하여 배치되어 있다.
이상으로 기술한 시트 플라즈마 성막장치(100)에 의하면, 시트 플라즈마(27)를 코일자계에 따라 만곡시킴으로써 기판 상의 미세한 배선 패턴의 배선홈(오목 (凹)부 단면을 가지는 홈)으로의 스퍼터 입자의 퇴적 시에, 이하와 같은 효과를 발휘하는 것으로 기대되고, 이러한 효과는, 후술하는 배선홈으로의 스퍼터 입자 퇴적 실험 결과에 의해 뒷받침되고 있다.
도 3a 및 3b는 시트 플라즈마를 만곡시킨 경우와, 그렇게 하지 않은 경우에 있어서, 시트 플라즈마의 하전입자에 의한 스퍼터링 타깃 재료의 비산(飛散)상황을 계념적으로 도시한 도면으로, 도 3a는 시트 플라즈마를 만곡시킨 경우에 해당하는 도면이고, 도 3b는 시트 플라즈마를 만곡시키지 않은 경우에 해당하는 도면이다.
여기서, 시트 플라즈마(27)를 만곡시키지 않은 경우에는, 시트 플라즈마(27) 내의 양(+)이온(여기서는 아르곤(Ar+)은, 도 3b에 나타내는 바와 같이, 타깃(35B) 표면의 대략 전역에 대하여 수직(도 1의 Y방향)하게 충돌하기 때문에 이와 같은 양(+)이온 충돌에너지에 의해 내쫓기는 스퍼터 입자(여기서는 구리(Cu)입자)의 각도분포는, 타깃(35B)의 표면 전역에 걸쳐 같은 경향을 나타낸다. 그러면 타깃(35B)의 표면 전역에 있어서 내쫓긴 스퍼터 입자 중 비스듬히 랜덤(random)하게 빗나간 성분(예를 들면 타깃(35B)의 표면에 대하여 비스듬히 크게 빗나간 방향의 성분)이 배선홈의 내부로 진입할 수 없어 이 배선홈의 입구 근처에 퇴적하고, 이에 따라 이 부분을 폐쇄하는 구리금속의 매립 불량을 초래할 염려가 있다.
이에 대하여, 시트 플라즈마(27)를 만곡시킨 경우이더라도, 도 3a에 나타내는 바와 같이, 시트 플라즈마(27)에서부터 방출되는 양(+)이온은 타깃(35B)의 표면의 대략 전역에 대하여 수직하게 충돌하여, 이와 같은 양이온 충돌에 의해 내쫓기 는 스퍼터 입자는, 도 3b와 마찬가지로 소정의 각도분포를 가지며 시트 플라즈마(27)를 향하여 방출된다. 그 한편으로 타깃(35B)의 주변부로부터 방출되어 시트 플라즈마(27)로 들어온 스퍼터 입자는, 도 3a에 나타내는 바와 같이, 시트 플라즈마(27)의 경사진 부분을 비스듬히 건널 때에 전리되어, 그 결과로서, 시트 플라즈마(27)의 렌즈(lens)작용에 의해 수직 직선성(直線性)으로부터 약간 경사진 지향성을 갖는 것으로 생각된다.
구체적으로는, 타깃(35B)의 중앙부로부터 시트 플라즈마(27)를 향하여 방출되는 스퍼터 입자는, 시트 플라즈마(27)의 평탄한 부분을 건너기 때문에 시트 플라즈마(27)의 렌즈작용에 영향을 받지 않고, 타깃(35B)의 표면에 대하여 수직한 방향을 주성분으로 하고, 이 방향을 중심축으로 하여 소정의 각도 분포를 갖는 것으로 추인(推認)된다. 또한, 타깃(35B)의 주위부로부터 시트 플라즈마(27)를 향하여 방출되는 스퍼터 입자는, 시트 플라즈마(27)의 경사진 부분을 건너기 때문에 시트 플라즈마(27)의 렌즈작용에 의해 소정의 경사방향을 주성분으로 하고, 이 방향을 중심축으로 하여 소정의 각도 성분을 가지는 것으로 추인된다.
타깃(35B)과 시트 플라즈마(27)의 협동에 의한 스퍼터링 현상을 이상과 같이 이해하면, 타깃(35B)의 중앙부 근처에서 방출되는 스퍼터 입자는, 그 주성분을 기판(34B)에 대하여 수직으로 향하여 있기 때문에 배선홈의 저면에 퇴적하고, 타깃(35B)의 주위부 근처에서 방출되는 스퍼터 입자는, 그 주성분을 기판(34B)에 대하여 약간 비스듬히 향하고 있기 때문에 배선홈의 저면이나 측벽에 퇴적하기 알맞은 것으로 본건 발명자 등은 예측하고 있다. 또 이와 같은 배선홈 측벽으로의 스퍼 터 입자의 경사방향 비산은, 배선홈에 스퍼터 입자를 퇴적시킬 때의 피복률 향상에 기여한다.
한편 시트 플라즈마(27)를 만곡시키지 않은 경우(도 3b)에, 배선홈 내부에 진입할 수 없고, 그 입구를 막도록 경사방향으로 랜덤하게 빗나간 스퍼터 입자는, 이번에는 시트 플라즈마(27)를 만곡시킨 경우의 도 3a에 나타내는 바와 같이, 더욱 크게 경사방향으로 빗나가서 이미 기판(34B) 상의 배선홈에 도달할 수 없게 되어, 그 결과로서 구리금속 매립불량이 개선되는 것으로 기대된다.
이와 같이 본 실시형태의 시트 플라즈마 성막장치(100)는, 시트 플라즈마(27)를 자계에 따라 만곡시킴으로써 배선홈으로의 스퍼터링에 의한 스퍼터 입자의 퇴적 시에 스퍼터 입자의 지향성을 개선하여 기판(34B)의 배선홈으로의 스퍼터 입자의 적정한 매립효과나 스퍼터 입자에 의한 배선홈 폐쇄의 개선효과가 발휘된다.
(배선홈으로의 스퍼터 입자 퇴적 실험 예)
도 4a 및 4b는 시트 플라즈마를 만곡시킨 경우(경사각 θ는 약 10????ㅀ)와, 그렇게 하지 않은 경우에 있어서, 기판의 배선홈으로의 구리(Cu)입자 퇴적 실험 결과의 단면사진을 모사한 도면으로, 도 4a는 시트 플라즈마를 만곡시킨 경우에 해당하는 도면이고, 도 4b는 시트 플라즈마를 만곡시키지 않은 경우에 해당하는 도면이다.
또 본 퇴적 실험에서는, 시트 플라즈마(27)의 만곡 유무 이외의 파라미터(parameter)(예를 들면, 진공도, 타깃전압, 성막시간 및 방전전류)에 대해서는, 양자 간에 있어서 동일하게 하고 있다.
시트 플라즈마(27)를 만곡시키지 않은 경우의, 기판(34B)의 배선홈(50)로의 구리(Cu)입자 퇴적실험 결과에 따르면, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 배선홈(50)의 입구가 구리(Cu) 퇴적막(51)에 의해 폐쇄됨으로써 배선홈(50) 내의 구리(Cu) 퇴적막(51)의 두께가 확보되지 않고, 그 내부에 있어서 빈구멍(52)의 존재가 확인되었다.
이에 비하여, 시트 플라즈마(27)를 만곡시킨 경우의, 기판(34B)의 배선홈(50)으로의 구리(Cu)입자 퇴적실험 결과에 따르면, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 구리(Cu) 퇴적막(51)의 배선홈(50)에의 적정한 매립이 확인되었다.
또 도 4a에 나타내는 바와 같이, 구리(Cu) 퇴적막(51)에 의한, 배선홈(50)의 입구폐쇄라는 사태에 이르지 않는 것도 확인되었다.
상기 설명으로부터, 당업자에 있어서는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 명확한 것이다. 따라서 상기 설명은 예로서만 해석되어야 하고, 본 발명을 실행하는 가장 좋은 태양을 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명은, 시트 플라즈마 이동방향을 적절하게 조정할 수 있고, 예를 들면, 시트 플라즈마의 하전입자에 의해 타깃을 스퍼터링하는 진공 스퍼터링 장치에 유용하다.

Claims (6)

  1. 플라즈마 수송방향의 중심에 대하여 대략 등밀도 분포하는 소스 플라즈마를 방전에 의해 형성하여, 상기 소스 플라즈마를 상기 수송방향을 향하여 방출 가능한 플라즈마 건과,
    상기 수송방향으로 연장한 수송공간을 가지는 시트 플라즈마 변형실과,
    서로 동극(同極)끼리를 마주보게 하여, 상기 수송공간을 사이에 두도록 배치되는 제1 자계발생수단의 쌍과,
    상기 수송공간에 연통한 성막공간을 가지는 성막실과,
    서로 이극(異極)끼리를 마주보게 하여, 상기 성막공간을 사이에 두도록 배치되는 제2 자계발생수단의 쌍을 구비하고,
    상기 소스 플라즈마는, 상기 수송공간을 이동하는 동안에 상기 제1 자계발생수단의 쌍의 자계에 의해 상기 중심을 포함하는 주면을 따라 시트형으로 넓어지고,
    상기 시트형 플라즈마는, 상기 성막공간을 이동하는 동안에 상기 제2 자계발생수단의 쌍의 자계에 의해 상기 주면으로부터 볼록형으로 변형되는 것을 특징으로 하는 시트 플라즈마 성막장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 자계발생수단의 쌍은 1쌍의 전자코일이고, 상기 전자코일의 코일면의 법선이 상기 주면에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 시트 플라즈마 성막장치.
  3. 제2항에 있어서, 타깃을 장착하는 타깃 홀더(target holder)와, 상기 시트 플라즈마 내의 하전입자에 의해 내쫓긴 상기 타깃의 재료를 퇴적하는 기판을 장착하는 기판 홀더를 구비하고,
    상기 타깃 및 상기 기판은, 상기 시트형 플라즈마의 두께방향으로 간격을 두고, 또한 상기 시트형 플라즈마를 사이에 두도록 하여, 상기 성막공간 내에 서로 대향하여 배치되며,
    상기 시트형 플라즈마는, 상기 주면으로부터 타깃을 향하도록 상기 시트형 플라즈마의 두께방향으로 돌출한 만곡부를 가지는 것을 특징으로 하는 시트 플라즈마 성막장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 시트형 플라즈마는, 대략 일정한 곡률반경으로 만곡되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 시트 플라즈마 성막장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전자코일 각각의 코일면의 법선이 상기 타깃 측으로 경사지도록, 상기 주면과 소정 경사각을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 시트 플 라즈마 성막장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 시트형 플라즈마의 만곡부는, 상기 주면으로부터 최대로 변형된 정상부를 가지고,
    상기 타깃의 표면이 상기 정상부에 위치하는 시트형 플라즈마 내의 하전입자에 쬐이지 않도록 상기 경사각의 상한이 설정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 시트 플라즈마 성막장치.
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