KR100221048B1 - 스퍼터링 장치 - Google Patents

Abstract

원거리 스퍼터의 장점을 더욱 늘리어, 저부 피복률 특성을 더욱 2배이상 개선한다.

배기계(11)를 구비한 진공용기(1)내에 대향배치된 타게트(2)와 기판(50)과의 거리가 150mm 이상인 원거리 스퍼터 장치이며, 타게트(2)와 기판(50)의 중간위치보다도 타게트(2)측에서 가스도입하는 가스도입관(44)과, 타게트(2)와 기판(50) 사이의 공간을 둘러싸도록 배설된 통상의 실드(6)에 형성된과 동시에 가스도입관(44)보다도 기판(50)측에 형성된 배기구멍(42)을 가진다. 타게트(2)와 기판(50) 사이의 방전용 가스의 압력분포(400)는, 타게트(2)측에서 높고 기판(50)측에서 낮게 되는 분포가 된다.

Description

스퍼터링 장치

제1(a)도는 제1 실시형태의 스퍼터링 장치의 정면단면도이다.

제1(b)도는 제1 실시형태에 있어서의 기판과 타게트 사이의 압력분포를 나타내는 그래프이다.

제2도는 제2 실시형태의 스퍼터링 장치의 정면단면도이다.

제3도는 기판 근방의 압력의 압력에 대한 저부 피복률 특성의 의존성을 나타내는 그래프이다.

제4도는 확대된 배기구멍의 단면도이다.

제5도는 홀에 퇴적한 박막의 단면 프로파일이다.

제6도는 종래의 스퍼터링 장치의 정면단면도이다.

제7도는 홀에 종래 스퍼터링 장치로 퇴적한 박막의 단면 프로파일이다.

제8도는 종래의 콜리메이트 스퍼터링 장치의 정면단면도이다.

제9(a)도는 종래의 원거리 타입의 스퍼터링 장치의 정면단면도이다.

제9(b)도는 종래의 원거리 타입의 스퍼터링 장치에 있어서의 기판과 타게트 사이의 압력분포를 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공용기 11 : 배기계

2 : 타게트 3 : 전극

4 : 가스도입기구 42 : 배기구멍

43 : 가스도입관 5 : 기판홀더

50 : 기판 6 : 실드

[발명이 속하는 기술분야]

본원 발명은, 기판의 표면에 스퍼터링에 의해서 박막을 작성하는 장치에 관하며, 특히, 타게트와 기판의 거리가 통상보다도 긴 원거리 스퍼터링 장치(long distance sputtering apparatus)에 관한다.

[종래의 기술]

스퍼터링 장치는, LSI(대규모집적회로)이거나 LCD(액정 디스플레이), 정보기록 디스크에 있어서의 박막 작성 프로세스(film deposition process)에 널리 사용되고 있다. 제6도는 종래부터 사용되고 있는 일반적인 스퍼터링 장치의 정면 단면도를 나타낸다. 제6도에 나타내는 종래의 전형적인 스퍼터링 장치는, 가스도입기구(4)와 배기계(11)를 구비한 진공용기(1)내에 타게트(2), 마그네트론 방전용의 전극(3), 그리고 기판(50)을 유지하는 기판홀더(5)를 갖춘다.

해마다 집적도가 높아지는 반도체 디바이스의 분야에서는, 스텝 피복률 특성, 특히 저부 피복률의 향상이 중요한 과제로 되어 있다. 스텝 피복률 특성이란, 기판의 표면에 형성된 구멍이나 홈, 또는 단차(段差)에 대한 피복성의 것을 의미한다. 스텝 피복률 특성은, 표면에의 막두께에 대한 구멍, 홈 또는 단차(이하, 스텝)의 저부에의 막두께의 비를 나타내는 저부 피복률 특성을 포함하는 개념이다.

배선의 미세화가 진행되면, 배선폭이 좁게 되는 한편, 스텝의 높이(구멍이나 홈의 경우는 깊이, 단차의 경우는 단차의 높이)가 커진다. 깊은 구멍이나 홈의 저부에 충분한 두께의 막이 형성되지 않게 된다. 예컨대, 기판의 표면에 형성된 콘택트 홀 또는 스루 홀(through hole)에 배리어막을 스퍼터링에 의해서 형성하는 경우, 홀의 저부에 충분한 두께의 배리어막이 형성되지 않으면, 층 사이에 원자가 상호확산하게 되어, 그 결과, 정크션 릭(junction leak)의 디바이스 성능에 치명적인 결함을 주는 경우가 있다.

종래의 스퍼터링에서는, 폭 0.7μm 애스펙트비(구멍 또는 홈의 높이/구멍 또는 홈의 폭) 1∼2 정도의 구멍 또는 홈의 저부에의 성막이 한계였다. 이러한 한계가, 16메가비트 이상의 집적회로를 제작하는 경우에 기술적인 장해가 되고 있었다. 이러한 한계는, 제6도에 나타내는 바와 같은 종래장치로는, 기판(50)에 비스듬히 입사하는 스퍼터 입자가 많고, 구멍 또는 홈의 저부에 도달할 수 있는 스퍼터 입자의 양이 적게 된다. 제7도는 홀에 제6도의 종래 스퍼터링 장치에 의해 퇴적된 박막의 단면 프로파일을 나타낸다. 제7도에 도시한 바와 같이, 종래장치는, 기판(50)의 구멍 또는 홈(500)의 저부에 막 퇴적을 적게 하여, 저부 피복률 특성(제7도의 b/a)은 매우 낮게 된다. 저부 피복률 특성을 향상시키기 위해서는, 콜리메이트 스퍼터법이 알려지고 있다. 콜리메이트 스퍼터법은, 기판에 대하여 수직으로 입사하는 스퍼터 입자를 많게 한다. 제8도는, 콜리메이트 스퍼터법을 행하는 종래의 스퍼터링 장치의 정면단면도이다. 이 제8도의 스퍼터링 장치로는, 타게트(2)와 기판(50)의 사이에 설치된 콜리메이트 필터(7)를 가진다. 콜리메이트 필터(7)는, 그 구멍이 격자상의 것이거나, 링상의 판을 동심상에 복수배치한 것이 있다. 콜리메이트 필터(7)는, 기판의 표면에 수직인 방향으로 비행하는 스퍼터 입자만을 통과시킨다.

그렇지만, 이 콜리메이트 스퍼터법으로서는, 콜리메이트 필터(7)에 스퍼터 입자가 부착하여 퇴적하기 때문에, 스퍼터를 장기간 행하면, 콜리메이트 필터(7)의 통로의 단면적이 작게 되어 버린다. 이 결과, 통로의 단면적이 작게 되는 것은, 콜리메이트 필터(7)를 통과할 수 있는 스퍼터 입자를 감소시키므로 성막속도가 저하하게 되는 문제를 생기게 한다. 이 문제는, 양산용의 장치로서는 치명적인 결함이다. 또한, 콜리메이트 필터(7)의 교환같은 정비가 더욱 필요하게 되기 때문에, 양산장치로서의 의 충분한 생산성이 확보될 수 없는 문제도 있다.

이와 같은 콜리메이트 스퍼터법의 과제를 해결하는 것으로서 원거리 스퍼터법이 최근 주목되고 있다. 제9(a)도는, 종래의 원거리 타입의 스퍼터링 장치의 정면단면도이다.

제9(a)도로부터 알 수 있듯이, 이 스퍼터링 장치로는, 타게트(2)와 기판(50)의 거리(이하, T/S 거리)가 통상의 장치보다도 길다. T/S 거리가 긴 것은, 타게트(2)로부터 방출되는 스퍼터 입자중, 기판(50)의 표면에 대하여 수직으로 가까운 방향으로 비행하는 스퍼터 입자만이 기판(50)에 도달하도록 한다. 기판(50)의 표면에 대하여 경사방향으로 비행하는 스퍼터 입자는, 제9(a)도로부터 알 수 있듯이 진공용기(1)의 기벽으로 향한다. 따라서, 기판(50)의 표면에 수직입사하는 스퍼터 입자가 상대적으로 많아지는 것은, 저부 피복률 특성의 향상에 크게 기여한다.

제9(a)도에 나타내는 스퍼터링 장치로는, 진공용기(1)의 안쪽에, 스퍼터된 타게트 입자가 진공용기(1)의 기벽에 부착하는 것을 방지하는 실드(6)가 배치되어 있다. 실드(6)는, 가스도입기구(4)에 의해서 실드(6)내에 방전가스가 도입되는 가스도입구(41)를 가진다. 가스도입구(41)는, 제9(a)도에 나타내는 바와 같은 기판홀더(5)에 가까운 위치에 있다. 기판(50)으로부터 가스도입구(41)는, 30mm 정도 떨어져 있다.

더욱, 실드(6)는, 가스도입구(41)의 근방에 설치된 방전가스를 배출하는 배기구멍(42)을 가진다. 가스도입구(41)를 끼워서 상하에 (본 명세서의 설명으로서는 기판과 타게트(2)를 결합하는 방향을 상하방향으로 함) 배기구멍(42)이 형성되어 있다. 달리, 실드(6)와 타게트(2) 사이의 간극에서도 방전가스는 배출된다.

이러한 가스도입구(41)와 배기구멍(42)의 배치관계는, 타게트(2)로부터 기판(50)으로 향하는 방향에서의 방전가스의 압력분포는, 제9(b)도에 직선(40)으로 도시한 것처럼, 타게트(2)측에서 압력이 낮고 기판(50)측에서 압력이 높은 분포가 된다.

또한, 상기의 종래 스퍼터링 장치는, 수직입사의 스퍼터 입자를 많게 하기 때문에, T/S 거리를 크게 함과 동시에 방전압력을 낮게 하도록 하고 있다. 압력을 낮게 하는 것은, 스퍼터 입자의 평균자유행정을 크게 하기 때문에, 방전가스와의 충돌에 의한 수직입사의 스퍼터 입자의 산란을 저감시킨다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

상술한 바와같이, 원거리 스퍼터링 장치는, T/S 거리의 증대와 방전압력의 저하에 따라서, 스퍼터 입자를 산란시키지 않고, 보다 많이 스퍼터 입자를 기판에 수직으로 입사한다. 본원발명의 과제는, 이러한 원거리 스퍼터의 장점을 더욱 늘리어, 저부 피복률 특성을 종래로부터 2배이상 개선하고자 하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 스퍼터 입자를 기판에 수직으로 입사시키기 위해서, 타게트와 기판과의 거리를 타게트의 대표적인 길이로 나눈 T/S 규격치를 0.5 이상으로 설정하고 있다. 더욱, 본 발명은 수직으로 입사하는 스퍼터 입자의 산란을 저감하기 위해서, 타게트와 기판사이의 방전가스의 압력분포가, 타게트측에서 기판측으로 진행함에 따라서 낮게 되도록 가스도입 관과 배기구멍을 진공용기내에 설치하고 있다.

구체적으로는, 타게트와 기판 거리를 150mm 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

타게트와 기판사이의 공간을 둘러싸는 실드는, 가스도입기구에 의해 타게트와 기판과의 사이의 공간에 방전가스를 도입하는 가스도입 관과, 그 공간에서 방전가스를 배출하는 배기구멍을 가진다. 더욱, 가스도입 관은 타게트와 기판 중간보다도 타게트측에 배치되고, 배기구멍은 그 중간위치보다도 기판측에 배치되어 있다.

스퍼터 입자가 배기구멍을 통하여, 진공용기의 기벽에 부착하는 것을 막기 위해서, 배기구멍은, 굴절된 배기로를 형성하고 있다. 배기구멍은, 타게트와 기판을 결합하는 방향에 따라서, 실드에 여러개 배치되어 있다.

타게트 근방의 압력과 기판 근방의 압력과의 차는 3배로부터 10배의 범위내이다. 구체적으로는, 타게트 근방의 압력이 0.7 내지 1밀리토르이고, 기판 근방의 압력이 0.3밀리 토르 이하이다.

[발명의 실시형태]

이하, 본원발명의 실시형태에 관해서 설명한다

제1도는, 원거리 스퍼터링 장치의 제1 실시형태의 정면단면도이다.

제1도에 나타내는 원거리 스퍼터링 장치는, 배기계(11)를 구비한 진공용기(1)내에 타게트(2)와 마그네트론 방전용 전극(3)과 기판(50)을 유지하는 기판홀더(5)와 더욱 스퍼터 방전가스를 도입하는 가스도입기구(4)를 배치한다.

진공용기(1)는, 도면에 도시되지 않은 게이트 밸브를 구비한 기밀한 용기이다. 진공용기(1)는, 크라이오 펌프를 갖춘 배기계(11)에 의해서, 10-8Torr 정도의 도달압력까지 배기된다. 진공용기(1)는, 진공을 인가하는 도시되지 않은 로드록실을 인접하여 구비하고 있다. 진공용기(1)는, 기판(50)의 출입시에, 일단 기판(50)이 로드록실로 옮겨지기 때문에, 대기에 직면하는 일은 없다.

타게트(2)는, 박막재료로부터 형성된 원형 또는 사각형의 판상의 벌크이다. 이 타게트(2)는, 전극(3)의 전면에 나사맞춤으로 고정되어 있다. 타게트(2)는, 접지된 타게트 실드(35)에 의해서 그 주변 테두리가 덮혀 있다. 타게트 실드(35)는, 타게트(2)의 주위에서의 불필요한 방전을 방지한다.

전극(3)은, 마그네트론 음극이다. 전극(3)은, 타게트(2)의 배후에 배설된 한쌍의 자석(31, 32), 한쌍의 자석(31, 32)을 연결하는 요크(33) 및, 요크(33)에 접속된 방전용 전원(34)으로 이루어진다. 한쌍의 자석(31, 32)은, 중앙의 원주상의 영구자석(예컨대 N극)(31)과 그것을 둘러싸는 링상의 영구자석(예컨대 5극)(32)으로 이루어진다. 한쌍의 자석(31, 32)은, 타게트(2)상에 마그네트론 방전용의 아치상의 자계를 형성한다. 방전용 전원(34)에 의해서, 음의 고전압 또는 고주파가 전극(3)에 인가되면 마그네트론 방전이 발생한다.

방전가스를 도입하는 가스도입기구(4)는, 도면에 도시되지 않은 봄베와 진공용기(1)를 연결하는 가스도입용 배관(43), 가스도입용 배관(43)에 접속된 가스도입 관(44), 가스도입용 배관(43)에 설치된 펄프(45) 및 도면에 도시되지 않은 유량조정기(mass flowcontroller)로 이루어 진다.

방전가스는, 스퍼터율이 높은 불활성가스, 예를들면 아르곤 가스가 사용된다. 기판흘더(5)는, 타게트(2)로부터 원거리 스퍼터의 기술적으로 유리한 효과가 얻어지는 정도의 T/S 거리에 위치하고 있다. 원거리 스퍼터의 기술적으로 유리한 효과란, 상술한 바와 같은 저부 피복률 특성이 개선되는 효과이다. 원거리 스퍼터의 기술적으로 유리한 효과는, 일반적으로는 T/S 거리를 150mm 이상으로 하는 것으로 충분히 발휘된다. T/S 거리를 타게트(2)의 대표적인 길이(원형의 경우는 직경, 사각형의 경우는 긴 변의 길이)로 나눈 T/S 규격치((T/S 거리)/타게트의 대표적인 길이)에 의하면, 원거리 스퍼터의 효과는, 0.5 이상으로 하면 충분히 발휘된다.

기판흘더(5)에 유지된 기판(50)은, 타게트(2)에 평행하게 대향하여, 또한 그 중심점이 타게트(2)의 중심점과 동일직선(이하, 이 직선을 중심축이라 함)상에 있다. 기판(50)에 바이어스 전압을 인가하는 경우가 있고, 기판흘더(5)에는, 바이어스용 전원이 접속되어 있다. 기판(50)의 온도제어를 하는 경우에는, 기판홀더(5)는 히터를 내장하기도 하고, 열매 또는 냉매를 기판홀더(5)의 내부로 순환시키는 구조를 가진다. 더욱, 기판(50)의 주고 받음을 위해, 기판홀더(5)는 승강기구(51)에 의해서 숭강가능하게 되어 있다.

타게트(2)와 기판흘더(5) 사이의 공간을 둘러싸도록 하여 실드(6)가 배설되어 있다. 실드(6)는, 진공용기(1)의 기벽에의 스퍼터 입자의 부착을 방지한다. 실드(6)는, 진공용기(1)에 설치된 도면에 도시되지 않은 부착구에 의해서 착탈이 자유로운 거의 통형상의 부재이다. 실드(6)에는, 거기에 퇴적된 박막이 박리하여 기판(50)에 낙하되지 않게 되고, 박막의 부착강도가 커지도록 실드(6)에 블라스트 처리(blasting treatment)가 실행된다.

그런데, 본 실시형태의 장치의 특징은, 타게트(2)와 기판(50) 사이의 공간(이하, 대향 공간이라 함)의 방전가스의 압력분포가, 타게트(2)측에서 높고 기판(50)측에서 낮게 되는 것이다. 이러한 특징에는, 가스도입기구(4)를 구성하는 가스도입 관(44) 및 배기구멍(42)의 배치관계가 크게 관여하고 있다.

제1도에 도시한 바와 같이, 실드(6)와 타게트 실드(35)의 좁은 간극에 가스도입관(44)이 설치되어 있다. 가스도입 관(44)은, 그 선단개구로부터 가스를 타게트(2)의 전방의 공간으로 향하여 도입한다. 가스도입관(74)은, 타게트(2)로부터 중심축방향에서 200mm∼400mm 정도 떨어져 있다. 가스도입관(44)은, 타게트(2) 전방의 공간을 둘러싸도록 하여 그 선단개구는 중심축으로 향하여 8개 등간격으로 배치되어 있다. 가스도입관(44)은, 주위에서 중심축으로 향하여 균등하게 방전가스를 분출한다. 또한, 이들 가스도입관(44)은 한개의 공급관(46)으로 합쳐진다. 이 공급관(46)은 진공용기 (1)의 기벽을 기밀 관통하고 가스도입용 배관(43)에 접속되어 있다.

폭 5mm∼20mm 정도의 슬릿상의 배기구멍(42)은, 제1(a)도에 도시한 것처럼, 기판(50) 근방의 실드(6)상에 설치된다. 배기구멍(42)은, 통상의 실드(6)의 주방향에 따라서 등간격으로 36개 설치되고, 이것이 중심축의 방향에 따라서 등간격으로 4단 설치된다. 주방향에 따라서 설치된 배기구멍(42)의 라인(line)의 배치간격은, 중심축방향에서 10mm∼30mm이다.

방전가스는, 가스도입관(44)으로부터 타게트(2)의 전방 근방에 도입된다. 도입된 방전가스는, 타게트(2)상에서 마그네트론 방전을 발생시킨다. 더욱, 도입된 방전가스는, 대향공간을 타게트(2)측에서 기판(50)측으로 향하여 확산하여, 배기구멍(42)으로부터 배출된다.

이러한 방전가스의 흐름은, 제1(b)도의 직선(400)으로 나타내는 바와 같은 대향공간에서의 방전가스의 압력분포를 생기게 한다. 즉, 대향공간에서의 방전가스의 압력분포는, 타게트(2)측에서 기판(50)측으로 진행함에 따라서, 서서히 낮게 된다. 직선(400)으로 나타내는 바와 같은 압력분포를 얻기 위해서는, 가스도입관(44)이나 배기구멍(42)의 배치관계외에, 도입하는 가스의 유량이나 배기구멍(42)의 배기 컨덕턴스를 고려하지 않으면 안된다. 예컨대, 만일 가스의 유량이 큰 반면, 배기구멍(42)의 배기 컨덕턴스가 작은 경우, 실드(6)내에 가스가 균일히 충만하여, 그 결과, 중심축방향에서의 압력분포는 변화하지 않는다. 더욱, 만일 가스유량이 작은 반면, 배기구멍(42)의 배기 컨덕턴스가 큰 경우에는, 실드(6)내의 가스는 희박한 상태로 확산하여, 중심축방향에서의 압력분포는 낮은 값으로 변화하지 않은 것으로 된다. 따라서, 직선(400)으로 나타내는 바와 같은 압력분포를 얻기 위해서는, 가스도입관(44)으로부터의 가스 유량과 배기구멍(42)의 배기 컨덕턴스를 적당 선정하는 것이 긴요하다.

또, 실드(6)에 가스도입용 구멍을 개방하여, 그 구멍으로부터 가스를 도입하는 경우에는, 그 구멍의 개구면에서 거리가 T/S 규격치로 0.5 이상으로 되도록 한다.

다음에, 가스도입관(44) 및 배기구멍(42)의 위치관계에 관하여 보충적으로 설명한다.

상기 압력분포를 얻기 위해서는, 가스도입 관(44)은, 타게트(2)와 기판(50)과의 중간위치보다도 타게트(2)측에 설치되는 것이 바람직하다. 더욱, 될 수 있는 한 타게트 근방으로부터 가스를 도입하는 바와 같은 위치에 가스도입관(44)이, 설치되는 것이 보다 바람직하다. 구체적으로는, 중심축에 수직인 방향에서 보아서, 가스도입관(44)은, 그 선단에서 타게트(2)의 주변과의 거리를 30mm이내로 설치하는 것이 바람직하다. 중심축방향에서 보아서, 가스도입 관(44)은, 그 선단에서 타게트(2)의 거리를 0∼30mm 이내로 설치하는 것이 바람직하다.

더욱, 상기 압력분포를 얻기 위해서는, 배기구멍(42)은, 대향공간에서 기판(50)의 표면상에 배기 컨덕턴스를 설정하도록 하며, 그 대향공간의 중간보다도 기판(50)측에 설치하는 것이 바람직하다. 단지 기판(50) 뒷면의 진공용기(1)의 기벽부분에 배기관을 접속하는 것만으로서는 상기 압력분포는 달성되지 않는다.

본 실시형태의 원거리 스퍼터링 장치의 전체의 동작에 관해서 설명한다.

우선, 도면에 도시되지 않은 게이트 밸브가 개방되어 도면에 도시되지 않은 반송 로보트에 의해서 기판(50)이 진공용기(1)내에 반입된다. 기판(50)은, 실드(6)의 하단근방을 통하여 기판홀더(5) 원쪽의 소정위치에 도달한다. 기판홀더(5)가 아래쪽의 대기위치로부터 승강기구(51)에 의해서 상승하는 것으로, 기판(50)이 유지된다.

다음에, 가스도입기구(4)가 동작하여, 가스도입 관(44)을 통하여 방전가스가 대향공간에 도입된다. 도입된 방전가스는, 타게트(2)의 전방에서 기판(50)으로 향하여 확산하는 한편, 전극(3)에 전압이 인가됨에 따라 마그네트론 방전이 타게트(2)에 발생한다. 마그네트론 방전으로 방전가스가 전리하여, 전리한 가스분자가 타게트(2)를 스퍼터한다. 스퍼터된 타게트(2)의 입자(이하 「스퍼터입자」 라고 함)는, 대향공간을 비행하여 기판(50)에 도달하고, 박막을 퇴적한다. 박막이 원하는 막두께에 도달하면, 전압인가를 중지하고, 성막된 기판(50)이 진공용기(1)밖으로 반출된다.

다음에, 본원발명의 제2 실시형태에 관해서 간단히 설명한다.

제2 실시형태의 원거리 스퍼터링 장치가 제2도에 도시되어 있다. 상기 제1 실시형태로는 실드(6)에 주방향을 따라서 설치된 배기구멍(42)의 라인이 4단이지만, 이 제2 실시형태의 장치로는, 배기구멍(42)의 라인이 5단으로 되어 있다. 그 밖의 구성은, 제1 실시형태와 같다.

T/S 거리를 150mm 이상으로 하면, 원거리 스퍼터의 기술적으로 유효한 효과인 저부 피복률 특성의 양호한 박막이 퇴적한다. 각 실시형태의 장치로는, 대향공간의 방전가스의 압력분포가 타게트(2)측에서 높고 기판(50)측에서 낮게 되는 분포로 되어 있기 때문에, 이 효과가 더욱 강화되어, 그 결과, 종래의 원거리 스퍼터와 비교하여 2배이상의 저부 피복률 특성이 달성된다.

이 점을 제 3도를 사용하여 더욱 자세히 설명한다.

제3도는, 각 실시형태의 장치 및 종래의 장치에 관해서 기판(50) 근방의 압력에 대한 저부 퍼복률 특성의 의존성을 나타낸다. 제3도의 횡축에는 기판(50) 근방의 압력, 종축에는 저부 피복률 특성을 나타낸다. 한편, 압력은, 기판(50)으로부터 위로 30mm 정도 떨어진 지점에서 측정되고, 저부피복률 특성은, 상술한 바와 같이, 기판표면에서의 막두께에 대한 구멍 또는 홈의 저부에의 막두께의 비율을 백분율(%)로 나타낸다.

제9(a)도에 나타내는 종래의 장치에 관하여는 T/S 거리가 200mm와 340mm로 설정되었다. 제1 실시형태의 장치에 관하여는 T/S 거리가 340mm로, 제2 실시형태의 장치에 관하여는 T/S 거리가 200mm로 설정되었다. 방전가스로서는, 아르곤을 10SCCM의 유량으로 도입하였다. 또한, 배기계(11)의 배기속도는 1000리터 매초정도로 하였다.

제3도중의 점 Pl은 종래의 장치에 있어서의 T/S 거리 340mm의 경우를, 점 P2는 T/S 거리 200mm의 경우를 나타내고 있다. 또한, 점 P3은 제1 실시형태의 장치에 있어서의 T/S 거리 340mm의 경우를, 점 P4는 제2 실시형태의 장치에 있어서의 T/S 거리 200mm의 경우를 나타내고 있다.

제3도의 Pl, P2로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 장치로는, T/S 거리 200mm 및 340mm의 어느쪽의 경우도, 기판(50)으로부터 30mm 정도의 위치에서의 압력은 0.93mTorr 정도이었다. 또한, T/S 거리 200mm의 경우의 저부 피복률은 12.4%, T/S 거리 350mm의 경우의 저부 피복률은 21.0%이었다.

한편, P3, P4로부터 알 수 있는 바와 같이, 기판(50)으로부터 30mm 정도의 위치에서의 압력은, T/S 거리 340mm의 제1 실시형태의 장치로는 0.39mTorr, T/S 거리 200mm의 제2 실시형태로서는 0.23m7orr이었다. 그리고, 저부 피복률은, 양 실시형태 모두 45%이었다.

이 결과로부터, 기판(50) 근방의 압력이 낮으면, 저부 피복률 특성이 2배이상 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 기판(50) 근방의 압력이 저하되는 것이, 기판(50) 근방에 있어서 스퍼터 입자를 산란시키는 방전가스분자가 저감되는 것에 의하는 것으로 생각된다.

한편, T/S 거리 200mm의 제2 실시형태쪽이 T/S 거리 340mm의 제1 실시형태의 장치와 비교하여 기판(50) 근방의 압력이 낮게 되어 있다. 이것은, 제 2도에 나타내는 바와 같은 제2 실시형태로서는 배기구멍(42)의 라인이 한층 증가되어 있기 때문에 배기 컨덕턴스가 제1 실시형태와 비교하여 커지는 것에 의하는 것으로 생각된다.

종래의 장치에 있어서의 컨덕턴스는, 1064리터/초이었다. 이 장치에 있어서의 배기구멍(42)은, 폭 5mm 정도의 주상 슬릿이고, 제9(a)도에 도시한 것처럼 가스도입 관(44)을 끼워 상하 2단 설치되었다. 상단의 배기구멍(42)으로부터 타게트(2)까지의 거리는 200mm, 하단의 배기구멍(42)으로 부터 기판(50)까지의 거리는 100mm, 상단과 하단의 배기구멍(42)의 간격은 40mm이었다.

한편, 각 실시형태에 있어서의 실드(6)의 배기 컨덕턴스에 관하여, 제1 실시형태의 장치로는 2275리터/초이고, 제2 실시형태의 장치로는 3749리터/초이었다. 이것들의 장치에 있어서의 배기구멍(42)은 폭 10mm의 슬릿상이고, 그 깊이는 실드(6)의 두께와 같게 20mm이었다. 제1 실시형태의 장치에 있어서의 최상단의 배기구멍(42)으로부터 타게트(2)까지의 거리는 200mm, 최하단의 배기구멍(42)으로부터 기판(50)까지의 거리는 50mm, 각단의 배기구멍(42)의 간격은 30mm이었다.

또한, 제2 실시형태의 장치에 있어서의 최상단의 배기구멍(42)으로부터 타게트(2)까지의 거리는 100mm, 최하단의 배기구멍(42)으로부터 기판(50)까지의 거리는 20mm, 각단의 배기구멍(42)의 간격은 20mm이었다.

각 실시형태의 장치는, 타게트(2) 근방의 위치로부터 방전가스를 도입함과 동시에, 기판(50) 근방으로 복수단에도 받아진 배기구멍(42)에 의해서 기판(50) 근방의 공간을 높은 컨덕턴스로 배기하고 있다. 이 결과, 타게트(2) 근방에 있어서 방전가스의 압력을 높게 한 반면에, 기판(50) 근방의 압력을 낮게 한 압력분포가 유지된다. 이러한 압력분포가, 마그네트론 방전을 안정하게 유지하면서 저부 피복률 특성이 양호한 성막을 가능하게 하고 있다.

원거리 스퍼터링 장치에 있어서 더욱 저부 피복률 특성을 개선하기 위해서는, T/S 거리를 더욱 길게 하면 방전시의 가스압력을 더욱 낮게 하여, 기판 표면에 대하여 수직 입사의 스퍼터 입자를 많게 하는 것이 고려된다. 그렇지만, T/S 거리를 길게 하는 것은 스퍼터 속도의 저하에 더하여 더욱 장치가 대형화되는 결점을 생기게 한다. 또한, 방전시의 가스압력을 저하시키는 것은, 마그네트론 방전의 상태가 불안정하게 된다고 하는 문제를 초래한다.

제9(a)도에 나타내는 종래의 원거리 스퍼터링 장치에 있어서, 더욱 저부 피복률 특성을 개선하기 위해서는, T/S 거리를 길게 하면 방전시의 압력을 내릴 수 밖에 없다. 그러나, T/S 거리를 길게 하는 것 또는 방전시의 압력을 내리는 것은, 결국, 상술한 바와 같은 문제를 초래하게 된다.

스퍼터 방전을 안정하게 유지하면서 양호한 저부 피복률 특성을 얻기 위해서는, 일반적으로는, 타게트(2) 근방의 압력이 기판(50) 근방의 압력의 3배로부터 10배정도인 것이 바람직하다. 타게트(2) 근방의 압력이 기판(50) 근방의 압력의 3배이하인 것으로서는, 스퍼터 방전의 안정유지와 저부 피복률 특성의 개선이 양립하지 않게 된다. 타게트(2) 근방의 압력이 기판(50) 근방의 압력의 10배이상인 것으로서는, 가스도입이나 배기를 위한 구성이 극단적으로 어렵게 되어 버린다.

구체적으로 어떤 정도의 압력치로 해야할까는, 방전전압이나 필요한 성막속도에 의해서 다르기 때문에 일률적으로 말할 수 없다.

그러나, 본 실시태양에 있어서는, 타게트(2) 근방의 압력은 0.7∼1mTorr 정도로 하는 것이 안정방전을 위해 바람직하고, 기판(50) 근방의 압력은 0.3mTorr 이하로 하는 것이 저부 피복률 특성의 개선을 위해 바람직하다. 즉, 타게트(2) 근방의 압력이 0.7mTorr 이하이면 방전이 안정하게 유지될 수 없고, 또한 1mTorr 이상이면 방전가스 분자에 의한 스퍼터 입자의 산란 문제나 막중에의 방전가스 분자의 혼입 문제가 현재화한다.

또한, 타게트(2) 근방의 압력이 0.3mTorr 이상일 때, 스퍼터 입자의 산란에 의해 충분한 저부 피복률이 얻어지지 않는다.

「타게트 근방」및「기판 근방」이라고 하는 용어의 의미에 관해서 자세히 설명한다.「타게트 근방」이라는 것은, 마그네트론 방전을 유지하는데 필요한 이온이나 전자가 존재하는 공간영역이다. 이 공간영역은, 방전의 방식에 의해서 다르기 때문에,「근방」이 타게트로부터 어느 정도 떨어진 위치인지는 한번에 결정되지 않는다. 마그네트론 방전으로서는 타게트상에 만들어지는 아치형상의 자력선에 의해서 타게트의 전방에 폐쇄된 공간이 형성되는 것으로,「근방」이란, 이 공간에 방전이 가두어지는 공간영역으로 한다. 본 실시태양에 있어서는,「근방」이라는 것은, 타게트로부터 10∼40mm정도 떨어진 위치까지를 말한다.

「기판 근방」이라는 것은, 스퍼터 입자가 방전가스 분자와 충돌함으로써 저부 피복률 특성이 영향을 받는 공간영역의 것을 의미한다. 어떤 정도의 공간영역까지가 기판에의 스퍼터 입자의 입사방향에 영향을 미칠까는, T/S 거리에 의해서도 변하기 때문에 일률적으로 말할 수 없다. 그러나 「기판 근방」이라는 것은, 본 실시태양에 있어서는 기판으로부터 10∼100mm 정도까지 할 수 있다.

제4도는, 확대된 배기구멍(42)의 단면도이다. 진공용기(1)의 기벽에 스퍼터 입자의 부착을 방지하는 실드(6)에 설치한 배기구멍(42)은, 스퍼터 입자가 거기를 통과하여, 기벽에 부착한다.

이 경우, 제4도에 도시한 바와 같이 배기구멍(42)이 굴절된 배기로를 형성하도록 하면, 스퍼터 입자의 비행경로도 굴절된 것으로 되기 때문에, 실드(6)밖으로 스퍼터 입자의 비행이 억제된다. 굴절된 배기로는, 컨덕턴스가 작게 되기 때문에, 필요한 배기 컨덕턴스를 감안하면서 적당히 설계한다.

제5도는, 기판표면에 형성된 홀에 퇴적한 박막의 단면 프로파일이다. 홀의 매설을 위한 성막의 경우, 홀의 저면과 측면 각으로의 박막 퇴적량이 충분하지 않으면, 제5도에 점선으로 도시한 것처럼 박막이 성장하여, 흘의 내부에 보이드가 형성되어 버린다. 보이드의 형성은, 전류밀도를 높게 하여, 결과적으로 배선저항을 크게 하게 된다. 따라서, 저면의 각으로의 박막 퇴적을 촉진하여 보이드가 형성되지 않도록 할 필요가 있지만, 상기 각 실시형태의 장치에 의하면, 이러한 저면의 각에도 충분히 박막이 퇴적하기 때문에, 보이드가 없는 적정한 배선을 할 수 있다.

그 밖의 저부 피복률 특성의 예로서는, 단차를 형성하는 배선상에 층간 절연막을 피복성 좋게 형성하여 평탄성을 확보하는 예를 들 수 있다.

타게트측에서 높고 기판측에서 낮게 되는 압력분포를 달성하기 위해서, 배기구멍(42)을 타게트(2)와 기판(50) 사이에 균등간격으로 배설하면서, 기판(50) 근방의 배기구멍(42)의 개구정도를 크게 하여 기판(50) 근방에 있어서 부분적으로 컨덕턴스를 크게 해도 좋다. 또한 별도로, 배기구멍(42)의 크기가 동일한 기판(50)에 가깝게 되면 배기구멍(42)의 배설간격을 작게 해도 좋다.

실드(6)가 없는 경우, 가스도입 관(44)이나 배기구멍(42)은 기벽에 직접 설치한다.

타게트측에서 높고 기판측에서 낮게 되는 분포가, 곡선적으로 서서히 변화되기도 하고 단계적으로 서서히 변화되기도 해도 좋다.

더욱, 배기구멍(42)의 형상은, 원형이나 사각형의 각종 형상을 채용할 수 있다. 주방향으로 뻗는 슬릿상의 경우, 360도의 슬릿이라도 좋고, 몇개로 분단된 것 같은 균등 간극으로 주상에 배치된 복수의 슬릿이라도 좋다. 한편, 360도의 슬릿의 경우, 실드(6)는 중심축방향에서 분할되기 때문에, 각각에 부착구를 구비하는 것으로 된다.

[발명의 효과]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 종래의 원거리 스퍼터에 있어서의 저부 피복률 특성이 2배이상 개선되기 때문에, 깊은 구멍이나 흠의 저부에 피복성 좋게 성막을 할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 가공폭 0.25μm가 요구되는 256메가비트의 집적회로의 제작에 알맞은 성막공정을 제공한다.

Claims (6)

1. 배기계를 구비한 진공용기, 타게트, 마그네트론 방전을 발생시키는 전극, 기판을 유지하는 기판홀더 및 진공용기에 방전가스를 도입하는 가스도입기구를 갖춘 스퍼터링 장치에 있어서, 타게트와 기판 사이의 공간을 둘러싸는 실드를 구비하고, 상기 실드는 가스도입기구에 의해 타게트와 기판 사이의 공간에 방전가스를 도입하는 가스도입관과, 그 공간에서 방전가스를 배출하는 배기구멍을 가지며, 타게트와 기판의 거리를 타게트의 대표적인 길이로 나눈 T/S 규격치를 7.5 이상으로 설정하고, 더욱 타게트와 기판 사이의 방전가스의 압력분포가 타게트측에서 기판측으로 진행함에 따라서 낮게 되도록 가스도입관과 배기구멍이 진공용기내에 설치되고, 여기에서 가스도입관은 타게트와 기판 중간보다도 타게트측에 배치되고, 배기구멍은 그 중간위치보다도 기판측에 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
2. 제1항에 있어서, 타게트와 기판의 거리를 150mm 이상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
3. 제1항에 있어서, 배기구멍은, 굴절된 배기로를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
4. 제1항에 있어서, 배기구멍은, 타게트와 기판을 결합하는 방향에 따라서 실드에 여러개 설치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
5. 제1항에 있어서, 타게트 근처의 압력과 기판 근처의 압력의 차가 3배 내지 10배의 범위인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
6. 제1항에 있어서, 타게트 근처의 압력이 0.7 내지 1밀리토르이고, 기판 근처의 압력이 0.3밀리토르 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.