KR100284248B1

KR100284248B1 - 스퍼터링장치

Info

Publication number: KR100284248B1
Application number: KR1019980003965A
Authority: KR
Inventors: 마사히코 고바야시; 요이치로 누마자와
Original assignee: 니시히라 순지; 아네르바 가부시키가이샤
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1998-02-11
Publication date: 2001-03-02
Also published as: JPH10330932A; KR19980086497A; US6083361A; TW354407B

Abstract

애스펙트비 4 이상의 홀의 내면에 보텀 커버리지율 좋게 성막을 행할 수 있도록 한다.

티탄 등의 금속제의 타겟(2)을 스퍼터하여 기판(50)에 소정의 박막을 작성하는 스퍼터챔버내에 소정의 가스를 도입하는 가스도입수단(4)은 타겟(2)으로부터 방출되는 스퍼터입자에 반응하여 홀(500)의 측면(501)에 대한 부착성이 스퍼터입자 단체의 경우보다도 보다 낮고 또한 홀(500)의 저면(502)에서 해리가능한 화합물을 생성하는 수소 등의 반응성 가스를 도입하는 것이 가능하다. 좁은 홀(500)의 저면(502)까지 효율적으로 스퍼터입자가 도달할 수 있기 때문에, 홀(500)의 저면(502)에서의 막퇴적이 촉진되어 보텀 커버리지율이 향상된다.

Description

스퍼터링장치{SPUTTERING DEVICE}

본원 발명은 각종 반도체 디바이스 등의 제작에 사용되는 스퍼터링장치에 관한 것이며, 특히 고애스펙트비의 홀내에 성막하는데 알맞은 스퍼터링장치에 관한 것이다.

각종 메모리나 로직과 같은 반도체 디바이스에서는 각종 배선막의 작성이나 이종층의 상호확산을 방지하는 배리어막을 작성할 때에 스퍼터링 프로세스를 사용하고 있다. 스퍼터링 프로세스에서 스퍼터링장치가 사용되고 있다. 이러한 스퍼터링장치는 기판에 형성된 홀의 내면에 커버리지성 좋게 피복할 수 있을 것이 최근 강하게 요망되고 있다.

DRAM에서 다용되고 있는 CMOS-FET(전계효과 트랜지스터)에서는, 확산층위에 설치한 컨택트홀의 내면에 배리어막을 설치하여 컨택트배선층과 확산층의 상호오염을 방지하는 구조가 채용된다. 각 메모리셀의 배선을 행하는 다층배선구조에서는, 하층배선과 상층배선을 잇기 위해서, 층간 절연막에 스루홀을 설치하여 이 스루홀내를 층간배선으로 매설하는 것이 행해진다. 이 때에도 스루홀내에 배리어막을 작성하여 상호오염을 방지한 구조가 채용된다.

이러한 홀은 집적도의 증가를 배경으로 하여, 그 애스펙트비(홀 개구의 직경 또는 폭에 대한 홀 깊이의 비)가 해마다 높아져 가고 있다. 예컨대, 64 메가비트 DRAM에서는 애스펙트비는 4 정도이지만, 256 메가비트에서 애스펙트비는 5∼6 정도가 된다.

배리어막의 경우, 홀의 주위면으로의 퇴적량에 대하여 10 내지 15%의 양의 박막을 홀의 저면에 퇴적시킬 필요가 있다. 고애스펙트비의 홀에 대해서는 보텀 커버리지율(홀의 주위면으로의 성막속도에 대한 홀저면으로의 퇴적속도의 비)을 높게 하여 성막을 행하는 것이 곤란하다. 보텀 커버리지율이 저하하면, 홀 저면에서의 배리어막이 얇게 되어, 접합부 리크와 같은 디바이스 특성에 치명적인 결함을 줄 우려가 있다.

보텀 커버리지율을 향상시키는 스퍼터링 수법으로서 콜리메이트스퍼터나 저압원격스퍼터 수법이 지금까지 개발되어 왔다. 콜리메이트스퍼터는 타겟과 기판 사이에 기판에 수직인 방향의 구멍을 다수 뚫은 판(콜리메이터)을 설치한다. 이들 구멍에 스퍼터입자를 통과시킴으로써, 기판에 거의 수직으로 비행하는 스퍼터입자만을 선택적으로 기판에 도달시키는 수법이다.

저압원격스퍼터는 타겟과 기판의 거리를 길게 하여 (통상의 약 3배 내지 5배) 기판에 거의 수직으로 비행하는 스퍼터입자를 상대적으로 많이 기판에 입사시키도록 함과 동시에, 통상보다 압력을 낮게 하여 (0.8mTorr 정도 이하) 평균자유행정을 길게 함으로써 이들 스퍼터입자가 산란되지 않도록 하는 수법이다.

콜리메이트스퍼터에서는 애스펙트비 2의 홀에 대하여 20∼30% 정도의 보텀 커버리지율이 얻어지고, 통상의 스퍼터링장치보다는 우수한 결과가 얻어진다. 그렇지만, 콜리메이트스퍼터에서는 콜리메이터의 부분에 스퍼터입자가 퇴적하여 손실되기 때문에 성막속도가 저하하거나, 콜리메이터에 퇴적한 박막이 박리하여 분진입자 발생의 원인이 되기도 하는 문제가 있다. 콜리메이트스퍼터는 애스펙트비가 3 정도인 16 메가비트의 클래스까지의 장치가 한계로 되어 있다.

저압원격스퍼터에서는 애스펙트비 2의 홀에 대하여 약 40%, 애스펙트비 3.5의 홀에 대하여 약 20%의 보텀 커버리지율이 얻어지고, 콜리메이트스퍼터보다도 우수한 성능을 보이고 있다. 그렇지만, 저압원격스퍼터에서는, 압력을 낮게 하여 타겟과 기판의 거리를 길게 하기 때문에 본질적으로 성막속도가 저하하는 문제가 있다. 저압원격스퍼터에서도 애스펙트비 4 정도까지의 디바이스가 한계로 되어 있다.

본원 발명은 상술한 바와 같은 종래의 상황을 근거로 하여, 애스펙트비 4 이상의 홀의 내면에 보텀 커버리지율 좋게 성막을 행할 수 있도록 하는 것을 해결과제로 하고 있다.

도 1은 본원 발명의 제 1 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

도 2는 반응성 가스의 효과에 관하여 설명하기 위한 퇴적하는 박막의 단면개략도이다.

도 3은 이온화 스퍼터링의 작용을 설명하기 위한 퇴적하는 박막의 단면개략도이다.

도 4는 제 2 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

도 5는 제 3 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

도 6은 제 4 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 스퍼터챔버 11 : 배기계

2 : 타겟 3 : 스퍼터전원

30 : 자석어셈블리 4 : 가스도입수단

41 : 아르곤가스도입계 42 : 수소가스도입계

43 : 질소가스도입계 424 : 에너지공급관

425 : 고주파 안테나 426 : 반응성 가스용 고주파전원

5 : 기판 홀더 50 : 기판

6 : 전계설정수단 61 : 기판바이어스용 전원 7 : 플라즈마형성수단 71 : 고주파코일

72 : 플라즈마용 고주파전원 8 : 부착방지 실드

상기 과제를 해결하기 위해서, 본원의 발명의 스퍼터링장치에 있어서, 가스도입수단이, 타겟으로부터 방출되는 스퍼터입자에 반응하여 기판의 특정 영역에 대한 부착성이 해당 스퍼터입자 단체의 경우보다도 보다 낮고 또한 기판의 다른 영역에서 해리가능한 화합물을 생성하는 반응성 가스를 도입한다. 스퍼터링장치는 또한 배기계를 구비한 스퍼터챔버, 스퍼터챔버내에 설치된 금속제의 타겟, 스퍼터방전을 생기게 하여 타겟을 스퍼터하는 스퍼터전원, 및 스퍼터입자가 입사하는 위치에 기판을 유지하는 기판 홀더를 구비하고 있으며, 타겟으로부터 기판으로의 스퍼터입자의 비행경로에, 스퍼터방전에 의해서 형성되는 플라즈마와는 다른 플라즈마를 형성하여 스퍼터입자 또는 상기 반응성 가스를 이온화시키는 플라즈마형성수단이 설치되어 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 가스도입수단은 타겟으로부터 방출되는 스퍼터입자에 반응하여 해당 스퍼터입자 단체보다도 상기 홀의 측벽에 대한 부착성이 보다 낮고 또한 홀의 저면에서 해리가능한 화합물을 생성하는 반응성 가스를 도입한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 반응성 가스는 이온화되었을 때에 스퍼터입자로부터 전자를 빼앗아 스퍼터입자를 이온화시킨다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 가스도입수단은 스퍼터방전을 생기게 하기 위한 스퍼터방전용 가스에 더하여 반응성 가스를 도입한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 타겟은 티탄으로 형성되어 있고, 상기 반응성 가스는 수소이다.

또, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 가스도입수단은 수소가스로 이루어지는 반응성 가스와 함께 아르곤가스와 질소가스를 도입한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 가스도입수단은 반응성 가스를 활성화 또는 이온화시킨 상태로 도입한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 가스도입수단은 상기 활성화 또는 이온화시킨 반응성 가스를 기판의 표면근처의 공간을 향하여 도입한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 기판에 대하여 수직으로 이온을 입사시키기 위한 이온입사용 전계를 설정하는 전계설정수단이 설치되어 있다.

발명의 실시형태

이하, 본원 발명의 실시형태에 관하여 설명한다. 도 1은 본원 발명의 제 1 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

본 실시형태의 스퍼터링장치는 배기계(11)를 구비한 스퍼터챔버(1)를 가진다. 이 스퍼터챔버(1)는 그 안에 설치된 타겟(2), 이 타겟(2)을 스퍼터하는 스퍼터전원(3), 및 스퍼터챔버(1)내에 소정의 가스를 도입하는 가스도입수단(4)을 가진다. 타겟(2)으로부터 방출된 스퍼터입자는 기판 홀더(5)에 유지된 기판(50)에 입사된다.

스퍼터챔버(1)는 도시되지 않은 게이트밸브를 구비한 기밀한 용기이다. 이 스퍼터챔버(1)는 스테인레스와 같은 금속제이고, 전기적으로는 접지되어 있다.

배기계(11)는 터보분자펌프나 확산펌프를 구비한 다단의 진공배기시스템이다. 배기계(11)는 스퍼터챔버(1)내를 10^-8Torr 정도까지 배기가능하게 되어 있다. 배기계(11)는 가변 오리피스 등의 도시되지 않은 배기속도조정기를 구비하여, 배기속도를 조정하는 것이 가능하게 되어 있다.

타겟(2)은 금속제이고, 본 실시형태에서는 티탄으로 형성되어 있다. 타겟(2)은 두께 6mm, 직경 300mm 정도의 원판형상이다. 타겟(2)은 금속제의 타겟 홀더(21) 및 절연체(22)를 통해 스퍼터챔버(1)에 부착되어 있다.

타겟(2)의 배후에는 마그네트론 스퍼터를 행하도록 자석어셈블리(30)가 설치되어 있다. 자석어셈블리(30)는 중심자석(31), 이 중심자석(31)을 둘러싸는 주변자석(32), 그리고 중심자석(31) 및 주변자석(32)을 잇는 원판형상의 요크(33)로 구성되어 있다. 각 자석(31, 32)은 모두 영구자석이지만, 전자석으로 이들을 구성하는 것도 가능하다.

스퍼터전원(3)은 일정한 음의 고전압을 타겟(2)에 인가한다. 예컨대 티탄 스퍼터의 경우, 700V 정도의 음의 직류전압을 인가한다.

본 실시형태의 장치의 큰 특징점인 가스도입수단(4)은 스퍼터방전을 생기게 하기 위한 스퍼터방전용 가스로서의 아르곤, 반응성 가스로서의 수소, 및 질소가스를 스퍼터챔버(1)내에 도입한다.

가스도입수단(4)은 아르곤가스도입계(41), 수소가스도입계(42), 및 질소가스도입계(43)를 가지고 있다. 각각의 가스도입계(41, 42, 43)는 각각의 가스를 채운 봄베(411, 421, 431)와, 배관상에 설치된 밸브(412, 422, 432) 및 유량조정기(413, 423, 433)로 구성되어 있다.

아르곤가스도입계(41), 수소가스도입계(42) 및 질소가스도입계(43)는 동일한 주배관(40)에 접속되어 있다. 원하는 혼합비로 혼합하거나, 밸브(412, 422, 432)의 변환에 의해서 어느 가스를 선택하거나 하여 스퍼터챔버에 도입하는 것이 가능하게 되어 있다. 가스도입수단(4)의 주배관(40)은 스퍼터챔버(1)를 기밀하게 관통하여, 타겟(2) 아래쪽의 스퍼터방전공간을 향하여 가스를 도입한다.

기판 홀더(5)는 절연체(53)를 통해 스퍼터챔버(1)에 기밀하게 설치되어 있고, 타겟(2)에 대하여 평행하게 기판(50)을 유지한다. 기판 홀더(5)에는 기판(50)을 정전기에 의해서 흡착하는 도시되지 않은 정전흡착기구가 설치된다. 정전흡착기구는 기판 홀더(5)내에 설치된 흡착전극과 흡착전극에 직류전압을 인가하는 흡착전원으로 구성된다. 성막중에 기판(50)을 가열하여 성막을 효율적이게 하는 도시되지 않은 가열기구가 기판 홀더(5)내에 설치되어 있다.

본 실시형태의 장치에서는 기판(50)에 대하여 수직으로 이온을 입사시키기 위한 이온입사용 전계를 설정하는 전계설정수단(6)이 설치되어 있다. 이 전계설정수단(6)은 본 실시형태에서는 고주파와 플라즈마의 상호작용에 의해서 기판(50)에 셀프바이어스전압을 부여하는 기판바이어스용 전원(61)에 의해서 구성되어 있다.

기판바이어스용 전원(61)은 주파수 13.56MHz로 출력 200W 정도의 고주파를 발생시키는 것이 사용되고 있다. 도시되지 않은 정합기를 통해 기판 홀더(5)에 고주파전력을 공급하도록 되어 있다. 기판바이어스용 전원(61)은 60∼100MHz 정도의 주파수라도 좋다.

스퍼터전원(3)에 의해서 스퍼터방전이 생기면, 타겟(2) 아래쪽에 방전에 의한 플라즈마(P)가 생성된다. 기판바이어스용 전원(61)에 의해서 기판(50)에 고주파전압이 인가되면, 기판(50) 윗쪽의 공간에도 약한 플라즈마(P')가 생성된다. 기판(50)의 표면에는 이 플라즈마(P')속의 하전입자가 주기적으로 가까이 당겨진다. 이동도가 높은 전자는 양이온에 비해서 대부분 기판(50)의 표면에 가까이 당겨지고, 그 결과, 기판(50)의 표면은 음의 전위로 바이어스된 것과 같은 상태가 된다. 상술한 예의 기판바이어스용 전원(61)의 경우, 평균치로 -100V 정도의 바이어스전압을 기판(50)에 부여할 수 있다.

상기 기판바이어스전압이 부여된 상태는, 직류이극방전으로 플라즈마를 형성한 경우의 음극 피복영역과 같이, 플라즈마(P')와 기판(50) 사이에 기판(50)을 향하여 내려가는 전위경도를 가지는 이온입사용 전계가 설정된 상태가 된다. 이 이온입사용 전계에 의해서, 기판(50) 윗쪽에 존재하는 이온이 인출되어 기판(50)에 효율적으로 입사된다.

본 실시형태의 장치는 스퍼터입자의 불필요한 장소로의 부착을 방지하는 부착방지 실드(8)가 스퍼터챔버(1)내에 설치되어 있다. 부착방지 실드(8)는 거의 원통형의 부재이고, 타겟(2)과 기판 홀더(5) 사이의 공간을 둘러싸도록 하여 설치되어 있다.

스퍼터입자가 스퍼터챔버(1)의 기벽과 같은 불필요한 장소에 부착하면, 시간이 경과함에 따라 박막을 퇴적시킨다. 이 박막이 어느 정도의 양에 달하면 내부스트레스 등에 의해서 박리된다. 박리된 막편은 스퍼터챔버(1)내를 분진 입자가 되어 부유한다. 이 입자가 기판(50)에 달하면, 국부적인 막두께 이상과 같은 불량을 발생시킨다. 본 실시형태의 장치는 타겟(2)과 기판 홀더(5) 사이의 공간을 부착방지 실드(8)로 둘러싸서, 불필요한 장소로의 스퍼터입자의 부착을 방지하고 있다.

부착방지 실드(8)의 표면에는 부착한 박막의 박리를 방지하는 요철이 형성되어 있다. 부착방지 실드(8)는 교환가능하게 설치되어 있다. 부착한 박막이 벗겨질 정도의 두께가 되면, 신품인 것 또는 박막을 제거한 것으로 교환된다.

다음에, 상기 구성에 관한 본 실시형태의 장치의 동작을 설명한다.

기판(50)이 도시되지 않은 게이트밸브를 통해서 스퍼터챔버(1)내에 반입되고 기판 홀더(5)상에 배치된다. 스퍼터챔버(1)내는 미리 10^-8Torr 정도까지 배기되어 있다. 기판(50)의 배치후에 가스도입수단(4)이 동작하여, 스퍼터방전용 가스로서의 아르곤과 반응성 가스로서의 수소를 일정한 유량으로 스퍼터챔버(1)내에 도입한다.

배기계(11)의 배기속도조정기를 제어하여 스퍼터챔버(1)내를 60mTorr 정도로 유지한다. 이 상태로 스퍼터방전을 시동시킨다. 스퍼터전원(3)에 의해서 타겟(2)에 일정한 전압을 부여하여, 이온화된 아르곤가스가 타겟(2)을 침으로써 마그네트론 스퍼터방전이 생긴다. 마그네트론 스퍼터방전에 의해서, 타겟(2) 아래쪽에 플라즈마(P)가 형성된다. 병행하여, 전계설정수단(6)으로서의 기판바이어스용 전원(61)을 동작시켜 이온입사용 전계를 설정한다.

스퍼터에 의해서 타겟(2)으로부터 방출된 스퍼터입자는 기판(50)에 달하여 기판(50)의 표면에 박막을 퇴적한다. 박막이 원하는 두께에 달하면, 기판바이어스용 전원(61), 스퍼터전원(3) 및 가스도입수단(4)의 동작을 정지시킨다. 스퍼터챔버(1)내를 다시 배기한 후, 기판(50)을 스퍼터챔버(1)로부터 반출한다. 메탈 스퍼터에서는, 스퍼터입자는 대부분의 경우 원자의 상태로 타겟으로부터 방출되므로, 아래의 설명에서는 적절히「스퍼터입자」를「스퍼터원자」라고 바꿔 말한다.

상기 실시형태의 장치를 사용하여 집적회로용의 배리어막을 작성하는 예에 관하여 설명하면, 최초에 스퍼터방전용 가스로서 아르곤을 도입하여 상술한 방법으로 티탄박막을 성막한다. 그리고, 그 후 스퍼터방전용 가스를 질소로 바꿔 도입하여, 티탄과 질소의 반응을 보조적으로 이용하면서 질화티탄박막을 성막한다. 이와 같이 하여 티탄박막위에 질화티탄박막을 적층한 배리어막이 얻어진다.

본 실시형태의 장치의 큰 특징점은 기판(50)의 표면에 형성된 미세한 홀에 대한 보텀 커버리지율을 향상시키기 위해서, 기판(50)의 표면에 대한 스퍼터원자의 부착성을 제어하고 있는 것이다. 이 점을 아래에 상세히 설명한다. 도 2는 반응성가스의 효과에 관하여 설명하기 위한 퇴적하는 박막의 단면개략도이다.

발명자의 연구에 의하면, 상술한 수소가스와 같은 반응성 가스를 아르곤과 같은 스퍼터방전용 가스에 원하는 비율로 혼합하여 도입하면, 스퍼터원자와 반응성 가스의 반응에 의해서 스퍼터입자의 기판(50)에 대한 부착성을 낮추는 것을 판명하였다. 결과적으로, 미세한 홀에 대한 보텀 커버리지율을 향상시킬 수 있다.

상술한 티탄제의 타겟(2)의 스퍼터에서, 아르곤가스와 수소가스의 유량비를 예컨대 9 : 1 정도로 설정하여 60mTorr 정도의 압력으로서 스퍼터를 행하면, 아르곤가스 100%의 경우에 비해, 애스펙트비 4의 홀에 대한 보텀 커버리지율은 40% 내지 60% 정도로 개선된다. 이 원인에 대해서는 완전히 해명된 것은 아니지만, 아래와 같이 추측된다.

도입된 수소가스는 아르곤가스에 의한 스퍼터방전으로 형성된 플라즈마에 의해 활성화되어 수소 라디칼이 생성된다. 이 수소 라디칼은 타겟(2)으로부터 방출된 티탄원자와 반응하여 TiH 라디칼이 생성된다.

이 TiH 라디칼은 증기압이 높고, 따라서 기판(50)의 표면에 대한 부착계수(표면에 도달하였을 때에 그 표면에 부착하는 정도)가 작다. 이와 같은 TiH 라디칼이 기판(50) 표면의 홀(500)내에 입사하면, TiH 라디칼은 홀(500)의 측벽(501)에는 부착하지 않고, 그 대부분이 홀(500)의 저면(502)에까지 낙하해 온다. 저면(502)에서 기판(50)의 재료를 촉매로 하여 TiH는 Ti와 H로 분리되고, Ti는 티탄박막(510)을 퇴적시킨다. H는 수소가스분자가 되어 휘발하여, 최종적으로는 배기계(11)에 의해서 스퍼터챔버(1)로부터 배기되게 된다.

이와 같이, 반응성가스로서의 수소가스는 Ti 스퍼터원자를 부착계수가 낮은 TiH 라디칼로 바꿔 Ti를 홀(500)의 저면(502)에까지 효율적으로 이끄는 작용을 가지고 있다. 이러한 작용 때문에 홀(500)에 대한 보텀 커버리지율이 향상되는 것으로 생각된다.

부착계수는 일반적으로 증기압에 의존한다. 청구항 1에서 말하는「 부착성이 보다 낮고」는 「증기압이 보다 높고」라고 바꿔 말할 수 있다. 300℃ 정도에서 Ti의 포화증기압은 10^-11Torr 이하이고, TiH의 포화증기압은 760Torr 이상이다. TiH 라디칼의 포화증기압은 Ti보다 높다고 생각되기 때문에, TiH 라디칼은 Ti보다 포화증기압이 훨씬 높고, 따라서 부착계수가 낮다.

상기한 바와 같이 반응성 가스로서 수소를 도입한 경우의 Ti 스퍼터원자의 반응에 관하여 보다 상세히 검토한다.

기상중에서는 아래와 같은 반응이 생기는 것으로 예상된다.

Ti + H⁺→ Ti⁺+ H

Ti + H⁺→ (TiH)^*

Ti + H^*→ (TiH)^*

반응식 1은 Ti 스퍼터원자가 수소이온에 전자를 빼앗김으로써 Ti 이온으로 변화하는 반응, 반응식 2는 Ti 스퍼터원자가 수소이온과 반응하여 TiH 라디칼을 생성하는 반응, 반응식 3은 Ti 스퍼터원자가 수소 라디칼과 반응하여 TiH 라디칼을 생성하는 반응을 각각 나타내고 있다.

한편, 기판(50)의 표면에서는 아래와 같은 반응이 생기는 것으로 예상된다.

(TiH)^*→ TiH

TiH → Ti + H

반응식 4는 TiH 라디칼이 기판(50)의 표면으로의 충돌에 의해서 비활성화되는 과정을 나타내고 있고, 반응식 5는 TiH가 분리되어 Ti(고체)와 H(기체)로 분리되는 반응을 나타내고 있다. Ti는 티탄박막을 퇴적하는 소재로 이루어지고, H는 H₂가 되어 다시 공간으로 방출된다. H₂는 상기와 같은 반응에 다시 이용되든지, 또는 최종적으로 배기계(11)에 의해서 배기된다.

많은 경우, 반응식 4와 반응식 5는 연속적이라고 생각된다. 반응식 2 또는 반응식 3의 반응에 의해서 생성된 TiH 라디칼은 기판(50)의 표면에 대한 일회 또는 수회의 충돌에 의하여 비활성화되어 TiH가 되고, 그것이 다시 기판(50)의 표면에 달하였을 때 Ti와 H로 분리되는 것으로 생각된다.

상술한 바와 같이, 수소를 반응성 가스로서 사용하면 보텀 커버리지율이 향상되는 것은, 이 반응식 4의 반응이 오로지 홀의 측면에 충돌할 때에 빈번하게 일어나고, 반응식 5가 홀의 저면에 도달할 때에 빈번하게 일어나기 때문으로 생각된다.

반응식 1에 의해서 생성된 이온화 Ti 스퍼터원자는 이온화스퍼터링의 작용도 생기게 하고 있는 것으로 생각된다. 도 3은 이온화스퍼터링의 작용을 설명하기 위한 퇴적하는 박막의 단면개략도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 기판(50)의 표면에 형성된 미세한 홀(500)내에 박막(510)을 퇴적시킬 때, 홀(500) 개구의 테두리(503) 부분에 박막이 고조되어 퇴적하는 경향이 있다. 이 고조 부분의 박막(510)은「오버행」이라고 불린다. 오버행이 형성되면, 홀(500)의 개구가 작아져 외견상 애스펙트비가 높아져 버린다. 홀(500)내에 달하는 스퍼터원자의 양이 적어져 보텀 커버리지율이 저하해 버린다.

그래서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 이온화 Ti 스퍼터원자가 기판(50)에 달하면, 이 이온화 Ti 스퍼터원자는 오버행 부분의 박막(510)을 재스퍼터하여 무너뜨리고 홀(500)내에 떨어뜨려 넣도록 작용한다. 이 때문에 홀(500)의 개구가 작아지는 것을 방지함과 동시에, 홀(500)의 저면(502)으로의 막퇴적을 촉진시키기 때문에 보텀 커버리지율이 향상된다. 이러한 오버행의 재스퍼터는 이온화 Ti 스퍼터원자 뿐만 아니라, 상술한 수소이온이나 스퍼터방전용 가스로서의 아르곤가스의 이온에 의해서도 생길 수 있다.

본 실시형태의 장치에서는, 상술한 대로 전계설정수단(6)에 의해서 기판(50)에 수직인 기판(50)을 향하여 전위가 내려가는 이온입사용 전계가 설정된다. 상기 이온화 Ti 스퍼터원자는 이 이온입사용 전계에 의해서 이끌려서 기판(50)에 수직으로 입사하기 쉽게 된다. 이온화 Ti 스퍼터입자는 깊은 홀(500)의 저면(502)에까지 도달하기 쉽게 되어, 이 점도 보텀 커버리지율의 향상에 공헌하고 있는 것으로 생각된다.

이와 같이, 본 실시형태의 장치에서는, 기판(50)의 표면으로의 스퍼터원자의 부착성을 낮추는 반응을 보조적으로 이용함과 동시에 이온화스퍼터링의 작용도 이용함으로써, 보텀 커버리지율이 높은 성막을 달성하고 있다.

다음에, 본원 발명의 제 2 실시형태에 관하여 설명한다. 도 4는 제 2 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

이 제 2 실시형태의 장치가 제 1 실시형태의 장치와 다른 것은 타겟(2)으로부터 기판(50)으로의 스퍼터입자의 비행경로에, 다른 플라즈마(P″)를 형성하여 스퍼터원자 또는 반응성 가스를 이온화시키는 플라즈마형성수단(7)이 설치되어 있는 점이다.

플라즈마형성수단(7)은 본 실시형태에서는 스퍼터입자의 비행경로에 설정된 플라즈마형성공간에 고주파전계를 유기함으로써 플라즈마(P″)를 형성한다. 플라즈마형성수단(7)은 플라즈마형성공간을 둘러싸도록 배치된 고주파코일(71)과, 고주파코일(71)에 도시되지 않은 정합기를 통해 소정의 고주파전력을 공급하는 플라즈마용 고주파전원(72)으로 구성되어 있다. 플라즈마용 고주파전원(72)은 주파수 13.56MHz로 출력은 3kW 정도이다.

가스도입수단(4)에 의해서 도입된 스퍼터방전용 가스로서의 아르곤가스나 반응성 가스로서의 수소가스는, 고주파코일(71)에 의해서 유기된 고주파전계로부터 에너지가 부여되어서 플라즈마화되어 플라즈마(P″)를 형성한다. 플라즈마(P″)속에서는 수소이온이나 수소 라디칼이 열심히 생성된다. 이들 수소이온이나 수소 라디칼은 전술한 반응식 1 내지 반응식 5에 나타내는 것 같이 TiH 라디칼이나 Ti 이온을 생성하여, 전술한 것과 같이 보텀 커버리지율의 향상에 공헌한다.

상술한 바와 같이, 수소이온이나 수소 라디칼은, 스퍼터방전에 의해서 형성되는 플라즈마(P)중에서도 생성된다. 본 실시형태에서는, 플라즈마(P″)중에서도 더 생성되기 때문에, 보다 많은 양의 수소이온이나 수소 라디칼을 얻어, 보텀 커버리지율 향상의 효과를 보다 높게 얻을 수 있다.

플라즈마(P″)는 Ti 스퍼터원자의 비행경로에 형성되므로, 타겟(2)으로부터 날라오는 Ti 스퍼터원자중에는 플라즈마(P″)속에서 직접 이온화되는 것이 많이 있다. 상술한 이온화율의 효과도 본 실시형태의 장치에서는 증진되고 있다. 이 점에서도 보텀 커버리지율의 더 큰 향상에 공헌하고 있다.

다음에, 본원 발명의 제 3 실시형태에 관하여 설명한다. 도 5는 제 3 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 설명하는 정면개략도이다.

이 제 3 실시형태의 장치가 제 1 및 제 2 실시형태의 장치와 다른 것은, 가스도입수단(4)이 반응성 가스를 활성화 또는 이온화시킨 상태로 도입하는 점이다.

본 실시형태의 가스도입수단(4)에서는, 아르곤가스도입계(41)와 질소가스도입계(43)는 동일한 주배관(40)에 접속되어 있다. 원하는 혼합비로 혼합하거나, 밸브(412, 432)의 변환에 의해서 어느 쪽이든 한 쪽만을 선택하거나 하여 스퍼터챔버에 도입하는 것이 가능하게 되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 수소가스도입계(42)의 배관(420)은 복수로 분기하고, 각각의 선단에는 에너지공급관(424)이 접속되어 있다. 에너지공급관(424)은 내경 30mm 정도의 원관형상이고, 내부를 스퍼터챔버(1)내에 연통시킨 상태로 스퍼터챔버(1)에 기밀하게 접속되어 있다. 에너지공급관(424)은 4개 정도 설치되어, 스퍼터챔버(1)의 측벽에 같은 간격을 두고 접속된다.

각 에너지공급관(424)내에는 고주파안테나(425)가 설치되어 있다. 안테나(425)에는 반응성 가스용 고주파전원(426)이 접속되어 있다. 고주파안테나(425)로서는 본 실시형태에서는 싱글 루프 타입의 안테나가 사용되고 있다. 반응성 가스용 고주파전원(426)으로부터 고주파전력이 공급되어 여진되어서, 에너지공급관(424)내에 고주파전계를 방사한다. 반응성 가스용 고주파전원(426)으로서는 주파수 60MHz로 출력 200W 정도인 것이 사용된다.

고주파 안테나(425)로부터 방사된 고주파전계는 배관(420)으로부터 도입된 수소가스에 에너지를 부여하여 이온화시키거나 활성화시키거나 한다. 이 결과, 에너지공급관(424)으로부터는 수소이온이나 수소 라디칼이 풍부하게 공급된다. 전술한 반응식 1 내지 반응식 5에 따른 반응이 보다 많이 행해져, 보텀 커버리지율 개선의 효과가 더욱 높게 얻어진다.

이 실시형태에서는, 상기와 같이 수소이온이나 수소 라디칼이 풍부하게 공급되므로, 제 2 실시형태에서와 같은 플라즈마형성수단(7)은 채용되고 있지 않다. 그렇지만, 이 제 3 실시형태에서도 플라즈마형성수단(7)을 채용하면 더욱 수소의 이온화나 활성화 효과가 있다.

에너지공급관(424)으로부터 공급된 수소이온이 재결합하여 중성수소가스가 되거나, 수소 라디칼이 비활성화되어 정상상태의 수소가스가 되거나 한 경우, 플라즈마형성수단(7)이 형성하는 플라즈마는 이들 수소가스를 다시 이온화하거나 활성화하거나 할 수 있다. 상기 반응식 1 내지 반응식 5의 과정을 보다 효율적으로 유지할 수 있으므로, 보텀 커버리지율 개선의 효과를 보다 효율적으로 얻을 수 있다. 수소이온의 재결합이나 수소 라디칼의 비활성화 문제는 수소이온이나 수소 라디칼의 공급 부분이 기판으로부터 떨어져 있는 경우에 일어날 수 있기 때문에, 이 제 3 실시형태에서 플라즈마형성수단(7)을 채용하면 유효하다.

이 제 3 실시형태에서도 플라즈마형성수단(7)을 채용함으로써, 타겟(2)으로부터 날라오는 Ti 스퍼터원자를 효율적으로 이온화시킨다.

본원 발명의 제 4 실시형태에 관하여 설명한다. 도 6은 제 4 실시형태의 스퍼터링장치의 구성을 나타내는 정면개략도이다.

이 제 4 실시형태의 장치는 상술한 제 3 실시형태의 구성에서 가스도입수단(4)의 구성을 변경하고 있다. 즉, 제 4 실시형태에서는, 가스도입수단(4)은 활성화 또는 이온화시킨 반응성가스를 기판(50)의 표면근처의 공간을 향하여 도입한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 각 에너지공급관(424)은 스퍼터챔버(1)내의 노출된 선단개구가 기판 홀더(5)상의 기판(50)을 향하도록 스퍼터챔버(1)에 기밀하게 접속되어 있다. 수소이온이나 수소 라디칼이 효율적으로 기판(50)의 표면근처의 공간에 공급된다. 상술한 반응식1 내지 반응식 5의 과정을 보다 효율적으로 유지할 수 있다. 보텀 커버리지율 개선의 효과를 보다 효율적으로 얻을 수 있다.

이 제 4 실시형태에서는 수소이온이나 수소 라디칼의 공급부분이 기판(50)에 가깝기 때문에, 제 2 실시형태에서와 같은 플라즈마형성수단(7)을 설치할 필요성은 제 3 실시형태만큼 높지 않다. 그러나, 이 제 4 실시형태에서도 플라즈마형성수단(7)을 설치함으로써 Ti 스퍼터원자를 이온화시킬 수 있다.

상술한 각 실시형태의 예에서는 금속제의 타겟(2)의 예로서 티탄을 채용하여 들었지만, 알루미늄이나 구리등의 다른 금속이라도 좋다.

상술한 각 실시형태에서는 반응성 가스와는 따로 스퍼터방전용 가스를 도입하였지만, 반응성 가스 자체로 스퍼터방전을 지속할 수 있는 경우가 있고, 이러한 경우는 스퍼터방전용 가스를 도입하지 않는 경우도 있다.

전술한 예에서 반응성 가스는 기판(50)의 표면에 형성된 홀(500)의 측벽(501)에 대한 부착성이 보다 낮고 또한 홀(500)의 저면(502)에서 해리가능한 화합물을 생성하는 것이었지만, 다른 구성도 생각할 수 있다. 예컨대, 특정한 영역에만 선택적으로 박막을 퇴적할 필요가 있는 경우, 해당 영역 이외의 표면에서는 부착성을 낮게 하고, 해당 영역에 도달하였을 때에 분리되어 박막을 퇴적할 것 같은 화합물을 생성하는 반응성 가스를 사용한다. 이러한 선택적인 박막의 퇴적은 텅스텐의 선택성장법에 의하여 콘택트홀을 매설하는 플러그배선에 유사하지만, 이러한 선택적인 박막퇴적을 CVD(화학증착)로가 아니고 스퍼터링으로 할 수 있는 가능성이 있다.

본원 발명의 스퍼터링장치는 각종 반도체 디바이스외에 액정 디스플레이나 그 밖의 각종 전자제품의 제작에 이용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본원의 발명에 의하면, 기판 표면의 특정한 영역에 효율적으로 스퍼터입자를 도달시킬 수 있다. 특정 영역에서의 성막속도의 저하를 보충하거나 특정한 영역에만 선택적으로 박막을 퇴적시키도록 한다.

본 발명에 의하면, 스퍼터방전에 의한 플라즈마와는 따로 플라즈마가 형성되어 해당 플라즈마속에서 반응성 가스가 이온화되거나 활성화되거나 하므로, 보텀 커버리지율이 더욱 향상된다.

본 발명에 의하면, 홀의 저면에 효율적으로 스퍼터입자를 도달시켜 박막을 퇴적시킬 수 있다. 따라서, 보텀 커버리지율이 향상된다. 애스펙트비 4 이상의 홀에 대하여 충분한 보텀 커버리지율로 성막을 행할 수 있다. 256 메가비트 이후의 차세대 디바이스 제작에 특히 양호한 것이 된다.

본 발명에 의하면, 스퍼터입자가 이온화되므로 이온화스퍼터링의 효과도 기대할 수 있고, 이 점에서 더욱 보텀 커버리지율이 높은 성막이 가능해진다.

본 발명에 의하면, 두개 층의 상호확산을 방지하는 배리어막을 작성하는 경우에 특히 양호한 것이 된다.

본 발명에 의하면, 반응성 가스가 이온화되거나 활성화되거나 한 상태로 도입되므로, 보텀 커버리지율이 더욱 높게 얻어진다.

본 발명에 의하면, 이온화되거나 활성화되거나 한 반응성 가스가 기판을 향하여 공급되므로, 보텀 커버리지율의 향상이 더욱 높게 얻어진다.

본 발명에 의하면, 기판에 수직인 이온입사용 전계가 설정되므로, 이온화된 반응성 가스를 효율적으로 기판의 표면근처의 공간으로 잡아 당기거나 이온화스퍼터링의 효과를 보다 향상시키거나 하는 효과가 있다.

Claims

배기계를 구비한 스퍼터챔버, 스퍼터챔버내에 설치된 금속제의 타겟, 스퍼터방전을 생기게 하여 타겟을 스퍼터하는 스퍼터전원, 스퍼터챔버내에 가스를 도입하는 가스도입수단, 및 스퍼터입자가 입사하는 위치에 기판을 유지하는 기판 홀더를 구비한 스퍼터링장치로서, 상기 가스도입수단은 타겟으로부터 방출되는 스퍼터입자에 반응하여 기판의 특정 영역에 대한 부착성이 해당 스퍼터입자 단체의 경우보다도 보다 낮고 또한 기판의 다른 영역에서 해리가능한 화합물을 생성하는 반응성 가스의 도입수단을 포함하고, 그리고 상기 타겟으로부터 타겟으로의 스퍼터입자의 비행경로에, 상기 스퍼터방전에 의해서 형성되는 플라즈마와는 다른 플라즈마를 형성하여 스퍼터입자 또는 상기 반응성 가스를 이온화시키는 플라즈마형성수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가스도입수단은 타겟으로부터 방출되는 스퍼터입자에 반응하여 해당 스퍼터입자 단체보다도 홀의 측벽에 대한 부착성이 보다 낮고 또한 홀의 저면에서 해리가능한 화합물을 생성하는 반응성 가스의 도입수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 1 항에 있어서, 상기 반응성 가스는 이온화되었을 때에 스퍼터입자로부터 전자를 빼앗아 스퍼터입자를 이온화시키는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가스도입수단은 상기 스퍼터방전을 생기게 하기 위한 스퍼터방전용 가스에 더하여 상기 반응성 가스를 도입하는 것이 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 1 항에 있어서, 상기 타겟은 티탄으로 형성되어 있고, 상기 반응성 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 5 항에 있어서, 상기 가스도입수단은 수소가스로 이루어지는 반응성 가스와 함께 아르곤가스와 질소가스를 도입하는 것이 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가스도입수단은 상기 반응성 가스를 활성화 또는 이온화시킨 상태로 도입하는 것이 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 7 항에 있어서, 상기 가스도입수단은 상기 활성화 또는 이온화시킨 반응성 가스를 기판의 표면근처의 공간을 향하여 도입하는 것이 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.
제 1 항에 있어서, 기판에 대하여 수직으로 이온을 입사시키기 위한 이온입사용 전계를 설정하는 전계설정수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링장치.