KR100439474B1 - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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KR100439474B1
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Abstract

금속층을 형성할 때 타겟 전면에 자기장을 발생시키기 위한 스퍼터링 장치가 개시되어 있다. 스퍼터링 챔버내에 기판을 타겟 전면을 향하도록 위치시킨다. 상기 기판 상에 상기 타겟 전면으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들을 적층하여 상기 기판 상에 금속층을 형성한다. 자기장 발생부는 상기 타겟 이면에 대향하고, 상기 타겟의 중심 부위로부터 벗어난 부위에 개방부를 갖는 엔클로저 형태를 갖는다. 자기장 발생부는 상기 타겟 전면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공한다. 불균일한 분포를 갖는 자기장을 이용하여 상기 스퍼터 입자들의 거동을 효율적으로 제어할 수 있다. 따라서, 균일한 타겟 부식 프로파일을 얻을 수 있다.

Description

스퍼터링 장치{Sputtering apparatus for depositing a film}
본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속층을 형성할 때 타겟 전면에 자기장을 발생시키기 위한 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능 면에 있어서, 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하여, 상기 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 제조 기술이 발전되고 있다. 때문에, 상기 반도체 장치에 있어, 금속 배선층으로 사용하기 위한 금속층에 대한 요구도 엄격해지고 있다.
상기 금속층은, 주로, 티타늄 물질, 질화티타늄 물질 또는 알루미늄 물질 등을 스퍼터링 방법으로 형성한다. 상기 스퍼터링에 의한 금속층의 형성에서는 미세 구조에서의 스텝 커버리지(step coverage) 향상과 대면적 기판에서의 두께 균일도(thickness uniformity) 향상 등에 대한 연구 개발이 진행 중에 있다.
상기 스퍼터링을 효율적으로 수행하기 위하여 자기장을 사용하는 것이 일반적이다. 상기 자기장을 사용할 경우, 저압 및 고밀도 플라즈마의 공정 조건을 만족시킬 수 있다. 따라서, 타겟으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들의 직진성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 상기 직진성의 향상에 의하여 상기 스텝 커버리지를 향상시킬 수 있다. 그리고, 상기 스퍼터링되는 스퍼터 입자들의 거동을 효과적으로 제어하기 위하여 상기 자기장을 발생시키는 부재를 회전시키는 방법을 사용하고 있다. 이에 따라, 상기 스텝 커버리지 뿐만 아니라 두께 균일도에도 양호한 결과를 얻을 수 있다. 즉, 최근에 개발된 금속층을 형성하는 스퍼터링 기술은 회전하는 타입의 자기장을 사용하는 기술이 있다.
상기 자기장을 사용한 스퍼터링 기술은, 예를 들면, 미합중국 특허 제6,228,236호(issued to Rosenstein, et al.), 미합중국 특허 제6,183,614호(issued to Fu), 미합중국 특허 제4,995,958호(issued to Anderson, et al.), 일본국 특허공개 평8-74051호, 일본국 특허공개 평9-310174호 및 대한민국 특허공개 98-65920호 등에 개시되어 있다.
상기 자기장을 사용하여 스퍼터링을 수행하더라도, 상기 반도체 장치의 선폭(critical dimension : CD)이 0.15㎛ 이하 또는 개구 부위의 종횡비(aspect ratio)가 5 : 1 이상의 패턴층 상에 상기 금속층을 형성할 경우에는 불량이 빈번하게 발생하는 문제점이 있다. 즉, 상기 개구 부위 입구에 오버행(overhang) 등과 같은 불량이 발생하는 것이다. 이는, 국부적인 타겟 부식 프로파일에 의한 비효율적 현상 등에 원인이 있다.
도 1은 상기 미합중국 특허 제4,995,958호에 개시된 형태의 자기장 발생 부재를 사용할 경우 타겟 부식 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 1에서 타겟 부식 깊이는 mm 단위이다.
도 1을 참조하면, 5mTorr의 압력에서, 티타늄층을 형성하는 경우에는, 타겟의 주연 부위보다 타겟의 중심 부위에서 타겟 부식이 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 금속층을 형성할 때 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 확보하기가 곤란하다.
도 2는 상기 미합중국 특허 제6,228,236호 및 상기 미합중국 특허 제6,183,614호에 개시된 형태의 자기장 발생 부재를 사용할 경우 타겟 부식 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 2에서, 타겟 부식 깊이는 mm 단위이다. 곡선 ▲은 상기 미합중국 특허 제6,228,236호에 개시된 형태의 자기장 발생 부재에 해당하는 타겟 부식 프로파일이고, 곡선 ■는 상기 미합중국 특허 제6,183,614호에 개시된 형태의 자기장 발생 부재에 해당하는 타겟 부식 프로파일이다.
도 2를 참조하면, 5mTorr의 압력에서, 티타늄층을 형성하는 경우에, 곡선 ▲ 및 곡선 ■ 모두, 타겟의 주연 부위보다 타겟의 중심 부위에서 타겟 부식이 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 금속층의 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 확보하기가 곤란하다.
금속층의 스텝커버리지나 두께의 균일성을 향상시키기 위하여는, 콜리메이트(collimator)를 사용하거나, 상기 타겟과 기판의 거리를 170mm 이상 유지하는 엘티에스(LTS : long throw sputter) 방법 등이 제시되어 있다.
상기 콜리메이트를 포함하는 스퍼터링 장치에 대한 일 예는 미합중국 특허 제6,274,887호(issued to Yamazaki, et al)에 개시되어 있다. 그리고, 상기 엘티에스 방법에 의한 스퍼터링 기술에 대한 일 예는 미합중국 특허 제6,121,134호(issued to Burton, et al.)에 개시되어 있다.
상기 콜리메이트를 사용할 경우, 상기 스텝 커버리지의 향상을 기대할 수 있으나, 금속층의 적층 속도(sputtering rate)가 감소된다. 콜리메이트의 종류에 따른 금속층의 적층 속도를 하기 표 1에 나타낸다.
콜리메이트 종류 금속층의 적층 속도(Å/min)
no 600
1 150
2 65
3 28
4 12
표 1로부터 5mTorr의 압력에서, 티타늄층을 형성하는 경우에, 상기 콜레메이트를 사용한 경우에는 상기 콜리메이트를 사용하지 않은 경우에 비하여 적층 속도가 느린 것을 확인할 수 있다. 그리고, 콜리메이트의 종류는, 콜리메이트 격자 크기에 따라 종류를 구분한 것이다. 콜리메이트 격자 크기가 작을 수록 적층 속도는 느리게 나타난다. 콜리메이트를 사용하는 경우에는, 상기 금속층을 형성하기 위한공정에 소요되는 시간이 연장된다. 따라서, 생산성이 저하된다. 또한, 상기 콜리메이트를 사용할 경우, 상기 콜리메이트의 유지 보수(maintenance)에 대한 문제점이 있다.
그리고, 상기 엘티에스 방법의 경우, 상기 스퍼터링된 스퍼터 입자가 거동하는 거리가 길어지기 때문에 상기 금속층의 적층 속도가 느려진다. 실제로, 상기 타겟과 기판 사이의 거리가 50mm에서 250mm로 길어질 경우, 상기 금속층의 적층 속도는 70% 정도 느려지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 엘티에스 방법의 경우에도, 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
최근에는 저압 및 고밀도 플라즈마 공정 조건을 만족하고, 높은 생산성을 실현할 수 있고, 우수한 스텝 커버지리 및 두께 균일도를 확보할 수 있는 자기장을 사용한 간단한 스퍼터링 장치가 요구되고 있다. 이에 따라, 타겟 부식 프로파일을 최적화하는 자기장을 발생하는 부재를 포함하는 새로운 스퍼터링 장치가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 타겟 부식 프로파일을 최적화하는 자기장을 발생하는 부재를 포함하는 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 스퍼터링 장치의 타겟 부식 프로파일을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 설명하기 위한 개략 구성도이다.
도 4는 도 3의 자기장 발생부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 4의 메인-자기장 발생부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 4의 어시스턴스-자기장 발생부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에서 복수개의 어시스턴스-자기장 발생부가 배치되는 자기장 발생부를 설명하기 위한 개략 구성도이다.
도 8은 도 3에 도시한 메인-자기장 발생부와 어시스턴스-자기장 발생부가 타겟 이면과 마주하는 거리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 9a 내지 도 9c는 타겟 부식 프로파일과 금속층의 적층 프로파일과의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 도 3에 도시한 메인-자기장 발생부에 의해 나타나는 타겟 부식 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 3에 도시한 어시스턴스-자기장 발생부에 의해 나타나는 타겟 부식 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 3에 도시한 메인-자기장 발생부 및 어시스턴스-자기장 발생부를 포함하는 자기장 발생부에 의해 나타나는 타겟 부식 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 3에 도시한 메인-자기장 발생부에 의해 제공되는 자기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 3에 도시한 스퍼터링 장치에 의한 타겟 부식 프로파일과 종래의 스퍼터링 장치에 의한 타겟 부식 프로파일을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판과 타겟 전면이 마주하도록 수용되고, 상기 기판 상에 상기 타겟 전면으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들을 적층하여 상기 기판 상에 금속층을 형성하기 위한 스퍼터링 챔버; 및 상기 타겟 이면과 마주하고, 상기 타겟의 중심 부위로부터 벗어난 부위에 개방부를 갖는 엔클로저 형태로 배치되어 상기 타겟 전면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공하기 위한 자기장 발생 수단을 포함하는 스퍼터링 장치를 제공한다.상기 자기장 발생 수단은, 플레이트(plate) 형상을 갖고, 그 중심축이 상기 타겟의 중심축과 동일 선상에 위치하는 지지부와, 상기 지지부의 중심 부위로부터 벗어난 일측 부위에 배치되는 메인(main)-자기장 발생부와, 상기 지지부의 중심 부위 및 상기 메인-자기장 발생부가 배치되는 일측 부위로부터 벗어난 타측 부위에 배치되는 어시스턴스(assistance)-자기장 발생부와, 상기 지지부와 연결되고, 상기 지지부를 회전시키는 회전-구동부를 포함한다.
타겟 전면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공하여, 상기 스퍼터 입자들의 거동을 효율적으로 제어함으로써, 상기 타겟 부식 프로파일을 최적화시킬 수 있다. 따라서, 저압 및 고밀도 플라즈마 공정 조건을 만족하고, 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 생산성에 별다른 영향을 끼치지 않는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다.
이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치(3)를 설명하기 위한 개략구성도이다.
도 3을 참조하면, 상기 스퍼터링 장치(3)는 스퍼터링 챔버(30)를 포함한다. 스퍼터링 챔버(30)내에 기판(34)은 타겟(32) 전면이 마주하도록 위치시킨다. 상기 스퍼터링 장치(3)는 진공 펌핑에 의해 스퍼터링 챔버(30)를 진공으로 형성하는 진공 펌핑 부재(도시되지 않음)를 포함한다. 스퍼터링 챔버(30)는 플라즈마를 형성하기 위한 파워를 제공하는 플라즈마 파워 제공 부재(36)와 연결된다. 구체적으로, 플라즈마 파워 제공 부재(36)는 타겟(32)과 연결된다. 기판(34)은 바이어스를 제공하는 바이어스 제공 부재(38)와 연결된다. 따라서, 스퍼터링 챔버(30)에 제공되는 가스를 플라즈마 상태로 형성하고, 상기 플라즈마 상태의 가스를 타겟(32)에 충돌시켜 스퍼터 입자들을 스퍼터링시킨다. 이에 따라, 기판(34) 상에 타겟(32) 전면으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들을 적층하여 기판(34) 상에 금속층을 형성한다.
상기 스퍼터링 장치는 상기 타겟 전면에 자기장을 제공하는 부재로서 개방부를 갖는 엔클로저 타입의 자기장 발생부를 포함한다. 상기 엔클로저 타입의 자기장 발생부는 다른 타입의 자기장 발생부에 비해 타겟으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들의 거동을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 4는 도 3의 자기장 발생부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 자기장 발생부(40)는 플레이트 형상을 갖는 지지부(403)를 포함한다. 지지부(403)는 상기 타겟의 중심축과 지지부(403)의 중심축이 동일 선상에 위치하도록 배치된다. 자기장 발생부(40)는 지지부(403)의 중심 부위로부터 벗어난 지지부(403)의 일측 부위에 배치되는 메인-자기장 발생부(405)를 포함한다. 메인-자기장 발생부(405)는 지지부(403)의 일측 부위에 배치되어, 상기 타겟 중심 부위로부터 벗어난 부위에서 상기 타겟에 자기장을 제공한다. 자기장 발생부(40)는 지지부(403)를 회전시키는 모터 등과 같은 회전-구동부(401)를 포함한다. 회전-구동부는 메인-자기장 발생부가 배치되는 지지부(403)의 반대측에 연결된다. 따라서, 회전-구동부(401)를 사용하여 지지부(403)를 회전시킴으로서, 메인-자기장 발생부(401)에 의해 발생되는 자기장이 상기 타겟 이면으로부터 상기 타겟 전면으로 제공된다. 이에 따라, 상기 타겟 전면에 제공되는 자기장에 의해 상기 타겟으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들의 거동을 효과적으로 제어할 수 있어서, 상기 타겟 부식 프로파일이 최적화된다. 따라서, 상기 스퍼터링으로 금속층을 형성할 때, 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다.
상기 메인-자기장 발생부(405)를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 도 4의 메인-자기장 발생부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 메인-자기장 발생부(405)는 제1 개방부(405a) 및 제2 개방부(405b)를 갖는 제1 엔클로저 형태로 배치되는 제1 자석부(405c)를 포함한다. 제1자석부(405c)는 곡률을 갖는 제1 엔클로저 형태로 배치된다. 즉, 메인-자기장 발생부(405)는 제1 개방부(405a) 및 제2 개방부(405b)를 갖기 때문에, 제1 자석부(405c)는 원호(circular arc) 형태를 갖고, 서로 마주하도록 배치된다. 제1 개방부(405a)의 크기는 제2 개방부(405b)의 크기보다 크다. 구체적으로, 제1 개방부(405a)의 크기는 제2 개방부(405b)의 크기보다 1.1 내지 2배 정도 크다. 그리고, 제1 개방부(405a)가 상기 지지부의 중심 부위에 가깝게 위치하고, 제2 개방부(405b)가 상기 지지부의 중심 부위로부터 멀리 위치한다. 또한, 제1 개방부(405a) 및 제2 개방부(405b)가 상기 지지부의 중심 부위와 동일 선상에 위치하도록 제1 자석부(405c)를 배치한다. 메인-자기장 발생부(405)는 제1 자석부(405c) 내에 배치되는 제2 자석부(405d)를 포함한다. 제2 자석부(405d)는 제2 개방부(405b)가 위치하는 부위에 가깝게 배치한다. 이에 따라, 메인-자기장 발생부(405)에 의해 상기 타겟 이면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상기 불균일한 분포를 갖는 자기장을 상기 타겟 이면에 제공함으로서, 상기 타겟 부식 프로파일이 최적화된다. 그리고, 제1 자석부(405c) 및 제2 자석부(405d)는 극성이 수직한 형태로 배치된다. 즉, N극이 상기 타겟 이면을 향하고, S극이 상기 지지부에 면접하도록 배치된다. 이에 따라, 상기 자기장에 의한 자기력이 상기 타겟 이면에 수직하게 형성된다. 그리고, 제1 자석부(405c) 및 제2 자석부(405d) 극성의 수직 배치는 극성의 수평 배치보다 상기 타겟에 제공되는 자기장의 세기를 높일 수 있다. 이에 따라, 상기 타겟으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들의 거동을 효과적으로 제어할 수 있다. 그리고, 상기 타겟 부식 프로파일을 최적화할 수 있다. 따라서, 상기 스퍼터링으로 금속층을 형성할 때, 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다.
메인-자기장 발생부(405)는 제1 프레임(405e), 제2 프레임(405f) 및 제3 프레임(405g)을 더 포함한다. 제1 프레임(405e), 제2 프레임(405f) 및 제3 프레임(405g)은 자성을 띠는 물질로 이루어진다. 제1 프레임(405e)은 제1 자석부(405c)가 배치되는 크기의 플레이트 형상을 갖는다. 제2 프레임(405f)은 제1 자석부(405c)가 배치되는 크기의 링 형상을 갖는다. 이에 따라, 제1 프레임(405e)을 상기 지지부에 부착시키고, 제1 프레임(405e)과 제2 프레임(405f) 사이에 제1 자석부(405c)를 배치시킬 수 있다. 그리고, 제3 프레임(405g)은 제2 자석부(405d) 표면을 덮을 수 있는 크기의 플레이트 형상을 갖는다. 이에 따라, 제1 프레임(405e)과 제3 프레임(405g) 사이에 제2 자석부(405d)를 배치시킬 수 있다. 이와 같이, 제1 프레임(405e), 제2 프레임(405f) 및 제3 프레임(405g)을 사용하여 제1 자석부(405c) 및 제2 자석부(405d)를 배치시키기 때문에, 제1 자석부(405c) 및 제2 자석부(405d)가 견고하게 배치된다. 그리고, 제1 프레임(405e), 제2 프레임(405f) 및 제3 프레임(405g)이 자성을 띠기 때문에, 상기 자기장 발생부가 제공하는 자기장의 세기를 증가시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 자기장 발생부(40)는 어시스턴스-자기장 발생부(407)를 더 포함한다. 어시스턴스-자기장 발생부(407)는 지지부(403)의 중심 부위 및 메인-자기장 발생부(405)가 배치되는 일측 부위로부터 벗어난 지지부(403)의 타측 부위에 배치된다. 이에 따라, 자기장 발생부(40)는 메인-자기장 발생부(405) 및 어시스턴스-자기장 발생부(407)가 상호 독립적으로 발생시키는 자기장을 상기 타겟에 제공한다. 이때, 상기 타겟 일부분에 제공되는 자기장을 살펴보면, 상기 자기장은 메인-자기장 발생부(405)가 제공하는 자기장, 어시스턴스-자기장 발생부(407)가 제공하는 자기장, 메인-자기장 발생부(405)가 제공하는 자기장의 순서로 연속적으로 제공된다. 이는, 자기장 발생부(40)가 회전하기 때문이다.
어시스턴스-자기장 발생부(407)를 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은 도 4의 어시스턴스-자기장 발생부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 어시스턴스-자기장 발생부(407)는 제3 개방부(407a) 및 제4 개방부(407b)를 갖는 제2 엔클로저 형태로 배치되는 제3 자석부(407c)를 포함한다. 제3 자석부(407c)는 곡률을 갖는 제2 엔클로저 형태로 배치된다. 즉, 어시스턴스-자기장 발생부(407)는 제3 개방부(407a) 및 제4 개방부(407b)를 갖기 때문에, 제3 자석부(407c)는 원호(circular arc) 형태를 갖고, 서로 마주하도록 배치된다. 제3 개방부(407a)의 크기는 제4 개방부(407b)의 크기보다 크다. 구체적으로, 제3 개방부(407a)의 크기는 제4 개방부(407b)의 크기보다 1.1 내지 2배 정도 크다. 그리고, 제3 개방부(407a)가 상기 지지부의 중심 부위에 가깝게 위치하고, 제4 개방부(407b)가 상기 지지부의 중심 부위로부터 멀리 위치한다. 또한, 제3개방부(407a) 및 제4 개방부(407b)가 상기 지지부의 중심 부위와 동일 선상에 위치하도록 제3 자석부(407c)를 배치한다. 따라서, 메인-자기장 발생부(405)의 제1 개방부(405a), 제2 개방부(405b)와, 어시스턴스-자기장 발생부(407)의 제3 개방부(407a), 제4 개방부(407b)는 상기 지지부의 중심 부위와 동일 선상에 위치하도록 배치된다. 그리고, 어시스턴스-자기장 발생부(407)는 제3 자석부(407c) 내에 배치되는 제4 자석부(407d)를 포함한다. 제4 자석부(407d)는 제4 개방부(407b)가 위치하는 부위에 가깝게 배치한다. 어시스턴스-자기장 발생부(407)는 메인 자기장 발생부(405)와 마찬가지로, 상기 타겟 이면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상기 불균일한 분포를 갖는 자기장을 상기 타겟 이면에 제공함으로서, 상기 메인 자기장 발생부(405)와 상호 보완적으로 상기 타겟 부식 프로파일이 최적화시킬 수 있다. 그리고, 제3자석부(407c) 및 제4자석부(407d)는 극성이 수직한 형태로 배치된다. 즉, N극이 상기 타겟 이면을 향하고, S극이 상기 지지부에 면접하도록 배치된다. 이에 따라, 상기 자기장에 의한 자기력이 상기 타겟 이면에 수직하게 형성된다. 그리고, 제3자석부(407c) 및 제4자석부(407d) 극성의 수직 배치는 극성의 수평 배치보다 상기 타겟에 제공되는 자기장의 세기를 높일 수 있다. 이에 따라, 상기 타겟으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들의 거동을 효과적으로 제어할 수 있어서, 상기 타겟 부식 프로파일을 최적화할 수 있다. 따라서, 상기 스퍼터링으로 금속층을 형성할 때, 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다.
어시스턴스-자기장 발생부(407)는 제4 프레임(407e), 제5 프레임(407f) 및제6 프레임(407g)을 더 포함한다. 제4 프레임(407e), 제5 프레임(407f) 및 제6 프레임(407g)은 자성을 띠는 물질로 이루어진다. 제4 프레임(407e)은 제3 자석부(407c)가 배치되는 크기의 플레이트 형상을 갖는다. 제5 프레임(407f)은 제3 자석부(407c)가 배치되는 크기의 링 형상을 갖는다. 이에 따라, 제4 프레임(407e)을 상기 지지부에 부착시키고, 제4 프레임(407e)과 제5 프레임(407f) 사이에 제3 자석부(407c)를 배치시킬 수 있다. 그리고, 제6 프레임(407g)은 제4 자석부(407d) 표면을 덮을 수 있는 크기의 플레이트 형상을 갖는다. 이에 따라, 제4 프레임(407e)과 제6프레임(407g) 사이에 제4 자석부(407d)를 배치시킬 수 있다. 이와 같이, 제4 프레임(407e), 제5 프레임(407f) 및 제6 프레임(407g)을 사용하여 제3 자석부(407c) 및 제4자석부(407d)를 배치시키기 때문에, 제3 자석부(407c) 및 제4 자석부(407d)가 견고하게 배치된다. 그리고, 제4 프레임(407e), 제5 프레임(407f) 및 제6 프레임(407g)이 자성을 띠기 때문에, 상기 어시스턴스 자기장 발생부(407)의 자기장의 세기가 향상된다.
상기 어시스턴스-자기장 발생부(407)의 구조는 상기 메인-자기장 발생부(405)의 구조와 유사하지만, 상기 메인-자기장 발생부(405)는 상기 어시스턴스-자기장 발생부(407)보다 크다. 구체적으로, 상기 메인-자기장 발생부(405)와 상기 어시스턴스-자기장 발생부(407)가 곡률을 갖는 형태일 경우, 상기 메인-자기장 발생부(405)가 상기 어시스턴스-자기장 발생부(407)보다 1.5 내지 2배 크다.
그리고, 상기 어시스턴스-자기장 발생부(407)는 복수개가 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에서 복수의 어시스턴스-자기장 발생부가 배치되는 자기장 발생부를 설명하기 위한 개략 구성도이다.
도 7을 참조하면, 복수의 어시스턴스-자기장 발생부(407, 417, 419)들은 3개가 배치된다. 3개가 배치되는 복수의 어시스턴스-자기장 발생부(407, 417, 419)들은 지지부(403)의 중심 부위 및 메인-자기장 발생부(405)가 배치되는 일측 부위로부터 벗어난 타측 부위에 배치될 수 있다. 복수의 어시스턴스-자기장 발생부(407, 417, 419)가 배치되는 개수는 지지부(403)의 크기 및 어시스턴스-자기장 발생부(407, 417, 419)의 크기에 따라 결정할 수 있다.
상기 자기장 발생부의 메인-자기장 발생부(405) 및 어시스턴스-자기장 발생부(407)가 타겟 이면과 마주하는 거리는 서로 다르다. 이는, 상기 메인-자기장 발생부의 상기 제1 자석부(405c)와 제2 자석부(405d)의 수직 길이와, 상기 어시스턴스-자기장 발생부(407)의 상기 제3 자석부(407c)와 제4 자석부(407d)의 수직 길이가 서로 다르기 때문이다. 구체적으로, 상기 제1 자석부(405c)와 제2 자석부(405d)는 서로 동일한 수직 길이를 갖는다. 그리고, 상기 제3 자석부(407c)와 제4 자석부(407d)는 서로 동일한 수직 길이를 갖는다. 그러나, 상기 제3 자석부(407c)와 제4자석부(407d)의 수직 길이는 제1 자석부(405c)와 제2 자석부(405d)의 수직 길이보다 길다.
도 8은 도 3에 도시한 메인-자기장 발생부와 어시스턴스-자기장 발생부가 타겟 이면과 마주하는 거리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 8을 참조하면, 메인-자기장 발생부(405)가 타겟(32) 이면과 마주하는 거리(ℓ1)보다 어시스턴스-자기장 발생부(407)가 타겟(32) 이면과 마주하는 거리(ℓ2)가 짧다. 즉, 메인-자기장 발생부(405)와 타겟(32) 이면이 마주하는 거리(ℓ1)를 1이라고 할 때, 어시스턴스-자기장 발생부(407)와 타겟(32) 이면이 마주하는 거리(ℓ2)는 0.80 내지 0.95이다.
이와 같이, 상기 거리를 서로 다르게 하는 것은 상기 스퍼터링을 수행할 때 안정화된 플라즈마를 형성할 수 있기 때문이다.
그리고, 상기 자기장 발생부는 상기 타겟 이면과 수평하게 위치한다. 이는, 상기 타겟이 수평하게 배치되기 때문이다.
또한, 상기 자기장 발생부는 상기 타겟 전면에 1,400 내지 1,800 Gauss의 세기를 갖는 자기장을 제공한다. 상기 자기장의 세기가 1,400 Gauss 이하일 경우에는 상기 스퍼터 입자들의 거동을 효율적로 제어하기 못한다. 그리고, 상기 자기장의 세기가 1,800 Gauss 이상일 경우에는 상기 스퍼터 입자들의 거동을 구속한다. 여기서, 상기 메인-자기장 발생부 및 상기 어시스턴스-자기장 발생부 각각은 상기와 같은 자기장 세기를 제공한다.
따라서, 상기 타겟 전면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공한다. 이에 따라, 저압 및 고밀도 플라즈마 공정 조건을 만족하고, 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 생산성에 별다른 영향을 끼치지 않는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 스퍼터링 장치에 포함되는 자기장 발생부의 디자인을 최적화하기 위한 실험예들에 대해서 설명한다.
타겟 부식 프로파일과 금속층의 적층 프로파일과의 관계
도 9a 내지 도 9c는 타겟 부식 프로파일과 금속층의 적층 프로파일과의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9a를 참조하면, 타겟 전면이 균일하게 부식될 경우, 금속층은 기판 주변 부위보다 기판 중심 부위에 더 두껍게 적층되는 프로파일을 갖는다.
도 9b를 참조하면, 타겟 주연 부위에 까가운 부위가 다른 부위에 비해 보다 많이 부식될 경우, 금속층은 기판 중심 부위보다 기판 주변 부위에 더 두껍게 적층되는 프로파일을 갖는다.
도 9c를 참조하면, 타겟 주연 부위와 타겟 중심 부위 사이가 다른 부위에 비헤 보다 많이 부식될 경우, 금속층은 기판 전체 부위에 균일하게 적층되는 프로파일을 갖는다.
상기 타겟 부식 프로파일과 금속층의 적층 프로파일의 관계를 확인한 결과, 상기 타겟 부식 프로파일이 상기 타겟 주연 부위와 중심 부위 사이가 다른 부위에 비해 많이 부식될 경우가 가장 양호하다는 것을 알 수 있다.
타겟 부식 프로파일에 근거한 자기장 발생부 디자인의 최적화
도 10은 상기 자기장 발생부 중에서 메인-자기장 발생부가 제공하는 자기장의 영향에 의해 나타나는 타겟 부식 프로파일이다. 그리고, 도 11은 상기 자기장발생부 중에서 어시스턴스-자기장 발생부가 제공하는 자기장의 영향에 의해 나타나는 타겟 부식 프로파일이다. 그리고, 도 12는 상기 메인-자기장 발생부 및 어시스턴스-자기장 발생부가 함께 제공하는 자기장에 의해 나타나는 타겟 부식 프로파일이다. 이와 같이, 도 12의 타겟 부식 프로파일은 상기 타겟의 주연 부위와 중심 부위 사이가 다른 부위에 비해 많이 부식시키는 프로파일이다. 즉, 도 12의 타겟 부식 프로파일은 도 9c의 타겟 부식 위치와 유사하다.
이에 따라, 상기 메인-자기장 발생부 및 어시스턴스-자기장 발생부를 포함하는 자기장 발생부의 디자인을 최적화하였다.
따라서, 상기 메인-자기장 발생부 및 어시스턴스-자기장 발생부가 함께 타겟 전면에 자기장을 제공할 경우, 우수한 스텝 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 적층할 수 있다.
개방부들 및 곡률을 갖는 자기장 발생부의 디자인 최적화
도 13은 상기 자기장 발생부의 메인-자기장 발생부에 의해 제공되는 자기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 상기 메인-자기장 발생부에 의해 제공되는 자기장의 분포는 불균일한 분포를 갖는다. 이는, 상기 제1 개방부 및 제2 개방부가 상기 메인-자기장 발생부에 존재하고, 제1자석부가 곡률을 갖도록 디자인되어 있기 때문이다. 마찬가지로, 상기 어시스턴스-자기장 발생부도 상기 메인-자기장 발생부의 자기장 분포와 동일한 분포를 갖는다.
상기 자기장의 불균일한 분포는 자석부들이 존재하지 않는 제1 개방부, 제2개방부, 제3 개방부 및 제4 개방부가 존재하는 영역에 분포한다. 그러나, 제1 프레임, 제2 프레임, 제4 프레임 및 제5 프레임에 의해 상대적으로 작은 세기를 갖는 자기장이 분포한다. 따라서, 상기 작은 세기를 갖는 자기장에 의해 상기 타겟 부식이 적게 발생한다. 이와 같이, 불균일한 자기장의 분포는 스퍼터 입자들의 거동을 다소 완화시킬 수 있다. 때문에, 상기 타겟 전체 영역에서 판단할 경우, 타겟 부식 프로파일의 비균일성을 완화시킬 수 있다. 따라서, 상기 자기장 발생부는 개방부들 및 곡률을 갖도록 디자인하였다.
그리고, 자기장의 세기가 클수록 저압 및 고밀도 플라즈마의 공정 조건을 만족시킬 수 있다. 따라서, 상기 공정 조건을 만족시킬 수 있도록 상기 자석부들은 Nd-Fe-B 계열의 재질로 구성하고, 상기 프레임들은 스틸 계열로 구성하였다.
이와 같이, 상기 자기장 발생부를 상기 구성을 갖는 최적의 조건으로 디자인함으로서, 저압 및 고밀도의 공정 조건을 만족하고, 우수한 스텝 커버지리 및 두께 균일도를 갖고, 생산성에 지장을 끼치는 않는 금속층을 형성할 수 있다.
타겟 부식 프로파일의 비교
도 14는 도 3에 도시한 스퍼터링 장치에 의한 타겟 부식 프로파일과 종래의 스퍼터링 장치에 의한 타겟 부식 프로파일을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 동일한 공정 조건으로 스퍼터링을 수행하여 수득한 결과로서, 상기 미합중국 특허 제6,183,614호에 개시된 자기장 발생부를 사용할 경우나타나는 타겟 부식 프로파일 및 본 발명의 자기장 발생부를 사용할 경우 나타나는 타겟 부식 프로파일이다.
상기 타겟 부식 프로파일을 비교한 결과, 본 발명의 자기장 발생부를 사용하였을 때 나타나는 타겟 부식 프로파일이 더욱 양호한 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 스퍼터링으로 금속층을 형성할 때 타겟 부식 프로파일을 양호하게 제어함으로서, 상기 금속층의 형성에 따른 불량을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 불균일한 분포를 갖는 자기장을 타겟 전면에 제공하여 상기 타겟의 부식 프로파일을 효율적으로 제어할 수 있다. 따라서, 우수한 스텁 커버리지 및 두께 균일도를 갖는 금속층을 용이하게 형성할 수 있다. 그리고, 상기 금속층을 형성할 때 자기장을 사용함으로서, 저압 및 고밀도 플라즈마의 공정 조건을 용이하게 만족시킬 수 있다. 때문에, 별도의 균일성 향상을 위한 부재 (예를 들면, 콜리메이터) 또는 방법(예를 들면, 엘티에스 방법)을 사용하지 않는다고 하여도, 생산성에도 별다른 지장이 없다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 기판과 타겟(target) 전면이 마주하도록 수용되고, 상기 기판 상에 상기 타겟 전면으로부터 스퍼터링되는 스퍼터 입자들을 적층하여 상기 기판 상에 금속층을 형성하기 위한 스퍼터링 챔버; 및
    상기 타겟 이면과 마주하고, 상기 타겟의 중심 부위로부터 벗어난 부위에 개방부(opening area)를 갖는 엔클로저(enclosure) 형태로 배치되어 상기 타겟 전면에 불균일한 분포를 갖는 자기장을 제공하기 위한 자기장 발생 수단을 포함하되,
    상기 자기장 발생 수단은,
    플레이트(plate) 형상을 갖고, 그 중심축이 상기 타겟의 중심축과 동일 선상에 위치하는 지지부;
    상기 지지부의 중심 부위로부터 벗어난 일측 부위에 배치되는 메인(main)-자기장 발생부;
    상기 지지부의 중심 부위 및 상기 메인-자기장 발생부가 배치되는 일측 부위로부터 벗어난 타측 부위에 배치되는 어시스턴스(assistance)-자기장 발생부; 및
    상기 지지부와 연결되고, 상기 지지부를 회전시키는 회전-구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인-자기장 발생부는,
    상기 지지부에 극성이 수직하게 배치되는 자석으로 이루어지고, 제1엔클로저 형태로 배치되고, 상기 개방부는 상기 지지부의 중심 부위에 가깝게 위치하는 제1개방부 및 상기 지지부이 중심 부위로부터 멀리 위치하는 제2개방부로 이루어지는 제1자석부; 및
    상기 지지부에 극성이 수직하게 배치되는 자석으로 이루어지고, 상기 제1자석부 내에 상기 제2개방부가 위치하는 부위에 가깝게 배치되는 제2자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 메인-자기장 발생부는,
    상기 제1자석부가 배치되는 크기의 플레이트 형상을 갖고, 상기 지지부에 부착되고, 자성을 띠는 물질로 이루어지는 제1프레임;
    상기 제1자석부가 배치되는 크기의 링(ring) 형상을 갖고, 상기 제1프레임과 동일한 물질로 이루어지는 제2프레임; 및
    상기 제2자석부 표면을 덮을 수 있는 정도의 크기를 갖는 플레이트 형상을 갖고, 상기 제1프레임과 동일한 물질로 이루어지는 제3프레임을 더 포함하고,
    상기 제1프레임과 제2프레임 사이에 상기 제1자석부를 배치하고, 상기 제1프레임과 제3프레임 사이에 상기 제2자석부를 배치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 어시스턴스-자기장 발생부는 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 어시스턴스-자기장 발생부는,
    상기 메인-자기장 발생부의 크기보다 작은 크기를 갖고, 상기 메인-자기장 발생부의 자석보다 수직 길이가 더 길고, 상기 지지부에 극성이 수직하게 배치되는 자석으로 이루어지고, 제2엔클로저 형태로 배치되고, 상기 개방부는 상기 지지부의 중심 부위에 가깝게 위치하는 제3개방부 및 상기 지지부이 중심 부위로부터 멀리 위치하는 제4개방부로 이루어지는 제3자석부; 및
    상기 지지부에 극성이 수직하게 배치되는 자석으로 이루어지고, 상기 제3자석부 내에 상기 제4개방부가 위치하는 부위에 가깝게 배치되는 제4자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 어시스턴스-자기장 발생부는,
    상기 제3자석부가 배치되는 크기의 플레이트 형상을 갖고, 상기 지지부에 부착되고, 자성을 띠는 물질로 이루어지는 제4프레임;
    상기 제3자석부가 배치되는 크기의 링 형상을 갖고, 상기 제4프레임과 동일한 물질로 이루어지는 제5프레임; 및
    상기 제4자석부 표면을 덮을 수 있는 정도의 크기를 갖는 플레이트 형상을 갖고, 상기 제4프레임과 동일한 물질로 이루어지는 제6프레임을 더 포함하고,
    상기 제4프레임과 제5프레임 사이에 상기 제3자석부를 배치하고, 상기 제4프레임과 제6프레임 사이에 상기 제4자석부를 배치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 메인-자기장 발생부와 어시스턴스-자기장 발생부의 중심 부위들이 상기 지지부의 중심 부위와 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 메인-자기장 발생부의 크기가 어시스턴스-자기장 발생부의 크기보다 1.1 내지 2배 큰 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 메인-자기장 발생부와 어시스턴스-자기장 발생부가 상기 타겟 이면과 마주하는 거리가 1 : 0.80 내지 0.95인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 제1개방부, 제2개방부, 제3개방부및 제4개방부가 상기 지지부의 중심 부위를 지나는 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 제1개방부의 크기가 상기 제2개방부의 크기보다 1.1 내지 2배 크고, 상기 제3개방부의 크기가 상기 제4개방부의 크기보다 1.1 내지 2배 큰 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  14. 제7항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 제1자석부, 제2자석부, 제3자석부 및 제4자석부의 S극이 상기 지지부를 향하도록 배치되고, N극이 상기 타겟 이면을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 상기 타겟 이면과 수평하게 마주하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단의 엔클로저 형태의 배치는 곡률을 갖는 배치인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 자기력이 상기 타겟 이면에 수직하게 작용하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은 상기 타겟 전면에 1,400 내지 1,800 Gauss의 세기를 갖는 자기장을 제공하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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