KR101968691B1 - Ｐｖｄ 챔버용 스퍼터링 타겟 - Google Patents

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Abstract

타겟 조립체들 및 타겟 조립체들을 포함하는 PVD 챔버들이 개시된다. 타겟 조립체는 오목한 형태 타겟을 구비하는 타겟을 포함한다. PVD 챔버 내에서 사용될 때, 오목 타겟은 스퍼터링 챔버 내에 배치된 기판 상에 보다 방사상으로 균일한 증착을 제공한다.

Description

ＰＶＤ 챔버용 스퍼터링 타겟 {SPUTTERING TARGET FOR PVD CHAMBER}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 물리적 기상 증착 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 물리적 기상 증착 챔버 내에서 증착된 막들의 막 균일성을 향상시키기 위해 설계된 오목한 스퍼터링 타겟, 오목한 스퍼터링 타겟을 포함하는 챔버들 그리고 오목한 타겟을 이용하여 기판 상으로 물질을 스퍼터링하는 방법에 관한 것이다.
스퍼터링은 고에너지 이온들이 고체 타겟을 충격 및 침식하여 반도체 기판 - 특정한 예시가 실리콘 웨이퍼임 - 과 같은 기판의 표면 상에 타겟 물질을 증착하는, 물리적 기상 증착(PVD) 프로세스이다. 반도체 제조에 있어서, 스퍼터링 프로세스는 대개 PVD 프로세스 챔버 또는 스퍼터링 챔버로서도 알려진 반도체 제조 챔버 내에서 이루어진다.
예를 들어 집적 회로 칩 및 디스플레이와 같은 전자 회로를 제조하기 위해 기판 상으로 물질을 스퍼터링 증착하는데 스퍼터링 챔버가 이용된다. 전형적으로, 스퍼터링 챔버는 내부로 프로세스 가스가 도입되는 프로세스 존을 둘러싸는 인클로져 벽, 상기 프로세스 가스를 에너자이징하기 위한 가스 에너자이저 그리고 챔버 내 프로세스 가스의 압력 제어 및 배기를 위한 배기 포트를 포함한다. 상기 챔버는 금속(예를 들어 알루미늄, 구리, 텅스텐 또는 탄탈륨) 또는 탄탈륨 질화물, 텅스텐 질화물 또는 티타늄 질화물과 같은 금속 화합물과 같은, 스퍼터링 타겟으로부터의 물질을 기판 상으로 스퍼터링 증착하기 위해 이용된다. 스퍼터링 프로세스에 있어서, 플라즈마와 같은 에너지틱한 이온들(energetic ions)에 의해 스퍼터링 타겟이 충격되며 이로써 타겟으로부터 물질이 떨어져 나가고 기판 상에 막으로서 증착된다.
전형적인 반도체 제조 챔버는 타겟을 홀딩하는(hold) 배킹 플레이트(backing plate)에 의해 지지되는 고체 금속으로 또는 다른 물질로 이루어진 디스크형 타겟을 포함하는 타겟 조립체를 구비한다. 균일한 증착을 촉진하기 위해서, PVD 챔버는 상기 디스크형 타겟의 원주를 둘러싸는 종종 쉴드라고 지칭되는 환형 동심 금속 링(annular concentric metallic ring)을 구비할 수 있다. 쉴드의 안쪽 표면 및 타겟의 원주 표면 사이의 갭은 전형적으로 다크스페이스 갭(darkspace gap)으로서 지칭된다.
도 1 및 도 2는 PVD 챔버 내에서 사용되는 종래 기술에 따른 타겟 조립체들의 배열체들을 나타낸다. 도 1은 챔버 바디(102) 그리고 상기 챔버 바디(102) 내에서 기판 지지부(106)에 의해 지지되는 기판(104)을 포함하는 종래 기술에 따른 반도체 제조 챔버(100)의 도식적인 횡단면도이다. 타겟 조립체(111)는 배킹 플레이트(114)에 의해 지지되는 타겟(112)을 포함한다. 타겟은 기판 지지부(106)에 대하여 이격된 관계를 가지도록 배치된 전면(front face) 또는 스퍼터링가능한 영역(120)을 포함한다. 대체로 환형인 금속 링을 포함하는 쉴드(108)는 타겟 둘레에서 원주상으로 연장한다. 쉴드(108)는 쉴드 지지부(110)에 의해서 챔버 내에서 제 위치에 홀딩된다. 타겟(112)의 전면(120)은 실질적으로 편평하다.
도 2는 배킹 플레이트(214)와 상기 배킹 플레이트에 결합된(joined) 타겟(212)을 포함하는 종래 기술에 따른 타겟 조립체(211)의 다른 구성을 나타낸다. 타겟(212)은 절두체(frustum)의 형태이고 타겟의 외측 둘레부(outer peripheral portion)가 타겟의 중심 영역보다 작은 두께를 가지도록 두 개의 안쪽으로 기울어진 에지들(inwardly beveled edges)(213)을 가지는 대체로 오목한 형태이다.
반도체 산업의 최근의 발전에 있어서, 특히 고 유전 상수 및 금속 게이트 어플리케이션들에 있어서, 1 내지 5 옴스트롱 단위의(on the order of) 박막들에 대한 양호한 균일성에 관한 엄격한 요구가 있고, 이것은 전통적인 물리적 기상 증착 (PVD)에 난관을 제기하고 있다. 타켓 표면으로부터 웨이퍼까지의 간격(spacing)이 더 긴 전자관 스퍼터링에 있어서, 웨이퍼 중심 영역에서의 막은 웨이퍼의 나머지 위치들에서보다 훨씬 더 두꺼워지는 경향이 있고, 이것은 막 두께 균일성이 성취되는 것을 막는다. 기판들의 전체 반경에 걸쳐서 막 두께의 더 나은 균일성을 제공할 수 있는 박막 스퍼터링 시스템들을 제공하는 것이 요구되고 있다.
요약(SUMMARY)
이에 본 발명의 하나 이상의 실시예들은, 기판 지지부를 포함하는 프로세스 영역을 정의하는 벽을 구비하는 챔버; 상기 기판 지지부로부터 이격된 타겟; 그리고
상기 타겟으로부터 물질을 스퍼터링하기 위해 상기 타겟에 커플링된 전력 소오스(power source);를 포함하는 스퍼터링 장치에 관한 것인데, 상기 타겟은 상기 타겟의 주위 에지들 사이에서 연장하는 스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면을 구비하고, 상기 스퍼터링가능한 타겟 표면은 실질적으로 상기 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의한다.
일 실시예에 있어서, 전체적인 오목한 형태는 경사진(sloped) 영역에 의해 둘러싸인 실질적으로 편평한 중심 영역에 의해서 정의된다. 일 실시예에 있어서, 타겟의 주위 에지에서의 두께가 중심 영역에서의 두께보다 더 크도록 경사진 영역은 약 5 내지 30 도 범위의 각을 이루며 경사진다. 특정한 실시예들에 있어서, 경사진 영역의 각도는 약 7 내지 15 도 범위이다. 보다 특정한 실시예들에 있어서, 경사진 영역의 각도는 약 7 내지 13 도 범위이다.
특정한 실시예들에 있어서, 경사진 영역은 주위 에지까지 연장된다. 대안적인 실시예들에 있어서, 경사진 영역은 외측 주위 전면 영역까지 연장된다.
하나 이상의 실시예들에 있어서, 타겟 주위 에지들은 타겟 직경 Rp를 정의하고, 중심 영역은 직경 Rc를 가지고, 중심 영역 직경은 비율 Rc/Rp가 0% 내지 약 90%가 되도록 하는 크기를 가진다. 하나 이상의 실시예들에 있어서, 비율 Rc/Rp는 약 60% 이상이고 약 90%보다 작다. 특정한 실시예들에 있어서, 비율 Rc/Rp는 약 70%이다.
본 발명의 다른 양태는 스퍼터링 챔버 내에서 사용되는 타겟 조립체에 관한 것인데, 타겟은 주위 에지들 사이에서 연장하는 스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면을 포함하고 상기 스퍼터링가능한 타겟 표면은 실질적으로 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의한다. 일 실시예에 있어서, 전체적인 오목한 형태는 경사진 영역에 의해 둘러싸인 실질적으로 편평한 중심 영역에 의해서 정의된다. 일 실시예에 있어서, 타겟의 주위 에지에서의 두께가 중심 영역에서의 두께보다 더 크도록 경사진 영역은 약 5 내지 20 도 범위의 각을 이루며, 예를 들어 약 7 내지 15 도 범위의 각을 이루며, 보다 상세하게는 약 7 내지 13 도 범위의 각을 이루며 경사진다. 특정한 실시예들에 있어서, 타겟 주위 에지들은 타겟 직경 Rp를 정의하고, 중심 영역은 직경 Rc를 가지고, 중심 영역 직경은 비율 Rc/Rp가 약 50% 이상이고 약 90% 보다 작게 하는 크기를 가진다. 다른 실시예들에 있어서, 비율 Rc/Rp는 약 60% 이상이고 약 90%보다 작다. 특정한 일 실시예에 있어서, 비율 Rc/Rp는 약 70%이다. 일 실시예에 있어서, 타겟은 배킹 플레이트에 결합된다.
다른 양태는 스퍼터링 챔버 내 스퍼터링 프로세스의 방사상 균일성을 향상시키는 방법에 관한 것으로서: 타겟을 대면하는 방사상 표면을 구비하는 기판과 이격된 관계를 가지도록 스퍼터링 챔버 내에 타겟을 배치하는 단계 - 상기 타겟은 타겟의 주위 에지들 사이에서 연장하는 스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면을 포함하고 상기 스퍼터링가능한 타겟 표면은 실질적으로 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의함 - 와 그리고 기판의 방사상 표면을 가로질러 타겟으로부터의 물질이 균일하게 증착되도록 타겟으로부터 물질을 스퍼터링하는 단계를 포함한다.
첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들과 관련하여 앞서 간략하게 요약된 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들을 도시하고 있을 뿐이며 따라서 본 발명의 범주(scope)를 제한하는 것으로 고려되어서는 아니되며 본 발명은 다른 등가적인(equally effective) 실시예들을 허용할 수 있다.
도 1은 편평한 타겟을 가지는 종래 기술에 따른 반도체 제조 챔버의 도식적인 횡단면도이다.
도 2는 절두체 타겟을 가지는 종래 기술에 따른 타겟 조립체의 도식적인 횡단면도이다.
도 3a는 제1 실시예에 따른 타겟을 포함하는 반도체 제조 챔버의 도식적인 횡단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 타겟 조립체의 도식적인 횡단면도이다.
도 3c는 타겟 조립체의 대안적인 실시예의 도식적인 횡단면도이다.
도 3d는 타겟 조립체의 대안적인 실시예의 도식적인 횡단면도이다.
도 3e는 타겟 조립체의 대안적인 실시예의 도식적인 횡단면도이다.
도 4는 세 개의 타겟 디자인들에 대하여 TiN 막들의 막 두께 데이터를 비교하는 그래프이다.
도 5는 경사진 타겟 에지의 각도가 TiN 막들의 두께 및 두께 비균일성에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타내는 RF 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 그래프이다.
도 6b는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타내는 RF 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 비교 그래프이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타내는 RF 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 그래프이다.
도 6d는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타내는 RF 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 비교 그래프이다.
도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(RF)의 영향을 나타내는 RF 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 그래프이다.
도 6f는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(RF)의 영향을 나타내는 RF 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 비교 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타내는 DC 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 그래프이다.
도 7b는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타내는 DC 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 비교 그래프이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타내는 DC 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 그래프이다.
도 7d는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타내는 DC 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 비교 그래프이다.
도 7e는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(DC)의 영향을 나타내는 DC 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 그래프이다.
도 7f는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(DC)의 영향을 나타내는 DC 전력을 사용하는 프로세스에서 생성된 비교 그래프이다.
본 발명의 몇몇(several) 예시적인 실시예들을 설명하기에 앞서서, 본 발명은 후술하는 설명에 제시된 구성(construction) 또는 프로세스 단계들에 관한 상세로 한정되지 아니함을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 될 수 있으며 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 대체로 오목한 형태를 구비하는 타겟을 가지는 프로세스 챔버의 제1 실시예가 도시된다. 도 3a는 챔버 바디(302)와 상기 챔버 바디(302) 내에 기판 지지부(306)에 의해 지지되는 기판(304)을 포함하는 제1 실시예에 따른 반도체 제조 챔버(300)를 나타낸다. 기판 지지부(306)는 전기적으로 플로팅될 수 있거나 (미도시된) 페데스탈 전력 공급기에 의해 바이어스될 수 있다. 타겟 조립체(311)는 배킹 플레이트(314)에 의해 지지된 타겟(312)을 포함한다. 타겟(312)은 기판 지지부(306)에 대하여 이격된 관계를 가지면서 배치되는 스퍼터링가능한 영역(320)을 포함하는 전면을 포함한다. 챔버(300)의 예시적인 일 실시예는 캘리포니아 주 산타 클라라에 소재하는 어플라이드 머터리얼스 사에 의해 개발된 SIP-타입 챔버와 같은, 자기 이온화(self-ionized) 플라즈마 챔버이다. 전형적인 챔버(300)는 인클로저 측벽들(330), 바닥벽(332), 및 천장(334)을 포함하는데, 이들은 기판(304)이 스퍼터링 동작을 위해 배치되는 프로세스 영역을 정의한다.
전형적으로 챔버의 벽들 중 하나 내의 개구인 가스 유입부(gas inlet)를 매개로 챔버 내로 가스가 유입되게 허용하는 하나 이상의 가스 도관들을 피딩(feed)하는 하나 이상의 가스 소오스들을 포함하는 프로세스 가스 공급기(미도시)를 전형적으로 포함하는 가스 전달 시스템을 매개로 프로세스 가스가 챔버(300) 내로 도입된다. 프로세스 가스는 에너지틱하게 타겟(312) 상에서 충돌하고 타겟(312)으로부터 물질을 스퍼터링하는 아르곤 또는 제논과 같은 비-반응성 가스를 포함할 수 있다. 프로세스 가스는 또한 스퍼터링된 물질과 반응하여서 기판(304) 상에 레이어를 형성할 수 있는 산소 함유 가스 및 질소 함유 가스 중 하나 이상과 같은, 반응성 가스를 포함할 수 있다. 타겟(312)은 챔버(300)로부터 전기적으로 격리되고 예를 들어 RF 전력 소오스, DC 전력 소오스, 펄스형 DC 전력 소오스, 또는 RF 전력 및/또는 DC 전력 또는 펄스형 DC 전력을 사용하는 결합형 전력 소오스와 같은 타겟 전력 공급기(미도시)에 연결된다. 일 실시예에 있어서, 타겟 전력 소오스는 타겟(312)에 음의 전압을 인가함으로써 프로세스 가스를 에너자이징하여서 타겟(312)으로부터 및 기판(304) 상으로 물질을 스퍼터링한다.
알루미늄, 티타늄, 텅스텐 또는 임의의 다른 적합한 물질과 같은 전형적으로 금속인, 타겟으로부터 스퍼터링된 물질은 기판(304) 상에 증착되고 금속의 고체 레이어를 형성한다. 이러한 레이어는 패터닝되고 에칭되거나 또는 반도체 웨이퍼 내 상호연결 레이어들(interconnecting layers)을 형성하기 위한 벌크 금속 증착이 후속될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 있어서 타겟 조립체(311)는 타겟(312)에 결합된 배킹 플레이트(314)를 포함한다. 전면(320) 반대편의 타겟의 후면은 배킹 플레이트에 결합된다. 타겟(312)은 통상 용접, 납땜, 기계적 체결기(fasteners) 또는 다른 적합한 결합 기법에 의해서 배킹 플레이트에 결합된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 배킹 플레이트는 타겟과 전기 접촉하는 고강도 전기 전도성 금속으로부터 제조될 수 있다. 또한 타겟 배킹 플레이트(314) 및 타겟(312)은 함께 하나의 또는 일체화된 구조로서 형성될 수 있지만, 전형적으로 이들은 함께 결합된 별개의 부품들이다.
타겟(312)은 타겟(312)의 주위 에지들(324) 사이에서 연장되는 챔버 내 기판(304)에 대면하는 전면(320) 또는 스퍼터링가능한 영역을 구비한다. 전면(320) 또는 스퍼터링가능한 영역은 스퍼터링 동작 동안 스퍼터링되는 타겟의 면을 지칭한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 타겟(312)의 전체적인 직경은 도 3b에 도시된 거리 Rp로서 정의된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 실질적으로 주위 에지들(324) 사이에서 연장되는 주위 직경(Rp)을 가로질러 연장되는 전면(320)의 전체적인 횡단면 형태는 오목이다. 오목한 형태는 직경(Rc)에 의해 정의되는 전면의 중심 영역에서의 두께(Tc)보다 타겟(312)의 외측 주위에서의 두께(Tp)가 더 크게 되도록 경사지거나 기울어진 전면(320)의 에지 영역들(313)에 의해서 정의된다. 주위 에지들(324) 사이에서 전체적인 직경(Rp)보다 중심 영역 직경(Rc)이 더 작음을 이해할 수 있을 것이다. 에지 영역들(313)은 타겟의 중심 영역을 둘러싸는 주위 영역을 정의한다. 거리(Rc)에 의해서 실질적으로 정의되는 중심 영역은 실질적으로 편평하다.
전체적인 타겟 직경(Rp)에 대한 중심 영역 직경(Rc)의 비율에 의해서 결정되는 경사지거나 기울어진 에지 영역들(313)의 길이 그리고 도 3b에서 "A"에 의해서 지시되는 경사의 각도에 의해서 주위 에지에서의 두께(Tp)가 결정될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도시된 실시예에 있어서, 비율 Rc/Rp는 약 60% 내지 75% 범위이다. 이러한 비율 Rc/Rp는 약 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90%일 수 있다 [그리고 이러한 비율은 기판(304) 상 막들의 균일한 증착을 최적화하기 위해 상이한 타겟 물질들에 대한 실험(experimentation)에 의해서 최적화될 수 있다]. 중심 영역으로부터 경사 또는 기울기의 각도로서 정의되는 경사 에지(313)의 각도 "A"는 약 5 내지 30 도 사이에서 변할 수 있고, 보다 특정된 범위로서는 약 5 내지 20 도 또는 7 내지 15 도 사이일 수 있고, 가장 특정된 범위로서는 약 7 내지 13 도 사이일 수 있다. 경사진 에지(313)의 각도 "A"는 기판(304)의 직경을 가로질러 균일한 방사상 증착을 얻을 수 있도록 실험에 의해서 최적화될 수 있다.
도 3c는 Rc가 대략 0과 같고 비율 RC/RP가 약 0%인 타겟의 대안적인 실시예를 나타낸다. 다시 말해서, 경사진 에지들(313)은 타겟의 외측 주위 에지(324)로부터 연장되고 타겟(312)의 중심 영역에서 만난다. 도 3d는 경사진 에지들이 타겟의 외측 주위 에지(324)까지 연장되지 아니하는 또 다른 대안적인 실시예를 나타낸다. 대신에, 경사진 영역들(315)은 경사진 에지를 둘러싸는 외측 주위 전면 영역(326)까지 연장되고 실질적으로 편평하며, 그리고 타겟의 외측 주위 에지(324)는 외측 주위 전면 영역(326)과 접경한다. 도 3e는 도 3d에 도시된 디자인의 일 변형을 나타낸다. 도 3e에 있어서, 타겟의 직경(RT)이 배킹 플레이트의 직경(RBP)과 실질적으로 동일하도록 주위 에지 영역들은 배킹 플레이트(314)의 에지(318)까지 연장된다. 도 3e에서의 외측 주위 전면(326)은 도 3d에서의 외측 주위 전면보다 더 큰데, 이것은 스퍼터링 동안 배킹 플레이트로부터의 오염을 막을 수 있다. 도 3d 및 도 3e에서 경사진 영역들(315)은 실질적으로 주위 에지들(324) 사에에서 연장된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 실제 주위 에지들(324)까지 연장되는 것이 아니라 경사진 영역들(315)은 외측 주위 전면 영역(326)까지 연장된다. 하나 이상의 실시예들에 있어서, 외측 주위 전면 영역(326)은 타겟의 스퍼터링가능한 표면적(surface area)의 단지 약 30%, 20% 또는 10%에 불과할 수 있다. 따라서 하나 이상의 실시예들에 따르면, 스퍼터링가능한 표면의 전체적인 오목한 형태가 타겟의 "실질적으로 에지들 사이에서" 연장된다고 언급될 때, 이것은 스퍼터링가능한 표면의 단지 약 30%에 불과한 외측 주위 영역까지 또는 주위 에지까지 전체적인 오목한 형태가 타겟의 중심 영역으로부터 연장된다는 것을 의미하는 것으로 의도된다.
중심 영역에서의 타겟의 두께(Tc)는 1/8" 사이에서 변할 수 있고 외측 주위 에지들(324)에서의 두께(Tp)는 1/8" 내지 3/4" 사이에서 변할 수 있다. 이들 두께 및 다른 치수들은 물론 특정한 스퍼터링 프로세스의 증착 특성을 최적화하기 위해 가변될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 경사진 에지들이 편평한 것으로 도시되었지만, 다른 변형에 있어서, 경사진 에지들(313)은 오목 또는 볼록 프로파일을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 스퍼터링 프로세스의 방사상 균일성을 향상시키기 위해 앞서 기술한 타입의 스퍼터링 챔버 내 오목한 타겟들로부터 물질을 스퍼터링하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 타겟에 대면하는 방사상 표면을 구비하는 기판과 이격된 관계를 가지면서 스퍼터링 챔버 내에 타겟을 배치하는 것을 포함한다. 타겟은 타겟의 주위 에지들 사이에서 연장되는 스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면을 포함하고 그리고 스퍼터링가능한 표면은 실질적으로 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의한다. 상기 방법은 타겟으로부터의 물질이 기판의 방사상 표면을 가로질러 균일하게 증착되도록 타겟으로부터 물질을 스퍼터링하는 것을 더 포함한다.
경사지거나 기울어진 에지 영역을 가진 오목한 형태 타겟을 이용하는 것의 효과를 보이기 위해서 DC 및 RF 전력을 이용하여 챔버들에서 다양한 실험들이 수행되었다. 도 4 내지 도 7은 경사진 타겟들을 이용한 실험적 데이터를 나타낸다. 도 4 내지 도 7은 세 개의 타겟 디자인들, 다시 말해서 도 3a 및 도 3b에 도시된 유형의 오목한 타겟, 도 1에 도시된 유형의 편평한 타겟, 그리고 도 2에 도시된 유형의 절두형 타겟에 대한 막 두께 및 두께 비균일성 데이터를 비교하는 그래프이다. 오목한 타겟은 약 17.5 인치인 전체 직경(Rp), 약 12 인치인 중심 영역 직경(Rc)을 가지고(비율 Rc/Rp가 약 68.5%가 되도록 함), 그리고 다양한 경사들이 테스트되고 있는 도 5를 제외하고는 약 7 도의 에지 경사를 가진다.
도 4 및 도 5는 RF 챔버 내 티타늄 타겟들을 사용하는 데이터를 나타내는데 챔버 내 프로세스 파라미터들은 상이한 타겟들에 대하여 일정하게 유지되었다. 도 4는 정규화된 두께 대(vs.) 300 mm 기판 상 방사상 위치를 나타낸다. 편평한 타겟이 5.56%의 편차를 생성하고 절두형 타겟이 7.08%의 편차를 생성하는 반면에, 오목한 타겟은 3.38%의 편차를 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 도 5는 경사진 타겟 에지의 각도가 막들의 두께 및 두께 비균일성에 미치는 영향을 나타내는데, 도 5에서 X 축은 0 내지 13 도 사이에서 가변되는 각도이고 Y 축은 막들의 비균일성(NU%) 및 막의 두께를 나타낸다.
도 6a는 알루미늄 오목한 타겟을 사용하여, RF 전력공급되는 스퍼터링 챔버 내에서 생성되는 데이터를 나타낸다. 정규화된 알루미늄 두께는 300 mm 기판 상의 다양한 방사상 위치들에서 측정되었다. 도 6a는 20 sccm, 30 sccm 및 40 sccm인 아르곤 유량들에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타낸다. 도 6b는 도 6a에서와 동일한 아르곤 유량들에서 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타낸다. 도 6a 및 도 6b에서의 데이터 비교는 편평한 타겟에 대한 것보다 오목한 타겟에 대하여 균일성이 더 양호하다는 것을 나타내고 그리고 아르곤 유량이 오목한 타겟에 대하여 방사상 균일성에 더 작은 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
도 6c는 오목한 타겟에 대하여 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타내고, 도 6d는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타낸다. 타겟-웨이퍼 간격이 조정되었을 때 오목한 타겟이 편평한 타겟보다 더 양호한 균일성을 나타내며 기판의 방사상 표면을 가로질러 더 적은 두께 편차를 나타낸다.
도 6e는 오목한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(RF)의 영향을 나타내고 그리고 도 6f는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(RF)의 영향을 나타낸다. 오목한 타겟은 편평한 타겟보다 스퍼터링 전력을 최적화하는 것에 의해서 훨씬 더 양호한 막 균일성을 얻을 수 있음을 보여준다.
도 7a 내지 도 7f는 오목하고 편평한 알루미늄 타겟들을 사용하여, DC 전력공급되는 챔버에서 생성된 것이다. 오목한 타겟은 전술한 것들과 유사한 치수들을 가진다. 도 7a는 오목한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타내고 도 7b는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 Ar 가스 유량의 영향을 나타낸다. 오목한 타겟은 편평한 타겟보다 Al 두께의 훨씬 더 양호한 방사상 균일성을 생성한다.
도 7c는 오목한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타내고 도 7d는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 타겟-웨이퍼 간격(T-W)의 영향을 나타낸다. 오목한 타겟은 Al 두께의 보다 양호한 방사상 균일성을 나타낸다.
도 7e는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(DC)의 영향을 나타내는 그래프이고 도 7f는 편평한 타겟에 대하여 정규화된 Al 두께에 미치는 전력 레벨(DC)의 영향을 나타낸다. 오목한 타겟은 Al 두께의 보다 양호한 방사상 균일성을 나타낸다.
오목한 타겟들은, 전력의 프로세스 조건, 타겟-웨이퍼 간격 및 프로세스 가스 유량을 변화시키는 것에 대하여 DC 전력공급되는 챔버 및 RF 전력공급되는 챔버 양자에 대해 기판들의 방사상 표면에 걸친 보다 양호한 방사상 균일성을 나타낸다는 것을 전술한 데이터가 나타낸다. 따라서 도 3a 및 도 3b에 도시된 유형의 오목한 형태 타겟을 사용하는 것에 의해서 기판들의 방사상 표면에 걸쳐 더 나은 증착 균일성을 가져올 수 있다. 추가적으로, 타겟-웨이퍼 간격, 프로세스 가스 유량 및 전력과 같은 프로세스 파라미터들의 변동이 증착의 방사상 균일성에 더 작은 영향을 미치는 것으로 기대된다.
본 명세서 전반에 걸쳐서 "하나의 실시예", "특정한 실시예들", "하나 이상의 실시예들" 또는 "일 실시예"라고 지칭하는 것은 상기 실시예와 관련하여 기술된 특정한 피처, 구조, 물질 또는 특징이 본 발명의 하나 이상의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서 본 명세서 전반에 걸쳐서 다양한 곳들에서 "하나 이상의 실시예들에 있어서", "특정한 실시예들에 있어서", "하나의 실시예에 있어서" 또는 "일 실시예에 있어서"와 같은 어구들의 출현이 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하고 있는 것은 아니다. 나아가, 특정한 피처들, 구조들, 물질들, 또는 특징들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
이상 비록 특정한 실시예들과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 이들 실시예들은 본 발명의 원리 및 적용을 예시하기 위한 것에 불과함을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 아니하면서 본 발명의 방법 및 장치에 다양한 변형들 및 변이들을 가할 수 있음이 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구항의 범주 및 그 등가물 내인 변형들 및 변이들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 스퍼터링 장치로서,
    기판 지지부를 포함하는 프로세스 영역을 정의하는 벽을 구비하는 챔버;
    프로세싱 동안 반응성 가스를 제공하도록 상기 챔버에 연결된 반응성 가스 소오스;
    상기 기판 지지부로부터 이격된 타겟; 그리고
    상기 타겟으로부터 물질을 스퍼터링하기 위해 상기 타겟에 커플링된 RF 전력 소오스;를 포함하고,
    상기 타겟은 상기 타겟의 주위 에지들 사이에서 연장하는 스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면을 구비하고, 상기 스퍼터링가능한 타겟 표면은 상기 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의하며, 상기 전체적인 오목한 형태는 경사진 영역에 의해 둘러싸인 편평한 중심 영역에 의해서 정의되고,
    상기 타겟은 알루미늄, 티타늄, 및 텅스텐 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 상기 타겟의 주위 에지들은 타겟 직경 Rp를 정의하며, 상기 편평한 중심 영역은 직경 Rc를 가지고, 상기 중심 영역의 직경은 비율 Rc/Rp이 68.5%가 되게 하며, 상기 타겟의 주위 에지들에서의 두께가 1/8 인치 내지 3/4 인치의 범위이고 상기 중심 영역에서의 두께보다 더 크도록, 상기 경사진 영역이 7도 각도를 가지며, 상기 경사진 영역의 각도 및 비율 Rc/Rp은 편평한 기판 표면 상에 균일한 두께의 필름을 증착하도록 구성된 것인,
    스퍼터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경사진 영역이 주위 에지까지 연장되는,
    스퍼터링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경사진 영역이 외측 주위 전면 영역까지 연장되는,
    스퍼터링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타겟으로부터 물질을 스퍼터링하도록 상기 타겟에 커플링되는 DC 전력 소오스를 더 포함하는,
    스퍼터링 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    외측 주위 전면은 스퍼터링가능한 표면 영역(surface area)을 30% 이하로 포함하는,
    스퍼터링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응성 가스 소오스는 20 sccm 내지 40 sccm 범위의 유량을 갖는 아르곤을 포함하는,
    스퍼터링 장치.
  7. 스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면을 포함하는 물리 기상 증착(PVD) 타겟으로서,
    상기 전면은 타겟의 주위 에지들 사이에서 연장하고, 상기 스퍼터링가능한 타겟 표면은 상기 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의하며, 상기 전체적인 오목한 형태는 경사진 영역에 의해 둘러싸인 편평한 중심 영역에 의해서 정의되고,
    상기 타겟은 알루미늄, 티타늄, 및 텅스텐 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 상기 타겟의 주위 에지들은 타겟 직경 Rp를 정의하며, 상기 편평한 중심 영역은 직경 Rc를 가지고, 상기 중심 영역의 직경은 비율 Rc/Rp이 68.5%가 되게 하며, 상기 타겟의 주위 에지들에서의 두께가 1/8 인치 내지 3/4 인치의 범위이고 상기 중심 영역에서의 두께보다 더 크도록, 상기 경사진 영역이 7도 각도를 가지며, 상기 경사진 영역의 각도 및 비율 Rc/Rp은 편평한 기판 표면 상에 균일한 두께의 필름을 증착하도록 구성된 것인,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 경사진 영역이 주위 에지까지 연장되는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 경사진 영역이 외측 주위 전면 영역까지 연장되는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  10. 제9항에 있어서,
    외측 주위 전면은 스퍼터링가능한 표면 영역을 30% 이하로 포함하는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 타겟의 후면과 접촉하는 배킹 플레이트를 더 포함하는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배킹 플레이트는 용접(welding), 납땜(brazing), 및 기계적 체결기(mechanical fasteners) 중 하나 또는 둘 이상에 의해 상기 타겟에 결합되는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배킹 플레이트는 전기 전도성 금속을 포함하는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 타겟 직경이 상기 배킹 플레이트의 직경과 동일한,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟.
  15. 물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체로서,
    스퍼터링가능한 타겟 표면을 정의하는 전면 및 후면을 구비하는 타겟; 및
    상기 타겟의 후면과 접촉하는 배킹 플레이트;를 포함하며,
    상기 전면은 타겟의 주위 에지들 사이에서 연장하고, 상기 스퍼터링가능한 타겟 표면은 상기 주위 에지들 사이에서 전체적인 오목한 형태를 정의하며, 상기 전체적인 오목한 형태는 경사진 영역에 의해 둘러싸인 편평한 중심 영역에 의해서 정의되고,
    상기 타겟은 알루미늄, 티타늄, 및 텅스텐 중 하나 또는 둘 이상을 포함하고, 상기 타겟의 주위 에지들은 타겟 직경 Rp를 정의하며, 상기 편평한 중심 영역은 직경 Rc를 가지고, 상기 중심 영역의 직경은 비율 Rc/Rp이 68.5%가 되게 하며, 상기 타겟의 주위 에지들에서의 두께가 1/8 인치 내지 3/4 인치의 범위이고 상기 중심 영역에서의 두께보다 더 크도록, 상기 경사진 영역이 7도 각도를 가지며, 상기 경사진 영역의 각도 및 비율 Rc/Rp은 편평한 기판 표면 상에 균일한 두께의 필름을 증착하도록 구성된 것인,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 경사진 영역이 주위 에지까지 연장되는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 경사진 영역이 외측 주위 전면 영역까지 연장되는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
  18. 제17항에 있어서,
    외측 주위 전면은 스퍼터링가능한 표면 영역을 30% 이하로 포함하는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 배킹 플레이트는 용접, 납땜, 및 기계적 체결기 중 하나 또는 둘 이상에 의해 상기 타겟에 결합되는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 배킹 플레이트는 전기 전도성 금속을 포함하는,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 타겟 직경이 상기 배킹 플레이트의 직경과 동일한,
    물리 기상 증착(PVD) 타겟 조립체.
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