KR102273512B1

KR102273512B1 - 스퍼터링 장치

Info

Publication number: KR102273512B1
Application number: KR1020207008571A
Authority: KR
Inventors: 카츠아키 나카노; 칸지 야기누마
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2021-07-06
Also published as: CN111094618B; TW201912827A; KR20200044892A; CN111094618A; TWI780173B; WO2019049472A1

Abstract

기판 표면에 형성된 홀이나 트렌치 내부에, 대칭성이 좋으면서도 커버리지가 양호한 소정의 박막을 성막할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공한다. 타겟이 배치되는 진공 챔버를 구비하고, 진공 챔버 내에서 원형의 기판(W)을 소정의 회전수로 회전시키면서 스퍼터링하여 기판 표면에 박막을 성막하는 스퍼터링 장치로, 기판의 중심이 타겟의 중심에서 방사 방향의 한쪽으로 소정 간격 오프셋된 상태에서 이 기판을 회전 가능하게 유지하는 스테이지와, 타겟과 스테이지 상의 기판 사이에 설치되어 기판을 덮는 차폐판을 포함하며, 차폐판에는 타겟에서 비산된 스퍼터 입자가 기판 측으로 통과하도록 허용하는 개구부가 형성되고, 개구부는 기판의 중심 영역을 기점으로 하여 이 기점에서 방사 방향의 바깥쪽을 향할수록 그 개구 면적이 점차 증가하는 윤곽을 가지며, 개구 면적의 증가량은 타겟과 기판 사이의 거리에 따라 설정된다.

Description

스퍼터링 장치

본 발명은 반도체 장치의 제조 공정에서 기판 표면에 형성된 홀(hole)이나, 트렌치(trench) 내부에 배리어막이나 시드층과 같은 박막을 성막하는 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홀이나 트렌치의 바닥면과 측면에 대해 커버리지(coverage)가 양호할 뿐만 아니라 홀이나 트렌치에 대해 대칭성(symmetry)이 좋도록(즉, 홀이나 트렌치의 대향하는 측면에 성막된 박막의 두께가 동등하도록) 박막을 성막하기에 적합한 스퍼터링 장치에 관한 것이다.

일반적인 스퍼터링 장치로는 예를 들면, 기판면 내에서 균일성을 좋게 하기 위해, 타겟이 배치되는 진공 챔버와, 진공 챔버 내부에 타겟에 대향 배치된 원형의 기판을 회전 가능하도록 유지하는 스테이지를 포함하며, 기판을 그 중심을 회전 중심으로 하여 소정의 회전수로 회전시키면서 타겟을 스퍼터링하여 기판 표면에 박막을 성막하는 것이 있다.

또 기판의 중심이, 타겟의 중심에서 방사 방향(radial direction)의 한쪽으로 소정 간격 오프셋된 상태에서 스테이지 상에 기판을 회전 가능하게 유지하고, 타겟과 기판 사이에 일부 개구부를 갖는 차폐판을 배치함으로써, 비교적 작은 타겟을 이용하여 비교적 큰 기판의 표면 전체에 걸쳐 성막하는 장치가, 예를 들면 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

그러나 상기 기존 예의 것은 타겟에서 비산된 스퍼터 입자 중에 기판 표면에 대해 비스듬하게 입사하는 것을 충분히 억제할 수 없어, 홀 개구부에서 오버행(overhang)의 성장으로 인한 커버리지의 저하 및 비대칭이 발생한다는 문제가 있어, 근래 들어 미세 패턴의 성막에 요구되는 커버리지나 대칭성이 양호하도록 홀이나 트렌치 내부에 박막을 성막할 수 없다.

특허문헌 1: 특개평 9-213634호 공보

본 발명은 이상의 점을 감안하여 기판 표면에 형성된 홀이나 트렌치 내부에 대칭성이 좋으면서도 커버리지가 양호한 소정의 박막을 성막할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 타겟이 배치되는 진공 챔버를 구비하고, 진공 챔버 내부에 타겟에 대향 배치되는 원형의 기판을, 그 중심을 회전 중심으로 하여 소정의 회전수로 회전시키면서 타겟을 스퍼터링하여 기판 표면에 박막을 성막하는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치는, 기판의 중심이 타겟의 중심에서 방사 방향의 한쪽으로 소정 간격 오프셋된 상태에서 이 기판을 회전 가능하게 유지하는 스테이지와, 타겟과 스테이지 상의 기판 사이에 설치되어 기판을 덮는 차폐판을 포함하며, 차폐판에는 타겟을 소정의 방전 압력에서 스퍼터링함으로써 타겟에서 비산된 스퍼터 입자가 기판 측으로 통과하도록 허용하는 개구부가 형성되고, 개구부는 기판의 중심 영역을 기점으로 하여 이 기점에서 방사 방향의 바깥쪽을 향할수록 그 개구 면적이 점차 증가하는 윤곽을 가지며, 개구 면적의 증가량은 타겟과 기판 사이의 거리에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스퍼터 입자의 평균 자유 행정이 긴 압력 영역에서 스퍼터링을 실시하기 위해, 스퍼터 입자는 타겟에서 비산된 각도를 유지한 채 진행한다. 그 진행 과정에서 타겟에서 비산된 스퍼터 입자 중 기판 표면에 대해 비스듬하게 입사하는 것은 차폐판에서 차폐되기 때문에, 홀이나 트렌치의 바닥면 및 측면에 대해 커버리지가 양호하게 박막을 성막할 수 있으며, 또한 홀이나 트렌치 대해 대칭성이 양호하도록 박막을 성막할 수 있다. 게다가, 타겟과 기판 사이의 거리에 따라 개구부의 개구 면적의 증가량을 설정함으로써 대칭성이 좋으면서도 커버리지가 양호한 소정의 박막을 성막할 수 있다는 기능을 해치지 않으면서 높은 성막 속도를 실현할 수 있다. 덧붙여, 본 발명에서는 홀이나 트렌치에 성막하는 박막 두께의 양호한 균일성 및 착막 형상의 대칭성을 얻기 위해, 타겟의 직경은 기판 반경의 2 배 정도이거나 또는 그 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 개구부가 부채꼴 윤곽을 가지는 경우, 기판의 반경을 r, 타겟과 기판 사이의 거리를 d로 하여, 기판의 중심이, 타겟의 중심에서 r/3 이상 떨어지도록 오프셋되며, 차폐판에 의한 기판의 피차폐 면적 비율이 1-(d÷2r/2.66)의 값보다 커지도록 상기 개구부의 면적을 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 개구부의 면적은, 상기 개구부의 중심각을 60 ~ 120°의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 중심각이 60°보다 작으면 성막 속도를 충분히 높이기 어려울 수 있고, 중심각이 120°보다 크면 기판 표면에 대해 비스듬히 입사하는 스퍼터 입자의 양이 많아져 대칭성이나 커버리지가 나빠질 수 있다.

그런데, 개구부의 기점 주변 부분에 성막되는 경우 기판의 중심 영역에 도달하는 스퍼터 입자의 양이 감소할 수 있다. 이 경우에 차폐판을 교체하는 것을 생각해 볼 수 있으나 이것으로는 진공 챔버 내부를 대기 개방할 필요가 있어 생산성 저하를 초래한다. 본 발명에서는 타겟의 중심에 대한 기판의 오프셋 방향을 따라 차폐판을 이동시킴으로써, 기판의 중심 영역에 도달하는 스퍼터 입자의 양을 유지할 수 있어, 해당 중심 영역에 존재하는 홀이나 트렌치에 성막되는 박막의 두께가 얇아지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 타겟의 기판과의 배면(back side)측에 배치되어 타겟과 기판 사이에서, 또 타겟의 중심과 타겟의 외주부 사이에 편재하도록 누설 자기장을 발생시키는 자석 유닛과, 타겟의 중심을 회전 중심으로 하여 자석 유닛을 회전시키는 회전 수단을 포함하는 경우, 자석 유닛과 스테이지의 회전이 동기화되어 있으면 기판면 내에 원하는 막 두께로 성막되지 않는 영역이 생길 수 있다. 본 발명에서는 자석 유닛과 스테이지의 회전이 동기화되지 않도록 자석 유닛 및 스테이지의 회전수를 각각 제어하는 제어 수단을 마련함으로써, 기판 전면에 걸쳐 원하는 막 두께로 성막하는 것이 가능하다.

본 발명에서 상기 차폐판과 기판 사이의 거리는, 상기 방전 압력의 평균 자유 행정의 2 배 이내인 것이 바람직하다. 2 배보다 크면 입자끼리의 산란에 의해 기판 표면에 비스듬하게 입사하는 입자의 수가 늘어나, 이로 인해 홀이나 트렌치의 개구부에 부착되는 막이 오버행(overhang)을 일으키기 쉽다는 문제가 생긴다.

본 발명에서 상기 차폐판의 개구부는 기판의 중심 영역을 노출시키고 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면 기판 중심의 바로 위쪽에 개구부를 설치함으로써 기판의 중심 영역에 존재하는 홀이나 트렌치에 성막되는 박막의 두께가 얇아지지 않으면서도, 기판의 중심 영역의 커버리지를 양호하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태인 마그네트론 스퍼터링 장치를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 차폐판의 모식적 평면도이다.
도 3은 본 발명의 효과를 확인하는 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 차폐판의 변형예를 나타낸 모식적 평면도이다.

아래에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태인 스퍼터링 장치에 대해 설명한다. 아래에서는 도 1을 기준으로 하여 진공 챔버(1)의 천장부측을 「위」, 그 바닥부측을 「아래」로 설명한다.

도 1에 나타낸 것처럼 스퍼터링 장치(SM)는 처리실(1a)을 구획하는 진공 챔버(1)를 포함한다. 진공 챔버(1)의 측벽에는 배기구(11)가 설치되며, 이 배기구(11)에는 배기관(12)을 통해 터보 분자 펌프나 로터리 펌프 등으로 이루어진 진공 펌프(P)가 연결되어, 처리실(1a)을 소정의 압력(예를 들면 1 × 10^-5Pa)까지 진공 배기할 수 있다. 진공 챔버(1)의 측벽에는 가스 도입구(13)가 설치되는데, 이 가스 도입구(13)에는 도시 생략한 가스원에 연통되며, 질량 유량 제어기(14)가 사이에 설치된 가스관(15)이 연결되어, Ar 등의 불활성 기체로 이루어진 스퍼터링 가스를 처리실(1a) 내로 소정 유량 도입할 수 있도록 되어있다.

진공 챔버(1)의 천장부에는, 캐소드 유닛(C)이 착탈 가능하게 설치된다. 캐소드 유닛(C)은, 진공 챔버(1) 내(처리실(1a))를 마주하도록 설치된 타겟(2)과, 타겟(2)의 스퍼터면(2a)과 배향(opposite)하는 측에 배치되어 타겟(2)과 기판(W) 사이에서, 또 타겟(2)의 중심과 타겟(2)의 외주부 사이에 편재하도록 누설 자기장을 발생시키는 자석 유닛(3)으로 구성된다. 타겟(2)은 성막하고자 하는 박막의 조성에 따라 적절히 선택되는 금속이나 금속 화합물(절연물) 등의 재료로 만들어지며, 공지의 방법을 이용하여 예를 들면 원형의 윤곽을 갖도록 제작된다. 타겟(2)에는 스퍼터 전원(E)으로서 음의 전위를 갖는 직류 전원이나 고주파 전원으로부터의 출력이 연결되어, 스퍼터링 시 전력이 투입된다. 타겟(2)의 스퍼터면(2a)과 배향하는 면에는, 인듐이나 주석과 같은 본딩 재료를 통해 백킹 플레이트(21)가 접합된다. 백킹 플레이트(21)는 열전도가 좋은 Cu 등의 금속으로 만들어지며, 도시 생략한 냉매 순환 통로에 냉매를 순환시킴으로써 타겟(2)을 냉각할 수 있도록 되어있다. 자석 유닛(3)으로는, 자성 재료로 제작된 판 모양의 요크(31)와, 요크(31)의 하면에 고리 모양으로 줄지어 설치된 동자화된(same magnetization) 복수 개의 제 1 자석(32)과, 제 1 자석(32)의 주위를 둘러싸도록 고리 모양으로 줄지어 설치된 제 1 자석(32)과 동자화된 복수 개의 제 2 자석(33)을 갖는 공지의 것을 사용할 수 있다. 요크(31)의 윗면에는 회전 수단(4)의 회전축(41)이 연결되어, 타겟(2)을 스퍼터링하여 성막하는 동안 타겟(2)의 중심을 회전 중심으로 하여 자석 유닛(3)을 회전할 수 있도록 되어있다.

진공 챔버(1)의 바닥부에는 타겟(2)의 중심에서 방사 방향의 한쪽으로 소정 간격 오프셋된 상태에서 기판(W)을 유지하는 스테이지(5)가 설치된다. 스테이지(5)의 아랫면 중앙에는, 도시 생략한 진공 밀봉 부재를 통해 진공 챔버(1) 바닥벽을 관통하는 회전 수단(6)의 회전축(61)이 연결되어, 기판(W)을 소정의 회전수로 회전할 수 있도록 되어있다. 스테이지(5)에는 바이어스 전원(E2)에 해당하는 고주파 전원의 출력이 연결되어, 스퍼터링 시 바이어스 전력이 투입된다. 덧붙여, 스테이지(5)는 도시 생략한 공지의 정전 척을 가지며, 이 정전 척의 전극에 소정 전압을 인가하여 스테이지(5) 상에 기판(W)을 그 성막면을 위로 하여 흡착 유지할 수 있게 되어있다. 또한, 스테이지(5)에 도시 생략한 승강 수단의 구동축을 연결하여, 타겟(2)과 기판(W) 사이의 거리를 변경 가능하게 구성할 수도 있다.

타겟(2)과 스테이지(5) 상의 기판(W) 사이에는, 기판(W)을 덮는 차폐판(7)이 설치된다. 차폐판(7)에는, 타겟(2)에서 비산된 스퍼터 입자가 기판(W)측으로 통과하도록 허용하는 개구부(71)가 형성된다. 도 2도 참조하면, 개구부(71)는 예를 들면 기판(W)의 중심 영역을 노출시키는데, 이 중심 영역이 노출된 부분을 기점(72)으로 하여 이 기점에서 방사 방향 바깥쪽을 향할수록 그 개구 면적이 점차 증가하는 윤곽을 가지며, 개구 면적의 증가량이 타겟(2)과 기판(W) 사이의 거리(d1)에 따라 설정된다. 기판(W)과 차폐판(7) 사이의 거리(d2)는 5 ~ 100mm의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 특히 차폐판(7)의 개구부(71)를 통과한 후 스퍼터 입자가 다른 입자와 충돌하여, 그 진행 방향을 바꾼다는 것을 생각하면, 기판(W)과 차폐판(7) 사이의 거리(d2)는 방전 압력에 대한 평균 자유 행정의 2 배 이내로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 차폐판(7)의 측면에는 이동 수단(8)의 구동축(81)이 연결되어, 타겟(2)의 중심에 대한 기판(W)의 오프셋 방향을 따라(즉, 도 1에서 오른쪽 방향으로) 차폐판(7)을 이동할 수 있도록 되어있다.

상기 스퍼터링 장치(SM)는 마이크로 컴퓨터나 시퀀서 등을 구비한 공지의 제어 수단(Ru)을 가지며, 진공 펌프(P)의 가동, 질량 유량 제어기(14)의 가동, 스퍼터 전원(E)의 가동, 회전 수단(4)의 가동, 회전 수단(6)의 가동이나 이동 수단(8)의 가동 등을 통괄하여 제어한다. 덧붙여, 자석 유닛(3)과 스테이지(5)의 회전이 동기화되어 있으면 기판(W)면 내에서 원하는 막 두께로 성막되지 않는 영역이 생길 수 있는데, 제어 수단(Ru)으로 자석 유닛(3)과 스테이지(5)의 회전이 동기화되지 않도록 자석 유닛(3) 및 스테이지(5)의 회전수를 각각 제어함으로써, 기판(W) 전면(全面)에 걸쳐 원하는 두께로 성막하는 것이 가능하다. 이하에서, 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용한 성막 방법에 대해, 기판(W) 표면에 형성된 도시 생략한 홀이나 트렌치 내부에 Cu막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다.

Cu로 된 타겟(2)이 배치된 진공 챔버(1) 내에 소정의 진공도(예를 들면, 1 × 10^-5Pa)까지 진공 배기하고, 도면 밖의 반송 로봇에 의해 진공 챔버(1) 내부로 기판(W)을 반송하여 스테이지(5)에 기판(W)을 전달하고, 스테이지(5) 상에 기판(W)을 정전 흡착시켜 유지한다. 이어서, 회전 수단(6)에 의해 스테이지(5)를 소정의 회전수(예를 들면 120rpm)로 회전시킴으로써 기판(W)을 회전시킨다. 이와 동시에 회전 수단(4)에 의해 자석 유닛(3)을 소정의 회전수(예를 들면 52rpm)로 회전시키면서 스퍼터 가스에 해당하는 아르곤 가스를 예를 들면 0 ~ 20sccm의 유량으로 도입하고(이 때의 진공 챔버(1) 내부의 압력은 2.0 × 10^-1Pa 이하), 스퍼터 전원(E1)으로부터 타겟(2)에 직류 전력(예를 들어 10 ~ 30kW)을 투입하여, 바이어스 전원(E2)으로부터 스테이지(5)에 예를 들면 13.56MHz의 고주파 전력 300W를 투입하여, 진공 챔버(1) 내에 플라즈마를 형성한다. 이를 통해 타겟(2)의 스퍼터면(2a)이 스퍼터링되며, 타겟(2)에서 비산된 스퍼터 입자가 차폐판(7)의 개구부(71)를 통과하여 기판(W) 표면에 형성된 홀이나 트렌치의 바닥면 및 측면에 부착, 퇴적되어 Cu막이 성막된다.

이 때 타겟(2)에서 비산된 스퍼터 입자 중에 기판(W) 표면에 대해 비스듬하게 입사한 것은 차폐판(7)에서 차폐되므로, 즉 차폐판(7)의 개구부(71)를 통과한 스퍼터 입자가 기판(W) 표면에 대해 거의 수직으로 입사하기 때문에, 홀이나 트렌치에 대해 대칭성 및 커버리지가 양호하게 Cu막을 성막할 수 있다. 또 기판(W)의 중앙 영역의 바로 윗쪽에는 차폐판(7)의 개구부(71)가 존재하도록 차폐판(7)을 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 기판(W)의 중앙 영역에 도달하는 스퍼터 입자가 적어지는 일 없이 기판(W)의 중심 영역에 존재하는 홀이나 트렌치에 성막된 Cu막의 두께가 국소적으로 얇아지지 않아, 기판(W)의 전면에 걸쳐 거의 동등한 두께를 가진 Cu막을 성막하는 것이 가능하다.

그런데, 차폐판(7)의 개구부(71)의 개구 면적을 작게 설정하면, 양호한 대칭성 및 커버리지를 얻을 수 있으나 성막 속도가 낮아질 수 있다. 한편, 개구부(71)의 개구 면적을 크게 설정하면 성막 속도를 높일 수 있으나 대칭성 및 커버리지가 악화될 수 있다.

따라서, 본 실시형태에 따르면, 기판(W)과 타겟(2) 사이의 거리에 따라 개구부(71)의 개구 면적의 증가량을 설정했기 때문에, 기판(W) 표면에 형성된 홀이나 트렌치의 내부에 대칭성이 좋으면서 커버리지도 양호한 Cu막을 성막할 수 있다는 기능을 해치지 않으면서도, 기판(W)의 전면에 걸쳐 동등한 두께를 가진 Cu막을 높은 성막 속도로 성막할 수 있다. 구체적으로는 개구부(71)가 부채꼴 윤곽인 경우, 기판(W)의 반경을 r, 타겟(2)과 기판(W) 사이의 거리를 d1으로 했을 때, 기판(W)의 중심이 타겟(2)의 중심에서 r/3 이상 떨어지도록 오프셋되며, 차폐판(7)에 의한 기판(W)의 피차폐 면적 비율이 1-(d1÷2r/2.66)의 값보다 커지도록 개구부(71)의 면적이 설정된다. 이 경우, 개구부(71)의 중심각θ를 60 ~ 120°의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

그런데, 개구부(71)의 기점(72) 주변 부분에 성막되는 경우, 기판(W)의 중심 영역에 도달하는 스퍼터 입자의 양이 감소할 수 있다. 이 때는 이동 수단(8)으로 타겟(2)의 중심에 대한 기판(W)의 오프셋 방향을 따라 차폐판(7)을 이동시킴으로써 기판(W)의 중심 영역에 도달하는 스퍼터 입자의 양을 유지할 수 있어, 해당 중심 영역에 존재하는 홀이나 트렌치에 성막되는 박막의 두께가 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 덧붙여, 기판(W)의 처리 매수와 상기 부분에 대한 성막량의 관계를 미리 취득한 다음, 기판(W)의 처리 매수에 따라 차폐판(7)을 이동시키도록 구성할 수도 있다.

다음으로 상기 효과를 확인하기 위해 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용하여 다음의 실험을 실시했다. 즉, 본 실험에서는, 기판(W)으로 φ300mm의 원형 실리콘 기판의 표면에 개구폭 50nm, 깊이 200nm인 트렌치가 형성된 것을 이용하고, 타겟(2)으로 φ400mm(기판(W)의 반지름(r)의 2.66배)의 Cu로 된 것을 이용하며, 기판(W)과 타겟(2) 사이의 거리(이하, ‘T/S 거리’)(d1)를 400mm로 설정하고, 기판(W)과 차폐판(7) 사이의 거리(d2)를 50mm로 설정하며, 타겟(2)의 중심에서 기판(W)의 중심의 오프셋량(Vo)을 r/2로 설정했다. 차폐판(7)으로 φ400mm의 SUS로 된 것을 이용하고, 차폐판(7)에 중심각θ가 90°인 부채꼴 윤곽을 갖는 개구부(71)를 개방 설치했다. 그리고, 스테이지(5)의 회전수를 120rpm, 자석 유닛(3)의 회전수를 52rpm으로 각각 제어하고, 진공 챔버(1) 내부에 아르곤 가스를 도입함과 동시에 타겟에 직류 전력을 투입하여 플라즈마를 생성했다. 그 후, 바로 아르곤 가스의 유량을 0sccm으로 조정하고(이 때 처리실(1a) 내부의 압력은 1×10^-5Pa), 타겟(2)에 투입하는 직류 전력을 23kW로 설정함과 동시에 스테이지(5)에 13.56MHz의 고주파 전력을 300W 투입하여, 타겟(2)을 스퍼터링하여 트렌치의 내부에 Cu막을 성막했다. 성막 후의 기판(W)의 단면 SEM이미지를 가지고 트렌치 내부에 성막된 Cu막의 대칭성 및 커버리지를 평가했으며, 이와 함께 기판(W) 표면의 평평한 부분(트렌치 이외의 부분)에 성막된 Cu막의 막 두께 측정값으로부터 성막 속도를 평가했다. 이들 평가 결과를 도 3(a)에 나타냈다. 도 3(a)에는 개구부(71)의 중심각θ를 45°, 60°, 120°, 150°, 180°로 변화시킨 경우의 평가 결과도 함께 나타냈다. 덧붙여, 도 3에 나타낸 평가 결과에 대해 「○」는 대칭성 및 커버리지가 우수하고 또한 성막 속도가 높은 경우, 「△」는 대칭성 및 커버리지가 우수하고 또한 성막 속도가 양산 적용 가능한 경우, 「▲」는 대칭성 및 커버리지가 양산 적용 가능하고 또한 성막 속도가 높은 경우, 「×」는 대칭성 및 커버리지가 NG(양산 적용 불가)인 경우를 각각 나타낸다. 도 3(a)에는 T/S 거리(d1)를 200mm, 300mm로 변화시킨 경우의 평가 결과도 함께 나타냈다.

도 3(a)에 나타낸 「○」, 「△」, 「▲」의 평가 결과를 얻을 수 있는 경우는, 차폐판(7)에 의한 기판(W)의 피차폐 면적 비율이 1-(d÷2r/2.66)의 값보다 커진다는 조건을 충족한다. 이 조건을 충족하도록 개구부(71)의 면적이 설정되며, 예를 들면 T/S 거리(d1)가 200mm인 경우 중심각θ를 90°까지 확대할 수 있고, T/S 거리(d1)를 300mm로 설정하면 중심각θ를 120°까지 확대할 수 있으며, T/S 거리(d1)를 400mm로 설정하면 중심각θ를 180°까지 확대할 수 있음을 확인했다. 단, 커버리지가 강하게 요구되는 경우에는 중심각θ를 120° 이하로 설정하는 것이 바람직하며, 또한 생산성을 감안하면 60° 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

도 3(b)에는 φ450mm의 기판(W)을 이용하는 점 이외에는 상기와 같은 방법으로 Cu막을 성막하여 그 평가 결과를 나타냈다. 도 3(b)에 나타낸 「○」, 「△」, 「▲」의 평가 결과를 얻을 수 있는 경우는, 차폐판(7)에 의한 기판(W)의 피차폐 면적 비율이 1-(d÷2r/2.66) 값보다 커진다는 조건을 충족한다. 이 조건을 충족하도록 개구부(71)의 면적이 설정되는데, 예를 들면 T/S 거리(d1)가 200mm인 경우 중심각θ는 45°로 설정되나, T/S 거리(d1)를 300mm로 설정하면 중심각θ를 60°까지 확대할 수 있으며, T/S 거리(d1)를 400mm로 설정하면 중심각θ를 90°까지 확대할 수 있고, T/S 거리(d1)를 600mm로 설정하면 중심각θ를 180°까지 확대할 수 있음을 확인했다. 단, 커버리지가 강하게 요구되는 경우에는 중심각θ를 120° 이하로 설정하는 것이 바람직하며, 또한 생산성을 감안하면 60° 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

위에서 설명한 실험을 통해, T/S 거리(d1)에 따라 중심각θ를 설정하면 양호한 대칭성 및 커버리지를 갖도록 성막할 수 있다는 기능을 해치지 않으면서도 성막 속도를 높일 수 있다는 것을 알았다.

이상 본 발명의 실시형태에 대해 설명했으나 본 발명은 상기로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4와 같이 차폐판(7)의 개구부(71)가 홈부(notch)로서 형성될 수도 있다. 또한, 개구부(71)는 중심 영역을 기점으로 이 기점에서 방사 방향 바깥쪽으로 향할수록 그 개구 면적이 점차 증가하는 윤곽을 가지는데, 이른바 부채형이나 삼각형 모양에 가까운 개구부가 한군데 설치되는 경우로 한정되지 않으며, 흩어져 복수의 개구부로 설치했을 때 그 개구부의 총합이 상기 조건을 충족하도록 할 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 타겟(2)으로서 Cu로 된 것을 이용하여 기판(W) 표면에 Cu막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명했으나 이에 한정되지 않으며, Cu막 이외의 금속막을 성막하는 경우나, Al₂O₃, MgO, SiC, SiN 등으로 된 절연물 타겟을 이용하여 절연막을 성막하는 경우에도 적용할 수 있다.

SM .. 스퍼터링 장치
W .. 기판
1 .. 진공 챔버
2 .. 타겟
2a .. 스퍼터면
2c .. 타겟(2)의 중심
3 .. 자석 유닛
5 .. 스테이지
7 .. 차폐판
71 .. 개구부
72 .. 기점(starting point)

Claims

타겟이 배치되는 진공 챔버를 구비하고, 진공 챔버 내부에 타겟에 대향 배치되는 원형의 기판을, 그 중심을 회전 중심으로 하여 소정의 회전수로 회전시키면서 기판과 동일 또는 그 이상의 직경을 가지는 타겟을 스퍼터링하여 기판 표면에 박막을 성막하는 스퍼터링 장치로,
기판의 중심이 타겟의 중심에서 방사 방향(radial direction)의 한쪽으로 소정 간격 오프셋된 상태에서 이 기판을 회전 가능하게 유지하는 스테이지와, 타겟과 스테이지 상의 기판 사이에 설치되어 기판을 덮는 차폐판을 포함하며, 차폐판에는 타겟을 소정의 방전 압력에서 스퍼터링함으로써 타겟에서 비산된 스퍼터 입자가 기판 측으로 통과하도록 허용하는 개구부가 형성되고,
개구부는 기판의 중심 영역을 기점(starting point)으로 하여 이 기점에서 방사 방향의 바깥쪽을 향할수록 그 개구 면적이 점차 증가하는 윤곽을 가지며, 개구 면적의 증가량이 타겟과 기판 사이의 거리에 따라 설정되고,
상기 개구부는 부채꼴 윤곽이며,
기판의 반경을 r, 타겟과 기판 사이의 거리를 d로 설정했을 때,
기판의 중심이 타겟의 중심에서 r/3 이상 떨어지도록 오프셋되며,
차폐판에 의한 기판의 피차폐 면적 비율이 1-(d÷2r/2.66)의 값보다 커지도록 상기 개구부의 면적을 설정하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 1항에 있어서,
상기 개구부의 중심각을 60 ~ 120°의 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 1항에 있어서,
상기 타겟의 중심에 대한 기판의 오프셋 방향을 따라 차폐판을 이동시킬 수 있는 이동 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항의 스퍼터링 장치로, 타겟의 기판과의 배면(back side)측에 배치되어 타겟과 기판 사이에서, 또 타겟의 중심과 타겟의 외주부 사이에 편재하도록 누설 자기장을 발생시키는 자석 유닛과, 타겟의 중심을 회전 중심으로 하여 자석 유닛을 회전시키는 회전 수단을 포함하며,
자석 유닛과 스테이지가 동기화되지 않도록 자석 유닛 및 스테이지의 회전수를 각각 제어하는 제어 수단을 추가로 마련하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차폐판과 기판 사이의 거리는, 상기 방전 압력의 평균 자유 행정의 2 배 이내인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차폐판의 개구부는 기판의 중심 영역을 노출시키는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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