KR102516128B1 - 유전체 스퍼터링에서 결함들을 감소시키기 위한 페이스트 방법 - Google Patents

유전체 스퍼터링에서 결함들을 감소시키기 위한 페이스트 방법 Download PDF

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Abstract

RF 동력 프로세스들을 사용한 증착 챔버들을 위한 탄탈럼(Ta) 타겟 페이스팅 프로세스의 실시예들은, 웨이퍼 상에 유전체 재료를 증착하기 위해 RF 스퍼터링을 사용한 후에, 프로세스 챔버의 내측 표면들의 적어도 일부분에 Ta를 페이스팅하는 단계를 포함한다. 프로세스 챔버 내의 압력 레벨들은 Ta 페이스팅 층의 커버리지를 최대화하도록 조정된다. Ta 페이스팅은 프로세스 챔버 내부 표면들, 이를테면 실드 상에 부주의로 스퍼터링된 유전체 재료를 캡슐화한다. 그런 다음, Ta 페이스팅 층 상에 탄탈럼 옥사이드 층을 형성하여 오염 및 입자 생성을 추가로 감소시키기 위해, 산소가 프로세스 챔버에 유동된다.

Description

유전체 스퍼터링에서 결함들을 감소시키기 위한 페이스트 방법
[0001] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로, 반도체 제조 시스템들에서 사용되는 기판 프로세스 챔버들에 관한 것이다.
[0002] 물리 기상 증착(PVD; physical vapor deposition)으로 또한 알려진 스퍼터링은 집적 회로들에 피처(feature)들을 형성하는 방법이다. 스퍼터링은 기판 상에 재료 층을 증착한다. 소스 재료, 이를테면 타겟은, 전기장에 의해 강하게 가속된 이온들에 의해 충격을 받는다(bombarded). 충격은 타겟으로부터 재료를 배출하고, 그런 다음, 재료는 기판 상에 증착된다. 증착 동안, 배출된 입자들이, 일반적으로 기판 표면에 직교하지 않는 다양한 방향들로 이동하여서, 바람직하지 않게 프로세스 챔버의 내측 구조 상에 소스 재료의 층을 생성하게 될 수 있다.
[0003] 이를테면 프로세스 챔버의 실드 또는 다른 내측 표면들 상의, 내측 구조의 원치 않는 코팅은, 후속하는 웨이퍼 프로세싱에서 결함(defect)들 및 오염을 유발할 수 있다. 원치 않는 코팅으로부터의 재료가, 웨이퍼 상에 증착되고 있는 원하는 재료와 결합할 때, 오염이 일어난다. 결과적인 웨이퍼 증착 필름은 증착 재료와 내측 구조의 코팅으로부터의 재료의 혼합물일 것이다. 원치 않는 코팅으로부터의 입자들이 웨이퍼 상의 증착 층에 떨어질 때, 웨이퍼 프로세싱에서의 결함들이 일어난다. 결함들의 수량(quantity) 및 사이즈를 결정하기 위해 웨이퍼 표면이 검사될 수 있지만, 필름의 조성을 결정하기 위해 웨이퍼 증착 필름이 분석되어야 한다.
[0004] 직류(DC; direct current) 동력(powered) PVD 챔버들은 통상적으로, 그들의 비용 효과성과 효율성 때문에, 금속 웨이퍼 증착 프로세스들에 사용된다. 그러나, 유전체 재료에 사용될 때, 유전체 재료가 궁극적으로 챔버 내의 전극들을 절연 필름으로 덮어서, 증착 프로세스가 중단된다. 교류(AC; alternating current) 동력 PVD 챔버들, 이를테면 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) PVD 챔버들은, 사이클의 전반기(first half)에서 표면들 상에 남겨진 양의(positive) 전하들을 사이클의 후반기(second half) 동안 음의(negative) 전하들로 중화(neutralize)하는 능력을 갖는다. 주기적 성질은 RF PVD 챔버들이 금속 웨이퍼 증착 및 유전체 웨이퍼 증착 둘 모두에 사용될 수 있게 하지만, DC 동력 PVD 챔버들보다 더 낮은 증착 레이트로 사용될 수 있게 한다.
[0005] RF 스퍼터링은 타겟 재료가, 웨이퍼 상에 증착될 뿐만 아니라 프로세스 챔버의 실드 및 다른 내측 표면들 상에도 바람직하지 않게 증착되게 한다. 통상적으로, 실드는 전도성 재료, 이를테면 금속으로 만들어지며, 금속 재료 타겟이 사용되고 있으면, 금속 상의 금속 증착은 프로세싱을 간섭하지 않는다. 그러나, 타겟 재료가 유전체일 때, 실드 상의 유전체 증착은 전하 축적(build up)을 유발하며, 이 전하 축적은 프로세스 챔버 내의 아킹(arcing)으로 이어질 수 있다. 아킹은 입자들이 내측 표면들 상의 유전체 층으로부터 이탈되며 그리고 프로세싱되고 있는 웨이퍼 상에 떨어지게 할 수 있다. 입자 생성은 웨이퍼 증착 층에서의 실질적인 양(amount)의 결함들로 이어질 수 있다.
[0006] 따라서, 본 발명자들은 PVD 챔버들 내의 RF 동력 프로세스들에서의 유전체 재료 증착을 위한 개선된 방법들을 제공했다.
[0007] RF PVD 프로세스 챔버들을 위한 탄탈럼(Ta) 타겟 페이스팅 프로세스의 실시예들이 본원에서 제공된다. 일부 실시예들에서, 증착 챔버에서 페이스팅 층을 형성하기 위한 방법은, 증착 챔버의 적어도 내부 부분 상에 유전체 재료 타겟의 RF 스퍼터링에 의해 성된 제1 유전체 재료 층의 적어도 일부분 위에 Ta 페이스팅 층을 증착하는 단계를 포함하며, Ta 페이스팅 층은 제1 유전체 재료 층으로부터의 입자 결함들을 감소시킨다.
[0008] 일부 실시예들에서, RF PVD 증착 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법은, PVD 챔버의 적어도 내부 부분 상의 마그네슘 옥사이드(MgO)로부터의 입자 결함들을 감소시키기 위해, Ta 타겟을 스퍼터링함으로써, MgO 위에 Ta 페이스팅 층을 증착하는 단계, 입자 결함들을 추가로 감소시키기 위해 그리고 후속하는 MgO 증착 층들의 Ta 오염을 감소시키기 위해, Ta 페이스팅 층과 본딩(bond)하도록 PVD 챔버에 산소를 유동시키는 단계, 및 후속하는 MgO 증착 층들의 Ta 오염을 추가로 감소시키기 위해, MgO 타겟을 스퍼터링함으로써, PVD 챔버의 적어도 내부 부분 상에 MgO 증착 층을 증착하는 단계를 포함한다.
[0009] 일부 실시예들에서, 증착 챔버는 프로세스 챔버를 포함하며, 이 프로세스 챔버는 내측 볼륨 및 실드를 가지며, 이 실드는 내측 볼륨에 배치되며 내측 볼륨 내의 프로세싱 볼륨을 둘러싸도록 구성된 하나 이상의 측벽들을 가지며, 여기서, 실드의 적어도 하나의 표면의 적어도 일부분은 RF 스퍼터링에 의해 형성된 유전체 재료 증착 층을 가지며, 유전체 재료 증착 층의 적어도 일부분은 탄탈럼(Ta) 증착 층을 갖는다.
[0010] 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 실시예들은 아래에서 설명된다.
[0011] 위에서 간략히 요약되며 아래에서 더욱 상세히 논의된 본 개시내용의 실시예들은, 첨부된 도면들에서 도시된 본 개시내용의 예시적인 실시예들을 참조하여 이해될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 통상적인 실시예들만을 예시하며, 그러므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하는데, 그 이유는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0012] 도 1은 본 원리들의 일부 실시예들에 따른 프로세스 챔버의 개략적인 단면도를 도시한다.
[0013] 도 2는 본 원리들의 일부 실시예들에 따라 획득된 티타늄 페이스팅 데이터를 도시한다.
[0014] 도 3은 본 원리들의 일부 실시예들에 따른 탄탈럼 페이스팅 데이터를 도시한다.
[0015] 도 4는 본 원리들의 일부 실시예들에 따른, 프로세스 챔버의 내측 볼륨 표면의 일부분을 도시한다.
[0016] 도 5는 본 원리들의 일부 실시예들에 따른, 기판을 프로세싱하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0017] 이해를 용이하게 하기 위해, 가능한 경우, 도면들에 공통인 동일한 엘리먼트들을 표기하기 위해 동일한 참조 부호들이 사용되었다. 도면들은 실척에 맞게 그려지지 않으며, 명확성을 위해 단순화될 수 있다. 일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들은 유익하게, 추가적인 언급 없이, 다른 실시예들에 통합될 수 있다.
[0018] PVD 프로세스 챔버들을 위한 탄탈럼(Ta) 타겟 페이스팅 프로세스의 실시예들이 본원에서 제공된다. 본 발명의 방법들은, 웨이퍼 상의 유전체 재료 증착 후에 프로세스 챔버의 내측 표면들의 적어도 일부분을 페이스팅하기 위해 Ta 타겟 스퍼터링 프로세스를 이용한다(leverage). Ta 페이스팅은 프로세스 챔버 내측 표면들, 이를테면 실드 상에 부주의로 스퍼터링된 유전체 재료를 캡슐화한다. Ta 페이스팅은, 증착 필름들에 떨어지는 유전체 재료로부터의 입자들에 의해 유발되는 결함들의 수 및 결함들의 사이즈를 크게 감소시킨다. 증착 필름들 또는 층들의 결함들 및 오염 둘 모두를 추가로 감소시키도록 Ta 페이스팅의 효과들을 향상시키기 위해 부가적인 프로세스들이 사용된다.
[0019] 일부 실시예들에서, PVD 챔버, 이를테면, 예컨대, 멀티-캐소드 PVD 챔버(예컨대, 프로세스 챔버(100))는 (예컨대, 챔버 바디 어댑터(108)를 통해) 챔버 바디에 부착된, 대응하는 복수의 타겟들(적어도 하나의 유전체 타겟(104) 및 적어도 하나의 금속성 타겟(106))을 갖는 복수의 캐소드들(102, 103)(예컨대, 5 개의 캐소드들)을 포함한다. 프로세싱 챔버는 기판(136)을 지지하기 위한 지지 표면(134)을 갖는 기판 지지부(132)를 포함한다. 프로세스 챔버(100)는 개구(150)(예컨대, 슬릿 밸브)를 포함하며, 이 개구(150)를 통해, 엔드 이펙터(미도시)는, 지지 표면(134) 상으로 기판을 하강시키기 위해 리프트 핀들(미도시) 상에 기판(136)을 배치하도록 연장될 수 있다.
[0020] 도 1에서 도시된 실시예에서, 각각의 타겟은 지지 표면(134)에 대하여 미리 결정된 각도(α)로 배치된다. 일부 실시예들에서, 각도(α)는 약 10 ° 내지 약 50 °일 수 있다. 기판 지지부는 기판 지지부(132)에 배치된 바이어스 전극(140)에 매칭 네트워크(142)를 통해 커플링된 RF 바이어스 전력원(138)을 포함한다. 챔버 바디 어댑터(108)는 프로세스 챔버(100)의 챔버 바디(110)의 상부 부분에 커플링되며 접지된다. 각각의 캐소드는 DC 전력원(112) 또는 RF 전력원(114) 그리고 연관된 마그네트론을 가질 수 있다. 듀얼 전력원들은 DC 동력 프로세스들 및 RF 동력 프로세스들 양자 모두가 동일한 프로세스 챔버(100)에서 일어날 수 있게 한다. RF 전력원(114)의 경우, RF 전력원(114)은 RF 매칭 네트워크(115)를 통해 캐소드(102)에 커플링된다. RF 전력원(114)에 의해 공급되는 RF 에너지는 주파수가 약 13.56 MHz 내지 약 162 MHz 이상의 범위일 수 있다. 예컨대, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 60 MHz 또는 162 MHz와 같은 비-제한적인 주파수들이 사용될 수 있다.
[0021] 기판(136) 상에 음의 DC 바이어스를 유도하기 위하여, 기판 지지부(132)에 RF 바이어스 전력원(138)이 커플링될 수 있다. 부가하여, 일부 실시예들에서, 프로세싱 동안 기판(136) 상에 음의 DC 셀프-바이어스가 형성될 수 있다. 예컨대, RF 바이어스 전력원(138)에 의해 공급되는 RF 에너지는 주파수가 약 2 MHz 내지 약 60 MHz의 범위일 수 있는데, 예컨대, 2 MHz, 13.56 MHz 또는 60 MHz와 같은 비-제한적인 주파수들이 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션들에서, 기판 지지부(132)는 접지될 수 있거나 또는 전기적으로 부유하는 상태로 남겨질 수 있다.
[0022] 실드(116)는 챔버 바디 어댑터(108)에 회전가능하게 커플링되고, 캐소드들 전부에 의해 공유된다. 동시에 스퍼터링될 필요가 있는 타겟들의 수에 따라, 회전 실드(116)는 대응하는 하나 이상의 타겟들을 노출시키기 위한 하나 이상의 홀들을 가질 수 있다. 실드(116)는 복수의 타겟들(104, 106) 사이의 교차-오염을 제한하거나 또는 제거한다. 예컨대, 5 개의 캐소드들이 제공되는 일부 실시예들에서, 실드(116)는 스퍼터링될 타겟(104)을 노출시키기 위한 적어도 하나의 홀(118) 및 스퍼터링되고 있지 않은 타겟(예컨대, 금속성 타겟(106))을 하우징하기 위한 적어도 하나의 포켓(120)을 포함할 수 있다. 실드(116)는 샤프트(122)를 통해 챔버 바디 어댑터(108)에 회전식으로 커플링된다. 일부 실시예들에서, 실드(116)는 내측 또는 내부 볼륨(105) 내의 프로세싱 볼륨을 둘러싸도록 구성된 하나 이상의 측벽들을 갖는다.
[0023] 실드(116)에 대향하게 샤프트(122)에 액추에이터(124)가 커플링된다. 액추에이터(124)는, 화살표(126)에 의해 표시된 바와 같이 실드(116)를 회전시키도록, 그리고 화살표(128)에 의해 표시된 바와 같이 프로세스 챔버(100)의 중심 축(130)을 따라 실드(116)를 위아래로 이동시키도록 구성된다. 홀(118)을 둘러싸는 실드의 면(face)이, 기판(136)을 향하는 타겟(예컨대, 유전체 타겟(104))의 면 뒤에 있도록, 실드(116)가 회수 포지션에 위로 이동될 때, (예컨대, 홀(118)의 측벽 상의) 타겟을 둘러싸는 어두운(dark) 공간에서 스퍼터링되는 재료들이 최소화된다. 그 결과, 하나의 타겟(예컨대, 유전체 타겟(104))으로부터 스퍼터링된 재료들은 어두운 공간에 축적된 재료의 스퍼터링에 기인하여 다른 타겟(예컨대, 금속성 타겟(106))을 오염시키지 않는다.
[0024] 프로세스 챔버(100)는 또한, 프로세스 챔버(100)의 내부 볼륨(105)을 둘러싸기 위해 그리고 프로세싱으로부터의 손상 및/또는 오염으로부터 타겟들(104, 106) 외에도 다른 챔버 구성요소들을 보호하기 위해, 실드(116)를 사용한다. 프로세싱 동안, 타겟(104, 106)으로부터의 소스 재료가 기판(136) 상에 스퍼터링된다. 스퍼터링 프로세스는 기판(136)의 표면 상에 소스 재료의 얇은 증착 층 또는 필름을 형성한다. 그러나, 스퍼터링 프로세스는 소스 재료를 기판(136) 상에 증착할 뿐만 아니라, 실드(116) 및 내부 볼륨(105)의 다른 표면들 상에도 증착한다. 여분의 증착물(deposit)들은 기판(136) 외의 표면들 상의 원치 않는 코팅들 또는 증착들이며, 그리고 내부 표면들로부터 빠져나와 기판(136) 상에 떨어질 수 있는 입자들을 생성할 수 있다. 이들 입자들은 기판(136)의 표면 상의 증착 층 또는 필름에 결함들을 유발할 수 있다. 입자 생성은 기판 프로세싱에 대한 상당한 그리고 오래된 문제이다.
[0025] 프로세스 챔버(100)는, 실드가 회수 포지션에 있을 때, 접지된 챔버 바디 어댑터(108)에 실드(116)의 개선된 접지를 제공하기 위해, 복수의 RF 접지 링들(144)을 포함할 수 있다. RF 접지 링들(144)은 유리하게, 플라즈마와 실드 사이의 에너지를 최소화함으로써, 실드(116)가 음전하를 띠게 되는 것을 방지한다.
[0026] 프로세스 챔버(100)는, 미리 결정된 프로세스 가스를 프로세스 챔버(100)의 내부 볼륨(105)에 공급하기 위한 프로세스 가스 공급부(146)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 아래에서 더욱 상세히 논의된 바와 같이, 프로세스 가스 공급부(146)는, 금속성 타겟(106)이 스퍼터링된 후에, 산소를 내부 볼륨(105)에 공급할 수 있다. 프로세스 챔버(100)는 또한, 프로세스 가스를 배기하기 위해 그리고 프로세스 챔버(100) 내부에서 원하는 압력을 유지하는 것을 용이하게 하기 위해, 내부 볼륨(105)에 유체식으로 커플링된 배기 펌프(148)를 포함할 수 있다. 압력 레벨 조정은 본 원리들의 일부 실시예들에서 사용되고, 아래에서 더욱 상세히 논의된다.
[0027] 프로세스 챔버(100)는 많은 새로운 메모리 제품들, 이를테면, 예컨대 스핀-전달 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM; spin-transfer torque magnetic random access memory)의 프로세싱에 사용될 수 있다. STT-MRAM은 임계 터널링 장벽 층에 의존하는 레이어드(layered) 증착 스택을 갖는다. 이 장벽 층에 사용되는 통상적인 유전체 재료는 마그네슘 옥사이드(MgO)이다. MgO 증착 층은, DC 전력을 사용하여 Mg + O2로서(웨이퍼 상에 Mg가 증착되고 있는 동안 산소가 챔버에 유동됨) 또는 RF 전력을 사용하여 MgO로서(웨이퍼 증착에 MgO 스퍼터링 타겟이 사용됨) 증착될 수 있다. 그러나, 프로세스 챔버의 내부 표면들 상의 유전체 재료의 축적(buildup)에 기인하여, 유전체 필름들에는 DC 전력이 효율적으로 동작하지 않는다. AC 동력 프로세스들, 이를테면 RF 동력 프로세스들이 유전체 재료들에 더욱 잘 작용한다.
[0028] 고품질 MgO 증착에 대한 증가된 반도체 산업 수요는, 유전체 타겟 재료들에 RF 동력 프로세스들을 사용할 때 일어나는, 오래된 문제의 결함들을 강조했다. 하드 드라이브들에 사용하기 위한 MgO 증착 층들을 구성할 때 사용되는 이전의 결함 감소 기법들은 여전히, 터널링 장벽 층들을 갖는 메모리와 같은 반도체 디바이스들에 사용하기에는 너무 큰 결함들을 산출했다. 하드 드라이브 산업에서, 120 nm 내지 150 nm 범위의 MgO 결함들은 수용가능한 것으로 간주된다. 그러나, 집적 회로(IC; integrated circuit) 산업의 경우, 결함들은 35 nm 이하인 것이 원해진다.
[0029] 이들 결함들의 주된 원인은, 프로세싱 동안 웨이퍼를 둘러싸는 실드 및 다른 프로세싱 볼륨 표면들(예컨대, 도 1의 내부 볼륨(105)의 내측 표면들 참조) 상에의 MgO의 증착이다. RF 동력 프로세스들은 유전체 재료 타겟, 이를테면, 예컨대 MgO, 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 또는 유전체 증착을 위한 다른 유전체 재료들을 사용할 수 있다(그에 반해서, DC 동력 프로세스들은 유전체 필름들을 증착하기 위해 금속성 타겟들로 시작하고 산소를 유동시켜야 함). 이들 필름들이 실드 또는 다른 프로세싱 볼륨 표면들 상에 증착될 때, 증착은 유전체 분말 형성, 유전체 필름 상의 전하에 의해 유발되는 아킹, 및/또는 불량한 접착에 기인하는 필름의 박리(peeling)(플레이킹 오프)에 기인하여 입자들을 생성한다.
[0030] 이들 문제들을 감소시키기 위해, 통상적으로, 유전체 층 후에 실드 상에 페이스팅 층이 스퍼터링된다. 페이스팅 층 재료에 대한 장기(long term) 산업 표준은 티타늄(Ti) 또는 파생된 형태의 Ti였다. Ti는 비교적 저렴하고 용이하게 이용가능한 금속이다. Ti는 또한, 프로세스 챔버에서 높은 진공을 달성하는 것을 돕기 위한 가스들의 극미량의 잔유물들을 얻는 데 사용될 수 있다. Ti 페이스팅 층은, 프로세싱 동안 MgO 입자들이 웨이퍼 상에 떨어지는 것을 감소시키기 위해 MgO 실드 층을 캡슐화하는 역할을 한다. 그러나, Ti의 결함 감소 성능은 120 nm 미만의 결함들에 대해서는 매우 불량하다. 이 결함 사이즈가 하드 드라이브 산업의 기술들에 대해서는 수용가능하지만, 이 결함 사이즈는 IC 산업에 대해서는 바람직하지 않다. 이러한 바람직하지 않은 효과에도 불구하고, 더 나은 해결책이 발견될 수 없었기 때문에, Ti는 유전체 재료들의 페이스팅에 대한 산업 표준으로서 계속되었다. 그러나, 본 발명자들은, 유전체 재료 층 위에 페이스팅 층으로서 탄탈럼(Ta)을 사용함으로써, 증착들에서 새로운 레벨의 결함 관리로 진행했다. Ta의 고비용 및 Ta의 산소와의 높은 반응성에 기인하여, Ta는 이전에는 페이스팅을 위한 실행가능한 타겟 재료로서 간주되지 않았다. 따라서, 본 발명자들은, 본원에서 설명된 본 원리들의 기법들을 사용함으로써 Ta가 실제로 결함 관리에서 Ti를 능가했다는 것을 예상 밖으로 발견했다. 본 발명자들은 또한, Ti와 비교하여 Ta의 훨씬 더 큰 원자 사이즈가 MgO 실드 층의 더 나은 커버리지를 허용하여서, 결함들의 수 및 결함들의 사이즈가 급격히 감소되었다는 것을 발견했다. 부가하여, 본 발명자들은 또한, Ta가 더 낮은 스퍼터 수율을 가져서, 웨이퍼 증착 층의 오염이 감소된다는 것을 발견했다.
[0031] 본 발명자들은, 유전체 재료 위의 페이스팅 층들로서 Ti 및 Ta를 사용하여 시험들을 수행했다(예컨대, 각각, 도 2 및 도 3 참조). Ti 시험 및 Ta 시험 둘 모두에서 사용된 유전체 재료는 MgO였다. Ta 페이스팅 층(도 3)에 대한 작은 결함들(302) 및 큰 결함들(304)의 데이터 추세들은, Ti 페이스팅 층(도 2)과 비교할 때, 웨이퍼 증착 층 상의 결함들의 수 및 결함들의 사이즈의 강하를 나타냈다. Ti 페이스팅 층 시험 결과들(200)은 웨이퍼 생산 런(run)에 걸쳐 일관되지 않았으며, 작은 결함(202) 및 큰 결함(204) 양자 모두가 웨이퍼 생산 런에 걸쳐 상향 추세를 보였다. Ta 페이스팅 층 결과들(300)은 작은 결함들(302) 및 큰 결함들(304) 양자 모두에서 더 적은 전체 결함들로 웨이퍼 생산 런에 걸쳐 훨씬 더 일관되었으며, 생산 런이 진행됨에 따라 하향 추세를 보였다.
[0032] 유전체 재료 층 위의 Ta 페이스팅 층의 커버리지를 추가로 향상시키기 위해 부가적인 시험들이 수행되었다. Ta 페이스팅 동안 챔버 압력은 대략 2 mTorr로부터 대략 20 mTorr로 증가되었다. 최대 그리고 대략 10 mTorr를 포함하여, 결함들의 수 및 사이즈의 감소가 일어났다. 대략 10 mTorr부터 대략 20 mTorr까지, 결함들의 수 및 사이즈의 감소는 미미했다. 더 높은 압력들은, 더 낮은 압력들로는 도달가능하지 않은 챔버의 영역들로 Ta 페이스팅 층을 확산시키도록 도와서, 더 나은 커버리지 및 이에 따른 더 적은 결함들이 제공되었다. 대략 10 mTorr는, 결함들을 감소시키고 우수한 확산을 제공하는 데 효과적이었다. 대략 10 mTorr를 넘어서는 압력의 조정들은, 증가되는 확산 및 결함들의 약간의 감소를 허용했다. 본 발명자들은 또한, Ta 페이스팅 프로세스 후에 산소가 챔버에 유동되면, 더 적은 결함들이 일어난다고 결정했다. 감소된 결함들은, 산소가 Ta와 결합(joining)하여 Ta 페이스팅 층 위에 탄탈럼 옥사이드(TaO) 층을 형성하여서, 더 강한 유지 본드(bond)를 생성하는 것에 기인했다.
[0033] 도 4는 본 원리들의 실시예에 따른, PVD 프로세스 챔버(예컨대, 도 1의 100 참조)의 내측 표면의 일부분(402)을 도시한다. 예컨대, 내측 표면의 일부분(402)은 실드(116)의 일부분, 또는 심지어 어두운 공간 실드의 일부분, 또는 도 1의 내부 볼륨(105)의 표면의 다른 부분들일 수 있다. 다음의 예들에서, 각각의 설명된 층은 표면 또는 다른 층을 완전히 덮거나 또는 표면 또는 다른 층을 부분적으로만 덮을 수 있다. 또한, 하나의 층이, 이전 단계에서 증착되지 않은 다른 층 상에 중첩(overlapping)될 수 있다(예컨대, 제2 층이 제1 층에 걸친 완전한 커버리지를 제공하지 않으면, 제3 층은 제2 층 상에 증착될 뿐만 아니라 제1 층의 일부분 상에도 증착될 수 있는 식임).
[0034] 또한, 유전체 타겟 재료, 이를테면 마그네슘 옥사이드가 웨이퍼, 이를테면 도 1의 기판(136) 상에 스퍼터링될 때, 유전체 재료는 내측 표면의 일부분(402)의 표면(404) 상에 스퍼터링되어서, 유전체 재료 층(406)을 형성한다. 유전체 재료 층(406)은 원해지지 않지만, 웨이퍼 증착 프로세스의 부산물이다. 유전체 재료 층(406)은 플레이킹, 분말 잔류물, 및/또는 전하의 축적으로부터의 아킹에 기인하여 입자 형성을 유발할 수 있다. 이들 입자들은 후속하는 증착 프로세스들 동안 웨이퍼 또는 기판(136) 상에 떨어질 수 있다. 유전체 재료 층(406)으로부터 입자들의 형성을 감소시키기 위해, Ta 재료로 만들어진 타겟이 스퍼터링되어, 유전체 재료 층(406)의 상부에 Ta 페이스팅 층(408)이 형성된다. Ta 페이스팅 층(408)은 유전체 재료 층(406)을 캡슐화함으로써 입자 형성을 제어하도록 돕는다. 본 발명자들은, 두께가 대략 10 Å(옹스트롬)인 Ta 페이스팅 층(408)이 웨이퍼 결함들의 상당한 감소를 제공할 수 있다는 것을 발견했다.
[0035] 그러나, 본 발명자들은, 후속하는 유전체 재료 증착 프로세스가 이 지점에 수행되면, Ta 페이스팅 층(408)이 프로세스로부터 산소를 제거하여서, 웨이퍼 상의 유전체 재료 증착 층의 오염으로 이어질 것임을 발견했다. 그러므로, Ta 타겟은 프로세스 챔버(100)로부터 제거되거나 또는 실딩되고, 유전체 재료로 만들어진 타겟으로 교체된다. 멀티-캐소드 프로세스 챔버, 이를테면 도 1에서 도시된 프로세스 챔버(100)에서, 액추에이터(124)를 이용하여, 실드(116)는, Ta 타겟을 덮고 동시에 유전체 타겟을 내부 볼륨(105)에 노출시키도록 회전될 수 있다. 그런 다음, 산소가 프로세스 가스 공급부(146)를 통해 프로세스 챔버(100)에 유동되며, 그리고 Ta 페이스팅 층(408)과 상호작용하여 Ta 페이스팅 층(408) 상에 탄탈럼 옥사이드(TaO) 층(410)을 형성하도록 허용된다. 산소 유동은, Ta 페이스팅 층(408)에 본딩하여 입자 생성을 감소시키고 Ta 페이스팅 층(408)이 후속하는 증착 프로세스들로부터 산소를 제거하는 것을 또한 방지하여서, 웨이퍼 상의 유전체 재료 증착 층의 감소된 오염으로 이어지도록 돕는다. 그런 다음, 유전체 재료 타겟이 스퍼터링되어, TaO 층(410) 위에 제2 유전체 재료 필름 층(412)이 형성된다. 세정 프로세스는 웨이퍼 상의 후속하는 유전체 재료 증착 층의 가능한 오염을 추가로 감소시킨다.
[0036] 도 5는 본 원리들의 실시예들에 따른, 기판을 프로세싱하는 방법(500)을 예시하는 흐름도이다. 기판 또는 웨이퍼가 증착 챔버에 배치된다. 502에 표시된 바와 같이, 웨이퍼의 표면 상에 유전체 재료의 필름 또는 층을 증착하기 위해 유전체 재료 타겟, 이를테면, 예컨대 MgO 타겟을 이용하여 스퍼터링이 수행된다. 일단 유전체 재료 층의 증착이 완료되면, 504에 표시된 바와 같이, 프로세스 챔버로부터 웨이퍼가 제거된다. 이 지점에, 유전체 재료의 스퍼터링은 또한, 예컨대 실드와 같은 프로세스 챔버의 내측 표면의 적어도 일부분 상에 유전체 재료의 층을 생성한다.
[0037] 그런 다음, 506에 표시된 바와 같이, 프로세스 챔버의 내측 표면의 적어도 일부분 상의 유전체 재료 층 위에 Ta의 층을 페이스팅하기 위해 Ta 재료 타겟을 이용하여 스퍼터링이 수행된다. 본 발명자들은, 프로세스 챔버 내의 압력 레벨을 조정하는 것이 웨이퍼 결함들을 감소시키도록 돕는다는 것을 발견했다. 그러므로, 선택적으로, Ta 재료 타겟을 스퍼터링할 때, 프로세스 챔버의 내측 표면들에 걸쳐 Ta 층의 커버리지를 증가시키기 위해 대략 10 mTorr 내지 대략 20 mTorr에서 압력이 조정될 수 있다. 증가된 커버리지는 내측 표면들 상의 유전체 재료 층에 의해 생성되는 입자들로 인한 결함들을 감소시키도록 돕는다. 두께가 대략 10 Å(옹스트롬)인 Ta 층이 웨이퍼 증착 층들의 결함들의 감소를 제공하는 것으로 발견되었다.
[0038] Ta 스퍼터링의 완료 시, 508에 표시된 바와 같이, 타겟은 유전체 재료 타겟, 이를테면 예컨대 MgO 타겟으로 변화되며, 그리고 선택적으로, 산소가 프로세스 챔버에 주입되며 Ta 페이스팅 층과 본딩하도록 허용된다. 일단 산소가 Ta 페이스팅 층과의 본딩을 완료했다면, 510에 표시된 바와 같이, 프로세스 챔버 밖으로 산소가 배기된다. Ta 페이스팅 층 위에 형성되는 TaO 층은, 입자들이 플레이킹 오프되고 후속하는 웨이퍼 유전체 재료 증착 층들에서 결함들을 생성하지 못하도록 돕는다.
[0039] 그런 다음, 512에 표시된 바와 같이, 유전체 재료 타겟은, 산소 풍부 Ta 페이스팅 층 위에 다른 페이스팅 층을 스퍼터링하는 데 사용된다. 유전체 재료 페이스팅 층이 형성되지 않으면, Ta 페이스팅 층은 후속하는 증착 단계에서 스퍼터링되는 유전체 재료와 혼합되어서, 웨이퍼의 표면 상의 증착 층을 오염시킬 수 있다. 따라서, 이 프로세싱 단계는 종종, 오염을 감소시키기 위한 세정 단계로 지칭된다. 프로세스는 다음 차례의 웨이퍼를 위해 프로세스 챔버를 준비하도록 돕고, 제1 웨이퍼 효과로서 알려진 것을 감소시킨다. 통상적으로, 프로세스 챔버를 통과하는 제1 웨이퍼 런은 평균 오염 레벨들 및 결함들을 초과한다. 웨이퍼들의 프로세싱이 계속됨에 따라, 이들 레벨들은 각각의 후속하는 웨이퍼에 대해 평균화되는 경향이 있다. 프로세스 챔버의 세정은, 이 현상이 심하게 감소되거나 또는 완전히 제거되는 것을 보장한다.
[0040] 유전체 재료 페이스팅 층이 완료된 후에, 514에 표시된 바와 같이, 프로세싱될 다음 차례의 웨이퍼가 프로세스 챔버에 로딩된다. 그런 다음, 다음 차례의 웨이퍼가 유전체 재료 증착 필름으로 코팅되어서, 프로세스가 다시 시작된다. 웨이퍼 상으로의 각각의 유전체 재료 증착 후에 페이스팅 단계들이 수행될 것이 요구되지는 않는다. 대개는, 페이스팅 단계들은 100 개 내지 200 개의 웨이퍼들마다 드물게 일어날 수 있다. 페이스팅 단계가 더욱 빈번하게 수행될수록, 웨이퍼 상의 유전체 증착 필름의 순도가 높아지고 웨이퍼의 표면 상의 결함들이 더 적어진다.
[0041] 방법(500)의 매 프로세스가 수행될 것이 요구되지는 않는다. 단독으로 Ta 타겟 페이스팅과 유전체 재료 타겟의 조합으로 상당한 이점들(예컨대, 결함들의 감소, 더 적은 오염)이 달성될 수 있다. 산소의 유입 및/또는 압력 레벨들의 조정들은 유전체 재료/Ta 타겟 조합의 전반적인 효과를 향상시키지만, 요구되지는 않는다.
[0042] 따라서, Ta 및 유전체 타겟 페이스팅의 실시예들이 본원에서 제공된다. 본 발명의 Ta 및 유전체 재료 타겟 페이스팅은, RF PVD 프로세스 챔버의 실드 및 다른 내측 구조 표면들로부터의 입자 생성을 방지하거나 또는 감소시킴으로써, 이 프로세스 챔버에서 감소되는 결함들 및 유전체 재료 증착들의 증가되는 순도를 용이하게 할 수 있다.
[0043] 전술된 내용은 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않고, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 실시예들이 창안될 수 있다.

Claims (15)

  1. 증착 챔버에서 페이스팅(pasting)을 수행하기 위한 방법으로서,
    상기 증착 챔버에서 활성 증착 스퍼터링 타겟으로서 탄탈럼 재료 타겟을 선택하는 단계 － 상기 증착 챔버는, 상기 증착 챔버의 기판 지지 표면에 대해 10도 내지 50도의 각도로 배치된 스퍼터링 표면들을 갖는 복수의 선택가능한 스퍼터링 타겟들, 및 상기 활성 증착 스퍼터링 타겟을 선택하기 위해 회전가능한 실드(shield)를 갖는 멀티-캐소드 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 챔버임 －;
    상기 증착 챔버의 압력 레벨을 10 mTorr로 조정하는 단계;
    상기 탄탈럼 재료 타겟으로부터 스퍼터링된 탄탈럼(Ta) 페이스팅 층으로, 기판 상의 증착 프로세스의 부산물로서 상기 증착 챔버의 내부 볼륨 내의 상기 실드 상에 이전에 형성된 제1 유전체 재료 층을 캡슐화하는 단계 － 상기 제1 유전체 재료 층은 상기 증착 챔버에서 상기 기판을 향해 유전체 재료 타겟을 RF 스퍼터링함으로써 형성되고, 상기 Ta 페이스팅 층은, 상기 증착 챔버 내의 추가 기판들에 대한 후속하는 증착 프로세스들 동안 상기 실드 상의 상기 제1 유전체 재료 층의 노출로 야기되는 입자 결함들을 감소시키기 위해 상기 제1 유전체 재료 층을 캡슐화하며, 상기 압력 레벨을 10 mTorr로 조정하는 것은 상기 Ta 페이스팅 층이 상기 실드로부터 기인한 결함들의 크기 및 수를 최소화할 수 있도록 함 －;
    상기 Ta 페이스팅 층이 증착된 후 상기 Ta 페이스팅 층 상에 탄탈럼 옥사이드를 형성하기 위해 상기 증착 챔버 내로 산소를 유동시킴으로써, 상기 Ta 페이스팅 층의 홀딩 결합(holding bond)을 증가시키고 그리고 후속하는 증착 프로세스들 동안 상기 Ta 페이스팅 층에 의한 산소 제거를 방지하는 단계;
    상기 증착 챔버로부터 상기 산소를 배기하는 단계;
    상기 실드를 회전시킴으로써, 상기 증착 챔버 내의 노출된 증착 스퍼터링 타겟으로서 상기 유전체 재료 타겟을 선택하는 단계; 및
    상기 유전체 재료 타겟을 RF 스퍼터링함으로써 상기 탄탈럼 옥사이드 상에 제2 유전체 재료 층을 증착하는 단계 － 상기 제2 유전체 재료 층은, 후속하는 유전체 재료 증착 층들의 Ta 페이스팅 층 오염을 감소시키기 위해, 상기 Ta 페이스팅 층과 후속하는 유전체 재료 층의 스퍼터링된 유전체 재료와의 혼합을 방지함 －
    를 포함하는,
    증착 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    감소된 오염 레벨들을 유지하기 위해 100개 이상의 기판마다 한번만 제1항의 방법을 수행하는 단계를 더 포함하는,
    증착 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체 재료 타겟은 마그네슘 옥사이드(MgO) 타겟 및 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 타겟으로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    증착 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
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  7. 제1 항에 있어서,
    상기 Ta 페이스팅 층을 10 Å의 두께로 증착하는 단계를 더 포함하는,
    증착 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
  8. RF PVD 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법으로서,
    탄탈럼(Ta) 타겟을 스퍼터링함으로써, 상기 RF PVD 챔버의 적어도 내부 부분 상의 마그네슘 옥사이드(MgO)를 포함하는 제1 유전체 재료 층 위에 Ta 페이스팅 층을 증착하는 단계 － 상기 Ta 페이스팅 층은 상기 MgO로부터의 입자 결함들을 감소시키기 위해 상기 제1 유전체 재료 층을 캡슐화함 －;
    상기 Ta 페이스팅 층이 증착된 이후에 상기 Ta 페이스팅 층과 본딩하도록 상기 RF PVD 챔버 내로 산소를 유동시키는 단계 － 상기 Ta 페이스팅 층과 산소와의 본딩은 상기 Ta 페이스팅 층 상에 Ta 옥사이드를 형성하여 후속하는 MgO 증착 층들의 입자 결함들 및 Ta 오염을 추가로 감소시킴 －; 및
    MgO 타겟을 스퍼터링함으로써, 상기 RF PVD 챔버의 적어도 내부 부분 상의 상기 Ta 페이스팅 층 상에 MgO 증착 층을 포함하는 제2 유전체 재료 층을 증착하는 단계 － MgO의 상기 제2 유전체 재료 층은 후속하는 MgO 증착 층들의 Ta 오염을 추가로 감소시킴 －
    를 포함하는,
    RF PVD 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 MgO 증착 층을 증착하는 단계 전에, 상기 산소를 배기하는 단계를 더 포함하는,
    RF PVD 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 Ta 페이스팅 층의 커버리지를 증가시키기 위해, 상기 Ta 페이스팅 층을 증착하는 단계 전에, 상기 RF PVD 챔버를 10 mTorr 내지 20 mTorr 범위의 압력 레벨로 가압하는 단계를 더 포함하는,
    RF PVD 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 Ta 페이스팅 층을 10 Å의 두께로 증착하는 단계를 더 포함하는,
    RF PVD 챔버에서 페이스팅을 수행하기 위한 방법.
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