KR102526529B1

KR102526529B1 - 스퍼터링 장치

Info

Publication number: KR102526529B1
Application number: KR1020180062540A
Authority: KR
Inventors: 요시노리 후지이; 신야 나카무라
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2023-04-27
Also published as: TWI773740B; CN108977780A; JP6871067B2; JP2018204060A; TW201903891A; CN108977780B; KR20180131498A

Abstract

[과제] 보다 한층 균일한 기판면 내의 막두께 분포로 소정의 박막을 성막할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공한다.
[해결 수단] 본 발명의 스퍼터링 장치(SM)는, 스퍼터링용 타겟(2)이 설치되는 통 형상의 진공 챔버(1)와, 진공 챔버 내에서 타겟에 대향하는 위치에 설치되어 성막 대상물의 설치를 가능하게 하는 스테이지(4)와, 진공 챔버의 내벽면(1a)으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟과 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판(5)를 구비하고, 진공 챔버에, 타겟과 스테이지를 잇는 연장선(Cl)에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부(11)을 설치하고, 배기 공간부에 개설한 배기구(11a)를 통해 진공 펌프(Vp)에 의해 성막 공간(1b)을 포함하는 진공 챔버 내가 진공 배기되고, 배기 공간부의 배기가스 유입구(11b)에 마주하는 실드판의 외표면 부분을 틈새를 두고 덮는 덮개판(7)을 설치한다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING APPARATUS}

본 발명은, 스퍼터링 장치에 관하여, 보다 상세하게는, 막두께 분포의 향상을 도모할 수 있는 구조를 가지는 것에 관한 것이다.

이 종류의 스퍼터링 장치는 예를 들면 특허문헌 1에 알려져 있다. 이것에는, 상부에 스퍼터링용 타겟을 구비한 통 형상의 진공 챔버를 구비하고, 진공 챔버 내의 아래쪽에는, 타겟에 대향시키고, 성막 대상물로서의 실리콘 웨이퍼나 유리 기판 등(이하, 간단히 「기판」이라고 한다)이 설치되는 스테이지가 설치된다. 또한, 타겟의 스퍼터링에 의한 성막 시, 진공 챔버의 내벽면에의 착막을 방지하기 위해서, 진공 챔버의 내벽면에 틈새를 두고 근접 배치되어 타겟과 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판이 진공 챔버 내에 설치된다.

여기서, 타겟의 상측에는, 예를 들면 타겟의 스퍼터면측에 누설 자장을 작용시키는 자석 유닛 등의 각종 부품이 설치된다. 한편, 스테이지의 하측에는, 기판을 효율적으로 가열 냉각하기 위한 가열 냉각 기구나 정전 척 기구 등의 각종 부품이 설치된다. 이 때문에, 성막 공간을 포함하는 진공 챔버 내를 진공 배기하기 위해서, 진공 펌프로부터의 배기관이 접속되는 배기구나 이것에 접속되는 배기관을 타겟과 스테이지를 잇는 연장선상에 설치하는 것은 사실상 할 수 없다. 거기서, 이 종류의 스퍼터링 장치에 있어서는, 진공 챔버의 아래쪽에, 연장선에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부를 설치하고, 배기 공간부에 개설한 배기구를 통해 진공 펌프에 의해 성막 공간을 포함하는 진공 챔버 내를 진공 배기하도록 진공 챔버를 설계하는 것이 일반적으로 행해진다. 이 경우, 배기 공간부의 배기가스 유입구에 마주하는 실드판의 외표부분은, 진공 챔버의 내벽면이 근접하지 않는 구조가 된다.

그런데, 예를 들면, 불휘발성 메모리나 플래시 메모리 등의 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 상기 스퍼터링 장치를 이용해 기판 표면에 소정의 박막을 성막할 때에, 기판면 내에 있어서의 막두께 분포의 균일성이 수 %(예를 들면 ±5%) 이내의 범위에 들어가는 것이 최근 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족하기 위한 방법 중 하나로서, 스퍼터 가스의 성막 공간에의 가스 도입 경로를 적절하게 설계하고, 타겟의 스퍼터링에 의한 성막 중, 실드판으로 구획되는 성막 공간 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 성막 공간 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 했다고 해도, 배기 공간부의 방위에 위치하는 기판의 부분(특히 기판의 외주 부분)에 있어서 막두께가 그 외의 방위에 위치하는 부분과 비교해 얇아지기 쉬운 경향이 있는 것이 판명되었다. 이와 같이 국소적으로 막두께가 얇아지기 쉬운 부분이 있으면, 보다 한층 균일한 기판면 내의 막두께 분포를 얻음으로써 장애가 된다.

거기서, 본 발명의 발명자들은, 열심히 연구를 거듭하여, 다음을 지견하는 데 이르렀다. 즉, 상기 스퍼터링 장치에서는, 성막 중, 성막 공간에 도입된 스퍼터 가스의 일부는 배기가스가 되고, 실드판의 이음새나, 실드판과 타겟 또는 스테이지와의 틈새로부터, 실드판의 외표면과 진공 챔버의 내벽면 사이의 틈새를 지나 배기가스 유입구로부터 배기 공간부에 흘러, 배기구를 통해 진공 펌프로 진공 배기된다. 이 때, 배기 공간부의 배기가스 유입구 근방에 이른 배기가스의 유속이 실드판의 외표면과 진공 챔버의 내벽면 사이의 틈새를 흐를 때보다 극도로 저하한다. 바꾸어 말하면, 성막 공간을 구획하는 실드판 주위에, 국소적으로 배기가스의 유속이 느린 영역이 존재한다. 그리고, 이와 같이 배기가스의 유속이 느린 영역이 실드판 주위에 존재하면, 해당 영역의 방위에 위치하는 기판의 부분에 있어서 막두께가 얇아지기 쉬워진다고 생각할 수 있다.

특허문헌 1: 특개 2014-148703호 공보

본 발명은, 이상의 지견에 근거해 이루어진 것으로, 보다 한층 균일한 기판면 내의 막두께 분포로 소정의 박막을 성막할 수 있는 스퍼터링 장치를 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 스퍼터링 장치는, 스퍼터링용 타겟이 설치되는 통 형상의 진공 챔버와, 진공 챔버 내에서 타겟에 대향하는 위치에 설치되어 성막 대상물의 설치를 가능하게 하는 스테이지와, 진공 챔버의 내벽면으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟과 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판을 구비하고, 진공 챔버에, 타겟과 스테이지를 잇는 연장선에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부를 설치하고, 배기 공간부에 개설한 배기구를 통해 진공 펌프에 의해 성막 공간을 포함하는 진공 챔버 내가 진공 배기되어, 배기 공간부의 배기가스 유입구에 마주하는 실드판의 외표면 부분을 틈새를 두고 덮는 덮개판을 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 성막 공간을 구획하는 실드판 주위에서 배기가스의 유속이 느린 영역이 가급적 작아지는 것, 바꾸어 말하면, 실드판 주위에 있어서의 배기가스의 유속이 거의 균등하게 됨으로써, 보다 한층 균일한 기판면 내의 막두께 분포(예를 들면, ±3%)를 가지는 박막을 성막할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 덮개판은, 배기 공간부를 구획하는 저벽면에 입설한 고정판부와, 승강기구에 의해 고정판부에 대해서 상하 방향으로 진퇴 가능한 가동판부로 구성되고, 고정판부와 가동판부가 진공 챔버(1)의 내벽면에 동등한 곡률을 가지도록 만곡되는 것이 바람직하다. 이것에 따르면, 스퍼터링 장치마다, 실드판 주위에 있어서의 배기가스의 유속이 거의 균등하게 되도록 조정할 수 있어, 유리하다.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 스퍼터링 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 2에 대응하는 종래예의 스퍼터링 장치의 단면도이다.

이하, 도면을 참조해, 성막 대상물을 실리콘 웨이퍼(이하, 간단히 「기판(W)」이라고 한다)로 하여, 진공 챔버의 상부에 스퍼터링용 타겟, 그 아래쪽에 기판(W)이 설치되는 스테이지가 설치된 것을 예로 본 발명의 스퍼터링 장치의 실시 형태를 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, SM은, 본 실시 형태의 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치이다. 스퍼터링 장치(SM)는 진공 챔버(1)를 구비하고, 진공 챔버(1)의 상부에 음극 유닛(Cu)이 착탈 가능하게 설치된다. 음극 유닛(Cu)은, 스퍼터링용 타겟(2)과, 이 타겟(2)의 위쪽에 배치된 자석 유닛(3)으로 구성된다.

타겟(2)은, 기판(W)에 성막하고자 하는 박막에 따라 그 조성이 적절하게 선택되어, 기판(W)의 윤곽에 따라 평면에서 보면 원형으로 형성된 것이다. 타겟(2)은, 냉각판(backing plate)(21)에 장착한 상태로, 그 스퍼터면(22)을 아래쪽으로 하고, 진공 챔버(1) 상벽에 설치한 절연체(Ib)를 통해 진공 챔버(1)의 상부에 장착된다. 또한, 타겟(2)에는, 공지의 구조를 가지는 스퍼터 전원(E)이 접속되어, 스퍼터링에 의한 성막 시, 음의 전위를 가진 직류 전력이나, 어스 사이에 소정 주파수(예를 들면, 13.56MHz)의 고주파 전력을 투입할 수 있도록 한다. 타겟(2)의 위쪽에 배치되는 자석 유닛(3)은, 타겟(2)의 스퍼터면(22)의 아래쪽 공간에 자장을 발생시켜, 스퍼터 시에 스퍼터면(22)의 아래쪽에서 전리한 전자 등을 포착해 타겟(2)으로부터 비산한 스퍼터 입자를 효율적으로 이온화하는 폐쇄 자장 혹은 커스프 자장 구조를 가지는 것이다. 자석 유닛(3) 자체로서는 공지의 것을 이용할 수 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.

진공 챔버(1)의 저부 중앙에는, 타겟(2)에 대향시켜 스테이지(4)가 다른 절연체(Ib)를 통해 배치된다. 스테이지(4)는, 특별히 도시하여 설명하지 않지만, 예를 들면 통 형상의 윤곽을 가지는 금속제 기대(基台)와, 이 기대의 상면에 접착되는 척 플레이트로 구성되어, 성막 중, 기판(W)을 흡착 유지할 수 있도록 한다. 또한, 정전 척의 구조에 대해서는, 단극형이나 쌍극형 등의 공지의 것을 이용할 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 또한, 기대에는, 냉매 순환용 통로나 히터를 내장하여, 성막 중, 기판(W)을 소정 온도로 제어할 수 있도록 할 수도 있다.

또한, 진공 챔버(1) 내에는, 그 내벽면(1a)으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟(2)과 스테이지(4) 사이의 성막 공간(1b)을 둘러싸는 실드판(5)을 구비한다. 실드판(5)은, 타겟(2)의 주위를 둘러싸고, 또한, 진공 챔버(1)의 아래쪽으로 뻗는 거의 통 형상의 상판부(51)와, 스테이지(4)의 주위를 둘러싸고, 또한, 진공 챔버(1)의 위쪽으로 뻗는 거의 통 형상의 하판부(52)를 가지며, 상판부(51)의 하단과 하판부(52)의 상단을 원주방향(circumferential direction)에서 틈새를 두고 오버랩시킨다. 또한, 상판부(51) 및 하판부(52)는 일체로 형성될 수도 있고, 또한, 원주방향에서 복수 부분에 분할하여 조합하도록 할 수도 있다.

또한, 진공 챔버(1)에는 소정의 가스를 도입하는 가스 도입 수단(6)이 설치된다. 가스로서는, 성막 공간(1b)에 플라스마를 형성할 때에 도입되는 아르곤 가스 등의 희가스 뿐만 아니라, 성막에 따라 적절하게 도입되는 산소 가스나 질소 가스 등의 반응 가스도 포함된다. 가스 도입 수단(6)은, 상판부(51)의 외주에 설치된 가스 링(61)과, 가스 링(61)에 접속된, 진공 챔버(1)의 측벽을 관통하는 가스관(62)을 가지며, 가스관(62)이 유량 제어기(mass flow controller)(63)를 통해 도시 생략한 가스원에 연통한다. 이 경우, 상세한 도시를 생략했지만, 가스 링(61)에는 가스 확산부가 부설되고, 가스관(62)으로부터의 스퍼터 가스가 가스 확산부에서 확산되고, 가스 링(61)에 원주방향에서 등간격으로 천공된 가스 분사구(61a)로부터 동등 유량으로 스퍼터 가스가 분사되도록 한다. 그리고, 가스 분사구(61a)로부터 분사된 스퍼터 가스는, 상판부(51)에 형성한 가스 구멍(도시하지 않음)으로부터 성막 공간(1b) 내에 소정의 유량으로 도입되어, 성막 중, 성막 공간(1b) 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 할 수 있도록 한다. 또한, 성막 공간(1b) 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 하기 위한 수법은, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 다른 공지의 수법을 적절하게 채용할 수 있다.

또한, 진공 챔버(1)에는, 타겟(2)과 스테이지(4)를 잇는 중심선(연장선)(Cl)에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부(11)가 설치되고, 이 배기 공간부(11)를 구획하는 저벽면에는, 배기구(11a)가 개설된다. 배기구(11a)에는, 배기관을 통해 크라이오 펌프나 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프(Vp)가 접속된다. 성막 중, 성막 공간(1b)에 도입된 스퍼터 가스의 일부는 배기가스가 되고, 실드판(5)의 이음새나, 실드판(5)과 타겟(2) 또는 스테이지(4)와의 틈새로부터, 실드판(5)의 외표면과 진공 챔버(1)의 내벽면(1a) 사이의 틈새를 통하여 배기가스 유입구(11b)로부터 배기 공간부(11)로 흘러, 배기구(11a)를 통해 진공 펌프(Vp)로 진공 배기된다. 이 때, 성막 공간(1b)과 배기 공간부(11) 사이에는, 수 Pa 정도의 압력차이가 생기게 된다.

기판(W)에 대해서 소정의 박막을 성막하는 경우, 도시되지 않은 진공 반송 로봇에 의해 스테이지(4) 상으로 기판(W)을 반입하여, 스테이지(4)의 척 플레이트 표면에 기판(W)을 설치한다(이 경우, 기판(W)의 표면이 성막면이 된다). 그리고, 진공 반송 로봇을 퇴피시킴과 동시에, 정전 척용 전극에 대해서 척 전원으로부터 소정 전압을 인가하고, 척 플레이트 표면에 기판(W)를 정전 흡착한다. 이어서, 진공 챔버(1) 내가 소정 압력(예를 들면, 1×10^-5Pa)까지 진공 흡인되면, 가스 도입 수단(6)을 통해 스퍼터 가스로서의 아르곤 가스를 일정한 유량으로 도입하고, 이에 수반하여 타겟(2)에 스퍼터 전원(E)으로부터 소정 전력을 투입한다. 이것에 의해, 성막 공간(1b) 내에 플라스마가 형성되고, 플라스마 중의 아르곤 가스의 이온으로 타겟이 스퍼터링되고, 타겟(2)으로부터의 스퍼터 입자가 기판(W)의 표면에 부착, 퇴적하여 소정의 박막이 성막된다. 이와 같이 타겟(2)을 스퍼터링하여 성막하는 경우, 성막 공간(1b) 내의 압력 분포를 그 전체에 걸쳐 동등하게 했다고 해도, 배기 공간부(11)의 방위에 위치하는 기판(W)의 부분(특히, 기판(W)의 지름 방향 외단측)에 있어 막두께가 그 외의 방위에 위치하는 부분과 비교해 얇아지기 쉬운 경향이 있는 것이 판명되었다.

여기서, 도 3에 도시한 바와 같이, 종래예의 스퍼터링 장치에서는, 배기 공간부(11)의 배기가스 유입구(11b)에 마주하는 실드판(5)의 하판부(52)의 외표면 부분(52a)이 진공 챔버(1)의 내벽면(1a)과 근접하지 않는 구조가 된다. 이 때문에, 실드판(5)의 외표면과 진공 챔버(1)의 내벽면(1a) 사이의 틈새(Gp)를 통하여 배기가스 유입구(11b)로부터 배기 공간부(11)로 배기가스가 흐를 때, 배기가스 유입구(11b) 근방에 이른 배기가스의 유속이, 상기 틈새(Gp)를 흐를 때보다 극도로 저하한다(도 3에, 화살표는 배기가스의 유속을 나타내며, 그것이 짧아지면 짧아질수록, 유속이 느린 것을 나타낸다). 바꾸어 말하면, 성막 공간(1b)을 구획하는 실드판(5)의 주위에, 국소적으로 배기가스의 유속이 느린 영역이 존재한다. 그리고, 이와 같이 배기가스의 유속이 느린 영역이 실드판(5)의 주위에 존재하면, 해당 영역의 방위에 위치하는 기판(W)의 부분에 있어서 막두께가 얇아지기 쉬운 경향이 있다.

거기서, 본 실시 형태에서는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 배기 공간부(11)의 배기가스 유입구(11b)에 마주하는 실드판(5)의 하판부(52)의 외표면 부분(52a)을 틈새를 두고 덮는 덮개판(cover plate)(7)을 설치하는 것으로 했다. 이 경우, 덮개판(7)은, 배기 공간부(11)을 구획하는 저벽면에 입설한 고정판부(71)과 모터 등의 승강기구(72a)에 의해 고정판부(71)에 대해서 상하 방향으로 진퇴 가능한 가동판부(72)로 구성된다. 고정판부(71)와, 가동판부(72)은, 진공 챔버(1)의 내벽면(1a)에 거의 일치하는 곡률을 가지도록 만곡되고, 가동판부(72)가, 진공 챔버(1)의 내벽면(1a)을 통과하는 가상 원주(72b) 상에 대략 위치하도록 배치된다. 한편, 가동판부(72)의 높이는, 승강기구(72a)에 의해 고정판부(71)에 대해서 가동판부(72)를 위쪽으로 이동시켰을 때, 가동판부(72)의 하단이 고정판부(71)의 상단과 지름 방향에서 오버랩하여, 가동판부(72)의 상단이, 배기가스 유입구(11b)를 구획하는 진공 챔버의 내벽면 부분(11c)에 당접할 수 있도록 설정된다.

이상에 따르면, 도 2에 도시한 바와 같이, 성막 공간(1b)을 구획하는 실드판(5)의 주위에서 배기가스의 유속이 느린 영역이 가급적 작아지는 것, 바꾸어 말하면, 실드판(5)의 주위에 있어서의 배기가스의 유속이 거의 균등해진다. 그 결과, 보다 균일한 기판면 내의 막두께 분포(예를 들면, ±3%)를 가지는 박막을 성막할 수 있다. 또한, 고정판부(71)와, 가동판부(72)로 덮개판(7)을 구성하면, 스퍼터링 장치마다, 실드판(5)의 주위에 있어서의 배기가스의 유속이 거의 균등하게 되도록 조정할 수 있어, 유리하다. 게다가, 고정판부(71)에 대한 가동판부(72)의 높이 위치를 조정함으로써, 기판면 내의 막두께 분포의 미세조정도 할 수 있다.

이어서, 본 발명 의 효과를 확인하기 위해, 기판(W)을 실리콘 웨이퍼, 스퍼터링용 타겟(2)을 Al₂O₃제로 하고, 상기 스퍼터링 장치(SM)를 이용해 기판(W)에 Al₂O₃막을 성막했다. 스퍼터 조건으로서, 타겟(2)과 기판(W) 사이의 거리를 60㎜, 스퍼터 전원(E)에 의한 투입 전력을 2kW, 스퍼터 시간을 120sec로 설정했다. 또한, 스퍼터 가스로서 아르곤 가스를 이용하여, 스퍼터링 중, 스퍼터 가스의 분압을 0.1Pa로 했다. 또한, 비교 실험으로서, 상기 스퍼터링 장치(SM)로부터 덮개판(7)을 제외하고, 동일한 조건으로 성막했다. Al₂O₃막의 기판(W)의 지름 방향의 막두께 분포를 공지의 측정기구를 이용해 각각 측정했다. 이것에 의하면, 상기 종래예에 상당하는 비교 실험에서는, 그 막두께 분포가 1.8%인 것에 비해, 본 실시 형태의 것으로는, 그 막두께 분포가 0.8%였다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태에서는, 고정판부(71)와, 가동판부(72)로 덮개판을 구성한 것을 예로 설명했지만, 단일의 덮개판을 배기 공간부에 설치하도록 할 수도 있다.

SM: 스퍼터링 장치
Vp: 진공 펌프
W: 기판(성막 대상물)
1: 진공 챔버
1a: 진공 챔버(1)의 내벽면
1b: 성막 공간
11: 배기 공간부
11a: 배기구
11b: 배기가스 유입구
2: 스퍼터링용 타겟
4: 스테이지
5: 실드판
7: 덮개판
71: 고정판부
72: 가동판부

Claims

스퍼터링용 타겟이 설치되는 통 형상의 진공 챔버와, 진공 챔버 내에서 타겟에 대향하는 위치에 설치되어 성막 대상물의 설치를 가능하게 하는 스테이지와, 진공 챔버의 내벽면으로부터 틈새를 두고 설치되어 타겟과 스테이지 사이의 성막 공간을 둘러싸는 실드판을 구비한 스퍼터링 장치로서,
진공 챔버에, 타겟과 스테이지를 잇는 연장선에 대해서 직교하는 방향으로 국소적으로 팽출시킨 배기 공간부를 설치하고, 배기 공간부에 개설한 배기구를 통해 진공 펌프에 의해 성막 공간을 포함하는 진공 챔버 내가 진공 배기되는 것에 있어서,
배기 공간부의 배기가스 유입구에 마주하는 실드판의 외표면 부분을 틈새를 두고 덮는 덮개판을 설치하고,
상기 덮개판은, 배기 공간부를 구획하는 저벽면에 입설한 고정판부와, 승강기구에 의해 고정판부에 대해서 상하 방향으로 진퇴 가능한 가동판부로 구성되고, 고정판부와 가동판부가 진공 챔버(1)의 내벽면에 동등한 곡률을 가지도록 만곡되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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