KR19980070035A - 집적회로용 배리어막을 작성하는 스퍼터링장치 - Google Patents

Abstract

이온화 스퍼터 수법의 응용을 궁리하여 행함으로써 고애스펙트비의 홀에 집적회로용 배리어막을 충분히 성막할 수 있게 한다.

배기계(11)를 구비한 스퍼터챔버(1)내에 설치된 티탄제의 타겟(2)에서 스퍼터전극(3)에 의해 스퍼터된 티탄은 이온화 수단(7)을 구성하는 고주파코일(71)로 형성된 유도 결합형 플라즈마(P)중을 통과할때에 이온화하고, 전계설정수단(8)으로 설정된 기판(50)에 수직인 전계에 의해 인입되어 기판(50)에 입사하여 티탄박막을 퇴적한다. 작성된 티탄박막은 기판(50)을 가열하면서 기판(50)에 질소가스를 공급하는 질소어닐수단에 의해 표면질화 처리되고, 티탄위에 질화티탄을 적층한 집적회로용 배리어막이 얻어진다.

Description

집적회로용 배리어막을 작성하는 스퍼터링장치

본발명은 각종 반도체 디바이스의 집적회로에 있어서 상호확산을 방지하는 집적회로용 배리어층의 작성기술에 관한 것으로, 특히 Ti/TiN 배리어막을 작성하는 스퍼터링장치에 관한 것이다.

각종 메모리나 로직과 같은 반도체 디바이스에서는 이종 층의 상호확산 방지의 목적으로 이종층 계면에 배리어층을 개재시킨 구조를 채용하고 있다. 이와같은 배리어막은 많은 경우 티탄과 질화티탄을 적층한 구조를 가지며, 스퍼터링에 의해 작성되고 있다.

도 5는 집적회로용 배리어막을 작성하는 종래의 스퍼터링장치를 나타내는 정면개략도이다. 도 5에 나타낸 스퍼터링장치는 가스도입수단(4)과 배기계를 구비한 스퍼터챔버(1)를 갖는다. 이 스퍼터챔버(1)내에는 티탄으로 이루어지는 타겟(2)과 이 타겟(2)을 스퍼터하는 스퍼터전극(3)이 설치되어 있다. 또한 이 스퍼터챔버(1)내에는 기판(50)을 유지하는 기판홀더(5)가 배치되어 있다.

스퍼터링장치는 마그네트론 캐소드를 갖는 마그네트론 스퍼터장치가 일반적이다. 스퍼터전극(3)은 자석기구를 구비한 마그네트론 캐소드로 구성된다. 자석기구는 중심자석(31), 이 중심자석(31)을 둘러싼 주변자석(32), 그리고 중심자석(31) 및 주변자석(32)을 잇는 원판상 요크(33)로 구성되어 있다. 자석기구는 도 5에 나타낸 바와같이 타겟(2)을 통하여 닫힌 자력선(34)을 설정한다. 스퍼터전극(3)에는 스퍼터전원(35)이 접속되어 일정한 음의 고전압 또는 고주파 전압이 인가된다.

가스도입수단(4)에 의해 아르곤과 같은 스퍼터율이 높은 불활성 가스가 스퍼터챔버(1)내에 도입된다. 서로 직교하는 자력선(34)과 스퍼터전원(35)에서 발생한 전기력선에 의해 이 가스가 이온화한다. 이온화한 가스가 타겟(2)을 침으로써 스퍼터 방전이 생성된다. 이 스퍼터 방전으로 타겟(2)에서 티탄(많은 경우, 티탄원자)이 튕겨나온다. 튕겨나온 티탄은 기판(50)에 티탄박막을 퇴적한다.

Ti/TiN 배리어막을 작성할 경우, 최초에 아르곤가스를 도입하여 티탄박막을 작성하고, 다음에 질소가스를 도입하여 반응성 스퍼터에 의해 질화티탄 박막을 퇴적한다. 이 결과 티탄박막상에 질화티탄박막이 적층한 배리어막이 되는 것이다.

반도체 집적회로의 집적도는, 메모리는 용량의 대규모화, 로직은 동작속도의 고속화를 배경으로 하여 점점 높아지고 있다. 이와같은 집적도 증가는 디바이스의 구조면에서는 콘택트홀이나 층간 비어(via)홀과 같은 미세홀의 애스펙트비 상승으로 이어진다. 애스펙트비는 홀의 개구에 대한 홀 깊이의 비로 나타낸다. 가령 256 메가비트의 DRAM 구조는 깊이 1∼1.5 ㎛로 홀 개구가 직경 0.25 ㎛ 정도인 원형의 홀(애스펙트비 4∼6)을 갖는다.

상기 배리어층은 상기와 같은 고애스펙트비의 홀내에도 작성하는 것이 필요해지고 있다. 도 6은 배리어막을 갖는 집적회로의 구조를 나타내는 도면이다.

도 6에는 FET 와 같은 디바이스에 있어서의 배선구조가 간략화되어서 도시되어 있다. 이 구조는 하지(下地) 실리콘(501)상에 형성된 산화실리콘과 같은 절연층(502)상에 배선층(503)이 형성되어 있다. 그리고 절연층(502)에 형성된 콘택트홀내에는 알루미나 또는 텅스텐으로 이루어지는 콘택트 배선플러그(504)가 매립되어 있다. 콘택트배선(504)과 하지실리콘(501) 및 절연층(502)과의 계면에 배리어막(505)이 개재되어 있다.

상기와 같은 고애스펙트비의 홀에 대해서는 통상의 스퍼터법으로는 성막이 매우 곤란해지고 있다. 고애스펙트비의 홀 내면에 내장을 행하기 위해서는 깊은 홀 저부까지 스퍼터입자가 많이 도달하도록 하지 않으면 안된다. 기판에 대하여 수직으로 입사하는 스퍼터 입자를 많게 할 필요가 있다. 그러나, 타겟(2)에서 방출될때의 스퍼터입자(티탄)의 방출각도는 코사인법칙에 의거하여 타겟(2)의 법선방향을 최대치로 하여 코사인곡선 모양의 분포로 된다. 기판(50)에 입사하는 스퍼터 입자에는 기판(50)에 수직으로 입사하는 것 외에 기판(50)에 경사로 입사하는 것이 많이 포함되어 있다.

따라서, 고애스펙트비의 홀 내면에 충분히 배리어막을 내장하기 위해서는 기판(50)에 수직하는 스퍼터 입자량을 많게 해 갈 필요가 있다. 이를 가능하게 하는 기술의 하나로 이온화 스퍼터수법을 배리어막 작성에 응용할 수가 있다.

이온화스퍼터란, 타겟(2)에서 방출되는 스퍼터 입자를 이온화시킴과 동시에 기판(50)에 수직인 전계를 설정하는 수법이다. 기판(50)에는 이온화한 스퍼터 입자가 전계의 작용에 의해 수직으로 많이 입사한다. 깊은 홀 내면까지 충분히 배리어막의 내장이 행해지게 된다.

스퍼터 입자를 이온화시키기 위해서는 타겟(2)에서 기판(50)으로의 스퍼터입자의 비행경로상에 플라즈마를 형성한다. 플라즈마중에 스퍼터입자가 통과할 때, 스퍼터 입자는 플라스마중의 전자와의 충돌로 이온화한다.

그러나, 배리어막 작성에 대해서는 상기 이온화 스퍼터 수법을 그대로 적용하기는 곤란하다. 티탄의 경우에는 플라즈마중을 통과할때에 이온화시키기가 용이하나, 질화티탄에 대해서는 질화티탄이 화학적으로 안정하기 때문에 이온화가 곤란하다. 따라서 질화티탄에 대해서는 이온화 스퍼터에 의한 수직입사 효과가 충분히 얻어지지 않는다.

이 과제를 보텀커버리지율의 점에서 더 상세히 설명한다. 도 7은 막이 퇴적한 홀의 단면개략도이다.

보텀커버리지율은 홀내면의 내장 및 매립의 양부 지표의 하나이다. 보텀커버리지율은 홀(500) 주위의 면에의 성막량(통상은 성막속도)에 대한 홀 저부에의 성막량이고, 도 7의 (b/a) × 100 (%)로 표시된다.

본 발명자는 압력이나 전력의 성막조건을 같게 하여 티탄의 성막과 질화티탄의 성막을 이온화 스퍼터에 의해 행하였다. 그 결과, 애스펙트비 4의 홀에 대하여 티탄의 경우에는 보텀커버리지율 45% 로, 통상의 스퍼터의 경우의 보텀커버리지율 3∼5% 에 대해 큰 향상이 보였다. 질화티탄의 경우에는 15%로, 통상의 스퍼터에 비해 큰 향상이 보이지 않았다.

이와같이 티탄과 질화티탄을 적층한 배리어막에 대해서는 이온화 스퍼터를 그대로 적용하기는 곤란하다. 특히, 이온화 스퍼터는 질화티탄에 대한 보텀커버리지율 향상 효과를 충분히 얻을 수는 없다.

본발명은 이와같은 과제를 해결하기 위하여 행해진 것이다. 즉, 집적회로용 Ti/TiN 배리어막의 작성에 있어서, 고애스펙트비의 홀에 대하여 충분히 성막을 행할 수 있는 스퍼터링장치를 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 본발명의 제1실시형태의 스퍼터링장치를 나타내는 평면개략도,

도 2는 도 1의 스퍼터링장치에 있어서의 스퍼터챔버(1)를 나타내는 정면개략도,

도 3은 도 1에 나타낸 처리챔버(어닐 챔버;63)를 나타내는 정면개략도,

도 4는 본발명의 제2 실시형태에 관한 스퍼터링장치를 나타내는 정면개략도,

도 5는 종래의 스퍼터링장치를 나타내는 정면개략도,

도 6은 배리어막을 작성하는 집적회로의 구조를 나타내는 도면,

도 7은 막이 퇴적한 홀의 단면개략도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 스퍼터 챔버 2:타겟

3:스퍼터전극 4:가스도입수단

5:기판홀더 7:이온화 수단

8:전계설정수단 11: 배기계

41:아르곤가스도입계 42:질소가스도입계

50:기판 51:가열수단

61:이송챔버 63: 어닐챔버

64:냉각챔버 67:로드록챔버

68: 언로드록챔버 71:고주파코일

72:고주파전원 81: 기판바이어스용 고주파전원

91: 어닐용 가스도입수단 92:가열 스테이지

611:이송로봇

상기 과제를 해결하기 위하여 본발명의 스퍼터링장치는 티탄박막이 작성된 기판을 가열하면서 기판표면에 질소가스를 공급하여 티탄박막 표면을 질화시키는 질소어닐수단을 갖고 있는 것에 특징이 있다. 또한, 스퍼터링장치는 스퍼터에 의해 타겟에서 방출된 티탄을 이온화시키는 이온화 수단, 이온화한 티탄을 기판에 인입하기 위하여 기판에 수직인 방향으로 전계를 설정하는 전계설정수단을 갖는다. 이온화 수단은 타겟에서 기판으로의 티탄의 비행경로에서 유도결합형 고주파 플라즈마를 형성한다. 전계설정수단은 기판 홀더에 고주파 전압을 인가함으로써 기판에 음의 바이어스 전압을 부여한다. 이렇게하여 본발명의 스퍼터링 장치는 티탄과 질화티탄을 적층한 구조의 집적회로용 배리어막을 작성한다.

특히, 제1 발명의 스퍼터링장치는 스퍼터 챔버와는 별도로 설치된 어닐챔버에 질소어닐수단을 갖는다. 질소어닐수단은 어닐챔버내에 질소가스를 도입하는 어닐용 가스도입수단과, 어닐챔버내에 반입된 기판이 재치되는 가열 스테이지를 갖는다. 그리고 스퍼터링장치는 스퍼터 챔버에서 어닐챔버로 진공중에서 기판을 이송하는 구조를 갖는다.

특히, 제2 발명의 스퍼터링장치는 스퍼터 챔버에 질소가스를 도입하는 질소가스 도입계와 기판을 가열하는 가열수단을 갖는다. 가스도입수단은 질소가스 도입계를 가지며, 기판홀더는 기판을 가열하는 가열수단을 내장하고 있다. 질소어닐수단은 질소가스 도입계와 가열수단으로 구성되어 있다. 티탄박막을 작성한 스퍼터 챔버내에서 연속하여 티탄박막 표면을 질화 처리한다.

발명의 실시형태

이하, 제1 발명에 대응한 제1 실시형태에 대하여 설명한다.

도 1 은 본발명의 제1 실시형태의 스퍼터링장치를 나타내는 평면 개략도이다.

본 실시형태의 스퍼터링장치는 이른바 클러스터툴(cluster-tool) 스퍼터링 장치이다. 도 1에 나타낸 바와같이 중앙에 배치된 이송챔버(61)와, 이 이송챔버(61) 주위에 배치된 스퍼터챔버(1), 처리챔버(62, 63, 64, 65, 66), 로드록 챔버(67) 및 언로드록 챔버(68)로 구성되어 있다.

이송챔버(61)와 각 챔버(1, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68)는 도시하지 않은 게이트밸브를 통하여 기밀하게 접속되어 있다. 모든 챔버(1, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68)는 각 전용 배기계로 배기되어 진공분위기가 된다.

이송챔버(61)내에는 이송로봇(611)이 배치되어 있다. 이송로봇(611)은 로드록 챔버에서 기판(50)을 1매씩 꺼내서, 스퍼터챔버(1)나 각 처리챔버(62, 63, 64, 65, 66)에 순차 이송한다.

도 2는 도 1의 클러스터툴 스퍼터링장치에 있어서의 스퍼터챔버(1)를 나타내는 정면개략도이다.

도 2에 나타낸 바와같이 스퍼터챔버(1)는 기판(50)을 유지하는 기판홀더(5),스퍼터챔버(1)내에 가스를 도입하는 가스도입수단(4), 및 배기계(11)를 구비하고 있다. 스퍼터 방전을 발생시키기 위하여 티탄으로 이루어지는 타겟(2)과, 이 타겟(2)을 스퍼터하는 스퍼터전극(3)을 설치하고 있다. 또한, 이 스퍼터챔버(1)내에 이온화 스퍼터를 위하여 타겟(2)에서 스퍼터된 티탄을 이온화시키는 이온화 수단(7)과, 이온화한 티탄을 기판(50)에 수직입사하기 위하여 기판(50)에 수직인 방향으로 전계를 설정하는 전계설정수단(8)을 구비하고 있다.

스퍼터챔버(1)는 도시하지 않은 게이트밸브를 구비한 기밀한 용기이다. 스퍼터챔버(1)는 스테인레스와 같은 금속제로서, 전기적으로는 접지되어 있다.

배기계(11)는 터보분자펌프나 로터리펌프를 구비하고 있다. 배기계(11)는 스퍼터챔버(1)내를 10^-9Torr 정도까지 배기한다. 배기계(11)는 도시하지 않은 배기속도조정기, 가령 가변 오리피스를 구비하고, 배기속도를 조정한다.

타겟(2)은 두께 6∼12mm, 직경 300mm 정도의 원판상이다. 타겟(2)은 스퍼터전극(3)에 부착되어 있다.

스퍼터전극(3)은 자석기구를 구비한 마그네트론 캐소드로 되어 있다. 자석기구는 중심자석(31), 이 중심자석(31)을 둘러싸는 주변자석(32), 그리고 중심자석(31) 및 주변자석(32)을 잇는 원판상 요크(33)로 구성되어 있다. 또한, 각 자석은 모두 영구자석이지만, 전자석으로 이들을 구성하는 것도 가능하다.

스퍼터전극(3)은 스퍼터챔버(1)에 대하여 전기적으로 절연되어 있다. 스퍼터전극(3)에는 스퍼터전원(35)이 접속되어 있다. 이 스퍼터전원(35)은 일정한 음의 고전압 또는 고주파 전압을 스퍼터전극(3)에 인가한다. 일반적으로 티탄의 스퍼터의 경우, 500∼700V 정도의 음의 직류 전압을 인가한다.

가스도입수단(4)은 아르곤과 같은 스퍼터 방전용 가스를 충전한 가스봄베(411)와, 가스봄베(411)와 스퍼터챔버(1)를 잇는 배관(412)을 갖는다. 배관(412)에는 밸브(413)나 유량조정기(414)가 설치되어 있다. 배관(412) 선단에는 도시하지 않은 가스분배기가 통상 설치된다. 가스분배기에는 원환상 파이프의 중심측면에 가스 분출구멍이 형성되어 있다. 가스분배기는 타겟(2)과 기판홀더(5) 사이의 공간에 균일하게 가스를 도입한다.

이온화 수단(7)은 본 실시형태에서는 타겟(2)에서 기판(50)으로의 티탄의 비행경로에서 유도결합형 고주파 플라즈마를 형성한다. 이온화 수단(7)은 타겟(2)과 기판홀더(5) 사이의 공간(이하, 이온화 공간)을 둘러싸도록 설치된 고주파코일(71)을 갖는다. 이 고주파코일(71)에는 고주파전원(72)이 접속되어 있다.

고주파 전원(72)은 주파수 13.56MHz로 4kW 정도를 출력한다. 고주파전원(72)은 정합기(73)를 통하여 고주파코일(71)에 RF 전력을 공급한다. 고주파코일(71)에 의해 이온화 공간에 RF전계가 설정된다. 가스도입수단(4)에 의해 도입된 가스가 이 RF전계에 의해 이온화하여 플라즈마(P)가 형성된다. 플라즈마(P)중에는 RF전류가 흐르고, 플라즈마(P)와 고주파코일(71)은 유도성 결합한다. 따라서 플라즈마(P)는 유도결합형 고주파 플라즈마이다.

타겟(2)에서 방출된 스퍼터입자(티탄)는 플라즈마(P)중을 통과할때에 플라즈마(P)중의 전자와 충돌하여 이온화한다. 이온화한 스퍼터 입자는 후기하는 전계에 의해 가속되어서 기판(50)에 도달한다.

기판홀더(5)는 타겟(2)에 대하여 평행으로 기판(50)을 유지한다. 기판홀더(5)에는 기판(50)을 정전 흡착하는 도시하지 않은 정전흡착기구나 성막중에 기판(50)을 가열하는 도시하지 않은 가열기구가 설치되어 있다.

전계설정수단(8)은 본 실시형태에서는 기판홀더(5)에 일정한 고주파 전압을 인가함으로써 기판(50)에 음의 바이어스 전압을 부여한다. 전계설정수단(8)은 기판홀더(5)에 블로킹 콘덴서(82)를 통하여 접속된 기판 바이어스용 고주파 전원(81)으로 이루어진다.

기판 바이어스용 고주파전원(81)은 주파수 13.56 MHz로 300W 정도를 출력한다. 기판 바이어스용 고주파전원(81)에 의해 기판(50)에 고주파전압이 인가되면, 기판(50) 표면에는 플라즈마중의 하전 입자가 주기적으로 끌어당겨진다. 이중, 이동도가 높은 전자는 양이온에 비해 더 많이 기판(50) 표면에 끌어당겨진다. 그 결과 기판(50) 표면은 음의 전위로 바이어스된 상태가 된다. 상기 예의 기판 바이어스용 고주파전원(81)의 경우, 평균치 -50V 정도의 바이어스 전압을 기판(50)에 부여한다.

상기 기판 바이어스 전압이 부여된 상태는 직류 이극방전으로 플라즈마를 형성할 경우의 음극 시스영역과 동일하다. 플라즈마와 기판(50) 사이에 기판(50)을 향하여 내려가는 전위 경도(傾度)를 갖는 전계(이하, 인출용 전계)가 설정된다. 이 인출용 전계로 이온화 스퍼터입자(양이온의 티탄)는 플라즈마에서 인출되어 기판(50)에 도달한다.

상기 기판홀더(5)는 티탄금속으로 형성되어 있다. 기판홀더(5) 재치면 내에는 수평분의 전계는 원리적으로 존재하지 않는다. 상기 인출용 전계는 기판(50)에 대하여 수직인 방향의 전계이다. 기판(50)에 대하여 수직으로 이온화 스퍼터 입자를 가속한다. 이 결과, 기판(50)에 형성된 홀 저면까지 효율좋게 이온화 스퍼터 입자를 도달시킨다.

도 2를 사용하여 스퍼터챔버(1)에 있어서의 스퍼터처리에 대하여 설명한다.

기판(50)이 스퍼터챔버(1)내에 반입되고, 기판홀더(5)상에 재치된다. 스퍼터챔버(1)내는 미리 10^-8∼10^-9Torr 정도까지 배기되어 있다. 기판(50) 재치후에 가스도입수단(4)에서 아르곤가스가 도입된다.

배기계(11)의 배기속도조정기(414)를 제어하여 스퍼터챔버(1)내를 20mTorr∼ 40mTorr정도로 유지한다. 이 상태로 스퍼터전원(35)에 의해 스퍼터전극(3)에 일정 전압을 부여하여 마그네트론 스퍼터 방전을 일으킨다.

동시에, 고주파전원(72)에 의해 고주파코일(71)에 고주파 전압을 인가하여, 이온화 공간에 고주파전계를 설정한다. 아르곤가스는 이온화 공간에도 확산하고 전리(電離)하여 플라즈마(P)가 형성된다. 전계 설정수단(8)의 기판 바이어스용 고주파전원(81)에 의해 기판(50)에 바이어스 전압이 인가되고, 플라즈마(P)와의 사이에 인출전계가 설정된다.

스퍼터 방전에 의해 타겟(2)이 스퍼터된다. 스퍼터된 티탄은 기판(50)을 향하여 비행한다. 그 비행도중, 이온화 공간의 플라즈마(P)를 통과할때에 이온화한다. 이온화한 티탄은 인출전계에 의해 플라즈마에서 인출되어 기판(50)에 입사한다. 기판(50)에 입사한 티탄은 홀 저면이나 측면에 도달하여 퇴적하고, 효율좋게 홀내를 피복한다.

막이 원하는 두께에 도달하면 전계설정수단(8), 이온화 수단(7), 스퍼터전극(3) 및 가스도입수단(4)을 각각 정지시킨다. 이송 로봇에 의해 기판(50)이 스퍼터챔버(1)에서 반출된다.

다음에 본 실시형태의 큰 특징점의 하나인 질소어닐수단에 대하여 설명한다.

본 실시형태의 질소어닐수단은 스퍼터챔버(1)와는 별도로 설치된 처리챔버중의 하나(이하, 어닐챔버; 63)에 설치되어 있다. 도 3은 도 1에 나타낸 처리챔버(어닐챔버; 63)의 구성을 설명하는 정면 개략도이다.

본 실시형태의 질소어닐수단은 질소가스를 도입하는 어닐용 가스도입수단(91)과 배기계(631)를 구비한 어닐챔버(63)를 갖는다. 또한, 질소어닐수단은 어닐챔버(63)내에 반입된 기판(50)이 재치되는 가열 스테이지(92)를 갖는다.

어닐챔버(63)는 스퍼터챔버(1)와 동일한 기밀한 용기로서, 배기계(631)에 의해 10^-8Torr 정도까지 배기된다. 어닐용 가스도입수단(91)은 질소가스를 원하는 유량으로 어닐챔버(63)내에 도입한다.

가열 스테이지(92)는 상면에 기판(50)을 재치한다. 가열 스테이지(92)내에는 카트리지 히터와 같은 줄(Joule)열을 발생시키는 히터(93)가 매설되어 있다. 히터(93)와 기판(50) 재치면 사이의 부재에는 티탄이나 세라믹계의 내열성이 높은 부재가 사용된다.

가열 스테이지(92)에는 기판(50) 온도를 검출하는 열전쌍과 같은 도시하지 않은 온도센서가 설치되어 있다. 온도센서의 검출신호는 히터(93)를 제어하는 도시하지 않은 제어부에 이송된다. 제어부는 히터(93)를 피드백 제어하여, 설정한 가열온도로 유지한다.

기판(50)과 가열 스테이지(92) 사이의 접촉성을 향상시키기 위하여 기판(50)을 가열 스테이지(92)에 기계적으로 가압하는 클램프수단(94)이 설치되어 있다. 클램프수단(94)은 기판(50) 둘레를 누르는 링모양의 클램프(941)와, 클램프(941)를 구동하는 구동기구(942)로 이루어진다. 클램프(942)에는 도시하지 않은 스프링부재가 설치되어 있다. 스프링부재의 탄성력에 의해 기판(50)을 가열 스테이지(92)에 가압한다.

기판(50)과 가열 스테이지(92)의 접촉성을 더욱 향상시키기 위하여 기판(50)을 정전흡착하는 정전흡착기구나 기판(50)과 가열 스테이지(92)사이의 틈새에 헬륨가스를 흘리는 헬륨척 기구가 설치되는 경우가 있다.

도 3을 사용하여 어닐챔버(63)에 있어서의 질소어닐 동작에 대하여 설명한다.

배기계(631)에 의해 어닐챔버(63)내는 10^-8Torr 정도로 미리 배기되어 있다. 또, 가열 스테이지(92)는 히터(93)에 의해 설정온도로 미리 가열되어 있다.

도시하지 않은 게이트밸브를 통하여 기판(50)이 어닐챔버(63)내에 이송되어 가열 스테이지(92)에 재치된다. 클램프수단(94)에 의해 기판(50)을 가열 스테이지(92)에 가압한다. 기판(50)은 가열 스테이지(92) 온도 정도까지 급속히 가열된다.

다음에 가스도입수단(4)이 동작하여 질소가스가 설정유량으로 도입된다. 배기계(11)의 배기속도 조정기를 제어하여 어닐챔버(63)내의 압력을 설정압력으로 유지한다. 어닐챔버(63)내의 이와같은 분위기로 기판(50)상에 퇴적된 티탄박막 표면이 질화하여 질화티탄층이 형성된다.

다음에 도 1로 돌아가서 기타의 처리챔버(62,66)에 대하여 설명한다.

하나의 처리챔버(62)는 예열챔버이다. 예열챔버(62)내에는 어닐챔버(63)내의 가열 스테이지(92)와 동일한 예열스테이지(621)가 설치된다. 예열스테이지(621)는 기판(50)을 500℃ 정도까지 가열한다.

예열은 기판(50)중의 흡장(吸藏)가스를 방출시키는 탈가스를 행한다. 탈가스를 해두지 않으면 스퍼터챔버(1)에서의 성막시에 급격히 탈가스가 발생하여 막의 부착성이나 막질에 악영향을 준다.

그 외에 하나의 처리챔버(66)는 기판(50)을 냉각하는 냉각챔버이다. 냉각챔버(66)내에는 냉각 스테이지(661)가 설치된다. 냉각 스테이지(661)는 내부에 냉매를 순환시켜서 상면에 재치한 기판(50)에서 열을 빼앗아 원하는 온도로 냉각한다.

다음에 상기 구성에 관한 본 실시형태의 스퍼터링장치 전체의 동작에 대하여 도 1을 사용하여 설명한다.

우선, 이송챔버(6)내의 이송로봇(611)은 로드록챔버(67)내의 카세트(671)에서 기판(50)을 1매씩 꺼내어 예열챔버(62)에 이송한다. 예열챔버(62)에서 기판(50)을 400℃로 1∼2분 정도 가열한다. 예열한후, 이송로봇(611)은 기판(50)을 스퍼터챔버(1)에 이송한다.

그리고, 스퍼터챔버(1)내에서 상기와 같이 티탄의 스퍼터성막을 행하고, 기판(50)상의 홀내에 티탄박막을 퇴적한다.

다음에, 기판(50)을 어닐챔버(63)에 이송한다. 상기와 같이 티탄박막을 질소어닐처리한다. 이에 따라 티탄박막 표면이 질화되고, 티탄과 질화티탄의 적층막이 작성된다.

그후, 기판(50)을 냉각챔버(66)에 이송하여 냉각한다. 그후, 언로드록챔버(68)내의 카세트(681)에 이송한다. 그리고 언로드록챔버(68)에서 카세트마다 장치밖으로 꺼내어진다.

상기 본 실시형태의 스퍼터링 장치는 이온화 스퍼터링 수법을 사용하고 있으므로 고애스펙트비의 홀에 대하여 충분한 보텀커버리지율로 Ti/TiN 배리어막을 작성한다. 이온화가 어려운 질화티탄에 대해서는 질소 어닐의 수법을 보조적으로 사용하여 질화티탄층을 형성하고 있다. 이온화 스퍼터의 장점을 향수하면서 충분한 특성의 Ti/TiN 배리어막을 높은 생산성으로 작성할 수 있다.

이온화 스퍼터만으로 티탄층과 질화티탄층을 형성할 경우, 홀내와 홀 주위에서 티탄층과 질화티탄층의 막두께비가 변화해 버릴 수 있다. 티탄과 질화티탄은 이온화효율이 다르기 때문에 티탄을 퇴적할 때의 보텀커버리지율과 질화티탄을 퇴적할 때의 보텀커버리지율이 달라진다.

질소어닐을 보조적으로 이용하는 본 실시형태의 수법에서는 질소가스는 홀내및 홀주위에 균일하게 확산한다. 따라서, 표면질화층은 홀내 및 홀 주위에 균일한 두께로 형성된다. 본 실시형태의 수법은 이온화 스퍼터에 의해 보텀커버리지율이 좋게 티탄을 퇴적해 두고 그 표면을 질소어닐한다. 그 결과 그 표면질화층도 보텀커버리지율 좋게 균일하게 형성할 수 있다.

또 상기와 같이 스퍼터챔버(1)와 어닐챔버(63) 사이의 기판(50) 이송은 진공중에 배치된 이송로봇(611)에 의해 행해지고, 대기를 경유하는 일이 없으므로 기판(50)의 오손 문제가 저감되고 있다.

티탄박막 표면을 질화시켜서 질화티탄층을 형성할 경우, 티탄박막 표면에 이물이 부착한 상태로 질소어닐을 행하면, 그 이물이 티탄박막중에 수용되어 버리는 일이 많다. 이렇게 수용된 이물은 배리어막의 저항치를 변화시키고, 콘택트 저항의 증가에 의한 디바이스 불량을 가져올 경우가 있다. 그러나, 본 실시형태의 장치에 따르면 이와같은 문제가 경감되고 있다.

다음에 제2 발명에 대응한 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 도 4는 본발명의 제2 실시형태에 관한 스퍼터링장치를 나타내는 정면개략도이다.

도4 에 나타낸 스퍼터링장치는 가스를 도입하는 가스도입수단(4)과 배기계(11)를 구비한 스퍼터챔버(1)를 갖는다. 스퍼터챔버(1)내에 기판(50)을 유지하는 기판홀더(5)를 구비하고 있다. 또한, 스퍼터 방전을 위하여 이 스퍼터챔버(1)내에 티탄으로 이루어지는 타겟(2)과, 이 타겟(2)을 스퍼터하는 스퍼터전극(3)을 설치하고 있다. 또, 이온화 스퍼터를 위하여 타겟(2)에서 스퍼터된 티탄을 이온화시키는 이온화 수단(7)과, 이온화한 티탄을 기판(50)에 인입하기 위하여 기판(50)에 수직인 방향으로 전계를 설정하는 전계 설정수단(8)을 갖는다.

가스도입수단(4)은 질소가스를 도입하는 질소가스도입계(42)를 갖는다. 기판홀더(5)는 기판(50)을 설정온도로 가열하는 가열수단(51)을 내장하고 있다. 질소어닐수단은 질소가스도입계(42)와 가열수단(51)으로 구성되어 있다.

우선, 가스도입수단(4)은 아르곤가스를 도입하는 아르곤가스도입계(41)와 질소가스도입계(42)로 구성되어 있다. 스퍼터챔버(1)에 접속된 주 배관(40)에는 아르곤가스의 배관(411)과 질소가스의 배관(421)이 접속되어 있다. 배관(411, 421)은 각 가스의 가스 봄베(412, 422)와 주 배관(40)을 접속하고 있다.

배관(411, 421)에는 밸브(413, 423)가 설치되어 있다. 밸브(413, 423)를 교체함으로써 아르곤과 질소중의 어느 하나를 스퍼터챔버(1)에 도입한다. 각 배관(411, 421)에는 유량조정기(414, 424)가 설치되어 있다.

기판홀더(5)에 내장된 가열수단(51)은 줄열을 발생시키는 저항가열방식의 히터이다. 기판홀더(5)에는 기판(50) 온도를 검출하는 열전쌍 등의 도시하지 않은 온도센서가 설치되어 있다. 온도센서 검출신호는 가열수단(51)을 제어하는 도시하지 않은 제어부에 보내져서 가열온도가 피드백 제어된다.

가열수단(51)에서 상측의 기판홀더(5) 부재는 비교적 열전도성이 좋은 재료로 형성되어 있다. 열전도성이 좋은 기판홀더는 가열수단(51)에 의한 기판(50)의 온도제어 정밀도를 높인다. 기판(50)과 기판홀더(5) 사이의 접촉성을 향상시키기 위하여 클램프수단(94)이 설치되어 있다.

상기 이외의 구성은 제1실시형태의 것과 거의 동일하다.

다음에 본 실시형태의 장치의 동작을 설명한다.

우선, 기판(50)을 스퍼터챔버(1)에 반입하여 티탄 성막을 행한다. 가스도입수단(4)으로 아르곤가스를 도입한다. 스퍼터전극(3)으로 타겟(2)을 스퍼터한다. 이온화 수단(7)에 의해 스퍼터입자(티탄)를 이온화시킨다. 전계설정수단(8)이 설정하는 전계에 의해 이온화 스퍼터 입자를 기판(50)에 수직 입사시킨다.

티탄막 두께가 원하는 두께에 도달하면, 아르곤가스의 도입, 스퍼터전극(3), 이온화 수단(7) 및 전계설정수단(8)의 조작을 정지한다. 스퍼터챔버(1)내를 재차 도달압력까지 배기한다.

다음에 티탄막을 질소어닐한다. 가열수단(51)으로 기판(50)을 설정온도로 가열한다. 질소가스도입계(42)에 의해 질소가스를 스퍼터챔버(1)내에 도입한다. 이에따라 티탄박막 표면이 질화된다. 이 결과, 티탄상에 질화티탄을 적층한 층이 얻어진다.

티탄의 스퍼터성막시에 기판(50)을 설정온도로 가열할 경우 가열수단(51)은 스퍼터 성막후에 계속하여 기판(50)을 가열한다. 단, 티탄의 성막시와 질소어닐시에서는 가열온도가 다를 경우 각 가열온도가 되도록 도시하지 않은 제어기가 가열수단(51)을 제어한다.

이 실시형태의 장치에 있어서도 이온화 스퍼터의 장점을 향수하면서 충분한 특성의 배리어막을 높은 생산성으로 작성할 수 있다. 이 제2실시형태의 장치를 제1실시형태의 장치와 비교하면 다음과 같은 이점이 있다.

티탄 박막을 작성한 스퍼터챔버(1)내에서 계속하여 질소어닐처리를 행하므로 제1실시형태에 비해 기판(50)의 오손문제가 더욱 경감되고 있다.

실시예

다음에 상기 실시형태의 발명의 실시예를 설명한다.

제1실시형태의 장치 및 제2실시형태의 장치 쌍방에 공통되는 조건으로서 이하와 같은 조건으로 Ti/TiN 배리어막 작성을 행할 수 있다.

(1) 예열

·가열온도: 250∼300℃

·유지시간: 60∼120초

(2) 티탄의 스퍼터성막

·아르곤가스 유량: 100cc/분

·챔버내 압력: 30mTorr

·스퍼터전극으로의 투입전력: 4kW

·고주파 코일로의 투입전력: 2kW

·기판바이어스전압: -20V

·성막시의 기판가열: 400℃

·성막시간: 60∼90초

·막두께: 1000 옹스트롬

(3) 질소어닐처리

·질소가스유량: 1000cc/분

·챔버내 압력: 20∼40Torr

·기판의 가열온도: 650℃

·처리시간: 120∼180초

·표면질화층 두께: 300 옹스트롬

상기 실시예의 조건에 따르면 티탄층 두께가 약 700 옹스트롬이고 질화티탄층 두께가 약 300 옹스트롬인 배리어막이 작성된다.

상기 각 실시형태 및 실시예를 저압원격 스퍼터에 적용하여도 좋다. 저압 원격 스퍼터는 타겟(2)과 기판(50)의 거리(이하, TS거리)를 통상보다 길게 함과 동시에 압력을 낮게 하여 성막을 행하는 기술이다.

TS 거리를 길게 하면 기판(50)에 입사하는 스퍼터입자는 기판(50)에 수직으로 향하는 것이 많아진다. 그리고 압력을 낮게 하면 평균 자유행정이 길어진다. 이와같은 수직방향을 향하는 스퍼터입자가 산란되지 않고 효율적으로 기판(50)에 입사한다. 이와같은 메카니즘으로 저압원격 스퍼터에서는 고애스펙트비의 홀에 높은 보텀커버리지율로 성막을 행할 수 있다.

저압원격 스퍼터를 행하기 위해서는 도 1에 나타낸 처리챔버(64)를 저압원격 스퍼터 챔버로서 구성함으로써 채용할수 있다. 구체적으로는 타겟(2)이 직경 300mm의 원판상이고 기판(50)이 직경 8인치인 경우 TS 거리는 200mm정도가 된다. 그리고, 스퍼터챔버(1)내의 압력을 0.2mTorr∼0.4mTorr정도로 하여 스퍼터성막을 행한다.

저압원격 스퍼터의 구성은 질화티탄을 작성하는 것으로서 채용되면 적합하다. 티탄박막은 상기와 같이 이온화 스퍼터에 의해 보텀커버리지율이 좋게 성막이 행해진다. 한편, 질화티탄에 대해서는 질소어닐에 의해 표면질화한 질화티탄층보다 스퍼터에 의해 퇴적시킨 질화티탄박막 쪽의 배리어 특성이 좋을 경우도 있다. 표면질화막의 경우에 비해 스퍼터에 의해 작성된 막쪽이 구조가 치밀하여, 상호 확산을 방지하는 효과가 더 발휘될 것으로 추정된다.

상기 각 실시형태 및 실시예에서는 이온화 수단(7)으로는 고주파 유도결합형 플라즈마를 형성하나, 고주파용량 결합형 플라즈마나 직류이극방전 플라즈마, 전자사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마, 헬리콘파 플라즈마를 형성하여도 된다. 이온화 공간에 양이온을 조사하여 스퍼터 입자에서 전자를 빼앗아 이온화시키는 이온원(源)도, 이온화 수단(7)으로 채용될 수 있다.

또한, 본발명의 스퍼터링 장치로 작성되는 배리어막은 각종 반도체 디바이스 외에 액정 디스플레이나 기타의 각종 전자제품에 사용되는 집적회로에 이용할 수 있다.

이상 설명한 바와같이 이온화 스퍼터의 이점을 향수하면서 고애스펙트비를 갖는 홀에 대하여 충분한 특성의 Ti/TiN 배리어막의 성막을 한다.

특히, 제1발명에 따르면, 스퍼터챔버와는 별도로 설치된 어닐챔버에서 질소어닐처리가 행해지므로 생산성이 높아진다.

특히, 제2발명에 따르면 스퍼터 챔버내에서 질소 어닐처리가 행해지므로 배리어막의 막질이 향상, 즉 이물 혼입이 없어진다.

Claims (5)

1. 티탄과 질화티탄을 적층한 구조의 집적회로용 배리어막을 작성하는 스퍼터링장치에 있어서, 스퍼터에 의해 타겟에서 방출된 티탄을 이온화시키는 이온화 수단, 이온화한 티탄을 기판에 인입하기 위하여 기판에 수직인 방향으로 전계를 설정하는 전계설정수단, 그리고 티탄박막이 작성된 기판을 가열하면서 기판표면에 질소가스를 공급하여 티탄박막 표면을 질화시키는 질소어닐수단을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온화 수단은 타겟에서 기판으로의 티탄의 비행경로에서 유도결합형 고주파 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전계설정수단은 상기 기판홀더에 고주파 전압을 인가함으로써 기판에 음의 바이어스 전압을 부여하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 스퍼터 챔버와는 별도로 설치된 어닐챔버가 상기 질소어닐수단을 가지고, 여기서 상기 질소어닐수단은 어닐챔버내에 질소가스를 도입하는 어닐용 가스도입수단과, 어닐챔버내에 반입된 기판이 재치되는 가열 스테이지를 가지고, 그리고 스퍼터 챔버에서 어닐챔버로 진공중에서 기판을 이송하는 수단을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 질소어닐수단은 질소가스를 도입하는 질소가스 도입계와 기판을 가열하는 가열수단을 가지고, 여기서 스퍼터 챔버내에 가스를 도입하는 가스도입수단에 질소가스 도입계가 있고, 가열수단은 기판홀더에 내장되어 있고, 티탄박막을 작성한 스퍼터챔버내에서 연속하여 그 티탄박막 표면을 질화처리하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.