KR19980081599A - 스퍼터링 챔버용 자석 - Google Patents

스퍼터링 챔버용 자석 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스퍼터링을 행하는 동안 스퍼터링 챔버 타겟의 침식의 균일성을 개선하고, 타겟 표면 상에 타겟 물질의 재증착을 방지하기 위해, 타겟 위에 배치된 자석쌍의 크기와 형태를 선택하여, 타겟 표면상의 침식이 최대로 균일하도록 하는 것이다. 타겟 상에 타겟 물질의 재증착은 플라즈마 공정 및 고압 스퍼터링 공정에서 특히 중요한 문제이다. 본 발명의 자석은 개방단부가 중앙부보다 두꺼운 말굽형태를 가진다.

Description

스퍼터링 챔버용 자석
본 발명은 플라즈마 물리증착(physical vapor deposition, 이하 PVD라 함) 챔버에 사용되는 자석에 관한 것이다.
종래의 PVD 챔버는 전원에 연결되어 있는 스터퍼링될 물질의 타겟과, 아르곤과 같은 불활성가스 및 질소와 같은 여러 가스를 위한 가스 입구와, 타겟으로부터 평행하게 이격되게 배치되고 바이어스되어 있는 기판 지지대를 포함하고 있다. 스퍼터링을 행하는 동안, 아르곤 원자는 활성화되어 타겟을 때리게 되며, 타겟 물질의 원자가 떨어져서 기판 상에 증착하게 된다. 스퍼터링 속도를 강화시키기 위해, 자석쌍이 챔버의 외측상의 타겟 위에 배치되어 있다. 자석쌍은 아르곤 원자가 타겟을 때릴 때의 운동량을 증가시킨다.
도 1은 전형적인 스퍼터링 챔버의 종단면도이다. 진공 챔버(10)는 스퍼터링될 물질의 타겟(12)과 기판 지지대(14)를 포함하고 있다. DC 전원(13)이 타겟(12)에 연결되어 있다. 한쌍의 대향하는 자석(16,18)이 타겟(12) 상에 배치되어 있다. 고주파 전원과 같은 전원(20)이 기판 지지대(14)에 연결되어 있다. 스퍼터링 증착 공정을 행하는 동안, 기판(22)이 기판 지지대(14) 상에 놓여진다. 가스는 가스 입구(19)를 통해 챔버내로 유입된다. 일반적으로 스퍼터링 가스로는 아르곤이 사용된다. 이러한 아르곤 가스는 챔버내에서 이온화되고, 타겟의 네가티브 포텐셜에 의해 타겟(12)으로 끌려간다. 아르곤 이온은 타겟의 표면을 때리고, 타겟 물질에서 떨어진 입자가 기판(22) 상에 증착된다.
반도체 장치가 점점 소형화되고 있기 때문에, 스퍼터링에 의해 높은 종횡비를 갖는 소직경의 개구를 충진하는 것은 보다 더 어려워지고 있다. 스퍼터링은 불규칙한 방향으로 일어나며, 따라서 대부분의 스퍼터링된 물질은 기판의 개구내 보다는 랜드부(land portion) 상에 증착된다. 또한, 스퍼터링된 입자는 비수직한 방향으로 개구에 유입되기 때문에, 이들은 개구의 측벽과 충돌하게 되며, 따라서 스퍼터링된 입자 중 소량만이 개구의 바닥에 증착된다. 이는 도 2에 도시되어 있으며, 여기서 개구(100)는 스퍼터링된 물질(110)로 부분적으로 충진되어 있다.
스퍼터링된 입자의 방향성을 개선시키기 위해, 콜리메이터(collimator)가 사용되어 왔지만, 이는 높은 종횡비를 갖는 소직경의 개구의 충진을 현저하게 개선시킬 수 없었다.
따라서, 고주파 전원에 연결된 나선형 내부 코일을 포함하는 개선된 스퍼터링 챔버가 설계되어 왔다. 도 3은 이온화된 금속 플라즈마 챔버(Ionized Metal Plasma chamber; 이하 IMP 챔버라 함)로 명명된 개선된 스퍼터링 챔버의 개략적인 종단면도이다. IMP 챔버(170)는 그의 상부벽(173) 상에 배치된 종래의 타겟(172)을 포함하고 있다. 한쌍의 대향하는 자석(176,178)이 챔버(170)의 상부벽(173) 위에 배치되어 있다. 기판(175)을 지지하는 기판 지지대(174)가 타겟(172)으로부터 평행하게 이격되어 배치되어 있다. 전원(180)이 타겟(172)에 연결되어 있고, 고주파 전원(182)이 기판 지지대(174)에 연결되어 있다. 제어기(200)는 가스의 흐름을 조절한다. 챔버(170) 내에서 타겟(172)과 기판 지지대(174) 사이에는 나선형 코일(186)이 배치되어 있으며, 이러한 나선형 코일(186)은 고주파 전원(188)에 연결되어 있다. 용기(192,194) 내의 가스는 유량 밸브(196,198)에 의해 조절되어 챔버로 공급된다.
챔버내의 압력은 입구(191)와 3방 게이트 밸브(199) 및 극저온 펌프(190)에 의해 유지된다. 챔버내에 매우 높은 압력, 즉 30 내지 40밀리토르의 압력을 가한다면, 내부 유도 코일(186)은 스퍼터링 음극 또는 타겟(172)과 기판 지지대(174) 사이의 영역에 고밀도 플라즈마를 제공한다. 따라서, 스퍼터링된 타겟 원자가 이온화되고, 고밀도 플라즈마 영역을 통과할 때 양으로 하전된다. 이들 원자들은 음으로 바이어스된 기판에 의해 끌어당겨져서, 종래의 PVD 챔버에서 보다 수직한 방향으로 기판과 충돌한다.
도 1에 도시된 종래의 PVD 챔버는 일반적으로 약 1 내지 5밀리토르의 저압에서 작동된다. 고압의 IMP 챔버에서는 타겟 상에 타겟 물질이 재증착하는 현상이 더 빈번하게 발생한다. 고압의 IMP 챔버에서는 타겟으로부터 스퍼터링된 물질이 아르곤 분자와 충돌할 가능성이 보다 높아서 스퍼터링된 입자의 본래의 방향이 변할 수 있다. 만일 이러한 충돌이 타겟 표면에 매우 인접하여 발생한다면, 입자는 방향이 바뀌어 타겟을 향해 진행하여 재증착한다. 이와같이, 부식 및 재증착에 대한 문제점은 종래의 PVD 챔버보다 IMP 챔버에서 보다 심각하다. 하지만, 재증착하는 입자들은 타겟에 덜 달라붙고, 이러한 재증착 입자는 떨어질 수 있다.
따라서, 타겟에 대한 자석의 형태가 스퍼터링을 행하는 동안 타겟의 침식의 균일성에 강한 영향을 주는 것으로 알려져 있기 때문에, 자석의 형태를 개선시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 스퍼터링을 행하는 동안 보다 균일한 자석 타겟 침식 패턴을 제공하여, 이에 의해 타겟 표면에서의 재증착을 방지하거나 감소시킬 수 있도록 개선된 형태의 자석을 제공하는 것이다. 타겟의 침식 경로는 타겟의 중앙선으로부터 에지로 측정되며, 이 때 얻어진 일정한 데이터는 특히 IMP 스퍼터링 챔버에서 타겟의 보다 균일한 침식을 제공하기 위한 자석의 형태를 제공한다.
도 1은 종래의 스퍼터링 챔버의 개략적인 종단면도.
도 2는 종래 기술에 있어서 스퍼터링된 입자에 의해 부분적으로 충진된 개구의 종단면도.
도 3은 고밀도 플라즈마를 제공하는 개조된 스퍼터링 챔버의 종단면도.
도 4는 본 발명에 따른 자석의 중앙선에서의 침식 경로를 도시한 도면.
도 5는 종래 기술에 따른 자석의 중앙선에서의 침식 경로를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 타겟 자석과 종래 기술에 따른 타겟 자석의 측정된 침식 경로를 비교한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 자석을 사용할 때의 침식 프로파일 대 타겟 반경의 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 자석의 다른 실시예에 대한 침식 프로파일의 다른 그래프.
도 9는 도 8의 자석에 대한 침식 프로파일을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 자석에 대한 내측 및 외측 분극 단편의 상면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 진공 챔버 12, 172 : 타겟
13,20,180,182 : 전원 14,174 : 기판
16,18,176,178 : 자석 19,191 : 가스 입구
100 : 개구 110 : 스퍼터링된 물질
170 : IMP 챔버 186 : 나선형 코일
196,198 : 유량 밸브 200 : 제어기
본 발명에 따르면, 스퍼터링을 행하는 동안 타겟의 표면 상에 입자가 재증착하는 것을 방지하기 위해, 타겟의 표면이 이상적으로 균일하게 침식한다. 균일한 침식을 얻고, 그래서 스퍼터링을 행하는 동안, 타겟 표면이 가능한 한 평활하게 유지되기 위해서는 타겟 위의 자석쌍의 형태는 가능한 한 균일한 침식을 제공할 수 있도록 선택되어야 한다.
만일 스퍼터링을 행하는 동안 타겟 표면이 불균일하게 침식된다면, 타겟 표면에는 피크부(peak)와 밸리부(valley)가 형성된다. 침식된 타겟 표면의 높은 부분에서는 타겟 물질의 재스퍼터링이 용이하게 발생될 수 있다. 재스퍼터링된 물질은 타겟 뿐만 아니라 본래의 타겟 물질에 들러 붙지 않기 때문에, 이러한 재스퍼터링된 물질은 느슨해지고 떨어져 나가서 챔버내에서 원하지 않는 입자를 형성한다. 이들 입자들이 기판에 증착된다면, 장치가 파손될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 한 자석에서 측정된 B-필드(B-field)가 타겟 표면에 평행하고, 100 가우스 보다 강할 때의 데이터 점들을 도시하고 있다. 이는 자석의 중앙선에서의 침식 경로에 대응한다. 이러한 침식 경로는 말굽형 자석 형태를 나타낸다. 이러한 자석의 단부는 자석의 중앙부보다 약 2배까지 더 큰 폭을 가진다.
도 5는 종래 기술의 자석에 대한 동일한 데이터 점들을 도시하고 있다. 이러한 침식 경로는 여러번 휘어진 곡선형 자석 형태를 나타내며, 이러한 자석은 전체 길이에 걸쳐서 동일한 폭을 가진다.
도 6은 타겟과 기판이 135㎜까지 이격되어 있는 IMP 챔버에서 100시간동안 가열한 후, 종래의 자석(원)과 본 발명의 자석(사각형)을 사용하여 상대적인 침식의 침식 프로파일 대 타겟 반경(단위:인치)을 도시하고 있다. 이 시험은 타겟에 5킬로와트의 전력을 가하고, 40밀리토르의 압력에서 진행하였다. 100시간 후에, 500킬로와트의 전력을 타겟에 인가하였다. 종래 기술의 자석(도 5)을 사용할 때의 상대적인 타겟 침식은 본 발명의 자석(도 4)을 사용할 때 보다 높은 피크부와 낮은 밸리부를 가지면서 훨씬 많은 변화를 한다. 도 4의 자석 형태는 도 5의 자석 형태보다 균일한 침식 패턴을 나타내는 침식 피크부와 밸리부를 가지고 있으며, 이는 또한 도 5의 자석 형태와는 달리 타겟의 전체 표면을 따라서 침식의 균일성이 약간의 편차를 갖는 타겟 침식을 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 타겟의 반경을 따라 1 내지 2인치, 3인치, 및 4.9인치의 영역은 도 5의 종래의 자석을 사용할 때 타겟의 스퍼터링되지 않은 영역으로서 재증착이 일어나는 영역이 된다. 그렇지만, 본 발명의 타겟 자석을 사용하면, 침식 프로파일은 보다 균일하게 된다. 유사한 거동을 하는 두 개의 자석을 사용할 때 상대적인 타겟 침식은 단지 타겟의 에지 부근에서 일어난다.
도 7은 통상적으로 측정된 타겟 침식 대 타겟 반경의 그래프이다. 참조부호(V)로 표시된 수직점선은 챔버에서 나선형 코일의 위치를 나타낸다. 부유되어 있는 나선형 코일은 스퍼터링을 행하는 동안 어떤 이상한 현상, 즉 타겟에서의 전기장의 뒤틀림을 발생시키는데, 이러한 전기장의 뒤틀림은 대응하는 타겟 반경에서 타겟의 침식을 감소시킨다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 자석의 중앙선에서의 침식 경로의 그래프이다. 이러한 자석 형태는 또한 말굽형 자석 형태를 가지지만, 개방된 단부의 폭이 도 4에 도시된 자석보다 더 크며, 도 4에 도시된 자석보다 전체적으로 더 크다.
도 9는 38밀리토르의 압력에서 3.5와트의 직류 전력와 3킬로와트의 고주파 전력을 사용하여 가열한 후, 430시간동안 작동시킨 후 도 8의 자석을 사용할 때의 상대적인 침식 프로파일 대 타겟의 반경의 관계를 도시한 그래프이다. 본래의 타겟 표면은 참조부호(A)로 도시되어 있다.
타겟 침식은 중앙으로부터의 타겟 반경의 함수로서 측정된다. 이때의 침식은 매우 균일하다. 가장 깊은 침식은 타겟의 중앙선과 에지 사이의 약 1/2 지점이며, 단지 37mils의 깊이를 가진다.
도 10은 도 8의 자석쌍에 대한 분극 단편의 상면도이다. 분극 단편은 다수의 내측 분극 단편과 하나의 외측 분극 단편으로 구성되어 있으며, 내측 분극 단편은 전체적으로 외측 분극 단편에 의해 둘러 싸여 있으며, 외측 분극 단편의 호 내에 위치한다.
지금까지 본 발명의 특별한 실시예에 대해 기술하였지만, 타겟 단편의 형태에서 다른 변형이 타겟 침식 데이터를 근거로 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 이하의 청구범위의 범위에 의해서만 단지 제한된다.
상기한 본 발명에 따르면, 스퍼터링 챔버 상부에 말굽형의 자석쌍을 배치하여 타겟의 침식 패턴을 균일하게 함으로써 타겟 표면에 타겟 물질이 재증착하는 것을 감소시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 상부에 대향하는 한쌍의 자석이 배치되어 있는 스퍼터링 타겟의 재증착을 감소시키는 방법에 있어서,
    상기 타겟의 중앙선으로부터 타겟 침식 경로를 모니터링하는 단계와,
    스퍼터링을 행하는 동안, 상기 타겟의 침식 패턴이 보다 균일하게 되도록 상기 자석의 형태를 말굽형으로 개조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 스퍼터링 타겟용 자석쌍에 있어서,
    상기 자석 각각은 스퍼터링을 행하는 동안, 상기 타겟의 중앙선으로부터 에지로 침식의 균일성을 최적화할 수 있는 형태를 가지며, 상기 자석 각각은 개방 단부 부근의 두께가 중앙부의 두께보다 약 2배 정도 두꺼운 말굽형태를 가지는 것을 특징으로 하는 자석쌍.
  3. 타겟과,
    상기 타겟 위에 배치되어 있는 한쌍의 자석과,
    상기 타겟으로부터 평행하게 이격되게 배치되어 있는 기판 지지대와,
    상기 타겟에 연결되어 있는 전원과,
    상기 기판 지지대에 연결되어 있는 고주파 전원과,
    챔버 내에서 상기 타겟과 상기 기판 지지대 사이에 배치되어 있는 나선형 코일과, 그리고
    상기 나선형 코일에 연결되어 있는 고주파 전원을 포함하는 이온화된 금속 플라즈마 스퍼터링 챔버에 있어서,
    상기 한쌍의 자석은 상기 타겟의 침식 패턴을 충분히 균일하게 해서 상기 타겟 상에 재증착을 시키도록 말굽 형태를 가지며, 개방 단부의 두께가 중앙부의 두께보다 2배 이상인 말굽 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 이온화된 금속 플라즈마 스퍼터링 챔버.
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