KR20000015109A - Low pressure sputtering apparatus - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: The low pressure sputtering apparatus can solve the problem of a high pressure sputtering and an ionized physical vapor deposition(IPVD). CONSTITUTION: The apparatus comprises: a chamber(100); a reverse U-shaped target(1) installed on the upper side of the center in the chamber; a permanent magnet(2) installed outside the target; a mesh plate(8) which is installed on top of the chamber and injects a sputtering gas uniformly; a first coil(5) installed to wrap the center part of the chamber; a second coil(6) which is installed to wrap the bottom of the center of the chamber, being apart from the first coil; and a wafer support rod(12) which is located on the bottom part of the chamber and where the wafer is placed.

Description

저압 스퍼터링 장치Low pressure sputtering device

본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 특히 저압 스퍼터링 장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus. Specifically, It is related with the low pressure sputtering apparatus.

반도체 소자가 집적화됨에 따라 소자 속도를 증대시키기 위하여 저저항 물질의 개발과 더불어 금속층간의 상호접속 방식이 중요한 과제로 등장하고 있다. 저저항 물질은 알루미늄과 더불어 텅스텐 및 구리 등이 논의되어지고 있으며, 상호 접속 방식으로는 고압 스퍼터링 및 IPVD(ionized PVD) 등이 고려되고 있다.As semiconductor devices are integrated, the development of low-resistance materials and interconnection between metal layers have emerged as important tasks to increase device speed. In addition to aluminum, tungsten and copper have been discussed as low resistance materials, and high-voltage sputtering and ionized PVD (IPVD) have been considered as interconnection methods.

그러나, 상기 고압 스퍼터링은 상대적으로 높은 압력에서 진행되므로 스퍼터된 원자가 스퍼터링 가스와 충돌을 일으켜 직진성을 잃게 된다. 이렇게 직진성을 잃게 되면 콘택 엣지 부위에 오버행(overhang)이 생겨 콘택 필링(contact filling)에 치명적인 약점을 초래하게 된다. 또한, RF(radio frequency)를 사용하는 IPVD는 RF 바이어스가 플라즈마 전체에 균일하게 인가되지 않는다. 이로 인하여 국부적으로 높은 전압이 인가된 곳의 원자는 큰 포텐셜을 받아 기판에 높은 에너지로 충돌하게 되어 기판(웨이퍼) 표면에 심한 손상을 주게 된다.However, since the high pressure sputtering proceeds at a relatively high pressure, the sputtered atoms collide with the sputtering gas and lose straightness. This loss of straightness creates an overhang on the contact edge, which can result in a fatal weakness in contact filling. In addition, in the IPVD using RF (radio frequency), RF bias is not uniformly applied to the entire plasma. As a result, atoms in a region where a locally high voltage is applied receive a large potential and collide with high energy to the substrate, causing severe damage to the surface of the substrate (wafer).

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 고압 스퍼터링 문제점 및 IPVD 문제점을 해결할 수 있는 저압 스퍼터링 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a low pressure sputtering device that can solve the above-described high pressure sputtering problem and IPVD problem.

도 1은 본 발명에 의한 저압 스퍼터링 장치의 개략도이며,1 is a schematic diagram of a low pressure sputtering apparatus according to the present invention,

도 2는 도 1에 도시한 본 발명의 저압 스퍼터링 장치에 의한 스퍼터링 가스 및 스퍼터된 원자의 증착 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining a deposition mechanism of sputtering gas and sputtered atoms by the low pressure sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. 1.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 저압 스퍼터링 장치는 챔버와, 상기 챔버 내의 중앙 상측에 설치된 역 U 자형의 타겟과, 상기 타겟의 외측에 설치된 영구 자석과, 상기 챔버의 상부에 설치되고 스퍼터링 가스가 균일하게 분사되는 메쉬 플레이트와, 상기 챔버의 중앙부분을 감싸도록 설치된 제1 코일과, 상기 제1 코일과 일정간격 이격되어 상기 챔버의 중앙 하부를 감싸도록 설치된 제2 코일과, 상기 챔버의 하단부에 위치하고 웨이퍼가 놓이는 웨이퍼 지지대를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above technical problem, the low pressure sputtering apparatus of the present invention includes a chamber, an inverted U-shaped target installed above the center in the chamber, a permanent magnet installed outside the target, and sputtered on the upper portion of the chamber. A mesh plate in which gas is uniformly sprayed, a first coil installed to surround a central portion of the chamber, a second coil spaced apart from the first coil at a predetermined interval to surround a lower portion of the center of the chamber, and And a wafer support positioned at the lower end and on which the wafer is placed.

본 발명의 저압 스퍼터링 장치는 상대적으로 낮은 압력에서 스퍼터링을 진행할 수 있고, 스퍼터된 원자의 직진성이 좋아 콘택 필링(contact filling)을 용이하게 할 수 있다.The low pressure sputtering apparatus of the present invention can proceed sputtering at a relatively low pressure, and the straightness of the sputtered atoms can be good to facilitate contact filling.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 의한 저압 스퍼터링 장치의 개략도이며, 도 2는 도 1에 도시한 본 발명의 저압 스퍼터링 장치에 의한 스퍼터링 가스 및 스퍼터된 원자의 증착 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram of a low pressure sputtering apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining a deposition mechanism of sputtering gas and sputtered atoms by the low pressure sputtering apparatus of the present invention shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명의 저압 스터터링 장치는 음의 바이어스가 인가되는 역 U자형의 타겟(1)이 챔버(100)의 중앙 상부에 형성되어 있다. 여기서, 챔버벽은 양의 바이어스가 인가된다. 그리고, 스퍼터링 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(3)가 챔버(100)의 상부에 설치되어 있으며, 상기 가스 주입부(3)과 연결되도록 메쉬 플레이트(8)가 설치되어 있어 스퍼터링 가스가 챔버(100) 내부로 균일하게 분사된다. 도 1에서 가스 주입부와 관련된 화살표는 스퍼터링 가스의 흐름을 나타낸다.Referring to FIG. 1, in the low pressure stuttering apparatus of the present invention, an inverted U-shaped target 1 to which a negative bias is applied is formed at the center of the chamber 100. Here, a positive bias is applied to the chamber wall. In addition, a gas injector 3 for injecting the sputtering gas is installed in the upper part of the chamber 100, and a mesh plate 8 is installed to be connected to the gas injector 3 so that the sputtering gas is formed in the chamber ( 100) Evenly sprayed inside. Arrows associated with the gas injection in FIG. 1 indicate the flow of sputtering gas.

또한, 상기 타겟(100)의 외측에 영구 자석(2)을 위치시켜 참조번호 7과 같이 자기장이 형성된다. 이렇게 형성된 자기장은 주입된 스퍼터링 가스와 반응을 일으켜 대부분의 스퍼터링 가스를 이온화시킨다. 또한, 스퍼터링 가스가 타겟 원자를 뜯어내기 위해서는 고온의 에너지를 가지고 타겟(2)과 충돌하게 되는 데, 이러한 타겟의 온도증가를 외부와 절연하기 위하여 냉각제, 예컨데 냉각수를 주입되는 냉각수 주입구를 구비한다.In addition, by placing the permanent magnet 2 on the outside of the target 100, a magnetic field is formed as shown by reference numeral 7. The magnetic field thus formed reacts with the injected sputtering gas and ionizes most of the sputtering gas. In addition, the sputtering gas collides with the target 2 with high-temperature energy in order to remove the target atom, and a coolant inlet for injecting a coolant, for example, coolant, is provided to insulate the temperature increase of the target from the outside.

또한, 상기 챔버(100)의 중앙부분 및 하단 부분을 감싸도록 제1 코일(5) 및 제2 코일(6)을 설치하여 챔버(100) 중앙부에서 이온화된 원자의 운동방향과 자기장을 일치시켜 직진성 향상을 꾀하였다. 또한, 상기 챔버(100)의 하단부에는 웨이퍼를 지지하는 지지대(12)가 마련되어 있으며, 상기 지지대(12)의 양측에 절연체(10), 예컨대 폴리머 또는 알루미늄 산화막을 사용함으로써 웨이퍼는 RF 소오스(14)에 의하여 음의 바이어스를 인가해주고, 챔버 벽은 양의 바이어스를 인가하여 양으로 이온화된 원자를 하부로 끌어주고 웨이펴 중앙으로 밀어주는 역할을 하게 한다.In addition, by installing the first coil 5 and the second coil 6 to surround the central portion and the lower portion of the chamber 100 to match the direction of movement of the ionized atoms in the chamber 100 and the magnetic field to go straight I tried to improve. In addition, a support 12 for supporting a wafer is provided at a lower end of the chamber 100, and the wafer is provided with an RF source 14 by using an insulator 10, for example, a polymer or an aluminum oxide film, on both sides of the support 12. By applying a negative bias, the chamber wall applies a positive bias to draw positively ionized atoms downward and push them to the center.

이상과 같은 구성을 가지는 저압 스퍼터링 장치의 스퍼터링 가스 및 스퍼터된 원자의 증착 메카니즘을 도 2를 이용하여 설명한다.The deposition mechanism of the sputtering gas and the sputtered atoms of the low pressure sputtering apparatus having the above configuration will be described with reference to FIG. 2.

먼저, 일반적인 스퍼터링 장치의 가스 주입 방식은 알루미늄의 경우 대부분이 챔버의 중앙부 및 하부에 위치하여 막을 증착하고 있으며, 반응성 가스를 사용하는 Ti/TiN 챔버는 스퍼터링 가스가 중앙부에서 나오며, 질소 가스가 하부에서 나와 타이타늄 타겟의 질화를 방지해준다. 하지만 이러한 가스 주입 방식은 수mTorr에서 증착이 되며, 스퍼터링에 참여하지 못한 원자들은 스퍼터된 원자와 충돌하여 평균 자유 거리를 감소시키게 된다. 이러한 평균 자유 거리의 감소는 직접적으로 스퍼터된 원자의 직진성을 감소시켜 금속 콘택의 상부부위에 오버행을 일으켜 내부에 보이드를 유발하는 결과를 가져오므로 결국에는 금속 라인의 저항증가로 이러여 소자의 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미친다.First, the gas injection method of the general sputtering device is deposited in the case of aluminum is mostly located in the center and the bottom of the chamber, the Ti / TiN chamber using the reactive gas sputtering gas comes from the center, nitrogen gas from the bottom It prevents the nitriding of the titanium target with me. However, this gas injection method is deposited at a few mTorr, and atoms that do not participate in sputtering collide with the sputtered atoms to reduce the average free distance. This reduction in average free distance directly reduces the straightness of the sputtered atoms, resulting in overhangs in the upper portions of the metal contacts, causing voids therein, which in turn leads to an increase in the resistance of the metal lines resulting in device reliability. Adversely affects.

이에 반하여, 본 발명의 저압 스퍼터링 장치는 도 1 및 도 2와 도시된 바와 같이 가스 주입 방식을 챔버(100) 상부에서 나오게 하였으며, 스퍼터링 가스의 패스(path)와 영구 자석의 자기장 방향을 일치시켜 주입된 가스의 이온화율을 높이고자 하였다.In contrast, the low pressure sputtering apparatus of the present invention, as shown in Figs. 1 and 2, the gas injection method from the chamber 100, the injection of the sputtering gas by matching the path of the sputtering gas and the magnetic field direction of the permanent magnet It was intended to increase the ionization rate of the prepared gas.

구체적으로, 챔버(100) 내부에 메쉬 플레이트(8)를 통하여 주입된 대부분의 스퍼터 가스(A)가 자기장(7)에서 A+로 이온화되며, A+로 이온화된 가스는 캐소오드(cathode)인 타겟(1)과 인력이 작용하여 타겟(1)과 충돌을 일으키게 된다. 이러한 충돌에 의해 타겟 물질(M)이 스퍼터된다. 이렇게 방출된(스퍼터된) 타겟 원자는 대부분 중성이며, 자기장(7)에 의해 다시 M+로 이온화가 된다. 여기서, 이렇게 영구 자석에 의해 스퍼터링 가스와 스터터된 원자(M)을 동시에 이온화시키면 저압에서 스퍼터링을 구현할 수 있다. 이렇게 M+이온화된 스퍼터 원자(16)는 역U자형의 타겟에서 빠져나오게 되면 제1 코일(5) 및 제2 코일(2)에 의해 다시 직진성을 부여받아 스퍼터된 원자의 운동 방향(16a)을 기판(26)으로 향하게 한다. 상기와 같은 방향으로 이동하다가 기판(26)에 근접하면, 음의 RF 바이어스에 의한 힘(14a)이 기판(26)에 가해지므로 또 한번 직진성을 보장하게 된다. 더욱이, 챔버(100) 하부를 절연체(10)로 절연하였기 때문에 양의 바이어스(9)에 의해 최종적으로 기판(26)과 수직방향으로 스퍼터된 원자를 모아주는 역할을 하게 된다. 이런 과정에서 챔버 내부의 가스는 역u자형의 타겟 주위에 집중하게 되어 스퍼터된 가스와 양으로 이온화된 원자가 분산을 상당부분 줄일 수 있어 직진성을 증대시키게 된다. 이렇게 저압의 구현과 바이어스의 인가로 인하여 모든 원자가 기판(26)과 수직으로 증착이 되어 기판 상에 형성된 콘택홀을 잘 매립할 수 있게 된다.Specifically, most of the sputter gas A injected through the mesh plate 8 inside the chamber 100 is ionized with A + in the magnetic field 7, and the gas ionized with A + is a cathode. The attraction force with the target 1 causes collision with the target 1. This collision causes the target material M to be sputtered. The thus released (sputtered) target atoms are mostly neutral and are ionized back to M + by the magnetic field 7. Here, by spontaneously ionizing the sputtering gas and the Stuttered atom (M) by the permanent magnet it can be realized sputtering at low pressure. When the M + ionized sputter atom 16 is released from the inverted U-shaped target, the first coil 5 and the second coil 2 are given straightness again, and thus the sputtering atom 16a moves in the direction of motion 16a of the sputtered atom. Facing the substrate 26. When moving in the above direction and approaching the substrate 26, the force 14a due to the negative RF bias is applied to the substrate 26, thereby ensuring straightness again. Furthermore, since the lower portion of the chamber 100 is insulated from the insulator 10, the positive electrode 9 finally collects the atoms sputtered in the vertical direction with the substrate 26. In this process, the gas inside the chamber is concentrated around the inverted u-shaped target, which greatly reduces the sputtered gas and positively ionized valence dispersion, thereby increasing the straightness. Due to the low pressure and the application of bias, all atoms are deposited perpendicularly to the substrate 26 to fill up the contact holes formed on the substrate.

도 2에서, 참조번호 16a는 M+스퍼터된 원자의 운동방향을 나타내며, 참조번호 5a, 2a, 14a 및 각각 제1 코일, 제2 코일, RF 바이어스 및 양의 바이어스에 의한 힘을 나타내며, 참조번호 18, 20, 22 및 24는 벡터합을 나타낸다. In Fig. 2, reference numeral 16a denotes the direction of motion of M + sputtered atoms, reference numerals 5a, 2a, 14a and the force by the first coil, the second coil, the RF bias and the positive bias, respectively, 18, 20, 22 and 24 represent the vector sum.

이상, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식으로 그 변형이나 개량이 가능하다.As mentioned above, although this invention was demonstrated concretely through the Example, this invention is not limited to this, A deformation | transformation and improvement are possible with the conventional knowledge in the art within the technical idea of this invention.

상술한 바와 같이 본 발명의 저압 스퍼터링 장치는 스퍼터링 가스를 챔버의 상부에서 주입하고, 타겟의 주위에 영구자석을 사용하여 스퍼터링 가스를 이온화시킨다. 그리고, 이온화된 스퍼터링 가스는 타겟과 충돌하여 스퍼터 원자들을 발생시키며 발생된 스퍼터 원자는 제1 코일 및 제2 코일 등을 이용하여 기판에 수직하게 증착된다. 이렇게 되면, 본 발명의 스퍼터링 장치는 상대적으로 낮은 압력에서 스퍼터링을 진행할 수 있고, 스퍼터된 원자의 직진성이 좋아 콘택 필링(contact filling)을 용이하게 할 수 있다.As described above, the low pressure sputtering apparatus of the present invention injects the sputtering gas at the top of the chamber, and ionizes the sputtering gas using a permanent magnet around the target. The ionized sputtering gas collides with the target to generate sputter atoms, and the generated sputter atoms are deposited perpendicular to the substrate using the first coil, the second coil, and the like. In this case, the sputtering apparatus of the present invention can proceed the sputtering at a relatively low pressure, and the straightness of the sputtered atoms can be good to facilitate contact filling.

Claims (1)

챔버;chamber; 상기 챔버 내의 중앙 상측에 설치된 역 U 자형의 타겟;An inverted U-shaped target installed above the center in the chamber; 상기 타겟의 외측에 설치된 영구 자석;A permanent magnet installed outside the target; 상기 챔버의 상부에 설치되고 스퍼터링 가스가 균일하게 분사되는 메쉬 플레이트;A mesh plate installed at an upper portion of the chamber and in which a sputtering gas is uniformly sprayed; 상기 챔버의 중앙부분을 감싸도록 설치된 제1 코일;A first coil installed to surround a central portion of the chamber; 상기 제1 코일과 일정간격 이격되어 상기 챔버의 중앙 하부를 감싸도록 설치된 제2 코일; 및A second coil spaced apart from the first coil by a predetermined interval to surround the center lower portion of the chamber; And 상기 챔버의 하단부에 위치하고 웨이퍼가 놓이는 웨이퍼 지지대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저압 스퍼터링 장치.And a wafer support positioned on the lower end of the chamber and on which the wafer is placed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100874808B1 (en) * 2000-07-10 2008-12-19 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 Coaxial Electromagnets in Magnetron Sputtering Reactors

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