KR20010002284A

KR20010002284A - Magnetron sputtering apparatus

Info

Publication number: KR20010002284A
Application number: KR1019990022020A
Authority: KR
Inventors: 정용화
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2001-01-15

Abstract

PURPOSE: A magnetron sputtering apparatus is provided to design a metal target to be a round type and thus to be convex upward, thereby improving an adhesive property between the target and an attached material accumulated at a center portion of the target. CONSTITUTION: The device comprises a wafer holder(100) in which a wafer(102) is fixed, and a plate(104) disposed at a lower end of the wafer holder to be opposite to the wafer holder, wherein a metal target(106) served as a cathode electrode is disposed at the plate, and the metal target is formed into a round type to be convex upward at a center portion thereof. In the apparatus, the wafer holder and the plate are disposed at an upper and lower portion of the apparatus to be opposite to each other. A magnetron electrode(108) comprised of an internal magnetron electrode(108a) and an external magnetron electrode(108b) is disposed at a lower portion of the plate to be apart from each other at an interval.

Description

Magnetron sputtering apparatus

본 발명은 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스퍼터링 공정 진행시 상기 장치를 이루는 타깃의 센터 상에 퇴적된 부착물의 낙하로 인해 야기되는 공정 불량 발생을 막을 수 있도록 한 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly, to a magnetron sputtering apparatus that can prevent the process failure caused by the fall of deposits deposited on the center of the target constituting the apparatus during the sputtering process.

마그네트론 스퍼터링법은 전계와 직교하는 자계를 배치하고, 진공중에서 발생하는 플라즈마를 타깃 근방의 공간에 가두는 원리를 적용하여 막질 증착을 이루는 기술로서, 도 1에는 상기 기술을 적용한 막질 증착시 널리 사용되어 오던 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면 구조를 도시한 개략도가 제시되어 있다.The magnetron sputtering method is a technique of forming a film quality by applying a principle of placing a magnetic field orthogonal to an electric field and confining a plasma generated in a vacuum in a space near a target. A schematic diagram showing the cross-sectional structure of an old magnetron sputtering apparatus is presented.

도 1의 개략도에 의하면, 현재 일반적으로 사용되고 있는 마그네트론 스퍼터링 장치는 웨이퍼(12)가 고정되는 웨이퍼 홀더(10)와 음극전극으로 사용되는 금속 타깃(16)이 장착된 플레이트(14)가 서로 대향되도록 상·하부에 배치되고, 상기 플레이트(14) 하단에는 내부 마그네트론 전극(18a)과 외부 마그네트론 전극(18b)으로 구성된 한쌍의 마그네트론 전극(18)이 센터를 축으로 하여 서로 소정 간격 이격되도록 배치되어 있는 구조를 가짐을 알 수 있다. 이때, 금속 타깃(16)은 그 표면이 평평한 구조를 가지도록 설계되어 있다.According to the schematic diagram of FIG. 1, the magnetron sputtering apparatus currently generally used has a wafer holder 10 to which the wafer 12 is fixed and a plate 14 on which the metal target 16 used as the cathode electrode is opposed to each other. It is disposed above and below, and a pair of magnetron electrodes 18 composed of an inner magnetron electrode 18a and an outer magnetron electrode 18b are disposed at a lower end of the plate 14 so as to be spaced apart from each other by a center axis. It can be seen that it has a structure. At this time, the metal target 16 is designed to have a flat surface.

따라서, 상기 스퍼터링 장치는 다음과 같은 방법으로 웨이퍼(12) 상에 금속막을 증착하게 된다. 여기서는 일 예로서, 금속 타깃(16)이 Ti 타깃인 경우에 대하여 살펴본다.Therefore, the sputtering apparatus deposits a metal film on the wafer 12 in the following manner. As an example, the case where the metal target 16 is a Ti target will be described.

즉, 상기 장치 내의 진공도를 원하는 레벨까지 낮추어 준 상태에서 상기 장치 내로 Ar 가스를 주입해 주어 내부가 Ar 가스로 차지(charge)되도록 한 후, 이 상태에서 금속 타깃(16)에 (-)전원을 인가하면 상기 장치 내에 자기장(B)이 형성됨과 동시에 타깃(16) 속의 전자가 타깃 바깥으로 튀어나가게 된다. 튀어나간 전자에 의해 Ar이 이온화되어져 플라즈마(plasma)(Ar 이온)가 만들어지게 되고, 이것이 고속으로 음극전극인 금속 타깃(16)으로 충돌하게 되는데, 이 과정에서 고속으로 충돌하는 플라즈마에 맞은 금속 타깃(16)의 입자(Ti 입자)가 타깃(16)으로부터 떨어져 나와 자유각도로 웨이퍼(12) 상에 스퍼터링되게 된다. 그 결과 Ti 재질의 금속막 증착이 이루어지게 되는 것이다.That is, the Ar gas is injected into the device in a state in which the vacuum degree in the device is lowered to a desired level so that the inside is charged with Ar gas, and in this state, a negative power is supplied to the metal target 16. When applied, a magnetic field B is formed in the device and at the same time, electrons in the target 16 pop out of the target. Ar is ionized by the protruding electrons to form a plasma (Ar ions), which collides with the metal target 16 which is the cathode electrode at high speed. In this process, the metal target is hit by the plasma colliding at high speed. Particles (Ti particles) of 16 are separated from the target 16 to be sputtered on the wafer 12 at a free angle. As a result, the Ti film is deposited.

그러나, 상기 구조를 가지도록 스퍼터링 장치를 설계할 경우에는 웨이퍼상에 Ti 재질의 금속막 증착시 다음과 같은 문제가 발생하게 된다.However, when the sputtering device is designed to have the above structure, the following problem occurs when the Ti film is deposited on the wafer.

스퍼터링법을 적용한 Ti 재질의 금속막 증착시, 금속 타깃(16) 상의 센터부(도 1에서 참조부호 d로 표시된 부분)에는 자기장(B)이 걸리지 않아 플라즈마가 도달되지 않으므로 스퍼터링시 d로 표시된 부분에도 Ti 입자가 일부 퇴적되어져 부착물(t)의 형태로 증착되게 된다. 이때, 상기 부착물(t)은 순순한 Ti 성분외에 스퍼터 챔버 내에 잔류되어 있던 미량의 산소 성분이나 하이드로겐 또는 네온 등의 유해가스와 Ti 성분이 결합된 TiX 성분들도 포함되어 있다고 보면 된다.When depositing the metal film made of Ti material by applying the sputtering method, the portion indicated by d during sputtering is not formed because the magnetic field B is not applied to the center portion (the portion indicated by reference numeral d in FIG. 1) on the metal target 16. Even Ti particles are partially deposited and deposited in the form of deposits t. In this case, the deposit (t) may be considered to include TiX components in which a trace amount of oxygen remaining in the sputter chamber and a harmful gas such as hydrogen or neon are combined with the Ti component in addition to the pure Ti component.

따라서, 비교적 낮은 볼테이지의 전원이 공급되는 공정 초기 단계에서는 별 문제가 제기되지 않으나 공정 진행으로 인해 타깃(16)의 두께가 점점 얇아지게 되어 금속 타깃(16)과 웨이퍼(12) 간의 수직 거리(h) 즉, 금속 타깃(16)으로부터 스퍼터링된 Ti 입자가 자유비행하는 거리가 길어질 경우에는 다음과 같은 문제가 발생하게 된다.Therefore, in the initial stage of the process of supplying a relatively low voltage, no problem is raised, but as the process proceeds, the thickness of the target 16 becomes thinner, so that the vertical distance between the metal target 16 and the wafer 12 ( h) That is, when the distance of free flight of the sputtered Ti particles from the metal target 16 becomes long, the following problems occur.

도 1의 h에 해당되는 거리가 길어질 경우, 웨이퍼(12) 상으로 도달되는 Ti 입자 수가 줄어들게 되어 막질 증착이 제대로 이루어지지 않게 되므로 이를 방지하기 위하여 어느 시점이 지나게 되면 금속 타깃(16)에 초기 전원보다 높은 전원을 인가해 주어야만 하는데, 이렇게 초기보다 큰 세기의 전원을 타깃(16)에 인가하게 되면 자기장이 커지게 되어 타깃(16) 상에서 플라즈마 영역 또한 넓어지게 된다.When the distance corresponding to h of FIG. 1 becomes long, the number of Ti particles that reach the wafer 12 is reduced, so that film quality is not properly deposited. Therefore, when a certain time passes, the initial power source to the metal target 16 is prevented. Higher power must be applied, and when a power of greater intensity is applied to the target 16, the magnetic field is increased, and the plasma region on the target 16 is also widened.

이와 같이 플라즈마 영역이 넓어질 경우, 부착물(t)이 퇴적되는 d 영역의 사이즈도 그 만큼 줄어들게 되므로 스퍼터링시 d 영역 상에 퇴적되어 있던 부착물(t)의 일부가 플라즈마에 부딪히게 되어 Ti 입자와 함께 웨이퍼(12) 상으로 떨어지는 현상이 발생하게 된다.In this case, when the plasma region is widened, the size of the region d on which the deposit t is deposited is reduced by that amount, so that a part of the deposit t deposited on the region d during the sputtering hits the plasma and together with the Ti particles. The phenomenon of falling onto the wafer 12 occurs.

이러한 현상은 금속 타깃(16)이 플랫(flat)한 형상을 가져 부착물(t)과 타깃(16) 간의 접착(adhesion) 특성이 약하기 때문에 발생되는 것으로, 상기 현상이 발생될 경우 막질 증착을 위한 스퍼터링시 이것이 파티클(particle)로 작용하게 되어 공정 불량을 유발시키게 되므로 이에 대한 개선책이 시급하게 요구되고 있다.This phenomenon occurs because the metal target 16 has a flat shape, and thus the adhesion property between the attachment t and the target 16 is weak. When the above phenomenon occurs, sputtering for film deposition Since this will act as a particle (particle) to cause a process failure, there is an urgent need for improvement.

이에 본 발명의 목적은, 스퍼터링 장치를 구성하는 금속 타깃을 센터부가 라운드형으로 위로 볼록하게 올라온 형상을 가지도록 설계해 주므로써, 센터부에 퇴적되는 부착물과 타깃 간의 접착 특성을 향상시킬 수 있도록 하고, 스퍼터링 과정에서 금속 타깃에 인가되는 전원이 초기 전원보다 높아지더라도 플라즈마 영역이 넓어지는 것을 최소화할 수 있도록 하여 공정 불량 발생을 사전에 막을 수 있도록 한 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to design the metal target constituting the sputtering device to have a shape in which the center portion is raised convexly upward, thereby improving the adhesive property between the target deposited on the center portion and the target. In addition, the present invention provides a magnetron sputtering apparatus that prevents process defects from occurring by minimizing the spread of the plasma region even when the power applied to the metal target is higher than the initial power during the sputtering process.

도 1은 종래 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면 구조를 개략적으로 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of a conventional magnetron sputtering device,

도 2는 본 발명에 의한 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing the cross-sectional structure of the magnetron sputtering apparatus according to the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 웨이퍼가 고정되는 웨이퍼 홀더; 및 상기 웨이퍼 홀더와 대향되도록 상기 웨이퍼 홀더 하단에 배치되며, 음극전극으로 사용되고, 센터부가 라운드형으로 위로 볼록하게 올라온 형상을 가지도록 설계된 금속 타깃이 장착되어 있는 플레이트로 이루어진 마그네트론 스퍼터링 장치가 제공된다.In the present invention to achieve the above object, the wafer holder is fixed; And a magnetron sputtering device, which is disposed at a lower end of the wafer holder so as to face the wafer holder, is used as a cathode electrode, and is equipped with a metal target plate designed to have a center portion raised upwardly in a round shape.

상기 구조를 가지도록 마그네트론 스퍼터링 장치를 설계할 경우, 타깃의 센터부가 라운드 형상을 가지므로 플랫한 형상을 가지도록 설계된 경우에 비해 금속 타킷과 부착물 간의 접착 특성을 향상시킬 수 있게 되고, 스퍼터링시 일정 시간 경과후 초기 전원보다 큰 세기의 전원을 타깃에 인가해 주더라도 플라즈마 영역이 넓어지는 것을 최소화할 수 있게 되므로, 금속 타깃의 센터부에 퇴적된 부착물이 플라즈마에 부딪혀 웨이퍼 상으로 떨어지는 것을 막을 수 있게 된다.When the magnetron sputtering device is designed to have the above structure, since the center portion of the target has a round shape, the adhesive property between the metal target and the attachment can be improved compared to the case where it is designed to have a flat shape, and a certain time during sputtering Even after applying the power of greater intensity than the initial power to the target, it is possible to minimize the widening of the plasma area, thereby preventing the deposit deposited on the center of the metal target from colliding with the plasma and falling onto the wafer. .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에서 제안된 마그네트론 스퍼터링 장치의 단면 구조를 도시한 개략도를 나타낸다.Figure 2 shows a schematic diagram showing the cross-sectional structure of the magnetron sputtering apparatus proposed in the present invention.

도 2의 개략도에 의하면, 본 발명에서 제안된 마그네트론 스퍼터링 장치는 웨이퍼(102)가 고정되는 웨이퍼 홀더(100)와 음극전극으로 사용되는 금속 타깃(106)이 장착된 플레이트(104)가 서로 대향되도록 상·하부에 배치되고, 상기 플레이트(104) 하단에는 내부 마그네트론 전극(108a)과 외부 마그네트론 전극(108b)으로 구성된 한쌍의 마그네트론 전극(108)이 센터를 축으로 하여 서로 소정 간격 이격되도록 배치되어 있다는 점에서는 종래와 기본 구조가 유사하나 음극전극으로 사용되는 금속 타깃(106)의 센터부가 라운드형으로 위로 볼록하게 올라온 형상을 가지도록 제작되어 있다는 점에서 차이를 지님을 알 수 있다.According to the schematic diagram of FIG. 2, the magnetron sputtering apparatus proposed in the present invention has the wafer holder 100 on which the wafer 102 is fixed and the plate 104 on which the metal target 106 used as the cathode electrode are opposed to each other. It is disposed in the upper and lower, the pair of magnetron electrode 108 composed of the inner magnetron electrode 108a and the outer magnetron electrode 108b at the lower end of the plate 104 is arranged so as to be spaced apart from each other with a center as the axis. In this respect, the basic structure is similar to the conventional one, but it can be seen that there is a difference in that the center portion of the metal target 106 used as the cathode electrode is manufactured to have a rounded convex upward shape.

이와 같이 금속 타깃(106)을 센터부가 라운드형으로 위로 볼록하게 올라온 구조를 가지도록 설계한 것은 다음과 같은 연유에서 비롯된다.As such, the metal target 106 is designed to have a structure in which the center portion is raised upwardly in a round shape.

스퍼터링 공정 진행시 일정 시간이 경과하게 되면 타깃(106)의 두께가 점점 얇아지게 되어 금속 타깃(106)과 웨이퍼(102) 간의 수직 거리(h) 즉, 금속 타깃(106)으로부터 스퍼터링된 Ti 입자가 자유비행하는 거리가 길어지게 되는데, 이러한 현상이 발생되면 웨이퍼(102) 상으로 도달되는 Ti 입자 수가 줄어들게 되어 막질 증착이 제대로 이루어지지 않게 된다.When a predetermined time elapses during the sputtering process, the thickness of the target 106 becomes thinner, and thus the vertical distance (h) between the metal target 106 and the wafer 102, that is, the Ti particles sputtered from the metal target 106 The free-flying distance becomes long, and when this phenomenon occurs, the number of Ti particles reaching the wafer 102 is reduced, so that film quality deposition is not performed properly.

따라서, 일정 시간 경과 후에는 이러한 현상을 방지하기 위한 한 방법으로서 금속 타깃(106)에 초기 전원보다 큰 세기의 (-)전원을 인가해 주게 되는데, 이렇게 되면 금속 타깃(106)에 걸리는 자기장(B)의 세기가 커지게 되어 자연히 플라즈마 영역 또한 넓어지게 된다.Therefore, after a certain period of time, as a method for preventing such a phenomenon, a negative power having a greater intensity than the initial power is applied to the metal target 106. In this case, the magnetic field B applied to the metal target 106 is applied. ), The intensity is increased, so that the plasma region is also naturally widened.

그러나, 도 2에서와 같이 금속 타깃(106)의 센터부를 볼록한 구조의 라운드 형상으로 가져가게 되면, 자기장이 걸리지 않는 타깃(106)의 센터부(도 2에서 참조부호 d로 표시된 부분)에 막질이 퇴적될 때 종래의 경우에 비해 그 접착 특성을 향상시킬 수 있게 될 뿐 아니라 참조부호 Ⅰ로 표시된 부분에 고속의 플라즈마가 부딪힐 경우에는 그 경사각 θ로 인해 자기장(B)이 걸리지 않는 d로 표시된 영역쪽으로 금속 입자(예컨대, Ti 입자)가 스퍼터링되는 효과를 얻을 수 있게 되므로, d 영역 상에 퇴적되는 부착물(t)의 량이 종래보다 현저하게 줄어들 뿐 아니라 실질적인 퇴적이 이루어지는 부분도 d' 영역으로 극히 제한되기 때문에 초기보다 큰 세기의 (-)전원 인가로 인해 타깃(106)에 걸리는 자기장(B)의 세기가 커지더라도 플라즈마 영역이 넓어지는 것을 최소화할 수 있게 된다.However, as shown in FIG. 2, when the center portion of the metal target 106 is brought into a round shape having a convex structure, the film quality is formed in the center portion (the portion indicated by reference numeral d in FIG. 2) of the target 106 that is not subjected to the magnetic field. When deposited, the adhesion characteristics can be improved as compared with the conventional case, and in the case where a high-speed plasma strikes the portion indicated by the reference I, the region indicated by d where the magnetic field B is not applied due to the inclination angle θ Since the effect of sputtering metal particles (eg, Ti particles) on the side can be obtained, the amount of deposit (t) deposited on the d region is not only significantly reduced than in the prior art but also the portion where substantial deposition is extremely limited to the d 'region. Therefore, the plasma area is minimized even if the intensity of the magnetic field B applied to the target 106 is increased due to the application of a negative power of greater intensity than the initial stage. It can be so.

게다가 이 경우에는 초기 상태에 비해 플라즈마 영역이 다소 넓어지더라도 ℓ로 표시된 부분에서는 부착물(t) 증착이 거의 이루어져 있지 않을 뿐 아니라 일부 퇴적되었다 하더라도 부착물(t)과 타깃(106) 간의 접착 특성 향상으로 인해 작은 충격에 의해서는 이것이 쉽게 떨어지지 않으므로, 스퍼터링시 부착물(t)의 낙하로 인해 야기되는 공정 불량 발생을 사전에 막을 수 있게 된다.In addition, in this case, even though the plasma region is slightly wider than the initial state, the deposit (t) is hardly deposited at the portion indicated by ℓ, and even if partially deposited, the adhesion property between the attachment (t) and the target 106 is improved. Due to this small impact it is not easy to fall off, it is possible to prevent in advance the process failure caused by the drop of the attachment (t) during sputtering.

즉, 도 2의 구조를 가지도록 마그네트론 스퍼터링 장치를 설계할 경우에는 금속 타깃의 센터부에 퇴적된 부착물(t)과 상기 타깃(106) 간의 접착 특성을 향상시킬 수 있게 될 뿐 아니라 일정 시간 경과후 타깃(106)에 걸리는 자기장의 세기가 커지더라도 플라즈마 영역이 넓어지는 것을 최대한 억제할 수 있게 된다.That is, when the magnetron sputtering device is designed to have the structure of FIG. 2, not only the adhesion property between the deposit t deposited on the center portion of the metal target and the target 106 can be improved, but also after a certain time. Even if the intensity of the magnetic field applied to the target 106 increases, it is possible to suppress the widening of the plasma region as much as possible.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 스퍼터링 장치를 구성하는 금속 타깃을 센터부가 라운드형으로 위로 볼록하게 올라온 형상을 가지도록 설계해 주므로써, 1) 센터부에 퇴적되는 부착물과 타깃 간의 접착 특성을 향상시킬 수 있게 되고, 2) 금속 타깃에 인가되는 (-)전원이 초기 전원보다 높아지더라도 플라즈마 영역이 넓어지는 것을 최소화할 수 있게 되므로, 스퍼터링시 센터부에 퇴적된 부착물의 낙하로 인해 야기되던 공정 불량 발생을 사전에 막을 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, by designing the metal target constituting the sputtering device to have a shape in which the center portion is raised convexly upward, 1) the adhesion property between the deposit deposited on the center portion and the target It is possible to improve, and 2) minimizing the widening of the plasma area even if the negative power applied to the metal target is higher than the initial power, so that the process caused by dropping of deposits deposited on the center part during sputtering is minimized. The failure can be prevented in advance.

Claims

A wafer holder to which the wafer is fixed; And

A magnetron sputtering device, characterized in that it is disposed on the lower side of the wafer holder to face the wafer holder, and is used as a cathode electrode and is equipped with a metal target designed to have a center portion raised upwardly in a round shape.