KR20010030729A - 물리적 증기 증착을 위한 개선된 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 조합 스퍼터 타겟 및 유도 안테나로 구성되는 개선된 스퍼터 안테나에 관한 것이다. 한 실시예에서, 스퍼터 타겟이 여기될 때, 스퍼터 물질 입자는 스퍼터 타겟으로부터 스퍼터링되고, 플라즈마가 유도된다.
또하나의 실시예에서, 스퍼터 타겟은 에너지 원에 의해 여기된다. 다른 하나의 실시예에서, 에너지 원은 바이어스 전력 공급 장치와 유도 전력 공급 장치를 포함한다. 바이어스 전력 공급 장치는 물체에 대해 스퍼터 타겟에 전위를 가한다. 유도 전력 공급 장치는 스퍼터 타겟에 전류를 가한다. 이 전위와 전류는 스퍼터 타겟의 스퍼터링, 플라즈마 형성, 그리고 스퍼터 물질 입자의 이방성 분포를 촉진시킨다.
Description
스퍼터링으로 명명되는 물리적 증기 증착법은 스퍼터링 타켓으로부터 물체까지 물질을 전송하는 방법이다. 스퍼터링은 스퍼터링 타겟과 물체 사이에 전위차를 가하는 방식으로 진행되어, 스퍼터링 타겟으로부터 물체까지 물질의 이동을 증진시킨다.
도 1은 기존의 물리적 증기 증착(PVD) 장치(10)를 도시한다. 물리적 증기 증착 장치(10)는 스퍼터 타겟(15), 척(20), 그리고 직류 바이어스 전력 공급 장치(25)를 포함한다. PVD 장치(10)는 내부 챔버(12)를 가지고, 이 챔버 내에는 스퍼터 타겟(15)과 척(20)이 위치한다. 물체(30)는 일반적으로 척(20) 위에 위치한다. 내부 챔버(12)는 초저압을 유지하는 것이 일반적이며, 아르곤 기체가 저압에서 내부 챔버(12)로 유입된다. 플라즈마 상태의 기체가 타겟으로부터 물질을 스퍼터링 방식에 의해 분리하기에 적절하다.
CD 바이어스 전력 공급 장치(25)는 스퍼터링 타겟(15)을 접지부에 대해 음으로 바이어스시킨다. 스퍼터링 타겟(15)과 접지부 사이에 형성되는 전위는 아르곤 기체 입자의 이온화를 촉진시킨다. 이온은 스퍼터 타겟(15)과 충돌하여, 금속 입자(40)를 생성한다. 금속 입자(40)는 전체 챔버(12)와 충돌하고, 금속 입자(45) 일부는 물체(30)에 증착된다.
더 높은 속도의 스퍼터링을 촉진시키기 위해서, 외부 생성 자기장(50)이 스퍼터 타겟(15) 주위에 유도되는 것이 일반적이다. 자기장(50)은 스퍼터 타겟(15) 가까이에서 더 높은 밀도의 이온을 가지는 플라즈마(45)의 형성을 촉진시킨다. 스퍼터 타겟(15) 주위에서 더 많은 이온이 존재하는 것은 이온과 스퍼터 타겟 사이에 상호작용을 일으켜서, 높은 속도의 스퍼터링을 가능하게 한다.
기존 PVD 장치의 한 결점은 수용가능한 속도의 스퍼터링에 요구되는 높은 전력이다. 수용가능한 증착 속도를 얻기 위해 가끔씩 전력 공급 장치(25)는 20 킬로와트의 전력을 발생시켜야 할 경우도 있다.
기존 PVD 장치(10)의 또다른 단점은 스퍼터링 타겟(15)으로부터 떨어져 나가는 금속 입자(40)가 등방성으로 분포된다는 점이다. 즉, 스퍼터 입자(40)는 개별적으로 임의 방향으로 이동한다. 일부 스퍼터링 응용 장치의 경우에, 금속 입자(40)의 등방성 분포는 바람직하지 못하다.
도 2A-C는 반도체 기판(30')인 물체(30)의 트렌치(31)를 채우는 과정을 도시한다. 많은 스퍼터링 장치에서, 반도체 기판(30')의 트렌치(31)는 금속 스퍼터 물질로 채워진다. 금속 입자(40)의 등방성 분포는 도 2B에 도시되는 바와 같이 금속층(41)의 증착을 이끈다. 금속층(41)은 트렌치(31) 바닥에만 형성되는 것이 아니라, 트렌치의 벽을 따라서도 형성된다. 결과적으로, 도 2C에 도시되는 바와 같이, 트렌치(31)는 금속층(41)에 의해 채워지지만, 가끔씩 보이드(43)가 트렌치 내에 형성될 수 있다. 트렌치 내의 보이드(43)는 최종 반도체 장치의 고장 원인이 된다.
도 3A-3B는 이방성으로 분포되는 금속 입자에 의해 트렌치(31)를 채우는 과정을 도시한다. 이방성으로 분포되는 금속 입자는 동일한 방향으로 이동한다. 그러므로, 반도체 기판(30')을 향해 수직으로 이동하는 이방성 진행 금속 입자(40)는 보다 균일한 금속층(41')으로 증착된다. 도 3A와 3B에 도시되는 바와 같이, 금속층(41')은 바닥으로부터 균일하게 트렌치(31)를 채워서, 보이드 형성(43)을 방지한다.
금속 입자를 이방성 증착하는 기존 방법도 여러 단점을 가진다. 예를 들어 도 4는 컬리메이터(60)를 이용하는 기존 PVD 장치(10')를 도시한다. 컬리메이터(60)는 그림과 같이 금속 입자(40)를 걸러서, 물체(30)를 향해 수직으로 진행하는 금속 입자만을 통과시킨다. 컬리메이터(60)와 물체(30) 사이에서 금속 입자(40)가 다른 입자와 충돌하는 것을 막기 위해서, 챔버(12) 내에 더 높은 진공이 요구된다.
스퍼터링된 금속 입자들의 상당부를 걸러내는 것은 증착 속도를 저하시킨다. 그러므로, 컬리메이터가 없는 PVD 장치와 유사한 속도를 얻기 위해 높은 전력이 요구된다.
도 5는 단면도에 도시되는 유도 코일(70)을 이용하는, 또하나의 기존 PVD 장치(10")을 도시한다. 유도 코일(70)은 RF 전력 공급 장치(72)에 연결된다. RF 전력 공급 장치(72)는 코일(70)의 원주 내에 플라즈마(45')를 유도하는 유도 코일(70)을 통해 교류를 제공한다.
스퍼터 타겟(15)은 전력 공급 장치(25)에 의해 독립적으로 바이어스될 수 있다. 바이어스 전력 공급 장치(25)는 스퍼터링 속도를 조절하고, RF 전력 공급 장치(72)는 이온 생성을 조절한다. 플라즈마의 변부로 확산하는 이온은 플라즈마와 경계부 사이의 전위차를 떨어뜨리고, 경계부에 수직인 속도 성분을 얻는다. 이 과정은 이온화 물리적 증기 증착법으로 일컬어진다.
그러나, PVD 장치(10")은 몇몇 제한점을 가진다. 먼저, 바이어스 전위를 생성하고 유도 코일(70)에 전력을 공급하기 위해 상당량의 전력을 여전히 필요로 한다. 다음으로, 유도 코일(70) 및 스퍼터 타겟(15)은 오염 방지를 위해 동일 종류, 동일 품질의 물질로 제작되어야 한다. 세 번째로, 유도 코일(70) 자체가 증착 과정에서 소모될 수 있어서, 스퍼터 타겟(15)에 더해 유도 코일(70)까지 교체할 필요성이 제기된다.
최종적으로, 스퍼터 타겟(15)은 균일하게 소모되지 않는다. 일반적으로, 이온화 PVD 시스템에서 사용되는 스퍼터 타겟(15)은 원형 디스크이다. 이 디스크는 디스크의 외부 직경 내 고리 패턴에서 가장 빨리 소모된다. 비균일성은 외부 생성 자기장(50)의 스퍼터 타겟(15)을 향한 비정규적인 이온 인력에 의해 생성되는 것이 일반적이다. 스퍼터 타겟의 비균일 소모는 스퍼터 타겟(15)을 더욱 자주 교체할 필요성을 제기한다.
그러므로, 에너지 소비를 최소로 하면서 스퍼터 물질을 물체에 이방성으로 증착하는 방법 및 장치에 대한 요구가 존재한다. 따라서, 증착 과정동안 사용되고 소비되는 요소의 수를 최소화하는 것이 선호된다. 결국, 증착 과정의 처리량 증가가 요망된다.
본 발명은 물리적 증기 증착법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이온화 물리적 증기 증착을 위한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 기존 방식의 물리적 증기 증착(PVD) 장치의 도면.
도 2A-C는 반도체 기판의 트렌치를 채우는 과정을 도시하는 도면.
도 3A-B는 이방성으로 분포되는 금속 스퍼터 입자에 의해 트렌치가 채워지는 과정을 도시하는 도면.
도 4는 컬리메이터를 이용하는 기존 PVD 장치의 단면도.
도 5는 단면으로 도시되는 이온화 유도 코일을 이용하는 또하나의 기존 PVD 장치의 단면도.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따르는, 개선된 물리적 증기 증착 장치의 도면.
도 7은 발명의 한 실시예에 따라는, 도 6의 개선된 물리적 증기 증착 장치에 전력을 공급하기 위한 전원의 도식적 블록 다이어그램.
도 8A와 8B는 본 발명의 선택적인 실시예에 따르는, 정합 네트워크의 선택적 실시예의 도식적 다이어그램.
도 9A와 9B는 본 발명의 선택적인 실시예에 따르는, 스퍼터 안테나의 예시된 형태를 도시하는 도면.
도 10A-10E는 본 발명의 선택적인 실시예에 따르는, 스퍼터 안테나의 예시되는 단면 형태의 도면.
도 11은 본 발명에 따르는, 스퍼터 안테나의 선택적인 실시예의 단면도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따르는, 스퍼터 안테나의 다른 실시예의 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따르는, 스퍼터 안테나의 또하나의 실시예의 단면도.
발명은 조합 스퍼터 타겟과 유도 안테나로 구성되는 개선된 스퍼터 타겟에 관한 것이다. 개선된 스퍼터 타겟은 물리적 증기 증착 과정을 성공적으로 실행함에 있어 필요한 전력량을 감소시킨다. 추가적으로, 개선된 스퍼터는 물리적 증기 증착 장치의 설계를 단순화한다.
한 실시예에서, 개선된 스퍼터 타겟은 스퍼터 물질로 구성된다. 스퍼터 타겟에 전압이 걸릴 때, 스퍼터 물질 입자는 스퍼터링 되어 사라지고 플라즈마가 유도되어, 스퍼터 물질 입자가 이방성으로 진행한다.
또하나의 실시예에서, 스퍼터 타겟은 에너지 원에 의해 전류를 공급받는다. 또다른 실시예에서, 에너지원은 바이어스 전력 공급 장치와 유도 공급 장치를 포함한다. 바이어스 전력 공급 장치는 물체나 접지부에 대해 스퍼터 타겟에 전위를 가한다. 유도 전력 공급 장치는 스퍼터 타겟에 전류를 가한다. 상기 전위 및 전류는 스퍼터 물질이 스퍼터링되어 나가는 것을 용이하게 하고, 플라즈마 형성 및 스퍼터 물질 입자의 이방성 분포를 촉진시킨다.
선택적인 실시예에서, 스퍼터 타겟은 어떤 적절한 크기, 형태, 그리고 조성을 가질 수 있다. 한 실시예에서, 스퍼터 타겟은 챔버 표면에 부착될 수 있다. 또하나의 실시예에서, 스퍼터 타겟이 보호된다.
개선된 스퍼터 타겟을 포함하는 물리적 증기 증착 장치가 또한 공개된다. 한 실시예에서, 물리적 증기 증착 장치는 에너지원을 또한 포함한다. 에너지 원은 바이어스 전력 공급 장치, 유도 전력 공급 장치, 그리고 정합 필터를 포함한다. 정합 필터는 전력 공급 장치들의 전력 출력을 조합하여, 스퍼터 타겟에 조합된 전력 출력을 제공한다.
물리적 증기 증착의 방법이 또한 공개된다. 본 발명의 이 특징 및 장점과 다른 특징 및 장점은 아래의 도면과 실시예를 읽은 후 명백해질 것이다.
본 발명은 선호되는 몇몇 실시예와 첨부 도면을 참조로 이제부터 상세히 설명될 것이다. 다음의 내용에서, 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해 수많은 세부 사항이 설명될 것이다. 그러나, 이러한 세부 사항 전부나 일부 없이도 본 발명이 실시될 수 있음을 당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있을 것이다. 다른 예에서, 본 발명의 본질을 불필요하게 흐리지 않기 위해, 공지된 여러 단계는 상세히 설명되지 않을 것이다.
본 발명의 한 실시예에서, 조합 스퍼터 타겟과 유도 안테나, 또는 스퍼터 안테나가 공개된다. 스퍼터 타겟과 유도 안테나의 기능을 단일 요소로 조합함으로서, 물리적 증기 증착의 많은 요소가 크게 개선될 수 있다. 먼저, 스퍼터 안테나의 바이어스 전위를 생성하고 스퍼터 안테나를 통해 유도 전류를 생성하는 데 필요한 전력량이 크게 감소할 수 있다. 다음으로, 스퍼터 타겟과 유도 안테나가 단일 요소로 조합되기 때문에, 단 한 요소만이 필요하다. 또한, 스퍼터 안테나는 균일하게 소모될 수 있어서, 더 수명이 길다. 추가적으로, 스퍼터 안테나는 고압 환경에서 사용될 수 있어서, 처리량 증가에 이롭다.
본 발명의 특징 및 장점은 아래의 내용과 도면을 참조할 때 더욱 쉽게 이해될 것이다. 도 6은 발명의 한 실시예에 따르는, 개선된 물리적 증기 증착 장치(100)의 도식적 다이어그램이다. 개선된 물리적 증기 증착 장치(100)는 챔버(110), 조합 스퍼터 타겟 및 유도 안테나 또는 스퍼터 안테나(112), 척(115), 그리고 전원(120)으로 구성된다. 스퍼터 안테나(112)는 챔버(11) 내에, 그리고 척(115) 반대편에 장착된다. 스퍼터 물질로 증착될 물체(122)는 척(115) 위에 위치한다. 전원(120)은 물체(122)와 스퍼터 안테나(112)에 전기적으로 연결된다.
챔버(110) 내에 진공이 형성되고, 기체가 챔버 내로 주입된다. 기체는 물리적 증기 증착 과정에서 사용하기 적합한 어떤 기체도 이용가능하다. 예를 들어, 아르곤과 크세논과 같은 비활성 기체는 물리적 증기 증착 과정에서 선호되는 결과를 보여준다는 것이 판명되었다. 또한, 질소와 구리와 같은 다른 적절한 기체도 PVD 과정에서 사용될 수 있다.
전원(120)은 물체(122)와 스퍼터 안테나(112) 사이에 바이어스 전압 전위를 생성한다. 또하나의 실시예에서, 스퍼터 안테나(112)는 접지부에 대해 바이어스된다. 또한, 전원(120)은 스퍼터 안테나(112)를 통해 RF 유도 전류를 내보낸다. 스퍼터 안테나(112)를 통과하는 유도 전류는 플라즈마(130)를 생성한다. 플라즈마(130)의 밀도와 크기를 바꾸기 위해 바이어스 전압 전위와 유도 전류는 조절될 수 있다. 스퍼터링의 속도를 변화시키기 위해, 바이어스 전위가 조절될 수도 있다.
또한, 어떤 외부 발생 자기장(50)(도 1, 4, 5 참조)도 플라즈마(130) 생성에 요구되지 않는다. 외부 발생 자기장(40) 없이도, PVD 장치(100)는 외부 발생 자기장을 사용하는 기존 시스템에서보다 더 크거나 유사한 대전 입자 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.
그러나, 또하나의 실시예에서, 외부 발생 자기장(50)은 스퍼터 안테나(112) 주위에 가해져서, 스퍼터 안테나 주위의 이온을 증가시키고, 그래서 본 발명의 효율을 증가시킨다. 외부 발생 자기장(50)의 사용이 스퍼터 안테나(112)의 비균일 소모를 촉진시킬 수 있을 때, 생산량의 증가가 요망될 수 있다. 이에 관계없이 양 실시예의 효율 증가는 기존 PVD 장치의 개선점이다.
스퍼터 안테나(112)의 여기에 의해 생성되는 기체 이온은 스퍼터 안테나에 충격을 가한다. 스퍼터 물질 입자(140)는 스퍼터 안테나(112)로부터 스퍼터링되어 나갈 수 있다.
도 7은 도 6의 개선된 물리적 증기 증착 장치(100)에 전력을 공급하기 위한 전원(120)의 도식적 블록 다이어그램이다. 전원(120)은 유도 전력 공급 장치(150), 바이어스 전력 공급 장치(151), 그리고 정합 네트워크(153)를 포함한다. 한 실시예에서, 유도 전력 공급 장치(150)는 스퍼터 안테나(112)를 통과하는 RF 전류를 공급한다. 그러나, 스퍼터 안테나(112)를 여기시키는, 플라즈마 형성에 충분한 어떤 종류의 적절한 전력 공급 장치도 사용될 수 있다. 유도 전력 공급 장치(150)의 전류 출력은 플라즈마 패러미터 제어를 위해 조절될 수 있다.
또하나의 실시예에서, 바이어스 전력 공급 장치(151)는 직류 전압 공급 장치이다. 스퍼터 안테나(112)와 물체(122) 사이에 전압이 공급된다. 바이어스 전력 공급 장치(151)의 전압 레벨은 스퍼터 속도를 제어하기 위해 조절될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 스퍼터 안테나(112)와 물체(122) 사이에 전압 전위를 생성할 수 있는 어떤 적절한 전력 공급 장치도 사용가능하다. 예를 들어, 바이어스 전력 공급 장치(151)는 교류 전력 공급 장치일 수도 있고, 전압 오프셋을 가지는 교류 전력 공급 장치일 수도 있다. 또한, 스퍼터 안테나(112)는 물체(122)보다 접지부에 대해 바이어스될 수도 있다.
유도 전력 공급 장치(150)와 바이어스 전력 공급 장치(151)의 출력은 정합 네트워크(153)에 연결된다. 정합 네트워크(153)는 플라즈마까지 효율적인 전력 전송을 위해 스퍼터 안테나(112)의 적절한 임피던스에 부합하도록 전력 공급 장치(150, 151)의 출력을 정합시킨다.
정합 네트워크(153)는 전도체(121, 131)에 의해 스퍼터 안테나(112)에 전기적으로 연결된다. 전도체(121, 131)는 스퍼터 안테나(112)를 가지는 회로를 접속시키고, 유도 전력 공급 장치(150)에 의해 생성되는 유도 전류를 제공한다. 전도체(121, 131)는 바이어스 전력 공급 장치(151)에 의해 생성되는 물체(122)에 대한 바이어스 전압을 또한 제공한다. 이때 물체(122)는 전도체(133)에 의해 바이어스 전력 공급 장치(151)에 전기적으로 연결된다. 선택적인 실시예에서, 물체(122)는 접지부에 대해 분리적으로 바이어스된다.
도 8A와 8B는 정합 네트워크(153)의 선택적인 실시예의 도식적 다이어그램이다. 도 8A에 도시되는 바와 같이 한 실시예에서, 정합 네트워크(153)는 커패시터(201, 220), 가변 변압기(202), 가변 커패시터(204, 206), 그리고 인덕터(208, 210)를 포함한다. 커패시터(201), 가변 변압기(202), 그리고 가변 커패시터(204)는 전력 공급 장치(150, 151)의 출력을 조합하는 정합 회로를 제공한다. 인덕터(208)와 가변 커패시터(206)는 전력 공급 장치(150, 151) 사이를 정합시키는 임피던스를 제공한다. 인덕터(210)와 커패시터(220)는 바이어스 전력 공급 장치(151)의 출력에 대한 저역 통과 필터를 형성한다.
도 8B에 도시되는 바와 같이 또하나의 실시예에서, 정합 네트워크(153)는 커패시터(230-233)를 포함한다. 커패시터(230-233)는 도 8A에 도시되는 변압기 실시예보다 정합 회로를 형성한다. 본 발명의 양 실시예에서, 저역 통과 필터와 임피던스 정합 회로 사이에 노드(250)가 위치할 수 있다. 스퍼터 안테나(112)에 더해 바이어스되는 것이 바람직한 물체는 노드(250)에 연결될 수 있다. 이는 아래에서 또 설명될 것이다.
정합 네트워크(153)는 전도체(121, 131)에 의해 스퍼터 안테나(112)에 연결된다. 한 실시예에서, 바이어스 전력 공급 장치(151)는 바이어스 전압의 기준 제시를 위해 전도체(133)에 의해 물체(122)에 또한 연결된다. 또한, 어떤 적절한 정합 회로도 전력 공급 장치(150, 151)의 출력을 조합하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 뚜렷한 장점은 단일 요소에 가해지는 유도 전류와 바이어스 전위의 부가 효과에 있다. 바이어스 전위 단독으로 플라즈마를 생성할 필요가 없기 때문에, 바이어스 전위는 기존 장치와 같이 높을 필요가 없다.
기존 장치와는 달리, 스퍼터 안테나(112)에 의해 생성되는 플라즈마(130) 밀도는 바이어스 전력만을 사용하는 기존 장치의 플라즈마의 밀도보다 상당히 클 수 있다. 스퍼터 안테나(112)를 사용할 경우에, 세제곱 센티미터 당 5 ×1011개의 대전 입자가 생성될 수 있다.
따라서, 바이어스 전위는 약 200 볼트까지 낮아질 수 있다. 유용한 스퍼터 속도를 제공하기 위해 250 볼트의 바이어스 전압이 적절하다. 교류 유도 전류는 크기와 주파수를 변화시켜서, 플라즈마(130)의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 13.56 MHz에서 약 500 - 5,000 와트의 유도 전류 전력 크기가 바람직한 결과를 생성한다. 일반적으로, 유도 전류의 크기는 주파수보다 더 중요하다. 그러나, 본 발명은 어떤 적절한 유도 전류 주파수에서도 사용가능하다.
스퍼터 안테나(112)에 의해 생성되어 충분히 이온화된 플라즈마(130)는 이온화 입자의 이방성 분포를 보장한다. 그러므로, 개선된 이온화 PVD 장치(100)는 고압의 기체에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 약 0.1 - 50 밀리토르의 아르곤 압력이 만족할 만한 결과를 낳는다. 한 실시예에서, 약 10 밀리토르의 아르곤 압력이 만족스런 결과를 생성하였다.
표 1은 원하는 결과를 생성하기 위해 도시되는 한 실시예의 적정값을 제공한다.
| 압 력 | 10 밀리토르 아르곤 |
| 기 체 흐 름 | 50 표준 cm3아르곤 |
| 바이어스 전압 | 250 볼트 |
| 유 도 전 력 | 750 와트 @ 13.56 Mhz |
표 1
일반적으로, 스퍼터 안테나(112)는 물체(122) 위에 균일하게 증착되도록 플라즈마를 유도할 수 있는 어떤 적절한 크기나 형태도 가능하다. 예를 들어, 스퍼터 안테나(112)는 평탄 나선 코일, 반구 코일, 원뿔형 코일, 판형, 원반형, 선형 요소, 슬롯형 판, 또는 슬롯형 원반 등의 형태를 가질 수 있다.
스퍼터 안테나(112)가 어떤 적절한 형태를 가질 수 있을 때, 또하나의 실시예에서, 선형으로 연장되는 형태가 사용될 수 있다. 선형 연장 스퍼터 안테나는 스퍼터 안테나(112)의 비균일한 소모를 유발하는 비균일 여기를 이루지 않는다. 그러므로, 선형 연장 스퍼터 안테나는 균일한 소모를 증지시킨다. 어떤 선형 연장 형태도 이용가능하다. 예를 들어, 도 9A와 9B는 평탄 코일(112a)과 지그재그 구조(112b)의 형태를 각각 가지는 선형 연장 스퍼터 안테나를 도시한다.
유사한 방식으로, 선형 연장 스퍼터 안테나의 단면은 어떤 적절한 형태를 가질 수도 있다. 도 10A-10D는 스퍼터 안테나(112)의 예시된 단면 형태를 도시한다. 도 10A-10D는 평탄한 타원형(180a), 원형(180b) 반원형(180c), 그리고 잘려나간 단면(180d)을 각각 도시한다. 그러나, 스퍼터 안테나(112)의 단면은 어떤 적절한 형태도 취할 수 있다.
또다른 실시예에서, 스퍼터 안테나(112)의 단면 형태가 변경 가능하여, 저뉼가 공급될 때 형태의 전류 밀도 분포에 따라 스퍼터 물질의 방향성 스퍼터링을 제어할 수 있다. 스퍼터 안테나(112)의 한 측부에 다른 측부보다 더 큰 표면 영역을 생성함으로서, 한 측부에 더 많은 스퍼터 입자가 생성될 수 있다. 예를 들어, 도 10C의 반원형 단면(180c)은 평탄한 측부에서보다 스퍼터 안테나의 원형 측부에 더 많은 스퍼터 입자를 생성한다. 이러한 방식으로, 스퍼터 안테나(112)의 단면 형태는 스퍼터 입자의 지향성을 도울 수 있다. 한 측부에서 더 큰 표면 영역을 가지는 어떤 적절한 단면 형태도 사용가능하다. 예를 들어, 도 10D의 잘려나간 단면(180d)도 사용가능하다.
스퍼터 안테나(112)의 조성은 적절한 스퍼터 물질일 수 있다. 일반적으로, 유도 전력 공급 장치(150)에 의해 공급되는 유도 전류를 금속이 운반할 수 있으므로, 금속이 스퍼터 물질로 사용된다. 그러나, 전류 매개체로 작용할 수 있는 어떤 물질도 스퍼터 물질로 이용할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 알루미늄 합금, 아연, 주석, 텅스텐, 갈륨, 티타늄, 그리고 탄탈륨 등이 사용될 수 있다.
도 10E는 본 발명의 한 실시예에 따르는, 하이브리드 스퍼터 안테나(112')의 단면도를 도시한다. 하이브리드 스퍼터 안테나는 핵(181)과 외부 덮개(182)를 포함한다.
일반적으로, 상당한 전력이 저항으로 인해 손실이 생기기 때문에, PVD 장치의 스퍼터 물질로서 고저항 물질은 선호되지 않는다. 본 발명의 한 실시예에서, 저항 물질은 스퍼터 물질이나 외부 덮개(182)로 사용가능하다. 핵(181)은 전도체이고, 외부 덮개(182)는 저항성 물질이다. 핵(181)은 전원(120)에 의해 적절하게 여기되지만, 핵보다는 외부 덮개(182)의 저항성 물질이 스퍼터링되어 물체(122) 위에 증착된다.
스퍼터링에 적합한 어떤 저항성 물질도 외부 덮개(182)로 사용할 수 있다. 예를 들어, 질화티타늄, 질화알루미늄, 그리고 질화탄탈륨이 사용될 수 있다. 따라서, 핵(181)으로 사용되는 물질의 저항이 외부 덮개(182)로 사용되는 물질의 저항보다 작다면, 두 물질이 사용가능하다.
도 11은 도 6의 스퍼터 안테나의 선택적인 실시예를 도시한다. 도 6에 도시되는 한 실시예에서, 스퍼터 안테나(112)는 챔버(110)에 장착되고, 챔버 표면으로부터는 이격된다. 스퍼터 물질이 스퍼터 안테나(112)의 양쪽 측부로부터 스퍼터링되어 나갈 수 있다는 점이 하나의 잠재적 단점이다. 챔버 벽과 마주하는 스퍼터 안테나(112)의 측부로부터 스퍼터링되어 나가는 스퍼터 물질은 물체(122)에 보다는 챔버벽이나 챔버의 다른 부분에 증착되기 쉽다. 물체(122)와 마주보는 스퍼터 안테나(112)의 측부가 스퍼터링되고 다른 측부는 스퍼터링되지 않는 것이 바람직하다.
선택적인 실시예에서, 실드(190)가 스퍼터 안테나(112)와 스퍼터 안테나와 마주하는 챔버벽 사이에 위치할 수 있다. 실드(190)는 전원(120)에 연결될 수 있고, 스퍼터 안테나(112)와 동일한 바이어스 전위로 전원에 의해 바이어스될 수 있다. 실드(190)와 스퍼터 안테나(112)가 유사하게 바이어스되기 때문에, 실드(190)와 마주하는 스퍼터 안테나(112) 부는 물체(122)와 마주하는 스퍼터 안테나(112) 부에 비해 스퍼터링이 잘 일어나지 않는다. 예를 들어, 실드(190)는 도 8A와 8B의 전원(120)의 실시예에서, 노드(250)에 연결될 수 있다.
도 12는 도 6의 스퍼터 안테나의 또다른 실시예를 도시한다. 스퍼터 안테나로부터 스퍼터 물질을 비대칭 스퍼터링 시키는 또하나의 방법으로서, 스퍼터 안테나(112)는 챔버(110)의 벽에 장착될 수 있다. 절연체(192)와 전도체(191)가 스퍼터 안테나(112)와 챔버 벽 사이에 위치할 수 있다. 절연체(192)는 전도체(192)와 스퍼터 안테나(112) 사이에 절연을 제공한다. 전도체(191)는 전원(120)에 연결되고, 스퍼터 안테나(112)에 유사한 방식으로 바이어스된다.
전도체(191)의 바이어스는 절연체(192)의 노출부(195)에 스퍼터 물질(140)을 증착하는 것을 방지한다. 절연체(192)는 유전 물질일 수 있다.
도 13은 도 6의 스퍼터 안테나의 또하나의 실시예를 도시한다. 스퍼터 안테나(112)는 챔버 벽(110)에 장착될 수 있고, 스퍼터 안테나의 한 측부에만 스퍼터 안테나(112)의 균일한 소모를 촉진시킨다. 도 12에 도시되는 바와 같이 전력 전도체를 이용하는 것보다, 다른 형태의 단면을 가지는 스퍼터 안테나(112)를 사용할 수 있다. 스퍼터 안테나(112)와 챔버 벽 사이에 절연체(192)가 위치한다. 절연체(192)의 노출부(195)에 스퍼터 물질 입자(140)가 증착되는 것을 피하기 위하여, 스퍼터 안테나(112)의 단면은 지그재그형이다. 지그재그 형태는 스퍼터링 입자(140)가 노출부(195)에 증착되지 않도록 막는 것을 돕는다.
노출부(195)를 둘러싸는 완만한 각의 벽을 도시되는 실시예가 묘사할 때, 스퍼터 안테나(112)는 적절한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 벽은 계단형 구조일 수도 있고, 더 많은 모서리를 가질 수도 있다. 실제로 노출부(195)에 이온이 도달하지 못하게 하는 스퍼터 안테나(12)의 어떠한 구조도 사용가능하다.
물리적 증기 증착 과정에서 유도 안테나와 스퍼터 타겟의 조합은 당 분야에서 새로운 진전이다. 앞서 논의한 바와 같이, 기존 PVD 장치는 물체 위에 물질을 이방성으로 증착시키기 위해서 컬리메이터나 분리된 유도 코일을 이용하였다. 본 발명 이전까지, 스퍼터 물질 입자의 이방성 분포를 촉진시키기 위해서, PVD 과정에서 유도 안테나와 스퍼터 타겟을 조합하는 방안은 없었다.
조합된 스퍼터 타겟과 유도 안테나는 여러 이점을 제공한다. PVD 과정은 낮은 전력에서 실행될 수 있다. PVD 장치의 압력은 또한 증가될 수 있고, 더 높은 진공을 생성하는 성가신 작업을 감소시키며, 그래서 처리량을 증가시킨다. 동시에, 동일 출력의 기존 장치에서보다 더 큰 밀도와 더 큰 크기의 플라즈마가 생성된다.
스퍼터 안테나(112)가 단일 요소로 구성되므로, 추가적인 요소가 필요하지 않아, 다른 요소를 위해 사용되는 물질과 부합할 필요성을 제거한다. 또한, 스퍼터 안테나(112)는 균일하게 소모되므로, 교체의 필요성이 없어진다. 또한, 본 발명에 따르는 선택적인 실시예는 스퍼터 안테나(112)의 완전하고 균일한 소모를 촉진시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 다양성은 앞서 기술된 장치와는 다른 장치에서도 이용가능하게 한다. 또하나의 실시예에서, 본 발명은 등방성 장치에서 사용될 수 있다. 바이어스 전력 공급 장치와 유도 전력 공급 장치를 조절함으로서, 등방성으로 분포되는 스퍼터 물질 입자가 생성된다. 또한, 기존 PVD 장치의 저전력 소모와 함께 등방성 증착이 실행될 수 있다. 물체에 물질을 등방성 및 이방성으로 증착시키는 본 발명의 능력은 또다른 특징이다.
본 발명의 다양성에 대한 증거로, 다른 실시예가 화학적 증기 증착에서 사용될 수 있다. 조합된 기체가 챔버(110) 내로 주입된다. 스퍼터 안테나(112)는 기체 믹스쳐와 반응할 수 있는 물질로 구성된다. 스퍼터 물질 입자(140)와 주입 기체 사이의 반응은 플라즈마(130) 내외에서 발생한다.
예를 들어, 아르곤 및 질소가 챔버(112)에 주입될 수 있다. 스퍼터 안테나(112)는 탄탈륨일 수 있다. 다시 아르곤은 스퍼터링을 촉진시키고, 스퍼터링된 탄탈륨 입자와 반응하지 않는다. 이때 질소가 탄탈륨 입자와 반응한다. 질화탄탈륨이 형성되고, 물체(1220 위에 증착된다. 기체 및 스퍼터 물질의 어떤 적정한 조합도 발마직한 물질의 증착을 위해 사용될 수 있다. 다시, 기체와 스퍼터 물질의 어떤 적정 조합도 본 발명에 따라 이용될 수 있다.
본 발명이 몇몇 선호되는 실시예를 대상으로 하여 기술되었지만, 본 발명의 범위 내에서 여러 변경, 교정, 변화가 가능할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 증착보다는 물체 도핑을 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 방법과 조성을 구현하는 데는 수많는 선택적인 방법이 있음을 알아야 한다. 그러므로, 다음의 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위 내에서 모든 이러한 변경, 교정, 그리고 변화를 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (28)
- 플라즈마의 물리적 증기 증착 장치에서 물체 위에 물질층 증착을 위해 사용되는 스퍼터 타겟으로서, 상기 스퍼터 타겟은 상기 증착을 위해 스퍼터 물질 입자를 생성하도록 스퍼터링되고, 상기스퍼터 타겟이 여기될 때 상기 플라즈마 물리적 증기 증착 장치에서 플라즈마와 충돌하기 위해 상기 스퍼터 타겟이 안테나로 작용하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 타겟이 가변 에너지원에 의해 여기될 때, 스퍼터 물질 입자가 스퍼터 타겟으로부터 스퍼터링되는 속도는 상기 가변 에너지 원의 설정에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 타겟이 플라즈마의 물리적 증기 증착 장치에서 여기될 때, 스퍼터 물질 입자는 이방성으로 상기 물체를 향해 이동하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 타겟의 형태는 코일인 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 4 항에 있어서, 상기 코일은 평면형인 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 타겟의 형태는 선형 연장 요소, 고리, 원뿔형 코일, 반구형 코일, 슬롯형 판, 그리고 슬롯형 원판으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터 타겟의 제 1 측부로부터 스퍼터링되는 스퍼터 물질 입자의 첫 번째 양이 상기 스퍼터 타겟의 제 2 측부로부터 스퍼터링되는 스퍼터 물질 입자의 두 번째 양보다 크도록, 상기 스퍼터 타겟의 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 7 항에 있어서, 제 1 측부는 제 2 측부보다 더 큰 표면 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 타겟은 금속인 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 타겟은 알루미늄, 구리, 알루미늄 합금, 텅스텐, 티타늄, 그리고 탄탈륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 스퍼터 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터 물질은 전도성 핵으로 구성되고, 상기 전도성 핵은 외부 덮개로 감싸지며, 상기 외부 덮개는 스퍼터 타겟이 여기될 때 스퍼터 물질 입자를 스퍼터링하는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 11 항에 있어서, 상기 외부 덮개는 상기 전도성 핵보다 높은 저항을 가지는 외부 덮개 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 11 항에 있어서, 외부 덮개 물질은 질화티타늄, 질화알루미늄, 그리고 질화탄탈륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 물체 위에 물질층을 증착하는 데 사용하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치로서, 상기 장치는:상기 증착 중 물체를 둘러싸는 챔버;에너지원; 그리고챔버 내에 배치되어 에너지원에 연결되는 스퍼터 타겟;으로 구성되고,상기 스퍼터 타겟은 상기 증착을 위해 스퍼터 물질 입자를 생성하도록 스퍼터링되고, 상기 스퍼터 타겟이 여기될 때 상기 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치에서 플라즈마와 충돌하기 위해 상기 스퍼터 타겟이 안테나로 작용하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
- 제 14 항에 있어서, 챔버 내에 물체가 위치하고, 에너지 원에 상기 물체가 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 15 항에 있어서, 에너지 원은 바이어스 전력 공급 장치를 포함하고, 에너지원이 스퍼터 타겟을 여기시킬 때, 바이어스 전력 공급 장치는 물체에 대해 스퍼터 타겟에 전위를 가하는 구조를 가지며, 상기 전위는 스퍼터 타겟으로부터 스퍼터 물질 입자를 스퍼터링하는 것을 증진시키고, 스퍼터 물질 입자는 물체를 향해 이동하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 16 항에 있어서, 바이어스 전력 공급 장치는 스퍼터 타겟에 물체에 대한 직류 저압 전위와 교류 전압 전위를 가하는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 16 항에 있어서, 스퍼터 물질 입자가 스퍼터 타겟으로부터 스퍼터링되는 속도는 가변 바이어스 전력 공급 장치의 설정에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 15 항에 있어서, 에너지 원은 유도 전력 공급 장치를 포함하고, 에너지 원이 스퍼터 타겟을 여기시킬 때 유도 전력 공급 장치는 스퍼터 카겟에 전류를 가하는 구조를 가지며, 상기 전류가 스퍼터 타겟에 가해질 때 상기 전류가 챔버 내의 플라즈마 충돌을 촉진시키며, 이에 의해 스퍼터 물질 입자가 이방성으로 물체를 향해 진행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 19 항에 있어서, 유도 전력 공급 장치는 가변적이어서, 플라즈마의 크기와 밀도가 유도 전력 공급 장치의 설정에 따라 변하며, 이에 의해 스퍼터 물질 입자의 물체를 향한 이동이 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 15 항에 있어서, 상기 에너지원은:유도 전력 출력을 생성하는 유도 전력 공급 장치;바이어스 전력 출력을 생성하는 바이어스 전력 공급 장치; 그리고유도 전력 공급 장치와 바이어스 전력 공급 장치에 전기적으로 연결되는 정합 회로;로 구성되고,상기 정합 회로는 유도 전력 출력을 바이어스 전력 출력과 조합하여, 스퍼터 타겟에 조합 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 16 항에 있어서, 스퍼터 타겟은 챔버의 표면에 연결되고, 상기 물리적 증기 증착 장치는:챔버와 스퍼터 타겟 사이에 배치되어 에너지원에 연결되는 전도체; 그리고전도체와 스퍼터 타겟 사이에 배치되는 절연체;로 구성되어,스퍼터 타겟은 스퍼터 타겟과 마주하는 절연체 측부를 완전히 덮지 않고, 절연체의 노출부를 노출시키며, 바이어스 전력 공급 장치는 스퍼터 안테나와 전도체에 전위를 가하는 구조를 가지고, 이에 의해 스퍼터 물질 입자는 절연체의 노출부 위에 증착되지 않는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 스퍼터 타겟은 챔버의 표면에 연결되고, 상기 물리적 증기 증착 장치는 스퍼터 타겟과 전도체 사이에 배치되는 절연체를 포함하여, 스퍼터 타겟이 스퍼터 타겟과 마주하는 절연체 측부를 완전히 덮지 않고, 절연체 노출부를 노출시키며, 스퍼터 타겟은 절연체의 노출부에 스퍼터 물질 입자가 증착되지 않도록 하는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 물리적 증기 증착 장치는 에너지 원에 연결되는 실드를 추가로 포함하고, 상기 실드는 스퍼터 타겟의 제 1 측부에 근접하게 배치되며, 바이어스 전력 공급 장치는 스퍼터 타겟과 실드에 전위를 가하는 구조를 가지고, 이에 의해 스퍼터 물질 입자는 절연체의 노출부에 증착되지 않는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
- 플라즈마 공정 챔버에서 반도체 기판에 물질층을 증착하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:상기 플라즈마 공정 챔버 내에 상기 반도체 기판을 위치시키고; 그리고플라즈마 공정 챔버 내의 스퍼터 타겟을 여기시키는; 이상의 단계로 구성되고,상기 스퍼터 타겟은 상기 증착을 위해 스퍼터 물질 입자를 생성하도록 스퍼터링되고, 상기 스퍼터 타겟이 여기될 때 상기 플라즈마 물리적 증기 증착 장치에서 플라즈마와 충돌하기 위해 상기 스퍼터 타겟이 안테나로 작용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 여기 단계는 바이어스 전위와 유도 전류로 스퍼터링 타겟을 여기시키고, 바이어스 전위는 스퍼터 타겟의 스퍼터링을 용이하게 하며, 유도 전류는 플라즈마의 충돌을 촉진시키고, 이에 의해 스퍼터 물질 입자가 이방성으로 분포괴독 물체를 향해 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 여기 단계는:바이어스 전위를 발생시키고;유도 전류를 발생시키며;조합된 전력 출력을 생성하도록 바이어스 전위와 유도 전류를 조합하는; 이상의 단계로 구성되며,조합된 전력 출력이 스퍼터 타겟에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 물체 위에 물질층을 증착하기 위한 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치로서, 상기 장치는:스퍼터 물질 입자 생성 수단; 그리고상기 생성 수단에 에너지를 공급하는 공급 수단;으로 구성되고,상기 생성 수단은 상기 에너지 공급 수단에 의해 여기될 때 상기 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치 내에서 플라즈마를 유도적으로 충돌시키고 동시에 상기 스퍼터 물질 입자를 상기 물체 위에 스퍼터링하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증가 물리적 증기 증착 장치.
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