KR20010032530A

KR20010032530A - 스퍼터링 타겟

Info

Publication number: KR20010032530A
Application number: KR1020007005773A
Authority: KR
Inventors: 비크람 파베이트; 케이쓰 제이. 핸슨; 글렌 모리; 무라리 나라시만; 세샤드리 라마스와미; 제임 널만
Original assignee: 조셉 제이. 스위니; 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2001-04-25
Also published as: US6171455B1; JP2001524600A; US6001227A; TW467958B; WO1999027150A1; US6126791A; EP1036211A1; US6228186B1; WO1999027150A9

Abstract

결함 밀도가 낮은 금속화된 필름(metallization film)을 형성하기 위해, 알루미늄이나 기타 금속의 DC 마그네트론 스퍼터링에 사용하는 개선된 타겟이 개시된다. 이러한 타겟을 제조 및 사용하는 방법도 개시된다. 금속 산화물 개재물 등으로 이루어지는 도전성 이형체(conductivity anomalies)는 타겟 표면과 플라즈마 사이에서 아크 발생을 유발할 수 있다. 아크 발생은 블롭(blobs)의 스플랫(splats) 형태로 과잉 증착된 재료를 만들수 있다. 도전성 이형체의 양을 줄이고 증착될 재료(to-be-deposited material)를 강화함으로써, 이러한 스플랫이나 블롭의 발생을 줄일 수 있을 것으로 생각된다. 스플랫의 수를 줄이는 다른 단계에는 타겟 표면을 평탄하게 마무리하는 것과 플라즈마를 낮은 스트레스(stress)로 단계적 증가(ramp up)시키는 것 등이 포함된다.

Description

스퍼터링 타겟{SPUTTERING TARGET}

현대 집적회로(IC)의 도전성 인터커넥트층(interconnect layers)은 일반적으로 (예를 들어 10 미크론 또는 그보다 낮은) 매우 정밀한 피치를 가지며 밀도가 높다(예를 들어 1평방 밀리미터 당 수백 라인).

최종적으로 IC의 금속 인터커넥트층을 형성하는 선구체(precursor) 금속 필름 내에 하나의 작은 결함이 있어, IC 공정의 완전성(operational integrity)에 심각한 손상을 줄 수 있다. 따라서 결함이 없거나 적고, 가능하다면 그 크기가 최소화되는 금속 필름을 형성하는 것이 바람직하다.

집적회로의 금속 필름은 전형적으로 물리기상증착(PVD)에 의해 형성된다. 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금을 반도체 기판 위에 스퍼터링하기 위한 저비용의 방법 중 하나는 캘리포니아의 Applied Materials, Inc.에서 입수 가능한 Endura^TM시스템과 같은 DC 마그네트론 장치를 사용하는 것이다.

이러한 DC 마그네트론 PVD 시스템은 보통 결함 밀도가 상대적으로 낮아 품질이 높은 금속 필름을 생산해내지만, 증착된 금속에는 이제까지 설명되지 않았던 "블롭(blobs)"이라는 이종 물질이 자주 관찰된다. 이들 블롭은 소자 형성을 방해하여 작동 소자(operable device)의 대량 생산 수율(mass production yield)을 감소시킨다.

본 발명자들은 DC 마그네트론으로 형성된 알루미늄 필름에서 이러한 블롭을 분리하여, 그 조성과 물리적 구조를 분석하고, 이들 바람직하지 않은 블롭의 형성을 최소화하기 위한 방법을 개발하였다.

본 발명은 넓게는 금속필름의 물리기상증착(PVD)과 관련된 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 최근 집적회로의 도전성 인터커넥트층(interconnect layers)과 같은 정밀한 피치(fine pitch)의 금속화(metalization)를 형성하기 위해 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금과 같은 금속을 반도체 기판 및 기타 유사한 것에 DC 마그네트론 스퍼터링하는 것과 관련된다.

관련된 특허

이하의 미국특허는 본 발명의 양수인에게 양도되었으며, 그 내용이 참고문헌으로서 제출되었다.

(A) 1993년 9월 7일 N. Parker에게 부쳐된 미국특허 5,242,566호

(B) 1994년 6월 14일 A. Tepman에게 부쳐된 미국특허 5,320,728호

이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 기술된다.

도 1은 DC 마그네트론 스퍼터링의 개략도이다.

도 2는 집적회로의 인터커넥트 구조 내에서, 고립된(isolated) '스플랫(splat)' 또는 '블롭(blob)'의 측단면을 나타내는 현미경사진이다.

도 3은 타겟의 제조 및 이후의 사용에서 취해지는 단계를, 본 발명에 따른 개선 단계를 포함하여 나타내는 플로우차트이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 단순 주조공정 및 그에 따른 제품을 설명을 위해 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따라 각각 200kWh의 샘플 타겟을 취한 45개의 웨이퍼 샘플 그룹에 대해, 웨이퍼 당 스플랫 수의 평균을 나타내는 그래프이다.

상술한 문제는 본 발명에 의해, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 유사한 금속의 마그네트론 스퍼터링에 사용하는 개선된 타겟을 제공하여, 형성된 금속 필름의 결함 밀도를 낮춤으로써 극복된다.

DC 마그네트론 PVD 시스템에서 타겟의 미시적인 메이크업(microscopic make up)이 블롭 형성 메커니즘에서 중요한 역할을 하는 것이 관찰되어 왔다.

보다 구체적으로 유전체 개재물(예를 들어 Al₂O₃석출물)과 (예를 들어 포집된 가스 버블(entrapped gas bubbles)에 의해 형성된) 비도전성 보이드 같은 타겟 내의 비균질 구조(nonhomegeneous structures)는 타겟 표면의 일부로서 노출될 때, 스퍼터링하는 동안 타겟 표면을 둘러싸는 전기장 내에 대응 디스토션(corresponding distortions)을 생성하는 것으로 생각된다. 충분히 큰 디스토션은 필드 브레이크 다운 포인트(points of field breakdown)로 진전될 수 있고, 이를 통해 플라즈마와 타겟 사이에서 고전류의 아크가 흐른다. 이러한 아크 전류는 타겟 재료를 국부적으로 용융시키고, 웨이퍼 표면으로 튀는 상대적으로 큰 액체 물질 블롭을 생성시킨다. 튄 물질(splattered material)은 웨이퍼 표면에 접할 때, 표면장력에 의해 오그라들어서 바람직하지 않은 블롭으로서 응고된다.

본 발명의 첫 번째 측면에 따르면, 타겟은 유전체 개재물(예를 들어 Al₂O₃석출물)과 비도전성 보이드(예를 들어 포집된 수소 버블에 의해 형성된)의 수와 크기를 최소화할 수 있도록 제조된다.

블롭은 스퍼터링 플라즈마가 발생할 때 타겟 재료의 응력유기 브레이크다운(stress-induced breakdown)에 의해서도 형성되는 것으로 생각된다. 플라즈마가 발생됨에 따라 타겟 표면 부근에 전개되는 전기장 및 전류는 타겟 재료 내에 기계적 스트레스를 발생시키는 경향이 있다. 타겟의 기계적 강도 부족으로 생기는 국부 브레이크다운 역시 또 다른 블롭 형성원인 것으로 생각된다.

본 발명의 두 번째 측면에 따르면, 타겟은 타겟 재료의 강도를 균질하게(homogeneously) 최대화하고 따라서 국부 기계적 브레이크다운으로 인한 블롭 형성을 방지하도록 제조된다.

본 발명에 따른 타겟은 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 개재물 농도가 5,000보다 높은 금속산화물(Al₂O₃), 질화물 석출물, 탄화물 석출물과 같은 유전체 개재물이 실질적으로 배제된다. 이 대신 또는 이에 추가하여 본 발명에 따른 타겟은 포집된 가스에 의해 유발되며 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 농도가 5,000보다 높은 보이드가 실질적으로 배제된다. 이와 달리 또는 추가적으로 본 발명에 따른 타겟은 크기가 약 75 내지 90 미크론 범위인 금속 그레인의 균질 분포를 가진다. 이 대신 또는 이에 추가하여 본 발명에 따른 타겟은 약 20 마이크로인치보다 작은 초기 표면 거칠기를 가진다.

본 발명에 따른 DC 마그네트론 PVD 시스템은 이하의 특징 중 하나 또는 그 이상을 가지는 타겟을 포함한다: (a) 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 농도가 5,000보다 높은 금속산화물(Al₂O₃), 질화물 석출물, 탄화물 석출물과 같은 유전체 개재물이 실질적으로 배제된다; (b) 포집된 가스에 의해 유발되며 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 농도가 5,000보다 높은 보이드가 실질적으로 배제된다; (c) 크기가 약 75 내지 90 미크론 범위인 금속 그레인의 균질 분포를 가진다; (d) 약 20 마이크로인치보다 작은 초기 표면 거칠기를 가진다. 본 발명에 따른 DC 마그네트론 PVD 시스템은 플라즈마 파워를 초당 2kW 또는 그보다 낮은 속도로 램핑(ramping)하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 타겟 제조방법은 이하의 단계 중 하나 또는 그 이상을 포함한다: (a) 약 1ppm보다 낮은 수소와 10ppm보다 낮은 산소를 가지는 정련된 알루미늄을 입수하는 단계; (b) 용융액 막(melt skin)이 산화성 분위기에 노출되지 않는 연속유동주조법(continuous-flow casting)을 사용하여 상기 정련된 알루미늄을 주조하는 단계; (c) 지름이 100㎛ 또는 이보다 작은 금속 그레인과 지름이 약 1 내지 10㎛ 범위인 제2의 석출상이 실질적으로 균질하게 분포하며 재료 중 약 50%보다 많은 부분이 〈200〉조직을 가지도록 주조 금속을 가공하는 단계; (d) 초기 타겟 표면을 평균 거칠기가 20 마이크로인치보다 크지 않도록 매끄럽게 하는 단계; (e) 초기 타겟 표면으로부터 아크 유기 불순물(arc-inducing contaminants)을 제거하기 위해 초음파 세척을 사용하는 단계; (f) 세척된 타겟을 불활성 가스 팩(pack)으로 운반(shipping)하는 단계.

본 발명에 따라 DC 마그네트론 PVD 시스템을 작동하는 방법은 이하의 단계를 포함한다: (a) 이하의 특징 중 하나 또는 그 이상을 가지는 타겟을 설치하는 단계; (a) 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 개재물 농도가 5,000보다 높은 금속산화물(Al₂O₃), 질화물 석출물, 탄화물 석출물과 같은 유전체 개재물이 실질적으로 없으며; (b) 포집된 가스에 의해 유발되며 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 농도가 5,000보다 높은 보이드가 실질적으로 없으며; (c) 약 75 내지 90 미크론 범위 크기 금속 그레인의 균일 분포를 가지며; (d) 약 20 마이크로인치보다 작은 초기 표면 거칠기. 본 발명에 따른 DC 마그네트론 PVD 작동 방법은 플라즈마 전력을 초당 2kW를 초과하거나 그 미만인 속도(rate of no more than 2kW per second or less)로 램핑(ramping)시키기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 면은 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템(100)의 개략도이다. 자석(110)은 타겟(120)의 일부에 위치하고 있다. 타겟은 도전성이며 스퍼터링될(to-be-sputtered) 재료(예를 들어 알루미늄과 같은 금속)로 이루어지는 증착 형성부(deposition-producing portion)를 포함한다. 타겟(120)은 원형 디스크와 같이 대칭형인 것이 전형적이지만, 특정 DC 마그네트론 PVD 시스템에 적합하고, 수용되는 DC 마그네트론 PVD 시스템의 설계 특성에 따라 특정한 전기장 세기와 가스 유동 분포를 생성하기 위하여, 다른 형상 및 다양한 굽힘부(bends)를 가질 수 있다. 타겟(120)은 대응하는 DC 마그네트론 시스템(100) 내에, 제거 가능하게 삽입되는 구조로 되어 있는 것이 전형적이다. PVD 공정에서 각 타겟의 증착될 재료가 부식되어 제거되면, 타겟은 주기적으로 새 것으로 교체된다.

타겟(120)을 상대적으로 음인(negative) 전압원(127)에 선택적으로 연결하는 스위칭수단(125)이 설치될 수 있다. 일반적으로 낮은 전압원(127)은 반대되는 양극(도시된 예에서는 접지 또는 GND) 전위에 대해 약 -470V 내지 -530V 범위의 DC 음극 전압을 제공한다. 특정 음극 전압은 설계에 따라 변한다. 스위칭수단(125)이 폐쇄되어 타겟(120)이 음 전압원(127)에 대해 연결될 때, 타겟은 이하 설명하는 135(e^-) 및 138(Al^-)과 같이 음으로 하전된 입자의 공급원으로서 작용할 수 있다. 이 때문에 타겟은 음극이라고도 불린다.

보통 실린더형인 관형의 가스 봉쇄 쉴드(tubular gas-containment shield; 130)가 타겟(120)으로부터 아래쪽으로 거리를 두고 위치한다. 쉴드(130)는 도전성이며 일반적으로 접지(GND) 또는 상대적으로 양인 기준 전압에 연결되어 타겟(120)과의 사이에서 전기장의 경계를 정한다. 쉴드(130)는 자신의 외부로부터 내부로 아르곤(Ar) 같은 공급 가스 유동을 받아들이기 위하여 그 자신을 관통하는 복수의 구멍(132)을 가진다.

타겟(120)의 중앙 하부에 타겟으로부터 멀리 떨어져, 보통 쉴드(130) 내부에는 피가공물을 지지하는 척(140)이 설치된다. 척(140)은 도전성이며 일반적으로 접지(GND) 또는 상대적으로 양인 다른 기준전압에 결합되어 있어 타겟(120)과의 사이에서 추가로 전기장의 경계를 정한다.

반도체 웨이퍼와 같이 교체 가능한 피가공물(150)은 타겟(120)의 중앙 아래에서 척에 지지된다. 피가공물(150)은 원래 상부면(152a)이 노출된 기판(152)으로 이루어진다. PVD 스퍼터링이 진행됨에 따라, 상부면(155a)을 가지는 금속 필름(155)이 기판(152) 위에 축적된다. 이 금속필름의 증착이나 축적은 기판의 전체 상부면(152a)을 가로질러 균일한 것이 바람직하나, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 가끔 이형체(anomalies)가 균질한 증착을 방해한다.

피가공물 기판(152)은 예를 들어 SiO₂로 이루어지는 절연층을 포함할 수 있다. 이 경우 금속 필름(155)은 전기적으로 척(140)으로부터 절연되고 금속 필름(155)의 전압은 척의 전압(예를 들어 GND)에 비해 상대적으로 약간 음인 레벨로 될 것이다.

DC 마그네트론 작업은 아래와 같이 시작된다. 스위칭수단(125)이 폐쇄될 때, 타겟(120)과 쉴드(130)와 척(140) 사이에서 초기 전기장이 발생된다. 도 1에 도시된 조립체는 일반적으로 내부 압력이 약 2 내지 5 Torr 또는 이보다 낮은 압력으로 유지되는 저압 챔버(105)(부분적으로 도시됨)로 둘러싸인다. 플라즈마 발생 가스가 도입된다. 쉴드로 들어가는 공급 가스(131)의 일부는 초기 전기장의 영향을 받을 때 양으로 하전된 이온(Ar⁺)과 음으로 하전된 이온(Ar^-)으로 해리된다. 이렇게 생성된 양이온 하나가 133으로 나타나 있다. 정전기적 인력에 의해, 이온 133(Ar⁺)은 타겟의 하부면을 향하여 가속되어 제 1 충돌점 즉 134에서 충돌한다. 충돌점은 별표(*)로 표시되어 있다. 초기 충돌에 의해 음극(120)으로부터의 전자(e^-; 135) 방출이 유도된다(타겟 재료(Al) 입자 역시 충돌 134에 의해 제거될 수 있다). 방출된 전자(135)는 전위가 더 높은 척(140)을 향하여 아래쪽으로 이동된다. 그러나 자석(110)의 자기장은 136으로 표시된 바와 같이 전자(135)에 나선형 궤적을 제공한다. 전자(135)는 결국 (예를 들어 Ar₂인) 유입 가스(131)의 분자와 충돌한다. 이 두 번째 충돌(*)은 양으로 하전된 다른 이온(137; Ar⁺)을 생성시키고 이 이온이 타겟의 하부면으로 가속되어 충돌된다. 이 세 번째 충돌 135은 또 다른 전자를 발생시키며, 연쇄반응이 확립되어 가스 봉쇄 쉴드(gas-containment shield; 130) 내부에 플라즈마(160)가 유지된다. 플라즈마(160)는 음극(120)에 비해 상대적으로 양으로 하전되어 부유 양극(floating anode)으로서 작용한다. 이에 따라 DC 마그네트론 PVD 시스템(100) 내 전기장 분포가 변화된다. 어떤 점에서 전기장 분포는 장기간 정상상태(long term steady state)로 안정화된다.

137(Ar⁺)과 같이 무거운 입자가 타겟(120) 바닥면과 충격 충돌(ballistic collision)함에 따라, 종종 타겟 재료로부터 작은 입자가 부서져 나와 아래에 놓인 피가공물(150)로 이동한다. 이와 같이 방출된 타겟입자의 예가 138로 나타나 있다. 방출된 타겟입자의 크기와 방향은 방출된 물질(예를 들어 알루미늄)이 피가공물(150) 상부면(152a, 그리고 이후에는 155a)에 상대적으로 균일하게 증착되도록 하는 경향이 있다.

그러나 상술한 바와 같이, 증착된 금속필름(155) 내에 때때로 블롭 또는 '스플랫'이 나타나는 점에서 증착은 균일하지 못하다. 일부 스플랫은 지름이 500 미크론 정도로 큰데, 이는 영향 받는 소자의 작동 구조(operational features)가 1 미크론 또는 그보다 작은 이러한 분야에서는 상당히 큰 치수이다. 이러한 스플랫은 바람직하지 않다.

도 2는 1 미크론 두께의 알루미늄 라인에서 비정상적인 부분을 나타내기에 충분한 배율로 집중 이온빔(focused ion beam; FIB)에 의해 확대시켜 촬영된 현미경사진이다. 사진은 집적회로에서 인터커넥트 구조 내에 고립된 '스플랫'이나 '블롭'의 단면을 나타낸다. 스플랫은 지름이 약 5 미크론이며 높이는 약 1.5 미크론이다. 이 특정한 경우에, 증착된 금속 필름(155)은 알루미늄과 구리 합금(AlCu)이다. '스플랫'은, 원래 평탄하였을 CVD 필름 위에 무엇인가가 튀어버린 모양을 하고 있기 때문에 붙여진 이름이다.

도 2의 갇혀 있는 스플랫의 본체 내에, 지름이 약 0.3 미크론인 개재물이 보인다. 개재물은 모든 스플랫에서 일반적으로 관찰되는 것은 아니다. 도 2에 나타난 것과 같은 개재물은 화학적으로 분리되어 분석된다. 이 분석에 의해 이러한 개재물이 주로 산화물 Al₂O₃로 이루어져 있음을 알 수 있다.

본 발명자들은 공급 가스가 상대적으로 순수한 Ar로 이루어지고, 기판이 세정되고, DC 마그네트론 PVD 시스템 내에 Al₂O₃공급원으로 작용할만한 다른 것이 없다면, Al₂O₃개재물은 PVD 스퍼터링 공정에 사용되는 특정 타겟(120)으로부터 온 것이라 추론하였다.

추가로 본 발명자들은, PVD 과정에서 형성되는 금속 필름 위에 튄 것으로 보이는 과량의 AlCu에 의해 스플랫이 추가로 규정됨(define)에도 불구하고, Al₂O₃개재물은 관찰된 스플랫의 발생에 별로 중요하지 않은 요소라 추론하였다.

그러나 관찰된 스플랫의 형성에 Al₂O₃개재물이 별로 중요한 요소가 아니게끔 하는 특정 메커니즘은 무엇이며, 왜 많은 스플랫에 이러한 Al₂O₃개재물이 함유되지 않는가에 대한 의문이 남는다.

정확한 답은 플라즈마가 정상상태의 안정성(stability)을 얻고 나서 DC 마그네트론 시스템(100; 도 1) 내에서 전기장이 어떻게 분포하는지와, 이 안정성이 어떻게 일시적으로 교란되는지를 이해하는데 있는 것으로 생각된다.

도 1에서 플라즈마(160)가 정상상태의 안정성을 획득함에 따라, 타겟의 바닥면(120a)과 플라즈마의 상부 경계(160a) 사이에는 전자 및 다른 하전입자가 없는 영역이 형성된다. 하전입자가 없는 이 영역은 문헌상 '다크 스페이스(dark space)' 또는 '데드 스페이스(dead space)'라 불린다. 그 범위가 도 1에 170으로(축척 없이) 나타나 있다.

다크 스페이스(170)의 상부(120a)와 하부(160a) 사이에는 상대적으로 큰 전압차가 형성된다. 타겟에서 방출된 135와 같은 전자는 다크 스페이스를 통하여 드리프팅(drifting)되기보다는 터널링되며, 따라서 다크 스페이스(170)의 상부와 하부 사이에 큰 전위차가 유지되는 것으로 생각된다.

다크 스페이스(170)의 연속성을 유지하기 위해서는, 일반적으로 면(160a, 120a)을 따라 상대적으로 균질한 전기장 강도의 분포가 필요하다(하부면(160a)은 가상 양극면(virtual anode surface)이라 불린다).

때때로 다크 스페이스의 연속성에 핀홀형 브리치(pinhole-like breaches)가 발생되는 것으로 여겨진다. 이 브리치는 전기장 강도가 국부적으로 증가하여 발생될 수 있다. 음극면(120a) 또는 가상 양극면(160a) 중 하나 또는 양자의 국부 전도율(localized conductivity)에 불연속성이 전개되기 때문에 이후의 예기치 않은 결과(the latter casual effect)가 발생될 수 있다. 브리치의 크기가 심각하면 플라즈마(160)로부터 타겟(120)을 향하여 하전 입자가 갑자기 돌진되어 들어와, 브리칭되는 핀홀을 통과할 수 있다. 요점은 다크 스페이스(170)가 브리칭되는 점에서 상대적으로 큰 아크 전류가, 플라즈마(160)와 타겟(120) 사이를 통과할 수 있다는 것이다.

충분히 큰 아크 전류가 생성되면, 타겟면(120a) 중 아크를 받은 곳(arc-struck point)이나 그 주위에 상당량의 열이 발생될 수 있다. 아크를 받은 곳 주위의 영역을 녹이는데 충분하게 국부적으로 온도가 올라갈 수 있다. 용융된 타겟 재료는 타겟에서 분리되어 보다 양으로 하전된 척(140)으로 끌려간다. 용융된 타겟 재료는 피가공물의 상면(155a)을 가격할 때 튀고, 냉각되어, 이형체(anomaly)로서 상면(155a)에 부착된다.

컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 용융금속 방울을 편평한 고체 금속면에 떨어뜨림으로써, 도 2의 '스플랫'에 나타난 것과 같은 유형의 리플(ripples)을 가지는 돔형 블롭 물질(dome-shaped blob of material)이 평면 위에 형성시킨다. 튄 블롭의 냉각과 표면장력 때문에, 튄 물질이 재결합(re-consolidation)된다. 이형체 블롭은 재결합되어, 물결모양 돔 형태로 응고된다. 이에 따라 타겟 표면(120a)에서 재료가 용융됨으로써 일부 스플랫이 생성된다는 본 발명자들의 가정이 지지된다.

본 발명자들은 국부 용융이, 피가공물 표면(155a)에 과잉 타겟 재료의 비균질 증착이 일어나는 유일한 원인은 아니라고 의심하였다. 타겟 표면(120a) 중 아크를 받은 분은 기계적으로 취약할 수 있다. 이 기계적으로 취약한 부분은 아크 전류 충격 또는 이로 인한 열적 스트레스에 의해 타겟 표면으로부터 제거될 수 있다. 반드시 용융될 필요는 없는 이 제거된 물질은, 이어서 피가공물의 상면(155a)으로 끌려와 내려앉는 점에서 비균질, 과잉 증착을 형성할 수 있다.

Al₂O₃개재물은 비도전성이거나 전기 저항이 높아, 타겟 바닥면(120a)의 도전 성질 또는 전압 분포에 있어 불연속성의 규정한다. 이온 가격(ion bombardment)에 의해 표면(120a)이 부식되어, 전에는 내부 개재물이었던 타겟 내의 내부 Al₂O₃개재물이 타겟 표면의 일부로 된다.

충분히 큰 Al₂O₃개재물, 또는 타겟 바닥면(120a)의 전기 도전율 성질에 대한 다른 형태의 방해물(disruption)이 노출될 때, 타겟 바닥면(120a)에 인접하는 전기장의 국부 강도가 급격히 변화될 수 있다. 이는 다크 스페이스(170)의 브리치, 아크발생, 그리고 융융 블롭이나 기계적으로 제거되는 이형체의 형성으로 이어질 수 있다. 일반적으로 타겟 바닥면(120a)의 도전성에 있어 이러한 방해 영역을 도전율 이형체(conductivity anomalies)라 한다. 전기 저항이 상대적으로 높은 도전율 이형체는, 증착될 금속 중 이형체가 없는 일반적인 부분의 대응 전기저항보다, 100배 이상의 높은 저항을 가지는 영역으로 규정된다.

이러한 점에 비추어, 또 본 발명의 한 측면에 따라, 타겟(120)의 증착될 물질 내에 도전성 이형체(conductivity anomalies)의 크기와 수를 최소화하는 것이 바람직하다. 도전성 이형체에는, Al₂O₃와 같은 산화물은 물론이고, 금속 내의 보이드, 음극 증기 버스트(cathodic vapor bursts)를 일으키는 오염물, 질화물 석출물, 탄화물 석출물 등이 포함될 수 있으며, 보이드는 포집된 가스 버블에 의해 처음부터 정해질 수 있다.

본 명세서에서 '타겟'의 조성이나 특징이 논의될 때, 이 논의는 주로 플라즈마에 의해 생성된 이온으로 가격되고 아크를 받으며 그 결과 이형체의 증착을 형성할 수 있는 타겟 부위에 관한 것이다. 일반적으로 타겟은 DC 마그네트론 PVD 시스템의 다른 부분에의 교환 가능한 수용 및/또는 전기적 결합에 적합한 추가부(additional portion)를 가질 수 있다. 이 추가부는 플라즈마에 의해 발생된 이온으로 가격되지 않을 경우에는 본 발명에 따라 특별한 조성이나 구조를 필요로 하지 않는다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 타겟 재료의 미세경도(따라서 미세강도)를 최대화하는 것이 바람직한데, 이에 따라 타겟 중 아크를 받는 부분이 기계적으로 취약하여 그곳에서 아크 유도 방출(arc-induced dislodging)이 이루어지는 것이 방지된다.

타겟 바닥면(120a) 주위에서 전기장 강도의 균일성이 교란되는 것 역시 이 바닥면(120a)의 최초 거칠기가 지나치게 거칠기 때문에 발생할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 바닥면(120a)의 최초 거칠기를 최소화하여 다크 스페이스(170) 부근에서 전기장 강도의 균일성이 교란되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

타겟 바닥면(120a) 주위에서 전기장 강도의 교란은, 타겟이 최초로 사용될 때(부식될 때) 최초 바닥면(120a) 형상에 남아 있던 과잉의 먼지 때문에 일어날 수도 있다. 먼지는 아크를 유발시킬 수 있다. 아크는 타겟 표면에 피트(pits)나 다른 평탄하지 않은 구조를 만들 수 있고 이는 다시 더 많은 아크를 만들 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 타겟의 최초 바닥면(120a) 위의 먼지를 최소화하여 이에 의해 유발되는 아크를 방지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 알루미늄 타겟은 이하의 표 1에 나타난 균질한 특성 중 하나 또는 바람직하게는 그 이상을 포함한다.

성질	바람직한 범위
폭이 0.3㎛ 또는 그보다 큰 유전체 개재물	타겟 재료 1그램 당 5,000 미만
수소함량	약 0.5ppm 미만
탄소함량	약 10ppm 미만
산소함량	약 10ppm 미만
질소함량	약 10ppm 미만
금속 그레인 크기	100 미크론 미만
(200) 조직인 재료	50% 초과
(111) 조직인 재료	3% 미만
경도	약 50 초과(록웰 경도)
표면 거칠기	20 마이크로인치 미만
합금 강화 가수(addend)	약 0.5 중량 % 초과 Cu
합금 석출물 크기	약 5 미크론 또는 그 미만
다른 불순물	약 10ppm 미만

표 1에 대해 보다 완화된 요구조건을 도입할 수도 있다. 예를 들어: 타겟 물질 1그램 당 허용되는 개재물의 수가 7,500 내지 10,000까지로 넓혀질 수 있다; 수가 제한될 개재물은, 폭이 약 1 미크론보다 큰 것에까지 넓혀 정의될 수 있다; 또 허용 가능한 수소함량도 약 1ppm보다 작은 값으로 완화될 수 있다.

본 발명에 따른 보다 엄격히 제어된 다른 알루미늄 타겟은 표 2의 특징 중 하나 또는 바람직하게는 그 보다 많은 특징을 가진다:

성질	바람직한 범위
폭이 0.1㎛ 또는 그보다 큰 유전체 개재물	타겟 재료 1그램 당 5,000 미만
수소함량	약 0.075ppm 미만
탄소함량	약 5ppm 미만
산소함량	약 10ppm 미만
질소함량	약 7ppm 미만
금속 그레인 크기	약 75 내지 90 미크론 사이
(200) 조직인 재료	75% 초과
(111) 조직인 재료	1% 미만
경도	약 50 초과(록웰 경도)
표면 거칠기	약 16 마이크로인치 미만
합금 강화 가수(addend)	약 0.5 중량 % Cu
합금 석출물 크기	약 4 미크론 미만
다른 불순물	약 5ppm 미만

표 2에 대해 더욱 엄격한 조건이 가해질 수도 있다. 예를 들어: 타겟 재료 1그램 당 허용되는 개재물의 수가 3,000 또는 1,000으로 좁혀질 수 있다; 수가 제한될 개재물은, 폭이 약 0.5 미크론보다 큰 것에까지 넓혀 정의될 수 있다; 허용되는 수소함량이 약 0.05ppm보다 낮게 엄격해질 수 있으며, 허용되는 초기 거칠기도 10마이크로인치 또는 그보다 작은 값으로 낮아질 수 있다; 또 요구되는 〈200〉조직 재료의 양도 90% 또는 그 이상으로 높아질 수 있다.

도 3에서 본 발명에 따른 타겟이 실현되는 제조단계가 논의된다.

도 3은 본 발명에 따라 타겟을 제조하고 사용하는데 취해지는 단계를 나타내는 플로우차트이다. 전체 제조 및 사용 공정(manufacture-and-use process)은 부호 300으로 표시된다.

단계 301에서, 타겟을 형성할 원재료가 채광 또는 다른 방법에 의해 입수된다. 적절한 공급원으로부터 원재료를 입수하여 초기 불순물, 특히 산소(O), 수소(H), 질소(N), 탄소(C) 및 규소(Si)가 기재순으로 최소로 되게 하는 것이 바람직하다.

초기 O 함량을 최소화하는 것이 특히 바람직한데, 이는 이러한 산소 함량은 이후 Al₂O₃와 같은 바람직하지 않은 금속 산화물 형성으로 이어질 수 있기 때문이다. 이보다는 덜 하지만 N이나 C 함량도 최소화할 필요가 있는데 이는 이들 원소가 상당량 있는 개재물은 이후 금속 질화물 및/또는 금속 탄화물과 같은 바람직하지 않은 절연성 개재물 형성으로 귀결될 수 있기 때문이다. 규소는 O, N 그리고 C 중 어느 하나와 결합하여 유전체 개재물을 형성할 수 있으며, 따라서 그 함량이 최소화되어야 한다. 수소는 주조 과정(단계 303 참조)에서 용융 합금 내에 포집되는 수소 버블을 형성할 수 있다.

상술한 기준에 부합되는 광상(mine) 또는 다른 원재료원을 선택함으로써, 또는 수직 제조 사슬에 있어서 이러한 방식으로 얻어진 원재료 제품을 사용하는 서플라이어(supplier)를 추가로 사용함으로써 (초기 불순물을 최소화하는) 개선 단계(321)가 수행될 수 있다.

단계 302에서 얻어진 원재료가 정련되어 타겟 재료의 초기 형태가 만들어진다. 타겟 재료는 알루미늄이나 Al_xCu_ySi_z(여기서 x+y+z=100%, x〉〉y+z)일 수 있다.

어떤 정련 방법은 다른 방법에 비해 절연성이 높고 고저항인 이형체를 생성하는 경향이 있다. 개선 단계(322)는 절연성이 높고 고저항인 이형체의 발생을 최소화하는 정련 방법을 선택하기 위한 것이다. 이러한 개재물 최소화 공정의 한 예로 Hall-Bayert 알루미늄 정련법이 있다. 절연성의 또는 저항이 높은 개재물의 생성을 최소화하는 정련법을 사용하거나 사용하도록 교육되었는지 여부에 따라 정련된 타겟 재료의 공급자를 선택하여야 한다.

이상 상술한 바에 부합되는 정련된 금속의 예로는 Pechineg Inc.와 일본의 Sumitomo Inc.로부터의 고품질의 알루미늄이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

단계 303에서 정련된 재료는 일반적으로 주조 도가니에서 용융 및 주조된다.

도 4a에서 주조 공정이 적절히 선택되지 않으면, 상당량의 절연성 또는 고저항 개재물이 도입된다. 도 4a는 본 발명에 따라 회피되어야 할 단순한 비유동 주조공정(no-flow cast process; 400)의 단면도이다. 왜 본 발명에 따른 다른 공정이 더욱 바람직한지 설명하기 위해, 바람직하지 않은 주조방법(400)을 도시하였다.

도 4a에는 열원(420)과 결합된 도가니(410)가 설치되어 있다. 도가니(410)는 전형적으로 그라파이트와 같은 세라믹으로 이루어진다. 고체 투입 재료(예를 들어 알루미늄)가 도가니 내에 놓인다. 열원(420)으로부터 열이 가해져 투입된 재료의 액체 융액(liquid melt; 430)이 생성된다. 융액(430)의 상면은 수소(H₂), 산소(O₂), 수증기(H₂O) 및 다른 기체(예를 들어 N₂, CO₂) 중 하나 또는 그 이상을 함유하는 대기(440)에 노출된다.

고온이 관련되기 때문에, 용융액(430)의 상면이 대기(440)와 반응하여, 용융액(430)과 대기(440) 사이에 산화물막(oxide skin; 445)이 형성된다. 산화물 막(445)은 용융액(430)의 부피에 비해 상대적으로 얇다. 따라서 산화물이 용융액(430) 내로 많이 도입되는 경우는 찾기 어렵다. 그러나 용융액 내에 대류(convective flow current; 435)가 형성될 수 있다. 이들 대류(435)는 이미 형성된 산화물을 막(445)으로부터 흡입하고 이를 용융액의 중심을 향하게 하여 새로운 용융 물질을 산화성 대기(440)에 노출시키는 작용을 한다. 이로써 이러한 일회성(one-shot), 비유동성(no-flow) 주조방법(400)이 이루어지는 동안 (본 목적의 관점에서) 많은 양의 산화물이 용융액 내로 도입된다.

또 시간에 따른 마모(wear) 및 찢김(tear) 때문에, 그라파이트와 같은 재료(415)가 도가니 벽으로부터 플레이크 형태로 쪼개져 나와 용융액(430) 내에 추가로 도입될 수 있다. 이들 플레이크(flakes; 415)는 용융액 내에 탄화물 또는 다른 절연성 개재물을 형성할 수 있다.

또 액체 알루미늄과 같은 액화 금속은 뜨거울 때 수소(H₂)를 보다 쉽게 흡수하므로, 이러한 가스가 대기로부터 상당량 흡수되어 용융액(430) 내에 용해될 수 있다. 이후 금속이 냉각되면, 가스(예를 들어 수소)의 금속 내 용해도는 융액에서와 같지 않을 수도 있다. 용융 금속의 커다란 배트(vats)가 냉각될 때, 전에 흡수된 가스(예를 들어 수소)가 가스 석출물 또는 버블의 형태로 갇힐 수 있다. 이들은 나중에 주조 금속의 고체 덩어리에서 보이드로서 나타난다.

도 4b에서 주입 및 냉각 후, 주조금속(450)(예를 들어 주조 Al)은 도시된 주조공정(400) 동안 도입된 많은 양의 산화물 개재물(450a), 갇힌 수소버블(450b) 및 기타의 이형체(450c)(예를 들어 도가니 플레이크)를 포함할 수 있다. 이러한 이형체(450a, 450b, 450c)는 타겟(도 1) 바닥면(120a)의 일부가 될 때, 플라즈마(160)와 타겟(120) 사이에서 아크를 유발하고, 이는 PVD 증착된 금속(155) 내에 바람직하지 않은 블롭과 스플랫의 형성으로 귀결된다.

가스, 산화물 및 도가니 플레이크가 대류에 의해 용융액으로 도입되는 것을 최소화하기 위해 본 발명에 따른 대체 주조방법이 사용되어야 한다. 일반적으로 이들 대체 방법에서는 용융액이 대류를 형성할 수 있는 비연속주조가 아닌 연속유동주조에 의존한다. 일반적으로 이러한 대체 방법은, 산소 및 수소와 같이 개재물을 형성하는 모이어티(moieties)를 포함하는 대기(440)에 용융액을 노출시키는 공정이 아니며, 진공 또는 플런저에 의해 커버되는(plunger-covered) 공정이다.

이들 대체예의 주조방법은 Washington의 Spokane에 위치한 Johnson Matter사에서 사용하는 연속유동주조법, Ohio의 Colombus에 위치한 Tosoh사의 연속유동주조법, 일본 Tsukuba에 위치한 Japan Energy사의 진공유동주조법(in-vacuum flow casting methods) 등이 포함된다. 이들 대체예에 의해 제조된 주조 금속은 본 발명에 따라 낮은 불순물 함량을 나타낸다.

도 3의 개선 단계(323)는 주조 단계(303)에서 아래 방법 중 하나 이상이 사용되어야 함을 나타낸다: (1) 진공(in-vacuum) 또는 플런저 커버(plunger-covered) 방법을 사용함으로써 대기로부터 H₂나 다른 가스가 흡착되는 것을 최소화하는 단계; (2) 붙박이 되지 않은 물질(loose material)을 주기적으로 주조 컨테이너 벽으로부터 긁어내어, 플레이크의 도가니 내 유입을 감소시키거나 다른 방법을 사용하여 플레이크 발생을 방지하는 단계; (3) 정지(in-place) 주조법보다는 연속유동주조를 사용하여, 산화막 물질(oxidized skin material; 445)이 용융액으로의 대류에 의해 도입되는 것을 방지하는 단계.

계속 도 3에서, 주조공정 후, 금속은 단계 304에 나타난 바와 같이 일반적으로 단조(forging), 압연(rolling), 디포밍(deforming) 또는 다른 금속 가공기술에 의해 가공된다. 금속 가공 단계(304)는 조직, 경도, 합금 석출물 분포 및 가공된 금속의 다른 특성 중 하나 이상을 변화시킬 수 있다.

본 발명의 개선 단계(324)에 따르면, 가공 후의 금속 조직은 〈200〉 조직이 50% 이상이며 [111] 조직이 3% 미만이어야 한다. 공지된 바와 같이 〈200〉조직은 PVD 증착의 균일성을 향상시킨다.

본 발명의 개선 단계 324에 의하면, 가공 후의 금속 조직은 또 록웰 경도로 20, 바람직하게는 40 이상인 미세경도의 실질적으로 균질한 분포(homogeneously-distributed microhardness)를 가져야 한다. 경도는 강도와 서로 연관되어 있다. 본 발명에 따른 타겟의 균질 분포된 미세경도에 따라 높은 국부 강도가 더욱 높게 되므로 아크 발생에 의해 타겟 재료가 제거되거나 용융되는데 대한 저항이 높다.

본 발명의 개선 단계 324에 따라, 가공 후의 금속 조직은 또 Al_xCu_ySi_z(x+y+z=100%이고 x〉〉y+z)와 같은, 제 2 상 경화 합금 석출물의 균질 분포를 포함하여야 하며, 균질하게 분포된 이 제 2 상 경화 합금 석출물은 우선적으로 1∼10 미크론의 폭을 가진다. 이러한 제 2 상 경화 합금 석출물의 한 예로서 Al₄Cu₉이 있다.

물론 이러한 제 2 상 경화 합금 석출물이 가공 유기 형성(work-induced generation)되도록, 용융 재료에는 구리 또는 규소와 같은 합금성분이 미리 포함된다. 집적회로에 사용되는 인터커넥트 금속의 PVD 증착을 위해, 합금 원소의 선택은 PVD 이후 사용되는 금속 에칭 공정에 의해 제한되는 조건에도 부합되어야 한다. 일반적으로, 현재 사용되는 금속 에칭 공정에 대해, 구리 함량은 약 0.5 중량 % 미만, 규소 함량은 약 1 중량 % 미만이어야 한다.

본 발명의 개선 단계 324에 따라 가공 후의 금속은 폭이 약 100 미크론보다 좁은 금속 그레인의 균질한 분포를 가져야 한다.

타겟의 형상이 규정하기 위해 종래의 가공 단계(305)가 수행된다.

이후의 표면처리 단계(306)에 대한 개선은, 타겟의 최초 표면을 20 마이크로인치보다 높지 않고, 바람직하게는 20 마이크로인치보다 작은 거칠기로 매끄럽게 하는 것이다. 보다 높은 평활도로 가공하면, 표면에서 장 방출점(field emission points)으로 작용하는 뾰족한 부위들의 수가 감소되어, 전기장 강도를 스무스하게 유지하는데 도움이 된다. 아크는 전자를 발생하는 장 방출점의 선단(tip)에서 일어날 수 있다.

세정 및 운반(shipping) 단계(307) 다음으로 표면 폴리싱이 이어진다. 개선 단계 327에는 폴리싱된 표면으로부터 유전체 오염물을 제거하기 위해 초음파 세정을 사용하는 것이 포함된다. 유전체인 표면 오염물은 초기 아크 점(arcing spots)을 정하는 것으로 생각된다. 타겟이 우선 스퍼터링 챔버 내에 설치되어 부식될 때 최초 아크가 발생될 수 있다. 이러한 초기 아크에 의해, 타겟의 다른 매끄러운 부위에 장기적인 손상이 생길 수 있다. 결과적으로 거칠어진 표면은 부식이 완료된 뒤 바람직하지 않은 스플랫과 보다 많은 아크발생을 일으킬 수 있다.

초음파 세정이 끝난 뒤 타겟은, 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 포함하며 가스를 방출하지 않는(non-outgassing) 소수성 패키지에 의해 패킹되어야 한다. 이러한 청정 조건은 타겟이 스퍼터링 챔버 내에 설치되고 나서도 계속되어야 한다. 이와 같이 클린룸 방식으로 타겟을 취급하는 이유는 타겟의 초기 표면이 아크 유기 물질(arc-inducing substances)로 다시 오염되지 않게 하기 위해서이다.

단계 308은 타겟의 최초 부식(burn-in)과 그 후 장기간의 사용 양자에 관한 것이다. 부식 중, 더미 웨이퍼(dummy wafers)가 스퍼터링 챔버를 통과하는 동안 잔존 오염물을 타겟 표면으로부터 제거하기 위해 플라즈마가 사용된다. 어떤 레시피(recipes)는 완전한 작동 전력(예를 들어 10kW)이 타겟에 즉시 인가되는 신속한 부식을 필요로 한다. 이러한 신속한 부식은 타겟에 기계적인 스트레스를 가해 취약점(weak spots)을 발생시키고, 결과적으로 스플랫을 형성하는 약점이 있는 것으로 생각된다. 개선 단계 328에 따라, 신속한 플라즈마 점화에 기인한 타겟에 대한 기전(electromechanically) 스트레스가 가능한 한 회피된다. 타겟에, 초기 부식을 위해 1kW 또는 그 이하를 인가하고, 제 2 부식 기간 동안은 3kW를 인가하고, 최종적으로 5kW를 인가하는 점증적인 방법으로 타겟이 부식될 수 있으며, 이 실시예에서 최종적으로 제조 레벨 전력은 10.6kW이다. 부식과정 동안, 샘플 웨이퍼는 스퍼터링 챔버를 통과하며, 스퍼터링된 물질이 입혀진(sputtered-on) 알루미늄 필름의 반사율(reflectants)이 측정된다. 부식 공정에 의해 타겟으로부터 표면 오염물질이 제거됨에 따라 알루미늄 필름의 광학적 반사율이 개선된다. 대응되는 규소의 반사율 값의 약 200%에서 반사율 값이 안정되면 완전하게 부식된 것으로 간주된다.

매회 플라즈마가 점화되는 제조 스퍼터링 동안 동일한 개선 328이 추가로 가해진다. 무전력 상태로부터 충분한 제조 레벨 전력(예를 들어 10.6kW)에까지 신속하게 플라즈마를 점화시키는 대신, 챔버 압력을 조정하면서 점화 전력을 천천히, 이를테면 초당 2kW, 바람직하게는 0.5kW/sec 내지 1.0kW/sec 또는 더 낮게 천천히 점진적 증가(ramp up)시키는 것이 바람직하다. 전력의 점진적 감소(ramp down)는 이를테면 초당 3kW 또는 그 이하의 보다 높은 속도로 이루어질 수 있으며, 이때 챔버 압력은 붙박이 되지 않은 입자(loose particles)를 배출하도록 낮게 유지되어야 한다. 전력을 서서히 단계적으로 낮추고 높임에 따라 단위 시간당 타겟에 걸리는 기전(electromechanical) 스트레스의 양이 감소되는 경향이 있다. 이에 따라 기계적 스트레스의 결과로 타겟에 생기는 취약점(weak spots)의 수가 감소되는 것으로 믿어진다. 게다가 전력 레벨을 천천히 단계적으로 낮추면 공정 말기에 물질이 타겟에 재부착되는 것을 감소시키는 경향이 있다. 재부착된 물질은 표면 거칠기를 증가시키거나 다른 방법으로 스플랫 발생점을 생성한다. 그러므로 본 발명에 따라 플라즈마 전력공급수단(powering means; 125; 도 1)은 초당 2kW 또는 그 미만의 속도로 플라즈마에의 전력을 단계적으로 증가시켜가며 초당 3kW 또는 그 미만의 속도로 플라즈마에의 전력을 단계적으로 줄여가는 수단을 포함한다.

도 5는 스플랫 생성 밀도를 본 발명에 따라 제조된 타겟의 수명에 대해 나타내는 도면이다. 각각의 타겟은 이하의 특성을 가진다: 타겟 재료 1그램 당 개재물 농도가 5,000보다 높고 크기가 약 1 미크론보다 큰, 금속산화물(Al₂O₃), 질화물 석출물, 탄화물 석출물과 같은 유전체 개재물이 실질적으로 없다; 갇혀진 가스에 의해 유발되며 크기가 약 1 미크론보다 크고 타겟 재료 1그램 당 농도가 5,000보다 높은 보이드가 실질적으로 없다; 약 75 내지 90 미크론 범위 크기 금속 그레인의 균질 분포가 제공된다; 약 20 마이크로인치보다 작은 초기 표면 거칠기가 제공된다.

45개 웨이퍼의 묶음(lots of 45 wafers)들 각각에 대해, 200kW시의 타겟 사용마다 샘플을 취해서, 웨이퍼 당 스플랫 수(스플랫은 지름이 1 미크론보다 큰 이형체로 정의)를 측정하였다. 각 웨이퍼의 지름은 200mm였다. 스퍼터링하는 동안 피크 파워 레벨(peak power level)은 압력 2mTorr, 타겟에서 웨이퍼까지의 거리 52mm에서 생산된 10.6kW였다. 목표는 웨이퍼 당 평균 5개 미만의 스플랫이 만들어지게 하는 것이었다. 도 6에 나타난 바와 같이 평균 스플랫 밀도는 최초 600kW시의 타겟 수명에 대해서는 웨이퍼 당 2개 미만이었으며, 약 600kW시의 타겟 수명 이후에는 웨이퍼 당 약 3개로 증가되었다.

도 6에 나타난 것과 달리, 본 발명에 따른 엄격한 공정 제어에 의해 제조되지 않는 종래의 타겟은 웨이퍼 당 평균 10개 또는 그보다 많은 스플랫을 만드는 경향이 있다. 도 6의 테스트 결과는 타겟 제조을 엄격한 제어함으로써 웨이퍼 당 스플랫의 평균수가 현저하게 감소함을 나타낸다.

상술한 기준에 부합되는 타겟의 시험은 이하와 같이 이루어진다. 타겟의 개재물 함량이 습식 화학 분해(wet chemical dissolution) 기술에 의해 측정될 수 있다. 이러한 한 가지 방법에 있어서, 폴리에틸렌 비이커가 사용 전에 완전히 세척된다. 산(acids) 및 시약수(reagent water)가 지름 0.45 미크론인 막필터에 의해 사용 전 필터링된다. 샘플 알루미늄 타겟은 톱(saw)에 의해 각각 1그램의 샘플 크기로 절단되고, 폴리싱휠에서 240그릿(grit)으로 마무리된다. 그리고 샘플은 연마의 흔적을 지우기 위해, 완전히 용해 전 별도의 30% HCl 조(bath)에서 잠시(예를 들어 5초) 미리 세정(precleaned)된다. 그 뒤 샘플은 상온 또는 그보다 높은 온도에서 30% HCl을 가지는 깨끗한 수용성 용액에서 완전히 용해된다. 1그램 샘플에 대해서는 100㎖의 샘플이 사용되며, 10∼30그램의 샘플에 대해서는 500㎖가 사용된다. 광학 현미경/SEM 분석을 위해서는 지름 0.45 미크론의 격자(grid)로 된 필터 위에서 HCl 용액으로부터 고체가 수집되며, 화학분석을 위해서는 0.22 미크론의 격자가 없는(ungridded) 지름 47mm의 필터에서 고체가 수집된다. 구리는 필터에서 10% HNO₃를 사용함으로써 용해된다. 이 모든 과정은 HEPA 필터링된 라미나 플로우 후드(laminar flow hood)에서 수행되어야 한다. 세정된 필터는 현미경으로 조사하기 전에 클래스 100 클린룸에서 건조된다. 개재물의 크기 분포는 ASTM F24 및 F25와 같은 수동 광현미경 검사(manual light microscopy)를 사용하여 측정될 수 있다. 분석 시의 오염을 방지하기 위해 비스듬한 조명(oblique lightening)이 사용되어야 한다.

알루미늄 타겟 샘플에서의 가스/보이드 함량 및 크기 분포는 LECO 분석(Liquid Emission Collemetry)을 사용하여 측정될 수 있다. 금속의 경도, 그레인 크기, 그리고 다른 가공 유기 특성은 종래의 금속 특성 조사기술에 의해 측정될 수 있다. 상술한 기준을 만족하는 로트(lots)로부터 적절히 선택된 타겟은 일반적으로 인정되는 통계기술에 근거, 적합한 것이라고 불릴 수 있다. 상술한 기준 중 하나 이상을 만족하지 못하는 적당히 선택된 로트로부터의 타겟은 스플랫 형성이 문제로 되는 PVD 금속 작업으로부터 배제되어야 한다.

상술한 설명은 발명의 사상 및 범위를 한정하는 것이 아니라, 발명을 예시하는 것으로 간주되어야 한다. 당업자에게는, 이상의 개시내용을 연구한 뒤에는 다양한 변형예와 수정예가 명백하게 될 것이다.

예를 들어, 같은(conforming) 타겟의 제조 및 사용은, 단계 301∼305(대응하는 개선 321∼324를 추가하여) 중 하나 또는 그 이상과 306∼308과 같은 나머지 단계(대응하는 개선 단계 326∼328을 추가하여)를 통과한 제 3의 타겟 공급원으로부터의 구입을 포함한다. 각 개선 단계에서 요구되는 규격에 대해 제 3의 공급자에 의한 통계적 일치를 조사하기 위해 샘플링이 사용될 수 있다.

이상 개시된 개념 일반과 특정 실시예가 주어진 상태에서, 구하고자 하는 보호범위는 첨부된 청구의 범위에 의해 규정된다.

Claims

주로 도전성인 증착될 금속(to-be-deposited metal)으로 구성되는 증착 형성부(deposition-producing portion)를 가지며 DC 마그네트론 PVD 시스템에 수용되는 타겟(120)으로서, 상기 증착 형성부는 추가로,

도전성 이형체(conductivity anomalies)는 증착될 금속 1그램 당 약 10,000개 미만으로 균질하게 함유(homogeneous content)되며, 상기 그램 당 10,000개 이하의 도전성 이형체 그룹에서 상기 각 도전성 이형체는 폭이 1 미크론 이상인 영역이며, 상기 각 도전성 이형체는 증착될 금속 중 이형체가 없는 일반적인 부분의 대응 전기 저항 값보다 100배 이상 높은 절연성 또는 고저항의 영역을 정하는 것을 특징으로 하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 증착될 금속 1그램 당 약 5,000개 미만의 도전성 이형체가 균질하게 함유되는 것을 특징으로 하는 타겟(120).
제 2항에 있어서, 상기 그램 당 5,000개 또는 그 미만의 도전성 이형체 그룹에서 상기 각 도전성 이형체는 폭이 0.3 미크론 이상인 타겟(120).
제 3항에 있어서, 상기 그램 당 5,000개 또는 그 미만의 도전성 이형체 그룹에서 상기 각 도전성 이형체는 폭이 0.1 미크론 이상인 타겟(120).
제 1항에 있어서, 상기 증착될 금속은 주성분으로서 알루미늄을 포함하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 상기 도전성 이형체가, 금속 산화물인 개재물을 포함하는 타겟(120).
제 6항에 있어서, 상기 도전성 이형체가, 알루미늄 산화물인 개재물을 포함하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 증착될 금속의 증착될 표면 내에 포함되어 있거나(defined) 또는 그 표면 위에 노출된 보이드(void)를 상기 도전성 이형체가 포함하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 상기 타겟의 증착 형성부가 50 이상의 균질한 록웰 경도를 추가적인 특징으로 하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 상기 타겟의 증착 형성부가, 약 100 미크론의 균질한 금속 그레인 크기를 추가적인 특징으로 하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 상기 타겟의 증착 형성부는, 약 20 마이크로인치보다 크기 않은 최초 표면 거칠기를 추가적인 특징으로 하는 타겟(120).
제 1항에 있어서, 상기 타겟의 증착 형성부는, 각각 약 5미크론 이하의 제 2 상 경화 합금 석출물의 실질적으로 균질한 분포를 추가적인 특징으로 하는 타겟(120).
주로 도전성인 증착될 금속으로 구성되는 증착 형성부를 가지며 DC 마그네트론 PVD 시스템에 수용되는 타겟(120) 제조방법으로서:

(a) 산소가 약 10ppm 미만인 정련된 형태의 상기 증착될 금속을 입수하는 단계(322);

(b) 정련된 금속을 연속유동주조법(continuous-flow casting method)을 사용하여 주조하는 단계(323); 및

(c) 주조 금속을 가공하여 지름이 각각 100 미크론 미만인 금속 그레인의 실질적으로 균질한 분포를 만드는 단계(324)를 포함하는 타겟 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 증착될 금속은 주성분으로서 알루미늄을 포함하는 타겟 제조방법.
제 13항에 있어서, 정련된 형태를 입수하는 상기 (a) 단계가 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(a1) 수소가 1ppm 미만인 정련된 형태의 증착될 금속을 입수하는 단계.
제 15항에 있어서, 정련된 형태를 입수하는 상기 (a) 단계가 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(a2) 질소가 10ppm 미만인 정련된 형태의 증착될 금속을 입수하는 단계.
제 15항에 있어서, 정련된 형태를 입수하는 상기 (a) 단계가 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(a2) 탄소가 10ppm 미만인 정련된 형태의 증착될 금속을 입수하는 단계.
제 13항에 있어서, 상기 (b)의 주조 단계가 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(b1) 주조 금속의 용융액 막(melt skin)이 산화성 분위기(oxidizing atmosphere)에 노출되지 않는 주조방법을 사용하는 단계.
제 13항에 있어서, 상기 (b)의 주조 단계가 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(b1) 용융액(melt)이 액체(liquid)이고 주조 금속의 응고시 용액으로부터 석출되어 가스 버블(gas bubbles)을 가둘 때(define), 용융액 내로 용해되는 가스를 포함하는 분위기에 주조 금속의 용융액 막(melt skin)이 노출되지 않는 주조방법을 사용하는 단계.
제 13항에 있어서, 상기 (b)의 주조 단계가 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(b1) 주조하는 동안 주조 컨테이너 물질이 플레이크(flake)로 되어 나와서 용융액에 도입되지 않도록 하기 위해, 내부가 주기적으로 긁어 내어지는 주조 컨테이너(casting container)를 사용하는 단계.
제 13항에 있어서, 상기 (c)의 가공 단계에 의해 지름이 각각 약 75 내지 90 미크론 범위인 금속 그레인이 실질적으로 균질하게 분포되는 타겟 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 (c)의 가공 단계가 추가로 이하를 만드는 타겟 제조방법:

(c1) 지름이 약 1 내지 10 미크론 범위인 제 2 상 석출물의 실질적으로 균질한 분포.
제 22항에 있어서, 상기 (c)의 가공 단계가 추가로 이하를 만드는 타겟 제조방법:

(c2) 재료의 50% 이상이 {200} 조직을 가지는 것.
제 13항에 있어서, 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(d) 타겟의 증착 형성부의 초기 표면을 약 20 마이크로인치보다 크지 않은 평균 표면 거칠기로 평탄하게 하는 단계(326).
제 24항에 있어서, 상기 (d)의 평탄화 단계가 증착 형성부에 이하를 만드는 타겟 제조방법:

(d1) 약 16마이크로인치보다 크지 않은 거칠기.
제 24항에 있어서, 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(e) 최초 타겟 표면으로부터 아크 유기 오염물(arc-inducing contaminants)을 제거하기 위해 상기 평탄화된 타겟 표면을 초음파 세척하는 단계(327);

(f) 상기 세척된 타겟을 불활성 가스 팩(pack) 안에서 운반(shipping)하는 단계.
제 26항에 있어서, 이하의 단계를 추가로 포함하는 타겟 제조방법:

(g) 운반된 타겟을 점차적으로 증가되는 플라즈마 전력 레벨을 사용하여 부식시키는(burning in) 단계(328).
주로 도전성인 증착될 금속으로 구성되는 증착 생성부를 가지는 타겟을, 그 설치를 위해 수용하는 DC 마그네트론 PVD 시스템(100)에 대한 작동방법으로서, 이하의 단계를 포함하는 작동방법:

(a) 아래의 특징 중 2개 또는 그 이상을 가지면 적합한 것으로 하는 인증 프로그램(certification program)에 따라 입수된 타겟을 설치하는 단계:

(a1) 타겟 재료 1그램 당 약 10,000개 미만의 도전성 개재물을 가지며, 이들 제한된 수의 개재물은 폭이 0.3 미크론 또는 그 이상;

(a2) 약 0.5ppm 미만의 수소 함량;

(a3) 약 10ppm 미만의 탄소 함량;

(a4) 약 10ppm 미만의 산소 함량;

(a5) 약 10ppm 미만의 질소 함량;

(a6) 각각의 지름이 100 미크론보다 작은 금속 그레인의 실질적으로 균질한 분포;

(a7) 지름이 1 내지 10 미크론 범위인 제 2 상 석출물의 실질적으로 균질한 분포;

(a8) 재료의 50% 이상이 {200} 조직을 가지는 것;

(a9) 록웰 경도 50 이상의 균질한 미세경도; 및

(a10) 20 마이크로인치 미만인 증착 형성부의 초기 표면 거칠기; 및

(b) 초당 2kW보다 높지 않은 평균 속도로 플라즈마 전력을 단계적으로 높이는(ramping up) 단계(328).
제 28항에 있어서, 이하의 단계를 추가로 포함하는 DC 마그네트론 PVD 시스템의 작동방법.

(b) 초당 3kW보다 높지 않은 평균속도로 플라즈마 전력을 단계적으로 낮추는 (ramping down) 단계.
주로 도전성인 증착될 금속으로 구성되는 증착 형성부를 가지며, 스플랫이 적은 타겟(splat-limited target)이 설치되는 DC 마그네트론 PVD 시스템(100)으로서 아래의 특징 중 2개 또는 그 이상을 가지며:

(a1) 타겟 재료 1그램 당 약 5,000개 미만의 유전체 개재물을 가지며, 이들 제한된 수의 개재물은 그 폭이 0.3 미크론 또는 그 이상이며;

(a2) 약 0.5ppm 미만의 수소 함량;

(a3) 약 10ppm 미만의 탄소 함량;

(a4) 약 10ppm 미만의 산소 함량;

(a5) 약 10ppm 미만의 질소 함량;

(a6) 각각의 지름이 100 미크론보다 작은 금속 그레인의 실질적으로 균질한 분포;

(a7) 지름이 1 내지 10 미크론 범위인 제 2 상 석출물의 실질적으로 균질한 분포;

(a8) 재료의 50% 이상이 {200} 조직을 가지는 것;

(a9) 록웰 경도 50 이상의 균질한 미세경도; 및

(a10) 20 마이크로인치보다 작은, 증착 형성부의 초기 표면 거칠기; 및

(b) 초당 2kW보다 높지 않은 평균 속도로 플라즈마 전력을 단계적으로 증가시키기 위한 전력제어수단(power control means; 125)을 추가로 포함하는 DC 마그네트론 PVD 시스템(100).
제 30항에 있어서, 상기 스플랫 수가 적은 타겟은 주 구성요소로서 알루미늄을 포함하는 DC 마그네트론 PVD 시스템(100).
DC 마그네트론 PVD 시스템에서의 사용하기 위해 유사하게 제조된 타겟 로트(lots)로부터 샘플을 평가하기 위한 평가방법(qualifying method)으로서, 샘플이 이하의 특징 중 둘 또는 그 이상을 만족하는지 시험하는 단계를 포함하는 평가방법:

(a1) 타겟 재료 1그램 당 약 10,000개 미만의 유전체 개재물을 가지며, 이들 제한된 수의 개재물은 폭이 0.3 미크론 또는 그 이상;

(a2) 약 0.5ppm 미만의 수소 함량;

(a3) 약 10ppm 미만의 탄소 함량;

(a4) 약 10ppm 미만의 산소 함량;

(a5) 약 10ppm 미만의 질소 함량;

(a6) 각각의 지름이 100 미크론 미만인 금속 그레인의 실질적으로 균질한 분포;

(a7) 지름이 1 내지 10 미크론 범위인 제 2 상 석출물의 실질적으로 균질한 분포;

(a8) 재료의 50% 이상이 {200} 조직을 가지는 것;

(a9) 록웰 경도 50 이상의 균질한 미세경도; 및

(a10) 20 마이크로인치 미만의, 증착 형성부의 초기 표면 거칠기.