KR20010041917A - 중첩 단부가 제공된 코일을 갖는 스퍼터링 장치 - Google Patents

중첩 단부가 제공된 코일을 갖는 스퍼터링 장치 Download PDF

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KR20010041917A
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Abstract

기판 처리챔버내의 플라즈마에 RF 에너지를 유도 결합시키기 위한 코일은 기판 처리 균일도를 개선하기 위해 인접되게 이격 중첩된 단부를 가진다.

Description

중첩 단부가 제공된 코일을 갖는 스퍼터링 장치 {SPUTTERING APPARATUS WITH A COIL HAVING OVERLAPPING ENDS}
플라즈마는 표면 처리, 증착 및 에칭 공정을 포함하는 다수의 반도체 디바이스 제조공정에 사용될 수 있는 통상적인 활성 이온 및 활성 원자 소오스(source)이다. 예를들어, 스퍼터 증착공정을 사용하여 재료를 반도체 웨이퍼상에 증착시키기 위해서는 플라즈마가 음 편위된(negatively biased) 스퍼터 타겟재료의 근처에 발생되어야 한다. 상기 플라즈마 내부에 생성된 이온들은 스퍼터 재료를 타겟으로부터 이동시키기 위해 타겟 표면과 충돌한다. 그후, 스퍼터 재료들은 반도체 웨이퍼 표면상으로 이동 및 증착된다.
스퍼터 재료는 타겟으로부터 기판 표면에 경사진 각도로 증착될 기판 표면으로 직진 통행하는 경향이 있다. 그 결과로서, 높은 깊이 대 폭 종횡비를 갖는 트렌치 또는 홀(trenches or holes)을 갖는 반도체 디바이스 장치의 에칭된 트렌치 및 홀내에 증착된 재료가 교락(bridge over)되어 증착 층내에 바람직하지 않은 공동을 유발하는 오버행(overhang)을 증대시킬 수 있다. 그러한 오버행을 방지하기 위해서는 기판을 음으로 변화시키고 스퍼터된 재료가 플라즈마에 의해 충분히 이온화된 경우에 기판에 인접한 수직방향의 전기장을 적절히 위치시킴으로써 타겟과 기판 사이의 거의 수직한 통로 내측으로 스퍼터된 재료를 재지향시켜야 한다. 그러나, 저밀도 플라즈마에 의해 스퍼터된 재료는 종종 오버행의 형성을 방지하기에 불충분한 1% 이하의 이온화율을 가진다. 따라서, 증착층 내부의 바람직하지 않은 오버행을 감소시키기 위해서는 스퍼터된 재료의 이온화율을 증가시키도록 플라즈마 밀도를 증가시키는 것이 바람직하다. 본 명세서에 사용된 "조밀한 플라즈마"는 높은 전자 및 이온 밀도를 갖는 플라즈마를 의미한다.
플라즈마를 RF 필드로 여기시키는 기술은 용량성 커플링, 유도 커플링 및 웨이브 히팅(wave heating)과 같은 여러 가지 기술이 공지되어 있다. 표준 유도결합 플라즈마(ICP) 발생기에 있어서, 코일을 통과하는 RF 전류는 전자기장을 유도시켜 고밀도 플라즈마를 발생시킨다. 이들 전류들은 오옴 가열에 의해 도전성 플라즈마를 가열시켜, 일정한 상태로 유지한다. 예를들어, 미국 특허 제 4,362,632호에 제시되어 있는 바와 같이, 코일을 통과한 전류는 임피던스 정합 네트워크를 통해 코일에 연결된 RF 발생기에 의해 공급되어서, 코일은 변압기의 제 1 권선으로서 작용한다.
다수의 고밀도 플라즈마 적용에 있어서, 챔버가 상당히 높은 압력에서 작동하여 플라즈마 이온 또는 플라즈마 전구체 가스 원자와 증착재료 원자들 사이의 충돌 빈도수를 증가시킴으로써 스퍼터된 재료들이 고밀도 플라즈마 영역에서 머무는 시간를 증가시키는 것이 바람직하다. 그 결과로서, 증착재료 원자들이 이온화될 가능성이 증가되어 전체 이온화율이 증가된다. 그러나, 증착원자의 산란도 증가된다. 이러한 증착원자의 산란은 종종, 기판상의 증착층의 두께가 타겟의 중심과 정렬된 기판의 부분에서는 더 두꺼워지고 외곽영역에서는 더 얇아지게 되는 원인이 된다.
증착 균일도를 개선하기 위해서 RF 에너지를 플라즈마에 연결하는데 사용된 코일이 타겟으로부터 스퍼터된 재료를 피가공재상에 공급하도록 코일로부터 피가공재상에 재료를 스퍼터하는데 채용되어 왔다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 제임 눌만 등에 의해 "플라즈마를 발생시켜 스퍼터링하기 위한 코일"이란 명칭으로 1996년 7월 10일자로 공동 출원되어 본 출원인에 양도되고 본원에 참조된 미국 출원 제 08/680,335호에 기재되어 있다. 본 명세서에 설명하는 바와 같이, 코일은 코일로부터 스퍼터된 재료가 피가공재의 주변에 일차로 증착되도록 기판에 인접 위치된다. 코일의 일단부는 RF 발생기에 접속되고 코일의 타단부는 통상, 코일의 스퍼터링을 촉진시키도록 코일상에 직류 바이어스를 전개시키도록 저지 커패시터를 통해 시스템 접지면에 접속된다. 상기 코일이 단일 권선 코일이라면, 코일의 단부들은 통상적으로 서로 근접 위치되지만 코일을 통과시키는 저지 커패시터와 RF 발생기 사이의 단락을 방지할 수 있는 간격(통상, 1/4 인치(4 내지 8센티) 정도)만큼 이격되어 있다.
코일로부터 피가공재상에 재료를 스퍼터링시키는 것에 의해 증착 균일도가 증가되지만, 그럼에도 불구하고 본 출원인은 증착 불균일함이 발생되는 것에 주목했다. 따라서, 증착 균일도를 더욱 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 반도체 디바이스의 제조시 재료 층을 스퍼터링 증착시키기 위해 플라즈마를 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 생성 챔버의 부분적인 횡단면도이며,
도 2는 도 1 플라즈마 생성 챔버에 대한 상호 전기 접속을 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 코일의 사시도이며,
도 4는 도 3 코일의 부분 정면도이며,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 코일의 부분 정면도이며,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 코일의 부분 정면도이며,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 코일의 부분 사시도이며,
도 8은 종래 코일의 부분 사시도이다.
본 발명의 목적은 챔버내에 플라즈마를 발생시키고 재료 층을 스퍼터 증착시키기 위한, 전술한 한계점들을 실시가능하게 경감시킬 수 있는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 기타의 장점들은 본 발명의 일면에 따른, 전자기 에너지를 유도 결합시켜 두 개의 이격되었지만 중첩된 단부를 갖는 코일로부터 재료를 스퍼터링하는 플라즈마 발생장치에 의해 달성된다. 종래의 단일 권선 코일에 있어서 정상적으로 이격되어 있는 양단부 사이의 간격이 기판의 타단부들에 비해서 코일 간극에 최근접된 기판의 부분들상에 코일로부터 스퍼터된 재료의 불균일한 증착을 초래한다는 것을 본 출원인이 인식하였다. 근접되게 그러나 이격된 관계로 코일의 양단부를 중첩시킴으로써, 양단부가 인접해 있더라도 코일의 주변부에 더욱 균일한 증착재료 소오스를 제공할 수 있다고 여겨진다. 또한, 그러한 코일은 코일 단부 근처의 플라즈마 균일도를 개선한다고 여겨진다.
다수의 예시적인 실시예에 있어서, 코일 단부는 기판 홀더 및 기판상에 지지된 기판의 축선에 일반적으로 평행한 방향으로 중첩된다. 다른 실시예에서, 코일 단부는 반경방향으로 중첩된다. 이후에 설명하는 각각의 실시예에서, 그런한 코일 단부의 중첩은 기판상에 증착된 층의 품질을 개선할 수 있다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 생성기는 (도 2에 개략적으로 도시된)진공챔버(102)내에 수용된 실질적으로 원통형인 플라즈마 챔버(100)를 포함한다. 본 실시예의 플라즈마 챔버(100)는 이후 더 상세히 설명하는 바와 같이, 개선된 증착 균일도를 제공하는 중첩단부를 가진다. 상기 코일(104)은 진공 챔버(102)의 내벽(도시않음)이 플라즈마 챔버(100)의 내측에서 증착되는 것으로부터 보호하는 차폐물(105)에 의해 일체로 지지된다.
RF 생성기(106)로부터의 고주파(RF) 에너지는 코일(104)로부터 증착 시스템(100)의 내측으로 방사되어 챔버(102)의 상부에 위치된 타겟(110)으로부터 스퍼터된 재료를 이온화하도록 증착 시스템(100) 내부에서 플라즈마를 활성화시킨다. 타겟(110)은 스퍼터링 이온들을 흡인하도록 직류 전원(111)에 의해 음 편위된다. 타겟(110)과 충돌하는 이온들은 증착 시스템(100)의 바닥에 있는 받침대(114)에 의해 지지되는 웨이퍼 또는 다른 피가공재일 수 있는 기판(112)상에 타겟으로부터 재료를 방출한다. 타겟(110) 위에 제공된 회전 자석조립체(116)는 타겟의 균일한 침식을 촉진하도록 타겟(110)의 정면을 쓸어내는 자기장을 생성한다.
전술한 바와 같이, 타겟(110)으로부터 방출된 재료의 원자들은 플라즈마에 유도결합된 코일(104)에 의해 활성화되는 플라즈마에 의해 차례로 이온화된다. 상기 RF 생성기(106)는 바람직하게, 증폭기와 임피던스 정합 네트워크(118)를 통해 코일(104)의 일단부(117)에 결합된다. 코일(104)의 타단부(119)는 바람직하게, 가변 커패시터일 수 있는 커패시터(120)를 통해 접지면에 연결된다. 이온화된 증착재료는 기판(112)에 흡인되어 그 상부에 증착을 수행한다. 상기 받침대(114)는 기판(112)을 외측으로 편위시키도록 교류(또는 직류 또는 RF) 공급원에 의해 음 편위된다.
공동 계류중인 미국 출원번호 08/680,335호에 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 재료는 또한 타겟(110)으로부터 피가공재상에 스퍼터될 재료를 공급하도록 코일(104)로부터 기판(112)상에 스퍼터된다. 그 결과, 기판(112)상에 증착될 층이 코일(104)과 타겟(110)으로부터의 재료로 형성되어 실질적으로 생성된 층의 균일도를 개선할 수 있다. 타겟(110)으로부터 스퍼터된 재료는 피가공재의 엣지에 비해 피가공재의 중심부에서 더 두껍게 증착되는 경향이 있다. 그러나, 코일(104)로부터 스퍼터된 재료는 피가공재의 중심부에 비해 피가공재의 엣지에서 더 두껍게 증착되는 경향이 있다. 그 결과, 코일 및 타겟으로부터 증착된 재료들은 피가공재의 중심부로부터 엣지로 개선된 두께 균일도를 갖는 층을 형성하도록 조합될 수 있다.
일반적으로, 플라즈마를 생성하고 스퍼터링하기 위한 코일은 코일의 양 단부가 코일의 단락을 방지하도록 접촉되지 않게 설계된다. 도 8은 RF 생성기 및 접지면에 각각 연결되는 두 개의 단부(802,804)를 갖는 종래의 단일 권선 코일(800)을 도시한다. 두 개의 단부(802,804)는 두 단부의 단락을 방지하는 슬롯(806)에 의해 이격된다. 그러나, 슬롯(806)은 기판상의 재료의 증착에 있어서 불균일함의 원인이 될 수 있음을 인식했다. 본 발명은 그러한 슬롯에 의한 불균일함을 감소 또는 제거하고자 하는 것이다.
코일(104)은 코일(104)을 지지 차폐물(105)로부터 전기적으로 절연하는 복수의 코일 스탠드오프(122)에 의해 차폐물(105)상에 지지된다(도 1). 1997년 5월 8일자로 출원되어 본 출원인에게 양도된 발명의 명칭이 "플라즈마를 생성하기 위한 오목 코일"이고 공동 계류중인 미국 출원 제 08/853,024호(대리인 참고번호 1186-P1/PVD/DV)에 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 상기 절연 코일 스탠드오프(122, standoff)는 (통상적으로 접지되어 있는)차폐물(105)에 대한 코일(104)을 단락시킬 수 있는 차폐물(105)로 상기 코일(104)로부터 증착재료의 완전한 전도성 통로의 형성을 방지하면서 타겟(110)으로부터 코일 스탠드오프(122)상으로 전도성 재료의 반복적인 증착을 허용하는 내부 미로 구조를 가진다.
RF전원은 공급로 스탠드오프(124)를 절연시킴으로써 지지되는 공급로(124)에 의해 코일(104)에 인가된다. 상기 코일 지지 스탠드오프(122)와 유사하게, 상기 공급로 스탠드오프(124)는 차폐물(105)에 대한 코일(104)을 단락시킬 수 있는 전도성 통로의 형성없이 타겟으로부터 공급로 스탠드오프(124)상으로 전도성 재료의 반복적인 증착을 허용한다. 따라서, 코일 공급로 스탠드오프(124)는 코일 스탠드오프(122)의 그것과 다소 유사한 내부 미로구조를 가짐으로써 코일(104)과 차폐물의 벽(140)사이의 단락을 방지한다.
예시적인 실시예의 코일(104)은 10 내지 12 인치 직경을 갖는 단일 권선 코일로 형성된 1/2 × 1/8 인치 강력 비드 블래스트 처리된 고상 고순도(바람직하게 99.995% 순도) 티타늄 리본으로 형성된다. 그러나, 스퍼터된 재료 및 다른 요인에 따라 다른 고 전도성 재료 및 다른 형상들이 이용될 수 있다. 예를들어, 상기 리본은 1/16 인치 정도로 얇고 높이가 2인치 이상일 수 있다. 또한, 스퍼터될 상기 재료가 알루미늄이라면, 타겟과 코일은 모두 고순도 알루미늄으로 제조될 수 있다. 예시적인 리본 형상 이외에, 특히 수냉식이 바람직한 경우에 중공형 튜브가 이용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 상세히 도시된 바와 같이, 본 발명의 일면에 따라 코일(104)의 양 단부(117,119)는 기판의 모든 원주변을 둘러싸도록 축방향으로 중첩되어 있다. 예시적인 실시예의 코일(104)은 일반적으로 원형이고 기판 및 기판 홀더의 중심 축선(131)과 정렬된 중심축선(130)을 형성한다(도 2). "축선방향으로의 중첩"이란 용어는 코일 단부가 기판 홀더의 축선에 일반적으로 평행한 방향으로 중첩됨을 의미하며, 상기 축선은 기판을 지지하는 기판홀더의 표면에 수직하다. 기판 홀더 축선은 코일로부터 기판 상에 증착되는 증착재료의 수직방향으로의 이동을 한정한다. 예시적인 실시예에서, 코일 중첩의 축선방향은 또한 타겟(110)과 기판(112) 사이의 챔버의 축선와 일반적으로 동일한 방향이다. 따라서, 예시적인 실시예에서 기판에 대한 코일의 방향 및 기판에 대한 타겟의 방향은 (중력에 대해)상하 방향으로 수직하다. 그러나, 챔버는 다른 방향으로 지향되어 있어서 코일과 기판 사이의 방향이 (중력에 대해)상하 방향과는 상이한 방향을 가질 수 있다. 또한, 코일 중심 축선은 기판과 정렬되지 않거나 코일은 대칭의 중심축선을 갖지 않도록 원형이 아닐 수도 있다. 그러나, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 코일 단부는 코일 단부가 기판 홀더 축선에 일반적으로 평행한 방향으로 중첩될 때 기판 방향에 대한 실제 코일과는 무관하게 "축선방향으로의 중첩"으로 고려될 수 있다.
전술한 바와 같이, 두 개의 단부(117,119)는 RF 발생기와 시스템 접지면에 각각 연결된다. 따라서, 슬롯(600)은 두 개의 단부(117,119)를 이격시켜 RF 발생기와 시스템 접지면 사이의 단락을 방지한다. 코일(104)이 축선방향으로 중첩된 단부를 가지므로, 코일은 기판의 완전한 원주위를 덮는다. 환언하면, 기판을 포함하는 챔버 플라즈마 생성영역의 어떤 축방향 횡단면은 슬릿의 근처에서라도 코일(104)의 일부분을 포함할 수 있다. 결과적으로, 코일의 일부분은 기판의 모든 반경방향으로 기판과 정렬될 것이다. 그 결과, 코일의 슬롯과 정렬된 기판의 부분들에 대한 증착 균일도가 개선된다고 여겨진다. 이와는 대조적으로, 도 8에 도시한 종래의 코일의 슬롯(806)내부에 있는 라인(820)을 따라 취한 축방향 횡단면은 코일(800)의 단부가 중첩되지 않으므로 종래 코일의 일부분을 포함하지 않는다. 따라서, 도 3 및 도 4의 코일을 위한 슬롯(600)에 비해서 슬롯(806)에 인접한 스퍼터링 비율에 있어서 높은 불연속성을 가진다.
코일의 원주위에 따른 스퍼터링의 균일도는 코일에 따른 RF 전압분포를 시프팅함으로써 더욱 개선될 수 있다. 1997년 5월 16일자로 발명의 명칭이 "코일 스퍼터 분포의 제어를 위해 가변 임피던스의 사용"으로 공동출원된 미국 출원 번호 08/908,341호(대리인 번호 1737/PVD/DV)에 기술된 바와 같이, 상기 시프팅은 코일에 연결된 임피던스를 변경하고 코일에 연결된 RF 생성기의 전력 또는 주파수를 변경하는 것을 포함한 다수의 기술에 의해 달성될 수 있다.
도 3 및 도 4의 코일(104)은 플라즈마 생성영역내의 플라즈마의 균일도를 개선할 수 있다고 여겨진다. 예를들어, 코일(104)이 플라즈마 생성영역을 완전히 에워싸기 때문에, 코일상에 유도된 어떤 직류 바이어스는 플라즈마 생성영역의 주변부에서 더욱 균일하게 분포될 수 있다. 그 결과, 코일상의 직류 바이어스에 의해 영향을 받는 플라즈마 밀도 또한 더욱 균일하게 분포될 수 있다. 따라서, 플라즈마를 통과하는 증착재료가 더욱 균일하게 이온화될 수 있어서 코일 간극에 인접한 기판내에 있는 고 종횡비의 바이어스, 트렌치 및 다른 구멍에 대해 더욱 균일한 바닥 도포율을 제공한다. 이와는 대조적으로, 비중첩 단부를 갖는 종래의 코일은 간극에 인접한 플라즈마 밀도에 대응하는 파손을 가져와 코일상의 직류 바이어스에 의해 생성된 직류 전자기장에 관련 불연속성을 가질 수 있다.
도 4는 두 개의 단부(117,119) 사이의 슬롯(600) 근처에 있는 코일(104)의 부분 평면도이다. 상기 코일단부(117)는 공급로(200a)에 의해 RF 생성기에 연결되는 반면에, 코일 단부(119)는 공급로(200b)에 의해 저지 커패시터(120)에 연결된다. 1997년 5월 8일자로 "플라즈마 생성을 위한 오목 코일"이란 명칭으로 출원된 전술한 미국 출원 번호 08/853,024(대리인 번호 #1186-P1/PVD/DV)호에 상세히 기술된 바와 같이, 상기 공급로는 RF전력을 차폐물(105)을 통해 코일(104)로 통과시킨다. 또한, 공급로는 차폐물(105)상에 코일(104)을 지지하지만 코일을 차폐물에 대해 절연시킨다.
상기 단부(117)는 돌기(602,604) 사이에 형성된 중앙 오목부(610)를 한정하는 이격된 돌기(602,604)를 가진다. 상기 단부(119)는 오목 솔더(628)의 위에 및 오목 숄더(630)의 아래에 위치된 중앙 돌기(626)를 가진다.
코일의 두 개의 단부(117,119)는 이격되어 서로 맞물리는 형태로 중첩된다. 더욱 상세히 설명하면, 단부(119)의 돌기(626)는 단부(117)의 절취 오목영역(610)에 의해 수용된다. 그러나, 단부(600)의 엣지표면(634)의 모든 부분은 슬롯(600)을 형성하도록 단부(119)의 중앙부(626) 및 숄더(628,630)의 모든 부분으로부터 이격되어서, RF 생성기와 시스템 접지면 사이의 단락이 방지될 수 있다.
슬롯(600)이 두 개의 단부(117,119)를 분리하지만, 코일(104)은 단부(119)의 돌기(626)가 단부(117)의 돌기(602,604)와 축방향으로 중첩되므로 도포율에 있어서의 어떤한 간극이나 저지없이 기판과 플라즈마 생성 영역의 모든 원주위를 효과적으로 덮는다. 환언하면, 플라즈마 생성영역의 모든 원주위에 따라 취한 코일(104)의 모든 횡단면은 코일(104)의 일부분을 포함한다. 코일(104)의 축방향 횡단면은 코일(104)의 일부분을 반드시 포함한다.
코일(104)의 내측 수직면(640)은 점선으로 표시한 윈도우 영역(642)으로 나타낸 바와 같이 코일의 완전한 축방향 폭 사이에서 복수의 수직영역으로 세분될 수 있다. 윈도우 영역(642)이 코일의 오목부(610)로부터 이격된 가상선(644)상에 중심이 있다면, 코일(104), 즉 윈도우 영역(642)에 의해 둘러싸인 영역은 윈도우 영역(642)의 전체 범위에 걸쳐 코일면(640)과 중첩된다. 그 결과, 코일(104)은 코일 재료의 최대량을 스퍼터할 수 있고 가상선(644)의 인접부 내에서 RF 에너지의 최대량과 결합할 수 있다. 그러나, 윈도우 영역(642)이 오목부(610)와 교차하는 가상선(648) 위에서 중심이 맞춰지면, 윈도우 영역(642)에 의해 둘러싸인 영역은 윈도우 영역(642)내의 영역의 일부가 코일재료의 부재시에 슬롯(600)의 일부분을 둘러싸기 때문에 코일 표면 전체일 수 있다. 따라서, 코일 표면과 일치하는 윈도우 영역의 일부분은 가상선(648)과 인접한 스퍼터링 비율이 상기 가상선(644)에 인접한 것보다 작게 되도록 100% 보다 작을 수 있다(예를들어 75%). 스퍼터율이 이격된 숄더(630,634) 사이의 가상선(650) 주위에 중심 맞춰진 윈도우에 대해 휠씬 작지만(예를들어, 최대의 25%), 수직 윈도우 영역(642)에 대한 스퍼터율은 윈도우 영역이 코일(104)의 일부분을 반드시 포함하므로 플라즈마 생성영역의 모든 원주위에서 0이 되지 않는다. 그러나, 이와는 대조적으로, 윈도우 영역(642)이 도 8에 도시한 종래 코일의 간극(806)내에서 중심 맞춰진 가상선(820)상에 중심이 맞춰지면, 그러한 윈도우 영역에 대한 스퍼터율은 상기 간극(410)내에서 전체적으로 코일재료가 없으므로 0이 된다.
코일 단부들 사이의 간극은 실질적으로 서로 다른 전위에 있는 두 단부 사이의 아아크 발생을 방지하기 충분히 커야 한다. 상기 간극은 타겟으로부터 스퍼터된 증착재료가 두 단부를 가교연결시키고 두 단부를 서로 전기적으로 단락시키는 것을 방지하기에 충분히 커야 한다. 한편, 간극이 작을수록 간극에 인접한 코일부분들에 대한 스퍼터링 비율의 불연속성이 작아진다. 예시적인 실시예에서, 상기 슬롯(600)의 간극은 약 4 내지 8 ㎜, 바람직하게 약 6 ㎜이다. 그러나, 전술한 바와 같은 특정 적용예에 따라 다른 크기의 간극이 선택될 수 있음을 예상할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 코일(104a)의 부분 정면도이다. 코일(104a)은 코일(104a)이 두 단부(660,670)에서 상이한 형상을 갖는 것을 제외하면, 도 4의 코일(104)과 유사하다. 코일(104)과 같이 대략 두 단부의 중앙에 오목부와 돌기를 갖는 대신에, 코일(104a)은 두 단부(660,670)에 각각 상호보완적인 절결 오목영역(672,676)을 가진다. 상기 단부(660)는 절결 오목영역(672) 아래에 돌기(678)을 가진다. 역으로, 상기 단부(670)는 절결 오목부(676) 위에 돌기(680)를 가진다. 상기 단부(670)의 돌기(680)는 단부(660)의 절결 오목영역(672)에 의해 수용되며, 상기 단부(660)의 돌기(678)는 단부(670)의 절결 오목영역(676)에 의해 수용된다. 그러나, 단부(660)의 엣지면(682)의 모든 부분은 표면(682,684) 사이에 슬롯(690)을 형성하도록 단부(670)의 엣지면(684)의 모든 부분으로부터 이격되어서, RF 생성기(106)와 시스템 접지면 사이의 단락이 방지될 수 있다.
코일(104)에서와 같이, 코일(104a)은 단부(660)의 돌기(678)와 단부(670)의 돌기(680)가 서로 축방향으로 중첩되므로 도포율에 있어서 어떤 간극이나 저지없이 기판의 모든 원주위로 연장한다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 코일(104b)의 부분 정면도이다. 코일(104b)은 코일(104b)의 두 단부(700,720)가 축방향으로 중첩되어 코일(104b)이 도포율의 어떤 간극이나 저지없이 플라즈마 발생영역의 모든 원주변으로 연장한다는 점에서 도 5의 코일(104a)과 유사하다. 그러나, 코일(104b)은 코일(104a)의 슬릿(680)과 다소 다른 형상을 갖는 슬릿(705)을 형성하도록 코일(104a)의 두 단부와는 형상이 다른 두 개의 단부(700,720)를 가진다. 코일(104b)의 두 단부(700,720)는 대략 삼각형 형상을 갖도록 챔버가공되어 있는 반면에, 코일(104,104a)은 일반적으로 장방형 형상의 돌기와 절결 오목영역이 형성된 단부를 가진다.
대각선 방향으로 경사진 형상을 갖는 슬릿(722)이 표면(702,721) 사이에 형성된다. 상기 슬릿(722)은 두 개의 단부(700,720)를 이격시키지만, 전술한 바와 같이 두 개의 단부(700,720)는 코일(104b)이 도포율의 어떠한 간극이나 저지없이 기판의 모든 원주위로 연장하도록 축방향으로 중첩된다. 코일(104,104a)에서와 같이, 코일(104b)은 플라즈마 생성영역의 모든 원주위를 따라 취한 코일(104b)의 모든 방사상 횡단면이 코일(104b)의 일부분을 포함하므로 플라즈마 생성영역의 모든 원주위에 에너지를 결합할 수 있으며 코일재료를 스퍼터할 수 있다.
도 7은 본 발명 제 4 실시예에 따른 코일(104c)을 도시한다. 코일(104c)은 코일(104c)의 두 단부(750,760)가 상기 코일(104,104a,104b)과 유사하게 축방향으로 중첩되는 대신에 서로 반경방향으로 중첩된다는 점에서 도 4 내지 도 6의 코일(104,104a,104b)과 상이하다. 환언하면, 상기 단부(760)는 단부(750)의 상하 축방향으로 위치되는 대신에 단부(750)의 뒤에(즉, 단부(750)와 차폐물(105) 사이에) 위치된다. 코일(104c)의 두 단부가 축방향 대신에 반경방향으로 중첩되지만, 코일(104c)은 플라즈마 생성영역의 모든 원주위에 따라 취한 코일(104c)의 어떤 방사상 횡단면이 상기 코일(104,104a,104b)과 유사하게 코일(1004c)의 일부분을 포함하도록 도포율상의 어떠한 간극이나 저지없이 플라즈마 생성영역의 모든 원주위로 여전히 연장한다.
축방향의 대각선 슬롯(770)은 두 개의 단부(750,770)를 이격시켜, RF 생성기(106)와 시스템 접지면 사이의 단락이 방지될 수 있다. 비록 코일(104c)의 두 단부가 축방향 대신에 반경방향으로 중첩되지만, 코일(104c)은 플라즈마 생성영역의 모든 원주위를 따라 취한 코일(104c)의 모든 방사상 횡단면이 코일(104c)의 일부분을 포함하므로 플라즈마 생성영역의 모든 원주위에 에너지를 결합할 수 있으며 코일재료를 스퍼터할 수 있다.
도 1에 상세히 도시한 바와 같이, 플라즈마 챔버(100)는 타겟(110)에 대해 접지면을 제공하는 어두운 공간의 차폐 링(132)을 가지며, 상기 차폐 링 위에서는 음 편위된다. 또한, 전술한 공동 계류중인 출원 번호 제 08/647,182호에 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 상기 차폐링(132)은 타겟 외측 엣지의 스퍼터링을 감소시키도록 플라즈마로부터 타겟의 외측 엣지를 차폐한다.
예시적인 실시예에서, 상기 차폐 링(132)은 일반적으로 역 절두 원추형상을 갖는 티타늄 또는 스테인레스 스틸의 연속적인 폐쇄 링이다(여기서, 티타늄 증착은 챔버(100)내에서 발생한다). 상기 차폐 링은 플라즈마 챔버(100)의 중심쪽으로 내측으로 연장하여 약 6 ㎜(1/4인치)만큼 코일(104)과 중첩된다. 물론, 중첩량은 코일의 상대적인 크기 및 위치와 다른 요인에 따라 변경될 수 있다. 예를들어, 상기 중첩은 스퍼터된 재료로부터 코일(104)의 차폐를 확대시키도록 증가될 수 있지만, 중첩의 증가에 의해 몇몇 적용에 있어서 바람직하지 않은 플라즈마로부터 타겟을 더욱 더 차폐시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 코일(104)은 코일을 더욱 양호하게 보호하고 피가공재상의 미립자 증착을 감소시키도록 오목 코일 챔버(도시않음)내에 놓일 수 있다.
플라즈마 챔버(100)는 진공챔버와 결합하는 어댑터 링 조립체(152)에 의해 지지된다. 상기 챔버 차폐물(105)은 상기 어댑터 링 조립체(152)를 통해 시스템 접지면에 접지된다. 상기 챔버 차폐물(105)과 유사하게, 상기 차폐 링(132)은 어댑터 링 조립체(152)를 통해 접지된다.
상기 타겟(110)은 디스크 형상이고 또한 어댑터 링 조립체(152)에 의해 지지된다. 그러나, 상기 타겟(110)은 음편위되므로 접지되어 있는 어댑터 링 조립체(152)로부터 절연된다. 따라서, 타겟(110)의 하부에 형성된 원형 채널내에는 타겟(152)의 상부에 있는 대응 채널(174)내에 위치되어 있는 세라믹 절연 링 조립체(172)이 위치된다. 세라믹을 포함한 다수의 절연 재료로 제조될 수 있는 절연 링 조립체(172)는 어댑터 링 조립체(152)로부터 타겟(110)을 이격시켜서 타겟(110)이 적절히 음 편위될 수 있다. 타겟, 어댑터 및 세라믹 링 조립체에는 O-링 밀봉면(도시않음)이 제공되어 진공 챔버로부터 타겟(110)으로 기밀한 조립체를 제공한다.
전술한 미국 출원 제 08/680,335호에 설명되어 있는 바와 같이, 타겟(110)으로부터 생성되는 스퍼터링에 비해 코일(104)로부터 생성되는 스퍼터링의 양은 타겟(110)에 인가된 직류 전력에 대한 코일(104)에 인가된 RF 전력의 함수이다. 또한, 코일과 타겟 사이의 스퍼터링의 상대적인 양은 타겟(110)의 직류 바이어스에 대한 코일(104)의 직류 바이어스의 함수이다.
본 발명은 하나 이상의 RF 전력공급되는 코일을 갖는 플라즈마 챔버에 적용될 수 있다. 예를들어, 본 발명은 본 발명의 출원인에게 양도되어 본 발명에 참조된 1995년 11월 15일자로 발명의 명칭이 "플라즈마 내에 헬리콘 웨이브(Helicon Wave)를 분사시키는 방법 및 장치"로 출원된 미국 출원번호 08/559,345호 기술된 형태의 헬리콘 웨이브를 분사시키기 위한 다중 코일 챔버에도 적용될 수 있다.
적합한 RF 생성기 및 정합 회로는 본 기술분야에 공지된 부품들이다. 예를들어, 정합회로와 안테나를 가장 양호하게 주파수 동조시키기 위한 "주파수 추적" 가능한 에니 제니시스 시리즈(ENI Genesis series)와 같은 RF 생성기가 적합하다. RF 전력을 코일(104)에 발생시키기 위한 생성기의 주파수는 2 또는 13.56 ㎒가 적합하나 상기 범위는 예를들어, 1 내지 15 ㎒로 변경될 수 있다.
전술한 예시적인 실시예에서, 챔버 차폐물(105)은 400㎜(16")의 직경을 가지나 150 내지 635 ㎜(6" 내지 25") 범위의 직경으로도 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다. 상기 챔버 차폐물(105)은 세라믹 또는 석영과 같은 절연재료를 포함하는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 그러나, 타겟 재료로 피복될 모든 금속 표면과 챔버 차폐물(105)은 스퍼터된 타겟재료와 동일한 재료로 제조되지 않는 한 스테이레스 스틸 또는 동과 같은 재료로 제조되는 것도 바람직하다. 피복될 구조물의 재료는 기판상의 챔버 차폐물(105) 또는 다른 구조물로부터 스퍼터된 재료의 박리를 감소시키기 위해 스퍼터될 재료의 열 팽창 계수와 거의 일치되는 열팽창 계수를 가져야 한다. 또한, 피복될 재료는 스퍼터된 재료에 대한 양호한 접착력을 가져야 한다. 따라서, 예를들어 증착된 재료가 티타늄이라면 피복될 챔버 차폐물(105), 스탠드오프(122,124) 및 다른 구조물로서의 바람직한 금속은 비드-분사된(bead-blasted) 티타늄이다. 코일 및 공급로 스탠드오프(122,124)의 단부 캡과 같이 더 스퍼터될 어떤 표면은 예를들어, 고순도 비드-분사된 티타늄과 같은 타겟과 동일한 형태의 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 물론, 증착될 재료가 티타늄 이외의 재료라면, 예를들어 증착된 재료, 스테인레스 스틸이 바람직하다. 타겟(110)을 스퍼터링하기 이전에 상기 구조물들을 몰리브덴으로 피복함으로써 접착력을 개선할 수도 있다. 그러나, 코일(104)(또는 스퍼터될 가능성이 있는 어떤 다른 표면)은 코일(104)로부터 스퍼터되면 몰리브덴이 기판(112)을 오염시킬 수 있으므로 몰리브덴 또는 다른 재료로 피복되는 것은 바람직하지 않다.
기판(112) 대 타겟(110)의 간격은 약 120 내지 150, 바람직하게 약 140㎜(약 5.5")이나 약 38 내지 200 ㎜ 범위도 가능하다. 이러한 웨이퍼 대 타겟의 간극을 위해, 타겟으로부터 약 50 ㎜(1.9인치) 이격된 290 ㎜(11.5인치)의 코일 직경에 의해서 적합한 단계적인 바닥 도포율을 달성할 수 있다. 피가공재 엣지로부터 이격되게 코일을 이동시키도록 코일의 직경을 증가시키는 것은 바닥 도포율에 악영향을 끼친다. 한편, 웨이퍼 엣지에 근접하게 코일을 이동시키도록 코일의 직경을 감소시키는 것은 증착층의 균일도에 악영향을 끼친다.
증착 균일도도 타겟으로부터 이격된 코일의 함수로서 표시된다. 전술한 바와 같이, 코일과 타겟 사이의 50 ㎜의 간극은 140 의 타겟대 웨이퍼 간극을 만족시킨다. 타겟(또는 웨이퍼)쪽으로 또는 타겟으로부터 이격되게 코일을 수직으로 이동시키는 것은 증착 층 균일도에 악영향을 끼친다.
Ar, H2, O2또는 NF3, CF4와 같은 반응성 가스를 포함하는 다양한 전구체 가스가 플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있다. 도 3에 설정된 예시적인 압력을 포함하는 0.1 내지 50 mTorr의 다양한 전구체 가스 압력이 적합하다. 그러나, 10 내지 50 mTorr 사이의 압력이 스퍼터된 재료의 이온화를 촉진시킨다.
물론, 본 발명의 변형예들이 본 기술분야의 숙련자들에 의해 다양하게 실시될 수 있으며, 일부는 연구 후에 실시될 수 있으며, 다른 일부는 통상적인 기계 및 전자적 설계에 의해 실시될 수 있다고 이해해야 한다. 다른 실시예들도 특정 적용에 따른 특정 설계에 의해 가능하다. 그와 같이, 본 발명의 범주는 본 명세서에 기술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위 및 그와 균등한 내용에 의해 단지 한정되어 있다고 이해해야 한다.

Claims (34)

  1. 피가공재 상에 재료를 스퍼터링하기 위한 장치로서,
    챔버와,
    상기 피가공재를 지지하는 표면을 갖는 홀더와,
    상기 홀더에 인접한 플라즈마 생성영역, 및
    상기 플라즈마 생성영역에 있는 플라즈마 내측으로 에너지를 유도결합시키는 코일을 포함하며,
    상기 코일은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지며 상기 제 2 단부는 상기 제 1 단부로부터 이격되어 있지만 제 1 단부에 매우 근접되게 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 코일은 단일 권선 코일인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피가공재 홀더 표면은 일반적으로 피가공재의 표면에 직각인 축선을 한정하며, 상기 제 1 코일 단부 및 제 2 코일 단부는 상기 피가공재 홀더 축선에 일반적으로 평행한 방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 코일은 일반적으로 원형 형상이고 중심축선을 한정하며 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 중심축선에 평행한 방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부는 챔퍼 가공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 돌기를 가지며 상기 제 2 단부가 오목부를 한정하여 상기 돌기가 상기 오목부로부터 이격되게 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 코일은 반경을 한정하며 상기 제 1 및 제 2 단부는 반경방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 코일은 일반적으로 원형 형상이고 중심축선을 한정하며 상기 중심축선에 직각이고 거의 일정한 길이의 반경을 한정하며, 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 중심축선에 직각인 방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부는 챔퍼 가공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 돌기를 가지며 상기 제 2 단부가 오목부를 한정하여 상기 돌기가 상기 오목부로부터 이격되게 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 돌기를 가지며 상기 제 2 단부가 오목부를 한정하여 상기 돌기가 상기 오목부로부터 이격되게 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 하나 이상의 돌기와 하나 이상의 오목부를 갖고 제 2 단부가 하나 이상의 돌기와 하나 이상의 오목부를 구비하여 상기 제 1 단부의 돌기가 상기 제 2 단부의 오목부에 의해 수용되고 상기 제 2 단부의 돌기가 상기 제 1 단부의 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부는 챔퍼 가공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    스퍼터 증착재료 소오스를 제공하도록 상기 챔버 내부에 위치된 스퍼터 타겟을 더 포함하며,
    상기 코일은 타겟과 동일한 형태의 재료로 제조되고 상기 피가공재상에 상기 코일 재료를 스퍼터시키도록 위치되어 상기 코일재료와 상기 타겟재료가 하나의 층을 형성하도록 상기 피가공재상에 증착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 코일은 상기 플라즈마 생성영역 및 상기 기판홀더를 에워싸는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 코일은 기판 홀더에 대해 축방향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 피가공재 상에 재료를 스퍼터링하기 위한 장치로서,
    챔버와,
    상기 재료를 피가공재상에 스퍼터링하도록 상기 챔버내에 배열되는 타겟과,
    상기 피가공재용 홀더와,
    상기 타겟과 상기 홀더 사이의 일반적으로 원통형인 플라즈마 생성영역, 및
    상기 플라즈마 생성영역 내부의 플라즈마 내측에 에너지를 유도결합시키도록 상기 플라즈마 생성영역을 에워싸며 제 1 단부 및 상기 제 1 단부로부터 이격되어 있지만 중첩되는 제 2 단부를 갖는 단일 권선의 원형 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 반도체 디바이스를 처리하기 위한 방법으로서,
    이격되어 있지만 서로 매우 근접되게 중첩된 두 개의 단부를 갖는 코일에 의해 활성화된 플라즈마를 포함하는 플라즈마 생성영역으로 코일로부터 RF 에너지를 방사시키는 단계, 및
    상기 반도체 디바이스 상에 재료 층을 형성하도록 상기 코일로부터의 재료를 상기 반도체 디바이스 상에 스퍼터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 코일은 단일 권선 코일인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 피가공재 홀더 표면은 일반적으로 피가공재의 표면에 직각인 축선을 한정하며, 상기 제 1 코일 단부 및 제 2 코일 단부는 상기 피가공재 홀더 축선에 일반적으로 평행한 방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 코일은 일반적으로 원형 형상이고 중심축선을 한정하며 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 중심축선에 평행한 방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부는 챔퍼 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 돌기를 가지며 상기 제 2 단부가 오목부를 한정하여 상기 돌기가 상기 오목부로부터 이격되게 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 코일은 반경을 한정하며 상기 제 1 및 제 2 단부는 반경방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 코일은 일반적으로 원형 형상이고 중심축선을 한정하며 상기 중심축선에 직각이고 거의 일정한 길이의 반경을 한정하며, 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 중심축선에 직각인 방향으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부는 챔퍼 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 돌기를 가지며 상기 제 2 단부가 오목부를 한정하여 상기 돌기가 상기 오목부로부터 이격되게 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 돌기를 가지며 상기 제 2 단부가 오목부를 한정하여 상기 돌기가 상기 오목부로부터 이격되게 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 단부가 하나 이상의 돌기와 하나 이상의 오목부를 갖고 제 2 단부가 하나 이상의 돌기와 하나 이상의 오목부를 구비하여 상기 제 1 단부의 돌기가 상기 제 2 단부의 오목부에 의해 수용되고 상기 제 2 단부의 돌기가 상기 제 1 단부의 오목부에 의해 수용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부는 챔퍼 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 18 항에 있어서,
    스퍼터 증착재료 소오스를 제공하도록 상기 챔버 내부에 위치된 스퍼터 타겟을 더 포함하며,
    상기 코일은 타겟과 동일한 형태의 재료로 제조되고 상기 피가공재상에 상기 코일 재료를 스퍼터시키도록 위치되어 상기 코일재료와 상기 타겟재료가 하나의 층을 형성하도록 상기 피가공재상에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 20 항에 있어서, 상기 코일은 상기 플라즈마 생성영역 및 상기 기판홀더를 에워싸는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 코일은 기판 홀더에 대해 축방향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 피가공재 상에 증착재료를 증착시키는 방법으로서,
    상기 재료를 이온화시키도록 균일하게 분포된 플라즈마를 발생시키기 위해 이격되어 중첩된 두 개의 중첩단부에 의해 플라즈마 생성영역의 전체 원주위를 덮고 있는 코일로부터의 에너지를 상기 플라즈마 생성영역 내측에 결합시키는 단계, 및
    균일한 상기 재료층을 피가공재 상에 형성하도록 상기 코일로부터의 상기 재료를 상기 피가공재 상에 스퍼터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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