KR20010080368A - 스퍼터링 장치 - Google Patents

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KR20010080368A
KR20010080368A KR1020017005454A KR20017005454A KR20010080368A KR 20010080368 A KR20010080368 A KR 20010080368A KR 1020017005454 A KR1020017005454 A KR 1020017005454A KR 20017005454 A KR20017005454 A KR 20017005454A KR 20010080368 A KR20010080368 A KR 20010080368A
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마사노리 오노
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

처리 챔버의 상부에, 복수의 동심상으로 배치된 링형상의 타겟을 구비하는 스퍼터링 장치이다. 처리 챔버의 내부에는 반도체 기판을 유지하기 위한 받침대가 설치되어 있고 타겟과 받침대에는 직류 전원이 접속되어 있다. 더욱이, 처리 챔버에는 내부를 진공화하기 위한 진공 펌프가 접속되며, 플라즈마 발생용 처리 가스, 통상적으로는 아르곤 가스를 내부에 도입하기 위한 공급원이 접속되어 있다. 각 타겟의 전위를 개별 제어함으로써 타겟에 대한 스퍼터율을 조정할 수 있다. 이로써, 박막 형성의 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING APPARATUS}
스퍼터링 장치는, 플라즈마내에서 처리가스의 양의 이온, 통상적으로는 아르곤 이온을 음극의 타겟표면에 충돌시켜, 그곳에서 스퍼터되는 타겟 원자를 양극측의 기판, 가령 반도체 웨이퍼위에 퇴적시켜 박막 형성하는 것이다.
이러한 스퍼터링 장치에서는, 타겟의 표면 근방의 플라즈마 밀도를 높여 스퍼터 효율을 높이기 위하여 이른바 마그네트론 방식이 널리 채용되고 있다. 이 방식에서는 일반적으로 마그네트론 장치라 불리우는 마그넷 장치가 이용되며, 타겟 표면에 평행한 자기장을 발생시키도록 되어 있다. 이 자계는 타겟과 웨이퍼간의 전계와 교차하기 때문에, 타겟으로부터 나온 전자는 타겟 표면의 근방영역에서 포획되어 그 영역의 플라즈마 밀도가 높아진다.
최근 반도체 디바이스의 고집적화에 따라, 배선 패턴의 미세화가 진전되어 스퍼터링법에 의해 콘택트 홀이나 비어 홀 등에 대하여 효율적으로 박막 형성하기가 곤란해지고 있다. 가령, 표준적인 스퍼터링 장치에서, 미세한 홀이 형성된 웨이퍼 표면에 대하여 박막 형성한 경우, 홀의 입구부에 오버행(overhang)이 형성되어 저부 도달율(bottom coverage)이 손상되는 문제가 있다. 이로 인해, 콜리메이션 스퍼터링법이나 원격(long throw) 스퍼터링법 등의 신기술이 개발되고 있다.
콜리메이션 스퍼터링법이란, 타겟과 반도체 웨이퍼 사이에 콜리메이터(collimator) 라 불리우는 다수의 구멍이 형성된 플레이트를 설치하고, 스퍼터링 대상 입자를 콜리메이터의 구멍에 통과시킴으로써, 본래 무 지향성인 스퍼터링 대상 입자에 지향성을 부여하여 반도체 웨이퍼상에 주로 수직 성분인 스퍼터링 대상 입자만을 퇴적시키는 기술을 말한다.
또, 원격 스퍼터링법은, 타겟과 반도체 웨이퍼간의 거리를 종래에 비해 상당히 먼 거리로 하는 방법이다. 이 방법에서는 반도체 웨이퍼에 대하여 커다란 각도로 진행하는 스퍼터링 대상 입자가 반도체 웨이퍼의 외측 영역에 도달하여, 대략 수직 방향으로 진행하는 스퍼터 입자만이 반도체 웨이퍼에 퇴적된다.
상기한 콜리메이션 스퍼터링법 및 원격 스퍼터링법 모두 저부 도달율이 우수하여 배선 패턴의 미세화에 대응되는 박막 형성 기술이다. 그러나, 콜리메이션 스퍼터링법에서는 콜리메이터에 스퍼터링 대상 입자가 부착되고 그 부착량이 많아지면 막힘이 생겨 박막 형성의 균일성이나 퇴적율의 악화를 초래할 우려가 있다. 또한, 콜리메이터에 부착된 막이 박리(剝離)된 경우에는, 반도체 웨이퍼상의 이물질이 되어 디바이스 불량의 원인이 된다. 더욱이, 콜리메이터가 플라즈마에 의해 고온화되어 기판의 온도 제어에 영향을 미친다는 문제점도 있다. 또, 스퍼터링 대상 입자의 직진성(直進性)이 강하기 때문에 측부 도달율(side coverage)이 불충분해지는 경우도 있다.
한편, 원격 스퍼터링법의 경우에는 타겟과 반도체 웨이퍼간에는 아무것도 존재하지 않기 때문에 콜리메이터의 교환과 같은 보수작업은 불필요하지만, 타겟과 반도체 웨이퍼간의 거리가 멀기 때문에, 퇴적률이 극단적으로 나쁘다는 문제가 있다. 또한, 스퍼터링 대상 입자를 수직 방향으로 확실히 퇴적시키기 위해서는 스퍼터링 대상 입자가 비행하는 도중에 가스 분자에 충돌하지 않도록, 방전 전압을 가능한한 낮게 억제하여야 한다. 이로 인해, 저압 상태에서도 안정적인 방전이 가능하도록, 전용 마그네트론 유닛을 준비하여야만 하므로 고가의 장치가 필요하였다. 더욱이, 반도체 웨이퍼의 중심 부분과 주변 부분간의 퇴적율이 달라서 반도체 웨이퍼 전면에 대한 막두께의 균일성이 불량하다는 문제점도 있었다.
또한, 종래 타겟의 외측 부분의 침식(erosion)이 커지는 경향이 있어 타겟의 내측 부분의 침식이 적어도, 타겟 전체를 교환할 필요가 있다는 문제점이 있었다. 이러한 침식을 균일화하기 위하여 마그네트론의 마그넷 배열을 조정하여 왔으나, 마그넷 배열에는 각종 제한이 있어 침식을 충분히 균일화할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 타겟으로부터 반도체 웨이퍼로 이동하는 박막 형성 입자의 방향을 제어할 수 있어, 반도체 웨이펴면 내부의 박막 형성의 균일성이 향상된 스퍼터링 장치를 얻는 데 있다.
본 발명은 반도체 디바이스 등의 제조에 이용되는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 제 1 실시 형태를 나타낸 개략 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 스퍼터링 장치의 타겟의 이면도,
도 3은 도 1에 도시된 스퍼터링 장치의 타겟에 대한 전기 배선 시스템을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 제 2 실시 형태를 나타낸 개략 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 스퍼터링 장치의 타겟의 이면도,
도 6은 도 4에 도시된 스퍼터링 장치의 타겟에 대한 전기 배선 시스템을 나타낸 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 제 3 실시 형태를 나타낸 개략 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 제 4 실시 형태를 나타낸 개략 단면도,
도 9는 타겟에 대한 전기 배선 시스템의 변형예를 나타낸 개략도,
도 10은 타겟에 대한 전기 배선 시스템의 다른 변형예를 나타낸 개략도이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 처리 챔버 내부에 배치된 기판에 타겟 재료를 박막 형성하는 스퍼터링 장치에 있어서, 처리 챔버 내부에서기판에 대향 배치되며, 동심상으로 배치된 복수의 타겟과, 상기 타겟 각각의 스퍼터율을 조정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 타겟을 복수로 분할하고, 분할된 각 타겟에 다른 전압을 인가하는 등의 방법으로 스퍼터율을 조정함으로써, 각 타겟의 침식을 균일하게 할 수 있다.
중심부에 배치된 타겟은 원반 형상이나 링 형상으로 할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 타겟사이에 실드 링을 배치한 것을 특징으로 한다. 이로써, 실드 링으로 둘러싸인 공간 내부에 플라즈마를 가둘 수 있으므로 타겟 제어의 개별성이 향상되며, 타겟 입자의 방향을 규제할 수 있으므로 반도체 웨이퍼 면 내부의 박막 형성의 균일성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 스퍼터링 장치는 마그네트론 장치를 구비한 경우, 각 타겟에 관련된 마그네트론 장치의 마그넷에 의해 스퍼터율을 조정할 수도 있다.
본 발명의 상기한 특징이나 이점과 기타 특징 및 이점은, 당업자라면 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 명백히 알게 될 것이다.
이하, 첨부 도면에 근거하여 본 발명에 관계된 스퍼터링 장치의 실시 형태에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 일 실시 형태를 나타낸 개략 단면도이다. 또, 각 도면에서 동일한 부호는 동일하거나 또는 그에 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1에 있어서, 스퍼터링 장치(10A)는, 내부에서 반도체 웨이퍼 등의 기판(12)을 스퍼터링 처리하는 처리 챔버(14)를 구비한다. 처리 챔버(14)의 상부에는 기판(12) 표면에 퇴적되는 재료로 이루어진 복수의 타겟(17)이 배면 전극(16)을 통해 절연성 지지판(15)에 고정되어 있다. 각각의 타겟(17)은 도 2에 도시된 바와 같이, 지름이 다르며 동심상(同心狀)으로 배치되어 있다.
또, 처리 챔버(14)의 내부에는 기판(12)을 유지하기 위한 받침대(pedestal, 유지 수단 ; 18)가 설치되어 있다. 이 받침대(18)의 상면은 타겟(17)의 하면에 대하여 평행하게 대향 배치되어 있다. 타겟(17)과 받침대(18)에는 이후에 기술되는 바와 같이, 각각 직류 전원의 음극과 양극이 접속되어 있다. 더욱이, 처리 챔버(14)에는 내부를 진공화하기 위한 감압 수단, 즉 진공 펌프(50)가 접속되며, 플라즈마 발생용 처리 가스, 통상적으로는 아르곤 가스를 내부에 도입하기 위한 가스 공급원(52)이 접속되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 진공 펌프(50)에 의해 소정의 압력으로 감압된 처리 챔버(14) 내부에 가스 공급원(52)으로부터 아르곤 가스를 도입하고, 타겟(17)과 받침대(18) 사이에 전압을 인가하면 플라즈마가 발생된다. 이로써, 후술되는 전원(V1, V2)은 플라즈마화 수단으로서 기능한다. 이 때, 플라즈마 내의 아르곤 이온이 타겟(17)의 하면에 충돌하여 타겟 재료인 원자를 뜯어내고 이 타겟 원자가 기판(12) 위에 퇴적되어 박막이 형성된다.
지지판(15)의 상방에는 처리 챔버(14) 내부에서 발생된 플라즈마의 밀도를 높이기 위하여, 마그네트론 장치(22)가 배치되어 있다. 이 마그네트론 장치(22)는, 타겟(17)과 동축으로 배치되며 복수의 마그넷 유닛(24)이 고정된 원판 형상의 기초판(26)과, 기초판(26)을 회전 구동하기 위한 구동 유닛(28)을 구비한다. 구동유닛(28)의 회전축(30)은 타겟(17) 및 기초판(26)과 동축으로 연장되며, 기초판(26)의 중심점에 접속되어 있다. 기초판(26)을 회전시키는 이유는, 마그넷 유닛(24)에 의한 자기장이 타겟(17)에 대하여 움직이지 않을 경우의 문제점을 회피하기 위한 것이다.
도 3은 복수의 동심상으로 배치된 타겟(17)의 배선을 나타낸 개략도이다. 도 3에 있어서, 가장 외측의 타겟(17)에는 직류 전원(V1)에 의해 전압이 인가되고 나머지 타겟, 즉 중간과 가장 내측의 타겟(17)에는 직류 전원(V2)이 각각 접속되어 있으며, 직류 전원(V2)은 직류 전원(V1)의 전압에 비해 보다 큰 음의 전압을 중간과 내측 타겟에 인가한다. 이로써, 플라즈마 밀도의 분포를 변경할 수 있고, 외측의 타겟(17)에 대한 스퍼터율을 약화시켜 침식을 균일하게 할 수 있다. 또, 만일 타겟의 침식에 불균일한 점이 생겨도 각각의 링형상 타겟(17)을 개별적으로 교환할 수 있으므로, 종래와 같이 커다란 타겟을 교환하는 경우에 비해 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 각 타겟(17)에 대응하여 마그네트론 장치(22)의 마그넷 내지 마그넷 유닛(24)을 배치할 수도 있어 마그넷의 배치나 자력을 조정함으로써, 타겟(17)에 대한 스퍼터율을 개별적으로 제어하기 쉬워진다는 이점도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 제 2 실시 형태를 나타낸 개략 단면도이다. 도 4에 있어서, 스퍼터링 장치(10B)는 기본적으로는 도 1의 스퍼터링 장치(10A)와 동일한 구성이나, 지지판(15) 중앙부의 타겟이 원반 형상의 타겟(32)으로 치환되어 있다는 점이 다르다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙의 원반 형상 타겟(32)의 주위에 링 형상의 타겟(17)이 배치되어 있다.
또, 도 6에 도시된 바와 같이, 각 타겟(17, 32)에는 각각 직류 전원(V1, V2, V3)이 접속되어 있다. 직류 전원(V1)은 최소의 음의 전압을 인가할 수 있으며, 직류전원(V3)은 최대의 음의 전압을 인가할 수 있다. 이로써, 가장 외측의 타겟(17)에 대한 스퍼터율을 약화시켜 침식을 균일화할 수 있다. 본 실시 형태에서는 중앙부에 원반 형상의 타겟(32)을 배치함으로써, 충분한 양의 타겟 재료에 의해 박막 형성할 수 있다. 더욱이, 만일 타겟의 침식에 불균일한 점이 발생하여도 별개의 링 형상 타겟(17)을 개별 교환할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태를 나타낸 개략 단면도이다. 도 7에 있어서 스퍼터링 장치(10C)는 기본적으로 도 1의 스퍼터링 장치(10A)와 동일한 구성이나, 원통형의 실드 링(40, 42)이 내측 타겟과 중간 타겟의 사이, 그리고 중간 타겟과 외측 타겟의 사이에 설치되어 있다는 점이 다르다. 또, 각 타겟(17)에 적용되는 전기 시스템은 도 3과 동일하다. 이와 같은 실드 링(40, 42)을 설치함으로써 실드 링(40, 42)으로 둘러싸인 공간에 플라즈마를 가둘 수 있으므로, 타겟에 대한 스퍼터율을 고정밀도로 개별 조정할 수 있다. 따라서, 박막 형성 면내부의 균일성이 향상된다. 또, 수평 방향의 타겟 입자의 비행을 실드 링이 억제하므로 타겟 입자의 비행 방향은 수직 성분이 많아져 저부 도달율이 향상된다.
도 8은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 제 4 실시 형태를 나타낸 개략 단면도이다. 도 8에 있어서, 스퍼터링 장치(10D)는 기본적으로는 도 4의 스퍼터링 장치(10B)와 동일한 구성이나, 원반 형상 타겟(32) 및 타겟(17)을 둘러싸도록 실드 링(40, 42)을 설치한 점이 다르다. 또, 도 6에 도시된 배선이 마찬가지로 적용될 수 있다. 이러한 실드 링(40, 42)을 설치함에 따른 이점 및 타겟을 원반 형상으로 함에 따른 이점은 상기한 바와 같다.
또, 상기한 실시 형태에서는, 스퍼터링 장치(10A, 10C)에 대하여 도 3에 도시된 배선에 의해 직류 전압을 인가한 경우에 대하여 설명하고, 스퍼터링 장치(10B, 10D)에 대하여 도 6에 도시된 배선에 의해 직류 전압을 인가한 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 스퍼터링 장치(10A, 10C)에 대하여 도 9에 도시된 배선에 의해 직류 전압을 인가하고, 스퍼터링 장치(10B, 10D)에 대하여 도 10에 도시된 배선에 의해 각각 직류 전압을 인가하여도 무방하다. 이들 도 9 및 도 10에 도시된 배선에서는 타겟을 모두 동일 전위로 하였으나, 마그네트론의 마그넷의 배치 및 자력 등을 고려함으로써, 타겟의 침식을 방지하고 반도체 웨이펴면 내부의 박막 형성의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 스퍼터링 장치(10A, 10C)에서는 3개의 링형상 타겟(17)을 사용한 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 2개나 4개 이상의 링형상의 타겟을 사용할 수도 있다. 더욱이, 스퍼터링 장치(10C, 10D)에서는 2개의 실드 링(40, 42)을 사용한 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 타겟의 수나 스퍼터링 장치의 처리 조건에 따라 실드 링의 수를 적당히 변경할 수 있다.
더욱이, 상기 실시 형태에서는 전도성 타겟을 전제로 하고 있으나, 절연 재료로 이루어진 타겟에도 본 발명은 적용가능하다. 이 경우, 각 타겟의 배면 전극(16)에만 전류가 흐르도록 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 처리 챔버 내부에서 기판에 대향하여 배치된 타겟을 동심상으로 복수로 분할하고, 분할된 각 타겟의 스퍼터율을 조정하는 수단을 설치하였기 때문에, 각 타겟의 침식을 개별적으로 제어하여 면내부에서의 막두께의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 분할된 타겟 사이에 실드 링을 설치함으로써, 저부 도달율의 향상에도 기여한다.
이와 같이 본 발명에 따른 스퍼터링 장치는, 최근 들어 더욱 미세화, 고정밀도화가 진전되고 있는 반도체 디바이스 등의 제조에 유리하게 이용된다.

Claims (9)

  1. 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내부에 배치되어 기판을 유지하는 유지 수단과,
    상기 처리 챔버 내부를 소정의 압력으로 감압하는 감압 수단과,
    상기 처리 챔버 내부에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 수단과,
    상기 가스 공급 수단에 의해 공급된 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마화 수단과,
    상기 유지 수단에 의해 유지된 기판에 대향 배치되며, 서로 동심으로 배치된, 박막 형성 재료로 이루어진 복수의 타겟과,
    상기 각 타겟의 스퍼터율을 조정하는 수단을 구비하는 스퍼터링 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 타겟이 모두 링형상인 스퍼터링 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 가장 내측에 배치된 타겟이 원반 형상이며, 그 외측에 배치된 적어도 1개의 타겟이 링형상인 스퍼터링 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 타겟 사이에 배치된 원통형의 실드 링을 더 구비하는 스퍼터링 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유지 수단과는 반대측의 상기 타겟 면에 인접하여 배치된 마그네트론 장치를 더 구비하며,
    상기 스퍼터율을 조정하는 수단이, 상기 각 타겟에 관련된 마그네트론 장치의 마그넷인 스퍼터링 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 스퍼터율을 조정하는 수단이, 상기 타겟의 각각에 접속되는 전원인 스퍼터링 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 전원의 출력 전압이 각각 상위한 스퍼터링 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 타겟의 각각을 지지하는 전도성 배면 전극을 더욱 구비하며, 상기 스퍼터율을 조정하는 수단이, 상기 배면 전극의 각각에 접속되는 전원인 스퍼터링 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전원의 출력 전압이 각각 상위한 스퍼터링 장치.
KR1020017005454A 1998-10-30 1999-10-29 스퍼터링 장치 KR20010080368A (ko)

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