KR20010102054A - 이온화된 금속 증착용 고밀도 플라즈마 소스 - Google Patents

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KR20010102054A
KR20010102054A KR1020017010151A KR20017010151A KR20010102054A KR 20010102054 A KR20010102054 A KR 20010102054A KR 1020017010151 A KR1020017010151 A KR 1020017010151A KR 20017010151 A KR20017010151 A KR 20017010151A KR 20010102054 A KR20010102054 A KR 20010102054A
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Abstract

본 발명은 저압 플라즈마 스퍼터링 또는 감소된 면적을 가지나 완전한 타깃 커버리지를 갖는 지속적인 자기 스퍼터링에 있어 특히 유리한 마그네트론에 관한 것이다. 이 마그네트론은 사이에 갭을 갖는, 내부 폴면을 둘러싸는 외부 폴면을 포함한다. 본 발명의 마그네트론의 외부 폴은, 타깃의 중심으로부터 주변으로 유사하게 연장하는 원형 마그네트론의 외부 폴보다 작다. 상이한 형태들에는, 경주용 트랙, 타원, 달걀 형상, 삼각형, 및 타깃 테두리와 일치하는 아크를 가진 삼각형이 있다. 본 발명은 구리의 지속적인 자기 스퍼터링을 허용하고, 알루미늄, 티타늄, 및 적어도 0.1mTorr까지 압력이 감소된 다른 금속의 스퍼터링을 허용한다. 어떤 금속에 있어서는, 웨이퍼를 받치는 페디스털이 한정된 정도까지 RF 바이어스되어야 한다. 본 발명은 전력의 용량 결합만을 사용하여, 금속의 이온화 분율을 20% 이상이 되게 하고, 종횡비가 5인 홀에서의 하부 커버리지가 25% 이상이 되게 할 수 있다.

Description

이온화된 금속 증착용 고밀도 플라즈마 소스{HIGH-DENSITY PLASMA SOURCE FOR IONIZED METAL DEPOSITION}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 물질의 스퍼터링에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스퍼터링을 증진시키는데 사용되는 자석에 관한 것이다.
배경기술
PVD(physical vapor deposition)라고도 불리는 스퍼터링은, 반도체 집적 회로 제조시 금속층과 관련 물질들의 층들을 증착하는 가장 일반적인 방법이다. 도 1 에는, 종래의 PVD 반응기 (10) 가 그 개략 단면도로 도시되어 있으며, 이 도면은 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티리얼사의 Endura PVD Reactor 에 기초하고 있다. 이 반응기 (10) 는 히터 페디스털(pedestal)(18) 상에 지지된 웨이퍼 (16) 상에 스퍼터 증착할 재료, 통상 금속으로 이루어지는 PVD 타깃 (14) 으로 밀봉된 진공 챔버 (12) 를 포함한다. 챔버 내에 있는 실드 (20) 는 스퍼터된 재료로부터 챔버 벽 (12) 을 보호하고, 애노드 그라운딩(grounding)을 제공한다. 선택 가능한 직류 전원 (22) 은 실드 (20) 에 대해서 약 -600VDC까지 타깃 (14) 을 음으로 바이어스한다. 일반적으로, 페디스털 (18), 즉 웨이퍼 (16) 는 전기적으로 부동 상태이다.
가스 소스 (24) 는 스퍼터링 작용 가스, 통상 화학적으로 불활성 가스인 아르곤을, 질량 유동 제어기 (26) 를 통해 챔버 (12) 로 공급한다. 예컨대, 티타늄 질화물과 같은 반응성 금속 질화물 스퍼터링에서는, 질소가 또다른 가스 소스 (27) 로부터 그 자체의 질량 유동 제어기 (26) 을 통해 공급된다. 또한, Al2O3와 같은 산화물을 제조하기 위해 산소가 공급될 수도 있다. 이들 가스들은 도시된 바와 같이, 챔버의 상부로 또는 하부에서 실드의 저부를 관통하는 하나 이상의 입구(inlet) 파이프들을 통하거나, 실드 (20) 와 페디스털 (18) 사이의 갭(gap)을 통해 유입될 수 있다. 진공 시스템 (28) 은 챔버를 저압으로 유지시킨다. 비록, 기저 압력이 약 10-7Torr 또는 더 낮게 유지될 수 있지만, 작용 가스의 압력은 통상 약 1 과 1000mTorr 사이로 유지된다. 컴퓨터 기반 제어기 (30) 는 DC 전원 (22) 을 포함하는 반응기와 질량 유동 제어기 (26) 를 제어한다.
아르곤이 챔버내로 유입될 때, 타깃 (14) 과 실드 (20) 사이의 DC 전압이 아르곤을 플라즈마로 점화시키고, 양으로 대전된 아르곤 이온들이 음으로 대전된 타깃 (14) 으로 이끌린다. 이 이온들은 타깃 (14) 과 실제 에너지로 충돌하여 타깃 원자들이나 원자 클러스터들이 타깃 (14) 으로부터 스퍼터링되도록 한다. 타깃 입자들의 일부는 웨이퍼 (16) 를 때려 그 위에 증착됨으로써, 타깃 물질의 막을 형성한다. 금속 질화물의 반응성 스퍼터링에서는, 질소가 챔버 (12) 로 부가적으로 유입되고, 스퍼터링된 금속 원자들과 반응하여 웨이퍼 (16) 상에 금속 질화물이 형성된다.
효율적인 스퍼터링을 제공하기 위해, 마그네트론 (32) 은 타깃 (14) 의 뒤에위치된다. 이러한 마그네트론은 반대 극성의 자석 (34, 36) 을 구비하여, 자석 (34, 36) 의 근처에 있는 챔버 내에 자계를 형성한다. 자계는 전자들을 포획하고 전하 중화를 위해, 이온밀도도 증가하여 마그네트론 (32) 에 인접한 챔버 내에서 고밀도 플라즈마 영역 (38) 이 형성된다. 마그네트론 (32) 은 통상, 타깃 (14) 의 스퍼터링시 완전한 커버리지를 달성하기 위해, 타깃 (14) 의 중심의 둘레를 회전한다. 마그네트론의 형태는 본 특허 출원의 목적으로, 일례로 나타낸 이 형태는 단지 시사하는 것이다.
반도체 집적 회로들에서의 집적도가 향상됨으로써, 스퍼터링 장비와 공정에 대한 요구가 증가되고 있다. 이 많은 문제점들은 콘택과 비어 홀들에 관련된 것이다. 도 2 의 단면도에 도시된 바와 같이, 비어나 콘택 홀 (40) 들은 하부층 또는 기판 (46) 으로부터 도전성 피처(feature)(44) 에 도달하기 위해 레벨간(inter-level) 절연층 (42) 을 통해 에칭된다. 그 다음, 홀 (40) 로 금속을 충진하여 레벨간 전기 접속을 제공하기 위해 스퍼터링이 사용된다. 하부층 (46) 이 반도체 기판이라면, 채워진 홀 (40) 을 콘택이라고 하고, 하부층이 더 낮은 레벨의 금속화 레벨이라면, 채워진 홀 (40) 을 비어라 한다. 이후, 간단히, 비어라고 지칭한다. 레벨간 비어의 폭들은 0.25㎛ 이하 부근으로 감소되었고, 레벨간 절연체의 두께는 0.7㎛ 정도로 거의 일정하게 유지되었다. 즉, 비어 홀들은 3 이상의 종횡비로 증가하였다. 일부 진보된 기술에 있어서는, 6 이상의 종횡비가 요구된다.
이러한 높은 종횡비는, 대부분의 스퍼터링 형태들이 엄밀하게 이방성이 아니므로, 초기에 스퍼터링된 물질이 우선적으로 홀의 상부에 증착되어 그것을 브리지함으로써, 홀의 저부를 채우는 것이 방해되어 비어 금속에 보이드(void)가 생성하기 때문에, 스퍼터링에 있어서 문제점을 나타낸다.
그러나, 깊은 홀은, 스퍼터링된 입자들의 상당 부분이 타깃 (14) 과 페디스털 (18) 사이의 플라즈마에서 이온화되도록 함으로써, 용이하게 충진시킬 수 있다. 도 1 의 페디스털 (18) 은, 전기적인 부동 상태로 있을 때라도, DC 자기 바이어스를 걸어, 이온화된 스퍼터링된 입자들을 페디스털 (18) 에 인접한 플라즈마 외장(sheath)에 걸친 플라즈마로부터 홀 깊숙이 끌어들인다. 홀 충진과 연관된 2가지 척도는 하부 커버리지와 측부 커버리지이다. 도 2 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 스퍼터링의 초기 단계에서는 층 (48) 을 증착시키고, 이 층은 s1의 표면 또는 블랭킷 두께, s2의 하부 두께 및 s3의 측벽 두께를 가진다. 하부 커버리지는 s2/s1과 같고, 측벽 커버리지는 s3/s1과 같다. 이 모델은 너무 단순화되었지만 많은 경우에 있어서 적합하다.
이온화 분율을 증가시키는 한가지 방법은, RF 코일을 도 1 의 챔버 (12) 측면 부근에 부가시킴으로써 고밀도 플라즈마(HDP)를 생성하는 것이다. HDP 반응기는 고밀도 아르곤 플라즈마를 생성하는 것 뿐만 아니라, 스퍼터링된 원자들의 이온화 분율을 증가시킨다. 그러나, HDP PVD 반응기들은 새로운 것이고 비교적 고가이다. 대개, 도 1 의 PVD 반응기의 DC 스퍼터링을 계속해서 이용하는 것이 바람직하다.
이온화비를 증가시키는 또다른 방법은, 타깃이 모자 상부 (top hat) 의 형상을 갖는, 속이 빈 캐소드 마그네트론을 사용하는 것이다. 하지만, 이러한 유형의 반응기는 매우 고온에서 동작하고, 복잡한 형상의 타깃들은 매우 고가이다.
유도 결합형 HDP 스퍼터 반응기 또는 속이 빈 캐소드 반응기로 스퍼터링한 구리는 비어 측벽 상의 물결 모양의 막을 형성하는 경향이 있고, 그 증착된 금속이 습기를 제거하는 경향이 있다. 이것은, 구리 홀 충진을 완결하기 위해, 전기 도금과 같은 후속 증착 공정용에서 그 스퍼터링된 구리층을 시드층으로서 사용할 때 특히 심각하다.
종래 기술에 있어서의 또다른 문제점은, 측벽 커버리지가 좀더 실드된 면보다 더 두껍게 코팅되는 타깃의 중심을 향한 면과 비대칭인 경향이 있다는 것이다. 이는 소정 두께의 시드층을 달성하는데 있어서 과도한 증착을 요할뿐만 아니라, 포토리소그라피에서 정렬 표식으로 사용되는 교차 형상의 트렌치들이, 움직이는 것처럼 보이게 되어 트렌치들이 비대칭적으로 좁아지게 된다.
깊은 홀 충진을 증진시키는 또다른 동작상의 제어는 낮은 챔버 압력이다. 더 높은 압력에서는, 스퍼터링된 입자들이 그것이 중성이건 이온화된 것이든 아르곤 운반 가스의 원자들과 충돌할 확률이 더 높아진다. 충돌은 이온들을 중성화시키고, 속도를 무작위로 만드는 경향이 있으며, 이 두 가지 모두 홀 충진의 질을 열화시킨다. 그러나, 상술한 바와 같이 스퍼터링은 타깃에 적어도 인접하는 플라즈마의 존재 여부에 의존한다. 만약, 압력이 너무 많이 감소되면, 비록 최소 압력이 몇가지 인자들에 의존할지라도, 플라즈마는 붕괴된다.
저압 플라즈마 스퍼터링의 최후의 방법은, 1997년 5월 8일 Fu 등에 의해서 출원된 미국 특허 08/854,008 호에 공개된 바와 같이, 지속 자기 스퍼터링(SSS)이다. SSS에서, 양으로 이온화된 스퍼터링 원자들의 밀도는 매우 높아 좀더 이온화된 원자들을 다시 스퍼터링하기 위해 충분한 수가 음으로 바이어스된 타깃으로 다시 유도된다. SSS에서는 어떠한 아르곤 작용 가스도 불필요하다. 구리는 가장 SSS하기 쉬운 금속이지만 이는 고전력 및 고자계의 조건 하에서만이다. 구리 스퍼터링은 구리의 저 저항성과 일렉트로마이그레이션 (electromigration) 에 대한 저 자화율 때문에 현저하게 이루어진다. 그러나, 구리 SSS가 상용화되기 위해서는, 전체 커버리지, 높은 필드의 마그네트론을 개발할 필요가 있다.
타깃에 인가된 전력이 증가되면, 압력을 지속 자기 스퍼터링까지 감소시킨다. 또한, 증가된 전력은 이온화 밀도를 증가시킨다. 그러나, 과도한 전력은 고가의 전원과 냉각 증가를 필요로 한다. 20 내지 30㎾를 초과하는 전력 레벨들은 실행 불가능한 것으로 간주된다. 실제로, 적당한 인자는 마그네트론 아래의 영역에서의 전력 밀도이고, 이는 효과적인 스퍼터링을 일으키는 고밀도 플라즈마 영역이기 때문이다. 그러므로, 작고 높은 필드의 자석이 가장 용이하게 높은 이온화 밀도를 형성한다. 이러한 이유들로, 어떤 종래 기술은 작은 원 형태의 자석을 개시하기도 한다. 그러나, 이러한 마그네트론은 균일성을 제공하기 위해 타깃의 중심에 대한 회전뿐만 아니라, 완전하고 상당히 균일한 타깃의 커버리지를 확보하기 위해 방사상의 스캐닝을 요구한다. 완전한 마그네트론 커버리지가 이룩되지 않으면, 타깃이 효과적으로 사용되지 않을 뿐만 아니라, 좀더 중요한 스퍼터 증착의 균일성이 떨어지고, 스퍼터링된 물질의 일부는 스퍼터링되지 않는 영역에서의 타깃 상에 재증착한다. 벗겨지기 쉬운 두께까지 형성되는 재증착된 물질은 심각한 입자 문제점들을 발생시킨다. 이러한 문제점들을 방사상의 스캐닝은 잠재적으로 회피할 수는 있지만, 그 메카니즘이 복잡하고 일반적으로 실행 불가능한 것으로 간주된다.
상용 마그네트론의 한 가지 유형은 Tepman 에 의해, 미국 특허 5,320,728 호에 개시된 키드니 형(kidney-shaped)이 있다. Parker는 이러한 형상보다 좀더 과장된 형태를 미국 특허 5,242,566 호에 개시하고 있다. 도 3 의 평면도에 도시된 바와 같이, Tepman 마그네트론 (52) 은 거의 일정한 폭의 완곡한 갭 (57) 에 의해 분리된 자기적으로 반대되는 폴면 (54, 56) 용의 키드니 형에 기초하고 있다. 폴면 (54, 56) 은 도시되지 않은 말굽 자석에 의해 자기적으로 결합된다. 마그네트론은 타깃의 중심과 신장 형상의 내부 폴면 (54) 의 오목한 가장자리 부근에서 회전축 (58) 에 대해 회전한다. 상기 영역에서의 갭 (57) 에 대체로 평행한, 외부 폴면 (56) 의 만곡된 외부 테두리는 타깃 (14) 의 사용 가능한 부분의 외부 테두리에 가깝다. 이러한 형상은 높은 필드와 균일한 스퍼터링용으로 최적화되었지만, 타깃면적의 거의 절반인 면적을 가진다. 자계는 폴의 갭 (57) 으로부터 분리된 영역들에서 상대적으로 약하다는 것이 알려졌다.
이러한 이유들로, 완전한 커버리지를 제공하여 깊은 홀의 충진과 지속되는 구리 자기 스퍼터링을 증진시키는 작고, 높은 필드의 마그네트론을 개발하는 것이 요구된다.
발명의 개요
본 발명은 2개의 직경이 마그네트론의 통상적인 회전축에 대해 타깃 반경을 따라 연장하는 동일한 직경의 원보다 더 작은 면적을 가진 타원형 또는 타원형 관련 형상을 갖는 스퍼터링 마그네트론을 포함한다. 상기 형상들은 경주용 트랙, 타원, 달걀 형상, 삼각형 및 아크 형상의 삼각형들을 포함한다. 마그네트론은 타깃의 후면 상에서 마그네트론의 얇은 단부 근처의 지점에 대해서 회전되는 것이 바람직하고, 더 두꺼운 단부는 타깃 테두리에 더 가깝게 위치하게 된다.
또한, 본 발명은 이러한 마그네트론으로 달성할 수 있는 스퍼터링 방법들을 포함한다. 지속 자기 스퍼터링(sustained self-sputtering)을 거치지 않는 많은 금속들은 0.5mTorr 미만, 종종 0.2mTorr 미만 및 심지어 0.1mTorr 에서의 챔버 압력에서 스퍼터링할 수 있다. 200㎜ 웨이퍼를 지지하는 크기로 된 페디스털 전극에, 250W 미만의 RF 바이어스를 인가함으로써 하부 커버리지를 좀더 향상시킬 수 있다. 완전한 자기 지속 모드 또는 0.3mTorr 이하의 최소 챔버 압력으로, 330㎜ 타깃과 200㎜ 웨이퍼에 대해서 18㎾의 DC 전력으로 구리를 스퍼터링할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 DC 플라즈마 스퍼터링 반응기의 개략도이다.
도 2 는 반도체 집적 회로에서의 레벨간 비어(via)의 단면도이다.
도 3 은 종래의 마그네트론의 평면도이다.
도 4 는 도 6 의 관측선 (4-4) 을 따라 취해진 본 발명의 마그네트론의 일실시예의 폴 조각들의 평면도이다.
도 5 는 도 4 의 마그네트론에서 사용된 자석들의 평면도이다.
도 6 은 본 발명의 실시예와 관련하여 사용된 자석들중 하나의 단면도이다.
도 7 은 도 4 의 마그네트론의 단면도이다.
도 8 은 달걀 형상 마그네트론의 평면도이다.
도 9 는 삼각형 형상 마그네트론의 평면도이다.
도 10 은 도 9 의 삼각형 형상의 변형 마그네트론인 아크형 삼각 마그네트론의 평면도이다.
도 11 은 도 10 의 아크형 삼각 마그네트론에서 사용된 자석들의 평면도이다.
도 12 는 면적과 테두리 길이를 계산하는데 사용된 2가지 모델의 마그네트론들의 평면도이다.
도 13 은 삼각형 면적과 원형 마그네트론의 각도 의존성 그래프이다.
도 14 는 도 12 의 2가지 형태의 마그네트론들의 테두리 길이들의 각도 의존성 그래프이다.
도 15 는 본 발명의 상술한 실시예에 의해 발생되는 자계의 이상적인 측면도이다.
도 16 은 티타늄 스퍼터링의 하부 커버리지에서의 RF 웨이퍼 바이어스의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 17 은 본 발명의 마그네트론으로 질화 티타늄의 반응성 스퍼터링으로 얻어진 2가지 증착 모드를 도시하는 질소 유동에 대한 챔버 압력의 의존성 그래프이다.
도 18 은 본 발명의 마그네트론으로 질화 티타늄의 반응성 스퍼터링용의 2가지 스프터링 모드에서 얻어진 스텝 커버리지의 그래프이다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
본 발명의 일 실시예는 도 4 의 평면도에 도시된 경주용 트랙 마그네트론 (60) 이고, 2개의 만곡된 단부 (66) 에 의해 연결된 마주보는 평행한 중간 직선 측면 (64) 을 갖는 하나의 자극을 지닌, 중심 막대기 형상의 폴면 (62) 을 갖는다. 중심 폴면 (62) 은 다른 극성을 지닌 외부 연장의 고리 형상의 폴면 (68) 으로 둘러싸이고, 사이에 갭 (70) 을 갖는다. 다른 자극을 지닌 외부 폴면 (68) 은, 내부 폴면 (62) 에 대해 대체로 중심 대칭인 2개의 만곡된 단부 (74) 로, 연결된 마주보는 평행한 중간 직선부 (72) 를 포함한다. 중간부 (72) 와 만곡된 단부들 (74) 은 거의 동일한 폭을 갖는 밴드들이다. 요약하면, 자석은 폴면 (62, 68) 이 반대되는 자극을 가지게 한다. 또한, 배킹 플레이트(backing plate)도 요약하면, 폴면 (62, 68) 사이의 자기 요크와, 마그네트론 구조의 지지물을 제공한다.
비록, 2개의 폴면 (62, 68) 이 대체로 도시된 평면에 수직으로 연장하는 자계를 만들어내는 특정 자극을 가진 것으로 도시되었지만, 자극이 반대인 세트도 본 발명에 관한 한 동일한 총체적인 자기 효과를 나타낼 것으로 인식된다. 이러한 어셈블리는 대체로 중심에 필드가 없는 영역이 최소인 폐경로를 따라 연장하는 반토로이달(semi-toroidal) 필드를 발생시킨다. 도 4 의 폴 어셈블리는 타깃 (14) 의 중심과 거의 일치하는 회전축 (78) 에 대하여 회전되고, 외부 폴면 (68) 의 한 장형단 (80) 또는 부근에 위치하며, 다른 장형단 (82) 은 타깃 (14) 의 외부 방사 사용가능한 연장부에 대략 위치함으로써, 전체 타깃 커버리지를 이룩하도록 의도된다. 타깃의 외부 사용가능한 외부 테두리는, 용이하게 정의되지 않는데, 이는 상이한 마그네트론 설계는 동일한 타깃의 상이한 부분을 사용하기 때문이다. 그러나, 타깃의 평탄한 영역에 의해 경계가 이루어지고, 거의 항상 스퍼터 증착되는 웨이퍼의 직경을 크게 초과하여 연장하며, 타깃면 영역보다 다소 작다. 200㎜ 웨이퍼의 경우, 325㎜의 타깃면들이 대표적이다. 15%의 사용되지 않는 타깃 반경은 상측 실제 한계로 간주될 수 있다.
도 5 의 평면도에 도시된 바와 같이, 2개의 자극을 생성하기 위해 2세트의 자석 (90, 92) 들이 폴면 (62, 68) 들의 뒤에 배치되어 있다. 자석 (90, 92) 은 각각 수직으로 향하는 단부 상에 축방향으로 연장하는 자속을 발생시키는 유사한 구조와 성분을 가진다. 자석 (90, 92) 의 단면도가 도 6 에 도시되어 있다. 축을 따라 연장하는 원통형 자기 코어 (93) 는, 네오디뮴 보론 철(NdBFe)과 같은 강한 자기 물질로 이루어져 있다. 이러한 물질은 쉽게 산화되기 때문에, 코어 (93) 는 관상의 측벽 (94), 및 기밀(air-tight) 캐니스터(canister)를 형성하기 위해, 함께 접합된 대체로 원통형인 2개의 캡 (96) 으로 만들어진 케이스로 싸여져있다. 캡 (96) 은 바람직하게는 SS410 스테인레스 스틸과 같은 연자기 물질로 이루어져 있고, 관상의 측벽 (96) 은 바람직하게는 SS304 스테인레스 스틸과 같은비자기 물질로 이루어져 있다. 각 캡 (96) 은 축방향으로 연장하는 핀 (97) 을 포함하고, 이것은 폴면 (62, 68) 중 하나 또는 간단하게는 자기 요크에서의 해당 캡처 홀을 가지고 있다. 이것에 의해 자석들 (90, 92) 은 마그네트론에 고정된다. 자기 코어 (93) 는 그것의 축 방향을 따라 자화되지만, 2개의 상이한 자석들 (90, 92) 은 마그네트론 (60) 에서 도 7 의 단면도에 도시된 것처럼 방향을 이루게 되어, 내부 폴 (62) 의 자석 (90) 은 한 방향으로 수직으로 연장하는 자계를 갖도록 정렬되고, 외부 폴 (68) 의 자석 (92) 은 다른 방향으로 수직으로 연장하는 자계를 갖도록 정렬된다. 즉, 이것들은 반대되는 자극을 갖는다.
도 6 의 단면도에 도시된 바와 같이, 자석 (90, 92) 은 타깃 (14) 의 뒤 바로 위에 위치한 폴면 (62, 68) 위에서, 도 1 의 오리엔테이션을 이용하여 밀접하게 배치되어 있다. 일반적으로, 외부 폴면 (68) 의 외부 테두리를 따르는 밀집된 형상을 갖는 자기 요크 (98) 는, 2개의 폴 (62, 68) 들을 자기적으로 결합시키기 위해 자석 (90, 92) 의 뒤에 조밀하게 놓여져 있다. 상술한 바와 같이, 폴면 (68, 72) 과 요크 (98) 에서의 홀들이 자석 (90, 92) 을 고정시킨다.
내부 자석 (90) 과 내부 폴면 (62) 은 하나의 자극중 내부폴을 구성하고, 외부 자석 (92) 과 외부 폴면 (72) 은 다른 자극의 주변 외부 폴을 구성한다. 자기 요크 (98) 는 내부 및 외부 폴들을 자기적으로 결합시키고, 실질적으로 마그네트론의 뒤 또는 상부면 상에서의 자계를 요크 (98) 로 한정한다. 이로 인해, 반 토로이달 자계 (100) 가 형성되고, 비자기 타깃 (14) 을 통해 진공 챔버 (12) 로 연장하여 고 농도 플라즈마 구역 (38) 을 정의한다. 필드 (100) 는 비자기타깃 (14) 을 통해 진공 챔버 (12) 로 연장하여, 고농도 플라즈마 구역 (38) 의 연장부를 정의한다. 도시된 바와 같이, 마그네트론 (60) 은 타깃 (14) 의 거의 중심으로부터 타깃 (14) 의 사용하지 않는 영역의 가장자리까지 수평으로 연장한다. 자기 요크 (90) 와 2개의 폴면 (62, 68) 은, SS416 스테인레스 스틸과 같은 연자기 물질로 형성된 플레이트들인 것이 바람직하다.
마그네트론 (60) 의 내부 장형단 (80) 은 회전축 (78) 을 따라 연장하는 샤프트 (104) 에 연결되어 모트 (106) 에 의해 회전된다. 도시된 바와 같이, 마그네트론 (60) 은 타깃 (14) 의 거의 중심으로부터 타깃 (14) 의 사용하지 않는 영역의 우측면까지 수평으로 연장한다. Demaray 등의 미국 특허 제 2,254,194 호에서는 모터 (106), 마그네트론 (60) 및 진공 챔버 (12) 간 연결들을 상세히 설명하고 있다. 마그네트론 어셈블리 (60) 는 샤프트 (104) 의 플렉싱(flexing)을 회피하기 위해, 카운터 웨이팅(counter weighting)을 포함해야 한다. 비록, 바람직하게는 회전 (78) 의 중심은 외부 폴면 (72) 의 내부 장형단 (74) 내에 있어, 그것의 위치가 약간 상이한 위치로 최적화될 수 있지만, 마그네트론 (60) 의 장형 길이로 정규화된 것처럼 내부 장형단 (80) 으로부터 20% 이상은 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
또한, 도 4 의 경주용 트랙 구조는 매우 납작해진 달걀과 같다는 것이 특징이다. 다른 달걀 형상들 예컨대, 타원의 장축이 타깃의 반경을 따라 연장하고 단축이 회전 원주에 평행한 것이 바람직한 타원 형상도 본 발명 내에 포함된다.
또다른 달걀 형상이 도 8 의 평면도에 도시된 바와 같이, 하나의 자극을 갖는 외부 폴면 (108) 이 다른 극성을 갖는 내부 폴면 (110) 을 둘러싸고, 그들 사이에 갭 (122) 이 있는 달걀 형상의 마그네트론 (106) 으로 도시되어 있다. 양 폴면 (108, 110) 들은 타깃의 반경을 따라 연장하는 장축을 가진 달걀의 윤곽과 같은 형상을 지니고 있다. 그러나, 회전축 (78) 근처의 외부 폴면 (108) 의 내부단 (112) 은 타깃의 테두리 근처의 외부단 (114) 보다 급하게 만곡되어 있다. 달걀 모양은 거의 타원형이나 타깃 반경에 대해서는 비대칭적이다. 특히, 단축은 타깃 주변에 가깝게 밀려나 있다. 내부 폴면 (110) 과 갭 (122) 은 유사한 형상을 하고 있다.
관련 형상은 도 9 에서의 평면도로 도시된 것처럼, 하나의 자극을 가진 삼각형 회부 폴면 (128) 이 갭 (132) 을 가진 다른 자극의 실질적으로 고체인 내부 폴면 (130) 을 둘러싸는 삼각형 마그네트론 (126) 으로 나타난다. 만곡된 코너를 갖는 내부 폴면 (130) 의 삼각형 형상은 버튼 자석이 육방 조밀 구조를 갖도록 허용한다. 외부 폴면 (128) 은 서로에 대해 60°만큼 오프셋되는 3개의 직선부 (134) 를 갖는 것이 바람직하고, 만곡된 코너 (136) 들로 연결되어 있다. 만곡된 코너 (136) 들은 직선부 (134) 보다 더 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.
변형된 삼각 형상이 도 10 의 아크 형상의 삼각형 마그네트론 (140) 으로 나타난다. 이것은 그 사이와 각 폴들의 자석들 사이에 갭 (144) 을 갖고 갭 (144) 의 뒤에 자기 요크를 갖는, 아크 형상의 삼각형 외부 폴면 (142) 에 의해 둘러싸인 삼각형 내부 폴면 (130) 을 포함한다. 외부 폴면 (142) 은 만곡된 선단 코너 (148) 에 의해 서로 연결되고 만곡된 주위 코너들 (152) 에 의해 아크부(150) 에 연결된 2개의 직선부 (146) 를 포함한다. 회전 중심 (78) 은 선단 코너 (148) 근처에 위치한다. 아크부 (150) 는 대체로 타깃의 주변 테두리 근처에 위치한다. 그것의 곡률은 타깃의 곡률과 동일 즉, 회전 중심 (78) 으로부터 등거리일 수 있지만, 다른 최적화된 곡률이 회전 중심 (78) 에 대해 아크부 오목면용으로 선택될 수도 있다.
자계는 도 11 에서 평면도에 도시된 자석들의 배치로 생성된다. 제 1 극성의 자석들 (160) 은 내부 폴면 (130) 에 인접한 육방 조밀 배열로 배치된다. 제 2 극성의 자석들 (162) 은 외부 폴면 (142) 의 아크부 (150) 에 인접하게 배치되고, 제 2 극성의 자석들 (164) 은 외부 폴면 (142) 의 나머지 부분에 인접하게 배치된다. 후술될 어떤 경우에서는, 외부 폴면 (142) 의 상이한 부분들에서 상이한 강도의 자석들을 배치하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 내부 폴에는 10개의 자석들이 있고, 외부 폴에는 26개의 자석들이 있으며, 동등한 세기의 자석들에 있어서, 내부 폴보다 외부 폴에서 2.6배나 더 많은 자속을 발생시킨다.
도 9 와 도 10 의 삼각형 마그네트론 (126, 140) 은 60°의 선단각을 갖는 것으로 나타나 있지만, 선단각은 변경될 수 있고, 비록 60°±15°가 우수한 균일성을 제공하지만, 특히 60°미만으로 감소된다. 선단각은 본 발명의 마그네트론의 2가지 중요한 파라미터들 즉, 면적 A 와 그것의 주변 길이 P 의 값에 크게 영향을 미친다. 아크 형상의 삼각형 마그네트론 (140) 의 경우에 가장 쉽게 행해지는 어떤 간단한 계산들은, 도 12 에서의 평면도에 도시된 바와 같이, 선단각 θ변경의 총체적인 효과를 나타낸다. 단순화된 아크 형상의 삼각형 마그네트론(170) 은 중심과, 반경이 RT인 타깃 (14) 의 외주면 사이에서 연장하고 회전축 (78) 과 일치하는 선단에서 만나는 2개의 직선부를 갖고, 타깃 (14) 의 사용 가능한 외주면에 일치시키는 아크면을 더 포함한다. 단순화된 아크 형상의 삼각형 마그네트론 (170) 의 면적 A 는 θ·RT 2이고, 그것의 주변 길이 P 는 RT(2 +θ)이며, 여기서 θ는 라디안으로 측정된다. 또, 도 12 에 도시된 것은 반경이 RT/2이고, 회전축 (78) 에 고정된 직경을 갖는 원형 마그네트론 (172) 이다. 이것은 πRT 2/4의 면적을 갖고 주변 길이 P 는 πRT이다. 자석 (170, 172) 모두, 완전한 타깃 커버리지를 제공한다. 선단각 θ에 대한 아크 형상의 삼각형 면적 A 의 의존도는, 도 13 에서 라인 (174) 에 의해 정규화된 단위들로 표시되고, 원 면적에 대해서는 라인 (176) 으로 표시되어 있다. 45°미만에서는 삼각형 면적이 더 작다. 삼각형 주변 길이 P 의 의존도는 도 14 에 라인 (178) 으로 표시되고, 원 테두리에 대해서는 라인 (180) 으로 표시되어 있다. 65.4°미만에서는 아크 형상의 삼각형 테두리가 더 작다. 타깃 전력이 더 작은 면적에 집중되므로, 이온화 효율은 면적을 최소화시킴으로서 증가되고, 또한 가장자리 손실이 대체로 주변 길이에 비례하므로, 테두리를 최소화시켜도 증가된다. 물론, 이러한 면적은 자계를 생성하는 자석들을 수용하기에 충분히 넓을 필요가 있다. 또, 이들 계산들은 일관성을 요하지는 않는다.
상기 제시된 형상들은 모두 타깃 반경에 대해서 대칭적이다. 그러나, 본발명의 마그네트론은 비대칭 형상들을 포함하고 그 예로, 도 4 의 경주용 트랙 형태로 있는 방사상으로 연장하는 한 면과 타원형 예컨대, 도 7 의 달걀 형상인 다른 면 또는 타원형 또는 직선으로 방사상으로 연장하는 한 면과 타깃의 중심과 테두리 사이의 삼각형 선단을 갖는 다른 면을 들 수 있다.
상술한 모든 마그네트론들은 비대칭 내부 및 외부 폴들을 갖는다. 특히, 도 15 에 개략적으로 도시된 내부 폴 (190) 에 의해 발생된 총 자속 (∫B ·dS ) 은 외부 폴 (192) 을 둘러쌈으로써 발생된 것보다 예컨대, 1.5 바람직하게는 2 의 인자 이상 더 작다. 또한, 모든 마그네트론들은 외부 폴 (192) 로 둘러싸인 소형의 내부 폴 (190) 을 갖는 것이 특징이다. 그 결과는, 폴들 (190, 192) 사이의 갭 (196) 에 인접한 반응기 처리 영역 (194) 에서 매우 강하나, 또한 외부 폴 (192) 의 자계 라인들이 자기 요크 (198) 쪽으로 다시 가까워짐에 따라, 처리 영역 (194) 쪽으로 깊이 연장하는 자계 분포이다. 타깃으로부터 처리 영역 (194) 으로 깊이 수직으로 연장하는 자계의 실질적인 부분은, 지속된 자기 스퍼터링 플라즈마를 처리 영역 (194) 으로 깊이 지지하고, 웨이퍼 쪽으로 이온화되고 스퍼터링된 입자들을 안내하는 것을 돕는다.
본 발명의 자석은 상대적으로 높은 자계를 형성한다. 그러나, 자계 밀도 그 자체는 불충분하다. Demaray 등이 앞서 인용된 특허에서 개시한 일부 종래의 마그네트론들은, 말굽의 폴들 사이에 작은 갭만을 갖는 신장 형상의 선형 경로로 배열된 한 줄의 말굽 자석들을 사용한다. 그 결과, 신장 형태의 테두리 영역에 상대적으로 높은 자계 밀도가 이룩될 수 있다. 그러나, 높은 자계를 가진선형 형태는 실질적으로 자계가 없는 영역을 둘러싼다. 그 결과, 전자들은 높은 필드 영역의 외부뿐만 아니라 내부로도 탈출할 수 있게 된다. 대조적으로, 본 발명의 삼각 마그네트론의 내부 폴은 최소 영역의 자기 첨점(cusp)을 형성한다. 전자들이 내부 폴의 일면 상의 자계로부터 사라진다면, 그것들은 다른면 상에서 포획되기 쉽고 따라서, 주어진 전력 레벨에 대한 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 또한, 내부 폴은 대체로 균일한 자속을 발생시키는 단일 자화 가능한 폴면을 포함한다. 여러개의 내부 폴면이 여러개의 내부 자석들에 대해서 사용되었다면, 자계 라인들은 내부 자석들 사이로 연장할 것이다.
본 설계의 또다른 잇점은 닫힌(closed) 라인에 하나의 폴이 형성되고 다른 폴을 둘러싼다는 점이다. 말굽 자석 등을 2개의 폴 세트들이 조밀하게 배치되는 개방된 종단선에 배열함으로써 높은 자계 밀도를 가진 매우 작은 선형으로 연장하는 마그네트론을 형성할 수 있게 된다. 그러나, 전자들은 개방된 단부들로부터 용이하게 탈출하여 플라즈마의 밀도를 감소시킨다.
상술한 형상들은, 버튼 자석들이 사용되는 것보다 현저히 크지 않은 면적의 띠 모양의 폭을 갖는 폴면을 가리키는 것이다. 특히, 외부 폴면의 폭들은 균일하지는 않더라도 증가될 수 있지만, 추가적인 폭은 원하는 높은 자계를 발생시키는데 있어서, 덜 효과적이다.
타원형 마그네트론과 관련 형상들의 마그네트론들이 과도한 전력을 필요로 하지 않고 더 높은 플라즈마 이온화 농도를 발생시키기 때문에, 본 발명의 유익한 결과들은 대부분 이루어진다고 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 완전한 타깃커버리지가 이루어진다. 일 태양에서, 본 발명의 마그네트론은 상대적으로 작은 면적을 갖지만, 방사상의 스캐닝 없이 완전한 타깃 커버리지를 허용하는 형상을 갖는다. 도 10 의 60°의 선단각을 가지는 삼각형 마그네트론 (160) 은 사용가능한 타깃 면적의 1/6(0.166) 면적을 갖는다. 대조적으로, 타깃 중심으로부터 테두리로 유사하게 연장하는 원형 마그네트론 (162) 이 이용되었다면, 마그네트론 면적은 타깃 면적의 1/4(0.25)이다. 그 결과, 더 큰 원형 마그네트론에 전력을 공급하는 주어진 전원에 있어서 전력 밀도는 더 적게 된다. 타깃 오버레이(overlay) 백분율은 도 3 의 테프만(Tepman) 자석에 있어서는 더 높다.
소면적과 풀 커버리지의 조합은, 타깃 중심으로부터 그것의 사용 가능한 테두리(±15%)까지 연장하고, 타깃 반경보다 사실상 작은 타깃 반경의 절반인 가로 치수를 갖는 외부 마그네트론 형상에 의해 형성된다. 가로 치수는 회전 경로를 따라 원주상으로 측정되어져야 한다.
균일성은 타깃 반경에 대해서 회전 중심 근처의 내부 단에서보다 타깃 테두리 부근의 외부 단에서 가로로 더 넓은 달걀 형상에 의해 강화된다. 즉, 단축은 타깃 원주 쪽으로 옮겨지게 된다.
공정
본 발명의 아크 형상의 삼각형 마그네트론이 수개의 실험에서 테스트되었다. 거의 모든 실험에서, 타깃은 웨이퍼로부터 190 과 200㎜ 사이의 간격으로 놓여져 있고, 타깃은 200㎜ 웨이퍼에 대해서는 330㎜의 직경을 갖는다.
구리 스퍼터링의 경우, 내부 폴에서 10개의 강한 자석 (160) 들, 외부 폴의아크 부분 (150) 을 따라 있는 강한 자석 (162) 들, 외부 폴의 나머지에 대해서는 약한 자석 (164) 들을 이용하여 균일성이 향상되었다. 강한 자석들이 약한 자석들의 직경보다 30% 더 큰 직경을 가지고 있지만, 그 외에 성분과 구조면에서는 유사하므로, 70% 더 큰 통합된 자속을 생성한다.
약 30㎝의 사용 가능한 직경을 갖는 타깃에 인가되는 9㎾의 DC 전력으로 아르곤 환경에서 플라즈마를 충돌시킨 후에, 구리의 지속적인 자기 스퍼터링이 행해졌다. 그러나, 18㎾의 DC 전력과, 액체 냉장 페디스털에 웨이퍼의 후면 냉각을 제공하는 가스의 누설로부터 적어도 부분적으로 발생하는 약 0.1mTorr의 최소 아르곤 압력으로 동작하는 것이 바람직하다고 간주된다. 0.1 내지 0.3mTorr의 증가된 배경 압력은, 스퍼터링된 이온들의 산란과 이온 소실에서의 상당한 증가 없이 효과적인 웨이퍼 냉각을 강화시킨다. 이러한 상대적으로 낮은 DC 전력들은 300㎜ 웨이퍼들에 있어서의 장비의 진행중인 개발 관점에서 중요하고, 이 경우 이들 수들의 스케일은 20㎾ 내지 40㎾이다. 40㎾보다 큰 전원은, 실행 불가능하지 않다면 고가인 것으로 간주된다.
이온화된 구리 스퍼터링의 한 응용은, 깊고 좁은 비어홀에서의 얇은 등각 시드층을 증착시키는 것이다. 그 후, 전기 도금 또는 무전해 도금이 구리로 홀의 나머지를 신속하고도 경제적으로 채우는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 0.30㎛의 상부폭을 가지고 1.2㎛의 실리카를 통해 연장하는 비어홀이 먼저 Ta/TaN 배리어층으로 도포되었다. 구리가 18㎾의 타깃 전력과 약 0.18㎛ 블랭킷 두께까지 0.2mTorr의 압력으로 배리어층(barrier layer) 위에 증착되었다. 비어홀의 측면들은 완만하게 커버되었다. 구리의 측벽 두께는, 웨이퍼 가장자리에 위치한 비어에 대해서 한쪽은 약 7㎚이고, 다른쪽은 11.4㎚이었다. 하부 두께는 약 24㎚이었다. 웨이퍼 중심에서의 비어 홀에 대한 측벽 대칭성이 향상되었다. 완만함으로 인해, 증착된 층을 시드층 및 이어지는 구리의 전기 도금용 전극으로 사용하는 것이 증가되었다. 2개의 측벽들 사이의 상대적으로 양호한 대칭성은, 광노광 표시를 이동시키는 종래 기술의 문제점을 경감시켰다.
알루미늄 타깃의 스퍼터링은, 약 0.1mTorr의 최소 압력으로 12㎾와 18㎾ 양쪽 모두로 인가된 전력으로 행해져서, 상당한 개선이 이루어졌다. 알루미늄 스퍼터링에 있어서, 측벽 커버리지와 특히 하부 커버리지가 상당히 개선되었다. 또한, 균일성이 더 향상된 점은, 웨이퍼를 지지하는 자기 바이어스된 페디스털이 그것의 전체 면적에 걸쳐 이온화된 스퍼터링된 입자들을 끌어당기므로, 부분적으로는 증가된 이온화 분율(ionization fraction)과 연관되어 있다고 믿어진다. 본 발명의 마그네트론은 이온화 분율을 2%로부터 약 20%, 및 대개는 25%까지 증가시킨다고 추정된다.
유사한 동작 조건하에서, 아크 형상의 삼각형 마그네트론이 도 3 의 테프만 마그네트론과 비슷한 종래의 마그네트론의 동작과 비교된다. 알루미늄 스퍼터링에 있어서의, 그 비교 결과가 표 1 에 요약되어 있다.
삼각 종래
하부 커버리지 28.5% 8.0%
측벽 커버리지 8.0% 5.7%
균일성(190㎜) 4.6% 7.8%
균일성(290㎜) 3.0% 6.0%
최소 압력(mTorr) 0.1 0.35
커버리지 결과들은 0.25㎛의 폭과 1.2㎛의 깊이 즉, 종횡비가 약 5인 비어 홀에 대해서 얻어진 것이다. 하부 커버리지는 종래의 마그네트론에 비해 본 발명의 삼각형 마그네트론에서 현저히 개선되었다. 측벽 커버리지 또한 증가되고, 커버리지는 더 완만하졌으며, 상부로부터 하부까지 균일하다. 이들 2가지 특성들은 이어지는 증착 단계에 있어서 시드층으로서 증착된 금속층 사용을 증대시켰다. 이는 제 2 증착이 전기 도금과 같은 상이한 공정에 의해 행해지는 구리에 있어서 특히 중요하다. 증가된 하부 및 측벽 커버리지는, 스퍼터링된 알루미늄 원자들의 본 발명의 삼각형 마그네트론으로 이루어지는, 더 높은 이온화 분율에 기인한다고 알려져 있다. 이온화 분율은 25% 이상이라고 알려져 있다. 블랭킷(플래너) 증착의 균일성은, 타깃과 웨이퍼 사이의 190㎜의 분리와, 장시간의 구현에 있어서의 290㎜의 분리 모두에 있어서 결정되었다. 본 발명의 삼각 마그네트론은 특히 장시간에 있어서 더 양호한 균일성을 발생시킨다. 또한, 웨이퍼를 지지하는 자기 바이어스된 페디스털이 그것의 전체 영역에 걸쳐 이온화된 스퍼터링된 입자들을 끌어당기므로, 균일성이 더 양호하게 되는 것은 증가된 이온화 분율에 연관되어 있다고 알려져 있다. 유사하게, 본 발명의 삼각 마그네트론은 2개의 마주보는 측벽들의 커버리지들 사이에 비대칭성이 덜함을 나타낸다. 증가된 이온화 밀도는 실직적으로 외부 요크의 면적보다 작은 면적을 갖는 상대적으로 작은 내부 요크에 일부 기인한다. 그 결과, 내부 요크의 일측으로부터 잃어버린 전자들은 다른측에 의해 포획되기 쉽다.
또, 아크 형상의 삼각 마그네트론이 티타늄을 스퍼터링하기 위해 사용되었다. 종종 질화 티타늄과 관련되는 티타늄은, 콘택 홀의 저부에서의 실리콘으로 실리사이드된 콘택을 제공하는 알루미늄 금속화에 쓸모가 있어, 콘택 홀에서의 실리콘, 및 알루미늄과 비어 또는 콘택 측벽들 상의 실리카 유전체 사이에 배리어로서 작용한다. 그러므로, 적합하고 상대적으로 두꺼운 코팅이 요구된다.
18㎾의 DC 타깃 전력과 내부 폴에서의 6개의 자석들만으로 티타늄 타깃을 이용하는 일련의 실험들이 행해졌다. 0.35mTprr의 챔버 압력에서, 하부 커버리지와 균일성이 양호한 것으로 관측되었다.
코팅되는 비어 홀의 종횡비(AR) 함수로서 하부 커버리지를 측정하기 위해 티타늄 실험들이 계속되었다. 웨이퍼에 아무런 바이어스가 걸리지 않고, 페디스털 히터 (18) 가 전기적으로 유동적인 상태에 있을 때도, 18㎾의 타깃 전력이 타깃을 약 30 내지 45V로 자기 바이어스한다. 이러한 조건들 하에서의 하부 커버리지가 도 15 의 그래프에 라인 (190) 에 의해 도시되어 있다. 하부 커버리지는 더 높은 종횡비의 홀들에 대해서는 감소하지만, AR = 6 에서 여전히 20%로 허용 가능하다.
이들 계속되는 실험들에서, 도 1 에 도시된 바와 같이 RF 전원 (192) 이 결합 커패시터 회로 (194) 를 통해 히터 페디스털 (18) 에 접속되었다. 플라즈마에 인접하는 웨이퍼에 인가되는 이러한 RF 필드는, DC 자기 바이어스를 생성한다는 것이 알려져 있다. 400㎑의 전력을 가진 100W가 인가될 때는, 도 16 의 그래프에서 라인 (196) 에 의해 도시된 바와 같이, 하부 커버리지가 현저하게 증가된다. 이들 전력들은 200㎜의 원형 웨이퍼로 정규화되어야 한다. 그러나, 바이어스 전력이 250W로 증가될 때, 재스퍼터링과 비어 홀의 상부 코너를 패싯팅(faceting)하는 것이 문제점이 된다. 250W 바이어스에 대한 하부 커버리지 결과들이 라인 (198) 에 의해 도시되어 있다. 이들은 일반적으로 100W의 웨이퍼 바이어스보다 더 나쁘다. 13.56㎒의 더 높은 바이어스 주파수가 유사한 결과들을 제공해야 한다.
또한, 본 발명의 마그네트론은 가령 TiN의 경우, 예컨대 TiN을 제조하기 위한 티타늄 또는 TaN을 제조하기 위한 탄탈륨으로 스퍼터링된 금속과 챔버에서 반응하기 위해 질소가 추가적으로 유입되는 반응성 스퍼터링용으로 사용될 수도 있다. 반응성 스퍼터링은 좀더 복잡하고 다양한 화학 반응을 나타낸다. TiN을 제조하기 위한 반응성 스퍼터링은 금속(metallic) 모드와 포이즌(poison) 모드의 2가지 모드에서 동작한다고 알려져 있다. 금속 모드는 웨이퍼 상에 고밀도의 황금색 막을 형성한다. 종종 높은 질소 흐름과 연관되는 포이즌 모드는, 낮은 스트레스를 갖는 것이 바람직한 자주/갈색막을 형성한다. 그러나, 포이즌 모드막은 많은 그레인(grain) 경계들을 가지고, 막의 결함들이 칩 수율을 상당히 감소시킨다. 또, 포이즌 모드에서의 증착 속도는 통상 금속 모드에서의 증착 속도의 1/4밖에 되지 않는다. 포이즌 모드에서 질소는 Ti 타깃 상에 TiN면을 형성하기위해 타깃과 반응하고, 금속 모드에서 타깃면은 깨끗한 상태로 유지되며, 웨이퍼 상에서만 TiN이 형성된다.
아크 형상의 삼각형 마그네트론이 질화 티타늄의 스퍼터링 반응에 사용되었다. 금속 모드에서의 동작을 얻기 위해서는 초기 조건들이 매우 중요하다고 알려져 있다. 일련의 초기 실험에서, 아르곤만이 챔버로 먼저 유입된다. 약 0.5mTorr의 아르곤 압력에서 플라즈마가 충돌된 후에, 0.3mTorr의 압력을 발생시키는 5sccm으로 아르곤 흐름이 감소된다. 그 다음, 질소 흐름이 단계적으로 100sccm까지 상승된 다음 점점 감소할 때, 상기 흐름에 따른 챔버 압력의 의존성은 도 17 에 도시된 히스테리시스 형태를 취하게 된다. 약 50과 70sccm사이의 질소로, 중간 램프업 압력들 (200) 은 해당 중간 램프다운 압력 (202) 들의 아래에 있다. 저압 (204) 과 고압 (206) 에서, 램프업과 램프다운 사이에는 현저한 분리가 없다. 저압 (204) 과 중간 램프업 압력 (200) 은 금속 모드에서 스퍼터링을 발생시키고, 더 높은 압력 (206) 과 증간 램프다운 압력 (202) 은 포이즌 모드에서 스퍼터링을 발생시킨다.
이들 결과들은, 일반적으로 바람직한 금속 모드에서의 더 높은 동작 증착 속도에 있어서는, 중간 램프업 압력 (200) 을 초과하지 않는 것, 즉 이들 실험들에서는 70sccm 또는 그 보다 약간 더 높으나 명백히 80sccm 미만인, 최대 금속 모드 흐름을 초과하지 않는 것이 중요하다는 점을 보여준다. 아르곤과 질소는 동시에 그리고 신속하게 턴온될 수 있지만, DC 전력도 신속히 턴온되는 것이 바람직하다.
그러나, 포이즌 모드에서의 동작이 바람직한 몇가지 응용들이 있다. 이는 먼저 더 높은 압력 (206) 까지 진행한 다음, 램프다운 중간 압력 (202) 까지 감소시킴으로써 이루어질 수 있다. 또한, 포이즌 모드는 원하는 기체 흐름을 즉시 턴온시킴으로써 이루어질 수 있지만, 5㎾/s이하의 속도로 DC 스퍼터링 전원을 점진적으로 턴온시키는 것에 의해서만 이루어질 수 있다.
질화 티타늄은 아르곤에서 플라즈마가 충돌된 후에 금속 및 포이즌 모드 양쪽에서, 50sccm의 N2흐름과, 5sccm의 Ar 흐름으로, 높은 종횡비의 비어 홀들로 스퍼터링되었다. 이들 흐름들은 금속 모드에서 1.7mTorr, 포이즌 모드에서 2.1mTorr의 압력을 발생시킨다. 증착 속도는 금속 모드에서 100㎚/분이고, 포이즌 모드에서는 30㎚/분이다. 한편, TiN 막 스트레스는 그것이 금속 모드에서 증착될 때 더 높지만, 한편 포이즌 모드는 비어 홀의 상부 근처에서의 오버행(overhang)과 기복이 있는 측벽 두께들로 고생하게 된다. 일련의 실험들에서, 상이한 종횡비의 비어 홀들로 TiN을 증착하였다. 도 18 의 그래프에 도시된 바와 같이, 그 결과로 측정된 하부 커버리지는, 라인 (210) 에서 금속 모드에서의 하부 커버리지는 비어 종횡비가 5인 경우에도 상대적으로 높게 유지되는데 반해, 라인 (212) 에서는 포이즌 모드에서의 스텝 커버리지가 항상 더 낮고 4 이상의 종횡비에 있어서는 급격하게 떨어지는 것을 보여준다.
또한, 본 발명의 마그네트론은 예컨대, 텅스텐 타깃을 이용하는 W와 플라즈마에서 탄탈륨 타깃과 질소 가스를 이용하는 TaN의 경우에서, 다른 물질들을 스퍼터 증착시키기 위해 사용될 수도 있다. WN의 반응성 스퍼터링도 예측된다.
따라서, 본 발명의 마그네트론은 과도한 전력을 필요로 하지 않고 생성할 수있는 고밀도의 플라즈마 때문에, 높은 이온화 분율을 발생시키는 데 있어 효율적이다. 그럼에도 불구하고, 그것의 전체 커버리지는 균일한 증착과 완전한 타깃 이용을 고려한다. 그것의 스퍼터링 균일성은 양호하다. 그럼에도 불구하고, 어떠한 복잡한 메카니즘도 필요치 않다.
이러한 소형의, 높은 필드의 자석은 상대적으로 적절한 타깃 전력으로 지속되는 자기 스퍼터링을 유지할 수 있게 하고, 또한 0.5mTorr, 바람직하게는 0.2mTorr미만, 심지어 0.1mTorr로 감소된 압력에서 알루미늄과 티타늄과 같은 금속들의 스퍼터링을 가능하게 한다. 이러한 압력에서, 깊은 홀 충진은 중성이거나 이온화되든지 간에, 스퍼터링된 입자들의 감소된 산란 및 이온화된 입자들의 감소된 중성화에 의해 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 높은 필드의 자석은 높은 이온화 분율을 촉진시켜, 적절한 범위 내에서 웨이퍼를 바이어스함으로써, 깊고 좁은 홀로 끌어 당겨질 수 있게 된다.

Claims (30)

  1. 스퍼터링 타깃의 후면에 위치할 수 있고, 상기 타깃의 중심 위치에 대하여 회전 가능한 마스네트론 어셈블리에 있어서,
    상기 타깃의 상기 중심으로부터 상기 타깃의 주변 표면 쪽으로 제 1 거리만큼 연장하는 중심 개구를 갖는 닫힌 밴드로 이루어지는 제 1 자극의 제 1 극; 및
    상기 개구에 배치되고 상기 제 1 극으로부터 상기 타깃의 표면을 따라 연장하는 갭만큼 분리된 제 2 자극의 제 2 극을 구비하고,
    상기 중심으로부터의 상기 제 1 거리의 절반과 동일한 제 2 거리에서의 상기 제 1 극의 폭은 상기 제 1 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 거리는 상기 타깃의 사용가능한 부분의 반경 ±15% 와 동일한 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 극은 상기 타깃의 반경을 따라 연장하는 주축을 갖는 타원형의 외부 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 타원 형상은 상기 타깃의 상기 반경에 평행하게 연장하는 2개의 대향 직선 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 타원 형상은 상기 타깃 반경의 절반의 바깥쪽에 위치한 단축을 갖는 달걀 형상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 타원 형상은 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 삼각형 형상은 상기 타깃의 중심과 상기 타깃의 외부 테두리에 인접한 아크부로부터 바깥쪽으로 연장하는 2개의 직선 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 삼각형 형상은 상기 타깃의 중심으로부터 바깥쪽으로 연장하는 2개의 직선 부분을 포함하고, 서로 60°±15°각도로 경사진 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  9. 스퍼터링 타깃의 후면에 위치 가능한 마그네트론 어셈블리로서,
    하나의 자극의 내부 폴 부분; 및
    갭으로 분리되고, 상기 타깃의 중심으로부터 그 외부 주변 근처까지의 방사상 거리에 걸쳐 연장하며, 상기 제 폴의 면적은 상기 방사상 거리에 걸쳐 연장하는 원의 면적보다 작은, 상기 내부 폴 조각을 둘러싸는 다른 자극의 외부 폴 조각을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
  10. 삼각형 형상의 내부 폴면;
    상기 내부 폴면의 평면측에 인접하는 육방 밀집 구조로 배치된 제 1 자극의 복수의 제 1 자석;
    상기 내부 폴면을 둘러싸고 선단에서 만나는 실질적으로 직선인 2개의 면들, 및 상기 선단과 반대측의 상기 직선인 면들의 단부들에서 합쳐지는 제 3 면을 갖는 거의 삼각형 형상인 외부 폴면; 및
    상기 외부 폴면의 평탄한 면을 따라 인접한 폐경로에 배치된 제 2 자극을 가진 복수의 제 2 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상의 마그네트론.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 면은 상기 정점에 대해서 아크 형상의 오목면을 갖는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상의 마그네트론.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 자석들은 제 1 자기 세기를 갖고, 상기 제 2 자석들은 상기 제 1 자기 세기를 가지며 상기 제 3 면을 따라 배치된 제 3 자석들과 상기 제 1 자기 세기보다 작은 제 2 자기 세기를 가지며 상기 직선인 면을 따라 배치된 제 4 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상의 마그네트론.
  13. 진공 챔버;
    상기 챔버 내의 기판을 지지하는 페디스털;
    상기 페디스털에 대향하고, 플라즈마 스퍼터링을 위해 전기적으로 결합되도록 조작된 스퍼터링 타깃; 및
    상기 페디스털에 대항하는 상기 타깃의 한 면에 배치되고, 하나의 자극의 외부 폴면을 포함하며, 또다른 자극의 내부 폴면과 상기 타깃의 중심에 대하여 상기 마그네트론을 회전시키는 회전 샤프트를 둘러싸는 마그네트론을 구비하고,
    상기 외부 폴면은 상기 타깃의 상기 중심으로부터 상기 타깃의 테두리 부분까지 연장하고, 유사하게 연장하는 원보다 작은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부 폴면, 상기 갭, 및 상기 내부 폴면은 타원 형상들을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부 폴면은, 단축이 상기 중심보다 상기 타깃의 상기 테두리에 더 가깝게 위치한 달걀 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부 폴면은 삼각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 삼각형 형상은 상기 타깃의 상기 테두리에 인접하는 아크부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 갭은 경주용 트랙 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링반응기.
  19. 페디스털에 대향하는 타깃의 한 면에 배치된 마그네트론을 포함하고, 한 자극의 외부 폴면을 포함하며, 또다른 자극의 내부 폴면을 둘러싸고, 상기 타깃의 중심에 대하여 상기 마그네트론을 회전시키는 회전축을 포함하며, 상기 외부 폴면은 상기 타깃의 상기 중심으로부터 상기 타깃의 테두리 부분까지 연장하고, 유사하게 연장하는 원보다 더 작은 면적을 가지는 시스템에서,
    페디스털 상에 지지된 작용 기판 상으로 알루미늄으로 이루어지는 타깃으로부터 알루미늄을 스퍼터링하는 방법으로서,
    상기 타깃과 상기 페디스털을 포함하는 진공 챔버로 작용 가스를 도입하는 단계;
    상기 진공 챔버를 0.35mTorr 미만의 압력으로 펌프하는 단계;
    200㎜의 직경을 가진 원형 기판으로 정규화된 18㎾ 이하로 상기 타깃으로 DC 전력을 인가하여, 상기 타깃으로부터 상기 작용 기판으로 알루미늄을 스퍼터하기 위해 상기 작용 가스를 플라즈마로 여기시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 스퍼터링 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 압력은 0.1mTorr 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄 스퍼터링 방법.
  21. 페디스털에 대향하는 타깃의 한 면에 배치된 마그네트론을 포함하고, 한 자극의 외부 폴을 포함하며, 또다른 자극의 내부 폴을 둘러싸고, 상기 타깃의 중심에 대하여 상기 마그네트론을 회전시키는 회전축을 포함하며, 상기 외부 폴은 상기 타깃의 상기 중심으로부터 상기 타깃의 테두리 부분까지 연장하고, 유사하게 연장하는 원보다 더 작은 면적을 가지는 시스템에서,
    페디스털 상에 지지된 작용 기판 상으로 금속으로 이루어지는 타깃으로부터 물질을 스퍼터링하는 방법으로서,
    상기 타깃과 상기 페디스털을 포함하는 진공 챔버로 작용 가스를 도입하는 단계;
    상기 진공 챔버를 0.35mTorr 미만의 압력으로 펌프하는 단계;
    상기 타깃으로 DC 전력을 인가하여, 상기 타깃으로부터 상기 작용 기판으로 상기 금속을 스퍼터링하기 위해 상기 작용 가스를 플라즈마로 여기시키는 단계; 및
    200㎜의 직경을 가진 원형 기판으로 정규화된 250W 미만의 양으로 상기 페디스털에 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 작용 기판 상으로 금속 질화물을 반응성 스퍼터링하기 위해 질소를 상기 진공 챔버에 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  24. 페디스털에 대향하는 타깃의 한 면에 배치된 마그네트론을 포함하고, 한 자극의 외부 폴을 포함하며, 또다른 자극의 내부 폴을 둘러싸고, 상기 타깃의 중심에 대하여 상기 마그네트론을 회전시키는 회전축을 포함하며, 상기 외부 폴은 상기 타깃의 상기 중심으로부터 상기 타깃의 테두리 부분까지 연장하고, 유사하게 연장하는 원보다 더 작은 면적을 가지는 시스템에서,
    페디스털 상에 지지된 작용 기판 상으로 금속으로 이루어지는 타깃으로부터 물질을 스퍼터링하는 방법으로서,
    상기 타깃의 완전한 스퍼터링 커버리지를 달성하기 위해, 상기 타깃의 중심에 대해서 상기 마그네트론을 회전시키는 단계; 및
    상기 챔버에 전력을 유도 결합시키는 것은 포함하지 않고, 상기 타깃에 DC 전력을 인가함으로써, 상기 작용 가스를 플라즈마로 여기하여 상기 타깃으로부터 상기 작용 기판 상으로 상기 금속을 스퍼터링하는, 적어도 부분적으로 상기 챔버에 전력을 용량 결합시키는 단계를 포함하고,
    상기 DC 전력의 양은 200㎜ 직경의 원형 기판으로 정규화된 18㎾ 이하로, 종횡비가 약 적어도 5 이상인 홀에서 25% 이상의 하부 커버리지를 달성하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 페디스털에 RF 전력을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 페디스털에 인가되는 RF 전력의 양은, 상기 200㎜의 직경을 갖는 상기 원형 기판으로 정규화된 250W 이하인 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  28. 페디스털에 대향하는 타깃의 한 면에 배치된 마그네트론을 포함하고, 한 자극의 외부 폴을 포함하며, 또다른 자극의 내부 폴을 둘러싸고, 상기 타깃의 중심에 대하여 상기 마그네트론을 회전시키는 회전축을 포함하며, 상기 외부 폴은 상기 타깃의 상기 중심으로부터 상기 타깃의 테두리 부분까지 연장하고, 유사하게 연장하는 원보다 더 작은 면적을 가지는 시스템에서,
    페디스털 상에 지지된 작용 기판 상으로 금속으로 이루어지는 타깃으로부터 물질을 스퍼터링하는 방법으로서,
    상기 타깃의 완전한 스퍼터링 커버리지를 달성하기 위해, 상기 타깃의 중심에 대해서 상기 마그네트론을 회전시키는 단계; 및
    상기 챔버에 전력을 유도 결합시키는 것은 포함하지 않고, 상기 타깃에 DC 전력을 인가함으로써, 상기 작용 가스를 플라즈마로 여기하여 상기 타깃으로부터 상기 작용 기판 상으로 상기 금속을 스퍼터링하는, 적어도 부분적으로 상기 챔버에전력을 용량 결합시키는 단계를 포함하고,
    상기 DC 전력의 양은 200㎜ 직경의 원형 기판으로 정규화된 18㎾ 이하로, 20% 이상인 상기 금속의 이온화 밀도를 달성하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 금속은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
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