KR20020001115A - 금속막 증착장치 - Google Patents

Abstract

RF 코일의 수축팽창에 의해 발생되는 리프팅을 완전히 제거하여 공정효율을 증가시키고, 쉴드 및 RF코일의 수명을 연장하며 리프팅으로 인해 발생되었던 웨이퍼의 손실도 줄여 생산원가를 대폭 절감할 수 있는 금속막 증착장치가 개시된다. 이 금속막 증착장치는, 챔버와, 챔버내에 장착되며, 웨이퍼를 안착하기 위한 척(chuck)과, 챔버내의 상단에 위치하는 금속 타겟(target), 그리고 척(chuck)의 상부에 일정 거리를 두고 위치하고, 그 양 끝이 바깥쪽으로 휘어진 형상을 하며, 금속 타겟으로부터 떨어져 나온 금속입자에 방향성을 주어 척에 안착된 웨이퍼에 상기 금속 입자가 균일하게 증착되도록 하기 위한 RF 코일(RF coil)을 구비한다.

Description

금속막 증착장치{Apparatus for depositing metal layer}

본 발명은 반도체 소자의 제조장치에 관한 것으로, 특히 금속막 증착장치에 관한 것이다.

반도체 제조를 위한 박막 형성공정 중 금속증착을 위한 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 방법에는 여러 가지가 있으나, 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법은 RF 코일(RF coil)을 이용하여 증착하는 이온화 금속 플라즈마(Ionized Metal Plasma)를 이용한 PVD(이하, "IMP PVD"라 칭함) 방식이다. 일반적인 PVD 공정은, 이온화된 아르곤(Ar) 가스를 금속 타겟(target)에 충돌시켜 이 때 떨어져 나온 금속입자가 웨이퍼 표면에 증착되도록 하는 방식으로서, 이러한 방법은 금속증착이 단지 타겟(target)에만 의존하게 되므로 금속입자의 입사각이 일정하지 않게 된다. 따라서, 금속입자가 웨이퍼에 증착될 때 어느 정도 표면단차가 생기게 된다.

IMP PVD는 이러한 단점을 보완하기 위한 방법으로서, 도 1에 IMP PVD 공정을 수행하기 위한 장치가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1은 종래의 IMP PVD 챔버의 내부를 도시한 개략도로서, 도면참조 번호 "2"는 쉴드(shield)를, "4"는 웨이퍼가 안착되는 척(chuck)을, "6"은 금속막이 증착될 웨이퍼를, "8"은 증착하고자 하는 금속의 타겟을, "10"은 상기 금속타겟과 동일한 재질의 RF 코일을 각각 나타낸다.

도시된 바와 같이, IMP PVD 챔버에는 RF 코일(10)이 장착되어 있기 때문에, 타겟(8)으로부터 떨어져 나온 랜덤(random)한 금속입자의 입사각을 수직으로 만들어 금속입자가 웨이퍼(6) 상에 균일하게 증착되도록 하고, 웨이퍼를 향한 금속입자가 타겟(8)뿐만 아니라 타겟과 같은 재질의 RF코일(10)에서도 입사되도록 하여 웨이퍼상의 표면단차를 최소화할 수 있다.

그러나, 이러한 장점에도 불구하고, IMP PVD 방식은 공정과 관계없는 금속입자가 타겟으로부터 흘러나와 RF코일의 뒷면에 도금(plating)되고, 이 도금된 입자가 떨어져 나오는 리프팅(lifting)을 유발하여 쉴드(shield)를 자주 교체해야 하는 어려움이 있으며, 떨어져 나온 파티클(particle)에 의해 웨이퍼가 오염되는 문제점이 있다.

도 2는 타겟으로부터 떨어져 나온 금속입자가 RF코일의 뒷면에 증착되는 모습을 확대하여 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 타겟(8)의 직경이 RF코일(10)의 직경에 비해 훨씬 크고 또한 RF코일의 단면이 바깥쪽으로 볼록한 형상을 하고 있기 때문에, 타겟(8)으로부터 떨어져 나온 금속입자가 증착에 관여하지 않는 RF코일의 뒷면에 도금됨으로써 일차적으로 리프팅(lifting)을 유발함을 알 수 있다.

IMP PVD 공정의 다른 문제점으로는, RF코일의 온도구배(temperature gradient)에 의한 수축팽창 문제이다. 일반적으로, 금속은 온도를 높이면 원자의 활발한 진동에 의해 팽창하게 되고, 반대로 온도를 낮추면 수축하게 된다. 따라서, 순금속인 RF코일에 RF 발생기(generator)로부터 2MHz의 전력이 공급되어 공정 도중에 높은 열을 발생시키므로 RF코일은 자연히 팽창하게 된다. 이렇게 팽창된 RF코일의 뒷면에 타겟으로부터 입사된 금속입자가 도금되면, 도금된 금속막과 RF코일의 계면간에 접착성(adhesion)이 좋지 않기 때문에 공정진행후 결국 떨어져 나오게 된다. 이러한 현상은 챔버와 쉴드(shield) 사이의 단락(short)을 방지하기 위해 장착된 알루미나(alumina) 재질의 캡(cap) 부위에서는 거의 발생하지 않지만, 캡과 캡 사이에서는 두드러지게 발생한다. 이것은 열팽창 차이에 의해 일어날 수 있는데, 알루미나 재질의 캡 부위는 외부, 즉 챔버와의 접촉으로 인한 냉각효과 때문에 공정 전과 후의 팽창차이가 크지 않지만 그 중간부위는 공정 전후의 온도구배가 큼에 따라 수축팽창에 의해 코일의 뒷면에 도금되어 있던 금속입자가 떨어져 나오게 된다. 이는 어느 정도 사용한 RF코일의 각 부위의 결정립크기(grain size)를 비교함으로써도 설명할 수 있다.

일반적으로, IMP PVD에서 사용되는 타겟금속은 티타늄(Ti)인데, 그 융점은 1,670℃이고 재결정이 일어나기 시작하는 온도는 835℃로서, 보통 이 온도범위 이하에서 결정립이 성장하게 된다. 따라서, 공정이 진행되는 중에는 RF코일에 높은 온도가 작용하므로 결정립이 성장하게 되는 것이다. 그런데, RF코일에서 캡과 캡 중간부위는 냉각효과가 없으므로 결정성장이 잘 일어나는 반면, 캡 부위는 냉각효과로 인해 상대적으로 낮은 온도이므로 결정성장이 느리게 일어나게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, RF코일의 뒷면에 타겟으로부터 떨어져 나온 입자가 도금되지 않도록 코일의 형상을 변화시키고, 코일에서 발생되는 높은 온도를 쉴드 외부로 분산시켜 온도구배를 최대한 줄임으로써, 수축팽창에 의해 발생되는 리프팅을 완전히 제거하여 공정효율을 증가시키고, 쉴드 및 RF코일의 수명을 연장하며 리프팅으로 인해 발생되었던 웨이퍼의 손실도 줄여 생산원가를 대폭 절감할 수 있는 금속막 증착장치를 제공하는데 있다.

도 1은 IMP PVD 챔버의 내부를 도시한 것이다.

도 2는 금속타겟으로부터 떨어져 나온 입자가 RF코일의 뒷면에 증착되는 모습을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 RF코일의 수직단면을 도시한 도면이다.

도 4는 RF코일에 나타나는 온도구배를 최소화하여 리프팅을 최소화할 수 있는 본 발명에 의한 RF코일의 평면도이다.

도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 RF코일에 브리지를 장착한 상태의 단면도이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 금속막 증착장치는, 챔버와, 상기 챔버내에 장착되며, 웨이퍼를 안착하기 위한 척(chuck)과, 상기 챔버내의 상단에 위치하는 금속 타겟(target), 그리고 상기 척(chuck)의 상부에 소정 거리를 두고 위치하고, 그 양 끝이 바깥쪽으로 휘어진 형상을 하며, 상기 금속 타겟으로부터 떨어져 나온 금속입자에 방향성을 주어 상기 척에 안착된 웨이퍼에 상기 금속 입자가 균일하게 증착되도록 하기 위한 RF 코일(RF coil)을 구비한다.

본 발명의 일 예에 의하면, 상기 RF 코일의 뒷면에는 상기 챔버 벽과의 단락을 방지하기 위한 복수의 연결부를 구비할 수도 있다. 그리고, 상기 RF 코일의 위치에 따른 온도구배를 감소시키기 위하여, 상기 각각의 연결부들은 브리지(bridge)로 연결되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 RF코일의 수직단면을 도시한 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 RF코일(10)에 비해 코일의 양끝이 소정의 각도로 바깥쪽으로 휘어진 날개모양으로 처리되어 코일이 바깥쪽으로 오목한 형태를 갖도록 되어 있다.

이와 같이, RF코일의 형상을 종래의바깥쪽으로 볼록한 형태에서 오목한 형태로 개조하면, 타겟으로부터 입사되는 금속입자가 웨이퍼의 증착과 상관없이 코일의 뒷면이나 쉴드벽면으로 넘어 가려고 할 때, 코일의 반응부(reactive field)에서 상호작용을 일으켜 웨이퍼에 증착되도록 금속입자의 방향을 바꾸어줌으로써 코일의 뒷면으로의 금속입자가 유입되는 것을 차단할 수 있게 된다. 따라서, RF코일의 뒷면은 금속입자의 유입이 없으므로 도금되지 않을 뿐만 아니라, 금속입자들의 대부분이 증착에 관여하게 되므로 증착공정의 효율이 상당히 증가한다. 특히, 금속입자의 코일뒷면으로의 유입을 막기 위한 효율적인 코일 날개부의 각도는 45° 정도이지만, 공정 조건에 따라 소정의 범위내에서 변형시킨 형태도 가능하다. 또한, 상기 날개부를 제외한 코일의 높이(h)는 종래와 동일하게 하는 것이 바람직하다.

또한, 코일의 뒷면을 울퉁불퉁하게 하거나 빗살무늬 또는 굴곡을 형성하면 코일 뒷면의 표면적을 넓힐 수 있어 냉각 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 RF코일에 나타나는 온도구배를 최소화하여 리프팅을 최소화할 수 있는 본 발명에 의한 RF코일의 평면도이다.

도면 참조번호 "30"은 RF코일을 나타내고, "32" 내지 "40"은 RF코일을 지지하며 쉴드와 챔버 사이의 단락을 방지하기 위하여 부착된 캡(cap)을 나타낸다. 특히, 도면 참조번호 "32"내지 "36"은 종래의 RF코일에 부착되어 있던 캡들로서, "32" 및 "33"은 RF전력 및 DC전력이 인가되는 부분이다. 그리고, 원으로 표시된 부분(37 내지 40)은 코일의 온도구배를 감소시키기 위하여 본 발명에서 새로이 추가된 캡을 나타낸다.

언급한 바와 같이, 증착공정이 진행되는 동안 RF코일에는 높은 열이 발생하므로 코일이 팽창하게 되는데, 코일의 뒷면에는 어느 정도 유입된 금속입자가 도금되어 공정진행 후 코일이 수축할 경우 리프팅이 일어날 수 있다. 그러나, 본 발명에서와 같이 캡(cap)의 수를 늘이면 캡의 냉각효과에 의해 코일에 작용하는 온도구배를 최소화할 수 있고, 리프팅의 위험도 줄일 수 있으며, 코일도 안정적으로 지지될 수 있다. 상기 추가된 캡(cap)은 종래의 캡과 동일한 재질인 알루미나로 형성할수 있다.

도 4는 RF코일의 온도구배를 최소화하여 리프팅을 줄이기 위한 본 발명의 다른 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4의 (a), (b) 및 (c)는 캡의 냉각효과를 더욱 높이기 위해 설치하는 브리지(bridge)의 정면도, 측면도 및 평면도를 각각 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 브리지(42)는 코일의 온도구배를 줄이기 위하여 소정의 폭과 길이를 가지며 알루미나(alumina) 재질로 이루어져 있다. 특히, 상기 브리지(42)의 양단은 가운데 부분보다 넓고 그 중심부에 오목한 홈이 형성되어 캡(cap)과의 접속이 용이하도록 되어 있다. 또한, 상기 브리지(42)의 양단에는 스프링이 설치되어, 코일에 가해지는 2MHz의 RF 전압에 의한 진동을 흡수할 수 있도록 되어 있다. 상기 브리지(42)는 캡과 캡 사이에 장착되므로, 효율적인 온도구배의 감소를 위하여 도 3과 같이 4개의 캡을 추가할 경우 하나의 RF코일에는 모두 8개의 브리지가 필요하게 된다.

도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 RF코일에 브리지를 장착한 상태의 단면도로서, RF코일(50)과 캡(52) 사이에 알루미나 브리지(42)가 결합되어 있음을 나타낸다.

이상 본 발명을 상세히 설명하였으나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

상술한 본 발명에 의한 금속막 증착장치에 따르면, RF코일의 형상을 바깥쪽으로 오목한 형태로 개선함으로써 코일의 뒷면으로 금속입자가 유입되는 것을 차단할 수 있다. 따라서, RF코일의 뒷면은 금속입자의 유입이 없으므로 도금되지 않을 뿐만 아니라, 금속입자들의 대부분이 증착에 관여하게 되므로 증착공정의 효율이 상당히 증가한다. 또한, RF코일을 지지하며 쉴드와 챔버 사이의 단락을 방지하기 위하여 부착하는 캡(cap)의 수를 증가시킴으로써 캡의 냉각효과에 의해 코일에 작용하는 온도구배를 최소화할 수 있고, 리프팅의 위험도 줄일 수 있으며, 코일도 안정적으로 지지될 수 있다. 또한, 캡과 캡 사이를 브리지로 연결하면 캡의 냉각효과를 더욱 높일 수 있다.

Claims (3)

1. 챔버;

   상기 챔버내에 장착되며, 웨이퍼를 안착하기 위한 척(chuck);

   상기 챔버내의 상단에 위치하는 금속 타겟(target); 및

   상기 척(chuck)의 상부에 소정 거리를 두고 위치하고, 그 양 끝이 바깥쪽으로 휘어진 형상을 하며, 상기 금속 타겟으로부터 떨어져 나온 금속입자에 방향성을 주어 상기 척에 안착된 웨이퍼에 상기 금속 입자가 균일하게 증착되도록 하기 위한 RF 코일(RF coil)을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속막 증착장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 RF 코일의 뒷면에는 상기 챔버 벽과의 단락을 방지하기 위한 복수의 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속막 증착장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 RF 코일의 위치에 따른 온도구배를 감소시키기 위하여, 상기 각각의 연결부들은 브리지(bridge)로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 금속막 증착장치.