KR20040007021A - 할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드마그네트론 스퍼터링 장치 - Google Patents

할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드마그네트론 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 할로우 캐소드 마그네트론(HCM) 타겟은 양쪽이 개방된 원통 모양이며, 원통의 양단 각각에 타겟을 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 플랜지가 구비된다. 이러한 할로우 캐소드 마그네트론 타겟을 채용하기 위한 스퍼터링 장치는 이 원통형 타겟의 외벽상에 장착되고 특정한 방위를 갖고 배열된 영구자석과, 타겟을 고정하는 2개의 고정부와, 타겟으로부터 스트림되는 증착 이온을 웨이퍼에 증착시키기 위한 2개의 웨이퍼 테이블과, 타겟으로부터 스트림되는 증착 이온을 균일한 방향으로 유도시키는 2개의 전자석을 포함하여 구성되며, 2개의 고정부, 2개의 웨이퍼 테이블 또는 2개의 전자석은 타겟을 중심으로 서로 대향되도록 위치된다. 원통형의 할로우 캐소드 마그네트론 타겟이 채용된 스퍼터링 장치는 2개의 웨이퍼를 동시에 증착시킬 수 있고, 할로우 캐소드 마그네트론 타겟이 양 방향으로 개방된 원통형이므로 양 방향으로 증착 이온이 스트림 되어 타겟의 침식이 전체에 걸쳐 일정하게 일어나고, 또한 스퍼터링된 증착 이온이 타겟에 재증착되지 않는다.

Description

할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치{Hollow cathode magnetron target and HCM sputtering equipment}
본 발명은 할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 특히 2개의 웨이퍼를 동시에 증착시킬 수 있을 뿐만 아니라 할로우 캐소드 마그네트론 타겟의 사용 효율을 증대시킬 수 있는 할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
반도체 산업에서는 복잡한 적용구조를 집적하기 위해서 더욱 빠르고 소형인 집적회로 칩의 필요성이 항상 존재한다. 따라서, 반도체 산업은 서브-0.25㎛ 형태(feature)를 갖는 회로 소자를 대량 생산하는 방향으로 향하고 있다. 이들 소자를 제조하기 위해서, 새로운 재료 및 제조기술을 포함하여, 제조의 모든 면에서 현저한 변경이 필요하다. 현재의 소자들과 비교하여 애스팩트 비가 증가하는 서브-0.25㎛ 형태는 현재 물리기상증착(PVD) 및 금속화 기술에 해결할 현저한 문제가 되고 있다. 서브-0.25㎛ 소자의 문제를 해결하는 물리기상증착(PVD)의 새로운 발전은 중공 음극 마그네트론(hollow cathode magnetron; 이하 HCM이라 칭함)이며, 이것은반도체 소자 제조를 위한 이온화된 PVD 스퍼터 타겟 소스로서 사용하기 위한 고밀도 플라즈마 장치이다. 이온화된 PVD 응용에서 이 HCM 스퍼터링 소스는 기존의 PVD 기술에 대하여 저비용, 고성능을 갖는 다른 방안이다.
HCM 기술은 이온화된 PVD 환경에서 사용될 때, 효율적인 비아(via) 매립을 위해 코팅되는 기판에 직각으로 지향하는 타겟 재료의 이온을 보다 효율적으로 용이하게 생산한다. 이 기술은 형태의 폭에 의해 비교적 영향을 받지 않는 매우 지향적인 증착을 제공한다. 이것은 시준기를 사용함이 없이 높은 애스팩트 비를 갖는 형태의 우수한 적용범위를 제공한다. 현재 설계된 HCM 스퍼터 타겟은 컵 모양을 갖는다. HCM은 컵 설계가 애스팩트 비가 높은 형태를 우수하게 매립할 수 있게 하기 때문에 평면 음극에 주목을 끄는 대안이다.
도 1은 종래 HCM 타겟의 사시도이고, 도 2는 도 1의 HCM 타겟을 채용한 종래 HCM 스퍼터링 장치의 구성도이고, 도 3은 도 1의 HCM 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정을 실시한 후의 타겟 침식 프로파일을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 HCM 타겟(10)은 개방부(13)를 갖는 컵 모양이며, 개방부(13) 쪽에 HCM 타겟(10)을 HCM 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 플랜지(14)가 구비되어 이루어진다. 컵 모양의 HCM 타겟(10)은 내부가 스퍼터 타겟 재료판(11)으로 되어 있고, 외부는 타겟 커버(12)가 있다. 이러한 HCM 타겟(10)이 채용된 HCM 스퍼터링 장치는 HCM 타겟(10) 외벽에 특정한 방위를 갖고 배열 장착된 영구자석들(21)과, 플랜지(14)에 대응되어 HCM 타겟(10)을 고정하는 고정부(22)와, 개방부(13)를 통해 스트림(stream)되는 증착 이온을 웨이퍼(20)에 증착시키기 위해개방부(13)로 부터 일정 간격 이격되어 설치된 웨이퍼 테이블(23)과, 개방부(13)를 통해 스트림되는 증착 이온이 균일한 방향으로 웨이퍼(20)에 유도되도록 개방부(13)와 웨이퍼 테이블(23) 사이에 설치된 전자석(24)을 포함하여 구성된다.
이러한 HCM 스퍼터링 장치는 특정한 방위를 갖고 배열된 영구자석들(21)이 HCM 타겟(10)의 외벽 상에 장착되어, HCM 타겟(10) 영역 안쪽에 고밀도 플라즈마를 생성한다. 이러한 HCM 설계로 인하여, 증착된 중립자(neutrals)(즉, 중성 극성의 원자들)들은 이들이 고밀도 플라즈마에 의해 이온화될 때까지 재순환할 수 있게 된다. 더 긴 타겟 수명은 이러한 재순환 효과에 기인한 것이다. 그 외 HCM 이점은 다른 스퍼터링기술보다 보호 수명이 길고, 유지관리 간격이 늘어나며 소유 비용이 현저하게 낮은 것 등을 포함한다. 이러한 증착기술은 서브-0.25㎛ 소자에 대한 반도체 산업의 요구를 충족시킨다. 구체적으로 HCM 이온화 소스 기술은 고 품질의 Ta, TaN, Cu, Ti, TiN, 및 그 외의 막들이 서브-0.25㎛의 듀얼 다마신 구조(dual damascene structure)에 증착될 수 있게 한다.
그런데, 종래 HCM 스퍼터링 장치에서 증착 공정이 진행되는 동안 HCM 타겟(10) 표면으로부터 스퍼터 타겟 재료판(11)의 침식(erosion)은, 도 3에 지시된 침식부(30)와 같이, "레이스트랙(racetrack) 영역"이라 불리는 HCM 타겟(10)의 측벽 중간 부분에서 주로 일어난다. 따라서, HCM 타겟(10)의 전체 스퍼터 타겟 재료판(11) 중 일부만이 증착 공정에 이용되는 현상이 발생되고 나머지 스퍼터 타겟 재료판(11) 즉, HCM 타겟(10)의 측벽 중간 부분을 제외한 나머지 재료판(11)은 HCM 타겟(10) 교체시에 폐기되기 때문에 HCM 타겟(10)의 사용 효율이 저하되는 문제가있다. 또한, HCM 타겟(10)의 측벽에서 스퍼터링된 증착 이온들 중 일부는 웨이퍼에 증착되지 않고 다시 측벽에 재증착(redeposition)되어 증착막의 증착 수율이 낮아질뿐만 아니라, 특히 재증착이 많이 일어나는 HCM 타겟(10) 상부의 두꺼운 재증착층(31)은 얇은 조각으로 갈라지는 디라미네이션(delamination) 현상이 발생되어 증착막에 결함을 유발시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하여 할로우 캐소드 마그네트론 타겟의 사용 효율을 증대시킬 뿐만 아니라 2개의 웨이퍼를 동시에 증착시킬 수 있는 할로우 캐소드 마그네트론 타겟 및 할로우 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 할로우 캐소드 마그네트론(HCM) 타겟은 제 1 개방부와 제 2 개방부를 갖는 양쪽이 열린 원통 모양이며, 상기 원통은 스퍼터 타겟 재료판과 타겟 커버로 구성되며, 상기 제 1 개방부에 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 제 1 플랜지가 구비되며, 상기 제 2 개방부에 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 제 2 플랜지가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하며, 또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 할로우 캐소드 마그네트론(HCM) 스퍼터링 장치는 상기의 구성을 갖는 HCM 타겟; 상기 HCM 타겟의 외벽상에 장착되고 특정한 방위를 갖고 배열된 영구자석들; 상기 HCM 타겟의 제 1플랜지에 대응되도록 설치된 제 1 고정부; 상기 제 1 고정부에 대향되며, 상기 HCM 타겟의 제 2 플랜지에 대응되도록 설치된 제 2 고정부; 상기 HCM 타겟의 제 1 개방부로부터 일정 간격 이격되어 설치된 제 1 웨이퍼 테이블; 상기 제 1 웨이퍼 테이블에 대향되며, 상기 HCM 타겟의 제 2 개방부로부터 일정 간격 이격되어 설치된 제 2 웨이퍼 테이블; 상기 제 1 개방부와 상기 제 1 웨이퍼 테이블 사이에 설치된 제 1 전자석; 및 상기 제 1 전자석에 대향되며, 상기 제 2 개방부와 상기 제 2 웨이퍼 테이블 사이에 설치된 제 2 전자석을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 HCM 타겟의 사시도.
도 2는 도 1의 HCM 타겟을 채용한 종래 HCM 스퍼터링 장치의 구성도.
도 3은 도 1의 HCM 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정을 실시한 후의 스퍼터 타겟 재료판의 침식 프로파일을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 HCM 타겟의 사시도.
도 5는 도 4의 HCM 타겟을 채용한 본 발명의 실시예에 따른 HCM 스퍼터링 장치의 구성도.
도 6은 도 4의 HCM 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정을 실시한 후의 스퍼터 타겟 재료판의 침식 프로파일을 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 40: HCM 타겟11, 41: 스퍼터 타겟 재료판
12, 42: 타겟 커버13, 43a, 43b: 개방부
14, 44a, 44b: 플랜지20, 50a, 50b: 웨이퍼
21, 51: 영구자석22, 52a, 52b: 고정부
23, 53a, 53b: 웨이퍼 테이블24, 54a, 54b: 전자석
30, 60: 침식부31: 재증착층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 HCM 타겟의 사시도이고, 도 5는 도 4의 HCM 타겟을 채용한 본 발명의 실시예에 따른 HCM 스퍼터링 장치의 구성도이고, 도 6은 도 4의 HCM 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정을 실시한 후의 타겟 침식 프로파일을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, HCM 타겟(40)은 제 1 개방부(43a)와 제 2 개방부(43b)를 갖도록 양쪽이 개방된 원통 모양이며, 제 1 개방부(43a)에는 HCM 스퍼터링 장치에부착하기 위한 제 1 플랜지(44a)가, 제 2 개방부(43b)에는 HCM 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 제 2 플랜지(44b)가 구비되어 이루어진다. 원통 모양의 HCM 타겟(40)은 내부가 스퍼터 타겟 재료판(41)으로 되어 있고, 외부는 타겟 커버(42)가 있다.
원통형 HCM 타겟(40)은 타겟 재료의 빌릿(billet)을 주조한 후, 금속 성형기술로 빌릿을 성형하여 모놀리스 타입(monolith type)으로 제조하거나, 타겟 재료판을 클래딩(cladding) 재료 시트에 접착한 클래드 타겟 조립체를 만든 후, 금속 성형기술로 타겟 조립체를 성형하여 제조할 수 있다.
스퍼터 타겟 재료판(41)은 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 코발트, 몰리브데늄, 은, 금, 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 철, 비스무스, 게르마늄, 니오븀, 바나듐, 이들의 산화물, 이들의 합금 및 이들의 규화물로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 사용하여 제조된다.
타겟 커버(42)는 스퍼터 타겟 재료와 동일한 재료 또는 동일한 재료가 아니더라도 열을 빠르게 발산시킬 수 있는 열 도전체 등을 사용한다.
제 1 및 제 2 플랜지(44a 및 44b)는 E-빔 용착, 납땜, 에폭시 접착 혹은 기계식 고정을 포함하여 임의의 허용 가능한 수단에 의해 HCM 타겟(40)에 부착할 수 있다. 제 1 및 제 2 플랜지(44a 및 44b)는 HCM 타겟(40)에 영구히 혹은 해제 가능하게 부착할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기한 HCM 타겟(40)을 채용한 HCM 스퍼터링 장치는 HCM 타겟(40)의 외벽상에 장착되고 특정한 방위를 갖고 배열된 영구자석들(51)과, 제 1 개방부(43a)의 제 1 플랜지(44a)에 대응되어 HCM 타겟(40)을 스퍼터링 장치에 고정하는 제 1 고정부(52a)와, 제 2 개방부(43b)의 제 2 플랜지(44b)에 대응되어 HCM 타겟(40)을 고정하는 제 2 고정부(52b)와, 제 1 개방부(43a)를 통해 스트림(stream)되는 증착 이온을 제 1 웨이퍼(50a)에 증착시키기 위해 제 1 개방부(43a)로 부터 일정 간격 이격되어 설치된 제 1 웨이퍼 테이블(53a)과, 제 2 개방부(43b)를 통해 스트림되는 증착 이온을 제 2 웨이퍼(50b)에 증착시키기 위해 제 2 개방부(43b)로 부터 일정 간격 이격되어 설치된 제 2 웨이퍼 테이블(53b)과, 제 1 개방부(43a)를 통해 스트림되는 증착 이온이 균일한 방향으로 제 1 웨이퍼(50a)에 유도되도록 제 1 개방부(43a)와 제 1 웨이퍼 테이블(53a) 사이에 설치된 제 1 전자석(54a)과, 제 2 개방부(43b)를 통해 스트림되는 증착 이온이 균일한 방향으로 제 2 웨이퍼(50b)에 유도되도록 제 2 개방부(43b)와 제 2 웨이퍼 테이블(53b) 사이에 설치된 제 2 전자석(54b)을 포함하여 구성된다.
상기한 본 발명의 HCM 스퍼터링 장치는 특정한 방위를 갖고 배열된 영구자석들(51)이 HCM 타겟(40)의 외벽 상에 장착되어, HCM 타겟(40) 영역 안쪽에 고밀도 플라즈마를 생성하는데, 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해 영구자석(51)은 1 ~ 50 Gauss 범위로 사용하고, 직류 전력(DC power)은 1 ~ 50kW의 범위로 사용하고, 공정 압력은 0.1 ~ 10 mTorr 범위로 사용한다.
HCM 타겟(40)의 스퍼터 타겟 재료판(41)이 어떠한 재료로 제조되었느냐에 따라 제 1 및 제 2 웨이퍼(50a 및 50b)에 금속층 또는 금속 화합물층 등이 형성되는데, 증착 공정 중에 제 1 및 제 2 웨이퍼(50a 및 50b)의 주위에 산소(Oxygen), 질소(Nitrogen),CH4, C2H2, C2H4, C2H6등의 가스를 공급하여 각 금속층 또는 금속 화합물층에 대한 산화물, 질화물 또는 탄화물을 증착하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 HCM 스퍼터링 장치에서 증착 공정이 진행되는 동안 HCM 타겟(40) 표면으로부터 스퍼터 타겟 재료판(41)의 침식(erosion)은, 도 6에 지시된 침식부(60)와 같이, "레이스트랙(racetrack) 영역"이라 불리는 HCM 타겟(40)의 측벽 중간 부분에서 주로 일어나고, 침식되어 형성된 증착 이온들이 HCM 타겟(40)의 제 1 및 제 2 개방부(43a 및 43b) 양쪽으로 유도되어 제 1 및 제 2 웨이퍼(50a 및 50b) 각각에 증착되기 때문에 종래와는 달리 스퍼터링된 증착 이온들이 HCM 타겟(40)의 측벽에 재증착(redeposition)되지 않아 디라미네이션 (delamination) 현상이 발생되지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 HCM 타겟 사용 효율을 증가시킬 수 있으며, 1회에 2장의 웨이퍼를 처리할 수 있어 조업 능력을 배가시킬 수 있으며, 이로 인하여 공정 비용의 절감 또한 이룰 수 있다.

Claims (4)

  1. 제 1 개방부와 제 2 개방부를 갖는 양쪽이 열린 원통 모양이며, 상기 원통은 스퍼터 타겟 재료판과 타겟 커버로 구성되며, 상기 제 1 개방부에 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 제 1 플랜지가 구비되며, 상기 제 2 개방부에 스퍼터링 장치에 부착하기 위한 제 2 플랜지가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 할로우 캐소드 마그네트론 타겟.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터 타겟 재료판은 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 코발트, 몰리브데늄, 은, 금, 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 철, 비스무스, 게르마늄, 니오븀, 바나듐, 이들의 산화물, 이들의 합금 및 이들의 규화물로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 할로우 캐소드 마그네트론 타겟.
  3. 제 1 항에 있어서,
    타겟 커버는 상기 스퍼터 타겟 재료판과 동일한 재료를 사용하거나 열을 빠르게 발산시킬 수 있는 열 도전체로 형성되는 것을 특징으로 하는 할로우 캐소드마그네트론 타겟.
  4. 청구항 제 1 항의 구성을 갖는 HCM 타겟;
    상기 HCM 타겟의 외벽상에 장착되고 특정한 방위를 갖고 배열된 영구자석들;
    상기 HCM 타겟의 제 1 플랜지에 대응되도록 설치된 제 1 고정부;
    상기 제 1 고정부에 대향되며, 상기 HCM 타겟의 제 2 플랜지에 대응되도록 설치된 제 2 고정부;
    상기 HCM 타겟의 제 1 개방부로부터 일정 간격 이격되어 설치된 제 1 웨이퍼 테이블;
    상기 제 1 웨이퍼 테이블에 대향되며, 상기 HCM 타겟의 제 2 개방부로부터 일정 간격 이격되어 설치된 제 2 웨이퍼 테이블;
    상기 제 1 개방부와 상기 제 1 웨이퍼 테이블 사이에 설치된 제 1 전자석; 및
    상기 제 1 전자석에 대향되며, 상기 제 2 개방부와 상기 제 2 웨이퍼 테이블 사이에 설치된 제 2 전자석을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 할로우 캐소드 마그네트론 스퍼터링 장치.
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RU2747487C2 (ru) * 2018-06-19 2021-05-05 Общество с ограниченной ответственностью "АкадемВак" Магнетронное распылительное устройство

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