KR20050058238A - 플라즈마 스퍼터링을 위한 회전 마그네트론에 관련한 자석어레이 - Google Patents

플라즈마 스퍼터링을 위한 회전 마그네트론에 관련한 자석어레이 Download PDF

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Abstract

보조 자석들의 어레이(60)은 타겟(16)으로부터 기판쪽으로 일 측면 상에서 마그네트론 스퍼터 리액터의 측벽들(14)을 따라 배치된다. 바람직하게, 마그네트론은 제 2 자기 극성의 더 약한 자극(40)을 둘러싸는 제 1 자극의 더 강한 외부 자극(42)을 갖는 작고 강한 것이고 챔버의 중심 축(38)을 중심으로 회전한다. 바람직하게 보조 자석들은 기판 쪽으로 불균형 자계 성분을 끌어당기기 위하여 제 1 자기 극성을 갖는다. 보조 자석들은 영구 자석들(62)이거나 또는 전자석들(90)일 수 있다.

Description

플라즈마 스퍼터링을 위한 회전 마그네트론에 관련한 자석 어레이 {MAGNET ARRAY IN CONJUNCTION WITH ROTATING MAGNETRON FOR PLASMA SPUTTERING}
본 발명은 일반적으로 재료들의 스퍼터링에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스퍼터링을 향상시키기 위하여 자계를 형성하는 마그네트론에 관한 것이다.
마그네트론 스퍼터링은 집적 회로의 전기적 접속부들 및 다른 구조들을 형성하기 위하여 집적 회로 제조 동안 반도체 집적 회로 상에 금속을 증착하는 주된 방법이다. 타겟은 증착될 금속으로 구성되고, 플라즈마의 이온들은 타겟 원자들이 타겟으로부터 이탈되는, 즉, 스퍼터링되는 충분한 에너지에서 타겟으로 유인(attract)된다. 스퍼터링된 원자들은 대체로 스퍼터 코팅되는 기판 쪽으로 탄도(ballistically) 이동되고, 금속 원자들은 금속 형태로 기판 상에 증착된다. 대안적으로, 금속 원자들은 플라즈마 내 다른 가스, 예를 들어, 질소와 반응하여 기판 상에 금속 화합물(metal compound)을 증착시킨다. 반응 스퍼터링(reactive sputtering)은 종종 좁은 홀들의 측면 상에서 얇은 장벽 및 티타늄 나이트라이드 또는 탄탈륨 나이트라이드로 이루어진 핵형성(nucleation) 층들을 형성하기 위하여 사용된다.
DC 마그네트론 스퍼터링은 가장 일반적으로 사용되는 상업적 형태의 스퍼터링이다. 금속 타겟은 금속 원자들을 스퍼터링하기 위해 타겟 쪽으로 아르곤 작용 가스의 양 이온들을 유인하기 위하여 -400 내지 -600VDC 범위에 있는 음의 DC 바이어스로 바이어스된다. 일반적으로, 스퍼터 리액터(sputter reactor)는 스퍼터 증착으로부터 챔버 벽들을 보호하기 위하여 차폐물(shield)로 커버된다. 차폐물은 전형적으로 전기적으로 접지되고, 그리하여, 상기 차폐물은 챔버 및 플라즈마 내로 DC 타겟 전력을 용량성 결합(capacitively couple)시키기 위하여 타겟 캐소드에 대향하는 애노드를 제공한다.
적어도 대향하는 한 쌍의 자극(magnetic pole)들을 가진 마그네트론은 타겟의 전면 근처에서 타겟 전면에 평행한 자계를 생성하기 위하여 타겟의 후방에 배치된다. 자계는 전자들을 트래핑(trap)하고, 플라즈마의 전하 중성(charge neutrality)을 위하여, 부가적인 아르곤 이온들이 마그네트론에 인접한 영역에 고밀도 플라즈마를 형성하기 위하여 마그네트론에 인접한 영역 내로 유인된다. 그에 의하여, 스퍼터링 속도가 증가된다.
그러나, 종래의 스퍼터링은 진보된 집적 회로들의 형성에 있어 어려움들을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 스퍼터링은 기본적으로 평평한 표면들을 코팅하기에는 적당하나, 진보된 집적 회로들의 협소한 피쳐(feature)들 특성 내로 금속을 증착시키기에는 부적당한, 거의 등방성(isotropic)의 스퍼터링 패턴을 갖는 탄도 프로세스이다. 예를 들어, 진보된 집적 회로들은 5:1 그리고 더 높은 종횡비를 갖는 다수의 인터-레벨(inter-level) 비아들을 포함하고, 상기 인터-레벨 비아들은 금속으로 코팅 및 충진되어야 한다. 그러나, 홀을 브리징함으로써 홀 내에 보이드를 형성하는 것을 피하면서, 바닥과 측면들을 코팅하고 그 다음 금속으로 홀을 충진하기 위하여 좁고 깊은 홀들 내부에 스퍼터링된 원자들을 깊이 끌어 당기기 위한 기술들이 개발되고 있다.
깊은 홀들 내로 스퍼터링하기 위한 일반적 기술은 스퍼터링된 원자들을 이온화하고, 부가적으로 양으로 하전된 스퍼터링된 금속 원자들을 기판 쪽으로 가속화시키기 위하여 기판을 음으로 바이어싱한다. 그에 의하여, 스퍼터링 패턴은 이방성이 되고 홀들의 바닥 쪽으로 지향된다. 음의 셀프-바이어스는 자연히 전기적으로 플로팅(floating)하는 받침대(pedestal) 상에서 나타난다. 그러나, 제어를 위하여, 전압이 받침대 상에 인가될 수 있다. 전형적으로, RF 전원은 커플링 커패시터(coupling capacitor)를 통하여 받침대 전극에 결합되고, 음의 DC 셀프-바이어스 전압이 플라즈마에 인접한 받침대 상에서 나타난다.
스퍼터링 챔버 내 플라즈마 밀도를 증가시켜 이온화된 스퍼터링된 원자들의 비율을 증가시키는 적어도 2가지 기술들이 이용가능하다.
이온화된 금속 플레이팅(ionized metal plating; IMP)이라고 불리는 한 가지 방법은 프로세싱 공간 내로 메가헤르쯔 주파수 범위의 RF 에너지를 결합시키기 위하여 타겟과 기판 사이의 프로세싱 공간 둘레에 감긴 RF 유도 코일을 사용한다. 코일은 플라즈마에서 축방향 RF 자계를 생성하고, 이것은 차례로 플라즈마의 에지에서 원주 방향 전계를 생성하며, 그에 의하여 기판으로부터 원격에 위치한 영역에 있는 플라즈마 내로 에너지를 결합시키고 플라즈마 밀도를 증가시켜 금속 이온화율을 증가시킨다. IMP 스퍼터링은 전형적으로 50 내지 100 milliTorr의 상대적으로 높은 아르곤 압력에서 수행된다.
IMP는 깊은 홀 충진에 매우 효과적이다. 그 이온화 비율은 50% 이상일 수 있다. 그러나, IMP 장비는 상대적으로 비싸다. 훨씬 더 중요하게, IMP는 다수의 아르곤 이온들이 또한 기판 쪽으로 가속되는 고온의, 강력한(energetic), 고압 프로세스인 경향이 있다. IMP에 의해 나온 막 품질이 모든 응용예들에 대해 최적인 것은 아니다.
최근에 개발된 자체-이온화된 플라즈마(self-ionized plasma; SIP) 스퍼터링 기술은 플라즈마 스퍼터링 리액터들이 단지 약간만 변경됨에도 불구하고 저압, 저온 프로세스에서 높은 종횡비의 홀들 안으로 금속이 효율적으로 충진될 수 있게 한다. 이러한 기술은 Fu 등에 의한 미국 특허 제 6,290,825호, 및 Chiang 등에 의해 1999년 10월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/414,614호에 개시되어 있고, 이 둘은 전체가 본 명세서에 참조로서 편입된다.
SIP 스퍼터링은 타겟에 인접하여 고밀도 플라즈마(HDP)를 생성하기 위하여 그리고, 플라즈마를 연장하여 기판 쪽으로 금속 이온들을 안내하기 위하여 종래의 용량성 결합된 마그네트론 스퍼터 리액터에 대한 여러가지 변형예들을 사용한다. 상대적으로 높은 양의 DC 전력이, 예를 들어, 200 mm 기판을 위해 설계된 챔버에 대하여 20 내지 40 kW가 타겟에 인가된다. 부가하여, 마그네트론은 타겟 전력이 마그네트론의 더 작은 면적에 집중하도록 상대적으로 작은 면적을 갖고, 그리하여 마그네트론에 인접한 HDP 영역에 공급되는 전력 밀도를 증가시킨다. 작은 면적 마그네트론은 타겟 중심의 일측면에 배치되고, 더 균일한 스퍼터링 및 증착을 제공하기 위하여 타겟 중심을 중심으로 회전한다.
SIP 스퍼터링의 한 가지 유형에서, 마그네트론은 불균형 자극(unbalanced pole)들, 보통 하나의 자기 극성을 갖는 약한 내부 자극을 둘러싸는 다른 극성을 갖는 강력한 외부 자극을 갖는다. 더 강한 자극으로부터 방사되는 자계 선들은 타겟 면에 인접한 일반적인 수평 자계 및 기판 쪽으로 연장되는 수직 자계로 분해될 수 있다. 수직 자계 선들은 기판 쪽으로 더 근접하게 플라즈마를 연장시키고, 또한 금속 이온들을 기판 쪽으로 안내한다. 부가하여, 챔버 벽들에 근접한 수직 자계 선들은 플라즈마로부터 접지된 차폐물들로의 전자들의 확산을 차단하도록 작용한다. 감소된 전자 손실은 특히 플라즈마 밀도를 증가시키고 플라즈마를 프로세싱 공간을 가로질러 연장시키는데 효과적이다.
SIP 스퍼터링은 RF 유도 코일들을 사용하지 않고서 달성될 수 있다. 작은 HDP 영역은 10 내지 25% 로 추정되는 금속 이온들의 비율을 이온화시키기에 충분하고, 이것은 깊은 홀들 안으로 효과적으로 스퍼터 코팅한다. 특히 높은 이온화 비율에서, 이온화된 스퍼터링된 금속 원자들은 타겟 후방으로 유인되고 금속 원자들을 더 스퍼터링한다. 그 결과, 아르곤 작용 압력은 플라즈마 와해(collapsing)없이 감소될 수 있다. 따라서, 기판의 아르곤 가열은 그다지 문제가 아니고, 금속 이온들이 아르곤 원자들과 충돌할 가능성이 감소되며, 이것은 둘 다 이온 밀도를 감소시키고 금속 이온 스퍼터링 패턴을 랜덤화시킬 것이다.
SIP 스터터링에 사용되는 불균형 마그네트론의 부가적인 이점은 더 강한 환형 외부 극으로부터 나온 자계가 기판 쪽으로 플라즈마 프로세싱 영역 내로 멀리 돌출된다는 점이다. 이러한 돌출하는 자계는 기판 쪽으로 이온화된 스퍼터 입자들을 안내하기 위하여 플라즈마 프로세싱 영역의 연장에 대해 강한 플라즈마를 유지하는 이점을 갖는다. 2000년 7월 10일자 출원된 Wei Wang에 의한 미국 특허 출원 제 09/612,861호는 타겟으로부터 기판으로 연장되는 자계 성분을 형성하기 위하여 플라즈마 프로세스 영역의 주요 부분 둘레에 감긴 동축 전자기 코일(coaxial electromagnetic coil)의 사용을 개시한다. 자기 코일은 특히 롱-쓰로우 스퍼터 리액터(long-throw sputter reactor), 즉, 보조 자계가 플라즈마를 지지하고 이온화된 스퍼터 입자들을 더 안내하기 때문에 타겟과 기판 사이의 더 큰 공간을 갖는 리액터의 SIP 스퍼터링을 결합시키는데 효과적이다. Lai는 미국 특허 제 5,593,551호에서 타겟 근처의 더 작은 코일을 개시한다.
그러나, SIP 스퍼터링은 여전히 개선될 필요가 있다. SIP 스퍼터링의 근본적 문제점들 중 하나는 자계 구성을 최적화하는데 이용가능한 제한된 개수의 변수들이다. 마그네트론은 타겟 전력 밀도를 최대화하기 위하여 작아야 하나, 타겟은 균일하게 스퍼터링되어야 한다. 자계는 타겟에 인접한 곳에서 전자 트래핑을 최대화하기 위하여 타겟에 인접하여 강한 수평 성분을 가져야 한다. 자계의 소정의 성분은 이온화된 스퍼터 입자들을 안내하기 위하여 타겟으로부터 기판 쪽으로 돌출되어야 한다. Wang에 의한 동축 자기 코일은 이러한 문제들 중 단지 일부만을 해결한다. Lai에 의한 미국 특허 제 5,593,551호에 개시된 수평으로 배열된 영구 자석들은 이러한 영향을 잘 해결하지 못한다.
도 1은 본 발명의 보조 자석 어레이를 포함하는 스퍼터 리액터의 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1의 스퍼터 리액터의 상부 마그네트론의 하부 평면도이다.
도 3은 보조 자석 어레이를 지지하는 어셈블리의 실시예에 대한 정사도(orthographic view)이다.
도 4는 전자석들의 어레이를 포함하는 보조 자석 어레이가 있는 스퍼터 리액터의 개략적 단면도이다.
본 발명은 기판에 근접하여 챔버 근처에 배치되고 제 1 수직 자기 극성을 갖는 마그네트론 스퍼터 리액터의 보조 자석 어레이를 포함한다. 자석들은 영구 자석들이거나 챔버의 중심 축에 따른 코일 축들을 갖는 전자석들의 어레이일 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 자기 극성을 갖는 강한 외부 자극을 갖는 회전 가능한 마그네트론은 반대 극성의 더 약한 자극을 둘러싼다. 보조 자석들은 바람직하게 외부 자극으로부터 기판 쪽으로 자계의 불균형한 부분을 끌어당기기 위하여 기판 근처의 프로세싱 공간의 절반에 배치된다.
본 발명의 플라즈마 스퍼터 리액터(10)의 제 1 실시예가 도 1의 개략적 단면도에 예시된다. 진공 챔버(12)는 대체로 원통형의 측벽들(14)을 포함하고, 상기 측벽들(14)은 전기적으로 접지된다. 전형적으로, 도시되지 않은 접지된 교체가능 차폐물들이 측벽들(14)이 스퍼터 코팅되는 것을 방지하기 위하여 측벽들(14) 내부에 배치되나, 상기 차폐물들은 진공 유지를 제외하고는 챔버 측벽들로서 작용한다. 스퍼터링될 금속으로 구성된 스퍼터 타겟(16)은 전기적 절연체(18)를 통해 챔버(12)에 실링된다. 받침대 전극(22)은 기판(24)이 타겟(16)에 평행하게 대향하여 스퍼터 코팅되도록 지지한다. 프로세싱 공간은 차폐물들 내부에서 타겟(16)과 기판(24) 사이에서 한정된다.
스퍼터링 작용 가스, 바람직하게 아르곤은 질량 유량 제어기(mass flow controller)(28)를 통해 가스 공급기(26)로부터 챔버 안으로 측정(meter)된다. 도시되지 않은 진공 펌핑 시스템은 전형적으로 10-8 Torr 이하의 매우 낮은 기저 압력(base pressure)에서 챔버(12) 내부를 유지한다. 플라즈마 점화 동안, 아르곤 압력은 대략 5 milliTorr의 챔버 압력을 생성하는 양으로 공급되나, 이하에서 설명되는 바와 같이, 이러한 압력은 그 후 감소된다. DC 전원(34)은 아르곤 작용 가스가 전자들 및 양의 아르곤 이온들을 함유하는 플라즈마로 여기되도록 타겟(16)을 대략 -600VDC로 음으로 바이어싱한다. 양의 아르곤 이온들은 음으로 바이어싱된 타겟(16)으로 유인되고, 타겟으로부터 금속 원자들을 스퍼터링한다.
본 발명은 작은 내포 마그네트론(nested magnetron)(36)이 타겟(16) 뒤의 도시되지 않은 백 플레이트 상에서 지지되는 SIP 스퍼터링에 특히 유용하다. 챔버(12) 및 타겟(16)은 중심 축(38)에 대하여 대체로 원형 대칭이다. SIP 마그네트론(36)은 제 1 수직 자기 극성을 가진 내부 자극(40) 및 반대의 제 2 수직 자기 극성을 가진 둘레를 감싸는 외부 자극(42)을 포함한다. 두 자극은 자기 요크(magnetic yoke)(44)에 의해 지지되고, 자기 요크(44)를 통해 자기적으로 결합된다. 상기 요크(44)는 중심 축(38)을 따라 연장되는 회전 축(48) 상에서 지지되는 회전 암(46)에 고정된다. 축(48)에 연결되는 모터(50)는 마그네트론(36)이 중심 축(38)을 중심으로 회전하도록 한다.
불균형 마그네트론에서, 외부 자극(42)에 의해 생성된 면적에 대해 적분된(integrated) 총 자속(magnetic flux)은 내부 자극(40)에 의해 생성된 것보다 더 크고, 바람직하게 적어도 150%의 자기 강도의 비율을 갖는다. 대향하는 자극들(40, 42)은 챔버(12) 내부에서 자계를 형성하고, 상기 자계는 타겟의 면에서 고밀도 플라즈마를 형성하여 스퍼터링 속도를 증가시키고 스퍼터링된 금속 원자들의 이온화 비율을 증가시키기 위하여, 타겟(16)의 면에 근접하여 평행한 강력한 성분들을 가진 세미-토로이드형(semi-toroidal)이다. 외부 자극(42)은 내부 자극(40)보다 자기적으로 더 강하기 때문에, 외부 자극(42)으로부터 나온 자계 부분은 자기 회로를 완성하기 위하여 외부 자극(42) 뒤편으로 다시 루핑(loop)되기 이전에 받침대(22) 쪽으로 멀리 돌출된다.
예를 들어, 13.56MHz의 주파수를 갖는 RF 전원(54)은 기판(24) 상에서 음의 셀프-바이어스를 형성하기 위하여 받침대 전극(22)에 연결된다. 상기 바이어스는 인접한 플라즈마의 외장(sheath)을 가로질러 양으로 하전된 금속 원자들을 유인하고, 그에 의하여 인터-레벨 비아와 같은 기판의 높은 종횡비 홀들의 측면과 바닥을 코팅한다.
SIP 스퍼터링에서, 마그네트론은 작고, 높은 자력(magnetic strength)을 가지며, 높은 DC 전력량이 타겟에 인가되어 플라즈마 밀도가 타겟(16) 근처에서 1010cm-3 이상으로 상승한다. 이러한 플라즈마 밀도의 존재 하에서, 다수의 스퍼터링된 원자들은 양으로 하전된 금속 이온들로 이온화된다. 금속 이온 밀도는 더 멀리 금속 이온들을 스퍼터링하기 위하여 다수의 금속 이온이 타겟 후방으로 유인되기에 충분히 높다. 그 결과, 금속 이온들은 스퍼터링 프로세스에서 유효 작용종으로서 아르곤 이온들을 적어도 부분적으로 대체할 수 있다. 즉, 아르곤 압력이 감소될 수 있다. 감소된 압력은 금속 이온들의 산란(scattering) 및 탈이온(deionization)의 이점을 갖는다. 구리 스퍼터링에 대하여, 소정의 조건하에서, 일단 플라즈마가 점화되면 서스테인 셀프 스퍼터링(sustained self-sputtering; SSS)으로 불리우는 프로세스에서 아르곤 작용 가스를 완전히 제거하는 것이 가능하다. 알루미늄 또는 텅스텐 스퍼터링에 대하여, SSS는 가능하지 않으나, 아르곤 압력은 일반적인 스퍼터링에서 사용되는 압력으로부터 예를 들어, 1 milliTorr 이하로 상당히 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 영구 자석들(62)의 보조 어레이(60)는 챔버 측벽들(14) 둘레에 배치되고, 대체로 기판(24)쪽으로 프로세싱 공간의 절반에 배치된다. 이러한 실시예에서, 보조 자석들(62)은 외부 자극(42)으로부터 자계의 불균형 부분을 끌어 내리기 위하여 내포 마그네트론(36)의 외부 자극(42)과 동일한 제 1 수직 자기 극성을 갖는다. 이하에서 상세히 설명되는 실시예에서는, 8개의 영구 자석들이 존재하나, 중심 축(38) 주위에 분포된 4 또는 그 이상의 임의의 개수가 유사하게 양호한 결과를 제공할 것이다. 프로세싱 영역에서의 유효 강도를 증가시키기 위하여 보조 자석들(62)을 챔버 측벽들(14) 내부에 그러나 바람직하게는 얇은 측벽 차폐물 외부에 배치시키는 것이 가능하다. 그러나, 측벽들(14) 외부의 배치는 전체 프로세싱 결과에 대해 바람직하다.
보조 자석 어레이는 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 중심 축(38)을 중심으로 대체로 대칭적으로 배치된다. 반면, 내포 마그네트론(36)은 중심 축(38)을 중심으로 비대칭적으로 배치된 자계 분포를 갖는데, 상기 자계 분포는 회전 시간에 걸쳐 평균하면 대칭이 된다. 다수 형태의 내포 마그네트론(36)이 존재한다. 덜 바람직하지만 가장 간단한 형태는 둥근 고리형 외부 자극(42)에 의해 둘러싸인 버튼 중심 자극(button center pole)(40)을 갖는 형태이고, 그리하여 자계는 챔버 축(38)로부터 변위된 축에 대해 대칭이며 내포 마그네트론 축은 챔버 축(38)을 중심으로 회전된다. 도 2의 하부 평면도에 도시된, 바람직한 내포 마그네트론은 삼각형이고, 중심 축(38) 근처에 정점을 갖고 타겟(16)의 외주변 근처에 기저부를 갖는다. 이러한 형태는 자계의 시평균이 원형 내포 마그네트론보다 더 균일하기 때문에 특히 유리하다.
회전 사이클 동안 특정 순간의 유효 자계는 도 1의 점선에 의해 도시된다. 세미-토로이드형 자계 BM는 타겟(16)의 표면에 근접하고 타겟(16) 표면에 평행한 강한 수평 성분을 제공하고, 그에 의하여 플라즈마의 밀도, 스퍼터링 속도, 및 스퍼터링된 입자들의 이온화 비율을 증가시킨다. 보조 자계 BA1, BA2는 보조 자석 어레이(60)로부터 그리고 내포 마그네트론(36) 자계의 불균형 부분으로부터 나온 자계의 합이다. 내포 마그네트론(36)으로부터 떨어진 챔버의 측면 상에서는, 내포 마그네트론(36) 자계의 불균형 부분으로부터 나온 성분 BA1이 우세한데, 그것은 기판(24) 쪽으로 멀리 연장되지 않는다. 그러나, 내포 마그네트론(36)의 측면 상의 챔버 측벽(14) 근처에서, 보조 자석(62)이 외부 자극(42)에 강하게 결합되고, 그 결과 기판(24) 쪽으로 멀리 돌출하는 자계 성분 BA2을 초래한다. 예시된 평면에서, 자계 성분은 두 성분 BA1, BA2의 결합이다.
이러한 구조는 보조 자석들(42)의 자기 극성들과 강한 외부 자극들(42)의 정렬 때문에 강한 수직 자계가 챔버 측벽 둘레를 스위핑(sweep)하는 내포 마그네트론(36) 바로 아래 영역 내 챔버 측벽(14)의 상당한 길이를 따라 상기 챔버 측벽(14) 근처에서 생성되는 결과를 낳는다. 그 결과, 가장 강하게 스퍼터링되는 타겟(16)의 영역에 인접한 챔버(12) 외부 측면 상에서 강한 수직 자계가 존재한다. 이러한 돌출 자계(projecting field)는 플라즈마의 영역을 연장시키는데 그리고 이온화된 입자들을 기판(24)으로 안내하는데 효과적이다.
보조 자석 어레이(60)는 2개의 반원형 자석 캐리어들(70)을 사용하여 구현될 수 있고, 자석 캐리어들 중 하나가 도 3에 정사도법으로 예시된다. 각각의 캐리어(70)는 캐리어 내부를 향하고 하나의 자석(62)을 포함하는 각각의 자석 어셈블리(74)를 수용하도록 크기가 정해진 4개의 리세스(72)를 포함한다. 자석 어셈블리(74)는 호(弧)형 상부 클램프 부재(76) 및 하부 클램프 부재(78)을 포함하고, 상기 클램프 부재들은 2개의 나사(80)가 2개의 클램프 부재들(76, 78)을 함께 조일 때 리세스들 안으로 원통형 자석(62)을 포착한다. 캐리어들(70) 및 클램프 부재들(76, 78)은 알루미늄과 같은 비자기 재료로 형성될 수 있다. 하부 클램프 부재(78)는 리세스(72) 안에 들어맞는 길이를 가지나, 상부 클램프 부재(76)는 리세스(72) 너머로 연장되는 단부들을 갖고, 상부 클램프 부재(76)를 관통하여 2개의 관통 홀(82)이 드릴링된다. 나사(84)가 자석 캐리어(70) 내 태핑된 홀들(86)에 고정되도록 하기 위하여 2개의 나사(84)는 각각의 관통 홀들을 통과하여, 자석(62)을 자석 캐리어(70) 상의 제자리에 고정한다. 상기와 같이 조립된 2개의 반원형 자석 캐리어(70)들은 챔버 벽(14) 둘레에 링으로 배치되고 일반적인 고정 수단에 의해 챔버 벽에 고정된다. 이러한 구조는 자석들(62)을 챔버 벽(14)의 외부에 직접 인접하도록 배치시킨다.
Wei Wang의 전자기 코일 내에 형성된 솔레노이드 자계는 영구 자석들로 이루어진 환형 어레이에 의해 형성된 원주형 쌍극 자계보다 리액터 챔버의 직경에 걸쳐 상당히 더 균일하다. 그러나, 도 4의 단면도에 도시된 바와 같이, 영구 자석들(62)을 챔버 벽의 주변 둘레에 배치된 전자기 코일들(90)의 환형 어레이로 대체함으로써 유사한 형태의 쌍극 자계를 형성하는 것이 가능하다. 코일들(90)은 전형적으로 중심 축(38)에 평행한 각각의 축들에 대해 나선형으로 감기고, 챔버 내부에 거의 동일한 쌍극 자계를 생성하기 위하여 전기적으로 전력이 공급된다. 그러한 설계는 보조 자계 강도 및 자계 극성의 신속한 조정을 허용하는 이점을 갖는다.
본 발명은 구리의 SIP 스퍼터링에 적용되었다. 종래의 SIP 리액터는 시트 저항 측정들에 의해 결정된 9%의 불균일성을 갖는 구리 막을 스퍼터링하는 반면, 보조 마그네트론은 단지 1%만의 불균일성을 생성하기 위하여 최적화될 수 있다. 개선된 균일성은 감소된 증착 속도의 희생으로 얻을 수 있지만, 깊은 홀들 내 얇은 구리 씨드 층들의 증착을 위하여, 더 낮은 증착 속도는 더 나은 프로세스 제어에 바람직할 수 있다.
비록 본 발명은 SIP 스퍼터 리액터에 사용되는 것으로 기술되었지만, 바람직하게 보조 영구 자석 어레이는 미국 특허 제 6,251,242호에 개시된 SIP+ 리액터의 고리 모양을 가진 아치형(vaulted) 타겟, 미국 특허 제 6,179,973호에 개시된 움품 파인 캐소드 타겟(hollow cathode target), 또는 미국 특허 제 6,045,547호에 개시된 유도성 결합 IMP 리액터와 같은 다른 타겟 및 전력 구성에 적용될 수 있다. 균형 마그네트론(balanced magnetron) 및 고정 마그네트론(stationary magnetron)과 같은 다른 마그네트론 구성들이 사용될 수 있다. 더욱이, 보조 자석들의 극성은 상부 마그네트론의 외부 자극의 자기 극성에 같거나 또는 반대일 수 있다. Al, Ta, Ti, Co, W 등, 그리고 내화성(refractory) 금속인 몇 가지 상기 재료의 질화물을 포함한 다른 재료들이 스퍼터링될 수 있다.
그리하여 보조 자석 어레이는 마그네트론 스퍼터링에 결정적인 자계의 부가적인 제어를 제공한다.

Claims (15)

  1. 중심 축 둘레에 배치된 측벽들을 구비한 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에서 기판을 지지하기 위한 받침대(pedestal);
    상기 중심 축을 따라 상기 받침대에 대향하여 배치된 스퍼터링 타겟 - 여기서, 프로세싱 공간이 상기 받침대, 상기 타겟 및 상기 측벽들 사이의 영역에 한정됨-;
    상기 프로세싱 공간의 맞은 편에 있는 상기 타겟의 측면 상에 배치된 마그네트론; 및
    적어도 부분적으로 상기 프로세싱 공간 주위에 배치되고 상기 중심 축을 따라 제 1 자기 극성을 갖는 보조 자석들;
    을 포함하는 플라즈마 스퍼터 리액터(plasma sputter reactor).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마그네트론은 상기 중심 축을 중심으로 회전가능한, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 마그네트론은 상기 중심 축을 따라 제 2 자기 극성을 갖는 내부 자극 및 상기 내부 자극을 둘러싸고 상기 중심 축을 따라 상기 제 1 자기 극성에 반대되는 제 3 자기 극성을 갖는 외부 자극을 포함하는, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 외부 자극의 적분된 자속(integrated magnetic flux)은 상기 내부 자극의 적분된 자속에 적어도 150%인, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 극성은 상기 제 3 자기 극성으로 정렬(align)되는, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 외부 자극의 적분된 자기 강도(integrated magnetic intensity)는 상기 내부 자극의 적분된 자기 강도에 적어도 150%인, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 내부 자극은 상기 중심 축으로부터 완전히 떨어져 변위되는, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 자석들은 상기 타겟 쪽으로 상기 프로세싱 공간의 절반을 관통하여 통과하는 평면들 내에서 연장되지 않는, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 자석들은 영구 자석들을 포함하는, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 자석들은 전자석들을 포함하는, 플라즈마 스퍼터 리액터.
  11. 중심 축 둘레에 배치된 측벽들을 구비한 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에서 스퍼터 코팅될 기판을 지지하기 위한 받침대;
    상기 중심 축을 따라 상기 받침대에 대향하여 배치되고 간격 거리(separation distance)만큼 상기 받침대로부터 떨어져 있는 스퍼터링 타겟;
    상기 받침대의 맞은 편에 있는 상기 타겟의 측면 상에 배치되고 상기 중심 축을 중심으로 회전가능한 마그네트론 - 여기서, 상기 마그네트론은,
    상기 중심 축을 따라 제 1 자기 극성을 갖고 제 1의 적분된 자속을 생성하는 환형 외부 자극, 및
    상기 외부 자극 내부에 배치되고 상기 제 1 자기 극성에 반대되는 제 2 자기 극성을 가지며 제 2의 적분된 총 자속을 생성하는 내부 자극,
    을 포함하고, 상기 제 2의 적분된 자속에 대한 상기 제 1의 적분된 자속의 비율을 적어도 150%임 - ; 및
    상기 측벽들의 외부에서 상기 중심 축 둘레에 배치되고 상기 제 1 자기 극성을 갖는 보조 자석들;
    을 포함하는, 마그네트론 스퍼터 리액터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 보조 자석들은, 상기 중심 축에 수직하고 상기 받침대에 근접한 것보다 상기 타겟에 더 근접한 평면들 내에서 연장되지 않는, 마그네트론 스퍼터 리액터.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 보조 자석들은 영구 자석들인, 마그네트론 스퍼터 리액터.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 보조 자석들은 전자석들인, 마그네트론 스퍼터 리액터.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 보조 자석들이 적어도 4개 존재하는, 마그네트론 스퍼터 리액터.
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