KR20050118313A - 실리콘 함량이 낮은 Ｎｉ-Ｓｉ 스퍼터링 타깃의 제조방법및 당해 방법으로 제조한 타깃 - Google Patents

실리콘 함량이 낮은 Ｎｉ-Ｓｉ 스퍼터링 타깃의 제조방법및 당해 방법으로 제조한 타깃 Download PDF

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토소우 에스엠디, 인크
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Abstract

본 발명은 니켈/규소 스퍼터 타깃의 제조방법, 이와 같이 제조된 타깃, 및 당해 타깃을 사용한 스퍼터링법에 관한 것이다. 용융된 니켈을 충분히 용융된 규소와 블렌딩하고 주조하여, 규소를 4.39중량% 미만, 바람직하게는 2.0중량% 미만의 극미량으로 함유한 합금을 제조한다. 바람직하게는, 주조된 잉곳을 압연하여 성형함으로써, 목적하는 두께를 갖는 플레이트를 제조한다. 이와 같이 제조된 스퍼터 타깃은 통상적인 마그네트론 스퍼터 공정에서 사용할 수 있으며, 당해 스퍼터 타깃은 음극 스퍼터링 조작에서 니켈 이온이 스퍼터 타깃으로부터 기판 위로 스퍼터링되게 하기 위한 전위차 및 자기장의 존재하에 음극과 인접하게 위치할 수 있다.

Description

실리콘 함량이 낮은 Ｎｉ-Ｓｉ 스퍼터링 타깃의 제조방법 및 당해 방법으로 제조한 타깃{Methods for making low silicon content Ni-Si sputtering targets and targets made thereby}
본 발명은 스퍼터 타깃의 제조방법, 당해 방법으로 제조된 스퍼터 타깃, 및 당해 타깃을 사용한 스퍼터링 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 니켈-규소 합금을 사용한 스퍼터 타깃의 제조방법 및 당해 방법으로 제조된 스퍼터 타깃에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼와 같은 목적하는 기판 위에 스퍼터 타깃으로부터의 물질로 이루어진 박층 또는 박막을 증착하는 데 음극 스퍼터링이 광범위하게 사용된다. 기본적으로, 스퍼터 타깃이 포함된 음극 어셈블리는 양극과 함께 불활성 기체, 바람직하게는 아르곤으로 충전된 챔버 속에 놓는다. 목적하는 기판은, 피복하려는 표면이 일반적으로 음극 어셈블리와 양극 사이의 경로를 향하도록, 챔버 속에서 양극과 인접하게 놓는다. 고전압 전기장이 음극 어셈블리와 양극을 가로질러 형성된다.
음극 어셈블리로부터 방출된 전자는 불활성 기체를 이온화시킨다. 이어서, 전기장에 의해, 양으로 하전된 불활성 기체의 이온이 스퍼터 타깃의 스퍼터링 표면에 대해 방출된다. 이온 충격에 의해 스퍼터 타깃으로부터 방출된 물질은 챔버 내부를 횡단하고 기판의 피복 대상 표면 위에 증착되어 박층 또는 박막이 형성된다.
소위 마그네트론 스퍼터링에서, 하나 이상의 자석이 음극 어셈블리 뒤에 위치하여 자기장을 발생시킨다. 일반적으로, 자기장은, 주어진 영역에 걸쳐 자기장의 세기에 상응하는 밀도, 즉 "자기력 선속 밀도(magnetic flux density)"를 갖는 일련의 플럭스 라인(flux line)으로 나타낼 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 장치에서, 자석은 타깃을 투과하는 아치형 플럭스 라인을 형성하고, 스퍼터링 표면과 인접한 환형 영역에 트랩 전자를 제공한다. 스퍼터링 표면과 인접한 환형 영역에서 전자 농도가 증가함으로써, 당해 영역에서 불활성 기체의 이온화가 촉진되고, 기체 이온이 환형 영역 하단에 존재하는 스퍼터링 표면을 때리는 진동수가 증가한다.
물리적 증착법(PVD)에서, 증착된 니켈과 규소 기판의 반응에 의해 니켈 실리사이드 필름을 형성시키기 위해 통상적으로 니켈을 사용한다. 그러나, 마그네트론 스퍼터링법에 의해 다수의 타깃 물질의 스퍼터링 효율이 향상된 반면, 당해 방법에서는 니켈과 같은 "강자성" 금속의 스퍼터링 효율이 낮다. 타깃의 스퍼터링 표면과 인접한 환형 영역내에서 니켈 스퍼터 타깃을 트랩 전자에 효과적으로 투과시킬 정도로 충분히 강한 자기장을 발생시키는 것은 어려운 것으로 입증되었다.
금속의 자기적 거동의 배경으로서, 금속 몸체 내부의 자기력 선속 밀도 벡터는 일반적으로 몸체 외부의 자기력 선속 밀도와는 상이하다. 통상적으로, 금속 몸채내의 공간에서의 주어진 방향에 대한 자기력 선속 밀도의 성분 "B"는 수학식 1에 따라 나타낼 수 있다. (자기력 선속 밀도, 자기장 세기 및 자기화의 성분들의 양수 및 음수는 각각 공간에서의 방향이 상이함을 나타내는 것으로 이해해야 한다.)
B = μ(H + M)
위의 수학식 1에서,
μ는 빈 공간의 자기 투과도를 나타내는 상수이고,
H는 소위 "자기장 세기" 벡터의 상응하는 성분이며,
M은 소위 "자기화" 벡터의 상응하는 성분이다.
자기장 세기는, 외부 자기장이 금속성 몸체 속으로 투과하기 때문에 발생하는, 내부 자기력 선속 밀도에 대한 기여분으로 간주할 수 있다. 자기화는, 전자에 의해 금속 내부에 우선적으로 발생한 자기장의 정렬로 인한, 내부 자기력 선속 밀도에 대한 기여분으로 간주할 수 있다.
"상자성" 물질에서, 금속 내부에 발생한 자기장은 금속 내부의 자기력 선속 밀도가 증가하도록 배열되는 경향이 있다. 또한, 상자성 금속 내부에 발생한 자기장은 강하게 상호 작용하지 않으며 금속 내부에 발생한 자기장의 배열을 안정화시킬 수 없어서, 외부 자기장이 제거되면 상자성 금속은 잔류하는 어떠한 자기장도 유지시킬 수 없다. 따라서, 다수의 상자성 금속에 있어서, 일정한 온도에서, 금속 내부의 자기장 강도에 대한 자기력 선속 밀도에 관한 곡선인 "자기화 곡선"은 선형이고 외부 자기장이 작용하는 방식과는 독립적이다.
니켈과 같은 "강자성" 금속에서, 금속 내부에 발생한 자기장은, 외부 자기장이 제거되는 경우 금속이 잔류하는 자기장을 유지할 정도로 충분히 상호작용한다. 강자성 금속의 "퀴리 온도" 특성에서, 금속은, 잔류 자기장을 소멸시키기 위해, 금속의 잔류 자기장과 마주보도록 위치한 외부 자기장에 위치해야 한다.
퀴리 온도보다 낮은 임의의 일정 온도에서, 금속의 자기력 선속 밀도와 자기장 세기의 관계는 외부 자기장이 시간이 지남에 따라 변하는 방식에 따라 상이하다. 예를 들면, 강자성 금속이 이의 최대 또는 "포화" 선속 밀도에서 공간내 하나의 방향으로 자기화되고 외부 자기장이 반대 방향으로 천천히 역전되는 경우, 금속내의 자기력 선속 밀도가 포화값의 음수에 도달할 때까지 금속내의 자기력 선속 밀도는 제1 경로를 따라 자기장 세기의 함수로 감소한다. 외부 자기장이 다시 역전되어 금속이 본래 방향으로 재자기화되는 경우, 금속내의 자기력 선속 밀도는 제1 경로와는 상이한 잔류하는 자기장의 반대 방향인 제2 경로를 따라 자기장 세기의 함수로 증가한다. "자기 이력 곡선"으로 불리는 생성된 2개 경로 자기화 곡선의 형태는 강자성 거동의 특성이다.
강자성 금속이 자기장의 존재하에 기체에 둘러싸이는 경우, 강자성 금속은 자기장의 플럭스 라인을 주변 기체로부터 당해 금속으로 "끌어당기는" 경향이 있다. 이러한 경향성에 의해, 플럭스 라인이 강자성 금속을 투과하고 주변 기체게 걸쳐 확장되는 것이 방지된다. 상자성 금속은 외부 자기장의 플럭스 라인을 일부 끌어당길 수 있는 반면, 상자성 금속은 강자성 물질보다 플럭스 라인을 훨씬 적은 정도로 끌어당긴다.
공칭 강자성 금속은 당해 금속의 퀴리 온도보다 높은 온도에서 상자성 물질과 유사한 방식으로 거동한다. 특히, 이의 퀴리 온도보다 높은 온도에서, 공칭 강자성 금속은 외부 자기장의 플럭스를 퀴리 온도보다 낮은 온도의 경우보다 훨씬 적은 정도로 당해 강자성 금속으로 "끌어당기는" 경향이 있다.
따라서, 마그네트론 스퍼터링 장치의 자기장에 위치한 니켈 스퍼터 타깃은 자기장 플럭스를 당해 타깃으로 "끌어당기는" 경향이 있는 것으로 사료되지만, 이는 어떠한 이론에도 한정되지 않는다. 이는, 자기력 선속이 타깃에 걸쳐 투과되어, 마그네트론 스퍼터링 공정의 효율이 저하되는 것을 방지한다.
통상적으로, 니켈의 강자성 특성 때문에, 약 0.12in(3mm) 이하로 얇은 니켈 타깃만을 마그네트론 스퍼터링 공정에 사용할 수 있다. 당해 공정에서는 진동수 간격(frequent interval)에서 스퍼터 타깃을 교체할 필요성이 있기 때문에, 공정의 어려움 및 스퍼터링 니켈의 비용이 증가한다.
메켈(Meckel)의 미국 특허공보 제4,229,678호에서는, 타깃 물질을 이의 퀴리 온도로 가열하고 감소된 자기화 상태에서 타깃 물질을 마그네트론 스퍼터링함으로써 상기한 문제점을 극복하고자 하였다. 또한, 당해 특허공보에서는, 스퍼터링 공정 고유의 열 에너지에 의해 플레이트를 이의 퀴리 온도로 가열하기에 용이하도록 구조화된 자성 타깃 플레이트를 제안하였다. 이와 같이 제안된 방법의 한 가지 단점은, 타깃의 가열시 제공되는 비용 및 승온에서 음극 어셈블리의 안정화시 제공되는 비용의 증가이다.
전문 매체 산업에서는, 니켈을 바나듐과 같은 또 다른 전이 금속과 함금함으로써 발생하는 니켈의 마그네트론 스퍼터링의 문제점이 언급되었다. 바나듐 약 12원자%에서 합금은 강자성체로서 거동한다. 니켈과 또 다른 전이 금속, 예를 들면, 크롬, 몰리브덴 및 티탄과의 합금은 15원자% 이하의 조성에서 보다 낮은 수준의 강자성 거동을 나타낸다. 유사한 접근방법을 사용하여, 윌슨(Wilson)의 미국 특허공보 제4,094,761호에서는 니켈을 구리, 백금 또는 알루미늄과 합금하여 퀴리 온도가 스퍼터링 온도보다 낮은 합금을 제조하는 것에 대해 기재되어 있다. 불행하게도, 이들 모든 방법에는, 스퍼터링 타깃이 니켈 실리사이드화 공정에서 사용되는 경우, 니켈과 합금된 금속에서 불순물이 생성된다는 단점이 있다.
또 다른 접근방법이 1999년 5월 27일자 국제 공개공보 제WO 99/25892호(본원에 참조의 목적으로 인용됨)에 기재되어 있다. 당해 발명의 또 다른 형태로서, Si 함량이 약 4.5중량% 이상인 NiSi 타깃이 보고되었다. 이들 타깃은 허용 가능한 PTF(pass through flux; 통과 선속) 특성을 갖고 있다. 이들 타깃은 당해 기술분야에 상당히 발달된 형태의 타깃으로 알려져 있지만, 이를 지지하는 박막의 균일성을 향상시키는 한편 허용 가능한 PTF 특성을 나타내며 Si 함량이 매우 낮은 Ni/Si 타깃을 제공하는 것이 여전히 바람직하다.
[발명의 요약]
이러한 본 발명의 목적 및 본 발명의 다른 목적은, 용융된 니켈을 충분히 용융된 규소와 블렌딩하고 당해 블렌드를 주조하여, 규소를 약 4.39중량% 미만, 바람직하게는 약 2.0중량% 미만의 극미량(즉, 0.001중량%)으로 함유한 합금을 제조하는 단계를 포함하는, 니켈/규소 스퍼터 타깃의 제조방법이다. 주조된 잉곳(ingot)을 압연하여 목적하는 두께를 갖는 플레이트를 제조하고, 압연된 플레이트를 기계 가공하여 목적하는 타깃 형태를 성형한다. 이와 같이 성형된 스퍼터 타깃은 통상적인 마그네트론 스퍼터 공정에서 사용할 수 있는데, 즉 당해 스퍼터 타깃은 음극 스퍼터링 조작에서 니켈 이온이 스퍼터 타깃으로부터 기판 위로 스퍼터링되게 하기 위한 전위차 및 자기장의 존재하에 음극과 인접하게 위치할 수 있다. 그러나, 이들 타깃은 통상적인 Ni 타깃의 두께보다 두껍게 제조하여, 타깃의 교체 없이 보다 장기간 동안 스퍼터링하는 데 사용할 수 있다.
또한, 타깃을 기계 가공하기 전에, 니켈-규소 합금을 주조하여 제조된 잉곳을 압연함으로써, 스퍼터링 공정 동안 니켈 실리사이드의 층이 균일하게 증착되는 것이 촉진되는 것으로 밝혀졌다.
특히 바람직한 스퍼터 타깃의 제조방법에 따르면, 니켈과 규소를 도가니 속에서 분말 또는 작은 블럭으로서 블렌딩하고, 유도로(induction furnace) 또는 저항로(resistance furnace)에서 용융시킨다. 바람직하게는, 블렌드를 주조하여 규소를 극미량, 약 4.5중량% 이하 함유하는 잉곳을 제조한다. 잉곳을 압연하여, 목적하는 두께, 즉 0.12in(3mm)를 초과하는 두께를 갖는 플레이트를 제조한다. 마지막으로, 플레이트를 기계 가공하여 타깃을 제조한다. 따라서, 본 발명에 따르는 타깃은 규소를 약 0.001 내지 약 4.39중량% 미만 포함한다. 더욱 바람직하게는, 타깃은 NiSi를 0.1 내지 3.00중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2.5중량% 포함한다. 현재, 바람직한 타깃은 NiSi를 2.0중량% 포함한다.
니켈과 규소는 분말 또는 작은 블럭의 형태로 불렌딩될 수 있다. 바람직하게는, 블렌딩은 니켈과 규소를 용융시키기 위해 유도로 또는 저항로에 끼워 넣을 수 있는 도가니 속에서 수행된다. 예를 들면, 니켈은 1in³크기의 블럭 형태로 가하여, 규소와의 블렌딩 전에 도가니에서 용융시킬 수 있다.
금속의 주조, 압연 및 기계 가공은 당해 기술분야의 숙련가들에게 잘 알려진 통상적인 방법으로 수행할 수 있다.
규소를 약 4.39중량% 미만, 바람직하게는 2.0중량% 미만의 극미량으로 포함하는 경우, 스퍼터링 균일성이 보다 양호해질 수 있다. 또한, 규소를 약 4.39중량% 미만, 바람직하게는 2.0중량% 미만의 극미량으로 포함하는 스퍼터 타깃은 니켈만을 함유한 타깃보다 자기력 통과 선속(magnetic pass through flux)이 양호한 경향이 있다.
본 발명은 다음의 실시예에 의해 추가로 기술되며, 이들 실시예는 청구된 바와 같은 본 발명을 비제한적으로 예시한다.
실시예 1: 니켈과 규소 분말로 이루어진 10g의 블렌드 3개를 제조하고, 이들을 도가니에서 용융시키고, 주조하여, 다음과 같은 조성을 갖는 규소 합금 잉곳을 제조하였다.
NiSi 0.10중량%
NiSi 1.00중량%
NiSi 1.50중량%
NiSi 2.00중량%
NiSi 2.50중량%
NiSi 3.00중량%
NiSi 3.50중량%
NiSi 4.00중량%
NiSi 4.38중량%
실시예 2: 실시예 1에서 제조한 잉곳으로부터 니켈-규소 합금 타깃을 제조하였다. 특히, 규소가 2.0중량% 함유된 타깃이 스퍼터링 균일성이 향상되었다.
또한, 타깃을 기계 가공하기 전에, 니켈-규소 합금을 주조하여 제조된 잉곳을 압연함으로써 합금이 균일한 그레인 크기로 제조되는 것이 촉진되며, 이는 스퍼터링 공정 동안 니켈 실리사이드의 층이 균일하게 증착되는 것을 촉진시키는 것이 밝혀졌다. 전이 금속이 이의 퀴리 온도보다 낮은 온도에서 니켈과 합금되지 않기 때문에, 당해 타깃을 니켈 실리사이드화 공정에서 사용하는 경우, 불순물이 발생하지 않는다.
본원에 기술된 방법 및 당해 방법에 따라 제조한 스퍼터 타깃은 본 발명의 바람직한 양태를 구성하며, 본 발명은 이들 방법 및 스퍼터 타깃에 한정되지 않으며 청구의 범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 변형될 수 있음을 이해해야 한다.
[관련 특허에 대한 상호 참조]
본원은 2003년 5월 2일자로 출원된 미국 가특허원 제60/467,354호에 대한 이익을 주장한다.

Claims (16)

  1. 규소가 약 0.001 내지 약 4.39중량% 미만의 양으로 존재하는 니켈/규소 합금을 포함하는 스퍼터 타깃(sputter target).
  2. 제1항에 있어서, 규소가 약 0.1 내지 3.00중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  3. 제2항에 있어서, 규소가 약 0.5 내지 2.5중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  4. 제3항에 있어서, 규소가 약 2.0중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  5. 제1항에 있어서, 규소가 약 4.0중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  6. 제1항에 있어서, 규소가 약 4.38중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  7. 제1항에 있어서, 규소가 약 3.5중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  8. 제1항에 있어서, 규소가 약 3.0중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  9. 제1항에 있어서, 규소가 약 2.5중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  10. 제1항에 있어서, 규소가 2.0중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  11. 제1항에 있어서, 규소가 약 1.5중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  12. 제1항에 있어서, 규소가 약 1.0중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  13. 제1항에 있어서, 규소가 약 0.10중량%의 양으로 존재하는 스퍼터 타깃.
  14. 마그네트론 스퍼터링 시스템을 제공하는 단계,
    규소가 극미량 내지 약 4.39중량% 미만의 양으로 존재하는 니켈/규소 스퍼터 타깃을 제공하는 단계,
    니켈/규소 스퍼터 타깃에 걸쳐 자기장을 제공하는 단계 및
    니켈/규소 물질을 니켈/규소 스퍼터 타깃으로부터 실리콘 웨이퍼 위에 스퍼터링하는 단계를 포함하는, 니켈/규소 물질을 웨이퍼 위에 스퍼터링 피복하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 규소가 약 2.0중량%의 양으로 존재하는 방법.
  16. 규소가 극미량 내지 약 4.39중량% 미만의 양으로 존재하는 니켈과 규소의 혼합물을 제공하는 단계,
    혼합물을 니켈과 규소의 블렌드 속에 합하는 단계 및
    합한 블렌드를 목적하는 스퍼터 타깃 형태로 제조하는 단계를 포함하는, 스퍼터 타깃의 제조방법.
KR1020057020507A 2003-05-02 2004-04-29 실리콘 함량이 낮은 Ｎｉ-Ｓｉ 스퍼터링 타깃의 제조방법및 당해 방법으로 제조한 타깃 KR20050118313A (ko)

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