KR20070015937A - 스퍼터 반응기에서 금속 배리어를 형성하는 다단계프로세스에 이용되는 가변성 4중극 전자석 어레이 - Google Patents

스퍼터 반응기에서 금속 배리어를 형성하는 다단계프로세스에 이용되는 가변성 4중극 전자석 어레이 Download PDF

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알빈드 선달라잔
에드워드 피. 4세 함몬드
프라브램 고팔라자
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마크 에이. 펄린
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Abstract

스퍼터 챔버(70) 및 다단계 프로세스가 이용될 수 있다. 4중극 전자석 사각 어레이(72)는 챔버 내의 RF 코일(46)의 후면에서 바람직하게 챔버 축과 동축이다. 코일 전류들은 예를 들어, 스퍼터 타겟(38)이 웨이퍼(32) 상에 타겟 재료를 스퍼터링하도록 전력이 인가되는 스퍼터 증착 모드와 RF 코일이 아르곤 스퍼터링 플라즈마를 지지하는 스퍼터 에칭 모드 사이에, 상이한 자기장 분포가 이루어지도록 개별적으로 제어된다. 타겟 재료의 RF 코일에 대해, 코일은 DC 바이어스될 수 있고 코일 어레이는 마그네트론으로서 작용한다. 이러한 플라즈마 스퍼터 챔버에서 수행되는 다단계 프로세스는 다양한 조건하에서 타겟으로부터 배리어 재료의 스퍼터 증착 및 기판의 아르곤 스퍼터 에칭을 포함한다. 플래시 단계는 타겟 전력 및 웨이퍼 바이어스가 감소되게 적용된다.

Description

스퍼터 반응기에서 금속 배리어를 형성하는 다단계 프로세스에 이용되는 가변성 4중극 전자석 어레이{VARIABLE QUADRUPLE ELECTROMAGNET ARRAY, PARTICULARLY USED IN A MULTI-STEP PROCESS FOR FORMING METAL BARRIER IN A SPUTTER REACTOR}
본 발명은 기판의 플라즈마 처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 RF 코일 및 보조 자석들, 예를 들면 다단계 프로세스 배리어 프로세스에 이용되는 스퍼터 반응기에 이용되는 전자석에 관한 것이다.
선택적으로 물리적 기상 증착(PVD)이라 불리는 스퍼터링은 반도체 집적회로의 제조에 있어 몇 개의 상이한 금속들 및 관련 재료들의 층들을 증착하는데 이용된다. 하나의 적용분야에서, 통상적으로 실리콘 산화물 또는 유사한 산화물 재료들로 구성된 층간(inter-level) 유전체층 속으로 에칭되는 폭이좁은 홀의 측벽 및 바닥부상에 얇은 배리어층이 증착된다. 다음 홀의 나머지부는 유전체층을 관통하는 비아에 수직적으로 또는 유전체층의 표면에 형성된 트렌치 상호접속부에 수평하게 전기적 접속부로서의 역할을 하는 금속으로 채워진다. 배리어층은 금속과 산화물 유전체 간의 확산을 방지하여 산소가 금속 전도성을 약화시키고 금속이 유전체의 저항성을 감소시키는 것을 방지한다.
개선된 집적회로에서, 높은 전도성 및 낮은 전기이동도로 인해 점차적으로 구리가 금속배선(metallization) 재료로 사용되고 있다. 다양한 배리어 재료들이 구리 금속배선에 대해 제안되었다. 가장 보편적인 배리어 재료는 그 상부에 증착되는 구리에 대한 웨팅층(wetting layer)을 Ta층과 산화물에 접착력을 제공하는 TaN층을 갖는 통상적으로 TaN/Ta 이중층 형태인, 탄탈을 기초로한다. 도 1의 단면도에 개략적으로 도시된 마그네트론 스퍼터 반응기(10)는 높은 종횡비를 가지는 홀속에 Ta 및 TaN 박막들을 효과적으로 스퍼터링하고 기판을 플라즈마 세정하고 증착된 탄탈-기재 막들을 선택적으로 에칭할 수 있다. 반응기(10)는 중심축(14) 부근에서 일반적으로 대칭으로 배열된 진공 챔버(12)를 포함한다. 진공 펌프 시스템(14)은 10-6Torr 범위의 매우 낮은 베이스 압력으로 챔버(12)를 펌핑한다. 그러나 질량 흐름 제어기(20)를 통해 챔버에 접속되는 가스 소스(18)는 스퍼터 작업 가스로서 아르곤을 공급한다. 챔버(12) 안쪽에서 아르곤 압력은 통상적으로 낮은 밀리토르 범위로 유지된다. 티타늄 질화물이 증착될 경우 제 2 가스 소스(22)는 또다른 질량 흐름 제어기(24)를 통해 챔버에 질소 가스를 공급한다.
중심축(14) 부근에 배열된 페데스탈(30)은 웨이퍼(32) 또는 스퍼터 코팅될 다른 기판을 보유한다. 도시되지 않은 클램프 링 또는 정전기 척은 페데스탈(30)에 대해 웨이퍼를 보유하는데 이용될 수 있다. RF 전력원(34)은 용량성 결합 회로(36)을 통해 전극으로서의 역할을 하고 전도성인 페데스탈(30)에 접속된다. 플라즈마 제공시, RF 바이어스 페데스탈(30)은 네거티브 DC 바이어스를 나타내며, 이는 플라즈마내에서 포지티브 이온들을 유인하고 가속시키는 작용을 한다. 전기적으로 접지된 차폐물(36)은 스퍼터 증착으로부터 페데스탈(30)의 측면들과 챔버 벽들을 보호한다. 타겟(38)은 페데스탈(30)과 대향되게 배열되고 절연기(40)를 통해 챔버(12)를 진공 밀봉한다. 적어도 타겟(38)의 전방 표면은 웨이퍼(32) 상에 증착되는 금속성 재료, 이 경우 티타늄로 구성된다.
DC 전력원(42)은 접지된 차폐물(36)에 대해 네거티브 전압으로 타겟(38)을 전기적으로 바이어스시켜 아르곤이 플라즈마로 방전되어 포지티브로 하전된 아르곤 이온이 네거티브로 바이어스된 타겟(38)으로 끌려가 타겟으로부터 탄탈을 스퍼터링하게 하며, 이들 중 일부는 웨이퍼(32) 상에 떨어져 그 위에 탄탈 타겟 재료의 층이 증착된다. 반응성 스퍼터링에서, 질소 소스(18)로부터 반응성 질소 가스가 챔버(12) 속으로 부가적으로 허용되어 스퍼터링되는 탄탈과 반응하여 웨이퍼(32) 상에 탄탈 질화물층의 증착이 이루어진다.
부가적으로 반응기(10)는 바람직하게 접지된 차폐물(26) 바로 안쪽의 중심축(14) 부근에서 한번 넓게 감기고 타겟(38)에 대한 간격의 약 1/3만큼 페데스탈(30) 위에 위치된 유도성 코일(46)을 포함한다. 코일(46)은 접지된 차폐물(26) 또는 다른 내부 환형 차폐물 상에서 지지되나 이들로부터 전기적으로 절연되며, 전기적 리드가 코일(46)에 전력을 공급하기 위해 차폐물(26)과 챔버(12)의 측벽들을 관통한다. 바람직하게, 코일(46)은 타겟(38)과 동일한 배리어 재료로 구성된다. RF 전력 공급부(48)는 코일(46)에 RF 전류를 인가하여 챔버 내부에 축방향 RF 자기장을 유도하여 플라즈마에 커플링 전력에서 매우 효과적인 방위각 RF 전기장을 생성하여 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 타겟 전력이 턴오프되고 스퍼터 반응기가 아르곤 이 온으로 웨이퍼(32)를 에칭하기 위해 또는 다른 목적을 위해 사용되는 경우, 유도 결합된 RF 전력이 제 1 플라즈마 전력원으로서 이용될 수 있다. 유도 결합된 RF 전력은 선택적으로 타겟(38)으로 연장되는 플라즈마 밀도를 증가시키는 작용을 할 수 있다.
코일(46)은 비교적 넓을 수 있고 적절한 조건하에 제 2 차 스퍼터링 타겟으로서의 역을 위해 탄탈로 구성될 수 있다.
스퍼터링 원자들의 스퍼터 이온화 분률 및 타겟 스퍼터링 속도는 마그네트론(50)을 타겟(38) 뒤에 위치시킴으로써 크게 증가될 수 있다. 마그네트론(50)은 바람직하게 작고 강하며 불균일하다. 소규모성(smallness) 및 강도는 이온화비를 증가시키며 불균일은 웨이퍼로 스퍼터링된 이온들의 유도 및 벽들에 대한 플라즈마 손실의 적어도 2가지 효과를 위해 프로세싱 영역 속으로 자기장을 투사한다. 이러한 마그네트론은 중심축을 따르는 하나의 자기극의 내부 극(52) 및 상반되는 자기극을 가지며 내부 극(52)을 둘러싸는 외부 극(54)을 포함한다. 타겟(38)의 정면에서 상기 극들(52, 54) 사이로 연장되는 자기장은 타겟(46)의 정면에 인접하게 고밀도 플라즈마 영역을 형성하여 스퍼터링 속도를 크게 증가시킨다. 마그네트론은 외부 극(54)의 전체 자기장 세기, 즉, 그의 면적 위로 통합된 자속이 이를테면 2 이상의 팩터 만큼 내부 극의 자속 보다 실질적으로 크다는 의미에서 불균일하다. 불균일한 자기장이 웨이퍼(32)를 향해 타겟(38)으로부터 투사되어 플라즈마를 연장시키고 스퍼터링된 이온들을 웨이퍼(32)로 유도하여 측면에서 플라즈마 확산을 감소시킨다. 보다 균일한 타겟 스퍼터링 패턴을 제공하기 위해, 마그네트론(40)은 통 상적으로 중심축(14) 부근에서 비대칭적인 삼각형 형상으로 형성되나, 모터(60)는 중심축(14)을 따라 연장되며 자기 극들(52, 54)을 지지하는 플레이트(66)에 고정된 회전 샤프트(62)를 구동시켜 중심축(40) 부근에서 마그네트론(40)을 회전시켜 방위각적으로 균일한 시간-평균 자기장을 산출한다. 자기 극들(52, 54)이 대향된 실린더형 영구 자석들의 개별 어레이들로 형성된 경우, 플레이트(66)는 자성 요크로서 기능하도록 자기적으로 연성인 스테인레스 스틸과 같은 자성 재료로 바람직하게 형성된다. 본 명세서에서 참조되는 궁(Gung) 등의 미국 특허 출원 No. 10/949,635호에 개시된 것처럼 스퍼터링 프로세스의 상이한 단계들과 챔버 세정 사이에 마그네트론의 방사상 위치가 변경될 수 있는 마그네트론 시스템이 공지되어 있다.
고종횡비 홀들로의 탄탈 스퍼터링은 전체 웨이퍼에 대한 증착 균일성을 일정하게 하고 상부 평면형 표면을 에칭하지 않고 Ta 및 TaN 모두에 대해 양호한 측벽 커버리지를 달성하기 위해 스퍼터링 조건들의 신중한 제어를 요구한다. 바람직하게 비아 바닥부는 층들 간에 구리 콘택을 제공하도록 비아에서 코팅되지않게 되는 반면 트렌치 바닥부는 코팅이 유지될 필요가 있다. 스퍼터링 프로세스에서는 중성 탄탈(Ta0), 탄탈 이온들(Ta+), 및 아르곤 이온들(Ar+)의 3가지 활성 종들이 제공된다. 웨이퍼 바이어싱 없는 웨이퍼에 대한 이들의 플럭스 분포가 도 2, 3, 및 4에 플롯 A, B, C로 도시된다. 이들 모두의 프로파일은 중심부에서는 집중되고(heavy) 에지상에서는 미약하며(light) 이는 웨이퍼와 적절한 크기의 타겟 간의 제한된 공간으로부터의 기하학적구조의 작용 때문이며, 또한 낮은 자기장의 중심부 영역으로 플라즈마 이온들이 확산하는 경향이 있기 때문이다. 웨이퍼 바이어싱 부재시, 도 5에 도시된 순(net) 탄탈 증착 프로파일은 2개의 탄탈 프로파일의 합(A+B)이 된다. 중심부 피크는 마그네트론의 형성에 의해 다소 완화될 수 있어 타겟 에지 부근에서 집중된 스퍼터링이 야기될 수 있다. 그러나, 이러한 방안은 스퍼터링된 탄탈 플럭스가 웨이퍼 중심부를 향해 큰 수평 속도 성분을 갖게 한다. 방사상 입자 비대칭은 코팅되는 홀의 대향 측벽들 간의 비대칭을 산출한다. 선택적으로, 웨이퍼 바이어싱은 방사상 증착 균일성을 개선하는데 이용될 수 있다. 특히, 웨이퍼 바이어싱은 아르곤 이온들이 증착되는 탄탈을 부분적으로 에칭하도록 최적화될 수 있다. 아르곤 프로파일은 중심부가 피크치이기 때문에, 탄탈 에칭은 중심부에서 보다 강해진다. 도 5에 도시된 최적화된 순 탄탈 증착은 A+B-αC의 합이며, α는 바이어싱에 따라 좌우된다. 프로파일은 완전히 균일하지는 않지만 중심부에서의 증착은 에지에서의 증착과 거의 같아지도록 감소될 수 있다. 웨이퍼 바이어싱이 보다 증가된다면, 도 7에 도시된 결과 프로파일은 미약한(light) 중심부 증착에 비해 집중된 에지 증착을 나타내어, 도 6의 프로파일보다 악화된 것으로 여겨진다.
자체적인 바이어스 최적화는 프로세스 윈도우가 비교적 폭이 좁다는 문제점을 갖는다. 심지어 최적화된 조건으로부터의 작은 편차가 순(net) 탄탈 증착에서 큰 편차를 산출할 수 있다. 유사한 형태의 균일화(balancing)가 측벽 커버리지, 바닥부 제거, 및 단지 부분적인 블랭켓(blanket) 에칭에 대해 요구된다. 지금까지, 이러한 균일화는 타겟 전력, 바이어스 전력 및 코일 전력의 변동에 의해 주로 달성되었다. 보다 제어된 변동성(variables)은 최적화 프로세스를 쉽게하고 보다 넓은 프로세스 윈도우를 제공할 것이다.
보조 자석 어레이가 스퍼터링 조건을 제어하도록 제안되었다. 영구 자석들은 RF 코일 없이 간단한 DC 마그네트론 스퍼터 반응기의 구성에서 균일성을 강화시키는 것으로 밝혀졌다. 그러나 자화량은 쉽게 변하지 않기 때문에 최적화는 여전히 어렵다. 솔레노이드 코일이 제안되었다. 솔레노이드 코일을 구동시키는 DC 전력은 보다 쉽게 변동될 수 있지만, 이는 단지 하나의 추가적인 제어이다. 또한, 솔레노이드 코일은 챔버 외측에 생성되는 스트레이 자기장 문제를 유도한다. 스퍼터 반응기들은 종종 클러스터 툴 상에서 엄격히 제어된 자기장을 따르는 다른 스퍼터 반응기들 또는 다른 형태의 반응기들과 근접하게 이격된다. 교차 작용이 방지될 필요가 있다. 일반적인 룰은 스트레이 자기장이 반응기 중심부로부터 20 인치(50cm)에서 1 가우스(약 1/2 가우스의 지자기에 비교됨)를 초과하지 않아야 한다. 일반적으로 이 간격은 클러스터 투 상의 이웃하는 반응기들의 위치에 해당한다. 낮은 레벨의 스트레이 필드는 300mm 웨이퍼들을 처리하는 반응기에 대해 엄격한 요구조건을 제시한다.
왕(Wang)에 의한 미국 특허 6,352,629호 및 왕(Wang) 등에 의한 미국 특허 6,730,196호에 개시된 것처럼, 스퍼터링 반응기에 전자석들이 적용된다. 광(Gung) 등은 공동으로 양도된 미국 특허 10/608,306호에 스퍼터 반응기에서의 이용을 위해 실질적으로 동일한 반경을 갖는 2개의 동축의 전자석들을 개시했다.
집적회로 상의 피쳐 크기들이 지속적으로 감소되고 다양한 층들의 깊이 및 두께가 감소됨에 따라, 고종횡비의 비아에서 측벽 커버리지를 달성하고 바닥부 배 리어층들을 제거하는데 있어 고도로 활성화된 스퍼터 이온들의 사용이 부적절해졌으며, 이는 이들이 손상을 야기시킬 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 선택적 증착 및 제거가 여전히 요구되고 있다.
웨이퍼 이송 및 챔버 펌프 다운은 높은 오버헤드를 제공한다. 따라서, 원하는 구조물을 달성하는데 있어 요구되는 챔버 개수를 감소시키는 것이 요구된다. 예를 들면 프로세스의 상이한 단계들 동안 웨이퍼 바이어스를 변화시키고 이온화 분량(fraction)을 변화시킴으로써, 다수의 상이한 모드에서 스퍼터 반응기를 사용하는 것이 공지되었다. 또한 배리어 금속이 증착된 이후 오버행 또는 바닥부 배리어들을 제거하기 위해 아르곤으로 웨이퍼를 스퍼터링할 수 있다. 이후, 챔버들은 다중 동작 모드에 대해 최적화되지 않는다. 이들 상이한 단계들에서는 상이한 자성 포커싱이 제공되는 것이 바람직하다.
탄탈 및 구리의 증착 뿐만 아니라 소정의 내화 금속들의 증착을 포함하는 개선된 분야에 대해 유사한 스퍼터 반응기들이 상이한 프로세스들에 사용된다는 것도 고려된다. 심지어 탄탈 배리어 증착에 대해, 상이한 제조 라인들이 상이한 설계에 대해 최적화되고 집적회로 설계가 동일한 제조자에 대해서도 시간에 따라 전개된다. 따라서 프로세스 최적화가 쉽게 허용되도록 충분히 탄력적이고 상이한 증착 단계들 및 재료들의 요구조건을 충족시키도록 조절될 수 있는 스퍼터 반응기를 산출하는 것이 상업적으로 바람직하다.
플라즈마 스퍼터 반응기는 챔버의 축 부근에 배열된 전자기 코일의 어레이를 포함한다. 적어도 2개의 코일 전자석들은 상이한 반경들을 갖는다. 바람직하게 어레이는 3개의 전자석 및 보다 바람직하게는 직사각형 어레이에 배열된 4개의 전자석을 포함한다.
또한 본 발명은 상이한 자기장 분포를 생성하기 위해 전자석들이 상이한 단계들에서 상이한 전력이 인가되는 다단계 증착 프로세스를 포함한다. 전자석 어레이는 플라즈마에 전력을 공급하기 위한 RF 코일을 갖춘 스퍼터 반응기에 바람직하게 적용되며, 어레이는 일반적으로 RF 코일의 후방에 위치된다. 또한 RF 코일은 스퍼터링을 조장하도록 DC 바이어스될 수 있다. 본 발명의 다단계 프로세스는 상이한 RF 전력인가를 포함한다.
다중의 독립적 전력원들 또는 전류 스위칭 회로는 어레이의 코일들중 상이한 하나에 선택적으로 상이한 비율의 전류를 인가한다. 따라서, 스퍼터 반응기는 상이한 모드에서 동작할 수 있다. 특히, 하나의 코일 전류 분포를 이용하는 하나의 모드는 타겟으로부터 기판상에 재료를 스퍼터링하고, 또 다른 코일 전류 분포를 이용하는 또다른 모드는 예를 들어, 아르곤 이온들을 이용하여 기판을 스퍼터 에칭한다.
또한 본 발명은 다른 반응기들에 영향을 미칠 수 있는 가능성 및 스퍼터 반응기의 먼 외측으로 연장되는 스트레이 자기장을 감소시키는데 유용하다. 자성 차폐물은 코일들 간의 자성 코어 및 내부 코일들과 외부 코일들 사이의 카운터 회전 코일 전류들의 특정 비율에 의해 강화된다.
사중극 전자기 코일 어레이는 와인딩 스풀(winding spool) 상에 감길 수 있다. 먼저 2개의 내부 코일들이 이들 사이의 비자성 방사상 분리기로 감긴다. 환형의 축방향으로 연장되는 분리기는 내부 코일 외측 너머로 슬라이드되며 또다른 비자성 방사상 분리기를 포함한다. 외부 2개의 코일은 튜브형 분리기 너머로 감긴다. 일부 실시예에서, 튜브형 분리기는 바람직하게 자성 재료로 형성되어, 챔버 외측의 스트레이 자기장을 감소시키고 챔버 내부의 주어진 자기장 세기에 대해 요구되는 전류를 감소시킨다.
다중-코일 어레이는 물 또는 예를 들어 방사상 외부상에 있는 적어도 2개의 전자기 코일과 열적으로 접촉하도록 고정된 나선형의 냉각 코일을 통해 순환하는 다른 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 자성 코일 분리기는 방사상 외부 냉각 코일로부터 내부 코일로 열 전달을 용이하게 한다.
배리어층을 증착하는 이러한 스퍼터 반응기에서 수행되는 다단계 프로세스는 에칭 단계를 포함할 수 있다. 다단계 프로세스의 실시예는 스퍼터 이온화를 조장하는 높은 타겟 전력공급 및 이온 에너지 및 방향성을 증가시키는 강화 웨이퍼 바이어싱 하에서 탄탈 및 탄탈 질화물과 같은 내화 금속으로 형성된 배리어층의 스퍼터 증착을 포함한다. 질화물은 내화 금속 보다 높은 에너지로 바람직하게 스퍼터링되어 질화물 바닥부 커버리지가 제로로 낮아지고 하부 콘택이 추가로 세정될 수 있다. 아르곤 에칭 단계는 최소 타겟 전력 및 코일에 대한 상당한 RF 전력을 이용하여 수행된다. 내화 금속의 플래시(flash) 스퍼터 증착은 필드 커버리지를 보장하기 위해 높은 중성의 스퍼터 플럭스를 산출하도록 수행된다.
도 1은 종래의 탄탈 스퍼터 반응기의 개략적 단면도,
도 2 내지 도 4는 도 1의 반응기에서 각각 중성 탄탈, 탄탈 이온 및 아르곤 이온들에 대한 웨이퍼 직경의 플럭스 프로파일의 개략도,
도 5 내지 도 7은 도 1의 반응기에서 각각 제로 바이어스, 최적화된 바이어스, 및 오버 바이어스에 대한 웨이퍼 직경의 탄탈 증착 프로파일의 개략도,
도 8은 4중극 전자석 어레이를 포함하는 본 발명의 스퍼터 반응기 개략도,
도 9 내지 도 12는 상이한 모드에서 4중극 전자석 어레이를 동작시키는 자기장 분포의 개략도,
도 13 및 도 14는 4중극 전자석 어레이의 2개 실시예의 단면도,
도 15 및 도 16은 각각 전자석 코일들 및 냉각 코일의 4중극 어레이를 포함하는 챔버 어댑터의 상부 및 하부에서 취한 직교도,
도 17은 도 15 및 도 16의 어댑터의 단면도,
도 18은 도 15-17의 전자석 어레이 및 어댑터의 확대 단면도,
도 19는 도 15-17의 냉각 코일의 직교도,
도 20은 전자석 어레이와 전기적으로 접속되는 전기적 단자 보드의 평면도,
도 21은 원심분리기, 2-위치 마그네트론의 직교도,
도 22는 타겟상의 마그네트론의 2 위치의 평면도,
도 23은 본 발명에 따라 달성될 수 있는 듀얼-다마신 라이너 구조물의 개략도,
도 24는 본 발명의 다단계 증착 및 에칭 프로세스를 나타내는 흐름도.
본 발명의 일면은 본 발명에 의해 이용되는 다단계 스퍼터링 및 에칭 프로세스에서 스퍼터 챔버내의 자기장을 탄력적으로 조절하기 위해, 바람직하게 어레이에 배열된 다중 솔레노이드 코일 또는 전자석을 따른다. 도 8의 단면도에 개략적으로 도시된 플라즈마 반응기(70)는 일반적으로 RF 코일(46)의 후방에 위치된 4중극 전자석 어레이(72)를 포함한다. 4중극 전자석 어레이(72)는 반응기(70)의 중심축(14) 부근에서 일반적으로 대칭으로 순환되게 감긴 4개의 솔레노이드 코일(74, 76, 78, 80)을 포함한다. 코일들(74, 76, 78, 80)은 바람직하게 중심축 부근으로 연장되는 2차원 어레이에 배열된다. 상부 내부 자석(74)은 TIM(top inner magnet)이고, 상부 외부 자석(76)은 TOM(top outer magnet)이고, 하부 내부 자석(78)은 BIM(bottom inner magnet)이고, 하부 외부 자석(80)은 BOM(bottom outer magnet)이라 칭한다. 코일들(74, 76, 78, 80) 각각은 예를 들어 개별적 가변 DC 전류 공급원들(82, 84, 86, 88), 바람직하게는 바이폴라 DC 공급원들에 의해 독립적으로 전력이 공급될 수 있다. 상응하는 도시되지 않은 접지들 또는 리턴(return) 경로들은 다중-랩(multi-wrap) 코일들(74, 76, 78, 80)의 다른쪽 단부에 접속된다. 그러나 가장 보편적인 경우, 모든 코일들(74, 76, 78, 80)이 공통 접지 또는 다른 공통 전위에 접속될 필요는 없다. 다른 와이어링 패턴도 가능하다. 모든 코일들(74, 76, 78, 80)은 적어도 하나 바람직하게는 2개의 단부 접속부를 포함하며, 이는 접속부가 전력 공급원들 또는 다른 전류 경로와 구별되고 이들 접속부들의 재구성이 쉽도록 조립된 챔버의 외부상에서 쉽게 액세스가능하여, 상이한 분야에 대해 또는 개발 도중 챔버의 구성화에 탄력성을 크게 증가시킨다. 제조시, 전류 공급원들(82, 84, 86, 88)의 수는 감소될 수 있으나 반응기(70)에 대한 프로세스가 변함에 따라 요구조건이 발생할 경우, 바람직하게 선택된 극성에 따라 4개의 상이한 코일들(74, 76, 78, 80)에 선택적으로 독립적으로 전력을 공급하기 위해 능력을 유지할 수 있다. 또한, 일반적 프로세스 체제가 설정되면 전류 분할기 및 조합기 및 일련의(평행 및 비평행) 코일 접속부가 사용될 수 있다.
바람직하게 프로세스 개발 동안, 도 20과 관련하여 이후 개시되는 접속 보드 각각의 단자들로 4개의 코일들(74, 76, 78, 80)의 8개 와이어를 유도하는 것이 바람직하다. 보드의 다른 단자들은 하나 이상의 전력 공급원들(82, 84, 86, 88)과 접속된다. 작업자는 코일 어레이(72) 또는 스퍼터링 챔버(70)의 분리 없이 선택된 쌍의 단자들 사이의 점퍼 케이블로 접속 스켐을 수동으로 재구성할 수 있다. 또한 상이한 구성에 대해 전기적으로 제어된 스위치들이 사용될 수도 있다.
DC 전력 공급부(49)는 보다 나은 스퍼터링 제어를 위해 DC 전압을 인가하도록 RF 코일(46)과 접속된다. 코일 RF 공급부(48) 및 코일 DC 공급부(49)의 도시된 평행 접속부가 단독으로 기능한다. 이들은 직렬로 접속 또는 결합되며 예를 들면 RF 전력 공급부(48)와 직렬인 용량성 회로 및 DC 전력 공급부(49)와 직렬인 유도성 회로와 같은 필터 회로가 RF 및 DC 전력 모두의 선택적 부가를 위해 사용될 수 있다. 단일 코일 전력 공급부는 두 가지 형태의 전력에 대해 설계될 수 있다.
제어기(89)는 웨이퍼(32)에 원하는 구조물을 달성하기 위한 프로세스 레시피가 제공된 디스크와 같은 메모리(89)를 포함하다. 따라서 제어기(89)는 프로세스 제어 부재들, 예를 들면 진공 시스템(16), 프로세스 가스 질량 흐름 제어기(20, 24), 웨이퍼 바이어스 공급부(34), 타겟 전력 공급부(42), RF 및 DC 코일 공급부들(48, 49), 마그네트론 모터(60)를 제어하여 그의 회전 속도 및 마그네트론의 위치 및 4개의 전자석 전류 공급부들(82, 84, 86, 88)을 제어한다.
중심축 부근의 반경(a)을 가지며 전류(I0)를 보유하는 이상적인 전류 루프에 의해 생성된 벡터 자기장 분포에 대한 정확한 해(solution)가 공지되었다. Schill, Jr. 등의 "General Relation for the Vector Magnetic Field of a Circular Current Loop: A Closer Look," IEEE Transactions on Magnetics, vol.39, no.2(2003,3)을 참조하라. 중심축으로부터의 반경(r) 및 코일의 축방향 위치(Z0)를 기준으로 축을 따른 간격(z)에서 방사상 자기장 Br(r,z) 및 축방향 자기장 Bz(r,z)은
Figure 112006077669881-PCT00001
가 되며,
Figure 112006077669881-PCT00002
이다.
이들 식에서, K(k) 및 E(k)는 각각 제 1 및 제 2 형태의 완전 타원 적분 함수이며 II(k,n,π/2)는 제 3 형태의 완전 타원 적분 함수로,
Figure 112006077669881-PCT00003
이며, 여기서,
Figure 112006077669881-PCT00004
이다.
모든 코일들이 동일한 중심축 부근에서 대칭이라고 가정하면, 4개의 코일들에 대해 각각 반경 ai 및 높이 zi에 위치되며 개별 전류 Ii를 보유하는 동일한 관계가 유지되며 전체 자기장은 4개 코일 기여분(contribution)의 합이된다. 도 8에 도시된 전자석 어레이(72)의 사각형 기하학 구조에서는 단지 2개의 반경과 2개의 높이만이 제공되어 일단 코일 어레이가 바람직하게 단일 구조물로 제조된 이후에는 변형되기가 쉽지 않다. 그러나, 자기장 분포를 조절하는데 있어 큰 자유도가 허용되도록 4개 전류가 쉽고 개별적으로 가변될 수 있다.
그러나, 또다른 일부 이론은 최적의 전류값을 검출하는데 있어 일부 지침서를 제공한다. 스퍼터 반응기 대신에, 이온 플럭스, 스퍼터된 금속 이온들 및 작업 가스 모두를 제어하는 능력은 두께, 측벽 및 바닥부 커버리지, 저항율 및 야금(metallurgical) 상태를 포함하여, 웨이퍼에 대한 막 균일성의 막 특성을 검출한다. 스퍼터 반응기의 동작은 챔버 내부의 플라즈마가 플라즈마 시쓰를 제외한 대부분의 전기장 영역을 차폐하고 이온 플럭스들을 변화시키는 효과적인 방법이 자기장 형상화에 따르는 구현을 기초로하며, 이는 연속 방정식
Figure 112006077669881-PCT00005
로 주어지며,
여기서, L과 R은 각각 분해 속도 및 재결합 속도를 나타내고, 여기서 이온 플럭스 밀도는
Figure 112006077669881-PCT00006
이며, 전하 밀도는
Figure 112006077669881-PCT00007
이고,
Figure 112006077669881-PCT00008
는 확산 상수이며 n은 수 밀도(number density)이다.
이온 및 중성자는 매우 빠르게 이동하기 때문에, 회전하는 DC 마그네트론은 안정한 것으로 간주될 수 있고, 정상 상태는
Figure 112006077669881-PCT00009
로 주어진다.
확산 상수(D)에서, 사이클로트론 주파수는 직교 자기장과 관련되고,
Figure 112006077669881-PCT00010
정상 상태 연속 방정식은 자기장 세기(
Figure 112006077669881-PCT00011
) 및 그의 변화도(▽
Figure 112006077669881-PCT00012
)도 수반한다.
전자석 어레이는 에지 부근에 널 자성(magnetic null)을 생성함으로써 웨이퍼 에지를 향하는 이온화된 스퍼터 이온들 및 아르곤 이온들을 유도하는 보다 직접적인 방법을 제공한다. 널 자성은 이온 스킨으로 작용하며 영역내에 고밀도 플라즈마를 제공하는 것으로 공지되어 있다.
4개의 전자기 코일에 의해 생성될 수 있는 자성 분포의 제 1 예가 도 9에 개략적으로 도시되었으며, 상부 코일(74, 76)이 대신 또는 부가적으로 이용될 수도 있지만, 예를 들어 외부, 하부 코일(80) 및 내부, 하부 코일(78)의 단지 하나의 수평한 쌍의 코일에 전력이 인가된다. 이러한 동작은 내부/외부 모드라 칭한다. 182 권선(turns)을 가지는 각각의 코일에서 약 19A의 전류가 효과적이다. 개략적으로 도시된 것처럼, 2개 코일(78, 80)은 상반되는 방향으로 흐르는 전류로 전력인가되어 반대로(counter) 회전하는 자기장 루프를 생성하여 전체 자기장은 내부, 하부 코일(78)의 극성을 따르게된다. 그러나 내부 코일(78) 보다 외부 코일(80)에 흐르는 전류가 클 경우, 환형의 널 자성(90)이 웨이퍼(32) 에지 부근의 2개 코일(78, 80)의 평면에 형성된다. 널(90)의 방사상 위치는 비평행 코일 전류의 상대값을 따른다. 널(90)은 웨이퍼 에지 부근에 고밀도 플라즈마 영역을 생성하여 널(90)의 방사상 바깥방향으로의 이온들이 중심축 부근의 낮은 필드 영역으로 확산되는 것을 방지한다. 이러한 자기장 형태는 스퍼터 증착 상태에서 유용하다. 한편, 외부 코일을 흐르는 전류가 내부, 하부 코일(78)의 반대로 회전하는 전류보다 작은 경우, 보다 큰 널 자성이 외부에 생성되어 자성을 유용하게 차폐할 수 있다.
스트레이 필드는 안쪽방향으로 이웃하는 코일(74, 78)들과 상반되는 전류 및 예를 들어 내부 코일(74, 78)에서 15A, 외부 코일(76, 80)에서 7.5A의 감소된 전류 레벨로 외부 코일(76, 80)에 전력을 인가함으로써 업/다운 모드에서 크게 감소될 수 있다. 특히 챔버 외측에서, 외부 코일(76, 80)로부터의 자기장은 보다 강한 내부 코일(74, 78)로부터의 자기장과 반응하여 이를 실질적으로 없앤다. 상대적인 전류 레벨은 상이한 코일에서 가능한 상이한 수의 권선들의 관점에서 원하는 자기장 분포를 생성하도록 선택된다.
도 10에 개략적으로 도시된 제 2 예는 예를 들어 내부, 상부 코일(74)과 내부 하부 코일(78)의 단지 하나의 수직적인 쌍의 코일들에 전력이 인가되고, 도시된 것처럼, 전류는 2개 코일(74, 78)에서 반대 방향으로 흐른다. 이러한 동작을 탑/보톰 모드라 부른다. 2개의 비평행 전류가 동일하더라도, 널 자성이 중심축을 따라 약한-필드 영역의 포인트에서 생성된다. 그러나, 코일(74, 78)중 하나가 실질적으로 큰 전류, 예를 들어, 상부 코일(74)에서의 큰 전류는 환형 널(92)이 중심축(14)으로부터 멀리 그리고 타겟 에지에 근접하게 형성되게 한다. 전류에서의 증가된 불균일성은 널(92)이 보다 강한 코일에 축방향으로 근접하고 차폐물(36)에 방사상 근접하게 한다.
모두 4개의 코일(74, 76, 78, 80)이 2개 실시예에서 도시된 유사한 차동 전류로 전력이 인가될 수 있다. 내부 및 외부 코일은 상이하게 전력이 인가될 수 있고 상부 및 하부 코일은 동시적으로 상이하게 전력이 인가될 수 있어 보다 많은 널들에 대한 보다 정확한 제어가 실행될 수 있다. 선택적으로, 내부 코일 및 외부 코일 또는 상부 코일 및 하부 코일은 도 9 또는 도 10의 보다 명확한 버전을 형성하도록 상이하게 전력이 인가되는 다른 세트로 유사하게 전력이 인가될 수 있다.
도 11에 개략적으로 도시된 제 3 예는 도 8의 반응기(70)를 동작시키는 에칭 단계 동안 상이한 방식으로 유사한 코일들을 사용한다. 에칭 단계에서는 타겟에 많은 전력이 인가되는 것이 아니라 RF 코일(46)에 RF 전력이 공급된다. RF 코일(46)이 하부 내부 코일(78)과 동축으로 위치된다고 가정하면, 코일은 플라즈마를 따르도록 RF 코일(46)의 내부 환형면에 평행한 강한 자기장에 강한 전력을 인가한 다. 다른 코일(74, 76, 80)에 전력이 인가될 필요는 없다. 그러나 보다 감소된 반대로 회전하는 전류가 하부, 외부 코일(78)에 인가될 수 있다. 주요한 장점중 하나는 제 2 자기장이 특히 외부 코일(80)의 방사상 외측의 제 1 자기장을 상쇄시켜 스퍼터 반응기 외측에서 야기되는 스트레이 필드가 감소된다는 것이다. 코일 어셈블리(72)가 RF 코일(46) 뒤에서 중심설정되는 경우, 상부 코일(74, 76)은 해당하는 하부 코일(78, 80)에서의 전류와 동일한 크기 및 극성을 가지는 전류로 전력이 인가될 수 있다.
도 12에 개략적으로 도시된 제 4 예는 도 11의 제 3 예와 유사하나 대응하며 하부에 놓인 하부 코일(78, 80)과 마찬가지로 상부 코일(74, 76)에 동일한 극성의 전류글이 공급된다. 이러한 구성은 RF 코일(46)이 대략 전자석(74, 76, 78, 80)의 어레이(72)의 높이일 때 특히 효과적이다.
도 13의 단면도에 도시된 것처럼, 4중극 코일 어셈블리(72)가 폴리머, 플라스틱, 또는 알루미늄 및 소정 형태의 스테인레스 스틸을 포함하는 비자성 재료와 같은 비자성 재료로 구성된 환형 분리기(100) 상에 4개의 코일(74, 76, 78, 80)을 형성하는 절연된 와이어의 다중 권선들을 부착하거나 휘감음으로써 형성될 수 있다. 분리기(100)는 외부 코일(76, 80)로부터 내부 코일(74, 78)을 분리하는 2개의 수직 암(102, 104)과 자유 공간을 지남에 따라 코일들 사이에 자기장이 흐르도록 허용하는 하부 코일(78, 80)과 상부 코일(74, 76)을 분리하는 2개의 수평 암(106, 108)을 포함한다. 다양한 암(102, 104, 106, 108)이 분리될 수 있다. 분리기(100)는 일반적으로 중심축(14) 부근에서 환형 대칭이며 진공 챔버(12)의 측벽으로 부터 바깥방향으로 연장되는 선반(shelf)에 의해 지지된다.
코일들은 와인딩 스풀상에 감길 수 있다. 내부 수평 암(106)에 해당하는 사각 고리가 와인딩 스풀에 고정된다. 2개의 내부 코일(74, 78)은 축방향 단부 상의 외측으로 양쪽 와이어의 양 단부가 유도되도록 암(106)에 의해 분리되는 개별 와이어로 감긴다. 원한다면 감긴 와이어는 에폭시 또는 다른 접착제로 포팅될 수 있다. 제 1 와인딩 완료 후, 수직 암(102, 104)에 해당하는 튜브가 감긴 내부 코일(74, 78) 위로 슬라이드되거나 또는 튜브형 세그먼트가 이들 부근에 조립될 수 있다. 튜브가 외부 수평 암(108)으로 형성되거나 또는 개별 사각 고리가 튜브 위에 슬라이드 또는 조립된다. 강성의 환형 분리기(100)를 제공하기 위해 접착제 또는 용접(welding)이 이용될 수 있다. 다음 와인딩 또는 포팅(potting)의 완료 후에 액세스가능한 2개 쌍의 와이어 단부로 2개의 외부 코일(76, 80)이 감긴다. 다음 환형 어셈블리(72)가 와인딩 스풀에서 제거된다. 원하는 경우, 보호 및 부착을 위해 기계적 구조물이 어셈블리(72)에 부착된다.
도 14의 단면도로 도시된 자성 코어를 가지는 변형된 4중극 코일 어셈블리(120)는 Type 410 스테인레스 스틸과 같은 자성 재료로 형성된 튜브형 자성 코어(124)를 갖춘 환형 분리기(122)를 포함한다. 튜브 벽의 예시적 두께는 0.55"(1.4cm)이며 바람직한 두께 범위는 0.75 내지 3cm이다. 암(106, 108)은 비자성 재료일 수 있으나, 적어도 본 발명의 일부 실시예에서 암(106, 108)은 불필요하다. 수평 암 두께는 0.25"(0.635cm)이며 바람직한 범위는 0.3 내지 1.2cm이다. 도시된 구조물의 전체 두께는 3" 내지 1.75"로 넓을 수 있다(2개 이상 또는 이하의 팩터 범위).
전자석 어레이의 또 다른 실시예는 튜브형의 자성 또는 비자성 스페이서(124)에 의해 분리된 단지 2개의 코일(74, 76)을 포함한다. 또한 자성 재료로 구성된 압(106, 108)의 다른 실시예도 가능하다. 자성의 수평 암(106, 108)은 챔버 내부의 필드 분포에 큰 영향을 받지 않는 것으로 여겨지나 플라스틱 또는 알루미늄의 수평 암은 만족스러운 성능을 제공하는 것으로 여겨진다.
자성 코어(124)는 챔버 내부의 자기장 형상에 큰 영향을 미치지 않는다. 일부 모드에서 코일 전류는 챔버 내부에서 자성 코어(124)의 이미지 코일 전류로부터 발생되는 유사한 자기장 레벨이 형성되도록 실질적으로 감소될 수 있다. 자성 코어(124)는 챔버로부터 스트레이 자기장을 감소시키는데 특히 효과적이다. 하나 이든 2개의 코일이든지 간에 외부 전류 및 내부 전류가 발견된다.
전자기 코일 어레이는 도 15에서 상부에서 본 직교도로 그리고 도 16에 하부에서 본 직교도록 어댑터(130)와 바람직하게 통합된다. 어댑터는 도 1의 스퍼터 반응기에 사용되어 타겟(38) 아래 및 페데스탈(30) 위에 챔버(12)의 부품으로 형성된다. 챔버(12)의 하부 부품은 진공 펌핑 포트, 가스 공급 포트, 및 챔버(12) 안팎으로 웨이퍼(32)를 이송하는 슬릿 밸브를 포함하여 비교적 복잡하다. 타겟(38)과 페데스탈(30) 사이의 반응기(10) 쓰로우(throw)는 전체 챔버를 재설계하고 재제조할 필요없이 어댑터의 상이한 길이를 변경시킴으로써 조절될 수 있다. 도 15 및 도 16의 어댑터(130)는 도 1의 절연기(40)를 밀봉하도록 O-링 그루브(134)에 형성된 상부면(132) 및 챔버(12)의 하부 부분들의 유사하게 형상화된 부분에 고정된 O- 링을 밀봉하고 지지하는 바깥방향으로 연장되는 플랜지(138)를 갖춘 전반적으로 평면형인 하부면(136)을 가지며 중심축(14) 부근에 배열된 알루미늄 어댑터 바디(132)를 포함한다. 상부면 부근의 리지(ledge)(140)는 챔버 차폐물(26)을 지지하고 전기적으로 접지시킨다. 2개의 포트(142, 144)가 챔버 바디(142)를 통해 기계가공되어 RF 전력 및 접지 라인들을 위해 차폐물(26) 상에서 지지되나 절연되는 RF 코일(46)로의 전기적 진공 공급부를 수용한다.
도 17의 단면도에 도시된 어댑터(130)는 도 18의 확대 단면도에서 보다 상세히 도시되는 전자석 코일 어레이(150)를 포함한다. 코일은 다단계 프로세스에서 어댑터(130) 상에 직접 감긴다. 먼저, 3개의, 수평으로 연장되는 디스크-형상의 상부, 내부 중심부, 및 하부 스페이서(152, 154, 156)가 어댑터 플랜지(138) 위의 어댑터 바디에 형성된 환형 그루브에 에폭시드된다(epoxied). 스페이서(152, 154, 156)는 전기적으로 절연성이나 기계적으로는 강한 G10과 같은 플라스틱으로 바람직하게 형성된다. 본 실시예에서, 스페이서들은 모두 비자성이다. 스페이서(152, 154, 156)는 바깥방향을 면하는 그루브내에 장착되는 세그먼트들로 형성된다. 상부 내부 코일(158) 및 하부 내부 코일(160)은 예를 들어 얇은 절연 코팅으로 커버된 13 AWG와 같은 사각형상 구리 자석 와이어로부터 스페이서(152, 154, 156) 사이에 형성된 공간에서 개별적으로 감긴다. 와인딩 이전에, 별도로 도시되지 않은 스타트 리드들(start leads)이 2개의 코일 와인딩의 시작 단부에 기계적으로 전기적으로 고정된다. 스타트 리드들은 플라스틱 커버를 가지며 코일 어레이(150)로부터 충분히 연장되도록 충분한 길이를 가지는 멀티-스트랜드(multi-strand) 전기적 케 이블들이다. 와인딩 동안, 에폭시가 제 위치에 자석 와이어를 결합시키기 위해 연속적으로 공급된다. 2개의 내부 코일(158, 160)의 와인딩 완료 후에, 2개의 단부 리드는 2개의 코일 와인딩의 최종 단부에 부착되어 유사하게 코일 어레이(150)로부터 충분히 연장된다. 감긴 코일(159, 160)이 제 위치에 추가로 에폭시드된다.
가능한 튜브형 세그먼트들로부터 조립되는 수직으로 연장되는 튜브형 스페이서(162)가 2개의 내부 코일(158, 160) 및 내부 중심 스페이서(154)의 노출된 면들상에 에폭시드되고 디스크 형상의 외부 중심 스페이서(164)가 일반적으로 내부 중심 스페이서(154)의 평면에서 튜브형 스페이서(162)를 엑폭시드되지만 내부 코일(158, 160)로부터의 리드 와이어를 수용한다. 외부 중심 스페이서(164)는 상부 및 하부 스페이서(152, 156)의 외부 반경으로 방사상 바깥방향으로 연장된다. 튜브형 스페이서(162)는 바람직하게 열 전도성을 증가시키는 알루미늄으로 형성되지만 외부 중심 스페이서(164)는 G10으로 형성될 수 있다. 다음 상부 외부 코일(166) 및 하부 외부 코일(168)은 외부 중심 스페이서(164)와 상부 및 하부 스페이서(152, 156) 사이에 형성된 2개의 공간에서 자석 와이어로 개별적으로 감긴다. 와인딩 프로세스는 2개의 내부 코일(158, 160) 및 개별 스타트 및 단부 리드들이 외부 코일(166, 168)에 접속되고 코일 어레이(150)로부터 연장되게 한다. 모든 코일(158, 160, 166, 168)은 7개의 와인딩 층을 가질 수 있으나, 하부 코일(160, 168)은 바람직하게 상부 코일(158, 166)보다 대략 2배 많은 권선을 가질 수 있다. 보다 나은 자성 분포 및 냉각 결과는 하부 코일(160, 168)에서 보다 상부 코일(158, 160)에서 실질적으로 보다 많은, 이를 테면 각각의 경우 182 대 228로 적어도 50% 만큼 큰, 권선들로 달성된다.
코일들은 바람직하게 챔버 벽의 외측에 위치되지만, 진공 챔버 내부에 이들을 위치시켜 프로세싱 영역과 인접하게 할 수 있다. 따라서 본 발명은 상이한 모드들 간의 교번 및 특정 동작 모드에 대해, 개선된 스퍼터링 및 다른 플라즈마 프로세싱 장비를 동작시키는 큰 탄력성을 제공한다.
도 19의 직교도에 도시된 수냉 코일(170)은 축방향으로 연장되는 내부 유체 냉각 채널을 갖춘 돌출형 사각 알루미늄 튜브(172)의 나선형 랩들(wraps)을 포함한다. 2개의 알루미늄 워터 정착물(water fixtures)(174, 176)이 알루미늄 튜브(174)의 단부에 용접되고 튜브(172)의 내부에 워터 포트(178) 및 정착물(174, 176)에 워터 공급 라인들을 장착하고 어댑터에 코일(170)을 장착하는 도시되지 않은 스크류 홀들을 포함한다. 사각 튜브(174)는 도 17 및 도 18의 코일 어레이(150)의 외부 직경과 동일한 직경을 가지는 맨드릴상에 감기고 미리 구부려진다. 나선형 수냉 코일(170)은 도 16 및 도 17의 어댑터(130)의 하부에서 플랜지(138) 너머로 슬라이드되도록 확장되고 냉각 코일 정착물(174, 178)이 브래켓(180)을 통해 어댑터 바디(132)상에 장착되고 냉각 코일(170)이 전자기 코일 어레이(150)의 외부에 에폭시드될 경우 전자기 코일 어레이(150)의 외부에 견고히 장착되기에 충분히 탄력적이다.
동작시, 냉각수 또는 다른 냉각 유체 소스 또는 냉각제 소스가 공급되고 수냉 코일(170)을 통해 순환하여 전자기 코일이 냉각되도록 워터 정착물(174, 176)의 워터 포트(178)를 통해 제거된다. 냉각 코일(170)은 단일 코일 및 다중의 전자기 코일을 냉각시키는 냉각 시스템의 장점을 갖는다. 튜브형 냉각 및 전자기 코일에 의해 제공되는 국부적 평면형 구조는 효과적인 냉각을 조정한다. 알루미늄 또는 다른 금속 튜브형 스페이서(162)는 방사상 배열된 코일들 간의 열 전달을 조장한다. 냉각 코일에서 다중 랩의 다용은 넓은 면적을 냉각시키고 열 전달을 증가시킨다. 다른 냉각 코일 구조물이 어레이내에 냉각 통로를 포함하는 전자석 어레이와 함께 사용될 수 있다.
도 15에 도시된 것처럼, 단자 블록 브래켓(190)은 어댑터 바이(132)에 나사고정되며 4개의 전자기 코일(158, 160, 166, 168)과 각각 관련되는 4개의 단자 블록(192)을 포함한다. 도 20에 보다 상세히 도시되는 각각의 단자 블록(192)은 브래켓(190) 및 어댑터 바디(132)에 단자 블록(192)을 고정하는 4개의 너트(194)를 포함하며 또한 러그(lug) 나사의 부착을 위한 2개의 나사 홀(200)을 가지는 2개의 단자 스트립(196, 198)을 포함한다. 하나의 러그 나사가 하나의 코일로부터의 스타트 리드를 하나의 단자 스트립(194)에 반영구적으로 고정시키고 또다른 러그 나사는 동일 코일로부터의 단부 리드를 동일 블록(192)의 다른 단자 스트립(194)에 반영구적으로 부착시킨다. 도면에는 상부 내부 자석 코일 등에 대한 스타트 및 단주 리드들에 대해 8개의 TIM+, TIM- 등의 위치가 도시된다. 4개의 단자 블록(192) 상의 나머지 8개의 나사 홀(200)은 추가의 러그 나사들 또는 다른 수단들이 외부 또는 접속 케이블들을 4개의 전자기 코일의 8개의 스타트 및 단부 리드들과 전기적으로 접속하게 한다. 단자 스트립(196, 198)은 도 8의 반응기(70)에 장착되고 냉각 코일(170)에의해 커버되더라도 어댑터(130)의 외부로부터의 액세스가 용이하여 4개의 전자기 코일에 대한 전기적 접속부의 재구성이 용이하다. 예를 들어, 직렬로 접속될 수 있는 코일들은 공통의 접지들을 갖거나, 반대되는 극성들을 갖거나, 또는 반응기(70) 또는 전자기 코일 어레이(150)를 분해하지 않고도 서비스로부터 선택적으로 제거될 수 있다.
본 발명의 또 다른 면은 2개가 동심이나 반대로 전파되는 전류를 갖도록 이격된 코일을 사용한다. 상기 언급된 것처럼, 비자성 스페이서 또는 자성 코어가 코일들 사이에 삽입될 수 있다. 냉각 개선을 위해, 스페이서는 알루미늄과 같은 금속으로 바람직하게 형성된다.
사각 코일 어레이가 특히 바람직하지만, 4개의 코일들은 평행사변형 또는 다른 4측면 어레이로 형성될 수 있다. 3개 코일의 삼각 어레이 또한 본 발명의 다양한 장점을 제공한다. 코일들이 챔버 벽의 외측에 감기는 것이 바람직하지만, 진공 챔버 내부에 형성될 수도 있다.
4중극 전자석 어레이(72) 및 RF 코일(46)이 마그네트론과 타겟 사이의 가변 공간과 바람직하게 조합될 수 있으며, 이는 본 명세서에서 참조되며 홍(Hong) 등에 의해 2004년 9월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 10/942, 273호의 배경기술에 개시된다.
4중극 전자석 어레이(72) 및 RF 코일(46)은 다양한 원인들중 타겟 세정이 허용되도록 타겟(38) 상에서 방사상 이동할 수 있는 마그네트론(50)과 바람직하게 조합될 수 있다. 서브라마니(Subramani) 등은 2004년 3월 24일자로 출원된 가출원 60/555,992호에 이러한 이동식 마그네트론을 개시했다. 광(Gung) 등은 2004년 9월 23일자로 출원된 일련 번호 No. 10/949,635호에 보다 일반적인 메커니즘 및 프로세스를 개시했으며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참조된다. 서브라마니 등의 방사상 이동식 마그네트론은 도 21의 직교도에 도시된 듀얼-포지션 원심 피봇팅 마그네트론 어셈블리(210)를 포함하며, 이는 단일 회전 방향에서의 회전 속도에 따라 2개의 회전 반경들 사이가 전환될 수 있다. 마그네트론 어셈블리(210)는 반응기의 중심 회전축(60) 부근을 회전하는 회전식 구동 샤프트(62)에 고정된 브래켓(212)을 포함한다. 브래켓(212)의 한쪽 암 단부는 피봇 플레이트(214)가 피봇축(218) 부근을 회전하도록 피봇 메커니즘(216)을 통해 피봇 플레이트(214) 아래에서 회전가능하게 지지된다. 피봇 플레이트(214)는 마그네트론(50)의 요크를 형성하는 강자성 재료로 구성된 백 플레이트(220)을 지지한다. 구조적인 목적에서, 백 플레이트(220)는 피봇 플레이트(214)의 일부로서 간주될 수 있으며, 이는 이들이 피봇축(218) 부근에서 함께 피봇되기 때문이다. 회전 축(14)과 피봇 메커니즘(216) 사이의 브래켓(212)에 하나의 부싱(222)이 고정되며 백 플레이트(220) 상의 마운트(mount)(225)에 또 다른 부싱(224)이 고정된다. 텐션 스프링(tension spring)(226)의 2개 단부가 2개의 부싱(222, 224)에 부착된다. 제 1 나일론 스톱(230)이 브래켓(212)의 한쪽 측면상의 피봇 플레이트(84)에 나사고정되고 제 2 나일론 스톱(232)이 브래켓(212)의 다른쪽 측면상의 백 플레이트(220)에 나사고정된다. 각각의 스톱(230, 232)은 브래켓(212)에 대한 갑작스런 부착의 충격 및 출돌을 완화시키기 위해 그의 외측에 고정된 튜브형의 부드럽고 탄력적인 나일론 시쓰 및 나사를 위한 쓰로우 홀을 갖춘 금속 노브(knob)를 포함한다. 스프링(226)은 브래켓(212)을 향하는 제 2 스톱(232)으로 백 플레이트(220)의 측면을 바이어스하여 회전축(60)을 향하는 마그네트론이 바이어스된다. 그러나 안쪽 방향으로의 피봇팅은 제 2 스톱(232)에 의해 브래켓(212)의 부착 및 결합을 제한한다. 한편, 구동 샤프트(62)은 헤비(heavy) 마그네트론(50) 및 관련 부재들 상에 상당한 원심력을 가해 회전축(60)으로부터 방사상 바깥 방향으로 브래킷(82)으로부터 멀리 제 2 스톱(232)을 이용해 백 플레이트(220)의 측면을 밀게된다. 그러나 바깥방향으로의 피봇팅은 제 1 스톱(230)에 의해 브래킷(82)의 부착 및 결합을 제한한다. 회전 속도는 안쪽방향으로의 스프링 바이어싱이 유력한지 또는 바깥방향으로의 원심력이 유력한지에 따라 결정된다. 백 플레이트(22)상에 장착된 자성 방출기(236)는 회전 마그네트론(50) 위의 반응기 상에 견고히 장착된 자성 검출기가 마그네트론(50)이 내부 위치에 있는지 또는 외부 위치에 있는지를 결정하게 한다.
마그네트론(50)의 바람직한 구현예로는 도 22의 하부 평면도에 도시된 아크형 마그네트론(240)(소위 LDR 마그네트론)이 있다. 굵은 선은 유용 타겟(38) 면적의 후면 상에 있는 그위 외부 위치에 있는 아크형 마그네트론(240)을 나타내며 점선은 피봇축(218) 부근을 피봇함에 따른 그이 내부 위치에 있는 아크형 마그네트론(240)을 나타낸다. 아크형 마그네트론(240)은 밴드-형상 외부 폴 피스(pole piece)(242) 및 갭(246)에 의해 분리되는 감금형(enclosed) 아크형 내부 폴 피스(244)를 포함한다. 2개의 폴 피스(242, 244)의 홀(248)은 회전축(14)을 따라 상반되는 방향으로 분극된 개별 세트의 실린더형 자석의 단부를 포획하며 외부 폴(242)의 전체 자성 세기가 내부 폴(244)의 자성 세기보다 실질적으로 큰 것을 나타낸다.
RF 코일(46), 4중극 전자석 어레이(72), 선택적으로 바이어스되는 페데스탈 전극(30), 및 듀얼 포지션 마그네트론의 조합은 도 23의 단면도에 도시된 듀얼-다마신 선형 구조물(250)에 구리 금속배선용 배리어 구조물을 효과적으로 형성하는데 있어 탄력적인 다단계 프로세스를 허용한다. 하부 듀전체층(252)은 그의 상부 표면에 형성되는 구리 콘택(254)을 포함한다. 상부 유저네층(256)은 하부 유전체층(252) 상에 증차되고 듀얼-다마신 홀(258)은 상부-레벨 유전체층(256)을 통해 에칭된다. 통상적으로 유전체층(252, 256)은 산화물층이라 불리는, 실리콘 산화물을 기초한 재료들로 형성된다. 산화물이 도핑는지 또는 선택적인 재료가 사용되는지에 따라 낮은-k 유전체의 개발은 중요하다. 듀얼 다마신 홀(258)은 구리 콘택(254) 위에 놓이는 상부 유전체층(256)의 하부 절반에 폭이좁은 비아 홀(260) 및 상부 절반에 폭이넓은 트렌치(262)를 포함한다. 결국, 비아홀(260) 및 트렌치(262)는 구리 콘택(254)과 접촉되고 2개의 금속배선 층들 사이에 수직인 상호접속부를 제공하고 상부-레벨 금속배선에 트렌치(262)를 지나는 수평인 상호접속부를 추가로 제공하도록 ECP 프로세스에서 상부-레벨 금속배선으로서 구리로 채워진다. 통상적으로 구리 콘택(254)은 하부 유전체층(252)의 해당 트렌치에 형성된다.
비아 홀(260) 및 트렌치(262)에 채워진 구리는 산화물과 부착되며 산화물 속으로 확산되지 않는다는 것이 중요하다. 또한 듀얼 다마신 홀(258) 속으로 순차적으로 구리층이 증착되어 하부층에 부착된다. 따라서, 듀얼 다마신 홀(258)에 라이너층이 증착되나, 상부 유전체층(256)의 상부의 필드 영역(264)에서 그리고 듀얼 다마신 홀(258)의 상이한 부분들 내에서 증착을 변화시키는 것이 바람직하다.
구리 금속배선에 있어, 전형적인 라이너층은 탄탈 질화물(TaN)층(266) 및 상부 탄탈(Ta)층(268)을 포함한다. TaN층(266)은 산화물과 쉽게 부착되며 효과적인 확산 배리어를 형성한다. 결과적으로, 트렌치(262)의 측벽 및 바닥부 그리고 비아 홀(260)의 측벽 상에 연속적인 층을 형성할 수 있다. TaN층(266)은 필드 영역(268)으로 연장될 필요가 없으며, 이는 필드 영역(264) 위에 놓이는 임의의 구리가 화학적 기계적 연마(CMP)의 순차적 단계에서 제거되기 때문이다. 그러나 탄탈 질화물은 빈약한 도체로 제거되어야 하고 또는 비아 홀(260)의 바닥부에서 최소의 두께를 갖는다. Ta층(268)은 TaN층(266)에 잘 부착되며 구리는 탄탈과 잘 부착되어 효과적인 구리의 핵성장이 이루어지지만 구리는 탄탈 질화물과 잘 부착된다. 따라서, Ta층(268)은 트렌치(262)와 비아 홀(260)의 측벽 및 트렌치(262)의 바닥부 상에서 연속적이어야 한다. 탄탈은 적절한 도전성을 가져 Ta층(268)이 비아 홀(260)의 바닥부를 커버하거나 또는 바람직하게 없을 수도 있다. 그러나 탄탈층(268)은 전기화학적 도금(ECP)에 의해 듀얼 다마신 홀(258)의 순차적인 충진 동안 도금 전류 경로 및 전극으로서 작용하는 그 위에 형성된 구리 시드층에 대한 핵형성 및 접착층을 적어도 형성하도록 필드 영역(264)을 커버한다.
도 24의 흐름도에는 다단계 리니어 Ta/TaN 리니어 프로세스가 도시된다. 정확한 프로세스 조건의 예가 300mm 웨이퍼에 대해 구성된 챔버에 대한 표 I에 도시되나 도시된 값들은 단지 예시적인 것이다. 나열된 압력은 근사치이며 이는 압력은 레시피대로 정확히 제어되지 않기 때문이다.
Figure 112006077669881-PCT00013
표1
웨이퍼(32)가 도 8의 챔버(70) 속으로 삽입된 후에, 단계(280)에서, TaN은 탄탈 이온들의 높은 이온화 분률을 생성하는 조건 및 탄탈 스퍼터 플럭스의 상당 부분들이 높은 에너지를 갖고 활성적 Ta+ 이온들이 비아 홀 깊이에 부착되도록 고도로 이방성이되게 하는 높은 웨이퍼 바이어싱 조건 하에서 웨이퍼 상에 반응성 스퍼터 증착된다. 결과적으로, TaN의 혼합 스퍼터 증착 및 상기 재료의 재스퍼터링이 제공된다. 챔버 속으로 흐르는 반응성 및 스퍼터링 가스들 중 하나 보다 큰 N2/Ar 비율은 웨이퍼 상에 TaN의 반응성 스퍼터 증착을 야기시킨다. 비아의 바닥부로부터 활성적 Ta+ 이온에 의해 재스퍼터링된 TaN은 비아 홀내에 개선된 측벽 커버리지를 산출하며 바닥부에서 TaN 층의 두께를 감소시킨다. 트렌치 바닥 및 필드 영역으로부터의 재스퍼터링은 그리 효과적이지 않으며, 이는 트렌치 바닥 및 필드 영역이 비이온화된 Ta0의 적절한 크기의 중성 탄탈 플럭스를 수용하기 때문이다. 높은 탄탈 이온화 분률은 높은 타겟 전력 및 웨이퍼의 외부 부분들 상부의 그의 외측 위치에 배치된 도 22의 작지만 강한 LDR 마그네트론으로 달성된다. 타겟 전력은 300mm 웨이퍼의 면적에서 정규화된 10 내지 40kW의 범위일 수 있으나, 15kW가 이러한 챔버 및 다른 프로세싱 값들에 대해 재스퍼터링을 최적화시키는 것으로 여겨진다. TaN 증착 동안 축방향으로 이격된 2개의 전자석(74, 78)만이 상반되게 전력이 인가되어 도 10의 상반된 자기장을 생성하며, 챔버 측벽(36)과 떨어진 챔버내에 플라즈마 및 이온 플럭스를 한정하여 이온 플럭스의 방사상 균일성이 강화된다. 2개의 자성 코일 필드들은 거의 같으며 표 1의 코일 전류 차는 2개 코일에서의 와인딩 수의 차를 나타낸다.
단계(282)에서, 탄탈은 챔버(70)에 남아있는 웨이퍼(32) 상에 스퍼터 증착된다. 이 단계 전에, 질소 흐름이 중단되어 기본 형태의 탄탈이 증착된다. 탄탈 스퍼터 플럭스는 높은 방향성이 유지된다는 것을 특징으로 하며, 이는 작은 LDR 마그네트론의 존재시 높은 타겟 바이어싱은 유지되나 웨이퍼 바이어싱 감소로 에너지가 감소하기 때문이다. 감소된 에너지는 비아 바닥, 트렌치 바닥, 및 필드 영역에서의 재스퍼터링을 감소시킨다.
단계(284)에서, 웨이퍼(32)는 동일한 챔버(70)에 남게되나 RF 코일로부터 공급된 RF 전력에 의해 스퍼터링되는 플라즈마에 의한 아르곤 이온에 의해 스퍼터 에 칭된다. RF 전력은 보다 높은 전력에서 증가된 아르곤 이온 밀도로 1 내지 3kW에서 가변할 수 있다. 에칭 속도는 약 1.5 내지 2kW에서 피크가된다. 1.25kW의 RF 전력이 최적인 것으로 여겨진다. 챔버 속으로의 아르곤 흐름은 증가되고, RF 코일은 플라즈마로 여기된다. 웨이퍼에 인가되는 바이어스 전력은 아르곤 이온들이 강하게 부착되도록 증가되어 임의의 TaN을 제거하고 Ta의 저거도 일부가 제거되도록 비아 홀의 바닥부를 에칭한다. 웨이퍼 바이어스 전력은 약 500W 이하로 감소될 수있고, 에칭 속도는 제로에 근접해진다. 타겟 전력 및 DC 코일 전력은 트렌치/비아 선택비 및 균일성을 최적화시키도록 조절될 수 있다. 일반적으로 에칭 단계 동안 타겟 전력은 2개의 스퍼터 증착 단계(280, 282) 동안의 타겟 전력의 10% 미만이다. 비아 바닥부로부터 아르곤 이온에 의해 재스퍼터링되는 탄탈은 측벽 커버리지를 강화시킨다. 비아 바닥부 상의 탄탈이 완전히 제거되면, 아르곤 스퍼터 에칭으로 웨이퍼(32)가 스퍼터 챔버(70)에 도입되기 전에 오염되거나 산화될 수 있는 하부 구리(254)가 제거된다. 트렌치의 바닥부 상에 그리고 필드 영역내에 노출된 탄탈도 에칭되지만, 단계(282)에서 이들 영역에 증착된 탄탈층 두꺼우며 이는 상기 단계에서 중성 Ta0 일부(fraction) 및 탄탈이 이들이 트렌치 바닥부 및 필드 영역상에서 에칭되기 전에 비아 바닥부로부터 에칭되기 때문이다. 측벽 에칭은 거의 일어나지 않으며 이는 높은 웨이퍼 바이어싱 때문이다. 그러나 트렌치 내부 및 외부 모서리에서 탄탈이 에칭된다는(펀치 쓰로우) 문제점이 있을 수 있다.
펀치 쓰로우(punch through)는 경량(light)의, 대체로 중성인 탄탈 스퍼터 증착의 동시적 형성에 의해 방지된다. 탄탈 타겟 및 RF 코일(자체가 탄탈로 구성된) 모두가 네터티브 DC 전력의 작은 값으로 바이어스된다. 코일의 DC 스퍼터링을 조장하기 위해, 방사상 이격된 2개의 하부 전자석(78, 80)은 도 11에 도시된 자기장 분포를 생성하도록 상반되게 전력이 인가되어, 코일(46)의 내부 표면상에 수평 자기장을 생성하여 코일 스퍼터링을 증가시키는 마그네트론으로서 작용한다. 외부 전자기 코일(80)에 의해 생성된 동일하고 일반적으로 상반되는 자기장은 아르곤 이온의 이송과 상호작용하는 챔버 프로세싱 영역의 중심부에 또는 챔버 외측에 생성되는 강한 솔레노이드형 자기장을 방지한다.
스퍼터링 에칭 단계(284) 동안, 마그네트론은 그의 내부 위치로 이동된다. 이 위치에서, 타겟 중심부는 특히 TaN 스퍼터 증착의 단계(280) 동안 그위에 증착되는 임의의 질화물을 제거한다. 또한, 스퍼터 에칭 단계(284) 동안 작은 탄탈 스퍼터 플럭스는 대체로 중성이기 때문에, 도 22에 도시된 보다 방사상 연장되는 내부 위치에서 마그네트론을 갖는 것이 유용하다. 그러나 타겟을 세정하는 스퍼터 에칭 단계에 부가하여, 예를 들어 100개의 웨이퍼가 처리된 이후 개별적 타겟 세정 단계가 주기적으로 수행될 수 있다. 도시되지 않은 접지된 스퍼터 셔터가 폐쇄되어 타겟으로부터 페데스탈을 차폐한다. 다음 타겟은 그의 외부 및 내부 위치에 순차적으로 위치된 마그네트론으로 스퍼터링된다. 타겟은 외부 위치에서 예를 들어 10초의 긴 시간 동안 그리고 그의 내부 위치에서는 예를 들어 1초의 짧은 시간 동안 강하게 바이어스되고 스퍼터링된다.
마그네트론 이동 동안, 플라즈마는 예를 들어 타겟에 대한 DC 전력 또는 코 일에 대한 RF 전력을 턴오프시키고 턴오프되고 마그네트론 회전 속도를 변경함으로써 마그네트론이 이동하게 된다. 다음 플라즈마는 통상적으로 순차적 프로세싱 단계에서 보다 높은 아르곤 흐름 및 보다 높은 타겟 또는 코일 전력을 이용하여 재점화된다. 표 1의 레시피는 업계에 공지된 플라즈마 점화 이전의 전력 램프 주기는 포함하지 않는다.
단계(286)에서, 탄탈은 감소된 탄탈 이온화 분률로 플래시층(flash layer)에 스퍼터 증착된다. 플래시 단계는 필드 영역, 트랜치 바닥부, 및 트렌치 모서리에 연속적인 탄탈층(268)을 보증한다. 증착 조건은 타겟 전력이 적어도 2팩터 정도 감소된다는 것을 제외하고 통상적으로 주로 탄탈 증착 단계와 동일하다. 결과적으로, 탄탈 이온화 분률이 감소된다. 결과적으로, 탄탈 플럭스는 보다 중성이고 보다 등방성이되어, 높은 필드 커버리지 및 상당한 트렌치 바닥부 커버리지를 달성한다. 바람직하게, 마그네트론은 Ta 플래시 단계(286) 동안 그의 외부 위치에 위치된다.
도 24의 리니어 단계의 완료 및 도 23의 리니어 구조물의 형성에서, 웨이퍼는 탄탈 스퍼터 반응기로부터 제거된다. 통상적으로, 컨포멀하고 얇은 구리 시드층은 남아있는 Ta층(268) 및 비아 홀(260)의 바닥부에 노출된 구리 콘택(254) 상에 스퍼터링된다. 비아 홀(260) 및 트렌치(262)는 ECP 프로세스에서 구리로 충진 및 오버충진된다. 구리 시드층 및 ECP 충진 모두에서 구리는 다른 부재의 10wt%로 포함될 수 있다. 트렌치(262) 위에 남아있는 과도한 ECP 구리는 CMP에 의해 제거된다.
본 발명의 다양한 면들은 도시된 탄탈 스퍼터 반응기 또는 개시된 Ta/TaN 리니어 프로세스로 제한되지 않는다. 다른 형태의 스퍼터 반응기 및 다른 타겟 조성물, 이를 테면 티타늄, 텅스텐 및 루테늄과 같은 다른 내화 금속이 본 발명에 유익할 수 있다. 또한, 본 발명에 통합되는 자성 스트링 및 플라즈마 및 이온 제한이 다른 플라즈마 프로세싱 반응기에 사용될 수 있다. 이러한 반응기는 스퍼터 에쳐(etcher)를 포함하는 플라즈마 에칭 반응기 및 플라즈마 CVD 반응기를 포함한다.
본 발명의 반응기는 높은 탄력성 및 높은 성능을 제공한다. 차세대 집적회로에서 예상되는 감소된 크기의 비아에 형성되는 개시된 Ta(N) 배리어와 같이 복잡한 다단계 프로세스가 허용될 수 있다.

Claims (49)

  1. 플라즈마 프로세싱 반응기내에 제공되는 어레이로서,
    상기 플라즈마 프로세싱 반응기는 진공 챔버의 중심축과 수직인 평면에 배치된 기판 지지체를 가지며,
    상기 어레이는 상기 중심축 부근에 배열된 개별적으로 제어가능한 전자기 코일들의 어레이이며, 상기 코일들중 적어도 2개의 코일은 상기 중심축으로부터 상이한 반경에 배열되는, 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이는 사각 패턴으로 배열되는 4개의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 지지체에 근접하게 위치된 상기 코일들중 2개의 코일은 방사상 대응하는 상기 2개의 코일 중 상기 지판 지지체로부터 보다 먼곳에 위치된 코일 보다 적어도 50% 이상의 권선(truns)을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 코일들 사이에 배치된 자성 코어를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 중심축을 따라 상기 기판 지지체와 상반되게 배열된 스퍼터링 타겟을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 타겟과 상기 기판 지지체 사이에 상기 챔버의 일부를 형성하는 어댑터가 통합되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 코일들중 적어도 2개의 코일과 열적으로 접촉되는 다중-랩(multi-wrap) 냉각 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 코일의 전류는 상기 중심축 부근에서 상반되는 방향으로 순환되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류의 레벨은 상기 챔버 외측의 스트레이 필드를 감소시키도록 선택되 는 것을 특징으로 하는 어레이.
  10. 어셈블리내에 고정된 전자기 코일들의 어레이로서,
    상기 어셈블리의 외측에서 이용가능한 상기 모든 코일의 양쪽 단부를 포함하는, 어레이.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자기 코일들은 접착제에 의해 상기 어셈블리에 고정되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자기 코일들중 4개의 코일이 사각 어레이에 배열되고 축 부근에서 감기는 것을 특징으로 하는 어레이.
  13. 제 12 항에 있어서,
    자성 코어가 상기 전자기 코일들중 방사상 외부에 있는 코일들로 부터 상기 전자기 코일들중 방사상 내부에 있는 코일들을 분리하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  14. 사각 패턴의 축 부근의 어셈블리 고리에 4개의 전자기 코일들을 포함하고 플 라즈마 프로세싱 반응기의 벽 외측 및 그 부근에 배열되도록 구성되는, 4중극 어레이.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 코일들중 방사상 내부 코일들과 상기 코일들중 방사상 외부 코일들 사이에 배열되는 자성 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 코일들 모두는 상기 어셈블리 내에서 서로 분리되어 이들 사이에 자기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  17. 제 14 항에 있어서,
    단일의 나선형으로 감긴 유체 냉각부를 더 포함하여, 상기 냉각부는 상기 4개의 전자기 코일들과 열적으로 접촉하게 나선형으로 감긴 코일 냉각하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 코일들 모두는 상기 어셈블리 내에서 서로 분리되어 이들 사이에 자기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  19. 제 14 항에 있어서,
    어댑터를 더 포함하며, 상기 어댑터 부근에 상기 전자기 코일들이 감기고 상기 전자기 코일들은 상기 플라즈마 프로세싱 반응기의 진공 챔버의 일부를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  20. 플라즈마 프로세싱 반응기로서,
    중심축 부근에서 일반적으로 대칭되게 배열된 챔버 바디;
    정면이 플라즈마로 처리되는 기판을 상기 반응기 내에서 지지하는 지지체; 및
    상기 중심축으로부터 적어도 2개의 반경 및 상기 정면 위에 배열된 축방향 간격으로 상기 챔버 바디 부근을 둘러싼 다수의 전자석 어레이
    를 포함하며, 상기 전자석들 중 적어도 일부는 독립적으로 전력공급이 가능한, 플라즈마 프로세싱 반응기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 어레이는 상기 전자석들중 삼각형 어레이로서 배열되는 3개의 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 어레이는 상기 전자석들중 사각 어레이에 배열된 4개의 전자석을 포함 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  23. 제 24 항에 있어서,
    상기 4개의 전자석의 대향 단부들에 대해 액세스 가능하고 재구성가능한 8개의 전기적 접속부를 포함하는 단자 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 챔버에 고정되고 상기 중심축 부근에 배열되는 스퍼터링 타겟을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 중심축을 따르는 상기 어레이와 중첩되도록 배열된 RF 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 챔버에 고정되고 상기 중심축 부근에 배열되는 스퍼터링 타겟을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 중심축을 따라 상기 어레이와 중첩되도록 배열된 RF 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세싱 반응기.
  28. 어댑터 및 전자석 어셈블리로서,
    일반적으로 중심축 부근에 배열되고 처리될 기판 표면에 수직인 상기 중심축을 가지는 플라즈마 프로세싱 챔버와 진공 밀폐되도록 구성된 어댑터 바디; 및
    상기 중심축으로부터 적어도 2개의 상이한 반경에서 상기 어댑터 바디의 외부를 둘러싸고 각각 상기 코일의 외부로부터 액세스가능한 2개의 리드를 포함하는 다수의 전자기 코일을 포함하는, 전자석 어셈블리.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전자석 코일들중 4개의 전자석 코일은 상기 중심축 부근에 사각 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 전자석 어셈블리.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 코일들중 내부 2개의 코일과 상기 코일들중 외부 2개의 코일 사이에 배열되는 튜브형 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석 어셈블리.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 중심축 부근에 배열된 바디에 형성되며 방사상 외부측 상의 상기 4개의 전자석들중 적어도 2와 접촉하는 유체 냉각 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석 어셈블리.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 바디는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석 어셈블리.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 바디는 내부에 상기 냉각 채널이 형성된 나선형으로 감긴 사각 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석 어셈블리.
  34. 플라즈마 반응기를 동작시키는 방법으로서,
    상기 플라즈마 반응기는 중심축 부근에 배열된 챔버, 처리될 기판을 지지하는 기판 지지체, 및 상기 챔버 부근의 상기 중심축 부근을 둘러싸는 다수의 전자기 코일의 어레이를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 기판을 처리하기 위해 상기 코일들중 적어도 2개의 코일을 통해 공동-회전하는 전류 통과시키는 제 1 단계; 및
    상기 기판을 처리하기 위해 상기 적어도 2개의 코일을 통해 반대로-회전하는 전류를 통과시키는 제 2 단계
    를 포함하는 플라즈마 반응기를 동작시키는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 기판 지지체와 대향되게 배열된 스퍼터링 타겟을 포함하는 스퍼터링 챔버로, 상기 코일들이 상기 기판 지지체와 스퍼터링 타겟 사이에 보조적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기를 동작시키는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 단계들중 적어도 하나의 단계는 상기 기판 상에 상기 타겟 재료를 스퍼터 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기를 동작시키는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 어레이는 사각 어레이에 4개의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기를 동작시키는 방법.
  38. 제 34 항에 있어서,
    상기 코일들중 상부 및 하부 코일들을 통해 반대로-회전하는 전류를 통과시키는 제 3 단계 및 상기 코일들중 내부 및 외부 코일들을 통해 반대로-회전하는 전류를 통과시키는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기를 동작시키는 방법.
  39. 중심축 부근에 배열된 챔버, 타겟, 상기 중심축 부근에 감긴 적어도 하나의 전자기 코일, 상기 중심축 부근에 배열된 RF 코일, 및 상기 타겟에 대향되게 기판을 지지하는 바이어스가능한 페데스탈을 포함하는 마그네트론 스퍼터 반응기에서의 다단계 프로세스로서, 상기 다단계 프로세스는 상기 다단계 프로세스의 상이한 단계들 사이에 (1) 상기 타겟에 인가된 DC 전력, (2) 상기 전자기 코일에 인가된 전류, (3) 상기 RF 코일에 인가된 RF 전력, 및 (4) 상기 페데스탈 전극에 인가되는 바이어스 전력을 변화시키는, 다단계 프로세스.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 단계들중 하나는 상기 기판 상에 상기 타겟으로부터의 재료를 스퍼터링하기 위해 상기 타겟에 인가되는 상기 DC 전력으로 플라즈마를 여기시키는 단계를 포함하며 상기 단계들중 다른 하나는 상기 기판을 에칭하기 위해 상기 RF 코일에 인가되는 상기 RF 전력에 의해 생성된 아르곤 플라즈마를 여기시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 프로세스.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 타겟은 탄탈인 것을 특징으로 하는 다단계 프로세스.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 중심축 부근에서 회전가능한 마그네트론을 더 포함하며 상기 다단계 프로세스는 상기 상이한 단계들 사이에 상기 중심축으로부터 상기 마그네트론의 방사상 위치를 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 프로세스.
  43. 스퍼터 챔버에서 내화 금속을 포함하는 타겟에 대향되게 상기 챔버내의 페데스탈 전극상에 위치된 기판의 유전체층에 형성된 홀에 배리어층을 증착하는 방법으로서,
    (a) 상기 타겟이 스퍼터링되도록 플라즈마를 여기시키기 위해 상기 타겟에 제 1 레벨의 DC 전력을 인가하는 단계,
    상기 페데스탈 전극에 제 1 레벨의 RF 전력을 인가하는 단계,
    대향된 자기장을 생성하도록 2개의 축방향 위치에서 축 부근에 감긴 2개의 제 1 전자기 코일에 전력을 인가하는 단계, 및
    상기 기판 상에 상기 내화 금속의 질화물을 형성하기 위해 상기 챔버에 질소 가스를 흘려보내는 단계
    를 포함하는 질화물 증착 단계 ;
    (b) 상기 타겟이 스퍼터링되도록 플라즈마를 여기시키기 위해 상기 타겟에 제 2 레벨의 DC 전력을 인가하는 단계,
    상기 페데스탈 전극에 제 2 레벨의 RF 전력을 인가하는 단계,
    대향된 자기장을 생성하도록 상기 2개의 제 1 전자기 코일에 전력을 인가하는 단계, 및
    상기 기판 상에 질소 가스를 흘려보내기를 실질적으로 중단하는 단계
    를 포함하는 내화 금속 증착 단계 ; 및
    (c) 상기 챔버에 아르곤을 흘려보내는 단계,
    상기 아르곤이 플라즈마로 여기되도록 상기 RF 코일에 RF 전력을 인가하는 단계,
    대향된 자기장을 생성하도록 2개의 방사상 위치에서 상기 축 부근에 감긴 2개의 제 2 전자기 코일에 전력을 인가하는 단계, 및
    상기 페데스탈 전극에 제 3 레벨의 RF 전력을 인가하는 단계
    를 포함하는 에칭 단계
    를 순차적으로 수행하는, 배리어층 증착 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    (d) 상기 타겟이 스퍼터링되도록 상기 제 1 및 제 2 레벨의 DC 전력 보다 작은 레벨의 DC 전력을 상기 타겟에 인가하는 단게,
    대향된 자기장을 생성하도록 상기 2개의 제 1 전자기 코일에 전력을 인가하는 단계, 및
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 레벨의 RF 전력보다 작은 제 4 레벨의 RF 전력을 상기 페데스탈 전극에 인가하는 단계
    를 포함하는 플래시 증착 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층 증착 방법.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 페데스탈 전극에 인가되는 제 2 레벨의 RF 전력은 상기 제 1 및 제 3 레벨의 RF 전력보다 작은 것을 특징으로 하는 배리어층 증착 방법.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 에칭 단계는 상기 제 1 및 제 2 레벨의 DC 전력의 10% 미만인 레벨의 DC 전력을 상기 타겟에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층 증착 방법.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 에칭 단계는 상기 RF 전극에 DC 전력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층 증착 방법.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 내화 금속은 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층 증착 방법.
  49. 제 43 항에 있어서,
    상기 질화물 및 내화 금속 증착을 증착하는 단계들은 상기 타겟의 외부 부분이 우선적으로 스퍼터링되도록 제 1 반경에서 상기 중심축 부근에서 마그네트론을 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 에칭 단계는 상기 제 1 반경보다 작은 제 2 반경에서 상기 중심축 부근에서 상기 마그네트론을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층 증착 방법.
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