KR20110103950A - 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법 - Google Patents

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Abstract

기판 표면에 형성한 고 종횡비의 각 미세홀에 대해 피복성 좋게 막을 형성할 수 있도록 한 스퍼터링 장치를 제공한다. 기판(W)이 배치된 진공 챔버(1)와, 진공 챔버 내에서 기판에 대향 배치되고, 홀더(2)의 일면에 형성된 적어도 1개의 요부(3)에 바닥을 갖는 실린더형의 타겟재(4)를 그 바닥부측으로부터 장착함과 아울러 타겟재의 내부 공간에 자기장을 발생시키는 자기장 발생 수단(6)을 조립하여 구성된 캐소드 유닛(C)과, 양의 전위가 인가되는 어노드 쉴드(8)와, 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단(12)과, 캐소드 유닛에 전력을 투입하는 전원과, 캐소드 유닛과 기판을 연결하는 기준축 둘레에서 진공 챔버의 벽면에 설치한 코일(15) 및 전원으로 구성된 수직 자기장 발생 수단과, 가스 도입 수단으로부터의 스퍼터 가스의 도입을 온 오프 제어하는 제어 수단(16)을 구비한다.

Description

스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법{SPUTTERING DEVICE AND SPUTTERING METHOD}
본 발명은, 처리해야 할 기판 표면에 막을 형성하기 위한 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스 제작에 있어서의 막 형성 공정에서는, 예를 들면 스퍼터링(이하, 「스퍼터」라고 칭함) 장치가 이용되는데, 이 용도의 스퍼터 장치에는, 최근의 배선 패턴의 미세화에 따라 고 종횡비의 미세 홀에 대해 처리해야 할 기판 전면에 걸쳐 피복성 좋게 막을 형성할 수 있는 것, 즉, 커버리지(coverage)의 향상이 강하게 요구되고 있다.
종래의 스퍼터 장치에서는, 타겟의 후방(스퍼터면과 배향하는 측)에 교대로 극성을 바꾸어 복수의 자석을 설치한 자석 조립체를 배치하고, 이 자석 조립체에 의해 타겟의 전방(스퍼터면측)에 터널 모양의 자기장을 발생시켜, 타겟의 전방에서 전리한 전자 및 스퍼터에 의해 생긴 2차 전자를 포착함으로써, 타겟의 전방에서의 전자 밀도를 높여 플라즈마 밀도를 높인다.
상기 종류의 스퍼터 장치에서는, 타겟 중 상기 자기장의 영향을 받는 영역에서 타겟이 우선적으로 스퍼터된다. 이 때문에, 상기 영역이 방전의 안정성이나 타겟의 사용 효율의 향상 등의 관점에서 예를 들어 타겟 중앙 부근에 있으면, 스퍼터 시의 타겟의 침식(erosion)량은 그 중앙부근에서 많아진다. 이 때문에, 기판의 외주부에서는, 타겟으로부터 스퍼터된 타겟재료 입자(예를 들면, 금속 입자, 이하, 「스퍼터 입자」라 칭함)가 경사진 각도로 입사하여 부착하게 된다. 그 결과, 상기 용도의 막 형성에 이용한 경우, 특히 기판의 외주부에서 커버리지(coverage)의 비대칭성의 문제가 생기는 것이 알려져 있다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 진공 챔버 내에서 기판이 놓이는 스테이지의 위쪽에, 스테이지의 표면과 대략 평행하게 제1의 타겟을 배치함과 아울러, 스테이지의 경사 상방에서 스테이지 표면에 대해서 경사지게 제2의 타겟을 배치한 스퍼터 장치, 즉, 복수의 캐소드 유닛을 구비한 것이 예를 들면 특허 문헌 1에 알려져 있다.
그러나 상기 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 복수의 캐소드 유닛을 진공 챔버 내에 배치하면, 장치 구성이 복잡하게 되고 또 타겟의 수에 대응하는 전력 투입용 전원이나 자석 조립체가 필요하게 되는 등, 부품 개수가 늘어남으로써 고비용을 초래하는 불편이 있다.
이에 대해, 본원의 발명자들은, 홀더의 일면에 형성된 요부에 바닥이 있는 실린더형의 타겟재를 그 바닥측에서부터 장착함과 아울러 타겟재의 내부 공간에 자기장을 발생시키도록 한 캐소드 유닛을 개발하고, 이 캐소드 유닛을 기판 표면 전체에 걸쳐 수직 자기장이 작용하는 스퍼터 장치에 적용함으로써, 타겟재의 개구에 대향하는 부분 및 그 주변에서 매우 높은 막 두께 균일성을 가지고 막을 형성할 수 있음을 알아내게 되었다(일본 특허 출원 제2008-167175호 참조).
그렇지만, 상기 구성을 이용하여 미세 홀에 Cu나 Ta의 배리어막을 성막하는 경우, 타겟재의 내부공간 내에서 자가방전시켜 스퍼터에 의한 막 형성을 실시하면, 미세 홀의 상면 개구가 스퍼터 입자로 이루어진 박막으로 덮여 막히는 불편이 발생함이 판명되었다.
특허 문헌 1 : 일본 특허공개공보 제2008-47661호 공보.
본 발명은, 이상의 점에 비추어, 웨이퍼 등의 기판 표면에 형성한 고 종횡비의 각 미세 홀에 대해 피복성 좋게 막을 형성할 수 있도록 하는 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 스퍼터링 장치는, 처리해야 할 기판이 배치되는 진공 챔버와, 진공 챔버 내에서 기판에 대향 배치되고, 홀더의 일면에 형성된 적어도 1개의 요부에 바닥을 갖는 실린더형의 타겟재를 그 바닥측으로부터 장착함과 아울러 타겟재의 내부 공간에 자기장을 발생시키는 자기장 발생 수단을 조립하여 구성된 캐소드 유닛과, 상기 홀더 중 기판과의 대향면을 적어도 덮도록 배치되고, 양의 전위가 인가되는 어노드 쉴드(shield)와, 상기 진공 챔버 내에 소정의 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단과, 상기 캐소드 유닛에 전력을 투입하는 스퍼터 전원과, 상기 캐소드 유닛과 기판을 연결하는 기준축의 둘레에서 진공 챔버의 벽면에 설치된 코일 및 각 코일로의 통전을 가능하게 하는 전원으로 구성되는 수직 자기장 발생 수단과, 상기 가스 도입 수단으로부터 스퍼터 가스의 도입을 온 오프 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 진공 챔버를 진공 배기한 후 희가스로 이루어진 스퍼터 가스를 도입하고, 어노드 쉴드에 양의 전위를 인가함과 아울러 캐소드 유닛에 음의 전위를 인가하면, 캐소드 유닛의 전방 공간으로부터 타겟재 내부의 공간에 글로우 방전이 발생하며, 자기장 발생 수단에 의해 발생시킨 자기장에 의해 타겟재 내부의 공간에 플라즈마를 가둘 수 있다(특히, 스퍼터링에 의해 발생한 2차 전자를 가두기 쉬워 진다). 이 상태에서 스퍼터 가스의 도입을 정지하면, 타겟재 내부의 공간에서 저압력 하에서 자가방전하게 된다. 덧붙여, 타겟재 내부의 공간에서 확실히 자가방전이 계속하도록 하려면, 500 가우스 이상의 자기장 강도로 자기장을 발생시키는 것이 바람직하다.
자가방전 중, 플라즈마 중의 스퍼터 가스 이온 등이 타겟재의 내벽면에 충돌하여 스퍼터 되고, 이것에 의해 생긴 스퍼터 입자나 스퍼터 입자의 이온이 타겟재의 개구로부터 강한 직진성을 가져 캐소드 유닛 전방의 공간에 방출된다. 그리고 특히 양의 전하를 가지는 스퍼터 입자가 수직 자기장에 의해 그 방향을 바꿀 수 있어 기판에 대해 거의 수직으로 입사한다. 이에 따라 미세 홀에 대해서도 피복성 좋게 부착, 퇴적하게 된다.
여기서, 이러한 자가방전 중에서는, 양의 전하를 가지는 스퍼터 입자가 지배적인 상태가 되므로, 기판 표면 중 타겟재의 개구에 대향하는 부분에서의 스퍼터율(sputter rate)이 국소적으로 증가해, 이대로 스퍼터에 의한 막 형성을 계속하면, 미세 홀의 윗면 개구가 스퍼터 입자로 이루어지는 박막으로 덮여 막힐 우려가 있다.
거기서, 스퍼터링 중, 소정의 주기로 가스 도입 수단을 개입시켜 스퍼터 가스를 소정 유량으로 일정시간 도입한다. 스퍼터 가스를 도입한 상태에서는, 플라즈마 중에서 전리한 스퍼터 가스의 이온도 또한 기판 표면 중 타겟재의 개구에 대향하는 부분에 공급되고, 이 스퍼터 가스의 이온에 의해 기판 표면에 부착, 퇴적한 것이 에칭된다. 이 경우, 예를 들면, 수직 자기장 강도나 불활성 가스의 가스 유량을 변화시키면, 에칭 속도를 제어할 수 있다. 덧붙여, 이때의 가스 유량은 예를 들면 3~100 sccm의 범위에서 조절할 수 있다.
이와 같이 막 형성 중에 스퍼터 가스의 도입을 온 오프 제어함으로써, 스퍼터 입자의 퇴적과 에칭이 교대로 행해지게 된다. 그 결과, 반도체 디바이스의 제작에 있어서의 막 형성 공정에서 본 발명의 스퍼터링 장치를 적용하면, 미세 홀의 윗면 개구가 막히는 일 없이, 고 종횡비의 미세 홀에 대해서도 피복성 좋게 (즉, 커버리지 좋게) 막을 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 어노드 쉴드는, 타겟재를 면하는 개구부와, 개구부의 둘레 가장자리에 형성된 기판 측을 향해 연장하는 통 모양부를 구비하는 구성을 채용해도 된다.
또, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 스퍼터링 방법은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 스퍼터링 장치에서 처리해야 할 기판의 표면에 막을 형성하는 스퍼터링 방법으로, 상기 수직 자기장 발생 수단에 의해 타겟재와 기판 표면의 사이에 소정의 간격으로 수직한 자력선이 통과하도록 수직 자기장을 발생시키고, 상기 가스 도입 수단에 의해 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하고, 어노드 쉴드에 양의 전위를 인가함과 아울러 캐소드 유닛에 음의 전위를 인가해 타겟재의 내벽면을 스퍼터링 하고, 스퍼터링 중, 상기 제어 수단에 의해 스퍼터 가스의 도입을 소정의 간격으로 온 오프 하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 기판에 바이어스 전위를 인가하도록 해 두면, 이 바이어스 전위를 변화시켜, 막 형성 속도나 가스 도입시의 에칭 속도를 조절할 수가 있다.
도 1은 본 실시 형태인 스퍼터 장치의 구성을 모식적으로 설명하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 스퍼터 장치에 이용되는 캐소드 유닛을 설명하는 분해도도이다.
도 3은 스퍼터 가스 도입과 스퍼터율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 코일로의 통전 전류와 스퍼터율의 관계를 나타내는 그래프이다.
아래에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태인 캐소드 유닛을 구비한 스퍼터 장치에 대해 설명한다. 도 1에 나타나듯이, 스퍼터 장치(M)는 진공 분위기의 형성이 가능한 진공 챔버(1)를 구비하고, 진공 챔버(1)의 천정부에 캐소드 유닛(C)이 설치되어 있다. 덧붙여 아래에서는, 진공 챔버(1)의 천정부측을 「위」라고 하고, 그 저부측을 「아래」로 하여 설명한다.
도 2에 나타나듯이, 캐소드 유닛(C)은, 도전성을 가지는 재료, 예를 들면 후술하는 타겟재와 동일 재료로 제작된 원주상의 홀더(2)를 가진다. 홀더(2)의 아랫면 중앙에는 1개의 요부(3)가 형성되어 있다. 요부(3)의 개구 면적은 φ30~50 mm의 범위에서 설정되고, 요부(3)에는 타겟재(4)가 삽입 설치되어있다.
타겟재(4)는, 처리해야 할 기판(W)에 형성하려고 하는 박막의 조성에 따라, 적당히 선택된 재료, 예를 들면 Cu, Ti나 Ta제이며, 내부에 방전용의 공간(4a)이 존재하도록 바닥을 갖는 실린더형의 외형을 가지며, 그 바닥측으로부터 요부(3)에 착탈 자유롭게 끼워 삽입된다. 타겟재(4)의 길이는, 그 아랫면이 홀더(2) 아랫면과 나란하게 되도록 설정되어 있다.
홀더(2)의 윗면에는, 그 두께 방향으로 연장하는 수용구멍(5)이 복수 개설되며, 원주상이나 각주상으로 성형한 마그넷(6)이 삽입 설치되어 자기장 발생 수단을 구성한다. 본 실시 형태에서는, 수용구멍(5)이 홀더(2)의 둘레방향으로 45도 간격으로 8개 형성되어 있는데, 각 수용구멍(5)에는, 홀더(2)의 두께 방향으로 소정의 간격을 두고 2개의 각주상의 마그넷(6)이 타겟재(4)측의 극성을 교대로 바꾸어 설치되어, 공간(4a) 내에 500 가우스 이상의 강 자기장을 발생시킨다.
또, 홀더(2)의 윗면에는, 수용구멍(5) 내에 마그넷(6)을 수용한 후, 원판 모양의 지지체(7)가 장착되어, 도시 생략된 절연체를 개입시켜 캐소드 유닛(C)이 장착된다. 또 홀더(2)는, 스퍼터 전원인 DC 전원(E1)에 접속되어, 스퍼터 중, 홀더(2) 나아가서는 타겟재(4)에 음의 직류 전위가 인가된다. 덧붙여, 스퍼터 전원은, 이것에 한정되는 것은 아니며, 다른 공지된 것을 이용할 수도 있다.
또, 홀더(2)의 아래쪽에는 도전성을 가지는 어노드 쉴드(8)가 배치되어 있다. 어노드 쉴드(8)는, 홀더(2)의 아랫면 전체를 덮는 형상을 가지고, 타겟재(4)가 면하는 개구부(8a)를 구비하고 있다. 개구부(8a)의 둘레 가장자리에는, 기판(W) 측을 향해 연장하는 중공의 통 모양부(8b)가 형성되어 있다.
또, 어노드 쉴드(8)는 다른 DC 전원(E2)에 접속되어, 스퍼터 중, 양의 직류 전위가 인가된다. 이에 의해, 통 모양부(8b)가, 스퍼터 입자의 이온이 타겟재(4)의 공간(4a)으로부터 강한 직진성을 가지고 기판(W)으로 방출되는 것을 돕는 역할을 수행한다.
진공 챔버(1)의 바닥부에는, 캐소드 유닛(C)에 대향하도록 스테이지(9)가 배치되어 실리콘 웨이퍼 등 처리해야 하는 기판(W)의 위치를 결정, 유지할 수 있다. 스테이지(9)에는 고주파 전원(E3)이 접속되고, 스퍼터 중, 스테이지(9), 나아가서는 기판(W)에 바이어스 전위가 인가되어 타겟재(4)에서의 스퍼터 입자의 이온이나 스퍼터 가스의 이온이 기판(W)에 적극적으로 끌어 들여진다.
진공 챔버(1)의 내벽에는, 상하 한 쌍의 방착판(10u, 10d)이 설치되어 진공 챔버(1) 내에 스퍼터실을 정의하면서, 진공 챔버(1)의 내벽 등으로 스퍼터 입자가 부착되는 것을 방지하고 있다. 진공 챔버(1)의 측벽에는, 아르곤 등 희가스인 스퍼터 가스를 도입하는 가스관(11)이 접속되고, 그 타단이 매스 플로우 콘트롤러(12)를 통해 도시 생략한 가스원에 연통한다. 이 경우, 이들 부품이 가스 도입 수단을 구성해, 유량 제어된 스퍼터 가스를 진공 챔버(1) 내에 도입할 수 있다. 또, 진공 챔버(1)의 바닥부에는, 터보 분자 펌프나 로터리 펌프 등으로 구성되는 진공 배기 수단(13)에 통하는 배기관(14)이 접속되어 있다.
진공 챔버(1)의 외벽면에는, 캐소드 유닛(C) 및 기판(W)의 중심을 연결하는 기준축(CL)의 둘레에, 상하 방향으로 소정의 간격을 가지는 상 코일(15u) 및 하 코일(15d)이 설치되는데, 그 자유 단이 DC 전원(E4)에 각각 접속되고, 상하의 각 코일(15u, 15d)과 DC 전원(E4)이 캐소드 유닛(C)으로부터 기판(W)의 전면에 걸쳐 같은 간격으로 수직인 자력선이 통과하도록 수직 자기장을 발생시키는 수직 자기장 발생 수단을 구성한다. 그리고, 스퍼터 중, 타겟재(4)에서의 스퍼터 입자나 스퍼터 입자의 이온이 수직 자기장에 의해 그 방향을 바꿀 수 있어 기판(W)에 대해서 거의 수직으로 입사해 부착하게 된다.
여기서 DC 전원(E4)은, 상하의 각 코일(15u, 15d)에의 전류값 및 전류의 방향을 임의로 변경할 수 있는 구성의 것이 바람직하고, 수직 자기장을 발생시켰을 때, 자기장 강도가 100 가우스 이상이 되도록 통전 전류(예를 들면, 15A 이하)가 설정된다. 100 가우스보다 작아지면, 플라즈마가 비활성화되어 양호하게 막을 형성할 수 없다. 또, 플라즈마가 수직 자기장의 영향으로 비활성화되지 않고 효율적으로 기판 전면에 걸쳐 균일한 막 두께로 막을 형성하려면, 상향의 수직 자기장이 발생하도록 상하의 각 코일(15u, 15d)에 흘리는 전류의 방향이 제어된다. 덧붙여 코일의 수는 상기로 한정되는 것은 아니다.
또, 스퍼터 장치(M)는, 마이크로 컴퓨터나 시퀀서 등을 구비한 공지의 제어 수단(16)을 구비하여, 제어 수단(16)에 의해 상기 각 DC 전원 및 고주파 전원(E1 내지 E4)의 작동, 매스 플로우 콘트롤러(12)의 작동이나 진공 배기 수단(13)의 작동 등이 통괄 관리된다.
다음에, 상기 스퍼터 장치(1)를 이용한 막 형성에 대해, 막이 형성되는 기판(W)으로서 Si 웨이퍼 표면에 실리콘 산화물막(절연막)을 형성한 후, 이 실리콘 산화물막 중에 공지의 방법으로 배선용의 미세 홀을 패터닝 하여 형성한 것을 이용해 스퍼터에 의해 씨드막인 Cu막을 형성하는 경우를 예로 설명한다.
먼저, 홀더(2)의 요부(3)에 타겟재(4)를 끼워 삽입함과 아울러, 그 위쪽으로부터 수용구멍(5)에 마그넷(6)을 배치한 후, 지지체(7)를 부착하여 캐소드 유닛(C)을 조립한다. 그리고, 캐소드 유닛(C)을 진공 챔버(1)의 천정부에 절연체를 개입시켜 장착한다.
다음에, 캐소드 유닛(C)에 대향하는 스테이지(3)에 기판(W)을 배치한 후, 진공 배기 수단(13)을 작동시켜 진공 챔버(1) 내를 소정의 진공도(예를 들면, 10-5 Pa)까지 진공 배기한다. 진공 챔버(1) 내의 압력이 소정값에 이르면, 매스 플로우 콘트롤러(12)를 제어해 진공 챔버(1) 내에 스퍼터 가스를 소정 유량으로 도입한다.
그리고, DC 전원(E4)에 의해 상하의 각 코일(15u, 15d)에 통전하여 캐소드 유닛(C)으로부터 기판(W)의 전면에 걸쳐 같은 간격으로 수직인 자력선이 통과하도록 수직 자기장을 발생시키고, 어노드 쉴드(8)에 DC 전원(E2)보다 양의 전위(예를 들면, 5~150V)를 인가하고, 홀더(2)에 DC 전원(E1)보다 음의 전위(예를 들면, 200~600V)를 인가함과 아울러, 고주파 전원(E3)에 의해 기판(W)에 음의 바이어스 전위(예를 들면, 100~600V)를 인가한다.
이에 의해, 캐소드 유닛(C)의 전방 공간으로부터 타겟재(4) 내부의 공간(4a)에 글로우 방전이 생겨 마그넷(6)에 의해 생긴 자기장으로 상기 공간(4a)에 플라즈마를 가둘 수 있다. 그 후, 매스 플로우 콘트롤러(12)를 제어해 스퍼터 가스의 도입을 정지하면, 상기 공간(4a)에서 저압력하에서 자가방전한다.
이 상태에서는, 플라즈마 중의 아르곤 이온 등이 타겟재(4)의 내벽면에 충돌하여 스퍼터되어 Cu 원자가 비산하고, Cu 원자나 전리한 Cu 이온이 각 타겟재(4) 아랫면의 개구로부터 강한 직진성을 가지고 기판(W)을 향해 방출되고, 바이어스 전위를 인가하는 것과 수직 자기장을 발생시키고 있는 것이 서로 작용하여, 수직 자기장에 의해 그 방향이 바뀐 스퍼터 입자나 스퍼터 입자의 이온이, 적극적으로 기판(W)에 대해서 대략 수직으로 끌어들여져 부착, 퇴적한다.
그런데, 이러한 자가방전 중에는, 양의 전하를 가지는 스퍼터 입자가 지배적인 상태가 되기 때문에, 기판(W) 표면 중 타겟재(4)의 개구에 대향하는 부분에서의 스퍼터율(suptter rate)이 국소적으로 증가하고, 이대로 막 형성을 계속하면, 미세 홀의 윗면 개구가 스퍼터 입자로 이루어지는 박막으로 덮여 막힐 우려가 있다.
거기서, 스퍼터 중, 제어 수단(16)에 의해 매스 플로우 콘트롤러(12)를 소정의 주기로 온 오프 제어해, 진공 챔버(1) 내에 스퍼터 가스를 소정 유량으로 도입하는 것으로 했다. 이 경우, 스퍼터 가스의 도입 주기는, 가스 배기 속도 등을 고려해 설정된다. 또, 스퍼터 가스 도입 시간은, 가스 배기 속도 등을 고려해 0.5~2.5 초의 범위에서 설정된다.
스퍼터 가스가 재도입된 상태에서는, 플라즈마 중에서 전리한 스퍼터 가스의 이온이 기판(W)을 향해 끌어 들여져, 이 이온에 의해 기판(W)에 부착, 퇴적한 것이 에칭되어진다. 이 경우, 예를 들면 수직 자기장 강도나 불활성 가스의 가스 유량을 변화시키면, 에칭 속도를 제어할 수 있다. 이때, 가스 유량은 예를 들면 3~100 sccm의 범위에서 조절하면 좋다. 3 sccm 이하의 유량에서는, 가스 유량 제어가 불안정한 문제가 있고, 또, 100 sccm를 넘은 유량에서는, 가스 배기 시간이 길어지는 문제가 생긴다.
이와 같이 스퍼터 중에 스퍼터 가스의 도입을 온 오프 제어함으로써, 스퍼터 입자나 스퍼터 입자의 이온의 퇴적과 에칭이 교대로 행해지게 된다. 그 결과, 미세 홀의 윗면 개구가 막히는 일 없이, 고 종횡비의 미세 홀에 대해서도 피복성 좋게(즉, 커버리지 좋게) 막을 형성할 수 있다.
이상의 효과를 확인하기 위해서, 도 1에 나타내는 스퍼터 장치를 이용해 Cu막을 형성했다. 기판(W)으로서φ300 mm의 Si 웨이퍼 표면 전체에 걸쳐 실리콘 산화물막을 형성한 후, 이 실리콘 산화물막 중에 공지의 방법으로 미세 홀(폭 40 nm, 깊이 140nm)을 패터닝 해 형성한 것을 이용했다. 한편, 타겟재(4)로서 조성비 99%의 Cu제로, 두께가 5 mm, 아랫면의 개구경이 30 mm로 형성한 것을 이용했다.
막 형성 조건으로서 홀더(2) 아랫면과 기판(W) 사이의 거리를 300 mm로 설정하고, 타겟재(4)에의 투입 전력을 6.6kW(전류 19.5A), 어노드 쉴드(8)에의 투입 전압 150 V, 상하의 각 코일(15u, 15d)에의 통전 전류 30 A, 바이어스 전력 0 kW로 설정, 스퍼터 시간을 15초로 설정해 Cu 막의 막 형성을 실시했다. 그리고, 스퍼터 가스로서 Ar을 이용하고, 스퍼터에 의한 막 형성 개시 당초 1초간은 100 sccm의 유량으로 스퍼터 가스를 도입하고, 그 후, 0~100 scccm의 각 유량으로 진공 챔버(1)내에 도입하는 것으로 했다.
도 3은, 상기 조건으로 막을 형성했을 때의 스퍼터율의 측정값을 나타내는 그래프이다. 이것에 의하면, 스퍼터 가스의 유량이 3 sccm보다 작은 경우에는, 3 nm/sec를 넘는 높은 스퍼터율을 얻을 수 있고 또, 캐소드재(4)의 개구 직하 및 그 주변에서는, 막 두께 분포의 균일성이 극히 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
한편으로, 스퍼터 가스의 유량이 3 sccm을 넘으면, 특히, 타겟재(4)의 개구 직하의 위치에서의 스퍼터율이 극단적으로 저하하여, 기판(W) 표면에 부착, 퇴적한 Cu막이 에칭되어 가는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우, 바이어스 전력을 높임에 따라, 에칭량이 증가하는 것을 아울러 확인할 수 있었다.
이상으로, 막 형성 중에 스퍼터 가스의 도입을 온 오프 제어함으로써 스퍼터 입자의 퇴적과 에칭을 소정의 주기로 실시하면, 미세 홀의 윗면 개구가 막히는 일 없이, 고 종횡비의 미세 홀에 대해서도 피복성 좋게 막을 형성할 수 있다는 것을 알았다. 이 경우, 미세 홀의 커버리지를 SEM 사진으로 확인했는데, 미세 홀의 벽면에 치밀한 박막이 형성되고 있는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 수직 자기장의 영향을 확인하는 시험을 실시했다. 이 시험에서는, 성막 개시 당초 1초간은 100 sccm의 유량으로 스퍼터 가스를 도입하고, 그 후, 가스의 도입을 정지하는 것 말고는 위와 막 형성 조건을 동일하게 하여, 상하의 각 코일(15u, 15d)에의 통전 전류를 변화시켰다.
이에 따르면, 상하의 각 코일(15u, 15d)에의 통전 전류를 많이 하면 타겟재(4)의 개구 직하 및 그 주변의 스퍼터율이 높아지는 것이 확인되었다.
이상, 본 실시 형태의 스퍼터 장치 및 스퍼터 방법에 대해 설명했는데, 본 발명은 상기로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 홀더(2)의 아랫면 전체에 걸쳐 밀집시켜 다수의 오목부를 형성하고, 각 오목부에 타겟재를 끼워 삽입하여 캐소드 유닛을 구성해도 된다.
M 스퍼터 장치
1 진공 챔버
2 홀더(캐소드 유닛)
3 요부
4 타겟재(캐소드 유닛)
6 마그넷(자기장 발생 수단)
11 가스관(가스 도입 수단)
12 매스 플로우 콘트롤러(가스 도입 수단)
15u 상 코일(수직 자기장 발생 수단)
15d 하 코일(수직 자기장 발생 수단)
C 캐소드 유닛
E1 내지 E4 전원
W 기판

Claims (4)

  1. 처리해야 할 기판이 배치되는 진공 챔버와,
    진공 챔버 내에서 기판에 대향 배치되고, 홀더의 일면에 형성된 적어도 1개의 요부에 바닥을 갖는 실린더형의 타겟재를 그 바닥부측에서부터 장착함과 아울러 타겟재의 내부 공간에 자기장을 발생시키는 자기장 발생 수단을 조립하여 구성된 캐소드 유닛과,
    상기 홀더 중 기판과의 대향면을 적어도 덮도록 배치되고, 양의 전위가 인가되는 어노드 쉴드와,
    상기 진공 챔버 내에 소정의 스퍼터 가스를 도입하는 가스 도입 수단과,
    상기 캐소드 유닛에 전력을 투입하는 스퍼터 전원과,
    상기 캐소드 유닛과 기판을 연결하는 기준축의 둘레에서 진공 챔버의 벽면에 설치한 코일 및 각 코일로의 통전을 가능하게 하는 전원으로 구성되는 수직 자기장 발생 수단과,
    상기 가스 도입 수단으로부터의 스퍼터 가스의 도입을 온 오프 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 어노드 쉴드는, 타겟재를 면하는 개구부와, 개구부의 둘레 가장자리에 형성된 기판 측을 향해 연장하는 통 모양부를 가지는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 스퍼터링 장치에서 처리해야 할 기판의 표면에 막을 형성하는 스퍼터링 방법으로, 상기 수직 자기장 발생 수단에 의해 타겟재와 기판 표면 사이에 소정의 간격으로 수직한 자력선이 통과하도록 수직 자기장을 발생시키고, 상기 가스 도입 수단에 의해 진공 챔버 내에 스퍼터 가스를 도입하고, 어노드 쉴드에 양의 전위를 인가함과 아울러 캐소드 유닛에 음의 전위를 인가해 타겟재의 내벽면을 스퍼터링 하며, 스퍼터링 중, 상기 제어 수단에 의해 스퍼터 가스의 도입을 소정의 간격으로 온 오프 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 기판에 바이어스 전위를 인가하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방법.
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