KR20180003249A - 고밀도 플라즈마 증착 장비 - Google Patents

고밀도 플라즈마 증착 장비 Download PDF

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백주열
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Abstract

본 발명은 자기-이온화된 플라즈마를 형성하고, 상기 자기-이온화된 플라즈마에서 기판 상에 증착물질을 스퍼터 증착하는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되며 상기 기판이 안착되는 기판 지지체; 상기 기판 지지체의 상부에 배치되는 타겟; 상기 타겟과 상기 기판 지지체 사이에 배치되며, 상기 자기-이온화된 플라즈마에 에너지를 유도적으로 결합시키는 적어도 하나의 유도 코일; 및 상기 적어도 하나의 유도 코일과 서로 이격되어 배치되며, 상기 챔버의 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근에 위치하는 자석 어레이;를 포함하는, 고밀도 플라즈마 증착 장비를 제공한다.

Description

고밀도 플라즈마 증착 장비{High density plasma deposition apparatus}
본 발명은 고밀도 플라즈마 증착 장비에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고종횡비를 갖는 관통 실리콘 비아 충진에 사용되는 고밀도 플라즈마 증착 장비에 관한 것이다.
최근, 3차원 적층 패키징을 위해 관통 실리콘 비아(Through Silicon Via, TSV)를 이용한 적층기술이 주를 이루고 있다. 관통 실리콘 비아는 3차원 패키징을 고집적화할 수 있으며, 가장 단거리에서 전기적 통전이 가능하여 신호전달감소를 매우 효율적으로 억제할 수 있다.
관통 실리콘 비아의 충진 공정은 전기도금이나 화학기상증착(CVD) 등의 방식으로 Cu를 충진하는 기술이 일반적으로 사용되었으나, 관통 실리콘 비아의 직경이 극 미세화되고 종횡비가 증가하게 되면서 많은 기술적 제약을 받고 있다. 예를 들어, 트랜지스터의 크기가 45㎚ 미만으로 감소하고 보다 높은 종횡비를 가질수록, 충분한 막 균일성과 단차 도포성을 실현하기 매우 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고종횡비를 갖는 관통 실리콘 비아를 충진에 사용가능한 고밀도 플라즈마 증착 장비를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 고밀도 플라즈마 증착 장비를 제공한다. 상기 고밀도 플라즈마 증착 장비는 자기-이온화된 플라즈마를 형성하고, 상기 자기-이온화된 플라즈마에서 기판 상에 증착물질을 스퍼터 증착하는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되며 상기 기판이 안착되는 기판 지지체; 상기 기판 지지체의 상부에 배치되는 타겟; 상기 타겟과 상기 기판 지지체 사이에 배치되며, 상기 자기-이온화된 플라즈마에 에너지를 유도적으로 결합시키는 적어도 하나의 유도 코일; 및 상기 적어도 하나의 유도 코일과 서로 이격되어 배치되며, 상기 챔버의 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근에 위치하는 자석 어레이;를 포함할 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 타겟 부근에 배치되어 상기 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 상기 타겟 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 기판 지지체 부근에 배치되어 상기 자기-이온화된 플라즈마 이온의 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은 제 1 유도 코일과 제 2 유도 코일을 포함하며, 상기 제 1 유도 코일은 상기 자석 어레이 상에 배치되고, 상기 제 2 유도 코일은 상기 기판 지지체 부근에 배치됨으로써, 상기 제 2 유도 코일은 상기 제 1 유도 코일, 상기 자석 어레이와의 상호작용을 통해 상기 타겟에서 상기 기판으로 이어지는 전 구간에서 고밀도 플라즈마 유지 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온화를 유도할 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 제 2 유도 코일은 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온화를 유도함으로써 상기 기판 전면에 걸쳐 상기 증착물질의 직진성과 방향성을 확보하고, 균일한 막 두께의 성막을 유도할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 고밀도 플라즈마 증착 장비를 제공한다. 상기 고밀도 플라즈마 증착 장비는 자기-이온화된 플라즈마를 형성하고, 상기 자기-이온화된 플라즈마에서 기판 상에 증착물질을 스퍼터 증착하는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되며 상기 기판이 안착되는 기판 지지체; 상기 기판 지지체의 상부에 배치되는 타겟; 상기 타겟 부근에 배치되어 상기 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 상기 타겟 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성하는, 상부 유도 코일; 상기 상부 유도 코일과 서로 이격되어 배치되고, 상기 기판 지지체 부근에 위치함에 따라 상기 자기-이온화된 플라즈마 이온의 밀도를 향상시키는, 하부 유도 코일; 및 상기 상부 유도 코일과 상기 하부 유도 코일 사이에 배치되며, 상기 챔버 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근에 위치하는 자석 어레이;를 포함할 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이는 상기 챔버의 내부 또는 외부에 배치되며, 상기 자석 어레이의 자석 배열에 따라 제어되는 자기장의 분포에 의해 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이는 상기 챔버의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이의 자석 배열에 따라 제어되는 자기장의 분포에 의해 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이는 영구자석 또는 전자석을 포함할 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이는 상기 타겟을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 상기 챔버의 중심축과 나란한 방향 또는 수평 방향으로 배치될 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이는 상기 타겟을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 상기 챔버의 중심축에 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
상기 고밀도 플라즈마 증착 장비에 있어서, 상기 자석 어레이는 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 상기 챔버의 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고종횡비를 갖는 관통 실리콘 비아의 홀 속으로 금속 물질을 균일한 막 두께를 갖도록 충진할 수 있는 고밀도 플라즈마 증착 장비를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비의 자석 어레이의 배치에 따른 자장의 분포를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비를 개략적으로 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비(100)는 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30), 적어도 하나의 유도 코일(42, 44) 및 자석 어레이(50)를 포함할 수 있다. 챔버(10)는 자기-이온화된 플라즈마를 형성하고, 상기 자기-이온화된 플라즈마에서 기판(미도시) 상에 증착물질을 스퍼터 증착하는 기능을 수행한다. 기판 지지체(20)는 챔버(10) 내부에 배치되며 기판이 안착되어 증착공정이 수행되는 동안 상기 기판이 고정될 수 있도록 기판을 지지할 수 있다. 여기서, 기판 지지체(20)는 예를 들어, 정전척, 가열된 기판을 지지할 수 있는 기판 트레이 등일 수 있다. 기판 지지체(20)는 기판의 온도를 조절할 수 있도록 히터나 냉각채널을 포함할 수도 있다.
타겟(30)은 기판 지지체(20)와 대향되는 상부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지체(20)가 챔버(10)의 하부에 배치될 경우, 타겟(30)은 기판 지지체(20)와 대향되는 면인 챔버(10)의 상부에 배치될 수 있다. 반대로, 기판 지지체(20)가 챔버(10)의 상부에 배치될 경우, 타겟(30)은 기판 지지체(20)와 대향되는 면인 챔버(10)의 하부에 배치될 수 있다. 만약, 기판 지지체(20)가 챔버(10) 바닥면과 수직한 방향으로 배치된다면, 타겟(30)은 기판 지지체(20)와 동일하게 챔버(10) 바닥면과 수직한 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 물질의 종류 및 공정 조건에 따라 기판 지지체(20)와 타겟(30)의 위치 및 배열은 변경될 수 있으며, 도 1에 한정되는 것은 아니다.
타겟(30) 뒤에 마그네트론(55)을 위치시킴으로써 스퍼터링 원자들의 스퍼터 이온화 분률 및 타겟 스퍼터링 속도가 크게 증가될 수 있다. 마그네트론(55)은 N극 또는 S극의 자성을 띠는 작고 강한 자석을 적절하게 배치시켜 타겟(30)의 정면에 인접하게 고밀도 플라즈마 영역을 형성하여 스퍼터링 속도를 크게 증가시킬 수 있다. 여기서, 마그네트론(55)은 타겟(30)의 중심축을 기준으로 회전시킬 수 있으나, 회전시키지 않고 왕복직진운동으로 무빙(moving)시켜 플라즈마 확산을 제어할 수 있다. 마그네트론(55)의 배열은 요구되는 재료, 증착균일도 및 증착두께 등에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다. 또, 타겟(30)이 평판형이 아니라 로테이터블형(rotatable)일 경우에는 마그네트론(55)은 타겟(30)의 내부에 배치됨으로써 플라즈마 영역을 형성할 수 있다.
적어도 하나의 유도 코일(42, 44)은 타겟(30) 부근 또는 기판 지지체(20) 부근 중 어느 한 곳에 각각 설치되어 플라즈마 밀도를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 유도 코일(42)은 타겟(30)과 기판 지지체(20) 사이에 배치됨으로써 자기-이온화된 플라즈마에 에너지를 유도적으로 결합시킬 수 있다. 즉, RF 전력 공급부(미도시)를 이용하여 적어도 하나의 유도 코일(42)에 RF 전류를 인가하여 챔버 내부에 RF 자기장을 유도하여 플라즈마에 커플링 전력에서 매우 효과적인 방위각을 갖는 RF 전기장을 생성하여 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 적어도 하나의 유도 코일(42)은 타겟(30) 부근에 배치되어 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 타겟(30) 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 유도 코일(44)은 타겟(30)과 기판 지지체(20) 사이에 배치됨으로써 자기-이온화된 플라즈마에 에너지를 유도적으로 결합시킬 수 있다. 즉, RF 전력 공급부(미도시)를 이용하여 적어도 하나의 유도 코일(44)에 RF 전류를 인가하여 챔버 내부에 RF 자기장을 유도하여 플라즈마에 커플링 전력에서 매우 효과적인 방위각을 갖는 RF 전기장을 생성하여 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 적어도 하나의 유도 코일(44)은 기판 지지체(20) 부근에 배치되어 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 타겟(30) 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 유도 코일이 타겟(30) 부근과 기판 지지체(20) 부근에 동시에 형성될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 유도 코일은 제 1 유도 코일(42)과 제 2 유도 코일(44)로 구분될 수 있다. 제 1 유도 코일(42)은 자석 어레이(50) 상에 배치되고, 제 2 유도 코일(44)은 기판 지지체(20) 부근에 배치될 수 있다. 여기서, 자석 어레이(50)에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
제 1 유도 코일(42)은 타겟(30) 부근에 배치되어 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 타겟(30) 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 제 2 유도 코일(44)은 제 1 유도 코일(42) 및 자석 어레이(50a)와의 상호작용을 통해 타겟(300에서 기판으로 이어지는 전 구간에서 고밀도 플라즈마 유지 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온화를 유도할 수 있다. 제 2 유도 코일(44)은 자기-이온화된 플라즈마의 이온화를 유도함으로써 기판 전면에 걸쳐 증착물질의 직진성과 방향성을 확보하고, 균일한 막 두께의 성막을 유도할 수 있다.
한편, 적어도 하나의 유도 코일(42, 44)는 타겟(30)의 면적보다 상대적으로 넓게 형성될 수 있으며, 챔버(10)의 중심축을 기준으로 원 형상으로 감길 수 있다. 적어도 하나의 유도 코일(42, 44)의 재질은 타겟(30)과 동일한 재료로 구성될 수 있으나, 챔버 내의 가스분위기나 증착물질의 종류에 따라 다른 재료로 구성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비의 자석 어레이의 배치에 따른 자장의 분포를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자석 어레이(magnet array, 50)는 적어도 하나의 유도 코일(42, 44)과 서로 이격되도록, 챔버(10)의 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근에 위치할 수 있다. 자석 어레이(50)는 챔버(10)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있으며, 내부와 외부에 모두 배치될 수도 있다. 자석 어레이(50)의 자석 배열에 따라 자기-이온화된 플라즈마의 이온 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다. 여기서, 자석 어레이(50)는 영구자석 또는 전자석을 포함할 수 있다.
스퍼터링이 진행됨에 따라 타겟(30) 주변 플라즈마에서 화살표 방향(F 방향)으로 거리가 멀어지게 되면 챔버(10)를 통한 이온의 소실이 발생한다. 또, 아르곤 양이온(Ar+)과 전자의 재결합으로 인한 중립화(neutralization)로 이온 및 플라즈마의 밀도가 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해 자석 어레이(50)의 자석 위치를 제어함에 따라 자기장의 분포를 조절할 수 있다. 자석 어레이(50)를 챔버(10)의 중심축에 나란한 방향 또는 수평 방향으로 배치할 경우, 자기장은 도 2와 같이 분포함으로써 전자를 소정의 공간에 가두어 이온 및 플라즈마 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 자석 어레이(50)로서 영구자석(50a)을 사용할 경우, 영구자석(50a)은 타겟(30)을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 기판 지지체(20)의 평면을 기준으로 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 이 때, 영구자석(50a)은 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 챔버(10)의 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되며, 영구자석(50a)의 자계에 의해 강한 수직 자계가 형성됨으로써 플라즈마의 영역을 연장시켜 이온화된 입자들을 기판으로 안내하여 균일도가 우수한 박막을 형성할 수 있다.
또한, 스퍼터링 된 입자의 직진성 및 방향성을 최적화함으로써 기판 전면 상에 증착균일도를 향상시킬 수 있다. 기판의 중심부와 기판의 엣지부에 증착된 막 두께를 서로 비교할 경우, 막 두께의 비가 거의 비슷하게 제어하기 위해서 제 1 유도 코일(42), 자석 어레이(50) 및 제 2 유도 코일(44)은 챔버(10) 내부에서 각각 최적의 상태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에는 제 1 유도 코일(42), 자석 어레이(50) 및 제 2 유도 코일(44)은 서로 가깝게 배치되어 있으나, 자석 어레이(50)의 자석 배열을 다르게 배치하거나 또는, 제 1 유도 코일(42), 자석 어레이(50) 및 제 2 유도 코일(44)의 상대적인 거리를 각각 서로 다르게 배치함으로써 증착물질의 직진성과 방향성을 제어할 수 있다. 제 1 유도 코일(42)와 제 2 유도 코일(44)이 타겟(30)의 전면적을 기준으로 상대적으로 같은 면적으로 형성하거나 각각 다른 면적을 갖도록 제어함으로써 플라즈마의 밀도를 국부적으로 다르게 제어할 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비(200)는 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30), 적어도 하나의 유도 코일(42, 44) 및 자석 어레이(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30) 및 적어도 하나의 유도 코일(42, 44)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
자석 어레이(50)는 챔버(10)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있으며, 내부와 외부에 모두 배치될 수도 있다. 예를 들어, 자석 어레이(50)는 영구자석(50a)을 사용할 수 있다. 스퍼터링이 진행됨에 따라 타겟(30) 주변 플라즈마에서 화살표 방향(F 방향)으로 거리가 멀어지게 되면 챔버(10)를 통한 이온의 소실이 발생한다. 또, 아르곤 양이온(Ar+)과 전자의 재결합으로 인한 중립화(neutralization)로 이온 및 플라즈마의 밀도가 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해 영구자석(50a)의 위치를 제어함에 따라 자기장의 분포를 조절할 수 있다. 영구자석(50a)을 챔버(10)의 중심축에 수직한 방향으로 배치할 경우, 자기장의 분포에 따라 전자를 소정의 공간에 가두어 이온 및 플라즈마 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다.
영구자석(50a)은 타겟(30)을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 기판 지지체(20)의 평면을 기준으로 수평하거나 나란한 방향으로 배치될 수 있다. 크기가 작은 영구자석(50a)은 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 챔버(10)의 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되거나, 원형상의 영구자석(50a)이 기판 지지체(20)의 평면에 수평하게 배치될 수 있다. 경우에 따라 복수개의 영구자석(50a)이 소정의 거리만큼 서로 이격되어 적어도 2개층 이상으로 나란하게 배치될 수 있다. 이 때, 영구자석(50a)의 자계에 의해 강한 수직 자계가 형성됨으로써 플라즈마의 영역을 연장시켜 이온화된 입자들을 기판으로 안내하여 균일도가 우수한 박막을 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비(300)는 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30), 적어도 하나의 유도 코일(42, 44) 및 자석 어레이(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30) 및 적어도 하나의 유도 코일(42, 44)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
자석 어레이(50)는 챔버(10)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있으며, 내부와 외부에 모두 배치될 수도 있다. 예를 들어, 자석 어레이(50)는 전자석(50b)을 사용할 수 있다. 스퍼터링이 진행됨에 따라 타겟(30) 주변 플라즈마에서 화살표 방향(F 방향)으로 거리가 멀어지게 되면 챔버(10)를 통한 이온의 소실이 발생한다. 또, 아르곤 양이온(Ar+)과 전자의 재결합으로 인한 중립화(neutralization)로 이온 및 플라즈마의 밀도가 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해 전자석(50b)의 위치를 제어함에 따라 자기장의 분포를 조절할 수 있다. 전자석(50b)을 챔버(10)의 중심축에 수직한 방향으로 배치할 경우, 자기장의 분포에 따라 전자를 소정의 공간에 가두어 이온 및 플라즈마 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다.
전자석(50b)은 타겟(30)을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 기판 지지체(20)의 평면을 기준으로 수평하거나 나란한 방향으로 배치될 수 있다. 크기가 작은 전자석(50b)은 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 챔버(10)의 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되거나, 원형상의 전자석(50b)이 기판 지지체(20)의 평면에 수평하게 배치될 수 있다. 경우에 따라 복수개의 전자석(50b)이 소정의 거리만큼 서로 이격되어 적어도 2개층 이상으로 나란하게 배치될 수 있다. 이 때, 전자석(50b)의 자계에 의해 강한 수직 자계가 형성됨으로써 플라즈마의 영역을 연장시켜 이온화된 입자들을 기판으로 안내하여 균일도가 우수한 박막을 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 증착 장비(400)는 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30), 적어도 하나의 유도 코일(42, 44) 및 자석 어레이(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30) 및 적어도 하나의 유도 코일(42, 44)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
자석 어레이(50)는 챔버(10)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있으며, 내부와 외부에 모두 배치될 수도 있다. 예를 들어, 자석 어레이(50)는 영구자석(50a)과 전자석(50b)을 혼용하여 사용할 수 있다. 스퍼터링이 진행됨에 따라 타겟(30) 주변 플라즈마에서 화살표 방향(F 방향)으로 거리가 멀어지게 되면 챔버(10)를 통한 이온의 소실이 발생한다. 또, 아르곤 양이온(Ar+)과 전자의 재결합으로 인한 중립화(neutralization)로 이온 및 플라즈마의 밀도가 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해 영구자석(50a)과 전자석(50b)의 위치를 제어함에 따라 자기장의 분포를 조절할 수 있다. 영구자석(50a)과 전자석(50b)을 챔버(10)의 중심축에 수직한 방향으로 배치할 경우, 자기장의 분포에 따라 전자를 소정의 공간에 가두어 이온 및 플라즈마 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다.
예시적으로, 영구자석(50a)을 타겟(30)의 표면에 근접하게 배치하고, 전자석(50b)을 타겟(30)의 표면에서 영구자석(50a)보다 상대적으로 더 멀게 배치할 수 있다. 이 경우, 영구자석(50a)과 전자석(50b)은 타겟(30)을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 서로 이격되어 배치되고, 기판 지지체(20)의 평면을 기준으로 수평하거나 나란한 방향으로 배치될 수 있다. 크기가 작은 영구자석(50a)과 전자석(50b)은 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 챔버(10)의 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되거나, 원형상의 영구자석(50a) 또는 전자석(50b)이 기판 지지체(20)의 평면에 수평하게 배치될 수 있다. 이 때, 영구자석(50a)과 전자석(50b)의 자계에 의해 강한 수직 자계가 형성됨으로써 플라즈마의 영역을 연장시켜 이온화된 입자들을 기판으로 안내하여 균일도가 우수한 박막을 형성할 수 있다. 여기서, 영구자석(50a)과 전자석(50b)의 위치는 서로 바뀌어도 무방하다. 또, 자기장의 분포를 제어하기 용이하도록 영구자석(50a)과 전자석(50b)을 각각 1개층씩 설계해도 되지만 경우에 따라서 복수개로 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 증착 장비(100)는 챔버(10), 기판 지지체(20), 타겟(30), 상부 유도 코일(42), 하부 유도 코일(44) 및 자석 어레이(50)를 포함할 수 있다. 기판 지지체(20)는 챔버(10) 내부(하부)에 배치되며 기판(미도시)이 안착될 수 있으며, 기판 지지체(20)에는 RF 바이어스(bias)가 인가될 수 있다.
한편, 타겟(30)은 기판 지지체(20)와 대향되도록 챔버(10)의 상부에 배치될 수 있다. RF 소스 및/또는 DC 소스로부터 RF 전력 및/또는 DC 전력을 타겟(30)에 전달됨으로써 챔버(10) 내에 공급되는 아르곤, 크립톤, 헬륨 또는 제논과 같은 비반응성 가스가 이온화됨으로써 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마에 의해 타겟(30)의 입자가 떨어져 나와 화살표 방향(F 방향)으로 이동되어 기판 상에 증착될 수 있다. RF 소스와 DC 소스를 함께 사용할 경우, RF 단독 소스에 비해 전체적으로 낮은 RF 전력이 사용될 수 있어 기판의 손상을 방지하고 스퍼터링 수율을 증대시키는 효과를 얻을 수도 있다. 여기서, 상기 가스가 공급되는 배관, 타겟 쉴드 및 챔버(10) 내부의 진공을 유지할 수 있는 펌프 등에 대한 상세한 설명은 일반적인 증착 장비에 모두 포함되는 구성으로서 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상부 유도 코일(42)은 타겟(30) 부근에 배치되어 공정압력(working pressure)이 10-4 Torr에서 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 타겟(30) 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다.
자석 어레이(50)는 상부 유도 코일(42)과 하부 유도 코일(44) 사이에 배치되며, 챔버(10) 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근(상기 챔버 측벽의 내부 및/또는 외부)에 배치될 수 있다. 챔버(10)의 내부 및/또는 외부에 배치되는 자석 어레이(50)의 배열(챔버(10)의 중심축을 기준으로 수직방향 또는 수평방향으로 배치되는 경우)에 따라 제어되는 자기장의 분포에 의해 자기-이온화된 플라즈마의 이온 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 밀도를 유지하거나 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 자석 어레이(50)는 스퍼터가 진행됨에 따라 타겟 주변 플라즈마에서 멀어지면 챔버를 통한 이온의 소실 및 아르곤 양이온(Ar+)과 전자의 재결합으로 인한 중립화(neutralization)로 이온 및 플라즈마 밀도가 떨어지는 것을 보완할 수 있다. 즉, 자석 어레이(50)의 자장을 통한 전자 가둠 현상(electron confinement)으로 이온 및 플라즈마 밀도를 유지하고 향상시킬 수 있으며, 최적의 자석(magnet) 배열로 스퍼터 된 입자의 직진성 및 방향성을 최적화할 수 있다.
또한, 하부 유도 코일(44)은 상부 유도 코일(42)과 서로 이격되어 배치될 수 있다. 기판 지지체(20) 부근에 위치함에 따라 기판 부근의 플라즈마 이온 밀도 향상고 자석 어레이(50), 상부 유도 코일(42)과의 상호작용을 통해 타겟(30)에서 기판으로 이어지는 전 구간에서 고밀도 플라즈마를 유지하고, 이온화를 유도하여 기판 전면에 걸친 직진성과 방향성을 확보할 수 있다. 이를 통해 고종횡비를 갖는 실리콘 관통 비아(TSV)와 같이 단차가 큰 기판의 전면 상에 균일한 막 두께를 성막할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 증착 장비(100)는 기판의 손상을 방지하고, 고밀도 플라즈마의 밀도를 향상시키며, 증착물질의 직진성과 방향성을 제어함으로써 고종횡비를 갖는 실리콘 관통 비아의 홀을 충진할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 증착 장비(100)는 배치타입(batch type)을 예시로 설명하였으나, 인라인 타입(in-line type)에도 적용이 가능하며, 이외에도 롤투롤(roll to roll) 방식과 같이 다양한 형태의 고밀도 플라즈마 증착 장비에 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 챔버
20 : 기판 지지체
30 : 타겟
42 : 제 1 유도 코일(상부 유도 코일)
44 : 제 2 유도 코일(하부 유도 코일)
50 : 자석 어레이
50a : 영구자석
50b : 전자석
55 : 마그네트론
100 : 고밀도 플라즈마 증착 장비

Claims (13)

  1. 자기-이온화된 플라즈마를 형성하고, 상기 자기-이온화된 플라즈마에서 기판 상에 증착물질을 스퍼터 증착하는 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되며 상기 기판이 안착되는 기판 지지체;
    상기 기판 지지체의 상부에 배치되는 타겟;
    상기 타겟과 상기 기판 지지체 사이에 배치되며, 상기 자기-이온화된 플라즈마에 에너지를 유도적으로 결합시키는 적어도 하나의 유도 코일; 및
    상기 적어도 하나의 유도 코일과 서로 이격되어 배치되며, 상기 챔버의 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근에 위치하는 자석 어레이;
    를 포함하는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 타겟 부근에 배치되어 상기 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 상기 타겟 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성하는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 기판 지지체 부근에 배치되어 상기 자기-이온화된 플라즈마 이온의 밀도를 향상시키는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유도 코일은 제 1 유도 코일과 제 2 유도 코일을 포함하며,
    상기 제 1 유도 코일은 상기 자석 어레이 상에 배치되고, 상기 제 2 유도 코일은 상기 기판 지지체 부근에 배치됨으로써,
    상기 제 2 유도 코일은 상기 제 1 유도 코일, 상기 자석 어레이와의 상호작용을 통해 상기 타겟에서 상기 기판으로 이어지는 전 구간에서 고밀도 플라즈마 유지 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온화를 유도하는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 유도 코일은 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온화를 유도함으로써 상기 기판 전면에 걸쳐 상기 증착물질의 직진성과 방향성을 확보하고, 균일한 막 두께의 성막을 유도하는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  6. 자기-이온화된 플라즈마를 형성하고, 상기 자기-이온화된 플라즈마에서 기판 상에 증착물질을 스퍼터 증착하는 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되며 상기 기판이 안착되는 기판 지지체;
    상기 기판 지지체의 상부에 배치되는 타겟;
    상기 타겟 부근에 배치되어 상기 자기-이온화된 플라즈마의 활성화를 통하여 상기 타겟 부근에서 고밀도 플라즈마를 생성하는, 상부 유도 코일;
    상기 상부 유도 코일과 서로 이격되어 배치되고, 상기 기판 지지체 부근에 위치함에 따라 상기 자기-이온화된 플라즈마 이온의 밀도를 향상시키는, 하부 유도 코일; 및
    상기 상부 유도 코일과 상기 하부 유도 코일 사이에 배치되며, 상기 챔버 중심축을 중심으로 배열된 측벽 부근에 위치하는 자석 어레이;
    를 포함하는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 자석 어레이는 상기 챔버의 내부 또는 외부에 배치되며, 상기 자석 어레이의 자석 배열에 따라 제어되는 자기장의 분포에 의해 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 밀도를 유지하거나 향상시키는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어레이는 상기 챔버의 내부 또는 외부에 배치되는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어레이의 자석 배열에 따라 제어되는 자기장의 분포에 의해 상기 자기-이온화된 플라즈마의 이온 및 상기 자기-이온화된 플라즈마의 밀도를 유지하거나 향상시키는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어레이는 영구자석 또는 전자석을 포함하는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어레이는 상기 타겟을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 상기 챔버의 중심축과 나란한 방향 또는 수평 방향으로 배치되는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어레이는 상기 타겟을 포함하는 평면 아래에서 프로세싱 공간 주위에 부분적으로 배치되고, 상기 챔버의 중심축에 수직한 방향으로 배치되는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어레이는 원형 대칭 자계를 생성하기 위하여 상기 챔버의 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치되는,
    고밀도 플라즈마 증착 장비.
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