KR20180118061A - 펄스형 dc 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

펄스형 dc 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 상기 방법은 물질 층이 형성되는 타겟 및 질 층이 형성가능한 기판을 포함하는 챔버를 제공하는 단계, 및 이후 상기 챔버 내에 가스를 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 타겟에 인접한 플라즈마를 실질적으로 국부화시키도록 타겟에 근접한 제1 자기장을 인가하는 단계를 더 포함한다. 상기 플라즈마로부터 기판을 향하여 가스 이온들을 끌어당기기 위해 RF 바이어스가 기판에 인가되고, 상기 플라즈마로부터 가스 이온들을, 기판 상에 형성된 물질 층 상의 선택 영역들로 조절하기 위해 제2 자기장이 기판에 근접하게 인가된다.

Description

펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING STRESS VARIATION IN A MATERIAL LAYER FORMED VIA PULSED DC PHYSCIAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명은 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
마이크로 전자 기계 시스템들은 질화 알루미늄과 같은 물질들의 압전 특성들 및 알루미늄 스칸듐 질화물과 같은 이금속성 질화물을 종종 이용하는 디바이스들을 포함한다. 물질은 일반적으로 물리적 기상 증착 기술을 사용하여 웨이퍼와 같은 기판 상에 증착되며, 물질 내의 응력 프로파일은 디바이스의 동작 특성들에 영향을 주는 주요 팩터인 것으로 나타났다. 웨이퍼를 가로지르는 물질 증착은 상당히 다를 수 있으며, 이와 같이, 동일한 웨이퍼 상에 형성된 디바이스들은 종종 상이한 동작 특징들을 갖는다.
웨이퍼 상에 형성된 디바이스들의 균일한 특징들을 얻기 위한 노력에서, 챔버를 가로지르는 플라즈마 프로파일은 웨이퍼를 가로지르는 스퍼터링된 물질을 균일하게 발생시키도록 배치되어, 증착된 물질의 균일한 두께를 달성할 수 있다. 결정면에 배향된 층의 텍스쳐링된 성장을 생성하는 것이 또한 바람직하며, 텍스쳐링된 성장을 발생시키기 위한 주요 요구 사항들은 고진공(<1x10-7Torr) 및 >300℃와 같은 높은 웨이퍼 온도를 포함한다.
물리적 기상 증착을 사용하여 형성된 층을 가로지르는 응력 프로파일은 주로 두개의 팩터들: 웨이퍼 온도와 층 상의 이온 충격에 의존한다. 높은 웨이퍼 온도는 웨이퍼가 냉각 및 수축함에 따라 층 내에 큰 인장 응력을 생성하는 것으로 나타났다. 또한, 웨이퍼 온도가 증착 동안 실질적으로 균일하기 때문에, 이후 어떠한 바이어스 전압도 없을 때, 증착은 (웨이퍼 표면 상으로 재료의 균일한 응축 때문에) 웨이퍼 상에 균일하다. 그러나, 웨이퍼가 냉각 및 수축함에 따라, 도면의 도 1에 그래프로 도시된 바와 같이, 층이 크래킹되고 완화함에 따라, 웨이퍼의 중심에서 물질 층 내의 응력이 붕괴되는 것으로 나타났다.
적합한 전압차가 웨이퍼에 인가되면, 플라즈마 내의 이온들은 웨이퍼에 끌어당겨지게 되고, 그 위에 증착된 물질을 타격하여, 증착된 층을 보다 압축 상태로 압축시킬 수 있으며, 이는 층 내에 평균 응력을 제어하는 것을 돕는다. 전압차는 층 상에 이온 충격을 증가시킴으로써, 예를 들어, 900MPa에서 100MPa까지의 질화 알루미늄 층 내의 인장 응력 변화를 감소시킬 수 있다. 그러나, 전압차가 증가함에 따라, 도면의 도 2에 그래프로 도시된 바와 같이, 챔버를 가로지르는 플라즈마 프로파일로 인해 응력 프로파일이 불균일해지는 것으로 나타났다.
챔버 내의 플라즈마는 일반적으로 회전 자기장에 의해 챔버 내의 국부적인 영역에 한정되며, 이 필드는 웨이퍼의 환형 영역들에 인접하여 이온들을 우선적으로 발생시킨다. 환형 영역들에 인접한 이온 밀도의 증가는 이들 환형 영역들에 인접한 층 상의 이온들의 더 큰 충격을 야기한다. 특히, 층은 중심에서보다, 그 외부 주변부에 근접한 이온 충격을 더 받고, 이후에 보다 인장성의 중심 영역, 및 층의 보다 압축성의 주변부를 가져오며, 이는 웨이퍼가 수축함에 따라 층 크래킹을 야기하는 것으로 나타났다.
이제 위에서 언급된 문제들 중 적어도 일부를 해결하는 방법 및 장치를 고안해왔다.
본 발명에 따르면, 제1 양태에서 알 수 있는 바와 같이, 펄스형 dc 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은:
상기 물질 층이 형성되는 타겟 및 물질 층이 형성가능한 기판을 포함하는 챔버를 제공하는 단계;
상기 챔버 내에 가스를 도입시키는 단계;
상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계;
상기 타겟에 인접한 플라즈마를 실질적으로 국부화시키기 위해 타겟에 근접한 제1 자기장을 인가하는 단계;
상기 기판에 RF 바이어스 전압을 인가하는 단계;
상기 플라즈마로부터 가스 이온들을, 기판 상에 형성된 물질 층 상의 선택적인 영역들로 조절하기 위해 기판에 근접한 제2 자기장을 인가하는 단계를 포함하며,
상기 제2 자기장에 의해 조절되는 가스 이온들은 제1 자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다.
기판을 가로질러 및 다양한 상호 작용 패턴들에서 다양한 지점들에서 발생된 자기장들은 로렌츠 힘으로 인해 층 표면에 증가된 이온 플럭스의 국부적인 영역들을 생성하는데 사용될 수 있다. 이 힘은 타겟과 기판 사이에 인가된 전기장과 웨이퍼에 인접한 제2 자기장의 교차 곱으로부터 발생한다. 제1 자기장은 웨이퍼 두께 균일성 및 타겟의 유효 수명에 영향을 주는 것으로 나타났지만, 제2 자기장은 기판을 가로질러 최적의 응력 균일성을 제공하기 위해 독립적으로 튜닝될 수 있다.
실시예에서, 제2 자기장은 기판의 중심부에 인가된다. 예를 들어, 기판은 평면 디스크형 형상을 갖는 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있고, 제2 자기장은 웨이퍼의 중심에 인가될 수 있다. 증착된 층의 응력 상태는 온도 및 이온 충격에 관련되기 때문에, 이온 충격의 증가는 최대 자속이 전기장에 수직인, 일반적으로 웨이퍼 표면에 수직인 영역에서의 인장 응력의 감소를 야기한다. 웨이퍼 응력 변화 내에 감소된 것을 달성하기 위해, 제2 자기장에 대한 이상적인 배치는 웨이퍼의 중심에서의 이온 충격을 증가시키고, 따라서 중심 영역 내의 상대적 인장 응력을 감소시키기 위해, 기판의 중심이 될 것이다.
실시예에서, 방법은 기판에 대해 제2 자기장을 회전시키는 단계를 더 포함한다. 회전은 기판에 실질적으로 수직으로 연장되는 축에 대해 일어날 수 있다.
실시예에서, 방법은 물질 층이 형성될 때 기판에 대해 제2 자기장을 회전시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 물질 층을 형성하기 위한 복수의 증착 단계들을 더 포함하며, 기판은 각 단계를 시작하기 전에 플래튼에 대해 회전된다.
실시예에서, 기판은 각각의 증착 단계 사이에서 플래튼에 대해 360°/n의 각도 범위로 회전되며, n은 증착 단계들의 수이다.
실시예에서, 방법은 질소 및/또는 아르곤 가스를 챔버 내로 도입시키는 단계를 포함한다. 실시예에서, 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고 타겟은 알루미늄을 포함한다.
제2 양태에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따르면, 펄스형 dc 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는:
상기 물질 층이 형성되는 타겟 및 물질 층이 형성가능한 기판을 수용하기 위한 챔버, 상기 챔버는 챔버 내로 가스를 도입시키기 위한 입구를 포함함;
상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 장치; 및,
사용 시에 상기 기판에 RF 바이어스 전압을 인가하기 위한 전압원을 포함하고;
상기 장치는, 타겟에 인접한 플라즈마를 국부화시키기 위해, 사용 시에, 타겟에 근접한 제1 자기장을 발생시키도록 구성된 제1 자기장 발생 장치 및 상기 플라즈마로부터의 가스 이온들을 기판 상에 형성된 물질 층 위에 선택 영역들로 조절하기 위해, 사용 시에, 기판에 근접한 제2 자기장을 발생시키기 위한 제2 자기장 발생 장치를 더 포함하며, 상기 제2 자기장에 의해 조절된 가스 이온들은 제1 자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다.
실시예에서, 제1 자기장 발생 장치는 마그네트론 어셈블리를 포함한다.
실시예에서, 제2 자기장 발생 장치는 어레이로 구성된 복수의 자석들을 포함한다. 제2 자기장 발생 장치는 플라즈마를 마주보는 기판의 측면에 대향하는 기판의 측면에 배치된다. 바람직하게는, 사용 시에 어레이의 중심은 기판의 중심에 인접하여 연장되도록 구성된다.
실시예에서, 장치는 기판에 대해 제2 자기장 발생 장치를 회전시키기 위한 수단을 더 포함한다.
실시예에서, 복수의 자석들은 카세트 내에 배치된다. 카세트, 및, 따라서 제2 자기장 발생 장치를 스피닝하는 것은, 예를 들어, 자석들의 위치에 기인한 제2 자기장의 작은 변화들에 대한 증착 공정의 감도를 저하시킨다.
실시예에서, 제2 자기장을 회전시키기 위한 수단은 카세트와 회전식으로 커플링된 스핀들을 포함한다. 스핀들 및 카세트는 모터를 통해 회전 구동된다.
실시예에서, 어레이의 자석들의 북남 축들은 서로 실질적으로 평행하게 연장된다. 바람직하게, 북남 축들은 기판에 실질적으로 수직으로 연장된다.
실시예에서, 기판에 인접하게 배치된 자극은 각각의 자석에 대해 동일하다. 대안적인 실시예에서, 어레이의 인접한 자석들에 대해 기판에 인접하게 배치된 자극들은 상이한 극들이다. 따라서, 후자의 실시예에서, 기판에 인접하게 배치된 자극들은 바람직하게는 어레이 주위의 북남 자극들 사이에 교대한다.
제1 및 제2 자기장들은 실질적으로 상호작용하지 않으며, 이와 같이 플라즈마는 제2 자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않으며, 기판을 향하여 끌어당겨진 이온들은 제1 자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다. 실험은, 기판으로부터 15mm에, 제2 자기장 세기가 90% 이상 감소되고, 타겟의 위치에 대응하는 기판으로부터의 간격에서, 제2 자기장 세기가 백그라운드 레벨들로 감소된다는 것을 보여주었다.
본 발명이 위에서 설명되었지만, 상기 제시되거나 이하의 설명에서의 특징들의 임의의 본 발명의 조합으로 확장된다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들이 여기에 상세히 설명되었지만, 본 발명은 이들 정확한 실시예들에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다른 특징들 및 실시예들이 특정한 특징에 대해 언급하지 않더라도, 개별적으로 또는 실시예의 일부로서 설명된 특정 특징은 다른 개별적으로 설명된 특징들, 또는 다른 실시예들의 일부로 조합될 수 있다는 것이 고려된다. 따라서, 본 발명은 이미 설명되지 않은 이러한 특정 조합들로 확장된다.
본 발명은 다양한 방식으로 수행될 수 있으며, 단지 예로서, 그 실시예들이 이제 설명될 것이며, 첨부된 도면에 대한 참조가 이루어진다.
도 1은 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 알루미늄 질화물 층을 가로지르는 응력의 일반적인 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 상이한 RF 바이어스 조건 하에, 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 질화 알루미늄 층을 가로지르는 응력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라, 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하는 방법과 관련된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 5a는 제1 구조로 배치된 자석들을 갖는 플래튼의 평면도이다.
도 5b는 제1 구조로 배치된 자석들을 갖는 웨이퍼 상에 형성된 질화 알루미늄 층의 상대 두께를 도시하는 등고선도이다.
도 6은 (a) 자석들의 제1 구조가 있을 때, (b) 자기적 영향이 없는, 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 질화 알루미늄 층을 가로지르는 응력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 제2 구조로 배치된 자석들을 갖는 플래튼의 평면도이다.
도 7b는 제2 구조로 배치된 자석들을 갖는 웨이퍼 상에 형성된 층의 상대 두께를 나타내는 등고선도이다.
도 8은 자석들의 제2 구조가 있을 때 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 질화 알루미늄 층을 가로지르는 응력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 어레이 내에 자석들의 간격을 증가시키면서 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 질화 알루미늄 층을 가로지르는 응력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 자기 어레이의 상이한 자기장 세기를 갖는 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 질화 알루미늄 층을 가로지르는 응력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 타겟과 기판 사이의 자기장 세기의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 중심 웨이퍼 리프트가 더 낮은 구조로 배치된 구동 어셈블리를 나타내는 플래튼을 관통하는 단면도이다.
도 13은 중심 웨이퍼 리프트가 상승된 구조로 배치된 구동 어셈블리를 나타내는 플래튼을 관통하는 단면도이다.
도 14는 카세트의 사시도이다.
도 15는 카세트 내의 자석들의 배치를 나타내는 카세트의 평면도이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하는 방법과 관련된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 17은 도 15의 라인 A-A, B-B, 및 C-C를 따라 얻어진, 카세트 내의 자석들에 의해 발생된 자기장의 접선(B접선) 성분을 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 15의 라인 A-A, B-B, 및 C-C에 따라 카세트 내의 자석들에 의해 발생된 자기장의 법선(B법선) 성분을 나타내는 그래프이다.
도 19는 회전 동안 카세트 내의 자석들에 의해 발생된 자기장의 평균 법선 및 접선 성분들을 나타내는 그래프이다.
도면의 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 물리적 기상 증착을 통해 기판 상에 형성된 물질 층(미도시)에서의 응력 변화를 제어하기 위한 장치(10)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 장치(10)는 전기적으로 접지된 처리 챔버(11)를 포함하며, 그 내부에 물리적 기상 증착 공정이 일어난다. 챔버(11)는 실리콘 웨이퍼(12)와 같은 기판, 및 실리콘 웨이퍼(12) 상에 스퍼터링된 층을 형성하기 위해 사용되어야 할 알루미늄 디스크와 같은, 금속의 평면 층을 포함할 수 있는, 타겟 물질(13) 또는 소스를 수용하도록 배치된다. 챔버(11)는, 예를 들어, 불활성 가스 크립톤, 네온 또는 아르곤과 같은 가스 공급원(미도시), 및 질화막을 형성하기 위한 질소, 또는 산화막을 형성하기 위한 산소와 같은 반응성 가스와 커플링하기 위한 입구(14)를 더 포함한다. 장치(10)는, 챔버(11) 내에 웨이퍼(12)가 위치되는 플래튼(15)을 더 포함한다. 플래튼(15)은, 웨이퍼(12)가 평면 타겟(13)과 실질적으로 평행한 방향으로 위치가능할 있도록, 그리고 그에 실질적으로 수직인 웨이퍼의 중심을 통해 연장되는 웨이퍼 축이, 타겟(13)의 평면에 실질적으로 수직으로 연장되는 타겟 축으로 실질적으로 정렬되도록, 챔버(11) 내에 배치된다.
장치(10)는 챔버(11) 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 장치(16)를 더 포함하며, 도시된 실시예에서, 플라즈마는, DC 파워 공급부(18a)로부터, 챔버(11) 내에 배치된 양극 링(16a)과 타겟(13) 사이에 펄스형(직류) DC 파워를 인가함으로써 발생된다. 무선 주파수(RF; radio frequency) 파워는, 플래튼(15)을 통해 웨이퍼(12)에 RF 바이어스 전압을 제공하기 위해 RF 파워 공급부(18b)로부터 플래튼(15)에 또한 인가된다. 일반적으로, 본 발명은 이에 관련하여 제한되지 않지만, 플래튼(15)은 관례를 벗어난 13.56 MHz에서 구동된다. 파워 공급부들의 작동은 적합한 그래픽 사용자 인터페이스(미도시)를 갖는 컨트롤러(17)로 제어된다.
장치는 타겟(13) 주위에 플라즈마를 국부화시키기 위한 타겟(13)에 근접한 자기장을 생성하도록 구성된 제1 자기장 발생 장치(19) 및 웨이퍼(12)에 근접한 자기장을 생성시키기 위한 제2 자기장 발생 장치(20)를 더 포함한다. 제1 자기장 발생 장치(19)는 예를 들어 마그네트론 어셈블리(19a)를 포함할 수 있으며, 이는 챔버(11)의 외부에 배치되어 있고, 기판(12)을 마주보는 측면에 대향하는 타겟(13)의 측면에 있으며, 타겟(13)에 실질적으로 횡방향으로 연장되는 축에 대해 회전하도록 배치된다. 제2 자기장 발생 장치(20)는 영구 디스크 자석들(21)의 평면 어레이를 포함할 수 있다. 그러나, 영구 자석들(21)은 전자석들(미도시)로 교체될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
자석들(21)은 원하는 어레이로 플래튼(15) 상에 배치되어, 자석들(21)의 북남 축들은 서로 실질적으로 평행하게 연장될 수 있고, 제1 구조에서, 어레이의 자석들(21)은, 어레이 주위의 교대 자석들이 최상부에 배치된 교대 극들을 포함하도록 구성된다. 이 점에 있어서, 자석들(21)의 최상부 자극들은 어레이 주위의 북측과 남측 사이에 교대할 수 있다. 그러나, 제2 구조에서, 각 자석(21)의 동일한 극(즉, 북극)이 최상부에 배치되도록 자석들(21)이 배치될 수 있다.
도면의 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하는 방법(100)과 관련된 단계들을 개략적으로 나타낸 흐름도가 도시되어 있다. 실리콘 웨이퍼(12)와 같은 기판 상에 질화 알루미늄 또는 알루미늄 스칸듐 질화물과 같은 물질 층을 형성하고자 하는 경우, 단계(101)에서 자기 어레이(20)는 플래튼(15) 상에 배치되고, 단계(102)에서 웨이퍼(12)는 어레이(20) 상에 배치된다. 플래튼(15)은 예를 들어 자기 어레이(20)를 수용하기 위한 리세스(15a)를 포함할 수 있어, 웨이퍼(12)가 플래튼 표면(15b) 상에 어레이(20) 위로 연장될 수 있다. 단계(103)에서 알루미늄 타겟(13)은 또한 챔버(11) 내에 배치되고, 질소 또는 아르곤 또는 질소/아르곤 혼합물을 포함할 수 있는 가스(미도시)가 입구(14)를 통해 단계(104)에서 챔버(11) 내로 도입된다.
마그네트론 어셈블리(19a)를 회전시키면서 감압 시 양극 링(16a)과 타겟(13) 사이에 펄스형 DC 전위를 인가함으로써, 단계(105)에서 챔버(11) 내에 플라즈마가 발생된다. 마그네트론 어셈블리(19a)는 플라즈마를 국부화시키기 위한 타겟(13)에 근접한 자계, 및, 따라서 타겟(13) 주위에 가스 이온들을 발생시킨다. 이러한 국부화는 타겟(13) 내의 가스 이온들의 상호작용을 촉진하며, 따라서 그로부터 알루미늄 원자들의 방출을 용이하게 한다.
단계(106)에서, RF 바이어스는 RF 파워 공급부(18b)에 의해 웨이퍼(12)에 인가된다. 이러한 전기적 바이어스는 웨이퍼 표면에 실질적으로 수직으로 향하는 전기장을 야기하고, 양전하의 가스 이온들이 (RF 전압 파형의 반주기 동안) 웨이퍼(12)를 향하여 끌어당겨지는 것을 야기한다. 이온들은 웨이퍼(12)의 표면을 타격하고, 따라서 알루미늄 원자들의 증착된 층을 압축하며, 이는 더 압축된 층을 야기한다. 웨이퍼(12)를 타격하는 이온 밀도는 플라즈마 내에 발생된 이온들의 변화로 인해 웨이퍼(12)를 가로질러 변한다. 플라즈마 프로파일은 마그네트론(19a)으로부터의 자기장에 의존하고, 높은 자기장의 영역들은 플라즈마의 농축된 영역들, 및, 따라서 가스 이온들을 발생시킨다. 물리적 기상 증착 공정들에서 사용되는 마그네트론들은 타겟(13)의 주변 영역에 근접한 높은 이온 밀도의 영역들을 발생시키고, 따라서 중심 영역과 비교하여 그 주변부로부터 타겟 물질의 증가된 방출(즉, 침식)을 야기하는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 증가된 이온 밀도는 중심 영역에 비해 주변 영역 주위의 웨이퍼(12) 상에 보다 집중된 이온들의 충격을 야기한다.
그러나, 어레이(20)의 자기장과 RF 바이어스 전압의 상호 작용은 이동하는 가스 이온들에 힘, 즉 로렌츠 힘을 발생시킨다. 힘은 어레이(20)로부터의 자기장 및 RF 바이어스에 의해 발생된 전기장의 교차 곱에 의존한다. 어레이(20)로부터의 자기장 및 전기장이 서로에 대해 수직일 때 가스 이온들에 최대 힘이 가해진다. 따라서 이 힘은, 전기장 및 자기장이 수직으로 배향된 웨이퍼(12)의 영역 상으로 이온들을 우선적으로 재유도 또는 조절하는 역할을 하여, 층 상의 이들 영역들에 가스 이온 밀도를 증가시킬 수 있다.
어레이(20)는 웨이퍼(12)의 평면에 실질적으로 평행한 평면으로 연장되도록 배치되고, 이와 같이, 제1 구조로 구성된 어레이(20)에 의해 발생된 자기장은 어레이(20)의 인접 자석들 사이의 위치에, 및 어레이의 반지름 방향으로 내측에 있는 위치에, 가스 이온들 상에 최대 힘을 제공한다. 도 5a를 참조하면, 플래튼(15) 상에 배치된 제1 구조에 따라 구성된 자석들(21)의 평면도가 도시되어 있고, 도 5b는 웨이퍼(12) 상에 형성된 층의 상대 두께를 도시한다. 감소된 층 두께의 영역들은 "-"로 표시되는 반면, 증가된 층 두께의 영역들은 "+"로 표시된다. 가스 이온들은 자석들(21) 사이에 배치된 영역들에 추가로 웨이퍼(12)의 중심 영역으로 조절되게 하며, 따라서 층의 중심 영역을 압축하도록 작용하고, 중심 영역에 웨이퍼(12) 상에 감소된 층 두께를 야기한다. 또한, 도 6을 참조하면, 증착 공정 동안 자기 어레이가 존재하지 않는 도 6b에 도시된 응력 변화와 비교하여 웨이퍼(12)의 중심 영역에 걸친 응력 변화가 실질적으로 감소된다는 것이 명백하다.
도 7a를 참조하면, 플래튼(15) 상에 배치된 제2 구조로 구성된 자석들(21)의 평면도가 도시되어 있고, 도 7b는 웨이퍼(12) 상에 형성된 층의 상대 두께를 도시한다. 어레이(20)에 의해 발생된 자기장은 어레이(20)의 반지름 방향으로 내측에및 외측에 있는 위치에 가스 이온들 상에 최대 힘을 제공한다. 유사하게는, 감소된 층 두께의 영역들은 "-"로 표시되는 반면, 증가된 층 두께의 영역들은 "+"로 표시된다. 가스 이온들은 웨이퍼(12)의 중심 영역으로 조절되게 하고, 따라서 층의 중심 영역을 압축하도록 작용하며, 중심 영역에서 웨이퍼(12) 상에 감소된 층 두께를 야기한다. 또한, 도 8을 참조하면, 웨이퍼(12)의 중심 영역에 걸친 응력 변화가 실질적으로 감소된다는 것이 명백하다.
도면의 도 9를 참조하면, 자기 어레이(20)가 개별적으로 36.5mm, 80mm, 및 125mm의 직경을 갖는 중심 영역을 포함하는 상황에서, 200mm 직경 웨이퍼들에 걸친 펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성되는 AIN 층의 응력 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 중심 영역에서의 응력 변화는 중심 영역의 직경(즉, 자석들(21)의 간격)에 관계없이 실질적으로 균일하게 유지되는 것으로 보인다.
도면의 도 10을 참조하면, 어레이(20)에 의해 발생된 자기장의 세기가, 웨이퍼(12) 상으로 가스 이온들을 적절하게 조절하기 위해 특히 강할 필요는 없다는 것이 또한 백하다. 예를 들어, 웨이퍼 표면 위의 5mm에서 50G의 수평 필드 세기는 층의 중심 영역에 걸친 응력 프로파일의 평탄화를 생성한다. 이러한 자기장 세기가 예를 들어 100G로 증가됨에 따라, 이후 평탄화가 더 현저하게 되는 것으로 보인다. 어레이(20)의 자기장 세기를 증가시키는 것은 층을 가로지르는 응력 변화의 레벨들을 임계 필드 세기까지 감소시키는 것을 제공할 수 있는 것으로 예상되지만, 자기장이 임계 값을 넘어 증가되는 경우, 자기장이 마그네크론(19a)의 자기장과 상호작용할 수 있다는 것이 예상된다.
상기 설명된 실시예에서, 웨이퍼(12)는 >25mm만큼 타겟(13)으로부터 분리되고, 이와 같이 마그네트론(19a)에 의해 발생된 자기장은 웨이퍼 표면에 도달하기 전에 백그라운드 레벨로 떨어진다. 유사하게, 어레이(20)에 의해 발생된 자기장은 타겟(13)에 도달하기 전에 백그라운드 레벨로 감소한다. 이는 어레이(20)와 마그네트론(19a)의 자기장 사이의 최소 상호 작용을 야기하고, 도면의 도 11을 참조하면, 웨이퍼(12)에 대한 타겟(13)의 >25mm 간격(즉, 웨이퍼에 근접함)에서, 지배적인 자기장이 어레이(20)에 의해 생성된다는 것이 명백하다.
웨이퍼(12) 상에 층의 형성 이후, 펄스형 DC 공급부(18a) 및 RF 바이어스 공급부(18b)는 단계(107)에서 스위치 오프된다. 이후, 단계(108)에서 챔버는 출구(미도시)를 통해 비워질 수 있고, 예를 들어 추가 처리를 위해, 단계(109)에서, 층이 그 위에 형성된 웨이퍼(12)가 제거된다.
웨이퍼(12)의 응력 변화를 더 감소시키기 위해, 증착 공정을 개별 증착 단계들로 분할하는 것이 바람직하며, 이로써 각 단계 후에 웨이퍼(12)는 플래튼(15)에 대해 회전된다. 이 회전은 자기장의 임의의 국부적인 변화들을 감소시키는 것으로 나타나며, 그렇지 않으면 스퍼터링된 막 및 웨이퍼 응력의 두께의 국부적 변화를 야기할 수 있다. 자기장의 만족스러운 평균화를 달성하기 위해, 다수의 별개의 증착 단계들이 요구된다. 그러나, 공정이 스퍼터링된 막 및 이와 같이 감소된 처리량을 생성하는데 상당한 시간을 필요로 하기 때문에, 이는 실질적인 해결책이 아니다. 또한, 다수의 개별 단계들이 사용될 때에도, 필름은 불균일한 정적 자기장에 상관되는 깊이 불균일성을 보이는 것으로 나타났다.
따라서, 어레이(20)로부터 보다 균일한 자기장을 제공하기 위해, 도 3의 장치(10)는 웨이퍼(12)에 대해 자기 어레이(20)를 회전시키기 위한 구동 어셈블리(22)를 더 포함하며, 이 방법은 구동 어셈블리(22)를 사용하여 웨이퍼(12)에 대해 자기 어레이(20)를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 회전은, 자기장 및 웨이퍼가 미리정의된 기간 동안 서로에 대해 정지 상태로 유지되는, 연속 회전 또는 계단식 회전을 포함할 수 있다. 자기장과 웨이퍼(12) 사이의 상대 회전은 웨이퍼 표면에 걸쳐 층의 압축의 차이를 감소시키고, 보다 균일하게 압축된 층을 제공하는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 균일한 압축은 층 내에 인장 응력을 더 감소시키며, 따라서 층 내에 응력 변화를 감소시킨다.
도면의 도 12 및 도 13을 참조하면, 웨이퍼(12)에 대해 자기 어레이(20)를 회전시키기 위한 구동 어셈블리(22)가 도시되어 있다. 어셈블리(22)는 플래튼(15) 내에 배치되고, 그 자체는 플래튼(15)의 온도를 제어하기 위한 수단(23)을 포함할 수 있다. 어레이(20)는 플래튼(15)의 리세스(15a) 내에 위치된, 도면의 도 14에 도시된 바와 같은 원형 카세트(201) 내에 수용되고, 자석들(21)은 카세트(201)의 상부 표면 내에 형성된 연신된 채널들(202) 내에 위치된다. 채널들(202)은 실질적으로 평행한 구조로 카세트(201)를 가로질러 연장되고, 카세트(201)의 중심축의 제1 측면으로 연장되는 제1 세트의 채널부들(202a) 및 중심 축의 제2 측면으로 연장되는 제2 세트의 채널부들(202b)로 분리된다.
도면의 도 15를 참조하면, 제1 세트의 채널부들(202a)은 제2 세트의 채널 부들(202b)로 정렬되고, 각각의 제1 및 제2 세트의 채널부들(202a, 202b)은 각각의 채널부(202a, 202b)에 끼워맞춰지는 크기로 된 자석들(21)로 별도로 장착된다. 각각의 세트 내의 자석들(21)은, 최상부에 배치된 자극이 각 세트를 따라 북극 및 남극(21a, 21b) 사이에 교대하도록 배향된다. 유사하게, 중심 축의 양측에 각 채널(202)의 부분(202a, 202b)은 최상부에 배치된 반대 자극들을 갖는 자석들(21)을 포함한다. 그러나, 통상의 기술자는 어레이(20) 내의 자석들(21)의 배치들이 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 카세트(201), 및, 따라서 자석들(21)은 플래튼(15)의 중심 축을 따라 연장되는 구동 샤프트 또는 스핀들(221)을 포함하고, 스핀들(221)을 회전시키기 위한 챔버(11) 외부에 배치된, 모터(미도시) 또는 유사한 것에 그 근접 단부가 커플링된, 구동 어셈블리(22)에 의해 리세스(15a) 내에 회전하도록 구성된다. 이 점에 있어서, 스핀들(221)은 하나 또는 그 이상의 벨로우즈(223)를 통해 챔버(11)에 밀폐되어 챔버(11)의 내부와 주변 환경 사이의 임의의 가스 교환을 최소화할 수 있다. 스핀들(221)의 근접 영역은 카세트(201) 내에 형성된 통로(203)를 통해 연장되고, 이는 그 회전축 상에 중심에 있다. 통로(203)는 카세트(201)의 하면으로부터 연장되고 그 중심 영역에 카세트(201) 내에 형성된 리세스(204)의 베이스에서 종료된다. 스핀들(221)의 근접 단부는 중심 웨이퍼 리프트(222)에서 종료되고, 이는 정상 작동시에 리세스(204) 내에 포함된다.
스핀들(221)과 카세트(201)는, 스핀들(221)의 회전이 카세트(201)의 회전을 일으키도록 함께 회전식으로 커플링된다. 회전 커플링은 다각형의 단면을 개별적으로 포함하는 스핀들 및 통로를 이용함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 스핀들(221) 및 카세트(201)는 스핀들(221) 및 통로(203)의 측벽 내에 별도로 형성된 키홈 내에 연장되는 키(미도시)를 통해 회전식으로 커플링될 수 있다. 그러나, 어느 실시예에서든, 스핀들(221), 및 따라서 중심 웨이퍼 리프트(222)는 하나 또는 그 이상의 액추에이터들(미도시)을 통해 카세트(201)의 회전 축을 따라 종방향 이동을 위해 구성되어, 중심 웨이퍼 리프트(222)가 플래튼(15)의 상부 표면 위에 배치된 웨이퍼(12)를 들어올리기 위해 플래튼(15)의 상부 표면 위로 상승될 수 있고, 이후에 리세스(204) 내에 하강될 수 있다.
중심 웨이퍼 리프트(222)는 상승된 구조의 웨이퍼(12)를 적합하게 지지하도록 형상화되고, 웨이퍼(12)에 접촉하는 것을 회피하기 위해 하강된 구조일 때 플래튼(15)의 상부 표면(15b) 아래로 연장되도록 구성된다. 중심 웨이퍼 리프트(222)에 대한 리세스(204)는, 자기 어레이(20)에 의해 발생된 자기장 패턴을 방해하는 것을 회피하기 위해, 채널들(202) 사이에 배치된 카세트(201)의 영역 내에 형성될 수 있다. 대안적으로, 리세스(204)가 채널들(202) 내로 연장되는 카세트(201)의 영역들을 점유하는 상황들에서, 이후 중심 웨이퍼 리프트(222)는 또한 어레이(20)에 의해 발생된 자기장의 균일성을 유지하기 위해 하나 또는 그 이상의 자석들(21)을 포함할 수 있다.
도면의 도 16을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하는 방법(300)과 관련된 단계들을 개략적으로 나타낸 흐름도가 도시되어 있다. 제2 실시예의 방법(300)을 사용하여 자기 어레이(20) 및 구동 어셈블리(22)를 이용할 때, 웨이퍼(12)는 먼저 단계(301)에서 카세트(201) 위의 챔버(11) 내의 플래튼(15)의 상부 표면(15b) 상에 배치된다. 단계(302)에서 타겟(13)은 또한 챔버 내에 배치되고, 단계(303)에서 원하는 가스/가스 혼합물은 입구(14)를 통해 챔버(11) 내로 도입된다. 이후, 두께 불균일성의 반지름 요소를 평균화하기 위해 요구되는 개별 증착 단계들의 수(n)은 단계(304)에서 선택된다. 이는, 예를 들어, 4개 또는 5개의 개별 단계들일 수 있으며, 이에 의해 각각의 증착 공정 단계는 미리정의된 기간 동안 진행하는 것이 허용된다.
이후, 방법(300)은 웨이퍼(12)의 표면을 가로지르는 균일한 자기장(B)을 제공하기 위해 웨이퍼(12)에 대해 단계(305)에서 카세트를 회전시키는 단계를 포함한다. 이후 플라즈마는 양극 링(16a)과 타겟(13) 사이에 펄스형 DC 전위를 인가함으로써 단계(306)에서 발생되며, RF 바이어스는 RF 파워 공급부(18b)를 사용하여 단계(307)에서 웨이퍼(12)에 인가된다.
이후, 제1 증착 단계는 미리정의된 기간 동안 진행된다. 제1 증착 단계 후에, 회전은 단계(308)에서 정지되고, 플라즈마는 단계(309)에서 소멸되며, RF 바이어스는 단계(310)에서 제거된다. 이후, 중심 웨이퍼 리프트(222)는, 단계(311)에서, 플래튼(15)으로부터 웨이퍼(12)을 들어올리기 위해 액추에이터들(미도시)을 사용하여 상승되고, 이후, 단계(312)에서, 모터(미도시)를 사용하여, 플래튼(15)에 대해 360/n의 각도 범위로 회전된다. 이후, 단계(312)에서 웨이퍼(12)는 하강되어, 후속 증착 공정 단계를 위해 플래튼(15)의 상부 표면(15b) 위에 웨이퍼(12)를 교체할 수 있다. 예를 들어, n=4인 경우, 웨이퍼는 증착 단계들 사이에 플래튼에 대해 90°로 회전된다.
도면의 도 17 및 도 18을 참조하면, 카세트(201)가 웨이퍼(12)에 대해 정지될 때 어레이(20)에 의해 발생된 자기장의 접선(B접선) 및 법선(B법선) 성분들을 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 각각의 그래프는, 카세트(201)를 가로지르는 3개의 측방향 위치들에, 즉 (라인들 A-A 및 B-B로 도시된) 제1 및 제2 측면에 대한 웨이퍼의 중심축으로부터 25mm에, 또한 (라인 C-C로 도시된) 중심축을 따라, 카세트를 따른 밀리 테슬라의 필드 세기의 변화를 도시한다. 각각의 측방향 위치에서 웨이퍼를 가로지르는 필드 성분들에 큰 변화가 있다는 것이 명백하다.
도 19는 회전 동안 카세트(201)에 의해 발생된 자기장의 평균 법선 및 접선 성분들을 나타내는 그래프를 제공한다. 고도로 균일한 필드 필드가 발생되고, 이에 대응하여, 매우 균일한 특성들을 갖는 막의 증착을 야기한다는 것을 알 수 있다.
증착 공정의 각 단계가 완료되면, 이후 단계(314)에서 챔버(11)는 출구(미도시)를 통해 비워지고, 예를 들어 추가 처리를 위해, 단계(315)에서, 층이 그 위에 형성된 웨이퍼(12)가 제거된다.

Claims (25)

  1. 펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 물질 층이 형성되는 타겟 및 물질 층이 형성가능한 기판을 포함하는 챔버를 제공하는 단계;
    상기 챔버 내에 가스를 도입시키는 단계;
    상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 타겟에 인접한 플라즈마를 실질적으로 국부화시키기 위해 타겟에 근접한 제1 자기장을 인가하는 단계;
    상기 기판에 RF 바이어스 전압을 인가하는 단계;
    상기 플라즈마로부터 가스 이온들을, 기판 상에 형성된 물질 층 상의 선택적인 영역들로 조절하기 위해 기판에 근접한 제2 자기장을 인가하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 자기장에 의해 조절되는 가스 이온들은 제1 자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 자기장은 기판의 중심부에 인가되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판에 대해 제2 자기장을 회전시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물질 층이 형성될 때 기판에 대해 제2 자기장을 회전시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 회전은 기판에 실질적으로 수직으로 연장되는 축에 대해 발생하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물질 층을 형성하기 위한 복수의 증착 단계들을 더 포함하되, 상기 기판은 각 단계를 시작하기 전에 플래튼에 대해 회전되는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판은 각 증착 단계 사이에서 플래튼에 대해 360°/n의 각도 범위로 회전되고, n은 증착 단계들의 수인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 내에 가스를 도입하는 단계는 챔버 내로 반응성 가스를 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서,
    상기 챔버 내에 가스를 도입시키는 단계는 챔버 내로 불활성 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고, 상기 타겟은 알루미늄을 포함하는, 방법.
  11. 펄스형 DC 물리적 기상 증착을 통해 형성된 물질 층에서의 응력 변화를 제어하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    상기 물질 층이 형성되는 타겟 및 상기 물질 층이 형성가능한 기판을 수용하기 위한 챔버, 상기 챔버는 챔버 내로 가스를 도입시키기 위한 입구를 포함함;
    상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 장치; 및,
    상기 기판에 RF 바이어스 전압을 인가하기 위한 전압원을 포함하되,
    상기 장치는, 타겟에 인접한 플라즈마를 국부화시키기 위해, 사용 시에, 타겟에 근접한 제1 자기장을 발생시키도록 구성된 제1 자기장 발생 장치 및 상기 플라즈마로부터의 가스 이온들을 기판 상에 형성된 물질 층 위에 선택 영역들로 조절하기 위해, 사용 시에, 기판에 근접한 제2 자기장을 발생시키기 위한 제2 자기장 발생 장치를 더 포함하며, 상기 제2 자기장에 의해 조절된 가스 이온들은 제1 자기장에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 자기장 발생 장치는 마그네트론 어셈블리를 포함하는, 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제2 자기장 발생 장치는 플라즈마를 마주보는 기판의 측면에 대향하는 기판의 측면에 배치되는, 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 자기장 발생 장치는 어레이로 구성된 복수의 자석들을 포함하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기판에 대해 제2 자기장 발생 장치를 회전시키기 위한 수단을 더 포함하는, 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 복수의 자석들은 카세트 내에 배치되는, 장치.
  17. 제14항에 종속될 때 제16항에 있어서
    상기 제2 자기장을 회전시키기 위한 수단은 카세트와 회전식으로 커플링된 스핀들을 포함하는, 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스핀들 및 카세트는 모터를 통해 회전 구동되는, 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 자석들은 회전 대칭을 갖는 어레이로 배치되는, 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    사용 시에 상기 어레이의 중심은 기판의 중심에 인접하게 연장되도록 구성되는, 장치.
  21. 제19항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이의 자석들의 북남 축들은 서로 실질적으로 평행하게 연장되어 있는, 장치.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 북남 축들은 기판에 실질적으로 수직으로 연장되어 있는, 장치.
  23. 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 인접하게 배치된 자극은 각각의 자석에 대해 동일한, 장치.
  24. 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이의 인접한 자석들에 대해 기판에 인접하게 배치된 상기 자극들은 상이한 극들인, 장치.
  25. 제11항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟은 실질적으로 평면이고 기판은 실질적으로 평면이며, 상기 타겟 및 기판은 실질적으로 평행한 방향으로 챔버 내에 배향되는, 장치.
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