KR20210039825A - 기판 증착장치 및 이를 구비하는 기판 증착 시스템 - Google Patents

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KR20210039825A
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ion
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박정헌
김환균
김석훈
정준호
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삼성전자주식회사
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Abstract

이온 빔 증착장치 및 이를 구비하는 이온 빔 증착 시스템을 개시한다. 이온 빔 증착장치는 증착대상 기판을 고정하는 기판 어셈블리, 기판에 대하여 기울어지게 위치하고 증착물질로 구성되는 타겟을 고정하는 타겟 어셈블리, 타겟으로 이온 빔을 주사하여 증착물질의 이온인 증착입자를 기판으로 방출시키는 이온 건 및 기판을 가열하여 증착입자가 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기를 포함한다. 고온 이온 빔 증착에 의해 박막의 그레인 사이즈와 결정화도를 개선하여 저저항 금속박막을 용이하게 형성할 수 있다.

Description

기판 증착장치 및 이를 구비하는 기판 증착 시스템{An apparatus for depositing a substrate and a deposition system having the same}
본 발명은 기판 증착장치 및 이를 구비하는 기판 증착 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이온 빔 증착장치 및 이를 구비하는 이온 빔 증착 시스템에 관한 것이다.
종래 반도체 소자의 금속배선은 주로 화학기상 증착(CVD))공정 및 물리기상 증착(PVD)공정에 의해 수행되고 있는데, 반도체 소자의 고용량 고집적화 경향에 따라 저저항 금속배선에 대한 필요성이 증가하고 있다.
그러나, 화학기상 증착공정은 공급된 약액의 플라즈마 흡착에 의해 배선용 금속막을 형성하므로 불순물에 의한 저항상승을 내재적으로 포함하여 저저항 금속배선을 형성하는데 한계가 있다. 또한, 물리기상 증착공정은 스퍼터되는 반응성 이온에 의해 박막을 형성하므로 반응성 이온에 의한 산화와 낮은 결정화도에 의해 배선저항을 낮추는데 근본적인 한계를 갖고 있다.
물리기상 증착공정의 결정성 훼손과 반응성 이온에 의한 산화를 방지하기 위한 공정으로서 막질의 결정화도와 불순물 함량을 줄이고 상온에서 증착공정을 수행할 수 있는 이온 빔 증착(ion beam deposition, IBD)공정이 반도체 제조공정에 널리 이용되고 있다. 그러나, 종래의 이온 빔 증착공정에 의해 생성된 박막은 높은 비저항을 구비하여 반도체 소자의 배선으로 활용되고 있지 못하는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 이온 빔에 의해 증착공정을 수행하는 동안 기판을 가열하여 충분한 결정화도와 그레인 사이즈를 갖고 저저항 박막을 형성할 수 있는 이온 빔 증착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 바와 같은 이온빔 증착장치를 구비하는 증착 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이온 빔 증착장치는 증착대상 기판을 고정하는 기판 어셈블리, 상기 기판에 대하여 기울어지게 위치하고 증착물질로 구성되는 타겟(target)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly), 상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자를 상기 기판으로 방출시키는 이온 건(ion gun) 및 상기 기판을 가열하여 상기 증착입자가 상기 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온빔 증착 장치는 이온 빔 증착공정이 수행되도록 밀폐공간을 제공하는 공정챔버, 상기 공정챔버의 일측부에 고정되어 증착대상 기판을 고정하는 기판 어셈블리, 상기 공정챔버의 내부에서 상기 기판에 대하여 기울어지게 배치되고 증착물질로 구성되는 타겟(target)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly), 상기 공정챔버의 다른 측부에 고정되고 상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자를 상기 기판으로 방출시키는 이온 건(ion gun), 상기 기판을 가열하여 상기 증착입자가 상기 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기, 상기 기판 어셈블리와 연결되어 상기 기판을 수용하는 기판 스택, 및 상기 공정챔버와 연결되어 상기 공정챔버 내부를 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온빔 증착 시스템은 기판 핸들러(handler)를 구비하는 이송장치;, 상기 이송장치의 일 측부에 배치되어 다수의 기판을 수납하는 적어도 하나의 기판 대기장치, 및 상기 이송장치의 다른 측부에 배치되어 상기 기판 핸들러에 의해 상기 기판 대기장치로부터 로딩된 증착대상 기판에 대해 이온 밤 증착공정을 수행하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 적어도 하나의 이온 빔 증착장치를 포함한다.
이때, 상기 이온 빔 증착장치는 상기 이온 빔 증착공정이 수행되도록 밀폐공간을 제공하는 공정챔버, 상기 공정챔버의 일측부에 고정되어 기판을 고정하는 기판 어셈블리, 상기 공정챔버의 내부에서 상기 기판에 대하여 기울어지게 배치되고 증착물질로 구성되는 타겟(target)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly), 상기 공정챔버의 다른 측부에 고정되고 상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자를 상기 기판으로 방출시키는 이온 건(ion gun), 상기 기판을 가열하여 상기 증착입자가 상기 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기, 및 상기 공정챔버와 연결되어 상기 밀폐공간을 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기를 구비한다.
본 발명에 의한 이온빔 증착장치 및 이를 구비하는 증착 시스템에 의하면, 기판을 가열하여 상온이 아니라 고온에서 이온 빔 증착공정을 수행함으로써 박막의 그레인 사이즈를 적정하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 스퍼터링 공정이나 상온 IBD 공정과 비교하여 박막의 결정화도를 높이고 비저항을 충분히 낮출 수 있다. 이에 따라, 고집적 고용량 반도체 소자의 금속 배선막을 본 발명에 의한 고온 IBD 공정에 의해 안정적으로 형성할 수 있다.
또한, 단일한 이송 챔버에 다수의 이온 빔 증착장치를 배치하여 동시에 다수의 이온 빔 증착공정을 수행함으로써 증착공정의 효율을 현저하게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이온 빔 증착장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기판 가열기의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 기판 가열기의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온 빔 증착장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온 빔 증착장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 도 5에 도시된 이온 빔 증착장치를 구비하는 이온 빔 증착 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 도 5에 도시된 이온 빔 증착장치를 이용하여 이온 빔 증착공정을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 수직형 메모리 장치에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 영역, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 전극, 구조물들 또는 패턴들 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 구조물 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴들 또는 다른 구조물이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이온 빔 증착장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 이온 빔 증착장치(500)는 증착대상 기판(W)을 고정하는 기판 어셈블리(100), 상기 기판(W)에 대하여 기울어지게 위치하고 증착물질로 구성되는 타겟(target, 220)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly, 200), 상기 타겟(210)으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 원자인 증착입자(P)를 상기 기판(W)으로 방출시키는 이온 건(ion gun, 300) 및 상기 기판(W)을 가열하여 상기 증착입자(DP)가 상기 기판(W)에 증착되어 형성되는 박막(L)의 결정화도를 높이는 기판 가열기(400)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 기판 어셈블리(100)는 상기 기판(W)을 고정하고 일정한 각도로 틸팅하는 기판 고정부(110) 및 상기 기판 고정부(110)를 지지하고 회전축을 중심으로 회전하여 상기 기판 고정부(110)를 회전하는 지지부(120)로 구성될 수 있다.
기판 고정부(110)는 알루미늄(Al)과 같은 전기 전도성이 우수한 도전성 물질로 이루어지는 고정부 몸체(112)와 상기 고정부 몸체(112)의 상면에 배치되어 기판(W)을 고정하는 고정 척(114)으로 구성될 수 있다.
상기 고정부 몸체(112)는 고정 척(114)을 수용할 수 있는 사이즈와 형상으로 제공되며, 내부에 상기 증착입자(DP)를 상기 기판(W)으로 유도할 수 있는 가이드 전극(미도시)이 선택적으로 배치될 수 있다. 특히, 후술하는 바와 같이 히터와 같은 발열수단을 선택적으로 배치하여 상기 기판(W)에 대한 이온 빔 증착공정이 수행되는 동안 기판(W)을 증착온도로 유지할 수 있다.
상기 고정부 몸체(112)는 고정부 몸체(112)의 상면과 평행하게 연장하는 틸팅 축(TA1)을 중심으로 회전하여 일정함 범위의 기판 경사각으로 기울어지게 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 고정부 몸체(112)는 지지부(120)와 수직한 수평면을 기준으로 상기 틸팅축(TA)에 대하여 시계방향 및 반시계방향을 따라 회전하여 기판 경사각만큼 기울어지게 위치할 수 있다.
고정부 몸체(112)의 회전에 의해 고정척(114)에 고정된 기판(W)도 함께 회전하여 상기 기판(W)도 기판 경사각만큼 기울어지게 위치하게 된다. 이때, 상기 기판 기울기는 타겟(220)으로부터 방출되는 증착입자(DP)가 기판(W)의 표면에 증착되는 효율을 극대화 할 수 있도록 결정된다.
상기 기판 기울기는 증착입자(DP)의 이동방향에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 기판(W)은 수평하게 배치되어 기판 기울기가 0°인 경우를 예시적으로 개시하고 있지만, 상기 타겟(220)의 위치에 따라 증착입자(DP)의 증착효율을 극대화 하도록 다양하니 기판 기울기를 갖도록 설정될 수 있음은 자명하다.
상기 고정 척(114)은 세라믹과 같은 절연물질로 구성되는 디스크 형상으로 제공되며 다양한 기판 고정수단을 구비하여 상면에 증착대상 기판(W)을 고정한다. 본 실시예의 경우, 상기 고정 척(114)은 한 쌍의 폴리이미드계 필름과 상기 폴리이미드계 필름(미도시) 사이에 배치되고 고압의 직류 전원과 연결된 도전성 박막(미도시)을 구비하는 정전 척(electro static chuck, ESC)으로 구성될 수 있다. 그러나, 고정 척(114)은 상기한 바와 같은 정전 척(ESC)뿐만 아니라 기계적으로 기판을 고정하는 클램프와 같이 다양한 고정수단이 이용될 수 있음은 자명하다.
상기 지지부(120)는 공정챔버(미도시)의 일측으로부터 연장하여 기판 지지부(110)를 지지하고 회전축(RA)을 중심으로 회전하여 상기 기판 고정부(110)를 회전할 수 있다.
예를 들면, 상기 지지부(120)는 공정챔버의 측부로부터 공정챔버의 내부공간을 향하여 연장하여 상기 고정부 몸체(112)의 중심부와 접속하는 서포트 바(support bar)로 구성될 수 있다.
상기 지지부(120)는 공정챔버의 내부공간을 향하여 연장하는 연장높이를 선택적으로 조절하여 기판(W)의 고정위치를 조절할 수 있다. 또한, 상기 지지부(120)는 그 중심과 상기 고정부 몸체(112)의 중심을 관통하는 회전축(RA)을 중심으로 회전하도록 구성되어 이온 빔 증착공정이 진행되는 동안 상기 기판(W)을 회전할 수 있다.
특히, 상기 고정부 몸체(112)의 틸팅에 의해 기판(W)이 적절한 기판 기울기로 고정된 상태에서 고정부 몸체(112)를 회전함으로써 기판(W) 상에 형성되는 박막(L)의 균일도를 극대화 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 타겟 어셈블리(200)는 기판(W)에 대하여 일정한 각도로 기울어지게 위치하고 증착물질로 구성되는 적어도 하나의 타겟(220)을 구비한다.
예를 들면, 상기 타겟 어셈블리(200)는 타겟 축(TA2)에 대하여 회전하고 다각형상을 갖는 타겟 몸체(210) 및 상기 타겟 몸체(210)에 개별적으로 고정되고 증착물질로 구성되는 적어도 하나의 타겟(220)을 구비한다.
타겟 몸체(210)는 다수의 측면을 구비하는 각기둥 형상으로 제공되며 상기 각기둥의 중심을 관통하는 타겟 축(TA2)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 따라서, 타겟 몸체(210)의 측면은 상기 기판(W)과 이온 건(300) 사이에 증착 기하구조(deposition geometry)를 형성하여 이온 빔에 의해 생성된 증착입자(DP)가 상기 기판(W)으로 이동하는 타겟면(a)과 다수의 대기면(b)으로 구성된다. 증착 기하구조에 의해 타겟(220)에 대한 마모와 기판(W) 상에 형성되는 박막(L)의 균일성을 최적화 할 수 있다.
따라서, 상기 타겟 몸체(210)의 회전에 의해 타겟면(a)과 대기면(b)이 서로 교환될 수 있다. 본 실시에의 경우, 상기 타겟 몸체(210)는 1개의 타겟면(a)과 2개의 대기면(b)을 구비하는 삼각기둥 형상으로 제공되고, 상기 타겟(2200은 최대 3개까지 장착될 수 있다. 그러나, 상기 대기면(b)의 개수는 필요한 타겟(220)의 개수에 따라 달라질 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 타겟 몸체(210)가 8각기둥 형상으로 제공되는 경우, 상기 타겟(220)은 최대 8개까지 장착될 수 있다.
상기 타겟(220)은 타겟 몸체(210)의 타겟면(a)과 대기면(b)의 적어도 하나에 장착된다. 이때, 상기 타겟(220)은 증착물질로 구성되고 상기 타겟면(a)이나 대기면(b)을 덮는 판상으로 제공되며, 이온 건(300)으로부터 주입되는 고에너지 이온 빔과의 충돌에 의해 증착물질 이온인 증착입자(DP)를 생성하게 된다.
따라서, 상기 타겟(220)은 기판(W)에 증착되는 박막의 종류에 따라 다양한 물질로 구성될 수 있다. 다수의 타겟(220)들은 모두 동일한 물질로 구성되어 상기 박막(L)은 단일한 박막으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 다수의 타겟(220)들이 서로 다른 물질로 구성되어 상기 박막(L)은 서로 다른 조성을 갖는 다층막으로 형성될 수도 있다.
선택적으로, 상기 타겟(220)은 별도의 회전부재(미도시)에 의해 타겟면(a)과 평행하게 회전함으로써 타겟(220)의 마모 불균일성을 방지할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 타겟(220)은 저저항 금속물질로 구성되어 상기 기판(W) 상에 저저항 금속막을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 저저항 금속물질은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 아스뮴(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 은(Au), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 아연(Zn), 바나듐(V), 지르코늄(Zr) 및 이들의 금속 합금과 이들의 금속 질화물 중의 어느 하나로 구성될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 경우, 상기 증착입자(DP)도 금속원자나 이온으로 구성될 수 있다.
일실시예로서, 상기 이온 건(300)은 상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 증착입자(DP)를 기판(W)으로 방출한다. 이온 건(300)은 외부의 빔 소스로부터 공급된 빔 소스기체를 고에너지를 갖고 상기 타겟(220)에 대하여 일정한 경사각으로 입사하는 이온 빔(IB)으로 형성한다.
예를 들면, 상기 이온 건(300)은 상기 빔 소스기체를 이온화하는 제1 방전챔버(310), 상기 제1 방전챔버(310)와 연결되어 상기 빔 소스기체의 이온들을 가속하여 상기 타겟 어셈블리(200)로 향하는 직진성 고에너지 이온들인 이온 빔(IB)을 생성하는 제1 이온 그리드(ion grid, IG1) 및 상기 이온 빔(IB)으로 전자를 주사(emission)하여 상기 타겟 어셈블리(200)와의 사이에 중성 아크(neutralization arc)를 방지하는 뉴트럴라이저(neutralizer, 350)로 구성될 수 있다.
상기 제1 방전챔버(310)는 상기 빔 소스로부터 공급된 빔 소스기체를 방전하여 이온화시킬 수 있다. 예를 들면, 방전 캐소드와 가스 공급단 사이에 강한 전기장을 인가하여 상기 빔 소스기체를 방전하거나 상기 빔 소스 기체를 플라즈마 상태로 형성함으로써 이온화할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 방전챔버는 고주파 유도결합 플라즈마(radio frequency inductively coupled plasma, RFICP) 생성기를 포함할 수 있다. 빔 소스기체의 이온들은 제1 방전챔버에 인가되는 전자기력에 의해 가속되어 고에너지의 이온 빔으로 형성된다.
이때, 상기 빔 소스기체는 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 네온(Ne) 및 크세논(Xe) 중의 어느 하나로 구성하여 이온 빔의 운동에너지를 극대화하고 불순물에 의한 오염을 최소화 할 수 있다.
상기 제1 이온 그리드(IG1)는 상기 제1 방전챔버(310)와 연결되어 상기 빔 소스기체의 이온들을 가속하여 타겟(220)으로 향하는 직진성 고에너지 이온들인 이온 빔(IB)을 생성한다.
예를 들면, 상기 제1 이온 그리드(IG1)는 제1 방전챔버(310)를 한정하고 제1 방전챔버(310)의 상기 고에너지 이온들이 통과하는 주사 홀을 구비하는 스크린 그리드(320), 가속 그리드(330) 및 선택적으로 제공되는 감속 그리드(340)로 구성될 수 있다.
상기 스크린 그리드(320)는 제1 방전챔버(310)에 형성된 플라즈마 쉐스(PS)와 접촉하여 플라즈마로부터 빔 소스기체의 이온들을 추출하여 상기 가속 그리드(330)로 전송한다. 가속 그리드(330)는 추출된 빔 소스기체의 이온들을 상기 타겟(220)을 향하는 방향으로 가속하여 직진성과 운동에너지를 높인다. 이에 따라, 상기 가속 그리드(330)를 통하여 타겟(220)을 향하는 직진성 고에너지 이온들인 이온 빔(IB)을 형성하게 된다. 상기 감속 그리드(340)는 선택적으로 배치되어 이온 빔(IB)의 속도를 제어하게 된다.
상기 스크린 그리드(320), 가속 그리드(330) 및 감속 그리드(340) 각각의 주사 홀 사이즈와 각 그리드 간의 이격거리를 조절하여 타겟(220)으로 주사되는 이온 빔(IB)의 에너지와 타겟(220)의 주사영역을 조절할 수 있다. 이때, 상기 이온 빔(IB)의 주사영역은 타겟(220)의 사이즈보다 작게 형성하여 이온 빔(IB)에 의해 타겟 몸체(210)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 뉴트럴라이저(neutralizer, 350)는 제1 이온 그리드(IB1)의 단부에서 이온 빔(IB)이 통과하는 주사 홀을 둘러싸는 원통형상으로 배치된다. 상기 뉴트럴라이저(350)는 타겟(220)과 이온 건(300) 사이의 공간으로 전자를 공급하여 이온 빔(IB)과 타겟(220) 사이의 전압차이(voltage potential)에 의한 중성아크(Neutralization arc)를 방지한다. 따라서, 뉴트럴라이저(350)에 의해 공급되는 전자의 양은 타겟(220)의 물성과 주위환경의 절연성 및 접지성에 따라 달라진다.
고에너지 이온 빔(IB)이 타겟(220)과 충돌하면 타겟(220)의 표면으로부터 증착입자(DP)가 분출되어 기판(W)으로 이동하게 된다. 증착 기하구조에 의해 이온 빔(IB)과 타겟(220)의 충돌에 의해 분출된 증착입자(DP)는 기판(W)을 향하여 이동하여 이온 빔 증착(ion beam deposition, IBD)공정에 의해 기판(W) 상에 박막(L)을 형성하게 된다.
기판(W) 상에 형성되는 박막(L)은 기판 가열기(400)에 의해 박막의 특성을 개량할 수 있다. 상기 기판 가열기(400)는 이온 빔 증착공정이 진행되는 동안 상기 기판(W)을 가열하여 박막(L)의 결정화도(crystality)를 높일 수 있다.
종래의 이온 빔 증착공정은 상온에서 수행되어 박막의 그레인 사이즈가 작게 형성되어 결정화도가 떨어지는 경향이 있다. 그레인 사이즈가 작은 경우 충분한 결정성을 확보하기 어려워 박막의 저항을 낮추는데 한계가 있다. 이에 따라, 고용량 고집적 반도체 소자의 금속배선은 종래의 이온 빔 증착공정으로는 형성하기 어려운 점이 있다.
그러나, 본 실시예에 의하면 이온 빔 증착공정이 수행되는 동안 기판(W)을 상온보다 높은 증착온도로 유지하여 그레인 사이즈를 증가시켜 박막의 결정화도를 높이고 전기저항을 충분히 줄일 수 있다.
예를 들면, 상기 기판 가열기(400)는 상기 기판 어셈블리(100)의 외부에서 상기 기판(W)을 조사하는 램프 구조물(410)을 포함할 수 있다.
상기 램프 구조물(410)은 기판(W)의 상부에 배치되어 기판(W)의 전면으로 복사열을 제공하면 다양한 구조를 가질 수 있다. 상기 램프 구조물(410)은 진공으로 밀봉된 석영 튜브의 내부에 열방사체를 배치하고 석영튜브의 양단을 전기적으로 연결하여 가시광선이나 적외선 광을 기판(W)으로 조사할 수 있다. 예를 들면, 상기 램프 구저물(410)은 상기 열방사체의 구성에 따라 카본 열방사 램프, 크세논 램프 또는 할로겐 램프로 구성할 수 있다.
이와 달리, 상기 기판 가열기(400)는 기판 고정부(110)의 내부에 배치되어 주울 열을 생성하는 전열기(420)로 구성될 수도 잇다.
도 2는 도 1에 도시된 기판 가열기의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 기판 가열기(400)는 고정 척(112)의 내부에 배치된 전열라인(422)과 상기 전열라인으로 전력을 공급하는 파워(424)를 포함하는 라인 전열기(420)로 구성될 수 있다.
상기 전열라인(422)은 고정 척(114)의 내부에서 디스크 형상을 갖는 고정 척(114)의 반경방향을 따라 일정한 간격으로 배치되는 와선 구조물로 제공될 수 있다. 상기 와선형상을 갖는 전열라인(422)의 양단은 상기 전열파워(424)로 연결된다. 이에 따라, 발열이 필요한 경우 상기 전열파워(424)로부터 전류가 인가되면 전열라인(422)을 따라 주울열이 발생하여 고정 척(114)을 균일하게 가열하고 상면에 고정된 기판(W)도 균일하게 가열된다.
이때, 상기 라인 전열기(420)에 의한 기판(W)의 온도를 증착온도로 유지하기 위해 고정 척(114)의 내부에 냉각라인(CL)이 선택적으로 제공될 수 있다. 상기 냉각라인(CL)도 전열라인(422)과 마찬가지로 와선 구조물로 제공될 수 있으며 고정부 몸체(122)의 반경방향을 따라 인접한 전열라인(422) 사이에 배치될 수 있다.
예시적으로, 외부에 배치된 냉각 탱크(CT)로부터 상기 냉각라인(CL)으로 냉매가 공급되어 냉각라인(CL)을 따라 고정 척(112)의 내부에서 유동하게 된다. 이에 따라, 냉매의 온도를 조절함으로써 상기 고정 척(114)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 기판 가열기의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 기판 가열기(400)는 상기 고정 척(114)의 내부에 배치되고 상기 고정 척(114)의 상면(US)에 대응하도록 상단부를 덮는 면상 발열체(432)와 상기 면상 발열체(432)로 전력을 공급하는 구동파워(434)를 포함하는 면상 전열기(430)로 구성될 수 있다.
상기 면상 발열체(432)는 고정 척(114)의 상단부에 고정 척(114)의 내부를 매립하여 상면(US)을 덮고 일정한 두께를 갖도록 측면과 접촉하도록 배치된다. 이에 따라, 상기 고정 척(114)의 상단부는 상기 면상 발열체로 매립되어 상기 기판(W)은 면상 발열체(432)의 상부에 배치될 수 있다.
상기 면상 발열체(432)는 벌크 형상의 카본 발열체를 구비하여 상기 구동파워(434)로부터 파워가 공급되면 상면(US) 전체로 균일한 열량을 방출하게 된다. 따라서, 상기 기판(W)은 고정 척(US)의 상면으로부터 전달되는 열에 의해 하면 전체가 균일하게 가열된다.
이때, 상기 기판(W)의 온도는 면상 발열체(432)로 인가되는 파워를 조절함으로써 제어할 수 있다. 그러나, 온도 조절시간과 정밀도를 높이기 위해 면상 발열체(432)의 하부에 냉각판(CP)을 더 배치할 수 있다.
상기 냉각판(CP)은 면상 발열체와 동일한 형상을 갖고 면상 발열체(432)의 하면의 전면과 직접 접촉하는 열전 냉각소자로 구성될 수 있다. 냉각 파워(P)에 의해 상기 열전 냉각소자로 전류가 인가되면, 페르티에 효과에 의해 상기 면상 발열체(432)로부터 열을 흡수하여 면상 발열체(432)의 온도를 조절할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 면상 발열체(432)의 온도를 조절하기 위한 수단으로서 열전 냉각소자로 구성된 냉각판(CP)을 개시하지만, 온도제어의 정밀도만 높다면 상기 면상 발열체(432)로부터 열을 흡수할 수 있는 다양한 냉각수단이 상기 냉각판(CP)으로 이용될 수 있음은 자명하다.
상기 기판 가열기(400)에 의해 이온 빔 증착공정이 진행되는 동안 상기 기판(W)은 약 150°C 내지 300°C의 증착온도로 유지될 수 있다. 증착온도가 약 150°C 이하인 경우, 상온에서 수행되는 종래의 이온빔 증착공정에 의해 형성된 박막과 비교하여 그레인 사이즈의 증가가 미미하여 박막 결정화도의 개선효과를 달성하기 어렵다. 또한, 상기 증착온도가 약 300°C를 넘는 경우, 박막(L)의 그레인 사이즈가 스퍼터링 공정에 의한 그레인 사이즈보다 더 크게 된다. 박막(L)의 그레인 사이즈가 과도하게 크게 되면 결정화도가 오히려 감소하여 박막(L)의 비저항이 증가하게 된다.
이에 따라, 상기 기판 가열기(400)는 이온 빔 증착공정이 진행되는 동안 기판(W)의 온도를 약 150°C 내지 300°C, 더 바람직하게는, 약 200°C 내지 250°C의 증착온도로 유지한다.
아래의 표 1은 반도체 소자의 배선으로 널리 이용되는 텅스텐 막을 본 발명에 의한 고온 이온 빔 증착공정과 종래의 상온 이온 증착 빔 공정 및 플라즈마 스퍼터링 공정에 의해 형성하는 경우의 박막 특성을 나타낸다.
스퍼터링 공정 상온 IBD 공정 고온 IBD 공정
증착온도 350°C ~ 400°C 20°C ~ 30°C 200°C ~ 300°C
그레인 사이즈 130nm ~ 200nm 30nm~80nm 80nm~100nm
비저항 8~12Ωm 15~20Ωm 5~9Ωm
표 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 고온 IBD 공정은 박막(L)의 그레인 사이즈를 적정하게 조절함으로써 스퍼터링 공정이나 상온 IBD 공정과 비교하여 박막의 결정화도를 높이고 비저항을 충분히 낮출 수 있다. 이에 따라, 고집적 고용량 반도체 소자의 금속 배선막을 본 발명에 의한 고온 IBD 공정에 의해 안정적으로 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온 빔 증착장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4에 도시된 이온 빔 증착장치는 기판 어셈블리로 보조 이온 빔을 주사하는 보조 이온 건이 더 배치된 것을 제외하고는 도 1에 도시된 이온 빔 증착장치와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 도 4에서 도 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 이하에서, 상기 이온 건(300)으로부터 주사되는 이온 빔을 참조부호 IB1으로 표시하고 보조 이온 건으로부터 주사된 보조 이온 빔을 참조부호 IB2로 구분하여 표시한다.
도 4를 참조하면, 상기 기판 어셈블리(100)의 상부에 보조 이온 빔(IB2)을 주사하는 보조 이온 건(390)이 더 배치된다. 본 실시예의 경우, 상기 보조 이온 건(390)은 도 1에 도시된 이온 건(300)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다.
따라서, 상기 보조 이온 건(390)은 보조 빔 소스기체를 이온화하는 제2 방전챔버(391)와 상기 제2 방전챔버(392)와 연결되어 상기 보조 빔 소스기체의 이온들을 가속하여 상기 기판(W)으로 향하는 직진성 고에너지 이온들인 보조 이온 빔(IB2)을 생성하는 제2 이온 그리드(ion grid, IG2)로 구성될 수 있다. 제2 이온 그리드(IG2)는 제2 방전챔버(391)를 한정하고 제2 방전챔버(391)의 상기 고에너지 이온들이 통과하는 주사 홀을 구비하는 스크린 그리드(392), 가속 그리드(393) 및 선택적으로 제공되는 감속 그리드(394)로 구성될 수 있다.
이때, 상기 보조 빔 소스기체는 빔 소스 기체와 마찬가지로 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 네온(Ne) 및 크세논(Xe) 중의 어느 하나로 구성하여 보조 이온 빔(IB2)의 운동에너지를 극대화하고 불순물에 의한 오염을 최소화 할 수 있다.
제2 방전챔버(391), 스크린 그리드(392), 가속 그리드(393) 및 선택적으로 제공되는 감속 그리드(394)는 도 1을 참조하여 설명한 제1 방전챔버(310), 스크린 그리드(320), 가속 그리드(330) 및 감속 그리드(340)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 상기 제2 방전챔버(391), 스크린 그리드(392), 가속 그리드(393) 및 감속 그리드(394)에 관한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 보조 이온 빔(IB2)은 기판(W)의 상면으로 조사되어 기판으로부터 불순물을 제거하거나 증착입자(DP)가 기판 상에 증착되는 것을 보조할 수 있다. 보조 이온 빔(IB2)이 기판(W)에 도달하면, 보조 이온 빔의 운동에너지가 열에너지로 전환되어 기판의 표면에 대한 표면처리를 수행할 수 있다.
이때, 기판(W)의 온도를 보조적으로 상승시켜 상기 기판 가열기(400)의 구동로드를 경감시키거나 기판 가열기(400)를 대체할 수도 있다. 즉, 상기 보조 이온 빔(IB2)에 의해 기판(W)의 온도를 상기 증착온도까지 상승시킬 수 있다면 보조 이온 건(390)으로 기판 가열기(400)를 대체할 수도 있다.
이에 따라, 기판(W)에 형성되는 박막(L)의 오염도를 줄이고 그레인 사이즈를 적절하게 조절함으로서 박막(L)의 결정화도를 개선할 수 있다.
특히, 상기 보조 이온 건(390)과 기판(W) 사이에는 전압차(voltage potential)가 생성되지 않으므로, 중성아크를 방지하기 위한 뉴트럴라이저는 상기 보조 이온 건(390)에 배치되지 않을 수 있다.
그러나, 고정 척(114)에 전압이 인가되어 보조 이온 건(390)과 기판(W) 사이에 전압차가 형성되면, 중성 아크(neutralization arc)를 방지하기 위한 뉴트럴라이저가 배치될 수도 있음은 자명하다.
상술한 바와 같은 보조 이온 건에 의해 기판(W) 상의 불순물을 제거하여 박막의 순도를 높이고 기판의 온도를 높임으로써 결정화도 및 순도가 높은 박막(L)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 박막의 비저항을 현저하게 낮출 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온 빔 증착장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 예시적으로 도 5에 도시된 이온 빔 증착장치는 도 4에 도시된 이온 빔 증착장치를 포함한다. 이에 따라, 도 5에서 도 4와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다. 본 실시예에서는 도 4에 도시된 이온 빔 증착장치를 구비하는 장치를 개시하고 있지만, 도 1에 도시된 이온 빔 증착장치를 구비하는 장치도 본 실시예의 증착장치에 포함될 수 있음은 자명하다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 이온 증착장치(1000)는 이온 빔 증착공정이 수행되도록 밀폐공간을 제공하는 공정챔버(600), 상기 공정챔버(600)의 측부에 고정되어 증착대상 기판(W)을 고정하는 기판 어셈블리(100), 상기 공정챔버(600)의 내부에서 상기 기판(W)에 대하여 기울어지게 배치되고 증착물질로 구성되는 타겟(target, 220)을 고정하는 타겟 어셈블리(200), 상기 공정챔버(600)의 제2 측부(602)에 고정되고 상기 타겟(200)으로 이온 빔(IB1)을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자(DP)를 상기 기판(W)으로 방출시키는 이온 건(300), 상기 기판(W)을 가열하여 상기 증착입자(DP)가 상기 기판(W)에 증착되어 형성되는 박막(L)의 결정화도를 높이는 기판 가열기(400), 상기 기판 어셈블리(100)와 연결되어 상기 기판(W)을 수용하는 기판 스택(700), 및 상기 공정챔버(600)의 제3 측부(603)에 배치되어 상기 공정챔버(600) 내부를 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기(800)를 포함한다.
선택적으로, 상기 이온 빔 증착장치(1000)는 보조 빔 소스기체를 이온화하는 제2 방전챔버(391), 상기 제2 방전챔버(391)와 연결되어 상기 보조 빔 소스기체의 이온들을 가속하여 상기 기판으로 향하는 직진성 고에너지 이온들인 이온 빔을 생성하는 제2 이온 그리드(ion grid, IG2)를 구비하고 상기 기판(W)으로 상기 보조 이온 빔(IB2)을 주사하는 보조 이온 건(390)을 더 포함할 수 있다.
일실시예로서, 상기 공정챔버(600)는 외부로부터 밀폐되고 이온 빔 증착공정이 수행되는 내부공간(S)을 갖는 입체형상으로 제공된다. 상기 공정챔버(600)는 단일한 하우징으로 구성될 수도 있고 서로 분리되는 상부 하우징 및 하부 하우징의 결합으로 구성될 수도 있다.
특히, 이온 빔 증착공정이 진행되는 동안 상기 내부공간에는 진공압이 인가되므로 상기 공정챔버(600)는 공정에 요구되는 진공압에 충분히 대응할 수 있는 강도와 강성을 갖는 구조물로 제공된다.
공정챔버(600)의 하부에는 기판 스택(700)으로부터 증착대상 기판(W)을 공정챔버(600)로 로딩하고 증착이 완료된 기판을 공정챔버(600)로부터 언로딩하기 위한 게이트(610)가 제공된다.
상기 기판 스택(700)은 게이트(610)를 통하여 기판 어셈블리(100)와 연결된다. 예를 들면, 기판 스택(700)은 다수의 기판(W)을 적재하여 반도체 소자용 제조장비 사이를 이동하는 기판 홀더(C)가 위치하는 로더 포트(710) 및 로봇 암과 같은 기판 전송수단(미도시)을 이용하여 증착대상 기판을 기판 홀더(C)로부터 추출하여 공정챔버(600)로 전송하거나 증착완료 기판을 공정챔버(600)로부터 기판 홀더(C)로 적재하는 기판 전송부(720)를 포함한다. 기판 전송수단은 상기 공정챔버(600)와 상기 기판 홀더(C) 사이에서 기판(W)을 전송한다. 상기 기판 홀더(C)는 웨이퍼 카세트나 풉(FOUP)을 포함할 수 있다.
기판 가이드(620)가 게이트(610)를 관통하여 상기 기판 추출부(720)까지 이동할 수 있다. 기판 추출부(720)로부터 증착대상 기판이 추출되면 상기 기판 가이드(620)에 탑재되고 상기 기판 가이드(620)는 기판 어셈블리(100)의 기판 고정부(110)까지 이동하여 고정 척(114)에 기판을 로딩한다.
상기 공정챔버(600)의 다른 측부에는 상기 공정챔버(600)의 내부공간(S)을 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기(800)가 배치된다.
예를 들면, 상기 진공 생성기(800)는 공정챔버(600)와 연결되는 게이트 밸브(810) 및 게이트 밸브(810)에 의해 내부공간(S)으로 진공압을 인가하는 진공펌프(820)룰 포함한다.
본 실시예의 경우, 이온 빔 증착공정이 진행되는 동안 상기 공정챔버(600)의 내부공간(S)은 진공 생성기(800)에 의해 약 10-5Torr 내지 10-9Torr의 진공압이 유지된다. 이에 따라, 상기 증착입자(DP)는 실질적으로 운동에너지의 손실없이 기판(W)으로 이동할 수 있다.
상기 게이트(610)와 인접한 공정챔버(600)의 측부에 상기 기판 어셈블리(100)가 배치된다. 기판 어셈블리(100)의 지지부(120)는 상기 측부와 인접한 로딩/언로딩 위치와 내부공간(S)을 향하여 돌출한 증착위치 사이를 왕복할 수 있다.
로딩/언로딩 위치에서 상기 고정 척(114)의 상면과 기판 가이드(620)의 상면은 동일한 평면을 형성한다. 이에 따라, 증착대상 기판은 기판 가이드(620)로부터 용이하게 고정 척(114)으로 로딩되며 증착완료 기판은 고정 척(114)으로부터 기판 가이드(620)로 용이하게 언로딩 될 수 있다.
기판(W)이 고정 척(114)에 로딩되면 정전기력에 의해 기판은 고정 척(114)에 고정되고, 상기 지지부(120)는 내부공간(S)을 향하여 돌출하여 기판(W)을 가공위치에 위치시킨다.
가공위치에서 상기 고정부 몸체(112)는 틸팅 축(TA1)을 중심으로 회전하여 기판(W)이 타겟면(a)에 대하여 증착 기하구조에 적합하도록 위치시킨다. 본 실시예의 경우, 상기 기판(W)은 기판 경사각을 0°로 설정되는 것을 예시적으로 개시하고 있지만, 타겟 어셈블리(200)와 이온 건(300)의 위치에 따라 상기 기판(W)은 틸팅 축(TA1)을 중심으로 한 회전에 의해 다양한 기판 경사각을 갖도록 위치시킬 수 있다.
상기 기판 어셈블리(100)는 도 5에 도시된 기판 어셈블리(100)와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 기판 어셈블리(100)에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
증착물질로 구성된 타겟(220)이 고정된 타겟 어셈블리(200)가 기판 어셈블리(100)의 상부 일측에 배치되고 상기 타겟(220)으로 이온 빔(IB1)을 주사하는 이온 건(300)이 타겟(220)에 대하여 경사지게 기판 어셈블리(100)의 상부 타측에 배치된다.
외부의 빔 소스(BS1)로부터 빔 소스기체가 이온 건(300)의 제1 방전챔버(310)로 공급되면 빔 소스기체의 이온들로 방전된다. 상기 빔 소스기체의 이온들은 상기 제1 이온 그리드(IG1)에 의해 직진성을 갖는 고에너지 이온 빔(IB1)이 되어 상기 타겟(220)으로 주사된다.
이온 빔(IB1)과 타겟(220)의 충돌에 의해 증착물질의 이온들인 증착임자(DP)가 분출되고 상기 증착입자(DP)들은 증착 기하구조를 갖도록 배치된 기판(W)으로 이동하여 기판(W)의 상면에 증착된다. 이에 따라, 상기 기판(W)의 상면에 박막(L)이 형성된다.
이때, 상기 기판 어셈블리(100)의 상부에는 기판(W)의 전면을 가열하는 기판 가열기(400)가 배치된다. 이에 따라, 상기 증착입자(DP)가 기판(W)에 증착될 때, 기판(W)을 약 150°C 내지 300°C의 증착온도로 유지할 수 있다.
예를 들면, 금속물질로 구성되는 타겟(220)으로 이온 빔(IB1)을 조사하면, 금속물질의 증착입자(DP)가 타겟(220)으로부터 분출되어 상기 기판(W)의 상면에 증착된다.
예를 들면, 상기 타겟은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 아스뮴(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 은(Au), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 아연(Zn), 바나듐(V), 지르코늄(Zr) 및 이들의 금속 합금과 이들의 금속 질화물 중의 어느 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판 가열기(400)에 의해 기판(W)의 온도가 고온으로 유지되므로, 상기 박막(L)은 상온 이온 빔 증착공정과 비교하여 상대적으로 큰 그레인 사이즈를 갖고 우수한 결정화도를 갖게 된다. 이에 따라, 기판(W) 상에 형성되는 금속성 박막(L)의 비저항을 현저하게 줄일 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 박막(L)은 약 80nm 내지 약 100nm의 그레인 사이즈를 갖고 약 5Ωm 내지 약 9Ωm의 비저항을 갖는다. 이에 따라, 상기 금속성 박막(L)은 고집적 고용량 반도체 소자의 배선 구조물로 활용될 수 잇다.
상기 기판(W)의 상부에는 상기 기판(W)으로 보조 이온 빔(IB2)을 주사하여 기판의 불순물을 제거하고 증착입자(DP)의 증착을 활성화 할 수 있는 보조 이온 건(390)이 위치한다.
외부의 보조 빔 소스(BS2)로부터 보조 빔 소스기체가 보조 이온 건(390)의 제2 방전챔버(391)로 공급되면 보조 빔 소스기체의 이온들로 방전된다. 상기 보조 빔 소스기체의 이온들은 상기 제2 이온 그리드(IG2)에 의해 직진성을 갖는 고에너지 보조 이온 빔(IB2)이 되어 상기 기판(W)으로 주사된다.
보조 이온 빔(IB2)은 기판(W)에 충돌하여 기판의 불순물들을 제거하고 기판의 온도를 상승시킬 수 있다. 이에 따라, 박막(L)의 순도와 결정화도를 높일 수 있다.
상기 타겟 어셈블리(200), 이온 건(300), 기판 가열기(400) 및 보조 이온 건(390)은 도 4를 참조하여 설명한 이온 건(300), 기판 가열기(400) 및 보조 이온 건(390)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 상기 이온 건(300), 기판 가열기(400) 및 보조 이온 건(390)에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같은 이온 빔 증착장치(1000)에 의하면, 박막(L)의 그레인 사이즈를 적정하게 조절함으로써 스퍼터링 공정이나 상온 IBD 공정과 비교하여 박막의 결정화도를 높이고 비저항을 충분히 낮출 수 있다. 이에 따라, 고집적 고용량 반도체 소자의 금속 배선막을 본 발명에 의한 고온 IBD 공정에 의해 안정적으로 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 도 5에 도시된 이온 빔 증착장치를 구비하는 이온 빔 증착 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 이온 빔 증착 시스템(2000)은 기판 핸들러(handler, 1120)를 구비하는 이송장치(1100), 상기 이송장치(1100)의 일 측부에 배치되어 다수의 기판(W)을 수납하는 적어도 하나의 기판수납 장치(1200) 및 상기 이송장치(1100)의 다른 측부에 배치되어 상기 기판 핸들러(1110)에 의해 상기 기판 대기장치(1200)로부터 로딩된 증착대상 기판에 대해 이온 밤 증착공정을 수행하여 상기 기판(W) 상에 박막(L)을 형성하는 적어도 하나의 이온 빔 증착장치(1300)를 포함한다.
상기 이송장치(1100)는 다각형 실린더 형상을 갖는 이송챔버(1110)와 상기 이송챔버(1110)의 중심부에 고정되어 360° 회전 가능한 기판 핸들러(1120)를 구비한다.
본 실시예의 경우, 상기 이송챔버(1110)는 육각기둥 형상으로 제공되어 제1 내지 제6 측면(1111 내지 1116)을 갖고 4개의 이온 빔 증착장치와 2개의 기판 대기장치가 단일한 이송챔버(1110)에 연결된다. 이에 따라, 동시에 4개의 이온 빔 증착공정을 독립적으로 수행할 수 있다.
상기 기판 핸들러(1120)는 이송챔버(1110)의 중심에 고정된 고정 축(1121)과 상기 고정 축(1121)을 따라 회전하는 이송 암(1122)으로 구성된다.이송 암(1121)은 이온 빔 공정의 처리 알고리즘에 따라 기판 대기장치(1200)와 이온 빔 증착장치(1300) 사이를 이동하면서 기판(W)을 이송하게 된다.
상기 기판 대기장치(1200)는 상기 이송장치(1100)의 제1 측면(1111)에 연결되도록 위치하고 다수의 증착대상 기판을 수납하는 제1 기판 스택(1210) 및 상기 이송장치(1100)의 제6 측면(1116)에 연결되도록 위치하고 박막이 형성된 증착완료 기판을 수납하는 제2 기판 스택(1250)을 포함한다.
상기 제1 기판 스택(1210)은 입구 게이트(1211)를 통하여 상기 이송장치(1100)와 선택적으로 연결되고 상기 제2 기판 스택(1250)은 출구 게이트(1251)를 통하여 이송장치(1100)와 선택적으로 연결된다.
다수의 기판 홀더(C)가 로드 포트(1215, 1255)에 위치하면, 각 기판 홀더(C)는 입력된 투입순서에 따라 기판 전송부(1213, 1253)를 향하여 정렬한다. 입구 게이트(1211)와 인접한 기판 전송부(1213)에 의해 기판 홀더(C)로부터 증착대상 기판(W)을 추출하여 이온 빔 증착장치(1300)로 전송하고, 증착완료 기판은 출구 게이트(1251)와 인접한 기판 전송부(1253)를 통하여 기판 홀더(C)에 수납된다.
상기 기판 전송부(1213, 1253) 및 로드 포트(1215, 1255)는 도 4에 도시된 기판 스택(700)의 기판 전송부(720) 및 로드 포트(710)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 상기 상기 기판 대기장치(1200)에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
제1 내지 제4 이온 빔 증착장치(1310, 1330, 1350,1370)가 상기 이송챔버(1110)의 제2 내지 제5 측면(1112, 1113, 1114, 1115)에 각각 배치된다. 각 증착장치와 이송챔버(1110) 사이에는 제1 내지 제4 로드락 챔버(1311, 1331, 1351, 1371)가 배치되어 진공압이 인가되는 공정챔버(600)와 대기압이 작용하는 이송챔버(1110) 사이의 기판 교환에 따른 압력손상을 방지할 수 있다.
제1 내지 제4 이온 빔 증착장치(1310, 1330, 1350,1370)는 도 4에 도시된 이온 빔 증착장치와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 각 이온 빔 증작장치(1310, 1330, 1350,1370)는 이온 빔 증착공정이 수행되도록 밀폐공간을 제공하는 공정챔버(600), 상기 공정챔버(600)의 일측부에 고정되어 기판(W)을 고정하는 기판 어셈블리(100), 공정챔버(600)의 내부에서 상기 기판(W)에 대하여 기울어지게 배치되고 증착물질로 구성되는 타겟(target, 220)을 고정하는 타겟 어셈블리(200), 상기 공정챔버(600)의 다른 측부에 고정되고 상기 타겟(220)으로 이온 빔(IB1)을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자(DP)를 상기 기판(W)으로 방출시키는 이온 건(300), 상기 기판(W)을 가열하여 상기 증착입자(DP)가 상기 기판(W)에 증착되어 형성되는 박막(L)의 결정화도를 높이는 기판 가열기(400) 및 상기 공정챔버(600)와 연결되어 상기 밀폐공간을 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기(800)로 구성된다.
상기 기판 어셈블리(100), 타겟 어셈블리(200), 이온 건(300), 기판 가열기(400), 공정챔버(600) 및 진공 생성기(800)는 도 4를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같은 이온 빔 증착 시스템(2000)은 동시에 다수의 이온 빔 증착공정을 수행함으로써 증착공정의 효율을 현저하게 높일 수 있다. 중앙 제어장치(미도시)에 입력된 증착 알고리즘에 따라 4개의 이온 빔 증착장치에 대한 증착공정과 제1 및 제2 기판 스택(1210, 1250)의 동작을 제어함으로써 동시에 4개의 이온 빔 증착공정을 수행할 수 있다.
본 실시예에서는 단층으로 된 6각 이송챔버(1110)를 이용하여 동시에 4개의 이온 빔 증착공정을 수행하는 것을 개시하고 았지만, 이는 예시적인 것이며 이송챔버의 형상이나 복층 이송챔버를 통하여 동시에 수행할 수 있는 이온 빔 증착공정의 수를 증가시킬 수 있음은 자명하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 도 5에 도시된 이온 빔 증착장치를 이용하여 이온 빔 증착공정을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 먼저 진공압이 인가된 공정챔버(600)에 구비된 기판 어셈블리(100)에 기판(W)을 고정한다(단계 S100).
진공 생성기(800)를 구동하여 공정챔버(600) 내부의 밀폐공간(S)을 진공상태로 형성한다. 예를 들면, 상기 공정챔버(600)의 내부공간(S)은 10-5Torr 내지 10-9Torr의 압력으로 설정될 수 있다.
이어서, 기판 홀더(C)로부터 추출된 증착대상 기판(W)은 기판 가이드(620)에 의해 공정챔버(600)의 내부로 공급된 후 고정 척(114)의 상면에 위치한다. 이어서, 고정 척(114)에 정전기력을 생성하여 기판(W)을 고정 척(114)에 고정한다.
이와 달리, 고정 척(114)에 기판(W)을 고정한 후 공정챔버(600)의 내부공간을 진공으로 형성할 수도 있음은 자명하다.
이어서, 상기 기판(W)을 가열하여 증착온도로 설정한다(단계 S100).
예를 들면, 상기 기판 어셈블리(100)의 외부에 배치된 램프 구조물(410)이나 기판 어셈블리(100)의 내부에 배치된 라인 전열기(420) 또는 면상 전열기(430)에 의해 기판(W)을 가열할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 증착온도는 약 150°C 내지 300°C의 범위로 설정될 수 있다.
이어서, 증착물질로 구성되는 타겟(220)을 향하여 일정한 경사각으로 이온 빔(IB1)을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자(DP)를 상기 기판(W)을 향하여 방출시킨다(단계 S300). 동시에 상기 기판(W)으로 보조 이온 빔(IB2)을 주사하여 상기 기판(W)으로부터 불순물을 제거하고 상기 기판(W)을 보조적으로 가열한다(단계 S400).
이온 빔 소스기체를 제1 방전챔버(310)에서 이온화 한 후, 상기 이온 입자들을 제1 이온 그리드(IG1)를 이용하여 타겟(220)으로 직진하는 고에너지 이온 빔(IB1)으로 형성한다. 이온 빔(IB1)은 타겟(220)의 표면에 충돌하여 증착물질의 이온인 증착입자(DP)를 생성한다. 이때, 이온 건(300)과 타겟(220) 사이의 중성 아크를 방지하기 위해 뉴트럴라이즈(350)를 통하여 이온 건(300)과 타겟(220) 사이의 공간으로 전자를 입사할 수 있다.
이때, 상기 이온 건(300)과 타겟(220)은 일정한 경사각으로 기울어지게 배치되어 생성되는 증착입자(DP)들이 기판(W)으로 유동할 수 있도록 설정한다. 즉, 기판(W), 타겟(220) 및 이온 건(300)은 증착 기하구조에 따라 배치되어 이온 빔(IB1)은 가장 큰 에너지로 타겟(220)에 충돌하며 증착입자(DP)는 기판(W)으로 향하도록 타겟(220)으로부터 분출된다.
이온 빔(IB1)과 동시에 보조 이온 빔(IB2)이 기판(W)으로 주사된다.
보조 이온 빔 소스기체를 제2 방전챔버(391)에서 이온화 한 후, 상기 이온입자들을 제2 이온 그리드(IG2)를 이용하여 기판(W)으로 직진하는 고에너지 보조 이온 빔(IB2)으로 형성한다. 보조 이온 빔(IB2)은 기판(W)의 표면에 충돌하여 불순물을 제거하고 기판(W)의 온도를 보조적으로 올릴 수 있다.
이어서, 타겟(220)으로부터 분출된 상기 증착입자(DP)들은 기판(W)을 향하여 이동한 후 기판 표면에 증착하여 박막(L)을 형성한다(단계 S500).
타겟(220)과 기판(W)은 증착입자의 평균 자유행정 거리 이내에 위치하도록 설정된다. 평균 자유행정 거리는 진공상태에서 증착입자(DP)가 충돌하지 않고 이동할 수 있는 거리이다. 따라서, 타겟(220)과 기판(W)이 평균 자유행정 거리 이내에 위치하도록 설정한다면 타겟(220)으로부터 분출된 증착입자(DP)는 기판(W)에 증착될 수 있다.
평균 자유행정 거리보다 크게 타겟(220)과 기판(W)이 설정된 경우 기고정 척(114)에 바이어스를 인가하여 증착입자(DP)를 기판(W)쪽으로 유도할 수 있다. 이 경우, 필요에 따라 보조 이온 건(390)과 기판(W) 사이에 뉴트럴라이저를 더 배치하여 보조 이온 건(390)과 기판(W) 사이의 중성 아크를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 이온 빔 증착공정에 의해 약 80nm 내지 100nm의 그레인 사이즈를 갖고 약 5Ωm ~ 9Ωm의 비저항을 갖는 저저항 금속박막을 형성할 수 있다. 이에 따라, 고집적 고용량 반도체 소자의 배선을 용이하게 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 이온빔 증착장치 및 이를 구비하는 이온빔 증착 시스템과 이를 이용한 반도체 소자용 금속 배선막의 형성방법에 의하면, 기판을 가열하여 상온이 아니라 고온에서 이온 빔 증착공정을 수행함으로써 박막의 그레인 사이즈를 적정하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 스퍼터링 공정이나 상온 IBD 공정과 비교하여 박막의 결정화도를 높이고 비저항을 충분히 낮출 수 있다. 이에 따라, 고집적 고용량 반도체 소자의 금속 배선막을 본 발명에 의한 고온 IBD 공정에 의해 안정적으로 형성할 수 있다.
또한, 단일한 이송 챔버에 다수의 이온 빔 증착장치를 배치하여 동시에 다수의 이온 빔 증착공정을 수행함으로써 증착공정의 효율을 현저하게 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 증착대상 기판을 고정하는 기판 어셈블리;
    상기 기판에 대하여 기울어지게 위치하고 증착물질로 구성되는 타겟(target)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly);
    상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자를 상기 기판으로 방출시키는 이온 건(ion gun); 및
    상기 기판을 가열하여 상기 증착입자가 상기 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판 가열기는 상기 기판 어셈블리의 외부에서 상기 기판을 조사하는 램프 구조물을 포함하는 이온 빔 증착장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 램프 구조물은 상기 기판으로 복사열을 제공하는 카본 열방사 램프, 크세논 램프 및 할로겐 램프 중의 어느 하나를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판 어셈블리는 상기 기판을 고정하고 일정한 각도로 틸팅하는 기판 고정부 및 상기 기판 고정부를 지지하고 회전축을 중심으로 회전하여 상기 기판 고정부를 회전하는 지지부를 구비하는 이온 빔 증착장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기판 가열기는 상기 기판 고정부의 내부에 와선 구조물로 배치된 전열라인을 구비하여 주울 열을 생성하는 라인 전열기를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 기판 가열기는 상기 기판 고정부의 내부에 배치되고 상기 기판 고정부의 상면에 대응하도록 상단부를 덮는 면상 발열체를 구비하는 면상 전열기를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판 어셈블리로 보조 이온 빔을 주사하는 보조 이온 건을 더 포함하는 이온 빔 증착장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 타겟은 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 아스뮴(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 은(Au), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 아연(Zn), 바나듐(V), 지르코늄(Zr) 및 이들의 금속 합금과 이들의 금속 질화물 중의 어느 하나를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  9. 이온 빔 증착공정이 수행되도록 밀폐공간을 제공하는 공정챔버;
    상기 공정챔버의 일측부에 고정되어 증착대상 기판을 고정하는 기판 어셈블리;
    상기 공정챔버의 내부에서 상기 기판에 대하여 기울어지게 배치되고 증착물질로 구성되는 타겟(target)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly);
    상기 공정챔버의 다른 측부에 고정되고 상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자를 상기 기판으로 방출시키는 이온 건(ion gun);
    상기 기판을 가열하여 상기 증착입자가 상기 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기;
    상기 기판 어셈블리와 연결되어 상기 기판을 수용하는 기판 스택; 및
    상기 공정챔버와 연결되어 상기 공정챔버 내부를 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판 어셈블리는 상기 기판을 고정하고 일정한 각도로 틸팅하는 기판 고정부 및 상기 기판 고정부를 지지하고 회전축을 중심으로 회전하여 상기 기판 고정부를 회전시키는 지지부를 구비하는 이온 빔 증착장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판 가열기는 상기 기판 고정부의 내부에 와선 구조물로 배치된 전열라인을 구비하여 주울 열을 생성하는 라인 전열기를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 기판 가열기는 상기 공정챔버의 내부에 배치되어 상기 기판 어셈블리의 외부에서 상기 기판으로 광을 조사하는 램프 구조물을 포함하는 이온 빔 증착장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 공정챔버는 10-5Torr 내지 10-9Torr의 진공압으로 유지되는 이온 빔 증착장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 기판은 상기 기판 가열기에 의해 상기 이온 빔 증착공정이 수행되는 동안 150°C 내지 300°C의 온도를 유지하는 이온 빔 증착장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 이온 건은 빔 소스기체를 이온화하는 제1 방전챔버, 상기 제1 방전챔버와 연결되어 상기 빔 소스기체의 이온들을 가속하여 상기 타겟 어셈블리로 향하는 직진성 고에너지 이온들인 이온 빔을 생성하는 제1 이온 그리드(ion grid) 및 상기 이온 빔으로 전자를 주사(emission)하여 상기 타겟 어셈블리와의 사이에 중성 아크(neutralization arc)를 방지하는 뉴트럴라이저(neutralizer))를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  16. 제15항에 있어서, 보조 빔 소스기체를 이온화하는 제2 방전챔버, 상기 제2 방전챔버와 연결되어 상기 보조 빔 소스기체의 이온들을 가속하여 상기 기판으로 향하는 직진성 고에너지 이온들인 이온 빔을 생성하는 제2 이온 그리드(ion grid)를 구비하고 상기 기판으로 상기 보조 이온 빔을 주사하는 보조 이온 건을 더 포함하는 이온 빔 증착장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 빔 소스 기체 및 상기 보조 빔 소스 기체는 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 네온(Ne) 및 크세논(Xe) 중의 어느 하나를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  18. 제9항에 있어서, 상기 진공 생성기는 진공펌프를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  19. 제9항에 있어서, 상기 공정챔버는 상기 밀폐공간을 선택적으로 개방할 수 있는 게이트를 구비하고 상기 기판 스택은 다수의 기판을 적재하는 기판 홀더 및 상기 기판 홀더를 고정하는 로드 포트 및 상기 공정앰버와 상기 기판 홀더 사이에서 상기 기판을 전송하는 기판 전송부를 포함하는 이온 빔 증착장치.
  20. 기판 핸들러(handler)를 구비하는 이송장치;
    상기 이송장치의 일 측부에 배치되어 다수의 기판을 수납하는 적어도 하나의 기판 대기장치; 및
    상기 이송장치의 다른 측부에 배치되어 상기 기판 핸들러에 의해 상기 기판 대기장치로부터 로딩된 증착대상 기판에 대해 이온 밤 증착공정을 수행하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 적어도 하나의 이온 빔 증착장치를 포함하고,
    상기 이온 빔 증착장치는,
    상기 이온 빔 증착공정이 수행되도록 밀폐공간을 제공하는 공정챔버;
    상기 공정챔버의 일측부에 고정되어 기판을 고정하는 기판 어셈블리;
    상기 공정챔버의 내부에서 상기 기판에 대하여 기울어지게 배치되고 증착물질로 구성되는 타겟(target)을 고정하는 타겟 어셈블리(target assembly);
    상기 공정챔버의 다른 측부에 고정되고 상기 타겟으로 이온 빔을 주사하여 상기 증착물질의 이온인 증착입자를 상기 기판으로 방출시키는 이온 건(ion gun);
    상기 기판을 가열하여 상기 증착입자가 상기 기판에 증착되어 형성되는 박막의 결정화도를 높이는 기판 가열기; 및
    상기 공정챔버와 연결되어 상기 밀폐공간을 일정한 진공압으로 유지하는 진공 생성기를 구비하는 증착 시스템.
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