마그네트론과 스퍼터 타겟 간의 간격 보상 방법 및 장치 document_id A220623030878

물리적 기상 증착법(PVD)이라고도 불리는 스퍼터링(sputtering)은 집적회로의 제조시에 금속 및 관련 물질의 층을 증착하는 방법으로서 가장 널리 행해지고 있는 방법이다. 다른 장치뿐만 아니라 집적 회로에도 원래부터 적용되고 있는 바와 같이, 보다 일반적인 형태의 스퍼터링은 시편 상에 타겟(target) 재료의 평면 층을 증착하는 것이다. 그러나, 높은 형상비(aspect ratio)를 갖는 인터-레벨(inter-level)을 통한 수직적 상호연결이 수평적 상호연결보다 더 큰 도전을 제공하는데 사용되므로, 최근에 집적회로의 제조를 위한 스퍼터링의 사용에 있어서 중요시되는 것이 바뀌고 있다. 더욱이, 수평적 상호연결은 수평으로 연장하는 트렌치(trench)에 구리를 전기화학적으로 도금함으로써 증가적으로 실행되고 있으며, 스퍼터링은, 수직적 상호연결이 수평 트랜치의 벽 상에 형성되거나 증착되는 구멍의 측벽 상에 증착되는 라이너 층(liner layer)을 위해 보류되고 있다. 도 1의 개략적 횡단면도로 도시된 바와 같이, 스퍼터링 타겟(12)의 후방에 위치한 마그네트론(magnetron)(10)을 사용함으로써 스퍼터링 속도가 향상될 수 있다는 것이 알려졌다. 마그네트론은 전자를 포획하여 플라즈마 밀도를 높이기 위하여 타겟(12)의 면을 가로질러 자기장(14)을 투영한다. 마그네트론(10)은 통상적으로, 타겟(12)의 표면에 수직한 비-평형 자기 극의 두 개의 자석(16,18)을 포함한다. 자기 요크(magnetic yoke)(20)는 두 개의 자석(16,18)을 지지하며 자기적으로 연결시킨다. 이로 인한 플라즈마 밀도의 증가는 자기장(14)의 평행 성분 근방에서 스퍼터링 속도를 증가시키는데 매우 효과적이다. 그러나, 도 2에 횡단면도로 도시된 바와 같이, 부식 영역(22)이 자기장 근방에서 전개되며, 이는 스퍼터링될 표면인 타겟(12)의 전면(24)이 마그네트론(10)에 더 가깝게 오도록 한다. 도 2에 도시된 부식은 마그네트론(10) 근방에서의 부식 피트(pit)를 강조하였다. 통상적인 동작에서, 마그네트론(10)은 보다 균일한 부식 패턴을 형성하기 위하여 타겟(12)의 후방에 걸쳐 스캔(scan)된다. 그럼에도 불구하고, 평면 표면으로 타겟이 부식된다면, 부식 후에 스퍼터링될 타겟의 표면 부식 전보다 마그네트론(10)에 더 가깝게 된다. 타겟(12)의 사용 수명이 최대화되어야 한다면 이러한 타겟의 부식은 몇가지 문제를 가져오게 된다. 먼저, 부식 패턴은 가능한 한 균일하게 형성되어야 한다. 종래의 평면 스퍼터링에서, 균일성은 자석(16,18)을 균형잡힌, 비교적 큰 밀폐된 신장(kidney) 형태로 형성하고 타겟의 중심축에 대하여 마그네트론을 회전시킴으로써 향상되었다. 두 번째로, 텝맨(Tepman)의 미국특허 US 5,540,821 호에 개시된 바와 같이, 스퍼터 증착될 웨이퍼와 타겟 간의 간격을 조정함으로써 부식 깊이가 보상될 수 있다. 푸타가와(Futagawa) 등의 미국특허 US 6,309,525 호에는 변형예가 개시되어 있다. 이러한 방안은 웨이퍼와 타겟(12)의 유효 전면 간의 분리에 대한 증착 속도의 의존성을 설명한다. 이러한 접근 방식은 어떻게 부식이 스퍼터링의 자기 강화에 영향을 미치는가에 대해서는 설명하지 않는다. 부식 문제는, 본명세서에 전체적으로 참조된 Fu 등의 미국특허 US 6,306,265 호에서 SIP 반응기에 대해 설명하고 있는 바와 같이, 이온화된 스퍼터 원자가 높은 형상비의 구명에 정전하적으로(electrostatically) 깊게 끌어당겨지고 자기적으로 안내될 수 있도록 크게 이온화된 스퍼터 플럭스(flux)를 생성할 필요성에 의하여 복잡하게 된다. 상기 특허에 개시된 장치는, 세 가지 요소를 고려하여, 자기-이온화된 스퍼터링을 실행하도록 작은 삼각형 형상의 마그네트론을 허용한다. 먼저, 타겟의 작은 영역에 순간적인 스퍼터링을 집중하여 유효 타겟 전력 밀도를 증가시키기 위하여 마그네트론의 크기를 감소시키는 것이 유리하다. 두 번째로, 작은 마그네트론의 집중된 자기장은 스퍼터링될 타겟의 부분 근방의 플라즈마 밀도를 증가시키고 이로써 스퍼터링될 타겟 원자의 이온화 비율을 증가시킨다. 이온화된 스퍼터 플럭스는 웨이퍼의 높은 형상비의 구멍에 깊게 끌어당겨지는 것에 효과적이다. 그러나, 타겟 부식은 스퍼터링될 타겟 면에서의 유효 자기장에 영향을 주어 스퍼터링 속도와 이온화 비율을 변화시키게 된다. 세 번째로, 작은 마그네트론은 더욱 어려운 균일한 타겟 스퍼터링을 만든다. 예를 들어 삼각형과 같은 여러가지의 마그네트론 형상이 스퍼터링의 균일성을 증가시키기 위해 사용될 수 있으나, 이러한 균일성은 완전하지 않다. 대신, 회전식 마그네트론의 경우에는 환형의 골(trough)이 타겟 내에 부식될 수 있다. 두 개의 주요한 작동적 효과는 종래의 마그네트론, 특히 작은 마그네트론을 사용하는 경우에 명백해진다. 먼저, 도 3의 그래프의 플롯(26)에 도시된 바와 같이 증착율은 타겟 사용량과 함께 그 초기 비율로부터 줄어들며, 여기서 타겟 사용량은 타겟에서 타겟이 새것일 때부터 타겟에 가해진 누적 전력의 킬로와트-시를 측정한 것이다. 타겟 사용량은 실질적으로 평면이고 부식되지 않은 표면을 구비하여 타겟이 사용된 때부터 부식된 타겟의 양 및 반복적인 공정에서 증착된 웨이퍼의 수 모두에 상응한다. 우리는 이러한 감소가 적어도 타겟의 부식으로부터 간접적으로 초래된다고 믿으며, 여기서 스퍼터링될 타겟의 표면은 더 이상 자기장에 대해 최적화되지 않는데 이는 마그네트론으로부터 그 분리가 변화하기 때문이다. 스퍼터링의 열화(degradation)는 길이 또는 스퍼터링을 증가시키거나 타겟 전력을 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 두 번째로, 스퍼터링의 비 균일성은 타겟의 수명을 N1 까지 감소시키며, 여기서 부식 골의 최정점은 타겟의 후면 플레이트에 근접하게 되거나, 일체적 타겟의 경우에는, 타겟의 두께가 최소가 된다. 여기서, 지지 물질의 스퍼터 증착이나 타겟의 관통(breakthrough)을 방지하기 위해서는, 비록 부식 골 이외의 영역에서는 실질적인 타겟 물질이 존재한다 하더라도, 타겟이 폐기되어야 한다. 타겟의 수명이 증가된다면, 타겟의 구입, 작업 시간, 및 생산품 처리량의 비용이 절약될 수 있게 된다. 2002년 5월 21일에 출원된 홍(Hong) 등의 미국 출원 10/152,494 호 - 현재는 2003-0217913호로 공개되어 있으며 본명세서에 전체적으로 참조된다 - 에는 고밀도 플라즈마 반응기에 대한 균일성 문제의 해결방안으로서 유성기어식 마그네트론(planetary magnetron)을 개시하고 있다. 도 4의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(30)는 반응기 벽(32)을 포함하는 종래의 하부 반응기를 구비하며, 상기 반응기 벽은 타겟(34)의 물질로 스퍼터 증착될 웨이퍼(42)를 지지하는 받침대 전극(40)의 반대편에서 어댑터(36) 및 절연체(38)를 통해 스퍼터링 타겟(34)을 지지한다. 진공 펌프 시스템(44)은 진공 챔버를 수 밀리 토르(milliTorr) 또는 그 이하로 펌핑하며, 가스 공급원(46)은 아르곤과 같은 작업 가스를 질량 유동 제어기(48)을 통해 공급한다. 비록 정전하 척(electrostatic chuck)이 대안적으로 사용될 수 있기는 하나, 클램프 링(50)이 웨이퍼(42)를 받침대 전극(40)에 유지한다. 전기적으로 접지된 쉴드(52)는 반응기 벽(32)을 보호하고 또한 타겟(34)에 대항하여 양극으로서 작용하며, DC 전력 공급원(54)은 아르곤 작업 가스를 프라즈마 상태로 여기하기 위하여 타겟을 수백 볼트의 전압까지 음으로 바이어스한다. 양으로 대전된 아르곤 이온은 음으로 바이어스된 타겟(34)까지 가속되어, 여기서 이들은 타겟 물질의 원자를 때려서 이동시키거나 스퍼터링하게 된다. 스퍼터링된 원자는 넓은 빔 형태로 매우 높은 에너지를 가지고 타겟(34)으로부터 방출되어 웨이퍼(42)를 때려 달라붙게 된다. 타겟 전력과 플라즈마 밀도가 충분히 높으면, 스퍼터링된 원자의 실질적인 부분이 이온화된다. 바람직하게는, 예를 들어 13.56MHz에서 진동하는 RF 전력 공급원(58)이 용량성 커플링 회로(60)를 통하여 받침대 전극(40)을 바이어스 하여 웨이퍼(42) 상에 음의 DC 자기-바이어스(self-bias)가 형성되게 하며, 이는 양으로 대전된 스퍼터 이온을 스퍼터 코팅될 높은 형상비의 구멍 내로 깊숙히 가속시킨다. 본원발명에 따르면, 타겟(34)의 후방에 위치한 마그네트론(70)은 고밀도 플라즈마 영역(72)을 형성하도록 타겟(34)의 전방에 자기장을 투영하며, 이는 타겟(34)의 스퍼터링 속도를 크게 향상시키게 된다. 플라즈마 밀도가 충분히 높으면, 스퍼터링된 원자의 대부분이 이온화되는데, 이는 스퍼터 증착에 걸쳐 추가적인 제어가 가능하게 한다. 이온화 효과는 높은 자기-스퍼터링 수득률(self-sputtering yield)을 갖는 구리를 스퍼터링할 때 특히 현저한데, 이는 구리 이온이 구리 타겟으로 다시 끌려와서 또 다른 구리를 스퍼터링하기 때문이다. 자기-스퍼터링은 아르곤 압력이 감소하게 하여, 이온화되건 또는 중성이건 간에, 타겟(34)으로부터 웨이퍼(42)로 이동함에 따라, 아르곤에 의한 웨이퍼 가열을 감소시키며 구리 이온의 아르곤 산란을 감소시킨다. 기술된 실시예에서, 마그네트론(70)은 실질적으로 원형이며, 타겟(34) 및 받침대 전극(40) 뿐만 아니라 챔버(32)의 중심 축(76)을 다라 연장하고 이에 대해 하나의 자기 극성의 내부 자극(magnetic pole)(74)을 포함한다. 이는 또한 내부 자극(74)을 둘러싸고 중심축(76)을 따라 반대되는 자기 극성을 갖는 환형 외부 자극(78)을 포함한다. 자기 요크(magnetic yoke)(80)는 두 개의 자극(74,78)을 자기적으로 결합하며 캐리어(81) 상에 지지된다. 외부 자극(78)의 자계 강도는 내부 자극(78)의 그것보다 예를 들어 1.5 또는 2.0 배 정도 실질적으로 더 커서, 비균형적인 마그네트론을 형성하며, 이러한 비균형적 마그네트론은 그 비균형적 자기 부분을 웨이퍼(42)를 향해 투사하여 웨이퍼(42)를 향해 스퍼터링된 이온을 안내하고 플라즈마를 한정한다. 통상적으로, 외부 자극(78)은 원형으로 배치되고 타겟(34)을 향하는 측면 상에 공통 환형 자극 부분을 갖는 다수의 원통형 자석으로 이루어진다. 내부 자극(74)은 바람직하게는 공통 자극 부분을 갖는 하나 이상의 자석을 이루어질 수 있다. 기타 형태의 마그네트론도 본원발명의 범위 내에서 가능하다. 이러한 구성 및 Fu 등의 특허에 의해 달성된 고밀도 플라즈마는 마그네트론(70)의 면적을 최소화함으로써 부분적으로 달성된다. 마그네트론(70)이 둘러싸는 면적은 통상적으로 마그네트론(70)에 의하여 스캔(scan)되는 타겟(34)의 면적의 10% 이하이다. 만약 균일한 스퍼터링이 유지된다면, 마그네트론/타겟 면적비는 5% 이하 또는 심지어 2% 이하가 될 수 있다. 결과적으로, 타겟(34)의 오직 작은 면적만이 증가된 타겟 전력 밀도 및 이에 따른 집중적인 스퍼터링을 받게 된다. 즉, 언제라도 스퍼터링은 매우 비균일하게 된다. 이러한 비균일성을 보상하기 위하여, 구동원(84)에 의하여 회전되고 마그네트론(70)을 지지하는 회전 구동 샤프트(82)가 챔버 축(76) 주위에서 마그네트론(70)을 원주상에서 스캔한다. 그러나 Fu 등의 반응기와 관련하여 기술한 바와 같이, 이에 따른 타겟 내의 환형 골(trough)은 스퍼터링에 있어서 심각한 반경방향 비균일성을 발생시킬 수 있다. 홍(Hong) 등은 유성기어식 스캐닝 메커니즘(90)을 사용하여 마그네트론(70)이 타겟(34)의 후방에 걸쳐 중심축(76)에 대해 유성기어 또는 외파선(epicyclic) 경로를 따라 이동하도록 함으로써 스퍼터링의 비균일성을 상당히 감소시켰다. 유성기어 운동을 달성하기 위한 이들의 바람직한 유성기어 메커니즘(90)은, 도 5에 추가적으로 또한 보다 완전하게 도시된 바와 같이, 하우징(94)에 고정된 고정 기어(92) 및 회전 샤프트(82)에 고정된 구동 플레이트(96)를 포함한다. 홍 등의 반응기에서 하우징(94)은 정치(stationary)되어 있다. 구동 플레이트(96)는 고정 기어(92)와 맞물리는 아이들러 기어(idler gear)(98)를 회전가능하게 지지한다. 구동 플레이트(96)는 또한 아이들러 기어(98)와 맞물리는 종동 기어(100)을 회전가능하게 지지한다. 종동 기어(100)의 샤프트(102)는 캐리어(81)에도 고정되어 있어서, 종동 샤프트(102)로부터 떨어진 캐리어(81) 상에 지지되는 마그네트론(70)이, 종동기어가 유성기어 운동을 실행하기 위하여 고정 기어(92) 주위를 회전함에 따라, 종동 기어(100)와 함께 회전하게 된다. 평형추(110,112)는 구동 플레이트(96) 및 캐리어(81)의 비-작동 단부에 고정되어 회전 구동 샤프트(82) 및 종동 샤프트(102) 상의 이상진동(shimmy)이나 굽힘을 감소시킨다. 특히, 스퍼터링된 구리 이온의 높은 이온화율 Cu+/Cu0 을 달성하는 구리 스퍼터링에 있어서, 도 4의 스퍼터 반응기(30)은 구리 이온을 웨이퍼(42)로 안내하기 위하여 중심축(76) 주위에 대해 환형인 자기 코일 또는 자석 링(114)을 바람직하게 포함한다. DC 전력 공급원(54)이 상당한 양의 전력을 타겟(34)에 전달하고 높은 유량의 활동적 이온이 타겟(34)에 충돌하여 타겟(34)를 가열하므로, 마그네트론(70) 및 유성기어 메커니즘(90)을 타겟(34) 및 구동 샤프트 하우징(94)에 대해 밀봉된 탱크(118) 내에 있는 냉각수 욕조(116)에 담그는 것이 일반적이다. 냉각된 탈이온화수 또는 다른 냉각 유체를 욕조(118)로 재순환시키기 위하여 도시되지 않은 유체 라인이 욕조(116)를 냉각기와 연결한다. 유성기어식 마그네트론 스캐닝(planetary magnetron scanning)은, 타겟(34)을 가로지르는 그 회선 경로(convolute path)로 인하여, 타겟 부식의 균일성을 크게 향상시켜서, 타겟(34)이 보다 균일하게 부식되어 타겟이 부식됨에 따라 거의 평면의 스퍼터링 표면을 유지하게 한다. 결과적으로 타겟 활용이 크게 향상된다. 그럼에도 불구하고, 타겟(34)이 대체로 균일하게 부식됨에 따라, 그 스퍼터링 표면에서의 자기장은 변화하고 평균적으로 명백히 감소하게 된다. 이러한 변화는 스퍼터링 속도에 영향을 주고, 이는 앞서 기술된 바와 같이 감소를 나타내게 된다. 도 3의 플롯은 사색적(speculative)이다. 실제 실험 데이터는 도 6에 제시되어 있다. 플롯(120)은, 축방향으로 고정된 마그네트론을 갖고 타겟 사용량(kW-h의 함수로서 600W 의 RF 바이어스 전력과 28kW 의 DC 타겟 전력을 구비하는 도 4의 유성기어식 마그네트론에 있는 구리에 대해 측정된 증착율을 제공한다. 플롯(121)은 56kW의 DC 타겟 전력을 가지고, Fu 등의 특허에 기재된 바와 같이, 단순한 회전 운동을 실행하는 축방향으로 고정된 작은 마그네트론에 대한 증착율을 제공한다. 비록 단순한 회전 챔버에서의 하강이 유성기어식 챔버에서처럼 크지는 않으나, 여전히 심각하다. 그러나, 특히 웨이퍼 중심에서 더 많이 증착되는 기하학적 효과를 보상하기 위하여 타겟/웨이퍼 간격이 비교적 작은 경우에, 타겟(34)의 외부 영역을 보다 강하게 스퍼터링하는 것이 유리하다는 것이 지적되었다. 이와 같은 고의적 비균일성은 유성기어식 챔버의 회전 암 길이를 조정하거나 단순한 회전 챔버의 마그네트론의 반경방향 위치나 형태를 변경함으로써 달성될 수 있다. 이러한 경우에도 증착율은 타겟 사용량에 따라 감소하게 된다. 비균일성 문제의 두 번째 세트는 유성기어식 스캐닝 메커니즘에 의하여 바로 다루어지지 않는다. 작은 면적의 마그네트론(70)은, 바람직하게, 높은 타겟 전력 및 높은 플라즈마 밀도를 생성하여 스퍼터링 속도를 증가시키고 이온화된 스퍼터링 원자의 비율을 증가시키며, 여기서 상기 원자는 비아(via) 구멍의 하부 및 측면을 코팅하기 위하여 높은 형상비의 구멍 내에 깊숙히 끌려 들어가게 된다. 그러나, 자기장 및 이에 따른 플라즈마 밀도는 타겟 스퍼터링 표면과 마그네트론 간의 거리에 종속된다. 결과적으로, 타겟이 스퍼터링됨에 따라, 비록 균일하게 스퍼터링된다 하더라도, 플라즈마 밀도는 변화하고, 따라서 비아(via) 측벽 커버리지(coverage)가 종속되는 스퍼터링 속도 및 이온화율도 변화하게 된다. 이러한 효과는 작은 마그네트론에서 더 악화되는데, 이는 자기장의 변화도가 더 크기 때문이다. 결과적으로, 변화하는 자기장 및 플라즈마 밀도는 타겟의 수명 동안에 하부 및 측벽 커버리지에서의 변화를 유발하여 공정을 불안정하게 한다. 고성능 스퍼터링은 타겟 수명의 말기가 초기와 다르다는 것이 대체로 받아들여지고 있다. 도 8의 플롯(123)은 상기한 타겟 및 바이어스 전력 값을 구비하는 축방향으로 고정된 유성기어식 마그네트론에 대한 타겟 사용량에 대하여 측정된 평균 바이어스 전압을 나타내며, 도 7의 플롯(122)은 측정된 타겟 전압을 도시한다. 스퍼터링이 증가하면서 타겟 전압 및 바이어스 전압의 크기가 상당히 상승한다. 그러나, 바이어스 전압은, 최대 크기가 최대 사용량에서 약 150V로 크게 증가하면서, 약 ±20V 의 파동을 받게 된다. 불안정은 타겟 전압에 대한 도 7의 플롯(122)과 바이어스 전력에 대한 도 8의 플롯(123)으로부터 명백하다. 스퍼터링 속도의 변화는 스퍼터링 지속시간을 증가시킴으로써 보상될 수 있으나, 이로써 측벽 커버리지를 다루지는 않는다. 어쨌든, 스퍼터링 기간의 증가는 생산량을 감소시키고 대기하고 있는 계획에 또 다른 변수를 가져오게 된다. 감소된 자기장으로 인한 플라즈마 밀도의 변화는 타겟 전력을 증가시킴으로써 부분적으로 보상될 수 있다. 그러나 이러한 전력 보상은 각 세트의 조건에 대해 결정될 필요가 있는 특별한 관계를 수반하게 되며 또한 제한된 전력 공급으로 스퍼터링 속도 및 플라즈마 밀도를 최대화할 수 있는 능력을 감소시키게 된다. 홀시(Halsey) 등의 미국 특허 US 5,855,744 호에는 마그네트론이 직사각형의 타겟을 가로질러 스캔함에 따라 선형 마그네트론을 변형시키기 위한 장치가 개시되어 있다. 일 실시예에서, 다수의 개별적 축을 따라 샤프트를 이동시키는 다수의 액츄에이터가 마그네트론을 변형시킨다. 미조우치(Mizouchi) 등의 미국특허 US 6,461,485 호에서는 선형 스캐닝에서의 단부 효과를 보상하기 위한, 단일한 수직 액츄에이터를 개시한다. 데마레이(Demaray) 등의 미국 특허 US5,252,194 호에서는 타겟의 전방에서의 자기장을 조절하기 위하여 큰 마그네트론을 수직적으로 이동시키기 위한 슬라이더 메커니즘을 개시하고 있다. 스컬티시스(Schulthesis) 등의 미국 특허 4,927,513 호는 스퍼터링된 층의 자기 특성을 제어하기 위한 마그네트론 리프트 장치를 개시하고 있다.