보다 균일한 증착 및 감소된 회전 비대칭을 나타내는멀티-트랙 마그네트론 document_id A220623031268

대안적으로, 물리적 기상 증착(PVD)이라 불리는 스퍼터링은 반도체 집적 회로들의 제조에 있어 금속들 및 관련 재료들의 층들을 증착시키는데 일반적으로 사용되며, 또한 다른 형태들의 패널들 상에 재료들의 코팅들을 증착시키기 위해서도 사용된다. 도전성 타겟들로부터의 DC 마그네트론 스퍼터링은 집적회로들의 상업적 제조에 있어 가장 보편적으로 이용되는 형태의 스퍼터링이다. 도 1의 단면도에 개략적으로 도시된 것처럼, 일 형태의 DC 마그네트론 스퍼터링 챔버(10)는 중심축(14)에 대해 일반적으로 대칭적으로 배열된 진공 챔버(12)를 포함한다. 진공 펌프 시스템(16)은 진공 챔버(12)를 약 10-6 토르(Torr) 또는 심지어 이보다 더 낮은 범위의 매우 낮은 기본 압력으로 펌핑(pump)시킨다. 그러나, 질량 흐름 제어기(20)를 통해 진공 챔버(12)에 연결된 아르곤 가스 소스(18)는 스퍼터링 작업 가스로서 아르곤을 챔버(12) 내에 공급한다. 진공 챔버(12) 내부의 아르곤 압력은 통상적으로 구리를 제외한 대부분의 재료들에 대해 낮은 밀리토르(milliTorr) 범위 내에서 유지된다. 중심축(14)에 대해 배열된 페데스탈(22)은 스퍼터 코팅되는 웨이퍼 또는 다른 기판을 받치고 있다(hold). 웨이퍼 온도를 제어하도록 통상적으로 가열되거나 또는 수냉되는 페데스탈(22)에 웨이퍼(24)를 유지하기 위해, 도시되지 않은 클램프 링 또는 정전기 척(chuck)이 사용될 수 있다. 전기적으로 접지된(또는 플로팅) 차폐물(26)은 스퍼터 증착으로부터 페데스탈(22)의 측면들 및 챔버 벽들을 보호한다. 타겟(28)은 페데스탈(22)과 대향되게 배열되며 절연체(30)를 통해 진공 챔버(12)에 대해 진공 밀봉되며, 절연체(30)는 접지된 진공 챔버(12)에 대해 타겟(28)이 전기적으로 바이어스되게 한다. 적어도 타겟(28)의 전방 표면은 웨이퍼(24) 상에 증착되는, 예를 들어, 알루미늄 또는 티타늄과 같은 금속 재료로 구성된다. DC 전력 공급부(32)는 아르곤이 플라즈마로 방전되도록, 접지된 차폐물(28)에 대해 약 -600VDC의 네거티브 전압으로 타겟(28)을 전기적으로 바이어스시켜, 포지티브로 하전된 아르곤 이온들이 네거티브로 바이어스된 타겟(28)에 활성적으로(energetically) 유인되어 그 타겟으로부터 원자들을 스퍼터링하며, 스퍼터링된 원자들 중 일부가 웨이퍼(24) 상에 떨어져 타겟 재료의 층을 웨이퍼 상에 증착시킨다. 반응성 이온 스퍼터링에서, 질소 또는 산소와 같은 반응성 가스가 진공 챔버(12)에 부가적으로 유입되어 금속 질화물 또는 산화물의 증착을 야기한다. 일부 응용들에서, 페데스탈(22)은 전기적으로 바이어스되나, 다른 응용들에서 페데스탈(22)은 전기적으로 플로팅 상태가 유지된다. 플라즈마 밀도 및 따라서 스퍼터링율은 타겟(28) 후방에 마그네트론(40)을 배치함으로써 크게 증가될 수 있다. 본 발명의 중요한 양상인 마그네트론(40)은 다양한 형상들 및 형태들로 가정될 수 있다. 마그네트론(40)은 각각의 연속적인 밴드-형상의 자기 극편(magnetic pole piece)들(41, 43)에 의해 커버되는 상반되는 수직 자기 극성들의 영구 자석들(42, 44)을 포함할 수 있다. 통상적으로 자석들(42, 44)은 타겟(28)의 정면에 인접한 고밀도 플라즈마(HDP)의 환형 영역(46)을 형성하도록 링 형상으로 배열된다. HDP 영역(46)은 이웃하는 자기 극편들(42, 44) 사이에서 수평으로 연장되고 타겟(28)의 전방에서 전자들을 트랩(trap)하여, 플라즈마 밀도를 증가시키는 자기장으로부터 발생한다. 증가된 플라즈마 밀도는 타겟(28)의 인접한 영역의 스퍼터링을 크게 증가시킨다. HDP 영역(46)의 폐쇄 링 형상은 플라즈마내에 전류 루프를 생성하며, 이는 플라즈마가 누설될 수 있는 루프 단부가 없기 때문에 방전 효율을 증가시킨다. 보다 균일한 타겟 스퍼터링 패턴을 제공하기 위해, 링-형상의 마그네트론(40)은 통상적으로 중심축(14)에 대해 비대칭적으로 형성되고 모터(50)는 중심축(14)을 따라 연장되는 회전 샤프트(52)를 구동시킨다. 회전 샤프트(52)에 고정되고 회전 샤프트(52)에 의해 회전되는 플레이트(54)는 자석들(42, 44) 및 극편들(41, 43)을 지지하여, 마그네트론(40)은 중심축(14)에 대해 회전하고 방위각적으로 균일한 시간-평균화된 자기장을 생성한다. 자기 극들(42, 44)이 대향 실린더형 영구 자석들의 각각의 링들에 의해 형성되는 경우, 플레이트(54)는 대향 자석들(42, 44)과 자기적으로 결합되는 자기 요크로서 작용하는 자기 재료로 바람직하게 형성된다. 몇 가지 상이한 설계들의 마그네트론들이 도 1의 스퍼터 챔버에 적용되었다. 테프만(Tepman)은 미국특허 제5,320,728호에서 평탄한 신장(kidney) 형상을 가지는 마그네트론을 개시한다. 예를 들어, 도 2의 평면도에 도시된 것처럼, 신장-형상의 마그네트론(60)은 다른 자기 극성의 내부 극(64)을 둘러싸는 하나의 자기 극성의 외부 극(62)을 포함한다. 거의 일정한 폭의 갭(66)이 2개의 극들(62, 64)을 분리하여 평탄한 신장 형상을 갖는다. 갭(66)은 2개의 극들(62, 64) 사이의 자기장이 타겟(28)의 스퍼터링면과 거의 평행한 환형 밴드를 한정(define)한다. 신장-형상의 마그네트론(60)은 타겟(28)에 비해 비교적 크며 타겟(28) 영역의 상당 부분을 둘러싸는 외주부를 갖는다. 마그네트론(60)의 회전 중심부(14)는 내부 극(64)의 내부 부분 또는 그 부근에 있게 된다. 파커(Parker)는 미국 특허 5,242,566호에서 신장-형상의 마그네트론의 몇 가지 변형들을 설명한다. 앤더슨(Anderson) 등은 미국특허 제4,995,958호 및 제6,024,843호에서, 도 3의 평면도에 도시된 카디오이드(즉, 심장-형상의) 마그네트론(70)을 개시하며, 도 3에서는 2개의 상반되는 극들 사이의 갭(72)이 대칭 카디오이드 형상을 형성한다. 앤더슨 등은 갭(72)에 대한 일정한 폭에 기초한 미분 방정식을 전개했다. 일정한 부식(erosion) 프로파일에 대한 미분 방정식은 의 정규화된 솔루션을 가지며, 여기서 r=R/Ro이고, Ro는 플라즈마 트랙의 최소 반경이며, R 및 θ는 트랙의 극 좌표들이다. 몇몇의 근사치들에 기초한 이러한 솔루션은 몇가지 문제점들이 존재한다. 대칭 카디오이드 형상은 2개의 싱귤러(singular) 및 비-미분(non-differentiable) 포인트들(74, 76)을 갖는다. 외부 싱귤러 포인트(74)는 거의 영향을 주지 않고 평활해질 수 있다. 그러나, 내부 싱귤러 포인트(76)는 부식 균일성에 실질적 영향을 초래하지 않고는 그렇게 쉽게 평활해지지 않는다. 게다가, 정확한 솔루션은 내부 싱귤러 포인트(76) 보다 타겟 중심부(14)에 더이상 근접하게 연장되지 않아, 적어도 이러한 근사에서, 타겟(28)의 중심 영역은 스캔 또는 스퍼터링되지 않는다. 앤더슨 등은 또한 신장 형상과 다소 유사성을 갖는 비대칭 카디오이드 형상을 제안한다. 그러나, 앤더슨 등은 부식 프로파일에 대한 불확실한(uncertain) 영향을 갖는 명백히 임의의 곡선(curve)들과 2개의 카디오이드 곡선들의 단부들을 연결한다. 이론적 카디오이드 형상은 2개의 추가적인 문제점들을 갖는다. 이는 갭(72)의 폭(w)에 대해 일정한 수평 자기장을 유도하는 것이다. 이러한 근사는 앤더슨 등의 자석들에 대해서는 상당히 정확하며, 이 자석들은 도 4의 개략적 단면도에서 도시된 것처럼 쌍극 자기장(86)을 생성하기 위해, 극 면(face)들로서 작용하는 자기 키퍼(keeper)들(82, 84) 사이에서 타겟(28)의 후방에 수평으로 배향된 바(bar) 자석들(80)이다. 도시된 것처럼, 쌍극 자기장(86)은 타겟의 전방 측상의 극 면들 사이의 폭(w)에 대해 실질적으로 수평의 배향을 갖는다. 그러나, 많은 이유들로, 보다 최근의 마그네트론들은, 도 5의 개략적 단면도에 도시된 것처럼, 상반되는 수직 자기 극성들의 실린더형 자석들(87, 88)로부터 형성되는 경향이 있다. 연속적인 밴드-형상의 극편들(90, 92)은 타겟(28)에 인접한 환형 극(annular pole)들을 한정한다. 자기 후방 플레이트(94)는 자석들(87, 88)을 지지하며 추가로 자기 요크로서 작용한다. 상기 구조물은 타겟(28)의 전방 측에서 보다 샤프하게 피크설정되는(peaked) 날카롭게된(sharpened) 4중극 필드(96)로서 개시될 수 있는 자기장을 생성한다. 결과적으로, 플라즈마 밀도는 갭의 폭에 대해 실제로 일정하기 않고 갭의 중심선 부근에서 최대화된다. 중심선은 대향 자기 극편들(90, 92) 사이의 갭의 중간 포인트(mid-point)로서 한정된다. 또다른 문제점은 카디오이드 형상이 일정한 부식 프로파일에 기초한다는 점이다. 타겟 이용성은 중요하며 일정한 부식 프로파일에 의해 최대화되지만, 어쩌면 균일한 타겟 부식의 희생으로 웨이퍼 상의 균일한 증착 두께가 종종 보다 중요하다. 보다 균일한 증착 두께를 위해 카디오이드 마그네트론을 변형시키는 다양한 시도들이 이루어졌다. 그러나, 이들 기법들은 마그네트론의 설계 및 동작에 있어서 충분히 융통적이지 못하고 불만족스럽게 여겨진다. 이전에 개시된 마그네트론들은 방위각 측벽 비대칭의 추가적인 악영향을 초래하는 것으로 관측되었다. 홀의 하나의 측벽이 대향 측벽 보다 더 많은 재료로 스퍼터 코팅되는 경우 측벽 비대칭이 야기된다. 측벽 비대칭은 많은 문제점들을 야기할 수 있으며, 이들 중 하나는 집적회로의 한 레벨의 리소그래피를 다른 것과 정렬하기 위해 이용되는 정렬 표시부가 변한다는 점이다. 통상적인 정렬 표시부는 스퍼터 코팅되는 층내로 에칭되는 박스 형상으로 배열된 일련의 4개의 트렌치(trench)들이다. 트렌치들의 폭은 스퍼터 증착이 트렌치 정렬 마크들을 평탄화하지 않도록 선택된다. 결과적으로, 표면 피쳐는, 하부 표시부와 정렬되고 리소그래피의 다음 레벨을 정렬하는데 이용될 수 있는 스퍼터 증착 이후 명백해진다. 예를 들어, 현상된 포토레지스트 구조물의 레벨간 정렬은 하부 정렬 표시부로 검사된다. 포토레지스트 타겟은 사각형 홀일 수 있으며, 이는 포토마스크가 정렬 표시부와 정확히 정렬되는 경우 정렬 표시부의 박스내에 중심설정되어야 한다. 정렬이 규격(specification)을 벗어난 경우, 레지스트가 벗겨지고 포토레지스트 프로세스가 반복된다. 그러나, 표준 마그네트론을 사용하여 두꺼운 알루미늄층이 증착된 이후 정렬 표시부가 방사상 및 방위각 방향들 모두로 이동(shift)한다는 것이 밝혀졌다. 이러한 이동들은 스퍼터 증착이 트렌치들의 대향 측벽들 상에서 대칭이 아닐 경우 발생할 것이다. 비대칭들은 방사상 위치, 타겟-대-웨이퍼 공간 및 스퍼터 타겟 수명에 의존하는 것으로 여겨진다. 정렬 표시부의 이동으로부터 야기되는 어떠한 레벨간 오정렬도, 포토마스크가 이동된 표시부로 정렬된 이후부터 노출 이후 검사에서 검출되지 않을 수 있다. 방사상 측벽 비대칭은, 오랫동안 알려져 왔으며 마그네트론 형상 및 스퍼터링 패턴의 기하학적 팩터들로부터 야기되는 것으로 여겨진다. 방사상 측벽 비대칭을 보상하기 위해 마스크 정렬을 조절하는 것이 보편적인 실시이며, 이는 마스크 정렬이 비교적 잘 작동되기(well behaved) 때문이다. 방위각 측벽 비대칭은 보다 심각한(difficult) 문제를 제공한다. 마그네트론이 아마도 방위각 균일성을 제공하도록 전체 방위각을 따라 회전되고 있기 때문에, 기하학적 팩터들만으로 방위각 비대칭을 설명하기에는 부적절하다. 특히 웨이퍼 에지에서, 방위각 비대칭은 방사상 비대칭보다 더 클 수 있다. 또한, 방위각 비대칭 증착으로부터 야기되는 정렬 마크 이동들은 타겟의 수명에 따라 가변적이기 때문에 보상이 매우 어렵다. 300mm 웨이퍼들에 대한 더 큰 타겟들에 적합한 또 다른 형태의 마그네트론은 도 6의 평면도에 도시된, 나선형으로 배열된 5-트랙 마그네트론(100)이다. 이는 상반되는 극성의 내부 극(104)을 둘러싸는 하나의 자기 극성의 다중-감김(multi-wrapped) 외부 극(102)을 포함한다. 통상적으로, 극들(102, 104)은 도시된 형상들의 자기 극편들에 의해 한정된다. 상반되는 극성의 실린더형 자석들은 원형 홀들(108)에 의해 표시된 위치들에서 2개의 극편들 아래에 놓인다. 통상적으로 일정한 갭(106)은 2개의 극들을 분리하며 타겟의 정면에 인접한 고밀도 플라즈마의 영역을 한정한다. 갭(106)은 나선형 루프의 형태로 배열되어 폐쇄된 드리프트 전류 루프가 플라즈마를 유지하는 효과적 방법으로 플라즈마에 설정(set up)된다. 도시된 실시예에서, 회전의 중심부(14)는 내부 극(104)의 내부 단부에 배치된다. 마그네트론(100)의 크기는 타겟의 유효 면적의 크기에 가깝다. 마그네트론(100)은 5-트랙으로 간주되며, 이는 타겟 중심부(14)에서 시작되어 180°보다 더 큰 아크(arc)내에서 임의의 각도로 바깥쪽으로 나아가는 임의의 경로가 전류 루프의 5개 트랙들을 교차하기 때문이다. 결과적으로, 자석 극들(102, 104)이 비교적 작은 갭 만큼 분리됨에도 불구하고, 고밀도 플라즈마는 타겟면의 큰 부분에 대해 연장된다. 그러나, 5-트랙 마그네트론(100)은 몇가지 단점(disadvantage)들이 있다. 비교적 작지만 여전히 상당한 방위각적으로 연장되는 부식 그루브(groove)들이 타겟에 여전히 나타난다. 또한, 비교적 낮은 압력들에서 스퍼터 챔버를 동작시킬 것이 요구된다. 5-트랙 마그네트론에 인접하게 플라즈마를 유지하기 위한 최소 챔버 압력은 긴 플라즈마 트랙으로 인해 비교적 높다는 것이 밝혀졌다.