KR0156144B1 - Sputtering device and sputtering deposition method using charged particles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고종횡비를 갖는 콘택홀에서의 증착막의 스텝커버리지를 개선하고, 증착막의 특성을 향상시킬 수 있는 하전입자를 이용한 스퍼터링장치 및 방법에 관한 것이다. 하전입자를 이용한 스퍼터링장치는 타겟을 구비하고, 타겟으로부터 증착물질을 스퍼터하기 위한 스퍼터링 챔버와, 스퍼터링 챔버로부터 스퍼터된 증착물질을 이온화시켜 웨이퍼상에 입사시켜 주기 위한 주기 위한 이온화 수단과, 스퍼터링 챔버와 이온화 수단간의 전자기장을 차단시켜 스퍼터링 챔버로부터 순수한 증착물질을 이온화수단으로 제공하기 위한 전자기장 차단수단을 포함하고, 하전입자를 이용한 스퍼터링 증착장치는 증착물질을 스퍼터링하는 단계와, 스퍼터된 증착물질을 이온화시켜 주는 단계와, 이온화된 증착물질을 웨이퍼상에 입사시켜 박막을 증착시켜주는 단계를 포함한다.The present invention relates to a sputtering apparatus and method using charged particles capable of improving the step coverage of a deposited film in a contact hole having a high aspect ratio and improving the properties of the deposited film. A sputtering apparatus using charged particles includes a sputtering chamber for sputtering a deposition material from a target, ionization means for giving ionized deposition on the wafer by sputtering the deposition material from the sputtering chamber, a sputtering chamber, Electromagnetic field blocking means for blocking the electromagnetic field between the ionization means to provide a pure deposition material from the sputtering chamber to the ionization means, Sputtering deposition apparatus using the charged particles sputtering the deposition material, by ionizing the sputtered deposition material And giving the ionized deposition material onto the wafer to deposit a thin film.
Description
제1도는 종래의 일반적인 스퍼터링장치의 개략적 구성도.1 is a schematic configuration diagram of a conventional general sputtering apparatus.
제2도는 제1도의 스퍼터링장치를 이용하여 고종횡비를 갖는 콘택홀에 금속막을 증착하는 방법을 설명하기 위한 도면.2 is a view for explaining a method of depositing a metal film in a contact hole having a high aspect ratio using the sputtering apparatus of FIG.
제3도는 본 발명의 실시예에 따른 하전입자를 이용한 스퍼터링장치의 개략적 구성도.3 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus using charged particles according to an embodiment of the present invention.
제4도는 제3도의 전자충돌 이온화장치와 이온추출전극의 일부 상세도.4 is a partial detailed view of the electron collision ionizer and ion extraction electrode of FIG.
제5도는 본 발명의 스퍼터링장치를 이용한 금속막의 증착방법을 설명하기 위한 도면.5 is a view for explaining a method of depositing a metal film using the sputtering apparatus of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
30 : 스퍼터링 챔버 31 : 자석30 sputtering chamber 31 magnet
32 : 타겟 33 : 양극32: target 33: anode
34 : 밸브 50 : 전자기장 차단용 쉴드34 valve 50 electromagnetic shield
51 : 전자충돌 이온화장치 52 : 이온가속장치51: electron collision ionizer 52: ion accelerator
53 : 이온추출전극 54, 55 : 이온감속전극53 ion extraction electrode 54, 55 ion reduction electrode
60 : 웨이퍼60 wafer
본 발명은 스퍼터링(sputtering) 증착에 관한 것으로서, 특히 고종횡비(高縱橫比)를 갖는 콘택홀에서의 증착막의 스텝커버리지를 개선하고, 증착막의 특성을 향상시킬 수 있는 하전(荷電)입자를 이용한 스퍼터링장치와 하전입자를 이용한 스퍼터링 증착방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to sputtering deposition, and in particular, sputtering using charged particles capable of improving the step coverage of a deposited film in a contact hole having a high aspect ratio and improving the properties of the deposited film. A sputtering deposition method using an apparatus and charged particles.
제1도는 종래의 마그네트론 스퍼터링장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.1 shows a schematic configuration diagram of a conventional magnetron sputtering apparatus.
제1도를 참조하면, 종래의 마그네트론 스퍼터링장치는 불활성 기체 즉, 아르곤 기체(17)가 수 millitorr의 압력을 유지하면서 밸브(16)를 통해 고진공상태(5×10-6torr 이하의 압력)의 챔부(10)내로 정상상태로 유입된다. 아르곤 기체가 유입된 후 챔버내의 타겟 즉 음극(14)과 양극(15)사이에 수백 eV 내지 KeV의 전위차를 걸어주면, 잔류기체에 의해서 플라즈마방전이 일어난다.Referring to FIG. 1, the conventional magnetron sputtering apparatus has a high vacuum state (pressure less than 5 × 10 −6 torr) through the valve 16 while an inert gas, that is, argon gas 17 maintains a pressure of several millitorr. Flow into the chamfer 10 in a steady state. After argon gas is introduced, if a potential difference of several hundred eV to KeV is applied between the target in the chamber, that is, the cathode 14 and the anode 15, plasma discharge is caused by the residual gas.
플라즈마 방전에 의해 생성된 전자들(e-)(18)은 타겟(14) 후면에 위치한 자석(13)에 의해 형성된 자기장속에서 나선운동을 하면서 유입된 불활성 기체인 Ar 기체(17)와 충돌한다.The electrons (e − ) 18 generated by the plasma discharge collide with Ar gas 17 which is an inert gas introduced while spiraling in the magnetic field formed by the magnet 13 positioned behind the target 14. .
따라서, 플라즈마 방전에 의해 형성된 전자(18)와 아르곤 기체(17)가 고진공 챔버(10)내에서 충돌하여 아르곤 가스는 이온화된다. 즉, 양이온인 아르곤 이온(Ar+, 19)이 생성된다. 이 양이온들(Ar+)은 음극과 양극사이에 걸린 전위차에 해당하는 운동에너지(수백 eV 내지 수KeV의 운동에너지)를 갖고서 음으로 대전된 타겟(14)으로 가속되어 충돌된다.Thus, the electrons 18 formed by the plasma discharge collide with the argon gas 17 in the high vacuum chamber 10, and the argon gas is ionized. That is, argon ions (Ar + , 19) that are cations are produced. These cations Ar + accelerate and collide with the negatively charged target 14 with the kinetic energy (the kinetic energy of several hundred eV to several KeV) corresponding to the potential difference between the cathode and the anode.
따라서, 양이온들이 타겟(14)에 충돌하면 타겟 표면으로부터 금속원자 예를 들면 A1들이 스퍼터되어 금속막(12)이 웨이퍼(11)상에 증착된다. 이때, 타겟에서 스퍼터된 금속원자는 전기적으로 중성입자(99% 이상)로서 수 내지 수십 eV의 운동에너지를 갖고 타겟(14)의 반대편에 있는 웨이퍼(11)에 입사된다. 따라서, 금속원자는 웨이퍼(11)상에 흡착되어 반응핵을 중심으로 금속막(12)이 형성된다.Therefore, when the cations impinge on the target 14, metal atoms, for example, A 1, are sputtered from the target surface to deposit the metal film 12 on the wafer 11. At this time, the metal atom sputtered from the target is incident on the wafer 11 opposite to the target 14 with kinetic energy of several to several tens of eV as neutral particles (more than 99%). Therefore, the metal atoms are adsorbed on the wafer 11 to form the metal film 12 around the reaction nuclei.
제2도는 종래의 스퍼터링장치를 이용하여 금속막을 증착하는 방법을 도시한 것이다. 기판(21)상에 절연막(22)을 형성하고 선택적으로 절연막(22)을 식각하여 콘택홀(23)을 형성한 후 제1도의 종래의 스퍼터링장치를 이용하여 금속막(24)을 증착하는 경우에, 콘택홀(23)을 포함한 기판전면에 금속막(24)이 균일한 두께로 형성되지 않고, 제2도에 도시된 바와같이 웨이퍼에 수직한 방향에 대해서 일정각도로 사입사(斜入射)되는 스퍼터된 금속(Al)원자들(제2도의 A)에 의해서 고종횡비의 콘택홀의 입구에 오버행(over hang)(25)이 형성된다.2 shows a method of depositing a metal film using a conventional sputtering apparatus. When the insulating film 22 is formed on the substrate 21 and the contact hole 23 is formed by selectively etching the insulating film 22, the metal film 24 is deposited using the conventional sputtering apparatus of FIG. Into the front surface of the substrate including the contact hole 23, the metal film 24 is not formed with a uniform thickness, and as shown in FIG. 2, the injection is made at a predetermined angle with respect to the direction perpendicular to the wafer. An overhang 25 is formed at the entrance of the high aspect ratio contact hole by the sputtered metal (Al) atoms (A in FIG. 2).
금속막(24)을 증착할 때 오버행(25)이 제2도에 도시된 바와같이 화살표방향으로 진행되어 콘택홀(23)의 입구는 점점 좁아지게 된다. 결과적으로, 제2도의 B 또는 C방향에서 입사되는 금속원자들이 콘택홀의 하부와 측벽에 제대로 도달하지 못하게 되어 콘택홀의 측벽(23-1)에는 금속막이 제대로 증착되지 않는다.When the metal film 24 is deposited, the overhang 25 proceeds in the direction of the arrow as shown in FIG. 2 so that the inlet of the contact hole 23 becomes narrower. As a result, the metal atoms incident in the B or C direction of FIG. 2 do not reach the bottom and sidewalls of the contact hole properly, and thus the metal film is not properly deposited on the sidewall 23-1 of the contact hole.
즉, 종래의 스퍼터링장치를 이용하여 금속막을 증착시, 콘택홀의 종횡비가 증가하면 오버행에 의하여 증착된 금속막의 스텝 커버리지가 악화되고, 이에 따라 콘택홀내에 증착된 금속막은 전기적인 연속성이 없게 되는 문제점이 있었다. 이러한 오버행의 문제를 해결하기 위해 금속막의 증착온도를 낮추면, 금속막의 전기적인 연속성은 어느정도 얻을 수 있지만, 기판 표면에서의 금속원자의 이동도가 저하되어 콘택홀 측벽(23-1)에서 금속막이 얇게 형성되기때문에 증착된 금속막의 전기적인 신뢰도가 악화되는 문제점이 있었다.That is, when depositing a metal film using a conventional sputtering apparatus, if the aspect ratio of the contact hole increases, the step coverage of the metal film deposited by the overhang deteriorates, and thus the metal film deposited in the contact hole has no problem of electrical continuity. there was. When the deposition temperature of the metal film is lowered to solve the problem of overhang, the electrical continuity of the metal film can be obtained to some extent, but the mobility of the metal atoms on the substrate surface is reduced, resulting in a thin metal film on the contact hole sidewall 23-1. Since it is formed, there is a problem that the electrical reliability of the deposited metal film is deteriorated.
본 발명은 상기한 바와같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스퍼터링 챔버로부터 스퍼터된 금속원자의 입사방향과 운동에너지를 자유로이 조절하여 스퍼터된 금속원자를 웨이퍼에 수직한 방향으로만 입사시켜 증착하는 하전입자를 이용한 스퍼터링장치 및 스퍼터링 증착방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by freely adjusting the incident direction and kinetic energy of the sputtered metal atoms from the sputtering chamber to deposit the sputtered metal atoms in the direction perpendicular to the wafer It is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus and a sputtering deposition method using charged particles.
본 발명의 다른 목적은 증착막이 스텝커버리지를 향상시킬 수 있는 하전입자를 이용한 스퍼터링장치 및 스퍼터링증착방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus and a sputtering deposition method using charged particles in which the deposited film can improve step coverage.
본 발명의 또 다른 목적은 증착막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 하전입자를 이용한 스퍼터링장치를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus using charged particles capable of improving electrical properties of a deposited film.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 타겟의 표면으로부터 스퍼터된 증착물질을 웨이퍼상에 입사시켜 박막을 증착하는 스퍼터링장치에 있어서, 타겟을 구비하고, 타겟으로부터 증착물질을 스퍼터하기 위한 스퍼터링 챔버와, 스퍼터링 챔버로부터 스퍼터된 증착물질을 이온화시켜 웨이퍼상에 입사시켜 주기 위한 이온화 수단과, 스퍼터링 챔버와 이온화 수단간의 전자기장을 차단시켜 스퍼터링 챔버로부터 순수한 증착물질을 이온화수단으로 제공하기 위한 전자기장 차단수단을 포함하는 하전입자를 이용한 스퍼터링장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a sputtering apparatus for depositing a thin film by injecting the deposition material sputtered from the surface of the target, comprising: a sputtering chamber having a target, for sputtering the deposition material from the target, and sputtering Ionization means for ionizing the sputtered deposition material from the chamber to be incident on the wafer, and electromagnetic field blocking means for blocking the electromagnetic field between the sputtering chamber and the ionization means to provide pure deposition material from the sputtering chamber to the ionization means. It is characterized by providing a sputtering apparatus using all particles.
또한, 본 발명은 증착물질을 스퍼터링하는 단계와, 스퍼터된 증착물질을 이온화시켜 주는 단계와, 이온화된 증착물질을 웨이퍼상에 입사시켜 박막을 증착시켜주는 단계를 포함하는 하전입자를 이용한 스퍼터링 증착방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.In addition, the present invention is a sputtering deposition method using the charged particles comprising the step of sputtering the deposition material, ionizing the sputtered deposition material, and depositing a thin film by injecting the ionized deposition material on the wafer It characterized in that to provide. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제3도는 본 발명의 실시예에 따른 하전입자를 이용한 스퍼터링장치의 개략적 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus using charged particles according to an embodiment of the present invention.
제3도를 참조하면, 본 발명의 하전입자를 이용한 스퍼터링 장치는 스퍼터링 챔버(30)와, 전자(電子)충돌 이온화장치(51)와, 스퍼터링 챔버(30)와 전자충돌 이온화장치(51)사이의 전자기장을 차단하기 위한 쉴드(40)와, 전자충돌 이온화장치(51)로부터 이온화된 금속이온을 가속하기 위한 이온가속장치(52)와, 이온가속장치(52)를 통해 가속된 금속이온을 추출하기 위한 이온추출(extraction)전극(53)과, 이온추출전극(53)을 통과한 가속된 금속이온을 감속시켜 웨이퍼(60)상에 입사시켜 주기 위한 이온감속전극(54), (55)으로 이루어졌다.Referring to FIG. 3, the sputtering apparatus using the charged particles of the present invention includes a sputtering chamber 30, an electron collision ionizer 51, a sputtering chamber 30, and an electron collision ionizer 51. The shield 40 to block the electromagnetic field of the ion, the ion accelerator 52 for accelerating the ionized metal ions from the electron collision ionizer 51, and the accelerated metal ion is extracted through the ion accelerator 52 Ion extraction electrodes 53 and ion deceleration electrodes 54 and 55 for decelerating the accelerated metal ions passing through the ion extraction electrodes 53 and incident them on the wafer 60. Was done.
스퍼터링 챔버(30)는 제1도에 도시된 종래의 스퍼터링장치의 스퍼터링챔버(10)와 동일한 구조를 갖으며, 스퍼터링 챔버(30)내의 타겟(32)으로부터 중성의 금속원자 예를 들면 Al 원자(38)가 스퍼터된다.The sputtering chamber 30 has the same structure as the sputtering chamber 10 of the conventional sputtering apparatus shown in FIG. 1, and has a neutral metal atom, for example, an Al atom, from the target 32 in the sputtering chamber 30. 38) is sputtered.
전자기장 차단용 쉴드(40)는 스퍼터링 챔버(30)내에서 형성된 플라즈마 분위기로부터 전자충돌 이온화장치(51)를 격리시켜 주는 역할을 하는 것으로서, 스퍼터링 챔버(30)내의 전자기장 그리고 전자, 아르곤 기체와 같은 불순물을 제외한 순수한 중성(中性)의 금속원자 즉 Al 원자만을 추출하는 역할을 한다.The electromagnetic shielding shield 40 serves to isolate the electron collision ionizer 51 from the plasma atmosphere formed in the sputtering chamber 30. The electromagnetic shield in the sputtering chamber 30 and impurities such as electrons and argon gas It extracts only pure neutral metal atoms, ie Al atoms.
전자기장 차단용 쉴드(40)는 종래의 스퍼터링장치에서 웨이퍼가 놓였던 위치에 부착되고, 이때 전자기장 차단용 쉴드(40)는 전기적으로 접지되고, 고진공을 위하여 스퍼터링 챔버(30)와는 별개로 펌핑(pumping)된다.The electromagnetic shielding shield 40 is attached to the position where the wafer is placed in the conventional sputtering apparatus, where the electromagnetic shielding shield 40 is electrically grounded and pumped separately from the sputtering chamber 30 for high vacuum. do.
스퍼터링 챔버(30)로부터 중성의 금속원자는 1×1017개/㎠.sec의 양(flux)으로 전자충돌 이온화장치(51)로 유입되는데, 스퍼터링 챔버(30)로 부터 전자충돌 이온화장치(51)로 유입되는 1×1017개/㎠.sec의 금속원자는 제1도의 스퍼터링장치에서 웨이퍼상에 입사되는 금속원자의 양(flux)과 동일하다.Neutral metal atoms from the sputtering chamber 30 are introduced into the electron collision ionizer 51 in a flux of 1 × 10 17 pieces / cm 2 .sec, and the electron collision ionizer 51 from the sputtering chamber 30. 1 x 10 17 atoms / cm2.sec of the metal atoms flowing into the same) is equal to the flux of the metal atoms incident on the wafer in the sputtering apparatus of FIG.
전자충돌 이온화장치(51)는 전자기장 차단용 쉴드(40)를 통해 스퍼터링 챔버(30)로 부터 스퍼터된 금속원자를 금속이온으로 이온화시켜 주기 위한 것이다. 여기서, 전자충돌 이온화과정은 중성의 기체원자가 고속의 운동에너지를 갖는 전자와 충돌하면 금속 양이온으로 변환되는 것을 의미하는데, 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.The electron collision ionizer 51 is for ionizing the metal atom sputtered from the sputtering chamber 30 through the shield 40 for electromagnetic field to metal ions. Here, electron collision ionization means that a neutral gas atom is converted into a metal cation when collided with an electron having a high speed kinetic energy, which is expressed as follows.
M(g) + e-→ M+(g) + 2e-(여기서, M(g)는 기체원자를 가리킨다.) M (g) + e - → M + (g) + 2e - ( where, M (g) denotes the gas atoms.)
일반적으로, 전자(e-)의 운동 에너지가 70 내지 100eV 일때 기체원자의 이온화율은 가장 크게 나타난다. 특히 알루미늄 원자의 경우에는 제1이온화 에너지가 6eV정도로서 원소중에서 이온화가 가장 쉽게 되는 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb)의 ∼5eV의 이온화 에너지보다 약간 높은 정도이다. 알루미늄 원자는 플라즈마 밀도가 1013㎝-3을 넘고 전자의 운동 에너지가 50eV 이상이면, 쉽게 이온화된다. 실제로 전자의 운동 에너지가 10eV 이상이면 Al원자의 이온화율은 10-7㎝-3/sec로서 Si 원자보다 크며 Ar원자보다 2배 정도 크다In general, when the kinetic energy of electrons (e − ) is in the range of 70 to 100 eV, the ionization rate of the gas atom is greatest. Particularly in the case of aluminum atoms, the first ionization energy is about 6 eV, which is slightly higher than the ionization energy of ˜5 eV of alkali metals (Li, Na, K, Rb) which are most easily ionized among the elements. Aluminum atoms are easily ionized if the plasma density is greater than 10 13 cm -3 and the kinetic energy of the electrons is 50 eV or more. In fact, if the electron's kinetic energy is more than 10 eV, the ionization rate of Al atom is 10 -7 cm -3 / sec, which is larger than Si atom and about twice as large as Ar atom.
이온가속장치(52)는 전자충돌 이온화장치(51)로부터 생성된 금속이온을 이온가속장치(52)와 이온추출전극(53)간의 전위차에 따른 운동 에너지로 가속시켜 주는 역할을 한다.The ion accelerator 52 serves to accelerate metal ions generated from the electron collision ionizer 51 to the kinetic energy according to the potential difference between the ion accelerator 52 and the ion extraction electrode 53.
이온추출전극(53)과 이온가속장치(52)간의 전위차는 전자충돌 이온화장치에서 생성된 이온을 최대한 많이 추출하는 데 적합한 값으로 설정되는데, 제3도에 도시된 바와 같이 이온추출전극(53)과 이온가속장치간의 전위차는 -1keV이다.The potential difference between the ion extracting electrode 53 and the ion accelerator 52 is set to a value suitable for extracting as many ions generated by the electron collision ionizer as possible, as shown in FIG. 3. The potential difference between and the ion accelerator is -1 keV.
이온감속전극(54)(55)은 이온가속장치(52)를 통해 1keV의 운동 에너지로 가속된 후 이온추출 전극(53)을 통해 추출된 금속 이온을 감속시켜 웨이퍼상에 입사시켜 주기 위한 것이다.The ion deceleration electrodes 54 and 55 are accelerated by the kinetic energy of 1 keV through the ion accelerator 52 to decelerate the metal ions extracted through the ion extraction electrode 53 and enter the wafer on the wafer.
본 발명의 스퍼터링장치는 상기 각 구성요소들(40, 51-55)을 고진공(∼10-9torr)상태로 유지하기 위하여 차등펌프(differential pumping)를 한다.The sputtering apparatus of the present invention performs differential pumping to maintain each of the components 40, 51-55 in a high vacuum (˜10 -9 torr) state.
제4도는 제3도의 전자충돌 이온화장치와 이온추출전극의 일부 상세도를 도시한 것이다. 제4도를 참조하여 전자충돌 이온화과정에 대하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.FIG. 4 shows some details of the electron collision ionizer and ion extraction electrode of FIG. 3. Referring to Figure 4 will be described in more detail with respect to the electron collision ionization process as follows.
전자충돌 이온화장치(51)의 텅스텐(W)이나 탄탈륨(Ta)과 같은 금속으로 된 필라멘트(51-3)에 필라멘트용 전원공급장치(current power supply)(VF)를 통해 ∼20A, 20V의 파워를 공급하면, 음극(51-1)의 필라멘트(51-3)로부터 3000K의 고온에서 열전자(e-)(51-4)가 방출된다. 방출된 전자(51-4) 전자충돌 이온화장치(51)의 음극(51-1)과 양극(51-2)간의 전위차(∼100V)에 해당하는 운동에너지(~100eV)를 갖고 음극(51-1)에서 양극(51-2)으로 이동한다. 전자충돌 이온화장치(51)는 전자(51-4)의 운동에너지를 결정하는 전위차를 음극(51-1)과 양극(51-2)간에 발생하기 위한 전원 공급장치(voltage power supply)(V2)를 더 포함한다.The filament 51-3 made of metal such as tungsten (W) or tantalum (Ta) of the electron collision ionizer 51 is supplied with a current power supply (V F ) of -20A, 20V. When the power is supplied, the hot electrons (e − ) 51-4 are emitted from the filament 51-3 of the cathode 51-1 at a high temperature of 3000K. The emitted electron 51-4 has a kinetic energy (˜100 eV) corresponding to the potential difference (˜100 V) between the cathode 51-1 and the anode 51-2 of the electron collision ionizer 51, and the cathode 51- It moves from 1) to the anode 51-2. The electron collision ionizer 51 is a voltage power supply V2 for generating a potential difference between the cathode 51-1 and the anode 51-2 to determine the kinetic energy of the electron 51-4. It further includes.
이때, 전자의 운동방향과 동일한 축방향으로 300∼400 가우스(gauss)의 자력을 갖는 자석(51-5)을 설치하면, 제4도에 도시된 바와같이 전자가 나선운동을 하게 되어 금속입자와 전자의 충돌확률은 더 커진다. 제3도 및 제4도에서는 금속원자로서 Al 원자를 예로 들었다.At this time, if the magnet 51-5 having a magnetic force of 300 to 400 Gauss (gauss) in the same axial direction as the movement direction of the electron is provided, as shown in FIG. The collision probability of the former is larger. In FIGS. 3 and 4, Al atoms are exemplified as metal atoms.
따라서, 스퍼터링 챔버(30)로부터 전자기장 차단용 쉴드(40)를 통해 전자충돌 이온화장치(51)로 유입된 A1원자는 음극(51-1)으로부터 양극(51-2)쪽을 향해 고속으로 나선운동하는 전자(51-4)와 충돌하여 금속 양이온 즉, Al+으로 이온화된다. 이때, 금속 양이온은 이온가속장치(52)와 필라멘트전원(VF)간의 전위차(100V)에 해당하는 운동에너지를 갖고서 이온가속장치(52)로 이동된다.Accordingly, the A 1 atom introduced into the electron collision ionizer 51 through the electromagnetic field shielding shield 40 from the sputtering chamber 30 spirals at a high speed toward the anode 51-2 from the cathode 51-1. Collides with the electrons 51-4 and ionizes to a metal cation, that is, Al + . At this time, the metal cation is moved to the ion accelerator 52 with the kinetic energy corresponding to the potential difference 100V between the ion accelerator 52 and the filament power source (V F ).
최종적으로 웨이퍼상에 입사되는 금속 양이온의 운동에너지는 제3도 및 제4도에서 보는 바와같이 이온가속장치의 양극(52-1)과 접지전위인 웨이퍼(60)사이의 전위차와 동일하다.Finally, the kinetic energy of the metal cations incident on the wafer is equal to the potential difference between the anode 52-1 of the ion accelerator and the wafer 60 at ground potential as shown in FIGS. 3 and 4.
이때, 금속 양이온의 운동에너지는 금속이온의 입사에너지를 결정하는 전위차를 이온가속장치의 양극(52-1)과 웨이퍼(60)간에 발생하여 주기 위한 전원공급장치(voltage power supply)(V1)에 의해서 조절될 수 있으며, 이온추출전극(53)과 이온 감속전극(54), (55)에 걸리는 전위는 이온가속장치의 양극을 기준으로 일정한 값을 갖는다. 즉, 본 발명에서는 이온가속장치와 웨이퍼사이의 전위차를 조절하여 이온의 일정한 운동에너지를 얻을 수 있다.At this time, the kinetic energy of the metal cation is generated in a voltage power supply V1 for generating a potential difference that determines the incident energy of the metal ion between the anode 52-1 of the ion accelerator and the wafer 60. It can be adjusted by the, the potential across the ion extraction electrode 53, ion reduction electrodes 54, 55 has a constant value based on the anode of the ion accelerator. That is, in the present invention, a constant kinetic energy of ions can be obtained by adjusting the potential difference between the ion accelerator and the wafer.
본 발명에서의 이온가속장치(52) 및 이온추출전극(53)과 이온감속전극(54), (55)은 전자충돌 이온화장치(51)로부터 이온화된 금속 양이온을 최대한 많이 추출하고, 추출된 금속 양이온을 일정한 방향 즉 웨이퍼(60)에 대하여 수직인 방향으로 집속하여 원하는 운동에너지로 가속하기 위한 것이다. 전자충돌이온화장치(51)에서 이온화된 금속 양이온이 스퍼터링 챔버(30)의 타겟(34)쪽으로 역이동되지 않고 웨이퍼쪽으로 이동되도록 이온추출전극(54)에 걸리는 음의 전위를 스퍼터링 챔버(30)내의 타겟(34)에 걸리는 음의 전위보다 더 크게 걸어주어야 한다.In the present invention, the ion accelerator 52, the ion extracting electrode 53, the ion deceleration electrodes 54 and 55 extract as many ionized metal cations as possible from the electron collision ionizer 51, and extract the metal. It is for accelerating the positive ions to a desired kinetic energy by focusing the positive ions in a certain direction, that is, perpendicular to the wafer 60. The negative potential applied to the ion extraction electrode 54 so that the metal cation ionized in the electron collision ionizer 51 is moved toward the wafer rather than being reversed toward the target 34 of the sputtering chamber 30, the sputtering chamber 30 It must be walked larger than the negative potential across the target 34.
상기한 바와같은 구성을 갖는 본 발명의 스퍼터링 장치를 이용한 금속막의 증착방법을 설명하면 다음과 같다.The deposition method of the metal film using the sputtering apparatus of the present invention having the configuration as described above is as follows.
먼저, 스퍼터링 챔버(30)에서의 동작은 제1도의 스퍼터링장치에서의 스퍼터링 챔버(10)와 동일하다. 즉, 아르곤 기체와 같은 불활성 기체(36)를 밸브(34)를 통해 고진공상태의 스퍼터링 챔버(30)내로 유입시킨 후 스퍼터링 챔버(30)의 타겟(32)과 양극(33)간에 전위차를 걸어주면 플라즈마 방전에 의해 전자들(e-)(35)이 생성되고, 타겟(34) 후면의 자석(31)에 의해 형성된 자기장속에서 나선운동을 하면서 상기의 유입된 Ar기체(36)와 충돌한다.First, the operation in the sputtering chamber 30 is the same as the sputtering chamber 10 in the sputtering apparatus of FIG. That is, when an inert gas 36 such as argon gas is introduced into the sputtering chamber 30 in a high vacuum state through the valve 34, a potential difference is applied between the target 32 and the anode 33 of the sputtering chamber 30. Electrons (e − ) 35 are generated by the plasma discharge and collide with the introduced Ar gas 36 while performing a spiral motion in the magnetic field formed by the magnet 31 behind the target 34.
따라서, 플라즈마 방전에 의해 형성된 전자(35)와 아르곤 기체(36)가 고진공 챔버(30)내에서 충돌하여 아르곤 가스가 이온화되어 양이온 즉, 아르곤 이온(Ar+, 37)이 생성된다. 이 양이온들(Ar+)은 스퍼터링 챔버(30)의 타겟(32)와 양극(33)사이에 걸린 전위차에 해당하는 운동에너지를 갖고서 음으로 대전된 타겟(32)으로 가속되어 충돌한다.Therefore, the electron 35 formed by the plasma discharge collides with the argon gas 36 in the high vacuum chamber 30, and the argon gas is ionized to generate cations, that is, argon ions (Ar + , 37). These cations Ar + accelerate and collide with the negatively charged target 32 with kinetic energy corresponding to the potential difference between the target 32 and the anode 33 of the sputtering chamber 30.
따라서, 양이온들이 타겟(32)에 충돌하여 타겟(32)으로부터 중성의 금속원자 예를들면 Al원자(38)들이 스퍼터되어 전자기장 차단용 쉴드(40)를 통해 전자충돌 이온화장치(51)로 유입된다.Therefore, the cations collide with the target 32, and neutral metal atoms, for example, Al atoms 38, are sputtered from the target 32 and flow into the electron collision ionizer 51 through the electromagnetic shielding shield 40. .
스퍼터링 챔버(30)내에서 생성되어 전자기장 차단용 쉴드(40)를 통해 전자충돌 이온화장치(51)에 유입된 중성의 금속원자는 금속 양이온(Al+, 39)으로 이온화된다.Neutral metal atoms generated in the sputtering chamber 30 and introduced into the electron collision ionization device 51 through the electromagnetic field shield 40 are ionized by metal cations (Al + , 39).
전자충돌 이온화장치(51)는 음극과 양극간의 전위차에 해당하는 운동에너지를 갖고 이동하는 전자(51-4)와 전자기장 차단용 쉴드(40)를 통해 유입된 금속원자 즉 Al 원자(38)와 충돌하여 금속 양이온 즉 Al+(39)를 만든다.The electron collision ionizer 51 collides with the metal atom, ie, the Al atom 38, introduced through the moving electron 51-4 and the electromagnetic shielding shield 40 having kinetic energy corresponding to the potential difference between the cathode and the anode. To form a metal cation ie Al + (39).
상기 과정에서 생성된 금속 양이온(39)은 이온가속장치(52)의 양극에 걸린 전위차(V1)에 해당하는 운동에너지를 갖고 웨이퍼(60)에 입사한다.The metal cation 39 generated in the above process enters the wafer 60 with kinetic energy corresponding to the potential difference V1 across the anode of the ion accelerator 52.
이온가속장치(52)의 양극(52-1)과 이온추출전극(53)사이에는 -1KeV의 전위차가 형성되어, 이온화된 금속 양이온은 1KeV의 운동 에너지로 가속된 후 이온추출전극(53)을 통해 추출된다.A potential difference of -1 KeV is formed between the anode 52-1 and the ion extraction electrode 53 of the ion accelerator 52, and the ionized metal cation is accelerated to the kinetic energy of 1 KeV, and then the ion extraction electrode 53 is moved. Is extracted through.
이온추출전극(52)을 통해 추출된 금속 양이온은 이온감속전극(54)(55)에 걸린 전위차에 해당하는 운동에너지로 순차 감속되어 최종적으로 웨이퍼(60)상에 수직한 방향으로 입사된다.The metal cations extracted through the ion extraction electrode 52 are sequentially decelerated by kinetic energy corresponding to the potential difference applied to the ion reduction electrodes 54 and 55 and finally incident on the wafer 60 in the vertical direction.
이때, 이온감속전극(54)(55)에 걸리는 전위는 추출된 이온의 양(flux)를 최대로 유지할 수 있는 값으로 최적화된다.At this time, the potential applied to the ion reduction electrodes 54 and 55 is optimized to a value capable of maintaining the amount of extracted ions to the maximum.
상기의 과정에서와 같이 스퍼터링 챔버(30)내의 타겟(32)으로부터 스퍼터되어 금속이온으로 이온화된 후 추출 및 가속된 금속이온들(75)이 제5도에 도시된 바와같이 웨이퍼 즉, 기판(71)상에 수직으로만 입사하게 되므로 콘택홀(73) 입구에 오버행(overhang)을 형성하지 않아 기판전면에 걸쳐 금속막(74)이 균일하게 증착된다. 따라서, 본 발명의 하전입자를 이용한 스퍼터링장치를 이용하여 금속막을 증착하는 경우에는, 콘택홀(73)내에 공백(void)의 발생없이 균일한 금속막을 증착할 수 있다. 참조번호 72는 절연막을 나타낸다.As in the above process, the metal ions 75 sputtered from the target 32 in the sputtering chamber 30 and ionized to metal ions, and then extracted and accelerated, as shown in FIG. Since only an incidence is made vertically, the metal film 74 is uniformly deposited over the entire surface of the substrate because an overhang is not formed at the entrance of the contact hole 73. Therefore, when depositing a metal film using the sputtering apparatus using the charged particle of this invention, a uniform metal film can be deposited in the contact hole 73 without generation | occurrence | production of a void. Reference numeral 72 denotes an insulating film.
상기한 바와같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 2가지 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, the following two effects can be obtained.
첫째로, 스텝커버리지의 향상이다. 증착대상물질의 입자가 웨이퍼의 수직방향으로만 입사하기 때문에 기존의 장치를 이용하였을 때와는 달리 고종횡비의 콘택홀에서의 오버행이 형성되지 않아, 콘택홀의 측벽에도 박막이 균일하게 증착되는 효과를 얻을 수 있다.First, the step coverage is improved. Since particles of the material to be deposited are incident only in the vertical direction of the wafer, unlike in the conventional device, the overhang is not formed in the high aspect ratio contact hole, so that the thin film is uniformly deposited on the sidewall of the contact hole. You can get it.
둘째로, 증착된 박막의 특성향상이다. 웨이퍼상에 흡착된 Al+같은 금속이온이 웨이퍼상에 입사되기 전에 운동에너지의 일부를 보유하고 있으므로, 금속이온은 웨이퍼의 표면에서 높은 이동도를 가지게 된다. 따라서, 높은 표면 이동도에 의해 금속이온이 쉽게 반응핵에 도달할 수 있으므로 박막의 증착속도가 증가한다.Secondly, improvement of the deposited thin film properties. Since metal ions such as Al + adsorbed on the wafer retain some of the kinetic energy before they enter the wafer, the metal ions have a high mobility on the surface of the wafer. Therefore, since the metal ions can easily reach the reaction nucleus due to the high surface mobility, the deposition rate of the thin film increases.
또한, 본 발명에서는 기존 스퍼터링방법보다 높은 에너지를 갖는 입자를 증착초기에 웨이퍼의 표면에 입사시켜 고의적으로 표면에 손상을 주어 국부적인 표면 결함을 만들어 이를 증착시의 반응핵으로서 이용한다.In addition, in the present invention, particles having a higher energy than conventional sputtering methods are incident on the surface of the wafer in the early stage of deposition to intentionally damage the surface to make local surface defects and use them as reaction nuclei during deposition.
게다가, 종래와는 달리 아르곤 기체와 전자등이 혼재된 플라즈마 분위기로부터 격리된 곳에서 박막의 증착이 진행되므로 고순도의 박막을 얻을 수 있다.In addition, unlike the related art, since the deposition of the thin film proceeds in a place separated from the plasma atmosphere in which argon gas and electron light are mixed, a high purity thin film can be obtained.
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| KR20190039038A (en) | 2019-03-22 | 2019-04-10 | 박경석 | A method of manufacturing a fix unit for securing a light of the sun electricity generation facility to a roof panel, and a fix unit manufactured thereby |
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1995
- 1995-08-02 KR KR1019950023857A patent/KR0156144B1/en not_active IP Right Cessation
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