KR890004880B1

KR890004880B1 - 스퍼터링 방법 및 장치

Info

Publication number: KR890004880B1
Application number: KR1019840008169A
Authority: KR
Inventors: 히로시 사이도우; 히테기 다테이시; 히테오 고바야시; 스스무 아이우지; 야스미지 스즈기; 마사오 사가다; 히데아기 사마무라; 즈네마기 가메이
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미쓰다 가쓰시게
Priority date: 1983-12-26
Filing date: 1984-12-20
Publication date: 1989-11-30
Also published as: EP0148504A2; EP0148504B1; DE3483647D1; US4610770A; JPS60135573A; EP0148504A3; EP0148504B2; JPH0627323B2; KR850005147A

Abstract

내용 없음.

Description

스퍼터링 방법 및 장치

제1a도는 종래의 플레이너 마그네트론스퍼터링 장치의 개략적인 단면도.

제1b도는 제1a도에 도시한 타겟판이 침식된 적극 구조의 부분 확대도.

제2도는 본 발명의 1실시예에 의한 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도.

제3도는 제2도에 도시한 타겟위에 발생된 플라즈마의 윤곽을 개략적으로 도시한 단면도.

제4a도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 스퍼터링 장치의 부분 상면도.

제4b도는 제4a도의 IVB-IVB선에 따른 개략적인 단면도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 스퍼터링 장치의 개략적인 단면도.

제6도는 제5도의 장치 부분의 상면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 타겟 22 : 지지판

23 : 음곡 24 : 지지축

27 : 양극 28 : 기둥

29 : 진공벽 30 : 전원

31 : 기판 32 : 기판홀더

36 : 도파관 37 : 프라즈마 발생실

본 발명은 스퍼터링에 관한 것으로, 특히 플라즈마중의 양이온을 전계로 가속해서 타겟 표면에 충돌시켜, 타겟재료를 기판 또는 피가공물의 표면위에 퇴적시키는 플라즈마 스퍼터링 방법 및 장치에 관한 것이다.

반도체 장치의 박막 퇴적에 있어서, 스퍼터링은 중요한 기술의 하나이다. 통상, 스퍼터링은 불활성가스(예를 들면, 아르곤)를 전리해서 양이온을 발생시키고, 이들 양이온을 가속해서 타겟의 표면에 충동시키는 것에 의해 타겟에 구성원자 또는 분자를 방출시키고, 타겟에 대향해서 배치된 기판위에 해방된 원자나 분자를 퇴적시킨다. 퇴적률 또는 속도는 타겟의 표면에 입사하는 이온의 수와 각 이온의스퍼터링 효율에 의존한다. 입사이온의 수를 많게 하려면 고밀도 플라즈마의 이용이 효과적이다.

플레이너 마그네트론 스퍼터링에서는 음극위에 타겟을 배치하고, 타겟 아래의 음극내에 중앙자극과 주변자극을 배치한다. 자계의 밀폐 루프는 전극구조에 형성되어 있다. 중앙자극과 주변자극 사이에는 아크형의 자력선의 타겟을 두게방향으로 관통해서 발생한다. 타겟 위쪽에서 보면, 이들의 자력선을 방사형으로 형성된다. 자력선의 중앙부분은 타겟 표면위에서 위로 볼록한 호를 그린다.

즉. 타겟위의 자력선은 하부를 절단한 도너트와 같은 윤곽을 된다. 이 자계내에 저압가스를 도입하여 전극구조에 의해 전계를 발생시키면, 플라즈마가 발생하여 상술한 도너트부분에서 밖으로 향하려고 하는 전자는 자계로 구부러져 자게 분포중에 밀폐된다.

이들 전자는 또, 가스분자를 이온화하는데 기여한다. 즉, 타겟위에는 속이 빈 링(루프) 또는 도너트형의 고밀도 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 중의 양이온(불활성 가스이온)은 전계에 의해 타겟을 향해서 가속되어 스퍼터링을 행한다. 그 결과 타겟의 대응하는 영역은 속이 빈 링 또는 루프형상으로 퇴적된다.

이 방법에 의하면, 타겟의 일부영역만 퇴적되기 때문에 타겟 표면 전체의 대한 스퍼터 면적의 비(타겟 이용 효율)가 낮아 퇴적속도가 낮고, 타겟의 수명이 짧다.

자속분포의 지름은 변화시켜서 퇴적 영역을 넓게 하는 제안이, 예를 들면 미국특허 제4,401,539호에 기재되어 있지만, 어느 순간에 스퍼터 되는 것은 타겟 표면 영역의 일부뿐이다. 따라서 타겟 전 표면을 증발원 또는 스퍼터링으로 할 수 있으므로서 타겟을 보다 유효하게 이용할 수 있는 개선된 방법 및 장치가 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 속이빈 부분이 없는 타겟의 넓은 부분에서 스퍼터링을 행하는 스퍼터링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로 명확하게 될 것이다.

본 출원에서 개시되는 발명중 대표적인 것의 개요를 간단히 설명하면 다음과 같다. 타겟에 속이빈 부분이 없는 넓은 면적에서 동시에 스퍼터링을 하기 위해서는 종래의 플레이너 마그네트론 스퍼터링에 사용되는 것과 같은 자속을 사용하는 것은 바람직하지 못하다. 그러나, 자계의 도움 없이 플라즈마 밀도를 높이는 것은 어렵다. 종래의 플레이너 마그네트론 스퍼터링은 타겟을 관통해서 발생하는 타겟 위에서 호를 그리고, 다시 타겟을 관통해서 종단하는 자력선을 사용하였으므로, 고밀도 플라즈마는 타겟위의 일부(자력선의 호의 블록 한 부분)에만 발생하였다.

본 발명자들은 실질적으로 타겟을 관통하고 적극구조에 밀폐 루프를 형성하는 자력선이 없는 형태의 자계를 발생시키고 상기 형태의 자계에 고밀도 플라즈마를 발생시켜서 스퍼터링을 하는 것을 구상하였다. 본 발명의 형태는 미러자계와 마이크로파(이하 μ파라 한다)를 사용하여 고밀도 플라즈마를 발생시켜 효율좋게 타겟의 물질을 기판위에 스퍼터라는 것이다. 미러자계는 1쌍의 자석으로 발생시킬 수가 있다. 1개의 축위에 2개의 자석을 배치하면, 그 중간에서 자속의 확장되어 양측에서 압축된 자속분포가 얻어진다. 이와같은 미러자속을 이용하여 중앙의 확장된 부분에 마이크로(μ)파를 조사하면, 고밀도 플라즈마를 발생시키고, 또한 확장된 부분내에 고밀도 플라즈마를 가두어 줄 수 있다. 또, 이 플라즈마는 이러자계가 없을 때와는 달리 매우고밀도로 할 수가 있다. 타겟에서 떨어진 부분에서 발생된 고밀도 플라즈마는 타겟위로 이송시켜 유지할수도 있고, 또한 타겟 위쪽에서 직접 발생시켜 유지 할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 타겟 표면위에 타겟의 넓은 면에 걸쳐서 고밀도의 플라즈마를 유지할 수 있다. 또한, 플라즈마 발생과 이온의 타겟으로의 충돌 에너지를 별도로 제어할 수가 있으므로 타겟의 물질에 있어서 스퍼터링 조건의 설정이 가능하게 된다. 타겟위의 넓은 면적에서 바라는 스퍼터링이 되기 때문에 스퍼터링 성막의 속도를 크게 증대시킬 수 있고, 또한 타겟 이용율을 크게 증대할 수 있다. 또, 타겟의 물질을 최적의 스퍼터링 조건으로 설정하는 것에 의해, 생산효율 및 재료 사용효율의 향상과 반도체 장치등의 성능의 향상의 효과가 있다.

본 발명의 이해를 촉진하기 위해, 우선 종래기술에 대해서 설명한다. 제1a도와 제1b도는 종래의 플레이너 마그네트론 스퍼터링 장치의 구조를 도시한 것이다. 타겟판(이하, 타겟이라 한다) (1)의 이면에는 지지판(2)가 배치된다. 지지판(2)의 두쪽에 요크(3)에 의해 자기 결합된 주변링 형상이 자극(4)와 중앙 원주형상의 자극(5)가 자기회로를 구성하여 비치된다. 타겟(1)과 지지판(2)는 비자성체이며, 자극 사이의 자속선은 제1b도에 도시한 바와같이 타겟(1)을 두께 방향으로 관통하여 호를 그린다. 음극(6)은 자극(4), (5)와 요크(3)을 둘러싸고 지지판(2)에 의해 밀폐된다. 음극(6)이 바깥둘레에는 링형상의 절연판(7)을 거쳐서 실드(8)이 부착되어 있다.

상기 음극(6)은 진공벽(9)에 전기적으로 절연되고, 밀폐하여 고정된 축(10)에 의해서 지지된다. 상기 음극(6)의 위쪽에는 양극(11)이 배치된다. 양극(11)과 음극(6)사이에 전원(12)가 접속된다.

상기 종래 구성의 스퍼터링 장치에 있어서는 타겟(1)의 표면 근방의 자력선의 분포가 제1b도에 도시한 바와 같이 도너트 형상 또는 반원형 자계분표(13)으로 된다.

양극(11)과 음극(6) 사이에 전압을 인가하면 플라즈마가 발생된다. 이 플라즈마는 반원형상 자계분포(13)에 의해서 가두어 두는 작용을 받아 제1b도에 표시한 도너트형부분(14)에 고밀도로 존재한다. 상기 플라즈마중의 이온은 타겟(1)의 표면에 대략 수직인 전계에 의해서 가속되고, 타겟(1)의 표면에 충돌한다.

그 결과, 타겟(1) 표면에서 구성원자 또는 입자가 나와서 타겟표면 위에 부분적으로 침식영역(15)가 형성된다. 타겟(1)의 펴면에서 구성원자 또는 입자는 제1도 A에 도시한 기판 스테이지(16)위에 유지된 기판(17)의 아랫측 표면에 부착하여 박막을 형성한다.

또, 타겟(1)의 표면위의 침식영역(15)는 스퍼터링 공정의 시간 경과에 따라서 크게 되지만, 이 침식은 일반적으로 제1b도에 도시한 타겟 구조에서는 타겟(1)의 표면의 특정한 영역에만 일어난다.

이상과 같이 종래의 플레이너 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치에서는 고밀도 플라즈마를 타겟(1)의 표면 위의 극히 일부에서만 얻을 수가 있으며, 스퍼터링에 의한 타겟(1)의 침식은 타겟(1)의 극히 일부에 한정된다. 스퍼터링의 소오스의 면적이 작으므로, 기판(17)위의 타겟 물질의 퇴적속도를 증가시킬 수 없고, 또한 타겟 표면의 이용효율이 낮다. 또, 스퍼터링 공정의 시간 경과에 따라서 타겟(1)의 한정된 부분에만 침식되기 때문에, 이 부분의 침식의 소정의 양만큼 진행되면 타겟을 교환하지 않으면 아니되며, 타겟의 수명도 짧은 것으로 되어 있었다.

본 발명은 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치의 전극 구조내의 타겟 아래의 자석을 사용하지 않고, 타겟 표면위의 넓은 영역에 고밀도 플라즈마를 형성하고자 한다. 즉, 타겟의 두께 방향으로 타겟을 관통하도록 밀폐루프의 자속을 형성하는 자계를 사용하지 않고 고밀도 플라즈마를 발생시켜 타겟 표면을 고밀도 플라즈마를 덮도록 한다.

종래와 달리 카켓을 포함하는 전극 구조 내부에서 밀폐루프를 형성하지 않는 자계를 사용해서 고밀도 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마를 타겟 위에 넓게 덮어서 스퍼터링을 행한다. 본 발명에 의하면 타겟위서 떨어진 장소에 미러자계 발생용 자석을 배치하고, 미러자계의 자력선으로 둘러싸인 공간내로 마이크로파를 도입하여 고밀도 플라즈마를 발생시킨다.

미러자계의 자력선으로 둘러싸인 공간(자속의 중앙부가 부풀은)은 플라즈마에 대해서 밀폐의 효과를 갖는다.

본 발명의 적극 구조는 양극과 음극을 가지며, 음극위에 타겟을 유지한다. 따라서 타겟위에는 타겟 표면에 대해 대략 수직인 전계가 발생한다. 카겟위쪽의 양 이온은 이 전계에서 가속되어 타겟에 충돌한다.

타겟을 관통해서 타겟을 포함하는 전극 구조 내부에서 밀폐 루프를 형성하는 자력선이 없는 것은 타겟위에서 호를 그리고, 타겟의 일부분 위에만 부풀은 부분을 갖는 자속 분포가 없는 것을 의미한다. 따라서, 종래의 플레이너 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치에 사용된 타겟과 같은 타겟의 일부만 침식되는 일은 없다. 미러자계의 도음으로 고밀도 플라즈마를 발생시키고, 또한 그 플라즈마를 타겟위의 일부에만 국한시키는 일이 없다.

타겟위의 고밀도 플라즈마는, 예를 들면 다음의 방법으로 유지된다.

(1) 미러자계와 μ파의 조합에 의해 타겟으로부터 먼곳에서 고밀도 플라즈마를 발생시키고, 발생된 고밀도 플라즈마를 타겟위로 이송한다.

(2) (1)의 방법으로 이송된 플라즈마를 자력선이 타겟을 관통하지 않고, 타겟 표면과 평행으로 되는 자계 내에 가두어 둔다.

(3) 타겟 전면에 걸쳐서 자속선이 관통하도록 타겟 근방에 미러자계를 형성하고, 미러자계로 정의되는 공간에 μ파를 조사한다.

이하, 본 발명의 구성에 대해서 실시예와 함께 설명한다. 또, 실시예를 설명하기 위한 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고 그 반복적인 설명은 생략한다.

제2도, 제3도는 고밀도 플라즈마가 플라즈마 발생 영역내에서 발생되고, 처리실내의 타겟위로 이송되는 본 발명의 1실시예를 도시한 것이다.

제2도에 있어서, 플라즈마 발생영역 A는 미러자계 형성용 1쌍의 자석(41), (42)와 μ파원(35)를 갖는다. 플라즈마 발생실(37)내에서는 자석(41), (42)에 의해서 미러자계가 형성되고, 미러자계와 동축에 발생실(37)내로 μ파원(35)에서 μ파가 입사된다.

μ파원(35)는 도파관(36)을 거쳐서 μ파를 공급한다. 여기서 μ파는 약 100㎝ 이하의 파장을 갖는 전자파를 말하며, 통상은 약 1∼100㎝의 파장을 가진 전자파이다. 사용 가능한 일반적인 예로서는 2.45GHz(파장 약 12㎝)의 μ파원이 알려져 있다. 플라즈마 발생실(37)은 그 자체가 도파관이며, 처리영역 B와 열린구멍(34)를 거쳐서 연통하고, 밀폐구조를 형성한다.

석영 또는 알루미나와 같은 물질로 형성되어 밀폐된 μ파창(39)와 반경을 일치시키기 위해 가늘어진 테이퍼 도파관(38)을 거쳐서, 플라즈마 발생실(37)은 μ파원(35)의 도파관(36)에 접속되어 있다. 플라즈마 발생실(37)에는 플라즈마 형성용 가스를 공급하기 위한 가스공급구(40)이 마련되어 있고, 예를 들면 Ar, Xe, He, Rn등의 불활성 가스를 도입할 수 있다. 바람직하게는 Ar 또는 Xe를 사용한다.

진공벽(29)로 둘러싸인 처리실(후에 상술함)은 액체 He온도로 유지되고 회전펌프가 부가된 크라이요 패널 또는 터보 분자펌프등의 진공계에 의해 플라즈마 발생실(37)과 함께 배기할 수 있다. 진공은 기름이 없고, 깨끗한 것이 바람직하다. 배기공정 후 가스공급구(40)에서 Ar등의 작업 가스를 10^-4∼10^-2Torr(10^-2∼10⁰Pa)의 압력으로 도입하고, μ파원(35)에서 μ파를 조사하면 발생실(37)에 플라즈마가 발생한다.

μ파원(35)가 2.45GHz일때, 자계의 도음 없이 통상 플라즈마 밀도는 7.4×10¹⁰electrons/c.c.가 상한으로 된다. 자계의 이용에 의해 이 제한을 행소할 수가 있으며, 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있다.

u파와 평행으로 전자 사이클로트론 공명(ECR)조건 이상의 강도를 가진 미러자계를 형성하면, 차단 조건은 소멸하고 10¹¹∼10¹²electrons.c.c.의 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있게 된다.

전자석의 쌍(41), (42)는 이와 같은 미러자계를 형성하기 위한 것으로, 자석(42)의 자계강도가 자석(41)의 자계강도보다 높다. 이로인해, 제2도에서 플라즈마가 오른쪽으로 확장되는 것은 제한되고, 자석(42)에서 자석(41)의 방향(제2도중 왼쪽)으로 이송되어 간다.

처리영역 B는 진공벽(29)에 의해 둘러싸인 진공처리실을 포함하며, 그 안에 박막을 퇴적하여할 기판(31)은 전극구조(33)에 포함되고 박박재료를 만드는 타겟(21)과 반대쪽에 배치된다.

기판(31)은 기판홀더(32)에 의해 지지되고, 홀더(32)는 지지축(24)에 지지된다. 홀더(32)와 축(24)는 금속으로 형성된다. 축(24)는 진공벽(29)와 전기적으로 절연된 위치에 밀봉되어 고정된다. 전극구조(33)은 진공벽(29)에서 전기적으로 절연된 위치에 밀봉하여 고정된 관통하는 기둥(28)에 지지된다. 타겟(21)과 기판(31)의 배치는 타겟(21)에서 스퍼터된 물질이 기판위에 형성되는 박막에 성공적으로 퇴적되는 것이라면 좋다.

바람직하게는 도시한 바와 간이 타겟(21)과 기판(31)을 수직으로 해서 서로 대향시킨다.

전극 구조(33)은 종래의 플레이너 마그네트론 방식의 스퍼터링 장치와 달리 자석을 포함하지 않는다. 타겟(21)의 표면에 수직으로 양 이온의 입사하도록 그들 사이에 구리와 같은 전기적 양도체로 만든 지지판(22) 아래에 음극(23)을 배치하고, 지지판(22)와 음극(23) 사이에는 절연체(25), (26)을 배치하고, 타겟(21)의 적층 주변부에 양극(27)을 배치한다. 양극(27)과 음극(23)은 스테인레스 스틸, 알루미늄 등으로 형성된다.

타겟(21)은 기판(31)의 표면위에 퇴적하여야 할 물질로 형성된다. 타겟(21)의 물질은 일반적으로 Al, W, Mo 등의 금속, Si등의 반도체, SiO₂등의 절연체이다.

제2도에 도시한 바와 같이, 전원(30)은 예를 들면, 직류 전원이 양극(27), 음극(23)사이에 접속되어 타겟 위쪽에 양이온 가속용의 전계를 형성한다. 여기서, 타겟이 SiO₂등의 절연체로 형성되면, 고주파 전원이 양극(27)과 음극(23)사이에 접속된다.

플라즈마 발생실(37)의 중심축(또는 자계 또는 μ파의 중심축)이 타겟 표면과 평행일 때, 열린 구멍(34)의 상단은 기판(31)보다 아래에 배치하고, 그 중심은 타겟(21)보다 아래에 있으면, 플라즈마에 가장 고밀도의 부분을 유효하게 이용하기 어렵다.

즉, 플라즈마 발생실(37)의 중심축은 타겟(21) 표면에 대해서 각도를 갖게할 때, 중심축의 연장을 타겟 표면의 중앙부와 교차시키는 것이 바람직하다.

양이온 가속전원으로서 DC 전원(30)을 예로 도시하였지만, rf 전원이라도 관계없다. 특히, 타겟(21)의 물질이 절연물질일때, 타겟(21)의 차지 엎(charge-up)을 방지하려면 rf 전원이 유효하다. 그외의 차지 엎방지 수단 또는 차지 중화수단을 전원과 병용할 수도 있다.

스퍼터링으로 기판(31)위의 막을 퇴적할때, 예를 들면 Ar가스를 소정 압력까지 플라즈마 발생실(37) 및 처리실 내에 도입하고, 전자석(41), (42)를 여기하고 μ파원(35)로부터 플라즈마 발생실(37)로 μ파를 조사한다.

그렇게 하면 플라즈마 발생실(37)내에서 주로 미러자계를 구정된 공간에 고밀도 플라즈마 10¹¹∼10¹²electrons/c.c.가 발생한다. 도면 중, 미러자계는 제2도에 도시한 바와 같이 오른쪽이 왼ㅉ고보다 강하게 되어 있으므로, 플라즈마의 일부는 왼쪽고으로 확산하여 처리실내로 이송된다. 처리실내로 이송된 플라즈마는 타겟(21) 표면의 위에 넓게 확산하고, 타겟(21)표면에 대략 수직인 전계의 작용을 받아서 타겟(21)의 물질을 스퍼터한다.

타겟(21)에서 나온 원자, 분자등은 위쪽으로 비산하여 기판(31)의 표면에 퇴적된다.

제3도는 타겟(21)위의 플라즈마(43)을 개략적으로 도시한 것이다. 플라즈마(43)은 플라즈마 발생실(37)내에서 발생되어 타겟(21)위로 이송하므로, 고밀도 플라즈마를 타겟(21)의 표면 위의 넒은 영역에 분포시킬 수가 있다. 또, 종래의 플레이너 마그네트론 스퍼터링과 같이 속이 빈 곳이 생기는 일도 없다. 본 실시예에 따르면, 타겟(21)의 넓은 영역(바람직하게는 전체영역)에서 동시에 스퍼터링을 행하게 할 수가 있으므로 단위 시간당 타겟(21)의 표면에서 나온 원자 또는 입자의 양이 증대하여 해당 원자 또는 입자가 기판(21)에 퇴적하는 속도도 증대한다. 또, 타겟(21)의 표면영역의 거의 전체가 침식되어 타겟(21)의 사용율도 대폭으로 증대하고, 타겟 1매당 처리할 수 있는 웨이퍼의 수도 증가한다.

또, 본 실시예에 의하면 고밀도의 플라즈마는 마이크로 파원으로 제어되고, 양극(27)과 음극(23)사이에 인가되는 전압은 이온 가속 에너지로 된다. 따라서, 플라즈마밀도와 이온의 가속이 별도로 제어되어 타겟의 물질에 맞는 가장 적당한 스퍼터링 조건을 설정할 수가 있다.

본 실시예에서는 타겟 위쪽에 이송된 플라즈마에 대해서 제한 효과는 거의 없다. 타겟위의 수직전계는 양(+) 이온을 타겟 방향으로 가속하는 작용을 하지만 전자에 대한 제한 효과는 약하다.

제4a도, 제4b도는 본 발명의 다른 실시예의 타겟위로 이송된 플라즈마중의 전자에 대해 제한 효과를 자긴 전극구조를 도시한 것이다. 이 실시예에 있어서, 자계에 의한 로렌쯔힘이 플라즈마 발생실에서 타겟위로 움직이는 전자에 작용하여, 타겟의 표면 근방에서 전자를 트래핑하기 위해 전자에 회전운동을 부여한다. 이것에 의해, 타겟 표면과 거의 평행인 자계가 형성된다. 본 실시예에서 전극구조 이외는 제2도와 마찬가지의 구성이다.

제4b도에 있어서 음극(47), 지지판(46), 타겟(45)가 제2도와 마찬가지로 적층되어 음극구조를 만든다. 제4a도에서 볼 수 있는 바와 같이, 음극구조는 사각형상이고, 이것은 원형일 때보다도 타겟 표면에 평행한 자계를 만들기 쉽다.

음극 구조의 주위를 절연부재(48)이 둘러싸고, 절연부재(48)을 양극구조(52)가 둘러싼다. 양극구조(52)는 양극 베이스(49)와 그 좌우에 배치되는 자극(50), (51)을 포함한다. 양극 베이스(49)와 절연부재(48) 사이에는 두자극(50), (51)을 자기적으로 결합하는 요크(53)이 배치되다. 요크(53)과 두자극(50), (51)은 자기 결합되어 상부에서 개방된 자기회로를 구성하고 있다. 이 자기회로에 의해 타겟(45)의 표면과 대략 평행인 자계(54)가 타겟(45)위쪽에 형성된다.

제4a도에 있어서 전자가 플라즈마 발생실(37)에서 아래쪽으로 이송되어서 자계(54)를 가로지르면, 전자는 로렌쯔 힘에 의해 회전운동을 일으켜서 타겟(45) 근방에 가두어진다. 가두어진 전자는 중성분자, 원자와 충돌해서 또 다시 이온화를 촉진하여 플라즈마를 고밀도로 유지한다. 이와 같이 해서, 타겟(45)의 표면위에는 고밀도의 플라즈마(55)(제4b도)가 유지된다. 이 고밀도 플라즈마(55)중의 양이온은 타겟(45)의 표면에 거의 수직인 전계에 의해서 가속되어 타겟(45)의 표면에 충돌하여 타겟(45)의 표면에서 원자 또는 입자가 나온다.

이 원자 또는 입자가 도시하지 않은 기판위에 퇴적되어 박막을 형성한다.

본 실시예에 의한 타겟(45)의 퇴적영역은 제4b도에서 (56)으로 표시한 것과 같은 넓게 퍼져서 타겟(45)의 전면에 퇴적된다. 본 실시예에 의하면 자계의 플라즈마 제한 효과에 의해 타겟(45)위의 플라즈마는 제2도의 실시예보다 밀도를 높게 할 수 있다. 따라서, 보다 고속으로 스퍼터링 성막이 가능하게 된다. 또한 플라즈마가 타겟(45) 근방에 밀폐되어 있으므로, 플라즈마와 기판의 근접을 방지할 수 있다. 이것에 의해 기판에 하전입자가 충돌하는 것을 저감할 수 있어 기판의 손상을 최소로 할 수 있다.

제5도와 제6도는 타겟 위에 직접 미러자계를 형성하고, μ파를 조사해서 타겟표면의 가능한한 넒은 영역에서 스퍼터링을 행하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.

본 실시예의 전극구조, 기판지지 구조는 제2도의 실시예와 마찬가지이다.

타겟21)의 뒤면에 지지판(22)를 배치하고, 지지판(22)의 뒤면에 음극(23)이 설치되고, 상기 음극(23)의 바깥쪽에 원판형상의 절연부재(25)와 원통형상의 절연부재(26)사이에 양극(27)이 설치되어 있다.

음극(23)의 관통하는 기둥(28)은 진공벽(29)를 관통하여 연장되고, 진공벽(29)에 전기적으로 절연되고, 또한 진공을 유지할 수 있는 처리실 내에서 음극(23)과 양극(27)을 지지하고 있다. 양극(27)과 음극(23)사이에 전원(30)이 접속된다.

기판(31)은 기판홀더(32)상에 타겟(21)과 서로 대향하는 위치에 배치된다. 기판홀더(32)의 축(24)는 기판(31)을 지지하는 진공벽(29)를 통하여 연장되고, 진공을 유지할 수 있는 처리실에 진공벽(29)로 부터 전기적으로 절연되어 있다. 또, 전극구조(33)을 둘러싼 진공벽(57)의 일부에 열린구멍(34)를 마련하고, 한쪽끝에 μ파의 도파관(60)을 접속한다. 또, 도파관(60)의 다른쪽 끝에는 μ파를 도입할 수 있는 μ파 창(39)를 거쳐서 별도의 도파관(36)이 접속되어 있다. 상기 도파관(36)의 다른 쪽에는 μ파 발생원(35)가 접속되어 있다. 도파관(36), (60)은 μ파를 타겟(21)의 표면위에 도입하도록 배치된다. 창(39)가 처리실의 진공벽(29)로 부터 거를 두고 배치되어 스퍼터된 물질이 창(39)위에 퇴적되지 않게 하여 μ파의 도입을 원활하게 한다. μ파를 유효하게 타겟(21)위에 도입하고, 또한 창(39)상에 스퍼터 물질의 퇴적을 방지할 수 있으면 μ파 도입기구는 다른 구성이라도 좋다. 1개 뿐만 아니라 다수개의 μ파 도입기구를 방사형으로 배리하여도 좋다. 일반적으로는 도시한 바와 같이, μ파 도입기구의 축을 수평으로 하고, 도파관(60)의 하단을 전극구조(33)의 상단 근방에 맞춘다.

자계가 없을 때의 플라즈마 밀도는 대략 7.4×10¹⁰electrons/c.c.가 상한이다. 또 자계가 없을 때의 플라즈마는 확산되어 타겟위의 플라즈마 밀도를 높게할 수 없다. 따라서, ECR 조건 이상의 자계를 타겟 위족에 형성한다. 타겟 전면을 포한하는 넓은 범위에서 플라즈마를 형성하려면 전극구조(33)보다 바깥쪽, 바람직하게는 처리실의 진공벽(29)에서 바깥쪽에 자석을 두어 타겟(21)의 중앙부의 법선과동일축의 미러자계를 형성하는 것이 좋다.

이와 같은 자속분포를 만들기 위해서는 타겟(21) 측과 진공벽(57)의 단면의 형상은 원형이 바람직하다.

제5도에 있어서 진공벽의 바깥쪽에는 상기 도파관(60)을 사이에 두고 환형상의 좌석(58), (59)가 설치된다. 상기 좌석(58), (59)는 도파관(60)의 위쪽과 아래쪽에 그리고 진공벽(57)의 바깥쪽에 마련되고, 전극타겟(21)의 표면 근방에 가두어서 기판(31)에 인입하지 않도록 하는 미러자계를 형성한다.

작업가스가 타겟(21)의 위에 신속하게 가스를 공급할 수 있으면 어느곳에서 도입하여도 좋다. μ파를 자계의 축과 동일 축인 때가 플라즈마 여기에 가장 유효하지만, 본실시예와 같이 서로 대향하는 타겟(21)과 기판(31)의 중심축과 동일축에 미러자계를 형성하였을 때, μ파도 미러자계와 동일축에 입사시키는 것은 거의 불가능하다. 이 때, 제5도에 도시한 바와 같이 타겟(21)의 표면에 따라서 도입하는 것이 바람직하다.

이상의 구성에 있어서, 양극(27)과 음극(23)사이에 전원(30)으로 부터 전압을 인가하고, μ파원(35)에서 μ파를 도입하면 타겟(21)위쪽에 플라즈마가 발생한다. 플라즈마중의 전자는 자석(58), (59)가 만드는 미러자계 중에서 μ파에 의해서 여기되어 사이클로트론 운동을 행한다. 그 결과, 전자와 중성입자의 충돌이 활발하게 되어 플라즈마 밀도를 높인다.

이와같이 해서 타겟(21) 표면 위족에 고밀도의 플라즈마가 형성된다. 미러자계의 형성등을 제어하는 것에 의해 제3도와 마찬가지로 타겟(21) 표면의 전면을 덮도록 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수가 있다. 이 플라즈마중의 이온은 타겟(21) 표면에 대략 수직인 전계에 의해서 가속되어 타겟(21) 표면에 충돌한다. 이결과 타겟(21)의 표면에서 구성원자 또는 입자가 나오고, 이 나온 원자 또는 입자가 기판(31)의 표면에 부착, 퇴적되어 박막을 형성한다.

타겟(21)의 표면 위쪽에 형성된 플라즈마는 타겟(21)의 표면 전면에 걸쳐서 고밀도 플라즈마로 할 수 있으므로, 스퍼터링에 따른 타겟(21)의 침식영역은 타겟(21)의 거의 전면에 걸치도록 될 수 있다.

본 실시예에 의하면 타겟(21)의 전면에 고밀도의 플라즈마가 발생되고, 스퍼터링 동작은 타겟(21)의 거의 전역에서 일어나기 때문에 단위시간당 타겟 표면에서 나온 원자 또는 입자의 양이 증대하고 해당원자 또는 입자의 기판(31)의 표면에 부착,퇴적되는 속도로 증대한다.

또, 타겟(21)의 침식영역을 거의 타겟(21)의 전면으로 할 수가 있어 타겟의 사용율도 대폭으로 향상하고, 타겟당 처리할 수 있는 웨이퍼의 매수가 증가한다.

또, 본 실시예에 의하면 고밀도 플라즈마의 플라즈마 밀도를 μ파 원으로 제어할 수 있고, 양극(27)과 음극(23)사이에 인가하는 전압은 이온은 가속 전계로 되기 때문에, 프라즈마 밀도와 이온 가속의 따로따로 제어되어 타겟물질에 따라 가장 적합한 스퍼터링 조건이 사용된다.

Claims

기판과 대향해서 타겟을 탑재한 전극구조를 배치하고, 상기 기판 표면 위에 박막을 퇴적하기 위해 플라즈마의 작용에 의해 상기 타겟으로 부터 상기 타겟 물질의 스퍼터링을 일으키는 스퍼터링 방법에 있어서, 소정의 압력 조건하에서 처리실내에 배치된 상기 타겟과 상기 박막이 스퍼터될 상기 기판의 표면에 대향하는 상기 타겟의 표면에 마이크로파가 도입되며, 상기 마이크로파가 상기 타겟의 상기 표면을 따른 방향으로 부터 도입되는 스텝, 마이크로파와 자석에 의해 정의되는 자계를 사용해서 상기 타겟의 표면 영역에 상기 플라즈마를 유지하는 스텝과 상기 전극구조에 의해 형성된 전계에 의해서 상기 타겟의 표면에 이온을 충돌시키도록 상기 타겟의 표면을 향해서 상기 플라즈마내의 이온을 가속시켜 상기 기판의 표면상에 막을 퇴적하기 위해 상기 타겟으로 부터 타겟물질을 스퍼터하는 스텝을 포함하는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 플라즈마를 유지하는 스텝은 상기 전극구조의 외부에 배치된 1쌍의 자석에 의해 미러자계를 형성하며, 상기 미러자계의 의해 결정되는 공간에 마이크로파를 조사하는 것에 의해 고밀도 플라즈마를 상기 공간에서 발생시키는 스텝을 포함하는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 미러자계내의 자력선은 상기 타겟을 갖는 전극 구조 내부에 밀폐 루프를 형성하지 않는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 공간은 상기 전극구조와 상기 기판을 수용하는 처리실에 인접한 플라즈마 발생실내로 정의되고, 상기 플라즈마를 유지하는 스텝은 상기 플라즈마 발생실에서 상기 처리실 내의 상기 타겟위로 플라즈마를 이송하는 스텝을 포함하는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제4항에 있어서, 상기 플라즈마 발생실은 상기 타겟 위쪽으로 향해서 열린 구멍을 가지고, 상기 미러자계 형성용의 1쌍의 자석사이에 배치되어 마이크로파 투과 창을 거쳐서 마이크로파원과 통하는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제5항에 있어서, 상기 미러자계는 사용하는 마이크로파에 대해서 전자사이클로트론 공명의 조건을 만족하는 강도 이상의 강도를 가지며, 상기 열린구멍측보다 상기 창측에서의 강도가 강한 스퍼터링 방법.
특허청구 범위 제6항에 있어서, 또 상기 타겟의 표면에 따라서 이송되는 전자의 상기 타겟을 향해서 가속하고, 상기 타겟 근방에서 트래핑하는 자계를 발생시키는 스텝을 포함하는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 발생실의 축은 수평으로 상기 타겟보다 위에 있는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 공간은 타겟표면 근방으로 정의되고, 상기 전극구조와 상기 기판을 포함하는 상기 처리실 주위에 상기 미러자계 형성용의 1쌍의 자석이 배치되는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 미러자계는 전자를 상기 타겟 근방에서 트패핑하기 위해 상기 타겟을 덮는 구조의 자력선을 갖는 스퍼터링 방법.
기판과 대향해서 타겟을 탑재한 전극구조를 배치하고, 상기 기판 표면위에 타겟물질의 박막을 퇴적하기 위해 플라즈마의 작용 의해 상기 타겟으로부터 상기 타겟물질의 스퍼터링을 일으키는 스퍼터링 방법에 있어서, 플라즈마 형성용 가스를 도입하는 스텝, 상기 전극구조와 기판의 서로 대향하는 제1공간의 외부와 제1공간에 인접한 제2공간에 미러자계를 형성하며, 상기 제2공간은 상기 타겟위의 영역을 행해 연장한 중심축을 가지며, 상기 미러자계는 자석을 사용하여 형성하는 스텝, 상기 미러자계와 같은 축으로 상기 타겟의 바로위의 영역을 향해서 마이크로파를 조사하며, 상기 마이크로 파가 상기 타겟에 평행한 방향으로 조사되며, 상기 마이크로파와 강기 자석이 상기 제2공간에 고밀도 플라즈마를 형성하도록 함께 작용시키는 스텝, 상기 고밀도 플라즈마를 상기 제1공간내의 타겟위쪽의 영역으로 이송시키는 스텝, 상기 전극 구조에 전압을 인가해서 상기 타겟의 표면에 수직인 자계를 발생시키고 상기 타겟의 표면에 대해 이송된 플라즈마 중의 이온 타겟에 충돌시켜 상기 기판의 표면상에 막을 퇴적하기 위해 상기 타겟으로부너 타겟물질을 스퍼터하는 스텝을 포함하는 스퍼터링 방법.
특허청구의 범위 제11항에 있어서, 또 상기 타겟 표면 위쪽에서 상기 타겟 표면과 평행한 자계를 발생시켜 이송되는 플라즈마 중의 전자에 회전운동을 일으키게 하는 스텝을 포함하는 스퍼터링 방법.
타겟(21)을 탑재한 전극구조(33), 상기 타겟에 대향해서 기판(31)을 지지하는 기판지지구조(32), 상기 기판의 표면상에 박막을 퇴적하기 위해서, 상기 타겟으로 부터 타겟 물질을 스퍼터하는 고밀도 플라즈마 발생 수단을 포함하는 스퍼터링 장치에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 발생수단은 상기 전극구조(33)에서 떨어진 장소에 배치되고, 고밀도 플라즈마 발생 공간을 정의하는 미러자계를 형성하는 한쌍의 자석(41, 42), 상기 고밀도 플라즈마 발생공간을 향해 마이크로파를 조사하며, 타겟의 표면년에 평행하고 타겟을 따라 마이크로파를 조사하는 마이크로파 원(35)를 포함하며, 미러자계와 미이크로 파원의 타겟의 넓은 표면 영역에 거쳐서 타겟 위에 고밀도 플라즈마를 형성하도록 결합해서 작용하는 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제13항에 있어서, 상기 미러자계는 상기 마이크로파의 전자 사이클로트론 공명 조건이상의 강도를 갖는 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제14항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 발생 공간은 상기 전극 구조에서 떨어진 장소를 정의되고, 상기 자석쌍(41, 42)와 상기 마이크로파원(35)는 동일축의 미러자계와 마이크로파를 일으키도록 고밀도 플라즈마 발생 공간 주위에 배치된 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제15항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 발생공간은 도파관내로 정의되고, 상기 도파관(36, 38)은 타겟(21)을 향해서 열린구멍(34)를 갖는 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제16항에 있어서, 상기 자석쌍은 도파관의 축과 동일축에 도파관의 길이 방향에 따라서 배치되고, 타겟에서 먼쪽의 자석(42)는 타겟에 가까운 쪽의 자석(41)보다 강도가 높은 자계를 발생하는 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제17항에 있어서, 상기 타겟은 수평으로 배치되고, 상기 도파관(36, 38)은 수평으로 배치되며, 그 상단은 상기 기판(31)의 표면보다 낮고, 그 중심축은 상기 타겟(21)의 표면보다 높은 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제17항에 있어서, 상기 도파관은 상기 타겟위의 영역쪽으로 중심축을 연장한 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제13항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 발생 공간은 상기 타겟 표면 근방으로 정의되고, 상기 자석쌍은 상기 타겟의 중앙부법선과 같은 축으로 상기 법선의 길이 방향으로 분리하여 배치되는 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제18항에 있어서, 상기 전극 구조(33)은 상기 타겟(45)의 하부에 배치된 음극(23)과 상기 타겟의 서로 대향하는 양축에 배치된 1쌍의 자석(50, 51)을 포함하고, 상기 1쌍의 자석은 상기 타겟의 표면과 평행이고 상기 도파관을 통하여 이송되는 전자를 회전운동시켜서 자계를 발생하는 스퍼터링 장치.
마이크로 파원을 갖는 스퍼터링 장치에 있어서, 스퍼터될 물질로 된 타겟을 유지하는 음극(23)과 상기 타겟에 대향하도록 기판을 유지하는 기판홀더(32), 플라즈마 도입창(39), 마이크로 파원(35), 상기 음극에서 떨어져 있고, 상기 마이크로 파원과 결합하여 플라즈마를 발생하며 상기 타겟겟을 스퍼터링하고, 상기 타겟과 상기 기판홀더 사이의 공간으로 상기 플라즈마를 옆으로 이송하는 자계를 발생하는 자석을 포함하는 스퍼터링 장치.
특허청구의 범위 제23항에 있어서, 상기 마이크로 파원(35)는 타겟의 표면과 평행하게 마이크로파를 공급하는 스퍼터링 장치.
마이크로 파원을 갖는 스퍼터링 장치에 있어서, 스퍼터될 물질로 된 타겟을 유지하는 음극(23)과 상기타겟에 대향하도록 기판을 유지하는 기판홀더(32), 상기 타겟과 상기 기판홀더 사이의 공간으로 마이크로파가 도입되는 마이크로파 도입창(39), 자계를 발생하고, 상기 마이크로파원과 결합하여 상기 플라즈마를 발생하고, 상기 타겟 표면 근처로 플라즈마를 제한하며, 상기 음극과 상기 기판 홀더를 둘러싼 실의 바깥쪽과 주위에 배치된 자석을 포함하는 스퍼터링 장치.