이온화된 금속 증착을 위한 고밀도 플라즈마 소스(HIGH-DENSITY PLASMA SOURCE FOR IONIZED METALDEPOSITION)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2008년02월25일
(11) 등록번호 10-0806988
(24) 등록일자 2008년02월18일
(51) Int. Cl.

H01L 21/203 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2000-0046753
(22) 출원일자 2000년08월12일
심사청구일자 2005년07월05일
(65) 공개번호 10-2001-0021283
(43) 공개일자 2001년03월15일
(30) 우선권주장
09/373,097 1999년08월12일 미국(US)
(56) 선행기술조사문헌
JP10088336 A
JP62089864 A
US04872964 A
US05770025 A
(73) 특허권자
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
미국 95054 캘리포니아 산타 클라라 바우어스 애
브뉴 3050
(72) 발명자
푸,지앙밍
미국95124캘리포니아샌어제이살리나드라이브4631
(74) 대리인
남상선
전체 청구항 수 : 총 50 항 심사관 : 이윤직
(54) 이온화된 금속 증착을 위한 고밀도 플라즈마 소스
(57) 요 약
본 발명은 감소된 면적을 가지지만 최대 타깃 커버리지를 가진 저압 플라즈마 스퍼터링 또는 연속 자기 스퍼터링
에 적합한 마그네트론에 관한 것이다. 마그네트론은 내부 자극면을 감싸는 외부 자극면을 포함하며, 이들 자극
면 사이에는 갭이 있다. 본 발명의 마그네트론의 외부 자극은 중심으로부터 타깃 주변부으로 연장하는 원형 마
그네트론의 외부 자극보다 작다. 트랙형, 타원, 타원형, 삼각형 및 타깃 주변부을 따르는 아크형 삼각형을 포함
하여 여러 가지 모양을 가진다. 모양은 실제 스퍼터링될 타깃 영역에 높은 전력 밀도가 인가되도록 한다. 바
람직하게, 외부 자극에 의하여 형성된 자속은 내부 자극에 의하여 형성된 것보다 크다. 고밀도 플라즈마 스퍼터
링에서는 대칭이 몇 가지 이점을 제공한다. 본 발명은 구리의 연속 자기 스퍼터링을 허용하며 적어도 0.1밀리토
르로 감소된 압력에서 알루미늄, 티타늄, 그리고 기타 금속의 스퍼터링을 허용한다. 그러나 최소한 티타늄에 대
하여, 바닥 커버리지는 높은 챔버 압력에 대하여 개선된다. 일부 금속에서, 웨이퍼를 가진 페데스탈은 제한된
범위에서 RF 바이어스되어야 한다. 본 발명은 20% 이상의 금속 이온화를 허용하고 용량성 전력 결합의 이용시
이온화율은 더 높으며, 종횡비 5를 가진 홀에서 25%이상의 바닥 커버리지를 형성할 수 있다.
대표도 - 도1
- 1 -
등록특허 10-0806988
특허청구의 범위
청구항 1
스퍼터링 타깃의 후면에 배치될 수 있고 상기 타깃의 중심부 위치에 부근에서 회전가능하며, 상기 중심부 위치
에 부근에 비대칭으로 배치된 단일 마그네트론을 포함하는 마그네트론 어셈블리로서,
중심 개구를 가지며 상기 타깃의 중심 위치로부터 상기 타깃의 원주 주변부를 향해 제 1 간격으로 연장되는 폐
쇄 밴드를 포함하며, 제 1 자기 극성을 가지는 외부 자극; 및
상기 개구에 배치되며 상기 타깃의 표면을 따라 연장되는 갭에 의하여 상기 외부 자극과 분리되며, 제 2 자기
극성을 가지는 내부 자극
을 포함하며, 상기 외부 자극은 상기 제 1 간격의 절반보다 상기 중심부 위치에 더 가까운 내부 영역, 및 상기
제 1 간격의 절반보다 상기 중심부 위치에서 더 먼 외부 영역으로 나뉘는 제 1 영역을 둘러싸며, 상기 외부 영
역은 상기 내부 영역보다 크며, 상기 외부 자극은 상기 내부 자극에 의해 생성되는 것보다 적어도 50% 큰 통합
된 자속을 생성하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 2
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 간격은 상기 타깃의 이용가능한 부분의 반경±15%와 동일한 것을 특징으로 하는 마그네트론
어셈블리.
청구항 3
제 1 항에 있어서,
상기 외부 자극은 상기 타깃의 반경을 따라 연장하는 주축(major axis)을 가지는 외부 타원형 형상을 가지는 것
을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 4
제 3 항에 있어서,
상기 타원형 형상은 상기 타깃 반경의 절반부의 바깥쪽으로 위치되는 단축(minor axis)을 가지는 달걀 형상인
것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 5
제 1 항에 있어서,
상기 외부 자극은 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 6
제 5 항에 있어서,
상기 삼각형 형상은 상기 타깃의 중심부로부터 바깥쪽으로 연장되는 두 개의 직선 부분 및 상기 타깃의 외부 주
변부에 인접한 아크형 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 7
제 6항에 있어서,
상기 삼각형 형상은 상기 타깃의 중심부로부터 바깥쪽으로 연장되며, 서로를 향해 60°±15°의 각도로 기울어
진 두 개의 직선 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 8
삭제
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청구항 9
제 1 항에 있어서,
상기 외부 자극은 상기 내부 자극에 의하여 생성된 것보다 적어도 2배의 통합된 자속을 생성하는 것을 특징으로
하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 10
스퍼터링 타깃의 후면에 배치될 수 있고 상기 타깃의 중심부 위치 부근에서 회전가능하며 상기 중심부 위치 부
근에 비대칭으로 배치된 단일 마그네트론을 포함하는 트랙형 마그네트론 어셈블리로서,
중심 개구를 가지며 상기 타깃의 중심부로부터 상기 타깃의 원주 주변부를 향해 제 1 간격 연장하며 상기 타깃
반경에 실질적으로 평행하게 연장되고 상기 중심부 위치 부근에 비대칭으로 배치된 두 개의 마주하는 직선 부분
을 가지는 폐쇄 밴드를 포함하는, 제 1 자기 극성을 가지는 외부 자극; 및
상기 개구에 배치되며 상기 타깃의 표면을 따라 연장되는 갭에 의하여 상기 외부 자극과 분리되며, 상기 제 1
자기 극성과 반대인 제 2 자기 극성을 가지는 내부 자극
을 포함하며, 상기 외부 자극의 전체 자속은 상기 내부 자극의 전체 자속보다 큰 것을 특징으로 하는 트랙형 마
그네트론 어셈블리.
청구항 11
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 간격은 상기 타깃의 이용가능한 부분의 반경±15%와 동일한 것을 특징으로 하는 트랙형 마그네트론
어셈블리.
청구항 12
제 11 항에 있어서,
상기 폐쇄 밴드의 내부 단부는 상기 중심 위치로부터 반경의 20%내에 배치되는 것을 특징으로 하는 트랙형 마그
네트론 어셈블리.
청구항 13
제 12 항에 있어서,
상기 내부 단부는 상기 중심부 위치 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 트랙형 마그네트론 어셈블리.
청구항 14
제 10 항에 있어서,
상기 외부 자극의 부품으로서 배치되며 제 1 자기력을 가진 다수의 제 1 자석; 및
상기 내부 자극의 부품으로서 배치되며 상기 제 1 자기력보다 큰 제 2 자기력을 가진 다수의 제 2 자석을 더 포
함하는 것을 특징으로 하는 트랙형 마그네트론 어셈블리.
청구항 15
삭제
청구항 16
스퍼터링 타깃의 후면에 배치될 수 있고 상기 타깃의 중심부 위치 부근에서 회전가능한 마그네트론 어셈블리로
서,
제 1 값의 통합된 자속을 생성하며, 중심 개구를 가지며 상기 타깃의 중심부로부터 상기 타깃의 원주 주변부를
향해 제 1 간격으로 연장하는 폐쇄 밴드를 가지며, 제 1 자기 극성을 갖는 외부 자극; 및
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제 2 값의 통합된 자속을 생성하며, 상기 개구에 배치되며, 상기 타깃의 표면을 따라 연장하는 갭에 의
하여 상기 외부 자극과 분리되는, 상기 제 1 자기 극성과 반대인 제 2 자기 극성을 갖는 내부 자극
을 포함하며, 상기 제 1 값 대 제 2 값의 비율은 적어도 1.5인 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 17
제 16 항에 있어서,
상기 비율은 적어도 2인 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 18
제 16 항에 있어서,
상기 중심부로부터 상기 제 1 간격의 절반과 동일한 제 2 간격에서 상기 외부 자극의 폭은 상기 제 1 간격보다
작은 것을 특징으로 하는 마그네트론 어셈블리.
청구항 19
삭제
청구항 20
삭제
청구항 21
삼각형 형상인 마그네트론으로서,
삼각형 형상인 내부 자극편;
상기 내부 자극편의 평탄면 부근에 육방 밀집 구조 배열로 배치된 제 1 자기 극성을 갖는 다수의 제 1 자석;
상기 내부 자극편을 둘러싸며 정점에서 만나는 실질적으로 직선형인 두 개의 면 및 상기 정점 맞은편에서 상기
직선형인 면의 단부에 연결되는 제 3 면을 가지는, 대체로 삼각형 형상인 외부 자극편;
상기 외부 자극편의 평탄면을 따르며 상기 평탄면에 인접한 폐쇄 경로에 배치된 제 2 자기 극성을 갖는 다수의
제 2 자석
을 포함하며, 상기 제 1 자석들은 제 1 자기력을 가지며 상기 제 2 자석들은 상기 제 3 면을 따라 배치되며 상
기 제 1 자기력을 가지는 제 3 자석들 및 상기 직선형인 면을 따라 배치되며 상기 제 1 자기력 보다 작은 제 2
자기력을 가지는 제 4 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상인 마그네트론.
청구항 22
제 21 항에 있어서,
상기 제 3 면은 상기 정점에 대하여 아치형 오목부를 가지는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상인 마그네트론.
청구항 23
삭제
청구항 24
실질적으로 원형인 스퍼터링 타깃의 후면에 배치될 수 있는 삼각형 형상의 마그네트론으로서,
제 1 자기 극성의 삼각형 형상의 내부 자극; 및
상기 내부 자극을 둘러싸며, 갭에 의해 상기 내부 자극으로부터 분리되며, 대체로 상기 타깃의 반경 방향을 따
라 연장하며 정점 코너에서 결합되는 제 1면과 제 2면 및 상기 정점 코너로부터 떨어져서 상기 제 1면과 제 2면
을 연결시키는 제 3면을 가지는, 상기 제 1 자기 극성과 반대인 제 2 자기 극성을 갖는 삼각형 형상인 외부 자
극
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을 포함하며, 상기 정점 코너는 상기 타깃 반경의 20% 내에서 상기 타깃의 중심부 근처에 배치되며, 상기 외부
자극은 상기 내부 자극의 자기력의 적어도 1.5배의 자기력을 가지는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상인 마그네
트론.
청구항 25
제 24 항에 있어서,
상기 제 3면은 상기 정점 코너에 대하여 아치형 오목부를 가지는 것을 특징으로 하는 삼각형 형상인
마그네트론.
청구항 26
제 25 항에 있어서,
상기 제 3면은 상기 타깃 반경의 25%내에서 상기 타깃의 외부 주변부 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 삼각
형 형상인 마그네트론.
청구항 27
제 24 항에 있어서,
상기 내부 자극 및 외부 자극은 상기 타깃의 면에 평행한 상기 타깃의 중심부 부근에서 회전가능한 것을 특징으
로 하는 삼각형 형상인 마그네트론.
청구항 28
플라즈마 스퍼터링 반응기로서,
진공 챔버;
상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 페데스탈;
상기 페데스탈과 대향하고 있으며 플라즈마 스퍼터링을 위하여 전기적으로 결합된 스퍼터링 타깃;
상기 페데스탈과 마주하는 상기 타깃의 한쪽 측면 위에 배치되며, 제 1 자기 극성을 가지며 상기 제 1 자기 극
성과 반대인 제 2 자기 극성을 가진 내부 자극을 둘러싸는 외부 자극 및 회전 샤프트를 포함하는 마그네트론 -
상기 회전 샤프트는 상기 타깃의 중심부 부근에서 상기 마그네트론을 회전시킴-
을 포함하며, 상기 외부 자극은 상기 타깃의 중심부으로부터 상기 타깃의 외부 주변부로 연장되는 제 1 간격의
절반보다 상기 중심부 위치에 더 가까운 내부 영역과 상기 제 1 간격의 절반보다 상기 타깃 중심부로부터 더 먼
외부 영역으로 나뉘는 제 1 영역을 둘러싸며, 상기 외부 자극은 상기 내부 자극에서 생성된 것보다 적어도 50%
큰 통합된 자속을 생성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 29
제 28 항에 있어서,
상기 외부 자극의 주변부는 상기 중심부로부터 원형의 주변부로 연장되는 원형의 주변부 보다 작은 것을 특징으
로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 30
제 28 항에 있어서,
상기 외부 자극, 상기 내부 자극 및 상기 외부 자극과 상기 내부 자극을 분리하는 갭은 타원형 형상을 가지는
것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 31
제 28 항에 있어서,
상기 외부 자극은 상기 타깃의 중심부보다 상기 타깃의 주변부에 더 가깝게 위치된 단축을 갖는 달걀 형상을 가
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지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 32
제 28 항에 있어서,
상기 외부 자극은 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 33
제 32 항에 있어서,
상기 삼각형 형상은 상기 타깃의 주변부에 인접한 아크 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링
반응기.
청구항 34
제 28 항에 있어서,
상기 타깃에 연결가능한 적어도 18kW의 DC 전력 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링
반응기.
청구항 35
삭제
청구항 36
삭제
청구항 37
플라즈마 스퍼터링 반응기로서,
진공 챔버;
상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 페데스탈;
상기 페데스탈과 마주하며 플라즈마 스퍼터링을 위하여 전기적으로 결합되는 스퍼터링 타깃; 및
상기 페데스탈과 마주하는 상기 타깃의 한쪽 측면 위에 배치되는 마그네트론 - 상기 마그네트론은 제 1 값의 통
합된 자속을 생성하며 제 1 자기 극성을 갖고 제 2 값의 통합된 자속을 생성하며 제 2 자기 극성을 갖는 내부
자극을 둘러싸는 외부 자극 및 상기 타겟의 중심부 부근에서 상기 마그네트론을 회전시키는 회전 샤프트를 포함
함 - ;
을 포함하며, 상기 제 1 값 대 제 2 값의 비율은 적어도 1.5인 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 38
제 37 항에 있어서,
상기 비율은 적어도 2인 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 39
제 37 항에 있어서,
상기 외부 자극은 상기 타깃의 중심부로부터 상기 타깃의 주변부로 연장하며, 유사하게 연장되는 원형보다 작은
영역을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 40
제 39 항에 있어서,
상기 타깃에 연결가능한 적어도 18kW의 DC 전력 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링
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등록특허 10-0806988
반응기.
청구항 41
제 37 항에 있어서,
상기 타깃에 연결가능한 적어도 18kW의 DC 전력 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링
반응기.
청구항 42
제 37 항에 있어서,
상기 타깃에 연결가능한 DC 전력 공급장치;
상기 챔버 내부로 연결된 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 연결가능한 RF 전력 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스퍼터링 반응기.
청구항 43
페데스탈을 마주하는 타깃 한쪽 측면 위에 배치되며, 제 1 자기 극성을 가지며 제 2 자기 극성을 가진 내부 자
극을 둘러싸는 외부 자극, 및 회전 샤프트를 포함하는 마그네트론 - 상기 회전 샤프트는 상기 타깃 중심부 부근
에서 상기 마그네트론을 회전시킴 -을 갖춘 시스템에서, 상기 페데스탈 상에서 지지되는 실질적으로 원형인 작
업 기판 상에 알루미늄을 포함하는 상기 타깃으로부터 알루미늄을 스퍼터링하는 방법으로서,
상기 외부 자극은 상기 내부 자극의 자기력 보다 적어도 50% 큰 자기력을 가지며, 상기 외부 자극은 상기 타깃
의 중심부에서 상기 타깃 주변부로 연장되며 유사하게 연장되는 원형보다 작은 면적을 가지며, 상기 방법은,
상기 타깃 및 상기 페데스탈을 포함하는 진공 챔버로 작업 가스를 유입시키는 단계;
상기 진공 챔버를 0.35 밀리토르 미만의 압력으로 펌핑하는 단계; 및
200mm 직경을 가진 원형 표준 기판에 대하여 표준화된 18kW 이하의 DC 전력을 상기 타깃에 인가하여 상기 작업
가스를 플라즈마로 여기시켜 상기 타깃으로부터 상기 작업 기판으로 알루미늄을 스퍼터링하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 스퍼터링 방법.
청구항 44
제 43 항에 있어서,
상기 압력은 0.1 밀리토르 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄 스퍼터링 방법.
청구항 45
페데스탈을 마주하는 타깃 한쪽 측면 위에 배치되며, 제 1 자기 극성을 가지며 제 2 자기 극성을 가진 내부 자
극을 둘러싸는 외부 자극, 및 회전 샤프트를 포함하는 마그네트론 - 상기 회전 샤프트는 상기 타깃 중심부 부근
에서 상기 마그네트론을 회전시킴 -을 갖춘 시스템에서, 상기 페데스탈 상에서 지지되는 실질적으로 원형인 작
업 기판 상에 금속을 포함하는 상기 타깃으로부터 금속을 스퍼터링하는 방법으로서,
상기 외부 자극은 상기 내부 자극의 자기력 보다 적어도 50% 큰 자기력을 가지며, 상기 외부 자극은 상기 타깃
의 중심부에서 상기 타깃 주변부로 연장되며 유사하게 연장되는 원형보다 작은 면적을 가지며, 상기 방법은,
상기 타깃 및 상기 페데스탈을 포함하는 진공 챔버로 작업 가스를 유입시키는 단계;
상기 진공 챔버를 0.35 밀리토르 미만의 압력으로 펌핑하는 단계;
상기 타깃에 DC 전력을 인가하여 상기 작업 가스를 플라즈마로 여기시켜 상기 타깃으로부터 상기 작업 기판으로
상기 금속을 스퍼터링하는 단계; 및
200mm 직경을 가진 원형 표준 기판에 대하여 표준화된 250W 미만의 RF 전력을 상기 페데스탈에 인가하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
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등록특허 10-0806988
청구항 46
제 45 항에 있어서,
상기 금속은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 47
제 45 항에 있어서,
상기 작업 기판상에 금속 질화물을 반응성으로 스퍼터링하기 위하여 상기 챔버에 질소를 유입시키는 단계를 더
포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 48
페데스탈에 마주하는 타깃 면 위에 배치되며, 제 1 자기 극성을 가지며 제 2 자기 극성을 가진 내부 자극을 둘
러싸는 외부 자극을 포함하는 마그네트론을 갖춘 시스템에서, 상기 페데스탈 상에서 지지되는 실질적으로 원형
인 작업 기판 상에 금속을 포함하는 상기 타깃으로부터 금속을 스퍼터링하는 방법으로서,
상기 외부 자극은 상기 내부 자극의 자기력 보다 적어도 50% 큰 자기력을 가지며, 상기 외부 자극은 상기 타깃
의 중심부에서 상기 타깃 주변부로 연장되며 유사하게 연장되는 원형보다 작은 면적을 가지며, 상기 방법은,
상기 타깃의 풀 스퍼터링 커버리지를 달성하기 위해 상기 타깃의 중심부 부근에서 상기 마그네트론을 회전시키
는 단계; 및
전력을 챔버에 유도적으로 결합시키지 않고 상기 타깃에 DC 전력을 인가시킴으로써 적어도 부분적으로 상기 챔
버에 전력을 용량성 결합시켜, 상기 작업 가스를 플라즈마로 여기시켜 상기 타깃으로부터 상기 작업 기판으로
상기 금속을 스퍼터링하는 단계
를 포함하며, 상기 DC 전력량은 200mm 직경을 가진 원형 표준 기판에 대하여 18kW 이하로 표준화되며, 이에 의
하여 적어도 5의 종횡비를 가진 홀에서 적어도 25%의 바닥 커버리지가 달성되는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼
터링 방법.
청구항 49
제 48 항에 있어서,
상기 금속은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 50
제 48 항에 있어서,
상기 페데스탈에 RF 전력을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 51
제 48 항에 있어서,
13.56MHz 이하의 주파수에서 상기 페데스탈에 인가되는 RF 전력의 양은 상기 200mm 직경을 가진 원형의 표준 기
판에 대하여 300W 이하로 표준화된 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 52
제 51 항에 있어서,
상기 주파수는 2MHz이하이며, 상기 RF 전력의 양은 250W 미만인 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 53
제 48 항에 있어서,
상기 금속은 티타늄을 포함하며, 상기 방법은 적어도 0.7 밀리토르의 압력으로 상기 챔버에 아르곤을 유입시키
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등록특허 10-0806988
는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 54
제 53 항에 있어서,
13.56MHz 이하의 주파수에서 상기 200mm 직경을 가진 원형의 표준 기판에 대하여 300W 이하로 표준화된 양의 RF
전력을 상기 페데스탈에 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 55
페데스탈을 마주하는 타깃 한쪽 측면 위에 배치되며, 제 1 자기 극성을 가지며 제 2 자기 극성을 가진 내부 자
극을 둘러싸는 외부 자극을 포함하는 마그네트론을 갖춘 시스템에서, 상기 페데스탈 상에서 지지되는 실질적으
로 원형인 작업 기판 상에 금속을 포함하는 상기 타깃으로부터 금속을 스퍼터링하는 방법으로서,
상기 외부 자극은 상기 내부 자극의 자기력 보다 적어도 50% 큰 자기력을 가지며, 상기 외부 자극은 상기 타깃
의 중심부에서 상기 타깃 주변부로 연장되며 유사하게 연장되는 원형보다 작은 면적을 가지며, 상기 방법은,
상기 타깃의 풀 스퍼터링 커버리지를 달성하기 위해 상기 타깃의 중심부 부근에서 상기 마그네트론을 회전시키
는 단계; 및
전력을 챔버에 유도적으로 결합시키지 않고 상기 타깃에 DC 전력을 인가시킴으로써 적어도 부분적으로 상기 챔
버에 전력을 용량성 결합시켜, 상기 작업 가스를 플라즈마로 여기시켜 상기 타깃으로부터 상기 작업 기판으로
상기 금속을 스퍼터링하는 단계
를 포함하며, 상기 DC 전력량은 200mm 직경을 가진 원형 표준 기판에 대하여 18kW 이하로 표준화되어, 상기 금
속의 적어도 20%의 이온화 밀도가 달성되는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 56
제 55 항에 있어서,
상기 금속은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
청구항 57
제 55 항에 있어서,
상기 금속은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 스퍼터링 방법.
명 세 서
발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 물질의 스퍼터링에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스퍼터링을 강화시키기 위해 자계를 생성하는 마<19>
그네트론에 관한 것이다.
선택적으로 물리적 기상 증착법(PVD)이라 불리는 스퍼터링은 반도체 집적 회로의 제조에서 금속 및 관련된 물질<20>
의 층을 증착시키는데 가장 일반적인 방법이다. 종래의 PVD 반응기(10)의 단면을 도 1에 개략적으로 나타냈고,
도면은 캘리포니아 산타 클라라의 Applied Materials, Inc.의 Endura PVD 반응기에 기초한 것이다. 반응기
(10)는 히터 페데스탈(18) 상에 보유된 웨이퍼(16) 상에서 통상적으로 스퍼터링되는 금속과 같은 물질로 구성된
PVD 타깃(14)으로 밀폐된 진공 챔버(12)를 포함한다. 챔버내에 보유된 차폐물(20)은 스퍼터링된 물질로부터 챔
버벽(12)을 보호하며 애노드 접지면을 제공한다. 선택가능한 DC 전원공급기(22)는 차폐물(20)에 대해 약
-600VDC로 타깃(14)을 네거티브로 바이어스시킨다. 일반적으로, 페데스탈(18) 및 웨이퍼(16)가 전기적으로 플
로팅 상태가 된다.
가스 소스(24)는 스퍼터링 작업 가스로서 일반적으로 화학적으로 비활성 가스인 아르곤을 질량 흐름 제어기(2<21>
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6)를 통해 챔버(12)에 공급한다. 예를 들어, 티타늄 질화물과 같은 반응성 금속 질화물의 스퍼터링시에, 질소
는 자체 질량 흐름 제어기(26)를 통해 다른 가스 소스(27)로부터 공급된다. 또한 Al2O3와 같은 산화물을 형성하
기 위해 산소가 공급될 수 있다. 도시된 것처럼 가스는 챔버의 상부, 또는 바닥에서 차폐물의 바닥을 관통하는
1개 이상의 인입 파이프를 사용하여 또는 차폐물(20)과 페데스탈(18) 사이의 갭을 통해 주입된다. 진공 시스템
(28)은 저압으로 챔버를 유지한다. 베이스 압력이 약 10
-7
Torr 또는 그 이하로 유지될 수 있지만, 작업 가스의
압력은 전형적으로 약 1 내지 1000 m Torr 사이로 유지된다. 컴퓨터 기반 제어기(30)는 DC 전원공급기(22) 및
질량 흐름 제어기(26)를 포함하는 반응기를 제어한다.
아르곤이 챔버속으로 주입되면, 타깃(14)과 차폐물(20) 사이의 DC 전압은 아르곤을 플라즈마로 점화시키며, 포<22>
지티브로 하전된 아르곤 이온이 네거티브로 하전된 타깃(14)으로 끌린다. 이온은 상당한 에너지로 타깃(14)을
때려 타깃 원자 또는 원자 클러스터가 타깃(14)으로부터 스퍼터링되게 한다. 타깃 입자의 일부는 웨이퍼(16)을
때려 웨이퍼 상에 증착되어, 타깃 물질의 막을 형성한다. 금속 질화물의 반응성 스퍼터링시에, 질소가 추가적
으로 챔버(12)속으로 주입되어, 스퍼터링된 금속 원자와 반응하여 웨이퍼(16) 상에 금속 질화물이 형성된다.
효과적인 스퍼터링을 제공하기 위해서, 마그네트론(32)은 타깃(14) 후면에 위치된다. 마주하고 있는 자석(34,<23>
36)은 자석(34, 36) 근처의 챔버내에 자계를 형성한다. 자계는 전자를 포획하며, 전하 중성화로 인해, 이온 밀
도가 증가하여 마그네트론(32)에 인접한 챔버 내에 고밀도 플라즈마 영역(38)이 형성된다. 일반적으로 마그네
트론(32)은 타깃(14)의 스퍼터링시에 최대 커버리지를 달성하기 위해 타깃(14)의 중심 부근을 회전한다. 본 특
허 출원은 마그네트론의 형상에 관한 것으로, 도시된 형상은 단지 일례이다.
반도체 집적 회로의 집적도 개선은 스퍼터링 장치 및 공정에 따른 요구조건을 증가시켰다. 많은 문제점들이 콘<24>
택 및 비아 홀과 관련된다. 도 2에 단면으로 도시된 것처럼, 비아 또는 콘택홀(40)은 층간 유전층(42)을 통해
에칭되어 하부층 또는 기판(46)의 전도성 피쳐(44)에 이른다. 이어, 층간 전기적 연결을 제공하도록 홀(40)을
금속으로 충전시키기 위해 스퍼터링이 사용된다. 하부층(46)이 반도체 기판인 경우, 충전된 홀(40)을 콘택이라
칭한다; 하부층(46)이 로-레벨(lower level) 금속화 레벨인 경우, 충전된 홀(40)을 비아라 부른다. 간략화를
위해 이하에서는 "비아"로만 칭한다. 층간 비아의 폭은 0.25㎛ 이하로 감소되고 층간 유전체의 두께는 0.7㎛로
거의 일정하다. 결과적으로, 개선된 집적 회로에서 비아 홀은 3 이상의 증가된 종횡비를 갖는다. 개발 상태에
있는 일부 기술에 있어서는, 6 이상의 종횡비가 요구된다.
이러한 높은 종횡비는 스퍼터링시 문제시되고 있으며 이는 일반적인 스퍼터링 형상은 크게 이방성을 띠지 않아,<25>
전형적인 수직형상과는 달리 코사인 형상이기 때문에, 초기에 스퍼터링된 물질이 홀의 상부에 우선적으로 증착
되어 홀을 연결하여, 홀 바닥의 충전을 방해하고 비아 금속에 보이드를 형성한다.
그러나 스퍼터링된 입자들의 상당량이 타깃(14)과 페데스탈(18) 사이의 플라즈마에서 이온화됨으로써, 깊은 홀<26>
충전이 용이해질 수 있다는 것이 공지되어 있다. 도 1의 페데스탈(18)은, 전기적으로 플로팅 상태에 있지만,
DC 자기-바이어스를 발생시키는데, 이는 플라즈마 시스(sheath)를 통해 플라즈마로부터 이온화된 스퍼터링 입자
를 페데스탈(18)에 인접하게 그리고 유전체층(42)의 홀 깊숙이 끌어들인다. 웨이퍼(16)를 향하는 플라즈마 시
스를 통해 추출된 이온화된 입자들을 보다 가속화시키기 위한 페데스탈 전극(18)의 부가적 DC 또는 RF 바이어스
로 상기 효과가 강화될 수 있으며, 그로 인해 스퍼터링 증착의 방향이 제어된다. 상당량의 이온화되고 스퍼터
링된 원자를 이용한 스퍼터링 공정을 이온 금속 증착 또는 이온 금속 도금(IMP;ionized metal plating)이라 칭
한다. 홀 충전의 유효성과 관련하여 양적으로 측정되는 2가지로는 바닥 커버리지와 측면 커버리지를 측정이 있
다. 도 2에 개략적으로 도시된 것처럼, s1의 표면 또는 블랭킷 두께, s2의 바닥 두께, 및 s3의 측벽 두께를 갖
는 층(50)이 스퍼터링 초기 상태로 증착된다. 바닥 커버리지는 s2/s1과 같고, 측벽 커버리지는 s3/s1과 같다.
모델은 상당히 간단하지만 많은 경우에 있어서 적합하다.
이온화 분률을 증가시키기 위한 방법 중 하나는 도 1의 챔버(12)의 측면 부근에 RF 코일을 첨가함으로써 고밀도<27>
플라즈마(HDP)를 형성하는 것이다. HDP 반응기는 고밀도 아르곤 플라즈마를 형성할 뿐만 아니라 스퍼터링된 원
자의 이온화 분률을 증가시킨다. 그러나 HDP PVD 반응기는 신제품이며 상대적으로 고가이고, 증착되는 막질이
항상 뛰어난 것은 아니다. 주로 도 1의 PVD 반응기의 DC 스퍼터링을 연속적으로 사용하는 것이 바람직하다.
이온화 비율을 증가시키기 위한 또다른 방법은 타깃이 상부 모자 형상을 갖는 중공-캐소드 마그네트론을 사용하<28>
는 것이다. 그러나 이러한 형상의 반응기는 매우 가열되고 복잡한 형상의 타깃은 비용이 매우 비싸다.
유도 결합 HDP 스퍼터 반응기 또는 중공-캐소드 반응기를 사용하여 스퍼터링된 구리는 비아 측벽에서 기복이 있<29>
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는 구리막을 형성하는 경향이 있고 또한 증착된 금속은 습기가 제거되는 경향이 있는 것으로 밝혀졌다. 스퍼터
링된 구리층이 구리 홀 충전을 완성하도록 전기도금과 같은 차후 증착 공정을 위해 예정된 최소 두께의 시드
(seed)층으로 사용되는 경우 두께 변화는 상당히 중요하다.
종래 기술의 또다른 문제점은 측벽 커버리지는 타깃의 중심을 향하는 측면이 타깃 외측의 큰 입체각을 향하는<30>
차폐된 면보다 더 많이 코팅되는, 비대칭인 경향이 있다는 것이다. 비대칭성은 예정된 최소 두께의 시드층을
이루도록 과잉 증착을 요구할 뿐만 아니라, 포토리소그라픽에서 정렬 표시로 사용되는 단면 형상의 트렌치가
나타나게 하고 트랜치가 비대칭적으로 폭이 좁아지게 한다.
깊은 홀 충전을 조장하는 또 다른 조작상의 제어는 챔버 압력이다. 일반적으로 낮은 챔버 압력이 홀 충전을 개<31>
선시킨다고 믿어진다. 압력이 높을수록, 중성이거나 이온화된 스퍼터링된 입자는 아르곤 캐리어 가스의 원자와
충돌 가능성이 높다. 충돌은 이온을 중성화시키고 속도를 일관성이 없게 하여, 홀 충전 효과를 저하시킨다.
그러나 상기 설명된 것처럼, 스퍼터링은 타깃에 인접한 플라즈마의 존재에 따라 좌우된다. 압력이 너무 많이
감소되면, 비록 최소 압력이 몇몇 개의 요인에 따라 좌우되더러도 플라즈마가 약해진다.
Fu 등이 개시한 1997년 5월 8일 출원된 US 특허 출원 번호 08/854,008에서 처럼 저압 플라즈마 스퍼터링법의 극<32>
치는 연속 자기 스퍼터링(SSS:substained self-sputtering)이다. SSS에서, 포지티브로 이온화된 스퍼터링된
원자 밀도는 충분한 양이 네거티브로 바이어스된 타깃에 다시 유인되어 더 많은 이온화된 원자를 재스퍼터링되
도록 높다. 한정된 수의 타깃 금속에 대한 올바른 상태하에서, 자기 스퍼터링은 플라즈마를 유지하여 작업 가
스로서 아르곤을 필요로 하지 않는다. 구리는 SSS에 가장 사용하기 쉬운 금속이지만, 이는 단지 높은 전력 및
높은 자계 상태에서만 적용된다. 구리 스퍼터링은 전자 이동에 대한 구리의 낮은 저항력 및 낮은 자화율
(susceptibility)로 인해 상당히 개선된다. 그러나 구리 SSS가 상업적으로 실행가능하기 위해서, 전체-커버리
지(full-coverage)의 높은 자계 마그네트론이 개선시되어야 한다.
타깃에 인가된 증가된 전력은 연속 자기-스퍼터링이라고 말할 정도로 압력을 감소시킨다. 또한 증가된 전력은<33>
또한 이온화 밀도를 증가시킨다. 그러나 과도한 전력은 고가의 전력 공급장치 및 강화된 냉각을 필요로 한다.
20 내지 30kW를 초과하는 전력 레벨은 상업적으로 실행 불가능한 것으로 간주된다. 사실, 관련되는 요인은 전
력이 아니라, 고밀도 플라즈마 영역이 스퍼터링을 효과적으로 개선시키기 때문에 마그네트론 아래 영역에서의
전력 밀도이다. 따라서, 작고, 자계가 높은 자석은 높은 이온화 밀도를 가장 쉽게 형성할 수 있다. 이런 이유
로, 일부의 종래 기술은 작은 원형의 자석을 개시했다. 그러나 이러한 마그네트론은 균일성을 제공하기 위해
타깃의 중심 부근을 회전할 뿐만 아니라, 타킷의 일정하고 균일한 커버리지를 확보하기 위한 방사상 스캐닝을
필요로 한다. 일정한 마그네트론 커버리지가 달성되지 않는다면, 타킷을 효과적으로 사용하지 못할 뿐만 아니
라, 스퍼터 증착의 균일성을 상당히 저하시키고, 스퍼터링된 물질의 일부가 스퍼터링되지 않은 영역에서의 타깃
상에 재층착되게 된다. 또한, 스퍼터링되지 않은 영역상에 재증착되는 물질은 벗겨지기 쉬운 두께로 증착될 수
있으며, 심각한 입자 문제를 일으킨다. 방사상 스캐닝은 잠재적으로 이러한 문제점들을 방지하지만, 요구되는
스캐닝 메카니즘은 생산 조건에 있어 복잡하며 실행가능성이 없는 것으로 간주된다.
상업적으로 이용가능한 마그네트론중 한가지 형태로, 텝만(Tepman)에 의해 US 특허 5,242,566에 예시된 것처럼<34>
신장 형상이 있다. Parker는 US 특허 5,242,566에 이러한 형상을 보다 강조한 형상을 개시했다. 도 3의 평면
도에 도시된 것처럼, 텝만 마그네트론(52)은 거의 일정한 폭의 원형의 갭(57)에 의해 분리된 반대의 자성을 갖
는 자극면(54, 56)에 대해 신장 형상에 기초한 것이다. 자극면(54, 56)은 갭(57)을 브리징하는 미도시된 말굽
자석에 의해 자기적으로 커플링된다. 마그네트론은 타킷(14)의 중심부에서 회전축(58) 부근과 신장 형상의 내
부 자극면(54)의 오목 에지 부근을 회전한다. 갭(57)과 평행한 외부 자극면(56)의 볼록하게 굽은 외부 주변부
는 사용가능한 타깃(14)의 영역에서 외부 주변부와 인접하게 된다. 이러한 형상은 고전계 및 균일한 스퍼터링
을 최적화시키나 타깃의 거의 절반 영역을 차지한다. 주목할 것은 자계가 자극 갭(57)으로부터 분리된 영역에
서는 상대적으로 약하다는 것이다.
이러한 이유에서, 깊은 홀 충전과 연속하는 구리 자기-스퍼터링을 증진시키기 위해서, 일정한 커버리지를 제공<35>
하는 소형의 고전계의 마그네트론의 개발이 요구된다.
발명의 요약
삭제<36>
본 발명은 동일한 직경의 원형보다 작은 면적을 갖는 타원형 또는 이와 관련된 형상을 갖는 스퍼터링 마그네트<37>
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론을 포함하며, 두 직경은 마그네트론의 전형적인 회전축을 중심으로 타깃 반경을 따라 연장된다. 상기 형상은
레이스트랙, 타원형, 달걀형, 삼각형, 및 타깃 중심부 부근에 비대칭적으로 위치된 아크형의 삼각형을
포함한다. 마그네트론은 바람직하게 마그네트론의 얇은 단부 부근의 포인트를 중심으로 타깃의 후방에서 회전
하며, 두꺼운 단부는 타깃 주변부에 보다 가까이 위치된다. 바람직하게, 전체 자속은 타깃의 반경의 안쪽에서
보다 바깥쪽에서 크다.
작은 영역은 적어도 600W/cm
2
의 전기적 전력 밀도가 18kW 전력 공급 장치로부터 200mm 웨이퍼를 스퍼터링 증착<38>
하는데 사용되는 완전히 커버된 스퍼터링 타겟으로 인가되는 것을 허용한다.
마그네트론은 외부 자극을 둘러싸는 곳에서보다 내부 자극에서의 자속이 덜 형성되도록 구성된다. 따라서, 자<39>
계는 저압 스퍼터링 및 연속 자기-스퍼터링을 촉진시키기 위해서 스퍼터링 챔버 속으로 더 많이 도달하게 된다.
또한 본 발명은 이러한 마그네트론을 사용하여 달성될 수 있는 스퍼터링 방법을 제공한다. 작은 폐쇄된 영역<40>
너머로 연장되는 높은 자계는 연속 자기 스퍼터링을 용이하게 한다. 연속 자기 스퍼터링에 적절하지 않은 많은
금속은 0.5 밀리토르 이하, 더욱 바람직하게는 0.2밀리토르 이하, 더욱 더 바람직하게는 0.1 밀리토르 이하의
챔버 압력에서 스퍼터링될 수 있다. 바닥 커버리지는 200mm 웨이퍼를 지지하도록 크기가 설정된 페데스탈 전극
에 250W 미만의 RF 바이어스를 인가함으로써 더욱 향상될 수 있다. 구리는 일정한 자기-연속 모드에서 또는
0.3 밀리토르 이하의 최소 챔버 압력으로 330mm 타깃과 200mm 웨이퍼에 대해 18kW의 DC 전력을 사용하여 스퍼터
링될 수 있다.
본 발명은 감소된 커패시터의 전원 공급으로 높은 전력 밀도 스퍼터링을 제공한다.<41>
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
본 발명의 일 실시예는 도 4에서 평면도로 도시된 레이스트랙 마그네트론(60)이다. 레이스트랙 마그네트론(6<42>
0)은 2개의 둥근 단부들(66)로 연결되고 평행하게 마주하는 중앙의 직선부(64)를 구비하고 하나의 극성을 갖는
중앙 막대형의 자극면(62)을 가진다. 중앙 막대형의 자극면(62)은 다른 극성을 가지며 외부로 연장된 링형 자
극면(68)에 의해 둘러싸이며, 거의 일정한 폭의 갭(70)이 막대형과 링형의 자극면들(62, 68)을 분리한다. 다른
자기 극성의 외부 자극면(68)은 일반적으로 내부 자극면(62)과 중앙에서 대칭인 2개의 둥근 단부들(74)로 연결
되는 평행하게 대향한 중간 직선 부분들(72)을 포함한다. 중간 부분들(72)과 둥근 단부들(74)은 거의 동일한
폭을 가지는 밴드들이다. 간단히 기술될 자석은 자극면들(62, 68)이 반대의 자기 극성을 가지게 한다. 역시
간단히 기술될 백 플레이트는 극성이 반대인 자극면들(62, 68) 사이에 자성 요크와, 마그네트론 구조를 위한 지
지체를 제공한다.
2개의 자극면들(62, 68)은 도시된 평면에 일반적으로 수직으로 연장되는 자계를 형성하는 특정한 자기 극성으로<43>
도시되지만, 본 발명에 따르면, 자기 극성의 반대 세트가 동일한 일반 자계 효과를 생성할 것이 물론 이해된다.
도시된 어셈블리는 중앙에 최소 필드 프리 영역을 가지는 폐쇄 경로에 수직으로 연장되는 평행한 아크를 가지는
반 환상 자계를 일반적으로 생성한다. 이것은 터널의 지주를 형성하는 자계의 폐쇄 터널을 초래한다.
균일한 성분의 타깃(14)의 중심과 거의 일치하는 회전축(78)을 중심으로 아주 높은 회전 속도로 스퍼터링 증착<44>
과정 동안, 도 4의 자극 어셈블리는 계속해서 회전된다. 회전축(78)은 외부 자극면(68)의 하나의 장형 단부
(80)에 또는 그 근처에 배치되며, 다른 장형 단부(82)는 대략 타깃(14)의 외부 방사상 이용가능한 범위에 대략
위치한다. 타깃 중심부에 대한 회전 마그네트론(60)의 비대칭 배치는 작은 마그네트론을 제공하지만, 전체 타
깃 커버리지를 달성한다. 상이한 마그네트론 설계는 동일한 타깃의 상이한 부분을 이용하기 때문에, 타깃의 외
부 이용가능한 주변부는 쉽게 한정되지 않는다. 그러나 이 주변부는 타깃의 평평한 영역에 의해 한정되고 거의
항상 스퍼터링 증착되는 웨이퍼의 직경을 휠씬 초과하여 연장되어 타깃 표면 면적보다 다소 작다. 200mm 웨이
퍼에 있어서, 325mm 타깃 표면이 일반적이다. 15%의 사용되지 않는 타깃 반경은 실질 상한으로 간주될 수
있다. 레이스트랙 마그네트론은 종래 기술에서 널리 공지되어 있지만, 이것은 일반적으로 대략 타깃의 중심에
대칭적으로 위치한다. 본 발명에서, 레이스트랙은 타깃 중심부부 위에 놓이거나 또는 바람직하게 타깃 중심부
으로부터 타깃 반경의 20% 이내, 더욱 바람직하게는 10% 이내의 반경 위치에서 한정되는 내부 단부에 비대칭적
으로 위치한다. 전술한 레이스트랙은 타깃의 직경을 따라 연장한다.
도 5의 평면도에서 도시된 바와 같이, 2 세트의 자석들(90, 92)은 2개의 자기 극성을 형성하는 자극면들(62,<45>
68)의 후면부에 위치한다. 자극면들(62, 68), 자석들(90, 92) 및 바람직하게 후면 자성 요크의 결합은 자극면
들(62, 68)에 의해 한정되는 영역을 가지는 2개의 반대 자극들을 형성한다. 다른 수단은 이러한 자극들을 형
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성하기 위해 사용될 수 있다.
2가지 타입의 자석들(90, 92)은 각각 수직으로 면하는 단부 상에 축방향으로 연장되는 자속을 형성하는 유사한<46>
구성과 성분을 가질 수 있다. 이들의 자기 성분, 직경 또는 길이가 상이하면, 상이한 자석에 의해 생성되는 자
속이 다를 수 있다. 자석(90, 92)의 단면도가 도 6에서 도시된다. 축을 따라 연장되는 실린더형 자기 코어
(93)는 네오디뮴 붕소 철(NdBFe)과 같은, 자성이 강한 물질로 구성된다. 상기 물질은 쉽게 산화되기 때문에,
코어(93)는 밀폐된 통(canister)이 형성되도록 서로 용접된 일반적으로 원형인 2개의 캡(96) 및 관형 측벽(94)
으로 형성된 용기(case)로 캡슐화된다. 캡들(96)은 연자성 물질, 바람직하게는 SS410 스텐레스강으로
구성되고, 관형 측벽(94)은 비자성 물질, 바람직하게는 SS304 스텐레스강으로 구성된다. 각각의 캡 뚜껑(96)은
축방향으로 연장되는 핀(97)을 포함하는데, 이 핀은 자극면들(62, 68) 중 하나 또는 간단히 기술될 자성 요크의
대응 캡처 홀과 결합된다. 이것에 의해, 자석들(90, 92)은 마그네트론에 고정된다. 자기 코어(93)는 축방향으
로 자화되지만, 2개의 상이한 타입의 자석들(90, 92)은 도 7의 단면도에서 도시된 바와 같이, 마그네트론(60)에
배행되어, 내부 자극(62)의 자석들(90)은 일 방향에 수직으로 연장되는 자계를 가지도록 정렬되고, 외부 자극
(68)의 자석들(92)은 다른 방향에 수직으로 연장되는 자계를 가지도록 정렬된다. 즉, 자석들은 상반되는 자기
극성을 가진다.
도 7의 단면도에서 도시된 바와 같이, 자석들(90, 92)은 타깃(14) 후면부 상에만 위치하는 자극면들(62, 68) 위<47>
에 근접하게(도 1의 방향을 이용하여) 배열된다. 일반적으로 외부 자극면(68)의 외부 주변부에 따르는 전반적
으로 밀폐형인 자성 요크(98)는 2개의 자극들(62, 68)을 자기적으로 결합시키도록 자석들(90, 92) 후면부에 인
접하여 위치한다. 전술된 바와 같이, 자극면들(62, 68) 및 요크(98)의 홀들은 자석들(90, 92)을 고정시키고,
도시되지 않은 하드웨어는 요크(98)에 자극면들(62, 68)을 고정시킨다.
내부 자석들(90) 및 내부 자극면(62)은 하나의 자기 극성 내부 자극으로 구성되는 반면에, 외부 자석들(92)과<48>
외부 자극면(68)은 다른 극성을 갖는 둘러싸는 외부 자극으로 구성된다. 자성 요크(98)는 내부 자극 및 외부
자극을 자기적으로 결합하고 실질적으로 요크(98)에 마그네트론의 후면 또는 상부 상의 자계를 한정한다. 이로
써 반 환상 자계(100)가 형성되는데, 이 자계는 고밀도 플라즈마 영역(38)을 한정하도록 비자성 타깃(14)을 통
해 진공 챔버(12)로 연장된다. 자계(100)는 고밀도 플라즈마 영역(38)의 범위를 한정하기 위하여 비자성 타깃
(14)을 통해 진공 챔버(12)로 연장된다. 자석들(90, 92)은 길이가 다를 수 있다. 그러나 이후에 설명되겠지만
외부 자석(92)에 의해 형성된 전체 자속은 실질적으로 내부 자석(90)에 의해 형성된 자속보다 큰 것이 바람직하
다. 도시된 바와 같이, 마그네트론(60)은 대략 타깃(14)의 중심에서 타깃(14)의 이용가능한 영역의 에지까지
수평으로 연장된다. 자성 요크(90)와 두 극 표면들(62, 68)은 바람직하게 SS416 스텐레스강과 같은 연자성 물
질로 형성된 플레이트들이다.
마그네트론(60)의 내부 장형 단부(80)는 회전축(78)을 따라 연장되는 샤프트(104)에 연결되고 모터(106)에 의해<49>
회전한다. 도시된 바와 같이, 마그네트론(60)은 타깃(14)의 중심에서 타깃(14)의 이용가능한 영역의 오른쪽까
지 수평으로 연장된다. Demaray 등에 의한 미국 특허 5,252,194가 모터(106), 마그네트론(60) 및 진공 챔버
(12) 사이의 연결에 대해 상세히 개시하고 있다. 마그네트론 어셈블리(60)는 샤프트(104)의 구부러짐을 방지하
기 위하여 카운터-웨이팅(counter-weighting)을 가진다. 회전 중심부(78)가 외부 자극면(72)의 내부 장형 단부
(74) 내에 바람직하게 배치되지만, 이 위치는 약간 다른 위치, 즉 마그네트론(60)의 장형 길이에 표준화된 내부
장형 단부(80)에서 바람직하게 20% 이상, 더욱 바람직하게는 10% 이상 벗어나지 않는 위치에서 최적화될 수 있
다. 가장 바람직하게는, 장형 단부(80)에 인접한 외부 자극면(68)의 내부 단부는 회전 중심부(78)에 존재한다.
도 4의 레이스트랙 구성은 간단하고 매우 작은 면적을 가지는 반면에 전체 타깃 커버리지를 계속해서 제공하는<50>
장점을 가진다. 이후에 기술되는 바와 같이, 2개의 자극들의 비대칭 자속은 저압 스퍼터링과 연속 자기 스퍼터
링에 바람직하다.
도 4의 레이스트랙 구성은 매우 평탄화된 타원으로 선택적으로 특정화될 수 있다. 본 발명에서는 다른 타원 형<51>
상들, 예를 들어, 타깃의 반경을 따라 연장되는 타원의 장축(major axis) 및 회전 원주에 바람직하게 평행한 단
축(minor axis)을 가지는 타원 형상과 같은 연속해서 변하는 직경의 연속 곡선 형상이 포함된다. Tabuchi는 공
개된 일본 특허 63-282263에서 대칭형 타원 마그네트론을 개시하고 있다. 그러나 이 형상은 복잡한 형상, 특히
내부 자극에서 자석들을 패킹하는데 단점을 가진다.
또 다른 타원 형상은 도 8의 평면도에서 도시된 달걀형 마그네트론(106)에 의해 나타난다. 하나의 자기 극성의<52>
외부 자극면(108)은 다른 자기 극성의 내부 자극면(190)을 둘러싸며, 이들 사이에는 거의 일정한 갭(122)이 제
공된다. 이들 내부 자극면 및 외부 자극면(108, 110)은 타깃의 반경을 따라 연장되는 장축을 가지는 달걀 형
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상을 갖는다. 그러나 회전축(78)에 인접한 외부 자극면(108)의 내부 단부(112)는 타깃의 주변부에 인접한 외부
단부(114)보다 뽀족하다. 달걀 형상은 타원형과 관련되지만 타깃 반경에 대하여 비대칭이다. 특히, 단축은 타
깃 중심부보다 타깃 주변부에 더 가깝게 배치된다. 내부 자극면(110)과 갭(122)은 유사한 형상을 갖는다. 상
기 달걀 형상은 스퍼터링 균일성을 개선시키기 위하여, 타깃 주변부에 인접할수록 더 많은 자속이 야기된다.
상기 바람직한 자속 분포는 타깃 중심부에서 타깃의 외부 이용가능한 반경까지 연장되는 타깃 반경의 절반에 대
하여 특징될 수 있다. 개선된 균일성을 위해, 반경의 절반 외부에 위치한 총 자속은 반경의 절반 내부에 위치
한 자속보다 크다, 예를 들어, 적어도 3:2 비율, 바람직하게 1.8 내지 2.3 사이보다 크다. 이 구성에서 타깃
반경의 절반 외부 대 내부의 자속 비율은 약 2:1이다.
관련된 형상은 도 9의 평면도에서 도시된, 삼각형 마그네트론(126)에 의해 나타난다. 이 형상은 외부 자극면과<53>
내부 자극면 사이의 갭(132)을 가지는 다른 자기 극성의 실질적으로 견고한 내부 자극면(130)을 둘러싸는 하나
의 자기 극성의 삼각형 외부 자극면(128)을 가진다.
발명의 구성 및 작용
둥근 코너를 가진 내부 자극면(130)의 삼각형 형상에 의해 도 6의 버튼 자석(90,92)의 육방 밀집 구조<54>
(hexagonal close packing)가 가능하다. 세 개의 직선형 섹션(134)을 가지는 외부 자극면(128)은 바람직하게
서로에 대해 60°로 오프셋되고 둥근 코너(136)에 의해 접속된다. 바람직하게 둥근 코너(136)는 직선형 섹션
(136)보다 작은 길이를 가진다. 둥근 코너(136)는 회전 중심부(78) 가까이에 위치하며, 바람직하게는 타깃 반
경의 20%내에 더욱 바람직하게는 10%내에 더욱 바람직하게는 회전 중심부(78) 위의 외부 자극면(128)의 최상부
의 타깃 중심부 가까이에 위치한다. 삼각형의 내부 자극편(130)은 중심 개구부를 포함할 수 있지만, 상기 개구
부의 크기가 중심의 자성의 끝점의 크기를 최소로 하기 위해 작게 유지되는 것이 바람직하다.
변형된 삼각형 형상은 도 10의 아크형의 삼각형 마그네트론(140)으로 표현된다. 아크형의 삼각형 외부 자극면<55>
(142)으로 둘러싸인 삼각형의 내부 자극면(130)은 그 사이와 각각의 자극의 자석 사이에서 갭을 가지며 또한 갭
(144)의 뒤에 자성 요크를 가진다. 외부 자극면(142)은 둥근 정점의 코너(148)에 의해 서로 접속되며 둥근 주
변 코너(152)에 의해 아크형의섹션(150)에 접속된 두개의 직선형 섹션(146)을 포함한다. 정점의 코너(148)는
회전 중심부(78)와 타깃 중심부, 바람직하게는 타깃 반경의 20%내에 더욱 바람직하게는 10%내에 가까이 위치한
다. 아크형 섹션(150)은 일반적으로 타깃의 주변 가까이에 위치한다. 즉, 만곡부는 타깃과 동일할 수 있으며
회전 중심부(78)로부터 등거리일 수 있지만, 다른 최적의 만곡부가 회전 중심부(78)에 대해 아크형 섹션의 오목
면을 위해 선택될 수 있다. 아크형 섹션은 챔버내의 타깃 주변부 가까이에 위치하며, 주변부의 반경에 바람직
하게 25%내에, 더욱 바람직하게는 15%내에 위치한다. Yokoyama 등의 공개된 일본 출원 62-89864에는 타깃 중심
부에 대칭적으로 배치된 다수의 아크형의삼각형의 마그네트론의 장점이 개시되어 있다. 그러나 다수의 마그네
트론은 작은 전체 영역에 제공되지 않으며, 스퍼터링을 위한 고전력 밀도를 얻을 수 없다. 게다가, Yokoyama의
개별 마그네트론 섹션의 정점은 타깃 중심부부에 떨어져서 위치하며, 따라서 다수의 섹션을 제외하고는 비효율
적인 스퍼터링 균일성을 제공한다.
자계는 도 11의 평면도에 도시된 자석 배치에 의해 생성된다. 제 1 자기 극성의 자석(160)은 바람직하게 육방<56>
밀집 구조 배열로 내부 자극면(130)에 근접하게 배치된다. 제 2 자기 극성의 자석(162)은 외부 자극면(142)의
아크형 섹션(150)에 근접하게 배치되는 반면 제 2 자기 극성의 자석(164)은 외부 자극면(142)이 나머지 부분에
근접하게 배치된다. 이 후에 기술되겠지만 어떤 상황에서 외부 자극면(142)의 서로 다른 부분에서 서로 다른
강도의 자석을 배치시키는 것은 바람직하다. 일 실시예에서는 내부 자극에 10개의 자석이 존재하며 외부 자극
에는 26개의 자석이 존재한다. 동일한 세기의 자석들일 경우, 내부 자극보다 외부 자극에서 2.6배 이상의 자속
이 생성된다.
도 9와 10의 삼각형의 마그네트론(126, 140)은 정점에서 각 θ를 가지며 버튼 자석들의 육방 밀집 구조를 보조<57>
하는, 60°의 정점 각도를 갖는 것으로 도시되었으나, 정점 각도는 60°이하로 변할 수 있다. 그러나 60°±15
°에서 높은 균일성을 제공한다. 정점에서의 각도는 본 발명의 마그네트론의 중요한 두개의 파라미터인 영역 A
와 그 주변부 P의 값에 큰 영향을 미친다. 아크형의 삼각형 마그네트론에서 쉽게 행해지는 단순한 계산에 의해
도 12에 도시된 바와 같이 정점에서의 각도 θ를 변화시키는 일반적인 영향들을 알 수 있다. 단순화되거나 모
델링된 아크형의 삼각형 마그네트론(170)은 반경이 RT인 타깃(14)의 중심부와 주변부 사이에서 연장되며 회전축
(78)과 일치하는 정점에서 만나는 두개의 직선형 측면을 가지며 또한 타깃(14)의 이용가능 주변부와 일치하는
아크형의 측면을 포함한다. 단순화된 아크형의 삼각형 마그네트론(170)의 영역 A는 θRT
2
/2이며, 그 주변부 P는
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RT(2 θ)이다. 여기에서 θ는 라디안으로 측정된다. 도 12에 반경 RT/2와 회전축(78)에 고정된 지름을 가진 모
델 원형 마그네트론(172)이 도시되어 있다. 이는 πRT
2
/4의 영역 A와 πRT의 주변부 P를 가진다. 두 개의 마그
네트론(170, 172)은 전체 타깃 커버리지를 제공한다. 도 13의 표준화된 유니트에는 정점에서의 각도 θ에 대한
아크형의삼각형 영역(A)의 종속성이 라인(174)으로 도시되어 있으며, 원형의 영역에 대해서는 라인(176)으로 도
시되어 있다. 90°이하에서 삼각형의 영역은 작다. 도 14에는 삼각형의 주변부 P의 종속성이 라인(178)으로
도시되어 있으며, 원형 주변부에 대해서는 라인(180)으로 도시되어 있다. 이온화 효과는, 타깃 전력이 적은 영
역에 집중되기 때문에 영역을 최소화시킴으로써 증가되며, 에지 손실은 일반적으로 주변부 길이와 비례하기 때
문에 주변부가 최소화됨에 따라 증가된다. 물론 이 영역은 자계를 생성하는 자석을 충분히 수용할 정도로는 커
야한다. 또한 상기의 계산은 균일성을 다루지는 않는다. 원형 마그네트론(170)은 유사하게 아크형의 삼각형
마그네트론(172)에 대해 감소된 균일성을 제공한다.
아크형의삼각형 마그네트론(172)의 경우 타깃의 반경의 절반에서 외부 대 내부의 자속 비율은 정점에서의 각도<58>
가 45°의 경우 1.79이며, 60°인 경우 2.05이며, 75°인 경우 2.31이며, 90°인경우 2.57이며, (1 θ)에 의한
두 영역의 면(170)의 길이에 의해 근사화될 수 있다.
도 10과 11의 아크형의 삼각형 배치의 변화는 정점 각도를 예를 들면 47°로 감소시킨다. 육방 밀집 구조 내부<59>
자석(160)에 추가적으로, 하나 이상의 내부 자석이 육방 밀집 구조의 자석으로부터 외부 자석(164)의 내부 코너
방향으로 선형 배치된다. 이 결과는 레이스트랙 마그네트론과 아크형의 삼각형 마그네트론을 조절한다.
밴드형의 영역 폭을 가진 자극면으로 참조되는 상술한 형상은 사용된 버튼 자석보다 크게 크지 않다. 폭, 특히<60>
외부 자극면의 폭은 비균일할 때에도 증가하지만 추가 폭은 원하는 높은 자계를 생성하는 데 있어 덜 효과적이
다.
상술한 형상은 모두 타깃 반경에 대해 대칭적이다. 그러나 본 발명의 마그네트론은 비대칭 형상, 도 4의 레이<61>
스트랙 형상인 예를 들어 방사상으로 연장되는 면을 포함하며, 반면 다른 면은 도7의 달걀형과 같은 타원형이거
나, 방사상으로 연장하는 면은 타깃의 중심과 주변 사이에 삼각형의 정점을 가진 타원형이거나 직선형 및 다른
면이다.
상술한 모든 마그네트론은 자극의 내부와 외부에서 대칭되는 영역을 가지며, 이는 동일 버튼 자석(90,92)의 동<62>
일 패킹과 자속의 비대칭을 가정한다. 특히 도 15에 개략적으로 도시된 내부 자극(190)에 의해 형성되는 총 자
속 ∫B·dS는 예를 들어 적어도 1.5, 바람직하게는 2 팩터에 의해 주변 외부 자극(192)에 의해 생성된 것보다
훨씬 적다. 모든 마그네트론은 또한 외부 자극(192)에 의해 둘러싸인 소형의 내부 자극(190)을 가지는 특성이
있다. 그 결과 자계 분포는 자극(190, 192) 사이의 갭(196)에 근접한 반응기 처리 영역(194)에서 매우 강하지
만, 외부 자극(192)의 자계 라인이 자성 요크(198)로 근접해짐에 따라, 처리 영역(194)으로 연장된다. 타깃으
로부터 처리 영역(194) 속으로 깊게 수직으로 연장되는 상당량의 자계는 많은 이점을 제공한다. 광 전자 오비
트는 자계 라인 주변을 선회하기 때문에 연장된 자계는 전자를 트랩하여 처리 영역(194) 깊숙히 고밀도 플라즈
마를 유지할 수 있다. 동일한 상호 작용에 의해, 기초 챔버 쉴드에 근접하며 평행하게 연장되는 자계는 실드
(shield)에 대한 전자 손실을 감소시키고 플라즈마의 밀도를 증가시킨다. 결과적으로 플라즈마는 낮은 압력에
서 유지될 수 있고 심지어는 스스로 유지될 수 있다. 자계는 무거운 포지티브 입자를 부분적으로 트랩하며 웨
이퍼를 향해 이온화되고 스퍼터링된 입자를 가이드한다.
본 발명의 자석은 상대적으로 큰 자계를 만든다. 그러나 자체적인 자계의 강도는 불충분하다. 통상적인 마그<63>
네트론은 Demaray 등의 상술한 특허에 개시되어 있으며 말굽 모양의 자극들 사이에 작은 갭만을 가진 신장 형상
의 선형 경로에 배치된 말굽 모양의 자석 라인을 사용한다. 그 결과 상대적으로 큰 자계의 강도는 신장 형상의
주변부 영역에서 달성될 수 있다. 그러나 선형의 높은 자계는 실질적으로 자계의 영역은 둘러싸지 않는다. 그
결과 전자는 외부뿐 아니라 내부의 높은 자계 영역으로 벗어날 수 있다. 대조적으로, 본 발명의 삼각형의 마그
네트론의 내부 자극은 최소 영역의 자성 첨단(cusp)을 생성한다. 만일 전자가 내부 자극의 한쪽 측면에서 자계
로부터 떨어진다면, 다른 면에 캡쳐될 것이다. 그러므로 주어진 전력 레벨에서 플라즈마의 밀도가 증가한다.
게다가 내부 자극은 일반적으로 균일한 자속을 생성하는 자화될 수 있는 단일의 자극면을 포함한다. 만일 다수
의 내부 자극면이 다수의 내부 자석에 사용된다면, 자계 라인은 내부 자석들 사이에서 연장될 수 있다.
본 발명의 설계의 또 다른 장점은 하나의 자극이 폐쇄된 라인에 형성되며 다른 자극을 감싸는 것이다. 근접하<64>
게 이격된 두 세트의 자극을 가진 개방형 단부에서 라인에 라인에 말굽 모양의 자석 등을 배치함으로써 높은 자
기력으로 매우 작게 선형적으로 연장되는 마그네트론을 형성할 수 있다. 그러나 전자는 개방형 단부로부터 쉽
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게 이탈하여 플라즈마의 강도가 감소될 수 있다.
본 발명의 바람직한 결과는 타원형 마그네트론 및 이와 관련된 형상의 마그네트론이 과도한 전력을 필요로 하지<65>
않으면서 높은 플라즈마 이온 강도를 생성하기 때문에 대부분 달성된다고 여겨진다. 그럼에도 불구하고 전체
타깃 커버리지가 달성된다. 일 측면에서, 본 발명의 마그네트론은 상대적으로 작은 영역을 가지지만, 방사상의
스캐닝없이 전체 타깃 커버리지를 허용하는 형상을 가진다. 60°의 정점의 각도를 가진 도 10의 삼각형의 마그
네트론(160)은 이용가능한 타깃 영역의 1/6(0.166)의 영역을 가진다.
대조적으로 원형 마그네트론(162)이 타깃 중심부에서 주변부로 유사하게 연장되도록 이용되면, 마그네트론 영역<66>
은 타깃 영역의 1/4(0.25)이 된다. 결과적으로, 전력 밀도는 더 큰 원형 마그네트론에 전력을 공급하는 주어진
전력 공급장치에 대해 더 적다. 타깃 오버레이 비율은 도 3의 텝만(Tepman) 자석에 대해 훨씬 높다.
작은 영역과 풀 커버리지(full coverage)의 조합은 타깃 중심부로부터 타깃의 사용가능한 주변부(±15%)로 연장<67>
되며 타깃 반경보다 실질적으로 더 작은 타깃 반경의 절반에서, 즉 타깃 반경을 따라 연장되는 너비(transverse
dimension)를 갖는 외부 마그네트론 형상으로 달성된다. 상기 너비는 순환 경로를 따라 원주방향으로 측정되어
야 한다.
균일성은 회전 중심부 근처의 타원형의 내부 단부에서 보다는 타깃 주변부 근처의 외부 단부에서 타깃 반경에<68>
대해 횡단으로 더 넓은 타원형에 의해 강화된다. 즉, 단축은 타깃 원주를 향해 옮겨진다.
전체 타깃 커버리지를 제공함에도 불구하고, 마그네트론의 작은 영역은 알맞은 크기의 전력 공급장치로 매우 높<69>
은 전력 밀도가 타깃에 가해지는 것을 허용한다. 상기 작은 영역은, 텝만 디자인과는 달리, 내부에 포함된 실
질적으로 필드-프리 영역을 갖지 않는다. 아래의 몇 가지 예들은 18kW의 전력 소스를 사용한다. 200mm 웨이퍼
에 대하여, 마그네트론은 사용가능한 타깃 직경을 약 300mm까지 확장한다. 아크형의 삼각형 마그네트론의 유효
영역은 더 큰 직경, 즉, 약 117cm
2
과 관련된 영역의 약 1/6이다. 따라서, 마그네트론의 소정의 주어진 위치에
서 스퍼터링될 영역의 평균 전력 밀도는 약 150W/cm
2
이다. 유도 코일들 없이 달성되는 이러한 높은 전력 밀도
는 더 낮은 아르곤 압력하에서 플라즈마를 지탱할 수 있거나 구리와 같은 선택된 금속들에 대해 연속 자기 스퍼
터링을 허용할 수 있다. 심지어 300mm 웨이퍼들로도, 더 큰 치수로 축소된 본 발명의 작은 마그네트론과 관련
하여 27kW 전력 공급장치는 103W/cm
2
의 타깃 전력 밀도를 생성할 것이다. 하가에 도시된 바와 같이, 76W/cm
2
의
전력 밀도는 구리의 연속 자기 스퍼터링에 대해 충분하다.
공정<70>
도 4 및 5의 레이스트랙 마그네트론은 구리 스퍼터링으로 테스트 되었다. 하나의 구성예로, 6개의 자석들(90)<71>
은 중심 자극면(62) 뒤에, 세기는 같으나 극성은 반대인 25개의 자석들은 외부 자극면(68)의 뒤와 그 주위에 놓
여있으며, 33cm의 타깃과 200mm 웨이퍼 사이의 공간은 190mm이다. 이런 구성은 ±18%의 증착 균일성을 생성한
다. 제 2 구성에서는, 자석들은 상이한 세기를 가지며, 세기가 더 센 자석들은 30% 이상의 자속을 생성한다.
6개의 세기가 센 자석들은 중심 자극면 뒤에 놓여있고, 25개의 세기가 약한 자석들은 외부 자극면 주위에 놓여
있다. 내부 자석들이 세기가 더 센 것에도 불구하고, 외부 자석들에 의해 생성되는 총 자속은 내부 자석들에
의해 생성되는 것보다 더 크다. 제 2 구성은 8.9%의 개선된 증착 균일성을 생성한다. 제 2 구성은 또한 0.5㎛
의 폭, 2㎛의 깊이의 비아 홀에 대한 우수한 홀 충전성을 보인다. 265nm의 블래킷 구리에 대하여, 바닥 커버리
지는 10에서 15%사이이며, 측벽 커버리지는 약 2.8%이다. 깊은 홀 충전은 더 높은 이온화 밀도를 생성하는 레
이스트랙 마그네트론의 작은 영역으로 촉진된다. 제 3 구성에서는, 강한 자석들은 외부 자극의 단부 부근에서
몇 개의 약한 자석들을 교체한다. 이것은 다소 더 좋은 균일성을 생성한다.
도 10 및 11의 아크형의 삼각형 마그네트론은 다른 스퍼터링 구성으로 된 일련의 실험들로 평가되었다. 거의<72>
모든 실험들에 대해, 타깃은 웨이퍼로부터 190 내지 200mm 사이의 간격으로 이격되며, 상기 타깃은 200mm 웨이
퍼에 대해 330mm의 직경을 갖는다.
구리<73>
구리 스퍼터링의 경우, 균일성은 내부 자극에서 10개의 강한 자석들(160), 외부 자극의 아크형 부분(150)을 따<74>
르는 강한 자석들(162), 외부 자극의 나머지에 대해 약한 자석들(164)을 사용하여 개선된다. 세기가 더 센 자
석들은 세기가 약한 자석들의 직경보다 30% 더 큰 직경을 갖지만, 그것들은 비슷한 컴포지션 및 구조를 가지며,
그로 인해 70% 더 큰 통합된 자속을 만들어낸다.
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아르곤 환경에서 플라즈마에 충돌한 후에, 약 30cm의 사용가능 직경을 갖는 타깃에 가해지는 9kW의 DC 전력으로<75>
구리의 연속 자기 스퍼터링이 달성되며, 이는 아크형의 삼각형 마그네트론으로 76W/cm
2
의 전력 밀도를 발생시킨
다. 그러나 18kW의 DC 전력 및 액상 냉각된 페데스탈에 웨이퍼의 후방 냉각을 제공하는 가스의 누출로부터 적
어도 부분적으로 발생하는 약 0.1 mTorr의 최소 아르곤 압력으로 동작하는 것이 바람직한 것으로 여겨진다.
0.1 내지 0.3 mTorr의 증가된 후방 압력은 스퍼터링된 이온들의 산란 및 탈이온화에 있어 현저한 증가 없이 효
과적인 웨이퍼 냉각을 강화한다. 이러한 상대적으로 낮은 DC 전력들은 300mm 웨이퍼들에 대한 장비의 발전의
진행의 관점에서 중요하며, 이 전력들의 수치는 20kW 에서 40kW까지이다. 40kW보다 큰 전력 공급장치는 실행가
능하다 해도 비용이 비싼것으로 여겨진다.
이온화된 구리 스퍼터링의 하나의 응용으로는 깊고 좁은 비아 홀에 얇고 컨포멀한 구리 시드층을 증착하는 것이<76>
다. 그에 따라, 전기 도금 또는 무전해 도금은 신속하고 경제적으로 홀의 나머지를 구리로 충전하는데 사용될
수 있다.
일 실시예에서는, 0.3㎛의 상부 폭을 가지며 1.2㎛의 실리카를 통해 연장하는 비아 홀은 Ta/TaN 장벽 층으로 먼<77>
저 코팅되었다. 아크형의 삼각형 마그네트론을 사용하면, 구리는 18kW의 타깃 전력 및 0.2mTorr의 압력으로 상
기 장벽층 위에 증착되었다. 증착은 약 0.15㎛의 블랭킷 두께로 실행되었다. 비아 홀의 측면들은 평탄하게 커
버되었다. 실험들은 구리의 측벽 두께가 웨이퍼 가장자리에 위치된 비아에 대해 한쪽은 약 7nm이며 다른 쪽은
약 24nm(5% 및 8%)이다. 바닥 커버리지는 약 24nm(16%)이다. 측벽 대칭은 웨이퍼 중심부의 비아 홀에 대해 개
선된다. 평탄성은 시드층 및 후속 구리 전기도금에 대한 전극으로서 증착된 층의 사용을 촉진시킨다. 두 측벽
들 사이의 상대적으로 좋은 대칭은 명백하게 포토리소그래피의 표시를 이동시키는 종래 기술에서의 문제를 해결
한다.
알루미늄<78>
아크형의 삼각형 마그네트론을 사용하여, 알루미늄 타깃의 스퍼터링은 약 0.1 mTorr의 최소 압력에서 인가되는<79>
12kW 및 18kW 전력으로 달성되며, 이는 현저한 개선이다. 알루미늄 스퍼터링에 대하여, 측벽 커버리지 및 특히
바닥 커버리지는 현저하게 개선되었다. 더 좋은 균일성은 또한 웨이퍼를 지지하는 자기-바이어스된 페데스탈이
그의 전영역에 대해 이온화되고 스퍼터링된 입자들을 끌어당기기 때문에 부분적으로 증가된 이온화 분률에 부분
적으로 관계된 것으로 여겨진다. 본 발명의 마그네트론은 2% 내지 적어도 20% , 및 바람직하게는 25% 까지의
이온화 분률을 증가시키는 것으로 평가된다.
아크형의 삼각형 마그네트론은 도 3의 텝만 마그네트론과 비슷한 종래의 마그네트론의 동작에 비슷한 동작 조건<80>
들하에서 비교되었다. 알루미늄 스퍼터링에 대한 비교 결과들은 표 1에 요약되었다.
표 1
삭제<81>
<82> 삼각형 종래기술
바닥
커버리지
28.5% 8.0%
측벽
커버리지
8.0% 5.7%
균일성
(190mm)
4.6% 7.8%
균일성
(290mm)
3.0% 6.0%
최소압력
(milliTorr)
0.1 0.35
커버리지 결과들은 0.25㎛의 폭과 1.2㎛의 깊이를 갖는, 즉 약 5의 종횡비를 갖는 비아 홀들에 대해 얻어졌다.<83>
바닥 커버리지는 종래의 마그네트론에 비해 본 발명의 삼각형 마그네트론으로 현저하게 개선된다.
측벽 커버리지 또한 증가되고, 추가적으로 커버리지는 상부에서 하부로 평활하고 균일하다. 이러한 2가지 특성<84>
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은 추후 증착 단계 동안 시드층으로서 증착된 금속층 사용을 보조한다. 이것은 전기 도금과 같은 상이한 처리
에 의해 제 2 증착을 수행하는 구리에 대해 특히 중요하다. 바닥 및 측벽 커버리지의 증가는 본 발명의 삼각형
마그네트론으로 달성되는 스퍼터링된 알루미늄 원자의 높은 이온화 분률로 인해 발생되는 것으로 생각된다. 이
런 이온화 분률은은 25% 또는 그 이상인 것이라 생각된다. 블랭킷(평면) 증착의 균일성은 타깃 및 웨이퍼 사이
의 190 mm의 간격, 및 오랜 시간 실행시, 290 mm의 간격 모두에 대해 결정된다. 본 발명의 삼각형 마그네트론
은 특히 오랜 시간 동안 보다 우수한 균일성을 형성한다. 더욱 우수한 균일성은 웨이퍼를 지지하는 자체 바이
어스된 페데스탈이 그 전체 영역에 대해 이온화되고 스퍼터링된 입자를 끌어당기기 때문에, 증가된 이온화 분률
과 관련된다고 생각된다. 유사하게, 본 발명의 삼각형 마그네트론은 2개의 마주하는 측벽의 커버리지들 사이의
비대칭성을 감소시킨다. 증가된 이온화 밀도는 외부 요크보다 실질적으로 작은 영역을 가지는 비교적 작은 내
부 요크와 부분적으로 관련된다. 결과적으로, 내부 요크의 한 측면으로부터 전자의 손실은 외부 측면에 의해
캡쳐될 수 있다.
티타늄<85>
또한 아크형의 삼각형 마그네트론이 티타늄을 스퍼터링하기 위하여 사용된다. 티타늄 질화물과 관련되는 티타<86>
늄은 콘택 홀의 바닥에서 실리콘에 실리사이드 콘택을 제공하고 습식층으로 작용하며 콘택 홀의 실리콘에 그리
고 비아 또는 콘택 측벽 상의 실리카 유전체와 알루미늄 사이에 장벽으로서 티타늄 질화물층과 함께 작용하는,
알루미늄 금속배선에서 이용한다. 따라서, 컨포멀하고 비교적 두꺼운 코팅이 요구된다.
일련의 실험은 18 kW의 DC 타깃 전력 및 내부 자극으로 단지 6개의 자석(160)만을 가지는 티타늄 타깃을 사용하<87>
여 수행되었다. 0.35 밀리토르의 챔버 압력에서, 바닥 커버리지 및 균일도는 우수한 것으로 관찰되었다.
티타늄 실험은 코팅되는 비아 홀의 종횡비(AR) 함수로서 바닥 커버리지를 측정하기 위하여 계속되었다. 웨이퍼<88>
바이어스가 인가되지 않고 페데스탈 가열기(18)가 전기적으로 플로팅 상태이지만, 18kW의 타깃 전력은 타깃을
30 내지 45V로 자기 바이어스 시킨다. 이러한 조건하에서 바닥 커버리지는 도 16의 그래프에서 라인(190)에 의
해 도시된다. 바닥 커버리지는 보다 높은 종횡비의 홀에 대해 감소하지만 AR=6에서 여전히 허용 가능한 20%를
차지한다.
이들 실험의 연속에서, 도 1에 도시된 RF 전력 소스(192)는 커플링 캐패시터 회로(194)를 통하여 히터 페데스탈<89>
(18)에 접속된다. 플라즈마에 인접한 웨이퍼에 인가된 RF 필드가 DC 자체 바이어스를 형성하는 것은 공지되었
다. 400 kHz 100W의 전력이 0.3 밀리토르의 챔버 압력에 인가될 때, 바닥 커버리지는 도 16의 그래프에서 라인
(196)으로 도시된 바와 같이 상당히 증가된다. 그러나 바이어스 전력이 250W로 증가할 때, 비아 홀의 상부 모
서리의 재스퍼터링 및 페이시팅(faceting)은 문제가 된다. 250W 바이어스에 대한 바닥 커버리지 결과는 라인
(198)에 의해 도시된다. 4.5 이상의 종횡비에 대하여, 250W의 웨이퍼 바이어스를 가지는 바닥 커버리지는 100W
의 웨이퍼 바이어스보다 일반적으로 품질이 나쁘고 따라서 바이어스 전력은 2MHz 또는 그 이하의 보다 낮은 바
이어스 주파수에 대해 250W 이하로 유지되어야 한다. 이들 전력은 200mm 원형 표준 웨이퍼에 대해 표준화되어
야 한다. 300 mm 웨이퍼 같은 다른 크기의 웨이퍼가 사용될 수 있고 이들 웨이퍼는 평탄부 또는 노치를 인덱싱
하기 때문에 완전히 원형일 수 없다. 그러나 상기된 전력 레벨이 200mm 원형 표준 웨이퍼에 대해 참조되고 실
질적으로 원형 작업 웨이퍼의 여러 영역에 따라 비율로 정해질 때 동일한 효과가 기대된다.
13.56MHz의 주파수에서 300W의 RF 웨이퍼 바이어스를 사용하여 4.5의 종횡비를 가지는 홀에 대해 실험이 계속되<90>
었다. 0.7 밀리토르의 압력에서, 블랭킷 증착 속도은 128nm/min이고, 바닥 커버리지는 31% 및 52% 사이에서 변
화한다. 1.4 밀리토르의 압력에서, 증착 속도은 142nm/min이고, 바닥 커버리지는 42% 및 62% 사이에서 변환한
다. 더욱 높은 압력에서, 측벽 커버리지는 10.4% 및 11.5% 사이에서 변화하고, 감지할 수 있는 측벽 불균일성
이 관찰되지 않는다. 예상과는 반대로, 0.7 밀리토르 이상의 압력은 보다 높은 증착 속도 및 더욱 우수한 바닥
커버리지를 형성한다. 바이어스 주파수가 높아질수록 인가될 바이어스 전력이 증가한다.
티타늄 질화물<91>
본 발명의 마그네트론은 TiN 같은 반응 스퍼터링에 사용될 수 있고, 여기에서 질소는 스퍼터링될 금속, 예를들<92>
어, TiN을 형성하기 위한 티타늄 또는 TaN을 형성하기 위한 탄탈과 반응하기 위하여 챔버에 부가적으로 인입된
다. 반응 스퍼터링은 보다 복잡하고 가변되는 화학 작용을 나타낸다. TiN을 형성하기 위한 반응 스퍼터링은
두 개의 모드, 즉 금속 모드 및 유해 물질(poison) 모드로 동작하는 것이 공지되었다. 금속 모드는 웨이퍼상에
고밀도 금색 막을 형성한다. 종종 높은 질소 흐름과 연관된 유해 물질 모드는 바람직하게 낮은 스트레스를 가
지는 자줏빛/갈색 막을 형성한다. 그러나 유해 물질 모드 막은 많은 그레인 경계를 가지며, 막 결함은 칩 산출
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량을 크게 감소시킨다. 게다가, 유해 물질 모드의 증착 속도는 통상적으로 금속 모드 비율의 1/4이다. 일반적
으로 유해 물질 모드에서 질소가 Ti 타깃상에 TiN 표면을 형성하기 위하여 타깃과 반응하는 반면, 금속 모드에
서 타깃 표면은 깨끗하게 남아있고 TiN이 웨이퍼상에만 형성되는 것으로 믿어진다.
아크형의 삼각형 마그네트론이 증착된 티타늄을 스퍼터링하기 위하여 사용된 동일 챔버에서 티타늄 질화물의 반<93>
응 스퍼터링을 위하여 테스트되었다.
티타늄 질화물의 스퍼터링 증착에 대한 초기 조건은 금속 모드의 동작을 얻기 위하여 매우 중요하다는 것이 발<94>
견되었다. 일련의 초기 실험에서, 아르곤만이 처음에 챔버에 주입된다. 플라즈마가 약 0.5 밀리토르의 아르곤
압력에서 스트라이킹(strike)된 후, 아르곤 흐름은 0.3 밀리토르의 압력을 형성하는 5sccm으로 감소된다. 그
다음 100sccm까지 질소 흐름이 단계적으로 상승된 다음 점차 감소될때, 상기 흐름 중 챔버 압력은 도 17에 도시
된 이력 현상을 나타낸다. 50 내지 70 sccm 사이의 질소에서, 중간 상승 압력(200)은 대응하는 중간 하강 압력
(202)과 대응한다. 더욱 낮은 압력(204) 및 더욱 높은 압력(206)에서, 상승 및 하강 사이의 중요 차이는 없다.
더욱 낮은 압력(204) 및 중간 상승 압력(200)이 금속 모드 스퍼터링을 유발하고 보다 높은 압력(206) 및 중간
하강 압력(202)이 유해 물질 모드 스퍼터링을 유발한다는 것이 믿어진다.
이들 결과는, 일반적으로 바람직한 금속 모드에서 보다 높은 동작 증착 속도에 대하여, 중간 상승 압력(200)을<95>
초과하지 않는 것이 중요하다, 즉 이들 실험에서 70 sccm 또는 그보다 약간 높지만 80 sccm 이하인 최대 금속
모드 흐름을 초과하지 않는 것이 중요하다는 것을 도시한다. 아르곤 및 질소는 동시에 빠르게 반응하며, 또한
바람직하게 DC 전력이 빠르게 인가된다.
그러나 유해 물질 모드(poison mode)에서 작동이 더 좋은 경우도 있다. 이는 우선 더 높은 압력(206) 및 이어<96>
중간 하강(ramp-down) 압력(202)으로 감압함으로써 성취된다. 택일적으로, 유해 물질 모드는 직접 소정의 가스
를 흐르게 하고 단지 점진적으로 5kW/s 정도의 비율로 DC 스퍼터링 전원 공급을 한다.
티타늄 질화물은 플라즈마가 아르곤에서 충돌된 후 50 sccm 의 질소 흐름 및 5 sccm 의 아르곤 흐름으로 금속<97>
및 유해 물질 모드에서 높은 종횡비 비아 홀 속으로 스퍼터링 된다. 이 흐름은 금속 모드에서 1.7 밀리토르 및
유해 물질 모드에서 2.1 밀리토르의 압력을 일으킨다. 증착 속도는 금속 모드에서 100 nm/min 이고 유해 물질
모드에서는 30 nm/min 이다. 한편, 티타늄 질화물막 압력은 금속모드에서 증착될 때 더 높으나, 반면에 유해
물질 모드는 비아 홀 상부 근처의 오버행 및 기복있는 측벽 두께로 문제시된다. 실험에서는 상이한 종횡비의
비아 홀로 티타늄 질화물을 증착했다. 도 18 의 그래프에 도시된 바닥 커버리지를 측정한 결과는 금속 모드에
서 바닥 커버리지가 5의 비아 종횡비로 상대적으로 높게 남아있는 라인(210)을 도시하며 반면에 라인(212)에서
의 모드에서 스텝 커버리지는 4 이상의 종횡비에 비하여 언제나 더 낮고 급강하한다. 그러나 추가로 웨이퍼가
바이어싱되면, 유해 물질 모드에서 증착된 티타늄 질화물의 스텝 커버리지는 만족할 만하다.
티타늄을 증착하기 위해 사용되는 동일한 챔버에서 티타늄 질화물의 증착 성공은 티타늄/티타늄 질화물 장벽이<98>
하나의 연속된 작동에서 본 발명에 따라 증착될 수 있음을 설명한다.
통합된 텅스텐 플러그 과정<99>
테스트의 두 시리즈는 본 발명의 아크형의 마그네트론으로 증착된 티타늄/ 티타늄 질화물 장벽을 결합한 통합된<100>
과정의 설명 및 장벽-코팅된 홀 속으로 화학 기상 증착(CVD)에 의해 증착된 텅스텐 플러그를 설명한다. 이 결
합은 텅스텐 CVD 가 전형적으로 기체의 전구물질로서 텅스텐 헥사 플루오라이드(WF6)를 사용하기 때문에 과거에
는 몇 가지 문제점을 가졌다. WF6 는 티타늄과 반응하는 경향이 있고, 텅스텐 플러그에서 화산 모양의 구조를
형성하게 되며, 이는 플러그의 보이드를 생성한다.
테스트의 제 1시리즈에서, 장벽층은 다른 통상적인 비도전성 스퍼터링 반응 장치에서 본 발명의 아크형의 마그<101>
네트론으로 증착된 30nm의 티타늄 질화물로 커버된 30 nm의 티타늄으로 구성되었다. 티타늄/티타늄 질화물 증
착을 계속하면서, 칩은 강한 복사 램프가 짧은 시간동안 빠르게 웨이퍼 표면을 가열하는 고속 온도 과정(RTP)에
영향을 받기 쉽다. 테스트의 제 2시리즈에서, 장벽층은 제 1시리즈에서처럼 증착된 10nm의 티타늄 질화물으로
커버링된 30nm의 티타늄으로 구성된다. 그러나 제 2 테스트에서, 티타늄/티타늄 질화물 증착 전에 웨이퍼는 플
라즈마 예비세정에 영향을 받기 쉬우나, 그 후의 RTP 과정은 없다. 이어 또 다른 경우, 텅스텐은 티타늄/티타
늄 질화물 위에 CVD 증착된다.
이런 실험에서는 어느 과정에서도 분화구를 형성하지 않음을 보여준다. 게다가, 티타늄 질화물의 두께 및 비저<102>
항은 우수한 균일성을 보여준다. 티타늄 질화물 비저항은 45 μΩ-cm 이하로 측정된다. 티타늄/티타늄 질화물
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이중층에 대한 20%의 바닥 커버리지는 웨이퍼 바이어싱의 사용 없이 5:1의 종횡비를 가진 홀에서 관찰된다. 웨
이퍼 바이어싱은 10:1의 종횡비를 가진 홀에서 동일한 바닥 커버리지를 생성한다. 이어, 본 발명의 마그네트론
으로 행해진 티타늄/티타늄 질화물 처리는 텅스텐 플러그 과정으로 성공적으로 통합될 수 있다. 본 발명의 마
그네트론은 예를 들어, 플라즈마에서 텅스텐 타깃을 사용하는 텅스텐 또는 탄탈 타깃 및 질소 가스를 사용하는
탄탈과 같은 다른 물질의 스퍼터 증착을 위해서 또한 사용될 수 있다. 질화 텅스텐(WN)의 반응성 스퍼터링이
또한 예상된다.
이어 본 발명의 마그네트론은 고밀도 플라즈마 때문에 높은 이온화 분률을 효과적으로 생성한다. 이는 필요한<103>
초과의 전력없이 생성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 풀 커버리지는 균일한 증착 및 전체 타깃 활용을 허용한
다. 이것의 스퍼터링 균일성은 우수하다. 그럼에도 어떠한 복잡한 메카니즘이 요구되지 않는다.
고성능의 풀 커버리지 스퍼터링을 제공하는 본 발명의 마그네트론의 효율성은 세 개의 상호 밀접한 시너지 효과<104>
(synergetic effect)에 기초한다. 마그네트론은 작은 자석 영역을 갖는다. 그것에 의해 평균 자계는 높게 될
수 있으며 플라즈마 감소는 줄어든다. 작은 마그네트론은 또한 높은 평균 전력 밀도가 마그네트론 아래의 타깃
영역에 적용된다. 즉, 비록 전력 전체가 상대적으로 미비하게 타깃에 적용되지만, 소정의 강도로 실질적으로
스퍼터링되는 영역에서 전력 밀도 및 그 결과의 플라즈마 밀도는 높다. 마그네트론의 내측 및 외측 자극의 비
대칭은 마그네트론 둘레에 수직으로 연장하는 자계의 부분들을 생성하며 챔버 깊숙이 연장한다. 자계 분포는
플라즈마 손실을 감소시키며 기판에 대해 이온화되고 스퍼터링된 입자를 유도한다. 이러한 모든 장점은 단지
주위의 스캐닝만으로 타깃의 일정한 커버리지 스퍼터링을 제공 및 균일한 타깃 스퍼터링 및 균일한 기판 증착을
생성하기 위해 임의적으로 모양을 이를 수 있는 마그네트론에서 얻어진다.
그러한 소형의, 높은 자계의 자석은 상대적으로 미비한 타깃 전력으로 연속 스자기 퍼터링 및 0.5 밀리토르 이<105>
하, 바람직하게는 0.2밀리토르 이하의 감소된 압력 및 심지어 0.1 밀리토르에서 알루미늄 및 티타늄 같은 물질
의 스퍼터링을 가능하게 한다. 이런 압력에서, 깊은 홀 충전은 중성이든 이온화되었든 스퍼터링된 입자의 감소
된 스캐터링(scattering) 및 이온화된 입자의 감소된 중성화에 의해 용이하게 될 수 있다. 그러나 적어도 티타
늄의 경우, 본 발명의 마그네트론을 사용해서 증착 속도 및 바닥 커버리지가 0.7 밀리토르 이상의 작업 가스 압
력으로 개선된다. 게다가 높은 자계의 자석은 높은 이온화 분률을 촉진하며, 이는 적절한 범위 내의 웨이퍼의
바이어싱에 의해 깊고 좁은 홀 속으로 유입된다.
발명의 효과
이런 모든 장점은 상당히 간단한 설계의 마그네트론을 사용하는 종래의 용량성 결합 DC 스퍼터 반응기에서 얻어<106>
질 수 있다. 물론 본 발명의 마그네트론은 유도 결합 RF 전력에 의존하는 HDP 반응 장치와 같은 다른 형태의
스퍼터 반응 장치에서 또한 바람직하게 사용될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 DC 플라즈마 스퍼터링 반응기의 개략도이다.<1>
도 2는 반도체 집적 회로의 층간(inter-level) 비아의 단면도이다.<2>
도 3은 종래의 마그네트론의 평면도이다.<3>
도 4는 도 7의 단선(4-4)에 따른 본 발명의 마그네트론의 실시예의 자극편의 평면도이다.<4>
도 5는 도 4의 마그네트론에서 사용되는 자석의 평면도이다.<5>
도 6은 본 발명의 실시예에 관련하여 사용된 자석들 중 하나의 단면도이다.<6>
도 7은 도 4의 마그네트론의 단면도이다.<7>
도 8은 달걀형 마그네트론의 평면도이다.<8>
도 9는 삼각형 마그네트론의 평면도이다.<9>
도 10은 도 9의 삼각형 마그네트론의 변형으로 간주되는 아크형의 삼각형 마그네트론의 평면도이다.<10>
도 11은 도 10의 아크형의 삼각형 마그네트론에서 사용되는 자석의 평면도이다.<11>
도 12는 면적과 주변의 길이를 계산하기 위해 사용되는 2개 모델의 마그네트론들의 평면도이다.<12>
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도 13은 삼각형 및 원형 마그네트론의 면적들에 따른 각의 그래프이다.<13>
도 14는 도 12의 두 가지 타입의 마그네트론의 주변 길이에 따른 각의 그래프이다.<14>
도 15는 본 발명의 실시예로 구현되는 이상적인 자계의 측면도이다.<15>
도 16은 티타늄 스퍼터링시 바닥 커버리지에서 RF 웨이퍼 바이어스의 효과를 도시한 그래프이다.<16>
도 17은 본 발명의 마그네트론을 이용하는 티타늄 질화물의 반응성 스퍼터링에서 얻어지는 두 가지 모드의 증착<17>
을 도시하는 질소 흐름에 따른 챔버 압력의 그래프이다.
도 18은 본 발명의 마그네트론을 포함하는 티타늄 질화물의 반응성 스퍼터링을 위한 두 가지 스퍼터링 모드에서<18>
얻어지는 스탭 커버리지의 그래프이다.
도면
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