KR101923221B1

KR101923221B1 - Ｈｉｐｉｍｓ를 이용한 반응성 스퍼터링

Info

Publication number: KR101923221B1
Application number: KR1020107015003A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 바이카르트; 스타니슬라프 카들렉; 모하메드 엘가차리
Original assignee: 에바텍 아크티엔게젤샤프트
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2018-11-28
Also published as: US20200388474A1; EP2257964A1; US11380530B2; JP5551078B2; CN102027563B; US10784092B2; TWI463028B; TW200940735A; JP2011506759A; WO2009071667A1; EP2257964B1; CN102027563A; US20090173622A1; KR20100097203A

Abstract

본 발명에 따라, 기판에 형성되고 높은 종횡비를 갖는 공동(cavity)의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 하우징에 의해 한정되는 실질적으로 폐쇄된 챔버에 절연층 및 기판에 포함된 재료로부터 적어도 부분적으로 형성된 타겟이 제공된다. 플라스마는 실질적으로 폐쇄된 챔버 내부에서 점화(igniting)되고 자기장은 플라스마를 타겟의 표면에 인접하게 적어도 부분적으로 함유하도록 타겟의 표면에 인접하게 제공된다. 전압은 급격히 증가하여 캐소드와 애노드 사이에 고출력 전기 펄스를 반복적으로 설정한다. 전기 펄스의 평균 출력은 0.1kW 이상이고, 선택적으로는 그보다 훨씬 클 수 있다. 스퍼터 증착의 작동 파라미터는 금속 모드와 반응 모드 사이의 이행 모드에서 절연층의 스퍼터 증착을 촉진하도록 조절된다.

Description

ＨＩＰＩＭＳ를 이용한 반응성 스퍼터링{REACTIVE SPUTTERING WITH HIPIMS}

본원은 2007년 12월 7일자로 출원된 미국 가출원 제61/012,103호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용을 참조로써 본원에서 인용한다.

본원은 일반적으로는 반응성 스퍼터링 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 적절한 스퍼터 속도를 설정하고 타겟과 장치의 애노드 또는 다른 부분과의 사이에서 겪게 되는 아크 방전(arcing)을 최소화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

반응성 마그네트론 스퍼터링(reactive magnetron sputtering)은 일반적으로 금속 타겟으로부터 질화물 층 또는 산화물 층을 생성하기 위해 사용된다. 반응성 마그네트론 스퍼터링을 사용할 수 있는 용도의 예는 마모 방지 목적의 경질 코팅의 제조; 필터 및 반사 방지 코팅을 위한 광학 코팅의 제조; 및 전자산업에서의 확산 장벽 및 절연층의 제조를 포함한다. 하지만, 종래의 스퍼터 증착 공정에 따라 생성된 이러한 층들은 이들 층을 사용하는 특정한 용도에 최적이 아닌 경도(硬度, hardness), 밀도, 핀홀 용적과 같은 특성을 때때로 포함한다.

이러한 층들의 상기 특성들을 개선하는 한 가지 시도로서 펄스 스퍼터링 공정이 제안되어 왔다. 최근의 개발에 의하면, 0.5 내지 10%의 낮은 듀티 사이클(duty cycle)과 최대 수 메가와트의 출력 수준을 갖는 펄스 등의, 매우 높은 출력과 조합시킨 대단히 짧은 펄스에 의한 펄스 플라스마로 인해 예를 들면 90% 초과의 높은 금속 증기 이온화가 초래되었다. 이러한 증착 공정을 흔히 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS)[또한 흔히 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링(High Power Pulse Magnetron Sputtering, HPPMS)]이라고 한다. 또한, HIPIMS에서는 층의 특성 개선 이외에, 이온화 금속이 전기장에 의해 가속될 수 있다는 사실에 의해 3차원 형태로의 방향성 스퍼터링도 가능하다. 이러한 특징은 일반적으로 반도체 용도에서 가장 유리하다.

반도체 칩은 여전히 소형화하면서 성능을 향상시키는 것을 지향하여 개발이 진행되고 있다. 이러한 소형 칩에 부과되는 물리적 제한으로 인해 단층 위에 형성된 집적 회로(IC)에서 전력 소비가 제한되고, 이러한 칩을 생산하는 가공 기술은 적절한 소형 회로를 형성하는 능력의 제한에 접근하고 있다. 그러므로, 단층에서의 측면 장치 밀도를 추가로 증가시킴에 있어서는 잠재적인 가공상의 문제(예를 들어, 와이어 접합 기술)가 생길 수 있으므로, 앞으로 집적 회로는 복수의 적층된 기판 위에 형성되어 측면 장치 밀도를 추가로 증가시키는 대신에, 적층 IC를 제조할 수 있다. 이러한 3차원 집적은 컴퓨터 판독 메모리, 전기 광학적 응용, MEMS, 센서, 상기 IC 영상기(imager), 디스플레이 및 다른 용도에 적용할 수 있다.

적층 IC는 복수의 기판의 평면 위에 수직으로 적층되어 설치된 회로를 포함한다. 적층된 기판 각각에 설치된 회로 사이에 전기 접속을 확립하도록 적층된 기판에 실리콘 관통전극(Through-Silicon Via, TSV)이 형성된다. 최근의 기술에서는 이러한 TSV를 예를 들어 기판에 홈(trench) 또는 열(列)을 레이저 천공하거나 또는 건식 에칭하여 형성한다. 이어서, 후속의 금속화 전에, 홈을 절연층으로 코팅한다. 홈 또는 열을 금속으로 충전한 후에, 기판을 접지하여, 금속 접속이 홈 또는 열을 형성하도록 적어도 일부가 제거된 평면과 반대편 기판의 평면에서 노출되도록 한다. 이어서, 기판의 평면 중 한 면 또는 양면에서 노출된 최종적인 TSV 접점을, 적층 IC를 형성하는 복수의 기판의 별도의 기판에 설치된 대응하는 접점과 정렬시켜, 적층된 기판이 서로 결합하면, 이들 사이에 전기 접속이 확립된다. 그러나, IC용 기판의 사용 가능한 영역을 최대화하도록 적절하게 작은 접점을 제공하기 위해, TSV는 미래의 장치에 대응하도록 10:1 이상 또는 20:1 이상의 종횡비를 갖는 것이 바람직하다.

금속을 증착하기 위하여 반응성 스퍼터링법이 사용되어 왔다. 그러나 질화물을 증착하는 동안, 특정 금속의 스퍼터링 도중에 질소를 추가함으로써 예를 들어 TiN 또는 TaN 등의 전도성 층이 생성된다. 불충분한 양의 반응성 가스 존재 또는 부재하에 순수한 금속의 스퍼터링은 종종 반응성 가스를 포함하는 소위 "반응 모드"와는 반대로, "금속 모드"에서 스퍼터 증착을 수행하는 것으로 설명되어 있다. 그 이외는 동일한 공정 특성하에서 금속 모드로부터 또는 반응 모드로부터 특정한 스퍼터링 상태로 되는지의 여부에 따라, 히스테리시스(hysteresis), 즉 증착 속도(및 타겟 전압)에서의 차이는 일반적으로는 질소를 첨가할 때 작다. 비전도성 산화물 및 비전도성 질화물 예를 들어 Si₃N₄의 증착은 산소 또는 질소를 추가하는 경우, 타겟 및 실드 대전(shield charging)과 함께, 현저한 히스테리시스에 의해 일반적인 보다 큰 과제를 안겨주고 있다. 반응성 가스로서 산소를 사용하는 반응 모드에서는 SiO₂ 또는 Al₂O₃의 증착 속도는 금속 모드에서의 증착보다 현저히 낮으며, 전형적으로는 5배 넘게 낮아진다. 또한, 비슷하지만 덜 두드러진 속도 저하가 예를 들어 Si₃N₄를 증착할 때와 같이 반응성 가스로서 질소를 사용하는 반응 모드 증착에서 관찰된다.

현재 수준의 HIPIMS 전원(power supply)을 알루미늄 타겟으로부터 Al₂O₃등의 반응성 산화 공정에 적용할 때, 합리적인 출력 수준으로 다량의 아크 방전이 관측될 수 있는 것으로 머지않아 밝혀질 것이다. 아크 방전은 진공 시스템의 부품(타겟 자체, 실드...) 위에 절연층이 축적(build-up)됨으로써 캐소드(타겟)와 애노드 또는 진공 시스템의 전기 접지(electric ground)와의 사이에 유전성(축전지 원리)에 의해 캐소드와 애노드 사이에 분압기(voltage divider)로서 작용하는 단락(短絡)이 발생하고 있는 것을 나타낸다. 완전히 산화된 (오염된) 타겟을 사용하는 반응 모드에서는, 20μsec(즉, 20×10^-6초) 및 200μsec(즉, 200×10^-6초) 사이의 범위에서 HIPIMS 펄스의 펄스 길이는 절연 타겟 표면에서 아크 방전을 일으키기에는 너무 길다. HIPIMS를 이용한 완전 반응성 (오염된 또는 산화된) 모드에서의 스퍼터링에서는 스퍼터 속도가 저하된다.

삭제

따라서, 당해 기술분야에서는 높은 종횡비를 갖는 TSV에 절연층을 적용하기 위한 방법 및 장치를 필요로 하고 있다. 이러한 방법과 장치는 최소한의 핀홀로 고밀도 절연층을 가능하게 하도록 높은 방향성을 제공할 수 있고, 최소한의 아크 방전으로 제한된 전기 전도성을 갖는 타겟 재료를 스퍼터 증착하는 것을 촉진할 수 있다.

간단한 요약

한 양상에 따라서, 본원은 기판에 형성되고 높은 종횡비를 갖는 공동(cavity)의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하기 위한 스퍼터링 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 실질적으로 폐쇄된 챔버를 한정하는 하우징(housing)과 기판을 챔버 내부의 적절한 위치에서 지지하기 위해 챔버의 내부에 노출되는 받침대를 포함한다. 자석 조립체(magnet assembly)는 공동의 표면 위에 증착되는 절연층에 포함되는 재료로부터 적어도 부분적으로 형성된 타겟의 표면에 인접하게 자기장을 제공한다. 전원(電源)은 캐소드와 애노드 사이의 자기장 내에서 플라스마의 급격한 전압 증가를 유지하는 고출력 전기 펄스(high power electric pulse)를 설정하되, 전기 펄스의 평균 출력은 0.1 kW 이상이다. 그리고 실질적으로 금속 모드와 반응 모드 사이의 이행 모드(transition mode)로 절연층의 스퍼터 증착을 수행하도록 스퍼터링 장치의 작동 파라미터를 제어하기 위한 콘트롤러(controller)를 포함한다.

또 다른 양상에 따르면, 본원은 기판에 형성되고 높은 종횡비를 갖는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 하우징에 의해 한정된 실질적으로 폐쇄된 챔버에 기판 및 절연층에 포함되는 재료로부터 적어도 부분적으로 형성된 타겟을 제공하고 실질적으로 폐쇄된 챔버 내부에서 플라스마를 점화(igniting)하는 것을 포함한다. 플라스마를 타겟의 표면에 인접하게 적어도 부분적으로 함유하도록 자기장이 타겟의 표면에 인접하게 제공된다. 전압 펄스 파형의 최선단(leading edge)은 급격하게 증가하여 캐소드와 애노드 사이의 고출력 전기 펄스를 반복적으로 설정한다. 전기 펄스의 평균 출력은 0.1kW 이상이다.

상기 요약은 본원 명세서에서 논의된 시스템 및/또는 방법의 일부 양상의 기초적인 이해를 제공할 목적으로 간단히 요약한 것이다. 이러한 요약이 본원 명세서에서 논의되는 방법 및/또는 시스템을 총괄하는 것은 아니다. 핵심적인/중요한 요소를 식별하거나 또는 이러한 시스템 및/또는 방법의 범주를 기술할 목적으로 의도된 것은 아니다. 이하에서 설명하는 보다 상세한 설명의 서론으로서 일부 개념들을 단순화된 형태로 제시하는 것이 유일한 목적이다.

본 발명은 특정 부재들 및 그 부재들의 배열의 물리적 형태를 채택할 수 있으며, 그의 양태가 본원 명세서에 기술되며 첨부 도면에 도시되어 있고, 이것이 본 발명의 일부를 형성한다.
첨부 도면에서,
도 1은 전기 전도성 재료를 홈의 실직적으로 수직인 측벽에 스퍼터 증착하기 위한, 스퍼터 반응기의 일부가 파단되어 있는 HIPIMS 스퍼터링 장치의 예시적 양태를 나타내는 도면이다.
도 2는 HIPIMS 펄스에 동기화된(synchronized) 고주파 신호를 설정하는 양태를 나타내는 타이밍 다이어그램(timing diagram)이다.
도 3은 약 60 마이크로초 동안 지속하는 펄스를 포함하는 전기 펄스 동안에 다른 DC 펄스 출력 수준에 대한 DC 전류의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 전기 전도성 재료가 스퍼터되는 기판을 지지하는 받침대에, HIPIMS 펄스 도중에 받침대에 적용되는 고주파 신호에 의해 생성된 자기-바이어스 전압 파형(self-bias voltage waveform)을 시간의 함수로서 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 일정한 전기 펄스 전압 및 일정한 반응 가스 유량에서 HIPIMS를 이용하여 반응성 스퍼터링하는 동안 전기 펄스의 평균 및 피크 전류를 전기 펄스 기간의 함수로서 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 상이한 반응 가스 유량에 대해 일정한 전기 펄스 전압으로 HIPIMS를 이용한 반응성 스퍼터링을 하는 동안 전기 펄스의 평균 및 피크 전류를 전기 펄스 기간의 함수로서 나타내는 도면이다.
도 7은 실질적으로 투명한 Al₂O₃절연층을 이행 모드로 스퍼터링하기 위한 HIPIMS 방전 전류 플롯(plot)을 나타내는 도면이다.
도 8은 상이한 파라미터 세트에 대한 HIPIMS 방전 전류의 오실로스코프 흔적을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 양상에 따라 증착된 절연층 및 기판에 형성된 홈의 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 양상에 따라 절연층이 제공되는 각종 표면의 홈을 인식하는 홈의 개략도이다.
도 11은 절연층과 함께 도 10에서 인식된 표면의 파복 프로파일(coverage profile)을 나타내는 도면이다.
도 12는 저 임피던스 HIPIMS 방전을 바이어스하는, 고주파 신호를 생성하는 RF 전원에 대한 임피던스 매칭 네트워크의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 임피던스 매칭 네트워크를 사용하여 임피던스 매칭의 개선을 달성한 전류 및 고주파 전압 트레이스의 플롯을 나타내는 도면이다.

본원 명세서에서 사용하는 특정 용어는 단지 편의를 위해 사용되었으며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 본원 명세서에서 사용하는 상대적인 용어들은 도면을 참조하면 가장 잘 이해될 수 있으며, 유사한 부호는 유사한 물품을 지칭한다. 추가로, 도면에서 특정한 특징들은 다소 개략적인 형태로 표시될 수 있다.

또한, 복수의 부재가 뒤따르는 본원 명세서에서 사용하는 "적어도 하나의"라는 표현은 하나의 부재 또는 하나 초과의 부재들의 조합을 의미한다. 예를 들면, 본원 명세서에서 "제1 위젯(widget) 및 제2 위젯 중의 적어도 하나"라는 표현은 "제1 위젯, 제2 위젯, 또는 제1 위젯과 제2 위젯"을 의미한다. 마찬가지로, 본원에서 "적어도 하나의 제1 위젯, 제2 위젯, 및 제3 위젯 중의 적어도 하나"는 "제1 위젯, 제2 위젯, 제3 위젯, 제1 위젯과 제2 위젯, 제1 위젯과 제3 위젯, 제2 위젯과 제3 위젯, 또는 제1 위젯과 제2 위젯과 제3 위젯"을 의미한다

본원은 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링("HIPIMS") 스퍼터링 장치(10), 및 타겟(12)으로부터 전기 전도성 재료를 강자성 스퍼터링하고, 타겟(12)으로부터의 재료를 반응성 가스와 반응시켜 절연 재료를 형성하고, 절연 재료를 반도체 기판(18)에 형성된 홈(16)의 실질적으로 수직인 측벽(14)에 증착시켜 절연층을 형성하는 방법에 관한 것이다(도 9). 이러한 스퍼터링 장치(10)의 예시적인 배치가 도 1에 도시되어 있으며, 반도체 기판(18) 위의 절연층(15)의 HIPIMS 스퍼터 증착이 수행되는 실질적으로 폐쇄된 챔버(24)를 한정하는 반응기 하우징(20)을 포함한다. 본원 명세서에서는 반도체 기판(18)에 형성된 홈의 표면 위에 절연층(15)을 증착하는 것으로 기술되어 있지만, 본 발명의 기술은 임의 유형의 기판 중의 임의의 표면에 절연층(15)을 증착하는 데 사용될 수 있다. 표면은 홈의 실질적으로 수직인 측벽 또는 기판에 형성된 다른 종류의 공동을 포함한다. 추가로, 기판은 특정한 용도를 위하여 어떤 적합한 재료로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명을 명확하고 간결하게 기술하기 위해, TSV에 금속을 충전하기 전에 홈의 측벽 표면에 절연층을 증착시키는 것은 이하에서 상세하게 기술될 것이다.

예를 들면, 금속 또는 금속 합금과 같은 전기 전도성 재료로 제작된 받침대(28)는 챔버(24)에 노출되고 선택적으로는 적어도 일부가 챔버(24)로 연장되어 스퍼터 증착 조작을 위해 챔버 내부의 적절한 위치에서 반도체 기판(18)을 지지한다. 도 1에서 받침대(28) 위에 놓여져 있는 것을 나타내는 반도체 기판(18)은, 챔버 내부의 받침대 위에 놓여져 있는 저부 평면(34) 및 상부 평면(32)을 갖는 실질적으로 평탄한 웨이퍼이다. 반도체 기판(18)에 형성된 하나 이상의 홈(16)는 상부 평면(32)에서 개방될 수 있고 저부 평면(34)에 의해 폐쇄되어, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적으로 U자형 단면을 갖는 홈을 형성하고, 이는 치수 D의 깊이를 따라 적어도 부분적으로 반도체 기판(18)으로 연장한다. 홈(16)의 측벽은 반도체 기판(18)의 상부 평면(32)과 저부 평면(34) 사이의 홈(16)의 안쪽 주변부를 분명히 한정한다. 각 측벽은 홈의 너비 W에 비례하여 반도체 기판(18)으로 적절한 깊이 D까지 연장할 수 있어서 통상 10:1 이상의 종횡비로서 언급되는 홈을 제공한다. 홈의 다른 양태는 선택적으로는 20:1 이상의 종횡비를 가질 수 있다. 여기서 종횡비는 홈(16)의 너비 대 홈의 깊이의 비를 나타낸 것이다.

복수의 영구 자석(37) 또는 다른 적절한 자기장 발생기를 포함하는 자석 조립체(36)는 타겟의 노출된 표면(40)에 인접한 자기장(38)을 생성하도록 위치하며, 타겟은 전기 전도성 재료로 적어도 부분적으로 형성된다. 즉, 이후에서 설명하는 바와 같이, 반응성 가스와 반응하여 절연 재료를 형성하고 이것은 홈(16)의 내부 표면 위에 증착되는 절연층(15)을 형성하게 된다. 자석 조립체(36)에 의해 생성된 자기장(38)은 플라스마(42)를 가까이에 또는 콘파인먼트 영역(confinement region)으로서 언급되는 타겟(12)의 노출된 표면(40) 위로 제한한다. 추가로, 자기장(38)은 또한 전자 트랩(electron trap)으로서 작용하고, 타겟(12)으로부터 방출된 2차 전자의 바이어스되지 않은(unbiased) 궤도를 변경시켜 콘파인먼트 영역 내의 불활성 스퍼터링 가스가 이온화될 가능성을 최대화한다.

예를 들면, 아르곤과 같은 전형적인 불활성 기체인 불활성 스퍼터링 가스는 가스 공급장치(48)로부터 공급되어, 콘트롤러(58)에 작동 가능하게 연결되어 있는 질량 유동 콘트롤러(mass flow controller; 52)를 통하여 챔버 속으로 계량 주입된다. 스퍼터링 가스는 하우징 안에 형성된 불활성 유입부(54)를 통해서 유동한다. 챔버에서의 압력은 챔버와 유체 연통으로 작동 가능하게 연결된 진공 펌프 시스템에 의해 유지된다(도시되지 않음). 챔버는 약 10^-8Torr의 표준 압력을 갖지만, 전형적인 스퍼터링 작동은 완벽하게 유지된 자체 스퍼터링을 수반하지 않으며, 챔버 압력은 약 0.1 mTorr 내지 약 5 mTorr의 범위 내에서 유지될 수 있으며, 상기 범위는 이의 서브 범위를 포함한다.

불활성 스퍼터링 가스에 추가하여, 타겟(12)으로부터 방출된 원자와 반응할 수 있는 반응성 가스가 가스 공급장치(48)에 제공된 반응성 가스 탱크로부터 챔버(24)로 급송된다. 적절한 반응성 가스로는 산소 및 질소를 예시할 수 있지만, 또 다른 적절한 반응성 가스 또한 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다. 한 양태에 따르면, 타겟은 알루미늄 원자를 방출할 수 있으며, 알루미늄 원자와 반응성 가스 사이의 반응으로 인한 절연 재료는 Al₂O₃이고, 이것은 절연층(15)에 증착될 수 있다. 다른 적절한 절연재료의 예는 Si₃O₄ 및 SiO₂를 포함하되, 이로써 제한되지는 않는다.

플라스마(42)는 아르곤 또는 다른 스퍼터링 가스를 챔버로 유동시키고, 이를, 접지된 애노드(57) 및 음으로 바이어스된 캐소드를 가로질러 타겟(12)에 전기적으로 접속된 DC 전원(56)을 선택적으로 설정함으로써, 여기에 점화하여 플라스마로 함으로써 개시되고, 상기 캐소드는 본 발명의 양태에 따르는 타겟(12)을 포함한다. 개시를 위해서는 보다 높은 DC 전압이 필요하지만, -500VDC, -600VDC 등의 약 -400 내지 -700VDC 범위의 타겟 DC 전압, 또는 약 -350 VDC 내지 약 -5kVDC 범위의 다른 모든 적절한 전압은 콘파인먼트 영역 내의 플라스마(42)의 존재를 유지시킬 수 있으며, 상기 전압 범위는 그 범위 내의 모든 전압들을 포함한다. 심지어 DC 전원(56)으로부터 DC 전압이 정지된 후에도, 대전된 입자는 챔버(24) 내에 유지되고 수십 마이크로초 동안 감쇠하는 DC 전압에 기여하며, DC 전원(56)으로부터 DC 전압 정지 후의 잔광 효과(afterglow effect)를 일으킨다. 또한, 콘트롤러(58)는 본원 명세서에서 기술한 바와 같이 DC 전원(56)의 출력을 조절하도록 DC 전원(56)과 작동 가능하게 커플링된다. 또한, 일단 플라스마(42)가 개시되면, 아르곤 또는 다른 스퍼터링 가스의 공급은 플라스마(42)가 개시될 때 존재했던 유량보다 줄어들거나, 또는 콘트롤러(58)로부터의 관리하에서 완전히 임의로 중단될 수 있다. 또한, 절연층(15)의 HIPIMS 스퍼터 증착 도중에 고출력, 저 듀티 사이클 전기 펄스를 방전시키는 DC 전원의 활성화 및 정지는 콘트롤러(58)에 의해 조절될 수 있다.

예를 들면, 콘트롤러(58)는 선택적으로는 0.1kW 이상의 평균 출력을 가진 전기 펄스를 공급하는 각 펄스의 최선단(最先端)에서 DC 전원(56)에 의해 인가된 DC 전압을 반복적으로 급격히 증가시킬 수 있다. 전형적으로, HIPIMS 스퍼터 증착에 따라 전기 펄스는 약 1kW 내지 약 5kW 범위 내의 평균 출력을 가지지만, 약 0.1kW 내지 약 7kW까지의 높은 평균 출력을 포함할 수 있다. 약 30kW 내지 약 300kW의 피크 펄스 출력이 전형적이고, 각 전기 펄스에 의해 생성되는 약 1MW의 피크 출력을 포함하는 보다 높은 피크 출력이 가능하다.

이러한 출력 수준에서는, 10μsec 이상일 수 있지만, 보다 전형적으로는 약 400μsec 내지 약 200μsec일 수 있는 단기간의 전기 펄스로 1 kW/cm^-2 또는 그 이상의 오더(order)의 고출력 밀도를 가할 수 있다. 듀티 사이클(시간 ON/OFF 비)은 예를 들면, 약 10% 이하로 낮을 수 있지만, 또한 약 2% 내지 약 10% 내의 듀티 사이클일 수 있다.

가변 RF 전원(62) 또는 다른 적절하게 변형하는 전원은 받침대(28)에 전기적으로 접속되어 받침대에 고주파 신호를 인가하고, HIPIMS 스퍼터링을 구동하는 동안 받침대(28)에 지지된 반도체 기판(18)에 인접한 자기-바이어스 장을 생성한다. 자기-바어이스 장은 타겟(12)으로부터 반도체 기판(18)에 대하여 수직 방향으로 방출되는 재료의 이온을 가속화하는 데 효과적이다. 그러므로, 10:1 이상의 높은 종횡비를 가짐에도 불구하고, 20:1 이상의 대체 양태에 따라서 홈(12)의 저부 및 홈의 측벽의 더 낮은 부분을 따라 생성된 절연 재료의 증착을 촉진시킨다. 자기-바이어스 전압은 가변 RF 전원(62)에 의해 생성된 고주파 신호의 출력을 변화시킴으로써 임의로 조절될 수 있고 받침대(28)로 전달된다. 본원 명세서에서 논의된 예시적 양태에서는, 고주파 신호의 출력을 서브 범위 및 중간값을 포함하는 약 300 Watts 내지 약 3,000 Watts의 범위 내의 값으로 조정할 수 있다.

DC 전원(56) 및 유량 콘트롤러(52)와 비슷하게, 가변 RF 전원(62)은 콘트롤러(58)에 의해 조절되어 원하는 HIPIMS 스퍼터링 공정이 수행되는 데 필요한 것을 충족시킬 수 있다. 도 1에 도시된 양태에서, 콘트롤러는 가변 RF 전원(62)으로부터의 고주파 신호의 주파수를, 예시적인 양태에서는 서브 범위 및 중간값을 포함하는 약 1㎒ 내지 약 70㎒의 범위 내의, 다른 예시적인 양태에서는 서브 범위 및 중간값을 포함하는 약 1㎒ 내지 약 50㎒의 범위 내의 주파수로 조정할 수 있는 주파수 튜너(64)를 포함한다. 여전히 다른 예시적인 양태에 따르면, 타겟 주파수는 약 13.56㎒에 조정할 수 있고, 임의의 타겟 주파수에 대해서는 주파수 튜너(64)가 특정 HIPIMS 스퍼터링 적용에 있어서 적절한 허용 범위 내에서 고주파 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 예를 들어, 주파수 튜너(64)는 고주파 신호의 주파수를 타겟 주파수의 ±5% 이내 또는 다른 적절한 허용 범위 내에서 조정할 수 있다. 그러나, 간결함 및 명확함을 위하여, 스퍼터링 공정은 약 13.56㎒의 타겟 주파수의 ±5% 내에서 고주파 신호를 사용하여 하기에 기술하고 있다.

또한, 주파수에 추가하여, 콘트롤러(58)는 받침대(28)에 공급되는 고주파 신호의 듀티 사이클 또는 기간도 제어할 수 있다. 예를 들면, 콘트롤러(58)는 고주파 신호의 듀티 사이클을 더 큰 값으로, 하지만 DC 전원으로부터 DC 전압 펄스의 듀티 사이클보다 상당히 크지는 않은 값으로 임의로 조정할 수 있다. 다른 양태에 따르면, 콘트롤러(58)는 적어도 DC 전압의 상응하는 전기 펄스가 타겟(12)에 임의로 공급되는 한, 받침대(28)에 고주파 신호의 공급을 임의로 유지시킬 수 있고 임의로 중단시킬 수 있으며, 또는 적어도 하기에 추가로 상세하게 기술되어 있는 DC 전원에 의한 애노드 및 타겟(12) 맞은편에 있는 DC 전압의 정지 후에야 받침대(28)에 인가된 고주파 신호의 출력을 감소시킬 수 있다.

여전히 다른 양태에 따르면, 콘트롤러(58)는 DC 전원으로부터의 DC 전압의 전기 펄스의 개시 이전에, 고주파 신호의 받침대(28)로의 전송을 개시할 수 있고, DC 전원(56)으로부터의 DC 전압의 전기 펄스의 동안 및 이의 종료 후까지 받침대에 고주파 신호의 전달을 유지할 수 있으며, DC 전원(56)으로부터의 DC 전압의 전기 펄스의 종료 후에 받침대(28)로의 고주파 신호의 전달을 중단시킬 수 있다. 이러한 양태는 도 2의 타이밍 다이어그램에 도시되어 있고, 고주파 신호의 on/off는 HF 선에 의해 표시되고, 전기 펄스의 on/off는 V_DC 선으로 표시된다. 그러므로, 고주파 신호는 둘러싸거나 또는 DC 전원(56)으로부터의 전기 펄스로 동기화되어 있다고 말할 수 있다.

임피던스 매칭 네트워크(66)(도 1)는 콘트롤러(58) 안에 임의로 조립되어 있고 작동 가능하게 연결되어 있다. 임피던스 매칭 네트워크(66)는 가변 RF 전원(62)의 출력 임피던스를 조정하여, 가변 RF 전원(62)이 고주파 신호를 공급하고 있는 부하의 입력 임피던스와 거의 일치하도록 한다. 임피던스를 이러한 방법으로 일치시킴으로써, 출력 전달이 최대화되고 RF 전원(62)에서 본 부하(負荷)로부터 반사 전력이 최소화된다. 임피던스 매칭 네트워크(66)는 임의로 변동할 수 있거나 또는 고정될 수 있고, 대략적으로, 전기 펄스 도중 DC 전원으로부터 최대 DC 전류가 일어날 때 자기-바이어스 장의 최대 전압을 설정하는 것이 실시가능하다.

자기-바이어스 장의 최대 전압과 전원(56)으로부터의 전기 펄스의 최대 DC 전류가 거의 동시에 발생하는 것을 도 3 및 도 4에서 볼 수 있다. 도 3은 약 60 마이크로초 동안 지속하는 펄스를 포함하는 펄스 주기 동안에 다른 DC 펄스 출력 수준에 대한 DC 전류의 예시적인 예를 나타낸다. 도 4는 같은 출력 수준에 대하여 가변 RF 전원(62)에 의해 생성된 반도체 기판(18)에서 자기-바이어스 장의 자기-바이어스 전압의 상응하는 반응의 예를 도시한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 분리된 출력 수준 기록에서 전기 펄스의 최대 DC 전류는 본 특정 펄스에 대한 DC 전압의 인가 후에 대략적으로 60 마이크로초(즉, 가로 좌표를 따라 6.0E-05)에 일어난다. 유사하게, 도 4는 또한 각각의 출력 수준 기록에 대한 최대 자기-바이어스 전압이 본 펄스 동안에 타겟(12) 및 애노드(57) 맞은편의 DC 전압 펄스의 인가가 뒤따르는 대략적으로 60 마이크로초(그것에 합리적으로 근접하게)에 일어난다. 그러므로, 상기 최대 DC 전류 및 최대 자기-바이어스 전압은 각 펄스에 대해 실질적으로 동시에 일어날 수 있다.

여기에 기술된 HIPIMS 스퍼터 증착은 이행 모드라고 언급되는 "금속 모드"와 "반응 모드" 사이에서 실질적으로 수행된다. 반응성 가스의 부재 하에서, 또는 실질적으로 반응성 가스(또는 반응성 가스의 과도한 양)가 존재하지 않는 상태에서 순수 금속의 스퍼터 증착은 종종 스퍼터링 공정의 금속 모드라고 기술되었다. 반응성 가스가 존재하는 경우, 챔버(24)로 유입된 거의 모든 반응성 가스는 타겟(12)으로부터 스퍼터된 입자를 이용한 반응에 의해 소비된다. 반면에, 소위 반응 모드 스퍼터 증착은 챔버(24) 내의 임계양보다 더 많은 양의 반응성 가스의 존재하에서 일어난다. 반응성 가스의 임계 양에 도달하자마자, 챔버(24) 내의 반응성 가스의 부분압의 도약을 관찰할 수 있다. 이행 모드에 따른 HIPIMS 스퍼터 증착은 금속 모드와 반응 모드 사이의 상태에서 수행된다.

또한, 금속 모드에서 반응 모드로의 변환, 또는 그 반대는 실질적으로 폐쇄된 챔버(24)로의 유량 및 실질적인 상수값에서의 HIPIMS 스퍼터 증착에 대한 전기 펄스의 전압을 억제(holding)함으로써 성취될 수 있다. 챔버(24)로의 반응성 가스의 유량을 바꾸는 대신에 DC 전원(56)으로부터 전기 펄스의 기간을 제어할 수 있다. 도 5a의 예에 도시되어 있는 바와 같이, 전기 펄스의 피크 전류 및 평균 방전 전류는 전기 펄스의 기간의 함수로서 플로트되어 있다. 약 600V에 고정된 전기 펄스의 전압 및 약 6sccm의 반응성 가스(본 예에서 O₂) 유량, 약 140μsec에서의 펄스 길이를 이용하여 3A 내지 4A의 평균 전류가 생성되었다. 상대적으로 긴 펄스 기간은 반응성 가스의 상당 부분을 타겟으로부터 방출된 입자와 반응을 초래하므로, 이러한 펄스 기간은 금속 모드와 상응한다.

전기 펄스의 기간이 짧아짐에 따라, 평균 전류는 약 50μsec의 펄스 길이에 상응하는 1A 이상의 극소값에 도달할 때까지 떨어진다. 또한, 전기 펄스 기간을 극소값에 상응하는 시간의 길이를 초과하여 단축시키면, DC 전원(56)에 의해 생성되는 전기 펄스의 평균 방전 전류는 급격하게 상승하여, 반응 모드로의 이행을 나타낸다. 평균 방전 전류의 급격한 상승은 예를 들어, 알루미늄 타겟 재료가 완전 산화에 근접하여 있기 때문에, 산화알루미늄의 2차 전자 방출 계수가 금속 알루미늄의 2차 전자 방출 계수에 대하여 보다 높은 데에 기인할 수 있다. 이행 모드에서의 HIPIMS 스퍼터 증착은 전기 펄스의 기간이 금속 모드를 시사하는 평균 방전 전류에 상응하는 전기 펄스의 시간 길이와 반응 모드를 시사하는 평균 방전 전류에 상응하는 전기 펄스의 시간 길이 사이에서 지속될 때 일어난다. 보다 전형적으로, 이행 모드에서의 HIPIMS 스퍼터 증착에 상응하는 펄스의 기간은 금속 모드와 반응 모드 사이의 평균 방전 전류의 극소값에 상응하는 전기 펄스의 기간과 실질적으로 유사하다. 도 5b에 나타낸 예에서는, 원(77)으로 나타낸, 이행 모드에서의 HIPIMS 스퍼터 증착을 수행하는 전기 펄스의 기간은 50μsec보다 다소 작지만, 50μsec의 합리적인 근접 범위 내로 되도록 선택된다. 전기 펄스의 기간이 50μsec보다 다소 작게 선택되어 졌기 때문에, HIPIMS 스퍼터 증착은 이행 모드에서 수행되지만, 금속 모드보다 반응 모드에 가깝도록 임의로 수행할 수 있다.

다른 양태에 따르면, 콘트롤러(58)는 전기 펄스의 기간을 변경하는 대신에 전기 펄스의 주파수를 변경하여 이행 모드에서 HIPIMS 스퍼터 증착을 수행할 수 있다. 동일하게 유지된 펄스의 기간을 이용하여, 주파수는 금속 모드와 반응 모드 사이의 이행 모드에서 증착을 수행하는 전기 펄스의 바람직한 평균 방전 전류를 설정하는 콘트롤러(58)의 주파수 튜너(64)에 의해 변경될 수 있다.

예를 들어 민감한 전자 소자의 제조를 위한 반도체 기판(18)의 제조와 같은 몇몇 양태에 따르면, 고도로 일시적인 HIPIMS 전기 펄스는 잠재적으로 반도체 기판(18)에 손상을 일으킬 수 있다. 이러한 손상을 최소화하기 위하여, 유전층이 절연층(15)의 HIPIMS 증착 전에 (챔버(24) 이외에 분리 증착 챔버 내에서) 홈(16)의 표면에 임의로 증착될 수 있다. 유전층은 충분히 두꺼워서 HIPIMS 스퍼터 증착 동안에 전기 펄스로부터의 방출에 의해 야기되는 손상으로부터 반도체 기판(18)을 보호한다. 유전층은 HF 바이어스 부재하에 전통적인 DC 펄스된 마그네트론 스퍼터링, HF 마그네트론 스퍼터링, PECVD, 원자 층 증착(ALD), 또는 임의의 다른 적절한 증착 공정에 의해 생성될 수 있다. 따라서, 절연층(15)은, 본원 명세서에 기재되어 있는 바와 같이, 이행 모드에서 HIPIMS 스퍼터 증착에 따라 증착될 때, 유전층에 의해 홈(16)의 표면으로부터 분리된다.

유전층(15)의 HIPIMS 스퍼터 증착 전에 절연층이 증착되든지 관계없이, 유전층(15)을 구비한 홈(12)는 코팅되거나 그렇지 않으면 전기 전도성 재료로 충진될 수 있다. 또 다른 선택적 단계에 따라, 실리콘 관통전극을 생성하기 위하여, 예를 들어 적어도 반도체 기판(18)의 저부 평면(34)의 일부분은 연마에 의해 또는 예시를 위한 다른 적절한 공정에 의해 제거될 수 있다. 반도체 기판(18)의 저부 평면(34)의 일부분을 제거하는 것은 홈(16) 내에 있는 전기 전도성 재료를 반도체 기판(18)이 또 다른 반도체 기판과 함께 적층될 수 있도록 하는 반도체 기판(18)의 새롭게 형성된 저부 평면(34)에 노출시킨다. 기판들 사이의 전기 접속은 다른 반도체 기판과 함께 반도체 기판(18)의 저부 평면(34)에 노출된 접촉을 정렬시킴으로써 설정될 수 있다. 그러므로, IC가 형성될 수 있는 반도체 기판의 적층된 배열을 형성할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, HIPIMS 증착 방법에 따라 장치를 이용하여 증착 진행은 수행되었다. Al₂O₃는 예를 들어 타겟(12) 아래에 제공된 회전하는 자석 배열을 갖는, 오씨 외를리콘 발처스 악티엔게젤샤프트가 제조한 외를리콘 클러스터 툴과 같은 단일 기판 진공 공정 시스템 내에서 200mm 실리콘 기판(18)에 HIPIMS에 의해 반응적으로 스퍼터링되었다. 증착 파라미터는 하기의 표 1에 기재되어 있다.

일정한 전기 펄스 전압 및 반응성 가스(산소) 유량의 세트에 대하여, 500㎐주파수에서 10%의 높은 전기 펄스 듀티 사이클에 기인하여 HIPIMS 스퍼터 증착이 금속 모드에서 수행된 경우에 HIPIMS 전기 펄스 길이는 약 200μsec의 최대값으로부터 조절되었다. 이 모드에서 증착된 필름은 높은 알루미늄 함유량을 갖는 Al₂O₃혼합물을 포함하고 갈색이지만, 다소 투명한 색을 띤다. 이 시작점으로부터 HIPIMS 전기 펄스 길이는 점진적으로 감소하고 전기 펄스의 평균 방전 전류는 기록된다. 듀티 사이클이 감소하는 경우, 평균 방전 전류는 극소값으로 감소한다. 이 극소값을 넘어서, 상기 전류는 반응 모드로의 전환을 나타내면서 다시 증가한다. 증가하는 전류-그러므로 디포짓된(deposited) 출력-는 산화된 알루미늄의 높은 2차 전자 방출 계수가 금속성 알루미늄에 대비하여 높은 것으로 인한 것이다. 이러한 이행 영역에서는 투명한 Al₂O₃절연층 및 금속 모드에서 경험하는 바와 거의 동등한 높은 증착률을 경험했다. 전기 펄스 기간을 추가로 감소시킴으로써, 타겟이 실질적으로 완전히 산화되도록 하고 증착률이 급격하게 저하된다. 도 5a 내지 도 5c에 나타나는 플롯은 HIPIMS 전기 펄스 길이의 함수로서 전기 펄스 전압 및 고정된 O₂ 유량의 다양한 세트에 대하여 평균 전류 및 피크 전류를 도시한다.

타겟:	알루미늄(Al)
타겟 직경:	300mm
타겟 기판 길이:	70mm
HIPIMS 펄스 반복 주파수:	500㎐
HIPIMS 전기 펄스 길이:	400-200
듀티 사이클:	μsec
펄스 피크 출력:	약 30kW 내지 약 300kW
아르곤 유량:	100 sccm
산소 유량:	약 5 내지 약 20 sccm
평균 출력:	1 - 5 kW

처음에 DC 전원(56)은 일정한 전압 모드로 맞추어 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시된 결과에 대하여 600V의 전기 펄스를 생성한다. 상기에서 논의한 바와 같이 도 5a는 약 6sccm의 반응성 가스(O₂) 유량 및 약 600V의 일정한 전압에 대하여 약 140μsec에서 약 40μsec까지 전기 펄스의 기간을 변화시키는 결과를 나타낸다. 증착된 절연층(15)은 Al₂O₃이다. 마찬가지로, 도 5b는 약 8sccm의 일정한 반응성 가스(O₂) 유량 및 약 600V의 일정한 전압에 대하여 약 140μsec에서 약 30μsec까지 전기 펄스의 기간을 변화시키는 결과를 나타낸다. 본 실험을 위해 채택된 이행 모드에 대한 전기 펄스의 기간은 원(77)에 의해 식별된다. 생성된 절연층(15)은 이행 모드에서 증착되는 경우, 실질적으로 투명하다. 유사하게, 도 5c는 약 12sccm의 일정한 반응성 가스(O₂) 유량 및 약 600V의 일정한 전기 펄스 전압에 대하여 약 140μsec에서 약 60μsec까지 전기 펄스의 기간을 변화시키는 결과를 나타낸다.

도 6a 내지 도 6c는 HIPIMS 전기 펄스 기간의 함수로서 다른 전기 펄스 전압(각각 500V, 600V 및 700V)에 대하여 약 8 sccm의 고정된 반응성 가스(O₂) 유량에 대한 HIPIMS 전기 펄스의 평균 및 피크 전류의 플롯을 도시한다. 다시, 도 6b에서는 약 8 sccm의 고정된 반응성 가스 유량 및 약 600V의 고정된 전기 펄스 전압에 대한 펄스 기간을 식별하는 원(77)을 포함한다. 절연층을 고속에서 실질적으로 투명한 Al₂O₃를 증착하는, 원(77) 내에서 감소하는 펄스 기간을 갖고 증착했다. 이러한 HIPIMS 증착 과정을 통하여, 표 2의 특정한 증착률이 관찰되었다. 그러므로, 이러한 관측으로부터 이행 모드에서 HIPIMS 절연 증착률이 반응 모드에서보다 8배 초과하여 더 높다는 것을 결정할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 이행 모드에서 절연층으로써 증착된 최종 Al₂O₃의 광학적 특성을 타원 편광 분광법(spectroscopic ellipsometry)으로 측정하고, 하기 표 3에 정리했다.

금속 모드에서의 Al₂O₃절연층 증착 속도:	6-8Å/kWs
반응 모드에서의 Al₂O₃절연층 증착 속도:	0.3-0.8Å/kWs
이행 모드에서의 Al₂O₃절연층 증착 속도:	2.5-4.2Å/kWs

굴절률(n):	1.58-1.70
흡수 계수(k):	0.002-0.010

도 7은 약 11 sccm의 반응성 가스(O₂) 유량 및 고정 전압 450V를 갖는 45μsec 전기 펄스 및 약 6 sccm의 반응성 가스(O₂) 유량 및 고정 전압 200V를 갖는 200μsec 전기 펄스에 대한 방전 전류의 발달의 오실로스코프 트레이스를 나타낸다. 증착되어 생성된 Al₂O₃유전층은 둘 다 실질적으로 투명했다. 이러한 절연층의 특성은 하기 표 4에 나타내었다.

펄스 길이 (μsec)	전기 펄스 전압 (V)	평균 출력 (kW)	스퍼터 가스 (Ar) 유량 (sccm)	반응성 가스 (O₂) 유량 (sccm)	굴절률	흡수	절연층 증착속도 (Å/s)	비증착 속도 (Å/kWs)
200	450	1.6	100	10.3	1.626	0.0021	6.6	4.1
48	600	1.2	100	6	1.700	0.0041	4.3	3.6

홈의 표면의 상당부에 절연층을 증착하는 바람직한 방향성 HIPIMS 스퍼터 증착을 이루기 위하여, 또 다른 증착 과정이 실행되었고, RF 가변 전원으로부터 고주파 신호를 가지고 생성되어 겹쳐진 전기장에 의해 고도로 이온화된 HIPIMS 방전에서 생성된 이온의 가속을 포함한다. 증가하는 필름의 절연 속성에 기인하여 고주파(HF) 바이어스가 이용되었다. 고주파 신호는 밀도가 증가함에도 불구하고 가속화시키는 전압을 유지할 수 있는 적절한 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 적용되었다. 방전 전류는 시간의 함수로서 측정되었고 이를 플로팅하여 도 8에 나타내었다.

Al₂O₃절연층은 약 2.5:1 및 약 10:1의 종횡비를 갖는 깊은 실리콘 에칭(DSE)에 의해 제조된 홈 안으로 증착되었다. 도 9는 이러한 코팅된 홈들의 SEM 단면을 나타낸다. 도 10에 도시된 장소에 있어서의 Al₂O₃스텝 피복을 이들 단면으로부터 정량적으로 분석하고, 그 결과가 도 11에 도해적으로 요약되어 있다. 종횡비 10:1을 갖는 홈에서 약 15%의 저면 피복(bottom coverage)을 달성할 수 있는 것이 관찰될 수 있다. 상기 홈의 가장자리의 피복은 3과 4% 사이에 있으나, 이러한 값들이 도 8에서 측정되고 재현된 바와 같이 전압 감소가 줄어들 수 있고, 최적화된 HF 바이어스 매치 작동(work)에 의해 개선될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 상기의 최적화된 HF 바이어스 매치 작동의 일례는 도 12에 도시되어 있고, 0.6μH의 코일을 갖는 조정 가능한 진공 축전지 2개를 포함한다. 그 결과는 도 13에 오실로스코프 트레이스로 도해적으로 나타나고, 이는 상기 HF 바이어스 전압이 약 300A까지의 HIPIMS 전류에 대하여 약 180V에 머무른다는 것을 나타내고 있다.

상기에서 본 발명의 예시적 양태가 기술되었다. 상기 장치 및 방법이 본 발명의 일반적 범위로부터 시작되지 않는 수정 및 변화를 포함할 수도 있는 것은 상기 기술에 숙련된 자들에게 명백할 것이다. 그러한 수정 및 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 해석되어야 한다. 뿐만 아니라, 발명의 상세한 설명 또는 청구항의 기재에 있어서 "포함하다(include)"라는 용어는 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 포괄적인 개념의 연결어로서 의도되었다.

Claims

폐쇄된 챔버를 한정하는 하우징;
스퍼터 증착하는 동안 기판을 상기 챔버 내부에 지지하기 위한, 상기 챔버의 내부에 노출되는 받침대;
공동(cavity)의 표면 위에 증착되는 절연층에 포함되는 재료로부터 형성된 타겟의 표면에 인접하게 자기장을 제공하기 위한 자석 조립체;
캐소드와 애노드 사이의 자기장 내에서 플라스마의 급격한 전압 증가를 유지하는 고출력 전기 펄스를 설정하기 위한, 상기 전기 펄스의 평균 출력이 0.1kW 이상인 전원(power supply); 및
금속 모드와 반응 모드 사이의 이행 모드(transition mode)에서 절연층의 스퍼터 증착을 수행하도록 스퍼터링 장치의 작동 파라미터를 제어하기 위한 콘트롤러를 포함하며,
이행 모드에서 절연층의 스퍼터 증착을 수행하도록 콘트롤러에 의해 제어되는 작동 파라미터가 전기 펄스의 기간(duration)이며, 이에 의해 전기 펄스의 평균 방전 전류를 최소화하는,
기판에 형성되는 공동(cavity)의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하기 위한 스퍼터링 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
절연층에 포함되는 타겟의 재료가 실리콘 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 스퍼터링 장치.
제1항에 있어서,
절연층의 스퍼터 증착 동안에 전기 펄스의 전압이 일정하게 유지되는 스퍼터링 장치.
삭제
제1항에 있어서,
폐쇄된 챔버로의 반응성 가스의 유량은 일정한 값으로 유지되는 스퍼터링 장치.
제1항에 있어서,
상기 전기 펄스의 기간은 전기 펄스의 주파수에 의해 조절되는 스퍼터링 장치.
삭제
제1항에 있어서,
기판 근처에 자기-바이어스 장(self-bias field)을 생성하도록 기판 지지용의 받침대에 고주파 신호를 적용하기 위해, 받침대에 전기적으로 접속된 가변 전원(varialbe power source)를 추가로 포함하는 스퍼터링 장치.
제10항에 있어서,
절연층의 임피던스가 증가하도록 전압의 증가를 유지시키기 위해, 공급되는 부하의 임피던스를 가변 전원에 의해 생성되는 고주파 신호와 매칭(matching)하기 위한 임피던스 매칭 네트워크(impedance matching network)를 추가로 포함하는 스퍼터링 장치.
제11항에 있어서,
임피던스 매칭 네트워크가 고출력 전기 펄스를 설정하는 전원에 의해 공급되는 최대 방전 전류와 동시에 최대 자기-바이어스 전압을 설정하는 스퍼터링 장치.
제1항에 있어서,
이행 모드에서 증착된 절연층의 특정 증착 속도가 2.5Å/kWs 이상인 스퍼터링 장치.
제1항에 있어서,
이행 모드에서 증착된 절연층의 특정 증착 속도가 2.5Å/kWs 내지 4.2Å/kWs의 범위인 스퍼터링 장치.
절연층에 포함되는 재료로부터 형성되는 타겟 및 하우징에 의해 한정된 폐쇄된 챔버 내에 기판을 제공하는 단계;
폐쇄된 챔버 내에서 플라스마를 점화하는 단계;
타겟의 표면에 인접하게 플라스마를 함유하는 타겟의 표면에 인접하게 자기장을 제공하는 단계;
캐소드와 애노드 사이에 고출력 전기 펄스를 반복적으로 설정하도록 전압을 급격하게 증가시키되, 상기 전기 펄스의 평균 출력이 0.1kW 이상인 단계;
금속 모드와 반응 모드 사이의 이행 모드에서 절연층의 스퍼터 증착을 촉진하도록 작동 파라미터를 제어하는 단계; 및
타겟으로부터의 재료를 폐쇄된 챔버 내의 반응성 가스와 반응시켜 절연 재료를 형성하고, 당해 절연 재료를 공동의 표면 위에 증착시키는 단계를 포함하며, 이행 모드에서 절연층의 스퍼터 증착을 촉진하도록 작동 파라미터를 제어하는 단계는 전기 펄스의 평균 방전 전류를 최소화하도록 전기 펄스의 기간을 제어하는 것을 포함하는,
기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.
제15항에 있어서,
절연 재료를 공동의 표면 위에 스퍼터 증착하기 전에, 유전층을 공동의 표면 위에 증착시키는 단계를 추가로 포함하되, 상기 유전층은 공동의 표면으로부터 절연층을 분리시키는, 기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.
삭제
제15항 또는 제16항에 있어서,
전기 펄스의 전압 및 폐쇄된 챔버로의 반응성 가스의 유량 중의 하나 이상을 일정한 값으로 유지시키는 단계를 추가로 포함하는, 기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 전기 펄스의 기간은 전기 펄스의 주파수를 제어하함으로써 조절되는, 기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.
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제15항 또는 제16항에 있어서,
폐쇄된 챔버 내부에서 기판을 지지하는 지지체에 고주파 신호를 적용하여 기판에 인접하게 자기-바이어스 장을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.
제21항에 있어서,
절연층의 임피던스가 증가하도록 전압의 증가를 지속시키기 위해, 공급되는 부하의 임피던스를 가변 전원에 의해 생성되는 고주파 신호와 매칭시키는 단계를 추가로 포함하는, 기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.
제22항에 있어서,
임피던스 매칭 네트워크가 고출력 전기 펄스를 설정하는 전원에 의해 공급되는 최대 방전 전류와 동시에 최대 자기-바이어스 전압을 설정하는, 기판에 형성되는 공동의 표면 위에 절연층을 스퍼터 증착하는 방법.