KR102195798B1 - 스퍼터링 샤워헤드 - Google Patents

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아난타 케이. 수브라마니
티자-징 궁
프라부람 고팔라자
하리 케이. 포네칸티
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

일 구현에서, 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리가 제공된다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 타겟 재료를 포함하는 스퍼터링 표면 및 스퍼터링 표면 반대편의 제2 표면을 포함하는 면판을 포함하며, 복수의 가스 통로들이 스퍼터링 표면으로부터 제2 표면으로 연장된다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 면판의 제2 표면 근처에 포지셔닝된 백킹 플레이트(backing plate)를 더 포함한다. 백킹 플레이트는 제1 표면 및 제1 표면 반대편의 제2 표면을 포함한다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 백킹 플레이트의 제1 표면과 면판의 제2 표면에 의해 정의되는 플레넘(plenum)을 갖는다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는 백킹 플레이트의 제2 표면을 따라 포지셔닝된 하나 이상의 마그네트론들을 더 포함한다.

Description

스퍼터링 샤워헤드
[0001] 본원에서 설명되는 구현들은 일반적으로, 재료들을 증착하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 물리 기상 증착 및 화학 기상 증착 둘 모두가 가능한 스퍼터링 샤워헤드를 갖는 기상 증착 챔버에 관한 것이다.
[0002] 집적 회로들의 제조에서, 증착 프로세스들, 이를테면, 화학 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition) 또는 물리 기상 증착(PVD; physical vapor deposition)은 반도체 기판들 상에 다양한 재료들의 막들을 증착하는 데 사용된다. 이러한 증착 프로세스들은 종종, 별개의 인클로징된 프로세스 챔버들 내에서 발생한다.
[0003] 프로세스 가스들은 CVD 챔버 내에서 기판 상에 막들을 증착하는 데 사용된다. 프로세스 가스들은 기판 지지부 상에 포지셔닝된 기판에 공급될 수 있다. 프로세스 가스들을 제거하기 위해, 퍼지 가스가 제공될 수 있다. 프로세스 가스 및 퍼지 가스는, 프로세스 영역으로부터 멀리에, 이를테면, 프로세스 챔버의 외측 둘레 주위에 배치된 공통 배기부(common exhaust)를 사용하여, 프로세스 챔버로부터 제거되어, 프로세스 영역에서 프로세스 가스와 퍼지 가스의 혼합을 방지할 수 있다.
[0004] PVD 프로세스는, 플라즈마 구역 내에 생성된 이온들을 이용하여 소스 재료를 포함하는 타겟을 스퍼터링하여, 방출된 소스 재료가 기판으로 이동하게 하는 것을 포함한다. 방출된 소스 재료는 기판 상에 형성된 네거티브 전압 또는 바이어스를 통해 기판을 향해 가속될 수 있다. 일부 PVD 프로세스 챔버들은 RF 에너지를 타겟에 제공하여 균일성을 증가시킨다.
[0005] 2개의 프로세스 챔버들은 증착을 위해 매우 상이한 프로세스 컨디션들을 이용한다. CVD 프로세스들은 PVD 프로세스들보다 훨씬 더 높은 온도들에서 동작하고, 특화된 전구체들의 사용을 포함한다. 옥사이드 및 금속의 다수의 층들을 기판 상에 증착하기 위해, 기판은 하나의 챔버로부터 다음 챔버로, 그리고 이어서 다시 역으로(back again) 이송된다. 위에서 설명된 어레인지먼트를 사용 시, 하나의 시스템으로부터 다음 시스템으로의 트랜지션 동안에, 특히 옥사이드 및 금속의 교번적인 층들을 증착하려고 시도할 때, 오염물들 및 다른 불순물들이 기판 상에 증착되어, 반도체 막에 불균일성을 야기할 수 있다.
[0006] 따라서, 기판 상에 옥사이드 및 금속을 증착하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.
[0007] 본원에서 설명되는 구현들은 일반적으로, 재료들을 증착하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 물리 기상 증착 및 화학 기상 증착 둘 모두가 가능한 스퍼터링 샤워헤드를 갖는 기상 증착 챔버에 관한 것이다. 일 구현에서, 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리가 제공된다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 타겟 재료를 포함하는 스퍼터링 표면 및 스퍼터링 표면 반대편의 제2 표면을 포함하는 면판(faceplate)을 포함하고, 복수의 가스 통로들이 스퍼터링 표면으로부터 제2 표면으로 연장된다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 면판의 제2 표면 근처에 포지셔닝된 백킹 플레이트(backing plate)를 더 포함한다. 백킹 플레이트는 제1 표면 및 제1 표면 반대편의 제2 표면을 포함한다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 백킹 플레이트의 제1 표면과 면판의 제2 표면에 의해 정의되는 플레넘(plenum)을 갖는다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는 백킹 플레이트의 제2 표면을 따라 포지셔닝된 하나 이상의 마그네트론들을 더 포함한다.
[0008] 다른 구현에서, 증착 챔버가 제공된다. 증착 챔버는 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리 및 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리 아래에 배치된 기판 지지부를 포함한다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 타겟 재료를 포함하는 스퍼터링 표면 및 스퍼터링 표면 반대편의 제2 표면을 포함하는 면판을 포함하고, 복수의 가스 통로들이 스퍼터링 표면으로부터 제2 표면으로 연장된다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 면판의 제2 표면 근처에 포지셔닝된 백킹 플레이트를 더 포함한다. 백킹 플레이트는 제1 표면 및 제1 표면 반대편의 제2 표면을 포함한다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는, 백킹 플레이트의 제1 표면과 면판의 제2 표면에 의해 정의되는 플레넘을 갖는다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는 백킹 플레이트의 제2 표면을 따라 포지셔닝된 하나 이상의 마그네트론들을 더 포함한다.
[0009] 또 다른 구현에서, 증착 방법이 제공된다. 방법은, 기판을 기판 지지부 상에 포지셔닝하는 단계 및 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리의 면판을 통해 내부 볼륨 내로 전구체 유체를 유동시켜 제1 층을 기판 상에 증착하는 단계를 포함한다. 내부 볼륨은 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리와 기판 지지부 사이에 배치된다. 방법은, 제1 층 상에 제2 층을 증착하기 위해 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리의 면판으로부터 하나 이상의 금속들을 스퍼터링하는 단계를 더 포함한다.
[0010] 본 개시내용의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된 본 구현들의 보다 구체적인 설명이 구현들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 구현들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 구현들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 구현들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0011] 도 1은 본원에서 설명되는 구현들에 따른 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리를 포함하는 플라즈마 챔버의 부분적으로 개략적인 측단면도를 도시하고;
[0012] 도 2는 본원에서 설명되는 구현들에 따른 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리의 백킹 플레이트의 개략적인 측면도를 도시하고;
[0013] 도 3a는 본원에서 설명되는 구현들에 따른 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리의 면판의 개략적인 측면도를 도시하고;
[0014] 도 3b는 도 3a의 면판의 상면도를 도시하고; 그리고
[0015] 도 4는 본원에서 설명되는 구현들에 따라 재료를 증착하기 위한 방법의 일 구현의 프로세스 흐름도를 도시한다.
[0016] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통적인 동일한 엘리먼트들을 가리키기 위해 가능한 경우 동일한 도면부호들이 사용되었다. 일 구현의 엘리먼트들 및 피처(feature)들이 추가의 언급없이 다른 구현들에 유익하게 통합될 수 있음이 고려된다.
[0017] 다음의 개시내용은, 물리 기상 증착(PVD) 및 화학 기상 증착(CVD) 프로세스들 둘 모두를 수행하는 스퍼터링 샤워헤드 및 스퍼터링 샤워헤드를 포함하는 프로세싱 챔버를 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다음의 설명에서 그리고 도 1-4에서 특정 세부사항들이 설명된다. PVD 및 CVD와 종종 연관되는 잘 알려진 구조들 및 시스템들을 설명하는 다른 세부사항들은 다양한 구현들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 다음의 개시내용에서 설명되지 않는다.
[0018] 도면들에 도시된 세부사항들, 치수들, 각도들 및 다른 피처들 대부분은 단지 특정 구현들의 예시일 뿐이다. 따라서, 다른 구현들은 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 세부사항들, 컴포넌트들, 치수들, 각도들 및 피처들을 가질 수 있다. 또한, 본 개시내용의 추가의 구현들은 아래에서 설명되는 몇몇 세부사항들 없이 실시될 수 있다.
[0019] 도 1은, 본원에서 설명되는 구현들에 따라 기판(105)을 프로세싱할 수 있는 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)의 일 구현을 포함하는 예시적인 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 부분적으로 개략적인 측단면도이다. 도 2는 본원에서 설명되는 구현들에 따른 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)의 백킹 플레이트(160)의 개략적인 측면도이다. 도 3a는 본원에서 설명되는 구현들에 따른 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)의 면판(152)의 개략적인 측면도이다. 도 3b는 도 3a의 면판(152)의 상면도이다.
[0020] 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)는, 복수의 가스 전달 통로들을 포함하고 스퍼터링 타겟으로서 기능하는 면판을 포함한다. 플라즈마-프로세싱 챔버(100)는, 금속들 또는 금속 옥사이드들을 기판 상에 증착할 수 있는 물리 기상 증착(PVD) 챔버 및 유전체 재료들을 기판 상에 증착할 수 있는 화학 기상 증착(CVD) 챔버 둘 모두로서 기능한다. 플라즈마-프로세싱 챔버(100)는 또한, 다른 목적들을 위해, 이를테면, 예컨대, 옥사이드들, 나이트라이드들, 알루미늄, 구리, 탄탈룸, 탄탈룸 나이트라이드, 탄탈룸 카바이드, 텅스텐, 텅스텐 나이트라이드 및 티타늄을 증착하기 위해 사용될 수 있다.
[0021] 플라즈마-프로세싱 챔버(100)는, 내부 볼륨(110) 또는 플라즈마 구역을 둘러싸는 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150), 최하부 벽(106) 및 측벽들(104)을 갖는 챔버 바디(102)를 포함한다. 챔버 바디(102)는 통상적으로, 알루미늄의 일체형 블록 또는 스테인리스 강의 용접된 플레이트들로 제조된다. 일 구현에서, 측벽들(104)은 알루미늄을 포함하고, 최하부 벽(106)은 스테인리스 강을 포함한다. 측벽들(104)은 일반적으로, 플라즈마-프로세싱 챔버(100)로부터의 기판(105)의 출입(entry and egress)을 제공하기 위해 슬릿 밸브(이 도면에서는 도시되지 않음)를 포함한다. 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)는 이동가능 실드와 함께, 내부 볼륨(110) 내에 형성된 플라즈마를 기판(105) 위의 구역으로 한정한다.
[0022] 페디스털 어셈블리(120)는 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 최하부 벽(106)으로부터 지지된다. 페디스털 어셈블리(120)는 프로세싱 동안 기판(105)을 지지한다. 페디스털 어셈블리(120)는 리프트 메커니즘(lift mechanism)(122)에 의해 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 최하부 벽(106)에 커플링되고, 리프트 메커니즘(122)은 페디스털 어셈블리(120)를 상부 포지션과 하부 포지션 사이에서 이동시키도록 구성된다. 부가적으로, 하부 포지션에서, 리프트 핀들이 페디스털 어셈블리(120)를 통해 이동되어, 기판(105)을 페디스털 어셈블리(120)로부터 이격시켜, 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 외부에 배치된 웨이퍼 이송 메커니즘, 이를테면, 단일 블레이드 로봇(도시되지 않음)을 이용한 기판의 교환을 용이하게 한다. 선택적으로, 벨로우즈(bellows)(도시되지 않음)가 통상적으로, 페디스털 어셈블리(120)와 최하부 벽(106) 사이에 배치되어, 챔버 바디(102)의 내부 볼륨(110)을 페디스털 어셈블리(120)의 내부 및 챔버의 외부로부터 격리시킨다.
[0023] 페디스털 어셈블리(120)는 일반적으로, 기판 지지부(126)를 포함한다. 기판 지지부(126)는 알루미늄 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 기판 지지부(126)는 프로세싱 동안 기판(105)을 수용 및 지지하는 기판-수용 표면(127)을 가지며; 기판 수용 표면(127)은 면판(152)의 스퍼터링 표면(154)과 평행한 또는 실질적으로 평행한 평면을 정의한다. 기판 지지부(126)는 정전 척, 세라믹 바디, 가열기 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 구현에서, 기판 지지부(126)는, 전도성 층이 내부에 임베딩된 유전체 바디를 포함하는 정전 척이다. 유전체 바디는 통상적으로, 높은 열 전도성 유전체 재료, 이를테면, 열분해성 붕소 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드, 알루미나 또는 동등한 재료로 제조된다. 일 구현에서, 기판 지지부(126)는, RF 전력 소스(121)에 의해 (통상적으로 매칭 네트워크를 통해) 바이어싱되는 최하부 전극으로서 기능한다. 일 구현에서, 기판 지지부는 회전가능하다.
[0024] 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)는 일반적으로, 면판(152), 면판(152)과 대향하는 백킹 플레이트(160), 및 하나 이상의 마그네트론들(170a-170f)(통칭하여 170)을 포함한다. 하나 이상의 마그네트론들(170a-170f)은 균일성 및 부식 제어를 향상시킬 수 있다. 면판(152)과 백킹 플레이트(160)는 플레넘(180)을 정의한다.
[0025] 면판(152)은, 내부 볼륨(110) 근처의 제1 표면 또는 스퍼터링 표면(154), 및 플레넘(180) 근처의 그리고 스퍼터링 표면 반대편의 제2 표면(156) 또는 상부 표면을 포함한다. 면판(152)은 제2 표면(156)으로부터 스퍼터링 표면(154)으로 연장되는 복수의 가스 통로들(158)을 갖는다. 복수의 가스 통로들(158)은 내부 볼륨(110)과 플레넘(180)을 커플링시키고, 플레넘(180)으로부터 내부 볼륨(110)으로 프로세싱 가스들을 전달하기 위한 도관을 제공한다. 복수의 가스 통로들(158)은 또한, 다른 가스들, 이를테면, 캐리어 가스들, 퍼지 가스들, 및/또는 세정 가스들을 내부 볼륨(110)으로 전달하는 데 사용될 수 있다. 일 구현에서, 복수의 가스 통로들(158)은 기판 지지부(126)의 표면 영역에 대응하는, 면판(152)의 표면 영역에 걸쳐 균등하게 분포된다. 플레넘(180) 내로 유입되는 가스는, 복수의 가스 통로들(158)을 통한 내부 볼륨(110) 내로의 유입을 위해 면판(152) 뒤에 균등하게 분산될 수 있다.
[0026] 일 구현에서, 가스는 가스 입력부(130)를 통해 플레넘(180) 내로 유입될 수 있다. 가스는 가스 소스(132)에 의해 제공될 수 있다. 일 구현에서, 가스 소스(132)는 프로세싱 가스 소스를 포함할 수 있다. 다른 구현에서, 가스 소스(132)는 세정 가스 소스를 포함할 수 있다. 가스는 가스 소스(132)로부터 원격 플라즈마 소스(134)를 통해 이동할 수 있다. RF 전력 소스(138)는 또한, RF 피드(feed)(136)에 의해 가스 입력부(130)와 커플링될 수 있다. 일부 구현들에서, DC 전력 소스는 DC 피드에 의해 가스 입력부(130)와 커플링된다.
[0027] 일 구현에서, 면판(152)은 타겟 재료로 형성된다. 면판(152)은, 증착 프로세스 동안 기판(105) 상에 증착되는 재료를 제공한다. 면판(152)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 타겟 재료들은, 알루미늄, 강, 스테인리스 강(예컨대, 선택적으로 니켈을 함유하는 철-크롬 합금들), 철, 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 탄탈룸, 탄탈룸 나이트라이드, 탄탈룸 카바이드, 텅스텐, 텅스텐 나이트라이드, 티타늄, 이들의 합금, 및 이들의 조합들을 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음). 일 구현에서, 면판(152)은 평면형 디스크이다.
[0028] 백킹 플레이트(160)는 플레넘(180) 근처의 제1 표면(162) 또는 하부 표면 및 제1 표면(162) 반대편의 제2 표면(164) 또는 상부 표면을 포함한다.
[0029] 일 구현에서, 백킹 플레이트(160)는 전도성 재료, 이를테면, 금속 또는 금속 합금들로 형성될 수 있다. 일 구현에서, 백킹 플레이트(160)는 금속으로 형성된다. 예시적인 금속들은, 알루미늄, 강, 스테인리스 강(예컨대, 선택적으로 니켈을 함유하는 철-크롬 합금들), 철, 니켈, 크롬, 이들의 합금, 및 이들의 조합들로 이루어진 또는 이들을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일 구현에서, 백킹 플레이트(160)는 평면형 디스크이다.
[0030] 일 구현에서, 절연체(도시되지 않음)가 면판(152)과 백킹 플레이트(160) 사이에 포지셔닝된다. 절연체는 면판(152)과 백킹 플레이트(160) 사이에 전기적 절연을 제공한다. 일 구현에서, 절연체는 세라믹 재료, 예컨대 알루미늄 나이트라이드(AlxNy) 또는 알루미늄 옥사이드(Al2O3)로 형성된다.
[0031] 일 구현에서, 면판(152)은 리세스형 부분(recessed portion)(159)을 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플레넘(180)은 백킹 플레이트(160)의 제1 표면(162)과 리세스형 부분(159)에 의해 정의된다. 플레넘(180)은 내부 볼륨(110) 위에 포지셔닝되고, 그리고 프로세싱 가스들을 내부 볼륨(110)에 공급하기 위한 복수의 가스 통로들(158)을 통해 내부 볼륨(110)과 유동적으로 커플링된다.
[0032] 하나 이상의 마그네트론들(170a-170f)(통칭하여 170)은 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 외부 상의 백킹 플레이트(160)의 제2 표면(164)에 커플링된다. 하나 이상의 마그네트론들(170)은 면판(152)의 스퍼터링 표면(154)의 부식을 제어하도록 포지셔닝된다. 일 구현에서, 하나 이상의 마그네트론들(170)은 면판(152) 위에 포지셔닝된다. 하나 이상의 마그네트론들(170)은 샤프트에 연결된 베이스 플레이트에 의해 지지되는 하나 이상의 마그넷들을 포함할 수 있고, 샤프트는 면판(152)의 중심 축과 축방향으로 정렬될 수 있다. 마그넷들은, 상당한 이온들의 플럭스가 면판(152)에 충돌하여 타겟 재료의 스퍼터 방출들을 야기하도록, 플라즈마를 생성하기 위해, 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내에서 면판(152)의 전면 근처에 자기장을 생성한다. 마그넷들은 면판(152)의 스퍼터링 표면(154)에 걸쳐 자기장의 균일성을 증가시키기 위해 면판(152)을 중심으로 회전될 수 있다. 하나 이상의 마그네트론들(170)은 PVD 프로세스 동안에는 통상적으로 온(on)되지만, CVD 프로세스 동안에는 통상적으로 오프(off)된다. 하나 이상의 마그네트론들(170)은, 사용되는 경우, CVD 프로세스 동안, 플라즈마와 상당히 간섭한다는 것을 본 발명자들이 발견하였다.
[0033] 면판(152)의 스퍼터링 표면(154)은 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 내부 볼륨(110)에 노출된다. 면판(152)은, PVD 프로세스 동안 기판 상에 증착되는 재료를 제공한다. 절연체 링(184)은 면판(152)과 챔버 바디(102) 사이에 배치되어 면판(152)과 챔버 바디(102)를 전기적으로 절연시킨다.
[0034] 면판(152)은, RF 전력 소스(140)에 의해 (통상적으로 매칭 네트워크를 통해) 접지, 예컨대 챔버 바디(102)에 대해 바이어싱된다. 다른 구현에서, 가스, 이를테면, 아르곤이 가스 소스(142)로부터 플레넘(180) 및 복수의 가스 통로들(158)을 통해 내부 볼륨(110)에 공급된다. 가스 소스(142)는, 면판(152)에 활성적으로(energetically) 충돌하여 그 면판(152)으로부터 타겟 재료를 스퍼터링할 수 있는 비-반응성 가스, 이를테면, 아르곤 또는 크세논을 포함할 수 있다. 가스 소스(142)는 또한, 기판 상에 층을 형성하기 위해, 스퍼터링된 타겟 재료와 반응할 수 있는 반응성 가스, 이를테면, 산소-함유 가스, 질소-함유 가스, 및 메탄-함유 가스 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 가스 소스(142)는 또한, CVD 프로세스를 통해 기판(105) 상에 막을 증착하기 위한 프로세싱 가스들을 포함할 수 있다. 사용된(spent) 프로세스 가스 및 부산물들은 배기 포트들(146)을 통해 플라즈마-프로세싱 챔버(100)로부터 배기되며, 그 배기 포트들(146)은 사용된 프로세스 가스를 수용(receive)하고 그리고 사용된 프로세스 가스를 배기 도관(148)으로 지향(direct)시키며, 그 배기 도관(148)은 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내의 가스의 압력을 제어하기 위한 스로틀 밸브를 갖는다. 배기 도관(148)은 하나 이상의 배기 펌프들(149)에 연결된다. 통상적으로, 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내의 스퍼터링 가스의 압력은, 대기압-미만(sub-atmospheric) 레벨들, 이를테면, 진공 환경, 예컨대 0.6 mTorr 내지 대략 400 mTorr의 가스 압력들로 설정된다. 플라즈마가 가스로부터 기판(105)과 면판(152) 사이에서 형성된다. 플라즈마 내의 이온들이 면판(152)을 향해 가속되어, 면판(152)으로부터 재료가 방출(dislodge)되게 한다. 방출된 타겟 재료는 기판(105) 상에 증착된다.
[0035] 일 구현에서, 플라즈마-프로세싱 챔버(100)는 챔버 바디(102) 내에 접지된 이동가능 라이너(174)를 포함한다. 이동가능 라이너(174)는 내부 볼륨(110)을, 측벽들(104) 및 절연체 링(184)으로부터 차폐한다. 측벽들(104)은 알루미늄 또는 스테인리스 강일 수 있다. 측벽들(104)은 전구체들과 반응하여 내부 볼륨(110) 내에 오염을 야기할 수 있다. 이동가능 라이너(174)는 더 높은 압력의 CVD 프로세싱 동안 아래로 이동되고, 그리고 낮은 압력의 PVD 프로세싱 동안 면판(152)을 향해 위로 이동되어 암공간(dark space)을 형성할 수 있다. PVD 프로세싱 동안, 이동가능 라이너(174)를 면판(152)을 향해 위로 이동시키는 것은 절연체 링(184) 상의 금속성 증착을 감소시킨다. 체크되지 않으면, 절연체 링(184) 상의 금속성 증착은 금속성 측벽들(104)과 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150) 사이의 단락을 초래할 수 있다. 일 구현에서, 이동가능 라이너(174)는 페디스털 어셈블리(120)와 커플링되고, 페디스털 어셈블리(120)와 함께 상하로 이동한다. 다른 구현에서, 이동가능 라이너(174)를 이동시키기 위해, 별개의 리프트 메커니즘이 사용된다. 이동가능 라이너(174)는 석영 또는 다른 프로세스 저항성 재료(process resistant material)로 제조될 수 있다.
[0036] 플라즈마-프로세싱 챔버(100)는, 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 컴포넌트들을 동작시켜 플라즈마-프로세싱 챔버(100)에서 기판들을 프로세싱하기 위한 명령 세트들을 갖는 프로그램 코드를 포함하는 제어기(190)에 의해 제어된다. 예컨대, 제어기(190)는, 페디스털 어셈블리(120)를 동작시키기 위한 기판 포지셔닝 명령 세트; 플라즈마-프로세싱 챔버(100)로의 스퍼터링 가스의 유동을 설정하기 위해 가스 유동 제어 밸브들을 동작시키기 위한 가스 유동 제어 명령 세트; 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내의 압력을 유지하기 위해 스로틀 밸브를 동작시키기 위한 가스 압력 제어 명령 세트; 기판 또는 측벽들(104)의 온도들을 각각 설정하기 위해 페디스털 어셈블리(120) 또는 측벽들(104) 내의 온도 제어 시스템(도시되지 않음)을 제어하기 위한 온도 제어 명령 세트; 및 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내의 프로세스를 모니터링하기 위한 프로세스 모니터링 명령 세트를 포함하는 프로그램 코드를 포함할 수 있다.
[0037] 도 4는 본원에서 설명되는 구현들에 따라 재료를 증착하기 위한 방법(400)의 일 구현의 프로세스 흐름도를 도시한다. 방법(400)은, 동작(410)에서, 기판(예컨대, 기판(105))을 프로세싱 챔버, 이를테면, 도 1에 도시된 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내에 포지셔닝함으로써 시작된다. 기판(105)은 기판 지지부(126) 상에 포지셔닝된다. 기판(105)은 전기 척(도시되지 않음)을 통해 기판 지지부(126)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 기판 지지부(126)는 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)와 대향하게 포지셔닝된다. 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)는 플라즈마-프로세싱 챔버(100)의 내부 볼륨(110) 내에 배치된다.
[0038] 기판(105)은 실질적으로 평평한(planar) 표면, 평탄하지 않은(uneven) 표면, 또는 기판(105) 상에 형성된 구조를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 재료 층들이 기판(105) 상에 존재한다. 일 구현에서, 하나 이상의 재료 층들은, NAND 구조들과 같은 로직 또는 메모리 디바이스들을 위한 프론트 엔드 또는 백 엔드 프로세스들에서 게이트 구조, 콘택 구조, 상호연결부 구조 또는 얕은 트렌치 격리(STI; shallow trench isolation) 구조를 형성하는 데 활용되는 막 스택의 부분일 수 있다. 재료 층이 존재하지 않는 구현들에서, 방법(400)은 기판의 표면 바로 위에서 수행된다.
[0039] 일 구현에서, 재료 층은 NAND 구조들을 위한 게이트 구조를 형성하는 데 활용되는 실리콘 옥사이드 및/또는 실리콘 나이트라이드 층들의 반복되는 층들을 포함하는 막 스택일 수 있다. 대안적으로, 재료 층은 게이트 전극을 형성하는 데 활용되는 실리콘 재료일 수 있다. 또 다른 구현에서, 재료 층은 실리콘 옥사이드 층을 포함할 수 있으며, 실리콘 옥사이드 층은 실리콘 층 위에 증착된다. 또 다른 구현에서, 재료 층은 반도체 디바이스들을 제조하는 데 활용되는 다른 유전체 재료들의 하나 이상의 층들을 포함할 수 있다. 유전체 층들의 적절한 예들은, 필요에 따라, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 실리콘 카바이드, 또는 임의의 적절한 로우(low)-k 또는 다공성 유전체 재료를 포함한다. 또 다른 구현에서, 재료 층은 어떤 금속 층들도 포함하지 않는다.
[0040] 동작(420)에서, 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내에서 CVD 프로세스를 통해 제1 층이 기판 위에 증착된다. CVD 프로세스는 플라즈마-강화 CVD 프로세스일 수 있다. CVD 프로세스는 더 높은 압력들(예컨대, 대략 10 Torr 내지 대략 20 Torr)에서 수행될 수 있다. 이동가능 라이너(174)가 존재하는 구현들에서, 이동가능 라이너(174)는 통상적으로, CVD 프로세스 동안에 면판(152)으로부터 멀어지게 이동된다. 하나 이상의 마그네트론들(170)은 동작(420)의 CVD 프로세스 동안에 통상적으로 오프된다. 활성화되는 경우, 하나 이상의 마그네트론들(170)은 동작(420) 동안에 내부 볼륨(110) 내에 형성되는 플라즈마와 간섭할 수 있다는 것을 본 발명자들이 발견하였다. 내부 볼륨(110)은 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)와 기판 지지부(126) 사이에 배치된다.
[0041] 일 구현에서, 제1 층은 유전체 층이다. 일 구현에서, 제1 층은 하이(high)-k 유전체 층이다. 일 구현에서, 제1 층은 옥사이드-함유 층이다. 일 구현에서, 제1 막 층은 실리콘 옥사이드-함유 층, 실리콘-나이트라이드 함유 층 또는 실리콘-함유 층이다. 일 구현에서, 제1 층은 실리콘 옥사이드 층이다.
[0042] 전구체 유체는 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)의 면판(152)을 통해 내부 볼륨(110) 내로 유동된다. 전구체 유체는 기판(105) 상에 제1 층을 증착하는 하나 이상의 프로세스 가스들일 수 있다. 일 구현에서, 전구체 유체는 실리콘-함유 가스 및 선택적으로 반응 가스를 포함한다. 실리콘-함유 가스의 적절한 예들은, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4), 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4), 디클로로실란(SiH2Cl2), 테트라에틸 오소실리케이트(TEOS) 등을 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음). 반응 가스는, 실리콘 옥사이드-함유 층을 형성하기 위한 산소-함유 가스, 실리콘 나이트라이드 함유 층을 형성하기 위한 질소-함유 가스, 또는 실리콘 카바이드 함유 층을 형성하기 위한 탄소 함유 가스일 수 있다. 산소-함유 가스의 적절한 예들은 O2, N2O, NO2, O3, H2O 등을 포함한다. 질소-함유 가스의 적절한 예들은 N2, N2O, NO2, NH3, N2H2, NF3 등을 포함한다. 탄소 함유 가스의 적절한 예들은 CO2, CO, CH4, CF4, 다른 적절한 탄소계 폴리머 가스들 등을 포함한다. 대안적으로, 플라즈마-프로세싱 챔버(100)에 제공되는 전구체 유체에는 하나 이상의 불활성 가스들이 포함될 수 있다. 불활성 가스는 희가스(noble gas), 이를테면, Ar, He, 및 Xe, 또는 N2 등을 포함할 수 있다(그러나 이에 제한되지 않음). 일 구현에서, 전구체 유체는 할로겐 함유 가스, 이를테면, NF3을 포함한다. 일 구현에서, 전구체 유체는 5-25초 동안 내부 볼륨(110) 내로 유동된다.
[0043] 본원에서 설명되는 일 구현에서, 제1 막 층, 이를테면, 실리콘 옥사이드 층을 형성하기 위해, 실리콘-함유 가스는 TEOS이고, 반응 가스는 산소-함유 가스, 이를테면, N2O이고, 불활성 가스는 아르곤이다.
[0044] 동작(420) 동안, 몇몇 프로세스 파라미터들은, 전구체 유체가 프로세싱 챔버 내로 공급되는 동안 조절된다. 일 구현에서, 프로세싱 챔버 내의 전구체 유체의 압력은 대략 10 mTorr 내지 대략 15 Torr로 조절되고, 기판 온도는 대략 200℃ 내지 대략 700℃로 유지된다.
[0045] 동작(420) 동안, 일 구현에서, 전구체 유체가 프로세싱 챔버 내로 공급되는 동안, RF 소스 전력이 생성되고 가스 혼합물에 커플링되어, 전구체 유체를 플라즈마, 이를테면, 플라즈마(151) 내의 반응종으로 해리시키는 것을 도울 수 있다. 일부 구현들에서, RF 소스 전력은, 증착 가스를 프로세스 챔버 내로 공급하기 전에 생성될 수 있다.
[0046] 제1 막 층의 원하는 두께가 달성된 후에, 그때 증착 프로세스는 종결될 수 있다. 일단 증착이 완료되면, 내부 볼륨(110) 근처의 영역 및 기판 지지부(126) 아래의 영역은 진공배기(evacuate)될 수 있다. 일 구현에서, 퍼지 가스가 내부 볼륨(110)에 공급될 수 있다. 퍼지 가스는 산소 또는 불활성 가스, 이를테면, 질소 또는 아르곤일 수 있다. 동작(420) 동안 불활성 가스가 사용되는 일부 구현들에서, 불활성 가스는 RF 전력의 인가와 함께 또는 RF 전력의 인가 없이, 퍼지 가스로서 사용될 수 있다.
[0047] 선택적으로, 동작(430) 전에, 이동가능 라이너(174)는 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150)와 인터페이싱(interface)하도록 상향으로 이동되어, 내부 볼륨(110) 내에 플라즈마-형성 구역을 정의할 수 있다. 이동가능 라이너(174)는 동작(430)의 PVD 프로세스 동안 면판(152)을 향해 위로 이동되어 암공간(dark space)을 형성할 수 있다. PVD 프로세싱 동안, 이동가능 라이너(174)를 면판(152)을 향해 위로 이동시키는 것은 절연체 링(184) 상의 금속성 증착을 감소시킨다. 체크되지 않으면, 절연체 링(184) 상의 금속성 증착은 금속성 측벽들(104)과 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리(150) 사이의 단락을 초래할 수 있다. 일 구현에서, 이동가능 라이너(174)는 페디스털 어셈블리(120)와 커플링되고, 페디스털 어셈블리(120)와 함께 상하로 이동한다. 다른 구현에서, 이동가능 라이너(174)를 이동시키기 위해, 별개의 리프트 메커니즘이 사용된다.
[0048] 동작(430)에서, 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내에서 PVD 프로세스를 통해 제2 층이 기판 위에 증착된다. 제2 층은, 존재하는 경우, 제1 층 상에 증착될 수 있다. 제2 층은 금속-함유 층일 수 있다. 제2 층은, 금속, 금속 옥사이드 또는 금속 합금 층일 수 있다. 동작(430) 동안, 제1 층 상에 제2 층을 증착하기 위해 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리의 면판으로부터 하나 이상의 금속들이 스퍼터링된다. 제2 층은, 금속, 금속 옥사이드 또는 금속 합금일 수 있다.
[0049] 통상적으로, 플라즈마-프로세싱 챔버(100) 내의 스퍼터링 가스의 압력은, 대기압-미만(sub-atmospheric) 레벨들, 이를테면, 진공 환경, 예컨대 0.6 mTorr 내지 대략 400 mTorr의 가스 압력들로 설정된다. 플라즈마가 가스로부터 기판(105)과 면판(152) 사이에서 형성된다. 플라즈마 내의 이온들이 면판(152)을 향해 가속되어, 면판(152)으로부터 타겟 재료가 방출되게 한다. 방출된 타겟 재료는 기판(105) 상에 증착되어 제2 층을 형성한다. 임의의 적절한 타겟 재료가 사용될 수 있다. 일 구현에서, 타겟 재료는, 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 탄탈룸, 탄탈룸 나이트라이드, 탄탈룸 카바이드, 텅스텐, 텅스텐 나이트라이드, 티타늄, 이들의 합금, 및 이들의 조합들로 이루어진 또는 이들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
[0050] 일단 스퍼터링이 완료되면, CVD 프로세스 및 PVD 프로세스가 반복될 수 있다. 옥사이드 층 및 금속 층 증착은 대략 80회 내지 100회 반복되어, 교번적인 옥사이드와 금속의 80개 내지 100개의 층들이 기판(105) 상에 증착된다.
[0051] 본원에서 개시되는 구현들은, CVD 및 PVD 둘 모두를 수행하여 균일한 반도체 프로세싱의 비용을 감소시킬 수 있는 단일 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리에 관한 것이다. 부가적으로, 단일 옥사이드 금속 증착 시스템은 반도체 기판들 상의 증착을 위해 필요한 시간을 감소시킨다. 부가적으로, 구현들은 RF 에너지를 사용하여 스퍼터링하는 능력을 제공하여, 종래의 PVD 프로세스들과 비교해 기판에 대한 손상을 감소시킨다. 구현들은 또한, DC 전력 및 마그네트론의 마그넷들을 사용하여 목표로 하는 부식을 제어하고 그리고 RF 에너지를 사용하여 생성되는 더 확산적인 플라즈마(more diffuse plasma)(전면 부식(full-face erosion))를 제어하기 위해 높은 전자 억제의 이익들을 사용하는 능력을 제공한다. 본원에서 설명되는 구현들은, 다양한 통합 방식들, 이를테면, 게이트 퍼스트 및 게이트 라스트 통합 방식(gate first and gate last integration scheme)들에서의 적절한 적용가능성을 발견할 수 있는 것으로 고려된다.
[0052] 본 개시내용의 엘리먼트들, 또는 그 엘리먼트들의 예시적인 양상들 또는 구현(들)을 도입하는 경우에, 단수 표현들인 "하나의", "그" 및 "상기"는 하나 이상의 그러한 엘리먼트들이 존재함을 의미하도록 의도된다.
[0053] "포함하는", "구비하는", 및 "갖는"이라는 용어들은 포괄적이도록 의도되고, 열거된 엘리먼트들 이외의 부가적인 엘리먼트들이 존재할 수 있음을 의미한다.
[0054] 전술한 바가 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이, 본 개시내용의 기본적인 범위를 벗어나지 않으면서 고안될 수 있고, 본 개시내용의 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (16)

  1. 증착 챔버로서,
    챔버 바디;
    스퍼터링 샤워헤드 어셈블리; 및
    상기 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리 아래에 배치된 기판 지지부를 포함하며,
    상기 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는,
    솔리드 바디(solid body)를 포함하는 면판(faceplate) ― 상기 솔리드 바디는,
    타겟 재료를 포함하는 스퍼터링 표면;
    상기 스퍼터링 표면 반대편의 제2 표면; 및
    상기 솔리드 바디를 통하여 상기 스퍼터링 표면으로부터 상기 면판의 제2 표면으로 연장되는 복수의 가스 통로들 ― 상기 면판의 제2 표면은 리세스형 부분(recessed portion)을 정의함 ― 을 포함함 ―;
    솔리드 백킹 플레이트(solid backing plate) ― 상기 솔리드 백킹 플레이트는 상기 면판의 제2 표면 근처에 포지셔닝되고, 그리고
    제1 표면; 및
    상기 제1 표면 반대편의 제2 표면 ― 상기 솔리드 백킹 플레이트의 제1 표면과, 상기 면판의 제2 표면에 의해 정의되는 상기 리세스형 부분에 의해 플레넘(plenum)이 정의되고, 상기 플레넘은 상기 복수의 가스 통로들과 유동적으로 커플링됨 ― 을 포함함 ―; 및
    상기 솔리드 백킹 플레이트의 제2 표면을 따라 포지셔닝되고 상기 솔리드 백킹 플레이트의 제2 표면에 커플링된 하나 이상의 마그네트론들을 포함하며,
    상기 챔버 바디와 상기 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는 내부 볼륨을 정의하는,
    증착 챔버.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 타겟 재료는, 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 탄탈룸, 탄탈룸 나이트라이드, 탄탈룸 카바이드, 텅스텐, 텅스텐 나이트라이드, 티타늄, 이들의 합금, 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택되는,
    증착 챔버.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 통로들은 상기 면판의 표면 영역에 걸쳐 균등하게 분포되는,
    증착 챔버.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 면판은 제1 RF 전력 소스와 커플링되는,
    증착 챔버.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 기판 지지부는 제2 RF 전력 소스와 커플링되는,
    증착 챔버.
  6. 제1 항에 있어서,
    이동가능 라이너를 더 포함하며,
    상기 이동가능 라이너는 상기 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리와 인터페이싱(interface)하여 상기 내부 볼륨 내에 플라즈마-형성 구역을 정의하는,
    증착 챔버.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 면판은 상기 면판의 둘레로부터 연장되는 원통형 벽을 더 포함하고, 상기 원통형 벽은 상기 면판의 제2 표면에 수직하고 상기 리세스형 부분을 추가로 정의하는,
    증착 챔버.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 내부 볼륨 위에 포지셔닝되고 그리고 상기 복수의 가스 통로들을 통해 상기 내부 볼륨과 유동적으로 커플링되는,
    증착 챔버.
  9. 증착 방법으로서,
    증착 챔버의 내부 볼륨 내에서 기판을 기판 지지부 상에 포지셔닝하는 단계 ― 상기 증착 챔버는,
    챔버 바디;
    스퍼터링 샤워헤드 어셈블리; 및
    솔리드 백킹 플레이트의 제2 표면을 따라 포지셔닝되고 상기 솔리드 백킹 플레이트의 제2 표면에 커플링된 하나 이상의 마그네트론들을 포함하며,
    상기 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리는,
    솔리드 바디를 포함하는 면판 ― 상기 솔리드 바디는,
    타겟 재료를 포함하는 스퍼터링 표면;
    상기 스퍼터링 표면 반대편의 제2 표면; 및
    상기 면판을 통하여 상기 스퍼터링 표면으로부터 상기 면판의 제2 표면으로 연장되는 복수의 가스 통로들 ― 상기 면판의 제2 표면은 리세스형 부분을 정의함 ― 을 포함함 ―;
    솔리드 백킹 플레이트 ― 상기 솔리드 백킹 플레이트는 상기 면판의 제2 표면 근처에 포지셔닝되고, 그리고
    제1 표면; 및
    상기 제1 표면 반대편의 제2 표면 ― 상기 솔리드 백킹 플레이트의 제1 표면과, 상기 면판의 제2 표면에 의해 정의되는 상기 리세스형 부분에 의해 플레넘이 정의되고, 상기 플레넘은 상기 복수의 가스 통로들과 유동적으로 커플링됨 ― 을 포함함 ―;
    상기 면판을 통해 연장되는 상기 복수의 가스 통로들을 통해 상기 내부 볼륨 내로 전구체 유체를 유동시키고 ― 상기 내부 볼륨은 상기 스퍼터링 샤워헤드 어셈블리와 상기 기판 지지부 사이에 배치됨 ― 그리고 제1 층을 상기 기판 상에 증착하는 단계; 및
    상기 제1 층 상에 제2 층을 증착하기 위하여 상기 면판의 스퍼터링 표면으로부터 하나 이상의 금속들을 스퍼터링하는 단계를 포함하는,
    증착 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 층은 옥사이드인,
    증착 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 층은 금속-함유 층인,
    증착 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 면판을 통해 연장되는 상기 복수의 가스 통로들을 통해 상기 내부 볼륨 내로 상기 전구체 유체를 유동시킨 후에 그리고 상기 면판의 상기 스퍼터링 표면으로부터 상기 하나 이상의 금속들을 스퍼터링하기 전에, 상기 내부 볼륨을 진공배기(evacuating)시키는 단계를 더 포함하는,
    증착 방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 면판을 통해 연장되는 상기 복수의 가스 통로들을 통해 상기 내부 볼륨 내로 상기 전구체 유체를 유동시키는 것 및 상기 면판의 상기 스퍼터링 표면으로부터 상기 하나 이상의 금속들을 스퍼터링하는 것을 반복하는 단계를 더 포함하는,
    증착 방법.
  14. 삭제
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 타겟 재료는, 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 탄탈룸, 탄탈룸 나이트라이드, 탄탈룸 카바이드, 텅스텐, 텅스텐 나이트라이드, 티타늄, 이들의 합금, 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택되는,
    증착 방법.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 면판은 상기 면판의 둘레로부터 연장되는 원통형 벽을 더 포함하고, 상기 원통형 벽은 상기 면판의 제2 표면에 수직하고 상기 리세스형 부분을 추가로 정의하는,
    증착 방법.
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