专利名称：用于利用磁场形成金属薄膜的溅射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种溅射装置。特别涉及一种在靶极前形成一个磁场，同时在衬底上形成金属层的溅射装置。
该金属层通常是由靶极向衬底溅射一种金属，例如钛，氮化钛，铝等金属。针对形成这种金属层溅射方法的研究和开发一直集中在提高被沉积在一个细微结构上的金属的阶梯覆盖，以及当金属层形成在衬底上相对较大的区域时的厚度的均匀程度。
为了使溅射进行的更为有效，通常都采用一个磁场。运用磁场可以获得低压高密度等离子体的非常理想的处理条件。在这些条件下，由靶极溅射出的粒子能够以高线性度飞行，其结果是，阶梯覆盖非常好。此外，产生该磁场的元件是旋转的，从而有效地控制被溅射出的粒子的动作。由此，在良好的阶梯覆盖的之外，还能获得金属层的均匀厚度。因此，这种运用旋转的磁场通过溅射形成的金属层的技术最近受到了关注。
例如，运用磁场的溅射方法在美国专利Nos.6,228,236(授予Rosenstein等)，6,183,614(授予Fu)以及4,995,958(授予Anderson等)，日本专利公开公报No.平8-74051和平9-31174中，以及韩国专利公开公报No.98-65920中被揭示。
但是，尽管使用了磁场，上述公报中揭示的这种溅射方法可能会产生缺陷。特别是，当半导体器件的临界尺寸不大于0.15μ，或当金属层形成在开口的长宽比在5∶1以上的已构图的层上时，在形成金属层时，该方法经常会产生缺陷。这种由于靶极的局部腐蚀产生的缺陷，可能会在开口的周围形成例如，悬垂物。
图1是在使用美国专利No.4,995,958中被揭示的那种带有磁场产生部件的溅射装置过程中靶极的腐蚀轮廓曲线。图1中靶极腐蚀的深度是以毫米计的。
参照图1，当钛涂层在压力为5mTorr的条件下形成时，靶极中间部分的腐蚀比靶极外围更严重。因此，用这种方法很难得到具有好的阶梯覆盖和厚度均匀的金属层。
图2是在美国专利Nos.6,228,236和6,183,613中被揭示的那种带有磁场产生部件的溅射装置在使用过程中靶极的腐蚀轮廓曲线。同样，靶极腐蚀的深度是以毫米计。另外，图中用Δ表示在使用美国专利Nos.6,228,236中被揭示的那种带有磁场产生部件的溅射装置的过程中靶极的腐蚀情况，另一方面，用■表示在使用美国专利No.183,613中被揭示的那种带有磁场产生部件的溅射装置的过程中靶极的腐蚀情况。
参照图2，当钛涂层在压力为5mTorr的条件下形成时，无论使用美国专利No.6,228,236和6,183,613中被揭示的哪一种装置，靶极中间部分的腐蚀程度都比靶极外围更严重，因此很难得到具有好的阶梯覆盖和厚度均匀的金属层。
虽然如此，人们用了不同的方法来提高由溅射形成的金属层的阶梯覆盖和厚度的均匀程度。例如，美国专利No.6,274,887(授予Yamazaki等)揭示了一种包括有准直仪的溅射装置的例子。另一方面，美国专利No.6,121,134(授予Burton等)揭示了一种使用一种LTS(长抛掷溅射)的溅射技术的例子，其中靶极和衬底的距离最少要保持170mm。
尽管采用准直仪的结果是使在压力为5mTorr的条件下形成的钛涂层的阶梯覆盖得到了改善，但是钛的溅射速率明显降低了。与使用的准直仪的种类相对应的溅射速率由下面的表1来说明。在表1中，准直仪的种类是按准直仪中的格栅单元的大小来分的。
表1
表1表明当使用准直仪时溅射速率会降低。同样，格栅变得越小，溅射速率变得越慢。因此，使用准直仪会降低溅射方法的生产效率。另外，准直仪还需要维护，因此，它的使用增加了生产成本。
同样的，LTS方法也有减慢溅射速率的特点。这是因为被溅射出的粒子必须飞行相对较长的距离。实际上，当靶极和衬底的距离从50mm增加到250mm的时候，金属层的溅射速率会降低70％。相应地，LTS方法也具有低生产效率的特点。
本发明的另外一个目的是提供一种具有磁场发生器的溅射装置，该磁场发生器能够使靶极产生最佳的腐蚀轮廓，从而形成具有良好的阶梯覆盖和均匀的厚度的金属层。
本发明的溅射装置包括一个溅射室，设在该溅射室中的靶极，一个具有磁场产生部件的磁场发生器，该磁场产生部件形成一个带有穿过它的开口的磁性围栏(enclosure)。该磁场产生部件位于靶极后面偏离开穿过靶极中心的垂直轴线的位置上。磁性围栏内的开口位于偏移的方向，也就是从所述垂直轴沿着直径延伸的一条线的方向。
相应地，在靶极前表面上位于中间部分和边缘部分之间限定的位置，产生了一个具有非均匀分布的磁场，从而使靶极的腐蚀轮廓得到了最优化。因此，利用高密度等离子体，在低压力下进行的溅射形成具有良好的阶梯覆盖和均匀的厚度的金属层。而且该金属层能够被高效的形成。
图1和图2是使用传统溅射装置时靶极的腐蚀轮廓曲线；图3是本发明的溅射装置的示意图；图4是图3所示出的本发明的溅射装置中的磁场发生器的核心部分的透视图；图5是磁场发生器中主磁场产生部件的透视图；图6是磁场发生器中辅助磁场产生部件的透视图；图7是本发明中的磁场发生器的另一个实施例的核心部件的平面图；
图8是图3中示出的溅射装置的部分侧向图，图中示出了衬底背面到主磁场产生部件以及辅助磁场产生部件的相对距离。
图9A到图9C是分别示出了在各种靶极腐蚀轮廓下金属层的淀积轮廓图；图10是使用图5中示出的主磁场产生部件时所得的靶极的腐蚀轮廓图；图11是使用图6中示出的辅助磁场产生部件时所得的靶极的腐蚀轮廓图；图12是使用本发明中的磁场发生器时所得的靶极的腐蚀轮廓图；图13示出的是本发明中的磁场发生器所产生的磁场分布的透视图；以及图14示出的是在相同的溅射条件下，分别使用本发明的溅射装置和传统的溅射装置时，所得的靶极的腐蚀轮廓曲线。
参照图3，依照本发明的溅射装置3包括一个溅射室30，一块衬底34被放置在溅射室中位于靶极32前面的特定区域。该溅射装置3还包括一个真空泵，用于从溅射室30中泵出空气，从而在溅射室30中形成真空。溅射室30还与为产生等离子体提供能量的等离子电源36相连。具体来说，等离子电源36与靶极32相连接。衬底34与提供偏置的偏置电源38相连。被引入到溅射室30里面的气体，例如氩气，被转变为等离子体。由此，产生的等离子体撞击靶极32，从而从靶极32溅射出原子。该从靶极32的正面溅射出的原子淀积在衬底34上，形成金属层。
溅射装置3还包括一个用于在靶极32前生成磁场的磁场发生器40。该磁场发生器40包括一个可以有效地控制从靶极32溅射出的原子的动作的磁性围栏。图4是带有该围栏的磁场发生器40部分的透视图。
现在参照图4，磁场发生器40包括一个平面支撑盘403。磁场发生器40被水平放置，这样穿过支撑盘403中心的垂直轴线和穿过靶极32的中心的垂直轴线重合。即，支撑盘403和靶极32彼此同心。磁场发生器40还包括一个位于支撑盘403表面，相对于穿过靶极32的垂直轴线有一定位置偏移的主磁场产生部件405。因此，该主磁场产生部件405产生一个从靶极中心向侧面偏移的磁场。
另外，磁场发生器40还包括一个旋转驱动单元，例如一个电机401来转动支撑盘403。驱动单元401连接在支撑盘403与设置主磁场产生部件的表面相对的表面上。当支撑盘403被驱动单元401旋转后，主磁场产生部件405会从靶极的后面向前面产生一个主磁场。从靶极上溅射出的原子的动作能够被衬底前面的磁场有效的控制。
现在结合图5，对主磁场产生部件405作详细的说明。主磁场产生部件405包括一个磁环405C，它形成一由形成磁场的带有径向延伸(穿过磁环)的开口的围栏。该磁环由一个预定曲率的第一环形磁体405C，以及第一开口405a和第二开口405b组成。具体地讲，第一磁体405c包括两段弓型磁体，磁体的两端相互分开形成了第一开口405a和第二开口405b。第一开口405a的面积比第二开口405b大。具体讲第一开口405a的面积是第二开口405b的1.1-2倍大。另外，第一开口405a比第二开口405b距离支撑盘的中心更近。此外，第一磁体405C被这样放置，使第一和第二开口405a和405b能够沿着支撑盘上相同的直径线水平分布。该主磁场产生部件405还包括一个第二磁体405d，它是被向心式的放置在第一磁体405C的内部，第二磁体405d离第二开口405b比第一开口405a更近。
第一和第二磁体405c和405d被水平放置，以使其磁力线是在垂直方向上的。就是说，405c和405d的N极朝向靶极的背面，而S极与支撑盘403连在一起。最终，磁力作用在靶极背面的垂直方向上。磁场的强度能够调节，例如，通过在垂直方向上适当安排第一和第二磁体405c和405d来增加磁场强度。
因而，在靶极32的背面，由主磁场产生部件405产生一个有着预定的非均匀分布(不对称的弹坑轮廓)的磁场，主要位于靶极中间和边缘部分之间。靶极溅射出的原子的动作能够被有效地控制，并且靶极的腐蚀轮廓也因此被优化，下面将进一步描述。
该主磁场产生部件405还包括第一框架405e，第二框架405f和第三框架405g。第一框架405e有着盘状的外形，并且大小和第一磁体405c形成的圆形围栏相当。第二框架405f是环状的，其直径与第一磁体405c的直径相当。第一框架405e附着在支撑盘403之上，并且第一磁体405c位于第一和第二框架405e和405f之间。第三框架405g是盘状的，大小正好能盖住第二磁体405d，因此，第二磁体405d位于第一框架和第三框架405e和405g之间。第一框架405e，第二框架405f和第三框架405g把第一第二磁体405c和405d牢牢的固定入位。此外，第一框架，第二框架和第三框架405e，405f和405g包括了一种磁性物质，因此，由第一第二磁体405c和405d产生的磁场强度被第一框架405e，第二框架405f和第三框架405g增强。
回到图4，磁场发生器40还包括一辅助磁场产生部分407。该辅助磁场产生部分407放置在支撑盘403上，在与放置主磁场产生部件一侧相对的支撑盘403中心的另一侧，因而，主辅磁场产生部分405和407独立地产生包围靶极的磁场。尤其因为该磁场发生器40是旋转的，如此产生的磁场起着一个磁场作用。
辅助磁场产生部分407的结构将参照图6作更详细的说明。辅助磁场产生部分407包括一个预定曲率的第三环形磁体407C，第三环形磁体407形成一带有径向延伸(穿过磁环)的第三开口407a和第四开口407b的形成(第二)磁场的围栏。具体地讲，第三磁体407包括两段弓型磁体，磁体的两端相互分开，形成了第三开口407a和第四开口407b。第三开口407a的面积比第四开口407b大。具体讲，第三开口407a的面积是第四开口407b的1.1-2倍大。另外，第三开口407a比第四开口407b距离支撑盘403的中心更近。而且，第三磁体407C被这样放置，使得第三和第四开口407a和407b能够沿着自支撑盘403几何中心延伸的同一水平线(也就是，沿着支撑盘403的直径线)分布。实际上，主磁场发生部件405的第一开口405a和第二开口405b以及辅助磁场产生部分的第三开口407a和第四开口407b都位于同一穿过支撑盘403几何中心的水平线(在这种情况下，为同一支撑盘403的直径线)上。
该辅助磁场产生部分407还包括一个第四磁体407b，它是向心式地放置在第三磁体407C的内部，第四磁体407b离第四开口407b比第三开口407a更近。因此，该辅助磁场产生部分470在靶极的背面也产生了一个非均匀分布的磁场。
此外，第三和第四磁体407c和407d被水平放置，以使磁场线是在垂直(与支撑盘403正交)方向上延伸的。就是说，第三和第四磁体407c和407d的N极朝向靶极的背面，而S极与支撑盘403连在一起。最终，磁力在靶极背面垂直方向上产生。磁场的强度能够调节，例如，通过在垂直方向上适当安排第三和第四磁体407c和407d来增加磁场强度。因而，靶极溅射出的原子的动作能够被有效地控制，并且靶极的腐蚀轮廓也因此被优化，从而产生有着良好的阶梯覆盖和均匀的厚度的金属层。
该辅助磁场产生部分407还包括第四框架407e，第五框架407f和第六框架407g。第四框架407e，第五框架407f和第六框架407g把第三第四磁体407c和407d牢牢的固定入位。第四框架407e有着盘状的外形，并且大小和第三磁体407c形成的圆形围栏相当。第五框架407f是环状的，其直径与第三磁体407c的直径相当。第四框架407e附着在托盘403上，并且第三磁体407c位于第四和第五框架407e和407f之间。第六框架407g是盘状的，大小正好能盖住第四磁体407d，因此，第四磁体407d位于第四框架和第六框架407e和407g之间。同样，第四框架407e，第五框架407f和第六框架407g包括了一种磁性物质，因此，由辅助磁场产生部分407的磁体407c和407d产生的磁场强度被第四框架407e，第五框架407f和第六框架407g增强。
尽管辅助磁场产生部分407的结构类似于主磁场产生部件405，但是主磁场产生部件405比辅助磁场产生部分407大。具体地讲，主磁场产生部件405是辅助磁场产生部分407的1.5到2倍。
此外，磁场发生器40可以包含多个辅助磁场产生部分，如图7中所示。
参照图7，图中示出了三个辅助磁场产生部分407，417，419。这三个辅助磁场产生部分407，417，419放置在支撑盘上偏离于支撑盘403的中心的位置上，与主磁场产生部件405有一定距离。辅助磁场产生部分的数量仅受支撑盘的尺寸和磁场产生部分自身尺寸的限制。
主磁场产生部件405的高度和辅助磁场产生部分407不同。具体讲，第一第二磁体405c和405d的高度(厚度)是一样的，第三第四磁体407c和407d的高度(厚度)是一样的。但是，如图8所示，第三、第四磁体407c和407d要高(厚)于第一第二磁体405c和405d。
参照图8，主磁场产生部件和辅助磁场产生部分405和407的磁环所在的平面与靶极32所在的平面平行。主磁场产生部件405到靶极背面的距离11小于辅助磁场产生部分407到靶极背面的距离12。具体讲，二者距离的比率12比11在0.80到0.95的范围之内。因而，能够获得一个稳定的用于溅射过程的等离子体。
此外，该磁场发生40产生的磁场，在靶极32前面的测量值最好是大约在1400到1800高斯。当磁场弱于1400高斯，被射出的原子不能被有效控制，当大于1800高斯时，原子的动作就会被抑制了。
下面，将对优化本发明中的磁场发生器所做的实验进行描述。靶极的腐蚀轮廓与金属层的沉积轮廓之间的关系参照图9A，当靶极的整个表面90a被均匀的腐蚀时，所形成的金属层的沉积轮廓92a是中间部分厚于边缘部分。
参照图9B，当靶极表面90b的边缘部分比其他部分腐蚀得深时，所形成的金属层的沉积轮廓92b是边缘部分厚于中间部分。
参照图9C，当靶极表面90c的边缘部分和中间部分之间的部分比其他部分腐蚀的深时，所形成的金属层的沉积轮廓92c是相对均匀的。
通过这些实验观察，发现当靶极边缘部分和中间部分之间的部分被腐蚀时，可得到有着良好沉积轮廓的金属层。基于这种靶极腐蚀轮廓的磁场发生器的优化设计图10示出的是当图5中的主磁场产生部件405被用于图3中的装置时，靶极的腐蚀轮廓。图11示出的是当图6中的辅助磁场产生部分407被用于图3中的装置时，靶极的腐蚀轮廓。另一方面，图12示出的是当主磁场产生部件405和辅助磁场产生部分407被同时使用时的靶极腐蚀轮廓。如从图12所见，靶极的腐蚀轮廓和图9C中描述的轮廓类似。
由图10到12自身证明了，主磁场产生部件405和辅助磁场产生部分407一起产生的磁场有助于产生带有良好阶梯覆盖和均匀厚度的金属层。磁场产生部分的外部磁体的开口和曲率的优化设计图13示出了由主磁场产生部件405产生的磁场分布。参照图13，由主磁场产生部件405产生的磁场分布是不均匀的，这是因为弯曲的第一磁体405c有第一、第二开口405a和405b。注意，由辅助磁场产生部分407产生的磁场的分布与由主磁场产生部件405产生的磁场的分布类似，也是不均匀的。
此外，高强度磁场有助于建立理想的低压力高密度的用于等离子体处理的条件。至此，该磁体最好包括一种Nd-Fe-B基物质，框架最好包括一种钢基物质。
如前所述，利用依照本发明的磁场产生部分，能够建立低压力高密度的处理条件。此外，在保持高生产率的同时，能够形成带有良好的阶梯覆盖和均匀厚度的金属层。靶极腐蚀轮廓的比较图14说明了分别使用本发明的溅射装置和传统的溅射装置时靶极的腐蚀轮廓。特别是，曲线A表达的是使用美国专利No.6,183,614所揭示的磁场发生器时，靶极的腐蚀轮廓。曲线B是使用本发明所揭示的磁场发生器时，靶极的腐蚀轮廓。在两种情况下，溅射的过程是在相同条件下执行的。图中清楚的表明，使用本发明中的磁场发生器时，所得的靶极的腐蚀轮廓比较好。
总之，本发明可以很方便地用于在金属层的溅射过程中对于靶极腐蚀轮廓的控制，用这种方法，可将金属层的缺陷减至最小。同样，因为靶极的腐蚀轮廓是由本发明中的一个具有非均匀分布的磁场所控制的，该金属层将会有良好的阶梯覆盖和均匀的厚度。此外，本发明有助于在不影响溅射过程效率的同时，建立理想的低压和高密度条件，而不象现有技术的使用准直仪的技术和现有技术的LTS方法那样。
最后，尽管本发明是结合优选实施例进行说明的，但是本技术领域的技术人员非常清楚对本发明可以有各种变化和改型。
所有这些变化和改型都被视为属于由所附权利要求限定的本发明的精神和范畴。
权利要求
1.一种溅射装置，包括溅射室，具有在通过溅射在衬底上形成涂层时专门用于安放衬底的区域；靶极，放置在所述的溅射室内，在溅射过程中，靶极的前面正对着衬底区域；以及磁场发生器，包括对着靶极背面的主磁场产生部件，该主磁场产生部件包括一个在相对于穿过所述靶极的中心的垂直轴线水平偏移的磁环，所述的磁环带有沿着直径方向延伸穿过磁环的开口，所述开口沿着在磁环偏离所述垂直轴线的方向上延伸的直径线定位。
2.权利要求1的溅射装置，其中，所述的磁场发生器还包括垂直轴线穿过其几何中心的支撑盘，所述的主磁场产生部件被置于并固定在所述的支撑盘上；以及旋转驱动装置，连接在所述的支撑盘上，以便使所述的支撑盘绕着垂直轴旋转。
3.权利要求2的溅射装置，其中，所述的主磁场产生部件包括包括所述的磁环的第一磁体，该第一磁体的正负极彼此上下垂直放置，并且该第一磁体是环状的，并带有可沿径向延伸穿过磁环的第一和第二开口，该第一开口距离所述的垂直轴线比第二开口更近；正负极彼此上下垂直放置的第二磁体，所述第二磁体被向心式地放置在第一磁体内部，该第二磁体离第二开口比第一开口更近。
4.权利要求3的溅射装置，其中所述的主磁场产生部件包括第一框架，其具有对应于所述的第一磁体的外部形状的盘状，该第一框架安装在所述的支撑盘上，该第一框架包括一种磁性物质；第二框架，包括与第一框架相同的磁性物质，该第二框架是环状的，并且具有与第一磁体相对应的直径；以及第三框架，包括与第一框架相同的磁性物质，该第三框架是盘状的而且正好盖住所述的第二磁体，其中，所述第一磁体位于第一和第二框架之间，第三磁体位于第一和第三框架之间。
5.权利要求2的溅射装置，其中，所述的磁场发生器包括至一个产生磁场的辅助磁场产生部分，每一个辅助磁场产生部分包括第二磁环，相对于所述的转动的垂直轴线水平偏移，并且该第二磁环带有径向延伸穿过磁环的开口，该穿过第二磁环的开口沿着该第二磁环相对于所述垂直轴偏移的方向定位。
6.权利要求5的溅射装置，其中，所述的至少一个辅助磁场产生部分包括多个位于所述的支撑盘上，彼此之间有一定间隔的辅助磁场产生部分。
7.权利要求5的溅射装置，其中每一个所述的至少一个辅助磁场产生部分包括第三磁体，包括所述的第二磁环，其正负极彼此上下垂直放置在所述支撑盘上，并且该第三磁体是环状的，并带有沿径向延伸穿过磁环的第三和第四开口，该第三开口距离所述的垂直轴线比第四开口更近，所述的第三磁体在直径上比所述的主磁场产生部件的第一磁体小，并且高度比第一磁体高；和第四磁体，其正负极彼此上下垂直放置在所述支撑盘上，所述第四磁体被向心式地放置在第三磁体内部，该第四磁体离第四开口比第三开口更近。
8.权利要求7的溅射装置，其中，每一个所述的至少一个辅助磁场产生部分包括第四框架，具有对应于所述的的第三磁体的外部形状的盘状，该第四框架附着在所述的支撑盘上，该第四框架包括一种磁性物质；第五框架，包括与第四框架相同的磁性物质，该第五框架是环状的，并且具有与第三磁体相对应的直径；以及第六框架，包括与第四框架相同的磁性物质，该第六框架是盘状的而且正好盖住所述的第四磁体，其中，第三磁体位于第四和第五框架之间，第四磁体位于第四和第六框架之间。
9.权利要求5的溅射装置，其中所述的主磁场产生部件和辅助磁场产生部分各自有沿着所述的支撑盘的直径线的中心纵轴。
10.权利要求5的溅射装置，其中主磁场产生部件的大小是辅助磁场产生部分的1.1到2倍。
11.权利要求5的溅射装置，其中从主磁场产生部件到所述的靶极背面的距离与辅助磁场产生部分到所述的靶极背面的距离之比约为1∶0.80-0.95。
12.权利要求7的溅射装置，其中所述的第一开口，所述的第二开口，所述的第三开口和所述的第四开口都位于沿着所述的支撑盘的相同的直径线上。
13.权利要求7的溅射装置，其中所述的第一开口的面积是所述的第二开口面积的1.1-2倍，所述的第三开口的面积是所述的第四开口面积的1.1-2倍。
14.权利要求7的溅射装置，其中所述的第一磁体，所述的第二磁体，所述的第三磁体，所述的第四磁体的S极是面向所述靶极的，并且所述的第一磁体，所述的第二磁体，所述的第三磁体，和所述的第四磁体的N极是面对着所述靶极的背面的。
15.权利要求1的溅射装置，其中，所述的磁场发生器的磁环和所述的靶极位于在各自的平面彼此平行延伸。
16.权利要求1的溅射装置，其中所述的磁环具有弯曲的外形。
17.权利要求1的溅射装置，其中主磁场产生部件是这样取向的，以使产生的磁力作用在垂直方向上。
18.权利要求1的溅射装置，其中，所述的磁场发生器在所述的靶极前面产生约为1400-1800高斯的磁场。
全文摘要
一种溅射装置，包括溅射室，放置在溅射室中的靶极，以及在靶极前面产生旋转磁场的磁场发生器。该磁场发生器包括朝向该靶极背面的主磁场产生部件，并且相对于穿过该靶极中心的垂直线水平偏移。主磁场产生部件的磁环形成一面向靶极中心部分和边缘部分的位置有穿过磁环的开口的磁性围栏。该磁场产生部分因此在靶极前面产生一非均匀分布的磁场。一个衬底被放置在溅射室内部，面对靶极的前面。由靶极前面溅射出的原子在衬底上形成一金属层。该被溅射出的原子的动作被该磁场有效地控制着。
文档编号C23C14/35GK1407130SQ02106239
公开日2003年4月2日 申请日期2002年4月5日 优先权日2001年9月12日
发明者朴荣奎, 严显镒, 申在光, 金圣九 申请人:三星电子株式会社