CN100437886C - 磁控管溅射 - Google Patents

Abstract

一种磁控管溅射装置，具有控制器(10a)或者在支架(12)上的衬底(3)上选择性地控制等离子体的释放扩展。在衬底要涂覆上靶材时这个控制器也可以约束等离子体。这在将靶材沉积到所需的衬底例如晶片上的沉积间隔中能够清洁靶的表面，并且保证了靶自身上不会形成由背散射沉积的靶材组成的层或者薄片。一种压筒线圈位于磁控管和支架之间以增加近乎垂直到达衬底表面的靶材的均匀性和密度。

Description

磁控管溅射

技术领域

本发明涉及一种磁控管溅射的装置及其方法。

背景技术

在颁发给Lai的US专利No.5,593,551中，描述了一种磁控管溅射的装置和方法，其专利的内容在此作为参考，其中一个第一闭环磁铁装置放置在盘形溅射靶背面附近，用于形成通到溅射靶前表面的闭环磁通道，构成磁铁装置的是围绕盘形溅射靶中心轴的多个磁铁，它们针对衬底来约束和引导等离子体。此专利的改进之处在于有一个第二闭环磁铁装置，它位于溅射靶的周围，并由一些补偿磁铁组成，这些磁铁可以是永久磁铁也可以是电磁铁，它们一同在溅射靶周围提供一个固定的磁场，从而在溅射系统的工作气压减小时减小或者抑制等离子体的放电轨迹不超过靶的边缘。

第二闭环磁铁装置解决了磁控管工作时的电压主要是电离减弱的函数这样一个问题。它又是气体、气力、施加电压、磁场强度和等离子体损失的电离的函数。由于压力下降，工作电压因而升高一直达到应用的极限，例如达到电源或者靶的电连接。非常高的电压是不需要的，这是因为它们会引起等离子体发射出具有潜在危险的较高能量的电磁波。因此，已有一些工作致力于减小等离子体的损耗，例如在`551专利中通过在被补偿装置包围的封闭区域中操纵等离子体来减小它的损耗。这就允许能在0.1mT至1mT的压力下进行磁控管操作。这种低压操作作为一种改进的阶梯覆层(step coverage)手段是有益的。

然而，这种溅射系统及溅射方法的设计具有以下缺点，即由于第二磁场对第一磁场的限制，在靶的周围靶材就会有小的或者零腐蚀。结果，靶的四周以后可以被腐蚀材料例如原子或者分子的背散射沉积所污染。这种重新沉积的材料通常不会较好地附着在靶的其他清洁的周边上，因而以后可以剥落下来污染衬底，在该衬底上正涂覆着或者将要涂覆这种材料的一层薄膜。

本发明源于下列措施的实施，即利用靶组件周边附近但在其外部的可控DC线圈来代替现有技术的永久补偿装置，因而通过使用合适的开关和控制电路能够改变磁场，以弥补先前的缺点并且在开始新的薄膜工序之前“清洁”整个靶表面，这个永久补偿装置基本上提供了一个垂直于腐蚀区域的固定磁场。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种磁控管溅射装置，包括靶，

靶的磁控管组件，用来使靶的表面产生均匀腐蚀，

支架，用来固定衬底，一层靶材将要从靶上沉积到在该衬底上，

其特征在于该装置还包括：

闭环磁铁组件，位于溅射靶的周围，用于磁约束或者限制在靶表面附近形成的等离子体，以改变靶的腐蚀图形，以及

控制器，用于选择性地控制等离子体在几乎整个靶表面的释放扩展，使得靶的表面可以被腐蚀，并且在靶的周边内选择性地约束等离子体。其中该磁控管组件装置的磁铁相对于该靶是可移动的。

已经发展了现有技术的磁控管器件，以便对靶进行非常均匀的腐蚀，但是本发明的实施例允许在沉积时优先进行腐蚀，同时还允许该装置在正常的方式下工作来进行清洁。由于具有这种配置，根据本发明的溅射装置能够在将靶材沉积到所需的衬底例如晶片上的沉积间隔中清洁靶的表面。这就保证了在靶自身上不会形成由背散射沉积的靶材组成的层或者薄片，它在以后剥落或者污染晶片。

根据本发明的第二方面，提供一种通过使用根据本发明第一方面的装置对靶进行磁控管溅射的方法，该方法包括选择性地改变或者消除由线圈提供的磁场，从而在要被覆盖的衬底材料还没有暴露到溅射粒子中时允许等离子体腐蚀靶的整个表面，因此在靶的周围阻止了靶材形成多余的层或者薄片。

根据另一方面，本发明提供了一种在没有准直过滤器的情况下在衬底上进行溅射沉积的方法，包括在溅射沉积时，凭借围绕线圈将等离子体约束到靶的中心区域，以及

对要被溅射的衬底，在支架上方的空间周围施加一个约束磁场。

根据本发明的另一方面，提供一种控制磁控管溅射组件的方法，该组件具有一个靶，靶具有一个溅射表面，磁控管组件的磁铁相对靶是可以移动的，并且该组件还具有一种等离子体发生器和一种等离子体约束装置，该方法包括以第一清洁的方式操纵等离子体约束装置，其中等离子体几乎跨过整个溅射表面，并在等离子体被约束在溅射表面的周边内时以第二沉积方式进行操纵，以及

对要被溅射的衬底，在支架上方的空间周围施加一个约束磁场。

本发明者已经注意到在靶的约束区域的周围限制等离子体的能力能够减小溅射材料的角度分布，特别是在长的投射(throw)室中，可以不需要准直仪，即使这个室具有高纵横比的孔。

附图说明

凭借实施例参照附图将对本发明加以描述，其中：

图1是本发明装置的溅射室内部的部分横截面的示意图；

图2是横截面示意图，示出了一部分特选的图1装置的特别是被第二磁铁装置含有的等离子体腐蚀的靶材；

图3是与图2相对应的视图，但是在该图中靶材一端的整个表面已经被腐蚀了；

图4是包括另一磁性组件的另一设置的示意图；

图5(a)和(b)分别是根据实施例1处理的晶片的中心和边缘的电镜照片；

图6(a)和(b)是与实施例2相对应的照片；

图7(a)和(b)是与实施例3中的第一设备相对应的照片；

图8是在靶的线圈开启的情况下基部覆层(base coverage)对气压的曲线；

图9是在靶的线圈关闭的情况下与图8相似的曲线；以及

图10和11分别是在中心和边缘区域中不同偏压条件下类似的曲线。

具体实施方式

首先参考图1，示出了一种可旋转的磁控管组件，总体以1表示，它包括一闭环磁铁阵列，这列磁铁的作用是在靶2的前表面2a和衬底3的上表面3a之间的空间产生磁场，靶2典型为钛，衬底3典型为半导体或者绝缘的晶片。

靶2和衬底3都被放置在其为室4这种构造的低压真空容器中，在低压下，惰性气体例如氩气的气流可以经由入口阀5和出口阀6分别从气源容器7和真空泵8中穿过该室，真空泵典型为低温泵。

通道门9示意性地示出在室4的内壁中，以便允许进入该室的内部，特别是在定期的时间间隔中用来移动衬底3，在以常规方式通过离子轰击靶2进行溅射之后，在衬底上已经凝结了一层靶材的薄膜。

连续的绕线DC线圈10围绕着磁控管组件1，并且基本上与靶2的主面共面。应当理解，DC线圈10在被DC电流激发从而产生附加磁场时可以有效地用作螺线管，磁场以虚线示出，它包围磁控管组件1，从而在上述那样进行激发时构成向内的面向同样磁极的补偿装置。

与在`551专利中示出的基本固定的磁场设置相比，本发明提供一种控制器10a，通过选择性地改变控制器10中的合适开关及相关软件，来选择性地改变线圈10产生的磁场强度。这就存在一个显著的优点，就是在将衬底放入到室3之前，可以改变DC线圈10的激发，以形成一个包围等离子体的较宽的约束，使得靶2的整个下表面2a可以被溅射腐蚀从而被清洁，此后可以将衬底3放入到室中，门9关闭并且通过适当地调节施加到DC线圈10上的功率，一个更小的约束“桶”用来约束等离子体。

通过在所需的衬底3上沉积薄膜之间的沉积间隔中只是简单地减小线圈上的电流，可以改变或者完全消除线圈10产生的场强度。这可以通过参照图2和3加以说明，在DC线圈10被维持在一种状态中以紧密约束等离子体，例如在它们正在产生它们最大的磁场时，图2示出了此时的靶2的腐蚀图形。可以看出，如同在`551专利描述的装置中那样，可以形成由一层重新沉积的靶材组成的呈薄片形状的环形周边2b。

相反，如可以从图3中看出的，通过改变DC线圈10产生的磁场从而允许靶2的整个表面2a开始暴露于离子轰击中，可以因而清洁整个的表面。

通过改变电流的方向也可以改变DC线圈10的磁场，从而提供一种反向磁场。

本发明所进行的可能的清洁优选在较高的气压下进行，气压典型为1mT至10mT，这是因为在低压下操纵磁控管会存在问题，存在问题的原因列在本文的前序部分中。

在衬底上需要沉积钛和氮化钛作为阻挡层的实例就会发现本发明装置和方法的优点。在经济上，在相同的工艺室中沉积钛和氮化钛是比较有利的，并且通常的做法是在惰性气体氛围例如氩气中通过溅射而沉积钛，而对于氮化钛是在反应气体氛围包括氮气中溅射的。这种技术需要在每次氮化钛沉积之后就要对靶进行清洁，以便从表面除去氮污染物。使用本发明的装置和方法，通过减小、除去或者反向外部DC线圈10产生的磁场，就能另外非常便利地清洁靶的边缘。一种典型的顺序包括以下步骤：

(1)在外部DC线圈10产生的高磁性“补偿”场中以低压沉积钛。

(2)在沉积氮化钛时再次使用外部DC线圈10产生的高磁场，以及

(3)除去衬底，或者使用遮板遮挡它防止另外的沉积，遮板也可以用作溅射清洁的靶材的收集器，在此之后，除去、减小或者反向DC线圈10产生的磁场以便然后清洁靶的整个表面。

然而应当理解，在不脱离本发明精神或范围的基础上，上述的相同顺序也可以用来沉积这些或者其他的金属/金属氮化物的组合。

上述的结果表明“靶”线圈提高了基部覆层，并且已经发现通过添加如图4示出的另一线圈也可以进一步提高基部覆层。这个另外的压筒线圈(platen coil)11位于靶和晶片之间，但是在“靶”线圈的下面。

在详细讨论这个配置之前，提供一些背景解释将是有用的。所谓“阶梯覆层”溅射，它优于热蒸发，这是因为到达的材料具有较高的能量，并且大面积的源靠近衬底可能导致到达的靶材有宽的角度分布。加热衬底进一步增加这种优点。一种理想的保形表面(conformalsurface)涂层是所希望的，但是由于涂覆内部和基部的所有材料必须通过孔嘴，这样，这些孔就呈现出问题来。

对于阻挡层沉积，感兴趣的表面只是在孔的内部。理想情况是没有东西会到达磁场中(这是不可能的)。对于接触阻挡层，由于接触是在孔的基部，只有孔的基部需要涂覆，并且随着接触孔变得越来越小和纵横比理想地增加，只有基部被涂覆，留下孔的较大空间用于具有的电阻比阻挡层材料的电阻低的主要导体材料。

应用这样的技术来增加溅射的方向性，试图使溅射的材料具有垂直于衬底表面的飞行路径，因此提高了在高纵横比的接触孔的基部沉积材料的可能性。

应用两种主要的技术：电离和准直。这两种技术并不是相互排斥的，并且溅射材料的电离已经结合“准直过滤器”(为高纵横比的孔，溅射的材料在到底衬底之前必须通过这些孔)和准直一直使用了，因此源到衬底的距离增加了，例如增加到大约250mm或者大约500mm(对照通常的磁控管溅射近似25mm)。这个增大的距离允许小角度溅射的材料损失在侧壁上，只有近似垂直于衬底表面到达的材料到达，因此增加了在孔(这些孔本质上为准直过滤器)的底部沉积的材料的比例。

在本发明中，可以说在不使用实际的准直仪的情况下，通过控制溅射材料的源而得到了准直。“靶”线圈限制了等离子体，因此减小了溅射材料的角度分布。由下面示出的实验得出的一个意想不到的结果是光谱表明发生了金属电离，因此这种配置在没有使用电离线圈的情况下得到了使用电离线圈的结果。在任何的情况下，使用该系统的基部覆层显著地受支架上的偏压影响。

另一组实验研究了在具有近似240mm的源到衬底的空间的“长投射(long throw)”磁控管溅射室装置中附加的电磁线圈对于溅射的钛薄膜的孔基部覆层的影响。“长投射”通常指源料与衬底之间的间隔大于大约200mm。

图4示出了这套设置。一组线圈(“靶线圈”)10放置在靶的周围和溅射室的上部，如图1示出的。设置线圈电流的极性以诱导磁场的方向与磁控管的外部磁极(“更强的外部磁极”)的方向相同。通过限定等离子体在靶的边缘，降低等离子体的阻抗，这就允许该系统能够在较低的工作气压下工作。

另外，第二组电磁线圈(“压筒线圈”)11被放置在溅射室的下部附近，靠近支架12。这两组线圈使用不同的电源从而独立工作。利用加上电源的线圈将不同的磁极引入到溅射室中而进行实验。如实验3所示，通常是在靶和压筒线圈的磁极都与靶磁控管的外部磁极方向相反(为一种“补偿”配置)时得到比较好的基部覆层。因此，为了清楚起见，如果磁控管在它的外周表现为N极，那么线圈通常是加上电源以便在它们的内表面呈现为N极。参照实验4，使(各个)压筒线圈11的磁场反向，(使它们对磁控管的外场表现为相反的磁场)，就能发现在整个晶片上的基部覆层的对称性提高了；然而基部覆层的厚度减小了。

阴极功率、溅射气压和沉积温度保持恒定，但是压筒偏压功率和线圈电流改变。所研究的薄膜性质为基部覆层(在晶片的中心和边缘)以及基部覆层的对称性(在整个晶片上以及在一个接触孔的内部)。

1.实验工艺参数：

靶功率：30kW

Ar气流量：100sccm

气压：2.5mTorr

压筒温度：200℃

接触孔的尺寸：2.5μm，纵横比：2.7∶1

2.结果和结论

实验1

靶线圈电流＝                                           0A

压筒线圈电流＝                                         0A

压筒偏压＝                                             -105V

基部覆层中心＝                                         26％

基部覆层边缘，平均＝                                   25％

整个晶片上的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝4％

接触孔内部的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝4％

在图5的电镜照片中示出了得到的基部覆层。

实验2

靶线圈电流＝                                           170A

压筒线圈电流＝                                         0A

压筒偏压＝                                             -105V

基部覆层中心＝                                         63％

基部覆层边缘，平均＝                                   51％

整个晶片上的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝19％

接触孔内部的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝15％

在图6的电镜照片中示出了得到的基部覆层。

                                                           实验

                                                        3       4

                                                              反向的

                                                             压筒磁场

靶线圈电流＝                                           170A    170A

压筒线圈电流＝                                         40A     40A

压筒偏压＝                                             -90V    -125A

基部覆层中心＝                                         70％    45％

基部覆层边缘，平均＝                                   59％    48％

整个晶片上的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝11％    5％

接触孔内部的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝5％     1％

在图7的电镜照片中示出了实验3得到的基部覆层。

在反向磁场的实验4中只有压筒线圈中的磁场反向，这个实验并不是完全具有可比性的。该系统对于衬底偏压具有功率控制，然而溅射是电压驱动而不是电流驱动。

超过100V的任何电压都有可能引起显著的再溅射，也许将孔基部上的材料重新溅射到侧壁上。(对于反向磁场在此没有示出显微照片)。

                                                          实验

                                                       5       6

                                                             反向的

                                                             压筒磁场

靶线圈电流＝                                           0A      0A

压筒线圈电流＝                                         170A    170A

压筒偏压＝                                             -110V   -160A

基部覆层中心＝                                         59％    23％

基部覆层边缘，平均＝                                   43％    19％

整个晶片上的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝16％    5％

接触孔内部的基部覆层的不对称性(最大-最小)/(最大+最小)＝1％     12％

再次，这些实验特别是反向的磁场实验并不是完全具有可比性的。该系统对于衬底偏压具有功率控制，然而溅射是电压驱动而不是电流驱动。超过-100V的任何电压都由可能引起显著的再溅射，也许将孔基部上的材料重新溅射到侧壁上。对于该实验在此没有示出照片。需要将偏压保持到一个＝/＜-100V的阈值上的进一步实验。

在比较图5和图6时，可以很明显地看出添加“靶线圈”将在晶片的中心以及边缘的溅射薄膜的基部覆层提高了多于50％。

然而在整个晶片上以及在接触孔的内部存在一个缺陷就是在基部覆层的不对称性有3至4倍的增加。然而通过添加压筒线圈11可以显著地减小这种不对称性的增加(图4)。这些“压筒”线圈11增加了近乎垂直衬底表面到达的靶材的均匀性(减小了的不对称性)和密度(增加了的孔基部覆层)。压筒线圈的磁极的反向还增加了整个晶片上的对称性但是在减小了的基部覆层上的。

应当注意到在使用“靶”磁线圈时溅射效率下降。溅射效率的量度为每分钟每千瓦靶功率的晶片上的平均材料厚度。可能是将(可比功率的)靶等离子体限定到一个较小的区域中充分地增加了等离子体密度，从而显著地增加了溅射材料的电离，但是这是以减小溅射率为代价的，溅射率的减小是由于靶区域的腐蚀的减小引起的，而靶区域的腐蚀的减小是由于暴露到等离子体中的靶的面积减小造成的。因此较少的材料被溅射，但是它们具有较高的能量。

如以前提及的，可以认为金属电离是由于使用这种新型配置的结果而发生的。尽管电离一定数量的溅射材料看起来是希望的，但完全电离通常并不是合适的。

证据如下：

基部覆层的改进对气压是不灵敏的。参看附图8和9。尽管在1毫托开启偏压时在两种情况下都具有相似百分比的提高，可以看到，偏压“开启”时的提高是对气压不灵敏的这个事实表明有显著程度的金属电离。这对于磁控管是非常不寻常的，磁控管通常被认为产生不显著的金属离子，因此内部的RF驱动电离线圈通常是需要的。

很明显通过限定等离子体和在“正确”的气压区域中将较高的功率施加到磁控管上，在缺少单独的电离源的情况下产生了金属的电离。在“靶”线圈和衬底之间加入了另外的线圈还提高了基部覆层和整个晶片上的基部覆层的对称性。尽管在本说明书中作为两个离散的D.C.线圈组件，但它们可以是具有变化的缠绕密度以在室的靶区域和衬底区域之间提供梯度磁场强度的一种组件。这些实验显然表明金属电离只在高的磁控管功率下发生。在较低的磁控管功率水平上时，基部覆层较差，参考图10(中心)和图11(边缘)。这些实验是在只有靶线圈加上电源时进行的。它们表明在两个不同的靶功率30KW和8KW时标出的偏压对于气压对晶片的孔基部覆层造成的影响。可以看出，在靶功率为30KW时，(这被认为是“高”功率)，晶片偏压具有显著的影响，而在“低”的靶功率时偏压没有显著的影响，差别被认为是在测量误差的范围内的。

在这些实验中考虑使用的磁控管靶是330mm直径的靶，常规尺寸的200mm晶片，以及常规的移动磁铁设计意味着邻近磁跑道(magnetic racetrack)有一个腐蚀路径，在靶表面上给出了非均匀的等离子体密度。

Claims (19)

1.一种磁控管溅射装置(1)，包括：

靶(2)；

靶的磁控管组件，设置成在靶的整个表面产生均匀腐蚀，以及

支架(12)，用来支持衬底(3)，一层靶材的薄膜要从靶沉积到该衬底上，

其特征在于该装置还包括：

闭环磁铁组件(10)，位于约束靶的真空室的外部、溅射靶周边附近，用来磁约束或者限制在靶表面附近形成的等离子体以改变靶的腐蚀图形，以及

控制器(10a)，用于选择性地释放等离子体在整个靶表面的扩散，使得靶的表面可以被腐蚀，并且在靶的周边内选择性地约束等离子体；并且其中该磁控管组件装置的磁铁相对于该靶是可移动的。

2.根据权利要求1的装置，还包括另外的磁性组件，它包围面向靶的方向上的衬底支架上方的位置的空间。

3.根据权利要求1的装置，其中在支架上的衬底被屏蔽或者在衬底被放置在支架上之前时，控制器(10a)选择性地释放等离子体的扩散，并且在衬底要涂覆上靶材时选择等离子体的约束。

4.根据权利要求2的装置，其中该另外的磁性组件的强度比所述闭环磁性组件低。

5.根据权利要求2的装置，其中各磁性组件具有单独的控制。

6.根据权利要求2的装置，其中一个或者两个磁铁组件相对于靶磁控管是以补偿构造配置的。

7.根据权利要求2的装置，其中所述闭环磁性组件的所述另外的磁性组件由直流电磁线圈构成。

8.根据权利要求2的装置，其中靶的外周边位于真空室的内部，而且所述闭环磁性组件的所述另外的磁性组件由真空室外部的线圈构成。

9.根据权利要求1的装置，还包括一个等离子体发生器和一个等离子体约束装配，它可以第一清洁方式操作，其中等离子体延伸到整个溅射表面上，并且可以第二沉积方式操作，其中等离子体被约束在溅射表面的外周边之内。

10.根据权利要求1的装置，其中靶是盘形的。

11.一种控制磁控管溅射组件(1)的方法，该组件具有一个有溅射表面(2a)的靶(2)，磁控管组件装置的磁铁相对于靶是可移动的，并且该组件具有一个等离子体发生器和一个等离子体约束装配，该方法包括以下步骤：以第一清洁方式操作等离子体约束装配，其中等离子体延伸到基本上整个的溅射表面上，并且在等离子体被约束在溅射表面的外周边之内时以第二沉积方式操作，以及

使用闭环磁铁组件在要被溅射的衬底的面向靶的方向上的衬底支架上方的位置的空间周围施加磁约束场，所述闭环磁铁组件位于约束靶的真空室的外部、溅射靶周边附近。

12.根据权利要求11的方法，其中等离子体约束装配由以补偿构造排列的多个直流电磁铁构成。

13.根据权利要求11的方法，其中一个控制器(10a)在沉积步骤之前或者在沉积步骤之间选择第一清洁方式而在沉积步骤当中选择第二沉积方式。

14.一种不使用准直过滤器在衬底上进行溅射沉积的方法，包括在溅射沉积时凭借一个周围线圈(10)将等离子体限制到靶(2)的外周边之内的区域，以及

使用闭环磁铁组件在要被溅射的衬底的面向靶的方向上的衬底支架上方的位置的空间周围施加磁约束场，所述闭环磁铁组件位于约束靶的真空室的外部、溅射靶周边附近。

15.根据权利要求14的方法，其中该方法是在具有超过200mm的衬底分隔的长投射室中进行的。

16.根据权利要求14的方法，其中一个偏压被施加到衬底(3a)上。

17.根据权利要求16的方法，是在缺少单独的电离源的情况下进行的。

18.根据权利要求17的方法，其中溅射的材料在溅射过程中至少被部分地电离。

19.根据权利要求14的方法，其中在没有发生沉积时等离子体被允许延伸到靶(2)的周边内的区域上来清洁靶。

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