CN101142094A - 磁控管溅射室上的分离磁体环 - Google Patents

Abstract

一种分离磁体环(70)，特别有利于磁控管等离子体反应器(10)，所述反应器用于将钽、钛、钨或其他阻挡金属溅射沉积到过孔中以及从过孔底部将所沉积的材料二次溅射刻蚀到过孔侧壁上。该磁体环包括两个环形磁体环(72、74)，所述环形磁体环具有相同轴向极性并由非磁性间距(76)以及相关的磁极面分开，所述非磁性间距(76)至少为一个磁体的轴向长度。较小的非对称磁控管(36)围绕靶材(16)背面转动，磁控管(36)具有外磁极(42)，外磁极(42)具有与环形磁体(72、74)相同的极性并围绕较弱的内磁极(40)，内磁极具有相反的极性。

Description

磁控管溅射室上的分离磁体环

相关申请

本申请要求2005年3月18日提交的美国临时申请60/663,568的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及材料的溅射。具体地说，本发明涉及用于改善磁控管溅射反应器中均匀性的辅助磁体。

背景技术

溅射也称为物理气相沉积(PVD)，常用于在半导体集成电路的制造中沉积金属以及相关材料的层。最初为在硅集成电路中进行铜金属化而开发的现有技术已被应用于溅射难熔金属(例如钽)和铜，所述难熔金属用作刻蚀到介质中的互连孔结构中的阻挡层(barrier layer)，铜用作籽晶层(seed layer)用于铜的最终电镀以填充所述孔。随着互连孔的直径缩减到100nm以下以及孔的高宽比增大到5以上，对溅射提出的要求已经越来越严。

已经利用形状复杂的靶材和电感电源开发了先进的溅射反应器，主要用于提高所溅射原子的电离比例。因此，晶片的偏压将所电离的被溅射原子吸引到孔中更深处，并对孔底部的突出物和不需要的层进行溅射刻蚀。但是，相当多的传统溅射反应器由于其简便和低成本，即使在先进的设备中也在继续使用。传统溅射反应器被用复杂的磁性元件进行改良，以获得更复杂的溅射反应器的许多性能特性。

Gung等人在美国专利6,610,184中公开了由图1的示意性剖视图所示的等离子体溅射反应器10，该专利通过引用而结合于此，并在下文中称为Gung。真空室12包括大体上圆筒形的侧壁14，侧壁是电接地的。通常，未示出的接地可替换屏蔽(有时还有附加的浮动屏蔽)位于侧壁14内侧以保护侧壁不被溅射涂覆，但它们用作室侧壁而不是保持真空。溅射靶材16至少具有由待溅射金属组成的表面层，并通过电隔离体18被密封到室12。基座电极22把要受到溅射涂覆的晶片24支撑为与靶材16平行相对。屏蔽内侧在靶材16与晶片24之间限定了处理空间。

溅射工作气体(优选为氩)定量从气体供应器26经过质流控制器28进入室中。未示出的真空泵系统将室12的内部保持在通常为10^-8Torr或更低的极低基本压力。在等离子体点火期间，以产生约5milliTorr室压力的量供应氩压力，但是随后将该压力减小，这将在下文中说明。DC电源34将靶材16负偏压到约-600VDC，使氩工作气体被激发成含有电子和正氩离子的等离子体。正氩离子被吸引到负偏压的靶材16，并从靶材16溅射金属原子。

该发明特别有利于自电离等离子体(SIP)溅射，在SIP溅射中，较小的嵌套(nested)磁控管36被支撑在靶材16后面未示出的背面板上。室12和靶材16关于中心轴线38大体上圆形对称。SIP磁控管36包括第一垂直磁极性的内部磁极40以及相反的第二垂直磁极性的周围外部磁极42。两个极被磁轭44支撑并通过磁轭44磁耦合。轭44固定到转动臂46，转动臂46被支撑在沿中心轴线38延伸的转动轴48上。与轴48相连的电动机50使磁控管36围绕中心轴线38转动。

在非对称的磁控管中，在外磁极42面积上累计的总磁通量大于内磁极40产生的总磁通量，优选地具有至少150％的磁场强度比。相反的磁极40、42在室12内产生了磁场B_M，该磁场大体上是半螺旋形(semi-toroidal)并有平行且靠近靶材16表面的较强分量，在该处产生高强度等离子体，从而提高溅射速率并提高所溅射金属原子的电离比例。由于外磁极42在磁性上强于内磁极40，所以来自外磁极42的一部分磁场在循环回到外磁极42后面以构成完整磁路之前向基座22远远投射。

RF电源54(例如具有13.56MHz的频率)连接到基座电极22以在晶片24上产生负的自偏压。该偏压吸引带正电的金属原子穿过邻近等离子体鞘层(sheath)，从而涂敷到晶片中高宽比较高的孔(例如层间过孔)的侧面和底部。

在SIP溅射中，磁控管较小并具有高磁场强度，大量DC功率施加到靶材以使靶材16附近的等离子体密度升高到约10¹⁰cm^-3。在存在这样的等离子体密度时，大量所溅射原子被电离成带正电的金属离子。金属离子密度足够高，使大量金属离子被吸引回靶材以进一步溅射金属离子。因此，金属离子可以至少部分地代替氩离子作为溅射处理中的有效工作微粒。即，可以减小氩的压力。压力减小具有使金属离子的溅射和消电离作用减小的优点。对于铜溅射，在某些情况下，在称为自溅射(SSS)的处理中，一旦等离子体已被点火，就可以完全消除氩工作气体。对于铝溅射或钨溅射，SSS不可行，但是也可以将氩压力从传统溅射中所用的压力大大减小到例如低于1milliTorr。

永久磁体62的辅助阵列60围绕室侧壁14设置，并大体上位于处理空间朝向晶片24的那一半。辅助磁体62具有与嵌套磁控管36的外磁极42相同的第一垂直磁极性，以抵消外磁极42产生磁场的非对称部分。在下文所述的实施例中，有八个永久磁体，但是围绕中心轴线38分布四个或更多个的任意数目都可产生类似的有益结果。可以将辅助磁体62设置在室侧壁14内侧，但是优选地设在薄的侧壁外侧，以提高其在处理区域中的有效强度。但是，设在侧壁14外侧对于总体处理结果较为有利。

辅助磁体阵列62大体上对称地围绕中心轴线38设置，以产生圆对称的磁场。另一方面，嵌套磁控管36具有围绕中心轴线38非对称设置的磁场分布，但是在对转动时间取平均时，这种分布就变得对称。有许多形式的嵌套磁控管36。最简单但不是优选的形式具有纽扣中心磁极40，圆环形外磁极42围绕该中心磁极40，使其磁场关于偏离室轴线38而设置的轴线对称，并使嵌套磁控管轴线围绕室轴线38转动。一种这样的嵌套磁控管具有三角形形状，其顶角靠近中心轴线38，而底边靠近靶材16周边。因为磁场的时间平均值比圆形嵌套磁控管情况下更均匀，所以这种形状特别有利。

Gung描述了其磁性元件的效果。非对称的磁控管36产生半螺旋形磁场B_M，该磁场大体上平行于靶材16的溅射表面，从而捕获电子、增大等离子体密度并因而提高溅射速率。由于这种非对称，所以很大的未匹配磁场从外磁极42发散，产生了返回磁场BA₁和侧壁磁场BA₂，返回磁场投射到室中心38附近的室12中但返回磁控管36背面，侧壁磁场靠近室侧壁14。侧壁磁场BA₂在返回磁控管42背面之前，被拉向极性类似的辅助阵列62。Gung描述了这种布置的有利效果，例如使等离子体延伸并将电离的溅射颗粒引向晶片24。他还描述了铜膜沉积的径向均匀性改善。

Gung的配置已经有利地用于铜沉积，特别是对于将薄的铜籽晶层沉积到狭窄的过孔中的情况，所述狭窄的过孔经过层间介质而形成，以便形成市场上很重要的双镶嵌结构中的水平互连和垂直互连。铜籽晶层用作籽晶和电镀层，用于随后通过电化学镀法(ECP)填充过孔。在这种应用中，突出物是个显著的问题。另一方面，在将Gung的配置应用于在过孔壁与铜籽晶层之间溅射钽阻挡层时，得到的均匀性还不能完全令人满意。在这种阻挡层应用中，侧壁覆盖情况和过孔深处的均匀性更重要。

发明内容

辅助磁体组件设置在等离子溅射反应器的处理区域周围，优选地设置在室壁外侧。它包括相同磁极性的至少两个磁体环，这些磁体环被非磁性的或磁性较小的材料的间距或间隙分开，所述间距或间隙的轴向长度至少与任一个环一样长，优选为至少其两倍。

两个磁体环传统地形成为两件非磁性轴环，这些轴环在室外部可固定在一起。轴环具有两个面向内侧的肋，肋带有用于磁体的凹陷。两对环形磁性部分将磁体接收在凹陷内并用作磁轭。

用于金属(例如难熔金属，如钽、钛或钨)的溅射方法可以使用分离磁体环，环间的间距可以针对处理进行优化。

附图说明

图1是包括单一辅助磁体环的现有技术磁控管溅射反应器的剖视图。

图2是图1的单一磁体环产生的磁场的示意图。

图3是本发明一种实施例的分离磁体环产生的磁场的示意图。

图4是包括图3的分离磁体环的本发明磁控管溅射反应器的剖视图。

图5是包括本发明的分离磁体环的两件式轴环的正视图。

图6是图示了本发明可获得的更高均匀性的曲线图。

具体实施方式

发明人相信Gung获得的均匀性改善是部分地通过磁体环62实现的，磁体环62产生大体上半螺旋形磁场64，该磁场在远离转动磁控管36的室那侧类似于与室侧壁14或屏蔽邻近的偶极子场，但也存在于暂时与转动磁控管36对准的室12那侧。如图2的示意性正视图中更详细地示出的，除了由于磁体环62的环形造成的不重要的二次效应之外，磁体环62产生的磁场64是磁偶极子场。在室侧壁14内侧，偶极子场64产生了磁屏蔽，该磁屏蔽阻碍等离子体(特别是其电子)扩散到接地的室侧壁14。因此，阻碍了等离子体扩散到接地的壁14，其中所述等离子体包含了从磁控管46附近的靶材16扩散的被溅射金属离子。这样的扩散等离子体造成了在室中心38处比在边缘附近更强的等离子体。这样的不均匀等离子体在接近正受到溅射沉积或其他方式处理的晶片24时在晶片24上造成了较强的径向非均匀性。通过减小侧壁扩散，等离子体在径向上变得更均匀，使得晶片处理更加均匀。

但是，偶极子场64有一些缺点。如图所示，它在磁体环60的中部附近向内凸出到室中。即，偶极子场64向室中心轴线38凸出并产生了显著的凹形屏蔽。因此，等离子体被限制在向内凹陷的屏蔽内，被电离的溅射颗粒在某种程度上向晶片24中心聚焦，造成溅射沉积(更具体地说是对晶片24的溅射刻蚀)不均匀。

晶片24的溅射刻蚀对于对高宽比较高的狭窄深过孔侧壁进行涂敷非常重要。阻挡金属(例如难熔金属，包括钛、钼、钽、钨、钴、铬和钌)具有较低但是显著的导电性，而它们的氮化物可以在磁控管溅射反应器中通过反应溅射来进行溅射沉积并且是不良导体。如果溅射通量具有较高的电离比例且晶片有较强偏压，则离子被吸入过孔中的深处以涂敷底部的过孔侧壁。撞击并被沉积在过孔底部的那部分通量可能在同时或在此后被二次溅射(resputter)并沉积在底部的过孔侧壁上。因此，该处理减小或消除了底部的阻挡层，不需要靠着下方的金属层，并提高了侧壁覆盖情况。

对于现有水平的铜溅射，凸出磁屏蔽的效果看起来不明显(但是在未来的水平下它可能变得明显)。但是，采用图1中的配置来溅射钽产生的侧壁非对称性和底部沉积以及二次溅射的径向均匀性较差。铜和钽是显著不同的材料。二者的靶材二次溅射率显著不同，对铜造成了高得多的电离比例，其程度使得对于铜可以有自溅射，而对钽就不是这样。即，对于铜溅射，在等离子体点火之后，就可以关闭氩溅射气体，所溅射的铜离子会作为溅射气体而支持等离子体。另外，铜和钽的质量显著不同，这会在过孔中的产生显著不同的溅射刻蚀率。

通过使室侧壁14或相关屏蔽附近的磁场变平，可以更好地约束等离子体并产生更均匀的溅射沉积和刻蚀。可以通过用间隔或其他介质将磁体环分成两个或更多个磁体环来实现这种变平。如图3的正视图中示意性示出的，分离磁体环70包括两个极性相同的磁体子环72、74，二者之间有间隔或轴向间距76，所述间隔或轴向间距是非磁性的，或者磁导率至少显著低于两个磁体子环72、74。每个子环72、74产生了各自的大体上的偶极子场。但是由于非磁性间距76，所得的组合分离环磁场78大体上是平的，特别是在侧壁14的内部。因此，组合磁场78作为室侧壁14附近的有效屏蔽，防止了等离子体扩散到接地的侧壁14或屏蔽，显著减小了等离子体朝向室12的中心38聚焦。

这种设置还具有磁体环72、74的磁饱和降低的优点。因此，与将使用相同磁体的磁体环72、74连续或彼此相邻地设置而其间没有间距76的情况相比，分离磁体环76产生的平均磁场密度增大。

本发明的溅射反应器80图示于图4的示意性剖视图中，并包括分离磁体环76。位于非对称的顶部磁控管36下方的估计磁场分布82组合了来自磁控管36的和分离磁体环72的非对称磁场。

磁控管36优选为具有弧形封闭等离子体回路的非对称LDR磁控管，如Gung等人2004年9月23日在美国专利申请10/949,735中公开的那样，该申请现己公开为美国专利申请公开2005/0211548，并通过引用而结合于此。在其溅射位置，弧形的凸起侧靠近靶材16的周边，使其磁场集中在靶材周边附近。可以通过离心机构来切换磁控管36，所以弧形与靶材半径对准得更近，从而使多个沉积之间靶材16的中心位置清洁。

图5的正视图中所示的分离磁体环组件90包括两个半轴环92、94，这些半轴环由非磁性材料(例如铝)构成。两个半轴环92、94可以由围绕室侧壁14外部的对准销96和螺钉98接合在一起，并通过垂直通孔100拧到侧壁14的支架。每个半轴环92、94包括两个环形的面向内侧的肋102，肋102具有凹形以容纳多个(例如八个)垂直极性的杆状磁体104。每个磁体104具有例如约15cm的长度和例如6mm的直径，并可以由NdBFe组成。即，有两组十六个磁体14(分在两个半轴环92、94之间)围绕为300mm晶片设置的室的中心轴线布置。磁体14之间的垂直间距可以改变以使沉积均匀性最佳。典型范围是25到44mm，即，大于各个磁体的长度，并优选为至少磁体长度的两倍但小于磁体长度的四倍，加上相关磁极面的厚度。螺钉通过由磁性材料(例如SS410不锈钢)组成的两对垫圈形托架106将磁体14保持在肋102上，并布置在肋102的垂直隔开的相对侧，不仅作为托架，还作为磁极面。

大体上，侧壁磁体只在存在显著晶片偏压(例如对300mm晶片的800W RF功率)的情况下才起作用，以将沉积在过孔底部的钽二次沉积到下部过孔侧壁上。偏压对还受到辅助侧壁磁体影响的被电离溅射离子产生牵引，而中性溅射原子本来既不受晶片偏压影响也不受侧壁磁体影响。用各种环形磁体溅射钽进行了溅射均匀性测试。对所沉积的钽膜测量薄层电阻RS以确定整个晶片半径上的沉积均匀性。如图6的曲线图所示，无论是Gung教导的单一侧壁磁体环还是两个环之间没有间距的分离磁体环都产生了大致相同的、通常认为不令人满意的较高非均匀性。带有25mm到44mm间距的分离磁体环显著降低了非均匀性。进一步的实验已经表明，与晶片中心处通常较高的二次溅射相比，分离磁体环可以有效提高晶片边缘附近的二次溅射。

分离磁体环也被应用于溅射钛。在此情况下，两个磁体环之间的间距被减小了2mm以使性能优化。在不同应用中改变间距这样的设计自由度也是分离磁体环的一个优势。

还可以采用三个或更多个磁体子环，并使它们之间具有非磁性间距。

尽管已经参考溅射钽和钛的情况进行了说明，但是本发明还可以应用于溅射其他材料，特别是阻挡材料。实验已经表明了本发明对于溅射钨的有效性。

Claims (21)

1.一种溅射反应器，包括：

真空室，具有围绕中心轴线布置的侧壁；

溅射靶材，被密封到所述真空室的一端；

基座，沿所述中心轴线布置成与所述溅射靶材相对，用于支撑待处理的衬底；和

分离磁体环，围绕所述中心轴线布置，沿所述中心轴线方向至少部分地设置在所述溅射靶材与所述基座之间，并包括至少两个沿所述中心轴线具有第一磁极性的子环，所述子环之间保持有轴向间距，所述轴向间距沿着所述中心轴线方向并且磁性被显著降低。

2.根据权利要求1所述的溅射反应器，其中，所述轴向间距具有的长度至少等于所述子环中的一个子环沿着所述中心轴线的长度。

3.根据权利要求2所述的溅射反应器，其中，所述轴向间距的长度不大于所述子环中所述一个子环的长度的五倍。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射反应器，还包括磁控管，所述磁控管围绕所述中心轴线可旋转并设置在所述溅射靶材的与所述基座相反那侧。

5.根据权利要求4所述的溅射反应器，其中，所述磁控管包括第一磁极性的外磁极，所述外磁极围绕第二磁极性的内磁极，所述第二磁极性与所述第一磁极性相反，其中，所述外磁极的总的磁场强度显著大于所述内磁极的总的磁场强度。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射反应器，其中，每个所述子环包括多个磁体。

7.根据权利要求6所述的溅射反应器，其中，每个所述子环还包括成对的环形磁极面。

8.根据权利要求6所述的溅射反应器，还包括轴环，所述轴环围绕所述真空室的侧壁外部设置，以接收所述子环的磁体。

9.根据权利要求8所述的溅射反应器，还包括多个磁环对，所述磁环对接收所述子环中各个子环的磁体的相反端。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射反应器，其中，所述溅射靶材的溅射面主要包括钽、钛和钨中的一项。

11.一种分离磁体环，设置成围绕溅射反应器的侧壁布置并包括至少两个子环，所述两个子环可固定在一起形成环形，并且每个子环包括：

部分轴环，可固定到至少一个其他部分轴环；和

磁体，被以至少两个部分环形结构的方式保持在所述部分轴环中，所述两个部分环形结构的磁体之间有轴向空隙，所述两个部分环形结构的磁体之间的间距至少与所述磁体的个体长度一样大。

12.根据权利要求11所述的分离磁体环，其中，所述间距不大于所述个体长度的五倍。

13.根据权利要求11或12所述的分离磁体环，其中，所述部分轴环包括至少两个面向内侧的肋，所述肋中带有垂直方向的凹陷，所述磁体布置在所述凹陷中。

14.根据权利要求13所述的分离磁体环，还包括至少两对磁性部分，所述磁性部分布置在所述肋的相反侧并在期间接收所述磁体。

15.一种将金属溅射到衬底上的方法，包括：

提供真空室，所真空室围绕中心轴线布置；

将靶材固定到所述真空室，所述靶材包括表面，所述表面包括金属；

将待处理的衬底支撑在与所述靶材相对的基座电极上；

向所述靶材施加直流功率以在所述室内激发等离子体，从而从所述靶材溅射所述金属；

使非对称磁控管在所述靶材背面围绕所述中心轴线转动；

对所述基座电极施加射频偏压；和

提供分离磁体环，所述分离磁体环在所述靶材与所述基座电极之间的区域中围绕所述中心轴线，其中，所述分离磁体环包括两个磁体环，所述两个磁体环沿所述中心轴线具有第一磁极性并由大体上非磁性的间距分开，所述间距的轴向长度至少与所述磁体环中任一个磁体环的轴向长度一样大。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述金属是难熔金属。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属包括钽。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属包括钛。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属包括钨。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述非对称磁控管包括第一磁极性的外磁极，所述外磁极围绕较弱的内磁极，所述内磁极具有相反的第二磁极性。

21.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，还包括将氮注入所述真空室中以产生反应溅射沉积。

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