CN102251221B - 一种靶材及应用该靶材的半导体器件加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可用于溅射工艺的靶材，其至少包括可被独立拆装的两个靶材模块。本发明提供的靶材具有利用率高、更换周期长等的优点。此外，本发明还提供一种应用上述靶材的半导体器件加工设备，其同样具有靶材利用率高、设备维护周期长等的优点。

Description

一种靶材及应用该靶材的半导体器件加工设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种靶材及应用该靶材的半导体器件加工设备。 

背景技术

在现代工业中，微电子加工技术的水平取得了前所未有的成就。目前，技术人员已经可以将集成电路中的晶体管尺寸缩小到次微米级，使同一块集成电路中晶体管数量达到几千万个，并具有十层以上的高密度金属互联层。以上先进的技术水平均是通过对加工设备和工艺的不断改进才得以实现的。 

其中，物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition，以下简称PVD)是集成电路制造工艺中使用最广的一类薄膜制造技术。PVD技术中有一种磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术，更是加工集成电路中的铜、铝等金属接触及金属互连线等结构的重要技术手段。 

请参阅图1，即为一种常用的溅射工艺的设备原理图，其结构及工艺过程如下：进气装置5将氩气注入高真空的工艺腔室1内，氩气被电场3电离产生正的氩离子4；氩离子4在电场3中获得动能而成为高能氩离子7并轰击靶材8；靶材8溅射面上的金属原子9在高能氩离子7的轰击下脱离靶材8，而迁移到基片10表面形成薄膜层，该薄膜层的组份与靶材8基本相同；抽气装置6将反应过程中产生的气体和额外材料11排出工艺腔室1。 

请参阅图2，为磁控溅射工艺的原理示意图。磁控溅射是一种高效率的溅射技术，其利用磁控管(Magnetron)在基片和溅射靶材之间加载一定的与电场相交的磁场，用以限制电子的运动范围并延长电子的运动轨迹，使电子最大限度地离化氩气原子形成氩离子，从而有效提高氩离子浓度，并降低溅射技术所需的电学与气氛需求。 

在上述磁控溅射设备中，靶材是一个非常重要的部件。首先，靶材属于消耗性部件，当靶材消耗到一定程度之后就要进行更换，而靶材的纯度要求达到5N(99.999％)以上，价格非常昂贵，更换成本很高；并且，靶材的结构设计还会影响设备的上电时间(Uptime)、维护周期、颗粒性能等多项工艺指标。如图3所示，为目前常用的一种靶材结构。该靶材为圆形的平板式结构，包括固定在一起的靶材部分101和金属背板102，靶材部分101通过背板102与提供溅射功率的电源相连接。靶材部分101上与金属背板102相反的一面为溅射面105，与溅射面105相邻的圆周面为非溅射面106。出于颗粒控制等设计考虑，还会在靶材的边缘108处设置不同尺寸的倒角，并使非溅射面106具有凸凹起伏的形貌。 

上述靶材结构不可避免地存在以下缺陷：其一，由于目前的磁控溅射设备多采用双区磁控管或双位置磁控管作为磁场源，其结果往往会使靶材中心和边缘区域的材料消耗速率产生明显差异性，又由于靶材溅射面上的任意一处的材料消耗到极限程度后都必须更换整个靶材，这就无法实现对靶材材料的充分利用，不但造成材料浪费，还会增加企业的成本负担；其二，由于靶材材料的利用率低，势必要频繁地更换靶材，而频繁更换靶材会缩短设备的维护周期，进而影响设备的产能利用。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种靶材，其具有较高的材料利用率，从而能够有效节约成本，并延长设备维护周期。 

为解决上述问题，本发明还提供一种应用上述靶材的半导体器件加工设备，其同样能够有效节约成本，并具有较长的维护周期。 

为此，本发明提供一种靶材，其设置于溅射工艺的工艺腔室内。所述靶材包括两个可被独立拆装的靶材模块，两个靶材模块之间设置有绝缘层，所述靶材模块与电源连接，而且两个所述靶材模块的极性相反。 

其中，每一个靶材模块均包括固定连接在一起的靶材单元和背板单元，靶材单元通过背板单元与电源相连接。 

或者，所述靶材还包括一个背板，靶材模块包括靶材单元，所有的靶材单元均可独立地与背板进行拆装。 

其中，每一个靶材模块通过各自的背板单元与工艺腔室进行可拆装的独立连接。 

其中，靶材单元与背板单元之间通过下述方式之一进行固定连接：热压扩散连接、焊接、螺纹连接及卡接。 

其中，各个靶材单元中，消耗速率大的靶材单元的厚度大于消耗速率小的靶材单元的厚度。 

其中，靶材单元的溅射面的形状包括平面、斜面或曲面。 

其中，电源的类型包括直流电源、脉冲直流电源、中频电源、射频电源。 

其中，各个靶材单元的材料可进行独立选择，可选择的材料包括：铜、铝、钽、钛、钌、铂、银、铜铝合金、铜锰合金、钛铝合金。 

其中，靶材包括一个中心靶材模块和至少一个环绕中心靶材模块的边缘靶材模块，其中，中心靶材模块包括中心背板单元和中心靶材单元，每一个边缘靶材模块均包括边缘背板单元和边缘靶材单元。其中，中心背板单元和边缘背板单元分别连接同一电源的两极，或连接至不同的电源。 

此外，本发明还提供一种半导体器件加工设备，包括工艺腔室，在工艺腔室内部设置有上述本发明提供的靶材。 

本发明具有下述有益效果： 

本发明所提供的靶材，包括至少两个可被独立拆装的靶材模块，各个靶材模块之间设置有绝缘层。这样，当某一个靶材模块随着工艺的进行已经消耗至需要更换的程度时，可以仅对该靶材模块进行更换，而其它的靶材模块则可被继续使用。因此，本发明所提供的靶材具有较高的材料利用率，从而有效节约生产成本。 

并且，在本发明提供的靶材的一个优选实施例中，可以根据在实际工艺中靶材上各个区域的材料消耗速率而将对应区域的材料比例设置得更多一些或更少一些，这样就能使整个靶材中所有靶材模 块的消耗时间基本一致。因此，本发明提供的靶材与等量的现有靶材相比，不但具有较高的材料利用率，而且使用时间更长，从而能够最大限度地延长设备维护周期，进而有利于设备的产能利用。 

此外，在本发明提供的靶材的另一个优选实施例中，还可将各个靶材单元设置成不同的材料，并通过磁控装置的控制而依次对各个靶材单元进行独立溅射，以便在基片表面依次形成不同的膜层。因此，应用本发明提供的靶材能够在同一工艺腔室内完成不同组分的薄膜淀积工艺，并可根据工艺的需要实现新的工艺流程，从而有效提高生产效率。 

本发明提供的半导体器件加工设备，由于在其工艺腔室内设置有上述本发明提供的靶材，因此，其同样能够有效提高靶材利用率、节约生产成本，并且具有较长的维护周期和较高的生产效率。 

附图说明

图1为一种常用的溅射工艺的设备原理图； 

图2为一种磁控溅射工艺的原理示意图； 

图3为目前常用的一种圆形靶材的结构示意图； 

图4为本发明所提供靶材的一个具体实施例的结构示意图； 

图5为图4所示靶材的一种电源连接方式；以及 

图6至图11为本发明提供的靶材的第二至第七种具体实施例的结构示意图。 

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的靶材和半导体器件加工设备进行详细描述。 

请参阅图4，为本发明所提供靶材的一个具体实施例的结构示意图。本实施例中，所述靶材包括两个可被独立拆装的靶材模块，分别为一个中心靶材模块和一个环绕中心靶材模块的边缘靶材模块，在中心靶材模块和边缘靶材模块之间的间隙中设置有绝缘层204。上述靶材单元与背板单元之间可以通过热压扩散连接、焊接、螺纹连 接、卡接等固定连接的方法来实现，其中，热压扩散和焊接在靶材的连接方式中较为常用。绝缘层204多采用陶瓷材料制成，或者也可以采用其它一些具有稳定的物理和化学性质及良好绝缘特性的材料制成。各个靶材模块中的背板单元均与工艺腔室进行可拆装式的独立连接，从而使各个靶材模块能够被独立的更换，也就是说，每一个背板单元上均设置有可与工艺腔室连接的连接装置或结构，并且在工艺腔室上设置有与各个背板单元上的连接装置配合连接的装置或结构。这里，所述的可拆装式的连接，例如包括螺栓/螺母连接方式、卡具连接方式、支撑架连接方式等。 

本实施例中，中心靶材模块进一步包括固定连接在一起的中心靶材单元201和中心背板单元2031；边缘靶材模块进一步包括固定连接在一起的边缘靶材单元202和边缘背板单元2032。中心靶材单元201被设置为圆柱形，该圆柱形结构的一个端面与中心背板单元2031固定连接，另一个端面作为溅射面；中心背板单元2031为圆形的金属板，其直径与中心靶材单元201大致相等。边缘靶材单元202为环状，其空心部分正好可用于嵌套上述中心靶材单元201，边缘靶材单元202的溅射面与中心靶材单元201的溅射面均为平面，并且位于同一平面内；边缘背板单元2032为圆环形的金属板，其外缘直径大于边缘靶材单元202的外缘直径。 

上述各靶材单元用于在溅射工艺中作为耗材，而各个背板单元则用于将靶材单元与提供溅射功率的电源相连接。通常所用到的电源包括直流电源、脉冲直流电源、中频电源以及射频电源。这里，可以将各个靶材模块连接至同一个电源上，也可以使各个靶材单元分别连接在不同的电源上，这里，所述不同的电源可以是同一类型的几个独立的电源，也可以是几个不同类型的电源；或者，将两个不同的靶材单元与同一电源的两极相连接。该电源的类型可以是上述几种电源的任意一种。如图5所示，本实施例中，采用一种射频电源为靶材提供溅射功率，并且将该射频电源的两极分别与中心背板单元2031和边缘背板单元2032相连接，这样能够使加载至中心靶材单元201和边缘靶材单元202上的电极极性在任何时刻均处于 相反的状态，从而能够有效避免“打火”(Arcing)现象。当然，还可以将本实施例中的中心背板单元2031和边缘背板单元2032分别连接至不同的电源上。 

理论上，几乎所有的金属及金属合金均可作为靶材原料而用于溅射工艺当中；不过在实际应用中，以下几种金属及金属合金较为常用，其中，金属包括：铜、铝、钽、钛、钌、铂、银等；金属合金包括铜铝合金、铜锰合金、钛铝合金等。对于本发明提供的靶材而言，各个所述靶材单元的材料可进行独立选择，即：各个靶材单元所采用的材料可以在上述几种材料中任意选择，例如，各个靶材单元可以根据需要而选用同一种材料，或者分别选用不同的材料。对于各个靶材单元选择不同材料的情况可分为以下两种。 

其一，通过同时溅射各个靶材单元，而在基片表面生成一种新的合金材料层，此时可通过控制磁控管而控制对各个靶材的溅射比例，从而控制合金材料层的组分。例如，使中心靶材单元的材料为金属锰，边缘靶材单元的材料为金属铜，当同时溅射两个靶材单元时，就能在基片表面形成一层铜锰合金薄膜。 

其二，可以通过控制磁控管而仅选择某一个靶材单元参与反应，具体地，可以在一个工艺步骤中只对某一个靶材单元进行溅射，并在下一工艺步骤中溅射另一个靶材单元。这样就能在基片表面相继得到两个不同组分的薄膜层，从而提高整个工艺的生产效率。例如，在本实施例中，选择锰元素质量百分比含量在0.1～5％之间的铜锰合金作为边缘靶材单元的材料，采用金属铜作为中心靶材单元的材料，并采用双位置磁控管进行如下溅射工艺：当磁控管处于边缘位置时，主要溅射边缘靶材单元的铜锰合金材料而在基片表面得到阻挡层；当磁控管处于中心位置时，主要溅射中心靶材单元的金属铜材料而在基片表面得到籽晶层；这样，在同一工艺腔室内即可完成阻挡层、籽晶层两步工艺，大大提高了工艺效率。 

请一并参阅图6至图8，为本发明提供的靶材的第二至第四种具体实施例的结构示意图。与上述第一种具体实施例的不同之处在于，在图6所示的实施例中，边缘靶材单元302与中心靶材单元301的 溅射面虽然都是平面且两个溅射面平行，但边缘靶材单元302的溅射面高于中心靶材单元301的溅射面。这样的靶材结构适用于在实际工艺中靶材边缘区域的消耗速率高于中心区域的情况，边缘靶材单元302上高出的部分正好可以补偿其消耗的速率差，从而使边缘靶材单元302和中心靶材单元301能够在大致相等的时间内被耗尽，进而提高靶材的材料利用率；同时能够有效延长靶材的更换周期，也就是延长了设备的维护周期，从而有利于增加设备的产能利用。 

图7和图8所示实施例与图6类似，区别仅在于：图7所示实施例中的靶材结构，在边缘靶材单元402的溅射面的内环边缘处设置有倒角；图8所示实施例中在边缘靶材单元502的溅射面的外环边缘处设置有倒角。 

请参阅图9，为本发明提供的靶材的第五种具体实施例的结构示意图。本实施例中，边缘靶材单元602的溅射面并不是一个平面，而是一种类似圆台侧面的旋转曲面，该溅射面的内环边缘与中心靶材单元601的溅射面的边缘相平齐，外环边缘则高出中心靶材单元601的溅射面。这种结构的靶材，同样适用于在实际工艺中靶材边缘区域的消耗速率高于中心区域的情况；并且，其进一步考虑到既使在靶材边缘区域的消耗速率也存在一定差异的情况，即，靶材溅射面上的不同位置点的消耗速率随该位置点与靶材中心的距离增大而增大的情况。本发明提供的靶材，各个靶材单元的溅射面并不局限于上述各实施例所示的平面或旋转曲面的结构，例如还可以采用斜面、其它类型的规则曲面、不规则曲面以及组合曲面等结构作为溅射面。 

上述图6至图9所示的实施例除结构与本发明第一种具体实施例略有区别之外，对于材料的选择、电源的选择及电源的连接方式等均与上述第一种具体实施例类似，在此不再赘述。 

需要指出的是，虽然上述图6至9所示的实施例中，边缘靶材单元的溅射面均高于中心靶材单元的溅射面，但在实际应用中并不排除靶材中心区域的消耗速率高于边缘区域的情况，此时可以使中心靶材单元的溅射面高于边缘靶材单元的溅射面。由此可见，本发 明上述实施例的核心思想是针对靶材上消耗速率较高的区域而增加该区域的靶材厚度，从而使靶材上各个区域的消耗时间基本一致，即，使各个靶材单元的厚度与该单元的消耗速率成正比。这里，所述靶材单元的厚度是指从靶材单元的溅射面到与背板单元相连接的那个面的距离，由于靶材模块的溅射面可以是平面，也可以是曲面，因此，这里所说的靶材单元的厚度应当是指靶材单元的各个位置的平均厚度。 

此外，本发明提供的靶材还可以采用下述结构，即：当所有靶材单元均与同一个电源相连接的时候，可以使用一个背板代替各个独立的背板单元。也就是说，将所有的靶材单元均连接在同一个背板上，并使各个靶材单元可独立地与该背板进行拆装，这里所用到的可拆装式的连接，与前述背板单元和工艺腔室之间的连接方式基本相同，例如采用螺栓/螺母连接方式、卡具连接方式、支撑架连接方式等。这样，当某一区域的靶材消耗至极限的时候，可以将该区域上的靶材单元从背板上拆除并更换新的靶材单元；或者，也可以根据靶材各区域的消耗速率而将各个靶材单元设置成不同的厚度，使各个靶材单元的消耗时间基本一致，从而同时更换整个靶材。显然，上述结构的靶材具有更加简化的背板结构。当然，如果此时各个靶材单元采用同一种材料的话，还可以将各个靶材单元设置成一个整体。但是，要将一整块原料加工出如图6至图9所示的溅射面的形态具有一定难度，而且在加工过程中难免要将多余的材料切除，这样就会造成较大的材料浪费；而本发明提供的多个靶材单元的结构，可以分别用较小的原料加工而成，不但加工简单，而且不会造成材料的大量浪费。 

请参阅图10，为本发明提供的靶材的第六种具体实施例的结构示意图。在本实施中，靶材包括相互嵌套在一起的中心靶材模块，设置在中心靶材模块外围的第一环形靶材模块，以及设置在第一环形靶材模块外围的第二环形靶材模块。本实施例所示的靶材结构与上述的各个实施例的区别仅在于增加了一个环形的靶材模块，而对于靶材材料的选择、靶材单元的厚度的确定、所连接电源的选择及 连接方式均与上述各实施例类似。当然，本发明所提供的靶材并不限于两个或三个靶材模块的结构，在实际应用中，技术人员可以在综合考虑溅射控制和材料成本等多方因素后确定最适宜的靶材模块数量。 

请参阅图11，为本发明提供的靶材的第七种具体实施例的结构示意图。本实施例与上述第一至第五中实施例所示方案的不同之处在于，中心靶材单元801及与之固定连接的中心背板单元均为方形；相应地，边缘靶材单元802及与之固定连接的边缘背板单元均为回字形，从而嵌套于中心靶材单元801及中心背板单元的外围。关于靶材其它方面的技术特征同样与上述各实施例类似。 

除此之外，还可以将本发明提供的靶材中的各个靶材模块设置成其它形状，例如可以设置成几个并排的方形或是由几个扇形组合成的圆形结构等等均可。理论上讲，只要能够根据靶材的消耗特点而合理划分靶材区域，任何形状的靶材模块均可实现本发明的目的。 

综上所述，上述本发明提供的靶材具有至少两个可被独立拆装的靶材模块，因此，当某一个靶材模块的材料已经消耗到需要更换的程度时，可以仅对该靶材模块进行拆装及更换而不用更换其它仍可继续使用的靶材模块，从而提高了整个靶材的材料利用率，并在很大程度上节约了生产成本。而且在一个优选实施例中，可以根据各个靶材单元在实际工艺中的消耗速率的差异而为各个靶材单元设置不同的厚度，从而使整个靶材中的各个靶材单元的消耗时间基本一致，不仅可提高材料利用率，而且与现有的靶材结构相比，本发明提供的靶材具有更长的使用时间，从而有效延长设备维护周期，增加设备的产能利用。并且，在另一个优选实施方式中，还可以使各个靶材单元选用不同的材料，依次对各个靶材单元进行溅射而在基片表面形成不同组分的薄膜层，从而可实现在同一工艺腔室完成多层薄膜的制备工艺，并可根据工艺的需要实现新的工艺流程，大大提高了生产效率。 

作为另一技术方案，本发明还提供了一种半导体器件加工设备，包括工艺腔室，以及设置在工艺腔室内部的上述本发明提供的靶材。 

本发明所提供的半导体器件加工设备，由于设置有上述本发明提供的靶材，因此，其同样具有靶材利用率高、维护周期长以及生产效率高等的优点。 

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。 

Claims (12)

1.一种靶材，设置于工艺腔室内，其特征在于，所述靶材包括两个可被独立拆装的靶材模块，两个所述靶材模块之间设置有绝缘层，所述靶材模块与电源连接，而且两个所述靶材模块的极性相反。

2.根据权利要求1所述的靶材，其特征在于，每一个所述靶材模块均包括固定连接在一起的靶材单元和背板单元，所述靶材单元通过所述背板单元与电源相连接。

3.根据权利要求1所述的靶材，其特征在于，所述靶材还包括一个背板，所述靶材模块包括靶材单元，所有的靶材单元均可独立地与所述背板进行拆装。

4.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，每一个所述靶材模块通过各自的背板单元与所述工艺腔室进行可拆装的独立连接。

5.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，所述靶材单元与背板单元之间通过下述方式之一进行固定连接：热压扩散连接、焊接、螺纹连接及卡接。

6.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，各个所述靶材单元中，消耗速率大的靶材单元的厚度大于消耗速率小的靶材单元的厚度。

7.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，所述靶材单元的溅射面的形状包括平面、斜面或曲面。

8.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，所述电源的类型包括直流电源、脉冲直流电源、中频电源、射频电源。

9.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，各个所述靶材单元的材料可进行独立选择，可选择的材料包括：铜、铝、钽、钛、钌、铂、银、铜铝合金、铜锰合金、钛铝合金。

10.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，所述靶材包括一个中心靶材模块和至少一个环绕所述中心靶材模块的边缘靶材模块，其中，所述中心靶材模块包括中心背板单元和中心靶材单元，每一个所述边缘靶材模块均包括边缘背板单元和边缘靶材单元。

11.根据权利要求10所述的靶材，其特征在于，所述中心背板单元和所述边缘背板单元分别连接同一电源的两极，或连接至不同的电源。

12.一种等离子体处理设备，包括工艺腔室，其特征在于，在所述工艺腔室内部设置有权利要求1-11中的任意一项所述的靶材。

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