CN103038864A - 用于物理气相沉积处理以产生具有低阻抗和无不均匀度薄膜的磁铁 - Google Patents

用于物理气相沉积处理以产生具有低阻抗和无不均匀度薄膜的磁铁 Download PDF

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Abstract

在此提供用于沉积具有高厚度均匀度和低阻抗的薄膜的方法及设备。在一些实施例中，磁控管组件包含：分流板，所述分流板可绕轴而转动；内侧封闭回路磁极，所述内侧封闭回路磁极耦接至分流板；及外侧封闭回路磁极，所述外侧封闭回路磁极耦接至分流板，其中外侧封闭回路磁极的磁场强度对内侧封闭回路磁极的磁场强度的不平衡比例为小于约1。在一些实施例中，所述比例为约0.57。在一些实施例中，分流板和外侧封闭回路磁极具有心形。也揭露有一种使用RF和DC功率结合本发明磁控管组件的方法。

Description

用于物理气相沉积处理以产生具有低阻抗和无不均匀度薄膜的磁铁
技术领域
本发明的实施例大体上关于基材处理，且更具体地关于物理气相沉积处理。
背景技术
在传统物理气相沉积(PVD)处理中，如在钨(W)的沉积的例子中，为了薄膜沉积而仅施加直流(DC)功率。尽管以传统磁控管设计可达成好的厚度均匀度，但是所沉积W薄膜的阻抗非常高，而高阻抗因高线性阻抗的缘故而限制了晶体管集成的密度。一种尝试改善W薄膜的特征的技术是射频（RF）辅助PVD沉积，其中W薄膜的阻抗可因高能离子再溅射和薄膜致密化而大量地减少。然而，因RF功率在沉积处理期间耦合等离子体，所以这些W薄膜的厚度均匀度不佳。
因此，发明人提供用于薄膜的PVD沉积的设备和方法，该薄膜具有减少的阻抗和非均匀度。
发明内容
在此提供用于沉积具有高厚度均匀度和低阻抗的薄膜的方法及设备。在一些实施例中，磁控管组件包括：分流板，所述分流板可绕轴而转动；内侧封闭回路磁极，所述内侧封闭回路磁极耦接至所述分流板；及外侧封闭回路磁极，所述外侧封闭回路磁极耦接至所述分流板，其中所述外侧封闭回路磁极的磁场强度对所述内侧封闭回路磁极的磁场强度的不平衡比例为小于约1。在一些实施例中，所述比例约0.57。在一些实施例中，所述外侧封闭回路磁极具有心形。
在一些实施例中，一种在物理气相沉积(PVD)腔室中处理基材的方法包括以下步骤：提供具有至少一些离子物质的处理气体进入所述PVD腔室；施加DC功率至设置在基材上方的靶材以引导离子物质朝向所述靶材；旋转在所述靶材上方的磁控管，所述磁控管具有内侧封闭回路磁极和外侧封闭回路磁极，其中所述外侧封闭回路磁极的磁场强度对所述内侧封闭回路磁极的磁场强度的不平衡比例小于约1；使用离子物质从所述靶材溅射金属原子；沉积多个第一金属原子在所述基材上；施加RF功率至设置在所述基材下方的电极以使用所述离子物质而再溅射沉积的金属原子的至少一部分；及藉由施加所述DC功率和所述RF功率长达所期望的时间周期而在所述基材上形成一层。在一些实施中，所述层包括包括钨(W)且具有低于约2%的厚度均匀度和低于约10μOhm-cm的阻抗。
以下描述本发明的其它和进一步的实施例。
附图说明
可藉由参考描绘在附图中的本发明示范性实施例，而了解本发明的实施例，其中这些本发明的实施例概述在发明内容中且在实施方式中详细讨论。然而，应注意，附图仅绘示出本发明的典型实施例且因此不应被视为对本发明的范围的限制，这是因为本发明可允许其它等效的实施例。
图1显示依据本发明的一些实施例的磁控管的底视立体图。
图1A显示依据本发明的一些实施例的磁控管的部分底视图。
图2显示依据本发明的一些实施例的物理气相沉积腔室的侧视示意图图。
图3显示依据本发明的一些实施例沿晶片表面的沉积层厚度的图，该沉积层厚度为仅使用DC功率的磁控管的外侧极对内侧极的不平衡比例的函数。
图4显示依据本发明的一些实施例沿晶片表面的沉积层厚度的图，该沉积层厚度为使用RF和DC功率两者的磁控管的外侧极对内侧极的不平衡比例的函数。
图5显示依据本发明的一些实施例沉积层的厚度均匀度和阻抗的图，该沉积层的厚度均匀度和阻抗为磁控管的外侧极对内侧极的不平衡比例的函数。
为促进理解，尽可能地使用相同的附图标记，来指定图中共享的相同组件。这些图并未依尺寸而绘制且这些图为了清晰起见而简化。需想到，一个实施例的组件及特征可有益地纳入其它实施例中而无须进一步赘述。
具体实施方式
在此提供用于沉积具有高厚度均匀度和低阻抗的薄膜的方法及设备。本发明设备的一些实施例关于在射频(RF)物理气相沉积(PVD)处理中使用的磁控管设计。本方法的一些实施例关于沉积具有高厚度均匀度(如，低于约2%)和低阻抗(如，低于约10μOhm-cm)的薄膜。
图1显示依据本发明的一些实施例的磁控管。本发明的磁控管一般可使用于具有DC功率施加至靶材及RF功率施加至一或多个基材支撑件或PVD腔室的靶材的PVD腔室中(如，在下所描述且在图2中所描绘的PVD腔室200)。可从使用本发明磁控管而受益的处理的非限制例包含在其它沉积处理中的钨(W)沉积处理。
图1显示依据本发明的一些实施例的磁控管100的底视立体图。磁控管100包含分流板102，该分流板102也作为磁控管组件的结构基底。分流板102可包含当分流板102耦接至轴杆时可绕该轴杆转动的转动轴104。举例来说，安装板(图未示)可耦接至分流板102以安装分流板102至轴杆(如，显示在图2中的轴杆216)而提供磁控管100在使用期间的转动。在一些实施例中，且如图示，分流板102可具有心形。然而，分流板102也可具有其它形状。
磁控管100包含至少两个磁极(如，内侧极106和外侧极108)。每一内侧和外侧极106、108可形成封闭回路磁场。当在此使用时，封闭回路磁场指的是没有分离的始端和末端的极，但形成循环。在给定极内的极性相同(如、北极或南极)，但介于每一极106、108间的极性彼此相对(如，内侧北极且外侧南极，或内侧南极且外侧北极)。
每一极可包含配置在极板和分流板102间的多个磁铁。举例来说，内侧极106包含极板110，该极板110具有设置在极板110和分流板102间的多个第一磁铁112。同样地，外侧极108包含极板114，该极板114具有设置在极板114和分流板102间的多个第二磁铁116。极板110、114可由铁磁性材料(如在非限制例中，400系列不锈钢)或其它合适的材料所制成。极板110、114可具有任何合适的封闭回路形状。极板110、114的形状可相似，使得介于极板110、114间的距离绕极板110、114的回路是大体上均匀。如图所示，在一些实施例中，极板114可为心形。在一些实施例中，极板114可约略依循分流板102的周缘形状。
在每一多个磁铁中的磁铁无须完整地均匀分布。举例来说，如图1中所示，在一些实施例中，在多个第二磁铁116中的至少一些磁铁可成对配置。如图1A中所示，多个磁铁可以配置成多列。举例来说，多个第一磁铁112在图中显示成以两列磁铁的方式配置。
回到图1，在一些实施例中，在多个第一和第二磁铁112、116中的每一磁铁的磁强度可相同。替代地，在多个第一和第二磁铁112、116中的一或多个磁铁的磁强度可不同。在一些实施例中，由内侧极106所形成的磁场强度可大于由外侧极108所形成的磁场强度。因此，在一些实施例中，多个第一磁铁112的磁铁可较多个第二磁铁116更密集地配置。替代地或结合地，在一些实施例中，多个第一磁铁112中的磁铁数量可超过多个第二磁铁116中的磁铁数量。
内侧和外侧极106、108间的磁场强度的差异可由内侧极106的磁强度对外侧极108的磁强度的不平衡比例而界定。举例来说，在多个第一和第二磁铁112、116中的每一磁铁是具有相同磁场强度的相同磁铁的实施例中，不平衡比例可简单地表示成在多个第二磁铁116中的磁铁数量对多个第一磁铁112中的磁铁数量的比例。在在此所揭露的本发明磁控管中，发明人发现具有小于1的不平衡比例(如，在外侧极108的较低磁场强度对内侧极106的磁场强度及/或在多个第二磁铁116中较少的磁铁数量对多个第一磁铁112中的磁铁数量)可使用以沉积具有如上所讨论的高厚度均匀度和低阻抗的层。举例来说，在一些实施例中，所期望的不平衡比例可为约0.57。应考虑到，在一些应用中可使用其它的不平衡比例。举例来说，参考图3－4而在以下讨论的，发明人发现不平衡比例可选择或调整以控制所沉积薄膜的厚度轮廓。
图2显示依据本发明的一些实施例的处理腔室200的侧视示意图。处理腔室200可为任何经构成而用于DC功率及可选地RF功率的合适的PVD腔室。在一些实施例中，处理腔室200可经构成以用于DC和RF功率应用两者，如以下所讨论的。举例来说，处理腔室200包含基材支撑件202，该基材支撑件202具有基材204设置在基材支撑件202上。电极206可设置在基材支撑件204中以提供RF功率至处理腔室200。RF功率可经由RF功率源208而供应至电极。RF功率源208可经由匹配网络(图未示)而耦接至电极206。替代地或结合地(图未示)，RF功率源208(或另一RF功率源)可耦接至设置在基材支撑件202上的靶材210(或耦接至设置邻近于靶材的背侧的电极)，该靶材或该电极例如位于处理腔室200的室顶中。
靶材210可包括任何适合用于沉积一层在基材204上的金属及/或金属合金。举例来说，在一些实施例中，靶材可包括钨(W)。DC功率源212可耦接至靶材210以在靶材210上提供偏压以引导形成在腔室200中的等离子体朝向靶材210。等离子体可由处理气体(如，氩(Ar)或类似物)而形成，该处理气体藉由气源213而提供至腔室200。磁控管组件214设置在靶材210上方，其中该磁控管组件214包含磁控管100和用以旋转磁控管100的轴216。举例来说，磁控管组件214可促进从靶材210脱离的金属原子的均匀溅射及/或金属原子层在基材204上的均匀沉积，而使基材204具有如上所讨论的高厚度均匀度和低阻抗。
控制器218可提供并耦接至处理腔室200的各种部件以控制处理腔室200的操作。控制器218包含中央处理单元(CPU)、存储器和支持电路。控制器218可直接控制处理腔室200，或经由与特定处理腔室及/或支持系统部件连结的计算机(或控制器)而控制处理腔室200。控制器218可为任何形式的通用目的计算机处理器的一种，通用目的计算机处理器可使用于工业装置以控制不同的腔室及子处理器。控制器218的存储器或计算机可读媒体可为一或多个易于获得的存储器，如随机存取内存(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘、光储存媒体(如光盘或数字影像光盘)、随身碟或任何其它形式的数字储存器，不管是本地或远程皆可。支持电路耦接至CPU，支持电路用于以传统方式支持处理器。这些电路包含高速缓存、电源供应器、频率电路、输入/输出电路及子系统及类似物。在此所述的发明方法可储存在存储器中作为软件程序，该软件程序可被执行或可被启动而以在此所述的方式来控制处理腔室200的操作。软件程序也可由第二CPU(图未示)而储存及/或执行，该第二CPU位于远离由CPU所控制的硬件处。
在操作中，气体(如，氩(Ar)或类似物)由气源213提供至处理腔室200。气体可以充足的压力提供，使得气体的至少一部分包含离子化物质(如，氩离子)。离子化物质藉由DC功率源212所施加至靶材210的DC电压而指向靶材210。离子化物质撞击靶材210以从靶材210排出金属原子。举例来说，具有中性电荷的金属原子朝向基材204落下并沉积在基材表面上。随着离子物质与靶材210的撞击以及随后的金属原子排出，磁控管100同时地在靶材210上绕轴杆216旋转。磁控管100在腔室200内产生磁场，该磁场大体上平行并接近靶材210表面以俘获能与邻近靶材210的表面的任何离子化气体分子碰撞的电子，这些离子化气体分子依次增加邻近靶材210表面的局部离子物质密度并增加溅射率。此外，在由靶材210溅射金属原子期间，RF功率可藉由RF功率源208而施加至基材支撑件202。可利用RF功率以引导一部分的离子化物质朝向在基材204上的沉积金属原子以帮助从形成在基材204上的层至少再溅射一些沉积金属原子。再溅射沉积金属原子可减少在沉积层中的阻抗并促进层的致密化。然而，如以下所讨论，发明人发现仅使用RF功率会导致层虽然具有合适的阻抗，但也具有中央高-边缘低的轮廓。因此，具有如上所讨论的所期望不平衡比例的本发明磁控管100可独自使用或结合RF功率使用，以提供所期望的沉积轮廓(如，具有高厚度均匀度和低阻抗的沉积轮廓)。
图3显示依据本发明的一些实施例沿晶片表面的沉积层厚度的图，该沉积层厚度为仅使用DC功率的磁控管的外侧极对内侧极的不平衡比例的函数。举例来说，当不平衡比例实质上大于约1(如，约2.7)时，沉积轮廓具有如曲线302所示的中央高-边缘低的轮廓。可使用具有不平衡比例大于约1的磁控管，以藉由收缩限制容积而控制在基材上的离子轰击及/或增加金属离子化。举例来说，可使用低于约1的不平衡比例以调整沉积轮廓。举例来说，如图3中所示，具有低于1的不平衡比例的沉积轮廓可具有中央低-边缘高的轮廓，如曲线304(如，具有约0.97的不平衡比例)和306(如，具有约0.57的不平衡比例)所示。在一些实施例中，越低的不平衡比例带来越低的中央沉积和较高的边缘沉积(如曲线304和306所示)。然而，藉由RF功率的加入(仅使用RF功率将如上所讨论的导致中央高-边缘低的轮廓)，可获得如以下图4中所示的所期望的沉积轮廓。
图4显示依据本发明的一些实施例沿晶片表面的沉积层厚度的图，该沉积层厚度为使用DC和RF功率两者的磁控管的外侧极对内侧极的不平衡比例的函数。举例来说，如以上所讨论，使用低于1的不平衡比例的RF和DC功率的结合以沉积具有高厚度均匀度和低阻抗的层。既然RF功率经由环境模拟腔室(Environmental Simulation Chamber，ESC)而耦接在晶片中央，由RF功率所贡献的薄膜沉积具有薄中央和厚边缘的轮廓。藉由本发明磁控管100的低不平衡比例，因弱的磁场边界和等离子体扩散至晶片边缘的缘故，可以DC功率PVD沉积来实现具有薄晶片边缘和厚晶片中央的沉积轮廓。结合RF功率和DC功率沉积，可获得遍布基材的均匀厚度轮廓。例如，如图4中所示使用DC和RF功率以沉积薄膜，大的不平衡比例(例如，从约1至约2.72的范围)可导致具有中央高、边缘低的轮廓的沉积层，如曲线406所示。然而，在不平衡比例为低(例如，从约0.57(如，曲线402)至约0.93(如，曲线404)的范围)的实施例中，此处理可导致具有较均匀轮廓的沉积层，如图4中所示。
此外，如上所讨论，RF功率可改善沉积层中的阻抗，但不幸地，当独自提供RF功率时会导致沉积层的中央高-边缘低的轮廓。因此，藉由使用本发明的磁控管100而结合RF功率和DC功率，可获得具有高厚度均匀度和低阻抗的沉积层。如在图5中所示，由于磁控管100的缘故，沉积层的阻抗可远较于使用传统PVD处理的沉积层的阻抗为低。图5也显示出改变磁控管100中的不平衡比例对于沉积层中的阻抗具有极小影响或甚至没有影响，如曲线504所示。然而，如图5中所示，降低不平衡比例可实质上改善在沉积层中的厚度均匀度，如曲线502所示。
举例来说，在一些实施例中，使用在此所揭露的本发明方法和设备，500埃的钨(W)薄膜的阻抗为约9.4μOhm-cm，且厚度均匀度为约1.5%。这些结果显示出对于使用具有DC功率的传统磁控管所沉积的钨(W)薄膜的显著改善，其中该钨(W)薄膜具有约11μOhm-cm的阻抗和2.5%的厚度均匀度。
因此，用以沉积具有高厚度均匀度和低阻抗的方法和设备以在此提供。本发明设备的一些实施例关于用以使用在射频(RF)物理气相沉积(PVD)处理中的磁控管设计。本方法的一些实施例关于使用RF和DC功率以沉积具有高厚度均匀度(低于约2%)和低阻抗(低于约10μOhm-cm)的薄膜。
尽管前述是关于本发明的实施例，可设计本发明的其它和进一步的实施例而不背离本发明的基本范围。

Claims (15)

1.一种磁控管组件，所述磁控管组件包括：
分流板，所述分流板可绕轴而转动；
内侧封闭回路磁极，所述内侧封闭回路磁极耦接至所述分流板；及
外侧封闭回路磁极，所述外侧封闭回路磁极耦接至所述分流板，其中所述外侧封闭回路磁极的磁场强度对所述内侧封闭回路磁极的磁场强度的不平衡比例为小于约1。
2.如权利要求1所述的磁控管组件，其中所述不平衡比例是约0.57至约0.97。
3.如权利要求1所述的磁控管组件，其中所述不平衡比例是约0.57。
4.如权利要求1至3中任一项所述的磁控管组件，其中所述内侧封闭回路磁极的第一极性相对所述外侧封闭回路磁极的第二极性。
5.如权利要求1至3中任一项所述的磁控管组件，其中所述外侧封闭回路磁极具有心形。
6.如权利要求1至3中任一项所述的磁控管组件，其中具有至少一个如下特征：
所述内侧封闭回路磁极还包括：内侧极板；及多个第一磁铁，所述多个第一磁铁配置在所述内侧极板和所述分流板间；或
所述外侧封闭回路磁极还包括：外侧极板；及多个第二磁铁，所述多个第二磁铁配置在所述外侧极板和所述分流板间。
7.如权利要求1至3中任一项所述的磁控管组件，其中所述内侧封闭回路磁极还包括多个第一磁铁，且其中所述外侧封闭回路磁极还包括多个第二磁铁。
8.如权利要求7所述的磁控管组件，其中在所述多个第一磁铁和所述多个第二磁铁中的每一磁铁具有相同的磁强度。
9.如权利要求7所述的磁控管组件，其中在所述多个第一磁铁和所述多个第二磁铁中的至少一些磁铁具有不同的磁强度。
10.如权利要求7所述的磁控管组件，其中所述多个第一磁铁中的磁铁数量大于所述多个第二磁铁中的磁铁数量。
11.一种在物理气相沉积(PVD)腔室中处理基材的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有至少一些离子物质的处理气体进入所述PVD腔室；
施加DC功率至设置在基材上方的靶材以引导所述离子物质朝向所述靶材；
旋转在所述靶材上方的磁控管，所述磁控管具有内侧封闭回路磁极和外侧封闭回路磁极，其中所述外侧封闭回路磁极的磁场强度对所述内侧封闭回路磁极的磁场强度的不平衡比例为小于约1；
使用所述离子物质由所述靶材溅射金属原子；
沉积多个第一金属原子在所述基材上；
施加RF功率以使用所述离子物质而再溅射所述沉积的金属原子的至少一部分；及
藉由施加所述DC功率和所述RF功率长达所期望的时间周期而在所述基材上形成一层。
12.如权利要求11所述的方法，其中施加所述RF功率的步骤还包括至少一个以下步骤：
施加所述RF功率至设置在所述基材下的电极
施加所述RF功率至所述靶材；或
施加所述RF功率至设置在邻近所述靶材的电极。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述不平衡比例为约0.57至约0.97。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述靶材和所述层包括钨(W)。
15.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中具有至少一个如下特征：
所述层具有低于约2%的厚度均匀度；或
所述层具有低于约10μOhm-cm的阻抗。
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