CN106637124B - 用于物理气相沉积的沉积环和物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于物理气相沉积的沉积环和物理气相沉积设备。所述沉积环的内周表面上具有环形的内凸台，所述内凸台具有用于承接基片的承接面，所述内凸台上方的内周表面为沿着向上的方向渐开的锥形面。本发明提供的沉积环采用了锥形面和内凸台相结合的设计。通过向下渐缩(即沿向上方向渐开)的锥形面来减小基片的侧面和锥形面之间的缝隙，进而避免在基片的侧面镀膜。并且，还可以使基片的背面边缘直接与凸台的承载面接触，因此避免了背面绕镀的可能。此外，沿向上方向渐开的锥形面还有助于利用重力作用使基片自动地滑落到内凸台的承接面上，使基片准确地落入到预定位置，进而可以容许较大的传入位置偏差。

Description

用于物理气相沉积的沉积环和物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，具体地，涉及一种用于物理气相沉积(PVD)的沉积环(deposition ring)和具有该沉积环的物理气相沉积设备。

背景技术

PVD技术，例如溅射技术，是制备薄膜材料的重要方法之一，其泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。PVD技术可应用于很多工艺领域，如铜互连线技术、封装领域中的硅穿孔(Through Silicon Via,TSV)技术等等。

采用现有的PVD设备进行工艺成膜时，基片的侧面会有膜沉积，背面也会因为绕镀而有膜出现。在基片的侧面和背面形成的膜，尤其是金属氮化物膜，因为应力较大，在后续湿法清洗和机械抛光时，受外力作用容易脱落形成颗粒，造成基片的二次污染和表面划伤。

随着半导体技术不断发展，集成电路的尺寸越来越小，对颗粒尺寸和数量的要求越来越高。尤其对于后段工艺(BEOL)来说，颗粒的产生将直接导致金属线断连或电阻增加，影响器件的稳定性和功率。

一般来说，颗粒的尺寸不能超过刻蚀后线宽尺寸的2倍。例如，在28nm技术代后段工艺中，线条宽度是40nm，则颗粒尺寸应控制在0.08微米以内。PVD成膜时，金属膜的颗粒相对容易控制，而金属氮化物或其他应力较大的膜，颗粒控制是个很大挑战。另外，采用PVD成膜时对颗粒数量还提出了要求，例如，在28nm技术代后段工艺中，对颗粒数量的要求为不大于20颗。

因此，需要提供一种新型的用于物理气相沉积的沉积环和具有该沉积环的物理气相沉积设备，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种用于物理气相沉积的沉积环。所述沉积环的内周表面上具有环形的内凸台，所述内凸台具有用于承接基片的承接面，所述内凸台上方的内周表面为沿着向上的方向渐开的锥形面。

优选地，所述锥形面与水平面的夹角为45至60度。

优选地，所述锥形面通过倒角过渡至所述沉积环的顶部。

优选地，所述承接面的形状与所述基片的背面边缘的形状相适配。

优选地，所述沉积环的外周表面上设置有环形的外凸台，所述外凸台用于承载覆盖环。

优选地，所述沉积环的顶部高于所述内凸台3至6毫米。

优选地，所述锥形面和所述内凸台经由熔射处理，以在所述锥形面和所述内凸台的表面上形成熔射层。

优选地，所述熔射层的粗糙度为10至15微米。

优选地，所述内凸台的外径与所述基片的外径之差为1至3毫米。

根据本发明的另一个方面，还提供一种物理气相沉积设备，所述物理气相沉积设备具有物理气相沉积腔室，在所述物理气相沉积腔室中设置有如上所述的任一种沉积环。

本发明提供的沉积环采用了锥形面和内凸台相结合的设计。通过向下渐缩(即沿向上方向渐开)的锥形面来减小基片的侧面和锥形面之间的缝隙，进而避免在基片的侧面镀膜。并且，还可以使基片的背面边缘直接与凸台的承载面接触，因此避免了背面绕镀的可能。此外，由于沿向上方向渐开的锥形面的存在，还可以利用重力作用使基片自动地滑落到内凸台的承接面上，使基片准确地落入到预定位置，进而可以容许较大的传入位置偏差。

在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1为根据本发明一个实施例的磁控溅射设备的示意图；

图2为根据本发明一个实施例的沉积环的立体图；以及

图3为图2中所示的沉积环的截面图。

具体实施方式

在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

根据本发明的一个方面，提供了一种在PVD中使用的沉积环。PVD技术例如包括真空蒸镀、溅射镀膜(诸如磁控溅射)、电弧等离子体镀、离子镀膜以及分子束外延等。为了更容易理解本发明提供的沉积环，首先对PVD设备的整体结构进行简单介绍。下文将以PVD设备中的一种，即磁控溅射设备，来说明本发明的原理，但是显然本发明可应用于各种PVD设备。图1中示出了根据本发明一个实施例的磁控溅射设备。需要说明的是，本文的图示仅为用于示例目的的简图并非按比例绘制。

如图1所示，磁控溅射设备包括高真空工艺腔109、抽气腔106和磁控管腔111。磁控管腔111内包括磁控管102，磁控管102上设置有极性相反的磁铁103和104。高真空工艺腔109的上方包括被溅射的靶材110。磁控管102与磁铁103和104的周围以及靶材110的周围都设置有冷却系统(未示出)。高真空工艺腔109内还包括用于承接基片107的基座108。

为了提高溅射效率，磁控管102可以放置在靶材110背面。磁铁103和104受到轨道束缚在临近磁铁的腔室范围内产生磁场。在一个实施例中，其内轨道由一个或多个磁铁构成，外轨道与内轨道的磁铁极性相反并包围内轨道。为了达到均匀溅射的目的，磁控管102可以通过电机101带动在靶材110表面上方匀速旋转，进而均匀地扫描。作为示例，磁控管102的旋转速度可以为60-100rpm。

磁控管102产生的磁场束缚电子，限制电子的运动范围，并延长电子的运动轨迹，使电子最大幅度地离化进入到高真空工艺腔109内的气体原子，以形成该气体的离子。气体原子例如包括惰性气体原子(诸如氩原子)、和/或氮原子等，以形成氩离子、和/或氮离子。以形成氮化钛TiN膜为例，通入到高真空工艺腔109内的反应气体可以包括氮气和氩气，靶材110的材料可以为钛。离化形成的氮离子在靶材110表面与钛Ti反应形成氮化钛TiN，而离化形成的氩离子受靶材110上施加的负电压吸引轰击靶材110，撞击出靶材110表面的氮化钛TiN，并在基片107上沉积，进而在基片107上形成氮化钛TiN膜。

本文对上述部件的图示和描述主要用于清楚地理解本发明的发明构思，因此，对这些部件的图示说明和文字描述仅为示例性的。此外，本发明的贡献并非在于这些部件的具体构造，它们可以采用现有技术中存在的或未来可能出现的各种构造，因此本文将不再对它们进一步详细地描述。

沉积环200在使用时围绕基片107放置。沉积环200可以放置在基座108上，用于遮挡基座108上基片107周围的区域。本发明提供的沉积环200还能够起到避免在基片的侧面以及基片的背面边缘镀膜的作用。后文将结合图2和3对该作用进一步详细地描述。沉积环200可以形成为一体的结构。沉积环200可由陶瓷或金属材料制成，诸如石英、氧化铝、不锈钢、钛或其他适合的材料。

在沉积环200的径向上的外侧还放置有覆盖环300。覆盖环300可以覆盖沉积环200的一部分。进一步地，覆盖环300还可以覆盖基座108的侧面，以接收大量的沉积膜，减少在基座108和沉积环200上形成的沉积膜，减小等离子体对基座108和沉积环200的侵蚀作用。作为示例，覆盖环300可以与沉积环200搭接。但优选地，覆盖环300与沉积环200均采用非固定的连接方式，以允许处理过程中受热膨胀所引起的尺寸改变。覆盖环300优选地由能够抗溅射的等离子体侵蚀的材料制成，该材料例如为金属材料或陶瓷材料，该金属材料诸如不锈钢、钛或铝，该陶瓷材料诸如氧化铝。

图2和图3分别为沉积环200的立体图和截面图。如图2-3所示，沉积环200整体上呈环形。在沉积环200的面向沉积环200的中心的侧面上，即在沉积环200的内周表面上具有环形的内凸台210。该内凸台210具有承接面211，用于承接基片107(见图3)。内凸台210的截面可以具有任意形状，只要具有能够承接基片107的承接面211即可。作为示例，内凸台210的截面可以为图3中所示的大体矩形。在未示出的其他实施例中，内凸台210的截面大体上也可以为三角形、或梯形等等。内凸台210上方的内周表面为锥形面220，并且该锥形面220沿着向上的方向渐开，以形成自下而上逐渐增大的接收空间。在基片107传入到高真空工艺腔中时，先由顶针将基片107承接。随着顶针下降，基片107从顶部落入到锥形面220形成的接收空间内，并沿着锥形面220向下滑动。最终，基片107被放置在基座108和内凸台210的承接面211上，如图1所示。

基片107传进到高真空工艺腔中时，虽然每次位置相对于预定位置可能都不一致，但目前的传入设备可以使误差控制在偏差3mm以内。在本发明提供的PVD设备中，可以允许基片107的传入位置存在偏差。其原因在于，基片107下落期间，基片107的一侧会接触锥形面220，并由于重力作用，基片107最终可以在基座移动到工艺位的过程中，自动地滑落到内凸台210的承接面211上。这样，可以使基片107准确地落入到预定位置。

进一步，由于向下渐缩的锥形面设计，可以使锥形面220的靠近内凸台210的部分的尺寸与基片107的尺寸相适配。当基片107放置在内凸台210上时，基片107的侧面和锥形面220之间的缝隙较小，进而避免在基片107的侧面镀膜。优选地，内凸台210的外径与基片107的外径之差可以为1至3毫米。此外，由于基片107的背面边缘直接与内凸台210的承载面211接触，因此避免了背面绕镀的可能。目前常用的基片包括硅片。硅片的正面边缘和背面边缘通常都具有斜边(wafer bevel)，因此，优选地，承接面211的形状与基片107的背面边缘的形状相适配，以便使承接面211与基片107的背面边缘紧密地贴靠，尽可能地避免背面绕镀的可能。

优选地，锥形面220与水平面的夹角α可以为45至60度。上述角度的选择主要考虑两方面的原因：其一是锥形面220与基片107的侧面之间的间距；其二是锥形面220的顶部形成的开口的尺寸。该夹角α越大，锥形面220与基片107的侧面之间的间距越小，对于避免在基片107的侧面上镀膜越有利。该夹角α越小，在限制沉积环200的高度的情况下，锥形面220顶部的开口尺寸越大，对于容许基片107的传入位置偏差越有利。折衷上述两点考虑，将夹角α设置在上述优选范围内。

优选地，锥形面220通过倒角230过渡至沉积环200的顶部240。在对基片107镀膜过程中，在沉积环200的暴露至沉积空间的表面上也会形成薄膜。如果这些暴露的表面上存在比较尖锐的角，则形成在其上的薄膜很容易脱落。通过倒角230来连接锥形面220和顶部240可以避免存在容易导致薄膜脱落的区域，进而避免薄膜脱落形成的颗粒对基片造成二次污染和表面划伤。优选地，该倒角的直径可以为0.5至2毫米。优选地，沉积环200的顶部240比内凸台210高3至6毫米，以保护基片107的侧面，避免在其上镀膜。

此外，在沉积环200的远离沉积环200的中心的侧面上，即在沉积环200的外周表面上设置有环形的外凸台250。该外凸台250用于承载覆盖环300(见图1)。覆盖环300通常呈L形，其一端支撑在该外凸台250上，另一端覆盖沉积环200和基座108的外侧壁(或外周表面)。

优选地，锥形面220和内凸台210经由熔射处理，以在锥形面220和内凸台210的表面上形成熔射层(未示出)。当然，也可以对沉积环200的除锥形面220和内凸台210以外的其他外表面进行熔射处理。熔射处理是将材料(例如粉末或线材)加热熔化，在气体带送下高速冲击并附着于锥形面220和内凸台210的表面，并堆积、凝固形成膜层。经熔射处理形成的熔射层能够使表面粗糙化，以黏附沉积在其上的薄膜，减少颗粒的产生。优选地，熔射层的粗糙度可以为10至15微米，以更加牢固地黏附沉积在其上的薄膜。

根据本发明的另一方面，还提供一种物理气相沉积设备。该物理气相沉积设备具有物理气相沉积腔室，在处理腔室中设置有如上所述的任一种沉积环。物理气相沉积设备和沉积环所包含的各个部件或部分在上文部分已经详细地予以描述，为了简洁，在此将不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于正常使用时的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

应当理解，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种用于物理气相沉积的沉积环，其特征在于，所述沉积环的内周表面上具有环形的内凸台，所述内凸台具有用于承接基片的承接面，所述内凸台上方的内周表面为沿着向上的方向渐开的锥形面。

2.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述锥形面与水平面的夹角为45至60度。

3.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述锥形面通过倒角过渡至所述沉积环的顶部。

4.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述承接面的形状与所述基片的背面边缘的形状相适配。

5.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述沉积环的外周表面上设置有环形的外凸台，所述外凸台用于承载覆盖环。

6.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述沉积环的顶部高于所述内凸台3至6毫米。

7.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述锥形面和所述内凸台经由熔射处理，以在所述锥形面和所述内凸台的表面上形成熔射层。

8.根据权利要求7所述的沉积环，其特征在于，所述熔射层的粗糙度为10至15微米。

9.根据权利要求1所述的沉积环，其特征在于，所述内凸台的外径与所述基片的外径之差为1至3毫米。

10.一种物理气相沉积设备，其特征在于，所述物理气相沉积设备具有物理气相沉积腔室，在所述物理气相沉积腔室中设置有根据权利要求1-9中任一项所述的沉积环。