CN108604533A - 用于处理基板的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开用于处理基板的方法和设备。在一些实施方式中，工艺腔室包含：腔室主体，限定内部空间；基板支撑件，在内部空间内支撑基板；多个阴极，耦合至腔室主体并且具有对应的多个靶，多个靶被溅射至基板上；和屏蔽物，可旋转地耦合至腔室主体的上部并且具有至少一个孔以暴露多个靶中至少一个被溅射的靶，和设置于屏蔽物的背侧中的至少一个袋以容纳和覆盖多个靶中至少另一个不被溅射的靶，其中屏蔽物经配置以绕着处理腔室的中央轴旋转并且沿着处理腔室的中央轴线性移动。

Description

用于处理基板的方法和设备
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及用于处理基板的方法和设备。
背景技术
已知用于半导体装置的用于移除或建立材料层的各种方法。在半导体工业中经常使用物理气相沉积(PVD)方法。
介电PVD溅射在半导体工业中具有许多应用，例如，如氧化铪、氧化钽、用于电阻式随机存取存储器(ReRAM)和导电桥接随机存取存储器(conductive-bridging random-access memory；CBRAM)细丝(filament)的氧化铝、用于STT-RAM阻挡层的氧化镁、用于图像传感器的抗反射层的氧化钽和氧化钛等等。可使用反应性溅射来沉积介电材料(其中使用金属导电靶并且金属导电靶与氧或氮等离子体反应以沉积电介质)，或可使用合成的非导电靶与RF功率(电容耦合或电感耦合)以将靶材料直接溅射至基板上而沉积介电材料。第二种方法典型地用于电介质沉积期间不期望基板氧化或氮化的应用中，在此类应用中禁止使用反应性气体。尽管存在使用反应性溅射来生产介电膜的技术，发明人观察到：面对使用RF等离子体的直接的介电靶溅射仍有许多挑战，包含随着工艺配件的使用期的进程的沉积速率漂移(deposition rate drifting)，恶化的缺陷效能，和恶化的均匀性。
为了解决上述问题，使用成角度的(angled)多阴极腔室。介电靶连接至RF电源，金属靶连接至DC电源。使用旋转屏蔽物以避免溅射期间靶之间的交叉污染。金属靶的目的是粘贴(paste)屏蔽物以恢复沉积速率(由于由介电涂覆造成的接地损失(groundingloss))。金属粘贴物(paste)还帮助防止屏蔽物上介电颗粒的剥落和剥离。
然而，发明人观察到上述设计的若干缺点。首先，典型地需要大量的粘贴物以服务于上述目的，因为环绕靶的暗区(dark space)区域(特别是屏蔽物中的孔的侧壁)需要被充分覆盖，以恢复沉积速率。其次，由于沉积于环绕靶的暗区区域上的介电材料的RF溅射，金属靶的污染是不可避免的。典型地，在溅射电介质于基板上之前，将一些介电材料溅射至屏蔽物和挡板(shutter)上以允许粘贴物材料被电介质的薄层覆盖来减少污染。然而，发明人观察到：将一些介电材料溅射至粘贴物材料上使腔室颗粒性能恶化。最后，上述设备的另一缺点是接地屏蔽物的电位(potential)，作为相对于等离子体的正电位的负电位，导致先前沉积于屏蔽物的部分上的材料的溅射。结果，发明人观察到由于屏蔽物上粘贴的金属被溅射至基板上，基板被污染。
因此，发明人提供用于处理基板的改善的方法和设备的实施方式。
发明内容
本文公开用于处理基板的方法和设备。在一些实施方式中，工艺腔室包含：腔室主体，限定内部空间；基板支撑件，在内部空间内支撑基板；多个阴极，耦合至腔室主体并且具有对应的多个靶，多个靶用于被溅射至基板上；和屏蔽物，可旋转地耦合至腔室主体的上部并且具有至少一个孔以暴露多个靶中至少一个被溅射的靶，和设置于屏蔽物的背侧中的至少一个袋以容纳和覆盖多个靶中至少另一个不被溅射的靶，其中屏蔽物经配置以绕着工艺腔室的中央轴旋转并且沿着工艺腔室的中央轴线性移动。
在一些实施方式中，工艺腔室包含：腔室主体，限定内部空间；腔室主体适配器，耦合至腔室主体的上部，其中腔室主体适配器接地；基板支撑件，在内部空间内支撑基板；多个阴极，耦合至腔室主体适配器并且具有对应的多个靶，多个靶用于被溅射至基板上；和屏蔽物，可旋转地耦合至腔室主体适配器并且具有至少一个孔以暴露多个靶中至少一个被溅射的靶，和至少一个袋以容纳多个靶中至少另一个不被溅射的靶，其中屏蔽物经配置以绕着工艺腔室的中央轴旋转并且沿着工艺腔室的中央轴线性移动；和多个接地环，设置于屏蔽物和腔室主体适配器之间以将屏蔽物接地，其中多个靶包含至少一个介电靶和至少一个金属靶。
在一些实施方式中，一种用于在工艺腔室中处理设置于基板支撑件上的基板的方法，包含以下步骤：放置设置于工艺腔室内的屏蔽物，以经由屏蔽物中的孔暴露第一靶，同时覆盖第二靶，第二靶设置于袋中，袋在相对于基板的屏蔽物的背侧中形成；从第一靶溅射第一材料；旋转屏蔽物，以经由屏蔽物中的孔暴露第二靶，同时覆盖第一靶，第一靶设置于所述袋中或在第二袋中，第二袋形成在屏蔽物的背侧中；和从第二靶溅射第二材料。
在一些实施方式中，一种用于在工艺腔室中处理设置于基板支撑件上的基板的方法，包含以下步骤：旋转设置于工艺腔室内的屏蔽物以经由屏蔽物中的孔暴露介电靶；沿着工艺腔室的中央轴向上移动屏蔽物远离基板支撑件至缩回位置；从介电靶沉积介电材料至基板上；从工艺腔室移除基板；沿着中央轴向下移动屏蔽物朝向基板支撑件；旋转屏蔽物，以经由屏蔽物中的孔暴露金属靶；从金属靶粘贴金属材料至工艺腔室的内部表面上；和使氧气流动进入工艺腔室以氧化粘贴的金属材料。
附图说明
可通过参考描绘于附图中的本公开内容的说明性实施方式以理解本公开内容简要总结于上并且更详细地讨论于下的实施方式。然而，附图仅图示本公开内容典型的实施方式，因此不被认为是对范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。
图1根据本公开内容的一些实施方式描绘多阴极处理腔室的示意图。
图2根据本公开内容的一些实施方式描绘设置于图1的多阴极处理腔室中的屏蔽物的底视图。
图3根据本公开内容的一些实施方式描绘多阴极处理腔室的上部的示意图。
图4根据本公开内容的一些实施方式描绘设置于图3的多阴极处理腔室中的屏蔽物的底视图。
图5根据本公开内容的一些实施方式描绘设置于图3的多阴极处理腔室中的屏蔽物的底视图。
图6是根据本公开内容的一些实施方式图示处理基板的方法的流程图。
为了便于理解，已尽可能使用相同参考数字标示附图中共有的相同元件。附图未按比例绘制并且可为了清晰而简化。一个实施方式中的元件和特征可有利地并入其他实施方式中，而无须进一步叙述。
具体实施方式
本文提供用于处理基板的方法和设备的实施方式。所公开的方法和设备可有利地改善靶的使用期限、延长清洁前所需的时间周期并且减轻沉积速率漂移同时显著地最小化或消除靶之间的交叉污染。
在一些实施方式中，多阴极PVD腔室(即，工艺腔室100)包含多个阴极102(例如，5个阴极)，多个阴极102具有对应的多个靶(至少一个介电靶104和至少一个金属靶106)，多个靶附接至腔室主体(例如，经由腔室主体适配器108)。在一些实施方式中，金属靶可由例如钽、铝、钛、钼、钨和/或镁的金属形成，或由例如氧化钛、钛镁氧化物(titaniummagnesium oxide)和/或钽镁氧化物(tantalum magnesium oxide)。然而，可替代地使用其他金属和/或导电金属氧化物。处理腔室包含基板支撑件132，基板支撑件132具有支撑表面134以支撑基板136。工艺腔室100包含开口150(例如，狭缝阀)，终端受动器(未图示)可延伸穿过开口150以放置基板136于升降杆(未图示)上，以使基板降低至支撑表面134上。
在图1中展示的实施方式中，每个靶以相对于支撑表面134的预定的角度α设置。在一些实施方式中，角度α可介于约10°至约50°之间。基板支撑件包含经由匹配网络142耦合至设置于基板支撑件132中的偏压电极140的偏压源138。腔室主体适配器108耦合至工艺腔室100的腔室主体110的上部并且接地。每个阴极可具有DC功率源112或RF功率源114和相关联的磁电管。在具有RF功率源114的情况下，RF功率源114经由RF匹配网络115耦合至阴极。
屏蔽物116可旋转地耦合至腔室主体适配器108并且由所有阴极共用。依据需要同时溅射的靶的数量，旋转的屏蔽物可具有一个或多个孔以暴露对应的一个或多个靶。屏蔽物116有利地限制或消除多个靶104、106之间的交叉污染。例如，在提供五个阴极的一些实施方式中，屏蔽物116可包含至少一个孔118以暴露被溅射的靶104和至少一个袋120以收容不被溅射的靶(例如，金属靶106)。屏蔽物116经由轴件122旋转地耦合至腔室主体适配器108。
致动器124相对于屏蔽物116耦合至轴件122。致动器124经配置以旋转屏蔽物116(如箭头126所指示)并且沿着工艺腔室100的中央轴130向上和向下移动屏蔽物116(如箭头128所指示)。发明人观察到：当屏蔽物116向上移动进入缩回位置而使得环绕孔118的屏蔽物的面在面对基板136的靶(例如，介电靶104)的面后方时，有利地最小化环绕靶的暗区(例如，在孔118的侧壁上)中溅射的材料。结果，从一个靶(例如，介电靶104)溅射的材料不会由于在暗区中累积的材料的溅射而污染另一靶(例如，金属靶106)。此外，因为最小化溅射至暗区上的介电材料量，有利地将从金属靶粘贴的金属材料量减少到至多金属材料量的三分之一。
在一些实施方式中，可提供带有袋120的屏蔽物116以收容不被溅射的靶。袋有利地防止溅射的靶的散射材料沉积于不被溅射的靶上。尽管此类散射是不可避免的，袋120确保散射不会污染不被溅射的靶的溅射表面(或最小化此类污染)。结果，进一步减少不被溅射的靶的污染。
在一些实施方式中，工艺腔室100包含多个接地环144，以在屏蔽物处于缩回位置时提供改善的屏蔽物116至接地的腔室主体适配器108的接地。RF接地环144通过最小化等离子体与屏蔽物之间的能量来有利地防止屏蔽物116被负地充电(getting negativelycharged)。结果，进一步减少屏蔽物被溅射的机会。
在一些实施方式中，工艺腔室100进一步包含工艺气体源146以供应预定的工艺气体至工艺腔室100的内部空间105。工艺腔室100还可包含流体地耦合至内部空间105的排放泵148，以从工艺腔室100排放工艺气体。在一些实施方式中，例如，工艺气体源146可在溅射金属靶106之后供应氧气至内部空间105。发明人观察到：金属粘贴之后使氧气流动进入工艺腔室100有利地减少粘贴的金属材料的溅射流量(yield)，因为金属的氧化物(例如，氧化钽)的溅射流量明显低于所述金属(例如，钽)的溅射流量。结果，进一步减少基板136的污染。
图2描绘图1的屏蔽物116的底视图。尽管在图2中，多个靶104、106被图示为五个靶，可使用更多或更少的靶，例如，如图4所展示和下方所描述的。在图2中所展示的实施方式中，屏蔽物116可包含一个孔118和四个袋120。然而，屏蔽物116可以替代地包含多于一个的孔118以暴露多于一个的被溅射的靶。
图3根据本公开内容的一些实施方式描绘工艺腔室的上部的特写。图3中相同或相似于图1中的工艺腔室100的对应元件的处理腔室的元件将用相同参考符号来表示。因此，此处省略对这些元件的描述。如图3中所展示，可以替代地使用具有平直取向(flatorientation)的屏蔽物316，而非图1中所展示的工艺腔室100中的成角度的屏蔽物116。在图3中所展示的实施方式中，靶104、106平行于支撑表面134。在一些实施方式中，例如图3中所展示的，靶104、106是共面的。
屏蔽物316包含一个或多个孔318以暴露一个或多个被溅射的靶104、106。屏蔽物316还包含一个或多个袋320以收容不被溅射的一个或多个靶。孔318与成角度的屏蔽物116的孔118的差异在于：孔318具有小于孔118的宽度的宽度302。因为靶104、106相对于支撑表面134成角度，孔118足够大以允许被溅射的靶在屏蔽物116移动至缩回位置时通过孔118。相比之下，因为屏蔽物316是平直的并且靶104、106平行于支撑表面134，孔318的宽度302仅稍大于靶的宽度。因为被溅射的靶(例如，介电靶104)与屏蔽物之间的空隙小于图1中所展示的成角度的屏蔽物与靶之间的空隙，进一步减少污染，因为更少的材料沉积于孔318的侧壁上。
发明人观察到：屏蔽物316和靶104、106的平直取向(展示于图3中)有利地进一步改善RA均匀性，从使用图1的成角度的屏蔽物116的低于5％到使用平直屏蔽物316的约2％至3％。此外，因为屏蔽物316是平直的，相较于成角度的屏蔽物116，可使用更多的阴极102(假设整体屏蔽物直径相同)。
在一些实施方式中，例如图4中所描绘的，多个靶可包含六个靶：三个介电靶104和三个金属靶106。在图4中所展示的实施方式中，屏蔽物316包含三个非相邻孔318和三个非相邻袋320。因为三个非相邻孔318暴露被溅射的三个靶，处理腔室的产量增加为单一溅射靶的三倍，因为沉积速率是单一溅射靶的三倍。此外，整体的靶使用期限增加，因为从每个靶溅射的材料量较单一溅射靶少2/3。结果，也减少靶更换的频率。图4中所展示的实施方式的另一优点是：环绕每个靶的屏蔽物的暗区上的沉积较少(即，较单一溅射靶少2/3)。结果，进一步减少污染并且需要少2/3的粘贴物材料。尽管参照平直的屏蔽物316来描述图4的实施方式，图4中所展示的结构也可应用至成角度的屏蔽物116。
图5根据本公开内容的一些实施方式描绘屏蔽物516的结构。屏蔽物516大体相似于图3和图4中所描绘的屏蔽物316，除了屏蔽物516包含两个相邻孔518和四个袋520。在图5中所展示的实施方式中，多个靶包含两个相邻介电靶104、由第一金属形成的两个相邻第一金属靶106和由第二金属形成的两个相邻第二金属靶507。在一些实施方式中，两个相邻第二金属靶507可由不同于介电靶104的第二介电材料形成。结果，屏蔽物516可有利地便于堆叠的(stacked)沉积工艺。
在一些实施方式中，例如，两个相邻介电靶104可由氧化镁形成，两个相邻第一金属靶106可由钽形成，两个相邻第二金属靶507可由镁形成。结果，可以替代地在相同腔室中执行从两个相邻介电靶104直接溅射氧化镁或从两个相邻第二金属靶507溅射镁和后续的氧化。两个相邻第二金属靶507的溅射和后续的氧化可以是对介电靶104的直接溅射有利的，因为两个相邻第二金属靶507溅射后所需的金属粘贴物比介电靶104的直接溅射所需的金属粘贴物少。
在操作中，可使用根据本公开内容的实施方式的设备以在工艺腔室内从一个或多个靶溅射沉积材料，同时使设置于工艺腔室内的一个或多个额外的靶免于污染或免于污染工艺。例如，可放置设置于工艺腔室内的屏蔽物116、316以经由屏蔽物中的孔暴露第一靶(例如104)，同时覆盖设置于袋中的第二靶(例如106)，所述袋相对于基板在屏蔽物的背侧中形成。接着第一材料可从第一靶溅射，同时第二靶被屏蔽物覆盖并且设置于屏蔽物的袋内。
当完成第一材料的溅射后，可旋转屏蔽物以经由屏蔽物中的孔暴露第二靶，同时覆盖设置于所述袋中或第二袋中的第一靶，第二袋形成在屏蔽物的背侧中。接着可从第二靶溅射第二材料，同时第一靶被屏蔽物覆盖并且设置于屏蔽物的所述袋内或在形成于屏蔽物的背侧中的第二袋中。
在另一图示范例中，图6是根据本公开内容的一些实施方式图示处理基板136的方法600的流程图。在602处，旋转屏蔽物116、316以暴露介电靶104。在604处，沿着工艺腔室100的中央轴130向上移动屏蔽物至缩回位置，使得环绕介电靶104的屏蔽物116、316的面在靶的面的后方。在606处，介电材料沉积于基板136上。在608处，从工艺腔室100移除基板136。在610处，沿着工艺腔室100的中央轴130向下移动屏蔽物116、316至起始位置。在612处，旋转屏蔽物以暴露金属靶106。在614处，沿着工艺腔室100的中央轴130向上移动屏蔽物116、316至缩回位置，使得环绕金属靶106的屏蔽物116、316的面在靶的面的后方。在616处，溅射金属靶106以使用金属材料粘贴屏蔽物116、316和工艺腔室100。在618处，氧气从工艺气体源146流动进入内部空间105以氧化粘贴的金属材料。
虽然前述内容针对本公开内容的实施方式，可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，设计本公开内容的其他和进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种工艺腔室，包括：
腔室主体，所述腔室主体限定内部空间；
腔室主体适配器，所述腔室主体适配器耦合至所述腔室主体的上部，其中所述腔室主体适配器接地；
基板支撑件，所述基板支撑件在所述内部空间内支撑基板；
多个阴极，所述多个阴极耦合至所述腔室主体适配器并且具有对应的多个靶，所述多个靶用于被溅射至所述基板上；和
屏蔽物，所述屏蔽物可旋转地耦合至所述腔室主体适配器并且具有至少一个孔以暴露被溅射的所述多个靶中的至少一个，和至少一个袋以容纳不被溅射的所述多个靶中的至少另一个，其中所述屏蔽物经配置以绕着所述工艺腔室的中央轴旋转和沿着所述工艺腔室的所述中央轴线性移动。
2.如权利要求1所述的工艺腔室，其中所述多个靶中的每一个以相对于所述基板支撑件的预定角度设置。
3.如权利要求1所述的工艺腔室，进一步包括：
工艺气体源，所述工艺气体源耦合至所述工艺腔室以供应预定工艺气体。
4.如权利要求1所述的工艺腔室，进一步包括：
多个接地环，所述多个接地环设置于所述屏蔽物与所述腔室主体适配器之间以将所述屏蔽物接地。
5.如权利要求1至4中任一项所述的工艺腔室，其中所述多个靶中的每一个平行于所述基板支撑件设置。
6.如权利要求5所述的工艺腔室，其中所述多个靶包含六个靶。
7.如权利要求6所述的工艺腔室，其中所述六个靶包含三个介电靶和三个金属靶。
8.如权利要求7所述的工艺腔室，其中所述屏蔽物包含三个非相邻孔。
9.如权利要求6所述的工艺腔室，其中所述六个靶包含两个相邻介电靶、由第一金属形成的两个相邻第一金属靶和由第二金属形成的两个相邻第二金属靶。
10.如权利要求9所述的工艺腔室，其中所述屏蔽物包含两个相邻孔。
11.如权利要求1至4中任一项所述的工艺腔室，其中所述屏蔽物包含多个孔以暴露所述多个靶中的多个。
12.如权利要求11所述的工艺腔室，其中所述屏蔽物进一步包含多个袋以容纳所述多个靶中的多个。
13.如权利要求1至4中任一项所述的工艺腔室，其中所述多个靶中的每一个在大体上共面的布置中平行于所述基板支撑件设置，其中所述屏蔽物具有平行于所述多个靶的平直取向。
14.一种用于在工艺腔室中处理设置于基板支撑件上的基板的方法，包括以下步骤：
放置设置于所述工艺腔室内的屏蔽物，以经由所述屏蔽物中的孔暴露第一靶，同时覆盖第二靶，所述第二靶设置于袋中，所述袋形成在相对于所述基板的所述屏蔽物的背侧中；
从所述第一靶溅射第一材料；
旋转所述屏蔽物，以经由所述屏蔽物中的所述孔暴露第二靶，同时覆盖所述第一靶，所述第一靶设置于所述袋中或在第二袋中，所述第二袋形成在所述屏蔽物的所述背侧中；和
从所述第二靶溅射第二材料。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一靶是介电靶，所述第二靶是金属靶，并且进一步包括以下步骤：
在溅射所述第一材料之前，旋转所述屏蔽物以经由所述屏蔽物中的所述孔暴露所述介电靶，并且沿着所述工艺腔室的中央轴向上移动所述屏蔽物远离所述基板支撑件至缩回位置；
溅射所述第一材料至所述基板的表面上；
从所述工艺腔室移除所述基板；
沿着所述中央轴向下移动所述屏蔽物朝向所述基板支撑件，旋转所述屏蔽物，以经由所述屏蔽物中的所述孔暴露所述金属靶，并且沿着所述中央轴向上移动所述屏蔽物离开至所述缩回位置；
从所述金属靶粘贴金属材料至所述工艺腔室的内部表面上；和
使氧气流动进入所述工艺腔室以氧化粘贴的所述金属材料。
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