CN109207943B - 一种磁控管、反应腔室和半导体处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁控管和半导体处理设备。该磁控管包括内磁极和外磁极，外磁极围设在内磁极外围，且外磁极和内磁极相互间隔形成等离子体路径，等离子体路径呈马蹄形，磁控管能使制备形成的膜层厚度均匀性和电阻率均匀性均小于3％。该磁控管通过采用马蹄形的等离子体路径，能使其磁场强度在不同半径区域内的一致性更好；沉积膜层时，从靶材中心和边缘逃逸出的溅射粒子所携带的动能相近，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种磁控管、反应腔室和半导体处理设备。
背景技术
物理气相沉积(PVD)技术或溅射(Sputtering)沉积技术是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。物理气相沉积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)技术及植球(Bumping)技术等等。
使用溅射技术沉积的钛钨(TiW)薄膜具有高密度，适中的薄膜应力，优良的表面平整度及良好的热和化学稳定性，在半导体工业中是一种优良的阻挡层及粘附层材料。
典型的PVD腔室如图1所示，包括高真空腔体4、被溅射的靶材5、设置在上腔室6内的磁控管7、上腔室6和靶材5中间充满了去离子水、承载晶片8的托盘9和抽气腔10。为了提高溅射效率，磁控管7放置在靶材5的背面。磁控管7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，使电子最大幅度的离化氩原子形成氩离子，氩离子受靶材负电压吸引轰击靶材5，撞击出靶材5表面的TiW粒子，TiW粒子获得能量，携带一定动能逃逸出靶材5表面，并在晶片8上沉积。
如图2所示，现有技术中采用的是一种螺旋形磁控管，对于较大靶材而言，这种磁控管在300mm的晶片上可以获得较好的均匀性。该磁控管包括属于一磁极性的多缠绕的外磁极2，其包围另一磁极性的内磁极1。外磁极2和内磁极1分别由磁极靴进行位置限定。恒定间隙11将两磁极分开且限定与靶材的正面相邻的高密度等离子体区域。该恒定间隙11设计成一螺旋环状形式，使得一闭合的电流环建立在该等离子体中用以维持等离子体。磁控管的旋转中心P放置在恒定间隙11中。高密度等离子可以延伸在该靶材面上一大部分。如果电机带动磁控管旋转，等离子体会覆盖全靶。
如图3为采用上述螺旋形磁控管时在靶材的不同半径区域选点测量的磁场强度曲线。距磁控管的旋转中心(通常与靶材中心重合)半径80mm区域内，恒定间隙呈“S”状分布，束缚粒子区域较大。从图3可以看出，半径50mm区域内磁场强度要明显弱于80mm以外区域内的磁场强度。由于磁控管旋转中心区域与边缘区域磁场强度相差较大，导致两区域束缚的粒子密度相差较大，中心区域束缚粒子密度明显减弱。在沉积薄膜时，磁控管磁场束缚的粒子会轰击靶材表面，靶材粒子获得能量发生逃逸，从而实现薄膜的沉积。磁控管旋转中心区域磁场减弱直接导致靶材中心区域单位面积粒子获得能量很弱，逃逸的粒子数量减少或粒子携带动能减弱。
对于靶材到晶片的距离为60～90mm的短程溅射而言，靶材不同半径处溅射粒子对晶片薄膜的贡献相差较大，由于磁控管中心磁场弱，边缘磁场强，导致靶材中心区域溅射出的粒子少且动能小。靶材边缘区域溅射出的大角度斜射粒子，要经过较长的路径才能到达晶片中心区域，形成薄膜沉积。采用此款磁控管进行薄膜沉积，晶片中心区域薄膜多由弱动能粒子沉积而成，晶片边缘区域薄膜多由高动能粒子沉积而成。这会导致晶片中心区域薄膜生长疏松，电阻率较大；晶片边缘区域薄膜生长致密，电阻率较小，薄膜电阻率均匀性大于5％。此外，由于入射粒子能量差异，也会导致晶片不同区域薄膜生长模式不同，从而影响薄膜的应力。
螺旋形磁控管对于靶材到晶片距离为60～90mm的短程溅射沉积而言，沉积薄膜方块电阻均匀性较差，方块电阻又称薄膜电阻，用于表征薄膜导电性，而此磁控管沉积薄膜膜厚均匀性较好。电阻率等于方块电阻与膜厚乘积，所以薄膜电阻率均匀性较差。晶片不同区域薄膜生长模式不同，难以达到理想的薄膜应力控制。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种磁控管、反应腔室和半导体处理设备。该磁控管能使其磁场强度在不同半径区域内的一致性更好；沉积膜层时，从靶材中心和边缘逃逸出的溅射粒子所携带的动能相近，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
本发明提供一种磁控管，包括内磁极和外磁极，所述外磁极围设在所述内磁极外围，且所述外磁极和所述内磁极相互间隔形成等离子体路径，所述等离子体路径呈马蹄形，所述磁控管能使制备形成的膜层厚度均匀性和电阻率均匀性均小于3％。
优选地，所述等离子体路径包括第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段、第一直线段、第一“L”形段和第二“L”形段；
所述第一圆弧段的极坐标为r＝180，π/6≤θ≤11π/6；
所述第二圆弧段的极坐标为r＝95，π/12≤θ≤1.84；
所述第三圆弧段的极坐标为r＝95，4.45≤θ≤23π/12；
所述第一直线段的极坐标为r＝-25/cosθ，1.84≤θ≤4.45；
所述第一“L”形段包括平行于所述第一直线段的第一横向段和垂直于所述第一直线段的第一纵向段，所述第一横向段的极坐标为r＝156/cosθ，11π/6≤θ≤6.12；所述第一纵向段的极坐标为r＝-25.6/sinθ，23π/12≤θ≤6.12；
所述第二“L”形段包括平行于所述第一直线段的第二横向段和垂直于所述第一直线段的第二纵向段，所述第二横向段的极坐标为r＝156/cosθ，0.161≤θ≤π/6；所述第二纵向段的极坐标为r＝25.6/sinθ，0.161≤θ≤π/12。
优选地，所述等离子体路径的宽度范围为1～3cm。
优选地，所述磁控管的旋转中心与靶材的中心重合，且所述旋转中心位于所述第一直线段区域内。
优选地，所述等离子体路径的所述第一圆弧段的直径大于等于所述靶材的直径。
本发明还提供一种反应腔室，包括腔体、设置于所述腔体顶部的靶材和设置于所述腔体底部的基台，所述基台用于承载晶片，其特征在于，还包括上述磁控管，所述磁控管设置于所述靶材的上方。
优选地，所述反应腔室用于沉积形成钛钨膜层，沉积的工艺压力范围为0.5～30mT，沉积功率≤20kW，所述靶材的下表面到所述晶片的上表面的竖直距离范围为60～90mm。
优选地，所述反应腔室用于沉积形成铜、钛、钽或氮化钽膜层，沉积的工艺压力范围为0.5～30mT，沉积功率≤40kW，所述靶材的下表面到所述晶片的上表面的竖直距离范围为30～110mm。
本发明还提供一种半导体处理设备，包括上述反应腔室。
本发明的有益效果：本发明所提供的磁控管，通过采用马蹄形的等离子体路径，能使其磁场强度在不同半径区域内的一致性更好；沉积膜层时，从靶材中心和边缘逃逸出的溅射粒子所携带的动能相近，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
本发明所提供的反应腔室，通过采用上述磁控管，能使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；从而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制，进而提升了膜层的沉积质量。
本发明所提供的半导体处理设备，通过采用上述磁控管，提高了该半导体处理设备的膜层沉积质量。
附图说明
图1为现有技术中物理气相沉积腔室的结构剖视示意图；
图2为现有技术中螺旋形磁控管的结构示意图；
图3为图2中螺旋形磁控管在不同半径区域的磁场强度曲线图；
图4为本发明实施例1中磁控管的结构示意图；
图5为图4中磁控管在不同半径区域的磁场强度曲线图；
图6为本发明实施例2中反应腔室的结构剖视示意图；
图7为图6中的反应腔室在6kW沉积功率下采用图4中磁控管与采用图2中磁控管制备的钛钨膜层的应力对比。
其中的附图标记说明：
1.内磁极；2.外磁极；3.等离子体路径；P.磁控管的旋转中心；4.腔体；5.靶材；6.上腔室；7.磁控管；8.晶片；9.托盘；10.抽气腔；11.恒定间隙；12.基台。
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，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种磁控管、反应腔室和半导体处理设备作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种磁控管，如图4所示，包括内磁极1和外磁极2，外磁极2围设在内磁极1外围，且外磁极2和内磁极1相互间隔形成等离子体路径3，等离子体路径3呈马蹄形，磁控管能使制备形成的膜层厚度均匀性和电阻率均匀性均小于3％。
该由内磁极1和外磁极2形成马蹄形等离子体路径3的磁控管在不同半径区域内测量的磁场强度曲线如图5所示，该磁控管的磁场强度随半径区域的分布较现有技术中的螺旋形磁控管明显不同，半径在60mm以内及180mm附近的磁场强度相近，磁场强度均值在300Gs左右，而现有技术中螺旋形磁控管的中心区域磁场强度均值仅为100Gs，这使得本实施例中磁控管在不同半径区域内的磁场强度一致性更好；沉积膜层时，从靶材中心和边缘逃逸出的溅射粒子所携带的动能相近，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
本实施例中，如图4所示，等离子体路径3包括第一圆弧段AGB、第二圆弧段EF、第三圆弧段CD、第一直线段CF、第一“L”形段AD和第二“L”形段EB。其中，
第一圆弧段AGB的极坐标为r＝180，π/6≤θ≤11π/6。
第二圆弧段EF的极坐标为r＝95，π/12≤θ≤1.84。
第三圆弧段CD的极坐标为r＝95，4.45≤θ≤23π/12。
第一直线段CF的极坐标为r＝-25/cosθ，1.84≤θ≤4.45。
第一“L”形段AD包括平行于第一直线段CF的第一横向段AT和垂直于第一直线段CF的第一纵向段DT，第一横向段AT的极坐标为r＝156/cosθ，11π/6≤θ≤6.12。第一纵向段DT的极坐标为r＝-25.6/sinθ，23π/12≤θ≤6.12。
第二“L”形段EB包括平行于第一直线段CF的第二横向段BH和垂直于第一直线段CF的第二纵向段EH，第二横向段BH的极坐标为r＝156/cosθ，0.161≤θ≤π/6。第二纵向段EH的极坐标为r＝25.6/sinθ，0.161≤θ≤π/12。
本实施例中，磁控管的旋转中心P与靶材的中心重合，且磁控管的旋转中心P位于第一直线段CF区域内。
优选地，本实施例中，等离子体路径3的第一圆弧段AGB的直径大于等于靶材的直径。如此设置，一方面由于磁控管旋转过程中等离子体路径3扫过靶材的整个面，所以能够使靶材实现全靶腐蚀，从而避免靶材未被腐蚀的区域在磁控溅射过程中产生颗粒，污染晶片上沉积形成的膜层；另一方面由于马蹄形等离子体路径3在不同靶材半径上的磁场强度一致性较好，所以还能实现靶材表面更加均匀的腐蚀，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
本实施例中的磁控管，靶材中心处于内磁极1和外磁极2的中间区域，且等离子体路径3经过靶材的中心和边缘，能够实现全靶腐蚀。在磁控溅射过程中对靶材进行腐蚀时，等离子体路径3的第一圆弧段AGB及第一直线段CF对应的靶材区域为主要靶材腐蚀区，该区域提供大量高动能的溅射粒子；等离子体路径3的第三圆弧段CD和第二圆弧段EF对应的靶材区域为次要靶材腐蚀区，该区域辅助提供高动能的溅射粒子，以平衡第一圆弧段AGB区及第一直线段CF区的高动能溅射粒子，从而保证溅射沉积膜层的整体厚度均匀性。第一“L”形段AD和第二“L”形段EB对应的靶材区域为辅助腐蚀区，确保靶材得到全靶腐蚀，避免靶材未被腐蚀区域颗粒的产生。
优选的，等离子体路径3的宽度范围为1～3cm。
实施例1的有益效果，实施例1中所提供的磁控管，通过采用马蹄形的等离子体路径，能使其磁场强度在不同半径区域内的一致性更好；沉积膜层时，从靶材中心和边缘逃逸出的溅射粒子所携带的动能相近，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
实施例2：
本实施例提供一种反应腔室，如图6所示，包括腔体4、设置于腔体4顶部的靶材5和设置于腔体4底部的基台12，基台12用于承载晶片8，还包括实施例1中的磁控管7，磁控管7设置于靶材5的上方。
本实施例中，反应腔室用于沉积形成钛钨膜层，沉积的工艺压力范围为0.5～30mT，沉积功率≤20kW，靶材5的下表面到晶片8的上表面的竖直距离范围为60～90mm。该反应腔室能够得到在不同的工艺压力(0.5～30mT)下制备满足厚度及电阻率均匀性要求的钛钨膜层，均匀性均小于3％。
本发明中所采用的马蹄形磁控管7提供的磁场强度分布更均匀，沉积的钛钨膜层应力性能得到明显改善，如图7所示为6kW沉积功率下本发明磁控管与现有技术中的螺旋形磁控管制备的钛钨膜层的应力对比。从图7中可以看到，相同沉积功率下，本发明所提供的马蹄形磁控管可在较低气压(如12mT)下制备具有较小压应力(如-124MPa)的钛钨膜层，较小的压应力(一般为-400MPa至0MPa)是行业内对钛钨膜层的基本要求；而螺旋形磁控管要想得到较小压应力的钛钨膜层需要22mT以上的沉积气压，沉积气压过大往往会导致钛钨膜层疏松，甚至出现膜层孔隙，从而失去其阻挡层或粘附层的作用。本发明中磁控管制备的钛钨膜层的应力随沉积气压变化的变化斜率为64.2，明显小于螺旋形磁控管的应力随沉积气压变化的变化斜率81.4，这说明在工艺气压出现波动时，马蹄形磁控管制备钛钨膜层的应力变化明显小于螺旋形磁控管制备钛钨膜层的应力变化，马蹄形磁控管具有更大的工艺窗口。
另外需要说明的是，本实施例中的反应腔室也可以用于沉积形成铜、钛、钽或氮化钽膜层，沉积的工艺压力范围为0.5～30mT，沉积功率≤40kW，靶材5的下表面到晶片8的上表面的竖直距离范围为30～110mm。通过采用实施例1中的马蹄形磁控管，同样能够形成膜层厚度和电阻率均匀性均小于3％的膜层，同时还能使膜层的密度及应力得到更加理想的控制。
实施例2的有益效果：实施例2中所提供的反应腔室，通过采用实施例1中的磁控管，能使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；从而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制，进而提升了膜层的沉积质量。
实施例3：
本实施例提供一种半导体处理设备，包括实施例2中的反应腔室。
通过采用实施例2中的反应腔室，提高了该半导体处理设备的膜层沉积质量。
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 (8)
1.一种磁控管，包括内磁极和外磁极，所述外磁极围设在所述内磁极外围，且所述外磁极和所述内磁极相互间隔形成等离子体路径，其特征在于，所述等离子体路径呈马蹄形，所述磁控管能使制备形成的膜层厚度均匀性和电阻率均匀性均小于3％；
所述等离子体路径包括第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段、第一直线段、第一“L”形段和第二“L”形段；
所述第一圆弧段的极坐标为r＝180，π/6≤θ≤11π/6；
所述第二圆弧段的极坐标为r＝95，π/12≤θ≤1.84；
所述第三圆弧段的极坐标为r＝95，4.45≤θ≤23π/12；
所述第一直线段的极坐标为r＝-25/cosθ，1.84≤θ≤4.45；
所述第一“L”形段包括平行于所述第一直线段的第一横向段和垂直于所述第一直线段的第一纵向段，所述第一横向段的极坐标为r＝156/cosθ，11π/6≤θ≤6.12；所述第一纵向段的极坐标为r＝-25.6/sinθ，23π/12≤θ≤6.12；
所述第二“L”形段包括平行于所述第一直线段的第二横向段和垂直于所述第一直线段的第二纵向段，所述第二横向段的极坐标为r＝156/cosθ，0.161≤θ≤π/6；所述第二纵向段的极坐标为r＝25.6/sinθ，0.161≤θ≤π/12。
2.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述等离子体路径的宽度范围为1～3cm。
3.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述磁控管的旋转中心与靶材的中心重合，且所述旋转中心位于所述第一直线段区域内。
4.根据权利要求3所述的磁控管，其特征在于，所述等离子体路径的所述第一圆弧段的直径大于等于所述靶材的直径。
5.一种反应腔室，包括腔体、设置于所述腔体顶部的靶材和设置于所述腔体底部的基台，所述基台用于承载晶片，其特征在于，还包括权利要求1-4任意一项所述的磁控管，所述磁控管设置于所述靶材的上方。
6.根据权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室用于沉积形成钛钨膜层，沉积的工艺压力范围为0.5～30mT，沉积功率≤20kW，所述靶材的下表面到所述晶片的上表面的竖直距离范围为60～90mm。
7.根据权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室用于沉积形成铜、钛、钽或氮化钽膜层，沉积的工艺压力范围为0.5～30mT，沉积功率≤40kW，所述靶材的下表面到所述晶片的上表面的竖直距离范围为30～110mm。
8.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求5-7任意一项所述的反应腔室。
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