CN111155068A - 物理气相沉积填孔设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物理气相沉积填孔设备，包括腔体、基座、金属罩、内挡板、绝缘筒、磁控溅射装置、射频电磁环、辅助射频电磁环及辅助磁场装置；基座位于腔体内；射频电磁环位于基座内；磁控溅射装置包括靶材承载盘及磁控管，靶材承载盘位于腔体顶部，磁控管位于靶材承载盘上方；金属罩、内挡板和绝缘筒均位于腔体内，且位于磁控溅射装置和基座之间，金属罩、内挡板和绝缘筒沿远离腔体中心的方向依次分布，金属罩和内挡板均包括多个沿纵向延伸且间隔分布的栅格状开口且开口相互错开；辅助射频电磁环和辅助磁场装置均位于腔体和绝缘筒之间。本发明能显著改善深孔填充的台阶覆盖率和薄膜均匀性，有助于提高生产良率及降低生产成本。

Description

物理气相沉积填孔设备

技术领域

本发明涉及一种半导体制造设备，特别是涉及一种物理气相沉积填孔设备。

背景技术

物理气相沉积是集成电路制造中沉积金属薄膜最常用的方法之一，被广泛用于填充晶圆表面的高深宽比的深孔或深槽等结构。物理气相沉积在深孔填充中的应用主要是用于沉积深孔内部的粘附层（比如钛层）、阻挡层（比如氮化钛层）和金属种子层（如铜种子层）。阻挡层的作用是防止金属种子层的扩散，金属种子层是用做后续金属电镀（如铜电镀）工艺的导电层，因此深孔结构中沉积的阻挡层和金属种子层要具备良好的台阶覆盖能力，才在深孔填充中尽量减少侧壁和底部镀层偏薄甚至不连续等不良情况，以降低接触电阻。

对于物理气相沉积设备，靶材上施加负偏压后，被电离的氩离子在电场的作用下会飞向靶材并把靶材表面的靶材粒子轰出，被轰击下来的靶材粒子会沿各个角度到达晶圆表面，大部分以较大的角度进入高深宽比的深孔或深槽结构中，并沉积在通孔或深孔的中上部侧壁，而通孔或深孔的下部侧壁和底部则很难获得连续的填充，导致填充的深孔中出现侧壁和底部镀层偏薄甚至不连续等不良情况而导致器件性能下降甚至完全失效。

为解决此类问题，目前市场上比较常见的离子化物理气相沉积设备都是通过安装在沉积腔内，且与沉积腔无任何间隔的射频电磁线圈（或者说射频电磁线圈直接暴露于沉积腔中）来增加靶材粒子的离化率，以实现良好的台阶覆盖率。但是这样设置的电磁线圈存在不少问题。首先，电磁线圈完全暴露在等离子体氛围中，会被等离子体刻蚀而产生颗粒，故为避免沉积中产生额外的污染，电磁线圈必须使用与靶材同样型号和纯度的材料，且电磁线圈需要定期更换，导致生产成本的上升；另外，电磁线圈会与沉积腔内的等离子体产生电容耦合，不但会降低射频功率的使用效率，而且会影响到沉积薄膜的均匀性；此外这样暴露于沉积腔中的电磁线圈产生的感应等离子体为中间浓度高于边缘浓度，势必会造成晶圆中间区域的溅射速率要快于边缘的溅射速率，从而影响到薄膜的厚度均匀性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种物理气相沉积填孔设备，用于解决现有技术中的物理气相沉积设备在进行深孔填充时存在台阶覆盖率差，导致侧壁和底部镀层偏薄甚至不连续等不良情况，而采用与沉积腔直接接触的内置式射频电磁线圈来增加靶材粒子的离化率会造成生产成本上升、射频功率的使用效率下降，导致沉积薄膜的均匀性变差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种物理气相沉积填孔设备，所述物理气相沉积填孔设备包括：腔体、磁控溅射装置、基座、射频电磁环、辅助射频电磁环、金属罩、内挡板、绝缘筒及辅助磁场装置；所述磁控溅射装置包括靶材承载盘及磁控管，所述靶材承载盘位于所述腔体顶部，用于承载靶材，所述磁控管位于所述靶材承载盘上方；所述基座位于所述腔体内，用于承载晶圆；所述射频电磁环位于所述基座内；所述金属罩、内挡板和绝缘筒均位于所述腔体内，且位于所述磁控溅射装置和所述基座之间，所述金属罩、内挡板和绝缘筒沿远离所述腔体中心的方向依次分布，所述金属罩的中空区域一端延伸至所述基座附近，另一端延伸至所述靶材附近，所述金属罩和所述内挡板均包括多个沿纵向延伸且间隔分布的栅格状开口，所述金属罩的栅格状开口和所述内挡板的栅格状开口相互错开；所述辅助射频电磁环及所述辅助磁场装置均位于所述腔体和所述绝缘筒之间。

可选地，所述辅助磁场装置包括第一直流电磁环和第二直流电磁环，所述第一直流电磁环和第二直流电磁环各与直流电源相连接。

更可选地，所述第一直流电磁环和所述第二直流电磁环的间距大于等于所述绝缘筒高度的二分之一。

可选地，所述辅助射频电磁环位于所述第一直流电磁环和所述第二直流电磁环之间，所述辅助射频电磁环与所述第一直流电磁环和所述第二直流电磁环均具有间距，所述辅助射频电磁环与射频电源相连接。

可选地，所述物理气相沉积填孔设备还包括边缘环，位于所述晶圆的外围，且和所述晶圆具有间距，所述边缘环的内径大于所述晶圆的直径。

更可选地，所述边缘环包括边缘环上层和边缘环下层，所述边缘环上层和边缘环下层均具有开口且开口在纵向上相互错开。

可选地，所述边缘环的外侧与所述腔体相接触，内侧向所述晶圆延伸，所述边缘环的上表面与所述金属罩、内挡板及绝缘筒的底部相接触。

可选地，所述物理气相沉积填孔设备还包括偏压射频电源，所述基座与所述偏压射频电源相连接，所述偏压射频电源的频率范围为10-60 MHz，射频功率为100W-700W。

可选地，所述物理气相沉积填孔设备的工艺压力为1-2.8 mTorr。

可选地，所述绝缘筒的材质包括陶瓷和石英中的一种或两种，所述内挡板的材质包括绝缘材料或金属表面涂覆绝缘材料的复合材质，所述金属罩的材质包括不锈钢和铝合金中的一种或两种。

更可选地，所述内挡板和所述金属罩表面经粗糙化处理，所述粗糙化处理包括喷砂和熔射中的一种或两种。

可选地，所述金属罩的高度与所述绝缘筒的高度相同，所述金属罩的栅格状开口的水平宽度为2-3mm，所述金属罩的栅格状开口的高度比所述金属罩的高度小10~20mm，所述金属罩与所述绝缘筒的间距为3-5mm。

可选地，所述内挡板与所述绝缘筒相接触，所述内挡板与所述金属罩具有间距且间距为2-3mm。

可选地，所述靶材与所述基座的距离为80-230mm，所述靶材与所述绝缘筒顶部的间距为2-3mm。

更可选地，所述靶材与所述基座的距离为150-230mm。

可选地，所述物理气相沉积填孔设备还包括升降装置，所述升降装置与所述基座相连接，用于对所述基座进行升降以调整所述靶材与所述基座之间的距离。

可选地，所述物理气相沉积填孔设备沉积的薄膜包括铝、铜、钴、钛、氮化钛、钽、氮化钽、铁、镍、钨、钒、氧化钒、金和银中的一种或多种。

可选地，所述物理气相沉积填孔设备还包括腔体转接器，位于所述第一直流电磁环和第二直流电磁环之间，用于调整所述靶材和所述基座之间的距离。

相较于现有技术，本发明的物理气相沉积填孔设备使用双射频电磁环的新型设计，在基座内设有射频电磁环以在晶圆附近区域产生中间浓度高边缘浓度低的第一感应等离子体区，能在一定程度上增加靶材粒子的离化率；在腔体和绝缘筒之间设有辅助射频电磁环，所述辅助射频电磁环在晶圆附近区域产生中间浓度低边缘浓度高的第二感应等离子体区，也能在一定程度上增加靶材粒子的离化率；通过调节射频电磁环和辅助射频电磁环加载的射频功率大小，所述第一感应等离子体和第二感应等离子体叠加之后可在腔内获得均匀分布的感应等离子体，既能大幅增加靶材粒子的离化率，又能实现良好的薄膜均匀性。射频电磁环位于基座内，辅助射频电磁环与沉积腔室之间通过金属罩、内挡板和绝缘筒相隔离，可以有效避免射频电磁环以及辅助射频电磁环和等离子体接触，在有效增加靶材粒子的离化率，实现良好的台阶覆盖率的同时，可有效避免射频电磁环的腐蚀污染，有助于减少射频电磁环的损耗，降低生产成本；具有栅格状开口的金属罩可以有效防止金属罩上出现沿水平方向流动的涡旋电流，同时还可以帮助减少电容耦合，从而尽量避免电容耦合产生的不均匀的等离子体分布；内挡板和金属罩的栅格状开口相互错开，可以有效避免靶材粒子沉积到绝缘筒的内壁上，有助于降低颗粒污染。采用本发明的物理气相沉积填孔设备，工艺压力可低至1-2.8 mTorr，较低的工艺压力（对应较低的气体原子和离子浓度）可以有效地避免金属溅射粒子因过多的与气体原子和离子发生碰撞散射而偏离其向下运动的方向性，同时借助射频电磁环和辅助射频电磁环产生的第一感应等离子体区和第二感应等离子体区可以大大提升金属原子的离化率，离化后的金属离子在基座偏压的作用下其运动方向会趋向与基座表面垂直，使得更多的溅射粒子沿近似垂直的方向进入待填充的深孔结构，从而可以获得良好的台阶覆盖率，有助于提高生产良率，提升器件性能。

附图说明

图1显示为本发明的物理气相沉积填孔设备的结构示意图。

图2显示为本发明的绝缘筒的结构示意图。

图3显示为本发明的金属罩的结构示意图。

图4显示为本发明的内挡板的结构示意图。

图5显示为沿图1的AA’线方向的局部俯视结构示意图。

图6a显示为本发明的边缘环上层的俯视结构示意图。

图6b显示为本发明的边缘环下层的俯视结构示意图。

元件标号说明

11-腔体；12-基座；121-基座陶瓷层；13-金属罩；131-上支撑环；132-下支撑环；133-栅格板；134-栅格状开口；14-内挡板；141-上支撑环；142-下支撑环；143-栅格板；144-栅格状开口；15-绝缘筒；16-偏压射频电源；17-磁控溅射装置；171-靶材承载盘；172-磁控；181-第一直流电磁环；182-第二直流电磁环；19-晶圆；20-靶材；211-射频电磁环；212-辅助射频电磁环；22-边缘环；221-边缘环上层；222-边缘环下层；23-腔体转接器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征 “之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1至图6b所示，本发明提供一种物理气相沉积填孔设备，所述物理气相沉积填孔设备包括腔体11、磁控溅射装置17、基座12、射频电磁环211、辅助射频电磁环212、金属罩13、内挡板14、绝缘筒15及辅助磁场装置；所述磁控溅射装置17包括靶材承载盘171及磁控管172，所述靶材承载盘171位于所述腔体11顶部，用于承载靶材20，所述磁控管172位于所述靶材承载盘171上方，用于产生磁场以对带电的靶材粒子进行约束以提高等离子体密度；所述基座12位于所述腔体11内，用于承载晶圆19；所述射频电磁环211位于基座12内（更具体地是位于所述基座12的绝缘层内，比如位于基座12的陶瓷层121内），所述射频电磁环211与射频电源相连接；所述金属罩13、内挡板14和绝缘筒15均位于所述腔体11内，且位于所述磁控溅射装置17和所述基座12之间，所述金属罩13、内挡板14和绝缘筒15沿远离所述腔体11中心的方向依次分布，金属罩13的中空区域一端延伸至所述基座12附近，另一端延伸至所述靶材20附近（即所述金属罩13为中空的环状，其中空区域上下暴露出所述基座12及所述靶材20而与基座12及靶材20均不接触），所述金属罩13和所述内挡板14均包括多个沿纵向延伸且间隔分布的栅格状开口，所述金属罩13的栅格状开口134和所述内挡板14的栅格状开口144相互错开；所述辅助磁场装置和所述辅助射频电磁环212均位于所述腔体11和所述绝缘筒15之间。

相较于现有技术，本发明的物理气相沉积填孔设备使用双射频电磁环的新型设计，在基座的陶瓷层内设置射频电磁环，所述射频电磁环在晶圆附近区域产生中间浓度高边缘浓度低的第一感应等离子体区，能在一定程度上增加靶材粒子的离化率；同时在腔体和绝缘筒之间设有辅助射频电磁环，所述辅助射频电磁环在晶圆附近区域产生中间浓度低边缘浓度高的第二感应等离子体区，也能在一定程度上增加靶材粒子的离化率；通过调节射频电磁环和辅助射频电磁环加载的射频功率大小，所述第一感应等离子体和第二感应等离子体叠加之后即可在腔内获得均匀分布的感应等离子体，既能大幅增加靶材粒子的离化率，又能实现良好的薄膜均匀性。射频电磁环位于基座内，辅助射频电磁环与沉积腔室之间通过金属罩、内挡板和绝缘筒相隔离，可以有效避免射频电磁环以及辅助射频电磁环和等离子体接触，在有效增加靶材粒子的离化率，实现良好的台阶覆盖率的同时，可有效避免射频电磁环的腐蚀污染，有助于减少射频电磁环的损耗，降低生产成本；具有栅格状开口的金属罩可以有效防止金属罩上出现沿水平方向流动的涡旋电流，同时还可以帮助减少电容耦合，从而尽量避免电容耦合产生的不均匀的等离子体分布；内挡板和金属罩的栅格状开口相互错开，可以有效避免靶材粒子沉积到绝缘筒的内壁上，有助于降低颗粒污染。采用本发明的物理气相沉积填孔设备，工艺压力可显著降低，较低的工艺压力（对应较低的气体原子和离子浓度）可以有效地避免金属溅射粒子因过多的与气体原子和离子发生碰撞散射而偏离其向下运动的方向性，同时借助射频电磁环和辅助射频电磁环产生的第一感应等离子体区和第二感应等离子体区可以大大提升金属原子的离化率，离化后的金属离子在基座偏压的作用下其运动方向会趋向与基座表面垂直，使得更多的溅射粒子沿近似垂直的方向进入待填充的深孔结构，从而可以获得良好的台阶覆盖率，有助于提高生产良率，提升器件性能。

需要说明的是，所述金属罩13和底部基座12以及顶部靶材20围成的圆柱形区域即为沉积腔室，从靶材轰击下来的靶材粒子经过该区域沉积到晶圆19表面形成薄膜。为尽量避免对靶材粒子的阻挡，所述金属罩13的上部开口面积大于等于所述靶材20的面积而下部开口面积大于晶圆19表面积。

作为示例，所述磁控管172可以是基于永磁或电磁原理的结构，通过所述磁控管172在所述靶材20表面附近产生第一磁场，所述靶材20可与直流或交流电源相连而产生一个较高的负偏压，将沉积腔内的工艺气体（比如氩气）电离产生第一等离子体区，从而通过直流或交流磁控溅射将靶材粒子溅射到晶圆19表面以沉积形成所需的薄膜。

所述射频电磁环211位于所述基座12的绝缘层内，比如位于基座12的陶瓷层121内部，在物理气相沉积填孔工艺中，所述射频电磁环21与射频电源（未图示）相连接；所述陶瓷层121的材质包括氮化铝和氧化铝陶瓷中的一种或两种。在进一步的示例中，所述辅助射频电磁环212可以为螺旋形电感耦合线圈或者电感耦合环，并通过导线与射频电源相连。所述射频电源采用的频率范围介于10-60 MHz之间。所述射频电磁环211将射频能量耦合到所述金属罩13的空腔内，从而在靶材20和晶圆19之间产生中间浓度高边缘浓度低的第一感应等离子体区，并因此在一定程度上增加了靶材粒子的离化率。

作为示例，所述辅助射频电磁环212位于所述第一直流电磁环181和所述第二直流电磁环182之间，所述辅助射频电磁环212与所述第一直流电磁环181和所述第二直流电磁环182均具有间距，所述辅助射频电磁环212与射频电源相连接。优选地，所述辅助射频电磁环212缠绕于所述绝缘筒15的外壁上，且在进一步的示例中，所述辅助射频电磁环212位于所述绝缘筒15外壁的中下部。所述辅助射频电磁环212可以为电感耦合线圈或者电感耦合环，电感耦合线圈可为单匝或多匝，并通过导线与射频电源相连。所述射频电源采用的频率范围介于10-60 MHz之间。所述辅助射频电磁环212将射频能量耦合到所述金属罩13的空腔内，从而在靶材20和晶圆19之间产生中间浓度低边缘浓度高的第二感应等离子体区，由此与所述射频电磁环211耦合产生的第一感应等离子体区形成良好的互补，进一步增加了靶材粒子的离化率。

作为示例，可以通过调节射频电磁环211和辅助射频电磁环212加载的射频功率大小以调节离子浓度分布，所述第一感应等离子体和第二感应等离子体叠加之后即可在腔内获得均匀分布的感应等离子体，既能大幅增加靶材粒子的离化率，又能实现良好的薄膜均匀性。

作为示例，所述辅助磁场装置包括第一直流电磁环181和第二直流电磁环182，所述第一直流电磁环181和第二直流电磁环182各与直流电源相连接。所述第一直流电磁环181和所述第二直流电磁环182可以与所述绝缘筒15的外壁相连接（比如缠绕于所述绝缘筒15的外壁上）。在进一步的示例中，所述第一直流电磁环181位于所述绝缘筒15外壁的上半部（即位于所述绝缘筒15高度的二分之一的上方），所述第二直流电磁环182位于所述绝缘筒15外壁的下部靠近底部的位置，且所述第一直流电磁环181和所述第二直流电磁环182的间距优选大于等于所述绝缘筒15高度的二分之一。所述第一直流电磁环181与直流电源相连，由此在靶材20表面附近产生第二磁场，所述第二磁场与第一磁场叠加能进一步增加所述靶材20表面附近的磁场强度，从而进一步增加靶材粒子的离化率。作为示例，所述第二直流电磁环位于所述绝缘筒15外壁的下部，所述第二直流电磁环182可以在晶圆19上表面附近产生第三磁场，用来调整靶材20阳离子在晶圆19表面附近的分布，从而进一步改善沉积薄膜的厚度均匀性。由于有所述金属罩和所述内挡板的隔离，所述第一直流电磁环181、第二直流电磁环182及辅助射频电磁环212不再会暴露于等离子体氛围中，因而第一直流电磁环181、第二直流电磁环182及辅助射频电磁环212的材质无需限定为与靶材相同的材质而可以使用较为便宜的材质，且使用寿命可以极大延长，有助于降低生产成本。需要特别说明的是，本示例中，“第一”和“第二”只是出于描述的简便而并不具有实际上的限定意义，比如可以将位于所述绝缘筒15外部下部的直流电磁环定义为“第一直流电磁环”而将位于绝缘筒15外壁上部的直流电磁环定义为“第二直流电磁环”。所述第一直流电磁环181和所述第二直流电磁环182的结构可以完全相同或不同，比如其材质和/或包含的线圈匝数可以相同或不同，也可以采用铁磁环。当然，在其他示例中，所述辅助磁场装置的结构还可以有其他设置，比如还可以包含第三直流电磁环甚至更多，本实施例中不做严格限制。

作为示例，所述物理气相沉积填孔设备还包括偏压射频电源16，所述基座12与所述偏压射频电源16相连接，从而对所述基座12上承载的晶圆19施加一个负偏压，该负偏压使得已在第一和第二磁场区域以及在第一感应等离子体区和第二感应等离子体区被离化的靶材20阳离子加速向晶圆19表面运动，因而可使得更多的材料粒子沿大致与晶圆19表面垂直的方向沉积到晶圆19表面高深宽比的深孔结构内，从而可以在深孔结构内的下部侧壁和底部获得良好的覆盖填充。在进一步的示例中，所述偏压射频电源16采用的频率范围介于10-60 MHz之间，加载的射频功率范围为介于100W-700W之间。

如图2所示，所述绝缘筒15为圆筒状，上下具有开口而形成一个空腔，且至少表面绝缘的结构，而所述金属罩13和内挡板14位于所述绝缘筒15的空腔内。所述绝缘筒15位于靶材20与基座12之间，所述绝缘筒15的上开口正对靶材20的下表面，所述绝缘筒15的材料包括但不限于陶瓷（比如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等）和石英在内的绝缘材料中的一种或多种，且作为示例，所述绝缘筒15与所述靶材20在垂直方向上的间距为2-3mm。所述绝缘筒15可以阻挡所述第一直流电磁环181、第二直流电磁环182和辅助射频电磁环212与沉积腔室的直接接触，避免所述第一直流电磁环181、第二直流电磁环182和辅助射频电磁环212暴露在等离子氛围中，由此减少其刻蚀污染，延长其使用寿命，降低生产成本，同时也可以减少所述腔体11的污染，减少设备维修保养的频率，提高设备产出率。

所述金属罩13位于所述绝缘筒15的内侧，其结构可以参考图3。如图3所示，所述金属罩13包括上下平行设置的上支撑环131和下支撑环132，以及位于所述上支撑环131和下支撑环132之间且两端分别与所述上支撑环131和下支撑环132相连接的多个间隔分布的栅格板133，相邻的栅格板133之间的间隙即形成所述栅格状开口134，且所述栅格板133优选均匀间隔分布以形成多个大小相同的垂直状的所述栅格状开口134，所述金属罩13的中空区域即沉积腔室，靶材粒子经过该沉积腔室沉积到晶圆19表面以沉积形成薄膜。所述金属罩13的外壁距离所述绝缘筒15内壁很近，优选的距离为3-5mm（包括端点值，本说明书在提及数值范围时均包括端点值，后续不再说明），所述金属罩13的高度优选为140-220mm，所述栅格状开口134的垂直高度优选为120-200mm而水平宽度优选为2-3mm，即栅格状开口134的垂直高度小于所述金属罩13的最大高度，也可以说是所述上支撑环131和下支撑环132具有一定高度。作为示例，所述金属罩13的高度与所述绝缘筒15的高度相同，所述金属罩13的栅格状开口134的高度比所述金属罩13的高度小10~20mm。需要说明的是，所述金属罩13可以是一体结构，即在具有封闭的环形侧壁的金属板上通过切割或刻蚀等工艺形成所述栅格状开口134，此时所述上支撑环131、下支撑环132和栅格板133只是一种出于描述的方便而进行的定义；或者也可以是组合结构，即将独立的上支撑环、下支撑环及多个栅格板进行连接固定以形成如图3所示的结构，本实施例中不做严格限定但优选为一体结构，有助于加工的便利及结构的稳固。所述金属罩13上设置所述栅格状开口134可以有效地防止金属罩13上出现沿水平方向流动的涡旋电流，同时所述金属罩13还有助于减少电容耦合，从而尽量避免电容耦合产生的不均匀的等离子体分布。在沉积工艺中，所述金属罩13进行接地处理，接地后所述金属罩13处于零电势，可以有效地减少等离子体中的气体阳离子（比如氩离子）对所述金属罩13和所述绝缘筒15内壁的轰击，延长所述金属罩13和绝缘筒15的寿命。所述金属罩13的材料可以包括不锈钢、铝合金和其他化学性质稳定的金属中的一种或多种，所述金属罩13的内表面（或者全表面）可以进行喷砂或者铝熔射处理以增加其表面粗糙度，以提高其表面的膜层附着力，避免出现颗粒过高的问题。

所述金属罩13还可以防止大部分的靶材粒子溅射到所述绝缘筒15的内壁上，避免因为在内壁上形成连续的导电膜层而严重影响射频能量从辅助射频电磁环212通过电感耦合至腔内的等离子体区。但是由于所述栅格状开口134的存在，一部分的靶材粒子还是可能穿过所述金属罩13的栅格状开口134溅射到所述绝缘筒15的桶壁上，而所述内挡板14就可以有效避免此类问题。

所述内挡板14的结构可以参考图4。所述内挡板14的结构与所述金属罩13的结构相似，即同样具有上下开口，包括上下平行设置的上支撑环141和下支撑环142，以及位于所述上支撑环141和下支撑环142之间且两端分别与所述上支撑环141和下支撑环142相连接的多个间隔分布的栅格板143，相邻的栅格板143之间的间隙即形成所述栅格状开口144，且所述栅格板143优选均匀间隔分布以形成多个大小相同的垂直状的所述栅格状开口144。所述内挡板14同样可以是一体结构或组合结构（优选一体结构），具体请参考对所述金属罩13的介绍，出于简洁的目的不赘述。所述内挡板14优选与所述绝缘筒15的内壁相贴置而与所述金属罩13的外壁有一定的间距，该间距优选为2-3mm。所述内挡板14的栅格状开口144与所述金属罩13的栅格状开口134相互错开，即两者的开口不正对，也即所述金属罩13的所有栅格状开口134都是正对着所述内挡板14的闭合区（也即正对所述内挡板14的栅格板143）而所述内挡板14的所有栅格状开口144都正对所述金属罩13的闭合区（也即正对所述金属罩13的栅格板133），因而即便靶材粒子穿过了所述金属罩13的栅格状开口134，最后也是沉积到所述内挡板14的闭合区而不会沉积到所述绝缘筒15的内壁上，从而有效避免所述绝缘筒15上颗粒聚集的问题。所述内挡板14的栅格板143和栅格状开口144的大小与所述金属罩13的栅格板133和栅格状开口134的大小可以相同或不同，只要确保安装时所述金属罩13和所述内挡板14的开口相互错开以使两者在同一径向上不同时具有开口。所述金属罩13、内挡板14及绝缘筒15的位置关系可以参考图5。

所述内挡板14的材料可采用不导电的材料，包括但不限于陶瓷和石英中的一种或两种，也可采用包括不锈钢和铝合金在内的导电材料，但使用前需要在导电材料表面镀上绝缘材料以形成表面绝缘的复合结构，这样可以避免设备在使用一段时间之后在所述内挡板14的表面出现沿水平方向的闭合导电膜层，闭合导电膜层会严重影响射频能量在腔内等离子区的耦合。所述内挡板14的表面同样优选进行粗糙化处理，比如进行喷砂或者熔射处理以增加其表面的粗糙度，从而获得良好的膜层附着力。所述内挡板14在做设备保养的时候可以定期更换，相较于现有的物理气相沉积设备在进行保养时需进行设备整体的清洗保养，有助于延长设备的使用寿命，提高设备产出率，降低生产成本。

作为示例，所述物理气相沉积填孔设备还包括边缘环22，位于所述晶圆19的外围，且和所述晶圆19具有间距，该间距可作为沉积工艺中的残余气体的流通通道；所述边缘环22的内径大于所述晶圆19的直径。在进一步的示例中，如图6a及图6b所示，所述边缘环22包括边缘环上层221和边缘环下层222，边缘环上层221和边缘环下层222之间具有间隙，边缘环22的材料为不锈钢和铝合金中的一种或两种。所述边缘环上层221和边缘环下层222均有开口且开口在纵向上相互错开，一方面便于射频电磁环211通过基座12的陶瓷层121以及通过所述边缘环上层221和边缘环下层222相互交错的开口耦合至腔内11产生感应的第一感应等离子体区，另一方面可以防止溅射粒子径直穿过边缘环22的开口溅射到腔壁或者腔底。）所述边缘环上层221和边缘环下层222的开口形状（俯视时所看到的平面形状）可以为梯形、圆形、扇形或其他形状，两者的开口大小和形状可以相同或不同，重要的是确保两者的开口在纵向上相互错开。所述边缘环22可以是一体成型结构或者是组合而成的结构，即所述边缘环上层221和边缘环下层222可以是固定连接，也可以是可拆卸连接。在进一步的示例中，所述边缘环22的上表面比所述晶圆19的上表面略高（或者说是所述边缘环上层221的上表面高于所述晶圆19的上表面，而所述边缘环下层222的上表面可以低于所述晶圆19的下表面，即晶圆19正对两者之间的间隙），其侧面与晶圆19的侧面平行间隔，可以有效避免靶材粒子沉积到晶圆19侧面造成污染。

在进一步的示例中，所述边缘环22的外侧与所述腔体11相接触，内侧向所述晶圆19延伸，所述边缘环22的上表面与所述金属罩13、内挡板14及绝缘筒15的底部相接触（如图1中所示，所述金属罩13、内挡板14及绝缘筒15的底部与所述边缘环下层222的上表面相接触而侧面与边缘环上层221的侧面相邻），通过所述边缘环22对所述金属罩13、内挡板14及绝缘筒15形成良好的支撑，有助于相关结构的安装固定。

作为示例，所述物理气相沉积填孔设备还包括升降装置（未图示），所述升降装置与所述基座12相连接，用于对所述基座12进行升降以调整（尤其是增大）所述靶材20与所述基座12之间的间距（即靶基距），所述升降装置可以包括气缸或马达，在气缸或者马达的驱动下沿着丝杠实现所述基座12的升降，也即晶圆19的升降，因而调整靶材20与晶圆19的距离，也即靶材粒子的运动距离。所述基座12的升降范围为10-20mm。

作为示例，所述物理气相沉积填孔设备还包括腔体转接器23，位于所述第一直流电磁环181和第二直流电磁环182之间，用于调整所述靶材20和所述基座12之间的距离，尤其是用于增加靶基距（靶材20到基座12的距离）。所述腔体转接器23的厚度可以调整（或者说选用不同厚度的转接器）以调整靶基距。

通过增加靶基距，有助于改善靶材粒子向下运动的方向性，能使大部分靶材粒子沿着垂直或接近垂直的方向向靶材下方的晶圆运动，晶圆表面深孔结构的侧壁和底部从而可以获得良好的台阶覆盖率。传统的用于填孔的物理气相沉积设备的靶基距通常为80-140mm，而采用本发明的物理气相沉积填孔设备，靶材与基座的距离为80-230mm，靶基距相较于现有技术最大可增加150mm，优选的靶基距为150-230mm，通过较大的靶基距可以有效改善靶材粒子垂直或接近垂直向下运动的方向性，提高深孔结构的台阶覆盖率，从而有助于降低填充后的深孔的接触电阻，有助于提高生产良率和器件性能。

本发明的物理气相沉积填孔设备采用双射频电磁环的新型设计，因而在薄膜沉积工艺中可以使用较低的工艺压力，压力范围可以低至1 - 2.8 mTorr。较低的工艺压力（对应较低的气体原子和离子浓度）可以有效地避免金属溅射粒子因过多的与气体原子和离子发生碰撞散射而偏离其向下运动的方向性，同时借助射频电磁环和辅助射频电磁环产生的第一感应等离子体区和第二感应等离子体区可以大大提升金属原子的离化率，离化后的金属离子在基座偏压的作用下其运动方向会趋向与基座表面垂直，使得更多的溅射粒子沿近似垂直的方向进入待填充的深孔结构，这样可以获得良好的台阶覆盖率，确保深孔完全填充而避免侧壁和底部镀层偏薄甚至不连续的情况，有助于降低填充的接触孔的接触电阻，有助于提高器件性能。而传统的用于填孔的物理气相沉积设备都需要采用很高的工艺压力，压力范围通常介于15-30mTorr，在这种情况下，很大一部分溅射粒子会因互相碰撞发生散射而偏离垂直向下的运动方向，最后沿各个方向进入深孔结构，导致侧壁和底部的填充不佳，从而导致产生侧壁和底部镀层偏薄甚至不连续的情况，导致接触电阻增加甚至器件的完全失效。

本发明的物理气相沉积填孔设备沉积可以用于沉积现有技术中的常见薄膜，但尤其适用于沉积包括铝、铜、钴、钛、氮化钛、钽、氮化钽、铁、镍、钨、钒、氧化钒、金和银薄膜中的一种或多种。发明人在长期实验中发现，本发明的物理气相沉积填孔设备在用于沉积这些类型的薄膜时，相较于现有设备具有更突出的优势。尤其是晶圆尺寸越大，晶圆上的器件密集度越高，接触孔深宽比越高，采用本发明的设备进行深孔填充对器件性能的改善越突出。当然，本发明也并不仅限于用于深孔填充的物理气相沉积，也可以用于普通薄膜的物理气相沉积，只是在用于深孔填充时其优点尤为突出。

综上所述，发明提供一种物理气相沉积填孔设备，所述物理气相沉积填孔设备包括腔体、磁控溅射装置、基座、射频电磁环、辅助射频电磁环、金属罩、内挡板、绝缘筒及辅助磁场装置；所述磁控溅射装置包括靶材承载盘及磁控管，所述靶材承载盘位于所述腔体顶部，用于承载靶材，所述磁控管位于所述靶材承载盘上方，用于产生磁场以对带电的靶材粒子进行约束以提高等离子体密度；所述基座位于所述腔体内，用于承载晶圆；射频电磁环位于基座内；所述金属罩、内挡板和绝缘筒均位于所述腔体内，且位于所述磁控溅射装置和所述基座之间，所述金属罩、内挡板和绝缘筒沿远离所述腔体中心的方向依次分布，所述金属罩的中空区域一端延伸至所述基座附近，另一端延伸至所述靶材附近，所述金属罩和所述内挡板均包括多个沿纵向延伸且间隔分布的栅格状开口，所述金属罩的栅格状开口和所述内挡板的栅格状开口相互错开；所述辅助磁场装置和所述辅助射频电磁环均位于所述腔体和所述绝缘筒之间。相较于现有技术，本发明的物理气相沉积填孔设备使用新型的双射频电磁环设计，可以获得均匀分布的等离子体，既能大幅提高靶材粒子的离化率，又能获得良好的薄膜均匀性，同时因为射频电磁环位于基座内，辅助射频电磁环与沉积腔室之间通过金属罩、内挡板和绝缘筒相隔离，可以有效避免射频电磁环以及辅助射频电磁环和等离子体接触，在有效增加靶材粒子的离化率，实现良好的台阶覆盖率的同时，可有效避免射频电磁环的腐蚀污染，有助于减少射频电磁环的损耗，降低生产成本；具有栅格状开口的金属罩可以有效防止金属罩上出现沿水平方向流动的涡旋电流，同时还有助于减少电容耦合，从而尽量避免电容耦合产生的不均匀的等离子体分布；内挡板和金属罩的栅格状开口相互错开，可以有效避免靶材粒子沉积到绝缘筒的内壁上，有助于降低颗粒污染。采用本发明的物理气相沉积填孔设备，工艺压力可显著降低，较低的工艺压力（对应较低的气体原子和离子浓度）可以有效地避免金属溅射粒子因过多的与气体原子和离子发生碰撞散射而偏离其向下运动的方向性，同时借助射频电磁环和辅助射频电磁环产生的第一感应等离子体区和第二感应等离子体区可以大大提升金属原子的离化率，离化后的金属离子在基座偏压的作用下其运动方向会趋向与基座表面垂直，使得更多的溅射粒子沿近似垂直的方向进入待填充的深孔结构，从而可以获得良好的台阶覆盖率，有助于提高生产良率，提升器件性能。尤其是晶圆尺寸越大、深孔的深宽比越大，对薄膜的均匀性越高，采用本发明的物理气相沉积填孔设备的有益效果愈加突出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种物理气相沉积填孔设备，其特征在于，包括：腔体、磁控溅射装置、基座、射频电磁环、辅助射频电磁环、金属罩、内挡板、绝缘筒及辅助磁场装置；所述磁控溅射装置包括靶材承载盘及磁控管，所述靶材承载盘位于所述腔体顶部，用于承载靶材，所述磁控管位于所述靶材承载盘上方；所述基座位于所述腔体内，用于承载晶圆；所述射频电磁环位于所述基座内；所述金属罩、内挡板和绝缘筒均位于所述腔体内，且位于所述磁控溅射装置和所述基座之间，所述金属罩、内挡板和绝缘筒沿远离所述腔体中心的方向依次分布，所述金属罩的中空区域一端延伸至所述基座附近，另一端延伸至所述靶材附近，所述金属罩和所述内挡板均包括多个沿纵向延伸且间隔分布的栅格状开口，所述金属罩的栅格状开口和所述内挡板的栅格状开口相互错开；所述辅助磁场装置和所述辅助射频电磁环均位于所述腔体和所述绝缘筒之间。

2.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述辅助磁场装置包括第一直流电磁环和第二直流电磁环，所述第一直流电磁环和第二直流电磁环各与直流电源相连接，所述第一直流电磁环和所述第二直流电磁环的间距大于等于所述绝缘筒高度的二分之一。

3.根据权利要求2所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述辅助射频电磁环位于所述第一直流电磁环和所述第二直流电磁环之间，所述辅助射频电磁环与所述第一直流电磁环和所述第二直流电磁环均具有间距。

4.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述物理气相沉积填孔设备还包括边缘环，位于所述晶圆的外围，且和所述晶圆具有间距，所述边缘环的内径大于所述晶圆的直径；所述边缘环包括边缘环上层和边缘环下层，所述边缘环上层和边缘环下层均具有开口且开口在纵向上相互错开。

5.根据权利要求4所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述边缘环的外侧与所述腔体相接触，内侧向所述晶圆延伸，所述边缘环的上表面与所述金属罩、内挡板及绝缘筒的底部相接触。

6.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述物理气相沉积填孔设备还包括偏压射频电源，所述基座与所述偏压射频电源相连接，所述偏压射频电源的频率范围为10-60 MHz，射频功率为100W-700W。

7.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述绝缘筒的材质包括陶瓷和石英中的一种或两种，所述内挡板的材质包括绝缘材料或金属表面涂覆绝缘材料的复合材质，所述金属罩的材质包括不锈钢和铝合金中的一种或两种。

8.根据权利要求7所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述内挡板和所述金属罩表面经粗糙化处理，所述粗糙化处理包括喷砂和熔射中的一种或两种。

9.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述金属罩的高度与所述绝缘筒的高度相同，所述金属罩的栅格状开口的水平宽度为2-3mm，所述金属罩的栅格状开口的高度比所述金属罩的高度小10-20mm，所述金属罩与所述绝缘筒的间距为3-5mm。

10.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述内挡板与所述绝缘筒相接触，所述内挡板与所述金属罩具有间距且间距为2-3mm。

11.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述靶材与所述基座的距离为80-230mm，所述靶材与所述绝缘筒顶部的间距为2-3mm。

12.根据权利要求11所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述靶材与所述基座的距离为150-230mm。

13.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述物理气相沉积填孔设备的工艺压力为1-2.8 mTorr。

14.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述物理气相沉积填孔设备还包括升降装置，所述升降装置与所述基座相连接，用于对所述基座进行升降以调整所述靶材与所述基座之间的距离。

15.根据权利要求1所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述物理气相沉积填孔设备沉积的薄膜包括铝、铜、钴、钛、氮化钛、钽、氮化钽、铁、镍、钨、钒、氧化钒、金和银中的一种或多种。

16.根据权利要求2或3任一项所述的物理气相沉积填孔设备，其特征在于：所述物理气相沉积填孔设备还包括腔体转接器，位于所述第一直流电磁环和第二直流电磁环之间，用于调整所述靶材和所述基座之间的距离。

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