CN111304620A - 半导体加工设备及其磁控管机构 - Google Patents

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CN111304620A CN202010331542.2A CN202010331542A CN111304620A CN 111304620 A CN111304620 A CN 111304620A CN 202010331542 A CN202010331542 A CN 202010331542A CN 111304620 A CN111304620 A CN 111304620A
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王晓燕
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Abstract

本申请实施例提供了一种半导体加工设备及其磁控管机构。该磁控管机构应用于半导体加工设备，其包括背板、外磁极、内磁极及驱动装置；外磁极设置于背板的底面上，并且在底面上围成一容置空间；内磁极可移动地设置于背板的底面上，并且位于容置空间内；驱动装置设置在背板的顶面上，与内磁极连接，用于驱动内磁极在容置空间内移动，其中，内磁极在运动过程中与外磁极之间的间距始终大于预设的第一间距。本申请实施例实现了靶材的全靶腐蚀。由于避免了产生反溅射，还有效降低了工艺过程中工艺颗粒的产生，从而使得本申请实施例能满足工艺颗粒控制的需求，进而能有效提高工艺结果的厚度均匀性。

Description

半导体加工设备及其磁控管机构
技术领域
本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，本申请涉及一种半导体加工设备及其磁控管机构。
背景技术
目前，随着集成电路技术的大规模发展，芯片关键尺寸不断缩小，铜互连制造工艺面临的挑战越来越多。为了保证16nm(纳米)以下及更小的铜互连结构的紧凑以及结构的完整性，则需要更加先进的硬掩膜工艺。在更加先进的工艺制造流程中，金属硬掩膜(Hardmask)工艺主要作用在于保持较软的超低k电介质材料中的铜线和通孔的图形完整性。然而随着芯片工艺尺寸的不断缩小，传统的氮化钛(TiN)硬掩膜薄膜存在多种问题无法适用于更先进的集成电路工艺。一方面，传统的硬掩膜薄膜密度较低，在制备薄膜时需要沉积较厚的厚度，这就大大增加了蚀刻深孔(Via)的深宽比，且增加了后续金属导电层在深孔中的填充等一系列工艺的难度，因此急需增加硬掩膜薄膜的密度，以减小薄膜沉积厚度，尽量缩小蚀刻深孔的深宽比。另一方面，传统的硬掩膜薄膜沉积后的压缩应力(Compress)可能会导致电介质薄膜中狭窄的铜线图案发生变形或者倒塌。因此，为保持蚀刻的一致性，急需要制备更加致密且张应力更大(Tensile)的TiN硬掩膜以适应更先进的集成电路工艺。
在集成电路工艺中，物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术由于薄膜一致性，均匀性更优且工艺窗口更宽，能实现深宽比较高的通孔填充等，被广泛用于沉积许多种不同的金属层、硬掩膜等相关材料层。传统的PVD设备在制备TiN薄膜时均采用直流(DC)溅射，溅射气压为低气压状态，低气压状态为0.1～10mTorr(毫托，1托≈133.32帕)，对工艺颗粒的控制要求较低，薄膜多为压应力且密度较低，因此对磁控管机构和工艺方法的要求也相对较低。但在14nm制程，需要实现高密度、低张应力及更严格的工艺颗粒污染控制的TiN薄膜，不仅需要溅射气压为高气压状态，高气压状态为100～250mTorr，而且需要更高的工艺温度及更好的磁控管机构控制以实现全靶腐蚀效果，另外还需要偏压射频(BiasRF)溅射，因此对磁控管机构和工艺方法的需求就相对较高。磁控管需要在高气压状态下且在射频和/或直流(RF+/DC)溅射环境下实现靶材的全靶腐蚀，同时实现较好的厚度均匀性等性能。
现有技术的PVD设备仅能用于低气压DC或RF溅射工艺，在RF+DC及高气压溅射条件下，其厚度均匀性较差，无法满足需求。并且在用于高气压状态溅射TiN薄膜时，容易造成溅射过程中靶材无法全靶腐蚀，从而造成工艺颗粒严重超标，无法应用于14nm制程。
发明内容
本申请针对现有方式的缺点，提出一种半导体加工设备及其磁控管机构，用以解决现有技术存在无法实现全靶腐蚀、工艺颗粒超标以及厚度均匀差的技术问题。
第一个方面，本申请实施例提供了一种磁控管机构，应用于半导体加工设备，包括背板、外磁极、内磁极及驱动装置；所述外磁极设置于所述背板的底面上，并且在所述底面上围成一容置空间；所述内磁极可移动地设置于所述背板的底面上，并且位于所述容置空间内；所述驱动装置设置在所述背板的顶面上，与所述内磁极连接，用于驱动所述内磁极在所述容置空间内移动，其中，所述内磁极在运动过程中与所述外磁极之间的间距始终大于预设的第一间距。
于本申请的一实施例中，所述驱动装置用于驱动所述内磁极整体沿直线方向在所述容置空间内的多个预设位置之间移动。
于本申请的一实施例中，所述多个预设位置包括沿直线方向设置的第一位置、第二位置及第三位置，所述第二位置及所述第三位置分别位于所述第一位置的两侧，所述第二位置及所述第三位置与所述第一位置之间均具有第二间距。
于本申请的一实施例中，所述驱动装置包括有驱动部及连接件，所述驱动部设置于所述背板的顶面上，所述连接件贯穿所述背板，一端与所述驱动部连接，另一端与所述内磁极连接，所述驱动部用于驱动所述连接件移动，以带动所述内磁极移动。
于本申请的一实施例中，所述驱动装置还包括有导轨，所述导轨设置于所述背板的顶面上，所述连接件通过所述导轨设置于所述背板的顶面上，所述导轨用于对所述连接件进行导向。
于本申请的一实施例中，所述驱动部为步进电机、伺服电机或者丝杠电机。
于本申请的一实施例中，所述第一间距大于等于10毫米。
于本申请的一实施例中，所述内磁极与所述外磁极之间为非等间距设置，并且所述内磁极与所述外磁极之间的间距为30～60毫米。
于本申请的一实施例中，所述内磁极的首尾断开。
第二个方面，本申请实施例提供了一种半导体加工设备，包括工艺腔室及如第一个方面提供的磁控管机构，所述磁控管机构设置于所述工艺腔室的顶部。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：
本申请实施例中外磁极在背板上合围成容置空间，而内磁极能在容置空间内移动。由于内磁极能在容置空间内移动，能有效避免在高气压状态下磁控管机构的磁极正下方对应靶材位置会存在严重的反溅射，因此能有效避免形成靶材不腐蚀区域，从而使得靶材实现全靶腐蚀。另外由于避免了产生反溅射，还有效降低了工艺过程中工艺颗粒的产生，从而使得本申请实施例能满足工艺颗粒控制的需求，进而能有效提高工艺结果的厚度均匀性。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提供的一种磁控管机构的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种磁控管机构的局部剖视示意图；
图3为本申请实施例提供的一种磁控管机构的工艺结果对比状态示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
本申请实施例提供了一种磁控管机构，应用于半导体加工设备，该磁控管机构的结构示意图如图1、2所示，包括：背板1、外磁极2、内磁极3及驱动装置5；外磁极2设置于背板1的底面上，并且在底面上合围成容置空间4；内磁极3可移动地设置于背板1的底面上，并且位于容置空间4内；驱动装置5设置在背板1的顶面上，与内磁极3连接，用于驱动内磁极3能在容置空间4内移动，其中，内磁极3在移动过程中与外磁极2之间的间距始终大于预设的第一间距。
如图1所示，背板1采用金属材质制成的矩形板状结构。背板1的顶面中部位置可以与半导体加工设备的旋转驱动机构(图中未示出)连接，背板1能在旋转驱动机构的驱动下旋转。但是本申请实施例并不限定背板1材质和形状以及驱动机构的连接位置，例如旋转驱动机构还可以与背板1顶面的一侧位置连接，因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
外磁极2具体来说具有多个外磁铁21及外导磁条22组成，多个外磁铁21通过外导磁条22连接以在背板1的底面上排布以合围成容置空间4，其排布形状具体参照如图1所示的形状。外导磁条22采用不锈钢制成，并且外导磁条22上设置有多个用于固定外磁铁21的安装孔。内磁极3具体来说具有多个内磁铁31及内导磁条32组成，多个内磁铁31通过内导磁条32连接后与背板1活动连接，并且内磁极3位于容置空间4内，其排布形状具体参照如图1所示的形状。内导磁条32同样采用不锈钢制成，并且内导磁条32上设置有多个用于固定内磁铁31的安装孔。驱动装置5设置于背板1的顶面上，与内磁极连接，用于驱动内磁极3相对于背板1运动，因此内磁极3能在容置空间4内移动，并且内磁极3与外磁极2之间的间距始终大于预设的第一间距，即内磁极3无论如何移动始终都与外磁极2保持有间距，从而能有效避免半导体加工设备的工艺腔室断辉。
本申请实施例中外磁极在背板上合围成容置空间，而内磁极能在容置空间内移动。由于内磁极能在容置空间内移动，能有效避免在高气压状态下磁控管机构的磁极正下方对应靶材位置会存在严重的反溅射，因此能有效避免形成靶材不腐蚀区域，从而使得靶材实现全靶腐蚀。另外由于避免了产生反溅射，还有效降低了工艺过程中工艺颗粒的产生，从而使得本申请实施例能满足工艺颗粒控制的需求，进而能有效提高工艺结果的厚度均匀性。
进一步的，本申请实施例由于具有上述优点，使得其能应用于高气压状态(100～250mT)下的RF+/DC溅射，不仅可实现对靶材的全靶腐蚀，而且还满足14nm工艺对厚度均匀性及更严格工艺颗粒控制的需求，从而满足更加先进的集成电路工艺的需求。
需要说明的是，本申请实施例并不限定外磁极2及内磁极3在背板1上的排布方式，其可以根据需求进行多种形状的排布，但是要确保任意两相邻的外磁极2之间的容置空间4内具有内磁极3即可。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，如图1及图2所示，驱动装置5用于驱动内磁极3整体沿直线方向在容置空间4内的多个预设位置之间移动。驱动装置5设置于背板1上，其可以驱动内磁极3沿直线方向在多个预设位置之间移动。例如该直线方向为如图1所示，内磁极3沿背板1上下方向移动。采用上述设计，由于驱动装置5驱动内磁极3整体移动，使得本申请实施例不仅结构简单便于控制，而且还进一步提高靶材的全靶腐蚀率以及降低工艺颗粒的产生，进而有效提高工艺结果的厚度均匀性。
需要说明的是，本申请实施例并不限定内磁极3的移动方向及移动方式，例如内磁极3可以沿背板1的左右方向移动，或者内磁极3也可以采用分段移动的方式进行移动。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于申请的一实施例中，如图1所示，多个预设位置包括直线方向并列设置的第一位置P1、第二位置P2及第三位置P3，第二位置P2及第三位置P3分别位于第一位置P1的两侧。可选地，第二位置P2及第三位置P3与第一位置P1之间均具有第二间距。具体来说，第一位置P1位于中部位置，第二位置P2位于第一位置P1的下侧，而第三位置P3则位于第一位置P1的上侧。由于内磁极2在容置空间4内移动，因此内磁极2与外磁极1之间必须具有一定间距，避免内磁极移动时与外磁极发生碰撞。采用上述设计，使得本申请实施例能确保靶材全靶腐蚀的同时，还使得本申请实施例结构简单易用，从而有效提高应用及维护的成本。
需要说明的是，本申请实施例并不限定多个位置的具体数量，其可以根据外磁极2及内磁极3的排布方式，以及两者的间距进行调整设置。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
为了便说明本申请实施例，以下结合本申请的一具体实施方式进行说明。图1中虚线部分示出了磁控管机构旋转时所覆盖的区域，即靶材腐蚀区域。结合参照图1及如表1所示，内磁极3分别在第一位置P1、第二位置P2及第三位置P3时的不腐蚀区域变化，内磁极3在第一位置P1时，靶材不腐蚀区域分别为：半径35～50mm、102～110mm和140～150mm处；内磁极3在第二位置P2时，靶材不腐蚀区域分别为：半径90～100mm和145～160mm处；内磁极3在第三位置P3时，靶材不腐蚀区域分别为：半径30～50mm和105～125mm处，这样可以使内磁极3在第二位置P2时将第一位置P1及第三位置P3时不腐蚀区域的R1位置和R2位置腐蚀，而内磁极3在第三位置P3时，可以腐蚀掉第二位置P2时的不腐蚀区域的R3位置腐蚀，所以如果磁控管机构在工艺过程中实现三个位置的交替变化，可以实现靶材的不同位置腐蚀不同的区域，叠加起来实现全靶腐蚀的效果。
Figure BDA0002465122940000071
表1
如图3所示，内磁极3分别在三个位置时，薄膜均匀性均在3.00％以内，其分别为2.1％、3.00％、1.88％。那么在工艺过程中，三个位置交替移动状态时的薄膜沉积结果将优于3％，如图所示在三个位置交替移动时间相同时得到的工艺结果为1.58％优于内磁极3在单个位置的均匀性结果。
于本申请的一实施例中，驱动装置5包括有驱动部51及连接件52，驱动部51设置于背板1的顶面上，连接件2贯穿背板1，一端与驱动部51连接，另一端与内磁极3连接，驱动部51用于驱动连接件52移动，以带动内磁极3移动。可选地，驱动装置5还包括有导轨，导轨设置于背板1的顶面上，连接件53通过导轨设置于背板1的顶面上，导轨用于对连接件52进行导向。
如图1及图2所示，驱动部51可以采用步进电机，其设置于背板1的顶面上并且带动内磁极3在多个预设位置之间移动。具体地，内磁极3在驱动部51的驱动和连接件52带动下，在外磁极2合围成的容置空间4内运动，外磁极2固定在背板1的底面上，背板1在内磁极3运动范围处为镂空,连接件52的一端与驱动部51连接，另一端与内磁极3连接，连接件52还可以通过导轨(图中未示出)固定在驱动部51上，通过信号控制驱动部51移动的距离，实现内磁极3在导轨导向作用下移动。内磁极3移动为图1中示出的上下方向，由于图2为磁控管机构的剖视示意图，因此内磁极3的移动方向如图2所示的左右方向。参照如图1所示，内磁极3位于第一位置P1上，其可以由驱动部51驱动向下移动12.5毫米后移动至第二位置P2上，其还可以由驱动部51驱动向上移动12.5毫米后移动至第三位置P3上，即第二间距具体可以为12.5毫米，但是需要说明的是，本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据外磁极2及内磁极3的排布方式及不同工艺需求自行调整设置。
于本申请的一实施例中，驱动部51可以为步进电机、伺服电机或者丝杠电机。采用不同类型的驱动部能有效扩展本申请实施例的适用范围，从而能有效降低应用及维护成本。
于本申请的一实施例中，第一间距大于10毫米。内磁极3移动位置时内磁极3与外磁极2的第一间距最小应当大于10毫米，避免由于内磁极3与外磁极2间距过近发生断辉。采用该设计能有效避免工艺过程中发生断辉导致工艺均匀性较差，从而有效提高工艺结果的均匀性，另外还能有效降故障率，进而提高经济效益。
于本申请的一实施例中，内磁极3与外磁极2之间为非等间距设置，并且内磁极3与外磁极2之间的为间距为30～60毫米。可选地，内磁极3的首尾断开。
如图1所示，内磁极3嵌套在外磁极2所围绕的容置空间4内部，且内磁极3首尾为断开状态，而外磁极2为首尾闭合状态。进一步的，内磁极3与外磁极2之间采用非等间距设置，两者之间的间距可以在30～60mm之间，例如是35mm、40mm、42mm、48mm、53mm、55mm、58mm及60mm的组合，但是本申请实施例并不以此为限，只要内磁极3与外磁极2之间采用的间距在30～60mm之间即可。采用上述设计，使得本申请实施例更加适用于在高气压状态执行工艺，从而能有效提高靶材的腐蚀率及降低工艺颗粒的产生。
需要说明的是，本申请实施例并不内磁极3与外磁极2之间必须采用非等间距设置，例如内磁极3与外磁极2之间也可以采用等间距设置以适用其它工艺环境。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据不同工况自行调整设置。
基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种半导体加工设备，包括工艺腔室及如上述各实施例提供的磁控管机构，磁控管机构设置于工艺腔室的顶部。
应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：
本申请实施例中外磁极在背板上合围成容置空间，而内磁极能容置空间内的多个位置之间交替移动。由于内磁极能在容置空间内移动，能有效避免在高气压状态下磁控管机构的磁极正下方对应靶材位置会存在严重的反溅射，因此能有效避免形成靶材不腐蚀区域，从而使得靶材实现全靶腐蚀。另外由于避免了产生反溅射，还有效降低了工艺过程中工艺颗粒的产生，从而使得本申请实施例能满足工艺颗粒控制的需求，进而能有效提高工艺结果的厚度均匀性。
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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁控管机构，应用于半导体加工设备，其特征在于，包括背板、外磁极、内磁极及驱动装置；
所述外磁极设置于所述背板的底面上，并且在所述底面上围成一容置空间；所述内磁极可移动地设置于所述背板的底面上，并且位于所述容置空间内；
所述驱动装置设置在所述背板的顶面上，与所述内磁极连接，用于驱动所述内磁极在所述容置空间内移动，其中，所述内磁极在运动过程中与所述外磁极之间的间距始终大于预设的第一间距。
2.如权利要求1所述的磁控管机构，其特征在于，所述驱动装置用于驱动所述内磁极整体沿直线方向在所述容置空间内的多个预设位置之间移动。
3.如权利要求2所述的磁控管机构，其特征在于，所述多个预设位置包括沿直线方向设置的第一位置、第二位置及第三位置，所述第二位置及所述第三位置分别位于所述第一位置的两侧，所述第二位置及所述第三位置与所述第一位置之间均具有第二间距。
4.如权利要求1所述的磁控管机构，其特征在于，所述驱动装置包括有驱动部及连接件，所述驱动部设置于所述背板的顶面上，所述连接件贯穿所述背板，一端与所述驱动部连接，另一端与所述内磁极连接，所述驱动部用于驱动所述连接件移动，以带动所述内磁极移动。
5.如权利要求4所述的磁控管机构，其特征在于，所述驱动装置还包括有导轨，所述导轨设置于所述背板的顶面上，所述连接件通过所述导轨设置于所述背板的顶面上，所述导轨用于对所述连接件进行导向。
6.如权利要求4所述的磁控管机构，其特征在于，所述驱动部为步进电机、伺服电机或者丝杠电机。
7.如权利要求1所述的磁控管机构，其特征在于，所述第一间距大于等于10毫米。
8.如权利要求1至7的任一所述的磁控管机构，所述内磁极与所述外磁极之间为非等间距设置，并且所述内磁极与所述外磁极之间的间距为30～60毫米。
9.如权利要求1至7的任一所述的磁控管机构，其特征在于，所述内磁极的首尾断开。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括工艺腔室及如权利要求1至9的任一所述的磁控管机构，所述磁控管机构设置于所述工艺腔室的顶部。
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