CN111593311A - 用于半导体工艺设备中的靶材和半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于半导体工艺设备中的靶材和半导体工艺设备。该靶材包括：背板和靶材本体，所述靶材本体设置在所述背板的底面上，所述背板的边缘设有环形凸台，所述环形凸台用于固定所述靶材，所述靶材上开设有多个气孔，多个所述气孔贯穿所述背板和所述靶材本体。在将本申请的靶材用在半导体工艺设备中时，工艺气体可穿过靶材本体喷出并进入到半导体工艺设备的工艺腔室内，这样可使得工艺腔室内的气氛更加均匀，从而有助于提高所形成的膜层的品质。

Description

用于半导体工艺设备中的靶材和半导体工艺设备

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于半导体工艺设备中的靶材。本申请还涉及使用这种靶材的半导体工艺设备。

背景技术

目前，在镀膜领域中，广泛应用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术，例如磁控溅射。通常的磁控溅射装置包括工艺腔室和设置在腔室内的基座。衬底承载在基座上，在工艺腔室的顶部设置有靶材。

在沉积过程中，需要将工艺气体(例如，氩气)供入到工艺腔室内，并且对靶材施加负电压，使得氩气电离产生等离子体，氩离子撞击靶材产生靶材材料的原子或离子，这些粒子沉积在衬底上而形成相应的膜层。在此过程中，工艺腔室内的气氛均匀性是膜层品质的重要影响因素，特别是对于氧化物膜。

目前PVD设备中，进气口一般位于工艺腔室的一侧，靠近底部，冷泵抽气口位于工艺腔室底部另一侧，基于这样的结构，基座靠近进气口和抽气口的两侧具有不同的气体流动，导致在基座上方工艺区内气体运动的方向和速率不均匀，因而影响沉积膜厚的均匀性。此外，受限于目前的腔室结构和进气方式，工艺气体只能通过卡环和内衬之间的空隙进入工艺区，大量的工艺气体会被冷泵直接抽走，不仅降低了工艺气体的电离效率，更有可能影响溅射启辉和工艺的稳定性。

特别的，PVD欠氧型金属氧化物工艺沉积后的薄膜性能测试结果显示，其薄膜性能参数受反应气体氧气与金属原子配比的影响，如电阻率。当氧原子与金属原子比值大时，其金属氧化物的绝缘性能较强，则方阻阻值高。当氧原子与金属原子比值较小时，其金属氧化物呈现导电性能，则方阻阻值较低。

当金属氧化物沉积使用的金属靶材活性较强，也就是与氧气反应较活跃时。其金属氧化物薄膜沉积时，晶片上金属氧化物薄膜的氧原子比例受氧气进气方式及腔室内氧气分布影响。最终薄膜方阻测试其阻值均匀性差，并且表现为反应气体氧气进气口进的位置，其方阻阻值较高，远离进气口位置其方阻阻值较低。

发明内容

为至少解决上述技术问题之一，本申请的第一方面提出了一种用于半导体工艺设备中的靶材，包括：背板和靶材本体，所述靶材本体设置在所述背板的底面上，所述背板的边缘设有环形凸台，所述环形凸台用于固定所述靶材，所述靶材上开设有多个气孔，多个所述气孔贯穿所述背板和所述靶材本体。

在一个实施例中，沿所述靶材的径向方向，所述气孔的分布密度由内向外逐渐增大。

在一个实施例中，多个所述气孔基于所述靶材的中心呈放射状分布。

在一个实施例中，在所述靶材本体的底面上，多个所述气孔的面积总和与所述靶材本体底面的面积的比值为0.1％-3％。

本申请的第二方面提出了一种半导体工艺设备，包括工艺腔室，所述工艺腔室顶部的盖板上设置有根据上文所述的靶材，所述盖板中设置有气流通道，所述靶材上的多个气孔均与所述气流通道连通。

在一个实施例中，所述盖板的底面上设有可覆盖所述多个气孔的凹槽，所述盖板和背板配合形成一气室，所述气流通道和所述多个气孔均与所述气室连通。

在一个实施例中，所述盖板的底面上环绕所述凹槽还设有安装槽，所述背板的环形凸台固定设置在所述安装槽中。

在一个实施例中，在所述沉积腔室内设置有基座，所述基座上安装保护卡环，所述卡环包括径向向外延伸的环状的遮挡部和从所述遮挡部的外边缘沿轴向远离所述盖板而延伸越过所述基座的围挡部，在所述沉积腔室内还设置有保护内衬，所述保护内衬包括与所述沉积腔室的侧壁的顶部相连的第一端部，从所述第一端部沿轴向远离所述盖板而延伸的延伸部，和与所述延伸部的端部相连的槽体，所述槽体背向所述侧壁并且开口朝向所述盖板，所述保护卡环的围挡部间隙式嵌入所述槽体内。

在一个实施例中，还包括多个进气管道，所述多个进气管道均与所述气流通道连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：根据本申请的用于半导体工艺设备中的靶材的背板和靶材本体上具有贯穿的气孔。在将本申请的靶材用在半导体工艺设备中时，工艺气体可穿过靶材本体喷出并进入到半导体工艺设备的工艺腔室内，即从工艺腔室的顶部进入工艺腔室，这样可使得工艺腔室内的气氛更加均匀，从而有助于提高所形成的膜层的品质。此外，根据本申请的半导体工艺设备，其使用上述靶材，在制备膜层时，采用顶部进气，有助于工艺气体在工艺腔室内快速均匀分布而形成均匀的气氛，从而有助于提高膜层的品质。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示意性地显示了根据本申请的一个实施例的用于半导体工艺设备中的靶材的平面图。

图2示意性地显示了图1的靶材的截面图。

图3示意性地显示了根据本申请的一个实施例的半导体工艺设备。

图4示意性地显示了半导体工艺设备的盖板的平面图。

图5示意性地显示了半导体工艺设备的盖板的截面图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1示意性地显示了根据本申请的一个实施例的用于半导体工艺设备中的靶材1。优选的，该半导体工艺设备可以是PVD设备。图2示意性地显示了图1中靶材1的截面图。如图1和2所示，靶材1包括背板303和靶材本体100，靶材本体100设置在背板303的底面上。背板303的边缘设有环形凸台360，环形凸台360用于固定靶材1，例如借助于环形凸台360将靶材1安装到半导体工艺设备3的工艺腔室300的顶部的盖板301上(如图3所示)。靶材1上开设有多个气孔200，多个气孔200在轴向上贯穿靶材本体100和背板303。从背板303上看，在背板303上形成有通孔304；从靶材本体100上，看靶材本体100上形成有通孔102。通孔304和通孔102一一对应地设置，通孔304和通孔102共同组成气孔200。

这样，在使用根据本申请的靶材1时，例如用于图3所示的根据本申请的一个实施例的半导体工艺设备3中时，工艺气体可穿过靶材1喷出并进入到半导体工艺设备3的工艺腔室300内，即从工艺腔室300的顶部进入工艺腔室，这样可使得工艺腔室300内的气氛更加均匀，从而有助于提高所形成的膜层的品质。

在本申请中，并不对靶材本体100的材质进行限制，例如靶材本体100可以为金属靶，例如Ti靶、Ta靶，也可以为陶瓷靶。本领域的技术人员可根据工艺要求选择适当的材质。

在一个实施例中，沿靶材1的径向方向，气孔200的分布密度由内向外逐渐增大(即，在径向上由内向外向外逐渐增大)。发明人发现，径向外侧的气孔数量较多，有助于抵消工艺气体径向向外的扩散，从而使得工艺腔室300内的气氛更加均匀，更加有助于提高膜层的品质。在一个实施例中，如图2所示，多个气孔200基于靶材1(或靶材本体100)的中心呈放射状分布。更具体地，多个气孔200的分布为沿径向呈放射状的多个主列201，每个主列201的气孔间距沿径向向外的方向逐渐减小。这样，从整体上看，处于径向外侧的气孔的数量大于处于径向内侧的气孔的数量。在另外的实施例中，每个主列201上还具有至少一个向外指向的支列202。这样，进一步提高了处于径向外侧的气孔200的数量，从而有助于进一步使得工艺腔室300内的气氛变均匀，更加有助于提高膜层的品质。虽然在图1中示意性地显示了在一个主列201上有一个支列202，实际上可以设置更多个支列202，并且这些支列的气孔的数量可以不同或不同，支列的朝向也可以相同或不同，进一步使工艺腔室300内的气氛变均匀。

在另一个实施例中，在靶材本体100的底面101上，多个气孔200的面积总合与靶材本体100的底面101的面积的比值在0.1％-3％。例如，气孔200的总面积可以为700mm²，靶材本体100的底面101的面积可以为151976mm²。发明人发现，在靶材1处于这种结构下，有助于提高膜层的品质。如果底面101的面积的减少，则将不良地影响溅射区域中金属离子分布的均匀性，从而不利于提高膜层的品质。而如果气孔200的总面积减小，则不会不良地影响工艺腔室300内的气压条件，导致成膜速度减慢，并且也不利于提高膜层品质。

在另一个实施例中，气孔200的直径可以在1-1.5mm的范围内。发明人发现，这种尺寸的气孔200不但能保证工艺气体顺畅通过，而且不会对靶材1的刚度造成不良影响，有助于提高的膜层的品质。

图3示意性地显示了根据本申请的一个实施例的半导体工艺设备3。如图3所示，半导体工艺设备3包括工艺腔室300和设置在工艺腔室300的顶部的盖板301。在盖板301上设置有气流通道302(如图4和5所示)。根据上文所述的靶材1设置在盖板301上，并且靶材1的气孔200与气流通道302连通。具体来说，盖板301与背板303接触，靶材本体100与盖板301通过背板303间隔开。盖板301的底面上环绕凹槽308(如下文和图4所述)设有安装槽361，背板303的环形凸台360固定设置在安装槽361中。

发明人发现，半导体工艺设备3使用靶材1，并且工艺腔室300的进气方式为从顶部进气，这有助于提高工艺腔室300内的气氛均匀性，从而有助于提高所形成的膜层的品质。所制备的膜层可以为金属膜，也可以为氧化物膜，这取决于工艺要求，本申请在此不做限定。工艺气体可以为氩气(用以将靶材形成为离子)以及氧气(用以形成氧化物膜)的混合物。应理解的是，当制备金属膜时，工艺气体可以仅为氩气。当沉积的膜层为氧化物膜时，由于工艺气体中含有参与反应的氧气，这使得氧气的均匀性(即，气氛的均匀性)变得更加重要。在现有技术中，通常为工艺腔室的底部或侧部进气，这导致工艺腔室内的氧离子会成梯度分布，从而导致氧化物膜成膜不均匀。发明人发现，本申请的半导体工艺设备3采用顶部进气，有助于氧气在工艺腔室300内快速均匀分布而形成均匀的气氛，从而有助于提高氧化物膜的成膜均匀性。

在一个具体的实施例中，半导体工艺设备3可以为PVD设备，用于进行磁控溅射。半导体工艺设备3也可以为其他类型的需要采用靶材的半导体工艺设备，这里不再赘述。

在一个实施例中，如图3所示，盖板301的底面(即，朝向背板303的面)上设置有覆盖气孔200的凹槽308，以在盖板301和背板303之间形成气室305。气流通道302和气孔200(或通孔304)均与气室305连通。这样，气室305对来自气流通道302的工艺气体起到缓冲和进一步混合的作用，使得工艺气体以稳定的流速均匀地流入到工艺腔室300内，这有助于进一步提高膜层的品质。

还如图3所示，半导体工艺设备3还可以包括多个进气管道310、311和气体混合器312。多个进气管道310、311与气体混合器312的入口连通，气流通道302与气体混合器312的出口连通。这样，可以根据工艺要求，将多个不同的气源分别与进气管道310、311相连，以制备不同的膜层。例如，氩气源与进气管道310相连，氧气源与进气管道311相连。将氧气与氩气的混合物作为工艺腔室300的进气，有助于提高氧化物膜的品质，为此在进气管道310、311和气流通道302之间设置了气体混合器312，以提高氧化物膜的品质。在一个具体的实施例中，气体混合物312可以为多通路管(例如，三通管或四通管)，并且在多通路管的内壁上设置有斜向前延伸的导流片(应理解的是，这里的方向用语“前”是以气体的流向为参考的)，以促进多种气体在气体混合物312内混合和流动。当然，也可以省去气体混合器312，使得多个进气管道310、311与气流通道302直接连通。

此外，还可以在进气管道310、311上分别安装阀门350、351、流量计352、353、压力计(图中未示出)等部件，以根据需要关闭任何一路气体，或实时监测任何一路气体的流动状况。例如，在制备金属膜时，可将与氩气源连通的进气管道310保持打开，而关闭与氧气源连通的进气管道311；在制备氧化物膜时，可将与氩气源连通的进气管道310和与氧气源连通的进气管道311均保持打开。

还如图3所示，在工艺腔室300内设置有基座320，基座320处于工艺位置时，托起保护卡环321。保护卡环321包括径向向外延伸的环状的遮挡部322和从遮挡部322的外边缘沿轴向远离盖板301而延伸越过基座320的围挡部323。在工艺腔室300内还设置有保护内衬330。保护内衬330包括与工艺腔室300的侧壁331的顶部相连的第一端部332，从第一端部332沿轴向远离盖板301而延伸的延伸部333，和与延伸部333的端部相连的槽体334。槽体334背向侧壁331并且开口朝向盖板301，保护卡环321的围挡部323间隙式嵌入槽体334内。基座320用于承载待处理的部件356，例如晶圆。从整体上看，保护内衬330为桶状，以在制备膜层过程中，保护工艺腔室300的侧壁。保护卡环321用于在制备膜层过程中，保护基座320。

此外，半导体工艺设备3还包括位于工艺腔室300下方抽气的真空泵335，用于在进行工艺时，维持工艺腔室300内的气压。保护卡环321的围挡部323与槽体334的配合关系，使得工艺腔室300的工艺气体的流动路径更加曲折，这有助于保持工艺腔室300内的气压，提高工艺气体的电离效率，从而有助于提高膜层的品质。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种用于半导体工艺设备中的靶材，其特征在于，包括：背板和靶材本体，所述靶材本体设置在所述背板的底面上，所述背板的边缘设有环形凸台，所述环形凸台用于固定所述靶材，所述靶材上开设有多个气孔，多个所述气孔贯穿所述背板和所述靶材本体。

2.根据权利要求1所述的靶材，其特征在于，沿所述靶材的径向方向，所述气孔的分布密度由内向外逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的靶材，其特征在于，多个所述气孔基于所述靶材的中心呈放射状分布。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的靶材，其特征在于，在所述靶材本体的底面上，多个所述气孔的面积总和与所述靶材本体底面的面积的比值为0.1％-3％。

5.一种半导体工艺设备，包括工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室顶部的盖板上设置有根据权利要求1-4中任一项所述的靶材，所述盖板中设置有气流通道，所述靶材上的多个气孔均与所述气流通道连通。

6.根据权利要求5所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述盖板的底面上设有可覆盖所述多个气孔的凹槽，所述盖板和背板配合形成一气室，所述气流通道和所述多个气孔均与所述气室连通。

7.根据权利要求5或6所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述盖板的底面上环绕所述凹槽还设有安装槽，所述背板的环形凸台固定设置在所述安装槽中。

8.根据权利要求5或6所述的半导体工艺设备，其特征在于，在所述工艺腔室内设置有基座，所述基座上安装保护卡环，所述卡环包括径向向外延伸的环状的遮挡部和从所述遮挡部的外边缘沿轴向远离所述盖板而延伸越过所述基座的围挡部，

在所述工艺腔室内还设置有保护内衬，所述保护内衬包括与所述工艺腔室的侧壁的顶部相连的第一端部，从所述第一端部沿轴向远离所述盖板而延伸的延伸部，和与所述延伸部的端部相连的槽体，所述槽体背向所述侧壁并且开口朝向所述盖板，所述保护卡环的围挡部间隙式嵌入所述槽体内。

9.根据权利要求5或6所述的半导体工艺设备，其特征在于，还包括多个进气管道，所述多个进气管道均与所述气流通道连通。

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