CN112955579A - Pvd溅射沉积腔室中的倾斜磁控管 - Google Patents

Pvd溅射沉积腔室中的倾斜磁控管 Download PDF

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Abstract

一种腔室包含靶(16)及设置在靶(16)之上的磁控管(50)。磁控管(50)包含多个磁体(52,54)。磁控管(50)具有纵向维度和横向维度。磁控管(50)的纵向维度相对于靶(16)倾斜，使得磁体(52,54)和靶(16)之间的距离变化。当磁控管(50)在操作期间旋转时，磁控管(50)产生的磁场强度是磁体(52,54)产生的各种磁场强度的平均值。磁场强度的平均导致均匀的膜性质和均匀的靶侵蚀。

Description

PVD溅射沉积腔室中的倾斜磁控管
技术领域
本揭示案的实施方式涉及物理气相沉积(PVD)腔室。更确切而言，本揭示案的一些实施方式涉及PVD腔室中的倾斜的磁控管。
背景技术
在半导体处理中，PVD是用于沉积薄膜的常规使用的处理。PVD处理一般包含使用等离子体中产生的离子轰击包含源材料的靶，造成源材料从靶溅射。通常，接着，经由电压偏压将喷射的源材料朝着正被处理的基板加速，从而在有或没有溅射的源材料与另一种反应物发生反应的情况下，将源材料沉积于基板的表面上。
在PVD处理中，通常将磁控管放置在PVD腔室中的靶上方。平面磁控管系统通常使用设置在靶上方的旋转磁控管和靶与基板之间的DC偏压及/或耦合到靶与基板之间的空间中以形成等离子体的RF源。磁控管是一种磁体组件以在靶的溅射表面附近提供磁场线。在靶和等离子体区域之间的负偏压电压使离子朝着靶加速，以从靶逐出靶材料。来自磁控管的磁场将自由电子(包含从靶材料转移的二次电子)限制在靶附近，以使自由电子与溅射材料的离子化碰撞最大化。磁控管通常包含一个或更多个磁体，这些磁体组装在平行于靶放置的金属板上，并且绕着靶的背侧(亦即，非溅射表面)旋转，以在靶表面周围散布磁场。
厚度和应力均匀性是生产优质膜的关键参数。在常规的PVD腔室中，磁控管产生在大小上变化且在空间上变化的磁场。磁场上的大变化使得难以保持均匀的磁场，从而无法允许均匀的靶侵蚀和膜性质。非均匀的磁场导致PVD沉积的膜中出现高应力和厚度非均匀性。另外，导致靶非均匀侵蚀的非均匀磁场减低了靶的寿命。
据此，需要一种改进的PVD腔室。
发明内容
本揭示案的实施方式涉及物理气相沉积(PVD)腔室。更确切而言，本揭示案的实施方式涉及PVD腔室中的倾斜的磁控管。在一个实施方式中，一种处理腔室包含：腔室主体；基板支撑件，设置于所述腔室主体中；溅射靶，设置于所述腔室主体中，所述溅射靶具有面对所述基板支撑件的表面；及磁控管，设置于所述溅射靶之上。所述磁控管包含磁体，所述磁体具有面对所述溅射靶的端部，所述端部界定一平面，所述平面相对于所述溅射靶的所述表面以锐角倾斜。
在另一实施方式中，一种处理腔室包含：腔室主体；基板支撑件，设置于所述腔室主体中；溅射靶，设置于所述腔室主体中，所述溅射靶具有面对所述基板支撑件的表面；及磁控管，设置于所述溅射靶之上。所述磁控管包含具有纵向维度的背板，所述纵向维度相对于所述溅射靶的所述表面以第一锐角倾斜。
在另一实施方式中，提供一种与溅射靶一起使用的处理腔室。所述处理腔室包含：腔室主体；基板支撑件，设置于所述腔室主体中；及磁控管，在所述溅射靶安装于所述处理腔室中且位于所述基板支撑件之上时，所述磁控管设置于所述溅射靶之上。所述磁控管包含磁体，所述磁体具有面对所述溅射靶的端部，所述端部界定一平面，所述平面相对于所述溅射靶的面对所述基板支撑件的表面以锐角倾斜。
附图说明
为了能详细理解本揭示案的上述特征的方式，可通过参考实施方式来对以上简要概述的本揭示案进行更特定的描述，其中一些实施方式图示在附图中。然而，应注意，附图仅图示了本揭示案的典型实施方式，因此不应被认为是对其范围的限制，因为本揭示案可允许其他等效的实施方式。
图1是PVD腔室的简要截面侧视图。
图2是磁控管和靶的截面侧视图。
图3A是图2的磁控管的俯视图。
图3B是图2的磁控管的正视图。
图4是图示倾斜的磁控管对膜应力的效果的图表。
为了便于理解，已尽可能使用相同的附图标记来标示图中共有的相同元件。预期一个实施方式中揭露的元件可有益地用于其他实施方式而无需特定详述。
具体实施方式
本揭示案的实施方式大体涉及PVD腔室中的倾斜的磁控管。在一个实施方式中，PVD腔室包含靶及设置在靶之上的磁控管。磁控管包含多个磁体。磁控管具有纵向维度和横向维度。磁控管的纵向维度相对于靶倾斜，使得磁体和靶之间的距离变化。每一磁体产生的磁场强度是不同的。在磁控管在操作期间旋转时，磁控管产生的磁场强度是磁体产生的各种磁场强度的平均值。磁场强度的平均导致均匀的膜性质和均匀的靶侵蚀。
图1是根据一个实施方式的PVD腔室10的简要截面视图。腔室10包含经由陶瓷绝缘体14密封至溅射靶16的真空腔室主体12。靶16至少具有面对基板18的第一表面15和与第一表面15相对的第二表面17。靶16的第一表面15由通常是金属的材料组成，所述材料待被溅射沉积至设置于腔室主体12中的基板支撑件20上的基板18的表面上。靶16具有中心轴60，中心轴60垂直穿过靶16的第一和第二表面15、17的至少一者。中心轴60也垂直穿过基板支撑件20的上基板支撑表面。这样，靶16的中心轴60与基板支撑件20的中心轴是共线的。可通过基板夹具22固定基板18。替代基板夹具22，可将盖环或静电夹具并入基板支撑件20以用于固定基板18。靶材料可为铝、铜、钛、钽、钴、镍、钼、以原子百分比(at％)计含有高至45％的合金元素的这些金属的合金、或其他可适用于DC溅射的金属和金属合金。另一方面，可使用RF溅射以从介电靶溅射材料。
接地屏蔽件24设置于腔室主体12内，以保护腔室主体12不受溅射材料的影响。屏蔽件24也提供接地的阳极。RF电源28可经由AC电容性耦合电路30耦接至嵌入基板支撑件20中的电极(未图示)，以允许基板支撑件20在存在等离子体的情况下产生DC自偏压电压。负的DC自偏压将高密度等离子体中产生的带正电的溅射离子深深地吸引进入先进集成电路的高深宽比孔洞特征中。
第一气体源34通过质量流量控制器36向腔室主体12供应溅射工作气体，例如氩气。在反应性金属氮化物溅射中(例如，氮化钛或氮化钽)，额外地从另一气体源38经由另一质量流量控制器40将氮气供应进入腔室主体12。替代地，可供应氧气以产生氧化物，例如Al2O3。可从腔室主体12内的各个位置导入气体。例如，位于腔室主体12的底部附近的一个或更多个入口管在屏蔽件24的背部处供应气体。气体穿过屏蔽件24的底部处的孔隙或穿过在基板夹具22和屏蔽件24之间形成的间隙42。经由宽的泵送端口连接至腔室主体12的真空泵送系统44将腔室主体12的内部保持在低压。基于计算机的控制器48控制腔室10的部件，所述部件包含RF电源28和质量流量控制器36、40。
为了提供有效的溅射，将磁控管50设置于靶16上方。磁控管50可设置于由位于靶16上方的冷却剂腔室66界定的磁控管腔体64中。磁控管50包含多个磁体52、54以在腔室主体12内产生磁场。多个磁体52、54可通过背板56耦接。每一磁体52可被布置为使得一个磁极面对靶16，并且每一磁体54可被布置为使得另一磁极面对靶16。例如，如图1中所图示，每一磁体52被布置为使得南极面对靶16，并且每一磁体54被布置为使得北极面对靶16。如图1中所图示，可沿着磁控管50的纵向维度(在X轴方向上)交替地布置磁体52和磁体54。在一些实施方式中，一对相邻的磁体52、54可被单一U形磁体替换，并且磁控管50包含多个U形磁体。在一个实施方式中，磁控管50绕着靶16的中心轴60旋转，因而中心轴60也是磁控管50的旋转轴。磁控管50耦接至由马达65驱动的轴件62。马达65也能够使磁控管50沿着Z轴移动。在一个实施方式中，如图1中所图示，放置磁控管50使得中心轴60是磁控管50的纵向维度的对称轴。
磁控管50相对于靶16倾斜。换句话说，磁控管50相对于中心轴60或磁控管50的旋转轴形成锐角。可通过控制器48经由马达65来控制磁控管50的倾斜。可在批次之间、基板之间或在单一基板处理期间原位调整磁控管50的倾斜度。可基于膜厚度或应力数据反馈来控制磁控管50的倾斜度。相对于靶16倾斜的磁控管50的特定分量可变化。在一个实施方式中，背板56的纵向维度相对于靶16倾斜。在一个实施方式中，由磁体52、54的面向靶16的端部界定的平面相对于靶16倾斜。在一个实施方式中，磁控管50相对于靶16的第一表面15倾斜。在另一实施方式中，磁控管相对于第二表面17倾斜。在一些实施方式中，磁控管50和靶16形成范围从约0.3度至约5度的锐角，例如从约1度至约2度。在一些实施方式中，磁控管50和中心轴60形成范围从约85度至约89.7度的锐角，例如从约88度至约89度。若磁控管50相对于靶16的倾斜度太小，例如小于0.3度，则磁场强度的平均效果将减弱。另一方面，若磁控管50相对于靶16的倾斜度非常大，例如大于约5度，则可能难以有效地制造磁控管50和磁控管腔体64的尺寸。当磁控管50在操作期间旋转时，由磁控管50产生的磁场强度是由磁体52、54产生的各种磁场强度的平均值。磁场强度的平均导致均匀的膜性质和均匀的靶侵蚀。
在一些实施方式中，可将一个或更多个磁体52、54放置于磁控管50的旋转轴处，并且在操作期间磁控管50旋转时，放置于旋转轴处的一个或更多个磁体52、54与靶16之间的距离不会改变。为了进一步平均磁场强度，可在操作期间在旋转的同时沿着旋转轴(Z轴)连续地或逐步地移动磁控管50。在一个实施方式中，磁控管50在PVD处理开始时处于第一位置以形成层，并且在磁控管50在层的形成期间旋转时，磁控管50沿Z轴连续地移动，直到形成层。在一个实施方式中，磁控管50沿着Z轴的连续移动是在一个方向上，例如，向上朝着马达65或向下朝着靶16。在一个实施方式中，磁控管50沿着Z轴的连续移动为：首先在一个方向上，接着在相反的方向上，例如，首先向上朝着马达65，接着向下朝着靶16。磁控管50在操作期间的移动可为逐步地或离散地。例如，磁控管在层的形成期间保持在沿Z轴的第一位置达第一时间段，沿着Z轴移动至第二位置，并在层的形成期间保持在沿Z轴的第二位置达第二时间段。沿Z轴的第二位置可在沿Z轴的第一位置的上方或下方。在层的形成期间，磁控管50可保持在沿Z轴的多个位置处。
为了抵消传递至靶16的大量功率，可将靶16的背部密封至冷却剂腔室66，冷却剂腔室66封闭了磁控管腔体64。冷却剂腔室66可包含冷却剂68，例如冷却的去离子水，以冷却靶16及/或磁控管50。磁控管50浸入冷却剂68中，靶旋转轴件62经由旋转密封件70穿过冷却剂腔室66。
图2是磁控管50和靶16的截面侧视图。如图2中所图示，磁控管50包含背板56和耦接至背板56的多个磁体52、54。每一磁体54具有面对靶16的第二表面17的第一端201和耦接至背板56的第二端203。每一磁体52具有面对靶16的第二表面17的第一端205和耦接至背板56的第二端207。在一个实施方式中，磁体52、54的第一端201、205实质共平面且界定平面202。平面202相对于靶16形成角度A。角度A范围可从约1度至约20度，例如从约2度至约10度。在一些实施方式中，平面202和中心轴60(或磁控管50的旋转轴)(如图1中所图示)形成范围从约70度至约89度的锐角，例如从约80度至约88度。在另一实施方式中，背板56的纵向维度L相对于靶16形成角度A。在一些实施方式中，背板56的纵向维度L和中心轴60(或磁控管50的旋转轴)(如图1中所图示)形成范围从约70度至约89度的锐角，例如从约80度至约88度。
磁控管50包含用于将背板56耦接至轴件62的连接器204(如图1中所图示)。连接器204被放置成使得背板56在纵向维度L上关于连接器204实质对称。
图3A是图2的磁控管50的俯视图。如图3A中所图示，磁控管50包含背板56和耦接至背板56的多个磁体52、54。线性地布置多个磁体52、54。背板56在纵向维度L上关于连接器204实质对称。连接器204可沿着横向维度W位于背板56上的任何位置。
图3B是图2的磁控管50的正视图。如图3B中所图示，磁控管50包含背板56和耦接至背板56的多个磁体52、54。非线性地布置多个磁体52、54。在一些实施方式中，多个磁体52、54形成同心圆。在一些实施方式中，多个磁体52、54形成非同心圆。可以其他合适的形状来布置多个磁体52、54。在一个实施方式中，磁控管50还包含与背板56相对的耦接至磁体52、54的板302，并且板302相对于靶16形成角度A(如图2中所图示)。背板56在纵向维度L上关于连接器204实质对称。连接器204可沿着横向维度W位于背板56上的任何位置。
图4是图示倾斜的磁控管对膜应力的效果的图表。倾斜的磁控管可为图1中所图示的磁控管50。曲线402和404示出了使用常规磁控管的PVD所形成的膜的跨基板的膜应力。曲线402的膜是使用小于曲线404的膜的偏压功率来形成的。曲线406和408示出了使用倾斜的磁控管的PVD所产生的膜的跨基板的膜应力，该磁控管相对于靶的中心轴形成约1度的角度。曲线406的膜是使用与用于形成曲线402的膜的偏压功率相同的偏压功率来形成的。曲线408的膜是使用与用于形成曲线404的膜的偏压功率相同的偏压功率来形成的。如图4中所图示，曲线406实质上比曲线402平坦，并且曲线408实质上比曲线404平坦。因此，当使用倾斜的磁控管来形成膜时，跨基板的膜应力实质上更均匀。
倾斜的磁控管(例如相对于靶形成从约0.3度至约5度的角度的磁控管)平均了由多个磁体产生的磁场强度。强度的平均导致均匀的膜性质和均匀的靶侵蚀。
尽管前述内容针对本揭示案的实施方式，但在不脱离本揭示案的基本范围的情况下，可设计本揭示案的其他和进一步的实施方式，并且本揭示案的范围由随附权利要求书来确定。

Claims (15)

1.一种处理腔室，包括：
腔室主体；
基板支撑件，设置于所述腔室主体中；
溅射靶，设置于所述腔室主体中，所述溅射靶具有面对所述基板支撑件的表面；以及
磁控管，设置于所述溅射靶之上，所述磁控管包括磁体，所述磁体具有面对所述溅射靶的端部，所述端部界定一平面，所述平面相对于所述溅射靶的所述表面以锐角倾斜。
2.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述磁控管进一步包括背板，并且所述磁体耦接至所述背板。
3.如权利要求2所述的处理腔室，其中所述磁控管进一步包括连接器，所述连接器设置于所述背板之上。
4.如权利要求1所述的处理腔室，进一步包括马达，所述马达被配置为在操作期间绕着旋转轴旋转所述磁控管且沿着所述旋转轴移动所述磁控管。
5.如权利要求4所述的处理腔室，其中所述马达被配置为在操作期间沿着所述旋转轴连续地移动所述磁控管。
6.如权利要求4所述的处理腔室，其中所述马达被配置为在操作期间沿着所述旋转轴离散地移动所述磁控管。
7.一种处理腔室，包括：
腔室主体；
基板支撑件，设置于所述腔室主体中；
溅射靶，设置于所述腔室主体中，所述溅射靶具有面对所述基板支撑件的表面；以及
磁控管，设置于所述溅射靶之上，所述磁控管包括具有纵向维度的背板，所述纵向维度相对于所述溅射靶的所述表面以第一锐角倾斜。
8.如权利要求7所述的处理腔室，其中所述第一锐角的范围是从约0.3度至约5度。
9.如权利要求7所述的处理腔室，其中所述第一锐角的范围是从约1度至约2度。
10.如权利要求7所述的处理腔室，其中所述磁控管进一步包括耦接至所述背板的多个磁体。
11.一种与溅射靶一起使用的处理腔室，所述处理腔室包括：
腔室主体；
基板支撑件，设置于所述腔室主体中；以及
磁控管，在所述溅射靶安装于所述处理腔室中且位于所述基板支撑件之上时，所述磁控管设置于所述溅射靶之上，所述磁控管包括磁体，所述磁体具有面对所述溅射靶的端部，所述端部界定一平面，所述平面相对于所述溅射靶的面对所述基板支撑件的表面以锐角倾斜。
12.如权利要求11所述的处理腔室，其中所述磁控管进一步包括背板，并且所述磁体耦接至所述背板。
13.如权利要求12所述的处理腔室，其中所述磁控管进一步包括连接器，所述连接器设置于所述背板之上。
14.如权利要求13所述的处理腔室，其中所述背板具有纵向维度，并且所述连接器被放置于所述背板上，使得所述背板在所述纵向维度上关于所述连接器实质对称。
15.如权利要求11所述的处理腔室，其中所述锐角的范围是从约0.3度至约5度。
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