CN113249701A - 可改善填充均匀性的离子化pvd设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可改善填充均匀性的离子化PVD设备，包括腔体、溅射组件、基座和离子调节器；溅射组件位于腔体顶部，基座位于腔体内，离子调节器位于腔体内，且位于溅射组件和基座之间；离子调节器包括多个磁场调节单元，多个磁场调节单元相互间隔，并以腔体的中心为中心向外呈放射状分布；磁场调节单元包括片状磁铁和电磁线圈中的一种，片状磁铁的表面磁场强度沿远离腔体中心的方向逐渐增强，且相邻的片状磁铁的磁极面的磁性相反，本发明经改善的结构设计，在离子调节器的磁场调节单元之间的扇形间隙内形成逆时针方向的水平磁场而产生作用力，可使金属阳离子从扇形间隙的中间和半中间区域向边缘区域移动，由此可提高边缘离子浓度和深孔填充均匀性。

Description

可改善填充均匀性的离子化PVD设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种半导体设备，特别是涉及一种可改善填充均匀性的离子化PVD设备。

背景技术

磁控溅射，又称物理气相沉积（PVD），是集成电路制造过程中沉积金属膜层等相关材料广泛采用的方法，是填充硅通孔（TSV）的主要技术。采用传统的PVD技术填充硅通孔的过程中，金属离子呈一定的角度散射到晶片上，但对于高深宽比的硅通孔，散射的金属离子无法有效进入通孔内部，导致通孔的底部和侧壁薄膜覆盖率不佳。现有的PVD深孔沉积技术是在磁控溅射设备的基座上形成一个负偏压来吸引等离子体，负偏压越高，更多的金属正离子就会被吸引到TSV结构中。

PVD在TSV中的应用主要是在硅通孔内部沉积阻挡层和铜籽晶层，阻挡层的作用是防止铜向硅或者二氧化硅中扩散，铜籽晶层的作用是为后续电镀工艺做一层导电层，因此PVD工艺对TSV的填充品质有非常重要的影响。如果阻挡层的薄膜覆盖率不佳，会影响TSV器件的可靠性；如果籽晶层的覆盖率不佳，会导致电镀铜无法正常进行，电镀后的TSV有空洞或缝隙，也会严重影响器件的性能。

传统长投（long throw）PVD工艺腔在填充高深宽比的通孔和深孔结构时都会出现填充均匀性不佳的问题，如图1所示，对于晶圆右侧边缘的深孔结构，正对靶材中心的右侧侧壁的膜厚较厚，而背对靶材中心的左侧侧壁的膜厚较薄，因为晶圆边缘距离靶材中心较远，从靶材表面尤其是靶材中心和半中间区域溅射下来的金属离子都沿较大倾斜角度（如图1中箭头所示）入射进入晶圆边缘深孔结构的开口处，这种大角度入射的粒子能沉积到正对靶材中心的深孔结构的右侧侧壁上，但较少沉积在背对靶材中心的深孔结构的左侧侧壁上，而且只有靶材右侧边缘的溅射粒子能沿小角度进入深孔结构的左侧侧壁上；由于靶材右侧边缘的面积占比只有大约1/3，所以晶圆最边缘区域的深孔结构在填充时会出现不对称分布，即深孔结构的左右两个侧壁上沉积的膜厚不一致，最终造成深孔填充均匀性不佳。

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可改善填充均匀性的离子化PVD设备，用于解决现有的PVD设备在填充深孔时，容易导致深孔填充不均匀性等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可改善填充均匀性的离子化PVD设备，所述离子化PVD设备包括腔体、溅射组件、基座、离子调节器和网格状金属盘；所述溅射组件位于腔体顶部，所述基座位于所述腔体内，所述离子调节器位于腔体内，且位于溅射组件和基座之间；所述离子调节器包括多个磁场调节单元，所述多个磁场调节单元相互间隔，并以所述腔体的中心为中心向外呈放射状分布，各所述磁场调节单元的非磁极面上包覆有软磁材料；所述磁场调节单元包括片状磁铁和电磁线圈中的一种，所述片状磁铁的表面磁场强度沿远离腔体中心的方向逐渐增强，且相邻的片状磁铁的磁极面的磁性相反；所述网格状金属盘位于离子调节器和基座之间，所述网格状金属盘连接至第一射频电源。

可选地，所述片状磁铁的厚度沿远离腔体中心方向逐渐增大。

可选地，所述片状磁铁的数量为2~40个，片状磁铁的厚度为20mm~80mm。

更可选地，所述片状磁铁的数量为6~30个，片状磁铁的厚度为30mm~50mm。

可选地，所述离子调节器还包括连接环，各所述磁场调节单元远离腔体中心的一端与所述连接环相连接。

可选地，各所述磁场调节单元的非磁极面上包覆有软磁材料。

可选地，所述软磁材料的厚度为2mm~6mm，所述软磁材料包括坡莫合金、电磁纯铁、不锈铁、硅钢和软磁铁氧体中的一种或多种的结合。

可选地，所述电磁线圈为矩形状。

可选地，所述基座连接至第二射频电源，第二射频电源的电压为50V~200V。

可选地，所述离子化PVD设备还包括上电磁铁和下电磁铁，所述上电磁铁与所述溅射组件相邻设置，所述下电磁铁位于所述离子调节器和基座之间。

可选地，所述网格状金属盘的厚度为2mm~6mm，第一射频电源的电压为30V~50V。

如上所述，本发明的可改善填充均匀性的离子化PVD设备，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，在离子调节器的磁场调节单元之间的扇形间隙内形成逆时针方向的水平磁场，使得从靶材表面溅射至扇形间隙中的金属阳离子受到指向离子调节器圆周方向的作用力，使金属阳离子从扇形间隙的中间和半中间区域逐渐向边缘区域移动，由此可以大幅提高晶圆边缘区域的金属阳离子浓度，提高深孔填充均匀性。

附图说明

图1显示为传统长投PVD设备的不对称深孔填充示意图。

图2显示为本发明提供的可改善填充均匀性的离子化PVD设备的截面结构示意图。

图3显示为本发明的离子化PVD设备的离子调节器的侧视图。

图4显示为图3中的离子调节器的示例性磁场方向示意图。

图5显示为片状磁铁的示例性侧视图。

图6显示为本发明的离子化PVD设备的网格状金属盘的俯视图。

图7显示为采用本发明的离子化PVD设备的进行深孔填充的示意图。

元件标号说明：11-腔体；12-靶材；13-磁控组件；14-基座；15-晶圆；16-离子调节器；161-磁场调节单元；162-连接环；163-软磁材料；17-挡板；18-遮挡环；19-上电磁铁；20-上电磁铁；21-网格化金属盘。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图2至图7。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图2至6所示，本发明提供一种可改善填充均匀性的离子化PVD设备，所述离子化PVD设备包括腔体11、溅射组件、基座14和离子调节器16；所述溅射组件位于腔体11顶部，具体可以包括靶材12和位于靶材12上方的磁控组件13，所述磁控组件13包括但不限于永磁铁；所述基座14位于所述腔体11内，用于承载晶圆15，基座14内可设置加热和/或冷却单元，以根据需要对晶圆15进行加热或冷却，且基座14可与驱动单元相连接，以在需要时进行旋转或升降；在磁控溅射过程中，所述基座14可连接至第二射频电源，可以使得更多的金属阳离子在穿过离子调节器16之后能以接近垂直入射的小角度进入晶圆边缘的深孔结构内，从而能在深孔结构的两侧实现比较对称的金属填充；所述离子调节器16位于腔体11内，且位于溅射组件和基座14之间；所述离子调节器16包括多个磁场调节单元161，所述多个磁场调节单元161相互间隔，并以所述腔体11的中心为中心向外呈放射状分布，即多个磁场调节单元161间隔分布在一圆形平面内，各磁场调节单元161可向外一直延伸直至与腔体11内壁相邻；所述磁场调节单元161包括片状磁铁和电磁线圈中的一种；当采用片状磁铁时，所述片状磁铁的表面磁场强度沿远离腔体11中心的方向逐渐增强，且相邻的片状磁铁的磁极面的磁性相反，即各片状磁铁的一侧表面为N级，另一侧表面为S级，因而在每两个相邻片状磁铁之间的扇形间隙内都会形成逆时针方向的水平磁场（如图3和4所示）；在逆时针水平磁场的作用下，从靶材12表面溅射至扇形间隙中的金属阳离子会受到一个指向离子调节器16圆周方向（即朝向腔体11的腔壁方向）的作用力，因此金属阳离子会从扇形间隙的中间和半中间区域逐渐向边缘区域移动，由此可以大幅提高晶圆边缘区域的金属阳离子浓度（因靶材离子的离化率在30%左右，大部分的溅射材粒子仍呈电中性而不受磁场的影响，因此仍能保证中心的溅射粒子浓度不会降低过多而致使边缘离子过密集而中央离子过稀疏的情况发生），提高深孔填充均匀性；而当所有磁场调节单元均采用电磁线圈时，电磁线圈优选采用矩形结构的线圈；深孔填充工艺中，各电磁线圈连接至同一个或不同的直流电源，各电磁线圈连接的电流方向一致，由此可以在两个电磁线圈之间的间隙形成逆时针的磁场方向，从而可以让金属阳离子从扇形间隙的中间和半中间区域逐渐向边缘区域移动，同样可以实现提高深孔填充均匀性的效果。与采用片状磁铁的方案相比较而言，片状磁铁之间的间隙磁场是固定的，而电磁线圈之间的间隙磁场调节可以通过对电流的调节实现，调节更加方便。此外，离子调节器还可以起到过滤掉大角度入射粒子的作用，因为离子调节器具有一定的厚度，所以入射角度偏大的靶材粒子在往下运动的过程中会落在磁场调节单元上，比如落在片状磁铁的侧壁上，这样能使最终沉积到晶圆上的粒子基本上都有相对较小的角度，有利于避免深孔结构的开口处出现沉积膜层悬垂突出导致开口缩小甚至闭合而影响到深孔结构的填充的问题。在进一步的示例中，所述离子化PVD设备还包括网格状金属盘21，位于所述离子调节器16和基座14之间，且优选与离子调节器16相邻（两者可贴置或具有较小的间距）。所述网格状金属盘21顾名思义就是表面有呈网格状分布的通孔的金属盘，具体可以参考图6所示。网格状金属盘21可以任意合适的方式固定，比如固定于挡板17台阶上。网格状金属盘21的厚度较优地为2mm~6mm，网格状金属盘21连接至第一射频电源，第一射频电源产生脉冲负偏压，负偏压的范围为30V~ 50V，金属阳离子在负偏压的作用下会沿近似垂直的方向向下运动，使得更多的溅射粒子沿近似垂直的方向（小角度）进入离子调节器16的扇形间隙，避免金属阳离子大角度斜入射落在片状磁铁的侧壁上而导致阳离子的浓度降低，有助于进一步提高深孔填充均匀性。

作为示例，所述离子化PVD设备的腔体11内可以设置挡板17，挡板17沿腔体11的周向分布，以避免离子溅射到腔体11表面。在设置有挡板17的情况下，所述离子调节器16可与挡板17直接固定，比如各磁场调节单元161一端固定于挡板17上。在一示例中，所述离子调节器16还包括连接环162，各所述磁场调节单元161远离腔体11中心的一端与所述连接环162相连接。比如所述挡板17上可以设置台阶（未标记），而所述连接环162架设在所述挡板17的台阶上，由此实现所述离子调节器16的固定。所述连接环162的材质包括但不限于金属或陶瓷等具有一定硬度的材质。当然，在其他示例中，所述离子调节器16也可以其他方式固定于所述基座的上方，比如通过支架的支撑进行固定，对此不做严格限制。

所述离子化PVD设备的腔体11内还可以设置遮挡环18，所述遮挡环18位于基座14的外围的上方，遮挡环18同样可以架设于挡板17上，以在溅射过程中对晶圆进行边缘遮挡，避免晶圆的边缘被污染。

在一示例中，所述片状磁铁由均一材质制成，因而为确保片状磁铁的表面磁场强度沿远离腔体11中心的方向逐渐增大，所述片状磁铁的厚度（厚度指水平方向的距离，因而片状磁铁的水平面呈扇形面）沿远离腔体11中心方向逐渐增大，即越向中心方向越薄，越向边缘方向越厚，因为边缘的两个片状磁铁的距离大，磁场随距离变大也会衰减很快，只有增大磁铁厚度，才能保证边缘的磁场强度。片状磁铁件数量和厚度需精心设计，如果数量太少，厚度太大，则磁场调节功能有限，且金属离子容易沉积在片状磁铁的表面，但如果数量太多，厚度太小，同样会导致磁场强度下降而难以有效影响溅射离子的溅射路径。发明人经大量实验发现，片状磁铁的数量较佳地为2个~40个，更优地为6个~30个（包括端点值，本说明书中在涉及数值范围的描述时，如无特殊说明，均包括端点值），比如为2个，3个， 4个……10个，20个，40个或这区间的任意值，厚度为20mm~80mm，更优地为30mm~50mm。

当然，在其他示例中，当所述磁场调节单元161采用片状磁铁时，为实现片状磁铁的表面磁场强度沿远离腔体11中心的方向逐渐增强，也可以采用磁性不同的材料制作所述片状磁铁，即所述片状磁铁的不同段由不同磁场强度的材料制成，对此不做严格限制。

作为示例，各所述磁场调节单元161的非磁极面（包括上表面、下表面、前表面和后表面，只要确保与其他磁场调节单元161的相邻磁极面未包覆）上包覆有软磁材料163，由此可以避免各片状磁铁的磁性前后两个表面之间形成顺时针方向的杂散磁场，避免杂散磁场干扰到扇形间隙内的逆时针磁场，由此影响到阳离子从中心向边缘的有序迁移，有助于进一步提高填充均匀性。比如如图5所示，片状磁铁上下左右四个侧面都用软磁材料163外壳包覆，软磁材料163的厚度为2mm~6mm，更优地为2mm~4mm，只有前后两个磁极面（N极和S极）没有软磁材料覆盖。为了使杂散磁场集中到软磁外壳上而不往外泄漏，软磁外壳要使用高磁导率的软磁材料，包括但不限于坡莫合金、电磁纯铁、不锈铁、硅钢、软磁铁氧体等材料中的一种或多种的结合。

作为示例，第二射频电源的电压为50V~200V。

作为示例，所述离子化PVD设备还包括上电磁铁19，所述上电磁铁19与所述溅射组件相邻设置，所述上电磁铁19可以设置在腔体11内部或外部，优选设置在腔体11外部，比如设置在与靶材12同高度或者略微偏下的位置。上电磁铁19与直流电源相连，上电磁铁19通电后在靶材12附近产生附加磁场（与磁控组件13产生的磁场相区别），有利于提高靶材金属原子的离化率。高金属离化率有助于在离子调节器16区域获得更高比例的金属阳离子，因为只有金属阳离子才能在磁场的作用下从中心向边缘迁移（不带电的中性粒子是不受磁场影响的），使得晶圆边缘的深孔结构能接收到更多的金属阳离子，进一步提高深孔填充均匀性。

所述离子化PVD设备可以进一步设置有下电磁铁20，所述下电磁铁20位于所述离子调节器16和基座14之间（这是从三者在纵向的相对位置而言，实际上下电磁铁20可以位于腔体11内部和/或外部）下电磁铁20包括一个或多个电磁线圈，下电磁铁20的作用是将磁控组件13产生的磁场的磁力线延伸至晶圆边缘附近，从而能让等离子区域扩展到晶圆边缘，使晶圆边缘能接收到更多的金属阳离子，进一步提高深孔填充均匀性。

发明人对本发明的离子化PVD设备的深孔填充效果进行了验证。实验结果表面，采用本发明的离子调节器，配合加偏压的网格状金属盘，在进行深孔填充时可以获得如图7所示的对称的深孔填充效果。

综上所述，本发明提供一种可改善填充均匀性的离子化PVD设备，所述离子化PVD设备包括腔体、溅射组件、基座和离子调节器；所述溅射组件位于腔体顶部，所述基座位于所述腔体内，所述离子调节器位于腔体内，且位于溅射组件和基座之间；所述离子调节器包括多个磁场调节单元，所述多个磁场调节单元相互间隔，并以所述腔体的中心为中心向外呈放射状分布；所述磁场调节单元包括片状磁铁和电磁线圈中的一种，所述片状磁铁的表 面磁场强度沿远离腔体中心的方向逐渐增强，且相邻的片状磁铁的磁极面的磁性相反，本发明经改善的结构设计，在离子调节器的磁场调节单元之间的扇形间隙内形成逆时针方向的水平磁场，使得从靶材表面溅射至扇形间隙中的金属阳离子受到指向离子调节器圆周方向的作用力，使金属阳离子从扇形间隙的中间和半中间区域逐渐向边缘区域移动，由此可以大幅提高晶圆边缘区域的金属阳离子浓度，提高深孔填充均匀性。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 (10)

1.一种可改善填充均匀性的离子化PVD设备，其特征在于，所述离子化PVD设备包括腔体、溅射组件、基座、离子调节器和网格状金属盘；所述溅射组件位于腔体顶部，所述基座位于所述腔体内，所述离子调节器位于腔体内，且位于溅射组件和基座之间；所述离子调节器包括多个磁场调节单元，所述多个磁场调节单元相互间隔，并以所述腔体的中心为中心向外呈放射状分布，各所述磁场调节单元的非磁极面上包覆有软磁材料；所述磁场调节单元包括片状磁铁和电磁线圈中的一种，所述片状磁铁的表面磁场强度沿远离腔体中心的方向逐渐增强，且相邻的片状磁铁的磁极面的磁性相反；所述网格状金属盘位于离子调节器和基座之间，所述网格状金属盘连接至第一射频电源。

2.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述片状磁铁的厚度沿远离腔体中心方向逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述片状磁铁的数量为2~40个，片状磁铁的厚度为20mm~80mm。

4.根据权利要求3所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述片状磁铁的数量为6~30个，片状磁铁的厚度为30mm~50mm。

5.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述离子调节器还包括连接环，各所述磁场调节单元远离腔体中心的一端与所述连接环相连接。

6.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述软磁材料的厚度为2mm~6mm，所述软磁材料包括坡莫合金、电磁纯铁、不锈铁、硅钢和软磁铁氧体中的一种或多种的结合。

7.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述电磁线圈为矩形状。

8.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述基座连接至第二射频电源，第二射频电源的电压为50V~200V。

9.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述离子化PVD设备还包括上电磁铁和下电磁铁，所述上电磁铁与所述溅射组件相邻设置，所述下电磁铁位于所述离子调节器和基座之间。

10.根据权利要求1所述的离子化PVD设备，其特征在于，所述网格状金属盘的厚度为2mm~6mm，第一射频电源的电压为30V~50V。

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