CN115161594A - 可改善深孔填充的镀膜设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可改善深孔填充的镀膜设备及方法。设备包括：腔体、靶材承载盘、磁控组件、基座及矫正器；所述靶材承载盘位于腔体顶部，用于固定靶材，所述靶材与第一脉冲电源电连接，以由第一脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲；所述磁控组件位于靶材承载盘上方，所述基座位于腔体内，所述矫正器位于腔体内，且位于靶材和基座之间，矫正器与基座具有间距，并与腔体绝缘，所述矫正器与外接电源的正极电连接而施加正偏压，矫正器包括多个间隔设置的矫正单元，各矫正单元为上下贯通的通孔结构，矫正器用于矫正靶材阳离子运动方向的倾斜角。本发明能大幅改善大高宽比的深孔结构的填充均匀性，提高沉积速率，有助于降低生产成本，提高经济效益。

Description

可改善深孔填充的镀膜设备及方法

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制造设备，特别是涉及一种可改善深孔填充的镀膜设备及方法。

背景技术

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)工艺的磁控溅射技术是集成电路制造过程中沉积金属膜层等相关材料层时广泛采用的方法，是填充深孔、硅通孔和深槽结构的主要技术。采用传统的PVD技术填充硅通孔的过程中，大部分金属离子呈较大的角度分散落到晶圆上，但对于高宽比很高的硅通孔，散射的金属离子沿与竖直方向成较大倾斜角的方向进入通孔内部的过程中，大部分会落在深孔结构的开口和上部侧壁，导致通孔的底部和下部侧壁的薄膜覆盖率不佳。现有的常用的PVD深孔填充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深孔结构中。

磁控溅射技术在深孔填充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工艺对深孔填充的台阶覆盖率有非常重要的影响。如果阻挡层的薄膜覆盖率不佳，会影响深孔和通孔器件的可靠性；如果籽晶层的覆盖率不佳，会导致电镀铜无法正常进行，电镀后的深孔和通孔出现空洞或缝隙，严重影响器件性能。

传统长投法(long throw)PVD技术在填充高宽比很高的通孔和深孔结构时不仅沉积速率慢，而且还会出现填充均匀性不好的问题，尤其是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，深孔填充均匀性不佳。

为改善上述问题，有些磁控溅射设备中设置有准直管，准直管依靠侧壁的物理阻挡对离子进行过滤，大角度的粒子没法穿过准直管而最终都落在准直管的侧壁上，只有部分小角度的粒子能顺利通过准直管沉积到晶圆上。这种带准直管的磁控溅射设备能一定程度解决低高宽比(高宽比小于5：1)的深孔结构填充均匀性不好的问题，但是对于大高宽比结构仍存在台阶覆盖率不佳的问题，此外还存在沉积速率过慢、靶材利用率低等问题，而且准直管的加工成本和维护成本都很高，导致镀膜成本增加。

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深孔填充的镀膜设备及方法，用于解决现有的深孔填充技术，例如传统长投法技术存在的填充均匀性不好，而带准直管的磁控溅射设备仍无法有效解决大高宽比结构的台阶覆盖率不佳的问题，此外还存在沉积速率过慢、靶材利用率低等问题，而且其加工成本和维护成本都很高，导致镀膜成本增加等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可改善深孔填充的镀膜设备，包括：腔体、靶材承载盘、磁控组件、基座及矫正器；所述靶材承载盘位于腔体顶部，用于固定靶材，所述靶材与第一脉冲电源电连接，以由第一脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲；所述磁控组件位于靶材承载盘上方，所述基座位于腔体内，所述矫正器位于腔体内，且位于靶材和基座之间，矫正器与基座具有间距，并与腔体绝缘，所述矫正器与外接电源的正极电连接而带有正偏压，所述矫正器包括多个间隔设置的矫正单元，各矫正单元为上下贯通的通孔结构，矫正器用于矫正靶材阳离子的运动方向的倾斜角。

可选地，所述第一脉冲电源提供的用来溅射靶材的负脉冲偏压的范围为-800V～-100V，正脉冲偏压为100V～200V，负脉冲偏压的脉宽和脉高均大于正脉冲偏压，频率为200Hz～20MHz。

可选地，与矫正器电连接的外接电源包括直流电源、单极性脉冲电源和直流叠加脉冲电源中的若干种，用于为矫正器及矫正单元内提供30V～100V的恒定正偏压或者脉冲正偏压。

可选地，所述矫正器包括中间区域和位于中间区域外侧的边缘区域，相邻区域之间电绝缘，各区域施加大小不同的正偏压，从中间区域到边缘区域的正偏压逐渐加大。

可选地，所述矫正器包括中间区域和位于中间区域外侧的边缘区域，相邻区域之间电绝缘，各区域施加大小相同的正偏压，矫正单元内部侧壁上设置多个凸起图案，凸起图案的形状包括立方体、半球状、圆柱形和锥体中的若干种，从中间区域到边缘区域的凸起图案的高度逐渐加大。

可选地，所述矫正器与基座的间距大于等于40mm。

可选地，相邻的矫正单元之间的间距为2mm～10mm。

可选地，矫正单元孔径为10mm～60mm。

更可选地，矫正单元的孔径为20mm～40mm。

可选地，各矫正单元的高宽比为1.5:1～5:1。

可选地，所述矫正单元的上部孔径大于、等于或小于下部孔径。

可选地，所述矫正单元的孔径从上部往下到中部逐渐减小，中部往下部孔径保持不变。

可选地，所述矫正单元的上部和下部孔径大于中间部位的孔径。

可选地，所述矫正器为两个以上，两个以上矫正器上下堆叠，相邻的矫正器通过具有通孔的绝缘环相间隔，各矫正器的矫正单元位于绝缘环的通孔上下方，各矫正器连接至不同的外接电源，加以正偏压。

可选地，所述两个以上矫正器上下堆叠，矫正单元的孔径保持不变，各矫正器的正偏压自上而下逐渐线性增大。

可选地，所述两个以上矫正器上下堆叠，矫正单元的孔径自上而下逐渐减小，各矫正器正偏压保持不变。

可选地，所述矫正单元的开口形貌包括圆形和多边形中的任意一种，多个矫正单元以腔体的中心为中心向外呈密堆积的阵列式分布。

可选地，所述基座连接至射频电源，所述射频电源产生射频负偏压，负偏压的范围为-300V～-50V。

可选地，所述镀膜设备还包括上挡板、下挡板和遮挡环，所述上挡板一端靠近靶材边缘，另一端沿腔体内壁向下延伸到所述矫正器附近，所述下挡板一端靠近所述矫正器背离上挡板的一端的边缘，另一端沿腔体内壁向下延伸至所述基座外围，所述遮挡环固定于所述下挡板上，且绕设于所述基座边缘上方。

可选地，所述镀膜设备还包括导流板，位于所述腔体内，且位于所述矫正器和基座之间，所述导流板与所述矫正器电绝缘，所述导流板包括多个间隔分布的通孔状导流单元以及连接于所述导流单元之间的交叉结构，所述导流单元由绝缘材料围成，所述交叉结构由导电材料制成，所述交叉结构与第二脉冲电源电连接，第二脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲，其中，提供的负偏压为-150V～-50V，提供的正脉冲偏压为20V～80V，负脉冲偏压的脉宽和脉高均大于正脉冲偏压。

可选地，所述导流板与矫正器之间具有间距或通过具有通孔的绝缘板相间隔。

本发明还提供一种可改善深孔填充的镀膜方法，所述镀膜方法采用如上述任一方案中所述的镀膜设备进行深孔填充。

如上所述，本发明的可改善深孔填充的镀膜设备及方法，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，利用带正偏压的矫正器来矫正靶材阳离子的运动方向、减小其与竖直方向的倾斜角，可以大幅改善深孔结构的底部填充率和侧壁覆盖率，与业界常用的深孔填充设备相比较，使用本发明的镀膜设备进行深孔填充，能把深孔结构的底部填充率和侧壁覆盖率提高70％以上。且本发明尤其能大幅改善大高宽比(高宽比大于5：1，尤其是8：1以上)的深孔结构的填充均匀性，能大幅提高沉积速率。同时，本申请的矫正器易于加工、加工成本低，矫正单元的寿命长、维护成本低，有助于降低半导体芯片制造厂的生产成本，提高经济效益。

附图说明

图1显示为本发明提供的可改善深孔填充的镀膜设备的例示性截面结构示意图。

图2至图5显示为本发明提供的镀膜设备的矫正器于不同示例中的结构示意图。

图6和图7分别显示为同一矫正器的俯视图和仰视图。

图8显示为靶材阳离子在矫正单元上方的受力情况示意图。

图9显示为靶材阳离子在矫正单元内的受力情况示意图。

图10显示为靶材阳离子的运动轨迹示意图。

图11和12显示为本发明提供的镀膜设备的导流板于不同示例中的结构示意图。

元件标号说明

11-腔体；12-靶材；13-磁控组件；14-矫正器；141-矫正单元；15-基座；16-晶圆；17-上挡板；

18-下挡板；19-遮挡环；20-导流板；201-导流单元；202-交叉结构；203-侧壁。

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，遂图式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。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图1至图12。

如图1至图12所示，本发明提供一种可改善深孔填充的镀膜设备，包括：腔体11、靶材承载盘、磁控组件13、基座15及矫正器14；所述靶材承载盘位于腔体11顶部，用于固定靶材12；所述靶材12与第一脉冲电源(未示出)电连接，以由第一脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲(传统的溅射设备的靶材通常是连接直流电源或者RF射频电源，产生直流偏压或者射频偏压，而本申发明中不采用RF电源的原因在于，发明人经试验发现，如果溅射时使用RF电源，会在靶材上产生一个负偏压，溅射下来的靶材离子从负偏压的靶材向带正偏压的矫正器运动时是逆电场方向运动，离子动能会变小，会造成很多能量低的离子还没抵达矫正单元的上部开口速度就已经降到零，因此使用RF电源的溅射效率和填充效果都会变差)，脉冲频率较佳地为200Hz～20MHz(需要说明的是，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)，更佳的频率为100KHz～800KHz，负脉冲偏压的脉宽和脉高均大于正脉冲偏压，且在较佳的示例中，所述第一脉冲电源提供的用来溅射靶材12的负脉冲偏压的范围为-800V～-100V，正脉冲偏压为100V～200V；所述磁控组件13位于靶材12承载盘上方，具体可以包括磁控管等结构，此外还可以包括对靶材12进行冷却的冷却结构，例如冷却水组件；所述基座15位于腔体11内，用于承载待镀膜的晶圆16，所述基座15可以为普通加热盘或静电吸附盘，所述基座15内可以设置加热和/或冷却单元，所述镀膜设备通常包括与所述基座15底部相连接的支撑结构(未标示)，所述支撑结构自腔体11内部延伸到腔体11外部，电源线和/或气源线等源线可通过所述支撑结构的内部延伸到基座15内，所述支撑结构可与驱动结构相连接，以在需要时对所述基座15进行升降和/或旋转；所述矫正器14位于腔体11内，且位于靶材12和基座15之间，矫正器14与基座15具有间距，该间距较佳地为大于等于40mm，并且矫正器14与腔体11绝缘，例如矫正器14可与腔体11内壁具有间距或者两者之间设置绝缘层，所述矫正器14与外接电源的正极电连接，因而矫正器14由导电材料制成，例如为金属材料，例如可与腔体11或后续提及的挡板材质相同，或者其表面镀有导电材料，所述矫正器14包括多个间隔设置的矫正单元141，各矫正单元141为上下贯通的通孔结构，矫正器14用于矫正靶材阳离子的运动方向与竖直方向的倾斜角，使得靶材阳离子能沿竖直向下的方向运动到晶圆表面的深孔中。具体地，所述矫正器14的结构可以参考图2至图7所示，其中，图2为高宽比(高度与宽度的比值，或称之为深宽比)较小(高宽比小于等于2.5:1)的方形矫正器14，图3为高宽比较小的圆形矫正器14，图4为高宽比较大(高宽比大于2.5:1)的方形矫正器14，图5为高宽比较大的圆形矫正器14；矫正器14的外轮廓通常不小于基座15轮廓，即尽量确保位于基座15上的晶圆16整个被矫正器14的正投影覆盖，矫正器14的每个矫正单元141的横截面，也即其开口形貌既可以是圆形和包括方形、三角形和五边形在内的正多边形，也可以是非正多边形，各矫正单元141与相邻矫正单元141之间由侧壁隔开，侧壁要尽可能薄，以减少靶材12粒子在矫正器14上表面的沉积量；较佳地，侧壁厚度，也即相邻的矫正单元141之间的距离为2mm～10mm(如不同的矫正单元141之间的侧壁厚度不同，则该距离是指相邻的两个矫正单元141之间的较薄部分的厚度)。为提高镀膜均匀性，所述矫正器14内部的多个矫正单元141较佳地为以腔体11的中心为中心向外呈密堆积的阵列式分布，因此使用三角形(未示出)或者方形截面的矫正单元141是较佳的，每个矫正单元141的高宽比较佳地为1.5:1与5:1，同一矫正器的不同的矫正单元141的结构尺寸优选一致，例如各矫正单元141的上部孔径小于等于下部孔径，即各矫正单元141在各处的孔径可以是上下大小一致，也可以如图6和7所示的上窄下宽结构，即矫正单元141的顶部孔径小于底部孔径，因为发明人经实验发现，若矫正单元141为上部开口大于下部开口的上宽下窄结构，会使得下部正电荷的排斥力大于上部正电荷，不利于阳离子向下加速。当然，在一些示例中，矫正单元的上部孔径也可以大于下部孔径。且发明人经大量实验发现，矫正单元的孔径较佳地为10mm-60mm，更佳地为20mm-40mm，该数值范围的矫正单元能对靶材离子起到很好的矫正作用，避免靶材离子堵塞矫正单元。现有技术中的准直管单元的尺寸一般在3-10mm，准直管单元的侧壁在使用的过程中会不断镀上靶材粒子(大倾斜角的离子不能穿过准直管而落在侧壁上)，造成准直管孔径不断缩小，到腔体做保养要更换准直管和靶材的时候，准直管的孔径会缩小2mm左右，经长期使用，到后期，初始尺寸为3mm的准直管单元孔径会缩小到1mm，绝大部分被堵塞而导致靶材粒子很难通过；而初始尺寸为10mm的准直管单元，到使用末期会也缩小到8mm，缩小20％，也会出现沉积速率下降、稳定性不好等问题。

本发明提供的镀膜设备的工作原理，尤其是矫正器14的工作原理为：在靶材阳离子往下运动穿过矫正单元141的时候，如果阳离子不是竖直向下而是与竖直方向有较大倾斜角，则靶材阳离子运动一段距离后与矫正单元141两个内侧面的距离会变得不等，因为静电力与电荷距离的平方成反比(根据电学库仓力的定义，真空中两个静止的点电荷Q1与Q2之间的相互作用力的大小与电量Q1、Q2的乘积成正比，和它们之间的距离r的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连线，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引)。如图9所示，距离较近的(带正电荷)矫正单元141的一个内侧面S1会给靶材阳离子(初速度为v)施加一个较大的水平斥力F1，而距离较远的(同样带正电荷)矫正单元141的另一个内侧面S2会给阳离子施加一个较小的水平斥力F2，两个斥力在水平方向的合力指向距离较远的内侧面S2，因此阳离子会沿图10中虚线所示的运动轨迹运动，并最终穿过矫正单元141的底部，即阳离子会以与垂直方向成小倾斜角或接近垂直向下的方向进入晶圆16表面的深孔结构内部。且此处需要特别说明的是，本发明的矫正器14的工作原理与现有镀膜设备中的准直管的工作原理有着本质的不同，现有的准直管都是使用大高宽比的蜂巢状分布的准直管单元(例如各准直管单元为六边形结构)来过滤与竖直方向的倾斜角大的靶材离子，倾斜角大的靶材离子都最终都会附在蜂巢状分布的准直管单元的侧壁上，只有部分倾斜角小的离子会穿过蜂巢状分布的准直管单元并最终沉积到晶圆表面，所以靶材的使用效率很低，溅射速率也很低；同时因为大量的靶材离子会沉积在蜂巢状分布的准直管单元侧壁上，所以蜂巢状准直管单元的孔径随时间会很快缩小，有的孔到后期甚至还会被完全堵上，存在溅射速率和深孔填充率不稳定、使用寿命短和使用成本高等一系列问题。即现有的准直管是依靠侧壁的物理阻挡对离子进行过滤，大角度的粒子没法穿过准直管单元、最终都落在准直管单元的侧壁上，只有那些小角度的粒子能顺利通过准直管沉积到晶圆上。此外，传统的准直管采用单一的蜂巢状结构很难组成一个完整的圆形截面，所以在准直管的边缘都会出现一些包括边长不相等的三角形和四边形在内的非正多边形，这些非正多边形结构在工艺过程中会因粒子沉积过多而最先被堵塞，由此影响到溅射速率和填充均匀性的稳定性。而本发明则是依靠矫正单元侧壁正电荷的排斥力逐步矫正阳离子的倾斜角度(角度由大变小)，使得所有的靶材阳离子都能穿过矫正单元，因而能大幅提高靶材的利用效率。同时，本发明中，因为矫正单元侧壁带有正电，所以靶材阳离子在往下穿过矫正单元时会因受到来自侧壁的斥力而不会落到侧壁上，能大幅减少矫正单元侧壁上阳离子的附着量，即便矫正器边缘有非正多边形结构，但因为斥力的存在，非正多边形结构也不会出现被阳离子堵塞的情况，同时还能带来两大优点：1)矫正单元顶部孔径不会因(倾斜角大的)靶材阳离子的沉积而很快缩小，有助于保持靶材溅射速率的稳定性和深孔填充率的稳定性，2)能大幅延长矫正器的使用寿命，减小机台做维修保养的频率，提升设备产能，降低设备使用成本。

本发明经改善的结构设计，利用带正偏压的矫正器来矫正靶材阳离子的运动方向、减小靶材阳离子与竖直方向的倾斜角，可以大幅改善深孔结构的底部填充率和侧壁覆盖率，与业界常用的深孔填充设备相比较，使用本发明的镀膜设备进行深孔填充，能把深孔结构的底部填充率和侧壁覆盖率提高70％以上。且本发明尤其能大幅改善大高宽比(高宽比大于5：1，尤其是8：1以上)的深孔结构的填充均匀性，能大幅提高沉积速率。同时，本申请的矫正器易于加工、加工成本低，矫正单元的寿命长、维护成本低，有助于降低半导体芯片制造厂的生产成本，提高经济效益。

如前所述，矫正器14与外接电源的正极相连，而外接电源可为直流电源、单极性脉冲电源和直流叠加脉冲电源中的任意一种或多种，以为矫正器14及矫正单元141内提供30V～100V的恒定正偏压或者脉冲正偏压。外接电源接通后，矫正单元141内侧表面因为带有正电荷，可以用来矫正靶材阳离子运动方向的倾斜角。

在一些示例中，所述矫正器包括中间区域和位于中间区域外侧的边缘区域，即矫正器至少包括两个区域，例如中间区域为位于矫正器中心的圆形区域，而边缘区域为环绕中间区域的环形区域，矫正器还可以根据需要分为自矫正器中心由内到外的3个以上区域，相邻区域之间相互电绝缘，例如可以采用真空间隙绝缘或使用绝缘材料进行绝缘；每个区域可以施加大小不同的正偏压，例如从中间区域到边缘区域的正偏压逐渐加大。这种结构设计的优点在于，在镀膜过程中，由于来自靶材的溅射粒子在晶圆中心和晶圆边缘位置的浓度不同，入射离子的倾斜角也不同，对于常规的靶材磁铁装置，通常晶圆中心区域的离子浓度高、倾斜角小，而边缘区域的离子浓度低、倾斜角大，使得晶圆中心区域深孔结构底部的台阶覆盖率较好(例如为21.2％)，而晶圆边缘的覆盖率较差(例如为12.6％)。因此，为了在整片晶圆上获得一致的台阶覆盖率，本发明中，对矫正器的中间区域到边缘区域逐渐增加正偏压，由此加强对边缘区域离子偏斜角的矫正效果。如表1所示，当矫正器边缘区域的偏压加大到中间区域1.6倍的时候，晶圆边缘的台阶覆盖率从之前的12.6％迅速提高到了18.3％，改善程度接近50％，因而采用本示例，有助于提高薄膜沉积填孔均匀性。

表1矫正器分区偏压设置对应的深孔填充改善结果

而在另一示例中，对于某些靶材磁铁装置，靶材边缘磁场强度要明显强于靶材中心磁场强度，边缘区域的离子浓度高、倾斜角小，使得晶圆中心区域的台阶覆盖率要明显好于晶圆边缘的覆盖率，对于这种情况有必要从矫正器的中间区域到边缘区域逐渐降低正偏压，反而要加强对中间区域离子偏斜角的矫正效果。

而在另外一些示例中，所述矫正器14包括中间区域和位于中间区域外侧的边缘区域，即所述矫正器同样被分为中间区域和边缘区域在内的至少两个区域，相邻区域之间相互电绝缘，每个区域施加大小相同的正偏压，矫正单元内部侧壁上刻有多个凸起图案，凸起图案的形状可为立方体、半球状、圆柱形和锥体中的若干种。对于晶圆边缘区域覆盖率较差的情况，可以从矫正器的中间区域到边缘区域逐渐加大凸起图案的高度。边缘区域凸起高度增加，会带来更大的电荷面密度，使得电场强度变得更强，所以这样的设置对边缘区域离子偏斜角的矫正会更好。这种结构设计相较于前述的不同区域采用不同正偏压的方案的优点在于，各区域可以采用同一电源，避免多个电源间的相互干扰，有助于简化设备整体结构。

在一些示例中，如果要填充高宽比很大的深孔结构，例如高宽比大于等于10，则本实施例提供的一种较优的设置是矫正单元141的孔径从上部往下到中部逐渐减小，到矫正单元一半左右深度(中部)再往下孔径保持不变。孔径先缩小可以逐渐矫正离子运动的倾斜角度，但是这个过程中离子的动能会逐渐降低，而后续孔径保持不变是为了保持离子运动的动能，保证离子能有足够的能量穿过矫正单元抵达晶圆表面。通过这样的设置可以在矫正离子角度和保持离子运动动能之间达到很好的平衡，实现更好的填充效果。

在其他示例中，对于要填充高宽比很大的深孔结构(例如同样高宽比大于等于10)，还有另一种较优的设置，即矫正单元141的孔径从上往下先逐渐减小，到矫正单元一半左右深度的位置孔径从上往下逐渐增大，即矫正单元的上部和下部孔径大于其中间部位的孔径。矫正单元的孔径先缩小可以逐渐矫正离子运动的倾斜角度，但是这个过程中离子的动能会逐渐降低，之后孔径变大可以在离子倾斜角已经很小的情况下逐渐增加离子运动的动能，保证离子能有足够的能量穿过矫正单元抵达晶圆表面，同样可以在矫正离子角度和保持离子运动动能之间达到很好的平衡，由此实现更好的填充效果。

溅射开始后，因为靶材阳离子离开靶材12表面朝下方的矫正单元141顶部开口方向运动的时候，会受到来自矫正单元141上表面和矫正单元141顶部开口两侧正电荷的向上的排斥力(参考图8所示)，所以靶材阳离子的速度会逐渐降低，而且越往下速度降低越多，直到阳离子进入矫正单元141一段距离之后，这时阳离子受到的来自其上方和下方正电荷的方向相反的排斥力大小基本相等时速度便不再下降。因为氩离子从靶材12上轰击溅射下来的阳离子的速度和方向各不相同，所以速度慢一点的阳离子还没等进入矫正单元141，其向下的速度就降为零了。故而在本发明提供的进一步示例中，为了补偿初期靶材阳离子速度的下降，矫正单元141下部开口处设置了一个导流板20，导流板20位于所述腔体11内，且位于所述矫正器14和基座15之间，并与基座15具有间距，所述导流板20与矫正器14之间具有间距或通过具有通孔的绝缘板相间隔，所述导流板20与所述矫正器14电绝缘，所述导流板的通孔以及绝缘板的通孔应确保显露出所有的矫正单元141，以防止阻挡离子行进路径。导流板20的结构可参考图11和12所示，导流板20整体外型可与矫正器14相同，例如也是圆环形轮廓，导流板20内设多个通孔状，例如圆孔状、方形孔状或其他多边形孔状导流单元201以及连接于所述导流单元201之间的交叉结构202，该交叉结构202例如为十字环形结构或其他类似结构，导流板20内可以设置有串接起多个交叉结构202的方形侧壁203(参考图11)或圆形侧壁，导流单元201的侧壁203由绝缘材料制成，只有交叉结构202由导电材料，例如采用金属铝、铜等材质制成，导流板20内也可以没有侧壁(参考图12)，因为侧壁电荷不利于矫正阳离子的倾斜角。导流板20与第二脉冲电源相连(未示出)，第二脉冲电源的频率较佳地为200Hz～20MHz，更佳的频率为100KHz～800KHz，第二脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲，且负偏压的范围较佳地为-150V～-50V，而正脉冲偏压较佳地为20V～80V，其中负脉冲偏压占主导，用来提升靶材阳离子动能，所以负脉冲偏压的脉宽和脉高均大于正脉冲偏压，短时低电压的正脉冲偏压用来防止靶材阳离子被负偏压吸附到导流板20的交叉结构202上，还可防止正偏压过大降低阳离子向下的速度。与靶材12相连的第一脉冲电源与导流板20配套使用，第一脉冲电源产生的正偏压脉冲会给靶材阳离子施加一个向下的排斥力，结合导流板20负偏压施加的向下吸引力，上推下吸能帮助靶材阳离子基本保持原有速度顺利向下进入晶圆16的深孔结构内，有助于进一步提高深孔填充效率和产品良率。

而在另一示例中，如果不使用导流板20和脉冲电源(靶材12溅射所用电源)，为了保证靶材阳离子在刚进入矫正单元141的时候不会因受到太大的斥力而使向下运动的速度变缓，也可以使用多个矫正器14，即所述矫正器14为两个以上，多个矫正器14上下堆叠，多个矫正器14可以采用完全相同的结构，即不同矫正器的矫正单元的孔径保持不变，或者说孔径相同，且不同的矫正器14的矫正单元141上下对应，相邻的矫正器14通过具有通孔的绝缘环相间隔，各矫正器14的矫正单元141位于绝缘环的通孔上下方(即通孔的正投影大于等于所有矫正单元141的正投影，以确保绝缘环不阻挡离子行进路径并将离子行进路径限制在绝缘环内)，各矫正器14连接至不同的外接电源以施加正偏压，且自上而下，矫正器14连接的外接电源的正偏压逐渐线性增大(或者可以把同一矫正器分为2层以上，每两层之间用有开孔的绝缘环隔开，各层与独立的电源相连分开控制，正偏压从上往下线性增加)，同样可以起到和导流板20类似的效果。在特殊情况下，如需填充的深孔高宽比超大(例如大于15)，则可以同时使用上述的导流板20和多个矫正器14上下堆叠的方案。

在另一示例中，也可以使用多个矫正器14(两个以上)，多个矫正器14上下堆叠，但不同矫正器14的矫正单元141的孔径大小不同，例如不同矫正器的矫正单元141的孔径自上而下逐渐减小，不同矫正器14连接的外接电源的正偏压自上而下可以保持不变也可以逐渐增大。这样的设置有助于填充高宽比超大的深孔(例如大于15甚至大于20)，因为自上而下逐渐减小的孔径有助于进一步减小靶材阳离子的倾斜角，让更多阳离子沿几乎垂直向下的方向进入深孔内部。

在较佳的示例中，所述基座15连接至射频电源，所述射频电源产生射频负偏压，负偏压的范围为-300V～-50V，从矫正器14底部出来倾斜角已经缩小的靶材阳离子在基座15负偏压的作用下会被进一步矫正，使得更多的靶材阳离子沿与垂直方向成小倾斜角或接近垂直向下的方向进入晶圆16表面的深孔结构，有助于进一步提高深孔填充的覆盖率和填充均匀性。

虽然本发明已经通过使用矫正器14和导流板20来矫正阳离子的运动方向，但可能还是有些中性靶材12粒子四处分散而无法到达晶圆16表面，故而为了防止腔体11污染，在本发明提供的较佳示例中，所述镀膜设备还包括上挡板17、下挡板18和遮挡环19，所述上挡板17一端靠近靶材12边缘但非直接接触，另一端沿腔体11内壁向下延伸到所述矫正器14的上表面的边缘附近但非直接接触，以使得上挡板17的上下两端分别与靶材12和矫正器14的边缘相邻但保持电绝缘，所述下挡板18一端靠近所述矫正器14背离上挡板17的一端的边缘但非直接接触，以确保下挡板18和矫正器14电绝缘，例如前述任意相邻的两个结构之间可以设置陶瓷或石英材质的绝缘圈，在实现绝缘的同时使各结构更加稳固，下挡板18的另一端沿腔体11内壁向下延伸至所述基座15外围(上挡板17和下挡板18都为中空结构，中间为靶材离子运动通道，上挡板17和下挡板18可以是一体结构而只是在两者之间隔出用于放置矫正器14的空间，两者也可以是分体结构)，所述遮挡环19固定于所述下挡板18上，且绕设于所述基座15边缘上方，遮挡环19可以防止靶材离子沉积到晶圆16背面。

本发明提供的镀膜设备可以用于常规的镀膜工艺，但在用于填充具有大的高宽比的深孔时，其优点尤为突出。

本发明还提供一种可改善深孔填充的镀膜方法，所述镀膜方法采用上述任一方案中所述的镀膜设备进行，故前述对所述镀膜设备的介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。采用本发明的镀膜设备进行的镀膜方法与现有技术的主要区别在于镀膜过程中使用矫正器，或者是矫正器与导流板的组合对靶材阳离子的运动方向进行矫正，而具体的镀膜参数可以根据需要而定，对此不做严格限制。本发明提供的镀膜方法不仅适用于常规的薄膜沉积，而且尤其适用于具有大的高宽比(例如高宽比大于等于5：1)的深孔结构的填充，可以极大提高深孔填充效率和良率，降低生产成本。

综上所述，本发明提供一种可改善深孔填充的镀膜设备及方法。镀膜设备包括：腔体、靶材承载盘、磁控组件、基座及矫正器；所述靶材承载盘位于腔体顶部，用于固定靶材，所述靶材与第一脉冲电源电连接，以由第一脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲；所述磁控组件位于靶材承载盘上方，所述基座位于腔体内，所述矫正器位于腔体内，且位于靶材和基座之间，矫正器与基座具有间距，并与腔体绝缘，所述矫正器与外接电源的正极电连接而带有正偏压，所述矫正器包括多个间隔设置的矫正单元，各矫正单元为上下贯通的通孔结构，矫正器用于矫正靶材阳离子运动方向的倾斜角。本发明经改善的结构设计，利用带正偏压的矫正器来矫正靶材阳离子的运动方向、减小其倾斜角，可以大幅改善深孔结构的底部填充率和侧壁覆盖率，与业界常用的深孔填充设备相比较，使用本发明的镀膜设备进行深孔填充，能把深孔结构的底部填充率和侧壁覆盖率提高70％以上。且本发明尤其能大幅改善大高宽比(高宽比大于5：1，尤其是8：1以上)的深孔结构的填充均匀性，能大幅提高沉积速率。同时，本申请的矫正器易于加工、加工成本低，矫正单元的寿命长、维护成本低，有助于降低半导体芯片制造厂的生产成本，提高经济效益。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 (13)

1.一种可改善深孔填充的镀膜设备，其特征在于，包括：腔体、靶材承载盘、磁控组件、基座及矫正器；所述靶材承载盘位于腔体顶部，用于固定靶材，所述靶材与第一脉冲电源电连接，以由第一脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲；所述磁控组件位于靶材承载盘上方，所述基座位于腔体内；所述矫正器位于腔体内，且位于靶材和基座之间，矫正器与基座具有间距，并与腔体绝缘，所述矫正器与外接电源的正极电连接而带有正偏压，所述矫正器包括多个间隔设置的矫正单元，各矫正单元为上下贯通的通孔结构，矫正器用于矫正靶材阳离子的运动方向的倾斜角。

2.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述第一脉冲电源提供的用来溅射靶材的负脉冲偏压的范围为-800V～-100V，正脉冲偏压为100V～200V，负脉冲偏压的脉宽和脉高均大于正脉冲偏压，频率为200Hz～20MHz；与矫正器电连接的外接电源包括直流电源、单极性脉冲电源和直流叠加脉冲电源中的若干种，用于为矫正器及矫正单元内提供30V～100V的恒定正偏压或脉冲正偏压。

3.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述矫正器包括中间区域和位于中间区域外侧的边缘区域，相邻区域之间电绝缘，各区域施加大小不同的正偏压，从中间区域到边缘区域的正偏压逐渐加大；或所述矫正器包括中间区域和位于中间区域外侧的边缘区域，相邻区域之间电绝缘，各区域施加大小相同的正偏压，矫正单元内部侧壁上设置多个凸起图案，凸起图案的形状包括立方体、半球状、圆柱形和锥体中的若干种，从中间区域到边缘区域的凸起图案的高度逐渐加大。

4.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述矫正器与基座的间距大于等于40mm，相邻的矫正单元之间的间距为2mm～10mm，矫正单元孔径为10mm～60mm，各矫正单元的高宽比为1.5:1～5:1。

5.根据权利要求4所述的镀膜设备，其特征在于，矫正单元的孔径为20mm-40mm，所述矫正单元的孔径从上部往下到中部逐渐减小，中部往下部孔径保持不变；或所述矫正单元的上部和下部的孔径大于中间部位的孔径。

6.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述矫正器为两个以上，两个以上矫正器上下堆叠，相邻的矫正器通过具有通孔的绝缘环相间隔，各矫正器的矫正单元位于绝缘环的通孔上下方，各矫正器连接至不同的外接电源而加以正偏压。

7.根据权利要求6所述的镀膜设备，其特征在于，所述两个以上矫正器上下堆叠，矫正单元的孔径保持不变，各矫正器的正偏压自上而下逐渐线性增大；或所述两个以上矫正器上下堆叠，矫正单元的孔径自上而下逐渐减小，各矫正器的正偏压保持不变。

8.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述矫正单元的开口形貌包括圆形和多边形中的任意一种，多个矫正单元以腔体的中心为中心向外呈密堆积的阵列式分布。

9.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述基座连接至射频电源，所述射频电源产生射频负偏压，负偏压的范围为-300V～-50V。

10.根据权利要求1所述的镀膜设备，其特征在于，所述镀膜设备还包括上挡板、下挡板和遮挡环，所述上挡板一端靠近靶材边缘，另一端沿腔体内壁向下延伸到所述矫正器附近，所述下挡板一端靠近所述矫正器背离上挡板的一端的边缘，另一端沿腔体内壁向下延伸至所述基座外围，所述遮挡环固定于所述下挡板上，且绕设于所述基座边缘上方。

11.根据权利要求1-10任一项所述的镀膜设备，其特征在于，所述镀膜设备还包括导流板，位于所述腔体内，且位于所述矫正器和基座之间，所述导流板与所述矫正器电绝缘，所述导流板包括多个间隔分布的通孔状导流单元以及连接于所述导流单元之间的交叉结构，所述导流单元由绝缘材料围成，所述交叉结构由导电材料制成，所述交叉结构与第二脉冲电源电连接，第二脉冲电源提供正负非对称双极性脉冲，其中，提供的负偏压为-150V～-50V，提供的正脉冲偏压为20V～80V，负脉冲偏压的脉宽和脉高均大于正脉冲偏压。

12.根据权利要求11所述的镀膜设备，其特征在于，所述导流板与矫正器之间具有间距或通过具有通孔的绝缘板相间隔。

13.一种可改善深孔填充的镀膜方法，其特征在于，所述镀膜方法采用如权利要求1-12任一项所述的镀膜设备进行。

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