CN1525519A - 磁控管阴极和包括这种磁控管阴极的磁控管溅射装置 - Google Patents
磁控管阴极和包括这种磁控管阴极的磁控管溅射装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种磁控管阴极和包括这种磁控管阴极的溅射装置。磁控管阴极包括三个或更多个磁铁单元，各磁铁单元包括单个磁铁或多个磁铁，这些磁铁的同一磁极朝向同一方向，其中一个磁铁单元围绕另一磁铁单元的外围设置，相邻的磁铁单元的相反磁极朝向同一方向。获得了均匀的磁场分布。因此，靶的腐蚀轮廓宽并且均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁控管溅射装置，特别更具体地，本发明涉及在淀积速率和膜均匀性方面有改进的磁控管溅射装置。
背景技术
一般来说，对于小厚度膜的淀积广泛采用物理气相淀积(PVD)和化学气相淀积(CVD)。CVD是利用化学反应形成具有所需物理性能的薄膜的工艺。PVD是通过向靶材料施予动量以使靶材料射向衬底而形成薄膜的工艺。
PVD可以大致地分为磁控管溅射和蒸镀。蒸镀是这样一种方法：加热固体或液体，使其分解成分子或原子；然后在衬底的表面上固化它们。由于蒸镀装置具有简单的结构并且可以容易地采用大量蒸镀材料，因此已广泛地采用蒸镀。
溅射是使高能粒子与溅射靶相碰撞以将从溅射靶中射出的材料淀积在衬底上的方法。溅射的优点在于，能够在宽区域上形成厚度均匀的薄膜，和其它淀积方法相比更容易调节合金薄膜的成分比。因此，溅射广泛地用在半导体器件如动态随机存储器(DRAM)、静态RAM(SRAM)、永久性存储器(NVM)和LOGIC以及其它电子设备中。
可在具有低压和高密度等离子体工艺条件的反应室中进行利用磁场的磁控管溅射。因此，溅射粒子可容易地向前运动，这样甚至在阶梯状的部分上也可以有效地淀积，从而增强阶梯覆盖。
图1是常规磁控管溅射装置的截面示意图。
参见图1，在真空腔室21中设置衬底17和支撑衬底的衬底支架19。在衬底17的相对侧上设置靶11。在靶11之后设置磁铁15以形成预定方向的磁力线。此外，在真空腔室21的外部设置电源单元27，从而将电压施加于其上设置了靶11的电极13。
当在腔室21中保持预定的真空度时，把惰性气体如氩气提供到腔室21中，通过施加于电极13的负电压发生放电。结果，产生了由气态离子、中性分子和电子构成的等离子体。气态离子由负电压加速并与靶11相撞。由于相撞，靶11的表面原子获得了动量，从而使表面原子从靶11中射出。因此，射出的原子在衬底17上淀积为薄膜。在这种情况下，由施加的电压、压力、淀积时间和类似因素确定淀积薄膜的厚度。
但就现在已知技术而言，难以有效控制带电粒子的动量、确定在磁控管溅射中的溅射效率。当水平磁场集中在特定区域上，靶11是不均匀腐蚀的，靶11的粒子在衬底17上也以不均匀的厚度淀积。此外，虽然对高集成器件、窄线宽和大加工晶片的需求不断地增加，但是难以采用包括常规磁控管阴极的溅射装置来满足这种需求。
据报道，利用磁控管移动系统的磁控管溅射法提供了优异的膜均匀性。然而，常规的磁控管阴极表现出不均匀的磁场分布，如图2所示。图2示出常规磁控管阴极的磁力线分布。
参见图2，磁控管阴极的宽度为24mm并设置在宽度约为40mm的靶之后。在源自磁控管阴极的磁力线密度在磁控管阴极的中心区域高的同时，随着磁力线远离中心区域逐渐减弱。磁力线密度在距磁控管阴极的轴线(r＝0)为12mm半径距离(r＝12mm)处最高，由此产生了最强的磁场。在靶表面，即，当z为6mm时，磁力线的密度在r＝0处最高，在r＝0处的磁场强度最大。随着r增加，磁场密度降低。因此，靶的表面表现出不均匀的磁力线分布。这种不均匀的磁力线分布导致了不均匀的腐蚀轮廓(profile)，如图3所示。
图3是利用图2的磁控管阴极、根据与靶心(x＝0)的距离的腐蚀轮廓的曲线。具体而言，图3示出在(a)0.027kWhcm-2、0.051kWhcm-2和(c)0.099kWhcm-2的不同腐蚀功率下、在根据与靶心的距离的腐蚀轮廓上的变化。
参见图3，所有曲线(a)、(b)和(c)表现出在距靶心(x＝0)为3cm处的最深腐蚀轮廓。随着腐蚀功率的增加，靶被更深地腐蚀。这里，以曲线的顶部表示距离X的相对值。
图4是在包括常规磁控管阴极的常规溅射装置中腐蚀的靶的照片。
参见图4，观察到窄的、环状的腐蚀区域。在该腐蚀区域中，腐蚀程度比靶的其它区域高，从而造成不均衡的腐蚀轮廓。
在需要低线宽(0.14μm或更低)和高长宽比(5∶1或更高)的现有溅射法中，这种磁控管阴极技术具有下述问题：发生不均匀地淀积；膜均匀性差、局部发生靶腐蚀，因此降低了所用材料的效率。
发明内容
本发明提供一种磁控管阴极和包括该磁控管阴极的磁控管溅射装置，该磁控管阴极提供了靶的均匀腐蚀，由此增加了淀积效率和膜均匀性。
根据本发明的一个方案，提供了一种磁控管阴极，该磁控管阴极包括三个或更多个磁铁单元，各磁铁单元包括单个磁铁，其中，一个磁铁单元围绕着另一个磁铁单元的外围设置，相邻的磁铁单元朝向同一方向具有相反磁极。
磁铁单元可以围绕同一轴对称地设置。
最里面的磁铁单元在其内部可具有中空腔室。
各磁铁单元可形成为圆形或多边形。
各磁铁单元可包括多个磁铁，各磁铁朝向同一方向具有同一磁极。
根据本发明的另一方案，提供一种磁控管溅射装置，该装置包括：其上设置了衬底的第一电极；朝向衬底并由将被淀积在该衬底上的材料制成的靶；在靶的背面上设置的第二电极；在第二电极之后设置的并包括三个或更多个磁铁单元的磁控管阴极，各磁控管单元包括单个磁铁，其中，一个磁铁单元围绕着另一个磁铁单元的外围设置，相邻的磁铁单元朝向同一方向具有相反磁极；以及支撑磁控管阴极的支撑构件。
磁铁单元可围绕着同一轴对称地设置。
最里面的磁铁单元在其内部可具有由支撑构件限定的中空腔室。
磁控管溅射装置可进一步包括冷却管，在冷却管中流动着冷却水，冷却管设置在中空腔室中。
各磁铁单元可形成为圆形或多边形。
各磁铁单元可包括多个磁铁，各磁铁朝向同一方向具有同一磁极。
衬底可以距靶为靶宽的1/4或更小的距离接近于靶设置。
磁控管溅射装置可进一步包括喷嘴，该喷嘴接近靶设置以提供惰性气体。
第一电极可以是阳极，第二电极可以是阴极。
本发明提供一种三个或更多个磁铁单元的磁铁结构。因此，确保了均匀的磁场分布。
附图说明
通过参照以下附图对示例性的实施例进行具体描述，本发明的上述以及其它特征的优点将变得更加鲜明。其中：
图1是常规磁控溅射装置的截面示意图；
图2是常规磁控管阴极的磁力线分布的曲线；
图3是利用图2的磁控管阴极、根据与靶心(x＝0)的距离的腐蚀轮廓的曲线；
图4是在包括常规磁控管阴极的常规溅射装置中腐蚀的靶的照片；
图5是根据本发明的磁控管阴极的截面示意图；
图6A是根据本发明的磁控管阴极的例子的平面示意图；
图6B是根据本发明的磁控管阴极的另一例子的平面示意图；
图7是根据本发明的磁控管溅射装置的截面示意图；
图8是根据与本发明的磁控管阴极中心的距离的磁场分布的曲线；
图9是在根据本发明的磁控管溅射装置中根据与靶心的距离在腐蚀轮廓上变化的曲线；
图10是在根据本发明的磁控管溅射装置中根据与靶心的距离的标准膜厚曲线；
图11是在根据本发明的磁控管溅射装置中腐蚀的靶的照片；和
图12是图11的靶的腐蚀轮廓的放大照片。
具体实施方式
下面，参考附图详细描述根据本发明的磁控管阴极和包括此磁控管阴极的磁控管溅射装置。
图5是根据本发明的磁控管阴极的示意性截面图。
参见图5，根据本发明的磁控管阴极包括三个或更多个磁铁单元，各磁铁单元包括单个或多个磁铁，这些磁铁的同一磁极朝向靶。相邻磁铁单元的相反磁极朝向靶。一个磁铁单元围绕着另一个磁铁单元的外围设置。例如，如图5所示，以S极朝向靶的方式在最里面的区域设置第一磁铁单元35a，以N极朝向靶的方式围绕第一磁铁单元35a的外围设置第二磁铁单元35b，以S极朝向靶的方式围绕第二磁铁单元35b的外围设置第三磁铁单元35c。第一磁铁单元35a在其内部具有中空腔室。当磁控管阴极安装在溅射装置中时，中空腔室用作冷却水流动的路径。
磁力线从第二磁铁单元35b发出、然后进入第一和第三磁铁单元35a和35c。由于根据本发明的磁控管阴极可包括多个磁铁，因此相对于常规磁控管阴极而言可确保更均匀的磁力线分布。
图6A和6B表示根据本发明的磁控管阴极的例子。
参见图6A，本发明的磁控管阴极组件包括第一至第三磁铁单元45a、45b和45c，各磁铁单元包括多个磁铁，各磁铁的同一磁极朝向同一方向，磁铁呈圆形设置。这种磁铁分布确保了更均匀的磁场分布。
参见图6B，本发明的磁控管阴极包括第一至第四磁铁单元55a、55b、55c和55d，各磁铁单元呈矩形设置。相邻磁铁的相反磁极朝向同一方向。虽然图6B表示由单个磁铁构成的各磁铁单元，但各磁铁单元也可以包括多个磁铁的矩形阵列，就象图6A那样。如图6A和6B所示，根据本发明的磁控管阴极可以制成各种图形。就是说，一个磁铁单元可包括单个磁铁或多个磁铁并可以形成圆形或多边形。
图7是根据本发明的磁控管溅射装置的截面示意图。图7的磁控管溅射装置包括根据本发明的图5的磁控管阴极。
参见图7，磁控管溅射装置包括：真空腔室41；在真空腔室41中设置的、其上设置了衬底37的阳极39；朝向衬底37并由将被淀积在衬底37上的材料制成的靶31；在靶31的背面设置的阴极33；在靶31后面设置的磁控管阴极35；以及支撑磁控管阴极35的支撑构件47。磁控管阴极35包括：在最里面的区域设置的第一磁铁单元35a；以相反于第一磁铁单元的磁极朝向靶的方式围绕第一磁铁单元35a的外围设置第二磁铁单元35b；和以相反于第二磁铁单元的磁极朝向靶的方式围绕第二磁铁单元35b的外围设置第三磁铁单元35c。
当支撑构件47相对于衬底37旋转时，在支撑构件内部的磁控管阴极35与支撑构件一起转动。由于磁控管阴极35的均匀磁场分布，因此所产生的等离子体被限制在阴极33附近。因此，通过磁控管阴极35的转动引起的等离子分布的变化是不明显的，所以表现出没有腐蚀轮廓的特性。在由支撑构件47限定的中空腔室中设置其中流入冷却水的冷却管43。在溅射工艺的过程中冷却管用于控制阴极33的温度。冷却水流经在磁控管阴极35的中空腔室中设置的冷却管，然后冷却阴极33。因此，溅射能够在施加高功率的同时以高淀积速率进行。
根据本发明的溅射装置可进一步包括气体喷嘴49，该喷嘴49接近于阴极33设置，以提供反应气体如氩气。因此，能够更有效地产生等离子体。
根据本发明的磁控管阴极具有如上所述的均匀磁场分布。这样能够把等离子体限定在尽可能接近于靶31表面的范围内。在这点上，靶31和衬底37的接近能够增加淀积速率。即使当磁控管阴极转动时这种短距离淀积方法没有严重影响磁场分布和腐蚀轮廓特性。
此外，根据本发明，阴极和阳极可以颠倒过来，这与常规的磁控管溅射设备结构是不同的，其中，在设备的上面设置阴极(也称作“靶电极”)，在设备的下面设置阳极(也称作“衬底电极”)。
图8是根据与本发明的磁控管阴极中心的距离的磁场分布曲线。Br表示磁场的半径分量。Bz表示在Z-轴方向上即在垂直于磁控管阴极表面的方向上的磁场分量。正如从图8所看出的，Br在距磁控管阴极的中心为18mm处是最大的，Bz在距磁控管阴极的表面为9-10mm处是最大的。在这点上，从曲线Br可以假设在距磁控管阴极中心为18mm处最频繁地出现靶外形的腐蚀。
图9是在根据本发明的磁控管溅射装置中根据与靶心的距离在腐蚀轮廓上变化的曲线。
参见图9，在距靶心为18mm处靶的腐蚀深度为0.7mm。在距靶心为18-22mm处进行更深地腐蚀。
图10是在根据本发明的磁控管溅射装置中根据与靶心的距离的标准膜厚曲线。
根据经验，采用2英寸宽的靶，施加20-400W的功率。利用在靶和衬底之间的距离变化(dST)即，4、5、6和8cm进行溅射。如图10所示，随着dST的增加，标准膜厚也增加。例如，当RF功率是200W，dST是5cm时，SiO2膜的淀积速率是41.6nm/min，Cu膜的淀积速率是199nm/min。
图11和12是在根据本发明的磁控管溅射装置中腐蚀的靶的照片。参见图11和12，在与靶心为预定距离处观察环形腐蚀区域。在图11和12的腐蚀轮廓和图4的腐蚀轮廓之间进行比较，当与后一种常规腐蚀轮廓比较时，根据本发明的前一种腐蚀轮廓具有更宽的宽度。从这一结果可以看出，根据本发明的磁控管阴极能够提供靶的均匀腐蚀。
正如从上面的描述中看出的那样，根据本发明的磁控管溅射装置包括由两个或更多个磁铁单元构成的磁控管阴极，其中相邻的磁铁单元的相反磁极朝向同一方向。因此，实现了均匀的靶腐蚀轮廓，增加了膜的淀积速率。并且，在挠性衬底上的低温腐蚀是可行的。此外，即使当磁控管阴极转动时，也能够使腐蚀轮廓特性保持恒定。
在参考本发明的典型实施方式专门示出并描述了本发明的同时，本领域的普通技术人员应理解，在不脱离由下述权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的各种变化。
Claims (17)
1.一种磁控管阴极，包括三个或更多个磁铁单元，各磁铁单元包括单个磁铁，其中，一个磁铁单元围绕着另一个磁铁单元的外围设置，相邻的磁铁单元朝向同一方向具有相反磁极。
2.根据权利要求1的磁控管阴极，其中磁铁单元围绕着同一轴对称地设置。
3.根据权利要求1的磁控管阴极，其中最里面的磁铁单元在其内部具有中空腔室。
4.根据权利要求1的磁控管阴极，其中各磁铁单元形成为圆形。
5.根据权利要求1的磁控管阴极，其中各磁铁单元形成为多边形。
6.根据权利要求4或5的磁控管阴极，其中各磁铁单元包括多个磁铁，该多个磁铁朝向同一方向具有相同磁极。
7.一种磁控管溅射装置，包括：
其上设置了衬底的第一电极；
朝向衬底并由将被淀积在该衬底上的材料制成的靶；
在靶的背面上设置的第二电极；
在第二电极之后设置的并包括三个或更多个磁铁单元的磁控管阴极，各磁铁单元包括单个磁铁，其中，一个磁铁单元围绕着另一个磁铁单元的外围设置，相邻的磁铁单元朝向同一方向具有相反磁极；以及
支撑磁控管阴极的支撑构件。
8.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中磁铁单元围绕着同一轴对称地设置。
9.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中最里面的磁铁单元在其内部具有由支撑构件限定的中空腔室。
10.根据权利要求9的磁控管溅射装置，进一步包括冷却管，在冷却管中流动着冷却水，冷却管设置在中空腔室中。
11.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中各磁铁单元形成为圆形。
12.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中各磁铁单元形成为多边形。
13.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中各磁铁单元包括多个磁铁，各磁铁朝向同一方向具有相同磁极。
14.根据权利要求8的磁控管溅射装置，其中各磁铁单元包括多个磁铁，各磁铁朝向同一方向具有相同磁极。
15.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中衬底以距靶为靶宽的1/4或更小的距离接近于靶设置。
16.根据权利要求7的磁控管溅射装置，进一步包括喷嘴，该喷嘴接近靶设置以提供惰性气体。
17.根据权利要求7的磁控管溅射装置，其中第一电极是阳极，第二电极是阴极。
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