CN1541281A - 环形溅射靶 - Google Patents

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Abstract

一种设计用于将材料均匀地溅射到基片上的溅射靶(10)。该靶(1)含有基部区(12)、圆盘形中央区域(14)、外环形区域(16)、外边缘区域(18)和外边缘(20)。锥形区域(22)起到在易于不均匀溅射区域中进行整平溅射的作用。一凸缘(26)含有螺纹孔(28)，以便于将溅射靶(10)与溅射容器固定在一起。该外环形区域(16)具有一用以延长溅射靶(10)使用寿命的隆起高度。中央区域(14)具有的隆起高度小于外环形区域(16)的隆起高度，以增大靠近中央区域(14)处的基片上的溅射沉积速率。

Description

环形溅射靶
技术领域
本发明涉及使用寿命延长的溅射靶以及这些寿命延长的溅射靶的使用方法。
背景技术
溅射是在充满惰性气体的处理容器中对半导体晶片或其它基片进行涂镀的一种方法。这些容器中包含有溅射靶和靠近溅射靶处放置的电偏置晶片。容器中的电场使惰性气体产生电离，并从靶材上撞出原子，以将溅射靶材料沉积到晶片上。通常，处理容器中可含有在溅射靶部分中可产生环形沟槽图案的磁控管。遗憾的是，这些沟槽可显著缩短溅射靶的寿命。此外，这些沟槽对具有增大直径的溅射靶的不利作用增大。
许多专利都公开了用以增加靶的寿命的隆起环或表面。例如：Strauss等人在欧洲专利No.1087033中公开了具有两个彼此隔开的环形环的溅射靶。这些环与靶材在溅射过程中经受的最大冲蚀面积相对应。Daxinger等人在美国专利No.6068742中公开了一种可逆的溅射靶。该靶的每一侧面都含有两个设计用于增长靶寿命的圆周形隆起物。Masahura在日本专利No.4-173965中公开了一种含有一单独凸出环的溅射靶。该凸出环具有一防止靶材再次产生粘附的光滑表面和一个靠近光滑表面环的粗糙表面。这种组合结构减弱了整个溅射工作期限过程中的除尘作用。
近来，环增强型设计已被证实对于用于构成内存芯片的溅射层有效。由于内存芯片一般仅包含有两个金属层，在这些内存应用中对膜层的均一性要求不是特别严格。和内存芯片应用不同，逻辑芯片应用通常要求较高的膜层均匀性。遗憾的是，具有环增强型设计的靶不能产生一些逻辑电路应用所严格要求的均一性。这可能是源于层数的增加或是器件设计规则。另外，由于在逻辑电路应用中需要多层金属层，在生产厂家漏掉对沉积层化学机械抛光(CMP)时，随着每个后续层的增多，均匀性较差就越发明显。随着叠层膜层的均匀性变差，在上层进行光蚀刻变得越发困难。
从器件制造的观点来说，膜层的均匀性也很重要。在对器件进行蚀刻时，经常会发生一定程度的过蚀刻现象。若在晶片的中心区域蚀刻最多且膜层较薄，那么就会增大器件的生产率损失的可能性。
此外，均匀性不够对大尺寸靶，例如那些直径超过250mm的靶的膜层厚度和薄膜电阻的均匀性有显著影响。在这些大尺寸靶中，环圈的存在对靶的使用寿命有不利影响。就目前所知，由于以上提到的均匀性原因或其它一些溅射诱发缺陷等原因，这些环增强型设计还不能经受严格的器件应用的商业化验收。
发明概述
溅射靶设计用于在基片上均匀沉积材料。该靶包含有一圆盘；且该盘具有一半径和一顶面。该顶面在半径的内半部分范围内有一中央区域，在半径的外半部分范围内有一外环形区域以及一将中央区域和环形区域分隔开的基部区。该外环形区域具有一隆起高度，用以延长溅射靶使用寿命。中央区域具有的隆起高度小于外环形区域的隆起高度，用以增大邻近中央区域放置的基片上的溅射沉积速率。
本方法使用一溅射靶或阴极将材料溅射到基片上。首先，在溅射容器中电离靠近阴极处的惰性气体，使该容器作好溅射的准备。该阴极具有一晶片到阴极的初始间距和一晶片到阴极的第二间距，用于均匀溅射。晶片到阴极的第二间距大于晶片到阴极的初始间距。在旋转磁控管作用下从阴极上撞出原子以使用晶片到阴极的初始间距在晶片表面沉积出一镀层该初始间距在初始时间段内使溅射沉积均匀性最优化。然后在初始沉积后在旋转磁控管作用下从阴极撞出另外的原子以使用晶片到阴极的第二间距在晶片上沉积出镀层。晶片到阴极的第二间距使得第二时间段内溅射沉积均匀性最优化。
附图说明
图1A为含有圆盘形中央区域的溅射靶的顶视图。
图1B为图1A的溅射靶中沿线1-1的横断面视图。
图2A为含有环形中央区域的溅射靶的顶视图。
图2B为图2A的溅射靶中沿线2-2的横断面视图。
图3为说明晶片薄膜厚度测量位置的示意图。
图4为显示出采用该中央区域设计得到的改善的溅射均匀性。
具体实施方式
含有隆起外环和较小隆起内部区域的靶使得溅射均匀性得到改善。这种靶已成功地应用于传统溅射系统且在晶片中心区域显示出较低的薄膜电阻(Rs)。薄膜电阻作为比较在多个位置处的沉积层厚度的一种间接方法，可通过测量对电流的阻抗而得到。
有利的是，该靶具有一个晶片到阴极的初始间距和一晶片到阴极的第二间距，用于均匀溅射。晶片到阴极的第二间距大于晶片到阴极的初始间距。有利的是，在溅射至少约阴极寿命的30％之后晶片到阴极的最佳间距产生这种移位以进一步改善性能。最有利的情况是，在溅射至少约阴极寿命的40％之后产生这种移位。在移位前后用于最佳溅射的初始和第二位置间的准确距离随不同的机器而变化。此外，有可能进行一次以上的位置调整或移位以保持最佳溅射性能。然而测试结果已表明在一段规定时间后进行一次位置移动可提供优良的均匀性，同时使操作人员的不便减至最少。
参考图1A和图1B，靶10含有一基部区12、一盘形中央区域14和一外环形区域16。环形区域16有利地向上方延伸邻近外边缘区域18和外边缘20。最有利的是，外边缘区域18的厚度与基部区12的厚度相等。环形区域16可选择地向外延伸至外边缘20。
靶10具有一从中心25延伸到外边缘20的半径R。该半径的内半部分包含有中央区域14，该半径的外半部分包含有环形区域16。有利的是，中央区域14位于从中心25到外边缘20的径向距离的内侧35％范围之内，最佳为内侧30％范围之内。与之相似，外环形区域16最佳位于从中心25到外边缘20的径向距离的70％-95％处。
中央区域的形状为实心圆盘状等高隆起，已被证实是有效的。可选择的是，位于基部区12和中央区域14之间以及位于基部区12和环形区域16之间的截锥形区域22起到在易于不均匀溅射区域中进行整平溅射的作用。此外，含有螺纹孔28的凸缘26便于将溅射靶固定在溅射容器内部。
图1B显示出位于外环形区域16和中央区域14之间的隆起高度差。隆起高度是基部区12和中央区域14或外环形区域16之间厚度差的一个量值。相对于外环形区域16的中央区域14的隆起高度的减少意外地增加了沉积物的均匀性。另外，这有利于从中央区域和外环形区域撞出的原子速率快于从基部区溅射出的原子速率。
有利的是，中央区域14具有一隆起高度，其至少要小于外环形区域16隆起高度约20％。例如，若外环形区域16的高度为5mm，则中央区域14的高度为4mm或更小。中央区域14的隆起高度优选为外环形区域隆起高度的约20％-80％。若含环靶包含有一没有隆起高度的中央区域，那么溅射靶性能较差。最为有利的是，中央区域14的高度为外环形区域隆起高度的约30％-70％。标称中央区域隆起高度小于外环形区域16高度约50％已被证实为最有效。
图2A和图2B示出了一个可选实施例，其中中央区域14包括有一圆盘形隆起30。在这一实施例中，该圆盘形隆起30含有一凹坑区域32。该凹坑区域32可选择地具有一小于、等于或大于基部区的厚度。该凹坑区域32的厚度最好与基部区的厚度相等。此外，该凹坑区域32可为圆形、星形或其它对称或半对称形状。该凹坑区域32最好为对称形状，例如所示的圆柱形。
对比例
在经Endura系统使用A型磁体(安装在容器4中的靶和一组标准屏蔽)约800kwh(千瓦小时)的溅射后，具有两个同心隆起环(4mm高)的一部分失效的300mm直径尺寸的AlCu(0.5％)靶生产出的薄膜厚度均匀性在较窄的规格之外-这一系统也为以下例子提供溅射设备。系统的磁控管中含有多个围绕一转轴旋转以产生更均匀磁场的磁体。遗憾的是，参见图3，与在外径处(距离边缘6mm处)相比，在晶片中心处旋转磁控管会产生较高的薄膜电阻值。这表明在晶片中心处的膜厚度小于晶片外侧区域处的膜厚度。
在将内环机加工成高度为2mm的薄圆盘使靶中心改型后要进行附加测试。靶的4mm外环已磨损形成一凹槽状凹陷。在这些中心改型完成后，在进行测试前将该靶预烧至5kwh。表1和表2分别给出了部分失效的4mm高同心环及其中心改型型式的薄膜电阻(Rs)均匀性和厚度数据。
表1示出利用一6mm边缘隔断，在49个位置点测定一200mm的氧化物晶片的薄膜电阻均匀性-(％σ或一个标准差的百分数)。
表1
  晶片/阴极间距                 薄膜电阻均匀性(％σ)
        ～884kwh4mm同心环         ～890kwh中心改型后
    (mm)     晶片A     晶片B     晶片C     晶片D
    46     2.81     1.98
    48     2.28     1.00
    50     1.52     0.72
    51     1.39     0.64
    52     1.16     1.32     0.85     0.99
    53     1.23     0.84
表1示出了由减小内环高度产生的晶片到阴极最佳间距的意想不到的变化。此外，改型后的中心区设计提高了薄膜电阻均匀性。
表2
    位置                膜平均厚度
    ～884kwh4mm同心环     中心改型后
    中心     9738     9382
    底部     10104     9454
    右侧     10062     9437
    顶部     10092     9465
    左侧     10090     9365
    Δ值     366     100
表2的数据源于在10.6kw条件下运行Endura系统60秒，使用温度300℃条件下、18sccm容器/15sccm(标准立方厘米)衬板氩气流、晶片与阴极间距为52mm以及容器压力为2毫托。Δ为测定中央区读数和如图3所示(标准五点法测试)靠近外径的四处顶部、左侧、底部和右侧外径中任一个读数之间厚度()的最大差值。测试点越多，越有利于减小标准差或σ值。因此，由于标准五点法测试仅测试五个点，它比一些测量几个点的厚度的备选测试方案更加严格。
例子
使用具有一1.18英寸(3.0cm)宽、2mm高的内圆盘且直径为3.54英寸(9.0cm)的一个4mm高的外环制造出的一个Al-Cu(0.5％)溅射靶改善了薄膜电阻和镀膜厚度均匀性。基于在200mm的热氧化物晶片上沉积出的约1微米厚的膜层对靶的性能进行测试。进行评估时所用标准处理条件如下所示：
功率                                10.6kw
氩气流(容器)                        18sccm
氩气流(垫模板)                      18sccm
容器压力                            2.04mTorr(毫托)
温度                                300℃
靶到晶片的间距                      46mm和52mm(厚度)
                                    可变(薄膜电阻均匀性)
在200mm的晶片上使用一4D自动型4点探针在49个位置检测薄膜电阻均匀性。使用一6mm边缘隔断。根据标准五点法测试在每一晶片上五个位置处测量膜厚。在3、7和15kwh条件下完成初始试验，检测薄膜电阻均匀性(表3)，在3、5、7、9、12和15kwh范围内测量膜厚(表4)。在晶片到阴极标准间距为52mm下检测膜厚和薄膜电阻均匀性。此外，在100kwh-1400kwh条件下完成的测试根据晶片到阴极的不同距离(44-53mm)来确定沉积出低薄膜电阻均匀性膜的最佳间距。
表3示出在不同晶片到阴极间距条件下，靶的薄膜电阻均匀性检测结果。
表3
晶片/阴极间距(mm) 靶的使用寿命/薄膜电阻均匀性(％σ)
         3kwh           7kwh          15kwh          100kwh
  晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片2#
44   1.00％   1.22％   1.12％   1.01％   1.17％   1.08％
46   0.75％   0.80％   0.86％   0.89％   0.70％   0.62％
48   1.16％   1.11％   0.93％   0.72％   0.97％   1.10％
50   1.11％   1.13％   1.39％   1.82％   1.56％   1.45％
52   1.95％   2.02％   1.62％   1.44％   1.79％   1.88％   1.59％   1.89
53   2.02％   1.74％   1.88％   1.93％   2.02％   2.37％
晶片/阴极间距(mm) 靶的使用寿命/薄膜电阻均匀性(％σ)
        300kwh         500kwh          700kwh        900kwh
  晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片2#
44   1.13％   1.10％   1.85％   1.80％   2.12％   2.04％   1.64％   1.84％
46   0.92％   0.77％   0.79％   1.05％   1.14％   1.09％   1.31％   1.54％
48   1.14％   1.18％   0.92％   0.75％   0.75％   0.93％   0.69％   0.84％
50   1.17％   1.46％   1.45％   1.33％   0.75％   0.55％   0.69％   0.57％
52   1.68％   1.54％   1.71％   1.49％   1.24％   1.41％   1.35％   1.01％
53   2.27％   2.03％   1.33％   1.50％   1.29％   1.44％   1.78％   1.58％
晶片/阴极间距(mm) 靶的使用寿命/薄膜电阻均匀性(％σ)
        1100kwh          1300kwh        1400kwh
  晶片1#   晶片2#   晶片1#   晶片1#   晶片2#   晶片1#
44   2.24％   2.37％   2.07％   2.39％   2.18％   2.61％
46   1.99％   1.87％   1.42％   2.14％   1.54％   1.60％
48   1.19％   1.08％   1.52％   1.26％   1.28％   1.26％
50   1.23％   1.09％   1.35％   1.33％   0.65％   0.78％
52   0.79％   0.96％   1.19％   1.15％   0.79％   1.08％
53   1.42％   1.18％   1.50％   1.27％   1.00％   1.18％
这些数据表明为获得最大均匀度需要意外地减少晶片到阴极最佳初始距离。具有一厚度减薄的中心区域的靶晶片到阴极最佳初始间距减少至约46mm-一6mm双环靶在晶片到阴极间距在50mm和52mm之间时获得最佳均匀性。然后经过约900kwh溅射后，晶片到阴极最佳距离增至52mm。
表4示出了采用晶片到阴极间距为52mm时得到的膜厚均匀性检测结果。
表4
    kwh     中心     顶部     左侧     底部     右侧     Δ值
    3     10394     10263     10225     10287     10245     169
    5     10403     10177     10185     10152     10185     251
    7     10659     10347     10302     10385     10325     357
    9     10620     10320     10357     10317     10337     303
    12     10738     10467     10342     10342     10452     396
    15     11009     10455     10522     10457     10530     554
    100     11042     10535     10435     10477     10457     607
    300     10665     10115     10157     10085     10092     580
    500     10837     10887     10800     10851     10910     110
    700     9480     9563     9510     9472     9521     91
    900     9289     9144     9101     9285     9192     188
    1100     9008     9021     8960     9080     9011     120
    1300     8625     8459     8424     8446     8462     201
    1400     8100     7977     7898     8102     8071     204
如以上所述和图4所示，晶片中心和外径之间的膜厚均匀性差值(Δ值)似乎仿效薄膜电阻均匀性的数据。因此，对于大部分靶的寿命而言，在较低的薄膜电阻均匀性测试点处，厚度差异最小。但是在靶的寿命将要结束时，这种关联有些偏差。
表5对靶的厚度测量的Δ值结果进行了比较，具体测试方法为在每一测试周期后采用标准五点法测试，其晶片到阴极的标准间距为52mm，最佳间距为46mm。
表5
kwh 厚度差   晶片到阴极最佳间距46mm   晶片到阴极标准间距52mm
    52mm()     46mm()   薄膜电阻均匀性(％σ)   薄膜电阻均匀性(％σ)
    100     607     50   0.70％   1.59％
    300     580     80   0.92％   1.68％
    500     110     90   0.79％   1.71％
    700     91     188   1.14％   1.24％
    900     188     161   1.31％   1.01％
    1100     120     189   1.99％   0.79％
    1300     201     207   1.42％   1.19％
    1400     204     95   1.54％   0.79％
表5的数据和图4说明了一种两部分方法以优化薄膜电阻或Rs均
表5的数据和图4说明了一种两部分方法以优化薄膜电阻或Rs均匀性。首先，晶片到阴极最佳间距相对于平面靶向内移动至46mm。然后，在靶灼烧至少约900小时后，该间距增至52mm。该移动使溅射生产商将Rs均匀性保持在如下水平，即采用标准五点法进行测试，小于约1.5％σ和厚度最大差值(Δ值)约为250(埃)。其保持Rs均匀性最佳为小于约1.3％σ。
表6列出了不同的200mm的Al/Cu(0.5％)靶的镀膜厚度数据，在100kwh，晶片到阴极(W/C)最佳间距条件下进行测量。
表6
靶ID 寿命(kwh)  详述 W/C(mm) 中心() 顶部() 左侧() 底部() 右侧() Δ值()
A  880  4mm环  52  9738  10104  10062  10092  10090  366
C  100  4mm无环  52  10610  10730  10650  10620  10652  120
D  100  6mm环  52  11477  11040  11015  11212  10972  505
E  100  仅4mm外环  52  11577  10682  10797  10737  10635  942
A1  885  中心区域改型后  52  9382  9454  9437  9465  9365  100
1A  100  4mm-外/2mm-内  52  11042  10535  10435  10477  10457  607
2B  100  4mm-外/2mm-内  46  11067  11030  11017  11020  11062  50
1A  300  4mm-外/2mm-内  52  10665  10115  10157  10085  10092  580
2B  300  4mm-外/2mm-内  46  10715  10702  10782  10780  10752  80
1A  500  4mm-外/2mm-内  52  10837  10887  10800  10851  10910  110
2B  500  4mm-外/2mm-内  46  10189  10180  10200  10270  10245  90
含有隆起外环和较小隆起内部区域的靶使得溅射均匀性得到改善。这种靶已成功地应用于传统溅射系统并生产出具有高均匀性的沉积层。该靶对于铝和铝合金溅射靶设计特别有效。例如，该靶在基片上施镀镀层，其薄膜电阻均匀性最大值为约1.5％σ。此外，在一个使用A型磁体的旋转磁控管溅射容器中，其使用寿命至少为1000kwh。最有利的是，该靶寿命至少为1200kwh并可成功地测试至1400kwh。与传统平面设计靶的寿命为约900kwh相比，优选这种设计。
在不偏离本发明范围的前提下，本发明可由许多可能的实施例组成。由此应这样理解，即在此陈述的所有内容应被视为示例性的，而不具有限制性。

Claims (10)

1、一种用于将材料沉积在基片上的溅射靶(10)，包含一圆盘，该圆盘具有溅射寿命，一半径和一顶面，该顶面在半径的内半部分内有一中央区域(14)，该中央区域(14)有一溅射沉积速度；在半径的外半部分内有一外环形区域(16)以及一将中央区域(14)和外环形区域(16)分隔开的基部区(12)，该外环形区域(16)具有一用以延长溅射靶(10)的溅射寿命的隆起高度，同时当从基部区(12)进行测量时，中央区域(14)具有的隆起高度小于外环形区域(16)的隆起高度，用以增大邻近中央区域(14)放置的基片上的沉积速率和提高溅射均匀性。
2、一种用于将材料沉积在基片上的溅射靶，包含一圆盘，该圆盘具有溅射寿命，一半径和一顶面，该顶面在半径的内侧35％范围内有一中央区域(14)，该中央区域(14)有一溅射沉积速度；在半径的外侧60％范围内有一外环形区域(16)以及一将中央区域和外环形区域(16)分隔开的基部区(12)，该外环形区域(16)具有一用以延长溅射靶(10)的溅射寿命的隆起高度，同时当从基部区(12)进行测量时，中央区域(14)具有的隆起高度小于外环形区域(16)隆起高度约20％-80％，用以增大邻近中央区域(14)放置的基片上的沉积速率和提高均匀性，并且溅射靶(10)利用晶片到阴极初始间距和晶片到阴极第二间距提供最优均匀溅射方式，其中晶片到阴极第二间距大于晶片到阴极初始间距。
3、如权利要求2所述的溅射靶(10)，其特征在于该中央区域(14)为一等高的圆盘形实心隆起(30)。
4、如权利要求2所述的溅射靶，其特征在于该中央区域(14)含有一圆盘形隆起(30)和在圆盘形区域(30)内的一凹坑区域(32)。
5、如权利要求2所述的溅射靶，其特征在于该圆盘有一圆心(25)和一外边缘(20)，且中央区域(14)位于圆心(25)和外边缘(20)之间径向距离的内侧30％范围之内；而外环形区域(16)位于圆心(25)和外边缘(20)之间径向距离的70％-95％范围之内。
6、如权利要求2所述的溅射靶，其特征在于该溅射靶(10)为铝或铝合金材质，且该溅射靶(10)在基片上施镀镀层时，其薄膜电阻均匀性最大值为约1.5％σ，并且在一个使用A型磁体的旋转磁控管溅射容器中其溅射使用寿命至少为1000kwh。
7、一种将材料溅射到基片上的方法，包括：
在溅射容器中电离靠近阴极(10)处的惰性气体，该阴极(10)具有一晶片到阴极(10)的初始间距和一晶片到阴极(10)的第二间距，用于均匀溅射，晶片到阴极(10)的第二间距大于晶片到阴极(10)的初始间距；
在旋转磁控管作用下从阴极(10)上撞出原子以使用晶片到阴极(10)的初始间距在晶片上沉积出一部分镀层，从而使在初始时间段内溅射沉积均匀性最优化；以及
在初始沉积时间段之后在旋转磁控管作用下从阴极(10)撞出另外的原子，以使用晶片到阴极(10)的第二间距在晶片上沉积出另一部分镀层，从而使在第二时间段内溅射沉积均匀性最优化。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于该阴极(10)包含有一中央区域(14)、一外环形区域(16)和一基部区(12)，且在中央区域(14)和外环形区域(16)内原子的撞出速率要大于基部区(12)内原子的撞出速率。
9、一种将材料溅射到基片上的方法，包括：
在溅射容器中电离靠近阴极(10)处的惰性气体，该阴极(10)具有溅射寿命，一半径和一顶面，该顶面在半径的内半部分内有一中央区域(14)；在半径的外半部分内有一外环形区域(16)以及一将中央区域(14)和外环形区域(16)分隔开的基部区(12)，该外环形区域(16)具有一用以延长阴极(10)溅射寿命的隆起高度，同时当从基部区(12)进行测量时，中央区域(14)具有的隆起高度小于外环形区域(16)的隆起高度；该阴极(10)具有一晶片到阴极(10)的初始间距和一晶片到阴极(10)的第二间距，用于均匀溅射，晶片到阴极(10)的第二间距大于晶片到阴极(10)的初始间距；
在旋转磁控管作用下从阴极(10)上撞出原子以使用晶片到阴极(10)的初始间距在晶片上沉积出镀层，从而使在初始时间段内溅射沉积均匀性最优化；以及
在初始沉积时间段之后在旋转磁控管作用下从阴极(10)撞出另外的原子，以使用晶片到阴极(10)的第二间距在晶片上沉积出镀层，从而使在第二时间段内溅射沉积均匀性最优化。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于该阴极(10)在基片上施镀镀层，其薄膜电阻均匀性最大值为约1.5％σ，同时，使用A型磁体时该阴极(10)溅射寿命至少为1000kwh。
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