CN206907741U - 用于硅通孔填充的磁控溅射腔室和半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室和半导体处理设备。本实用新型的磁控溅射腔室包括腔体、设置于腔体顶部的靶材、设置于靶材上方的磁控管、以及设置于腔体内部且位于靶材下方的基座，磁控管在靶材上的投影面积小于五分之一的靶材面积，以提高介质气体的离化率，从而提高对硅通孔的填充速率。根据本实用新型的半导体处理设备包括本实用新型的磁控溅射腔室。本实用新型的磁控溅射腔室和半导体处理设备，均提高了对硅通孔的填充速率。

Description

用于硅通孔填充的磁控溅射腔室和半导体处理设备

技术领域

本实用新型属于半导体设备领域，具体地，涉及一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室和半导体处理设备。

背景技术

物理气相沉积(PVD)是集成电路制造过程中沉积金属层和相关材料广泛采用的方法。目前硅通孔(Through Silicon Via)技术的应用越来越广泛，该技术大大降低了芯片之间的互连延迟，并且是三维集成实现的关键技术。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，因此在硅通孔内沉积阻挡层和铜籽晶层对物理气相沉积的薄膜覆盖率有很高的要求。阻挡层的薄膜覆盖率不佳，会影响TSV器件的可靠性；籽晶层的覆盖率不佳，可能会导致电镀无法进行，或者电镀后的TSV有空洞或缝隙，严重影响器件性能。

典型的直流磁控溅射设备如图1所示，该设备包括用于承载晶片4的基座3，基座3和放置于基座3上的晶片4与靶材2正对设置；为了保证薄膜的均匀性，磁控管面积设计的都较大，一般磁控管在靶材上的投影面积占靶材面积的二分之一以上；为了提高薄膜的沉积速率，靶基距通常设置为小于70mm。

但在现有技术中，存在以下问题：

(1)由于磁控管面积太大导致了介质气体的离化率较低，从而使硅通孔的填充速率较慢；

(2)如图2所示，靶材2的主要腐蚀区域靠近靶材的边缘位置，由于靶基距太小，离子和原子入射至晶片41中心部位的硅通孔41的角度大于入射至晶片4中心部位的硅通孔41的角度大，导致了晶片中心位置和晶片边缘位置处的覆盖率差异较大，对硅通孔的填充不均匀。

鉴于此，需要提供一种提高硅通孔填充速率和提高硅通孔填充均匀度的磁控溅射腔室和半导体处理设备。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室和半导体处理设备，至少解决了现有技术中存在的对硅通孔填充时沉积速率低的问题。

根据本实用新型的一方面，提供了一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室，包括：腔体、设置于所述腔体顶部的靶材、设置于所述靶材上方的磁控管、以及设置于所述腔体内部且位于所述靶材下方的基座，所述磁控管在所述靶材上的投影面积小于五分之一的所述靶材面积，以提高介质气体的离化率，从而提高对硅通孔的填充速率。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述磁控管在所述靶材上的投影面积小于十五分之一的所述靶材的面积。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述磁控管包括磁性相反的外磁极和内磁极，所述内磁极被所述外磁极包围。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述外磁极具有长径和短径，所述短径小于或等于所述腔室内径与所述晶片直径的差的二分之一。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，还包括旋转机构，所述旋转机构包括旋转轴、第一旋转臂和第二旋转臂；

所述第一旋转臂的一端与所述旋转轴固定连接，另一端与所述第二旋转臂的一端连接，所述第二旋转臂的另一端与所述磁控管固定连接；

所述第一旋转臂与所述第二旋转臂之间具有夹角；

所述旋转轴带动所述第一旋转臂和所述第二旋转臂旋转，从而带动所述磁控管旋转。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述第一旋转臂与所述第二旋转臂之间的夹角可调，所述夹角范围为0-180度；

当所述夹角为0度时，所述磁控管投影在所述靶材的中心区域；

当所述夹角为180度时，所述磁控管投影在所述靶材的边缘区域。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述磁控溅射腔室还包括偏压单元，所述偏压单元在所述基座上产生负偏压，以吸引带正离子垂直进入晶片的硅通孔底部。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述偏压单元包括射频电源和匹配器，其中，所述射频电源通过所述匹配器与所述基座相连；所述射频电源的功率范围为800-1400W。

可选地，根据本实用新型的磁控溅射腔室，所述靶材与所述基座之间的竖直距离为100-150mm。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种半导体处理设备，包括上述用于硅通孔填充的磁控溅射腔室。

有益效果：

本实用新型提供的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室，磁控管在靶材上的投影面积小于五分之一的靶材面积；而现有技术中用于硅通孔填充的磁控溅射腔室中，磁控管在靶材上的投影面积一般大于等于二分之一的靶材面积；本实用新型中采用了磁控管在靶材上的投影面积小于五分之一的靶材的面积的磁控管，当对两者加载的功率相同的情况下可以提高介质气体(如氩气)的离化率，从而有效的提高对硅通孔的填充速率，进一步提高薄膜覆盖率。

根据本实用新型的半导体设备，采用了本实用新型的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室，同样也提高了对硅通孔的填充速率。

附图说明

图1为现有技术中用于硅通孔填充的磁控溅射腔室的结构示意图；

图2为现有技术中用于硅通孔填充的磁控溅射腔室对硅通孔进行填充时等离子体的入射角度示意图；

图3为根据本实用新型一种实施例例的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室的示意图；

图4为根据本实用新型一种实施例的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室的示意图；

图5为根据本实用新型一种实施例的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室的示意图；

图6为根据图5所示实施例中对硅通孔填充时正离子的入射角度示意图；

附图标记：

1-磁控管；2-靶材；3-基座；4-晶片；41-硅通孔；5-旋转机构；51-旋转轴；52-第一旋转臂；53-第二旋转臂；6-偏压单元。

具体实施方式

现在将结合附图和实施例来对本实用新型进行详细的描述。值得注意的是下述实施例仅用于对本实用新型进行说明，而不对本实用新型的范围进行限制。

值得注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

本实施例提供了一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室，包括：腔体、设置于腔体顶部的靶材、设置于靶材上方的磁控管、以及设置于腔体内部且位于靶材下方的基座，磁控管在靶材上的投影面积小于靶材面积的五分之一，以提高介质气体的离化率，从而提高对硅通孔的填充速率。

现有技术中，磁控管在靶材上的投影面积一般为靶材面积的二分之一，而本实用新型提供的磁控溅射腔室采用的磁控管在靶材上的投影面积小于靶材面积的五分之一。在相同功率条件下，对介质气体的离化率会提高，从而提高了对硅通孔的填充速率。

其中，磁控管在靶材上的投影面积优选小于靶材面积的十五分之一，当磁控管在靶材上的投影面积小于靶材面积的十五分之一时，介质气体的离化率更高，使对硅通孔的填充速率更高。

实施例2

本实施例中的其它设置与实施例1的设置相同，在此不予赘述。其不同之处在于，磁控管包括磁性相反的外磁极和内磁极，内磁极被外磁极包围。

本实用新型的磁控溅射腔室中的磁控管包括磁性相反的外磁极和内磁极，内磁极被外磁极包围，进一步的优选如图3所示的肾型磁控管1，该磁控管能更好的介质气体的离化率。另外磁控管1的外磁极可以为圆形、矩形或者椭圆形。其中，外磁极具有长径L和短径D，短径D优选小于或等于腔室内径与晶片4的直径的差的二分之一，即短径D小于或等于腔室内径的半径与晶片4的半径的差。当磁控管1的短径D小于或等于腔室与晶片4的半径差时，磁控管1在基座3上的投影位于晶片4和腔室壁之间，使磁控管1在基座和晶片以外的区域移动，逸出的靶材原子和离子一部分沉积在晶片4的边缘区域，一部分会飘至晶片4的中心区域沉积在晶片4的中心区域，从而控制晶片边缘区域与中心区域沉积的均匀性。

但磁控管的短径D和长径L的最小值以能够将介质气体稳定维持在等离子体状态为条件，尺寸太小有可能会造成磁场减弱，无法使介质气体维持在等离子体状态。

实施例3

本实施例中的其它设置与实施例2的设置相同，在此不予赘述。

其不同之处在本实施例的磁控溅射腔室还包括旋转机构，如图4所示，旋转机构5包括旋转轴51、第一旋转臂52和第二旋转臂53；第一旋转臂52的一端与旋转轴51固定连接，另一端与第二旋转臂53的一端连接，第二旋转臂53的另一端与磁控管1固定连接；第一旋转臂52与第二旋转臂53之间具有夹角；旋转轴51带动第一旋转臂52和第二旋转臂53旋转，从而带动磁控管1旋转。

其中，第一旋转臂52和第二旋转臂53之间的连接方式，可以固定连接，也可以活动连接。当固定连接时，则第一旋转臂52和第二旋转臂53之间的角度不可调；当活动连接时，则第一旋转臂52和第二旋转臂53之间的角度可调，调节适当的角度后，进行固定后旋转。

其中，第一旋转臂52与第二旋转臂53之间的夹角可调，夹角范围为0-180度。当夹角为0度时，磁控管1投影在靶材2的边缘区域；当夹角为180度时，磁控管1投影在靶材2的中心区域。

其中，第一旋转臂52与第二旋转臂53之间的角度优选可调。第一旋转臂52与第二旋转臂53之间的角度的选择与对晶片的硅通孔需要填充的位置对应。即，根据晶片需要填充的位置，设定第一旋转臂52和第二旋转臂53之间的角度。当夹角为0度时，磁控管1投影在靶材2的中心区域，此时对晶片中心区域的硅通孔进行填充；当夹角为180度时，磁控管1投影在靶材2的边缘区域，此时，对晶片的边缘区域进行填充；根据填充情况，可以及时的调节第一旋转臂52和第二旋转臂53之间的夹角，从而调整磁控管在靶材上的投影位置，从而改变对晶片的填充位置，使对硅通孔的填充更加均匀。

实施例4

本实施例中的其它设置与实施例3的设置相同，在此不予赘述。

如图5所示，磁控溅射腔室还包括偏压单元6，偏压单元6在基座上产生负偏压，以吸引带正电荷的离子垂直进入晶片的硅通孔底部。

本实施例中的磁控溅射腔室设置偏压单元6，在基座3上产生负偏压，从而使正离子垂直进入晶片的硅通孔底部，提高对硅通孔填充均匀性。

另外，磁控管在靶材上的投影面积小于靶材面积的五分之一，提高了介质气体的离化率，增加了等离子体中正离子的数量；在此基础上进一步地设置偏压单元，如图6所示，使产生的正离子垂直填充至硅通孔中，在提高填充速率的基础上，提高了填充的均匀性；由此也可以看出，设置偏压单元后，有效地解决了现有技术中存在的：正离子在晶片的边缘部分入射角度接近垂直，而在中心部分的入射角度较大，造成的对晶片的中心部分的硅通孔填充和边缘部分的硅通孔填充不均匀问题。

其中，偏压单元优选包括射频电源和匹配器，其中，射频电源通过匹配器与基座相连；射频电源的功率范围为800-1400W。

本实用新型射频电源的功率范围优选为800-1400W，进一步地优选1000-1300W，更进一步地优选1100W、1200W和1250W。当射频功率范围小于800W时，在基座上产生的偏压难以将正离子吸引至晶片的硅通孔中；当射频功率大于1400W时，在基座上产生的偏压过大，使正离子运动的速度过快，沉积至硅通孔41底部时的能量较强，过度轰击会减薄薄硅通孔41底部的原有的沉积层，甚至使底部的沉积层完全被溅射到侧壁上，降低沉积的均匀度。

当射频电源的功率范围保持在800-1400W之间时，一方面，其在基座上产生了适当的负偏压，在一定程度上增加正离子的动能，加快了正离子向晶片4的移动加速，提高了填充速率；另一方面又使离子保持适当的动能，在轰击硅通孔41的底面时，会使一部分之前沉积在硅通孔41底部的薄膜脱离溅射至硅通孔41的侧壁拐角的位置，从而提高了硅通孔底部和侧壁拐角位置的覆盖率，使硅通孔41的底部和侧壁拐角位置的沉积厚度较为均匀。

实施例5

本实施例中的其它设置与实施例4的设置相同，在此不予赘述。

在本实施例的磁控溅射腔室中，靶材2与基座3之间的竖直距离为100-150mm。

根据实施例的磁控溅射腔室，在使磁控管在靶材上的投影面积小于靶材面积的五分之一、且设置偏压单元的基础上，使靶材与基座之间的竖直距离设置为100-150mm，与现有技术相比，大于70mm增大了靶基距，垂直填充至硅通孔中的正离子增多，提高薄膜覆盖率，且提高了靶材的利用率。

本实用新型实施例1-实施例5提供的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室，均提高了硅通孔的填充速率，甚至进一步地提高了硅通孔的填充均匀性。

实施例6

本实施例提供了一种半导体处理设备，本实施例中的半导体处理设备包括实施例1-5中的任意一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室。

当然，在本实用新型的半导体设备中，可以包括权利要求中进行任何排列组合形成的其它磁控溅射腔室。

本实施例中的半导体处理设备，采用本实用新型的磁控溅射腔室，提高了硅通孔填充的填充速率和填充均匀性。

综上可以看出，在本实用新型的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室及半导体设备中，将磁控管在靶材上的投影面积设置为小于靶材面积的五分之一、设置和基座连接的偏压单元、和/或将靶基距设置在100mm-150mm之间，在对硅通孔进行填充时，这个三个方面的因素可以相互结合、相辅相成，可以更大程度上提高对硅通孔的填充速率和填充均匀性。

申请人为了证明本实用新型的磁控溅射腔室对硅通孔进行填充时具有提高填充速率和填充均匀性的效果，采用了实施例和比较例进行了对比说明。

在下述比较例和实施例中，采用的磁控溅射腔室的腔体半径为222.5mm，基座的半径为150mm。磁控管采用肾形结构，磁控管的短径长度D为75mm，长径长度L为140mm。晶片为12寸晶片(直径300mm)，靶材直径选用450mm(靶材面积为635580mm²)。

同时为了对比，磁控管选用了三种规格，可以分别标记为磁控管a(用于比较例)、磁控管b(用于实施例)和磁控管c(用于实施例)。其中，磁控管a在靶材上投影的面积为靶材面积的1/2，即317925mm²；磁控管b在靶材上投影的面积为靶材面积的1/5，即127170mm²；磁控管c在靶材上投影的面积为靶材面积的1/15，即42390mm²。

本实用新型的测试结果用薄膜覆盖率、薄膜均匀性、产能这三个参数来表征。

其中薄膜覆盖率的计算公式为100％*T_b/T_f，T_b为硅通孔底部薄膜的厚度，T_f为晶片表面薄膜的厚度，该值越大则表示沉积在硅通孔底部上的薄膜越厚。

薄膜均匀性定义为晶片表面薄膜厚度分布均匀程度，采用专业的金属薄膜厚度测量设备进行检测，常用的如Rudolph公司的MetaPULSE；薄膜厚度均匀性的检测方式一般是通过测量晶片上均匀分布的一定数量的点的厚度，通常为49个点，这49个点的薄膜厚度平均值为AVG，方差为STDEV，那么均匀性的计算公式为U＝100％*STDEV/AVG，该值越小说明薄膜分布越均匀。

产能定义为单位时间内设备生产晶片数量，一般为每小时内设备生产晶片的数量，在本检测中也采用每小时内设备生产晶片的数量，该值越大效果越好。

申请人对晶片的性能进行了测试，具体的测试条件和测试结果如表1所示：

表1

磁控管

靶基距(mm)

偏压单元

薄膜覆盖率

薄膜均匀性

产能

比较例1

磁控管a

70

无

9％

8.6％

18

实施例1

磁控管b

70

无

12％

8.3％

21

实施例2

磁控管c

70

无

15％

8.1％

22

实施例3

磁控管b

70

有

14％

4.1％

22

实施例4

磁控管c

70

有

18％

3.7％

23

将表1中的实施例1、实施例2和比较例1的数据进行比较，可以看出：当磁控管在靶材上的投影面积小于等于靶材面积的十五分之一时，薄膜覆盖率得到了提高，进一步说明提高了硅通孔的填充速率。

将表1中的实施例3与实施例1进行对比，实施例4和实施例2进行对比，可以看出：在保持靶材上的投影面积小于等于靶材面积的十五分之一不变的基础上，设置偏压单元后，进一步提高了薄膜的覆盖率和薄膜的均匀性，说明提高了对硅通孔的填充速率和填充均匀性。

根据对表1中数据的分析也可以看出，在产能基本保持不变的前提下，在保持靶材上的投影面积小于等于靶材面积的十五分之一不变时，可以提高介质气体的离化率，增加磁控溅射后正离子的数量，提高了填充速率；而在此基础上设置偏压单元，使产生的正离子以垂直的角度入射至硅通孔中，提高硅通孔的填充速率的同时，提高了填充均匀性。

虽然已经通过实施例对本实用新型进行了详细说明，但本领域的技术人员应该理解，以上实施例仅为了进行说明，而不为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于硅通孔填充的磁控溅射腔室，包括：腔体、设置于所述腔体顶部的靶材、设置于所述靶材上方的磁控管、以及设置于所述腔体内部且位于所述靶材下方的基座，其特征在于，

所述磁控管在所述靶材上的投影面积小于五分之一的所述靶材的面积，以提高介质气体的离化率，从而提高对硅通孔的填充速率。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述磁控管在所述靶材上的投影面积小于十五分之一的所述靶材的面积。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述磁控管包括磁性相反的外磁极和内磁极，所述内磁极被所述外磁极包围。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述外磁极具有长径和短径，所述短径小于或等于所述腔室内径与晶片直径的差的二分之一。

5.根据权利要求1-4任一所述的磁控溅射腔室，还包括旋转机构，其特征在于，所述旋转机构包括旋转轴、第一旋转臂和第二旋转臂；

所述第一旋转臂的一端与所述旋转轴固定连接，另一端与所述第二旋转臂的一端连接,所述第二旋转臂的另一端与所述磁控管固定连接；

所述第一旋转臂与所述第二旋转臂之间具有夹角；

所述旋转轴带动所述第一旋转臂和所述第二旋转臂旋转，从而带动所述磁控管旋转。

6.根据权利要求5所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述第一旋转臂与所述第二旋转臂之间的夹角可调，所述夹角范围为0-180度；

当所述夹角为0度时，所述磁控管投影在所述靶材的中心区域；

当所述夹角为180度时，所述磁控管投影在所述靶材的边缘区域。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述磁控溅射腔室还包括偏压单元，所述偏压单元在所述基座上产生负偏压，以吸引正离子垂直进入晶片的硅通孔底部。

8.根据权利要求7所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述偏压单元包括射频电源和匹配器，其中，所述射频电源通过所述匹配器与所述基座相连；所述射频电源的功率范围为800-1400W。

9.根据权利要求1所述的磁控溅射腔室，其特征在于，所述靶材与所述基座之间的竖直距离为100-150mm。

10.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的用于硅通孔填充的磁控溅射腔室。