TW201408803A - 用於方向性材料沉積的pvd設備、方法及工件 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於物理氣相沉積(PVD)技術中的方向性材料沉積。尤甚者，本發明涉及PVD設備，其包含：- 容納材料來源的真空密封外部容器，- 至少兩個基板，係配置成界定與該材料來源隔開的基板平面，- 該基板面向材料來源且具有待處理表面。此材料來源的直徑小於(尤其顯著小於)任何基板的直徑。依此方式，以低基板溫度達到窄角分布和高度均勻性。

Description

用於方向性材料沉積的PVD設備、方法及工件
本發明係關於物理氣相沉積(PVD)技術中的方向性材料沉積。
方向性材料沉積在半導體製造業是廣為人知的，尤其是對於處理3-D形狀表面結構。方向性材料沉積由粒子通量的窄角分布所造成，窄角分布係藉由使用準直器(collimator)、長距離濺鍍或離子化PVD予以產生。
本發明的目的在於推薦方向性材料沉積用的改良型PVD設備、改良型團簇配置(cluster arrangement)、操作此種PVD設備的改良型方法、用於製造工件的改良型方法以及改良型工件。
此目的係藉由包含請求項1所載之特徵的PVD設備予以達成。PVD設備、團簇配置、操作PVD設備之方法、製造工件之方法以及工件的其他具體實施例係記載於其他請求項。
本發明涉及用於方向性材料沉積的PVD設 備。此設備包含：- 容納材料來源的真空密封外部容器，- 至少兩個基板，係配置成界定與該材料來源隔開的基板平面，- 該基板面向材料來源且具有待處理表面。
此材料來源的直徑小於(尤其顯著小於)任何基板的直徑。依此方式，以低基板溫度達到具有高度均勻性和類似厚度分布的窄角分布。
方向性材料沉積意指要予以沉積的材料通量係以界定好的角度予以指向基板表面。這對於如孔洞(hole)、溝槽(trench)或通路(via)之類的3-D形狀表面結構尤其有用。
在本說明書與申請專利範圍中，術語「基板平面(substrate plane)」指的是實質平面形狀處理空間。在四個或更多基板的情況下，基板平面係由基板中心平均予以界定。在三個或更少基板的情況下，基板平面係由基板中心予以界定，以及在兩個基板的情況下，則是由基板平面垂直於方向性材料沉積軸的額外需求予以界定。
本說明書與申請專利範圍中使用的術語「直徑」，例如材料來源的直徑或基板的直徑，指的是PVD處理時有效使用的任何操作尺寸類型。因此，術語直徑可為圓圈形狀的直徑，但也可為物件(尤其是材料來源或基板)的最小、最大或平均直徑。例如，直徑指的是實質多邊形材料來源或基板的內徑或平均直徑或外徑。
令人驚訝的是，根據本發明的設備以小靶材(target)，亦即具有小直徑的靶材，於短沉積距離和高度均勻性達成窄角分布。另外，降低如長距離濺鍍已知的幾何依存度(geometric dependency)並且達成與基板取向(orientation)有關的高度類似或相等的沉積厚度。
有幫助的是，根據本發明的PVD設備避免準直器的問題，亦即干擾粒子。另外，避免如離子化PVD製程已知的高能量輸入，這對於使用溫敏聚合物遮罩(temperature sensitive polymer mask)的剥離製程(lift-off process)尤其有益處。
在根據本發明的PVD設備的具體實施例中，PVD設備是濺鍍設備，尤其是磁控濺鍍設備(magnetron sputtering apparatus)。依此方式達到高膜品質。
在根據本發明之PVD設備的另一個具體實施例中，材料來源至少為下述之一：- 單一來源，- 濺鍍靶材，以及- 取向為實質平行於基板平面。
濺鍍靶材在本說明書裡也簡稱為「靶材」
在根據本發明的PVD設備的另一個具體實施例中，基板數量為2個或至少3個或至少4個，尤其是3個或4個，及/或每個基板的中心係配置在圓圈上並且彼此等距相隔，其中圓圈係置於基板平面中。
在根據本發明的PVD設備的另一個具體實 施例中，基板可在PVD處理期間旋轉，尤其是以行星運動旋轉。
在根據本發明的PVD設備的另一個具體實施例中，基板可傾斜而與基板平面構成傾角(tilt angle)，其中傾角尤其是介於0°與20°之間，尤其進一步介於0°與15°之間。
在根據本發明的PVD設備的另一個具體實施例中，材料來源與基板平面之間的距離比材料來源直徑大上6至20倍之間，尤其是大上6至10倍，尤其進一步大上7至9倍。
在根據本發明的PVD設備的另一個具體實施例中，單獨基板的直徑比材料來源直徑大上2至6倍之間，尤其是大上3至6倍，尤其進一步大上4至5倍。
在根據本發明的PVD設備的另一個具體實施例中，PVD設備包含用於根據預定值調整材料來源與基板平面之間的距離，及/或根據預定值調整基板表面與基板平面之間的角度的手段。
再者，本發明涉及具有共通的中央處理系統之處理工具的團簇配置，其容許在真空下於載入鎖定(load lock)與複數處理站(process station)之間搬運基板，其中一或多個處理站包含根據任一前述具體實施例的設備。
另外，本發明涉及具有至少一個(尤其是二個或至少二個)根據任一前述設備的具體實施例之設備的團簇配置，其中尤其是它們當中的至少二個係建構成處 理相同數量的基板。
另外，本發明涉及藉由使用具有材料來源之PVD設備來方向性材料沉積的方法。本方法包含以下步驟：- 在真空密封外部容器裡提供至少兩個基板，基板界定與該材料來源隔開的基板平面；- 根據預定值調整材料來源與基板平面之間的距離，及/或根據預定值調整基板表面與基板平面之間的角度；以及- 藉由方向性材料沉積處理基板。依此方式，以低基板溫度達成具有高度均勻性和類似厚度分布的窄角分布。
在前述方法具體實施例的另一個具體實施例中，距離及/或角度的調整包含依下述至少一者進行調整：- 待處理基板的數量，- 基板的最外部位置，- 材料來源的發射輪廓(emission profile)，以及- 待沉積材料的角分布。
在前述方法具體實施例的另一個具體實施例中，基板的處理包含尤其基於溫敏遮罩的剥離處理。
另外，本發明涉及藉由使用根據任一前述設備具體實施例或前述團簇配置之一的PVD設備，或藉由實施任一前述方法具體實施例的方法，來製造工件的方法。
另外，本發明涉及一種工件，尤其是包含3-D 形狀表面結構，進一步尤其是具有底切之溝槽，其中工件係根據前述製造方法予以製造。
明白指出上述具體實施例任何組合、或組合的組合，係視為(is subject to)另一個組合。僅有造成衝突的那些組合才排除在外。
α‧‧‧來源對基板最外面的位置的角度
β‧‧‧基板對基板平面的角度
TS‧‧‧靶材與基板之間的距離
T‧‧‧靶材
LL‧‧‧載入鎖定站
PM1、PM2、PM3‧‧‧處理模組(晶圓模組)
下文藉由示範性具體實施例和所包括的簡化圖式詳細說明本發明。其中：第1圖是示意地顯示設置有2與3個基板之根據本發明的濺鍍設備的配置；第2圖是如第1圖設備中所使用40mm直徑濺鍍來源的發射輪廓；第3圖是晶圓中心的角分布；第4圖是晶圓邊緣(70mm)附近的角分布；第5圖是在晶圓中心具有6°底切並且離晶圓邊緣70mm之溝槽的剥離情形；第6圖是在晶圓中心具有13°底切，以及離晶圓邊緣偏離中心35mm與70mm之溝槽的剥離情形；第7圖是安裝在4側式(4-sided)團簇工具上的雙晶圓設置、處理以及所述的載入情形；以及第8圖是安裝在4側式團簇工具上的兩個三重(triple)晶圓模組。
所述具體實施例為描述性實施例並且不該限制本發明。
發明領域
半導體製造業裡有許多應用需要方向性濺鍍。在此，濺鍍係指物理氣相沉積(PVD)技術之廣為人知的變形。物理氣相沉積(PVD)是用於說明藉由材料汽化形式凝結在基板表面上(例如在半導體晶圓上)來沉積薄膜之任一種方法的通用述語。塗佈方法涉及如高溫真空蒸鍍或電漿濺鍍撞擊(bombardment)等單純物理處理。PVD的變形包括陰極電弧沉積(Cathodic Arc Deposition)、電子束物理氣相沉積、蒸鍍沉積(Evaporative deposition)以及濺鍍沉積。濺鍍通常係理解為輝光電漿放電，其通常被限制在位於待沉積於基板上之靶材材料表面上的磁性隧道(magnetic tunnel)中。方向性濺鍍意指被濺鍍的材料的通量在界定好之角度下指向基板表面，例如以便能到達(allow access to)基板中的孔洞、溝槽或通路。半導體裝置的高整合度對於處理此種3-D形狀表面結構產生需求。
在許多應用中，此種通路或溝槽必須以被濺鍍的材料予以種晶在其內表面(垂直與平行者)上或甚至予以填充。在許多情況下，為了後續電鍍步驟而必需視需要達成最高可能的側壁覆蓋(sidewall coverage)。其它應用則需要儘可能少的側壁沉積。在所謂的剥離製程中，結構化光阻或其它遮罩材料係藉由後續製程予以塗佈以及此處需要遮罩的最小的側壁沉積以實施底蝕製程(under-etch process)並且移除在結構化光阻頂部上的沉積材料還有將材料留在基板上、無光阻的區域中。一般 而言，對於此應用，因涉及有機材料因此熱負載必須低。
技術背景
方向性濺鍍用的方法係已知於半導體技術中並且在許多文章和專利有作說明。用於產生粒子通量的窄角分布的一般方法是準直器或應用長距離濺鍍。非常成功的方式是離子化PVD，其中所濺鍍的金屬蒸汽係藉由額外激發予以離子化(例如，S.M.Rossnagel,J.Hopwood,J.Vac.Sci.Technol.B12,449,1994)。
習知技術的缺點
準直器的缺點在於它們直接位於沉積束中並且收集許多材料，其可因膜厚和應力增加而不受控制地自該準直器脫層並且造成粒子。
靜態配置的長投濺鍍(long throw sputtering)的缺點在於需要高靶材-基板-距離以具有粒子通量窄角分布。對於可接受的均勻性，這意指大靶材直徑。長投濺鍍的另一缺點在於其幾何依存度高而造成不同的沉積厚度。這取決於特徵側壁是否指向或反向於配置的對稱軸。
在離子化PVD中，金屬蒸汽通常係予以離子化，以及金屬離子係朝向基板加速得助於負偏壓。此方向性係由電場給定。在需要側壁覆蓋的製程中，需要此離子蝕刻以將材料自特徵的底部移除並且將它沉積在側壁上。這對於剥離製程是不想要有的。離子化PVD的另一缺點是因加速的離子在基板上輸入高能量。在利用聚合物遮罩的剥離製程的情況下，衝撞離子(impacting ions) 可能破壞遮罩材料，以至於其在溶劑中的溶解是無效的(disabled)。
剥離製程目前是藉由在批量工具(batch tool)中蒸發予以實踐。批量工具的缺點在於其失去完全批量的高風險以及其失去與單一晶圓連線處理(in-line processing)的相容性。自動載入(loading)的實現對於大批量系統更為困難。最後，在許多情況下，濺鍍也因膜品質比蒸鍍膜優良而較佳。
解決方案的說明
解決方案由大距離面向基板或一組許多基板的小材料來源(較佳的是濺鍍靶材)所組成，以致達成窄角分布。此種解決方案較佳為可藉由在分佈一或多個基板(工件)的平面之上(亦即垂直隔開)和與之平行的平面中配置濺鍍靶材而予以實現。基板較佳是在處理期間依行星運動旋轉。角分布取決於靶材與基板平面之間的距離(TS)。在基板平面中，基板係配置在緊密填塞的圓圈的環件(ring)中，其中各圓圈由基板和某些像是夾件(clamp)或影罩(shadow mask)的環境所組成。
第1圖表示示意地顯示根據本發明之濺鍍裝置的列置，其具有2與3個基板之基本設置。來源係以離基板平面的距離TS設置以便對基板的最外面的位置提供特定角度α。基板可以角度β在基板平面中傾斜以提供良好的轉移因子(transfer factor)和均勻性。為了對更多基板維持相同角度α，必須使用較高的TS。
底下實施例是針對剥離應用所提供： 2個直徑(各)150mm之晶圓的集組(set)係設置於基板平面中。直徑40mm具有如第2圖所示發射輪廓的靶材係以離基板平面299mm的距離予以安裝，以靶材對稱軸與基板對稱軸之間80mm的偏移(offset)對基板提供15°的角度β。5mm的周圍間隙(surrounding clearance)適合去採用持固環(holder rings)或遮罩。2個晶圓係以行星運動旋轉。實驗已表示靶材於其使用期(lifetime)出現的侵蝕未負面影響沉積在基板上的層的均勻性。
第2圖表示如第1圖設備中所使用的40mm直徑濺鍍來源的發射輪廓。
沉積的均勻性不僅取決於幾何，也取決於靶材材料的發射特性。以θ為垂直於靶材之方向之間的角度，發射強度作為此角度θ的函數可表示為：I(θ)=I 0 *(cosθ) c
其中指數c說明發射特性。均勻性係針對c為0.6和1的數值予以計算。
結果係總結於第1表中，不僅是針對2個晶圓的配置，也針對3和4個晶圓的配置。第1表顯示，對於發射指數c=1(餘弦)需要在基板平面中以10°傾斜基板用以在基板上達到良好的沉積均勻性，然而對於c=0.6則未使用傾斜。表格進一步顯示只要基板平面中配置更多基板，TS就必須增加以及沉積則遞減。雖然可用更多基板達到非常良好的均勻性，所有基板的單位面積的相對沉積速率(最外右欄)在安裝的是4個而非2個基板時 係以因子4遞減。必須注意的是，在没有氣相中碰撞的情況下進行計算。在有碰撞的情況下，則由TS造成的速率減少將更糟。
第1表顯示針對發射指數c=1和c=0.6所計算，對於具有2、3和4個基板的幾何、均勻性、速率和單位面積的相對沉積速率。
濺鍍自40mm靶材的材料的角分布已針對2個基板的情形予以計算。第3圖表示達到兩個旋轉的晶圓之一之晶圓中心的濺鍍通量之角分布(0°意指垂直於基板表面)。兩個圖式中下面那一個係以極座標圖表示相同的情形。
第4圖表示達到以70mm距離離兩個旋轉的晶圓之一之晶圓中心的邊緣之濺鍍通量的角分布。同樣地，下面的圖式係以極座標圖表示相同的情形。
第5圖針對在晶圓中心以及離晶圓邊緣70mm之具有6°底切之溝槽表示剥離情形。
在基板側部上，1微米(μm)深度與3微米寬度具有正切取向的溝槽(亦即圓圈或螺旋)係用在基板上。溝槽由具有特定底切所製的光阻所組成以促進剥離製程(請參閱第5圖)。展示溝槽底切為6°與13°的兩種情況。溝槽位於晶圓中央、離中心35mm以及離中心70mm。沉積0.5微米厚的膜。
在6°底切的情況下，在晶圓中央的溝槽的側壁提取(collect)對比於頂部厚度3.9%的相對厚度。對於離中心70mm的溝槽，內側有1.2%的側壁覆蓋以及外側有14%的側壁覆蓋(第5圖)。
第6圖對於在晶圓中央、以及晶圓邊緣離中心35與70mm之具有13°底切的溝槽表示剥離情形。
在13°底切的情況下，在晶圓中央的溝槽側壁提取(collect)對比於頂部厚度0.3%的相對厚度。對於離中心35°的溝槽，內側具有0.61%的側壁覆蓋以及外側具有3.2%的側壁覆蓋。對於離中心70mm的溝槽，內側具有0.96%的側壁覆蓋以及外側具有7%的側壁覆蓋(第6圖)。後者係預期薄到足以進行剥離製程。
第7圖表示現代團簇工具中雙晶圓設置的實現。此處，使用在一埠(port)上具有載入鎖定站(LL)的4側式機器人處理器(4-sided robot handler)以及通常的單一晶圓處理(regular single wafer processing)用處理模組(process module)PM1與PM3。處理模組係藉由閘閥(gate valves)予以鎖定自處理室(handling chamber)。PM2包含具有靶材T的雙晶圓設置。在略圖的下方部份，轉移系統(transfer system)的載入臂(loading arm)係延伸到PM2內以圖示載入的動作。基板平面用的旋轉驅動裝置(rotating drive)必須將雙晶圓設置的晶圓1與2定位於載入埠以進行載入和卸載(unloading)。藉由180°旋轉，可接取兩片晶圓。晶圓係設置於容許提升晶圓、在基板平面設置中的可伸縮針腳(retractable pins)上以致處理器可將其拿起。
第8圖表示安裝在4側式團簇工具上的兩個三重晶圓模組。單一與多重晶圓模組的組合對於生產時的材料流程可出現問題，但像是利用「枝狀模式(branch-mode)」的兩個單一晶圓模組來運作(像是第7圖的PM1與3)的解決方案是可行的。在剥離製程的情況下，僅此 無它的處理可在沉積工具上運作。此處，可能的構成是使用如第8圖所示之安裝在4側式團簇工具上的兩個三重晶圓模組。此處，模組PM1可藉由轉移系統自載入鎖定站載入基板，同時模組PM2處理晶圓，反之亦然。
總結
本發明提出：磁控濺鍍設備，其包含：- 容納單一濺鍍(PVD)來源的真空密封外部容器，- 至少兩個基板，係配置在平面(「基板平面」)中且與該濺鍍來源隔開(「靶材-基板距離」)，- 該等基板面向來源具有要藉由濺鍍來源予以處理之表面，其中靶材直徑顯著小於任一基板的直徑。
該濺鍍配置，其中：- 基板的數量是2、3或4個，其中基板的中央係彼此等距相隔地配置在圓圈上，該圓圈係設置於基板平面中，- 基板在濺鍍處理期間是可旋轉的，- 基板可傾斜而與基板平面形成角度β(beta)在一實施例中，本發明涉及如上所述的濺鍍配置，其中- 靶材-基板距離係比靶材直徑大上6至20倍，較佳是大上6至10倍，以及更佳是大上7至9倍。單獨基板的直徑係比靶材的直徑大上2至6倍，較佳是大上3至6倍，更佳是大上4至5倍。
在一實施例中，本發明涉及如上所述的濺鍍 配置，其具有β介於0至20°之間，較佳是0至15°之間。
在一實施例中，本發明涉及具有共通的中央處理系統之處理工具的團簇配置，該中央處理系統容許在載入鎖定站(大氣條件下出自環境接取)與各種處理站之間搬運基板，其中一或多個處理站包含如上所述的濺鍍列置。
α‧‧‧來源對基板最外面的位置角度
β‧‧‧基板對基板平面的角度
TS‧‧‧靶材與基板之間的距離

Claims (16)

  1. 一種用於方向性材料沉積的PVD設備，其包含：- 容納材料來源的真空密封外部容器，- 至少兩個基板，係配置成界定與該材料來源隔開之基板平面，- 該等基板面向該材料來源具有待處理表面，其中該材料來源的直徑小於(尤其顯著小於)該等基板任一個的直徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的設備，其中該PVD設備是濺鍍設備，尤其是磁控濺鍍設備。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的設備，其中該材料來源為以下至少一者：- 單一來源，- 濺鍍靶材，以及- 取向為實質平行於該基板平面。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的設備，其中該等基板的數量為2個或至少3個或至少4個，尤其是3個或4個，及/或每個該等基板的中央列置在圓圈上並且彼此等距隔開，該圓圈係位於該基板平面中。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的設備，其中該等基板在PVD處理期間是可旋轉的，尤其是呈行星運動。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的設備，其中該等基板可傾斜而與該基板平面形成傾角，其中 該傾角尤其是介於0至20°之間，尤其進一步介於0至15°之間。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述的設備，其中介於該材料來源與該基板平面之間的距離係比該材料來源的直徑大上6至20倍，尤其是大上6至10倍，尤其進一步是大上7至9倍。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述的設備，其中單獨基板的直徑係比該材料來源的直徑大上2至6倍，尤其是大上3至6倍，尤其進一步大上4至5倍。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述的設備，其中該PVD設備包含用於根據預定值調整介於該材料來源與該基板平面之間的距離，及/或根據預定值調整該等基板之表面與該基板平面之間的角度的手段。
  10. 一種具有共通的中央處理系統之處理工具的團簇配置(cluster arrangement)，其容許在真空下於載入鎖定站與複數處理站之間搬運基板，其中該等處理站之一或多個包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述的設備。
  11. 一種具有至少一個(尤其是具有兩個或至少兩個)如申請專利範圍第1至9項中任一項所述的設備的團簇配置，其中尤其是至少兩個該等設備係建構成處理相同數量的基板。
  12. 一種藉由使用具有材料來源之PVD設備來進行方向性材料沉積的方法，該方法包含以下步驟：- 在真空密封外部容器中提供至少兩個基板，該等基 板界定與該材料來源隔開的基板平面；- 根據預定值調整介於該材料來源與該基板平面之間的距離，及/或根據預定值調整介於該等基板之表面與該基板平面之間的角度；以及- 藉由方向性材料沉積處理該等基板。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中該距離及/或角度的調整包含依以下至少一者來調整：- 待處理的基板的數量，- 該等基板的最外面的位置，- 該材料來源的發射輪廓，以及- 待沉積材料的角分布(angular distribution)。
  14. 如申請專利範圍第12或13項所述的方法，該等基板的處理包含剥離處理，其尤其是基於溫敏遮罩(temperature sensitive masking)。
  15. 一種製造工件的方法，係藉由使用如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之PVD設備、如申請專利範圍第10或11項所述的團簇列置、或藉由實施如申請專利範圍第12至14項中任一項所述之方法來進行。
  16. 一種工件，其尤其是包含3-D形狀表面結構，進一步尤其是具有底切的溝槽，其中該工件係根據前述申請專利範圍的方法予以製造。
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