TW201623646A - 用於在鈦鎢靶材中之結核控制的方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本揭露書的實施例包含用於控制鈦-鎢(TiW)靶材結核形成的方法及設備。在一些實施例中，靶材包含：來源材料，主要地包括鈦(Ti)及鎢(W)，該來源材料從鈦粉末和鎢粉末之混合物所形成，其中主要數量的鈦粉末的晶粒尺寸係小於或等於主要數量的鎢粉末的晶粒尺寸。

Description

用於在鈦鎢靶材中之結核控制的方法及設備
本揭露書的實施例大體關於基板處理系統。
鎢及鈦膜係經常地使用於半導體元件的製造中，舉例來說，作為在矽基板和鋁合金金屬化之間的擴散障礙。鈦-鎢(TiW)膜係藉由濺射鈦-鎢靶材而形成。
在濺射製程期間，鈦-鎢材料係從靶材的表面濺射並沉積至相對於靶材之表面的基板上。然而，發明人已觀察到當來自靶材之中央部分的材料被濺射及再沉積於靶材面的外側周邊邊緣上而非基板上時，結核可能形成在靶材的濺射面上。更有甚者，結核具有易於剝落並產生顆粒的傾向，這可能汙染且不利地影響在基板上之所沉積鈦-鎢膜的品質。
故，發明人已提供用於控制鈦-鎢(TiW)靶材結核形成的改良方法及設備。
本揭露書的實施例包含用於控制鈦-鎢(TiW)靶材結核形成的方法及設備。在一些實施例中，一種靶材包含：一來源材料，主要地包括鈦(Ti)及鎢(W)，該來源材料從鈦粉末和鎢粉末之一混合物所形成， 其中主要數量的該鈦粉末的一晶粒尺寸係小於或等於主要數量的該鎢粉末的一晶粒尺寸。
在一些實施例中，一種形成一鈦-鎢(Ti-W)靶材之方法包含以下步驟：混合一鎢粉末和一鈦粉末，以形成一混合物，其中在該混合物中之主要數量的該鈦粉末的一晶粒尺寸係小於或等於主要數量的該鎢粉末的一晶粒尺寸；壓緊該混合物；及加熱該混合物以形成該靶材。
在一些實施例中，一種從一靶材移除多個結核之方法包含以下步驟：(a)將該靶材曝露至一惰性氣體，其中該靶材包括一來源材料，主要地包括鈦(Ti)及鎢(W)，該來源材料從鈦粉末和鎢粉末之一混合物所形成，且其中主要數量的該鈦粉末的一晶粒尺寸係小於或等於主要數量的該鎢粉末的一晶粒尺寸；(b)以一第一功率而施加DC功率至該靶材，以點燃該惰性氣體以形成一電漿；及(c)增加施加至該靶材之該DC功率至一第二功率，以從該靶材移除多個結核。
本揭露書的其他及進一步的實施例係說明於下。
100‧‧‧PVD腔室
101‧‧‧腔室蓋
102‧‧‧靶材組件
103‧‧‧接地組件
104‧‧‧腔室本體
106‧‧‧基板支撐件
108‧‧‧基板
110‧‧‧下接地圍繞壁
112‧‧‧接地屏蔽件
113‧‧‧來源材料
114‧‧‧靶材
116‧‧‧上接地圍繞壁
120‧‧‧第一容積
122‧‧‧波紋管
124‧‧‧底腔室壁
126‧‧‧氣源
128‧‧‧直流控制器
130‧‧‧抽氣埠
132‧‧‧閥
138‧‧‧屏蔽件
139‧‧‧側壁
140‧‧‧突出部分
142‧‧‧製程套組
143‧‧‧第一環
144‧‧‧第二環
152‧‧‧磁鐵
154‧‧‧電極
156‧‧‧接地板
158‧‧‧來源分布板
162‧‧‧背板
164‧‧‧導電構件
170‧‧‧腔
172‧‧‧磁鐵支撐構件
180‧‧‧絕緣間隙
182‧‧‧RF功率源
183‧‧‧第二能量源
186
188‧‧‧磁鐵
192‧‧‧冷卻流體
196‧‧‧磁控管組件
200‧‧‧方法
202
204
206
本揭露書的實施例(簡短地摘要於上且詳細地討論於下)可藉由參照附隨圖式中的所描繪的本揭露書之示例性實施例而理解。然而，附隨的圖式僅描繪本揭露書的代表實施例且不因此被視為限制範圍，因為本揭露書可容許其他等效的實施例。
第1圖描繪依據本揭露書之一些實施例的具有靶材組件之製程腔室的概要剖視圖。
第2圖描繪依據本揭露書之一些實施例的控制鈦-鎢(TiW)靶材結核之方法。
為幫助理解，已儘可能使用相同的元件符號以指定共用於圖式的相同元件。這些圖式並未依據尺寸而繪製且為了清楚而可被簡化。一個實施例的元件和特徵可有利地併入於其他實施例中而無需進一步載明。
本揭露書的實施例包含用於控制鈦-鎢(TiW)靶材結核形成的方法及設備。在本揭露書的實施例中，在鈦-鎢(Tiw)靶材上結核的形成可藉由靶材原始材料晶粒尺寸的控制及藉由可選擇的週期性清潔製程而被有利地減少、消除或實質地消除。在本揭露書的實施例中，靶材晶粒尺寸控制有利地預防或延遲結核形成，而清潔製程有利地移除在靶材之表面上所產生的任何結核。
第1圖描繪物理氣相沉積(PVD)腔室100的簡化、剖視圖。PVD腔室100包括依據本揭露書之一些實施例的基板支撐件106。適合依據於此所提供的教示而修改之PVD腔室的例子包含具有非常高頻(VHF)來源的腔室、ALPS® Plus及SIP ENCORE® PVD處理腔室，兩者皆可從加州聖克拉拉市的應用材料公司商業取得。來自應用材料公司或其他製造商的其他處理腔室亦可受惠 於依據於此所揭露之發明的設備之修改，且可被用以實施於此所揭露之發明的方法之實施例。
在一些實施例中，PVD腔室100包含腔室蓋101，腔室蓋101係設置於腔室本體104的頂上且可從腔室本體104移除。腔室蓋101可包含靶材組件102和接地組件103。
靶材組件102包括靶材114。靶材114可包括來源材料113和用以支撐來源材料113之背板162。來源材料113可如第1圖中所示被設置於背板162之面向基板支撐件側上。背板162可包括導電材料，諸如銅-鋅、銅-鉻，或與靶材相同的材料，使得RF和DC功率可經由背板162而被耦合至來源材料113。替代地，背板162可為不導電的，且可包含諸如電饋通或類似物的導電元件(圖未示)。
來源材料113係於濺射期間沉積於基板上，諸如基板108(舉例來說，半導體或其他材料的晶圓)。在一些實施例中，來源材料113主要包括鈦(Ti)及鎢(W)。在一些實施例中，來源材料113由鈦(Ti)及鎢(W)所組成，或實質由鈦(Ti)及鎢(W)所組成。在一些實施例中，靶材114的來源材料113包括約90重量百分比的鎢(W)和約10重量百分比的鈦(Ti)。在一些實施例中，靶材114的來源材料113具有至少約98%的密度(亦即，重量/體積)。在一些實施例中，靶材114具有至少5N的純度(亦即，99.999%純度)。
大體而言，鈦-鎢靶材係藉由混合鎢原始材料粉末和鈦原始材料粉末而製成。所產生的混合物係使用合適的成形方法(諸如惰性氣體熱壓法、真空熱壓法、熱等靜壓法、冷壓法/燒結法，或類似方法)而被壓緊及加熱。發明人已觀察到一旦靶材114的表面形成富鈦或富鎢區域時，結核傾向形成。發明人已進一步觀察到調整鎢原始材料粉末的平均晶粒尺寸和鈦原始材料粉末的平均晶粒尺寸可減少富鈦或富鎢區域，且因此有利地減少或消除結核形成。
在一些實施例中，主要數量的鈦粉末的晶粒尺寸係小於或等於主要數量的鎢粉末的晶粒尺寸。在一些實施例中，鈦粉末的平均晶粒尺寸係小於或等於鎢粉末的平均晶粒尺寸。在一些實施例中，實質全部的鈦粉末的晶粒尺寸係小於或等於實質全部的鎢粉末的晶粒尺寸。舉例來說，在一些實施例中，鈦晶粒的平均晶粒尺寸係小於約30μm，或在一些實施例中係小於約20μm。在一些實施例中，鎢晶粒的平均晶粒尺寸係約20μm至約45μm。在一些實施例中，鈦粉末的平均晶粒尺寸和鎢粉末的平均晶粒尺寸係各約20μm至約30μm。在一些實施例中，在形成靶材之後，靶材可具有約60μm的平均鈦-鎢晶粒尺寸。
發明人已發現使用具有如上所討論之晶粒尺寸的鈦粉末和鎢粉末而形成的靶材有利地減少或消除在靶材114上的結核之形成。此外，發明人已進一步觀察到 如上所述而形成的靶材的使用期非預期地且有利地增加約五倍(舉例來說，從約70千瓦-小時增加至約350千瓦-小時)。
在一些實施例中，可選擇的週期性清潔製程係實施以移除在來源材料113之表面上所產生的結核。第2圖描繪依據本揭露書之一些實施例的移除在來源材料113之表面上所形成之結核的方法200。
該方法大體開始於202，其中靶材114被曝露至惰性氣體，諸如氬氣、氦氣或類似者。在一些實施例中，惰性氣體係以合適的流率而提供，舉例來說約200sccm。
於204，DC功率被以足以點燃惰性氣體並在第一容積120中形成電漿的第一功率施加至靶材114。在一些實施例中，第一功率係約500瓦。在一些實施例中，靶材114係曝露於由惰性氣體所形成之電漿約2秒。
於206，施加至靶材的DC功率被增加至第二功率，以從靶材114移除結核。在一些實施例中，第二功率係約1000瓦。在一些實施例中，靶材114係以第二功率而曝露至由惰性氣體所形成之電漿約600秒。
方法200可在處理預設數量之基板108之一或多個之後、預設數量之靶材壽命時數之後、觀察顆粒的增加之後，或類似者之後而實施。舉例來說，在一些實施例中，方法200可在處理每12個基板之後，或在靶材使用100千瓦-小時之後，或其結合之後而實施。在一些實 施例中，202-206可被重複適合從靶材114移除全部或實質全部的結核之一段時間。發明人已進一步觀察到從如上所述之鈦粉末和鎢粉末之混合物所形成的、並受方法200控制的靶材之靶材壽命可有利地且非預期地增加約7倍(舉例來說，從約70千瓦-小時增加至約500千瓦-小時)。
回到第1圖，腔室本體104包含用以接收基板108於上之基板支撐件106。基板支撐件106可位於下接地圍繞壁110內，下接地圍繞壁110可為腔室本體104的腔室壁。下接地圍繞壁110可被電性地耦合至腔室蓋101之接地組件103，使得RF返回路徑被提供至設置在腔室蓋101之上方的RF功率源182。替代地，其他RF返回路徑係可能的，諸如從基板支撐件106通過製程套組屏蔽件(如，以下所討論的屏蔽件138)且最終回到腔室蓋101之接地組件103的RF返回路徑。RF功率源182可如下所討論的提供RF功率至靶材組件102。
基板支撐件106具有面向靶材114(或來源材料)之主要表面的材料接收表面，並在相對於靶材114之主要表面的平面位置中支撐待由來自靶材114之材料濺射塗佈的基板108。在一些實施例中，基板108可藉由真空或靜電吸引而被保持於基板支撐件106上。在一些實施例中，基板支撐件106可包含可被用以提供靜電夾持功率或RF偏壓功率至基板支撐件106之電極(圖未示)。
基板支撐件106可支撐基板108於腔室本體104的第一容積120中。第一容積120可為腔室本體104之內部容積的一部分，該部分係於處理基板108期間用以處理基板108且可與內部容積的剩餘部分(如，非處理容積)分離。第一容積120被界定為於處理期間在基板支撐件106之上方的區域(舉例來說，當在處理位置中時，在靶材114和基板支撐件106之間)。
在一些實施例中，基板支撐件106可被垂直地移動，以允許待傳送至基板支撐件106上之基板108通過在腔室本體104之下面部分中的負載鎖定閥，或開口(圖未示)，並接著為了特別的應用而升高或降低。連接至底腔室壁124的波紋管122可被提供以維持腔室本體104之內部容積與腔室本體104外側的大氣分離。一或多個氣體可從氣源126通過質流控制器128而被供應至腔室本體104的下部分。抽氣埠130可被提供並經由閥132而耦接至泵(圖未示)，用以將腔室本體104的內側抽空，並用以幫助維持在腔室本體104內側的預定壓力。
腔室本體104進一步包括製程套組142。製程套組可包含第一環143(亦即，沉積環)及第二環144(亦即，覆蓋環)。在一些實施例中，第一環143係繞基板支撐件106之環形環，以屏蔽側壁和基板支撐件106之周邊邊緣免於製程沉積物。在一些實施例中，第二環144係設置於第一環143之上方的環形環，且大體係用以防止在基板之下方的沉積及幫助控制在基板的邊緣處或基板的邊 緣之下方的沉積。在一些實施例中，第一環143和第二環144可具有其他合適的構造，取決於基板和基板支撐件的幾何形狀。
腔室本體104進一步包含製程套組屏蔽件，或屏蔽件138，以環繞腔室本體104的處理或第一容積，並保護其他的腔室部件免於損壞及/或來自處理的汙染。在一些實施例中，屏蔽件138可為連接至腔室本體104之上接地圍繞壁116的突出部分140之接地屏蔽件。
屏蔽件138向下延伸且可包含一或多個側壁139，該一或多個側壁139經配置以圍繞第一容積120。第二環144放置於屏蔽件138之底U形部分之頂部上。在一些實施例中，如第1圖中所示，屏蔽件138的側壁139係實質垂直的，以提供具有大半徑的平坦區域，以防止可能黏著至屏蔽件之側壁139的所濺射的靶材材料之剝離。
在一些實施例中，磁鐵152可繞腔室本體104而設置，以選擇性地提供磁場於基板支撐件106和靶材114之間。舉例來說，如第1圖中所示，磁鐵152可繞下接地圍繞壁110的外側而設置於在當於處理位置中時剛好在基板支撐件106之上方的一區域中。在一些實施例中，磁鐵152可額外地或替代地設置於其他位置，諸如鄰近於上接地圍繞壁116。磁鐵152可為電磁鐵且可被耦接至功率源(圖未示)，用以控制由電磁鐵所產生的磁場之強度。
腔室蓋101大體包含繞靶材組件102而設置的接地組件103。接地組件103可包含可為大體平行並相對於靶材組件102之背側的接地板156。接地屏蔽件112可從接地板156並繞靶材組件102而延伸。
靶材組件102可包含相對於靶材114之背側並沿著靶材114之周邊邊緣而電性耦合至靶材114的來源分布板158。導電構件164可設置於來源分布板158和靶材114的背側之間，以從來源分布板158傳播RF能量至靶材114的周邊邊緣。
絕緣間隙180係提供於接地板156和來源分布板158、導電構件164及靶材114(及/或背板162)的外側表面之間。絕緣間隙180可充填有空氣或一些其他合適的介電材料，諸如陶瓷、塑膠或類似者。
在一些實施例中，靶材組件102可具有連接至電極154(如，RF饋送結構)之RF功率源182。RF功率源182可包含RF產生器及匹配電路(舉例來說)，以最小化在操作期間反射回至RF產生器之反射RF能量。舉例來說，藉由RF功率源182所供應的RF能量可在從約13.56MHz至約162MHz或更高之頻率範圍中。舉例來說，可使用非限制性的頻率，諸如13.56MHz、27.12MHz、60MHz或162MHz。
在一些實施例中，第二能量源183可被耦合至靶材組件102，以於處理期間提供能量至靶材114。在一些實施例中，第二能量源183可為DC功率源，以提供DC 能量(舉例來說)以強化靶材材料的濺射率(且因此強化在基板上的沉積率)。在一些實施例中，第二能量源183可為第二RF功率源(類似於RF功率源182)，以(舉例來說)第二頻率提供RF能量，該第二頻率不同於由RF功率源182所提供之RF能量的第一頻率。在第二能量源183為DC功率源之實施例中，第二能量源可在適合將DC能量電性耦合至靶材114的任何位置中(諸如電極154或一些其他導電構件)被耦合至靶材組件102。在第二能量源183為RF功率源之實施例中，第二能量源可經由電極154而耦合至靶材組件102。
靶材組件102可包含設置於靶材114之背側和來源分布板158之間的腔170。腔170可至少部分地容納磁控管組件196。在一些實施例中，腔170可被至少部分地充填冷卻流體192，諸如水(H2O)或類似物。磁控管組件196之一或多個部分可被至少部分地設置於腔170。磁控管組件提供緊鄰於靶材的旋轉磁場，以幫助在腔室本體104內的電漿處理。在一些實施例中，磁控管組件196包含耦接至磁鐵支撐構件172的複數個磁鐵188，磁鐵支撐構件172可在腔170內旋轉。
雖然前面部分係關於本揭露書的實施例，本揭露書的其他和進一步的實施例可經設計而不背離本揭露書的基本範圍。
200‧‧‧方法
202
204
206

Claims (20)

  1. 一種靶材，包括：一來源材料，主要地包括鈦(Ti)及鎢(W)，該來源材料從鈦粉末和鎢粉末之一混合物所形成，其中主要數量的該鈦粉末的一晶粒尺寸係小於或等於主要數量的該鎢粉末的一晶粒尺寸。
  2. 如請求項1所述之靶材，其中靶材包括實質由鈦(Ti)及鎢(W)所組成之一來源材料。
  3. 如請求項1所述之靶材，其中實質全部的該鈦粉末的該晶粒尺寸係小於或等於實質全部的該鎢粉末的該晶粒尺寸。
  4. 如請求項1所述之靶材，其中該靶材包括約90重量百分比的鎢(W)及約10重量百分比的鈦(Ti)。
  5. 如請求項1所述之靶材，其中該靶材進一步包括至少約98%的一密度。
  6. 如請求項1-5任一項所述之靶材，其中該鈦粉末之一平均晶粒尺寸係低於約20μm。
  7. 如請求項6所述之靶材，其中該鎢粉末之一平均晶粒尺寸係約20μm至約45μm。
  8. 如請求項1-5任一項所述之靶材，其中該鈦粉末之一平均晶粒尺寸和該鎢粉末之一平均晶粒尺寸 係各約20μm至約30μm。
  9. 一種形成一鈦-鎢(Ti-W)靶材之方法，包括以下步驟：混合一鎢粉末和一鈦粉末，以形成一混合物，其中在該混合物中之主要數量的該鈦粉末的一晶粒尺寸係小於或等於主要數量的該鎢粉末的一晶粒尺寸；壓緊該混合物；及加熱該混合物以形成該靶材。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該靶材包括約90重量百分比的鎢(W)及約10重量百分比的鈦(Ti)。
  11. 如請求項9所述之方法，其中該靶材進一步包括至少約98%的一密度。
  12. 如請求項9-11任一項所述之方法，其中該鈦粉末之一平均晶粒尺寸係低於約20μm。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該鎢粉末之一平均晶粒尺寸係約20μm至約45μm。
  14. 如請求項9-11任一項所述之方法，其中該鈦粉末之一平均晶粒尺寸和該鎢粉末之一平均晶粒尺寸係各約20μm至約30μm。
  15. 一種從一靶材移除多個結核之方法，包括以下步驟： (a)將該靶材曝露至一惰性氣體，其中該靶材包括一來源材料，主要地包括鈦(Ti)及鎢(W)，該來源材料從鈦粉末和鎢粉末之一混合物所形成，且其中主要數量的該鈦粉末的一晶粒尺寸係小於或等於主要數量的該鎢粉末的一晶粒尺寸；(b)以一第一功率而施加DC功率至該靶材，以點燃該惰性氣體以形成一電漿；及(c)增加施加至該靶材之該DC功率至一第二功率，以從該靶材移除多個結核。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該惰性氣體係氬氣。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該第一功率係約500瓦。
  18. 如請求項17所述之方法，進一步包括以下步驟：以該第一功率將該靶材曝露至該惰性氣體約2秒。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該第二功率係約1000瓦。
  20. 如請求項19所述之方法，進一步包括以下步驟：以該第二功率將該靶材曝露至該惰性氣體約600秒。
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