TW202235642A - 在基於物理氣相沉積的超薄氮化鋁薄膜中實現前所未有的結晶品質的系統和方法 - Google Patents

在基於物理氣相沉積的超薄氮化鋁薄膜中實現前所未有的結晶品質的系統和方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種用於將超薄薄膜沉積於晶圓上之方法。該方法包含以下步驟。提供濺鍍腔，其中該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定。將晶圓置於該晶圓處置裝置之晶圓夾盤上。將該晶圓夾盤移動至距該磁控管之第一距離。將氣體引入該濺鍍腔，使得該氣體分離成電漿，其中該電漿包括氣體離子。當具有該晶圓之該晶圓夾盤處於距該磁控管之該第一距離時，對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位。將該晶圓夾盤移動至距該磁控管之第二距離。當具有該晶圓之該晶圓夾盤處於距該磁控管之該第二距離時，對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位。在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位之後，自該晶圓夾盤移出該晶圓。

Description

在基於物理氣相沉積的超薄氮化鋁薄膜中實現前所未有的結晶品質的系統和方法
本發明所揭示之內容大體上關於半導體製造；且尤其關於用於改良基於物理氣相沉積的氮化鋁薄膜的結晶品質的系統和方法。 相關申請案之交叉引用
本申請案主張2020年10月15日申請之共同擁有的美國臨時專利申請案序號63/092,207之優先權且與之相關，該臨時專利申請案名稱為：在基於物理氣相沉積的超薄氮化鋁薄膜中實現前所未有的結晶品質的系統和方法，此臨時專利申請案以引用之方式併入本文中。
氮化鎵（GaN）因其寬帶隙而廣泛用於LED及高功率微電子裝置中。矽（Si）晶圓上之GaN薄膜積體在大規模CMOS裝置中提供巨大潛力。然而，由於大晶格失配及熱膨脹係數之差異，直接在Si晶圓上生長磊晶GaN薄膜存在重大挑戰。此問題可藉由使用包夾在Si與GaN之間的相容緩衝層來克服，以使晶格失配減至最少且允許磊晶GaN薄膜的生長。在諸如碳化矽（SiC）、氮化鋁（AlN）、砷化鎵（GaAs）及氮化矽（Si 3N 4）之各種緩衝層中，已知AlN促進GaN薄膜之最高品質、無裂紋生長。由於AlN緩衝層之品質至關重要，因此已採用數種沉積技術，包括分子束磊晶法（MBE）、原子層沉積及金屬有機化學氣相沉積（MOCVD），該等技術本質上有毒或需要昂貴設置。物理氣相沉積（PVD）因其高生長速率而成為前述技術之更好替代品。亦有必要確保基於PVD之AlN緩衝層的一致性及品質。
先前技術中沒有任何內容提供與本發明相伴的益處。
因此，本發明之一目標為提供一種改良，其克服先前技術裝置之不足且為對使用磁控管系統之進步的重大貢獻。
本發明之另一目標為提供一種用於將超薄膜沉積於晶圓上之方法，其包含提供濺鍍腔，該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定；將晶圓置於晶圓處置裝置之晶圓夾盤上；將具有晶圓之晶圓夾盤移動至距磁控管之第一距離；將氣體引入濺鍍腔，使得氣體分離成電漿，其中電漿包括氣體離子；當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第一距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位；在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第一轉速旋轉晶圓；及在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位之後，自晶圓夾盤移出晶圓。
本發明之另一目標為提供一種用於將超薄膜沉積於晶圓上之方法，其包含提供濺鍍腔，該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定；將晶圓置於晶圓處置裝置之晶圓夾盤上；將具有晶圓之晶圓夾盤移動至距磁控管之第一距離；將氣體引入濺鍍室，使得氣體分離成電漿，其中電漿包括氣體離子；及當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第一距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位；將具有晶圓之晶圓夾盤移動至距磁控管之第二距離；當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第二距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位；及在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位之後，自晶圓夾盤移出晶圓。
本發明之另一目標為提供一種用於將超薄膜沉積於晶圓上之系統，其包含濺鍍腔；磁體構件，其位於濺鍍靶材附近且經組態用於操縱濺鍍靶材表面處之磁場；晶圓處置裝置，其位於濺鍍靶材上方，具有垂直桿及晶圓夾盤，晶圓夾盤具有經組態以向晶圓施加熱量之熱電構件；提昇構件，其用於提昇或降低晶圓夾盤；旋轉構件，其與垂直桿連通，用於旋轉晶圓夾盤；及複數個銷構件，其用於接收晶圓且將晶圓固持在晶圓夾盤之底面。
前述內容已概述本發明之一些相關目標。此等目標應視為僅說明預期發明之一些更突出的特徵及應用。許多其他有益結果可藉由以不同方式應用所揭示之本發明或在本發明之範圍內修改本發明來獲得。因此，除由申請專利範圍所定義之本發明範圍外，藉由參考發明內容及較佳具體實例之詳細描述，結合隨附圖式可獲得其他目標及對本發明之更全面理解。
本文所述之發明提供在基於物理氣相沉積的超薄氮化鋁薄膜中實現前所未有的結晶品質的系統和方法。
本發明之一特徵為提供一種用於將超薄膜沉積於晶圓上之方法。該方法包含以下步驟。提供濺鍍腔，其中該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定。將晶圓置於晶圓處置裝置之晶圓夾盤上。可使用複數個銷構件將晶圓緊固在晶圓處置裝置之晶圓夾盤的底面。將晶圓夾盤移動至距磁控管之第一距離。將氣體引入濺鍍腔，使得氣體分離成電漿，其中電漿包括氣體離子。當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第一距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第一轉速旋轉晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位之後，自晶圓夾盤移出晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，可使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第一轉速連續旋轉晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，可使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉晶圓。在對磁控管之濺鍍靶材施加第一負電位之前，可將原位蝕刻製程應用於晶圓。該方法可進一步包含將具有晶圓之晶圓夾盤移動至距磁控管之第二距離；當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第二距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位；及在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位之後，自晶圓夾盤移出晶圓。該方法可進一步包含在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第二轉速旋轉晶圓。該方法可進一步包含在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第二轉速連續旋轉晶圓。該方法可進一步包含在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉晶圓。晶圓可經由晶圓處置裝置之晶圓夾盤加熱。晶圓可加熱至400-650攝氏度範圍內之溫度。晶圓夾盤可藉由垂直桿降至濺鍍腔中，且其中垂直桿與晶圓處置裝置之提昇構件可操作地關聯。晶圓夾盤可藉由垂直桿旋轉，且其中垂直桿與晶圓處置裝置之旋轉構件可操作地關聯。晶圓夾盤可在10-50轉/分之間旋轉。複數個銷構件中之至少一個銷可進一步包含垂直部分及橫向部分。複數個銷構件中之至少一個銷可進一步包含帽。複數個銷構件中之每個銷可經由各自的緊固件安置。每個銷之每個垂直部分可由位於銷帽與緊固件之間的彈簧進行護套。
本發明之另一特徵為提供一種用於將超薄膜沉積於晶圓上之方法。該方法包含以下步驟。提供濺鍍腔，其中該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定。將晶圓置於晶圓處置裝置之晶圓夾盤上。可使用複數個銷構件將晶圓緊固在晶圓處置裝置之晶圓夾盤的底面。將晶圓夾盤移動至距磁控管之第一距離。將氣體引入濺鍍腔，使得氣體分離成電漿，其中電漿包括氣體離子。當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第一距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位。將晶圓夾盤移動至距磁控管之第二距離。當具有晶圓之晶圓夾盤處於距磁控管之第二距離時，對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位之後，自晶圓夾盤移出晶圓。在對磁控管之濺鍍靶材施加第一負電位之前，可將原位蝕刻製程應用於晶圓。該方法可進一步包含在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第一轉速旋轉晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，可使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第一轉速連續旋轉晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位期間，可使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉晶圓。該方法可進一步包含在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位期間，使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第二轉速旋轉晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位期間，可使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以第二轉速連續旋轉晶圓。在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位期間，可使用晶圓處置裝置之晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉晶圓。晶圓可經由晶圓處置裝置之晶圓夾盤加熱。晶圓可加熱至400-650攝氏度範圍內之溫度。晶圓夾盤可藉由垂直桿降至濺鍍腔中，且其中垂直桿與晶圓處置裝置之提昇構件可操作地關聯。晶圓夾盤可藉由垂直桿旋轉，且其中垂直桿與晶圓處置裝置之旋轉構件可操作地關聯。晶圓夾盤可在10-50轉/分之間旋轉。複數個銷構件中之至少一個銷可進一步包含垂直部分及橫向部分。複數個銷構件中之至少一個銷可進一步包含帽。複數個銷構件中之每個銷可經由各自的緊固件安置。每個銷之每個垂直部分可由位於銷帽與緊固件之間的彈簧進行護套。
本發明之另一特徵為提供一種用於將超薄膜沉積於晶圓上之系統。該系統包含濺鍍腔及磁體構件，該磁體構件位於濺鍍靶材附近且經組態用於操縱濺鍍靶材表面處之磁場。晶圓處置裝置，其位於濺鍍靶材上方，具有垂直桿及晶圓夾盤。晶圓夾盤具有經組態以向晶圓施加熱量之熱電構件。提昇構件，其用於提昇或降低晶圓夾盤。旋轉構件，其與垂直桿連通，用於旋轉晶圓夾盤。複數個銷構件，其用於接收晶圓且將晶圓固持在晶圓夾盤之底面。磁體構件可進一步包含具有第一複數個磁體對之外部磁體構件、具有第二複數個磁體對之內部磁體構件及複數個極片，其中每個磁體構件接觸複數個極片中之至少兩個極片。晶圓處理構件可進一步包含位於磁體構件上方之主板，使得晶圓夾盤及垂直桿降低至主板下方及濺鍍靶材上方。複數個銷構件可圍繞晶圓夾盤環形地限定，用於接收晶圓。複數個銷構件中之至少一個銷可進一步包含垂直部分及橫向部分。複數個銷構件中之至少一個銷可進一步包含帽。複數個銷構件中之每個銷可經由各自的緊固件安置。每個銷之每個垂直部分可由位於銷帽與緊固件之間的彈簧進行護套。
前述內容已相當廣泛地概述本發明之更相關及重要的特徵，以便可更好地理解以下本發明之實施方式，從而可更充分地瞭解本發明對此項技術之貢獻。下文將描述本發明之額外特徵，其形成本發明之申請專利範圍的主題。所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，所揭示之概念及特定具體實例可易於用作修改或設計用於實現本發明之相同目的之其他結構的基礎。所屬技術領域中具有通常知識者亦應認識到，此類等效構造不脫離如在所附申請專利範圍中所闡述的本發明之精神及範圍。
本文揭示用於將超薄氮化鋁（AlN）薄膜沉積於任意晶圓上之系統及相關方法的各種具體實例。詳言之，該系統包括共同限定濺鍍腔之磁控管及具有熱晶圓夾盤之提昇旋轉晶圓處置裝置，可操作用於接受晶圓，將晶圓降低至濺鍍腔中且隨後將AlN薄膜沉積於晶圓上。揭示一種薄膜沉積方法，其中在濺鍍腔內在特定條件下處理晶圓，以將AlN薄膜沉積於晶圓上。濺鍍腔及薄膜沉積方法一起使用時，在30 nm AlN薄膜中產生約2.0度之半高全寬（FWHM）。參照圖式，示出用於將超薄氮化鋁薄膜沉積於任意晶圓上之系統及相關方法的具體實例，且在圖 1-17中一般表示為 100及 200。 系統概述
如圖 1-3所示，顯示用於將超薄AlN薄膜沉積於任意晶圓 10上之系統 100，其包括磁控管 102及位於磁控管 102上方之晶圓處置裝置 104。在一些具體實例中，濺鍍腔 103被限定為在晶圓處置裝置 104下方及磁控管 102上方形成之封閉空間，如圖 3所示。在一些具體實例中，濺鍍腔 103由濺鍍盒 173封閉，該濺鍍盒可包括一或多個晶圓槽 177，用於將晶圓 10插入及移出濺鍍腔 103。在一種方法中，晶圓 10由晶圓處置裝置 104降至濺鍍腔 103中，且保持在磁控管 102上方。系統 100之磁控管 102包括負偏壓靶材 120（圖4），其面向晶圓 10，用於將材料自靶材 120沉積於晶圓 10上。惰性氣體在超高真空下引入系統 100中，使得氣體被自由電子電離成帶正電荷之離子，且此等離子被吸引朝向負偏壓靶材 120。當氣體離子撞擊靶材 120之表面時，材料分子自靶材 120擊落且黏附至晶圓 10。在一些具體實例中，目標系統 100之晶圓處置裝置 104可操作用於接合晶圓 10，且在磁控管 102之靶材 120上方提昇、降低及/或旋轉晶圓 10，以在晶圓 10相對於靶材 120之受控高度及轉速下沉積於晶圓 10上。在一些具體實例中，晶圓處置裝置 104包括晶圓夾盤 140，用於接合晶圓 10且使用複數個銷構件 150（圖 11）來接收晶圓且將晶圓固持在晶圓夾盤 140之底面。當晶圓 10由晶圓夾盤 140接合時，晶圓夾盤 140亦有助於處理晶圓 10。在一些具體實例中，晶圓夾盤 140可操作用於在濺鍍製程期間經由熱電構件 145（圖 15）向晶圓 10施加熱量。在一些具體實例中，系統 100進一步包括計算系統 300，用於控制磁控管 102及晶圓處置裝置 104，且提供對晶圓 10之即時應力控制及調整濺鍍製程。 方法概述
本文揭示一種將超薄膜沉積於任意晶圓 10上之方法。晶圓 10由複數個銷構件 150（圖 11）接收，且緊固在晶圓處置裝置 104之晶圓夾盤 140（圖 11），隨後降低至濺鍍腔 103中至位於磁控管 102上方之第一距離處。隨後，藉由應用原位蝕刻製程及預加熱晶圓 10來預處理晶圓 10。晶圓 10藉由晶圓夾盤 140之熱電構件 145加熱至400-650攝氏度範圍內的溫度。在一些具體實例中，在蝕刻製程之後立即進行晶圓夾盤 140（圖 13）對晶圓 10之預加熱。一旦加熱，晶圓 10由晶圓處置裝置 104以10-50轉/分之第一轉速旋轉。當晶圓 10加熱至400至650攝氏度之溫度且由晶圓處置裝置 104旋轉時，超薄膜沉積於晶圓 10上。沉積包括將反應性氣流引入濺鍍腔 103，且對磁控管 102之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位以啟動濺鍍製程。在薄膜沉積後允許晶圓 10冷卻。晶圓 10自晶圓處置裝置 102之晶圓夾盤 140釋放，且可經由負載鎖槽 176自濺鍍腔 103中取出。
在本發明之另一具體實例中，本文揭示另一種將超薄膜沉積於任意晶圓 10上之方法。晶圓 10由複數個銷構件 150（圖 11）接收，且緊固在晶圓處置裝置 104之晶圓夾盤 140（圖 11），隨後降低至濺鍍腔 103中至位於磁控管 102上方之第一距離處。隨後，藉由應用原位蝕刻製程及預加熱晶圓 10來預處理晶圓 10。晶圓 10藉由晶圓夾盤 140之熱電構件 145加熱至400-650攝氏度範圍內的溫度。在一些具體實例中，在蝕刻製程之後立即進行晶圓夾盤 140（圖 13）對晶圓 10之預加熱。一旦加熱，晶圓 10由晶圓處置裝置 104以10-50轉/分之第一轉速旋轉。當晶圓 10加熱至400至650攝氏度之溫度且由晶圓處置裝置 104旋轉時，AlN薄膜沉積於晶圓 10上。沉積包括將反應性氣流引入濺鍍腔 103，且對磁控管 102之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位以啟動濺鍍製程。隨後，晶圓 10由晶圓處置裝置 104以10-50轉/分之第二轉速旋轉。當晶圓 10加熱至400至650攝氏度之溫度且由晶圓處置裝置 104旋轉時，超薄膜沉積於晶圓 10上。沉積包括將反應性氣流引入濺鍍腔 103，且對磁控管 102之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位以啟動濺鍍製程。在薄膜沉積後允許晶圓 10冷卻。晶圓 10自晶圓處置裝置 102之晶圓夾盤 140釋放，且可經由負載鎖槽 176自濺鍍腔 103中取出。
在本發明之任何具體實例中，晶圓夾盤之晶圓的第一轉速可等於、大於或低於晶圓夾盤之晶圓的第二轉速。
在本發明之任何具體實例中，可謹慎地、連續地及/或可變地調整晶圓夾盤之晶圓轉速。藉由晶圓夾盤對晶圓之轉速的調整可在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加負電位之前、期間及/或之後。
在本發明之任何具體實例中，距磁控管之第一距離可等於、大於或小於距磁控管之第二距離。
在本發明之任何具體實例中，可謹慎地、連續地及/或可變地調整距磁控管之距離。對距磁控管之距離的調整可在對磁控管之至少一個濺鍍靶材施加負電位之前、期間及/或之後。
在本發明之任何具體實例中，對磁控管之至少一個濺鍍靶材的第一負電位可等於、大於或小於對磁控管之至少一個濺鍍靶材的第二負電位。
在本發明之任何具體實例中，可謹慎地、連續地及/或可變地調整對磁控管之至少一個濺鍍靶材之負電位的施加。
在本發明之任何具體實例中，對至少一個濺鍍靶材施加第一負電位及對至少一個濺鍍靶材施加第二負電位可為對同一濺鍍靶材或對不同濺鍍靶材。
先前技術採用昂貴的工具，使用有毒的前驅體或更高的生長溫度（＞1000℃）沉積AlN層用於GaN磊晶，諸如分子束磊晶法及金屬有機化學氣相沉積。相比之下，系統 100及相關方法 200能夠以相對較低的成本實現超薄AlN層的高品質生長，具有對CMOS積體的高相容性、低熱預算及原位殘餘應力控制。 磁控管
參照圖 2-7，磁控管 102被顯示為限定底板構件 107及帶負電荷之靶材 120（圖 4），其中靶材 120擱置於底板構件 107內。磁控管 102進一步包括直接位於靶材 120下方的內部構件 111，內部構件 111具有外部磁性構件 112A及內部磁性構件 112B（圖 6）以及外部水套構件(outer water jacket assembly) 135A及內部水套構件(inner water jacket assembly) 135B（圖 6）。磁性構件 112A及 112B能夠精確控制靶材 120處之磁場，使得電子被限制於帶負電荷之靶材 120的表面。電子增強靶材 120附近之電離，且新形成之離子被吸引朝向靶材 120，使得分子自靶材 120射出且以薄膜形式黏附至晶圓。藉由磁性構件 112A及 112B控制磁場能夠將電子限制於靶材 120之特定區域，從而能夠控制濺鍍製程。在一些具體實例中，磁性構件 112A及 112B各自包覆於樹脂外殼 118A及 118B中（圖 7A及 7B）。如圖所示，底板構件 107進一步包括延伸穿過內部構件 111及靶材 120之各自中心的氣體塔 108（圖 4），以及用於在濺鍍腔 103處於超高真空下時向磁性構件 112A及 112B提供功率的功率饋通件（圖中未示）。磁控管 102亦包括用於冷卻功率饋通件 137之冷卻板 137及位於內部構件 111下方之底板構件 107。另外，當磁控管 102組裝用於將惰性氣體引入濺鍍腔 103時，磁控管氣體分配系統 132與氣體塔 108流體流動連通。
參照圖 4，靶材 120包括外部同心靶材 121及內部同心靶材 122，且在一些具體實例中，靶材 120為負偏壓的。當在濺鍍腔 103內使用時，帶正電荷之氣體離子被吸引朝向帶負電荷之外部同心靶材 121及內部同心靶材 122。具體而言，帶正電荷之氣體離子被吸引至靶材 120。此使得外部同心靶材 121及內部同心靶材 122之材料藉由帶正電荷之氣體離子的動量轉移自其各自的表面射出，且黏附至濺鍍腔 103內之晶圓 10。
在一些具體實例中，為了將AlN薄膜沉積於晶圓 10上，外部同心靶材 121及內部同心靶材 122由鋁構成。在一些具體實例中，外部同心靶材 121及內部同心靶材 122由環形靶材護罩 124分開或以其他方式彼此電絕緣。環形靶材護罩 124位於外部同心靶材 121與內部同心靶材 122之間，以提供結構支撐及/或電絕緣。
如上文所論述且如圖 5及 6所示，內部構件 111進一步包括磁性構件 112A及 112B，其經組態為感應磁場以將帶負電荷之電子限制於外部及內部同心靶材 121及 122之表面，從而藉由控制靶材 120附近之氣體電離來維持較高的濺鍍速率。磁性構件 112A及 112B反映靶材 120之同心組態。
參照圖 5-6B，顯示外部及內部磁體構件 112A及 112B。如上文所論述，外部及內部磁體構件 112A及 112B在濺鍍腔 103（圖 3）內感應磁場。內部磁體構件 112B之直徑小於外部磁體構件 112A之直徑，如圖 6所示。在一些具體實例中，外部磁體構件 112A之直徑為11吋且內部磁體構件 112B之直徑為7吋；然而，磁體構件 112之具體實例不限於此等直徑。外部磁體構件 112A包括複數個圍繞中心軸 Z同心排列之磁體對 113（圖 7A）。同樣，內部磁體構件 112B包括複數個圍繞中心軸 Z同心排列之磁體對 114（圖 7B）。
參照圖 7A及 7B，外部磁體構件 112A之每個磁體對 113包括與中心軸 Z對準之各自垂直定向的磁體 113A及垂直於與中心軸 Z對準之各自垂直定向的磁體 113A定向的各自水平定向的磁體 113B。同樣，內部磁體構件 112B之每個磁體對 114包括與中心軸 Z對準之各自垂直定向的磁體 114A及垂直於與中心軸 Z對準之各自垂直定向的磁體 114A定向的各自水平定向的磁體 114B。每個磁體 113A、 113B、 114A及 114B為永久磁體。
在圖 6-7B所示之一些具體實例中，磁性構件 112A及 112B限定磁路，其藉由外部磁體構件 112A與內部磁性構件 112B之組件之間的連接完成。在一些具體實例中，外部磁體構件 112A包括第一外部極片 116A，其位於每個垂直定向的磁體 113A下方且相對於每個水平定向的磁體 113B位於外部，用於結構支撐及完成每個垂直定向的磁體 113A與每個水平定向的磁體 113B之間的磁性連接。此外，外部磁體構件 112A包括第一內部極片 115A，其位於每個水平定向的磁體 113B內部，用於額外的結構支撐及完成外部磁體構件 112A之每個水平定向的磁體 113B與內部磁體構件 112B之每個垂直定向的磁體 113A之間的磁性連接。同樣，內部磁體構件 112B包括第二外部極片 116B，其位於每個垂直定向的磁體 114A下方且相對於每個水平定向的磁體 114B位於外部，用於完成每個垂直定向的磁體 114A與每個水平定向的磁體 114B之間的磁性連接，以及第二內部極片 115B，其位於每個水平定向的磁體 114B內部，用於結構支撐及完成磁性連接。在一些具體實例中，在外部磁體構件 112A上方包括上部極片 117，用於完成磁路。在一些具體實例中，包括上部極片 117、第一及第二外部極片 116A及 116B以及第一及第二內部極片 115A及 115B之每個極片包括複數個自對準凹痕 119，用於接收及對準每個磁體 113A、 113B、 114A及 114B。每個極片 117、 115A、 115B、 116A及 116B迫使每個磁體 113A、 113B、 114A及 114B與極片 117、 115A、 115B、 116A及 116B磁性對準，改良磁性均勻性及通過永久磁體 113A、 113B、 114A及 114B之磁通量。
為了形成外部磁體構件 112A，外部磁體構件 112A之每個磁體對 113包覆於非導電樹脂 118A（圖中未示）中，以提供結構支撐以及防止磁體對 113移位。同樣，為了形成內部磁體構件 112B，內部磁體構件 112B之每個磁體對 114包覆於非導電樹脂 118B中，以提供結構支撐以及防止磁鐵對 114移位。此外，在一些具體實例中，每個極片 117、 115A、 115B、 116A及 116B囊封於非導電樹脂 118A及 118B中。 晶圓處置裝置
參照圖 2及 8-16，顯示晶圓處置裝置 104包括晶圓夾盤 140，晶圓夾盤 140限定於垂直桿 182之下端且可操作以接收晶圓 10。如圖所示，垂直桿 182藉由饋通件 181與饋通板 180相關聯，提昇構件 172用於提昇或降低饋通板 180，從而使晶圓夾盤 140在相對於主板 185之軸向方向 A或 B上提昇或降低，以及旋轉構件 170與饋通件 181及垂直桿 182連通，用於垂直桿 182及晶圓夾盤 140的旋轉。如圖 14A具體所示，提昇構件 172可操作用於將晶圓夾盤 140提昇至「晶圓裝載」位置，使得安置於晶圓夾盤 140周圍之複數個銷構件 150打開且接收晶圓 10。如圖 14B所示，提昇構件 172亦可操作用於將晶圓夾盤 140降低至「晶圓處理」位置，使得複數個銷構件 150將晶圓 10緊固在晶圓夾盤 140之底面。
晶圓處置裝置 104進一步包括熱電構件 145及晶圓夾盤氣體構件 146，與饋通件 181、垂直桿 182及晶圓夾盤 140相關聯，用於將功率及氣體引入至晶圓夾盤 140。晶圓處置裝置 104經組態以位於磁控管 102（圖 4）之靶材 120上方，用於將材料物理氣相沉積於晶圓 10上。如圖所示，在磁控管 102之靶材 120與封閉濺鍍腔 103之晶圓處置裝置 104之主板 185之間包括護罩 175。
參照圖 2、 14A及 14B，在一些具體實例中，複數個銷構件 150包括「L」形銷 153，其包括垂直部分 153A及橫向部分 153B。如圖 14A具體所示，每個垂直部分 153A包括銷帽 156，其在處於「晶圓裝載」位置時接觸主板 185之底面 186（圖 10）。每個銷構件 150經由各自的緊固件 155安置，每個緊固件 155與晶圓夾盤 140之圓周邊緣嚙合。在一些具體實例中，銷 153之每個垂直部分 153A由位於銷帽 156與緊固件 155之間的彈簧 154進行護套，允許每個銷構件 150在處於「晶圓處理」位置時將晶圓 10緊握在晶圓夾盤 140之底面，如圖 14B所示。參照圖 14A，當垂直桿 182及晶圓夾盤 140提昇至「晶圓裝載」位置時，每個銷帽 156接觸主板 185之底面 186且壓縮每個彈簧 154，使得每個各自的銷 153降低至「晶圓裝載」位置，使每個銷 153之橫向部分 156與晶圓夾盤 140之底面之間的轉移間隙達到最大，從而使得晶圓 10可插入或移出。如圖 14B所示，垂直桿 182及晶圓夾盤 140自裝載位置下降，銷帽 156不再接觸主板 185之底面 186，每個彈簧 154將被允許採取減壓狀態且將每個銷 153提昇至「晶圓處理」位置。在此「晶圓處理」位置，晶圓 10夾持在晶圓夾盤 140底面之適當位置，以由每個銷構件 150之橫向部分 153B進行處理。
圖 11-13示出限定在垂直桿 182下端之晶圓夾盤 140。如圖所示，晶圓夾盤 140包括複數個銷構件 150，其可操作用於接受及將電子晶圓 10緊固在晶圓夾盤 140之底面。在一些具體實例中，晶圓夾盤 140與用於向晶圓 10施加熱量之熱電構件 145電連通，且可包括一或多個用於產生熱量之加熱元件（圖中未示）。如圖 15所示，晶圓夾盤 140包括限定在晶圓夾盤組件 141上方之上部護罩 142、限定在晶圓夾盤組件 141下方之下部護罩 143以及囊封晶圓夾盤組件 141之外部覆蓋物 144，其全部用於保存熱量且將熱量導向晶圓夾盤組件 141，從而導向電子晶圓 10。晶圓夾盤 140亦包括複數個用於電及熱絕緣之間隔件 148。在一些具體實例中，複數個間隔件 148中之每一者具有熱及電絕緣材料，諸如陶瓷。
直接參照圖 16，晶圓夾盤氣體構件 146包含與外部氣體來源（圖中未示）流體流動連通的氣體入口 194，用於引入非反應性氣體，通常為氬氣，以便在晶圓 10上進行物理氣相沉積。氣體入口 194將氣體自外部來源（圖中未示）轉移至氣體管線 195。在一些具體實例中，沿著氣體管線 195包括低溫斷路 196，以便在氣體管線 195斷裂或以其他方式損壞時提供安全措施。如圖所示，氣體管線 195在旋轉接頭 192處終止，用於在經加熱夾盤 140及垂直桿 182由旋轉構件 170旋轉時，維持與經加熱夾盤 140之流體流動連通。旋轉接頭 192及氣體管線 195由上部框架 187支撐在饋通板 180上方。二級氣體管線 197將旋轉接頭 192連接至晶圓夾盤 140，且在一些具體實例中，向下延伸穿過垂直桿 182，終止於限定在晶圓夾盤 140底面之一或多個小孔 147（圖 13）中。在晶圓夾盤 140處引入氣體，同時向晶圓 10施加熱量，此允許改良整個晶圓 10之熱分佈均勻性。
參照圖 17A及 17B，晶圓夾盤 10安置於限定濺鍍腔 103之磁控管 102之靶材 120上方。護罩 175緊固在晶圓處置裝置 104之主板 185下方且囊封晶圓夾盤 10，使得濺鍍腔 103內之環境在氣流速率及壓力方面得到控制，如圖 17B之組裝視圖中具體所示。如圖所示，護罩 175包括用於在「晶圓裝載」位置時插入晶圓 10之槽 176。在「晶圓處理」位置時，當晶圓 10在濺鍍腔 103內處理時，槽 176由槽防護件 175密封，該槽防護件可操作以移入及移出，以允許當晶圓夾盤 140處於「晶圓裝載」位置時插入及移出晶圓 10，及當晶圓夾盤 140處於「晶圓處理」位置時密封槽 176。 物理氣相沉積方法
在使用濺鍍腔 103將超薄AlN薄膜沉積於任意晶圓 10上之一種方法中，晶圓 10首先由晶圓處置裝置 102接收且降低至濺鍍腔 103中，在濺鍍腔 103內進行預處理，由晶圓處置裝置 104之晶圓夾盤 140加熱且由晶圓處置裝置 104旋轉。在此等初步步驟後，對晶圓 10進行濺鍍製程，其中向磁控管 102施加功率。在濺鍍製程後，冷卻且移出晶圓。
晶圓 10由複數個銷構件 150接收，夾持在晶圓處置裝置 104之晶圓夾盤 140，且降低至濺鍍腔 103中磁控管 102上方。在一些具體實例中，晶圓 10經由槽 176插入濺鍍腔 103中且由複數個銷構件 150接收。一旦接收，垂直桿 182藉由提昇構件 172將晶圓夾盤 140提昇至相對於主板 185之最大高度，進入「晶圓裝載」位置。在「晶圓裝載」位置時，複數個銷構件 150可操作以打開且接收晶圓 10，如圖 14A所示。垂直桿 182將晶圓夾盤 10降低至相對於濺鍍腔 103內之主板 185的可變「晶圓處理」位置，如 14B所示。在此位置中，複數個銷構件 150物理夾持晶圓 10在晶圓夾盤 140之底面。
晶圓 10在沉積AlN薄膜之前經預處理。對晶圓 10進行原位蝕刻製程，且預加熱晶圓 10。在原位蝕刻製程中，使用原位蝕刻配方在氬氣電漿中以300 W蝕刻晶圓 10。將晶圓 10加熱至400至650攝氏度之溫度。在蝕刻製程之後進行加熱，且將晶圓 10自室溫逐漸加熱至400-650攝氏度。經由晶圓夾盤 140之熱電構件 145向晶圓 10施加熱量。在一些具體實例中，如上文所論述，藉由晶圓夾盤氣體構件 146在晶圓夾盤 140處引入氣體，同時加熱晶圓 10，使得熱量在晶圓 10上均勻分佈。熱電構件 145在整個濺鍍製程中繼續將晶圓 10之溫度維持在400-650攝氏度之溫度範圍內。
晶圓 10藉由晶圓處置裝置 104之旋轉構件 170在濺鍍腔 103內旋轉。垂直桿 182藉由旋轉構件 170之操作使晶圓夾盤 140及晶圓 10旋轉，使得在晶圓 10旋轉的同時，晶圓 10可被來自磁控管 102之靶材 120的分子接觸。在一些具體實例中，旋轉速率為在每分鐘10-50轉（rpm）範圍內之速率。旋轉構件 170在整個濺鍍製程中繼續旋轉晶圓 10，提供晶圓 10之旋轉與高溫下之原位晶圓加熱。磁控管 102對晶圓 10施加濺鍍製程。惰性氣體經由磁控管 102之氣體塔 108引入濺鍍腔 103。在一些具體實例中，氣體為氬氣（Ar）及氮氣（N 2），且以5-10 cm³/min及10-20 cm³/min之各自速率引入。控制濺鍍腔 103內之氣氛，使得惰性氣體分離成帶正電荷之離子及帶負電荷之電子，從而產生電漿。將3-5 kW範圍內之交流電施加至磁控管 102以使靶材 120帶負電荷。引入的帶正電荷之離子經加速進入負偏壓靶材 120。帶正電荷之離子經加速，且以足夠的力量撞擊帶負電荷之靶材 120，使來自靶材 120之微觀材料分子移位及彈出。此類材料分子隨後聚集於晶圓表面上。由內部構件 111之磁體構件 112A及 112B產生的磁場藉由將帶負電荷之電子限制於靶材 120之表面來輔助此製程。受限制的帶負電荷之電子將帶正電荷之離子吸引至靶材 120之表面，隨後使靶材之材料分子移位。在一些具體實例中，磁場經調整以使得帶負電荷之電子最佳地排列於靶材 120上，以實現均勻沉積且使分子自靶材 120至晶圓 10上之沉積速率更快。
一旦晶圓 10經處理，使晶圓 10冷卻且隨後自濺鍍腔 103移出晶圓 10。垂直桿 182將晶圓夾盤 140提昇且返回至「晶圓裝載」位置，其中複數個銷構件 150釋放晶圓 10，保持打開且處於適當位置以接收另一個晶圓 10。晶圓 10可經由槽 176自濺鍍腔 103移出。
在一些具體實例中，系統 100與用於控制磁控管 102及晶圓處置裝置 104之計算系統通信。在一些具體實例中，計算系統可接收來自磁控管 102及晶圓處置裝置 104之反饋，以調整用於即時控制晶圓 140之參數，該等參數包括但不限於：晶圓溫度、晶圓位置、指示磁控管功能之參數以及與薄膜厚度、均勻性及/或完整性有關之資料。計算系統亦可操作以儲存及執行用於控制磁控管 102及晶圓處置裝置 104之指令，且特定言之，控制晶圓處置裝置 104之旋轉構件 170及提昇構件 172以及控制磁控管 102之靶材 120及磁體構件 112A及 112B。在一些具體實例中，計算系統亦可操作以控制熱電構件 145及控制來自晶圓處置裝置 104之氣體構件 146及磁控管 102之氣體分配系統 132的氣流。 結果及測試資料
系統 100採用具有晶圓夾盤 140之晶圓處置裝置 104以在超薄AlN薄膜中實現高品質，提供晶圓 10之旋轉與高溫下之原位加熱。高溫為AlN吸附原子提供高活化能，導致更好的表面擴散，從而在超薄AlN薄膜中產生良好的晶體。晶圓至靶材之距離亦可藉由將晶圓 10降低至濺鍍腔 103中相對於靶材 120之所選高度來調整。濺鍍腔 103能夠在30 nm薄膜中實現約2.0度之搖擺曲線的半高全寬（FWHM），其與先前報告之結果相比為前所未有的。系統 100實現之FWHM值與其他習知系統相比具有高度競爭性，尤其在考慮30 nm厚度的超薄薄膜時。
本揭示內容包括所附申請專利範圍中所含之內容，以及前述說明書之內容。儘管本發明以其較佳形式以一定程度的特殊性進行描述，但應理解，較佳形式之本揭示內容僅以舉例的方式進行，且可在不背離本發明之精神及範圍的情況下採用構造細節及部分之組合及佈置的許多變化。
10:晶圓 100:系統 102:磁控管 103:濺鍍腔 104:晶圓處置裝置 107:底板構件 108:氣體塔 111:內部構件 112A:外部磁性構件 112B:內部磁性構件 113:磁體對 113A:垂直定向的磁體 113B:水平定向的磁體 114:磁體對 114A:垂直定向的磁體 114B:水平定向的磁體 115A:第一內部極片 115B:第二內部極片 116A:第一外部極片 116B:第二外部極片 117:上部極片 118A,118B:非導電樹脂 119:自對準凹痕 120:靶材 121:外部同心靶材 122:內部同心靶材 124:環形靶材護罩 132:氣體分配系統 135A:外部水套構件 135B:內部水套構件 140:晶圓夾盤 141:晶圓夾盤組件 142:上部護罩 143:下部護罩 144:外部覆蓋物 145:熱電構件 146:晶圓夾盤氣體構件 147:小孔 148:間隔件 150:銷構件 153:「L」形銷 153A:垂直部分 153B:橫向部分 154:彈簧 155:緊固件 156:銷帽 170:旋轉構件 172:提昇構件 173:濺鍍盒 175:護罩/槽防護件 176:負載鎖槽 177:晶圓槽 180:饋通板 181:饋通件 182:垂直桿 185:主板 186:底面 187:上部框架 192:旋轉接頭 194:氣體入口 195:氣體管線 196:低溫斷路 197:二級氣體管線
[圖 1]為顯示用於在任意晶圓上進行物理氣相沉積之系統的透視圖，該系統包括共同限定濺鍍腔之晶圓處置裝置及磁控管；
[圖 2]為圖 1之系統的分解正視圖，顯示晶圓處置裝置，該裝置限定與垂直桿嚙合之晶圓夾盤，該垂直桿將晶圓夾盤降低至磁控管上方；
[圖 3]為圖 1之系統的橫截面圖，顯示共同限定濺鍍腔之晶圓處置裝置及磁控管；
[圖 4]為顯示圖 1之系統之磁控管的透視圖；
[圖 5]為顯示圖 4之磁控管之內部構件的正視圖；
[圖 6]為顯示圖 5之內部構件的分解視圖；
[圖 7A]及[圖 7B]為顯示圖 5之內部構件之各自外部及內部磁體構件的透視圖；
[圖 8]為顯示圖 1之系統之晶圓處置裝置的透視圖；
[圖 9]為顯示圖 8之晶圓處置裝置的正視圖；
[圖 10]為顯示圖 8之晶圓處置裝置的底部透視圖；
[圖 11]為顯示圖 8之晶圓處置裝置之晶圓夾盤的正視圖；
[圖 12]為顯示圖 11之晶圓夾盤的頂部透視圖；
[圖 13]為顯示圖 11之加熱晶圓夾盤的下方透視圖；
[圖 14A]及[圖 14B]為圖 8之晶圓處置裝置之銷構件在「晶圓裝載」位置(圖 14A)及「晶圓處理」位置(圖 14B)的各自視圖，其中晶圓存在；
[圖 15]為顯示與圖 8之晶圓處置裝置之上部框架及下部框架相關聯之氣體構件的正視圖；
[圖 16]為顯示圖 8之晶圓處置裝置之熱電構件及護罩的正視圖；及
[圖 17A]及[圖 17B]為圖 8之晶圓處置裝置之晶圓夾盤及圖 4之磁控管之底板的各自部分分解及組裝側視圖。
100:系統
102:磁控管
103:濺鍍腔
104:晶圓處置裝置
140:晶圓夾盤
150:銷構件
170:旋轉構件
172:提昇構件
182:垂直桿
185:主板

Claims (20)

  1. 一種用於將超薄薄膜沉積於晶圓上之方法，其包含： 提供濺鍍腔，該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定； 將該晶圓置於該晶圓處置裝置之晶圓夾盤上； 將具有該晶圓之該晶圓夾盤移動至距該磁控管之第一距離； 將氣體引入該濺鍍腔，使得該氣體分離成電漿，其中該電漿包括氣體離子； 當具有該晶圓之該晶圓夾盤處於距該磁控管之該第一距離時，對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位； 在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以第一轉速旋轉該晶圓；及 在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位之後，自該晶圓夾盤移出該晶圓。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以該第一轉速連續旋轉該晶圓。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉該晶圓。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含在對該磁控管之該濺鍍靶材施加該第一負電位之前，對該晶圓施加原位蝕刻製程。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包含使用複數個銷構件將該晶圓緊固在該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤的底面。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包含： 將具有該晶圓之該晶圓夾盤移動至距該磁控管之第二距離； 當具有該晶圓之該晶圓夾盤處於距該磁控管之該第二距離時，對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位；及 在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位之後，自該晶圓夾盤移出該晶圓。
  7. 如請求項6之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以第二轉速旋轉該晶圓。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以該第二轉速連續旋轉該晶圓。
  9. 如請求項7之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉該晶圓。
  10. 一種用於將超薄薄膜沉積於晶圓上之方法，其包含： 提供濺鍍腔，該濺鍍腔由晶圓處置裝置及磁控管共同限定； 將該晶圓置於該晶圓處置裝置之晶圓夾盤上； 將具有該晶圓之該晶圓夾盤移動至距該磁控管之第一距離； 將氣體引入該濺鍍腔，使得該氣體分離成一電漿，其中該電漿包括氣體離子；及 當具有該晶圓之該晶圓夾盤處於距該磁控管之該第一距離時，對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第一負電位； 將具有該晶圓之該晶圓夾盤移動至距該磁控管之第二距離； 當具有該晶圓之該晶圓夾盤處於距該磁控管之該第二距離時，對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加第二負電位；及 在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位之後，自該晶圓夾盤移出該晶圓。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包含使用複數個銷構件將該晶圓緊固在該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤的底面。
  12. 如請求項10之方法，其進一步包含在對該磁控管之該濺鍍靶材施加該第一負電位之前，對該晶圓施加原位蝕刻製程。
  13. 如請求項10之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以第一轉速旋轉該晶圓。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以該第一轉速連續旋轉該晶圓。
  15. 如請求項13之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第一負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉該晶圓。
  16. 如請求項13之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以第二轉速旋轉該晶圓。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以該第二轉速連續旋轉該晶圓。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包含在對該磁控管之至少一個濺鍍靶材施加該第二負電位期間，使用該晶圓處置裝置之該晶圓夾盤以不同的轉速可變地旋轉該晶圓。
  19. 一種用於將超薄薄膜沉積於晶圓上之系統，其包含： 濺鍍腔； 磁體構件，其位於濺鍍靶材附近且經組態用於操縱該濺鍍靶材之表面處的磁場； 晶圓處置裝置，其位於該濺鍍靶材上方，具有垂直桿及晶圓夾盤，該晶圓夾盤具有經組態以向該晶圓施加熱量之熱電構件； 提昇構件，其用於提昇或降低該晶圓夾盤； 旋轉構件，其與該垂直桿連通，用於旋轉該晶圓夾盤；及 複數個銷構件，其用於接收該晶圓且將該晶圓固持在該晶圓夾盤之底面。
  20. 如請求項19之系統，其中該複數個銷構件圍繞該晶圓夾盤環形地限定，用於接收晶圓。
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