TW301839B - - Google Patents

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Description

A7 3(51839 B7 五、發明説明（1 ) 本發明係相關薄膜沉澱領域，更明確相關於半導體稹 體電路製造時，固體材料的物理蒸氣沉澱。半導體電路基 底或晶圓片上，製造大型稹體電路（VLSI)，金屬層 的沉澱例如鋁是普通的處理步驟。一般而言，在一個晶園 片上形成很多裝置，這裝置有時稱爲稹體電路晶片'。 金屬層典型的使用於裝置的互連，晶片上形成複雜裝B結 構後，再沉澱金饜層。亦能塡充小孔，利用金靥在裝置層 間提供電氣連接：和/或塡充這些裝置的窄溝槽。 鋁或其它金饜層的薄膜沉澱是目前習知噴濺的製程， 亦是物理蒸氣沉澱的形式。沉澱材料製成的目檫陰極周圍 放入氣體，放入氣體典型是氬。電漿的離子撞擊目標陰極 ，使得目標材料的原子跳出來。這些原子穿過噴濺室，沉 澱在半導體基底上，在所謂磁控管噴濺系統，目標周圍產 生磁場，以限制電子和强化電漿，因此增加噴濺源的效率 。現代商用噴濺系統，目標材料所釋放的原子仍然是中性 的，這些原子穿過噴濺室到基底時，大約有9 8 %或更多 均未離子化。並且剩下2 %的離子化目檫離子，大部份亦 未到達基底。 半導體設計目前越來越流行更小的裝置，因此充塡槽 的宽度必須少於1微米。這對噴濺將產生問題。噴濺目檩 的表面的原子以不同角度離開，因爲噴濺系統眞空程度的 關係，因此原子的平均自由路徑是小於目標和基底間的距 離，所以是隨機的碰撞。原子以大範園的角度射入基底上 ，一般而言合乎餘弦分配。 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS ) Λ4現格（210x 297公釐） L---.-----^ 装--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1T- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) 在另一方面，假如塡充槽溝的寬度很小，從底部開始 塡充是很重要的。假如底部塡充前，已大置的沉澱在槽溝 的側壁，則將阻塞原子不能到達底部，因此不能獲得良好 電氣連接。假如噴濺原子以餘弦分佈的角度到達晶固片， 則將大置的沉澱在槽的側壁。因此，噴濺系統的製造商均 提供原子能以較大方向到達晶園片的裝S。當然原子以垂 直角度到達晶園片的表面是最理想的。 已經有很多方法使原子以更大的角度到達基底。其中 之一是增加噴濺源和基底間距離。假如忽略氣體散射的效 應，這距離比基底和噴濺源的直徑大，因此只有那些行進 角度接近基底的原子，能夠到達基底。但明顯的使用這方 法是以系統的效率爲代價換取方向性的改進。只有適當角 度的原子到達，其它的原子將被浪费，因此，沉澱速率慢 和目標使用率不良。現代商業半導體製造經濟性是很重要 因素，亦即需增加系統的^總產出量# 。因此，增加沉澱 時間的方法在經濟上是不可接受的。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另一個增加原子到達晶圓片表面方法是，噴濺源和基 底間增加校準過濾器，這種過濾器包含細長細胞型結構的 網路，每個細胞的軸垂直基底的表面。因此，原子行進方 向大約垂直基底表面能毫無阻力的通過這細胞，但原子行 進方向是銳角則被細胞的壁捕捉。這方式雖然提供很好的 方向性，但因爲很多目標材料浪費和堆稹在細胞壁上，所 以亦無效率的。材料的堆積使系統內無用的粒子增加，因 此校準器必須經常替換或清潔。但是這芳法是前述方法的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（2丨0X 297公釐） A7 _____B7 五、發明説明（3 ) 改良，並且系統更輕薄短小。 如上述，甚至使用上述二個方法，原子在行進時亦再 隨機的散射氣體。（這因素對校準系統影響較小，因爲整 體路徑長度較短，並且可安排細胞開口接近晶圓片的表面 )。氣體壓力降低困難，不大幅降低電漿强度和沉澱速率 ，因此增加原子的平均自由路徑。如上述，因爲系統的總 輸出量將減少，所以商用半導體裝置製造時，將不會接受 慢沉澱速率的方法。 其它提供沉澱金屬方向性的方法是，類似於使用離子 束的離子電鍍方式，例如離子植入法。使用習知磁或電場 聚焦技術，控制離子行進路徑，因此，引導離子垂直晶園 片的表面，但因爲這些機器的空間電荷效應，將使離子束 流量受到限制，所以使用典型的離子束植入，沉澱速率亦 是個問題。 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 改進噴濺塡充槽的能力方式，是對晶園片基底加r f 偏壓，因此以習知方式建立負電荷。負電荷使得氣體離子 衝擊晶園片，增加沉澱鋁原子的表面移動性程度，使原子 從表面跳出，雖然這方式有用的，但需受限於衝擊基底原 子的能量，需低於某一水準，否則將傷到基底上已製成的 裝置。 因此，本發明目標提供物理蒸氣沉澱源，能改進半導 體晶圚片上沉澱金屬層的方向性。 本發明另一個目標提供沉澱金屬層的方向源，具有可 接受的高沉澱速率。 本紙張尺度適用1丨，國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 3G1839 A7 __________B7_ 五、發明説明（4 ) 本發明的目檩，係利用在窄容器內產生高强度電漿， 離子化目檫材料的原子。利用具有中性的捕捉場收容高强 度電漿，中性的捕捉場是當成鏡面（mirror)的作用，只 萃出和脫離具有軸向速度的離子和電子。電漿自然地在基 底表面形成低的正電壓層，晶園片表面和髦漿邊界間界具 有電踵梯度。這電壓梯度從電漿中萃出沉澱材料的原子， 並且以合乎方向性的方式加速離子到晶圓片的表面。另外 ，基底外加偏壓改進沉澱方向性。 圖1 A係本發明零磁區磁控管的示意圖。 圖1 B係已萃出電漿束的數位化影像，顯示電漿如何 從本發明零磁區磁控管的中心放電。 圖1 C係本發明實施例的剖視圇，使用高强度磁控管 的喷濺源當成電漿形成裝置。 圖2係本發明另一種實施例的目標陰極正視圖。 圚3係沿著圖2的3 — 3線的剖視圖。 圖4爲本發明另一種實施例的目標陰極正視圖。 圖5係沿著圖4的5 — 5線的剖視圖。 圖6係本發明另一實施例的剖視圖，具有微波源能進 一步充電電漿。 圖1 A係本發明零磁區磁控管的示意圖，說明本發明 的原理和優點，容器2的開口提供具有零磁區1的磁場， 除了從區域3的下緣6的零磁區進入，具有軸向速率和非 常小徑向速度的粒子外，離子和電子均被捕捉和保存在容 器2內。具有主要是軸向速度的離子和電子，能沿著區域 本紙張尺度適用中國國家標华（CNS ) Λ4覘格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 衮· 1T- 經濟部中央標準局員工消費合作杜印¾ A7 B7 五、發明説明（5 ) 的上緣離開這容器，其它粒子反射回去並且留在容器內。 此外，如圖1A所示永久磁嫌4，4 >架構，容器2 的內部提供迴路的磁場線，因此，磁場線平行於5和5 > 的表面，以標準嗅濺磁控管方式，在容器壁5和5 <的周 圍捕捉電子和離子。 本發明架構，容器的宽度和深度尺寸差異不大。這架 構使得從表面5或5 ^離開的噴濺目標原子，被高强度的 電漿離子化或者再沉澱在對面的壁，然後再噴濺回到壁5 。如圖1 A所示對稱園柱，只使用一個電磁鐵不能滿足磁 鐵4 - 4 z磁場的二個需求。一個電磁鐵亦不能提供零磁 區。爲滿足這些需求可使用多個電磁鐵，但最好是使用一
I 個螺旋磁鐵4的杯型電漿容器2，或使用長條型磁嫌4和 4 /的槽型電漿容器2。 圖1 B係從相片所產生，清楚顯示從本發明容器的中 心區域10電漿放電。明顯地，激勵電漿產生圖1B所示 的光輻射，說明本發明磁控管的操作機構，亦即電漿只沿 著容器的軸向離開。磁場的外型（提供零磁區）作用如*鏡 子'，以反射大部份的帶電粒子亦即電子，因此在中空陰 極內保持高强度電漿。磁鏡子的損失錐形允許少部份的電 子經零磁區脫離到外面。爲維持電荷平衡，電子伴隨著正 離子。所以，中空容器的開口中心射出一束的已離子化的 目標離子。 使用磁鏡子萃出電漿有多個傑出的優點。離子離開放 電區域後，中性鏡子隔離電漿的電子，防止光束和中空陰 本紙张尺度丨4用中國國家標华（〔旧）/\4规格（2丨0><297公楚)' 一 » . ^^1 —^1 - - ^ : - I ^^1 — 一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 __B7 五、發明説明（6 ) 極的電子耦合。因此，能偏壓或操作激勵的電漿束，亦不 會影響陰極的放電特性。由於隔離已萃出的電漿，零磁面 磁控管陰極比其它m漿源更有彈性。另一個有價値的特性 是電漿束的品質。電子的磁動量必須小於鏡的鏡比率，才 能經由鏡的損失錐形脫離。所以電漿束的橫向速度很小， 這允許使用小的磁場或電場，導引、聚焦或放大電漿束。 對一維模式的陰極，......... V ionize=?7 e · v e · σ · Τη 其中是平均電子密度 V e是電子速度 〇是電子衝搫的全部離子化截面 Τη是再沉澱前，中性原子的平均壽命。 並且V ionize是本發明利用中性原子衝擊陰極的平 均離子碰撞數目。 噴濺中性粒子或離子化效率是f=l_exp (― V ionize) 0 如所示，V ionize是正比於π e，並且由於Τ η是 正比於Wn，所以V ionize亦正比於陰極的宽度W。所 加的電功率增加則電子密度亦增加，但功率正比於W 3， 但冷卻能力正比於表面或W 2 ，因此，不能利用增加W因 此無限制的增加電子密度，因爲W增加到某種程度時，陰 極溫度將超過它的機械性穩定性和熔點。所示假如能使w 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（21UX 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装. 301839 at _B7_____ 五、發明説明（7 ) 具有有效冷卻架構例如冷卻溝槽等，在陰極寬度垂直的方 向增加陰極尺寸，則能增加電漿。 陰極結構的電子溫度反比於它的操作壓力°假如原子 溫度高於原子的離子化能量，如下所示： V ionize=WNc <r m a χ ΓΜ n/MX i Vn / 2 其中（ΤΠ1 a X是最佳電子能量時離子化的截面 Μ η是原子能量 W是收容的密度 Μ是原子的質量 X i 是 E n / k t c Ε η是喷濺中性粒子的平均能量 T c是電子溫度 E i是中性粒子的離子化能量 設計圚柱型的鋁陰極具有W=l. 9公分，長度是1. 6 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 英寸，输出功率3 KW，越接近電漿的腰部N c越接近 1 0 1 3CM — 3。在2毫托電子溫度是8 eV。利用這 些參數和En = 5. 9 8 5 eV，計算得到V ionize是 0. 795，相對於離子化效率Eff=54. 8%。 我們確信這個計算是相當保守的。但相對於習知噴溯 磁控管2 %的目標離子化效率呈現出强烈的對比。由於幾 何形狀關係，大部份未離子化目檫原子被捕捉再沉澱在對 面壁上，只有極少百分比的中性原子到達基底。這表示已 本紙張尺度適用中园國家標準（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐） 10 - A7 B7 五、發明説明（8 ) 萃出S漿束的離子化金屬可高達9 0 %。 電漿係指由於電漿中電子和離子不同質量所引起 的電Μ。因爲電子移動速度很快並且更易捕捉，所以電漿 具有正電壓。層電壓係指特定表面和電漿間電壓準位。層 電壓任何値均可能，因爲外面偏壓電源供應決定的，或者 浮接表面將產生這個氆壓。面域1在f磁點6的陰極容器 側之電漿電壓有些高於零磁點6外側在萃出區域11之電 漿電壓。因此，向外延伸到基底130 (圖1C)的電漿 束具有正電漿電壓，並且只要基底比電漿電壓更負値，將 從電漿吸正離子到基底。 經濟部中央標準局員工消費合作社印敦 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1 C係本發明高密度磁控管噴濺源1 1 0的剖視圖 。噴濺源1 1 0包含中空的一般是杯型部份1 2 3，具有 直徑底部1 2 4W的平面底部1 2 4和高度L的園柱壁 1 2 5。陰極1 2 0亦是環平面形上表面1 2 7。陰極 1 2 0是噴濺目檫，亦是將沉澱於基底1 3 0上材料製成 的，例如鋁，以下進一步說明，陰極1 2 0的中空杯型部 份1 2 3內收噴濺源形成的電漿，因此，杯型部份1 2 3 內產生噴濺，W最好少於1. 0英寸並且小於L。這架構 局限噴濺原子獲得更濃的電漿。參考編號1 7 0指出大部 份電漿的放電區。但亦可了解，電漿超過最大强度的陰影 區1 7 0。只有少部份從上表面1 2 7噴出。因此如圖 1C所示。杯型陰極部份1 2 3和平面陰極部份1 2 7是 可分開的，因此，杯型陰極部份1 2 3使用壽命耗損後， 可以更換新的。因爲大部份耗損是圓柱壁部份1 2 5，假 本紙張尺度適用中US家標準（CNS ) A4規格（2丨0.<297公釐） 11 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9 ) 如如下所述冷卻裝e維持良好熱接觸，陰極1 2 〇和陰極 底部1 2 4分別的製造。如圖1C所示，陰極杯型1 2 3 嵌入圓柱壁部份1 2 5。陰極杯型1 2 3的氣體入口 1 2 8允許氣體例如氬的進入，使用氬形成锾漿。 基底1 3 0是半導體的晶圆片，一般是單晶矽製成並 經各種不同製程步驟，形成多層的VLS1亀路。爲了清 楚，圖1 C的基底1 3 0噴濺源和基底間距離均不按比例 cVLS I電路或 ' 晶片'製造時，金屬層的沉澱是習知 的。經常薔在晶圓片的表面上溝槽內沉澱金靥，獲得良好 電氣連接。 本發明以半導雅基底的沉澱金靥層說明，但不是只妄 限於這個應用。熟知該行業之專業人士可利用本發明優點 沉澱在其它型式的基底。 陽極1 4 0 —般是接地，相對於目標陰極產生電壓差 ，獲得數百伏特的負電壓。如果使用氣體壓力和如所示結 構，可使用一4 0 0V到一5 0 0V的電壓。 堆叠環形的磁鐵1 5 0，1 5 1和1 5 2形成邊緣磁 場，場線1 5 5經過陰極杯型部份1 2 3的側壁1 2 5形 成迴路，並且亦在陰極的開口部份的上面形成零磁區，這 些磁場線形成一個磁尖端幫助電漿的濃縮和拘束，因此維 持電漿的放電。使用迴路磁場拘束接近目標的電漿是習知 的喷濺技術。 高强度噴濺源11〇亦包括水冷卻系統，防止目標陰 極1 2 0的過熱。這過熱可能使系統完全的失效。如下所 本紙張尺度適用中國阈家標皁（CNS ) Λ4規格（2!0X2«)7公釐） I— m· -I H ί ......I n 11 n ^^1--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 _____B7_ 五、發明説明（10) 述，本發明的電漿功率大幅的大於習知系統使用功率，因 此，比習知噴濺系統更需有效的冷卻陰極。 水或其它合適冷卻劑經输入管1 6 0進入冷卻系統， 經輸出管1 6 3離開。輸入管和输出管間之熱交換器 1 6 7對冷卻液體產生擾動，因此增進冷卻效率。水冷套 1 8 0包含管1 8 5，控制喷濺源1 1 0的溫度。冷卻劑 液體的循環裝置是習知的，不再進一步的討論。使用另外 冷卻套（未顯示）繞著圆柱壁部份1 2 5，因這部份受到 最大加熱。噴濺源操作時，圈柱目標部份1 2 5的熱膨脹 使壁緊緊的接觸著冷卻套，以確保適當的熱接觸。 經濟部中央標準局員工消费合作社印聚 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 整體噴濺源1 1 0進一步包含接地（亦即陽極）電壓 的圓柱外壁1 9 0和環形底部壁1 9 1。絕緣體1 9 5和 1 9 6隔離陰極1 2 0和陽極1 4 0。圚柱外壁1 9 0同 軸相間隔的園柱內壁191，和外底部壁191平行相間 隔的環形內底部壁1 9 3，均接到陰極電壓，當成抑制寄 生放電的遮蔽。設計整體噴濺源11〇在眞空室內操作， 未顯示。如圖1C所示的噴濺源，亦可只有前面部份，亦 即面對晶圓片1 3 0部份在眞空室內。只要有適當密封， 噴濺源的後側均露出在大氣壓下。這架構具有多個優點。 一般而言，本發明的磁控管噴溯源在許多方面和習知 噴濺源非常相似。眞空室（未顯示）抽到足夠的低壓力， 例如1 0 — 5托或更低壓力。引入小量的氣體例如氬壓力 提昇到例如1到5微托。本發明實施例，利用入口 1 2 8 直接引入氬到陰極杯型，出現最大的强度時，開始竈漿的 本紙悵尺度適用中囤國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐)~~_以. — ~ A7 ______B7 五、發明説明（11) 放電。由於直接引入電漿氣體進入陰極杯型，可更降低整 體系統操作壓力◊如上述，然後目標陰極加上高的負電壓 ，以習知方式產生噴濺放電。電漿1 7 0的磁場線1 5 5 連接到目標陰極1 2 0的表面。電漿形成的氣體離子撞擊 噴濺器目檫的表面。從目檫的表面產生目檫材料的中性原 子，典型的目檫材料是鋁金屬。一般而言，原子以隨機方 向行進的。 因爲習知噴濺裝置的噴濺原子是中性的。原子的行進 路徑不受檫準磁場裝置控制。再者，噴濺系統使用正常壓 力，原子的平均自由路徑比目標陰極和基底間距離更短， 形成氣髏的散射，進一步使原子的行進方向更隨機的。由 於這些事實，習知噴濺源無法使原子獲得高度方向性，如 上述，原子沉澱在基底上角度一般合乎餘弦分配。如上述 ，習知裝置對原子方向性改良不但無效率亦不實際的。 當裝置的尺寸漸變小，無法提供高效率的噴濺源，並 且在具有窄溝槽的金靥沉澱，能提供滿意方向性變得非常 重要。本發明克服上述習知技術的限制。 經濟部中央橾隼局員工消費合作社印裴 本發明傑出的特性是它的電漿强度足以使氣體原子離 子化，並且大量的沉澱材料的原子。如所述，高强度髦漿 係電漿强度足以使大量的沉澱材料的原子離子化。電漿的 强度是直接和電漿密度相關的。習知磁控管源的最大電漿 强度大約是1 0 12粒子/ CC，本發明的高强度幫漿比這 强度更高，例如1 〇13粒子/CC，或甚至比最大强度更 高的。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公缝） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -14 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（12) 如下所述，至少本發明對矽基底的金屬化有—些好處 ，其中沉澱的噴濺材料離子的百分比可以低到大約1 〇 % ，但習知磁控管噴濺源大約可提供離子形式的噴濺材料大 約1 〇 %或更少的百分比。本發明的離子噴濺源亦有其它 用途，亦可從少於10%離子的束獲得好處。因此，晶圓 片金靥的實質數目，假如是指金屬原子的離子化數目代表 大約1 0 %或更多的百分比。目檫材料原子的離子化數目 最好大於這個最低數目。 金靥原子的離子化機制是習知不需詳細說明。金屬原 子的離子化機制和氣體原子的離子化是相同的，亦即利用 帶電粒子撞擊使原子損失一個或更多個電子。因爲鋁的離 子化m壓大約6個電子伏特（e V )，所以電漿內產生鋁 離子並不難。由於習知的噴濺系統的電漿强度低，目標材 料的中性原子只能在電漿行進一段很短的距離，大家都知 道習知系統中性原子成爲離子化少於1 %。 需高强度電漿才能產生足夠數目的金屬離子，才能達 成可接受的沉澱速率。依不同目檩材料，只要金屬原子的 離子化數目足夠的，它們就可單獨的支撑這電漿，亦即不 再需要氬維持這電漿或起始目檩材料的喷濺。因此本發明 範圍亦包含使用氬或其它氣體起始電漿，假如起始電號並 且穩定後，就可停止氣體的進入。 要形成高强度的電漿，在小區域才容易產生高强度的 電娥，並且在此面域输入足夠大的功率，因此在圖1 C實 施例使用中空杯型陰極1 2 0 °因爲使用周圍永久磁鐵 本紙伕尺度適用中S國家標辛（CNS ) Λ4規格（2丨OX2·?7公;f ) ----„------(裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 订 15 A7 B7 301839 五、發明説明（13) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 150，151 ，152，容易在i杯內產生高强度磁場 ，所以，陰極的形狀非常適合於產生高强度的電漿。雖然 最好如所示使用永久磁鐵，但亦有多種電磁架構能提供零 磁區和迴路場。雖然所示是多個堆叠磁鐵，但明顯亦可使 用一個永久磁鐵代替。此外，杯的L稍微大於W，W大約 是英时，杯的形狀增加從目檫所釋放的中性原子，亦增加 電漿中離子化的或然率。 增加送到電漿的功率亦能强化電漿放電。送到電漿的 功率主要是電流的函數。對已知壓力和形狀，產生電漿的 電流是固定的。髦壓稍微的增加將明確增加經《漿的髦流 。本發明實施例，使用2 KW的功率。假如這功率集中到 小於1英寸的直徑，這功率比習知噴濺系統所使用的功率 大十幾倍。 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 產生足夠數目的金屬離子只是解決方案的一部份，習 知技術無法直接從電漿萃出足夠的沉澱數目。因此，本發 明另一個傑出特色，係使電漿^接觸#晶園片的表面。如 上述，零磁菡產生磁尖，允許離子和電子從電漿容器以一 束的形式離開。因爲這束接觸基底的表面，例如晶圜片的 表面，氰漿自然地在電漿和晶圚片表面間形成薄電壓層。 (事實上，由於這薄膜電壓層關係，所以電漿不直接^接 觸'晶圆片的表面。因此，提及鬣漿 ' 接觸'晶園片，這 代表電漿接近到晶圓片表面，足以產生這薄電躔層）。假 如允許電氣浮接晶園片，這薄電壓層典型大約1 〇 μ m庠 度，電壓大約在十幾個伏特範圍。晶圓片表面相對於電漿 本紙張尺度適用中围國家標準（CNS ) Λ4現格（2丨0X297公釐） -16 - 經濟部中央標準局員工消費合作杜印裝 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（21〇Χ 297公釐） A7 __B7_ 五、發明説明（14) 邊界是負的。薄電壓層的厚度和電壓相對於電漿密度。 電漿和固體表面間產生電壓層是習知現象，這現象不 詳細說明亦超出本說明害的範園，簡這之，這機制是由於 組成電漿的負電子和正進子間速度不同產生電壓的。整體 而言，電漿是電中性的，因此，電子的淨電荷和離子的負 電荷相等。假如每個離子有一個正電荷，則電子和離子的 數目完全相同的。電漿的任何地區溫度是局部相同的。電 子的質量遠小於離子，在已知溫度下，電子的平均速度將 大於離子的平均速度。較快速度是較大的移動性。因此， 在相鄰於基底表面的電漿邊綠，電子快速移動到基底的表 面，累稹成爲負電荷。一段時間之後，基底上負電荷累稹 到達足以使接近基底表面的電子受到排斥，和吸引正離子 。假如電子的淨流速和離子的淨流速相同，則到達平衡的 條件。此時，雖然基底的表面具有連績的電子和離子流， 亦沒有電荷的淨轉換。電漿邊緣和基底表面間，具有穩態 電壓差，大約1 0幾個伏特。 本發明使用電漿層使金屬離子產生方向性的沉澱，電 漿的正電荷金屬離子，向著負電荷晶圓片表面加速移動。 電漿層的電壓梯度垂直晶圚片的表面。電漿的離子速度逮 低於電壓梯度產生的速度。典型地，離子的熱能量平均是 幾個電子伏特。另一方面，送到離子的動能是幾十個電子 大伏特，因此，經層加速後到達晶園片表面時，離子行進 角度接近垂直，所以使用這技術，使沉灘成爲薄膜的離子 能獲得很高度的方向性，能解決塡充深的和薄的槽溝的問 -17 -' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) \衣- 訂 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明 ( 15) | 題 〇 從 陰 極 型 架 構 離 開 的 € 漿 束 9 通 m 零 磁 Έ 產 生 — 個 腰 1 1 部 9 道 電 漿 束 主 要 從 容 器 的 電 漿 去 耦 合 〇 因 此 ， 不 需 干 擾 1 1 容 器 的 電 漿 9 能 利 用 標 準 電 磁 和 靜 電 技 術 掃 描 和 驅 動 這 電 Jik. 1 i 漿 束 0 先 閱 1 I 讀 如 上 述 利用 電 漿 的 電 子 中 性 化 沉 澱 在 晶 圓 片 的 離 子 背 1 | 0 因 爲 浮 接 晶 圓 片 時 沒 有靜 電 荷 轉 換 到 晶 圓 片 9 整 體 沉 意 1 I 濺 過 程 m 壓 梯 度 保 持 固 定 0 事 項 再 1 .1 填 此 時 9 允 許 電 氣 的 浮 接 電 漿 的 電 壓 〇 利 用 r f 偏 壓 晶 寫 本 裝 I 圓 片 9 例 如 1 3 〇 5 Μ Η Ζ 的 頻 率 9 能 控 制 電 漿 密 度 的 層 頁 1 1 電 壓 〇 爲 了 例 如 如 下 述 理 由 $ 期 望 高 於 層 電 壓 的 電 壓 0 1 1 不 需 離 子 化 從 噴 濺 巨 標 表 面 所 跳 出 的 所 有 金 屬 原 子 1 1 因 此 9 電 漿 出 現 的 中 性 原 子 9 以 習 知 方 式 沉 澱 在 晶 圓 片 的 訂 | 表 面 0 中 性 原 子 和 離 子 的 比 率 是 系 統 的 形 狀 和 漿 强 度 的 1· I 函 數 9 但 9 甚 至 只 要 1 0 % 的 比 率 亦 是 習 知 技 術 的 大 幅 改 1 | 進 0 再 者 > 更 多 激 勵 離 子 撞 擊 晶 圃 片 的 表 面 中 性 原 子 獏 1 Λ 得表 面 移 動 時 使 原 子 沿 著 表 面 散 開 ， 因 此 增 進 中 性 原 子 1 塡充 槽 溝 的 能 力 0 最 後 現 象 是 決 定 沉 澱 材料 的 中 性 原 子 的 1 1 最 佳 中 性 化 的 準 位 〇 尙 未 決 定 離 子 化 的 最 佳 程 度 但 9 百 1 I 分 之 百 的 離 子 化 亦 未 必 是 最 佳 的 0 以 功 率 的 消 耗 和 冷 卻 需 1 I 求 的 代 價 9 增 加 離 子 化 的 百 分 比 ， 未 必 能 獲 得 塡 充 槽 溝 的 1 | 更 好 結 果 〇 1 1 1 雖 然 本 發 明 離 子 的 沉 澱 比 習 知 中 性 原 子 沉 澱 更 费 能 源 1 1 > 但 不 會 損 傷 到 基 底 〇 離 子 少 於 1 0 0 e V 不 會 傷 到 晶 圆 1 片 0 這 能 階 逮 超 本 發 明 沉 澱 金 屬 原 子 的 能 量 〇 1 本紙浪尺度適用中囤國家標隼（CNS )八视格（210X 297公慶） A7 _ B7 五、發明説明（16) 從磁鐵1 5 0，1 5 1和1 5 2的磁場線1 5 5在上 環形陰極部份1 2 7之上，除零磁區外塡充在陽極和晶園 片間的空間。陰極杯型內的髦漿强度是最强的，所以電漿 最强是在接近杯壁1 2 5的甜甜圈形區域。因此，基底鄰 近的電漿密度是小於陰極杯型內密度。據估計接近基底的 電漿密度低於陰極杯型內密度1〇幾倍。 圖1 c本發明實施例圓柱型中空陰極部份1 2 3的直 徑小於1英寸，這直徑大幅的小於典型半導體的直徑’因 爲半導體直徑可高達8英寸。 現代半導體製程的規範要求，沉澱源能很 ' 均匀# ， 這意義是晶固片表面上沉澱層的厚度在某個很小容許値內 。沉澱速率是電漿密度的函數。因此，均勻性是指基底整 個表面上電漿密度幾乎都是本相同的。 經濟部中央樣準局員工消費合作社印裝 由於陰極晶圓片尺寸的差異，假如晶圓片太接近陰極 ，無法均匀的沉澱，電漿接近晶圓片時，晶園片中間的電 漿大於晶圚片邊緣的電漿，再者如上述，從噴濺目標連績 沉澱中性金屬原子，由於形狀的關係，晶圓片的中心是更 爲集中電漿的。 改進均勻性的一個方式，係把晶園片遠離陰極。但’ 距離增加則沉澱效率減少。另一個方式，係使用特別磁場 使電漿能均勻散佈在整個晶圓片的表面。最好磁場能垂逋1 晶園片的表面，否則將影響沉澱離子的行進路徑。能滿足 這二個需求的磁場非常難設計。 絕緣盤1 9 5和園柱絕緣體1 9 6隔開陰極1 2 〇和 本紙張尺度適用中围國家標準（CNS ) A4現格（2IOZ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -19 - A7 B7 五、發明説明（17) 環形陽極1 4 0。陽極最接近電漿容器的內邊緣具有屛蔽 凸出部，這凸出部減低視線，屛蔽絕緣體1 9 5的內周圍 受到噴濺金屬的包覆，以避免短路發生。 圖2和3本發明陰極結構的另外實施例，改進沉澱的 均匀性亦不犧牲效率。圇2和3實施例所增加的優點，係 提供較大的目檫，因此使用壽命用完前能送出大量的材料 。這實施例陰極2 2 0包含平面頂部部份2 2 7，和具有 內和外環形側壁2 2 5和2 2 6的環形槽溝部份2 2 3， 和環形底部2 2 4。如圖3所示，環形磁鐵3 5 0和 3 5 1圔繞槽溝的內和外壁2 2 5，2 2 6。陰極槽溝 2 2 4的底部具有冷卻水的循環通道3 6 0。冷卻水通道 3 6 0亦包含改進熱交換效率的裝S (未圖示）。這實施 例槽溝內的電漿最强，從溝槽內搬移大部份的沉澉材料。 因爲陰極溝榷部份2 2 3內蝕號刻最多，陰極部份可以分 開設計和製造，當蝕刻超過某一程度後，能替換陰極溝槽 部份2 2 3而不用替換平面陰極部份2 2 7。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 環形磁鐵3 5 0和3 5 1形成溝槽的側壁的磁線 3 5 5。假如開如放電，這磁場在溝槽內具有高强度電漿 3 7 0。如所示，這磁鐵接近陰極平面部份2 2 7的極性 相同。因此，磁場線向上向著上面的晶圓片（未顯示）， 使得電漿散開和接觸到晶画片。磁鐵亦產生零磁區，具有 和前述相同的萃出機制。 如圖1 C的實施例，溝槽的壁間距離W小於基底晶園 片的直徑，才能產生足夠强度的電漿。由於形狀關係，不 本紙張尺度通用卞國國家標準（CNS ) A*!規格（2l〇x2«)7公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 本紙張尺度適用中國圉家操準（CNS ) Λ4坭格（21〇X2()7公釐） A7 __B7 五、發明説明（18) 需使晶圆片和陰極距離相隔太逮，圓形源使沉澱的均匀性 獏得大幅的改進。再者，這架構能增加送到源的整體功率 ，不用增加任何功率密度，從目檩取得大量的材料。功率 能散佈在大的地區。 圖4和5陰極實施例比前述實施例提供更均匀性，這 實施例相似於圓2和3，但包含迷宮式溝檜4 2 3，允許 在大地逼產生高强度電漿。陰極4 2 0亦包含平面上部份 4 2 7和迷宮式溝槽部份4 2 3。本實施例迷宮式架構只 有一個溝槽，因此只有一個高强度電漿5 7 0。圖5和4 實施例使用一個溝槽是有深刻意義的，因爲一個系統使用 多個分開溝槽維持高强度電漿是困難的。因此，雖然製造 困難，但最好使用一個溝槽的迷宮，再者，迷宮式設計比 前述實施例壽命更長。 圚4和5陰極實施例的功能和前述陰極功能完全相同 ，亦即利用磁鐵5 5 0 — 5 5 5的場線4 5 5在溝槽內產 生高强度電漿，並且利用磁場使電漿接觸晶圓片（未顯示 )。不需增加局部功率密度，增加送到電漿的全部功率， 將顯著的增加全部地區的電漿强度，這將使得經通道 5 6 0的冷卻變得很重要，以免過熱損傷到這結構。 圖6本發明另一賁施例，使用微波能量增加電漿內離 子化的金屬原子數目。微波能量進—步强度化電漿。這實 施例的中空陰極容器6 2 0相似於圖1的說明。陰極 6 2 0包含平面部份6 2 7，和具有圆柱壁6 2 5的杯型 部份6 2 3和底部6 2 4。圍繞陰極6 2 0的環形磁鐵 -21 - 1^1 1 - -- - *1— -1 i - I J-n ^^1 Lr - I I - -- ^. ml ^^1----- ----- 丨 I - -^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3G1839 A7 ___B7_ 五、發明説明（19) 6 5 0產生場線6 5 5，場線6 5 5經園柱壁6 2 5從平 面陰極部份6 2 7向外到基底6 3 0。陰極冷卻系統包含 入口 6 6 0和出口 6 6 3，熱交換器6 6 7維持陰極在一 個受控溫度。因爲微波腔能分開冷卻，所以陰極容器的冷 卻能力能發揮到極限，所以道架構對增加功率給電漿特別 有用的。 調諧振腔6 8 0的頻率對準微波源的頻率，送出微波 功率。源的頻率是2. 4 5GHz erf能量經連接器 6 8 5送到腔6 8 0。圓柱腔具有直徑和陰極杯型6 2 3 相同和同軸的中心孔。孔口的周園安裝內和外凸緣6 8 7 和6 8 8，防止微波洩漏。 利用磁鐵6 5 0的場線，使本實施例的電漿6 7 0接 觸到晶園片6 3 0的表面。微波腔6 8 0不分散電漿，只 是强化電漿，更加强離子化從目標陰極6 2 0所釋放出的 金屬原子。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 雖然本發明以實施例和圇式詳細說明，絕無受限於這 些實施例，熟知該行業之專業人士。在不離開本發明精神 範圍內，對前述說明和圇式有各種不同修改。因此，本發 明只是受限於申請專利範圔。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） 22

Claims (1)

  1. 六 、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 修正I 經濟部中央標率局負工消费合作社印装 第83108838號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國85年12月修正 -種噴濺磁控管，其包括： 髙密度電漿誘導裝置，其包括： i )噴測陰極，其乃容器且包括以目標材料做的 內面及允許目標材料離子從上述容器被萃出 的開口，並包括提供電壓至上述容器而提供 電漿高密度區於上述容器內面附近的裝置； i i )提供並維持電子於上述容器裡的裝置； i i i)磁場產生裝置以提供通過上述容器的磁 場迴路及靠近上述容器開口的磁尖，藉上述 磁場施力，以維持上述m子靠近上述容器內 面的至少一部分，上述磁尖是零磁區；和 離子萃出裝置，其中上述磁尖包括上述離子萃出 裝置的一部分，以配合靠近上述磁尖的離子，而 誘導離子成束的通過上述磁尖。 如申請專利範圍第1項噴濺磁控管，其中該離子 萃出裝置包含： a .操作時，一個電漿·該電漿是在該噴濺陰極內， 其中該電漿到達穩定狀態和該電漿是在該噴濺陰極，電子 從該電漿洩漏，產生第一正電漿電壓： b.在該電漿和該容器逮方端的第一表面間建立電場 層電超的裝置，該電場層竃壓的極性從該電漿吸引正離子 a b 2 本紙張尺度逍用中國國家揲準（CNS ) A4规格（210X297公釐） L—r--------(------IT-.__：|_.11^ , (請先Η讀背面之注意事項存填寫本頁) 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印*. B8 C8 D8 '、申請專利範圍 胃__表面’其中該容器逮方端該第—表面的區域的該 電栽具有第二電漿電壓；該第二電漿電壓比該第一正電壓 低。- 3.如申請專利範圍第2項噴濺磁控管，其中該第— 表面是鍍上從該電漿的正金屬離子之半導體晶圓片· 4 .如申請專利範圍第3項噴濺磁控管，其中該電漿 和該半導體基底間該電場層電壓是比該第二電漿電壓更負 值。 5. 如申請專利範圔第2項噴涵磁控管，包含： 在該噴濺陰極容器，進一步增加該噴濺陰極的材料離 子的濃度之裝置，在該噴濺陰極容器內進一步增加該噴濺 陰極容器的離子濃度的方式，使得電磁波和該電漿交互作 用’利用該電漿的原子，從該陰極的表面撞出該中性原子 後’提也能置給該電漿，並且降低該噴濺陰極材料的中性 原子的平均自由路徑。 6. 如申請專利範圍第5項噴職磁控管，包含電磁波 傳输裝置，以引該電磁波能量到該電漿的周圔· 7. 如申請專利範圔第6項噴濺磁控管，其中該電漿 的該周圍包含該零磁區· 8 ..如申請專利範圍第1項噴濺磁控管，其中該髙強 度電漿是1 0 13粒子/C C或更髙的強度· 9.如申請專利範圍第8項噴濺磁控管，其中該粒子 容器是具有寬度W約在1英寸或更小的溝槽· 1 0 .如申請專利範園第9項噴濺磁控管，其中該溝 本纸張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注f項再填Μ-本頁) 、?τ -線！ 經濟部中央榡车局負工消费合作社印装 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 槽是多個溝槽。 1 1 .如申請專利範團第1 〇項噴濺磁控管，其中該 溝槽是互相連接的·，操作時，只是一同時連績電漿迴路· 1 2 ·如申請專利範圔第1項噴濺磁控管，其中該粒 子容器是杯型，具有1英吋或更小的直徑W · 1 3 .如申請專利範園第8項噴濺磁控管，其中該粒 子容器的杯型，具有1英寸或更小的直徑W。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項噴濺磁控管，其中操 作時，該髙強度電漿內含該目檫材料的離子百分比大於2 96 · 1 5 .如申請專利範圍第1 1項噴濺磁控管，其中操 作時，該髙強度電漿內含該目標材料的離子百分比大於2 1 6 .如申請專利範圍第1 4項噴濺磁控管，其中安 裝電鍍的半導體基底，接收從該陰極容器的接近該中性點 所離開的該目標離子。 1 7 .如申請專利範圍第1 5項噴濺磁控管，其中安 裝電鍍的半導體基底，接收從該陰極容器的接近該中性點 所離開的該目標離子· 1 8 .如申請專利範圍第1 2項噴濺磁控管，進一步 包含氣體孔口裝置，該氣體孔口是穿過該噴濺陰極容器壁 的孔口，該孔口是在該開口側的壁部份的逮方端，使得電 漿起始氣體通進入該容器，因此允許較近操作壓力· 1 9 .如申請専利範函第1 2項噴濺磁控管，進一步 本紙張尺度適用中國國家揲準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） ----------(------、玎------峡 — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 六、申請專利範圍 包含输入和輸出流體管，以熱交換器和該陰極容器相連， 其中該管傳導冷卻流體* 2 0 .如申請·專利範圍第1 9項噴濺磁控管，其中該 流體管連接到產生擾流的熱交換器· 2 1 . —種引導目標材料的離子到工作件的設備，其 包括： 產生約1 013粒子/ c c的高密度電漿的裝置，土述 高密度電漿所含粒子數超過上述目檫材料離子數的百分之 二，上述產生高密度電漿的裝置有磁控管噴測源裝置*上 述磁控管噴測源裝置有目標陰極，上述目檫陰極有將被澱 積在上述工件上的材料及電漿限定容器，上述電漿限定容 器包括一開放側及相對的電漿限定壁，上述相對電漿限定 壁相隔的一吋的距離W，其中上述髙密度電漿被提供在上 述開放側； 使上述電漿接觸上述工件的裝置，藉此，出現在上述 電漿裡的將被澱稹的目標材料離子以直角被導向上述工件 表面；及 經濟部中央揉準局負工消费合作社印«. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 磁場產生裝置，其產生磁通線及磁尖，上述磁通線平 行於上述相對的電漿限定壁上，上述磁尖靠近上述電漿限 定容器開放側，以誘導上述離子從上述目標陰極成束的通 過上述磁尖，上述磁尖是零磁區· 22.如申請專利範圔第21項設備，其中該電漿容 器是溝槽· 2 3 .如申請專利範圍第2 2項設備，其中該溝槽是 本紙張尺度逍用t國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局βζ工消費合作社印*. 3G1839 ~~—------ 六、申請專利範圍 環形的β 24.如申請專利範圍第22項設備，其中該溝槽是 迷宮式的· 2 5 .如申請專利範圍第2 1項設備，進一步包含冷 卻該磁控管噴濶源的裝置· 26. —種在真空室裡使薄膜澱稹在基板上的設備， 其包括： 髙密度磁控管噴測源裝置，它有目標陰極，上述目標 陰極是以將被澱稹的材料製成以產生電漿，上述電漿所含 &子數超過上述目標陰極離子數的實質部分，上述目檩陰 極包括一平面及一道溝，上述溝有相對的壁而這些壁相距 約一吋’將被澱積的材料從這些壁被噴測，使在上述溝裡 的電漿密度最大，並提供高密度電漿於上述溝壁附近；及 磁場產生裝置，其產生磁場於上述目標陰極及上述基 片間，上述磁場有一磁尖，上述磁尖是零磁區，以誘導離 子脫離上述目標陰極表面： 其中上述目標陰極的被導向上述基板的原子數至少是 上述目標陰極被離子化的原子的百分之十。 27. 如申請專利範圍第26項設備，其中該溝槽是 環形的。 28. 如申請專利範園第26項設備，其中該溝槽是 迷宮式的。 2 9 .如申請專利範國第1 3項噴濺磁控管，包含陰 極，利用絕緣裝置使該陽極和該噴濺陰極相互絕緣：和 Α8 Β8 C8 D8 本紙張尺度逋用中國國家揲準（CNS ) Μ規格€ MX297公釐） 5 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 ▲ ! A8 B8 C8 D8 經濟部中央橾準局爲工消費合作社印製 301839 六、申請專利範圍 屏蔽該絕緣裝置被噴濺陰極材料電鍍的裝置，阻塞從 該噴濺陰極到絕緣體的視線，防止陰極和陽極短路。 本紙張尺度遑用中鬮國家橾率（CNS > A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
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