TWI417407B - 通氣槽改良之濺鍍靶材組成件及含有此濺鍍靶材組成件之裝置 - Google Patents

Description

通氣槽改良之濺鍍靶材組成件及含有此濺鍍靶材組成件之裝置

本發明係關於一種具有某種通氣槽組態之濺鍍靶材及含有此濺鍍靶材之裝置。特別的是，本發明之通氣槽組態經由降低發弧及後續之粒子沉積於基板上而降低缺陷比例。

在製造使用於(例如半導體工業)之應用的濺鍍靶材方面，希望生產一種靶材，其具有在濺鍍於晶圓上期間將會提供膜均勻性之濺鍍表面。物理氣相沉積係廣為使用之製程，藉此製程，靶材被用來在想要的基板上沉積薄層的材料。

此製程需要靶材的氣體離子轟擊，此靶材之表面係由所想要的材料所組成，而該所想要的材料即將被沉積於基板上做為薄膜或薄層。靶材之離子轟擊不僅致使靶材材料的原子或分子被濺射，亦傳遞可觀的熱能予靶材。此熱逸散於背板下方或環繞於背板，而此背板係位於與靶材成熱交換關係的位置。靶材形成陰極組成件的一部分，其與陽極一起放置於充滿鈍氣(氬氣為較佳)之真空室中。高電壓電場係施加於陰極及陽極上。鈍氣係藉由與自陰極噴射之電子碰撞而被離子化。帶正電荷的氣體離子被吸引至陰極，且當與靶材表面撞擊時，這些離子使靶材材料移位。這些移位的靶材材料越過真空罩，且沉積於所想要的基板上做為薄膜，而基板的位置通常是接近陽極。

理想上，所沉積的薄膜係高度均勻且沒有缺陷的。然而，在習知之濺鍍腔室內，大量之不想要的靶材材料塊或濺滴係形成於基板上。這些缺陷的成因被認為是源自於一種被稱為發弧的現象(當發弧產生時，不想要的效應會發生在靶材上，例如靶材材料的孔蝕、片剝、裂解、及局部加熱)。

習知之濺鍍沈積室典型上使用密封表面，此密封表面具有帶有密封構件(如O型環)之凹槽，係配置於靶材組成件與室壁之間，以便形成真空密封。明確地說，密封構件通常係設置於濺鍍靶材組成件(亦即，所謂的氣軌(race)或氣流軌道(race track))與真空室的側壁之間，而此靶材組成件在該真空室中用作為該室之頂部或上蓋。氣體有可能被捕陷於由O型環密封所產生的空間內，而O型環密封係在這種密封表面之凹槽的接合面(mating surfaces)之間。因此，在濺鍍製程期間，所捕陷的氣體會從密封表面凹槽流入真空室內，其導致靶材發弧。

已經做出多種嘗試來減少、消除、或控制這種源自於所捕陷之氣體的發弧現象。Mostovoy等人在美國專利編號第6416634號中揭示複數個通氣槽被組構來限制氣體從O型環氣道經由某些限制的開口而流動。其他企圖降低發弧之通氣槽的再設計也已經被提出。如圖1A至1C所例舉者，通氣槽的幾何樣式已被修改為增加側壁至凹槽的距離、增加凹槽寬度，或是兩者之組合。不幸的是，沒有一樣修改曾被發現是可以充分降低發弧且因而降低基板上所沉積之薄膜中的缺陷。

為了克服與相關技術有關的缺點，本發明之目的在於提供一種新的通氣槽組態，此通氣槽組態有助於在抽氣期間，將氣體從真空室中去除。

本發明之另一目的在於提供一種通氣槽，此通氣槽之剖面係設計成不含銳角的半圓形狀，以便使亂流達最小但不會限制氣體流動。

對於習於此技術者而言，在閱讀了所附加之說明書、圖示及申請專利範圍後，本發明之其他目的及樣態將變得顯而易見的。

濺鍍靶材組成件包含通氣槽，該等通氣槽具有某種組態，以便降低在膜的物理氣相沉積期間之靶材發弧。

在經由物理氣相沉積法而在基板上製造薄膜時，必須了解及使在製程期間因發弧所致之缺陷。

圖2所例舉者為一習知之濺鍍系統100，其使用一濺鍍靶材組成件105。該濺鍍靶材組成件包含靶材110及靶材背板115，此背板115延伸超過靶材110的直徑，並包括一周圍邊緣，其與側壁120介接而構成密封之處理室125。參照圖3，此周圍邊緣，或在某些情況中為濺鍍靶材組成件本身，包括所謂的”氣軌”(race)、”氣流軌道”(race－track)、或凹槽300，其適合來收納密封構件，例如O型環。將可以了解到密封構件不需要具有O型環組態，且可以是由任何可提供密封功能之材料所製成的。

該氣流軌道包括許多通氣槽310，其被等間隔地配置於處理室125之內側上。如下文所討論者，當處理區域被抽氣至真空壓力時，通氣槽讓氣體能夠從那裡被抽氣出去，否則氣體將會被捕陷於O型環與內側壁氣流軌道之間。

此所捕陷的氣體可能有多處來源，其包含O型環之釋氣、空氣從環境濺鍍系統100之周圍環境經由O型環而滲透向濺鍍系統100內之真空環境、或是在濺鍍系統100的通氣期間由O型環所捕陷之氣體，等等。如果沒有通氣槽的幫助，所捕陷之氣體將會與O型環在氣流軌道內的就座(seating)相干擾；而且，在真空處理期間，O型環在凹槽300內之適當的就座對於靶材背板115與側壁120間之足夠的密封而言是必要的。

參照回圖2，濺鍍系統100包括磁鐵130，該磁鐵係設置於靶材背板115之上方，此系統亦包括一開關135，用以將靶材背板115連接至直流(D.C.)電壓源140。在密封處理室125內，基板支架145係位於濺鍍靶材組成件105的下方。濺鍍系統100內之基板支架在處理期間適合來支撐半導體基板150。

在操作期間，第一提升機構155將基板150舉起，且密封處理室125經由真空泵(未顯示出)而被抽氣至約2至5毫托的壓力(亦即，真空)。關閉開關135，且相對於基板支架145，例如約500伏特之大的負電壓被施加於靶材組成件105上。在靶材組成件105與基板支架145之間產生相對應的電場。鈍氣(例如氬氣(Ar))然後被導入室中。帶正電荷的氬離子(Ar＋)，例如氬離子160，因而被產生於靶材組成件105與半導體基板150之間。這些帶正電荷的氬離子朝向帶負電荷之靶材110的表面加速並與之碰撞。由於這些碰撞的結果，電子會從靶材110中發射出。

由於在靶材組成件105與基板支架145之間所產生的電場，會使每個電子朝向基板支架145加速，而且每個電子會因由磁鐵130所產生的磁場而以螺旋形軌線方式行進。這些螺旋形行進之電子最終撞擊到基板上方之氬原子，以便產生額外之帶正電荷的氬離子，而這些氬離子會朝靶材110加速並與之撞擊。額外的電子因此從靶材110中發射出，其將產生額外之帶正電荷的氬離子，其產生額外的電子等等。此反饋製程持續，直至基板支架145的上方產生穩態電漿為止。

當電漿達到穩態時，基本上沒有帶電粒子的區域形成在靶材110的表面與電漿的頂部邊界之間。且，從靶材110中所發射出之個別的電子被認為是以穿隧方式行進(例如，以波形式而非以粒子形式)，以便維持此大的電壓差。如下文進一步所述，有時電漿會產生缺口(breached)，且大量的帶電粒子通量(類似電流的流動)行進穿過電漿(亦即，產生電弧)。

除了電子之外，由於氬離子與靶材110之間的動量傳遞，靶材原子會從靶材110中彈射出或〝濺射出〞。所濺射的靶材原子行進至半導體基板150，並聚集於其上，以形成靶材材料之薄膜於其上。理想上，此薄膜係高度均勻且沒有缺陷的。然而，在使用具有通氣槽於其中之習知靶材背板的濺鍍系統中，相當大量的靶材材料塊或濺滴(亦即，濺滴缺陷或濺滴)可能出現在藉由濺鍍沉積所形成的薄膜內。

雖然並不想要被限定於任何特定理論，但一般認為，這些濺滴缺陷之成因乃源自於一種發弧所導致之靶材100的局部加熱，其使靶材材料的一部分融化及釋出(liberate)。所釋出的靶材材料行進至基板150，濺散於其上，冷卻及重新形成，因表面張力之故而形成為所沉積之薄膜中的濺滴缺陷。相對於典型的金屬線寬(例如，小於1微米)，濺滴係非常大(例如，500微米)，且因使金屬線短路而影響裝置產量。一般認為，在現今互連金屬化方案中所產生之多達百分之五十的薄膜內缺陷為此類所引起之濺滴類型的缺陷。

已經發現到習知之通氣槽因引發靶材發弧而促使此濺滴形成。特別是，使用許多個具有特定組態之凹槽會導致所捕陷的氣體從O型環集中流動至處理區域。所集中所捕陷的氣流朝向所形成之電漿產生一高的捕陷氣體分壓。在處理期間，由於跨在靶材與基板間之空間上高電壓出現，所以當所捕陷之氣體離開通氣槽且進入處理區域中時，在每個通氣槽內之高的捕陷氣體分壓增加了在靶材表面與電漿的頂部邊界之間產生發弧的可能性。例如，所捕陷之氣體帶有足夠的氣壓離開通氣槽而進入電漿，該電漿的濃度導致所捕陷之氣體原子的電擊穿。因而增加了濺滴形成的可能性。

圖4A為依據本發明之通氣槽組態的示意圖。如前文針對習知濺鍍靶材組成件所討論的，此濺鍍靶材組成件包括一具有外圍周邊之靶材背板。然而，如上所述，本發明同樣適用於無外圍之靶材組成件。參照圖4A及圖4B，此靶材組成件包含一氣流軌道400，以容納一密封構件於其中，例如O型環。與圖2之習知靶材背板115不同的是，本發明之靶材背板的凹槽具有一內壁410，具有複數個凹槽配置於其中，並具有特別的組態。雖然可使用任何數目之等間隔的通氣槽，通氣槽420的數量較佳為偶數，以便在將真空應用於處理室(亦即，也被稱為〝抽氣〞)期間，使氣體從那裡去除平衡。最佳的是，使用八個限制的通氣槽，下面將參照圖4C來討論通氣槽之較佳組態及尺寸。

本發明可包含任意數量之通氣槽，其組態被設計來促使快速且完全的抽氣操作，藉以減少低發弧。更明確地說，通氣槽之幾何形狀改變確保O型環之真空側允許所捕陷之空氣或氣體在抽氣期間能夠不受阻擋地流動。結果，本發明之通氣槽實質上降低藉由各通氣槽來予以通氣之所捕陷空氣的濃度，減少被通氣至處理區域之所捕陷氣體的分壓，且因此降低發弧之可能性。

參照圖4C，通氣槽係配置在O型環氣道的周圍以可使O型環在高真空狀態下維持其完整性，但卻仍可以讓O型環之真空側上的氣體通氣到室中之幾何型態。通氣槽較佳具有半球形或半圓形組態，且其在垂直平面或水平平面兩者上具有可變之剖面。沒有銳角可促使無限制地氣流，且使擾動達最小。

如圖4C所例舉者，通氣槽係配置於靶材組成件的周圍上。該等通氣槽係位於氣流軌道之上，並具有朝向處理區域之開口。通氣槽的大小可被調整以適用於不同尺寸之靶材組成件及使用該等靶材組成件之個別的室。在較佳實施例中，八個半圓形之圓錐形凹槽係以約等距離間隔配置於氣流軌道之周圍。通氣槽的尺寸可適用於不同大小之凹槽軌道，且在較佳實施例中，通氣槽被加工到直徑為0.200英吋，及深度約為0.080英吋之尺寸。當然，通氣槽深度不能碰及氣流軌道之底部。通氣槽以相隔45度角的方式被配置於O型環凹槽內徑與靶材側壁之間。

實例

如圖5所例舉者，依據本發明所組構之通氣槽展現如同由所分析之基板所示的減少發弧。其以25個晶圓為一批次來予以處理，其中，鋁合金材料層係沉積於其上。其中一批次係使用本發明之靶材來予以處理，該靶材具半球狀或半圓形組態之通氣槽，且三批次係以另一種靶材來予以處理，該靶材之通氣槽為標準的矩形組態。所有的晶圓皆以13千瓦來進行處理，而室中之壓力為2.1托(Torr)，使用期限(lifetime)為950 kWh(亦即，直至該靶材被完全消耗為止)。如下表所示，鋁合金之沉積厚度為4000埃，且測量缺陷。

因此，如上表所例舉者，本發明之具半球形凹槽之靶材，在降低因發弧而產生的缺陷上獲得了11%的改進。同樣的，這些結果係以圖形方式顯示於圖5中。

雖然參照特定之實施例來詳細說明本發明，對於熟習此類技術的人士而言，在不違離所附加之申請專利範圍的範疇下能夠做成各種改變或修正與使用等同之物將是顯而易見的。

100．．．習知之濺鍍系統

105．．．濺鍍靶材組成件

110．．．靶材

115．．．靶材背板

120．．．側壁

125．．．處理室

130．．．磁鐵

135．．．開關

140．．．直流電源

145．．．基板支架

150．．．半導體基板

155．．．第一提升機構

160．．．帶正電荷的氬離子

300．．．凹槽

310．．．通氣槽

400．．．氣流軌道

410．．．內壁

420．．．通氣槽

從以下較佳實施例之詳述配合附圖，將能更加了解本發明之目的與優點，在各圖中，相同的數字表示相同的特徵，其中：圖1A至1C係濺鍍靶材組成件之圖形表示，其中，通氣槽的尺寸已被改變；圖2係一習知之磁控式濺鍍系統之示意圖；圖3例舉靶材背板之透視圖，此背板具有一氣流軌道，其中容納有配置於其中之密封構件及通氣槽；圖4A描述據本發明之通氣槽的示意圖；圖4B例舉濺鍍靶材組成件之透視圖，該組成件具有八個半圓形之圓椎形凹槽，此等凹槽係位於與氣流軌道相接的位置；圖4C係依據本發明所製造之濺鍍靶材的真實表示；及圖5例舉配置半圓形凹槽之靶材組成件與配置習知凹槽之靶材組成件之性能比較圖。

410．．．內壁

420．．．通氣槽

Claims (14)

1. 一種物理氣相沉積系統之密封組態，其包含：背板，包括適於收納密封構件之軌道，該軌道具有複數個通氣槽，該複數個通氣槽係以半球形狀或半圓形狀的方式來予以組構，以便在該物理氣相沉積系統的抽氣期間，讓該軌道中實際上所有被捕陷的氣體能夠被去除，而使系統內達成真空，並且在後續的電漿處理期間降低或消除該靶材的發弧，其中，該等通氣槽至少以某一角度而部分地延伸於該軌道上，並且和該物理氣相沉積系統的處理室直接相連通。
2. 如申請專利範圍第1項之密封組態，其中，該等通氣槽在垂直平面及水平平面上皆具有可變的組態。
3. 如申請專利範圍第1項之密封組態，進一步包含：至少四個通氣槽，係配置於該軌道的周邊上，彼此互相大約相距相等的距離處。
4. 如申請專利範圍第1項之密封組態，其中，該密封構件為O形環。
5. 如申請專利範圍第1項之密封組態，其中，該密封構件在該靶材背板與該物理氣相沉積系統內之處理室的側壁之間提供足夠的密封性。
6. 如申請專利範圍第1項之密封組態，其中，該等通氣槽被加工到直徑為0.200英吋及深度0.080英吋的尺寸。
7. 如申請專利範圍第1項之密封組態，其中，該等通 氣槽係以相隔45度角的方式而被配置於該軌道的內徑與該靶材側壁之間。
8. 一種物理氣相沉積系統的濺鍍靶材組成件，該濺鍍靶材組成件包含：靶材背板，其包括密封表面，該密封表面包括適於收納密封構件的軌道，該軌道包括複數個開口，該複數個開口係以半球形狀或半圓形狀的方式來予以組構，以便在物理氣相沉積系統的抽氣期間，讓將軌道中實際上所有被捕陷的氣體能夠被去除，以使該系統內達成真空，並且在後續的電漿處理期間降低或消除該靶材的發弧，其中，該等開口至少以某一角度而部分地延伸於該軌道上，並且和該物理氣相沉積系統的處理室直接相連通；及濺鍍靶材，係連接至該背板。
9. 如申請專利範圍第8項的濺鍍靶材組成件，其中，該等開口在垂直平面及水平平面上皆具可變的組態。
10. 如申請專利範圍第8項的濺鍍靶材組成件，進一步包含：至少四個開口，係配置於該軌道的周邊上，彼此互相大約相距相等的距離處。
11. 如申請專利範圍第8項的濺鍍靶材組成件，其中，該密封構件為O形環。
12. 如申請專利範圍第8項的濺鍍靶材組成件，其中，該密封構件在該靶材背板與該物理氣相沉積系統內之處理室的側壁之間提供足夠的密封性。
13. 如申請專利範圍第8項的濺鍍靶材組成件，其中 ，該等開口被加工到直徑0.200英吋及深度0.080英吋的尺寸。
14. 如申請專利範圍第8項的濺鍍靶材組成件，其中，該等開口係以相隔45度角的方式而被配置於該軌道的內徑與該靶材側壁之間。