TWI488987B - 用於ｐｖｄ腔室之濺射靶材 - Google Patents

用於ｐｖｄ腔室之濺射靶材 Download PDF

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Description

用於PVD腔室之濺射靶材
本發明之實施例大致有關於物理氣相沉積領域。更明確地，本發明之實施例係關於用以改善沉積於物理氣相沉積腔室中之薄膜的薄膜均勻性之凹面濺射靶材設計、包括凹面濺射靶材之腔室、及利用凹面靶材濺射材料於基板上之方法。
濺射係一種物理氣相沉積(PVD)處理，其中高能離子撞擊且侵蝕固體靶材並將靶材材料沉積於基板(例如，半導體基板，特定實例為矽晶圓)之表面上。半導體製造中，濺射處理通常實現於半導體製造腔室(亦為習知的PVD處理腔室或濺射腔室)中。
濺射腔室係用來濺射沉積材料於基板上以製造電子電路，諸如積體電路晶片與顯示器。一般而言，濺射腔室包括封圍壁，其圍繞導引處理氣體進入其中之處理區；氣體激發器，用以激發處理氣體；及排氣口，用以排氣且控制腔室中之處理氣體壓力。腔室係用來自濺射靶材濺射沉積材料於基板上，材料諸如金屬(諸如，鋁、銅、鎢或鉭)或金屬化合物(諸如，氮化鉭、氮化鎢或氮化鈦)。濺射處理中，濺射靶材係由充能離子(例如，電漿)所衝擊，造成材料離開靶材而沉積成基板上之薄膜。
典型半導體製造腔室具有一靶材組件，其包括固體金屬或其他材料的盤形靶材，靶材係由固持靶材之背板所支撐。為了促進均勻沉積，PVD腔室可具有環繞盤形靶材周圍之環狀同心金屬環(通常稱為擋板)。擋板之內表面與靶材之周圍表面間的縫隙一般稱為暗區(darkspace)縫隙。
第1與2圖描繪先前技術中用於PVD腔室內之靶材組件的配置。第1圖係先前技術中之半導體製造腔室100的示意剖面圖示，半導體製造腔室100包括腔室主體102及基板104，基板104係由腔室主體102中之基板支撐件106所支撐。靶材組件111包括背板114所支稱之靶材112。相對於基板支撐件106有所間隔而配置之靶材包括有正面或可濺射區120。擋板108包括一大致環狀外形金屬環，其延伸圍繞靶材周圍。擋板108係由擋板支撐件110固持於腔室中。靶材112之正面120係實質平坦的。
第2圖顯示先前技術中靶材組件211的另一構形，其包括背板214及接合至背板之靶材212。靶材212外形為平截頭體，且外形上大致為具有兩個向內斜角邊緣213之凸面，以致靶材之外周圍部分的厚度小於靶材之中心部分。
半導體產業近來發展中，特別在高介電常數與金屬閘極應用中，對薄膜良好均勻性的嚴格需求達到1至5埃等級，這對傳統物理氣相沉積(PVD)造成挑戰。靶材表面至晶圓的間隔較長之磁控濺射中，晶圓中心區之薄膜易於比晶圓上其他位置更厚，這妨礙達成薄膜厚度均勻性。樂見提出能夠提供橫跨基板整個半徑之較佳薄膜厚度均勻性的薄膜濺射系統。
因此，本發明之一或多個實施例係有關於濺射設備，其包括具有界定處理區域之壁的腔室，處理區域包括有基板支撐件；靶材，與基板支撐件有所間隔；及功率源，耦接至靶材以自靶材濺射材料，靶材具有界定可濺射靶材表面之正面，可濺射靶材表面延伸於靶材之周圍邊緣之間，而可濺射靶材表面界定一實質上在周圍邊緣之間的整體凹面形狀。
一實施例中，整體凹面形狀係由斜面區圍繞之實質平坦中心區所界定。一實施例中，斜面區的傾斜角度在約5至30度範圍中，以致靶材周圍邊緣的厚度大於中心區的厚度。特定實施例中，斜面區的角度在約7與15度範圍中。更多特定實施例中，斜面區的角度在約7與13度範圍中。
某些實施例中，斜面區延伸至周圍邊緣。替代實施例中，斜面區延伸至外周圍正面區。
一或多個實施例中，靶材周圍邊緣界定靶材直徑Rp 而中心區具有直徑Rc ，且中心區直徑係使得Rc /Rp 比例為0%至約90%。一或多個實施例中，其中Rc /Rp 比例係至少約60%且小於約90%。特定實施例中，Rc /Rp 比例係約70%。
本發明之另一態樣係關於用於濺射腔室中之靶材組件，靶材包括界定可濺射靶材表面之正面，可濺射靶材表面延伸於周圍邊緣之間且可濺射靶材表面界定一實質上在周圍邊緣之間的整體凹面形狀。一實施例中，整體凹面形狀係由斜面區圍繞之實質平坦中心區所界定。一實施例中，斜面區的傾斜角度在約5至20度範圍中，以致靶材周圍邊緣的厚度大於中心區的厚度，例如斜面區的角度在約7與15度範圍中，更明確地，斜面區的角度在約7與13度範圍中。特定實施例中，靶材周圍邊緣界定靶材直徑Rp 且中心區具有直徑Rc ，而中心區直徑係使得Rc /Rp 比例係至少約50%且小於約90%。其他實施例中，Rc /Rp 比例係至少約60%且小於約90%。特定實施例中，Rc /Rp 比例係約70%。一實施例中，靶材係接合至背板。
另一態樣係有關於改善濺射腔室中之濺射處理的徑向均勻性之方法，該方法包括：以與基板有所間隔之方式將靶材配置於濺射腔室中，基板具有面向靶材之徑向表面，靶材包括界定可濺射靶材表面之正面，可濺射靶材表面延伸於靶材周圍邊緣之間且可濺射靶材表面界定一實質上在周圍邊緣之間的整體凹面形狀；及自靶材濺射材料以便橫跨基板之徑向表面均勻地沉積來自靶材之材料。
在描述本發明多個示範性實施例之前，需理解本發明並非侷限於下方說明提出之詳細結構或處理步驟。本發明能夠具有其他實施例且能以不同方式加以實施或執行。
現參照第3A與3B圖，顯示出具有大致凹面形狀之靶材的處理腔室。第3A圖根據第一實施例顯示半導體製造腔室300，其包括腔室主體302及基板304，基板304係由腔室主體302中之基板支撐件306所支撐。基板支撐件306可為電性浮動或可由基座功率供應器(未顯示)加以偏壓。靶材組件311包括背板314所支撐之靶材312。相對於基板支撐件306有所間隔而配置之靶材312包括一具有可濺射區320之正面。腔室300之示範性實施例係Applied Materials,Inc.(Santa Clara,California)開發之自行離子化電漿腔室(例如，SIP-型腔室)。典型腔室300包括界定處理區之封圍側壁330、底壁332及頂部334，處理區中配置基板304以進行濺射操作。
透過氣體輸送系統將處理氣體導入腔室300，氣體輸送系統通常包括處理氣體供應器(未顯示)，處理氣體供應器包括一或多個供給一或多個氣體導管之氣體源，可讓氣體透過氣體入口(通常為腔室之數個壁之一者中的開口)流入腔室。處理氣體可包括非反應性氣體(諸如，氬或氙)，其充滿能量地撞擊並自靶材312濺射材料。處理氣體亦可包括反應性氣體(諸如，一或多個含氧氣體與含氮氣體)，其能夠與濺射之材料反應以在基板304上形成層。靶材312係與腔室300電絕緣，且靶材312係連接至靶材功率供應器(未顯示)，諸如RF功率源、DC功率源、脈衝DC功率源、或利用RF功率與/或DC功率或脈衝DC功率之組合式功率源。一實施例中，靶材功率源施加負壓至靶材312以激發處理氣體自靶材312濺射材料並沉積於基板304上。
來自靶材(通常為金屬，諸如鋁、鈦、鎢或任何其他適當材料)之濺射材料沉積於基板304上且形成金屬固體層。此層可經圖案化與蝕刻或接著主體金屬沉積以形成半導體晶圓中之互連層。
第3A與3B圖中，靶材組件311包括接合至靶材312之背板314。與正面320相對之靶材背面係接合至背板。可理解靶材312通常藉由焊接、銅焊、機械固定件或其他適當接合技術接合至背板。可以高強度導電金屬製造背板以與靶材電接觸。靶材背板314與靶材312亦可一起形成單一或整合結構，然則一般而言，其為接合在一起的個別部件。
靶材312具有面對腔室中之基板304的正面320或可濺射區，其延伸於靶材312之周圍邊緣324之間。可理解正面320或可濺射區代表靶材在濺射操作過程中被濺射之表面。靶材312之整體直徑係界定成第3B圖中所示之距離Rp 。如第3B圖所示，延伸橫跨周圍直徑Rp (實質上延伸於周圍邊緣324之間)之正面320的整體橫剖面形狀係凹面。凹面形狀係由正面320的邊緣區313(斜面或傾角)所界定，以致靶材312外周圍處的厚度Tp 大於正面中心區(由直徑Rc 所界定)處的厚度Tc 。可理解中心區直徑Rc 係小於整體直徑Rp (在周圍邊緣324之間)。邊緣區313界定圍繞靶材中心區之周圍區域。實質上由距離Rc 界定之中心區係實質上平坦的。
可理解周圍邊緣的厚度Tp 將由第3B圖中「A」代表之傾斜角度以及斜面或斜角邊緣區313之長度所決定，斜面或斜角邊緣區313之長度係由中心區直徑Rc 與整體靶材直徑Rp 的比例所決定。所示之實施例中，Rc /Rp 比例係在約60%至75%範圍之間。此Rc /Rp 比例可為約0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%，且此比例可經不同靶材材料實驗最佳化以使基板304上之薄膜均勻沉積達到完美。斜面或斜角與中心區之角度所界定之斜面邊緣313角度「A」可變動於約5與30度之間，更特定範圍係約5與20度之間、或7與15度之間，而最特定範圍在約7與13度之間。斜面邊緣313之角度「A」可藉由實驗而最佳化以取得橫跨基板304直徑之均勻徑向沉積。
第3C圖顯示靶材之替代實施例，其中Rc 約等同於0且Rc /Rp 比例係約0%。換句話說，斜面邊緣313自靶材之周圍邊緣324延伸且交會於靶材312之中心區。第3D圖顯示又另一替代實施例，其中斜面邊緣並無延伸至靶材之外周圍邊緣324。反之，斜面區315延伸至外周圍正面區326，其圍繞斜面邊緣且係實質平坦的，且靶材之外周圍邊緣324為外周圍正面區326的邊界。第3E圖顯示第3D圖顯示之設計的變體。第3E圖中，周圍邊緣區延伸至背板314之邊緣318以致靶材RT 的直徑實質上等同於背板RBP 之直徑。第3E圖中之外周圍正面326係大於第3D圖中之外周圍正面，其可避免濺射過程中來自背板之污染。可理解第3D與3E圖中之斜面區315實質延伸於周圍邊緣324之間。斜面區315延伸至外周圍正面區326，而不是延伸至實際的周圍邊緣324。一或多個實施例中，外周圍正面區326包括不超過約30%、20%或10%的靶材可濺射表面區。因此，根據一或多個實施例，當描述可濺射表面之整體凹面形狀實質延伸「在靶材邊緣之間」時，意圖表示整體凹面形狀自靶材中心區延伸至周圍邊緣或外周圍區(包括不超過約30%的可濺射表面)。
中心區處的靶材厚度Tc 可在1/8”之間變化而外周圍邊緣324處的厚度Tp 可在1/8”-3/4"之間變化。當然可理解這些厚度與其他尺寸可加以變化以最佳化特定濺射處理之沉積特性。另一變化形式中，雖然斜面邊緣如所示般為平坦時，但斜面邊緣313可具有凹面或凸面剖面。
本發明另一態樣係關於在上述類型的濺射腔室中自凹面靶材濺射材料以改善濺射處理之徑向均勻性的方法。方法包括以與基板有所間隔之方式將靶材配置於濺射腔室中，基板具有面向靶材之徑向表面。靶材包括界定可濺射靶材表面之正面，可濺射靶材表面延伸於靶材之周圍邊緣之間，且可濺射表面界定一實質在周圍邊緣之間的整體凹面形狀。方法更包括自靶材濺射材料以便橫跨基板之徑向表面均勻地沉積來自靶材之材料。
在利用DC與RF功率之腔室中進行許多實驗以顯示利用具有斜面或斜角邊緣區之凹面-外形靶材的結果。第4圖至第7圖顯示利用斜面靶材之實驗數據。第4圖至第7圖係比較三個靶材設計之薄膜厚度與厚度非-均勻性數據的圖示，三個靶材設計包括第3A圖與第3B圖顯示之凹面靶材類型、第1圖顯示之平坦靶材類型以及第2圖顯示之平截頭體靶材類型。凹面靶材的整體直徑Rp 係約17.5英寸，中心區直徑Rc 係約12英寸(以致Rc /Rp 比例係約68.5%)，且邊緣斜率約7度，除了測試不同斜率之第5圖以外。
第4圖與第5圖顯示在RF腔室中利用鈦靶材並對不同靶材維持腔室中之處理參數恆定所得之數據。第4圖顯示正規化厚度相對於300 mm基板上之不同徑向位置。可發現凹面靶材顯示3.38%的變化，而平坦靶材產生5.56%的變化，且平截頭體靶材產生7.08%的變化。第5圖顯示斜面靶材邊緣之角度對薄膜之厚度與厚度非-均勻性之影響，其中X軸係在0與13度之間變化之角度而Y軸顯示薄膜之非-均勻性(NU%)與厚度。
第6A圖顯示利用鋁凹面靶材之RF功率濺射腔室中產生之數據。在300 mm基板上不同的徑向位置測量正規化鋁厚度。第6A圖針對20 sccm、30 sccm與40 sccm的氬流率顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度之影響。第6B圖針對平坦靶材在與第6A圖所示之相同氬流率下顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度之影響。第6A圖與第6B圖中之數據的比較顯示凹面靶材的均勻性係優於平坦靶材，且氬流率對凹面靶材之徑向均勻性的衝擊較小。
第6C圖針對凹面靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響而第6D圖針對平坦靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響。當調整靶材-晶圓距離時，比起平坦靶材而言，凹面靶材顯示出較佳的均勻性以及橫跨基板徑向表面之厚度中較少的變化。
第6E圖針對凹面靶材顯示功率水平(RF)對正規化Al厚度的影響而第6F圖針對平坦靶材顯示功率水平(RF)對正規化Al厚度的影響。比起平坦靶材而言，凹面靶材顯示出可藉由最佳化濺射功率來達成更佳的薄膜均勻性。
第7A-F圖係利用鋁靶材(係凹面與平坦)之DC功率腔室中所產生。凹面靶材的尺寸類似於上述那些尺寸。第7A圖針對凹面靶材顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度的影響而第7B圖針對平坦靶材顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度的影響。比起平坦靶材而言，凹面靶材產生更佳的Al厚度徑向均勻性。
第7C圖針對凹面靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響而第7D圖針對平坦靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響。凹面靶材顯示較佳的Al厚度徑向均勻性。
第7E圖係針對根據本發明一實施例之靶材顯示功率水平(DC)對正規化Al厚度的影響而第7F圖針對平坦靶材顯示功率水平(DC)對正規化Al厚度的影響。凹面靶材顯示較佳的Al厚度徑向均勻性。
上述數據顯示凹面靶材展現出在DC與RF功率腔室兩者中針對不同處理條件(功率、靶材-晶圓間隔與處理氣體流率)較佳的橫跨基板徑向表面徑向均勻性。因此，藉由利用第3A圖與第3B圖中顯示之凹面-外形類型靶材將造成較佳的橫跨基板徑向表面沉積均勻性。此外，預期處理參數(諸如，靶材-晶圓間隔、處理氣體流率與功率)中之變化對沉積徑向均勻性的影響較低。
整篇說明書中提及「一實施例」、「某些實施例」、「一或多個實施例」或「實施例」時，意指與實施例連結所述之特定特徵、結構、材料或特性係包括於本發明至少一實施例中。因此，在整篇說明書中出現之片語，例如「一或多個實施例中」、「某些實施例中」、「一實施例中」、「實施例中」並非必然提及本發明之相同實施例。再者，可在一或多個實施例中以任何適當方式組合特定特徵、結構、材料或特性。
雖然已經參照特定實施例於本文中描述本發明，但可理解這些實施例僅為本發明之說明性原則與應用。熟悉技術人士可明顯得知能在不悖離本發明之精神與範圍下對本發明之方法與設備進行多種修改與變動。因此，本發明意圖包括位於下附申請專利範圍及其等效體之範圍中的修改與變化。
100、300．．．製造腔室
102、302．．．腔室主體
104、304．．．基板
106、306．．．基板支撐件
108．．．擋板
110．．．擋板支撐件
111、211、311．．．靶材組件
112、212、312．．．靶材
114、214、314．．．背板
120、320．．．正面
213．．．斜角邊緣
313．．．邊緣區
315．．．斜面區
318．．．邊緣
324．．．周圍邊緣
326．．．正面區
330．．．側壁
332．．．底壁
334．．．頂部
可參照實施例(某些描繪於附圖中)來理解本發明簡短概述於上之特定描述。然而，需注意附圖僅描繪本發明之典型實施例而因此不被視為其之範圍的限制因素，因為本發明可允許其他等效實施例。
第1圖係先前技術中具有平坦靶材之半導體製造腔室的示意剖面圖；
第2圖係先前技術中具有平截頭體靶材之靶材組件的示意剖面圖；
第3A圖係包括根據第一實施例之靶材之半導體製造腔室的示意剖面圖；
第3B圖係第3A圖所示之靶材組件的示意剖面圖；
第3C圖係靶材組件之替代實施例的示意剖面圖；
第3D圖係靶材組件之替代實施例的示意剖面圖；
第3E圖係靶材組件之替代實施例的示意剖面圖；
第4圖係比較三種靶材設計之氮化鈦(TiN)薄膜的薄膜厚度數據之圖示；
第5圖係顯示傾斜靶材邊緣之角度對氮化鈦(TiN)薄膜之厚度與厚度非-均勻性的影響之圖示；
第6A圖係利用RF功率之處理產生之圖示，其針對根據本發明實施例之靶材顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度的影響；
第6B圖係利用RF功率之處理產生之比較圖示，其針對平坦靶材顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度的影響；
第6C圖係利用RF功率之處理產生之圖示，其針對根據本發明實施例之靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響；
第6D圖係利用RF功率之處理產生之比較圖示，其針對平坦靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響；
第6E圖係利用RF功率之處理產生之圖示，其針對根據本發明實施例之靶材顯示功率水平(RF)對正規化Al厚度的影響；
第6F圖係利用RF功率之處理產生之比較圖示，其針對平坦靶材顯示功率水平(RF)對正規化Al厚度的影響；
第7A圖係利用DC功率之處理產生之圖示，其針對根據本發明實施例之靶材顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度的影響；
第7B圖係利用DC功率之處理產生之比較圖示，其針對平坦靶材顯示Ar氣體流率對正規化Al厚度的影響；
第7C圖係利用DC功率之處理產生之圖示，其針對根據本發明實施例之靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響；
第7D圖係利用DC功率之處理產生之比較圖示，其針對平坦靶材顯示靶材-晶圓間隔(T-W)對正規化Al厚度的影響；
第7E圖係利用DC功率之處理產生之圖示，其針對根據本發明實施例之靶材顯示功率水平(DC)對正規化Al厚度的影響；及
第7F圖係利用DC功率之處理產生之比較圖示，其針對平坦靶材顯示功率水平(DC)對正規化Al厚度的影響。
300．．．製造腔室
302．．．腔室主體
304．．．基板
306．．．基板支撐件
311．．．靶材組件
312．．．靶材
313．．．邊緣區
314．．．背板
320．．．正面
330．．．側壁
332．．．底壁
334．．．頂部

Claims (14)

  1. 一種濺射設備，包括：一腔室，具有一界定一處理區域之壁，該處理區域包括一基板支撐件；一靶材，與該基板支撐件有所間隔；及一功率源，耦接至該靶材以自該靶材濺射材料，該靶材具有一界定可濺射靶材表面之正面，該可濺射靶材表面延伸於該靶材之周圍邊緣之間，且該可濺射靶材表面界定一在該等周圍邊緣之間的整體凹面形狀，該整體凹面形狀係由一斜面區圍繞之一平坦中心區所界定，其中該靶材周圍邊緣界定一靶材直徑Rp 而該平坦中心區具有一直徑Rc ，且該中心區直徑使得Rc /Rp 比例係在大於60%至約90%的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該斜面區的傾斜角度係在約5至30度範圍中，以致該靶材之周圍邊緣處的厚度大於該中心區處的厚度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該斜面區的角度係在約7至15度範圍中。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該斜面區的角度係在約7至13度範圍中。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該斜面區延伸至該周圍邊緣。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該斜面區延伸至一外周圍正面區。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該Rc /Rp 比例係約70%。
  8. 一種用於一濺射腔室之靶材組件，該靶材包括一界定可濺射靶材表面之正面，該可濺射靶材表面延伸於周圍邊緣之間，且該可濺射靶材表面界定一在該等周圍邊緣之間的整體凹面形狀，該整體凹面形狀係由一斜面區圍繞之一平坦中心區所界定，該靶材周圍邊緣界定一靶材直徑Rp 而該中心區具有一直徑Rc ，且該中心區直徑係使得Rc /Rp 比例係在大於60%至約90%的範圍內。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之靶材組件，其中該斜面區的傾斜角度係在約5至20度範圍中，以致該靶材之周圍邊緣處的厚度大於該中心區處的厚度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之靶材組件，其中該斜面區的角度係在約7至15度範圍中。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之靶材組件，其中該斜面區的角度係在約7至13度範圍中。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之靶材組件，其中該Rc /Rp 比例係約70%。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之靶材組件，其中該靶材係接合至一背板。
  14. 一種改善一濺射腔室中之一濺射處理的徑向均勻性之方法，包括：以與一基板有所間隔之方式將一靶材配置於該濺射腔室中，該基板具有一面向該靶材之徑向表面，該靶材包括一界定可濺射靶材表面之正面，該可濺射靶材表面延伸於該靶材之周圍邊緣之間，且該可濺射靶材表面界定一在該等周圍邊緣之間的整體凹面形狀，該整體凹面形狀由一斜面區圍繞之一平坦中心區所界定，該靶材周圍邊緣界定一靶材直徑Rp 而該平坦中心區具有一直徑Rc ，且該中心區直徑使得Rc /Rp 比例係在大於60%至約90%的範圍內；及自該靶材濺射材料，以致橫跨該基板之徑向表面均勻地沉積來自該靶材之材料。
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