TWI537406B

TWI537406B - 具有旋轉磁性組件與中央饋送射頻能量之物理氣相沉積腔室

Info

Publication number: TWI537406B
Application number: TW100111347A
Authority: TW
Inventors: 利奇艾倫; 米勒凱斯
Original assignee: 應用材料股份有限公司
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2016-06-11
Also published as: TW201137148A

Description

具有旋轉磁性組件與中央饋送射頻能量之物理氣相沉積腔室

本發明之實施例大致上與物理氣相沉積製程設備相關

在半導體製程中，物理氣相沉積法(PVD)傳統上用來將原料沉積至基板頂上。傳統物理氣相沉積製程利用電漿離子轟擊靶材以濺射出原料。藉由負電壓或基板上的偏壓，濺射出的原料會朝基板方向加速，而將原料沉積在基板頂上。在一些製程中，在沉積原料後，已沉積在基板上的原料可能因電漿離子的轟擊導致再濺射，因而促使基板上的原料重新分布。在物理氣相沉積製程期間，磁控管可於靠近靶材背面處旋轉以提升電漿之均勻性。

一些傳統射頻物理氣相沉積製程腔室經由經耦合至靶材之電饋送(electrical feeds)以提供射頻能量至靶材。發明者們發現，利用傳統物理氣相沉積方法，在其具有經耦合至靶材之射頻能量的腔室內所製成的基板，通常會產生不均勻之沉積輪廓。

因此，發明者們提供物理氣相沉積法之改良方法及裝置，其可以提供在物理氣相沉積製程腔室內所製程之基板更均勻之沉積輪廓。

本發明之實施例提供用於物理氣相沉積法製程基板的改良方法與裝置。在一些實施例中，物理氣相沉積裝置可包含：靶材組件，其具有待沉積於基板上之原料的靶材、反向配置於靶材背面並沿周圍邊緣經電耦合至靶材之相對原料分配盤、及配置於靶材背面與原料分配盤之間的空腔；經耦合至原料分配盤上洽於靶材中央軸上之一點的電極；及包含可旋轉磁鐵之磁控管組件，可旋轉磁鐵係配置於空腔內且具有與靶材組件之中央軸對齊的旋轉軸，其中該可旋轉磁鐵並非經由電極驅動。

在一些實施例中，物理氣相沉積裝置可包含：製程腔室，其具有基板支座經配置於其內、靶材組件，其具有待沉積於基板上之原料的靶材且係配置於製程腔室內部面向基板支座之支撐表面、反向配置於靶材背面並沿周圍邊緣經電耦合至靶材之相對原料分配盤、及配置於靶材背面與原料分配盤之間的空腔；經電耦合至原料分配盤上洽於靶材中央軸上之一點的電極；經耦合至電極以提供射頻能量至靶材之射頻電源；及包含可旋轉磁鐵之磁控管組件，可旋轉磁鐵係配置於空腔內且具有與靶材組件之中央軸對齊的旋轉軸，其中該可旋轉磁鐵並非經由電極驅動。

在一些實施例中，物理氣相沉積裝置可包含：製程腔室，其具有基板支座經配置於其內、靶材組件，其具有待沉積於基板上之原料的靶材且係配置於製程腔室內部面向基板支座之支撐表面、反向配置於靶材背面並沿周圍邊緣經電耦合至靶材之相對原料分配盤、及配置於靶材背面與原料分配盤之間的空腔；經配置於靶材組件附近與其間隔之接地屏蔽；耦接在接地屏蔽與原料分配盤之間的多個介電間隔物；相對靶材軸以軸對稱方式配置之複數個介電間隔物；電極，其通過接地屏蔽上的開孔經電耦合至原料分配盤上洽於靶材中央軸上之一點；經耦合至電極以提供射頻能量至靶材之射頻電源；及包含可旋轉磁鐵之磁控管組件，可旋轉磁鐵係配置於空腔內且具有與靶材組件之中央軸對齊的旋轉軸，其中該可旋轉磁鐵並非經由電極驅動。

本發明其他及更進一步實施例將如下述。

茲揭示用於基板製程之物理氣相沉積方法與裝置。在一些實施例中，根據本發明所述之改良方法與裝置可在經製程之基板上產生更均勻之沉積輪廓。本發明裝置的實施例可有益於使射頻電源經耦合至靶材，使得物理氣相沉積腔室內接近靶材的電磁場更為均勻，因而促使靶材更均勻地沉積於基板上。

圖1圖示根據本發明之實施例所繪之物理氣相沉積腔室100之簡化剖面圖。物理氣相沉積所適用之腔體包含市售兩款由總部設於美國加州Santa Clara市之美商應用材料公司出產之ALPS^® Plus和SIP ENCORE^®。出產自美商應用材料公司或其他製造公司的製程腔室亦可依本發明所揭露之裝置改良方式而獲益。

在本發明一些實施例中，物理氣相沉積腔室100包含經配置於製程腔室104頂上的靶材組件102。製程腔室104包含用於容納基板108的基板支座106。基板支座106可位於接地圍牆110內，此圍牆可為腔壁(如所示)或接地屏蔽，如至少覆蓋靶材114上方部分靶材組件102之接地屏蔽112。在一些實施例中(未圖示)，接地屏蔽112亦可延伸至靶材114下方以圍繞基板。

基板支座106具有容納材料表面，此表面面向靶材114之主表面且支撐待濺射基板108(其位於面向靶材114主表面之平面位置)。基板支座106可將基板108支撐在在製程腔室104的中央區域120內。中央區域120定義為製程期間基板支座106上方之區域(例如，在之製程位置時，係位置於靶材114與基板支座106之間)。

在一些實施例中，基板支座106透過連接至底部腔壁124之波紋管122可垂直移動而使基板108藉位於製程腔室104下部分之負載鎖定閥(load lock valve)(未圖示)而被轉移至基板支座106上，而後上升至沉積或是製程位置。透過流量控制器128，一種或更多種製程氣體可從氣體源供應至製程腔室104下部分。可提供排氣口130(且其經耦合至幫浦(未圖示))，透過用於排放製程腔室104內部氣體之閥門132，以有助於維持製程腔室104內部所欲氣壓。

射頻偏壓電源134可經耦合至基板支座以在基板108上誘發負直流偏壓。再者，在一些實施例中，負直流自偏壓(negative DC self-bias)在製程期間可形成於基板108上。例如，射頻偏壓電源134所提供之射頻能量可在約2百萬赫茲至約60百萬赫茲之頻率範圍內，例如提供非限定(non-limiting)頻率如2百萬赫茲、13.56百萬赫茲或是60百萬赫茲。在其他應用上，基板支座106可接地或保持在電浮動(electrical floating)下。若以另一方式或加以結合，電容調諧器136可經耦合至基板支座106，用於調整基板108上之電壓，其用於無射頻偏壓電源需求之應用。

在一些實施例中，製程腔室104可進一步包含接地底部屏蔽138，接地底部屏蔽係連接至接地導電鋁轉接器116之突部(ledge)140。暗區屏蔽142可受接地底部屏蔽138支撐並可藉螺絲或其他適合方式固定於接地底部屏蔽138。接地底部屏蔽138與暗區屏蔽142之間的金屬螺紋連接(metallic threaded connection)使兩個屏蔽138、142接地至接地導電鋁轉接器116。接地導電鋁轉接器116繼而被密封並被接地至鋁腔側壁110。屏蔽138、142通常皆由堅硬而無磁性之不鏽鋼製成。

底部屏蔽138向下延伸而可包含普通具有一般常數直徑之管狀部分144。底部屏蔽138沿著接地導電鋁轉接器116及腔壁110之壁面向下延伸至基板支座106頂面下方，而後轉向上直至抵達基板支座106頂面(例如在底部形成u形部分)。當基板支座106處於低負載位置時，蓋環148會依靠在底部屏蔽138向上延伸內部分150的頂端，而當基板支座106處於高沉積位置時，蓋環148會依靠在基板支座106的外環上以保護其免遭濺射沉積。另有一沉積環(未圖示)則用以遮蔽基板108週邊防止遭沉積。

在一些實施例中，磁鐵152可配置於製程腔室104附近以選擇性提供基板支座106與製程腔室104之間之磁場。例如圖1所示，當基板支座106在製程位置時，磁鐵152可配置於其上方腔壁110外附近。在一些實施例中，磁鐵152可另外或替換成配置於其他地點，例如接地導電鋁轉接器116附近。磁鐵152可為電磁鐵而可經耦合至電源以控制電磁鐵產生之電磁場強度。

靶材組件102具有連接至電極154之射頻電源182。射頻電源182可包含射頻產生器以及匹配電路。例如於操作期間將反射回射頻產生器之射頻反射能量降至最小。例如射頻電源182所供給之射頻能量其可在13.56百萬赫茲至162百萬赫茲或以上之頻率範圍內。例如，可使用非限定頻率如13.56百萬赫茲、27.12百萬、60百萬赫茲或162百萬赫茲。發明者們已發現即使透過將射頻能量耦合至管狀軸環可改善製程之均勻性(此管狀軸環係圍繞於經集中配置之磁控管軸件)，然而在當耦合射頻能量具有更高的頻率時，製程之均勻性便意外地惡化。特別地，當供給射頻能量之頻率增加，則製程均勻性會惡化。發明者們已發現，使用軸向配置於靶材中央軸線上較小直徑之電極、透過將射頻能量耦合至靶材組件，即使磁控管驅動機制移至相對於靶材組件非軸對稱的地點，亦可增進製程的均勻性。

在一些實施例中，第二個電源183可經耦合至靶材組件102以於製程期間提供靶材114額外能量。在一些實施例中，第二個電源183可為直流電源提供直流能量，例如增進靶材濺射速率(因此增進基板沉積速率)。在一些實施例中，第二個電源183可為第二射頻電源，如同射頻電源182，例如，提供(有別於射頻電源182提供之射頻能量所使用之第一頻率的)第二頻率之射頻能量。在一些第二個電源183為直流電源的實施例中，第二個電源可經耦合至靶材組件102於任何適合將直流能量電耦合至靶材114的地點，如於電極154或一些其他導電構件(如以下討論的原料分配盤158)。在一些第二個電源183為射頻電源的實施例中，第二個電源可透過電極154經耦合至靶材組件102。

電極154可為圓柱狀或棒狀的，且其可與物理氣相沉積腔室100的中央軸186對齊(例如電極154可經耦合至靶材組件於靶材中央軸上一點，其中該靶材中央軸與中央軸186一致)。與物理氣相沉積腔室100之中央軸186對齊的電極154，促使從射頻電源182以軸對稱方式供給射頻能量至靶材114(例如電極154可在與物理氣相沉積腔室之中央軸對齊之「單點」位置，將射頻能量耦合至靶材)。電極154之中央位置有助於消除或減少於基板沉積製程時之不對稱沉積。電極154可具任何適當之直徑，然而電極154的直徑越小，將越趨近於射頻能量應用上之「單點」。例如，在一些實施例中，即使電極154直徑可為其他尺寸，仍會落於約0.5英吋至約2英吋範圍之間。電極154一般而言依物理氣相沉積腔室的形態可具有任何適當長度。在一些實施例中，電極長度介於約0.5英吋至約12英吋之間。電極154可由任何適合的導電物質製造，例如鋁、銅、銀或類似物質。

電極154可穿過環形接地平板156且經耦合至原料分配盤158。接地平板156可包含任何適當的導電物質，例如鋁、銅或類似物質。複數個絕緣體160將原料分配盤158耦合至接地平板156。絕緣體160提供組件的穩定性與剛性而未將原料分配盤158電耦合至接地平板156。絕緣體160之間的開放空間則顧及到射頻電波沿著原料分配盤158表面傳遞。在一些實施例中，絕緣體160對物理氣相沉積腔室100之中央軸186對稱配置。如此配置可促使對稱射頻電波沿著原料分配盤158表面傳遞，而最終至靶材114，該靶材經耦合至原料分配盤158。

靶材114可由一元體或由多種成分製造而可進一步被耦合至底板162。底板162(或直接是靶材114)透過導電構件164被耦合至原料分配盤158以接收靶材114鄰近週邊邊緣之射頻能量。至少從部分角度而言，因電極154位於物理氣相沉積腔室之中央位置，因此相較於傳統物理氣相沉積腔室，可以更對稱及更均勻的方式供給射頻能量。

接地導電鋁轉接器116藉介電質隔離器118可支撐靶材114，其包含於濺射期間待沉積於基板(未圖示)上之材料，例如金屬或金屬氧化物。在一些實施例中，底板162可被耦合至靶材114之面向靶材表面。底板162可包含導電材料，例如鋅銅(copper-zinc)、鉻銅(copper-chrome)或與靶材相同材料，如此射頻電源可透過底板162被耦合至靶材114。此外，底板162可為非導電性且可包含導電元件(未圖示)，例如電饋通線(feedthroughs)或其他相似元件，其用於耦合靶材114之面向靶材表面至導電構件164之第二端部168。底板162可包含其中，用以改進諸如靶材114之結構穩定性。靶材114部分地形成製程腔室104之天花板。

有第一端部166與第二端部168之導電構件164可為圓柱狀，其中臨近於原料分配盤158週邊邊緣之第一端部166經耦合至原料分配盤158面向靶材之表面；而臨近於靶材114週邊邊緣之第二端部168經耦合至靶材114面向原料分配盤之表面。在一些實施例中，臨近於底板162週邊邊緣之第二端部168係耦合至原料分配盤面向底板162之表面。絕緣間隙180介於接地平板156、原料分配盤158外部表面、導電構件164與靶材114(與/或底板162)之間。絕緣間隙180可以空氣或其他適當的介電材料(例如陶瓷、塑膠或類似材料)填充。接地平板 156與原料分配盤158之間之距離取決於接地平板156與原料分配盤158之間的介電材料。當上述其中的介電材料大多為空氣時，則接地平板156與原料分配盤158之間之距離應介於5毫米至40毫米之間。

空腔170至少部分由導電構件164之內表面、原料分配盤158之面向靶材表面、及面向114(或底板162)表面的原料分配盤所定義。在一些實施例中，空腔170可至少部分地以冷卻液192填充，例如水(H₂O)或其他類似物質。在一些實施例中，可提供分隔器194以將冷卻液192容置於空腔170之所欲部分內(如所示的下部分)，以防止冷卻液192接觸到配置於分隔器194另一邊的組件，如以下討論。

磁控管組件196其一或更多部分可至少部分地配置於空腔170內。磁控管組件提供靶材附近的旋轉磁場以協助製程腔室104內的電漿製程。在一些實施例中，磁控管組件196可包含馬達176、馬達軸件174、變速箱178、變速箱軸件184以及可旋轉磁鐵(例如經耦合至磁鐵支座構件172之複數個磁鐵188)。

在一些實施例中，磁控管組件196在空腔170內旋轉。例如，在一些實施例中，可提供馬達176、馬達軸件174、變速箱178、變速箱軸件184使磁鐵支座構件172旋轉。在傳統上具有磁控管之物理氣相沉積腔室，磁控管驅動軸件一般沿腔體之中央軸配置，阻止射頻能量在位於與腔體中央軸對齊之位置耦合。相反地，在本發明的實施例中，電極154與物理氣相沉積腔室之中央軸186對齊。如此一來，在一些實施例中，磁控管之馬達軸件174可配置通過在接地平板156之離心(off-center)開孔。馬達軸件174從接地平板156突出的末端被耦合至馬達176。馬達軸件174被進一步配置通過一相應之離心(off-center)開孔，該開孔通過原料分配盤158(例如第一開孔146)並經耦合至變速箱178。在一些實施例中，一或多個第二開孔198可與第一開孔146以對稱關係配置於通過原料分配盤158，有利維持沿原料分配盤158之射頻成軸對稱分布。一或多個第二開孔198亦可容許諸如光學感測器或類似元件得以進出空腔170。

可藉由經耦合至原料分配盤158底表面等任何適當方式支撐變速箱178。藉由以介電材料製造變速箱178之至少上表面或藉由在變速箱178與原料分配盤158之間置入隔絕層190，變速箱178可與原料分配盤158隔絕。變速箱178更進一步透過變速箱軸件184而被耦合至磁鐵支座構件172，以將馬達176提供之旋轉運動轉移至磁鐵支座構件172(也因此轉移至複數個磁鐵188)。

磁鐵支座構件172可由任何適當之材料建造以提供適當之機械力而牢固地支撐複數個磁鐵188。例如，在一些實施例中，磁鐵支座構件172可由非磁性金屬建造，例如非磁性不鏽鋼。磁鐵支座構件172可為任何適於在需要位置，將複數個待被耦合至磁鐵支座構件之磁鐵188得以進出的形狀。例如，在一些實施例中，磁鐵支座172可包含平板、圓盤、橫樑構件(cross member)以及類似構件。可以任何形式安置複數個磁鐵188以提供具有所欲形狀與強度之磁場。

或者，例如由於空腔170內存在冷卻液192時，磁鐵支座172可藉任何其他帶有(足以抵抗來自其與其所附之複數個磁鐵188的阻力之)轉矩的手段所旋轉。例如，在一些實施例中，如圖3所描繪，磁控管組件196可於空腔170內使用配置於其內、且直接連結至磁鐵支座172之馬達176與馬達軸件174(例如扁平形馬達(pancake motor))而被旋轉。馬達176之尺寸必須足以符合腔體170內空間，或在有分隔器194下符合腔體170之上部分。馬達176可為氣壓或液壓驅動之電動馬達或任何可提供所需轉矩之製程相容機制。

因此，上述提供為用於物理氣相沉積製程之方法與裝置。在一些實施例中，發明方法與發明裝置提供中央饋送射頻能量至製程腔室內之靶材，相較於傳統物理氣相製程裝置，此物理氣相沉積之製程腔室有助於提供基板更均勻之沉積輪廓。

上述為直接針對本發明之實施例，本發明其他或更進一步之實施例亦可在不違背其基本範圍下而被衍生。

101‧‧‧物理氣相沉積腔室

102‧‧‧靶材組件

104‧‧‧製程腔

106‧‧‧基板支座

108‧‧‧基板

110‧‧‧接地圍牆

112‧‧‧接地屏蔽

114‧‧‧靶材

116‧‧‧鋁轉接器

118‧‧‧介電質隔離器

120‧‧‧中央區域

122‧‧‧波紋管

124‧‧‧底部腔璧

126‧‧‧氣體源

128‧‧‧流量控制器

130‧‧‧排氣口

132‧‧‧閥門

134‧‧‧射頻偏壓電源

136‧‧‧電容調諧器

138‧‧‧接地底部屏蔽

140‧‧‧突部(Ledge)

142‧‧‧暗區屏蔽

144‧‧‧管狀部分

146‧‧‧第一開孔

148‧‧‧蓋環

150‧‧‧向上延伸內部分

152‧‧‧磁鐵

180‧‧‧絕緣間隙

182‧‧‧射頻電源

184‧‧‧變速箱軸

186‧‧‧中央軸

188‧‧‧磁鐵

154‧‧‧電極

156‧‧‧接地平板

158‧‧‧原料分配盤

160‧‧‧絕緣體

162‧‧‧底板

164‧‧‧導電構件

166‧‧‧第一端部

168‧‧‧第二端部

170‧‧‧空腔

172‧‧‧磁鐵支座構件

174‧‧‧馬達軸

176‧‧‧馬達

178‧‧‧變速箱

190‧‧‧絕緣層

192‧‧‧冷卻液

194‧‧‧分隔器

196‧‧‧磁控管組件

198‧‧‧開孔

本發明之實施例簡潔摘要如上述，以下將更仔細的討論。藉參考所附之附圖與說明可以了解本發明之實施例。然而必須注意的是，所附附圖僅說明本發明之典型實施例，因此不應侷限實施例範圍，實際上本發明可應用於其他等效之實施例。

圖1圖示根據本發明一些實施例所繪之物理氣相沉積腔室簡化剖面圖。

圖2圖示根據本發明一些實施例所繪之靶材組件局部立體圖。

圖3圖示根據本發明一些實施例所繪之物理氣相沉積腔室簡化剖面圖。

為了幫助理解，在可能的情況下，將以相同的元件符號來指定各附圖中共同的相同元件。附圖未按比例繪製且可能為求清楚加以簡化表示。已認知到實施例的元件與特徵可有益地合併於其他實施例中而無須近一步地逐一敘述。

100‧‧‧物理氣相沉積腔室