TWI553141B - 於物理氣相沉積(pvd)腔室中處理基材之方法及形成含鎢層於基材之頂上之方法 - Google Patents

於物理氣相沉積(pvd)腔室中處理基材之方法及形成含鎢層於基材之頂上之方法 Download PDF

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Description

於物理氣相沉積(PVD)腔室中處理基材之方法及形成含鎢層於基材之頂上之方法
本發明大體上關於基材處理，且更具體地係關於物理氣相沉積製程。
於傳統物理氣相沉積(PVD)製程中，如於鎢(W)之沉積的例子，為了薄膜沉積而僅施加直流(DC)功率。儘管以傳統磁控管設計可達成好的厚度均勻度，所沉積W薄膜之電阻率係非常高，而高電阻率因高線性阻抗而限制了電晶體積體的密度。一種嘗試改善W薄膜之特徵的技術係RF輔助PVD沉積，其中W薄膜之電阻率可因高能離子再濺射和薄膜緻密化而大量地減少。然而，因RF功率於沉積製程期間耦合電漿，這些W薄膜之厚度均勻度係不佳。
因此，發明人提供用於薄膜之PVD沉積的設備和方法，該薄膜具有減少之電阻率和非均勻度。
於此提供用於沉積具有高厚度均勻度和低電阻率之薄膜的方法及設備。於一些實施例中，一磁控管組件包括：一分流板，該分流板可繞一軸而轉動；一內側封閉迴路磁極，該內側封閉迴路磁極耦接至該分流板；及一外側 封閉迴路磁極，該外側封閉迴路磁極耦接至該分流板，其中該外側封閉迴路磁極之一磁場強度對該內側封閉迴路磁極之一磁場強度的一不平衡比例係小於約1。於一些實施例中，該比例係約0.57。於一些實施例中，該外側封閉迴路磁極具有心形。
於一些實施例中，一種於一物理氣相沉積(PVD)腔室中處理一基材之方法包括以下步驟：提供具有至少一些離子物質之一製程氣體進入該PVD腔室；施加一DC功率至設置於一基材上之一靶材以引導該等離子物質朝向該靶材；旋轉於該靶材上之一磁控管，該磁控管具有一內側封閉迴路磁極和一外側封閉迴路磁極，其中該外側封閉迴路磁極之一磁場強度對該內側封閉迴路磁極之一磁場強度的一不平衡比例係小於約1；使用該等離子物質由該靶材濺射複數個金屬原子；沉積複數個第一金屬原子於該基材上；施加一RF功率至設置於該基材下方之一電極以使用該等離子物質而再濺射該等沉積金屬原子的至少一部分；及藉由施加該DC功率和該RF功率長達一所欲的時間週期而於該基材上形成一層。於一些實施中，該層包括包括鎢(W)且具有具有低於約2%之一厚度均勻度和低於約10μohm-cm之一電阻率。
本發明之其他和進一步的實施例係描述於下。
於此提供用於沉積具有高厚度均勻度和低電阻率之薄膜的方法及設備。本發明設備之一些實施例關於於射頻(RF)物理氣相沉積(PVD)製程中使用的磁控管設計。本方法之一些實施例關於沉積具有高厚度均勻度(如，低於約2%)和低電阻率(如，低於約10μohm-cm)的薄膜。
第1圖顯示依據本發明之一些實施例的磁控管。本發明之磁控管一般可使用於具有DC功率施加至靶材及RF功率施加至一或多個基材支撐件或PVD腔室之靶材的PVD腔室中(如，於下所描述且於第2圖中所描繪之PVD腔室200)。可由使用本發明磁控管而受益之製程的非限制例包含於其他沉積製程中的鎢(W)沉積製程。
第1圖顯示依據本發明之一些實施例的磁控管100之底視立體圖。磁控管100包含分流板102，該分流板102亦作為磁控管組件的結構基底。分流板102可包含當分流板102耦接至一軸桿時可繞該軸桿轉動的轉動軸104。舉例來說，安裝板(圖未示)可耦接至分流板102以安裝分流板102至軸桿(如，顯示於第2圖中之軸桿216)而提供磁控管100於使用期間的轉動。於一些實施例中，且如圖示，分流板102可具有心形。然而，分流板102亦可具有其他形狀。
磁控管100包含至少兩個磁極(如，內側極106和外側極108)。每一內側和外側極106、108可形成封閉迴路磁場。當於此使用時，封閉迴路磁場指的是沒有分離的始端和末端但形成迴圈之極。於給定極內之極性係相同 (如、北極或南極)，但介於每一極106、108間的極性係彼此相對(如，內側北極且外側南極，或內側南極且外側北極)。
每一極可包含配置於極板和分流板102間的複數個磁鐵。舉例來說，內側極106包含極板110，該極板110具有設置於極板110和分流板102間的複數個第一磁鐵112。同樣地，外側極108包含極板114，該極板114具有設置於極板114和分流板102間的複數個第二磁鐵116。極板110、114可由鐵磁性材料(如於一非限制例中，400系列不鏽鋼)或其他合適的材料所製成。極板110、114可具有任何合適的封閉迴路形狀。極板110、114之形狀可相似，使得介於極板110、114間的距離係繞極板110、114之迴路而大體上均勻。如圖所示，於一些實施例中，極板114可為心形。於一些實施例中，極板114可約略依循分流板102之周緣形狀。
於每一複數個磁鐵中之磁鐵無須完整地均勻分布。舉例來說，如第1圖中所示，於一些實施例中，於複數個第二磁鐵116中之至少一些磁鐵可成對配置。如第1A圖中所示，複數個磁鐵可以多列而配置。舉例來說，複數個第一磁鐵112係在圖中顯示成以兩列磁鐵的方式配置。
回到第1圖，於一些實施例中，於複數個第一和第二磁鐵112、116中之每一磁鐵的磁強度可相同。替代地，於複數個第一和第二磁鐵112、116中之一或多個磁鐵的 磁強度可不同。於一些實施例中，由內側極106所形成之磁場強度可大於由外側極108所形成之磁場強度。因此，於一些實施例中，複數個第一磁鐵112之磁鐵可較複數個第二磁鐵116更密集地配置。替代地或結合地，於一些實施例中，複數個第一磁鐵112中之磁鐵數量可超過複數個第二磁鐵116中的磁鐵數量。
內側和外側極106、108間之磁場強度的差異可由內側極106之磁強度對外側極108之磁強度的不平衡比例而界定。舉例來說，於複數個第一和第二磁鐵112、116中之每一磁鐵係具有相同磁場強度之相同磁鐵的實施例中，不平衡比例可簡單地表示成於複數個第二磁鐵116中之磁鐵數量對複數個第一磁鐵112中之磁鐵數量的比例。在於此所揭露之本發明磁控管中，發明人發現具有小於1的不平衡比例(如，於外側極108之較低磁場強度對內側極106之磁場強度及/或於複數個第二磁鐵116中較少的磁鐵數量對複數個第一磁鐵112中的磁鐵數量)可使用以沉積具有如上所討論之高厚度均勻度和低電阻率之層。舉例來說，於一些實施例中，所欲的不平比例可為約0.57。應考量者，可使用其他的不平衡比例於一些應用中。舉例來說，參考第3-4圖而於下討論，發明人發現不平衡比例可選擇或調整以控制所沉積薄膜之厚度輪廓。
第2圖顯示依據本發明之一些實施例的製程腔室200之側視概圖。製程腔室200可為任何經構成而用於DC 功率及可選地RF功率的合適的PVD腔室。於一些實施例中，製程腔室200可經構成以用於DC和RF功率應用兩者，如以下所討論。舉例來說，製程腔室200包含基材支撐件202，該基材支撐件202具有基材204設置於基材支撐件202上。電極206可設置於基材支撐件202中以提供RF功率至製程腔室200。RF功率可經由RF功率源208而供應至電極。RF功率源208可經由匹配網路(圖未示)而耦接至電極206。替代地或結合地(圖未示)，RF功率源208(或另一RF功率源)可耦接至設置於基材支撐件202上的靶材210(或耦接至設置鄰近於靶材之背側的一電極)，該靶材或該電極係例如位於製程腔室200的室頂中。
靶材210可包括任何適合用於沉積一層於基材204上的金屬及/或金屬合金。舉例來說，於一些實施例中，靶材可包括鎢(W)。DC功率源212可耦接至靶材210以提供偏壓於靶材210上以引導形成於腔室200中之電漿朝向靶材210。電漿可由製程氣體(如，氬(Ar)或類似物)而形成，該製程氣體藉由氣源213而提供至腔室200。磁控管組件214係設置於靶材210上，其中該磁控管組件214包含磁控管100和用以旋轉磁控管100之軸216。舉例來說，磁控管組件214可促進由靶材210脫離之金屬原子的均勻濺射及/或金屬原子層於基材204上的均勻沉積，而使基材204具有如上所討論之高厚度均勻度和低電阻率。
控制器218可提供並耦接至製程腔室200的各種部件以控制製程腔室200的操作。控制器218包含中央處理單元(CPU)、記憶體和支援電路。控制器218可直接控制製程腔室200，或經由與特定製程腔室及/或支援系統部件連結的電腦(或控制器)而控制製程腔室200。控制器218可為任何形式之通用目的電腦處理器之一種，通用目的電腦處理器可使用於工業裝置以控制不同的腔室及子處理器。控制器218之記憶體或電腦可讀媒體可為一或多個易於獲得之記憶體，如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、軟碟、硬碟、光儲存媒體(如光碟或數位影像光碟)、隨身碟或任何其他形式之數位儲存器，不管是本地或遠端皆可。支援電路係耦接至CPU，支援電路用於以傳統方式支援處理器。這些電路包含快取、電源供應器、時脈電路、輸入/輸出電路及子系統及類似物。於此所述之發明方法可儲存於記憶體中作為軟體常式(software routine)，該軟體常規可被執行或可被引起而以於此所述之方式來控制製程腔室200的操作。軟體常規亦可由第二CPU(圖未示)而儲存及/或執行，該第二CPU位於遠離由CPU所控制之硬體處。
於操作中，氣體(如，氬(Ar)或類似物)由氣源213提供至製程腔室200。氣體可以充足的壓力提供，使得氣體的至少一部分包含離子化物質(如，氬離子)。離子化物質藉由DC功率源212所施加至靶材210的DC電壓而指向靶材210。離子化物質撞擊靶材210以從靶材210排 出金屬原子。舉例來說，具有中性電荷之金屬原子朝向基材204落下並沉積於基材表面上。隨著離子物質與靶材210的撞擊以及隨後的金屬原子排出，磁控管100同時地於靶材210上繞軸桿216旋轉。磁控管100於腔室200內產生磁場，該磁場大體上平行並接近靶材210表面以捕捉可與鄰近靶材210之任何離子化氣體分子碰撞的電子，這些離子化氣體分子輪流增加鄰近靶材210表面的局部離子物質密度並增加濺射率。此外，於由靶材210濺射金屬原子期間，RF功率可藉由RF功率源208而施加至基材支撐件202。可利用RF功率以引導一部分的離子化物質朝向於基材204上之沉積金屬原子以幫助由形成於基材204上之層至少再濺射一些沉積金屬原子。再濺射沉積金屬原子可減少於沉積層中之阻抗並促進層的緻密化。然而，如於下所討論，發明人發現僅使用RF功率會導致層雖具有合適的電阻率，但亦具有中央高-邊緣低的輪廓。故，具有如上所討論之所欲不平衡比例的本發明磁控管100可獨自使用或結合RF功率使用，以提供所欲的沉積輪廓(如，具有高厚度均勻度和低電阻率的沉積輪廓)。
第3圖顯示依據本發明之一些實施例沿晶圓表面之沉積層厚度之圖，該沉積層厚度係為僅使用DC功率之磁控管的外側極對內側極之不平衡比例的函數。舉例來說，當不平衡比例係實質上大於約1(如，約2.7)時，沉積輪廓具有如曲線302所示之中央高-邊緣低的輪廓。可 使用具有不平衡比例大於約1之磁控管，以藉由收縮限制容積而控制於基材上之離子轟擊及/或增加金屬離子化。舉例來說，可使用低於約1之不平衡比例以調整沉積輪廓。舉例來說，如第3圖中所示，具有低於1之不平衡比例的沉積輪廓可具有中央低-邊緣高之輪廓，如曲線304(如，具有約0.97的不平衡比例)和306(如，具有約0.57的不平衡比例)所示。於一些實施例中，越低的不平衡比例帶來越低的中央沉積和較高的邊緣沉積(如曲線304和306所示)。然而，藉由RF功率的加入(僅使用RF功率將如上所討論之導致中央高-邊緣低的輪廓)，可達成如以下第4圖中所示之所欲的沉積輪廓。
第4圖顯示依據本發明之一些實施例沿晶圓表面之沉積層厚度之圖，該沉積層厚度係為使用RF和DC功率兩者之磁控管的外側極對內側極之不平衡比例的函數。舉例來說，如以上所討論，使用低於1之不平衡比例的RF和DC功率之結合可使用以沉積具有高厚度均勻度和低電阻率的層。既然RF功率經由環境模擬腔室(Environmental Simulation Chamber，ESC)而耦接於晶圓中央，由RF功率所貢獻之薄膜沉積具有薄中央和厚邊緣的輪廓。藉由本發明磁控管100的低不平衡比例，因弱的磁場範圍和電漿擴散至晶圓邊緣，可以DC功率PVD沉積來實現具有薄晶圓邊緣和厚晶圓中央之沉積輪廓。結合RF功率和DC功率沉積，可達成遍布基材之均勻厚度輪廓。如第4圖中所示使用DC和RF功率以沉積薄膜 之例，大的不平衡比例(例如，從約1至約2.72的範圍)可導致具有中央高、邊緣低之輪廓的沉積層，如曲線406所示。然而，於不平衡比例為低(例如，從約0.57(如，曲線402)至約0.93(如，曲線404)之範圍)之實施例中，此製程可導致具有較均勻輪廓之沉積層，如第4圖中所示。
此外，如上所討論，RF功率可改善沉積層中的電阻率，但不幸地，當獨自提供RF功率時會導致沉積層之中央高-邊緣低的輪廓。因此，藉由使用本發明之磁控管100而結合RF功率和DC功率，可達成具有高厚度均勻度和低電阻率的沉積層。如於第5圖中所示，由於磁控管100之故，沉積層的電阻率可遠較於使用傳統PVD製程之沉積層的電阻率為低。第5圖亦顯示出改變磁控管100中之不平衡比例對於沉積層中之電阻率具有極小影響或甚至沒有影響，如曲線504所示。然而，如第5圖中所示，降低不平衡比例可實質上改善於沉積層中的厚度均勻度，如曲線502所示。
舉例來說，於一些實施例中，使用於此所揭露之本發明方法和設備，500埃之鎢(W)薄膜的電阻率為約9.4μohm-cm，且厚度均勻度為約1.5%。這些結果顯示出對於使用具有DC功率之傳統磁控管所沉積之鎢(W)薄膜的顯著改善，其中該鎢(W)薄膜具有約11μohm-cm之電阻率和2.5%之厚度均勻度。
因此，用以沉積具有高厚度均勻度和低電阻率之方法 和設備以於此提供。本發明設備之一些實施例關於用以使用於射頻(RF)物理氣相沉積(PVD)製程中的磁控管設計。本方法之一些實施例關於使用RF和DC功率以沉積具有高厚度均勻度(低於約2%)和低電阻率(低於約10μohm-cm)之薄膜。
儘管前述係關於本發明之實施例，可設計本發明之其他和進一步之實施例而不背離本發明之基本範圍。
100‧‧‧磁控管
102‧‧‧分流板
104‧‧‧旋轉軸
106‧‧‧內側極
108‧‧‧外側極
110‧‧‧極板
112‧‧‧複數個第一磁鐵
114‧‧‧極板
116‧‧‧複數個第二磁鐵
200‧‧‧製程腔室
202．．．基材支撐件
204．．．基材
206．．．電極
208．．．RF功率源
210．．．靶材
212．．．DC功率源
213．．．氣源
214．．．磁控管組件
216．．．軸桿
218．．．控制器
302．．．曲線
304．．．曲線
306．．．曲線
402．．．曲線
404．．．曲線
406．．．曲線
502．．．曲線
504．．．曲線
可藉由參考描繪於隨附圖式中之本發明示範性實施例，而瞭解本發明之實施例，其中該些本發明之實施例係概述於發明內容中且在實施方式中詳細討論。然而，應注意者，隨附的圖示僅繪示出本發明的典型實施例且因此不應被視為對本發明之範圍的限制，這是因為本發明可允許其他等效的實施例。
第1圖顯示依據本發明之一些實施例的磁控管之底視立體圖。
第1A圖顯示依據本發明之一些實施例的磁控管之部分底視圖。
第2圖顯示依據本發明之一些實施例的物理氣相沉積腔室之側視概圖。
第3圖顯示依據本發明之一些實施例沿晶圓表面之沉積層厚度之圖，該沉積層厚度係為僅使用DC功率之磁 控管的外側極對內側極之不平衡比例的函數。
第4圖顯示依據本發明之一些實施例沿晶圓表面之沉積層厚度之圖，該沉積層厚度係為使用RF和DC功率兩者之磁控管的外側極對內側極之不平衡比例的函數。
第5圖顯示依據本發明之一些實施例沉積層之厚度均勻度和電阻率之圖，該沉積層之厚度均勻度和電阻率係為磁控管的外側極對內側極之不平衡比例的函數。
為促進了解，盡可能地使用相同的元件符號，來指定圖式中共用之相同元件。這些圖式並未依尺寸而繪製且為了清晰起見而簡化。需考量者，一個實施例之元件及特徵可有益地納入其他實施例中而無須進一步贅述。
100．．．磁控管
102．．．分流板
104．．．旋轉軸
106．．．內側極
108．．．外側極
110．．．極板
112．．．複數個第一磁鐵
114．．．極板
116．．．複數個第二磁鐵

Claims (8)

  1. 一種於一物理氣相沉積(PVD)腔室中處理一基材之方法，該方法包括以下步驟：提供具有至少一些離子物質之一製程氣體進入該PVD腔室中；施加一DC功率至設置於一基材上之一靶材以引導該等離子物質朝向該靶材；旋轉於該靶材上方之一磁控管，該磁控管具有一內側封閉迴路磁極和一外側封閉迴路磁極，其中該內側封閉迴路係設置於該外側封閉迴路內，且其中該外側封閉迴路磁極之一磁場強度對該內側封閉迴路磁極之一磁場強度的一不平衡比例係小於1；使用該等離子物質由該靶材濺射多個金屬原子；沉積複數個第一金屬原子於該基材上；施加一RF功率以使用該等離子物質而再濺射沉積的該複數個第一金屬原子的至少一部分；及藉由施加該DC功率和該RF功率長達一所欲的時間週期而於該基材上形成一層，其中該層具有低於約2%之一厚度均勻度及低於約10μohm-cm之一電阻率。
  2. 如請求項1所述之方法，其中施加該RF功率之步驟更包括以下步驟： 施加該RF功率至設置於該基材下方之一電極。
  3. 如請求項1所述之方法，其中施加該RF功率之步驟更包括以下步驟：施加該RF功率至該靶材或至設置於鄰近該靶材之一電極。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該不平衡比例係約0.57至約0.97。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之方法，其中該靶材包括鎢(W)。
  6. 如請求項1至4中任一項所述之方法，其中該層包括鎢(W)。
  7. 一種形成一含鎢層於一基材之頂上之方法，該方法包括以下步驟：提供一製程氣體進入一製程腔室，該製程腔室具有一基材支撐件及一靶材，該基材支撐件係設於該製程腔室內，且該靶材包括一含鎢材料，設置於該製程腔室內相對於該基材支撐件，其中一基材係設置於該基材支撐件之頂上；從該製程氣體形成一電漿； 藉由施加一DC電壓至該靶材而將形成於該電漿中之多個離子物質引導朝向該靶材；從該靶材濺射多個含鎢金屬原子；當從該靶材濺射該等含鎢金屬原子時，旋轉於該靶材上方之一磁控管，該磁控管具有一內側封閉迴路磁極和一外側封閉迴路磁極，其中該內側封閉迴路係設置於該外側封閉迴路內，且其中該外側封閉迴路磁極之一磁場強度對該內側封閉迴路磁極之一磁場強度的一不平衡比例係小於1；沉積濺射的該等金屬原子於該基材之頂上，以形成一含鎢層，其中該含鎢層具有低於約2%之一厚度均勻度及低於約10μohm-cm之一電阻率；及當沉積濺射的該等金屬原子時，施加一RF功率至設置於該基材支撐件內的一電極，以引導該等離子物質之一部分朝向該基材，以再濺射沉積的該等金屬原子的至少一些於該基材之頂上。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該不平衡比例係約0.57至約0.97。
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