TWI579887B - 材料層沉積腔室、沉積系統以及沉積方法 - Google Patents

材料層沉積腔室、沉積系統以及沉積方法 Download PDF

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Description

材料層沉積腔室、沉積系統以及沉積方法
本發明實施例有關於一種材料層沉積系統。
在過去的數十年中，半導體積體電路產業經歷了快速發展。半導體材料和設計方面的技術進步產生了越來越小且越來越複雜的電路。隨著與加工和製造相關的技術同樣也經歷了技術進步，這些材料和設計進步成為可能。在半導體發展過程中，由於可以可靠地製造的最小部件尺寸減小，每單位面積上互連器件的數目因而增加。
物理氣相沉積是一種常見的技術用於在半導體晶圓之上形成材料層，包括濺鍍的技術。在濺鍍沉積中，一電漿用於激發離子，通常為惰性氣體，以促進有力的撞擊予一目標。目標的原子被激發離子撞擊釋放，且接著凝結在一半導體晶圓的暴露表面，以形成目標材料的一薄層或膜。一些其他的物理氣相沉積腔室亦可利用激發離子、惰性氣體或金屬離子而使用於蝕刻製程，在半導體晶圓要蝕刻的層上產生撞擊。由於特徵尺寸減小，在半導體晶圓的特徵上提供濺射材料層均勻的覆蓋變的越來越困難。
本發明實施例提供一種材料層沉積腔室，包括一限制擋板結構、一晶圓台座，配置以在限制擋板結構中支持至少一晶圓、一目標承載結構，位於晶圓台座之上且在限制擋板結構之一相反側，以支持一濺鍍目標、一準直器，設置在限制擋板結構之中且在晶圓台座和目標承載結構之間、一電力源，連接準直器以提供電力。
本發明實施例提供一種材料層沉積系統。包括一晶圓台座，配置以在限制擋板結構中支持至少一晶圓、一目標承載結構，位於晶圓台座之上且在限制擋板結構之一相反側，以支持一濺鍍目標、一準直器，設置在限制擋板結構之中且在晶圓台座和目標承載結構之間、一電力源連接準直器以提供電力、以及一控制系統，配置以控制連接準直器的電力源。
本發明實施例提供一種在一半導體晶圓上沉積一材料層之方法。此方法包括設置一晶圓在一晶圓台座上之步驟，其中晶圓台座在由一材料形成的一準直器和一目標之下、在沉積製程中使用準直器作為一濺鍍目標之步驟、以及終止沉積製程之步驟。準直器提供材料予材料層。
本發明實施例之各型態根據以下的詳細說明並配合所附圖式做完整揭露。應注意的是，根據本產業的一般作業，圖示並未必按照比例繪製。事實上，可能任意的放大或縮小元件的尺寸，以做清楚的說明。
100‧‧‧沉積系統
102‧‧‧封鎖擋板
104‧‧‧腔室
104A‧‧‧上方腔室(上方部分)
104B‧‧‧下方腔室(下方部分)
106‧‧‧準直器
108‧‧‧晶圓
110‧‧‧晶圓台座
112‧‧‧目標承載結構
114‧‧‧目標
120‧‧‧直流電電源供應器
122‧‧‧射頻交流電電源供應器
124‧‧‧直流電電源供應器
126‧‧‧射頻交流電電源供應器
130、132‧‧‧橫向磁鐵
134‧‧‧磁控管
140‧‧‧控制系統
142‧‧‧氣體和壓力系統
200‧‧‧方法
202~206‧‧‧步驟
第1圖係表示根據本發明之各型態，一材料層沉積腔室剖 視圖。
第2圖係表示根據本發明之各型態，沉積一材料層在一半導體晶圓上之方法流程圖。
本說明書以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本發明實施例的不同特徵。而以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化發明的說明。當然，這些特定的範例並非用以限定本發明實施例。
此外，其與空間相關用詞。例如「下面」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。
請參閱第1圖，可施行沉積及蝕刻製程的一物理氣相沉積系統100係以剖視方式表示。沉積系統100具有一封鎖擋板102(限制擋板結構)以形成一腔室104，其中此腔室104包括一上方腔室或部分104A和一下方腔室或部分104B，且上方及下方部分104A、104B被準直器106分開。準直器106是在進行製程中藉由限制從一目標114至一晶圓108可用的路徑來通道濺鍍原子或分子的一個結構。準直器106的頂端和底端為開放的，且包括複數個通道穿過，通道的尺寸及幾何形狀限制了材料通過準直器106的可用路徑。在一些實施例中，個別的通道 從上方觀之可為六邊形的，在準直器106上形成一「蜂巢狀」圖案。其他實施例中之準直器106可具有其他形狀和圖案。
晶圓108被晶圓台座110支撐及帶入下方腔室104B內之位置。在一些實施例中，晶圓台座110為一靜電吸盤(electrostatic chuck or e-chuck)。夾具(未圖示)可位於晶圓108之邊緣以幫助固定晶圓108。晶圓台座110可具有整合於其中的一溫度控制和維持系統，以控制晶圓108之溫度。舉例而言，當腔室104被加熱以在其中產生電漿時，晶圓台座110可用以冷卻晶圓108。調節晶圓108之溫度可改善沉積材料層的特性以及藉由促進凝結增加沉積速率。
相反於晶圓108和晶圓台座110，在上方腔室104A之上有一目標承載結構112支持一目標114。在沉積系統100操作的期間，目標承載結構112固定目標114。目標114為將要在晶圓108上形成之材料層的一塊材料。目標114可為一導電材料、一絕緣材料、或可為與一氣體反應之一先質材料以形成製成沉積材料層之一分子。舉例而言，一金屬氧化物或金屬氮化物可利用不包含氧或氮的一金屬目標114沉積。
為了根據需求產生及控制在腔室104中的電漿以及指揮濺鍍及蝕刻或再濺鍍，一些電源供應器(電力源)被提供於沉積系統100中。一直流電(DC)電源供應器(直流電電力源)120被連接至目標承載結構112以提供其直流電。一射頻交流電(radiofrequency alternating current,RF)電源供應器(射頻電力源)122被連接至晶圓台座110。於一些時例中，除了直流電電源供應器120之外，射頻交流電電源供應器122同樣被提供 至目標承載結構112。此外，至少一電源供應器被提供至準直器106。在本實施例中，一直流電電源供應器(直流電電力源)124和一射頻交流電電源供應器(射頻電力源)126皆與準直器106連接。
如圖所示，目標114和準直器106係使用同樣的材料：銅製成。習知的沉積系統中若存在有準直器，通常是以鋁或不鏽鋼製成。在一些實施例中，準直器106可由一銅層沉積於一內芯結構製成，在其他實施例中，準直器106整個由銅製成。
如第1圖所示，沉積系統100更包括一些磁鐵。磁鐵可包括橫向磁鐵130和132，橫向磁鐵130和132位於沉積系統100中封鎖擋板102之外，並可為線圈磁鐵(coil magnets)。此外，磁控管134被提供在目標承載結構112之上，此磁控管134提供腔室104磁場，特別是上方腔室104A，故可促進電漿的控制和使用。
在使用上，沉積系統100可用於濺鍍沉積以及再濺鍍或蝕刻。舉例來說，在沉積製程中，準直器106而非目標114可被使用當作一濺鍍目標。為了做到這一點，直流電電源供應器120可被關閉而不提供目標114電力。一射頻偏壓被應用於晶圓台座110，此射頻偏壓可小於500W左右。射頻和直流電電力藉由射頻交流電電源供應器126和直流電電源供應器124供應至準直器106。在一些例子中，只有射頻電力供應至準直器106。因此，直流電電源供應器124可提供0-10kW左右之電力，而供應至準直器106的射頻電力為1kW左右或更多。
直流電和射頻交流電電源供應器124、126提供的電力被一控制系統140所控制，前述控制系統140包括一或多個處理器與記憶體連接。記憶體可包括被預先編程以在裝置製造中使用的程序方法。記憶體可包含描述和實施此方法的指令。處理器連接電源供應器以及沉積系統100內的複數個感應器，感應器可包括溫度感應器、壓力感應器、位置感應器、場感應器、以及其他等等。
在濺鍍製程中，腔室104中保持低程度的壓力。舉例來說，壓力可為10mTorr左右至150mTorr左右。一氣體和壓力系統142為沉積系統100的一部分。氣體和壓力系統142包括閥門、導管、以及控制腔室104內之壓力的壓力和流體感應器，以引進反應氣體和移除廢氣。前述氣體和壓力系統142連接控制系統140。
在濺鍍製程中，Ar+離子可被使用以從準直器106釋放銅原子而凝結於晶圓108上。
沉積系統100可被應用在使用金屬離子的蝕刻或再濺鍍，例如銅離子。這可以藉由使用控制系統140調整直流電電源供應器120提供約20kW或更多的電力至目標承載結構112和目標114而達成。直流電和射頻交流電電源供應器124、126可被關閉，這樣一來便沒有電力供應至準直器106。然後射頻交流電電源供應器122提供超過500W左右的射頻偏壓至晶圓台座110。因此，準直器106僅提供了如準直器一般的功能，而非在金屬離子蝕刻製程(例如一銅離子蝕刻製程)中如準直器與目標一般。藉由氣體和壓力系統142保持於腔室104中的壓力 小於1mTorr左右。
沉積製程和再濺鍍製程同樣可被使用於生成一單一材料層在晶圓108上。藉由於沉積系統100內使用兩個製程，於其中形成的材料層可提供改善的特徵覆蓋。舉例而言，沉積系統100可提供厚的覆蓋在狹窄的凹槽特徵之底部以及好的側壁覆蓋。再濺鍍製程可使用金屬離子以改善側壁覆蓋在同時限制輪廓損害。
第2圖為沉積一材料層在一半導體晶圓上之方法200流程圖。如圖所示，方法200包括幾個列舉的步驟，然而，方法200的實施例可包括額外的步驟在列舉的步驟之前、之後、或之間，且/或視為列舉步驟的一部分。本實施例之方法200由步驟202開始，一晶圓設置於晶圓台座之上、由一材料形成的一準直器之下、及一目標之下。步驟204中，準直器在沉積製程中被當作一濺鍍目標使用。沉積製程使用準直器提供材料層材料。在步驟206中，沉積製程被終止。
為了更佳的描述方法200，請參閱第1圖所示的沉積系統100。舉例而言，晶圓台座110可被使用以設置晶圓108於腔室104的底部，準直器106和目標114兩者之下，其中目標114貼附於目標承載結構112。控制系統14指揮至少一直流電電源供應器124和射頻交流電電源供應器126供應電力至準直器106。這使得準直器106具有如一目標一般之功能，因此由準直器106而來的材料被釋放，且接著經由一電漿產生的離子而凝結在晶圓108上。
在一些實施例中，準直器106和目標114可被使用 於一沉積製程中。在這些實施例中，準直器106和目標114可被同時當作目標，或著準直器106和目標114被依序使用於沉積一材料層。這可包括在沉積製程中供應射頻電力及/或直流電電力至目標114。
當晶圓108沉積之材料已達到所需的量，沉積製程可被終止。為了改善存在於晶圓108上之特徵的側邊覆蓋，例如凹槽，一金屬離子蝕刻製程或再濺鍍製程可利用控制系統140開始。作為金屬離子蝕刻製程的一部分，連接至準直器106的電源供應器124和126可關閉，因此將沒有電力供應至準直器106。相反地，與目標承載結構112連接的直流電電源供應器120供應直流電電力至目標114。在再濺鍍的過程中，一超過500W的射頻偏壓應用於晶圓台座110，而在沉積的過程中，一小於500W的射頻偏壓被應用。
方法200的步驟可被執行於一單一沉積腔室，且此腔室為沉積系統100之一部分。雙模沉積系統可提供改善的覆蓋在具有關鍵尺寸大致為20奈米或更小的特徵之底部和側壁上。材料層之輪廓可於再濺鍍製程中使用金屬離子而大致保持。
在一示範的型態中，本發明實施例係針對一種材料層沉積腔室。沉積腔室包括一限制擋板結構、一晶圓台座，配置以在限制擋板結構中支持至少一晶圓、以及一目標承載結構，位於晶圓台座之上且在限制擋板結構之一相反側。目標承載結構是配置以支持一濺鍍目標。沉積腔室更包括一準直器，設置在限制擋板結構之中且在晶圓台座和目標承載結構之 間，一電力源連接準直器以提供電力。
在另一示範的型態中，本發明實施例針對一種材料層沉積系統。材料層沉積系統包括一晶圓台座，配置以在限制擋板結構中支持至少一晶圓、以及一目標承載結構，位於晶圓台座之上且在限制擋板結構之一相反側。目標承載結構是配置以支持一濺鍍目標。材料層沉積系統更包括一準直器，設置在限制擋板結構之中且在晶圓台座和目標承載結構之間、一電力源連接準直器以提供電力、以及一控制系統，配置以控制連接準直器的電力源。
在又一示範的型態中，本發明實施例針對一種在一半導體晶圓上沉積一材料層之方法。此方法包括設置一晶圓在一晶圓台座上之步驟，其中晶圓台座在由一材料形成的一準直器和一目標之下、在沉積製程中使用準直器作為一濺鍍目標之步驟、以及終止沉積製程之步驟。準直器提供材料予材料層。
以上概略說明了數個本發明實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者可更為容易理解本發明實施例的各面向。任何所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解到本說明書可輕易作為其它結構或製程的變更或設計基礎，以進行相同於本發明實施例的目的及/或獲得相同的優點。任何所屬技術領域中具有通常知識者也可理解與上述等同的結構或製程並未脫離本發明實施例之精神和保護範圍內，且可在不脫離本發明實施例之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。
100‧‧‧沉積系統
102‧‧‧封鎖擋板
104‧‧‧腔室
104A‧‧‧上方腔室(上方部分)
104B‧‧‧下方腔室(下方部分)
106‧‧‧準直器
108‧‧‧晶圓
110‧‧‧晶圓台座
112‧‧‧目標承載結構
114‧‧‧目標
120‧‧‧直流電電源供應器
122‧‧‧射頻交流電電源供應器
124‧‧‧直流電電源供應器
126‧‧‧射頻交流電電源供應器
130、132‧‧‧橫向磁鐵
134‧‧‧磁控管
140‧‧‧控制系統
142‧‧‧氣體和壓力系統

Claims (12)

  1. 一種材料層沉積腔室，包括：一限制擋板結構；一晶圓台座，配置以在該限制擋板結構中支持至少一晶圓；一目標承載結構，位於該晶圓台座之上且在該限制擋板結構之一相反側，該目標承載結構配置以支持一目標；一準直器，設置在該限制擋板結構之中且在該晶圓台座和該目標承載結構之間，其中該準直器具有一漸縮截面；以及一電力源，連接該準直器以供應電力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之材料層沉積腔室，其中該準直器具有由銅形成之一外部表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之材料層沉積腔室，其中該準直器在一沉積製程中作為一濺鍍目標，以提供一材料至該晶圓上。
  4. 一種材料層沉積系統，包括：一晶圓台座，配置以在一限制擋板結構中支持至少一晶圓；一目標承載結構，位於該晶圓台座之上且在該限制擋板結構之一相反側，該目標承載結構配置以支持一目標；一準直器，設置在該限制擋板結構之中且在該晶圓台座和該目標承載結構之間；一電力源，連接該準直器以供應電力至準直器，其中該準直器具有一漸縮截面；以及一控制系統，配置以控制連接該準直器的該電力源。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之材料層沉積系統，其中該沉積系統更包括一氣體和壓力系統，在該材料層沉積系統中達到和保持一所需壓力，並引進一或多種氣體至該材料層沉積系統，其中該氣體和壓力系統被該控制系統所控制。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之材料層沉積系統，其中該準直器在一沉積製程中作為一濺鍍目標，以提供一材料至該晶圓上。
  7. 一種沉積一材料層在一半導體晶圓上之沉積方法，該沉積方法包括：設置一晶圓在一晶圓台座上，其中該晶圓台座在一目標和由一材料形成的一準直器之下；在一沉積製程中使用該準直器作為一濺鍍目標，該準直器提供該材料予該材料層；以及終止該沉積製程。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之沉積方法，其中該沉積方法更包括在該沉積製程中使用該目標作為一額外濺鍍目標。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之沉積方法，其中使用該準直器作為該濺鍍目標的步驟包括在該沉積製程中供應一電力至該準直器，該沉積製程為沉積該材料層在該晶圓之上。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之沉積方法，其中該沉積方法更包括在一額外沉積製程中使用該目標作為該濺鍍目標。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之沉積方法，其中使用該目標作為該濺鍍目標的步驟包括：施加一直流電電力至該目標；以及 停止供應一電力至該準直器。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之沉積方法，其中該沉積方法更包括施加一射頻偏壓至該晶圓台座之一部分。
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