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CN102066603B - 用于均匀沉积的装置和方法 - Google Patents

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CN102066603B CN2009801229458A CN200980122945A CN102066603B CN 102066603 B CN102066603 B CN 102066603B CN 2009801229458 A CN2009801229458 A CN 2009801229458A CN 200980122945 A CN200980122945 A CN 200980122945A CN 102066603 B CN102066603 B CN 102066603B
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Abstract

本发明的实施例一般涉及用于向在衬底上的高纵横比部件的底部和侧壁中均匀溅射沉积材料的装置和方法。在一个实施例中，溅射沉积系统包括准直仪，所述准直仪具有孔隙，所述孔隙具有从所述准直仪的中心区域到所述准直仪的周围区域减小的纵横比。在一个实施例中，所述准直仪经由托架构件联接到接地屏蔽，所述托架构件包括内螺纹紧固件和外螺纹紧固件的组合。在另一实施例中，所述准直仪整体连接到接地屏蔽。在一个实施例中，溅射沉积材料的方法包括在衬底支撑上在高值与低值之间脉冲偏压。

Description

用于均匀沉积的装置和方法
技术领域
本发明的实施例一般涉及用于向在衬底上的高纵横比部件的底部和侧壁上均匀溅射沉积材料的装置和方法。
背景技术
溅射或物理气相沉积(PVD)是在集成电路的制作中广泛用于在衬底上沉积薄金属层的技术。PVD用于沉积用作扩散障碍、晶种层、初级导体、抗反射涂层和蚀刻阻挡层的层。然而，就PVD而言，难以形成均匀薄膜，所述均匀薄膜符合其中发生步骤的衬底形状，诸如，衬底中形成的通孔或沟槽。具体地讲，沉积溅射原子的广阔角度分布导致在高纵横比部件(诸如通孔和沟槽)的底部和侧壁中的较差覆盖度。
经开发以允许使用PVD来在高纵横比部件的底部中沉积薄膜的一种技术为准直仪溅射。准直仪是过滤板，所述过滤板定位于溅射源与衬底之间。准直仪通常具有均匀厚度并且包括经由所述厚度形成的若干通路。溅射材料在所述溅射材料从溅射源到衬底的路径上必须穿过准直仪。所述准直仪过滤掉将另外以超过所需角度的锐角冲击工件的材料。
由给定准直仪实现的实际过滤量取决于穿过准直仪的通路的纵横比。同样地，在接近垂直于衬底的路径上行进的粒子穿过所述准直仪并且沉积在衬底上。这允许在高纵横比部件的底部中的覆盖度有所改进。
然而，结合小磁体磁电管来使用现有技术准直仪存在某些问题。小磁体磁电管的使用可以生成高度电离的金属通量，从而可对填充高纵横比部件有利。遗憾地，用组合小磁体磁电管的现有技术准直仪来进行的PVD提供横跨衬底的不均匀沉积。可以在衬底的一个区域中沉积比衬底的其它区域中更厚的源材料层。例如，较厚层可接近衬底的中心或边缘沉积，这取决于小磁体的径向定位。这种现象不仅导致横跨衬底的不均匀沉积，而且还导致在衬底的某些区域中横跨高纵横比部件侧壁的不均匀沉积。举例而言，径向定位以在接近衬底周长的区域中提供最佳场均匀性的小磁体导致与面向衬底周长的部件侧壁相比，源材料更多地沉积在面向衬底中心的部件侧壁上。
因此，需要改进通过PVD技术横跨衬底沉积源材料的均匀性。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种沉积装置包含：电接地的腔室；溅射靶标，由所述腔室支撑，并且所述溅射靶标与所述腔室电绝缘；衬底支撑基座，定位于所述溅射靶标下方，并且所述衬底支撑基座具有衬底支撑表面，所述衬底支撑表面实质上平行于所述溅射靶标的溅射表面；屏蔽构件，所述屏蔽构件由所述腔室支撑，并且所述屏蔽构件电联接到所述腔室；和准直仪，所述准直仪机械且电联接到所述屏蔽构件，并且所述准直仪定位于所述溅射靶标与所述衬底支撑基座之间。在一个实施例中，所述准直仪具有在所述准直仪中延伸的多个孔隙。在一个实施例中，位于中心区域中的所述孔隙具有比位于周围区域中的所述孔隙高的纵横比。
在一个实施例中，一种沉积装置包含：电接地的腔室；溅射靶标，由所述腔室支撑，并且所述溅射靶标与所述腔室电绝缘；衬底支撑基座，定位于所述溅射靶标下方，并且所述衬底支撑基座具有衬底支撑表面，所述衬底支撑表面实质上平行于所述溅射靶标的溅射表面；屏蔽构件，由所述腔室支撑，并且所述屏蔽构件电联接到所述腔室；准直仪，机械且电联接到所述屏蔽构件，并且所述准直仪定位于所述溅射靶标与所述衬底支撑基座之间；气体源；和控制器。在一个实施例中，溅射靶标电联接到DC电源。在一个实施例中，衬底支撑基座电联接到RF电源。在一个实施例中，控制器经编程以提供信号来控制气体源、DC电源和RF电源。在一个实施例中，所述准直仪具有在所述准直仪中延伸的多个孔隙。在一个实施例中，位于中心区域中的所述孔隙具有比位于所述准直仪的周围区域中的所述孔隙高的纵横比。在一个实施例中，控制器经编程以向衬底支撑基座提供高偏压。
在一个实施例中，一种用于将材料沉积到衬底上的方法包含：向腔室中的溅射靶标施加DC偏压，所述腔室具有准直仪，所述准直仪定位于所述溅射靶标与衬底支撑基座之间；在所述腔室内邻近所述溅射靶标的区域中提供处理气体；向所述衬底支撑基座施加偏压；和脉冲施加到所述衬底支撑基座的偏压，所述偏压处于高偏压与低偏压之间。在一个实施例中，所述准直仪具有在所述准直仪中延伸的多个孔隙。在一个实施例中，位于中心区域中的所述孔隙具有比位于所述准直仪的周围区域中的所述孔隙高的纵横比。
附图说明
因此，为了详细理解本发明的上述特征，可参考实施例获得上文简要概述的本发明的更特定描述，其中一些实施例图示于附图中。然而，应注意，附图仅说明本发明的典型实施例，且因此不应将附图视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。
图1A和图1B为根据本发明的实施例的物理沉积(PVD)腔室的示意性截面图。
图2为根据本发明的一个实施例的准直仪的示意性平面图。
图3为根据本发明的一个实施例的准直仪的示意性截面图。
图4为根据本发明的一个实施例的准直仪的示意性截面图。
图5为根据本发明的一个实施例的准直仪的示意性截面图。
图6为根据本发明的一个实施例的用于将准直仪连接到PVD腔室的上部屏蔽的托架的放大的局部截面图。
图7为根据本发明的一个实施例的用于将准直仪连接到PVD腔室的上部屏蔽的托架的放大的局部截面图。
图8为根据本发明的一个实施例的整体式准直仪的示意性平面图。
具体实施方式
本发明的实施例提供用于在衬底上制作集成电路期间横跨衬底的高纵横比部件均匀沉积溅射材料的装置和方法。
图1A和图1B为根据本发明的实施例的物理沉积(PVD)腔室的示意性截面图。PVD腔室100包括诸如靶标142的溅射源和用于收纳半导体基板154的衬底支撑基座152，半导体基板154处于衬底支撑基座152上。衬底支撑基座可位于接地的腔室壁150内。
在一个实施例中，腔室100包括靶标142，靶标142经由电介质绝缘体146由接地的导电适配器144支撑。靶标142包含将在溅射期间沉积在衬底154表面上的材料，并且靶标142可以包括用于作为在高纵横比部件中的晶种层来沉积的铜，所述高纵横比部件形成于衬底154中。在一个实施例中，靶标142还可包括可溅射材料(诸如铜)的金属表面层与结构材料(诸如铝)的背衬层的粘合复合材料。
在一个实施例中，基座152支撑衬底154，衬底154具有将进行溅射涂布的高纵横比部件，衬底154的底部与靶标142的主表面平面相对。衬底支撑基座152具有平面衬底收纳表面，所述平面衬底收纳表面通常平行于靶标142的溅射表面而设置。基座152可经由连接到底部腔室壁160的波纹管158垂直移动，以允许衬底154经由在腔室100的下部中的负载锁定阀(未示出)转移到基座152上。基座152然后可以升至如图所示的沉积位置。
在一个实施例中，处理气体可以经由质量流量控制器164从气体源162供应到腔室100的下部中。在一个实施例中，可控直流电(DC)电源148可用于向靶标142施加负电压或偏压，可控直流电电源148联接到腔室100。射频(RF)电源156可以联接到基座152，以感应衬底154上的DC自偏压。在一个实施例中，基座152接地。在一个实施例中，基座152电漂移。
在一个实施例中，磁电管170定位于靶标142上方。磁电管170可以包括多个磁体172，所述多个磁体172由底板174支撑，底板174连接到轴176，轴176可以轴向地对准腔室100和衬底154的中心轴线。在一个实施例中，这些磁体以肾形模式对准。磁体172在接近靶标142正面的腔室100内生成磁场以产生等离子，使得显著通量的离子冲击靶标142，从而引起靶标材料的溅射发射。磁体172可以绕轴176旋转，以增加横跨靶标142表面的磁场均匀性。在一个实施例中，磁电管170为小磁体磁电管。在一个实施例中，磁体172可以在实质上平行于靶标142表面的直线方向上相互地旋转和移动，以生成螺旋运动。在一个实施例中，磁体172可以绕中心轴线和独立控制的次轴线旋转，以控制磁体172的径向和角位置。
在一个实施例中，腔室100包括接地的下部屏蔽180，接地的下部屏蔽180具有上部凸缘182，所述上部凸缘182由腔室侧壁150支撑并电联接到腔室侧壁150。上部屏蔽186由适配器144的凸缘184支撑并电联接到适配器144的凸缘184。上部屏蔽186和下部屏蔽180经电联接，适配器144和腔室壁150同样电联接。在一个实施例中，上部屏蔽186和下部屏蔽180各自由选自铝、铜和不锈钢的材料构成。在一个实施例中，腔室100包括中部屏蔽(未示出)，所述中部屏蔽联接到上部屏蔽186。在一个实施例中，上部屏蔽186和下部屏蔽180在腔室100内电漂移。在一个实施例中，上部屏蔽186和下部屏蔽180联接到电源。
在一个实施例中，上部屏蔽186具有上部，所述上部以上部屏蔽186与靶标142之间的窄隙188紧密适合靶标142的环形侧面凹槽，所述窄隙188足够窄以防止等离子渗透和溅射涂布电介质绝缘体146。上部屏蔽186还可包括向下突出的尖端190，所述尖端190覆盖下部屏蔽180与上部屏蔽186之间的界面，从而防止下部屏蔽180与上部屏蔽186由溅射沉积的材料粘合。
在一个实施例中，下部屏蔽180向下延伸到管状段196中，所述管状段196通常沿腔室壁150延伸到基座152的顶面下方。下部屏蔽180可以具有底部段198，底部段198从管状段196径向地向内延伸。底部段198可以包括向上延伸的内唇103，向上延伸的内唇103围绕基座152的周长。在一个实施例中，盖环102在基座152处于下部装载位置时搁置在唇103顶部，并且盖环102在基座处于上部沉积位置时搁置在基座152的外围上，从而保护基座152以免溅射沉积。
在一个实施例中，可通过将准直仪110定位于靶标142与衬底支撑基座152之间来实现定向溅射。准直仪110可以经由多个径向托架111而机械且电联接到上部屏蔽186，如图1A所示。在一个实施例中，准直仪110联接到中部屏蔽(未示出)，所述中部屏蔽在腔室100中定位于下部。在一个实施例中，准直仪110集成到上部屏蔽186，如图1B所示。在一个实施例中，准直仪110焊接到上部屏蔽186。在一个实施例中，准直仪110可在腔室100内电漂移。在一个实施例中，准直仪110联接到电源。
图2为准直仪110的一个实施例的顶部平面图。准直仪110通常为具有六边形壁126的蜂窝结构，所述六边形壁126以密集布置方式分开六边形孔隙128。六边形孔隙128的纵横比可以定义为孔隙128的深度(等于准直仪的厚度)除以孔隙128的宽度129。在一个实施例中，壁126的厚度介于约0.06英寸与约0.18英寸之间。在一个实施例中，壁126的厚度介于约0.12英寸与约0.15英寸之间。在一个实施例中，准直仪110由选自由铝、铜和不锈钢的材料构成。
图3为根据本发明的一个实施例的准直仪310的示意性截面图。准直仪310包括中心区域320，中心区域320具有高纵横比，诸如约1.5∶1到约3∶1。在一个实施例中，中心区域320的纵横比为约2.5∶1。准直仪310的纵横比随同从中心区域320到外周区域340的径向距离一起减小。在一个实施例中，准直仪310的纵横比从约2.5∶1的中心区域320纵横比减小到约1∶1的周围区域340纵横比。在另一实施例中，准直仪310的纵横比从约3∶1的中心区域320纵横比减小到约1∶1的周围区域340纵横比。在一个实施例中，准直仪310的纵横比从约1.5∶1的中心区域320纵横比减小到约1∶1的周围区域340纵横比。
在一个实施例中，通过改变准直仪310的厚度来实现准直仪310的径向孔隙减小。在一个实施例中，准直仪310的中心区域320具有增加的厚度，诸如介于约3英寸到约6英寸之间。在一个实施例中，准直仪310的中心区域320的厚度为约5英寸。在一个实施例中，准直仪310的厚度从中心区域320到外周区域340减小。在一个实施例中，准直仪310的厚度从约5英寸的中心区域320厚度径向减小到约2英寸的周围区域340厚度。在一个实施例中，准直仪310的厚度从约6英寸的中心区域320厚度径向减小到约2英寸的周围区域340厚度。在一个实施例中，准直仪310的厚度从约2.5英寸的中心区域320厚度径向减小到约2英寸。
虽然图3中所示的准直仪310的实施例的纵横比的改变示出径向减小的厚度，但通过从中心区域320到周围区域340增加准直仪310的孔隙宽度，可以替代地减小所述纵横比。在另一实施例中，准直仪310的厚度减小，并且准直仪310的孔隙宽度从中心区域320到周围区域340增加。
通常，图3中的实施例示出以线性方式径向减小的纵横比，从而产生倒转的圆锥形。本发明的其它实施例可以包括纵横比的非线性减小。
图4为根据本发明的一个实施例的准直仪410的示意性截面图。准直仪410具有以非线性方式从中心区域420到周围区域440减小的厚度，从而产生凸形。
图5为根据本发明的一个实施例的准直仪510的示意性截面图。准直仪510具有以非线性方式从中心区域520到周围区域540减小的厚度，从而产生凹形。
在一些实施例中，中心区域320、420、520接近于零，使得中心区域320、420、520在准直仪310、410、510底部上表现为点。
再参见图1A和图1B，PVD方法腔室100的操作和准直仪110的功能类似，而与纵横比径向减小的准直仪110的实际形状无关。系统控制器101提供在腔室100外部，并且系统控制器101通常促进整个系统的控制和自动化。系统控制器101可以包括中央处理单元(CPU)(未示出)、存储器(未示出)和支撑电路(未示出)。所述CPU可以是在工业设置中用于控制各种系统功能和腔室处理的任何计算机处理器之一。
在一个实施例中，系统控制器101提供信号，以将衬底154定位在衬底支撑基座152上并且在腔室100中产生等离子。系统控制器101发送信号来经由DC电源148施加电压，以偏压靶标142并且将处理气体(诸如氩气)激发成等离子。系统控制器101可以进一步提供信号，以致使RF电源156DC自偏压基座152。所述DC自偏压帮助将等离子中产生的带正电的离子深度吸引到在衬底表面上的高纵横比通孔和沟槽中。
准直仪110起到过滤器的作用来捕集离子和中性物，所述离子和中性物以超过所选角度(接近垂直于衬底154)的角度从靶标142发射。准直仪110可以为图3、图4或图5中分别示出的准直仪310、410或510中的一个。具有从中心径向减小的纵横比的准直仪110的特征允许较大百分率的离子穿过准直仪110，所述离子从靶标142的周围区域发射。因此，离子数量和沉积到衬底154周围区域上的离子的入射角均增加。因此，根据本发明的实施例，可以横跨衬底154的表面更均匀地溅射沉积材料。另外，材料可以更均匀地沉积在高纵横比部件的底部和侧壁上，具体来说，材料可以沉积在位于接近衬底154周围处的高纵横比通孔和沟槽上。
另外，为了提供溅射沉积到高纵横比部件的底部和侧壁上的材料的甚至更大的覆盖度，可以溅射蚀刻已溅射沉积到部件的场区域和底部区域上的材料。在一个实施例中，系统控制器101向基座152施加高偏压，使得靶标142离子蚀刻已经沉积在衬底152上的薄膜。因此，降低了在衬底154上的场沉积速率，并且溅射材料再次沉积在高纵横比部件的侧壁或底部上。在一个实施例中，系统控制器101以脉冲或交替方式向基座152施加高偏压和低偏压，使得所述处理成为脉冲沉积/蚀刻处理。在一个实施例中，准直仪110电池朝衬底154引导大部分沉积材料，所述准直仪110电池具体位于磁体172下方。因此，在任何特定时间，材料可以沉积在衬底154的一个区域中，同时可以蚀刻已经沉积在衬底154的另一区域中的材料。
在一个实施例中，为提供溅射沉积材料到高纵横比部件的侧壁上的甚至更大的覆盖度，可以使用二级等离子(诸如氩等离子)来溅射蚀刻已溅射沉积到部件底部上的材料，所述二级等离子产生于接近衬底154的腔室100的区域中。在一个实施例中，腔室100包括RF线圈141，RF线圈141通过多个线圈支脚143连接到下部屏蔽180，所述线圈支脚143将线圈141与下部屏蔽180电绝缘。系统控制器101发送信号来经由穿通支脚(未示出)通过屏蔽180向线圈141施加RF功率。在一个实施例中，RF线圈感应地将RF能量耦合到腔室100内部中来电离前驱气体(诸如氩气)，从而维持接近衬底154的二级等离子。二级等离子从高纵横比部件的底部上再次溅射沉积层，并且二级等离子使材料再次沉积到部件的侧壁上。
参见图1A，准直仪110可以通过多个径向托架111连接到上部屏蔽186。图6为根据本发明的一个实施例的用于将准直仪110连接到上部屏蔽186的托架611的放大截面图。托架611包括内螺纹管613，所述内螺纹管613焊接到准直仪110并且自准直仪110径向地向外延伸。固定构件615(诸如螺钉)可以通过上部屏蔽186中的孔隙插入并旋拧到管613中，以将准直仪110连接到上部屏蔽186，同时使得用于将材料沉积到管613或固定构件615的螺纹部分上的电位最小。
图7为根据本发明的另一实施例的用于将准直仪110连接到上部屏蔽186的托架711的放大截面图。托架711包括双头螺栓713，所述双头螺栓713焊接到准直仪110并且自准直仪110径向地向外延伸。内螺纹固定构件715可以通过上部屏蔽186中的孔隙插入并旋拧到双头螺栓713上，以将准直仪110连接到上部屏蔽186，同时使得用于将材料沉积到双头螺栓713或固定构件715的螺纹部分上的电位最小。
参见图1B，准直仪110可以集成到上部屏蔽186。图8为根据本发明的一个实施例的整体式准直仪800的示意性平面图。在此实施例中，准直仪110集成到上部屏蔽186。在一个实施例中，准直仪110的外周长可以经由焊接或其它粘合技术连接到上部屏蔽186的内周长。
尽管上述内容针对本发明的实施例，但可在不脱离本发明的基本范围的情况下设计出本发明的其它及更多实施例，且本发明的范围是由以上权利要求书来决定。

Claims (15)

1.一种沉积装置，包含：
电接地的腔室；
溅射靶标，由所述腔室支撑，并且所述溅射靶标与所述腔室电绝缘，并且所述溅射靶标电联接到DC电源；
衬底支撑基座，定位于所述溅射靶标下方，并且所述衬底支撑基座具有衬底支撑表面，所述衬底支撑表面实质上平行于所述溅射靶标的溅射表面，其中所述衬底支撑基座电联接到RF电源；
屏蔽构件，由所述腔室支撑，并且所述屏蔽构件电联接到所述腔室；
准直仪，机械且电联接到所述屏蔽构件，并且所述准直仪定位于所述溅射靶标与所述衬底支撑基座之间，其中所述准直仪具有经由所述准直仪的厚度延伸的多个孔隙，并且其中位于中心区域中的所述孔隙具有比位于周围区域中的所述孔隙高的纵横比；
气体源；和
控制器，经编程以提供信号，从而控制所述气体源、所述DC电源和所述RF电源，其中所述控制器经编程以向所述衬底支撑基座提供高偏压。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包含RF线圈，其中所述控制器经编程以提供信号，从而控制所述RF电源，使得所述衬底支撑基座在高偏压与低偏压之间交替，并且其中所述控制器经编程以控制供应到所述RF线圈和所述气体源的功率，从而控制所述腔室中的二级等离子。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述孔隙的所述纵横比从所述中心区域到所述周围区域连续地减小。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述准直仪的厚度从所述中心区域到所述周围区域连续地减小。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述孔隙的所述纵横比从所述中心区域到所述周围区域非线性地减小。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述准直仪的所述厚度从所述中心区域到所述周围区域非线性地减小。
7.如权利要求2所述的装置，其中所述准直仪经由托架联接到所述屏蔽构件，所述托架包含：
外螺纹构件；和
内螺纹构件，与所述外螺纹构件啮合。
8.如权利要求2所述的装置，其中所述准直仪焊接到所述屏蔽构件上。
9.如权利要求2所述的装置，其中所述准直仪由选自由铝、铜和不锈钢组成的群组的材料构成。
10.如权利要求2所述的装置，其中所述准直仪具有在所述孔隙之间的介于0.06英寸与0.18英寸之间的壁厚度。
11.一种沉积装置，包含：
电接地的腔室；
溅射靶标，由所述腔室支撑，并且所述溅射靶标与所述腔室电绝缘；
衬底支撑基座，定位于所述溅射靶标下方，并且所述衬底支撑基座具有衬底支撑表面，所述衬底支撑表面实质上平行于所述溅射靶标的溅射表面；
屏蔽构件，由所述腔室支撑；和
准直仪，机械且电联接到所述屏蔽构件，并且所述准直仪定位于所述溅射靶标与所述衬底支撑基座之间，其中所述准直仪具有经由所述准直仪的厚度延伸的多个孔隙，并且其中位于中心区域中的所述孔隙具有比位于周围区域中的所述孔隙高的纵横比。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述准直仪集成到所述屏蔽构件上。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述准直仪的厚度从所述中心区域到所述周围区域连续地减小。
14.一种用于将材料沉积到衬底上的方法，包含：
向腔室中的溅射靶标施加DC偏压，所述腔室具有准直仪，所述准直仪定位于所述溅射靶标与衬底支撑基座之间，其中所述准直仪具有经由所述准直仪的厚度延伸的多个孔隙，并且其中位于中心区域中的所述孔隙具有比位于周围区域中的所述孔隙高的纵横比；
在所述腔室内邻近所述溅射靶标的区域中提供处理气体；
向所述衬底支撑基座施加偏压；和
脉冲施加于所述衬底支撑基座的偏压，所述偏压处于高偏压与低偏压之间。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包含对RF线圈施加功率以在所述腔室内部提供二级等离子，所述RF线圈定位于所述腔室内部，其中所述孔隙的纵横比从所述中心区域到所述周围区域连续地减小。
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