TW201408805A

TW201408805A - 脈衝雙極濺鍍方法、用於製造工件的設備、方法以及工件

Info

Publication number: TW201408805A
Application number: TW102123226A
Authority: TW
Inventors: Mohamed Elghazzali; Juergen Weichart
Original assignee: Oc Oerlikon Balzers Ag
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-03-01
Also published as: WO2014001525A1; CN104583451A; EP2867386A1; US20150184284A1

Abstract

本發明係關於一脈衝雙極濺鍍方法，該方法包含以下步驟：在一第一時間週期(T-)期間施加一濺鍍脈衝(-)；及在一後續的第二時間週期(T+)期間施加一反向電壓脈衝。施加該反向電壓脈衝的該步驟包含控制(特別是調整)，該反向電壓脈衝(T+)的時序。以此方式來達成高品質濺鍍，尤其針對濺鍍溫度敏感的材料。

Description

脈衝雙極濺鍍方法、用於製造工件的設備、方法以及工件

本發明係關於脈衝雙極濺鍍方法、用於製造工件的設備、方法以及工件。

脈衝雙極濺鍍在半導體製造產業中已為眾人所熟知。這一類濺鍍係藉由施加一負濺鍍脈衝與作為正過衝呈現之隨後的正脈衝來實現。此過衝取決於室阻抗及電壓源的設計，特別是取決於電壓源變壓器的固定分接。

本發明所具有的目的在於提出一改善的脈衝雙極濺鍍方法、用於製造工件之一改善的設備、一改善的方法及一改善的工件。

此目的係藉由包含請求項1中具體指明之特徵的方法來達成。在其他的請求項中則具體指明該方法、用於製造工件之一設備、一方法及一工件之其他的實施例。

本發明係關於一脈衝雙極濺鍍方法。該方法包含以下步驟：- 在一第一時間週期期間施加一濺鍍脈衝；及- 在一隨後的第二時間週期期間施加一反向電壓脈衝。

施加該反向電壓脈衝的該步驟包含控制(特別是調整)該反向電壓脈衝的時序。以此方式來達成高品質濺鍍，特別是針對濺鍍溫度敏感的材料。

在此說明書以及申請專利範圍的各個部分中，用語「脈衝」或「施加一脈衝」指的是一連串的脈衝，其在時間上可或可不為週期性。進一步地，用語「斷開時間」指的是在具有相同極性的隨後濺鍍脈衝(特別是隨後的負濺鍍脈衝)間之一時間週期。因此，該反向電壓脈衝係至少部分地在該斷開時間期間施加。該反向電壓脈衝亦可在全部的該斷開時間期間施加。

令人驚訝地，根據本發明之方法藉由精確地控制該反向電壓脈衝的時序，特別是其持續時間及/或強度來達成高品質塗層或薄膜。舉例來說，該高品質係藉由特別降低的粗糙度來達成。進一步地，根據本發明的方法提供穩定的製程條件，且降低或避免該反向電壓之一過衝，即所謂的「振鈴效應」。

進一步地，根據本發明的方法特別有利於具有有限功率密度的應用，舉例來說，有利於例如GST(Ge2Sb2Te5，鍺銻碲)之可輕易蒸發的材料。

在根據本發明之方法之一實施例中，該控制係獨立於該濺鍍脈衝的性質及/或根據至少一個預定值來執行。以此方式來達成高位準的靈活度及/或穩定的電壓。

在一範例中，該預定值為一本質上恆定的值，其在施加該反向電壓脈衝期間提供特別穩定的製程條件。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該控制包含控制該反向電壓脈衝的至少一個參數，特別是下列的至少一個：- 介於該第一時間週期與該第二時間週期間之一間隔；- 該第二時間週期之一持續時間；- 介於該第二時間週期與該隨後的第一時間週期間之一間隔；- 一斷開時間；及- 該脈衝(特別是一電壓)之一強度。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該控制係藉由操作一H型橋式電路來實現。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該濺鍍為一不對稱的脈衝雙極濺鍍，其中特別是該第一時間週期比該第二時間週期更長或更短。

在一範例中，該濺鍍脈衝為一負電壓脈衝及/或該反向電壓脈衝為一正電壓脈衝。

在根據本發明之方法的另一實施例中，介於該第一時間週期及該第二時間週期間的該間隔為至少1 μs及/或5μs或更短，特別是2μs或更短。以此方式，達到濺鍍相之一最小損耗，並減少或避免放電衰減。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該方法包含調整該第二時間週期，以控制薄膜參數及/或塗層性質，特別是粗糙度、密度或應力，進一步地，特別是金屬層的應力。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該方法進一步包含沈積硫族化合物薄膜(特別是GST)、及/或相變化材料(特別是可輕易蒸發的材料)。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該方法進一步包含形成3D結構及/或通路填充。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該濺鍍為一低工作週期濺鍍及/或該濺鍍脈衝為一高功率濺鍍脈衝，並延長接續該第二時間週期的該時間週期。以此方式，達成一特別高品質的濺鍍，特別是降低的粗糙度。

在這一類低工作週期濺鍍的情況下，可在該濺鍍脈衝期間以一有限的脈衝長度來施加高功率，以便來自該靶材上之局部熱點的臨界電弧作用或蒸發不會發生。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該方法包含使用材料(特別是使用GST)，其具有一高蒸氣壓力及/或對該靶材表面上之熱點形成敏感。此提供高離子能量的優點而無形成電弧或熱點的風險。

在根據本發明之方法的另一實施例中，該方法包含在一基板上結合該濺鍍與一RF偏壓。以此方式，達成一改善的濺鍍品質，特別是降低的粗糙度。

進一步地，本發明係關於一用於雙極濺鍍的設備，其包括一濺鍍靶材及一脈衝產生器，以用於在一第一時間週期期間施加一濺鍍脈衝，並在一隨後的第二時間週期期間施加一反向電壓脈衝，其中該脈衝產生器可建構(特別是可調整)為控制該反向電壓脈衝。

在根據本發明之設備的另一實施例中，該脈衝產生器包括一H型橋式電路，以用於產生該反向電壓脈衝。

進一步地，本發明係關於一用於製造工件的方法，其係藉由使用根據前述之方法實施例之任何一個的方法或根據前述之設備實施例之任何一個的設備，特別是針對密度化及/或背濺鍍，進一步地，特別是針對濺鍍GST。

進一步地，本發明係關於一工件，其特別包括一3D結構，進一步地，特別是一或多個通路，其中該工件係根據前述之方法實施例的方法製成。

已明白指出上文提及之實施例的任何組合或組合的組合均從屬於另一組合。僅有會導致矛盾的那些組合才將之排除。

在下文中，本發明係經由示範性實施例與包含其中的簡化圖式進行更詳細的敘述。在其中顯示：第1圖為一配置，其概略地繪示反向電壓背濺鍍的原理；第2圖係繪示在具有正過衝之雙極濺鍍中之高離子能量原理的圖；第3圖為具有正過衝之DC脈衝式電源供應的電壓軌跡；第4圖為H型橋式電路；第5圖為不對稱雙極脈衝的時序圖；第6圖為雙極脈衝的電壓圖；第7圖為高頻單極及雙極電壓與電流圖；第8圖為中頻單極及雙極電壓與電流圖；第9圖為用於低壓之低工作週期/高功率的圖；第10圖為用於高壓之低工作週期/高功率的圖；以及第11圖為針對雙極濺鍍GST薄膜的AFM粗糙度結果。

所述的實施例旨在作為說明範例，且不應限制本發明。

本發明所屬之技術領域

本發明係關於用於背濺鍍應用的脈衝雙極濺鍍，特別是以諸如相變化、GeSbTe或類似材料進行的通路填充。

技術背景

來自單一靶材之雙極濺鍍使用不對稱的雙極脈衝，其中較長的負脈衝係用於濺鍍靶材材料，且直接接續負脈衝之後的較短正脈衝係用在下列應用中：a)消滅電弧；b)應力控制(參見：EP_1511877_B1)

諸如Advanced Energy Pinnacle Plus之商用電源供應係設計為在絕緣層的反應性濺鍍中滿足消滅電弧的期待。這些產生器在輸出處使用具有固定分接的電感。此電感在負濺鍍脈衝後產生正過衝，以消滅電弧。正過衝為脈衝斷開時間的一部分。斷開時間亦已用來調整諸如金屬層應力之薄膜性質的製程參數，參見：EP_1511877_B1。正過衝亦可用於基板的密度化或背濺鍍。

第1圖顯示反向電壓背濺鍍的原理。在負脈衝期間，使濺鍍氣體的正離子(Ar+)加速前往靶材，而在正脈衝期間，使Ar+離子加速朝基板而去。

第2圖在上左圖中顯示施加至反應器的偏壓波形，並在下左圖中顯示在基板支架處測量得到的時間平均離子能量分佈，其中IEDF軸具有線性標度。進一步地，第2圖在右圖中顯示時間解析離子能量分佈，貫穿整個p-dc週期具有100ns的時間解析度。

值得注意的是高離子能量係在正過衝中觀察得到，如同已在下列文獻中所記述的：Plasma Sources Sci.Technol.21(2012)024004(參見第2圖)。

脈衝濺鍍已敘述為沈積諸如Ge2Sb2Te5(GST)或類似材料之硫族化合物薄膜，以用於專利 EP_1612266_A1及EP_1710324_B1以及專利申請案US2010/0096255_A1及US2011/0315543_A1中之脈衝濺鍍的相變化材料。

目前技術狀態的缺點

由於在產生器輸出中之固定的變壓器分接，將正過衝用於基板的背濺鍍通常受到限制。正過衝為脈衝斷開時間的一部分。通常只有斷開時間可調整長度，且正過衝取決於產生器設計(特別是輸出電感)以及室阻抗。此意味著正過衝相通常無法藉由產生器之較長的斷開時間來加以延長。

第3圖顯示DC脈衝式電源供應的電壓軌跡，其具有藉由在150kHz下運轉之具有2.6μs斷開時間的輸出電感所產生的正過衝。

進一步地，第3圖顯示以工作於150kHz、2.6μs斷開時間之典型脈衝式電源供應產生的電壓及若干正過衝，可見到電壓的「振鈴效應」。一穩定電壓無法以這些電源供應來使其運轉。

解決方案的敘述

第4圖顯示H型橋式電路(來自維基百科)。

如第4圖所繪示的H型橋式電路係用於切換與磁控管電源供應(M)交替之DC產生器的無電位輸出。這一類H型橋式電路已在EP 0534068_B1中針對濺鍍設備中的應用敘述。

第5圖顯示不對稱雙極脈衝的時序圖。

第5圖顯示脈衝時間T-on、T-off、T+on及 T+off的定義，其中總和代表週期時間。

第6圖顯示雙極脈衝的電壓圖，其具有T-on：40μs；T-off：2μs；T+on：20μs；T+off：40μs。

具有T-on：40μs；T-off：2μs；T+on：20μs；T+off：40μs的輸出電壓訊號繪示於第6圖中。T-on表示濺鍍脈衝。T-off必須盡可能短，諸如5μs、2μs或甚至更短。這對從濺鍍相T-on得到最小離子損耗以及避免放電衰減來說是重要的。

T+on為本質參數，以調整背濺鍍與薄膜性質。可使用一獨立電壓，不過這對為非常實用且有用之方式的H型橋式電路而言並非可行。T+off可盡可能短，但為了下述原因，其亦可用來減少工作週期。在第6圖的情況下，時序係寫作(40/2/20/40)。

第7圖顯示高頻(100kHz)單極與雙極電壓及電流圖，左圖顯示單極脈衝4/6μs，且右圖為雙極脈衝4/2/2/2μs。

第8圖顯示中頻單極與雙極電壓及電流圖，特別是：上左圖為單極脈衝40/6μs；上右圖為雙極脈衝40/2/2/2μs；中左圖為單極脈衝40/14μs；中右圖為雙極脈衝40/2/10/2μs；下左圖為單極脈衝40/24μs；及下右圖為雙極脈衝40/2/20/2μs。

在200瓦特的低功率下，用於來自具有300 mm直徑的圓靶材之GST濺鍍的電壓及電流軌跡，在第7圖及第8圖中針對不同頻率與工作週期在單極與雙極模式間進行比較。在兩圖中，T-on與頻率對單極(左)及雙極情況(右)均保持相同。第7圖針對高頻(100kHz)顯示具有相同工作週期與頻率的單極(T-on/T-off)與雙極電壓軌跡(T-on/T-off/T+on/T+off)。

在第8圖中，T-on為40μs，且T+on係從2變化至10及20μs。對單極情況而言，為了以相同的工作週期運轉，T-off係設定為T-off、T+on及T+off的總和。

在應用中，將正脈衝的長度用來調整沈積期間的基板背濺鍍速率。下列表1顯示以200瓦特運轉之來自具有300mm直徑之圓靶材的GST沈積速率，以及在T-off及T+off兩者均為2μs的情況下，雙極對單極濺鍍的速率降低。例如將背濺鍍用於在填充期間保留通路開口的邊緣。

表1顯示GST沈積速率及雙極對單極濺鍍的速率降低。

如GST之可輕易蒸發材料的濺鍍通常受限於特定的功率密度，因為(取決於靶材材料的品質)來自熱點的蒸發可發生，其可導致電弧作用、粒子形成或甚至靶材表面的損壞。在具有平均材料品質之具有300mm直徑之圓靶材的情況下，對GST而言，此限制已可在400瓦特下達成。

具有獨立可調整的脈衝時間的雙極濺鍍為如GST之可輕易蒸發材料提供顯著的優點，因其允許以低工作週期濺鍍。經此，高功率可在濺鍍脈衝中運轉，並限制在脈衝長度T-on中，以便來自靶材上之局部熱點的臨界電弧作用或蒸發不會在濺鍍脈衝T-on內發生。

第9圖顯示用於低壓的低工作週期/高功率的圖，特別是：上左圖為用於低壓之低工作週期/高功率的單極脈衝40/62μs；上右圖為細節；下左圖為用於低壓之低工作週期/高功率的雙極脈衝40/2/20/40μs；及下右圖為細節。

第10圖顯示用於高壓之低工作週期/高功率的圖，左圖為用於高壓之低工作週期/高功率的單極脈衝40/62μs，且右圖為用於高壓之低工作週期/高功率的雙極脈衝40/2/20/40μs。

具有高功率及低工作週期之用於單極以及雙極濺鍍GST的電壓與電流軌跡在第9圖中針對低壓繪示，並在第10圖中針對高壓繪示。在第9圖的細節中，可見到電流峰值在負脈衝中高達8A，且在正脈衝中甚至高達10A。不過，平均電流在負脈衝中僅1.2A，且在正脈衝中係0.1A。

可調整的反向電壓脈衝長度T+on係用於調整薄膜參數，諸如應力、粗糙度、密度或通路填充。用於藉由背濺鍍之密度化的典型指標為藉由原子力顯微鏡(AFM)所測量的粗糙度。

第11圖顯示針對雙極濺鍍200nm GST薄膜之AFM粗糙度結果，其對具有高功率低工作週期、與低功率高工作週期、以及不同反向電壓脈衝長度的製程進行比較。

AFM測得的粗糙度Rms(Rq)已針對200nm厚度的GST薄膜對不同製程進行測量，如第11圖所繪示：

i)雙極，具有400W低功率及高工作週期T-on 40μs，T+on 2μs、10μs及20μs

ii)雙極，具有1000W較高功率及低工作週期T-on 40μs，T+on 2μs及20μs

結果清楚顯示：

- 增強的反向脈衝降低粗糙度

- 較高功率及較低工作週期降低粗糙度

進一步的結果顯示：

- 較低壓力降低粗糙度

- 在基板上添加RF偏壓降低粗糙度

反向電壓脈衝能夠取代基板的RF背濺鍍，特別是針對通路填充。不過，在基板上結合雙極濺鍍與RF偏壓是一優點。

什麼必須受到保護？

a)具有可調整的反向電壓之不對稱的雙極濺鍍

b)使用H型橋式電路之用於雙極濺鍍的設置

c)使用可調整的反向電壓脈衝長度T+on來調整薄膜參數，諸如應力、粗糙度、密度或通路填充。

d)使用可調整的反向電壓脈衝長度來以GST進行通路填充。

e)在脈衝中具有高功率但低工作週期、分別延長的T+off的雙極濺鍍。

f)對具有高蒸氣壓力且因此對靶材表面上之熱點形成敏感的材料(諸如，GST)施加低工作週期雙極濺鍍，其具有提供高離子能量的優點而無形成電弧或熱點的風險。

g)針對以GST進行的通路填充施加低工作週期雙極濺鍍。

h)在基板上結合雙極濺鍍與RF偏壓。

Claims

一種脈衝雙極濺鍍方法，該方法包含以下步驟：- 在一第一時間週期(T-)期間施加一濺鍍脈衝(-)；及- 在一隨後的第二時間週期(T+)期間施加一反向電壓脈衝，其中施加該反向電壓脈衝的該步驟包含控制(特別是調整)該反向電壓脈衝(T+)的時序。
如請求項1項所述之方法，其中該控制係獨立於該濺鍍脈衝的性質及/或根據至少一個預定值來執行。
如請求項1或2項所述之方法，其中該控制包含控制該反向電壓脈衝(+)的至少一個參數，特別是下列的至少一個：- 介於該第一時間週期(T-)與該第二時間週期(T+)間之一間隔(T-off)；- 該第二時間週期(T+)之一持續時間；- 介於該第二時間週期(T+)與該隨後的第一時間週期(T-)間之一間隔(T+off)；- 一斷開時間(Toff)；及- 該脈衝(特別是一電壓)之一強度。
如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該控制係藉由操作一H型橋式電路來實現。
如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之方法，其中該濺鍍為一不對稱脈衝雙極濺鍍，其中特別是該第一時間週期(T-)比該第二時間週期(T+)更長或更短。
如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之方法，其中介於該第一時間週期(T-)及該第二時間週期(T+)間的該間隔(T-off)為至少1μs及/或5μs或更短，特別是2μs或更短。
如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之方法，其中該方法包含調整該第二時間週期(T+)，以控制薄膜參數及/或塗層性質，特別是粗糙度、密度或應力，進一步地，特別是金屬層的應力。
如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之方法，其中該方法進一步包含沈積硫族化合物薄膜(特別是GST)及/或相變化材料(特別是可輕易蒸發的材料)。
如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之方法，其中該方法進一步包含形成3D結構及/或通路填充(via filling)。
如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之方法，其中該濺鍍為一低工作週期濺鍍及/或該濺鍍脈衝(-)為一高功率濺鍍脈衝(-)，並延長接續該第二時間週期(T+)的該時間週期(T+off)。
如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該方法包含使用材料(特別是使用GST)，其具有一高蒸氣壓力及/或對該靶材表面上之熱點形成敏感。
如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之方法，其中該方法包含在一基板上結合該濺鍍與一RF偏壓。
一種用於雙極濺鍍的設備，其包括一濺鍍靶材及一脈衝產生器，以用於在一第一時間週期(T-)期間施加一濺鍍脈衝(-)，並在一隨後的第二時間週期(T+)期間施加一反向電壓脈衝(+)，其中該脈衝產生器可建構(特別是可調整)為控制該反向電壓脈衝(+)。
如申請專利範圍第13項所述之設備，其中該脈衝產生器包括一H型橋式電路，以用於產生該反向電壓脈衝(+)。
一種用於製造工件的方法，其係藉由使用如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之方法或如申請專利範圍第13或14項所述之設備來製造，特別是針對密度化及/或背濺鍍，進一步地，特別是針對濺鍍GST。
一種工件，其特別包括一3D結構，進一步地，特別是一或多個通路，其中該工件係藉由如申請專利範圍第15項所述之方法製成。