CN112219255A - 用于半导体处理腔室中的磁控管组件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理半导体的设备，所述设备包括处理腔室，所述处理腔室具有设置在顶部适配器组件中的多个阴极。具有磁控管组件的多个阴极包括：用于支撑磁控管组件的分流板；环磁极组件，所述环磁极组件耦接至分流板且具有环磁极、线性磁极和中心磁极，线性磁极从环磁极延伸到位于磁控管组件的中心处的中心磁极；和开环磁极电弧组件，所述开环磁极电弧组件耦接至分流板且围绕中心磁极的至少一部分而不与线性磁极相交。磁控管组件被定向成使得开环磁极电弧组件的开口朝向屏蔽件的外壁加以定向。

Description

用于半导体处理腔室中的磁控管组件的方法和设备
技术领域
本原理的实施方式一般涉及半导体处理腔室。
背景技术
在半导体处理中使用等离子体以在称为溅射的处理中将薄的材料层沉积到基板上。可以使用DC溅射或RF溅射来完成等离子体溅射。等离子体溅射通常包括位于溅射靶材背面的磁控管，以将磁场投射到处理空间中以增加等离子体的密度并增强溅射速率。多阴极处理腔室使用多个溅射靶材，这些溅射靶材通常紧密间隔以增加单个腔室中的阴极数量。发明人已经观察到，当阴极更靠近处理配件屏蔽件(process kit shield)时，可能在处理配件上形成重的材料沉积物而导致剥离和污染。
因此，发明人提供了用于半导体腔室中的磁控管的改进方法和设备。
发明内容
兹提供方法和设备，其为半导体腔室提供增强的磁控管，以减少/防止在屏蔽件壁(shield wall)上的过量沉积，这会导致剥离和污染。
在一些实施方式中，磁控管组件包括：用于支撑磁控管组件的分流板(shuntplate)；环磁极组件(loop magnetic pole assembly)，其耦接至分流板且具有环磁极、线性磁极和中心磁极，所述线性磁极从环磁极延伸到位于磁控管组件的中心处的中心磁极中；和开环磁极电弧组件(open loop magnetic pole arc assembly)，其耦接至分流板，且围绕中心磁极的至少一部分而不与线性磁极相交。
在一些实施方式中，磁控管组件可进一步包括：其中开环磁极电弧组件具有大约180度至大约350度的弧长，其中磁控管组件位于处理腔室的阴极中，其中阴极至少是多阴极处理腔室中的多个阴极中的一个，其中磁控管组件安装在处理腔室中，且开环磁极电弧组件的开口部分靠近处理腔室内的屏蔽件的外壁，其中环磁极组件具有均匀分布的磁体，其中开环磁极电弧组件具有均匀分布的磁体，其中开环磁极电弧组件或环磁极组件的至少一部分由铁磁材料所制成，其中开环磁极电弧组件的第一宽度和环磁极的第二宽度近似相等，其中，环磁极和开环磁极电弧组件之间的第一距离和开环磁极电弧组件与中心磁极之间的第二距离近似相等，其中开环磁极电弧组件的第一端和线性磁极之间的第三距离与开环磁极电弧组件的第二端和线性磁极的第四距离近似相等，其中环磁极具有围绕中心磁极的中心点的第一恒定半径，且开环磁极电弧组件具有围绕中心磁极的中心点的第二恒定半径，第一恒定半径大于第二恒定半径，和/或其中环磁极与开环磁极电弧组件之间的第一距离和开环磁极电弧组件与中心磁极之间的第二距离是不同的。
在一些实施方式中，一种用于处理半导体的设备包括处理腔室，所述处理腔室具有形成内部容积的腔室主体和顶部适配器组件，以及设置在顶部适配器组件中的至少一个阴极，所述至少一个阴极具有磁控管组件，其被配置成产生磁场，所述磁场的靠近内部容积壁的一部分具有降低的磁场强度。
在一些实施方式中，磁控管可进一步包括：用于支撑磁控管组件的分流板；环磁极组件，其耦接至分流板且具有环磁极、线性磁极和中心磁极，所述线性磁极从环磁极延伸到位于磁控管组件的中心处的中心磁极中；和开环磁极电弧组件，其耦接至分流板，且围绕中心磁极的至少一部分而不与线性磁极相交，其中磁控管组件被配置为定向成使得开环磁极电弧组件的开口朝向内部容积的壁定向；其中开环磁极电弧组件的弧长为约180度至约350度；其中，开环磁极电弧组件的第一宽度和环磁极的第二宽度近似相等；和/或其中环磁极和开环磁极电弧组件之间的第一距离和开环磁极电弧组件与中心磁极之间的第二距离是不同的。
在一些实施方式中，阴极组件可包括磁控管组件，所述磁控管组件被配置为产生一磁场，所述磁场的一部分具有降低的磁场强度，并且被配置为定向成当被安装时，使得具有降低的磁场强度的磁场的该部分靠近处理腔室的内部容积的壁。
在一些实施方式中，阴极组件可进一步包括磁控管组件，所述磁控管组件具有：用于支撑磁控管组件的分流板；环磁极组件，其耦接至分流板且具有环磁极、线性磁极和中心磁极，所述线性磁极从环磁极延伸到位于磁控管组件的中心处的中心磁极中；和开环磁极电弧组件，其耦接至分流板且围绕中心磁极的至少一部分而不与线性磁极相交，其中阴极组件被配置成安装在处理腔室中，使得磁控管组件是以开环磁极电弧组件的开口朝向处理腔室的外壁加以定向。
以下披露了其他和进一步的实施方式。
附图说明
通过参照附图中描绘的本原理的说明性实施方式，可以理解以上简要概述以及下面更详细论述的本原理的实施方式。然而，附图仅示出了本原理的典型实施方式，因此不应视为对范围的限制，因为本原理可允许其他同等有效的实施方式。
图1描绘了根据本原理的一些实施方式的多阴极处理腔室的示意图。
图2描绘了根据本原理的一些实施方式的图1的多阴极处理腔室的顶部适配器组件的俯视图。
图3描绘了根据本原理的一些实施方式的顶部适配器组件的仰视图。
图4是根据本原理的一些实施方式的磁控管的仰视图。
图5是根据本原理的一些实施方式的图4中所示的磁控管的等距视图。
图6是根据本原理的一些实施方式的当与图4的磁控管结合使用时显示腐蚀的靶材的视图。
图7是根据本原理的一些实施方式的显示腐蚀的靶材的等距视图，其示出了当与图4的磁控管结合使用并且经定向而朝向处理腔室内部容积的外部时显示腐蚀的靶材。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的元件符号来表示附图中共有的相同元件。附图未按比例绘制，并且为了清楚起见可以简化。一个实施方式的元件和特征可以有利地并入其他实施方式中而无需进一步叙述。
具体实施方式
多阴极处理腔室允许比在单个腔室中实现的处理类型具有更大的灵活性。阴极通常围绕处理腔室的内部处理容积的顶部而间隔开，并且可以根据靶材材料的类型以DC功率或RF功率操作。随着更多的阴极结合到处理腔室中，阴极变得越来越接近处理配件的壁或处理腔室内的屏蔽件。发明人已经发现，在这种紧密接近的情况下，靶材可能在屏蔽件壁上沉积多余的材料，这会导致处理腔室中的剥离和污染。当使用钽粘贴(pasting)技术来防止氧化镁沉积后的电弧放电时，有害的影响尤其严重。发明人还发现，通过在具有开环磁极电弧组件的阴极中使用磁控管组件，可以有利地在开环磁极电弧组件的开口部分附近减少靶材材料的沉积。通过使磁控管组件定向成使得开环磁极电弧组件的开口部分最接近屏蔽件壁，有利地减少了沉积在屏蔽件壁上的靶材材料的量。发明人还发现，最靠近壁的沉积速率可以通过调节磁控管组件内的开环磁极电弧组件的弧长来调节。尽管一些实施方式将本原理结合在多阴极处理腔室中，但是本原理也可以应用于其他环境中的磁控管组件，其中在所述其他环境中在特定方向上减少靶材沉积是有利的。
在图1中，多阴极PVD腔室(例如，处理腔室100)包括多个阴极106，其具有相应的多个靶材(至少一个电介质靶材110和至少一个金属靶材112)(例如，3RFx3DC交替配置中的6个阴极)，所述多个靶材(例如，经由顶部适配器组件142)附接到腔室主体140。阴极106包含磁控管150，以在粘贴和/或沉积处理中帮助引导等离子体。也可以使用其他RF/DC阴极配置，诸如1x1、2x2、4x4、5x5等。数字表示RF供电阴极与DC供电阴极的比率。在一些实施方式中，RF阴极和DC阴极在顶部适配器组件142中交替。当使用多个RF阴极，在沉积处理期间，操作频率可以偏移以减少任何干扰。例如，在三个RF阴极配置中，第一RF阴极可以以13.56MHz的频率操作，第二RF阴极以13.66MHz(+100kHz)的频率操作，且第三RF阴极以13.46MHz(-100kHz)的频率操作。偏移不需要为+/-100kHz。可以基于给定数量的阴极的串扰防止来选择偏移。
RF阴极通常与电介质靶材110一起用于在基板上进行电介质膜沉积。例如，可以使用RF阴极溅射氧化镁(MgO)靶材。在晶片上的电介质膜沉积之后，DC阴极通常与金属靶材112一起用于粘贴。例如，可以使用DC阴极溅射钽(Ta)靶材以在沉积MgO之后粘贴腔室。粘贴减少了沉积膜中颗粒的形成和缺陷的可能性。具有RF阴极和DC阴极的处理腔室允许更快地生产晶片，因为粘贴和电介质沉积可以在一个腔室中完成。在一些实施方式中，金属靶材112可以由金属形成，诸如，例如由钽、铝、钛、钼、钨和/或镁形成。电介质靶材110可以由金属氧化物形成，诸如，例如由氧化钛、氧化钛镁和/或氧化钽镁形成。但是，也可以使用其他金属和/或金属氧化物。
处理腔室100还包括基板支撑件130以支撑基板132。处理腔室100包括开口(未示出)(例如，狭缝阀)，通过该开口，末端执行器(end effector)(未示出)可以延伸以将基板132放置在升降销(未示出)上，以将基板132降低至基板支撑件130的支撑表面131上。在图1所示的一些实施方式中，靶材110、112相对于支撑表面131实质上平行地设置。基板支撑件130包括偏置源136，偏置源136经由匹配网络134耦接至设置在基板支撑件130中的偏置电极138。顶部适配器组件142耦接至处理腔室100的腔室主体140的上部并且接地。阴极106可具有DC电源108或RF电源102和相关的磁控管150。在RF电源102的情况下，RF电源102经由RF匹配网络104耦接至阴极106。
屏蔽件121可旋转地耦接至顶部适配器组件142并由阴极106所共用。在一些实施方式中，屏蔽件121包括屏蔽件主体122和屏蔽件顶部120。在其他实施方式中，屏蔽件121具有集成到一个整体件中的屏蔽件主体122和屏蔽件顶部120的各方面。根据需要在同一时间待溅射靶材的数目，屏蔽件121可以具有一个或多个孔以露出相应的一个或多个靶材。屏蔽件121限制或消除多个靶材110、112之间的交叉污染。屏蔽件121经由轴123旋转地耦接至顶部适配器组件142。轴123经由耦接器(coupler)119附接到屏蔽件121。
致动器116耦接至与屏蔽件121相对的轴123。如箭头144所示，致动器116被配置为使屏蔽件121旋转，并且沿着处理腔室100的中心轴线146在垂直方向上上下移动屏蔽件121，如箭头145所示。在处理期间，屏蔽件121升高到向上位置。屏蔽件121的升高位置暴露在处理步骤期间使用的靶材，并且还屏蔽了在处理步骤期间未使用的靶材。升高的位置也会使用于RF处理步骤的屏蔽件接地。在一些实施方式中，处理腔室100进一步包括处理气体供应器128，以将处理气体供应到处理腔室100的内部容积125。处理腔室100还可包括流体耦接至内部容积125的排气泵124，以从处理腔室100排出处理气体。在一些实施方式中，例如，在金属靶材112被溅射之后，处理气体供应器128可以向内部容积125供应氧气。
图2描绘了用于图1中的处理腔室100的一些实施方式的顶部适配器组件142的俯视图。顶部适配器组件142包括例如适配器250和例如6个阴极206。顶部适配器组件142可包括更多或更少数量的阴极206。阴极206包含磁控管150，其有助于在处理期间引导等离子体。阴极206的靶材在图3中描绘，图3是根据一些实施方式的顶部适配器组件142的仰视图300。示出了顶部适配器组件142的适配器250的内底表面372。在该实例中，图示了六个靶材360。在靶材下方是磁控管150。在一些实施方式中，靶材360被诸如屏蔽件121(参见图1)之类的处理屏蔽件(未示出)围绕和/或覆盖，以防止沉积在处理腔室100的内壁上。从图3中可以看出，随着处理腔室的阴极数量增加，靶材360向外扩展得更靠近处理腔室100的壁。由于处理配件屏蔽件在靶材360和处理腔室100的壁之间，因此靶材360甚至更接近处理配件屏蔽件。发明人已经发现，在金属沉积或粘贴期间屏蔽件的紧密接近导致在最靠近靶材360的屏蔽件区域上的过量沉积。屏蔽件上的过量沉积导致沉积材料的剥离，并且可能导致基板和/或处理腔室的污染。发明人发现，在MgO沉积后粘贴钽时尤其会存在剥离。
图4是根据一些实施方式的磁控管组件402的仰视图400。磁控管组件402包括具有环磁极405(环磁极组件404的外环)、线性磁极406和中心磁极408的环磁极组件404。磁控管组件402还包括围绕中心磁极408的开环磁极电弧组件410。在一些实施方式中，可以调节开环磁极电弧组件410以在中心磁极408周围产生更大或更小的弧长424。通过调节弧长424以增加开环磁极电弧组件410的开口412，发明人发现由最靠近开口412的靶材所沉积的材料量可以减少。开环磁极电弧组件410的弧长424的范围可以从大约180度到大约350度。例如，使开口412朝向屏蔽件121定向，会允许减少的靶材材料沉积在最靠近开口412的屏蔽件121上，从而减少沉积物堆积和/或剥离。
环磁极405的宽度416可以与线性磁极406的宽度414相同或不同。环磁极405的宽度416可以是恒定的或通过环磁极405改变。中心磁极408可以具有围绕中心点420的恒定半径422或者变化的半径，诸如，例如泪珠(teardrop)形状。开环磁极电弧组件410的宽度418可以是恒定的，或者通过开环磁极电弧组件410的弧长424而变化。围绕中心点420的开环磁极电弧组件410的半径426可以是恒定的或在整个弧长424(例如，抛物线形状)上变化。环磁极405的半径428可以是恒定的，或者围绕中心点420而通过环长度438改变。开环磁极电弧组件410和中心磁极408之间的距离430在整个弧长424上可以是恒定的，或者在整个弧长424上变化。环磁极405和开环磁极电弧组件410之间的距离432可以是恒定的或在整个弧长424上变化。开环磁极电弧组件410的第一端与线性磁极406之间的第一距离434可以与开环磁极电弧组件410的第二端之间的第二距离436大致相同或不同。
图5是根据一些实施方式的图4中所示的磁控管组件402的等距视图500。环磁极组件404和开环磁极电弧组件410安装在分流板502上。分流板502还用作磁控管组件的结构基座。环磁极组件404和开环磁极电弧组件410包括***在分流板502与环磁极片504和开环磁极片506之间的多个磁体508。多个磁体508不需要沿着环磁极片504或开环磁极片506的长度分布，或者不需要沿着环磁极片504或开环磁极片506的长度均匀分布。例如，可以调节多个磁体508的数量和/或分布以改变磁场强度和/或促进改善的靶材寿命和/或沉积均匀性。可以使用间隔件(spacer)(未示出)代替磁体，以提供支撑来代替磁体。中心磁极408可以包括多个磁体或单个磁体。
环磁极片504和开环磁极片506可以由铁磁材料制成，诸如，例如400系列不锈钢或其他合适的材料。环磁极组件404和开环磁极电弧组件410的磁强度可以相同或不同。组件内的极性可以是相同的(例如，北或南)，但组件之间的极性可以相反(例如，环磁极组件为北和开环磁极电弧组件为南或环磁极组件为南和开环磁极电弧组件为北)。
图6是根据一些实施方式的靶材602的视图600，其图示了当与图4的磁控管组件402结合使用时的腐蚀。靶材602沿着位于磁控管组件402的环磁极组件404和开环磁极电弧组件410之间的腐蚀轨道604被更加腐蚀。磁控管组件402的开环磁极电弧组件410产生具有开口606的腐蚀图案，开口606对应于开环磁极电弧组件410的开口412。通过调节开环磁极电弧组件410的弧长424，可以增加或减小腐蚀轨道604的开口606以控制开口606附近的沉积。
图7是当与图4的磁控管组件402结合使用时靶材602的等距视图700。根据一些实施方式，靶材602的腐蚀图案的开口606朝向屏蔽件121的壁向外定向702。腐蚀图案的开口606指示出较少的靶材602沉积在开口606附近。发明人已经发现，使开口606朝向屏蔽件121的壁而定向会导致靶材材料较少沉积在屏蔽件上，从而显著减少材料在屏蔽件121上的多余材料堆积和剥离。
尽管前述内容针对本原理的实施方式，但是可以在不背离其基本范围的情况下设计出本原理的其他和进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种磁控管组件，所述磁控管组件包括：
分流板，所述分流板用于支撑所述磁控管组件；
环磁极组件，所述环磁极组件耦接至所述分流板且具有环磁极、线性磁极、和中心磁极，所述线性磁极从所述环磁极延伸到位于所述磁控管组件的中心处的所述中心磁极中；和
开环磁极电弧组件，所述开环磁极电弧组件耦接至所述分流板且围绕所述中心磁极的至少一部分，而不与所述线性磁极相交。
2.根据权利要求1所述的磁控管组件，其中所述开环磁极电弧组件具有大约180度至大约350度的弧长。
3.根据权利要求1所述的磁控管组件，所述磁控管组件安装在处理腔室中，所述开环磁极电弧组件的开口部分靠近所述处理腔室内的屏蔽件的外壁。
4.根据权利要求1所述的磁控管组件，其中，所述环磁极组件具有均匀的磁体分布，并且所述开环磁极电弧组件具有均匀的磁体分布。
5.根据权利要求1所述的磁控管组件，其中所述开环磁极电弧组件的第一宽度和所述环磁极的第二宽度近似相等。
6.如权利要求1所述的磁控管组件，其中所述环磁极与所述开环磁极电弧组件之间的第一距离和所述开环磁极电弧组件与所述中心磁极之间的第二距离近似相等。
7.如权利要求1所述的磁控管组件，其中所述开环磁极电弧组件的第一端与所述线性磁极之间的第三距离和所述开环磁极电弧组件的第二端与所述线性磁极之间的第四距离近似相等。
8.根据权利要求1所述的磁控管组件，其中所述环磁极具有围绕所述中心磁极的中心点的第一恒定半径，并且所述开环磁极电弧组件具有围绕所述中心磁极的中心点的第二恒定半径，所述第一恒定半径大于所述第二恒定半径。
9.根据权利要求1所述的磁控管组件，其中所述环磁极与所述开环磁极电弧组件之间的第一距离和所述开环磁极电弧组件与所述中心磁极之间的第二距离是不同的。
10.一种用于处理半导体的设备，包括：
处理腔室，所述处理腔室具有形成内部容积的腔室主体和顶部适配器组件；和
至少一个阴极，所述至少一个阴极设置在所述顶部适配器组件中，所述至少一个阴极具有磁控管组件，所述磁控管组件被配置成产生磁场，所述磁场的靠近所述内部容积的壁的一部分具有降低的磁场强度。
11.根据权利要求10所述的设备，所述磁控管组件包括：
分流板，所述分流板用于支撑所述磁控管组件；
环磁极组件，所述环磁极组件耦接至所述分流板且具有环磁极、线性磁极、和中心磁极，所述线性磁极从所述环磁极延伸到位于所述磁控管组件的中心处的所述中心磁极中；和
开环磁极电弧组件，所述开环磁极电弧组件耦接至所述分流板且围绕所述中心磁极的至少一部分而不与所述线性磁极相交，
其中所述磁控管组件被配置为定向成使得所述开环磁极电弧组件的开口朝向所述内部容积的所述壁加以定向。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述开环磁极电弧组件的第一宽度和所述环磁极的第二宽度近似相等。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述环磁极与所述开环磁极电弧组件之间的第一距离和所述开环磁极电弧组件与所述中心磁极之间的第二距离是不同的。
14.一种阴极组件，包括：
磁控管组件，所述磁控管组件被配置为产生磁场，所述磁场的一部分具有降低的磁场强度，并且所述磁控管组件被配置为定向成使得经安装时具有所述降低的磁场强度的所述磁场的所述部分紧邻于处理腔室的内部容积的壁。
15.根据权利要求14所述的阴极组件，其中所述磁控管组件包括：
分流板，所述分流板用于支撑所述磁控管组件；
环磁极组件，所述环磁极组件耦接至所述分流板且具有环磁极、线性磁极和中心磁极，所述线性磁极从所述环磁极延伸到位于所述磁控管组件的中心处的所述中心磁极中；和
开环磁极电弧组件，所述开环磁极电弧组件耦接至所述分流板且围绕所述中心磁极的至少一部分而不与所述线性磁极相交，
其中所述阴极组件被配置成安装在处理腔室中，使得所述磁控管组件以所述开环磁极电弧组件的开口朝向所述处理腔室的外壁加以定向。
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