CN1260842A - 低压溅镀的方法与装置 - Google Patents

Abstract

溅镀处理小于1毫乇的低压(61b)下实施,尤其在0.05至0.5毫乇范围内,以减少由于与处理气体原子碰撞而发生的溅镀粒子散射,尤其是对高纵横比,尺寸以微米计的孔的、底部触点溅镀。溅镀通过提供了一个附加的射频等离子发生源(35)来产生,通过该发生源使射频能量接近溅镀靶(16)表面处,最好是在其周边毗邻处,与腔室(12)内气体反应耦合。腔室内压强(61)、以及激励附加等离子体的射频电极(30)电源及激励主靶(16)的直流电源(63)一样,被动态控制,使得能在低压(61b)下维持等离子体。首先,当用辅助电极(30)的射频功率源(62)点燃等离子体时,腔室内压强被提高到1毫乇以上,然后,这一射频功率被减小,而靶上直流功率源(63)升至工作值(63a),这时腔室内压强减至1毫乇以下以进行晶片的低压溅镀。

Description

低压溅镀的方法与装置

本发明涉及低压溅镀，更涉及一种在低于1毫乇，尤其在0.05至0.5毫乇之间甚至更低的压强下点燃并维持高纵横比结构(features)的溅射镀膜中的等离子体的方法和装置。

发明背景

在超大规模集成(VLSI)半导体装置的制造中，结构变得越来越小。很有必要将宽度在0.25至0.35微米范围内的高纵横比结构的底部触点金属化。最好是通过溅射镀膜法将触点金属化，因为溅镀在时间，成本与设备简单化上具有优于其他方法的商业优势，尤其是在其他方法中，如果遭受镀膜处理如化学汽相淀积(CVD)所需的高温，基底上的结构将会受到损害。随着结构尺寸的缩小以及高的纵横比，越来越需要采用溅镀方法制成，更需要溅镀材料能达到更高的定向性。除非射到基底上的溅镀材料微粒的路径能保持垂直于基底表面，否则溅镀高纵横比孔的努力是徒劳的。

溅镀镀膜过程典型为：将基底和一个镀层材料靶置于一个充满一种惰性气体，如氩气的真空腔室内，在气体中产生一个等离子体，同时将靶保持在负电位，作为提供电子的阴极以维持等离子体。该靶一般为磁控管阴极组件的一部分，组件中靶后的磁场捕获靶表面上方的电子，电子在此与氩气原子碰撞，并剥夺原子中的电子，把它们转换成正离子。氩气离子被加速向阴极靶运动，它们撞击阴极靶表面并挤出靶材料微粒，材料微粒在真空腔室内传导，有一些微粒便撞击并覆盖在基底上。为使传导的阴极靶微粒沿着大多垂直于基底表面的直线运动曾提出许多不同的方案。在靶与基底之间***一个准直管是方案之一，增加靶与基底的距离，即长投溅射为另一种方案。准直管提供一个微粒物杂质源和一个可变的淀积率，但这两种方法实质上往往降低淀积率。长投溅射的结果导致不均匀，要不就是偏离晶片中心的不良的覆盖。在晶片基座加射频偏压使粒子离子化并向基底加速运动，这是提出的又一种方案，用来保持溅镀粒子按要求的垂直方向向基底运动。这一方法成功率有限而且应用也不广泛。

无论溅镀粒子垂直于基底的路径定向的方法如何，溅镀粒子一般在溅镀所用的1至3毫乇的压强下向基底运动并在向基底运动路径上与氩气原子发生碰撞。碰撞使得粒子散射开来。散射改变了许多粒子的方向使粒子沿着不同的路径以多个角度撞击基底，在基底上，它们进入带凹缝的结构从而主要撞击侧壁而不是本该优先覆盖的底部。腔室内压力的减小导致相应的粒子相互碰撞次数的减少。但是，在1毫乇压强下维持一个直流的或脉冲直流的等离子体变得更加困难，还需要修正阴极，它使得成本和复杂度都增加了。而且，众所周知，低处理压强减少了正在形成中的镀层中混合的杂质的数量，从而提高了镀层的纯净度和采用这种镀层形成的集成装置的可靠性。

因此，当高纵横比结构必须上镀层时，仍然有保持溅镀材料方向性的问题，而且当溅镀在低压下，尤其在1毫乇以及1毫乇以下的低压下进行时，仍然需要维持一个等离子体。

发明概述

本发明的主要目的是为VLSI半导体装置的高纵横比结构提供溅射镀膜，尤其是提高该结构底部触点的高定向性溅射镀膜的有效性。本发明的一个特有的目的是减少溅镀粒子的散射和保持溅射镀膜处理中溅镀粒子的方向。

本发明的另一目的是为在低压等离子体处理应用中维持一个等离子体提供一种方法和装置。本发明一个更特有的目的是在溅射镀膜应用中维持一个低压等离子体，比如，在低于1毫乇，例如0.05至0.5毫乇范围内甚至更低的处理压强下，为高纵横比结构的上镀维持一个低压等离子体。

根据本发明的原理，向基底运动的溅镀材料的逸散可通过低压溅镀减少，低压一般低于1至3毫乇，例如在0.05至0.5毫乇之间，甚至更低的压强。根据本发明的其他原理在阴极靶材料的溅镀中，除了使用主等离子体电离气体之外，还提供了一个附加的等离子体以在低压下维持一个等离子体。

根据本发明的优化实施例，提供了一种低压溅射镀膜法，最好是在次毫乇压强，例如在0.05至0.5毫乇范围内的压强下，以及一个主等离子体，例如一个直流或脉冲直流磁控增强的等离子体，它通过在靠近靶极表面的位置提供一个附加的RF等离子体来维持。附加的等离子体和低溅镀压强与基底偏压相结合对提高镀层和薄膜质量尤其有用。附加的等离子体能被感性或容性耦合。处理气体压强的动态控制便于点燃附加的等离子体并在此后低压下维持该等离子体。尤其是在附加的等离子体被点燃时，处理气体首先维持在1至30毫乇范围内，随后为了处理降至次毫乇范围，最好在0.05至0.5毫乇范围内。而且淀积率可通过靶功率值的改变加以控制。

优化实施例包括用RF(射频)能量与靶周边的一个单线圈耦合产生附加的等离子体，线圈最好置于磁控靶和暗区防护屏附近。也可采用其他形式的线圈，如分段螺旋线圈。其他实施方案包括射频能量与一个分立的射频靶作容性耦合，该分立靶置于主靶边缘附近，且用与主溅镀靶相同的材料制成。分立靶也可有自己的磁控器和一个暗区防护屏以能更有效地激发处理气体。

在本发明优化实施例处理开始时，处理气体进入腔室内的流速最好提高至一个足够大的压力值以点燃附加的射频等离子体。射频等离子体的功率同样最好能提高以点燃射频等离子体。一旦射频等离子体被点燃并被稳定下来，在同样处于高压下的主直流等离子体通过激励该靶而得到激发。随着射频等离子体的稳定，在靶上主等离子体点燃前或点燃后，压强被减至次毫乇范围。

与射频能量耦合产生附加的射频等离子体的电极或元件最好是被布置成防止在装置使用当中发生直流和射频的短路。最好用沟，槽，隔段和空间距离来防止直流短路的发生以及元件本身产生射频涡流。元件在靶-基底方向上应有一个小的尺寸或低的断面以免需要较大地增加靶与基底的距离来适应元件。同时最好能提供元件的水冷却。元件可设置一个绝缘层以防止不希望的电流消耗，还可进行表面处理以加强靶材料的粘附从而减少碎片和杂质，元件可用与主靶材料相同的材料制成或覆盖一层与主靶相同材料的镀层，尤其当元件腐蚀速度超过元件上溅镀材料淀积速度时，元件可覆盖一层惰性材料，比如石英或陶瓷。元件最好置于靶至基底路径以外，这样使其接受到来自主靶材料的最小淀积。在一个优化实施例中，元件被置于主靶溅镀表面的平面之后。

本发明提高了溅射镀膜处理的方向性，尤其是半导体晶片表面上的高纵横比结构的涂镀。本发明减少了溅镀材料微粒的散射，利于对在低次毫乇压强下直流或脉冲直流等离子体的维持。根据本发明，在低压下实施的淀积速率高且杂质低。本发明也可用于腐蚀，要腐蚀的基底为阴极，靠近阴极的射频元件或电极维持一个腐蚀等离子体。

本发明的这些目标和其他目标以及各种优点从以下本发明优化实施例的详细说明中更容易体现出来。其中；

附图简述

图1是根据本发明的一个实施例的溅镀装置的图形表示。

图2A是图1中标示为2那部分的图形表示，用于更详细地说明了一个射频附加等离子体耦合元件的一种形式。

图2B是与图2A相似的图形表示，说明一个射频附加等离子体耦合元件的一种替代形式。

图2C是与图2A和图2B相似的图形表示，说明了一个射频附加等离子体耦合元件的又一种替代形式。

图3是图1装置的运行的一个实施例时间图示。

详细描述优选实施例

图1用图形描述了根据本发明原理的一个溅射镀膜装置。装置10包括一个真空密封溅镀处理腔室12，腔室内有一个固定的晶片支座或基座14，基座上面是一个半导体晶片15，与晶片相对的是溅镀材料靶16，此类溅镀材料将被淀积在晶片15上的一层薄膜。靶16是阴极组件17的一部分，组件17包括一个靶固定器18，靶极16便被固定在其上，以及一个磁铁组件19。在靶16的周边是一个暗区防护屏13。磁铁组件19最好包含许多产生一个闭合的磁力通道的磁铁，该通道在靶16的表面上捕捉阴极组件17释放进腔室内气体中的电子。

装置10包括一个直流电源20，可以接通以保持恒定或可产生脉冲，它通过射频过滤器22连接到阴极组件17上。一个辅助的功率源如射频发生器24也可任选地通过一个匹配网络25连接到阴极组件17上。一个可选偏压电路27连接到基底固定器14上，为晶片15提供偏压。

根据本发明的某些实施例，一个耦合元件30置于靠近靶16表面的位置。最好是该元件保持靠近靶16的边缘31，非常挨近暗区防护屏13，而且最好处于靶16表面的平面内或略微比靶16表面的平面靠前或靠后。一个射频发生器32，最好工作在0.1至60MHz范围内，通过一个匹配网络33连接到元件30上。如图2A所示的本发明的一个实施例中，元件30是一个平面型的线圈30a，跨接在射频功率源35的两个输出端之间，射频功率源由发生器32和匹配电路33组成。线圈30a用来将功率源35的射频能量感性耦合进腔室11内气体以在靶16附近形成一个附加的等离子体。图2B表示一个多组分段螺旋线圈30b，替代图2A的扁平单一线圈形成附加等离子体。

图2C中表示线圈30a和30b的又一个替代物，即一个环状的辅助靶30c。靶30c最好用与靶16相同的材料制成。靶30c被连接到射频功率源35的一个输出端，从而将射频能量容性耦合进气体以形成附加的等离子体。

处理气体源40通过气流控制装置41与腔室11相连接。对溅镀处理而言，气体源40的气体一般为一种惰性气体，如氩气。一旦通过使用与腔室11相连的真空泵(图中表示)将腔室11完全抽空并且收缩成高度真空时，控制器41便调整进入腔室11的少量气体的流动。对腔室内压力进行微调控制。

装置10还包括一个主控制器50，该控制器最好是一个采用基于微处理器、运行以便对上述元器件序列化并控制的可编程控制器。控制器50的输出端用于控制阴极功率源20和24的激发，基底偏压功率源27，用于激励附加等离子体元件30的射频发生器以及气流控制器41。根据本发明的原理，控制器50可被编程控制气流控制器41使腔室内压强提高到1至50毫乇，然后促使射频发生器32激励元件30以点燃并维持腔室11内靠近靶16表面的附加等离子体。一旦这一等离子体稳定下来，控制器50便促使压强减至0.5毫乇或更低，主靶16的功率源20将受激励在主靶16上产生等离子体，并与射频能量维持的射频附加等离子体反应性耦合形成元件30从而点燃并维持主等离子体，否则该主等离子体在低于1毫乇压强下不能被点燃。有了这一主等离子体，在低压下处理晶片15应能在其上的高纵横比结构的底部更好地溅镀。

图3详细地用图解描述了控制器50控制装置10的方式。图3中，曲线60表示从控制器50发送给气流控制器41的一个信号，曲线60中，曲线到达高气流值60a一般需要从时间T1(周期起点)开始的大约2至5秒，一般在时间T4(大约在T1后2秒至5秒)结束。曲线61中，压强在时间T1开始上升，在时间T2前到达所需要的较高压强，大约在10-50毫乇之间，并保持在1毫乇以上直到时间T4时开始下降。在时间T4，气流控制信号变成一个低的气流控制值，一般来说通过让1至100标准立方厘米的气流进入腔室11来获得，如曲线60的60b所示。这使得腔室11的压强从时间T4到时间T5压强从值61a降至61b。

曲线62表示从射频源35输送至射频元件30的射频能量。控制器50使在1至60MHz之间的射频能量在时间T2从零提高到足够的值以点燃一个等离子体，一般提高到1至5kw的功率，如曲线62的62a所示。该射频能量保持在高位60a直到时间T3，T3在时间T1和T2后0.5至3秒。从时间T3到其后大约0.5至5秒的时间T8，射频能量从值62a降至较低的值62b，也即射频能量从维持等离子体所需的最小值降至能控制基底15上的淀积率的值。值62b一般在0.1至3kw之间，射频从0.1到60MHz。

在时间T3以前，而且最好在处理气体压强从高位61a减至低位61b之前，靶16上的直流电源从零升至工作功率值63a，如图曲线63所示，对通常用的直径为12英寸的靶而言，该功率一般在0.5至30KW之间。靶功率的提高发生在时间T9与T10之间，或者说大约在5秒之内。靶16上的直流功率保持在值63a直到时间T6，也即直到晶片15被处理，一般在时间T10后10秒到几分钟。在时间T6，直流功率值63a从靶16上去掉，维持的射频功率值62b在时间T6或稍后从辅助元件30上移走。然后在时间T7，气流减至零，气体压强减至低泵压。当换上新晶片时，周期开始重复。

精通技术的人们将会欣赏到本发明的不同应用以及优化实施例中描绘的本发明。因此，只要不偏离本发明的原理可以做一些补充和修正。以下是权利要求。

Claims (14)

1、一种溅镀方法，包含步骤：

在溅镀腔室接近溅镀阴极的位置提供一个辅助的等离子体电极；

在腔室内至少1毫乇的压强下激励电极以点燃邻近阴极的等离子体；

维持腔室内压强不超过1毫乇同时操作阴极以产生一个溅射等离子体。

2、权利要求1所述的方法，其特征是：

提供电极步骤包括在腔室内阴极周边提供一个线圈的步骤；以及

激励步骤包括感性耦合射频能量进入腔室内气体以点燃等离子体的步骤

3、权利要求2所述的方法，其特征是：

提供电极步骤包括在腔室内阴极周边对称地提供一个分段的螺旋线圈的步骤

4、权利要求1所述的方法，其特征是：

阴极操作步骤包括利用直流电源激励阴极的步骤。

5、权利要求1所述的方法，其特征是：

阴极操作步骤包括用脉冲直流电源激励阴极的步骤。

6、一种对半导体晶片上的半导体装置的高纵横比结构底部触点溅射镀膜的方法，包含步骤：

在真空溅镀腔室内、面对腔室内安装在阴极组件上的溅射镀膜材料的靶支承着一个半导体晶片；

在腔室内建立至少为1毫乇的气体真空压强；

在腔室内接近靶处通过射频能量与气体的反应性耦合激励附加的等离子体，而气体压强维持在至少1毫乇的真空压强以在靶上点燃气体中的等离子体；

将腔室内气体压强减至低于1毫乇的真空压；

用直流电源激励靶，从其上溅射材料并镀在基底上，同时腔室内压强为低于1毫乇的真空压。

7.权利要求6所述的方法，其特征是还包含步骤：

改变耦合射频能量的射频功率以控制晶片上的淀积率。

8.权利要求6所述的方法，其特征是还包含步骤：

对该基底加偏置电压；

在远离靶极的一点处离子化从该靶极溅射的材料；

由此被离子化的溅射粒子被吸引向该靶极。

9.权利要求6所述的方法，其特征是：

激励步骤包括通过激励一个围绕着靶并接近靶周边的溅镀材料的辅助靶，从而使射频能量与气体容性耦合激励附加的等离子体的步骤，这时气体压强维持至少1毫乇的真空压以点燃靶上气体中的等离子体。

10、根据权利要求6所述的方法，其特征是：

激励步骤包括通过激励一个围绕着靶并接近靶周边的一个线圈，从而使射频能量与气体感性耦合来激励附加的等离子体的步骤，这时气体压强维持至少1毫乇的真空压以点燃靶上气体中的等离子体。

11、一种溅镀装置，包含：

真空溅镀腔室；

腔室内的阴极；

与阴极相连接的阴极电源；

气流控制器，用来控制气体流入腔室内并影响腔室内的压强；

靠近阴极的射频电极；

连接在电极上的射频功率源；和

与气流控制器、电源、射频源相连的控制器，用于：

当射频源激励射频电极以点燃邻近阴极的等离子体时控制气流以维持腔室内至少1毫乇的压强，以及

当阴极电源激励阴极以产生溅射时控制气流以维持腔室内低于1毫乇的压强。

12、权利要求11所述的装置，其特征是：

阴极是一个用溅镀材料制成的溅镀靶；

装置包括一个用于支承与靶平行的基底的基底座。

13、权利要求12所述的装置，其特征是：

电极是一个由溅镀材料制成或至少镀有溅镀材料的辅助靶，电极用于将射频能量与腔室内气体作容性耦合以点燃并维持腔室内的等离子体

14、权利要求11所述的装置，其特征是：

射频电极是一个围绕并靠近靶周边的线圈，以便将射频能量感性耦合到腔室内气体以点燃和形成等离子体。

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