TWI756401B - 用於在介電質濺射期間減少工件中的缺陷的電漿腔室靶材 - Google Patents

用於在介電質濺射期間減少工件中的缺陷的電漿腔室靶材 Download PDF

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Abstract

本文提供了用於減少薄膜中的缺陷的方法及設備，該薄膜透過物理氣相沉積以沉積在工件上。在一些實施例中，濺射沉積靶材包括：介電質化合物，該介電質化合物具有範圍為約20 μm至200 μm的預定平均晶粒尺寸。在一些實施例中，處理腔室包括：腔室主體，該腔室主體定義內部體積；基板支座，用於在內部體積內支撐基板；將被濺射到基板上的複數個靶材，該靶材包括至少一個介電質靶材，如本文所揭示的任何實施例所述；以及屏蔽，該屏蔽耦合至腔室主體且具有至少一個孔洞，以使複數個待濺射靶材的至少一個靶材暴露。

Description

用於在介電質濺射期間減少工件中的缺陷的電漿腔室靶材
本揭示內容的實施例一般涉及用於半導體製造系統中的基板處理腔室。
濺射，亦稱為物理氣相沉積(PVD)，是在積體電路中形成特徵的方法，且通常在處理腔室中執行。濺射在工件(例如晶圓)上沉積材料層，例如介電質材料。諸如靶材的來源材料被離子轟擊，該等離子經由電場強烈地加速。該離子轟擊導致材料從靶材射出，並導致材料聚集或沉積在基板(例如工件)上。在沉積期間，射出的粒子亦可沉積在其他表面上，例如處理腔室的屏蔽或其他內表面。
屏蔽不需要的塗層可能會導致正被處理的晶圓中出現缺陷，或在後續的晶圓處理中造成缺陷。缺陷可能發生在以下情況，例如，當在屏蔽上發生不期望的沉積且電荷積聚在不期望的沉積物上以引起電弧(arcing)，或者聚集在屏蔽上的介電質材料剝落時。
因此，發明人提供了用於在介電質濺射期間減少缺陷的改進靶材的實施例。
本文提供了用於減少薄膜中的缺陷的方法及設備，該薄膜透過物理氣相沉積以沉積在工件上。在一些實施例中，濺射沉積靶材包括：介電質化合物，該介電質化合物具有範圍為約20 μm至200 μm的預定平均晶粒尺寸。在一些實施例中，處理腔室包括：腔室主體，該腔室主體定義內部體積；基板支座，用於在內部體積內支撐基板；將被濺射到基板上的複數個靶材，該等靶材包括至少一個介電質靶材，如本文所揭示的任何實施例所述；以及屏蔽，該屏蔽耦合至腔室主體且具有至少一個孔洞，以使複數個待濺射靶材的至少一個靶材暴露。
在一些實施例中，用於在處理腔室中執行物理氣相沉積的方法包括以下步驟：選擇第一靶材並且透過處理腔室中的第一靶材以在工件上沉積化合物，其中該第一靶材如請求項1至4的任何其中一項所述；及選擇第二靶材並透過第二靶材以在工件上的化合物上方沉積金屬。
本揭示內容的其他及進一步實施例描述如下。
磁性隨機存取記憶體(MRAM)需要將阻障層建構為記憶體設備的一部分。阻障層必須具有高純度及低缺陷數才能正確運作。氧化鎂(MgO)及氧化鋁(Al2 O3 )是可用作阻障層的介電質材料。然而，使用RF功率將MgO沉積在基板表面上本質地導致不良的缺陷性能。
本文提供了一種濺射沉積靶材的實施例，其包括具有預定晶粒尺寸的介電質化合物，以便在製造MRAM時減少工件(例如晶圓)中的缺陷。如本文所使用地，晶粒尺寸是整個靶材的化合物的平均晶粒尺寸，其中該尺寸本身具有寬廣的分佈範圍。在一些實施例中，每個晶粒在預定晶粒尺寸的20％內，而在其他實施例中，每個晶粒在平均晶粒尺寸(例如，預定晶粒尺寸)的30％內。根據一些實施例，靶材中至少80％的晶粒，或在其他實施例中至少90％的晶粒具有在預定晶粒尺寸的20％或30％內的晶粒尺寸。預定晶粒尺寸範圍從約20μm、40μm及50μm到200μm。在一些實施例中，靶材中至少80％的晶粒具有至少20μm的晶粒尺寸。
在處理腔室中的晶圓上進行介電質薄膜的物理氣相沉積期間，由於屏蔽比工件更接近靶材，因此在處理腔室中的屏蔽上亦可能形成介電質粉末。隨後，當對處理腔室施加RF功率時，由於屏蔽上的高濃度正離子(例如，護套電壓(sheath voltage))，故屏蔽及晶圓之間可能發生電弧。換言之，由於介電質薄膜聚集在屏蔽上，且介電質薄膜不導電，因此電荷積聚在屏蔽上。屏蔽上的電荷不容易消散並且引起電弧。此外，在處理腔室中處理多個後續晶圓之後，更多的介電質薄膜可能累積在屏蔽上，並且由於薄膜對屏蔽的不良黏附，故薄膜可能剝離或剝落並沉積在晶圓上。發明人發現到，改變靶材晶粒尺寸及靶材和屏蔽的配置可藉由防止電弧並防止介電質薄膜從屏蔽剝落來減少工件中的缺陷。
發明人觀察到，若在處理腔室中使用包含介電質化合物(例如，MgO、Al2 O3 )的靶材，則工件上的大部分缺陷是介電質顆粒缺陷。例如，發明人觀察到，當金屬靶材(例如，鉭或Ta)暴露在具有屏蔽的處理腔室中時，Ta缺陷的數量不明顯。然而，當介電質靶材暴露在腔室中時，在工件上發現大量缺陷，該等缺陷為介電質顆粒的形式。透過實驗來驗證缺陷的來源，該實驗例如能量分散x射線光譜測定法(energy dispersive x-ray spectrometry，EDX)，但亦可使用其他方法。屏蔽保持一致，因此缺陷被證實源自於介電質靶材。
在一些實施例中，多陰極PVD腔室(例如，處理腔室100)包括複數個陰極106，該等陰極具有相應的複數個靶材(至少一個介電質靶材110及至少一個金屬靶材112)，(例如，3 RF×3 DC交替配置的6個陰極)附接到腔室主體140(例如，經由頂部配接器組件142附接)。亦可使用其他RF/DC陰極配置，例如1×1、2×2、4×4、5×5等。該等數字表示RF供電陰極與直流供電陰極的比率。在一些實施例中，RF及DC陰極在頂部配接器組件142中交替。在其他實施例中，RF陰極可與其他RF陰極相鄰，且DC陰極同樣可以。在又其他實施例中，RF陰極對DC陰極的比例可為非等比例，例如1×2、2×1、1×3、3×1、2×3等。當使用多個RF陰極時，工作頻率可經偏移以減少沉積處理期間的任何干擾。例如，在三個RF陰極的實施例中，第一RF陰極可在13.56 MHz的頻率操作，第二RF陰極在13.66 MHz(+100 kHz)的頻率操作，且第三RF陰極在頻率13.46 MHz(-100kHz)的頻率操作。可基於給定數量的陰極的串擾(cross-talk)預防來選擇偏移。
RF陰極通常與介電質靶材110一起用於晶圓上的介電質薄膜沉積。DC電極通常與金屬靶材112一起使用，以便在晶圓上的介電質薄膜沉積之後進行黏貼(pasting)。該黏貼減少了沉積薄膜中的顆粒形成及缺陷的機率。具有帶RF及DC陰極的處理腔室允許更快地生產晶圓，因為黏貼及介電質沉積可在一個腔室中完成。此外，有了相同類型的多個陰極允許更高的黏貼及沉積速率。較高的沉積速率代表晶圓在腔室中花費較少的時間以實現特定的薄膜厚度。減少腔室中的時間或減少停滯時間導致更少的晶圓缺陷。
在一些實施例中，金屬靶材112可由金屬形成，例如鉭、鋁、鈦、鉬、鎢及/或鎂。介電質靶材110可由金屬氧化物形成，例如氧化鈦、氧化鈦鎂及/或氧化鉭鎂。然而，可替代地使用其他金屬及/或金屬氧化物。
介電質靶材110包括介電質化合物，該介電質化合物具有預定晶粒尺寸，且該等晶粒在整個介電質靶材110上大致是均勻的，其中具有例如20％至30％的小尺寸變化量。預定晶粒尺寸在不同的實施例中不同。在一些實施例中，晶粒尺寸選自約20μm至200μm的範圍。在一些實施例中，靶材中至少80％的晶粒，或者在一些實施例中至少90％的晶粒，具有與預定晶粒尺寸(例如，20μm、40μm、50μm，並且至多約200μm)相等的晶粒尺寸。
圖3顯示了具有8μm晶粒尺寸的示例靶材，其中晶圓包含218個顆粒尺寸大於40 nm的缺陷。然而，如圖4所示，當靶材晶粒尺寸增加到約30μm時，例如，顆粒(缺陷)的數量減少到96個。在一些實施例中，晶粒尺寸增加至約40μm，其中估計缺陷為約50至60個顆粒數量，相較於218個缺陷顯著地減少。其他實施例的靶材具有約80μm、120μm或200μm的晶粒尺寸。儘管未顯示本實施例中所有設想到的晶粒尺寸的單獨結果，圖3及圖4繪示了藉由減少介電質靶材110的靶材晶粒尺寸而得到晶圓上減少的顆粒缺陷。雖然本文描述的一些實施例是針對上述的晶粒尺寸，但亦可使用約等於或大於20μm的其他晶粒尺寸來減少晶圓上的缺陷數量。
隨著晶粒尺寸從8μm增加到至少20μm，顆粒缺陷的數量顯著減少，因為隨著晶粒尺寸增大，表面積對體積顯著增加，而較小的晶粒具有較大的表面積對體積的比率。如圖4所示，晶粒尺寸的增加減小了顆粒邊界區域。由於晶粒尺寸較大，晶粒界面面積較小且造成較少缺陷。在其他實施例中，改變了介電質靶材110的拋光(finish)。例如，靶材可具有濺射表面，該濺射表面的表面粗糙度範圍從約6μm的表面粗糙度至具有鏡面拋光(大致無表面粗糙度)的研磨表面。發明人發現到，越是達成接近鏡面拋光，工件上偵測到的顆粒越少。在一些實施例中，介電質靶材110的介電質化合物具有至少99.7%的純單晶MgO的相對密度，或者在一些情況下至少99.98%的純單晶MgO的相對密度，以減少工件中的缺陷。如本文所使用地，靶材的相對密度是指靶材相對於理論上可提供的理論純單晶密度的百分比。
處理腔室100還包括基板支座130以支撐基板132。處理腔室100包括開口(未顯示)(例如狹縫閥)，其中端效器(未顯示)可透過該開口延伸以將基板132放置到升舉銷(未顯示)上，以便將基板132降低到基板支座130的支撐表面131上。在圖1所示的實施例中，介電質靶材110及金屬靶材112相對於支撐表面131基本上平行地設置。基板支座130包括偏壓源136，該偏壓源經由匹配網路134耦合到偏壓電極138，該偏壓電極設置在基板支座130中。頂部配接器組件142耦合到處理腔室100的腔室主體140的上部並接地。每個陰極106可具有DC電源108或RF電源102及相關的磁控管(magnetron)。在RF電源102的情況下，RF電源102經由RF匹配網路104耦合到陰極106。
屏蔽121可旋轉地耦合至頂部配接器組件142並由陰極106共用。在一些實施例中，屏蔽121包括屏蔽本體122及屏蔽頂部120。在其他實施例中，屏蔽121具有整合成一個單件的屏蔽本體122及屏蔽頂部120兩者的態樣。在又其他實施例中，屏蔽121可多於兩件。取決於需要同時濺射的靶材數量，屏蔽121可具有一或更多個孔洞以暴露相應的一或更多個靶材。屏蔽121有利地限制或消除了複數個靶材之間的交叉污染，該等靶材包括介電質靶材110及金屬靶材112。屏蔽121經由軸123旋轉地耦合到頂部配接器組件142。軸123經由耦合器119附接到屏蔽121。此外，由於屏蔽121是可旋轉的，故移動了屏蔽121通常不會接受黏貼的區域，使得現在可黏貼該等區域，從而顯著地減少了積聚沉積及顆粒形成的剝落。處理腔室100還可包括至少一個分流器(shunt)，該分流器設置在屏蔽121的頂側中，以容納並且遮蔽複數個靶材中將不被濺射的其中至少另一者。
致動器116耦合到相對於屏蔽121的軸123。如箭頭144所指示，致動器116經配置以旋轉屏蔽121，並且使屏蔽121沿著處理腔室100的中心軸146在垂直方向中上下移動，如箭頭145所指示。在處理期間，屏蔽121升高到向上位置。屏蔽121的升高位置暴露了處理期間所使用的靶材，並且遮蔽在處理期間未使用的靶材。該升高位置亦為了RF處理以將屏蔽接地。
在一些實施例中，處理腔室100還包括處理氣體供應源128，以向處理腔室100的內部體積125供應處理氣體。處理腔室100還可包括排氣泵124，該排氣泵流體耦合到內部體積125，以從處理腔室100排出處理氣體。在一些實施例中，例如，在金屬靶材112已被濺射之後，處理氣體供應源128可將氧氣供應到內部體積125。
圖2是根據本文描述的示例性實施例的圖1中的處理腔室100的空間配置圖。
根據一些實施例，介電質靶材110及金屬靶材112(連同任何其他靶材)遠離屏蔽121的邊緣而設置，通常距離屏蔽121的邊緣大約0.5英寸至2.0英寸。當靶材放置在屏蔽的邊緣時，沉積在那裡的薄膜傾向於比其他區域受到更大的應力，並導致顆粒剝落並沉積在工件上。由於靶材朝向屏蔽的中心設置，故薄膜上的應力量大幅減少，因為在狹窄區域中的薄膜密度較低，導致沉積在工件上的剝落及顆粒缺陷減少。
圖5描繪了根據本文描述的示例性實施例的方法500的流程圖，該方法用於在晶圓上沉積薄膜。
該方法從500開始並進行到502。在502處，處理腔室100經由第一介電質靶材以將介電質化合物(例如，MgO、Al2 O3 )沉積到工件(例如半導體晶圓)上。靶材上的來源材料的預定晶粒尺寸在不同實施例中不同，該靶材用於沉積介電質化合物。在一些實施例中，晶粒尺寸選自約20μm至200μm的範圍。在一些實施例中，靶材中至少80％的晶粒，或者在一些實施例中至少90％的晶粒，具有與預定晶粒尺寸(例如，20μm、40μm、50μm，且至多約200μm)相等的晶粒尺寸。
在504處，第二靶材在處理腔室中暴露。在506處，金屬經由第二靶材沉積在工件上的介電質材料上方。第二靶材一般是金屬靶材，且該金屬可為，例如，鉭。
在508處，腔室準備下一個工件並且方法500在510處結束。
雖然前述內容針對本揭示內容的實施例，但可在不脫離本揭示內容的基本範疇的情況下設計本揭示內容的其他及進一步實施例。
100‧‧‧處理腔室102‧‧‧RF電源104‧‧‧RF匹配網路106‧‧‧陰極108‧‧‧DC電源110‧‧‧介電質靶材112‧‧‧金屬靶材116‧‧‧致動器119‧‧‧耦合器120‧‧‧屏蔽頂部121‧‧‧屏蔽122‧‧‧屏蔽本體123‧‧‧軸124‧‧‧排氣泵125‧‧‧內部體積128‧‧‧處理氣體供應源130‧‧‧基板支座131‧‧‧支撐表面132‧‧‧支撐基板134‧‧‧匹配網路136‧‧‧偏壓源138‧‧‧偏壓電極140‧‧‧腔室主體142‧‧‧頂部配接器組件144‧‧‧箭頭145‧‧‧箭頭146‧‧‧中心軸500‧‧‧方法502‧‧‧步驟504‧‧‧步驟506‧‧‧步驟508‧‧‧步驟510‧‧‧步驟
透過參考附圖中描繪的本揭示內容的說明性實施例，可以理解以上簡要總結並在下方更詳細討論的本揭示內容的實施例。然而，附圖僅顯示本揭示內容的典型實施例，且因此不被認為是對範疇的限制，因為本揭示內容可允許其他等效實施例。
圖1根據本文描述的示例性實施例描繪了多陰極處理腔室的示意圖。
圖2是根據本文描述的示例性實施例的圖1中的腔室的空間配置圖示。
圖3是具有特定晶粒尺寸的靶材的放大圖像。
圖4是根據本文描述的示例性實施例的具有晶粒尺寸的靶材放大圖像。
圖5根據本文描述的示例性實施例描繪了用於減少工件上的缺陷的方法流程圖。
為了便於理解，在可能之處使用了相同的元件符號來表示圖式中共有的相同元件。該等圖式並非按比例繪製，並且可能為了清晰起見而被簡化。一個實施例的元件及特徵可有益地併入其他實施例中而無需進一步敘述。
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100‧‧‧處理腔室
102‧‧‧RF電源
104‧‧‧RF匹配網路
106‧‧‧陰極
108‧‧‧DC電源
110‧‧‧介電質靶材
112‧‧‧金屬靶材
116‧‧‧致動器
119‧‧‧耦合器
120‧‧‧屏蔽頂部
121‧‧‧屏蔽
122‧‧‧屏蔽本體
123‧‧‧軸
124‧‧‧排氣泵
125‧‧‧內部體積
128‧‧‧處理氣體供應源
130‧‧‧基板支座
131‧‧‧支撐表面
132‧‧‧支撐基板
134‧‧‧匹配網路
136‧‧‧偏壓源
138‧‧‧偏壓電極
140‧‧‧腔室主體
142‧‧‧頂部配接器組件
144‧‧‧箭頭
145‧‧‧箭頭
146‧‧‧中心軸

Claims (18)

  1. 一種濺射沉積靶材，包括：一介電質化合物，該介電質化合物具有範圍為約20μm至200μm的一預定平均晶粒尺寸，其中該介電質化合物的至少80%的晶粒具有一晶粒尺寸，該晶粒尺寸在該預定平均晶粒尺寸的20%，或該預定平均晶粒尺寸的30%的其中一者之內。
  2. 如請求項1所述之濺射沉積靶材，其中該介電質化合物為氧化鎂。
  3. 如請求項1所述之濺射沉積靶材，其中該靶材的一濺射表面具有一鏡面拋光。
  4. 如請求項1至3任何其中一項所述之濺射沉積靶材，其中該介電質化合物具有至少99.7%的一相對密度。
  5. 如請求項1至3任何其中一項所述之濺射沉積靶材，其中該介電質化合物具有至少99.98%的一相對密度。
  6. 一種處理腔室，包括：一腔室主體，該腔室主體定義一內部體積；一基板支座，以在該內部體積內支撐一基板；將被濺射到該基板上的複數個靶材，該等靶材包括如請求項1至4任何其中一項所述之至少一個介電質 靶材；及一屏蔽，該屏蔽耦合至該腔室主體且具有至少一個孔洞，以使待濺射的該複數個靶材的其中至少一者暴露。
  7. 如請求項6所述之處理腔室，其中該複數個靶材的其中至少一者包括一金屬靶材。
  8. 如請求項6所述之處理腔室，其中該介電質化合物為氧化鎂。
  9. 如請求項6所述之處理腔室，其中該複數個靶材距離該屏蔽的一邊緣至少0.5英寸而設置。
  10. 如請求項6所述之處理腔室，進一步包括：複數個陰極，該複數個陰極耦合到該腔室主體且對應至該複數個靶材。
  11. 如請求項10所述之處理腔室，其中該屏蔽可旋轉地耦合至該腔室主體的一上部。
  12. 如請求項11所述之處理腔室，其中該屏蔽進一步包括：至少一個分流器(shunt)，該分流器設置在該屏蔽的一頂側中，以容納並且遮蔽該複數個靶材中將不被濺射的其中至少另一者。
  13. 如請求項12所述之處理腔室，其中該屏蔽經配置以繞著該處理腔室的一中心軸旋轉並線性地移 動。
  14. 一種在一處理腔室中執行物理氣相沉積的方法，該方法包括以下步驟：選擇一第一靶材並且透過一處理腔室中的該第一靶材以在一工件上沉積一化合物，其中該第一靶材如請求項1至3的任何其中一項所述之第一靶材；及選擇一第二靶材並透過該第二靶材以在該工件上的該化合物上方沉積一金屬。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該第一靶材為一介電質靶材，該化合物為一介電質化合物，且該第二靶材為一金屬靶材。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該介電質化合物為氧化鎂。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該金屬為鉭。
  18. 如請求項14所述之方法，其中該第一靶材距離該處理腔室的一屏蔽的一邊緣大約0.5英寸至2.0英寸而設置。
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