专利名称：用于pvd腔室的溅射靶材的制作方法
用于PVD腔室的溅射靶材
技术领域：
本发明的实施例大致有关于物理气相沉积领域。更明确地，本发明的实施例是关于用以改善沉积于物理气相沉积腔室中的薄膜的薄膜均勻性的凹面溅射靶材设计、包括凹面溅射靶材的腔室、及利用凹面靶材溅射材料于基板上的方法。
背景技术：
溅射是一种物理气相沉积(PVD)处理，其中高能离子撞击且侵蚀固体靶材并将靶材材料沉积于基板(例如，半导体基板，特定实例为硅晶圆)的表面上。半导体制造中，溅射处理通常实现于半导体制造腔室(此腔室也为已知的PVD处理腔室或溅射腔室)中。溅射腔室用来溅射沉积材料于基板上以制造电子电路，电子电路是诸如集成电路晶片与显示器。一般而言，溅射腔室包括封围壁，该封围壁围绕处理气体被导引进入其中的处理区；气体激发器，该气体激发器用以激发处理气体；及排气口，该排气口用以排气且控制腔室中的处理气体压力。腔室用于自溅射靶材溅射沉积材料于基板上，材料诸如金属 (诸如，铝、铜、钨或钽)或金属化合物(诸如，氮化钽、氮化钨或氮化钛)。溅射处理中，溅射靶材由充能离子(例如，等离子体)所冲击，致使材料离开靶材而沉积成基板上的薄膜。典型半导体制造腔室具有一靶材组件，该靶材组件包括固体金属或其他材料的盘形靶材，靶材由固持靶材的背板所支撑。为了促进均勻沉积，PVD腔室可具有环绕盘形靶材周围的环状同心金属环(通常称为挡板)。挡板的内表面与靶材的周围表面间的缝隙一般称为暗区(darkspace)缝隙。
图1和图2描绘现有技术中用于PVD腔室内的靶材组件的配置。图1是现有技术中的半导体制造腔室100的示意剖面图示，半导体制造腔室100包括腔室主体102及基板104，基板104由腔室主体102中的基板支撑件106所支撑。靶材组件111包括背板114 所支撑的靶材112。相对于基板支撑件106有所间隔而设置的靶材包括有正面或可溅射区 120。挡板108包括一大致环状外形金属环，该金属环延伸围绕靶材周围。挡板108由挡板支撑件110固持于腔室中。靶材112的正面120是实质平坦的。图2显示现有技术中靶材组件211的另一配置，此配置包括背板214及接合至背板的靶材212。靶材212外形为平截头体，且外形上大致为具有两个向内斜角边缘213的凸面，以致靶材的外周围部分的厚度小于靶材的中心部分。在半导体产业近来发展中，特别在高介电常数与金属闸极应用中，对薄膜良好均勻性的严格需求达到1至5埃等级，这对传统物理气相沉积(PVD)造成挑战。靶材表面至晶圆的间隔较长的磁控溅射中，晶圆中心区的薄膜倾向比晶圆上其他位置更厚，这妨碍达成薄膜厚度均勻性。期望提出能够提供横跨基板整个半径的较佳薄膜厚度均勻性的薄膜溅射系统。
发明内容因此，本发明的一或多个实施例有关于溅射设备，该溅射设备包括腔室，该腔室具有界定处理区域的壁，处理区域包括有基板支撑件；靶材，该靶材与基板支撑件有所间隔； 及功率源，该功率源耦接至靶材以自靶材溅射材料，靶材具有界定可溅射靶材表面的正面，可溅射靶材表面延伸于靶材的周围边缘之间，而可溅射靶材表面界定一实质上在周围边缘之间的整体凹面形状。一实施例中，整体凹面形状由被斜面区围绕的实质平坦中心区所界定。一实施例中，斜面区的倾斜角度在约5至30度范围中，以致靶材周围边缘的厚度大于中心区的厚度。 特定实施例中，斜面区的角度在约7与15度范围中。在更为特定的实施例中，斜面区的角度在约7与13度范围中。某些实施例中，斜面区延伸至周围边缘。替代实施例中，斜面区延伸至外周围正面区。一或多个实施例中，靶材周围边缘界定靶材直径而中心区具有直径I 。，且中心区直径使得R。/I p比例为0%至约90%。一或多个实施例中，其中R。/I p比例至少约60%且小于约90 %。特定实施例中，R。/Rp比例约70 %。本发明的另一方面关于用于溅射腔室中的靶材组件，靶材包括界定可溅射靶材表面的正面，可溅射靶材表面延伸于周围边缘之间且可溅射靶材表面界定一实质上在周围边缘之间的整体凹面形状。一实施例中，整体凹面形状由被斜面区围绕的实质平坦中心区所界定。一实施例中，斜面区的倾斜角度在约5至20度范围中，以致靶材周围边缘的厚度大于中心区的厚度，例如斜面区的角度在约7与15度范围中，更特定地，斜面区的角度在约7 与13度范围中。特定实施例中，靶材周围边缘界定靶材直径&且中心区具有直径I 。，而中心区直径使得R。/I p比例至少约50%且小于约90%。其他实施例中，R。/I p比例至少约60% 且小于约90%。特定实施例中，R。/I p比例约70%。一实施例中，靶材接合至背板。另一方面关于改善溅射腔室中的溅射处理的径向均勻性的方法，该方法包括以与基板有所间隔的方式将靶材配置于溅射腔室中，该基板具有面向靶材的径向表面，靶材包括界定可溅射靶材表面的正面，该可溅射靶材表面延伸于靶材周围边缘之间，且该可溅射靶材表面界定一实质上在周围边缘之间的整体凹面形状；以及，自靶材溅射材料以便横跨基板的径向表面均勻地沉积来自靶材的材料。附图简单说明可参照本发明的实施例(被例示于附图中)来理解本发明简短概述于上的特定描述。然而，需注意附图仅描绘本发明的典型实施例，且因此不被视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他等效实施例。图1是现有技术中具有平坦靶材的半导体制造腔室的示意剖面图；图2是现有技术中具有平截头体靶材的靶材组件的示意剖面图；图3A是包括根据第一实施例的靶材的半导体制造腔室的示意剖面图；图;3B是图3A所示的靶材组件的示意剖面图；图3C是靶材组件的替代实施例的示意剖面图；图3D是靶材组件的替代实施例的示意剖面图；图3E是靶材组件的替代实施例的示意剖面图；图4是比较三种靶材设计的氮化钛(TiN)薄膜的薄膜厚度数据的图示；
图5是显示倾斜靶材边缘的角度对氮化钛(TiN)薄膜的厚度与厚度非-均勻性的影响的图示；图6A是利用RF功率的处理(process)产生的图示，该图示针对根据本发明实施例的靶材显示Ar气体流率对规范化(normalized) Al厚度的影响；图6B是利用RF功率的处理产生的比较图示，该图示针对平坦靶材显示Ar气体流率对规范化Al厚度的影响；图6C是利用RF功率的处理产生的图示，该图示针对根据本发明实施例的靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响；图6D是利用RF功率的处理产生的比较图示，该图示针对平坦靶材显示靶材_晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响；图6E是利用RF功率的处理产生的图示，该图示针对根据本发明实施例的靶材显示功率水平(RF)对规范化Al厚度的影响；图6F是利用RF功率的处理产生的比较图示，该图示针对平坦靶材显示功率水平 (RF)对规范化Al厚度的影响；图7A是利用DC功率的处理产生的图示，该图示针对根据本发明实施例的靶材显示Ar气体流率对规范化Al厚度的影响；图7B是利用DC功率的处理产生的比较图示，该图示针对平坦靶材显示Ar气体流率对规范化Al厚度的影响；图7C是利用DC功率的处理产生的图示，该图示针对根据本发明实施例的靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响；图7D是利用DC功率的处理产生的比较图示，该图示针对平坦靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响；图7E是利用DC功率的处理产生的图示，该图示针对根据本发明实施例的靶材显示功率水平(DC)对规范化Al厚度的影响；及图7F是利用DC功率的处理产生的比较图示，该图示针对平坦靶材显示功率水平 (DC)对规范化Al厚度的影响。
具体实施方式
在描述本发明多个示范性实施例之前，需理解本发明并非局限于下方说明提出的详细结构或处理步骤。本发明能够具有其他实施例且能以不同方式加以实施或执行。现参照图3A与图;3B，显示出具有大致凹面形状的靶材的处理腔室。图3A显示根据第一实施例的半导体制造腔室300，该半导体制造腔室300包括腔室主体302及基板304， 基板304由腔室主体302中的基板支撑件306所支撑。基板支撑件306可为电性浮动或可由基座电源(未显示)加以偏压。靶材组件311包括背板314所支撑的靶材312。相对于基板支撑件306有所间隔而设置的靶材312包括一具有可溅射区320之正面。腔室300的示范性实施例是Applied Materials, Inc. (Santa Clara, California)开发的自行离子化等离子体腔室(例如，SIP-型腔室)。典型腔室300包括界定处理区的封围侧壁330、底壁 332及顶部334，其中在处理区中布置基板304以进行溅射操作。透过气体输送系统将处理气体导入腔室300，气体输送系统通常包括处理气体供给(未显示)，处理气体供给包括一或多个馈给一或多个气体导管的气体源，该一或多个气体导管可让气体透过气体入口(通常为腔室的数个壁之一者中的开口)流入腔室。处理气体可包括非反应性气体(诸如，氩或氙)，该非反应性气体充满能量地撞击靶材312并自靶材312溅射出材料。处理气体亦可包括反应性气体(诸如，一或多个含氧气体与含氮气体)， 该反应性气体能够与被溅射的材料反应以在基板304上形成层。靶材312与腔室300电绝缘，且靶材312连接至靶材电源(未显示)，靶材电源是诸如RF功率源、DC功率源、脉冲DC 功率源、或利用RF功率与/或DC功率或脉冲DC功率之组合式功率源。一实施例中，靶材电源施加负压至靶材312以激发处理气体自靶材312溅射出材料并沉积于基板304上。来自靶材(通常为金属，诸如铝、钛、钨或任何其他适当材料)的溅射材料沉积于基板304上且形成金属固体层。此层可经图案化与蚀刻或接着进行主体金属沉积以形成半导体晶圆中的互连层。图3A与图;3B中，靶材组件311包括接合至靶材312的背板314。与正面320相对的靶材背面接合至背板。可理解靶材312通常藉由焊接、铜焊、机械固定件或其他适当接合技术接合至背板。可以与靶材电接触的高强度导电金属制造背板。靶材背板314与靶材 312亦可一起形成单一或整合结构，然而一般而言，靶材背板314与靶材312为接合在一起的独立部件。靶材312具有面对腔室中的基板304的正面320或可溅射区，此正面320或可溅射区延伸于靶材312的周围边缘3M之间。可理解正面320或可溅射指的是靶材在溅射操作过程中被溅射的表面。靶材312的整体直径界定成图;3B中所示的距离艮。如图;3B所示， 延伸横跨周围直径艮(实质上延伸于周围边缘3M之间)的正面320的整体横剖面形状是凹面。凹面形状由正面320的边缘区313(斜面或倾角)所界定，以致靶材312外周围处的厚度Tp大于正面中心区(由直径R。所界定)处的厚度T。。可理解中心区直径R。小于整体直径艮(在周围边缘324之间)。边缘区313界定围绕靶材中心区的周围区域。实质上由距离R。界定的中心区是实质上平坦的。可理解周围边缘的厚度Tp将由图:3B中“A”代表的倾斜角度以及斜面或斜角边缘区313的长度所决定，斜面或斜角边缘区313的长度由中心区直径I 。与整体靶材直径艮的比例所决定。所示的实施例中，R。/I p比例在约60%至75%范围之间。此R。/I p比例可为约 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%，且此比例可经不同靶材材料实验最佳化以使基板304上的薄膜均勻沉积达到完美。斜面或斜角与中心区的角度所界定的斜面边缘313角度“A”可变动于约5与30度之间，更特定范围是约5与20度之间、或7与 15度之间，而最特定范围在约7与13度之间。斜面边缘313的角度“A”可藉由实验而最佳化以取得横跨基板304直径的均勻径向沉积。图3C显示靶材的替代实施例，其中R。约等同于0且R。/I p比例是约0%。换句话说，斜面边缘313自靶材的周围边缘3M延伸且交会于靶材312的中心区。图3D显示又另一替代实施例，其中斜面边缘并未延伸至靶材的外周围边缘324。反之，斜面区315延伸至外周围正面区326，该外周围正面区326围绕斜面边缘且是实质平坦的，且靶材的外周围边缘3M为外周围正面区326的边界。图3E显示图3D显示的设计的变体。图3E中，周围边缘区延伸至背板314的边缘318以致靶材&的直径实质上等同于背板IV的直径。图3E中的外周围正面3 大于图3D中的外周围正面，这样可避免溅射过程中来自背板的污染。可理解图3D与图3E中的斜面区315实质延伸于周围边缘3M之间。斜面区315延伸至外周围正面区326，而不是延伸至实际的周围边缘324。一或多个实施例中，外周围正面区3 包括不超过约30 %、20 %或10 %的靶材可溅射表面区。因此，根据一或多个实施例，当描述可溅射表面的整体凹面形状实质延伸“在靶材边缘之间”时，意图表示整体凹面形状自靶材中心区延伸至周围边缘或外周围区(包括不超过约30%的可溅射表面)。中心区处的靶材厚度T。可在1/8”之间变化而外周围边缘3M处的厚度Tp可在 1/8"-3/4"之间变化。当然可理解这些厚度与其他尺寸可加以变化以最佳化特定溅射处理的沉积特性。另一变化形式中，虽然斜面边缘如所示般为平坦，但斜面边缘313可具有凹面或凸面剖面。本发明另一方面是关于在上述类型的溅射腔室中自凹面靶材溅射材料以改善溅射处理的径向均勻性的方法。该方法包括以与基板有所间隔的方式将靶材配置于溅射腔室中，该基板具有面向靶材的径向表面。靶材包括界定可溅射靶材表面的正面，可溅射靶材表面延伸于靶材的周围边缘之间，且可溅射表面界定一实质在周围边缘之间的整体凹面形状。该方法还包括自靶材溅射材料以便横跨基板的径向表面均勻地沉积来自靶材的材料。在利用DC与RF功率的腔室中进行许多实验以显示利用具有斜面或斜角边缘区的凹面-外形靶材的结果。图4至图7显示利用斜面靶材的实验数据。图4至图7是比较三个靶材设计的薄膜厚度与厚度非-均勻性数据的图示，这三个靶材设计包括图3A与图;3B 显示的凹面靶材类型、图1显示的平坦靶材类型以及图2显示的平截头体靶材类型。凹面靶材的整体直径I^p约17. 5英寸，中心区直径Rc约12英寸(以致R。/I p比例为约68. 5% )， 且边缘斜率约7度，图5除外(图5中测试不同斜率)。图4与图5显示在RF腔室中利用钛靶材，并对不同靶材维持腔室中的处理参数恒定所得的数据。图4显示相对于300mm基板上的不同径向位置的规范化厚度。可发现凹面靶材显示3. 38%的变化，而平坦靶材产生5. 56%的变化，且平截头体靶材产生7. 08%的变化。图5显示斜面靶材边缘的角度对薄膜的厚度与厚度非-均勻性的影响，其中X轴是在 0与13度之间变化的角度而Y轴显示薄膜的非-均勻性(NU%)与厚度。图6A显示利用铝凹面靶材的RF功率溅射腔室中产生的数据。在300mm基板上不同的径向位置测量规范化铝厚度。图6A针对20SCCm、30SCCm与40sCCm的氩流率显示Ar 气体流率对规范化Al厚度的影响。图6B针对平坦靶材在与图6A所示的相同氩流率下显示Ar气体流率对规范化Al厚度的影响。图6A与图6B中的数据的比较显示凹面靶材的均勻性优于平坦靶材，且氩流率对凹面靶材的径向均勻性的影响较小。图6C针对凹面靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响而图6D 针对平坦靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响。当调整靶材-晶圆距离时，比起平坦靶材而言，凹面靶材显示出较佳的均勻性以及横跨基板径向表面的厚度中较少的变化。图6E针对凹面靶材显示功率水平(RF)对规范化Al厚度的影响而图6F针对平坦靶材显示功率水平(RF)对规范化Al厚度的影响。比起平坦靶材而言，凹面靶材显示出可藉由最佳化溅射功率来达成更佳的薄膜均勻性。图7A-F在利用铝靶材(凹面且平坦)的DC功率腔室中产生。凹面靶材的尺寸类似于上述那些尺寸。图7A针对凹面靶材显示Ar气体流率对规范化Al厚度的影响而图7B针对平坦靶材显示Ar气体流率对规范化Al厚度的影响。比起平坦靶材而言，凹面靶材产生更佳的Al厚度径向均勻性。图7C针对凹面靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响而图7D 针对平坦靶材显示靶材-晶圆间隔(T-W)对规范化Al厚度的影响。凹面靶材显示较佳的 Al厚度径向均勻性。图7E是针对根据本发明一实施例的靶材显示功率水平(DC)对规范化Al厚度的影响的图，而图7F针对平坦靶材显示功率水平(DC)对规范化Al厚度的影响。凹面靶材显示较佳的Al厚度径向均勻性。上述数据显示凹面靶材展现出在DC与RF功率腔室两者中针对不同处理条件(功率、靶材-晶圆间隔与处理气体流率)较佳的横跨基板径向表面径向均勻性。因此，藉由利用图3A与图;3B中显示的凹面-外形类型靶材将造成较佳的横跨基板径向表面沉积均勻性。此外，预期处理参数(诸如，靶材-晶圆间隔、处理气体流率与功率)中的变化对沉积径向均勻性的影响较低。整篇说明书中提及“一实施例”、“某些实施例”、“一或多个实施例”或“实施例”时， 意指与实施例连结所述的特定特征、结构、材料或特性包括于本发明至少一实施例中。因此，在整篇说明书中出现的片语，例如“一或多个实施例中”、“某些实施例中”、“一实施例中”、“实施例中”并非必然提及本发明的相同实施例。再者，可在一或多个实施例中以任何适当方式组合特定特征、结构、材料或特性。虽然已经参照特定实施例于本文中描述本发明，但可理解这些实施例仅为本发明的说明性原则与应用。熟悉技术人士可明显得知能在不悖离本发明的精神与范围下对本发明的方法与设备进行多种修改与变动。因此，本发明意图包括位于下附权利要求及其等效体的范围中的修改与变化。
权利要求
1.一种溅射设备，包括腔室，该腔室具有界定处理区域的壁，该处理区域包括基板支撑件；靶材，该靶材与所述基板支撑件相间隔；及功率源，该功率源耦接至所述靶材以自所述靶材溅射材料，所述靶材具有界定可溅射靶材表面的正面，该可溅射靶材表面延伸于所述靶材的周围边缘之间，且该可溅射靶材表面界定实质上在所述周围边缘之间的整体凹面形状。
2.如权利要求1所述的设备，其中该整体凹面形状由被斜面区围绕的实质平坦中心区所界定。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述斜面区的倾斜角度在约5至30度范围中，以致所述靶材的所述周围边缘处的厚度大于所述中心区处的厚度。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述斜面区的角度在约7至13度范围中。
5.如权利要求3所述的设备，其中所述斜面区延伸至所述周围边缘。
6.如权利要求3所述的设备，其中所述斜面区延伸至外周围正面区。
7.如权利要求4所述的设备，其中所述靶材周围边缘界定靶材直径IV而所述中心区具有直径R。，且所述中心区直径使得R。/I p比例为自0%至约90%。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述R。/I p比例为至少约60%且小于约90%。
9.一种用于溅射腔室的靶材组件，该靶材包括界定可溅射靶材表面的正面，该可溅射靶材表面延伸于周围边缘之间，且该可溅射靶材表面界定实质上在该等周围边缘之间的整体凹面形状。
10.如权利要求9所述的靶材组件，其中该整体凹面形状由被斜面区围绕的实质平坦中心区所界定。
11.如权利要求10所述的靶材组件，其中所述斜面区的倾斜角度在约5至20度范围中，以致所述靶材的所述周围边缘处的厚度大于所述中心区处的厚度。
12.如权利要求11所述的靶材组件，其中所述斜面区的角度在约7至13度范围中。
13.如权利要求11所述的靶材组件，其中所述靶材周围边缘界定靶材直径I p，而所述中心区具有直径R。，且所述中心区直径使得R。/I p比例为至少约50%且小于约90%。
14.如权利要求13所述的靶材组件，其中所述R。/I p比例为至少约60%且小于约90%。
15.如权利要求9所述的靶材组件，其中所述靶材接合至背板。
全文摘要
本文公开靶材组件及包括靶材组件的PVD腔室。靶材组件包括具有凹面外形的靶材。当用于PVD腔室中时，凹面靶材在配置于溅射腔室中的基板上提供径向更均匀的沉积。
文档编号C23C14/34GK102414793SQ201080019306
公开日2012年4月11日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年4月3日
发明者M·M·拉希德, R·王, S·冈迪科塔, T-J·龚, X·唐, Z·刘 申请人:应用材料公司