沉积设备和相关联的方法与流程

本发明涉及一种用于将材料沉积在半导体衬底上的设备，并且涉及用于将材料沉积在半导体衬底上的相关联的方法。

背景技术：

如无人驾驶汽车和物联网等技术领域中的最新发展导致微机电系统(mems

)和微型光电机械系统(moems)传感器和致动器的新机遇激增。这种对mems装置日益增长的需求使制造商处于降低生产成本并提高产率和可靠性的压力之下。然而，薄膜应力在一些mems装置的制造过程期间的积聚可能导致问题，所述问题进而影响产率。

mems装置通常包含悬置于气隙上方的独立式结构或膜，并且在一或多个锚定点处固定到衬底上。制造过程通常从薄膜的沉积和图案化开始，所述薄膜在最终装置的构建中充当临时支撑件(牺牲层)。将另外的装置层沉积在牺牲层的顶部上，并且最后移除牺牲层，以留下可以自由移动并以可预测的方式响应于刺激的独立式结构。

独立式结构的固有问题是由沉积薄膜的残余应力引起的平面外变形。在最坏的情况下，膜可能翘曲、弯曲并且甚至破裂，而如悬臂等独立式结构则可能完全卷曲到平面外。这些应力变化还通过改变机械响应对装置性能产生负面影响。例如，机械响应可以通过尺寸上的变化而改变，如电容传感器中的气隙大小或微反射镜上的反射角度，或可以通过薄膜刚度的局部变化而改变。

这是射频(rf)装置的特定问题，因为变形表面的谐振特性难以预测。应力引起的薄膜刚度的变化导致频率偏移和寄生谐振，这严重地影响晶片装置产率。为了制造具有可再现响应的传感器，重要的是将晶片内部应力的变化降低到小于180mpa。

技术实现要素：

本发明在其实施例的至少一些中解决了上述问题。

在本发明的第一方面，提供了一种用于将材料沉积到衬底上的磁控管溅射设备，所述设备包括：

腔室，所述腔室包括衬底支撑件和靶材；

等离子体产生装置，所述等离子体产生装置被配置成在所述腔室内产生适用于将材料从所述靶材溅射到所述衬底上的等离子体；以及

导热栅格，所述导热栅格包括多个单元，其中每个单元包括孔口，并且其中所述单元的高度与所述孔口的宽度的比率小于1.0，并且

其中所述栅格安置于所述衬底支撑件与所述靶材之间，并且基本上平行于所述靶材，并且所述衬底支撑件的上表面定位于距所述靶材的下表面75mm或更小的距离处。

所述导热栅格包括多个基本上均匀分布的单元，每个单元具有孔口。所述单元以这样的方式封装在一起，使得所述单元之间的面积最小化。所述单元之间的壁厚度(t)(参见图3)是一个孔口的边缘与最近孔口的最近边缘之间的最短距离。所述单元之间的厚度(t)可以为1mm或更大、1.5mm或更大、2mm或更大、3mm或更小、2.5mm或更小，或这些值的任何组合。优选地，所述单元之间的厚度处于1到3mm的范围内，优选地1.5到2.5mm，并且更优选地2到2.5mm。厚度(t)足够大，使得栅格在沉积过程期间所产生的热量下不会变形，但是不会大到在所得沉积薄膜中看到阴影效应或微掩蔽现象(micromasking)，这可能不利地影响沉积薄膜的均匀性。

栅格孔口的形状可以为大体上六边形、圆形或正方形的。其它形状也是可能的。优选地，每个孔口的形状为大体上六边形，因为单元可以紧密地封装在一起，并且相对侧与相对拐角之间的距离差很小。这导致所得沉积薄膜中最小的阴影效应或微掩蔽现象，这进而导致沉积薄膜的更好的均匀性。圆形横截面单元在相邻单元的壁之间具有更多的不可用面积，而正方形横截面单元在相对侧与相对拐角之间的距离上具有实质性差异。

栅格的纵横比(ar)被定义为单元的高度(h)与孔口的宽度(w)的比率(参见图2和3)。孔口的宽度(w)被定义为单元的直径相对侧之间的最小距离，并且不包含单元之间的壁面积。对于具有大体上六边形形状的孔口，孔口宽度被定义为单元孔口的平到平边缘直径(flat-to-flatedgediameter)，如图3所示。

栅格的纵横比(即h/w)可以为1.0或更小、0.8或更小、0.6或更小、0.5或更小、0.4或更小、0.1或更大、0.2或更大、0.3或更大、0.35或更大，或这些比值的任何组合。具体地，纵横比可以处于0.1到0.8的范围内，优选地0.2到1.0，并且优选地0.2到0.6。更优选地，纵横比可以处于0.3到0.5的范围内，并且优选地0.35到0.4。更优选地，纵横比为约0.375。在不希望受理论束缚的情况下，据信，本发明的低纵横比栅格(即纵横比为1.0或更小)提供了所溅射材料的一些物理准直，并且减少了到达晶片的高能物质(highenergyspecies)的数量。通过明智地选择栅格的纵横比，可以使沉积薄膜的晶片内部应力范围令人惊讶地显著减小。

每个单元的高度(h)可以为2mm或更大、4mm或更大、5mm或更大、6mm或更小、8mm或更小、10mm或更小，或这些值的任何组合。具体地，每个单元的高度(h)处于2到10mm的范围内，优选地4到8mm，并且更优选地5到6mm。更优选地，每个单元的高度为约6mm。在不希望受理论束缚的情况下，据信，栅格单元的低高度(即10mm或更小)提供了所溅射材料的一些物理准直，而没有在晶片表面处赋予进入物质高度方向性。通过明智地选择栅格单元的高度并且进而选择栅格的纵横比，可以使沉积薄膜的晶片内部应力范围令人惊讶地显著减小。

每个孔口的宽度(w)可以根据单元的高度而选择，以便提供优选的栅格纵横比。通常，宽度(w)处于10到25mm的范围内。例如，在本发明的一个实施例中，六边形单元的平坦边缘的长度为9mm，这导致孔口宽度(w)为约15.6mm，并且单元的高度(h)为约5.8mm，以提供约0.375:1的纵横比(h/w)。

每10,000mm²栅格的单元的数量可以为70或更少、50或更少、20或更多、40或更多，或这些值的任何组合。优选地，每10,000mm²栅格的单元的数量处于40到50的范围内。

栅格安置于衬底支撑件与靶材之间，并且基本上平行于靶材。栅格可以通过任何适当方式安装在腔室内。在一些实施例中，栅格可以安装在腔室的壁上。

栅格包括导热材料。由于溅射过程，栅格将会变热，并且为了防止栅格变形，必须移除这种热量。例如，如果栅格安装在腔室的壁上，则热量可以远离栅格传导到腔室壁。栅格可以由金属构成，具体地钛、不锈钢、铜、铝或这些金属的任何组合。

在一些实施例中，衬底支撑件的上表面定位于距靶材的下表面以下距离处：75mm或更小、60mm或更小、55mm或更小、40mm或更大、45mm或更大，或这些值的任何组合。具体地，所述衬底支撑件的所述上表面定位于距靶材的下表面40到75mm的范围内的距离处，并且更优选地45到55mm。最优选地，衬底支撑件的上表面定位于距靶材的下表面约50mm的距离处。通过使用与常规短投射设备相关的衬底支撑件的上表面与靶材的下表面之间的这种距离，更多的靶材料到达晶片，从而导致更好的靶材利用率，并且存在更高的沉积速率。因此，有利的是，在制造沉积薄膜的过程中，总经济成本较低。

其中衬底支撑件的上表面定位于距靶材的下表面约40到约75mm的范围内的距离处的设备被描述为常规短投射设备。其中衬底支撑件的上表面定位于距靶材的下表面约150到约300mm的距离处的设备被描述为常规长投射设备。

在一些实施例中，栅格的上表面定位于距靶材的下表面10mm或更大的距离处。在一些实施例中，栅格的上表面定位于距靶材的下表面约20mm或更小的距离处。优选地，栅格的上表面定位于距靶材的下表面约18mm的距离处。优选地，栅格安置于靶材的下表面与衬底支撑件的上表面之间的约中间位置处。栅格的这种间隔实现了晶片准直与掩蔽之间的良好平衡。

栅格的长度和宽度可以大于或类似于靶材的长度和宽度。通常，栅格的长度和宽度类似于靶材的长度和宽度。应当理解的是，通常，待处理的衬底、靶材和腔室内部具有圆形横截面。在这种情况下，栅格可以具有对应的圆形横截面，所述圆形横截面的直径类似于靶材的直径。

栅格还可以是导电的。具体地，栅格可以是导电的且接地的。在不希望受理论束缚的情况下，据信，如果栅格是浮动的而不是接地的，则正离子将会为栅格充电并且排斥进入离子中的至少一些。通过使用接地栅格，更大比例的电荷离子将与栅格相互作用，这导致更有效地过滤高能物质并热化等离子体。这有利地导致沉积薄膜的晶片内部应力范围进一步减小。

腔室具有相关联的等离子体产生装置。任何适当的气体可以用于维持等离子体。优选地，如ar、ne或kr等惰性气体可以用于维持等离子体。然而，在反应性应用中，如果需要，也可以使用n2、h2或o2。

通常，衬底支撑件被配置成支撑直径为至少200mm的衬底。当应用于直径为200mm和300mm的晶片时，本发明实现了极好的结果。

任何适当的材料可以沉积于衬底上，如金属、电介质或半导体材料。通过使用金属作为沉积材料，如mo、w、ta、ti、pt、cr、ru或al，实现了特别好的结果。

优选地，所述衬底支撑件是rf偏置的。

本发明的设备可以与衬底组合提供，所述衬底由衬底支撑件支撑。然而，本发明还涉及当未使用或使用前使用的设备，即衬底支撑件上不存在衬底。

在本发明的第二方面，提供了一种用于通过磁控管溅射将材料沉积到衬底上的方法，所述方法包括：

提供根据权利要求1所述的设备；

将所述衬底支撑于所述衬底支撑件上；

提供等离子体，使得将材料从所述靶材溅射到所述衬底上；并且

其中所溅射的材料在到达所述衬底之前穿过所述栅格的所述孔口。

在本发明的第三方面，提供了一种衬底，所述衬底包括在其上的材料层，其中所述材料通过根据本发明的第二方面所述的方法沉积，并且所沉积的材料层的晶片内部应力值小于180mpa。

衬底可以形成装置的一部分或包括至少一个半导体组件的装置的前体。衬底可以包括半导体晶片，如硅晶片。薄膜可以直接沉积到半导体晶片上。可替代地，所述层可以沉积到衬底的另外元件上，如电介质、半导体或金属层。

在本发明的第四方面，提供了一种装置，所述装置包括根据本发明的第三方面所述的衬底。

在本发明的第五方面，提供了一种根据本发明的第一方面所述的设备的用途，其用于将材料层沉积在衬底上，其中所沉积材料的晶片内部应力值小于180mpa。

在本发明的第六方面，提供了一种用于改装现有磁控管溅射设备以提供根据本发明的第一方面所述的经过改装的磁控管溅射设备的套件，所述套件包括连接装置，所述连接装置允许所述栅格连接到所述现有磁控管溅射设备的一或多个部分，以将所述栅格定位于所述靶材与所述衬底支撑件之间的适当位置。例如，连接装置可以将栅格连接到腔室壁。

本发明的设备可以作为原始制造项提供。可替代地，本发明的优点是可以用本发明的栅格改装现有磁控管溅射设备。此外，代替改装现有设备，可以生产根据本发明的新型磁控管溅射设备。

虽然上文已经描述了本发明，但是本发明扩展到上文、或以下描述、附图或权利要求中所阐述的特征的任何创造性组合。例如，关于本发明的第一方面所描述的任何特征也被认为是关于本发明的第二方面所公开的，反之亦然。为了避免疑义，无论何时在本文中提及“包括(comprising)”或“包含(including)”和相似术语，本发明也应被理解为包含更多限制性术语，如“组成(consisting)”和“基本上组成(consistingessentially)”。

附图说明

现在将参照附图对根据本发明的金属沉积设备的实施例进行描述，在附图中：

图1是dc磁控管溅射系统的示意图，其示出了主要侵蚀区域和次要侵蚀区域。

图2是包含本发明的栅格的dc磁控管溅射系统的示意图。

图3是本发明的具有六边形形状的孔口的栅格的示意图。

图4a和图4b示出了作为栅格纵横比的函数的晶片内部应力范围和沉积速率。

图5a示出了3d应力图，并且图5b示出了作为晶片直径的函数的薄膜应力的单线扫描。

图6a示出了平均应力，并且图6b示出了作为氩气流量的函数的晶片内部应力范围。

图7a示出了平均应力，并且图7b示出了作为压板rf偏压的函数的晶片内部应力范围。

具体实施方式

图1示出了典型dc磁控管旋转溅射系统，通常以20描述。设备20包括腔室22，其中腔室22的内部容纳压板(或衬底支撑件)24，如半导体晶片等工件26可以装载在所述压板上。设备进一步包括磁控管28和靶材30。

由于沉积方法而在薄膜中产生的应力具有两个主要部分——热应力和内应力。对于具有高熔点的材料，如包含mo、ti和w的金属，跨晶片的热应力的变化通常可以忽略，因为晶片温度太低而不能在薄膜结构中引起热激活生长过程的任何变化。然而，溅射沉积是高能过程，并且由于薄膜结构中的弹道激活变化可能在薄膜中产生可变的应力。

溅射薄膜涉及将材料从靶材30喷射到衬底26上，如硅晶片上。内应力是在沉积过程期间在薄层中产生的，并且这些内应力与到达晶片的等离子体中所产生的粒子的能量和通量密切相关。这些内应力很大程度上受磁控管极片的几何形状的控制。已经建立简单且可靠的模型来估计磁场与沉积薄膜厚度之间的关系。然而，薄膜应力与磁控管设计之间的关系却不是这样。据信，这是因为薄膜中的内应力与任何特定薄膜的微结构演变和生长过程密切相关。与薄膜应力相关的任何理论也必须考虑原子尺度上发生的许多过程，例如衬底与金属之间的界面效应、晶体取向、晶界形成和生长、缺陷形成和迁移率。因此，常规磁控管设备可以被设计成在厚度与电阻率方面提供高度均匀的薄膜，但是设计磁控管设备以优化应力均匀性是非常困难的。

针对厚度所优化的旋转磁控管溅射系统的等离子体分布在整个靶材上是不均匀的。事实上，等离子体集中在阴极附近和在最高磁场区域下方，所述最高磁场区域扫掠溅射靶材。图1描绘了典型旋转磁控管系统中的这个问题。设备20示出了如由外部磁体所指示的靶材30(即阴极)的主要侵蚀区域32和次要侵蚀区域34。晶片26位于主要侵蚀区域32内部。磁体下方是高密度等离子体，如ar和金属离子。一定比例的这些离子逸出等离子体的阴极辉光，并朝向晶片压板移动，从而导致在晶片边缘处优先产生压缩应力。

图2示出了本发明的沉积设备的第一实施例，通常以36描绘。图2中所示出的实施例实际上是可商购获得的磁控管溅射设备，所述磁控管溅射设备已经被改装成产生根据本发明的设备。设备36是装配有本发明的栅格38的常规沉积腔室。栅格包括多个单元44，其中每个单元具有孔口40，并且单元之间的面积由42示出。在本发明的此实施例中，栅格38是接地的并且定位于靶材30与衬底支撑件24之间的约中间位置处。在不希望受理论束缚的情况下，据信，接地栅格过滤掉在主要侵蚀区域32所产生的高能物质并且使等离子体热化。图3中的插图示出了单元孔口的宽度(w)和高度(h)。虚线示出了磁控管28的旋转轴。在本发明的此实施例中，衬底支撑件24的上表面定位于距靶材30的下表面约50mm的距离处，并且栅格38的上表面定位于距靶材30的下表面约18mm的距离处。因此，栅格38位于靶材30与衬底支撑件24之间约中间位置处。

已经发现，通过磁控管溅射沉积的薄膜(如例如mo、w、ta、ti、pt、cr、ru和al的金属薄膜)的晶片内部应力可以通过添加置于靶材30与晶片26之间的栅格38而显著降低。在不希望受理论束缚的情况下，据信，栅格38通过选择性地减少到达晶片的外部侵蚀轮廓中所产生的高能物质的部分并通过使来自等离子体的其余部分的贡献热化来修改沉积通量和撞击物质的能量。以这种方式，晶片内部应力均匀性可以有利地降低到小于约180mpa。这进而导致薄膜的更高机械可靠性和并入薄膜的装置的更高性能。事实上，已经发现，低晶片内部应力均匀性可以很大程度上独立于材料和沉积参数而被有利地维持。

图3示出了根据本发明的栅格38。在本发明的一个实施例中，栅格38包括具有大体上六边形形状的孔口40的均匀单元44的阵列。栅格由适当的导热材料(如钛、不锈钢、铜、铝或其任何组合)形成。

已知的准直过滤器广泛用于定向溅射设备中，以改善小直径、深通孔的阶梯覆盖。准直过滤器用于向撞击物质赋予高度方向性。

使用工业标准仪器tohoflexus-3300应力计执行晶片应力测量。晶片内部应力是应力的范围值，其中所述应力是沉积薄膜的内应力。

图4示出了栅格38的纵横比如何影响晶片内部应力范围和沉积速率。图4a示出了晶片内部应力范围相对于纵横比，并且图4b示出了典型mo薄膜的沉积速率相对于纵横比。在此实施例中，栅格的孔口具有大体上六边形形状，并且栅格的上表面定位于距靶材的下表面约18mm的位置处。衬底支撑件的上表面定位于距靶材的下表面约50mm的距离处。

可以看出的是，对于具有高纵横比且大于1:1的栅格，应力范围非常高并且沉积速率消退。通过增加纵横比，可增加进入物质的方向性。然而，这种机制不能帮助解决应力均匀性问题。事实上，这种机制倾向于夸大来源的影响，并且增大应力范围。

在栅格38的纵横比减小到小于1:1时，已经发现，沉积速率开始提高，并且令人惊讶的是，薄膜的晶片内部应力范围显著减小。在不希望受理论束缚的情况下，据信，这些效应是由于从等离子体移除到栅格上的高能物质造成的。本质上，据信，在本发明的设备中所使用的低纵横比栅格在等离子体上提供了一些热化或扩散效应，而没有向沉积物质赋予高度方向性。通过明智地优化栅格纵横比，可能使主要侵蚀区域32对晶片应力的影响最小化，并且实现极好的晶片内部应力范围，其中对如厚度均匀性和密度等其它薄膜性质的影响最小。低纵横比栅格和短投射设备的组合提供了比用典型准直溅射设备通常实现的高得多的沉积速率。具体地，与没有栅格的常规设备相比，使用根据本发明的设备的沉积速率仅减少了50％。

图5示出了使用经过优化的栅格几何形状沉积的典型mo电极薄膜的应力图和跨晶片应力曲线。图5a示出了3d应力图，并且图5b示出了单线扫描，其示出了在200mm晶片上以6kw、200℃和50sccmar沉积的300nmmo薄膜的跨晶片直径的应力。这些结果示出了晶片内部应力范围的减小，从当使用没有栅格的常规硬件时的约400mpa减小到当使用本发明的设备时的小于约100mpa。如表1所示，在250nmti薄膜上也已表现出极好的结果。这些结果示出，晶片内部应力均匀性的改善似乎通常独立于沉积材料、薄膜厚度或沉积性质，如沉积功率、压力或绝对薄膜应力。

表1

图6示出了mo薄膜的平均应力可以通过在不影响薄膜的应力范围的情况下改变气体流量来调节。图6a示出了平均应力相对于ar流量，并且图6b示出了在200mmsi晶片上以6kw、200℃沉积的220nm和440nmmo薄膜的晶片内部应力范围相对于ar流量。

在不希望受理论束缚的情况下，据信，由于ar流量增加而增加的沉积压力导致所反射的中性ar离子的通量总体增加。具有增加的通量的这些中性ar离子被并入到正在生长的金属薄膜中，从而导致薄膜的平均拉伸应力增加。因此，增加的ar流量导致薄膜的平均拉伸应力增加。在本发明的设备中，靶材到晶片的距离通常远小于所溅射原子的平均自由程，因此气流的微小变化不会对原子轨迹造成太大差异。通过明智地选择本发明的栅格几何形状，有利地在沉积薄膜中维持低晶片内部应力范围，即使气流改变。因此，沉积薄膜的平均拉伸应力可以有利地通过改变气流来微调，同时晶片内部应力范围维持在相对恒定的低水平下。

本发明的栅格38与rf偏置的衬底支撑件兼容。通过改变衬底支撑件的rf偏压，可以有利地微调薄膜的绝对应力。图7a示出了平均应力相对于压板rf偏压，并且图7b示出了在200mmsi晶片上以6kw、200℃与50sccmar沉积的220nmmo薄膜的晶片内部应力范围相对于压板rf偏压。图7示出了220nmmo薄膜的薄膜应力如何随着压板rf功率的添加而从-50mpa线性变化到-350mpa，但重要的是晶片内部应力范围跨整个应力范围以约100mpa保持相对恒定。在不希望受理论束缚的情况下，据信，发生的离子轰击的量可以通过向衬底支撑件施加加速的rf偏压来控制，而响应于旋转磁控管在靶材处所产生的离子分布由栅格的纵横比控制，所述纵横比使如在晶片处所看到的通量变平。因此，沉积薄膜的绝对应力可以有利地通过改变衬底支撑件的rf偏压来微调，同时晶片内部应力范围维持在相对恒定的低水平下。