专利名称：在靶材上同时使用射频和直流功率的超均匀溅射沉积法的制作方法
在靶材上同时使用射频和直流功率的超均匀溅射沉积法
背景技术：
超大型集成电路的制造涉及利用物理汽相沉积(PVD)的金属膜沉积。典型地，提 供由在工件或半导体晶圆上待沉积成为薄膜的材料所构成的靶材。此材料可以是诸如铜、 钛、钽或其他金属、金属氧化物、金属氮化物。例如，在一工艺中，氮化钛被沉积在薄膜结构 上，其中该薄膜结构包括位于源极-漏极沟道上方的非常薄的HfO2栅极氧化物层。这样的 工艺必须在横越整个工件或晶圆上达到高均勻的沉积膜厚度分布。目前，PVD工艺是依赖 短的靶材晶圆间隔(通常小于100mm)或晶圆背侧偏压来达到良好的均勻性。然而，许多工 艺，特别是用于前端应用的工艺，需要在沉积期间不会引发等离子损坏。短靶材晶圆间隔 和晶圆偏压皆会在晶圆上造成等离子损坏。当靶材晶圆间隔大于IlOmm且晶圆偏压为零瓦 时，PVD工艺可以在在横越300mm直径晶圆上达到所沉积膜厚度的均勻性，其中膜厚度的标 准差为约6%。随着特征尺寸或关键尺寸减小到32nm和以下，膜厚度均勻性需求显得更为 迫切且可接受的膜厚度的标准差降低到1%。目前的PVD工艺无法在可靠的基础下获得这 样高程度的均勻性。传统的PVD反应器包括真空腔室、位于反应腔室室顶处的溅射靶材(铜、钛、钽或 其他希望的金属)、位于室顶下方且面对室顶的用于固持住工件(例如半导体晶圆)的支撑 载座、耦接到靶材的高电压直流功率供应器、以及用于将载气(例如氩)引入到反应器腔室 内的气体注射设备。靶材上的直流电压足以将载气离子化，以在溅射靶材附近产生等离子。 由旋转磁铁构成的磁性物组件设置在室顶与溅射靶材上方，并且建立将等离子限制在靶材 附近以形成靶材的等离子溅射的足够高磁场。从靶材溅射的材料可以包括靶材物种的中性 原子和离子，并且一部分的溅射材料会沉积在工件上成为薄膜。在一些情况中，直流或射频 偏压功率可以耦接到工件以吸引从靶材溅射的离子。在由磁性物覆盖住的区域中靶材受到腐蚀。在沉积期间，磁性物以圆形或行星运 动方式移动横越室顶，以分布靶材腐蚀且分布工件上的沉积。然而，工件上的沉积速率分布 倾向于在工件中心处是高的且在边缘处是低的，限制了均勻性，因而最小的沉积膜厚度的 标准差超过5%。
发明内容
本发明提供一种在腔室中于工件上执行等离子增强物理汽相沉积的方法。提供溅 射靶材，该靶材包含欲被沉积在该工件上的材料或材料的前驱物。支撑该工件在该腔室中 使其面对该溅射靶材。提供磁铁于该靶材上方。该方法包括将载气引入到该腔室中，以及 施加射频功率与直流功率到该靶材以在靠近该靶材处产生等离子，并在该工件上形成来自 该靶材的相应材料沉积。该沉积在该工件上具有沉积速率径向分布。该方法还包括执行下 述其一a.通过增加射频功率的功率水平相对于直流功率的功率水平以第一修正下述其 一 (a)中心高非均勻性的径向分布；或(b)边缘高非均勻性的径向分布；b.通过增加直流功率的功率水平相对于射频功率的功率水平以第二修正下述其一 (a)中心高非均勻性的径向分布；或(b)边缘高非均勻性的径向分布。在一实施例中，前述各个射频或直流功率水平调整执行直到将非均勻性的径向分 布已经至少接近最小化才停止。在一实施例中，通过调整磁铁在靶材上方的高度来调整磁 场线(靶材被浸在其中)的陡峭度，以达到径向分布均勻性的进一步最佳化。在另一实施 例中，通过调整磁铁在靶材上方环行的轨道运动的半径，以达到径向分布均勻性的进一步 最佳化。在又一实施例中，通过将靶材的边缘表面相对于靶材的平坦中心表面形成锐角，以 减少中心高非均勻性的径向分布。
本发明的示范性实施例、详细说明可以通过参照实施例来详细地了解，其中一些 实施例绘示在附图中。然而，值得注意的是本文并未讨论特定已知的工艺，以为了避免使本 发明模糊化。图1为可用于实施特定实施例的方法的等离子增强物理汽相沉积反应器的简化 方块图。图2A绘示在图1的反应器中磁性物相对于靶材的不同位置。图2B是相应于图2A的图，其绘示在仅施加直流功率到图1反应器的溅射靶材的 期间的薄膜沉积厚度径向分布。图2C是相应于图2A的图，其绘示在仅施加射频功率到图1反应器的溅射靶材的 期间的薄膜沉积厚度径向分布。图3绘示根据第一实施例的在施加射频与直流功率两者到溅射靶材的期间所形 成的薄膜沉积厚度径向分布。图4A绘示用于图1反应器中的第一磁性物结构。图4B绘示利用图4A磁性物(A)当仅施加射频功率到靶材时和(B)当仅施加直流 功率到靶材时所获得的膜厚度径向分布。图5A绘示用于图1反应器中的第二磁性物结构。图5B绘示利用图5A磁性物(A)当仅施加射频功率到靶材时和(B)当仅施加直流 功率到靶材时所获得的膜厚度径向分布。图6绘示根据第二实施例的图1反应器的磁性物组件的变更，其中控制器可以改 变磁性物在室顶上方的高度。图7A绘示溅射靶材与磁性物靠近靶材时的磁场线之间的关系。图7B绘示相应于图7A的靠近靶材处离子速度的角度分布。
图7C绘示相应于图7A的瞬间薄膜沉积径向分布。图7D绘示相应于图7A的在磁性物旋转数次期间经平均化获得的平均薄膜沉积径 向分布。图8A绘示溅射靶材与磁性物远离靶材时的磁场线之间的关系。图8B绘示相应于图8A的靠近靶材处离子速度的角度分布。图8C绘示相应于图8A的瞬间薄膜沉积径向分布。图8D绘示相应于图8A的在磁性物旋转数次期间经平均化获得的平均薄膜沉积径 向分布。
图9A绘示根据进一步实施例的图1反应器的变更，其中磁性物的径向位置已经由 控制器设定在小半径处。图9B绘示图9A的小半径设定所形成的中心高的膜厚度径向分布。图IOA绘示图1反应器的变更，其中磁性物的径向位置已经由控制器设定在大半 径处。图IOB绘示图IOA的大半径设定所形成的中心低的膜厚度径向分布，并又以虚线 来绘示通过将图9A与图IOA的不同模式予以时间平均化所形成的分布。图IlA为可用作为图1反应器中溅射靶材的溅射靶材的剖面图，第11图的溅射靶 材特别地被塑形以改善图1反应器中的薄膜沉积均勻性。图IlB比较以图IlA的塑形靶材所获得的膜沉积径向分布(实线)与以传统溅射 靶材所获得的分布(虚线)。图12为绘示根据实施例的方法的方块图。为了促进了解，倘若可行，则在附图中使用相同的元件符号来指称相同的元件。应 知悉，一实施例中揭示的元件可以有益地被用在其他实施例中，而不需赘述。然而，应了解， 附图仅绘示出本发明的示范性实施例，并且不会被视为本发明范围的限制，本发明允许其 他等效实施例。
具体实施例方式现参照图1，用于执行PEPVD工艺的反应器包括由圆柱形侧壁102包围住的真空 腔室100、室顶104以及室底106。工件支撑载座108被支撑在腔室室底106上方，用以固 持住面对室顶104的工件或晶圆110。气体分布环112具有多个气体注射孔114，该些气体 注射孔114延伸穿过侧壁102且由工艺气体供应器116经由流量控制阀118来供应。真空 泵120经由压力控制阀122来净空(evacuate)腔室100。溅射靶材IM被支撑在室顶104 处。直流功率源126经由射频阻隔滤器1 耦接到靶材124。射频功率产生器130也经由 射频阻抗匹配131耦接到溅射靶材124。工艺控制器132控制直流功率源1 和射频功率 产生器130的输出功率水平。设置在室顶104上方的磁性物134对准在溅射靶材上方。包 括中心转轴138与行星转轴140的旋转致动器136促进(可选择地)磁性物134在室顶上 方的两轴旋转，因此其执行特征为轨道半径的连续轨道运动。工艺控制器132可以控制反 应器的所有方面，包括直流和射频功率源126、130的输出功率水平、工艺气体供应器116、 气体流量阀118、真空泵压力控制阀122、以及磁性物旋转致动器136。图2A绘示旋转磁性物134相对于靶材124的瞬间位置，而图2B绘示当仅施加直 流功率到靶材124时所获得的相应瞬间薄膜沉积厚度(或等效的速率)径向分布。在180 度旋转后，另一瞬间磁性物位置绘示在图2A的虚线。图2C绘示在磁性物旋转数次期间经 平均化获得的平均薄膜分布。由于瞬间分布的非均勻性(图2B)，形成的平均薄膜分布(图 2C)是中心高的。典型地，中心高的非均勻性表示分布的标准差为至少5%或6%或更大。图3绘示(实线)当仅施加射频功率到溅射靶材IM时所获得的膜沉积厚度径向 分布。图3实线的施加射频功率的膜分布与图2C的施加直流功率的膜分布是互补的。为 了清晰起见，图2C的施加直流功率的膜分布重新绘制成在图3的点线。图3显示发明人观 察到的是可以施加射频与直流功率两者到靶材124，并且通过控制器132对直流与射频输出功率水平的适当调整，施加直流与射频功率的膜分布的加成(图3虚线)是高均勻性的， 因此施加直流与射频功率两者到靶材可以形成均勻的膜厚度分布。已观察到的是，结合分 布的标准差可能是或更小，其改善了均勻性五倍或六倍。在一实施例中，同时施加射频 与直流功率到靶材124。在另一实施例中，在交替间隔期间施加射频功率，并且在剩余的时 间间隔期间施加直流功率。控制器132调整射频与直流输出功率水平，以将形成的膜厚度 径向分布均勻性予以最大化。图4A绘示图1磁性物的第一磁性配置，其中北极与绕着北极的环状南极提供圆形 对称性。图4B绘示利用图4A磁性物当仅施加射频功率(实线)和仅施加直流功率(虚 线)到靶材IM时在工件上所获得的所沉积膜厚度径向分布。图5A绘示图1磁性物的第二磁性配置，其中一连串北极沿着肾脏形状界限的半部 来提供，并且一连串南极沿着肾脏形状界限的另一半部来提供。图5B绘示利用图5A磁性物 当(a)仅施加射频功率(实线)和(b)仅施加直流功率(虚线)到靶材124时在工件上所 获得的所沉积膜厚度径向分布。比较图4B与图5B，可以发现，当交换(图4A与图5A的) 此两磁铁设计时，射频与直流功率获得的结果反转。参照图6，磁性物旋转致动器136可以额外地包括升降致动器150，升降致动器150 可以调整磁性物134在室顶104与溅射靶材124上方的高度。如图7A所示，磁性物134可 以是图4A绘示的圆形对称形式。当磁性物134位于图6绘示的实线位置时(即靠近靶材 124时)，靶材IM被浸在最靠近磁性物134的浅磁场线中。结果是离子速度的角度分布是 宽广的，如图7B所示。相应瞬间薄膜分布速率被绘示在图7C，并且具有相当宽广的分布。 在磁性物134旋转数次期间经平均化获得的平均分布被绘示在图7D，并且具有中心高的薄 膜分布。参照图8A，当磁性物134位于图6的虚线位置时(即相当远离靶材124时)，靶材 1 被浸在最远离磁性物134的陡垂直磁场线中。结果是离子速度的角度分布是狭窄的， 绕着垂直线置中，如图8B所示。相应瞬间薄膜分布速率被绘示在图8C，并且具有狭窄的分 布。在磁性物134旋转数次期间经平均化获得的平均分布被绘示在图8D，并且具有清楚的 中心低的薄膜分布。根据进一步实施例，控制器132控制磁性物升降致动器150并可改变 磁性物高度，由此将薄膜分布调整到介于图7D中心高分布与图8D中心低分布之间的最佳 均勻性。参照图9A，图1的磁性物组件可以进一步包括径向位置致动器160，径向位置致动 器160可以在控制器132的控制下改变磁性物134的径向位置，其决定了靶材124的连续 环行运动的轨道半径。在图9A中，径向位置被设定成小半径以用于小轨道半径的靶材环行 运动。在此配置，膜沉积分布(在磁性物134旋转数次的平均值)是中心高的，并且被绘示 在图9B。在图IOA中，径向位置被设定成大半径以用于大轨道半径的靶材环行运动。在此 配置，膜沉积分布(在磁性物134旋转数次的平均值)是中心低的，并且被绘示在图10B。 根据一实施例，控制器132通过使用径向位置致动器160改变磁性物134的径向位置(或 环行运动的轨道半径)来调整所沉积膜厚度的径向分布。例如，控制器可以通过调整磁性 物在较大和较小径向位置处耗费的相对时间量来调整分布形状。此结果对应于第9B与IOB 图的径向分布的加成，其可以是图IOB的虚线的相当平(均勻)分布。图IlA绘示如何将图1的溅射靶材IM塑形以减少工件上膜沉积分布是中心高的倾向。在图1的实施例中，溅射靶材1 具有窄的侧面125，侧面125垂直于靶材124的平 坦面127。平坦面127大致上平行于工件110。在图1中，所有的(或几乎所有的)被溅射 材料从靶材平坦面127放射，并且因此具有围绕着垂直方向置中的角度分布。图IlA的经 变更的靶材2M可通过引导从靶材边缘溅射的材料远离工件中心，以减少被溅射材料到工 件中心的流量，而增加被溅射材料到工件边缘的流量。在图IlA的实施例中，溅射靶材224 具有围绕平坦面226的侧面225。可选地，靶材2M进一步包括围绕侧面225的环状平台 227。侧面225被定向(倾斜)成相对于靶材平坦面2 呈角度“A”。倾斜的侧面225具有 内圆形边缘22 (其重叠靶材平坦面226的外围)与外圆形边缘22 (其接合平台227)。 尽管角度A可以是任何适当范围内(例如5°到50°，或3°到70° )的角度，角度A在一 实施例中为15°。从靶材溅射的材料倾向于以大致上垂直于靶材表面的方向来放射。例如，从图1 的简单平靶材1 溅射的材料倾向于具有围绕着垂直(轴向)方向置中的速度轮廓。在图 IlA的塑形靶材2M中，从平坦面2 溅射的材料倾向于具有围绕着垂直方向置中的速度轮 廓。然而，从倾斜侧面225溅射的材料倾向于具有围绕着垂直于倾斜侧面225的方向(即 与角度A呈90° )置中的速度轮廓。此方向朝向工件110的圆周。因此，从倾斜侧面225 溅射的材料有助于工件外围处的薄膜沉积，由此增加工件边缘处的膜沉积。这可减少膜沉 积分布具有中心高非均勻性的倾向。可以通过选择倾斜侧面225的角度A来控制中心高膜 分布非均勻性被降低的程度。图IlB相应于图IlA的图，其比较以图IlA的塑形靶材2 所获得的薄膜沉积厚 度分布(图IlB的实线)与以传统平靶材(例如图1的靶材124)所获得的分布。传统靶 材产生非均勻(中心高)的分布，而塑形靶材2M产生较多边缘高且较少中心高的改善的 分布。平台227的厚度t足以使得平台227在靶材224的寿命期间不会由于溅射而完全 地腐蚀。在下述说明，特定实施例仅被提供作为范例，并且实施例不被受限在下述尺寸或不 被限制在下述范围。平台厚度t可以位于例如0.25英寸至1英寸的适当范围内。在一实 施例中，厚度t为约0. 3英寸。平坦面2 区域中的靶材厚度T可以位于约0. 5英寸至1. 5 英寸的适当范围内。在一实施例中，靶材厚度T为0.77英寸。对于工件直径为约12英寸 (300mm)，倾斜面225的内缘22 的直径可以位于约9英寸至12英寸的适当范围内。在一 实施例中，倾斜面225的内缘22 的直径为约11英寸。倾斜面225的外缘22 的直径可 以位于约12英寸至15英寸的适当范围内。在一实施例中，倾斜面225的外缘22 的直径 为约14英寸。平台227的外缘227a的直径可以位于约10英寸至25英寸的适当范围内。 在一实施例中，外缘227a的直径位于约17英寸至18英寸的适当范围内。图1-3涉及第一实施例，其中控制器132通过调整施加到靶材124的射频与直流 功率的相对量来调整薄膜沉积分布。图6-8涉及第二实施例，其中控制器132通过调整磁 性物134在靶材IM上方的高度来调整薄膜沉积分布。图9-10涉及第三实施例，其中控制 器132通过调整磁性物134的径向位置来调整薄膜沉积分布。图11A-11B涉及第四实施 例，其中溅射靶材的圆周部分是倾斜或具有角度的，以促进靠近工件的外围处的材料沉积。 这四个实施例的任一实施例或所有实施例可以被结合在单一反应器中。例如，在一组合中， 控制器132控制(a)施加到靶材(图1- 的射频与直流功率的比例；以及下述两者或任一者(b)磁性物134距离靶材的距离(图6-8)和(c)磁性物的径向位置(图9-10)。控制 器132可以同时地或在不同时间点进行前述调整的任一者或全部，以将沉积速率(或所沉 积膜厚度)径向分布的均勻性最佳化。在另一组合中，控制器132可以进行前述调整的任 一者或全部，并且反应器被提供有图IlA所绘示类型的塑形靶材。图12绘示根据前述实施例的方法。此方法包括将载气引入到图1的腔室100内 (图12的方块310)，并且施加射频功率与直流功率到靶材124(图12的方块312)，以在靠 近靶材124处产生等离子(图1)且在工件110上形成来自靶材124的相应材料沉积。在 一实施例中，等离子分布的径向非均勻性是通过增加射频功率的功率水平相对于直流功率 的功率水平来修正(图12的方块314)。此非均勻性可能是(a)中心高非均勻性的径向分 布(图12的方块314-1)；或(b)边缘高非均勻性的径向分布(图12的方块314-2)。在第 二实施例中，等离子分布的径向非均勻性是通过增加直流功率的功率水平相对于射频功率 的功率水平来修正(图12的方块320)。此非均勻性可能是(a)中心高非均勻性的径向分 布(图12的方块320-1)；或(b)边缘高非均勻性的径向分布(图12的方块320-2)。在使用图6绘示的设备的一实施例中，通过调整磁铁在靶材上方的高度来调整磁 场线(靶材被浸在其中)的陡峭度，以达到等离子径向分布均勻性的进一步最佳化(图12 的方块330)。在使用图9A与IOA绘示的设备的另一实施例中，通过调整磁铁在靶材上方环 行的轨道运动的半径，以达到等离子径向分布均勻性的进一步最佳化(图12的方块332)。 在图IlA绘示的又一实施例中，通过将靶材124的边缘表面225相对于靶材的平坦中心表 面形成锐角，以减少中心高非均勻性的径向分布(图12的方块334)。尽管前述说明是着重在本发明的实施例，可以在不脱离本发明的基本范围下设想 出本发明的其他与进一步实施例，并且本发明范围是由随附权利要求来决定。
权利要求
1.一种在腔室中于工件上执行等离子增强物理汽相沉积的方法，包含下述步骤提供溅射靶材在靠近该腔室的室顶处，该靶材包含欲被沉积在该工件上的材料或材料 的前驱物；支撑该工件在该腔室中使其面对该溅射靶材；将载气引入到该腔室中；提供磁铁于该靶材上方；施加射频功率与直流功率到该靶材以在靠近该靶材处产生等离子，并在该工件上形成 来自该靶材的相应材料沉积，该沉积在该工件上具有沉积速率径向分布；执行下述其一(A)通过增加射频功率的功率水平相对于直流功率的功率水平以第一修正下述其一 (a)中心高非均勻性的径向分布；或(b)边缘高非均勻性的径向分布；(B)通过增加直流功率的功率水平相对于射频功率的功率水平以第二修正下述其一 (a)中心高非均勻性的径向分布；或(b)边缘高非均勻性的径向分布。
2.如权利要求1所述的方法，其中该第一修正的步骤包含修正中心高非均勻性的径向分布；以及该第二修正的步骤包含修正边缘高非均勻性的径向分布。
3.如权利要求2所述的方法，其中该增加射频功率的功率水平的步骤执行直到将中心 高非均勻性的径向分布至少接近最小化才停止。
4.如权利要求2所述的方法，其中该增加直流功率的功率水平的步骤执行直到将边缘 高非均勻性的径向分布至少接近最小化才停止。
5.如权利要求1所述的方法，其中该第一修正的步骤包含修正边缘高非均勻性的径向分布；以及该第二修正的步骤包含修正中心高非均勻性的径向分布。
6.如权利要求5所述的方法，其中该增加射频功率的功率水平的步骤执行直到将边缘 高非均勻性的径向分布至少接近最小化才停止。
7.如权利要求5所述的方法，其中该增加直流功率的功率水平的步骤执行直到将中心 高非均勻性的径向分布至少接近最小化才停止。
8.如权利要求1所述的方法，还包含通过调整该磁铁与该靶材之间距离来控制径向分布。
9.如权利要求8所述的方法，其中该调整的步骤包含通过减少该磁铁与该靶材之间距 离来减少中心高非均勻性的径向分布。
10.如权利要求8所述的方法，其中该调整的步骤包含通过增加该磁铁与该靶材之间 距离来减少边缘高非均勻性的径向分布。
11.如权利要求8所述的方法，其中该磁铁位于该腔室外且该室顶上方，及其中该调整 的步骤包含相对于该室顶升高和降低该磁铁。
12.如权利要求8所述的方法，其中该调整的步骤包含通过增加该靶材在该磁铁的磁 场线中的浸没来减少中心高非均勻性的径向分布，并且该磁铁的磁场线具有相对于对称轴 的浅轨线。
13.如权利要求8所述的方法，其中该调整的步骤包含通过增加该靶材在该磁铁的磁场线中的浸没来减少边缘高非均勻性的径向分布，并且该磁铁的磁场线具有相对于对称轴 的陡轨线。
14.如权利要求1所述的方法，还包含将该磁铁以由轨道半径界定的轨道运动连续地环行在平面中，其中该平面位于该磁铁 上方且大致上平行于该工件。
15.如权利要求14所述的方法，还包含通过增加该磁铁的该轨道运动的该轨道半径来 减少中心高非均勻性的径向分布。
16.如权利要求14所述的方法，还包含通过减少该磁铁的该轨道运动的该轨道半径来 减少边缘高非均勻性的径向分布。
17.如权利要求1所述的方法，还包含提供实心块体的该靶材，该靶材包含(a)中心表 面，其平行于且面对该工件；以及(b)边缘表面，其横向地环绕该中心表面，该方法还包含 通过将该边缘表面定向成相对于该中心表面呈小于90°的角度来减少中心高非均勻性的 径向分布，该边缘表面径向向外面对。
18.如权利要求17所述的方法，其中该定向的步骤包含将该边缘表面定向成呈3°至 70°的角度。
19.如权利要求1所述的方法，其中该施加的步骤包含以(a)同时地；(b)交替地中的 其中一种方式来施加射频功率与直流功率到该靶材。
全文摘要
在等离子增强物理汽相沉积反应器中，横越工件的沉积速率径向分布的均匀性通过施加射频与直流功率到靶材且独立地调整射频与直流功率的功率水平来提升。进一步最佳化可通过下述方式来达到调整磁铁在靶材上方的高度；调整磁铁在靶材上方的轨道运动的半径；以及提供靶材的呈角度的边缘表面。
文档编号H01L21/203GK102113091SQ200980130469
公开日2011年6月29日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月8日
发明者刘振东, 唐先民, 汪荣军, 莫里斯·E·尤尔特, 龚则敬 申请人:应用材料股份有限公司