專利名稱：提高感應(yīng)耦合等離子體均勻性的側(cè)壁磁體及與其使用的護(hù)罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及材料的濺射。更具體地，本發(fā)明涉及用于感應(yīng)耦合等離子體反應(yīng)器中的輔助磁體。本發(fā)明還涉及用于濺射反應(yīng)器中的護(hù)罩。
背景技術(shù)：
濺射(或者稱為物理氣相沉積(PVD))是在半導(dǎo)體集成電路的制造中沉積金屬或相關(guān)材料層的最流行方法。濺射的一種應(yīng)用是沉積與圖1中的剖面視圖所圖示的過孔結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的阻擋層和晶種層。一種導(dǎo)電特征10形成于下電介質(zhì)層12的表面中，該下電介質(zhì)層通常由二氧化硅或其它硅玻璃形成，或許摻雜以具有低介電常數(shù)。上電介質(zhì)層14沉積在下電介質(zhì)層12之上，并在導(dǎo)電特征10的區(qū)域中刻蝕穿過上電介質(zhì)層14的過孔16。在現(xiàn)代電路中，過孔16可以具有4∶1或更大的深寬比(衡量深度與最小寬度之比)。金屬將最終填充到過孔16中，以在下線路平面和上線路平面之間提供垂直電互聯(lián)，其中下線路平面包括導(dǎo)電特征10，而上線路平面形成在上電介質(zhì)層14的頂表面上或形成于上電介質(zhì)層14的頂表面中。圖示了簡單直過孔16。在雙鑲嵌中，簡單過孔16由在電介質(zhì)層14的下部分中連接到上部分中的寬溝槽的窄過孔取代，該寬溝槽水平延伸相當(dāng)大的距離，以在上線路層中形成水平互連接。
在過孔金屬化之前，襯墊層20沉積在電介質(zhì)層14的頂表面之上以及過孔的底壁和側(cè)壁上。襯墊層20執(zhí)行多個功能，包括過孔金屬和氧化物電介質(zhì)之間擴(kuò)散的阻擋、氧化物和金屬之間的粘接層、以及用于沉積金屬之后的晶種層或晶核層。雖然鋁在過去是主導(dǎo)的金屬化，但是在雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中，銅開始主導(dǎo)先進(jìn)的集成電路，因為其低電阻率和電遷移率以及使用電化學(xué)鍍(ECP)用銅填充過孔16的能力。在使用銅的情況下，導(dǎo)電特征10通常是雙鑲嵌金屬化的溝槽部分。對于銅的襯墊層20通常包括氮化鉭(TaN)的阻擋層、Ta的粘接層。薄銅晶種層既要結(jié)核ECP銅，又要充當(dāng)用于電化學(xué)處理的電極?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)或其改進(jìn)的原子層沉積(ALD)可以被用于所述層中的一些。兩種技術(shù)傾向于在高深寬比的孔中涂覆保形層，而ALD能夠涂覆很薄的化合物層。然而，如果幾個固有問題可以克服，則濺射通常是優(yōu)選的，因為其經(jīng)濟(jì)性和良好的膜質(zhì)量。側(cè)壁的覆蓋一般是差的，并且在孔16內(nèi)部深處產(chǎn)生薄的側(cè)壁部分22。濺射傾向于在孔16的頂部形成懸突物24，這對隨后涂覆孔16來說最小限度地增大有效的深寬比，并且在最壞的情況下橋接孔16的頂部，阻止任何進(jìn)一步沉積到孔16中。包括電偏壓晶片的各種技術(shù)可以被用于減少懸突物24并增大側(cè)壁覆蓋。這些技術(shù)傾向于增大底部覆蓋，如較厚底部部分26所表示。然而，底部部分26占據(jù)(stand in)到下導(dǎo)電特征的導(dǎo)電路徑。鉭(雖然是金屬)具有比較高的電阻率。氮化鉭是很大電阻性的。結(jié)果，希望刻蝕掉底部部分26。另一方面，懸突物24的刻蝕不應(yīng)去除下面的阻擋層。
在母案國際申請中，Ding等人已經(jīng)使用圖2中所示意性表示的濺射反應(yīng)器解決了這些多個矛盾的要求，其中該濺射反應(yīng)器能夠沉積Ta和TaN。真空室的側(cè)壁30圍繞反應(yīng)器的中心軸線32布置。鉭靶34通過環(huán)形隔離物36支撐在室30上并真空密封到室30。支座38保持待濺射處理的晶片40沿中心軸線32與靶34相對。真空泵系統(tǒng)42能夠?qū)⑹?0泵吸至10-8Torr的低壓力。然而，氬工作氣體從氣源44通過質(zhì)流控制器46被供應(yīng)到壓力通常在0.1至10mTorr范圍內(nèi)。選擇性的DC功率源48相對于接地金屬室30或其未示出的護(hù)罩負(fù)偏壓靶34，以放電工作氣體形成等離子體。負(fù)的靶偏壓將正氬離子吸引至靶34，并且高能離子從靶34濺射鉭原子。一些鉭離子撞擊晶片40并在其上沉積一層鉭。在處理的某些部分中，氮氣從氣源50通過其質(zhì)流控制器52供應(yīng)到室30中。在稱為反應(yīng)性離子濺射的處理中，氮與濺射的鉭反應(yīng)以在晶片40上形成氮化鉭。
鄰近靶34的等離子體密度通過放置在靶背后的小的不平衡嵌套(nested)磁體56而被增大。Fu在美國專利6,183,614中描述了這樣的磁體。其包括一個極性的內(nèi)極62，其由相反極性的環(huán)形外極64所包圍，兩者都支撐在磁軛上并通過該磁軛進(jìn)行磁耦合。在靶34前面的磁場的水平分量捕獲電子，并增大等離子體密度和由此增大濺射速率。磁體60的小面積在鄰近磁體60的區(qū)域中集中靶濺射功率，又增大了等離子體密度。磁體56可以具有不同形狀，包括圓形、橢圓形、三角形、以及跑道形。為提供均勻的濺射，磁體60支承在驅(qū)動軸68并由驅(qū)動軸68圍繞中心軸線32旋轉(zhuǎn)。外極64的總的磁場強(qiáng)度(即，其整個面上集中的磁通量)顯著大于引起磁體60不平衡的內(nèi)極62的磁場強(qiáng)度。該比為至少1.5，優(yōu)選地大于2.0。不平衡引起磁分量從外極64朝向晶片40突出，兩個都吸持等離子體并引導(dǎo)任何鉭離子到晶片40。
如果足夠的功率密度被應(yīng)用至靶34，則磁體60下方的高密度等離子體區(qū)域電離濺射的鉭原子的相當(dāng)大部分。鉭離子可以被吸回至靶34，以在稱為自電離等離子體(SIP)濺射的效應(yīng)中引起進(jìn)一步的濺射。結(jié)果，氬濺射氣體在支撐等離子體中變得越來越不重要，并且氬氣壓力可以減小。在用銅濺射的某些條件下，SIP等離子體是自維持的，而且氬氣源可以被切斷。
比晶片40大并且具有兩個分離端的帶狀RF線圈70被定位在室30和其未示出的護(hù)罩的內(nèi)部，并且該護(hù)罩定位在靶34和晶片40之間的處理空間的下半部分或下三分之一中。在一個實施例中，線圈70由與靶相同的材料制成，即，在討論的示例中是鉭。此外，其具有沿中心軸線32的管形狀，并且通常至少為4的高寬比(軸向長度與徑向厚度之比)。這種成分和形狀允許線圈70在一種操作模式中充當(dāng)?shù)诙R射靶。DC功率源72和RF功率源74通過未示出的耦合和隔離電路耦合，以允許線圈70可以被獨立地DC偏壓或感應(yīng)耦合RF能量到線圈70中或兩者的組合。RF功率在線圈70的一端通過電容76接地，然而，該電容76根據(jù)DC功率源DC隔離線圈70。此圖未示出功率源72、74和線圈70上的接地的相對位置。優(yōu)選地，線圈在垂直于中心軸線32的平面內(nèi)延伸接近360°，使得其兩端分開最小的距離，例如繞中心軸線32小于25°。這些端中的一個被加電；另一個則接地。
當(dāng)線圈70被負(fù)偏壓時，其吸引氬離子，以從線圈70濺射鉭。當(dāng)線圈70由RF功率驅(qū)動時，其產(chǎn)生軸向的RF磁場，該RF磁場感應(yīng)方位角(azimuthal)電場，以感應(yīng)室30的下部分中的等離子體區(qū)域。即，第二等離子體源接近晶片引起盤狀的氬離子區(qū)域。另一個RF功率源通過電容性耦合電路80耦合至支座電極38，其在相鄰等離子體的邊緣感應(yīng)負(fù)DC自偏壓。結(jié)果，在第二等離子體源中的氬離子以及來自頂部磁體/靶源的任何氬離子被加速至晶片40并濺射刻蝕晶片40。由于加速產(chǎn)生的各向異性，高能離子到達(dá)過孔的底部，并有效地相對于側(cè)壁部分22有選擇地刻蝕底部部分26。
雖然示出的反應(yīng)器能夠進(jìn)行多種模式操作，但是兩個極限模式是可以的。在沉積模式中，到線圈70的RF功率被關(guān)閉。較大DC功率被施加到靶34。由于自電離等離子體，氬氣壓力可以被減小，以減少晶片40的任何氬離子濺射刻蝕。如果希望，線圈70可以DC偏壓，以充當(dāng)?shù)诙?。這種模式基本在晶片的最小濺射刻蝕的情況下沉積鉭，如果有的話。另一方面，在刻蝕模式中，兩個DC靶功率46、72被關(guān)閉，因此基本沒有鉭被濺射。此外，到線圈70的RF電流被增大，并且RF偏壓源78DC自偏壓晶片40。結(jié)果，少量鉭被沉積，并且來自第二等離子體源的氬離子濺射刻蝕晶片40。同時沉積和刻蝕的組合可以通過利用所有功率源46、72、74、78實現(xiàn)。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由這種裝置執(zhí)行的刻蝕沿晶片的直徑很不均勻。圖3的曲線圖中所示出的兩條線表示實驗觀察到向支座施加800W和450W的偏壓功率的刻蝕速率。刻蝕速率在晶片的中心附近最高，而朝晶片邊緣下降近40％。雖然圖2的濺射反應(yīng)器顯示出可接受的濺射沉積均勻性，但濺射刻蝕的均勻性需要改進(jìn)。
線圈70不僅需要支撐在電接地室壁30內(nèi)部，而且需要支撐在接地濺射護(hù)罩內(nèi)部，該接地濺射護(hù)罩不僅用作保護(hù)壁免于沉積，而且充當(dāng)與陰極靶34相對的陽極。需要簡單和容易維護(hù)的機(jī)械系統(tǒng)來支撐線圈并提供到線圈的電連接。另一個問題(尤其是對于最近開發(fā)的300mm室)是室的大小需要最小化以減小反應(yīng)器在昂貴的凈室空間中的接地面積(footprint)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及等離子體濺射反應(yīng)器，其包括定位于線圈背后的磁環(huán)，該磁環(huán)具有沿所述線圈軸線的磁極性。線圈可以用于在處理的襯底附近感應(yīng)等離子體(尤其是用于濺射刻蝕該襯底)以及作為濺射沉積的第二靶。在兩個處理之間改變或組合兩個處理取決于線圈和靶上的RF和DC偏壓環(huán)境以及晶片偏壓。磁環(huán)產(chǎn)生鄰近線圈的軸向DC磁場，該DC磁場充當(dāng)?shù)入x子體阻擋并由此防止由線圈感應(yīng)產(chǎn)生的等離子體在其擴(kuò)散或者說吸引到襯底之前接地到線圈，由此提高襯底濺射刻蝕的徑向不均勻性。軸向DC磁場還充當(dāng)用于線圈濺射的磁體。
磁環(huán)可以由軸向極化的永磁體的環(huán)形陣列形成，永磁體由一個或多個與中心軸線同軸的電磁線圈或由更小電磁線圈的環(huán)形陣列形成。線圈優(yōu)選地具有管形狀，并且磁環(huán)然后優(yōu)選地從線圈的中心軸線部分朝襯底延伸到線圈之外。多個電磁線圈可以分開獨立地通電，或布置成電串聯(lián)。
如果嵌套不平衡頂部磁體被用于主靶的背后，由磁環(huán)在線圈的內(nèi)徑中產(chǎn)生的DC磁場的軸向極性優(yōu)選地與頂部磁體的外極引起的磁場相反。
磁陣列優(yōu)選地安裝在真空室的外部側(cè)壁上，本發(fā)明的另一方面包括可與等離子體濺射反應(yīng)器使用的護(hù)罩系統(tǒng)，其包括但不限于包括磁環(huán)的那些。內(nèi)護(hù)罩從靶延伸到支撐晶片的支座，并在護(hù)罩中間部分由法蘭支撐。內(nèi)護(hù)罩的內(nèi)表面具有沒有表面偏離室軸線超過10°的光滑外形。RF線圈可以由內(nèi)護(hù)罩支撐，并具有穿過內(nèi)護(hù)罩的電引線。
圖1是圖示傳統(tǒng)過孔襯墊的幾個問題的示意性剖面視圖。
圖2是等離子體反應(yīng)器的示意性剖視圖，該等離子體反應(yīng)器使用小的不平衡磁體和感應(yīng)線圈，兩者都用作等離子體源和濺射靶。
圖3是圖示在圖2類型的濺射反應(yīng)器中觀察到的不均勻濺射刻蝕的曲線圖。
圖4是對圖3的不均勻刻蝕的一個解釋的示意性圖示。
圖5是本發(fā)明反應(yīng)器的示意性剖面視圖，該反應(yīng)器包括RF線圈和在線圈背后的外部磁體陣列。
圖6是圖示在圖5類型的濺射反應(yīng)器中觀察到的更均勻濺射刻蝕的曲線圖。
圖7是代替永磁體陣列的用作磁環(huán)的一個電磁線圈的示意性表示。
圖8是用作磁環(huán)的兩個同軸線圈的示意性表示。
圖9是濺射反應(yīng)器的剖面示圖，其中該濺射反應(yīng)器包括RF線圈、磁環(huán)、以及內(nèi)護(hù)罩、外蔽屏和裙?fàn)钭o(hù)罩的護(hù)罩系統(tǒng)。
圖10是內(nèi)護(hù)罩的俯視圖。
圖11是內(nèi)護(hù)罩的正投影視圖。
圖12是外護(hù)罩的正投影視圖。
具體實施例方式
將參考圖4的示意性圖示解釋被認(rèn)為是造成不均勻速率的機(jī)制。RF感應(yīng)線圈70產(chǎn)生初始等離子體分布80，該初始等離子體分布80基本地集中在線圈70附近。邊緣局部化可以就產(chǎn)生等離子體的集膚深度方面進(jìn)行解釋。RF線圈70一般沿中心軸線32產(chǎn)生RF磁場。RF磁場接著發(fā)生方位角電場，并激勵支撐等離子體和增大其密度的方位角電流。然而，電場接著被高導(dǎo)電等離子體電減弱。即，RF場到達(dá)等離子體中僅至等離子體的集膚深度。然而，如分布82所示出的，等離子體沿軸線方向朝晶片40擴(kuò)散并且還徑向地擴(kuò)散。徑向擴(kuò)散包括朝向中心軸線32的向內(nèi)分量和朝向線圈70的向外分量，這使任何撞擊電驅(qū)動線圈70的電子下沉。在中性等離子體中，離子密度跟隨電子的密度。邊緣損耗效應(yīng)銳化為后續(xù)分布84，在其中，邊緣排出預(yù)先擴(kuò)散到中心32的電子。結(jié)果，當(dāng)?shù)入x子體撞擊晶片40時，等離子體密度的分布從中心32處的最大值朝向晶片40的邊緣減少。此等離子體密度分布直接反應(yīng)在濺射刻蝕速率中。
在零電場區(qū)域中，擴(kuò)散速率(更精確地矢量擴(kuò)散流J)與等離子體密度梯度n乘以擴(kuò)散常數(shù)D0成正比，即
J＝D0n根據(jù)本發(fā)明我們的理解，擴(kuò)散可以被磁性地控制。眾所周知，中性等離子體在磁場中的有效擴(kuò)散常數(shù)D由下面公式給出D=D01+ωc2τm2]]>其中ωc是回旋頻率，其與磁場B相關(guān)，關(guān)系如下ωc=eBm]]>其中e和m是電子的電荷和質(zhì)量，而τm是碰撞動量轉(zhuǎn)移持續(xù)時間。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，磁場被布置成產(chǎn)生磁阻擋，以捕獲電子，并由此阻止等離子體電子泄露至線圈70、室側(cè)壁30或其之間未示出的護(hù)罩。軸向磁場極其有效地阻止到壁的擴(kuò)散。雖然方位角磁場也減慢到壁的擴(kuò)散，但是其與濺射反應(yīng)器的大致圓對稱的幾何形狀不一致，并且其還減慢等離子體到晶片的軸向擴(kuò)散。徑向磁場不減慢徑向擴(kuò)散，而僅減慢軸向擴(kuò)散。
這些概念被并入到輔助側(cè)壁磁環(huán)90中，該磁環(huán)90被并入到圖5中示意性圖示的濺射反應(yīng)器中。為簡潔，本圖沒有圖示已經(jīng)在圖2中圖示的供電電路。在這點上，將提及下面將詳細(xì)地描述的更實際的結(jié)構(gòu)，但本圖足以理解本發(fā)明的磁部件以及實現(xiàn)。
磁環(huán)90大致在線圈70的徑向外部布置在室壁30外側(cè)，以產(chǎn)生偶極環(huán)磁場92，該磁場92基本軸向(平行于中心軸線32)鄰近并平行于線圈70的面。內(nèi)線圈面的軸向部分傾向于捕獲等離子體電子(取決于它們的能量和速度方向)，并由此產(chǎn)生顯著減弱到線圈70或下面描述的護(hù)罩的等離子體電子擴(kuò)散的磁阻擋。磁環(huán)90可以由多個圍繞室30的外圓周排列的相同極性的永磁體形成。雖然環(huán)的磁極性一般不直接影響希望的阻擋，但是優(yōu)選地，環(huán)90的極性應(yīng)與頂磁體60的更強(qiáng)的外極64的極性相反或反平行。另一方面，平行定向會傾向于將磁場92遠(yuǎn)離內(nèi)線圈面并朝向鄰近的頂部磁體60的外極64，因此在線圈70的一個點處降低希望的效果。在母案美國申請09/993,543(現(xiàn)在公布為US2003-089,601-A1)中，Ding等人在相似的位置放置一個相似的磁環(huán)，雖然沒有線圈。然而，他們提倡磁環(huán)和頂部磁體60的外極64的平行極性定向，以進(jìn)一步從外極64朝晶片40延伸突出的磁場，以由此進(jìn)一步引導(dǎo)任何來自靶濺射的離子。
磁環(huán)90(包括其磁體和磁極面)應(yīng)該至少部分地在線圈70的徑向外部延伸，并還應(yīng)該延伸優(yōu)選地至少與線圈70的軸向長度一樣長的軸向距離。在一個實施例中，磁環(huán)90的上端與帶線圈70的中間軸向平面共面或稍微在帶線圈70的中間軸向平面上方，并且其下端延伸低于線圈70的最低軸向平面。這種放置在鄰近線圈70面和下軸向側(cè)的最強(qiáng)的第二等離子體源區(qū)域附近增強(qiáng)重要的軸向磁分量，該軸向磁分量控制朝向晶片40的等離子體擴(kuò)散和場驅(qū)動電流。
磁環(huán)90具有充當(dāng)磁體的額外效果。平行于帶線圈70面的磁分量捕獲電子，由此增大來自帶線圈70的等離子體密度和濺射速率。這個效果的優(yōu)點至少取決于帶線圈70的表面部分，帶線圈的表面部分由與從主靶34濺射的材料相同的材料構(gòu)成。線圈濺射有助于濺射沉積，而非濺射刻蝕，在濺射刻蝕中，線圈70感應(yīng)地對第二等離子體源供電。
在沒有環(huán)磁體但使用本發(fā)明的磁環(huán)的情況下重復(fù)用于獲得圖3的數(shù)據(jù)的實驗。在圖6中圖示兩種不同偏壓功率的橫過晶片直徑的刻蝕速率。清楚地，環(huán)磁體大大地提高了刻蝕均勻性。
電磁體可以提供與永磁體有些相似的效應(yīng)。如圖7中的剖面視圖所圖示的，電磁線圈100(亦稱為電磁體)在室壁30外部被圍繞中心軸線32纏繞，以充當(dāng)類似于圖5的磁環(huán)90的磁環(huán)。DC電流源102或其它功率源對電磁線圈100供電，以產(chǎn)生磁場104，該磁場104在RF帶線圈70的內(nèi)面上基本是垂直的，且在電磁線圈100的內(nèi)徑內(nèi)部具有優(yōu)選地與圖5的頂部磁體64的外極64的極性相反的極性。有利地，電流源102是可選擇的，使得磁場強(qiáng)度可以變化，或者最選化處理或者改變處理步驟之間的磁場。電磁線圈100優(yōu)選地具有類似于圖5的永磁環(huán)90的長度和位置的長度和位置。電磁線圈100可以具有單匝或多匝，并且可以形成為環(huán)形帶，如優(yōu)選的RF線圈70。單匝實現(xiàn)不需要延伸一個圓的全部360°范圍，25°的角間隔(優(yōu)選約18°)可以存在于線圈70的兩端之間，以允許隔離兩端的電連接。
電磁線圈產(chǎn)生磁場，該磁場具有類似于、但并不完全是永磁體環(huán)所產(chǎn)生的作為偶極場的磁場。此外，環(huán)偶極場以約1/t的相關(guān)性從磁體下降，其中t是離磁體的距離，并且遠(yuǎn)小于環(huán)半徑。另一方面，電磁線圈場隨t呈對數(shù)性地下降。因為等離子體不減弱DC磁場，所以電磁線圈場沿中心軸線在內(nèi)徑的中心很強(qiáng)。于是，電磁線圈場傾向于阻止環(huán)形等離子體源向中心的向內(nèi)擴(kuò)散。盡管如此，仍可以使用電線圈，以產(chǎn)生接近于環(huán)偶極分布的場分布。如圖8中所圖示，兩個同軸電磁線圈106、108圍繞室壁30的外部纏繞。它們具有相同的軸位置，但徑向地分開距離s。當(dāng)它們沿相反方位角方向或指向被通電時，它們在它們共同內(nèi)徑內(nèi)部產(chǎn)生各個磁場，該磁場基本是反平行的。總的磁場(即，兩個量值的差)取決于s的值并接近于環(huán)偶極場分布。兩個線圈106、108可以串聯(lián)但指向相反地連接到單個功率源，或者可以連接到各個獨立的功率源102a、102b，如圖所示。
電磁線圈磁環(huán)在同一處理的不同步驟之間具有可調(diào)諧的優(yōu)點，既為了處理的最優(yōu)化又為了改變磁場，并由此改變等離子體阻擋和靶濺射。獨立供電的同軸電磁線圈具有更進(jìn)一步的優(yōu)點同樣或者為了處理最優(yōu)化或者在處理步驟之間，能夠在電磁線圈場和偶極環(huán)場之間調(diào)諧。這種可調(diào)諧性可以用于缺少RF線圈的濺射反應(yīng)器。
另一種類型的環(huán)型電磁環(huán)是更小的軸向定向的電磁線圈的環(huán)形陣列，其有效地個別替換磁環(huán)的永磁體。在母案申請09/993,543中，Ding等人已經(jīng)描述了這種構(gòu)造。如果電磁線圈分別地供電，那么這樣的電磁線圈陣列可以被方位角地調(diào)諧。
電磁體的使用有助于將室內(nèi)部的線圈放置得更接近于RF線圈。
更實際的等離子體濺射反應(yīng)器如圖9中所圖示，雖然諸如頂部磁體、功率源、以及支座部分等許多部分未圖示，但可以在圖2和圖5中找到。上室由上室壁120和金屬輪圈122形成，上室壁120和金屬輪圈122主要地關(guān)于中心軸線124對稱。隔離物126被密封到支撐其的輪圈122以及靶背襯板130的法蘭128，隔離物126接著支撐法蘭128。背襯板130包括具有拐角的凹槽132，靶層134在凹槽132下方被結(jié)合到背襯板130。靶層134由待濺射的金屬組成，例如，鉭或其它耐熔金屬。如果銅或鋁將被濺射，則靶設(shè)計可以更簡單了。
本發(fā)明的磁環(huán)136部分地裝配在上室壁120的下部分中的凹槽中并由凹槽支撐。環(huán)形磁鐵136可以由兩個180°的扇形體端對端栓接在一起形成的，以形成捕獲大量的永磁體(例如，20或更多)的圓形結(jié)構(gòu)。托架由未圖示的機(jī)械結(jié)構(gòu)栓接到室壁120上。一般的托架和磁體設(shè)計已在09/993,543專利申請中由Ding等人公開。
下室由密封到并支撐上室壁120的下室壁140形成。其包括大真空泵吸端口142和用于支座146未圖示的桿的密封通道144。外部驅(qū)動的桿可以從圖示的處理位置將支座146降低至下傳輸位置，以便晶片可以通過狹縫閥孔148傳輸?shù)街ё?46或從支座146傳輸出。未示出的沉積環(huán)被支撐在支座的凸緣150中，以保護(hù)支座146免于沉積。用于處理氣體的一個或多個氣體端口152也位于下室中。
具有優(yōu)選地至少4的高寬比的帶狀或管狀RF線圈160通過5個絕緣支架164被支撐在單片內(nèi)護(hù)罩162上，絕緣支架164捕獲線圈160向外延伸的突出部166。RF線圈162應(yīng)定位在金屬護(hù)罩內(nèi)部，以防止護(hù)罩減弱RF磁場。只要護(hù)罩由非磁性材料制成，則護(hù)罩對于來自磁環(huán)136的DC磁場沒有實質(zhì)影響。RF線圈160和磁環(huán)136的相對位置已經(jīng)在前面參考圖5討論過。
內(nèi)護(hù)罩162從鄰近靶背襯板130的頂端延伸到RF線圈160下方的底端，并且通常延伸到剛剛低于在其處理位置的支座146的上表面。內(nèi)護(hù)罩162保護(hù)室壁免于濺射沉積，并經(jīng)常被認(rèn)為是耗材，該耗材在固定數(shù)量沉積循環(huán)后被替換，以使已經(jīng)累積到相當(dāng)大厚度的沉積材料不剝落而產(chǎn)生顆粒。內(nèi)護(hù)罩162的頂端裝配至由靶法蘭128及其拐角形成的凹槽132中，該頂端與靶法蘭128和隔離物128之間具有小的間隙。該小間隙充當(dāng)不支撐等離子體的等離子體暗區(qū)，由此阻止金屬在間隙中的濺射沉積以及靶到接地護(hù)罩162或金屬輪圈122的短路。環(huán)形法蘭168從內(nèi)護(hù)罩162向外徑向延伸，并被支撐在上室壁120的內(nèi)凸緣上并電接地至該內(nèi)凸緣。法蘭168位于內(nèi)護(hù)罩162的上下端之間，以允許內(nèi)護(hù)罩162上端在輪圈122和隔離物126前面延伸。單獨的輪圈122更能允許護(hù)罩螺栓固定至室壁120上。內(nèi)護(hù)罩162的內(nèi)表面在珠光噴砂處理外具有光滑外形，除圓形頂部和底部尖端之外，沒有表面偏離垂直方向超過10°。這種光滑表面減少沉積在尖銳拐角上的材料的剝落。
內(nèi)護(hù)罩162另外圖示于圖10的俯視圖以及圖11中的正投影視圖中。五個環(huán)形凹槽170形成于護(hù)罩162的外壁上，以容納外帽172以及穿過通孔的螺栓，以允許外帽172和內(nèi)套環(huán)176捕獲通過在凹槽170區(qū)域內(nèi)穿過護(hù)罩162的孔178的線圈突出部166，由此將線圈160固定到內(nèi)護(hù)罩162上。
護(hù)罩法蘭168包括大量通孔180，螺栓通過通孔180將護(hù)罩固定到室主體上。形成在法蘭168的外、上拐角處的兩個局部凹槽182容納擰到通過通孔184的螺紋構(gòu)件上的螺母，以允許到兩個護(hù)罩被組裝成一個單元。一對孔184可以車有螺紋，以允許到頂上升降機(jī)的螺紋暫時聯(lián)接以機(jī)械地提升護(hù)罩單元。兩個環(huán)形偏離平坦面186形成于外壁表面中，以容納從護(hù)罩162隔離RF引線的絕緣陶瓷板。放置于通孔188中的陶瓷套管隔離線圈160的圓形向外延伸端和護(hù)罩162，陶瓷套管通過護(hù)罩162。孔190允許引線結(jié)構(gòu)螺紋固定到護(hù)罩162。通過平坦面186區(qū)域中的法蘭168外部分的兩個大致半圓切口192允許線圈端螺紋固定到通過室壁的RF真空引線上，其中線圈端位于各個平坦面186中。
環(huán)形外護(hù)罩200(在圖9中的剖面視圖中圖示和圖12中正投影地圖示)一般布置于內(nèi)護(hù)罩162和上室壁120之間。其包括位于內(nèi)護(hù)罩162的法蘭168和室壁120中的凸緣之間的法蘭202。一組螺釘通過內(nèi)護(hù)罩162的通孔180和外護(hù)罩200的通孔204，以將它們固定到室壁120，并通過其將它們電接地。
外護(hù)罩200包括在其下端的碗形部分，碗形部分包括底部徑向延伸壁206和短的向上延伸的內(nèi)壁208，壁206和208保護(hù)底室免于沉積。當(dāng)支座146處于處理位置時，未示出的遮蔽環(huán)被支撐在支座凸緣150中的沉積環(huán)上，而當(dāng)支座為晶片傳輸被降低時，遮蔽環(huán)被支撐在內(nèi)護(hù)罩壁208上。
大量圓形孔210(例如至少20)以圓形陣列形成在外護(hù)罩200的外直壁212的底部附近。這些氣體孔210允許處理氣體從下室中的氣體端口152容易地流動到上室的處理空間。增強(qiáng)氣體流對其中消耗一種氣體種類的反應(yīng)性濺射尤其重要。氣體流通過在內(nèi)護(hù)罩162的底部附近的背后形成環(huán)形凹槽214進(jìn)一步增強(qiáng)。
五個大圓形孔216在更小的孔210上方形成于直壁212中。大孔216對應(yīng)于固定到內(nèi)護(hù)罩162的支架164形成，并允許通向支架164的外帽172并且為外帽172留空間。此外，大矩形(雖然是弧形狀)切口218在RF引線和RF線圈160端的區(qū)域中被切入到直壁212和法蘭204中。大孔216和切口218也促進(jìn)氣體流動。
第三環(huán)形裙?fàn)钭o(hù)罩220(圖9中所示)固定到上室壁120，但下降至外護(hù)罩200的底部附近并以稍微向內(nèi)的尾或荷葉邊222結(jié)束。其保護(hù)上下室壁120、140免于可能通過小氣體孔210泄漏的沉積。當(dāng)內(nèi)外護(hù)罩162、200通常由鋁形成時，裙?fàn)钭o(hù)罩220可以由非磁鋼形成。
護(hù)罩設(shè)計在反應(yīng)器內(nèi)部占據(jù)了相對小的空間，雖然如此但是能夠利于氣體流動。此外，護(hù)罩系統(tǒng)支撐RF線圈并向其傳遞電連接。雖然護(hù)罩系統(tǒng)已經(jīng)在具有內(nèi)部線圈和外部磁環(huán)的反應(yīng)器的示例中進(jìn)行描述，但是其可以用于沒有這種線圈或磁體的其它反應(yīng)器中。如果反應(yīng)器缺少內(nèi)部RF線圈，則不需要包括內(nèi)護(hù)罩的圓形凹槽以及外護(hù)罩的大孔和切口。
所描述實施例的濺射反應(yīng)器包括鉭靶。可以使用其它金屬靶，特別是耐熔性金屬鈦和鎢。本發(fā)明可應(yīng)用于銅濺射，注意必須不能夠熔化銅RF線圈；同樣地用于鋁。
所描述的反應(yīng)器及其部件提供具有小接地面積和小增加成本的改進(jìn)和靈活的性能。
本申請是2002年11月14日遞交的國際申請PCT/US02/36940的部分接案，而PCT/US02/36940是2001年11月14日遞交、公告費已付的序列號NO.09/993,543的部分接續(xù)案，此兩個申請均通過引用而全文包含于此。
權(quán)利要求
1.一種等離子體濺射反應(yīng)器，包括真空室，圍繞中心軸線布置并被構(gòu)造成密封到濺射靶，其包括待濺射的表面材料；支座，當(dāng)在用于支撐待處理的襯底的處理位置中時，其越過處理空間與所述靶相對，所述處理空間沿所述中心軸線延伸于所述靶和所述支座之間；RF線圈，圍繞所述中心軸線布置；以及環(huán)形磁環(huán)，在所述RF線圈內(nèi)部產(chǎn)生DC磁場，至少部分地沿布置在所述RF線圈徑向外部的陣列，并且至少部分地與所述RF線圈在軸向上共存。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述環(huán)形磁環(huán)沿所述中心軸線具有至少與所述線圈軸向長度一樣長的軸向長度。
3.如權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其中所述環(huán)形磁環(huán)軸向地延伸比所述線圈更接近所述襯底。
4.如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中所述線圈軸向地延伸比所述磁環(huán)更接近所述靶。
5.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述環(huán)形磁環(huán)包括沿所述中心軸線磁化的永磁體的環(huán)形陣列。
6.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述環(huán)形磁環(huán)包括環(huán)繞所述中心軸線的電磁線圈。
7.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述磁線圈是單匝帶狀線圈。
8.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述靶包括鉭。
9.一種等離子體濺射和處理反應(yīng)器，包括真空室，圍繞中心軸線布置并被構(gòu)造成密封到濺射靶，其包括待濺射的表面材料；支座，當(dāng)在用于支撐待處理的襯底的處理位置中時，其越過處理空間與所述靶相對，所述處理空間沿所述中心軸線延伸于所述靶和所述支座之間；單匝線圈，圍繞所述中心軸線布置于所述處理空間的下半部分，其具有軸向長度與管厚度之比的高寬比至少為4的管形狀；以及環(huán)形磁環(huán)，在所述室的徑向外部，并且至少部分地與所述線圈在軸向上共存。
10.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，其中所述磁環(huán)從垂直于所述中心軸線并經(jīng)過所述線圈的平面延伸到在所述線圈和所述支座之間垂直于所述中心軸線的平面。
11.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，還包括選擇性的RF功率源，在所述線圈的相對端之間傳遞RF電流；以及選擇性DC功率源，將所述線圈偏壓到選定的電壓。
12.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，還包括定位在所述靶一側(cè)上的磁體，其包括沿所述中心軸線具有第一磁極性的內(nèi)極和圍繞所述內(nèi)極的外極，所述外極具有與所述第一磁極性相反的第二磁極性，其中所述環(huán)形磁環(huán)包括多個具有所述第一磁極性的磁體。
13.適于在等離子體濺射反應(yīng)器中使用并大致關(guān)于軸線圓對稱的護(hù)罩，包括沿所述軸線延伸的上端；沿所述軸線延伸的下端；以及在所述上端和所述下端之間從所述軸線徑向向外延伸的法蘭；其中，面對所述軸線的內(nèi)表面護(hù)罩從所述軸線傾斜不超過10°并且另外是光滑的。
14.如權(quán)利要求13所述的護(hù)罩，其中所述上端的上終端被成形為形成所述等離子體濺射反應(yīng)器的靶和隔離物之間的等離子體暗區(qū)。
15.如權(quán)利要求13所述的護(hù)罩，其中所述下端的下部分具有形成在所述下端的外表面上的環(huán)形凹槽，以減少所述下部分的徑向厚度。
16.如權(quán)利要求13所述的護(hù)罩，還包括以圓形陣列形成在所述下端的外表面中的多個圓形凹槽。
17.如權(quán)利要求13所述的護(hù)罩，其中所述凹槽被構(gòu)造成容納在所述凹槽區(qū)域中穿過所述下端的電支架部分。
18.如權(quán)利要求13所述的護(hù)罩，還包括用于容納各個板的相互鄰近的兩個平坦面，其具有穿過其形成的用于通過各個電線的各個孔。
19.如權(quán)利要求18所述的護(hù)罩，還包括在鄰近所述兩個平坦面的所述法蘭的外側(cè)中的兩個切口。
20.一種用于濺射反應(yīng)器的護(hù)罩，其中所述濺射反應(yīng)器包括(a)真空室，繞中心軸線布置，(b)靶，包括支撐所述靶于所述室上的支撐法蘭和形成于所述法蘭和所述靶的濺射區(qū)域之間的凹槽，以及(c)支座，具有沿所述軸線用于支撐襯底與所述靶相對的可操作位置，其改進(jìn)包括所述護(hù)罩大致關(guān)于所述中心軸線圓對稱，其包括上端，沿所述軸線延伸到所述凹槽；下端，沿所述軸線延伸到在所述可操作位置中的所述支座的頂表面背后；以及法蘭，所述上下端之間從所述軸線徑向向外地延伸；其中，面對所述軸線的內(nèi)表面護(hù)罩從所述中心軸線傾斜不超過10°，并且另外是光滑的。
21.如權(quán)利要求20所述的護(hù)罩，其中所述上端的上終端被成形為形成靶和隔離物之間的等離子體暗區(qū)，所述隔離物布置于所述靶和所述室的金屬側(cè)壁之間。
22.如權(quán)利要求20所述的護(hù)罩，其中所述下端的下部分具有形成在所述下端的外表面上的環(huán)形凹槽，以減少所述下部分的徑向厚度。
23.如權(quán)利要求20所述的護(hù)罩，還包括以圓形陣列形成在所述下端的外表面中的多個圓形凹槽。
全文摘要
本發(fā)明的一個方面包括定位在等離子體濺射反應(yīng)器的室壁外部的輔助磁環(huán)，其至少部分地布置在RF線圈的徑向外部，該RF線圈用于感應(yīng)發(fā)生等離子體，尤其是用于濺射刻蝕被濺射沉積的襯底。由此，磁阻擋防止等離子體向外泄漏至線圈，并改進(jìn)濺射刻蝕的不均勻性。當(dāng)線圈由與主靶相同材料制成時，線圈被用作第二磁體時，磁場還充當(dāng)磁體。本發(fā)明的另一方面包括從靶延伸到支座的單片內(nèi)屏壁，該內(nèi)護(hù)罩具有光滑內(nèi)表面并在護(hù)罩中間部分由環(huán)形法蘭支撐。該護(hù)罩可以被用于支撐RF線圈。
文檔編號C23C14/34GK1813332SQ200480017849
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者龔則敬, 唐先民, 約翰·福斯特, 丁培軍, 馬克·施韋策, 基斯·A·米勒, 伊利婭·拉維斯凱 申請人:應(yīng)用材料公司