專(zhuān)利名稱(chēng)：磁控管陰極和包括這種磁控管陰極的磁控管濺射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁控管濺射裝置，特別更具體地，本發(fā)明涉及在淀積速率和膜均勻性方面有改進(jìn)的磁控管濺射裝置。
背景技術(shù)：
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于小厚度膜的淀積廣泛采用物理氣相淀積(PVD)和化學(xué)氣相淀積(CVD)。CVD是利用化學(xué)反應(yīng)形成具有所需物理性能的薄膜的工藝。PVD是通過(guò)向靶材料施予動(dòng)量以使靶材料射向襯底而形成薄膜的工藝。
PVD可以大致地分為磁控管濺射和蒸鍍。蒸鍍是這樣一種方法加熱固體或液體，使其分解成分子或原子；然后在襯底的表面上固化它們。由于蒸鍍裝置具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)并且可以容易地采用大量蒸鍍材料，因此已廣泛地采用蒸鍍。
濺射是使高能粒子與濺射靶相碰撞以將從濺射靶中射出的材料淀積在襯底上的方法。濺射的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠在寬區(qū)域上形成厚度均勻的薄膜，和其它淀積方法相比更容易調(diào)節(jié)合金薄膜的成分比。因此，濺射廣泛地用在半導(dǎo)體器件如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)、靜態(tài)RAM(SRAM)、永久性存儲(chǔ)器(NVM)和LOGIC以及其它電子設(shè)備中。
可在具有低壓和高密度等離子體工藝條件的反應(yīng)室中進(jìn)行利用磁場(chǎng)的磁控管濺射。因此，濺射粒子可容易地向前運(yùn)動(dòng)，這樣甚至在階梯狀的部分上也可以有效地淀積，從而增強(qiáng)階梯覆蓋。
圖1是常規(guī)磁控管濺射裝置的截面示意圖。
參見(jiàn)圖1，在真空腔室21中設(shè)置襯底17和支撐襯底的襯底支架19。在襯底17的相對(duì)側(cè)上設(shè)置靶11。在靶11之后設(shè)置磁鐵15以形成預(yù)定方向的磁力線(xiàn)。此外，在真空腔室21的外部設(shè)置電源單元27，從而將電壓施加于其上設(shè)置了靶11的電極13。
當(dāng)在腔室21中保持預(yù)定的真空度時(shí)，把惰性氣體如氬氣提供到腔室21中，通過(guò)施加于電極13的負(fù)電壓發(fā)生放電。結(jié)果，產(chǎn)生了由氣態(tài)離子、中性分子和電子構(gòu)成的等離子體。氣態(tài)離子由負(fù)電壓加速并與靶11相撞。由于相撞，靶11的表面原子獲得了動(dòng)量，從而使表面原子從靶11中射出。因此，射出的原子在襯底17上淀積為薄膜。在這種情況下，由施加的電壓、壓力、淀積時(shí)間和類(lèi)似因素確定淀積薄膜的厚度。
但就現(xiàn)在已知技術(shù)而言，難以有效控制帶電粒子的動(dòng)量、確定在磁控管濺射中的濺射效率。當(dāng)水平磁場(chǎng)集中在特定區(qū)域上，靶11是不均勻腐蝕的，靶11的粒子在襯底17上也以不均勻的厚度淀積。此外，雖然對(duì)高集成器件、窄線(xiàn)寬和大加工晶片的需求不斷地增加，但是難以采用包括常規(guī)磁控管陰極的濺射裝置來(lái)滿(mǎn)足這種需求。
據(jù)報(bào)道，利用磁控管移動(dòng)系統(tǒng)的磁控管濺射法提供了優(yōu)異的膜均勻性。然而，常規(guī)的磁控管陰極表現(xiàn)出不均勻的磁場(chǎng)分布，如圖2所示。圖2示出常規(guī)磁控管陰極的磁力線(xiàn)分布。
參見(jiàn)圖2，磁控管陰極的寬度為24mm并設(shè)置在寬度約為40mm的靶之后。在源自磁控管陰極的磁力線(xiàn)密度在磁控管陰極的中心區(qū)域高的同時(shí)，隨著磁力線(xiàn)遠(yuǎn)離中心區(qū)域逐漸減弱。磁力線(xiàn)密度在距磁控管陰極的軸線(xiàn)(r＝0)為12mm半徑距離(r＝12mm)處最高，由此產(chǎn)生了最強(qiáng)的磁場(chǎng)。在靶表面，即，當(dāng)z為6mm時(shí)，磁力線(xiàn)的密度在r＝0處最高，在r＝0處的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大。隨著r增加，磁場(chǎng)密度降低。因此，靶的表面表現(xiàn)出不均勻的磁力線(xiàn)分布。這種不均勻的磁力線(xiàn)分布導(dǎo)致了不均勻的腐蝕輪廓(profile)，如圖3所示。
圖3是利用圖2的磁控管陰極、根據(jù)與靶心(x＝0)的距離的腐蝕輪廓的曲線(xiàn)。具體而言，圖3示出在(a)0.027kWhcm-2、0.051kWhcm-2和(c)0.099kWhcm-2的不同腐蝕功率下、在根據(jù)與靶心的距離的腐蝕輪廓上的變化。
參見(jiàn)圖3，所有曲線(xiàn)(a)、(b)和(c)表現(xiàn)出在距靶心(x＝0)為3cm處的最深腐蝕輪廓。隨著腐蝕功率的增加，靶被更深地腐蝕。這里，以曲線(xiàn)的頂部表示距離X的相對(duì)值。
圖4是在包括常規(guī)磁控管陰極的常規(guī)濺射裝置中腐蝕的靶的照片。
參見(jiàn)圖4，觀(guān)察到窄的、環(huán)狀的腐蝕區(qū)域。在該腐蝕區(qū)域中，腐蝕程度比靶的其它區(qū)域高，從而造成不均衡的腐蝕輪廓。
在需要低線(xiàn)寬(0.14μm或更低)和高長(zhǎng)寬比(5∶1或更高)的現(xiàn)有濺射法中，這種磁控管陰極技術(shù)具有下述問(wèn)題發(fā)生不均勻地淀積；膜均勻性差、局部發(fā)生靶腐蝕，因此降低了所用材料的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種磁控管陰極和包括該磁控管陰極的磁控管濺射裝置，該磁控管陰極提供了靶的均勻腐蝕，由此增加了淀積效率和膜均勻性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供了一種磁控管陰極，該磁控管陰極包括三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元，各磁鐵單元包括單個(gè)磁鐵，其中，一個(gè)磁鐵單元圍繞著另一個(gè)磁鐵單元的外圍設(shè)置，相鄰的磁鐵單元朝向同一方向具有相反磁極。
磁鐵單元可以圍繞同一軸對(duì)稱(chēng)地設(shè)置。
最里面的磁鐵單元在其內(nèi)部可具有中空腔室。
各磁鐵單元可形成為圓形或多邊形。
各磁鐵單元可包括多個(gè)磁鐵，各磁鐵朝向同一方向具有同一磁極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種磁控管濺射裝置，該裝置包括其上設(shè)置了襯底的第一電極；朝向襯底并由將被淀積在該襯底上的材料制成的靶；在靶的背面上設(shè)置的第二電極；在第二電極之后設(shè)置的并包括三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元的磁控管陰極，各磁控管單元包括單個(gè)磁鐵，其中，一個(gè)磁鐵單元圍繞著另一個(gè)磁鐵單元的外圍設(shè)置，相鄰的磁鐵單元朝向同一方向具有相反磁極；以及支撐磁控管陰極的支撐構(gòu)件。
磁鐵單元可圍繞著同一軸對(duì)稱(chēng)地設(shè)置。
最里面的磁鐵單元在其內(nèi)部可具有由支撐構(gòu)件限定的中空腔室。
磁控管濺射裝置可進(jìn)一步包括冷卻管，在冷卻管中流動(dòng)著冷卻水，冷卻管設(shè)置在中空腔室中。
各磁鐵單元可形成為圓形或多邊形。
各磁鐵單元可包括多個(gè)磁鐵，各磁鐵朝向同一方向具有同一磁極。
襯底可以距靶為靶寬的1/4或更小的距離接近于靶設(shè)置。
磁控管濺射裝置可進(jìn)一步包括噴嘴，該噴嘴接近靶設(shè)置以提供惰性氣體。
第一電極可以是陽(yáng)極，第二電極可以是陰極。
本發(fā)明提供一種三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元的磁鐵結(jié)構(gòu)。因此，確保了均勻的磁場(chǎng)分布。


通過(guò)參照以下附圖對(duì)示例性的實(shí)施例進(jìn)行具體描述，本發(fā)明的上述以及其它特征的優(yōu)點(diǎn)將變得更加鮮明。其中圖1是常規(guī)磁控濺射裝置的截面示意圖；圖2是常規(guī)磁控管陰極的磁力線(xiàn)分布的曲線(xiàn)；圖3是利用圖2的磁控管陰極、根據(jù)與靶心(x＝0)的距離的腐蝕輪廓的曲線(xiàn)；圖4是在包括常規(guī)磁控管陰極的常規(guī)濺射裝置中腐蝕的靶的照片；圖5是根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極的截面示意圖；圖6A是根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極的例子的平面示意圖；圖6B是根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極的另一例子的平面示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置的截面示意圖；圖8是根據(jù)與本發(fā)明的磁控管陰極中心的距離的磁場(chǎng)分布的曲線(xiàn)；圖9是在根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置中根據(jù)與靶心的距離在腐蝕輪廓上變化的曲線(xiàn)；圖10是在根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置中根據(jù)與靶心的距離的標(biāo)準(zhǔn)膜厚曲線(xiàn)；圖11是在根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置中腐蝕的靶的照片；和圖12是圖11的靶的腐蝕輪廓的放大照片。
具體實(shí)施例方式
下面，參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極和包括此磁控管陰極的磁控管濺射裝置。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極的示意性截面圖。
參見(jiàn)圖5，根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極包括三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元，各磁鐵單元包括單個(gè)或多個(gè)磁鐵，這些磁鐵的同一磁極朝向靶。相鄰磁鐵單元的相反磁極朝向靶。一個(gè)磁鐵單元圍繞著另一個(gè)磁鐵單元的外圍設(shè)置。例如，如圖5所示，以S極朝向靶的方式在最里面的區(qū)域設(shè)置第一磁鐵單元35a，以N極朝向靶的方式圍繞第一磁鐵單元35a的外圍設(shè)置第二磁鐵單元35b，以S極朝向靶的方式圍繞第二磁鐵單元35b的外圍設(shè)置第三磁鐵單元35c。第一磁鐵單元35a在其內(nèi)部具有中空腔室。當(dāng)磁控管陰極安裝在濺射裝置中時(shí)，中空腔室用作冷卻水流動(dòng)的路徑。
磁力線(xiàn)從第二磁鐵單元35b發(fā)出、然后進(jìn)入第一和第三磁鐵單元35a和35c。由于根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極可包括多個(gè)磁鐵，因此相對(duì)于常規(guī)磁控管陰極而言可確保更均勻的磁力線(xiàn)分布。
圖6A和6B表示根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極的例子。
參見(jiàn)圖6A，本發(fā)明的磁控管陰極組件包括第一至第三磁鐵單元45a、45b和45c，各磁鐵單元包括多個(gè)磁鐵，各磁鐵的同一磁極朝向同一方向，磁鐵呈圓形設(shè)置。這種磁鐵分布確保了更均勻的磁場(chǎng)分布。
參見(jiàn)圖6B，本發(fā)明的磁控管陰極包括第一至第四磁鐵單元55a、55b、55c和55d，各磁鐵單元呈矩形設(shè)置。相鄰磁鐵的相反磁極朝向同一方向。雖然圖6B表示由單個(gè)磁鐵構(gòu)成的各磁鐵單元，但各磁鐵單元也可以包括多個(gè)磁鐵的矩形陣列，就象圖6A那樣。如圖6A和6B所示，根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極可以制成各種圖形。就是說(shuō)，一個(gè)磁鐵單元可包括單個(gè)磁鐵或多個(gè)磁鐵并可以形成圓形或多邊形。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置的截面示意圖。圖7的磁控管濺射裝置包括根據(jù)本發(fā)明的圖5的磁控管陰極。
參見(jiàn)圖7，磁控管濺射裝置包括真空腔室41；在真空腔室41中設(shè)置的、其上設(shè)置了襯底37的陽(yáng)極39；朝向襯底37并由將被淀積在襯底37上的材料制成的靶31；在靶31的背面設(shè)置的陰極33；在靶31后面設(shè)置的磁控管陰極35；以及支撐磁控管陰極35的支撐構(gòu)件47。磁控管陰極35包括在最里面的區(qū)域設(shè)置的第一磁鐵單元35a；以相反于第一磁鐵單元的磁極朝向靶的方式圍繞第一磁鐵單元35a的外圍設(shè)置第二磁鐵單元35b；和以相反于第二磁鐵單元的磁極朝向靶的方式圍繞第二磁鐵單元35b的外圍設(shè)置第三磁鐵單元35c。
當(dāng)支撐構(gòu)件47相對(duì)于襯底37旋轉(zhuǎn)時(shí)，在支撐構(gòu)件內(nèi)部的磁控管陰極35與支撐構(gòu)件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。由于磁控管陰極35的均勻磁場(chǎng)分布，因此所產(chǎn)生的等離子體被限制在陰極33附近。因此，通過(guò)磁控管陰極35的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的等離子分布的變化是不明顯的，所以表現(xiàn)出沒(méi)有腐蝕輪廓的特性。在由支撐構(gòu)件47限定的中空腔室中設(shè)置其中流入冷卻水的冷卻管43。在濺射工藝的過(guò)程中冷卻管用于控制陰極33的溫度。冷卻水流經(jīng)在磁控管陰極35的中空腔室中設(shè)置的冷卻管，然后冷卻陰極33。因此，濺射能夠在施加高功率的同時(shí)以高淀積速率進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的濺射裝置可進(jìn)一步包括氣體噴嘴49，該噴嘴49接近于陰極33設(shè)置，以提供反應(yīng)氣體如氬氣。因此，能夠更有效地產(chǎn)生等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極具有如上所述的均勻磁場(chǎng)分布。這樣能夠把等離子體限定在盡可能接近于靶31表面的范圍內(nèi)。在這點(diǎn)上，靶31和襯底37的接近能夠增加淀積速率。即使當(dāng)磁控管陰極轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)這種短距離淀積方法沒(méi)有嚴(yán)重影響磁場(chǎng)分布和腐蝕輪廓特性。
此外，根據(jù)本發(fā)明，陰極和陽(yáng)極可以顛倒過(guò)來(lái)，這與常規(guī)的磁控管濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)是不同的，其中，在設(shè)備的上面設(shè)置陰極(也稱(chēng)作“靶電極”)，在設(shè)備的下面設(shè)置陽(yáng)極(也稱(chēng)作“襯底電極”)。
圖8是根據(jù)與本發(fā)明的磁控管陰極中心的距離的磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)。Br表示磁場(chǎng)的半徑分量。Bz表示在Z-軸方向上即在垂直于磁控管陰極表面的方向上的磁場(chǎng)分量。正如從圖8所看出的，Br在距磁控管陰極的中心為18mm處是最大的，Bz在距磁控管陰極的表面為9-10mm處是最大的。在這點(diǎn)上，從曲線(xiàn)Br可以假設(shè)在距磁控管陰極中心為18mm處最頻繁地出現(xiàn)靶外形的腐蝕。
圖9是在根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置中根據(jù)與靶心的距離在腐蝕輪廓上變化的曲線(xiàn)。
參見(jiàn)圖9，在距靶心為18mm處靶的腐蝕深度為0.7mm。在距靶心為18-22mm處進(jìn)行更深地腐蝕。
圖10是在根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置中根據(jù)與靶心的距離的標(biāo)準(zhǔn)膜厚曲線(xiàn)。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用2英寸寬的靶，施加20-400W的功率。利用在靶和襯底之間的距離變化(dST)即，4、5、6和8cm進(jìn)行濺射。如圖10所示，隨著dST的增加，標(biāo)準(zhǔn)膜厚也增加。例如，當(dāng)RF功率是200W，dST是5cm時(shí)，SiO2膜的淀積速率是41.6nm/min，Cu膜的淀積速率是199nm/min。
圖11和12是在根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置中腐蝕的靶的照片。參見(jiàn)圖11和12，在與靶心為預(yù)定距離處觀(guān)察環(huán)形腐蝕區(qū)域。在圖11和12的腐蝕輪廓和圖4的腐蝕輪廓之間進(jìn)行比較，當(dāng)與后一種常規(guī)腐蝕輪廓比較時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的前一種腐蝕輪廓具有更寬的寬度。從這一結(jié)果可以看出，根據(jù)本發(fā)明的磁控管陰極能夠提供靶的均勻腐蝕。
正如從上面的描述中看出的那樣，根據(jù)本發(fā)明的磁控管濺射裝置包括由兩個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元構(gòu)成的磁控管陰極，其中相鄰的磁鐵單元的相反磁極朝向同一方向。因此，實(shí)現(xiàn)了均勻的靶腐蝕輪廓，增加了膜的淀積速率。并且，在撓性襯底上的低溫腐蝕是可行的。此外，即使當(dāng)磁控管陰極轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也能夠使腐蝕輪廓特性保持恒定。
在參考本發(fā)明的典型實(shí)施方式專(zhuān)門(mén)示出并描述了本發(fā)明的同時(shí)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，在不脫離由下述權(quán)利要求限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。
權(quán)利要求
1.一種磁控管陰極，包括三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元，各磁鐵單元包括單個(gè)磁鐵，其中，一個(gè)磁鐵單元圍繞著另一個(gè)磁鐵單元的外圍設(shè)置，相鄰的磁鐵單元朝向同一方向具有相反磁極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁控管陰極，其中磁鐵單元圍繞著同一軸對(duì)稱(chēng)地設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁控管陰極，其中最里面的磁鐵單元在其內(nèi)部具有中空腔室。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的磁控管陰極，其中各磁鐵單元形成為圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁控管陰極，其中各磁鐵單元形成為多邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的磁控管陰極，其中各磁鐵單元包括多個(gè)磁鐵，該多個(gè)磁鐵朝向同一方向具有相同磁極。
7.一種磁控管濺射裝置，包括其上設(shè)置了襯底的第一電極；朝向襯底并由將被淀積在該襯底上的材料制成的靶；在靶的背面上設(shè)置的第二電極；在第二電極之后設(shè)置的并包括三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元的磁控管陰極，各磁鐵單元包括單個(gè)磁鐵，其中，一個(gè)磁鐵單元圍繞著另一個(gè)磁鐵單元的外圍設(shè)置，相鄰的磁鐵單元朝向同一方向具有相反磁極；以及支撐磁控管陰極的支撐構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中磁鐵單元圍繞著同一軸對(duì)稱(chēng)地設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中最里面的磁鐵單元在其內(nèi)部具有由支撐構(gòu)件限定的中空腔室。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的磁控管濺射裝置，進(jìn)一步包括冷卻管，在冷卻管中流動(dòng)著冷卻水，冷卻管設(shè)置在中空腔室中。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中各磁鐵單元形成為圓形。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中各磁鐵單元形成為多邊形。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中各磁鐵單元包括多個(gè)磁鐵，各磁鐵朝向同一方向具有相同磁極。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的磁控管濺射裝置，其中各磁鐵單元包括多個(gè)磁鐵，各磁鐵朝向同一方向具有相同磁極。
15.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中襯底以距靶為靶寬的1/4或更小的距離接近于靶設(shè)置。
16.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，進(jìn)一步包括噴嘴，該噴嘴接近靶設(shè)置以提供惰性氣體。
17.根據(jù)權(quán)利要求7的磁控管濺射裝置，其中第一電極是陽(yáng)極，第二電極是陰極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁控管陰極和包括這種磁控管陰極的濺射裝置。磁控管陰極包括三個(gè)或更多個(gè)磁鐵單元，各磁鐵單元包括單個(gè)磁鐵或多個(gè)磁鐵，這些磁鐵的同一磁極朝向同一方向，其中一個(gè)磁鐵單元圍繞另一磁鐵單元的外圍設(shè)置，相鄰的磁鐵單元的相反磁極朝向同一方向。獲得了均勻的磁場(chǎng)分布。因此，靶的腐蝕輪廓寬并且均勻。
文檔編號(hào)H01L21/31GK1525519SQ20041000598
公開(kāi)日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者瑟吉·Y·納瓦拉, 尤里·N·托爾馬徹夫, 馬東俊, 金泰完, N 托爾馬徹夫, 瑟吉 Y 納瓦拉 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社