离子化物理蒸汽沉积的方法和装置制造方法及图纸

一个离子化物理蒸汽沉积装置，包括： 一个其室壁包围该室内某个真空处理空间的真空室，该真空室壁在该室的一端有一个开孔； 一个ＩＰＶＤ源组件位于该室壁开孔处，并形成该室壁开孔的真空密封盖板； 一个连接到该室以便向该处理空间供应某种气体的供气系统； 一个连接到该室，可进行操作将该处理空间的气体维持在一个真空压力水平的真空系统； 一个该室外部的ＲＦ能量源； 该ＩＰＶＤ源组件包括： 一个向该处理空间提供镀膜材料的环形镀膜材料源，该环形源有一个开口的中心，并至少有一个表面与该真空处理室连通； 一个窗口组件，它包括一个位于该环形源开口中心、并与该室壁构成一个真空密闭外罩一部分的绝缘窗口，它具有一个室内侧和一个外侧； 一个在该室上述一端的室外侧线圈，它邻近该绝缘窗口且在该绝缘窗口之外，它被连接到该ＲＦ能量源从而在被激活时将能量从ＲＦ能量源通过该窗口感应耦合到该处理空间，以便在该处理空间保持一个感应耦合的等离子体，该等离子体有足够高的密度将该处理空间内来自环形源的镀膜材料离子化； 一个该室内部的、正对环形镀膜材料源处理空间的片基支座，其上有一个正对着处理空间的晶片支持表面。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及离子化物理蒸汽沉积(IPVD)，更特别的是涉及在半导体晶片片基上沉积薄膜(最特别的是金属薄膜)的方法和装置，办法是从某个靶溅射镀膜材料、将该溅射的材料离子化、然后将该离子化镀膜材料引导到该片基表面。
技术介绍
离子化物理蒸汽沉积是一个在充填和衬镀硅晶片表面上高长宽比结构方面具有特别效果的过程。在IPVD中，为了在半导体晶片上沉积薄镀膜，可从某个源溅射或者蒸发要被沉积的材料，然后该被蒸发材料的主要部分在到达将要被镀膜的晶片之前被转变为正离子。这一离子化过程由某个真空室内的某种工艺气体内产生的一个高密度等离子体完成。可以通过一个RF供电激励线圈将RF能量磁耦合到该处理室的真空区域来产生该等离子体。如此产生的等离子体集中在该源和该晶片之间的一个区域内。然后，将电磁力施加到镀膜材料的正离子，譬如在该晶片上施加一个负偏置。对于该电气绝缘的晶片，因为该晶片淹没在某个等离子体内，或者是对该晶片施加一个RF电压，也许就会出现这样的一个负偏置。该偏置使镀膜材料的离子向该晶片加速，结果该镀膜材料有更多的部分以大致与该晶片垂直的角度沉积到该晶片。这就造成金属在包括深深浅浅的孔隙和沟堑的晶片表面的沉积，提供了对这种表面形状的底部和侧壁的良好覆盖。本申请的受让人提议的某些系统在1997年4月21日申请的美国专利申请序列号08/844,751、08/837,551和08/844,756中公布，特此明确参考编入。这些系统包括一个通常为圆筒形的真空室，它的部分弯曲外壁由某种绝缘材料或窗口构成。一个螺旋形导电线圈安置在该绝缘窗的外部，围绕该室并与之同心，该线圈的轴向范围是该绝缘壁轴向范围的主要部分。运行时，通过一个合适的匹配系统提供RF电源来激励该线圈。该绝缘窗口允许能量从该线圈耦合到该室，但隔离该线圈使其不直接与该等离子体接触。某种通常由金属制造的保护屏装置保护该窗口以防金属镀膜材料的沉积，该保护屏能够让RF磁场进入该室的内部区域，但不让金属沉积到该绝缘窗，否则该沉积就会形成由这些磁场产生的循环电流的导电通道。这些电流是不受欢迎的，因为它们会导致电阻加热，并降低等离子体激励能量从该线圈到该等离子体的磁耦合。这一激励能量的目的是在该室内部区域产生高密度等离子体。耦合下降就会使等离子体密度降低，使过程结果恶化。在这样的IPVD系统中，举例来说，材料从通常借助一个直流电源供电、相对该等离子体而言带负电的某个靶溅射。该靶通常是一个包括某个磁路或其他磁体结构的平面磁控管设计，它使某个等离子体被限制在该靶上方以便溅射该靶。该材料到达被支承在一个晶片支座或工作台上的一块晶片，RF偏置通常借助某个RF供电和匹配网络施加到该支座和工作台。一个几何外形稍微不同的系统采用一个由位于该真空室内部的线圈产生的等离子体。这样的系统不需要绝缘室壁，也不需要特殊的保护屏来保护该绝缘壁。巴恩斯(Barnes)等人在美国专利No.5,178,739中描述了这样一个系统，特此明确参考编入。该室外部带有线圈的系统，以及巴恩斯等人专利中公布的系统都涉及感应线圈或其他耦合元件的使用，或者在该室内，或者在该室外，它们实体布局并占据该溅射靶平面和该晶片平面之间的空间。不管一个耦合元件(譬如一个线圈)放在某个真空室的内部还是外部，该系统的尺寸都始终受到的限制是，源到片基间必须有适当的距离以便允许在该源和该片基之间安装RF能量耦合元件。围绕该晶片还必须有合适的直径来安装线圈或其他耦合元件。由于需要空间来安装耦合元件而增加源到片基距离的一个直接后果是，用这样的系统很难获得足够的沉积均匀性。如果降低该室高度来改善均匀性，就会降低该室中心区域的等离子体密度，镀膜材料离子化的百分比就会下降。实际上，该整个系统也必须安装在某个限定的半径范围之内。结果，经常会出现因该RF线圈接近金属表面而发热引起的问题，这就可能需要那种增加工程和生产成本并浪费能量的额外冷却。一台将线圈装在该室内的IPVD装置具有另外的缺点，就是该线圈会被该等离子体腐蚀，所以必须采用与该靶溅射出的材料型号相同的靶基准材料。而且，需要在该真空室内进行相当可观的线圈冷却。如果采用液体进行线圈冷却，就有因不均匀腐蚀或电弧放电而穿透线圈的危险，使液体泄漏到该系统，这是极不希望的结果，它可能会导致该系统的长时间清洗和再次资格认定。另外，该室内的某个激励线圈也与该等离子体产生电容性耦合，使该激励功率不能有效利用，并加宽了离子能谱，这对过程会产生令人讨厌的影响。半导体器件的小型化需要对直径不到1微米的高长宽比孔隙底部接点形成低阻连接。这就增加了使用导电性能比材料(如钽和氮化钽)阻挡层更高的金属(如铜)的需求。现有技术中沉积这类材料的技术一直不完全令人满意。在现有技术中，用PVD方法沉积材料涉及苛刻的溅射源设计，以便在溅射室内产生具有一致几何形状的等离子体浓度，并直接影响该沉积膜的分布均匀性。对那些目的，现有技术方法的结果是对其他性能参数进行折中。作为上述考虑和问题的结果，仍然需要更有效地将能量耦合到IPVD处理系统的稠密镀膜材料离子化等离子体，并且不得妨碍该室的最优尺寸，最好不要将一个线圈或其他耦合元件放入该真空室。专利技术概述本专利技术的一个目的是提供一个IPVD方法和一台IPVD装置，其中该线圈或其他耦合元件的放置对该处理装置的室的几何形状不产生不利影响。本专利技术的另一个目的是提供一个使IPVD的运行效率更高、效果更好的方法和装置。根据本专利技术的原理，一个IPVD装置具有一个环状镀膜材料源，以便为某个真空室内的处理空间产生某种含有该镀膜材料原子或微小颗粒的蒸汽。在该环状源的中心有一个耦合元件，它电抗性地将RF能量耦合到该室，以便在该处理空间产生一个高密度、电抗性耦合的等离子体，从而将通过该处理空间的镀膜材料离子化。不管受静电场或电磁场影响还是不受这些因素影响，镀膜材料离子都向该室内该处理空间中与该材料源相反一头的一个片基漂移。那些到达该片基附近某个距离(譬如厘米数量级的距离)之内的离子，会碰到一个鞘场并向该片基加速，使得很高百分比的镀膜材料以垂直于该片基的角度到达该片基，从而更有效地衬镀该片基表面细小和高长宽比孔隙的底部和内壁，或者充填这些空隙。在本专利技术的一个实施例中，某个镀膜材料源(最好是溅射靶)具有一个其内安置一个绝缘窗的中央开孔。窗的后面，在该室的真空外部有一个等离子体源，它包括一个连接到某个RF能量源输出的耦合元件(最好是一个线圈)。该耦合元件的结构可将该能量源提供的能量通过该材料源中央开孔处的窗口耦合到(最好是感应耦合到)该镀膜材料源与该室内该镀膜材料源相反一侧的片基支座上的片基(譬如一个半导体晶片)之间的室内区域。本专利技术的装置包括一个围绕某个中央陶瓷窗口的环形溅射靶。这个环形靶形状最好是截头圆锥形。一个磁控管磁体组件放置在该靶的后面来在该靶之上产生一个限制该等离子体的磁场，磁场形状最好是该环形靶上方包围其中央开孔的一个环形隧道。该耦合元件最好是位于该环形溅射靶中央开孔的绝缘窗口之后并紧挨其背面的一个线圈。举例来说，采用13.56MHz的RF能量加到线圈上在室内该靶和该片基之间激励一个高密度感应耦合等离子体。受该靶表面磁控管磁体磁场阻挡的一个主溅射等离子体从该靶将镀膜材料溅射到被某个稠密二级等离子体占据的处理空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一个离子化物理蒸汽沉积装置，包括一个其室壁包围该室内某个真空处理空间的真空室，该真空室壁在该室的一端有一个开孔；一个IPVD源组件位于该室壁开孔处，并形成该室壁开孔的真空密封盖板；一个连接到该室以便向该处理空间供应某种气体的供气系统；一个连接到该室，可进行操作将该处理空间的气体维持在一个真空压力水平的真空系统；一个该室外部的RF能量源；该IPVD源组件包括一个向该处理空间提供镀膜材料的环形镀膜材料源，该环形源有一个开口的中心，并至少有一个表面与该真空处理室连通；一个窗口组件，它包括一个位于该环形源开口中心、并与该室壁构成一个真空密闭外罩一部分的绝缘窗口，它具有一个室内侧和一个外侧；一个在该室上述一端的室外侧线圈，它邻近该绝缘窗口且在该绝缘窗口之外，它被连接到该RF能量源从而在被激活时将能量从RF能量源通过该窗口感应耦合到该处理空间，以便在该处理空间保持一个感应耦合的等离子体，该等离子体有足够高的密度将该处理空间内来自环形源的镀膜材料离子化；一个该室内部的、正对环形镀膜材料源处理空间的片基支座，其上有一个正对着处理空间的晶片支持表面。2.符合权利要求1的装置，其中该环形镀膜材料源包括一个截头圆锥状溅射靶，它有一个背面，一个位于室内的、面向该处理空间的截锥状前溅射表面，一个内边缘和一个距该片基支座的晶片支持表面所在平面比内边缘更近的外边缘。3.符合权利要求2的装置，其中该溅射靶外径大于该片基支座的晶片支持表面直径。4.符合权利要求2的装置，其中该IPVD源组件还包括一个邻近该靶背面的截锥形永久磁体组件，其形状可以产生一个邻近该靶前表面的限制该溅射等离子体的磁场。5.符合权利要求2的装置，其中有一个大约110°的锥形扩张角。6.符合权利要求2的装置，其中该溅射靶与该室壁构成某个真空密闭外罩的一部分，该靶的背面不接触该处理空间。7.符合权利要求6的装置，其中该IPVD源组件还包括该溅射靶与该室壁之间以及该溅射靶与该窗口之间的真空密封设备。8.符合权利要求1的装置，还包括一个该处理空间与该室壁之间的可更换的薄金属室保护屏，该室保护屏包括一个通常为圆筒形的部分，它包围该处理空间并在许多远离该处理空间发热影响的点由细长支持杆支承，一个包围该片基支座的环形端部，它和该圆筒形部分叠置但不接触，用以保护该室壁不在室壁附近沉积镀膜材料，并防止上述部分之间由于其中某一部分的热膨胀而发生滑动接触，该IPVD源组件，它包括一个包围该环形镀膜材料、与该室保护屏的圆筒形部分隔离但极为靠近的环形暗区保护屏，以便保护该室壁不在该室壁附近沉积镀膜材料。9.符合权利要求1的装置，其中该窗口和该处理空间之间的设备可以物理保护该窗口内部，使得窗口上不沉积导电镀膜材料，并维持该线圈到该处理空间的有效的RF能量感应耦合。10.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该线圈是一个三维RF线圈，其形状可以使经过转弯处延伸的磁力线能以优势弯曲通过该绝缘窗口和该处理空间。11.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该IPVD源组件还包括一个该室内的、与该绝缘窗口平行且距离很近的窗口保护屏，其形状可以充分保护该窗口不沉积镀膜材料，并允许该RF能量有效地从该线圈通过该窗口和保护屏感应耦合到该处理空间。12.符合权利要求11的装置，其中该窗口保护屏是一个导电法拉第屏，它内部有许多不导电的、与该线圈相配合的外廓特征，从而允许该RF能量从该线圈通过该窗口和保护屏有效地感应耦合到该处理空间，但同时阻止该RF能量从该线圈有效地电容耦合到该室。13.符合权利要求11的装置，其中该窗口保护屏内有许多V形槽，它们的形状与该线圈相配合，可以允许RF能量从该线圈通过该窗口和保护屏有效地感应耦合到该室，但不提供一个镀膜材料穿过这些槽从该室运动到该窗口的视线通路。14.符合权利要求11的装置，其中该窗口保护屏内有许多槽且与该窗口保持距离，这些槽的尺寸有利于在这些槽和该窗口之间形成等离子体，该等离子体将会清除这些槽中向该窗口沉积的材料。15.符合权利要求11的装置，其中该窗口保护屏由金属铸造且包括整体的冷却流体通道。16.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该气体和/或真空系统包括一个压力控制器，用来维持该室内的真空压力足够高，以使该等离子体内的离子基本上在该处理空间热能化，其程度可使该支座晶片支持表面的某个晶片上这些离子的分布、能量和方向性都主要取决于穿过该高密度等离子体与该晶片之间某个等离子体鞘的电场。17.符合权利要求16的装置，其中该供气和压力控制系统包括当该材料在至少为30mTorr的压力下沉积时维持该真空室内压力的设备。18.符合权利要求16的装置，其中该供气和压力控制系统包括当该材料在30mTorr至130mTorr之间的某个压力下沉积时维持该真空室内压力的设备。19.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该靶离该晶片支座的距离为6至9英寸。20.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该IPVD源组件还包括该线圈与该窗口之间的一个强绝缘材料制造的隔离层。21.符合权利要求20的装置，其中该隔离层由某种塑料材料(如特氟隆)制造，并充分地填充了该线圈与该绝缘窗口之间的空间。22.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该片基支座以可拆卸方式安装到该室壁，并可在6至9英寸的距离范围内相对该靶定位。23.符合权利要求1至9中任何一项的装置，其中该片基支座包括一个将一个晶片片基固定在该晶片支持平面上进行加工的静电卡盘，该静电卡盘包括一个双极网格和连接到该双极网格的多区晶片偏置系统。24.符合权利要求1至9中任何一项的装置，还包括下列一项或多项部件该晶片支座的加热和冷却设备；该晶片支持表面与其上支持的一块晶片之间的背面导气设备；一个覆盖在该晶片支座上一个片基的周围边缘的非接触式遮蔽环。25.符合权利要求1的装置，其中该真空室在其顶部有一个开孔；该IPVD源组件包括一个外壳组件，它又包括一个外部接地接头，一个外部靶电源接头，一个RF电源接头，若干外部冷却液再循环接口，一个内部靶电源端子，至少两个内部RF接头，一组内部冷却液接口，非导电支持结构；以可拆卸方式牢固安装到该外壳的该RF线圈组件，其中该线圈是以可拆卸方式跨接到该内部RF接头的三维线圈，该线圈具有一个以可拆卸方式直接跨接到至少两个该内部冷却液接口的冷却通道；一个以可拆卸方式牢固安装到该外壳、并包围该RF线圈组件的环形永久磁体组件；以可拆卸方式牢固安装到该外壳或该线圈组件之一的窗口组件；该环形镀膜材料源，它包括一个以可拆卸方式连接到该外壳的环形靶组件，且具有在如此连接时与该窗口构成一个真空密封的设备，该靶组件包括一个可消耗的环形溅射靶和能为该靶构成一个以可拆卸方式跨接到至少两个该内部冷却接口的液体密封冷却通道的设备，该靶组件具有一个以可拆卸方式连接到该外壳上的该内部靶电源端子的电气接头；当该IPVD源组件连接到某个真空处理室时形成一个该靶组件与该真空处理室壁之间真空密封的设备。26.一个提供为某个半导体晶片镀膜的材料并使之离子化的IPVD源组件，该组件包括一个外壳组件，它具有一个外部接地接头，一个外部靶电源接头，一个RF电源接头，若干外部冷却液再循环接口，一个内部靶电源端子，至少两个内部RF接头，一组内部冷却液接口，非导电支持结构；一个以可拆卸方式牢固连接到该外壳的RF线圈组件，它包括一个以可拆卸方式跨接该内部RF接头的三维线圈，该线圈，它具有一个以可拆卸方式直接跨接至少两个该内部冷却液接口的冷却通道；一个以可拆卸方式牢固安装到该外壳、并包围该RF线圈组件的环形永久磁体组件；一个以可拆卸方式牢固安装到该外壳或该线圈组件之一的窗口组件，该窗口组件包括一个相当平坦的绝缘窗口；一个以可拆卸方式连接到该外壳的环形靶组件，它具有在如此连接时与该窗口构成一个真空密封的设备，该靶组件包括一个可消耗的环形溅射靶和能为该靶构成一个以可拆卸方式跨接到至少两个内部冷却接口的液体密封冷却通道的设备，该靶组件具有一个以可拆卸方式连接到该外壳上的该内部靶电源端子的电气接头；当该IPVD源组件被连接到某个真空处理室时，构成该靶组件与该真空处理室壁之间一个真空密封的设备。27.符合权利要求25或26的组件，其中构成该靶组件的液体密封冷却通道的设备包括一个靶后背盖，它可以从该靶拆卸并能构成该盖与该靶之间的液体密封冷却通道。28.符合权利要求27的组件，其中该靶组件包括一个安装在该液体密封冷却通道中的、可更换的冷却液流控制设备，以允许改变流经该通道的该冷却液流。29.符合权利要求25或26的组件，其中该RF线圈组件包括一个牢固安装到该线圈、并从该线圈延伸到该窗口的强绝缘隔离层。30.符合权利要求25或26的组件，其中该窗口组件包括一个其内具有一组不导电外廓特征、并连接到该绝缘窗口的导电保护屏，该保护屏电气接地或者电气连接到该外壳，它具有以可拆卸方式直接跨接至少两个内部冷却接口的冷却通道。31.符合权利要求30的组件，其中该导电保护屏是一个其内具有一组不导电外廓特征的带槽法拉第屏，它们的形状与该线圈配合，可以允许该RF能量从该线圈通过该窗口与保护屏充分感应耦合，但同时防止该RF能量从该线圈通过该窗口与保护屏充分电容耦合。32.符合权利要求30的组件，其中该导电保护屏被连接到该绝缘窗口，以使它可以从该外壳连同该窗口一道拆卸。33.符合权利要求30的组件，其中该窗口组件包括使该保护屏与该窗口保持一个很近距离的设备。34.符...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·斯蒂芬·德勒沃瑞，约瑟夫·布拉卡，格林·雷诺兹，米尔科·武科维奇，德里克·安德鲁·拉塞尔，迈克尔·詹姆斯·格拉佩豪斯，小弗兰克·迈克尔·切里奥，布鲁斯·戴维·吉特尔曼，
申请(专利权)人：东京电子有限公司，
类型：发明
国别省市：