采用磁桶和同心等离子体源及材料源的离子化物理气相淀积装置制造方法及图纸

将导电金属涂敷材料从磁控溅射靶（５１）上溅射出来，利用带有射频能量的高密度等离子体使溅射出的导电金属涂敷材料在真空处理空间内离子化，射频耦合能量来自线圈（６５），线圈（６５）位于真空室（３１）外面、绝缘窗（６１）后面，真空室壁面（３２）上的绝缘窗（６１）位于溅射靶（５１）的开口（５８）的中央位置。真空室的压强为１０－１００毫乇。磁桶（２０）由永磁铁（２３）所组成的磁铁阵列（２２）形成，在真空室壁面（３２）后面，产生一个多磁力线交点的磁场，推斥来自等离子体、朝着真空室壁面（３２）方向运动的带电粒子，从而，增强了对等离子体的约束，提高了等离子体密度、等离子体的均匀性及涂敷材料的离子化比例。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及离子化物理气相淀积(IPVD)，特别是涉及一种使涂敷材料离子化、以提高基片上的涂敷材料方向性的IPVD方法及设备。本专利技术的技术背景离子化物理气相淀积(IPVD)，在填充和镀覆高尺寸比(aspect ratio)硅片结构方面，是一种特别实用的方法。在给半导体晶片淀积薄膜的离子化物理气相淀积的过程中，淀积材料是从涂敷材料源被溅射出来或蒸发出来，然后，蒸发材料的相当大一部分在抵达需要被涂敷的晶片之前，被转变为正离子。这个离子化过程是通过真空室内的工作气体(process gases)所产生的高密度等离子体来实现的。等离子体可通过磁耦合射频(RF)能量经射频能量激励线圈进入处理室的真空来产生。这样所产生的等离子体位于涂敷材料源与晶片之间的区域。静电的力影响涂敷材料的正离子，并将正离子引向处理室内的各个表面。通过给晶片加负偏压，正离子被从等离子体吸引到晶片上。这种负偏压或者可以随着晶片的绝缘而产生(由于晶片浸渍在等离子体中)，或者可以通过给晶片加一个射频电压而产生。这个偏压使涂敷材料的离子朝着晶片方向加速，从而，更多的涂敷材料以近似垂直于晶片的角度淀积到晶片上。这就使得金属能够在表面带有窄/深孔穴及沟槽的晶片结构上淀积，从而可为这种晶片结构的底面及侧壁提供了良好的覆盖薄膜。在美国专利申请号为08/844,751、08/837,551及08/844,756的专利申请中，公开了一些IPVD系统，这些于1997年4月21日提出的专利申请已转让给本申请的受让人。这些专利申请公开的内容，在此被引用为参考文献。在这类系统中，有一个真空室，真空室一般为圆柱形，并设有用绝缘材料或绝缘窗制成的曲面外壁。一个螺旋导电线圈被放置在绝缘窗的外面，而且螺旋导电线圈围绕着真空室，并与真空室同轴，螺旋导电线圈的轴向长度等于绝缘外壁的轴向长度的很大一部分。工作时，螺旋导电线圈靠一个射频能量源、经过适当的匹配系统来提供能量。绝缘窗允许来自导电线圈的能量被耦合进入真空室，同时，把导电线圈与等离子体隔离，避免两者直接接触。通过设置保护屏，保护绝缘窗免遭金属涂敷材料的淀积，保护屏一般是用金属制成的，在避免金属淀积到绝缘窗上的同时，也使射频磁场能够进入真空室内，金属淀积到绝缘窗上势必会形成导电通路，流通由磁场所产生的电流。这类电流是人们所不希望有的，会产生电阻热，并会降低从线圈到等离子体的等离子体激励能量的磁耦合。这种激励能量的用途是在真空室内产生高密度的等离子体。磁耦合的降低，会造成等离子体密度的降低，从而使处理结果的品质下降。在这类IPVD系统中，淀积材料是从溅射靶上溅射出来的，相对于等离子体来说，溅射靶通常借助一个直流电源，被充以负电荷。溅射靶往往采用平面磁控设计，设计中引入一个将等离子体约束在溅射靶上方的磁路或其他磁性结构，用于溅射靶的溅射。来自溅射靶的材料抵达支撑在晶片支撑架(support)或台架上的晶片，晶片支撑架或台架通常被施加一个偏压，往往是借助于一个通过一个阻抗匹配线路连接基片支撑架(support)的射频能量源。一种稍有不同的IPVD几何结构，使用的是通过放置在真空室内的线圈所产生的等离子体。这样的系统既不需要绝缘的真空室室壁，也不需要专门的保护屏来保护绝缘的真空室室壁。在美国专利5,178,739中，Barnes等人公开了这样的一种系统，该专利在此也被引用为参考文献。线圈被放置在真空室外面的系统，以及Barnes等人在其专利中所公开的系统，均涉及到使用感应线圈或其他耦合元件，感应线圈或其他耦合元件不是放置在真空室的外面就是放置在真空室的里面，它们都属于有形设置，占据溅射靶与晶片平面之间的空间。无论耦合元件(例如线圈)是放置在真空室的外面还是里面，系统的外廓尺寸都要受到下述限制在涂敷材料源—基片之间需要足够的间隔，以便在涂敷材料源与基片之间安装射频能量耦合元件。另外，为了安装线圈或其他耦合元件，围绕晶片还必须有足够的直径。因耦合元件需要空间而增大涂敷材料源—基片之间的间隔，其直接结果是利用这类系统，难以获得足够的淀积均匀性。如果降低真空室的高度来提高淀积的均匀性，则会降低真空室中心区域的等离子体密度，并会降低涂敷材料的离子化百分比。此外，整个系统实际上还必须处于一个受到限制的体积范围之内。因此，经常有因为发热所造成的问题，发热是由于射频线圈靠近壁面及其他金属表面所引起的，这可能需要额外的冷却，进而会提高工程及生产成本及能源的消耗。线圈放置在真空室内的IPVD设备还有其他缺点线圈被等离子体所浸蚀，因此，线圈必须由与从溅射靶所溅射的相同类型的靶级材料所构成。此外，放置在真空室内的线圈还需要不可忽视的冷却。如果利用液体进行冷却，则存在着线圈会因不均匀浸蚀而浸透或被电弧所击穿的危险，造成冷却液泄漏而进入系统，这是人们极为不希望发生的，它可能会造成需要对系统进行长时间的清洁及对系统重新进行合格鉴定。还有一点是，放置在真空室内的激励线圈还会与等离子体电容性偶合，造成激励能量的利用率低和离子能谱的扩宽，从而，将对淀积过程产生不利的影响。考虑到上述许多问题，Drewery和Licata在共同转让且共同悬而未决的美国专利申请号为09/073,144的专利申请中公开了一种IPVD方法和设备，该专利申请在此也被引用为参考文献。Drewery等人的专利申请中所公开的方法及设备，保证了能量高效耦合进入浓密的等离子体，由此，涂敷材料在IPVD系统中被离子化，而且这是在既不影响真空室最佳几何形状、也不需要将线圈或其他耦合元件放置在真空室内的情况下实现的。它使用了一种设有一个环形涂敷材料源(例如环形溅射靶)的装置，在绝缘窗的后面，环形涂敷材料源的中央有一个耦合元件(例如平面线圈)，用于将射频能量耦合进入真空室，以产生高密度的电抗偶合等离子体，例如感应耦合等离子体(ICP)。前面所述的各种IPVD系统及方法，得益于高的等离子体密度及等离子体均匀性来有效地实现其目的，特别是涂敷亚微米高尺寸比器件的目的。较高的等离子体密度，能够增进金属离子化。提高的等离子体均匀性，能够降低偏压(例如由射频能量源产生的射频偏压)对淀积均匀性的影响，并能够扩宽其他处理参数的可接受范围。前面所描述的各种系统，因离子传给真空室壁面和提高等离子体均匀性的缘故，易于降低效率。在没有使用IPVD的等离子体系统中，已经尝试过各种技术，来降低对于真空室壁面的离子损失。例如，在低温下产生等离子体时，提高等离子体均匀性和等离子体密度的一种方法是利用一个“磁桶(magnetic bucket)”。“磁桶”所产生的磁场，通过一种形式的吸持(称之为磁镜吸持)，降低了对于处理室壁面的电通量。等离子体保持中性的倾向，即具有与正离子一样多数量的电子的倾向，也降低了对于处理室壁面的离子通量。前面所描述的各种系统的不同处理室结构，均提出了等离子体密度和等离子体均匀性的问题。磁镜和磁桶，不仅会与磁控场相互之间产生不利影响，而且还会使靶的利用率降低。这使得其并不适用于等离子体密度及等离子体均匀性要求高的情况，例如IPVD。出于上述原因及其他原因，需要提高IPVD系统中的淀积均匀性及等离子体密度，其中包括那些ICP等离子体源位于环形靶中央的IPVD系统。专利技术的概述本专利技术的目的是提供一种IPVD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子化物理气相淀积装置，包括： 一个真空室，它有一个真空处理空间，其中，真空压强被保持为适于在真空室内进行离子化物理气相淀积，真空室轴线穿过真空处理空间，真空室壁面的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线； 一个涂敷材料源，它通常以真空室轴线为中心，位于真空室的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间； 一个基片支撑架，它位于在真空室的内部，通常以真空室轴线为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源相对； 一个射频能量源； 一个射频耦合元件，与射频能量源相连，它通常以真空室轴线为中心，位于靠近涂敷材料源的真空室的那一端，使用电抗耦合能量来在真空处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化； 一个磁桶，通常以真空室轴线为中心，环绕着真空室轴线及真空处理空间，这个磁桶包括一个由多个轴向间隔布置的环形永磁铁所构成的磁铁阵列，这些环形磁铁以真空室轴线为中心，在真空室壁面的内表面的后面和真空处理空间的外面围绕着真空室，每个磁铁都有一个径向取向的极轴，磁铁阵列中的磁铁采取极性交变的布置形式而且间隔紧密，以产生一个环绕真空室、靠近真空室壁面内表面的多环形磁力线交点的磁场，由此，推斥来自等离子体的接近真空室壁面的带电粒子。...

【技术特征摘要】
US 1999-2-19 09/253,1161.一种离子化物理气相淀积装置，包括一个真空室，它有一个真空处理空间，其中，真空压强被保持为适于在真空室内进行离子化物理气相淀积，真空室轴线穿过真空处理空间，真空室壁面的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线；一个涂敷材料源，它通常以真空室轴线为中心，位于真空室的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间；一个基片支撑架，它位于在真空室的内部，通常以真空室轴线为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源相对；一个射频能量源；一个射频耦合元件，与射频能量源相连，它通常以真空室轴线为中心，位于靠近涂敷材料源的真空室的那一端，使用电抗耦合能量来在真空处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化；一个磁桶，通常以真空室轴线为中心，环绕着真空室轴线及真空处理空间，这个磁桶包括一个由多个轴向间隔布置的环形永磁铁所构成的磁铁阵列，这些环形磁铁以真空室轴线为中心，在真空室壁面的内表面的后面和真空处理空间的外面围绕着真空室，每个磁铁都有一个径向取向的极轴，磁铁阵列中的磁铁采取极性交变的布置形式而且间隔紧密，以产生一个环绕真空室、靠近真空室壁面内表面的多环形磁力线交点的磁场，由此，推斥来自等离子体的接近真空室壁面的带电粒子。2.根据权利要求1所述的装置，其中，由磁桶所产生的磁场，在真空室壁面内表面的内侧，有一个近似的高斯强度，从大约1.3倍压强(以毫乇为单位)到不超过5倍压强(以毫乇为单位)或300高斯。3.根据权利要求1所述的装置，其中，磁铁阵列中的磁铁为平面环形磁铁，轴向厚度约为1/8～1/4英寸，径向宽度约为3/8～3/4英寸，磁铁的间隔距离约为1/8～1/4英寸，磁铁阵列的轴向延伸长度超过真空室在涂敷材料源与基片之间的轴向长度的2/3。4.根据权利要求1所述的装置，其中，每个磁铁都涂敷有一层非磁性高导电性材料。5.根据权利要求1所述的装置，其中，涂敷材料源为环形涂敷材料源，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间，涂敷材料源有一个中央开口而且至少有一个表面与真空处理空间相通；射频耦合元件位于环形涂敷材料源的中央开口位置，以使用电抗耦合能量来在真空处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化。6.根据权利要求5所述的装置，其中，射频耦合元件是一个线圈，位于环形涂敷材料源的中央开口位置，用来感应耦合能量进入真空室，以在真空处理空间内形成感应耦合等离子体。7.根据权利要求1所述的装置，还包括一个绝缘窗，位于涂敷材料源的中央开口位置；以及一个射频耦合元件，位于真空室真空以外绝缘窗的外侧，耦合射频能量经过绝缘窗进入真空室，以激励真空室内的等离子体。8.根据权利要求7所述的装置，还包括保护屏结构，位于绝缘窗内侧、绝缘窗与真空处理空间之间，保护屏被配置成能够高效地将来自耦合元件的射频能量耦合进入真空处理空间，并能够在物理上保护绝缘窗(61)避免来自真空处理空间的涂敷材料的淀积。9.根据权利要求1所述的装置，还包括一个偏压电源，它与基片支撑架相连，以在基片支撑架上面的基片上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压高到足以将来自真空处理空间的涂敷材料射向基片。10.根据权利要求1所述的装置，其中，环形涂敷材料源至少包括一个用导电涂敷材料制成的环形溅射靶，环形溅射靶带有一个溅射表面，溅射表面与真空室内部相通；一个靶电源，靶电源与靶相连，以在溅射表面上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压高到足以将靶的溅射表面的材料溅射进入真空处理室。11.根据权利要求10所述的装置，还包括一个磁控磁铁，位于靶的后面、真空室的外部，用于有效地将溅射等离子体约束在非常接近于靶的溅射表面的区域。12.一种离子化物理气相淀积装置，包括一个真空室，其中有一个真空处理空间，真空室轴线穿过真空处理空间，真空室壁面的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线；一个环形涂敷材料源，以真空室轴线为中心，位于真空室的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间，这个环形涂敷材料源有一个中央开口，而且至少有一个表面与真空处理空间相通；一个基片支撑架，在真空室的内部，以真空室轴线为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源相对；一个射频能量源；一个射频耦合元件，与射频能量源相连，它通常以真空室轴线为中心，位于环形涂敷材料源的中央开口位置，使用电抗耦合能量来在真空处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化；一个磁桶，通常以真空室轴线为中心并环绕着真空处...

【专利技术属性】
技术研发人员：米尔科武科维奇，
申请(专利权)人：东京电子有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]