物理汽相沉积的方法和设备技术

离子化物理汽相沉积设备（１０，１０ａ，１０ｂ）设置有ＲＦ元件，最好为一螺旋线圈（３０），在靶极（１６）与基底保持器（１４）之间围绕真空腔室（１２）内的空间（１１）。最好在约２ＭＨｚ或在０．１到６０ＭＨｚ范围内ＲＦ能量被耦合到此空间以便在基底保持器与邻近靶极的主等离子体之间此空间的一容积（２６）中形成二次等离子体（２９）。此二次等离子体离子化被溅射的材料然后其被基底上的偏压和／或被轴向磁场向支座上的基座（１５）方向吸引以给予运动中的离子化溅射质粒定向性来使它们入射时垂直基底，从而能涂敷基底上的窄小的高纵横比形体的底部。此腔室的室壁或者在此腔室之内的介质材料如石英的窗（６０），或者线圈上的绝缘保护此线圈不致与等离子体发生不利的交互作用。此空间与介质材料间的屏蔽（１００，２００，３００）防止被溅射质粒涂覆此介质材料。此屏蔽被划分或开槽来防止在屏蔽中感生电流。此屏蔽可被偏压来控制污染和可以被共同地或个别地偏压来优化在基底上的涂敷的均匀性和在基底处离子化材料流通的方向性。此屏蔽可由多个成角度的段（３０２）构成，它们被分隔来利于二次ＲＦ等离子体由窗的邻近到溅射材料被离子化的此腔室的此容积中的传送，这些分部作成带角度和被隔开来至少将大部分靶极从窗处遮挡住。另一方面，可在紧贴近窗或绝缘处设置导电性屏蔽（１００），最好其被隔开成小于腔室中气体原子的平均自由路径，以使得此屏蔽的后面不会形成等离子体。此屏蔽（１００）具有至少一个在其中的轴向切槽（１０３）来防止因短接所耦合的能量而产生的方位角即环形电流。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于溅涂，而较具体说是关于把涂敷材料的离子化物理汽相沉积(IPVD)到基座上的方法和设备。
技术介绍
半导体生产中子微粒高纵横比形体(features)例如通道、沟渠和接触孔的存在带来各种涂敷问题。在甚大的超大规模集成(VLSI和ULSI)半导体装置的生产中，在这种形体底部上触点经常要加上衬垫，且该形体要经常填充以导电金属。在许多要沉积薄膜的半导体装置制造情况下，或者要求或者至少最好施加利用物理汽相沉积(PVD)过程的涂敷。以物理方法在具有窄小的高纵横比形体(壁孔)的底部上沉积薄膜需要在向着基底沉积的材料运动中达到很高程度的定向性。纵横比特征越高要求定向性越高。为在例如基底表面上小的高纵横比孔的底部有效地涂敷触点，涂敷材料的质粒必须以基本上不大于特征的斜面开孔的相对法线的角度运动。在半导体装置生产中，例如说，金属化高纵横比的孔和沟槽的底部上触点是必要的，其中的沟槽可能需要将宽度可能在0.25至0.35微米范围内而且还可能随着装置的微型化趋向而变得可能更窄，因为PVD处理在所实现的膜纯净度、生产率和处理设备的整体成本和简单性方面表现出优于其他可能的处理的技术和商业上的优越性，因此通过物理沉积过程，如溅射涂敷来金属化这种触点是所希望的。例如，化学汽相沉积(CVD)处理由于化学处理能在孔或沟渠内部的基底表面形成薄膜而用于在深孔或沟渠中沉积薄膜。但是CVD处理需要较PVD处理设备更复杂的昂贵的设备。CVD处理由于它的化学性质常常涉及到环境因素和应用可能造成装置污染源的化学前体，通常这些系统均要求较高频度的导致非生产性停机的预防性维护。对于许多类型薄漠，PVD处理较CVD处理速度快，改善生产率从而降低成本。另外，CVD处理对许多沉积材料或许不存在或者可能是不现实的，例如由于需要可能会防碍CVD沉积的复杂的前体和供给系统。可用的生产CVD适用于钛、氮化钛和钨。但是，对铝、锢、钽和氮化钽的CVD处理或者不存在或者如果存在，它们也是不成熟的或商业上不可行的。此外，采用某些处理，CVD可能使基底上局部地形成的装置长时期地加热，这可能造成在材料边缘处的材料迁移和扩散，或者可能使这些装置经受热造成的损坏或超出对于该处理的热量估算、由于形体的减小尺寸和增大纵横比，在某些应用中由物理汽相沉积施加涂敷层的可取性对溅射过程要求增加来达到涂敷到基底上的材料的运动中越来越高程度的定向性。除非入射到基底上的溅射材料的质粒的的途径能高度平行并垂直于基底表面的平面，溅射高纵横比形体的努力将导致该形体上侧面上过量的沉积或形体开口的关闭，在这样的情况中物理沉积处理将不会达到满意的结果。溅射涂敷处理典型地是通过将基底和高纯度涂敷材料的靶极置入一填满惰性气体例如氮的真空腔室并在此气体中产生等离子体。等离子体的生成典型的是依靠将此靶极或者连续地或者间断地保持为负电位，以使得靶极起提供激发腔室内气体而在邻近靶极表面处形成等离子体的电子的阴极的功能作用。等离子体的发生通常利用一磁电管组件来加强，其中位于靶极后面的磁铁俘获那些通过靶极表面的电子，在此将变换成正离子。气体离子被向着负电的靶极加速在此它们与表面碰撞，靶极表面弹射出原子和原子簇或靶极材料的质粒和二次电子。二次电子在维持等离子体中起主要作用。被弹射出的靶极材料的质粒在电荷上是中性的和通过真空空间以各个方向传播，其中一些碰到基底，它们粘结到基底上形成薄膜。基底上越来越窄的形体和纵横比越来越高的形体起着减小孔径的接受角的作用，从而遮蔽形体的边，导致越来越多的入射质粒被形体的边和周围地区拦截，而使越来越少的质粒可能沉积在形体底面上。已经为使传播的质粒能以直线向着和垂直于基底表面运动采用了各种方法。一种途径是采用靶极与基底间的物理准直仪盘来实现入射角的正态分布和通过拦截以低角度指向准直仪的质粒以使得仅仅那些垂直或近似垂直基底的质粒能通过准直仪来改善入射质粒的定向性。另一种途径被叫做长射程溅射，要求增加靶极至基底的间距以便使仅仅以正交或接近正交于基底的角度运动的质粒能行进腔室长度来冲击基底。准直仪提供了特定的污染源，因为被截获的粒子沉积在准直仪上，在这里薄膜累积并倾向于脱落。准直沉积和长射程设计两者均以排除以低角度向基底运动的材料来实现定向性。它们极大地降低入射在基底上的溅射材料的百分数从而大大减小沉积率。这还增加了防护性维护，减小靶极材料的利用和降低生产率。得到重新加以考虑的另一个定向溅射材料的方法是离子化溅射处理，常常被称之为离子化物理汽相沉积即IPVD。采用IPVD，涂敷材料利用磁控管溅射或其用常规的溅射或汽化技术被由靶极溅射。在溅射涂敷过程中，溅射的质粒以宽大发射角度由靶极发射。IPVD依靠将质粒离子化以便使它们能被静电地或电气控制在垂直于基底的方向上来寻求改善定向性。IPVD，被溅射质粒在到基底途中所通过的靶极与基底之间的空间中的气体内产生额外的等离子体。先有技术中，已借助各种方法例如以将RF能量作容性耦合进靶极下游腔室来在此空间中形成此额外的等离子体，或者借助电子回旋共振(ECR)或其他微波等离子体生成技术使其在远离此空间形成然后再流进此空间。穿过这一空间的溅射材料质粒与电子或被离子化处理气体的亚稳态中子碰撞。碰撞趋向于由被溅射质粒的原子剥离电子，留下带正电的质粒。溅射材料的这些正离子然后由例如对基底所加的负偏压被向着基底作电气加速。先有技术中的IPVD显示出多个缺点和问题，它们防碍在制造环境下的实际应用。例如说，这样的处理造成整个效率低下。具体说，IPVD处理典型地会带来低沉积率。而且此先有技术过程已产生很高程度的薄膜污染。特别是在采用先有技术的IPVD建议时，已发现因为靶极处的溅射功率增加而使高纵横比形体的填充恶化。这样的恶化与这种靶极/磁控管组件通常可达到的12至30kw相比将铝合金的溅射功率导致与增加污染的同时使得生产率和产量降低的低沉积率，例如与典型的约45s至1min的晶片处理时间相比达到每一晶片的10至40min的溅射时间。而且，发现除非设备在溅射室由相当高的压力例如20至40mtorr下运行被溅射材料的部分离子化将很低。以氩作为处理气体，这一压力高于通常小于15mtorr或低真空压强范围内的所希望的溅射压力。较高压力具有降低所沉积膜特性的质量并增加膜污染的趋向。此外，较高的运行压力降低处理的平面领域的均匀性，迫使增大真空腔室设计，这又进一步降低离子化效率。先有技术IPVD处理所带来的其他问题在于对RF电极或元件被不希望地溅射，这是由于等离子体、其上面非所希望的沉积而累积溅射的材料由RF元件剥落、RF元件由等离子体或沉积在元件上的材料的短接和其他等离子体及材料与电极或被用来耦合RF能量进入等离子体以离子化所溅射材料的元件的交互作用。因而需要有IPVD设备和方法来克服先有技术的这些缺点和问题。具体说，必须要有能提供满意高的整体效率，特别高的沉积率，高溅射材料离子化效率和低沉积膜污染的现实和有效的IPVD设备。尤其需要一种设备能产生高度均匀性和高质量的薄膜，同时提供商业上可采用过程的足够的生产率。专利技术概述本专利技术的主要目的是提供用于在VLSI和ULSI半导体晶片的窄小的高纵横比孔和沟渠的底部和在一定程度上的边上沉积薄膜的方法和设备。本专利技术的主要目的也在于提供为本文档来自技高网...

【技术保护点】
离子化物理沉积方法，包括步骤： 以主能源在真空腔室中生成主等离子体和溅蚀靶极以在靶极与要加涂敷的基底之间的空间中产生涂敷材料质粒； 用包围此空间的线圈和通过插入在线圈与空间的介质材料将来自线圈的ＲＦ能量感性耦合进基底与主等离子体之间的空间的容积内来以此耦合ＲＦ能量在此容积内激发二次等离子体并以此二次等离子体将此容积内的涂敷材料的质粒离子化； 在进行主等离子体生成步骤的同时以一与此介质材料隔开并被置于此空间与介质材料之间的屏蔽物理地将介质材料与涂敷材料的质粒隔离开而不致将此容积与ＲＦ能量电气隔离；和 电气地将来自此容积的涂敷材料的离子化质粒导引到基底上。

【技术特征摘要】
US 1997-4-21 08/837,551;US 1997-4-21 08/844,756;US1.离子化物理沉积方法，包括步骤以主能源在真空腔室中生成主等离子体和溅蚀靶极以在靶极与要加涂敷的基底之间的空间中产生涂敷材料质粒；用包围此空间的线圈和通过插入在线圈与空间的介质材料将来自线圈的RF能量感性耦合进基底与主等离子体之间的空间的容积内来以此耦合RF能量在此容积内激发二次等离子体并以此二次等离子体将此容积内的涂敷材料的质粒离子化；在进行主等离子体生成步骤的同时以一与此介质材料隔开并被置于此空间与介质材料之间的屏蔽物理地将介质材料与涂敷材料的质粒隔离开而不致将此容积与RF能量电气隔离；和电气地将来自此容积的涂敷材料的离子化质粒导引到基底上。2.权利要求1所述方法，其特征是还包括步骤偏压此屏蔽来控制由形成在屏蔽阵列上的薄膜带来的基底污染。3.权利要求1所述方法，其特征是还包括步骤偏压此屏蔽来控制被沉积在基底上的膜的分布。4.权利要求3所述方法，其特征是此偏压步骤包括有个别地和有选择地偏压多个电气上屏蔽的段来控制被沉积在基底上的膜的分布。5.权利要求1所述方法，其特征是此耦合步骤通过真空腔室的室壁中的介质窗进行。6.权利要求1所述方法，其特征是此耦合步骤以被置于腔室之外的线圈并通过真空腔室的室壁中的介质窗进行。7.权利要求1所述方法，其特征是此耦合步骤以被置于腔室之内的线圈并通过腔室之内的介质窗进行。8.权利要求1中所述方法，其特征是此耦合步骤以在腔室之内的具有介质材料覆盖线圈的线圈进行。9.权利要求1所述方法，其特征是离子化质粒电气导引步骤包括有偏压基底来由此容积吸引涂敷材料的离子化质粒到达基底上。10.离子化物理汽相沉积设备，包括真空溅射室；在此腔室中的具有溅射表面的溅射靶极；被连接到靶极以激励靶极来在邻近溅射表面处产生主等离子体的阴极功率源；基底支座，在此腔室中与靶极隔开，被定向于在其上支撑面向靶极并与之平行的基底，和确定靶极与基底保持器之间的空间；围绕在主等离子体与基底保持器之间腔室的容积的线圈；RF能量源，被连接到此线圈以激励此线圈来感性耦合RF能量进入此容积形成二次等离子体来离子化通经此容积的飞行中的溅射材料；用于电气导引溅射材料离子在垂直于基底的方向上的装置；被插入在线圈与此空间之间来将线圈与此空间中的等离子体隔离地非导电性保护结构；和环形地围绕并在此空间之外，在真空腔室内部和与非导电性保护结构向内隔开地设置在靶极与此非导电性保护结构之间以便将此非导电性保护结构与溅射材料物理地分隔的屏蔽，此屏蔽具有至少一轴向伸展的间隙来至少部分地电气分开此屏蔽以足够降低屏蔽中的环形电流。11.权利要求10所述设备，其特征是此屏蔽包括有多个被电气切开各段的间隙隔开的各屏蔽段阵列。12.权利要求10所述设备，其特征是此非导电性保护结构包括有在腔室室壁中的介质窗，此线圈被定位在腔室之外此窗的后面。13.权利要求10所述设备，其特征是此线圈被置于腔室之内；和此非导电性保护结构包括有线圈与此空间之间腔室室内的介质窗。14.权利要求10所述设备，其特征是该线圈被布置在腔室内，以及此非导电性保护结构包括有线圈上的绝缘层。15.权利要求14所述设备，其特征是此绝缘层完全遮盖线圈。16.权利要求14所述设备，其特征是此绝缘层包括有多个被具有能支持等离子体穿过间隙到达线圈的足够宽度的间隙分开的绝缘段。17.权利要求10所述设备，其特征是RF能量源可在0.1至60MHZ间的频率来激励此线圈。18.权利要求10所述设备，其特征是还包括用于电气偏压此屏蔽的装置。19.权利要求10所述设备，其特征是此屏蔽包括有一个由多个被作电气分离各段的间隙所隔开的屏蔽段的阵列；和此设备还包括为电气偏压此阵列的屏蔽段的装置。20.权利要求10所述设备，其特征是用于导引溅射材料离子的装置包括有被连接到支座以电气偏压支座上的基底来在垂直于基底的方向上加速溅射材料离子的偏压能量发生器。21.离子化物理沉积方法，包括步骤以一主能源在一真空腔室内产生主等离子体；在真空腔室内以主等离子体溅射导电性涂敷材料的靶极借此在靶极与欲加涂敷的被支持在腔室中的基底之间的空间中产生导电性涂敷材料的溅射质粒；通过线圈与此空间之间的介质窗由包围此空间的线圈感性耦合RF能量和在位于基底与靶极间的此空间的一容积中以此耦合的RF能量形成二次等离子体；以此二次等离子体离子化此容积中的涂敷材料的溅射质粒；以一在真空腔室向内与窗隔开的屏蔽将介质窗与导电涂敷材料的溅射质粒相隔开，这样如果此屏蔽被此导电涂敷材料覆盖它即允许来自线圈的RF能量通过进入此容积；和由此容积向着基底导引涂敷材料的离子化质粒。22.权利要求21所述，其特征是此离子化质粒导引步骤包括有电气偏压基底和由此向着基底屏蔽的静电吸引涂敷材料的离子化质粒。23.权利要求21所述方法，其特征是此屏蔽步骤以一不会提供围绕此空间的环形电流通路的屏蔽进行。24.离子化物理汽相沉积设备，包括真空溅射腔室，具有对向的端部和在端部之间围绕此腔室伸展的侧壁，此侧壁具有在其中围绕腔室伸展的介质窗；在其一端以此腔室中的轴线为中心和其上具有溅射表面的溅射靶极；可分开运行的功率源，包括有(a)用于离子化此腔室中气体以产生由靶极的溅射表面溅射此靶极溅射材料的气体离子而激励主等离子体的阴极功率源和(b)为离子化已被由靶极的溅射表面溅射之后的材料产生二次等离子体的RF能量源；连接到靶极以激励靶极来在紧密贴近溅射表面产生主等离子体的阴极功率源；腔室中在其端部相对靶极并与靶极隔开以支持平行于靶极的基底的基底支座；在腔室之外围绕相对主等离子体与基底保持器之间的腔室的容积的介质窗线圈；RF能量源，连接到线圈以激励此线圈来将RF能量通过窗感性耦合到此容积中的二次等离子体以便离子化通过其中的飞行中溅射材料；和围绕在此容积之外腔室和由至少一个在窗内侧并与之隔开的倾斜的屏蔽段构成的屏蔽，各段具有面向靶极的表面和以对靶极溅射表面和对靶极的轴的角度倾斜来基本上将窗上所有的点从靶极溅射表面遮挡住，此屏蔽具有至少一个其中切断围绕此腔室的环形电流路径的间隙和此屏蔽被配置得利于二次等离子体由窗邻近伸展进此容积。25.权利要求24所述设备，其特征是此屏蔽包括有多个屏蔽段。26.权利要求24所述设备，其特征是还包括偏压电位发生器，连接到支座以电气偏压支座上的基底以便在垂直于基底的方向上加速溅射材料的离子。27.权利要求24所述设备，其特征是此屏蔽包括有多个轴向隔开的截头圆锥形屏蔽段。28.权利要求24所述设备，其特征是此屏蔽包括有多个其间具有轴向伸展的间隔的圆周方向隔开的叶片状屏蔽段。29.权利要求24所述设备，其特征是此线圈是被布置围绕此腔室的螺旋线圈。30.权利要求24所述设备，其特征是屏蔽阵列被加以偏压。31.离子化物理汽相沉积设备，包括真空溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯翰奥贝迪阿什蒂亚尼，伊斯雷尔瓦格纳，科里A韦斯，詹姆斯安东尼塞马科，克劳德麦奎诺恩，托马斯J利卡塔，亚利山大D兰茨曼，
申请(专利权)人：东京电子亚利桑那公司，东京电子株式会社，
类型：发明
国别省市：US[美国]