法拉第屏蔽桶、环形件、腔室组件及重溅射腔室

摘要

本发明提供一种法拉第屏蔽桶，在法拉第屏蔽桶的与环形件形成间隙的位置处形成有辅助结构，辅助结构用于减少法拉第屏蔽桶和环形件之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小分布电容的容值大小。还提供一种环形件，在环形件的与法拉第屏蔽桶形成间隙的位置处形成有辅助结构，辅助结构用于减少法拉第屏蔽桶和环形件之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小分布电容的容值大小。本发明提供的腔室组件和重溅射腔室，可以提高重溅射刻蚀的速率。

权利要求

1.一种法拉第屏蔽桶，用于与接地的环形件绝缘设置，所述法拉第屏蔽筒置于所述环形件上，且二者之间形成有间隙，其特征在于，所述间隙具有能够防止等离子体进入该间隙的深宽比；

所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成有环形挡墙，所述环形挡墙的外周壁与所述环形件的内周壁在轴向上形成所述间隙；

在所述法拉第屏蔽桶的与所述环形件形成间隙的位置处形成有辅助结构，所述辅助结构用于减少所述法拉第屏蔽桶和所述环形件之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小所述分布电容的容值大小。

2.根据权利要求1所述的法拉第屏蔽桶，其特征在于，所述辅助结构为在所述环形挡墙上沿其轴向设置的多个环形凹部；每个所述环形凹部的底面正对所述环形件，以增大所述平行板间距离。

3.根据权利要求2所述的法拉第屏蔽桶，其特征在于，所述环形凹部沿所述轴向的截面轮廓形状为规则图形。

4.根据权利要求1所述的法拉第屏蔽桶，其特征在于，所述辅助结构为相对所述法拉第屏蔽桶轴向倾斜的所述环形挡墙的外周壁，以增大所述平行板间距离。

5.根据权利要求1所述的法拉第屏蔽桶，其特征在于，所述辅助结构为依次连续形成有多个台阶的所述环形挡墙的外周壁，以增大所述平行板间距离。

6.一种环形件，用于与法拉第屏蔽桶绝缘设置，所述法拉第屏蔽筒置于所述环形件上，且二者之间形成有间隙，其特征在于，所述间隙具有能够防止等离子体进入该间隙的深宽比；

所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成有环形挡墙，所述环形挡墙的外周壁与所述环形件的内周壁在轴向上形成所述间隙；在所述环形件的与所述法拉第屏蔽桶形成间隙的位置处形成有辅助结构，所述辅助结构用于减少环形件与所述法拉第屏蔽桶之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小所述分布电容的容值大小。

7.根据权利要求6所述的环形件，其特征在于，所述辅助结构为在所述环形件上沿其轴向设置的多个环形凹部；每个所述环形凹部的底面正对所述法拉第屏蔽桶，以增大所述平行板间距离。

8.根据权利要求7所述的环形件，其特征在于，所述环形凹部沿所述轴向的截面轮廓形状为规则图形。

9.根据权利要求6所述的环形件，其特征在于，所述辅助结构为相对所述轴向倾斜的所述环形件的内周壁，以增大所述平行板间距离。

10.根据权利要求6所述的环形件，其特征在于，所述辅助结构为依次连续形成有多个台阶的所述环形件的内周壁，以增大所述平行板间距离。

11.一种腔室组件，包括法拉第屏蔽桶和接地的环形件，且二者绝缘设置；其特征在于，所述法拉第屏蔽桶采用权利要求1-5任意一项所述的所述法拉第屏蔽桶；和/或所述环形件采用权利要求6-10任意一项所述的环形件。

12.根据权利要求11所述的腔室组件，其特征在于，所述环形件的辅助结构和所述法拉第屏蔽桶的辅助结构以轴对称方式相对设置。

13.根据权利要求11所述的腔室组件，其特征在于，所述环形件的数量为两个，为上环形件和下环形件；

所述上环形件和所述下环形件分别与所述法拉第屏蔽桶的上端和下端绝缘设置。

14.一种重溅射腔室，包括腔室组件，其特征在于，所述腔室组件采用权利要求11-13任意一项所述的腔室组件。

说明书

法拉第屏蔽桶、环形件、腔室组件及重溅射腔室

技术领域

[0001] 本发明属于半导体加工设备技术领域，具体涉及一种法拉第屏蔽桶、环形件、腔室组件及重溅射腔室。

背景技术

[0002] 传统溅射技术无法控制溅射粒子的方向，使得溅射进入具有高深宽比的通孔和狭窄沟道的能力受到限制，会出现如图1所示的顶部悬挂(Overhang)和底部拐角填充不足的问题。为改善该问题，先采用等离子体物理气相沉积技术，不仅能够利用高密度的等离子体溅射靶材产生金属离子，同时在基片下方加入适量偏压吸引等离子朝向基片方向，但改善效果不佳；后来出现重溅射技术，即在溅射过程中或溅射完成后对金属离子或氩离子的能量和运动方向进行控制，对已沉积的薄膜进行轰击，将孔隙顶部拐角处和孔隙底部已沉积的较厚的薄膜重新轰击，调整薄膜台阶覆盖状态。

[0003] 在Cu互连技术的制备阻挡层薄膜的工艺中，就应用了重溅射技术，目前主流的阻挡层薄膜的制备工艺流程如图2所示，图3为图2 所采用的腔室的结构示意图，请先参看图3，该腔室中包括接地的采用金属材料制成的环形件1、2、3和16；该腔室的顶壁上设置有Ta靶 13，Ta靶13与DC电源14的阴极电连接；在Ta靶的上方设置有磁控管15；在Ta靶13和环形件3之间设置有陶瓷环9；在腔室内且与Ta 靶13正对下方设置有静电卡盘(ESC)4，用于放置基片；腔室的侧壁为圆筒状的绝缘筒6，在绝缘筒6上缠绕有螺线管状的电感线圈5；电感线圈5通过阻抗匹配器12与上电极射频电源11相连；在绝缘筒6 内安装有金属(例如铝)桶10作为法拉第屏蔽桶，法拉第屏蔽桶10 件上开有竖直的接缝18(在此处完全断开)，如图4、图
5所示，接缝18能够有效阻止法拉第屏蔽桶10产生的涡流损耗发热；法拉第屏蔽桶10置于环形件16上，两者之间隔有多个陶瓷支撑件17，法拉第屏蔽桶10的下端和环形件16之间形成有间隙，法拉第屏蔽桶10的下端设置有延伸部；延伸部用于遮挡环形件16，延伸部和环形件
16的内壁形成该间隙，该间隙具有可防止等离子体进入该间隙的深宽比h/d，以能够有效防止绝缘桶6和陶瓷支撑件17被离子化的Ta镀上而形成闭合回路，进而导致涡流损耗和腔室状态变化；环形件3具有朝向法拉第屏蔽桶的内部延伸的延伸臂，延伸臂用于遮挡法拉第屏蔽桶10的上端，延伸臂和法拉第屏蔽桶的上端的内壁形成间隙，该间隙具有可防止等离子体进入该间隙的深宽比h/d，以避免环形件3和法拉第屏蔽桶10被离子化的Ta镀上而形成闭合回路，该深宽比一般大于10:1，d 一般取值为1mm；静电卡盘4通过阻抗匹配器7与下电极射频电源8 相连。

[0004] 请再参阅图2，根据图2所示Ta阻挡层薄膜的制备工艺流程，在重溅射刻蚀工艺步骤之前，会利用DC功率产生Ar等离子体，Ar离子轰击Ta靶材，并且下电极射频电源8的射频功率通过阻抗匹配器7加在静电卡盘4上以产生射频自偏压，结果在基片上沉积上一层Ta薄膜，然后进入到重溅射刻蚀工艺步骤，上电极射频电源11通过阻抗匹配器 12将射频功率加在电感线圈5上，能量从电感线圈5耦合到反应腔室内部，使反应腔室中的Ar气电离形成高密度等离子体，下电极射频电源8的射频功率通过阻抗匹配器7，以在静电卡盘4上以产生射频自偏压，从而吸引离子对基片上的已沉积的Ta薄膜进行轰击，实现重溅射刻蚀。

[0005] 假设在重溅射刻蚀工艺步骤之前，基片上沉积的Ta薄膜的厚度为δ1，进行重溅射刻蚀工艺步骤(时间为t秒)之后基片上Ta薄膜的厚度变为δ2，则重溅射刻蚀的速率(Resputter Rate，以下简称RR)可以表示为：

[0006]

[0007] 通过电感线圈5耦合进入腔室的射频功率越大，腔室内Ar离子的密度就越高，Resputter Rate也会越高，所以Resputter Rate与上电极射频能量的耦合效率有很大关系；而静电卡盘4上射频功率大小决定Ar 离子轰击Ta薄膜的能量，静电卡盘4上射频功率越大，静电卡盘4上产生的射频自偏压越大，Ar离子轰击Ta薄膜的能量越高，Resputter Rate也会越高，当然，静电卡盘4上射频功率不能无限大，否则静电卡盘易打火，一般为1000W左右。

[0008] 采用图3所示的现有腔室进行重溅射刻蚀，重溅射刻蚀的速率RR 偏低，不能很好地满足要求。

发明内容

[0009] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种法拉第屏蔽桶、环形件、腔室组件及重溅射腔室，可以提高重溅射刻蚀的速率。

[0010] 为解决上述问题之一，本发明提供了一种法拉第屏蔽桶，用于与接地的环形件绝缘设置，且二者之间形成有间隙，所述间隙具有能够防止等离子体进入该间隙的深宽比；

[0011] 在所述法拉第屏蔽桶的与所述环形件形成间隙的位置处形成有辅助结构，所述辅助结构用于减少所述法拉第屏蔽桶和所述环形件之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小所述分布电容的容值大小。

[0012] 优选地，所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成有环形挡墙，所述环形挡墙的外周壁与所述环形件的内周壁在轴向上形成所述间隙；所述辅助结构为在所述环形挡墙上沿其轴向设置的多个环形凹部；每个所述环形凹部的底面正对所述环形件，以增大所述平行板间距离。

[0013] 优选地，所述环形凹部沿所述轴向的截面轮廓形状为规则图形。

[0014] 优选地，所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成环形挡墙，所述环形挡墙的外周壁与所述环形件的内周壁在轴向上形成所述间隙；

[0015] 所述辅助结构为相对所述法拉第屏蔽桶轴向倾斜的所述环形挡墙的外周壁，以增大所述平行板间距离。

[0016] 优选地，所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成有环形挡墙，所述环形挡墙的外周壁与所述环形件的内周壁在轴向上形成所述间隙；

[0017] 所述辅助结构为依次连续形成有多个台阶的所述环形挡墙的外周壁，以增大所述平行板间距离。

[0018] 本发明还提供一种环形件，用于与法拉第屏蔽桶绝缘设置，且二者之间形成有间隙，所述间隙具有能够防止等离子体进入该间隙的深宽比；

[0019] 在所述环形件的与所述法拉第屏蔽桶形成间隙的位置处形成有辅助结构，所述辅助结构用于减少环形件与所述法拉第屏蔽桶之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小所述分布电容的容值大小。

[0020] 优选地，所述间隙为在轴向上的间隙；所述辅助结构为在所述环形件上沿其轴向设置的多个环形凹部；每个所述环形凹部的底面正对所述法拉第屏蔽桶，以增大所述平行板间距离。

[0021] 优选地，所述环形凹部沿所述轴向的截面轮廓形状为规则图形。

[0022] 优选地，所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成环形挡墙，所述环形挡墙的外侧壁与所述环形件的内侧壁在轴向上形成所述间隙；

[0023] 所述辅助结构为相对所述轴向倾斜的所述环形件的内周壁，以增大所述平行板间距离。

[0024] 优选地，所述法拉第屏蔽桶下表面的内环区域形成环形挡墙，所述环形挡墙的外侧壁与所述环形件的内侧壁在轴向上形成所述间隙；所述辅助结构为依次连续形成有多个台阶的所述环形件的内周壁，以增大所述平行板间距离。

[0025] 本发明还提供一种腔室组件，包括法拉第屏蔽桶和接地的环形件，且二者绝缘设置；所述法拉第屏蔽桶采用上述提供的所述法拉第屏蔽桶；和/或，所述环形件采用上述提供的环形件。

[0026] 优选地，所述环形件的辅助结构和所述法拉第屏蔽桶的辅助结构以轴对称方式相对设置。

[0027] 优选地，所述环形件的数量为两个，为上环形件和下环形件；

[0028] 所述上环形件和所述下环形件分别与所述法拉第屏蔽桶的上端和下端绝缘设置。

[0029] 本发明还提供一种重溅射腔室，包括腔室组件，所述腔室组件采用上述提供的腔室组件。

[0030] 本发明具有以下有益效果：

[0031] 本发明中，可通过在下环形件的与法拉第屏蔽桶形成间隙的位置处形成有辅助结构，和/或，在上环形件的与法拉第屏蔽桶形成间隙的位置处形成有辅助结构，辅助结构用于减少法拉第屏蔽桶和环形件之间形成的分布电容的平行板正对面积和平行板间距离之间的比值，以减小分布电容的容值大小，这样，能够增大下环形件和/或上环形件分别与法拉第屏蔽桶之间的容抗，使得法拉第屏蔽桶流过的涡流电流变小，法拉第屏蔽桶消耗的射频功率减少，让更多的能量耦合在等离子体上，因而可以提高等离子体的密度，从而提高重溅射工艺的速率。

附图说明

[0032] 图1为传统溅射技术沉积示意图；

[0033] 图2为主流的阻挡层的制备工艺的流程图；

[0034] 图3为图2所采用的腔室的结构示意图；

[0035] 图4为图2中法拉第屏蔽桶的结构图；

[0036] 图5为图4中的局部放大图；

[0037] 图6为图2中拉法第屏蔽桶和环形件的放大图；

[0038] 图7为图3中法拉第屏蔽桶和大地之间的等效电路图；

[0039] 图8为本发明实施例提供的重溅射腔室的结构示意图；

[0040] 图9a为图8中局部区域I的局部放大图；

[0041] 图9b为图8中下环形件的立体图；

[0042] 图10-图13为图8中局部区域I的多种局部放大图。

具体实施方式

[0043] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的法拉第屏蔽桶、环形件、腔室组件及重溅射腔室进行详细描述。

[0044] 在描述本发明实施例提供的法拉第屏蔽桶、环形件、腔室组件及重溅射腔室之前，先分析现有技术所存在重溅射刻蚀的速率RR偏低的问题的原因：

[0045] 由变压器互感知识可知，电感线圈5作为初级线圈，其上加载有 2MHz的交流电流I1，在腔室内产生的涡旋电场会在作为次级线圈的法拉第屏蔽桶10上感应出电动势ξ2：

[0046]

[0047] 其中，M为电感线圈5与法拉第屏蔽桶10之间的互感。从图6看出：为了防止绝缘桶6和陶瓷支撑件17在沉积时镀上Ta，法拉第屏蔽桶10与接地的环形件16有很多正对的交叠面，且交叠面间的缝隙还必须具有一定的深宽比，以防止Ta自二者之间的间隙进入；如图6所示，法拉第屏蔽桶10与环形件16之间平行板正对面积为S1、S2、S3，交叠面间平行板间距离相应为d1、d2、d3，根据电容计算公式

[0048] 其中，ε0为真空介电常数；

[0049] 可知：法拉第屏蔽桶10与环形件16之间的分布电容C10-16可表示为[0050]

[0051] 基于相似的方法，也可计算出法拉第屏蔽桶10与环形件3之间的分布电容C10-3，在此不再详述。

[0052] 由于对于上电极电源11输出的射频信号(例如，射频频率为 2MHz)而言，分布电容C10-16和C10-3不可忽略，法拉第屏蔽桶10和环形件3、16之间形成如图7所示的等效电路图，其中图7中的R表示法拉第屏蔽桶10的内阻，分布电容变大时，分布电容的容抗会变小，故法拉第屏蔽桶10流过的涡流电流I2变大，这就意味着法拉第屏蔽桶 10消耗的射频功率增大，等离子体吸收的射频功率相应变小，因此造成等离子体的密度变低，从而造成重溅射工艺的速率降低。

[0053] 图8为本发明实施例提供的重溅射腔室的结构示意图；请参阅图 8，本发明实施例提供的重溅射腔室与图3所示的腔室相比，二者的区别仅在：本实施例中，为了便于描述，下文中环形件3称之为上环形件3；环形件16称之为下环形件16；并且，本发明中仅对下环形件16 进行改进和说明，具体改进如下：

[0054] 在下环形件16的与法拉第屏蔽桶10形成间隙的位置处形成有辅助结构，辅助结构用于减少法拉第屏蔽桶10和下环形件16之间形成的分布电容的平行板正对面积与平行板间距离之间的比值，以减小形成的分布电容C10-16的容值大小，这样，增大下环形件16和法拉第屏蔽桶10之间的容抗，使得法拉第屏蔽桶10流过的涡流电流I2变小，法拉第屏蔽桶10消耗的射频功率减少，让更多的能量耦合在等离子体上，因而可以提高等离子体的密度，从而提高重溅射工艺的速率。

[0055] 在本实施例中，法拉第屏蔽桶10下表面的内环区域形成环形挡墙102，所述环形挡墙102的外周壁述与下环形件16的内周壁在轴向上形成有上述间隙(换言之，上述间隙为在轴向上的间隙)，所述内环区域是指靠近环心的环形区域，本文中所述的轴向均是指法拉第屏蔽筒10和环形件3或16的轴向，均为图中的竖直方向。

[0056] 请参阅图9a和图9b，辅助结构形成在下环形件16上，为在下环形件16上沿其轴向设置的多个环形凹部161；每个环形凹部161的底面正对法拉第屏蔽桶，以增大所述平行板间距离。

[0057] 更具体地，环形凹部161沿轴向的轮廓形状为规则图形，所谓规则图形包括：三角形、正方形、矩形、菱形、平行四边形、圆形、椭圆形、正梯形，这样，该辅助结构制备相对简单。当然，实际应用，该轮廓形状还可以为非规则图形，同样能够减小上述分布电容。

[0058] 请参阅图9a和图9b，该规则图形为平行四边形，图9a中的S1、 S2和S3是指图6中的S1、S2和S3，在这种情况下，根据电容计算公式：

[0059]

[0060] 其中，ε0为真空介电常数；

[0061] 计算法拉第屏蔽桶10与接地的下环形件16之间的分布电容C10-16：

[0062]

[0063] 简化为：

[0064] 故，本发明实施例计算出的分布电容C10-16相比图7中可计算的分布电容C10-16，分布电容C10-16减小了很多。

[0065] 同时参阅图10和图9a，对比二者的相同点在于辅助结构均为环形凹部，不同点在于，图10所示的环形凹部101位于法拉第屏蔽桶10 上。更具体地，环形凹部101沿轴向上的轮廓形状为正梯形。基于图 9a相似的原理，在此不再详述，图10同样能够增大分布电容的平行板间距离，从而减小分布电容C10-16。

[0066] 参见图11a和图11b，辅助结构为相对轴向倾斜的下环形件16 的内周壁，以增大平行板间距离。具体地，请对比图11a和图6，相比图6所示的现有技术而言，本发明中的下环形件16的内周壁的由上至下依次靠近轴线，基于图9a相似的原理，在此不再详述，同样能够增大上述分布电容的平行板间距离。请对比图11b和图6，相比图 6所示的现有技术而言，本发明中的下环形件16的内周壁的由上至下依次远离轴线，能够增大上述分布电容的平行板间距离。

[0067] 参见图11c和图11d，其与图11a和图11b 的不相同点在于，辅助结构为相对轴向倾斜的环形挡墙102的外周壁，以增大平行板间距离。具体地，请对比图11c和图6，相比图6所示的现有技术而言，本发明中的环形挡墙102的内周壁的由上至下依次靠近轴线，基于图 9a相似的原理，在此不再详述，同样能够增大上述分布电容的平行板间距离。请对比图11d和图6，相比图6所示的现有技术而言，本发明中的环形挡墙102的外周壁的由上至下依次远离轴线，基于图9a 相似的原理，在此不再详述，同样能够增大上述分布电容的平行板间距离。

[0068] 参见图12a和图12b，图12a和图12b中辅助结构为依次连续形成有多个台阶162的下环形件16的内周壁，以增大平行板间距离。图12a和图12b不同点在于：图12a的台阶162朝上，图12b的台阶 162朝下，二者基于图9a相似的原理，在此不再详述，图12a和图12b 同样能够增大分布电容的平行板间距离，从而减小分布电容C10-16。

[0069] 参见图12c和图12d，与图12a和图12b的区别在于：辅助结构为依次连续形成有多个台阶103的环形挡墙的外周壁，以增大平行板间距离。图12c的台阶103朝上，图12d的台阶103朝下，二者基于图 9a相似的原理，在此不再详述，图12a和图12b同样能够增大分布电容的平行板间距离，从而减小分布电容C10-16。

[0070] 另外，参见图13，法拉第屏蔽桶10和下环形件16上均设置有辅助结构，且辅助结构均类似上图10所示的结构，在此情况下，如图13 所示，下环形件16的辅助结构和法拉第屏蔽桶10的辅助结构以轴对称方式相对设置。当然，在实际应用中，下环形件16的辅助结构和法拉第屏蔽桶10的辅助结构以轴对称方式相对设置，此时的该辅助结构并不限于图10所示结构，可以为上述图9a至图12d以及其他任何结构。

[0071] 需要在此说明是，在实际应用中，在具有图9a～图13所示的辅助结构的重溅射腔室，应该还尽可能满足法拉第屏蔽桶10和下环形件16 之间的间隙深宽比h/d，以尽可能避免腔室状态发生变化。

[0072] 需要说明的是，虽然在本实施例中通过减小下环形件16和法拉第屏蔽桶10之间的分布电容C10-16，来解决重建射工艺的速率较低的问题；当然，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以通过减小上环形件3和法拉第屏蔽桶10之间的分布电容C10-3来解决该技术问题；另外，还可以通过同时减小分布电容C10-16和C10-3来解决该技术问题，这能够明显提升重溅射工艺的速率Resputter Rate。

[0073] 在仅通过减小C10-3的情况下，不仅可仅对上环形件3进行改进，也可以仅对法拉第屏蔽桶10的上端进行改进，还可以同时对上环形件 3和法拉第屏蔽桶10的上端进行改进，具体的改进方式可采用图9a- 图12d所示的结构，对上环形件3和法拉第屏蔽桶10进行改进。

[0074] 在同时通过减小C10-16和C10-3的情况下，可以将仅通过减小C10-3的方案和仅通过减小C10-16的方案一一任意组合即可。

[0075] 在此需要说明的是，上述改进后的上环形件16或下环形件3即为本发明提供的环形件；上述改进后的法拉第屏蔽桶10即为本发明提供的法拉第屏蔽桶。

[0076] 另外，本发明提供的种腔室组件，包括法拉第屏蔽桶和接地的环形件，且二者绝缘设置，法拉第屏蔽桶采用本发明提供的法拉第屏蔽桶；和/或，环形件采用本发明提供的环形件。

[0077] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。