磁控溅射沉积装置

摘要

本发明提供了一种磁控溅射沉积装置，包括沉积腔室、靶材、磁控管、晶圆基座、环形电极和交流电源；靶材设置于沉积腔室的内部上方，晶圆基座位于沉积腔室的底部与靶材相对设置，晶圆基座用于放置待沉积的晶圆；靶材和晶圆基座之间设置有环形电极，靶材的投影面位于环形电极的投影面轮廓线之内；环形电极连接交流电源，用于在惰性气体离化后，向沉积腔室提供中心对称的周期变化电场，以引导惰性气体离子偏转轰击靶材，通过在靶材和晶圆之间形成一个中心对称的周期变化电场，使得惰性气体离子能够对靶材进行扫描式轰击，使靶材的消耗更均匀，提高靶材的利用率，节省靶材的使用成本。

权利要求

1.一种磁控溅射沉积装置，其特征在于，包括沉积腔室、靶材、磁控管、晶圆基座、环形电极和交流电源；

所述靶材设置于所述沉积腔室的内部上方，所述晶圆基座位于所述沉积腔室的底部与所述靶材相对设置，所述晶圆基座用于放置待沉积的晶圆；

所述靶材和所述晶圆基座之间设置有所述环形电极，所述靶材的投影面位于所述环形电极的投影面轮廓线之内；

所述环形电极连接所述交流电源，用于在惰性气体离化后，向所述沉积腔室提供中心对称的周期变化电场，以引导惰性气体离子偏转轰击所述靶材；

其中，所述环形电极在轴向上设置在靠近所述靶材一侧。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极固定在所述沉积腔室的内部，且与所述沉积腔室的内壁绝缘；

或，所述环形电极固定在所述沉积腔室的外部，且与所述沉积腔室的外壁绝缘。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极的中轴线与所述靶材的中轴线重合。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极的中轴线与晶圆基座的中轴线重合。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极的高度为2cm~

30cm。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极的高度为

10cm。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极上还均匀开设有孔洞。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述环形电极沿周向开设有N条沟槽，以将所述环形电极分割为N+1个环形电极区域，每个所述环形电极区域均连接所述交流电源。

9.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述交流电源的功率为100W

1000W。

~

10.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述交流电源的功率为

300W。

11.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述交流电源的频率为

220Hz 2MHz。

~

12.根据权利要求1所述的磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述交流电源的频率为

20KHz。

说明书

磁控溅射沉积装置

技术领域

[0001] 本说明书涉及半导体技术领域，具体涉及一种磁控溅射沉积装置。

背景技术

[0002] 在半导体的生产过程中，在半导体的生产过程中，会使用磁控溅射沉积技术在目标表面沉积金属。磁控溅射沉积技术是在真空环境下，通过电场和磁场的共同作用，利用被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出，以在晶圆上沉积形成薄膜。磁控溅射沉积技术可以用于对铝、铜、金、铂等金属薄膜的沉积，以构成金属接触以及金属互连线等工艺。在磁控溅射沉积过程中，由于磁控管在靶材表面产生的电场不均匀，会使靶材的消耗产生不均匀的现象，消耗速度快的区域中靶材材料用尽或接近用尽，需要频繁的进行靶材更换，而此时消耗速度慢的区域中尚有靶材材料未利用，从而造成了靶材浪费。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本说明书实施例提供一种磁控溅射沉积装置，能够提高溅射过程中靶材的平坦化程度，使靶材的消耗更均匀，提高靶材的利用率，节省靶材的使用成本。

[0004] 本说明书实施例提供以下技术方案：

[0005] 一种磁控溅射沉积装置，包括沉积腔室、靶材、磁控管、晶圆基座、环形电极和交流电源；

[0006] 所述靶材设置于所述沉积腔室的内部上方，所述晶圆基座位于所述沉积腔室的底部与所述靶材相对设置，所述晶圆基座用于放置待沉积的晶圆；

[0007] 所述靶材和所述晶圆基座之间设置有所述环形电极，所述靶材的投影面位于所述环形电极的投影面轮廓线之内；

[0008] 所述环形电极连接所述交流电源，用于在惰性气体离化后，向所述沉积腔室提供中心对称的周期变化电场，以引导惰性气体离子偏转轰击所述靶材。

[0009] 在上述方案中，通过在靶材和晶圆基座之间增加环形电极，并且该环形电极连接交流电源，在交流电的作用下，环形电极在靶材和晶圆之间形成一个沿环形电极中心对称的周期变化电场，离化的惰性气体离子在电场的作用下发生偏转，使得惰性气体离子对靶材进行往复的扫描式轰击，使靶材的消耗更均匀，提高靶材的利用率，节省靶材的使用成本。

[0010] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极在轴向上设置在靠近所述靶材一侧。

[0011] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极固定在所述沉积腔室的内部，且与所述沉积腔室的内壁绝缘；

[0012] 或，所述环形电极固定在所述沉积腔室的外部，且与所述沉积腔室的外壁绝缘。

[0013] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极的中轴线与所述靶材的中轴线重合。

[0014] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极的中轴线与晶圆基座的中轴线重合。

[0015] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极的高度为2cm～30cm；优选的，所述环形电极的高度为10cm。

[0016] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极上还均匀开设有孔洞。

[0017] 本说明书实施例还提供一种方案，所述环形电极沿周向开设有N条沟槽，以将所述环形电极分割为N+1个环形电极区域，每个所述环形电极区域均连接所述交流电源。

[0018] 本说明书实施例还提供一种方案，所述交流电源的功率为100W～1000W；优选的，所述交流电源的功率为300W。

[0019] 本说明书实施例还提供一种方案，所述交流电源的频率为220Hz～2MHz；优选的，所述交流电源的频率为20KHz。

[0020] 与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明提供的磁控溅射沉积装置，在交流电的作用下，环形电极形成中心对称的周期变化电场，具体的，在交流电的变化下，电场的方向周期变化，使得离化的惰性气体离子在电场发生偏转，在周期电场的带动下，惰性气体离子能够来回扫射靶材表面，各区域的靶材均匀消耗，提高靶材的利用率，延长靶材的更换时间，节省靶材的使用成本。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0022] 图1是一种现有技术中磁控溅射沉积设备的结构示意图；

[0023] 图2是一种现有技术中未使用的磁控溅射平面靶材的示意图；

[0024] 图3是一种现有技术中使用后的磁控溅射平面靶材的示意图；

[0025] 图4是本发明一个实施例中的安装有环形电极的磁控溅射沉积装置的侧视示意图；

[0026] 图5是本发明一个实施例中的环形电极的俯视示意图；

[0027] 图6是本发明一个实施例中的环形电极带负电时的俯视示意图；

[0028] 图7是本发明一个实施例中的环形电极带正电时的俯视示意图；

[0029] 图8是现有技术和安装有环形电极的磁控溅射沉积装置的实施效果对比；

[0030] 其中，10、沉积腔室，12、直流电源，20、靶材，30、磁控管，40、晶圆基座，50、晶圆，60、环形电极，70、交流电源，80、惰性气体正离子。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

[0032] 以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0033] 需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

[0034] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0035] 需要理解的是，“部件A与部件B的连接”是指部件A直接与部件B接触连接，或者部件A通过其他部件与部件B进行间接连接。本说明书的示例实施例中所描述的“上”、“下”、“内”、“外”、“侧”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本说明书的示例实施例的限定。

[0036] 另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

[0037] 如图1所示的现有技术中的磁控溅射沉积设备，包括晶圆基座40、靶材20、沉积腔室10及磁控管30，晶圆50位于晶圆基座40上。其中，靶材20为圆形的平面结构，由金属制成，位于沉积腔室10内。如图2所示，未使用的靶材20表面平整。在溅射沉积的过程中，惰性气体正离子80被直流电源12提供的高能能量电离化，被离化的惰性气体正离子80对靶材20(作为目标)进行轰击，使靶材20以离子、原子或分子的形式被弹出，以在晶圆50上沉积形成金属薄膜。

[0038] 由于每次磁控溅射沉积都会消耗靶材20上的金属，且磁控管30在靶材20表面产生的电场不均匀，电场强的区域相较于电场弱的区域更多的遭到惰性气体正离子的轰击，使得靶材20的消耗产生不均匀的现象，如图3所示，靶材20的表面呈波浪形，在沉积的过程中，需要频繁进行靶材20进行整体更换，而更换时，有部分区域的靶材消耗殆尽，有部分区域靶材20还未利用，从而造成靶材20的浪费，尤其是使用贵金属作为沉积材料时，严重增加了晶圆制造企业的经济成本。

[0039] 发明人提出一种新的增加周期可变电场的磁控溅射沉积设备，该沉积设备在现有的沉积设备基础上，在靶材和晶圆基座之间，增加一个周期变化的电场，在每个变化周期中引导进入其中的惰性气体正离子发生周期性的偏转，从而避免惰性气体正离子向靶材上的高电场区域聚集，通过周期性的偏转，使得惰性气体正离子能够对靶材进行扫描式的轰击，使靶材的消耗更均匀，提高溅射过程中靶材的平坦化程度，提高靶材的利用率，起到节省靶材和延长更换周期的目的，降低生成成本。

[0040] 以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

[0041] 如图4和图5所示的磁控溅射沉积装置，包括沉积腔室10、靶材20、磁控管30、晶圆基座50、环形电极60和交流电源70。

[0042] 如图4所示，靶材20设置于沉积腔室10的内部上方，即位于沉积腔室10的上侧内壁处，与之相对的，晶圆基座50位于沉积腔室10的底部，并且晶圆基座50与所述靶材20相对设置，上述的晶圆基座50用于放置待沉积的晶圆50。

[0043] 靶材20和晶圆基座50之间设置有环形电极60，靶材20为圆形，晶圆基座50的水平投影为一个圆环，为了形成面积足够大的电场，晶圆基座50需要设置成大于靶材20的圆环形，即靶材20的投影面位于所述环形电极60的投影面轮廓线之内。

[0044] 环形电极60连接交流电源70，环形电极60在交流电的作用下，当惰性气体离化后，向所述沉积腔室10提供中心对称的周期变化电场，以引导惰性气体离子偏转轰击所述靶材20。具体的，以惰性气体被直流电源12电离成惰性气体正离子80为例，如图6所示，当交流电源70提供电源处于负半周时，环形电极60带负电，惰性气体正离子80被拉向环形电极60；如图7所示，当交流电源70提供电源处于负半周时，环形电极60带正电，惰性气体正离子80被推离环形电极60。

[0045] 在上述方案中，该周期变化的电场带动进入电场中的惰性气体正离子80往复式的扫描靶材20的表面，避免惰性气体正离子80向靶材20上电场强的区域聚集，惰性气体正离子80能够均匀扫射靶材20表面的不同区域，使得各区域的靶材20消耗均匀，避免靶材20上的沟槽或波浪形状的出现，提高靶材20在溅射工艺过程中的平坦度，从而提高靶材20的利用率，延长靶材20的更换时间，节省靶材20的使用成本。举例来说，如图8所示，以相同尺寸和厚度的钛靶材为例，使用现有技术的沉积装置，使用10天时，已有部分区域的靶材材料用尽，此时靶材的利用率为70％，并且靶材表面薄膜(即朝向晶圆一侧的表面在惰性气体正离子80轰击下形成的薄膜)的均匀度较差；使用上述方案提供的本发明所述的沉积装置，更换时间可以延长至15天，靶材的利用率上升至98％，并且靶材表面薄膜均匀度得到明显改善。

[0046] 需要说明的是，若惰性气体被直流电源电离成惰性气体负离子，也可以适用于上述结构的安装有环形电极和交流电源的磁控溅射沉积装置(图中未示出)，具体的，当环形电极带正电时，负离子被拉向环形电极；当环形电极带负电时，负离子被推离环形电极，从而均匀扫射靶材表面的不同区域。

[0047] 在一些实施方案中，如图4所示，环形电极60沿其自身的中轴线方向，安装在靠近靶材20一侧。通过将周期变化的电场靠近靶材20设置，能够尽可能的避免惰性气体离子受到靶材20表面不同电场强度区域的影响，保证扫描式轰击的效果。

[0048] 在一些实施方案中，如图4和图5所示，环形电极60固定在沉积腔室10的内部，且与沉积腔室10的内壁绝缘。

[0049] 在一些实施方案中，环形电极60固定在沉积腔室10的外部，且与沉积腔室10的外壁绝缘。

[0050] 在一些实施方案中，环形电极60的中轴线与靶材20的中轴线重合，从而使得惰性气体离子在靶材20上的扫描式轰击更加均匀。

[0051] 在一些实施方案中，环形电极60的中轴线、靶材20的中轴线以及晶圆基座50的中轴线重合。

[0052] 在一些实施方案中，环形电极60的高度为2cm～30cm，此处的高度的方向与环形电极60的中轴线的方向平行。优选的，环形电极60的高度为10cm。更优选的，高度为10cm的环形电极60靠近靶材20设置。

[0053] 在上述方案中，通过设置一定高度的环形电极，可以在环形电极中间的空腔区域内形成多层平行电场，从而更好的引导惰性气体离子进行偏转。

[0054] 在一些实施方案中，环形电极60上还均匀开设有孔洞。需要说明的是，所述孔洞的形状不做限制，可以为圆孔、方孔、腰型孔等多种形状的孔洞。还需要说明的是，环形电极60上可以同时开设多种不同形状的孔洞，各种相同形状的孔洞均匀的分布于环形电极60。

[0055] 在一些实施方案中，环形电极60沿周向开设有N条沟槽，从而将一个环形电极60分割成N+1个环形电极区域，并且每个环形电极区域均连接交流电源70。

[0056] 在一些实施方案中，磁控溅射沉积装置可以设置多个环形电极60，每个环形电极60均连接交流电源70。这些环形电极可以尺寸均相同，并沿轴向依次叠放，并在相邻的环形电极60之间留有满足第一预设距离的间隙。这些环形电极60也可以尺寸依次减小，并沿径向依次套设，并在相邻的环形电极60之间留有满足第二预设距离的间隙，需要说明的是，最内侧的环形电极60的水平投影的内径大于靶材20的投影半径。

[0057] 在一些实施方案中，交流电源70的功率为100W～1000W；优选的，交流电源70的功率为300W。

[0058] 在一些实施方案中，交流电源70的频率为220Hz～2MHz；优选的，交流电源70的频率为20KHz。

[0059] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。

[0060] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。