[发明专利]磁控管溅射室上的分离磁体环

说明书

相关申请

本申请要求2005年3月18日提交的美国临时申请60/663,568的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及材料的溅射。具体地说，本发明涉及用于改善磁控管溅射反应器中均匀性的辅助磁体。

背景技术

溅射也称为物理气相沉积(PVD)，常用于在半导体集成电路的制造中沉积金属以及相关材料的层。最初为在硅集成电路中进行铜金属化而开发的现有技术已被应用于溅射难熔金属(例如钽)和铜，所述难熔金属用作刻蚀到介质中的互连孔结构中的阻挡层(barrier layer)，铜用作籽晶层(seed layer)用于铜的最终电镀以填充所述孔。随着互连孔的直径缩减到100nm以下以及孔的高宽比增大到5以上，对溅射提出的要求已经越来越严。

已经利用形状复杂的靶材和电感电源开发了先进的溅射反应器，主要用于提高所溅射原子的电离比例。因此，晶片的偏压将所电离的被溅射原子吸引到孔中更深处，并对孔底部的突出物和不需要的层进行溅射刻蚀。但是，相当多的传统溅射反应器由于其简便和低成本，即使在先进的设备中也在继续使用。传统溅射反应器被用复杂的磁性元件进行改良，以获得更复杂的溅射反应器的许多性能特性。

Gung等人在美国专利6,610,184中公开了由图1的示意性剖视图所示的等离子体溅射反应器10，该专利通过引用而结合于此，并在下文中称为Gung。真空室12包括大体上圆筒形的侧壁14，侧壁是电接地的。通常，未示出的接地可替换屏蔽(有时还有附加的浮动屏蔽)位于侧壁14内侧以保护侧壁不被溅射涂覆，但它们用作室侧壁而不是保持真空。溅射靶材16至少具有由待溅射金属组成的表面层，并通过电隔离体18被密封到室12。基座电极22把要受到溅射涂覆的晶片24支撑为与靶材16平行相对。屏蔽内侧在靶材16与晶片24之间限定了处理空间。

溅射工作气体(优选为氩)定量从气体供应器26经过质流控制器28进入室中。未示出的真空泵系统将室12的内部保持在通常为10^-8Torr或更低的极低基本压力。在等离子体点火期间，以产生约5milliTorr室压力的量供应氩压力，但是随后将该压力减小，这将在下文中说明。DC电源34将靶材16负偏压到约-600VDC，使氩工作气体被激发成含有电子和正氩离子的等离子体。正氩离子被吸引到负偏压的靶材16，并从靶材16溅射金属原子。

该发明特别有利于自电离等离子体(SIP)溅射，在SIP溅射中，较小的嵌套(nested)磁控管36被支撑在靶材16后面未示出的背面板上。室12和靶材16关于中心轴线38大体上圆形对称。SIP磁控管36包括第一垂直磁极性的内部磁极40以及相反的第二垂直磁极性的周围外部磁极42。两个极被磁轭44支撑并通过磁轭44磁耦合。轭44固定到转动臂46，转动臂46被支撑在沿中心轴线38延伸的转动轴48上。与轴48相连的电动机50使磁控管36围绕中心轴线38转动。

在非对称的磁控管中，在外磁极42面积上累计的总磁通量大于内磁极40产生的总磁通量，优选地具有至少150％的磁场强度比。相反的磁极40、42在室12内产生了磁场B_M，该磁场大体上是半螺旋形(semi-toroidal)并有平行且靠近靶材16表面的较强分量，在该处产生高强度等离子体，从而提高溅射速率并提高所溅射金属原子的电离比例。由于外磁极42在磁性上强于内磁极40，所以来自外磁极42的一部分磁场在循环回到外磁极42后面以构成完整磁路之前向基座22远远投射。

RF电源54(例如具有13.56MHz的频率)连接到基座电极22以在晶片24上产生负的自偏压。该偏压吸引带正电的金属原子穿过邻近等离子体鞘层(sheath)，从而涂敷到晶片中高宽比较高的孔(例如层间过孔)的侧面和底部。