[发明专利]一种磁控管、反应腔室和半导体处理设备

说明书

本发明提供一种磁控管和半导体处理设备。该磁控管包括内磁极和外磁极，外磁极围设在内磁极外围，且外磁极和内磁极相互间隔形成等离子体路径，等离子体路径呈马蹄形，磁控管能使制备形成的膜层厚度均匀性和电阻率均匀性均小于3％。该磁控管通过采用马蹄形的等离子体路径，能使其磁场强度在不同半径区域内的一致性更好；沉积膜层时，从靶材中心和边缘逃逸出的溅射粒子所携带的动能相近，从而使沉积在晶片上不同区域的膜层在成膜模式、膜层成份、结晶程度以及膜层结构等方面均能够达到良好的一致性；进而使膜层的厚度和电阻率都更加均匀，同时还使得膜层的密度及应力得到更加理想的控制。

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种磁控管、反应腔室和半导体处理设备。

背景技术

物理气相沉积(PVD)技术或溅射(Sputtering)沉积技术是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。物理气相沉积技术可应用于很多工艺领域，如铜互连线技术、封装领域中的硅穿孔(Through Silicon Via,TSV)技术及植球(Bumping)技术等等。

使用溅射技术沉积的钛钨(TiW)薄膜具有高密度，适中的薄膜应力，优良的表面平整度及良好的热和化学稳定性，在半导体工业中是一种优良的阻挡层及粘附层材料。

典型的PVD腔室如图1所示，包括高真空腔体4、被溅射的靶材5、设置在上腔室6内的磁控管7、上腔室6和靶材5中间充满了去离子水、承载晶片8的托盘9和抽气腔10。为了提高溅射效率，磁控管7放置在靶材5的背面。磁控管7产生的磁场束缚电子，限制电子的运动范围，并延长电子的运动轨迹，使电子最大幅度的离化氩原子形成氩离子，氩离子受靶材负电压吸引轰击靶材5，撞击出靶材5表面的TiW粒子，TiW粒子获得能量，携带一定动能逃逸出靶材5表面，并在晶片8上沉积。

如图2所示，现有技术中采用的是一种螺旋形磁控管，对于较大靶材而言，这种磁控管在300mm的晶片上可以获得较好的均匀性。该磁控管包括属于一磁极性的多缠绕的外磁极2，其包围另一磁极性的内磁极1。外磁极2和内磁极1分别由磁极靴进行位置限定。恒定间隙11将两磁极分开且限定与靶材的正面相邻的高密度等离子体区域。该恒定间隙11设计成一螺旋环状形式，使得一闭合的电流环建立在该等离子体中用以维持等离子体。磁控管的旋转中心P放置在恒定间隙11中。高密度等离子可以延伸在该靶材面上一大部分。如果电机带动磁控管旋转，等离子体会覆盖全靶。

如图3为采用上述螺旋形磁控管时在靶材的不同半径区域选点测量的磁场强度曲线。距磁控管的旋转中心(通常与靶材中心重合)半径80mm区域内，恒定间隙呈“S”状分布，束缚粒子区域较大。从图3可以看出，半径50mm区域内磁场强度要明显弱于80mm以外区域内的磁场强度。由于磁控管旋转中心区域与边缘区域磁场强度相差较大，导致两区域束缚的粒子密度相差较大，中心区域束缚粒子密度明显减弱。在沉积薄膜时，磁控管磁场束缚的粒子会轰击靶材表面，靶材粒子获得能量发生逃逸，从而实现薄膜的沉积。磁控管旋转中心区域磁场减弱直接导致靶材中心区域单位面积粒子获得能量很弱，逃逸的粒子数量减少或粒子携带动能减弱。

对于靶材到晶片的距离为60～90mm的短程溅射而言，靶材不同半径处溅射粒子对晶片薄膜的贡献相差较大，由于磁控管中心磁场弱，边缘磁场强，导致靶材中心区域溅射出的粒子少且动能小。靶材边缘区域溅射出的大角度斜射粒子，要经过较长的路径才能到达晶片中心区域，形成薄膜沉积。采用此款磁控管进行薄膜沉积，晶片中心区域薄膜多由弱动能粒子沉积而成，晶片边缘区域薄膜多由高动能粒子沉积而成。这会导致晶片中心区域薄膜生长疏松，电阻率较大；晶片边缘区域薄膜生长致密，电阻率较小，薄膜电阻率均匀性大于5％。此外，由于入射粒子能量差异，也会导致晶片不同区域薄膜生长模式不同，从而影响薄膜的应力。