[发明专利]在靶材上同时使用射频和直流功率的超均匀溅射沉积法

说明书

背景技术

超大型集成电路的制造涉及利用物理汽相沉积(PVD)的金属膜沉积。典型地，提供由在工件或半导体晶圆上待沉积成为薄膜的材料所构成的靶材。此材料可以是诸如铜、钛、钽或其他金属、金属氧化物、金属氮化物。例如，在一工艺中，氮化钛被沉积在薄膜结构上，其中该薄膜结构包括位于源极-漏极沟道上方的非常薄的HfO₂栅极氧化物层。这样的工艺必须在横越整个工件或晶圆上达到高均匀的沉积膜厚度分布。目前，PVD工艺是依赖短的靶材晶圆间隔(通常小于100mm)或晶圆背侧偏压来达到良好的均匀性。然而，许多工艺，特别是用于前端应用的工艺，需要在沉积期间不会引发等离子损坏。短靶材晶圆间隔和晶圆偏压皆会在晶圆上造成等离子损坏。当靶材晶圆间隔大于110mm且晶圆偏压为零瓦时，PVD工艺可以在在横越300mm直径晶圆上达到所沉积膜厚度的均匀性，其中膜厚度的标准差为约6％。随着特征尺寸或关键尺寸减小到32nm和以下，膜厚度均匀性需求显得更为迫切且可接受的膜厚度的标准差降低到1％。目前的PVD工艺无法在可靠的基础下获得这样高程度的均匀性。

传统的PVD反应器包括真空腔室、位于反应腔室室顶处的溅射靶材(铜、钛、钽或其他希望的金属)、位于室顶下方且面对室顶的用于固持住工件(例如半导体晶圆)的支撑载座、耦接到靶材的高电压直流功率供应器、以及用于将载气(例如氩)引入到反应器腔室内的气体注射设备。靶材上的直流电压足以将载气离子化，以在溅射靶材附近产生等离子。由旋转磁铁构成的磁性物组件设置在室顶与溅射靶材上方，并且建立将等离子限制在靶材附近以形成靶材的等离子溅射的足够高磁场。从靶材溅射的材料可以包括靶材物种的中性原子和离子，并且一部分的溅射材料会沉积在工件上成为薄膜。在一些情况中，直流或射频偏压功率可以耦接到工件以吸引从靶材溅射的离子。

在由磁性物覆盖住的区域中靶材受到腐蚀。在沉积期间，磁性物以圆形或行星运动方式移动横越室顶，以分布靶材腐蚀且分布工件上的沉积。然而，工件上的沉积速率分布倾向于在工件中心处是高的且在边缘处是低的，限制了均匀性，因而最小的沉积膜厚度的标准差超过5％。

发明内容

本发明提供一种在腔室中于工件上执行等离子增强物理汽相沉积的方法。提供溅射靶材，该靶材包含欲被沉积在该工件上的材料或材料的前驱物。支撑该工件在该腔室中使其面对该溅射靶材。提供磁铁于该靶材上方。该方法包括将载气引入到该腔室中，以及施加射频功率与直流功率到该靶材以在靠近该靶材处产生等离子，并在该工件上形成来自该靶材的相应材料沉积。该沉积在该工件上具有沉积速率径向分布。该方法还包括执行下述其一：

a.通过增加射频功率的功率水平相对于直流功率的功率水平以第一修正下述其一：(a)中心高非均匀性的径向分布；或(b)边缘高非均匀性的径向分布；

b.通过增加直流功率的功率水平相对于射频功率的功率水平以第二修正下述其一：(a)中心高非均匀性的径向分布；或(b)边缘高非均匀性的径向分布。

在一实施例中，前述各个射频或直流功率水平调整执行直到将非均匀性的径向分布已经至少接近最小化才停止。在一实施例中，通过调整磁铁在靶材上方的高度来调整磁场线(靶材被浸在其中)的陡峭度，以达到径向分布均匀性的进一步最佳化。在另一实施例中，通过调整磁铁在靶材上方环行的轨道运动的半径，以达到径向分布均匀性的进一步最佳化。在又一实施例中，通过将靶材的边缘表面相对于靶材的平坦中心表面形成锐角，以减少中心高非均匀性的径向分布。

附图说明

本发明的示范性实施例、详细说明可以通过参照实施例来详细地了解，其中一些实施例绘示在附图中。然而，值得注意的是本文并未讨论特定已知的工艺，以为了避免使本发明模糊化。

图1为可用于实施特定实施例的方法的等离子增强物理汽相沉积反应器的简化方块图。

图2A绘示在图1的反应器中磁性物相对于靶材的不同位置。

图2B是相应于图2A的图，其绘示在仅施加直流功率到图1反应器的溅射靶材的期间的薄膜沉积厚度径向分布。

图2C是相应于图2A的图，其绘示在仅施加射频功率到图1反应器的溅射靶材的期间的薄膜沉积厚度径向分布。

图3绘示根据第一实施例的在施加射频与直流功率两者到溅射靶材的期间所形成的薄膜沉积厚度径向分布。

图4A绘示用于图1反应器中的第一磁性物结构。

图4B绘示利用图4A磁性物(A)当仅施加射频功率到靶材时和(B)当仅施加直流功率到靶材时所获得的膜厚度径向分布。

图5A绘示用于图1反应器中的第二磁性物结构。