[发明专利]控制准直溅射源的方法

说明书

本发明涉及薄膜的物理汽相沉积，尤其涉及对准直溅射源进行自动控制，使得当被溅射材料积聚在准直器上时并不发生由该源所沉积的膜厚的变化。本发明对半导体器件制造期间，所用准直器上被溅射材料的积聚提供连续、自动的补偿特别有用。

在衬底或大圆片上沉积各种材料的薄膜乃是制造并加工诸如集成电路芯片一类微电子器件的基本工艺之一。成功的薄膜沉积一般要求对所沉积薄膜的各种特性进行控制。例如，通常要求这些薄膜具有预先设定的均匀厚度。大圆片表面上和大圆片之间薄膜厚度的均匀性都同等重要。在许多应用中，要求薄膜充分地填满衬底中的通道或孔也很重要。最后，所沉积的薄膜必须满足例如电阻率、晶粒尺寸等一类参数的规范要求。许多年来，半导体器件的制造趋势已向日益增大器件密集度以及使用更大的大圆片衬底方面发展。这一趋势导致对所沉积薄膜提出越来越高的要求。现在工业上用8吋大圆片大量制造具有亚微米线条特征的电子器件已相当普遍。

最常用的薄膜沉积技术之一是用一磁控管溅射源在真空室中进行溅射。在常规的磁控管溅射源中，一种由来自诸如氩一类支承气体的正离子组成的低压等离子体轰击一由待溅射的靶材料制成的阳极表面。离子的轰击使粒子从靶阳极上撞出。被溅射的粒子以多个方向离开靶极，并且由于同气体离子或分子或者相互之间的碰撞而遭受到进一步的溅射。一些溅射出的粒子直接射向衬底并粘附在衬底表面，形成涂层或薄膜。在常规的溅射中，所沉积的薄膜是和溅射靶材料或该材料的合金相同的。在反应溅射中，将一反应气体引入真空室以形成薄膜，后者由靶材料和反应材料的化合物构成。例如，在目前正变得越来越重要的一种半导体器件制造工艺中，由钛靶溅射出的材料与低压下引入溅射室的氮气发生反应以形成氮化钛薄膜。

用来进行半导体器件制造的溅射源中，在溅射靶和衬底之间可设置一由许多透射单元组成的空间过滤器或“准直器”，从而避免被溅射出的粒子以低入射角（即粒子轨迹与衬底表面之间的小角度）到达衬底表面。小角度溅射的材料无助于孔或通道底部薄膜的生长而非所期望。这些粒子常被沉积在靠近通道顶部的侧面上，从而节制了沉积进行期间能够进入孔或通道中被溅射材料的数量。这造成通道中形成空隙而导致衬底上各层之间不可接受的差的电学接触。

在已获准的与此共同转让的美国专利申请第07/780，882号中可以看到，采用准直过滤器的溅射装置以及准直使用方面的探讨，其揭示通过参考结合于本文。使用准直器可对到达衬底表面的溅射粒子流定出方向，从而使溅射粒子到达孔或通道的底部而不会由于在通道侧壁上生长而被节制。沉积在孔和通道开口处的薄膜以更接近于大圆片表面上薄膜的生长速率生长。由于通道直径和器件特征线条均已缩小，因而在进行溅射时更需要准直。在实际应用中已表明，使用准直器能够填满直径小于半个微米的通道，从而使通道充填用溅射的应用扩展到至少下一代的高密集度集成电路。

然而，使用准直器时，在准直器单元的表面沉积有许多被溅射材料。有些时候多至80%的被溅射材料沉积在准直器单元的表面上。由于单元壁上沉积有材料，单元开口的横截面积相应减小。即使粒子由靶阳极上以恒定的速率溅射，单元壁上被溅射材料的积聚减小了溅射材料能够穿过准直器的速率，从而使有效的沉积速率减小。由于单元开口的尺寸减小，准直器上粒子的积聚速率增大。这种由于准直器“阻塞”而造成的沉积速率的变化可导致诸衬底之间不希望有的膜厚变化，而这些衬底是在其它相同的条件下是由同一溅射源进行溅射的。

在大多数的溅射系统中，沉积速率随溅射靶的寿命而减小，这更增加了系统在某一轮特定运行期间大圆片上能获得所希膜厚均匀的难度。许多以前的技术专利显示使用各种型式的沉积速率传感器，这些传感器用来对溅射源的沉积速率进行监测和调节，从而可得到具有所希厚度的薄膜。然而，沉积速率传感器价格昂贵且不可靠，因而未被市场广泛接受。在与此共同转让的美国专利第4166783中描述并要求保护以下一种简单的方法，即对由于环形靶的侵蚀而造成的溅射速率减小进行补偿。该专利的方法是通过监测溅射靶的寿命，测量加在等离子体上的电压和电流来测定等离子体中的功耗，并根据储存在计算机查阅表中由实验得到的信息来调节等离子体的功率，从而维护一恒定的沉积速率。