改善深孔填充均匀性的靶材组件、溅射设备及设计方法
阅读说明：本技术 改善深孔填充均匀性的靶材组件、溅射设备及设计方法 (Target assembly for improving deep hole filling uniformity, sputtering equipment and design method ) 是由 陈东伟 周云 宋维聪 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及改善深孔填充均匀性的靶材组件、溅射设备及设计方法,包括靶材本体,所述靶材本体为溅射面是凹弧面的半球形,所述靶材本体的背面安装于靶材背板上,所述靶材背板另一侧设置有磁性部,所述靶材本体、靶材背板和磁性部同轴设置,且所述靶材背板及磁性部与所述靶材本体的溅射面的形状相匹配。设备还包括箱体和加热器,靶材组件的形状通过设计方法得出。本发明的靶材组件能够提高对基片上深孔填充的均匀性；溅射设备在保证填充均匀性的同时,减小了薄膜的内应力,提高成膜的致密度；设计方法,操作简单,得到的靶材组件填充均匀性好。(The invention relates to a target assembly for improving deep hole filling uniformity, sputtering equipment and a design method. The equipment also comprises a box body and a heater, and the shape of the target assembly is obtained by a design method. The target material assembly can improve the uniformity of filling the deep hole on the substrate; the sputtering equipment reduces the internal stress of the film and improves the film-forming density while ensuring the filling uniformity; the design method is simple to operate, and the obtained target material assembly is good in filling uniformity.)
技术领域
本发明涉及物理气相沉积技术领域，尤其是指改善深孔填充均匀性的靶材组件、溅射设备及设计方法。
背景技术
先进的超大型集成电路(very large scale integrated circuits，VLSI)工业中，制程已进步到可以在1～2cm2面积的硅表面上设计数量多达数十万个、甚至数百万个以上的金属氧化半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管等的元件。而金属化(metallization)以及金属内连线(metalinterconnect)制程便是为了把这些元件进行接触(contact)，例如将前述MOS元件上的三个极，以及金属层与金属层之间实现接触，同时还必需将这些已与个别MOS元件相接触的导线，依电路设计的线路行程利用导线加以电连接，以形成完整的回路(circuit)，进而构成一个完整的电子装置。
现在的VLSI制程技术中，用来作为接触及金属内连线用的导体材料，主要有钨(tungsten)金属及铜金属(Cu)等两种，铜工艺就是指以铜作为金属互联材料的一系列半导体制造工艺。铜布线的过程包括在通孔/深孔结构中阻挡层(barrier)与种子层(seed)的沉积和铜的电镀。
目前，通孔/深孔结构中阻挡层与种子层的沉积主要是利用物理气相沉积(PVD)长程溅射加以制造，具有导电效果良好的优点，但相对而言，铜有易氧化、易扩散等缺点。铜扩散入介质中会影响晶体管效能，从可靠性考虑，为了防止铜在硅和/或二氧化硅中的扩散，所以必须在通孔上沉积一层可靠的氮化钽阻挡层，再沉积一层钽以增加铜的附着力，然后再沉积一层很薄的铜作为ECP的导电介质，也作为电镀铜的金属晶体生长的晶核层。
现有技术的镀膜设备中，靶材通常为圆形平面形状，下方圆晶放置在加热器上面。在镀膜过程中，由于来自靶材的溅射粒子在圆晶中心和圆晶边缘位置的浓度不同，溅射到圆晶表面的方向也不同，圆晶边缘处深孔结构的侧壁的填充容易出现一侧厚一侧薄的情况，导致深孔中氮化钽阻挡层和铜种子层填充的均匀性变差，出现严重的不对称。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中通孔/深孔中侧壁溅射不均匀的缺陷，提出一种改善深孔填充均匀性的靶材、溅射设备及设计方法，使得基片上深孔填充更加均匀。
为解决上述技术问题，本发明提供了改善深孔填充均匀性的靶材组件，包括靶材本体，所述靶材本体为溅射面是凹弧面的半球形，所述靶材本体的背面安装于靶材背板上，所述靶材背板另一侧设置有磁性部，所述靶材本体、靶材背板和磁性部同轴设置，且所述靶材背板及磁性部与所述靶材本体的溅射面的形状相匹配。
在本发明的一个实施例中，所述靶材本体的截面弧的弦长固定，所述截面弧的角度0°-90°。
在本发明的一个实施例中，所述截面弧的角度为27°-33°。
在本发明的一个实施例中，所述磁性部安装于盖板内，所述靶材背板密封所述盖板开口，所述磁性部包括磁铁本体和旋转电机，所述旋转电机穿过所述盖板连接所述磁铁本体。
在本发明的一个实施例中，所述磁铁本体设置有多个，多个所述磁铁本体均匀安装在旋转支架上，相邻所述磁铁本体的极性相反，所述旋转电机连接所述旋转支架。
在本发明的一个实施例中，所述旋转支架为双层十字支架，所述磁铁本体夹持在所述双层十字支架之间。
本发明还提供了改善深孔填充均匀性的溅射设备，包括上述靶材组件，所述靶材组件设置于箱体内，所述箱体内还设置有与所述靶材组件相对的加热器，所述加热器穿过所述箱体。
本发明进一步提供了设计上述的改善深孔填充均匀性的靶材组件的方法，包括如下步骤:
根据溅射设备的大小，确定靶材本体的总半径；
选取影响靶材本体内凹形状的参数，针对每个参数分别选取多个数值设计靶材本体、靶材背板和磁性部的形状；
对每个数值对应的靶材组件进行验证；
通过观察并计算样片外侧孔内沉积厚度的分布情况，确定靶材本体的最佳形状。
在本发明的一个实施例中，选取影响靶材本体内凹形状的参数包括半球形靶材本体的截面弧的角度，选取多个角度参数进行验证。
在本发明的一个实施例中，外侧孔内沉积厚度的分布情况K由下式计算得出：
K＝c/d
其中，c为样片深孔同一高度处的最薄的厚度，d为样片深孔同一高度处的最厚的厚度。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的靶材组件能够提高对基片外侧深孔填充的均匀性；
本发明所述的溅射设备在保证填充均匀性的同时，减小了薄膜的内应力，提高成膜的致密度；
本发明得到靶材组件的设计方法，操作简单，得到的靶材组件深孔填充均匀性好。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明的靶材组件剖视图；
图3是本发明的磁性部示意图；
图4是本发明的溅射设备示意图；
图5是本发明的溅射设备剖视图。
说明书附图标记说明：1、靶材组件；10、靶材本体；20、背板；30、磁性部；31、盖板；32、磁铁本体；33、旋转电机；34、旋转支架；2、溅射设备；3、箱体；4、加热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，为本发明改善深孔填充均匀性的靶材组件1的实施例一示意图。本实施例中的靶材组件1包括靶材本体10，所述靶材本体10为溅射面是凹弧面的半球形，所述靶材本体10的背面安装于靶材背板20上，所述靶材背板20另一侧设置有磁性部30，所述靶材本体10、靶材背板20和磁性部30同轴设置，且所述靶材背板20及磁性部30与所述靶材本体10的溅射面形状相匹配。
本实施例中，靶材背板20用于固定靶材本体10，磁性部30用于产生磁场，在进行溅射工作时，反应气体，通常是Ar气，在电场作用下被电离出正离子和新的电子；新的电子飞向基片，Ar离子在电场的作用下加速飞向靶材本体10，并以高能量轰击靶材本体10表面，使靶材本体10发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。电子在磁场作用下被束缚在靶材本体10表面的等离子体区域内做圆周运动，并在该区域中电离出大量的Ar离子来轰击靶材本体10，从而实现高的沉积速率。因为在镀膜过程中，来自靶材的溅射粒子在基片中心和基片边缘位置的浓度不同，溅射到基片表面的方向也不同，从概率方面来说，基片边缘处深孔结构的侧壁的填充容易出现一侧厚一侧薄的情况，导致深孔中膜层填充的均匀性变差，出现严重的不对称。故将靶材本体10设置为具有凹弧面的形状，本实施例中具体将靶材本体10设置为半球形。值得注意的是，本实施例中所指的半球形仅说明靶材本体10为部分球面，而非限定靶材本体10为1/2球形。当Ar离子轰击靶材本体10表面，溅射粒子大部分沿溅射面的法线方向飞出，本实施例中由于靶材本体10的溅射面为凹弧面，故靶材本体10表面与基片表面之间存在夹角，因此靶材本体10的法线方向并不垂直于基片表面，而是向基片中心的方向聚拢，，同时靶材本体10的法线方向连续变化，从而使得溅射粒子从多角度飞出，从而能够对深孔的四周均有填充，而不会出现平面靶材中溅射粒子沿一个方向飞出使得深孔侧壁出现一侧薄一侧厚的情况，实现对深孔的均匀填充。与此同时，由于磁性部30和靶材背板20与靶材本体10同轴设置且与靶材本体10的溅射面形状相匹配，从而确保磁性部30与靶材本体10的溅射面之间的距离不变，保证在靶材本体10周围形成的磁场强度始终不变，靶材本体10周围磁场均匀，从而使得被束缚在靶材本体10表面的电子不会减少，电子电离出的Ar离子浓度不会降低，提高溅射的均匀性。本实施例中的基片包括但不限于圆晶。
进一步的，本发明中由于要在深孔上沉积一层可靠的氮化钽阻挡层，故靶材本体10的溅射面上涂覆一层氮化钽，氮化钽层具有较大的应力，由于凹弧面表面平滑，不存在应力突变区域，因此能够保证氮化钽层与靶材本体10之间的贴合。
参照图2所示，为本发明靶材组件的截面示意图。靶材本体10的截面弧的弦长f由溅射设备2的尺寸决定，因此弦长f固定，在弦长f固定的情况下，影响靶材本体10曲率的因素即为截面弧的弧长L，弧长L由截面弧所在的圆的半径H决定，而截面弧对应的角度δ＝L/2πH，且f＝2Hsinδ/2，故弧长L＝δf/(2sinδ/2)。在所示的实施例中，截面弧的角度δ约在0°-90°范围之间。δ可为约10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°或90°，藉由实验，可以得出截面弧的最佳角度范围为27°-33°。在此角度范围内，孔内沉积厚度最为均匀。
参照图3所示，为本发明的磁性部30示意图。本实施例中，所述磁性部30安装于盖板31内，所述靶材背板20密封所述盖板31开口，从而磁性部30被密封于盖板31与靶材本体10之间，防止外部环境对磁性部30产生的磁场造成影响。又由于磁场无法完全均匀，影响靶材本体10的使用效率和溅射均匀性，因此本实施例中设置旋转磁场，磁性部30包括磁铁本体32和旋转电机33，为固定磁铁本体32，所述旋转电机33穿过所述盖板31连接所述磁铁本体32。即旋转电机33安装于盖板31上，从而与旋转电机33相连的磁铁本体32被固定。由于磁场是在两个相反的磁极之间形成磁场轨道，磁场轨道正下方的靶材被溅射的效率很高，而其他区域的靶材被溅射的效率很低，故，为了提高靶材本体10的使用效率，本实施例中所述磁铁本体32设置有多个，多个所述磁铁本体32均匀安装在旋转支架34上，相邻所述磁铁本体32的极性相反，所述旋转电机33连接所述旋转支架34。多个磁铁本体32的设置使得磁场的分布更广更均匀，提高靶材本体10的使用效率。进一步的，由于旋转支架34和磁铁本体32存在一定的重量，为平衡旋转电机33的受力，提高旋转电机33的使用寿命，所述旋转支架34为双层十字支架，所述磁铁本体32夹持在所述双层十字支架之间。一方面磁铁本体32的安装更稳固，即使持续旋转也不会与支架脱离，另一方面，磁场更加密集且均匀。
参照图4和图5所示，为本发明的改善深孔填充均匀性的溅射设备。本发明的溅射设备2包括上述靶材组件1，所述靶材组件1设置于箱体3内，所述箱体3内还设置有与所述靶材组件1相对的加热器4，所述加热器4穿过所述箱体3以连接电源。采用具有凹弧形溅射面的靶材本体10，基片上深孔内溅射粒子的沉积更加均匀。
本发明还公开了设计上述改善深孔填充均匀性的靶材组件的方法，包括如下步骤:
根据溅射设备的大小，确定靶材本体的总半径；该总半径为靶材本体轴心到其边缘的垂直距离，该长度由设备决定，为确定值，根据该值，能够确定靶材本体最终形状的其他参数。
总半径决定靶材本体外周的大小，靶材本体的具体形状还与其他参数有关，因此继续选取影响靶材本体内凹形状的参数，针对每个参数分别选取多个数值设计靶材本体、靶材背板和磁性部的形状；从而能够得到不同的靶材组件，理论上各靶材组件均有提高溅射均匀性的效果，但效果之间存在差别，因此还需要实验验证。
对每个数值对应的靶材组件进行验证；在本发明的实施例中，由于靶材本体为半球形，因此选取的影响靶材本体形状的参数包括靶材本体截面弧的角度δ，本实施例中，将δ由0°到90°选择多个数值进行验证，两个数值间隔10°。观察到样片外侧孔内同一高度位置，最薄处和最厚处相差最小时，δ值为20°-40°，而后缩小δ数值的变化范围，最终得到截面弧的最佳角度范围为27°-33°，根据L＝δf/(2sinδ/2)，计算得出截面弧的弧长，进行确定靶材本体的最佳形状。为更直观的确定填充膜层的均匀性，本发明定义常数K表示外侧孔内沉积厚度的分布情况，K＝c/d，其中，c为样片深孔同一高度处的最薄的厚度，d为样片深孔同一高度处的最厚的厚度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。