具体实施方式

本公开内容提供了用于将在基板上沉积具有期望的膜均匀性、应力分布和膜特性的含金属层的方法。沉积工艺可以是溅射沉积工艺，例如物理气相沉积工艺。在含金属层的沉积期间，可以在物理气相沉积处理腔室中原位(in-situ)或非原位(ex-situ)旋转基板。在旋转基板时，可以执行一个或多个附加的表面处理工艺，例如加热、冷却和/或表面处理工艺，以改变膜特性，例如膜均匀性、膜应力、晶格结构和类似特性，以获得能够满足装置性能要求的期望的膜特性。在一个示例中，可在执行沉积工艺的处理腔室中执行基板的旋转。在另一个示例中，基板的旋转可以在不同的腔室中执行，例如在定向腔室或其他合适的腔室中执行，该腔室并入群集工具中，该群集工具还包括沉积处理腔室，在该沉积处理腔室中沉积了含金属层。

图1示出了根据本公开内容的一个实施方式的适合于溅射沉积材料的示例性物理气相沉积(PVD)腔室100(例如，溅射工艺腔室)。合适的PVD腔室的例子包括Plus和SIPPVD处理腔室，两种腔室均可从加利福尼亚州圣塔克拉拉的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)商业获得。可以想到，可从其他制造商获得的处理腔室也可以适于执行本文所述的多个实施方式。

图1是根据一个实施方式的沉积腔室100的示意性截面图。沉积腔室100具有限定主体105的上侧壁102、下侧壁103和盖部104，主体105包围主体105的内部空间106。适配器板107可以设置在上侧壁102与下侧壁103之间。

诸如基座108之类的基板支承件设置在沉积腔室100的内部空间106中。如箭头145所示，基板基座108可以沿着轴线147旋转，基板基座108的轴143位于轴线147处。可替代地，在沉积工艺期间，基板支承基座108可以根据需要被升高以旋转。

基板传输端口109形成在下侧壁103中，基板传输端口109用于将基板传输进出内部空间106。

在一个实施方式中，沉积腔室100包括溅射腔室，也称为物理气相沉积(PVD)腔室，该溅射腔室能够在诸如基板101之类的基板上沉积例如钛、氧化铝、铝、氮化铝、钪掺杂的氮化铝、氮氧化铝、锆钛酸铅(PZT)、铌酸钾钠(KNN)、铌酸锂、铜、钽、氮化钽、氧氮化钽、氧氮化钛、钨或氮化钨。

气源110耦接至沉积腔室100，以将处理气体供应到内部空间106中。在一个实施方式中，如有必要，处理气体可包括惰性气体、非反应性气体和反应性气体。气源110可以提供的处理气体的示例包括但不限于氩气(Ar)、氦(He)、氖气(Ne)、氮气(N₂)和氧气(O₂)等等。

泵送装置112耦接至沉积腔室100，与内部空间106连通，以控制内部空间106的压强。在一个实施方式中，沉积腔室100的压强水平可维持在约1托或更小。在另一个实施方式中，沉积腔室100的压强水平可以保持在约500毫托或更小。在又一个实施方式中，沉积腔室100的压强水平可以保持在约1毫托和约300毫托。

盖部104可支承溅射源114，例如靶材。在一个实施方式中，溅射源114可以由包含钛(Ti)金属、钽金属(Ta)、钨(W)金属、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)、锆(Zr)、铌(Nb)、钪(Sc)、这些金属的合金、这些金属的组合或类似材料的材料所制造。在本文描述的示例性实施方式中，溅射源114可以由钛(Ti)金属、钽金属(Ta)或铝(Al)所制造。

溅射源114可以耦接至包括用于溅射源114的电源117的源组件116。一组磁体119可以被耦接而邻近于溅射源114，这组磁体119在处理期间增强了来自溅射源114的有效溅射材料。磁电管组件的示例包括电磁线性磁电管、蛇形磁电管、螺旋磁电管、双指状磁电管、矩形螺旋磁电管等。

附加的RF电源180也可以通过基座108(或称为基板支承件)耦接至沉积腔室100，以根据需要在溅射源114与基座108之间提供偏置功率。在一个实施方式中，RF电源180可具有在约1MHz与约100MHz之间的频率，例如约13.56MHz。

准直器118可以位于溅射源114与基座108之间的内部空间106中。屏蔽管120可以靠近准直器118和盖部104的内部。准直器118包括多个孔，以引导内部空间106内的气体和/或材料流(flux)。准直器118可以机械地和电地耦接至屏蔽管120。在一个实施方式中，准直器118例如通过焊接工艺被机械地耦接至屏蔽管120，从而使准直器118与屏蔽管120成为一体。在另一个实施方式中，准直器118可以在处理腔室100内电气浮置(electricallyfloating)。在另一个实施方式中，准直器118可以耦接至电源和/或电耦接至沉积腔室100的主体105的盖部104。

屏蔽管120可以包括管状主体121，管状主体121具有凹槽122，凹槽122形成在管状主体121上表面中。凹槽122提供与准直器118的下表面的配合界面。屏蔽管120的管状主体121可以包括肩部区域123，该肩部区域具有小于管状主体121的其余部分的内径的内径。在一个实施方式中，管状主体121的内表面沿着锥形表面124径向向内过渡至肩部区域123的内表面。屏蔽环126可以邻近屏蔽管120而设置在腔室100中，并且位于屏蔽管120与适配器板107的中间。屏蔽环126可以至少部分地设置在由屏蔽管120的肩部区域123的相对侧和适配器板107的内侧壁形成的凹槽128中。

在一个方面中，屏蔽环126包括轴向突出的环形侧壁127，该环形侧壁包括大于屏蔽管120的肩部区域123的外径的内径。径向凸缘130从环形侧壁127延伸。径向凸缘130可以相对于屏蔽环126的环形侧壁127的内径表面以大于约九十度(90°)的角度形成。径向凸缘130包括突起132，突起132形成在径向凸缘130的下表面上。突起132可以是圆形脊，该圆形脊从凸缘130的表面以基本上平行于屏蔽环126的环形侧壁127的内径表面的定向来延伸。突起132一般适于与形成在设置在基座108上的边缘环136中的凹入凸缘134相配合。凹入凸缘134可以是形成在边缘环136中的圆形槽。突起132和凹入凸缘134的啮合(engagement)使屏蔽环126相对于基座108的纵向轴线居中。通过在基座108和机械叶片(robot blade)(未示出)之间的协调定位校准，基板101(被示出为被支承在升降杆140上)相对于基座108的纵向轴线居中。以这种方式，在处理期间，基板101可以在处理腔室100内居中，并且屏蔽环126可以在基板101周围径向居中。

在操作中，上面有基板101的机械叶片(未示出)延伸穿过基板传输端口109。基座108可以被降低以允许基板400被传输至从基座108延伸的升降杆140。基座108和/或升降杆140的升降可以由耦接至基座108的驱动器142控制。基板101可以被降低到基座108的基板接收表面144上。在基板101位于基座108的基板接收表面144上的情况下，可以在基板101上执行溅射沉积。边缘环136可以在处理期间与基板101电绝缘。因此，基板接收表面144可以包括一个高度，该高度大于边缘环136的与基板101相邻的那些部分的高度，从而防止基板101接触边缘环136。在溅射沉积期间，可以通过利用设置在基座108中的热控制通道246来控制基板101的温度。

在溅射沉积之后，可以利用升降杆140将基板101升高到与基座108间隔开的位置。升高的位置可以靠近屏蔽环126和与适配器板107相邻的反射器环148之一或两者。适配器板107包括与适配器板107耦接的一个或多个灯150，灯150在反射器环148的下表面与适配器板107的凹面152的中间。灯150提供可见或近可见波长(例如红外(IR)和/或紫外(UV)光谱)的光和/或辐射能。来自灯150的能量沿径向向内朝向基板101的背面(即，下表面)聚焦，以加热基板101和沉积在基板101上的材料。围绕基板101的腔室部件上的反射表面用于将能量向基板101的背面聚焦，并远离其他腔室部件，在这些其他腔室部件中能量将损失和/或不被利用。适配器板107可以耦接至冷却剂源154，以在加热期间控制适配器板107的温度。

在将基板101控制到期望温度之后，将基板101降低到基座108的基板接收表面144上的位置。可以利用基座108中的热控制通道146通过传导来快速冷却基板101。基板101的温度可以在几秒钟到约一分钟的时间内从第一温度下降到第二温度。可以穿过基板传输端口109将基板101从沉积腔室100中移除以进行进一步处理。可以根据需要将基板101保持在期望的温度范围内，例如小于250摄氏度。

控制器198耦接至处理腔室100。控制器198包括中央处理单元(CPU)160、存储器158和支持电路162。控制器198用于控制工艺顺序，调节从气源110进入沉积腔室100的气体流量和控制溅射源114的离子轰击。CPU 160可以是能在工业环境中使用的任何形式的通用计算机处理器。软件程序可以储存在存储器158中，例如随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘驱动器或数字储存的其他形式。支持电路162常规地耦接至CPU 160，并且可以包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源和类似电路。当由CPU160运行时，软件程序将CPU转变为控制沉积腔室100的专用计算机(控制器)198，从而根据本公开内容执行这些工艺。软件程序也可以由远离处理腔室100定位的第二控制器(未示出)储存和/或运行。

在处理期间，从溅射源114溅射材料，并且在基板101的表面上沉积材料。溅射源114和基板支承基座108通过电源117或180相对于彼此而偏置，以维持由气源110提供的处理气体形成的等离子体。来自等离子体的离子朝着溅射源114加速并撞击溅射源114，从而导致靶材材料从溅射源114排出。排出的靶材材料和处理气体在基板101上形成具有期望组成的含金属层。

图2是示例性群集处理系统200的示意性俯视图，该群集处理系统200包括一个或多个处理腔室211、100、232、228、220，一个或多个处理腔室211、100、232、228、220并入并且集成在群集处理系统200中。在一个实施方式中，群集处理系统200可以是可从位于加利福尼亚州圣塔克拉拉的应用材料公司商业获得的或集成处理系统。可以想到，其他处理系统(包括来自其他制造商的处理系统)可以适于从本公开内容中受益。

群集处理系统200包括真空密封处理平台204、工厂接口202和系统控制器244。平台204包括多个处理腔室211、100、232、228、220和至少一个装载锁定腔室222，该装载锁定腔室222耦接至真空基板传输腔室236。在图2中示出了两个装载锁定腔室222。工厂接口202通过装载锁定腔室222耦接至传输腔室236。

在一个实施方式中，工厂接口202包括至少一个坞站208和至少一个工厂接口机器人214，以促进基板的传输。坞站208被构造为接受一个或多个前开式标准舱(FOUP)。在图2的实施方式中示出了两个FOUPS 206A-B。具有在工厂接口机器人214的一端上设置的叶片216的工厂接口机器人214被构造为将基板从工厂接口202传输至处理平台204，用于通过装载锁定腔室222进行处理。可选地，一个或多个计量站218可以被连接至工厂接口202的终端226，以促进来自FOUPS 206A-B的基板的测量。

每个装载锁定腔室222具有耦接至工厂接口202的第一端口和耦接至传输腔室236的第二端口。装载锁定腔室222耦接至压强控制系统(未示出)，该压强控制系统抽真空装载锁定腔室222并使装载锁定腔室222排气以促进基板在传输腔室236的真空环境与工厂接口202的基本周围(例如，大气)环境之间通过。

传输腔室236具有真空机器人230，真空机器人230设置在传输腔室236中。真空机器人230具有能够在装载锁定腔室222、计量系统210与处理腔室211、100、232、228、220之间传输基板224的叶片234。

在群集处理系统200的一个实施方式中，群集处理系统200可以包括一个或多个处理腔室211、100、232、228、220，一个或多个处理腔室211、100、232、228、220可以是沉积腔室(例如，物理气相沉积腔室、化学气相沉积或其他沉积腔室)、退火腔室(例如高压退火腔室、RTP腔室、激光退火腔室)、能加热或冷却基板的处理腔室、蚀刻腔室、能旋转基板的定向腔室、清洁腔室、固化腔室、光刻曝光腔室或其他类似类型的半导体处理腔室。在群集处理系统200的一些实施方式中，处理腔室211、100、232、228、220、传输腔室236、工厂接口202和/或至少一个装载锁定腔室222中的一个或多个。在一个示例中，群集处理系统200中的处理腔室211、100、232、228、220包括至少一个物理气相沉积腔室和一个基板定向腔室。

系统控制器244耦接至群集处理系统200。系统控制器244可以包括计算装置201或者可以被包括在计算装置201内，系统控制器244使用群集处理系统200的处理腔室211、100、232、228、220的直接控制来控制群集处理系统200的操作。替代地，系统控制器244可以控制与处理腔室211、100、232、228、220和群集处理系统200相关联的计算机(或控制器)。在操作中，系统控制器244还使得能够从各个腔室进行数据收集和反馈，以优化群集处理系统200的性能。

与上述计算装置201非常相似，系统控制器244一般包括中央处理单元(CPU)238、存储器240和支持电路242。CPU 238可以是能在工业环境中使用的任何形式的通用计算机处理器之一。支持电路242常规上耦接至CPU238，并且可以包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源和类似装置。软件程序将CPU 238转变为专用计算机(控制器)244。软件程序也可以由远离群集处理系统200定位的第二控制器(未示出)储存和/或运行。

图3是用于在基板表面上形成含金属层的工艺300的流程图。图4A-4B描绘了利用工艺300在基板101上形成的含金属层402的示例性应用顺序的示意性截面图。注意，根据需要，含金属层可以在任何合适的结构中使用，例如接触结构、后端结构、前端结构和类似结构。

工艺300通过将在上面形成的基板101传输到诸如如图1中描绘的处理腔室100之类的处理腔室中而开始于操作302。如本文所用，“基板”或“基板表面”是指在基板上形成的任何基板或材料表面，在该基板或材料表面上执行膜处理。例如，能在上面执行处理的基板表面包括(取决于应用的)诸如硅、氧化硅、应变硅(strained silicon)、绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)、碳掺杂的氧化硅、氮化硅、经掺杂的硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石、石英和任何其他材料(例如金属、金属氮化物、金属合金和其他导电材料)之类的材料。基板表面上的阻挡层、金属或金属氮化物可包括钛、氮化钛、氮化硅化钛(titaniumsilicide nitride)、钨、氮化钨、氮化硅化钨(tungsten silicide nitride)、钽、氮化钽或氮化硅化钽(tantalum silicide nitride)。基板可以具有各种尺寸，例如直径是200mm、300mm或450mm的晶片，以及矩形或正方形格片(pane)。基板包括半导体基板、显示基板(例如，LCD)、太阳能面板基板和其他类型的基板。除非另有说明，否则本文所述的多个实施方案和多个示例在直径是200mm、直径是300mm或直径是450mm的基板上进行。本文描述的多个实施方式的多个工艺可用于在许多基板和表面上形成或沉积氮化钛材料。本公开内容的多个实施方式可以是有用的基板包括但不限于半导体晶片，诸如晶体硅(例如，Si<100>或Si<111>)、氧化硅、玻璃、石英、应变硅、硅锗、掺杂或未掺杂的多晶硅、掺杂或未掺杂的硅晶片和有图案或无图案的晶片。可以将基板暴露于预处理工艺，以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火和/或烘烤基板表面。

在操作304，将气体混合物供应至沉积腔室100，用于如图4B所示在基板101上形成含金属层402。含金属层402的合适示例包括AlON、AlN或AlO、ScAlN、锆钛酸铅、铌酸锂和铌酸钠钾。在一个实施方式中，气体混合物可包括反应性气体、非反应性气体、惰性气体和类似气体。反应性和非反应性气体的示例包括但不限于O₂、N₂、N₂O、NO₂、NH₃和H₂O等。惰性气体的示例包括但不限于Ar、Ne、He、Xe和Kr等。在本文描绘的一个特定实施方式中，供应至处理腔室的气体混合物包括至少一种含氮气体、含氧气体和可选地包括惰性气体。

在一个实施方式中，供应至处理腔室100用于含金属层402的沉积的气体混合物至少包括含氧气体(例如O₂、H₂O、NO₂或N₂O)和/或含氮气体(例如N₂、NO₂、N₂O、NH₃和类似气体)。在一个示例中，供应至沉积腔室100用于含金属层402的沉积的气体混合物包括O₂气体和/或N₂气体。在处理期间，将金属合金靶材用作溅射源114。例如，由包含铝(Al)的合金制成的金属合金靶材可以用作用于溅射工艺的溅射源114的源材料。要注意的是，本文所述的含铝(Al)靶材仅用于举例说明，不应解释为限制本发明的范围。此外，可以用作溅射源114的金属合金靶材可以由来自以下材料组成的群组的材料制成：Al、Cu、Ti、Ta、W、Co、Cr、Ni、Sc、Nb、Zr、这些金属的合金、这些金属的组合和类似材料。

在一个实施方式中，供应至处理腔室100中的气体混合物包括N₂气和/或O₂气。可以以约1sccm与约1000sccm之间的流量供应N₂和O₂气。在利用诸如He或Ar之类的惰性气体的实施方式中，可以以约1sccm与约1000sccm之间的流量将惰性气体供应到气体混合物中。

在一个实施方式中，当这里使用的溅射源114是铝靶材时，可以以预定比例调节供应在气体混合物中的N₂气和/或O₂气以形成含金属层402，例如AlON层、AlN或AlO层。在供应在气体混合物中的N₂气(或N₂气或两者)的预定比例下，可以在生成的AlN或AlO层中形成预定的化学计量比的氮或氧。

在操作306，在将气体混合物供应到沉积腔室100中以用于处理之后，将电压电力供应至溅射源114(例如，靶材)以溅射形成含金属层402的第一部分的材料。例如，供应至Al靶材的电压电力以铝离子的形式从溅射源114溅射金属Al源材料，例如形成金属层402的第一部分的Al³⁺。施加在溅射源114与基板支持基座108之间的偏置功率维持了由处理腔室100中的气体混合物形成的等离子体。离子主要来自等离子体轰击中的气体混合物，并从溅射源114溅射掉(sputter off)材料。可以在溅射沉积工艺期间改变气体混合物和/或其他工艺参数，从而产生具有针对不同膜质量要求的期望的膜特性的梯度。

在处理期间，可以调节几个工艺参数。在一个实施方式中，可以在约100瓦与约20000瓦之间提供DC或RF源功率。可以在约50瓦与约5000瓦之间将RF偏置功率施加至基板支承件。

在操作308并且在沉积了含金属层402的第一部分之后，可以旋转基板101以帮助在含金属层402的第一部分上形成含金属层402的第二部分。在一个示例中，可在基板暴露于等离子体时或在等离子体已经耗尽期间，在处理腔室中在支承基座108上原位旋转基板101。在操作306，在从沉积气体混合物形成等离子体时基板在基板101上的含金属层402的沉积期间，支承基座108可被连续地或周期性地旋转。在一个实施方式中，支承基座108可绕轴线147在约1°与约360°之间旋转，例如在约30°与约270°之间旋转、例如在约90°与约180°之间旋转。可以大约在约0rpm与约100rpm之间旋转支承基座108，直到在基板101上形成含金属层402的期望厚度，如图4B所示。

在一个示例中，对于每次旋转，基板101可以在支承基座108上逆时针或顺时针旋转约90°或180°。在每次旋转之间，可以分别连续地供应或间歇地停止在操作304和操作306的气体混合物和功率，直到完成基板旋转并且基板定向处于期望的定向为止，从而能够重新开始沉积工艺。在沉积工艺期间(执行操作304、306时)，可以根据需要旋转基板101一次或多次，直到在基板101上形成含金属层402的期望厚度为止。在一个示例中，当执行总预定工艺时间的约50％时，基板101可旋转约180°。旋转频率可以作为配方(recipe)的一部分保存在处理腔室100的控制器198中。在一个特定示例中，当达到含金属层402的总厚度的约25％的厚度时，基板101旋转约90度。可选地，基板基座108可以在沉积工艺期间根据需要连续旋转，以在旋转基板101时在基板101上沉积含金属层402。

在另一个示例中，基板101可以在沉积含金属层402的沉积的处理腔室外非原位旋转。例如，可以在沉积腔室100外的诸如腔室211或腔室232、228、220之类的定向腔室中(例如，在与沉积腔室100不同的腔室中)非原位执行基板101的旋转，沉积腔室100也并入在群集处理系统200中。可替代地，可以根据需要由设置在传输腔室236中的机器人230来旋转基板101。在沉积工艺期间，基板101可以被传输至定向腔室以改变基板的旋转定向。在将基板101放置在用于基板旋转的定向腔室上时，可以根据需要在基板表面上执行另外的处理工艺，以帮助改变在基板101上形成的含金属层402的膜特性。例如，在基板旋转之前、期间或之后，可以在将基板101放置在定向腔室中时执行另外的加热工艺、冷却工艺、表面修改工艺(例如，表面处理工艺、等离子体修改工艺、等离子体浸没工艺、掺杂剂并入工艺或类似工艺)。因此，当将基板101放置在定向腔室中时，可以在基板101上执行表面处理工艺。通过这样做，可以在基板旋转之前、期间或之后处理在基板101上形成的含金属层402。在基板旋转和/或定向改变之后，然后可以将基板101传输回到沉积腔室100以重新开始沉积工艺，直到达到期望的含金属层402的厚度为止。

相信在基板旋转之前、期间或之后，在定向腔室上执行的另外的工艺使得在从沉积腔室100移除基板101之后的膜特性改变(例如，晶粒和/或键合结构的均质化(homogenization))成为可能。因此，可以在定位在定向腔室中时进一步改变、调整或增强含金属层402的膜特性，从而提高工艺效率和制造周期。

在一个示例中，当放置在用于基板旋转的定向腔室中时，可以利用诸如加热器、等离子体发生器、冷却水系统或其他合适的系统之类的温度控制机制来辅助执行在基板上的表面处理。

通过在定向腔室中而不是在处理腔室100中的基板基座108上执行基板旋转，用于执行沉积工艺的处理腔室100的选择和/或结构可以相对简单，从而可以避免复杂的选择和/或沉积腔室中可旋转基板基座的安装。此外，当从沉积腔室100中移除基板101时，可以在定向腔室或其他腔室中执行另外的工艺，从而可以通过不同的工艺进一步激励、激发或激活含金属层402，以根据需要达到某种膜特性要求。

如上文讨论，在基板旋转之后，基板101然后被传输回到处理腔室100以重新开始沉积工艺，直到在基板101上形成含金属层402的期望厚度为止。基于期望的所得的膜特性和厚度要求，可以根据需要多次发生基板101在沉积腔室100与定向腔室之间的传输。

在操作310，在一个或多个基板旋转工艺之后，在基板101上形成具有期望的膜厚和均匀性的含金属层402。在一个实例中，含金属层402具有在约200nm与约2000nm之间的厚度。可以将膜均匀性控制为小于0.8％，例如在约0.2％与约0.7％之间。此外，与无基板旋转所形成的含金属层相比，该含金属层402的膜均匀性被认为降低了(即，改善了)约0.3％和约0.4％。另外，随着基板均匀性的改善，整个基板上的应力分布也有利地更均匀且更对称地分布。在一个示例中，整个含金属层402上的应力偏差被控制为小于200MPa。与在沉积期间无基板旋转的含金属层相比，该含金属层402被认为具有约20％与约30％之间的应力降低。

因此，提供了用于在基板上形成含金属层的方法。这种沉积工艺可以包括：在沉积工艺期间，在改变基板定向时沉积含金属层。可以在执行沉积工艺的处理腔室中或与沉积腔室分开的定向腔室中旋转基板。通过利用在沉积期间的基板旋转，在基板上形成的含金属层可以具有相对更均匀的膜均匀性以及整个基板的应力分布。

尽管前述内容针对本公开内容的多个实施方式，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可以设计本公开内容的其他和进一步的多个实施方式，并且本公开内容的范围由所附权利要求决定。