專利名稱：環(huán)形濺射靶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用壽命延長的濺射靶以及這些壽命延長的濺射靶的使用方法。
背景技術(shù)：
濺射是在充滿惰性氣體的處理容器中對半導(dǎo)體晶片或其它基片進行涂鍍的一種方法。這些容器中包含有濺射靶和靠近濺射靶處放置的電偏置晶片。容器中的電場使惰性氣體產(chǎn)生電離，并從靶材上撞出原子，以將濺射靶材料沉積到晶片上。通常，處理容器中可含有在濺射靶部分中可產(chǎn)生環(huán)形溝槽圖案的磁控管。遺憾的是，這些溝槽可顯著縮短濺射靶的壽命。此外，這些溝槽對具有增大直徑的濺射靶的不利作用增大。
許多專利都公開了用以增加靶的壽命的隆起環(huán)或表面。例如Strauss等人在歐洲專利No.1087033中公開了具有兩個彼此隔開的環(huán)形環(huán)的濺射靶。這些環(huán)與靶材在濺射過程中經(jīng)受的最大沖蝕面積相對應(yīng)。Daxinger等人在美國專利No.6068742中公開了一種可逆的濺射靶。該靶的每一側(cè)面都含有兩個設(shè)計用于增長靶壽命的圓周形隆起物。Masahura在日本專利No.4-173965中公開了一種含有一單獨凸出環(huán)的濺射靶。該凸出環(huán)具有一防止靶材再次產(chǎn)生粘附的光滑表面和一個靠近光滑表面環(huán)的粗糙表面。這種組合結(jié)構(gòu)減弱了整個濺射工作期限過程中的除塵作用。
近來，環(huán)增強型設(shè)計已被證實對于用于構(gòu)成內(nèi)存芯片的濺射層有效。由于內(nèi)存芯片一般僅包含有兩個金屬層，在這些內(nèi)存應(yīng)用中對膜層的均一性要求不是特別嚴格。和內(nèi)存芯片應(yīng)用不同，邏輯芯片應(yīng)用通常要求較高的膜層均勻性。遺憾的是，具有環(huán)增強型設(shè)計的靶不能產(chǎn)生一些邏輯電路應(yīng)用所嚴格要求的均一性。這可能是源于層數(shù)的增加或是器件設(shè)計規(guī)則。另外，由于在邏輯電路應(yīng)用中需要多層金屬層，在生產(chǎn)廠家漏掉對沉積層化學機械拋光(CMP)時，隨著每個后續(xù)層的增多，均勻性較差就越發(fā)明顯。隨著疊層膜層的均勻性變差，在上層進行光蝕刻變得越發(fā)困難。
從器件制造的觀點來說，膜層的均勻性也很重要。在對器件進行蝕刻時，經(jīng)常會發(fā)生一定程度的過蝕刻現(xiàn)象。若在晶片的中心區(qū)域蝕刻最多且膜層較薄，那么就會增大器件的生產(chǎn)率損失的可能性。
此外，均勻性不夠?qū)Υ蟪叽绨校缒切┲睆匠^250mm的靶的膜層厚度和薄膜電阻的均勻性有顯著影響。在這些大尺寸靶中，環(huán)圈的存在對靶的使用壽命有不利影響。就目前所知，由于以上提到的均勻性原因或其它一些濺射誘發(fā)缺陷等原因，這些環(huán)增強型設(shè)計還不能經(jīng)受嚴格的器件應(yīng)用的商業(yè)化驗收。
發(fā)明概述濺射靶設(shè)計用于在基片上均勻沉積材料。該靶包含有一圓盤；且該盤具有一半徑和一頂面。該頂面在半徑的內(nèi)半部分范圍內(nèi)有一中央?yún)^(qū)域，在半徑的外半部分范圍內(nèi)有一外環(huán)形區(qū)域以及一將中央?yún)^(qū)域和環(huán)形區(qū)域分隔開的基部區(qū)。該外環(huán)形區(qū)域具有一隆起高度，用以延長濺射靶使用壽命。中央?yún)^(qū)域具有的隆起高度小于外環(huán)形區(qū)域的隆起高度，用以增大鄰近中央?yún)^(qū)域放置的基片上的濺射沉積速率。
本方法使用一濺射靶或陰極將材料濺射到基片上。首先，在濺射容器中電離靠近陰極處的惰性氣體，使該容器作好濺射的準備。該陰極具有一晶片到陰極的初始間距和一晶片到陰極的第二間距，用于均勻濺射。晶片到陰極的第二間距大于晶片到陰極的初始間距。在旋轉(zhuǎn)磁控管作用下從陰極上撞出原子以使用晶片到陰極的初始間距在晶片表面沉積出一鍍層該初始間距在初始時間段內(nèi)使濺射沉積均勻性最優(yōu)化。然后在初始沉積后在旋轉(zhuǎn)磁控管作用下從陰極撞出另外的原子以使用晶片到陰極的第二間距在晶片上沉積出鍍層。晶片到陰極的第二間距使得第二時間段內(nèi)濺射沉積均勻性最優(yōu)化。


圖1A為含有圓盤形中央?yún)^(qū)域的濺射靶的頂視圖。
圖1B為圖1A的濺射靶中沿線1-1的橫斷面視圖。
圖2A為含有環(huán)形中央?yún)^(qū)域的濺射靶的頂視圖。
圖2B為圖2A的濺射靶中沿線2-2的橫斷面視圖。
圖3為說明晶片薄膜厚度測量位置的示意圖。
圖4為顯示出采用該中央?yún)^(qū)域設(shè)計得到的改善的濺射均勻性。
具體實施例方式
含有隆起外環(huán)和較小隆起內(nèi)部區(qū)域的靶使得濺射均勻性得到改善。這種靶已成功地應(yīng)用于傳統(tǒng)濺射系統(tǒng)且在晶片中心區(qū)域顯示出較低的薄膜電阻(Rs)。薄膜電阻作為比較在多個位置處的沉積層厚度的一種間接方法，可通過測量對電流的阻抗而得到。
有利的是，該靶具有一個晶片到陰極的初始間距和一晶片到陰極的第二間距，用于均勻濺射。晶片到陰極的第二間距大于晶片到陰極的初始間距。有利的是，在濺射至少約陰極壽命的30％之后晶片到陰極的最佳間距產(chǎn)生這種移位以進一步改善性能。最有利的情況是，在濺射至少約陰極壽命的40％之后產(chǎn)生這種移位。在移位前后用于最佳濺射的初始和第二位置間的準確距離隨不同的機器而變化。此外，有可能進行一次以上的位置調(diào)整或移位以保持最佳濺射性能。然而測試結(jié)果已表明在一段規(guī)定時間后進行一次位置移動可提供優(yōu)良的均勻性，同時使操作人員的不便減至最少。
參考圖1A和圖1B，靶10含有一基部區(qū)12、一盤形中央?yún)^(qū)域14和一外環(huán)形區(qū)域16。環(huán)形區(qū)域16有利地向上方延伸鄰近外邊緣區(qū)域18和外邊緣20。最有利的是，外邊緣區(qū)域18的厚度與基部區(qū)12的厚度相等。環(huán)形區(qū)域16可選擇地向外延伸至外邊緣20。
靶10具有一從中心25延伸到外邊緣20的半徑R。該半徑的內(nèi)半部分包含有中央?yún)^(qū)域14，該半徑的外半部分包含有環(huán)形區(qū)域16。有利的是，中央?yún)^(qū)域14位于從中心25到外邊緣20的徑向距離的內(nèi)側(cè)35％范圍之內(nèi)，最佳為內(nèi)側(cè)30％范圍之內(nèi)。與之相似，外環(huán)形區(qū)域16最佳位于從中心25到外邊緣20的徑向距離的70％-95％處。
中央?yún)^(qū)域的形狀為實心圓盤狀等高隆起，已被證實是有效的?？蛇x擇的是，位于基部區(qū)12和中央?yún)^(qū)域14之間以及位于基部區(qū)12和環(huán)形區(qū)域16之間的截錐形區(qū)域22起到在易于不均勻濺射區(qū)域中進行整平濺射的作用。此外，含有螺紋孔28的凸緣26便于將濺射靶固定在濺射容器內(nèi)部。
圖1B顯示出位于外環(huán)形區(qū)域16和中央?yún)^(qū)域14之間的隆起高度差。隆起高度是基部區(qū)12和中央?yún)^(qū)域14或外環(huán)形區(qū)域16之間厚度差的一個量值。相對于外環(huán)形區(qū)域16的中央?yún)^(qū)域14的隆起高度的減少意外地增加了沉積物的均勻性。另外，這有利于從中央?yún)^(qū)域和外環(huán)形區(qū)域撞出的原子速率快于從基部區(qū)濺射出的原子速率。
有利的是，中央?yún)^(qū)域14具有一隆起高度，其至少要小于外環(huán)形區(qū)域16隆起高度約20％。例如，若外環(huán)形區(qū)域16的高度為5mm，則中央?yún)^(qū)域14的高度為4mm或更小。中央?yún)^(qū)域14的隆起高度優(yōu)選為外環(huán)形區(qū)域隆起高度的約20％-80％。若含環(huán)靶包含有一沒有隆起高度的中央?yún)^(qū)域，那么濺射靶性能較差。最為有利的是，中央?yún)^(qū)域14的高度為外環(huán)形區(qū)域隆起高度的約30％-70％。標稱中央?yún)^(qū)域隆起高度小于外環(huán)形區(qū)域16高度約50％已被證實為最有效。
圖2A和圖2B示出了一個可選實施例，其中中央?yún)^(qū)域14包括有一圓盤形隆起30。在這一實施例中，該圓盤形隆起30含有一凹坑區(qū)域32。該凹坑區(qū)域32可選擇地具有一小于、等于或大于基部區(qū)的厚度。該凹坑區(qū)域32的厚度最好與基部區(qū)的厚度相等。此外，該凹坑區(qū)域32可為圓形、星形或其它對稱或半對稱形狀。該凹坑區(qū)域32最好為對稱形狀，例如所示的圓柱形。
對比例在經(jīng)Endura系統(tǒng)使用A型磁體(安裝在容器4中的靶和一組標準屏蔽)約800kwh(千瓦小時)的濺射后，具有兩個同心隆起環(huán)(4mm高)的一部分失效的300mm直徑尺寸的AlCu(0.5％)靶生產(chǎn)出的薄膜厚度均勻性在較窄的規(guī)格之外-這一系統(tǒng)也為以下例子提供濺射設(shè)備。系統(tǒng)的磁控管中含有多個圍繞一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生更均勻磁場的磁體。遺憾的是，參見圖3，與在外徑處(距離邊緣6mm處)相比，在晶片中心處旋轉(zhuǎn)磁控管會產(chǎn)生較高的薄膜電阻值。這表明在晶片中心處的膜厚度小于晶片外側(cè)區(qū)域處的膜厚度。
在將內(nèi)環(huán)機加工成高度為2mm的薄圓盤使靶中心改型后要進行附加測試。靶的4mm外環(huán)已磨損形成一凹槽狀凹陷。在這些中心改型完成后，在進行測試前將該靶預(yù)燒至5kwh。表1和表2分別給出了部分失效的4mm高同心環(huán)及其中心改型型式的薄膜電阻(Rs)均勻性和厚度數(shù)據(jù)。
表1示出利用一6mm邊緣隔斷，在49個位置點測定一200mm的氧化物晶片的薄膜電阻均勻性-(％σ或一個標準差的百分數(shù))。
表1

表1示出了由減小內(nèi)環(huán)高度產(chǎn)生的晶片到陰極最佳間距的意想不到的變化。此外，改型后的中心區(qū)設(shè)計提高了薄膜電阻均勻性。
表2

表2的數(shù)據(jù)源于在10.6kw條件下運行Endura系統(tǒng)60秒，使用溫度300℃條件下、18sccm容器/15sccm(標準立方厘米)襯板氬氣流、晶片與陰極間距為52mm以及容器壓力為2毫托。Δ為測定中央?yún)^(qū)讀數(shù)和如圖3所示(標準五點法測試)靠近外徑的四處頂部、左側(cè)、底部和右側(cè)外徑中任一個讀數(shù)之間厚度()的最大差值。測試點越多，越有利于減小標準差或σ值。因此，由于標準五點法測試僅測試五個點，它比一些測量幾個點的厚度的備選測試方案更加嚴格。
例子使用具有一1.18英寸(3.0cm)寬、2mm高的內(nèi)圓盤且直徑為3.54英寸(9.0cm)的一個4mm高的外環(huán)制造出的一個Al-Cu(0.5％)濺射靶改善了薄膜電阻和鍍膜厚度均勻性。基于在200mm的熱氧化物晶片上沉積出的約1微米厚的膜層對靶的性能進行測試。進行評估時所用標準處理條件如下所示功率10.6kw氬氣流(容器)18sccm氬氣流(墊模板) 18sccm容器壓力2.04mTorr(毫托)溫度300℃靶到晶片的間距 46mm和52mm(厚度)可變(薄膜電阻均勻性)在200mm的晶片上使用一4D自動型4點探針在49個位置檢測薄膜電阻均勻性。使用一6mm邊緣隔斷。根據(jù)標準五點法測試在每一晶片上五個位置處測量膜厚。在3、7和15kwh條件下完成初始試驗，檢測薄膜電阻均勻性(表3)，在3、5、7、9、12和15kwh范圍內(nèi)測量膜厚(表4)。在晶片到陰極標準間距為52mm下檢測膜厚和薄膜電阻均勻性。此外，在100kwh-1400kwh條件下完成的測試根據(jù)晶片到陰極的不同距離(44-53mm)來確定沉積出低薄膜電阻均勻性膜的最佳間距。
表3示出在不同晶片到陰極間距條件下，靶的薄膜電阻均勻性檢測結(jié)果。
表3



這些數(shù)據(jù)表明為獲得最大均勻度需要意外地減少晶片到陰極最佳初始距離。具有一厚度減薄的中心區(qū)域的靶晶片到陰極最佳初始間距減少至約46mm-一6mm雙環(huán)靶在晶片到陰極間距在50mm和52mm之間時獲得最佳均勻性。然后經(jīng)過約900kwh濺射后，晶片到陰極最佳距離增至52mm。
表4示出了采用晶片到陰極間距為52mm時得到的膜厚均勻性檢測結(jié)果。
表4


如以上所述和圖4所示，晶片中心和外徑之間的膜厚均勻性差值(Δ值)似乎仿效薄膜電阻均勻性的數(shù)據(jù)。因此，對于大部分靶的壽命而言，在較低的薄膜電阻均勻性測試點處，厚度差異最小。但是在靶的壽命將要結(jié)束時，這種關(guān)聯(lián)有些偏差。
表5對靶的厚度測量的Δ值結(jié)果進行了比較，具體測試方法為在每一測試周期后采用標準五點法測試，其晶片到陰極的標準間距為52mm，最佳間距為46mm。
表5

表5的數(shù)據(jù)和圖4說明了一種兩部分方法以優(yōu)化薄膜電阻或Rs均表5的數(shù)據(jù)和圖4說明了一種兩部分方法以優(yōu)化薄膜電阻或Rs均勻性。首先，晶片到陰極最佳間距相對于平面靶向內(nèi)移動至46mm。然后，在靶灼燒至少約900小時后，該間距增至52mm。該移動使濺射生產(chǎn)商將Rs均勻性保持在如下水平，即采用標準五點法進行測試，小于約1.5％σ和厚度最大差值(Δ值)約為250(埃)。其保持Rs均勻性最佳為小于約1.3％σ。
表6列出了不同的200mm的Al/Cu(0.5％)靶的鍍膜厚度數(shù)據(jù)，在100kwh，晶片到陰極(W/C)最佳間距條件下進行測量。
表6

含有隆起外環(huán)和較小隆起內(nèi)部區(qū)域的靶使得濺射均勻性得到改善。這種靶已成功地應(yīng)用于傳統(tǒng)濺射系統(tǒng)并生產(chǎn)出具有高均勻性的沉積層。該靶對于鋁和鋁合金濺射靶設(shè)計特別有效。例如，該靶在基片上施鍍鍍層，其薄膜電阻均勻性最大值為約1.5％σ。此外，在一個使用A型磁體的旋轉(zhuǎn)磁控管濺射容器中，其使用壽命至少為1000kwh。最有利的是，該靶壽命至少為1200kwh并可成功地測試至1400kwh。與傳統(tǒng)平面設(shè)計靶的壽命為約900kwh相比，優(yōu)選這種設(shè)計。
在不偏離本發(fā)明范圍的前提下，本發(fā)明可由許多可能的實施例組成。由此應(yīng)這樣理解，即在此陳述的所有內(nèi)容應(yīng)被視為示例性的，而不具有限制性。
權(quán)利要求
1.一種用于將材料沉積在基片上的濺射靶(10)，包含一圓盤，該圓盤具有濺射壽命，一半徑和一頂面，該頂面在半徑的內(nèi)半部分內(nèi)有一中央?yún)^(qū)域(14)，該中央?yún)^(qū)域(14)有一濺射沉積速度；在半徑的外半部分內(nèi)有一外環(huán)形區(qū)域(16)以及一將中央?yún)^(qū)域(14)和外環(huán)形區(qū)域(16)分隔開的基部區(qū)(12)，該外環(huán)形區(qū)域(16)具有一用以延長濺射靶(10)的濺射壽命的隆起高度，同時當從基部區(qū)(12)進行測量時，中央?yún)^(qū)域(14)具有的隆起高度小于外環(huán)形區(qū)域(16)的隆起高度，用以增大鄰近中央?yún)^(qū)域(14)放置的基片上的沉積速率和提高濺射均勻性。
2.一種用于將材料沉積在基片上的濺射靶，包含一圓盤，該圓盤具有濺射壽命，一半徑和一頂面，該頂面在半徑的內(nèi)側(cè)35％范圍內(nèi)有一中央?yún)^(qū)域(14)，該中央?yún)^(qū)域(14)有一濺射沉積速度；在半徑的外側(cè)60％范圍內(nèi)有一外環(huán)形區(qū)域(16)以及一將中央?yún)^(qū)域和外環(huán)形區(qū)域(16)分隔開的基部區(qū)(12)，該外環(huán)形區(qū)域(16)具有一用以延長濺射靶(10)的濺射壽命的隆起高度，同時當從基部區(qū)(12)進行測量時，中央?yún)^(qū)域(14)具有的隆起高度小于外環(huán)形區(qū)域(16)隆起高度約20％-80％，用以增大鄰近中央?yún)^(qū)域(14)放置的基片上的沉積速率和提高均勻性，并且濺射靶(10)利用晶片到陰極初始間距和晶片到陰極第二間距提供最優(yōu)均勻濺射方式，其中晶片到陰極第二間距大于晶片到陰極初始間距。
3.如權(quán)利要求2所述的濺射靶(10)，其特征在于該中央?yún)^(qū)域(14)為一等高的圓盤形實心隆起(30)。
4.如權(quán)利要求2所述的濺射靶，其特征在于該中央?yún)^(qū)域(14)含有一圓盤形隆起(30)和在圓盤形區(qū)域(30)內(nèi)的一凹坑區(qū)域(32)。
5.如權(quán)利要求2所述的濺射靶，其特征在于該圓盤有一圓心(25)和一外邊緣(20)，且中央?yún)^(qū)域(14)位于圓心(25)和外邊緣(20)之間徑向距離的內(nèi)側(cè)30％范圍之內(nèi)；而外環(huán)形區(qū)域(16)位于圓心(25)和外邊緣(20)之間徑向距離的70％-95％范圍之內(nèi)。
6.如權(quán)利要求2所述的濺射靶，其特征在于該濺射靶(10)為鋁或鋁合金材質(zhì)，且該濺射靶(10)在基片上施鍍鍍層時，其薄膜電阻均勻性最大值為約1.5％σ，并且在一個使用A型磁體的旋轉(zhuǎn)磁控管濺射容器中其濺射使用壽命至少為1000kwh。
7.一種將材料濺射到基片上的方法，包括在濺射容器中電離靠近陰極(10)處的惰性氣體，該陰極(10)具有一晶片到陰極(10)的初始間距和一晶片到陰極(10)的第二間距，用于均勻濺射，晶片到陰極(10)的第二間距大于晶片到陰極(10)的初始間距；在旋轉(zhuǎn)磁控管作用下從陰極(10)上撞出原子以使用晶片到陰極(10)的初始間距在晶片上沉積出一部分鍍層，從而使在初始時間段內(nèi)濺射沉積均勻性最優(yōu)化；以及在初始沉積時間段之后在旋轉(zhuǎn)磁控管作用下從陰極(10)撞出另外的原子，以使用晶片到陰極(10)的第二間距在晶片上沉積出另一部分鍍層，從而使在第二時間段內(nèi)濺射沉積均勻性最優(yōu)化。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于該陰極(10)包含有一中央?yún)^(qū)域(14)、一外環(huán)形區(qū)域(16)和一基部區(qū)(12)，且在中央?yún)^(qū)域(14)和外環(huán)形區(qū)域(16)內(nèi)原子的撞出速率要大于基部區(qū)(12)內(nèi)原子的撞出速率。
9.一種將材料濺射到基片上的方法，包括在濺射容器中電離靠近陰極(10)處的惰性氣體，該陰極(10)具有濺射壽命，一半徑和一頂面，該頂面在半徑的內(nèi)半部分內(nèi)有一中央?yún)^(qū)域(14)；在半徑的外半部分內(nèi)有一外環(huán)形區(qū)域(16)以及一將中央?yún)^(qū)域(14)和外環(huán)形區(qū)域(16)分隔開的基部區(qū)(12)，該外環(huán)形區(qū)域(16)具有一用以延長陰極(10)濺射壽命的隆起高度，同時當從基部區(qū)(12)進行測量時，中央?yún)^(qū)域(14)具有的隆起高度小于外環(huán)形區(qū)域(16)的隆起高度；該陰極(10)具有一晶片到陰極(10)的初始間距和一晶片到陰極(10)的第二間距，用于均勻濺射，晶片到陰極(10)的第二間距大于晶片到陰極(10)的初始間距；在旋轉(zhuǎn)磁控管作用下從陰極(10)上撞出原子以使用晶片到陰極(10)的初始間距在晶片上沉積出鍍層，從而使在初始時間段內(nèi)濺射沉積均勻性最優(yōu)化；以及在初始沉積時間段之后在旋轉(zhuǎn)磁控管作用下從陰極(10)撞出另外的原子，以使用晶片到陰極(10)的第二間距在晶片上沉積出鍍層，從而使在第二時間段內(nèi)濺射沉積均勻性最優(yōu)化。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該陰極(10)在基片上施鍍鍍層，其薄膜電阻均勻性最大值為約1.5％σ，同時，使用A型磁體時該陰極(10)濺射壽命至少為1000kwh。
全文摘要
一種設(shè)計用于將材料均勻地濺射到基片上的濺射靶(10)。該靶(1)含有基部區(qū)(12)、圓盤形中央?yún)^(qū)域(14)、外環(huán)形區(qū)域(16)、外邊緣區(qū)域(18)和外邊緣(20)。錐形區(qū)域(22)起到在易于不均勻濺射區(qū)域中進行整平濺射的作用。一凸緣(26)含有螺紋孔(28)，以便于將濺射靶(10)與濺射容器固定在一起。該外環(huán)形區(qū)域(16)具有一用以延長濺射靶(10)使用壽命的隆起高度。中央?yún)^(qū)域(14)具有的隆起高度小于外環(huán)形區(qū)域(16)的隆起高度，以增大靠近中央?yún)^(qū)域(14)處的基片上的濺射沉積速率。
文檔編號H01L21/285GK1541281SQ02811390
公開日2004年10月27日 申請日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月5日
發(fā)明者D·R·馬克斯, R·馬休, A·斯諾曼, C·R·菲舍爾, D R 馬克斯, 德, 菲舍爾 申請人:普萊克斯S.T.技術(shù)有限公司