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CN112708865B - 用于改善薄膜均匀性的镀膜设备 - Google Patents

用于改善薄膜均匀性的镀膜设备 Download PDF

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CN112708865B
CN112708865B CN202110330031.3A CN202110330031A CN112708865B CN 112708865 B CN112708865 B CN 112708865B CN 202110330031 A CN202110330031 A CN 202110330031A CN 112708865 B CN112708865 B CN 112708865B
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Abstract

本发明提供一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，包括：腔体、沉积源、晶圆基座，靶材位于腔体的上部，磁铁位于靶材上方，晶圆基座位于腔体下部，晶圆基座包括基座表面及位于基座表面下方的平板电极，平板电极用于提供偏压场，平板电极被一个或多个绝缘环分为多个电极区域，每个被绝缘环分开的电极区均能独立产生一个脉冲直流偏压或者射频偏压，以在晶圆表面不同区域产生相同或者不同的负偏压。本发明通过对平板电极的进行分区，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺需要设定不同的偏压大小，并通过调节各电极区域串联电阻的阻值来优化沉积薄膜的应力均匀性和方阻均匀性，能大幅提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。

Description

用于改善薄膜均匀性的镀膜设备
技术领域
本发明属于半导体制造设备领域，特别是涉及一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备。
背景技术
对于溅射镀膜工艺，从靶材表面溅射下来的金属粒子与反应气体反应并最终在晶圆表面沉积形成薄膜。溅射镀膜工艺中的各项参数，包括靶材表面磁场分布、气体流量和压力、反应温度、基片负偏压等，都可能对薄膜品质产生重要影响；而这其中，靶材表面磁场和基片负偏压的影响尤为突出。比如，靶材表面磁场对方阻均匀性和应力均匀性等薄膜特性有着非常大的影响；负偏压对薄膜特性的影响也非常大，利用负偏压对阳离子的吸引和加速作用，增大基片偏压能加大阳离子轰击晶圆表面沉积薄膜的能量，可以让薄膜的应力从张应力变到压应力，还可以增加溅射薄膜的致密度从而改变薄膜的方阻。但是，对于常见的磁控溅射设备，靶材表面磁场的均匀性往往难以尽如人意，其中一大原因就是常见镀膜设备中靶材背面的磁控管设计的出发点都是为了改善膜厚的均匀性和靶材利用率，所以难以兼顾溅射薄膜的方阻均匀性和应力均匀性。这样设计出来的磁控管就会造成晶圆中心区域和边缘区域附近的惰性气体离子的分布存在很大的差异性，分布不均匀的离子对晶圆表面薄膜的轰击能量也会不同，从而会影响到晶圆表面薄膜的应力均匀性和方阻均匀性。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，用于解决现有技术中晶圆表面薄膜的应力均匀性和方阻均匀性难以改善的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，所述镀膜设备包括：腔体、沉积源、晶圆基座，所述沉积源位于所述腔体的上部，所述晶圆基座位于所述腔体下部，所述晶圆基座包括基座表面及位于基座表面下方的平板电极，所述平板电极用于提供偏压场，所述平板电极被一个或多个绝缘环分为多个电极区域，每个被所述绝缘环分开的所述电极区域均能独立产生一个脉冲直流偏压或者射频偏压，以在晶圆表面不同区域产生相同或者不同的负偏压。
可选地，所述镀膜设备为溅射镀膜设备，所述沉积源包括磁铁和靶材，所述靶材位于所述腔体的上部，所述磁铁位于所述靶材上方。
可选地，所述镀膜设备为化学气相沉积设备或原子层沉积设备，所述沉积源为薄膜沉积所使用的喷淋头。
可选地，所述平板电极上的每个电极区域均连接有电源，通过改变所述电源的输出功率大小来改变每个所述电极区域的负偏压大小。
可选地，所述电源包括直流电源、脉冲直流电源及射频电源中的一种。
可选地，每一个电极区均与一个可变电阻相串联，通过调节所述可变电阻的阻值以调整每个所述电极区域的负偏压大小。
可选地，每个所述电极区域的负偏压大小根据晶圆表面不同区域的应力或/及方阻需求设定。
可选地，通过不同负偏压大小对阳离子的吸引和加速作用，调节晶圆上表面附近阳离子往下轰击晶圆表面不同区域的能量，以改善晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性。
可选地，所述平板电极被一个或多个绝缘环分为多个圆形电极区域或环形电极区域。
可选地，所述晶圆基座内部还设有加热盘，所述加热盘包括单个加热区块或多个加热区块中的一种，所述多个加热区块的每个加热区块可独立控制加热功率，以提高加热均匀性，改善薄膜晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性。
可选地，所述腔体内侧还设有加热盘，所述加热盘呈环状对称分布，且所述加热盘设置于在晶圆上方或者与晶圆在同一水平高度。
可选地，所述晶圆基座下方或外侧还设置有旋转装置，以使所述平板电极在工艺过程中可连续旋转或不连续旋转。
如上所述，本发明的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，具有以下有益效果：
本发明的镀膜设备通过设置平板电极，并对平板电极的进行分区，每个电极区均能独立产生一个脉冲直流偏压或者射频偏压，以在晶圆表面不同区域产生相同或者不同的负偏压，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺（如应力及方阻）需要设定不同的偏压大小，并通过调节各电极区域串联电阻的阻值来优化沉积薄膜的应力均匀性和方阻均匀性，能大幅提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。实验证明，本发明通过对平板电极的多个电极区域实现独立的偏压控制，能够让将晶圆表面薄膜的片内应力均匀性（最大应力与最小应力之差）大幅度减小。
附图说明
图1显示为本发明实施例的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备的结构示意图。
图2显示为本发明的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备的平板电极的结构示意图。
图3显示为本发明实施例的带有旋转装置的晶圆基座的镀膜设备的结构示意图。
图4显示为利用单一电极的镀膜设备沉积的氮化物薄膜的应力均匀性曲线图。
图5显示为本发明实施例利用三个电极区域的镀膜设备沉积的氮化物薄膜的应力均匀性曲线图。
元件标号说明：10 腔体；11 靶材；12 磁铁；13 晶圆基座；131 平板电极；132 基座表面；311 电极区域；312 绝缘环；133 加热盘；151 马达；152 传动连接件；153 旋转件。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征 “之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的目的在于提供一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，用于解决现有技术中晶圆表面薄膜的应力均匀性和方阻均匀性难以改善的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，如图1~图2所示，本实施例提供一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，所述镀膜设备可以为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相沉积（CVD）设备、原子层沉积（ALD）设备等，在本实施例中，所述镀膜设备为物理气相沉积（PVD）设备，具体为溅射镀膜设备，所述镀膜设备包括：腔体10、沉积源及晶圆基座13，其中，所述溅射镀膜设备的沉积源包括磁铁12及靶材11。当然，对于化学气相沉积设备或原子层沉积设备，所述沉积源可以为薄膜沉积所使用的喷淋头。
所述靶材11位于所述腔体10的上部，所述磁铁12位于所述靶材11上方，通过等离子体（如氩气等）轰击所述靶材11，将靶材11上的原材料溅射出以后，直接沉积到晶圆表面，或同时通入反应气体以在晶圆表面形成所需材料组分的薄膜。
所述晶圆基座13位于所述腔体10下部，所述晶圆基座13包括基座表面132及位于基座表面132下方的平板电极131，所述基座表面132可以为石墨、不锈钢、铝等材料，用于承载晶圆。所述平板电极131用于提供偏压场，所述平板电极131被一个或多个绝缘环312分为多个电极区域311，每个被所述绝缘环312分开的所述电极区域均能独立产生一个脉冲直流偏压或者射频偏压，以在晶圆表面不同区域产生相同或者不同的负偏压。
在一个实施例中，所述平板电极131上的每个电极区域311均连接有电源，通过改变所述电源的输出功率大小来改变每个所述电极区域311的负偏压大小。作为示例，所述电源包括直流电源、脉冲直流电源及射频电源中的一种。在本实施例中，所述电源为脉冲直流电源。
在另一实施例中，所述平板电极131上的每个电极区域311均连接有电源，且每一个电极区均与一个可变电阻相串联，通过调节所述可变电阻的阻值以调整每个所述电极区域311的负偏压大小。
每个所述电极区域311的负偏压大小根据晶圆表面不同区域的应力或/及方阻需求设定。通过不同负偏压大小对阳离子的吸引和加速作用，调节晶圆上表面附近阳离子往下轰击晶圆表面不同区域的能量，以改善晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性。具体地，当晶圆某一区域的应力为负得较多的压应力时，通过增加对应电极区域311的可变电阻的阻值可减少该电极区域311的负偏压，从而可降低该区域离子对晶圆轰击的能量，达到减少该区域压应力的目的；当晶圆某一区域的应力为负得较小的压应力时，通过减小对应电极区域311的可变电阻的阻值可增加该电极区域311的负偏压，从而可提高该区域离子对晶圆轰击的能量，达到增加该区域压应力的目的，依此，可以有效优化沉积薄膜的应力均匀性和方阻均匀性，能大幅提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。
如图2所示，所述平板电极131被一个或多个绝缘环312分为多个圆形电极区域311或环形电极区域311。在本实施例中，所述平板电极131的整体形状为圆形，其大小可与晶圆的大小一致，或略大于晶圆。所述平板电极131被3个绝缘环312分为3个电极区域311，位于平板电极131中部的为圆形电极区域311，位于平板电极131中部及外部的为环形电极区域311。当然，在其他的实施例中，所述平板电极131也可以增加沿直径方向延伸的一个或多个条状绝缘线，以将所述平板电极131分为更多的电极区域311，提高对负偏压的更精确的控制。
在另一实施例中，所述平板电极131也可以是不对称或不规则分布的区域，例如，所述电极区域311也可以为如菱形网格状或矩形网格状等，或是其他不规则的形状或排布；当电极区域311为不对称或不规则形状时，可在晶圆基座13下方或外侧增设旋转装置，从而平板电极131在工艺过程中可以做连续或者不连续的旋转，从而可在晶圆表面获得对称的偏压分布，基于此可获得对称的离子能量分布，有利于应力均匀性的调整和优化。当然，对于电极区域311对称或规则分布的平板电极131，也可以在晶圆基座13下方或外侧增设旋转装置，以进一步提高晶圆表面负偏压分布的对称性及均匀性。
如图3所示，所述旋转装置包括马达151及传动连接件152，所述传动连接件152包括皮带或齿轮。所述旋转件153通过皮带或者齿轮传动连接到所述马达151上，由所述马达151带动旋转，且由于所述晶圆基座13与所述旋转件153相连，从而通过所述马达151可带动所述晶圆基座13和平板电极131一起做连续或者不连续的旋转。
如图1所示，在本实施例中，所述晶圆基座13内部还设有加热盘133，所述加热盘133包括单个加热区块或多个加热区块中的一种，所述多个加热区块的每个加热区块可独立控制加热功率，以提高加热均匀性，改善薄膜晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性。
当然，在另一实施例中，所述加热盘133也可以设置于所述腔体内侧，所述加热盘133呈环状对称分布，且所述加热盘133设置于在晶圆上方或者与晶圆在同一水平高度，以对晶圆进行加热，改善薄膜晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性。
更进一步地，可以同时在晶圆基座13内部及腔体内侧设置加热盘133，从晶圆底部及侧面共同对晶圆进行温度的控制，可以进一步提高晶圆的加热均匀性。
如图4及图5所示，图4显示为利用单一电极的镀膜设备沉积的氮化物薄膜的应力均匀性曲线图，图5显示为本实施例利用三个电极区域的镀膜设备沉积的氮化物薄膜的应力均匀性曲线图，由图4及图5可见，通过对平板电极的三个电极区域实现独立的偏压控制，能够让将晶圆表面的氮化物薄膜的片内应力均匀性（最大应力与最小应力之差），从图4中的300 MPa（单电极区域）降低到图5中的80 MPa（三电极区域）左右，采用本实施例的镀膜设备沉积的氮化物薄膜的片内应力均匀性不大于80MPa。
如上所述，本发明的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，具有以下有益效果：
本发明的镀膜设备通过设置平板电极，并对平板电极的进行分区，每个电极区均能独立产生一个脉冲直流偏压或者射频偏压，以在晶圆表面不同区域产生相同或者不同的负偏压，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺（如应力及方阻）需要设定不同的偏压大小，并通过调节各电极区域串联电阻的阻值来优化沉积薄膜的应力均匀性和方阻均匀性，能大幅提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。实验证明，本发明通过对平板电极的多个电极区域实现独立的偏压控制，能够让将晶圆表面薄膜的片内应力均匀性（最大应力与最小应力之差）大幅度减小。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于，所述镀膜设备包括：腔体、沉积源、晶圆基座，所述沉积源位于所述腔体的上部，所述晶圆基座位于所述腔体下部，所述晶圆基座包括基座表面及位于基座表面下方的平板电极，所述平板电极用于提供偏压场，所述平板电极被一个或多个绝缘环分为多个电极区域，每个被所述绝缘环分开的所述电极区域均能独立产生一个脉冲直流偏压或者射频偏压，以在晶圆表面不同区域产生相同或者不同的负偏压，所述平板电极上的每个电极区域均连接有电源，通过改变所述电源的输出功率大小来改变每个所述电极区域的负偏压大小，通过不同负偏压大小对阳离子的吸引和加速作用，调节晶圆上表面附近阳离子往下轰击晶圆表面不同区域的能量，以改善晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性；所述基座表面为石墨或铝材料；所述腔体内侧还设有加热盘，所述加热盘呈环状对称分布，且所述加热盘设置于在晶圆上方或者与晶圆在同一水平高度。
2.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：所述镀膜设备为溅射镀膜设备，所述沉积源包括磁铁和靶材，所述靶材位于所述腔体的上部，所述磁铁位于所述靶材上方。
3.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：所述镀膜设备为化学气相沉积设备或原子层沉积设备，所述沉积源为薄膜沉积所使用的喷淋头。
4.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：所述电源包括直流电源、脉冲直流电源及射频电源中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：每一个电极区均与一个可变电阻相串联，通过调节所述可变电阻的阻值以调整每个所述电极区域的负偏压大小。
6.根据权利要求5所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：每个所述电极区域的负偏压大小根据晶圆表面不同区域的应力或/及方阻需求设定。
7.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：所述平板电极被一个或多个绝缘环分为多个圆形电极区域或环形电极区域。
8.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：所述晶圆基座内部还设有加热盘，所述加热盘包括单个加热区块或多个加热区块中的一种，所述多个加热区块的每个加热区块可独立控制加热功率，以提高加热均匀性，改善薄膜晶圆表面沉积薄膜应力均匀性和方阻均匀性。
9.根据权利要求1所述的用于改善薄膜均匀性的镀膜设备，其特征在于：所述晶圆基座下方或外侧还设置有旋转装置，以使所述平板电极在工艺过程中可连续旋转或不连续旋转。
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