濺射裝置及其電極和該電極的製造方法
2023-08-09 00:50:46 2
專利名稱：濺射裝置及其電極和該電極的製造方法
技術領域：
本發明涉及旋轉式磁控管套磁控管型(rotation-magnetron-in-magnetron)(RMIM)電極，製造RMIM電極的方法，和使用RMIM電極的濺射裝置，特別涉及，磁控濺射方法中適用於製備高集成密度和低線寬的(半導體器件)技術和大尺寸晶片加工的RMIM電極，製造該RMIM電極的方法，和具有RMIM電極的濺射裝置。
背景技術：
物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)通常用於製造具有精細厚度的薄膜。在CVD方法中，具有預定特徵的薄膜通過化學反應獲得。另一方面，在PVD方法中，薄膜通過將能量施加於預定材料上，使得預定材料可以具有動能，然後沉積到晶片上來形成。
總的來說，有兩種不同的CVD方法即濺射和蒸鍍。在蒸鍍方法中，固體或液體被加熱，因此可以被分成分子或原子，隨後分子或原子被冷凝到晶片表面上。蒸鍍裝置已被廣泛應用於製造半導體器件，因為其結構簡單，並且可被應用於不同材料。
濺射是一種將薄膜沉積到晶片上的方法，其中，具有高能量的粒子與由所需材料形成的靶相撞，使材料從靶射出，沉積到晶片上。濺射可用於形成在大面積上具有相對均勻厚度的薄膜，並在形成合金薄膜時，比其他沉積方法易於控制薄膜的成分比。因此，濺射已被廣泛應用於半導體器件的製造，比如DRAM、SRAM、NVM、LOGIC和其它電子器件。
現有多種濺射方法，包括雙極濺射方法和磁控管濺射方法，它們都被廣泛使用。射頻(RF)或直流(DC)雙極濺射方法是簡單的，然而需要很長時間形成層，在層的形成過程中，溫度的增加，層的破壞，或成分分離可能發生。為了解決雙極濺射方法的缺點，開發了磁控管濺射方法(magnetron sputtering method)。
磁控管濺射方法是一種生成高密度等離子體的方法，將平行磁場施加到靶的表面，於是在靠近陰極(即靶)的地方捕獲電子。與雙極濺射方法中不同，在磁控管濺射方法中，可以高速沉積層，並通過控制二次電子阻止晶片溫度的增加。而且，在磁控管濺射方法中，低壓高密度等離子體環境可以利用磁場在反應器中產生，於是通過促使濺射粒子直線行進來使得濺射粒子可高效沉積在具有階梯差的區域，臺階覆蓋性可得以提高。
圖1是描述現有磁控管濺射裝置的示意圖。參考圖1，晶片17安裝在晶片支架19上，晶片支架19位於真空室21中，靶11面對晶片支架19設置。在磁控管濺射裝置中，磁體15布置在靶11後面的旋轉盤29上，於是在預定方向產生磁場線(magnetic field line)。另外，在真空室21外部提供了電源27，因此電壓可以提供到靶11上的電極13上。在旋轉盤29的一端提供了配重(balance weight)16，用於平衡磁體15的重量，因此旋轉盤29可以平衡旋轉。
如果真空室21維持在預定的真空度，一種惰性氣體，比如氬，被加到真空室21內，隨後由於施加到電極13的負電壓，發生放電。放電的結果，由電離氣體分子、中性分子和電子組成的等離子體在真空室21中產生，電離氣體分子的移動速度通過負電壓加速，因此他們最後與靶11碰撞。靶11表面的原子，通過氣體分子的碰撞獲得動能，從靶11發射出，發射出的原子以薄膜的形式沉積在晶片17上。沉積的薄膜的厚度依賴於施加到電極13上的電壓、真空室21的真空度和沉積薄膜所用的時間。
但是，在磁控管濺射方法中，很難有效控制帶電粒子的運動，特別是反應器中的二次電子，其是影響磁控管濺射方法的性能的關鍵因素。在水平磁場集中在特定區域的情況下，靶11被不規則地刻蝕，於是靶11的粒子沉積在晶片17上而具有不規則的厚度。另外，現有的使用磁控管陰極的磁控管濺射裝置難於滿足製造具有低線寬的高度集成器件和處理大尺寸晶片的不斷提高的需要。
移動磁體型磁控管濺射方法被認為在薄膜均勻方面優於其他的磁控管濺射方法。圖2至4是描述現有移動磁體型磁控管陰極的示意圖。特別是，圖2描述了自由式磁控管陰極，圖3描述了準直管沉積系統式磁控管陰極，圖4描述了自電離等離子體式單一移動磁控管陰極。
這些磁控管陰極技術在處理低線寬(0.14μm或更小)和大的長徑比(5∶1或更大)時是無效的，因為其導致不對稱沉積的薄膜、下降的薄膜均勻性、以及伴隨著靶的局部刻蝕的靶材料的無效使用。在本領域中已經付出了艱苦努力，以改善傳統陰極，並且因而通過改進部件而不是陰極，比如準直管和長射程噴射機(long throw sputter)來增強靶粒子直線行進的趨勢。
發明內容
本發明提供了一種濺射裝置，其通過優化磁控管濺射方法中反應器內的等離子體環境而適用於提供高集成密度和低線寬的半導體器件技術、以及處理大尺寸晶片的工藝。
根據本發明的一個方面，提供一種RMIM電極。該RMIM電極包括一個磁體單元，其包括一個位於中央的柱(cylinder)形磁體和多個圍繞該柱形磁體的環形磁體；以及一個驅動單元，其支承和離軸旋轉(off-axis-rotating)該磁體單元。在磁體單元中，相鄰磁體有相反的磁化方向，且小直徑的環形磁體放置在大直徑的環形磁體內。
更優選地，驅動單元包括一個支承磁體單元的非磁性旋轉盤和一個旋轉軸，該旋轉軸連接到非磁性旋轉盤的中心並離軸旋轉非磁性旋轉盤。
更優選地，磁體具有不對稱形狀。
更優選地，磁體彼此不共享同一個中心。
更優選地，RMIM電極進一步包括設置在非磁性旋轉盤表面，並在非磁性旋轉盤旋轉時使非磁性旋轉盤保持平衡的配重。
更優選地，在磁體單元中設置兩個環形磁體。
更優選地，在磁體單元中設置超過兩個的環形磁體。
根據本發明的另一方面，提供一種製造RMIM電極的方法。方法包括(a)通過將一柱形磁體置於基礎(basic)RMIM電極的中心，並布置多個環形磁體，以使小直徑環形磁體置於大直徑環形磁體內部，從而該柱形磁體被多個環形磁體包圍，來形成一個基礎RMIM電極；(b)通過離軸旋轉基礎RMIM電極，推斷水平磁場分量集中的位置；以及(c)通過改變磁體的形狀和排列，優化基礎RMIM電極，使得水平磁場分量可均勻分布。
優選地，步驟(a)中，相鄰磁體有相反的磁化方向。
優選地，步驟(b)中，磁體固定在非磁性旋轉盤上，然後離軸旋轉。
優選地，步驟(b)包括製造濺射裝置，該裝置包括基礎RMIM電極、位於基礎RMIM電極上方的靶、以及其上將要沉積靶材料的晶片；通過離軸旋轉該基礎RMIM電極，在靶上進行濺射；計算濺射過程中靶的每一部分被蝕刻的深度分布；並根據靶的深度分布推斷水平磁場分量集中的位置。
根據本發明的再一個方面，提供一種濺射裝置。該濺射裝置包括第一電子單元，在其上安裝晶片；第二電子單元，其下提供有由沉積在晶片上的預定材料形成的靶；一個磁體單元，位於第二電極單元後面，並包括一個位於磁體單元中心的柱形磁體和圍繞該柱形磁體的多個環形磁體；以及一個驅動單元，其支承和離軸旋轉磁體單元。在磁體單元中，相鄰磁體有相反的磁化方向，且小直徑環形磁體位於大直徑環形磁體內部。
更優選地，驅動單元包括一個支承磁體單元的非磁性旋轉盤、以及連接到非磁性旋轉盤的中心並離軸旋轉該非磁性旋轉盤的旋轉軸。
更優選地，磁體具有不對稱形狀。
更優選地，磁體彼此不共享同一個中心。
更優選地，濺射裝置進一步包括設置在非磁性旋轉盤表面、並在非磁性旋轉盤旋轉時使非磁性旋轉盤保持平衡的配重。
更優選地，在磁體單元內提供兩個環形磁體。
更優選地，在磁體單元提供超過兩個的環形磁體。
本發明提供一種採用非對稱多重磁場分割法(asymmetric multiplemagnetic field division method)的RMIM電極，一種製造RMIM電極的方法，以及一種使用RMIM電極的磁控管濺射裝置。因此，可以滿足在間隙填充過程中提供低的線寬和處理大尺寸晶片的需要。另外，可以均勻地刻蝕靶，增強濺射過程中沉積在晶片上的薄膜的臺階覆蓋性和厚度均勻性。
通過參考附圖詳細描述示例性實施例，本發明的上述及其他特徵和優點將更明顯，圖中圖1是現有磁控管濺射裝置的橫截面圖；圖2是現有自由式陰極的照片；圖3是現有準直管沉積系統式陰極的照片；圖4是現有自電離等離子體陰極的照片；圖5A是根據本發明優選實施例的旋轉式磁控管套磁控管型(rotationmagnetron in magnetron)(RMIM)陰極的透視圖；
圖5B是根據本發明優選實施例的RMIM陰極的平面圖；圖5C是根據本發明優選實施例的RMIM陰極的橫截面圖；圖6A是根據本發明優選實施例的基礎RMIM陰極的平面圖；圖6B是顯示如圖5B所示的RMIM陰極的水平磁場分量的分布的三維圖；圖7A是現有磁控管陰極的平面圖；圖7B是顯示圖7A所示的現有磁控管陰極的水平磁場分量分布的三維圖；圖8A是根據本發明優選實施例在RMIM陰極製造方法的第一階段中RMIM陰極的平面圖；圖8B是刻蝕後的靶的外形，在使用如圖8A所示的RMIM陰極的濺射裝置中在該靶上已經進行了濺射；圖9A是根據本發明優選實施例在RMIM陰極製造方法的第二階段中RMIM陰極的平面圖；圖9B是顯示刻蝕後的靶的外形的圖，在使用如圖9A所示的RMIM陰極的濺射裝置中已經在該靶上進行了濺射；圖10A是根據本發明優選實施例在RMIM陰極製造方法的第三階段中RMIM陰極的平面圖；圖10B是顯示刻蝕後的靶的外形的圖，在使用如圖10A所示的RMIM陰極的濺射裝置中已經在該靶上進行了濺射；圖11A是根據本發明優選實施例在RMIM陰極製造方法的第四階段中RMIM陰極的平面圖；圖11B是顯示刻蝕後的靶的外形的圖，在使用如圖11A所示的RMIM陰極的濺射裝置中已經在該靶上進行了濺射；圖12是根據本發明優選實施例的濺射裝置的橫截面圖；圖13是曲線圖，用於比較使用被認為優於其他現有磁控管陰極的現有ULP陰極獲得的刻蝕後的靶的輪廓，與使用根據本發明優選實施例的RMIM陰極獲得的刻蝕後的靶的外形；以及圖14是曲線圖，用於比較使用根據本發明優選實施例的RMIM陰極執行濺射而沉積在晶片上的靶材料形成的薄膜每一部分的厚度，與使用現有的ULP陰極執行濺射而沉積在晶片上的靶材料形成的薄膜每一部分的厚度。
具體實施例方式
在下文中，將參考描述本發明優選實施例的附圖，詳細描述根據本發明的RMIM電極和製造RMIM電極的方法。這兒，RMIM電極可以是RMIM陽極，或者是RMIM陰極。但是，由於在濺射裝置中通常僅使用RMIM陰極，因此將主要集中在RMIM陰極和其製造方法上來描述根據本發明的RMIM電極和其製造方法。本發明也可用於RMIM陽極和其製造方法。
圖5A到圖5C分別描述了根據本發明優選實施例的RMIM電極的透視圖，平面圖，側視圖。參考圖5A到圖5C，RMIM電極包括位於中心的柱形第一磁體51，其中設置第一磁體51的環形第二磁體53，其中設置第二磁體52的環形第三磁體55。第一到第三磁體51、53和55具有與其相鄰的配對磁體相反的磁方向，使得磁場線可以相連，從而產生磁場。這裡兩個環形磁體提供在RMIM電極內。但是本發明不限於上述舉例的環形磁體的數目。
現有的RMIM電極具有對稱結構，其中，水平磁場分量強度高的地方和水平磁場分量強度低的地方以規則的方式出現，並在特定區域集中。因此，等離子體也集中到RMIM電極中的特定區域。因此，靶的相應於RMIM電極特定區域的部分更可能比其它部分易受刻蝕，使得靶作為整體被不規則地蝕刻。但是，根據本發明的RMIM電極以非對稱的方式旋轉，使得水平磁場分量強度高的地方和水平磁場分量強度低的其它地方的位置低速連續變化而不固定。
參考圖5A到圖5C，第一到第三磁體51、53和55每個均形成為具有非對稱形狀，使得第一到第三磁體51、53和55每一個的外部周界(perimeter)和內部周界都不是彼此恰好一致。而且，第一到第三磁體51、53和55每一個的外部和內部周界都具有彼此間的不規則距離，且不規則地形成。第一到第三磁體51、53和55的幾何形狀通過計算順序確定，使得在第一到第三磁體51、53和55中產生的水平磁場分量可被均勻分配，而不是集中到特定區域。
參考圖5A，第一和第三磁體51和55有向上的磁化方向，第二磁體53有相反的磁化方向，即向下的磁化方向。此處，第一到第三磁體51、53和55的磁化方向可被設置為不同於圖5A所示。但是，在任何情況下，相鄰磁體必須有相反的磁化方向。
參考圖5B，第一到第三磁體51、53和55圍繞旋轉中心58旋轉，這被稱為離軸旋轉，因為旋轉中心58不相應於第一到第三磁體51、53和55的中心。旋轉中心58偏離第一到第三磁體51、53和55的中心。旋轉中心58通過多次實驗確定，使得不對稱多重磁場可被增強，靶可被均勻蝕刻，且靶材料可被沉積在晶片上而有均勻厚度。在圖5中，在第一到第三磁體51、53和55每一個的內部和外部周界之間有8個水平磁場分量集中的位置，它們用L、M、N、O、P、Q、R和S表示。
由於旋轉中心58和第一磁體51的中心不同，所以位置L、M、N、O、P、Q、R和S不對稱地旋轉，畫出不同軌跡，使得水平磁場分量可均勻分布，而不限於8個位置L、M、N、O、P、Q、R和S。
圖5C是根據本發明優選實施例的RMIM電極的橫截面視圖，其沿著圖5B的線A-A』截取。參考圖5C，RMIM電極包括支承和旋轉第一到第三磁體51、53和55的驅動單元。驅動單元包括支承第一到第三磁體51、53和55的非磁性旋轉盤69，以及從旋轉中心58(即非磁性旋轉盤69的中心)伸出，並導致非磁性旋轉盤69的離軸旋轉的旋轉軸52。另外，可在非磁性旋轉盤69上進一步提供配重(圖12中的56)，以使非磁性旋轉盤69保持平衡。
參考圖5C，從第一磁體51開始的磁場線進入第二磁體53，從第三磁體55開始的磁場線進入第二磁體53。由於E×B漂移(drift)，電子(即等離子體)被限制在靶表面，使得被蝕刻的靶的數量增加。
參考圖5B，在第一到第三磁體51、53和55不旋轉的情況下，水平磁場分量集中在沿圖5B的線A-A』分布的區域P、Q、R和S上。但是，即使在第一到第三磁體51、53和55繞旋轉軸58旋轉的情況下，區域Q和R彼此也不重疊，且區域P和S彼此不重疊，因為旋轉軸58不同於第一磁體51的中心。因此，水平磁場分量集中的位置P、Q、R和S可通過第一到第三磁體51、53和55繞旋轉軸58旋轉而在靶的整個區域上均勻分布。另外，可通過增加第一到第三磁體51、53和55每個的體積，並由此增加水平磁場分量的強度，來增加被蝕刻的靶的數量。
圖6A是根據本發明優選實施例的基礎RMIM陰極的平面圖，圖6B是顯示包括基礎RMIM陰極的濺射裝置在靶上產生的水平磁場分量的強度和分布的圖。
參考圖6A，基礎RMIM陰極包括柱形的第一磁體61，環形的並圍繞第一磁體61的第二磁體63，環形的並圍繞第二磁體63的第三磁體65。第二和第三磁體63和65每個的內部和外部周界形成同心圓，使得其間的距離是規則的。但是第一磁體61的中心，處於低於第二磁體63的中心的位置，如圖6A所示。第一到第三磁體61、63和65的旋轉中心68位於高於第一磁體61的中心的位置。
水平磁場分量集中在第一磁體61和第二磁體63之間的區域M、N、Q和R上，以及第二磁體63和第三磁體65之間的區域L、O、P和S上。第一到第三磁體61、63和65不旋轉時，水平磁場分量在區域R強於任何其他區域。但是當第一到第三磁體61、63和65旋轉時，區域N、M和Q作圓周運動，畫出和區域R的相同的軌跡。因此，當第一到第三磁體61、63和65旋轉時，水平磁場分量不是總在區域R最強。
當第一到第三磁體61、63和65圍繞旋轉中心68旋轉時，區域Q和R作圓周運動，畫出相似的軌跡，且區域N和M作圓周運動，畫出相似的軌跡。另外，當第一到第三磁體61、63和65旋轉時，區域P、S、L和O也作圓周運動，畫出相似的軌跡。
圖6B示出了通過優化圖6A所示的基礎RMIM陰極而獲得的圖5B的RMIM陰極停止時，在靶上產生的水平磁場分量的強度。在圖6B中，峰值P1和P2表示分別在區域M、N、Q和R，以及在區域L、O、P和S處產生的水平磁場分量，峰值P3表示在RMIM陰極外部產生的水平磁場分量。
圖7A是現有極低壓(ULP)陰極的平面圖，圖7B是顯示使用包括圖7A的ULP陰極的濺射裝置在靶上產生的水平磁場分量的強度和分布的圖。
參考圖7A，現有的ULP陰極包括柱形第一磁體71和圍繞第一磁體71的第二磁體73，並繞旋轉中心78旋轉，該中心位於第二磁體73的下部。
在圖7A所示的現有ULP陰極中，水平分量磁區域集中在區域F、G、H和I處。在區域F、G、H和I，當繞旋轉中心78旋轉時，區域G畫出最小的圓周，隨後是區域I和H。當繞旋轉中心78旋轉時，區域F畫出最大的圓周。第一和第二磁體71和73產生的水平磁場分量有如圖7B所示的分布方式。水平磁場分量的強度在區域F、G、H和I最大。
參考圖6B和7B，與圖7B的現有ULP陰極在靶上產生的水平磁場分量強度相比，圖6B的通過RMIM陰極在靶上產生的水平磁場分量的強度更強，並具有更寬廣的分布。特別是，在圖6B中，水平磁場分量在第一到第三磁體61、63和65之間的整個空間上幾乎均勻分布。但是，在圖7B中，水平磁場分量集中在第一磁體71和第二磁體73之間的空間上。
在使用圖7A所示的現有ULP陰極進行濺射時，等離子體集中在水平磁場分量集中、且因此強度達到峰值的位置上。靶的相應於水平磁場分量具有峰值強度的位置的部分更可能被刻蝕，其它部分則更不可能被刻蝕。因此，靶作為整體被不規則刻蝕，於是靶材料沉積在晶片上，特別被集中在晶片面對第一磁體71的部分上。因此，靶材料不規則沉積在晶片上，使得沉積在晶片上的靶材料形成的薄膜的厚度均勻性下降。
但是，即使在使用如圖6A所示的基礎RMIM陰極時，水平磁場分量也未均勻分布在整個靶上。因此，必須改變基礎RMIM陰極的幾何形狀，改變旋轉中心的位置。
因此，在將在下文中描述的根據本發明優選實施例製造RMIM陰極的方法中，將順序改變如圖6A所示的基礎RMIM陰極的幾何形狀，於是形成採用不對稱多重磁場分布的RMIM陰極，如圖5A到5C所示。因此，靶整體可被均勻蝕刻，靶被蝕刻的數量可以增加，且靶材料在晶片上形成的薄膜的厚度可以變得均勻。
圖8A、9A、10A和11A是根據本發明優選實施例製造RMIM陰極的方法中製造的不同的RMIM陰極的平面圖，圖8B、9B、10B和11B是顯示分別使用如圖8A、9A、10A和11A所示的RMIM陰極獲得的蝕刻靶的外形的曲線圖。
在根據優選實施例製造RMIM陰極的方法中，在靶表面形成的水平磁場分量的強度和分布直接影響蝕刻靶的輪廓。因此，通過根據磁體的位置和每個磁體的體積執行蝕刻靶輪廓的變化的模擬，並在RMIM陰極的製造中反映模擬結果，RMIM陰極可以被優化。這兒，RMIM陰極中水平磁場分量集中的預定位置被設定為參考點P、Q、R、S、L、M、N和O，並在改變磁體位置時，要考慮到上述各點。
以下，將描述根據本發明優選實施例，製造具有優化結構的RMIM陰極的過程。每個磁體的厚度和寬度，每個磁體的內部周界和外部周界的直徑，旋轉中心和磁體中心的距離不限於下文中描述的預定值，本發明不限於這裡闡明的實施例。
圖8A顯示了基礎RMIM陰極，其中，第一磁體61a位於中心並被多個磁體包圍，例如，第二和第三磁體63a和65a，旋轉中心68a與第一到第三磁體61a、63a和65a的中心一致。這裡相鄰磁體有相反的磁化方向。
特別是，RMIM陰極被製造，使得第二磁體63a位於第三磁體65a內側，第三磁體65a的直徑大於第二磁體63a的直徑。第一到第三磁體61a、63a和65a被固定在非磁性旋轉盤上，因此它們均可以進行離軸旋轉。
第一磁體61a為柱形，直徑大約為4cm。第一磁體61a的中心與旋轉中心68a一致。
第二磁體63a為環形，它的中心位於Y軸的(+)方向上遠離旋轉中心68a大約1cm的位置，如圖8A所示。第二磁體63a的寬度，也就是說，第二磁體63a的內部和外部周界之間的距離為2cm，第二磁體63a的外周界的直徑為16cm。
第三磁體65a為環形，它的中心與旋轉中心68a一致。第三磁體65a的寬度為2cm，第三磁體65a的外周界的直徑為28cm。
如上所述，有8個水平磁場分量集中的位置P、Q、R、S、L、M、N和O，這8個位置設置為優化的RMIM陰極的製造中得以考慮的參考點。
圖8B顯示了使用圖8A所示的RMIM陰極的濺射裝置獲得的靶的輪廓。參考圖8B，在點B靶蝕刻的量最大，其相應於靶上遠離靶邊緣0.11m的位置。在相應於點B的位置靶被蝕刻的深度為1mm。在遠離靶邊緣0.18m的位置，靶被蝕刻的深度為0.6mm，在遠離靶邊緣0.05m的位置，靶被蝕刻的深度為0.3mm。如圖8B所示，在遠離靶邊緣0.05m的位置和遠離靶邊緣0.1m的位置之間，以及在遠離靶邊緣0.15m的位置，靶幾乎不被蝕刻。相應於圖8B中點B的位置屬於第一磁體61a和第二磁體63a之間的某處，如圖8A所示，這表明水平磁場分量仍集中在第一磁體61a和第二磁體63a之間的空間，包括位置Q、R、N和M。
在獲得如圖8B所示的蝕刻靶輪廓之後，計算出水平磁場分量集中的位置，然後第一到第三磁體61a、63a和65a的形狀和布置被適當改變，於是優化了RMIM陰極，使得水平磁場分量可均勻分布。
為了均勻地蝕刻靶且防止靶的特定區域比其他區域被蝕刻得更多，如圖8B所示，第一到第三磁體61a、63a和65a被分別轉變成如圖9A所示的第一到第三磁體61b、63b和65b。
特別地，第一磁體61b，就像第一磁體61a，是柱形的，且將旋轉中心68b作為它的中心。但是，第一磁體61b的直徑是6cm，這比第一磁體61a的直徑大2cm。
第二磁體63b是環形的，它的中心位於Y軸的(-)方向上遠離旋轉中心68b大約1.9cm的位置。第二磁體63b通過修改第二磁體63a的內部周界而形成，使得第二磁體63b的寬度，即第二磁體63b的內部和外部周界之間的距離在最小值1.5cm和最大值3cm之間逐漸變化，且第二磁體63b外部周界的直徑大約為18.5cm。
第三磁體65b和第二磁體63b的中心相同，且第三磁體65b通過修改第三磁體65a的外部周界形成，使得第三磁體65b的寬度，即第三磁體65b的內部和外部周界之間的距離在最小值1.5cm和最大值3cm之間逐漸變化，且第三磁體65b內部周界的直徑大約為21.5cm。
參考圖8A和圖9A，柱形的第一磁體61b與圖8A中的柱形第一磁體61a相比，具有不同的位置和更大的直徑。
如圖9A所示的環形第二磁體63b，其與圖8A所示的環形第二磁體63a不同，具有垂直拉長的橢圓形，且第二磁體63b的寬度逐漸變化。圖9A所示的環形第三磁體65b，與圖8A所示的環形第三磁體65a不同，具有水平拉長的橢圓形，且它的寬度也逐漸變化。
圖9B示出了使用圖9A所示的RMIM陰極的濺射裝置獲得的靶的輪廓。參考圖9B，在靶上遠離靶邊緣0.17m的點處，靶的蝕刻量最大。圖9B表明，在從遠離靶邊緣0.05m的點到遠離靶邊緣0.18m的點的預定區域C內，蝕刻後的靶的每一部分的深度幾乎保持在預定值，即大約0.5mm。
蝕刻後的靶的深度在靶上分別遠離靶邊緣0.05m、0.1m、0.13m和0.17m的位置達到峰值，且這四個位置據信分別相應於圖9A所示的區域Q、N、M和R。蝕刻後的靶的深度達到其最大值，即1mm的區域，是圖9A所示區域R和P在第一到第三磁體61b、63b和65b繞旋轉中心68b旋轉時彼此重合的，且水平磁場分量最集中的區域。
第一到第三磁體61b、63b和65b的形狀被修改，使得如圖9B所示，從0.05到0.17m的預定區域C內的峰值點中深度值的不同可被減小，因而如圖9B所示的蝕刻後的靶輪廓可變得更均勻。
圖10A是除第一磁體63c位置之外，與圖9A的RMIM陰極相同的RMIM陰極的平面圖，圖10B是顯示使用圖10A所示的RMIM陰極的濺射裝置獲得的靶的輪廓的曲線圖。
參考圖10A，第二和第三磁體63c和65c在形狀和中心位置方面分別與圖9A中的第二和第三磁體63b和65b相同。但是，第一磁體61c位於第二和第三磁體63c和65c內部，使得第一磁體61c的中心位於Y軸的(-)方向上遠離旋轉中心68c1.875cm的位置。
和圖9B一樣，圖10B顯示在遠離靶邊緣0.17m的點處，靶被蝕刻的深度最大，且在遠離靶邊緣0.05m的點到遠離靶邊緣0.17m的點之間的區域D內，蝕刻後的靶的深度增加到0.7-0.9mm。與圖9B蝕刻後的靶輪廓相比，圖10B的蝕刻後的靶輪廓總的說來有更大的蝕刻深度和更均勻的蝕刻深度分布。
圖11A顯示了通過優化第一磁體61d和第二磁體63d而製造的RMIM陰極，圖11B顯示了使用圖11A所示的RMIM陰極的濺射裝置中處理後的靶的均勻輪廓。
參考圖11A，第一磁體61d為柱形，具有自由曲線周界(freely curvedperimeter)。第一磁體61d的直徑由最小值7.5cm變到最大值9cm，且第一磁體61d的中心位於Y軸的(-)方向上遠離旋轉中心68d 1.875cm的位置。第二磁體63d為環形，它的中心位於Y軸的(-)方向上遠離旋轉中心68d2.375cm的位置。第一磁體61d內部和外部周界之間的距離在最小值1.5cm和最大值3.0cm之間變化，第二磁體63d的外部周界的直徑約為17.25cm。
第三磁體65d也為環形，且在中心位置、內部和外部周界之間的距離、以及內部直徑方面與圖10A中所示的第三磁體65c相同。
如圖11B所示，在從遠離靶邊緣0.05m的位置到遠離中心邊緣0.18m的位置的區域E中，靶幾乎被蝕刻到1mm的深度。在區域E，靶幾乎均勻蝕刻，這表明圖11A所示的RMIM電極的水平磁場分量均勻分布。
在下文中，將更詳細描述根據本發明優選實施例的使用RMIM電極的濺射裝置。這裡RMIM電極是RMIM陰極。
圖12是根據本發明優選實施例的使用RMIM電極的濺射裝置的橫截面圖。RMIM電極35包括柱形的第一磁體51，環形第二和第三磁體53和55。此處，如上所述，相鄰磁體有相反的磁化方向。
參考圖12，濺射裝置包括真空室41；第一電子單元39，晶片37安裝在其上；第二電子單元33，面對晶片37，在其下設置靶31；RMIM陰極位於靶31的後面，包括柱形的第一磁體51和圍繞第一磁體51的多個環形磁體，例如兩個環形磁體53和55；驅動單元，支承和離軸旋轉RMIM陰極35。這裡，相鄰磁體有相反的磁化方向。
RMIM電極35面對第二電極單元33，包括多個環形磁體53和55。濺射裝置進一步包括電源。
驅動單元包括旋轉軸58，其連接到非磁形旋轉盤69的中心，且驅動旋轉軸58的其它驅動裝置(未示出)可被附加設置到濺射裝置上。附圖標記47表示電源，用於提供電流到第二電極單元33。
RMIM陰極35與以上參照圖5A到5C和11A所描述的RMIM陰極相同。優選地，使用具有圖11A所示的優化形狀和布置的RMIM陰極。
根據本發明的RMIM陰極可能具有比現有陰極更大的體積。如果RMIM陰極的體積增加，即使RMIM陰極採用和現有陰極相同的磁體，RMIM陰極產生的磁場的強度也增加，使得二次電子可以更有效地保持在靶上。因此，可在低壓下更穩定地進行濺射。在低壓過程中，從靶發射到晶片的靶材料粒子的直線行進的趨勢增加，於是靶材料粒子的臺階覆蓋能力可被增強。另外，由於RMIM陰極的面積增加，所以濺射直接影響的靶的區域的面積增加，於是薄膜的沉積率也增加。
圖13是曲線圖，用於比較使用被認為優於其他現有磁控管陰極的傳統ULP陰極獲得的蝕刻後的靶輪廓，和使用根據本發明優選實施例的RMIM陰極獲得的蝕刻後靶的輪廓。參考圖13，h1描述RMIM陰極的蝕刻後的靶輪廓，h2描述現有ULP陰極的蝕刻後靶的輪廓。如圖13所示，h1比h2有更大的蝕刻深度和更均勻的深度分布。特別是，在從遠離靶邊緣0.1m的位置到遠離靶邊緣0.18m的位置的區域中，h2沒有超過0.5mm的蝕刻深度，但h1幾乎達到1mm的蝕刻深度。因此，圖13表明根據本發明的RMIM陰極在蝕刻後的靶輪廓方面比現有ULP陰極有更好的效果。
在圖14中，J1、J2、J3、J4和J5分別表示圖11A所示的優化的RMIM電極、圖10A所示的RMIM電極、圖9A所示的RMIM電極、圖8A所示的RMIM電極和ULP電極。圖14描述了使用圖11A所示的優化的RMIM電極、圖10A所示的RMIM電極、圖9A所示的RMIM電極、圖8A所示的RMIM電極和ULP電極沉積在晶片上的薄膜厚度的變化。
如圖14所示，J1提供了沉積在晶片上的最厚的薄膜，J5提供了最薄的薄膜。分別使用J1到J5形成的薄膜厚度的均勻性如下。
此處，薄膜厚度的均勻性通過下面的公式(1)計算均勻性＝((中心處的晶片厚度-邊緣處的晶片厚度)/中心處的晶片厚度)×100 (1)薄膜的厚度有小的均勻性，這表明薄膜均勻沉積在晶片上。
根據本發明的RMIM陰極和製造RMIM陰極的方法，可以通過利用採用多個磁場分割的RMIM陰極而均勻分布水平磁場分量，來有效限制由E×B漂移所引起的二次電子到靶和其相鄰位置上的運動。另外，根據本發明，通過增加磁控管陰極的體積，可以增加磁場強度。
根據本發明的包括RMIM陰極的濺射裝置，可以通過簡單地重構現有濺射裝置來簡單地製造，於是製造成本可被降低。另外，根據本發明的濺射裝置，可以通過提高濺射粒子直線行進的趨勢來提供均勻的蝕刻後的靶輪廓，並提高薄膜的臺階覆蓋性，於是可以在晶片上均勻沉積濺射粒子。因此，根據本發明的濺射裝置可以有效執行處理大尺寸晶片所需的間隙填充過程，並提供低的線寬。
雖然本發明已參考其示例性實施例得以詳細顯示和描述，但是本領域普通技術人員可以在形式和具體細節上作出不同改變，只要不超出本發明的權利要求書的精神和範圍。
例如，可以使用包括與本公開所揭示的形狀不同的磁體的RMIM陰極，這對本領域普通技術人員是顯而易見的。
如上所述，根據本發明的RMIM電極可以通過均勻分布水平磁場分量來增強磁場強度。
另外，根據本發明的製造RMIM電極的方法可以通過計算和說明蝕刻後靶的輪廓，然後根據蝕刻後的靶輪廓製造優化的RMIM電極，來提供優化的RMIM電極。
使用根據本發明的RMIM電極的濺射裝置，可以均勻蝕刻靶，增加靶被蝕刻的數量。另外，根據本發明的濺射裝置可以通過提高濺射粒子直線行進的趨勢，並且因而在晶片上均勻沉積濺射粒子，來提高薄膜的臺階覆蓋性。因此，根據本發明的濺射裝置可以有效執行處理大尺寸晶片所需的間隙填充過程，並提供低線寬。
雖然本發明已參考其示例性實施例得以詳細顯示和描述，但是本領域普通技術人員可以在形式和具體細節上作出不同改變，只要不超出本發明的權利要求書的精神和範圍。
權利要求
1.一種旋轉式磁控管套磁控管型(RMIM)電極，包括磁體單元，其包括位於中央的柱形磁體和多個圍繞柱形磁體的環形磁體；以及驅動單元，其支承和離軸旋轉磁體單元，其中，在磁體單元中，相鄰磁體有相反的磁化方向，且具有小直徑的環形磁體位於具有大直徑的環形磁體內。
2.根據權利要求1所述的RMIM電極，其中，驅動單元包括非磁性旋轉盤，其支承磁體單元；以及旋轉軸，其連接到非磁性旋轉盤的中心，並離軸旋轉非磁性旋轉盤。
3.根據權利要求1所述的RMIM電極，其中，磁體具有非對稱形狀。
4.根據權利要求1所述的RMIM電極，其中，磁體彼此不共享同一個中心。
5.根據權利要求2所述的RMIM電極，還包括設置在非磁性旋轉盤表面，並在非磁性旋轉盤旋轉的過程中使非磁性旋轉盤保持平衡的配重。
6.根據權利要求1所述的RMIM電極，其中，在磁體單元中設置兩個環形磁體。
7.根據權利要求1所述的RMIM電極，其中，在磁體單元中設置超過兩個的環形磁體。
8.一種製造RMIM電極的方法，包括(a)通過將一柱形磁體置於基礎RMIM電極的中心，並布置多個環形磁體，使得具有小直徑的環形磁體置於具有大直徑的環形磁體內，從而柱形磁體可被多個環形磁體圍繞，來形成一個基礎RMIM電極；(b)通過離軸旋轉基礎RMIM電極，推斷水平磁場分量集中的位置；以及(c)通過改變磁體的形狀和布置來優化基礎RMIM電極，使得水平磁場分量可均勻分布。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，在步驟(a)中，相鄰磁體有相反的磁化方向。
10.根據權利要求8所述的方法，其中，在步驟(b)中，磁體被固定在非磁性旋轉盤上，然後離軸旋轉。
11.根據權利要求8所述的方法，其中，步驟(b)包括製造濺射裝置，該裝置包括基礎RMIM電極、位於基礎RMIM電極之上的靶、以及其上將沉積靶材料的晶片；通過離軸旋轉基礎RMIM電極，在靶上進行濺射；計算濺射過程中靶的每一部分被蝕刻的深度的分布；以及根據靶厚度的分布，推斷水平磁場分量集中的位置。
12.一種濺射裝置，包括第一電極單元，在其上安放晶片；第二電極單元，其下設置有由沉積在晶片上的預定材料形成的靶；磁體單元，其位於第二電極單元後面，包括位於磁體單元中心的柱形磁體和圍繞柱形磁體的多個環形磁體；以及驅動單元，其支承和離軸旋轉磁體單元，其中，在磁體單元中，相鄰磁體有相反的磁化方向，且具有小直徑的環形磁體位於具有大直徑的環形磁體內。
13.根據權利要求12所述的濺射裝置，其中，驅動單元包括非磁性旋轉盤，其支承磁體單元；以及旋轉軸，其連接到非磁性旋轉盤中心，並離軸旋轉非磁性旋轉盤。
14.根據權利要求12所述的濺射裝置，其中，磁體具有非對稱形狀。
15.根據權利要求12所述的濺射裝置，其中，磁體彼此不共享同一中心。
16.根據權利要求13所述的濺射裝置，還包括設置在非磁性旋轉盤表面，並在非磁性旋轉盤旋轉過程中使非磁性旋轉盤保持平衡的配重。
17.根據權利要求12所述的濺射裝置，其中，在磁體單元中設置兩個環形磁體。
18.根據權利要求12所述的濺射裝置，其中，在磁體單元中設置超過兩個的環形磁體。
全文摘要
本發明公開了一種濺射裝置及其電極和該電極的製造方法。該電極為旋轉式磁控管套磁控管型(RMIM)電極。RMIM電極包括磁體單元，包括位於中央的柱形磁體和多個圍繞柱形磁體的環形磁體；以及驅動單元，支承和離軸旋轉磁體單元。在磁體單元中，相鄰磁體有相反的磁化方向，具有小直徑的環形磁體位於具有大直徑的環形磁體內側。
文檔編號C23C14/35GK1445811SQ03128660
公開日2003年10月1日 申請日期2003年3月14日 優先權日2002年3月14日
發明者申在光, 金聖九, 樸榮奎, 嚴顯鎰 申請人:三星電子株式會社