一种异型靶材及磁控溅射工艺

技术领域

本发明涉及PVD(物理气相沉积)领域，尤其是一种磁控溅射用的异型靶材及磁控溅射工艺。

背景技术

磁控溅射工艺属于PVD工艺的一种；磁控溅射工艺是一种常用的薄膜沉积技术；

在磁控溅射工艺中，靶材作为阴极，基片作为阳极；靶材背面设有磁体，以在靶材正面的空间产生磁场；在靶材上施加负偏压从而气体被击穿而产生放电现象；电子在飞向基片过程中与通入的工艺气体的原子(例如Ar原子)发生碰撞，电离出荷能正离子(如Ar+离子)和电子；荷能正离子在电场作用下加速飞向靶材并轰击靶材表面，使靶材发生溅射，产生溅射粒子，溅射粒子飞向靶材对面的基片在基片表面形成薄膜；电子受到靶材正面空间内磁场的约束，被约束在靠近靶材正面的等离子体区域内，多次与工艺气体的原子碰撞；当电子能量降低时会逐渐远离靶材正面，最终也沉积到基片上。

目前常用的靶材为平面靶材；在基片表面沉积薄膜时主要存在两个问题；

1)薄膜的膜厚均匀性不好；通常基片中间区域的薄膜比基片边缘区域的薄膜要厚。

2)现有半导体工艺中，需要磁控溅射镀膜的基片不仅包括平面基片，也包括表面含有微孔结构的基片；随着半导体器件的不断发展，孔结构不断向深宽比不断加大(即孔的深度比口径更大)的方向发展，而在基片的边缘区域，溅射粒子更难到达微孔的侧壁及底部，在微孔内壁镀制均匀薄膜的难度会更大。

发明内容

为解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明实施例提供一种异型靶材及磁控溅射工艺，能够使得磁控溅射镀膜形成的薄膜膜厚均匀性更佳，同时实现更优的微孔内壁薄膜镀制效果。为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种异型靶材，包括：

平面主部，所述平面主部用于与基片相对而设；

倾斜辅部，所述倾斜辅部自平面主部的边缘向外延伸，并朝向基片方向倾斜设置，所述倾斜辅部与平面主部之间的夹角为5°～45°。

进一步地，所述平面主部为圆形，所述倾斜辅部为围绕平面主部设置的环形。

进一步地，所述平面主部为矩形，所述倾斜辅部为分布在平面主部两侧的矩形。

更优地，所述倾斜辅部与平面主部之间的夹角为25°～35°。

进一步地，所述平面主部的宽度大于基片的宽度，但不超过基片宽度的110％。

进一步地，所述平面主部和倾斜辅部的整体宽度为基片宽度的130％～160％。

第二方面，本发明实施例提供了一种利用如上文所述的异型靶材的磁控溅射工艺，包括以下步骤：

步骤S10，在磁控溅射腔体内将异型靶材正对基片设置；调整基片距异型靶材的平面主部的距离为第一间距；控制溅射功率为第一功率；通入工艺气体进行磁控溅射；持续第一时间段；

步骤S20，调整基片距异型靶材的平面主部的距离为第二间距；第二间距比第一间距大8％以内；控制溅射功率为第二功率；第二功率比第一功率大12％以内；通入工艺气体进行磁控溅射；持续第二时间段；

步骤S30，调整基片距异型靶材的平面主部的距离为第三间距；第三间距比第二间距大6％以内；控制溅射功率为第三功率；第三功率比第二功率大8％以内；通入工艺气体进行磁控溅射；持续第三时间段。

进一步地，第二时间段的时长与第一时间段相同。

进一步地，第三时间段的时长与第一时间段相同。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在基片镀膜时，相较于现有技术，通过本申请提供的异型靶材及磁控溅射工艺，能够在基片表面获得均匀性更佳的薄膜，并且，对于存在微孔的基片，对基片边缘区域的微孔内壁镀膜效果更好。

附图说明

图1为现有技术中的平面靶材结构示意图。

图2为本发明实施例中的异型靶材结构示意图。

图3为本发明实施例中的薄膜厚度测量示意图。

图4为本发明实施例中的平面靶材的微孔镀膜填孔效果图。

图5为本发明实施例中的异型靶材的微孔镀膜填孔效果图。

图6为本发明实施例中的磁控溅射工艺流程图。

图7为本发明实施例中的磁控溅射工艺的微孔镀膜填孔效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图2所示，本发明实施例提出一种异型靶材，包括：

平面主部10，所述平面主部10用于与基片30相对而设；

倾斜辅部20，所述倾斜辅部20自平面主部10的边缘向外延伸，并朝向基片30方向倾斜设置，所述倾斜辅部20与平面主部10之间的夹角为5°～45°,如图2中θ所示；

相比较传统平面靶材的较为单一的溅射粒子的溅射角度分布，本申请中的靶材增加了倾斜辅部20，由磁控溅射产生的溅射粒子能够从更多的不同角度飞向基片30；更容易均匀分布在基片30表面，能够在基片30表面形成厚度均匀的薄膜；多溅射角度分布的溅射粒子，更容易在基片边缘区域的微孔中镀制均匀薄膜，获得更好的填孔效果。

在一个具体的实施例中，所述平面主部10为圆形，所述倾斜辅部20为围绕平面主部10设置的环形；此种结构的异型靶材，能够与常用的圆形基片30相匹配。

在另一个具体的实施例中，所述平面主部10为矩形，所述倾斜辅部20为分布在平面主部10两侧的矩形；此种结构的异型靶材，能够与矩形基片30相匹配。

进一步地，所述倾斜辅部20与平面主部10之间的夹角为25°～35°，在此夹角范围内的异型靶材在磁控溅射时镀膜具有优良的膜厚均匀性。

进一步地，所述平面主部10的宽度大于基片30的宽度，但不超过基片30宽度的110％；

进一步地，所述平面主部10和倾斜辅部20的整体宽度为基片30宽度的130％～160％；

上述宽度的平面主部10和倾斜辅部20，能够确保基片30镀膜的膜厚均匀性，以及在基片边缘区域的微孔中镀制均匀薄膜。

异型靶材为金属靶材，异型靶材的材料可以是铝、铜、钛等金属或者金属合金。

实施例1：膜厚均匀性的优化效果(与平面靶材对比)；

分别采用本申请提出的异型靶材和现有的平面靶材；如图1所示，平面靶材仅包括平面主部10；进行磁控溅射镀膜试验；异型靶材和平面靶材的材料均为铝，基片距靶材距离为60mm(对于异型靶材，基片距平面主部10的距离为60mm)，基片采用8寸氧化硅；异型靶材和平面靶材背面均设置磁体40；倾斜辅部20与平面主部10之间的夹角为30°；在8寸氧化硅基片表面镀制约1微米厚度的Al薄膜；在电子显微镜下观察基片横切面薄厚分布，薄膜测量点301如图3所示；一共9个薄膜测量点301呈十字分布在基片30表面；设9个薄膜测量点实际膜厚均值a，9个薄膜测量点实际膜厚标准方差为b；膜厚均匀性即为b/a*100％；

表一

通过表一可以看出，异型靶材可以达到更好的膜厚均匀性效果。

实施例2：膜厚均匀性的优化效果(与平面靶材对比)；

表二

通过表二可以看出，异型靶材对基片距靶材距离这个变量适应性更强，更容易获得优良的膜厚均匀性。

实施例3：填孔效果(与平面靶材对比)；

表三

在图4中，通过平面靶材磁控溅射，在基片微孔中镀制薄膜50的厚度D1＝242.90nm，在图5中，通过异型靶材磁控溅射，在基片微孔中镀制薄膜50的厚度D1＝327.52nm；可以看出图4中薄膜50表现不连续，有空洞；而图5中的薄膜50表现连续且厚度较厚，通过异型靶材磁控溅射，对基片边缘区域的微孔镀膜效果更好，填孔效果更佳。

本发明实施例还提出一种利用以上异型靶材的磁控溅射工艺，如图6所示，包括以下步骤：

步骤S10，在磁控溅射腔体内将异型靶材正对基片设置；调整基片距异型靶材的平面主部的距离为第一间距；控制溅射功率为第一功率；通入工艺气体进行磁控溅射；持续第一时间段；

第一时间段的时长视需要镀制薄膜的膜厚而定；

步骤S20，调整基片距异型靶材的平面主部的距离为第二间距；第二间距比第一间距大8％以内；控制溅射功率为第二功率；第二功率比第一功率大12％以内；通入工艺气体进行磁控溅射；持续第二时间段；

第二时间段的时长视需要镀制薄膜的膜厚而定，可以与第一时间段相同；

步骤S30，调整基片距异型靶材的平面主部的距离为第三间距；第三间距比第二间距大6％以内；控制溅射功率为第三功率；第三功率比第二功率大8％以内；通入工艺气体进行磁控溅射；持续第三时间段；

第三时间段的时长视需要镀制薄膜的膜厚而定，可以与第一时间段相同；

具体地，异型靶材的材料可以是铝、铜、钛等金属或者金属合金；

在一个具体的实施例中，第一间距为50mm，第一功率为3KW；第二间距为53mm，第二功率为3.3KW；第三间距为55mm，第三功率为3.5KW；

具体地，第一时间段、第二时间段和第三时间段的时长为18～22s；

实施例4：磁控溅射工艺

表四

通过实施例4可以看出，在不同工艺位置下，基片接受溅射粒子的角度分布不一致，对于镀制一层薄膜，基片在多个工艺位置接受到不同溅射角度下的溅射粒子叠加后实现互补，最终实现更好的薄膜膜厚均匀性的效果；

另外，通过以上工艺，也能够同时实现更优的微孔内壁薄膜镀制效果；参考图7，图7中在基片微孔中镀制薄膜50的厚度D1＝107.62nm；通过实施例4的磁控溅射工艺，获得的填孔效果与实施例3近似，图7中的微孔内壁的薄膜50无空洞且表现连续。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。