CN100460557C - 操作物理气相沉积工艺的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用物理气相沉积加工半导体晶圆的方法，包括在反应室的基座上安放衬底。衬底的表面靠近反应室内的靶材料。靶材料包括朝向衬底表面放置的第一面和第二面。该方法包括操作固定在旋转部件周围的磁体器件，旋转部件耦合到反应室且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器。磁体器件被置于距离旋转部件的中心区域预定尺寸的地方。该方法包括利用旋转部件环式围绕中心区域移动磁体器件。磁体器件以速度v旋转并且影响覆盖在靶第二面上的空间区域。该方法还包括获取与电磁场有关的信息，其中电磁场与运动的磁体器件有关。该方法包括处理信息以确定电磁场是否在预定参数内。该方法将信号传输到驱动器以调整磁体器件的速度进而改变电磁场。

Description

操作物理气相沉积工艺的方法与系统

技术领域

本发明一般地涉及集成电路以及制造半导体器件的集成电路加工方法。更具体地说，本发明提供了一种使用有源反馈控制来操作物理气相沉积工艺的方法与系统，用于制造半导体集成电路器件。但是应当认识到，本发明具有更广阔的应用范围。例如，本发明可以应用于诸如显示器、MEMS的多种其它应用。

背景技术

在过去的几十年中，集成电路已经从单个硅晶片上制备的少数互连器件发展成为数以百万计的器件。当前集成电路提供的性能和复杂度远远超出了最初的预想。为了在复杂度和电路密度(即，在给定的芯片面积上能够封装的器件数目)方面获得进步，最小器件的特征尺寸(又被称为器件“几何图形”)伴随每一代集成电路的发展而变得更小。现在，所制造的某些半导体器件的特征尺寸小于1/4微米。

日益增加的电路密度不仅提高了集成电路的性能和复杂度，也降低了消费者的成本。当前的半导体制造工厂通常要花费数亿甚至数十亿美元。每个制造设备具有一定的晶圆产量(每月数万晶圆的量级)。每个晶圆具有一定数量的半成品芯片。通过将个体器件制备得更小，可以在给定的半导体区域中封装更多器件，这增加了制造设备的产出。把器件制备得更小非常有挑战性，因为半导体器件制造过程中使用的每道工艺都有一个极限。换句话说，一个给定的工艺通常只能低到某一特征尺寸，之后要么需要改变工艺要么需要改变器件布图设计。

运行制造设备的成本已经显著增加。众所周知，七十和八十年代时工作的许多美国的制造设备已经不复存在。这些设备中的许多在八十年代被转移到日本，并且在90年代被转移到韩国和台湾。对更低成本制造设备的需求一直在继续，中国现在已经成为装配启动制造设备的理想地点。许多公司已经声称要在中国开始制造半导体设备。这些公司包括但不限于摩托罗拉公司、台湾的台积电公司(TSMC)等。尽管在中国人力成本可能较低，但是随着需要更低成本的半导体制造，仍需要降低或消除许多成本。

具有限制的工艺示例是物理气相沉积工艺(通常称作PVD)。PVD(也被称作溅射工艺)依赖于反应器，反应器包括将要溅射的金属平面靶以及与金属靶相对的要被涂覆的晶圆。用于以低压填充反应室的工作气体通常是氩气。在DC溅射过程中，施加到靶上的负极性电压足以将氩气放电成等离子。正极性的氩离子被以足够的能量吸引到负偏压的靶上，进而从靶上溅射出金属原子。一些溅射出的金属原子打在晶圆上，并且使晶圆覆盖一层金属。在反应溅射工艺中，另外填充反应气体到反应室。反应气体在晶圆的表面与溅射出的金属原子反应，进而在晶圆表面上形成金属氮化物层或其它化合物层。随着器件变得越来越小，溅射得到的薄膜需要更高的均匀性，而这利用现有技术很难实现。在本说明书尤其是在下文中可以找到现有PVD的这些以及其它局限之处。

从上文可以看出，需要一种用于加工半导体器件的改进技术。

发明内容

根据本发明，提供了涉及集成电路的技术以及制造半导体器件的集成电路加工方法。更具体地说，本发明提供了一种使用有源反馈控制来操作物理气相沉积工艺的方法与系统，用于制造半导体集成电路器件。但是应当认识到，本发明具有更广阔的应用范围。例如，本发明可以应用于诸如显示器、MEMS的多种其它应用。

在一个具体实施例中，本发明提供了一种物理气相沉积(PVD)系统。该系统包括PVD反应室以及反应室中的基座(susceptor)。靶材料位于反应室中。靶材料优选地包括第一面和第二面。第一面朝向衬底的表面放置。磁体器件安装在旋转部件周围，旋转部件耦合到反应室并且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器。磁体器件被置于距离旋转部件的中心区域预定尺寸的地方。通过利用旋转部件，磁体器件适于以环状方式绕着所述中心区域运动。磁体器件以速度v旋转，并且影响覆盖在靶的第二面上的空间区域。该系统具有耦合到磁体器件的取样器件。取样器件适于获取与电磁能量场有关的信息，其中所述电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关。控制器耦合到取样器件。控制器优选地适于处理至少一部分所述信息以确定该电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内。控制器适于将一个或多个信号传输到驱动器以调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。

在另一个具体实施例中，本发明提供了一种使用物理气相沉积来加工半导体晶圆的方法。该方法包括在反应室中的基座上安放衬底。衬底的表面靠近靶材料放置，靶材料位于反应室内。靶材料包括第一面和第二面。第一面优选地朝向衬底的表面放置。该方法包括操作固定在旋转部件周围的磁体器件，旋转部件耦合到反应室并且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器。磁体器件被置于距离旋转部件的中心区域预定尺寸的地方。该方法包括利用旋转部件以环状方式绕着所述中心区域移动磁体器件。磁体器件以速度v旋转，并且影响覆盖在靶的第二面上的空间区域。该方法还包括获取与电磁能量场有关的信息，其中所述电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关。该方法包括处理至少一部分所述信息以确定该电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内。该方法将一个或多个信号传输到驱动器以调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。

通过本发明，实现了许多优于传统技术的优点。例如，所给出的技术方便使用依赖于现有技术的工艺。在一些实施例中，所述方法在每个晶圆上的芯片方面提供了更高的器件产量。此外，该技术提供的工艺与传统工艺技术相兼容，不用对传统设备和工艺进行实质的修改。本发明优选地使用物理气相沉积工艺提供了更均匀的薄膜。根据实施例，可以实现这些优点中的一个或多个。在本说明书特别是下文中，将详细描述这些以及其它优点。

参考随后的详细说明和附图，可以更全面地理解本发明的各种其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是现有PVD系统的简化横截面示图；

图2是现有PVD系统的简化横截面示图；

图3是现有PVD系统的磁组件的简化示图；

图4是根据本发明实施例的PVD系统的简化横截面示图；

图5是根据本发明实施例的电磁场—频率简化图；

图6是根据本发明另一实施例的PVD系统的简化横截面示图；以及

图7是根据本发明实施例的PVD方法的简化流程图。

具体实施方式

根据本发明，提供了涉及集成电路的技术以及制造半导体器件的集成电路加工方法。更具体地说，本发明提供了一种使用有源反馈控制来操作物理气相沉积工艺的方法与系统，用于制造半导体集成电路器件。但是应当认识到，本发明具有更广阔的应用范围。例如，本发明可以应用于诸如显示器、MEMS的多种其它应用。

图1是现有PVD系统100的简化横截面示图。如图所示，PVD系统(被广泛用于在制备半导体集成电路的过程中沉积金属层和相关材料)包括将要溅射的金属平面靶以及与金属靶相对的要被涂覆的晶圆。工作气体(通常是氩气)以低压填充反应室。在DC溅射过程中，施加到靶上的负极性电压足以将氩气放电成等离子。正极性的氩离子被以足够的能量吸引到负偏压的靶上，进而从靶上溅射出金属原子。一些溅射出的金属原子打在晶圆上，并且使晶圆覆盖一层金属。在反应溅射工艺中，通常另外填充氮气、氧气或其它反应气体到反应室。反应气体在晶圆的表面与溅射出的金属原子反应，进而在晶圆表面上形成金属氮化物层或其它化合物层。

仅仅作为示例，高级集成电路的多布线层次架构包括层次之间的电介质层，该电介质层通常是二氧化硅或相关的硅酸盐玻璃，用于分隔相邻的通常为水平延伸的电气互连结构对。过孔(via)是垂直延伸穿过层次之闸电介质层的电插栓(electrical plug)。过孔是通过下述步骤形成的：刻蚀出穿过裸露电介质层的窄孔，然后在已经在过孔的侧壁和底部涂覆了适当的阻挡层或晶种层之后，利用金属化(metallization)填充孔。高级集成电路容量的增加很大程度上是通过缩小其元件的水平尺寸来实现的。

已经使用溅射工艺来溅射铝用于水平互连，并且同时填充在金属化层之间延伸的过孔。已经开发了特殊的溅射技术以将薄层沉积到窄且深的过孔中，来充当阻挡层和晶种层。典型的阻挡层材料包括钛、钽、钨和它们的氮化物。它们都可以被溅射。还可以溅射金属硅化物。这些层仅仅几纳米厚，但是它们必须覆盖过孔的表面，这是很难但又可以实现的溅射工艺。在高级集成电路中，铜替代铝被用作金属化材料。尽管铜主要是利用电化学电镀(ECP)沉积的，但是需要薄的铜晶种层来启动ECP生长以及提供电镀电极。同样，铜晶种层必须涂覆过孔的表面。

对高长径比的孔进行溅射是很困难的工作，因为溅射工艺本身产生的是近似各向同性的溅射模式。一种通用的技术使得大部分溅射出的金属原子离子化。负电偏压被施加到支撑要被溅射涂覆的晶圆的基座电极上，以将金属离子加速到垂直于晶圆的高速度，从而它们进入高长径比孔很深的地方。当环形拱状靶及其磁控管在径向上明显不一致的时候，产生均匀的溅射沉积很具有挑战性。尽管已经实现了某些改进的工艺，但还是需要进一步的改进。

如图所示，可旋转磁体200已经被用来改进等离子区效率，如图2所示。可旋转磁体放置在可旋转轴的周围，可旋转轴耦合到驱动马达。可旋转磁体以环状方式围绕中心区域运动，以改进等离子区效率。令人遗憾的是，这种磁体运动常常随着使用而劣化，引起等离子区的低效率。此外，磁体具有固定的旋转速度，该速度不能发生对等离子区产生任何改变的改变。此外，磁组件300通常不是对称的，这产生了非对称电磁场，如图3所示。现有PVD系统已经被发现有许多这样或那样的局限。根据实施例，这些局限中的一种或多种局限是可以被克服的。

图4是根据本发明实施例的PVD系统400的简化横截面示图。该示图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换形式。如图所示，本发明提供了一种物理气相沉积(PVD)系统。该系统包括PVD反应室401和反应室中的基座403。靶材料405处于反应室中。靶材料(例如，铝、钨、钛、铜)优选地包括第一面和第二面。第一面朝向衬底407的表面放置。磁体器件409固定在旋转部件411的周围，旋转部件411耦合到反应室并且耦合到驱动马达413，驱动马达413耦合到驱动器415。磁体器件被置于距离旋转部件的中心区域预定尺寸417的地方。通过利用旋转部件，磁体器件适于以环状方式围绕所述中心区域运动。磁体器件以速度v149旋转，并且影响覆盖在靶的第二面上的空间区域。

仍旧如图所示，系统具有耦合到磁体器件的取样器件421。取样器件优选为磁性检波器(例如，高斯计)。取样器件适于获取与电磁能量场有关的信息，其中电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关。控制器423耦合到取样器件。控制器优选地适于处理至少一部分所述信息，以确定电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内。控制器适于将一个或多个信号传输到驱动器来调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。在本说明书特别是在下文中可以找到PVD系统的其它细节内容。

图5是根据本发明实施例的电磁场—频率简化图。该示图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换形式。如所示，已经描绘了高斯磁场相对于频率的曲线。

图6是根据本发明另一实施例的PVD系统600的简化横截面示图。该示图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换形式。如所示，该系统包括经封装的检波器和控制器601。检波器可以是高斯计，其从运行的其中包括可运动磁体的PVD反应室获取磁场信息。检波器耦合到控制器，其识别磁场的模式。根据该模式，可以增大、减小或保持驱动马达的速度。经封装的高斯计和控制器可以是便携式的，并且可以根据实施方式耦合到多种PVD系统中的任何一种。当然，本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换形式。

在另一具体实施例中，本发明提供了一种使用物理气相沉积来加工半导体晶圆的方法，其简要描述如下。

1.提供将要进行PVD加工的衬底；

2.将衬底安放到反应室中的基座上，并且使衬底面向靶材料；

3.操作固定到旋转部件周围的磁体器件，其中旋转部件耦合到反应室并且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器；

4.利用旋转部件以速度v以环状方式围绕中心区域移动磁体器件，其影响覆盖在靶材料之上的空间区域；

5.获取与电磁能量场有关的信息，所述电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关；

6.处理至少部分所述信息来确定电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内；以及

7.传输一个或多个信号到驱动器来调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。

上述步骤序列提供了根据本发明实施例的一种方法。如所示，该方法使用了包括下述方式的步骤组合：调整耦合到靶的磁体器件的速度，用于溅射材料薄膜。还可以提供其它的替换形式，其中在不脱离本发明范围的情况下可以添加步骤，删除一个或多个步骤，或者以不同序列提供一个或多个步骤。可以在本说明书尤其是在下文中找到本方法的其它细节。

图7是根据本发明实施例的PVD方法的简化流程图700。该示图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换形式。这里图示了一种使用物理气相沉积来加工半导体晶圆的方法。该方法开始于步骤701。该方法包括提供将要进行PVD处理的衬底(步骤703)。衬底优选为硅晶圆、绝缘体上硅晶圆。该方法包括将衬底安放(步骤705)在反应室(真空反应室)中的基座上。衬底的表面放置在反应室中的靶材料附近。靶材料包括第一面和第二面。第一面优选地朝向衬底的表面放置。靶材料优选地可以是任何适当的物质，例如铝、铜、钨、钛等。

该方法包括操作(步骤706)固定在旋转部件周围的磁体器件，其中旋转部件耦合到反应室并且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器。磁体器件放置在距离旋转部件的中心区域预定尺寸的地方。该方法包括使用旋转部件让磁体器件围绕所述中心区域以环状方式运动(步骤707)。磁体器件以速度v旋转并且影响覆盖在靶的第二面上的空间区域。磁体器件优选地置于冷却液体(例如，水)中。

然后，该方法还包括获取(步骤709)与电磁能量场有关的信息，其中电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关。能量优选为磁能并且利用高斯计等来获取。该方法包括处理(步骤711)至少一部分信息。该方法确定(步骤713)电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内。所述一个或多个预定参数可以包括用于产生均匀电磁能量场的预定速度。该方法继续捕获信息(步骤715)。如果电磁能量场没有处于一个或多个预定参数内，则该方法可以提供对该工艺的控制。该方法优选地传输(步骤717)一个或多个信号到驱动器来调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。所述改变优选地产生处于一个或多个预定参数内的电磁能量场。该方法继续获取并监视磁体器件的速度直到其停止(步骤719)。

上述步骤序列提供了根据本发明实施例的一种方法。如所示，该方法使用了包括下述方式的步骤组合：调整耦合到靶的磁体器件的速度，用于溅射材料薄膜。还可以提供其它的替换形式，其中在不脱离本发明范围的情况下可以添加步骤，删除一个或多个步骤，或者以不同序列提供一个或多个步骤。

还应当理解，这里所描述的示例和实施例只是为了说明的目的，本领域的普通技术人员可以根据上述实施例对本发明进行各种修改和变化。这些修改和变化都在本申请的精神和范围内，并且也在权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种使用物理气相沉积来加工半导体晶圆的方法，所述方法包括：

在反应室中的基座上安放衬底，所述衬底的表面靠近靶材料放置，靶材料位于反应室内，靶材料包括第一面和第二面，第一面朝向衬底的表面放置；

操作固定在旋转部件周围的磁体器件，旋转部件耦合到反应室并且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器，磁体器件被置于距离旋转部件的中心区域预定尺寸的地方；

利用旋转部件以环状方式绕着所述中心区域移动磁体器件，磁体器件以速度v旋转，并且影响覆盖在靶的第二面上的空间区域；

获取与电磁能量场有关的信息，其中所述电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关；

处理至少一部分所述信息以确定所述电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内；以及

将一个或多个信号传输到驱动器以调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。

2.如权利要求1所述的方法，其中衬底是硅晶圆。

3.如权利要求1所述的方法，其中与电磁能量场有关的信息是使用高斯计获取的。

4.如权利要求1所述的方法，其中反应室用于物理沉积工艺。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个预定参数与均匀的电磁能量场有关。

6.如权利要求1所述的方法，其中磁体器件被置于冷却液体中。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述处理至少一部分所述信息的步骤是在控制器中进行的。

8.如权利要求1所述的方法，其中磁体器件是永磁体。

9.一种物理气相沉积系统，所述物理气相沉积系统包括：

物理气相沉积反应室；

反应室中的基座；

位于反应室中的靶材料，靶材料包括第一面和第二面，第一面朝向衬底的表面放置；

安装在旋转部件周围的磁体器件，旋转部件耦合到反应室并且耦合到驱动马达，驱动马达耦合到驱动器，磁体器件被置于距离旋转部件的中心区域预定尺寸的地方，通过利用旋转部件，磁体器件适于以环状方式绕着所述中心区域运动，磁体器件以速度v旋转并且影响覆盖在靶的第二面上的空间区域，

耦合到磁体器件的取样器件，取样器件适于获取与电磁能量场有关的信息，其中所述电磁能量场与以速度v运动的磁体器件有关；

耦合到取样器件的控制器，控制器适于处理至少一部分所述信息，以确定所述电磁能量场是否处于一个或多个预定参数内，控制器适于将一个或多个信号传输到驱动器以调整运动磁体器件的速度，进而引起电磁能量场的改变。

10.如权利要求9所述的系统，其中衬底是硅晶圆。

11.如权利要求9所述的系统，其中取样器件包括高斯计。

12.如权利要求9所述的系统，其中物理气相沉积反应室用于物理沉积工艺。

13.如权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个预定参数与均匀的电磁能量场有关。

14.如权利要求9所述的系统，其中磁体器件被置于冷却液体中。

15.如权利要求9所述的系统，其中控制器是反馈控制器。

16.如权利要求9所述的系统，其中磁体器件是永磁体。

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