CN102586737A - 铝铜膜的物理气相沉积方法 - Google Patents

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徐雷军
归剑
孙远
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Abstract

本发明提供一种铝铜膜的物理气相沉积方法，包括：将衬底送入处理腔室，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积。其中，所述处理腔室包括腔体、作为阴极的铝铜靶材、作为阳极的衬底基座；所述铝铜靶材背面设有磁控配件组，所述腔体中设有第一冷却水系统，所述磁控配件组内部设有第二冷却水系统，所述衬底基座中设有第三冷却水系统和加热器。在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统保持循环。采用本发明的技术方案，可以将腔室温度变化范围控制在5℃以内，从而有效地降低胡须状缺陷的发生率。

Description

铝铜膜的物理气相沉积方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种铝铜膜的物理气相沉积方法。
背景技术
物理气相沉积(physical vapor deposition：PVD)技术通常也被称为“溅射”。PVD的溅射腔主要部分包括：由用于沉积的材料熔炼而成的靶材；支撑晶片的底座；以及帮助撞击等离子体的旋转磁铁。PVD工艺需要高真空环境来产生等离子体，当大的负直流电压加在靶材上时，电子被激发并轰击Ar原子形成Ar+离子，Ar+离子被带负电的靶材吸引，以很高的速度来撞击靶，对靶材的撞击导致金属原子和额外的电子被释放出来，最后被溅射的金属原子沉积到晶片上形成金属薄膜。
PVD是半导体制程的金属布线技术中众所周知的关键技术。为了适应半导体的工艺制程，布线需要由低电阻率的材料来制备，而且它们的物理性质必须很稳定，要耐腐蚀又要能被刻蚀或能被CMP抛光。为了满足上述要求，半导体制造中，贵金属以其具有良好的化学稳定性，高电导率和热导率，特有的电学、磁学、光学等性能，成为半导体微电子技术中的常用材料。但是随着集成电路集成度的逐步提高，以及对降低生产成本进一步的需求，对布线材料特性提出了更高的要求。需要使用更高电导率和更低价格的材料，金属铝、金属铜以及铝铜合金等材料已经开始成为半导体的布线材料了。
关于纯铝工艺，存在一些共同的问题，例如电迁移(EM)、应力迁移(SM)和因为硅铝固态互溶而产生的铝尖峰。这些问题最终会导致器件失效和良品率下降。为此业界找到了一些方法来解决这些问题，例如加强铝的＜111大于等于晶粒取向来防止EM或SM失效，以及在铝靶中掺入一定量的铜(通常为0.5％)来避免铝尖峰。
铝铜合金材料相对原来的贵金属，具有更高的电导率，价格低廉的优点，同时也克服了纯铝技术的不稳定性。在传统的半导体厚铝铜合金(厚度大于10KA)的PVD薄膜生长中，会随着靶材使用时间的增加，在靶材寿命后期由于沉积时间比较长，沉积温度较高，在薄膜生长应力的作用下Cu含量较高的组分会沿着晶向边界进行生长并在薄膜表面形成突起，出现胡须状缺陷(whiskerdefect)或丘陵状缺陷(hillock defect)。如果金属布线最小线宽低于15KA，将会影响到硅片良品率。
鉴于以上问题，目前产业上希望能够获取一种降低whisker缺陷的物理气相沉积方法，该方法既可以应用现有技术中高电导的铝铜合金材料，同时又能够克服此种材料在传统工艺中出现的whisker缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝铜膜的物理气相沉积方法，可以在生长厚铝薄膜的同时，有效降低胡须状缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供一种铝铜膜的物理气相沉积方法，包括：
将衬底送入处理腔室，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积；其中，所述处理腔室包括腔体、作为阴极的铝铜靶材、作为阳极的衬底基座；所述铝铜靶材背面设有磁控配件组，所述腔体中设有第一冷却水系统，所述磁控配件组内部设有第二冷却水系统，所述衬底基座中设有第三冷却水系统和加热器；征在于，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统保持循环。
可选的，所述铝铜靶材中，铝的质量配比为99.5％，铜的质量配比为0.5％。
可选的，将所述衬底送入处理腔室之前，还包括：将所述衬底送入一加热腔室，对所述衬底进行加热。
可选的，所述加热的温度范围200℃～350℃。
可选的，所述衬底基座表面设有数个通气孔，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，向所述衬底背面进行氩气喷射。
可选的，所述氩气喷射的气压范围大于等于6000mtor。
可选的，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统的冷却水的温度范围为14℃～22℃。
可选的，所述第一冷却系统提供的冷却水的流量范围大于等于3gallon/min。
可选的，所述第二冷却系统提供的冷却水的流量范围大于等于3gallon/min。
可选的，所述第三冷却系统提供的冷却水的流量范围大于等于3gallon/min。
可选的，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述腔体内的压力范围为2mtor～5mtor。
可选的，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，利用加热器对所述衬底进行加热，所述加热器的温度设定范围为255℃～275℃。
可选的，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积之后，还包括：将所述衬底送入一冷却腔室进行冷却。
与现有技术相比，本发明采用加热器和机台冷却水交换系统共同作用，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统始终保持循环，以此克服晶圆衬底温度过高和温度起伏过大缺陷，达到稳定沉积温度的目的。采用本发明的技术方案，可以将腔室温度变化范围控制在5℃以内，从而有效地降低胡须状缺陷的发生率。
附图说明
图1为本发明一实施例中多室处理系统的俯视示意图；
图2为本发明一实施例中物理气相沉积腔室的局部截面示意图；
图3为本发明一实施例中冷却水交换系统的示意图；
图4为现有技术的腔室温度曲线图；
图5为本发明一实施例的腔室温度曲线图；
图6为采用本发明一实施例的铝铜膜的物理气相沉积方法前后的胡须状缺陷发生率的效果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
所述铝铜膜的物理气相沉积方法中，所使用的处理腔室包括：腔体、作为阴极的铝铜靶材、作为阳极的衬底基座；所述铝铜靶材背面设有磁控配件组，所述腔体中设有第一冷却水系统，所述磁控配件组内部设有第二冷却水系统，所述衬底基座中设有第三冷却水系统和加热器。
所述铝铜膜的物理气相沉积方法包括：将衬底送入处理腔室，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积；在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统保持循环。以此克服腔室温度过高和温度起伏过大缺陷，达到稳定沉积温度的目的。采用本发明的技术方案可以将腔室温度变化范围控制在5℃以内，从而有效地降低胡须状缺陷的发生率，尤其对于降低PVD厚铝(大于10KA以上)薄膜中出现胡须状缺陷效果最为明显。
图1多室处理系统200的俯视示意图。所述多室处理系统200包括用于将衬底搬进和搬出的加载室201、202，第一机械手203、第二机械手208、以及处理腔室204、205、206、207、209、210、211、212。
其中，每一个处理腔室均可以被配置用来进行多种衬底处理操作，包括物理气相沉积、加热、冷却、预清洁、转移衬底、除气或者其他衬底处理操作。在本实施例中，处理腔室204、205被用作加热腔室，处理腔室206、207被用作冷却腔室。处理腔室210、212被用作物理气相沉积腔室，用来沉积形成铝铜膜金属层。处理腔室209、211同样被用作物理气相沉积腔室，用来沉积形成铝铜膜之外的其它金属层。需要说明的是，本领域技术人员可根据用途适应性增加或减少处理腔室的数目。如果多室处理系统200不需要进行某一特定处理的话，衬底处理腔室204、205、209、210、211、212中的任何一个可以从多室处理系统200中去除。
第一机械手203可以在加载室201、202与处理腔室204、205之间转移衬底。第一机械手203还可将衬底转移进或者转移出处理腔室206、207。处理腔室206、207同时允许在多室处理系统200内部转移衬底。第二机械手208可以在处理腔室206、207和处理腔室209、210、211、212之间转移衬底。
图2是为本发明一实施例中处理腔室的局部截面示意图。以处理腔室210为例，其是用作物理气相沉积腔室，用来沉积形成铝铜膜金属层。所述处理腔室210包括：腔体301、作为阴极的铝铜靶材302、作为阳极同时承载衬底的衬底基座303。所述铝铜靶材302背面设有磁控配件组304。所述铝铜靶材中铝的质量比为99.5％，铜的质量比为0.5％。
其中，所述腔体301内部设有第一冷却水系统305。所述磁控配件组304的内部设有第二冷却水系统306。所述衬底基座303内部设有第三冷却水系统307和加热器308。所述第一冷却水系统305、第二冷却水系统306和第三冷却水系统307的进水路线在图2中以实线表示，所述第一冷却水系统305、第二冷却水系统306和第三冷却水系统307的出水路线在图2中以虚线表示。
处理腔室209、211、212的腔室组成与处理腔室210相同，不再赘述。所述处理腔室209、210、211、212的第一冷却水系统305、第二冷却水系统306和第三冷却水系统307共同组成机台冷却水交换系统400。
图3是本发明一实施例中冷却水交换系统的示意图。所述机台冷却水交换系统400向处理腔室209、210、211、212提供冷却水。下面以为处理腔室210提供冷却水为例，说明机台冷却水交换系统400的工作原理。所述机台冷却水交换系统400的冷却水401分为三路，即第一冷却水系统305、第二冷却水系统306以及第三冷却水系统307。所述机台冷却水交换系统400的冷却水401的温度范围14℃～22℃。所述机台冷却水交换系统400的总的冷却水401的流量由第一流量阀402控制，所述第一冷却水系统305的冷却水的流量由第二流量阀403控制，所述第二冷却水系统306的冷却水的流量由第三流量阀404控制，所述第三冷却水系统307的冷却水的流量由第四流量阀405控制。所述总冷却水401、第一冷却水系统305、第二冷却水系统306和第三冷却水系统307的进水路线在图3中以实线表示，所述总冷却水401、第一冷却水系统305、第二冷却水系统306和第三冷却水系统307的出水路线在图3中以虚线表示。处理腔室209、212、211的冷却水供给原理与上述处理腔室210的原理相同，不再赘述。
下面结合所述多室处理系统200、处理腔室以及机台冷却水交换系统400，详细说明本发明一实施例的铝铜膜的物理气相沉积方法。
首先，将衬底送入加载室201或者加载室202，随后，第一机械手203将衬底转移进处理腔室204或者处理腔室205，作为加热腔室的处理腔室204、205的腔室温度范围为200℃～350℃，衬底在处理腔室204或者205内停留时间范围55sec～65sec，经过处理腔室204或者处理腔室205后，衬底表面的水汽被完全蒸发。
接着，第一机械手203将衬底从处理腔室204或者处理腔室205转移到处理腔室206。作为冷却腔室的处理腔室206和207的腔室内通有冷却气体氩气，腔室内的压力范围为2tor～3tor。衬底经过处理腔室206，表面温度得到有效降低。
之后，第二机械手208将衬底从处理腔室206转移至处理腔室210或者处理腔室212，在处理腔室210或者处理腔室212内对所述衬底表面进行铝铜膜沉积。在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述衬底基座303持续向衬底喷射氩气，衬底背面的压力保持在6000mtor以上，腔体301在真空泵的作用下保持压力范围为2mtor～5mtor，腔体沉积功率范围为1kw～13kw。关于沉积时间的选择，是依据目标膜厚、沉积功率以及靶材的使用时间而变化的，这一选择对于本领域技术人员来说是常规选择，在此不再赘述。所述加热器308的温度设定范围为255℃～275℃。在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述第一冷却水系统305、第二冷却水系统306以及第三冷却水系统307始终保持循环。所述第一冷却水系统305的冷却水流量范围为大于等于3gallon/min，所述第二冷却水系统306的冷却水流量范围为大于等于3gallon/min，所述第三冷却水系统307的冷却水流量范围为大于等于3gallon/min。
接着，第二机械手208将完成沉积的衬底转移到处理腔室207进行冷却，然后，第一机械手203将冷却后的衬底转移至加载室201或者加载室202。
在所述加热器308和机台冷却水交换系统400的共同作用下，所述沉积腔室300在铝铜膜沉积过程中，腔内的温度可以稳定保持在250℃～260℃之间。在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述加热器308的温度设定范围为255℃～275℃，所述第一冷却水系统305、第二冷却水系统306以及第三冷却水系统307始终保持循环，以此克服晶圆衬底温度过高和温度起伏过大缺陷，达到稳定沉积温度的目的。
图4是现有技术的腔室温度曲线图，腔室温度的变化在20℃以上。图5是本发明一实施例的腔室温度曲线图，可以看出采用上述技术方案，腔室温度变化可以控制在5℃以内。
受沉积温度的影响，铝铜膜沉积中铜含量较高的组分会沿着边界进行生长并在薄膜表面形成凸起，导致出现胡须状缺陷。采用本发明的技术方案可以将腔室温度变化范围控制在5℃以内，从而有效地降低胡须状缺陷的发生率，尤其对于降低PVD厚铝(大于10KA以上)薄膜中出现胡须状缺陷效果最为明显。图6采用本发明技术方案前后胡须状缺陷发生率的效果对比图。由图6可以看出，采用本发明的技术方案后，胡须状缺陷的发生得到了有效地控制。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种铝铜膜的物理气相沉积方法，包括：
将衬底送入处理腔室，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积；
其中，所述处理腔室包括腔体、作为阴极的铝铜靶材、作为阳极的衬底基座；所述铝铜靶材背面设有磁控配件组，所述腔体中设有第一冷却水系统，所述磁控配件组内部设有第二冷却水系统，所述衬底基座中设有第三冷却水系统和加热器；
其特征在于，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统保持循环。
2.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述铝铜靶材中，铝的质量配比为99.5％，铜的质量配比为0.5％。
3.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，将所述衬底送入处理腔室之前，还包括：将所述衬底送入一加热腔室，对所述衬底进行加热。
4.如权利要求3所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述加热的温度范围200℃～350℃。
5.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述衬底基座表面设有数个通气孔，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，向所述衬底背面进行氩气喷射。
6.如权利要求5所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述氩气喷射的气压范围大于等于6000mtor。
7.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述第一冷却水系统、第二冷却水系统以及第三冷却水系统的冷却水的温度范围为14℃～22℃。
8.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述第一冷却系统提供的冷却水的流量范围大于等于3gallon/min。
9.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述第二冷却系统提供的冷却水的流量范围大于等于3gallon/min。
10.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，所述第三冷却系统提供的冷却水的流量范围大于等于3gallon/min。
11.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，所述腔体内的压力范围为2mtor～5mtor。
12.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积过程中，利用加热器对所述衬底进行加热，所述加热器的温度设定范围为255℃～275℃。
13.如权利要求1所述的铝铜膜的物理气相沉积方法，其特征在于，在所述衬底表面进行铝铜膜沉积之后，还包括：将所述衬底送入一冷却腔室进行冷却。
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