CN103215549A - 用于金属气隙填充的屏蔽设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及被配置成加热半导体衬底或晶圆的物理汽相沉积系统。在一些实施例中，所公开的物理汽相沉积系统包括至少一个热源，热源具有加热衬底的一个或多个灯模块。屏蔽装置可以将灯模块和衬底分离。在一些实施例中，屏蔽装置包括一体式装置或分体式装置。所公开的物理汽相沉积系统可以加热半导体衬底，进行在半导体衬底上方沉积的金属膜回流而无需单独的室，因此降低处理时间，需要较少的热预算并且降低衬底损伤。本发明还提供了用于金属气隙填充的屏蔽设计。

Description

用于金属气隙填充的屏蔽设计
技术领域
本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及物理汽相沉积系统。
背景技术
集成芯片通过复杂的制造工艺形成，在制造过程中，工件经过不同的步骤以形成一个或多个半导体器件。一些处理步骤可以包括：在半导体衬底上方形成薄膜。可以使用物理汽相沉积在低压处理室中的半导体衬底上方沉积薄膜。
通常通过作用于靶材料以将靶材转化为蒸汽来实施物理汽相沉积。通常，通过包括多个高能量离子的等离子体作用于靶材料。高能量离子与靶材料碰撞，以将颗粒移动到蒸汽中。将该蒸汽输送到半导体衬底上，蒸汽在半导体衬底上方积累以形成薄膜。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种物理汽相沉积系统，包括：处理室，被配置成容纳衬底；靶，被配置成向所述处理室提供靶原子；以及至少一个热源，包括一个或多个灯模块并且被配置成加热所述衬底的表面。
该物理汽相沉积系统进一步包括屏蔽装置。
在该物理汽相沉积系统中，所述屏蔽装置包括一体式装置或分体式装置。
在该物理汽相沉积系统中，所述分体式装置包括上部和下部。
在该物理汽相沉积系统中，在所述处理室中，所述一个或多个灯模块被设置成：a）在包含分体式屏蔽装置的室中，位于下屏蔽装置和室壁之间；b）在包含分体式屏蔽装置的室中，位于上屏蔽装置和下屏蔽装置之间；c）在包含一体式屏蔽装置的室中，位于所述室屏蔽装置下方；或者d）在包含分体式屏蔽装置的室中，位于可旋转移动的传送臂上方。
在该物理汽相沉积系统中，所述灯模块包括多个独立的灯。
在该物理汽相沉积系统中，所述独立的灯提供波长在可见光谱范围内的光。
该物理汽相沉积系统进一步包括与每一个灯模块相关的反射装置。
在该物理汽相沉积系统中，所述反射装置包括反射器或反射器组。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于快速热处理半导体衬底的装置，包括：底座，被配置成支撑所述半导体衬底，所述半导体衬底在其上具有金属膜；热源，包括一个或多个灯模块且被配置成在物理汽相沉积工艺过程中进行所述金属膜的回流，所述金属膜沉积在所述半导体衬底上方。
在该装置中，所述灯模块包括多个独立的灯。
在该装置中，独立的灯在灯模块中包括多个区域。
该装置进一步包括一体式屏蔽装置并且所述灯模块设置在所述屏蔽装置下方。
该装置进一步包括分体式屏蔽装置，并且所述灯模块设置在所述屏蔽装置的上部和下部之间或者设置在所述屏蔽装置的下部和处理室壁之间。
在该装置中，所述灯模块设置在可旋转移动的传送臂上方。
该装置进一步包括反射装置，所述反射装置将所述灯模块所发出的光能引导向所述衬底。
在该装置中，可以调节所述反射装置，以改变所述灯模块所发出的光的路径。
根据本发明的又一方面，提供了一种在物理汽相沉积处理室中加热半导体衬底的方法，包括：在底座上方支撑在其上具有金属膜的半导体衬底，所述底座位于处理室中，所述处理室被配置成包括屏蔽装置，所述屏蔽装置可操作地将热源和所述半导体衬底热分离；将所述半导体衬底暴露在所述热源下；以及使用所述热源加热所述半导体衬底，所述热源包括一个或多个灯模块且被配置成加热所述衬底的表面。
在该方法中，暴露所述半导体衬底包括：a）移动所述屏蔽装置；b）移动所述底座；c）将所述灯模块所发出的光能反射到所述衬底上；或者d）将其上安装有灯模块的传送臂置于所述衬底上方。
在该方法中，由功率控制器控制所述半导体衬底的加热，所述功率控制器用于增加或降低所述灯所发出的光能。
附图说明
图1A至1C示出了根据本发明的实施例的物理汽相沉积系统的横截面图。
图2A和2B示出了物理汽相沉积系统的另一个实施例的横截面图。
图3A至3C示出了具有一体式屏蔽设计（one-piece shielding design）的物理汽相沉积系统的横截面图。
图4A至4C示出了具有可旋转移动的传送臂的物理汽相沉积系统的实施例的横截面图。
图5示出了在物理汽相沉积系统中加热半导体衬底的方法的一些实施例的流程图。
具体实施方式
本发明结合附图进行了描述，相同的标号通常用于指定相同的元件。并且其中各个结构没有必要按比例绘制。在以下描述中，为了说明的目的，阐述了大量的具体细节以帮助理解。然而，显然，对本领域的普通技术人员来说，可以利用较少程度的这些具体细节来实施本文中所描述的一个或多个方面。在其它情况下，以结构图的形式示出公知的结构和装置以帮助理解。
现代半导体器件通常包括通过介电层（绝缘）层隔开的多层，介电层通常简称为氧化物层。这些层通过贯穿中间氧化物层的孔进行电互联，该孔与一些底层导电部件接触。在蚀刻孔以后，孔填充有金属，如铝或铜，以将底层和顶层进行电连接。通用结构称为插塞。
利用金属填充这些孔会引起某些困难，包括填充孔但内含空隙。任何内含空隙降低了通过插塞的导电性并且引入了可靠性问题。由于其快速的沉积速率，物理汽相沉积（“PVD”）或溅射是用于填充这些开口的最常用的工艺之一。PVD是在真空处理室中实施的等离子体工艺，在该真空处理室中，相对于处理室体部或接地溅射屏蔽的负偏压靶材暴露在气体混合物的等离子体中，气体混合物包括诸如惰性气体（例如，氩（Ar））的气体。通过惰性气体离子撞击靶材导致靶材料原子的喷射。在某种情况下，将磁控管设置在靶材的背面，以发射与靶材正面平行的磁场来捕捉电子并且增加等离子体密度和溅射速率。喷射的原子在衬底上方积累作为积淀薄膜，衬底位于设置在处理室内的衬底底座的上方。
然而，PVD不能固有地共形涂覆深且窄的开口。将PVD应用于深开口中的一个方法是将金属溅射到热衬底上方，使得沉积的材料自然流入窄且深的部件中。该工艺通常称为回流。然而，高温回流（例如，高于400°C）产生高热预算以及损害先前形成在装置上方的层，并且常常需要使用一个以上的室，从而由于必须将晶圆从一个处理室移动到另一个处理室的必要性而增加了处理时间。
因此，本发明涉及被配置成加热半导体衬底或晶圆的物理汽相沉积系统。在一些实施例中，所公开的物理汽相沉积系统包括具有一个或多个灯模块的至少一个热源，热源被配置成回流沉积在衬底上方的金属膜。可以通过屏蔽装置将灯模块与衬底热分离。在一些实施例中，屏蔽装置包括一体式装置（one-piece device）或分体式装置（two piece device）。所公开的物理汽相沉积系统可以加热半导体衬底，回流沉积在半导体衬底上方的金属膜而无需单独的室，因此降低处理时间，需要较少的热预算并且降低了衬底损伤。
通常，本发明的实施例预期由一个或多个灯模块限定的热源，灯模块包括发射波长在可见光谱范围内的光的多个间隔开的灯。灯产生了提供即时能量的快速等温处理系统，通常需要非常短和良好控制的启动周期。灯可以包括：例如，高强度气体放电灯、白炽灯、气体放电灯、电子激发灯等。如当到达晶圆温度的设定点时，可以快速打开和关闭这些灯。通过调节功率控制器提供的功率，可以变化地控制灯，因此增加或降低任何灯发射的辐射能。此外，每个灯模块可以具有由多个间隔开的灯构成的多个区域。以这种方式，通过调整在打开或关闭的灯模块中的单个或多个区域可以控制每个模块发射的光能。一般地，灯的功率范围为大约1k瓦到大约100k瓦，能够快速加热晶圆，例如，在10秒内可以从0°C加热到700°C。也可以调节灯光的角度来控制晶圆温度。
如图1A所示，示出了包括由室壁102限定的处理室100的物理汽相沉积系统的第一实施例。底座110通常是温度可控的，将底座110配置成支撑要溅射涂覆108的晶圆或其它半导体衬底106。将PVD靶材104配置成提供靶原子，该PVD靶材104与衬底106的相对地设置在处理室100内，其中，衬底106具有溅射涂覆108的PVD金属膜109层。金属膜109通常是铝或铜。分体式屏蔽装置包括上屏蔽部件112和下屏蔽部件114，该分体式屏蔽装置保护室壁102和底座110的侧面以防进行溅射沉积，以及将热源与衬底热分离。对于铝溅射来说，例如，至少面对衬底106的靶材104的正面由铝或铝合金构成。可控冷却装置116可以使冷却水或其它冷冻液体循环到达形成在底座110上方的冷却通道（没有示出）。将包括一个或多个灯模块118的至少一个热源设置在下屏蔽部件114附近并且设置在下屏蔽部件114和室壁102之间。一个或多个反射装置120与每一个灯模块相关以便帮助将灯模块118所发出的光能反射到衬底106上方。反射装置120可以包括反射器或反射器组。反射装置120可以由适合反射光能的任何材料制成并且可以具有任何适合形状，该材料和形状帮助将灯模块118发射的光能反射到衬底106上方。反射装置120是可以调节的，使得可以改变从灯模块所发出的光的路径。
衬底106的溅射涂覆108之后，在室100工作的过程中，开始实施快速热处理以加热衬底106并且进行溅射涂层108回流。如图1B所示，在如箭头122所示的向下方向上移动下屏蔽部件114，暴露灯模块118。灯模块118可以彼此电连接并且通过控制系统控制该灯模块，当照亮各个辐射热源中的每一个时，控制系统进行控制。控制系统通常是（但不仅限于）计算机处理系统，如PC或工作站。如图1B所示，通过反射装置120部分围绕灯模块118。通过反射装置120将由灯模块118发射的光能124反射到晶圆上方。
预定时间之后，如图1C所示，可以关闭灯模块118并且升高下屏蔽部件。然后，通过流经底座110的冷却水或其它冷冻液体的循环来冷却衬底106。
在图2A中，示出了本发明所公开的物理汽相沉积系统的另一个实施例。该系统包括由室壁202形成的处理室200。将一个或多个灯模块218设置在上屏蔽部件212和下屏蔽部件214之间。灯模块218包括反射装置220。反射装置220将灯模块218发射的光能222聚焦到底座210支撑的衬底206的表面上，并且金属膜209在其上进行回流。在金属膜209回流之后，可以关闭灯模块218。然后，如图2B所示，通过底座210冷却衬底206。
图3A示出了本发明所公开的物理汽相沉积系统的另一个实施例。在该实施例中，将灯模块318设置在室壁302内的一体式屏蔽装置322下方。将来自靶材304的靶原子308溅射到衬底306上方以形成薄膜309以后，如图3B中的方向箭头324所示，降低底座310。通过灯模块318的快速加热完成金属膜309的回流。可以从反射装置320反射灯模块318所发出的光能326并且反射到衬底306的表面。一旦完成回流工艺，就可以关闭灯模块318并且如图3C中的方向箭头328所示，升高底座。然后通过流经底座310的冷却水或其它冷冻液体的循环冷却衬底306。
图4A示出了本发明所公开的物理汽相沉积系统的又一个实施例。在图4A中，在安装架420上方支撑灯模块418。安装架420附接至可旋转移动的传送臂422。传送臂422可以容纳在室中的一侧（side chamber）（没有示出）。传送臂可以在处理室400中通过插板阀（slit valve）424旋转。
在图4B中，插板阀424打开并且传送臂422旋转，以将安装架420上方的灯模块418移动到衬底406上的金属膜409上方的位置。打开灯模块418并且加热衬底406以进行金属膜409回流。预定时间之后，如图4C所示，关闭灯模块418并且传送臂422旋转以将灯模块从处理室400移除。然后，通过底座410冷却衬底406。
图5示出了在具有一个或多个灯模块的物理汽相沉积室中加热半导体衬底的方法500的一些实施例的流程图。尽管示出了方法500并且在下文中作为一系列步骤或事件描述了方法500，但是应该理解，这些步骤或事件所示顺序不是限定性的。例如，一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与其它步骤或事件（除了本发明所示的和/或所描述的顺序以外）同时发生。此外，不需要所有示出的步骤，以实施本文中描述的一个或多个方面或实施例。而且，可以在一个或多个独立的步骤和/或阶段中实施本文中所描述的一个或多个步骤。
在步骤502中，将半导体衬底设置在具有靶材的物理汽相沉积室中，靶材被配置成向底座支撑的衬底提供靶原子。将靶材设置为与要溅射的衬底相对。
在步骤504中，通过将偏压施加给靶材所生成的靶原子在衬底上方形成金属膜，将偏压施加给靶材导致通过室内的等离子体生成高能量离子以溅射靶材。靶原子聚集在衬底上方以形成薄膜。
在步骤506中，衬底暴露在灯模块下。可以通过移动屏蔽装置、移动底座、将灯模块所发出的光能反射到衬底上方、或将安装有灯模块的传送臂置于衬底上方来实现将衬底暴露在一个或多个灯模块下。
在步骤508中，打开灯模块。灯模块所发出的光能可以通过功率控制器来控制，使用功率控制器来增加或降低灯所发出的光能。
在步骤510中，通过灯模块所发出的光能快速加热衬底引起金属膜回流，因此促进金属膜流入在衬底中所形成的孔中，以提供衬底中各个层之间的互连部件。
在预定时间之后，在步骤512中，关闭灯模块。然后在步骤514中，通过流经底座中的管道的冷却液体来冷却衬底。
应该理解，本领域的普通技术人员根据说明书和附图的阅读和理解进行等效的替换和/更改。本文中的公开内容包括所有这样的更改和替换，因此，通常本发明并不旨在限定。此外，虽然仅相对于几个实施例中的一个公开了特定特征或方面，但是这种特征或方面可与期望的其它实施例的一个或多个其它特征和/或方面结合。而且，就本文中所使用的术语“包含”、“含有”、“具有”、“带有”及其变化形式来说，这些术语旨在具有包含的意思（类似于“包括”）。同样，术语“示例性”仅仅是实例，而不是最佳实施例。还应该理解，为了简单和容易理解的目的，本文中所描述的特征、层和/或元件相对于彼此以特定的尺寸和/或定向示出，并且实际的尺寸和/或定向可能完全不同于所示尺寸和/或定向。
因此，本发明涉及具有容纳衬底的处理室的物理汽相沉积系统。将处理室内的靶材配置成向处理室提供靶原子。将包括一个或多个灯模块的至少一个热源配置成加热衬底的表面。
在另一个实施例中，本发明涉及装置，底座被配置成支撑半导体衬底，衬底在其上具有金属膜。装置进一步包括：热源，包括一个或多个灯模块且被配置成进行金属膜回流，在物理汽相沉积工艺过程中将金属薄沉积到半导体衬底上方。该装置进一步包括：屏蔽装置，被配置成将热源与半导体衬底热分离。
在又一个实施例中，本发明涉及在物理汽相沉积室中加热半导体衬底的方法。该方法包括：支撑其上具有金属膜的半导体衬底，半导体衬底在室内并且由底座支撑，处理室被配置成包括屏蔽装置，屏蔽装置可以操作地将热源与半导体衬底热分离。该方法进一步包括：将半导体衬底暴露在热源下。该方法进一步包括：通过热源加热半导体衬底，热源包括被配置成加热半导体衬底的表面一个或多个灯模块。

Claims (10)

1.一种物理汽相沉积系统，包括：
处理室，被配置成容纳衬底；
靶，被配置成向所述处理室提供靶原子；以及
至少一个热源，包括一个或多个灯模块并且被配置成加热所述衬底的表面。
2.根据权利要求1所述的物理汽相沉积系统，进一步包括屏蔽装置。
3.根据权利要求2所述的物理汽相沉积系统，其中，所述屏蔽装置包括一体式装置或分体式装置。
4.根据权利要求3所述的物理汽相沉积系统，其中，所述分体式装置包括上部和下部。
5.根据权利要求4所述的物理汽相沉积系统，其中，在所述处理室中，所述一个或多个灯模块被设置成：
a）在包含分体式屏蔽装置的室中，位于下屏蔽装置和室壁之间；
b）在包含分体式屏蔽装置的室中，位于上屏蔽装置和下屏蔽装置之间；
c）在包含一体式屏蔽装置的室中，位于所述室屏蔽装置下方；或者
d）在包含分体式屏蔽装置的室中，位于可旋转移动的传送臂上方。
6.根据权利要求1所述的物理汽相沉积系统，其中，所述灯模块包括多个独立的灯。
7.根据权利要求1所述的物理汽相沉积系统，其中，所述独立的灯提供波长在可见光谱范围内的光。
8.根据权利要求1所述的物理汽相沉积系统，进一步包括与每一个灯模块相关的反射装置。
9.一种用于快速热处理半导体衬底的装置，包括：
底座，被配置成支撑所述半导体衬底，所述半导体衬底在其上具有金属膜；
热源，包括一个或多个灯模块且被配置成在物理汽相沉积工艺过程中进行所述金属膜的回流，所述金属膜沉积在所述半导体衬底上方。
10.一种在物理汽相沉积处理室中加热半导体衬底的方法，包括：
在底座上方支撑在其上具有金属膜的半导体衬底，所述底座位于处理室中，所述处理室被配置成包括屏蔽装置，所述屏蔽装置可操作地将热源和所述半导体衬底热分离；
将所述半导体衬底暴露在所述热源下；以及
使用所述热源加热所述半导体衬底，所述热源包括一个或多个灯模块且被配置成加热所述衬底的表面。
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