CN105200379B - 沉积薄膜的磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉积薄膜的磁控溅射方法，包括以下步骤：在第一预设时间内，向反应腔室中通入工艺气体；在第二预设时间内，对靶材施加第一DC偏压，进行起辉；在第三预设时间内，停止通入工艺气体；在第四预设时间内，将所述第一DC偏压增加至第二DC偏压，在下电极上以500W/s～2000W/s的速率加载RF偏压，在硅通孔中沉积薄膜；在第五预设时间内，停止施加DC偏压及RF偏压，继续向反应腔室中通入工艺气体；重复上述步骤，直至薄膜厚度达到工艺要求。本发明的沉积薄膜的磁控溅射方法，能有效防止反应腔室下部起辉，保证硅通孔中能够顺利沉积薄膜。

Description

沉积薄膜的磁控溅射方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种沉积薄膜的磁控溅射方法。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积的一种，广泛应用于集成电路制造过程中金属层的沉积。硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技术是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术方案，该技术可大大降低芯片之间的互联延迟，制造出结构更复杂、性能更强大的芯片，成为了目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。

磁控溅射在TSV技术中的应用主要是在硅通孔内部沉积阻挡层和铜籽晶层。其中，阻挡层的作用是防止铜向硅或者二氧化硅中扩散，铜籽晶层的作用是为后续电镀工艺做一层导电层。目前磁控溅射技术主要采用静电卡盘对晶片进行支撑，与集成电路中铜互联工艺不同的是，硅通孔中的沉积薄膜厚度较大，薄膜应力过大会导致静电卡盘无法对晶片进行静电吸附；并且硅通孔中薄膜沉积多出现在后道封装工艺中，晶片被减薄后一般采用玻璃基底对晶片进行支撑，但静电卡盘无法对玻璃基底进行静电吸附。因此，在硅通孔的磁控溅射中，需要采用机械卡盘对晶片进行支撑。

参见图1，为TSV技术所使用的磁控溅射设备的结构示意图。其中，1为反应腔室；2为靶材；3为含有硅通孔的晶片；4为机械卡盘，5为具有一定重量的金属卡环，6为下电极。在使用机械卡盘4对晶片3进行支撑时，需利用金属卡环5将晶片以机械的方式压在晶片3上，以固定晶片3。

参见图2，金属卡环5上沿内侧圆周设置有多个压爪51，且多个卡爪51之间存在间隙。在进行工艺时，金属卡环5通过多个压爪51将晶片3固定。

传统技术中，利用磁控溅射设备在硅通孔中沉积薄膜的过程如下：向反应腔室1中通入工艺气体；对靶材2施加DC偏压，进行起辉；提升施加在靶材2上的DC偏压，并在下电极6上加载RF偏压，进行薄膜的沉积，在该步骤中，由于施加在靶材2上的DC偏压升高的瞬间会使靶材2附近的工艺气体大量电离，造成应腔室1内压力的瞬间升高。而反应腔室1内压力瞬间升高时，大量电离的工艺气体会通过金属卡环5上的多个卡爪51之间的间隙进入反应腔室1下部；此时，施加在下电极6上的RF偏压容易在反应腔室1下部进行耦合，导致反应腔室1下部起辉；反应腔室1下部起辉后，RF偏压的能量用于维持气体起辉，不能在机械卡盘4上形成一个有效的负偏压来吸引金属等离子体，导致金属离子无法对硅通孔进行有效填充，造成工艺失败。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种沉积薄膜的磁控溅射方法，利用该方法在硅通孔中沉积薄膜时，能有效防止反应腔室下部起辉。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种沉积薄膜的磁控溅射方法，包括以下步骤：

S100，通入气体：在第一预设时间内，向反应腔室中通入工艺气体；

S200，起辉：在第二预设时间内，对靶材施加第一DC偏压，进行起辉；

S300，降压：在第三预设时间内，停止通入工艺气体；

S400，沉积：在第四预设时间内，将所述第一DC偏压增加至第二DC偏压，在下电极上以500W/s～2000W/s的速率加载RF偏压，在硅通孔中沉积薄膜；

S500，冷却：在第五预设时间内，停止施加DC偏压及RF偏压，继续向反应腔室中通入工艺气体；

S600：重复S200～S500，直至薄膜厚度达到工艺要求。

作为一种可实施方式，所述第一预设时间为5s～10s，所述第二预设时间为2s～5s，所述第三预设时间为2s～5s，所述第四预设时间为5s～15s，所述第五预设时间为5s～15s。

作为一种可实施方式，所述第一DC偏压的功率为800W～1500W。

作为一种可实施方式，所述第二DC偏压的功率为30000W～50000W。

作为一种可实施方式，在所述下电极上加载的RF偏压的功率为500W～1000W。

作为一种可实施方式，所述工艺气体为氩气，流量为80sccm～200sccm。

作为一种可实施方式，在S100至S500中，还包括以下步骤：

通入维持背压的氩气，所述维持背压的氩气流量为10sccm～30sccm。

作为一种可实施方式，所述第一预设时间为7s，所述第二预设时间为2s，所述第三预设时间为2s，所述第四预设时间为10s，所述第五预设时间为10s。

作为一种可实施方式，所述第一DC偏压的功率为1000W，所述第二DC偏压的功率为38000W；

所述RF偏压的功率为600W，所述RF偏压的加载速率为1200W/s。

作为一种可实施方式，所述薄膜为Ti薄膜、Ta薄膜或Cu薄膜。

本发明的有益效果如下：

本发明的沉积薄膜的磁控溅射方法，对施加在下电极上的RF偏压的加载速率行了控制。当第一DC偏压提升至第二DC偏压的瞬间，靶材附近的工艺气体大量电离，反应腔室内压力瞬间升高，大量电离的工艺气体会通过金属卡环上的多个卡爪之间的间隙进入反应腔室下部，此时，RF偏压的功率受限于500W/s～2000W/s的加载速率，尚处于较低的范围，不足以引起腔室下部起辉，因而能保证硅通孔中薄膜的沉积，使工艺顺利进行。同时，在薄膜的沉积过程中，增加了冷却的步骤，降低了晶片温度升高对薄膜的沉积速率及沉积密度等产生影响，提高了薄膜的质量。

附图说明

图1为TSV技术所使用的磁控溅射设备的结构示意图；

图2为图1所示磁控溅射设备中金属卡环的结构示意图；

图3为本发明的沉积薄膜的磁控溅射方法的操作流程图；

图4为利用本发明的沉积薄膜的磁控溅射方法在硅通孔中沉积的Ti膜的方块电阻分布图。

具体实施方式

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供了一种沉积薄膜的磁控溅射方法，采用磁控溅射设备在硅通孔中进行薄膜的沉积。参见图3，本发明的沉积薄膜的磁控溅射方法包括以下步骤：

S100，通入气体：在第一预设时间内，向反应腔室中通入工艺气体。

该步骤一般发生在对反应腔室进行抽真空之后，其中，工艺气体优选为氩气，其具有稳定的化学性质，不易发生化学反应。作为一种可实施方式，氩气的流量为80scm～200sccm。

本步骤中，通入工艺气体的时间(即第一预设时间)根据具体的反应腔室的大小及工艺要求而定，较佳地，第一预设时间为5s～7s。

S200，起辉：在第二预设时间内，对靶材施加第一DC偏压，进行起辉。

本步骤中，继续通入工艺气体，同时打开DC电源，施加第一DC偏压至靶材。为了保证磁控溅射设备顺利起辉，第一DC偏压的功率优选为800W～1500W，起辉时间(即第二预设时间)优选为2s～5s。

S300，降压：在第三预设时间内，停止通入工艺气体。

本步骤的作用为降低反应腔室内的气压，为后续工艺做准备。其中，第三预设时间(即停止工艺气体通入的时间)为2s～5s。

S400，沉积：在第四预设时间内，将施加在靶材上的第一DC偏压增加至第二DC偏压，在下电极上以500W/s～2000W/s的速率加载RF偏压，在硅通孔中沉积薄膜。

RF偏压的加载速率控制在500W/s～2000W/s。当第一DC偏压提升至第二DC偏压的瞬间，靶材附近的工艺气体大量电离，反应腔室内压力瞬间升高，大量电离的工艺气体会通过金属卡环上的多个卡爪之间的间隙进入反应腔室下部，而施加在下电极上的RF偏压受限于加载速率，尚处于较低的范围，不足以引起腔室下部起辉的现象，进而保证了工艺的顺利进行。

较佳地，第二DC偏压的功率为30000W～50000W，薄膜的沉积时间(即第四预设时间)为5s～15s。

S500，冷却：在第五预设时间内，停止施加DC偏压及RF偏压，继续向反应腔室中通入工艺气体，对晶片进行冷却。

由于在薄膜沉积过程中，晶片温度会随着工艺进程而升高，晶片温度升高会对薄膜的沉积速率及沉积密度等产生影响，进而影响薄膜的沉积效果。因此，本发明中，薄膜为分步沉积，在沉积一段时间后，先对晶片进行冷却，再继续沉积。较佳地，晶片的冷却时间(即第五预设时间)为5s～15s，且在冷却过程中，继续向反应腔室内通入工艺气体。

S600：重复S200～S500，直至薄膜厚度达到工艺要求。

需要说明的是，本发明的工艺过程中，即步骤S100～S500中，还需向磁控溅射设备中通入氩气以维持背压，其中，维持背压的氩气流量为10sccm～30sccm。

本发明中，在硅通孔中沉积的薄膜可以为Ti膜、Ta膜或Cu膜，也可为其他工艺所需薄膜。

下面以一个具体的实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例在硅通孔中沉积Ti膜作为阻挡层，本实施例采用磁控溅射设备进行Ti膜的沉积，结合表1，对本实施例的具体沉积步骤做以下说明：

(1)通入氩气：在磁控溅射设备的反应腔室中通入氩气7s；控制氩气流量为100sccm；

(2)起辉：接通DC电源，对靶材施加DC偏压，并控制DC偏压的功率为1000W；控制起辉时间为2s；

需要说明的是，此步骤中，继续通入氩气，并维持100sccm的流量。

(3)降气压：停止氩气的通入2s，降低反应腔室内的压力；

(4)薄膜沉积：将施加在靶材上的1000W的DC偏压增加至38000W，并在下电极上以1200W/s的速率加载600W的RF偏压，在硅通孔中沉积Ti膜，沉积时间为10s；

(5)冷却晶片：冷却时间为10s，在此过程中，继续通入氩气，并保证流量为100sccm；

(6)循环步骤(1)～(5)，直至膜厚满足工艺要求。

需要说明的是，在上述步骤(1)至(5)中，需要额外通入氩气来维持背压，其中，步骤(1)至步骤(4)中，维持背压的氩气流量为15sccm；步骤(5)中，维持背压的氩气流量为20sccm。

表1在硅通孔中沉积Ti阻挡层的工艺配方

参数	1	2	3	4	5	6
							步骤	通气	起辉	降压	沉积	冷却	2-5步循环
时间(s)	7	2	2	10	10	0
							背压(Pa)	0	0	0	0	0	0
DC偏压(W)	0	1000	1000	38000	0	0
							DC加载速率(W/s)	0	0	0	0	0	0
RF偏压(W)	0	0	0	600	0	0
							RF加载速率(W/s)	0	0	0	0	0	0
背压氩气(sccm)	15	15	15	15	20	0
							工艺氩气(sccm)	100	100	0	0	100	0
阀门	Full	Full	Full	Full	Full	Full

上述工艺配方中，加载在靶材上的DC偏压的功率升高至38000W的瞬间，靶材附近的工艺气体大量电离，反应腔室内压力瞬间升高至0.9T，大量电离的工艺气体通过金属卡环上的多个卡爪之间的间隙进入反应腔室下部，基于加载速率的限制，RF偏压加载至600W需要0.5s的时间，因此，在DC偏压升高的瞬间，RF偏压尚处于较低的水平，能量不足以导致反应腔室下部气体起辉；经过0.5s时间的加载，RF偏压的功率达到设定的600W，此时反应腔室内压力已经在冷泵抽真空的作用下恢复到了正常的工艺压力0.7mT，反应腔室下部电离的工艺气体减少，电阻增大，已经升至600W的RF偏压也难以进行耦合起辉，此时，RF偏压的作用是在机械卡盘上形成一个有效的负偏压来吸引金属等离子体，对硅通孔进行填充，进而保证TSV工艺的正常进行。

上述工艺配方中，RF偏压的加载时间为0.5s，仅占整个沉积时间的5％，并不会对工艺结果产生不良影响。参见图4，为采用本工艺配方在硅通孔中沉积的Ti膜的方块电阻值Rs，其均匀性为2.607％(1sqma)，满足低于5％的要求。

需要说明的是，上述工艺配方中RF偏压的加载速率并不局限于1200W/s，也可以调整为800W/s、1000W/s、1500W/s等数值，只要保证薄膜的沉积过程中反应腔室下部不起辉即可，且上述工艺配方同样适用于Ta膜或Cu膜等薄膜的沉积。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，通入气体：在第一预设时间内，向反应腔室中通入工艺气体；

S200，起辉：在第二预设时间内，对靶材施加第一DC偏压，进行起辉；

S300，降压：在第三预设时间内，停止通入工艺气体；

S400，沉积：在第四预设时间内，将所述第一DC偏压增加至第二DC偏压，在下电极上以500W/s～2000W/s的速率加载RF偏压，并用冷泵对所述反应腔室抽真空，使得当RF偏压加载至设定功率时，所述反应腔室中的压力为用于沉积的工艺压力，在硅通孔中沉积薄膜；

S500，冷却：在第五预设时间内，停止施加DC偏压及RF偏压，继续向反应腔室中通入工艺气体；

S600：重复S200～S500，直至薄膜厚度达到工艺要求。

2.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，所述第一预设时间为5s～10s，所述第二预设时间为2s～5s，所述第三预设时间为2s～5s，所述第四预设时间为5s～15s，所述第五预设时间为5s～15s。

3.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，所述第一DC偏压的功率为800W～1500W。

4.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，所述第二DC偏压的功率为30000W～50000W。

5.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，在所述下电极上加载的RF偏压的功率为500W～1000W。

6.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，所述工艺气体为氩气，流量为80sccm～200sccm。

7.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，在S100至S500中，还包括以下步骤：

通入维持背压的氩气，所述维持背压的氩气流量为10sccm～30sccm。

8.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，

所述第一预设时间为7s，所述第二预设时间为2s，所述第三预设时间为2s，所述第四预设时间为10s，所述第五预设时间为10s。

9.根据权利要求1所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，

所述第一DC偏压的功率为1000W，所述第二DC偏压的功率为38000W；

所述RF偏压的功率为600W，所述RF偏压的加载速率为1200W/s。

10.根据权利要求1～9任一项所述的沉积薄膜的磁控溅射方法，其特征在于，所述薄膜为Ti薄膜、Ta薄膜或Cu薄膜。