CN105304510A - 铝薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝薄膜制备方法，包括如下步骤：向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜；继续向工艺腔室中通入第三流量的第一工艺气体和第四流量的第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜；其中，第一沉积功率小于第二沉积功率。其通过两步法，采用双层膜的沉积模式，第一步制备较为疏松的第一层铝薄膜，与晶片之间形成良好的欧姆接触，第二步制备更为致密，电阻率更低的第二层铝薄膜，有效地解决了现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜合金相不稳定，且工艺窗口要求苛刻，不利于生产的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备领域，特别是涉及一种铝薄膜制备方法。
背景技术
半导体集成电路中的金属化工艺是半导体集成电路制造中必不可少的重要工艺，其作用是通过互连薄膜材料将芯片内的各独立元器件连接成具有一定功能的电路模块。互连薄膜材料通常为金属材料，如：铝(Al)、铜(Cu)、铂(Pt)和钨(W)等，还包括重掺杂多晶硅、金属硅化物和金属合金等金属性材料，其中，Al由于具有：(1)室温下的电阻率很低，为2.7μΩ·cm；(2)与N型硅、P型硅或多晶硅的欧姆接触电阻可低至10-6Ω/cm2；(3)与硅(Si)和磷硅玻璃的附着性很好；(4)经过短时间热处理后，与SiO2、Si3N4等绝缘层的粘附性很好；(5)易于沉积和刻蚀等优点，被广泛应用于互连薄膜材料。
通常，Al和器件材料硅(Si)之间的欧姆接触电阻越小，器件性能越好，因此，要形成良好的Al-Si欧姆接触，就要形成均匀且充分的Al-Si合金；由于Al在Si中的溶解度很低，而Si在Al中的溶解度较高，因此，在对Al-Si合金退火时，Si原子会溶到Al中，且溶解量与退火温度时的溶解度、Si在Al的扩散情况有关。同时，由于杂质在晶粒间界的扩散系数大于晶体内扩散系数，因此，Si在铝薄膜中的扩散系数比在晶体铝中约大40倍，在铝硅界面处比较疏松的铝薄膜更容易形成优秀的Al-Si合金，从而实现优秀的Al-Si欧姆接触。但从Al本身来讲，比较疏松的薄膜其电阻率较大，很容易降低器件性能。
由于磁控溅射物理气相沉积薄膜具有沉积速率快、厚度均匀和台阶覆盖能力强等优势，因此，Al作为半导体集成电路中的互连薄膜材料应用时，通常采用磁控溅射物理气相沉积的方法。目前，采用磁控溅射物理气相沉积的方法制备铝薄膜的工艺配方如表1所示：
表1磁控溅射物理气相沉积的方法制备铝薄膜的工艺配方
| 第一步沉积 | 第二步冷却 | 循环步骤 | 结束 | |
| 功率(千瓦) | 15 | 0 | 1 | 0 |
| Ar1流量(sccm) | 20 | 20 | 1 | 0 |
| Ar2流量(sccm) | 5 | 5 | 1 | 0 |
| 时间/秒 | 20 | 60 | 1 | 1 |
其中，工艺气体Ar1为晶片背吹气体，目的是冷却晶片，而工艺气体Ar2是溅射气体；使用该工艺制备的铝薄膜尽管其本身质量较为满足现有要求，但是在形成Al-Si合金时，合金相不稳定，对合金的工艺窗口要求较为苛刻，合金工艺，尤其是对铝薄膜沉积前的晶片表面状况要求很严格，要求清洗后在短时间内要完成沉积，给生产带来了很多不便。
发明内容
基于此，有必要针对采用现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜合金相不稳定，且工艺窗口要求苛刻，不利于生产的问题，提供一种铝薄膜制备方法。
为实现本发明目的提供的一种铝薄膜制备方法，包括如下步骤：
向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜；
继续向所述工艺腔室中通入第三流量的所述第一工艺气体和第四流量的所述第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜；
其中，所述第一沉积功率小于所述第二沉积功率。
其中，所述向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜，包括如下步骤：
步骤S110，向所述工艺腔室中通入所述第一流量的所述第一工艺气体和所述第二流量的所述第二工艺气体，并在所述第一沉积功率下沉积所述第一层铝薄膜第一预设时间；
步骤S120，继续向所述工艺腔室中通入所述第一流量的所述第一工艺气体和所述第二流量的所述第二工艺气体，并在零功率下冷却所述第一层铝薄膜第二预设时间后，返回所述步骤S110，直至所述第一层铝薄膜的厚度为第一预设厚度。
其中，所述继续向所述工艺腔室中通入第三流量的所述第一工艺气体和第四流量的所述第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜，包括如下步骤：
步骤S210，向所述工艺腔室中通入所述第三流量的所述第一工艺气体和第四流量的所述第二工艺气体，并在所述第二沉积功率下沉积所述第二层铝薄膜第三预设时间；
步骤S220，继续向所述工艺腔室中通入第五流量的所述第一工艺气体和第六流量的所述第二工艺气体，并在所述零功率下冷却所述第二层铝薄膜第四预设时间后，返回所述步骤S210，直至所述第二层铝薄膜的厚度为第二预设厚度。
其中，所述第一沉积功率的取值范围为(0KW，20KW]，所述第二沉积功率的取值范围为[1KW，20KW]。
其中，所述第一沉积功率为8KW，所述第二沉积功率为15KW。
其中，所述第一工艺气体为氩气，通过设置在吹向晶片背面的第一通气口通入所述工艺腔室中；
所述第二工艺气体为氩气，通过设置在所述工艺腔室的第二通气口通入所述工艺腔室中。
其中，所述第一流量的取值范围、所述第二流量的取值范围、所述第三流量的取值范围、所述第四流量的取值范围、所述第五流量的取值范围和所述第六流量的取值范围均为(0sccm，500sccm]。
其中，所述第一流量为20sccm，所述第二流量为5sccm，所述第三流量为5sccm，所述第四流量为5sccm，所述第五流量为20sccm，所述第六流量为5sccm。
其中，所述第一预设厚度的取值范围为[100nm，500nm]。
其中，所述第一预设厚度为200nm。
本发明提供的一种铝薄膜制备方法，首先向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜；然后，继续向工艺腔室中通入第三流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜。其采用双层膜的沉积模式，通过两步法，第一步制备较为疏松的第一层铝薄膜，与晶片之间形成良好的欧姆接触，第二步制备更为致密，电阻率更低的第二层铝薄膜，提供良好质量的铝薄膜，既保证了铝薄膜与晶片之间的良好的欧姆接触，同时还实现了铝薄膜质量的提高，有效地解决了现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜合金相不稳定，且工艺窗口要求苛刻，不利于生产的问题。
附图说明
图1为本发明的铝薄膜制备方法一具体实施例流程图；
图2为本发明的铝薄膜制备方法另一具体实施例流程图；
图3为本发明的铝薄膜制备方法又一具体实施例流程图；
图4为本发明的铝薄膜制备方法制备的铝薄膜的合金相显微镜图；
图5为现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜的合金相显微镜图；
图6为本发明的铝薄膜制备方法制备的第一层铝薄膜的纵截面电镜图；
图7为本发明的铝薄膜制备方法制备的第二层铝薄膜的纵截面电镜图。
具体实施方式
为使本发明技术方案更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图1，作为本发明提供的铝薄膜制备方法的一具体实施例，包括如下步骤：
步骤S100，向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜。
步骤S200，继续向工艺腔室中通入第三流量的第一工艺气体和第四流量的第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜。
本发明提供的铝薄膜制备方法的一具体实施例，通过采用两步法，制备双层膜的沉积模式，第一步利用磁控溅射物理气相沉积法制备出较为疏松的第一层铝薄膜，使其与晶片之间具有良好的欧姆接触；第二步同样利用磁控溅射物理气相沉积法制备出较为致密的第二层铝薄膜，使得铝薄膜在具有良好的欧姆接触和更低的电阻率的同时，保证了铝薄膜的质量，有效地解决了现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜合金相不稳定，且工艺窗口要求苛刻，不利于生产的问题。
其中，第一沉积功率小于第二沉积功率。即利用磁控溅射物理气相沉积法制备第一层铝薄膜时，使用较低的沉积功率，并通过增加第一工艺气体的流量，使得第一层铝薄膜在沉积时温度适中，有利于形成较为疏松的结构。当进行第二层铝薄膜的沉积时，使用较高的沉积功率，同时减少第一工艺气体的流量，有利于制备更为致密的铝薄膜。
值得说明的是，第一沉积功率的取值范围为(0KW，20KW]，第二沉积功率的取值范围为[1KW，20KW]。
优选的，第一沉积功率为8KW，第二沉积功率为15KW。
作为本发明提供的铝薄膜制备方法的一种可实施方式，第一流量的取值范围、第二流量的取值范围、第三流量的取值范围和第四流量的取值范围均为[0sccm，500sccm]。
优选的，第一流量为20sccm，第二流量为5sccm，第三流量为5sccm，第四流量为5sccm。
需要说明的是，第一工艺气体为氩气(Ar)，通过设置在吹向晶片背面的第一通气口通入工艺腔室中；即第一工艺气体为晶片被吹气体，用于冷却晶片，控制第一层铝薄膜和第二层铝薄膜沉积时的温度适中。
第二工艺气体同样为氩气(Ar)，通过设置在工艺腔室的第二通气口通入工艺腔室中；即第二工艺气体通过工艺腔室的第二通气口通入工艺腔室中，作为溅射气体，用于沉积第一层铝薄膜和第二层铝薄膜。
在此，需要说明的时，第一工艺气体和第二工艺气体也可为氮气(N2)、氦气(He)等惰性气体。
参见图2，作为本发明提供的铝薄膜制备方法的另一具体实施例，步骤S100，向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜，包括如下步骤：
步骤S110，向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜第一预设时间。
步骤S120，继续向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在零功率下冷却第一层铝薄膜第二预设时间后，返回步骤S110，直至第一层铝薄膜的厚度为第一预设厚度。
即步骤S110为沉积步骤，步骤S120为冷却步骤，通过向工艺腔室中通入第一工艺气体和第二工艺气体，使得在制备铝薄膜时，采用沉积和冷却相结合的方式，有效地避免了连续沉积所导致的温度累积升高使得器件失效的问题，并且保证了工艺的安全稳定进行。
其中，所制备的第一层铝薄膜的厚度(即第一预设厚度)为[100nm，500nm]，优选为200nm。
参见图3，作为本发明提供的铝薄膜制备方法的又一具体实施例，步骤S200，继续向工艺腔室中通入第三流量的第一工艺气体和第四流量的第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜，包括如下步骤：
步骤S210，向工艺腔室中通入第三流量的第一工艺气体和第四流量的第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜第三预设时间。
步骤S220，继续向工艺腔室中通入第五流量的第一工艺气体和第六流量的第二工艺气体，并在零功率下冷却第二层铝薄膜第四预设时间后，返回步骤S210，直至第二层铝薄膜的厚度为第二预设厚度。
同理，步骤S210为第二层铝薄膜的沉积步骤，步骤S220为第二层铝薄膜的冷却步骤。在沉积第二层铝薄膜时，仍然采用沉积和冷却相结合的方式，保证了器件的有效性和工艺的安全性和稳定性。并且，在冷却步骤中，通过设置第二工艺气体的流量(即第六流量)小于第一工艺气体的流量(即第五流量)，使得制备第二层铝薄膜时沉积步骤进行完之后，能够快速冷却第二层铝薄膜，缩短了工艺时间，节省了生产成本。
其中，第五流量的取值范围和第六流量的取值范围均为(0sccm，500sccm]。优选的，第五流量为20sccm，第六流量为5sccm；第二层铝薄膜的厚度(即第二预设厚度)可根据实际需要进行制备。
表2铝薄膜制备方法又一具体实施例的工艺配方
参见表2，作为本发明提供的铝薄膜制备方法的又一具体实施例，其中：
步骤1和步骤2分别为在沉积第一层铝薄膜时的沉积步骤S110和冷却步骤S120。当在第一沉积功率为3KW，第一工艺气体Ar1的流量(即第一流量)为20sccm，第二工艺气体Ar2的流量(即第二流量)为5sccm的工艺配方下，沉积第一层铝薄膜的时间(即第一预设时间)20s后；控制第一沉积功率为零，并在第一工艺气体Ar1的流量(即第一流量)为20sccm，第二工艺气体Ar2的流量(即第二流量)为5sccm的工艺配方下，冷却所沉积的第一层铝薄膜60s后，继续在第一沉积功率为3KW，第一工艺气体Ar1的流量(即第一流量)为20sccm，第二工艺气体Ar2的流量(即第二流量)为5sccm的工艺配方下，执行第一层铝薄膜的沉积步骤。依此循环2次，得到第一预设厚度为300nm的第一层铝薄膜。
步骤3和步骤4则分别为执行完步骤1和步骤2之后，在沉积第二层铝薄膜时的沉积步骤S210和冷却步骤S220。当在第二沉积功率为15KW，第一工艺气体Ar1的流量(即第三流量)为5sccm，第二工艺气体Ar2的流量(即第四流量)为5sccm的工艺配方下，沉积第二层铝薄膜的时间(即第三预设时间)20s后；控制第二沉积功率为零，并在第一工艺气体Ar1的流量(即第五流量)为20sccm，第二工艺气体Ar2的流量(即第六流量)为5sccm的工艺配方下，冷却所沉积的第二层铝薄膜60s后，继续在第二沉积功率为15KW，第一工艺气体Ar1的流量(即第三流量)为5sccm，第二工艺气体Ar2的流量(即第四流量)为5sccm的工艺配方下，执行第二层铝薄膜的沉积步骤。依此循环10次，得到第二预设厚度为5μm的第二层铝薄膜。
参见图4，为采用本发明提供的铝薄膜制备方法的又一具体实施例制备的铝薄膜的合金相显微镜图。由图4可以看出，采用本发明提供的铝薄膜制备方法制备的铝薄膜具有优秀的合金相。而图5则为采用现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜的合金相显微镜图。由图5可以看出，采用现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜的合金相呈龟裂形状，为不良的合金相。因此，通过图4和图5可以很明显的看出，采用本发明提供的铝薄膜制备方法制备的铝薄膜的合金相更加稳定。
参见图6和图7，分别为采用本发明提供的铝薄膜制备方法的又一具体实施例制备的第一层铝薄膜的纵截面电镜图和第二层铝薄膜的纵截面的电镜图。由图6看出，采用本发明提供的铝薄膜制备方法沉积的第一层铝薄膜的结构较为疏松，从而可以与晶片形成良好的欧姆接触。由图7看出，采用本发明提供的铝薄膜制备方法沉积的第二层铝薄膜的结构非常致密，质量较高。因此，采用本发明提供的铝薄膜制备方法，能够使得铝薄膜在具有良好的欧姆接触和更低的电阻率的同时，具有更高的质量，有效地解决了现有的铝薄膜制备工艺制备的铝薄膜合金相不稳定，且工艺窗口要求苛刻，不利于生产的问题。
相应的，基于上述任一种铝薄膜制备方法，本发明还提供了一种铝薄膜，采用上述任一种铝薄膜制备方法制备得到。通过上述任一种铝薄膜制备方法制备的铝薄膜与晶片之间具有良好的欧姆接触的同时，还具有更低的电阻率，更为致密的微结构和更加稳定的合金相。
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)
1.一种铝薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜；
继续向所述工艺腔室中通入第三流量的所述第一工艺气体和第四流量的所述第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜；
其中，所述第一沉积功率小于所述第二沉积功率。
2.根据权利要求1所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述向工艺腔室中通入第一流量的第一工艺气体和第二流量的第二工艺气体，并在第一沉积功率下沉积第一层铝薄膜，包括如下步骤：
步骤S110，向所述工艺腔室中通入所述第一流量的所述第一工艺气体和所述第二流量的所述第二工艺气体，并在所述第一沉积功率下沉积所述第一层铝薄膜第一预设时间；
步骤S120，继续向所述工艺腔室中通入所述第一流量的所述第一工艺气体和所述第二流量的所述第二工艺气体，并在零功率下冷却所述第一层铝薄膜第二预设时间后，返回所述步骤S110，直至所述第一层铝薄膜的厚度为第一预设厚度。
3.根据权利要求2所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述继续向所述工艺腔室中通入第三流量的所述第一工艺气体和第四流量的所述第二工艺气体，并在第二沉积功率下沉积第二层铝薄膜，包括如下步骤：
步骤S210，向所述工艺腔室中通入所述第三流量的所述第一工艺气体和第四流量的所述第二工艺气体，并在所述第二沉积功率下沉积所述第二层铝薄膜第三预设时间；
步骤S220，继续向所述工艺腔室中通入第五流量的所述第一工艺气体和第六流量的所述第二工艺气体，并在所述零功率下冷却所述第二层铝薄膜第四预设时间后，返回所述步骤S210，直至所述第二层铝薄膜的厚度为第二预设厚度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一沉积功率的取值范围为(0KW，20KW]，所述第二沉积功率的取值范围为[1KW，20KW]。
5.根据权利要求4所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一沉积功率为8KW，所述第二沉积功率为15KW。
6.根据权利要求5所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一工艺气体为氩气，通过设置在吹向晶片背面的第一通气口通入所述工艺腔室中；
所述第二工艺气体为氩气，通过设置在所述工艺腔室的第二通气口通入所述工艺腔室中。
7.根据权利要求3所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一流量的取值范围、所述第二流量的取值范围、所述第三流量的取值范围、所述第四流量的取值范围、所述第五流量的取值范围和所述第六流量的取值范围均为(0sccm，500sccm]。
8.根据权利要求7所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一流量为20sccm，所述第二流量为5sccm，所述第三流量为5sccm，所述第四流量为5sccm，所述第五流量为20sccm，所述第六流量为5sccm。
9.根据权利要求8所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一预设厚度的取值范围为[100nm，500nm]。
10.根据权利要求9所述的铝薄膜制备方法，其特征在于，所述第一预设厚度为200nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100176 Beijing economic and Technological Development Zone, Wenchang Road, No. 8, No. Applicant after: Beijing North China microelectronics equipment Co Ltd Address before: 100176 Beijing economic and Technological Development Zone, Beijing, Wenchang Road, No. 8, No. Applicant before: Beifang Microelectronic Base Equipment Proces Research Center Co., Ltd., Beijing |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |