CN106811726A

CN106811726A - 溅射沉积工艺及溅射沉积设备

Info

Publication number: CN106811726A
Application number: CN201510854884.1A
Authority: CN
Inventors: 白志民; 李强; 张彦召; 刘建生; 王厚工; 丁培军
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing NMC Co Ltd; Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-09

Abstract

本发明提供了一种溅射沉积工艺及设备，在溅射沉积工艺过程中，通过脉冲直流电源向靶材提供溅射功率；并且预设用于承载基片的基座与射频电源电连接，或者，预设用于承载基片的基座通过电容接地，用以调节在所述基片表面形成的鞘层电压。本发明提供的溅射沉积工艺及设备，同时能够实现成膜密度高和成膜均匀性好的优点。

Description

溅射沉积工艺及溅射沉积设备

技术领域

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种溅射沉积工艺及溅射沉积设备。

背景技术

物理气相沉积技术或溅射沉积技术是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，其可应用很多工艺中，如铜互连工艺、封装领域中的硅穿孔工艺等。随着半导体技术的不断发展，集成电路的尺寸越来越小，为获得更佳的刻蚀形貌，在Low-K材料上需要沉积TiN(氮化钛)来作为金属硬掩膜；随着尺寸逐渐进入到20nm以下工艺节点，对TiN沉积薄膜密度要求也越来越高，例如，一般在32nm工艺节点时TiN薄膜的密度要求在4.4～4.6g/cc，在20nm节点时TiN薄膜的密度要求在5g/cc以上。

为沉积较高密度的TiN薄膜，现有技术中采用图1所示的物理气相沉积设备，请参阅图1，物理气相沉积设备包括反应腔室10和设置在反应腔室10顶壁上方的上盖11。具体地，反应腔室10内设置有用于承载基片S的基座12，基座12与第一射频电源RF1电连接；在反应腔室10的顶壁上且位于托盘12的正上方位置处设置有用于安装Ti靶材13的靶材位；上盖11与反应腔室10的顶壁形成向上开口的壳体，在壳体的内周壁上设置有一层导电层14，该导电层14分别与Ti靶材13、第二射频电源RF2和直流电源DC电连接。另外，在上盖11形成的壳体内设置有磁控管15，用于在Ti靶材13的背面按照预设轨迹运动。

上述第一射频电源RF1的频率为40MHz或60MHz，不仅可提高气体分子的离化率，同时还提高溅射出来的金属的离化率，这样，反应腔室10内存在大量带正电的金属离子；另外，第二射频电源RF2可调节基片S表面的鞘层电压，来调节控制金属离子轰击基片S的能力，使得金属离子在基片S上沉积的更密实；通过上述第一射频电源RF1和第二射频电源RF2可提高成膜密度。

然而，在实际应用中发现：虽然采用上述第一射频电源RF1和第二射频电源RF2结合的方式相对仅采用直流电源DC馈入反应腔室10内相比，成膜密度增加，但是成膜均匀性被恶化。

因此，目前亟需一种既能够保证成膜密度，又能够保证成膜均匀性的溅射沉积工艺。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种溅射沉积工艺及溅射沉积设备，同时能够实现成膜密度高和成膜均匀性好的优点。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种溅射沉积工艺，在溅射沉积工艺过程中，通过脉冲直流电源向靶材提供溅射功率；并且，预设用于承载基片的基座与射频电源电连接，或者，预设用于承载基片的基座通过电容接地，用以调节在所述基片表面形成的鞘层电压。

具体地，所述工艺压力的取值范围为10～100mT。

具体地，所述电容的容值大小不大于4000pF。

具体地，所述溅射沉积工艺用于沉积TiN膜层，工艺参数包括：工艺压力范围为10～100mT；所述溅射功率不大于20kW；所述靶材与基片之间的垂直距离范围为40～70mm。

具体地，所述工艺参数还包括：工艺温度大于300°。

具体地，所述溅射沉积工艺用于沉积AlN膜层，工艺参数包括：工艺压力范围10～100mT；所述溅射功率范围不大于40kW；所述靶材与基片之间的垂直距离范围为30～90mm。

本发明还提供一种溅射沉积设备，包括反应腔室，在反应腔室内的靠上位置设置有用于安装靶材的靶材位，在反应腔室内且位于所述靶材位下方的位置处设置有用于承载基片的基座，所述溅射沉积设备还包括用于向所述靶材提供溅射功率的脉冲直流电源；并且，所述基座与射频电源电连接，或者，所述基座通过电容接地，用以调节在所述基片表面形成的鞘层电压。

具体地，所述电容的容值大小不大于4000pF。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的溅射沉积工艺及设备，由于脉冲直流电源输出的脉冲直流信号为交流信号和直流信号调制形成的信号，因此，该脉冲直流信号同时具有类似于射频电源的交流特性和类似于直流电源的直流特性，由于交流特性使得金属离子增多，同时借助基座与射频电源电连接或者通过电容接地来控制金属离子轰击基片的能力，可保证成膜密度高；由于直流特性会使得成膜均匀性好，因此，本发明实施例提供的溅射沉积工艺与现有技术相比，既具有成膜密度高的优点又具有成膜均匀性好的优点，从而更加匹配20nm及以下制程的生产需要。另外，预设基座通过电容接地的方式相对基座与射频电源电连接，由于并未向反应腔室内馈入射频信号，因此，成膜均匀性更好。

附图说明

图1为现有的磁控沉积设备的结构示意图；

图2为基片上检测点的分布示意图；

图3为本发明提供的溅射沉积工艺和现有的溅射沉积工艺的成膜均匀性的对比图；

图4为本发明提供的溅射沉积工艺和现有的溅射沉积工艺的成膜密度的对比图；

图5为本发明实施例提供的溅射沉积设备的一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的磁控溅射设备的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的溅射沉积工艺及溅射沉积设备进行详细描述。

实施例1

本发明实施例提供的溅射沉积工艺，在溅射沉积工艺过程中，通过脉冲直流电源向靶材提供溅射功率；并且，预设用于承载基片的基座与射频电源电连接，或者，预设用于承载基片的基座通过电容接地，用以调节在基片表面形成的鞘层电压，从而控制金属离子轰击基片的能力，从而控制成膜密度。

由于脉冲直流电源输出的脉冲直流信号为交流信号和直流信号调制形成的信号，因此，该脉冲直流信号同时具有类似于射频电源的交流特性和类似于直流电源的直流特性，由于交流特性会使金属离子增多，同时借助基座与射频电源电连接或者通过电容接地来控制金属离子轰击基片的能力，可保证成膜密度高；由于直流特性会使得成膜均匀性好，因此，本发明实施例提供的溅射沉积工艺与现有技术相比，既具有成膜密度高的优点又具有成膜均匀性好的优点，从而更加匹配20nm及以下制程的生产需要。另外，预设基座通过电容接地的方式相对基座与射频电源电连接，由于并未向反应腔室内馈入射频信号，因此，成膜均匀性更好。

下面结合图2、图3和图4来实验验证本发明实施例提供的溅射沉积工艺。具体地，在此，预设基座通过电容接地，现有的仅采用直流的传统工艺、采用两个射频电源RF的工艺(即背景技术中所述的工艺)和本发明提供的工艺按照相同的工艺参数进行沉积。

图2为基片上检测点的分布示意图，如图2所示，在基片上设置有49个检测点，分别标记为1～49，在每种工艺完成之后在每个检测点处检测沉积的膜层厚度，并在图3中以点状图标依次标注，将同一工艺获得的多个离散点连线如图3所示，每条连线越平坦表明相应工艺的成膜均匀性好。从图3中可明显看出：本发明提供的溅射沉积工艺与现有的仅采用直流电源的传统技术相比，成膜均匀性相差不大，而与现有的采用射频技术相比，成膜均匀性显著提高。

图4为本发明的溅射沉积工艺和现有的溅射沉积工艺的成膜密度的对比图。由图4可以看出：本发明提供的溅射沉积工艺与现有的采用射频技术相比，成膜密度相差不大甚至有所提高，而与现有的采用直流电源的传统技术相比，成膜密度显著提高。

综上，通过实验验证本发明提供的溅射沉积工艺，既具有成膜密度高的优点又具有成膜均匀性好的优点。

优选地，电容的容值大小不大于4000pF，这样可调节鞘层电压处于合适的取值范围内，以保证金属离子的轰击能力处于合适的范围内，从而保证成膜密度和不影响成膜均匀性。

另外，优选地，工艺压力的取值范围为10～100mT，这不仅有助于降低膜层应力，而且还可通过降低气体的平均自由程来有效控制金属离子的轰击能力处于合适的范围内。

具体地，若采用本发明实施例提供的溅射沉积工艺沉积TiN膜层，工艺参数包括：工艺压力范围为10～100mT；溅射功率不大于20kW；所述靶材与基片之间的垂直距离范围为40～70mm。

优选地，工艺参数还包括：工艺温度大于300°，这样，可进一步增加成膜密度。

具体地，若采用本发明实施例提供的溅射沉积工艺沉积AlN膜层，工艺参数包括：工艺压力范围10～100mT；所述溅射功率范围不大于40kW；所述靶材与基片之间的垂直距离范围为30～90mm。

实施例2

图5为本发明实施例提供的磁控溅射设备的一种结构示意图。请参阅图5，本发明实施例提供的溅射沉积设备，包括反应腔室20和用于向靶材21提供溅射功率的脉冲直流电源24。具体地，靶材21安装在反应腔室20内的靠上位置处设置的靶材位，在反应腔室20内且位于靶材位下方的位置处设置有用于承载基片S的基座22，基座通过电容C接地，用以调节在基片S表面形成的鞘层电压。

优选地，电容C的容值大小不大于4000pF。

并且，在实际应用中，电容C可采用用可调电容，以便省去更换电容C来满足不同工艺的麻烦，仅需要调节该可调电容即可。

本发明实施例提供的磁控溅射设备，基于上述实施例提供的磁控溅射方法相同理由，同样既具有成膜密度高的优点又具有成膜均匀性好的优点，从而更加匹配20nm及以下制程的生产需要；而且，基座22通过电容C接地的方式相对基座22与射频电源电连接，由于并未向反应腔室20内馈入射频信号，因此，成膜均匀性更好。

实施例3

图6为本发明实施例提供的磁控溅射设备的另一种结构示意图。请参阅图6，本发明实施例提供的溅射沉积设备，包括反应腔室20和用于向靶材21提供溅射功率的脉冲直流电源24。具体地，靶材21安装在反应腔室20内的靠上位置处设置的靶材位，在反应腔室20内且位于靶材位下方的位置处设置有用于承载基片S的基座22，基座22与射频电源23电连接。

本发明实施例提供的磁控溅射设备，基于上述实施例提供的磁控溅射方法相同理由，同样既具有成膜密度高的优点又具有成膜均匀性好的优点，从而更加匹配20nm及以下制程的生产需要。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种溅射沉积工艺，其特征在于，在溅射沉积工艺过程中，通过脉冲直流电源向靶材提供溅射功率；并且

预设用于承载基片的基座与射频电源电连接，或者，预设用于承载基片的基座通过电容接地，用以调节在所述基片表面形成的鞘层电压。

2.根据权利要求1所述的溅射沉积工艺，其特征在于，所述工艺压力的取值范围为10～100mT。

3.根据权利要求1所述的溅射沉积工艺，其特征在于，所述电容的容值大小不大于4000pF。

4.根据权利要求1所述的溅射沉积工艺，其特征在于，所述溅射沉积工艺用于沉积TiN膜层，工艺参数包括：工艺压力范围为10～100mT；所述溅射功率不大于20kW；所述靶材与基片之间的垂直距离范围为40～70mm。

5.根据权利要求4所述的溅射沉积工艺，其特征在于，所述工艺参数还包括：工艺温度大于300°。

6.根据权利要求1所述的溅射沉积工艺，其特征在于，所述溅射沉积工艺用于沉积AlN膜层，工艺参数包括：工艺压力范围10～100mT；所述溅射功率范围不大于40kW；所述靶材与基片之间的垂直距离范围为30～90mm。

7.一种溅射沉积设备，包括反应腔室，在反应腔室内的靠上位置设置有用于安装靶材的靶材位，在反应腔室内且位于所述靶材位下方的位置处设置有用于承载基片的基座，其特征在于，所述溅射沉积设备还包括用于向所述靶材提供溅射功率的脉冲直流电源；并且

所述基座与射频电源电连接，或者，所述基座通过电容接地，用以调节在所述基片表面形成的鞘层电压。

8.根据权利要求7所述的溅射沉积设备，其特征在于，所述电容的容值大小不大于4000pF。