CN107513692A - 一种制膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种制膜方法。该制膜方法，用于在晶圆上溅射形成薄膜，包括溅射步骤：所述溅射步骤包括循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段，从而调节所述薄膜的密度和应力，直至所述薄膜的厚度满足设定要求。该制膜方法通过向靶材施加脉冲直流溅射方式，并调节所述脉冲直流功率的占空比和/或功率值，来控制薄膜的沉积速率，实现在高功率下，增加溅射能量但并不增加薄膜的沉积速率，平衡沉积速率和溅射能量的关系，达到增加薄膜的致密性，并适当降低薄膜的沉积速率，延长薄膜工艺时间，增加生产稳定性，获得应力更大的薄膜。

Description

一种制膜方法
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种制膜方法。
背景技术
近年来，随着集成电路的大规模发展，芯片关键尺寸不断缩小，铜互连制造工艺面临的挑战越来越多。为了保证16nm以下及更小的铜互连结构的紧凑以及结构的完整性，需要更加先进的硬掩膜技术。在更加先进的工艺制造流程中，硬掩膜技术(Hardmask)主要作用是保持较软的超低k电介质材料中的铜线和通孔的图形完整性。然而随着芯片制程尺寸的不断缩小，传统的硬掩膜层(如TiN层)存在多种问题无法适用于更先进的集成电路工艺制程。一方面，传统的硬掩膜薄膜密度较低，在制备薄膜时需要沉积较厚的厚度，这就大大增加了蚀刻深孔(Via)的深宽比，且增加了后续金属导电层在深孔中的填充等一系列工艺的难度，因此急需增加硬掩膜薄膜的密度，以减小薄膜沉积厚度，尽量缩小蚀刻深孔的深宽比；另一方面，传统的硬掩膜工艺薄膜沉积后均为压缩应力(Compress，即压应力)可能会导致电介质薄膜中狭窄的铜线图案发生变形或者倒塌。因此，为保持蚀刻的一致性，急需要制备更加致密且应力更大(Tensile，即张应力)的TiN硬掩膜以适应更先进的集成电路制程。
在集成电路制造工艺中，物理气相沉积(PVD)方式被广泛用于沉积许多种不同的金属层、硬掩膜等相关材料层。利用上述常规的溅射设备，目前行业内28nm工艺一般采用直流(DC)溅射工艺，未能实现TiN薄膜密度大于5.0g/cc的突破，且无法实现较大应力薄膜的制备。而28nm以下工艺则需要TiN薄膜密度超过5.0g/cc，甚至达到5.2g/cc的薄膜密度，且薄膜应力要求为张应力。在溅射工艺中如要获得高密度薄膜需要具有更大的溅射能量、更快的沉积速率、更高的工艺温度、更低的溅射工艺压力等，然而要获得较大应力的薄膜则需要更高的工艺压力、较小的溅射能量、更低的沉积速率等，这与高密度的需求部分相互冲突，因此找到一种适合的工艺方案同时实现高密度和大应力的需求难度很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中上述不足，提供一种制膜方法，基于溅射工艺形成高密度张应力的薄膜的制备，以满足更加先进的集成电路工艺。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该制膜方法，用于在晶圆上溅射形成薄膜，包括溅射步骤：所述溅射步骤包括循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段，从而调节所述薄膜的密度和应力，直至所述薄膜的厚度满足设定要求。
优选的是，所述溅射步骤包括：
向靶材施加脉冲直流功率，并调节所述脉冲直流功率的占空比和/或功率值，以形成所述循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段。
一种实施方式中，所述第一溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为40％～80％，所述第二溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％～20％。
优选的是，所述溅射步骤的所述脉冲直流功率的功率值为5kW～10kW。
一种实施方式中，在所述溅射步骤前，还包括启辉步骤：向靶材施加射频功率。
优选的是，在所述第一溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率。
优选的是，所述第一溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％，所述第二溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为40％～80％。
一种实施方式中，在所述第二溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率。
优选的是，所述第一溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％，所述第二溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％。
其中，所述溅射步骤的所述脉冲直流功率的功率值为1kW～6kW。
优选的是，所述溅射步骤的所述射频功率的功率值为1kW～3kW。
优选的是，所述溅射步骤的所述射频功率的频率为13.56MHz、27MHz、40MHz或60MHz。
优选的是，所述第一溅射阶的时间为5s～10s；所述第二溅射阶段的时间为5s～10s。
优选的是，在所述溅射步骤，向所述基座施加偏置射频功率，以在所述晶圆上形成负偏压，从而调节所述薄膜的密度和压力。
优选的是，所述偏置射频功率的功率值为0kW～2kW。
优选的是，在所述溅射步骤前，还包括加热步骤：
向所述反应腔室通入第一气体，并控制所述第一气体的气流，使得所述反应腔室内的第一气压保持恒定；
同时，对所述晶圆进行加热至设定温度。
优选的是，在所述溅射步骤前，还包括加热步骤：
所述第一气体为氩气，所述第一气压为1T～2T；
所述加热温度为300℃～400℃，所述加热时间为1min。
优选的是，在所述溅射步骤前，还包括控压步骤：
向所述反应腔室通入第二气体，并控制所述第二气体的气流，使得所述反应腔室内的第二气压保持恒定。
优选的是，所述第二气体为氩气和氮气的混合气体，所述第二气压为10mT～200mT。
本发明的有益效果是：该制膜方法通过向靶材施加脉冲直流溅射方式，并调节所述脉冲直流功率的占空比和/或功率值，来控制薄膜的沉积速率，实现在高功率下，增加溅射能量但并不增加薄膜的沉积速率，平衡沉积速率和溅射能量的关系，达到增加薄膜的致密性，并适当降低薄膜的沉积速率，延长薄膜工艺时间，增加生产稳定性，获得应力更大的薄膜，从而能快速实现高密度、张应力薄膜沉积，且获得更好的工艺稳定性和实用性，以满足先进集成电路工艺对薄膜性能的苛刻需求，同时可降低更先进制程工艺的成本和工艺方案难度，特别适用于14nm Hardmask工艺的高密度TiN薄膜的制备。
附图说明
图1为本发明实施例中的制膜方法的流程图；
图2为图1中制膜方法的溅射步骤的流程图；
图3为本发明各实施例中的制膜方法的工艺方案结果对比图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明制膜方法作进一步详细描述。
物理气相沉积(PVD)方式由于薄膜一致性，均匀性更优且工艺窗口更宽，能实现深宽比较高的通孔填充等工艺。本发明提供一种制膜方法，该制膜方法通过向靶材施加脉冲直流功率(Pulse Dc)溅射方式，并调节脉冲直流功率的占空比和/或功率值，来控制薄膜的沉积速率，实现在高功率下，增加溅射能量但并不增加薄膜的沉积速率，平衡沉积速率和溅射能量的关系，达到增加薄膜的致密性，并适当降低薄膜的沉积速率，延长薄膜工艺时间，增加生产稳定性，获得应力更大的薄膜，从而能快速实现高密度、张应力薄膜沉积，且获得更好的工艺稳定性和实用性，以满足先进集成电路工艺对薄膜性能的苛刻需求，同时可降低更先进制程工艺的成本和工艺方案难度，其配套的溅射设备成本更低、稳定性更高，维护成本更低，特别适用于14nm Hardmask工艺的高密度氮化钛TiN薄膜、以及其他金属及金属化合物薄膜的制备。
如图1所示，本发明提供一种制膜方法，用于在晶圆上溅射形成薄膜，所述晶圆位于基座上，所述基座置于反应腔室的底部，所述反应腔室的顶部设有靶材，该制膜方法包括加热、控压和溅射三大步骤，从而调节所述薄膜的密度和应力，直至所述薄膜的厚度满足设定要求骤。其中，溅射步骤包括循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段。
优选的是，如图2所示，该制膜方法中溅射步骤具体包括：
向靶材施加脉冲直流功率，并调节所述脉冲直流功率的占空比和/或功率值，以形成循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段。一般情况，相同工艺条件下，沉积速率越快则薄膜应力趋向压应力(负值越大方向)，而沉积速率越低则应力趋向张应力(正值越大方向，0表示没有应力，负值为压应力，正值为张应力)。但并不必须第一溅射阶段沉积速率一定小于第二溅射阶段，也可以反过来循环，本发明中只要保持第一溅射阶段总步数与第二溅射阶段总步数的数量一致，则薄膜最终应力不受影响。若循环总步骤为单数，比如第一步总步骤比第二步总步骤要多循环一次，则反过来循环对薄膜应力可能存在稍许影响。
以下将以实施例的方式对本发明制膜方法的不同实施方式进行详细说明。
实施例1：
该制膜方法用于在晶圆上溅射形成薄膜，晶圆位于基座上，基座置于反应腔室的底部，反应腔室的顶部设有靶材。
作为一种实施例，一种具体的制膜方法包括如下步骤：
S11)加热步骤：向反应腔室通入第一气体，并控制第一气体的气流，使得反应腔室内的第一气压保持恒定；同时，对晶圆进行加热至设定温度。
优选的是，第一气体为氩气，第一气压为1T～2T；加热温度为300℃～400℃，加热时间为1min。
在该步骤中，将晶圆传入反应腔室，向反应腔室内通入Ar，使气压达到1T～2T，将基座温度设为300℃～400℃，等待约1min，使基座对晶圆进行加热。当然，该加热步骤也可以在磁控溅射系统的预加热腔室内完成，将达到预设温度的晶圆直接传入反应腔室内。
S12)控压步骤：向反应腔室通入第二气体，并控制第二气体的气流，使得反应腔室内的第二气压保持恒定。
优选的是，第二气体为氩气和氮气的混合气体，第二气压为10mT～200mT。
在该步骤中，抽气并控制Ar、N2气流至反应腔室的压力保持在10mT～200mT的工艺气压。溅射过程中可调节Ar/N2的比例，来调整工艺气压和薄膜应力，但整体工艺气压保持恒定。
S13)溅射步骤：向靶材施加脉冲直流功率，并调节脉冲直流功率的占空比和/或功率值，以形成循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段，从而调节薄膜的密度和应力，直至薄膜的厚度满足设定要求。
优选的是，溅射步骤的脉冲直流功率的功率值为5kW～10kW。
另外，优选第一溅射阶的时间为5s～10s；第二溅射阶段的时间为5s～10s；同时，优选第一溅射阶段的脉冲直流功率的占空比为40％～80％，第二溅射阶段的脉冲直流功率的占空比为0％～20％。
在该步骤中，设置脉冲直流功率的第一占空比设置为40％～80％，第一溅射时间约5s～10s；脉冲直流功率的第二占空比设置为0％～20％，在此占空比下的第二溅射时间约5s～10s，第一溅射阶段和第二溅射阶段依次循环，直至薄膜厚度满足需求为止。溅射过程中可根据薄膜应力的调整适当调整两段占空比下的脉冲直流功率。
同时，溅射过程中为小幅调整薄膜的密度和应力，可以在溅射过程中施加一定功率的偏置射频功率，偏置射频功率的功率值为0kW～2kW，优选偏置射频功率的功率值为0kW～1kW，这里仅通过调整射频功率的功率值即可，射频功率在整个溅射过程中恒定且晶圆和基座偏压为负偏压，从而调节薄膜的密度和压力。
实施例2：
该制膜方法用于在晶圆上溅射形成薄膜，晶圆位于基座上，基座置于反应腔室的底部，反应腔室的顶部设有靶材。
本实施例中的制膜方法，与上一实施方式相比的区别在于：在脉冲直流功率的基础上，进一步配合向靶材施加射频功率，并在靶材上施加射频功率启辉，第一溅射阶段仍保持高频射频功率,第二溅射阶段关闭高频射频功率。
作为一种实施例，一种具体的制膜方法包括如下步骤：
S21)加热步骤：向反应腔室通入第一气体，并控制第一气体的气流，使得反应腔室内的第一气压保持恒定；同时，对晶圆进行加热至设定温度。
优选的是，第一气体为氩气，第一气压为1T～2T；加热温度为300℃～400℃，加热时间为1min。
在该步骤中，将晶圆传入反应腔室，向反应腔室内通入Ar，使气压达到1T～2T，将基座温度设为300℃～400℃，等待约1min，使基座对晶圆进行加热。当然，该加热步骤也可以在磁控溅射系统的预加热腔室内完成，将达到预设温度的晶圆直接传入反应腔室内。
S22)控压步骤：向反应腔室通入第二气体，并控制第二气体的气流，使得反应腔室内的第二气压保持恒定。
优选的是，第二气体为氩气和氮气的混合气体，第二气压为10mT～200mT。
在该步骤中，抽气并控制Ar、N2气流至反应腔室的压力保持在10mT～200mT的工艺气压。溅射过程中可调节Ar/N2的比例，来调整工艺气压和薄膜应力，但整体工艺气压保持恒定。
在溅射步骤前，还包括启辉步骤：向靶材施加射频功率。
S23)溅射步骤：向靶材施加脉冲直流功率，并调节脉冲直流功率的占空比和/或功率值，以形成循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段，从而调节薄膜的密度和应力，直至薄膜的厚度满足设定要求。
优选的是，溅射步骤的脉冲直流功率的功率值为1kW～6kW。进一步优选溅射步骤的射频功率的功率值为1kW～3kW。
另外，优选第一溅射阶的时间为5s～10s；第二溅射阶段的时间为5s～10s；同时，优选第一溅射阶段的脉冲直流功率的占空比为0％，第二溅射阶段的脉冲直流功率的占空比为40％～80％。
并且，在第一溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率。
在该实施例中，射频功率启辉后，在靶材上同时施加脉冲直流功率，形成RF+PulseDC工艺，脉冲直流功率的功率值为1kW～6kW。第一溅射阶段为了将脉冲直流功率与高频射频功率匹配，将脉冲直流功率的占空比设为0％，第一溅射时间约5s～10s后，将脉冲直流功率的第二占空比设置为40％～80％，并关闭高频射频功率，在第二占空比下脉冲直流功率仅溅射约5s～10s，依次循环，直至薄膜厚度满足需求为止。在该步骤的溅射过程中，可根据薄膜应力的调整适当调整两段占空比下的脉冲直流功率功率；也可在形成RF+Pulse Dc溅射后，大幅降低脉冲直流功率的功率值至1kW～3kW或优化射频功率，并不再调整脉冲直流功率占空比，极大的降低薄膜沉积速率，达到调节应力的作用。
同样，溅射过程中为小幅调整薄膜的密度和应力，可以在溅射过程中施加一定功率的偏置射频功率，偏置射频功率在整个溅射过程中恒定且晶圆和基座偏压为负偏压；偏置射频功率的功率值为0kW～2kW。
在本实施例的制膜方法中，溅射步骤的射频功率的频率为13.56MHz、27MHz、40MHz或60MHz。
实施例3：
该制膜方法用于在晶圆上溅射形成薄膜，晶圆位于基座上，基座置于反应腔室的底部，反应腔室的顶部设有靶材。
本实施例中的制膜方法，与上一实施方式相比的区别在于：在脉冲直流功率的基础上，进一步配合向靶材施加射频功率，并在靶材上施加射频功率启辉，第一溅射阶段和第二溅射阶段均保持高频射频功率。
作为一种实施例，一种具体的制膜方法包括如下步骤：
S31)加热步骤：向反应腔室通入第一气体，并控制第一气体的气流，使得反应腔室内的第一气压保持恒定；同时，对晶圆进行加热至设定温度。
优选的是，第一气体为氩气，第一气压为1T～2T；加热温度为300℃～400℃，加热时间为1min。
在该步骤中，将晶圆传入反应腔室，向反应腔室内通入氩气，使气压达到1T～2T，将基座温度设为300℃～400℃，等待约1min，使基座对晶圆进行加热。当然，该加热步骤也可以在磁控溅射系统的预加热腔室内完成，将达到预设温度的晶圆直接传入反应腔室内。
S32)控压步骤：向反应腔室通入第二气体，并控制第二气体的气流，使得反应腔室内的第二气压保持恒定。
优选的是，第二气体为氩气和氮气的混合气体，第二气压为10mT～200mT。
在该步骤中，抽气并控制Ar、N2气流至反应腔室的压力保持在10mT～200mT的工艺气压。溅射过程中可调节Ar/N2的比例，来调整工艺气压和薄膜应力，但整体工艺气压保持恒定。
在溅射步骤前，还包括启辉步骤：向靶材施加射频功率。
S33)溅射步骤：向靶材施加脉冲直流功率，并调节脉冲直流功率的占空比和/或功率值，以形成循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段，从而调节薄膜的密度和应力，直至薄膜的厚度满足设定要求。
优选的是，溅射步骤的脉冲直流功率的功率值为1kW～6kW。进一步优选溅射步骤的射频功率的功率值为1kW～3kW。
另外，优选第一溅射阶的时间为5s～10s；第二溅射阶段的时间为5s～10s；同时，优选在第二溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率；并且，第一溅射阶段的脉冲直流功率的占空比为0％，第二溅射阶段的脉冲直流功率的占空比为0％。
并且，在第一溅射阶段和第二溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率。
在该步骤中，高频射频功率启辉后，在靶材上同时施加脉冲直流功率，形成RF+Pulse DC工艺，脉冲直流功率的功率值为1kW～6kW。第一溅射阶段为了将脉冲直流功率与高频射频功率匹配，将脉冲直流功率的占空比设为0％，第一溅射时间约5s～10s后，将脉冲直流功率的第二占空比设置为0％，并维持高频射频功率，在第二占空比下脉冲直流功率仅溅射约5s～10s，依次循环，直至薄膜厚度满足需求为止。在该步骤的溅射过程中，可根据薄膜应力的调整适当调整两段占空比下的脉冲直流功率功率；也可在形成RF+Pulse Dc溅射后，大幅降低脉冲直流功率的功率值1kW～3kW或优化射频功率，并不再调整脉冲直流功率占空比，极大的降低薄膜沉积速率，达到调节应力的作用。
同样，溅射过程中为小幅调整薄膜的密度和应力，可以在溅射过程中施加一定功率的偏置射频功率，偏置射频功率在整个溅射过程中恒定且晶圆和基座偏压为负偏压；同时采用电容调节器和偏置射频功率向反应腔室施加偏置射频功率，偏置射频功率的功率为0kW～2kW。
在本实施例的制膜方法中，溅射步骤的射频功率的频率为13.56MHz、27MHz、40MHz或60MHz。
针对实施例1-实施例3中的制膜方法与现有技术制膜方法的工艺方案的结果对比，主要工艺参数与薄膜数据比较如图3所示。从图3可见，采用本发明的制膜方法制得的薄膜密度超过5.0g/cc，由现有的小于4.5～4.9g/cc，增加到5.0～5.3g/cc，并且可以获得张应力为100～1000MPa的硬掩膜。
本实施例1-实施例3中制膜方法具有如下有益效果：采用脉冲直流占空比和功率在工艺过程中进行调节的两段循环法的工艺，或者采用脉冲直流功率与高频射频功率共同溅射，且调整脉冲直流占空比和/或功率值以及高频射频功率的工艺来控制薄膜的密度和张力；通过调节脉冲直流功率的占空比和/或功率值，来控制薄膜的沉积速率，实现在高功率下，增加溅射能量但并不增加薄膜的沉积速率，平衡沉积速率和溅射能量的关系，达到增加薄膜的致密性，并适当降低薄膜的沉积速率，延长薄膜工艺时间，增加生产稳定性，获得应力更大的薄膜，从而实现高密度、张应力TiN、以及其他金属及金属化合物薄膜的制备，以适应更先进的集成电路制程。
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 (19)

1.一种制膜方法，用于在晶圆上溅射形成薄膜，其特征在于，包括溅射步骤：所述溅射步骤包括循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段，从而调节所述薄膜的密度和应力，直至所述薄膜的厚度满足设定要求。
2.根据权利要求1所述的制膜方法，其特征在于，所述溅射步骤包括：
向靶材施加脉冲直流功率，并调节所述脉冲直流功率的占空比和/或功率值，以形成所述循环的第一溅射阶段和第二溅射阶段。
3.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，所述第一溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为40％～80％，所述第二溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％～20％。
4.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，所述溅射步骤的所述脉冲直流功率的功率值为5kW～10kW。
5.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，在所述溅射步骤前，还包括启辉步骤：
向靶材施加射频功率。
6.根据权利要求5所述的制膜方法，其特征在于，在所述第一溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率。
7.根据权利要求6所述的制膜方法，其特征在于，所述第一溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％，所述第二溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为40％～80％。
8.根据权利要求5所述的制膜方法，其特征在于，在所述第二溅射阶段，向靶材施加脉冲直流功率同时，向靶材施加射频功率。
9.根据权利要求8所述的制膜方法，其特征在于，所述第一溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％，所述第二溅射阶段的所述脉冲直流功率的占空比为0％。
10.根据权利要求5-9任一项所述的制膜方法，其特征在于，所述溅射步骤的所述脉冲直流功率的功率值为1kW～6kW。
11.根据权利要求5-9任一项所述的制膜方法，其特征在于，所述溅射步骤的所述射频功率的功率值为1kW～3kW。
12.根据权利要求5-9任一项所述的制膜方法，其特征在于，所述溅射步骤的所述射频功率的频率为13.56MHz、27MHz、40MHz或60MHz。
13.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，所述第一溅射阶的时间为5s～10s；所述第二溅射阶段的时间为5s～10s。
14.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，在所述溅射步骤，向所述基座施加偏置射频功率，以在所述晶圆上形成负偏压，从而调节所述薄膜的密度和压力。
15.根据权利要求14所述的制膜方法，其特征在于，所述偏置射频功率的功率值为0kW～2kW。
16.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，在所述溅射步骤前，还包括加热步骤：
向所述反应腔室通入第一气体，并控制所述第一气体的气流，使得所述反应腔室内的第一气压保持恒定；
同时，对所述晶圆进行加热至设定温度。
17.根据权利要求16所述的制膜方法，其特征在于，在所述溅射步骤前，还包括加热步骤：
所述第一气体为氩气，所述第一气压为1T～2T；
所述加热温度为300℃～400℃，所述加热时间为1min。
18.根据权利要求2所述的制膜方法，其特征在于，在所述溅射步骤前，还包括控压步骤：
向所述反应腔室通入第二气体，并控制所述第二气体的气流，使得所述反应腔室内的第二气压保持恒定。
19.根据权利要求18所述的制膜方法，其特征在于，所述第二气体为氩气和氮气的混合气体，所述第二气压为10mT～200mT。
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