CN108018536A - 物理气相沉积设备以及方法 - Google Patents

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龙吟
倪棋梁
王恺
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/541—Heating or cooling of the substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50—Substrate holders

Abstract

本发明公开了一种物理气相沉积设备，气相沉积工艺腔包括：晶圆基座，晶圆基座内置设置有控制晶圆冷却的冷却水通路；冷却水通路分成多个独立循环区，各独立循环区分别冷却对应区域的晶圆背面，各独立循环区的冷却速率独立调节，且通过各独立循环区的冷却速率独立调节使晶圆在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致并降低晶圆各区域在作业过程中的温差且将温差降低到不出现金属晶格缺陷。本发明还公开了一种物理气相沉积方法。本发明能控制晶圆在作业过程中各区域的温度差并减少温度差，从而能消除由于晶圆作业过程中的温度差而产生的金属晶格缺陷，提高产品良率。

Description

物理气相沉积设备以及方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造，特别涉及一种物理气相沉积(PVD)设备。本发明还涉及一种物理气相沉积方法。
背景技术
随着集成电路工艺的发展，晶圆尺寸的增长，半导体生产对薄膜沉积作业过程中的温度均匀性提出更高要求。
目前，半导体后段铝物理气相沉积厚度较大，作业温度较高，而在作业过程中，整片晶圆温度存在一定梯度。由于铝沉积层存在对温度差异的敏感特性，温度偏低情况下丘状缺陷易产生，温度偏高情况下晶须缺陷易产生，因此，在铝沉积作业期间极易出现晶格非均匀性生长，严重影响产品性能，极大威胁产品良率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种物理气相沉积设备，能控制晶圆在作业过程中各区域的温度差并减少温度差，从而能消除由于晶圆作业过程中的温度差而产生的金属晶格缺陷。为此，本发明还提供一种物理气相沉积方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔包括：
晶圆基座，所述晶圆基座的表面用于放置晶圆。
所述晶圆基座内置设置有控制所述晶圆冷却的冷却水通路。
所述冷却水通路分成多个独立循环区，各所述独立循环区分别冷却对应区域的所述晶圆背面，各所述独立循环区的冷却速率独立调节，且通过各所述独立循环区的冷却速率独立调节使所述晶圆在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致并降低所述晶圆各区域在作业过程中的温差且将所述温差降低到不出现金属晶格缺陷。
进一步的改进是，所述气相沉积工艺腔为用于沉积金属铝的气相沉积工艺腔。
进一步的改进是，各所述独立循环区分别具有冷却水流速调节装置，通过调节对应的所述独立循环区的冷却水的流速调节所述晶圆上对应区域的冷却速率。
进一步的改进是，各所述独立循环区的结构呈同心圆环状，每一个所述独立循环区调节所述晶圆上对应圆环区域的冷却速率。
进一步的改进是，各所述独立循环区分别设置有进水端和出水端。
进一步的改进是，各所述独立循环区分别的进水端都连接到同一根进水主管；各所述独立循环区分别的出水端都连接到同一根出水主管。
进一步的改进是，所述晶圆的直径为8英寸以上。
为解决上述技术问题，本发明提供的物理气相沉积方法包括如下步骤：
步骤一、对物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔进行如下设置，设置后的气相沉积工艺腔包括：
晶圆基座，所述晶圆基座的表面用于放置晶圆。
所述晶圆基座内置设置有控制所述晶圆冷却的冷却水通路。
所述冷却水通路分成多个独立循环区，各所述独立循环区分别冷却对应区域的所述晶圆背面，各所述独立循环区的冷却速率独立调节。
步骤二、将所述晶圆放置在所述晶圆基座上并进行金属沉积，在所述金属沉积对应的作业过程中通过调节各所述独立循环区的冷却速率调节所述晶圆的对应区域的冷却速率，使所述晶圆在冷却过程中各区域的冷却速率趋于一致从而降低所述晶圆各区域在冷却过程中的温差且将所述温差降低到不出现金属晶格缺陷。
进一步的改进是，所述气相沉积工艺腔为用于沉积金属铝的气相沉积工艺腔，步骤二中沉积的金属为金属铝。
进一步的改进是，各所述独立循环区分别具有冷却水流速调节装置，通过调节对应的所述独立循环区的冷却水的流速调节所述晶圆上对应区域的冷却速率。
进一步的改进是，各所述独立循环区的结构呈同心圆环状，每一个所述独立循环区调节所述晶圆上对应圆环区域的冷却速率。
进一步的改进是，各所述独立循环区分别设置有进水端和出水端。
进一步的改进是，各所述独立循环区分别的进水端都连接到同一根进水主管；各所述独立循环区分别的出水端都连接到同一根出水主管。
进一步的改进是，所述晶圆的直径为8英寸以上。
本发明对物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔的晶圆基座进行了特别设置，主要是对晶圆基座内的冷却水通路进行了特别设置，本发明的冷却水通路不再是单一的一块式结构，而是分成了多个独立循环区，且各独立循环区能分别冷却对应区域的晶圆背面，且各独立循环区的冷却速率能独立调节，这样就能实现在冷却过程中分别调节晶圆的各区域的冷却速率并使晶圆在冷却过程中各区域的冷却速率趋于一致，从而能降低晶圆各区域在作业过程中的温差且将温差降低到不出现金属晶格缺陷，所以本发明能控制晶圆在作业过程中各区域的温度差并减少温度差，从而能消除由于晶圆作业过程中的温度差而产生的金属晶格缺陷，从而能提高产品良率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1A是使用现有物理气相沉积设备进行金属铝沉积时产生的丘状缺陷分布图；
图1B是图1A中的丘状缺陷的照片；
图2A是使用现有物理气相沉积设备进行金属铝沉积时产生的结晶缺陷分布图；
图2B是图2A中的第一种结晶缺陷的照片；
图2C是图2A中的第二种结晶缺陷的照片；
图3是使用现有物理气相沉积设备进行金属铝沉积时的温度差和缺陷数量的柱状图；
图4是现有物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔的晶圆基座的结构图；
图5是本发明实施例物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔的晶圆基座的结构图。
具体实施方式
本发明实施例技术方案是在对本发明提出的技术问题进行深入分析后针对所要解决的技术问题进行设计的，故在详细介绍本发明实施例的技术方案之前先介绍一下本发明的技术问题的提出及其分析过程：
随着集成电路工艺的发展，晶圆尺寸的增长，半导体生产对薄膜沉积作业过程中的温度均匀性提出更高要求。目前，半导体后段铝物理气相沉积厚度较大，作业温度较高，而在作业过程中，整片晶圆温度存在一定梯度。由于铝沉积层存在对温度差异的敏感特性，温度偏低情况下丘状缺陷易产生，温度偏高情况下晶须缺陷易产生。
如图1A所示，是使用现有物理气相沉积设备进行金属铝沉积时产生的丘状缺陷分布图；图1B是图1A中的丘状缺陷的照片；可以看出，由于温度偏低形成的丘状缺陷主要分布在晶圆101的中间区域，该中间区域在圆圈102的内部。图1B中的虚线圈103和104所示的缺陷所示的缺陷照片显示了图1A中的丘状缺陷的形貌。
如图2A所示，是使用现有物理气相沉积设备进行金属铝沉积时产生的结晶缺陷分布图；图2B是图2A中的第一种结晶缺陷的照片；图2C是图2A中的第二种结晶缺陷的照片；图2A对应的结晶缺陷为晶粒缺陷和晶须缺陷，是由于温度偏高形成，由图2A可以看出，结晶缺陷主要分布在晶圆201的圆圈202的内部区域以及圆圈203和204之间的边缘区域。图2B中的标记205显示了晶须缺陷即第一种结晶缺陷，图2C中的标记206显示了晶粒缺陷即第二种结晶缺陷。
如图3所示，是使用现有物理气相沉积设备进行金属铝沉积时的温度差和缺陷数量的柱状图；图3中的横坐标表示温度差，纵坐标表示缺陷数，图3中每一个温度差都做了两组数据，以确认数据的重复性；每一个温度差的对应组的数据中都包括了2个柱，标记301对应的柱为图2A中对应的结晶缺陷数量，标记302对应的柱为图1A中对应的丘状缺陷数量。温度差中的BL表示基准数据(Base Line)，温度的偏差都是在基准数据上的偏差。可以看出，温度降低时即温度差为-5℃时，标记302对应的柱状值增加，而标记301的柱状值降低，也即温度降低会增加丘状缺陷数量。而温度增加时即温度差为+5℃时，标记302对应的柱状值减少，而标记301的柱状值增加，也即温度增加会增加结晶缺陷数量。
由于温度偏差过大和过小会产生不同的缺陷且缺陷的分布区域并不相同，故无法通过调节铝物理沉积过程中的作业温度来消除这些缺陷，使得使用现有设备无法消除这些缺陷。如图4所示，是现有物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔的晶圆基座的结构图；晶圆402在工艺中放置在晶圆基座401的表面，冷却水通路403为一体式结构设置在晶圆基座401中并实现从背面对晶圆402进行冷却。冷却水通路403包括了一根进水管404和一根出水管405。在晶圆基座401的中间位置上还设置有惰性气体通路406，用于导热及散热作用，在此不详细介绍。
由图4所示可知，现有结构的冷却水通路403为一体式结构，冷却水通路403的入口和出口分别只有一个，这会使得冷却水通路403的不同区域的水流速不同，随着距离冷却水通路403的入口和出口的距离越远，水流速率会越低，具有一定的梯度分布；这会使得对晶圆402的冷却速率也不同。
另外，冷却水通路403本身也不能从底部完全覆盖所述晶圆402的背面，如在晶圆402的中央区域由于设置了气体通路406而无法被冷却水通路403覆盖，晶圆402的边缘区域也会延伸到冷却水通路403的覆盖区域外。这些冷却水通路403和晶圆402的相对结构的设置会使得未被冷却水通路403覆盖的晶圆402的中央区域和边缘区域的冷却速率会变慢，温度容易偏高，从而形成图2A所示的结晶缺陷分布。而，在被冷却水通路403所覆盖的区域则容易使得晶圆402的对应区域的温度偏低，从而形成图2A所示的丘状陷分布。
由上面分析可知，图1A至图3所呈现出来的技术问题是和图4所示的晶圆基座401的结构相关，本发明实施例的技术方案正是在做如上分析的基础上形成的，故在考虑本发明实施例技术方案之前需要先了解上述介绍的分析过程。
如图5所示，是本发明实施例物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔的晶圆基座501的结构图，本发明实施例物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔包括：
晶圆基座501，所述晶圆基座501的表面用于放置晶圆502。
所述晶圆基座501内置设置有控制所述晶圆502冷却的冷却水通路503。
所述冷却水通路503分成多个独立循环区，图5中各所述独立循环区分别用数字1，2直至n标出；各所述独立循环区分别冷却对应区域的所述晶圆502背面，各所述独立循环区的冷却速率独立调节，且通过各所述独立循环区的冷却速率独立调节使所述晶圆502在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致并降低所述晶圆502各区域在作业过程中的温差且将所述温差降低到不出现金属晶格缺陷。
本发明实施例中，所述气相沉积工艺腔为用于沉积金属铝的气相沉积工艺腔。
各所述独立循环区分别具有冷却水流速调节装置504，通过调节对应的所述独立循环区的冷却水的流速调节所述晶圆502上对应区域的冷却速率。
各所述独立循环区的结构呈同心圆环状，每一个所述独立循环区调节所述晶圆502上对应圆环区域的冷却速率。图5中标记1对应的所述独立循环区位于最内环，随着数字增加，对应的所述独立循环区内外圈的半径依次增加；各所述独立循环区的中心都是所述晶圆502的中心，故为同心圆环状结构。
各所述独立循环区分别设置有进水端和出水端。各所述独立循环区分别的进水端都连接到同一根进水主管505；各所述独立循环区分别的出水端都连接到同一根出水主管506。
所述晶圆502的直径为8英寸以上。
在晶圆基座501的中间位置上还设置有惰性气体通路507。
本发明实施例物理气相沉积方法包括如下步骤：
步骤一、对物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔进行如下设置，设置后的气相沉积工艺腔包括：
晶圆基座501，所述晶圆基座501的表面用于放置晶圆502。
所述晶圆基座501内置设置有控制所述晶圆502冷却的冷却水通路503。
所述冷却水通路503分成多个独立循环区，各所述独立循环区分别冷却对应区域的所述晶圆502背面，各所述独立循环区的冷却速率独立调节。
各所述独立循环区分别具有冷却水流速调节装置504，通过调节对应的所述独立循环区的冷却水的流速调节所述晶圆502上对应区域的冷却速率。
各所述独立循环区的结构呈同心圆环状，每一个所述独立循环区调节所述晶圆502上对应圆环区域的冷却速率。图5中标记1对应的所述独立循环区位于最内环，随着数字增加，对应的所述独立循环区内外圈的半径依次增加；各所述独立循环区的中心都是所述晶圆502的中心，故为同心圆环状结构。
各所述独立循环区分别设置有进水端和出水端。各所述独立循环区分别的进水端都连接到同一根进水主管505；各所述独立循环区分别的出水端都连接到同一根出水主管506。
步骤二、将所述晶圆502放置在所述晶圆基座501上并进行金属沉积。所述气相沉积工艺腔为用于沉积金属铝的气相沉积工艺腔，沉积的金属为金属铝。所述晶圆502的直径为8英寸以上。所述金属沉积作业过程中，通过调节各所述独立循环区的冷却速率调节所述晶圆502的对应区域的冷却速率，使所述晶圆502在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致从而降低所述晶圆502各区域在作业过程中的温差且将所述温差降低到不出现金属晶格缺陷。例如：在铝沉积的作业过程中，可以将晶圆502中心及外围区域对应的所述独立循环区的通路中水流速度相对调快，从而能防止现有方法中出现的图2A所对应的由于温度偏高而出现的结晶缺陷；将中部区域的所述独立循环区的通路中水流速度相对调慢，从而能防止现有方法中出现的图1A所对应的由于温度偏低而出现的丘状缺陷；这样，最后能达到均匀冷却晶圆502的效果，从而能防止因局部晶格生长不均匀而出现丘状缺陷与晶须状缺陷，提高晶圆良率。
本发明实施例对物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔的晶圆基座501进行了特别设置，主要是对晶圆基座501内的冷却水通路503进行了特别设置，本发明实施例的冷却水通路503不再是单一的一块式结构，而是分成了多个独立循环区，且各独立循环区能分别冷却对应区域的晶圆502背面，且各独立循环区的冷却速率能独立调节，这样就能实现在作业过程中分别调节晶圆502的各区域的冷却速率并使晶圆502在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致，从而能降低晶圆502各区域在作业过程中的温差且将温差降低到不出现金属晶格缺陷，所以本发明实施例能控制晶圆502在作业过程中各区域的温度差并减少温度差，从而能消除由于晶圆502作业过程中的温度差而产生的金属晶格缺陷，从而能提高产品良率。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种物理气相沉积设备，其特征在于，物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔包括：
晶圆基座，所述晶圆基座的表面用于放置晶圆；
所述晶圆基座内置设置有控制所述晶圆冷却的冷却水通路；
所述冷却水通路分成多个独立循环区，各所述独立循环区分别冷却对应区域的所述晶圆背面，各所述独立循环区的冷却速率独立调节，且通过各所述独立循环区的冷却速率独立调节使所述晶圆在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致并降低所述晶圆各区域在作业过程中的温差且将所述温差降低到不出现金属晶格缺陷。
2.如权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述气相沉积工艺腔为用于沉积金属铝的气相沉积工艺腔。
3.如权利要求1或2所述的物理气相沉积设备，其特征在于：各所述独立循环区分别具有冷却水流速调节装置，通过调节对应的所述独立循环区的冷却水的流速调节所述晶圆上对应区域的冷却速率。
4.如权利要求1或2所述的物理气相沉积设备，其特征在于：各所述独立循环区的结构呈同心圆环状，每一个所述独立循环区调节所述晶圆上对应圆环区域的冷却速率。
5.如权利要求4所述的物理气相沉积设备，其特征在于：各所述独立循环区分别设置有进水端和出水端。
6.如权利要求5所述的物理气相沉积设备，其特征在于：各所述独立循环区分别的进水端都连接到同一根进水主管；各所述独立循环区分别的出水端都连接到同一根出水主管。
7.如权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述晶圆的直径为8英寸以上。
8.一种物理气相沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对物理气相沉积设备的气相沉积工艺腔进行如下设置，设置后的气相沉积工艺腔包括：
晶圆基座，所述晶圆基座的表面用于放置晶圆；
所述晶圆基座内置设置有控制所述晶圆冷却的冷却水通路；
所述冷却水通路分成多个独立循环区，各所述独立循环区分别冷却对应区域的所述晶圆背面，各所述独立循环区的冷却速率独立调节；
步骤二、将所述晶圆放置在所述晶圆基座上并进行金属沉积；在所述金属沉积对应的作业过程中，通过调节各所述独立循环区的冷却速率调节所述晶圆的对应区域的冷却速率，使所述晶圆在作业过程中各区域的冷却速率趋于一致从而降低所述晶圆各区域在作业过程中的温差且将所述温差降低到不出现金属晶格缺陷。
9.如权利要求8所述的物理气相沉积方法，其特征在于：所述气相沉积工艺腔为用于沉积金属铝的气相沉积工艺腔，步骤二中沉积的金属为金属铝。
10.如权利要求8或9所述的物理气相沉积方法，其特征在于：各所述独立循环区分别具有冷却水流速调节装置，通过调节对应的所述独立循环区的冷却水的流速调节所述晶圆上对应区域的冷却速率。
11.如权利要求8或9所述的物理气相沉积方法，其特征在于：各所述独立循环区的结构呈同心圆环状，每一个所述独立循环区调节所述晶圆上对应圆环区域的冷却速率。
12.如权利要求11所述的物理气相沉积方法，其特征在于：各所述独立循环区分别设置有进水端和出水端。
13.如权利要求12所述的物理气相沉积方法，其特征在于：各所述独立循环区分别的进水端都连接到同一根进水主管；各所述独立循环区分别的出水端都连接到同一根出水主管。
14.如权利要求8所述的物理气相沉积方法，其特征在于：所述晶圆的直径为8英寸以上。
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