CN109887879A - 一种在孔内覆盖薄膜的方法及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在孔内覆盖薄膜的方法及半导体加工设备。该在孔内覆盖薄膜的方法包括以下步骤：步骤一，通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜；步骤二，通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁的台阶覆盖率。该在孔内覆盖薄膜的方法既能提高工艺性能，又能兼顾设备的产能。

Description

一种在孔内覆盖薄膜的方法及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种提高孔内台阶覆盖率的方法及半导体加工设备。

背景技术

随着集成电路的提高，3D封装技术已成为实现高密度集成电路的重要技术途径，其中，硅通孔(Through Si licon Via，以下简称TSV)技术作为3D封装技术的重要手段越来越被业界重视。

通常TSV工艺依次包括光刻、刻蚀、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和电镀等流程，其中，物理气相沉积工艺用于实现在孔内溅射阻挡层和籽晶层。该工艺的质量对后续的电镀工艺影响很大，通常要求孔内各处形成的阻挡层和籽晶层均匀连续，台阶覆盖率要好。台阶覆盖率是指孔内某处沉积的薄膜的厚度除以场区薄膜的厚度，所谓场区是指硅片上除去TSV内之外的其他区域。

当TSV的深宽比较小(如深宽比3:1以下)时，常规的标准PVD腔室(简称标腔)能够满足台阶覆盖率的要求。这里所谓的标腔是指靶基间距(靶材和基片之间的间距)为60mm左右的PVD腔室。然而，随着封装技术的发展，TSV的深宽比越来越大，有些产品甚至达到10:1以上。一方面，对于深宽比较大的TSV，受靶材溅射角度的限制，能够达到TSV底部和较深区域侧壁的溅射粒子数目较少，导致这些区域的台阶覆盖率较低。另一方面，在标腔内溅射粒子到达角区域的概率较大，因此溅射粒子更容易附着在TSV的开口肩部，形成朝向孔中心突出的悬突(即所谓Overhang)，它会阻挡溅射粒子进入TSV内更深区域，降低台阶覆盖率,以至增加后续电镀工艺出现空洞的概率，容易造成器件失效。简言之,采用标腔实施TSV工艺无法满足深宽比较大的TSV对台阶覆盖率要求。

对此，相关技术人员提出了三种改进措施来提高台阶覆盖率。第一，增加PVD腔室的高度，增大靶基间距，高腔PVD腔室的高度一般为290nm左右或400nm左右，通过长射程溅射使角度较大的溅射粒子溅射到腔室侧壁，只有角度较小或近似垂直于硅片表面的溅射粒子才能迁移至硅片，这些溅射粒子更容易进入TSV内较深的区域，既提高了台阶覆盖率，还基本能够消除悬突现象。然而，由于较多的溅射粒子溅射到腔室侧壁，导致靶材浪费，降低了沉积效率，因此，靶基间距的增加降低了产能和靶材利用率；而且PVD腔室越高，设备成本越大。

第二，增加金属粒子的离化率。金属粒子的离化率与磁控管的功率密度相关，减小磁控管面积可提高磁控管的离化率。离化后的金属粒子转化为金属离子，其容易受电场的控制，例如，带正电的金属离子在电场作用下能够获得较大的能量，使其更容易进入TSV内较深的区域。然而，磁控管面积的减小降低了靶材的溅射效率，导致设备产能下降。

第三，在承载硅片的基座上加载射频偏压功率，以控制金属离子的运动方向。在基座上施加负偏压，带正电的金属离子的运行方向得到校正，带正电的金属离子以接近垂直硅片表面的方向加速迁移至硅片表面和TSV内，从而解决了溅射角度导致溅射离子无法到达深宽比较大的TSV的底部和较深的侧壁的问题。然而，加载在基座上的射频偏压功率的大小影响TSV内的台阶覆盖率。当射频偏压功率小于500W时，TSV的底部较厚，侧壁较薄；当射频偏压功率达到1000W-1500W时，将出现反溅射现象，即由于金属离子获得了较大能量，这些金属离子易与先前沉积的金属原子发生碰撞，产生类似于刻蚀的作用，先前沉积在TSV底部的金属被反溅射到TSV的侧壁，提高了侧壁的台阶覆盖率，使TSV内的薄膜更均匀。如果继续增加射频偏压功率，使金属离子获得更大的能量，先前沉积在TSV底部的金属被更多的溅射至侧壁上，导致TSV底部的薄膜覆盖率会降低，降低了TSV内台阶覆盖率。此外，当射频偏压功率较大时，沉积效率较低，影响设备的产能。

由上可知，使用标腔加工深宽比较大的TSV无法达到台阶覆盖率的要求，而改进后的设备均导致了设备的产能下降，即现有技术不能工艺性能和产能两者兼得。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题，提供了一种在孔内覆盖薄膜的方法及半导体加工设备，其不仅能提高台阶覆盖率，而且能获得较高的产能。

解决上述技术问题，本发明提供了一种在孔内覆盖薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤一，通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜；

步骤二，通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁的台阶覆盖率。

优选地，所述步骤一在第一腔室内进行，所述第一腔室的高度为60mm-150mm。

优选地，所述第一腔室的高度为100mm-120mm。

优选地，在所述步骤一中，在所述第一腔室的基座上加载的偏压功率为100W-700W。

优选地，在所述基座上加载的偏压功率为200W-600W。

优选地，在所述步骤一中，在所述第一腔室内通入惰性气体，所述惰性气体的流量为10-50sccm，所述第一腔室内的气压为0.1-1.0mTorr，溅射时间10-15s，然后冷却10-20s，所述步骤一反复循环多次。

其中，在所述步骤一中，利用磁控管来提高所述靶材金属离子的离化率，所述磁控管采用心形磁控管或螺旋形磁控管。

优选地，所述步骤二在第二腔室内进行，在所述第二腔室内设置有上电极和下电极，在所述上电极上施加的射频功率为100W-1000W，在所述下电极施加的偏压功率为100-1000W。

优选地，在所述步骤二中，通入所述第二腔室内的所述工艺气体的流量为5-100sccm。

其中，所述工艺气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氮气。

另外,本发明还提供一种半导体加工设备，包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室用于在其中进行溅射工艺，通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜；

所述第二腔室用于在其中进行刻蚀工艺，通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁。

优选地，所述第一腔室的高度为60mm-150mm。

优选地，所述第一腔室的高度为100mm-120mm。

其中，在所述第一腔室内设置靶材和基座，所述靶材的溅射面与所述基座的承载面相对，所述被加工件固定于所述基座的承载面，在所述靶材的溅射面的反面设置磁控管，所述磁控管用于提高靶材金属离子的离化率，所述磁控管采用心形磁控管或螺旋形磁控管。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种在孔内覆盖薄膜的方法，该方法包括通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积成膜，以及通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁的台阶覆盖率两步工艺。在实施溅射工艺时不再兼顾考虑孔(尤其是深宽比较大的孔)内台阶覆盖率的问题，可以避免金属离子的反溅射，从而提高薄膜的沉积效率，而且，实施溅射工艺的腔室的高度相对于高腔PVD的腔室的高度显著降低，减少了靶材溅射到腔室的侧壁，从而提高靶材的利用率；在实施刻蚀步骤时，采用气体离子对孔内底部的薄膜进行反溅射，将已经沉积在孔的底部的金属反溅射至孔内靠近底部的侧壁上，相对于采用靶材金属离子进行反溅射，气体离子的数量更多，运行方向更易控制，可减少孔内侧壁受到的轰击，既提高了反溅射的效率，又避免了靶材的浪费。因此，该方法既能提高工艺性能，又能兼顾设备的产能，而且，可以同时流水作业，又可提高设备的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的第一腔室的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第二腔室的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的在孔内覆盖薄膜的方法的流程图；

图4为实施溅射工艺后孔内薄膜厚度分布的示意图；

图5为实施反溅射工艺后孔内薄膜厚度分布的示意图。

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，下面结合附图对本发明提供的在孔内覆盖薄膜的方法及半导体加工设备进行详细描述。

本发明提供的半导体加工设备包括第一腔室和第二腔室，第一腔室进行溅射工艺，即在第一腔室内通过溅射工艺获得的靶材金属离子，并使靶材金属离子在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜；第二腔室进行反溅射工艺，即在第二腔室内将工艺气体离化，并使带正电荷的工艺气体离子在电场中加速后轰击孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁以调整台阶覆盖率。换言之，在实施工艺时，先在第一腔室进行溅射工艺，然后在第二腔室进行反溅射工艺。

如图1所示，在第一腔室1内设有基座11和靶材12，基座11的承载面和靶材12的溅射面相对设置，被加工件10固定于基座11的承载面。磁控管13设置在靶材12的背面，即在靶材12的溅射面的反面，磁控管13用于提高靶材金属离子的离化率。磁控管13可采用一般形状的磁控管，优选采用心形磁控管或螺旋形磁控管，心形磁控管或螺旋形磁控管的覆盖面积大，离化率是背景技术中提及的通过减小磁控管面积以提高离化率的磁控管的3-5倍。

在本实施例中，第一腔室1的高度为60mm-150mm，优选100mm-120mm，该高度比标腔的高度略高，但远低于背景技术中提及的高腔PVD腔室的高度，因此降低了设备的成本。

如图2所示，在第二腔室2内设置有上电极21和下电极22，被加工件20置于上电极21和下电极22之间，并使沉积有薄膜的被加工件20的面朝向上电极21。在实施工艺是，上电极21加载射频功率，下电极22加载偏压功率。

下面介绍详细介绍在孔内覆盖薄膜的方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1，通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜。

在溅射工艺在第一腔室内进行，第一腔室的高度为60mm-150mm，优选第一腔室的高度为100mm-120mm。在第一腔室1内通入惰性气体，惰性气体的流量为10-50sccm(每分钟标准毫升)，第一腔室1内的气压控制在0.1-1.0mTorr(毫托)，并在基座11上加载的偏压功率为100W-700W，优选加载的偏压功率为200W-600W。由于被加工件10固定于基座11的承载面，在基座11上加载偏压功率能使被加工件10获得一个负偏压，这样既校正了靶材金属离子的方向，又能使靶材金属离子获得更高的能量，使得靶材金属离子更容易迁移至孔内更深的区域。为提高薄膜的质量，优选溅射靶材的时间为10-15s，然后冷却10-20s，溅射和冷却反复循环多次，循环次数根据所需薄膜厚度确定。需要说明的是，虽然本实施例在基座11上加载了偏压功率，但偏压功率相对较低，不会引起反溅射，因为引起反溅射的偏压功率通常在800W-1500W。

在溅射工艺完成后，孔内底部及部分侧壁上形成薄膜，部分侧壁主要指靠近底部位置的侧壁，但靠近孔口的侧壁和底部的薄膜较厚，靠近底部的侧壁上薄膜相对较薄，如图4所示。而且，在第一腔室1内实施溅射工艺，仅需考虑在孔内所有区域尽可能多的沉积薄膜即可，不再兼顾考虑孔内台阶覆盖率的均匀性问题，可以避免金属离子的反溅射现象，提高了沉积效率。

步骤S2，通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁的台阶覆盖率。

反溅射工艺在第二腔室2内进行。在实施反溅射工艺时，向第二腔室2内通入工艺气体，工艺气体流量为5-100sccm，工艺气体可以选用氦气、氖气、氩气、氪气或氮气，从成本和效果考虑优选氩气。在上电极上施加的射频功率为100W-1000W，在第二腔室2内产生等离子体，在下电极施加的偏压功率为100W-1000W，带正电荷的工艺气体离子在偏压的作用下沿着近似垂直于被加工件20表面的方向轰击薄膜，即场区和孔内的薄膜均被轰击。由于孔底部与离子运动方向垂直，而侧壁与离子运动方向近似平行(直孔的情况下)或成较小的角度(斜孔的情况下)，所以孔内侧壁受到的轰击很少，轰击主要集中在孔内底部，从而将孔内底部的薄膜被轰击到底部附近的侧壁上，使孔内侧壁的薄膜提高，从而改善了孔内薄膜的台阶覆盖率。结合图4和图5不难看出，反溅射工艺结束后，孔内底部的薄膜厚度降低，靠近底部的侧壁的薄膜厚度提高，使孔内薄膜的台阶覆盖率更均匀。

本实施例是在第二腔室采用气体离子对孔内底部的薄膜进行反溅射，将已经沉积在孔内底部的金属反溅射至孔内靠近底部的侧壁，相对于采用靶材金属离子进行反溅射，工艺气体离子的数量更多，运行方向更易控制，可减少孔内侧壁受到的轰击，既提高了反溅射的效率，又避免了靶材的浪费。

需要说明的是，虽然本实施例提供的在孔内覆盖薄膜的方法是在两个腔室进行，看似增加了一个腔室，但反溅射工艺可以在已有的法拉第预清洗腔室进行，即将法拉第预清洗腔室作为第二腔室，所以并不会增加硬件成本。第一腔室和第二腔室可以同时流水作业，还提高了设备的利用率。本发明提供的半导体加工设备可用于加工Ti、Cu、Al、AlCu₄、TiW或Ta等金属薄膜；而且直孔和斜孔内薄膜的台阶覆盖率均可得到改善。

本实施例提供的在孔内覆盖薄膜的方法既能提高工艺性能，即能显著提供深宽比较大的孔内台阶覆盖率，使孔内薄膜更均匀，又能兼顾设备的产能，提高溅射和反溅射效率。

本实施例提供的半导体加工设备，溅射工艺和反溅射工艺分别在两个腔室内进行，在实施溅射工艺时，可以避免金属离子的反溅射，从而提高薄膜的沉积效率；而且，在第一腔室内进行溅射工艺，由于第一腔室的高度较低，降低了设备的成本，而且，可以减少靶材溅射至第一腔室的侧壁，提高靶材的利用率。该半导体加工设备既能提高工艺性能，又能兼顾设备的产能。

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 (14)

1.一种在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜；

步骤二，通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁的台阶覆盖率。

2.根据权利要求1所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，所述步骤一在第一腔室内进行，所述第一腔室的高度为60mm-150mm。

3.根据权利要求2所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，所述第一腔室的高度为100mm-120mm。

4.根据权利要求2所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤一中，在所述第一腔室的基座上加载的偏压功率为100W-700W。

5.根据权利要求4所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，在所述基座上加载的偏压功率为200W-600W。

6.根据权利要求2所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤一中，在所述第一腔室内通入惰性气体，所述惰性气体的流量为10-50sccm，所述第一腔室内的气压为0.1-1.0mTorr，溅射时间10-15s，然后冷却10-20s，所述步骤一反复循环多次。

7.根据权利要求2所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤一中，利用磁控管来提高所述靶材金属离子的离化率，所述磁控管采用心形磁控管或螺旋形磁控管。

8.根据权利要求1所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，所述步骤二在第二腔室内进行，在所述第二腔室内设置有上电极和下电极，在所述上电极上施加的射频功率为100W-1000W，在所述下电极施加的偏压功率为100-1000W。

9.根据权利要求8所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤二中，通入所述第二腔室内的所述工艺气体的流量为5-100sccm。

10.根据权利要求1所述的在孔内覆盖薄膜的方法，其特征在于，所述工艺气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氮气。

11.一种半导体加工设备，包括第一腔室和第二腔室，其特征在于，所述第一腔室用于在其中进行溅射工艺，通过溅射工艺在孔的底部及至少部分侧壁上沉积形成薄膜；

所述第二腔室用于在其中进行刻蚀工艺，通过刻蚀工艺使带正电荷的工艺气体离子轰击所述孔的底部的所述薄膜以提高所述孔的靠近底部的侧壁。

12.根据权利要求11所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一腔室的高度为60mm-150mm。

13.根据权利要求12所述的半导体加工设备，其特征在于，所述第一腔室的高度为100mm-120mm。

14.根据权利要求11所述的半导体加工设备，其特征在于，在所述第一腔室内设置靶材和基座，所述靶材的溅射面与所述基座的承载面相对，所述被加工件固定于所述基座的承载面，在所述靶材的溅射面的反面设置磁控管，所述磁控管用于提高靶材金属离子的离化率，所述磁控管采用心形磁控管或螺旋形磁控管。