CN111235535B - 一种溅射反应腔室的工艺组件及其溅射反应腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种溅射反应腔室的工艺组件及溅射反应腔室，其中，该工艺组件包括：内衬，内衬中设置有水道，内衬包括本体部和盖板部，本体部呈环状，盖板部由本体部的底部且沿本体部径向延伸，并与本体部一体成型设置，盖板部用于在进行工艺时固定晶圆；水道设置于盖板部和本体部中。通过改变工艺组件中内衬的结构，使盖板部与内衬的本体部形成一体化的内衬结构，同时在内衬中通水冷却，实现了对盖板部区域的有效冷却，进而扩大靠近晶圆的冷却区域，从而最大限度减少了晶圆上的热量积累，保证温度的稳定，减少工艺过程中气体和杂质的释放，进一步降低薄膜应力变化，控制晶须缺陷的产生，提升产品良率。

Description

一种溅射反应腔室的工艺组件及其溅射反应腔室
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种溅射反应腔室的工艺组件及其溅射反应腔室。
背景技术
铝垫(Al Pad)作为集成电路中的重要的一道工序，形成在金属互连层上端工艺制程，广泛应用于各种电子元器件中。Al pad通常利用物理气相沉积(Physical VaporDeposition，PVD)溅射的方法来完成，典型的Al Pad工艺流程：晶片首先进入去气腔室(Degas)加热，去掉晶片表面吸收的水气，接着在预清洗腔室(Preclean)对晶片表面进行预清洗，然后在晶片表面镀一层氮化钽薄膜，最后在氮化钽薄膜上沉积一层Al薄膜。但通常Al腔室溅射时，随着氩离子(Ar+)不断轰击靶材，靶原子不断在腔室内沉积，等离子的轰击会产生大量热量，导致工艺腔、靶材、内衬、晶圆及遮盘(Shutter Disk)等迅速升温。连续溅射时，如果散热效率不够，温度会随着溅射越来越高，薄膜的应力变化也越大，腔室内释放出来的气体或杂质也越多。由于在生长过程中受到温度波动造成的应力过大或杂质污染时会沿晶粒边会产生铝柱状突起缺陷(Whisker Defect)，且缺陷数量随连续溅射的硅圆片数量的增加而增加，如果晶须缺陷的尺寸足够大时，会导致短路，影响产品良率。因此控制Al薄膜沉积过程中的温度是控制晶须缺陷产生的重要手段和措施。
现有技术中，虽然具有在腔室内衬(Shield)通水冷却以控制内衬温度的方案，但由于与晶圆(wafer)距离较近的盖板(Coverring)在连续溅射过程中温度升高较快，直接对晶圆(wafer)进行辐射加热，晶圆温度的升高后容易造成薄膜应力增大，加上本体会释放一些气体和杂质，导致薄膜沉积时会掺有部分杂质，经过冷却后会形成晶须杂质，最终影响产品的良率。
发明内容
为解决上述至少一个问题，本发明提供的一种溅射反应腔室的工艺组件及溅射反应腔室，以有效控制工艺温度，抑制沉积薄膜取消的产生，提高产品的良率。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种溅射反应腔室的工艺组件，包括：内衬，所述内衬中设置有水道，所述内衬包括本体部和盖板部，其中：所述本体部呈环状；所述盖板部由所述本体部的底部且沿所述本体部径向延伸，并与所述本体部一体成型设置，用于在进行工艺时固定晶圆；所述水道设置于所述盖板部和本体部中。
优选的，所述水道包括位于所述本体部内的第一水道和位于所述盖板部内的第二水道，且所述第一水道与第二水道相连通。
优选的，所述第一水道为环形，且沿所述本体部的周向环绕；所述第二水道由所述第一水道底部沿所述盖板部径向延展至所述盖板部端部。
优选的，所述工艺组件还包括：水道接头，所述水道接头位于所述本体部顶端，所述水道还包括用于与所述水道接头连通的第三水道，所述第三水道与所述第一水道连通，以在冷却中，实时流转更换冷却液。
优选的，所述工艺组件还包括：适配器，所述内衬安装于所述适配器上，所述适配器上设有与所述水道接头相对应的缺口。
优选的，还包括：沉积环，所述盖板部与所述沉积环相互嵌合形成迷宫结构。
优选的，所述沉积环包括径向设置的沉积部和轴向设置的突出部，所述沉积部用于接触支撑所述晶圆的外缘，所述盖板部包括与所述突出部相对应的环形的槽部，所述突出部与所述槽部相互嵌合。
优选的，所述突出部与所述沉积部之间设置有凹槽，以当所述突出部与所述槽部相互嵌合时，所述槽部的内环侧壁可插入所述凹槽中，形成迷宫结构。
本发明实施例提供的一种溅射反应腔室的工艺组件，通过改变工艺组件中内衬的结构，使盖板部与内衬的本体部形成一体化的内衬结构，同时在内衬中通水冷却，实现了对盖板部区域的有效冷却，进而扩大靠近晶圆的冷却区域，从而最大限度减少了晶圆上的热量积累，保证温度的稳定，减少工艺过程中气体和杂质的释放，进一步降低薄膜应力变化，控制晶须缺陷的产生，提升产品良率；同时本申请实施例工艺组件，结构简单，冷却效率高，拆装方便，可以很好的保证工艺环境。
根据本发明实施例的另一个方面，提供一种溅射反应腔室，包括腔体和设置在腔体中的基座，还包括前述溅射反应腔室的工艺组件，其中，所述本体部设置在所述腔体的侧壁内侧，所述盖板部用于在工艺时将所述晶圆固定在所述基座上。
优选的，沉积环沿所述基座外缘设置，且在工艺时，与所述盖板部相互嵌合形成迷宫结构。
通过改变工艺组件中内衬的结构，使盖板部与内衬的本体部形成一体化的内衬结构，同时在内衬中通水冷却，实现了对盖板部区域的有效冷却，进而扩大靠近晶圆的冷却区域，从而最大限度减少了晶圆上的热量积累，保证温度的稳定，减少工艺过程中气体和杂质的释放，进一步降低薄膜应力变化，控制晶须缺陷的产生，提升产品良率；同时本申请实施例溅射反应腔室，包括的工艺组件结构简单，冷却效率高，拆装方便，可以很好的保证工艺环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明溅射反应腔室结构示意图；
图2为本发明溅射反应腔室中水路接头处剖面结构俯视图；
图3为本发明的内衬的剖面结构正视图；
图4为本发明沉积环剖面结构正视图；
图5为本发明内衬A-A剖面结构俯视图；
图6为本发明内衬B-B剖面结构俯视图。
附图标记说明：
1-沉积环，11-突出部，12-沉积部，13-凹槽，2-内衬，21-本体部，22- 盖板部，221-槽部，3-适配器，4-陶瓷环，5-基座，6-靶材，7-水道，71-第一水道，72-第二水道，73-第三水道，8-支撑座，9-水路接头，10-腔体。
具体实施方式
本发明实施例的一个具体应用为铝垫(Al Pad)的制备工艺。铝垫(Al Pad)作为集成电路中的重要的一道工序，形成在金属互连层上端工艺制程，广泛应用于各种电子元器件中。Al pad通常利用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)溅射的方法来完成。
典型的Al Pad工艺流程：晶圆首先进入去气腔室(Degas)加热，去掉晶圆表面吸收的水气，接着在预清洗腔室(Preclean)对晶圆表面进行预清洗，然后在晶圆表面镀一层氮化钽薄膜，最后在氮化钽薄膜上沉积一层Al 薄膜。但通常Al腔室溅射时，随着氩离子(Ar+)不断轰击靶材，靶原子不断在腔室内沉积，等离子的轰击会产生大量热量，导致工艺腔、靶材、内衬、晶圆及遮盘(Shutter Disk)等迅速升温。连续溅射时，如果散热效率不够，温度会随着溅射越来越高，薄膜的应力变化也越大，腔室内释放出来的气体或杂质也越多。由于在生长过程中受到温度波动造成的应力过大或杂质污染时会沿晶粒边会产生铝柱状突起缺陷(Whisker Defect)，且缺陷数量随连续溅射的硅圆片数量的增加而增加，如果晶须缺陷的尺寸足够大时，会导致短路，影响产品良率。因此控制Al薄膜沉积过程中的温度是控制晶须缺陷产生的重要手段和措施。
为了有效控制工艺温度，抑制沉积Al薄膜中柱状突起缺陷(Whisker Defect)的产生，提高产品的良率，本发明提供一种溅射反应腔室的工艺组件。
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种溅射反应腔室的工艺组件，溅射反应腔室的工艺组件的结构如图1所示，包括：内衬2，内衬2中设置有水道7，内衬2包括本体部21和盖板部22，其中：本体部21呈环状；盖板部22由本体部21的底部且沿本体部21径向延伸，并与本体部21一体成型设置，用于在进行工艺时固定晶圆；水道7设置于盖板部22和本体部21中。从而通过对本体部21和盖板部22的一体设计并通水冷却，可以对固定晶圆的盖板部22区域进行有效冷却，从而实现对工艺组件的温度控制，减少其受热释放气体和杂质等，降低工艺过程中沉积薄膜应力变化，防止铝柱状突起缺陷的产生。
在一些实施例中，如图3所示，水道7包括位于本体部21内的第一水道71和位于盖板部22内的第二水道72，且第一水道71与第二水道72相连通。第一水道71为环形，且沿本体部21的周向环绕；第二水道72由第一水道71底部沿盖板部22径向延展至盖板部22端部。从而可有效对盖板部22及其相近组件进行冷却换热，由于热量主要来自等离子轰击产生的大量热量，因此越是靠近晶圆的区域温度就越高，越是需要进行降温控制。由于盖板部22端部更加靠近晶圆所在区域，因此，当冷却液流经盖板部22 端部时，会带走盖板部22端部的大量热量，从而，使盖板部22端部的温度得以控制在低位，进而，温度相对较低的盖板部22端部对与其距离相近的组件产生热交换，进一步降低了其周围的组件温度，达到了良好的温度控制。
在一些实施例中，如图2、3所示，内衬2还包括水道接头9，水道接头9位于本体部21顶端，水道7还包括用于与水道接头9连通的第三水道 73，第三水道73与第一水道71连通，以在冷却中，实时流转更换冷却液。具体的，水道接头9包括进水接头和出水接头，第三水道73包括进水水道和出水水道。第一水道71和第二水道72相互连通，且第一水道71和第二水道72在圆周方向上构成为不封闭的环形，即，第一水道71和第二水道 72作为两个同心的环形水道，在圆周方向上具有进水的一端和出水的一端，进水的一端和出水的一端邻近但彼此不直接连通，进水的一端引入的冷却液需要环绕环形水道一周后才能由出水的一端的流出。由此，水道接头9 的进水接头与第三水道73的进水水道直接连通，第三水道73的进水水道与第一水道71进水的一端直接连通，第一水道71进水的一端与第二水道 72进水的一端直接连通。第二水道72出水的一端与第一水道71出水的一端直接连通，第一水道71出水的一端与第三水道73的出水水道直接连通，第三水道73的出水水道与水道接头9的出水接头直接连通。从而，冷却液由水道接头9的进水接头流入，环绕第一水道71和第二水道72一周后由水道接头9的出水接头流出，实现在冷却中，实时流转更换冷却液。
在一些实施例中，水路接头9可以设置有多个，特别的，水路接头9 可以设置为在第一水道71的上端和第二水道72的侧端分别设置进出水接口，由此，第一水道71和第二水道72可以是不连通的，从而，可以分别调整流经主体部21和盖板部22的冷却水流量、温度，达到精细控制。其中，特别的，与第二水道72相连的接口直径小于与第一水道71相连的接口直径，以进一步直接通过管径限制流经第一水道71和第二水道72的冷却水流量，达到分别控制温度的效果。特别的，可以针对盖板部22区域进行精细化温度控制。
在一些实施例中，工艺组件还包括：适配器3，内衬2安装于适配器3 上，适配器3上设有与水道接头9相对应的缺口，以相互配合实现冷却水的高效循环。
在一些实施例中，工艺组件还包括沉积环1。沉积环1剖面结构正视图如图4所示。沉积环1包括径向设置的沉积部12和轴向设置的突出部11，沉积部12用于接触支撑晶圆的外缘。
盖板部22包括与突出部11相对应的环形的槽部221，突出部11与槽部221相互嵌合。
特别的，突出部11与沉积部12之间设置有凹槽13，当突出部11与槽部221相互嵌合时，槽部221的内环侧壁可插入凹槽13中，形成迷宫结构，如图1所示。
盖板部22与沉积环1相互嵌合形成迷宫结构。从而在盖板部22通过水道7冷却的情况下，迷宫结构在增加密封性的同时，由于增加了内衬2 与沉积环1的交叠换热面积，使延伸至盖板部22区域的冷却水可进一步的对沉积环1进行有效的换热冷却，提高了对沉积环1的冷却效果。
从而，当内衬2通过盖板部22压盖固定沉积环1时，可经由槽部221 的内环侧壁深入到沉积环1的凹槽13中，同时，使沉积环1的突出部11 深入到槽部221中，从而使沉积环1和盖板部22相互上下嵌合，提高了沉积环1和内衬2相互嵌合的便捷性和稳定性。同时，在盖板部22通过水道 7冷却的情况下，由于相互嵌合的迷宫结构增加了内衬2与沉积环1的交叠换热面积，使延伸至盖板部22端部的冷却水可通过间接换热进一步的对沉积环1进行有效的换热冷却，提高了对沉积环1的冷却效果，从而进一步控制了晶圆温度。
本发明提供的工艺组件结构不限于应用在PVD设备，也可以应用在其他半导体制造工艺中。
根据本发明实施例的另一个方面，提供一种溅射反应腔室，结构如图1 所示，包括腔体10和设置在腔体10中的基座5，还包括前述溅射反应腔室的工艺组件，其中，工艺组件包括内衬，该内衬包括本体部21和盖板部22，本体部21设置在腔体10的侧壁内侧，盖板部22用于在工艺时将晶圆固定在基座5上。
具体的，溅射反应腔室包括沉积环1，内衬2，适配器3，陶瓷环4，基座5，靶材6，水道7，支撑座8，水路接头9。具体的，适配器3以及陶瓷环4位于腔体10的侧壁上方，内衬2安装在适配器3上，陶瓷环4安装在靶材6与内衬2之间。沉积环1、内衬2、基座5和支撑座8位于腔体10 中，且基座5由支撑座8支撑，沉积环1安装在基座5的外缘上。水道7 位于内衬2内部，且水道7与腔体10外的水路接头9连通。
内衬2为环状，内衬2包括一体成型的本体部21和盖板部22，并在内衬2中通有环形水道7，环形水道7贯穿本体部21和盖板部22。本发明通过对主体部与盖板部二者一体设计形成内衬结构，同时在内衬中通水冷却，实现了对盖板部区域的有效冷却，进而扩大靠近晶圆的冷却区域，从而最大限度减少了晶圆上的热量积累，保证温度的稳定，减少工艺过程中气体和杂质的释放，进一步降低薄膜应力变化，控制晶须缺陷的产生，提升产品良率。。
内衬2结构如图3、5、6所示，内衬2的盖板部22具有槽部221，在其中有环形水道7，用水对其进行冷却，这样的一体化设计结构减少了腔室内单独盖板存在时的热源，增加冷却效率。水路接头9为内衬水路的连接接头，用于和外部水路相连。
图3为本发明的内衬2切面示意图，内衬2的水道7为一连通的封闭区域被内衬2包围着，分布在内衬的竖直及水平方向，形成相互连通的轴向延伸的第一水道71和径向延伸的第二水道72。其中，第二水道72延展至盖板部22的端部。从而可有效对盖板部22以及相近的沉积环1进行冷却换热。在内衬2的顶部通过两个水路接头9与外部的供水及回水管路相连。顶部设计使冷却水先流经远离工艺组件的上部，再流经接近工艺组件的盖板部，从而避免盖板部端部产生过大温差并提高了换热效果。
沉积环1包括径向设置的沉积部12和轴向设置的突出部11，沉积部 12用于接触支撑晶圆的外缘。盖板部22包括与突出部11相对应的环形的槽部221，突出部11与槽部221相互嵌合。突出部11与沉积部12之间设置有凹槽13，当突出部11与槽部221相互嵌合时，槽部221的内环侧壁可插入凹槽13中，形成迷宫结构。
适配器3结构如图2所示，适配器3在侧面设有缺口，用于设置内衬2 的进出水路接头9。
上述实施例中的溅射反应腔室，通过改变工艺组件中内衬的结构，使盖板部与内衬的本体部形成一体化的内衬结构，同时在内衬中通水冷却，实现了对盖板部区域的有效冷却，进而扩大靠近晶圆的冷却区域，从而最大限度减少了晶圆上的热量积累，保证温度的稳定，减少工艺过程中气体和杂质的释放，进一步降低薄膜应力变化，控制晶须缺陷的产生，提升产品良率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种溅射反应腔室的工艺组件，其特征在于，包括：
内衬，所述内衬中设置有水道，
所述内衬包括本体部和盖板部，其中：
所述本体部呈环状；
所述盖板部由所述本体部的底部且沿所述本体部径向延伸，并与所述本体部一体成型设置，用于在进行工艺时固定晶圆；
所述水道设置于所述盖板部和本体部中；所述水道包括位于所述本体部内的第一水道和位于所述盖板部内的第二水道，且所述第一水道与第二水道相连通；
所述工艺组件还包括：沉积环，所述盖板部与所述沉积环相互嵌合形成迷宫结构；
所述沉积环包括径向设置的沉积部和轴向设置的突出部，所述沉积部用于接触支撑所述晶圆的外缘，所述盖板部包括与所述突出部相对应的环形的槽部，所述突出部与所述槽部相互嵌合。
2.如权利要求1所述的工艺组件，其特征在于，
所述第一水道为环形，且沿所述本体部的周向环绕；
所述第二水道由所述第一水道底部沿所述盖板部径向延伸至所述盖板部端部。
3.如权利要求1所述的工艺组件，其特征在于，所述工艺组件还包括：
水道接头，所述水道接头位于所述本体部顶端，
所述水道还包括用于与所述水道接头连通的第三水道，所述第三水道与所述第一水道连通，以在冷却中，实时流转更换冷却液。
4.如权利要求1所述的工艺组件，其特征在于，所述工艺组件还包括：
适配器，所述内衬安装于所述适配器上，
所述适配器上设有与所述水道接头相对应的缺口。
5.如权利要求1所述的工艺组件，其特征在于，
所述突出部与所述沉积部之间设置有凹槽，以当所述突出部与所述槽部相互嵌合时，所述槽部的内环侧壁可插入所述凹槽中，形成迷宫结构。
6.一种溅射反应腔室，包括腔体和设置在所述腔体中的基座，其特征在于，还包括如权利要求1至5任一项所述的溅射反应腔室的工艺组件，其中，所述本体部设置在所述腔体的侧壁内侧，所述盖板部用于在工艺时将所述晶圆固定在所述基座上。
7.如权利要求6所述溅射反应腔室，其特征在于，沉积环沿所述基座外缘设置，且在工艺时，与所述盖板部相互嵌合形成迷宫结构。
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