CN114369804A - 薄膜沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜沉积方法，包括：通气预热步骤，向反应腔室中通入溅射气体，同时开启反应腔室中的加热装置，对反应腔室的内环境及通入反应腔室中的溅射气体进行加热；薄膜沉积步骤，继续向反应腔室中通入溅射气体，并保持加热装置开启，且开启溅射电源，向靶材加载溅射功率，以在置于基座上的晶圆表面沉积薄膜；其中，加热装置在通气预热步骤中输出的加热功率小于在薄膜沉积步骤中输出的加热功率。本发明提供的薄膜沉积方法，其可以解决晶圆中心区域的晶粒生长能量不足的问题，从而可以提高薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性，进而可以提高薄膜的腐蚀均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种薄膜沉积方法。
背景技术
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。先进封装工艺流程中的PVD制程是其中至关重要的一道工艺，在一定程度上对半导体器件性能的好坏起到决定性的作用。
在典型的先进封装工艺的流程中，其中一个步骤用于腐蚀未被Cu柱覆盖的Ti/Cu金属层，但是在该步骤完成之后，往往出现被Cu柱覆盖的Ti/Cu金属层也会被腐蚀掉，导致产品良率降低的问题。为此，就需要制备足够厚度的Ti/Cu薄膜，例如，要求Ti薄膜的厚度大于150nm。
但是，现有的薄膜沉积方法在制备厚度较大(例如300nm)的Ti/Cu薄膜时，由于基座上的冷却装置对晶圆中心区域的冷却效果相对于边缘区域更大，这往往会造成晶圆中心区域的晶粒生长能量不足，从而导致薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性变差，从而造成薄膜的腐蚀均匀性变差，无法满足目前先进封装新工艺要求。
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，提出了一种薄膜沉积方法，其可以解决晶圆中心区域的晶粒生长能量不足的问题，从而可以提高薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性，进而可以提高薄膜的腐蚀均匀性。
为实现本发明的目的而提供一种薄膜沉积方法，包括：
通气预热步骤，向反应腔室中通入溅射气体，同时开启所述反应腔室中的加热装置，对所述反应腔室的内环境及通入所述反应腔室中的所述溅射气体进行加热；
薄膜沉积步骤，继续向所述反应腔室中通入溅射气体，并保持所述加热装置开启，且开启溅射电源，向靶材加载溅射功率，以在置于基座上的晶圆表面沉积薄膜；
其中，所述加热装置在所述通气预热步骤中输出的加热功率小于在所述薄膜沉积步骤中输出的加热功率。
可选的，在所述通气预热步骤，对所述反应腔室的内环境及其中的所述溅射气体进行加热具体包括：
控制所述加热装置输出的加热功率保持在第一加热功率值不变；或者，
控制所述加热装置输出的加热功率自初始加热功率值随所述通气预热步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第一加热功率值，以对所述反应腔室的内环境及其中的所述溅射气体进行加热。
可选的，在所述薄膜沉积步骤，保持所述加热装置开启具体包括：
控制所述加热装置输出的加热功率保持在第二加热功率值不变；或者，
控制所述加热装置输出的加热功率自所述第一加热功率值随所述薄膜沉积步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第二加热功率值；
所述第一加热功率值小于所述第二加热功率值。
可选的，所述第一加热功率值和所述第二加热功率值均大于0W，且小于等于1000W。
可选的，所述第一加热功率值为300W；所述第二加热功率值为600W。
可选的，在所述通气预热步骤之前，还包括：
抽真空步骤，对所述反应腔室进行抽真空，并开启所述基座中的用于冷却晶圆的冷却装置，且将其冷却温度设定为预设温度值；
晶圆传入步骤，将待沉积的晶圆传入所述反应腔室中，并放置于所述基座上。
可选的，所述预设温度值为-20℃。
可选的，所述薄膜沉积方法沉积的薄膜包括TiN、TiW、Cu、Au、Ag、NiV或者Al。
可选的，所述薄膜沉积方法沉积的薄膜的厚度大于等于150nm，且小于等于600nm。
可选的，所述溅射气体包括氩气；所述溅射气体的流量大于0sccm，且小于等于500sccm；所述通气预热步骤和所述薄膜沉积步骤的工艺压力均大于等于2mTorr，且小于等于20mTorr。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的薄膜沉积方法，其在通气预热步骤和薄膜沉积步骤中，均利用反应腔室中的加热装置，对反应腔室的内环境及通入反应腔室中的溅射气体进行加热，对于在通气预热步骤利用加热装置加热溅射气体，一方面，可以对反应腔室的内环境及其中的溅射气体起到预热的作用，以能够在后续的薄膜沉积步骤中快速达到需要的温度；另一方面，在通气预热步骤中通过对反应腔室的内环境及其溅射气体进行加热，可以为后续的薄膜沉积步骤中等离子体的启辉及腔室环境预先提供额外的热量。
通过在薄膜沉积步骤中利用加热装置继续对反应腔室的内环境及其溅射气体进行加热，并相对于通气预热步骤采用更高的加热功率，可以使溅射气体快速获得更高的热量，从而能够在启辉时电离出更高能量的等离子体，在沉积时更容易激发高能量的靶材原子落在晶圆表面上，高能量的靶材原子能够在晶粒生长过程中提供足够的驱动力，在薄膜沉积过程中更好地促进薄膜微观组织中晶粒长大成为高致密度组织，同时，由于反应腔室内对应晶圆中心区域的等离子体的密度相对于边缘区域更大，这使得对应晶圆中心区域的等离子体在上述加热装置的加热作用下获得的能量更多，足以弥补晶圆中心区域的晶粒生长能量不足的问题，从而可以提高薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性，进而可以提高薄膜的腐蚀均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例采用的磁控溅射设备的结构图；
图2为本发明实施例采用的基座的剖视图；
图3为本发明实施例提供的薄膜沉积方法的流程框图；
图4A为本发明实施例采用的一种关于加热功率与工艺时间的曲线图；
图4B为本发明实施例采用的另一种关于加热功率与工艺时间的曲线图；
图5A为现有技术中未使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的厚度均匀性的效果图；
图5B为现有技术中未使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的腐蚀均匀性的效果图；
图6A为本发明实施例使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的厚度均匀性的效果图；
图6B为本发明实施例使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的腐蚀均匀性的效果图。
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薄膜沉积方法进行详细描述。
本发明实施例提供的薄膜沉积方法，其使用物理气相沉积设备(Physical VaporDeposition，PVD)在晶圆上沉积薄膜。该物理气相沉积设备例如采用图1所示的磁控溅射设备，具体地，该磁控溅射设备包括反应腔室1，在该反应腔室1中设置有可升降的基座9，用于承载晶圆10。而且，在反应腔室1的顶部设置有靶材4，该靶材4与溅射电源(图中未示出)电连接，溅射电源用于向靶材4加载溅射功率，用以激发反应腔室1中的溅射气体形成等离子体，并轰击靶材4，以使靶材原子逸出靶材表面并沉积在晶圆10的表面上，形成薄膜。该溅射电源例如为直流电源。此外，在反应腔室1中还设置有加热装置，该加热装置例如为加热灯11，该加热灯11用于采用热辐射的方式对通入反应腔室1内的溅射气体进行加热，同时还用于为腔室环境提供额外的热量。
在一些可选的实施例中，为了提高加热效率，使通入反应腔室1内的溅射气体能够快速升温，加热灯11设置于靠近反应腔室1的用于输入溅射气体的进气口(图中未示出)的位置处，用于采用热辐射的方式对自上述进气口通入反应腔室1中的溅射气体进行加热。例如，上述进气口设置于反应腔室1的腔室侧壁上，进一步可选的，为了使溅射气体能够均匀地通入反应腔室1中，进气口可以为多个，且沿反应腔室1的周向均匀分布，在这种情况下，加热灯11也可以为多个，且沿反应腔室1的周向均匀分布，并且加热灯11的数量可以与进气口的数量相同，或者也可以少于或多于进气口的数量，本发明实施例对此没有特别的限制。
在一些可选的实施例中，上述基座9中设置有冷却装置，用于对置于基座9上的晶圆10进行冷却，例如，如图2所示，基座9包括基座表盘91和设置在该基座表盘91底部的基座冷却盘92，其中，基座冷却盘92中设置有冷却通道93，该冷却通道93用于输送预设温度的冷却液体，以降低基座表盘91的温度，从而间接降低与基座表盘91接触的晶圆10的温度(即，工艺温度)，以将工艺温度控制在一定的温度范围内。借助上述冷却装置，可以将工艺温度的温度下限降至更低，以满足诸如先进封装工艺等的工艺要求。
经发明人发现：如图2所示，由于基座表盘91的外径大于基座冷却盘92，只有基座表盘91的中心区域与基座冷却盘92直接接触，这使得冷却通道93中的冷却液体在循环流动的过程中带走基座表盘91的中心区域的热量相对于基座表盘91的边缘区域更多，从而使得晶圆10的中心区域的冷却效果明显优于边缘区域的冷却效果。虽然反应腔室1内对应晶圆10的中心区域的等离子体的密度相对于边缘区域更大，晶圆10的中心区域会富集更多的高能晶粒，但是，现有技术中在不使用上述加热灯11的情况下进行PVD工艺，仍然会因晶圆10的中心区域被带走太多的热量，而导致晶圆10的中心区域的晶粒生长能量不足，使得薄膜微观组织中晶粒长大缺少足够的驱动力，从而导致薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性变差，进而造成薄膜的腐蚀均匀性变差，无法满足目前先进封装新工艺要求。
所谓薄膜的腐蚀均匀性，指的是采用PVD沉积步骤制备的薄膜(例如Ti薄膜)在后续步骤中通过腐蚀液被腐蚀掉一定厚度的均匀性。该腐蚀均匀性与薄膜的厚度均匀性、薄膜致密度及密度均匀性均有密切的关系，只有在同时保证薄膜的厚度均匀性好、薄膜致密度高、薄膜密度均匀性好的条件下，才能显著提升薄膜的腐蚀均匀性。
为了解决晶圆中心区域的晶粒生长能量不足的问题，提高薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性，从而提高腐蚀均匀性，请参阅图3，本发明实施例提供一种薄膜沉积方法，其例如采用图1所示的磁控溅射设备在晶圆表面沉积薄膜，该方法包括：
通气预热步骤，向反应腔室1中通入溅射气体，同时开启反应腔室1中的加热装置(即，加热灯11)，对反应腔室1的内环境及通入反应腔室1中的溅射气体进行加热；
薄膜沉积步骤，继续向反应腔室1中通入溅射气体，并保持加热装置(即，加热灯11)开启，且开启溅射电源，向靶材4加载溅射功率，以在置于基座9上的晶圆10的表面沉积薄膜；
其中，加热装置(即，加热灯11)在上述通气预热步骤中输出的加热功率小于在上述薄膜沉积步骤中输出的加热功率。
在上述通气预热步骤和薄膜沉积步骤中，均利用反应腔室1中的加热装置(即，加热灯11)，对反应腔室1的内环境及通入反应腔室1中的溅射气体进行加热。对于在通气预热步骤利用加热装置(即，加热灯11)加热反应腔室1的内环境及其中的溅射气体，一方面，可以对反应腔室1的内环境及其中的溅射气体起到预热的作用，以能够在后续的薄膜沉积步骤中快速达到需要的温度；另一方面，在通气预热步骤中通过对反应腔室1的内环境及其中的溅射气体进行加热，可以为后续的薄膜沉积步骤中等离子体的启辉及腔室环境预先提供额外的热量。
通过在薄膜沉积步骤中利用加热装置(即，加热灯11)继续对反应腔室1的内环境及其中的溅射气体进行加热，并相对于通气预热步骤采用更高的加热功率，可以使溅射气体快速获得更高的热量，从而能够在启辉时电离出更高能量的等离子体，在沉积时更容易激发高能量的靶材原子落在晶圆表面上，高能量的靶材原子能够在晶粒生长过程中提供足够的驱动力，在薄膜沉积过程中更好地促进薄膜微观组织中晶粒长大成为高致密度组织，同时，由于反应腔室1内对应晶圆10的中心区域的等离子体的密度相对于边缘区域更大，这使得对应晶圆10的中心区域的等离子体在上述加热装置的加热作用下获得的能量更多，足以弥补晶圆10的中心区域的晶粒生长能量不足的问题，从而可以提高薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性，进而可以提高薄膜的腐蚀均匀性。
此外，在上述通气预热步骤和薄膜沉积步骤中，通过将对加热装置(即，加热灯11)输出的加热功率的控制集成到PVD工艺程序中，增加了PVD工艺参数的控制手段，极大的丰富了先进封装工艺中PVD的工艺窗口。
通过控制加热装置(即，加热灯11)输出的加热功率在上述通气预热步骤和薄膜沉积步骤之间的配比，可以使等离子体中的离子及从靶材轰击下来的靶材原子带有更多的能量，从而为晶圆表面尤其是中心区域晶粒的长大提供足够的生长驱动力，得到高致密度且密度均匀的薄膜组织。在一些可选的实施例中，如图4A所示，在上述通气预热步骤(工艺时长为t1)，对反应腔室1的内环境及其中的溅射气体进行加热具体包括：
控制加热装置输出的加热功率保持在第一加热功率值P1不变；
并且，在上述薄膜沉积步骤(工艺时长为t2-t1)，保持加热装置开启具体包括：
控制加热装置输出的加热功率保持在第二加热功率值P2不变；
并且，第一加热功率值P1小于第二加热功率值P2。
在另外一些可选的实施例中，如图4B所示，在上述通气预热步骤(工艺时长为t1)，对反应腔室1的内环境及其中的溅射气体进行加热具体包括：
控制加热装置输出的加热功率自初始加热功率值(例如为0W)随通气预热步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第一加热功率值P1；
并且，在上述薄膜沉积步骤(工艺时长为t2-t1)，保持加热装置开启具体包括：
控制加热装置输出的加热功率自第一加热功率值P1随通气预热步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第二加热功率值P2；
并且，第一加热功率值P1小于第二加热功率值P2。
当然，在实际应用中，上述加热装置在通气预热步骤中输出的加热功率以及在薄膜沉积步骤中输出的加热功率还可以采用其他任意变化规则，例如，也可以在上述通气预热步骤中控制加热装置输出的加热功率自初始加热功率值随通气预热步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第一加热功率值；在上述薄膜沉积步骤中控制加热装置输出的加热功率保持在第二加热功率值不变；或者，还可以在上述通气预热步骤中控制加热装置输出的加热功率保持在第一加热功率值不变；在上述薄膜沉积步骤中控制加热装置输出的加热功率自第一加热功率值P1随通气预热步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第二加热功率值P2。也就是说，可以先递增后保持不变，或者先保持不变后递增，只要能够使等离子体中的离子及从靶材轰击下来的靶材原子带有更多的能量即可，本发明实施例对此没有特别的限制。
在一些可选的实施例中，上述第一加热功率值P1和第二加热功率值P2均大于0W，且小于等于1000W。优选的，第一加热功率值P1为300W；第二加热功率值P2为600W。
在一些可选的实施例中，在上述通气预热步骤之前，还包括：
抽真空步骤，对反应腔室1进行抽真空，并开启基座9中的用于冷却晶圆的冷却装置(例如图2中示出的冷却通道93中通入冷却液体)，且将其冷却温度设定为预设温度值；
晶圆传入步骤，将待沉积的晶圆10传入反应腔室1中，并放置于基座9上。
在一些可选的实施例中，上述抽真空步骤中，反应腔室1在抽真空后的工艺压力小于1×10-6Torr。
在一些可选的实施例中，上述抽真空步骤中，上述预设温度值为-20℃。
在一些可选的实施例中，薄膜沉积方法沉积的薄膜包括TiN、TiW、Cu、Au、Ag、NiV或者Al。
在一些可选的实施例中，上述薄膜沉积步骤可以单次完成上述薄膜的沉积，并且沉积的薄膜厚度可以达到大于等于150nm，且小于等于600nm的范围，满足先进封装新工艺的对薄膜厚度要求。
在一个具体的实施例中，薄膜沉积方法可以采用如下工艺配方：溅射气体包括氩气；溅射气体的流量大于0sccm，且小于等于500sccm；通气预热步骤和薄膜沉积步骤的工艺压力均大于等于2mTorr，且小于等于20mTorr；预设温度值为-20℃。
在上述工艺配方的基础上，分别采用现有技术中未使用加热灯进行薄膜沉积工艺和本发明实施例使用加热灯进行薄膜沉积工艺进行实验，其中，本发明实施例是在使用加热灯的情况下，使用图1所示的磁控溅射设备进行PVD工艺制备获得Ti薄膜，具体的工艺配方表如下述表1所示。现有技术是在未开启加热灯11的情况下，使用图1所示的磁控溅射设备进行PVD工艺制备获得Ti薄膜，其加热功率为0，其余参数与本发明实施例一致。
表1
图5A为现有技术中未使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的厚度均匀性的效果图。图5B为现有技术中未使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的腐蚀均匀性的效果图。现有技术在未开启加热灯11的情况下进行PVD工艺制备获得的Ti薄膜，其在厚度为300nm时的不同位置处的厚度分布如图5A所示，通过计算可以得到：厚度均匀性为8.0％；其在厚度为300nm时的不同位置处的腐蚀量分布曲线如图5B所示，通过计算可以得到：腐蚀均匀性为27.5％。由此可知，现有技术中未使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的厚度均匀性超过5％，腐蚀均匀性均超过20％，无法满足先进封装新工艺需求。
图6A为本发明实施例使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的厚度均匀性的效果图。图6B为本发明实施例使用加热灯进行薄膜沉积工艺获得的薄膜的腐蚀均匀性的效果图。本发明实施例使用加热灯11的情况下进行PVD工艺制备获得的Ti薄膜，其在厚度为300nm时的不同位置处的厚度分布如图6A所示，通过计算可以得到：厚度均匀性为1.3％；其在厚度为300nm时的不同位置处的腐蚀量分布曲线如图6B所示，通过计算可以得到：腐蚀均匀性为1.1％。
通过对比可知，本发明实施例提供的薄膜沉积方法，其最终制备出的薄膜厚度均匀、薄膜密度均匀，有效提高了薄膜的腐蚀均匀性，显著提高了产品的良率。
综上所述，本发明提供的薄膜沉积方法，其在通气预热步骤和薄膜沉积步骤中，均利用反应腔室中的加热装置，对反应腔室的内环境及通入反应腔室中的溅射气体进行加热，对于在通气预热步骤利用加热装置加热溅射气体，一方面，可以对反应腔室的内环境及其中的溅射气体起到预热的作用，以使其能够在后续的薄膜沉积步骤中快速达到需要的温度；另一方面，在通气预热步骤中通过对反应腔室的内环境及其溅射气体进行加热，可以为后续的薄膜沉积步骤中等离子体的启辉及腔室环境预先提供额外的热量。
通过在薄膜沉积步骤中利用加热装置继续对反应腔室的内环境及其溅射气体进行加热，并相对于通气预热步骤采用更高的加热功率，可以使溅射气体快速获得更高的热量，从而能够在启辉时电离出更高能量的等离子体，在沉积时更容易激发高能量的靶材原子落在晶圆表面上，高能量的靶材原子能够在晶粒生长过程中提供足够的驱动力，在薄膜沉积过程中更好地促进薄膜微观组织中晶粒长大成为高致密度组织，同时，由于反应腔室内对应晶圆中心区域的等离子体的密度相对于边缘区域更大，这使得对应晶圆中心区域的等离子体在上述加热装置的加热作用下获得的能量更多，足以弥补晶圆中心区域的晶粒生长能量不足的问题，从而可以提高薄膜的厚度均匀性、致密度和密度均匀性，进而可以提高薄膜的腐蚀均匀性。
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 (10)
1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，包括：
通气预热步骤，向反应腔室中通入溅射气体，同时开启所述反应腔室中的加热装置，对所述反应腔室的内环境及通入所述反应腔室中的所述溅射气体进行加热；
薄膜沉积步骤，继续向所述反应腔室中通入溅射气体，并保持所述加热装置开启，且开启溅射电源，向靶材加载溅射功率，以在置于基座上的晶圆表面沉积薄膜；
其中，所述加热装置在所述通气预热步骤中输出的加热功率小于在所述薄膜沉积步骤中输出的加热功率。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述通气预热步骤，对所述反应腔室的内环境及其中的所述溅射气体进行加热具体包括：
控制所述加热装置输出的加热功率保持在第一加热功率值不变；或者，
控制所述加热装置输出的加热功率自初始加热功率值随所述通气预热步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第一加热功率值，以对所述反应腔室的内环境及其中的所述溅射气体进行加热。
3.根据权利要求2所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述薄膜沉积步骤，保持所述加热装置开启具体包括：
控制所述加热装置输出的加热功率保持在第二加热功率值不变；或者，
控制所述加热装置输出的加热功率自所述第一加热功率值随所述薄膜沉积步骤的工艺时间的增加而逐渐增加至第二加热功率值；
所述第一加热功率值小于所述第二加热功率值。
4.根据权利要求3所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述第一加热功率值和所述第二加热功率值均大于0W，且小于等于1000W。
5.根据权利要求4所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述第一加热功率值为300W；所述第二加热功率值为600W。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述通气预热步骤之前，还包括：
抽真空步骤，对所述反应腔室进行抽真空，并开启所述基座中的用于冷却晶圆的冷却装置，且将其冷却温度设定为预设温度值；
晶圆传入步骤，将待沉积的晶圆传入所述反应腔室中，并放置于所述基座上。
7.根据权利要求6所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述预设温度值为-20℃。
8.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述薄膜沉积方法沉积的薄膜包括TiN、TiW、Cu、Au、Ag、NiV或者Al。
9.根据权利要求1或8所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述薄膜沉积方法沉积的薄膜的厚度大于等于150nm，且小于等于600nm。
10.根据权利要求1-5任意一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述溅射气体包括氩气；所述溅射气体的流量大于0sccm，且小于等于500sccm；所述通气预热步骤和所述薄膜沉积步骤的工艺压力均大于等于2mTorr，且小于等于20mTorr。
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