CN114686831A - 一种用于深孔pvd的金属自离子化装置及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于深孔PVD的金属自离子化装置及镀膜方法，包括溅射腔体、基片台、溅射组件、绝缘环、适配板和离子化线圈组件，适配板位于溅射腔体上部，溅射组件位于溅射腔体顶部，溅射组件通过绝缘环与适配板绝缘密封布置，基片台位于溅射腔体内，离子化线圈组件位于溅射腔体内，位于基片台和溅射组件之间，离子化线圈组件包括离子化线圈，溅射组件包括溅射靶材，溅射靶材的材质与离子化线圈相同；基片台与第一射频电源连接；离子化线圈与第二射频电源连接。其制备方法是采用以上装置进行镀膜处理。本申请金属自离子化装置，具有结构简单、镀膜均匀性好、沉积效率高等优点，可以实现深孔孔洞中阻挡层薄膜的沉积，使用价值高，应用前景好。

Description

一种用于深孔PVD的金属自离子化装置及镀膜方法

技术领域

本发明属于磁控溅射设备领域，涉及一种用于深孔PVD的金属自离子化装置及镀膜方法。

背景技术

随着半导体芯片特征尺寸遵循摩尔定律不断缩小，半导体器件的性能不断提高，但与此同时，互联性能缺反而因为线宽的缩小而不断变差，使得互联线逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。

硅通孔(through silicon via，TSV)技术是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术解决方案。由于TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，并且能大大改善芯片速度和低功耗的性能，成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。

TSV开发工艺包括在晶圆上通过刻蚀、激光钻孔等方式制作垂直硅通孔，然后在硅通孔内制作绝缘层、阻挡层和种子层沉积、填充金属、化学机械抛光、减薄以及随后的晶圆键合步骤，其中阻挡层和种子层沉积工艺一般采用物理气相沉积(PVD)技术。但随着硅通孔的深宽比越来越大，利用PVD工艺制作阻挡层和种子层的难度越来越大，比如，当深宽比＞5:1时，PVD方式在深孔表面沉积的膜层连续性就会变差，甚至在接近孔下端的侧壁处会发生中断，影响后续的工艺效果。

针对上述问题，部分PVD机台采用增大靶基距、或者采用准直器技术，提高镀膜粒子向下运动的方向性，可以增大对深孔的镀膜能力，但仍无法满足高深宽比的深孔表面镀膜需要，一般只能满足孔径20μm以上，深宽比5:1左右的深孔表面镀膜且因为靶基距增大、准直器等因素，造成镀膜均匀性较差等缺陷。另外，现有用于改善深孔镀膜均匀性的PVD设备中，在靶材和基台之间设置扇形状的离子调节器和网格状的金属盘，其中扇形状的离子调节器在溅射过程中可以将金属阳离子由中间向四周移动，以增加边缘区域的金属阳离子浓度，而且该扇形状的离子调节器也能通过离子调节器侧壁的阻挡作用过滤掉大角度入射粒子，但其存在的缺陷是在从靶材中溅射出来的靶材粒子(包括金属阳离子)的总浓度不变的条件下，由于金属阳离子的移动过程中必然会造成损失，因而不仅不会增加腔体中靶材粒子(包括金属阳离子)的总浓度，反而会呈现下降趋势；网格状的金属盘位于基片与靶材之间，也会被靶材粒子镀上薄膜，成为颗粒污染的来源之一；与此同时，虽然在扇形状的离子调节器之下设置的网格状的金属盘能够为金属阳离子提供一个垂直向下的作用力，以避免金属阳离子射入到离子调节器的侧壁上，但该网格状的金属盘仅能加速金属阳离子的向下运动，并不能增大电离率，也并不会补充金属阳离子，因而仍然无法有效避免溅射过程中金属阳离子总浓度的降低趋势，上述缺陷的存在，使得现有PVD设备中形成的垂直向下运动的带正电靶材粒子，难以有效轰击硅通孔入口处的镀膜，即难以有效打开硅通孔的入口；而且，上述现有PVD设备产生的带电粒子所携带的能量较低，因而即便这些带电粒子能够达到孔洞底部，也已不具备能够实现对底部溅射靶材粒子二次反溅射时所需的能量，即仍然会导致硅通孔下部侧壁难以镀膜或镀膜连续性差等缺陷。此外，上述用于改善深孔镀膜均匀性的PVD设备仍然存在结构复杂、沉积效率低等缺陷。因此，如何获得一种结构简单、镀膜均匀性好、沉积效率高的用于深孔PVD的金属自离子化装置及相应的镀膜方法，对于提高深孔的镀膜效果和镀膜效率具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、镀膜均匀性好、沉积效率高的用于深孔PVD的金属自离子化装置及相应的镀膜方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于深孔PVD的金属自离子化装置，包括溅射腔体、基片台、溅射组件、绝缘环、适配板和离子化线圈组件；所述适配板位于溅射腔体上部，所述溅射组件位于溅射腔体顶部，所述溅射组件通过绝缘环与适配板绝缘密封布置；所述基片台位于溅射腔体内，所述离子化线圈组件位于溅射腔体内，且位于基片台和溅射组件之间；所述离子化线圈组件包括离子化线圈；所述溅射组件包括溅射靶材，所述溅射靶材的材质与离子化线圈相同；所述基片台与第一射频电源连接；所述离子化线圈与第二射频电源连接。

作为上述技术方案的进一步改进：所述离子化线圈组件还包括电极、电极连接件和电极绝缘件；所述离子化线圈为开口环形，所述离子化线圈的开口两端分别通过电极连接件与电极连接，所述电极安装在适配板上，所述电极绝缘件包覆在电极连接件的表面；所述离子化线圈的开口处的间隙宽度为3mm～5mm；所述电极连接件的材质为无氧铜；所述电极连接件为薄壁S型结构；所述电极的数量至少为2个；所述电极为陶封电极；所述电极连接件的数量至少为2个。

作为上述技术方案的进一步改进：所述金属自离子化装置还包括防污组件；所述防污组件包括上防污环、内防污筒、外防污筒和压环；所述上防污环、内防污筒、外防污筒同心布置在溅射腔体内；所述内防污筒位于外防污筒内，所述上防污环位于内防污筒与溅射组件之间；所述上防污环、内防污筒、外防污筒的法兰边固定在适配板上；所述内防污筒、外防污筒的下部中心位置设有通槽；所述基片台位于通槽内，通过压环遮挡基片台与内防污筒、外防污筒之间的间隙；所述内防污筒、外防污筒上设有用于安装电极绝缘件和电极连接件的安装孔或缺口；所述离子化线圈与防污组件、适配板之间相对绝缘。

作为上述技术方案的进一步改进：所述压环与基片台同心布置，所述压环的下表面设有若干个用于将基片固定在基片台上的接触点；所示基片台、溅射组件、上防污环、内防污筒、压环之间形成相对密封区域；所述上防污环的上法兰面及内环面与溅射靶材之间的间隙为1.5mm。

作为上述技术方案的进一步改进：所述离子化线圈上还设有绝缘固定组件，所述绝缘固定组件固定在内防污筒上；所述绝缘固定组件的数量至少为3个。

作为上述技术方案的进一步改进：所述溅射腔体、基片台、溅射组件、绝缘环、适配板和离子化线圈组件同心布置；所述溅射靶材与直流溅射电源连接；所述溅射腔体还连通有抽真空组件；所述基片台下方还设有用于升降和/或旋转的驱动组件；所述适配板为中空结构。

作为上述技术方案的进一步改进：所述溅射组件还包括旋转磁体，所述旋转磁体位于溅射靶材的上方。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种镀膜方法，所述镀膜方法是采用上述的用于深孔PVD的金属自离子化装置对硅通孔进行镀膜处理。

作为上述技术方案的进一步改进：上述的镀膜方法，包括以下步骤：

S1、将具有硅通孔的基片置于基片台上；

S2、在硅通孔内壁表面依次沉积阻挡层，完成对硅通孔的镀膜处理。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S1中，所述硅通孔的直径在10μm以上且深宽比不大于10∶1；所述基片为晶圆片。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S2中，在沉积阻挡层之前，还包括在硅通孔内壁表面沉积绝缘层；所述阻挡层的沉积过程中采用的工艺参数为：以氩气或氮气为工艺气体，溅射腔体的压力为0.2Pa～0.3Pa，直流溅射电源的功率为15千瓦～20千瓦，第一射频电源的功率为200瓦～400瓦，第二射频电源的功率为200瓦～400瓦；所述阻挡层为Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本申请用于深孔PVD的金属自离子化装置中，在基片台和溅射组件之间设置与溅射靶材材质相同的离子化线圈，且基片台与第一射频电源连接，离子化线圈与第二射频电源连接，具有以下好处：(a)在各种粒子的溅射轰击下，离子化线圈和溅射靶材均能溅射出靶材粒子，可以显著增加溅射腔体中靶材粒子的含量，不仅中间位置具有足够的靶材粒子，而且周边位置也具有足够的靶材粒子，这为提高溅射腔体中的金属阳离子浓度提供了先决条件；(b)在离子化线圈的电离作用下，从离子化线圈和溅射靶材中溅射出来的靶材粒子有效转化成金属阳离子，从而使溅射腔体中的金属阳离子浓度显著增加，进而使得更多的金属阳离子能够击穿孔洞入口处薄膜并进入到孔洞底部；(c)在离子化线圈和基片台的偏压引力作用下，进一步增加了金属阳离子向下的冲击力，金属阳离子的能量大于靶材粒子的溅射阈值，从而使得更多的金属阳离子能够进入到孔洞底部，并利用这些能量大且数量多的金属阳离子对底部靶材粒子进行二次反溅射，进而使得靶材能够有效沉积到孔洞底部的侧壁上，弥补孔洞下部的镀膜能力，最终实现孔洞侧壁薄膜的连续沉积。与现有PVD设备相比，本申请用于深孔PVD的金属自离子化装置，具有结构简单、镀膜均匀性好、沉积效率高等优点，可以直径在10μm以上且深宽比不大于10∶1的孔洞中阻挡层薄膜的沉积，使用价值高，应用前景好。

(2)本申请镀膜方法，利用金属自离子化装置对硅通孔进行镀膜处理，通过优化第二射频电源的功率为600瓦～1000瓦，有助于提高溅射靶材粒子的离化率，同时通过优化第一射频电源的功率为200瓦～400瓦，有助于引导离化后的靶材粒子详细运动，提高深孔镀膜能力。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例1中用于深孔PVD的金属自离子化装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中离子化线圈组件的结构示意图。

图3为本发明实施例1中离子化线圈组件的俯视图。

图4为本发明实施例1中离子化线圈组件的侧视图。

图例说明：

1、溅射腔体；2、基片台；31、溅射靶材；32、旋转磁体；4、绝缘环；5、适配板；61、离子化线圈；62、电极；63、电极连接件；64、电极绝缘件；65、绝缘固定组件；71、上防污环；72、内防污筒；73、外防污筒；74、压环；81、第一射频电源；82、第二射频电源；9、直流溅射电源；a、基片；b、抽真空组件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1至图4所示，本实施例的用于深孔PVD的金属自离子化装置，包括溅射腔体1、基片台2、溅射组件、绝缘环4、适配板5和离子化线圈组件；适配板5位于溅射腔体1上部，溅射组件位于溅射腔体1顶部，溅射组件通过绝缘环4与适配板5绝缘密封布置；基片台2位于溅射腔体1内，离子化线圈组件位于溅射腔体1内，且位于基片台2和溅射组件之间；离子化线圈组件包括离子化线圈61；溅射组件包括溅射靶材31，溅射靶材31的材质与离子化线圈61相同，基片台2与第一射频电源81连接，离子化线圈61与第二射频电源82连接。

本申请中，在基片台2和溅射组件之间设置与溅射靶材31材质相同的离子化线圈61，且基片台2与第一射频电源81连接，离子化线圈61与第二射频电源82连接，具有以下好处：(1)在各种粒子的溅射轰击下，离子化线圈和溅射靶材均能溅射出靶材粒子，可以显著增加溅射腔体中靶材粒子的含量，不仅中间位置具有足够的靶材粒子，而且周边位置也具有足够的靶材粒子，这为提高溅射腔体中的金属阳离子浓度提供了先决条件；(2)在离子化线圈的电离作用下，从离子化线圈和溅射靶材中溅射出来的靶材粒子有效转化成金属阳离子，从而使溅射腔体中的金属阳离子浓度显著增加，进而使得更多的金属阳离子能够击穿孔洞入口处薄膜并进入到孔洞底部；(3)在离子化线圈和基片台的偏压引力作用下，进一步增加了金属阳离子向下的冲击力，金属阳离子的能量大于靶材粒子的溅射阈值，从而使得更多的金属阳离子能够进入到孔洞底部，并利用这些能量大且数量多的金属阳离子对底部靶材粒子进行二次反溅射，进而使得靶材能够有效沉积到孔洞底部的侧壁上，弥补孔洞下部的镀膜能力，最终实现孔洞侧壁薄膜的连续沉积。与现有PVD设备相比，本申请用于深孔PVD的金属自离子化装置，具有结构简单、镀膜均匀性好、沉积效率高等优点，可以直径在10μm以上且深宽比不大于10∶1的孔洞中阻挡层薄膜的沉积，使用价值高，应用前景好。

如图2所示，本实施例中，离子化线圈组件还包括电极62、电极连接件63和电极绝缘件64；离子化线圈61为开口环形，开口处的间隙宽度为3mm呈现矩形状，且离子化线圈61的开口两端分别通过电极连接件63与电极62连接，电极62安装在适配板5上，电极绝缘件64包覆在电极连接件63的表面，具体为：电极62为陶封电极，数量为2个，电极连接件63的材质为无氧铜，数量为2个，且电极连接件63为薄壁S型结构，它们与离子化线圈61的连接方式是呈现薄壁S型结构电极连接件63的上下端分别与陶封电极和离子化线圈61连接，该连接方式使得电极连接件63可在一定尺寸范围内提升变形，清除上下端固定位置偏差，从而更有利于金属阳离子垂直向下运动，有效降低金属阳离子碰撞几率，进而有利于金属阳离子顺利击穿入口处薄膜并进入到孔洞底部。

本实施例中，金属自离子化装置还包括防污组件；防污组件包括上防污环71、内防污筒72、外防污筒73和压环74；上防污环71、内防污筒72、外防污筒73同心布置在溅射腔体1内；内防污筒72位于外防污筒73内，上防污环71位于内防污筒72与溅射组件之间；上防污环71、内防污筒72、外防污筒73的法兰边固定在适配板5上；内防污筒72、外防污筒73的下部中心位置设有通槽；基片台2位于通槽内，通过压环74遮挡基片台2与内防污筒72、外防污筒73之间的间隙；内防污筒72、外防污筒73上设有用于安装电极绝缘件64和电极连接件63的安装孔或缺口；离子化线圈61与防污组件、适配板5之间相对绝缘。

本实施例中，压环74与基片台2同心布置，压环74的下表面设有若干个用于将基片固定在基片台2上的接触点；基片台2、溅射组件、上防污环71、内防污筒72、压环74之间形成相对密封区域；上防污环71的上法兰面及内环面与溅射靶材31之间的间隙为1.5mm。

本实施例中，离子化线圈61上还设有绝缘固定组件65，绝缘固定组件65固定在内防污筒72上；绝缘固定组件65的数量至少为3个。

本申请中，离子化线圈61通过绝缘固定组件65固定在内防污筒72上，使得离子化线圈61与防污组件、适配板5之间相对绝缘，而且基片台2、溅射组件、上防污环71、内防污筒72、压环74之间形成相对密封区域，能够将溅射等离子及镀膜离子限定在内部区域，避免溅射出来的靶材粒子对腔体内其他部位镀膜形成污染，如，压环的设置，可将基片(晶圆片)与内外防污筒之间的间隙遮挡住，避免膜层从间隙沉积到下方区域。

本实施例中，溅射腔体1、基片台2、溅射组件、绝缘环4、适配板5和离子化线圈组件同心布置；基片台2与第一射频电源81连接；离子化线圈61与第二射频电源82连接；溅射靶材31与直流溅射电源9连接；溅射腔体1还连通有抽真空组件；基片台2下方还设有用于升降和/或旋转的驱动组件；适配板5为中空结构。

本实施例中，溅射组件还包括旋转磁体32，旋转磁体32位于溅射靶材31的上方。

一种Ti/TiN薄膜的镀膜方法，采用上述本实施例中用于深孔PVD的金属自离子化装置对硅通孔进行镀膜处理，包括以下步骤：

S1、将具有硅通孔及绝缘层的晶圆片在真快环境下传送到基片台2上，其中硅通孔的直径在10μm以上且深宽比不大于10∶1。

S2、启动靶材背面的磁体旋转，通入氩气，沉积TiN时通入氮气，工艺气体输出采用MFC控制，流量大小根据体尺寸及抽气真空系统综合确定，腔体工艺压力为0.2-0.3Pa，直流溅射电源9的功率为15千瓦～20千瓦，第一射频电源81的功率为200瓦～400瓦，第二射频电源82的功率为600瓦～1000瓦，在此工艺条件下进行镀膜处理，在硅通孔内壁表面依次沉积Ti薄膜和TiN薄膜，即在绝缘层表层形成Ti/TiN薄膜，作为阻挡层，完成对硅通孔的镀膜处理。

本申请镀膜方法中，利用金属自离子化装置对硅通孔进行镀膜处理，通过优化第二射频电源的功率为600瓦～1000瓦，有助于提高溅射靶材粒子的离化率，同时通过优化第一射频电源的功率为200瓦～400瓦，有助于引导离化后的靶材粒子详细运动，提高深孔镀膜能力。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，包括溅射腔体(1)、基片台(2)、溅射组件、绝缘环(4)、适配板(5)和离子化线圈组件；所述适配板(5)位于溅射腔体(1)上部，所述溅射组件位于溅射腔体(1)顶部，所述溅射组件通过绝缘环(4)与适配板(5)绝缘密封布置；所述基片台(2)位于溅射腔体(1)内，所述离子化线圈组件位于溅射腔体(1)内，且位于基片台(2)和溅射组件之间；所述离子化线圈组件包括离子化线圈(61)；所述溅射组件包括溅射靶材(31)，所述溅射靶材(31)的材质与离子化线圈(61)相同；所述基片台(2)与第一射频电源(81)连接；所述离子化线圈(61)与第二射频电源(82)连接。

2.根据权利要求1所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，所述离子化线圈组件还包括电极(62)、电极连接件(63)和电极绝缘件(64)；所述离子化线圈(61)为开口环形，所述离子化线圈(61)的开口两端分别通过电极连接件(63)与电极(62)连接，所述电极(62)安装在适配板(5)上，所述电极绝缘件(64)包覆在电极连接件(63)的表面；所述离子化线圈(61)的开口处的间隙宽度为3mm～5mm；所述电极连接件(63)的材质为无氧铜；所述电极连接件(63)为薄壁S型结构；所述电极(62)的数量至少为2个；所述电极(62)为陶封电极；所述电极连接件(63)的数量至少为2个。

3.根据权利要求2所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，所述金属自离子化装置还包括防污组件；所述防污组件包括上防污环(71)、内防污筒(72)、外防污筒(73)和压环(74)；所述上防污环(71)、内防污筒(72)、外防污筒(73)同心布置在溅射腔体(1)内；所述内防污筒(72)位于外防污筒(73)内，所述上防污环(71)位于内防污筒(72)与溅射组件之间；所述上防污环(71)、内防污筒(72)、外防污筒(73)的法兰边固定在适配板(5)上；所述内防污筒(72)、外防污筒(73)的下部中心位置设有通槽；所述基片台(2)位于通槽内，通过压环(74)遮挡基片台(2)与内防污筒(72)、外防污筒(73)之间的间隙；所述内防污筒(72)、外防污筒(73)上设有用于安装电极绝缘件(64)和电极连接件(63)的安装孔或缺口；所述离子化线圈(61)与防污组件、适配板(5)之间相对绝缘。

4.根据权利要求3所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，所述压环(74)与基片台(2)同心布置，所述压环(74)的下表面设有若干个用于将基片固定在基片台(2)上的接触点；所述基片台(2)、溅射组件、上防污环(71)、内防污筒(72)、压环(74)之间形成相对密封区域；所述上防污环(71)的上法兰面及内环面与溅射靶材(31)之间的间隙为1.5mm。

5.根据权利要求3所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，所述离子化线圈(61)上还设有绝缘固定组件(65)，所述绝缘固定组件(65)固定在内防污筒(72)上；所述绝缘固定组件(65)的数量至少为3个。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，所述溅射腔体(1)、基片台(2)、溅射组件、绝缘环(4)、适配板(5)和离子化线圈组件同心布置；所述溅射靶材(31)与直流溅射电源(9)连接；所述溅射腔体(1)还连通有抽真空组件；所述基片台(2)下方还设有用于升降和/或旋转的驱动组件；所述适配板(5)为中空结构。

7.根据权利要求6所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置，其特征在于，所述溅射组件还包括旋转磁体(32)，所述旋转磁体(32)位于溅射靶材(31)的上方。

8.一种镀膜方法，其特征在于，所述镀膜方法是采用权利要求1～7中任一项所述的用于深孔PVD的金属自离子化装置对硅通孔进行镀膜处理。

9.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将具有硅通孔的基片置于基片台(2)上；

S2、在硅通孔内壁表面依次沉积阻挡层，完成对硅通孔的镀膜处理。

10.根据权利要求9所述的镀膜方法，其特征在于，步骤S1中，所述硅通孔的直径在10μm以上且深宽比不大于10∶1；所述基片为晶圆片；

步骤S2中，在沉积阻挡层之前，还包括在硅通孔内壁表面沉积绝缘层；所述阻挡层的沉积过程中采用的工艺参数为：以氩气或氮气为工艺气体，溅射腔体(1)的压力为0.2Pa～0.3Pa，直流溅射电源(9)的功率为15千瓦～20千瓦，第一射频电源(81)的功率为200瓦～400瓦，第二射频电源(82)的功率为600瓦～1000瓦；所述阻挡层为Ti/TiN薄膜或Ta/TaN薄膜。

Images