CN115058695A - 溅射方法及半导体器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种溅射方法及半导体器件的制造方法，溅射方法包括：提供一衬底，衬底中形成有接触孔；对衬底执行除气处理，处理温度大于或等于300℃，处理时间大于或等于100秒；对衬底执行干法清洗处理，清洗功率大于或等于400瓦特；将衬底置于静电卡盘上，执行直流溅射工艺以形成粘附层及阻挡层，静电卡盘的进气开关处于关闭状态。本发明中，通过提高去除衬底表面的水汽及颗粒的去除效果，以及通过关闭静电卡盘的进气开关，以提高衬底的温度且避免气体在衬底表面的扰动，从而解决执行直流溅射工艺时衬底表面电弧击伤的问题。

Description

溅射方法及半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种溅射方法及半导体器件的制造方法。
背景技术
在半导体工艺制程中，利用钨塞作为互连结构应用较为广泛。钨塞的形成过程可例如包括：在接触孔中形成粘附层（例如钛），所述粘附层覆盖接触孔的内壁，再形成阻挡层（例如氮化钛），所述阻挡层覆盖粘附层，再执行退火工艺，并在开口中填充钨以形成钨塞。
通过射频电源（溅射电源，作用于靶材）执行溅射工艺的过程可例如包括：对衬底进行除气处理，除气处理温度为200℃~250℃，处理时间为50秒~70秒；再对衬底进行干法清洗处理（离子轰击），干法清洗处理的功率为200瓦特~300瓦特；再将衬底上沉积置于溅射腔室的静电卡盘上执行射频溅射工艺以形成粘附层及阻挡层，其中，静电卡盘内设置有交流偏置电源、加热单元及进气管路，在执行溅射工艺时，利用加热单元对衬底进行加热且通过进气管路通入工艺气体。
一般而言，相较于射频溅射工艺，采用直流溅射工艺形成金属膜层具有更高的溅射速率及设备成本。然而，利用直流电源参考上述射频电源的参数执行溅射工艺在衬底上形成溅射膜层后，却发现衬底（溅射膜层）的表面存在较多电弧击伤（Arcing），严重影响产品良率及制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种溅射方法及半导体器件的制造方法，用于解决执行直流溅射工艺时衬底表面电弧击伤的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种溅射方法，包括：提供一衬底，所述衬底中形成有接触孔；对所述衬底执行除气处理，所述除气处理的处理温度大于或等于300℃，所述除气处理的处理时间大于或等于100秒；对所述衬底执行干法清洗处理，所述干法清洗处理的清洗功率大于或等于400瓦特；以及，将所述衬底置于溅射设备的静电卡盘的正面上，执行直流溅射工艺以在所述接触孔内依次形成粘附层及阻挡层，在执行所述直流溅射工艺时，所述静电卡盘的背面连接的进气管道的进气开关处于关闭状态。
可选的，所述除气处理的处理温度为300℃~400℃，所述除气处理的处理时间为100秒~150秒。
可选的，所述干法清洗处理的工艺气体包括氩气，所述干法清洗处理的清洗功率为500瓦特~600瓦特，所述干法清洗处理的电离功率为400瓦特~500瓦特。
可选的，所述溅射设备为常温直流溅射设备，所述常温直流溅射设备的静电卡盘中未设置加热单元。
可选的，所述衬底的材质包括硅，所述粘附层的材质包括钛，所述阻挡层的材质包括氮化钛。
可选的，所述溅射工艺中的工艺气体从所述衬底的正面的上方通入，且在形成所述粘附层时的工艺气体包括氩气，在形成所述阻挡层时的工艺气体包括氩气及氮气。
可选的，所述溅射工艺中电源功率为25000瓦特~40000瓦特。
可选的，形成所述粘附层时的直流电源功率大于形成所述阻挡层时的直流电源功率。
可选的，所述衬底的表面覆盖有介质层，所述接触孔贯穿所述介质层。
基于本发明的另一方面，还提供一种半导体器件的制造方法，采用如上述的溅射方法在接触孔内依次形成粘附层及阻挡层。。
综上所述，本发明提供的溅射方法及半导体器件的制造方法：利用在对衬底进行除气处理时设置处理温度大于或等于300℃且处理时间大于或等于100秒，提高对衬底的残留水汽的去除效果，利用在对衬底进行清洗处理时设置清洗功率大于或等于400瓦特，提高对衬底上的颗粒或氧化层的去除效果，以及在利用执行直流溅射工艺时，关闭放置衬底的静电卡盘的进气开关，避免气体带走热量以提高衬底的温度，而且还可避免气体在衬底表面的扰动，从而解决在执行直流溅射工艺时衬底表面电弧击伤的问题。另外，在上述直流溅射工艺中并未开启放置衬底的静电卡盘的加热器，不仅可利用直流溅射工艺相较于射频溅射工艺的更高的溅射速率及更低的设备成本的优势，还可避免加热器的配置及使用成本，从而进一步降低生产成本。
附图说明
本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。
图1为本申请实施例提供的溅射方法的流程图。
图2a~图2c是本申请实施例提供的溅射方法的相应步骤对应的结构示意图。
附图中：10-衬底；11-介质层；12-接触孔；13-静电卡盘；14-进气开关；21-粘附层；22-阻挡层；30-导电材料层。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。
图1为本申请实施例提供的溅射方法的流程图。
如图1所示，本实施例提供的溅射方法，包括：
S1：提供一衬底，所述衬底中形成有接触孔；
S2：对所述衬底执行除气处理，所述除气处理的处理温度大于或等于300℃，所述除气处理的处理时间大于或等于100秒；
S3：对所述衬底执行干法清洗处理，所述干法清洗处理的清洗功率大于300瓦特；
S4：将所述衬底置于溅射设备的静电卡盘的正面上，执行直流溅射工艺以在所述接触孔内依次形成粘附层及阻挡层，在执行所述直流溅射工艺时，所述静电卡盘的背面连接的进气管道的进气开关处于关闭状态。
图2a~图2c是本申请实施例提供的溅射方法的相应步骤对应的结构示意图。接下来，将结合图2a~图2c对溅射方法进行详细说明。
下面将结合流程图对溅射方法进行详细介绍。
首先，请参照图2a，执行步骤S1，提供一衬底10，衬底10中形成有接触孔12。
其中，衬底10可以是本领域技术人员所熟知的任意合适的基底材料，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。本实施例中以衬底10的材质为硅为例加以说明。
衬底10上形成盖有介质层11，介质层11覆盖衬底10的表面，并在介质层11中形成有暴露衬底10中的元件层（未示出）的接触孔12。接触孔12还可部分延伸至元件层中，以增大接触面积，降低接触电阻。其中，介质层11可为层间介质层或者金属间介质层，元件层可为源漏结构、栅极结构或其他（上一级）互连结构（例如接触孔插塞或者互连线）。在实际中，接触孔12还可包括位于接触孔上上的互连线沟槽，以便在形成接触孔插塞的同时形成互连线。
在本实施例中，衬底10上覆盖的介质层11为层间介质层（ILD），并暴露衬底10中的源漏结构（元件层）。
接着，执行步骤S2，对衬底10执行除气处理，除气处理的处理温度大于或等于300℃，除气处理的处理时间大于或等于100秒。
溅射设备具有多个腔室（Chamber），衬底10在多个腔室中顺次流转以溅射形成膜层，多个腔室（Chamber）可包括除气腔室、清洗腔室以及镀膜腔室。其中，除气腔室利用高温去除衬底10中的水汽（除气处理），清洗腔室用于利用离子冲刷并去除衬底10的表面以及接触孔12的内壁上的颗粒及氧化层（干法清洗处理），镀膜腔室用于执行溅射工艺在衬底10的表面及接触孔12的内壁上形成相应的溅射膜层。溅射设备可以仅包含一个镀膜腔室，也可以包含至少两个以上镀膜腔室以分步骤形成同一溅射膜层或至少两个溅射膜层。
本实施例中，除气腔室的处理温度大于或等于300℃，且处理时间大于或等于100秒，以提高去除介质层11内或接触孔12中的残留水汽，从而降低后续执行溅射工艺时衬底10表面发生电弧击伤的概率。
优选的，处理腔室的处理温度为300℃~400℃，且处理时间为100秒~130秒，以兼顾衬底10中其他结构单元的热预算和处理效率。
接着，执行步骤S3，对衬底10执行干法清洗处理，干法清洗处理的清洗功率大于或等于400瓦特。
在除气腔室对衬底10进行除气处理后，将衬底10转移至清洗腔室进行干法清洗处理。其中，干法清洗处理中的工艺气体可为氩气，对氩气利用电离电源（射频）进行电离处理形成氩离子后，再利用清洗电源（射频）将氩离子垂直轰击到衬底10的表面，以清洗（去除）介质层11上及接触孔12中的颗粒或氧化层。
在本实施例中，在执行干法清洗时，清洗电源的清洗功率大于或等于400瓦特，以提高对介质层11及接触孔12中的颗粒或氧化层的清洗效果（冲刷效果），防止有杂质（颗粒或氧化层）异常凸出，从而降低后续执行溅射工艺时衬底10发射电弧击伤的概率。不难理解，加大干法清洗处理的清洗功率更有利于离子轰击到接触孔12的底部，以去除接触孔12底部的颗粒或氧化层，而且当接触孔12的深宽比较大时上述清洗效果尤为显著。当然，在增大清洗功率的同时，还可相应增大工艺气体的电离功率以提高离子浓度从而进一步提高干法清洗处理的效果。优选的，干法清洗处理的清洗功率可为500瓦特~600瓦特，其电离功率可为400瓦特~500瓦特。
与此同时，还可通过减少上述干法清洗处理的时间，以防止或减小对衬底10的表面的过度清洗以防止对其他工艺产生较大影响，从另一方面而言，减少干法清洗处理的时间还可抵消（或部分抵消）前面延长除气处理时间对制造效率的影响。
接着，请参照图2b，执行步骤S4，将衬底10置于溅射腔室的静电卡盘13的正面上，执行直流溅射工艺以先后形成粘附层21及阻挡层22，粘附层21覆盖接触孔12的内壁，阻挡层22覆盖粘附层21，其中，在执行直流溅射工艺时，静电卡盘13的背面连接的进气管道的进气开关14处于关闭状态。
在清洗腔室对衬底10进行干法清洗处理后，将衬底10转移至镀膜腔室执行直流溅射工艺以形成粘附层21及阻挡层22。在本实施例中，可在同一镀膜腔室内先后形成粘附层21及阻挡层22，以减少衬底10在不同镀膜腔室的流转次数以提高制造效率。
本实施例中采用直流溅射电源执行直流溅射工艺，相较于利用射频溅射电源执行射频溅射工艺，直流溅射工艺具有较高的溅射速率，且直流溅射设备的设备成本更低，有利于降低生产成本。
具体的，将衬底10放置于镀膜腔室的静电卡盘13（Electro Static Chuck，ESC）上。静电卡盘13中连接设置有进气管道，利用该进气管路从衬底的背面或边缘通入工艺气体，并在位于静电卡盘13的背面的进气管道上设置有进气开关14。当然实际中，静电卡盘13中还可例如设置有其他结构，例如举升结构，通过举升结构以实现衬底10的取放。
在执行溅射工艺过程中，衬底10放置于静电卡盘13上，由于除气处理及干法清洗处理的程度较高，进入镀膜腔室的衬底的温度较高（例如大于80℃），而且静电卡盘13的进气开关14处于关闭状态，通过避免工艺气体从衬底10的边缘（或背面）通入而带走衬底10的热量，从而使得衬底10在靶材离子的轰击下更容易升温，由此即可使衬底10在不需要加热器（设置于静电卡盘13中）的情况下保持相对较高的温度（例如200℃~400℃），从而有利于降低衬底10表面的电弧击伤。该方法不仅适用于常温型直流电源溅射设备（镀膜腔室的静电卡盘13未设置加热器），也用于镀膜腔室的静电卡盘13具有加热器的镀膜设备通过不开启镀膜腔室的静电卡盘13的加热器，从而达到节省能耗以及相应的维护成本。
与此同时，关闭静电卡盘13的进气开关，还可减少或避免工艺气体在衬底10表面的扰动，其中，工艺气体在衬底10表面的扰动可例如包括气体衬底10表面可能存在的颗粒或水汽、等离子体的阻抗的异常变化等，从而减少衬底10表面发射电弧击伤的概率。
以衬底10为硅衬底且后续在接触孔12中填充的导电材料层30包括钨为例，粘附层21的材料包括钛，形成粘附层21的工艺气体包括氩气，阻挡层22的材料包括氮化钛，形成阻挡层22的工艺气体包括氩气及氮气，上述工艺气体均从衬底10的上方通入到溅射腔室内（例如从衬底10与靶材之间）。在通过直流电源以自电离电浆方式（Self-Ionized Plasma，SIP）执行溅射工艺形成粘附层21及阻挡层22时，溅射工艺中直流电源功率为25000瓦特~40000瓦特，形成粘附层21时的直流电源功率大于形成阻挡层22时的直流电源功率，形成粘附层21时的直流电源功率例如为37000瓦特，形成阻挡层22时的直流电源功率例如为33000瓦特。当然，本实施例中的溅射工艺可为磁控溅射，而且不以溅射工艺的电离方式为限制，其电离方式还可为其他可行的电离方式。
当然，在实际中，当关闭静电卡盘13的进气开关14时，还可适当增大衬底10正面的上方通入的的工艺气体（包括第一工艺气体及第二工艺气体）的流量，以尽量减少工艺参数的变动。
执行上述溅射工艺形成粘附层21及阻挡层22后，再执行退火工艺，以使接触孔12底部的硅与粘附层21形成钛硅化物，以降低接触电阻。退火工艺可为快速热退火，其退火温度可为100℃~300℃，退火时间可为5分钟~15分钟。
接着，请参照图2c，形成导电材料层30，导电材料层30覆盖阻挡层22，并填充接触孔12，以接触孔12中的粘附层21、阻挡层22及导电材料层30作为互连结构。
以粘附层的材质包括钛且阻挡层的材质包括氮化钛为例，导电材料层的材质为钨，并可例如通过CVD工艺形成钨。导电材料层覆盖衬底表面上及接触孔内的阻挡层，并延伸至接触孔的上方，去除衬底上的导电材料层、阻挡层、粘附层以及接触孔上述的导电材料层，以接触孔中的导电材料层、粘附层及阻挡层作为互连结构。
本实施例还提供一种半导体器件的制造方法，该半导体器件具有互连结构，且至少一互连结构采用如上述的溅射方法在接触孔内依次形成粘附层及阻挡层，即该半导体器件的制造方法包括如上述的溅射方法。
综上所述，本发明提供的溅射方法及半导体器件的制造方法：利用在对衬底进行除气处理时设置处理温度大于或等于300℃且处理时间大于或等于100秒，提高对衬底的残留水汽的去除效果，利用在对衬底进行清洗处理时设置清洗功率大于或等于400瓦特，提高对衬底上的颗粒或氧化层的去除效果，以及在利用执行直流溅射工艺时，关闭放置衬底的静电卡盘的进气开关，避免气体带走热量以提高衬底的温度，而且还可避免气体在衬底表面的扰动，从而解决在执行直流溅射工艺时衬底表面电弧击伤的问题。另外，在上述直流溅射工艺中并未开启放置衬底的静电卡盘的加热器，不仅可利用直流溅射工艺相较于射频溅射工艺的更高的溅射速率及更低的设备成本的优势，还可避免加热器的配置及使用成本，从而进一步降低生产成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种溅射方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有接触孔；
对所述衬底执行除气处理，所述除气处理的处理温度大于或等于300℃，所述除气处理的处理时间大于或等于100秒；
对所述衬底执行干法清洗处理，所述干法清洗处理的清洗功率大于或等于400瓦特；以及，
将所述衬底置于溅射设备的静电卡盘的正面上，执行直流溅射工艺以在所述接触孔内依次形成粘附层及阻挡层，在执行所述直流溅射工艺时，所述静电卡盘的背面连接的进气管道的进气开关处于关闭状态。
2.根据权利要求1所述的溅射方法，其特征在于，所述除气处理的处理温度为300℃~400℃，所述除气处理的处理时间为100秒~150秒。
3.根据权利要求1所述的溅射方法，其特征在于，所述干法清洗处理的工艺气体包括氩气，所述干法清洗处理的清洗功率为500瓦特~600瓦特，所述干法清洗处理的电离功率为400瓦特~500瓦特。
4.根据权利要求1所述的溅射方法，其特征在于，所述溅射设备为常温直流溅射设备，所述常温直流溅射设备的静电卡盘中未设置加热单元。
5.根据权利要求4所述的溅射方法，其特征在于，所述衬底的材质包括硅，所述粘附层的材质包括钛，所述阻挡层的材质包括氮化钛。
6.根据权利要求5所述的溅射方法，其特征在于，所述溅射工艺中的工艺气体从所述衬底的正面的上方通入，且在形成所述粘附层时的工艺气体包括氩气，在形成所述阻挡层时的工艺气体包括氩气及氮气。
7.根据权利要求6所述的溅射方法，其特征在于，所述溅射工艺中电源功率为25000瓦特~40000瓦特。
8.根据权利要求7所述的溅射方法，其特征在于，形成所述粘附层时的直流电源功率大于形成所述阻挡层时的直流电源功率。
9.根据权利要求1所述的溅射方法，其特征在于，所述衬底的表面覆盖有介质层，所述接触孔贯穿所述介质层。
10.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，采用如权利要求1至9中任一项所述的溅射方法在接触孔内依次形成粘附层及阻挡层。
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