CN116855892B - 一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，包括以下步骤：S1：提供PVD反应腔体，反应腔体内设置有加热器，加热器上设置有一导热结构，加热器上设置有顶针，靶材为AlSi或AlSiCu；S2：加热器温度设置在150‑280℃，反应腔体的气压为真空或者接近真空；S3：反应腔体的射频功率设置为11‑18kw，通入氩气，沉积相应时间的AlSi或AlSiCu薄膜；S4：关闭反应腔体电源，通过导热气体稳压冷却，静置相应时间后抽出导热气体，进行下一次沉积，直到得到相应厚度的沉积AlSi或AlSiCu薄膜，使用此工艺方式可以使单片工艺时间可以缩短30%左右。

Description

一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体为一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法。

背景技术

半导体器件生产中，Al常用被用做金属连线，但存在铝钉和电迁移现象，影响器件的稳定性。Si与Al形成的合金可以保证硅在Al中饱和而有效抑制铝钉现象的发生，Cu与Al形成的铝铜合金可以防止电迁移的现象发生。金属互连会运用到的材料AlSi或AlSiCu，引入的0.5%~1%的Si可以防止AlSi互融造成PN结的损坏，但Si的引入，会造成刻蚀后硅渣的析出，小黑点的出现，影响产品的表观，影响目检的判断，且硅渣的残留可能引起短路，造成器件的失效。行业内对AlSi或AlSiCu中硅渣的处理常用的方法有：1、厚场铝栅，加大后续AlSiCu干法刻蚀的过刻量，一般30%左右；2、薄场铝栅，过刻量10%左右，会有少量硅渣，需要硝酸、氟硼酸和醋酸溶液对硅渣进行处理；3、大量硅渣时，需要使用Plasma对硅渣进行刻蚀，主要使用含F气体，如：SF₆、CF₄、CHF₃等进行刻蚀。业内对于AlSi或AlSiCu厚膜的沉积，通常采用加背压，多次沉积和静置冷却循化的方式，虽然对硅渣起到了改善的作用，但不能根除，需要增加硅渣去除制程，且循环沉积和静置的次数较多又影响产能。

例如申请号CN202211192126.4，名称为一种金属互连层腐蚀方法；利用扫硅渣液去除金属腐蚀后留下的硅渣；进行湿法有机清洗，对残留光刻胶及颗粒进一步去除；使用双氧水对薄膜电阻区TiW阻挡层进行腐蚀；薄膜电阻金属互连层制备完成。

又例如申请号CN201811565492.3，名称为一种硅片减薄后的清洗工艺，通过酸溶液清洗、NH₄OH和H₂O₂混合溶液清洗、碱溶液清洗、NH₄OH和H₂O₂混合溶液清洗，可以有效去除硅片表面金属，防止杂质碱腐蚀后形成污渍残留硅片表面，通过碱溶液与硅粉作用能够有效的去除硅渣沉积。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，本发明的工艺中导热结构可以增加加热器对基片大功率磁控溅射在腔室内产生的大量热量的吸收传导能力，并且，均匀化基片热量的分布，同时防止基片过热的现象，造成膜层晶粒尺寸变大，电阻率变差，反射率变差，铜析出，后道硅渣残留等一系列问题，使用大流量惰性气体（Ar和Kr等不与靶材反应的导热气体）充气保压在导热结构吸热的基础上，增加热传导的方式进一步降低基片的温度，防止基片过热，晶圆的温升较小，且持续跑片后，片与片之间的温度差异缩小；并同时结合稳压冷却和顶针的升降，极大地加快环境、基片与加热器进行热量传递，使用此工艺方式可以使单片工艺时间可以缩短30%左右。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，包括以下步骤：

S1：提供PVD反应腔体，反应腔体内设置有加热器，加热器上设置有一导热结构，基片位于导热结构上，加热器上设置有顶针，导热结构上具有用于顶针通过的间隙，靶材为AlSi或AlSiCu；

S2：加热器温度设置在150-280℃，反应腔体的气压为真空或者接近真空；

S3：反应腔体的射频功率设置为11-18kw，通入30-70sccm的氩气，沉积相应时间的AlSi或AlSiCu薄膜；

S4：关闭反应腔体电源，通过导热气体稳压冷却，气压稳定在0.5-1.5Torr，静置相应时间后抽出导热气体，进行下一次沉积或根据沉积次数的需要依次循环稳压冷却再沉积，稳压冷却的期间顶针顶起基片静置，进入下一次沉积时顶针收起并根据稳压冷却的次数循环操作，直到得到相应厚度的沉积AlSi或AlSiCu薄膜。

作为本发明进一步的方案，所述导热气体为氩气或氦气。

作为本发明进一步的方案，在步骤S2中反应腔体的气压为10^-8Torr。

作为本发明进一步的方案，PVD反应腔体通过一阀连接有涡轮泵或冷泵。

作为本发明进一步的方案，步骤S4中关闭电源，冷泵配合插板阀调整为关闭或中间状态，然后通入流量为500-1000sccm的导热气体，气压稳定在0.5-1.5Torr，气压稳定后升起顶针静置12-20s。

作为本发明进一步的方案，步骤S4中关闭电源，涡轮泵配合蝶阀调整阀的角度，通入流量为500-1000sccm的导热气体，使得腔体气压在0.5-1.5Torr，气压稳定后升起顶针静置12-20s。

作为本发明进一步的方案，所述导热结构上表面为锯齿状结构，通过涂覆的方式在加热器上形成所述导热结构。

作为本发明进一步的方案，所述导热结构贴合在加热器上。

作为本发明进一步的方案，生产4um的沉积AlSiCu薄膜的工艺为：首先经过一次沉积；然后经过稳压冷却和顶针顶起并静置20s；再沉积一次即可得到4um的沉积AlSiCu薄膜。

作为本发明进一步的方案，生产5.5um的沉积AlSiCu薄膜的工艺为：首先经过第一次沉积；然后经过第一次稳压冷却和顶针顶起并静置20s；再沉积第二次；第二次沉积结束后经过第二次稳压冷却和顶针顶起并静置20s；最后经过第三次沉积即可得到5.5um的沉积AlSiCu薄膜。

本发明具有以下有益效果：

通过本发明的工艺可以使沉积的AlSi或AlSiCu薄膜上没有硅渣的残留，进而可以省去了现有技术中去除渣硅的制程并且大大提成了良品率，同时防止基片过热的现象，造成膜层晶粒尺寸变大，电阻率变差，反射率变差，铜析出，后道硅渣残留等一系列问题，当晶粒尺寸小于7um，在干法刻蚀后，无硅渣出现，从而可以省去后续硅渣处理制程；

本发明通过对工艺的改进，导热结构、稳压冷却和基片位置切换三者相结合的方式，缩短了单片晶圆沉积和冷却循环次数和时间，单片工艺时间可以缩短30%左右，从而提高产能。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法的流程示意图。

图2是本发明一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法的中PVD反应腔体的结构示意图。

图3是本发明一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法的中顶针顶起基片的状态图。

图4是本发明提到的常规AlSiCu溅射膜层在干法刻蚀后出现硅渣示意图。

图5是经过本发明的工艺沉积的AlSiCu溅射膜层在干法刻蚀后未出现硅渣示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在现有技术沉积AlSi或AlSiCu薄膜的方法中Si的引入，会造成刻蚀后硅渣的析出，小黑点的出现，影响产品的表观，影响目检的判断，行业中通常使用加背压的方式来使晶圆降温便于多次沉积，背压中通入流量为15sccm的导热气体，多次沉积和静置冷却循化的方式，虽然对硅渣起到了改善的作用，但不能根除，需要增加硅渣去除制程，且循环沉积和静置的次数较多又影响产能。

根据上述存在的问题，从而提出了本发明，参见图1所示，一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，包括以下步骤：S1：提供PVD反应腔体11，反应腔体内设置有加热器15，加热器15上设置有一导热结构，基片14位于导热结构上，加热器15上设置有顶针16，导热结构上具有用于顶针16通过的间隙，靶材10为AlSi或AlSiCu；参照图2所示，导热结构位于加热器15与基片14之间，顶针位于加热器15上，进一步加热器15上设置了若干个顶针，优选为三个，以组成三角的形式顶起晶圆（基片），在工作的时候顶起，不工作的时候收缩在加热器内，顶针在加热器15上的运动方式可以采用气动的方式或者电驱动的方式，在本发明中不做限定。参照图3所示是顶针顶起时的状态图，顶针的顶起高度1-20mm，优选为5mm，通过设置顶针的方式，可以大大加快热量的传导。

S2：加热器温度设置在150-280℃，反应腔体的气压为真空或者接近真空；在制备AlSi或AlSiCu薄膜过程中，加热器15优选的设置温度为200℃，反应腔体的气压优选为10^{- 8}Torr。

S3：反应腔体的射频功率设置为11-18kw，通入30-70sccm的氩气，沉积相应时间的AlSi或AlSiCu薄膜；在该步骤中根据沉积不同厚度的AlSi或AlSiCu薄膜选择相应的时间，以及氩气的流量以及射频功率相匹配。

S4：关闭反应腔体电源，通过导热气体稳压冷却，气压稳定在0.5-1.5Torr，静置相应时间后抽出导热气体，进行下一次沉积或根据沉积次数的需要依次循环稳压冷却再沉积，稳压冷却的期间顶针同时顶起基片静置，进入下一次沉积时顶针收起并根据稳压冷却的次数循环操作，直到得到相应厚度的沉积AlSi或AlSiCu薄膜。在该步骤中，当第一次AlSi或AlSiCu薄膜沉积结束后，关闭反应腔体电源，此时关闭排气的阀门，并通入导热气体稳压冷却，气压稳定在0.5-1.5Torr，要注意的是，在稳压冷却的期间（待反应腔体气压稳定）顶针同时顶起基片静置，也就是顶针的静置时间和反应腔体气压稳定时稳压冷却时间一致，根据沉积的AlSi或AlSiCu薄膜一般选择15-20s，静置时间结束后，打开阀门对反应腔体抽真空，进行下一次的沉积，根据沉积不同厚度的AlSi或AlSiCu薄膜，循环上述的冷却步骤，从而得到无硅渣残留的AlSi或AlSiCu沉积薄膜。

在本发明中，导热结构可以增加加热器对基片大功率磁控溅射在腔室内产生的大量热量的吸收能力，并且，均匀化基片热量的分布，同时防止基片过热的现象，造成膜层晶粒尺寸变大，电阻率变差，反射率变差，铜析出，后道硅渣残留等一系列问题，使用大流量惰性气体充气保压在导热结构吸热的基础上，增加热传导的方式进一步降低基片的温度，防止基片过热，晶圆的温升较小，且持续跑片后，片与片之间的温度差异缩小。其中大流量气体的稳压冷却方式为：关闭排气阀门的下，使得腔体气压在0.5~1.5Torr持续15~20s。需注意：时间可以根据工艺需求进行调节，且流气时基片放置于加热器上,气压稳定后,通过顶针升至上升的位置,此时顶针将基片顶起，基片不与加热器接触，极大地加快环境、基片与加热器进行热量传递。使用此工艺方式可以使单片工艺时间可以缩短30%左右。

导热气体为氩气或氦气，优选为氦气，传导能力更强，可以根据泵的类型选择相应的气体，如果采用冷泵则不能用氦气，在本发明中可以使用氩气。具体到本发明的工艺中沉积一次结束时阀12是关闭的状态，然后通入气体，将环境的热量传导出去，主要是带走晶圆的热量，加强热量的传导。

在本发明可以选择不同的泵13来实现气体的热量传导，例如步骤S4中关闭电源，冷泵配合插板阀调整为关闭或中间状态，然后通入流量为500-1000sccm的导热气体，气压稳定在0.5-1.5Torr，并升起顶针静置12-20s；或者关闭电源，涡轮泵配合蝶阀调整阀的角度，通入流量为500-1000sccm的导热气体，使得腔体气压在0.5-1.5Torr，并升起顶针静置12-20s。

导热结构上表面为锯齿状结构，通过涂覆的方式在加热器上形成导热结构，导热结构在加热器15的上表面，通过锯齿状的结构，增加传导；从而实现从晶圆吸走热量到加热器，晶圆的温度更加均匀，并对晶圆进行了降温；导热结构还可以是贴合在加热器上，在本发明不做限定。

本发明将导热结构、稳压冷却并结合顶针的方式应用到AlSi或AlSiCu薄膜的沉积中，通过三种方式的结合，可以解决AlSi或AlSiCu在沉积的时候，若长时间沉积，大功率溅射会使基片的温升较大，由于腔体气压较低，热量很难通过加热器带出去，多片连续沉积时，晶圆温度会越来越高，温度过高导致Si析出，当Si晶粒大到一定程度，在后续的刻蚀将很难去除干净，就会形成硅渣的问题。从而实现通过大流量惰性气体充气稳压冷却和切换基片位置的方式，可以加快热量从基片传递给加热器，导热结构高吸收，低反射性高效的，防止基片过热而造成的膜层晶粒尺寸变大，电阻率变差，反射率变差，铜析出，参照图4所示，在光学显微镜下可以看到，后道硅渣残留等一系列问题，在图4中黑点残留的硅渣，需要进一步增加通过后续的去除制程，以及在现有技术中当出现黑点时检测人员并不清楚是硅渣还是环境污染引起的，同样也会增加处理的过程，可能在正常温度下沉积的合格产品也要进行下一步的处理制程。参照图5所示，当晶粒尺寸小于7um，在干法刻蚀后，无硅渣出现，从而可以省去后续硅渣处理制程；导热结构、稳压冷却和基片位置切换三者相结合的方式，缩短了单片晶圆沉积和冷却循环次数和时间，单片工艺时间可以缩短30%左右，从而提高产能。

例如目前常用的厚Al工艺使用背压和多次沉积的方式，如4um的AlSiCu使用功率为11.5kw，5次沉积，4次冷却，每次冷却为30s；5.5um的AlSiCu使用功率为11.5kw，8次沉积，7次冷却，每次冷却为30s。偶发性的可以在干法刻蚀性目检看到硅渣，所以在制程中需要加去硅渣去除工序。在现有的技术中必须要通过冷却到适当的温度才能进行下一次的沉积，从而导致每次的沉积时间短，冷却时间长，沉积步骤多，大大降低了产能。

而通过本发明的工艺，功率使用为11~18kw，4um的AlSiCu只需要2次沉积，1次冷却，每次冷却时间为20s，具体为生产4um的沉积AlSiCu薄膜的工艺为：首先经过一次沉积；然后经过稳压冷却和顶针顶起并静置20s；再沉积一次即可得到4um的沉积AlSiCu薄膜；5.5um的AlSiCu只需要3次沉积，2次冷却，每次冷却时间为20s，具体为生产5.5um的沉积AlSiCu薄膜的工艺为：首先经过第一次沉积；然后经过第一次稳压冷却和顶针顶起并静置20s；再沉积第二次；第二次沉积结束后经过第二次稳压冷却和顶针顶起并静置20s；最后经过第三次沉积即可得到5.5um的沉积AlSiCu薄膜，要说明的是本发明的冷却时间包含了晶圆位置变换的时间。单片晶圆来说，沉积4um膜节约100s以上，沉积5.5um膜节约170s以上，相当于产能提高了30%左右。同时对用此工艺方式沉积的薄膜进行相关性能测试：晶粒尺寸正常无变大、电阻率正常无变大、反射率正常无变小、应力正常无变小、铜无析出、后道无硅残留，所有参数正常，也证明了用此工艺方式沉积薄膜时，基片温度没有过热问题。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，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。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：提供PVD反应腔体，反应腔体内设置有加热器，加热器上设置有一导热结构，基片位于导热结构上，加热器上设置有顶针，导热结构上具有用于顶针通过的间隙，靶材为AlSi或AlSiCu；

S2：加热器温度设置在150-280℃，反应腔体的气压为真空或者接近真空；

S3：反应腔体的射频功率设置为11-18kw，通入30-70sccm的氩气，沉积相应时间的AlSi或AlSiCu薄膜；

S4：关闭反应腔体电源，通过导热气体稳压冷却，气压稳定在0.5-1.5Torr，静置相应时间后抽出导热气体，进行下一次沉积或根据沉积次数的需要依次循环稳压冷却再沉积，稳压冷却的期间顶针顶起基片静置，进入下一次沉积时顶针收起并根据稳压冷却的次数循环操作，直到得到相应厚度的沉积AlSi或AlSiCu薄膜，所述导热结构上表面为锯齿状结构。

2.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，所述导热气体为氩气或氦气。

3.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，在步骤S2中反应腔体的气压为10 Torr。

4.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，PVD反应腔体通过一阀连接有涡轮泵或冷泵。

5.如权利要求4所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，步骤S4中关闭电源，冷泵配合插板阀调整为关闭或中间状态，然后通入流量为500-1000sccm的导热气体，气压稳定在0.5-1.5Torr，气压稳定后升起顶针静置12-20s。

6.如权利要求4所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，步骤S4中关闭电源，涡轮泵配合蝶阀调整阀的角度，通入流量为500-1000sccm的导热气体，使得腔体气压在0.5-1.5Torr，气压稳定后升起顶针静置12-20s。

7.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，通过涂覆的方式在加热器上形成所述导热结构。

8.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，所述导热结构贴合在加热器上。

9.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，生产4um的沉积AlSiCu薄膜的工艺为：首先经过一次沉积；然后经过稳压冷却和顶针顶起并静置20s；再沉积一次即可得到4um的沉积AlSiCu薄膜。

10.如权利要求1所述的一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法，其特征在于，生产5.5um的沉积AlSiCu薄膜的工艺为：首先经过第一次沉积；然后经过第一次稳压冷却和顶针顶起并静置20s；再沉积第二次；第二次沉积结束后经过第二次稳压冷却和顶针顶起并静置20s；最后经过第三次沉积即可得到5.5um的沉积AlSiCu薄膜。