專利名稱：鋁銅膜的物理氣相沉積方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路制造領域，特別涉及一種鋁銅膜的物理氣相沉積方法。
背景技術：
物理氣相沉積(physical vapor deposition :PVD)技術通常也被稱為“派射”。 PVD的濺射腔主要部分包括由用于沉積的材料熔煉而成的靶材；支撐晶片的底座；以及幫助撞擊等離子體的旋轉磁鐵。PVD工藝需要高真空環(huán)境來產生等離子體，當大的負直流電壓加在靶材上時，電子被激發(fā)并轟擊Ar原子形成Ar+離子，Ar+離子被帶負電的靶材吸引，以很高的速度來撞擊靶，對靶材的撞擊導致金屬原子和額外的電子被釋放出來，最后被濺射的金屬原子沉積到晶片上形成金屬薄膜。PVD是半導體制程的金屬布線技術中眾所周知的關鍵技術。為了適應半導體的工藝制程，布線需要由低電阻率的材料來制備，而且它們的物理性質必須很穩(wěn)定，要耐腐蝕又要能被刻蝕或能被CMP拋光。為了滿足上述要求，半導體制造中，貴金屬以其具有良好的化學穩(wěn)定性，高電導率和熱導率，特有的電學、磁學、光學等性能，成為半導體微電子技術中的常用材料。但是隨著集成電路集成度的逐步提高，以及對降低生產成本進一步的需求，對布線材料特性提出了更高的要求。需要使用更高電導率和更低價格的材料，金屬鋁、金屬銅以及鋁銅合金等材料已經(jīng)開始成為半導體的布線材料了。關于純鋁工藝，存在一些共同的問題，例如電遷移(EM)、應力遷移(SM)和因為硅鋁固態(tài)互溶而產生的鋁尖峰。這些問題最終會導致器件失效和良品率下降。為此業(yè)界找到了一些方法來解決這些問題，例如加強鋁的< 111大于等于晶粒取向來防止EM或SM失效， 以及在鋁靶中摻入一定量的銅(通常為O. 5% )來避免鋁尖峰。鋁銅合金材料相對原來的貴金屬，具有更高的電導率，價格低廉的優(yōu)點，同時也克服了純鋁技術的不穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的半導體厚鋁銅合金(厚度大于10KA)的PVD薄膜生長中，會隨著靶材使用時間的增加，在靶材壽命后期由于沉積時間比較長，沉積溫度較高，在薄膜生長應力的作用下Cu含量較高的組分會沿著晶向邊界進行生長并在薄膜表面形成突起，出現(xiàn)胡須狀缺陷(whisker defect)或丘陵狀缺陷(hillock defect)。如果金屬布線最小線寬低于15KA，將會影響到硅片良品率。鑒于以上問題，目前產業(yè)上希望能夠獲取一種降低whisker缺陷的物理氣相沉積方法，該方法既可以應用現(xiàn)有技術中高電導的鋁銅合金材料，同時又能夠克服此種材料在傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)的whisker缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋁銅膜的物理氣相沉積方法，可以在生長厚鋁薄膜的同時，有效降低胡須狀缺陷。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種鋁銅膜的物理氣相沉積方法，包括將襯底送入處理腔室，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積；其中，所述處理腔室包括CN 102586737 A
腔體、作為陰極的鋁銅靶材、作為陽極的襯底基座；所述鋁銅靶材背面設有磁控配件組，所述腔體中設有第一冷卻水系統(tǒng)，所述磁控配件組內部設有第二冷卻水系統(tǒng)，所述襯底基座中設有第三冷卻水系統(tǒng)和加熱器；征在于，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)保持循環(huán)?？蛇x的，所述鋁銅靶材中，鋁的質量配比為99. 5%，銅的質量配比為O. 5%?？蛇x的，將所述襯底送入處理腔室之前，還包括將所述襯底送入一加熱腔室，對所述襯底進行加熱?？蛇x的，所述加熱的溫度范圍200°C 350°C?？蛇x的，所述襯底基座表面設有數(shù)個通氣孔，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，向所述襯底背面進行氬氣噴射?？蛇x的，所述氬氣噴射的氣壓范圍大于等于6000mtor。可選的，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)的冷卻水的溫度范圍為14°C 22°C。可選的，所述第一冷卻系統(tǒng)提供的冷卻水的流量范圍大于等于3gallon/min?？蛇x的，所述第二冷卻系統(tǒng)提供的冷卻水的流量范圍大于等于3gallon/min。可選的，所述第三冷卻系統(tǒng)提供的冷卻水的流量范圍大于等于3gallon/min。可選的，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述腔體內的壓力范圍為 2mtor 5mtor?？蛇x的，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，利用加熱器對所述襯底進行加熱，所述加熱器的溫度設定范圍為255°C 275°C?？蛇x的，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積之后，還包括將所述襯底送入一冷卻腔室進行冷卻。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用加熱器和機臺冷卻水交換系統(tǒng)共同作用，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)始終保持循環(huán)，以此克服晶圓襯底溫度過高和溫度起伏過大缺陷，達到穩(wěn)定沉積溫度的目的。采用本發(fā)明的技術方案，可以將腔室溫度變化范圍控制在5°C以內，從而有效地降低胡須狀缺陷的發(fā)生率。


圖I為本發(fā)明一實施例中多室處理系統(tǒng)的俯視不意圖；圖2為本發(fā)明一實施例中物理氣相沉積腔室的局部截面示意圖；圖3為本發(fā)明一實施例中冷卻水交換系統(tǒng)的示意圖；圖4為現(xiàn)有技術的腔室溫度曲線圖；圖5為本發(fā)明一實施例的腔室溫度曲線圖；圖6為采用本發(fā)明一實施例的鋁銅膜的物理氣相沉積方法前后的胡須狀缺陷發(fā)生率的效果對比圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進一步的說明。
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所述鋁銅膜的物理氣相沉積方法中，所使用的處理腔室包括腔體、作為陰極的鋁銅靶材、作為陽極的襯底基座；所述鋁銅靶材背面設有磁控配件組，所述腔體中設有第一冷卻水系統(tǒng)，所述磁控配件組內部設有第二冷卻水系統(tǒng)，所述襯底基座中設有第三冷卻水系統(tǒng)和加熱器。所述鋁銅膜的物理氣相沉積方法包括將襯底送入處理腔室，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積；在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)保持循環(huán)。以此克服腔室溫度過高和溫度起伏過大缺陷，達到穩(wěn)定沉積溫度的目的。采用本發(fā)明的技術方案可以將腔室溫度變化范圍控制在5°C以內，從而有效地降低胡須狀缺陷的發(fā)生率，尤其對于降低PVD厚鋁(大于IOKA以上)薄膜中出現(xiàn)胡須狀缺陷效果最為明顯。圖I多室處理系統(tǒng)200的俯視示意圖。所述多室處理系統(tǒng)200包括用于將襯底搬進和搬出的加載室201、202，第一機械手203、第二機械手208、以及處理腔室204、205、206、 207、209、210、211、212。其中，每一個處理腔室均可以被配置用來進行多種襯底處理操作，包括物理氣相沉積、加熱、冷卻、預清潔、轉移襯底、除氣或者其他襯底處理操作。在本實施例中，處理腔室 204、205被用作加熱腔室，處理腔室206、207被用作冷卻腔室。處理腔室210、212被用作物理氣相沉積腔室，用來沉積形成鋁銅膜金屬層。處理腔室209、211同樣被用作物理氣相沉積腔室，用來沉積形成鋁銅膜之外的其它金屬層。需要說明的是，本領域技術人員可根據(jù)用途適應性增加或減少處理腔室的數(shù)目。如果多室處理系統(tǒng)200不需要進行某一特定處理的話，襯底處理腔室204、205、209、210、211、212中的任何一個可以從多室處理系統(tǒng)200中去除。第一機械手203可以在加載室201、202與處理腔室204、205之間轉移襯底。第一機械手203還可將襯底轉移進或者轉移出處理腔室206、207。處理腔室206、207同時允許在多室處理系統(tǒng)200內部轉移襯底。第二機械手208可以在處理腔室206、207和處理腔室 209、210、211、212之間轉移襯底。圖2是為本發(fā)明一實施例中處理腔室的局部截面示意圖。以處理腔室210為例， 其是用作物理氣相沉積腔室，用來沉積形成鋁銅膜金屬層。所述處理腔室210包括腔體 301、作為陰極的鋁銅靶材302、作為陽極同時承載襯底的襯底基座303。所述鋁銅靶材302 背面設有磁控配件組304。所述鋁銅靶材中鋁的質量比為99. 5%，銅的質量比為O. 5%。其中，所述腔體301內部設有第一冷卻水系統(tǒng)305。所述磁控配件組304的內部設有第二冷卻水系統(tǒng)306。所述襯底基座303內部設有第三冷卻水系統(tǒng)307和加熱器308。 所述第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306和第三冷卻水系統(tǒng)307的進水路線在圖2中以實線表不，所述第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306和第三冷卻水系統(tǒng)307的出水路線在圖2中以虛線表示。處理腔室209、211、212的腔室組成與處理腔室210相同，不再贅述。所述處理腔室209、210、211、212的第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306和第三冷卻水系統(tǒng)307共同組成機臺冷卻水交換系統(tǒng)400。圖3是本發(fā)明一實施例中冷卻水交換系統(tǒng)的示意圖。所述機臺冷卻水交換系統(tǒng) 400向處理腔室209、210、211、212提供冷卻水。下面以為處理腔室210提供冷卻水為例，說明機臺冷卻水交換系統(tǒng)400的工作原理。所述機臺冷卻水交換系統(tǒng)400的冷卻水401分為三路，即第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306以及第三冷卻水系統(tǒng)307。所述機臺冷卻水交換系統(tǒng)400的冷卻水401的溫度范圍14°C 22°C。所述機臺冷卻水交換系統(tǒng)400 的總的冷卻水401的流量由第一流量閥402控制，所述第一冷卻水系統(tǒng)305的冷卻水的流量由第二流量閥403控制，所述第二冷卻水系統(tǒng)306的冷卻水的流量由第三流量閥404控制，所述第三冷卻水系統(tǒng)307的冷卻水的流量由第四流量閥405控制。所述總冷卻水401、 第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306和第三冷卻水系統(tǒng)307的進水路線在圖3中以實線表示，所述總冷卻水401、第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306和第三冷卻水系統(tǒng) 307的出水路線在圖3中以虛線表示。處理腔室209、212、211的冷卻水供給原理與上述處理腔室210的原理相同，不再贅述。下面結合所述多室處理系統(tǒng)200、處理腔室以及機臺冷卻水交換系統(tǒng)400，詳細說明本發(fā)明一實施例的鋁銅膜的物理氣相沉積方法。首先，將襯底送入加載室201或者加載室202，隨后，第一機械手203將襯底轉移進處理腔室204或者處理腔室205，作為加熱腔室的處理腔室204、205的腔室溫度范圍為 200°C 350°C，襯底在處理腔室204或者205內停留時間范圍55sec 65sec，經(jīng)過處理腔室204或者處理腔室205后，襯底表面的水汽被完全蒸發(fā)。接著，第一機械手203將襯底從處理腔室204或者處理腔室205轉移到處理腔室 206。作為冷卻腔室的處理腔室206和207的腔室內通有冷卻氣體氬氣，腔室內的壓力范圍為2tor 3tor。襯底經(jīng)過處理腔室206，表面溫度得到有效降低。之后，第二機械手208將襯底從處理腔室206轉移至處理腔室210或者處理腔室 212，在處理腔室210或者處理腔室212內對所述襯底表面進行鋁銅膜沉積。在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述襯底基座303持續(xù)向襯底噴射氬氣，襯底背面的壓力保持在6000mtor以上,腔體301在真空泵的作用下保持壓力范圍為2mtor 5mtor,腔體沉積功率范圍為Ikw 13kw。關于沉積時間的選擇，是依據(jù)目標膜厚、沉積功率以及靶材的使用時間而變化的，這一選擇對于本領域技術人員來說是常規(guī)選擇，在此不再贅述。所述加熱器 308的溫度設定范圍為255°C 275°C。在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306以及第三冷卻水系統(tǒng)307始終保持循環(huán)。所述第一冷卻水系統(tǒng)305的冷卻水流量范圍為大于等于3gallon/min，所述第二冷卻水系統(tǒng)306的冷卻水流量范圍為大于等于3gallon/min，所述第三冷卻水系統(tǒng)307的冷卻水流量范圍為大于等于 3gallon/min。接著，第二機械手208將完成沉積的襯底轉移到處理腔室207進行冷卻，然后，第一機械手203將冷卻后的襯底轉移至加載室201或者加載室202。在所述加熱器308和機臺冷卻水交換系統(tǒng)400的共同作用下，所述沉積腔室300 在鋁銅膜沉積過程中，腔內的溫度可以穩(wěn)定保持在250°C 260°C之間。在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述加熱器308的溫度設定范圍為255°C 275°C，所述第一冷卻水系統(tǒng)305、第二冷卻水系統(tǒng)306以及第三冷卻水系統(tǒng)307始終保持循環(huán)，以此克服晶圓襯底溫度過高和溫度起伏過大缺陷，達到穩(wěn)定沉積溫度的目的。圖4是現(xiàn)有技術的腔室溫度曲線圖，腔室溫度的變化在20°C以上。圖5是本發(fā)明一實施例的腔室溫度曲線圖，可以看出采用上述技術方案，腔室溫度變化可以控制在5°C以內。受沉積溫度的影響，鋁銅膜沉積中銅含量較高的組分會沿著邊界進行生長并在薄膜表面形成凸起，導致出現(xiàn)胡須狀缺陷。采用本發(fā)明的技術方案可以將腔室溫度變化范圍控制在5°C以內，從而有效地降低胡須狀缺陷的發(fā)生率，尤其對于降低PVD厚鋁(大于IOKA 以上)薄膜中出現(xiàn)胡須狀缺陷效果最為明顯。圖6采用本發(fā)明技術方案前后胡須狀缺陷發(fā)生率的效果對比圖。由圖6可以看出，采用本發(fā)明的技術方案后，胡須狀缺陷的發(fā)生得到了有效地控制。顯然，本領域的技術人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種鋁銅膜的物理氣相沉積方法，包括將襯底送入處理腔室，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積；其中，所述處理腔室包括腔體、作為陰極的鋁銅靶材、作為陽極的襯底基座；所述鋁銅靶材背面設有磁控配件組，所述腔體中設有第一冷卻水系統(tǒng)，所述磁控配件組內部設有第二冷卻水系統(tǒng)，所述襯底基座中設有第三冷卻水系統(tǒng)和加熱器；其特征在于，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)保持循環(huán)。
2.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述鋁銅靶材中，鋁的質量配比為99. 5%,銅的質量配比為O. 5%。
3.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，將所述襯底送入處理腔室之前，還包括將所述襯底送入一加熱腔室，對所述襯底進行加熱。
4.如權利要求3所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述加熱的溫度范圍 200 °C~ 350 0C ο
5.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述襯底基座表面設有數(shù)個通氣孔，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，向所述襯底背面進行氬氣噴射。
6.如權利要求5所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述氬氣噴射的氣壓范圍大于等于6000mtor。
7.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)的冷卻水的溫度范圍為14°C 22°C。
8.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述第一冷卻系統(tǒng)提供的冷卻水的流量范圍大于等于3gallon/min。
9.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述第二冷卻系統(tǒng)提供的冷卻水的流量范圍大于等于3gallon/min。
10.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，所述第三冷卻系統(tǒng)提供的冷卻水的流量范圍大于等于3gallon/min。
11.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述腔體內的壓力范圍為2mtor 5mtor。
12.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，利用加熱器對所述襯底進行加熱，所述加熱器的溫度設定范圍為 255O 275O。
13.如權利要求I所述的鋁銅膜的物理氣相沉積方法，其特征在于，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積之后，還包括將所述襯底送入一冷卻腔室進行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鋁銅膜的物理氣相沉積方法，包括將襯底送入處理腔室，在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積。其中，所述處理腔室包括腔體、作為陰極的鋁銅靶材、作為陽極的襯底基座；所述鋁銅靶材背面設有磁控配件組，所述腔體中設有第一冷卻水系統(tǒng)，所述磁控配件組內部設有第二冷卻水系統(tǒng)，所述襯底基座中設有第三冷卻水系統(tǒng)和加熱器。在所述襯底表面進行鋁銅膜沉積過程中，所述第一冷卻水系統(tǒng)、第二冷卻水系統(tǒng)以及第三冷卻水系統(tǒng)保持循環(huán)。采用本發(fā)明的技術方案，可以將腔室溫度變化范圍控制在5℃以內，從而有效地降低胡須狀缺陷的發(fā)生率。
文檔編號C23C14/35GK102586737SQ20121006110
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權日2012年3月9日
發(fā)明者何德安, 劉峰松, 孫遠, 歸劍, 徐雷軍 申請人:上海先進半導體制造股份有限公司