[發明專利]一種靶材功率加載方法、靶材電源及半導體處理設備

無效

• 申請號: 201010291502.6
• 申請日: 2010-09-25
• 公開（公告）號: CN102409303A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 楊柏;夏威
• 申請（專利權）人: 北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 張天舒;陳源

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，具體地，涉及一種靶材功率加載方法、靶材電源及應用上述靶材功率加載方法/靶材電源的半導體處理設備。

背景技術

在現代工業中，微電子加工技術取得了前所未有的成就。其中，大規模集成電路已經被應用于人們生產及生活中的各個領域。與此同時，對集成電路的制造工藝及加工設備也正在以驚人的速度進行著不斷的改進和更新。

磁控濺射是一項用于制備集成電路中的銅/鋁等金屬互連層的關鍵技術。在磁控濺射工藝中，將部分靶材原子以離子態的形式濺射出靶材表面，通常，將以離子狀態脫離靶材的金屬粒子在所有被濺射出的金屬粒子中所占的比例定義為金屬原子的離化率。由于對金屬離子的能量及運行的控制與金屬原子相比要容易得多，尤其是在填充一些較大深/寬比的孔隙及溝道時，較容易達到理想的沉積效果，因此，磁控濺射技術已經成為集成電路生產工藝中不可或缺的重要加工手段。可以預見，隨著集成度的大幅提高及特征尺寸的不斷縮小，廣大技術人員必將面臨更多新的、更高的挑戰。

請參閱圖1，為一種目前常用的磁控濺射設備的原理示意圖。如圖所示，該磁控濺射設備包括工藝腔室1、設置于工藝腔室1上方的靶材2及磁控管3、加載至靶材2的直流電源4、設置于工藝腔室1內部下方的基片夾持裝置5，下電極電源6與基片夾持裝置5相連接以使其同時具有下電極的功能。利用該設備進行銅互連工藝的過程如下：先將基片7被固定于基片夾持裝置5的上表面；然后，向工藝腔室1內通入氬氣，同時直流電源4為靶材加載直流功率以將氬氣激發為等離子體；等離子體中的高能氬離子轟擊靶材2表面而使靶材2粒子脫落；被濺射出的靶材粒子在下電極偏壓的作用下沉積在基片7表面。在上述過程中，當靶材2為銅、銀、金等金屬材料時，部分離子化的金屬粒子會被靶材2上的負偏壓吸引而轟擊靶材2，當靶材的金屬離化率達到一定程度后，可以停止向工藝腔室1中通入氬氣，僅依靠濺射出的金屬離子對靶材的轟擊作用就能維持濺射工藝的輝光放電過程，這一現象被業內稱為自維持濺射(Sustained?self?Sputtering)。由于上述自維持濺射過程僅需在啟輝階段(將工藝氣體激發為等離子體的過程)通入氬氣，而主要濺射過程沒有氬氣參與，從而可避免氬氣原子或離子對金屬離子沉積方向的影響，獲得更好的沉積效果。因此，上述自維持濺射工藝在集成電路的銅互連加工工藝中被廣泛采用。

請參閱圖2，為利用上述圖1所示設備進行銅濺射實驗所得到的金屬離化率的實驗數據圖。圖中，擬合線1和2分別表示目前常用的兩種磁控管磁場強度，下面分別將這兩種磁場強度稱為磁場強度1和磁場強度2；其中，磁場強度2約為磁場強度1的兩倍。如圖所示，當磁控管具有磁場強度1時，在加載20KW、40KW和60KW的直流功率分別可得到約16％、30％和50％的金屬離化率；當磁控管具有磁場強度2時，在上述3中直流功率下可分別得到約20％、50％和70％的金屬離化率。由上述實驗數據可知，銅的金屬離化率在一定范圍內與磁控管的磁場強度和靶材電源的功率密度成正比，這里，所謂功率密度是指單位磁鐵濺射槽面積的直流濺射功率。由此可知，若要提高濺射工藝中的金屬離化率，可以采取兩種方式，即：提高靶材單位面積內的磁場強度或直流功率。

然而，任何材料的磁體的磁場強度均具有一定的物理極限值，因而通過增加磁場強度而提高金屬離化率的方式具有極限性。另一方面，加載較高的直流功率的時間過長會使靶材的發熱量急劇增加，從而影響設備的熱穩定性及工藝可靠性；且持續加載較高的磁場強度和直流功率還會導致材料的沉積速率過快的問題，而過快的沉積速率將增加對沉積工藝結果的控制難度，進而產生不利的工藝結果。因此，在實際的產業化應用中，多采用60kW直流功率配合磁場強度1或者采用40kW直流功率配合磁場強度2的兩種參數方案，實際可獲得的金屬離化率大致為40％～50％左右。這一金屬離化率在一定程度上可滿足現今的工業加工需求，但是，當今一些高科技企業已經實現了32nm級別的加工精度，可想而知，在不久的將來微電子加工行業即將進入全新的32nm時代，為了實現這一新的技術節點，要求在能夠保證工藝穩定性及可控性的前提下，使銅互連層濺射工藝中的金屬離化率達到80％或更高的水平，然而就目前已有的技術和設備來看，顯然還無法實現上述要求。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種靶材功率加載方法，其能夠在保證工藝穩定、可控的情況下，有效提高濺射工藝的金屬離化率，從而滿足新的技術需求。

此外，本發明還提供一種靶材電源，其同樣能夠在保證工藝穩定、可控的情況下，有效提高濺射工藝的金屬離化率。