[發明專利]用于由具有受控冷卻的物理氣相沉積(PVD)來沉積鋁的方法和設備

在審

• 申請號: 202080086113.1
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN114787413A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 許紹杰;鐘姚穎;王欣欣;正敏·C·莊
• 申請（專利權）人: 應用材料公司
• 主分類號: C23C14/14
• 分類號: C23C14/14;C23C14/58;C23C14/54;C23C14/34
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 侯穎媖;張鑫

用于在反應器腔室中執行物理氣相沉積以在基板上形成鋁材料的方法與設備，所述方法包括以下步驟：在基板的頂部上沉積第一鋁層以形成具有第一晶粒尺寸和第一溫度的第一鋁區域；以及以足以將第一晶粒尺寸增加到第二晶粒尺寸的速率將基板頂部上的第一鋁區域冷卻到第二溫度。

技術領域

本公開的實施例總體涉及基板處理技術，并且更具體地涉及在PVD工藝期間沉積鋁的方法。

背景技術

在半導體器件(諸如集成電路)中，互連件用于連接和集成器件的各種部件。通常，器件由多層導電部件組成，由絕緣材料隔開，以幫助最小化信號路徑并減小器件尺寸。為了在各層之間建立連續性，導電互連件(接觸件或通孔)在絕緣層之間延伸并連接導電層。因此，互連件是以導電材料填充的垂直開口，所述導電材料用于將器件的各種層上的部件彼此連接并連接到半導體基板。

隨著半導體器件的集成度增加，互連件的尺寸減小，且互連件的深寬比(即，互連件的高度與寬度的比)增加。因此，過去足以填充互連件的方法已被證明不足以用于更小的互連件。通常，互連孔使用金屬材料(諸如銅)填充，所述金屬材料通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電鍍或其組合沉積在孔內部。

集成電路(IC)中的互連件分配時鐘和其他信號，并且向電路中的各個部分提供電源/接地。隨著IC特征尺寸的持續按比例縮小，互連件成為確定系統性能(例如信號傳播延遲和功耗，這些都與互聯線電阻有關)的主要因素。在過去的20年中，由于銅(Cu)的低電阻率，Cu已成為互連件的首選材料。然而，發明人已經觀察到銅可能在低溫下與硅有問題地相互作用或擴散到周圍的電介質中。通常需要阻擋層來防止擴散，這將不利于Cu的整體電阻率。發明人已經觀察到需要尋找用于IC互連件中的銅的替代材料。

此外，雖然已經使用長的沉積腔室來將鋁用于在互連件中填充和覆蓋特征，但是由于長的沉積腔室沉積物有問題地缺乏均勻的鋁覆蓋，因此特征和相鄰場的鋁覆蓋率較差。發明人已經觀察到較差的鋁覆蓋性能降低了由此形成的互連件的可靠性。發明人還觀察到，沉積在半導體基板頂部的鋁的快速冷卻不利于膜的質量，并且有問題地導致以下狀況：小晶粒尺寸導致鋁線斷裂和較差產率；較差的反射率值不利地影響下游的沉積后處理；鋁-硅(Al-Si)薄膜中的硅沉淀(precipitation)導致較差的膜粗糙度和沉淀；以及用AC偏壓處理增加的應力導致高翹曲。

因此，發明人提供了用于在基板上形成鋁材料的改進方法，以及改善特征(諸如通孔)的鋁覆蓋率的方法。

發明內容

本文提供了在基板上形成鋁材料并增加鋁材料的覆蓋率的實施例。在一些實施例中，一種在反應器腔室中執行物理氣相沉積以在基板上形成鋁材料的方法包括以下步驟：在基板的頂部上沉積第一鋁層以形成具有第一晶粒尺寸和第一溫度的第一鋁區域；以及以足以將第一晶粒尺寸增加到第二晶粒尺寸的速率將基板頂部上的第一鋁區域冷卻到第二溫度。

在一些實施例中，本公開涉及一種在反應器腔室中在定位于鋁濺射靶下方的工件支撐件上的基板上執行物理氣相沉積的方法，所述方法包括以下步驟：在經加熱的工件支撐件的頂部上，將基板維持在200℃至400℃的第一溫度以及低于10毫托的第一壓力下；通過向鋁濺射靶施加約4kW至60kW的第一DC功率和至少600W的第一AC靶偏壓功率來從鋁濺射靶濺射原子；維持反應條件達足以形成具有第一晶粒尺寸的第一鋁層的持續時間；將基板的冷卻延遲達第一持續時間；以及以足以將第一晶粒尺寸增加到第二晶粒尺寸的速率將第一鋁層冷卻到第二溫度。

在一些實施例中，本公開涉及一種物理氣相沉積腔室，所述物理氣相沉積腔室包括反應腔室，所述反應腔室配置成用于在基板的頂部上物理氣相沉積第一鋁層以形成具有第一晶粒尺寸和第一溫度的第一鋁區域；以及以足以將第一晶粒尺寸增加到第二晶粒尺寸的速率將基板頂部上的第一鋁區域冷卻到第二溫度。