[发明专利]一种靶材功率加载方法、靶材电源及半导体处理设备

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种靶材功率加载方法、靶材电源及应用上述靶材功率加载方法/靶材电源的半导体处理设备。

背景技术

在现代工业中，微电子加工技术取得了前所未有的成就。其中，大规模集成电路已经被应用于人们生产及生活中的各个领域。与此同时，对集成电路的制造工艺及加工设备也正在以惊人的速度进行着不断的改进和更新。

磁控溅射是一项用于制备集成电路中的铜/铝等金属互连层的关键技术。在磁控溅射工艺中，将部分靶材原子以离子态的形式溅射出靶材表面，通常，将以离子状态脱离靶材的金属粒子在所有被溅射出的金属粒子中所占的比例定义为金属原子的离化率。由于对金属离子的能量及运行的控制与金属原子相比要容易得多，尤其是在填充一些较大深/宽比的孔隙及沟道时，较容易达到理想的沉积效果，因此，磁控溅射技术已经成为集成电路生产工艺中不可或缺的重要加工手段。可以预见，随着集成度的大幅提高及特征尺寸的不断缩小，广大技术人员必将面临更多新的、更高的挑战。

请参阅图1，为一种目前常用的磁控溅射设备的原理示意图。如图所示，该磁控溅射设备包括工艺腔室1、设置于工艺腔室1上方的靶材2及磁控管3、加载至靶材2的直流电源4、设置于工艺腔室1内部下方的基片夹持装置5，下电极电源6与基片夹持装置5相连接以使其同时具有下电极的功能。利用该设备进行铜互连工艺的过程如下：先将基片7被固定于基片夹持装置5的上表面；然后，向工艺腔室1内通入氩气，同时直流电源4为靶材加载直流功率以将氩气激发为等离子体；等离子体中的高能氩离子轰击靶材2表面而使靶材2粒子脱落；被溅射出的靶材粒子在下电极偏压的作用下沉积在基片7表面。在上述过程中，当靶材2为铜、银、金等金属材料时，部分离子化的金属粒子会被靶材2上的负偏压吸引而轰击靶材2，当靶材的金属离化率达到一定程度后，可以停止向工艺腔室1中通入氩气，仅依靠溅射出的金属离子对靶材的轰击作用就能维持溅射工艺的辉光放电过程，这一现象被业内称为自维持溅射(Sustained self Sputtering)。由于上述自维持溅射过程仅需在启辉阶段(将工艺气体激发为等离子体的过程)通入氩气，而主要溅射过程没有氩气参与，从而可避免氩气原子或离子对金属离子沉积方向的影响，获得更好的沉积效果。因此，上述自维持溅射工艺在集成电路的铜互连加工工艺中被广泛采用。

请参阅图2，为利用上述图1所示设备进行铜溅射实验所得到的金属离化率的实验数据图。图中，拟合线1和2分别表示目前常用的两种磁控管磁场强度，下面分别将这两种磁场强度称为磁场强度1和磁场强度2；其中，磁场强度2约为磁场强度1的两倍。如图所示，当磁控管具有磁场强度1时，在加载20KW、40KW和60KW的直流功率分别可得到约16％、30％和50％的金属离化率；当磁控管具有磁场强度2时，在上述3中直流功率下可分别得到约20％、50％和70％的金属离化率。由上述实验数据可知，铜的金属离化率在一定范围内与磁控管的磁场强度和靶材电源的功率密度成正比，这里，所谓功率密度是指单位磁铁溅射槽面积的直流溅射功率。由此可知，若要提高溅射工艺中的金属离化率，可以采取两种方式，即：提高靶材单位面积内的磁场强度或直流功率。

然而，任何材料的磁体的磁场强度均具有一定的物理极限值，因而通过增加磁场强度而提高金属离化率的方式具有极限性。另一方面，加载较高的直流功率的时间过长会使靶材的发热量急剧增加，从而影响设备的热稳定性及工艺可靠性；且持续加载较高的磁场强度和直流功率还会导致材料的沉积速率过快的问题，而过快的沉积速率将增加对沉积工艺结果的控制难度，进而产生不利的工艺结果。因此，在实际的产业化应用中，多采用60kW直流功率配合磁场强度1或者采用40kW直流功率配合磁场强度2的两种参数方案，实际可获得的金属离化率大致为40％～50％左右。这一金属离化率在一定程度上可满足现今的工业加工需求，但是，当今一些高科技企业已经实现了32nm级别的加工精度，可想而知，在不久的将来微电子加工行业即将进入全新的32nm时代，为了实现这一新的技术节点，要求在能够保证工艺稳定性及可控性的前提下，使铜互连层溅射工艺中的金属离化率达到80％或更高的水平，然而就目前已有的技术和设备来看，显然还无法实现上述要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种靶材功率加载方法，其能够在保证工艺稳定、可控的情况下，有效提高溅射工艺的金属离化率，从而满足新的技术需求。

此外，本发明还提供一种靶材电源，其同样能够在保证工艺稳定、可控的情况下，有效提高溅射工艺的金属离化率。