可调节薄膜应力的溅射设备和方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及薄膜沉积设备，特别是涉及一种可调节薄膜应力的溅射设备和方法。


背景技术：

2.半导体器件制备过程中，沉积薄膜的应力是一个必须关注的问题，如果不能将薄膜应力控制在合理的范围内，会导致薄膜产生裂纹，严重时甚至会导致脱落等不良，导致器件使用寿命缩短。因而器件对薄膜均匀性，特别是对金属氮化物薄膜，比如氮化铝薄膜的应力均匀性、晶体结构一致性等方面的要求非常高。目前应力管控中最难的是确保应力均匀性。采用市面上已有的主流设备沉积出的氮化铝薄膜，应力分布普遍存在中间高，两边低的情况。其原因之一是由于氮化铝薄膜是在高温下沉积（>350℃），在晶圆冷却过程中会产生拉应力，且中心位置相对更集中，二是氮化铝薄膜沉积过程中通常会使用偏压，用于将氮化铝膜层的拉应力减小以控制到100mpa以内（氮化铝膜层拉应力很大，通常会>1000mpa），而为了将拉应力有效减小，偏压会相对增大，但是偏压增大之后会造成整个沉积腔内等离子体的浓度分布不均匀，从而影响到了膜厚，并带来新的应力变化等一系列问题。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可调节薄膜应力的溅射设备和方法，用于解决现有技术中在沉积薄膜，尤其是沉积诸如氮化铝等金属氮化物薄膜时难以确保薄膜的应力均匀性等问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可调节薄膜应力的溅射设备，包括腔体、磁控溅射装置、挡板、晶圆压环、基座及电磁线圈模块；所述磁控溅射装置位于腔体顶部；所述挡板位于所述腔体内侧，且延伸到所述基座的一侧；所述晶圆压环一端与所述挡板相邻，另一端延伸到所述基座边缘的上方；所述基座位于所述腔体内，与偏压电源相连接，所述基座内设置有加热单元；所述电磁线圈模块位于所述基座内和/或所述晶圆压环与所述基座之间，所述电磁线圈模块包括多个电磁线圈组，所述多个电磁线圈组以所述腔体的中心为圆心在同一圆周面内间隔分布，各电磁线圈组相互电隔离，其中，各所述电磁线圈组包括n极电磁铁和s极电磁铁，单个电磁线圈组中的n极电磁铁相邻设置于s极电磁铁的左侧，且n极电磁铁的n极磁极面和s极电磁铁的s极磁极面同时朝上或朝下；溅射过程中，将所述多个电磁线圈组分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向对所述多个通电单元依次交替进行通断电，以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力。
5.可选地，各所述n极电磁铁和s极电磁铁均包括多个间隔分布的电磁线圈和位于电磁线圈两侧的接线柱，所述电磁线圈与所述接线柱电连接。
6.可选地，所述通电单元包括单个所述电磁线圈组、位于同一直径上的两个所述电磁线圈组、相邻的多个电磁线圈组和相邻或不相邻的多条直径上的电磁线圈组这四种形式中的任意一种。
7.可选地，不同的电磁线圈组的长度不同。
8.可选地，所述溅射设备还包括plc控制器，所有所述电磁线圈组与所述plc控制器相连接，以实现通电单元的交替通断电。
9.可选地，所述溅射设备还包括适配块，所述挡板包括上挡板和下挡板；所述适配块与所述腔体相固定，所述上挡板一端固定于所述磁控溅射装置和所述适配块之间，另一端延伸到所述基座外围；所述下挡板一端固定于所述适配块下方，另一端延伸到所述上挡板的底部，所述晶圆压环远离所述基座边缘的上方的一端延伸到所述下挡板的上方。
10.可选地，所述磁控溅射装置、上挡板和适配块之间的间隙内设置有密封圈。
11.可选地，所述腔体的侧壁上设置有进气口，所述进气口位于所述挡板下方，溅射气体和反应气体经所述进气口进入所述腔体内部；所述溅射设备为氮化铝沉积设备，所述溅射气体包括氩气，所述反应气体为氮气，溅射过程中，氮气过溢通入所述腔体内。
12.本发明还提供一种可调节薄膜应力的溅射方法，所述溅射方法依上述任一方案中所述的溅射设备进行，所述溅射方法包括在薄膜的溅射沉积过程中，将所述多个电磁线圈组分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向或逆时针方向对所述多个通电单元依次交替进行通断电，以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力的步骤。
13.可选地，所述溅射方法还包括在溅射过程中调节电流大小以调节各电磁线圈组产生的磁场强度的步骤。
14.可选地，沉积的薄膜包括氮化铝薄膜。
15.如上所述，本发明的可调节薄膜应力的溅射设备和方法，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，在基座内和/或晶圆压环与基座之间设置电磁线圈模块，根据左手定则，基座附近的溅射离子（比如氩离子）会往腔体中心移动，这样就加强了这个区域的轰击效果，将这一区域的拉应力减小，同时通过改变电磁线圈的通电电流大小来调节往中心走的氩离子浓度，由此可调节对基底的轰击效果，可改善沉积薄膜的厚度均匀性，进而调节沉积薄膜的应力以及改善应力分布均匀性。同时，调节过程中可通过加减单个电磁线圈单元的匝数及调节电流大小等方式以调节电磁线圈磁场强度，此外还可以在不同位置加减电磁线圈来调节诸如氮化铝薄膜所需调节应力的区域，调节过程简单易行，自由灵活，不用担心高温造成磁铁退磁，可以确保设备的稳定性。
附图说明
16.图1显示为本发明提供的可调节薄膜应力的溅射设备的示例性截面结构示意图。
17.图2显示为本发明提供的溅射设备中的电磁线圈模块的一示例性俯视结构示意图。
18.图3显示为图2的电磁线圈模块中的单个电磁线圈组的示例性俯视结构示意图。
19.图4显示为图2的电磁线圈模块中的单个电磁线圈组的局部示例性侧视结构示意图。
20.图5显示为图3中的单个n极电磁铁/s极电磁铁的示例性俯视结构示意图。
21.图6显示为本发明提供的溅射设备中的电磁线圈模块的又一示例性俯视结构示意图。
22.元件标号说明
121
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磁控管；122
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靶材；11
‑
腔体；111
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进气口；13
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上挡板；14
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下挡板；15
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晶圆压环；16
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基座；17
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支撑轴；18
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电磁线圈模块；180
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电磁线圈组；181
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n极电磁铁；182
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s极电磁铁；183
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电磁线圈；184
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接线柱；19
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适配块；20
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密封圈。
具体实施方式
23.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
24.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
25.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
26.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
27.在薄膜沉积过程中，尤其是诸如氮化铝等金属氮化物薄膜的磁控溅射沉积过程中，由于温度和/或偏压等沉积条件的影响，会导致沉积后的薄膜表面应力分布不均匀，由此导致薄膜产生裂纹甚至脱落等不良，严重影响器件性能和使用寿命。本技术的发明人在长期的工作中，经大量研究而提出了一种改善方案。
28.具体地，如图1所示，本发明提供一种可调节薄膜应力的溅射设备，包括腔体11、磁控溅射装置、挡板、晶圆压环15、基座16及电磁线圈模块18；所述磁控溅射装置位于腔体11顶部，具体可以包括磁控管121和靶材盘，靶材盘用于承载靶材122，在磁控溅射过程中，靶材122连接至一脉冲电源（未示出）；所述挡板位于所述腔体11内侧，且延伸到所述基座16的一侧，即挡板遮住溅射装置和基座16之间（该空间即为溅射空间）的腔体11的内壁，用于在溅射过程中防止靶材粒子沉积于腔体11内壁；所述晶圆压环15一端与所述挡板相邻，另一端延伸到所述基座16边缘的上方，更确切地说是延伸到晶圆边缘的上方，用于防止溅射过程中，靶材粒子沉积到晶圆的非镀膜区域（该非镀膜区域通常位于晶圆边缘）；所述基座16位于所述腔体11内，用于承载基底，比如晶圆，基座16与偏压电源相连接，所述基座16内设置有加热单元，此外还可以设置有水冷单元，基座16的底部与支撑轴17相连接，该支撑轴17可一直延伸到腔体11外部，电源线和冷却水管等源线可经由该支撑轴17自腔体11外部延伸到所述基座16的下表面；所述电磁线圈模块18位于所述基座16内和/或所述晶圆压环15与
所述基座16之间，所述电磁线圈模块包括多个（2个及2个以上，优选3个以上）电磁线圈模块组180，所述多个电磁线圈模块组180以所述腔体11的中心为圆心在同一圆周面内间隔分布，且优选均匀间隔，各电磁线圈模块组180远离腔体中心的一端可连接至一固定环（未标示），通过该固定环便于放置至所需的位置，各电磁线圈模块组180相互电隔离（或者说相互之间不电连接），其中，各所述电磁线圈模块组180包括n极电磁铁181和s极电磁铁182，单个电磁线圈模块组180中的n极电磁铁181相邻设置于s极电磁铁182的左侧（参考图2所示方向），且n极电磁铁181的n极磁极面和s极电磁铁182的s极磁极面同时朝上或朝下（参考图1，朝向磁控溅射装置的方向为上）；溅射过程中，将所述多个电磁线圈模块组180分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向对所述多个通电单元依次交替进行通断电，以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力。通过设置电磁线圈模块18，根据左手定则，基座16附近的溅射离子（比如氩离子）会往腔体11中心移动，这样就加强了这个区域的轰击效果，将这一区域的拉应力减小，同时通过改变对电磁线圈183的电流大小来调节往中心移动的氩离子浓度，由此可调节对基底，比如对晶圆的轰击效果，可调节沉积薄膜的应力以及改善应力分布均匀性。此外，还可以通过加减电磁线圈183匝数及电流大小调节电磁线圈183磁场强度，和/或在不同位置加减电磁线圈183等方式来调节诸如氮化铝薄膜所需调节应力的区域，调节过程简单易行，自由灵活，不用担心高温造成磁铁退磁，可以确保设备的稳定性。
29.如图3
‑
5所示，在一示例中，各所述n极电磁铁181和s极电磁铁182均包括多个（比如2个或2个以上）间隔分布的电磁线圈183和位于电磁线圈183两侧的接线柱184，所述电磁线圈183在需要时与所述接线柱184电连接，各电磁线圈183绕设在一铁芯（未示出）的周向上，电磁线圈183通电后产生磁性；或者也可以描述为n极电磁铁181和s极电磁铁182各自由一排小的电磁铁构成，位于同一排的电磁铁的同一磁性面均朝向同一方向。这种结构可以灵活调整接入线圈的数量，由此根据需要灵活调整磁场强度。
30.作为示例，所述通电单元包括单个所述电磁线圈模块组180、位于同一直径上的两个所述电磁线圈模块组180、相邻的多个（2个或2个以上）电磁线圈模块组180和相邻的多条（2个或2个以上）直径上的电磁线圈组这四种形式中的任意一种，即可以一组n、s极电磁铁182为单元，先通电，然后断电，然后顺时针或逆时针方向进行到下一组通电单元通电再断电再到下一组，如此循环反复；也可以以位于同一直径上的两个电磁线圈模块组180为一个通电单元进行通电，然后断电，顺时针或逆时针方向进行到下一个通电单元，如此循环反复；或者也可以是相邻或者不相邻的几个直径（比如两个或两个以上位于任意直径上的电磁线圈模块组180）或者几个半径上的电磁线圈模块组180为一个通电单元进行通电，然后断电，顺时针或逆时针方向进行到下一个通电单元，如此循环反复。在一示例中，所述溅射设备还包括plc控制器，所有所述电磁线圈模块组180与所述plc控制器相连接，以实现通电单元的交替通断电。设置所述plc控制器便于灵活控制各电磁线圈模块组180的通断电，所述plc控制器同时可以用于控制诸如所述磁控溅射装置和/或其他结构。当然，在其他示例中，也可以采用所述溅射设备的中央控制器进行统一控制，对此不做严格限制。
31.在一示例中，所述溅射设备还包括适配块19，所述挡板包括上挡板13和下挡板14；所述适配块19与所述腔体11相固定，比如所述适配块19可固定于所述磁控溅射装置和腔体11之间，并延伸到腔体11内部，所述上挡板13一端固定于所述磁控溅射装置和所述适配块19之间，比如所述上挡板13的一端可固定于适配块19的顶部，另一端延伸到所述基座16外
围；所述下挡板14一端固定于所述适配块19下方，另一端延伸到所述上挡板13的底部，所述晶圆压环15远离所述基座16边缘的上方的一端延伸到所述下挡板14的上方，比如所述下挡板14的底部呈现为类u型结构，而晶圆压环15的一端架设在该u型部上。设置所述适配块19，可以灵活调整适配块19的高度，进而调整磁控溅射装置和基座16之间的距离，以根据需要灵活调整靶基距，有助于提高薄膜沉积均匀性。当然，为确保腔体的密封性，在一示例中，所述磁控溅射装置、上挡板13和适配块19之间的间隙内设置有密封圈20。
32.作为示例，每个位置可以根据工艺所需增加或减少电磁线圈以及对应的铁芯的数量，即不同的电磁线圈组包含的电磁线圈的数量可以不同，以使得不同的电磁线圈组沿径向的长度不同，以此来增强或减弱所在区域的磁场，由此改善所在区域ar离子向中心移动的效果，以调节ar离子轰击基片位置，从而改善所在区域沉积的薄膜应力，最终提高应力均匀性和膜厚均匀性，此外还可以通过调整单个电磁线圈的缠绕匝数以调整磁场强度。所述电磁线圈模块的结构可以如图6所示，长短不同的电磁线圈组依次交替间隔，或者也可以是每个电磁线圈组的长度不同，或者还可以是每个通电单元内的电磁线圈组的长度相同而不同通电单元的电磁线圈组长度不同，本实施例中不做严格限制。
33.作为示例，所述腔体11的侧壁上设置有进气口111，所述进气口111位于所述挡板下方，溅射气体和反应气体经所述进气口111进入所述腔体11内部。该进气口111可以为单个，溅射气体和反应气体经由同一进气口111进入所述腔体11；所述进气口111也可以为两个或以上，溅射气体和反应气体经由不同的进气口111进入所述腔体11，本实施例中不做严格限制。所述溅射设备的出气口可以对应设置在所述腔体11下部且与所述进气口111相对的一侧。在一示例中，所述溅射设备为氮化铝沉积设备，故而所述溅射气体包括氩气，所述反应气体为氮气，因为氮化铝为高温沉积，采用现有的设备沉积的氮化铝的薄膜应力很大且分布不均，故尤其适于采用本发明的溅射设备进行沉积。且在溅射过程中，氮气过溢通入所述腔体11内。需要说明的是，“过溢”的概念是指通入的反应气体的量大于实际溅射反应所需的气体量，因而氮气将完全充满腔体内的各个空间，并将通过出气口溢出，不仅可以确保溅射反应所需的气体量，同时可对腔体内部进行净化，避免外部杂质气体进到腔体内部。
34.发明人对本发明的溅射设备进行了验证。验证结果表面，在诸如气体流量、温度等条件不变的情况下，采用本发明的溅射设备沉积同样厚度（比如沉积1000埃的氮化铝薄膜）的氮化铝薄膜，相较于采用现有的溅射设备进行溅射沉积，沉积的氮化铝薄膜的应力极差（最大值与最小值的差值）可从300mpa降低到150mpa以下，整体应力均匀性可提高50%以上。
35.本发明还提供一种可调节薄膜应力的溅射方法，所述溅射方法可依上述任一方案中所述的溅射设备进行。当然，在其他结构的溅射设备能实现所需功能的情况下，也可依其他结构的溅射设备进行，本实施例中不做严格限制，但将参照上述任一方案中所述的溅射设备对该溅射方法进行说明。具体地，本实施例的所述溅射方法包括，先提供前述任一方案中所述的溅射设备，该溅射设备上设置有腔体11、靶材122、靶材溅射所需的磁控管121和带有加热功能的基座16，首先腔体内引入氩气和反应气体氮气；给靶材122施加一个脉冲电压，之后等离子产生，此过程中在基座16上施加一个偏压，并在基座16附近设置前述的电磁线圈模块18；将所述多个电磁线圈组分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向对所述多个通电单元依次交替进行通断电（需要特别说明的是，此过程中必须进行顺时针或逆时针方向的交替通断电，因为发明人经大量研究发现，如果不按该方式通电会产生以下情况：相
邻两个通电单元同时带电，那么就会在一个通电单元的s极和右侧相邻通电单元的n极之间出现干扰磁场，即两个相邻的电磁线圈模块组180之间的区域，如图2和6中示意的虚线范围内a区域为不希望产生磁力线的区域，干扰磁场的磁力线方向正好和目的一个通电单元内部n极和s极之间的磁力线方向相反，会导致将氩离子向远离中心的方向移动，起到了完全相反的作用），以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力的步骤，比如可以一组n、s极电磁铁为通电单元，先通电，然后断电，然后顺时针或逆时针方向进行到下一组通电单元通电再断电再到下一组，如此循环反复；也可以以位于同一直径上的两个电磁线圈组为一个通电单元进行通电，然后断电，顺时针或逆时针方向进行到下一个通电单元，如此循环反复；或者也可以是相邻或者不相邻的几个直径或者几个半径上的电磁线圈组为一个通电单元进行通电，然后断电，顺时针或逆时针方向进行到下一个通电单元，如此循环反复。借由电磁线圈模块产生的磁场可调节氩离子在中心区域的分布浓度，可以有效改善薄膜厚度均匀性和应力分布均匀性。
36.在一示例中，所述溅射方法还包括在溅射过程中调节电流大小以调节各电磁线圈组产生的磁场强度的步骤，此外还可以在不同位置加减电磁线圈来调节薄膜沉积所需调节应力的区域，可以进一步改善沉积薄膜的厚度均匀性和应力分布均匀性。
37.本发明的溅射方法可以用于沉积各种类型的薄膜，但尤其适于沉积氮化铝薄膜等金属氮化物薄膜，尤其是沉积的薄膜越厚（比如大于3000nm以上），采用本发明的优点将越加突出。采用本发明提供的溅射方法沉积氮化铝薄膜，可以有效降低氮化铝薄膜的应力，显著提高其厚度和应力分布均匀性。
38.综上所述，本发明提供一种可调节薄膜应力的溅射设备和方法。设备包括腔体、磁控溅射装置、挡板、晶圆压环、基座及电磁线圈模块；所述磁控溅射装置位于腔体顶部；所述挡板位于所述腔体内侧，且延伸到所述基座的一侧；所述晶圆压环一端与所述挡板相邻，另一端延伸到所述基座边缘的上方；所述基座位于所述腔体内，与偏压电源相连接，所述基座内设置有加热单元；所述电磁线圈模块位于所述基座内和/或所述晶圆压环与所述基座之间，所述电磁线圈模块包括多个电磁线圈组，所述多个电磁线圈组以所述腔体的中心为圆心在同一圆周面内间隔分布，各电磁线圈组相互电隔离，其中，各所述电磁线圈组包括n极电磁铁和s极电磁铁，单个电磁线圈组中的n极电磁铁相邻设置于s极电磁铁的左侧，且n极电磁铁的n极磁极面和s极电磁铁的s极磁极面同时朝上或朝下；溅射过程中，将所述多个电磁线圈组分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向对所述多个通电单元依次交替进行通断电，以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力。本发明创造性地在基座内和/或晶圆压环与基座之间设置电磁线圈模块，根据左手定则，基座附近的溅射离子（比如氩离子）会往腔体中心移动，这样就加强了这个区域的轰击效果，将这一区域的拉应力减小，同时通过改变对电磁线圈的电流大小来调节往中心走的氩离子浓度，由此可调节对基底的轰击效果，可改善沉积薄膜的厚度均匀性，进而调节沉积薄膜的应力以及改善应力分布均匀性。同时，调节过程中可通过加减电磁线圈匝数及调节电流大小调节电磁线圈磁场强度，此外还可以在不同位置加减电磁线圈来调节诸如氮化铝薄膜所需调节应力的区域，调节过程简单易行，自由灵活，不用担心高温造成磁铁退磁，可以确保设备的稳定性。本发明尤其适于沉积氮化铝等金属氮化物薄膜。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
39.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。