PVD设备的工艺腔的工艺调节结构和方法与流程

本发明涉及半导体集成电路领域，特别是涉及一种pvd设备的工艺腔的工艺调节结构；本发明还涉及一种pvd设备的工艺腔的工艺调节方法。

背景技术：

在12寸半导体制造生产中，后段使用铜线来实现金属互联。而在铜线与下层介电层之间，需要使用氮化钽薄膜来做为保护层，保护铜不会渗入下层中去。氮化钽这层薄膜是使用物理气相沉积(pvd)工艺方式进行生产。而有别于传统的pvd工艺，生产氮化钽的工艺腔体中除了使用直流电(dcsourcepower)轰击靶材以外，为了加强沟槽侧壁填充性(之后的互联铜线需要填充进入这个沟槽之内)，还在工艺套件上安装了钽环，通过交流电加直流电的方式(rfcoilpower+dccoilpower)轰击钽环(tacoil)来对侧壁进行镀膜(re-sputter)(参见图1)。在这一工艺过程中，钽靶与晶圆之间、钽靶与钽环之间、钽环与晶圆之间的距离对工艺稳定和产品的性能有重要影响。

由于钽靶在后段金属互联工艺中使用次数多，原材料成本高，为了降低成本，业界开始尝试使用长寿命钽靶(～5000千瓦时)来取代正常钽靶(～2000千瓦时)，但由于溅射工艺的刻蚀，在长寿命钽靶后期，靶材表面与晶圆之间的距离增大(如图1所示)开始导致工艺参数不稳定，影响靶材的正常使用。目前主要通过抬高晶圆位置来补偿靶材表面的刻蚀(如图2所示)，但钽腔里的钽环和靶材之间的距离以及晶圆与钽环之间的距离发生改变，依然会导致工艺的不稳定。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种pvd设备的工艺腔的工艺调节结构，能延长靶材的使用寿命，同时还能够保持工艺稳定。为此，本发明还公开了一种pvd设备的工艺腔的工艺调节方法。

为解决上述技术问题，本发明的pvd设备的工艺腔的工艺调节结构的工艺腔包括：

靶材，设置在工艺腔的顶部。

靶环，设置在所述工艺腔的侧壁上。

晶圆设置在工艺腔的底部。

所述靶材从所述晶圆的顶部正上方向所述晶圆的表面溅射薄膜。

所述靶环从所述晶圆的周侧上方向所述晶圆的表面溅射薄膜。

令所述靶材的底部表面和所述晶圆表面的距离为第一距离，所述晶圆表面的中心位置和所述靶环的距离为第二距离，所述靶材底部表面的中心位置和所述靶环的距离为第三距离。

所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离在工艺窗口范围内时，在所述晶圆表面溅射薄膜的工艺稳定。

随着溅射次数的增加，所述靶材会被消耗从而使所述第一距离增大。

所述靶材的顶部设置有第一安装装置，所述工艺腔的顶部设置有第二安装装置，在所述第一安装装置通过陶瓷环放置在所述第二安装装置上。

所述工艺调节结构包括：多个不同厚度的所述陶瓷环。

各所述陶瓷环的厚度根据所述靶材消耗的厚度进行设计，在所述靶材的厚度消耗使得所述第一距离从初始值增加超出工艺窗口范围之前，选择一个厚度更薄的所述陶瓷环来替换使用中的所述陶瓷环，所述陶瓷环的厚度的减小使所述第一距离减少并向初始值趋近并使得所述第一距离在下一次更换所述陶瓷环或所述靶材之前保持在工艺窗口范围内。

进一步的改进是，所述工艺调节结构包括2个不同厚度的所述陶瓷环，较厚的所述陶瓷环在所述靶材初始安装时同时安装，在所述靶材的使用寿命的中期将较薄的所述陶瓷环替换较厚的所述陶瓷环。

进一步的改进是，较薄的所述陶瓷环和较厚的所述陶瓷环的厚度差为3毫米～10毫米。

进一步的改进是，所述工艺调节结构还包括：晶圆高度调节装置，用于调节所述晶圆的高度。

在所述晶圆的高度的初始值时，所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离都处于相应的初始值。

当所述第一距离增加时，通过增加所述晶圆的高度来减少所述第一距离，但是同时会减少所述第二距离，所述晶圆高度调节装置对所述第一距离的调节量要保证减少后的所述第二距离位于工艺窗口范围内。

进一步的改进是，当所述第一距离增加时，所述第三距离也同时增加，所述晶圆高度调节装置对所述第一距离的调节量同时要保证增加后的所述第三距离位于工艺窗口范围内。

进一步的改进是，在对应各种厚度的所述陶瓷环更换之后，所述晶圆高度调节装置使所述晶圆的高度回复到初始值；在各种厚度的所述陶瓷环的使用过程中，所述晶圆高度调节装置根据所述靶材的消耗调节所述晶圆的高度，使所述第一距离恢复。

进一步的改进是，所述靶材为钽靶，所述靶环为钽环，在所述晶圆表面溅射的薄膜为氮化钽薄膜。

进一步的改进是，所述钽靶的使用寿命为5000千瓦时以上。

进一步的改进是，所述工艺调节结构的所述陶瓷环为需要打开所述工艺腔进行更换的结构。

进一步的改进是，所述工艺调节结构的所述晶圆高度调节装置为在所述工艺腔密封状态下调节所述晶圆高度的结构。

进一步的改进是，在所述第一安装装置和所述陶瓷环之间设置有第一密封胶圈，在所述陶瓷环和所述第二安装装置之间设置有第二密封胶圈。

为解决上述技术问题，本发明提供的pvd设备的工艺腔的工艺调节方法包括如下步骤：

步骤一、打开所述工艺腔，安装新的所述靶材，在所述工艺调节结构的所述陶瓷环中选择厚度最厚的所述陶瓷环用于所述靶材的安装。

步骤二、用所述工艺腔投入溅射薄膜的生产，随着溅射累积时间的增加，所述靶材逐渐被消耗而使得所述靶材的厚度减少，所述靶材厚度减少后所述第一距离增加。

步骤三、在所述第一距离增加到超出工艺窗口范围之前停止所述工艺腔的生产，打开所述工艺腔，选择一个厚度更薄的所述陶瓷环来替换使用中的所述陶瓷环，所述陶瓷环的厚度的减小使所述第一距离减少并向初始值趋近。

步骤四、重复步骤二和三直至所述靶材的寿命耗尽，所述靶材寿命耗尽后进行步骤一进行所述靶材的更换。

进一步的改进是，所述工艺调节结构还包括：晶圆高度调节装置，用于调节所述晶圆的高度。

在所述晶圆的高度的初始值时，所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离都处于相应的初始值。

在步骤三中进行所述陶瓷环的更换之前还包括采用所述晶圆高度调节装置进行所述晶圆高度调节的步骤，该步骤包括：当所述第一距离增加时，通过增加所述晶圆的高度来减少所述第一距离，但是同时会减少所述第二距离，所述晶圆高度调节装置对所述第一距离的调节量要保证减少后的所述第二距离位于工艺窗口范围内。

进一步的改进是，当所述第一距离增加时，所述第三距离也同时增加，所述晶圆高度调节装置对所述第一距离的调节量同时要保证增加后的所述第三距离位于工艺窗口范围内。

进一步的改进是，所述靶材为钽靶，所述靶环为钽环，在所述晶圆表面溅射的薄膜为氮化钽薄膜。

所述钽靶的使用寿命为5000千瓦时以上。

本发明设计了对pvd设备的工艺腔进行工艺调节的结构即工艺调节结构，本发明的工艺调节结构是采用不同厚度的陶瓷环来实现的，利用了位于工艺腔顶部的靶材需要通过陶瓷环来安装的特点，通过一系列不同后的陶瓷环的设计，能够通过陶瓷环的厚度的变化来补偿靶材的消耗所造成的靶材和晶圆之间的距离的变化即第一距离的变化；而且这种是第一距离复位的结构不会影响到晶圆的位置，故能使晶圆保持在最佳的初始位置，这对应在工艺腔的侧壁安装有靶环的结构来说能很好的实现晶圆和靶环之间的距离即第二距离保持不变以及同时实现靶材和靶环之间的距离即第三距离保持不变；而在pvd溅射工艺中，上述三个距离即第一距离、第二距离和第三距离是pvd溅射工艺的三个重要参数，这三个参数涉及到pvd溅射工艺的稳定性，由随着靶材的消耗，第一距离和第三距离不可避免的会产生变化，而通过调节晶圆的高度来补偿第一距离时又会对第二距离产生影响，故最后会使第一距离、第二距离和第三距离都会产生变化，当第一距离、第二距离和第三距离的变化未超出对应的工艺窗口范围时，pvd溅射工艺能保持稳定性，当第一距离、第二距离和第三距离的变化未超出对应的工艺窗口范围时则pvd溅射工艺就不能保持稳定性；而本发明通过陶瓷环的厚度的变化能使第一距离、第二距离和第三距离同时复位，而且这是在靶材已经消耗了一定厚度且是在第一距离、第二距离和第三距离的变化极限内进行的，故能使得靶材在不受第一距离、第二距离和第三距离的变化约束的情形下继续使用，从而能提高靶材的使用寿命，同时还能够保持工艺稳定。而现有技术中则为当靶材的消耗使第一距离、第二距离和第三距离的变化超极限时则不能再使用靶材，所以相对于现有的靶材使用寿命受到第一距离、第二距离和第三距离的变化范围的限制，本发明实现了靶材的使用寿命的提高。

而靶材使用寿命的提高，也意味着能节约靶材成本，所以本发明最后还能带来节约成本的效果。

另外，本发明的陶瓷环是完全根据靶材的消耗情况进行设计的，能够很好的对靶材消耗产生的对第一距离、第二距离和第三距离变化进行补偿，从而实现在靶材消耗到一段时间之后对第一距离、第二距离和第三距离进行同时复位。所以，虽然现有pvd设备的工艺腔中也具有陶瓷环的设置，但是并没有公开本发明的一系列的陶瓷环的设计并使用陶瓷环的厚度变化来补偿靶材消耗产生的对第一距离、第二距离和第三距离变化的结构；所以本发明是对现有结构的一个很好的改进。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是靶材后期表面被刻蚀导致靶材与晶圆距增加示意图；

图2是抬高晶圆位置补偿靶材表面的刻蚀示意图；

图3是不同陶瓷环示意图；

图4是靶材初期示意图；

图5是靶材后期示意图；

图6是靶材后期，靶面被刻蚀，更换新厚度的陶瓷环示意图。

具体实施方式

由于本发明实施例结构是在对现有技术问题进行详细分析的基础上得到的，故为了更好的理解本发明实施例结构，再次先结合图1和图2详细介绍一下现有pvd设备的工艺腔中针对靶材的消耗进行的工艺调节方法，如图1所示，显示了pvd设备的工艺腔的结构，包括：

工艺腔的侧壁8，设置在侧壁8上的工艺套件7，设置在工艺套件7上的靶环，这里以钽工艺腔为例进行说明，靶环即为钽环9，钽环9和射频偏压源10相连。

晶圆104放置在基座105上，基座105可以根据需要设置用于对晶圆104进行加热的装置，用于对晶圆104进行取放的装置。这里要说明的是晶圆104能通过基座105进行高度调节，所以基座5作为晶圆高度调节装置。

靶材即钽材3设置在工艺腔的顶部，钽材3的顶部设置有第一安装装置103，所述工艺腔的顶部设置有第二安装装置6，在所述第一安装装置103通过陶瓷环5放置在所述第二安装装置6上。第一密封胶圈4a设置在所述第一安装装置103和陶瓷环5之间，第二密封胶圈4b设置在所述第二安装装置6和陶瓷环5之间。

由于钽材3在使用过程中会不断的被消耗，故不同时刻钽材3底部表面的位置会不一样，为了显示这一个动态的过程，在图1中用标记101表示当前的钽材3的底部表面的位置，标记102对应的虚线表示钽材3使用一段时间后的底部表面位置，可以看出，钽材3的底部表面会随着使用时间的增加而不断上升，这会主要使得钽材3的底部表面101和晶圆104的表面的距离即第一距离不断增加。但是第一距离的变化会有一个尺度即工艺窗口范围，当第一距离变化到超出工艺窗口范围时，工艺将不会再稳定，从而会产品的良率产生影响，这时必须要对第一距离进行调节，否则将无法再进行生产。

如图2所示，现有技术中，主要是通过基座105的升降来调节晶圆104的高度，图2中则显示了通过将晶圆104的表面上升到虚线106所示的位置来减少第一距离，即调节后使得虚线106到虚线102之间的距离和晶圆104的表面和钽材3的底部表面101的距离一致，这样能使得第一距离得到恢复，所以生产可以继续。

但是，请参考图4所示，图4中第一距离用a标示，钽材3的消耗除了会影响到第一距离a之外。还会对第二距离b和第三距离c产生影响，第二距离b为所述晶圆104的表面的中心位置和所述靶环9的距离，所述第三距离c为所述靶材3底部表面的中心位置和所述靶环9的距离。具体为：钽材3的消耗会增加第一距离a和第三距离c，而通过调节晶圆104的高度则补偿第一距离a的变化但是同时会对第二距离b产生影响，所以虽然通过晶圆104的高度调节可以补偿第一距离a的变化，但是这种变化会受到第二距离b和第三距离c的变化范围的限制，使得当第二距离b和第三距离c中就的一个首先变化到超出对应的工艺窗口范围时，则不能再进行生产，这时也无法通过调节晶圆104的高度来实现对应的距离补偿，此时只有对靶材3进行更换。

本发明实施例结构：

现结合图3-图6来说明本发明实施例pvd设备的工艺腔的工艺调节结构，本发明实施例的工艺腔的结构和图1所示结构相同，如图4所示，工艺腔包括：

靶材3，设置在工艺腔的顶部。

靶环9，设置在所述工艺腔的侧壁上8。

晶圆104设置在工艺腔的底部。

所述靶材3从所述晶圆104的顶部正上方向所述晶圆104的表面溅射薄膜。

所述靶环9从所述晶圆104的周侧上方向所述晶圆104的表面溅射薄膜。

令所述靶材3和所述晶圆104表面的距离为第一距离a，所述晶圆104的中心位置和所述靶环9的距离为第二距离b，所述靶材3的中心位置和所述靶环9的距离为第三距离c。

所述第一距离a、所述第二距离b和所述第三距离c在工艺窗口范围内时，在所述晶圆104表面溅射薄膜的工艺稳定。

随着溅射次数的增加，所述靶材3会被消耗从而使所述第一距离a增大，如标记101和102所示，标记102对应于消耗后的所述靶材3的底部表面。

所述靶材3的顶部设置有第一安装装置103，所述工艺腔的顶部设置有第二安装装置6，在所述第一安装装置103通过陶瓷环1放置在所述第二安装装置6上。图4中的陶瓷环用1表示，在这里表示多个不同厚度的所述陶瓷环中的一个。

如图3所示，所述工艺调节结构包括：多个不同厚度的所述陶瓷环，图3中用虚线圈201表示了工艺调节结构中的一系列的所述陶瓷环，图3中显示了两个陶瓷环，分别用标记1和2表示，陶瓷环1的厚度大于陶瓷环2的厚度。图4中首先使用的是较厚的陶瓷环1，图6中将陶瓷环2替换了陶瓷环1，图5中依然显示使用的为陶瓷环1。

各所述陶瓷环的厚度根据所述靶材3消耗的厚度进行设计，在所述靶材3的厚度消耗使得所述第一距离a从初始值增加超出工艺窗口范围之前，选择一个厚度更薄的所述陶瓷环来替换使用中的所述陶瓷环，所述陶瓷环的厚度的减小使所述第一距离a减少并向初始值趋近并使得所述第一距离a在下一次更换所述陶瓷环或所述靶材3之前保持在工艺窗口范围内。

本发明实施例中，所述工艺调节结构包括2个不同厚度的所述陶瓷环，较厚的所述陶瓷环1在所述靶材3初始安装时同时安装，在所述靶材3的使用寿命的中期将较薄的所述陶瓷环2替换较厚的所述陶瓷环1。

较薄的所述陶瓷环2和较厚的所述陶瓷环1的厚度差为3毫米～10毫米。

较佳为，所述工艺调节结构还包括：晶圆高度调节装置，用于调节所述晶圆104的高度。本发明实施例中，晶圆高度调节装置直接采用基座105实现。晶圆高度调节装置的调节原理如下：

如图4所示，在所述晶圆104的高度的初始值时，所述第一距离a、所述第二距离b和所述第三距离c都处于相应的初始值。

如图5所示，当所述第一距离a增加时，通过增加所述晶圆104的高度来减少所述第一距离a，但是同时会减少所述第二距离b，第二距离在图5中用b’表示。所述晶圆高度调节装置对所述第一距离a的调节量要保证减少后的所述第二距离b’位于工艺窗口范围内。

当所述第一距离a增加时，所述第三距离c也同时增加，第三距离在图5中用c’表示。所述晶圆高度调节装置对所述第一距离a的调节量同时要保证增加后的所述第三距离c’位于工艺窗口范围内。

由图5所示可知，晶圆高度调节装置对第一距离a的调节即对靶材3的消耗补偿会受到第二距离b’和第三距离c’的限制。这时为了进一步的增加靶材3的使用寿命，则需要进行陶瓷环1的更换。

如图6所示，在对应各种厚度的所述陶瓷环1更换之后，图6中用陶瓷环2显示更换后的陶瓷环。所述晶圆高度调节装置使所述晶圆104的高度回复到初始值，这时第一距离、第二距离和第三距离都得到恢复，也即图6中的距离a、b和c和图4中的是相同；当时这种距离是在所述靶材3的底部表面消耗到标记102所示的位置。所以，在第一距离、第二距离和第三距离都得到恢复距离a、b和c的情形下，工艺腔开始新的生产，这时可以继续采用所述晶圆高度调节装置进行位置调节来补偿所述靶材3的消耗；也即：在各种厚度的所述陶瓷环的使用过程中，所述晶圆高度调节装置根据所述靶材3的消耗调节所述晶圆104的高度，使所述第一距离a恢复。

本发明实施例中，所述靶材3为钽靶，所述靶环9为钽环，在所述晶圆104表面溅射的薄膜为氮化钽薄膜。所述钽靶的使用寿命为5000千瓦时以上。

所述工艺调节结构的所述陶瓷环为需要打开所述工艺腔进行更换的结构。所述工艺调节结构的所述晶圆高度调节装置为在所述工艺腔密封状态下调节所述晶圆104高度的结构。可知，本发明实施例结构在现有的所述晶圆高度调节装置的基础上多增加了一种工艺调节结构。

较佳为，在所述第一安装装置103和所述陶瓷环1之间设置有第一密封胶圈4a，在所述陶瓷环1和所述第二安装装置6之间设置有第二密封胶圈4b。

本发明实施例pvd设备的工艺腔的工艺调节方法包括如下步骤：

步骤一、打开所述工艺腔，安装新的所述靶材3，在所述工艺调节结构的所述陶瓷环中即从虚线圈201所示的所有陶瓷环中选择厚度最厚的所述陶瓷环1用于所述靶材3的安装。

本发明实施例中虚线圈201包括了两种厚度的所述陶瓷环即较厚的陶瓷环1和较薄的陶瓷环2。所述靶材3为钽靶，所述靶环9为钽环，在所述晶圆104表面溅射的薄膜为氮化钽薄膜。所述钽靶的使用寿命为5000千瓦时以上。

步骤二、用所述工艺腔投入溅射薄膜的生产，随着溅射累积时间的增加，所述靶材3逐渐被消耗而使得所述靶材3的厚度减少，所述靶材3厚度减少后所述第一距离a增加。

步骤三、在所述第一距离a增加到超出工艺窗口范围之前停止所述工艺腔的生产，打开所述工艺腔，选择一个厚度更薄的所述陶瓷环2来替换使用中的所述陶瓷环1，所述陶瓷环1的厚度的减小使所述第一距离a减少并向初始值趋近。

较佳为，所述工艺调节结构还包括：晶圆高度调节装置，用于调节所述晶圆104的高度。

在所述晶圆104的高度的初始值时，所述第一距离a、所述第二距离b和所述第三距离c都处于相应的初始值。

在步骤三中进行所述陶瓷环1的更换之前还包括采用所述晶圆高度调节装置进行所述晶圆104高度调节的步骤，该步骤包括：当所述第一距离a增加时，通过增加所述晶圆104的高度来减少所述第一距离a，但是同时会减少所述第二距离b，所述晶圆高度调节装置对所述第一距离a的调节量要保证减少后的所述第二距离b’位于工艺窗口范围内。

当所述第一距离a增加时，所述第三距离c也同时增加，所述晶圆高度调节装置对所述第一距离a的调节量同时要保证增加后的所述第三距离c’位于工艺窗口范围内。

步骤四、重复步骤二和三直至所述靶材3的寿命耗尽，所述靶材3寿命耗尽后进行步骤一进行所述靶材3的更换。

本发明实施例设计了对pvd设备的工艺腔进行工艺调节的结构即工艺调节结构，本发明实施例的工艺调节结构是采用不同厚度的陶瓷环来实现的，利用了位于工艺腔顶部的靶材3需要通过陶瓷环来安装的特点，通过一系列不同后的陶瓷环的设计，能够通过陶瓷环的厚度的变化来补偿靶材3的消耗所造成的靶材3和晶圆104之间的距离的变化即第一距离a的变化；而且这种是第一距离a复位的结构不会影响到晶圆104的位置，故能使晶圆104保持在最佳的初始位置，这对应在工艺腔的侧壁8安装有靶环9的结构来说能很好的实现晶圆104和靶环9之间的距离即第二距离b保持不变以及同时实现靶材3和靶环9之间的距离即第三距离c保持不变；而在pvd溅射工艺中，上述三个距离即第一距离a、第二距离b和第三距离c是pvd溅射工艺的三个重要参数，这三个参数涉及到pvd溅射工艺的稳定性，由随着靶材3的消耗，第一距离a和第三距离c不可避免的会产生变化，而通过调节晶圆104的高度来补偿第一距离a时又会对第二距离b产生影响，故最后会使第一距离a、第二距离b和第三距离c都会产生变化，当第一距离a、第二距离b和第三距离c的变化未超出对应的工艺窗口范围时，pvd溅射工艺能保持稳定性，当第一距离a、第二距离b和第三距离c的变化未超出对应的工艺窗口范围时则pvd溅射工艺就不能保持稳定性；而本发明实施例通过陶瓷环1的厚度的变化能使第一距离a、第二距离b和第三距离c同时复位，而且这是在靶材3已经消耗了一定厚度且是在第一距离a、第二距离b和第三距离c的变化极限内进行的，故能使得靶材3在不受第一距离a、第二距离b和第三距离c的变化约束的情形下继续使用，从而能提高靶材3的使用寿命，同时还能够保持工艺稳定。而现有技术中则为当靶材3的消耗使第一距离a、第二距离b和第三距离c的变化超极限时则不能再使用靶材3，所以相对于现有的靶材3使用寿命受到第一距离a、第二距离b和第三距离c的变化范围的限制，本发明实施例实现了靶材3的使用寿命的提高。

而靶材3使用寿命的提高，也意味着能节约靶材3成本，所以本发明实施例最后还能带来节约成本的效果。

另外，本发明实施例的陶瓷环是完全根据靶材3的消耗情况进行设计的，能够很好的对靶材3消耗产生的对第一距离a、第二距离b和第三距离c变化进行补偿，从而实现在靶材3消耗到一段时间之后对第一距离a、第二距离b和第三距离c进行同时复位。所以，虽然现有pvd设备的工艺腔中也具有陶瓷环的设置，但是并没有公开本发明实施例的一系列的陶瓷环的设计并使用陶瓷环的厚度变化来补偿靶材3消耗产生的对第一距离a、第二距离b和第三距离c变化的结构；所以本发明实施例是对现有结构的一个很好的改进。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。