[发明专利]物理气相沉积设备及磁控溅射方法

说明书

技术领域

本发明涉及PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)技术，特别涉及一种改进的物理气相沉积设备和磁控溅射方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，CMOS晶体管尺寸不断缩小到次微米级。根据摩尔定律的预测，在高效率、高密度集成电路中的晶体管数量可上升到几千万个。这些数量庞大的有源元件的信号集成需要多达十层以上的高密度金属连线，然而这些金属互连线带来的电阻和寄生电容已经成为限制这种高效集成电路速度的主要问题。为解决上述问题，半导体工业从原来的金属铝互连线工艺发展成金属铜互连线，同时低介电常数介质材料替代了二氧化硅成为金属层间的绝缘介质。通过采用铜金属互联线，减少了金属连线层间的电阻，同时增强了电路稳定性。此外，采用低介电常数介质材料昨晚绝缘介质减少了金属连线层之间的寄生电容。

在集成电路中的金属材料多通过PVD方法制备。PVD是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

在PVD技术中，通常采用PVD腔室进行薄膜沉积。在薄膜沉积中，采用磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术，用于对铝、铜等金属薄膜的沉积以构成金属接触以及金属互连线等。在真空环境下，磁控溅射通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材(Target)进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出，在基件上沉积形成薄膜。

具体而言，物理气相沉积或溅射(Sputtering)沉积技术是半导体工业中广泛采用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。在集成电路制造行业中，特指磁控溅射技术，主要用于铝、铜等金属薄膜的沉积，以构成金属接触、金属互连线等。具体而言，磁控溅射是指在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以使被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。

在PVD设备的铜腔室中，通常在靶材上加载直流电源(DC Power)以得到较高的金属离化率。但是随着工艺的不断发展，对金属离化率提出了更高的要求。为满足上述要求，采用在靶材上加载高功率的脉冲电源的PVD设备，使用高功率的脉冲电源可实现在靶材上短时间内加载更高的负压，从而进一步提高了金属的离化率。

但是，脉冲电源的脉冲加载到靶材上的能量是不连续的。在这种情况下，PVD腔室内的等离子体阻抗会不断变化。在PVD腔室内设置有下电极匹配器(Bias match)，以调节输入阻抗等于输出阻抗，从而减少在信号传输途中或终端所产生的能量反射和损失，降低杂波及串扰、杜绝失真及减少信号传输中的延迟，使信号的能量得到完整的传输。

但是现有的下电极匹配器的每个控制周期的起始时间不同。如图1所示，下电极匹配器的控制周期不间断执行，其中脉冲宽度为τ，脉冲周期为T，A为脉冲幅度。控制周期可从τ区间开始，即从t0点开始；也可在T-τ区间上开始，从而使得部分控制周期不能在同一区间(即τ或T-τ)内完成。此种情况下，由于PVD腔室内的等离子体阻抗会不断变化，使得下电极匹配器反复调整，进而影响到下电极匹配器的正常工作。

例如，下电极匹配器的反复调整会带来如下的问题：

1)下电极匹配器反复调整，不利于下电极射频电源的能量全部传给等离子体腔室；

2)下电极匹配器反复调整，影响该下电极匹配器的自身寿命；以及

3)下电极匹配器反复调整，会影响到对金属离子运动的控制，进而影响到最终的工艺加工结果。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术缺陷之一。特别针对现有的物理气相沉积(PVD)设备，提出了一种改进的PVD设备和磁控溅射方法，从而避免了阻抗调整过程中的匹配器的反复调整，延长设备寿命且可更好地控制金属离子的运动，进而得到更好的工艺结果。