[发明专利]一种PVD系统工艺参数的优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，尤其涉及一种PVD系统工艺参数的优化方法。

背景技术

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）系统广泛用于当今的半导体产品的制作工艺中。现有一种特殊的旋转式PVD系统，可以实现高产量和多层薄膜在同一个PVD腔室内沉积。

但是我们发现，在这种旋转式PVD系统内，沉积厚的金属薄膜的时候，由于受到设备本身冷却系统和容积的限制，造成同一批次晶片表面温度不同，导致晶粒尺寸和薄膜性质的改变，引起不同晶片间WTW（wafer to wafer）厚度范围变大，而良好的WTW厚度控制是制造基于HKMG技术的高性能逻辑芯片的关键。以沉积Al30K为例，六片晶片组成一个批次，WTW厚度变化很大，约为4000埃。如果工艺过程中，设置沉积台的旋转速度为20rpm，则晶片间的一致性比常规转速的PVD要好。实际上，金属晶粒尺寸不同会引起RS/Thickness值波动很大，进而影响后段制成中的湿法刻蚀速率。如图1所示，晶片温度高会导致沉积金属的晶粒尺寸变大，晶界减少，而晶界减少又会相应的降低金属的电阻，也即电阻越小意味着厚度越大。基于这种旋转式PVD系统，导致金属厚度波动大的根源是系统固有设计中对于不同位置沉积台的冷却效果是不同的，这导致晶片表面温度的不同，温度越高晶粒尺寸越大，测量到的厚度值也就越大。图2A示出了执行现有六次循环工艺制备的厚度较大的薄膜的SEM图，由图可以看出，晶粒尺寸大，且晶界少。图2B示出了执行现有六次循环工艺制备的厚度正常的薄膜的SEM图，由图可以看出，晶粒尺寸小，且晶界多。

如何解决晶片间厚度不均匀的问题，通常由两种解决方案：一、重新设计冷却系统来增强冷却效果，这种方案能从根本上解决存在的问题，但是成本太高耗时久。二、修改过程参数，增加更多的循环，减少每次循环的沉积时间，这种方法相对第一种更容易实现，但是增加循环冷却时间，会导致总的工艺时间增长，降低生产量。如图3A和图3B所示，图3A为6次循环的工艺参数，图3B为18次循环的工艺参数，对比两组数据发现，6次沉积和冷却循环总耗时2676s，每小时流片数（WPH）为8.07pcs/hr；而当循环增大到18次时，沉积和冷却循环总耗时达到4116s，WPH降低到5.24pcs/hr，WTW厚度变化从4000埃减小到小于1000埃。虽然改善了WTW厚度分布，但是却降低了产量。

如图4所示，当执行6次循环的工艺参数时，在工艺运行过程中，温度上升超过了180℃，而且随着时间的增长，温度上升的速率也在变大。

因此，急需一种新的工艺优化方法，以克服现有技术中的不足。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种PVD系统工艺参数的优化方法，包括下列步骤：

根据预沉积薄膜的厚度，得到预沉积所述薄膜所需的总沉积时间；将所述总沉积时间分为若干步，每步沉积后有冷却步骤，组成了若干个沉积/冷却循环；根据所述薄膜沉积过程中的沉积温度的上升趋势，在所述沉积温度上升慢的步骤中设定较短的冷却时间，在所述沉积温度上升较快的步骤中设定较长的冷却时间。

进一步，可用于任何PVD法沉积的薄膜。

进一步，所述薄膜为金属铝，预定厚度为25000～35000埃。

进一步，将沉积所述金属铝膜的总沉积时间分为24步，对应24个沉积/冷却循环。

进一步，将所述24个沉积冷却循环分为三个部分。

进一步，所述三部分的划分方式为：第一部分为1-8循环，第二部分为9-16循环，第三部分为17-24循环。

进一步，所述第一部分每步循环冷却时间为10-20s，所述第二部分每步循环冷却时间为25-35s，所述第三部分每步循环冷却时间为40-50s，每步沉积时间为73-80s。

综上所示，根据本发明的PVD系统工艺参数的优化方法，改善冷却效果，控制沉积薄膜由于温度高而引起的晶粒长大问题，改善WTW厚度控制，进而提高产品性能和良品率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：