本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造，具體為一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法。

背景技術(shù)：

1、但隨著晶體管尺寸不斷縮小，接近物理極限時(shí)，傳統(tǒng)的平面集成電路制造工藝面臨著諸多挑戰(zhàn)，如短溝道效應(yīng)、漏電流增加、功耗密度上升等問題，繼續(xù)通過縮小晶體管尺寸來提升芯片性能變得愈發(fā)困難且成本高昂。這促使半導(dǎo)體行業(yè)尋求新的技術(shù)途徑來延續(xù)芯片性能的提升，三維集成技術(shù)作為一種有效的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，而硅穿孔或硅通孔技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)三維集成中芯片間垂直互連的關(guān)鍵技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注。其中，硅穿孔或硅通孔技術(shù)一般使用ecp電鍍銅作為互聯(lián)金屬填充孔洞，而電鍍銅一般需要阻擋層/種籽層作為鍍層基底，基底需要有良好的連續(xù)性及一定的厚度以便電鍍的順利進(jìn)行。

2、現(xiàn)有的技術(shù)存在以下問題：pvd（物理氣相沉積）技術(shù)主要依賴于物理過程（如濺射）將材料沉積到基片上。由于其沉積機(jī)制的限制，pvd在填充高深寬比的溝槽和孔時(shí)，往往難以獲得良好的填充效果。在先進(jìn)的硅穿孔或硅通孔技術(shù)制造工藝中，深寬比通?？梢赃_(dá)到5:1甚至更高，同時(shí)孔的深度可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百微米。隨著深寬比的增加，制造過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)也會(huì)相應(yīng)增加，常規(guī)的pvd方式生成的金屬種子層在硅通孔內(nèi)臺(tái)階覆蓋率低，特別是在高深寬比的硅穿孔或硅通孔技術(shù)中，這一問題尤為突出。由于硅穿孔或硅通孔技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其側(cè)壁和底部往往難以得到均勻且連續(xù)的種子層覆蓋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，本發(fā)明解決了現(xiàn)在大多數(shù)磁控濺射腔體，其使用場景大多為平面鍍膜，其填孔能力較差，尤其在高深寬比的應(yīng)用場景時(shí)，不能很好的滿足制程的需求。本發(fā)明通過hipims（高功率脈沖磁控濺射）電源結(jié)合dc電源，以及ac電源，實(shí)現(xiàn)了極大的提升被濺射原子的離化率，在晶圓表面負(fù)偏壓的吸引下，其準(zhǔn)直性大大加強(qiáng)；同時(shí)通孔底部充足的成膜原子通過反濺的作用，進(jìn)一步提高了側(cè)壁的階梯覆蓋率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，包括以下步驟：

4、步驟s1：提供pvd腔體、晶圓，所述pvd腔體內(nèi)設(shè)置有靶材、加熱器，所述靶材設(shè)置有hipims電源、dc電源，所述加熱器下方設(shè)置有一ac電源；所述晶圓位于加熱器上；也就是說，準(zhǔn)備pvd腔體、晶圓，腔體內(nèi)有靶材（金屬銅）、加熱器，靶材接hipims和dc電源，兩種電源將為靶材提供不同模式的能量輸入，以滿足不同階段的濺射需求；加熱器下方設(shè)ac電源（13.56mhz交流電源），能夠?yàn)榫A提供特定的偏壓，從而影響離子的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量，有助于提高銅膜的沉積質(zhì)量，晶圓放于加熱器上。

5、步驟s2：靶材在hipims電源的情況下，控制pvd腔體的濺射參數(shù)：真空條件下充入氬氣ar，設(shè)置功率8-18kw，脈沖電流200-600a，脈沖時(shí)間50-150us，工藝壓力5-12mt，ac電源偏壓功率50-400w，直到種籽層的溝槽/孔的銅膜厚度達(dá)到在dc電源模式下銅生長的要求，在一般情況下為50nm以上；

6、將功率設(shè)定在8-18kw的范圍內(nèi)，能夠提供足夠的能量來驅(qū)動(dòng)濺射過程，但又不會(huì)過高導(dǎo)致靶材過度濺射或產(chǎn)生不穩(wěn)定的等離子體。脈沖電流控制在200-600a之間，可以確保每次脈沖期間有適量的銅原子被濺射出來。脈沖時(shí)間設(shè)置為50-150μs，能夠保證濺射過程在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高能量的等離子體，有利于形成高質(zhì)量的種籽層。工藝壓力維持在5-12mt，穩(wěn)定的壓力環(huán)境有助于維持等離子體的穩(wěn)定性和均勻性。同時(shí)，將ac電源的偏壓功率設(shè)置在50-400w之間，通過調(diào)節(jié)偏壓功率，可以控制離子轟擊晶圓的能量和角度，從而優(yōu)化銅膜在晶圓溝槽/孔內(nèi)的沉積效果。

7、持續(xù)進(jìn)行濺射過程，直到種籽層的溝槽/孔內(nèi)的銅膜厚度達(dá)到在dc電源模式下銅生長的要求。一般情況下，厚度需要達(dá)到50nm以上，以確保后續(xù)dc電源模式下銅能夠順利生長。

8、步驟s3：將靶材的電源切換到dc電源，控制pvd腔體的濺射參數(shù)：設(shè)置功率15-20kw，ac電源偏壓功率100-300w，直到滿足鍍銅層在電鍍銅填充后的化學(xué)機(jī)械研磨。

9、將dc電源的功率設(shè)置在15-20kw之間，相對(duì)較高的功率能夠提供穩(wěn)定且持續(xù)的能量，使靶材持續(xù)穩(wěn)定地濺射銅原子，加快鍍銅層的生長速度。同時(shí)，將ac電源的偏壓功率調(diào)整到100-300w之間，進(jìn)一步優(yōu)化離子轟擊晶圓的能量和角度，提高鍍銅層的均勻性和質(zhì)量。持續(xù)進(jìn)行濺射過程，直到鍍銅層的各項(xiàng)指標(biāo)滿足在電鍍銅填充后的化學(xué)機(jī)械研磨要求。

10、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述靶材為金屬銅。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述步驟s2中，控制pvd腔體的濺射參數(shù)：真空條件下充入ar，功率設(shè)置12kw，平均脈沖電流250a，脈沖時(shí)間100us，工藝壓力6.5mt，ac電源偏壓功率150w。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述步驟s2中，控制pvd腔體的濺射參數(shù)：真空條件下充入ar，功率設(shè)置12kw平均脈沖電流500a，脈沖時(shí)間50us，工藝壓力10mt，ac電源偏壓功率150w。

13、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述步驟s3中，將電源切換到dc電源，控制pvd腔體的濺射參數(shù)：設(shè)置平均功率18kw，ac電源偏壓功率200w。

14、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述ac電源采用13.56mhz交流電源，施加在加熱器上。

15、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述步驟s2和步驟s3中通過對(duì)加熱器施加背壓給晶圓實(shí)時(shí)降溫。

16、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述步驟s2中，控制沉積銅膜速率為50-100nm/min。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述步驟s3中，控制沉積銅膜速率為>400nm/min。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述ac電源用于提供一負(fù)偏壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)已離化濺射粒子的吸引。

19、本發(fā)明具有以下有益效果：

20、本發(fā)明采用hipims電源、dc電源的切換模式，解決了現(xiàn)在大多數(shù)磁控濺射腔體，其使用場景大多為平面鍍膜，其填孔能力較差，尤其在高深寬比的應(yīng)用場景時(shí)，不能很好的滿足制程的問題。hipims電源極大的提升了被濺射原子的離化率，在晶圓表面負(fù)偏壓的吸引下，其準(zhǔn)直性大大加強(qiáng)；同時(shí)通孔底部充足的成膜原子通過反濺的作用，進(jìn)一步提高了側(cè)壁的階梯覆蓋率。

21、本發(fā)明工藝中由于hipmis填孔表現(xiàn)優(yōu)異，而dc生長銅膜在整片的厚度均一性上表現(xiàn)更佳，同時(shí)沉積速率較hipims大大增大，兩者可以互補(bǔ)，可以通過先用hipmis模式填孔，再用dc補(bǔ)長厚度，通過切換模式以達(dá)到整片晶圓均勻生長的目的。以便后續(xù)電鍍銅的整片厚度均一性，防止化學(xué)機(jī)械研磨時(shí)表面銅膜殘留等現(xiàn)象的發(fā)生。

22、為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述靶材為金屬銅。

3.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述步驟s2中，控制pvd腔體的濺射參數(shù)為：真空條件下充入ar，功率設(shè)置12kw，平均脈沖電流250a，脈沖時(shí)間100us，工藝壓力6.5mt，ac電源偏壓功率150w。

4.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述步驟s2中，控制pvd腔體的濺射參數(shù)為：真空條件下充入ar，功率設(shè)置12kw，平均脈沖電流500a，脈沖時(shí)間50us，工藝壓力10mt，ac電源偏壓功率150w。

5.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述步驟s3中，將電源切換到dc電源，控制pvd腔體的濺射參數(shù)：設(shè)置平均功率18kw，ac電源偏壓功率200w。

6.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述ac電源采用13.56mhz交流電源，施加在加熱器上。

7.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述步驟s2和步驟s3中通過對(duì)加熱器施加背壓給晶圓實(shí)時(shí)降溫。

8.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述步驟s2中，控制沉積銅膜速率為50-100nm/min。

9.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述步驟s3中，控制沉積銅膜速率為大于400nm/min。

10.如權(quán)利要求1所述的一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，其特征在于，所述ac電源用于提供一負(fù)偏壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)已離化濺射粒子的吸引。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種使用高頻脈沖電源生長濺射銅膜的工藝方法，包括以下步驟：提供PVD腔體、晶圓，PVD腔體內(nèi)設(shè)置有靶材、加熱器，靶材設(shè)置有HIPIMS電源、DC電源，加熱器下方設(shè)置有一AC電源；晶圓位于加熱器上；靶材在HIPIMS電源的情況下，控制PVD腔體的濺射參數(shù)；將靶材的電源切換到DC電源，控制PVD腔體的濺射參數(shù)：設(shè)置功率15?25kw，AC電源偏壓功率100?300w，直到滿足鍍銅層的化學(xué)和機(jī)械拋光，本發(fā)明解決了現(xiàn)在大多數(shù)磁控濺射腔體，其使用場景大多為平面鍍膜，其填孔能力較差，尤其在高深寬比的應(yīng)用場景時(shí)，不能很好的滿足制程的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：鄔靖,宋維聰,周云,李文濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陛通半導(dǎo)體設(shè)備（蘇州）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15