WO2012037761A1 - 一种靶材功率加载方法、靶材电源及半导体处理设备 - Google Patents

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杨柏
夏威
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北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3485—Sputtering using pulsed power to the target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • H01J37/3408—Planar magnetron sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3464—Operating strategies
    • H01J37/3467—Pulsed operation, e.g. HIPIMS

Definitions

  • Target power loading method Target power supply and semiconductor processing equipment
  • the present invention relates to the field of microelectronics, and in particular to a target power loading method, a target power source, and a semiconductor processing apparatus applying the above target power loading method/target power source. Background technique
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional magnetron sputtering device.
  • the magnetron sputtering apparatus includes a process chamber 1, a target 2 disposed above the process chamber 1 and a magnetron 3, a DC power source 4 loaded to the target 2, and disposed in the process chamber 1
  • the lower substrate power supply unit 6 is connected to the substrate holding device 5 so as to have the function of the lower electrode at the same time.
  • the process of using the device for the copper interconnection process is as follows: First, the substrate 7 is fixed to the upper surface of the substrate holding device 5; then, argon gas is introduced into the process chamber 1 while the DC power source 4 is loaded for the target.
  • FIG. 2 an experimental data chart of the metal ionization rate obtained by performing a copper sputtering experiment using the apparatus shown in Fig. 1 above.
  • the fitting lines 1 and 2 respectively represent the magnetic field strengths of the two magnetrons currently used, and the two magnetic field strengths are respectively referred to as the magnetic field strength 1 and the magnetic field strength 2; wherein, the magnetic field strength 2 is approximately the magnetic field strength 1 Twice.
  • the magnetic field strength of a magnet of any material has a certain physical limit value, and thus the manner of increasing the metal ionization rate by increasing the magnetic field strength has a limit.
  • too long a high DC power load will increase the heat generation of the target, which will affect the thermal stability and process reliability of the device; and continuous loading of higher magnetic field strength and DC power will result in
  • the deposition rate of the material is too fast, and the too fast deposition rate will increase the difficulty of controlling the deposition process results. Unfavorable process results. Therefore, in practical industrial applications, the use of 60 kW DC power with magnetic field strength 1 or 40 kW DC power with magnetic field strength 2 two parameters, the actual available metal ionization rate is about 40% ⁇ 50 %about.
  • the present invention also provides a target power source, which can also effectively improve the metal ionization rate of the sputtering process while ensuring stable and controllable processes.
  • the present invention also provides a semiconductor processing apparatus using the above-described target power loading method/target power supply, which can also effectively improve the metal ionization rate of the sputtering process while ensuring stable and controllable processes.
  • the main power is 80 kW ⁇ 200 kW; the main power
  • the sustain power source comprises a pulsed DC power source; the output power of the pulsed DC power source is 500W ⁇ 25 kW, and the pulse frequency is the same as the pulse frequency of the main power source, the pulse DC
  • the pulse loading time of the power source corresponds to the pulse interval time t2 of the main power source such that the pulsed DC power source and the main power source alternately load power to the target.
  • the maintenance power source includes a DC power source, and the output power of the DC power source is 500 W to 20 kW, and the DC power source continuously loads the target power to maintain the power.
  • the present invention also provides a target power source including a main power module and a sustain power module connected to the target.
  • the main power module loads a certain main power into the target in the form of a pulse, the action time of the single pulse is t1, and the pulse interval time is t2; the maintenance power module is at least at the pulse interval of the main power module.
  • the t2 is loaded with a certain sustain power to the target, the sustain power being less than the main power for maintaining the glow discharge process of the sputtering process in t2 .
  • the main power module includes a pulsed DC power supply, and the main power is 80 kW ⁇
  • the target power loading method provided by the present invention firstly connects the main power source and the maintenance power source to the target respectively; then, the main power source is loaded with a certain main power to the target in the form of a pulse; meanwhile, the power supply is maintained at least A certain sustain power is applied to the target during the main power interval, the sustain power being less than the main power to maintain the glow discharge process of the sputtering process during the main power interval. It can be seen that during the above power loading process, the main power is loaded in a pulse manner, which can effectively avoid the problem of continuous loading of high power and the sudden increase of the heat of the target, and the target can be made when the loaded main power is sufficiently large.
  • the target power loading method provided by the present invention loads a lower than main power of the target at a time interval of the main power pulse and maintains the sustain power of the glow discharge process in the sputtering process, since the sustain power is relatively high. Low, thereby maintaining the process continuity while maintaining the rate of sputter deposition at an easily controllable level, which in turn facilitates stable and reliable process results.
  • the target power loading method provided by the invention can ensure the process stability and controllability, and the metal ionization rate in the sputtering process is obviously improved, thereby meeting the process requirements of the new technology node.
  • the target power supply provided by the invention has the main power module pulsing the main power to the target, which can effectively avoid the problem of continuous loading of high power and the sudden increase of the heat of the target, and, when loaded, When the main power is large enough, the instantaneous metal ionization rate of the target can reach 80% and above, thus meeting the needs of the new technology node and making the sputtering process level. Meet the requirements of the 32nm level.
  • the target power supply provided by the present invention uses the maintenance power module to load a lower than main power to the target during the interval during which the main power module is loaded with the main power and maintains the maintenance of the glow discharge process in the sputtering process.
  • the target power supply provided by the invention can effectively improve the metal ionization rate in the sputtering process while ensuring process stability and controllability, thereby meeting the process requirements of the new technology node.
  • the semiconductor processing apparatus provided by the present invention can also apply the power loading method of the target provided by the present invention or the target power supply of the target provided by the present invention when performing the magnetron sputtering process. While ensuring process stability and controllability, the metal ionization rate in the sputtering process is effectively improved, thereby meeting the process requirements of the new technology node.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional magnetron sputtering apparatus
  • FIG. 2 is an experimental data diagram of metal ionization rate of copper sputtering using the apparatus shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic flow chart of a target power loading method provided by the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of power used in a first embodiment of a target power loading method according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of power used in a second embodiment of a target power loading method according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic structural diagram of a specific embodiment of a semiconductor processing apparatus provided by the present invention. detailed description
  • FIG. 3 is a schematic flowchart of a method for loading a target power according to the present invention.
  • the target power loading method is mainly used to load power into a target in a magnetron sputtering process, which includes the following steps:
  • the output power range of the main power supply includes 80 kW ⁇ 200kW, and its role in the magnetron sputtering process is to instantaneously increase the ionization rate of the target metal (ideal value is 80% or higher). ) to meet the process requirements of the 32nm technology node.
  • the sustain power source can load the target power only at the pulse interval time of the main power source, and can also continuously maintain the power to the target, as long as the pulse interval time t2 of the main power source can be ensured.
  • the target can obtain a certain sustain power, thereby maintaining the plasma glow discharge process in the sputtering process.
  • the pulsed DC power supply is used as the maintenance power supply
  • the above-mentioned maintenance power ranges from 500W to 25kW
  • the DC power supply is used as the maintenance power supply
  • the above maintenance power ranges from 500W to 20kW.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of power used in the first embodiment of the target power loading method according to the present invention.
  • the horizontal axis represents the power loading time t
  • the vertical axis represents the loading power P
  • P1 represents the main power
  • P2 represents the maintenance power.
  • the power supply is maintained with a pulsed DC power supply having the same pulse frequency as that of the above main power supply.
  • the pulse frequency of the pulsed DC power supply is the same as the pulse frequency of the main power supply
  • the pulse action time of the main power supply is complementary, that is: the pulse interval time t2 of the main power supply is just the pulse action time of the maintenance power supply.
  • the main power P1 is first loaded and the action time t1 is continued, and the ionization rate of the metal is significantly improved while the plasma initiation process is completed (ideal value is 80% or A higher level); Then, the loading of the sustaining power P2 is started for a duration of time t2 to maintain the glow discharge process of the plasma; the alternating loading process of the above-described main power P1 and the sustaining power P2 is repeated until the end of the process.
  • the average power applied to the target is 16.5 kW throughout the sputtering process, which not only obtains a very high metal ionization rate, but also maintains the sputter deposition rate within a relatively easy control range. Meet the process requirements of the 32nm technology node.
  • the target power loading method provided by the embodiment alternately applies power to the target by using two pulsed DC power sources, wherein one pulse DC power source is used as the main power source.
  • the target is loaded with a high power (80 kW ⁇ 200kW), in order to increase the metal ionization rate to 80% and above in an instant, so as to meet the process requirements of the 32nm technology node.
  • FIG. 5 it is a schematic diagram of power used in the second embodiment of the target power loading method provided by the present invention.
  • the horizontal axis represents the power load time t
  • the vertical axis represents the load power P
  • P1 represents the main power
  • P3 represents the sustain power.
  • the difference between this embodiment and the above-described target power loading method is that the power supply is maintained with a DC power supply, that is, the power supply is continuously supplied to the target during the entire process.
  • the loading mode for maintaining power is not limited to the above embodiment, and the details are as follows: First, when the power supply is maintained as a pulsed DC power supply, the pulse can also be made.
  • the pulse loading time of the DC power source is greater than the pulse interval duration of the main power source; that is, the pulsed DC power source starts to be loaded at a certain time before the end of the pulse loading time of the main power source, and/or the pulse DC is made.
  • the power supply is continuously loaded to a point in time after the start of the next pulse load time of the main power supply.
  • the DC power source can also be used to intermittently load the target power to the target power only during the load interval of the main power source by controlling the DC power source on/off.
  • the present invention also provides a target power source for applying power to a target in a magnetron sputtering process.
  • the target power source includes a main power module and a sustain power module connected to the target.
  • the main power module loads a certain main power into the target in the form of a pulse, and when the main power is sufficiently large, the metal ionization rate of the magnetron sputtering process can reach a level of 80% or more.
  • the action time of a single pulse is t1
  • the pulse interval time is t2.
  • the maintenance power module loads a certain sustain power to the target at least during the pulse interval time t2 of the main power module, and the maintenance power is significantly smaller than the above-mentioned main power, which is mainly used to maintain the glow discharge process of the sputtering process in t2.
  • the power supply module uses a pulsed DC power supply; the output power of the pulsed DC power supply ranges from 500 W to 25 kW, and the pulse frequency is the same as the pulse frequency of the main power module. And alternately load power to the target with the main power module.
  • the power supply module is powered by a DC power source having an output power of 500 W to 20 kW.
  • the target power loading method provided by the present invention is the same or similar, and will not be described herein.
  • the target power supply provided by the present invention described above provides alternating power to the target by means of its main power module and the maintenance power module.
  • the main power module provides a high power (80 kW ⁇ 200 kW) to the target in a pulsed manner, in order to obtain a metal ionization rate of 80% or more in an instant, thereby meeting the process requirements of the new technology node. Effectively avoids the problem of severe heat generation of the target caused by long-time loading of high power; on the other hand, maintains the power module to load a lower power (500W ⁇ 25kW or 500W ⁇ 20kW) to the target at the pulse interval of the main power module. While maintaining the plasma glow discharge, the deposition rate of the process can be stabilized, and the deposition rate of the entire process can be maintained within a controllable range, thereby facilitating stable and reliable process results.
  • FIG. 6 is a schematic structural diagram of a specific embodiment of a semiconductor processing apparatus provided by the present invention.
  • the semiconductor processing apparatus includes a process chamber 1, a substrate holding device 5 disposed under the inside of the process chamber 1, a target 2 disposed above the process chamber 1 and a magnetron 3; and a substrate holding device 5 connected There is a lower electrode power supply 6, so that the substrate holding device 5 serves as a lower electrode during the process; the target 2 is connected with the target power supply 8 provided by the present invention, and the target power supply 8 is maintained by the main power module 81.
  • the power module 82 is composed of.
  • the main power module 81 and the maintenance power module 82 load power to the target during the process to improve the metal ionization rate while ensuring process stability and controllability, thereby meeting the process requirements of the new technology node.
  • the specific target power loading process is the same as or similar to the specific loading process of the target power loading method and/or the target power supply provided by the above-described present invention, and thus will not be described again.
  • the present invention also provides a semiconductor processing apparatus using the target power loading method provided by the above-mentioned present invention, which can also improve the metal ionization rate while satisfying the new technology while ensuring process stability and controllability.
  • the process requirements of the node are not limited to the above-mentioned present invention.

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Description

一种靶材功率加载方法、 靶材电源及半导体处理设备 技术领域
本发明涉及微电子技术领域， 具体地， 涉及一种靶材功率加载方法、 靶 材电源及应用上述靶材功率加载方法 /靶材电源的半导体处理设备。 背景技术
在现代工业中， 微电子加工技术取得了前所未有的成就。 其中， 大规模 集成电路已经被应用于人们生产及生活中的各个领域。 与此同时， 对集成电 路的制造工艺及加工设备也正在以惊人的速度进行着不断的改进和更新。
磁控溅射是一项用于制备集成电路中的铜 /铝等金属互连层的关键技术。 在磁控溅射工艺中，部分靶材原子以离子态的形式被溅射出靶材表面，通常， 将以离子状态脱离靶材的金属粒子在所有被溅射出的金属粒子中所占的比例 定义为金属原子的离化率。 由于对金属离子的能量及运行的控制与金属原子 相比要容易得多， 尤其是在填充一些较大深 /宽比的孔隙及沟道时， 较容易达 到理想的沉积效果， 因此， 磁控溅射技术已经成为集成电路生产工艺中不可 或缺的重要加工手段。 可以预见， 随着集成度的大幅提高及特征尺寸的不断 缩小， 广大技术人员必将面临更多新的、 更高的挑战。
请参阅图 1 , 为一种目前常用的磁控溅射设备的原理示意图。如图所示， 该磁控溅射设备包括工艺腔室 1、设置于工艺腔室 1上方的靶材 2及磁控管 3、 加载至靶材 2的直流电源 4、 设置于工艺腔室 1内部下方的基片夹持装置 5 , 下电极电源 6与基片夹持装置 5相连接以使其同时具有下电极的功能。 利用 该设备进行铜互连工艺的过程如下： 先将基片 7固定于基片夹持装置 5的上 表面； 然后， 向工艺腔室 1内通入氩气， 同时直流电源 4为靶材加载直流功 率以将氩气激发为等离子体； 等离子体中的高能氩离子轰击靶材 2表面而使 靶材 2粒子脱落； 被溅射出的靶材粒子在下电极偏压的作用下沉积在基片 7 表面。 在上述过程中， 当靶材 2为铜、 银、 金等金属材料时， 部分离子化的 金属粒子会被靶材 2上的负偏压吸引而轰击靶材 2, 当靶材的金属离化率达 到一定程度后， 可以停止向工艺腔室 1中通入氩气， 仅依靠溅射出的金属离 子对靶材的轰击作用就能维持溅射工艺的辉光放电过程， 这一现象被业内称 为自维持溅射（ Sustained self Sputtering )。 由于上述自维持溅射过程仅需在启 辉阶段（将工艺气体激发为等离子体的过程）通入氩气， 而主要溅射过程没 有氩气参与， 从而可避免氩气原子或离子对金属离子沉积方向的影响， 获得 更好的沉积效果。 因此， 上述自维持溅射工艺在集成电路的铜互连加工工艺 中被广泛釆用。
请参阅图 2, 为利用上述图 1所示设备进行铜溅射实验所得到的金属离 化率的实验数据图。 图中， 拟合线 1和 2分别表示目前常用的两种磁控管磁 场强度， 下面分别将这两种磁场强度称为磁场强度 1和磁场强度 2; 其中， 磁场强度 2约为磁场强度 1的两倍。如图所示， 当磁控管具有磁场强度 1时， 在加载 20KW、 40KW和 60KW的直流功率分别可得到约 16%、 30%和 50% 的金属离化率； 当磁控管具有磁场强度 2时， 在上述磁控管 3中直流功率下 可分别得到约 20%、 50%和 70%的金属离化率。 由上述实验数据可知， 铜的 金属离化率在一定范围内与磁控管的磁场强度和靶材电源的功率密度成正 比， 这里， 所谓功率密度是指单位磁铁溅射槽面积的直流溅射功率。 由此可 知， 若要提高溅射工艺中的金属离化率， 可以釆取两种方式， 即： 提高靶材 单位面积内的磁场强度或直流功率。
然而， 任何材料的磁体的磁场强度均具有一定的物理极限值， 因而通过 增加磁场强度而提高金属离化率的方式具有极限性。 另一方面， 加载较高的 直流功率的时间过长会使靶材的发热量急剧增加， 从而影响设备的热稳定性 及工艺可靠性； 且持续加载较高的磁场强度和直流功率还会导致材料的沉积 速率过快的问题， 而过快的沉积速率将增加对沉积工艺结果的控制难度， 进 而产生不利的工艺结果。 因此， 在实际的产业化应用中， 多釆用 60kW直流 功率配合磁场强度 1或者釆用 40kW直流功率配合磁场强度 2的两种参数方 案， 实际可获得的金属离化率大致为 40%~50%左右。这一金属离化率在一定 程度上可满足现今的工业加工需求， 但是， 当今一些高科技企业已经实现了 32nm级别的加工精度，可想而知，在不久的将来微电子加工行业即将进入全 新的 32nm时代， 为了实现这一新的技术节点， 要求在能够保证工艺稳定性 及可控性的前提下， 使铜互连层溅射工艺中的金属离化率达到 80%或更高的 水平， 然而就目前已有的技术和设备来看， 显然还无法实现上述要求。 发明内容
为解决上述问题， 本发明提供一种靶材功率加载方法， 其能够在保证工 艺稳定、 可控的情况下， 有效提高溅射工艺的金属离化率， 从而满足新的技 术需求。
此外， 本发明还提供一种靶材电源， 其同样能够在保证工艺稳定、 可控 的情况下， 有效提高溅射工艺的金属离化率。
另外，本发明还提供了一种应用上述靶材功率加载方法 /靶材电源的半导 体处理设备， 其同样能够在保证工艺稳定、 可控的情况下， 有效提高溅射工 艺的金属离化率。
为此， 本发明提供一种靶材功率加载方法， 用于在磁控溅射工艺中向靶 材加载功率， 该靶材功率加载方法包括下述步骤： 10 )为所述靶材分别连接 主功率电源和维持功率电源； 20 )使所述主功率电源以脉冲的形式向所述靶 材加载一定的主功率， 单个脉冲的作用时间为 tl , 脉冲间隔时间为 t2; 使所 述维持功率电源至少在所述主功率电源的脉冲间隔时间 t2 内向靶材加载一 定的维持功率， 所述维持功率小于所述主功率， 用以在 t2内维持溅射工艺的 辉光放电过程。
其中， 在所述步骤 20 )中， 所述主功率为 80 kW ~ 200kW; 所述主功率 电源的脉冲频率 f为 50Hz ~ 20kHz; 所述 tl为 5 s ~ 10ms, tl+t2=l/f且 tl < t2。
其中， 在所述步骤 20 )中， 所述维持功率电源包括脉冲直流电源； 该脉 冲直流电源的输出功率为 500W ~ 25 kW、脉冲频率与所述主功率电源的脉冲 频率相同， 所述脉冲直流电源的脉冲加载时间与所述主功率电源的脉冲间隔 时间 t2相对应，以使所述脉冲直流电源与所述主功率电源交替地向靶材加载 功率。
其中， 在所述步骤 20 )中， 所述维持功率电源包括直流电源， 该直流电 源的输出功率为 500W ~ 20 kW, 所述直流电源持续向靶材加载维持功率。
此外， 本发明还提供一种靶材电源， 其包括连接至所述靶材的主功率模 块和维持功率模块。 所述主功率模块以脉冲的形式向所述靶材加载一定的主 功率， 单个脉冲的作用时间为 tl , 脉冲间隔时间为 t2; 所述维持功率模块至 少在所述主功率模块的脉冲间隔时间 t2内向靶材加载一定的维持功率，所述 维持功率小于所述主功率， 用以在 t2内维持溅射工艺的辉光放电过程。
其中， 所述主功率模块包括脉冲直流电源， 所述主功率为 80 kW ~
200kW,所述主功率电源的脉冲频率 f为 50Hz ~ 20kHz;所述 tl为 5 s ~ 10ms, tl+t2=l/f且 tl t2。
其中， 所述维持功率模块包括脉冲直流电源； 该脉冲直流电源的输出功 率为 500W ~ 25 kW、脉冲频率与所述主功率模块的脉冲频率相同， 所述脉冲 直流电源的脉冲加载时间与所述主功率模块的脉冲间隔时间 t2相对应，以使 所述脉冲直流电源与所述主功率模块交替地向靶材加载功率。
其中， 所述维持功率模块包括直流电源， 该直流电源的输出功率为
500W ~ 20 kW, 所述直流电源持续向靶材加载维持功率。
另外， 本发明还提供一种半导体处理设备， 包括工艺腔室， 在所述工艺 腔室中进行磁控溅射工艺时， 应用上述本发明提供的靶材功率加载方法而向 靶材加载功率。 另外， 本发明还提供了另一种半导体处理设备， 包括工艺腔室， 在所述 工艺腔室中进行磁控溅射工艺时， 在靶材上连接有上述本发明提供的靶材电 源， 用以向靶材加载功率。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的靶材功率加载方法， 首先为靶材分别连接主功率电源和维 持功率电源； 然后， 使主功率电源以脉冲的形式向靶材加载一定的主功率； 同时，使维持功率电源至少在主功率间隔时间内向靶材加载一定的维持功率， 该维持功率小于上述主功率， 用以在主功率间隔的时间内维持溅射工艺的辉 光放电过程。 由此可见， 在上述功率加载过程中， 主功率以脉冲方式加载不 但可有效避免连续加载高功率而使靶材发热量剧增的问题， 而且， 当所加载 的主功率足够大时将可使靶材的瞬间金属离化率达到 80%及以上的水平， 从 而满足新的技术节点的需要， 使溅射工艺水平达到 32nm级别的要求。 而且， 本发明提供的靶材功率加载方法， 在主功率脉冲的间隔时间内向靶材加载一 个低于主功率的并可维持溅射工艺中辉光放电过程的维持功率， 由于该维持 功率相对较低， 从而在保持工艺连续性的同时， 能够使溅射沉积的速率维持 在一个容易控制的水平， 进而有利于获得稳定可靠的工艺结果。 综上所述， 本发明提供的靶材功率加载方法能够在保证工艺稳定性及可控性的同时， 使 溅射工艺中的金属离化率得到明显提高， 从而满足新技术节点的工艺要求。
此外， 本发明提供的靶材电源， 包括连接至靶材的主功率模块和维持功 率模块。 其中， 主功率模块能够以脉冲的形式向靶材加载一定的主功率； 同 时， 维持功率模块可在主功率模块的脉冲间隔时间内向靶材加载一定的维持 功率， 该维持功率小于主功率， 从而在主功率间隔的时间内维持溅射工艺的 辉光放电过程。 由此可见， 本发明提供的靶材电源， 由于其主功率模块以脉 冲方式向靶材加载主功率， 不但可有效避免连续加载高功率而使靶材发热量 剧增的问题， 而且， 当所加载的主功率足够大时将可使靶材的瞬间金属离化 率达到 80%及以上的水平， 从而满足新的技术节点的需要， 使溅射工艺水平 达到 32nm级别的要求。 而且， 本发明提供的靶材电源， 在主功率模块加载 主功率的间隔时间内， 利用其维持功率模块向靶材加载一个低于主功率的并 可维持溅射工艺中辉光放电过程的维持功率， 由于该维持功率相对较低， 从 而在保持工艺连续性的同时， 能够使溅射沉积的速率维持在一个容易控制的 水平， 进而有利于获得稳定可靠的工艺结果。 综上所述， 本发明提供的靶材 电源能够在保证工艺稳定性及可控性的同时， 有效提高溅射工艺中的金属离 化率， 从而满足新技术节点的工艺要求。
作为另一技术方案， 本发明提供的半导体处理设备， 在进行磁控溅射工 艺时， 应用上述本发明提供的靶材功率加载方法或者为靶材连接上述本发明 提供的靶材电源， 同样能够在保证工艺稳定性及可控性的同时， 有效提高溅 射工艺中的金属离化率， 从而满足新技术节点的工艺要求。 附图说明
图 1为一种目前常用的磁控溅射设备的原理示意图；
图 2为利用图 1所示设备进行铜溅射的金属离化率的实验数据图； 图 3为本发明提供的靶材功率加载方法的流程示意图；
图 4为本发明提供的靶材功率加载方法第一种具体实施例中所釆用的功 率示意图；
图 5为本发明提供的靶材功率加载方法第二种具体实施例中所釆用的功 率示意图； 以及
图 6为本发明提供的半导体处理设备的一个具体实施例的结构示意图。 具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案， 下面结合附图对 本发明提供的靶材功率加载方法、靶材电源以及应用上述靶材功率加载方法 / 靶材电源的半导体处理设备进行详细描述。 请参阅图 3 , 为本发明提供的靶材功率加载方法的流程示意图。 该靶材 功率加载方法主要用于在磁控溅射工艺中向靶材加载功率，其包括下述步骤：
10 )为靶材分别连接主功率电源和维持功率电源； 20 )使主功率电源以脉冲 的形式向靶材加载一定的主功率， 单个脉冲的作用时间为 tl , 脉冲间隔时间 为 t2, 当该主功率足够大时可使磁控溅射工艺的金属离化率达到 80%及以上 的水平；使维持功率电源至少在主功率电源的脉冲间隔时间 t2内向靶材加载 一定的维持功率， 该维持功率小于上述主功率， 用以在 t2内维持溅射工艺的 辉光放电过程。
具体地， 该主功率电源包括一个脉冲直流电源， 其脉冲作用时间为 tl , 脉冲频率为 f, 脉冲周期为 T=l/f=tl+t2。 该主功率电源的输出功率范围包括 80 kW ~ 200kW, 其在磁控溅射工艺中所起的作用是使靶材金属的离化率瞬 间升高（理想值是达到 80%或更高的水平 ) , 以满足 32nm技术节点的工艺要 求。 并且， 由于该主功率电源以脉冲的方式向靶材输出主功率， 因而能够有 效避免长时间加载较高的直流功率使靶材温度剧增的问题， 也正是基于此点 考虑， 一般要求在实际操作时， 主功率的脉冲作用时间 tl应小于或等于其脉 冲间隔时间 t2, 即： tl t2。 由于脉冲作用时间 tl的长短将决定整体工艺中 金属离化率以及磁控溅射工艺的平均沉积速率， 因此对于 tl的取值应根据实 际工艺所需而在一定范围内进行选取， 通常情况下， tl的范围在 5μδ ~ 10ms 之间。 率相同的脉冲直流电源， 也可以釆用直流电源。 也就是说， 该维持功率电源 可以仅在上述主功率电源的脉冲间隔时间向靶材加载维持功率， 也可以持续 向靶材加载维持功率，而只要能够保证在主功率电源的脉冲间隔时间 t2内靶 材能够得到一定的维持功率即可， 从而维持溅射工艺中的等离子体辉光放电 过程。 在实际应用中， 当釆用脉冲直流电源作为维持功率电源时， 上述维持 功率的取值范围是 500W ~ 25kW; 当釆用直流电源作为维持功率电源时， 则 上述维持功率的取值范围为 500W ~ 20kW。 步骤 20 )的具体实施过程请详见 下述两个具体实施例。
请参阅图 4为本发明提供的靶材功率加载方法第一种具体实施例中所釆 用的功率示意图。 图中， 横轴表示功率加载时间 t, 纵轴表示加载功率 P, 以 P1 表示主功率， P2表示维持功率。 本实施例中， 维持功率电源釆用与上述 主功率电源的脉冲频率相同的脉冲直流电源。 该脉冲直流电源的脉冲频率与 主功率电源的脉冲频率相同， 而脉冲作用时间为主功率电源的脉冲作用时间 互补， 即： 主功率电源的脉冲间隔时间 t2正好为维持功率电源的脉冲作用时 间， 而主功率电源的脉冲作用时间 tl正好为维持功率电源的脉冲间隔时间， 从而使维持功率与主功率交替地加载至载板上。 这样， 在任何时刻均有一定 的功率加载至靶材上， 从而维持磁控溅射工艺的连续性。
本实施例中， 具体釆用下述功率及时间等参数： 主功率电源和维持功率 电源的脉冲频率 f釆用 10kHz,即，脉冲周期为 100ms;使主功率 P1为 120kW, 脉冲作用时间 tl为 10ms; 维持功率 P2为 5kW, 脉冲作用时间 t2为 90ms。 如图 4所示， 在溅射过程中， 首先加载主功率 P1并持续作用时间 tl , 在完 成等离子体的启辉过程的同时， 使金属离化率得到明显提高 （理想值是达到 80%或更高的水平）； 然后， 开始加载维持功率 P2并持续作用时间 t2, 以维 持等离子体的辉光放电过程； 重复上述主功率 P1和维持功率 P2的交替加载 过程直至工艺结束。 本实施例中， 整个溅射工艺中， 加载至靶材的平均功率 为 16.5kW, 不但可获得非常高的金属离化率， 而且将溅射沉积速率维持在较 容易控制的范围内， 从而可满足 32nm技术节点的工艺需求。
需要指出的是， 本实施例中所釆用的主功率、 维持功率、 脉冲频率、 tl、 t2等数值均是为了便于说明本方法的具体实施过程而选取的数据， 在实际应 用中并不局限于此， 可根据实际需要在工艺允许的范围内进行选取。
由上述描述可知， 本实施例所提供的靶材功率加载方法， 使用两个脉冲 直流电源而交替对靶材加载功率， 其中， 一个脉冲直流电源作为主功率电源 而在较短的时间内向靶材加载一个高功率（ 80 kW ~ 200kW ), 以期能够在瞬 间使金属离化率提高至 80%及以上的水平， 从而在满足 32nm技术节点的工 艺要求的同时， 避免了长时间加载高功率而使靶材剧烈发热的问题； 另一脉 冲直流电源作为维持功率电源在较长的时间内向靶材加载一个低功率 ( 500W - 25 kW ), 从而在维持等离子体辉光放电的同时， 还可稳定工艺的 沉积速率， 使整个工艺的沉积速率保持在一个可控范围内， 从而有利于获得 稳定可靠的工艺结果。
请参阅图 5, 为本发明提供的靶材功率加载方法第二种具体实施例中所 釆用的功率示意图。 图中， 横轴表示功率加载时间 t, 纵轴表示加载功率 P, 以 P1表示主功率， P3表示维持功率。 本实施例与上述靶材功率加载方法第 一种具体实施例的区别在于， 维持功率电源釆用直流电源， 即， 在整个工艺 过程中， 维持功率电源向靶材持续供电。 由此可知， 在主功率电源的脉冲作 用时间 tl内， 靶材上将得到主功率 P1和维持功率 P3的叠加功率， 此时将获 得很高的金属离化率（80%或更高）； 在主功率电源的脉冲间隔时间 t2 内， 仅依靠维持功率 P3 向靶材加载功率， 以维持辉光放电过程； 重复上述过程 直至工艺结束。 不难理解， 本实施例具有同上述第一种实施例同样的有益效 果， 即， 在有效控制靶材发热及沉积速率过快的同时， 获得非常高的金属原 子离化率， 从而满足新技术节点的工艺要求。
需要指出的是， 本发明提供的靶材功率加载方法中， 对于维持功率的加 载方式并不仅限于上述实施例， 具体如下： 其一、 当维持功率电源为脉冲直 流电源时 , 还可以使该脉冲直流电源的脉冲加载时长大于主功率电源的脉冲 间隔时长； 也就是说， 使脉冲直流电源在主功率电源的脉冲加载时间结束之 前的某个时间点即开始加载， 和 /或， 使该脉冲直流电源持续加载至主功率电 源的下一个脉冲加载时间开始之后的某个时间点。 其二、 当维持功率电源为 直流电源时，也可以通过控制直流电源通 /断的方式而使该直流电源仅在主功 率电源的加载间隔时间内以间断的形式向靶材加载维持功率。 作为另一技术方案， 本发明还提供一种用于在磁控溅射工艺中向靶材加 载功率的靶材电源。 该靶材电源包括连接至所述靶材的主功率模块和维持功 率模块。 在磁控溅射工艺中， 主功率模块以脉冲的形式向靶材加载一定的主 功率， 当该主功率足够大时可使磁控溅射工艺的金属离化率达到 80%及以上 的水平， 单个脉冲的作用时间为 tl , 脉冲间隔时间为 t2。 维持功率模块至少 在主功率模块的脉冲间隔时间 t2内向靶材加载一定的维持功率，该维持功率 要明显小于上述主功率， 其主要用于在 t2内维持溅射工艺的辉光放电过程。
具体地，主功率模块包括一个脉冲直流电源，其输出功率范围为 80 kW ~ 200kW,脉冲频率 f为 50Hz ~ 20kHz; 单个脉冲的作用时间 tl为 5 s ~ 10ms, tl+t2=l/f并同时满足 tl < t2的条件。
在本发明提供的靶材电源的一个具体实施例中， 维持功率模块釆用一个 脉冲直流电源； 该脉冲直流电源的输出功率范围为 500W ~ 25 kW、脉冲频率 与上述主功率模块的脉冲频率相同并与主功率模块交替向靶材加载功率。
在本发明提供的靶材电源的另一个具体实施中， 维持功率模块釆用一个 直流电源， 该直流电源的输出功率为 500W ~ 20 kW。
至于靶材电源在溅射工艺中对靶材加载功率的具体过程， 同上述本发明 提供的靶材功率加载方法相同或类似， 在此不再赘述。
上述本发明提供的靶材电源， 借助其主功率模块和维持功率模块使靶材 上获得交替变化的功率。 一方面， 主功率模块以脉冲的方式向靶材提供一个 高功率（80 kW ~ 200kW ), 以期在瞬间获得 80%或以上的金属离化率， 从而 满足新的技术节点的工艺需求， 同时可有效避免长时间加载高功率所导致的 靶材剧烈发热的问题； 另一方面， 维持功率模块在主功率模块的脉冲间隔时 间对靶材加载一个较低的功率（ 500W ~ 25kW或 500W ~ 20kW ), 在维持等 离子体辉光放电的同时， 还可稳定工艺的沉积速率， 使整个工艺的沉积速率 保持在一个可控范围内， 从而有利于获得稳定可靠的工艺结果。
作为另一种技术方案， 本发明还提供一种应用上述本发明提供的靶材电 源的半导体处理设备。
请参阅图 6, 为本发明提供的半导体处理设备的一个具体实施例的结构 示意图。 该半导体处理设备包括工艺腔室 1 , 设置于工艺腔室 1 内部下方的 基片夹持装置 5 ,设置于工艺腔室 1上方的靶材 2及磁控管 3;基片夹持装置 5连接有下电极电源 6,从而在工艺过程中该基片夹持装置 5同时作为下电极； 靶材 2连接有上述本发明提供的靶材电源 8, 该靶材电源 8由主功率模块 81 和维持功率模块 82组成。上述主功率模块 81和维持功率模块 82在工艺过程 中为靶材加载功率， 以在保证工艺稳定及可控性的同时， 提高金属离化率， 从而满足新的技术节点的工艺要求。 其具体的靶材功率加载过程同上述本发 明提供的靶材功率加载方法和 /或靶材电源的具体加载过程相同或类似， 因而 不再赘述。
此外， 本发明还提供一种应用上述本发明所提供的靶材功率加载方法的 半导体处理设备， 其同样能够在保证工艺稳定及可控性的同时， 提高金属离 化率， 从而满足新的技术节点的工艺要求。
可以理解的是， 以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而釆用的示 例性实施方式， 然而本发明并不局限于此。 对于本领域内的普通技术人员而 言， 在不脱离本发明的精神和实质的情况下， 可以做出各种变型和改进， 这 些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

利 要 求 书
1. 一种靶材功率加载方法，用于在磁控溅射工艺中向靶材加载功率， 其 特征在于， 包括下述步骤：
10 )为所述靶材分别连接主功率电源和维持功率电源；
20 )使所述主功率电源以脉冲的形式向所述靶材加载一定的主功率， 单 个脉冲的作用时间为 tl , 脉冲间隔时间为 t2; 使所述维持功率电源至少在所 述主功率电源的脉冲间隔时间 t2内向靶材加载一定的维持功率，所述维持功 率小于所述主功率， 用以在 t2内维持溅射工艺的辉光放电过程。
2. 根据权利要求 1所述的靶材功率加载方法， 其特征在于，在所述步骤 20 ) 中， 所述主功率为 80 kW - 200kW; 所述主功率电源的脉冲频率 f 为 50Hz - 20kHz; 所述 tl为 5 s ~ 10ms, tl+t2=l/f且 tl t2。
3. 根据权利要求 2所述的靶材功率加载方法， 其特征在于，在所述步骤
20 ) 中， 所述维持功率电源包括脉冲直流电源； 该脉冲直流电源的输出功率 为 500W ~ 25 kW、脉冲频率与所述主功率电源的脉冲频率相同， 所述脉冲直 流电源的脉冲加载时间与所述主功率电源的脉冲间隔时间 t2相对应，以使所 述脉冲直流电源与所述主功率电源交替地向靶材加载功率。
4. 根据权利要求 2所述的靶材功率加载方法， 其特征在于，在所述步骤 20 )中，所述维持功率电源包括直流电源，该直流电源的输出功率为 500 W ~ 20 kW, 所述直流电源持续向靶材加载维持功率。
5. 一种靶材电源，其特征在于， 包括连接至所述靶材的主功率模块和维 持功率模块, 所述主功率模块以脉冲的形式向所述靶材加载一定的主功率， 单个脉冲 的作用时间为 tl , 脉冲间隔时间为 t2;
所述维持功率模块至少在所述主功率模块的脉冲间隔时间 t2 内向靶材 加载一定的维持功率， 所述维持功率小于所述主功率， 用以在 t2内维持溅射 工艺的辉光放电过程。
6. 根据权利要求 5所述的靶材电源， 其特征在于， 所述主功率模块包括 脉冲直流电源， 所述主功率为 80 kW ~ 200kW, 所述主功率电源的脉冲频率 f为 50Hz ~ 20kHz; 所述 tl为 5 s ~ 10ms, tl+t2=l/f且 tl t2。
7. 根据权利要求 6所述的靶材电源， 其特征在于， 所述维持功率模块包 括脉冲直流电源； 该脉冲直流电源的输出功率为 500W ~ 25 kW、脉冲频率与 所述主功率模块的脉冲频率相同， 所述脉冲直流电源的脉冲加载时间与所述 主功率模块的脉冲间隔时间 t2相对应，以使所述脉冲直流电源与所述主功率 模块交替地向靶材加载功率。
8. 根据权利要求 6所述的靶材电源， 其特征在于， 所述维持功率模块包 括直流电源，该直流电源的输出功率为 500 W - 20 kW, 所述直流电源持续向 靶材加载维持功率。
9. 一种半导体处理设备， 包括工艺腔室， 其特征在于， 在所述工艺腔室 中进行磁控溅射工艺时， 应用权利要求 1-4中任意一项所述的靶材功率加载 方法向靶材加载功率。
10. 一种半导体处理设备， 包括工艺腔室， 其特征在于， 在所述工艺腔 室中进行磁控溅射工艺时， 在靶材上连接有权利要求 5-8中任意一项所述的 靶材电源， 用以向靶材加载功率。
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