一种用于沉积厚铝铜薄膜层的方法

摘要

本发明涉及一种用于沉积厚度大于等于10KA的厚铝铜薄膜层的方法，包含：步骤1、在第一反应腔中，在晶圆表面沉积形成一层铝铜薄膜；步骤2、将已沉积铝铜薄膜的晶圆传送至第二反应腔进行冷却；该第二反应腔内的温度低于第一反应腔内的温度；步骤3、将冷却后的晶圆传送至第一反应腔中，并循环执行步骤1的沉积过程和步骤2的冷却过程，依次在晶圆上沉积多层铝铜薄膜，并在每次完成一层铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二反应腔内进行冷却，直至所沉积的铝铜薄膜的厚度达到目标值；步骤4、在所述的铝铜薄膜层的顶部沉积氮化钛薄膜。本发明方法利用循环执行沉积步骤和冷却步骤，避免晶圆温度过高，且有效抑制铝铜薄膜层表面晶须的生成。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种用于沉积金属层的方法，尤其是指一种针对厚铝铜薄膜层的沉积方法，可减少沉积过程中在铝铜薄膜层表面所形成的晶须。

背景技术

在半导体领域中，一般厚度大于10KA（千埃）的厚铝铜薄膜具有较低的方块电阻，因此该厚铝铜薄膜在半导体射频（RF）器件和功率器件的应用中必不可少。但是相比于普通的厚度位于2000A～8000A范围内的铝铜薄膜，厚铝铜薄膜在连续不断的沉积过程中，其表面会生成晶须状的缺陷。并且，对于厚度越厚的铝铜薄膜，其表面产生晶须状缺陷的问题也会越严重，例如，对于厚度在40KA左右，甚至更厚的铝铜薄膜，沉积过程中表面所生成的晶须问题将极为严重，使得沉积完成后的薄膜表层存在较为严重的缺损问题，无法提高半导体器件性能。

现有技术中，沉积铝铜薄膜层的方法如图1所示，具体包含以下步骤：步骤1、在同一个反应腔内，在晶圆上反复进行多次铝铜薄膜的沉积步骤；例如，当需要沉积形成40KA厚度的铝铜薄膜层，且每次沉积能够形成4000A～5000A厚度的铝铜薄膜时，则需在同一个反应腔内反复进行8～10次的铝铜薄膜沉积步骤，以最终完成所需厚度的铝铜薄膜层的沉积。步骤2、在铝铜薄膜层顶部沉积氮化钛（TiN）薄膜。

因为在晶圆上沉积并形成铝铜薄膜的过程中，铝铜材料本身的内部应力在不断被挤压压缩。而在晶圆上形成厚的铝铜薄膜则需要在反应腔中进行长时间的多次沉积过程，并且一直处于高功率以及温度不断升高的环境中，势必导致晶圆的温度也被加热至一个非常高的温度，因此铝铜薄膜的内部应力只能通过在其表面形成凸出的晶须以达到减轻释放的目的。而当该反应腔被用于不断在不同晶圆上沉积铝铜薄膜时，长时间工作于高温高压环境下会使得该反应腔内各个部件（包括屏蔽层、环以及基座等）的温度进一步升高，从而使得当前正在反应腔内沉积的晶圆温度不断升高，最终导致铝铜薄膜表面所形成的晶须状缺陷越来越严重，无法保证其半导体性能。

同时，现有技术中所采用的沉积过程也会使得反应腔及其各内部元件因长期处于高温高压的恶劣环境中而受到损伤，降低半导体设备的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于沉积厚铝铜薄膜层的方法，利用循环执行沉积步骤和冷却步骤，避免晶圆温度过高，且有效抑制铝铜薄膜层表面晶须的生成。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于沉积厚铝铜薄膜层的方法，具体包含以下步骤：

步骤1、在第一反应腔中，在晶圆表面沉积形成一层铝铜薄膜；

步骤2、将已沉积有铝铜薄膜的晶圆传送至第二反应腔中进行冷却；该第二反应腔内的温度低于第一反应腔内的温度；

步骤3、将冷却后的晶圆重新传送至第一反应腔中，并循环若干次执行步骤1的沉积过程和步骤2的冷却过程，依次在晶圆上沉积多层铝铜薄膜，并在每次完成一层铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二反应腔内进行冷却，直至所沉积的铝铜薄膜的厚度达到目标值，即在晶圆上形成所需厚度的厚铝铜薄膜层；

步骤4、在所述的厚铝铜薄膜层的顶部沉积氮化钛薄膜。

其中，本发明方法所述的厚铝铜薄膜层的厚度大于等于10000A。

步骤1中，每次在晶圆上沉积形成的一层铝铜薄膜的厚度为4000A～12000A。

步骤1中，所述的第一反应腔为物理气相沉积反应腔，使用物理气相沉积方法在晶圆表面沉积形成一层铝铜薄膜。

步骤2中，所述的第二反应腔内的温度为0℃～100℃。

步骤2中，表面沉积有铝铜薄膜的晶圆每次在第二反应腔中的冷却时间是10秒～30秒。

步骤2中，所述的第二反应腔为物理气相沉积反应腔。

利用本发明所述的沉积方法而形成的铝铜薄膜层，其方块电阻的阻值与利用现有技术沉积形成的厚度相同的铝铜薄膜层的方块电阻的阻值基本一致，因此能够有效保证所生成的铝铜薄膜层的半导体性能。

并且在本发明方法中，由于每沉积一层铝铜薄膜之后，都将晶圆放置到另外一个温度较低的反应腔内冷却一段时间，使得因沉积而产生的铝铜材料的内部应力得到有效释放后，再进行下一层铝铜薄膜的沉积操作，因此相比于现有技术，本发明能够有效避免晶圆因连续沉积而温度不断升高的问题，进而能够有效减少铝铜薄膜表面所形成的晶须状缺陷。

同时，本发明方法也可使得用于沉积铝铜薄膜的反应腔内的温度得到及时的冷却和缓解，保护反应腔及其各内各元件不受到高温损伤，有效提高半导体设备的使用寿命。

附图说明

图1是现有技术中沉积铝铜薄膜层的方法流程图；

图2是本发明中沉积厚铝铜薄膜层的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和若干实施例说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，本发明所提供的用于沉积厚铝铜薄膜层的方法具体包含以下步骤：

步骤1、在第一反应腔中，在晶圆表面沉积形成一层铝铜薄膜；

步骤2、将已经沉积有铝铜薄膜的晶圆传送至第二反应腔中进行冷却；该第二反应腔内的温度低于第一反应腔内的温度；

步骤3、将冷却后的晶圆重新传送至第一反应腔中，并循环若干次执行步骤1的沉积过程和步骤2的冷却过程，依次在晶圆上沉积多层铝铜薄膜，并在每次完成一层铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二反应腔内进行冷却，直至所沉积的铝铜薄膜的厚度达到目标值，即在晶圆上形成所需厚度的厚铝铜薄膜层；

步骤4、在所述的厚铝铜薄膜层的顶部沉积氮化钛（TiN）薄膜。

其中，本发明方法所述的厚铝铜薄膜层的厚度大于等于10000A。

步骤1中，每次在晶圆上沉积形成的一层铝铜薄膜的厚度为4000A～12000A。

步骤1中，所述的第一反应腔为物理气相沉积（PVD）反应腔，使用PVD方法在晶圆表面沉积形成一层铝铜薄膜。

步骤2中，所述的第二反应腔内的温度为0℃～100℃。

步骤2中，表面沉积有铝铜薄膜的晶圆每次在第二反应腔中的冷却时间是10秒～30秒。

步骤2中，所述的第二反应腔为物理气相沉积反应腔。

利用本发明所述的沉积方法而形成的铝铜薄膜层，其方块电阻Rs（与铝铜薄膜层的厚度成反比）的阻值与利用现有技术沉积形成的厚度相同的铝铜薄膜层的方块电阻的阻值基本一致，因此能够有效保证所生成的铝铜薄膜层的半导体性能。

并且在本发明方法中，由于每沉积一层铝铜薄膜之后，都将晶圆放置到另外一个温度较低的反应腔内冷却一段时间，使得因沉积而产生的铝铜材料的内部应力得到有效释放后，再进行下一层铝铜薄膜的沉积操作，因此相比于现有技术，本发明能够有效避免晶圆因连续沉积而温度不断升高的问题，进而能够有效减少铝铜薄膜表面所形成的晶须状缺陷。

同时，本发明方法也可使得用于沉积铝铜薄膜的反应腔内的温度得到及时的冷却和缓解，保护反应腔及其各内各元件不受到高温损伤，有效提高半导体设备的使用寿命。

实施例一

本实施例一中，需要在晶圆上沉积厚度为40KA的铝铜薄膜层，具体操作步骤如下：

步骤1、在第一PVD反应腔中，利用PVD方法在晶圆表面沉积形成第一层厚度为8000A的铝铜薄膜；

步骤2、将已沉积有第一层铝铜薄膜的晶圆传送至第二PVD反应腔中，在常温下冷却20秒的时间；

步骤3、将冷却后的晶圆重新传送至第一PVD反应腔中，并继续循环执行4次（也就是总共循环5次）沉积过程和冷却过程，依次在晶圆上沉积第二层至第五层的铝铜薄膜，并在每次完成一层8000A的铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二PVD反应腔内在常温下冷却20秒，从而形成所需厚度的40KA铝铜薄膜层；

步骤4、在所述的40KA铝铜薄膜层的顶部沉积TiN薄膜。

实施例二

本实施例二中，需要在晶圆上沉积厚度为36KA的铝铜薄膜层，具体操作步骤如下：

步骤1、在第一PVD反应腔中，利用PVD方法在晶圆表面沉积形成第一层厚度为6000A的铝铜薄膜；

步骤2、将已沉积有第一层铝铜薄膜的晶圆传送至第二PVD反应腔中，在30℃下冷却15秒的时间；

步骤3、将冷却后的晶圆重新传送至第一PVD反应腔中，并继续循环执行5次（也就是总共循环6次）沉积过程和冷却过程，依次在晶圆上沉积第二层至第六层的铝铜薄膜，并在每次完成一层6000A的铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二PVD反应腔内在30℃下冷却15秒，从而形成所需厚度的36KA铝铜薄膜层；

步骤4、在所述的36KA铝铜薄膜层的顶部沉积TiN薄膜。

实施例三

本实施例三中，需要在晶圆上沉积厚度为20KA的铝铜薄膜层，具体操作步骤如下：

步骤1、在第一PVD反应腔中，利用PVD方法在晶圆表面沉积形成第一层厚度为4000A的铝铜薄膜；

步骤2、将已沉积有第一层铝铜薄膜的晶圆传送至第二PVD反应腔中，在40℃下冷却12秒的时间；

步骤3、将冷却后的晶圆重新传送至第一PVD反应腔中，并继续循环执行4次（也就是总共循环5次）沉积过程和冷却过程，依次在晶圆上沉积第二层至第五层的铝铜薄膜，并在每次完成一层4000A的铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二PVD反应腔内在40℃下冷却12秒，从而形成所需厚度的32KA铝铜薄膜层；

步骤4、在所述的32KA铝铜薄膜层的顶部沉积TiN薄膜。

实施例四

本实施例四中，需要在晶圆上沉积厚度为50KA的铝铜薄膜层，具体操作步骤如下：

步骤1、在第一PVD反应腔中，利用PVD方法在晶圆表面沉积形成第一层厚度为10KA的铝铜薄膜；

步骤2、将已沉积有第一层铝铜薄膜的晶圆传送至第二PVD反应腔中，在15℃下冷却25秒的时间；

步骤3、将冷却后的晶圆重新传送至第一PVD反应腔中，并继续循环执行4次（也就是总共循环5次）沉积过程和冷却过程，依次在晶圆上沉积第二层至第五层的铝铜薄膜，并在每次完成一层10KA的铝铜薄膜的沉积步骤后，将晶圆传送至第二PVD反应腔内在15℃下冷却25秒，从而形成所需厚度的50KA铝铜薄膜层；

步骤4、在所述的50KA铝铜薄膜层的顶部沉积TiN薄膜。

根据上述所提供的各个实施例，原则上来说，步骤1中每次沉积所形成的一层铝铜薄膜的厚度越薄（也就是循环执行沉积和冷却的次数越多），而步骤2中每次冷却的时间越长，则更有利于铝铜材料在沉积过程中而产生的内部应力的有效释放，也使得晶圆的温度能够得到有效的降低和控制，从而使得铝铜薄膜层表面形成的晶须缺陷越少；但是需要同时考虑到整个半导体器件制程的效率，因此可结合实际情况以及最终所需沉积的铝铜薄膜层的厚度，协调每次沉积一层铝铜薄膜的厚度（即循环次数）和冷却时间，使得沉积厚度较厚的铝铜薄膜层的效果和效率得以平衡。

上述各实施例中所形成的铝铜薄膜层，其方块电阻Rs（与铝铜薄膜层的厚度成反比）的阻值与利用现有技术沉积形成的厚度相同的铝铜薄膜层的方块电阻的阻值基本一致，因此能够有效保证所生成的铝铜薄膜层的半导体性能。

上述各实施例中所形成的铝铜薄膜层，因在每沉积一层铝铜薄膜之后的冷却步骤中使晶圆得到有效降温，从而使得铝铜材料的内部应力能够得到及时有效的释放，因此相比于现有技术，能够更有效避免晶圆因连续沉积而温度不断升高的问题，进而能够有效减少铝铜薄膜表面所形成的晶须状缺陷。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。