[发明专利]可调节薄膜应力的溅射设备和方法

说明书

本发明提供一种可调节薄膜应力的溅射设备和方法。设备包括腔体、磁控溅射装置、挡板、晶圆压环、基座及电磁线圈模块；晶圆压环一端与挡板相邻，另一端延伸到基座边缘的上方；基座与偏压电源相连接；电磁线圈模块位于基座内和/或晶圆压环与基座之间，包括多个电磁线圈组，其中，各电磁线圈组包括N极电磁铁和S极电磁铁，单个电磁线圈组中的N极电磁铁相邻设置于S极电磁铁的左侧，且N极电磁铁的N极磁极面和S极电磁铁的S极磁极面同时朝上或朝下；溅射过程中，将多个电磁线圈组分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向对多个通电单元依次交替进行通断电，以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力。本发明有助于提高薄膜厚度和应力分布均匀性。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及薄膜沉积设备，特别是涉及一种可调节薄膜应力的溅射设备和方法。

背景技术

半导体器件制备过程中，沉积薄膜的应力是一个必须关注的问题，如果不能将薄膜应力控制在合理的范围内，会导致薄膜产生裂纹，严重时甚至会导致脱落等不良，导致器件使用寿命缩短。因而器件对薄膜均匀性，特别是对金属氮化物薄膜，比如氮化铝薄膜的应力均匀性、晶体结构一致性等方面的要求非常高。目前应力管控中最难的是确保应力均匀性。采用市面上已有的主流设备沉积出的氮化铝薄膜，应力分布普遍存在中间高，两边低的情况。其原因之一是由于氮化铝薄膜是在高温下沉积（350℃），在晶圆冷却过程中会产生拉应力，且中心位置相对更集中，二是氮化铝薄膜沉积过程中通常会使用偏压，用于将氮化铝膜层的拉应力减小以控制到100MPa以内（氮化铝膜层拉应力很大，通常会1000MPa），而为了将拉应力有效减小，偏压会相对增大，但是偏压增大之后会造成整个沉积腔内等离子体的浓度分布不均匀，从而影响到了膜厚，并带来新的应力变化等一系列问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可调节薄膜应力的溅射设备和方法，用于解决现有技术中在沉积薄膜，尤其是沉积诸如氮化铝等金属氮化物薄膜时难以确保薄膜的应力均匀性等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可调节薄膜应力的溅射设备，包括腔体、磁控溅射装置、挡板、晶圆压环、基座及电磁线圈模块；所述磁控溅射装置位于腔体顶部；所述挡板位于所述腔体内侧，且延伸到所述基座的一侧；所述晶圆压环一端与所述挡板相邻，另一端延伸到所述基座边缘的上方；所述基座位于所述腔体内，与偏压电源相连接，所述基座内设置有加热单元；所述电磁线圈模块位于所述基座内和/或所述晶圆压环与所述基座之间，所述电磁线圈模块包括多个电磁线圈组，所述多个电磁线圈组以所述腔体的中心为圆心在同一圆周面内间隔分布，各电磁线圈组相互电隔离，其中，各所述电磁线圈组包括N极电磁铁和S极电磁铁，单个电磁线圈组中的N极电磁铁相邻设置于S极电磁铁的左侧，且N极电磁铁的N极磁极面和S极电磁铁的S极磁极面同时朝上或朝下；溅射过程中，将所述多个电磁线圈组分为多个通电单元，沿顺时针或逆时针方向对所述多个通电单元依次交替进行通断电，以于基底表面沉积薄膜并调节薄膜应力。

可选地，各所述N极电磁铁和S极电磁铁均包括多个间隔分布的电磁线圈和位于电磁线圈两侧的接线柱，所述电磁线圈与所述接线柱电连接。

可选地，所述通电单元包括单个所述电磁线圈组、位于同一直径上的两个所述电磁线圈组、相邻的多个电磁线圈组和相邻或不相邻的多条直径上的电磁线圈组这四种形式中的任意一种。

可选地，不同的电磁线圈组的长度不同。

可选地，所述溅射设备还包括PLC控制器，所有所述电磁线圈组与所述PLC控制器相连接，以实现通电单元的交替通断电。

可选地，所述溅射设备还包括适配块，所述挡板包括上挡板和下挡板；所述适配块与所述腔体相固定，所述上挡板一端固定于所述磁控溅射装置和所述适配块之间，另一端延伸到所述基座外围；所述下挡板一端固定于所述适配块下方，另一端延伸到所述上挡板的底部，所述晶圆压环远离所述基座边缘的上方的一端延伸到所述下挡板的上方。

可选地，所述磁控溅射装置、上挡板和适配块之间的间隙内设置有密封圈。