一种提升沉积金属薄膜致密性的制备方法与流程

本发明属于半导体制造，具体涉及一种提升沉积金属薄膜致密性的制备方法。

背景技术：

1、薄膜致密性是对薄膜结构的一种评价指标，具有良好薄膜致密性的材料能够保持材料的完整性和稳定性，防止材料受到外部环境的污染和氧化，从而保证材料的性能和应用寿命。在材料制备中，薄膜致密性对于材料的性能和应用有着至关重要的意义。一方面，良好的膜致密性可以提高材料的力学性能和化学稳定性，使材料在使用过程中不易出现断裂、腐蚀等问题。另一方面，膜致密性还能够影响材料的介电性能、光学性能和磁性能等特性，从而对材料的应用领域产生影响。

2、在半导体制造过程中，pvd（physical vapor deposition，物理气相沉积技术，简称pvd）薄膜沉积技术是一项关键技术，磁控溅射镀膜是其中的一种。金属薄膜致密性对于构建复杂的微电子器件结构至关重要。通过精确、均匀地将薄膜沉积到基板上，可以实现多层薄膜的组合和堆积，形成所需的电子积累和传输通道。在mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管）等半导体器件中，金属硅化物膜常被用作栅极材料，其致密性有助于确保栅极与沟道之间的良好接触，降低接触电阻和漏电流，提高器件的开关速度和稳定性。在半导体互连工艺中，ti膜还可作为扩散阻挡层使用，其致密性有助于阻止金属原子在热处理过程中向半导体材料中的扩散，保护半导体器件的结构和性能不受损害。

3、现有磁控溅射技术难以制备出致密性较高的薄膜，大多通过降低溅射气体的压力，减少靶原子的散射，使得靶材原子以较高动能向基底移动，提升成膜致密性。然而，这种方式对于提升薄膜致密性作用非常有限。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种提升沉积金属薄膜致密性的制备方法。本发明在磁控溅射腔体内，分别通入两种不同摩尔质量惰性气体的方式，对距离靶材较近的腔体上部区域通入第一惰性气体，对距离载台较近的腔体下部区域通入第二惰性气体，第一惰性气体的摩尔质量大于第二惰性气体的摩尔质量；对靶材输入频率为f1的射频频率，对载台输入频率为f2的射频频率，射频频率f1大于等于射频频率f2，两种射频功率的输入，使得靶材与载台之间的等离子体浓度大大提升，能够提升制备的金属薄膜的致密性。

2、为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

3、一种提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）预溅射：采用p1的溅射功率，预溅射靶材1-10 min；

5、（2）磁控溅射制备金属薄膜：将基底传输至磁控溅射真空腔体中，载台的温度设定为25-300℃，腔体真空度保持在5.0×10-8torr以下，向所述磁控溅射真空腔体的上部区域通入流量为20-60sccm的第一惰性气体，向所述磁控溅射真空腔体的下部区域通入流量为20-100sccm的第二惰性气体，腔体反应压力2.3-9.3 mtorr；

6、与靶材连接的射频电源及匹配网络的频率为f1，靶材的射频输入功率为p1，与载台连接的射频电源及匹配网络的频率为f2，载台的射频输入功率为p2，溅射时间为60-600s，得到钛薄膜。

7、进一步地，进行磁控溅射时选用靶材纯度为99.999％的金属钛靶，靶材直径为300-302mm，靶材与基底之间的距离为200-450mm。

8、进一步地，f1和f2同时满足以下条件：f1≥2mhz，400khz≤f2≤27mhz，且f1≥f2。

9、进一步地，p1和p2满足以下条件：1000w≤p1≤10000w，100w≤p2≤1000w。

10、进一步地，所述第一惰性气体的摩尔质量大于所述第二惰性气体的摩尔质量。

11、进一步地，所述第一惰性气体通入距离靶材较近的磁控溅射真空腔体的上部区域，所述第二惰性气体通入距离基底载台较近的磁控溅射真空腔体的下部区域。

12、进一步地，所述基底采用si、gaas、sic、石英玻璃、氧化铝、inp、gan、ga2o3及aln中的一种制成。

13、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

14、本发明利用两种不同摩尔质量的惰性气体的电离，并对靶材和载台分别施加两种不同频率、不同功率的射频电源来控制溅射两种气体电离后正离子的分区轰击效应，制备得到的薄膜经过相同恶化实验处理，可以获得抗恶化实验性能更强的致密薄膜。

15、本发明创造性地提出了磁控溅射设备中一种提高沉积金属薄膜抗性的方法，通过分别通入两种不同惰性气体，两种气体的主要电离区域分别在腔体上部和下部两个区域，第一惰性气体电离在靠近阴极靶材的上部进气区域，第二惰性气体电离在靠近载台的下部进气区域。两种不同的辉光放电区域中的离子会由于电场的存在各自向不同方向轰击，其中第一惰性气体的正离子轰击靶材，使靶原子沉积到基底上，同时第二惰性气体的正离子由于自身质量相对较小的原因，以较小的能量去轰击基底表面的膜层，并通过靶材和载台分别施加两种不同频率、射频功率的电源来控制溅射两种气体电离后正离子的轰击效应。

16、两种射频功率的输入，使得靶材与载台之间的等离子体浓度大大提升。其中，第一惰性气体正离子轰击靶材，使金属原子脱离靶材表面，金属原子与电容耦合等离子体碰撞，产生大量金属离子，金属离子除了原有动能外，还会因负偏置电压加速，动能进一步增大，加速向基底表面迁移，当金属离子成膜时，动能能量转化为热能，对薄膜产生热退火作用，成膜更加致密。第二惰性气体正离子轰击基底表面，使得基底表面疏松的薄膜原子被轰击，留下结构更加致密的成膜原子，且第二惰性气体正离子的摩尔质量较第一惰性气体正离子的摩尔质量更小，其轰击能量相对较小，结合紧密的成膜原子，不容易被第二惰性气体正离子轰击掉。

技术特征：

1.一种提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，进行磁控溅射时选用靶材纯度为99.999％的金属钛靶，靶材直径为300-302mm，靶材与基底之间的距离为200-450mm。

3.根据权利要求1所述的提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，f1和f2同时满足以下条件：f1≥2mhz，400khz≤f2≤27mhz，且f1≥f2。

4.根据权利要求1所述的提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，p1和p2满足以下条件：1000w≤p1≤10000w，100w≤p2≤1000w。

5.根据权利要求1所述的提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，所述第一惰性气体的摩尔质量大于所述第二惰性气体的摩尔质量。

6.根据权利要求1所述的提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，所述第一惰性气体通入距离靶材较近的磁控溅射真空腔体的上部区域，所述第二惰性气体通入距离基底载台较近的磁控溅射真空腔体的下部区域。

7.根据权利要求1所述的提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，其特征在于，所述基底采用si、gaas、sic、石英玻璃、氧化铝、inp、gan、ga2o3及aln中的一种制成。

技术总结
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种提升沉积金属薄膜致密性的制备方法，包括以下步骤：采用P<subgt;1</subgt;的溅射功率，预溅射靶材1‑10 min；将基底传输至磁控溅射真空腔体中，载台的温度设定为25‑300℃，腔体真空度保持在5.0×10<supgt;‑8</supgt; Torr以下，向磁控溅射真空腔体的上部区域通入第一惰性气体，向下部区域通入第二惰性气体，腔体反应压力2.3‑9.3 mTorr；本发明在磁控溅射腔体内，分别通入两种不同摩尔质量的惰性气体，并且对靶材输入频率为F<subgt;1</subgt;的射频电流，对载台输入频率为F<subgt;2</subgt;的射频电流，F<subgt;1</subgt;大于等于F<subgt;2</subgt;，两种射频功率的输入，使得靶材与载台之间的等离子体浓度大大提升，能够提升金属薄膜的致密性。

技术研发人员：葛青涛,张陈斌,陆雯洁,宋永辉,王世宽
受保护的技术使用者：无锡尚积半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6