VARIAN 3180濺射臺金屬化工藝技術

【摘 要】本文介紹了集成電路金屬化工序磁控濺射原理和制作過程，針對磁控濺射成膜的特點，分析了影響膜層質量的原因，提出了解決措施。

【關鍵詞】磁控濺射；金屬層；基片

利用磁控濺射方法在硅片上淀積鉬、硅-鋁等金屬，以形成雙極型數字集成電路的歐姆接觸或整流接觸及多層金屬電極結構。磁控濺射因較高的沉積率、較高的成膜質量而成為薄膜制備的重要手段之一，被廣泛應用于集成電路制造、材料改性等諸多領域。

1 直流磁控濺射原理

在真空環境里，電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。真空室中充入的氬氣作為媒介，使輝光放電得以啟動和維持。直流磁控濺射利用的是直流輝光放電，初始電子加速碰撞Ar形成氬離子和另一個電子（α過程），而氬離子在電場作用下加速碰撞陰極（靶材）也會形成二次電子發射（γ過程），當放電達到穩定后進入輝光放電階段。直流磁控濺射的特點是在陽極基片和陰極靶之間加一個直流電壓，陽離子在電場的作用下轟擊靶材，它的濺射速率一般比較大。

2 設備作業特點

VARIAN 3180濺射臺是在線CASSETTE-TO-CASSETTE，可以連續進行濺射生產，采用直流磁控濺射技術，用于4inch硅片表面濺鍍鋁、鋁合金及其它金屬薄膜。該設備采用豎直結構，單邊濺射方式，共有3個靶位，每個靶位配置一個直流電源、一個SHUTTER，用于預濺射及防止交叉污染。作業時，設備自動檢測各個部件的狀態，確認設備正常后，開始自動運行，伺服器傳遞從CASSETTE中撐起硅片，通過LOADLOCK吸取并裝入濺射腔體，濺射腔體則在冷泵的作用下一直保持在真空狀態，設備按照已經設置的程序執行濺射功率、濺射時間、檔板開閉等作業。濺射后的硅片被LOADLOCK放回CASSETTE中的原位置，裝/卸硅片及濺鍍作業分別獨立連續進行。每CASSETTE最多作業25片。

3 生產條件要求

材料：鉬靶（Mo≥99.999%）；硅鋁靶（Si-Al，高純≥99.999%）；氬氣（Ar，≥99.999%），氮氣（N2≥99.999%，含氧量≤5ppm，含水量≤5ppm）。濺射臺設備周圍的潔凈度為10000級，真空室真空為2×10-8torr，空氣濕度35%～50%，室溫20～25℃。風速≥0.2m/s。冷卻水采用純水（≥15MΩ.cm），水溫<20℃，可以循環使用，15天更換一次。

4 金屬化工序金屬層參數要求

1）金屬層Mo 厚度100±10nm

2）金屬層Si-Al （雙層布線的I次布線）厚度600±100nm，R□=85±5mΩ/□

3）金屬層Si-Al（雙層布線的II次布線）厚度1200±200nm，R□=45±5mΩ/□

濺射完成后，用SZ85型四探針測試儀進行測試，每批抽測3片陪片，共測5點R□值。

5 濺射工序的金屬層質量問題及原因

采用最大的淀積速率進行濺射，雖然可減少濺射時間，效率大，但是膜的質量卻不理想，因此一般不采用最大的淀積速率。濺射工藝參數不是單獨作用的，各個參數之間相互影響，從而達到一個平衡。金屬化濺射工藝調整完善后，批量生產必須進行工藝固化。由于VARIAN 3180濺射臺是全自動濺射設備，所以工藝生產中出現的問題歸納為濺射程序參數設置不合理、真空室污染、硅片污染、冷泵及機械泵的工作效率低四方面的原因。

1）金屬層表面氧化、發霧

原因分析：A、真空度低；B、烘烤溫度過高；C、濺射厚度超標；D、氬氣流量過大。解決方法，可以通過調整工藝來完成。真空室的密封性檢測采用氦質譜檢漏儀，對可能漏氣的部位，進行噴氦法檢測，同時檢查更換密封圈。檢查機械泵，清洗機械泵更換機械泵油。檢查冷泵，進行維護。濺射功率對膜層質量的影響，在氣壓一定的條件下，使得Ar氣的電離率提高，從而提高濺射速率，這樣基片表面的膜層與基板的粘附能力以及膜層致密性都有所提高，并縮短了濺射時間，提高了膜層質量。相反的，功率太低，淀積速率慢，則膜結構疏松，膜層附著力差[1]。濺射氣壓對薄膜的影響，壓強過低時， 濺射原子能量較大，然而過高的濺射氣壓會使粒子與大量氬原子相互碰撞而大幅度降低其本身的能量， 結果導致薄膜的淀積速率減小，不能獲得高的薄膜結晶度。因此濺射氣壓的變化， 引起表面形貌和沉積速率的變化，同時影響薄膜的性能。淀積速率隨氬氣流量的增大而先增加后減小，工作氣壓為8～10×10-3torr淀積速率最大[2]，但是氬氣流量過大時，濺射粒子與Ar氣碰撞次數增多，粒子能量在碰撞過程中損失很多，致使濺射粒子勉強沖破氣體吸附層，與基片的吸附能力下降，于是淀積速率降低。導致金屬層表面發霧。

2）金屬層脫落

原因分析A、基片清洗不干凈。B、真空室污染。C、烘烤時嚴重污染。基片清洗不干凈，會在濺射過程中影響淀積原子與基片之間的結合力、以及原子間結合力，導致膜層與基片間附著力下降，金屬層脫落若靶材中夾雜物的數量過高，在濺射過程中易在基片上形成微粒，導致互連線短路或斷路，嚴重影響薄膜的性能。按要求清洗基片、甩干、烘干，特別注意清洗用高純水的純度，應達到要求。按使用濺射設備頻次對清洗真空室，濺射40爐清洗1次，清洗時先用金相砂紙把淀積到真空壁上的金屬膜打磨掉并用吸塵器吸出，然后用脫脂棉蘸丙酮摖洗，最后用綢布蘸無水乙醇摖干凈。用稀鹽酸清洗鉬靶、硅鋁靶，然后用高純水沖洗干凈，最后用酒精脫水，烘干。

3）金屬層出現針孔

原因分析A、Ar氣純度不夠。B、靶材不純或者污染C、真空室擋板污染。Ar氣純度不夠或者濺射時混入較多雜質，在膜層中形成很多缺陷，真空室內雜質、微塵落在基片膜上會形成針孔。濺射采用的靶材所含微量雜質和表面氧化物是污染真空鍍膜薄膜的重要來源，為保證鍍膜質量，首先必須具備高純度的真空鍍膜靶材和清潔的靶表面；其次在真空鍍膜濺射沉積之前對靶進行預濺射，使靶表面凈化處理。擋板在開啟時，由于擋板表面吸附的雜質、微塵落在基片膜上同樣會形成針孔。

濺射完成后，用SZ85型四探針測試儀測試，確保膜厚符合要求。

使用3180濺射臺濺射的金屬層，體現了磁控濺射鍍膜的特點，即淀積速率較高、臺階覆蓋完全，膜層均勻致密、附著力強。

【參考文獻】

[1]王平，楊樹貞，等.濺射成膜中幾個問題的探討[J].真空，2006（06）.

[2]董西英，馬剛領.磁控濺射淀積速率影響因素及最佳工藝參數研究[J].無線互聯科技，2010（04）.

[責任編輯：王靜]