磁控濺射臺鍍膜形貌及均勻性改善研究

解 晗，張春勝，申 強

( 中國電子科技集團公司第五十五研究所， 江蘇 南京210016)

具備偏壓功能的磁控濺射設備可以實現背孔互連工藝，該工藝是實現芯片各金屬層、鍵合晶圓間互連的一種技術。通過深孔金屬填充實現垂直方向上的電子導通，能有效減小芯片尺寸，降低芯片功耗。利用物理氣相沉積法淀積金屬薄膜是背孔鍍膜工藝中的關鍵步驟。后續電鍍工藝會對薄膜粘附層、種子層的覆蓋性和均勻性提出一定要求，否則薄膜的缺陷會導致金屬層脫落和鼓泡現象，降低了芯片的電學性能和可靠性。故淀積薄膜的覆蓋性和均勻性等成膜指標是影響最終填充效果的重要因素。

磁控濺射臺采用磁控濺射技術進行金屬及化合物鍍膜，同時具備偏壓濺射能力，可以實現深孔濺射。濺射淀積是一種物理氣相沉積工藝，反應腔體抽真空至1×10-6Pa 左右，然后充入惰性氣體氬氣，形成一定穩定氣壓的氛圍。然后在靶材端施加一定直流或射頻激勵，使氬氣原子電離，氬離子在電場作用下向靶材加速運動，轟擊靶材原子，被轟擊出的靶材原子或分子，最終有一部分附著在晶圓上。同時電離出的電子也在電場中獲得動能，在運動過程中撞擊氬氣原子形成二次電離，形成的二次電子繼續參與電離，最終形成自持等離子體放電，實現持續地磁控濺射鍍膜過程。

1 偏壓及二次濺射能力提升

在磁控濺射模塊的基礎上、在晶圓端形成偏置電壓引導濺射過程即為偏壓濺射，偏置電壓能使被濺射離子具備更好的濺射方向性，準直效應使離子能夠按照同一方向沉積到幾何結構比較復雜的基片表面，同時高能濺射離子還可以對已鍍膜部位進行二次濺射，提高垂直方向上的鍍膜能力，典型目標即為深孔結構樣品。偏壓濺射示意圖如圖1(a)所示，在非對稱電極結構的晶圓端施加一個射頻激勵，由于電子、離子遷移率差別極大，同時兩端電極大小存在區別，晶圓端電極處有大量負電荷滯留，并在隔離電容下不斷積聚，經過若干射頻振蕩周期后形成電勢穩定的偏置電壓。

在實際偏壓濺射工藝過程中，經常出現自偏壓不穩定或趨于零的現象，工藝過程中深孔工藝出現深孔內部側壁膜厚偏低甚至沒有形成鍍膜。根據對整個偏壓濺射系統進行檢查結果的分析，可能的原因包括：

（1）晶圓端射頻源功率施加失效，實際加載到電極上的射頻功率不足。過低的功率無法在電極間形成有效的自偏壓，離子的準直效應消失，對深孔內部的鍍膜效果就會大大降低。使用專門的射頻功率校準工具，對實際功率和面板顯示功率進行校準，確認電源是否正常工作。針對此濺射臺的偏壓射頻源進行測量校準，功率輸出與設定值相同，確保幅值穩定。

圖1 非對稱電極射頻放電自偏壓形成簡圖

（2）晶圓基片傳輸位置偏移，載片托盤與機臺內部擋板或機殼存在接觸現象。該機臺晶圓傳片系統將載有晶圓的托盤傳入反應腔內固定位置進行鍍膜工藝。當傳輸位置發生偏移時，容易造成托盤與機臺內部接地機殼短路導通，晶圓電極端與大地間形成的隔離電容失效，射頻激勵產生的直流自偏壓將無法在晶圓電極端儲存，偏壓濺射效果無法實現，如圖1(b)所示。通過定期校準機械手在反應腔放置托盤的位置，保證與托盤連接的電極端與地保持絕緣狀態（如圖2 所示）。同時需要對兩者間進行定期清潔，防止濺射薄膜產生的金屬碎屑形成短路現象。

圖2 反應腔內校準機械手位置

（3）機臺內與射頻源相連的載臺與機臺外殼地絕緣性變差甚至短路。通常載臺與機殼地之間通過絕緣環做電學隔離，絕緣環通常采用介電性能較好的材料制造，防止出現打火短路現象，如圖3 所示。拆卸載臺后發現使用的絕緣環為塑料材料，并且已發生打火焦黑現象。塑料材料的介電性能較差，相對介電常數在2～3，為了達到更好的介電性能，采用相同尺寸的氧化鋁陶瓷材料作為替代，相對介電常數可達10，大大提高了介電性能，徹底杜絕載臺電極處擊穿打火現象。

圖3 載臺與機臺外殼地短路現象

2 多種金屬鍍膜均勻性

磁控濺射臺采用多靶材共腔濺射結構，4個靶位可以分別濺射4 種不同材料薄膜。所用磁控裝置為基于靶面背后的一圈環形磁鐵。在磁場的控制下，帶電粒子被集中在被環形磁場所束縛的環形區域內，此處靶材材料被轟擊效果最為明顯，最終在靶面上形成一圈被凹蝕的環形形狀，如圖4 所示。該環形區域上轟擊出來的金屬原子經過一段距離后附著在基片上，微觀上靶材與基片之間的距離決定了單個金屬原子的運行軌跡和分布，宏觀上靶基距則會影響成膜均勻性。

圖4 被磁場束縛的帶電粒子在靶材上轟擊出環形凹槽

此設備用于多種材料的成膜工藝，廣泛應用于微機電系統制造，成膜質量對工藝性能影響很大。由于鍍膜均勻性差，工藝產品可靠性變差，需要對鍍膜一致性進一步提高。然后從靶材與基片相對位置的角度對鍍膜均勻性進行研究優化。靶材與基片之間的距離即為靶基距，可通過靶材上方緊固螺母進行調節。先以鎢鈦靶為例，在其他條件不變的情況下，鎢鈦靶初始鍍膜方阻均勻性為7.83%，圖5 為等效厚度圖，可以看出所鍍薄膜分布為中間薄，邊緣厚。

圖5 鎢鈦靶在初始位置鍍膜等效厚度圖

結合機臺機構和靶材分布分析可知，磁鐵分布在邊緣位置，濺射過程中被轟擊出的金屬原子多數分布在靶材邊緣處，隨后附著到基片上，當靶基距合適時，外圍一圈被轟擊出的金屬原子有機會飛至基片中心區域附著鍍膜，過短的靶基距會造成金屬原子還未有效擴散就已經到達基片表面，導致中心區域鍍膜厚度偏薄。過長的靶基距則會導致無效鍍膜甚至啟輝失敗。針對鎢鈦靶鍍膜結果，對靶基距做適度增大處理，并做鍍膜實驗，具體數據如表1。

表1 鎢鈦靶靶基距與鍍膜均勻性關系

由表1 可知，隨著靶基距的不斷增加，方阻均勻性不斷提升，在靶基距提升至48 mm 時，均勻性最優，為3.56%。若繼續增加靶基距，均勻性則會逐漸變差。鎢鈦靶均勻性最優處厚度等效圖如圖6 所示。

圖6 鎢鈦靶在均勻性最優處鍍膜等效厚度圖

以此實驗為基礎，繼續對鈦、鎳、鉑3個靶位的方阻均勻性進行了測試和優化。分別對3個靶位靶基距進行調節，得出了各自鍍膜方阻均勻性與靶基距的關系。綜合各濺射材料方阻均勻性和靶基距數據，得出結果如圖7。實驗在同一工藝條件下進行。

由圖7 可知如下結論：（1）通過調節靶基距，成功將鎢鈦靶、鈦靶、鎳靶、鉑靶方阻均勻性降至可接受的水平；（2）靶材均勻性在某一靶基距點會出現極值，即均勻性最優點，在此處增大或減小靶間距都會使均勻性變差。不同材料的靶材均勻性最優解處的靶基距都不相同；（3）靶基距調節過程中需要考慮啟輝難易問題。如圖7 中鎳靶因為材料自身鐵磁性的性質，當靶基距減小至40 mm 以下時，則無法實現自持輝光放電。故在其他條件不變的情況下鎳靶均勻性在40 mm 處為最優值。

圖7 各類濺射材料的方阻均勻性和靶基距關系圖

除了靶基距對成膜均勻性存在影響外，靶材基片間平行度也會對均勻性產生一定的影響。其實平行度不好即代表基片上不同位置與靶材的距離不相同，也可以等效理解為基片內各位置靶基距不相同。根據上述經驗對靶材基片平行度進行改善。

經過平行度調整，鍍膜均勻性也有一定的改善，由6.74%提升至6.19%，幅度較小，如圖8 所示。故平行度調整可作為均勻性改善的次級備選方案。

圖8 平行度調整可以提高鍍膜均勻性

3 結束語

本文以工藝能力為導向對磁控濺射臺進行系統優化，使該設備的偏壓及二次濺射能力得到提升，深孔結構側壁覆蓋能力顯著改善。對靶基距、平行度進行了深入探究，從機器硬件方面對鍍膜性能作了較大提升，并以此為基礎總結出了一套磁控濺射臺處理類似問題的解決方案。