溅射工艺对晶片碎片的影响

摘要：介绍了半导体晶片制造设备溅射机和溅射工艺对晶片碎片的影响，给出了如何减少晶片应力以达到少碎片的目的。

关键词：溅射：辉光放电：溅射沉积功率

中图分类号：TN305．92 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)04-0019-02

1 引言

在半导体晶片制造过程中，一个重要的工序环节就是金属薄膜沉积，该工艺是作为电路引线用。沉积金属薄膜常用的方法是蒸发和溅射。然而随着集成电路向线结和图形微细化的方向发展，加上对接触和互连的要求也越来越严，特别是铝硅互溶引起的结穿通和电迁移现象变得更加严重，接触和互连材料就有必要采用铝的合金以及各种难溶金属。对于这些材料，用通常的真空蒸发方法难于胜任，一般采用磁控溅射技术。溅射机就是基于此技术发展起来的一种溅射设备，由美国VARIAN公司制造。

Sputter设备结构是由溅射腔、传送装置和高低真空系统组成。加工过程是送片装置将晶片送入装卸腔，溅射腔旋转盘上的弹簧夹片夹住晶片，借助旋转盘旋转转到各溅射腔中溅镀金属薄膜，溅镀完金属薄膜后又由旋转盘将晶片送出装卸腔卸载。整个送片加工过程都是在垂直平面上进行，如所示。

由于Sputter溅射腔垂直结构的特点，如果晶片太薄或晶片残存的内应力大，常常引起晶片在溅射腔里破裂，而碎渣又可能造成真空设备的损坏和制作成本的提高，相反卧式溅射机平面传送晶片装置就不存在这种裂片问题，因此有必要探讨溅射机的碎片问题，尽可能减少碎片的产生。

2 影响晶片碎片的因素

Sputter溅射可对晶片正面、背面溅射金属薄膜，而在加工过程中晶片大多在溅射腔或卸载腔内裂片，排除机械装置引起碎片的可能，问题关键在于Sputter加工环境对晶片的影响。众所周知，溅射是与气体放电现象相联系的一种薄膜淀积技术。在真空中充入放电所需要的气体(常用惰性气体)，在强电场作用下放电，产生大量阳离子(被称为辉光放电，常伴着蓝光出现，起点火功能)。阳离子受强电场加速，形成高能量的离子流去轰击源材料(称为靶)。当离子的动能超过靶原子的结合能时，靶表面的原子就脱离表面，溅射到对面的阳极上(常为硅片)，淀积成薄膜。根据这一成膜原理，影响晶片碎片的两个主要因素是靶原子的作用力和晶片的热应力。

2．1 靶原子作用力的影响

在金属靶和硅片间所加溅射沉积功率形成强电场，放电气体在强电场的作用下被离子化成阳离子，阳离子又被电场驱动获得了动能去撞击靶材料。当靶原子获得的动能超过靶原子结合能的能量时，靶原子就会脱离靶溅射到对面的硅片上形成金属薄膜。因此如中间介质——放电气体Argon被电离成阳离子的数量越多，撞击出靶原子的机会也越多，晶片受到的外力也越大；同理沉积功率越大(电场越强)靶原子获得的动能越大，晶片受到的作用力越大，晶片碎裂的可能性也越大。而沉积功率大小直接影响靶原子作用力的大小。

2．2 晶片热应力的影响

待溅射的晶片经过了多次光刻后，晶片表面形成了大量的台阶，晶片本身残余了内应力。进入溅射腔后，晶片被加热并且放电气体在强电场的作用下放电起辉产生大量的热能，放电气体越多，热量越多，晶片温度也越高。晶片受热膨胀再加上晶片各处热应力不均匀，导致晶片变形甚至裂片。为减少晶片的热应力就需降低晶片的加热温度，减小放电气体的压力。但是减小放电气体的压力存在一个问题，根据不同的靶材料，放电气体起弧压力也会相应不同，如铝靶放电气体起弧压力为6～8millitorr，但铬靶或镍铬靶放电气体起弧压力为20millitorr以上，故需保证在起弧的基础上尽可能减小放电气体的压力。

3 减少碎片的解决方案及措施

从以上分析可知，晶片碎片与放电气体流量、溅射沉积功率、加热温度等工艺条件有关。因此在保证其他条件不变的情况下，分别作了以下三个实验加以验证：
(1)减小沉积功率从60％→30％，延长沉积时间；

(2)降低加热温度，300℃→常温；

(3)放电气体压力从15．0 millitorr以上→7．5-8．5 millitorr。

通过实验发现，分别减小沉积功率、加热温度和放电气体压力均能很好的减少碎片率。由此对工艺进行了改进，表1是改进前后工艺对比情况。

改进工艺后，碎片率从原来的5％减少到3％，加工的晶片厚度可薄至350 μm甚至以下。有时晶片在装卸腔里破裂，除吸盘伸出位置及真空大小需要调节外，另一个不容忽视的就是晶片停留装卸腔的冷却时间。当晶片从沉积腔旋转到装卸腔时，因晶片刚沉积了金属薄膜，表面温度高，热应力大，晶片变形严重，此时卸载晶片容易引起破片，所以需要适当延长晶片在卸载腔中的冷却时间使之冷却充分。实践证明冷却时间设定为10～15s为宜。