VARIAN 3180溅射台金属化工艺技术

【摘 要】本文介绍了集成电路金属化工序磁控溅射原理和制作过程，针对磁控溅射成膜的特点，分析了影响膜层质量的原因，提出了解决措施。

【关键词】磁控溅射；金属层；基片

利用磁控溅射方法在硅片上淀积钼、硅-铝等金属，以形成双极型数字集成电路的欧姆接触或整流接触及多层金属电极结构。磁控溅射因较高的沉积率、较高的成膜质量而成为薄膜制备的重要手段之一，被广泛应用于集成电路制造、材料改性等诸多领域。

1 直流磁控溅射原理

在真空环境里，电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。真空室中充入的氩气作为媒介，使辉光放电得以启动和维持。直流磁控溅射利用的是直流辉光放电，初始电子加速碰撞Ar形成氩离子和另一个电子（α过程），而氩离子在电场作用下加速碰撞阴极（靶材）也会形成二次电子发射（γ过程），当放电达到稳定后进入辉光放电阶段。直流磁控溅射的特点是在阳极基片和阴极靶之间加一个直流电压，阳离子在电场的作用下轰击靶材，它的溅射速率一般比较大。

2 设备作业特点

VARIAN 3180溅射台是在线CASSETTE-TO-CASSETTE，可以连续进行溅射生产，采用直流磁控溅射技术，用于4inch硅片表面溅镀铝、铝合金及其它金属薄膜。该设备采用竖直结构，单边溅射方式，共有3个靶位，每个靶位配置一个直流电源、一个SHUTTER，用于预溅射及防止交叉污染。作业时，设备自动检测各个部件的状态，确认设备正常后，开始自动运行，伺服器传递从CASSETTE中撑起硅片，通过LOADLOCK吸取并装入溅射腔体，溅射腔体则在冷泵的作用下一直保持在真空状态，设备按照已经设置的程序执行溅射功率、溅射时间、档板开闭等作业。溅射后的硅片被LOADLOCK放回CASSETTE中的原位置，装/卸硅片及溅镀作业分别独立连续进行。每CASSETTE最多作业25片。

3 生产条件要求

材料：钼靶（Mo≥99.999%）；硅铝靶（Si-Al，高纯≥99.999%）；氩气（Ar，≥99.999%），氮气（N2≥99.999%，含氧量≤5ppm，含水量≤5ppm）。溅射台设备周围的洁净度为10000级，真空室真空为2×10-8torr，空气湿度35%～50%，室温20～25℃。风速≥0.2m/s。冷却水采用纯水（≥15MΩ.cm），水温

4 金属化工序金属层参数要求

1）金属层Mo 厚度100±10nm

2）金属层Si-Al （双层布线的I次布线）厚度600±100nm，R=85±5mΩ/

3）金属层Si-Al（双层布线的II次布线）厚度1200±200nm，R=45±5mΩ/

溅射完成后，用SZ85型四探针测试仪进行测试，每批抽测3片陪片，共测5点R值。

5 溅射工序的金属层质量问题及原因

采用最大的淀积速率进行溅射，虽然可减少溅射时间，效率大，但是膜的质量却不理想，因此一般不采用最大的淀积速率。溅射工艺参数不是单独作用的，各个参数之间相互影响，从而达到一个平衡。金属化溅射工艺调整完善后，批量生产必须进行工艺固化。由于VARIAN 3180溅射台是全自动溅射设备，所以工艺生产中出现的问题归纳为溅射程序参数设置不合理、真空室污染、硅片污染、冷泵及机械泵的工作效率低四方面的原因。

1）金属层表面氧化、发雾

原因分析：A、真空度低；B、烘烤温度过高；C、溅射厚度超标；D、氩气流量过大。解决方法，可以通过调整工艺来完成。真空室的密封性检测采用氦质谱检漏仪，对可能漏气的部位，进行喷氦法检测，同时检查更换密封圈。检查机械泵，清洗机械泵更换机械泵油。检查冷泵，进行维护。溅射功率对膜层质量的影响，在气压一定的条件下，使得Ar气的电离率提高，从而提高溅射速率，这样基片表面的膜层与基板的粘附能力以及膜层致密性都有所提高，并缩短了溅射时间，提高了膜层质量。相反的，功率太低，淀积速率慢，则膜结构疏松，膜层附着力差[1]。溅射气压对薄膜的影响，压强过低时， 溅射原子能量较大，然而过高的溅射气压会使粒子与大量氩原子相互碰撞而大幅度降低其本身的能量， 结果导致薄膜的淀积速率减小，不能获得高的薄膜结晶度。因此溅射气压的变化， 引起表面形貌和沉积速率的变化，同时影响薄膜的性能。淀积速率随氩气流量的增大而先增加后减小，工作气压为8～10×10-3torr淀积速率最大[2]，但是氩气流量过大时，溅射粒子与Ar气碰撞次数增多，粒子能量在碰撞过程中损失很多，致使溅射粒子勉强冲破气体吸附层，与基片的吸附能力下降，于是淀积速率降低。导致金属层表面发雾。

2）金属层脱落

原因分析A、基片清洗不干净。B、真空室污染。C、烘烤时严重污染。基片清洗不干净，会在溅射过程中影响淀积原子与基片之间的结合力、以及原子间结合力，导致膜层与基片间附着力下降，金属层脱落若靶材中夹杂物的数量过高，在溅射过程中易在基片上形成微粒，导致互连线短路或断路，严重影响薄膜的性能。按要求清洗基片、甩干、烘干，特别注意清洗用高纯水的纯度，应达到要求。按使用溅射设备频次对清洗真空室，溅射40炉清洗1次，清洗时先用金相砂纸把淀积到真空壁上的金属膜打磨掉并用吸尘器吸出，然后用脱脂棉蘸丙酮摖洗，最后用绸布蘸无水乙醇摖干净。用稀盐酸清洗钼靶、硅铝靶，然后用高纯水冲洗干净，最后用酒精脱水，烘干。

3）金属层出现针孔

原因分析A、Ar气纯度不够。B、靶材不纯或者污染C、真空室挡板污染。Ar气纯度不够或者溅射时混入较多杂质，在膜层中形成很多缺陷，真空室内杂质、微尘落在基片膜上会形成针孔。溅射采用的靶材所含微量杂质和表面氧化物是污染真空镀膜薄膜的重要来源，为保证镀膜质量，首先必须具备高纯度的真空镀膜靶材和清洁的靶表面；其次在真空镀膜溅射沉积之前对靶进行预溅射，使靶表面净化处理。挡板在开启时，由于挡板表面吸附的杂质、微尘落在基片膜上同样会形成针孔。

溅射完成后，用SZ85型四探针测试仪测试，确保膜厚符合要求。

使用3180溅射台溅射的金属层，体现了磁控溅射镀膜的特点，即淀积速率较高、台阶覆盖完全，膜层均匀致密、附着力强。

【参考文献】

[1]王平，杨树贞，等.溅射成膜中几个问题的探讨[J].真空，2006（06）.

[2]董西英，马刚领.磁控溅射淀积速率影响因素及最佳工艺参数研究[J].无线互联科技，2010（04）.