摘要：介紹了半導(dǎo)體晶片制造設(shè)備濺射機(jī)和濺射工藝對晶片碎片的影響，給出了如何減少晶片應(yīng)力以達(dá)到少碎片的目的。

關(guān)鍵詞：濺射：輝光放電：濺射沉積功率

中圖分類號：TN305．92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-353X(2004)04-0019-02

1 引言

在半導(dǎo)體晶片制造過程中，一個重要的工序環(huán)節(jié)就是金屬薄膜沉積，該工藝是作為電路引線用。沉積金屬薄膜最常用的方法是蒸發(fā)和濺射。然而隨著集成電路向線結(jié)和圖形微細(xì)化的方向發(fā)展，加上對接觸和互連的要求也越來越嚴(yán)，特別是鋁硅互溶引起的結(jié)穿通和電遷移現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重，接觸和互連材料就有必要采用鋁的合金以及各種難溶金屬。對于這些材料，用通常的真空蒸發(fā)方法難于勝任，一般采用磁控濺射技術(shù)。濺射機(jī)就是基于此技術(shù)發(fā)展起來的一種濺射設(shè)備，由美國VARIAN公司制造。

Sputter設(shè)備結(jié)構(gòu)是由濺射腔、傳送裝置和高低真空系統(tǒng)組成。加工過程是送片裝置將晶片送入裝卸腔，濺射腔旋轉(zhuǎn)盤上的彈簧夾片夾住晶片，借助旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到各濺射腔中濺鍍金屬薄膜，濺鍍完金屬薄膜后又由旋轉(zhuǎn)盤將晶片送出裝卸腔卸載。整個送片加工過程都是在垂直平面上進(jìn)行，如圖1所示。

由于Sputter濺射腔垂直結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如果晶片太薄或晶片殘存的內(nèi)應(yīng)力大，常常引起晶片在濺射腔里破裂，而碎渣又可能造成真空設(shè)備的損壞和制作成本的提高，相反臥式濺射機(jī)平面?zhèn)魉途b置就不存在這種裂片問題，因此有必要探討濺射機(jī)的碎片問題，盡可能減少碎片的產(chǎn)生。

2 影響晶片碎片的因素

Sputter濺射可對晶片正面、背面濺射金屬薄膜，而在加工過程中晶片大多在濺射腔或卸載腔內(nèi)裂片，排除機(jī)械裝置引起碎片的可能，問題關(guān)鍵在于Sputter加工環(huán)境對晶片的影響。眾所周知，濺射是與氣體放電現(xiàn)象相聯(lián)系的一種薄膜淀積技術(shù)。在真空中充入放電所需要的氣體(常用惰性氣體)，在強(qiáng)電場作用下放電，產(chǎn)生大量陽離子(被稱為輝光放電，常伴著藍(lán)光出現(xiàn)，起點(diǎn)火功能)。陽離子受強(qiáng)電場加速，形成高能量的離子流去轟擊源材料(稱為靶)。當(dāng)離子的動能超過靶原子的結(jié)合能時，靶表面的原子就脫離表面，濺射到對面的陽極上(常為硅片)，淀積成薄膜。根據(jù)這一成膜原理，影響晶片碎片的兩個主要因素是靶原子的作用力和晶片的熱應(yīng)力。

2．1 靶原子作用力的影響

在金屬靶和硅片間所加濺射沉積功率形成強(qiáng)電場，放電氣體在強(qiáng)電場的作用下被離子化成陽離子，陽離子又被電場驅(qū)動獲得了動能去撞擊靶材料。當(dāng)靶原子獲得的動能超過靶原子結(jié)合能的能量時，靶原子就會脫離靶濺射到對面的硅片上形成金屬薄膜。因此如中間介質(zhì)——放電氣體Argon被電離成陽離子的數(shù)量越多，撞擊出靶原子的機(jī)會也越多，晶片受到的外力也越大；同理沉積功率越大(電場越強(qiáng))靶原子獲得的動能越大，晶片受到的作用力越大，晶片碎裂的可能性也越大。而沉積功率大小直接影響靶原子作用力的大小。

2．2 晶片熱應(yīng)力的影響

待濺射的晶片經(jīng)過了多次光刻后，晶片表面形成了大量的臺階，晶片本身殘余了內(nèi)應(yīng)力。進(jìn)入濺射腔后，晶片被加熱并且放電氣體在強(qiáng)電場的作用下放電起輝產(chǎn)生大量的熱能，放電氣體越多，熱量越多，晶片溫度也越高。晶片受熱膨脹再加上晶片各處熱應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致晶片變形甚至裂片。為減少晶片的熱應(yīng)力就需降低晶片的加熱溫度，減小放電氣體的壓力。但是減小放電氣體的壓力存在一個問題，根據(jù)不同的靶材料，放電氣體起弧壓力也會相應(yīng)不同，如鋁靶放電氣體起弧壓力為6～8millitorr，但鉻靶或鎳鉻靶放電氣體起弧壓力為20millitorr以上，故需保證在起弧的基礎(chǔ)上盡可能減小放電氣體的壓力。

3 減少碎片的解決方案及措施

從以上分析可知，晶片碎片與放電氣體流量、濺射沉積功率、加熱溫度等工藝條件有關(guān)。因此在保證其他條件不變的情況下，分別作了以下三個實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證：

(1)減小沉積功率從60％→30％，延長沉積時間；

(2)降低加熱溫度，300℃→常溫；

(3)放電氣體壓力從15．0 millitorr以上→7．5-8．5 millitorr。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分別減小沉積功率、加熱溫度和放電氣體壓力均能很好的減少碎片率。由此對工藝進(jìn)行了改進(jìn)，表1是改進(jìn)前后工藝對比情況。

改進(jìn)工藝后，碎片率從原來的5％減少到3％，加工的晶片厚度可薄至350 μm甚至以下。有時晶片在裝卸腔里破裂，除吸盤伸出位置及真空大小需要調(diào)節(jié)外，另一個不容忽視的就是晶片停留裝卸腔的冷卻時間。當(dāng)晶片從沉積腔旋轉(zhuǎn)到裝卸腔時，因晶片剛沉積了金屬薄膜，表面溫度高，熱應(yīng)力大，晶片變形嚴(yán)重，此時卸載晶片容易引起破片，所以需要適當(dāng)延長晶片在卸載腔中的冷卻時間使之冷卻充分。實(shí)踐證明冷卻時間設(shè)定為10～15s為宜。

  作者：鄒建和(深愛半導(dǎo)體有限公司，廣東 深圳 518000)