磁控溅射淀积速率影响因素及最佳工艺参数研究.pdf

36无线互联科技 实验研究 磁控溅射淀积速率 影响因素及最佳工艺参数研究 董西英 马刚领 摘 要 沉积速率高 基材温升低的磁控溅射工艺 已经成为半导体集成电路金属化工艺的主流 本文重点对在硅晶圆上溅射金 属薄膜的实际镀膜过程中的淀积速率进行了理论和实验研究 研究表明淀积速率随工作气压的增大先增大后减小 淀积速率随着靶基 距增大而减小 但均匀性增强 当入射离子的能量超过溅射阈值时 淀积速率随着溅射功率的增加先增加后下降 同时还研究了靶材料 对淀积速率的影响 以及溅射功率 淀积时间对膜厚和膜质量的影响 以上结论对于获得良好的镀膜工艺控制是很有意义的 关键词 磁控溅射 集成电路金属化 淀积速率影响因素 最佳工艺条件 1 引言 随着集成电路规模的发展 器件尺寸的缩小 多层布线 和铜互连的引入 对于形成器件接触和互连的金属化方面也 提出了越来越高的要求 金属薄膜不再是单一的一种 一层 金属 而是多层金属复合膜 磁控溅射技术的出现很好地满 足了半导体器件多层复台金属膜的需求 形成了良好的欧姆 接触 整流接触 大大地提高了器件的成品率 对降低器件 成本起到了极为重要的作用 1 此外磁控溅射镀膜工艺还具 有沉积速率高 基材升温低 台阶覆盖好 膜层均匀 致密 纯度高 附着力强 应用靶材广 工作稳定等显著特点 而且 产量可大可小 并能按用户要求加工所需的数量和质量 灵活 性太 生命力强 这是其它方法所不及的 所以溅射镀膜技术 已经是半导体集成电路金属化的主流技术 沉积速率不仅是衡量镀膜设备性能的一项重要指标 而 且还对薄膜的特性 如牢固度 薄膜应力 电阻率 薄膜硬度 表面光洁度 表面形貌以及薄膜的微观结构等有着很大的影 响 2 虽然已经有磁控溅射工艺的研究 但是限于理论和实 验室的研究较多 对于用于大规模实际生产的溅射工艺研究 很少 磁控溅射镀膜工艺具有共性的规律 但同时不同国家 不同型号的设备镀膜中也具有个性 本文采用目前大规模生 产中先进的常用的圆形平面磁控溅射设备对磁控溅射镀膜工 艺进行研究很有实际意义 本文采用实验验证 理论分析 作者简介 董西英 硕士 高级工程师 微电子技术专业带头人 南京信息职业技术学院 研究方向 集成电路芯片工艺 封装测试 马刚领 南京信息职业技术学院 数学计算等多种研究方法 对淀积速度的主要影响因素进行 了分析 得出了规律 并根据产品对膜厚的要求范围 得出最 优的工艺条件 2 磁控溅射原理 2 1 磁控溅射原理 溅射是利用高能粒子轰击具有高纯度的固体靶材平板 按物理过程撞击出靶材原子 被撞出的靶材原子穿过真空最 后淀积在硅片上 磁控溅射工艺的设备示意如图1 高纯金属 靶材平板接阴极 硅衬底具有正电势所以叫阳极 在高电压 作用下使真空腔体内的氩气经辉光放电后产生高密度阳离子 Ar Ar 在电场的作用下被强烈吸引到负电极并以高速 率轰击靶材平板 使靶材平板溅射出靶材原子并在腔体中散 开 靶材原子最后停留在阳极的硅片上 逐渐成核并生长为 薄膜 在靶的周围和后面安装磁体 使磁场和电场垂直 从靶 材发出的电子 受磁场的作用与工作气体的电离几率增大 增 加了电子与气体分子之间总的碰撞次数和离子在靶上的轰击 率 产生了更多的二次电子 进而增加了等离子体中电离的速 率 最终的效果是增加了等离子体的密度 淀积速率提高数 倍 2 图1 溅射工艺的设备示意图 37无线互联科技 实验研究 2 2磁控溅射主要参数 1 溅射阈值 将靶材原子溅射出来所需的入射离子最 小能量值 2 溅射产额 入射离子轰击靶材时 平均每个正离子能 从靶材打出的原子数 即 3 淀积速率 即单位时间在硅片上淀积的金属膜厚 度 3 磁控溅射淀积速率影响因素及最佳工艺参数的 研究 3 1 实验环境 设备 过程 1 实验环境 车间为100级净化 空气湿度在30 60 之间 室温在23 3 2 设备 美制PERKIN ELMER 4400型磁控溅射仪 该 设备适用于150mm的硅片 托盘载片盘一次装150mm硅晶圆6 片 托盘装载硅片转动 转速为10转 分 溅射仪在液氮冷却 下 真空室真空可达10 8torr数量级 实验所用Ar气纯度在 99 999 以上 冷却水温度在20 以下 冷却时间为10分钟 3 实验过程 硅片清洗 SiO2 膜生长 清洗 溅射金 属 镀膜 测量镀膜膜厚 SiO2 膜要达到一定的洁净度 否则会污染真空腔 影响溅射金属膜质量 本实验采用台阶 法测量膜厚 使用设备为Dek tak 型探针式表面轮廓仪 台 阶仪 利用光刻和刻蚀工艺在金属膜上制作台阶 然后用台 阶仪测量溅射金属膜膜厚 3 2 影响溅射速率的主要因素 在实际的镀膜过程中 沉积速率可能与许多因素有关 如溅射功率 靶材到硅基片的距离 靶基距 工作气压等 对于磁控溅射镀膜来说 提高淀积速率的关键在于如何提高 等离子体的密度或电离度 以降低气体放电的阻抗 从而在 相同的放电功率下获得更大的电流 而提高等离子体的密度 或电离度的关键在于如何充分的利用电子的能量 使其最大 限度的用于电离 3 1 工作气压对淀积速率的影响 随着氩气分压 工作气压 的变化 靶电压 真空度也 会随之变化 相应的影响到薄膜的沉积速率 图2是在靶材为 TiW 溅射功率是1 2 kW 靶基距4 5cm 溅射4min的情况下改 变工作气压所得到的实验数据 从实验结果可以直接看出 沉积速率随工作气压的增大 而先增大后减小 工作气压为8 10 10 3torr淀积速率最大 图2 气体压强对沉积速率的影响 生产时选取的工作气压优化值为 9 0 2 10 3torr 实验 结论和文献 3 4 中的理论分析一致 文献 3 4 中指出 气体分子 平均自由程与气体压强 气体分子直径成反比 与气体温度成 正比 在保持气体分子直径和气体温度不变的条件下 如果工 作压强增大 气体分子平均自由程将减小 溅射粒子与气体分 子相互碰撞次数将增加 二次电子发射将增强 第三电离系数 将增大 电流密度jo与 1 成正比 与阴极位降区厚度dc 成反比 与阴极位降vc的平方成正比 因此当 增大 dc减小 时 电流密度jo增大 放电加强 溅射能力增强 沉积速率就会 增大 但Ar气流量过大时 溅射粒子与Ar气碰撞次数大大增 多 粒子能量在碰撞过程中大大损失 致使溅射粒子达不到 基片或无力冲破气体吸附层 于是便不能形成薄膜 或虽然 勉强冲破气体吸附层 但与基片的吸附能却很小 因此沉积 速率降低 2 靶基距对淀积速率的影响 靶基距对淀积速率的影响这方面的研究很多 由文献 6 7 指出 在靶功率恒定的情况下 靶基距小时 沉积速率沿 径向成正态分布 严重影响淀积均匀性 当靶基距增大 均匀 性增强 但当靶基距继续增大 虽然均匀性更强 但沉积速 率明显下降 这是因为当靶材和基片距离较近时 镀膜区等 离子密度较高而且气体散射的作用很小 薄膜沉积速率都很 高 而随着靶基距的增大 被溅射材料射向基片时与气体分 子碰撞的次数增多 同时等离子密度也减弱 动能减少 因此 薄膜沉积速率减少 在理论的指导下 在设备商提供的参考数据附近值做了 相关的实验 寻找首先符合膜厚均匀性要求 生产重复性好 然后尽可能淀积速率高的靶基距的平衡值 得出 该设备工作 气压为8 10 10 3torr下 确定为4 5cm 3 溅射功率对淀积速率的影响 淀积速率取决于溅射产额 5 6 溅射产额越大 淀积速率 越高 溅射产额和入射离子的能量 质量以及入射角有关 图 3给出了溅射产额 随入射离子能量变化的简单示意图 5 6 38无线互联科技 实验研究 可以看出 当入射离子的能量大于某一值 溅射阈值 时 才 有靶材原子被溅射出来 阈值能量一般为20 100eV 当溅射 阈值 入射离子的能量 150eV时 溅射产额随入射离子的 能量成平方关系增加 当入射离子的能量为150eV 10keV时 溅射产额变化平稳 并达到一个最大值 当入射离子的能量 超过10 keV 时 溅射产额开始随入射离子的能量增加而下 降 2 4 5 6 因为能量大的离子有机会产生 离子植入 6 的现 象 根据Yamamura 的研究 8 并根据各靶材原子的表面结 合能 可算出不同靶材料的阈值电压 氩离子为入射离子时 溅射Ti靶材 Cr靶材 Cu靶材的溅射阈值分别为20eV 22eV 17eV 入射离子的能量与溅射功率成正比 由溅射功率来直接 调节入射离子能量 溅射产额与靶材原子质量 靶材组分有关 5 6 不同的靶 材原子质量导致不同的溅射阈值 不同的溅射产额 溅射阈 值小的靶材 同样溅射功率下 获得的溅射产额大 淀积速率 就大 溅射产额还和靶材的结晶性有关 9 但是 溅射功率是 控制淀积速率的主要因素 由此可以得出 当溅射功率使入 射离子的能量超过溅射阈值时 淀积速率随溅射功率先增大 后减小 4 溅射膜厚与淀积时间的关系 采用控制变量法的研究方法 选择Ar气压 9 0 2 10 3torr 靶基距 4 5cm 溅射功 1 2 kW 并保持不变 研究靶源分别为含质量分数10 Ti的TiW靶和Pt靶磁控溅射时 图3 溅射产额随入射粒子能量变化的示意图 图4 磁控溅射淀积膜厚与时间的关系图 间与淀积膜厚即淀积速率和时间的关系 TiW靶是最常用的 阻挡 保护层金属和其它金属粘附性能良好 比较便宜 另一 靶材为有着优越的电性能Pt靶 实验结果为图4 从图4可以看出 在溅射功率不变的情况下 淀积膜厚与 时间成正比 磁控溅射的淀积速率是定值 TiW靶的淀积速率 是19 25 nm min Pt靶的淀积速率是14 95 nm min 这主要 是因为溅射产额和时间无关 是个常数 所以随着时间的延 长 溅射出的原子数不断沉积 膜厚直线增加 TiW靶的淀积 速率比Pt靶的淀积速率高 主要是因为Pt靶阈值电压较高 5 溅射功率和时间的优化 在上述的讨论得出 如果溅射功率确定 对于给定的靶 材淀积速率是常数 那么根据需要淀积的膜厚可以得到淀积 时间 有一个溅射功率 EX 可以获得最大的淀积速率 用最 大的淀积速率来进行溅射可以得到最短的淀积时间 生产效 率最大 但是 膜的质量却是不理想的 在实践中 并不一定 选择EX作为溅射功率 而是根据镀膜的厚度 靶材和膜质量 由溅射功率和淀积时间共同决定淀积速率 冯侨华等人 9 研究了Pt膜的在不同溅射功率 淀积时间 下的淀积膜的表面形貌 指出 膜厚随着时间和功率的增 加逐渐增加 磁控溅射过程沉积速率高 来不及形成完整 的晶格 薄膜结构中会存在大量的空位 位错等缺陷 生成晶 格不整齐效应 而且薄膜与基片在物理性能和晶体结构间有 差异 膜在生长过程中会产生应力 所以 薄膜会出现剥落 龟裂等现象 所以需要一定的膜厚时 镀膜时间不能太短 溅射功率 一般小于并接近EX 和溅射时间合理的配合 可以 使铂薄膜表面为相互交错的粗条状 排列致密均匀 无孔洞 晶粒尺寸大 孔隙细小 分布均匀 薄膜和基片之间具有良好 的粘附性 膜厚均匀 本实验的溅射仪 在以上理论的指导下经过实验研究对 比分析 最后确定 淀积比较厚的膜 TiW膜膜厚 50nm Pt 膜膜厚 40 nm 溅射功率为1 2kW 淀积时间 4min 对于 淀积比较薄的TiW膜 Pt膜溅射功率为0 6 kW 淀积速率变 小 TiW膜淀积时间 2min Pt膜淀积时间 4min 进行这样 的组合可以兼顾镀膜的质量和速度 4 结论 通过以上的实验和分析 可以得出如下结论 1 在保持其它条件相同的情况下沉积速率随工作气 压的增大而先增大后减小 2 当溅射功率相同时 靶基距小 时 沉积速率沿径向成正态分布 严重影响淀积均匀性 当 靶基距增大 均匀性增强 但沉积速率明显下降 对每一生 产设备要经过反复试验确定符合膜厚均匀性要求 生产效率 下转第43页 43无线互联科技 实验研究 支持和离线训练方式 可以动态确定网络结构和隐层单 元的数据中心和扩展常数 RBF网络模型同时还具有学习速 度快 通用性比较好等优点 可有效应用于分类 模式识别 和非线性函数逼近等领域 RBF网络模型的缺点主要是隐层 节点个数难以。