CN108624844A - 一种晶圆背面金属薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种晶圆背面金属薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶圆背面金属薄膜及其制备方法，包括在晶圆背面溅射形成第一金属层；在晶圆背面与第一金属层接触处形成第一金属与硅的合金层；在第一金属层上溅射形成第二金属层；在第二金属层上溅射形成第三金属层，控制溅射后晶圆温度低于设定值，并在溅射时通入保护气体；关闭第三金属溅射，保持腔体中气体流通，当晶圆温度低于设定值，开启第三金属溅射，控制溅射后晶圆温度低于设定值，若第三金属层厚度未达目标值，则重复该步骤；若达目标值，在第三金属层上溅射形成第四金属层。本发明能解决现有工艺形成的金属薄膜存在较大应力而导致晶圆发生严重翘曲，使后端晶圆电参数测试、封装划片等工艺无法实现，并增加晶圆碎片率的技术问题。

Description

一种晶圆背面金属薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及电力电子器件制造领域，尤其是涉及一种晶圆背面金属薄膜及其制备方法。
背景技术
磁控溅射是广泛应用于半导体器件制造工艺中的一种物理气相沉积（PhysicalVapor Deposition，PVD）工艺。磁控溅射工艺通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。磁控溅射的工作原理是：利用电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子。其中，新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
在现有技术中，晶圆背面通常有4层金属层，分别为Al层、Ti层、Ni层和Ag层，并采用磁控溅射工艺对晶圆背面的金属薄膜进行淀积。在利用现有工艺对晶圆进行背面金属化的过程中，由于晶圆背面形成的金属薄膜存在较大的应力而经常导致晶圆发生严重的翘曲、裂片，进而使得后端的晶圆电参数测试、封装划片等工艺无法实现，并会使晶圆的碎片率大幅提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种晶圆背面金属薄膜及其制备方法，解决现有工艺形成的金属薄膜存在较大应力而导致晶圆发生严重翘曲，使后端的晶圆电参数测试、封装划片等工艺无法实现，并增加晶圆碎片率的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种晶圆背面金属薄膜制备方法的技术实现方案，一种晶圆背面金属薄膜制备方法，包括以下步骤：
S101：在晶圆的背面溅射第一金属，以形成第一金属层；
S102：在所述晶圆背面与所述第一金属层接触处形成所述第一金属与硅的合金层；
S103：在所述第一金属层的表面溅射第二金属，以形成用于实现层间过渡的第二金属层；
S104：在所述第二金属层的表面溅射第三金属，以形成用于实现层间过渡的第三金属层，控制溅射后的晶圆的温度低于第一设定值以控制所述第三金属层的热应力，同时在溅射过程中通入保护气体以控制所述第三金属层的本征应力；
S105：关闭所述第三金属溅射，保持溅射腔体中的气体流通，当所述晶圆的温度低于第二设定值，进入步骤S106；
S106：开启所述第三金属溅射，控制溅射后的晶圆的温度低于第一设定值；
S107：若所述第三金属层的厚度未达到目标值，则重复步骤S105至步骤S106；若所述第三金属层的厚度达到目标值，则进入步骤S108；
S108：在所述第三金属层上溅射第四金属，以形成用于实现抗氧化作用的第四金属层，完成晶圆背面金属薄膜制备。
优选的，所述晶圆的背面为掺杂区，所述掺杂区为通过离子注入和退火工艺形成的高浓度P+区或N+区。
优选的，在所述步骤S102中，通过控制氢气退火炉的温度在500℃以下在所述掺杂区与所述第一金属层接触处形成所述第一金属与硅的合金层。
优选的，在所述步骤S101中，所述第一金属采用铝或钛或镍，并将所述第一金属层的厚度控制在5μm以下。
优选的，在所述步骤S103中，所述第二金属采用钛或铬，并将所述第二金属层的厚度控制在0.2μm以下。
优选的，在所述步骤S107中，所述第三金属采用镍，并将所述第三金属层的厚度目标值控制在2μm以下。
优选的，在所述步骤S108中，所述第四金属采用银或金，并将所述第四金属层的厚度控制在1μm以下。
优选的，在所述步骤S104中，所述第一设定值为250℃，以控制所述镍薄膜的热应力小于2000MPa。
优选的，在所述步骤S105中，所述第二设定值为100℃。
优选的，在所述步骤S104中，通入氮气作为保护气体，在溅射时通入氩气作为工艺气体，所述氮气的流量不高于所述氩气流量的10%，以将所述第三金属层的本征应力控制在±10MPa以内。
优选的，在所述步骤S105中，控制所述氮气和氩气的气流量小于200sccm。
优选的，利用多腔体的溅射设备溅射薄膜，对应于溅射不同薄膜的不同靶材装载在所述溅射设备独立的溅射腔体中，每个溅射腔体中均包括独立的真空系统、功率控制器、气体管路和晶圆温度检测部件。
本发明还另外具体提供了一种根据以上所述方法制作的晶圆背面金属薄膜的技术实现方案，一种晶圆背面金属薄膜，包括：
形成于晶圆背面的第一金属层；
形成于所述第一金属层表面的第二金属层；
形成于所述第二金属层表面的第三金属层；
形成于所述第三金属层表面的第四金属层。
优选的，所述第三金属层的热应力小于2000MPa。
优选的，所述第三金属层的本征应力在±10MPa以内。
优选的，所述第一金属层为铝层或钛层或镍层，所述第一金属层的厚度不大于5μm。
优选的，所述第二金属层为钛层或铬层，所述第二金属层的厚度不大于0.2μm。
优选的，所述第三金属层为镍层，所述第二金属层的厚度不大于2μm。
优选的，所述第四金属层为银层或金层，所述第四金属层的厚度不大于1μm。
优选的，所述晶圆的背面为掺杂区，所述掺杂区为高浓度的P+区或N+区。
优选的，通过退火工艺在所述掺杂区与所述第一金属层接触处形成有所述第一金属与硅的合金层。
通过实施上述本发明提供的晶圆背面金属薄膜晶圆背面金属薄膜及其制备方法的技术方案，具有如下有益效果：
（1）本发明通过对晶圆背面金属层溅射工艺和过程进行调整，能够改善晶圆背面金属薄膜的应力，减小了晶圆发生的翘曲，便于晶圆电参数测试、封装划片等工艺的实现，大幅降低了晶圆的碎片率，从而使芯片的电学性能和翘曲度能达到最优；
（2）本发明利用多腔体的溅射设备，不同的靶材装载在独立的腔体中，每个腔体都有独立的真空系统、功率控制器及气体管路，每个腔体中均自带晶圆温度检测部件，从操作界面上就可以直接实时监控晶圆的温度曲线，并通过设置工艺菜单参数，控制镍溅射的工艺参数，在真空环境中就可以直接在镍腔体中就可以实现镍薄膜的应力控制，同时可以保证薄膜界面的连续性和薄膜的致密性，工艺实现简单、可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1是本发明晶圆背面金属薄膜一种具体实施例的结构示意图；
图2是本发明晶圆背面金属薄膜制备方法一种具体实施例的流程示意图；
图3是本发明晶圆背面金属薄膜制备方法所利用的多腔体溅射设备的结构示意图；
图4是本发明晶圆背面金属薄膜制备方法所利用的多腔体溅射设备中温度检测部分的结构组成示意图；
图中：1-晶圆，2-掺杂区，3-第一金属层，4-第二金属层，5-第三金属层，6-第四金属层，10-溅射设备，20-传送腔，30-装载腔，40-溅射腔体，11-溅射源，12-等离子体，13-温度探针，14-光纤，15-高温探测计，16-控制器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1至附图4所示，给出了本发明晶圆背面金属薄膜及其制备方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如附图1所示，一种根据本发明所述方法制备的晶圆背面金属薄膜的具体实施例，包括：
形成于晶圆1背面高浓度掺杂区2表面的第一金属层3，第一金属层3为铝（Al）薄膜，铝薄膜的厚度在5μm以下，典型值为1μm，第一金属层3还可以为钛（Ti）层或镍（Ni）层，掺杂区2为高浓度的P+区或N+区；
形成于第一金属层3表面的第二金属层4，第二金属层4为钛（Ti）薄膜，钛薄膜的厚度控制在0.2μm以下，典型值为0.1μm，第二金属层4还可以为铬（Cr）层；
形成于第二金属层4表面的第三金属层5，第三金属层5为镍（Ni）薄膜，镍薄膜5的厚度控制在2μm以下，典型值为1μm；
形成于第三金属层5表面的第四金属层6，第四金属层6为银（Ag）薄膜，银薄膜的厚度控制在1μm以下，典型值为0.5μm，第四金属层6还可以为金（Au）层。
其中，第三金属层5的热应力小于2000MPa，第三金属层5的本征应力控制在±10MPa以内，典型值为0MPa。
通过退火工艺，在掺杂区2与第一金属层3接触处形成有第一金属与硅的合金层。
实施例1描述的晶圆背面金属薄膜技术方案其背面金属层有四层金属，分别为Al（第一金属层3：铝薄膜）层、Ti（第二金属层4：钛薄膜）层、Ni（第三金属层5：镍薄膜）层和Ag（第四金属层6：银薄膜）层。其中，Al层的作用为：起到与晶圆1的表面形成合金的作用，可以采用Ti/Ni金属代替，分别形成TiSi合金及NiSi合金。Ti层的作用为：起到Al层和Ni层的金属过渡作用，提高Ni层和Al层之间的浸润性和热匹配性，可以采用Cr代替。Ni层的作用为：主要起最外层的Ag层和Ti层之间的过渡作用，以防止Ti和Ag之间的相互扩散，防止最外层的Ag溶解于焊料时直接与Ti层接触，并可以较好地实现Ti和Ag的热匹配。Ag层的作用为：防止Ni层被氧化，同时通过焊料可以与后序封装的电路板焊接在一起，可以采用Au代替。其中，镍薄膜的应力占主导地位，通过实施例1描述的方法调整溅射镍薄膜时的气体成分和溅射步骤来降低镍薄膜的应力，从而使晶圆1的翘曲度达到最优，并且保证晶圆1的电学性能。
实施例2
如附图2所示，一种晶圆背面金属薄膜制备方法的具体实施例，包括以下步骤：
S101：在晶圆1的背面溅射一层第一金属，以形成第一金属层3，第一金属层3主要起到与晶圆1的表面形成合金的作用；第一金属采用铝（Al），第一金属层3为铝薄膜，铝薄膜的厚度控制在5μm以下，典型值为1μm，第一金属还可以采用钛（Ti）或镍（Ni）；晶圆1的背面为掺杂区2，掺杂区2为通过离子注入和退火工艺形成的高浓度P+区或N+区，高浓度掺杂即重掺杂，掺杂浓度通常在18次方以上；
S102：在掺杂区2与第一金属层3接触处形成很薄厚度的一层铝硅合金（AlSi），如果第一金属采用钛或镍，则形成TiSi合金或NiSi合金；通过控制氢气退火炉的温度在500℃以下在掺杂区2与第一金属层3接触处形成铝硅合金层，若温度太高会导致铝穿刺过高浓度掺杂区，影响器件的漏电和可靠性；
S103：在第一金属层3的表面溅射一层第二金属，以形成第二金属层4，第二金属层4主要起到第一金属层3和第三金属层5的金属层间过渡作用，提高第三金属层5和第一金属层3之间的浸润性和热匹配性；第二金属采用钛（Ti），第二金属层4为钛薄膜，钛薄膜的厚度控制在0.2μm以下，典型值为0.1μm，第二金属还可以采用铬（Cr）；
S104：在第二金属层4的表面溅射一层很薄的第三金属，以形成第三金属层5，第三金属层5主要起到最外层的第四金属层6和第二金属层4之间的层间过渡作用，以防止第二金属和第四金属之间的相互扩散，防止最外层的第四金属溶解于焊料时直接与第二金属层4接触，并可以较好地实现第二金属层4和第四金属层6的热匹配；第三金属采用镍（Ni），第三金属层5为镍薄膜；控制溅射后的晶圆1的温度低于250℃以控制镍薄膜的热应力小于2000MPa，典型值为1000MPa；在溅射时通入氩气作为工艺气体，同时在溅射过程中通入氮气（也可采用其它保护气体）作为保护气体，氮气的流量不高于氩气流量的10%，以起到降低本征应力的作用，将镍薄膜的本征应力控制在±10MPa以内，典型值为0MPa，并保证镍薄膜的连续状态；
S105：关闭镍溅射腔体的功率控制器，但控制氩气和氮气的气流量小于200sccm（这里的氩气和氮气可以采用其它惰性气体代替，或者采用一种惰性气体；为了保持溅射腔体40中的气体流通，此步骤只要有惰性气体通入既可，以加快晶圆1的冷却），典型值在80sccm，以便于晶圆1的降温；当晶圆1的温度低于100℃，进入步骤S106；
S106：开启镍溅射腔体的功率控制器，溅射工艺条件和步骤S104的一致，控制溅射后的晶圆1的温度低于250℃；
S107：若第三金属层5的厚度未达到目标值（镍薄膜的厚度控制在2μm以下，典型值为1μm），则重复步骤S105至步骤S106；若第三金属层5的厚度达到目标值，则进入步骤S108；
S108：在第三金属层5上溅射一层第四金属，以形成第四金属层6，第四金属层6主要起到防止第三金属层5被氧化的作用，同时通过焊料可以与后序封装的电路板焊接在一起。第四金属采用银（Ag），第四金属层6为银薄膜，银薄膜的厚度控制在1μm以下，典型值为0.5μm，完成晶圆背面金属薄膜制备。第四金属还可以采用金（Au）。
实施例2描述的晶圆背面金属薄膜制备方法的技术方案通过离子注入和退火工艺在晶圆1的背面形成高浓度P+/N+区，通过溅射工艺形成铝薄膜，通过炉管退火工艺形成AlSi合金的欧姆接触，通过溅射钛、镍和银金属薄膜，最终形成晶圆背面金属薄膜结构。其中，在真空环境中，进行分步的镍薄膜溅射，每次溅射时需要控制晶圆1的温低于250度，每次溅射过程进行通入工艺气体来快速冷却晶圆1的温度。同时，在镍薄膜溅射过程中通入的氮气比例不超过10%，以改善镍薄膜的本征应力，并且保证镍薄膜的致密性。实施例1提供了一种改善晶圆背面金属薄膜应力的方法，通过对背面金属层溅射工艺和过程进行调整，改善背面金属薄膜的应力，从而使芯片的电学性能和翘曲度能达到最优，并使背面金属化工艺满足器件对变形翘曲和电学参数的要求。
实施例2可以利用多腔体的溅射设备10溅射薄膜，不同靶材（对应于溅射不同的薄膜）装载在溅射设备10独立的溅射腔体40中，每个溅射腔体40中均包括独立的真空系统、功率控制器和气体管路，每个溅射腔体40均自带晶圆温度检测部件。如附图3所示，多腔体的溅射设备10包括：传送腔20、用于装载晶圆1的装载腔30，以及多个对应于不同靶材（溅射源11）的溅射腔体40。如附图4所示，在晶圆1与溅射源11之间存在等离子体12，晶圆温度检测部件包括温度探针13、光纤14和高温探测计15，温度探针15连接至控制器16。从控制器16的操作界面上就可以直接实时监控晶圆1的温度曲线，通过设置工艺菜单参数，控制镍溅射的工艺参数（气流量、气体类型、溅射功率），在真空环境中就可以直接在镍腔体中实现镍薄膜的应力控制，同时可以保证镍薄膜界面的连续性和薄膜的致密性，工艺实现简单。
通过实施本发明具体实施例描述的晶圆背面金属薄膜及其制备方法的技术方案，能够产生如下技术效果：
（1）本发明具体实施例描述的晶圆背面金属薄膜及其制备方法通过对晶圆背面金属层溅射工艺和过程进行调整，能够改善晶圆背面金属薄膜的应力，减小了晶圆发生的翘曲，便于晶圆电参数测试、封装划片等工艺的实现，大幅降低了晶圆的碎片率，从而使芯片的电学性能和翘曲度能达到最优；
（2）本发明具体实施例描述的晶圆背面金属薄膜及其制备方法利用多腔体的溅射设备，不同的靶材装载在独立的腔体中，每个腔体都有独立的真空系统、功率控制器及气体管路，每个腔体中均自带晶圆温度检测部件，从操作界面上就可以直接实时监控晶圆的温度曲线，并通过设置工艺菜单参数，控制镍溅射的工艺参数，在真空环境中就可以直接在镍腔体中就可以实现镍薄膜的应力控制，同时可以保证薄膜界面的连续性和薄膜的致密性，工艺实现简单、可靠。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (21)

1.一种晶圆背面金属薄膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：在晶圆（1）的背面溅射第一金属，以形成第一金属层（3）；
S102：在所述晶圆（1）背面与所述第一金属层（3）接触处形成所述第一金属与硅的合金层；
S103：在所述第一金属层（3）的表面溅射第二金属，以形成用于实现层间过渡的第二金属层（4）；
S104：在所述第二金属层（4）的表面溅射第三金属，以形成用于实现层间过渡的第三金属层（5），控制溅射后的晶圆（1）的温度低于第一设定值以控制所述第三金属层（5）的热应力，同时在溅射过程中通入保护气体以控制所述第三金属层（5）的本征应力；
S105：关闭所述第三金属溅射，保持溅射腔体（40）中的气体流通，当所述晶圆（1）的温度低于第二设定值，进入步骤S106；
S106：开启所述第三金属溅射，控制溅射后的晶圆（1）的温度低于第一设定值；
S107：若所述第三金属层（5）的厚度未达到目标值，则重复步骤S105至步骤S106；若所述第三金属层（5）的厚度达到目标值，则进入步骤S108；
S108：在所述第三金属层（5）上溅射第四金属，以形成用于实现抗氧化作用的第四金属层（6），完成晶圆背面金属薄膜制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述晶圆（1）的背面为掺杂区（2），所述掺杂区（2）为通过离子注入和退火工艺形成的高浓度P+区或N+区。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S102中，通过控制氢气退火炉的温度在500℃以下在所述掺杂区（2）与所述第一金属层（3）接触处形成所述第一金属与硅的合金层。
4.根据权利要求1、2或3任一项所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S101中，所述第一金属采用铝或钛或镍，并将所述第一金属层（3）的厚度控制在5μm以下。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S103中，所述第二金属采用钛或铬，并将所述第二金属层（4）的厚度控制在0.2μm以下。
6.根据权利要求1、2、3或5任一项所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S107中，所述第三金属采用镍，并将所述第三金属层（5）的厚度目标值控制在2μm以下。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S108中，所述第四金属采用银或金，并将所述第四金属层（6）的厚度控制在1μm以下。
8.根据权利要求1、2、3、5或7任一项所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S104中，所述第一设定值为250℃，以控制所述第三金属层（5）的热应力小于2000MPa。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S105中，所述第二设定值为100℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S104中，通入氮气作为保护气体，在溅射时通入氩气作为工艺气体，所述氮气的流量不高于所述氩气流量的10%，以将所述第三金属层（5）的本征应力控制在±10MPa以内。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S105中，控制所述氮气和氩气的气流量小于200sccm。
12.根据权利要求1、2、3、5、7、9、10或11任一项所述的制备方法，其特征在于：利用多腔体的溅射设备（10）溅射薄膜，对应于溅射不同薄膜的不同靶材装载在所述溅射设备（10）独立的溅射腔体（40）中，每个溅射腔体（40）中均包括独立的真空系统、功率控制器、气体管路和晶圆温度检测部件。
13.一种根据如上所述权利要求1至12任一项所述方法制备的晶圆背面金属薄膜，其特征在于，包括：
形成于晶圆（1）背面的第一金属层（3）；
形成于所述第一金属层（3）表面的第二金属层（4）；
形成于所述第二金属层（4）表面的第三金属层（5）；
形成于所述第三金属层（5）表面的第四金属层（6）。
14.根据权利要求13所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述第三金属层（5）的热应力小于2000MPa。
15.根据权利要求14所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述第三金属层（5）的本征应力在±10MPa以内。
16.根据权利要求13至15任一项所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述第一金属层（3）为铝层或钛层或镍层，所述第一金属层（3）的厚度不大于5μm。
17.根据权利要求16所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述第二金属层（4）为钛层或铬层，所述第二金属层（4）的厚度不大于0.2μm。
18.根据权利要求13、14、15或17任一项所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述第三金属层（5）为镍层，所述第三金属层（5）的厚度不大于2μm。
19.根据权利要求18所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述第四金属层（6）为银层或金层，所述第四金属层（6）的厚度不大于1μm。
20.根据权利要求13、14、15、17或19任一项所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：所述晶圆（1）的背面为掺杂区（2），所述掺杂区（2）为高浓度的P+区或N+区。
21.根据权利要求20所述的晶圆背面金属薄膜，其特征在于：通过退火工艺在所述掺杂区（2）与所述第一金属层（3）接触处形成有所述第一金属与硅的合金层。
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