CN110699652A - 一种薄片晶圆背金层的制备方法及晶体管器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄片晶圆背金层的制备方法，该方法通过在溅射工艺气体中进一步加入应力控制填充气体，以降低金属合金或金属化合物中的晶格缺陷，从而降低膜层应力。本发明提供的薄片晶圆背金层制备方法，工艺设备简单、过程有效。采用该方法可获得较低应力金属合金或金属化合物膜层，且由于应力控制填充气体不与金属合金或金属化合物粒子发生反应，因而制成膜层的电学性能及结晶特性几乎没有变化，更有利于IGBT等半导体器件的稳定性与可靠性。

Description

一种薄片晶圆背金层的制备方法及晶体管器件
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体而言，涉及一种薄片晶圆背金层的制备方法及晶体管器件。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulataed Gate Bipolar Transistor)，因其功率大、频率高、损耗低的特性逐步取代了传统功率器件，在直流电压≥600V的变流系统(如轨道交通、高压输变电等新兴产业)中作为关键器件得到广泛应用。对于IGBT工艺来讲，背面金属层是在薄片晶圆(尤其是晶圆厚度≤160um)进行的工艺，背金层性能对器件的可靠性有着至关重要的影响，如果背金不良，出现背金peeling或crack，会导致接触电阻过大器件失效、甚至是薄片晶圆碎裂的问题。常用的背金层材料是Ti、NiV、Ag分别承担粘附层、阻挡层、导电层。其中Ti和Ag是常规金属膜层，其工艺性能之研究较为成熟，因此NiV膜层性能直接影响薄片背金的性能，而低应力NiV膜层是保证器件稳定性和可靠性的必要条件，也是本领域技术人员的研究重点。
现有技术中通常采用的控制膜层应力的溅射工艺及设备，可参见附图1所示，磁控溅射设备主要包括：靶材1、工艺腔室2、基座7、Ar进气口8(通常包含溅射气源Ar气路及ArMFC)、冷泵9和冷泵阀门10，腔内还可以包括内衬3和压环4，用于保护工艺腔室内壁和冷泵不受溅镀污染；以及用于承载薄片5(即晶片)的顶部基板6和基座加热装置12。因而，现有技术在上述溅射设备上通常采用的溅射工艺主要依次包括：1)先将工艺腔室抽至高真空(一般＜5E-6Torr)；2)将工艺腔室内基座升温至所需温度(一般>50℃)；3)通入溅射工艺气体Ar，待工艺压力达到一定的稳定压力(一般为1mT-10mT)；4)在靶材上施加一定的直流DC功率，该功率会在靶材上形成负电压，促进Ar离子轰击靶材,从而启辉进行薄膜的沉积，在沉积过程中其工艺压力、基座温度、溅射功率以及靶基间距基本恒定。然而，尤其是需要升温后再执行溅射工艺(通常为高温DC溅射工艺)，而IGBT正面金属通常是Al膜，在背金的PVD工艺中Al层接触工艺腔室基座，而Al膜在真空中受热易发生流动、粘片，同时NiV沉积过程中也会升高晶圆温度，两者共同导致晶圆与加热的基座粘住，使工艺中断晶圆废弃；这样即使获得了较低应力的NiV膜层(例如-150-150MPa)，也无法应用于IGBT背金领域。
此外，现有技术还提出一种DC/Bias RF溅射工艺，其在上述溅射设备的基础上增加了基座Bias RF电源11(如附图1所示)。因而其溅射工艺主要依次包括：1)先将工艺腔室抽至高真空(一般＜5E-6Torr)；2)通入溅射工艺气体Ar，待工艺压力达到一定的稳定压力(一般为1mT-10mT)；3)在靶材上施加一定的直流DC功率，该功率会在靶材上形成负电压，促进Ar离子轰击靶材，同时基座上施加bias RF，其目的是引入bias RF对薄膜结构进行调控；沉积过程中其工艺压力、基座温度、溅射功率、基座bias RF以及靶基间距基本恒定。因此，该工艺通过控制Bias RF电源(50w-500W)得到应力可控的NiV膜层(-600-600MPa)，但是其设备结构复杂，成本高；并且不同的DC电源需要寻找匹配相应的bias RF电源的匹配值(match值)，增加了调试难度。同时Bias RF作用下Ar离子轰击晶圆表面，会影响作为IGBT器件集电极的Si表面离子浓度，使IGBT集电极的离子浓度失控，因而此方式同样不适用于IGBT领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明的第一方面，提供一种薄片晶圆背金层的制备方法，所述方法包括：
a、将薄片晶圆传入工艺腔室；
b、将所述工艺腔室抽至高真空；
c、将工艺气体与应力控制填充气体通入所述工艺腔室，并使所述工艺腔室内工艺压力达到稳定的预定压力；
d、向靶材施加预定直流功率；
其中，所述应力控制填充气体为氮气，所述靶材为金属合金或金属化合物，并且所述应力控制填充气体不与所述靶材发生反应。
本发明通过在溅射工艺气体中进一步加入不与靶材粒子反应的应力控制填充气体，即可实现降低金属合金或金属化合物中的晶格缺陷，从而降低膜层应力。采用本发明提供薄片晶圆背金层的制备方法，由于采用的应力控制填充气体不与金属合金或金属化合物粒子发生反应，可制备获得较低应力的背金层，因而并不影响背金层的电学性能及结晶特性，更有利于IGBT等半导体器件的稳定性与可靠性。
进一步的，所述工艺气体包括氩气。
进一步的，所述靶材包括NiV。
进一步的，所述工艺气体与所述应力控制填充气体的流量比值大于0且小于等于1。
进一步的，所述工艺气体的流量大于等于10sccm且小于等于25sccm，所述氮气的通入流量大于0sccm且小于等于20sccm。
进一步的，所述氮气的通入流量大于等于15sccm且小于等于20sccm。
进一步的，所述步骤a-d在常温或低温环境中进行。
进一步的，所述预定直流功率为6000W-8000W。
进一步的，所述薄片晶圆为IGBT薄片晶圆。
本发明的另一方面，提供一种晶体管器件，所述晶体管器件包括薄片晶圆和背金层，所述背金层采用如上所述的制备方法制成。
进一步的，所述背金层为NiV膜层，所述NiV膜层应力小于100MPa。
本发明的有益之处至少包括：通过在溅射工艺气体中进一步加入不与靶材粒子反应的应力控制填充气体，即可实现降低金属合金或金属化合物中的晶格缺陷，从而降低膜层应力的作用，并且对制成膜层的电学性能及结晶特性几乎没有影响，更有利于IGBT等半导体器件的稳定性与可靠性。
附图说明
图1为现有技术中控制膜层应力的溅射设备结构示意图；
图2(1)为本发明的溅射工艺气体与应力控制填充气体各自通过管路及MFC控制通入工艺腔室的结构示意图；
图2(2)为本发明的溅射工艺气体与应力控制填充气体先经预混室内的充分混合，再一同通入工艺腔室的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中制备的NiV膜层应力随应力控制填充气体流量的变化趋势图；
图4为本发明具体实施例中制备的NiV膜层的电阻率变化曲线图；
图5为本发明具体实施例中制备的NiV膜层的XRD图谱；
图6为本发明薄片晶圆背金层的制备方法流程示意图。
附图标记说明：
1-靶材；2-工艺腔室；3-内衬；4-压环；5-薄片晶圆；6-顶部基板；7-基座；8-Ar进气口；9-冷泵；10-冷泵阀门；11-基座Bias RF电源；12-基座加热装置；13-Ar气MFC；14-N气MFC；15-预混室。
具体实施方式
为解决现有技术中的问题，经研究发现对于金属合金或金属化合物而言，其粒子在晶圆表面沉积过程中，会先形成晶包，晶包堆叠形成晶格，由于金属合金或金属化合物是有至少两种尺寸不同的原子构成，晶包不是完美的立方体结构，会出现尺寸缺陷，从而造成膜层宏观应力。而进一步研究发现，在溅射工艺气体中进一步添加氮气，令溅射工艺气体起到轰击溅射的作用，而氮气中的N原子能够填充金属合金或金属化合物的晶格缺陷位置，使其晶包接近完美立方体结构，从而减少晶格缺陷控制膜层应力，并且由于N是填充晶包间的缺陷位置，而不是与金属原子发生反应而形成结合键，因此对电学性能及结晶特性几乎没有影响。
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面以在薄片晶圆上溅射形成NiV背金膜层为具体实施例，并结合附图做详细的说明。
参见附图2(1)、(2)，在薄片晶圆上溅射形成NiV背金膜层的方法所对应的设备，仅需在现有的控制膜层应力的溅射设备上(参见附图1)进行微升级改造而获得：保持工艺腔室2内部基本结构不变的情况下，在溅射气源部分增加一路氮气(N2)管路，氮气与氩气分别通过氮气管路与氩气(Ar)管路而进入工艺腔室2内部，并且在各自管路上分别设置有Ar氩气质量流量控制器13(Mass Flow Controller，MFC)与氮气质量流量控制器14以分别控制流量。
对于制备形成低应力的NiV背金膜层而言，其形成低应力分布的完整性以及均匀性显得尤为重要。因此，本发明优选在氮气与氩气通入工艺腔室2之前，首先通入预混室15中进行充分混合后再一同通入工艺腔室2(如附图2(2)所示)；或者，本发明也可以不设置预混室15，而令氮气与氩气经过一段共同管路混合后再一同通入工艺腔室2(如附图2(1)所示)。充分混合后的氮气与氩气更有利于在工艺腔室2中均态分布，从而使得制备形成NiV背金膜层的低应力分布更为完整与均匀。
参见附图6，本发明薄片晶圆背金层的制备方法主要包括：
首先，将薄片晶圆传入工艺腔室。此处薄片晶圆可为完成前道工序，如其他膜层的制备工序或清洗、吹扫等工序的薄片晶圆，优选的该晶圆薄片为IGBT薄片晶圆。令基座运动至工艺位置并且基座为常温。由于工艺为常温环境，保护了IGBT器件的正面金属层(可为Al层)及背面集电极的掺杂溶度。
其次，将工艺腔室真空抽至高真空(一般＜1E-7Torr)。
然后，将溅射工艺气体-氩气与应力控制填充气体-氮气充分混合后通入工艺腔室，并待工艺腔室内工艺压力达到稳定的预定压力(1mT-10mT)。本发明优选溅射工艺气体为氩气，一方面由于氩气作为溅射工艺气体较为成熟；另一方面在研究中发现氩气对氮气与金属合金或化合物的作用不会产生干扰，从而有利于N对减少晶格缺陷的顺利进行。
为保证等离子体稳定启辉，氩气的流量优选为10-25sccm，更优选为20sccm。同时，由于工艺腔室保证高真空的装置是冷泵，氮气流量过小则难以有效形成预期的低应力NiV膜层，氮气流量过大则会降低冷泵的抽气能力，因此本发明优选氮气流量大于0sccm并小于等于20sccm。并控制工艺腔室内氩气与氮气流量的比值为大于0且小于等于1。之所以选择这样的比例值范围，是由于在同等工艺压力的情况下，若氩气与氮气流量比值过高则难以确保NiV粒子在N氛围中向基座运动，二者流量比值过低则造成Ar离子对靶材轰击不足，难以形成符合预期质量要求的NiV膜层。因此，本发明通过合理控制溅射工艺气体与应力控制填充气体二者的流量比值，从而确保NiV粒子在N氛围中向基座运动并形成符合预期质量要求的NiV膜层。
接着，在靶材上施加预定直流(DC)功率，使功率在靶材上形成负电压，促进Ar离子轰击靶材，使溅射出的NiV粒子在氮气氛围中向基座位置的薄片晶圆运动。其中，DC电源功率范围通常为10000W以下。优选地，DC电源功率范围为6000W-8000W。功率过低则易影响Ar离子对NiV靶材的轰击效果进而降低成膜质量，功率过高则导致溅射粒子尺寸过大，难以达到微观粒子充分与N结合而降低最终成膜应力的效果。其中，NiV粒子在薄片晶圆表面沉积过程中，会先形成NiV晶包，晶包堆叠形成晶格，由于NiV合金是由Ni与V两种尺寸不同的粒子构成，晶包不是完美的四面体结构，会出现尺寸缺陷，从而造成膜层宏观应力。N2氛围的溅射中N粒子填充NiV晶格缺陷位置，使NiV(N)晶包接近完美四面体结构，从而减少晶格缺陷控制膜层应力，且NiV膜层中N粒子越多晶格缺陷越小，应力越小，直至饱和状态，NiV(N)膜层应力也趋近于0；由于N是填充NiV晶包间的缺陷位置，而不是与Ni或V粒子发生反应形成结合键，因此对电学性能及结晶特性几乎没有影响，表现出的即为电阻率和XRD几无变化。
参见附图3-5，分别为采用本发明具体实施例中制备方法形成的NiV薄膜的应力、电阻率及XRD曲线示意图。其中：
图3表示NiV(N)膜层应力随氮气流量的变化趋势，当其它工艺条件固定不变后，随着N流量的增加，NiV膜层应力由900MPa逐步降低至20MPa，可见通过通入N气能很好的控制NiV膜层的应力。其中，当N流量≥15sccm时，NiV膜层应力<100MPa，因而本发明优选的氮气通入流量为15-20sccm。因此，本发明通过优选控制应力控制填充气体的流量，从而有效控制NiV膜层应力低于预期值，达到高标准应力水平要求。
图4为NiV(N)薄膜电阻率变化曲线，反映了NiV膜层电阻率随N气流量的变化趋势。当其它工艺条件固定不变后，随着N流量的增加，NiV膜层电阻率由5.4E-5ohm.cm微量升到5.7E-5ohm.cm，此量级的变化对器件影响不大，归类为电阻率的波动允许范围，因此可认为在溅射工艺气体中加入N气技术对NiV膜层电学性能基本无影响。
图5为NiV(N)薄膜XRD图谱，反映了NiV膜层在不同N气流量时结晶的XRD参数变化。当其它工艺条件固定不变后，无N气(0sccm)和有N气沉积的的NiV膜层，XRD晶向峰位都是2θ＝44.05°，且不同流量对XRD晶向峰位无影响，说明在溅射工艺气体中加入N气对NiV膜层结晶特性无影响。
在本具体实施例中，1000um NiV膜层作用于薄片晶圆(晶圆厚度<150um)无变形，后续产品验证IGBT的电学性能满足设计指标，因此本发明在背金工艺过程中能使晶圆0变型，提升了芯片良率，保证了器件稳定性和可靠性，非常适用于IGBT领域。
以下列举第一、第二比较例，作为本发明上述具体实施例之比较方案。并通过分析第一比较例与第二比较例，进一步揭示本发明所采用技术手段与达到技术效果之有益性与显著性。
作为第一比较例，US20160035569A1(下称文献1)中，公开了一种“氮掺杂钨”的PVD工艺，使氮气溅射钨靶材并部分地与钨发生反应从而至少部分的形成氮化钨膜，该氮掺杂钨膜相对于PVD沉积的纯钨层而言，具有异常低的应力。但是由于文献1中氮必须与钨发生反应，并利用反应后新生成的物质-氮化钨以降低应力，虽然其达到了降低应力的目的但却同时改变了钨材料的基本物化属性，从而对形成阻挡层的电学性能及结晶特性造成影响(如电阻率和XRD的劣化)，实为“顾此失彼”之方案。
作为第二比较例，CN107130212A(下称文献2)中，公开了一种溅射形成纯钽涂层的工艺：传统方法制备的钽涂层基本为β相，脆性较大，因而在溅射形成纯钽涂层时，采用氩气和氮气混合气体作为溅射工艺气体，在体心立方晶格的α相钽中固溶微量的氮原子，通过氮原子的固溶，大幅度提高α-Ta的硬度，同时降低α-Ta涂层与基体不锈钢之间的热物理性能不匹配度，提高Ta涂层的硬度及弹性模量，从而提高Ta涂层的耐磨以及抗热冲击性能。
可见文献2中之所以能够提高纯钽涂层耐磨与抗热冲击性能的原因是:形成的钽为α相，并由于固溶微量的氮原子，提高钽涂层的硬度及弹性模量。需要说明的是，文献2的上述表述中并没有指出氮对钽晶相的作用是否对涂层的应力产生何种影响。需知在本领域中，涂层的硬度及弹性模量与其内部应力大小之间并不存在必然联系。然而，文献2的说明书[0019]段中又记载了：利用氪气(Kr)或氙气(Xe)作为溅射工艺气体，虽可大幅度提高Ta涂层中α相的比例，但其制备的涂层内部应力大，Ta涂层厚度受到限制。这段文字的记载又似乎暗示了：在氩气和氮气作为溅射工艺气体时形成的Ta涂层应力更小。
综合而看，文献2至少揭示了：1)涂层内部应力的大小，与Ta是否为α相无关(因为Kr、Xe同样导致大量的a-相Ta，却带来大应力)，也就是说氮气通过对Ta晶格的影响而促成更多α-相钽形成，这并不是带来Ta涂层应力更小的原因。2)文献2明确揭示了α相钽中固溶微量的氮原子，从而提高Ta涂层的硬度及弹性模量，以提高Ta涂层的耐磨以及抗热冲击性能；但由于涂层的硬度及弹性模量与其内部应力大小之间并不存在必然联系，因此文献2并未明示α相钽中固溶微量的氮原子对应力的影响。3)即便我们接受文献2中在氩气和氮气作为溅射工艺气体时形成的Ta涂层应力更小，这一“最终效果”，然而为文献2并没有揭示其导致这样效果产生的作用机理。
由于缺乏机理的研究与指引，本领域技术人员甚至无法意识到这到底是氮作用的效果，还是氩作用的效果，还是氮与氩共同作用的效果。本领域技术人员甚至有理由质疑：在本领域的溅射条件下，钽易与氮发生反而而至少部分的形成氮化钽，作为化合态的氮化钽的分子应力低于单纯钽的原子间应力，从而带来应力降低的效果(这又回到了上述文献1所带来的问题)，而Kr、Xe由于难以与钽形成相应化合态，从而无法降低应力。
更进一步的，钽作为单金属原子其构造相对简单，而对本领域中广泛作为阻挡层材料的金属合金或金属化合物而言，其自身已具化合态，那么应该基于何种机理而降低其应力，并同时尽量不对阻挡层的电学性能及结晶特性造成影响，更是本领域技术人员亟需研究探索与克服的问题。
综上，本发明提供的薄片晶圆背金层制备方法，工艺设备简单、过程有效。采用该方法可获得较低应力NiV膜层(100Mpa以下)，且膜层的电学性能及结晶特性没有变化。该方法仅通过增加N2气源的方式，保证稳定启辉时，通过调整N气流量的参数，即可控制NiV薄膜应力，并且仅降低NiV应力，而对膜层其它性能基本无影响，更有利于IGBT器件的稳定性与可靠性。
作为本发明的另一方面，还提供一种晶体管器件，所述晶体管器件包括薄片晶圆和背金层，该背金层采用本发明上述的的制备方法制成。优选地，所述薄片晶圆为IGBT薄片晶圆。
需要说明的是，本发明不仅适用于IGBT领域，亦可适用于如半导体场效应管(DMOS)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和肖特基二极管等领域。尤其适用于对金属合金或金属化合物背金膜层具有低应力要求的制备领域。并且，由于本发明不需升高晶圆温度即可实现低应力膜层的制备，因而尤其适用于在常温或低温环境下制备低应力金属合金或金属化合物背金膜层的领域。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种薄片晶圆背金层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
a、将薄片晶圆传入工艺腔室；
b、将所述工艺腔室抽至高真空；
c、将工艺气体与应力控制填充气体通入所述工艺腔室，并使所述工艺腔室内工艺压力达到稳定的预定压力；
d、向靶材施加预定直流功率；
其中，所述应力控制填充气体为氮气，所述靶材为金属合金或金属化合物，并且所述应力控制填充气体不与所述靶材发生反应。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述工艺气体包括氩气。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述靶材包括NiV。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述工艺气体与所述应力控制填充气体的流量比值大于0且小于等于1。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述工艺气体的流量大于等于10sccm且小于等于25sccm，所述氮气的通入流量大于0sccm且小于等于20sccm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述氮气的通入流量大于等于15sccm且小于等于20sccm。
7.根据权利要求1-6中任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a-d在常温或低温环境中进行。
8.根据权利要求3-6中任一所述的制备方法，其特征在于：所述预定直流功率为6000W-8000W。
9.根据权利要求1-6中任一所述的制备方法，其特征在于，所述薄片晶圆为IGBT薄片晶圆。
10.一种晶体管器件，所述晶体管器件包括薄片晶圆和背金层，其特征在于，所述背金层采用如权利要求1-9中任一所述的制备方法制成。
11.根据权利要求10所述的晶体管器件，其特征在于：所述背金层为NiV膜层，所述NiV膜层应力小于100MPa。
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