CN113308676B - 一种铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，当前一片晶圆金属铝硅铜溅射传出腔体后，对磁控溅射台的工艺腔体进行抽真空处理；在步骤S1抽真空的工艺腔体中通60s的正面氩气和基座氩气；对步骤S2处理后的工艺腔体进行抽真空30s；将下一片晶圆传入工艺腔体进行铝硅铜厚金属薄膜溅射；本发明通过控制并优化金属淀积后工艺腔体的真空度和基座温度，实现宇航级抗辐射VDMOS芯片生产过程中铝硅铜厚金属薄膜单腔淀积技术，同时解决批生产时正面金属化工艺不能多片连续作业的问题。

Description

一种铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法

技术领域

本发明属于芯片制造正面金属化工艺加工技术领域，具体属于一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法。

背景技术

大规模CMOS集成电路芯片生产中的正面金属化工艺，一般采用铝金属蒸发或溅射的物理气相淀积方式实现。当器件的特征尺寸减小到0.5μm以下时，为满足多层金属互连需求，也会使用到金属化学气相淀积的工艺技术。

1.铝金属蒸发工艺

将铝块放入坩埚，在真空系统中一般采用电子束加热坩埚中的铝，利用铝在高温时所具备的饱和蒸汽压，使金属蒸汽分子运动至晶圆表面并冷凝成膜。蒸发淀积金属薄膜的设备工艺相对简单，具备复合金属薄膜的批量生产能力且可淀积较厚的金属薄膜，早期曾被用于中小规模集成电路金属布线中，但由于该工艺存在台阶覆盖率差，不容易淀积高纯度铝合金等难熔金属薄膜等缺点，现已逐渐被金属溅射工艺取代，不过在晶圆背面金属化工艺中仍被广泛使用。

2.铝金属溅射工艺

该工艺过程利用等离子体（Plasma）中的高能惰性氩粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程撞击出靶材的铝金属原子，被撞击出的铝原子穿过真空，最后淀积在晶圆表面形成金属薄膜。溅射工艺具有淀积并保持复杂金属合金原组分的能力，能够淀积高温熔化和难熔金属，可在直径200mm甚至更大的晶圆上淀积均匀金属薄膜等优点而得到广泛应用。

金属溅射工艺按照溅射机理的不同又分为直流溅射、射频溅射和磁控溅射。随着集成电路晶圆尺寸的增大，为提升金属淀积效率和片内薄膜一致性，直流磁控溅射技术应运而生，已成为超大规模集成电路晶圆正面金属薄膜加工的主流工艺，主要用于淀积铝硅、铝硅铜、钛/氮化钛、钴等高纯难熔金属薄膜。

3.金属化学气相淀积

金属化学气相淀积是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的方式生产固态薄膜的淀积技术。金属化学气相淀积的优点是可以形成特殊的材料，淀积的薄膜具有较好的槽填充效果，缺点是淀积速度慢，制作成本费用高且膜层杂质含量大等，一般用于氮化钛、钨、铜等金属薄膜淀积。

宇航级抗辐射VDMOS，作为新一代的功率半导体开关器件，因其极佳的电学特性、极小的开关功耗和良好的高频特性等特点，在航天电子应用领域需求巨大。VDMOS芯片制造的正面金属互连工艺，要求金属薄膜具有导通电阻低，欧姆接触特性好以及大电流下抗电迁移能力强等特性。在CMOS集成电路广泛使用的铝硅铜金属合金薄膜，溅射时的靶材纯度一般为5N级，其中铝含量98.5%，硅占1%、铜占0.5%，因对腔体真空度，基座温度、腔体套件等工艺参数严格的控制要求，应用直流磁控溅射加工技术能够满足芯片工作时对正面金属引线的性能需求，同时易于工艺集成整合成为VDMOS首选的器件互连材料。

为降低导通电阻VDMOS要求的正面金属厚度一般大于2μm，而金属溅射通常为单片式的连续作业，因氩等离子体对靶材的长时间轰击，工艺腔体的真空度，会随着单片淀积时间的加长而逐渐降低，当超过8E-7Torr时，下一片淀积前必须经过长时间的抽真空才能继续作业。同时随着溅射时间的加长，晶圆表面因受到电子、原子等的轰击作用，晶圆及加热基座的温度也会随之缓慢升高，当基座温度超过310℃时，设备也会触发自动保护中断工艺。CMOS集成电路使用的直流磁控溅射台，淀积薄膜厚度一般小于2μm，连续作业时无该类问题。但要淀积厚的铝硅铜薄膜，溅射速率在设备能力上限的情况下，只能通过增加溅射时间来完成。因受限于Endura5500金属淀积设备硬件能力及工艺技术水平，随着作业片量增加的腔体温度升高问题，难以通过冷泵抽真空的方式快速下降，基于该设备加工宇航级抗辐射VDMOS芯片时，难以形成可连续批量生产且片内均匀、栅源跨台阶覆盖良好的2μm以上金属铝硅铜合金薄膜。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，该方法通过控制并优化金属淀积后工艺腔体的真空度和基座温度，实现宇航级抗辐射VDMOS芯片生产过程中铝硅铜厚金属薄膜单腔淀积技术，同时解决批生产时正面金属化工艺不能多片连续作业的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，具体步骤如下：

S1，当前一片晶圆上铝硅铜厚金属薄膜溅射完成传出腔体后，对磁控溅射台的工艺腔体进行抽真空处理；

S2，在步骤S1抽真空的工艺腔体中通60s的正面氩气和基座氩气；

S3，对步骤S2处理后的工艺腔体进行抽真空30s；

S4，将下一片晶圆传入工艺腔体进行铝硅铜厚金属薄膜溅射。

进一步的，步骤S2和步骤S3多次循环进行对工艺腔体进行冷却，直至工艺腔体的真空度达到溅射4μm～6μm铝硅铜厚金属薄膜的工艺要求。

进一步的，步骤S1中，抽真空的时间为时间2s，不检测真空度。

进一步的，步骤S2中，所述正面氩气和基座氩气需同时通入工艺腔体。

进一步的，步骤S2中，通入正面氩气和基座氩气后进行赶气处理。

进一步的，步骤S2中，通入正面氩气的流量为18sccm。

进一步的，步骤S2中，通入基座氩气的流量为33sccm。

进一步的，步骤S2中，所述正面氩气和基座氩气的温度相同，均为常温。

进一步的，步骤S3，在下一片晶圆淀积前工艺腔体真空度在8E-7Torr以下。

进一步的，所述抽真空采用冷泵。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，对淀积铝硅铜厚金属薄膜后的溅射腔体的真空度和基座温度进行控制，保证下一片晶圆进行淀积前溅射腔体处于高真空状态下，片间淀积温度一致，这样淀积的铝硅铜厚金属薄膜纯度高，电阻率低且表面铝晶粒大小一致，实现宇航级抗辐射VDMOS芯片生产过程中铝硅铜厚金属薄膜单腔淀积技术；并且经本发明的腔体处理方法处理后，可在短时间内实现一次可连续淀积24片铝硅铜厚金属薄膜产品，保证每片晶圆淀积开始前腔体真空度都能满足8E-7Torr的要求，大幅缩短总的工艺时间，解决批生产时正面金属化工艺不能多片连续作业的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1溅射4μm厚的铝硅铜厚金属薄膜的具体工艺流程；

图2为Endura5500型直流磁控溅射台快速冷却示意图；

附图中：1-晶圆基座；2-铝硅铜靶材；3-正面氩气；4-基座氩气；5-抽真空

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，控制并优化Endura5500型直流磁控溅射台进行金属淀积后腔体的真空度和基座温度，实现宇航级抗辐射VDMOS芯片生产过程中4μm～6μm铝硅铜厚金属薄膜单腔淀积技术，具体步骤如下：

步骤1，将前一片已淀积4μm铝硅铜厚金属薄膜的晶圆传出腔体后，对Endura5500型直流磁控溅射台的工艺腔体用冷泵进行抽真空处理2s，不检测真空度。

步骤2，在步骤1抽真空的工艺腔体中同时通入18sccm正面氩气和33sccm基座氩气，可保证基座温度降为290℃～310℃，60s后停止向工艺腔体中通入氩气；

优选的，正面氩气和基座氩气的温度相同，均为室温22度。

步骤3，对步骤2处理后的工艺腔体进行抽真空30s，使工艺腔体真空度在下一片晶圆淀积前达到-8E-7Torr以下。

步骤4，将下一片晶圆传入工艺腔体进行铝硅铜厚金属薄膜溅射。

实施例1

如图1和图2所示，以溅射4μm厚的铝硅铜为例，在Endura5500型直流磁控溅射台中淀积单片晶圆的时间一般在9min左右（包括传输及腔体准备时间），而满批24片晶圆连续作业时，工艺腔体具备下一片晶圆淀积条件的抽真空时间需要0.5h甚至更长。

为实现单片晶圆溅射后工艺腔体的快速冷却，保证下一片作业前腔体真空度满足规范要求，同时解决批生产时正面金属化时不能多片晶圆连续作业的问题，本发明将前一片晶圆溅射铝硅铜厚金属薄膜后传出腔体，然后对工艺腔体进行冷却处理，具体步骤为：

第一步，将单片晶圆置于晶圆基座1上，利用铝硅铜靶材向晶圆上溅射4μm厚的铝硅铜金属薄膜，当该晶圆上的铝硅铜金属薄膜溅射完毕、传出工艺腔体后，对工艺腔体进行2s的抽真空5处理，保证工艺腔体无残余气体，此处残余气体指的是上一片产品溅射时腔体内的残余等离子体。

第二步，在工艺腔体内同时通入18sccm的正面氩气3和33sccm的基座氩气4，通气时间60s，利用氩气对工艺腔体进行快速降温、赶气处理，使晶圆基座1的温度迅速降至290℃~310℃；

第三步，关闭两路氩气，采用冷泵对工艺腔体进行30s抽真空5处理，使工艺腔体的真空度在下一片晶圆淀积前达到8E-7Torr以下；

第四步，将下一片晶圆传入工艺腔中进行金属铝硅铜溅射，得到铝硅铜厚金属薄膜。

本发明的腔体处理方法可根据铝硅铜厚金属薄膜淀积厚度的增加，利用第二步、第三步循环对进行工艺腔体进行处理，达到快速冷却工艺腔体的目的；

当淀积6μm厚的金属薄膜时，可以一次性淀积6μm厚的金属薄膜，每片晶圆淀积后均需循环进行第二步、第三步对工艺腔体进行冷却，直至工艺腔体达到要求的真空度，经验证将上述第二步和第三步循环3次时腔体真空度能够满足直接淀积6μm厚的铝硅铜薄膜的工艺要求；

也可以将6μm厚的金属薄膜分三次淀积，每次淀积完成后只需对工艺腔体进行一次冷却即可。

以溅射整批24片4μm铝硅铜厚金属薄膜为例，每片淀积后只需冷却一次，将本发明的铝硅铜厚金属薄膜的物理气相淀积工艺和现有淀积工艺进行对比，作业时间和工艺参数结果的对比如表1所示。

表1 工艺对比结果表

从表中可见，现有溅射条件下随着作业片量的增加，为使工艺腔体达到基准真空，等待腔体自动抽真空降温的时间会越来越长，因中途作业中断总计作业时间约为19.5h。采用本发明的工艺腔体快速冷却处理方法后，将单批作业时间缩短至4.5h左右，磁控溅射设备的单腔金属厚度加工能力提升至4μm，使芯片加工的正面金属铝硅铜淀积工序生产效率提升4倍以上。

现使用本发明淀积工艺加工的宇航级抗辐射VDMOS芯片已稳定出片上千片，金属铝硅铜厚度满足4μm±0.15μm，片间工艺一致性和稳定性满足STD%小于1.5%的规范，具备稳定地可重复批生产能力。与金属相关的产品导通电阻等关键参数全部合格，金属跨台阶覆盖良好，封装的成品管芯已应用于航天武器装备等大功率电源模块中表现良好。使用该方法加工的6μm铝硅铜薄膜也已经用于产品工艺验证。

Claims (10)

1.一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1，当前一片晶圆上铝硅铜厚金属薄膜溅射完成传出腔体后，对磁控溅射台的工艺腔体进行抽真空处理；

S2，在步骤S1抽真空的工艺腔体中通60s的正面氩气和基座氩气；

S3，对步骤S2处理后的工艺腔体进行抽真空30s；

S4，将下一片晶圆传入工艺腔体进行铝硅铜厚金属薄膜溅射。

2.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S2和步骤S3多次循环进行对工艺腔体进行冷却，直至工艺腔体的真空度达到溅射4μm～6μm铝硅铜厚金属薄膜的工艺要求。

3.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S1中，抽真空的时间为时间2s，不检测真空度。

4.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S2中，所述正面氩气和基座氩气需同时通入工艺腔体。

5.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S2中，通入正面氩气和基座氩气后进行赶气处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S2中，通入正面氩气的流量为18sccm。

7.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S2中，通入基座氩气的流量为33sccm。

8.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S2中，所述正面氩气和基座氩气的温度相同，均为常温。

9.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，步骤S3，在下一片晶圆淀积前工艺腔体真空度在8E-7Torr以下。

10.根据权利要求1所述的一种基于Endura5500型直流磁控溅射台的铝硅铜厚金属薄膜物理气相淀积的腔体处理方法，其特征在于，所述抽真空采用冷泵。

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