CN116397199A - 多层金属层蒸镀装置及其蒸镀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层金属层蒸镀装置及其蒸镀方法。多层金属层蒸镀装置包括：传输腔，其内设置有机械臂以用于取放并传输晶圆；蒸镀腔，位于传输腔的第一侧，用于对晶圆进行前段蒸镀以在晶圆的表面蒸镀形成第一金属层；退火腔，位于传输腔的第二侧，用于对前段蒸镀后的晶圆进行退火以在第一金属层与晶圆之间形成金属硅化物层；蒸镀腔进一步用于对退火后的晶圆进行后段蒸镀以在第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。上述技术方案无需打开设备就能完成退火，减少金属层之间的空隙，改善金属层剥落问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种多层金属层蒸镀装置及其蒸镀方法。
背景技术
蒸镀，是指在真空条件下，采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料(或称膜料)并使之气化，气化后粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。蒸镀是使用较早、用途较广泛的气相沉积技术，相比溅射工艺，蒸镀工艺具有成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能独特等优点。蒸镀工艺一般用于连接半导体与金属层，以便后续封装可以打线或者是连接铜片。典型的蒸镀工艺往往需要沉积多层金属层，且通常都要在一个真空腔体内完成。
请参阅图1，其为现有技术中蒸镀装置的结构示意图。如图1所示，所述蒸镀装置包括工艺腔11、坩埚12、载片盘13。所述工艺腔11内置多个坩埚12，多个所述坩埚12内放置不同金属材料。所述载片盘13位于所述坩埚12上方，可放置多片硅衬底。通过依次加热多个所述坩埚12内的金属材料，并沉积于所述硅衬底上，实现在一个工艺腔室内完成多种金属材料沉积的目的，最终实现硅衬底与外部低阻抗连接。所述蒸镀装置还包括真空泵14，用于为所述工艺腔11提供真空环境。
典型的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)背面蒸镀工艺，通过高温激发金属靶材的方法在硅衬底上依次沉积铝、钛、镍、银等金属层。其中，铝金属直接沉积在硅衬底上，钛、镍金属因其良好的粘附性，一般作为过渡层，实现铝跟银金属之间更好连接，银金属作为优异的低阻态导电材料，实现器件与外部电路连接作用。在实际生产应用中，应真空度要求，蒸发的工艺温度一般低于250摄氏度，该温度下硅衬底与铝金属层间不能有效形成铝硅合金，导致铝金属层与硅衬底之间粘附性偏差，层间容易出现空隙或存在剥落的情况，引起两者之间接触电阻加大，导通损耗增加，产品性能及良率受到较大影响。
请参阅图2，其为现有技术中多层金属蒸镀工艺后的产品结构图。如图2所示，由于第一金属层21在蒸镀时与硅衬底20之间产生若干孔洞201，导致后续工艺中沉积的第二金属层22会出现褶皱，使得金属层之间容易出现空隙，增大剥落的风险。
针对现有蒸镀工艺存在的问题，目前业内给出几个解决方案：一种方法是在蒸镀过程中，当衬底蒸镀完第一层铝金属后，直接从蒸镀设备取出，放置到另外一个退火设备进行退火，形成充分的铝硅合金，然后再将表面多余铝金属刻蚀后，再次放入蒸镀设备完成后续几层金属蒸镀。该方法可以解决金属层间粘附性问题，但是工艺步骤复杂，成本较高，而且需要脱离真空环境，存在衬底污染及表面氧化的问题。还有一种方法是采用金属溅射方式，在真空环境下通入氩气，通过高压直流电源电离氩气，在偏置电压作用下，带正电荷的氩离子轰击负极所在金属靶材，靶材金属陆续沉积到衬底结成薄膜。溅射工艺温度一般可以实现400摄氏度以上，硅衬底与铝金属层之间能形成较好金属硅化物，但是溅射设备一般采用单片加工方式，设备单价昂贵，单位硅衬底加工综合成本明显高于蒸镀设备。
金属蒸镀工艺直接影响着半导体器件的生产良率，对半导体器件应用有至关重要的影响，但是至今尚未有专门的蒸镀设备有效解决IGBT器件背面蒸镀铝硅合金剥落的问题。因此，如何在不增加工艺成本的前提下改善蒸镀工艺的质量，减少金属层之间的空隙，提高工艺生产良率，是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在不增加工艺成本的前提下改善蒸镀工艺的质量，减少金属层之间的空隙，提高工艺生产良率，提供一种多层金属层蒸镀装置及其蒸镀方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种多层金属层蒸镀装置，包括：传输腔，所述传输腔内设置有机械臂，所述机械臂用于取放并传输晶圆；至少一蒸镀腔，位于所述传输腔的第一侧，用于对所述晶圆进行前段蒸镀，以在所述晶圆的表面蒸镀形成第一金属层；以及至少一退火腔，位于所述传输腔的第二侧，用于对前段蒸镀后的所述晶圆进行退火，以在所述第一金属层与所述晶圆之间形成金属硅化物层；所述蒸镀腔进一步用于对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀，以在所述第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。
为了解决上述问题，本发明提供了一种多层金属层蒸镀方法，采用本发明所述的多层金属层蒸镀装置，所述方法包括如下步骤：通过所述传输腔中的机械臂将晶圆传输至所述蒸镀腔；在所述蒸镀腔内对所述晶圆进行前段蒸镀，以在所述晶圆的表面蒸镀形成第一金属层；通过所述机械臂将所述晶圆转运至所述退火腔；在所述退火腔内对前段蒸镀后的所述晶圆进行退火，以在所述第一金属层与所述晶圆之间形成金属硅化物层；通过所述机械臂将所述晶圆转运回所述蒸镀腔；以及在所述蒸镀腔内对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀，以在退火后的所述晶圆的所述第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。
上述技术方案，通过在蒸镀装置中增设退火腔，当晶圆在蒸镀装置的蒸镀腔完成前段蒸镀后，将晶圆转运至所述退火腔退火，再将所述晶圆转运回所述蒸镀腔完成后段蒸镀。由于退火过程中，前段蒸镀形成的金属层与所述晶圆之间可以形成金属硅化物层，增加了前段蒸镀形成的金属层与晶圆的粘附性。由于退火后的金属层界面较为平整，后段蒸镀金属层覆盖性也会相应提高，可以减少蒸镀形成的多层金属层之间的空隙，降低金属层剥落的风险，最终形成可靠性高阻抗低的器件。由于蒸镀过程中不需要打开设备就能完成退火，避免衬底污染及表面氧化的问题。通过对装置的改进，在不增加工艺成本的前提下改善了蒸镀工艺的质量，增加了金属层与晶圆的粘附性，减少了多层金属层之间的空隙，降低了金属层剥落的风险，提高了工艺生产良率。
附图说明
图1为现有技术中蒸镀装置的结构示意图。
图2为现有技术中多层金属蒸镀工艺后的产品结构图。
图3所示为本发明所述多层金属层蒸镀装置的一实施例的结构示意图。
图4所示为本发明所述多层金属层蒸镀方法的一实施例的步骤流程图。
图5A～图5D为本发明所述多层金属层蒸镀方法的一实施例的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的多层金属层蒸镀装置及其蒸镀方法的具体实施方式做详细说明。
请参阅图3，其为本发明所述多层金属层蒸镀装置的一实施例的结构示意图。如图3所示，所述多层金属层蒸镀装置包括：传输腔30、蒸镀腔31、退火腔32。所述传输腔30内设置有机械臂301，所述机械臂301用于取放并传输晶圆。所述蒸镀腔31位于所述传输腔30的第一侧，用于对所述晶圆进行前段蒸镀，以在所述晶圆的表面蒸镀形成第一金属层。所述退火腔32位于所述传输腔30的第二侧，用于对前段蒸镀后的所述晶圆进行退火，以在所述第一金属层与所述晶圆之间形成金属硅化物层。所述蒸镀腔31进一步用于对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀，以在所述第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。其中，所述装置能够在所述晶圆在所述蒸镀腔31完成前段蒸镀后，将晶圆转运至所述退火腔32退火，再将所述晶圆转运回所述蒸镀腔31完成后段蒸镀，以减少蒸镀形成的多层金属层之间的空隙，增加金属层与晶圆的粘附性，降低金属层剥落的风险。
所述第一金属层与所述第二金属层的材料不同。在一些实施例中，所述第一金属层为单层铝金属层，所述第二金属层为钛、镍、银多层金属叠层。在其它实施例中，所述第一金属层还可以为铝、钛多层金属叠层，所述第二金属层可以为镍、银多层金属叠层；或所述第一金属层还可以为铝、钛、镍多层金属叠层，所述第二金属层可以为单层银金属层。也即，可以在前段蒸镀中形成一层金属层或多层金属层，并在退火后的后段蒸镀中形成后续的多层或一层金属层。铝金属直接沉积在硅衬底上，钛、镍金属因其良好的粘附性，一般作为过渡层，实现铝跟银金属之间更好连接，银金属作为优异的低阻态导电材料，实现器件与外部电路连接作用；各金属层的顺序可以根据工艺以及产品要求调整。
上述技术方案，通过在蒸镀装置中增设退火腔，当晶圆在蒸镀装置的蒸镀腔完成前段蒸镀后，将晶圆转运至所述退火腔退火，再将所述晶圆转运回所述蒸镀腔完成后段蒸镀。由于退火过程中，前段蒸镀形成的金属层与所述晶圆之间可以形成金属硅化物层，增加了前段蒸镀形成的金属层与晶圆的粘附性。由于退火后的金属层界面较为平整，后段蒸镀金属层覆盖性也会相应提高，可以减少蒸镀形成的多层金属层之间的空隙，降低金属层剥落的风险，最终形成可靠性高阻抗低的器件。由于蒸镀过程中不需要打开设备就能完成退火，避免衬底污染及表面氧化的问题。通过对装置的改进，在不增加工艺成本的前提下改善了蒸镀工艺的质量，增加了金属层与晶圆的粘附性，减少了多层金属层之间的空隙，降低了金属层剥落的风险，提高了工艺生产良率。
在一些实施例中，所述第一侧与所述第二侧为所述传输腔30的相邻两侧。
在一些实施例中，所述蒸镀装置还包括晶圆盒放置平台33，位于所述传输腔30的第三侧，用于放置所述晶圆，其中，所述第三侧与所述第一侧相邻、并与所述第二侧相对。所述机械臂301进一步用于将所述晶圆在所述晶圆盒放置平台33上的晶圆盒、所述蒸镀腔31及所述退火腔32之间传输。
在一些实施例中，所述传输腔30为真空腔，可以通过真空泵(未图示)提供真空环境。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种多层金属层蒸镀方法，其可以采用本发明所述多层金属层蒸镀装置完成多层金属层蒸镀。
请一并参阅图4～图5D，其中，图4为本发明所述多层金属层蒸镀方法的一实施例的步骤流程图，所述方法采用本发明图3所示的多层金属层蒸镀装置，图5A～图5D为本发明所述多层金属层蒸镀方法的一实施例的工艺流程图。
如图4所示方法包括如下步骤：步骤S41，通过所述传输腔中的机械臂将晶圆传输至所述蒸镀腔；步骤S42，在所述蒸镀腔内对所述晶圆进行前段蒸镀，以在所述晶圆的表面蒸镀形成第一金属层；步骤S43，通过所述机械臂将所述晶圆转运至所述退火腔；步骤S44，在所述退火腔内对前段蒸镀后的所述晶圆进行退火，以在所述第一金属层与所述晶圆之间形成金属硅化物层；步骤S45，通过所述机械臂将所述晶圆转运回所述蒸镀腔；以及步骤S46，在所述蒸镀腔内对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀，以在退火后的所述晶圆的所述第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。以下结合工艺流程图给出详细解释说明。
请参阅图5A及步骤S41，通过所述传输腔30中的机械臂301将晶圆50传输至所述蒸镀腔31。在一些实施例中，所述的通过所述传输腔30中的所述机械臂301将晶圆50传输至所述蒸镀腔31的步骤之前进一步包括如下步骤：将所述晶圆50放置于晶圆盒中并放置于位于所述传输腔30的第三侧的晶圆盒放置平台33；将所述晶圆盒内抽成真空；以及通过所述机械臂301将所述晶圆50自所述晶圆盒中取出至所述传输腔30，进而运送至所述蒸镀腔31。
请参阅图5B及步骤S42，在所述蒸镀腔31内对所述晶圆50进行前段蒸镀，以在所述晶圆50的表面蒸镀形成第一金属层51。在本实施例中，所述第一金属层51可以为单层铝金属层。在其他实施例中，所述第一金属层51也可以为铝、钛多层金属叠层，或为铝、钛、镍多层金属叠层。由于工艺本身的特性，导致所述第一金属层51与所述晶圆50之间形成有若干孔洞501，所述孔洞501会导致所述第一金属层51表面出现褶皱，进而影响后续金属层的平整性，增加金属层剥落的风险。
请参阅图5C及步骤S43～步骤S44，通过所述机械臂301将所述晶圆50转运至所述退火腔32；在所述退火腔32内对前段蒸镀后的所述晶圆50进行退火，以在所述第一金属层51与所述晶圆50之间形成金属硅化物层502。在一些实施例中，所述通过所述机械臂301将所述晶圆50转运至所述退火腔32的步骤进一步包括：通过所述机械臂301将完成前段蒸镀的所述晶圆50自所述蒸镀腔31中取出至所述传输腔30，进而运送至所述退火腔32。在本实施例中，在所述退火腔32中对所述第一金属层51进行退火，以减少蒸镀金属层及后续金属层之间的空隙，并在所述第一金属层51与所述晶圆50之间形成一金属硅化物层502，增加所述第一金属层51与所述晶圆50的粘附性，降低所述第一金属层51及后续金属层剥落的风险。退火后所述孔洞501被去除，退火后的所述第一金属层51较为平整，为后续金属层的沉积提供了良好的表面。
请参阅图5D及步骤S44～步骤S45，通过所述机械臂301将所述晶圆50转运回所述蒸镀腔31；在所述蒸镀腔31内对退火后的所述晶圆50进行后段蒸镀，以在退火后的所述晶圆50的所述第一金属层51的表面蒸镀形成第二金属层52。当所述第一金属层51为单层铝金属层时，所述第二金属层52可以为钛、镍、银多层金属叠层。当所述第一金属层51为铝、钛多层金属叠层时，所述第二金属层52可以为镍、银多层金属叠层。当所述第一金属层51为铝、钛、镍多层金属叠层时，所述第二金属层52可以为单层银金属层。在一些实施例中，所述的通过所述机械臂301将所述晶圆50转运回所述蒸镀腔31的步骤进一步包括：通过所述机械臂301将完成退火的所述晶圆50自退火腔32中取出至所述传输腔30，进而运送回所述蒸镀腔31。
在一些实施例中，所述的在所述蒸镀腔31内对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀的步骤之后进一步包括：通过机械臂301将完成后段蒸镀的所述晶圆50自所述蒸镀腔31中取出至所述传输腔30，进而运送回所述晶圆盒中33。
上述技术方案，通过在蒸镀装置中增设退火腔，当晶圆在蒸镀装置的蒸镀腔完成前段蒸镀后，将晶圆转运至所述退火腔退火，再将所述晶圆转运回所述蒸镀腔完成后段蒸镀。由于退火过程中，前段蒸镀形成的金属层与所述晶圆之间可以形成金属硅化物层，增加了前段蒸镀形成的金属层与晶圆的粘附性。由于退火后的金属层界面较为平整，后段蒸镀金属层覆盖性也会相应提高，可以减少蒸镀形成的多层金属层之间的空隙，降低金属层剥落的风险，最终形成可靠性高阻抗低的器件。由于蒸镀过程中不需要打开设备就能完成退火，避免衬底污染及表面氧化的问题。通过对装置的改进，在不增加工艺成本的前提下改善了蒸镀工艺的质量，增加了金属层与晶圆的粘附性，减少了多层金属层之间的空隙，降低了金属层剥落的风险，提高了工艺生产良率。
应注意到，在说明书中对“一实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可能不一定包括该特定的特征、结构或特性。而且，这样的短语不一定指代相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其它实施例来实现这样的特征、结构或特性都在相关领域的技术人员的知识范围内。
通常，可以至少部分地从上下文中的用法理解术语。例如，如在本文中所使用的术语“一个或多个”至少部分取决于上下文，可以用于以单数意义描述任何特征、结构或特性，或可以用于以复数意义描述特征、结构或特征的组合。类似地，至少部分取决于上下文，诸如“一”、“某一”或“该”的术语同样可以被理解为表达单数用法或表达复数用法。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在表达一组排他性的因素，而是可以替代地，同样至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其它因素。在本说明书中也应当注意的是，“连接/耦接”不仅指一个部件与另一个部件直接耦接，也指一个部件通过中间部件与另一个部件间接地耦接。
需要说明的是，本发明的文件中涉及的术语“包括”和“具有”以及它们的变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，除非上下文有明确指示，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。另外，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。此外，在以上说明中，省略了对公知组件和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。上述各个实施例中，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同/相似的部分互相参见即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多层金属层蒸镀装置，其特征在于，包括：
传输腔，所述传输腔内设置有机械臂，所述机械臂用于取放并传输晶圆；至少一蒸镀腔，位于所述传输腔的第一侧，用于对所述晶圆进行前段蒸镀，以在所述晶圆的表面蒸镀形成第一金属层；以及
至少一退火腔，位于所述传输腔的第二侧，用于对前段蒸镀后的所述晶圆进行退火，以在所述第一金属层与所述晶圆之间形成金属硅化物层；
所述蒸镀腔进一步用于对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀，以在所述第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一侧与所述第二侧为所述传输腔的相邻两侧。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层的材料不同。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
晶圆盒放置平台，位于所述传输腔的第三侧，用于放置装载有晶圆的晶圆盒，其中，所述第三侧与所述第一侧相邻、并与所述第二侧相对；
所述机械臂进一步用于将所述晶圆在所述晶圆盒放置平台上的晶圆盒、所述蒸镀腔及所述退火腔之间传输。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传输腔为真空腔。
6.一种多层金属层蒸镀方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的多层金属层蒸镀装置，所述方法包括如下步骤：
通过所述传输腔中的机械臂将晶圆传输至所述蒸镀腔；
在所述蒸镀腔内对所述晶圆进行前段蒸镀，以在所述晶圆的表面蒸镀形成第一金属层；
通过所述机械臂将所述晶圆转运至所述退火腔；
在所述退火腔内对前段蒸镀后的所述晶圆进行退火，以在所述第一金属层与所述晶圆之间形成金属硅化物层；
通过所述机械臂将所述晶圆转运回所述蒸镀腔；以及
在所述蒸镀腔内对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀，以在退火后的所述晶圆的所述第一金属层的表面蒸镀形成第二金属层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的通过所述机械臂将所述晶圆转运至所述退火腔的步骤进一步包括：
通过所述机械臂将完成前段蒸镀的所述晶圆自所述蒸镀腔中取出至所述传输腔，进而运送至所述退火腔。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的通过所述机械臂将所述晶圆转运回所述蒸镀腔的步骤进一步包括：
通过所述机械臂将完成退火的所述晶圆自退火腔中取出至所述传输腔，进而运送回所述蒸镀腔。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的通过所述传输腔中的所述机械臂将晶圆传输至所述蒸镀腔的步骤之前进一步包括如下步骤：
将所述晶圆放置于晶圆盒中并放置于位于所述传输腔的第三侧的晶圆盒放置平台；
将所述晶圆盒内抽成真空；以及
通过所述机械臂将所述晶圆自所述晶圆盒中取出至所述传输腔，进而运送至所述蒸镀腔。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的在所述蒸镀腔内对退火后的所述晶圆进行后段蒸镀的步骤之后进一步包括：
通过机械臂将完成后段蒸镀的所述晶圆自所述蒸镀腔中取出至所述传输腔，进而运送回所述晶圆盒中。
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