PVD 鍍Al 膜工藝研究

唐 云，羅海輝，譚燦健，彭新華

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

物理氣相淀積（Physical Vapor Deposition，PVD）主要使用磁控濺射，用于金屬層淀積。濺射工藝的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于更優(yōu)良的設(shè)備可靠性（停機(jī)時(shí)間小于10%），增加的產(chǎn)能和設(shè)備自動(dòng)化，更好的臺(tái)階覆蓋性和膜層一致性。在實(shí)際應(yīng)用中，PVD 機(jī)臺(tái)是多金屬層淀積技術(shù)。

1 PVD 原理

磁控濺射在材料表面、光學(xué)薄膜、微電子器件處理領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用[1]，是一種十分有效的薄膜濺射沉積方法。濺射具體沉積過程可分為4 個(gè)階段：

（1）導(dǎo)入Ar 氣，通過高壓產(chǎn)生Ar+。

（2）電場(chǎng)作用，Ar+導(dǎo)向靶表面，撞擊出原子。

（3）被撞擊（濺射）的薄膜原子向硅片表面運(yùn)動(dòng)。

（4）原子在硅片表面沉積成核，形成薄膜。

2 濺射Al 膜影響因素及分析

薄膜性能與沉積過程的多個(gè)工藝參數(shù)相關(guān)。綜合考慮各個(gè)工藝過程參數(shù)，主要有腔體清潔程度、腔體真空度、濺射功率、基體溫度、靶基距、靶材純度、濺射氣體壓力等因素影響薄膜性能。實(shí)際情況中，真空室腔體的清潔度及真空度是容易保證的[2]；濺射氣體壓力和靶材純度由MFC 和材質(zhì)本身決定。在本實(shí)驗(yàn)中，主要考慮濺射功率、靶基距，濺射時(shí)間因素對(duì)Al 膜電阻率均勻性的影響。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：使用單片清洗機(jī)Lam sp 203 清洗后送入AMAT endura 5500 濺射Al 膜。

2.1 濺射時(shí)間

由圖1 的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可知：隨著濺射時(shí)間的增加，膜厚的方塊電阻（Rs）會(huì)越來越小，對(duì)應(yīng)于薄膜厚度會(huì)相應(yīng)的增加，相同條件下其方塊電阻均勻性和膜厚均勻性也會(huì)越來越好。在最開始的一段時(shí)間，由于濺射的靶原子在從靶材飛向硅片的路徑中同時(shí)與Ar 原子或Ar+碰撞，Al 原子的散射運(yùn)動(dòng)沒有達(dá)到快速穩(wěn)定的沉積速率，從而導(dǎo)致均勻性非常差。

圖2 為四探針測(cè)電阻儀測(cè)量相同功率不同沉積時(shí)間下Al膜方塊電阻生成的2D 圖。

2.2 濺射功率

圖1 不同沉積時(shí)間下生成Al 膜的方塊電阻均勻性

圖2 不同沉積時(shí)間下生成Al 膜的方塊電阻2D 圖

在一定的條件下，保持氣體壓力、作業(yè)時(shí)間和氣體流量不變，得到Al 薄膜電阻率隨濺射功率變化的曲線（圖3）和四探針測(cè)電阻儀測(cè)量相同時(shí)間不同濺射功率下Al 膜電阻率生成的2D圖（圖4）。

圖3 不同功率下生成Al 膜的方塊電阻Rs及其均勻性

從圖中可以看出，隨著濺射功率的增加，會(huì)提高氬氣（載體）的電離度，提高Ar+的密度；會(huì)提高濺射速率，濺射更高能量的離子，從而提高了薄膜Al 和襯底Si 的附著力以及薄膜Al 的致密度。相反，當(dāng)濺射功率太低，則離子密度小、沉積速度慢，則離子能量低、薄膜Al 附著力差以及膜層結(jié)構(gòu)疏松。不過，過高的離子能量會(huì)對(duì)襯底造成較大的熱效應(yīng)，同時(shí)對(duì)薄膜Al表層造成損傷，使薄膜質(zhì)量下降。

濺射功率不是越大越有利，選擇適中則更有利于薄膜Al 沉積。綜合考慮濺射功率的影響，根據(jù)具體的實(shí)際條件找出適宜的濺射功率。

2.3 靶材—硅片間距

從圖5 可以看出，靶基距是影響薄膜厚度的均勻性范圍重要因素[3]，在一定條件下，薄膜厚度及均勻性隨著靶基距的增大而提高。靶基距是靶材和基底的間距，在其他工藝條件都保持不變情況下，增大靶基距即增大濺射原子飛向硅片的路徑長度。路徑的增大降低了硅片上沉積薄膜的相對(duì)厚度，同時(shí)電阻率均勻性會(huì)變好；靶基距的增大會(huì)增大被濺射的Ar 原子/Ar+碰撞的概率，產(chǎn)生的散射運(yùn)動(dòng)會(huì)降低薄膜沉積速率。因此，靶基距的最佳選擇，既要滿足電阻均勻性要求，也要保證一定的薄膜淀積速率。

圖6 為四探針測(cè)電阻儀測(cè)量在靶基距為4730 Step 下生成的Al 膜電阻率的2D 和3D 圖。

圖4 不同功率下生成Al 膜的方塊電阻2D 圖

圖5 不同靶基距下生成Al 膜的方塊電阻Rs及其均勻性

圖6 靶基距為4730 Step 下生成的Al 膜方塊電阻的3D 和2D 圖

2.4 基體表面溫度

基體溫度的提高加快薄膜和基體間原子的相互擴(kuò)散，同時(shí)提高薄膜附著力，加快擴(kuò)散結(jié)合和化學(xué)鍵附著?；w溫度較低，形成薄膜原子活性會(huì)受到限制，成核密度低，晶界處容易產(chǎn)生孔隙，生產(chǎn)的薄膜不致密；隨著基體溫度升高，基體表面活性增強(qiáng)，沉積速率增加，成核密度變大，界面孔隙減少，薄膜/基體界面附著性變好[4]。

基體溫度不應(yīng)過高，過高的溫度會(huì)使薄膜晶粒變得粗大，增大薄膜熱應(yīng)力，使得薄膜剝落開裂傾向變大，生產(chǎn)的薄膜的質(zhì)量及使用性能減低。

綜合考慮基體溫度的影響，針對(duì)不同的薄膜/基體選擇合適的基體溫度，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定在300 ℃，實(shí)際濺射原子撞擊傳遞的能量使得溫度在400 ℃左右。

2.5 Al 膜電阻率均勻性

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到濺射沉積Al 膜的適宜實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

使用上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)濺射設(shè)備（AMAT endura 5500）沉積厚度為8000和10 000的Al 膜的電阻率及其均勻性進(jìn)行測(cè)試。電阻率測(cè)量采用49 點(diǎn)測(cè)試，片內(nèi)均勻性由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算生成（表1）。

表1 沉積厚度為8000和10 000的Al 膜的電阻率及其均勻性

表1 沉積厚度為8000和10 000的Al 膜的電阻率及其均勻性

所以，沉積厚度分別為8000 A˙和10 000 A˙的Al 膜電阻率的片內(nèi)均勻性控制在<1.5%、片間均勻性在<1%，片內(nèi)均勻性和片間均勻性都非常良好。

3 結(jié)論

通過AMAT endure 5500 磁控濺射設(shè)備濺射鋁膜得到其中影響Al 膜工藝的4 個(gè)重要因素總結(jié)如下：

（1）濺射時(shí)間的增加使得沉積速率穩(wěn)定，有利于薄膜性能。

（2）根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的濺射功率，濺射功率小，薄膜結(jié)構(gòu)疏松，性能差；濺射功率大，易造成薄膜損傷。

（3）靶基距的選擇既要滿足均勻性的要求，又要保證一定的沉積速率。

（4）根據(jù)鍍膜種類選擇基體溫度，溫度增加有利于薄膜的附著性能，但是溫度過高會(huì)增大膜應(yīng)力，降低薄膜質(zhì)量。

同時(shí)總結(jié)得到AMAT endura 5500 磁控濺射設(shè)備制備Al 膜的適宜工藝參數(shù)為：本底真空1.0×E-8Torr，靶基距為4730 step，加熱功率為80%，硅片溫度300 ℃，磁鐵轉(zhuǎn)速98 r/min。