磁控溅射台镀膜形貌及均匀性改善研究

解 晗，张春胜，申 强

( 中国电子科技集团公司第五十五研究所， 江苏 南京210016)

具备偏压功能的磁控溅射设备可以实现背孔互连工艺，该工艺是实现芯片各金属层、键合晶圆间互连的一种技术。通过深孔金属填充实现垂直方向上的电子导通，能有效减小芯片尺寸，降低芯片功耗。利用物理气相沉积法淀积金属薄膜是背孔镀膜工艺中的关键步骤。后续电镀工艺会对薄膜粘附层、种子层的覆盖性和均匀性提出一定要求，否则薄膜的缺陷会导致金属层脱落和鼓泡现象，降低了芯片的电学性能和可靠性。故淀积薄膜的覆盖性和均匀性等成膜指标是影响最终填充效果的重要因素。

磁控溅射台采用磁控溅射技术进行金属及化合物镀膜，同时具备偏压溅射能力，可以实现深孔溅射。溅射淀积是一种物理气相沉积工艺，反应腔体抽真空至1×10-6Pa 左右，然后充入惰性气体氩气，形成一定稳定气压的氛围。然后在靶材端施加一定直流或射频激励，使氩气原子电离，氩离子在电场作用下向靶材加速运动，轰击靶材原子，被轰击出的靶材原子或分子，最终有一部分附着在晶圆上。同时电离出的电子也在电场中获得动能，在运动过程中撞击氩气原子形成二次电离，形成的二次电子继续参与电离，最终形成自持等离子体放电，实现持续地磁控溅射镀膜过程。

1 偏压及二次溅射能力提升

在磁控溅射模块的基础上、在晶圆端形成偏置电压引导溅射过程即为偏压溅射，偏置电压能使被溅射离子具备更好的溅射方向性，准直效应使离子能够按照同一方向沉积到几何结构比较复杂的基片表面，同时高能溅射离子还可以对已镀膜部位进行二次溅射，提高垂直方向上的镀膜能力，典型目标即为深孔结构样品。偏压溅射示意图如图1(a)所示，在非对称电极结构的晶圆端施加一个射频激励，由于电子、离子迁移率差别极大，同时两端电极大小存在区别，晶圆端电极处有大量负电荷滞留，并在隔离电容下不断积聚，经过若干射频振荡周期后形成电势稳定的偏置电压。

在实际偏压溅射工艺过程中，经常出现自偏压不稳定或趋于零的现象，工艺过程中深孔工艺出现深孔内部侧壁膜厚偏低甚至没有形成镀膜。根据对整个偏压溅射系统进行检查结果的分析，可能的原因包括：

（1）晶圆端射频源功率施加失效，实际加载到电极上的射频功率不足。过低的功率无法在电极间形成有效的自偏压，离子的准直效应消失，对深孔内部的镀膜效果就会大大降低。使用专门的射频功率校准工具，对实际功率和面板显示功率进行校准，确认电源是否正常工作。针对此溅射台的偏压射频源进行测量校准，功率输出与设定值相同，确保幅值稳定。

图1 非对称电极射频放电自偏压形成简图

（2）晶圆基片传输位置偏移，载片托盘与机台内部挡板或机壳存在接触现象。该机台晶圆传片系统将载有晶圆的托盘传入反应腔内固定位置进行镀膜工艺。当传输位置发生偏移时，容易造成托盘与机台内部接地机壳短路导通，晶圆电极端与大地间形成的隔离电容失效，射频激励产生的直流自偏压将无法在晶圆电极端储存，偏压溅射效果无法实现，如图1(b)所示。通过定期校准机械手在反应腔放置托盘的位置，保证与托盘连接的电极端与地保持绝缘状态（如图2 所示）。同时需要对两者间进行定期清洁，防止溅射薄膜产生的金属碎屑形成短路现象。

图2 反应腔内校准机械手位置

（3）机台内与射频源相连的载台与机台外壳地绝缘性变差甚至短路。通常载台与机壳地之间通过绝缘环做电学隔离，绝缘环通常采用介电性能较好的材料制造，防止出现打火短路现象，如图3 所示。拆卸载台后发现使用的绝缘环为塑料材料，并且已发生打火焦黑现象。塑料材料的介电性能较差，相对介电常数在2～3，为了达到更好的介电性能，采用相同尺寸的氧化铝陶瓷材料作为替代，相对介电常数可达10，大大提高了介电性能，彻底杜绝载台电极处击穿打火现象。

图3 载台与机台外壳地短路现象

2 多种金属镀膜均匀性

磁控溅射台采用多靶材共腔溅射结构，4个靶位可以分别溅射4 种不同材料薄膜。所用磁控装置为基于靶面背后的一圈环形磁铁。在磁场的控制下，带电粒子被集中在被环形磁场所束缚的环形区域内，此处靶材材料被轰击效果最为明显，最终在靶面上形成一圈被凹蚀的环形形状，如图4 所示。该环形区域上轰击出来的金属原子经过一段距离后附着在基片上，微观上靶材与基片之间的距离决定了单个金属原子的运行轨迹和分布，宏观上靶基距则会影响成膜均匀性。

图4 被磁场束缚的带电粒子在靶材上轰击出环形凹槽

此设备用于多种材料的成膜工艺，广泛应用于微机电系统制造，成膜质量对工艺性能影响很大。由于镀膜均匀性差，工艺产品可靠性变差，需要对镀膜一致性进一步提高。然后从靶材与基片相对位置的角度对镀膜均匀性进行研究优化。靶材与基片之间的距离即为靶基距，可通过靶材上方紧固螺母进行调节。先以钨钛靶为例，在其他条件不变的情况下，钨钛靶初始镀膜方阻均匀性为7.83%，图5 为等效厚度图，可以看出所镀薄膜分布为中间薄，边缘厚。

图5 钨钛靶在初始位置镀膜等效厚度图

结合机台机构和靶材分布分析可知，磁铁分布在边缘位置，溅射过程中被轰击出的金属原子多数分布在靶材边缘处，随后附着到基片上，当靶基距合适时，外围一圈被轰击出的金属原子有机会飞至基片中心区域附着镀膜，过短的靶基距会造成金属原子还未有效扩散就已经到达基片表面，导致中心区域镀膜厚度偏薄。过长的靶基距则会导致无效镀膜甚至启辉失败。针对钨钛靶镀膜结果，对靶基距做适度增大处理，并做镀膜实验，具体数据如表1。

表1 钨钛靶靶基距与镀膜均匀性关系

由表1 可知，随着靶基距的不断增加，方阻均匀性不断提升，在靶基距提升至48 mm 时，均匀性最优，为3.56%。若继续增加靶基距，均匀性则会逐渐变差。钨钛靶均匀性最优处厚度等效图如图6 所示。

图6 钨钛靶在均匀性最优处镀膜等效厚度图

以此实验为基础，继续对钛、镍、铂3个靶位的方阻均匀性进行了测试和优化。分别对3个靶位靶基距进行调节，得出了各自镀膜方阻均匀性与靶基距的关系。综合各溅射材料方阻均匀性和靶基距数据，得出结果如图7。实验在同一工艺条件下进行。

由图7 可知如下结论：（1）通过调节靶基距，成功将钨钛靶、钛靶、镍靶、铂靶方阻均匀性降至可接受的水平；（2）靶材均匀性在某一靶基距点会出现极值，即均匀性最优点，在此处增大或减小靶间距都会使均匀性变差。不同材料的靶材均匀性最优解处的靶基距都不相同；（3）靶基距调节过程中需要考虑启辉难易问题。如图7 中镍靶因为材料自身铁磁性的性质，当靶基距减小至40 mm 以下时，则无法实现自持辉光放电。故在其他条件不变的情况下镍靶均匀性在40 mm 处为最优值。

图7 各类溅射材料的方阻均匀性和靶基距关系图

除了靶基距对成膜均匀性存在影响外，靶材基片间平行度也会对均匀性产生一定的影响。其实平行度不好即代表基片上不同位置与靶材的距离不相同，也可以等效理解为基片内各位置靶基距不相同。根据上述经验对靶材基片平行度进行改善。

经过平行度调整，镀膜均匀性也有一定的改善，由6.74%提升至6.19%，幅度较小，如图8 所示。故平行度调整可作为均匀性改善的次级备选方案。

图8 平行度调整可以提高镀膜均匀性

3 结束语

本文以工艺能力为导向对磁控溅射台进行系统优化，使该设备的偏压及二次溅射能力得到提升，深孔结构侧壁覆盖能力显著改善。对靶基距、平行度进行了深入探究，从机器硬件方面对镀膜性能作了较大提升，并以此为基础总结出了一套磁控溅射台处理类似问题的解决方案。