專利名稱：沉積鋁層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在薄基材上沉積鋁層或鋁膜。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用 中，硅晶片需要在其上沉積厚鋁層。例如，當(dāng)由晶片形成的器件包括高功率晶體管吋，為了處理這些器件所固有的非常高的電流密度，厚鋁層作為接觸層可為必要的。通常這些器件具有豎直機(jī)構(gòu)，該豎直機(jī)構(gòu)具有包含ー個(gè)或多個(gè)1-20 μ m厚度的鋁層的源極接點(diǎn)。將這些沉積到嵌于全厚度晶片上的半導(dǎo)體器件上(直到例如MOSFET. IGBTBipolar)。通常在晶片的背面形成漏極接點(diǎn)。然而，因?yàn)榇蟛糠趾穸葘?duì)于器件性能不是有用的，但是卻對(duì)浪費(fèi)功率的串聯(lián)阻抗做出貢獻(xiàn)，所以在沉積漏極接點(diǎn)之前將晶片從通常720μπι研磨至< 200μπι厚。這樣的薄晶片非常柔軟并且在由各種沉積的層誘發(fā)的應(yīng)カ下經(jīng)受相當(dāng)大的扭曲或彎曲。已知由于膜和下面的基材的熱膨脹錯(cuò)配，在> 20°C的溫度下沉積的濺射鋁層是拉伸性的。因而8μπι的濺射Al膜通常具有 60MPa的應(yīng)力。下面的表I給出了在各種厚度的晶片中可誘發(fā)的彎曲。將看到對(duì)于200 Um Si晶片可誘發(fā)大約 2_的彎曲。這樣的彎曲使晶片難于在隨后的步驟中加工。表I :對(duì)于不同厚度的晶片使用斯托尼方程(Stoney’ s Equasion)計(jì)算的誘發(fā)的晶片彎曲
晶片厚度應(yīng)カ 晶片彎曲 μ mMPa μ m
720: 60 : 154
200: 60 : 1992
100I 60 ] 7669已知通過將晶片固定到冷卻的靜電卡盤(chuck)在低溫下濺射膜可將應(yīng)カ減小到接近零。當(dāng)在壓板上不存在RF偏壓時(shí)，對(duì)于8 μ m膜應(yīng)カ和壓板或卡盤溫度之間的關(guān)系顯示于圖I中。還已知通過添加RF偏壓可使應(yīng)カ為壓縮性的，并且這在圖2中說明。然而，申請(qǐng)人已經(jīng)確定低溫固定的鋁展示了不利的晶粒組織，該晶粒組織包含由相當(dāng)大的空洞分隔的非常小的柱狀晶粒。在圖3和4中可清楚地看到這種組織，圖3和圖4是在兩種不同的沉積速率(分別為1.8ym/min和O. 6ym/min)下于靜電卡盤(ESC)上在 15°C下沉積的8 μ m鋁膜的掃描電子顯微圖(SEM)。將容易理解，該粗糙和空洞化的晶粒組織可損害器件的電機(jī)械性質(zhì)，這導(dǎo)致器件性能的劣化。因而除了其它缺點(diǎn)以外，還可存在增加的電阻率和減少的器件壽命。圖5顯示了未固定的8μπι鋁膜的更典型的晶粒組織。將看到存在完全沒有空洞的大的扁平六方晶粒。通過在Al沉積發(fā)生前立即在單獨(dú)的模塊中預(yù)熱晶片，嘗試將晶粒組織恢復(fù)到一定程度。然而，研究表明對(duì)于這為有效的晶片的起始溫度需為 400°C。這由圖6和7中顯示的兩種過程所說明。將看到，需要將晶片加熱到約400°C以基本除去空洞。該溫度太高而不能允許下面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定加工。提高初始晶片溫度還導(dǎo)致Al膜的拉伸應(yīng)カ增カロ，這因此變得更難以通過偏壓來補(bǔ)償。申請(qǐng)人因此確定該方法并不提供對(duì)于改善鋁晶粒組織和同時(shí)維持低應(yīng)カ的問題的實(shí)際解決方法。
圖8和9說明了添加RF偏壓將膜致密化到一定程度。如圖2所示，這使得膜為壓縮性的。然而，可看到這并不顯著地改善晶粒組織。表面粗糙度和空洞化的問題持續(xù)直到很高的偏壓。申請(qǐng)人:確定了沉積這樣的鋁和鋁合金膜的方法，其克服或至少減輕了過量應(yīng)力和差的晶粒組織的上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括在薄基材上沉積鋁膜或鋁合金的方法，其包括a)將基材放置在支撐體上；b)將第一鋁層或鋁合金層沉積到基材上，該基材處于未固定條件；c)將基材固定到支撐體上，并且沉積與第一層連續(xù)的第二鋁層，其中第二層比第一層厚并且優(yōu)選在 < 22で或< 20°C的基材溫度下沉積第二層。該方法優(yōu)選包括在該方法的固定部分期間對(duì)支撐體提供RF偏壓。RF功率例如可為100瓦-500瓦。第一層可為約O. 5 μ m-約2 μ m厚(優(yōu)選約I μ m)且第二層可為約7 μ m厚,然而
對(duì)于ー些應(yīng)用可需要更大的厚度。沉積步驟可在不同的支撐體上(例如在不同的沉積應(yīng)用或模塊中)發(fā)生，但是優(yōu)選在同一支撐體上進(jìn)行沉積步驟，在這種情況下，第二沉積步驟可與第一沉積步驟連續(xù)，并且由基材的固定所引發(fā)。如果支撐體為靜電卡盤，則這是特別容易完成的。如已經(jīng)說明的，基材為“薄”基材并且通常這意味著其厚度小于250μπι?；目蔀橥蘧?。鋁合金優(yōu)選為A I (Cu、Si (@ < 5% )。盡管上面已限定了本發(fā)明，但要理解本發(fā)明包括上述或在以下描述中給出的特征的任何發(fā)明組合。


本發(fā)明可以以各種方式進(jìn)行，并且現(xiàn)在將通過舉例并參考附圖描述特定的實(shí)施方案，其中圖I顯不了固定的8 μ m Al I旲(無RF偏壓)的應(yīng)カ/壓板溫度關(guān)系圖；圖2顯示了固定的和未固定的8μπι Al膜的應(yīng)力/壓板RF關(guān)系圖；圖3顯示了在-15°C下，以I. 8 μ m/min沉積在靜電卡盤上的8 μ m Al膜(無偏壓)的SEM圖；圖4顯示了在-15°C下，以O(shè). 6 μ m/min沉積在靜電卡盤上的8 μ m Al膜(無偏壓)的SEM圖；圖5顯示了以L 8 μ m/min沉積在標(biāo)準(zhǔn)壓板(未固定的)上的8 μ m Al膜的SEM圖，晶片溫度 150°C ；
圖6顯示了在-15°C下，以24kW沉積在靜電卡盤上的8μπι Al膜的SEM圖，起始晶片溫度250°C ；圖7顯示了在-15°C下，沉積在靜電卡盤上的8μπι Al膜(無偏壓)的SEM圖，起始晶片溫度400°C ；圖8顯示了在-15°C下，以1.8ym/min沉積在靜電卡盤上的8μπι Al膜(100W偏壓)的SEM圖；圖9顯示了在-15°C下，以I. 8 μ m/min沉積在靜電卡盤上的8 μ m Al膜(300W偏壓)的SEM圖；圖10-12分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制備的膜的橫截面和表面視圖， 其中，圖10為用SPTS方法I沉積的8 μ m Al膜的橫截面(未固定的I μ m Al+固定的7μπι，-15^，無偏壓)，圖11為用SPTS方法2沉積的8μπι Al膜的橫截面(未固定的
O.5 μ m Al+固定的7 μ m, _15°C，無偏壓)，圖12為用SPTS方法沉積的8 μ m Al膜的橫截面(未固定的O. 2 μ m Al+固定的7 μ m, _15°C,無偏壓);圖13顯示了對(duì)于I. 8 μ m/min Al沉積的晶片溫度與沉積的膜厚度的坐標(biāo)圖；圖14顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案(未固定的Ιμπι Al+固定的7ym，-15°C，其中對(duì)晶片加偏壓，150W)的橫截面和表面SEM ；圖15顯不了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案(未固定的O. 5 μ m Al+固定的7 μ m, _15°C,無偏壓)的橫截面和表面SEM ；圖16是對(duì)于不同的沉積方法(不同的エ藝條件)8 μ m Al膜反射率與壓板偏壓的坐標(biāo)圖；和
圖17是說明對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的應(yīng)カ偏壓曲線(對(duì)于SPTS方法，未固定的Ium+固定的7 μ m，-15°C )的坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式鑒于現(xiàn)有技術(shù)沉積方法所提出的問題，本發(fā)明人試圖獲得甚至在低溫下沉積致密、光滑無空洞的具有可調(diào)應(yīng)カ的鋁膜的方法。一般而言，他們確定了通過在固定膜之前沉積O. 5_2μπι厚度的未固定鋁籽晶(seed)層以在低ESC壓板溫度下完成沉積導(dǎo)致可接受的膜。使用該技術(shù)，證實(shí)了可抑制非常小的柱狀晶粒的形成并且改善鋁膜的組織，同時(shí)保留低的拉伸應(yīng)力。這在圖10-11中說明。薄的未固定鋁層充當(dāng)對(duì)于膜其余部分生長(zhǎng)的模板，并且抑制了非常小的強(qiáng)的柱狀晶粒組織的形成，該晶粒組織在標(biāo)準(zhǔn)固定的低溫(く 20°C )沉積中是常見的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果將未固定的籽晶層的厚度減小到低于約0.5 μ m，則可如圖12所看到的，柱狀晶粒組織開始重構(gòu)(reassert)自身，并且膜再次變?yōu)榇植诤涂斩椿?，其中籽晶層的厚度為O. 2μπι Al?？稍趩为?dú)的模塊或同一模塊中沉積籽晶層，而使靜電卡盤切斷。沉積未固定的籽晶層的壓板溫度不是組織改變中的驅(qū)動(dòng)因素。這是因?yàn)樵谖垂潭ǖ某练e情況中，晶片溫度可提高到比壓板溫度高得多的溫度，這都是由于等離子熱和沉積的潛熱所致。圖13顯示了未固定的全厚度Si晶片在I. 8 μ m/min鋁膜沉積下的晶片溫度。晶片溫度在I μ m沉積結(jié)束時(shí)提高到> 200°C，并且在8μπι沉積結(jié)束時(shí)可接近 350°C。如果在同一模塊中加工晶片，可由先前的冷卻來冷卻靜電卡盤。
然而，如果晶片與壓板處于良好的熱接觸(即其被固定)，則將通常僅移除由沉積產(chǎn)生的固有的熱，并且存在從系統(tǒng)移除熱能的主動(dòng)冷卻的ー些源。該釋放使得發(fā)明人能夠在與厚鋁膜的其余部分相同的低溫壓板上沉積籽晶層。如從圖7可看到的，使用預(yù)熱站提高初始晶片溫度對(duì)于獲得較好品質(zhì)是有用的，但是必要的晶片溫度通常太高。這也是具有結(jié)果成本和時(shí)間含義的另一加工步驟。使用以上給出的上述基本方法，通過在固定期間施加RF偏壓仍然可將應(yīng)カ控制到低至 IOOMPa(壓縮性)，并且同時(shí)可獲得致密的光滑膜。偏壓的效果在圖14和15中說明。膜組織的改善還可通過膜反射率來說明。在圖16中將可看到其隨著未固定的籽晶層的厚度増加而增加。反射率測(cè)量是鋁膜的表面粗糙度的指示。將注意到，冷的固定膜固有地很粗糙并且顯示與較光滑的未固定的鋁膜相比低得多的反射率。圖17顯示了對(duì)于使用本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案(即Iym未固定籽晶層和7μηι固定的籽晶層)沉積的8μηι Al膜的應(yīng)カ與壓板RF的關(guān)系。對(duì)于具有未固定的籽晶的新方法的可調(diào)應(yīng)カ范圍與對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的、冷的固定的Al膜所獲得的是可比的。然而，如前面所討論的，在整個(gè)應(yīng)カ范圍內(nèi)維持較致密的無空洞的晶粒組織使得該方法非常適合用于制造實(shí)際的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明因此提供了在低溫下以形成光滑、致密、無空洞的膜的方式沉積鋁的簡(jiǎn)單 方法，該膜從低拉伸到壓縮的應(yīng)カ可調(diào)。該方法可在低于(TC的沉積溫度下形成。在低至 IOOMPa(壓縮性)的范圍內(nèi)獲得應(yīng)カ調(diào)節(jié)，同時(shí)在固定的沉積步驟期間施加RF偏壓。在整個(gè)應(yīng)カ范圍內(nèi)并且使用低至O. 5μπι厚度的籽晶層，保留了對(duì)于器件制造有利的晶體組織。將理解，無論是否需要應(yīng)カ調(diào)節(jié)，使用該基本方法的改善的膜的好處是有利的。
權(quán)利要求
1.一種在薄基材上沉積鋁膜的方法，其包括 (a)將基材放置在支撐體上； (b)將第一鋁層沉積到基材上，該基材處于未固定條件； (C)將基材固定到支撐體上，并且沉積與第一層連續(xù)的第二鋁層，其中第二層比第一層厚，并且在 < 22°C的基材溫度下沉積第二層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中在固定期間對(duì)支撐體提供RF偏壓。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中RF功率為100瓦-500瓦。
4.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中第一層為約O.5-2 μ m厚。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中第二層為約7μπι厚。
6.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中第一層與第二層的厚度比例為1:3-1: 15。
7.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中沉積步驟在不同的支撐體上發(fā)生。
8.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在同一支撐體上進(jìn)行沉積步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中第二沉積步驟與第一沉積步驟連續(xù)，并且由基材的固定所引發(fā)。
10.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中基材為<250 μ m厚。
11.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中基材為硅晶片。
12.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中基材溫度為 <20°C。
13.如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中鋁合金為Al(Cu、Si (@< 5% ))。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沉積鋁層的方法。特別地，本發(fā)明涉及在薄基材上沉積鋁層或鋁膜。本發(fā)明包括將基材放置在支撐體上；將第一鋁層沉積到基材上，該基材處于未固定條件；將基材固定到支撐體上，并且沉積與第一層連續(xù)的第二鋁層，其中第二層比第一層厚，并且在小于22℃的基材溫度下沉積第二層。
文檔編號(hào)B29C65/56GK102646577SQ20121003505
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者R·辛德曼, S·伯吉斯 申請(qǐng)人:Spts技術(shù)有限公司