BAK蒸發(fā)臺(tái)金屬薄膜分層臺(tái)階現(xiàn)象探究

解 晗，夏久龍，申 強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

半導(dǎo)體領(lǐng)域蒸發(fā)工藝采用自動(dòng)化蒸發(fā)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。首先為蒸發(fā)臺(tái)建立高真空環(huán)境，通過對(duì)坩堝內(nèi)目標(biāo)材料源迅速加熱使其熔化為液態(tài)，使一部分原子蒸發(fā)為氣態(tài)逃逸至高真空腔體，最終沉積在晶圓上。從宏觀角度看，蒸發(fā)是物體由固態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，再由氣態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的物理過程。在微觀角度上，則是被蒸發(fā)的高能原子在高真空環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)并最終被附著的過程。蒸發(fā)工藝真空度一般要求為1e-4 Pa及以下，此時(shí)腔體內(nèi)原子的平均自由程可達(dá)到50 m，遠(yuǎn)大于腔體內(nèi)坩堝與晶圓之間的距離（0.58 m左右）。在這種情況下，原子在腔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)相互碰撞的概率極低，可認(rèn)為蒸發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡為無(wú)碰撞直線運(yùn)動(dòng)，被蒸發(fā)原子以坩堝為基點(diǎn)呈發(fā)散放射狀擴(kuò)散至腔體內(nèi)[1]。

1 問題分析

針對(duì)BAK雙源蒸發(fā)臺(tái)用于元器件金屬電極蒸發(fā)工藝，薄膜質(zhì)量對(duì)器件性能的影響尤為重要。晶圓被放置在腔體頂部行星盤的空心槽內(nèi)，在蒸發(fā)過程中行星盤會(huì)以一定速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)晶圓和坩堝之間有一塊平面擋板作為均勻性校正板。

在實(shí)際鍍膜過程中，金屬薄膜邊緣存在臺(tái)階分層現(xiàn)象，在掃描電子顯微鏡下觀察金屬薄膜形貌如圖1所示，薄膜上有明顯的分層痕跡且痕跡間偏移量在100～700 nm不等。此金屬圖形化工藝形成的薄膜包括4層金屬，分置在2個(gè)坩堝源內(nèi)。

圖1 金屬薄膜的分層臺(tái)階現(xiàn)象

作為lift-off工藝的一部分，在蒸發(fā)之前，晶圓上會(huì)涂布一層一定厚度的光刻膠。帶膠的晶圓經(jīng)過蒸發(fā)后再剝離形成薄膜層。在蒸發(fā)過程中原子沿直線擴(kuò)散到晶圓，考慮到光刻膠層的阻擋，有一部分區(qū)域會(huì)被遮擋而不會(huì)產(chǎn)生原子附著沉積。初步分析多金屬層間的臺(tái)階偏移和蒸發(fā)角度有一定關(guān)系。而蒸發(fā)角度變化也有多重因素產(chǎn)生。

2 實(shí)驗(yàn)推斷

2.1 坩堝襯位轉(zhuǎn)動(dòng)偏差

蒸發(fā)的4種金屬源被分在2個(gè)坩堝，每個(gè)坩堝蒸發(fā)2種金屬，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至合適坩堝襯位，對(duì)每個(gè)金屬源實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)。每個(gè)坩堝襯位由電機(jī)控制，電機(jī)旋轉(zhuǎn)精度以及傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)精度和齒輪回差影響襯位位置精度。若每次轉(zhuǎn)動(dòng)后源位置發(fā)現(xiàn)細(xì)微變化，則會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)時(shí)蒸發(fā)角度發(fā)生變化，進(jìn)而圖形偏移。

如圖2所示，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)切換不同坩堝襯位A的位置，并通過坩堝蓋板B預(yù)留開口實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中的精度誤差會(huì)產(chǎn)生坩堝襯位位置偏差C，該偏差在多層金屬蒸發(fā)工藝中不可避免。

圖2 坩堝襯位轉(zhuǎn)動(dòng)偏差

不同坩堝襯位之間的最大位置偏差C約等于2.5 mm，被蒸發(fā)原子在腔體中為直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)合晶圓上光刻膠掩膜厚度1.26μm，晶圓距離坩堝襯位垂直高度600 mm，按照比例關(guān)系可得出晶圓上多層薄膜理論偏差為5.3 nm左右，如圖3所示。該偏差數(shù)值僅為實(shí)際存在偏差的1%左右，故判斷此因素不是臺(tái)階分層現(xiàn)象的主要原因。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在沒有坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)切換襯位的前提下，只在左坩堝蒸發(fā)單層金屬鈦，右坩堝蒸發(fā)單層金屬鎳，蒸發(fā)工藝后掃描電鏡SEM拍攝顯示結(jié)果如圖4所示。

圖3 坩堝襯位偏差與晶圓上臺(tái)階偏移的關(guān)系

圖4 坩堝襯位未經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)情況下蒸發(fā)薄膜SEM圖

由圖4可知，金屬薄膜仍然存在分層，且偏移量沒有好轉(zhuǎn)。驗(yàn)證了坩堝襯位轉(zhuǎn)動(dòng)偏差對(duì)金屬薄膜分層沒有決定性影響。

2.2 蒸發(fā)模塊相對(duì)位置的偏差

在蒸發(fā)過程中如果左右兩個(gè)蒸發(fā)模塊和蒸發(fā)口之間的準(zhǔn)直性不夠匹配，蒸發(fā)模塊內(nèi)坩堝與晶圓的相對(duì)位置不精確，也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)角度變化，產(chǎn)生金屬層偏移。

如圖5所示，左右兩個(gè)蒸發(fā)模塊的整體位置可調(diào)，單個(gè)模塊最大移動(dòng)量在10 mm左右，則兩個(gè)模塊間最大偏移量為20 mm。正常使用情況下，偏移量遠(yuǎn)小于該值。由此可知其引起的偏差最大不會(huì)超過42 nm，只占到實(shí)際偏差10%左右，與實(shí)際偏差量差了一個(gè)數(shù)量級(jí)，故坩堝位置偏差是應(yīng)該金屬臺(tái)階分層的次要影響因素。

圖5 蒸發(fā)模塊與均勻性擋板、載片之間位置關(guān)系

調(diào)整蒸發(fā)模塊的整體位置，盡量將相對(duì)位置偏差降到最低。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仍然只通過左坩堝蒸發(fā)單層金屬鈦，右坩堝蒸發(fā)單層金屬鎳。所得結(jié)果如圖6所示，偏移量有輕微減小，但仍然有數(shù)百納米的偏移層。

圖6 調(diào)整蒸發(fā)模塊后蒸發(fā)薄膜SEM圖

2.3 均勻性擋板蒸發(fā)通道徑向偏移

均勻性擋板是為了校正各個(gè)蒸發(fā)角度上金屬的蒸發(fā)量而設(shè)計(jì)，放置于晶圓與蒸發(fā)源之間，保證晶圓上蒸發(fā)薄膜的均勻性。BAK蒸發(fā)臺(tái)所用均勻性擋板上存在兩處蒸發(fā)通道開口，一處位于坩堝垂直正上方位置，另一處位于蒸發(fā)臺(tái)輔助離子銑位置，該位置與坩堝－晶圓連線存在一定的徑向偏移。在工藝過程中擋板上實(shí)際有兩個(gè)開口區(qū)域是晶圓的有效鍍膜區(qū)域。

坩堝可以看作是一個(gè)小平面的蒸發(fā)源S，晶圓放置在平行平面A的行星盤上。坩堝垂直方向上的蒸發(fā)點(diǎn)為O，離子銑處蒸發(fā)點(diǎn)為P。這是一個(gè)典型的小平面源對(duì)平行平面蒸發(fā)的模型[2]，如圖7所示。

圖7 小平面源對(duì)平行平面蒸發(fā)模型簡(jiǎn)圖

小平面蒸發(fā)源S以每秒m克的速率，將密度為ρ的材料蒸發(fā)至平行平面A的某一位置P。源到受蒸發(fā)平面A的垂線為h，垂足O與受蒸發(fā)位置P的距離為b，蒸發(fā)源與受蒸發(fā)點(diǎn)的距離為r，h與r的夾角為φ。受蒸發(fā)位置P的蒸發(fā)膜厚t可由式(1)得出：

其中cosφ=h/r，r2=h2+b2；

由公式可知P點(diǎn)的蒸發(fā)膜厚：

蒸發(fā)源垂足點(diǎn)O（b=0 mm）的蒸發(fā)膜厚：

比較可知平行平面的任意一點(diǎn)與垂足點(diǎn)蒸發(fā)速率比可由式(4)計(jì)算：

經(jīng)測(cè)量，輔助離子銑開口處P的位置參數(shù)：

代入式(4)計(jì)算可知蒸發(fā)速率比：

離子銑開口處P的蒸發(fā)速率是坩堝正上方O蒸發(fā)速率的0.39倍。因?yàn)閮商庨_口的大小一致，蒸膜的厚度亦可用速率衡量。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，將金屬層有偏移的晶圓放在聚焦離子束（FIB）下切斷面，SEM觀察結(jié)果如圖8所示。

圖8 薄膜分層臺(tái)階橫截面SEM圖

根據(jù)之前的分析可知，D4所標(biāo)位置只能在坩堝正上方開口處鍍膜，在離子銑開口處由于蒸發(fā)角因素被遮擋，蒸發(fā)速率為to，D1處在上述兩處都可以實(shí)現(xiàn)鍍膜，蒸發(fā)速率為to+tp，如圖9所示。

圖9 薄膜分層臺(tái)階橫截面簡(jiǎn)圖

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果D1和D4處的蒸發(fā)速率比為：

經(jīng)過FIB及SEM測(cè)量，實(shí)際結(jié)果顯示D1處薄膜厚度304.54 nm，D4處薄膜厚度222.55 nm，故實(shí)際速率比為1.37，模型理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相似度達(dá)98%，基本符合實(shí)際情況。由此可知，晶圓在徑向偏移的蒸發(fā)通道開口處因?yàn)檎舭l(fā)角度和光刻膠厚度的綜合影響，蒸發(fā)原子無(wú)法在D4處沉積鍍膜，這就和D1處形成了沉積薄膜厚度上的差別，從而造成了薄膜的臺(tái)階分層現(xiàn)象。

坩堝中蒸發(fā)原子是按直線運(yùn)動(dòng)，所以出現(xiàn)偏移的位移量和坩堝與晶圓的橫向距離呈比例關(guān)系，同時(shí)還與光刻膠厚度、晶圓擺放的角度有關(guān)。

為了驗(yàn)證結(jié)論，將均勻性擋板輔助離子銑開口處封堵上，單獨(dú)用坩堝垂直上方的開口做蒸發(fā)工藝，SEM掃描結(jié)果如圖10所示。

圖10 調(diào)整均勻性擋板蒸發(fā)通道徑向偏移后蒸發(fā)薄膜SEM圖

由圖10可知，排除了均勻性擋板蒸發(fā)通道徑向偏移后，金屬邊緣的分層現(xiàn)象已經(jīng)消失并且邊緣斜度保持在合理范圍內(nèi)，符合工藝所要求的形貌條件。

3 結(jié) 論

經(jīng)過一系列的理論分析和工藝實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：（1）均勻性擋板輔助離子銑處開口設(shè)計(jì)不合理，出現(xiàn)蒸發(fā)通道徑向偏移，進(jìn)而導(dǎo)致金屬薄膜臺(tái)階分層；（2）坩堝襯位轉(zhuǎn)動(dòng)偏差和蒸發(fā)模塊相對(duì)位置的偏差對(duì)薄膜分層的影響非常小，在完成坩堝襯位和蒸發(fā)模塊位置校準(zhǔn)后可最大限度降低影響；（3）對(duì)于包含輔助離子銑裝置的蒸發(fā)設(shè)備可以通過設(shè)置聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)擋板保證蒸發(fā)鍍膜時(shí)開口的封閉，杜絕了蒸發(fā)開口角度的差異和金屬薄膜分層現(xiàn)象。

通過對(duì)各項(xiàng)影響鍍膜形貌的因素進(jìn)行探討，確定了導(dǎo)致蒸發(fā)金屬邊緣分層現(xiàn)象的原因并給出了解決方案。對(duì)機(jī)臺(tái)的原設(shè)計(jì)做了部分優(yōu)化改造，徹底解決了蒸發(fā)金屬薄膜的分層現(xiàn)象，保證了金屬化相關(guān)工藝的鍍膜質(zhì)量和器件可靠性。