专利名称：沉积铝层的方法
技术领域：
本发明涉及在薄基材上沉积铝层或铝膜。
背景技术：
在许多应用 中，硅晶片需要在其上沉积厚铝层。例如，当由晶片形成的器件包括高功率晶体管吋，为了处理这些器件所固有的非常高的电流密度，厚铝层作为接触层可为必要的。通常这些器件具有竖直机构，该竖直机构具有包含ー个或多个1-20 μ m厚度的铝层的源极接点。将这些沉积到嵌于全厚度晶片上的半导体器件上(直到例如MOSFET. IGBTBipolar)。通常在晶片的背面形成漏极接点。然而，因为大部分厚度对于器件性能不是有用的，但是却对浪费功率的串联阻抗做出贡献，所以在沉积漏极接点之前将晶片从通常720μπι研磨至< 200μπι厚。这样的薄晶片非常柔软并且在由各种沉积的层诱发的应カ下经受相当大的扭曲或弯曲。已知由于膜和下面的基材的热膨胀错配，在> 20°C的温度下沉积的溅射铝层是拉伸性的。因而8μπι的溅射Al膜通常具有 60MPa的应力。下面的表I给出了在各种厚度的晶片中可诱发的弯曲。将看到对于200 Um Si晶片可诱发大约 2_的弯曲。这样的弯曲使晶片难于在随后的步骤中加工。表I :对于不同厚度的晶片使用斯托尼方程(Stoney’ s Equasion)计算的诱发的晶片弯曲
晶片厚度应カ 晶片弯曲 μ mMPa μ m
720: 60 : 154
200: 60 : 1992
100I 60 ] 7669已知通过将晶片固定到冷却的静电卡盘(chuck)在低温下溅射膜可将应カ减小到接近零。当在压板上不存在RF偏压时，对于8 μ m膜应カ和压板或卡盘温度之间的关系显示于图I中。还已知通过添加RF偏压可使应カ为压缩性的，并且这在图2中说明。然而，申请人已经确定低温固定的铝展示了不利的晶粒组织，该晶粒组织包含由相当大的空洞分隔的非常小的柱状晶粒。在图3和4中可清楚地看到这种组织，图3和图4是在两种不同的沉积速率(分别为1.8ym/min和O. 6ym/min)下于静电卡盘(ESC)上在 15°C下沉积的8 μ m铝膜的扫描电子显微图(SEM)。将容易理解，该粗糙和空洞化的晶粒组织可损害器件的电机械性质，这导致器件性能的劣化。因而除了其它缺点以外，还可存在增加的电阻率和减少的器件寿命。图5显示了未固定的8μπι铝膜的更典型的晶粒组织。将看到存在完全没有空洞的大的扁平六方晶粒。通过在Al沉积发生前立即在单独的模块中预热晶片，尝试将晶粒组织恢复到一定程度。然而，研究表明对于这为有效的晶片的起始温度需为 400°C。这由图6和7中显示的两种过程所说明。将看到，需要将晶片加热到约400°C以基本除去空洞。该温度太高而不能允许下面结构的稳定加工。提高初始晶片温度还导致Al膜的拉伸应カ增カロ，这因此变得更难以通过偏压来补偿。申请人因此确定该方法并不提供对于改善铝晶粒组织和同时维持低应カ的问题的实际解决方法。
图8和9说明了添加RF偏压将膜致密化到一定程度。如图2所示，这使得膜为压缩性的。然而，可看到这并不显著地改善晶粒组织。表面粗糙度和空洞化的问题持续直到很高的偏压。申请人:确定了沉积这样的铝和铝合金膜的方法，其克服或至少减轻了过量应力和差的晶粒组织的上述问题。
发明内容
本发明包括在薄基材上沉积铝膜或铝合金的方法，其包括a)将基材放置在支撑体上；b)将第一铝层或铝合金层沉积到基材上，该基材处于未固定条件；c)将基材固定到支撑体上，并且沉积与第一层连续的第二铝层，其中第二层比第一层厚并且优选在 < 22で或< 20°C的基材温度下沉积第二层。该方法优选包括在该方法的固定部分期间对支撑体提供RF偏压。RF功率例如可为100瓦-500瓦。第一层可为约O. 5 μ m-约2 μ m厚(优选约I μ m)且第二层可为约7 μ m厚,然而
对于ー些应用可需要更大的厚度。沉积步骤可在不同的支撑体上(例如在不同的沉积应用或模块中)发生，但是优选在同一支撑体上进行沉积步骤，在这种情况下，第二沉积步骤可与第一沉积步骤连续，并且由基材的固定所引发。如果支撑体为静电卡盘，则这是特别容易完成的。如已经说明的，基材为“薄”基材并且通常这意味着其厚度小于250μπι。基材可为娃晶片。铝合金优选为A I (Cu、Si (@ < 5% )。尽管上面已限定了本发明，但要理解本发明包括上述或在以下描述中给出的特征的任何发明组合。
本发明可以以各种方式进行，并且现在将通过举例并參考附图描述特定的实施方案，其中图I显不了固定的8 μ m Al I旲(无RF偏压)的应カ/压板温度关系图；图2显示了固定的和未固定的8μπι Al膜的应力/压板RF关系图；图3显示了在-15°C下，以I. 8 μ m/min沉积在静电卡盘上的8 μ m Al膜(无偏压)的SEM图；图4显示了在-15°C下，以O. 6 μ m/min沉积在静电卡盘上的8 μ m Al膜(无偏压)的SEM图；图5显示了以L 8 μ m/min沉积在标准压板(未固定的)上的8 μ m Al膜的SEM图，晶片温度 150°C ；
图6显示了在-15°C下，以24kW沉积在静电卡盘上的8μπι Al膜的SEM图，起始晶片温度250°C ；图7显示了在-15°C下，沉积在静电卡盘上的8μπι Al膜(无偏压)的SEM图，起始晶片温度400°C ；图8显示了在-15°C下，以1.8ym/min沉积在静电卡盘上的8μπι Al膜(100W偏压)的SEM图；图9显示了在-15°C下，以I. 8 μ m/min沉积在静电卡盘上的8 μ m Al膜(300W偏压)的SEM图；图10-12分别显示了根据本发明的实施方案制备的膜的横截面和表面视图， 其中，图10为用SPTS方法I沉积的8 μ m Al膜的横截面(未固定的I μ m Al+固定的7μπι，-15^，无偏压)，图11为用SPTS方法2沉积的8μπι Al膜的横截面(未固定的
O.5 μ m Al+固定的7 μ m, _15°C，无偏压)，图12为用SPTS方法沉积的8 μ m Al膜的横截面(未固定的O. 2 μ m Al+固定的7 μ m, _15°C,无偏压);图13显示了对于I. 8 μ m/min Al沉积的晶片温度与沉积的膜厚度的坐标图；图14显示了本发明的一个实施方案(未固定的Ιμπι Al+固定的7ym，-15°C，其中对晶片加偏压，150W)的横截面和表面SEM ；图15显不了本发明的一个实施方案(未固定的O. 5 μ m Al+固定的7 μ m, _15°C,无偏压)的横截面和表面SEM ；图16是对于不同的沉积方法(不同的エ艺条件)8 μ m Al膜反射率与压板偏压的坐标图；和
图17是说明对于本发明的一个实施方案的应カ偏压曲线(对于SPTS方法，未固定的Ium+固定的7 μ m，-15°C )的坐标图。
具体实施例方式鉴于现有技术沉积方法所提出的问题，本发明人试图获得甚至在低温下沉积致密、光滑无空洞的具有可调应カ的铝膜的方法。一般而言，他们确定了通过在固定膜之前沉积O. 5_2μπι厚度的未固定铝籽晶(seed)层以在低ESC压板温度下完成沉积导致可接受的膜。使用该技术，证实了可抑制非常小的柱状晶粒的形成并且改善铝膜的组织，同时保留低的拉伸应力。这在图10-11中说明。薄的未固定铝层充当对于膜其余部分生长的模板，并且抑制了非常小的强的柱状晶粒组织的形成，该晶粒组织在标准固定的低温(く 20°C )沉积中是常见的。已经发现如果将未固定的籽晶层的厚度减小到低于约0.5 μ m，则可如图12所看到的，柱状晶粒组织开始重构(reassert)自身，并且膜再次变为粗糙和空洞化的，其中籽晶层的厚度为O. 2μπι Al。可在单独的模块或同一模块中沉积籽晶层，而使静电卡盘切断。沉积未固定的籽晶层的压板温度不是组织改变中的驱动因素。这是因为在未固定的沉积情况中，晶片温度可提高到比压板温度高得多的温度，这都是由于等离子热和沉积的潜热所致。图13显示了未固定的全厚度Si晶片在I. 8 μ m/min铝膜沉积下的晶片温度。晶片温度在I μ m沉积结束时提高到> 200°C，并且在8μπι沉积结束时可接近 350°C。如果在同一模块中加工晶片，可由先前的冷却来冷却静电卡盘。
然而，如果晶片与压板处于良好的热接触(即其被固定)，则将通常仅移除由沉积产生的固有的热，并且存在从系统移除热能的主动冷却的ー些源。该释放使得发明人能够在与厚铝膜的其余部分相同的低温压板上沉积籽晶层。如从图7可看到的，使用预热站提高初始晶片温度对于获得较好品质是有用的，但是必要的晶片温度通常太高。这也是具有结果成本和时间含义的另一加工步骤。使用以上给出的上述基本方法，通过在固定期间施加RF偏压仍然可将应カ控制到低至 IOOMPa(压缩性)，并且同时可获得致密的光滑膜。偏压的效果在图14和15中说明。膜组织的改善还可通过膜反射率来说明。在图16中将可看到其随着未固定的籽晶层的厚度増加而增加。反射率測量是铝膜的表面粗糙度的指示。将注意到，冷的固定膜固有地很粗糙并且显示与较光滑的未固定的铝膜相比低得多的反射率。图17显示了对于使用本发明的方法的一个实施方案(即Iym未固定籽晶层和7μηι固定的籽晶层)沉积的8μηι Al膜的应カ与压板RF的关系。对于具有未固定的籽晶的新方法的可调应カ范围与对于标准的、冷的固定的Al膜所获得的是可比的。然而，如前面所讨论的，在整个应カ范围内维持较致密的无空洞的晶粒组织使得该方法非常适合用于制造实际的半导体器件。本发明因此提供了在低温下以形成光滑、致密、无空洞的膜的方式沉积铝的简单 方法，该膜从低拉伸到压缩的应カ可调。该方法可在低于(TC的沉积温度下形成。在低至 IOOMPa(压缩性)的范围内获得应カ调节，同时在固定的沉积步骤期间施加RF偏压。在整个应カ范围内并且使用低至O. 5μπι厚度的籽晶层，保留了对于器件制造有利的晶体组织。将理解，无论是否需要应カ调节，使用该基本方法的改善的膜的好处是有利的。
权利要求
1.一种在薄基材上沉积铝膜的方法，其包括 (a)将基材放置在支撑体上； (b)将第一铝层沉积到基材上，该基材处于未固定条件； (C)将基材固定到支撑体上，并且沉积与第一层连续的第二铝层，其中第二层比第一层厚，并且在 < 22°C的基材温度下沉积第二层。
2.如权利要求I所述的方法，其中在固定期间对支撑体提供RF偏压。
3.如权利要求I所述的方法，其中RF功率为100瓦-500瓦。
4.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中第一层为约O.5-2 μ m厚。
5.如权利要求4所述的方法，其中第二层为约7μπι厚。
6.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中第一层与第二层的厚度比例为1:3-1: 15。
7.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中沉积步骤在不同的支撑体上发生。
8.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中在同一支撑体上进行沉积步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中第二沉积步骤与第一沉积步骤连续，并且由基材的固定所引发。
10.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中基材为<250 μ m厚。
11.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中基材为硅晶片。
12.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中基材温度为 <20°C。
13.如在前权利要求中任一项所述的方法，其中铝合金为Al(Cu、Si (@< 5% ))。
全文摘要
本发明涉及一种沉积铝层的方法。特别地，本发明涉及在薄基材上沉积铝层或铝膜。本发明包括将基材放置在支撑体上；将第一铝层沉积到基材上，该基材处于未固定条件；将基材固定到支撑体上，并且沉积与第一层连续的第二铝层，其中第二层比第一层厚，并且在小于22℃的基材温度下沉积第二层。
文档编号B29C65/56GK102646577SQ20121003505
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者R·辛德曼, S·伯吉斯 申请人:Spts技术有限公司