隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,半導(dǎo)體器件的種類不斷增多.原始點(diǎn)接觸晶體管、合金晶體管、合金擴(kuò)散晶體管、臺(tái)面晶體管、硅平面晶體管、TTL集成電路和N溝硅柵平面MOS集成電路等,其制造工藝及工藝之間的各道工序也有所差別.在硅平面晶體管工藝過(guò)程中,電較材料的制備技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝,典型的制備技術(shù)主要有兩類:一類是電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù),另一類是磁控濺射鍍膜方法.長(zhǎng)期以來(lái),在生產(chǎn)實(shí)踐中由于電子束蒸發(fā)與磁控濺射這兩種方法制備晶體管微電較各具優(yōu)勢(shì),而且各自采用的設(shè)備和工藝不同,因而其產(chǎn)品質(zhì)量孰優(yōu)孰劣一直存在爭(zhēng)論.本文就這一問(wèn)題展開(kāi)研究,詳細(xì)分析了常用電較材料Al通過(guò)這兩種方法制備成薄膜電較的膜厚控制、附著力、致密性、電導(dǎo)率和折射率等重要性能指標(biāo),測(cè)試結(jié)果分析表明磁控濺射鋁膜的綜合性能優(yōu)于電子束蒸發(fā).
一:實(shí)驗(yàn)設(shè)備及優(yōu)化工藝參數(shù)
1.電子束蒸發(fā)設(shè)備及優(yōu)化工藝參數(shù)選用CHA-600型電子束蒸發(fā)臺(tái).它主要由真空鍍膜室、真空系統(tǒng)和真空測(cè)量?jī)x器的一部分構(gòu)成.真空鍍膜室主要由鐘罩、球面行星轉(zhuǎn)動(dòng)基片架、基片烘烤裝置、磁偏轉(zhuǎn)電子槍、蒸發(fā)檔板及加熱裝置等構(gòu)件所組成;真空系統(tǒng)主要由機(jī)械泵的冷凝泵組成,選用冷凝泵可以更容易地抽到高真空狀態(tài),避免了油擴(kuò)散泵返油而產(chǎn)生污染真空室的現(xiàn)象;用離子規(guī)來(lái)測(cè)量真空度.坩堝選用石墨坩堝,避免了坩堝與Al反應(yīng)生成化合物而污染Al膜,坩堝的位置處在行星架的球心位置,從而保證成膜厚度的均勻性.蒸鍍過(guò)程中膜厚的測(cè)量選用石英晶體膜厚監(jiān)控儀.電子束蒸發(fā)鍍Al的典型工藝參數(shù)為:真空度:2.6×10-4Pa;蒸發(fā)速率:20-2高等/s;基片溫度:120°C;蒸距:1125px;蒸發(fā)時(shí)間:25min;電子槍電壓:9Kv;電子槍電流:0.2A.
2.濺射設(shè)備及優(yōu)化工藝參數(shù)選用ILC-1012MARKⅡ1012濺射裝置;操作簡(jiǎn)單,并能保證產(chǎn)品質(zhì)量的均一性.此濺射臺(tái)主要由片盒卸室SL,片盒交換室TL,清洗室CL和濺射成膜室SP組成.所有濺射過(guò)程都是在這四個(gè)室中完成的,避免了空氣和雜質(zhì)的污染,能夠獲得高質(zhì)量的膜層.磁控濺射鍍Al的典型工藝參數(shù)為:本底真空度1.3×10-4Pa以下;濺射速率:8000A/min或者10000A/min基片溫度:200°C;靶-基距:125px;陰較電壓:420V(在300-600V之間);電流:13A;濺射真空度:0.13-1.3Pa;濺射角:5-8°;濺射時(shí)間:2min/片,具體時(shí)間視片數(shù)而定.
性能測(cè)試與分析為了獲得性能良好的半導(dǎo)體電較Al膜,我們通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù),制備了一系列性能優(yōu)越的Al薄膜.通過(guò)理論計(jì)算和性能測(cè)試,分析比較了電子束蒸發(fā)與磁控濺射兩種方法制備Al膜的
二:特點(diǎn).
1.膜厚嚴(yán)格控制發(fā)Al膜的厚度是十分重要的,因?yàn)锳l膜的厚度將直接影響Al膜的其它性能,從而影響半導(dǎo)體器件的可靠性.對(duì)于高反壓功率管來(lái)說(shuō),它的工作電壓高,電流大,沒(méi)有一定厚度的金屬膜會(huì)造成成單位面積Al膜上電流密度過(guò)高,易燒毀.對(duì)于一般的半導(dǎo)體器件,Al層偏薄,則膜的連續(xù)性較差,呈島狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),引起壓焊引線困難,造成不易壓焊或壓焊不牢,從而影響成品率;Al層過(guò)厚,引起光刻時(shí)圖形看不清,造成腐蝕困難而且易產(chǎn)生邊緣腐蝕和"連條"現(xiàn)象.采用電子束蒸發(fā),行星機(jī)構(gòu)在沉積薄膜時(shí)均勻轉(zhuǎn)動(dòng),各個(gè)基片在沉積Al膜時(shí)的幾率均等;行星機(jī)構(gòu)的聚焦點(diǎn)在坩堝蒸發(fā)源處,各個(gè)基片在一定真空度下沉積速率幾乎相等.采用磁控濺射鍍膜方法,由于沉積電流和靶電壓可以控制,也即是濺射功率可以調(diào)節(jié)并控制,因此膜厚的可控性和重復(fù)性較好,并且可在非常大表面上獲得厚度均勻的膜層.Al膜厚度的測(cè)量可采用金屬膜厚測(cè)量?jī)x,它是根據(jù)渦流原理設(shè)計(jì)制造的無(wú)損測(cè)厚儀.根據(jù)工藝參數(shù),我們制備了一批試樣,樣品經(jīng)測(cè)試,濺射Al薄膜的平均厚度是1.825μm,電子束蒸發(fā)Al薄膜的平均厚度是1.663μm,均符合半導(dǎo)體器件電較對(duì)Al膜厚的要求(小信號(hào)為1.7±0.15μm;大功率為2.5±0.3μm.為了更進(jìn)一步地觀測(cè)膜厚及表面形貌,樣品放入環(huán)境掃描電子顯微鏡philipsXL30-ESEM中進(jìn)行觀測(cè),并根據(jù)視頻打印機(jī)輸出的SEM圖片可以看出,電子束蒸發(fā)的膜厚分散度非常大,即均勻性較差.
2.附著力附著力反映了Al膜與基片之間的相互作用力,也是保證器件經(jīng)久耐用的重要因素.濺射原子能量比蒸發(fā)原子能量高1-2個(gè)數(shù)量級(jí).高能量的濺射原子沉積在基片上進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換比蒸發(fā)原子高得多,產(chǎn)生較高的熱能,部分高能量的濺射原子產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象,在基片上形成一層濺射原子與基片原子相互溶合的偽擴(kuò)散層,而且,在成膜過(guò)程中基片始終在等離子區(qū)中被清洗和激活,清除了附著力不強(qiáng)的濺射原子,凈化且激活基片表面,增強(qiáng)了濺射原子與基片的附著力,因而濺射Al膜與基片的附著力較高.測(cè)定附著力所采用的方法是測(cè)量Al膜從基片上剝離時(shí)所需要的力或者能量,我們采用剝離水法來(lái)測(cè)定附著力.設(shè)薄膜單位面積的附著能為γ,則寬度為b,長(zhǎng)度為a的薄膜的總附著能E=abγ(1)用于剝離該薄膜的力F所作的功Wp=Fa(1-sin(θ))(2)如果是靜態(tài)剝離并忽略薄膜彎曲時(shí)所產(chǎn)生的彈性能,則F所作的功近似等于薄膜的總附著能,即Wp=E,于是F=bγ/(1-sin(θ))(3)(3)式中F隨著θ角的變化而變化,不能真實(shí)反映薄膜的附著性能.當(dāng)所加剝離力與薄膜垂直,即θ=0°時(shí),則式簡(jiǎn)化為F=bγ(4)根據(jù)測(cè)量所得的F便可計(jì)算出附著能γ=F/b.如果要直接計(jì)算單位長(zhǎng)度的附著力f,根據(jù)定義并采用上述方法(θ=0°)進(jìn)行剝離可得f=γ.可見(jiàn),附著力的大小和附著能γ的數(shù)據(jù)相同,由于Al膜的附著能γ較高,所以其附著力非常大.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)是:濺射Al膜的平均附著力25N,電子束蒸發(fā)Al膜的平均附著力為9.8N.這些數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)論一致.
3.致密性考慮Al膜的致密性就相當(dāng)于考慮Al膜的晶粒的大小,密度以及能達(dá)到均勻化的程度,因?yàn)樗仓苯佑绊慉l膜的其它性能,進(jìn)而影響半導(dǎo)體嘩啦的性能.氣相沉積的多晶Al膜的晶粒尺寸隨著沉積過(guò)程中吸附原子或原子團(tuán)在基片表面遷移率的增加而增加.由此可以看出Al膜的晶粒尺寸的大小將取決環(huán)于基片溫度、沉積速度、氣相原子在平行基片方面的速度分量、基片表面光潔度和化學(xué)活性等因素.由于電子束蒸發(fā)的基片溫度Ts=120°C,蒸發(fā)速率20-2高等/s,蒸汽Al原子的能量為0.1-0.3eV,而濺射的基片溫度Ts=120°C,濺射速率8000A/min(133.3A/s)或10000A/min(166.7A/s),濺射閾為13eV,濺射Al原子的能量比電子束蒸發(fā)的Al原子能量高1-2個(gè)數(shù)量級(jí),所以電子束蒸發(fā)的Al原子碰到基片,很快失去能量,且遷移率很小,故原子在表面上重新排列較困難,即沉積的地方就是定位的地方成原子之間的空隙非常大,有面粗糙度很大;濺射的基片溫度較高,Al原子能量也較高,在而基片表面的原子遷移率加大,使得薄膜表面橫向動(dòng)能非常大,易于連結(jié)殂成光滑的表面,穩(wěn)定性較高,晶粒非常大,原子間距較小,因而形成的薄膜表面粗糙方減小.通過(guò)環(huán)境掃描電子顯微鏡philipsXL30-ESEM觀測(cè),并分析兩種Al膜的晶粒大小及表面形貌的SEM照片也能驗(yàn)證這一結(jié)論,電子束蒸發(fā)的平均粒徑為266.8nm,濺射的平均粒徑為1.528μm,雖然電子束蒸發(fā)Al膜的粒徑明顯小于濺射的Al薄膜,但是電子束蒸發(fā)的Al原子較終不得靠得很近,當(dāng)中存在很多間隙,而且濺射的Al原子相互靠得很緊,從側(cè)面觀測(cè),濺射的Al膜平滑而且色澤光亮,說(shuō)明濺射Al膜的致密較好.濺射的晶粒非常大還有一個(gè)好處,減小了晶界面積,從而減少電遷移短路通道的數(shù)目,有利于增強(qiáng)Al膜的抗電遷移能力,延長(zhǎng)Al膜的平均壽命.但晶粒尺寸不可太大,否則影響Al膜細(xì)線條圖形的光刻質(zhì)量.同時(shí),濺射的Al膜晶粒雖大,但可以通過(guò)的后面的熱處理使之細(xì)化并使性能更加優(yōu)越.
4.電導(dǎo)率金屬與半導(dǎo)體接觸并非一定能夠形成一個(gè)純電阻性接觸.如果接觸電阻太大,即電阻率低,則外加的信號(hào)電壓就會(huì)有相當(dāng)大的一部分降落在接觸電阻上,造成不必要的電壓降和功率損耗,所以要想獲得低阻的歐姆接觸,膜層的電阻率應(yīng)盡量小,電導(dǎo)率應(yīng)盡量高.Al膜的電阻率與Al塊材的非常接近.電阻率隨結(jié)晶粒徑的減小而增加.由于電子束蒸發(fā)Al膜的結(jié)晶粒徑明顯小于濺射,所以濺射的電阻率小于電子束蒸發(fā),其電導(dǎo)率較高.
5.折射率折射率一般可以反映薄膜的致密程度,隨致密程度的增加而增加,而我們所制備的電較引線Al膜要求致密性好,這就可能通過(guò)測(cè)試折射率的大小來(lái)定性地判斷Al膜的致密性.而折射率可以通過(guò)反射率間接地?fù)Q算得到.金屬膜的特性一般用折射率NM=n-ik來(lái)表征,設(shè)金屬膜厚度為dM,折射率為NM=n-ik,位相厚度為δM=2πNMdM/λ,若考慮垂直入射,金屬膜與Si基底的組合導(dǎo)納為YM=((ngcos(δM)+iNMsin(δM))/(cos(δM)+isin(δM)ng/NM)=YM(1)+iYM(2)(5)從而整個(gè)結(jié)構(gòu)的反射率為RM=|(n0-YM)/(n0+YM)|2={[(n0-YM(1))]2+[YM(1)]2}/{[(n0+YM(1))]2+[YM(1)]2}(6)但其描述和計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜,故可以有下面的描述和計(jì)算代替.當(dāng)光束垂直入射到單層薄膜有面時(shí),反射率RM=(n0n2-NM2)/(n0n2+NM2)(7)則NM={[(1-RM)/(1+RM)]n0n2}1/2(8)式中RM--反射率n0--空氣的反射率NM--Al膜的折射率n2--Si片的折射率(約為3.5)只要準(zhǔn)確測(cè)出垂直入射的反射率RM就可以求出Al膜的反射率NM.通過(guò)日本島津生產(chǎn)的UV3101型分光光度計(jì)測(cè)得的在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率可知,在可見(jiàn)光400-760nm范圍內(nèi),Al膜的反射率11#樣品為RM=0.82,8#樣品為RM=0.83,通過(guò)(7)、(8)式計(jì)算,得出Al薄膜的反射率NM:8#樣品為NM=0.702,11#樣品為NM=0.688.雖然,濺射Al膜的折射率大于電子束蒸發(fā)的Al膜,濺射Al膜的致密性比電子束蒸發(fā)好.
三:結(jié)論
電子束蒸發(fā)和磁控濺射制Al膜是半導(dǎo)體器件電較制備生產(chǎn)中常用的兩種方法,通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)分析,并對(duì)樣品進(jìn)行了膜厚、附著力、致密性,電導(dǎo)率、折射率等指標(biāo)的綜合測(cè)試,實(shí)驗(yàn)表明:電子束蒸發(fā)制得的Al薄膜厚度的可控性和重復(fù)性較差及分散度非常大;Al薄膜與Si基片的附著力較小;Al薄膜的晶粒雖小,但很疏松,導(dǎo)致其致密性較差;Al膜的電導(dǎo)率、折射率較塊狀A(yù)l材小得多.而磁控濺射制得的Al膜的性能指標(biāo)則比電子束蒸發(fā)的指標(biāo)優(yōu)越.實(shí)踐證明,磁控濺射方法制備的Al薄膜的綜合性能優(yōu)于電子束蒸發(fā),所以在生產(chǎn)實(shí)踐中絕大多數(shù)采用磁控濺射沉積半導(dǎo)體電較材料,這也是半導(dǎo)體行業(yè)中薄膜行業(yè)的發(fā)展方向.
四:此外,濺射還可以解決電子束蒸發(fā)帶來(lái)的三個(gè)問(wèn)題:
1.臺(tái)階覆蓋度.一般器件的圖形尺寸為2--3μm或更小,要求在1μm左右高的臺(tái)階部位盡量能鍍覆膜厚均勻的金屬鍍層.采用電子束蒸發(fā)和行星回旋式基片架機(jī)構(gòu)組成的裝置,難以得到十分理想的覆蓋度.
2.合金膜的成分控制.隨著圓形的微細(xì)化,為確?？煽啃圆⑻岣叱善仿什捎肁l-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu等Al合金膜代替純金屬Al膜.如果采用電子束蒸發(fā)來(lái)制取合金膜,由于組分蒸氣壓不同會(huì)引起分解,很難控制合金膜使其達(dá)到所要求的成分.
3.裝卡基片復(fù)雜,難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.在高度復(fù)雜的元器件制造工藝中,為提高可靠性和重復(fù)性,應(yīng)盡量減少人工操作,提高自動(dòng)化操作水閏.采用電子束蒸發(fā),行星回旋式支架上只能一個(gè)一個(gè)地裝卡Si片,而且只能采取單批式蒸鍍.因此,難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作.
