隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件的種類不斷增多。原始點接觸晶體管、合金晶體管、合金擴散晶體管、臺面晶體管、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程中，電較材料的制備技術(shù)是一項關(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。長期以來，在生產(chǎn)實踐中由于電了束蒸發(fā)與磁控濺射這兩種方法制備晶體管微電較各具優(yōu)勢，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)孰次一直存在爭論。本文就這一問題展開研究，詳細分析了常用電較材料Al通過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，測試結(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)。

1、實驗設(shè)備及優(yōu)化工藝參數(shù)1.1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。它主要由真空鍍膜室、真空系統(tǒng)和真空測量儀器的一部分構(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)，避免了油擴散泵返油而產(chǎn)生污染真空室的現(xiàn)象;用離子規(guī)來測量真空度。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。蒸鍍過程中膜厚的測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)時間：25min;電子槍電壓：9Kv;電子槍電流：0.2A。1.2濺射設(shè)備及優(yōu)化工藝參數(shù)選用ILC-1012MARKⅡ1012濺射裝置;操作簡單，并能保證產(chǎn)品質(zhì)量的均一性。此濺射臺主要由片盒卸室SL，片盒交換室TL，清洗室CL和濺射成膜室SP組成。所有濺射過程都是在這四個室中完成的，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°;濺射時間：2min/片，具體時間視片數(shù)而定。2、性能測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。通過理論計算和性能測試，分析比較了電子束蒸發(fā)與磁控濺射兩種方法制備Al膜的特點。2.1膜厚嚴格控制發(fā)Al膜的厚度是十分重要的，因為Al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。對于高反壓功率管來說，它的工作電壓高，電流大，沒有一定厚度的金屬膜會造成成單位面積Al膜上電流密度過高，易燒毀。對于一般的半導(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層過厚，引起光刻時圖形看不清，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)，行星機構(gòu)在沉積薄膜時均勻轉(zhuǎn)動，各個基片在沉積Al膜時的幾率均等;行星機構(gòu)的聚焦點在坩堝蒸發(fā)源處，各個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膜厚度的測量可采用金屬膜厚測量儀，它是根據(jù)渦流原理設(shè)計制造的無損測厚儀。根據(jù)工藝參數(shù)，我們制備了一批試樣，樣品經(jīng)測試，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Al膜厚的要求(小信號為1.7±0.15μm;大功率為2.5±0.3μm。為了更進一步地觀測膜厚及表面形貌，樣品放入環(huán)境掃描電子顯微鏡philipsXL30-ESEM中進行觀測，并根據(jù)視頻打印機輸出的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。2.2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個數(shù)量級。高能量的濺射原子沉積在基片上進行的能量轉(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了相互溶合的偽擴散層，而且，在成膜過程中基片始終在等離子區(qū)中被清洗，清理了附著力不強的濺射原子，凈化基片表面，增強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。測定附著力所采用的方法是測量Al膜從基片上剝離時所需要的力或者能量，我們采用剝離水法來測定附著力。設(shè)薄膜單位面積的附著能為γ，則寬度為b,長度為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，不能真實反映薄膜的附著性能。當所加剝離力與薄膜垂直，即θ=0°時，則式簡化為F=bγ(4)根據(jù)測量所得的F便可計算出附著能γ=F/b。如果要直接計算單位長度的附著力f，根據(jù)定義并采用上述方法(θ=0°)進行剝離可得f=γ?？梢?，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。實驗測得的數(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。2.3致密性考慮Al膜的致密性就相當于考慮Al膜的晶粒的大小，密度以及能達到均勻化的程度，因為它也直接影響Al膜的其它性能，進而影響半導(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程中吸附原子或原子團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原了能量高1—2個數(shù)量級，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芳減小。通過環(huán)境掃描電子顯微鏡philipsXL30-ESEM觀測，并分析兩種Al膜的晶粒大小及表面形貌的SEM照片也能驗證這一結(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，濺射的Al膜平滑而且色澤光亮，說明濺射Al膜的致密較好。

濺射的晶粒非常大還有一個好處，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Al膜的抗電遷移能力，延長Al膜的平均壽命。但晶粒尺寸不可太大，否則影響Al膜細線條圖形的光刻質(zhì)量。同時，濺射的Al膜晶粒雖大，但可以通過的后面的熱處理使之細化并使性能更加優(yōu)越。2.4電導(dǎo)率金屬與半導(dǎo)體接觸并非一定能夠形成一個純電阻性接觸。如果接觸電阻太大，即電阻率低，則外加的信號電壓就會有相當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。2.5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，這就可能通過測試折射率的大小來定性地判斷Al膜的致密性。而折射率可以通過反射率間接地換算得到。金屬膜的特性一般用折射率NM=n-ik來表征，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)但其描述和計算過程過于復(fù)雜，故可以有下面的描述和計算代替。當光束垂直入射到單層薄膜有面時，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)只要準確測出垂直入射的反射率RM就可以求出Al膜的反射率NM。通過日本島津生產(chǎn)的UV3101型分光光度計測得的在不同波長范圍內(nèi)的反射率可知，在可見光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(7)、(8)式計算，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。3、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，通過理論與實驗分析，并對樣品進行了膜厚、附著力、致密性，電導(dǎo)率、折射率等指標的綜合測試，實驗表明：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膜的性能指標則比電子束蒸發(fā)的指標優(yōu)越。實踐證明，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。此外，濺射還可以解決電子束蒸發(fā)帶來的三個問題：①臺階覆蓋度。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)來制取合金膜，由于組分蒸氣壓不同會引起分解，很難控制合金膜使其達到所要求的成分。③裝卡基片復(fù)雜，難于實現(xiàn)自動化。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一個地裝卡Si片，而且只能采取單批式蒸鍍。
【返回列表】