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(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)孰次一直存在爭(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)。

1、實(shí)驗(yàn)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(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。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(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。2、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膜的特點(diǎn)。2.1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。2.2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了相互溶合的偽擴(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，清理了附著力不強(qiáng)的濺射原子，凈化基片表面，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?？梢?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。2.3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原了能量高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芳減小。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。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(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。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(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。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(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。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。
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