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电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究

放大字体  缩小字体发布日期:2013-01-14  浏览次数:846
核心提示:原始点接触晶体管、合金晶体管、合金扩散晶体管、台面晶体管、硅平面晶体管、TTL集成电路和N沟硅栅平面MOS集成电路等,其制造工艺及工艺之间的各道工序也有所差别。

随着科学技术的不断发展,半导体器件的种类不断增多。原始点接触晶体管、合金晶体管、合金扩散晶体管、台面晶体管、硅平面晶体管、TTL集成电路和N沟硅栅平面MOS集成电路等,其制造工艺及工艺之间的各道工序也有所差别。在硅平面晶体管工艺过程中,电极材料的制备技术是一项关键工艺,典型的制备技术主要有两类:一类是电子束蒸发镀膜技术,另一类是磁控溅射镀膜方法。长期以来,在生产实践中由于电了束蒸发与磁控溅射这两种方法制备晶体管微电极各具优势,而且各自采用的设备和工艺不同,因而其产品质量孰优孰次一直存在争论。本文就这一问题展开研究,详细分析了常用电极材料Al通过这两种方法制备成薄膜电极的膜厚控制、附着力、致密性、电导率和折射率等重要性能指标,测试结果分析表明磁控溅射铝膜的综合性能优于电子束蒸发。

1 实验设备及优化工艺参数

1.1电子束蒸发设备及优化工艺参数

选用CHA-600型电子束蒸发台。它主要由真空镀膜室、真空系统和真空测量仪器的一部分构成。真空镀膜室主要由钟罩、球面行星转动基片架、基片烘烤装置、磁偏转电子枪、蒸发档板及加热装置等构件所组成;真空系统主要由机械泵的冷凝泵组成,选用冷凝泵可以更容易地抽到高真空状态,避免了油扩散泵返油而产生污染真空室的现象;用离子规来测量真空度。坩埚选用石墨坩埚,避免了坩埚与Al反应生成化合物而污染Al膜,坩埚的位置处在行星架的球心位置,从而保证成膜厚度的均匀性。蒸镀过程中膜厚的测量选用石英晶体膜厚监控仪。电子束蒸发镀Al的典型工艺参数为:真空度:2.6 ×10-4Pa;蒸发速率:20—25 A/s;基片温度:120°C;蒸距:45cm;蒸发时间:25min;电子枪电压:9Kv;电子枪电流:0.2A。

1.2溅射设备及优化工艺参数

选用ILC-1012MARK Ⅱ 1012溅射装置;操作简单,并能保证产品质量的均一性。此溅射台主要由片盒卸室SL,片盒交换室TL,清洗室CL和溅射成膜室SP组成。所有溅射过程都是在这四个室中完成的,避免了空气和杂质的污染,能够获得高质量的膜层。磁控溅射镀Al的典型工艺参数为:本底真空度1.3 ×10-4Pa以下;溅射速率:8000A/min或者10000A/min 基片温度:200°C;靶-基距:5cm;阴极电压:420V(在300—600V之间);电流:13A;溅射真空度:0.13—1.3Pa;溅射角:5—8°;溅射时间:2min/片,具体时间视片数而定。

2 性能测试与分析

为了获得性能良好的半导体电极Al膜,我们通过优化工艺参数,制备了一系列性能优越的Al薄膜。通过理论计算和性能测试,分析比较了电子束蒸发与磁控溅射两种方法制备Al膜的特点。

2.1膜厚

严格控制发Al膜的厚度是十分重要的,因为Al膜的厚度将直接影响Al膜的其它性能,从而影响半导体器件的可靠性。对于高反压功率管来说,它的工作电压高,电流大,没有一定厚度的金属膜会造成成单位面积Al膜上电流密度过高,易烧毁。对于一般的半导体器件,Al层偏薄,则膜的连续性较差,呈岛状或网状结构,引起压焊引线困难,造成不易压焊或压焊不牢,从而影响成品率;Al层过厚,引起光刻时图形看不清,造成腐蚀困难而且易产生边缘腐蚀和“连条”现象。

采用电子束蒸发,行星机构在沉积薄膜时均匀转动,各个基片在沉积Al膜时的几率均等;行星机构的聚焦点在坩埚蒸发源处,各个基片在一定真空度下沉积速率几乎相等。采用磁控溅射镀膜方法,由于沉积电流和靶电压可以控制,也即是溅射功率可以调节并控制,因此膜厚的可控性和重复性较好,并且可在较大表面上获得厚度均匀的膜层。

Al膜厚度的测量可采用金属膜厚测量仪,它是根据涡流原理设计制造的无损测厚仪。根据工艺参数,我们制备了一批试样,样品经测试,溅射Al薄膜的平均厚度是1.825μm,电子束蒸发Al薄膜的平均厚度是1.663μm,均符合半导体器件电极对Al膜厚的要求(小信号为1.7 ±0.15μm;大功率为2.5±0.3μm。

为了更进一步地观测膜厚及表面形貌,样品放入环境扫描电子显微镜philipsXL30-ESEM中进行观测,并根据视频打印机输出的SEM图片可以看出,电子束蒸发的膜厚分散度较大,即均匀性较差。

2.2附着力

附着力反映了Al膜与基片之间的相互作用力,也是保证器件经久耐用的重要因素。溅射原子能量比蒸发原子能量高1—2个数量级。高能量的溅射原子沉积在基片上进行的能量转换比蒸发原子高得多,产生较高的热能,部分高能量的溅射原子产生不同程度的注入现象,在基片上形成一层溅射原子与基片原了相互溶合的伪扩散层,而且,在成膜过程中基片始终在等离子区中被清洗和激活,清除了附着力不强的溅射原子,净化且激活基片表面,增强了溅射原子与基片的附着力,因而溅射Al膜与基片的附着力较高。

测定附着力所采用的方法是测量Al膜从基片上剥离时所需要的力或者能量,我们采用剥离水法来测定附着力。

设薄膜单位面积的附着能为γ,则宽度为b,长度为a的薄膜的总附着能

E=abγ (1)

用于剥离该薄膜的力F所作的功

Wp=Fa(1-sin(θ)) (2)

如果是静态剥离并忽略薄膜弯曲时所产生的弹性能,则F所作的功近似等于薄膜的总附着能,即Wp=E,于是

F=bγ/(1-sin(θ)) (3)

(3)式中F随着θ角的变化而变化,不能真正反映薄膜的附着性能。当所加剥离力与薄膜垂直,即θ=0°时,则式简化为

F= bγ (4)

根据测量所得的F便可计算出附着能γ=F/b。如果要直接计算单位长度的附着力f,根据定义并采用上述方法(θ=0°)进行剥离可得f=γ。可见,附着力的大小和附着能γ的数据相同,由于Al膜的附着能γ较高,所以其附着力较大。实验测得的数据是:溅射Al膜的平均附着力25N,电子束蒸发Al膜的平均附着力为9.8N。这些数据和理论分析结论一致。

2.3致密性

考虑Al膜的致密性就相当于考虑Al膜的晶粒的大小,密度以及能达到均匀化的程度,因为它也直接影响Al膜的其它性能,进而影响半导体哗啦的性能。

气相沉积的多晶Al膜的晶粒尺寸随着沉积过程中吸附原子或原子团在基片表面迁移率的增加而增加。由此可以看出Al膜的晶粒尺寸的大小将取决环于基片温度、沉积速度、气相原子在平行基片方面的速度分量、基片表面光洁度和化学活性等因素。

由于电子束蒸发的基片温度Ts=120°C,蒸发速率20—25A/s,蒸汽Al原子的能量为0.1—0.3eV,而溅射的基片温度Ts=120°C,溅射速率8000A/min(133.3A/s)或10000A/min(166.7A/s),溅射阈为13eV,溅射Al原子的能量比电子束蒸发的Al原了能量高1—2个数量级,所以电子束蒸发的Al原子碰到基片,很快失去能量,且迁移率很小,故原子在表面上重新排列较困难,即沉积的地方就是定位的地方成原子之间的空隙较大,有面粗糙度很大;溅射的基片温度较高,Al原子能量也较高,在而基片表面的原子迁移率增大,使得薄膜表面横向动能较大,易于连结殂成光滑的表面,稳定性较高,晶粒较大,原子间距较小,因而形成的薄膜表面粗糙芳减小。

通过环境扫描电子显微镜philips XL30-ESEM观测,并分析两种Al膜的晶粒大小及表面形貌的SEM照片也能验证这一结论,电子束蒸发的平均粒径为266.8nm,溅射的平均粒径为1.528μm,虽然电子束蒸发Al膜的粒径明显小于溅射的Al薄膜,但是电子束蒸发的Al原子最终不得靠得很近,当中存在很多间隙,而且溅射的Al原子相互靠得很紧,从侧面观测,溅射的Al膜平滑而且色泽光亮,说明溅射Al膜的致密较好。

溅射的晶粒较大还有一个好处,减小了晶界面积,从而减少电迁移短路通道的数目,有利于增强Al膜的抗电迁移能力,延长Al膜的平均寿命。但晶粒尺寸不可太大,否则影响Al膜细线条图形的光刻质量。同时,溅射的Al膜晶粒虽大,但可以通过的后面的热处理使之细化并使性能更加优越。

2.4电导率

金属与半导体接触并非一定能够形成一个纯电阻性接触。如果接触电阻太大,即电阻率低,则外加的信号电压就会有相当大的一部分降落在接触电阻上,造成不必要的电压降和功率损耗,所以要想获得低阻的欧姆接触,膜层的电阻率应尽量小,电导率应尽量高。

Al膜的电阻率与Al块材的非常接近。电阻率随结晶粒径的减小而增加。由于电子束蒸发Al膜的结晶粒径明显小于溅射,所以溅射的电阻率小于电子束蒸发,其电导率较高。

2.5折射率

折射率一般可以反映薄膜的致密程度,随致密程度的增加而增加,而我们所制备的电极引线Al膜要求致密性好,这就可能通过测试折射率的大小来定性地判断Al膜的致密性。而折射率可以通过反射率间接地换算得到。

金属膜的特性一般用折射率NM=n-ik来表征,设金属膜厚度为dM,折射率为NM=n-ik,位相厚度为δM=2πNM dM/λ,若考虑垂直入射,金属膜与Si基底的组合导纳为

YM=((ngcos(δM)+iNMsin(δM))/( cos(δM)+i sin(δM) ng/ NM)= YM(1)+ iYM(2) (5)

从而整个结构的反射率为

RM=|(n0- YM)/(n0+YM)|2={[(n0- YM(1))]2+[ YM(1)]2}/{[(n0+ YM(1))]2+[ YM(1)]2} (6)

但其描述和计算过程过于复杂,故可以有下面的描述和计算代替。

当光束垂直入射到单层薄膜有面时,反射率

RM=(n0 n2-NM2)/(n0 n2+NM2)   (7)

则NM={[(1-RM)/(1+ RM)] n0 n2}1/2 (8)

式中 RM-----------反射率

n0------------空气的反射率

NM---------------Al膜的折射率

n2-----------Si片的折射率(约为3.5)

只要准确测出垂直入射的反射率RM就可以求出Al膜的反射率NM。通过日本岛津生产的UV3101型分光光度计测得的在不同波长范围内的反射率可知,在可见光400—760nm范围内,Al膜的反射率11#样品为RM=0.82,8#样品为RM=0.83,通过(7)、(8)式计算,得出Al薄膜的反射率NM:8#样品为NM=0.702, 11#样品为NM=0.688。虽然,溅射Al膜的折射率大于电子束蒸发的Al膜,溅射Al膜的致密性比电子束蒸发好。

3 结论

电子束蒸发和磁控溅射制Al膜是半导体器件电极制备生产中常用的两种方法,通过理论与实验分析,并对样品进行了膜厚、附着力、致密性,电导率、折射率等指标的综合测试,实验表明:电子束蒸发制得的Al薄膜厚度的可控性和重复性较差及分散度较大;Al薄膜与Si基片的附着力较小;Al薄膜的晶粒虽小,但很疏松,导致其致密性较差;Al膜的电导率、折射率较块状Al材小得多。而磁控溅射制得的Al膜的性能指标则比电子束蒸发的指标优越。实践证明,磁控溅射方法制备的Al薄膜的综合性能优于电子束蒸发,所以在生产实践中绝大多数采用磁控溅射沉积半导体电极材料,这也是半导体行业中薄膜行业的发展方向。

此外,溅射还可以解决电子束蒸发带来的三个问题:

①台阶覆盖度。一般器件的图形尺寸为2--3μm或更小,要求在1μm左右高的台阶部位尽量能镀覆膜厚均匀的金属镀层。采用电子束蒸发和行星回旋式基片架机构组成的装置,难以得到十分理想的覆盖度。

②合金膜的成分控制。随着圆形的微细化,为确保可靠性并提高成品率采用Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu等Al合金膜代替纯金属Al膜。如果采用电子束蒸发来制取合金膜,由于组分蒸气压不同会引起分解,很难控制合金膜使其达到所要求的成分。

③装卡基片复杂,难于实现自动化。在高度复杂的元器件制造工艺中,为提高可靠性和重复性,应尽量减少人工操作,提高自动化操作水闰。采用电子束蒸发,行星回旋式支架上只能一个一个地装卡Si片,而且只能采取单批式蒸镀。因此,难于实现自动化操作。

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