半導(dǎo)體納米薄膜導(dǎo)電特性測試

熊 淑 平

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 黃岡 438002)

0 引 言

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制程演進(jìn)速度愈來愈快，隨著對各式產(chǎn)品微小化的需求，人類的科技文明即將由微米時代逐步進(jìn)入所謂的奈米時代[1]。納米結(jié)構(gòu)是藉由原子、分子、超分子等級的操控能力以產(chǎn)生具有新分子組織的較大結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有新穎的物理、化學(xué)和生物的特性與現(xiàn)象。納米科技實(shí)際上并無統(tǒng)一的定義，一般說法系指物質(zhì)在納米尺寸下呈現(xiàn)出有別于巨觀尺度下的物理、化學(xué)或生物特性與現(xiàn)象。所謂納米科技是運(yùn)用這方面的知識，在納米尺寸等級的微小世界中操作、控制原子或分子組合成新的納米尺度結(jié)構(gòu)(納米材料)，以展現(xiàn)新的機(jī)能與特性。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計、制作、組裝成新的材料、器具或系統(tǒng)，使之產(chǎn)生全新功能，并加以利用的技術(shù)總稱。納米科技的最終目標(biāo)是依照需求，透過控制原子、分子在納米尺度上表現(xiàn)出來的嶄新特性，加以組合并制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

隨著科技高速發(fā)展，日常生活用品將朝更微小、精細(xì)化的方向前進(jìn)，半導(dǎo)體工業(yè)已進(jìn)步到現(xiàn)今的0.13 μm水平。因此，在半導(dǎo)體材料的研發(fā)上，納米科技可以說是目前的趨勢，半導(dǎo)體納米薄膜即半導(dǎo)體納米顆粒所鍍的膜或納米厚度的膜。 半導(dǎo)體納米薄膜具有導(dǎo)電特性,如納米Si晶膜導(dǎo)電度為10～2 S/cm(bulk 10-11 S/cm)。納米級薄膜的技術(shù)開發(fā)極為重要，因?yàn)樗谖磥矸e極發(fā)展的積體電路制程扮演極關(guān)鍵的角色[2]，面對納米世紀(jì)的來臨，如何在不斷微型化的積體電路制程里提供高效率與高性能同時高可靠度的超薄各型薄膜，是納米結(jié)構(gòu)與材料研究學(xué)者與團(tuán)隊(duì)最迫切的工作之一，預(yù)期這樣的制作技術(shù)將被研發(fā)成功并正式加入積體電路的生產(chǎn)流程可把現(xiàn)今的積體電路制作技術(shù)拓展至納米尺度的微型領(lǐng)域[3]，朝著35 nm甚至更極限的線寬挑戰(zhàn)，制作出性能更為杰出且尺寸更小的各式電子電路元件。

1 樣品測試方案

1.1 納米薄膜膜面方向Seebeck系數(shù)與電導(dǎo)率

1.1.1膜面方向電導(dǎo)率測試方案

TLM法常用于金屬與薄膜之間接觸電阻的測量，在得到接觸電阻的同時也可以得到薄膜膜面方向的電導(dǎo)率。為提高測試精度，測試薄膜膜厚方向電導(dǎo)率時需要扣除接觸電阻的影響，因此綜合考慮，本測試系統(tǒng)采取TLM測試薄膜膜面方面電導(dǎo)率，并同時得到接觸電阻，為膜厚方向電導(dǎo)率的測量提供必需的數(shù)據(jù)。傳輸線法布置圖及作圖求解電導(dǎo)率和接觸電阻如圖1所示。

圖1 TLM法測試薄膜膜面方向電導(dǎo)率和接觸電阻率示意圖

1.1.2膜面方向Seebeck系數(shù)測試方案

膜面方向Seebeck系數(shù)樣品布線方案設(shè)計圖如圖2所示[4]。由于樣品采用球柵陣列(BGA)封裝，測試系統(tǒng)使用樣品座代替直接接線方式通電測試及收集電壓信號，沿襲這一設(shè)計思想，因此采用直接在樣品上光刻微加工的方式[5]，加工出薄膜溫度傳感器，在保證測量準(zhǔn)確的前提下，可提高樣品的集成度，徹底擺脫接線方式的繁瑣操作。在樣品的兩端分別沉積兩個電壓探針，并在電壓探針附近分別沉積薄膜溫度傳感器，薄膜溫度傳感器材料選用鎳金屬，因?yàn)殒嚱饘倬哂休^大的電阻溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)，且在較低溫度下的電阻與溫度有很好的線性關(guān)系。由電壓探針1、2采集到的電壓值和薄膜溫度計1、2采集到溫度差得到薄膜熱電材料的Seebeck系數(shù)。在樣品的一端沉積有金屬薄膜加熱器[6]，通電可直接對襯底和薄膜樣品加熱，樣品的另外一端與大的銅塊接觸吸熱降溫，使襯底在某一方向上產(chǎn)生較為明顯的溫差和較大的溫度梯度，有利于膜面方向Seebeck系數(shù)的測試[7]。

圖2 膜面方向Seebeck系數(shù)測試方案

1.2 膜厚方向電導(dǎo)率的測試方案

改進(jìn)的傳輸線法(ETLM)一直是用來測試膜厚方向電導(dǎo)率的常用方法[8]，該方法是在測試接觸電阻的TLM法基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)，加工出樣品的臺式結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示，采取與測試接觸電阻相同的測量步驟并作圖，最終通過與TLM法所得電阻值求差，可得膜厚方向的電導(dǎo)率。

圖3 ETLM法測膜厚方向電導(dǎo)率

ETLM法由于需要加工臺式結(jié)構(gòu)，而且要準(zhǔn)確測得臺式結(jié)構(gòu)的臺階高度，這在樣品制備的過程中需要花費(fèi)較大的精力，難度較大，且所測得薄膜電導(dǎo)率為臺式結(jié)構(gòu)的厚度方向電導(dǎo)率，而并非薄膜本身厚度方向的電導(dǎo)率。如果薄膜的電導(dǎo)率隨著厚度方向有所改變，則該方法所得到的臺式結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率并不能等同于膜厚方向的電導(dǎo)率。因此本測試系統(tǒng)在設(shè)計過程中提出了全新的測試方案，與傳統(tǒng)四探針法測電導(dǎo)率的方法有一定的相似之處，稱之為準(zhǔn)四探針法。

2 以納米科技增進(jìn)半導(dǎo)體薄膜接點(diǎn)導(dǎo)電特性

歐姆接點(diǎn)是指施加電壓于其上時能提供元件所需的電流，但不會影響元件特性之接點(diǎn)，也就是在接點(diǎn)處的電壓降與元件工作區(qū)的電壓降相比要夠小[9]。傳統(tǒng)為了改進(jìn)半導(dǎo)體薄膜介面而獲得歐姆接點(diǎn)，一般都是將金屬蒸鍍在半導(dǎo)體表面后，再進(jìn)行所謂的退火處理即一種加熱處理，例如：鋁、矽接點(diǎn)須加熱至約450 ℃，以增進(jìn)半導(dǎo)體接點(diǎn)導(dǎo)電特性，但在元件日益縮小的趨勢中，加熱所造成的滲雜原子擴(kuò)散效應(yīng)，會影響元件的功能[10]。此低溫制程是可行的改進(jìn)方式。研究的目的即在提供有別于退火處理的另外一種選擇，即應(yīng)用納米科技來改進(jìn)半導(dǎo)體接點(diǎn)的導(dǎo)電特性，本實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用電子束微影技術(shù)(Electron Beam Lithography)，在矽晶片表面制造納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)，以改善半導(dǎo)體薄膜介面性質(zhì)并增進(jìn)其導(dǎo)電性，目前研究結(jié)果顯示，在矽晶片表面建構(gòu)方型孔洞陣列，且在孔洞夠小的情況下，與未建構(gòu)納米孔洞而只做退火處理的對照樣品相比，其金屬半導(dǎo)體薄膜接面的導(dǎo)電特性可獲致2～6倍的改善，而將具納米孔洞樣品再做退火處理時，可達(dá)到約4個數(shù)量級改進(jìn)，而且其退火溫度及時間皆小于傳統(tǒng)退火處理者。

設(shè)計從200 nm至數(shù)十μm的方型孔洞陣列[11]，以探究納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)特性對半導(dǎo)體導(dǎo)電特性影響。首先將設(shè)計好的陣列結(jié)構(gòu)圖型經(jīng)由電子束微影制程，將其刻劃在涂布于矽晶片表面光阻材料上，再經(jīng)反應(yīng)式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)制程將圖型轉(zhuǎn)至矽晶片上，隨即將殘留于矽晶片表面之光阻材料去除，并清潔其表面及做去氧化層處理，即完成納米孔洞陣列的制作。接著將鋁蒸鍍在矽晶片表面[12]，并涵蓋所有方型孔洞陣列區(qū)域，即構(gòu)成一個金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)，而4個接點(diǎn)依續(xù)兩兩之間距離為20、30及40 μm。形成一組基于傳輸線法的測量架構(gòu)，以測量接點(diǎn)導(dǎo)電率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在孔洞陣列涵蓋率夠大時(約大于8%)，單位孔洞面積電導(dǎo)值即導(dǎo)電率與其涵蓋率無關(guān)[13]，因?yàn)樵诟吆w率時導(dǎo)電性由流經(jīng)孔洞內(nèi)的電流來決定，而在低涵蓋率時導(dǎo)電性由流經(jīng)孔洞外的電流來決定，從中并發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電率會受到孔洞大小影響。導(dǎo)電率隨著孔洞的變小而增加。為了與不具孔洞陣列而只做退火處理的實(shí)驗(yàn)樣品作比較[14]，將一系列的實(shí)驗(yàn)樣品從300 ～600 ℃，每隔50 ℃做退火處理，退火時間為10 min，得出在450 ℃作快速熱退火處理者可獲得最大導(dǎo)電率，為進(jìn)一步確認(rèn)此最佳值，以該溫度及550 ℃再進(jìn)行退火處理30 min，結(jié)果亦獲得450 ℃為最佳退火溫度，遂將此條件下所獲得的導(dǎo)電率作為比較標(biāo)準(zhǔn)[15]。在孔洞小到480 nm以下時，其導(dǎo)電率已超越未具孔洞而只做退火處理之樣品，且達(dá)到2～6倍的改進(jìn)。

3 結(jié) 語

使用本實(shí)驗(yàn)室核心設(shè)備——電子束微影系統(tǒng)設(shè)計出的方型奈米孔洞陣列結(jié)構(gòu)，成功地改進(jìn)金屬半導(dǎo)體介面性質(zhì)并達(dá)成增進(jìn)其接點(diǎn)導(dǎo)電率的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)孔洞小到480 nm以下時，其導(dǎo)電率能超越傳統(tǒng)退火處理的接點(diǎn)導(dǎo)電率，這也說明了小孔洞陣列結(jié)構(gòu)可以取代退火處理，尤其是在低溫制程的應(yīng)用中。

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