高溫加熱對(duì)于純鋁薄膜表面結(jié)構(gòu)的影響研究*

曲 益，樊 媛，張 曦，徐 瑩，彭姣嬌，鹿業(yè)波

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314001）

高溫加熱對(duì)于純鋁薄膜表面結(jié)構(gòu)的影響研究*

曲 益，樊 媛，張 曦，徐 瑩，彭姣嬌，鹿業(yè)波

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314001）

在半導(dǎo)體材料中，金屬薄膜尺寸縮小會(huì)使通電時(shí)的電流密度升高而導(dǎo)致材料焦耳熱迅速增加，從而影響金屬薄膜表面結(jié)構(gòu)。針對(duì)純鋁薄膜進(jìn)行了高溫加熱試驗(yàn)，模擬實(shí)際運(yùn)行中的溫度影響，并分析了影響機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著加熱溫度和加熱時(shí)間的增加會(huì)使鋁膜表面原子遷移能力增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)原子積聚數(shù)量增加，從而導(dǎo)致小丘數(shù)量和體積增大。

鋁薄膜；高溫；焦耳熱；小丘

半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為微機(jī)電產(chǎn)品中必不可少的組成部分，在微電子工業(yè)、能源、信息科學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其中金屬薄膜以其特殊的性質(zhì)成為主要的功能組成材料。鋁作為一種金屬薄膜材料，相對(duì)于銅與銀而言，具有易蝕刻、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此通常用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和集成電路中。微納米尺度下，金屬鋁薄膜橫截面尺寸顯著縮小，導(dǎo)致在通電過程中電流密度升高，使運(yùn)行過程中的焦耳熱迅速增加，最終使半導(dǎo)體電路處于高溫工作環(huán)境。另一方面，半導(dǎo)體薄膜在長(zhǎng)時(shí)間高溫影響下，可導(dǎo)致電路出現(xiàn)斷路或短路等失效現(xiàn)象，因此研究高溫對(duì)于半導(dǎo)體薄膜的影響具有較高的工業(yè)應(yīng)用意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在金屬薄膜受加熱影響領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。蔡偉和吳自勤[1]使用TEM和HVEM觀察了碳膜上Ag-Sn薄膜受熱后的結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果顯示Sn含量越多，合金溫度越高，合金膜表層縮聚越嚴(yán)重。Ri等[2]報(bào)道了熱循環(huán)試驗(yàn)下高純度鋁薄膜的熱疲勞現(xiàn)象，提出在多次熱循環(huán)測(cè)試下形成小丘和空隙的數(shù)量，比恒溫加熱試樣中形成的更大。Jang等[3]研究了加熱對(duì)鋁薄膜的影響以及鋁膜保護(hù)層對(duì)小丘生長(zhǎng)的影響。綜上所述，目前關(guān)于高溫下對(duì)鋁薄膜影響的研究較少，且試驗(yàn)中加熱溫度局限于較低的溫度區(qū)間，對(duì)薄膜影響機(jī)理仍然存在爭(zhēng)議。

本文通過對(duì)純鋁薄膜試樣進(jìn)行高溫加熱，通過研究加熱前后薄膜表面結(jié)構(gòu)變化分析影響機(jī)理。試驗(yàn)中采用純度高的鋁薄膜來進(jìn)行研究，鋁膜厚度控制為150 nm；試驗(yàn)加熱區(qū)間是150℃～500℃，且以50℃為增加梯度進(jìn)行測(cè)試，本試驗(yàn)中溫度條件更符合實(shí)際運(yùn)行中的半導(dǎo)體電路溫度，對(duì)于研究減輕電路過熱對(duì)半導(dǎo)體薄膜影響提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用2英寸硅片，清洗后對(duì)硅片進(jìn)行高溫氧化處理，生成大約300 nm厚的SiO2膜，再使用電子束蒸發(fā)工藝進(jìn)行鋁膜的制備，控制鋁膜厚度達(dá)到150 nm，沉積結(jié)束后將試樣從真空腔中取出，表面上的鋁膜立刻被氧化形成一層Al2O3保護(hù)層，試樣的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。將制作完成的試樣切割分成大小形狀均等的16份，試樣表面光潔平整。

圖1 試樣示意圖

試驗(yàn)中對(duì)樣片的加熱溫度區(qū)間設(shè)定為150℃～500℃，每隔50℃進(jìn)行一次加熱試驗(yàn)?？紤]到加熱時(shí)間不同對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，將試樣分成兩組，試樣組I對(duì)每個(gè)樣片的加熱時(shí)間為1小時(shí)，試樣組II對(duì)每個(gè)樣片的加熱時(shí)間為3小時(shí)，加熱爐如圖1(b)所示。設(shè)定加熱爐的溫度，將樣片放入加熱爐中進(jìn)行加熱，加熱完成后取出樣片進(jìn)行適當(dāng)冷卻。待樣片冷卻后用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）對(duì)兩組樣片分別進(jìn)行觀察，記錄試驗(yàn)結(jié)果，其中加熱時(shí)間為3小時(shí)，加熱溫度為150℃、250℃和500℃對(duì)應(yīng)的試樣觀察結(jié)果如圖2所示。

在加熱時(shí)間為1小時(shí)的情況下，加熱溫度為150℃時(shí)，樣片仍保持相對(duì)光潔幾乎沒有小丘。加熱溫度增大時(shí)，樣片上出現(xiàn)少量小丘，并且小丘的體積較小。加熱溫度為500℃時(shí)，樣片上有較多小丘，并且部分小丘的體積增大。在加熱溫度相同的條件下，加熱時(shí)間為3小時(shí)的樣片上，小丘數(shù)量和體積顯著多于加熱時(shí)間為1小時(shí)的樣片。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在MEMS和集成電路中，高溫加熱使金屬原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，原子沿晶界發(fā)生局部遷移，由原子積聚而產(chǎn)生壓應(yīng)力。隨著加熱時(shí)間的推移，金屬薄膜內(nèi)部與表面之間形成靜應(yīng)力梯度，導(dǎo)致原子沿晶界向薄膜表面遷移并積聚于表面保護(hù)膜下方。由于保護(hù)膜中存在弱點(diǎn)（weak spot），當(dāng)鋁原子積聚形成的應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，鋁原子會(huì)從弱點(diǎn)析出，從而在試樣表面形成小丘。

2.1 加熱溫度的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著加熱溫度的增高，鋁薄膜表面的小丘數(shù)量增多。其原因在于溫度的升高，使鋁原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，即原子的應(yīng)力遷移速度加劇，單位時(shí)間內(nèi)在鋁薄膜表面聚集的原子數(shù)量增多，使更多的鋁薄膜弱點(diǎn)處被突破，繼而導(dǎo)致小丘的數(shù)量增多。

在現(xiàn)代工業(yè)電子設(shè)備中，金屬半導(dǎo)體表面的電流密度增大時(shí)會(huì)引起焦耳熱隨之增大，使薄膜溫度不斷升高最終導(dǎo)致電路產(chǎn)生斷路等失效現(xiàn)象，這主要是由金屬薄膜表面原子應(yīng)力遷移而產(chǎn)生的小丘造成[4-6]。

2.2 加熱時(shí)間的影響

圖2 加熱后試樣表面結(jié)果圖

通過試驗(yàn)結(jié)果觀察發(fā)現(xiàn)，加熱溫度相同時(shí)，隨著加熱時(shí)間的增加，小丘的數(shù)量增多，體積增大。小丘實(shí)質(zhì)上是堆積的鋁原子，高溫下鋁原子在壓應(yīng)力的作用下移動(dòng)。在原子流大小相同的情況下，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，積聚的原子數(shù)量增加，使鋁薄膜弱點(diǎn)處積聚的原子總數(shù)達(dá)到臨界值，從而形成一些新的小丘，導(dǎo)致小丘總數(shù)增加，同時(shí)也使已經(jīng)形成的小丘體積增大。

薄膜材料在微電子器件中發(fā)揮著重要的作用，現(xiàn)代工業(yè)電子設(shè)備在使用過程中會(huì)因焦耳熱引起高溫，使半導(dǎo)體材料中的鋁薄膜長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)[7]。高溫時(shí)應(yīng)力遷移產(chǎn)生的小丘可能嚴(yán)重?fù)p害鋁薄膜，致使電子設(shè)備有所損傷。本試驗(yàn)通過分析加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)小丘生長(zhǎng)的影響，為控制半導(dǎo)體器件中焦耳熱對(duì)鋁薄膜的影響提供了理論依據(jù)。

在半導(dǎo)體材料中，高溫加熱對(duì)銀和銅也具有一定的影響。與鋁相比，銅和銀在高溫條件下原子遷移能力較弱，且銅和銀熔點(diǎn)較高，所以在一般的試驗(yàn)條件下難以觀察到明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象。本文試驗(yàn)方法使用高溫對(duì)鋁加熱，該方法同樣適用于銀和銅。在將來的研究中需用高溫和較長(zhǎng)的加熱時(shí)間，可綜合分析高溫和加熱時(shí)間對(duì)半導(dǎo)體電路中銅和銀薄膜的影響。

3 結(jié)論

本文研究了鋁薄膜試驗(yàn)片在150℃～500℃的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行加熱試驗(yàn)帶來的影響，證實(shí)隨著加熱溫度和加熱時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致鋁膜表面小丘數(shù)量和體積的增大。小丘生長(zhǎng)的原因在于鋁原子的擴(kuò)散遷移產(chǎn)生積聚，形成了靜應(yīng)力梯度，最終導(dǎo)致鋁原子沿試樣表面的弱點(diǎn)析出。加熱溫度的升高導(dǎo)致原子遷移能力增強(qiáng)，這可能會(huì)導(dǎo)致電路中出現(xiàn)嚴(yán)重的失效現(xiàn)象，因此必須控制焦耳熱效應(yīng)使環(huán)境溫度在安全區(qū)間內(nèi)，保證半導(dǎo)體電路的正常運(yùn)行。本文采用的試驗(yàn)方法同樣適用于其他導(dǎo)電材料，并為半導(dǎo)體工業(yè)的可靠性研究提供了一定的理論依據(jù)。

［1］蔡偉，吳自勤.Ag-Sn金屬薄膜在升溫過程中的結(jié)構(gòu)變化［J］.物理學(xué)報(bào)，1982（10）：1380-1386.

［2］S Ri.Thermal fatigue of high-purity aluminum thin films under thermal cycle testing［J］.Strength，F(xiàn)racture and Complexity，2011（7）：61-70.

［3］K Jang.Effect of Capping Layer on Hillock Formation in Thin Al Films［J］.Metals and Materials International，2008（14）：147-150.

［4］Y Lu.Comparison of stress migration and electromigration in the fabrication of thin Al wires［J］.Thin Solid Films，2012（520）：3448-3452.

［5］Y Lu，M Saka.Effect of purity on the fabrication of Al mi?cro/thin-materials by utilizing electromigration ［J］. Materials Letters，2009（63）：2294-2296.

［6］M Saka，R Nakanishi.Fabrication of Al thin wire by uti?lizing controlled accumulation of atoms due to electromi?gration ［J］. Materials Letters， 2006 （60） ：2129-2131.

［7］孫超.透明導(dǎo)電膜ZnO：Al（ZAO）的組織結(jié)構(gòu)與特性［J］.材料研究學(xué)報(bào)，2002（4）：113-120.

Effect of Heating Treatment on the Structure of the Al Thin Film

QU Yi，F(xiàn)AN Yuan，ZHANG Xi，XU Ying，PENG Jiao-jiao，LU Ye-bo
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing314001，China）

The structure and surface of the Al thin film was affected by Joule heating owing to high current density in the semiconductor materials.Heating treatments were used to investigate the effect of high temperature on the structure of the Al thin film，and the mechanism was derived.It was noted that Al atomic diffusion was enhanced with increasing heating temperature and time，leading to accumulating more atoms in unit time，and hence forming more hillocks with larger diameters.

Al thin film；high temperature；Joule heating；hillocks

TB43

A

1009－9492(2014)07－0089－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.026

曲 益，女，1993年生，黑龍江佳木斯人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：金屬微納米材料制備。已發(fā)表論文2篇。

(編輯：向飛)

*嘉興學(xué)院2013年度SRT一般項(xiàng)目（編號(hào)：201320）

2014－01－20