快速冷熱循環(huán)對(duì)于鋁薄膜結(jié)構(gòu)的影響

夏志鵬,鹿業(yè)波,胡慧,金清,王慧,唐睿強(qiáng)

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

集成電路中重復(fù)的ON/OFF操作會(huì)導(dǎo)致焦耳熱發(fā)生快速循環(huán)變化,從而影響鋁薄膜的結(jié)構(gòu).集成電路和微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)在現(xiàn)代機(jī)械電子工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,其中金屬薄膜材料是不可替代的組成部分.Al和Cu薄膜因其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于集成電路中,由于Cu薄膜制造成本較高、工藝較復(fù)雜,而Al薄膜加工工藝成熟、制造成本低,因此多年以來(lái)Al薄膜一直被用作重要的組成材料.[1-4]由于集成電路通常處于微納米尺度,產(chǎn)生的電流密度大,因此不能忽視通電產(chǎn)生的焦耳熱影響.當(dāng)電路經(jīng)受重復(fù)的ON/OFF操作時(shí),焦耳熱會(huì)發(fā)生快速循環(huán)變化,導(dǎo)致Al薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生空穴 (void)和小丘 (hillock),使電路出現(xiàn)斷路或短路等失效現(xiàn)象,因此,研究快速冷熱循環(huán)變化對(duì)Al薄膜的影響是十分必要的.Geiss等使用交流電源對(duì)電路通電來(lái)研究焦耳熱循環(huán)變化對(duì)于A(yíng)l-1 wt%Si導(dǎo)線(xiàn)的影響,但是該試驗(yàn)中無(wú)法避免電遷移現(xiàn)象對(duì)于A(yíng)l膜的影響,同時(shí)也未針對(duì)高純度Al膜試樣進(jìn)行試驗(yàn).[5]Ri等分析了溫度循環(huán)變化對(duì)于鋁膜的影響,但是試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格較高,而且試樣中鋁膜厚度達(dá)到了5μm,無(wú)法準(zhǔn)確模擬集成電路中的鋁膜結(jié)構(gòu).[6-7]

為避免電遷移現(xiàn)象對(duì)于焦耳熱影響機(jī)理的干涉,本論文設(shè)計(jì)了一種新型快速冷熱循環(huán)裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高純度鋁膜的快速加熱和冷卻,并通過(guò)對(duì)比恒溫加熱下相同結(jié)構(gòu)鋁膜的變化,分析了快速冷熱循環(huán)的影響機(jī)理.

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

半導(dǎo)體薄膜溫度的快速變化需要通過(guò)環(huán)境溫度的快速變化來(lái)實(shí)現(xiàn),因此,試驗(yàn)裝置利用陶瓷加熱片提供高溫,并將陶瓷加熱片固定于升降位移機(jī)構(gòu)中.鋁膜的加熱和冷卻是通過(guò)伺服電機(jī)控制加熱片上下循環(huán)移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的.試驗(yàn)中使用2英寸硅片,將硅片切割為10 mm×10 mm小塊并放置于銅臺(tái)上.設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)是為了保證銅臺(tái)表面溫度在非加熱狀態(tài)時(shí)能快速冷卻至室溫,并通過(guò)溫度控制系統(tǒng)以實(shí)時(shí)監(jiān)控陶瓷加熱片和銅臺(tái)溫度.由于硅片和鋁膜具有良好的導(dǎo)熱性,因此,在試驗(yàn)中,當(dāng)陶瓷加熱片靠近硅片進(jìn)行加熱時(shí),近似認(rèn)為硅片中鋁膜溫度與銅臺(tái)監(jiān)測(cè)溫度相同;而當(dāng)加熱片遠(yuǎn)離硅片進(jìn)行冷卻時(shí),鋁膜將快速降至室溫.快速冷熱循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1(a)所示,包括升降位移機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等.

試驗(yàn)所需試樣A橫截面結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,由Al2O3/Al/Si O2/Si組成.試樣制作過(guò)程如下：首先在2英寸硅片表面通過(guò)高溫氧化制備一層300 n m厚的Si O2膜,然后使用真空蒸鍍法在Si O2表面沉積一層600 n m厚的Al膜,Al靶材純度為99.99%.沉積結(jié)束后,將試樣A從真空腔中取出,Al膜表面立刻會(huì)生成Al2O3膜.試樣表面在加熱前平整光潔如圖1(c)所示.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖及試樣結(jié)構(gòu)圖

鋁膜循環(huán)加熱試驗(yàn)的主要參數(shù)見(jiàn)表1,其中T1表示鋁膜加熱后達(dá)到的溫度,為473 K,T2表示鋁膜冷卻時(shí)的溫度,為室溫298 K,t1表示加熱片靠近硅片時(shí)的加熱持續(xù)時(shí)間,t2表示加熱片遠(yuǎn)離硅片后的冷卻持續(xù)時(shí)間,C表示循環(huán)次數(shù),如圖2所示.試驗(yàn)中采用5 000次冷熱循環(huán),單次循環(huán)內(nèi)陶瓷加熱片加熱硅片時(shí)間設(shè)定為2 s,因此總加熱時(shí)間為10 000 s.

表1 鋁膜循環(huán)加熱試驗(yàn)主要參數(shù)表

為對(duì)比恒溫持續(xù)加熱對(duì)試樣的影響,本文使用相同結(jié)構(gòu)的試樣,命名為試樣B,放置于恒溫加熱爐中,加熱溫度設(shè)為473 K,加熱時(shí)間同樣為10 000 s.

圖2 鋁膜循環(huán)加熱試驗(yàn)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)束經(jīng)掃描電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)快速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的試樣A表面如圖3(a)所示,有大量的小丘出現(xiàn).而經(jīng)過(guò)恒溫持續(xù)加熱試驗(yàn)后的試樣B表面如圖3(b)所示,只有少量的小丘出現(xiàn).說(shuō)明在加熱溫度和時(shí)間相同的條件下,快速冷熱循環(huán)對(duì)于試樣的破壞性更大.

圖3 加熱后 (a)試樣A表面和 (b)試樣B表面圖

試樣中Al和Si O2膜的熱膨脹系數(shù)相差較大 (CAl=2.5×107/K,CSiO2=0.5×106/K),因此在加熱過(guò)程中,Al膜和Si O2膜的熱膨脹能力不同,Al膜沿厚度方向的膨脹受到底層Si O2膜的限制,導(dǎo)致了壓應(yīng)力 (Co mpressive stress)的產(chǎn)生.[8]壓應(yīng)力在沿鋁膜厚度方向上形成應(yīng)力梯度,驅(qū)動(dòng)鋁膜中的鋁原子沿晶界遷移,并積聚于鋁膜與表層氧化膜之間,形成應(yīng)力遷移現(xiàn)象.鋁原子的應(yīng)力遷移能力隨加熱溫度的增大而增強(qiáng),試樣A和B中加熱溫度達(dá)到473 K,保證了Al原子具有足夠的應(yīng)力遷移能力.當(dāng)積聚鋁原子數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí),鋁原子會(huì)突破表層Al2O3膜的限制,從而形成了小丘.

試樣A和B的加熱溫度和總加熱時(shí)間相同,但由于試樣A在多次冷熱循環(huán)過(guò)程中,壓應(yīng)力出現(xiàn)循環(huán)變化,導(dǎo)致應(yīng)力梯度出現(xiàn)相應(yīng)變化,試樣A中遷移的鋁原子數(shù)量和速率也隨之發(fā)生持續(xù)變化,因此將產(chǎn)生原子積聚形成的變應(yīng)力.Saka和Lu等報(bào)道了Cu和Al的氧化膜存在易損傷點(diǎn),金屬原子應(yīng)力遷移并積聚后,會(huì)從易損傷點(diǎn)析出并生成小丘.[9-11]試樣A中表層Al2O3膜同樣存在易損傷點(diǎn),而且受變應(yīng)力影響出現(xiàn)疲勞損傷,導(dǎo)致易損傷點(diǎn)擴(kuò)展并成為裂紋,最終使試樣表面原子析出點(diǎn)的數(shù)量和大小都顯著增加.試樣B在恒溫加熱過(guò)程中,Al原子應(yīng)力遷移的速率穩(wěn)定,當(dāng)積聚原子從試樣表面按照一定速率析出,形成原子積聚析出動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,此時(shí)試樣B的表層氧化膜承受靜應(yīng)力而不是變應(yīng)力,氧化膜的易損傷點(diǎn)沒(méi)有擴(kuò)展,因此,表面由鋁原子析出形成的小丘數(shù)量和大小均小于試樣A.

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比分析了恒溫加熱和快速冷熱循環(huán)對(duì)于鋁薄膜的影響,在加熱溫度和總時(shí)間相等的情況下,快速冷熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致鋁膜表面出現(xiàn)更多的小丘.研究發(fā)現(xiàn),小丘來(lái)源于鋁原子的應(yīng)力遷移和積聚,快速冷熱循環(huán)使鋁膜內(nèi)應(yīng)力梯度持續(xù)發(fā)生變化,對(duì)表層氧化膜會(huì)造成更嚴(yán)重的疲勞損傷.本文的研究結(jié)果可應(yīng)用于延長(zhǎng)半導(dǎo)體器件壽命和遏制應(yīng)力遷移導(dǎo)致的集成電路失效.

[1]TU K N.Recent advances on electr o migration in ver y-large-scale-integration of interconnects[J].J Appl Phys,2003,94(9)：5451-5452.

[2]HU C,ROSENBERG R,LEE.K.Electromigration path in Cu thin-fil m lines[J].Appl Phys Lett,1999,74(20)：2945-2947.

[3]紀(jì)謙茂.制備三氧化鉬納米帶的一種新方法 [J].機(jī)械工程材料,2013(3)：65-68.

[4]LEA MING K,OL MEN J,MOON K,et al.Electrical perf or mance,reliability and microstructure of sub-45 n m copper da mascene lines fabricated wit h TEOS backfill[J].Micr oelectr onic Engineering,2007,84：2681-2685.

[5]GEISS R,READ D.Defect behavior in al u minu m interconnect lines def or med ther mo mechanically by cyclic Joule heating[J].Acta Materialia,2008,56：274-276.

[6]RI S,SUGANO T,SAKA M,et al.Ther mal fatigue of high-purity alu minu mt hin fil ms under ther mal cycle testing[J].Strengt h,Fract ure and Co mplexity,2011,7：61-70.

[7]RI S,SAKA M.Diff usion-fatigue interaction effect on hillock f or mation in alu minu mt hin fil ms under t her mal cycle testing[J].Mater Lett,2012,79：139-141.

[8]郭佳惠,祝六花.關(guān)于超大規(guī)模集成電路制造中的應(yīng)力遷移問(wèn)題 [J].電子器件,2000,23(4)：262-265.

[9]SAKA M,YAMAYA F,TOHMYOH H.Rapid and mass growth of stress-induced nanowhiskers on the surfaces of evaporated polycr ystalline Cu fil ms[J].Scr Mater,2007,56：1031-1034.

[10]LU Y,SAKA M.Fabrication of Al micro-belts by utilizing electro migration[J].Mater Lett,2009,63：2227-2229.

[11]LU Y,TOHMYOH H,SAKA M.Co mparison of stress migration and electromigration in the fabrication of thin Al wires,[J].Thin Solid Fil ms,2012,520(9)：3448-3452.