李兆營(yíng)

安徽光智科技有限公司，安徽 滁州 239000

硅材料作為半導(dǎo)體行業(yè)的基石，對(duì)其表面金屬化處理已成為一個(gè)重要的研究課題。金屬Ti薄膜可以用作粘附層來(lái)降低硅襯底與鎢塞之間的接觸電阻，也可以用作阻擋層有效阻擋硅襯底與金屬連線之間的擴(kuò)散，還可作為過(guò)渡層以減緩背金金屬、鍵合環(huán)與硅之間的應(yīng)力，已成為半導(dǎo)體制造業(yè)中特別重要的材料。

Ti薄膜的常用制備方法有磁控濺射法[1]、原子層沉積法[2]、電子束蒸發(fā)法[3]等。電子束蒸發(fā)法具有成膜純度高、沉積速率高、設(shè)備簡(jiǎn)單便宜等優(yōu)點(diǎn)，是Ti薄膜的主要制備方法。電子束蒸發(fā)鍍膜過(guò)程中的本底真空度、蒸發(fā)速率、溫度等條件都會(huì)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響，其中蒸發(fā)速率在鍍膜過(guò)程中容易控制，并且對(duì)薄膜性能的影響較為顯著。本文在其他工藝參數(shù)一致的情況下，通過(guò)改變蒸發(fā)速率在硅襯底上制備了厚度為100 nm的Ti薄膜，并分析了Ti薄膜的表面形貌、方塊電阻和殘余應(yīng)力，以研究蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電子束蒸發(fā)制備Ti薄膜

采用愛(ài)發(fā)科真空技術(shù)(蘇州)有限公司生產(chǎn)的Esz-R型高真空蒸發(fā)系統(tǒng)制備Ti薄膜。該真空蒸發(fā)系統(tǒng)主要由真空腔室、真空系統(tǒng)和膜厚測(cè)量系統(tǒng)組成。襯底為單面拋光的直徑為8 in(約20.32 cm)的Si(100)晶圓，蒸發(fā)源為純度99.999%、直徑4 mm、厚度4 mm的圓柱型鈦顆粒，坩堝為無(wú)氧銅材質(zhì)。

電子束蒸發(fā)鍍Ti的工藝參數(shù)為：本底真空度低于1.0 × 10-3Pa，襯底溫度20 ～ 30 ℃，蒸發(fā)距離50 cm，電子槍電壓10 kV，電子束束斑形狀為圓形，蒸發(fā)速率0.1、0.4、0.7或1.0 nm/s(通過(guò)調(diào)節(jié)電子槍的束流大小來(lái)控制)。

具體操作步驟如下：先將待鍍膜的硅襯底置于無(wú)水乙醇中超聲清洗 5 min，用高壓氮?dú)鈽尨蹈珊蠓湃胝舭l(fā)腔室的行星式基片架上，關(guān)閉腔室門。依次使用機(jī)械泵、羅茨泵和冷凝泵對(duì)腔體進(jìn)行抽氣，待本底真空度小于1.0 × 10-3Pa時(shí)，打開電子槍電源對(duì)蒸發(fā)源預(yù)熔300 s，其間蒸發(fā)源擋板處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有薄膜鍍?cè)谝r底上。預(yù)熔結(jié)束后打開蒸發(fā)源擋板進(jìn)行蒸發(fā)鍍膜，將目標(biāo)膜厚設(shè)定為100 nm，由系統(tǒng)自帶的石英晶體膜厚監(jiān)控儀監(jiān)測(cè)，當(dāng)膜厚達(dá)到設(shè)定值后，機(jī)臺(tái)會(huì)自動(dòng)將蒸發(fā)源擋板關(guān)閉而停止鍍膜。再利用系統(tǒng)自帶的水冷系統(tǒng)對(duì)蒸發(fā)源冷卻10 min，往腔室內(nèi)通入干燥的氮?dú)庵链髿鈮籂顟B(tài)，然后打開真空腔室門，取出薄膜試樣進(jìn)行分析和檢測(cè)。

1.2 測(cè)試方法

采用德國(guó)布魯克(Bruker)公司Dimension Edge型原子力顯微鏡(AFM)分析薄膜的三維表面形貌，并以輕敲模式測(cè)量表面粗糙度(Ra)，掃描范圍為3 μm × 3 μm。采用KLA RS55TCA電阻測(cè)試儀檢測(cè)薄膜的方塊電阻(Rsq)。采用KLA Flex5400型應(yīng)力測(cè)試儀檢測(cè)襯底鍍膜前后的厚度和曲率半徑，按式(1)[4-5]計(jì)算薄膜的殘余應(yīng)力(δf)。

式中，Es和υs分別為襯底的楊氏模量和泊松比，ts和tf分別為襯底的厚度和薄膜的厚度，R0和R分別是襯底鍍膜前、后的曲率半徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜表面形貌的影響

從圖1和圖2可以看出，不同蒸發(fā)速率下制備的Ti薄膜表面都顆粒均勻、界面清晰，表面粗糙度隨著蒸發(fā)速率的升高而降低。在進(jìn)行電子束蒸發(fā)時(shí)電子槍電壓保持不變，這就意味著要通過(guò)增大電子槍電流來(lái)提高蒸發(fā)速率。電子槍電流增大后，作用于蒸發(fā)源表面的電子束能量增大，蒸發(fā)出的Ti原子將具有更大的初始動(dòng)能，其在襯底表面的遷移能力也就更大。Ti原子在襯底表面更容易擴(kuò)散，并填充在不同晶粒之間，令薄膜的厚度分布更加均勻，表面粗糙度降低。

圖1 不同蒸發(fā)速率下制備的Ti薄膜的AFM圖像Figure 1 AFM images of Ti films prepared at different evaporation rates

圖2 蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜表面粗糙度的影響Figure 2 Effect of evaporation rate on surface roughness of Ti film

2.2 蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜方塊電阻的影響

從圖3可以看出，Ti薄膜的方塊電阻隨蒸發(fā)速率升高而降低。隨著蒸發(fā)速率增大，蒸發(fā)出的Ti原子在硅襯底表面的擴(kuò)散能力提高，生成的薄膜更容易有序結(jié)晶，晶粒取向趨于一致，而且薄膜的內(nèi)部缺陷減少，結(jié)構(gòu)更加致密，導(dǎo)電性提高，電阻率降低[6]。

圖3 蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜方塊電阻的影響Figure 3 Effect of evaporation rate on sheet resistance of Ti film

2.3 蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜殘余應(yīng)力的影響

從圖4可以看出，不同蒸發(fā)速率下制備的Ti薄膜殘余應(yīng)力均為負(fù)值，說(shuō)明都呈壓應(yīng)力。隨蒸發(fā)速率增大，壓應(yīng)力增大。殘余應(yīng)力是熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的綜合作用。熱應(yīng)力是由薄膜與基底之間熱膨脹系數(shù)的差異引起的，其大小只取決于蒸發(fā)鍍膜前后的溫度差[7]。內(nèi)應(yīng)力是由薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的不完整、表面能態(tài)的存在，以及薄膜與襯底界面之間的晶格錯(cuò)配所產(chǎn)生的[8]。本研究中蒸發(fā)鍍Ti薄膜前后的溫度差相同，熱應(yīng)力對(duì)殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)基本一致，因此不同蒸發(fā)速率下所得薄膜殘余應(yīng)力的差異主要緣于其內(nèi)應(yīng)力的差異。

圖4 蒸發(fā)速率對(duì)Ti薄膜殘余應(yīng)力的影響Figure 4 Effect of evaporation rate on residual stress of Ti film

在膜層厚度一致的情況下，隨蒸發(fā)速率增大，所需蒸發(fā)鍍膜的時(shí)間縮短。當(dāng)蒸發(fā)速率較低時(shí)，蒸發(fā)出的Ti原子有充足的時(shí)間擴(kuò)散到襯底上表面能最低的部位成膜，晶粒之間的相互作用力小，薄膜內(nèi)應(yīng)力較小。隨著蒸發(fā)速率增大，Ti原子的動(dòng)能增大，在襯底表面的擴(kuò)散難度降低，令薄膜的沉積速率增大，晶粒更加致密，晶粒之間相互作用力增大，于是薄膜內(nèi)應(yīng)力增大。

3 結(jié)論

采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在不同的蒸發(fā)速率下制備了厚度均為100 nm的Ti薄膜。隨著蒸發(fā)速率增大，薄膜的表面粗糙度和方塊電阻減小，壓應(yīng)力增大。

在實(shí)際生產(chǎn)中，Ti薄膜厚度一般要求在100 nm以下，殘余應(yīng)力絕對(duì)值應(yīng)小于300 MPa。綜合考慮薄膜厚度和應(yīng)力，適宜的蒸發(fā)速率應(yīng)為0.4 ～ 0.7 nm/s。