高溫加熱對于純鋁薄膜表面結構的影響研究*

曲 益，樊 媛，張 曦，徐 瑩，彭姣嬌，鹿業波

（嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興 314001）

高溫加熱對于純鋁薄膜表面結構的影響研究*

曲 益，樊 媛，張 曦，徐 瑩，彭姣嬌，鹿業波

（嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興 314001）

在半導體材料中，金屬薄膜尺寸縮小會使通電時的電流密度升高而導致材料焦耳熱迅速增加，從而影響金屬薄膜表面結構。針對純鋁薄膜進行了高溫加熱試驗，模擬實際運行中的溫度影響，并分析了影響機理。試驗結果表明隨著加熱溫度和加熱時間的增加會使鋁膜表面原子遷移能力增強，單位時間內原子積聚數量增加，從而導致小丘數量和體積增大。

鋁薄膜；高溫；焦耳熱；小丘

半導體材料已經成為微機電產品中必不可少的組成部分，在微電子工業、能源、信息科學等領域中的應用越來越廣泛，其中金屬薄膜以其特殊的性質成為主要的功能組成材料。鋁作為一種金屬薄膜材料，相對于銅與銀而言，具有易蝕刻、穩定性強、成本低等優點，因此通常用于微機電系統（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，導致在通電過程中電流密度升高，使運行過程中的焦耳熱迅速增加，最終使半導體電路處于高溫工作環境。另一方面，半導體薄膜在長時間高溫影響下，可導致電路出現斷路或短路等失效現象，因此研究高溫對于半導體薄膜的影響具有較高的工業應用意義。

近年來，國內外學者在金屬薄膜受加熱影響領域已經進行了相關研究。蔡偉和吳自勤[1]使用TEM和HVEM觀察了碳膜上Ag-Sn薄膜受熱后的結構變化，結果顯示Sn含量越多，合金溫度越高，合金膜表層縮聚越嚴重。Ri等[2]報道了熱循環試驗下高純度鋁薄膜的熱疲勞現象，提出在多次熱循環測試下形成小丘和空隙的數量，比恒溫加熱試樣中形成的更大。Jang等[3]研究了加熱對鋁薄膜的影響以及鋁膜保護層對小丘生長的影響。綜上所述，目前關于高溫下對鋁薄膜影響的研究較少，且試驗中加熱溫度局限于較低的溫度區間，對薄膜影響機理仍然存在爭議。

本文通過對純鋁薄膜試樣進行高溫加熱，通過研究加熱前后薄膜表面結構變化分析影響機理。試驗中采用純度高的鋁薄膜來進行研究，鋁膜厚度控制為150 nm；試驗加熱區間是150℃～500℃，且以50℃為增加梯度進行測試，本試驗中溫度條件更符合實際運行中的半導體電路溫度，對于研究減輕電路過熱對半導體薄膜影響提供了理論和試驗基礎。

1 試樣制備與試驗方法

試驗采用2英寸硅片，清洗后對硅片進行高溫氧化處理，生成大約300 nm厚的SiO2膜，再使用電子束蒸發工藝進行鋁膜的制備，控制鋁膜厚度達到150 nm，沉積結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保護層，試樣的橫截面結構如圖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

試驗中對樣片的加熱溫度區間設定為150℃～500℃，每隔50℃進行一次加熱試驗。考慮到加熱時間不同對結果產生的影響，將試樣分成兩組，試樣組I對每個樣片的加熱時間為1小時，試樣組II對每個樣片的加熱時間為3小時，加熱爐如圖1(b)所示。設定加熱爐的溫度，將樣片放入加熱爐中進行加熱，加熱完成后取出樣片進行適當冷卻。待樣片冷卻后用場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）對兩組樣片分別進行觀察，記錄試驗結果，其中加熱時間為3小時，加熱溫度為150℃、250℃和500℃對應的試樣觀察結果如圖2所示。

在加熱時間為1小時的情況下，加熱溫度為150℃時，樣片仍保持相對光潔幾乎沒有小丘。加熱溫度增大時，樣片上出現少量小丘，并且小丘的體積較小。加熱溫度為500℃時，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，加熱時間為3小時的樣片上，小丘數量和體積顯著多于加熱時間為1小時的樣片。

2 試驗結果及分析

在MEMS和集成電路中，高溫加熱使金屬原子擴散能力增強，原子沿晶界發生局部遷移，由原子積聚而產生壓應力。隨著加熱時間的推移，金屬薄膜內部與表面之間形成靜應力梯度，導致原子沿晶界向薄膜表面遷移并積聚于表面保護膜下方。由于保護膜中存在弱點（weak spot），當鋁原子積聚形成的應力達到臨界值時，鋁原子會從弱點析出，從而在試樣表面形成小丘。

2.1 加熱溫度的影響

根據試驗結果可知，隨著加熱溫度的增高，鋁薄膜表面的小丘數量增多。其原因在于溫度的升高，使鋁原子的擴散能力增強，即原子的應力遷移速度加劇，單位時間內在鋁薄膜表面聚集的原子數量增多，使更多的鋁薄膜弱點處被突破，繼而導致小丘的數量增多。

在現代工業電子設備中，金屬半導體表面的電流密度增大時會引起焦耳熱隨之增大，使薄膜溫度不斷升高最終導致電路產生斷路等失效現象，這主要是由金屬薄膜表面原子應力遷移而產生的小丘造成[4-6]。

2.2 加熱時間的影響

圖2 加熱后試樣表面結果圖

通過試驗結果觀察發現，加熱溫度相同時，隨著加熱時間的增加，小丘的數量增多，體積增大。小丘實質上是堆積的鋁原子，高溫下鋁原子在壓應力的作用下移動。在原子流大小相同的情況下，隨著加熱時間的延長，積聚的原子數量增加，使鋁薄膜弱點處積聚的原子總數達到臨界值，從而形成一些新的小丘，導致小丘總數增加，同時也使已經形成的小丘體積增大。

薄膜材料在微電子器件中發揮著重要的作用，現代工業電子設備在使用過程中會因焦耳熱引起高溫，使半導體材料中的鋁薄膜長時間處于高溫狀態[7]。高溫時應力遷移產生的小丘可能嚴重損害鋁薄膜，致使電子設備有所損傷。本試驗通過分析加熱溫度和加熱時間對小丘生長的影響，為控制半導體器件中焦耳熱對鋁薄膜的影響提供了理論依據。

在半導體材料中，高溫加熱對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，且銅和銀熔點較高，所以在一般的試驗條件下難以觀察到明顯的試驗現象。本文試驗方法使用高溫對鋁加熱，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的加熱時間，可綜合分析高溫和加熱時間對半導體電路中銅和銀薄膜的影響。

3 結論

本文研究了鋁薄膜試驗片在150℃～500℃的溫度區間內進行加熱試驗帶來的影響，證實隨著加熱溫度和加熱時間的增加會導致鋁膜表面小丘數量和體積的增大。小丘生長的原因在于鋁原子的擴散遷移產生積聚，形成了靜應力梯度，最終導致鋁原子沿試樣表面的弱點析出。加熱溫度的升高導致原子遷移能力增強，這可能會導致電路中出現嚴重的失效現象，因此必須控制焦耳熱效應使環境溫度在安全區間內，保證半導體電路的正常運行。本文采用的試驗方法同樣適用于其他導電材料，并為半導體工業的可靠性研究提供了一定的理論依據。

［1］蔡偉，吳自勤.Ag-Sn金屬薄膜在升溫過程中的結構變化［J］.物理學報，1982（10）：1380-1386.

［2］S Ri.Thermal fatigue of high-purity aluminum thin films under thermal cycle testing［J］.Strength，Fracture 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.透明導電膜ZnO：Al（ZAO）的組織結構與特性［J］.材料研究學報，2002（4）：113-120.

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

QU Yi，FAN 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，大學本科。研究領域：金屬微納米材料制備。已發表論文2篇。

(編輯：向飛)

*嘉興學院2013年度SRT一般項目（編號：201320）

2014－01－20