高温加热对于纯铝薄膜表面结构的影响研究*

曲 益，樊 媛，张 曦，徐 莹，彭姣娇，鹿业波

（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴 314001）

高温加热对于纯铝薄膜表面结构的影响研究*

曲 益，樊 媛，张 曦，徐 莹，彭姣娇，鹿业波

（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴 314001）

在半导体材料中，金属薄膜尺寸缩小会使通电时的电流密度升高而导致材料焦耳热迅速增加，从而影响金属薄膜表面结构。针对纯铝薄膜进行了高温加热试验，模拟实际运行中的温度影响，并分析了影响机理。试验结果表明随着加热温度和加热时间的增加会使铝膜表面原子迁移能力增强，单位时间内原子积聚数量增加，从而导致小丘数量和体积增大。

铝薄膜；高温；焦耳热；小丘

半导体材料已经成为微机电产品中必不可少的组成部分，在微电子工业、能源、信息科学等领域中的应用越来越广泛，其中金属薄膜以其特殊的性质成为主要的功能组成材料。铝作为一种金属薄膜材料，相对于铜与银而言，具有易蚀刻、稳定性强、成本低等优点，因此通常用于微机电系统（MEMS）和集成电路中。微纳米尺度下，金属铝薄膜横截面尺寸显著缩小，导致在通电过程中电流密度升高，使运行过程中的焦耳热迅速增加，最终使半导体电路处于高温工作环境。另一方面，半导体薄膜在长时间高温影响下，可导致电路出现断路或短路等失效现象，因此研究高温对于半导体薄膜的影响具有较高的工业应用意义。

近年来，国内外学者在金属薄膜受加热影响领域已经进行了相关研究。蔡伟和吴自勤[1]使用TEM和HVEM观察了碳膜上Ag-Sn薄膜受热后的结构变化，结果显示Sn含量越多，合金温度越高，合金膜表层缩聚越严重。Ri等[2]报道了热循环试验下高纯度铝薄膜的热疲劳现象，提出在多次热循环测试下形成小丘和空隙的数量，比恒温加热试样中形成的更大。Jang等[3]研究了加热对铝薄膜的影响以及铝膜保护层对小丘生长的影响。综上所述，目前关于高温下对铝薄膜影响的研究较少，且试验中加热温度局限于较低的温度区间，对薄膜影响机理仍然存在争议。

本文通过对纯铝薄膜试样进行高温加热，通过研究加热前后薄膜表面结构变化分析影响机理。试验中采用纯度高的铝薄膜来进行研究，铝膜厚度控制为150 nm；试验加热区间是150℃～500℃，且以50℃为增加梯度进行测试，本试验中温度条件更符合实际运行中的半导体电路温度，对于研究减轻电路过热对半导体薄膜影响提供了理论和试验基础。

1 试样制备与试验方法

试验采用2英寸硅片，清洗后对硅片进行高温氧化处理，生成大约300 nm厚的SiO2膜，再使用电子束蒸发工艺进行铝膜的制备，控制铝膜厚度达到150 nm，沉积结束后将试样从真空腔中取出，表面上的铝膜立刻被氧化形成一层Al2O3保护层，试样的横截面结构如图1(a)所示。将制作完成的试样切割分成大小形状均等的16份，试样表面光洁平整。

图1 试样示意图

试验中对样片的加热温度区间设定为150℃～500℃，每隔50℃进行一次加热试验。考虑到加热时间不同对结果产生的影响，将试样分成两组，试样组I对每个样片的加热时间为1小时，试样组II对每个样片的加热时间为3小时，加热炉如图1(b)所示。设定加热炉的温度，将样片放入加热炉中进行加热，加热完成后取出样片进行适当冷却。待样片冷却后用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对两组样片分别进行观察，记录试验结果，其中加热时间为3小时，加热温度为150℃、250℃和500℃对应的试样观察结果如图2所示。

在加热时间为1小时的情况下，加热温度为150℃时，样片仍保持相对光洁几乎没有小丘。加热温度增大时，样片上出现少量小丘，并且小丘的体积较小。加热温度为500℃时，样片上有较多小丘，并且部分小丘的体积增大。在加热温度相同的条件下，加热时间为3小时的样片上，小丘数量和体积显著多于加热时间为1小时的样片。

2 试验结果及分析

在MEMS和集成电路中，高温加热使金属原子扩散能力增强，原子沿晶界发生局部迁移，由原子积聚而产生压应力。随着加热时间的推移，金属薄膜内部与表面之间形成静应力梯度，导致原子沿晶界向薄膜表面迁移并积聚于表面保护膜下方。由于保护膜中存在弱点（weak spot），当铝原子积聚形成的应力达到临界值时，铝原子会从弱点析出，从而在试样表面形成小丘。

2.1 加热温度的影响

根据试验结果可知，随着加热温度的增高，铝薄膜表面的小丘数量增多。其原因在于温度的升高，使铝原子的扩散能力增强，即原子的应力迁移速度加剧，单位时间内在铝薄膜表面聚集的原子数量增多，使更多的铝薄膜弱点处被突破，继而导致小丘的数量增多。

在现代工业电子设备中，金属半导体表面的电流密度增大时会引起焦耳热随之增大，使薄膜温度不断升高最终导致电路产生断路等失效现象，这主要是由金属薄膜表面原子应力迁移而产生的小丘造成[4-6]。

2.2 加热时间的影响

图2 加热后试样表面结果图

通过试验结果观察发现，加热温度相同时，随着加热时间的增加，小丘的数量增多，体积增大。小丘实质上是堆积的铝原子，高温下铝原子在压应力的作用下移动。在原子流大小相同的情况下，随着加热时间的延长，积聚的原子数量增加，使铝薄膜弱点处积聚的原子总数达到临界值，从而形成一些新的小丘，导致小丘总数增加，同时也使已经形成的小丘体积增大。

薄膜材料在微电子器件中发挥着重要的作用，现代工业电子设备在使用过程中会因焦耳热引起高温，使半导体材料中的铝薄膜长时间处于高温状态[7]。高温时应力迁移产生的小丘可能严重损害铝薄膜，致使电子设备有所损伤。本试验通过分析加热温度和加热时间对小丘生长的影响，为控制半导体器件中焦耳热对铝薄膜的影响提供了理论依据。

在半导体材料中，高温加热对银和铜也具有一定的影响。与铝相比，铜和银在高温条件下原子迁移能力较弱，且铜和银熔点较高，所以在一般的试验条件下难以观察到明显的试验现象。本文试验方法使用高温对铝加热，该方法同样适用于银和铜。在将来的研究中需用高温和较长的加热时间，可综合分析高温和加热时间对半导体电路中铜和银薄膜的影响。

3 结论

本文研究了铝薄膜试验片在150℃～500℃的温度区间内进行加热试验带来的影响，证实随着加热温度和加热时间的增加会导致铝膜表面小丘数量和体积的增大。小丘生长的原因在于铝原子的扩散迁移产生积聚，形成了静应力梯度，最终导致铝原子沿试样表面的弱点析出。加热温度的升高导致原子迁移能力增强，这可能会导致电路中出现严重的失效现象，因此必须控制焦耳热效应使环境温度在安全区间内，保证半导体电路的正常运行。本文采用的试验方法同样适用于其他导电材料，并为半导体工业的可靠性研究提供了一定的理论依据。

［1］蔡伟，吴自勤.Ag-Sn金属薄膜在升温过程中的结构变化［J］.物理学报，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］孙超.透明导电膜ZnO：Al（ZAO）的组织结构与特性［J］.材料研究学报，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，黑龙江佳木斯人，大学本科。研究领域：金属微纳米材料制备。已发表论文2篇。

(编辑：向飞)

*嘉兴学院2013年度SRT一般项目（编号：201320）

2014－01－20