采用DOE方法优化非晶硅溅射工艺

张 明，周都成，陈海峰，王 栩

（无锡中微晶园电子有限公司，江苏 无锡 214035）

1 引言

现场可编程门阵列FPGA在武器和空间电子系统中应用越来越广泛，而核辐射（中子、r）射线、空间辐射环境对电子系统的影响不可忽视。辐射会使器件的性能参数发生退化，以致失效，影响电子系统的可靠运行。反熔丝型FPGA 因为其结构特点适合辐射强烈的恶劣环境，具有优异抗辐射性能，因而在武器和航天领域里得到了充分的应用。其中MTM（Metal To Metal）反熔丝由于其编通电阻及互联电容小的优势更是当前研究的重点。

非晶硅a-Si薄膜是MTM（Metal To Metal）反熔丝结构中最常见的熔丝材料，等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）是目前最常规、运用最广泛的非晶硅薄膜制备方法。 此方法制备的非晶硅（a-Si）薄膜具有带隙态密度低的优点，适于制作太阳能电池和其他电子器件。但该方法的缺点也十分明显，它使用的设备和气体成本十分高昂，而且使用的是有毒易爆的气体（SiH4、BH3、PH5）。因此，从生产成本和生产安全方面考虑，都需要一种新的方法来替代它。磁控溅射具有工艺简单、沉积温度低、方向性强、薄膜附着性好和致密性高等优点，运用该方法制备a-Si薄膜，安全高效、成本低廉。本文通过在实验硅基片上溅射a-Si薄膜，通过使用DOE（Design of Experiment）方法对磁控溅射Si靶的生长速率、片内均匀性特性进行了研究，得到了a-Si介质生长速率与均匀性随功率、压力、温度的变化关系，并对得到的结果进行了分析，为反熔丝器件生产、开发、应用提供了参考意见。

2 工艺和实验过程

2.1 样片制备

实验前首先将硅基片进行RCA清洗，清洗液依次使用HF酸、H2SO4/H2O2和NH4OH/H2O2液，清洗、甩干后氧化100nm待用。

2.2 样品生长

采用Varian 3180型磁控溅射镀膜机，溅射靶材是纯度99.999 %、电导率0.02Ω.cm的非晶硅靶材。靶材表面与基片表面的垂直距离为8cm，溅射使用直流电源，溅射气体使用纯度为99.99 %的氩气。

溅射前本底真空为666×10-7Pa。溅射条件如下：基片温度为22℃变化至300℃、工艺压力为0.399Pa变化至1.333Pa，溅射功率为额定功率的33%变化至60%，在上述工艺条件范围内设计DOE实验对a-Si 膜层的溅射生长条件进行了3因子3水平优化研究（具体条件见表1）。

表1 DOE实验设计表

2.3 样品膜厚表征测试

样品的膜厚表征测试采用的是美国 Therma-wave公司的OP2600型膜厚测试仪。该膜厚测试仪使用反射光谱法，采用波长375nm～800nm的谱线作为光源对a-Si厚度进行测试，可以多点自动测试并形成分布图形。为反映硅片厚度分布趋势，本次试验每片测试49点。另为减少不同厚度情况下均匀性的差异，本次试验对比结果均将各实验条件的a-Si厚度调整至同一厚度进行比较。

3 结果和讨论

3.1 a-Si薄膜的沉积速率

溅射法沉积非晶硅膜，受到反应室气压、基体温度、射频功率等因素的影响。以下采用DOE设计法，研究了机台可变参数内各因素与沉积速率之间的变化关系，如图1 所示。

图1 a-Si膜沉积速率的主效应图

图1中包括3组图片，其分别说明的是在功率、压力、温度3个因素中2个因素不变的情况下，单一因素变化时沉积速率的变化。可以看出：

（1）在反应室气压、射频功率不变的情况下，随着基片温度的增加从室温22℃到300℃，a-Si的沉积速率变化缓慢，在300℃以内，基片温度的升高基本不会影响薄膜的沉积速率。

（2）在反应室气压、基片温度固定的情况下，改变射频功率。可以看出，随着射频功率的增加，从33%到60%的功率条件变化，沉积速率也相应地增加。推断原因是因为阴极电流与电极电压的乘积给出了溅射工艺的输入功率，输入功率的调整是通过保持电极电压不变，调整阴极电流，阴极电流的增加产生了更多的粒子打在阴极上，这样会产生更多的溅射，提高溅射速率。

（3）在射频功率、基片温度不变的情况下，增大反应气压， 在压力设定0.399Pa～2.666Pa的范围内生长速率随压力增加而减慢。推断原因是因为在射频功率一定时，极板间的电场强度变化不大，当反应气体压力增加时，电子的平均自由程减小，加速电子的能量相应地减小，离子间的碰撞加剧，因此会表现出反应压力增加而沉积速率降低的现象。

3.2 a-Si薄膜的沉积均匀性

为保证工艺生产的一致性，a-Si薄膜的片内均匀性也是工艺控制的重要方向，该参数同样也受到反应室气压、基体温度、射频功率等因素的影响。利用前面DOE设计的实验，通过测试不同条件下片内49点膜厚分布，计算均匀性std%（标准偏差与均值的比值）,可以研究机台可变参数内各因素与沉积均匀性之间的变化关系（如图2、图3所示）。

图2表征的是a-Si溅射工艺均匀性的典型分布图。从图2中可以看到该工艺片内呈现出中心厚、边缘薄的环状分布，其原因与靶的形状大小设计导致的溅射角度、等离子浓度中心分布高有关。

图3 a-Si膜沉积均匀性的交互作用

图3是a-Si膜片内均匀性的交互作用图，说明在功率、压力、温度3个因素中2个因素不变的情况下，单一因素变化时片内均匀性的变化。可以看出：工艺参数的变动对片内均匀性存在一定影响，但不是显著因素。最差条件4.2%，最佳条件3.4%，其中：

（1）温度低对均匀性有轻微改善；

（2）功率越小均匀性会轻微改善；

（3）压力小均匀性改善最明显。

推断其原因为溅射的均匀性主要受工艺设备设计的限制，压力降低可以增加粒子的平均自由程，在表面上达到更均匀的分布，从而改善均匀性。而温度低和功率小降低了淀积速率，对均匀性的改善可起到辅助作用。

4 结论

利用DOE实验设计方法，对磁控溅射Si靶的工艺参数压力、功率、温度进行了试验设计。考虑对生长速率、片内均匀性的优化，通过试验得出了该工艺可调节参数压力、功率、温度三者对工艺结果的交互影响。其中功率和压力是主要决定速率和均匀性的关键因素。而通过降低工艺压力、工艺温度和功率可以起到改善均匀性的作用，但改善不明显，且同时会导致速率的变化。本次试验为今后的科研生产提供了参考方向，但从其他文献中可以看到温度、压力、功率的变化同时会导致a-Si介质本身的电学、光学性质的变化，因此具体条件的确定除综合均匀性及速率外，还须根据最终的膜质特性来确定。

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