蒸发速率对硅衬底电子束蒸发钛薄膜性能的影响

李兆营

安徽光智科技有限公司，安徽 滁州 239000

硅材料作为半导体行业的基石，对其表面金属化处理已成为一个重要的研究课题。金属Ti薄膜可以用作粘附层来降低硅衬底与钨塞之间的接触电阻，也可以用作阻挡层有效阻挡硅衬底与金属连线之间的扩散，还可作为过渡层以减缓背金金属、键合环与硅之间的应力，已成为半导体制造业中特别重要的材料。

Ti薄膜的常用制备方法有磁控溅射法[1]、原子层沉积法[2]、电子束蒸发法[3]等。电子束蒸发法具有成膜纯度高、沉积速率高、设备简单便宜等优点，是Ti薄膜的主要制备方法。电子束蒸发镀膜过程中的本底真空度、蒸发速率、温度等条件都会对薄膜结构和性能产生影响，其中蒸发速率在镀膜过程中容易控制，并且对薄膜性能的影响较为显著。本文在其他工艺参数一致的情况下，通过改变蒸发速率在硅衬底上制备了厚度为100 nm的Ti薄膜，并分析了Ti薄膜的表面形貌、方块电阻和残余应力，以研究蒸发速率对Ti薄膜性能的影响。

1 实验

1.1 电子束蒸发制备Ti薄膜

采用爱发科真空技术(苏州)有限公司生产的Esz-R型高真空蒸发系统制备Ti薄膜。该真空蒸发系统主要由真空腔室、真空系统和膜厚测量系统组成。衬底为单面抛光的直径为8 in(约20.32 cm)的Si(100)晶圆，蒸发源为纯度99.999%、直径4 mm、厚度4 mm的圆柱型钛颗粒，坩埚为无氧铜材质。

电子束蒸发镀Ti的工艺参数为：本底真空度低于1.0 × 10-3Pa，衬底温度20 ～ 30 ℃，蒸发距离50 cm，电子枪电压10 kV，电子束束斑形状为圆形，蒸发速率0.1、0.4、0.7或1.0 nm/s(通过调节电子枪的束流大小来控制)。

具体操作步骤如下：先将待镀膜的硅衬底置于无水乙醇中超声清洗 5 min，用高压氮气枪吹干后放入蒸发腔室的行星式基片架上，关闭腔室门。依次使用机械泵、罗茨泵和冷凝泵对腔体进行抽气，待本底真空度小于1.0 × 10-3Pa时，打开电子枪电源对蒸发源预熔300 s，其间蒸发源挡板处于关闭状态，没有薄膜镀在衬底上。预熔结束后打开蒸发源挡板进行蒸发镀膜，将目标膜厚设定为100 nm，由系统自带的石英晶体膜厚监控仪监测，当膜厚达到设定值后，机台会自动将蒸发源挡板关闭而停止镀膜。再利用系统自带的水冷系统对蒸发源冷却10 min，往腔室内通入干燥的氮气至大气压状态，然后打开真空腔室门，取出薄膜试样进行分析和检测。

1.2 测试方法

采用德国布鲁克(Bruker)公司Dimension Edge型原子力显微镜(AFM)分析薄膜的三维表面形貌，并以轻敲模式测量表面粗糙度(Ra)，扫描范围为3 µm × 3 µm。采用KLA RS55TCA电阻测试仪检测薄膜的方块电阻(Rsq)。采用KLA Flex5400型应力测试仪检测衬底镀膜前后的厚度和曲率半径，按式(1)[4-5]计算薄膜的残余应力(δf)。

式中，Es和υs分别为衬底的杨氏模量和泊松比，ts和tf分别为衬底的厚度和薄膜的厚度，R0和R分别是衬底镀膜前、后的曲率半径。

2 结果与讨论

2.1 蒸发速率对Ti薄膜表面形貌的影响

从图1和图2可以看出，不同蒸发速率下制备的Ti薄膜表面都颗粒均匀、界面清晰，表面粗糙度随着蒸发速率的升高而降低。在进行电子束蒸发时电子枪电压保持不变，这就意味着要通过增大电子枪电流来提高蒸发速率。电子枪电流增大后，作用于蒸发源表面的电子束能量增大，蒸发出的Ti原子将具有更大的初始动能，其在衬底表面的迁移能力也就更大。Ti原子在衬底表面更容易扩散，并填充在不同晶粒之间，令薄膜的厚度分布更加均匀，表面粗糙度降低。

图1 不同蒸发速率下制备的Ti薄膜的AFM图像Figure 1 AFM images of Ti films prepared at different evaporation rates

图2 蒸发速率对Ti薄膜表面粗糙度的影响Figure 2 Effect of evaporation rate on surface roughness of Ti film

2.2 蒸发速率对Ti薄膜方块电阻的影响

从图3可以看出，Ti薄膜的方块电阻随蒸发速率升高而降低。随着蒸发速率增大，蒸发出的Ti原子在硅衬底表面的扩散能力提高，生成的薄膜更容易有序结晶，晶粒取向趋于一致，而且薄膜的内部缺陷减少，结构更加致密，导电性提高，电阻率降低[6]。

图3 蒸发速率对Ti薄膜方块电阻的影响Figure 3 Effect of evaporation rate on sheet resistance of Ti film

2.3 蒸发速率对Ti薄膜残余应力的影响

从图4可以看出，不同蒸发速率下制备的Ti薄膜残余应力均为负值，说明都呈压应力。随蒸发速率增大，压应力增大。残余应力是热应力和内应力的综合作用。热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的，其大小只取决于蒸发镀膜前后的温度差[7]。内应力是由薄膜生长过程中结构的不完整、表面能态的存在，以及薄膜与衬底界面之间的晶格错配所产生的[8]。本研究中蒸发镀Ti薄膜前后的温度差相同，热应力对残余应力的贡献基本一致，因此不同蒸发速率下所得薄膜残余应力的差异主要缘于其内应力的差异。

图4 蒸发速率对Ti薄膜残余应力的影响Figure 4 Effect of evaporation rate on residual stress of Ti film

在膜层厚度一致的情况下，随蒸发速率增大，所需蒸发镀膜的时间缩短。当蒸发速率较低时，蒸发出的Ti原子有充足的时间扩散到衬底上表面能最低的部位成膜，晶粒之间的相互作用力小，薄膜内应力较小。随着蒸发速率增大，Ti原子的动能增大，在衬底表面的扩散难度降低，令薄膜的沉积速率增大，晶粒更加致密，晶粒之间相互作用力增大，于是薄膜内应力增大。

3 结论

采用电子束蒸发技术在不同的蒸发速率下制备了厚度均为100 nm的Ti薄膜。随着蒸发速率增大，薄膜的表面粗糙度和方块电阻减小，压应力增大。

在实际生产中，Ti薄膜厚度一般要求在100 nm以下，残余应力绝对值应小于300 MPa。综合考虑薄膜厚度和应力，适宜的蒸发速率应为0.4 ～ 0.7 nm/s。