針對(duì)鋁薄膜進(jìn)行了快速冷熱循環(huán)試驗(yàn)。模擬焦耳熱變化并研究影響機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明。對(duì)比于恒溫加熱。焦耳熱循環(huán)變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力遷移速率持續(xù)變化。對(duì)鋁薄膜表面形成變應(yīng)力沖擊。同時(shí)加劇表面 疲勞微裂紋的形成與擴(kuò)展。終使表面小丘數(shù)量和體積顯著增加。致使集成電路失效概率大幅提高。 
    集成電路中重復(fù)的 ＯＮ／ＯＦＦ操作會(huì)導(dǎo)致焦耳熱發(fā)生快速循環(huán)變化。從而影響鋁薄膜的結(jié)構(gòu)。集成電路和微機(jī)電系統(tǒng) （ＭＥＭＳ）在現(xiàn)代機(jī)械電子工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。其中金屬薄膜材 料是不可替代的組成部分。Ａｌ和Ｃｕ薄膜因其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于集成電路中。由 于Ｃｕ薄膜制造成本較高、工藝較復(fù)雜。而 Ａｌ薄膜加工工藝成熟、制造成本低。因此多年以來(lái)Ａｌ薄膜一直被用作重要的組成材料。由于集成電路通常處于微納米尺度。產(chǎn)生的電流密度大。因此不能忽視通電產(chǎn)生的焦耳熱影響。當(dāng)電路經(jīng)受重復(fù)的ＯＮ／ＯＦＦ操作時(shí)。焦耳熱會(huì)發(fā)生快速循環(huán)變化。 導(dǎo)致Ａｌ薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。產(chǎn)生空穴（ ｖｏｉｄ）和小丘（ ｈ ｉｌｌｏｃｋ）。使電路出現(xiàn)斷路或短路等失效現(xiàn) 象。因此。研究快速冷熱循環(huán)變化對(duì) Ａｌ薄膜的影響是十分必要的。Ｇｅｉｓｓ等使用交流電源對(duì)電路通 電來(lái)研究焦耳熱循環(huán)變化對(duì)于 Ａｌ－１ｗｔ％Ｓｉ導(dǎo)線的影響。但是該試驗(yàn)中無(wú)法避免電遷移現(xiàn)象對(duì)于 Ａｌ膜的影響。同時(shí)也未針對(duì)高純度Ａｌ膜試樣進(jìn)行試驗(yàn)。 Ｒｉ等分析了溫度循環(huán)變化對(duì)于鋁膜的影響。 但是試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格較高。而且試樣中鋁膜厚度達(dá)到了５μｍ。無(wú)法準(zhǔn)確模擬集成電路中的鋁膜結(jié)構(gòu)。
    為避免電遷移現(xiàn)象對(duì)于焦耳熱影響機(jī)理的干涉。本論文設(shè)計(jì)了一種新型快速冷熱循環(huán)裝置。實(shí)現(xiàn)了對(duì)高純度鋁膜的快速加熱和冷卻。并通過(guò)對(duì)比恒溫加熱下相同結(jié)構(gòu)鋁膜的變化。分析了快速冷熱循環(huán)的影響機(jī)理。

    1、試樣制備與試驗(yàn)方法

    半導(dǎo)體薄膜溫度的快速變化需要通過(guò)環(huán)境溫度的快速變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此。 快速冷熱循環(huán)試驗(yàn)箱利用陶瓷加熱片提供高溫。并將陶瓷加熱片固定于升降位移機(jī)構(gòu)中。鋁膜的加熱和冷卻是通過(guò)伺服電機(jī)控制加熱片上下循環(huán)移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)中使用２英寸硅片。將硅片切割為１０ｍｍ×１０ｍｍ 小塊并放置于銅臺(tái)上。設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)是為了保證銅臺(tái)表面溫度在非加熱狀態(tài)時(shí)能快速冷卻至室溫。并通過(guò)溫度控制系統(tǒng) 以實(shí)時(shí)監(jiān)控陶瓷加熱片和銅臺(tái)溫度。由于硅片和鋁膜具有良好的導(dǎo)熱性。因此。在試驗(yàn)中。當(dāng)陶瓷加 熱片靠近硅片進(jìn)行加熱時(shí)。近似認(rèn)為硅片中鋁膜溫度與銅臺(tái)監(jiān)測(cè)溫度相同；而當(dāng)加熱片遠(yuǎn)離硅片進(jìn)行 冷卻時(shí)。鋁膜將快速降至室溫。快速冷熱循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖１ （ ａ）所示。包括升降位移機(jī)構(gòu)、 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)等。

    試驗(yàn)所需試樣Ａ橫截面結(jié)構(gòu)如圖１（ ｂ）所示。由 Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ／ＳｉＯ２／Ｓ ｉ組成。試樣制作過(guò)程如下： 首先在２英寸硅片表面通過(guò)高溫氧化制備一層３００ｎｍ厚的ＳｉＯ２ 膜。然后使用真空蒸鍍法在ＳｉＯ２表面沉積一層６００ｎｍ厚的Ａｌ膜。Ａｌ靶材純度為９９。９９％。沉積結(jié)束后。將試樣 Ａ 從真空腔中取出。Ａｌ膜表面立刻會(huì)生成Ａｌ２Ｏ３膜。試樣表面在加熱前平整光潔如圖１（ ｃ）所示。

    鋁膜循環(huán)加熱試驗(yàn)的主要參數(shù)見(jiàn)表１。其中Ｔ１表示鋁膜加熱后達(dá)到的溫度。為４７３Ｋ。Ｔ２表示鋁膜冷卻時(shí)的溫度。為室溫２９８Ｋ。ｔ１表示加熱片靠近硅片時(shí)的加熱持續(xù)時(shí)間。ｔ２表示加熱片遠(yuǎn)離硅片后的冷卻持續(xù)時(shí)間。Ｃ表示循環(huán)次數(shù)。如圖２所示。試驗(yàn)中采用５０００次冷熱循環(huán)。單次循環(huán)內(nèi)陶瓷加熱片加熱硅片時(shí)間設(shè)定為２ｓ。因此總加熱時(shí)間為１００００S。

    為對(duì)比恒溫持續(xù)加熱對(duì)試樣的影響。本文使用相同結(jié)構(gòu)的試樣。命名為試樣 Ｂ。放置于恒溫加熱爐中。加熱溫度設(shè)為４７３Ｋ。加熱時(shí)間同樣為１００００ｓ。

    ２、試驗(yàn)結(jié)果及分析

    試驗(yàn)結(jié)束經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)快速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的試樣 Ａ 表面如圖３ （ａ）所示。有大量的小丘出現(xiàn)。而經(jīng)過(guò)恒溫持續(xù)加熱試驗(yàn)后的試樣Ｂ表面如圖３ （ ｂ）所示。只有少量的小丘出現(xiàn)。說(shuō)明在加熱溫度 和時(shí)間相同的條件下。快速冷熱循環(huán)對(duì)于試樣的破壞性更大。
    試樣中Ａｌ和ＳｉＯ２膜的熱膨脹系數(shù)相差較大（ＣＡｌ＝２。５×１０ ７／Ｋ。ＣＳｉＯ２＝０。５×１０ ６／Ｋ）。因此在加 熱過(guò)程中。Ａｌ膜和ＳｉＯ２膜的熱膨脹能力不同。Ａｌ膜沿厚度方向的膨脹受到底層ＳｉＯ２膜的限制。導(dǎo) 致了壓應(yīng)力（ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）的產(chǎn)生。壓應(yīng)力在沿鋁膜厚度方向上形成應(yīng)力梯度。驅(qū)動(dòng)鋁膜中 的鋁原子沿晶界遷移。并積聚于鋁膜與表層氧化膜之間。形成應(yīng)力遷移現(xiàn)象。鋁原子的應(yīng)力遷移能力 隨加熱溫度的增大而增強(qiáng)。試樣 Ａ和Ｂ中加熱溫度達(dá)到４７３Ｋ。保證了 Ａｌ原子具有足夠的應(yīng)力遷移 能力。當(dāng)積聚鋁原子數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)。鋁原子會(huì)突破表層 Ａｌ ２Ｏ３ 膜的限制。從而形成了小丘。 
    試樣 Ａ和Ｂ的加熱溫度和總加熱時(shí)間相同。但由于試樣 Ａ在多次冷熱循環(huán)過(guò)程中。壓應(yīng)力出現(xiàn) 循環(huán)變化。導(dǎo)致應(yīng)力梯度出現(xiàn)相應(yīng)變化。試樣 Ａ 中遷移的鋁原子數(shù)量和速率也隨之發(fā)生持續(xù)變化。 因此將產(chǎn)生原子積聚形成的變應(yīng)力。Ｓａｋａ和Ｌｕ等報(bào)道了Ｃｕ和 Ａｌ的氧化膜存在易損傷點(diǎn)。金屬原 子應(yīng)力遷移并積聚后。會(huì)從易損傷點(diǎn)析出并生成小丘。試樣 Ａ 中表層 Ａｌ２Ｏ３ 膜同樣存在易損傷 點(diǎn)。而且受變應(yīng)力影響出現(xiàn)疲勞損傷。導(dǎo)致易損傷點(diǎn)擴(kuò)展并成為裂紋。終使試樣表面原子析出點(diǎn)的 數(shù)量和大小都顯著增加。試樣Ｂ在恒溫加熱過(guò)程中。Ａｌ原子應(yīng)力遷移的速率穩(wěn)定。當(dāng)積聚原子從試 樣表面按照一定速率析出。形成原子積聚析出動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。此時(shí)試樣Ｂ的表層氧化膜承受靜應(yīng)力 而不是變應(yīng)力。氧化膜的易損傷點(diǎn)沒(méi)有擴(kuò)展。因此。表面由鋁原子析出形成的小丘數(shù)量和大小均小于 試樣 Ａ。

    ３、結(jié)語(yǔ)

    本文對(duì)比分析了恒溫加熱和快速冷熱循環(huán)對(duì)于鋁薄膜的影響。在加熱溫度和總時(shí)間相等的情況下?？焖倮錈嵫h(huán)會(huì)導(dǎo)致鋁膜表面出現(xiàn)更多的小丘。研究發(fā)現(xiàn)。小丘來(lái)源于鋁原子的應(yīng)力遷移和積聚。快速冷熱循環(huán)使鋁膜內(nèi)應(yīng)力梯度持續(xù)發(fā)生變化。對(duì)表層氧化膜會(huì)造成更嚴(yán)重的疲勞損傷。本文的研究結(jié)果可應(yīng)用于延長(zhǎng)半導(dǎo)體器件壽命和遏制應(yīng)力遷移導(dǎo)致的集成電路失效。