張 明，周都成，陳海峰，王 栩

（無(wú)錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA在武器和空間電子系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而核輻射（中子、r）射線、空間輻射環(huán)境對(duì)電子系統(tǒng)的影響不可忽視。輻射會(huì)使器件的性能參數(shù)發(fā)生退化，以致失效，影響電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。反熔絲型FPGA 因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)適合輻射強(qiáng)烈的惡劣環(huán)境，具有優(yōu)異抗輻射性能，因而在武器和航天領(lǐng)域里得到了充分的應(yīng)用。其中MTM（Metal To Metal）反熔絲由于其編通電阻及互聯(lián)電容小的優(yōu)勢(shì)更是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

非晶硅a-Si薄膜是MTM（Metal To Metal）反熔絲結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的熔絲材料，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）是目前最常規(guī)、運(yùn)用最廣泛的非晶硅薄膜制備方法。 此方法制備的非晶硅（a-Si）薄膜具有帶隙態(tài)密度低的優(yōu)點(diǎn)，適于制作太陽(yáng)能電池和其他電子器件。但該方法的缺點(diǎn)也十分明顯，它使用的設(shè)備和氣體成本十分高昂，而且使用的是有毒易爆的氣體（SiH4、BH3、PH5）。因此，從生產(chǎn)成本和生產(chǎn)安全方面考慮，都需要一種新的方法來(lái)替代它。磁控濺射具有工藝簡(jiǎn)單、沉積溫度低、方向性強(qiáng)、薄膜附著性好和致密性高等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用該方法制備a-Si薄膜，安全高效、成本低廉。本文通過(guò)在實(shí)驗(yàn)硅基片上濺射a-Si薄膜，通過(guò)使用DOE（Design of Experiment）方法對(duì)磁控濺射Si靶的生長(zhǎng)速率、片內(nèi)均勻性特性進(jìn)行了研究，得到了a-Si介質(zhì)生長(zhǎng)速率與均勻性隨功率、壓力、溫度的變化關(guān)系，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行了分析，為反熔絲器件生產(chǎn)、開發(fā)、應(yīng)用提供了參考意見(jiàn)。

2 工藝和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 樣片制備

實(shí)驗(yàn)前首先將硅基片進(jìn)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 樣品生長(zhǎng)

采用Varian 3180型磁控濺射鍍膜機(jī)，濺射靶材是純度99.999 %、電導(dǎo)率0.02Ω.cm的非晶硅靶材。靶材表面與基片表面的垂直距離為8cm，濺射使用直流電源，濺射氣體使用純度為99.99 %的氬氣。

濺射前本底真空為666×10-7Pa。濺射條件如下：基片溫度為22℃變化至300℃、工藝壓力為0.399Pa變化至1.333Pa，濺射功率為額定功率的33%變化至60%，在上述工藝條件范圍內(nèi)設(shè)計(jì)DOE實(shí)驗(yàn)對(duì)a-Si 膜層的濺射生長(zhǎng)條件進(jìn)行了3因子3水平優(yōu)化研究（具體條件見(jiàn)表1）。

表1 DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.3 樣品膜厚表征測(cè)試

樣品的膜厚表征測(cè)試采用的是美國(guó) Therma-wave公司的OP2600型膜厚測(cè)試儀。該膜厚測(cè)試儀使用反射光譜法，采用波長(zhǎng)375nm～800nm的譜線作為光源對(duì)a-Si厚度進(jìn)行測(cè)試，可以多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)試并形成分布圖形。為反映硅片厚度分布趨勢(shì)，本次試驗(yàn)每片測(cè)試49點(diǎn)。另為減少不同厚度情況下均勻性的差異，本次試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果均將各實(shí)驗(yàn)條件的a-Si厚度調(diào)整至同一厚度進(jìn)行比較。

3 結(jié)果和討論

3.1 a-Si薄膜的沉積速率

濺射法沉積非晶硅膜，受到反應(yīng)室氣壓、基體溫度、射頻功率等因素的影響。以下采用DOE設(shè)計(jì)法，研究了機(jī)臺(tái)可變參數(shù)內(nèi)各因素與沉積速率之間的變化關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 a-Si膜沉積速率的主效應(yīng)圖

圖1中包括3組圖片，其分別說(shuō)明的是在功率、壓力、溫度3個(gè)因素中2個(gè)因素不變的情況下，單一因素變化時(shí)沉積速率的變化?？梢钥闯觯?/p>

（1）在反應(yīng)室氣壓、射頻功率不變的情況下，隨著基片溫度的增加從室溫22℃到300℃，a-Si的沉積速率變化緩慢，在300℃以內(nèi)，基片溫度的升高基本不會(huì)影響薄膜的沉積速率。

（2）在反應(yīng)室氣壓、基片溫度固定的情況下，改變射頻功率?？梢钥闯?，隨著射頻功率的增加，從33%到60%的功率條件變化，沉積速率也相應(yīng)地增加。推斷原因是因?yàn)殛帢O電流與電極電壓的乘積給出了濺射工藝的輸入功率，輸入功率的調(diào)整是通過(guò)保持電極電壓不變，調(diào)整陰極電流，陰極電流的增加產(chǎn)生了更多的粒子打在陰極上，這樣會(huì)產(chǎn)生更多的濺射，提高濺射速率。

（3）在射頻功率、基片溫度不變的情況下，增大反應(yīng)氣壓， 在壓力設(shè)定0.399Pa～2.666Pa的范圍內(nèi)生長(zhǎng)速率隨壓力增加而減慢。推斷原因是因?yàn)樵谏漕l功率一定時(shí)，極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，當(dāng)反應(yīng)氣體壓力增加時(shí)，電子的平均自由程減小，加速電子的能量相應(yīng)地減小，離子間的碰撞加劇，因此會(huì)表現(xiàn)出反應(yīng)壓力增加而沉積速率降低的現(xiàn)象。

3.2 a-Si薄膜的沉積均勻性

為保證工藝生產(chǎn)的一致性，a-Si薄膜的片內(nèi)均勻性也是工藝控制的重要方向，該參數(shù)同樣也受到反應(yīng)室氣壓、基體溫度、射頻功率等因素的影響。利用前面DOE設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試不同條件下片內(nèi)49點(diǎn)膜厚分布，計(jì)算均勻性std%（標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值的比值）,可以研究機(jī)臺(tái)可變參數(shù)內(nèi)各因素與沉積均勻性之間的變化關(guān)系（如圖2、圖3所示）。

圖2表征的是a-Si濺射工藝均勻性的典型分布圖。從圖2中可以看到該工藝片內(nèi)呈現(xiàn)出中心厚、邊緣薄的環(huán)狀分布，其原因與靶的形狀大小設(shè)計(jì)導(dǎo)致的濺射角度、等離子濃度中心分布高有關(guān)。

圖3 a-Si膜沉積均勻性的交互作用

圖3是a-Si膜片內(nèi)均勻性的交互作用圖，說(shuō)明在功率、壓力、溫度3個(gè)因素中2個(gè)因素不變的情況下，單一因素變化時(shí)片內(nèi)均勻性的變化?？梢钥闯觯汗に噮?shù)的變動(dòng)對(duì)片內(nèi)均勻性存在一定影響，但不是顯著因素。最差條件4.2%，最佳條件3.4%，其中：

（1）溫度低對(duì)均勻性有輕微改善；

（2）功率越小均勻性會(huì)輕微改善；

（3）壓力小均勻性改善最明顯。

推斷其原因?yàn)闉R射的均勻性主要受工藝設(shè)備設(shè)計(jì)的限制，壓力降低可以增加粒子的平均自由程，在表面上達(dá)到更均勻的分布，從而改善均勻性。而溫度低和功率小降低了淀積速率，對(duì)均勻性的改善可起到輔助作用。

4 結(jié)論

利用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)磁控濺射Si靶的工藝參數(shù)壓力、功率、溫度進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)?？紤]對(duì)生長(zhǎng)速率、片內(nèi)均勻性的優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)得出了該工藝可調(diào)節(jié)參數(shù)壓力、功率、溫度三者對(duì)工藝結(jié)果的交互影響。其中功率和壓力是主要決定速率和均勻性的關(guān)鍵因素。而通過(guò)降低工藝壓力、工藝溫度和功率可以起到改善均勻性的作用，但改善不明顯，且同時(shí)會(huì)導(dǎo)致速率的變化。本次試驗(yàn)為今后的科研生產(chǎn)提供了參考方向，但從其他文獻(xiàn)中可以看到溫度、壓力、功率的變化同時(shí)會(huì)導(dǎo)致a-Si介質(zhì)本身的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的變化，因此具體條件的確定除綜合均勻性及速率外，還須根據(jù)最終的膜質(zhì)特性來(lái)確定。

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