熊 淑 平

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 黃岡 438002)

0 引 言

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制程演進(jìn)速度愈來(lái)愈快，隨著對(duì)各式產(chǎn)品微小化的需求，人類的科技文明即將由微米時(shí)代逐步進(jìn)入所謂的奈米時(shí)代[1]。納米結(jié)構(gòu)是藉由原子、分子、超分子等級(jí)的操控能力以產(chǎn)生具有新分子組織的較大結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有新穎的物理、化學(xué)和生物的特性與現(xiàn)象。納米科技實(shí)際上并無(wú)統(tǒng)一的定義，一般說法系指物質(zhì)在納米尺寸下呈現(xiàn)出有別于巨觀尺度下的物理、化學(xué)或生物特性與現(xiàn)象。所謂納米科技是運(yùn)用這方面的知識(shí)，在納米尺寸等級(jí)的微小世界中操作、控制原子或分子組合成新的納米尺度結(jié)構(gòu)(納米材料)，以展現(xiàn)新的機(jī)能與特性。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)、制作、組裝成新的材料、器具或系統(tǒng)，使之產(chǎn)生全新功能，并加以利用的技術(shù)總稱。納米科技的最終目標(biāo)是依照需求，透過控制原子、分子在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的嶄新特性，加以組合并制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

隨著科技高速發(fā)展，日常生活用品將朝更微小、精細(xì)化的方向前進(jìn)，半導(dǎo)體工業(yè)已進(jìn)步到現(xiàn)今的0.13 μm水平。因此，在半導(dǎo)體材料的研發(fā)上，納米科技可以說是目前的趨勢(shì)，半導(dǎo)體納米薄膜即半導(dǎo)體納米顆粒所鍍的膜或納米厚度的膜。 半導(dǎo)體納米薄膜具有導(dǎo)電特性,如納米Si晶膜導(dǎo)電度為10～2 S/cm(bulk 10-11 S/cm)。納米級(jí)薄膜的技術(shù)開發(fā)極為重要，因?yàn)樗谖磥?lái)積極發(fā)展的積體電路制程扮演極關(guān)鍵的角色[2]，面對(duì)納米世紀(jì)的來(lái)臨，如何在不斷微型化的積體電路制程里提供高效率與高性能同時(shí)高可靠度的超薄各型薄膜，是納米結(jié)構(gòu)與材料研究學(xué)者與團(tuán)隊(duì)最迫切的工作之一，預(yù)期這樣的制作技術(shù)將被研發(fā)成功并正式加入積體電路的生產(chǎn)流程可把現(xiàn)今的積體電路制作技術(shù)拓展至納米尺度的微型領(lǐng)域[3]，朝著35 nm甚至更極限的線寬挑戰(zhàn)，制作出性能更為杰出且尺寸更小的各式電子電路元件。

1 樣品測(cè)試方案

1.1 納米薄膜膜面方向Seebeck系數(shù)與電導(dǎo)率

1.1.1膜面方向電導(dǎo)率測(cè)試方案

TLM法常用于金屬與薄膜之間接觸電阻的測(cè)量，在得到接觸電阻的同時(shí)也可以得到薄膜膜面方向的電導(dǎo)率。為提高測(cè)試精度，測(cè)試薄膜膜厚方向電導(dǎo)率時(shí)需要扣除接觸電阻的影響，因此綜合考慮，本測(cè)試系統(tǒng)采取TLM測(cè)試薄膜膜面方面電導(dǎo)率，并同時(shí)得到接觸電阻，為膜厚方向電導(dǎo)率的測(cè)量提供必需的數(shù)據(jù)。傳輸線法布置圖及作圖求解電導(dǎo)率和接觸電阻如圖1所示。

圖1 TLM法測(cè)試薄膜膜面方向電導(dǎo)率和接觸電阻率示意圖

1.1.2膜面方向Seebeck系數(shù)測(cè)試方案

膜面方向Seebeck系數(shù)樣品布線方案設(shè)計(jì)圖如圖2所示[4]。由于樣品采用球柵陣列(BGA)封裝，測(cè)試系統(tǒng)使用樣品座代替直接接線方式通電測(cè)試及收集電壓信號(hào)，沿襲這一設(shè)計(jì)思想，因此采用直接在樣品上光刻微加工的方式[5]，加工出薄膜溫度傳感器，在保證測(cè)量準(zhǔn)確的前提下，可提高樣品的集成度，徹底擺脫接線方式的繁瑣操作。在樣品的兩端分別沉積兩個(gè)電壓探針，并在電壓探針附近分別沉積薄膜溫度傳感器，薄膜溫度傳感器材料選用鎳金屬，因?yàn)殒嚱饘倬哂休^大的電阻溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)，且在較低溫度下的電阻與溫度有很好的線性關(guān)系。由電壓探針1、2采集到的電壓值和薄膜溫度計(jì)1、2采集到溫度差得到薄膜熱電材料的Seebeck系數(shù)。在樣品的一端沉積有金屬薄膜加熱器[6]，通電可直接對(duì)襯底和薄膜樣品加熱，樣品的另外一端與大的銅塊接觸吸熱降溫，使襯底在某一方向上產(chǎn)生較為明顯的溫差和較大的溫度梯度，有利于膜面方向Seebeck系數(shù)的測(cè)試[7]。

圖2 膜面方向Seebeck系數(shù)測(cè)試方案

1.2 膜厚方向電導(dǎo)率的測(cè)試方案

改進(jìn)的傳輸線法(ETLM)一直是用來(lái)測(cè)試膜厚方向電導(dǎo)率的常用方法[8]，該方法是在測(cè)試接觸電阻的TLM法基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)，加工出樣品的臺(tái)式結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示，采取與測(cè)試接觸電阻相同的測(cè)量步驟并作圖，最終通過與TLM法所得電阻值求差，可得膜厚方向的電導(dǎo)率。

圖3 ETLM法測(cè)膜厚方向電導(dǎo)率

ETLM法由于需要加工臺(tái)式結(jié)構(gòu)，而且要準(zhǔn)確測(cè)得臺(tái)式結(jié)構(gòu)的臺(tái)階高度，這在樣品制備的過程中需要花費(fèi)較大的精力，難度較大，且所測(cè)得薄膜電導(dǎo)率為臺(tái)式結(jié)構(gòu)的厚度方向電導(dǎo)率，而并非薄膜本身厚度方向的電導(dǎo)率。如果薄膜的電導(dǎo)率隨著厚度方向有所改變，則該方法所得到的臺(tái)式結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率并不能等同于膜厚方向的電導(dǎo)率。因此本測(cè)試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中提出了全新的測(cè)試方案，與傳統(tǒng)四探針法測(cè)電導(dǎo)率的方法有一定的相似之處，稱之為準(zhǔn)四探針法。

2 以納米科技增進(jìn)半導(dǎo)體薄膜接點(diǎn)導(dǎo)電特性

歐姆接點(diǎn)是指施加電壓于其上時(shí)能提供元件所需的電流，但不會(huì)影響元件特性之接點(diǎn)，也就是在接點(diǎn)處的電壓降與元件工作區(qū)的電壓降相比要夠小[9]。傳統(tǒng)為了改進(jìn)半導(dǎo)體薄膜介面而獲得歐姆接點(diǎn)，一般都是將金屬蒸鍍?cè)诎雽?dǎo)體表面后，再進(jìn)行所謂的退火處理即一種加熱處理，例如：鋁、矽接點(diǎn)須加熱至約450 ℃，以增進(jìn)半導(dǎo)體接點(diǎn)導(dǎo)電特性，但在元件日益縮小的趨勢(shì)中，加熱所造成的滲雜原子擴(kuò)散效應(yīng)，會(huì)影響元件的功能[10]。此低溫制程是可行的改進(jìn)方式。研究的目的即在提供有別于退火處理的另外一種選擇，即應(yīng)用納米科技來(lái)改進(jìn)半導(dǎo)體接點(diǎn)的導(dǎo)電特性，本實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用電子束微影技術(shù)(Electron Beam Lithography)，在矽晶片表面制造納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)，以改善半導(dǎo)體薄膜介面性質(zhì)并增進(jìn)其導(dǎo)電性，目前研究結(jié)果顯示，在矽晶片表面建構(gòu)方型孔洞陣列，且在孔洞夠小的情況下，與未建構(gòu)納米孔洞而只做退火處理的對(duì)照樣品相比，其金屬半導(dǎo)體薄膜接面的導(dǎo)電特性可獲致2～6倍的改善，而將具納米孔洞樣品再做退火處理時(shí)，可達(dá)到約4個(gè)數(shù)量級(jí)改進(jìn)，而且其退火溫度及時(shí)間皆小于傳統(tǒng)退火處理者。

設(shè)計(jì)從200 nm至數(shù)十μm的方型孔洞陣列[11]，以探究納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)特性對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電特性影響。首先將設(shè)計(jì)好的陣列結(jié)構(gòu)圖型經(jīng)由電子束微影制程，將其刻劃在涂布于矽晶片表面光阻材料上，再經(jīng)反應(yīng)式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)制程將圖型轉(zhuǎn)至矽晶片上，隨即將殘留于矽晶片表面之光阻材料去除，并清潔其表面及做去氧化層處理，即完成納米孔洞陣列的制作。接著將鋁蒸鍍?cè)谖砻鎇12]，并涵蓋所有方型孔洞陣列區(qū)域，即構(gòu)成一個(gè)金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)，而4個(gè)接點(diǎn)依續(xù)兩兩之間距離為20、30及40 μm。形成一組基于傳輸線法的測(cè)量架構(gòu)，以測(cè)量接點(diǎn)導(dǎo)電率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在孔洞陣列涵蓋率夠大時(shí)(約大于8%)，單位孔洞面積電導(dǎo)值即導(dǎo)電率與其涵蓋率無(wú)關(guān)[13]，因?yàn)樵诟吆w率時(shí)導(dǎo)電性由流經(jīng)孔洞內(nèi)的電流來(lái)決定，而在低涵蓋率時(shí)導(dǎo)電性由流經(jīng)孔洞外的電流來(lái)決定，從中并發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電率會(huì)受到孔洞大小影響。導(dǎo)電率隨著孔洞的變小而增加。為了與不具孔洞陣列而只做退火處理的實(shí)驗(yàn)樣品作比較[14]，將一系列的實(shí)驗(yàn)樣品從300 ～600 ℃，每隔50 ℃做退火處理，退火時(shí)間為10 min，得出在450 ℃作快速熱退火處理者可獲得最大導(dǎo)電率，為進(jìn)一步確認(rèn)此最佳值，以該溫度及550 ℃再進(jìn)行退火處理30 min，結(jié)果亦獲得450 ℃為最佳退火溫度，遂將此條件下所獲得的導(dǎo)電率作為比較標(biāo)準(zhǔn)[15]。在孔洞小到480 nm以下時(shí)，其導(dǎo)電率已超越未具孔洞而只做退火處理之樣品，且達(dá)到2～6倍的改進(jìn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

使用本實(shí)驗(yàn)室核心設(shè)備——電子束微影系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的方型奈米孔洞陣列結(jié)構(gòu)，成功地改進(jìn)金屬半導(dǎo)體介面性質(zhì)并達(dá)成增進(jìn)其接點(diǎn)導(dǎo)電率的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)孔洞小到480 nm以下時(shí)，其導(dǎo)電率能超越傳統(tǒng)退火處理的接點(diǎn)導(dǎo)電率，這也說明了小孔洞陣列結(jié)構(gòu)可以取代退火處理，尤其是在低溫制程的應(yīng)用中。

[1] L. Wang, C. Analysis of clipping noise and tone reservation algorithms for peak reduction in OFDM system[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2008, 57(5): 1675-1694.

[2] A. Violation, Proto filter design for filter bank based multicarrier transmission[M].In Proceeding of European Signal Processing Conference, 2009, 9:56-59.

[3] H. Li, T. Jiang, and Y. Zhou. An improved tone reservation scheme with fast convergence for PAPR reduction in OFDM systems[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2011, 57(4): 902-906.

[4] T. Jiang, Y. Wu. An overview: Peak-to-average power ratio reduction techniques for OFDM signal[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2008, 54(2):257-268.

[5] J. Tell ado. Peak to average power reduction for multicarrier modulation. Ph.D. dissertation[J]. Stanford University, 1999, 8:90-93.

[6] J. Armstrong. Peak-to-average power reduction for OFDM by repeated clipping and frequency domain filtering[J]. Electronics Letters, 2002, 38(5):246-247.

[7] X. Li, L. J. Camino. Effects of clipping and filtering on the performance of OFDM[J]. IEEE Communication Letters, 1998, 2(5): 131-133.

[8] T. Jiang, G. Zhu. Nonlinear commanding transform for reducing peak-to-Average power ratio of OFDM signals[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2004, 50(3): 342-346.

[9] X. Wang, T. T. Thong, and C. S. Ng. Reduction of peak-to-average power ratio of OFDM system using a commanding technique[J]. IEEE Transaction on Broadcasting, 1999, 45(3): 303-307.

[10] L. T. Lam, N. P. Haigh,etal. TMS320C6000 Inter-Integrated Circuit Module Reference Guide[M]. SPRU175A. Texas Instrument, 2002, 10:310-112.

[11] Huang, M. J., Y. L. Thou, DSP/BIOS Textual Configuration (Ton) User’s Guide[M]. SPRU007E. Texas Instrument, 2004, 4:167-168.

[12] 唐寅生. 基于MCR的SVC及其廣闊前景[J]. 電力電容器, 2003(1)：77-78.

TANG Yin-sheng MCR SVC and its broad prospect of[J]. Power Capacitor Based, 2003(1):77-78.

[13] 張建生.半導(dǎo)體納米薄膜熱電性能測(cè)試儀器系統(tǒng)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012(9):33-36.

ZHANG Jian-sheng. Nano semiconductor thermoelectric properties of thin film testing instrument system[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology, 2012(9):33-36.

[14] 劉 詣.高職教育的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2008(5):91-92.

LIU Yi. Practical teaching of higher vocational education[J]. Journal of Tianjin University, 2008(5): 91-92.

[15] 黎中立.以奈米科技增進(jìn)金屬的半導(dǎo)體接點(diǎn)導(dǎo)電特性[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013(7):89-91.

LI Zhong-li. Promote semiconductor contact conductive properties of metal based on Nanotechnology[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology, 2013(7):89-91.