第37卷第4期稀有金属材料与工程、，01．37．No．4 2008正4月R A R E METAL MATERIALS A N D E N G I N E E R I N G A pr i l2008
金属薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系唐武1，邓龙江1，徐可为2，Jian Lu3 (1．电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验 室，四川成都610054)
(2．西安交通大学，陕西西安710049)
(3．LA SM IS，Un iv er si t6 de Tech nol ogi e d e Tr oy es，10010T ro y6s Cedex，France)
摘要：针对磁控溅射Au金属薄膜，从实验角度研究了该薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系，并对结果进行了分析。结果表明：薄膜电阻率随着表面粗糙度及残余应力的增加而增大。分析认为。晶体取向可能在金属薄膜力学性能和功能性之间有某种联系，并从应变能角度给予了解释。该结果为迸一步探讨薄膜力学性能和功能特性的内在关系提供了研究基础。
关键词：金属薄膜；电阻率；表面粗糙度；残余应力
中图法分类号：TB 43文献标识码：A 文章编号：1002．185X(2008)04．0617—04
作为薄膜集成电路主要工作单元的金属薄膜，力
北京人资
1实验方法
学性能与功能性并不是截然分开的。Co ok[卜4】等人的
imsi研究已认识到金属薄膜的机械强度和残余应力对电迁基体材料为A99氧化铝单抛陶瓷片，为了避开其移的影响。电迁移会涉及电路的可靠性问题，而另一它因素而突出表面粗糙度的作用，选择具有不同粗糙个与电学性能相关的薄膜电阻率问题，将决定电路在度表面的A1203作为基体，通过美国VS一24C磁控溅射服役过程中性能能否正常发挥。为了使薄膜电路能够台制备不同表面粗糙度的A u薄膜，A u膜厚度控制在长期可靠地工作，特别是在工作环境(如力、热、电、500 nm左右。溅射的Au靶纯度99．99％，沉积系统真光、磁及其复合作用)变化时，必须保证薄膜的组织空度小于104 Pa，溅射气体为99．999％的Ar气，基体性能尽可能稳定或使其向更有利的方向转变。薄膜中保持水平放置并采用负偏压以增强薄膜与基体的结合的残余应力状态对于器件的可靠性也至关重要[51。然强度。溅射前，先预溅射 2 min以去除靶材表面的污而，长期以来，残余应力对薄膜电阻率的影响及其对染物。
组织性能的依赖性尚无充分阐明。薄膜电阻率用四点探针测试。探针对样品的压力高密度集成电路的横向尺寸将下降到0．1岬或以一般控制在20N左右，所有试验均在室温下进行。为下，薄膜生长过程的精度至少要控制到上述尺寸的了保证试验结果的可靠性，每一个样品均测量6次
取1／10乃至1／100(相当于几个晶格常数)，于是薄膜表平均值。用SPM．9500型原子力显微镜测量薄膜表
面面形貌在薄膜电路的制作中的地位越趋重要【6~8】。一R。。粗糙度。残余应力采用光学干涉的方法来测定。般
认为，表面形貌对电阻率的影响在很薄的薄膜(厚
2结果及分析
度可与电子平均自由程相比拟)中存在尺寸效应，电
阻率受薄膜表面影响很大，但对较厚薄膜的影响并不2．1 电阻率与表面粗糙度的关系明显。图1示出了Au薄膜电阻率与表面粗糙度的关系。本研究将从实验角度探讨金属薄膜电阻率与表面可见，随着薄膜表面粗糙度增加，在试验范围内，电粗糙度及电阻率与残余应力的关系，为进一步建立相阻率几乎呈线性增长。由此可知，至少在表观上电阻应的金属薄膜力学性能与功能性相联的理论体系奠定率与表面粗糙度有关。
基础。金属电阻形成的根源是自由电子发生碰撞，从而
收到初稿日期：2007．03-28：收到修改稿日期：2007．07．09 基金项目：国家自然科学基金(50601005) 作者简介：唐武，男，1975年
生，博士，副教授，电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都610054，电话：
028-********，E-ma il：t ang@ue stc．edu．cn
稀有金属材料与工程第37卷
失去了从外电场获得的定向速度。这种碰撞可能发生的主要因素。有关薄膜表面散射对薄膜电导的影响，
于电子．晶格、电子．杂质、电子．晶界、电子．表面。在已经有很多人作过研究，目前认为比较符合实际情况
块体材料中，电子．表面碰撞的次数在总的碰撞次数中的是法奇斯(Fu ch s)．桑德海默尔(So ndh ei me r)理论。由
所占比率极小，可以忽略，因而块体材料的电阻率与桑德海默尔推导的薄膜电阻率的表达式很繁，当t>2
物体尺寸无关。但对薄膜而言，当其表面特征尺寸可时，在应用上可取近似表达式：与该温度下电子自由
程相当时，电子．薄膜的表面碰撞
为非镜面反射(即反射方向与入射方向无关，亦即漫风刊，+争
反射)，电阻率就会随表面状态改变。
式中，pB为块体材料电阻率，A为电子平均自由程，
，为薄膜厚度。由式(1)可见，当f爿时，既比几增
加约40％；t=l O A时，所增加约4％。因此对较薄的营薄膜，表面散射对薄膜电导的影响不可低估。
q 式(1)是假设电子在薄膜表面完全漫反射所得的营
占
结果，对于有一部分电子在表面产生镜面反射的情况，莒式(1)应修正为：
星
r 1j ]
夕f=PB1+詈(1一P)l(2)
L J
P为镜面反射系数。实际薄膜的P≠O，漫反射所图I 薄膜电阻率随表面粗糙度的变化占比例为(1-p)。由式(2)可知，对于同样的薄膜，Fig．1 T h e res ist ivit y sur f ac e roughness
改善表面光滑程度，可以使薄膜电阻率降低。
事实上，在研究对象中，薄膜的厚度已经是电子根据电子波理论，电子可以无碰撞地(即电子波平均自由程的10倍以上，按照F—S理论，此时薄膜
电无衰减)通过完全晶格。但即使晶格无缺陷、无杂质阻率的增加是很小的，似乎不足以引起根本性的改变。
仍不是完全晶格。晶体中的原子(统称点阵)并不是但实验结果显示，薄膜电阻率随着表面粗糙度的增加
静止的，它总是绕其平衡位置不停地振动，这就造成而增大，可能的解释是由于薄膜的生长结构所造成。
排列上的不完整，造成电子与振动点阵的碰撞亦即电图2为磁控溅射Au薄膜的三维原子力显微镜形
孙俪档案
貌。子与声子的碰撞。和气体中分子运动相似，金属中自可见，磁控溅射A u膜均呈柱状晶结
构生长，在垂直由电子在两次碰撞间跑过距离的平均值称为平均自由于薄膜表面方向颗粒尺寸参差不齐，
纵向不同高度以程，这数值对薄膜来说是一个特征值，见表1。及横向不同尺寸的颗粒导
致了不同的薄膜表面粗糙
度，从而影响电子在薄膜中的输运，导致薄膜电阻率表1金属电子平均自由程的变化。
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从表1可知，对大部分金属，在室温下，若薄膜图2磁控溅射Au薄膜的三维形貌厚度在20～30 13m，
根据上述分析的金属电阻的形成机Fig．2 T h e3D AFM morpholo gie s ofA u film b y magnet ron 制，可知电子与薄膜表面的碰撞就会成为影响电阻率sputtering
第4期唐武等：金属薄膜电阻率与表面租糙度、残余应力的关系·619·图3示出了磁控溅射A u金属薄膜柱状晶颗粒生事实上，国际上许多学者都研究了沉积工艺对薄
长的表面高低起伏状态分布。由图3可见，在垂直于膜电阻率的影响[o-川。本研究强调电阻率和残余应力
薄膜表面方向上颗粒尺寸起伏可达到50～75 nln，这种的关系，可能通过某一中间因子将薄膜力学性能和功
尺寸范围与导电电子的平均自由程很接近，电子与薄能性有机结合起来。Bu rnet t[12】等人对溅射Cu膜研究膜表面的碰撞就不能够忽略。表面粗糙度正是对薄膜发现，随残余拉应力增加，薄膜电阻率增大；
的这种表面生长微观结构的综合反映，表面高低起伏Thor nt on[13】等人对其它金属薄膜的研究也报道了类似
越大，粗糙度值就越大，电子与之碰撞的几率就越多，结果；N owak[14】等人对反应溅射H fN薄膜
的研究同样
在电场方向降低的传输速度就加快，导致薄膜电导率发现电阻率与残余应力之间存在一定的对应关系。但
下降，相应电阻率升高。也就是说，表面粗糙度越大，长期以来研究者对此现象没有足够重视，也对此现象
薄膜电阻率将增大。它虽然不是影响薄膜电阻率的决没有很好的理论解释。定因素，但在表观上却与电
阻率有很好的对应关系。Ch o i[15l等人对磁控溅射1肛m厚的C u膜研
究发薄膜电阻率是否与表面粗糙度有本质联系，其物理内现，基体负偏压为零时，残余应力达到最大，
为430 涵及其相关程度有待进一步研究。M Pa左右，电阻率同时达到最大，8．3‘l Q·cm。随着负
偏压增加，残余应力减小，电阻率也减小。但他们并
没有将残余应力与电阻率联系分析，而只注意到工艺
参数负偏压对残余应力和电阻率各自的影响。根据萋Ch o i等人的试验结果，C u膜电阻率和残余应力之间笛的对应关系如图5。对比图4可见，A u膜试验结果
和
Ch o i的C u膜一致，薄膜的电阻率均随残余拉应力
的增加而增大。
盐酸诺氟沙星图3磁控溅射Au膜的表面起伏状态分布图
Fig．3 T h e grain height distributing o f A u film b y mag netro n
sputtering
2．2电阻率与残余应力的关系薄膜电阻率和残余应
力都受到不同工艺参数的影
响。二者之间在物理内涵上是否有必然联系还值得进一步研究。为了避开合金元素扩散对薄膜电阻
率的影响，实验中仍然以纯A u膜作为研究对象。图4示出了Au膜电阻率随残余应力的变化
关系。可见，在试图5 Cu膜电阻率随残余应力的变
化
验范围内薄膜电阻率随残余拉应力增加而增大。Fig．5 The relationship between res isti vit y a n d residual s t r e s s
o f C U film
研究认为，电阻率与残余应力之间的这种对应关
系，可能和薄膜的晶体取向有关。从前期研究中已经
知道，对面心立方金属，薄膜残余应力与晶体取向有
内在的联系【16l。薄膜残余拉应力随(111)取向增强而增
大。薄膜中电阻率的产生与电子．晶格、电子．杂质、
电子．晶界、电子一表面的碰撞有关，这就必然会涉及
到晶界、晶格和表面的状态。对应于表面能，密排面
(111)对应的表面能最小；对应于应变能，(111)取向的图4Au膜电阻率随残余应力的变化晶粒中应变能密度最大。也就是说，随着残余拉应力
The relationship between re sis tivi ty an d r e si d u al s t r e s s的增加，薄膜(111)取向呈增强的态势。此时，薄膜中Fig．4
o f A u film 应变能集聚越多，导致晶粒变形越厉害，晶界扭曲程
．620· 稀有金属材料与工程第37卷
度增加，晶界对电子造成的散射就会越显著，薄膜电【7】Zhu M，Che n P，F u Ri ck y K Y et a1．A p p l Surf Sci[J]，2005，
阻率相应增大。Tsen g[171等人对Al和W膜的研究进一239(3-4)：
327
步证实了上述结果。[8】8 Wen X W，Jiang X L，Han L J et a1．Vacuum[J]，2004，75(2)：
99
3 结论
【9】M a ll i k R C，D a s V D．Vacuum[J]，2005，77(3)：275 11磁控溅射金属薄膜电阻率随着表面粗糙度的【10】Asado v A，Ga o W，Li Z e t a1．T hi n So li d Films[J]，2005，增加而增大。476(1)：201
2)薄膜电阻率随残余应力的增加而增大。【l 1】Zhu Y，W a ng H，Liu P et a1．Th i n S ol i d Films[J]，2005，
勤奋学习全面发展
471(1—2)：48
参考文献Ref ere nce s [12】Burnett A F'Cech J M．J V ac S ci T ec hn ol A[J]，1993；1 1：2970【I】Cook R F，T h ur n J．Acta Mater[J]，2002，50(10)：2627 [13】Thornton J A，H o f f m a n D H．J Fa c S ci Technol[J]，1976，【2】Ta n C M，Roy A．T hi n SolidFilms[J]，2006，504(1-2)：288 14(1)：164
【3】Wang T C，C heng Y L，Wang Y L et a1．T h in S o l i d Films[J]，[14】Nowak R，M ar u no S．Mater Sc i E n g A[J]，1995，202：226 2006，498(1-2)：36【15】Choi H M，C h oi S K，Anderso n O et a1．砀加Solid F il m s[J]，【4】Yang Z W，Zhang D H，L i C Y et a1．Thi n S ol id Films[J]，2004，2000，358：202哈贝马斯交往理论
462～463：288【16】Tang W，xu K W，Wa ng P et a1．Mater L e t t[J]，2003，57：【5】Decuzzi P．Thin Soli dF i lm s[J]，2003，437(1-2)：1883101
[6】M os b a h A，A b e d S，B o uh s si r a N et a1．Mater Sci＆Eng占[J】，[17】Tseng W T，W an g Y L，N i u J．Thin So li d Film[J]，2000，370：2006，129(1-3)：14496
Relationship between Resistivity of Metallic Film
and Its Surface Roughness，Residual Stress
Ta n g Wul，Deng Longjian91，Xu K ew ei2，J ia n L u3
(1．S t at e K e y L ab o ra to r y of El e c t ro n i c T h i n Fi l m s a n d I nt e g r at e d D e vi c e s，U n i ve r s i ty of Electronic Sci en ce
and Techn ology of Chi na，C hengd u 610054，C hin a)
(2．X i’a n Jiaotong University,Xi’an710049，C h i n a)
(3．L AS MI S，U ni ver si t6de Tech nol ogi c de T ro ye s，10010 Tr oy e s Cedex，F ra nce)
Abstra ct：Au film w a s f a b r ic a t e d A1203s u b s tr a t e by ma gnetr on sputtering．The relationship between resistivity o f metallic film a nd its surface ro ug h n es s，r es i d u al s t r e ss was in v e st i g at e d a c c or d i ng to e x p e ri m e n t al r e su l t s．T h e results s h o w that t he resi st iv it y of the metallic film correlates with surface ro u g hn e s s a n d r e s id u a l s t r es s．T h e in c r ea s e of res ist ivi ty w it h s u rf ac e r ou gh n es s a nd tensile residual s t r es s
be ex pl ai ne d b y the strain energy theory．It b e in f er r ed that crystal orientation m a y b e c o n n e c t with th e me chan ical beh avio r an d f un c t io n a l pr o p er t y o f m e t al l i c film．
Key words：me ta ll ic fi lm；r e s is t i vi t y；s ur f ac e rou g h ne s s；r e s id u a l s t r e s s
Biogra phy：Tang Wu，Ph．D．，Asso ciate Pro fe s so r,S ta t e K e y Labor at or y of E le c tr o ni c T h in Fi l ms a nd In t eg r at e d D e vi c es，U n iv e rs i ty of Electronic Sc ie nc e a nd Technology o f C h i n a,C h e n g d u610054，P．R．China，Tel：0086-28-83202550，E-mail：tang@uestc．edu．cn
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