一種納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法
2023-07-12 03:16:36
專利名稱：一種納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，具體為一種納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法。
背景技術：
理想的導電材料需要同時具備高電導率和高機械強度。但是在集成電路互連工藝中廣泛使用的多晶銅卻具有較差的機械強度。固體的強度取決於其抗彈性形變能力，而通常多晶銅的彈性形變是由於各晶粒內部位錯的運動產生的。通過人為引入各種缺陷(包括晶粒間界、點缺陷等)可以阻止位錯的運動，從而提高銅的機械強度，其中包括固熔合金(金屬摻雜)、冷加工、晶粒細化等強化手段。但這些基於人為引入缺陷的方法由於增加了導電電子的散射都將降低銅的電導率，所以常規方法一般不能同時提高銅的電導率和機械強度。找到一種能有效抑制銅晶粒內部位錯運動而又不增加導電電子散射的銅微觀結構是同時提高銅兩種性能的關鍵。孿晶界是一種低能共格晶界，它可以象常規晶粒間界一樣有效減少位錯運動而起到強化作用且同時又避免了增加對電子的散射。因此通過大量引入銅孿晶界，即製備高密度孿晶銅，可以既提高銅的機械強度而又不損失銅的導電性。盧柯等人用脈衝電鍍的方法在非晶Ni薄膜上製備了納米孿晶銅薄膜。而一般的報導中，物理氣相澱積製備的的銅薄膜在其厚度大約1微米時才能觀察到顯著的孿晶。
發明內容
本發明的目的是提供一種簡單、方便的納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法。
本發明提出的納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法如下在矽基片上，用物理氣相沉積方法，首先製備一種和Cu具有高界面能的襯底材料，此襯底同時還應具有和銅不易發生互溶、擴散、反應的性質。一般來說，C基化合物和Cu具有較高的界面能，如WC，WCN，非晶C薄膜等，可作為襯底材料。其他和Cu具有高界面能的材料都可以使用。例如可以選擇為難熔金屬的碳化物，例如WC，TiC，TaC等，或者含碳和氮的難熔金屬三元化合物，例如WCN，TiCN，TaCN等。該層薄膜厚度不是限制的因素，從使用角度考慮，這層薄膜的厚度可以在5-100納米。然後使用物理氣相澱積方法，例如濺射方法再在其上澱積一層銅薄膜，則在剛澱積的銅薄膜中即可形成納米尺度孿晶結構，銅薄膜的厚度一般可以為50-200nm。
為進一步增大孿晶銅晶粒尺寸和提高銅孿晶密度，本發明還可進一步進行退火處理。退火溫度為室溫到600℃，退火時間為30秒-2分鐘。
由於本方法僅需要製備特定襯底就可以用常規物理氣相澱積的方法製備納米尺度孿晶銅薄膜，因此具有簡單、方便、實用性強的特點。
圖1剛澱積樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。(a)Cu(100nm)/WC(10nm)/Si；(b)Cu(100nm)/W(10nm)/Si。
圖2退火樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。(a)Cu(100nm)/WC(10nm)/Si，(510度60秒退火)(b)Cu(100nm)/W(10nm)/Si，(550度60秒退火)。
圖3樣品Cu(100nm)/WC(10nm)/Si(510度60秒退火)的背散射電子衍射(EBSD)分析圖，左邊為樣品的SEM圖，右邊為相應所選區域的晶向映射顏色圖，紅色區域到綠色區域表明相鄰晶粒沿111晶向互為旋轉60度。
圖4Cu(100nm)/WCN(10nm)/Si樣品550度60秒退火的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
具體實施例方式
實施例11選擇矽(Si)為襯底，經過標準RCA清洗並在一定濃度(一般採用2％)的氫氟酸(HF)溶液清洗去除本徵氧化層後，裝入物理氣相澱積(PVD)設備腔體，本底真空越低越好，本實例中給出的真空度為2×10-5Pa。在其上用磁控共濺射方法澱積一層碳化鎢(WC)薄膜。WC薄膜的厚度不受限制，從工藝簡單性來說，本實例中採用的薄膜厚度為10納米。澱積時通入Ar氣，工作氣壓為5×10-1Pa。
2在不破壞真空條件下，繼續磁控濺射澱積一層100nm的銅薄膜，澱積時工作氣壓為5×10-1Pa。得到Cu(100nm)/WC(10nm)/Si的樣品結構，此時剛澱積的銅薄膜中即具有納米尺度的孿晶結構，如附圖1(a)所示。孿晶結構特有的條紋可被清晰觀測到。
3對樣品Cu(100nm)/WC(10nm)/Si進行退火處理，溫度可以在室溫到600℃之間，退火氣氛可以是惰性氣體保護或者是真空。本實例中採用510℃氮氣保護下退火60秒，銅晶粒尺寸及孿晶銅密度均增大，如附圖2(a)所示。
取附圖2(a)所示樣品進行背散射電子衍射(EBSD)分析以研究銅孿晶的結構性質，如附圖3所示。EBSD分析表明相鄰的孿晶沿111晶向互為旋轉60度，孿晶的間距在20-150納米左右。
實施例21選擇矽(Si)為襯底，經過標準RCA清洗並在2％濃度的氫氟酸(HF)溶液清洗去除本徵氧化層後，裝入物理氣相澱積(PVD)設備腔體，本底真空越低越好，本實例中給出的真空度為2×10-5Pa。在其上用磁控共濺射方法澱積一層10nm～100nm厚的碳氮化鎢(WCN)薄膜。濺射氣氛為氮氣和氬氣混合氣體，氮氬分壓比為1∶4，碳靶和鎢靶的澱積速率比為3∶7，澱積時工作氣壓為5×10-1Pa。
2在不破壞真空條件下，繼續磁控濺射澱積一層100nm的銅薄膜，澱積時工作氣壓為5×10-1帕斯卡。得到Cu(100nm)/WCN(10nm)/Si的樣品結構。進一步對樣品進行退火處理，選擇550℃快速熱退火90秒，附圖4所示，孿晶條紋同樣可被觀測到。
比較例11選擇矽(Si)為襯底，經過標準RCA清洗並在2％濃度的氫氟酸(HF)溶液清洗去除本徵氧化層後，裝入物理氣相澱積(PVD)設備腔體，本底真空度為2×10-5Pa。在其上用磁控濺射方法澱積一層10nm厚的鎢(W)薄膜，澱積時工作氣壓為5×10-1Pa。
2在不破壞真空條件下，繼續磁控濺射澱積一層100nm的銅薄膜，澱積時工作氣壓為5×10-1Pa。得到Cu(100nm)/W(10nm)/Si的樣品結構，在剛澱積的銅薄膜中不能觀測到孿晶條紋，如附圖1(b)所示。
3選擇550攝氏度60秒快速熱退火對樣品Cu(100nm)/W(10nm)/Si進行退火處理，孿條紋仍然不能被觀測到，如附圖2(b)所示。這是由於W襯底和Cu具有較低的界面能。
權利要求
1.一種納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法，其特徵在於具體步驟如下(1)在矽基片上，用物理氣相沉積方法製備一種和Cu具有高界面能的襯底，此襯底同時還具有和銅不易發生互溶、擴散、反應的性質，襯底厚度為10-100nm；(2)然後，在該襯底上用物理氣相澱積的方法澱積一層銅薄膜，剛澱積的銅薄膜中即可形成納米尺度孿晶。
2.根據權利要求1所述的納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法，其特徵在於所述的襯底的材料為難熔金屬的碳化物，或者為含碳和氮的難熔金屬三元化合物。
3.根據權利要求2所述的納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法，其特徵在於所述襯底的材料為WC，TiC，TaC，或為WCN，TiCN，TaCN。
4.根據權利要求1所述的納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法，其特徵在於還進一步進行退火處理，退火溫度為室溫至600℃，退火時間為30秒至2分鐘。
全文摘要
本發明屬於微電子技術領域，具體為一種納米尺度孿晶銅薄膜的製備方法。其步驟為先製備一種和銅不易發生互溶、擴散、反應的但具有高界面能的襯底，用常規物理氣相澱積的方法沉積銅薄膜，在剛澱積的銅薄膜中即可產生納米尺度孿晶。為增大銅晶粒尺寸並且提高銅孿晶密度還可以進行適當溫度的退火處理。本方法僅需要製備一種襯底就可以用常規物理氣相澱積的方法製備孿晶銅薄膜，因此具有簡單、方便、實用性強的特點。
文檔編號C23C14/58GK101016616SQ20071003790
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月8日 優先權日2007年3月8日
發明者謝琦, 蔣玉龍, 屈新萍, 茹國平, 李炳宗 申請人:復旦大學