專利名稱：高導(dǎo)高硬銅-難熔金屬薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子工業(yè)所用的金屬互聯(lián)薄膜材料及其制備方法，特別是導(dǎo)電性強(qiáng)、 硬度大的互聯(lián)薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
電子工業(yè)高速發(fā)展使得超大規(guī)模集成電路(ULSI)的集成度不斷提高，高效、節(jié) 能、環(huán)保等指標(biāo)日益重要，其金屬互聯(lián)材料特征尺寸逐漸減小致nm級(jí)，電流密度的急增使 傳統(tǒng)鋁互聯(lián)線產(chǎn)生嚴(yán)重電遷移以致失效，且鋁電導(dǎo)率有限、信號(hào)串?dāng)_大，也不再能使器件性 能得以提高，要求新材料具備高強(qiáng)高導(dǎo)性，因此銅薄膜已漸取代鋁成為重要互聯(lián)材料。但因 ULSI是在硅上制作，存在銅易與硅反應(yīng)生成Cu3Si、銅與氧化硅粘附性較弱等問題。為避免 最重要的Cu/Si間反應(yīng)，須制備TiN、TaN等阻擋層。但器件尺寸不斷減小使傳統(tǒng)阻擋層薄 膜制備更加困難，其綜合性能也不再能滿足要求，亟需發(fā)展新型銅基無阻擋層互聯(lián)材料。現(xiàn)有銅-難混溶非金屬?gòu)?fù)合薄膜，如Cu-C、Cu-WC、Cu-WN等，由在銅膜中加入與其 難混溶的非金屬元素或物質(zhì)構(gòu)成，有一定導(dǎo)電性、強(qiáng)度和硬度，粘附性強(qiáng)并能克服Cu/Si反 應(yīng)，是無阻擋層互聯(lián)薄膜材料較理想的選擇。但就目前而言，銅_難混溶非金屬薄膜制備技 術(shù)復(fù)雜，涉及射頻和反應(yīng)濺射，沉積率低，工藝重復(fù)性差，導(dǎo)電性、強(qiáng)度和硬度仍不夠理想。 為進(jìn)一步擴(kuò)大銅基薄膜應(yīng)用，必須提高電導(dǎo)性和強(qiáng)度硬度，提高綜合性能，且工藝應(yīng)高效可罪。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所需要解決的技術(shù)問題是，提供一種高導(dǎo)高硬銅-難熔金屬薄膜材料及其 制備方法，獲得的銅基薄膜導(dǎo)電性強(qiáng)、硬度高，且制備工藝更簡(jiǎn)便而穩(wěn)定。解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是以銅為基體，將銅與難熔金屬構(gòu)成 的非晶材料，該難熔金屬為Nb，W或Mo中的一種或多種，且薄膜中難熔金屬所占的原子百分 比為 3. 0% 16. 2%。本發(fā)明上述的高導(dǎo)高強(qiáng)銅_難熔金屬薄膜的制備工藝為將銅與難熔金屬Nb，W或Mo中的一種或多種制備成復(fù)合靶材，以復(fù)合靶材為濺射 源，用離子束輔助的磁控共濺射法沉積銅-難熔金屬非晶薄膜，并且控制薄膜中難熔金屬 所占的原子百分比為3.0% 16.2%。所述的難熔金屬Nb，W或Mo在復(fù)合靶材中的等效原子百分比為6. 26. 5%， 磁控共濺射法沉積操作的功率密度6. 0 10. Off cm_2，工作氬氣氣壓0. 15 0. 25Pa，襯底 溫度須低于40°C，沉積速率6. 5 13. 5nm mirT1。在上述的制備工藝中，為改善薄膜結(jié)構(gòu)，取的更加理想的效果，在濺射沉積過程中 采用Ar+離子束輔助轟擊，離子束能量7. 5 9. OKeV,離子束流密度15 20 y A cm2,離 子束入射角為30°。本發(fā)明所述的銅與難熔金屬的復(fù)合靶材是將銅和難熔金屬塊材以物理結(jié)合方式構(gòu)成；或者將銅和難熔金屬粉體以粉末冶金方法制備成復(fù)合靶材。
本發(fā)明的有益效果是現(xiàn)有的銅-難混溶非金屬?gòu)?fù)合薄膜導(dǎo)電性不夠理想，電阻 率一般高于300 y Q cm，努氏顯微硬度一般低于350HK，且制備工藝復(fù)雜，成本高，涉及射 頻和反應(yīng)濺射，沉積率低。因此，提高銅基合金薄膜的導(dǎo)電性和硬度需要改變材料組成并改 進(jìn)工藝。本發(fā)明制備的銅-難熔金屬薄膜是引入與銅難混溶的難熔金屬W，Nb或Mo形成的 新型銅基合金材料，因銅-難熔金屬固溶度極有限，材料仍具備銅基體高導(dǎo)電特性；薄膜沉 積采用高度非平衡的制備方法，使難熔金屬第二相高度彌散分布于銅基體中，提高了材料 的硬度和強(qiáng)度。其電阻率低于150 y Q cm，努氏顯微硬度大于400HK。同時(shí)，該材料制備 工藝為較簡(jiǎn)單的直流共濺射，沉積率較高，相對(duì)高效可靠。本發(fā)明提高了銅基合金薄膜綜合 性能，簡(jiǎn)化了制備工藝，為擴(kuò)大其應(yīng)用提供了可靠技術(shù)保障。


圖1--a為本發(fā)明Cu-3.0% W合金薄膜背散射電子像；
圖1--b為本發(fā)明Cu-5.4% W合金薄膜背散射電子像；
圖1-"C為本發(fā)明Cu-13. 8% W合金薄月|1背散射電子像；
圖1-_d為本發(fā)明Cu-16. 2% W合金薄月|1背散射電子像；
圖2-為本發(fā)明Cu-3. 05% Nb 合金薄膜背散射電子像；
圖2--b為本發(fā)明Cu-5. 36% Nb 合金薄膜背散射電子像；
圖2-"C為本發(fā)明Cu-12. 9% Nb 合金薄膜背散射電子像；
圖2-_d為本發(fā)明Cu-15. 8% Nb 合金薄膜背散射電子像；
圖3-為本發(fā)明Cu-4. 3% Mo合金薄據(jù)1背散射電子像；
圖3--b為本發(fā)明Cu-7. 8% Mo合金薄據(jù)1背散射電子像；
圖3-"C為本發(fā)明Cu-9. 9% Mo合金薄月|1背散射電子像；
圖3-_d為本發(fā)明Cu-15. 1% Mo 合金薄膜背散射電子像；
圖4-為本發(fā)明Cu-W非晶薄膜的X射線衍射圖譜；
圖4--b為本發(fā)明Cu-Nb非晶薄膜的X射線衍射圖譜；
圖4-"C為本發(fā)明Cu-Mo非晶薄膜的X射線衍射圖譜；
圖5-為本發(fā)明Cu-W非晶薄膜的電阻率和硬度圖5--b為本發(fā)明Cu-Nb非晶薄膜的電阻率和硬度圖
圖5-"C為本發(fā)明Cu-Mo非晶薄膜的電阻率和硬度圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 :Cu-W合金薄膜。將純銅加工為①50mmX4mm的圓片，再在其上寬為6mm 的環(huán)狀濺射刻蝕區(qū)鉆出多個(gè)坑均勻?qū)ΨQ分布的0 6mm、深度3mm的坑口，將06mmX3mm的 純鎢圓柱靶鑲嵌于坑內(nèi)，以物理結(jié)合方式構(gòu)成Cu-W復(fù)合靶，W在Cu-W復(fù)合靶中等效原子 百分比為6. 26. 5%。襯底為單晶硅，襯底和靶經(jīng)充分清洗后放入磁控及離子束聯(lián)合 濺射儀的真空室，將本底真空度抽至優(yōu)于1. OX 10_3Pa，充入純度99. 999 %高純氬氣作工 作氣體，氬氣氣壓0. 25Pa,此后開始沉積Cu-W薄膜，靶功率密度6. 5 8. 0W cm2,襯底 循環(huán)水冷，溫度低于40°C，沉積時(shí)用Ar+離子束輔助轟擊，離子束能量7. 5KeV，離子束流密度20yA cm_2，離子束入射角為30°，用石英晶振儀監(jiān)控膜厚，膜厚小于1 P m，沉積速率 10. 5 13. 5nm mirT1。制備的Cu_W薄膜W原子百分含量3. 0% 16. 2%，對(duì)樣品進(jìn)行結(jié) 構(gòu)、微觀形貌和組織、導(dǎo)電性及硬度的測(cè)試分析，測(cè)試效果如下①物相分析測(cè)試在X射線衍射儀上進(jìn)行，掃描范圍10° 100°，步長(zhǎng)0.02°。 結(jié)果表明制備的W含量為3. 0% 16. 2%的Cu-w薄膜僅出現(xiàn)銅特征峰，為fee結(jié)構(gòu)，隨W 含量增加，銅峰強(qiáng)度減弱，寬化程度增加，薄膜基體晶粒度減小。②微觀結(jié)構(gòu)分析用XL30ESEM-TMP型掃描電鏡觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表 明Cu-W合金薄膜表面平整，富W第二相高度彌散而不明顯，晶粒尺寸小，隨W含量增加，晶 粒尺寸進(jìn)一步減小。③導(dǎo)電性測(cè)試在常溫25°C下，用D41-11D/ZM型微控四探針儀測(cè)試電性能，恒流 100mA自動(dòng)測(cè)試，探針負(fù)載1. 96N。結(jié)果表明:Cu_W合金薄膜電阻率75. 7 135. 5 u Q -cm, 隨W含量增加有所上升，但比銅-非金屬?gòu)?fù)合薄膜低，屬高導(dǎo)電薄膜。④努氏超顯微硬度測(cè)試在努氏超顯微硬度儀上進(jìn)行，負(fù)載0.098N，壓入深度 200 300nm，保壓時(shí)間10 15s。結(jié)果表明Cu_W合金薄膜努氏硬度為542 630HK，隨W 含量增加而增加，高于銅_非金屬?gòu)?fù)合薄膜，屬高硬薄膜。實(shí)施例2 :Cu-Nb合金薄膜。Cu-Nb復(fù)合靶制備方法與實(shí)施例1中所述的Cu_W復(fù) 合靶制備方法相同，Nb在Cu-Nb復(fù)合靶中等效原子百分比為8. 3% 20. 5%。襯底為單晶 硅，襯底和靶經(jīng)充分清洗后放入磁控及離子束聯(lián)合濺射儀的真空室，將本底真空度抽至優(yōu) 于1. 0X10_3Pa，充入純度99. 999%高純氬氣作工作氣體，氬氣氣壓0. 15Pa，此后開始沉積 Cu-Nb薄膜，靶功率密度6. 0 7. 5W cnT2，襯底循環(huán)水冷，溫度低于40°C，沉積時(shí)用Ar+離 子束輔助轟擊，離子束能量8KeV，離子束流密度18 y A cnT2，離子束入射角為30°，用石英 晶振儀監(jiān)控膜厚，膜厚小于1 P m,沉積速率6. 5 11. 5nm制備的Cu_Nb薄膜Nb原 子百分含量3. 05% 15. 80%，對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、微觀形貌和組織、導(dǎo)電性和硬度的測(cè)試分 析，測(cè)試效果如下①物相分析測(cè)試在X射線衍射儀上進(jìn)行，掃描范圍10° 100°，步長(zhǎng)0.02°。 結(jié)果表明制備的Nb含量為3. 05% 15. 80%的Cu-Nb薄膜僅出現(xiàn)銅衍射峰，為fee結(jié)構(gòu)， 隨Nb含量增加，銅峰強(qiáng)度減弱，寬化程度增加，薄膜基體晶粒度減小。②微觀結(jié)構(gòu)分析用XL30ESEM-TMP型掃描電鏡觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表 明Cu-Nb合金薄膜表面平整，富Nb第二相不顯著，晶粒尺寸小，隨Nb含量增加，晶粒尺寸 進(jìn)一步減小。③導(dǎo)電性測(cè)試在常溫25°C下，用D41-11D/ZM型微控四探針儀測(cè)試電性能，恒流 100mA自動(dòng)測(cè)試，探針負(fù)載1.96N。結(jié)果表明:Cu_Nb合金薄膜電阻率58. 1 113. 7 y Q -cm, 隨Nb含量增加有所上升，但比銅_非金屬?gòu)?fù)合薄膜低，屬于高導(dǎo)電薄膜。④努氏超顯微硬度測(cè)試在努氏超顯微硬度儀上進(jìn)行，負(fù)載0.098N，壓入深度 200 350nm，保壓時(shí)間10 15s。結(jié)果表明Cu_Nb合金薄膜努氏硬度為426 558HK，隨 Nb含量增加而增加，高于銅_非金屬?gòu)?fù)合薄膜，屬高硬薄膜。實(shí)施例3 :Cu-Mo合金薄膜。將純銅和純鉬粉體按不同原子百分比，用行星球磨機(jī) 在氬氣氛保護(hù)下球磨2 4h進(jìn)行混粉，經(jīng)200 250Mpa壓制后在1150°C保溫5_8h燒成 不同鉬含量的復(fù)合靶，Mo在Cu-Mo復(fù)合靶中原子百分比為6. 5% 18.0%。襯底為單晶
5硅，襯底和靶經(jīng)充分清洗后放入磁控及離子束聯(lián)合濺射儀的真空室，將本底真空度抽至優(yōu) 于1. 0X10_3Pa，充入純度99. 999%高純氬氣作工作氣體，氬氣氣壓0. 2Pa，此后開始沉積 Cu-Mo薄膜，靶功率密度7. 0 10. Off cm2,襯底循環(huán)水冷，溫度低于40°C，沉積時(shí)用Ar+ 離子束輔助轟擊，離子束能量9KeV，離子束流密度15 y A cnT2，離子束入射角為30°，用石 英晶振儀監(jiān)控膜厚，膜厚小于1 P m,沉積速率9. 0 12. Onm mirT1。制備的Cu_Mo薄膜Mo 原子百分含量4. 3% 15. 1%，對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、微觀形貌和組織、導(dǎo)電性及硬度的測(cè)試分 析，測(cè)試效果如下①物相分析測(cè)試在X射線衍射儀上進(jìn)行，掃描范圍10° 100°，步長(zhǎng)0.02°。 結(jié)果表明制備的Mo含量為4. 3% 15. 的Cu-Mo合金薄膜僅出現(xiàn)銅衍射峰，呈fee結(jié) 構(gòu)，隨Mo含量增加，銅峰強(qiáng)度減弱，寬化程度增加，薄膜基體晶粒度減小。②微觀結(jié)構(gòu)分析用XL30ESEM-TMP型掃描電鏡觀察分析樣品微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果 表明Cu-Mo合金薄膜表面平整，富Mo第二相不顯著，晶粒尺寸小，隨Mo含量增加，晶粒尺 寸進(jìn)一步減小。③導(dǎo)電性測(cè)試在常溫25°C下，用D41-11D/ZM型微控四探針儀測(cè)試電性能，恒流 100mA自動(dòng)測(cè)試，探針負(fù)載1.96N。結(jié)果表明Cu_Mo合金薄膜電阻率69. 2 102. 6 y Q -cm, 隨Mo含量增加有所上升，但比銅_非金屬?gòu)?fù)合薄膜低，屬高導(dǎo)電薄膜材料。④努氏超顯微硬度測(cè)試在努氏超顯微硬度儀上進(jìn)行，負(fù)載0.098N，壓入深度 250 300nm，保壓時(shí)間10 15s。結(jié)果表明Cu_Mo合金薄膜努氏硬度為414 542HK，隨 Mo含量增加而增加，高于銅_非金屬?gòu)?fù)合薄膜，為高硬薄膜材料。
權(quán)利要求
一種高導(dǎo)高硬銅 難熔金屬薄膜，其特征是以銅為基體，將銅與難熔金屬構(gòu)成的非晶材料，該難熔金屬為Nb，W或Mo中的一種或多種，且薄膜中難熔金屬所占的原子百分比為3.0％～16.2％。
2.—種權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)高硬銅_難熔金屬薄膜的制備方法，其特征在于將銅 與難熔金屬Nb，W或Mo中的一種或多種制備成復(fù)合靶材，以復(fù)合靶材為濺射源，用離子束輔 助的磁控共濺射法沉積銅_難熔金屬非晶薄膜，并且控制薄膜中難熔金屬所占的原子百分 比為 3. 0% 16. 2%。
3.按權(quán)利要求2所述的高導(dǎo)高硬銅-難熔金屬薄膜的制備方法，其特征在于難熔金 屬Nb，W或Mo在復(fù)合靶材中的等效原子百分比為6. 26. 5%，磁控共濺射法沉積操作 的功率密度6. 0 10. Off · cm"2,工作氬氣氣壓0. 15 0. 25Pa,襯底溫度須低于40°C，沉積 速率 6. 5 13. 5nm · mirT1。
4.按權(quán)利要求3所述的高導(dǎo)高硬銅_難熔金屬薄膜的制備方法，其特征在于在濺 射沉積過程中采用Ar+離子束輔助轟擊，離子束能量7. 5 9. OKeV,離子束流密度15 20μΑ · cnT2，離子束入射角為30°。
5.按權(quán)利要求4所述的高導(dǎo)高硬銅-難熔金屬薄膜的制備方法，其特征在于銅與難 熔金屬的復(fù)合靶材是將銅和難熔金屬塊材以物理結(jié)合方式構(gòu)成；或者將銅和難熔金屬粉體 以粉末冶金方法制備成復(fù)合靶材。
全文摘要
高導(dǎo)高硬銅-難熔金屬薄膜及其制備方法。本發(fā)明屬于電子工業(yè)中所用的金屬互聯(lián)薄膜材料及其制備技術(shù)。本發(fā)明是以銅為基體，將銅與難熔金屬構(gòu)成的非晶材料，該難熔金屬為Nb，W或Mo中的一種或多種，且薄膜中難熔金屬所占的原子百分比為3.0％～16.2％。采用本技術(shù)制備的合金薄膜導(dǎo)電性強(qiáng)、硬度高，綜合性能優(yōu)，且本技術(shù)高效可靠，可望進(jìn)一步拓展材料應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)C23C14/14GK101994086SQ20101055852
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者劉國(guó)濤, 周鋮, 孫勇, 郭中正 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)