[发明专利]钨酸锆－铜梯度复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种复合薄膜的制备方法，特指ZrW₂O₈/Cu梯度复合薄膜及采用射频磁控共溅射+后续还原热处理的制备方法，通过该方法的实施，可以获得高导电、高导热、热膨胀系数连续变化、层间应力平缓过渡的梯度功能薄膜。

背景技术

在电子领域，集成电路中器件的互连是一个重要的工艺步骤，对互连导电材料有着严格的要求。典型的布线金属是Al(掺Si或Cu)。但是随着VLSI(超大集成电路)集成度的增加，布线线条尺寸的进一步减小，铝布线的电迁移现象(导致相邻金属走线间短路与开路)和铝硅互溶问题(当渗入Si中的Al到达结面时引起PN结漏电增加甚至短路)将导致铝布线的可靠性下降。为解决这一问题，可考虑采用抗电迁移特性明显优于Al的Cu来代替传统的Al作为布线材料，并且Cu具有更低的电阻率，可以减小互连线上的电阻(Al电阻率为3μΩ·m，Cu电阻率为1.7μΩ·m)。以前由于很难解决Cu的刻蚀问题，在实际生产中一直未得到广泛使用。目前采用化学机械抛光技术和所谓的“大马士格镶嵌技术”成功地回避了过去Cu刻蚀难的问题，实现了铜金属化布线。对特征尺寸小于0.25μm的工艺，铜布线是必须采用的技术。同时，随着集成度的增加，芯片上的能量也急速增加，每个芯片上产生的能量达10w以上。硅芯片散发的能量如此之大，使得芯片温度上升，而硅与金属铜的热膨胀系数相差很大，硅的热膨胀系数为2.4×10^-6/K，铜的热膨胀系数为16.6×10^-6/K，这将带来界面热应力匹配问题，因此考虑采用负热膨胀(NTE)材料来与热膨胀系数大的金属铜梯度复合来缓和热膨胀系数差异引起的热应力。

目前研究较多的具有负热膨胀性能的材料之一为ZrW₂O₈。它具有三个比较突出的性能：具有比较宽的负热膨胀温度范围；其α相的负热膨胀系数比较大；具有各向同性【1～4】。自1996年以来，世界材料学家们以ZrW₂O₈粉末作为研究对象，集中揭示其负热膨胀的机理和相关性能上。

为改善ZrW₂O₈导热性能差，导电性能差的缺点，可利用ZrW₂O₈的负热膨胀特性与Cu的高导电、高导热性能，通过复合工艺制备出ZrW₂O₈/Cu复合材料。

采用冷等静压法可合成ZrW₂O₈/Cu复合块体材料【5-8】，但是这类复合体材料还有诸多问题需解决，如在冷等静压过程中，立方相ZrW₂O₈会产生相变而导致复合效果的降低。此外，孔向阳等于2000年提出了采用化学镀工艺制备出致密的ZrW₂O₈/Cu复合粉体【9】。因此，高导热、低膨胀的ZrW₂O₈/Cu复合材料目前还是局限于块体、粉体材料的制备上。高导电、高导热、热膨胀系数连续变化、层间应力平缓过渡的梯度功能薄膜将适应超大规模集成电路发展的需要。

目前合成ZrW₂O₈薄膜的方法有电子束蒸发法【10】，溶胶-凝胶法【11】，射频磁控溅射法【12-13】。用电子束蒸发法来蒸发粉状的钨酸锆制备得到了ZrW₂O₈负热膨胀薄膜，但蒸发的过程比较难以控制，制备的薄膜偏离其源材料的化学计量；溶胶-凝胶法制备ZrW₂O₈具有很大的经验性，制备参数难以量化。而射频磁控溅射法(RF-MS)制备的薄膜，具有基体温升低、成膜速度快、膜成分均匀、膜层性能稳定、薄膜附着强度高等优点，而倍受关注。利用微波ECR等离子体增强沉积系统，采用磁控溅射方法并进行后续还原热处理制备钨酸锆-铜复合薄膜，迄今为止没有任何报道或专利文献可参考。利用该种方法，通过调整源靶材的溅射功率、溅射时间和后热处理条件，可以得到成分连续变化的梯度复合薄膜，从而达到获得高导电、高导热、热膨胀系数连续变化、层间应力平缓过渡的梯度功能薄膜的目的

参考文献：