[发明专利]高热稳定性和低电阻率Cu(C)薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种高热稳定性和低电阻率C掺杂Cu薄膜的制备方法，属于新材料领域。

背景技术

铜具有较高电导率和较好的抗电迁移能力，作为互连线金属广泛应用于先进的超大规模集成电路中。然而，铜在较低的温度下（约200℃）就可与硅发生反应，导致器件损坏，因此需要在铜与硅之间加入扩散阻挡层来阻挡铜硅之间的扩散。随着器件特征尺寸的逐渐缩小，要求扩散阻挡层的厚度也要随之减小，参照国际半导体发展路线,对于32nm和22nm的工艺来讲，要求扩散阻挡层的厚度分别为7nm和4nm。在几个纳米的尺度内要达到扩散阻挡效果，同时保持高的热稳定性，传统的扩散阻挡层制备工艺会遇到严峻困难。因此提出制备Cu合金膜，这种方法无须制备专门的扩散阻挡层，选择一定的元素加入溅射铜层中，加入元素的量要很少，并且不与Cu化合，起到扩散阻挡作用提高热稳定性的同时要对Cu合金膜的电阻率不带来负面影响。

早期的研究中，所选择的掺杂元素为一般是同氧结合能力比较强的，比如Mg、Al，退火处理后，可以在薄膜表层以及界面形成一层薄的钝化层，同纯Cu膜相比较，界面结合能力增强。然而这样形成的界面钝化层一般比较厚（～20nm），随着芯片特征尺寸的逐渐减小（＜45nm），因此它们无法满足互连技术的发展。目前研究的扩散阻挡元素效果比较的明显有Ta、Mo、W、Nb、Ru、Mn、Ti、RuN、WN等。其中分三类：一是具有扩散阻挡能力的重金属元素，这些金属元素只起到提高热稳定性，延缓扩散的作用。二是原子尺寸相对较小的Mn、Ti以及重金属氮化物，这一类扩散阻挡元素的加入退火后会形成类似于扩散阻挡作用的自钝化层，如日本课题组研究的Cu（Mn）薄膜，以及J.P.Chu等研究的Cu（WN）薄膜于530℃/1h退火后薄膜同基体之间存在一层自钝化层，钝化层的存在使得退火后的薄膜依旧比较致密，电阻率为2.7μΩ-cm。然而这种自钝化层同Si基体界面常常不平滑，膜层的厚度通常也是不可控的，这些都会导致导电性的不稳定。三是原子尺寸较小的非金属原子，因为研究的较少，这一类原子的结果不是很全面，目前看有些小原子也有提高热稳定性的作用，但机理不是很明确，性能测试也不是很稳定。如 K.Barmak等研究的C掺杂Cu薄膜，采用电子束与SiO₂/Si基体上沉积了Cu（1.3 at%C）薄膜，于N₂气氛下400℃/4或者5h退火后电阻率为4μΩ-cm，然而由于C掺杂Cu薄膜的可靠性结果没有给出，测量数据不完全，所以他们将C元素归为非优先考虑的掺杂元素之列。

综合上述，已有技术存在以下不足：

因为尚不明确加入元素的阻挡性能机理，所以加入元素的选择没有直接依据，加入元素的量也没有明显的依据，文献报道的是在某一种加入量下的电阻和稳定性能测量结果，没有确定此加入量是否就是最佳值。从原子尺度来看，加入元素有大原子元素和小原子元素以及化合物的明显差异，以这个差异将导致加入元素在Cu膜中所处的位置不同，进而产生扩散阻挡作用的机理也会有明显差异。

鉴于以上的考虑，本发明用混合焓和原子尺寸作为添加元素判据，辅助以相图，用团簇模型建立C元素在Cu中的理想极限固溶度结构模型，确定了面心立方Cu中的C的理想固溶度，在此固溶度的指导下制备研究了高性能C掺杂Cu薄膜。

发明内容

本发明的目的是利用团簇模型确定Cu膜中加入C元素的理想固溶度，克服目前无扩散阻挡层Cu膜制备缺乏理论依据的不足。最终提供具有高热稳定性、低电阻率的C掺杂Cu薄膜。

本发明的技术解决方案是：一种高热稳定性和低电阻率C掺杂Cu薄膜的制备方法，它主要包括C元素掺杂的成分设计、Si基体样品清洗、设备抽真空和溅射过程；其特征在于:所述薄膜的制备应分步进行，工艺步骤是：

第一步：利用混合焓和原子尺寸作为添加元素判据，辅助以相图，选择C为掺杂元素，以非晶合金中的团簇模型，确定C在Cu中的理想固溶度为4.2 at%；

第二步，磁控溅射薄膜制备的Si基片清洗

将(100)取向的单晶硅片先经过丙酮、酒精和去离子水超声波清洗，然后放入5％的HF中浸泡2～3分钟，采用N₂吹干后放入真空室；

第三步，磁控溅射设备抽取真空

    样品放入真空室后，设备机械泵粗抽真空至5Pa以下，然后采用分子泵进行精抽真空，真空度抽至2×10^-3Pa；

第四步，溅射过程