[发明专利]高热稳定性铜-难熔金属非晶薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子工业所用的金属互联薄膜材料及其制备方法，特别是热稳定性高，导电性强、硬度大的互联薄膜材料及其制备方法。

背景技术

随着电子工业高速发展，超大规模集成电路(ULSI)的集成度不断提高，高效、节能、环保等指标愈发重要，其金属互联材料特征尺寸逐渐减小致nm级，电流密度的急增使传统铝互联线产生严重电迁移以致失效，且铝电导率有限、信号串扰大，也不再能使器件性能得以提高，要求新材料具备高强高导性和足够的结构热稳定性，为此铜薄膜已渐取代铝成为重要互联材料。但因ULSI是在硅上制作，存在铜易与硅反应生成Cu₃Si、铜与氧化硅粘附性较弱等问题。为避免最重要的Cu/Si间反应，须制备TiN、TaN等阻挡层。然而器件尺寸日益减小，传统阻挡层材料的热稳定性、导电性的综合性能不再能满足要求，亟需发展新型铜基无阻挡层互联材料，尤其是非晶材料。

现有铜-难混溶非金属非晶薄膜，如Cu-C、Cu-WC、Cu-WN等，由在铜膜中加入与其难混溶的非金属元素或物质构成，有一定导电性、强度和硬度，粘附性强并能克服Cu/Si反应，是无阻挡层互联薄膜材料较理想的选择。但就目前而言，铜-难混溶非金属非晶薄膜制备技术复杂，涉及射频和反应溅射，沉积率低，工艺重复性差，结构稳定性低，温度升高时极易发生晶化转变，且导电性、强度和硬度仍不够理想。为进一步扩大铜基非晶薄膜应用，必须增强热稳定性，提高电导性和强度硬度，提升综合性能，且工艺应高效可靠。

发明内容

本发明所需要解决的技术问题是，提供一种高热稳定性铜-难熔金属非晶薄膜材料及其制备方法，获得的铜基非晶薄膜热稳定性高，导电性强、硬度高，且制备工艺更简便而稳定。

解决本发明的技术问题所采用的技术方案是：以铜为基体，将铜与难熔金属构成的非晶材料，该难熔金属为Nb，W或Mo中的一种或多种，且薄膜中难熔金属所占的原子百分比为23.4％～38.0％。

本发明上述的高热稳定性铜-难熔金属非晶薄膜的制备工艺为：

将铜与难熔金属Nb，W或Mo中的一种或多种制备成复合靶材，以复合靶材为溅射源，用离子束辅助的磁控共溅射法沉积铜-难熔金属非晶薄膜，并且控制薄膜中难熔金属所占的原子百分比为23.4％～38.0％。

所述的难熔金属Nb，W或Mo在复合靶材中的等效原子百分比为40～50％，磁控共溅射法沉积操作的功率密度6.0～9.5W·cm^-2，工作氩气气压0.2～0.3Pa，衬底温度须低于30℃，沉积速率5.5～9.0nm·min^-1。

在上述的制备工艺中，为促进非晶结构的形成并进一步提高结构的稳定性，在溅射沉积过程中可采用Ar⁺离子束辅助轰击，离子束能量4～6KeV，离子束流密度11～18μA·cm^-2，离子束入射角为30°。

本发明所述的铜与难熔金属的复合靶材是将铜和难熔金属块材以物理结合方式构成；或者将铜和难熔金属粉体以粉末冶金方法制备成复合靶材。

本发明的有益效果是：现有的铜-难混溶非金属非晶薄膜热稳定性差，经450～550℃热处理30～60min即充分发生晶化转变，电导性不够理想，电阻率一般高于400μΩ·cm，努氏显微硬度一般低于320HK，因结构稳定性差，受热后硬度进一步降至200～250HK，且制备工艺复杂，成本较高，涉及射频和反应溅射，沉积率低，沉积时常需将衬底台以流动液氮冷却至85～100K以保证获得非晶结构。因此提高铜基非晶合金薄膜的热稳定性、导电性和硬度需要改变材料组成并改进工艺。本发明制备的铜-难熔金属非晶薄膜是引入与铜难混溶的难熔金属Nb，W或Mo形成的新型铜基非晶材料，因铜-难熔金属固溶度极有限，原子半径差较大，特定成分配比使其结晶形态为非晶态，且这种非晶结构热稳定性高。难熔金属组元加入量较低，材料导电性仍较高，而添难熔金属提高了材料的强度、硬度和热稳定性。其电阻率低于250μΩ·cm，努氏显微硬度大于450HK，结构热稳定性显著提高，经650℃热处理3h仍保持非晶，热处理后显微硬度降幅不甚明显。同时，该材料制备工艺为较简单的直流溅射，沉积率较高，且衬底无需保持低温，相对高效可靠。本发明提高了铜基非晶合金薄膜综合性能，简化了制备工艺，为扩大其应用提供了可靠技术保障。

附图说明

图1-a为本发明Cu-Nb非晶薄膜沉积态背散射电子像；

图1-b为本发明Cu-Nb非晶薄膜400℃，1h热处理的背散射电子像；