[发明专利]一种Cu与铁性氧化物功能薄膜集成的方法

说明书

所属领域

本发明涉及半导体领域异质材料集成方法，具体地说是Cu与铁性氧化物功能薄膜的集成方法。

背景技术

随着IT技术的不断发展，人们对非易失性存储器的需求越来越大、读写速度越来越快，故产品的集成度亦越来越高。以氧化物铁电薄膜为基础的铁电存储器由于其具有本征非挥发性、读写速度快、抗辐射能力强、功耗低、密度高等优良性能而引起人们的关注。但由于传统的Al互连存在电阻率较低、RC延迟效应偏大以及大电流冲击下的电迁移现象等缺点，因而现有技术已经无法满足逐渐发展的超大规模集成电路的要求。特别是随着集成电路器件尺寸的持续缩小，互连延迟也越来越成为制约集成电路发展的瓶颈问题。

Cu具有低电阻率、抗电迁移性能优良的特点，因此Cu必然会代替Al成为新一代集成电路的互连材料。铁电薄膜具有铁电、压电、热电、光电等优异的物理性能，借助Cu互连，把铁电功能薄膜与成熟的半导体工艺兼容，必将促进半导体领域高性能、多功能器件和集成电路的发展。另外，用Cu电极取代Pt等贵金属电极材料，还会大大降低铁电、压电、介电等氧化物电子器件的造价。但金属氧化物薄膜与Cu的结合面临很多问题：(1)Cu与Si、SiO₂的互扩散会形成深能级杂质，影响器件的性能；(2)Cu不像Al那样可以形成自我保护的氧化层，因此与氧化物薄膜直接接触极易被氧化；(3)氧化物薄膜在高温处理过程中与Cu进行反应和互扩散，影响互连线完整性以及器件的可靠性；(4)热处理过程中氧化物薄膜再结晶使晶粒长大造成金属——氧化物界面粗化，降低了材料性能；(5)多晶膜造成的应力难以释放等问题，会使热处理过程中薄膜开裂，从而增加了电子散射的几率，使器件性能下降。

发明目的

本发明的目的就是要提供一种Cu与金属氧化物铁性薄膜的集成方法，以解决Cu与金属氧化物薄膜在集成过程中存在的技术问题。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所提供的Cu与金属氧化物薄膜的集成方法，包括以下步骤：

a、以半导体材料为衬底，用丙酮和无水乙醇超声清洗干净，用高纯氮气吹干，放入磁控溅射真空室内；待真空室的背底真空度高于8.0×10^-4Pa时，开始溅射Ni-Al非晶薄膜，靶间距为3-10cm，溅射所用工作气体为Ar，沉积气压为1-100Pa，功率为3-100W，Ni-Al非晶薄膜厚度为3-200nm，构成Ni-Al/半导体衬底异质结构层；

b、在Ni-Al非晶薄膜基础上，转动样品台，靶间距为3-10cm，溅射所用工作气体为Ar，沉积气压为1-100Pa，功率为3-100W，Cu薄膜厚度为10-400nm；构成Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构层；

c、在Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构基础上，靶间距为3-10cm，溅射所用工作气体为Ar，沉积气压为1-100Pa，功率为3-100W，Ni-Al薄膜厚度为3-200nm；构架Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构；

d、在Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构层基础上，待真空室的背底真空度为高于1.0×10^-3Pa时，充入体积比为3∶1-1∶3的氩气和氧气，在100-500℃温度下、溅射压强为1-100Pa，功率为3-100W条件下，制备金属氧化物电极薄膜；构成金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构；对其进行500-600℃，2-1000s的快速退火处理；

e、在金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构基础上，用sol-gel法以1000-6000rad/min的转速、100-300℃的烘烤温度制备Pb(Zr_XTi_1-X)O₃薄膜，构成Pb(Zr_XTi_1-X)O₃/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底结构，然后在500-700℃℃下快速退火1-30min；