CN100334686C - 提高CoSi2薄膜热稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，用于材料制备技术领域。本发明通过共溅射制备具有CoSi₂成分的非晶薄膜，并且通过共溅射在薄膜中添加元素Zr，利用Zr不溶于CoSi₂薄膜的特点，采用退火使非晶薄膜晶化，非晶态薄膜结晶后，Zr将会分布在晶粒周围，从而降低晶界扩散，提高薄膜的热稳定性；同时，高温下退火，部分Zr形成细小的ZrSi₂弥散分布在晶界上，阻碍薄膜晶粒长大，阻碍结块现象的形成，从而也提高薄膜的热稳定性。本发明添加5%Zr的薄膜850℃处理后电阻率为29μΩcm。Zr的添加提高了薄膜的热稳定性但是仅仅稍微提高了薄膜的电阻率。

Description

提高CoSi2薄膜热稳定性的方法

技术领域

本发明涉及一种提高薄膜性能的方法，具体是一种提高CoSi2薄膜热稳定性的方法。用于材料制备技术领域。

背景技术

难熔金属硅化物广泛应用于大规模集成电路中作互联材料，欧姆接触材料和肖特基接触材料。其中，CoSi₂具有15-20μΩcm的低电阻、晶格常数与Si接近晶格失配率小等特点而成为最受关注的材料。多晶CoSi₂薄膜的热稳定性较低，高温退火时会形成热蚀沟，并且长大形成结块，从而大大提高薄膜的电阻率，从而阻碍薄膜的应用和推广。人们发明了各种方法提高CoSi₂薄膜的热稳定性。比如，在薄膜表面覆盖Ti层，Ti层的存在将会有效降低薄膜晶界的扩散，从而延缓热蚀沟的形成，提高薄膜的热稳定性。

经对现有技术的文献检索发现，Tung在《Applied physics letters》(美国应用物理快报)72(1998)2538上发表的“Oxygen and the thermal stability of thin CoSi₂layers(氧气和CoSi₂薄膜的热稳定性)”一文，该文中采用在氧气氛中热处理，以在薄膜表面形成薄SiO₂层降低晶界扩散，从而提高薄膜的热稳定性。晶界扩散是CoSi₂薄膜热蚀沟形成的主要原因，而晶粒长大则是结块现象的主要原因。在上面提到的方法中，主要以延缓晶界扩散来提高薄膜的热稳定性，因此还不能完全满足提高热稳定性的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，从延缓扩散和防止长大两个方面出发，使其有效的提高了薄膜的热稳定性，仅仅稍微提高了薄膜的电阻率，使薄膜具有更广泛的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过共溅射制备具有CoSi₂成分的非晶薄膜，并且通过共溅射在薄膜中添加少量(例如5％原子比)的CoSi₂中的元素Zr，采用退火使非晶薄膜晶化。因为元素不溶于薄膜不溶于晶化相中，所以Zr形核时均匀地分布在晶化相的周围。Zr与Si或者Co原子具有比较强相互作用，它在晶界分布，将会有效地阻碍晶界扩散，从而提高薄膜形成热蚀沟地温度；Zr具有与Co和Si不同的原子半径，大小原子的搭配将会在晶界形成紧凑结构，从而阻碍原子扩散，提高薄膜的热稳定性。同时，850℃退火，部分Zr将会形成微小而弥散的硅化物分布在晶界上，阻碍晶粒长大，从而减少薄膜的结块现象。

所述的溅射，溅射的靶材制备按照质量比Co45.54％，Si43.32％，Zr11.12％配置靶材成分。首先在电弧熔炼炉中熔炼成块状合金。炉内真空度为10^-5Pa，氩气保护状态。然后，把融化后的块状合金转入真空中频炉继续熔炼。中频炉的真空度为10^-3Pa，氩气保护。熔液炉内浇注成直径为符合规格的圆柱铸件。随炉冷却至室温后，经过线切割加工成符合溅射仪要求的溅射靶材。

所述的共溅射，共溅射所使用的基片准备：使用具有(100)取向的抛光硅单晶片作为基片。基片使用前经过分析纯丙酮清洗，然后在1∶50HF稀溶液中浸泡去氧处理，在去离子水中漂洗后放入溅射仪中。基片的清洗工作对薄膜在基片上的附着性有重要的影响。

所述的薄膜，其制备为：靶材和基底装入磁控溅射仪，溅射仪的背底真空度优于10^-4Pa，工作气体为氩气，工作气压为1Pa，溅射功率450W，基底温度50℃，溅射速率9nm/min，薄膜的厚度1μm。溅射制膜前，在基片和靶材之间覆盖挡板，靶材经过5分钟预溅射清洗。然后移开挡板，开始溅射制备薄膜。

所述的薄膜，其后续处理：溅射态薄膜成分与靶材成分接近，薄膜溅射态呈非晶态。在10^-3Pa真空中进行850℃10分钟退火处理，薄膜转变成以CoSi2为主体，含有少量ZrSi2的薄膜。

本发明具有突出的实质性特点和显著进步，本发明添加5％Zr的薄膜与在相同情况下制备的不添加Zr进行对比，其溅射态和在900℃退火后的表面形貌：不添加Zr的薄膜900℃退火后明显粗糙，而添加5％Zr的薄膜900℃退火的形貌与溅射态接近，表明其添加5％Zr的薄膜具有良好高温热稳定性。添加5％Zr的薄膜850℃处理后电阻率为29μΩcm。Zr的添加提高了薄膜的热稳定性但是仅仅稍微提高了薄膜的电阻率(不添加Zr的薄膜电阻为20μΩcm)。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

(1)、靶材制备

按照质量比Co45.54％，Si43.32％，Zr11.12％(原子比分别为Co31.7％，Si63.3％Zr5％)配置靶材成分。首先在电弧熔炼炉中熔炼成块状合金。炉内真空度为10-5Pa，氩气保护状态。然后，把融化后的块状合金转入真空中频炉继续熔炼。中频炉的真空度为10^-3Pa，氩气保护。熔液炉内浇注成直径为符合规格的圆柱铸件。随炉冷却至室温后，经过线切割加工成符合溅射仪要求的溅射靶材(厚度5mm，直径76mm)。靶材在使用前需要经过150℃、3小时烘干油污、砂纸打磨以及丙酮清洗。

(2)、基片准备

使用具有(100)取向的抛光硅单晶片作为基底。硅基片使用前经过分析纯丙酮清洗，然后在1∶50的HF稀溶液中浸泡几分钟去氧处理，在去离子水中漂洗后放入溅射仪中。

(3)、溅射制备薄膜

靶材和基底装入CEVP-1000C磁控溅射仪。溅射仪的背底真空度优于10^-4Pa。工作气体为氩气，工作气压为1Pa，溅射功率450W，基底温度50℃，溅射速率9nm/min，薄膜的厚度1μm。溅射制膜前，在基片和靶材之间覆盖挡板，靶材经过5分钟预溅射清洗。然后移开挡板，开始溅射制备薄膜。

(4)、薄膜后续处理

溅射态薄膜成分与靶材成分接近，薄膜溅射态呈非晶态。在10^-3Pa真空中进行850℃10分钟退火处理，薄膜转变成以CoSi₂为主体，含有少量ZrSi₂的薄膜。

完全转变成CoSi₂以后的薄膜900℃退火十分钟，通过原子力显微镜观察形貌，并求出其表面粗糙度Ra来衡量薄膜的热稳定性。不添加Zr的薄膜900℃退火后粗糙度Ra为5.051nm，而添加5％Zr的薄膜900℃退火后粗糙度Ra为2.246nm，表明其添加5％Zr的薄膜具有更好的热稳定性。

Claims (5)

1、一种提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，其特征在于，通过共溅射制备具有含元素Zr的CoSi₂成分非晶薄膜，利用Zr不溶于CoSi₂薄膜的特点，采用退火使上述非晶薄膜晶化，该薄膜结晶后，Zr将会分布在该薄膜晶粒周围，从而降低晶界扩散，提高薄膜的热稳定性；同时，退火后，部分Zr形成细小的ZrSi₂弥散分布在晶界上，阻碍上述薄膜晶粒长大，阻碍结块现象的形成，从而也提高薄膜的热稳定性。

2、根据权利要求1所述的提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，其特征是，所述的共溅射，共溅射的靶材制备按质量百分比Co45.54％，Si43.32％，Zr11.12％配制靶材，首先在电弧熔炼炉中熔炼成块状合金，炉内真空度为10^-5Pa，氩气保护状态，然后，把融化后的块状合金转入真空中频炉继续熔炼，中频炉的真空度为10^-3Pa，氩气保护，熔液炉内浇注成直径为圆柱铸件，随炉冷却至室温后，经过线切割加工成符合溅射仪要求的溅射靶材。

3、根据权利要求1所述的提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，其特征是，所述的非晶薄膜，其制备为：靶材和基底装入磁控溅射仪，溅射仪的背底真空度优于10^-4Pa，工作气体为氩气，工作气压为1Pa，溅射功率450W，基底温度50℃，溅射速率9nm/min，薄膜的厚度1μm，溅射制膜前，在基片和靶材之间覆盖挡板，靶材经过5分钟预溅射清洗，然后移开挡板，开始溅射制备薄膜。

4、根据权利要求1或者3所述的提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，其特征是，所述的非晶薄膜，其后续处理：溅射态薄膜成分与靶材成分接近，薄膜溅射态呈非晶态，在10^-3Pa真空中进行850℃10分钟退火处理，薄膜转变成以CoSi2为主体，含有少量ZrSi2的薄膜。

5、根据权利要求2所述的提高CoSi₂薄膜热稳定性的方法，其特征是，所述靶材在使用前需要经过150℃3小时烘干油污、砂纸打磨以及丙酮清洗。