CN100503880C

CN100503880C - 一种纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN100503880C
Application number: CNB2007100379075A
Authority: CN
Inventors: 谢琦; 蒋玉龙; 屈新萍; 茹国平; 李炳宗
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: CN101016616A

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体为一种纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法。其步骤为先制备一种和铜不易发生互溶、扩散、反应的但具有高界面能的衬底，用常规物理气相淀积的方法沉积铜薄膜，在刚淀积的铜薄膜中即可产生纳米尺度孪晶。为增大铜晶粒尺寸并且提高铜孪晶密度还可以进行适当温度的退火处理。本方法仅需要制备一种衬底就可以用常规物理气相淀积的方法制备孪晶铜薄膜，因此具有简单、方便、实用性强的特点。

Description

一种纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体为一种纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法。

背景技术

理想的导电材料需要同时具备高电导率和高机械强度。但是在集成电路互连工艺中广泛使用的多晶铜却具有较差的机械强度。固体的强度取决于其抗弹性形变能力，而通常多晶铜的弹性形变是由于各晶粒内部位错的运动产生的。通过人为引入各种缺陷(包括晶粒间界、点缺陷等)可以阻止位错的运动，从而提高铜的机械强度，其中包括固熔合金(金属掺杂)、冷加工、晶粒细化等强化手段。但这些基于人为引入缺陷的方法由于增加了导电电子的散射都将降低铜的电导率，所以常规方法一般不能同时提高铜的电导率和机械强度。找到一种能有效抑制铜晶粒内部位错运动而又不增加导电电子散射的铜微观结构是同时提高铜两种性能的关键。孪晶界是一种低能共格晶界，它可以象常规晶粒间界一样有效减少位错运动而起到强化作用且同时又避免了增加对电子的散射。因此通过大量引入铜孪晶界，即制备高密度孪晶铜，可以既提高铜的机械强度而又不损失铜的导电性。卢柯等人用脉冲电镀的方法在非晶Ni薄膜上制备了纳米孪晶铜薄膜。而一般的报道中，物理气相淀积制备的的铜薄膜在其厚度大约1微米时才能观察到显著的孪晶。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、方便的纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法。

本发明提出的纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法如下：在硅基片上，用物理气相沉积方法，首先制备一种和Cu具有高界面能的衬底材料，此衬底同时还应具有和铜不易发生互溶、扩散、反应的性质。一般来说，C基化合物和Cu具有较高的界面能，如WC，WCN，非晶C薄膜等，可作为衬底材料。其他和Cu具有高界面能的材料都可以使用。例如可以选择为难熔金属的碳化物，例如WC，TiC，TaC等，或者含碳和氮的难熔金属三元化合物，例如WCN，TiCN，TaCN等。该层薄膜厚度不是限制的因素，从使用角度考虑，这层薄膜的厚度可以在5—100纳米。然后使用物理气相淀积方法，例如溅射方法再在其上淀积一层铜薄膜，则在刚淀积的铜薄膜中即可形成纳米尺度孪晶结构，铜薄膜的厚度一般可以为50-200nm。

为进一步增大孪晶铜晶粒尺寸和提高铜孪晶密度，本发明还可进一步进行退火处理。退火温度为室温到600℃，退火时间为30秒-2分钟。

由于本方法仅需要制备特定衬底就可以用常规物理气相淀积的方法制备纳米尺度孪晶铜薄膜，因此具有简单、方便、实用性强的特点。

附图说明

图1：刚淀积样品的扫描电子显微镜(SEM)图片.(a)Cu(100nm)/WC(10nm)/Si；(b)Cu(100nm)/W(10nm)/Si。

图2：退火样品的扫描电子显微镜(SEM)图片.(a)Cu(100nm)/WC(10nm)/Si，(510度60秒退火)(b)Cu(100nm)/W(10nm)/Si，(550度60秒退火)。

图3：样品Cu(100nm)/WC(10nm)/Si(510度60秒退火)的背散射电子衍射(EBSD)分析图，左边为样品的SEM图，右边为相应所选区域的晶向映射颜色图，红色区域到绿色区域表明相邻晶粒沿<111>晶向互为旋转60度。

图4：Cu(100nm)/WCN(10nm)/Si样品550度60秒退火的扫描电子显微镜(SEM)图片。

具体实施方式

实施例1

1：选择硅(Si)为衬底，经过标准RCA清洗并在一定浓度(一般采用2％)的氢氟酸(HF)溶液清洗去除本征氧化层后，装入物理气相淀积(PVD)设备腔体，本底真空越低越好，本实例中给出的真空度为2×10^-5Pa。在其上用磁控共溅射方法淀积一层碳化钨(WC)薄膜。WC薄膜的厚度不受限制，从工艺简单性来说，本实例中采用的薄膜厚度为10纳米。淀积时通入Ar气，工作气压为5×10^-1Pa。

2：在不破坏真空条件下，继续磁控溅射淀积一层100nm的铜薄膜，淀积时工作气压为5×10^-1Pa。得到Cu(100nm)/WC(10nm)/Si的样品结构，此时刚淀积的铜薄膜中即具有纳米尺度的孪晶结构，如附图1(a)所示。孪晶结构特有的条纹可被清晰观测到。

3：对样品Cu(100nm)/WC(10nm)/Si进行退火处理，温度可以在室温到600℃之间，退火气氛可以是惰性气体保护或者是真空。本实例中采用510℃氮气保护下退火60秒，铜晶粒尺寸及孪晶铜密度均增大，如附图2(a)所示。

取附图2(a)所示样品进行背散射电子衍射(EBSD)分析以研究铜孪晶的结构性质，如附图3所示。EBSD分析表明相邻的孪晶沿<111>晶向互为旋转60度，孪晶的间距在20-150纳米左右。

实施例2

1：选择硅(Si)为衬底，经过标准RCA清洗并在2％浓度的氢氟酸(HF)溶液清洗去除本征氧化层后，装入物理气相淀积(PVD)设备腔体，本底真空越低越好，本实例中给出的真空度为2×10^-5Pa。在其上用磁控共溅射方法淀积一层10nm～100nm厚的碳氮化钨(WCN)薄膜。溅射气氛为氮气和氩气混合气体，氮氩分压比为1:4，碳靶和钨靶的淀积速率比为3:7，淀积时工作气压为5×10^-1Pa。

2：在不破坏真空条件下，继续磁控溅射淀积一层100nm的铜薄膜，淀积时工作气压为5×10^-1帕斯卡。得到Cu(100nm)/WCN(10nm)/Si的样品结构。进一步对样品进行退火处理，选择550℃快速热退火90秒，附图4所示，孪晶条纹同样可被观测到。

比较例1

1：选择硅(Si)为衬底，经过标准RCA清洗并在2％浓度的氢氟酸(HF)溶液清洗去除本征氧化层后，装入物理气相淀积(PVD)设备腔体，本底真空度为2×10^-5Pa。在其上用磁控溅射方法淀积一层10nm厚的钨(W)薄膜，淀积时工作气压为5×10^-1Pa。

2：在不破坏真空条件下，继续磁控溅射淀积一层100nm的铜薄膜，淀积时工作气压为5×10^-1Pa。得到Cu(100nm)/W(10nm)/Si的样品结构，在刚淀积的铜薄膜中不能观测到孪晶条纹，如附图1(b)所示。

3：选择550摄氏度60秒快速热退火对样品Cu(100nm)/W(10nm)/Si进行退火处理，孪晶条纹仍然不能被观测到，如附图2(b)所示。这是由于W衬底和Cu具有较低的界面能。

Claims

1.一种纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)在硅基片上，用物理气相沉积方法制备一层薄膜衬底，该薄膜衬底材料为难熔金属的碳化物或者是含碳和氮的难熔金属三元化合物，厚度为10-100nm；

(2)然后，在该衬底上用物理气相淀积的方法淀积一层铜薄膜，刚淀积的铜薄膜中即可形成纳米尺度孪晶。

2.根据权利要求1所述的纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法，其特征在于所述的薄膜衬底的材料为WC、TiC、TaC、WCN、TiCN或TaCN。

3.根据权利要求1所述的纳米尺度孪晶铜薄膜的制备方法，其特征在于还进一步进行退火处理，退火温度为510至550℃，退火时间为30秒至2分钟。