CN101413104A - 离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，将高纯度的铜作为溅射靶，并用纯N2或Ar∶N2为1∶5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，垂直注入到溅射沉积膜上，离子束的加速电压为10～50kV，束流强度为1～4mA，利用样品台的公转和样品自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cu3N多晶结构，通过在SiO2/Si衬底上同时沉积制备均匀、致密、与衬底粘附良好、电阻率大于1.0×103Ω·cm的氮化铜薄膜，满足工业化生产要求；且成膜温度很低，与半导体工艺兼容，没有废物排放。

Description

离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种氮化铜(Cu3N)薄膜制备方法，特指一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法。
背景技术
氮化铜是一种具有较低的热分解温度、较高的电阻率、对红外光和可见光的反射率与Cu单质明显差别的无毒廉价材料，可以应用于光存储器件和高速集成电路中。长期以来，人们对氮化物的研究主要集中于那些具有高硬度、高熔点、良好的化学稳定性和光学特性的物质上(如TiN、BN、AlN等二元金属氮化物)。但是对于一些以共价键结合的氮化物，由于此类金属不易与氮元素直接发生化合(如Cu3N、Ni3N、Sn3N4等)而甚少关注。理论上得出3d型过渡金属的氮化物(Ti、Fe、Ni和Cu)中，随着原子序数的增大，其金属与氮气的反应活性降低。对于铜元素来说，反应活性几乎为零。所以，开始以为氮化铜只能用复分解反应制得，例如用Cu2O和NH3为初始材料制备。
引入非平衡化合技术之后，Cu3N薄膜的研究引起了人们的极大关注。到目前为止，已经有多种制备技术可以获得氮化铜薄膜，如磁控溅射法，离子束辅助沉积法，直流等离子体氮化法，脉冲激光反应沉积法等，其中使用最多、工艺相对成熟的制备氮化铜薄膜的方法是射频磁控溅射法。目前国际上多数报道都集中在研究氮化铜薄膜性能及反应制备过程中对实验参数的依赖关系，以期获得达到理想化学组分、结构稳定、性能优良的氮化铜薄膜制造工艺。目前氮化铜已经作为阻挡层应用在一些半导体器件上，也有的方法尝试用Ar离子和激光电子束在氮化铜薄膜上进行一次性的光记录。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，采用改进了的离子束增强沉积方法，在SiO2/Si衬底上制备均匀、致密、与衬底粘附良好、电阻率大于1.0×103Ω·cm的氮化铜薄膜。
本发明采用的技术方案是：
1、溅射靶：选用高纯度的铜为靶材，将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通循环冷却水来对靶材制冷；
2、采用混合离子束进行增强沉积：用步骤(1)的溅射靶溅射铜靶的同时，用纯氮或氩：氮＝1：5的混合气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为10～50kV，束流强度为1～4mA；
3、膜的均匀性：轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mm、非均匀性小于15％、垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片自转实现均匀注入，得到氮化铜多晶结构，即离子束增强沉积氮化铜薄膜。
本发明的有益效果是：
1、可以在多片SiO2/Si衬底上同时沉积Cu3N薄膜，满足工业化生产要求。
2、Cu3N薄膜的成膜温度很低，与半导体工艺兼容。
3、Cu3N薄膜性能稳定，均匀性好。
4、本发明为一种干法沉积技术，在成膜过程中无废液、废气等危害环境的物质排放。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为离子束增强沉积机示意图；
图2为在SiO2/Si衬底上氮化铜薄膜的X射线衍射谱；
图3为在SiO2/Si衬底上氮化铜薄膜的AFM形貌图谱；
图4为在SiO2/Si衬底上氮化铜薄膜的AFM力曲线图谱。
具体实施方式
如图1，先根据Ar离子束发射出离子源的角度，调整好纯度为99.99％的高纯Cu靶的位置，使得Ar离子束溅射铜靶后，被轰击出的铜离子束角度正好对应样品台中心附近处。再采用混合离子束进行增强沉积，溅射束为Ar+，束流强度50～80mA、加速电压2.0～3.0kV。对高能气体离子源通入高纯N2或Ar：N2～1：5的混合高纯气体，离子束轰击的束流强度为1～4mA，加速电压为10～50kV。无电扫描轰击束的直径不小于150mm，非均匀性小于15％。样品和样品台作独立旋转，其转速分别为5r/min和30r/min，使增强沉积过程中样品温度低于300℃。增强沉积的时间由需要沉积的薄膜厚度决定。最后用离子束增强沉积方法制备的氮化铜薄膜，取出后在快速退火炉中，在氮气气氛下作结晶热处理，热处理温度在300～600℃，退火时间25s～1min。氮化铜薄膜特征如图2～4所示。
实施例1
选用高纯度的铜为靶材，用特制的铜螺丝将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通循环冷却水来对靶材制冷。选用上述溅射靶，溅射铜靶的同时，并用纯N2或Ar：N2为1：5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为10kV，束流强度为1mA。高剂量离子注入的损伤效应使Cu键断裂；注入N+与Cu结合，形成具有立方反ReO3型晶体结构的高电阻率Cu3N薄膜。轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mm，非均匀性小于15％，垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cu3N多晶结构。
采用上述方法制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜可以不经过退火制备出氮化铜薄膜。经300℃的氮气退火，可以获得结晶更好、电阻率更大的多晶Cu3N薄膜。选择合适的沉积铜的速率，溅射参数：溅射束为Ar+，束流强度50mA、加速电压2.0kV，、调节注入离子束的能量和束流，注入离子束的加速电压为10kV，束流为1mA，使Cu3N薄膜的电阻率大于1.0×103Ω·cm。
实施例2
选用99.99％高纯度的铜为靶材，用特制的铜螺丝将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通循环冷却水来对靶材制冷。选用上述溅射靶，溅射铜靶的同时，并用纯N2或Ar：N2为1：5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为30kV，束流强度为2mA。高剂量离子注入的损伤效应使Cu键断裂；注入N+与Cu结合，形成具有立方反ReO3型晶体结构的高电阻率Cu3N薄膜。轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mm，非均匀性小于15％，垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cu3N多晶结构。
采用上述方法制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜可以不经过退火制备出氮化铜薄膜。经400℃的氮气退火，可以获得结晶更好、电阻率更大的多晶Cu3N薄膜。选择合适的沉积铜的速率，溅射参数：溅射束为Ar+，束流强度60mA、加速电压25kV。调节注入离子束的能量和束流，注入离子束的加速电压为30kV，束流为2mA，使Cu3N薄膜的电阻率大于1.0×103Ω·cm。
实施例3
选用高纯度的铜为靶材，用特制的铜螺丝将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通循环冷却水来对靶材制冷。选用上述溅射靶，溅射铜靶的同时，并用纯N2或Ar:N2为1：5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为50kV，束流强度为4mA。高剂量离子注入的损伤效应使Cu键断裂；注入N+与Cu结合，形成具有立方反ReO3型晶体结构的高电阻率Cu3N薄膜。轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mm，非均匀性小于15％，垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cu3N多晶结构。
采用上述方法制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜可以不经过退火制备出氮化铜薄膜，经600℃的氮气退火，可以获得结晶更好、电阻率更大的多晶Cu3N薄膜。选择合适的沉积铜的速率，溅射参数：溅射束为Ar+，束流强度80mA、加速电压3.0kV，调节注入离子束的能量和束流，注入离子束的加速电压为50kV，束流为4mA，使Cu3N薄膜的电阻率大于1.0×103Ω·cm。

Claims (2)

1.一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)溅射靶
选用高纯度的铜为靶材，将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通循环冷却水来对靶材制冷；
(2)采用混合离子束进行增强沉积
用步骤(1)的溅射靶溅射铜靶的同时，用纯氮或氩：氮＝1：5的混合气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为10～50kV，束流强度为1～4mA；
(3)膜的均匀性
轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mm、非均匀性小于15％、垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品自转实现均匀注入，得到氮化铜多晶结构，即离子束增强沉积氮化铜薄膜。
2.根据权利要求1所述的离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，其特征在于：将步骤(3)制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜进行RTP快速热处理，经300～600℃的氮气退火得到多晶氮化铜薄膜。
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