摘要：在稀薄氧壓下,用電子束蒸發(fā)的方法在鋁酸鑭（LaAlO）基片上沉積制備納尺度的銅薄膜。基于超微量天平對(duì)沉積質(zhì)量的精確測(cè)量,以及ICP-AES對(duì)薄膜中金屬元素的準(zhǔn)確分析,研究了基片溫度和氧分壓對(duì)銅原子在鋁酸鑭基片表面吸附系數(shù)的影響。同時(shí),用超微量天平精確測(cè)量沉積薄膜的總質(zhì)量,并用ICP-AES分析薄膜中銅元素的質(zhì)量,進(jìn)而確定了納尺度銅薄膜的氧化程度,通過改變氧分壓和基片溫度,獲得了銅薄膜的氧化程度與氧分壓和基片溫度之間的關(guān)系。用XRD分析了薄膜結(jié)構(gòu),用SEM觀察了薄膜表面形貌,這些研究結(jié)果為三源共蒸發(fā)原位制備YBCO薄膜中基片溫度和氧分壓的選擇提供了依據(jù)。

知識(shí)擴(kuò)展

隨著集成電路中的晶體管尺寸逐漸減小，單位面積內(nèi)集成電路中的晶體管數(shù)量急劇增加以及芯片中互連線的長(zhǎng)度與層數(shù)不斷增加，導(dǎo)致其互連延遲增大，為了降低互連延遲，如何選取合適的互連材料及其制備技術(shù)是半導(dǎo)體領(lǐng)域需要解決的問題。現(xiàn)如今，以銅互連取代傳統(tǒng)的鋁互連成為互連工藝的主流。相比于金屬鋁，銅具有較低的電阻，較好的抗電遷移特性，能夠提供更大載流能力。

目前銅互連制備采用的是大馬士革工藝，該工藝的步驟之一是在已制備好的溝槽或通孔內(nèi)先沉積一層銅擴(kuò)散阻擋層，該層用來阻止后續(xù)的金屬銅與單晶硅基底的反應(yīng)和擴(kuò)散，然后在擴(kuò)散阻擋層上沉積一層導(dǎo)電的銅籽晶層，用作電鍍工藝的導(dǎo)電層來確保銅電鍍順利進(jìn)行。傳統(tǒng)的銅籽晶層沉積工藝主要有物理氣相沉積(PVD)，然而隨著集成電路特征尺寸不斷縮小，利用PVD技術(shù)難以在高深寬比的溝槽中沉積保形性好、均勻一致的銅籽晶層。

隨著微電子器件的小型化，原子層沉積(ALD)技術(shù)得以迅速發(fā)展。該技術(shù)對(duì)具有較高深寬比的溝槽及復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)表面具有良好的臺(tái)階覆蓋性，更重要的是基于前驅(qū)體表面自限制化學(xué)吸附反應(yīng)，ALD可通過控制周期數(shù)來精確控制薄膜厚度。而在ALD工藝中，所沉積物質(zhì)前驅(qū)體與反應(yīng)前驅(qū)體交替進(jìn)入反應(yīng)腔。其間，用惰性氣體將未反應(yīng)的前驅(qū)體吹掃干凈，確保反應(yīng)氣體為交替自限制沉積方式。

近年來，多名研究者利用ALD技術(shù)沉積了銅薄膜。所使用的銅薄膜前驅(qū)體多為鹵化銅、β-二酮類、脒基銅類，沉積溫度一般在200℃以上。而高的沉積溫度使得基底表面的銅粒子自由能增加而易發(fā)生團(tuán)聚形成大晶粒，造成不連續(xù)銅薄膜的沉積，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜電阻的增大。為獲得連續(xù)且具有較低電阻率的銅薄膜，須通過增加銅晶粒的生長(zhǎng)時(shí)間以促進(jìn)晶粒間接觸并最終連通。

由此可見，熱原子層銅薄膜沉積的主要問題之一是，為了沉積連續(xù)的銅薄膜，其厚度需要具有一閾值，限制了沉積銅籽晶層向更薄厚度更寬使用范圍的發(fā)展。研究報(bào)導(dǎo)，銅籽晶層的理想沉積溫度要低于150℃以便在幾納米厚度的尺度上形成均勻連續(xù)的銅薄膜。為了實(shí)現(xiàn)銅薄膜的低溫沉積，除了使用還原性更強(qiáng)的二乙基鋅、三甲基鋁以替代氫與銅前驅(qū)體反應(yīng)外(該反應(yīng)體系盡管可以降低沉積溫度，但是容易引入鋅、鋁等雜質(zhì)導(dǎo)致銅薄膜性能降低)，更為常用的方法是在熱ALD的基礎(chǔ)上引入等離子體技術(shù)以降低沉積溫度。Moon等以Cu(dmamb)2作為銅前驅(qū)體，使用氫氣等離子體技術(shù)，在100～180℃沉積范圍內(nèi)制備了銅薄膜。其沉積速率為0.065nm/cycle，薄膜中碳、氧雜質(zhì)含量約為5%。

Coyle等使用等離子體增強(qiáng)ALD技術(shù)，采用新型含氮雜環(huán)卡賓銅前驅(qū)體(copper(I)NHCs)沉積銅薄膜，在前驅(qū)體溫度為90℃且沉積溫度為225℃時(shí)可得到較低電阻率的銅薄膜。D．J．Hagen等比較了CTA-1與AbaCus兩種不同的前驅(qū)體用于沉積銅薄膜的研究，報(bào)道發(fā)現(xiàn)相對(duì)于AbaCus，CTA-1的蒸氣壓較高，并可使沉積溫度降低至30℃。盡管上述研究在不同程度上實(shí)現(xiàn)了銅薄膜的低溫沉積，但是碳、氧等雜質(zhì)含量都較高。

對(duì)于銅薄膜沉積工藝的研究中，薄膜的初期成核過程具有重要意義，放入腔室內(nèi)的基底表面一般具有羥基或氫終端反應(yīng)活性位點(diǎn)，而基底表面銅前驅(qū)體的飽和化學(xué)吸附量與表面反應(yīng)活性位點(diǎn)的含量及密度密切相關(guān)。因此在沉積實(shí)驗(yàn)前，對(duì)基底進(jìn)行3min的氫等離子體預(yù)處理，通過增加基底表面的氫終端，進(jìn)而增加脒基銅前驅(qū)體的化學(xué)吸附量以提升最初成核密度。由于AFM對(duì)表面形貌變化具有非常敏感的感應(yīng)能力，因此本實(shí)驗(yàn)在研究100℃沉積溫度下銅薄膜最初沉積周期內(nèi)的生長(zhǎng)過程中，使用AFM分別對(duì)沉積為1、5、7、10周期內(nèi)的薄膜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖4所示。隨著沉積周期數(shù)的增加，基底表面的粗糙度緩慢增大，說明在實(shí)驗(yàn)初期有沉積發(fā)生在基底表面且在最初生長(zhǎng)階段沒有出現(xiàn)生長(zhǎng)延遲現(xiàn)象，但是，10周期以內(nèi)的沉積并沒有得到連續(xù)的銅薄膜。隨著沉積周期數(shù)的增加，銅顆粒逐漸增大，到10周期時(shí)，通過相位圖觀察存在尺寸為20～30 nm大小的顆粒。在薄膜生長(zhǎng)初始階段，銅薄膜在基底表面為島狀生長(zhǎng)模式沉積，但是由于銅原子的團(tuán)聚粒徑被較低的沉積溫度所限制，隨著基底表面銅顆粒數(shù)不斷增加，其相互連接并最終形成連續(xù)的銅薄膜。此外，在實(shí)驗(yàn)之前氫等離子體對(duì)基底表面進(jìn)行的預(yù)處理以及銅顆粒自身的催化性質(zhì)也對(duì)沉積速率以及薄膜覆蓋率的增加起到一定作用。