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。基于超微量天平對沉積質(zhì)量的精確測量,以及ICP-AES對薄膜中金屬元素的準確分析,研究了基片溫度和氧分壓對銅原子在鋁酸鑭基片表面吸附系數(shù)的影響。同時,用超微量天平精確測量沉積薄膜的總質(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)。

知識擴展

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度與層數(shù)不斷增加，導致其互連延遲增大，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)是半導體領域需要解決的問題。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和擴散，然后在擴散阻擋層上沉積一層導電的銅籽晶層，用作電鍍工藝的導電層來確保銅電鍍順利進行。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)對具有較高深寬比的溝槽及復雜三維結(jié)構(gòu)表面具有良好的臺階覆蓋性，更重要的是基于前驅(qū)體表面自限制化學吸附反應，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)體與反應前驅(qū)體交替進入反應腔。其間，用惰性氣體將未反應的前驅(qū)體吹掃干凈，確保反應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)生團聚形成大晶粒，造成不連續(xù)銅薄膜的沉積，進而導致薄膜電阻的增大。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時間以促進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。研究報導，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。為了實現(xiàn)銅薄膜的低溫沉積，除了使用還原性更強的二乙基鋅、三甲基鋁以替代氫與銅前驅(qū)體反應外(該反應體系盡管可以降低沉積溫度，但是容易引入鋅、鋁等雜質(zhì)導致銅薄膜性能降低)，更為常用的方法是在熱ALD的基礎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，報道發(fā)現(xiàn)相對于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活性位點，而基底表面銅前驅(qū)體的飽和化學吸附量與表面反應活性位點的含量及密度密切相關(guān)。因此在沉積實驗前，對基底進行3min的氫等離子體預處理，通過增加基底表面的氫終端，進而增加脒基銅前驅(qū)體的化學吸附量以提升最初成核密度。由于AFM對表面形貌變化具有非常敏感的感應能力，因此本實驗在研究100℃沉積溫度下銅薄膜最初沉積周期內(nèi)的生長過程中，使用AFM分別對沉積為1、5、7、10周期內(nèi)的薄膜的生長情況進行了表征，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，說明在實驗初期有沉積發(fā)生在基底表面且在最初生長階段沒有出現(xiàn)生長延遲現(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，通過相位圖觀察存在尺寸為20～30 nm大小的顆粒。在薄膜生長初始階段，銅薄膜在基底表面為島狀生長模式沉積，但是由于銅原子的團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，在實驗之前氫等離子體對基底表面進行的預處理以及銅顆粒自身的催化性質(zhì)也對沉積速率以及薄膜覆蓋率的增加起到一定作用。