一种稳定的高电导Cu-Ge-Fe三元稀合金薄膜及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明设及一种稳定的高电导化-Ge-FeS元稀合金薄膜及其制备工艺，属于新材 料领域。
【背景技术】
[0002] 铜由于其低的体电阻率（1.7扣Q . cm)和强的抗迁移能力，常用于互连材料中。采 用铜互连的电子器件能满足快速、高集成度、大容量、使用寿命长等要求，但在应用中Cu不 可避免会与周围介质接触，由于化自身稳定性较差，在介质材料中的扩散率较大，很容易进 入介质中成为深能级受主杂质并且导致电子器件的失效。例如，Cu在Si基体中扩散速度很 快，200°C时即可发生化-Si之间的化合反应形成高阻化合物Cu3Si，严重影响电子器件的电 学性能。为了克服W上铜互连线中存在的问题，在铜与介质层之间增加一合适的扩散阻挡 层已被广泛研究并应用。随着互连线特征尺寸的减小，集成电路的发展对铜互连线的性能 要求愈发苛刻，扩散阻挡层的局限性越来越明显。如何减薄或者取消扩散阻挡层，同时改善 铜薄膜性能已成为挑战。因此，在铜种巧层中添加扩散阻挡元素，制备具有良好阻挡性能同 时保持低电阻率的无扩散阻挡层结构有着重大的发展意义。
[0003] 早期研究中，主要W向铜中添加难溶金属元素为主。因添加金属元素的低固溶度， 固溶度见"赵杰.材料科学基础[M].大连理工大学大学出版社，2010."中介绍，所W其主要 处在Cu晶界W及薄膜缺陷等处。运样可W在阻挡Cu扩散，提高薄膜热稳定性。但在实际研究 中发现，第二相析出的钉扎作用使得瓣射态薄膜中大量的柱状晶、位错和晶界无法消除，最 终导致瓣射铜膜的电阻率不能通过后续退火降低到理想范畴。因此，最理想的状况是通过 固溶合金元素的方式提高化膜稳定性。
[0004] 目前W非金属元素如Ge作为添加元素，形成固溶体合金化薄膜用于Cu种巧层的研 究并不多。Ge在Cu中有近9%的固溶度，并且Ge为大原子半径元素，其原子半径（1.37A)大 于Cu的原子半径（1.28A)，当Ge在Cu中W固溶状态存在时，大的原子尺寸决定了其在Cu中 难W扩散，有利于保持整体结构稳定。此外，Ge与Si属于同一主族，具有相同的最外层电子 数和相似的化学性质，因此，在化中添加 Ge能够有效阻止Cu与周围含Si介质的互扩散。为了 在提高铜膜稳定性的同时能够保持铜自身的低电阻率，本专利中Ge的添加量将控制在稀固 溶区范围内。
[0005] 另外，文献中报道通过双元素共添加对Cu薄膜进行合金化，并调整两种元素的相 对含量，能进一步降低Cu膜化学反应活性。因为化在化的固溶度很小，可W通过Ge与化的负 混合洽，利用Ge将化元素代入化中，增加化在Cu中的固溶度。合金中化的添加量很少并且受 得到Ge含量的限制，当Ge与Fe同时加入化中时，能通过化降低Ge的添加量，在一定程度上削 减大原子本身造成的电子散射效应。通过改变二者的总量及相对含量，可得到包含非金属 Ge与金属化的稀固溶体化膜。
[0006] 综上，本发明提出了在Cu膜中进行Ge、Fe共添加的方法，制备稳定的高电导化-Ge-化=元稀合金薄膜。
【发明内容】
[0007]本发明为了克服现有铜膜在铜互连技术应用中的不足，本发明提供一种稳定的高 电导Cu-Ge-FeS元稀合金薄膜及其制备工艺，通过极少量第S组元Fe的添加，可W有效抑 制化合金薄膜中溶剂金属Cu和稀溶质非金属Ge与周围介质之间的互扩散，形成具有较低电 阻率的稳定稀固溶体合金薄膜。
[000引本发明采用的技术方案是:一种稳定的高电导Cu-Ge-FeS元稀合金薄膜，所述化-Ge-FeS元稀合金薄膜中大原子半径非金属组元Ge的添加量是第S组元金属元素 Fe的5~ 35倍，Ge和化添加总量为原子百分比的0.32~1.74%。
[0009] 所述的一种稳定的高电导化-Ge-Fe=元稀合金薄膜的制备工艺采用下列步骤：
[0010] (1)按照所需的Ge、Fe原子百分含量，取纯度为99.99%^上的66^6金属原料放入 真空烙炼炉的铜相蜗内；
[0011] (2)将炉内气压抽至5~7 X ICT3Pa，封闭真空室，向炉内通入高纯Ar气，对样品原料 进行反复烙炼，得到成分均匀的Ge-Fe母合金锭；
[0012] (3)通过铜模吸铸法将步骤(2)中的合金锭制备出直径为6mm的圆柱形合金棒； [OOU] (4)将步骤(3)中的合金棒切成1~1.2mm厚的小合金片，并将不同数量的合金片粘 在高纯化祀瓣射区制成组合瓣射祀；
[0014] (5)将步骤(4)中瓣射祀安装好，将清洗后的单晶Si基片放入真空室，本底真空抽 至 7.0 ~8.5Xl〇-4pa;
[0015] (6)充入氣气，调节气压至2.5~3Pa，加脉冲电压600V清洗基片Smin;
[0016] (7)关闭脉冲电源，开启500W射频源调节至祀材起辉，工作气压调制0.4Pa，瓣射功 率100W，祀基距为10~11cm，预瓣射后打开挡板，正式瓣射25min得到Cu-Ge-FeS元稀合金 薄膜；
[0017] (8)所述Cu合金薄膜样品在400°C退火41小时后电阻率仍保持在2.0~3.化Q ? cm O
[0018] 上述技术方案选择Ge作为主要合金化元素，其与Cu有9%的固溶度，加入适量的 Fe,制备化-Ge-FeS元薄膜，测定合金化膜电阻率和热稳定性。由于合金化元素的添加量很 少，且Ge与Fe为负混合洽，可增加 Fe在Cu中的固溶度，即通过Ge将Fe代入Cu中，因此添加的 元素可完全固溶或绝大部分固溶于Cu晶格中，使Cu膜具有较高的热稳性和低的化学反应活 性。
[0019] 本发明的有益效果是:运种稳定的高电导化-Ge-FeS元稀合金薄膜中大原子半径 非金属组元Ge的添加量是第S组元金属元素 Fe的5~35倍，Ge和Fe添加总量为原子百分比 的0.32~1.74%。其优点是：1、添加元素的含量很少，能够保持铜膜本身的低电阻率;2、在 Cu中加入固溶态的非金属Ge时，大的原子尺寸决定了 Ge在Cu中难W扩散，有利于保持整体 结构稳定；3、Ge与Fe为负混合洽，通过添加 Ge元素将Fe代入Cu中，增大化在Cu中的固溶度， 使合金薄膜呈固溶状态，而Fe的添加可W使Ge的添加量降低，较大程度的削减了大原子本 身造成的电子散射效应，故两种元素的共添加有利于稳定Cu膜同时保证其电阻率受到最小 的影响。
【附图说明】
[0020] 图1是化99.32Geo. 6日Feo.日3薄膜400°C退火不