[发明专利]一种稳定的高电导Cu-Ge-Fe三元稀合金薄膜及其制备工艺

说明书

本发明涉及一种稳定的高电导Cu‑Ge‑Fe三元稀合金薄膜及其制备工艺，属于新材料领域。这种稳定的高电导Cu‑Ge‑Fe三元稀合金薄膜中大原子半径非金属组元Ge的添加量是第三组元金属元素Fe的5～35倍，Ge和Fe添加总量为原子百分比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中难以扩散，有利于保持整体结构稳定；3、Ge与Fe为负混合焓，通过添加Ge元素将Fe代入Cu中，增大Fe在Cu中的固溶度，使合金薄膜呈固溶状态，而Fe的添加可以使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。

技术领域

本发明涉及一种稳定的高电导Cu-Ge-Fe三元稀合金薄膜及其制备工艺，属于新材料领域。

背景技术

铜由于其低的体电阻率(1.75μΩ·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Cu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℃时即可发生Cu-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。为了克服以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，在铜种籽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。

早期研究中，主要以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，所以其主要处在Cu晶界以及薄膜缺陷等处。这样可以在阻挡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溅射态薄膜中大量的柱状晶、位错和晶界无法消除，最终导致溅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Cu膜稳定性。

目前以非金属元素如Ge作为添加元素，形成固溶体合金Cu薄膜用于Cu种籽层的研究并不多。Ge在Cu中有近9％的固溶度，并且Ge为大原子半径元素，其原子半径大于Cu的原子半径当Ge在Cu中以固溶状态存在时，大的原子尺寸决定了其在Cu中难以扩散，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Cu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。

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Fe在Cu的固溶度很小，可以通过Ge与Fe的负混合焓，利用Ge将Fe元素代入Cu中，增加Fe在Cu中的固溶度。合金中Fe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Cu中时，能通过Fe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Fe的稀固溶体Cu膜。

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Cu-Ge-Fe三元稀合金薄膜。

发明内容

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-Fe三元稀合金薄膜及其制备工艺，通过极少量第三组元Fe的添加，可以有效抑制Cu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。