[发明专利]一种Ta-C-N薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种具有Ta，C和N三种元素材料的制备方法，特指采用直流和射频磁控共溅射制备获得Ta-C-N薄膜，通过该方法的实施，可获得具有Ta-C-N三元组分的薄膜。

背景技术

TaN薄膜由于具有化学稳定性高、电阻温度系数小和阻值可调范围大等特点已经广泛用于集成电路、阻挡层以及薄膜电阻器中，目前TaN薄膜的制备方法主要有离子束沉积、化学气相沉积和反应磁控溅射等^[1]，相比较于二元TaN薄膜而言，三元Ta-C-N薄膜研究则相对较少。

在电子工业发展中，随着芯片集成度的增加和特征尺寸的减小，互连延迟（RC延迟）也越来越大；一方面有许多研究在低介电常数（简称低k）材料领域以减少互连电容C，另一方面使用更低电阻率的金属材料成为必要，铜是非常有吸引力的互连材料，比铝有更好的导电性和更好的抗电迁移性，但铜在硅或介质中都有较高的扩散速率，一旦铜原子进入硅器件，便会成为深能级受主杂质，从而产生复合中心使载流子寿命降低，最终导致器件性能退化甚至失效，另外铜和介质的黏附性能较弱，也较易受到腐蚀，因此在铜互连工艺中必须同时引入合适的扩散阻挡层^[2]。

早期研究过程中，曾考虑利用一些难熔金属和三元金属-Si-N（如Ta-Si-N，W-Si-N等）来制备扩散阻挡层，在这些材料中，Ta和Ta-N作为扩散阻挡层以阻止铜的扩散得到了较为广泛的研究，这主要是因为Ta具有较高的熔点，而且在铜中的固溶度非常小；通过系统研究，Ta-C-N薄膜（该薄膜含有少量的氮）作为扩散阻挡层，在较高的温度条件下具有较好的稳定性，而引起国内外学者的关注；S.J.Wang等人用TaC靶材（质量比50：50，纯度99.5％），在一定的Ar/N₂流量比下，采用反应溅射法在N型（100）硅片上合成出60nm厚的Ta-C-N薄膜^[3]，H.Wojcik等人以TBTDET前驱体，持续通入氢气和氩气的混合气，利用等离子体增强原子层沉积（Atomic layer deposition）方法在SiO₂，SiCOH和Cu基体上合成了Ta-C-N薄膜，结果表明，即使所制备的Ta-C-N薄膜厚度为1nm时，其都可有效地阻止铜的扩散^[4]，此外，S.H.Kim等人用氮离子束增强沉积方法^[5]，Y.Ohshita等人^[6]和E.R.Engbrecht等人^[7]用化学气相沉积方法，制得TaCN薄膜，并研究了其在铜互连中的阻止扩散性能。

此外，第四副族和第五副族元素的碳/氮化物因其独特的物理化学特性而备受瞩目，如高熔点，高硬度，优异的热和化学稳定性，耐腐蚀和良好的导电性能等；王广甫和张荟星^[8]用磁过滤阴极真空弧等离子体沉积方法在不同N₂分压下，在Si衬底上合成了Ta-C(N) 薄膜，XPS和Raman分析表明，在沉积靶室氮气分压在0.1Pa以下合成的非晶碳氮薄膜中N/C原子比在0.098-0.31之间，并且随着氮气进气量的增大，薄膜中的N含量增多，sp³键所占比例降低，进一步增大氮气分压，沉积速率会大幅度降低，在合成的非晶碳氮薄膜中N主要以N＝C键同C原子结合。

本发明采用Ta靶和石墨靶，直流和射频磁控共溅射制备获得Ta-C-N三元薄膜，与前面所列方法相比，具有靶材来源易获得，工艺简单易操作等特点，通过调整源靶材的溅射功率、溅射时间、反应气氛等条件的实施，获得具有Ta、C、N三元组分的薄膜，为探讨其物理性能，进而探讨其在电子器件、耐磨涂层中的可能应用奠定材料制备基础。

参考文献：

[1] 康杰，张万里，吴传贵等，氮分压对磁控溅射制备TaN薄膜性能的影响，电子元件与材料，2009，28（6），46-48；

[2] 谢琦，集成电路铜互连工艺中先进扩散阻挡层的研究，复旦大学，博士学位论文，2008，12；

[3] Shui Jinn Wang, Hao Yi Tsai, S.C. Sun et al, Characterization of Sputtered Ta-C-N Film in the Cu/barrier/Si Contact System, Journal of Electronic Materials, 2001, 30(8),917-924；