[发明专利]具有低电阻率和高化学惰性的Cu-Ni-Nb三元合金薄膜及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有低电阻率和高化学惰性的Cu-Ni-Nb三元合金薄膜及其制备工艺，Cu-Ni-Nb三元合金薄膜以Ni为其主要合金化元素，同时需要添加少量第三组元Nb，属于新材料领域。

背景技术

铜具有较低电阻率和较好的抗电迁移能力，作为互连线金属广泛应用于各种超大规模集成电路中。然而，Cu的扩散以及其与周围介质之间的反应问题一直阻碍其最大限度的发挥优良性能，比如，Cu在较低的温度（约200℃）下就可与硅或氧化硅等发生反应，导致电子器件损坏。为了解决上述问题需要在Cu导线的周围加入扩散阻挡层。随着大规模集成电路的发展，器件特征尺寸的逐渐缩小，要求扩散阻挡层的厚度也要相应的减小，在几个纳米的尺度内即要达到扩散阻挡效果又要保持较高的热稳定性，传统的扩散阻挡层制备工艺已经遇到很大的困难。因此提出了使电镀Cu导线前的Cu种籽层合金化的方法，此方法的特点在于无须专门制备扩散阻挡层，选择一定的合金化元素在溅射铜种籽层时直接加入，加入的元素量要很少且不与Cu化合，使其起到扩散阻挡作用，提高热稳定性的同时要对互联线的整体电阻率不产生负面影响。

早期的研究中，所选择的掺杂元素一般是与氧结合能力比较强的，例如Mg和Al，热处理后，可以在薄膜表层以及界面形成一层薄的钝化层，同纯Cu膜相比较，膜基界面结合能力增强。但是这样形成的界面钝化层相对比较厚（约20nm），随着芯片特征尺寸的逐渐减小（＜45nm），它们已经无法满足互连技术的发展。

现有文献主要以向铜中添加具有大原子半径的难溶金属元素为主。因添加金属元素的低固溶度，所以其主要处在Cu晶格外，晶界以及薄膜缺陷等处。这样可以在阻挡Cu扩散、提高薄膜热稳定性的同时，有效地减小由于铜晶格畸变引起的电阻率增加。但在实际研究中发现，析出的第二相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，反而增加了铜膜的电子散射，最终导致溅射Cu膜的电阻率不能通过后续退火降低到理想范畴。

目前对于在Cu膜中单独添加Nb元素的研究并不多见，T. Mahalingam等人^[2]在清洗过的玻璃片上镀了含Nb原子百分比不同的Cu膜， 其中含Nb2.7at.%的铜膜电阻率最低，但是依然维持在较高的水平。可见，直接向溅射Cu膜中添加Nb结果并不理想。

另外，难溶金属元素的添加量很难确定。添加量太少则达不到有效扩散阻挡的作用，添加量太多则电阻率明显增加。如何设计添加元素的添加量，缺乏理论指导依据。

基于上述不足，本发明提出了基于稳定固溶体团簇模型的双元素共添加合金化新方法，通过选择两类元素的恰当搭配，制备具有低电阻率和高化学惰性的合金化Cu膜。

发明内容

本发明为了克服现有难溶元素添加的无扩散阻挡层Cu膜的不足，制备具有高化学惰性、低电阻率的双元素共添加三元Cu合金膜。

本发明的技术方案是：一种具有低电阻率和高化学惰性的Cu-Ni-Nb三元合金薄膜,向Cu膜中添加一定原子百分比的Ni和Nb，Ni作为固溶元素，Nb作为扩散阻挡元素；Nb与Cu呈正混合焓3 kJ/mol，与Ni呈负混合焓-30 kJ/mol；Nb/Ni的添加比例保持原子百分比比例范围为0.02~0.70%；NiNb添加总量的原子百分比为0.20~1.50%。

所述的具有低电阻率和高化学惰性的Cu-Ni-Nb三元合金薄膜的制备工艺采用下列步骤：

（一）制备合金溅射靶材，其步骤如下：

①备料：按照上面所述的Ni、Nb原子百分比，称取各组元量值，待用，Ni、Nb金属原料的纯度为99.99%以上；

②Ni-Nb合金锭的熔炼：将金属的混合料放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10^-2Pa，然后充入氩气至气压为0.03±0.01MPa，熔炼电流密度的控制范围为150±10A/cm²，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼；前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Ni-Nb合金锭；