Cu-Ge及Cu-Ge-M系功能薄膜的制备与表征

摘要

因为Ge在Cu中有较大固溶度(约9%)，所以Cu-Ge二元合金系统具有固溶态和化合态两大成分区间。Ge具有较大的原子半径，固溶于Cu中会造成较大的晶格畸变，有望用来提高Cu薄膜的稳定性；而Cu-Ge化合物也被报道具有高稳定性、强抗氧化能力和良好的光学性能等。理论上这两种状态都可用于无扩散阻挡层结构的制备（直接用作Cu种籽层），但目前还没有关于这两类薄膜在稳定性和电阻率等性能方面的综合对比研究。
　　本文以 Cu-Ge二元相图为参考，在较宽的成分区间内，利用磁控溅射法在单晶 Si基体上制备了固溶态和化合态 Cu（Ge）薄膜。首先通过系列真空退火，研究了薄膜的稳定性及电阻率的变化，并进一步对Cu(Ge)固溶态薄膜进行了成分优化，其次从稳定性、电阻率及硬度等方面对固溶态和化合态薄膜进行了综合对比。
　　对Cu(Ge)固溶态薄膜的研究表明：因为Ge在Cu中具有较小的扩散激活能和较大的扩散系数，单独添加的Ge会向膜基界面偏聚，导致严重的膜基界面互扩散，并促进发生 Cu-Si反应。为了改善这种现象，本文制备了 Cu(Ge-Fe(或 Sn))三元薄膜，利用Ge-Fe(或Sn)之间的负混合焓产生强相互作用，将Ge稳定在Cu晶格中，提高了薄膜稳定性。退火400 oC/41h后，晶格畸变最大的Cu99.19Ge0.73Fe0.08和Cu99.22Ge0.69Fe0.09薄膜依然保持较好稳定性，电阻率低至2.54~2.80μΩ·cm。对于Cu(Ge-Sn)系薄膜，晶格畸变最大的Cu99.01Ge0.90Sn0.09薄膜中没有出现Cu-Si反应，电阻率维持在2.51μΩ·cm。实验结果证实：强相互作用组元Fe、Sn可以阻止Ge向外扩散，同时提高固溶态Cu(Ge)合金薄膜稳定性。添加扩散激活能较大、扩散系数较小的小原子半径元素 Fe可以在较宽的成分范围内起到抑制扩散的作用。
　　而Cu-Ge二元化合态薄膜的研究表明：从固溶态到ζ相及ε1相的转变是渐变的。与固溶态薄膜相比，化合态薄膜的性能没有明显优势：硬度仅略有提高；400 oC/1 h退火后，处于α-Cu(Ge)和ζ-Cu5Ge相区的薄膜样品膜基界面处均发生了Cu-Si互扩散现象，生成了Cu3Si颗粒，ε1-Cu3Ge相区的样品中虽然没有检测到Cu-Si反应产物，但是由于掺杂元素含量高以及退火后晶粒并没有合并生长，电阻率值很高。因此，仅仅是成分优化后的固溶态 Cu(Ge-Fe(或 Sn))薄膜作为无扩散阻挡层结构应用于 Cu种籽层中是可行的，其电阻率和稳定性均可以满足微电子工业的后续加工要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 Cu的性能特点及应用

1.2 常见的提高Cu稳定性方法

1.3 Cu-Ge合金

1.4 Cu合金中的扩散

1.5 本文研究内容

2 薄膜制备工艺与分析方法

2.1 Cu-Ge-(M)合金薄膜的制备

2.2 Cu-Ge-(M)合金薄膜的分析

3 固溶态Cu-Ge及Cu-Ge-M薄膜

3.1 Cu-Ge二元薄膜成分及微结构分析

3.2 Cu-Ge-M三元薄膜的分析

3.3 小结

4 化合态Cu-Ge薄膜

4.1 薄膜成分分析

4.2 薄膜XRD结果分析

4.3 薄膜电阻率结果分析

4.4 薄膜硬度结果分析

4.5 薄膜TEM结果分析

4.6 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢