摘要：在稀薄氧壓下,用電子束蒸發的方法在鋁酸鑭（LaAlO）基片上沉積製備納尺度的銅薄膜。基於粉色视频APP在线观看高清观看對沉積質量的精確測量,以及ICP-AES對薄膜中金屬元素的準確分析,研究了基片溫度和氧分壓對銅原子在鋁酸鑭基片表麵吸附係數的影響。同時,用粉色视频APP在线观看高清观看精確測量沉積薄膜的總質量,並用ICP-AES分析薄膜中銅元素的質量,進而確定了納尺度銅薄膜的氧化程度,通過改變氧分壓和基片溫度,獲得了銅薄膜的氧化程度與氧分壓和基片溫度之間的關係。用XRD分析了薄膜結構,用SEM觀察了薄膜表麵形貌,這些研究結果為三源共蒸發原位製備YBCO薄膜中基片溫度和氧分壓的選擇提供了依據。

知識擴展

隨著集成電路中的晶體管尺寸逐漸減小，單位麵積內集成電路中的晶體管數量急劇增加以及芯片中互連線的長度與層數不斷增加，導致其互連延遲增大，為了降低互連延遲，如何選取合適的互連材料及其製備技術是半導體領域需要解決的問題。現如今，以銅互連取代傳統的鋁互連成為互連工藝的主流。相比於金屬鋁，銅具有較低的電阻，較好的抗電遷移特性，能夠提供更大載流能力。

目前銅互連製備采用的是大馬士革工藝，該工藝的步驟之一是在已製備好的溝槽或通孔內先沉積一層銅擴散阻擋層，該層用來阻止後續的金屬銅與單晶矽基底的反應和擴散，然後在擴散阻擋層上沉積一層導電的銅籽晶層，用作電鍍工藝的導電層來確保銅電鍍順利進行。傳統的銅籽晶層沉積工藝主要有物理氣相沉積(PVD)，然而隨著集成電路特征尺寸不斷縮小，利用PVD技術難以在高深寬比的溝槽中沉積保形性好、均勻一致的銅籽晶層。

隨著微電子器件的小型化，原子層沉積(ALD)技術得以迅速發展。該技術對具有較高深寬比的溝槽及複雜三維結構表麵具有良好的台階覆蓋性，更重要的是基於前驅體表麵自限製化學吸附反應，ALD可通過控製周期數來精確控製薄膜厚度。而在ALD工藝中，所沉積物質前驅體與反應前驅體交替進入反應腔。其間，用惰性氣體將未反應的前驅體吹掃幹淨，確保反應氣體為交替自限製沉積方式。

近年來，多名研究者利用ALD技術沉積了銅薄膜。所使用的銅薄膜前驅體多為鹵化銅、β-二酮類、脒基銅類，沉積溫度一般在200℃以上。而高的沉積溫度使得基底表麵的銅粒子自由能增加而易發生團聚形成大晶粒，造成不連續銅薄膜的沉積，進而導致薄膜電阻的增大。為獲得連續且具有較低電阻率的銅薄膜，須通過增加銅晶粒的生長時間以促進晶粒間接觸並最終連通。

由此可見，熱原子層銅薄膜沉積的主要問題之一是，為了沉積連續的銅薄膜，其厚度需要具有一閾值，限製了沉積銅籽晶層向更薄厚度更寬使用範圍的發展。研究報導，銅籽晶層的理想沉積溫度要低於150℃以便在幾納米厚度的尺度上形成均勻連續的銅薄膜。為了實現銅薄膜的低溫沉積，除了使用還原性更強的二乙基鋅、三甲基鋁以替代氫與銅前驅體反應外(該反應體係盡管可以降低沉積溫度，但是容易引入鋅、鋁等雜質導致銅薄膜性能降低)，更為常用的方法是在熱ALD的基礎上引入等離子體技術以降低沉積溫度。Moon等以Cu(dmamb)2作為銅前驅體，使用氫氣等離子體技術，在100～180℃沉積範圍內製備了銅薄膜。其沉積速率為0.065nm/cycle，薄膜中碳、氧雜質含量約為5%。

Coyle等使用等離子體增強ALD技術，采用新型含氮雜環卡賓銅前驅體(copper(I)NHCs)沉積銅薄膜，在前驅體溫度為90℃且沉積溫度為225℃時可得到較低電阻率的銅薄膜。D．J．Hagen等比較了CTA-1與AbaCus兩種不同的前驅體用於沉積銅薄膜的研究，報道發現相對於AbaCus，CTA-1的蒸氣壓較高，並可使沉積溫度降低至30℃。盡管上述研究在不同程度上實現了銅薄膜的低溫沉積，但是碳、氧等雜質含量都較高。

對於銅薄膜沉積工藝的研究中，薄膜的初期成核過程具有重要意義，放入腔室內的基底表麵一般具有羥基或氫終端反應活性位點，而基底表麵銅前驅體的飽和化學吸附量與表麵反應活性位點的含量及密度密切相關。因此在沉積實驗前，對基底進行3min的氫等離子體預處理，通過增加基底表麵的氫終端，進而增加脒基銅前驅體的化學吸附量以提升最初成核密度。由於AFM對表麵形貌變化具有非常敏感的感應能力，因此本實驗在研究100℃沉積溫度下銅薄膜最初沉積周期內的生長過程中，使用AFM分別對沉積為1、5、7、10周期內的薄膜的生長情況進行了表征，結果如圖4所示。隨著沉積周期數的增加，基底表麵的粗糙度緩慢增大，說明在實驗初期有沉積發生在基底表麵且在最初生長階段沒有出現生長延遲現象，但是，10周期以內的沉積並沒有得到連續的銅薄膜。隨著沉積周期數的增加，銅顆粒逐漸增大，到10周期時，通過相位圖觀察存在尺寸為20～30 nm大小的顆粒。在薄膜生長初始階段，銅薄膜在基底表麵為島狀生長模式沉積，但是由於銅原子的團聚粒徑被較低的沉積溫度所限製，隨著基底表麵銅顆粒數不斷增加，其相互連接並最終形成連續的銅薄膜。此外，在實驗之前氫等離子體對基底表麵進行的預處理以及銅顆粒自身的催化性質也對沉積速率以及薄膜覆蓋率的增加起到一定作用。