摘要：在稀薄氧压下,用电子束蒸发的方法在铝酸镧（LaAlO）基片上沉积制备纳尺度的铜薄膜。基于91免费版黄片播放对沉积质量的精确测量,以及ICP-AES对薄膜中金属元素的准确分析,研究了基片温度和氧分压对铜原子在铝酸镧基片表面吸附系数的影响。同时,用91免费版黄片播放精确测量沉积薄膜的总质量,并用ICP-AES分析薄膜中铜元素的质量,进而确定了纳尺度铜薄膜的氧化程度,通过改变氧分压和基片温度,获得了铜薄膜的氧化程度与氧分压和基片温度之间的关系。用XRD分析了薄膜结构,用SEM观察了薄膜表面形貌,这些研究结果为三源共蒸发原位制备YBCO薄膜中基片温度和氧分压的选择提供了依据。

知识扩展

随着集成电路中的晶体管尺寸逐渐减小，单位面积内集成电路中的晶体管数量急剧增加以及芯片中互连线的长度与层数不断增加，导致其互连延迟增大，为了降低互连延迟，如何选取合适的互连材料及其制备技术是半导体领域需要解决的问题。现如今，以铜互连取代传统的铝互连成为互连工艺的主流。相比于金属铝，铜具有较低的电阻，较好的抗电迁移特性，能够提供更大载流能力。

目前铜互连制备采用的是大马士革工艺，该工艺的步骤之一是在已制备好的沟槽或通孔内先沉积一层铜扩散阻挡层，该层用来阻止后续的金属铜与单晶硅基底的反应和扩散，然后在扩散阻挡层上沉积一层导电的铜籽晶层，用作电镀工艺的导电层来确保铜电镀顺利进行。传统的铜籽晶层沉积工艺主要有物理气相沉积(PVD)，然而随着集成电路特征尺寸不断缩小，利用PVD技术难以在高深宽比的沟槽中沉积保形性好、均匀一致的铜籽晶层。

随着微电子器件的小型化，原子层沉积(ALD)技术得以迅速发展。该技术对具有较高深宽比的沟槽及复杂三维结构表面具有良好的台阶覆盖性，更重要的是基于前驱体表面自限制化学吸附反应，ALD可通过控制周期数来精确控制薄膜厚度。而在ALD工艺中，所沉积物质前驱体与反应前驱体交替进入反应腔。其间，用惰性气体将未反应的前驱体吹扫干净，确保反应气体为交替自限制沉积方式。

近年来，多名研究者利用ALD技术沉积了铜薄膜。所使用的铜薄膜前驱体多为卤化铜、β-二酮类、脒基铜类，沉积温度一般在200℃以上。而高的沉积温度使得基底表面的铜粒子自由能增加而易发生团聚形成大晶粒，造成不连续铜薄膜的沉积，进而导致薄膜电阻的增大。为获得连续且具有较低电阻率的铜薄膜，须通过增加铜晶粒的生长时间以促进晶粒间接触并最终连通。

由此可见，热原子层铜薄膜沉积的主要问题之一是，为了沉积连续的铜薄膜，其厚度需要具有一阈值，限制了沉积铜籽晶层向更薄厚度更宽使用范围的发展。研究报导，铜籽晶层的理想沉积温度要低于150℃以便在几纳米厚度的尺度上形成均匀连续的铜薄膜。为了实现铜薄膜的低温沉积，除了使用还原性更强的二乙基锌、三甲基铝以替代氢与铜前驱体反应外(该反应体系尽管可以降低沉积温度，但是容易引入锌、铝等杂质导致铜薄膜性能降低)，更为常用的方法是在热ALD的基础上引入等离子体技术以降低沉积温度。Moon等以Cu(dmamb)2作为铜前驱体，使用氢气等离子体技术，在100～180℃沉积范围内制备了铜薄膜。其沉积速率为0.065nm/cycle，薄膜中碳、氧杂质含量约为5%。

Coyle等使用等离子体增强ALD技术，采用新型含氮杂环卡宾铜前驱体(copper(I)NHCs)沉积铜薄膜，在前驱体温度为90℃且沉积温度为225℃时可得到较低电阻率的铜薄膜。D．J．Hagen等比较了CTA-1与AbaCus两种不同的前驱体用于沉积铜薄膜的研究，报道发现相对于AbaCus，CTA-1的蒸气压较高，并可使沉积温度降低至30℃。尽管上述研究在不同程度上实现了铜薄膜的低温沉积，但是碳、氧等杂质含量都较高。

对于铜薄膜沉积工艺的研究中，薄膜的初期成核过程具有重要意义，放入腔室内的基底表面一般具有羟基或氢终端反应活性位点，而基底表面铜前驱体的饱和化学吸附量与表面反应活性位点的含量及密度密切相关。因此在沉积实验前，对基底进行3min的氢等离子体预处理，通过增加基底表面的氢终端，进而增加脒基铜前驱体的化学吸附量以提升最初成核密度。由于AFM对表面形貌变化具有非常敏感的感应能力，因此本实验在研究100℃沉积温度下铜薄膜最初沉积周期内的生长过程中，使用AFM分别对沉积为1、5、7、10周期内的薄膜的生长情况进行了表征，结果如图4所示。随着沉积周期数的增加，基底表面的粗糙度缓慢增大，说明在实验初期有沉积发生在基底表面且在最初生长阶段没有出现生长延迟现象，但是，10周期以内的沉积并没有得到连续的铜薄膜。随着沉积周期数的增加，铜颗粒逐渐增大，到10周期时，通过相位图观察存在尺寸为20～30 nm大小的颗粒。在薄膜生长初始阶段，铜薄膜在基底表面为岛状生长模式沉积，但是由于铜原子的团聚粒径被较低的沉积温度所限制，随着基底表面铜颗粒数不断增加，其相互连接并最终形成连续的铜薄膜。此外，在实验之前氢等离子体对基底表面进行的预处理以及铜颗粒自身的催化性质也对沉积速率以及薄膜覆盖率的增加起到一定作用。