濺射生長的銅和鎢薄膜的應(yīng)力調(diào)整

引言

薄膜和多層中的應(yīng)力會(huì)降低性能，甚至導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用中的故障，通過諸如破裂、彎曲或分層的機(jī)制。然而，在某些情況下，應(yīng)力是理想的，因?yàn)樗梢杂脕硖岣咄繉拥奶囟ㄐ阅埽鐚?dǎo)電性，熱穩(wěn)定性，機(jī)械強(qiáng)度或磁性。由于這個(gè)原因，評(píng)估和控制薄膜和涂層的應(yīng)力狀態(tài)具有技術(shù)重要性。

實(shí)驗(yàn)與討論

英思特用磁控濺射裝置在基底壓強(qiáng)為5×10-7pa的超高真空室內(nèi)生長了銅和鎢薄膜。選擇在a-SiNx上生長薄膜而不直接在Si上生長薄膜有兩個(gè)動(dòng)機(jī):一方面，a-SiNx緩沖層作為擴(kuò)散阻擋層來防止原子從薄膜擴(kuò)散到襯底中(Cu特別容易與Si反應(yīng)),從而阻止像CuxSi或WxSi這樣的化合物的形成；另一方面，無定形氮化硅的存在阻止了膜從母襯底繼承晶體結(jié)構(gòu)，這將影響膜生長期間的應(yīng)力演變。通過這種方式，沉積層獨(dú)立于晶體取向形成它們自己的織構(gòu)母基板的位置。

如圖1，我們利用W和Cu金屬膜應(yīng)力演化的知識(shí)，制備了Cu/W納米多層膜。它們由10個(gè)重復(fù)的Cu/W雙層單元構(gòu)成，每個(gè)Cu和W層的厚度為10nm。

圖1：Cu/W納米多層和襯底的幾何形狀

襯底與用于單層Cu和W膜的相同，即200微米厚的Si(100)(平方11cm2)晶片，具有90 nm的a-SiNx阻擋層和25 nm的W緩沖層，10nm厚的Cu層和10nm厚的W層在0.533 Pa的Ar壓力和80 W的功率下進(jìn)行交替沉積。我們選擇這些特定條件是因?yàn)樗鼈儗嚎sCu與拉伸W相結(jié)合，以試圖實(shí)現(xiàn)幾乎無應(yīng)力的NML。根據(jù)圖2顯示，通過簡(jiǎn)單地考慮塊體Cu{111}和W{110}之間的面內(nèi)晶格失配，我們預(yù)計(jì)Cu總是處于高拉伸應(yīng)力下。

對(duì)于Cu/Ag多層膜我們研究發(fā)現(xiàn)其中新的晶粒在下面的多晶層上成核，與先前沉積的晶粒在一起，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。因此，W在a-SiNx和多晶Cu上的不同應(yīng)力演化表明“疊加原理”在納米多層膜中不成立。換句話說，對(duì)于單一金屬膜，生長應(yīng)力對(duì)沉積參數(shù)的依賴性不能直接用于調(diào)整相應(yīng)多層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力演變。

圖2：應(yīng)力-厚度曲線

英思特通過觀察在沉積銅層期間獲得的應(yīng)力-厚度數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)在先前沉積的鎢層上沉積銅不會(huì)影響整個(gè)襯底曲率，增厚的Cu層不能使下面的W/Cu疊層變形，而是簡(jiǎn)單地容納在其上。然而，生長期間恒定的襯底曲率并不意味著零增量應(yīng)力。

結(jié)論

英思特研究了DC磁控濺射法生長的鎢和銅薄膜中，氬氣壓強(qiáng)和外加功率對(duì)應(yīng)力演化的影響。由此可見，低Ar壓力和高功率有利于壓縮固有應(yīng)力的發(fā)展，因?yàn)楦吣艿奈皆拥竭_(dá)生長膜的表面，觸發(fā)原子擴(kuò)散進(jìn)入晶界和/或原子噴丸。

對(duì)于較低能量的吸附原子，如在高Ar壓力和低施加功率下所有利的，這些應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制被抑制，并且所得薄膜形成拉伸應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于在與其單膜變體相似的條件下生長的Cu/W多層膜，應(yīng)力演變由連續(xù)沉積的W層中的本征應(yīng)力控制。較軟的銅層中的應(yīng)力簡(jiǎn)單地適應(yīng)下面較硬的鎢層的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致大的界面應(yīng)力貢獻(xiàn)。

江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司主要從事濕法制程設(shè)備，晶圓清潔設(shè)備，RCA清洗機(jī)，KOH腐殖清洗機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。

審核編輯 黃宇