一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到微、納米尺度材料的制備領(lǐng)域，具體的說是一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—般來說，薄膜內(nèi)存在殘余應(yīng)力是采用濺射方法制備的薄膜中普遍存在的現(xiàn)象，幾乎所有薄膜都處于某種應(yīng)力狀態(tài)之中。殘余應(yīng)力的大小從幾十MPa到幾百M(fèi)Pa，甚至在一些高熔點(diǎn)薄膜內(nèi)存在GPa數(shù)量級(jí)的殘余應(yīng)力。由于薄膜內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)直接關(guān)系到微電子器件的設(shè)計(jì)和使用壽命，因而成為近年來的研究熱點(diǎn)。人們對(duì)薄膜殘余應(yīng)力的演化行為已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明，正常沉積情況下磁控濺射制備的幾百nm厚、低熔點(diǎn)薄膜(Al，Ag，Cu等)的殘余應(yīng)力一般在幾十到幾百M(fèi)Pa，可能是拉應(yīng)力也可能是壓應(yīng)力，而高熔點(diǎn)的薄膜(W，Mo，Ta，Zr等)的產(chǎn)預(yù)應(yīng)力要明顯高于低熔點(diǎn)薄膜，可能處于拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力狀態(tài)。一般認(rèn)為，拉應(yīng)力是由晶界釋放機(jī)制引起的，而壓應(yīng)力則是由噴丸效應(yīng)產(chǎn)生的。
[0003]隨著超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，Cu薄膜及Cu合金薄膜已經(jīng)代替Al成為多層布線的互連材料。采用Cu薄膜及Cu合金薄膜制備微電子器件過程中需要進(jìn)行退火，微電子器件服役過程中通常處于電場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)左右下。學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)、熱場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)作用下，柔性基體Cu薄膜和Cu合金薄膜表面原子容易擴(kuò)散形成大量丘凸(Hillocks)或者顆粒，嚴(yán)重降低了互連線的使用壽命及微器件的服役安全性。研究表明殘余應(yīng)力在薄膜內(nèi)的非平衡性使擴(kuò)散和位錯(cuò)的開動(dòng)成為了可能，并由此生成金屬丘凸及應(yīng)力孔洞等塑性變形行為，即金屬丘凸的形成是熱場(chǎng)下薄膜應(yīng)力松弛的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了抑制銅合金薄膜表面原子擴(kuò)散形成的丘凸出現(xiàn)，本發(fā)明提供了一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，通過對(duì)柔性基體上銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力并進(jìn)行退火調(diào)控銅合金薄膜表面原子的擴(kuò)散，從而抑制丘凸的形成。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，將柔性基體和其上的具有殘余壓應(yīng)力的銅合金薄膜以膜面朝上的方式固定在向下凹陷的凹模上，并使銅合金薄膜的中部處于凹陷狀態(tài)，從而對(duì)銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護(hù)爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為200°C _300°C，退火時(shí)間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近平衡狀態(tài)，從而抑制由于壓應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)薄膜原子擴(kuò)散導(dǎo)致的丘凸生成。
[0006]所述具有殘余壓應(yīng)力的銅合金薄膜是指，從外觀上看表面上凸的銅合金薄膜。
[0007]所述柔性基體為柔性聚酰亞胺基體。
[0008]所述凹模具有一弧形凹陷的下凹部和位于兩側(cè)的用于卡緊柔性基體及其上銅薄膜的卡緊部。
[0009]有益效果:本發(fā)明通過對(duì)柔性基體上銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力并進(jìn)行退火處理調(diào)控銅合金薄膜的原子擴(kuò)散行為，有效抑制了傳統(tǒng)退火過程中銅合金薄膜表面易于形成丘凸的現(xiàn)象，為獲得高穩(wěn)定性、高壽命柔性聚酰亞胺基體銅合金薄膜器件提供了技術(shù)支撐。施加預(yù)應(yīng)力的大小可以根據(jù)需要通過調(diào)整模具進(jìn)行調(diào)控。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，綠色環(huán)保，能有效抑制退火過程中銅合金薄膜表面易于形成丘凸的現(xiàn)象，這種方法可應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明中凹模的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中凹模的一種斷面圖；
圖3為本發(fā)明中凹模的另一種斷面圖；
圖4為本發(fā)明中凹模的又一種斷面圖；
附圖標(biāo)記:1、下凹部，2、卡緊部。
【具體實(shí)施方式】
[0011]—種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，將柔性基體和其上的具有殘余壓應(yīng)力的銅合金薄膜以膜面朝上的方式固定在向下凹陷的凹模上，并使銅合金薄膜的中部處于凹陷狀態(tài)，從而對(duì)銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護(hù)爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為200°c -300°c，退火時(shí)間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近平衡狀態(tài)，從而抑制由于壓應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)薄膜原子擴(kuò)散導(dǎo)致的丘凸生成。
[0012]所述凹模具有一弧形凹陷的下凹部I和位于兩側(cè)的用于卡緊柔性基體及其上銅薄膜的卡緊部2。
[0013]下面結(jié)合以下具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的闡述。
[0014]實(shí)施例1
采用磁控派射方法在聚酰亞胺基體上(基體尺寸為長(zhǎng)100mm，寬100mm，基體厚度
0.6mm)制備180nm厚Cu_3.5Cr合金薄膜，取出樣品發(fā)現(xiàn)整個(gè)薄膜表面上凸，可以判斷薄膜處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，利用X射線衍射應(yīng)力儀測(cè)得樣品的實(shí)際殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力_136MPa。將一個(gè)樣品膜面朝上置于附圖2所示凹模上，使膜基體系處于凹陷狀態(tài)，兩端固定，然后在氬氣氣氛保護(hù)爐內(nèi)退火，退火溫度200°C，退火時(shí)間30分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。這樣可以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近處于平衡狀態(tài)，減少由于應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)的薄膜原子擴(kuò)散。將另一個(gè)樣品直接放入氣氛爐內(nèi)不施加預(yù)應(yīng)力溫度200°C，退火時(shí)間30分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。對(duì)2個(gè)樣品退火后進(jìn)行掃描電鏡觀察，分析表明，與不施加預(yù)應(yīng)力的傳統(tǒng)退火處理相比，施加預(yù)應(yīng)力退火后樣品單位面積內(nèi)出現(xiàn)丘凸的數(shù)量降低了 39%，丘凸平均體積減小了 32%，達(dá)到了抑制退火過程中合金膜原子擴(kuò)散，易于形成丘凸的效果。
[0015]實(shí)施例2
采用磁控派射方法在聚酰亞胺基體上(基體尺寸為長(zhǎng)100mm，寬100mm，基體厚度
0.6mm)制備210nm厚Cu_6.8Cr合金薄膜，取出樣品發(fā)現(xiàn)整個(gè)薄膜表面上凸，可以判斷薄膜處于壓應(yīng)力狀態(tài)，利用X射線衍射應(yīng)力儀測(cè)得樣品的實(shí)際殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力-181MPa。將一個(gè)樣品膜面朝上置于附圖3所示凹模上，使膜基體系處于凹陷狀態(tài)，兩端固定，然后在氬氣氣氛保護(hù)爐內(nèi)退火，退火溫度300°C，退火時(shí)間100分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。這樣可以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近處于平衡狀態(tài)，減少由于應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)的薄膜原子擴(kuò)散。將另一個(gè)樣品直接放入氣氛爐內(nèi)不施加預(yù)應(yīng)力溫度300°C，退火時(shí)間100分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。對(duì)2個(gè)樣品退火后進(jìn)行掃描電鏡觀察，分析表明，與不施加預(yù)應(yīng)力的傳統(tǒng)退火處理相比，施加預(yù)應(yīng)力退火后樣品單位面積內(nèi)出現(xiàn)丘凸的數(shù)量降低了 41%，丘凸平均體積減小了 36%，達(dá)到了抑制退火過程中合金膜原子擴(kuò)散，易于形成丘凸的效果。
[0016]實(shí)施例3
采用磁控派射方法在聚酰亞胺基體上(基體尺寸為長(zhǎng)100mm，寬100mm，基體厚度
0.6mm)制備130nm厚Cu_9.2Cr合金薄膜，取出樣品發(fā)現(xiàn)整個(gè)薄膜表面上凸，可以判斷薄膜處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，利用X射線衍射應(yīng)力儀測(cè)得樣品的實(shí)際殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力_225MPa。將兩個(gè)相同樣品中的一個(gè)樣品膜面朝上置于附圖4所示凹模上，使膜基體系處于凹陷狀態(tài)，兩端固定，然后在氬氣氣氛保護(hù)爐內(nèi)退火，退火溫度230°C，退火時(shí)間60分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。這樣可以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近處于平衡狀態(tài)，減少由于殘余壓應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)的薄膜原子擴(kuò)散。將另一個(gè)樣品直接放入氣氛爐內(nèi)不施加預(yù)應(yīng)力溫度230°C，退火時(shí)間60分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。對(duì)2個(gè)樣品退火后進(jìn)行掃描電鏡觀察，分析表明，與不施加預(yù)應(yīng)力的傳統(tǒng)退火處理相比，施加預(yù)應(yīng)力退火后樣品單位面積內(nèi)出現(xiàn)丘凸的數(shù)量降低了 39%，丘凸平均體積減小了 28%，達(dá)到了抑制退火過程中合金膜原子擴(kuò)散，易于形成丘凸的效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，其特征在于:將柔性基體和其上的具有殘余壓應(yīng)力的銅合金薄膜以膜面朝上的方式固定在向下凹陷的凹模上，并使銅合金薄膜的中部處于凹陷狀態(tài)，從而對(duì)銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護(hù)爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為200°C -300°C，退火時(shí)間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近平衡狀態(tài)，從而抑制由于壓應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)薄膜原子擴(kuò)散導(dǎo)致的丘凸生成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，其特征在于:所述具有殘余壓應(yīng)力的銅合金薄膜是指，從外觀上看表面上凸的銅合金薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，其特征在于:所述柔性基體為柔性聚酰亞胺基體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，其特征在于:所述凹模具有一弧形凹陷的下凹部(I)和位于兩側(cè)的用于卡緊柔性基體及其上銅薄膜的卡緊部(2)。
【專利摘要】一種施加預(yù)應(yīng)力抑制銅合金薄膜表面形成丘凸的方法，對(duì)銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護(hù)爐內(nèi)加熱退火，以使薄膜內(nèi)部應(yīng)力接近平衡狀態(tài)，從而抑制由于壓應(yīng)力釋放驅(qū)動(dòng)薄膜原子擴(kuò)散導(dǎo)致的丘凸生成。本發(fā)明通過對(duì)柔性基體上銅合金薄膜施加預(yù)應(yīng)力并進(jìn)行退火處理調(diào)控銅合金薄膜的原子擴(kuò)散行為，有效抑制了傳統(tǒng)退火過程中銅合金薄膜表面易于形成丘凸的現(xiàn)象，為獲得高穩(wěn)定性、高壽命柔性聚酰亞胺基體銅合金薄膜器件提供了技術(shù)支撐。本發(fā)明施加預(yù)應(yīng)力的大小可以根據(jù)需要通過調(diào)整模具進(jìn)行調(diào)控，能有效抑制退火過程中銅合金薄膜表面易于形成丘凸的現(xiàn)象。
【IPC分類】H01L21/60
【公開號(hào)】CN105140141
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510444950
【發(fā)明人】孫浩亮, 魏明, 王廣欣, 宋忠孝, 游龍, 馬飛, 謝敬佩, 劉舒
【申請(qǐng)人】河南科技大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年7月27日