专利名称：离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化铜(Cu3N)薄膜制备方法，特指一种离子束增强沉积制备氮化铜 薄膜的方法。
背景技术：
氮化铜是一种具有较低的热分解温度、较高的电阻率、对红外光和可见光的反射率与 Cu单质明显差别的无毒廉价材料，可以应用于光存储器件和高速集成电路中。长期以来, 人们对氮化物的研究主要集中于那些具有高硬度、高熔点、良好的化学稳定性和光学特性 的物质上(如Ti N、 BN、 A1N等二元金属氮化物)。但是对于一些以共价键结合的氮化物， 由于此类金属不易与氮元素直接发生化合(如CU3N、 Ni3N、 Sn美等)而甚少关注。理论上得 出3d型过渡金属的氮化物(Ti、 Fe、 Ni和Cu)中，随着原子序数的增大，其金属与氮气的 反应活性降低。对于铜元素来说，反应活性几乎为零。所以，开始以为氮化铜只能用复分 解反应制得，例如用Cu20和NH3为初始材料制备。
引入非平衡化合技术之后，Cu3N薄膜的研究引起了人们的极大关注。到目前为止，已 经有多种制备技术可以获得氮化铜薄膜，如磁控溅射法，离子束辅助沉积法，直流等离子 体氮化法，脉冲激光反应沉积法等，其中使用最多、工艺相对成熟的制备氮化铜薄膜的方 法是射频磁控溅射法。目前国际上多数报道都集中在研究氮化铜薄膜性能及反应制备过程 中对实验参数的依赖关系，以期获得达到理想化学组分、结构稳定、性能优良的氮化铜薄 膜制造工艺。目前氮化铜已经作为阻挡层应用在一些半导体器件上，也有的方法尝试用 Ar离子和激光电子束在氮化铜薄膜上进行一次性的光记录。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜 的方法，采用改进了的离子束增强沉积方法，在Si(VSi衬底上制备均匀、致密、与衬底 粘附良好、电阻率大于1.0X1()3Q .cm的氮化铜薄膜。
本发明采用的技术方案是
1、 溅射靶选用高纯度的铜为靶材，将其固定在一个四方耙台上，溅射过程中通循 环冷却水来对耙材制冷；
2、 采用混合离子束进行增强沉积用步骤(1)的溅射靶溅射铜靶的同时，用纯氮或
氩氮=1: 5的混合气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为10 50kV，束流强度为1 4mA;
3、膜的均匀性轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mra、非均匀性小于 15%、垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片自转实现均匀注入，得到氮 化铜多晶结构，即离子束增强沉积氮化铜薄膜。
本发明的有益效果是-
1、 可以在多片Si02/Si衬底上同时沉积Cu3N薄膜，满足工业化生产要求。
2、 Cii3N薄膜的成膜温度很低，与半导体工艺兼容。
3、 Cu3N薄膜性能稳定，均匀性好。
4、 本发明为一种干法沉积技术，在成膜过程中无废液、废气等危害环境的物质排放。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明 图1为离子束增强沉积机示意图2为在Si02/Si衬底上氮化铜薄膜的X射线衍射谱； 图3为在Si(VSi衬底上氮化铜薄膜的AFM形貌图谱； 图4为在Si02/Si衬底上氮化铜薄膜的A.FM力曲线图谱。
具体实施例方式
如图1，先根据Ar离子束发射出离子源的角度，调整好纯度为99. 99%的高纯Cu耙 的位置，使得Ar离子束溅射铜靶后，被轰击出的铜离子束角度正好对应样品台中心附近 处。再采用混合离子束进行增强沉积，溅射束为Ar+，束流强度50 80mA、加速电压2. 0 3.0kV。对高能气体离子源通入高纯N2或Ar: N2 l: 5的混合高纯气体，离子束轰击的束 流强度为1 4mA，加速电压为10 50kV。无电扫描轰击束的直径不小于150mm，非均匀 性小于15%。样品和样品台作独立旋转，其转速分别为5r/min和30r/min，使增强沉积过 程中样品温度低于30(TC。增强沉积的时间由需要沉积的薄膜厚度决定。最后用离子束增 强沉积方法制备的氮化铜薄膜，取出后在快速退火炉中，在氮气气氛下作结晶热处理，热 处理温度在300 600°C，退火时间25s lmin。氮化铜薄膜特征如图2 4所示。 实施例1
选用高纯度的铜为靶材，用特制的铜螺丝将其固定在一个四方耙台上，溅射过程中通 循环冷却水来对靶材制冷。选用上述溅射靶，溅射铜耙的同时，并用纯N2或Ar: &为1: 5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为10kV，束流 强度为lmA。高剂量离子注入的损伤效应使Cu键断裂；注入N+与Cu结合，形成具有立方反Re03型晶体结构的高电阻率Cu3N薄膜。轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于 150mm，非均匀性小于15%，垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片自转 实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向CU3N多晶结构。
采用上述方法制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜可以不经过退火制备出氮化铜薄膜。 经30(TC的氮气退火，可以获得结晶更好、电阻率更大的多晶CU3N薄膜。选择合适的沉积 铜的速率，溅射参数溅射束为Ar+，束流强度50mA、加速电压2.0kV，、调节注入离子束 的能量和束流，注入离子束的加速电压为10kV，束流为lmA，使Cu3N薄膜的电阻率大于 1. 0X103Q cra。 实施例2
选用99.99%高纯度的铜为靶材，用特制的铜螺丝将其固定在一个四方靶台上，溅射 过程中通循环冷却水来对耙材制冷。选用上述溅射靶，溅射铜靶的同时，并用纯N2或Ar: N2为1: 5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为 30kV，束流强度为2mA。高剂量离子注入的损伤效应使Cu键断裂；注入N+与Cu结合， 形成具有立方反Re03型晶体结构的高电阻率Cu3N薄膜。轰击离子源产生的氮或氩/氮混 合束束径大于150mm，非均匀性小于15%，垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公 转和样品片自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cu3N 多晶结构。
采用上述方法制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜可以不经过退火制备出氮化铜薄 膜。经40(TC的氮气退火，可以获得结晶更好、电阻率更大的多晶Qi3N薄膜。选择合适 的沉积铜的速率，溅射参数溅射束为Ar+，束流强度60mA、加速电压25kV。调节注入 离子束的能量和束流，注入离子束的加速电压为30kV，束流为2mA，使Cii3N薄膜的电 阻率大于1.0xl03Q'cm。 实施例3
选用高纯度的铜为靶材，用特制的铜螺丝将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通
循环冷却水来对靶材制冷。选用上述溅射靶，溅射铜耙的同时，并用纯N2或Ar: N2为l:
5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为50kV，束流 强度为4mA。高剂量离子注入的损伤效应使Cu键断裂；注入N+与Cu结合，形成具有立 方反Re03型晶体结构的高电阻率Cu3N薄膜。轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大 于150mm，非均匀性小于15%，垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品片 自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cii3N多晶结构。采用上述方法制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜可以不经过退火制备出氮化铜薄膜， 经600。C的氮气退火，可以获得结晶更好、电阻率更大的多晶Cu3N薄膜。选择合适的沉 积铜的速率，溅射参数溅射束为Ar+，束流强度80mA、加速电压3.0kV，调节注入离子 束的能量和束流，注入离子束的加速电压为50kV，束流为4mA，使Qi3N薄膜的电阻率 大于1.0xl03Q-cm。
权利要求
1. 一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤(1)溅射靶选用高纯度的铜为靶材，将其固定在一个四方靶台上，溅射过程中通循环冷却水来对靶材制冷；(2)采用混合离子束进行增强沉积用步骤(1)的溅射靶溅射铜靶的同时，用纯氮或氩氮＝1∶5的混合气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，注入离子束的加速电压为10～50kV，束流强度为1～4mA；(3)膜的均匀性轰击离子源产生的氮或氩/氮混合束束径大于150mm、非均匀性小于15％、垂直注入到溅射沉积膜上，利用样品台的公转和样品自转实现均匀注入，得到氮化铜多晶结构，即离子束增强沉积氮化铜薄膜。
2. 根据权利要求1所述的离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，其特征在于将歩骤 (3)制备的离子束增强沉积氮化铜薄膜进行RTP快速热处理，经300 60(TC的氮气退火得到多晶氮化铜薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种离子束增强沉积制备氮化铜薄膜的方法，将高纯度的铜作为溅射靶，并用纯N<sub>2</sub>或Ar∶N<sub>2</sub>为1∶5的混合高纯气体产生的混合离子束对沉积膜轰击，垂直注入到溅射沉积膜上，离子束的加速电压为10～50kV，束流强度为1～4mA，利用样品台的公转和样品自转实现均匀注入，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、高取向Cu<sub>3</sub>N多晶结构，通过在SiO<sub>2</sub>/Si衬底上同时沉积制备均匀、致密、与衬底粘附良好、电阻率大于1.0×10<sup>3</sup>Ω·cm的氮化铜薄膜，满足工业化生产要求；且成膜温度很低，与半导体工艺兼容，没有废物排放。
文档编号C23C14/58GK101413104SQ20081023553
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者丁建宁, 锋 李, 袁宁一 申请人:江苏工业学院