本发明专利技术公开了一种Cu与金属氧化物铁性薄膜的集成方法，它是以半导体材料为衬底，构成Ni-Al/半导体衬底异质结构层；再依次构架Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构层；Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构、金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构、Pb(ZrXTi1-X)O3/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底结构、金属氧化物电极/Pb(ZrXTi1-X)O3/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构、Pt/金属氧化物电极/Pb(ZrXTi1-X)O3/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底结构，在500-700℃下快速退火1-30min。由此克服了Cu与金属氧化物薄膜的集成过程中Cu与氧化物薄膜的直接接触，继而解决了Cu在高温生长过程中的氧化、扩散、反应以及多层膜的应力问题。
【技术实现步骤摘要】
所属领域本专利技术涉及半导体领域异质材料集成方法，具体地说是Cu与铁性氧化物功能薄 膜的集成方法。
技术介绍
随着IT技术的不断发展，人们对非易失性存储器的需求越来越大、读写速度越来 越快，故产品的集成度亦越来越高。以氧化物铁电薄膜为基础的铁电存储器由于其具有本 征非挥发性、读写速度快、抗辐射能力强、功耗低、密度高等优良性能而引起人们的关注。但 由于传统的Al互连存在电阻率较低、RC延迟效应偏大以及大电流冲击下的电迁移现象等 缺点，因而现有技术已经无法满足逐渐发展的超大规模集成电路的要求。特别是随着集成 电路器件尺寸的持续缩小，互连延迟也越来越成为制约集成电路发展的瓶颈问题。Cu具有低电阻率、抗电迁移性能优良的特点，因此Cu必然会代替Al成为新一代 集成电路的互连材料。铁电薄膜具有铁电、压电、热电、光电等优异的物理性能，借助Cu互 连，把铁电功能薄膜与成熟的半导体工艺兼容，必将促进半导体领域高性能、多功能器件和 集成电路的发展。另外，用Cu电极取代Pt等贵金属电极材料，还会大大降低铁电、压电、介 电等氧化物电子器件的造价。但金属氧化物薄膜与Cu的结合面临很多问题(I)Cu与Si、 SiO2的互扩散会形成深能级杂质，影响器件的性能；( Cu不像Al那样可以形成自我保护 的氧化层，因此与氧化物薄膜直接接触极易被氧化；(3)氧化物薄膜在高温处理过程中与 Cu进行反应和互扩散，影响互连线完整性以及器件的可靠性；(4)热处理过程中氧化物薄 膜再结晶使晶粒长大造成金属——氧化物界面粗化，降低了材料性能；(5)多晶膜造成的应 力难以释放等问题，会使热处理过程中薄膜开裂，从而增加了电子散射的几率，使器件性能 下降。专利技术目的本专利技术的目的就是要提供一种Cu与金属氧化物铁性薄膜的集成方法，以解决Cu 与金属氧化物薄膜在集成过程中存在的技术问题。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术所提供的Cu与金属氧化物薄膜的集成方法，包括以下步骤a、以半导体材料为衬底，用丙酮和无水乙醇超声清洗干净，用高纯氮气吹干，放入 磁控溅射真空室内；待真空室的背底真空度高于8. OX 时，开始溅射M-Al非晶薄膜， 靶间距为3-lOcm，溅射所用工作气体为Ar，沉积气压为l_100Pa，功率为3-100W，Ni-Al非 晶薄膜厚度为3-200nm，构成Ni-Al/半导体衬底异质结构层；b、在Ni-Al非晶薄膜基础上，转动样品台，靶间距为3-lOcm，溅射所用工作气体为 Ar，沉积气压为Ι-lOOPa，功率为3-100W，Cu薄膜厚度为10_400nm ；构成Cu/Ni-Al/半导体 衬底异质结构层；C、在Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构基础上，靶间距为3-lOcm，溅射所用工作气 体为Ar，沉积气压为Ι-lOOPa，功率为3-100W，Ni-Al薄膜厚度为3_200nm ；构架Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构；d、在Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构层基础上，待真空室的背底真空度为 高于LOXKT3I3a时，充入体积比为3 1-1 3的氩气和氧气，在100-500°C温度下、溅射 压强为Ι-lOOPa，功率为3-100W条件下，制备金属氧化物电极薄膜；构成金属氧化物电极/ Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构；对其进行500-600°C，2-1000s的快速退火处理；e、在金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构基础上，用sol-gel 法以1000-6000rad/min的转速、100-300 V的烘烤温度制备Pb (ZrxTi1^x) O3薄膜，构成 Pb (ZrxTi1^x)O3/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底结构，然后在500-700°C°C 下快速退火l_30min ；f、在H3(ZrxTin)O3/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构基 础上，在体积比为3 1-1 3的氩气和氧气，在室温-500°C温度下、溅射压强为1-lOOPa， 功率为3-100W条件下，制备金属氧化物电极薄膜，厚度为40-100nm;构成金属氧化物电极/ Pb (ZrxTi1^x)O3/金属氧化物电极/Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构；g、在靶间距为3-lOcm，工作气体为Ar，沉积气压为Ι-lOOPa，功率为3-100W条件 下，生长40-200nm厚Pt电极；构成Pt/金属氧化物电极/ (ZrxTi1^x) O3/金属氧化物电极 /Ni-Al/Cu/Ni-Al/半导体衬底结构，在500-700°C下快速退火l_30min。本专利技术方法中的衬底可选用半导体材料，其中优选表面含有不同厚度S^2的 Si02/Si或不同晶态的Si。本专利技术方法中的衬底为P型、η型或高纯Si的任意一种半导体材料，其中优选高 纯Si。本专利技术方法中的衬底也可以选用是蓝宝石、GaAs、氧化镁中的任意一种材料。本专利技术方法中的金属氧化物电极可选用SrRu03、LaO. 5Sr0. 5Co03、CaRuO3> La0 7Sr0 3MnO3^ La1^xSrxCoO3 和 LaNiO3 中的任意一种，其中优选 SrRu03。本专利技术中的Cu薄膜可以直接用纯铜泊或纯铜板替代；Pb (ZrxTi1JO3薄膜可以用 掺杂的PZT铁电材料所代替，也可被Bii^eO3代替。本专利技术方法中所述的Ni-Al薄膜其中Ni-Al可以是任意比例使用。本专利技术方法中的SrRuO3氧化物电极，也可以选用其他的物理或化学的方法制备， 如溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法；PZT氧化物铁电薄膜、BiFeO3铁电磁薄膜也可以用其他 的物理或化学的方法制备，如磁控溅射、脉冲激光沉积法；Cu薄膜的制备也可以用其他物 理或化学的方法制备，如电镀法。本专利技术方法通过Pt/金属氧化物电极/PbarxTi1JO3/金属氧化物电极/Ni-Al/ Cu/Ni-Al/半导体衬底异质结构的形式，将Cu与金属氧化物薄膜以及半导体衬底集合为一 体，由此克服了 Cu与金属氧化物薄膜的集成过程中Cu与氧化物薄膜的直接接触，继而解决 了 Cu在高温生长过程中的氧化、扩散、反应以及多层膜的应力问题，而异质结构层中M-Al 薄膜又使Cu和金属氧化物薄膜器件建立了良好的互联性。本专利技术方法实现了金属氧化物薄膜与半导体中Cu互连兼容，由此不仅满足高密 度器件中引入Cu互连的需求，而且在半导体器件中引入铁性金属氧化物功能薄膜材料，保 证了未来超大规模集成电路的多性能。本专利技术方法可广泛应用于铁性(如电，磁)存储器、压电传感器、热释电、介电等氧化物电子器件与半导体工艺的集成。 附图说明图 1 是 SrRu03/Pb (Zrtl 4Titl 6) 03/SrRu03/Ni-Al/Cu/Ni_Al/Si02/Si 的 XRD 图谱。图2是SrRu03/Pb(ZrQ.4TiQ.6)03/SrRu03铁电电容器的电滞回线图。图 3 是 Pb (Zr0.4Ti0.6) 03/La0.5Sr0.5Co03/Ni-Al/Cu/Ni_Al/Si02/Si 的 TEM 截面图。图4 是 Leiq. 5Sr0.5Co03/Pb (Zr0.4Ti0.6) 0本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Ｃｕ与铁性氧化物功能薄膜的集成方法，其特征在于它包括以下步骤：ａ、以半导体材料为衬底，用丙酮和无水乙醇超声清洗干净，用高纯氮气吹干，放入磁控溅射真空室内；待真空室的背底真空度高于８．０×１０↑［－４］Ｐａ时，开始溅射Ｎｉ－Ａｌ非晶薄膜，靶间距为３～１０ｃｍ，溅射所用工作气体为Ａｒ，沉积气压为１～１００Ｐａ，功率为３～１００Ｗ，Ｎｉ－Ａｌ非晶薄膜厚度为３～２００ｎｍ，构成Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构层；ｂ、在Ｎｉ－Ａｌ非晶薄膜基础上，转动样品台，靶间距为３～１０ｃｍ，溅射所用工作气体为Ａｒ，沉积气压为１～１００Ｐａ，功率为３～１００Ｗ，Ｃｕ薄膜厚度为１０～４００ｎｍ；构成Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构层；ｃ、在Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构基础上，靶间距为３～１０ｃｍ，溅射所用工作气体为Ａｒ，沉积气压为１～１００Ｐａ，功率为３～１００Ｗ，Ｎｉ－Ａｌ薄膜厚度为３～２００ｎｍ；构架Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构；ｄ、在Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构层基础上，待真空室的背底真空度为高于１．０×１０↑［－３］Ｐａ时，充入体积比为３∶１～１∶３的氩气和氧气，在１００～５００℃温度下、溅射压强为１～１００Ｐａ，功率为３～１００Ｗ条件下，制备金属氧化物电极薄膜；构成金属氧化物电极／Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构；对其进行５００～６００℃，２～１０００ｓ的快速退火处理；ｅ、在金属氧化物电极／Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构基础上，用ｓｏｌ－ｇｅｌ法以１０００～６０００ｒａｄ／ｍｉｎ的转速、１００－３００℃的烘烤温度制备Ｐｂ（Ｚｒ↓［Ｘ］Ｔｉ↓［１－Ｘ］）Ｏ↓［３］薄膜，构成Ｐｂ（Ｚｒ↓［Ｘ］Ｔｉ↓［１－Ｘ］）Ｏ↓［３］／金属氧化物电极／Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底结构，然后在５００～７００℃℃下快速退火１～３０ｍｉｎ；ｆ、在Ｐｂ（Ｚｒ↓［Ｘ］Ｔｉ↓［１－Ｘ］）Ｏ↓［３］／金属氧化物电极／Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构基础上，在体积比为３∶１－１∶３的氩气和氧气，在室温－５００℃温度下、溅射压强为１～１００Ｐａ，功率为３～１００Ｗ条件下，制备金属氧化物电极薄膜，厚度为４０～１００ｎｍ；构成金属氧化物电极／Ｐｂ（Ｚｒ↓［Ｘ］Ｔｉ↓［１－Ｘ］）Ｏ↓［３］／金属氧化物电极／Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底异质结构；ｇ、在靶间距为３～１０ｃｍ，工作气体为Ａｒ，沉积气压为１～１００Ｐａ，功率为３～１００Ｗ条件下，生长４０～２００ｎｍ厚Ｐｔ电极；构成Ｐｔ／金属氧化物电极／Ｐｂ（Ｚｒ↓［Ｘ］Ｔｉ↓［１－Ｘ］）Ｏ↓［３］／金属氧化物电极／Ｎｉ－Ａｌ／Ｃｕ／Ｎｉ－Ａｌ／半导体衬底结构，在５００～７００℃℃下快速退火１～３０ｍｉｎ。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘保亭，陈剑辉，边芳，赵庆勋，郭庆林，王英龙，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：13
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