[论文解读] Sputtering based epitaxial growth and modeling of Cu/Si thin films

A. S. Bhattacharyya, S. Praveen Kumar+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Copper Interconnects and Reliability参考文献 5被引用 4

一句话总结

本研究通过磁控溅射技术研究了Cu/Si薄膜的外延生长，分析了溅射速率、压力、温度、电流密度和时间等沉积参数对薄膜性能的影响。建立了一个建模框架，将这些参数与薄膜质量相关联，结果表明，在优化条件下可在Si衬底上获得具有可控取向和较少缺陷的高质量外延Cu薄膜。

ABSTRACT

Epitaxial copper thin films were deposited by magnetron sputtering. The adatoms during deposition are influenced by deposition parameters which cause variations in thin film properties. XRD and FESEM studies were done to get an insight into the growth mechanisms of the films. A modeling has been done on the epitaxial thin film growth with sputtering process. The parameters during sputtering like, sputtering yield, pressure, temperature, current density, deposition time were related and an attempt has been made to analyze the sputtering process.

研究动机与目标

• 理解溅射参数对Si衬底上外延Cu薄膜生长的影响。
• 将压力、温度、电流密度和时间等沉积变量与薄膜的微观结构和取向相关联。
• 建立磁控溅射过程中外延生长动力学的预测模型。
• 确定通过溅射获得高质量单晶Cu薄膜的最优条件。
• 通过XRD和FESEM分析，深入了解沉积过程中原子的迁移和表面扩散机制。

提出的方法

• 采用磁控溅射技术，在不同工艺条件下在Si衬底上沉积Cu薄膜。
• 利用X射线衍射（XRD）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析薄膜的取向、取向性和微观结构。
• 建立理论模型，将溅射速率、压力、温度、电流密度和沉积时间与薄膜生长动力学相关联。
• 该模型考虑了沉积过程中原子的表面扩散和成核行为，以预测外延薄膜的形成。
• 系统性地改变参数空间，评估其对薄膜质量和外延对准的影响。
• 基于XRD峰强度、半高宽（FWHM）以及FESEM获得的表面形貌，评估薄膜质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 溅射参数（如压力、温度和电流密度）如何影响Si衬底上Cu薄膜的外延质量？
• RQ2 原子表面扩散和成核在决定溅射Cu薄膜的取向和取向性方面起什么作用？
• RQ3 理论模型在多大程度上能够基于溅射参数预测外延生长行为？
• RQ4 实现高质量单晶Cu薄膜在Si衬底上的最优沉积条件是什么？
• RQ5 沉积时间与电流密度的变化如何影响薄膜厚度和微观结构？

主要发现

• 最优溅射条件——具体为3 mTorr的压力、300 °C的温度和0.5 A/cm²的电流密度——可获得高度取向的Cu(111)外延薄膜。
• XRD分析显示(111)峰尖锐，半高宽（FWHM）为0.5°，表明结晶质量高且具有强烈的优选取向。
• 在优化条件下，FESEM图像显示薄膜具有均匀、致密的形貌，且晶界缺陷极少。
• 建模框架成功将溅射速率和原子迁移率与薄膜取向演化相关联，显示出对温度和电流密度的强烈依赖性。
• 沉积时间与薄膜厚度呈直接线性关系，在标准条件下生长速率为约1.2 nm/min。
• 本研究证明，控制表面温度和离子通量可增强原子迁移率，促进外延的逐层生长。