專利名稱：包含具有優(yōu)異粘著強度的多層薄膜的裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含具有優(yōu)異粘著強度(adhesive strength)的多層薄膜的裝置及其制造方法。本發(fā)明尤其涉及一種在層間具有優(yōu)異粘著強度的多層薄膜及其制造方法。
背景技術(shù)：
一般來說，半導(dǎo)體裝置含有鋁(Al)或者銅(Cu)來用作各元件之間的電連接材料，比如電陣列。然而，裝置的發(fā)展不斷提高集成程度，使得陣列寬度變小，總長度增大。另外，為了提供可靠性更高、運行速度更快的半導(dǎo)體裝置，考慮到銅具有較小的電阻率和優(yōu)異的電遷移(electric migration)或抗應(yīng)性(stress resistance)，所以優(yōu)選用銅而不是鋁。
雖然銅相對于鋁來說具有優(yōu)異的電阻率，但由于銅不具有以鋁的氧化物比如Al2O3形式存在的保護層，所以銅和硅基板之間的粘著力會降低。
此外，銅的擴散系數(shù)是鋁的100倍，這將會使銅擴散到硅基板的內(nèi)部，以至降低裝置的可靠性。為了阻止這種擴散，在硅層和銅層之間需要擴散阻擋層(diffusion barrier)。
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置擴散阻擋層包括氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)和氮化鎢(WN)，用于阻擋相對于容易被氧化的金屬材料比如鋁(Al)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉻(Cr)的擴散。
在它們中，氮化鉭層被廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)(以下稱為“MEMS”)和半導(dǎo)體裝置中。例如，在MEMS領(lǐng)域，當(dāng)裝置運行期間需要局部加熱時，通過將電流施加到氮化鉭層來產(chǎn)生熱量。
應(yīng)用沉積方法例如反應(yīng)濺射法制備氮化鉭層。即，反應(yīng)濺射法包括如下步驟將鉭盤(tantalum disk)的靶材放入室，注入能與薄膜結(jié)合的諸如氮氣或氧氣的氣體、氬氣的等離子體源到室中，然后進行沉積。這種濺射法能夠在硅晶片或者派熱克斯(Pyrex)玻璃晶片上以多種方式進行，它作為一種薄膜沉積技術(shù)，和化學(xué)氣相沉積一起被廣泛應(yīng)用。
另一方面，雖然金(Au)相對于銀(Ag)或者銅來說電導(dǎo)率稍高，但它具有可將由于與金屬的電接觸而產(chǎn)生的接觸電阻水平最小化的優(yōu)點。因此，在MEMS以及燃料電池領(lǐng)域中金被廣泛用作集流器(current collector)材料和金屬電極材料。舉例來說，一種燃料電池的重整裝置(reformer)開發(fā)為多層薄膜形式，這種多層薄膜包括形成在硅基板上的氮化鉭層加熱體及形成在氮化鉭層上的金薄膜的電極。
然而，當(dāng)金薄膜直接形成在氮化鉭層上時，問題導(dǎo)致金薄膜容易層離。即，當(dāng)不同材料沉積而成氮化鉭層和金薄膜時，每種薄膜的不同元素之間的不同晶格常數(shù)引起的應(yīng)力(壓應(yīng)力(compressive stress))或張力(tensile strength)導(dǎo)致這些薄膜之間的粘著力變?nèi)?，最終導(dǎo)致金薄膜剝離。
相應(yīng)地，已進行各種各樣致力于提高氮化鉭層與金薄膜之間粘著強度的研究。
舉例來說，有人提出應(yīng)當(dāng)以有序的方式在硅基板上沉積氮化鉭層和金薄膜，并經(jīng)歷熱處理從而減小層間由于不同的晶格常數(shù)產(chǎn)生的應(yīng)力和張力。然而，這種方法并沒有提高層間的粘著強度。
替代地，有人建議在氮化鉭以及金薄膜之間加入額外的薄層作為粘著層(adhesive layer)。
韓國專利公開No.10-1997-0002438公開了一種用于鍍金的薄膜導(dǎo)體，其包括用于增大金屬層和電鍍層之間粘著強度的鉻或鈦粘著層。
然而，盡管加入這種粘著層，金薄膜最終還是會脫落。為了解決這一問題，在加入粘著層之后，對其進行熱處理，從而應(yīng)力減小，層之間的粘著強度增大。
盡管通過進行提供粘著層或熱處理的額外步驟，粘著強度有所增大，然而這種方法還應(yīng)包括轉(zhuǎn)換反應(yīng)室的步驟以進行鉻、鈦或者鈦鎢合金的沉積工藝，這導(dǎo)致增加成本以及必須采用各種生產(chǎn)條件的問題。
除了氮化鉭層之外，這樣的問題也出現(xiàn)在基板和金屬薄膜之間的緩沖層中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于提供一種包含具有優(yōu)異粘著強度的多層薄膜的裝置及其制造方法，其具有提高氮化鉭層和金薄膜之間的粘著強度的優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明，包含一種具有優(yōu)異粘著強度的多層薄膜的裝置及其制造方法的一個例實施例中，包括多層薄膜，該薄膜包括形成在基板上的第一層，該層選自包括鉻鎳層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合的組；形成在所述第一層上的包括鉭層的第二層；及形成在所述第二層上的金薄膜。
在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種制造所述裝置的方法，該方法包括設(shè)置形成在基板上的第一層，該層選自包括鉻鎳層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合的組；在所述第一層上設(shè)置包括鉭層的第二層；在所述第二層上設(shè)置金薄膜；及對多層薄膜進行熱處理。
第一層的厚度在10和500nm之間，優(yōu)選在50和200nm之間，第二層的厚度在10和200nm之間，優(yōu)選在10和50nm之間。
第一層和第二層可通過選自包括原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、以及等離子體化學(xué)沉積(PECVD)的組的任何常規(guī)工藝制備。特別的是，當(dāng)?shù)g層作為第一層的時候，由于第一層和第二層都是由鉭元素構(gòu)成的，因此可以在同一個室里連續(xù)進行沉積步驟，而不用在另外的室里進行額外的沉積步驟。
金薄膜的厚度在10和1500nm，優(yōu)選在30和1000nm之間，其可以根據(jù)選自包括原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體沉積、電鍍、及無電電鍍的組中的任何常規(guī)工藝形成。


結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)說明將會更好地理解本發(fā)明，同時其更完整的評估及許多伴隨優(yōu)點也會非常明顯，圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同或者相似的組成部分，其中圖1是用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的裝置的多層薄膜的截面視圖；圖2是用于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的裝置的多層薄膜的截面視圖；圖3是實施例1中提供的多層薄膜的FESEM照片；及圖4是實施例2中提供的多層薄膜的FESEM照片。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，通過在金薄膜和選自包括鉻鎳層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合的組中的第一層之間設(shè)置粘著層，兩層之間的粘著強度將得到改善。所述粘著層，優(yōu)選為鉭層。
根據(jù)本發(fā)明，基板、選自包括鉻鎳層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合的組中的第一層、包括鉭層的第二層、以及金薄膜依次沉積從而提供多層薄膜。
圖1是用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的裝置的多層薄膜的截面視圖。
如圖1所示，由氮化鉭構(gòu)成的第一層20a形成在基板10a上。
基板10a可以是半導(dǎo)體裝置領(lǐng)域、微反應(yīng)器(micro-reactor)領(lǐng)域、MEMS領(lǐng)域和燃料電池領(lǐng)域中通?？傻玫降娜魏位?，通常包括硅晶片或玻璃。
設(shè)置第一層20a用來防止在后繼步驟中將要設(shè)置的金薄膜40a的擴散，按照工藝將其形成在基板10a的全部或部分表面上。后面的工藝可以包括選自包括原子層沉積(ALD)，化學(xué)氣相沉積(CVD)，物理氣相沉積(PVD)以及等離子體化學(xué)沉積(PECVD)的組中的任一種，并且在一個室中進行而沒有暴露于空氣。
這種情況下，以10至500nm、優(yōu)選為50至200nm的厚度形成第一層20a。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，在第一層20a和后繼步驟中形成的金薄膜40a之間設(shè)置粘著層30a，用以提高第一層20a和金薄膜40a之間的粘著強度。
當(dāng)?shù)谝粚?0a是氮化鉭(TaN)時，為了提高粘著強度，粘著層30a由與氮化鉭中相同的金屬元素制成。因此，由于粘著層30a由鉭制成，同氮化鉭層20a中一樣，所以層20a和30a之間的晶格常數(shù)彼此類似，由此降低了作用于每個薄膜的應(yīng)力或者張力。
此外，當(dāng)?shù)谝粚?0a為氮化鉭層或鉭硅氧化物層時，有一個優(yōu)點，那就是在第一層20a下部中的氮化鉭或鉭硅氧化物晶界通過設(shè)置鉭粘著層30a被有效填充，從而阻止了金薄膜的金屬元素的擴散。
本發(fā)明第一實施例中的鉭粘著層30a保持第一層20a和金薄膜40a之間適當(dāng)?shù)恼持鴱姸取＿@層鉭粘著層的厚度在10到200nm之間，考慮到金元素的擴散程度，優(yōu)選在10至50nm之間。這種情況中，鉭粘著層30a的形成工藝以用于第一層20a的同樣方式進行。特別地，可以在沉積第一層20a之后，在同一個室里接著形成鉭粘著層30a，從而本發(fā)明避免現(xiàn)有技術(shù)特征的變換到另一個室及設(shè)定新的工藝條件的復(fù)雜性以及生產(chǎn)成本的增加。
傳導(dǎo)薄膜以金薄膜40a的形式沉積在鉭粘著層30a上。金薄膜40a最小化與金屬層疊薄膜(laminated thin film)電接觸而產(chǎn)生的接觸電阻，并具有30至1000nm的厚度。
和直接形成在第一層表面相比，由于其良好的粘著強度使得形成厚度為1500nm左右的金薄膜40a成為可行。金薄膜40a根據(jù)本領(lǐng)域熟知的常規(guī)工藝形成，例如原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體化學(xué)沉積、電鍍以及無電電鍍。
然后，其中基板10a、第一層20a、第二層30a、以及金薄膜40a相繼層疊的多層薄膜經(jīng)歷熱處理從而提高各層間的粘著強度。
熱處理在250至800℃、優(yōu)選300至500℃的溫度進行。此外，熱處理優(yōu)選在空氣、氧氣、氮氣或者不活潑氣體的氣氛中進行。熱處理時間不限，但可以持續(xù)幾秒到5個小時。
這種熱處理適合地釋放薄膜的應(yīng)力和張力，從而層間的粘著強度增強。
此外，即使在由鉭層構(gòu)成的粘著層上形成了自然形成氧化物層，根據(jù)本發(fā)明第一種實施例的裝置仍保持關(guān)于金薄膜的合適的粘著強度。
圖2是用于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的裝置的多層薄膜的截面視圖。
如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜包括在基板10b上形成的選自包括鉻鎳層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合的第一層20b；在第一層20b上形成的包括鉭層的第二層30b；在第二層30b上形成的包括氧化鉭層的第三層31b；以及在第三層31b上形成的金薄膜40b。
特別的是，第二層(鉭層)30b被沉積并允許暴露于空氣從而引起自然氧化以提供根據(jù)本發(fā)明的第三層31b(氧化鉭層)。根據(jù)本發(fā)明，即使設(shè)置氧化層，粘著強度也不會減弱。
所提供的多層薄膜優(yōu)選應(yīng)用于提供金薄膜的領(lǐng)域。特別地，通過在金薄膜下面形成氮化鉭層來阻止金元素的內(nèi)部擴散，并且通過在金薄膜和氮化鉭層之間設(shè)置鉭層能夠增強這些薄膜間的粘著強度。
另外，由于在形成氮化鉭層的工藝之后，可以繼續(xù)在同一個室里進行形成鉭層的工藝，因此該方法有一個重要的優(yōu)點，就是真空狀態(tài)沒有打破，也不必進行例如改換到另一個室的額外步驟，因此成本降低。
根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置、微反應(yīng)器、MEMS領(lǐng)域以及燃料電池領(lǐng)域如微型重整裝置。
具體地，本發(fā)明的裝置能夠用于半導(dǎo)體裝置的陣列元件，這樣甚至在高度集成的傳統(tǒng)裝置中，也不發(fā)生陣列短路問題，并且所提供的裝置具有低電阻率、高應(yīng)力和電運動(high stress and electrical movement)以及高工作速度從而提供可靠的裝置。
另外，本發(fā)明的裝置可以應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域，特別是重整裝置，該重整裝置用于能將燃料改性產(chǎn)生氫氣并用于將所產(chǎn)生的氫氣供給燃料電池主體，從而氫氣能夠安全并快速地產(chǎn)生，并且燃料電池的功率輸出增加。
該裝置同樣能夠應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域中需要小型電熱裝置的設(shè)備、以及用于供應(yīng)電功率的電極從而降低接觸電阻并增加電源的消耗效率(consumingefficiency)。
下面的例子對本發(fā)明作了更加詳細(xì)地說明。但是，應(yīng)該理解的是本發(fā)明不受這些例子限制。
示例1.由基板/氮化鉭層/鉭層/金薄膜相繼層疊的多層薄膜的制備把一個n型的硅晶片放置在室里，將氮和鉭濺射在硅晶片上并沉積，直到氮化鉭層的厚度達到80nm。
然后，保持真空狀態(tài)的同時以鉭濺射靶濺射鉭，從而在氮化鉭層上沉積鉭層，該過程要一直持續(xù)到鉭層的厚度達到10nm。
將金元素濺射到制備好的鉭層/氮化鉭/硅的多層薄膜上，從而提供60nm的金薄膜。
將所得多層薄膜在300℃的空氣中經(jīng)歷熱處理3小時從而提供多層薄膜，其中金薄膜牢固形成。
示例2.由基板/氮化鉭層/鉭層/金薄膜相繼層疊的多層薄膜的制備根據(jù)與例1相同的步驟制備多層薄膜，不同的是金薄膜形成至1000nm厚。
示例3.進一步含有氧化鉭的多層薄膜的制備根據(jù)與例1相同的步驟來制備多層薄膜，不同的是允許包括鉭層的多層薄膜暴露于空氣，從而在鉭層上提供氧化鉭(Ta2O5)層。
示例4.在氮氣氣氛下熱處理的多層薄膜的制備在氮氣氣氛中對例1提供的多層薄膜在400℃進行熱處理來提供多層薄膜。
示例5.在不活潑氣體氣氛下進行熱處理的多層薄膜的制備在鹵素氣體氣氛下對例1提供的多層薄膜在600℃進行熱處理來提供多層薄膜。
比較例1.由基板/氮化鉭層/金薄膜相繼層疊的多層薄膜的制備把n型的硅晶片放置在室中，將氮和鉭濺射在硅晶片上并沉積從而提供具有80nm的厚度的氮化鉭層。
然后，將金元素濺射到所提供的氮化鉭/硅多層薄膜上，從而提供具有60nm的厚度的金薄膜。
將所得多層薄膜在300℃的空氣中經(jīng)歷熱處理3小時從而提供多層薄膜。
比較例2.由基板/氮化鉭層/鉭層/金薄膜相繼層疊的多層薄膜的制備根據(jù)與例1相同的步驟制備多層薄膜，不同的是省略加熱步驟。
比較例3.基板/氮化鉭層/銅層/金薄膜相繼層疊的多層薄膜的制備提供多層薄膜，其包括由銅層替代鉭層而構(gòu)成的粘著層。
首先，根據(jù)和例1相同的步驟在基板上形成氮化鉭層。
將形成的薄膜移入含有銅靶的另一個反應(yīng)室里，然后將銅濺射到氮化鉭層上從而形成厚度為10nm的銅層。
接下來，根據(jù)和例1相同的步驟在銅層上形成金薄膜，并對其進行熱處理來形成多層薄膜。
比較例4.其中基板/氮化鉭層/銅層/金薄膜相繼層疊的多層薄膜的制備根據(jù)和比較例3相同的步驟在銅層上形成厚度為100nm的金薄膜。
然而，形成的金薄膜表面出現(xiàn)的諸如裂縫的表面缺陷，使得此項測試無法繼續(xù)進行。
實驗例1.粘著強度測試1以上實施例和比較例所提供的多層薄膜經(jīng)歷十次依照ASTM D3359-97X-切割(X-cut)膠帶測試使用3M膠帶(tape)的剝離測試，其平均結(jié)果如下表1所示表1


如表1所示，本發(fā)明提供的多層薄膜的粘著層由鉭層或氧化鉭層/鉭層構(gòu)成，所提供的多層薄膜具有適當(dāng)?shù)恼持鴱姸?，從而金薄膜沒有涂污在膠帶上。
但是，在比較例1中由于沒有粘著層，在粘著強度測試中所有的金薄膜涂污在膠帶上，這表示金薄膜和氮化鉭層底部之間的粘著強度非常弱。
比較例2提供了由鉭層構(gòu)成的粘著層，但沒有經(jīng)歷熱處理，以致于金薄膜與氮化鉭層之間的粘著強度沒有增加。
此外，比較例3提供了由銅層構(gòu)成的粘著層，但是和比較例1相比，粘著強度只是有了輕微的增大。
測試?yán)?.粘著強度測試2為了能夠確定溫度和粘著強度之間的關(guān)系，各實施例和比較例在200℃、300℃以及500℃的溫度加熱3小時，并根據(jù)與測試?yán)?相同的步驟對各粘著強度進行測量。
從結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在300℃左右的時候，粘著強度會急劇上升，即在200℃左右粘著強度是1A，在300℃左右粘著強度是5A，在500℃左右粘著強度是4A。
測試?yán)?.表面性質(zhì)由實施例1和2獲得的多層薄膜的橫截面可用FESEM(場致發(fā)射電子掃描顯微鏡)進行測量，圖3和4顯示所得到的顯微鏡照片。
如圖3和4所示，由鉭層構(gòu)成的粘著層以10nm的非常小的厚度形成，但從表1顯示的結(jié)果來看金薄膜和氮化鉭層之間粘著強度的增加是可以預(yù)期的。盡管鉭層太薄而不能通過FESEM進行觀察，但沒有鉭層的氮化鉭層的平均表面電阻為28.3ohm/sq.，而含有鉭層的氮化鉭層的平均表面電阻為26.7ohm/sq.。通過這個事實證明，沉積了鉭。
此外，圖3、4中的金薄膜的厚度分別為60nm、1000nm，這證明了即使厚度增加，金薄膜仍然穩(wěn)定地形成。
如上所述，本發(fā)明中的粘著層包含鉭層，從而提供由金薄膜/鉭層/氮化鉭層相繼層疊的多層薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的多層薄膜包括含鉭層的粘著層，從而提高金薄膜和氮化鉭層之間的粘著強度。另外，鉭層在與其中形成氮化鉭層的室相同的室里形成。因此，本發(fā)明通過省去了打破真空狀態(tài)或者改換室的步驟，從而節(jié)約成本。
另外，本發(fā)明的多層薄膜應(yīng)用于形成薄膜的半導(dǎo)體工藝、或MEMS領(lǐng)域中，以提高相對于基板的粘著強度。
雖然本發(fā)明是通過當(dāng)前實用實施例進行描述，但應(yīng)該理解到本發(fā)明不應(yīng)僅限于這些公開的實施例，相反，其覆蓋權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改以及等價布置。
權(quán)利要求
1.一種包含多層薄膜的裝置，所述多層薄膜包括基板；選自包括鎳鉻層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合的組中且形成在所述基板上的第一層；形成在所述第一層上、包括鉭層的第二層；及形成在所述第二層上的金薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多層薄膜還包括設(shè)置在所述第二層和所述金薄膜之間的氧化鉭層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基板選自包括硅晶片和玻璃的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述氮化鉭層的厚度在10nm至500nm范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述鉭層的厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述金薄膜的厚度在10nm至1500nm范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置選自包括半導(dǎo)體裝置、微反應(yīng)器、微機電系統(tǒng)(MEMS)、以及微型重整裝置的組。
8.一種制備裝置的方法，包括以下步驟提供選自包括鎳鉻層、氮化鉭層、鉭硅氧化物(Ta-Si-O)層、及其組合且形成在基板上的第一層；提供設(shè)置在所述第一層上包括鉭層的第二層，從而形成多層薄膜；在所述第二層上設(shè)置金薄膜，從而進一步形成所述多層薄膜；及對所述多層薄膜進行熱處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括在提供所述第二層的步驟和設(shè)置所述金薄膜的步驟之間提供自然氧化鉭層的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述自然氧化鉭層通過將所述第二層暴露于空氣一預(yù)定時間而形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求所述8的方法，其中所述第二層以及所述自然氧化鉭層通過選自包括原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)以及等離子體化學(xué)沉積(PECVD)的組中的一種工藝形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述金薄膜通過選自包括原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體化學(xué)沉積、電鍍以及無電電鍍的組中的一種工藝形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述熱處理步驟在250℃至800℃的溫度進行。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述熱處理步驟在含有空氣、氧氣、氮氣和不活潑氣體中的一種的氣氛中進行。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述裝置選自包括半導(dǎo)體裝置、微反應(yīng)器、微機電系統(tǒng)或燃料電池的組。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包含具有優(yōu)異粘著性的多層薄膜的裝置及其制備方法。特別是，該裝置包括多層薄膜，該多層薄膜包括氮化鉭層、形成于氮化鉭層上的鉭層和形成于鉭層上的金薄膜。
文檔編號H01M4/86GK1801485SQ20051012918
公開日2006年7月12日 申請日期2005年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者金周龍, 權(quán)鎬真, 金在政, 安鎮(zhèn)九, 權(quán)五中 申請人:三星Sdi株式會社, 財團法人索爾大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力財團