铜互连新型粘附层/扩散阻挡层材料的理论和实验研究

摘要

随着集成电路特征尺寸的缩小,互连RC延迟和可靠性已成为制约芯片性能和可靠性的主要因素,因此需要研究新的材料和工艺。粘附层/阻挡层材料南于能够提高Cu在扩散阻挡层材料上的粘附性、增加系统热稳定性和电学特性,是目前互连研究中的一个热点。本论文针对粘附层/阻挡层新型材料从理论和实验上进行了研究,并取得了以下结果:
　　1.第一性原理方法研究预测多种金属材料对Cu的粘附性。
　　利用第一性原理计算对Cu在Ru和Ta上的粘附机理进行了研究。通过计算发现,尽管Cu与Ta之间具有较强的结合能,但是Ta(110)表面与Cu(111)表面之间较大的晶格失配度以及差异较大的晶体结构使得Cu在Ta(110)表面上粘附性比在Ru(0001)表面上的粘附性差。在Cu-Ta界面的O和N掺杂都会导致Cu在Ta(110)表面上粘附性变差,并且容易产生团聚行为。由此解释了实验中Ru对Cu具有更好粘附特性的原因。进一步研究了Cu在RuTa合金上的粘附性,计算结构表明,相对于Ta,RuTa合金晶格常数和Cu更加匹配,因此比Ta对Cu具有更好的的粘附性。
　　对Cu在Ta、Mo、Os、Ir、Co、Ru、Pd和Rh等不同晶格类型的过渡族金属上的吸附进行了第一性原理计算。计算结果表明,粘附层材料与Cu原子问的结合能、表面晶格失配度、晶体结构类型、表面杂质对Cu的粘附性有较大的影响。当材料与Cu的结合能大、表面晶格失配度小、晶体结构类型相近时,其和Cu具有较强的粘附性。在所有研究的材料当中,Ir和Os对Cu的粘附特性较好,可与Ru相比拟。Mo与Cu之间较强的结合能,Co表面与Cu表面之间较小晶格失配度使得Co和Mo都具有比Ta对Cu更强的粘附性。
　　2.研究CoMo合金作为Cu扩散阻挡层/粘附层/籽晶层材料的特性。
　　根据第一性原理对Co和Mo的计算,设计了CoMo合金作为铜的粘附层,其比纯Mo有更好的晶格匹配,比纯Co和Cu有更强的结合能。计算发现CoMo合金的形成能为负值,具有良好的热稳定性,和Cu不易发生互溶。这点也被样品Cu/CoMo/Si经过退火后的AES深度分析谱证实。表面SEM测试发现Co0.5Mo0.5和Co0.75Mo0.25合金作为Cu的粘附层,即使在600℃30分钟退火后也未发现表面Cu团聚现象。原位XRD测试结果表明,PVD淀积的CoMo合金在较高温度下也仍然能保持良好的非晶结构,5nmCo0.25Mo0.75合金作为Cu扩散阻挡层的失效温度可以达到610℃,Cu可以电镀在淀积了3nmCu的10nmCo0.5Mo0.5合金上,说明CoMo合金可以作为Cu的电镀增强层。本章成功地利用第一性原理计算来设计新型粘附层,并用实验结果证实了这种粘附层/阻挡层的性能。
　　3.RuC薄膜抑制Cu氧化及作为Cu扩散阻挡层的热稳定性研究。
　　实验表明,由于Cu、Ru的氧化物的生成热不同以及Ru的催化特性,导致在Ru薄膜上的Cu非常容易氧化。我们发现,在扩散阻挡层或Ru中掺入C可以有效的抑制Cu的氧化,并提高薄膜的热稳定性。实验发现,在RuC上ALD方法成长的Cu2O薄膜,部分可以被直接还原。第一性原理计算发现,RuC薄膜在退火过程中C会从Ru中析出,并沿Ru晶界扩散至Ru-Cu表面,与Cu中的O化合形成C-O键,从而抑制了Cu的氧化,并且封住了Cu的晶界,从而阻挡了Cu和O的扩散。原位XRD测试发现RuC(5nm)/TaN(5nm)双层薄膜作Cu扩散阻挡层,其失效温度可以达到720℃,说明RuC/TaN双层薄膜具有很好的热稳定性和Cu扩散阻挡性能。
　　4.超薄Al2O3薄膜作为低k介质(k=2.5)上Cu扩散阻挡层的研究。
　　分别利用等离子体增强原子层淀积(PEALD)和热ALD在低k(k=2.5)介质上制备1.3nm或2.5nmAl2O3薄膜作为Cu的扩散阻挡层。研究发现,利用该超薄Al2O3薄膜作为Cu的扩散阻挡层不会明显增大介质的有效k值。AES深度分析测试表明,PEALD和热ALD生长的1.3nm或2.5nmAl2O3薄膜作Cu扩散阻挡层,经过400℃/30分钟退火后未发现Cu扩散现象。TEM测试表明,PEALD生长的1.3nmAl2O3薄膜/Cu体系退火后有极少量的Cu进入的低k介质中;当Al2O3薄膜厚度为2.5nm时,没有Cu扩散现象发生。电学测试结果表明,利用ALD方法生长的超薄Al2O3作为Cu和低k介质的扩散阻挡层,体系的最大击穿场强以及介质的抗击穿时间(TDDB)可以大大提升。