铜互联工艺的氮化钽扩散阻挡层研究

摘要

随着集成电路工艺的发展，铜替代铝成为新一代的互连材料。为了防止铜扩散进硅器件中引起器件性能受损以及提高铜与硅、二氧化硅的粘附性，必须在铜互连线外包裹一层扩散阻挡层。
　　氮化钽具有电阻率低、熔点高、晶格和晶界扩散的激活能高、界面稳定等一系列优异的性能，是当前制备扩散阻挡层的首选材料。因此对氮化钽薄膜的工艺方法、阻挡效果、失效机制等方面的研究对于提高集成电路的互连可靠性起到十分重要的作用。
　　本文采用反应磁控溅射方法在硅衬底上制备氮化钽薄膜、钽薄膜、铜籽晶层，利用掠入射X射线衍射（GIXRD）、原子力显微镜（AFM）、Van der Pauw四电极法和表面轮廓仪研究了不同溅射工艺对氮化钽薄膜结构形貌的影响规律以及氮化钽阻挡层在不同温度环境下阻挡性能，并研究了所制备阻挡层的失效机制。
　　通过试验研究，本文得到主要结果如下：
　　本文所制备的氮化钽薄膜均为面心立方结构；晶体结构随工艺参数的改变发生变化，衍射峰峰强随溅射功率和衬底温度的增加而增强，氮气分压的增加使择优取向向（111）晶面偏移；氮化钽薄膜的表面形貌与溅射功率和氮气分压密切相关，与衬底温度的关系不大，其粗糙度随溅射功率的增加而增大，随氮气分压的增加而减小；氮化钽薄膜的方块电阻随溅射功率的增加逐渐减小，随氮气分压的增加逐渐增大，温度对方块电阻的影响不大；溅射功率和衬底温度的增加均会使薄膜的沉积速率增加，而氮气分压增加时，沉积速率不升反降；对Cu/barrier/Si互联体系真空热处理，钽阻挡层在600℃时失效，Ta-Si界面发生反应形成TaSi2，此温度下氮化钽阻挡层衍射峰的强度有所增强但没有新相产生，依然具有良好的扩散阻挡特性。
　　通过选取适当的工艺参数，本文成功制备出具有高温阻挡性能的氮化钽薄膜，且所制备的氮化钽薄膜具有良好的表面形貌和电学性能，满足其作为扩散阻挡层的性能要求。

目录

铜互联工艺的氮化钽扩散阻挡层研究

STUDY ON TANTALUM NITRIDEDIFFUSION BARRIER OF COPPERMETALLIZATIONCandidate：

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 扩散阻挡层概述

1.2.1 扩散阻挡层的性能要求

1.2.2 扩散阻挡层的分类

1.2.3 扩散阻挡层的制备方法

1.3 氮化钽扩散阻挡层的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 氮化钽扩散阻挡层的制备及试验方法

2.1 氮化钽扩散阻挡层的制备系统及原理

2.2 氮化钽扩散阻挡层的制备

2.2.1 实验材料

2.2.2 基片预处理

2.2.3 氮化钽薄膜的制备

2.3 薄膜的结构及性能表征方法

2.3.1 表面轮廓仪

2.3.2 掠入射X射线衍射（GIXRD）分析

2.3.3 原子力显微镜（AFM）观察

2.3.4 四探针电阻测试仪

2.4 本章小结

第3章 氮化钽扩散阻挡层的结构及性能研究

3.1 引言

3.2 氮分压对氮化钽薄膜结构及性能的影响

3.3 溅射功率对氮化钽薄膜结构及性能的影响

3.4 衬底温度对氮化钽薄膜结构及性能的影响

3.5 本章小结

第4章 氮化钽薄膜阻挡性及失效机制研究

4.1 引言

4.2 Cu籽晶层的沉积

4.2.1 实验材料

4.2.2 Cu籽晶层的制备

4.2.3 Cu籽晶层结构及形貌分析

4.3 互联体系的热处理

4.4 Ta及TaN薄膜扩散阻挡特性的研究

4.4.1 Cu/Si体系的结构形貌研究

4.4.2 Cu/Ta/Si体系的结构形貌研究

4.4.3 Cu/TaN/Si体系的结构形貌研究

4.4.4 Ta及TaN扩散阻挡层的失效机制分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致谢

个人简历