新一代集成电路Cu互连用Ta基扩散阻挡层的制备及特性研究

摘要

随着集成电路工艺技术的不断发展，Cu逐渐取代传统的金属互连材料Al，而使器件获得了更高的运算速度和可靠性，但也不可避免地带来了Cu的扩散污染等问题。寻找合适的抑制Cu扩散的阻挡层材料多年来已成为Cu互连工艺研究中的热点课题。 在综述了Cu互连的优势及面临的挑战、扩散阻挡层的制备工艺和发展趋势之后，作者采用直流磁控溅射技术在Si衬底上制备了Ta、TaN<,x>、Ta-Al-N和Cu/Ta、Cu/TaN<,x>、Cu/Ta-Al-N复合膜系，并对薄膜样品进行了卤钨灯快速热退火。用四探针电阻测试仪、AFM、Alpha-step IQ台阶仪、XRD和SEM-EDS等分析测试方法对样品的形貌结构与特性进行了分析表征。 结果表明，磁控溅射制备的Ta、TaN<,x>和Ta-Al-N纳米薄膜表面光滑。纳米Ta-Al-N薄膜的阻挡特性最佳，TaN<,x>次之，Ta薄膜最差。向Ta中掺入N促进了纳米晶／非晶薄膜的形成且消除了TaN<,x>/Si的界面反应；Al的掺入提高了TaN<,x>的结晶温度即阻挡层能在更高的温度下保持非晶态，因此薄膜热稳定性和阻挡特性得到进一步增强。Ta阻挡层的失效主要是由高温退火导致Ta/Si界面反应形成TaSi<,2>及Cu通过多晶Ta膜中存在的晶界扩散到Si形成Cu<,3>Si共同导致的；而Cu通过晶界扩散到TaN/Si界面并形成Cu<,3>Si是TaN<,x>失效的主要机制；Ta-Al-N阻挡层的失效机制与TaN<,x>类似，均是由于薄膜的晶化而导致的晶界扩散。 本文首次对有重要应用前景的Ta-Al-N纳米薄膜的制备和阻挡特性进行了研究；文章还对N、Al掺杂的微观机理及几类薄膜对Cu的扩散阻挡特性进行了较深入的理论分析；基于实验事实与理论分析，得出轻原子N起填充晶界的作用，能有效降低扩散通道密度、改善阻挡特性；同时发现纳米晶/非晶是理想的Cu扩散阻挡层结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1互连的定义和面临的挑战

1.1.1互连的定义

1.1.2“互连危机”

1.2 Cu互连的优势及存在的问题

1.2.1 Cu互连的优势

1.2.2 Cu互连的应用和发展状况

1.2.3 Cu互连存在的问题

1.3扩散阻挡层

1.3.1扩散阻挡层的性能要求

1.3.2扩散阻挡层的分类

1.3.3扩散阻挡层的制备工艺

1.3.4扩散阻挡层材料

1.3.5扩散阻挡层的发展趋势

1.4本研究的意义、目的及采用的技术路线

1.4.1研究意义和目的

1.4.2本研究的技术路线

第二章阻挡层薄膜的制备及特性表征方法

2.1阻挡层薄膜的制备

2.1.1磁控溅射原理及设备

2.1.2薄膜的快速热处理技术

2.1.3阻挡层薄膜工艺优化探讨

2.1.4 Cu/barrier/Si体系制备工艺

2.2阻挡层薄膜特性的表征方法

2.2.1薄膜成分

2.2.2薄膜方块电阻及电阻率

2.2.3薄膜厚度

2.2.4薄膜组织结构

2.2.5薄膜表面形貌

2.2.6薄膜扩散阻挡特性

2.3本章小结

第三章N掺杂对Ta薄膜特性的影响

3.1 Ta靶功率对薄膜特性的影响

3.1.1 Ta靶功率对Ta薄膜特性的影响

3.1.2 Ta靶功率对Cu/Ta多层膜系特性的影响

3.2 N含量对薄膜特性的影响

3.2.1 N含量对TaNx薄膜特性的影响

3.2.2 N含量对Cu/TaNx多层膜特性的影响

3.3本章小结

第四章Al掺杂对TaNx薄膜特性的影响

4.1 Al含量对薄膜特性的影响

4.1.1 Al含量对Ta-Al-N薄膜特性的影响

4.1.2 Al含量对Cu/Ta-Al-N多层膜特性的影响

4.2改善薄膜阻挡特性的其他方法探讨

4.3本章小结

第五章纳米Ta基薄膜扩散阻挡特性的比较研究

5.1纳米Ta和TaNx薄膜扩散阻挡特性的比较研究

5.1.1 Cu/Ta/Si体系的结构形貌研究

5.1.2 Cu/TaNx/Si体系的结构形貌研究

5.1.3 Ta和TaNx阻挡层的失效机制研究

5.1.4 N掺杂的微观机理

5.2纳米TaNx和Ta-Al-N薄膜扩散阻挡特性的比较研究

5.2.1 Cu/Ta-Al-N/Si体系的结构形貌研究

5.2.2 Ta-Al-N阻挡层的失效机制研究

5.2.3 Al掺杂的微观机理

5.3对今后工作的几点建议

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果