O等离子体处理控制多孔SiOCH薄膜中的Cu扩散

摘要

随着微电子器件集成度的不断提高，超大规模集成电路(ULSI)特征线宽不断减小，器件密度和连线密度的增加使器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容增大，导致阻容(RC)耦合增大，从而使信号传输延时增加、干扰噪声增强和功率耗散增大。要解决这些问题，需要采用新的低电阻率连线材料和低介电常数绝缘材料来取代目前所采用的Al/SiO2材料架构。作为SiO2的替代材料，多孔SiCOH低介电常数材料(低к材料)得到人们的广泛关注；作为Al的替代物，电阻率更低的Cu已作为互连线获得应用。 但是，当Cu互连线与多孔低k材料集成时，互连线中的Cu原子或离子，在热冲击作用或电场作用下，易于向多孔介质膜的孔隙中扩散，导致漏电流增大和击穿场强降低，使介质层的绝缘能力降低。如何降低Cu在多孔介质中的扩散，是Cu互连线与多孔低к材料集成时必须解决的重要问题。 本文研究了O2等离子体表面处理技术降低Cu在SiCOH薄膜中扩散的方法。本文采用O2的电子回旋共振等离子体对SiCOH薄膜表面进行处理，通过SiCOH薄膜结构的傅立叶红外光谱(FTIR)分析、表面形貌的原子力显微镜(AFM)分析，发现O2等离子体处理提高了SiCOH薄膜表面的Si-O交联度，使表面开放的孔封闭，形成了阻止Cu扩散的壁垒。通过对Cu/SiCOH集成结构的热应力实验及电流-电压(I-V)、电容-电压(C-V)分析，发现SiCOH薄膜表面经过O2等离子体处理后，Cu/SiCOH集成结构的漏电流明显下降、平带电压漂移减小、热激活能明显增加，这些变化表明Cu在SiCOH薄膜中的扩散程度降低。因此，通过SiCOH薄膜的O2等离子体表面处理，可以有效地降低Cu在SiCOH薄膜中的扩散，改善Cu/SiCOH集成结构的电学性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

§1.1研究背景

§1.2本课题组的主要研究内容

§1.3本文的研究内容

第二章实验样品的制备及性能表征方法

§2.1 SiCOH薄膜的制备

2.1.1微波电子回旋共振等离子体原理简介

2.1.2微波ECR-CVD沉积系统

2.1.3实验参数

§2.2 SiCOH薄膜的O2等离子体处理

§2.3 Cu薄膜的制备与热应力(thermal stress)实验

§2.4电容-电压(C-V)、电流-电压(I-V)分析

§2.5 SiCOH薄膜结构的傅立叶变换红外光谱表征方法

§2.6 SiCOH薄膜表面形貌的原子力显微镜表征

第三章SiCOH薄膜中的Cu扩散分析

§3.1 Cu/SiCOH/Si体系的漏电流分析

§3.2 Cu/SiCOH/Si体系的C-V分析与平带电压漂移

§3.3 Cu/SiCOH/Si体系的热应力实验与激活能分析

第四章Cu扩散降低的SiCOH薄膜结构关联

§4.1 Cu扩散的降低与SiCOH薄膜键结构的关系

§4.2 Cu扩散的降低与薄膜表面形貌的关系

第五章结论

§5.1本文的主要结果

§5.2存在的主要问题和进一步的研究方向

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢