等离子体浸没注入对Ta薄膜的改性及Cu/Ta-X/SiO体系失效机理的研究

摘要

本文对物理气相淀积在SiO2上制备的Cu(200nm)/Ta(25nm)/SiO2体系中Cu热扩散失效机理进行了研究、用等离子体浸没注入(PⅢ)N+和C+对Ta进行改性和研究，并对该系统电迁移性质进行了ANSYS模拟分析得到了以下结论：　　多晶Ta的晶粒间界是Cu和O原子穿过Ta扩散入衬底的主要渠道，O是Cu加快扩散的促媒。N离子和C离子的PⅢ能填塞Ta的晶粒间界，阻断Cu和O的扩散。通过比较注入前后的Cu/Ta/SiO2体系在500℃-800℃退火后，表面形貌、元素深度分布、界面微结构和物相等方面的不同，发现经N+和C+PⅢ后的Ta对Cu的阻挡效果明显提高。在N+PⅢ中1016m-2剂量的注入效果最佳，而注入剂量太大反而会造成结构损伤。据Krasko等人对晶界嵌入能的计算，C和N在Ta中的嵌入能低于O，因此能稳定占据晶界而排斥O，从而进一步提高阻挡效果。观察显示，C+PⅢ后的Ta出现了较为明显的非晶化，这种无定形结构也能有效阻挡Cu的扩散。HarrisonB类扩散动力学模型、Whipple解析方法和LeClaire简化公式被运用于计算Cu在Ta基阻挡层中的扩散系数和晶粒间界扩散激活能，进一步证实离子注入Ta的改性效果。这种晶粒间界扩散和晶格扩散耦合的解析模型修正了Junji，Imahori等人用晶格扩散公式来计算晶界扩散系数的不足。计算结果给出了Cu在Ta基薄膜中扩散激活能随注入剂量和注入离子种类变化的规律。计算了导线中电流密度分布，发现在电流聚集效应的情况下，电迁移并非只和传统意义上的“电子风”相关，而是受到“电子风”和电流密度梯度的共同作用所产生。模拟结果与K.N.Tu提出的理论完全吻合，并能够很好解释在电流密度很小处出现电迁移失效的实验现象。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

1.1集成电路中互连工艺发展的趋势和现存问题

1.1.1集成电路发展简述

1.1.2互连的重要意义及其发展

1.2铜互连工艺的优势及现存问题

1.2.1铜互连工艺的发展

1.2.2铜互连的优势及存在的问题

1.3阻挡层

1.3.1阻挡层的性能要求

1.3.2阻挡层的分类

1.3.3金属Ta的性质

1.3.4阻挡层制备工艺

1.4等离子体浸没注入工艺

1.5本文的主要研究工作及其意义

第二章实验原理

2.1薄膜的制备

2.1.1磁控溅射工艺

2.1.2自离化等离子体物理气相淀积

2.1.3等离子体浸没注入

2.2样品组分结构分析方法

2.2.1扫描电子显微镜

2.2.2透射电子显微镜

2.2.3聚焦离子束

2.2.4 X射线衍射

2.2.5俄歇电子能谱

2.3本课题的实验方案

第三章等离子体浸没注入N+对Ta阻挡层的影响

3.1相关文献回顾

3.1.1Cu/Ta系统的热稳定性

3.1.2离子注入对阻挡层材料的改性

3.2样品设计及制备

3.2.1薄膜淀积

3.2.2等离子体浸没注入

3.2.3磁控溅射及退火

3.3实验结果及讨论

3.3.1样品表面形貌的观察

3.3.2元素的深度分布分析

3.3.3样品界面与微结构

3.4小结

第四章等离子体浸没注入C+对Ta阻挡性能的影响

4.1相关文献回顾

4.2样品设计与制备

4.2.1薄膜淀积

4.2.2等离子体浸没注入

4.2.3磁控溅射与退火

4.3实验结果与讨论

4.3.1样品表面形貌观察

4.3.2Cu/Ta-C/SiO2体系元素深度分布

4.3.3界面与微结构观察

4.4小结

第五章Cu在Ta基阻挡层中的扩散动力学研究

5.1相关文献回顾

5.1.1Cu在Si中的快速扩散

5.1.2Cu在Ta基阻挡层中的扩散

5.2确定扩散系数的实验方法

5.3多晶薄膜中的扩散动力学模型及其解析

5.3.1晶粒间界的扩散动力学模型

5.3.2本实验中Cu在Ta基阻挡层中适用的扩散模型

5.3.3B类扩散模型的解析

5.3.4扩散激活能

5.3.5对AES测得的浓度分布数据的处理

5.4计算结果及讨论

5.4.1Cu在未经注入的Ta中的扩散系数及激活能

5.4.2Cu在a剂量PⅢN+处理后的Ta中的扩散系数及激活能

5.4.3Cu在b剂量PⅢN+处理后的Ta中的扩散系数及激活能

5.4.4Cu在c剂量PⅢN+处理后的Ta中的扩散系数及激活能

5.4.5Cu在PⅢ C+处理后的Ta中的扩散系数及激活能

5.4.6对实验结果的讨论

5.5小结

第六章O、N和C对Ta的晶粒间界稳定性的影响

6.1非金属杂质在晶粒间界中的能量学问题

6.2O、N、C在Ta晶粒间界中的嵌入能

6.3O、N、C在Ta中引起的晶界弛豫

6.4晶粒间界的稳定性

6.5小结

第七章Cu/Ta-X/SiO2体系电迁移性质的ANSYS有限元分析

7.1相关文献回顾

7.1.1Cu电迁移激活能

7.1.2电热效应和电流聚集效应对电迁移的影响

7.2大电流下Cu导线的温度分布以及热失配应力研究

7.2.1电热效应的2D解析模型

7.2.2电热效应的有限元模型

7.2.3有限元计算结构和解析模型计算结果的比较

7.3电流聚集效应对电迁移的影响

7.3.1经典电迁移驱动力理论

7.3.2质流输运方程

7.3.3电流密度分布和电流聚集效应

7.4小结

第八章结论

参考文献

附录

致谢

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