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《中南大学》 2008年
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集成电路铜互连中钽硅氮扩散阻挡层的制备及其阻挡特性研究

刘正  
【摘要】: 随着集成电路集成度的提高以及特征尺寸的不断下降,传统的Al金属化布线已经不能满足器件发展要求。Cu由于具有低电阻率和高抗电迁移能力可作为Al的替代材料。但Cu与介质层的粘附性差,且铜易扩散进入硅与二氧化硅成为深能级杂质,并且在较低的温度下就会形成铜与硅的化合物,从而影响器件的可靠性。因此,需要在Cu与Si之间加入扩散阻挡层来有效地阻挡Cu向Si中扩散,同时改善Cu膜与基体的结合能力。 在综合分析比较了各类阻挡层制备方法、性能特征的基础上,本文采用双靶磁控反应溅射法在p型Si(111)衬底上制备出了不同Si、N含量的Ta-Si-N和Cu/Ta-Si-N的纳米薄膜,并对薄膜样品进行了快速热退火(RTA)。用四探针电阻测试仪(FPP)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、EDS能谱等分析测试方法对各样品的方块电阻、表面形貌、晶体结构、成分等特性进行了表征分析。 实验结果表明,Si、N掺杂有利于改善Ta基阻挡层的阻挡性能。Si的掺入能有效抑制钽的氮化物结晶,且随着Si含量的升高,Ta-Si-N阻挡层的非晶化程度提高;而通过向Ta-Si薄膜中掺入N则能有效抑制钽的硅化物结晶,使沉积态的阻挡层由纳米晶转变成非晶态。Ta-Si-N阻挡层的阻挡性能与Si靶溅射功率和N_2/(N_2+Ar)流量比密切相关。固定N_2/(N_2+Ar)流量比时,Si靶溅射功率应存在一最优值,使阻挡性能达到最好。当Si靶功率过大或过小时,阻挡性能较差。在固定Si靶溅射功率的情况下,阻挡性能随N_2/(N_2+Ar)流量比的上升而有所改善,但当薄膜中氮含量大于50%时,阻挡性能改善并不明显。 Ta-Si-N阻挡层的失效主要是由Cu扩散引起。其主要失效机制为:Cu通过阻挡层中的晶界扩散,或直接通过阻挡层的非晶结构扩散入Si中,并与Si反应生成Cu_3Si。 Ta-Si-N薄膜的结晶温度高,Cu/Ta-Si-N/Si薄膜体系的界面稳定性好,Cu膜与Ta-Si-N阻挡层之间的粘附性好,没有发生Cu膜脱落的现象。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TN405.97

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1 刘正;集成电路铜互连中钽硅氮扩散阻挡层的制备及其阻挡特性研究[D];中南大学;2008年
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