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铜基自组装扩散阻挡层的工艺研究

周同  
【摘要】:随着集成电路特征尺寸的不断减小,后端铜互连工艺中扩散阻挡层的厚度也要不断减薄。而使用传统的Ta/TaN双层结构作扩散阻挡层时,减薄厚度会使得RC延迟增加并带来可靠性方面的问题。一种有效的替换方法就是使用以铜为基的合金自组装扩散阻挡层。Cu-Mn和Cu-Al合金都已经被研究并成功形成扩散阻挡层,Cu-Mn合金或Cu-Al合金淀积完成后,在一定的温度下退火一定的时间,原来的合金层会变成籽晶层、和扩散阻挡层。 相图是选择和决定材料的配方、制备方法、加工工艺和使用条件的依据。合金相图是应用图解的方法,表示合金的成分、平衡相状态及外界条件(温度、压力等)之间关系的图线。利用已有的平衡相图可以了解体系在任意温度下处于平衡状态时存在的相态以及相的组成等情况。 在45nm,32nm技术节点下,对扩散阻挡层的厚度有不同的要求。要满足不同技术节点对扩散阻挡层厚度的要求,就要考虑退火温度和合金中元素的摩尔百分数对扩散阻挡层厚度产生的影响。本文通过计算Cu-Mn以及Cu-A1的相图,并进一步分析所获得的相图,结合合金退火变化的模型,通过计算,得到了不同技术节点下,要满足不同的扩散阻挡层厚度,不同的退火温度下,相应的合金中元素的摩尔百分数的范围;进一步讨论后,给出了具体的退火温度和合金中元素的摩尔百分数的值。 除了退火温度和合金中元素的摩尔百分数外,退火时间也会对扩散阻挡层的厚度产生影响。依据低温下氧化物生长的对数速率法则,退火时间越长,扩散阻挡层的厚度越厚。除此之外,还利用内部氧化和外部氧化的模型,分析得出使用Cu-Mn合金时,在退火气体氛围中加入少量氧气会起到降低互连线电阻率的效果。这些结果对集成电路制造中后端铜互连工艺参数的设置具有重要的指导意义。


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