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集成电路Cu互连工艺中的Ta基扩散阻挡层研究

姜蕾  
【摘要】:随着集成电路深亚微米工艺的发展,Cu成为新一代的互连材料。为了防止Cu扩散进Si器件中引起器件性能受损以及提高Cu与Si、SiO2的粘附性,在Cu互连线外包裹一层扩散阻挡层是工艺中必不可少的步骤,而在增强阻挡层的阻挡效果、了解失效机制、改进工艺方法等方面的研究对于提高互连可靠性起到十分重要的作用。 本论文的研究对象是基于Ta的阻挡层材料,采用了磁控溅射、反应溅射、离子注入等技术在Si衬底上生长了Ta、TaN、Ta(N注入)薄膜,对样品进行了形貌、微结构、相变、界面、元素深度分布等方面的分析,从而深入讨论了不同工艺方法制造的阻挡层结构、Cu在阻挡层中的扩散系数、阻挡层的失效机制以及失效机制与结构的关系。 Cu在溅射生长的多晶Ta、TaN阻挡层中的扩散以晶界扩散为主,在高温退火条件下,Cu通过这种快速通道向Si衬底扩散,形成了Cu和Ta的硅化物以及硅的氧化物。利用Fisher扩散原理和Le Claire简化公式,计算并比较了Cu在TaN和Ta中的晶界扩散系数,前者比后者小一个数量级(T=630oC)。退火过程中引入的O有利于提高Ta层的阻挡效果,但会导致Cu互连的电阻增大和促进Ta的硅化反应。 N离子注入与溅射生长Ta相结合的制备方法为改进阻挡层工艺提供了一定的参考和指导。注入的N离子造成多晶Ta层部分非晶化,消减了晶界,从而大大提高了阻挡层对Cu扩散的阻挡能力。


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