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先进铜接触工艺的扩散阻挡层的研究

赵莹  
【摘要】: 在32nm及以下技术节点,互连带来的延迟超过了门延迟,成为器件性能进一步提升的瓶颈。而接触层的W塞工艺在32 nm及以下技术节点带来的大的接触电阻和电阻的不均匀性制约了器件的性能。一个解决办法是采用低电阻的Cu接触工艺替代传统W塞工艺。本文针对这一先进工艺,研究了新型扩散阻挡层在Cu接触结构中的应用和失效机理,具有科学研究价值和实际应用价值。 首先,我们研究了超薄Ru/TaN双层扩散阻挡层在铜接触结构中的反应特性和电学特性。通过XRD,XPS,TEM,EDX和电学测试等分析手段,研究了扩散阻挡层结构在衬底NiSi上的热学稳定性。研究结果表明Ru(5nm)/TaN(13nm)复合阻挡层在400℃30分钟退火后能有效抑制Cu扩散,但是450℃30分钟退火后就发生了Cu扩散现象,在500℃30分钟退火后Cu进一步反应产生了Cu3Si在NiSi/Si界面处。 然后本文利用原位XRD方法研究Cu/Ru/TaN在NiSi和Si衬底上的失效温度,发现在NiSi上Cu/Ru/TaN的失效温度比在Si衬底上低得多,其Cu扩散激活能为0.65 eV,而在Si衬底上的结构Cu的激活能为1.3 eV。 论文首次提出了采用Ru/TaSiN阻挡层作为铜接触的阻挡层。通过Ru/TaN和Ru/TaSiN的比较实验发现,Ru/TaSiN双层扩散阻挡层在NiSi衬底上具有更好的扩散阻挡性能。通过对热膨胀系数的计算和讨论,我们分析了TaN在NiSi衬底上的失效原因,推测是热处理过程中薄膜中大的应力导致。而在TaN扩散阻挡层中加入Si之后减轻了TaN在NiSi上的应力问题。 然后通过改变TaSiN的工艺制备参数研究了TaSiN用于铜接触结构中的热稳定性和电学性质。变换Ta、Si的比例从3.4到10.8时,测试结果证明了扩散阻挡性能并没有发生太大的变化。XRD、薄层电阻测试和电学测试说明,高的Si含量提高了薄膜的热稳定性和在Cu接触中的电学性能,但是也提高了TaSiN薄膜的电阻率。当进一步减薄TaSiN到5nm时,Ru/TaSiN仍然有良好的热稳定性。 本文的研究结果表明,Ru/TaSiN双层扩散阻挡层是用于铜接触结构中的一种性能优越的扩散阻挡层。


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