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合金化对Cu/SiO_2薄膜体系微观结构以及电性能的影响

刘嘉聪  
【摘要】: 随着超大规模集成电路的发展,Cu代替了常用的Al成为新兴的互连线材料。也就是最新发展的所谓“铜互连工艺”。但是Cu在硅基底集成电路中的应用存在一些困难,例如铜在硅和介质层中的扩散速度较快,目前一般在薄膜和基底间镀一层阻挡层。但由于传统采用的气相沉积方法获得的扩散阻挡层工艺时间长、成本高,台阶覆盖性差、薄膜较厚,在互连线尺寸越来越小的今天,扩散阻挡层在一定程度上减小了Cu的可用空间。 本文以合金化薄膜“自发形成阻挡层”为思路,利用单靶合金靶材分别在Si(100)和SiO_2基底上磁控溅射制备了Cu-1.58 at. %Zr合金薄膜。研究了少量Zr掺入对Cu/Si(100)和Cu/SiO_2薄膜体系在300℃至500℃退火前后的微观结构以及电性能的影响。 X射线衍射分析表明,无论在单晶硅还是在二氧化硅基底上,溅射态纯Cu和Cu(Zr)薄膜均呈现Cu(111)和Cu(200)衍射峰,而Zr的掺入显著增强了Cu薄膜的(111)织构。对于退火态的Cu(Zr)/Si薄膜体系,由于少量Zr在薄膜/基底界面处的存在,起到净化界面作用,促使Cu3Si的形成,从而降低了薄膜体系的热稳定性。薄膜的电阻率随着退火温度的上升先下降然后迅速升高。 而对于Cu(Zr)/SiO_2薄膜体系,500℃退火后,合金元素Zr在界面和晶界处的偏聚有效地控制了铜在硅基底中的扩散,薄膜仍然呈现出良好的热稳定性。退火后Cu(Zr)/SiO_2薄膜保持了较低的电阻率值。相比纯铜薄膜,Cu(Zr)/SiO_2拥有更强的抗电迁移能力。透射电镜TEM结果显示,Zr的掺入还一定程度促进了Cu薄膜孪晶组织的形成,提高了薄膜的整体力学性能以及抗电迁移能力。 磁控溅射100nm厚度的Cu(Zr)薄膜作为电沉积铜薄膜的籽晶层,能优化电沉积铜薄膜的结构,使电沉积薄膜呈现出更强的(111)织构,薄膜力学性能提高。Cu(1μm)/Cu(Zr)(100nm)/SiO_2薄膜的内应力在退火后更易消除。


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