收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

自组装单分子层上化学气相沉积铜薄膜研究

刘鑫  
【摘要】: 在超大规模集成电路中,为了达到芯片的超高速工作,金属连线的时间延迟必须降低。但当元件的最小线宽降到0.25μm以下时,金属连线的电致迁移效应、连线的阻值、电容都不容忽略,因此我们需要找到一种性能更好的金属来取代现在集成电路中一直使用的铝。因为铜比铝低的电阻率以及其抗电迁移的能力比铝高出10~100倍,所以在未来的深亚微米技术中,铜在多层金属内连线中的作用是不可或缺的。 比起传统的物理气相沉积(PVD)制备金属薄膜的方法,化学气相沉积(CVD)由于其良好的保形沉积性,好的填充高深宽比沟槽的能力,成为超大规模集成电路铜金属化制程中用来沉积铜薄膜的首选方法。 本论文在自行设计、组建的金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统上,以六氟乙酰丙酮合铜(Ⅱ)[Cu~((Ⅱ))(hfac)_2]为前驱物,氢气为载气和还原性反应气,分别以Si(100)、SiO_2基材以及3-(巯基)-丙基-三甲氧基硅烷(MPTMS)和3-(氨基)-丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)自组装单分子膜(SAMs)改性硅为基材进行化学气相沉积铜薄膜的相关研究,论文主要由以下五个部分组成: 第一章:简要介绍了化学气相沉积铜薄膜的研究背景、面临的挑战、论文的选题思路和研究内容。 第二章:在Si(100)和SiO_2基材上进行了化学气相沉积铜薄膜的研究。研究表明:1、使用H_2做载气比使用N_2能够在更低的温度下沉积铜薄膜,而且沉积的铜薄膜中没有Cu_2O。使用H_2做载气沉积的铜薄膜为多晶结构,Cu(111)晶面是沉积铜薄膜的优势晶面。2、通过测量沉积铜薄膜的厚度,得到铜薄膜的沉积速率,在Si(100)上的成长速率为8~22nm/min,在SiO_2上的成长速率为11~25nm/min,由Arrhenius公式得到在Si(100)和SiO_2基材上沉积铜薄膜的活化能分别是92.35和81.3kJ/mol。3、SEM研究表明,相同沉积温度下,铜核在羟基化的SiO_2基材上比在Si基材上有更高的覆盖度,铜更容易沉积在羟基化的SiO_2基材表面。 第三章:在3-(巯基)-丙基-三甲氧基硅烷(MPTMS)SAMs改性基材上进行了化学气相沉积铜薄膜的研究。研究发现:1、MPTMS在Si基材表面形成了厚度为0.66±0.01nm的有序排列的自组装单分子层。2、化学气相沉积铜薄膜在MPTMS-SAMs表面更容易进行,铜核的覆盖率也远远大于在相同条件下沉积在Si(100)和SiO_2基材表面铜核的覆盖率。使用MPTMS-SAMs改性能够有效的降低沉积温度,可以在较低的温度下得到沉积质量更好的铜薄膜。3、在MPTMS-SAMs改性基材上,Cu CVD反应的活化能降低,由Si基材上的92.35kJ/mol降低到69.2kJ/mol,沉积速率有很大的提高。4、在MPTMS-SAMs改性基材上,350℃时得到铜薄膜的抗电迁移率与400℃时在Si基材上的抗电迁移率相差不大。5、以MPTMS-SAMs为扩散阻挡层,在电压为±1V时,漏电流为10~(-6)~10~(-8)A/cm~2,能有效的阻挡Cu原子扩散进入硅基材。6、XPS的研究表明,铜与MPTMS-SAMs表面的-SH端基存在强的Cu-S作用,这是导致在MPTMS-SAMs表面更容易化学气相沉积铜薄膜的主要原因。 第四章:在3-(氨基)-丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)SAMs改性基材上进行了化学气相沉积铜薄膜的研究。得到以下结论:1、低浓度下APTMS在Si基材表面形成了厚度为1.77±0.06nm的有序排列的自组装单分子层,而在高浓度下,APTMS容易在表面聚集,形成较为无序的多层。2、在APTMS-SAMs表面更容易化学气相沉积铜薄膜,铜核的覆盖率也远远大于相同条件下沉积在Si(100)和SiO_2基材表面的铜核的覆盖率。使用APTMS-SAMs改性能够有效的降低沉积温度,可以在较低的温度下得到沉积质量更好的铜薄膜。3、在APTMS-SAMs基材上,350℃时得到铜薄膜的抗电迁移率与400℃时在Si基材上的抗电迁移率相比有很大提高。4、在APTMS-SAMs基材上化学气相沉积的铜薄膜的表面粗糙度随着沉积温度的升高而减小,在330℃后,铜薄膜的表面粗糙度基本保持不变。5、以APTMS-SAMs为扩散阻挡层,在电压为±1V时,漏电流为10~(-7)~10~(-8)A/cm~2,能有效的阻挡Cu原子扩散进入基材。6、XPS的研究表明,铜与APTMS-SAMs表面的-NH_2端基存在强的Cu-N作用,这是导致在APTMS-SAMs表面更容易化学气相沉积铜薄膜的主要原因。 第五章:对用MPTMS自组装形成的HS-SAMs进行了端基的化学改性,并以Cu~((Ⅱ))(hfac)_2为前驱物,在化学改性后形成的具有三种不同端基的SAMs上进行化学气相沉积铜薄膜。通过前进、后退接触角、X射线光电子能谱以及扫描电子显微镜、X射线散射能谱分析,结果表明:1、用MPTMS修饰处理后在SiO_2表面形成了以-SH为端基的MPTMS-SAMs。2、对HS-SAMs用KHCO_3和液溴室温处理后-SH端基改性为-SS-端基,而用30%H_2O_2和冰乙酸在40-50℃处理后-SH端基改性为-SO_3H端基。3、在较低温度,较短时间条件下,CVD铜在三种不同端基的SAMs上沉积具有一定的选择性。相对而言,CVD铜较容易在HO_3S-SAMs上沉积,HS-SAMs次之,最难在-SS-SAMs上沉积。4、随着温度的提高,时间的延长CVD铜在三种不同端基SAMs上沉积的选择性逐渐消失。5、利用改变SAMs端基成为不同功能团从而实现选择性化学气相沉积铜思想,最终将化学气相沉积铜薄膜图案化。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 宋双喜,刘玉章,毛大立,李明;铜与硅之间W/Mo-N薄膜的扩散阻挡层性能[J];功能材料与器件学报;2005年02期
2 张万荣,李志国,郭伟玲,孙英华,穆甫臣,程尧海,沈光地;半导体器件欧姆接触中的扩散阻挡层[J];微电子学与计算机;1998年05期
3 张万荣,李志国,郭伟玲,孙英华,穆甫臣,程尧海,陈建新,沈光地;提高半导体器件欧姆接触可靠性的扩散阻挡层及其应用[J];电子工艺技术;1998年01期
4 刘杨秋,梁彤祥,付志强,倪晓军,赵福群;热处理对PI基板铜薄膜金属化TiN阻挡层的影响[J];稀有金属材料与工程;2004年06期
5 梁彤祥,刘杨秋,张世骥;热处理对两种铜膜结合强度的影响[J];稀有金属材料与工程;2004年12期
6 陶波,王琦;化学气相沉积铜薄膜研究进展[J];真空科学与技术;2003年05期
7 王颖,朱长纯,宋忠孝,刘君华;Cu/Zr-Si-N/Si金属化系统制备及退火气氛对其热稳定性的影响[J];半导体学报;2004年12期
8 姜蕾;何国伟;宗祥福;;N离子注入方法对Ta扩散阻挡层性能的改进[J];中国集成电路;2002年11期
9 刘杨秋,梁彤祥,符晓铭,倪晓军;玻璃陶瓷基板上铜薄膜的化学气相沉积[J];清华大学学报(自然科学版);2003年06期
10 Alexander E.Braun;;IITC涵盖从等离子建模到铜封装技术[J];集成电路应用;2008年08期
11 黄蕙芬,陈国平,何学梅;康铜薄膜电阻应变传感器的制作[J];传感技术学报;1992年03期
12 吴春瑜;卢雪梅;白永生;刘一婷;张馨芳;;门极换向晶闸管(GCT)扩散阻挡层的研究[J];辽宁大学学报(自然科学版);2006年04期
13 Niranjan Kumar;Kevin Moraes;Murali Narasimhan;Prabu Gopalraja;;内存产品的金属化技术集成铜工艺[J];集成电路应用;2008年07期
14 陆华,屈新萍,王光伟,茹国平,李炳宗;超薄W-Si-N作为铜与硅之间的扩散阻挡层[J];半导体学报;2003年06期
15 陈鸣,府伟灵,俞丽丽,刘明华,邵方,陈庆海;利用自组装单分子层技术在传感器金膜表面构建DNA探针修饰电极的研究[J];中华医院感染学杂志;2004年01期
16 刘隆鉴,章壮健;透明导电氧化铟锡薄膜的特殊应用[J];物理;1996年07期
17 陈俭俞,爱斌,朱军,蔡炳初;扩散阻挡层对MIG磁头性能的影响[J];电子计算机与外部设备;1999年01期
18 龙世兵,马纪东,于广华,赵洪辰,朱逢吾,张国海,夏洋;SiO_2/Ta界面反应及其对铜扩散的影响(英文)[J];半导体学报;2002年10期
19 徐蓓蕾,屈新萍,韩永召,茹国平,李炳宗,W.Y.Cheung,S.P.Wong,PaulK.Chu;Co/a-GeSi/Ti/Si多层薄膜固相反应外延生长CoSi_2薄膜[J];固体电子学研究与进展;2003年02期
20 宋忠孝,徐可为,陈华;退火气氛与扩散阻挡层对Cu膜表面完整性的影响[J];真空科学与技术;2003年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 尚德广;柳会;徐明辉;刘小冬;;激光表面处理下铜薄膜疲劳损伤愈合的研究[A];第十五届全国疲劳与断裂学术会议摘要及论文集[C];2010年
2 王晓冬;吉元;钟涛兴;李志国;夏洋;刘丹敏;肖卫强;;ULSI铜金属化系统扩散阻挡层的研究[A];TFC'07全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2007年
3 周薇溪;;可见光在贵金属铜薄膜界面的传输现象研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
4 白宣羽;汪渊;徐可为;范多旺;;集成电路的铜互连布线及其扩散阻挡层的研究进展[A];薄膜技术学术研讨会论文集[C];2003年
5 潘英骋;薛路远;郭小玉;杨海峰;;铜表面甲基咪唑自组装单分子层的表面增强拉曼光谱及电化学研究[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年
6 王晓冬;吉元;李志国;夏洋;刘丹敏;肖卫强;;Cu互连工艺中Ta扩散阻挡层的研究[A];中国数学力学物理学高新技术交叉研究学会第十二届学术年会论文集[C];2008年
7 赵莹;谢琦;屈新萍;;基于不同扩散阻挡层的籽晶铜上电镀孪晶铜初步研究[A];2007年上海市电子电镀学术年会论文集[C];2007年
8 刘立筠;李晓娜;朱瑾;董闯;;无扩散阻挡层Cu-Ni-Sn三元薄膜[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 徐爽;郭雅芳;;纳米铜薄膜尺度效应的分子动力学研究[A];北京力学会第15届学术年会论文摘要集[C];2009年
10 徐利燕;李晓娜;孙旭;朱瑾;董闯;;二元无扩散阻挡层Cu(Ti)薄膜的制备和表征[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘鑫;自组装单分子层上化学气相沉积铜薄膜研究[D];浙江大学;2007年
2 丁少锋;铜互连新型粘附层/扩散阻挡层材料的理论和实验研究[D];复旦大学;2011年
3 严宏;基于刚性芳炔硫醚的纳米金自组装研究[D];湖南大学;2010年
4 王新建;溅射铜和铜合金薄膜的微观结构与性能[D];上海交通大学;2009年
5 孔哲;硅/二氧化硅表面自组装单分子膜的性质、制备及应用研究[D];浙江大学;2011年
6 姜蕾;集成电路Cu互连工艺中的Ta基扩散阻挡层研究[D];复旦大学;2003年
7 马盼;卟啉酞菁类化合物的设计合成与自组装纳米结构及有机半导体性质[D];山东大学;2011年
8 陈苗根;磁性与非磁性粗糙金属(Fe,Cu)薄膜研究[D];浙江大学;2008年
9 许媛媛;蛋白质修饰检测及定量新方法研究[D];南京大学;2012年
10 洪波;电沉积铜薄膜中织构与内应力的研究[D];上海交通大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 包杰琼;硅基材上铜薄膜的图案化研究[D];浙江大学;2008年
2 刘铮铮;自组装单分子膜的末端功能基团对化学气相沉积铜薄膜的影响[D];浙江大学;2007年
3 吴松;自组装单分子层改性硅基材上化学气相沉积铜薄膜及计算机模拟研究[D];浙江大学;2006年
4 顾佳方;飞秒激光作用下铜薄膜的超快动力学研究[D];江苏大学;2010年
5 赵莹;先进铜接触工艺的扩散阻挡层的研究[D];复旦大学;2010年
6 周同;铜基自组装扩散阻挡层的工艺研究[D];复旦大学;2011年
7 白秋飞;磁控溅射制备氮化铜薄膜及其掺杂研究[D];南京邮电大学;2012年
8 刘嘉聪;合金化对Cu/SiO_2薄膜体系微观结构以及电性能的影响[D];上海交通大学;2008年
9 熊志华;集流体材料铜薄膜中锂离子输运机制的第一性原理研究[D];江西师范大学;2005年
10 任韬;铜互连中的电流拥挤效应研究[D];上海交通大学;2007年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 ;LED灯及其制造方法[N];中国有色金属报;2005年
2 顾定槐 王晓岚;霍尼韦尔推出晶硅光伏电池新材料[N];中国化工报;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978