無籽晶銅互連擴散阻擋層研究.pdf

1、當(dāng)工藝特征尺寸減小到45nm或以下，溝槽和通孔高寬比大幅度增加，目前半導(dǎo)體工業(yè)界采用物理氣相淀積的Cu籽晶層/鉭(Ta)/氮化鉭(TaN)三層互連結(jié)構(gòu)的臺階覆蓋性將變得較差，可能會導(dǎo)致溝槽和通孔產(chǎn)生空洞。因此采用無籽晶銅互連工藝，即銅能直接電鍍在擴散阻擋層上的工藝，這樣可以簡化工藝步驟，并且可以減輕由于臺階覆蓋特性不好的擴散阻擋層和銅籽晶層所帶來的各種問題。無籽晶銅互連工藝引起了半導(dǎo)體工業(yè)界很大的興趣。本論文針對這種無籽晶層工藝的需求，

2、研究了新型擴散阻擋層-Ru/Ta基阻擋層雙層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外系統(tǒng)研究還比較少，因此本工作具有科學(xué)研究價值和實際應(yīng)用價值。 首先通過薄層電阻測試，XRD，AES和TEM等分析手段，研究Ru、Ru/Ta和Ru/TaN結(jié)構(gòu)在襯底Si上的熱學(xué)穩(wěn)定性。多種結(jié)果表明，在Ru、Ru/Ta和Ru/TaN這三種結(jié)構(gòu)中，Ru結(jié)構(gòu)的熱學(xué)穩(wěn)定性比較差，經(jīng)600~C退火后，Ru和Si發(fā)生反應(yīng)生成了Ru的硅化物；對于Ru/Ta/Si結(jié)構(gòu)，Ta的氧化物

3、的形成使得薄層電阻小幅上升，但沒有Ru的氧化物或硅化物生成：Ru/TaN結(jié)構(gòu)的熱學(xué)穩(wěn)定性最好，即使經(jīng)過800℃退火，薄膜結(jié)構(gòu)仍比較穩(wěn)定。 然后研究了Cu/Ru/Si、Cu/Ru/Ta/Si和Cu/Ru/TaN/Si結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性。多種測試結(jié)果表明，Cu/RL,/si結(jié)構(gòu)經(jīng)過450℃，30分鐘退火后，出現(xiàn)了Ru和Cu的硅化物，擴散阻擋層失效。Cu/RtJ/Ta/Si結(jié)構(gòu)經(jīng)過475℃，30分鐘退火后，出現(xiàn)了Ta和Cu的硅化物；Cu/

4、Ru/TaN/Si結(jié)構(gòu)經(jīng)過500℃，30分鐘退火后，出現(xiàn)了Cu的硅化物。Cu/Ru/TaN/SiO<,2>MOS結(jié)構(gòu)的電學(xué)測試表明，經(jīng)過500℃退火，樣品結(jié)構(gòu)仍比較穩(wěn)定。 利用XPS手段研究了Ru/TaN雙層結(jié)構(gòu)作為銅的擴散阻擋層在低k介質(zhì)上的反應(yīng)特性。經(jīng)過300℃退火的樣品，Ru層中主要為金屬狀態(tài)的Ru；經(jīng)過400℃退火的樣品，Ru層中0的含量有所上升；深度XPS分析表明，Cu/Ru/TaN/low-k結(jié)構(gòu)經(jīng)過300℃長時間退

5、火后，仍比較穩(wěn)定，但經(jīng)過400℃長時間退火后，Cu有所擴散到擴散阻擋層和低k介質(zhì)中。電學(xué)測試表明經(jīng)400℃長時間退火后的Cu/Ru/TaN/low-k的MOS結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，經(jīng)500~C長時間退火后的則完全失效。 最后探討了在Ru層上直接電鍍銅的可行性，電鍍包括直流電鍍和脈沖電鍍。SEM分析表明兩種電鍍都能在Ru層上得到平整連續(xù)的Cu薄膜。在Ru層上直接電鍍銅是可行的。 本文的研究結(jié)果表明，Ru/TaN擴散阻擋層是一種性能