納米Ta基阻擋層的制備及性能研究.pdf

1、隨著集成電路集成度的不斷提高及特征尺寸的持續(xù)減小，研發(fā)低電阻率金屬導(dǎo)線和低介電常數(shù)介質(zhì)組成的新型金屬互連體系以取代傳統(tǒng)的Al互連體系成為必然的選擇。Cu由于其低的電阻率、高的抗電遷移能力及相對(duì)低廉的價(jià)格，成為替代Al互連線的首選。但Cu在硅中的快速擴(kuò)散，與Si在低溫下反應(yīng)形成高阻的Cu-Si化合物以及與介質(zhì)粘附性較差等問題，制約了它的應(yīng)用。在Cu金屬線表面包覆一層既能有效阻止Cu擴(kuò)散又能提高Cu與Si襯底間粘附性的阻擋層是解決這一問題的

2、關(guān)鍵。低電阻率、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、與Cu和Si不反應(yīng)等是阻擋層應(yīng)具備的基本屬性。
　　 在綜述了國內(nèi)外對(duì)阻擋層材料的研究成果的基礎(chǔ)上，本文采用磁控反應(yīng)共濺射技術(shù)，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，氬氣為工作氣體，優(yōu)化了Ta基薄膜的制備工藝并原位制備了相應(yīng)的Cu/阻擋層/襯底結(jié)構(gòu)，對(duì)樣品的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)特性及阻擋性能進(jìn)行了研究，成功制備了性能優(yōu)異的三元非晶阻擋層并研究了阻擋層的失效機(jī)制。
　　 本文首先對(duì)Ta、Ta-N薄膜及其雙層薄

3、膜的濺射工藝參數(shù)、阻擋性能進(jìn)行了研究，得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)。研究表明，Ta靶濺射功率高于200W時(shí)，薄膜因應(yīng)力大而容易起皺脫落，Ta膜表面電阻隨濺射功率增大而減小，表面粗糙度則隨之增大。600℃/300s快速熱處理后，Cu/Ta/Si體系表面電阻急劇增大，并出現(xiàn)了TaSi2及Cu3Si相，表明阻擋層已經(jīng)失效，熱處理后Ta晶粒的長大導(dǎo)致了Cu原子的快速擴(kuò)散。在Ta薄膜中加入N可促進(jìn)非晶/納米晶的形成，同時(shí)也抑制了Ta-N/Si界面間的反應(yīng)

4、，提高了薄膜的熱穩(wěn)定性能和阻擋能力，且Ta-N的熱穩(wěn)定性隨著N含量的增加而增加，但其表面電阻也隨之增加，其對(duì)Cu的阻擋失效機(jī)制同Ta膜相似，Cu原子通過熱處理后的晶界擴(kuò)散導(dǎo)致了其阻擋能力的喪失。對(duì)Ta/Ta-N雙層膜的研究表明，合適工藝條件下制備的Ta/Ta-N雙層膜可綜合Ta的低電阻率、與Cu膜良好的粘附性以及Ta-N膜的高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，是理想的阻擋層結(jié)構(gòu)。研究還發(fā)現(xiàn)，在Ta基阻擋層薄膜表面濺射制備的Cu膜均有較明顯的{111}擇優(yōu)

5、取向，這對(duì)于提高Cu導(dǎo)線的抗電遷移能力是有利的。
　　 在優(yōu)化Ta-N制備工藝的基礎(chǔ)上，在國內(nèi)率先設(shè)計(jì)制備了三元非晶的Ta-Si-N薄膜；對(duì)不同Si靶濺射功率和N流量比制備的Ta-Si-N薄膜進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究發(fā)現(xiàn)，Si的摻入可有效抑制Ta的氮化物結(jié)晶，隨著Si含量的增加，Si-N增多，提高了薄膜的非晶化程度和表面電阻，同時(shí)，N的加入也可抑制Ta的硅化物結(jié)晶，相圖分析表明薄膜由Ta-Si、Ta-N、Si-N組成，多種相和鍵結(jié)構(gòu)

6、之間的競爭和相互作用促使了薄膜的非晶化。薄膜的阻擋性能同薄膜的組分比有關(guān)，Si原子組分比對(duì)三元非晶Ta-Si-N薄膜的熱穩(wěn)定性和阻擋性能有較大影響，Si原子組分比較高時(shí)，阻擋層失效時(shí)其本身并未顯著晶化，此時(shí)較多的Si原子增大了原子間隙，Cu原子主要通過薄膜中的原子間隙及缺陷擴(kuò)散；Si原子組分比較小時(shí)，阻擋層的失效則發(fā)生在其晶化之后，Cu原子主要通過熱處理后形成的晶界及缺陷擴(kuò)散。綜合分析認(rèn)為，100nm厚的Ta、Si、N原子組分比約為5:

7、3:2的Ta-Si-N阻擋層在750℃/300s熱處理后仍可保持對(duì)Cu原子的有效阻擋，有望成為未來新一代集成電路理想的阻擋層材料。
　　 制備了摻Al的三元Ta-Al-N薄膜并首次將其作為Cu擴(kuò)散阻擋層進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)的薄膜為非晶態(tài)，隨著Al含量的增加，薄膜表面電阻顯著增大，粗糙度逐步降低。薄膜中Al原子百分含量為1.7at％(Al靶濺射功率為100W)的100nm厚樣品，其晶化溫度很高，在800℃/300s熱處理后

8、仍可保持穩(wěn)定并保持對(duì)Cu的有效阻擋，繼續(xù)提高熱處理溫度，900℃/300s熱處理后，阻擋層晶化并失效，研究表明其失效仍與阻擋層晶化后的晶界等有關(guān)；而薄膜中Al原子百分含量為5.5at％(Al靶濺射功率為150W)的樣品，在較低溫度熱處理后，薄膜表面即出現(xiàn)圓形突起，而高溫?zé)崽幚砗髨A形突起被破壞并直接導(dǎo)致了阻擋層的失效。合理選擇制備參數(shù)、嚴(yán)格控制薄膜中Al的含量，可獲得熱穩(wěn)定性高，阻擋性能優(yōu)良的Ta-Al-N擴(kuò)散阻擋層。
　　 對(duì)T

9、a基阻擋層的Cu擴(kuò)散阻擋機(jī)制研究表明，晶界擴(kuò)散是其失效的主要原因，其擴(kuò)散規(guī)律符合哈里森B類擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型，擴(kuò)散系數(shù)可根據(jù)Fisher和Whipple晶界擴(kuò)散模型得到；Si的加入可促使Ta-Si-N薄膜非晶化，提高其阻擋性能，Si的含量對(duì)其阻擋性能及失效機(jī)制有較大影響；Al原子的加入同樣有利于Ta-Al-N薄膜非晶化，同時(shí)由于表面Al的鈍化效應(yīng)而使阻擋層受到保護(hù)，提高了其熱穩(wěn)定性和阻擋性能，但過量的Al則易導(dǎo)致阻擋層熱處理后形成突起并失效