集成電路銅互連中硅碳氮介質(zhì)阻擋層的制備與特性研究.pdf

1、隨著集成電路技術(shù)不斷發(fā)展，互連RC（R為電阻，C是介質(zhì)電容）延遲卻逐步增大。從130nm技術(shù)階段開(kāi)始，其已成為影響電路速度的主要矛盾。為提高互連性能，采用新的低電阻率金屬互連材料（Cu）和低介電常數(shù)互連介質(zhì)材料的銅互連技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。Si3N4常被用作大馬士革工藝中的電介質(zhì)阻擋層，在其成型過(guò)程中也被用作刻蝕停止層，同時(shí)也是其下方銅導(dǎo)線的覆蓋層，器件的穩(wěn)定性受其影響較大，而Si3N4是一種高介電常數(shù)（k=7～8）介質(zhì)，會(huì)增加互連系統(tǒng)的有效介

2、電常數(shù)，影響互連延遲的降低。于是新型三元材料SiCN（k=4～5）作為銅互連大馬士革工藝中的電介質(zhì)擴(kuò)散阻擋層的應(yīng)用受到了人們的廣泛關(guān)注。 在綜合分析比較了各類阻擋層制備方法、性能特征的基礎(chǔ)上，本文采用磁控濺射法在n型Si（111）襯底上制備出了SiCN薄膜和Cu/SiCN/Si納米薄膜，并對(duì)薄膜樣品進(jìn)行了快速熱退火（RTA）。用四探針電阻測(cè)試儀（FPP）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、EDS能

3、譜、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等測(cè)試分析方法對(duì)各樣品的方塊電阻、表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分、化學(xué)鍵等特性進(jìn)行了表征分析。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，射頻磁控反應(yīng)濺射方法可以制備出表面光滑致密的無(wú)定形非晶SiCN薄膜。對(duì)其化學(xué)成分分析表明所得薄膜為富Si的SiCN薄膜，樣品中存在Si-N、Si-C、C-N、C-N、C-Si-N鍵，說(shuō)明SiCN薄膜不是二元薄膜的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是形成了復(fù)雜的無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。樣品中有少量的C團(tuán)簇成分，并含有微小的Si

4、顆粒。SiCN薄膜具有非常優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其晶化溫度在1200℃左右。通過(guò)C-V特性曲線的分析，所得SiCN非晶薄膜的相對(duì)介電常數(shù)為4.22，略小于晶體SiCN的相對(duì)介電常數(shù)5。 SiCN薄膜作為Cu的介質(zhì)阻擋層有很好的阻擋效果，其失效溫度在600℃左右。Cu/SiCN/Si薄膜體系的界面穩(wěn)定性好，Cu膜與SiCN薄膜之間附著性良好。對(duì)Cu/SiCN/Si結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn)其主要失效機(jī)制為：Cu通過(guò)非晶層的結(jié)構(gòu)缺陷向內(nèi)部擴(kuò)