MOCVD TiN薄膜在先进集成电路制造中应用的研究

论文摘要

在深亚微米（0.15μm及以下）集成电路制造中，后段工艺日趋重要，为降低阻容迟滞（RC Delay），保证信号传输，减小功耗，有必要对后段工艺进行改进，Via阻挡层MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相淀积）TiN是其中重要研究课题之一。 本论文基于薄膜电阻的理论分析，从厚度、杂质浓度和晶体结构三大薄膜电阻影响因素出发系统研究MOCVD TiN材料在平面薄膜上和真实结构中的各种性质，重点是等离子体处理（Plasma Treatment，PT）下的晶体生长，制备循环次数的选择对薄膜杂质浓度、晶体结构及电阻性能的影响，不同工艺薄膜在真实结构中物理形貌、晶体结构和电阻性能的表现和规律，超薄TiN薄膜（＜5nm）的实际应用等。 俄歇能谱、透射电子显微镜和方块电阻测试证明PT作用下杂质浓度降低，同时晶体生长，薄膜致密化而电阻率降低。PT具有饱和时间和深度，较厚薄膜需多循环制备以充分处理，发现薄膜厚度较小时（本实验条件下为4nm），增加循环次数虽然进一步降低了杂质浓度，但会引入界面而使薄膜电阻率增加。通过TEM观测发现由于等离子体运动的各向异性，真实结构中PT效率在侧壁远低于顶部和底部，这导致侧壁薄膜在PT后更厚。通过对真实结构电学参数的测试发现随关键尺寸不断缩小，TiN薄膜对真实结构电阻的影响越来越大，为有效减小电阻，可使每循环制备的薄膜厚度更小或增加PT时间。 发现4nm超薄TiN薄膜的离子扩散阻挡性能良好，其较小电阻、更均匀的分布可带来更好的电迁移性能。推荐在Via尺寸较小（＜0.22μm）时，选用2X25工艺以得到综合性能最优化的MOCVD TiN薄膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 集成电路制造的后段工艺
• 1.1.1 金属连线的需求
• 1.1.2 金属连线的典型工艺
• 1.2 CVD及MOCVD简介
• 1.2.1 CVD的定义和特点
• 1.2.2 一个典型的CVD过程
• 1.2.3 CVD技术的基本原理
• 1.2.4 MOCVD的特点
• 1.2.5 等离子体技术的应用
• 1.3 薄膜电导率理论
• 1.3.1 Thomson模型
• 1.3.2 F-S模型
• 1.3.3 M-S模型
• 1.3.4 对MOCVD TiN薄膜的分析
• 1.4 MOCVD TiN薄膜材料的研究现状
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 MOCVD TiN薄膜的独特性质
• 2.1 相关基础知识
• 2.1.1 前驱物和反应原理
• 2.1.2 硬件构造
• 2.1.3 基本工艺制程
• 2.2 MOCVD TiN薄膜的独特性质
• 2.2.1 薄膜的稳定性
• 2.2.2 等离子体处理的饱和效应
• 2.2.3 薄膜的均匀性
• 2.3 主要参数的影响
• 2.3.1 等离子体处理过程中的主要参数
• 2.3.2 淀积过程中的主要参数
• 2.3.3 薄膜方块电阻均匀性的变化
• 2.4 本章小结
• 第三章 电阻性能改进与微观分析
• 3.1 TiN薄膜电阻率的比较方法
• 3.2 平面薄膜电阻率的比较和改进
• 3.2.1 基本参数的调整
• 3.2.2 循环次数的调整
• 3.3 薄膜成分和微结构分析
• 3.3.1 薄膜的杂质元素浓度分布
• 3.3.2 多次循环样品的界面
• 3.3.3 PT作用下的晶体生长
• 3.4 MOCVD TiN薄膜生长模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 薄膜在真实结构中的性质
• 4.1 均匀性能的分析和比较
• 4.2 阶梯覆盖能力
• 4.3 薄膜的微结构
• 4.3.1 顶部与侧壁薄膜结构的比较
• 4.3.2 底部与顶部、侧壁薄膜结构的比较
• 4.4 电学性能研究
• 4.4.1 Via Chain和Kelvin Via的结构
• 4.4.2 基于Via Chain结构数据的分析
• 4.4.3 基于Kelvin Via结构数据的分析
• 4.4.4 一些重要工艺参数对真实结构电阻的影响
• 4.4.5 电阻模型的建立
• 4.4.6 基于电学性能的工艺选择
• 4.5 本章小结
• 第五章 可靠性与工艺优选
• 5.1 实际应用的要求
• 5.2 阻挡层性能
• 5.3 TiN工艺对电迁移的影响
• 5.3.1 电迁移介绍
• 5.3.2 Via电阻对电迁移性能的影响
• 5.3.3 TiN工艺对电迁移性能的影响
• 5.4 生产效率
• 5.5 主要工艺的综合比较与选择
• 5.6 工艺整合中其它影响Via电阻的因素
• 5.5 本章小节
• 第六章 总结
• 参考文献
• 附录A1 CVD在集成电路制造工艺中的应用
• A1.1 半导体
• A1.2 绝缘体
• A1.3 金属导体
• 附录A2 MOCVD TiN在铜工艺中的应用
• 附录A3
• 攻读博士期间发表的论文目录
• 致谢
• 个人简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明