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集成电路铜互连工艺中先进扩散阻挡层的研究

2020-11-28阅读(880)

集成电路铜互连工艺中先进扩散阻挡层的研究

论文摘要

随着集成电路器件尺寸的持续缩小,互连延迟越来越成为制约集成电路发展的瓶颈问题。在32nm及以下技术节点,互连工艺中磁控溅射制备的Ta/TaN双层结构扩散阻挡层和铜籽晶层由于台阶覆盖特性不好将带来各种问题。为了降低互连线的电阻,必须在保证器件性能的同时,减小扩散阻挡层和籽晶层的厚度,而且两者必须在高深宽比结构中有非常好的台阶覆盖特性,因此迫切需要研究新型扩散阻挡层/黏附层材料和新型互连工艺,这是半导体发展路线图中提出的一个非常重要的挑战。采用新型扩散阻挡层/黏附层材料和新型淀积工艺有许多问题需要研究,包括新型扩散阻挡层和铜以及低介电常数介质之间的界面反应、新型原子层淀积（Atomic Layer Deposition,ALD）的工艺、ALD薄膜生长机理、表面化学、材料的物理性能和电学性能之间的关系等。对这些问题的研究不仅有科学价值,对未来的阻挡层发展方向提出的一些解决方案也有应用价值。基于以上问题本文围绕Cu互连扩散阻挡层“新材料”和“新工艺”两个主题,分成三个部分加以阐述:1:新型阻挡层材料W碳化物的研究实验比较了相同厚度的Ta/TaN双层结构和Ta或TaN单层结构扩散阻挡层性能,分析了Ta/TaN双层结构优越稳定性的原因,提出了Ta/TaN双层薄膜的微结构演变过程以及其阻挡层的失效机理。用共溅射方法制备了各种不同W/C比例的WxCy薄膜,比较了不同WxCy薄膜阻挡层的稳定性,利用在线激光散射（In-situ LLS）测试比较了Cu在各种WxCy薄膜上的团聚行为,利用Kissinger方程提取了Cu的团聚激活能（Ea）。研究了W碳化物扩散阻挡层对物理气相淀积Cu薄膜（厚度为100nm）形成孪晶的影响。实验表明在WC扩散阻挡层上无论是刚淀积的还是退火后的Cu薄膜都能形成纳米尺度孪晶,而在W阻挡层上没有类似现象。研究发现Cu在WC阻挡层上的界面能比在W阻挡层上的高很多,而界面能对于形成Cu孪晶非常关键。从动力学角度考虑界面上整个铜晶粒的扩散和旋转并提出Cu孪晶的形成机理。结合应力测试研究了Cu薄膜孪晶和团聚行为的联系,孪晶形成造成的应力梯度影响了空位的浓度分布和扩散行为,使得在退火过程中产生空洞。2:原子层淀积新工艺方法制备研究超薄TiO2和TaN扩散阻挡层研究了用两种金属有机物先体TDMAT、Ti isopropoxide和三种反应源（H2O气,H2O等离子体以及O2等离子体）制备超薄TiO2薄膜。用密度函数理论（DFT）计算了原子反应过程,研究了先体脱附行为对TiO2ALD生长模式及工艺窗口的影响。测试了不同工艺条件生长的TiO2薄膜的结晶情况,分析了超薄TiO2薄膜中C杂质含量对薄膜结晶的影响。研究了用PDMAT金属有机物先体和两种反应源（NH3和N2等离子体）制备TaN薄膜,比较不同反应源对ALD生长模式的影响。比较了不同工艺条件对ALD生长的TaN阻挡层稳定性的影响,证实低反应气体气压和长时间等离子体曝露可以优化淀积工艺。3.铜互连中新型籽晶层/黏附层的研究研究了物理气相淀积制备的Ru单层,Ru/TaN、Ru/WCN、Ru/TaCN双层结构扩散阻挡层性质,发现在Ru膜上的Cu薄膜在一定退火温度区间有氧化增强现象。发现Ru/TaCN比Ru/TaN双层结构具有更好的稳定性。研究了用等体子体增强原子层淀积方法制备Ru薄膜,使用的金属有机物先体是Ru（EtCp）2,反应物为NH3等离子体。研究了Ru分别在Si,TiN/Si和TaN/Si三种衬底上的ALD生长模式和薄膜性质。研究了受氧化的TaN衬底对Ru ALD生长的抑制影响。测试了ALD生长的Ru,Ru/TiN以及Ru/TaN等阻挡层的稳定性。初步研究了ALD Ru（7nm）/ALD TaN（5nm）双层结构在低k材料（k=2.5）上的性质。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 引言
  • §1.2 CU互连扩散阻挡层材料研究现状
  • §1.3 CU互连扩散阻挡层淀积工艺
  • §1.4 无籽晶CU扩散阻挡层工艺
  • §1.5 扩散阻挡层上制备孪晶CU
  • §1.6 本论文研究内容
  • 第二章 实验设备及原理
  • §2.1 样品制备设备
  • §2.1.1 磁控溅射系统:诺发200毫米Concept Two INOVA
  • §2.1.2 磁控溅射系统:BALZER（双靶共溅射）
  • §2.1.3 等离子体增强原子层淀积（PEALD）设备
  • §2.2 样品测试手段
  • §2.2.1 在线X射线衍射测试（In-situ XRD）
  • §2.2.2 在线激光散射（In-situ Laser Light Scattering）,在线薄层电阻（In-situ sheet Resistance）和在线应力（In-situ Stress）测试
  • 第三章 TA基及W碳化物扩散阻挡层材料研究
  • §3.1 TA基扩散阻挡层研究
  • §3.1.1 样品设计及制备
  • §3.1.2 Ta,TaN及Ta/TaN双层薄膜热稳定性的比较
  • §3.1.3 Ta/TaN双层结构退火后的微观结构变化研究
  • §3.1.4 TaN结晶温度和厚度的关系
  • §2.1.5 Ta/TaN双层结构的优势和可延展性讨论
  • §3.1.6 小结
  • §3.2 新型W碳化物扩散阻挡层研究
  • §3.2.1 W碳化物扩散阻挡层稳定性研究
  • §3.2.1.1 样品设计与制备
  • §3.2.1.2 Cu/WC阻挡层/Si的结构稳定性研究
  • §3.2.1.3 Cu在WC/Si上的形貌稳定性研究
  • §3.2.1.4 小结
  • §3.2.2 Cu/W碳化物界面能对铜薄膜团聚和形成挛晶的影响
  • §3.2.2.1 样品设计及制备
  • §3.2.2.2 Cu薄膜团聚及孪晶形成
  • §3.2.2.3 孪晶形成机理分析
  • §3.2.2.4 孪晶形成与空洞形成的联系
  • §3.2.2.5 小结
  • §3.3 本章总结
  • 2及TAN扩散阻挡层及表面反应机理研究'>第四章 原子层淀积超薄TIO2及TAN扩散阻挡层及表面反应机理研究
  • 2薄膜'>§4.1 原子层淀积技术（ALD）制备TIO2薄膜
  • 2'>§4.1.1 热生长ALD方式制备TiO2
  • §4.1.1.1 样品设计及制备
  • 2O为先体ALD热生长TiO2'>§4.1.1.2 用TTIP和H2O为先体ALD热生长TiO2
  • 2O作为先体ALD热生长TiO2薄膜'>§4.1.1.3 用TDMAT和H2O作为先体ALD热生长TiO2薄膜
  • 2的反应机理研究'>§4.1.1.4 原子层淀积生长TiO2的反应机理研究
  • §4.1.1.5 小结
  • 2薄膜'>§4.1.2 等离子体增强原子层淀积（PEALD）方式制备TiO2薄膜
  • §4.1.2.1 样品设计及制备
  • §4.1.2.2 PEALD生长行为
  • 2薄膜的结晶行为和组分、生长温度的关系'>§4.1.2.3 原子层淀积TiO2薄膜的结晶行为和组分、生长温度的关系
  • 2薄膜的扩散阻挡层性能'>§4.1.2.4 超薄ALD TiO2薄膜的扩散阻挡层性能
  • §4.1.2.5 小结
  • §4.2 等离子体增强原子层淀积技术制备超薄TAN薄膜
  • §4.2.1 样品设计及制备
  • §4.2.2 PEALD TaN生长行为
  • §4.2.3 超薄ALD TaN薄膜的扩散阻挡层性能
  • §4.2.4 小结
  • §4.3 本章总结
  • 第五章 铜互连中新型籽晶层/黏附层的研究
  • §5.1 物理气相淀积（PVD）制备RU薄膜
  • §5.1.1 Ru单层结构
  • §5.1.2 Ru/TaN双层结构最佳厚度比研究
  • §5.1.3 Ru/WCN双层结构
  • §5.1.4 Ru/TaCN双层结构
  • §5.1.5 Ru薄膜上Cu氧化增强效应研究
  • §5.2 等离子体增强原子层淀积（PEALD）制备RU薄膜
  • §5.2.1 Ru在Si衬底上的ALD生长
  • §5.2.2 ALD Ru在ALD TiN上的生长及Ru/TiN扩散阻挡性能
  • §5.2.3 PEALD生长Ru/TaN双层结构的研究
  • §5.3 本章总结
  • 第六章 总结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表论文目录

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