面向45nm铜互连及铜接触工艺的超薄扩散阻挡层研究

论文摘要

当集成电路工艺特征尺寸到达45nm节点及以下时,铜互连工艺中的RC延迟因受尺寸缩小规则影响而迅速增大,并由此对半导体器件的速度及可靠性产生威胁而成为一个巨大挑战。为寻求可能的解决方案,半导体工业界已经开发出各种新工艺和新结构以抑制RC延迟的持续增大,这些方法主要分为两类:通过采用低电阻率的互连金属材料,诸如用Cu代替传统使用的Al,来降低串联电阻;及通过使用低介电常数互连介质材料,诸如用SiOC代替SiO2,来降低电容。本文主要从降低串联电阻的角度出发,集中于两个可改善RC延迟的方面进行描述。论文研究了采用原子层淀积方法（ALD）淀积金属Ru薄膜的生长过程。根据文献报道及实验中发现,采用ALD方法在各种衬底上的Ru晶粒成核非常困难。因此,对待淀积的衬底尝试了不同预处理方法,比如沿衬底表面引入水蒸汽流以引入羟基,将衬底在AuCl2稀释溶液中浸蘸以通过Au2+进行表面活化,在衬底上用PVD方法预淀积超薄Ru籽晶层以降低Ru晶粒的成核势垒,以及使衬底表面经受低能量Ar+的轰击以改善表面化学状态等,通过不同方式改善先体吸附的表面化学状况从而提高晶粒密度。实验结果表明,低能Ar+轰击是最有效的,经断面电子透射显微镜（XTEM）及其他表征手段证实,经Ar+轰击预处理及400个ALD生长循环后,在TaN衬底上获得了连续而均匀的Ru膜。采用ALD方法可将具有良好导电性、可直接电镀的Ru层与当前使用的、优秀的扩散阻挡层兼粘合层TaN层相结合,将为无籽晶Cu互连工艺铺平道路。论文研究了在NiSi衬底上采用Cu接触的工艺及扩散阻挡层研究。研究了Ta/TaN及Ru/TaN作为扩散阻挡层的Cu/NiSi接触性能,采用四探针方法（FPP）,X射线衍射（XRD）,俄歇电子能谱（AES）,深度X射线光电能谱（XPS）,扫描电子显微镜（SEM）,及透射电子显微镜（TEM）技术研究了样品的结构特性及热稳定性。引入了较为灵敏的肖特基势垒特性测试,结合肖特基势垒高度拟和和反向漏电流测试来观察Cu经过扩散阻挡层、NiSi后对界面特性的影响。利用Ru/TaN作为铜接触的扩散阻挡层,目前还没有文献报道。实验结果表明,用PVD方法制备的Ta/TaN和Ru/TaN阻挡层体系分别在经历长达半小时的450℃和400℃高温热处理时表现出良好的扩散阻挡特性。通过选取合适的扩散阻挡层体系,Cu在NiSi源/漏衬底上的直接接触将可作为一种备选的工艺结构,从而有望取代钨塞工艺,实现极具潜力的“无塞”工艺。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• §1.1 引言
• §1.1.1 Cu互连工艺概况及展望
• §1.1.2 Cu互连工艺中阻挡层的应用
• §1.2 原子层淀积方法（ALD）生长金属Ru
• §1.2.1 Ru的应用及不同生长方法
• §1.2.2 ALD的自限制生长
• §1.2.3 ALD生长Ru的研究现况
• §1.3 Cu/NiSi接触工艺
• §1.3.1 采用Cu/NiSi接触的无塞工艺及其优点
• §1.4 本论文的内容安排
• 第二章 薄膜样品制备及测试表征手段
• §2.1 硅片清洗
• §2.2 实验设备
• §2.3 薄膜制备流程
• §2.3 材料表征手段
• §2.3.1 X射线衍射（XRD）
• §2.3.2 X射线光电能谱（XPS）
• §2.3.3 俄歇电子能谱（AES）
• §2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）
• §2.3.5 透射电子显微镜（TEM）
• §2.3.6 电学测试（FPP/Ⅰ-Ⅴ）
• §2.3.7 深能级瞬态谱（DLTS）
• 第三章 ALD方法制备金属Ru薄膜研究
• §3.1 引言
• §3.2 ALD工艺窗口的确定
• §3.3 各种预处理对ALD生长Ru薄膜的改善情况
• 2衬底的通水汽/丙酮/AuCl₂等预处理'>§3.3.1 对Si衬底及SiO₂衬底的通水汽/丙酮/AuCl₂等预处理
• §3.3.2 对TaN衬底的PVD超薄Ru预淀积处理
• +轰击预处理'>§3.3.3 对TaN衬底的Ar⁺轰击预处理
• §3.4 各种预处理对ALD方法生长Ru薄膜成核情况的改善原因探讨
• §3.5 ALD方法生长的Ru薄膜的特性研究
• §3.6 小结与应用展望
• 第四章 Cu/NiSi接触的扩散阻挡层及其性能研究
• §4.1 引言
• §4.2 实验过程
• §4.3 Cu/Si体系及Cu/NiSi/Si体系的反应特性研究
• §4.4 Ta/TaN复合扩散阻挡层体系
• §4.4.1 NiSi表面未经HF预处理的Cu/Ta/TaN/NiSi/Si体系
• §4.4.2 NiSi经HF表面预处理后的Cu/Ta/TaN/NiSi/Si体系
• §4.5 Ru/TaN复合扩散阻挡层体系
• §4.5.1 NiSi表面未经HF预处理的Cu/Ru/TaN/NiSi/Si体系
• §4.5.2 NiSi经HF表面预处理后的Cu/Ru/TaN/NiSi/Si体系
• §4.6 Ta/TaN体系与Ru/TaN体系的比较
• §4.7 DLTS测试
• §4.8 小结与应用展望
• 第五章 全文总结
• §5.1 全文主要结论
• §5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的相关论文