论文题目: 等离子体浸没注入对Ta薄膜的改性及Cu/Ta-X/SiO2体系失效机理研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料物理与化学
作者: 江素华
导师: 宗祥福
关键词: 互连,扩散阻挡层,晶界扩散,等离子体浸没注入,电迁移
文献来源: 复旦大学
发表年度: 2005
论文摘要: 集成电路（IC）的发展日新月异,随着线宽缩小,集成复杂度不断提高,由互连结构所产生的RC延迟已成为制约芯片运行速度的主要因素。Cu以其电阻率低,抗电迁移能力强等优势日益取代Al互连,成为IC金属互连材料佳选。但Cu在Si基材料中的快扩散和Cu/SiO2界面粘附性差等问题都给芯片可靠性带来威胁,解决办法是在Cu连线外包一层阻挡层防止Cu的扩散并增加IMD介质界面粘附性。金属钽（Ta）的熔点高、和Cu无合金相、与SiO2之间的粘附性好,是近年来备受关注的阻挡层材料。本文对物理气相淀积在SiO2上制备的Cu（200nm）/Ta（25nm）/SiO2体系中Cu热扩散失效机理进行了研究、用等离子体浸没注入（PⅢ）N+和C+对Ta进行改性和研究,并对该系统电迁移性质进行了ANSYS模拟分析得到了以下结论: 多晶Ta的晶粒间界是Cu和O原子穿过Ta扩散入衬底的主要渠道,O是Cu加快扩散的促媒。N离子和C离子的PⅢ能填塞Ta的晶粒间界,阻断Cu和O的扩散。通过比较注入前后的Cu/Ta/SiO2体系在500℃—800℃退火后,表面形貌、元素深度分布、界面微结构和物相等方面的不同,发现经N+和C+PⅢ后的Ta对Cu的阻挡效果明显提高。在N+PⅢ中1016cm-2剂量的注入效果最佳,而注入剂量太大反而会造成结构损伤。据Krasko等人对晶界嵌入能的计算,C和N在Ta中的嵌入能低于O,因此能稳定占据晶界而排斥O,从而进一步提高阻挡效果。观察显示,C+PⅢ后的Ta出现了较为明显的非晶化,这种无定形结构也能有效阻挡Cu的扩散。 Harrison B类扩散动力学模型、Whipple解析方法和Le Claire简化公式被运用于计算Cu在Ta基阻挡层中的扩散系数和晶粒间界扩散激活能,进一步证实离子注入Ta的改性效果。这种晶粒间界扩散和晶格扩散耦合的解析模型修正了Junji,Imahori等人用晶格扩散公式来计算晶界扩散系数的不足。计算结果给出了Cu在Ta基薄膜中扩散激活能随注入剂量和注入离子种类变化的规律。 通过建立一个多层布线的模型,用ANSYS有限元模拟的方法对Cu/Ta-X/SiO2体系进行电迁移研究,比较了Ta、TaN和TaC作为阻挡层时界面的热失配应力;计算了导线中电流密度分布,发现在电流聚集效应的情况下,电迁移并非只和传统意义上的“电子风”相关,而是受到“电子风”和电流密度梯度的共同作用所产生。模拟结果与K.N.Tu提出的理论完全吻合,并能够很好解释在电流密度很小处出现电迁移失效的实验现象。 以上研究对探索钽阻挡层失效机理,铜互连工艺可靠性改进都有一定指导意义和参考价值。
论文目录:
第一章 引言
1．1 集成电路中互连工艺发展的趋势和现存问题
1．1．1 集成电路发展简述
1．1．2 互连的重要意义及其发展
1．2 铜互连工艺的优势及现存问题
1．2．1 铜互连工艺的发展
1．2．2 铜互连的优势及存在的问题
1．3 阻挡层
1．3．1 阻挡层的性能要求
1．3．2 阻挡层的分类
1．3．3 金属Ta的性质
1．3．4 阻挡层制备工艺
1．4 等离子体浸没注入工艺
1．5 本文的主要研究工作及其意义
第二章 实验原理
2．1 薄膜的制备
2．1．1 磁控溅射工艺
2．1．2 自离化等离子体物理气相淀积
2．1．3 等离子体浸没注入
2．2 样品组分结构分析方法
2．2．1 扫描电子显微镜
2．2．2 透射电子显微镜
2．2．3 聚焦离子束
2．2．4 X射线衍射
2．2．5 俄歇电子能谱
2．3 本课题的实验方案
第三章 等离子体浸没注入N~+对Ta阻挡层的影响
3．1 相关文献回顾
3．1．1 Cu／Ta系统的热稳定性
3．1．2 离子注入对阻挡层材料的改性
3．2 样品设计及制备
3．2．1 薄膜淀积
3．2．2 等离子体浸没注入
3．2．3 磁控溅射及退火
3．3 实验结果及讨论
3．3．1 样品表面形貌的观察
3．3．2 元素的深度分布分析
3．3．3 样品界面与微结构
3．4 小结
第四章 等离子体浸没注入C~+对Ta阻挡性能的影响
4．1 相关文献回顾
4．2 样品设计与制备
4．2．1 薄膜淀积
4．2．2 等离子体浸没注入
4．2．3 磁控溅射与退火
4．3 实验结果与讨论
4．3．1 样品表面形貌观察
4．3．2 Cu／Ta-C／SiO_2体系元素深度分布
4．3．3 界面与微结构观察
4．4 小结
第五章 Cu在Ta基阻挡层中的扩散动力学研究
5．1 相关文献回顾
5．1．1 Cu在Si中的快速扩散
5．1．2 Cu在Ta基阻挡层中的扩散
5．2 确定扩散系数的实验方法
5．3 多晶薄膜中的扩散动力学模型及其解析
5．3．1 晶粒间界的扩散动力学模型
5．3．2 本实验中Cu在Ta基阻挡层中适用的扩散模型
5．3．3 B类扩散模型的解析
5．3．4 扩散激活能
5．3．5 对AES测得的浓度分布数据的处理
5．4 计算结果及讨论
5．4．1 Cu在未经注入的Ta中的扩散系数及激活能
5．4．2 Cu在a剂量PⅢ N~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能
5．4．3 Cu在b剂量PⅢ N~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能
5．4．4 Cu在c剂量PⅢ N~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能
5．4．5 Cu在PⅢ C~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能
5．4．6 对实验结果的讨论
5．5 小结
第六章 O、N和C对Ta的晶粒间界稳定性的影响
6．1 非金属杂质在晶粒间界中的能量学问题
6．2 O、N、C在Ta晶粒间界中的嵌入能
6．3 O、N、C在Ta中引起的晶界弛豫
6．4 晶粒间界的稳定性
6．5 小结
第七章 Cu／Ta-X／SiO_2体系电迁移性质的ANSYS有限元分析
7．1 相关文献回顾
7．1．1 Cu电迁移激活能
7．1．2 电热效应和电流聚集效应对电迁移的影响
7．2 大电流下Cu导线的温度分布以及热失配应力研究
7．2．1 电热效应的2D解析模型
7．2．2 电热效应的有限元模型
7．2．3 有限元计算结构和解析模型计算结果的比较
7．3 电流聚集效应对电迁移的影响
7．3．1 经典电迁移驱动力理论对电迁移的影响
7．3．2 质流输运方程
7．3．3 电流密度分布和电流聚集效应
7．4 小结
第八章 结论
参考文献
附录
致谢
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发布时间: 2005-09-19
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标签：互连论文; 扩散阻挡层论文; 晶界扩散论文; 等离子体浸没注入论文; 电迁移论文;