纳米Ta基阻挡层的制备及性能研究

论文摘要

随着集成电路集成度的不断提高及特征尺寸的持续减小,研发低电阻率金属导线和低介电常数介质组成的新型金属互连体系以取代传统的A1互连体系成为必然的选择。Cu由于其低的电阻率、高的抗电迁移能力及相对低廉的价格,成为替代Al互连线的首选。但Cu在硅中的快速扩散,与Si在低温下反应形成高阻的Cu-Si化合物以及与介质粘附性较差等问题,制约了它的应用。在Cu金属线表面包覆一层既能有效阻止Cu扩散又能提高Cu与Si衬底间粘附性的阻挡层是解决这一问题的关键。低电阻率、高热稳定性和化学稳定性、与Cu和Si不反应等是阻挡层应具备的基本属性。在综述了国内外对阻挡层材料的研究成果的基础上,本文采用磁控反应共溅射技术,以氮气为反应气体,氩气为工作气体,优化了Ta基薄膜的制备工艺并原位制备了相应的Cu/阻挡层/衬底结构,对样品的热稳定性、结构特性及阻挡性能进行了研究,成功制备了性能优异的三元非晶阻挡层并研究了阻挡层的失效机制。本文首先对Ta、Ta-N薄膜及其双层薄膜的溅射工艺参数、阻挡性能进行了研究,得到了优化的工艺参数。研究表明,Ta靶溅射功率高于200W时,薄膜因应力大而容易起皱脱落,Ta膜表面电阻随溅射功率增大而减小,表面粗糙度则随之增大。600℃/300s快速热处理后,Cu/Ta/Si体系表面电阻急剧增大,并出现了TaSi2及Cu3Si相,表明阻挡层已经失效,热处理后Ta晶粒的长大导致了Cu原子的快速扩散。在Ta薄膜中加入N可促进非晶/纳米晶的形成,同时也抑制了Ta-N/Si界面间的反应,提高了薄膜的热稳定性能和阻挡能力,且Ta-N的热稳定性随着N含量的增加而增加,但其表面电阻也随之增加,其对Cu的阻挡失效机制同Ta膜相似,Cu原子通过热处理后的晶界扩散导致了其阻挡能力的丧失。对Ta/Ta-N双层膜的研究表明,合适工艺条件下制备的Ta/Ta-N双层膜可综合Ta的低电阻率、与Cu膜良好的粘附性以及Ta-N膜的高热稳定性的优点,是理想的阻挡层结构。研究还发现,在Ta基阻挡层薄膜表面溅射制备的Cu膜均有较明显的{111}择优取向,这对于提高Cu导线的抗电迁移能力是有利的。在优化Ta-N制备工艺的基础上,在国内率先设计制备了三元非晶的Ta-Si-N薄膜；对不同Si靶溅射功率和N流量比制备的Ta-Si-N薄膜进行了详细研究。研究发现,Si的掺入可有效抑制Ta的氮化物结晶,随着Si含量的增加,Si-N增多,提高了薄膜的非晶化程度和表面电阻,同时,N的加入也可抑制Ta的硅化物结晶,相图分析表明薄膜由Ta-Si、Ta-N、Si-N组成,多种相和键结构之间的竞争和相互作用促使了薄膜的非晶化。薄膜的阻挡性能同薄膜的组分比有关,Si原子组分比对三元非晶Ta-Si-N薄膜的热稳定性和阻挡性能有较大影响,Si原子组分比较高时,阻挡层失效时其本身并未显著晶化,此时较多的Si原子增大了原子间隙,Cu原子主要通过薄膜中的原子间隙及缺陷扩散；Si原子组分比较小时,阻挡层的失效则发生在其晶化之后,Cu原子主要通过热处理后形成的晶界及缺陷扩散。综合分析认为,100nm厚的Ta、Si、N原子组分比约为5：3：2的Ta-Si-N阻挡层在750℃/300s热处理后仍可保持对Cu原子的有效阻挡,有望成为未来新一代集成电路理想的阻挡层材料。制备了掺Al的三元Ta-A1-N薄膜并首次将其作为Cu扩散阻挡层进行了研究。研究发现,沉积态的薄膜为非晶态,随着Al含量的增加,薄膜表面电阻显著增大,粗糙度逐步降低。薄膜中Al原子百分含量为1.7at%（Al靶溅射功率为100W）的100nm厚样品,其晶化温度很高,在800℃/300s热处理后仍可保持稳定并保持对Cu的有效阻挡,继续提高热处理温度,900℃/300s热处理后,阻挡层晶化并失效,研究表明其失效仍与阻挡层晶化后的晶界等有关；而薄膜中A1原子百分含量为5.5at%（Al靶溅射功率为150W）的样品,在较低温度热处理后,薄膜表面即出现圆形突起,而高温热处理后圆形突起被破坏并直接导致了阻挡层的失效。合理选择制备参数、严格控制薄膜中Al的含量,可获得热稳定性高,阻挡性能优良的Ta-A1-N扩散阻挡层。对Ta基阻挡层的Cu扩散阻挡机制研究表明,晶界扩散是其失效的主要原因,其扩散规律符合哈里森B类扩散动力学模型,扩散系数可根据Fisher和Whipple晶界扩散模型得到；Si的加入可促使Ta-Si-N薄膜非晶化,提高其阻挡性能,Si的含量对其阻挡性能及失效机制有较大影响；Al原子的加入同样有利于Ta-A1-N薄膜非晶化,同时由于表面A1的钝化效应而使阻挡层受到保护,提高了其热稳定性和阻挡性能,但过量的A1则易导致阻挡层热处理后形成突起并失效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 集成电路中的互连工艺
• 1.1.1 集成电路发展概述
• 1.1.2 集成电路中互连工艺的发展及挑战
• 1.2 互连工艺现状
• 1.2.1 Al互连的不足及Cu互连的优势
• 1.2.2 Cu互连工艺存在的问题
• 1.2.3 Cu/阻挡层/低K介质体系研究现状
• 1.3 扩散阻挡层
• 1.3.1 阻挡层的性能要求
• 1.3.2 扩散阻挡层的分类
• 1.3.3 阻挡层材料的制备
• 1.3.4 阻挡层薄膜的国内外最新研究进展
• 1.3.4.1 难熔金属阻挡层
• 1.3.4.2 难熔金属化合物及其复合结构
• 1.3.4.3 三元结构阻挡层
• 1.4 本论文的研究意义和目的
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 磁控反应共溅射镀膜技术及薄膜表征方法
• 2.1 溅射的一般规律
• 2.2 磁控溅射
• 2.3 TXZ500-I磁控溅射镀膜机简介
• 2.4 磁控反应共溅射薄膜制备技术
• 2.5 薄膜的热处理技术
• 2.6 薄膜表征
• 2.6.1 薄膜厚度的测量
• 2.6.2 方块电阻的测量
• 2.5.3 表面形貌的表征
• 2.6.4 成分分析
• 2.6.5 薄膜的组织结构表征
• 2.7 本章小结
• 第三章 Ta/Ta-N薄膜的制备及结构特性研究
• 3.1 Ta的基本性质
• 3.2 Ta靶溅射功率的选择
• 3.3 Ta薄膜的热稳定性
• 3.4 Ta-N薄膜的制备
• 3.4.1 N流量比对Ta-N沉积速率的影响
• 3.4.2 N流量比对Ta-N方块电阻及粗糙度的影响
• 3.5 Ta/Ta-N复合阻挡层
• 3.6 本章小结
• 第四章 Ta/Ta-N薄膜的阻挡性能及其扩散失效
• 4.1 薄膜扩散理论
• 4.1.1 多晶薄膜扩散动力学
• 4.1.2 晶界扩散的特性
• 4.1.3 晶界扩散的理论模型
• 4.2 Cu在Ta、Ta-N中的扩散分析
• 4.3 Cu/Ta/Si体系的热退火规律
• 4.4 Cu/Ta-N/Si体系的热处理
• 4.5 Cu/Ta-Ta-N/Si的热处理规律
• 4.6 Ta基阻挡层失效机制分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 Ta-Si-N阻挡层的制备及其结构特性
• 5.1 Ta-Si-N三元阻挡层的设计及制备
• 5.1.1 Ta-Si-N阻挡层的制备
• 5.1.2 Ta-Si-N薄膜的沉积速率
• 5.2 沉积态Ta-Si-N的性能研究
• 5.2.1 Ta-Si-N的组分比及表面形貌
• 5.2.2 Ta-Si-N薄膜的电学特性
• 5.2.3 Ta-Si-N的热稳定性
• 5.3 Ta-Si-N的相图
• 5.4 Ta-Si-N的阻挡性能
• 5.5 Cu在Ta-Si-N中的扩散失效机制
• 5.6 Cu/阻挡层扩散热动力学分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 掺Al对Ta-Al-N三元阻挡层的影响
• 6.1 三元阻挡层元素选择的考量及Ta-Al-N的制备
• 6.2 Ta-Al-N薄膜结构及特性
• 6.2.1 Al含量对Ta-Al-N薄膜特性的影响
• 6.2.2 Ta-Al-N的化学键组分
• 6.2.3 Ta-Al-N薄膜的热稳定性及表面形貌
• 6.2.4 Ta-Al-N薄膜的微结构及热稳定性
• 6.3 Ta-Al-N的阻挡特性
• 6.3.1 Cu/Ta-Al（100W）-N/Si的XRD实验
• 6.3.2 Cu/Ta-Al（100W）-N/Si的表面形貌
• 6.3.3 Cu/Ta-Al-N/Si体系的AES深度分析
• 6.3.4 Ta-Al-N表面的圆形突起
• 6.4 Cu/Ta-Al-N/Si体系失效机制分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果