溅射铜和铜合金薄膜的微观结构与性能 ——铜互连技术的基础研究

论文摘要

随着集成电路制造工艺的发展,铜由于具有低的电阻率和较高的抗电迁移能力而逐渐取代了铝作为互连线材料。当互连线特征尺寸减小到0.5μm以下,相比于互连线材料本身的固有性能,互连线的微观结构对互连线的性能以及可靠性的影响越来越大。合金化作为一种常用的控制薄膜结构,改善薄膜性能的方法引起了越来越多的人的注意。铜合金薄膜的基础研究对预测和改善铜互连线特性,提高未来高性能硅基集成电路可靠性具有指导意义。本研究自制嵌镶组合铜合金靶材,优化制备参数,采用磁控溅射法在不同基底上制备Cu（Cr）和Cu（Zr）合金薄膜,研究Cr、Zr合金掺杂对溅射Cu薄膜微观组织结构及性能的影响。这些研究不仅为Cu（Cr）和Cu（Zr）合金薄膜在微电子领域的应用提供新的支持,而且对设计和开发适合电子材料用的高强度高导电铜合金薄膜具有指导意义。结合磁控溅射仪特点,自制Cu1-xMx（M=Cr, Zr）嵌镶组合靶材。通过溅射法分别制备不同合金含量的Cu1-xMx（M=Cr, Zr, x<0.05,原子百分比）薄膜。合金薄膜纯度高,成分可控;且制备工艺简单,能够随时调节合金含量,为不互溶铜合金薄膜的制备提供了一种设计思路。改变溅射气压P和靶材与基底之间的距离（镀距）D,研究了溅射参数P、D,合金掺杂以及退火温度对溅射铜薄膜织构的影响。铜薄膜（111）织构随溅射气压P和镀距D的增加先升高而后下降。在溅射气压为0.5 Pa,镀距为200 mm时,溅射铜薄膜具有最强的（111）织构,且晶粒细小,薄膜致密度和平整度高。硅基底铜薄膜最终的生长织构不仅与薄膜表面能（界面能）有关,而且与体系的应变能有关。Cr、Zr合金掺杂显著提高硅基底溅射铜薄膜的（111）织构,并且在一定范围内合金薄膜的（111）织构随退火温度的升高而升高。合金薄膜（111）织构的增强与薄膜晶粒的细化、界面能增大有关,同时它们也涉及到内应力的变化。系统研究退火过程中Cu（2.6 at.%Cr）合金薄膜的微观组织结构演变。Cu（Cr）薄膜中晶粒的明显长大发生在450℃左右,薄膜晶粒尺寸呈现双峰分布。退火后合金薄膜内并没有明显的Cr相析出,Cu（2.6 at.%Cr）薄膜的双峰晶粒尺寸分布与Cu晶粒的择优生长有关。薄膜横截面透射电镜结果表明,退火后的纯Cu薄膜呈现粗大的竹节状晶粒结构,薄膜在膜/基界面处发生明显的晶界沟槽化。相比之下,退火态Cu（2.6 at.%Cr）合金薄膜晶粒为细小柱状晶,薄膜结构符合典型的PVD薄膜结构区域模型（Structural Zone Model）。Cr掺杂显著阻碍了薄膜的晶粒长大,有效抑制了退火Cu薄膜的晶界沟槽化。相比于纯Cu薄膜,Cu（Cr）合金薄膜中{111}孪晶界密度显著增加,孪晶宽度和孪晶片间距明显减小,平均的孪晶片间距约为6 nm。统计结果表明Cu（Cr）合金薄膜的孪晶界密度约为18.6×108 m2/m3,是纯Cu薄膜的20倍。Cu（Cr）薄膜中高密度纳米孪晶的形成与薄膜内应力的增加以及薄膜<111>取向晶粒的择优生长有关。退火后Cu（2.6 at.%Cr）合金薄膜的硬度和弹性模量远高于纯Cu薄膜,而退火电阻率与纯Cu薄膜接近。考察磁控溅射硅基底Cu、Cu（Cr）以及Cu（Zr）合金薄膜在退火过程中的形貌以及微观组织结构演变后可知,500℃退火时,Cu膜在硅基底上发生团聚,薄膜与基底之间发生明显的扩散和反应。Cr掺杂细化了退火铜薄膜的晶粒,抑制了薄膜的晶界团聚,提高了硅基底Cu薄膜的热稳定性。相反,Zr掺杂加速了铜薄膜与硅基底的扩散与反应,降低了硅基底铜薄膜的热稳定性。Cu（Zr）薄膜低的热稳定性与Zr掺杂对硅基底表面的“净化效应”有关。Cu（Cr）薄膜的退火电阻率与纯Cu膜相近。而Cu（Zr）薄膜由于界面铜硅化合物的形成,电阻率急剧上升。与Si基底相反,SiO2基底上的Cu（Zr）薄膜退火时,Zr向薄膜/基底界面偏聚,形成有效的富Zr界面阻挡层,阻碍了薄膜与基底间的扩散,提高了薄膜的热稳定性。界面阻挡层的形成与二元铜合金体系中掺杂元素的种类和含量有着密切的关系。Cr合金掺杂显著提高Cu导线的抗电迁移性能。相同条件下,Cu（Cr）导线的电迁移寿命是Cu导线的10-100倍。Cu（Cr）合金导线的抗电迁移性能的提高与退火后合金元素在薄膜表面（界面）的富集、薄膜晶粒{111}纳米孪晶界密度的增加以及（111）织构的增强有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 集成电路中金属互连线的发展及其特点
• 1.2.1 铝互连线的发展及特点
• 1.2.2 互连线材料的选取和铜互连的提出
• 1.3 铜互连技术的应用
• 1.3.1 铜互连技术发展中的关键问题
• 1.3.2 铜互连工艺以及扩散阻挡层的应用概述
• 1.4 薄膜沉积技术在集成电路中的应用
• 1.4.1 磁控溅射方法及原理
• 1.4.2 溅射膜层的结构
• 1.5 溅射铜薄膜微观结构和性能
• 1.5.1 铜互连膜的晶粒结构及织构
• 1.5.2 铜薄膜中孪晶结构及其与薄膜力学性能的关系
• 1.5.3 铜薄膜的性能表征
• 1.6 合金掺杂溅射铜薄膜的研究现状
• 1.6.1 合金化思想的提出
• 1.6.2 合金掺杂对铜电阻率的影响
• 1.6.3 合金掺杂对铜薄膜微观结构和热稳定性的影响
• 1.7 选题的背景
• 1.7.1 铜合金化元素的选取
• 1.7.2 铜合金薄膜中有待研究的问题
• 1.8 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 制备工艺及合金掺杂对溅射铜薄膜织构的影响
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 溅射靶材制备
• 2.2.2 基底处理
• 2.2.3 薄膜制备
• 2.2.4 薄膜的检测
• 2.3 嵌镶组合靶磁控溅射合金薄膜的可控性
• 2.4 制备参数对磁控溅射铜薄膜织构的影响
• 2.5 溅射沉积薄膜织构的形成
• 2.5.1 应变能对薄膜生长织构的影响
• 2.5.2 合金掺杂对溅射铜薄膜织构的影响
• 本章小结
• 参考文献
• 第三章 合金掺杂对溅射铜薄膜微观结构的影响及其与孪晶形成的内在关系
• 3.1 引言
• 3.2 实验设备和方法
• 3.2.1 薄膜制备和退火处理
• 3.2.2 薄膜电阻率的测试
• 3.2.3 薄膜的形貌以及结构分析
• 3.2.4 聚焦离子束技术制备截面方向TEM观察样品
• 3.2.5 薄膜力学性能的测试
• 3.3 合金掺杂对溅射铜薄膜晶粒结构的影响
• 3.3.1 磁控溅射Cu以及Cu（Cr）合金薄膜的平面方向TEM分析
• 3.3.2 磁控溅射Cu以及Cu（Cr）合金薄膜的横截面方向的TEM分析
• 3.4 溅射铜薄膜孪晶微结构的形成和控制
• 3.4.1 磁控溅射Cu以及Cu（Cr）薄膜中的孪晶结构
• 3.4.2 合金掺杂对铜薄膜孪晶形成的影响
• 3.5 合金掺杂对溅射铜薄膜力学性能的影响
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Zr、Cr掺杂对溅射铜薄膜热稳定性的影响及界面阻挡层的自发形成
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 薄膜制备
• 4.2.2 薄膜退火处理
• 4.2.3 薄膜表面和截面形貌的观察
• 4.2.4 薄膜样品的结构以及成分分布特征
• 4.3 Zr、Cr掺杂对Si（100）基底溅射Cu薄膜结构热稳定性的影响
• 4.3.1 Zr、Cr掺杂对溅射态铜薄膜表面形貌的影响
• 4.3.2 Si（100）基底退火态Cu、Cu（Zr）以及Cu（Cr）薄膜的XRD表征
• 4.3.3 Si（100）基底Cu、Cu（Zr）以及Cu（Cr）薄膜横截面形貌分析
• 4.3.4 界面扩散和反应特征
• 4.4 Cr掺杂对溅射铜薄膜晶界沟槽化的影响以及薄膜的晶界团聚模型
• 4.5 Si（100）基底上的Cu、Cu（Zr）和Cu（Cr）薄膜的电阻率
• 2 薄膜体系中界面扩散阻挡层的形成'>4.6 不同合金掺杂的Cu/SiO₂薄膜体系中界面扩散阻挡层的形成
• 4.6.1 合金薄膜体系中元素扩散和界面分析
• 2 基底上Cu（Zr）、Cu（Cr）和Cu（Mo）薄膜的电阻率'>4.6.2 SiO₂基底上Cu（Zr）、Cu（Cr）和Cu（Mo）薄膜的电阻率
• 4.6.3 界面阻挡层的自发形成机制
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 Cr合金掺杂对溅射铜薄膜电迁移行为的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料和方法
• 5.2.1 薄膜的沉积和图形化
• 5.2.2 电迁移实验的测试原理
• 5.3 Cr掺杂对铜导线抗电迁移性能的影响
• 5.3.1 电迁移加速实验
• 5.3.2 电迁移过程中的原子扩散
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 主要结论及创新点
• 6.1 主要结论
• 6.2 创新点
• 致谢
• 攻读博士期间已发表和待发表的论文以及公开专利