穩(wěn)定固溶體團簇模型在無擴散阻擋層Cu-NI-Ti和Cu-NI-Ta薄膜中的應用.pdf

1、在超大規(guī)模集成電路的互連工藝中，采用合金化Cu種籽層來阻擋Cu擴散的無擴散阻擋結構因其穩(wěn)定性好、電阻率低以及制備簡單等優(yōu)點而受到廣泛的關注。本文以穩(wěn)定固溶體模型為基礎，運用磁控濺射的方法，在Si基體上制備了Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Ta三元合金薄膜，并對薄膜進行了電阻率、穩(wěn)定性和微結構等方面的分析。
　　根據(jù)穩(wěn)定固溶體模型的理論，第三組元M與Cu呈正混合焓，與Ni呈負混合焓，因此添加在Cu膜中的M傾向于與Ni結合形成Ni原子包

2、圍M原子的M1Ni12團簇結構，這些團簇無序的分散在Cu晶格中，起到提高Cu膜穩(wěn)定性的作用，而Ni原子則成為Cu與M之間的連接原子。本文選擇了Ti和Ta作為第三組元進行分析，其中Ta完全符合模型的要求;而Ti雖與Cu和Ni都呈負混合焓，但從混合焓相對值來看Ti也是更趨向于與Ni結合，這也為Ti在模型中起作用提供了可能。另外Ti在Cu中有一定固溶度且可與Cu反應，這都將影響Ti在模型中的應用。本論文通過對Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Ta

3、三元合金薄膜的比較分析，試圖考察第三組元M對Cu合金薄膜性質的影響，拓展團簇模型應用范圍。
　　研究表明，Ni-Ti和Ni-Ta在Cu膜中的組合添加都可以在較小的影響Cu膜低電阻率的前提下大大提高Cu膜的穩(wěn)定性。
　　Cu-Ni-Ta系統(tǒng)中，當Ta/Ni比改變時，薄膜的性能變化完全遵循穩(wěn)定固溶體模型的規(guī)律:隨著Ta/Ni比的增加薄膜穩(wěn)定性逐漸提升，Ta/Ni比超過1/12時薄膜具有優(yōu)良的穩(wěn)定性;從電阻率方面來看，Ta/Ni比

4、最接近1/12的薄膜電阻率最低，(Ta11/131Ni12/13.1)0.4Cu99.6薄膜在500℃/1h退火后電阻率低至2.8μΩ·cm，并且薄膜在500℃/60h和600℃/1h退火后依然沒有發(fā)生Cu的擴散。
　　Cu-Ni-Ti系統(tǒng)中，當Ti/Ni比改變時，薄膜穩(wěn)定性的變化符合團簇模型規(guī)律，即隨著Ti/Ni比的增加薄膜穩(wěn)定性也是逐漸提升，Ti/Ni比接近1/12時薄膜穩(wěn)定性得到顯著改善;而薄膜電阻率變化則沒有依照團簇模型規(guī)

5、律改變，隨著Ti/Ni比的升高薄膜電阻率逐漸降低，(Ti1/13.5Ni12/13.5)0.3Cu99.7薄膜在500℃/1h退火后電阻率為2.5μΩ·cm，且在500℃/60h和600℃/1h退火后依然沒有生成Cu3Si，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。
　　研究表明，對于與Cu和Ni的混合焓都是負值的第三組元M，若能滿足M與Ni具有相對更負的混合焓，那么M元素也可在固溶體模型中發(fā)揮作用。需要注意的是，在這一類元素的應用時需要選擇合適的電阻