納米Ta基阻擋層的制備及性能研究.pdf

1、隨著集成電路集成度的不斷提高及特征尺寸的持續(xù)減小，研發(fā)低電阻率金屬導線和低介電常數(shù)介質組成的新型金屬互連體系以取代傳統(tǒng)的Al互連體系成為必然的選擇。Cu由于其低的電阻率、高的抗電遷移能力及相對低廉的價格，成為替代Al互連線的首選。但Cu在硅中的快速擴散，與Si在低溫下反應形成高阻的Cu-Si化合物以及與介質粘附性較差等問題，制約了它的應用。在Cu金屬線表面包覆一層既能有效阻止Cu擴散又能提高Cu與Si襯底間粘附性的阻擋層是解決這一問題的

2、關鍵。低電阻率、高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、與Cu和Si不反應等是阻擋層應具備的基本屬性。
　　 在綜述了國內外對阻擋層材料的研究成果的基礎上，本文采用磁控反應共濺射技術，以氮氣為反應氣體，氬氣為工作氣體，優(yōu)化了Ta基薄膜的制備工藝并原位制備了相應的Cu/阻擋層/襯底結構，對樣品的熱穩(wěn)定性、結構特性及阻擋性能進行了研究，成功制備了性能優(yōu)異的三元非晶阻擋層并研究了阻擋層的失效機制。
　　 本文首先對Ta、Ta-N薄膜及其雙層薄

3、膜的濺射工藝參數(shù)、阻擋性能進行了研究，得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)。研究表明，Ta靶濺射功率高于200W時，薄膜因應力大而容易起皺脫落，Ta膜表面電阻隨濺射功率增大而減小，表面粗糙度則隨之增大。600℃/300s快速熱處理后，Cu/Ta/Si體系表面電阻急劇增大，并出現(xiàn)了TaSi2及Cu3Si相，表明阻擋層已經失效，熱處理后Ta晶粒的長大導致了Cu原子的快速擴散。在Ta薄膜中加入N可促進非晶/納米晶的形成，同時也抑制了Ta-N/Si界面間的反應

4、，提高了薄膜的熱穩(wěn)定性能和阻擋能力，且Ta-N的熱穩(wěn)定性隨著N含量的增加而增加，但其表面電阻也隨之增加，其對Cu的阻擋失效機制同Ta膜相似，Cu原子通過熱處理后的晶界擴散導致了其阻擋能力的喪失。對Ta/Ta-N雙層膜的研究表明，合適工藝條件下制備的Ta/Ta-N雙層膜可綜合Ta的低電阻率、與Cu膜良好的粘附性以及Ta-N膜的高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點，是理想的阻擋層結構。研究還發(fā)現(xiàn)，在Ta基阻擋層薄膜表面濺射制備的Cu膜均有較明顯的{111}擇優(yōu)

5、取向，這對于提高Cu導線的抗電遷移能力是有利的。
　　 在優(yōu)化Ta-N制備工藝的基礎上，在國內率先設計制備了三元非晶的Ta-Si-N薄膜；對不同Si靶濺射功率和N流量比制備的Ta-Si-N薄膜進行了詳細研究。研究發(fā)現(xiàn)，Si的摻入可有效抑制Ta的氮化物結晶，隨著Si含量的增加，Si-N增多，提高了薄膜的非晶化程度和表面電阻，同時，N的加入也可抑制Ta的硅化物結晶，相圖分析表明薄膜由Ta-Si、Ta-N、Si-N組成，多種相和鍵結構

6、之間的競爭和相互作用促使了薄膜的非晶化。薄膜的阻擋性能同薄膜的組分比有關，Si原子組分比對三元非晶Ta-Si-N薄膜的熱穩(wěn)定性和阻擋性能有較大影響，Si原子組分比較高時，阻擋層失效時其本身并未顯著晶化，此時較多的Si原子增大了原子間隙，Cu原子主要通過薄膜中的原子間隙及缺陷擴散；Si原子組分比較小時，阻擋層的失效則發(fā)生在其晶化之后，Cu原子主要通過熱處理后形成的晶界及缺陷擴散。綜合分析認為，100nm厚的Ta、Si、N原子組分比約為5:

7、3:2的Ta-Si-N阻擋層在750℃/300s熱處理后仍可保持對Cu原子的有效阻擋，有望成為未來新一代集成電路理想的阻擋層材料。
　　 制備了摻Al的三元Ta-Al-N薄膜并首次將其作為Cu擴散阻擋層進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)的薄膜為非晶態(tài)，隨著Al含量的增加，薄膜表面電阻顯著增大，粗糙度逐步降低。薄膜中Al原子百分含量為1.7at％(Al靶濺射功率為100W)的100nm厚樣品，其晶化溫度很高，在800℃/300s熱處理后

8、仍可保持穩(wěn)定并保持對Cu的有效阻擋，繼續(xù)提高熱處理溫度，900℃/300s熱處理后，阻擋層晶化并失效，研究表明其失效仍與阻擋層晶化后的晶界等有關；而薄膜中Al原子百分含量為5.5at％(Al靶濺射功率為150W)的樣品，在較低溫度熱處理后，薄膜表面即出現(xiàn)圓形突起，而高溫熱處理后圓形突起被破壞并直接導致了阻擋層的失效。合理選擇制備參數(shù)、嚴格控制薄膜中Al的含量，可獲得熱穩(wěn)定性高，阻擋性能優(yōu)良的Ta-Al-N擴散阻擋層。
　　 對T

9、a基阻擋層的Cu擴散阻擋機制研究表明，晶界擴散是其失效的主要原因，其擴散規(guī)律符合哈里森B類擴散動力學模型，擴散系數(shù)可根據Fisher和Whipple晶界擴散模型得到；Si的加入可促使Ta-Si-N薄膜非晶化，提高其阻擋性能，Si的含量對其阻擋性能及失效機制有較大影響；Al原子的加入同樣有利于Ta-Al-N薄膜非晶化，同時由于表面Al的鈍化效應而使阻擋層受到保護，提高了其熱穩(wěn)定性和阻擋性能，但過量的Al則易導致阻擋層熱處理后形成突起并失效