ZrN、ZrN-Zr-ZrN及TaN-Zr擴散阻擋層的制備與熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著集成電路工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，與Al及其合金相比Cu由于具有電阻率低和抗電遷移能力好的特點已經(jīng)成為大規(guī)模集成電路的互連材料。然而Cu與介質(zhì)層的粘附性差，并且在180-200℃時，Cu和Si之間就會發(fā)生相互擴散而形成高電阻的Cu-Si化合物，導(dǎo)致器件性能惡化。因此，必須在Cu與Si之間插入一層擴散阻擋層來阻止Cu的擴散并改善Cu與Si的粘附性。
　　 本文的研究對象是Zr基擴散阻擋層材料，采用磁控濺射技術(shù)在n型Si(100)基片

2、上沉積了ZrN、ZrN/Zr/ZrN、TaN/Zr三種阻擋層薄膜，利用FPP、XRD、SEM、AFM、AES等方法對樣品進行了薄膜電阻、微結(jié)構(gòu)、表面形貌、元素深度分布等方面的分析，深入討論了不同阻擋層的阻擋性能和以及阻擋層的失效機制。
　　 首先采用射頻反應(yīng)磁控濺射的方法在Si(100)襯底和Cu膜間制備了25nm的ZrN阻擋層，Cu/ZrN/Si樣品在高純氮氣保護下退火至700℃。用4-FPP、AFM、SEM、XRD、AES研

3、究了濺射參數(shù)對ZrN薄膜電阻率和擴散阻擋性能的影響。研究結(jié)果表明，N2分壓從20％增加到25％，ZrN阻擋層電阻率快速增高；濺射偏壓和襯底溫度不同，ZrN的結(jié)構(gòu)可由非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶。納米晶ZrN阻擋層650℃退火1小時后仍能有效地阻止Cu的擴散。可見可以通過控制ZrN阻擋層的制備條件來提高ZrN阻擋層的失效溫度。
　　 為了進一步提高ZrN阻擋層的失效溫度，采用射頻反應(yīng)磁控濺射的方法在Si(100)襯底和Cu膜間制備了Zr

4、N/Zr/ZrN堆棧結(jié)構(gòu)的阻擋層。研究了Zr層的插入對ZrN擴散阻擋性能的影響，研究結(jié)果表明：Zr層的插入使ZrN阻擋層的失效溫度至少提高100℃，750℃仍能有效地阻止Cu的擴散，阻擋性能提高的主要原因可能是高溫退火時形成的ZrO2阻塞了Cu快速擴散的通道。
　　 TaN具有高熔點、熱穩(wěn)定性好且與Cu和Si有好的黏附性，是研究的較多的阻擋層材料，但其電阻率較高(180-270μΩ.cm)，還不能滿足未來電路高速運行的特點。本論