【正文】 量要耗盡時(shí)沉積在基片上。另外，采用該方法制備阻擋層還有一個(gè)主要原因就是其本身是一種成熟工藝，工藝線可以利用現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備，從而降低了使用成本和工藝開發(fā)所需的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。入射離子最初撞擊靶體表面上的原子時(shí)，產(chǎn)生彈性碰撞，它的動(dòng)能傳遞給靶表面的原子，該表面原子獲得的動(dòng)能再向靶內(nèi)部原子傳遞，經(jīng)過一系列的碰撞過程即級(jí)聯(lián)碰撞，如圖 。隨著特征尺寸的持續(xù)縮小，阻擋層厚度的要求也越來越小，因此研究厚度對(duì)阻擋層的影響很有必要。Fang J S 等還制備了電阻率分別為 和 的 TaCo 合金和 TaFe 合金，Cu/℃和 700℃。另外，研究也發(fā)現(xiàn)MeSiN的電阻率也隨N含量的增加而單調(diào)地增加，而熱穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)也與此類似，所以對(duì)于TaSiN體系，一般認(rèn)為Ta 36Si14N50最適合作為擴(kuò)散阻擋層 [13]。氮化物阻擋層一般的失效機(jī)制包括在高溫下發(fā)生晶化，產(chǎn)生晶界，或較高含量的氮化物在高溫下釋放出 N，從而使得熱穩(wěn)定性降低。如果在 Ta 薄膜中加入雜質(zhì)原子，并超過其固溶度，雜質(zhì)原子將向 Ta 晶粒間界處分凝，堵塞其快速擴(kuò)散的通道，這就有效改善了阻擋性能。所以常常向其內(nèi)加入N、C 等雜質(zhì)來降低金屬中的缺陷密度。難熔金屬的二元化合物早在 90 年代初，Cu 作為集成電路新的互連材料候選者時(shí)，Ta 己經(jīng)和眾多難熔金屬，如 W、MO 和 Ti 等一起成為 Cu 擴(kuò)散阻擋層的研究熱點(diǎn)。Ta 具有兩種結(jié)構(gòu):熱力學(xué)穩(wěn)定的體心立方 aTa 相，電阻率為 2μΩ所以尋找一種具有更高熱穩(wěn)定性的阻擋層材料迫在眉睫。圖 　原子排列中的間隙和空位示意圖　阻擋層材料的發(fā)展隨著集成電路對(duì)阻擋層材料要求的提高，人們從阻擋層材料的選擇、制備方法的改進(jìn)等多方面進(jìn)行了廣泛的研究，目前在阻擋層材料體系及微結(jié)構(gòu)方面的研究主要集中在以下幾方面：難熔金屬難熔金屬及其氮化物由于其良好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)一直是阻擋層材料的研究熱點(diǎn)。體積擴(kuò)散又分為間隙擴(kuò)散(interstitial Diffusion)和置換擴(kuò)散 (substitutional Diffusion)。(3)非晶型阻擋層:非晶結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢(shì)，即沒有晶粒間界這樣的快速通道可通過，因而阻擋效果非常理想。從阻擋層發(fā)揮作用的機(jī)理來看則可將其分為以下三類 [8]，如圖13所示:(l)消耗型阻擋層:這種類型的阻擋層會(huì)和其接觸的材料發(fā)生一定程度的反應(yīng)，這種反應(yīng)的產(chǎn)物能在一定程度上阻斷繼續(xù)擴(kuò)散的通道，如Ti/Pd/Au的三元體系就是以Pd 和Au 的互相擴(kuò)散來阻擋Ti進(jìn)入Au 的。這種阻擋層主要是利用其致密的特性，阻擋金屬互連材料的擴(kuò)散，和介質(zhì)層的粘附性較好，但是就Cu互連材料而言其接觸特性并不十分穩(wěn)定。濺射法是沉積擴(kuò)散阻擋層被較多采用的沉積方法，但近來的研究表明金屬離化(IMP)沉積的 TaN 比 CVD 沉積的質(zhì)量高 [7]。(7)多層膜系統(tǒng)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力小。(3)X 對(duì)于 AB 具有熱穩(wěn)定性。根據(jù)上述 Cu 擴(kuò)散機(jī)理，銅易與硅反應(yīng)，影響 Cu 作為互連材料的器件的熱穩(wěn)定性、電遷徙特性等可靠性問題，所以必須在 Cu 和 Si 基介質(zhì)之間加一層薄膜，稱為DBAP(Diffusion Barrier and Adhesion Promoter)，簡(jiǎn)稱為阻擋層(Barrier，圖)，起到阻擋 Cu 熱擴(kuò)散進(jìn)入 Si 器件及改善粘附性的作用。銅互連線技術(shù)的研究和應(yīng)用雖然取得了很大進(jìn)展，但由于采用了全新的材料和制造工藝，目前尚未達(dá)到成熟應(yīng)用階段，其技術(shù)尚待改善，但在不久的將來，銅布線代替鋁來提高互連的可靠性是可以預(yù)料的。2022年10月Sun推出的UltraSPARC 。此后，世界著名的半導(dǎo)體公司紛紛投入財(cái)力、物力和人力，開展銅布線的研究與開發(fā)，取得了豐碩的成果?！u 互連的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r從八十年代初開始，各大公司就開展了尋找Al的替代物的研究。解決問題的途徑針對(duì)上述問題的解決途徑是：(1)在Cu 與Si 基底間沉積阻擋層阻止Cu向Si 擴(kuò)散形成化合物，同時(shí)改善Cu與Si 基底的結(jié)合強(qiáng)度。（2)容易向 Si基底擴(kuò)散形成Cu 3Si或Cu 5Si相，導(dǎo)致體積膨脹，引起金屬互連線路的斷路或短路。另外，銅連線的布線層數(shù)目比鋁連線少，對(duì)某些 IC 器件，銅連線的層數(shù)只有鋁連線的一半。(3)熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能高和自擴(kuò)散系數(shù)低，有利于提高抗電遷移和應(yīng)力遷移能力。金屬互連材料也要求高的力學(xué)穩(wěn)定性，特別是內(nèi)應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度，希望金屬互連材料有與Si基底相近的熱膨脹系數(shù)和與基底高的結(jié)合強(qiáng)度。金屬的電阻、電遷移、小丘的長(zhǎng)大、合金元素的再分布和晶粒長(zhǎng)大都與金屬的自擴(kuò)散有關(guān)，而金屬的自擴(kuò)散又與其熔點(diǎn)和結(jié)晶度有關(guān)。在目前的深亞微米ULSI 階段,互連RC 延遲已經(jīng)顯著大于門延遲，成為制約集成電路速度進(jìn)一步提高的瓶頸。 RF magron sputtering目　　錄第 1 章　緒論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1　集成電路金屬互連材料的發(fā)展 ?????????????????????????????????????????????????????????????1　Cu 互連材料的優(yōu)勢(shì)與存在的問題 ????????????????????????????????????????????3　Cu 互連的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r ????????????????????????????????????????????????????????5　擴(kuò)散阻擋膜 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6　擴(kuò)散阻擋膜的定義及性能要求 ??????????????????????????????????????????????????6　阻擋層材料的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????8　阻擋層材料的發(fā)展 ????????????????????????????????????????????????????????????????????10　常用的阻擋層制備工藝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????13　物理氣相沉積 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13　磁控濺射 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14　選題背景及主要研究?jī)?nèi)容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????15第 2 章　阻擋膜的制備及表征方法 ?????????????????????????????????????????????????17　實(shí)驗(yàn)材料及儀器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17　實(shí)驗(yàn)材料 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17　磁控濺射設(shè)備 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17　實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????18　TASIN/ZR 基阻擋膜的制備過程 ???????????????????????????????????????????????????????19　基片預(yù)處理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19　Cu/barrier/Si 體系的制備工藝 ??????????????????????????????????????????????????20　真空退火處理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21　薄膜的表征 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21　薄膜的結(jié)構(gòu)分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????21　薄膜的表面分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????23　薄膜的電學(xué)性能分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????28　薄膜厚度的測(cè)定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????29　擴(kuò)散阻擋層失效特征 ????????????????????????????????????????????????????????????????30　本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31第 3 章　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????32　TaSiN/Zr 的表面形態(tài)及組成 ????????????????????????????????????????????????????????????32　TaSiN/Zr 的表面形態(tài) ?????????????????????????????????????????????????????????????32　XPS 化學(xué)態(tài)分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????33　TaSiN/Zr 阻擋層的擴(kuò)散阻擋性能 ????????????????????????????????????????????????????35　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 系統(tǒng)的電阻特性 ?????????????????????????35　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品結(jié)構(gòu)的變化 ?????????????????????????36　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品表面形貌 ????????????????????????????????????????37　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品形貌分析 ?????????????????????????????37　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品 AES 分析 ????????????????????????????39 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40結(jié)論 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45致謝 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49第 1 章　緒論　集成電路金屬互連材料的發(fā)展集成電路進(jìn)入VLSI之時(shí)，鋁及其合金由于具有低的電阻率、易沉積、易刻蝕、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，可以基本滿足集成電路的要求而仍被廣泛用為互連材料。通過 750℃退火處理后，體系中生成的 ZrSi2 明顯降低阻擋層與 Si 基片之間的電阻。首先通過射頻磁控濺射法在 Si 基片上沉積 TaSiN/Zr 薄膜，然后在阻擋層上沉積 Cu 膜。但 Cu 在 Si 和Si 的氧化物中擴(kuò)散相當(dāng)快，且 Cu 一旦進(jìn)入其中即形成深能級(jí)雜質(zhì)，對(duì)器件中的載流子具有很強(qiáng)的陷阱效應(yīng)，使器件性能退化甚至失效。采