【正文】 Si 上后易形成 ZrSi 過渡層，過渡層的厚度在高溫退火后隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變厚，并且高溫退火后 Zr 與 Si 形成的 ZrSi 層具有電阻率低(50nm 厚約為 )的特點(diǎn) [31]，且 ZrSi 本身也是很好的阻擋層材料， 800℃退火 1 小時(shí)仍能有效地阻止 Cu 的擴(kuò)散 [32]。(3)推開電源總閘，開水閥，開面板總電源，升起濺射室罩。(19)加偏壓。圖 　基底清洗流程圖　Cu/barrier/Si 體系的制備工藝(100)基片上先沉積厚度為20nm的Zr 層，然后沉積厚度為10nm的TaSiN層。衍射方向由結(jié)構(gòu)周期性(即晶胞的形狀和大小)所決定，因此測(cè)定衍射方向可決定晶胞的形狀和大小。掃描電子顯微鏡的原理如圖 所示。 2的鉑片，用于對(duì)準(zhǔn)STM 的探針，并且形成隧道電流，偏壓加在微懸臂上。X 射線光電子能譜(XPS)X 光電子能譜分析的基本原理：一定能量的 X 光照射到樣品表面，使樣品原子中的內(nèi)層電子以特定幾率電力產(chǎn)生光電子，光電子從樣品秒度米毫秒年逸出進(jìn)入真空，被收集和分析。因?此根據(jù)振蕩峰之間的相互間距，可算出薄膜的厚度。202530354002040608010120220 bindigenrgy(eV) secintesity ()圖 　XPS Ta4f 能譜圖390395404054104151401601802020240260 () bindig enrgy(eV)圖 　XPS N1s 能譜圖951010510157608082408609209460 () bindig enrgy(eV)圖 　XPS Si2p 能譜圖通過 XPS 測(cè)得 Si 的光電子強(qiáng)度制得下圖，從數(shù)據(jù)分析可知 Si 在 N2 環(huán)境下生成 Si3N4。此時(shí) Cu 擴(kuò)散活躍起來，阻擋層失效。Cu膜與其下面的阻擋層具有不同的熱膨脹系數(shù)，在高溫退火過程中兩者縮脹不一致，Cu 膜內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)它為拉應(yīng)力且大于 Cu 膜屈服強(qiáng)度時(shí)銅膜即斷裂產(chǎn)生孔洞。TaSiN(30nm) 的薄層電阻為 ，TaSiN (10nm)/Zr(20nm)的薄層電阻為 ，可見 Zr 層的插入有效地降低了 TaSiN/Zr 與 Cu 之間的接觸電阻。(100)基片上先后沉積Zr和TaSiN 的復(fù)合擴(kuò)散阻擋層，在不打破真空的條件下，根據(jù)需要在阻擋層上沉積Cu膜。圖 (d)為 750℃退火的Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品表面 AES 的能譜圖，退火后樣品的表面主要是 Cu，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了由于氧化或污染所帶來的 C 和 O。根據(jù)文獻(xiàn) [37]報(bào)道(111) 取向的 Cu 膜有更好的抗電遷移的能力。　TaSiN/Zr 阻擋層的擴(kuò)散阻擋性能　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 系統(tǒng)的電阻特性Cu/barrier/Si體系的電阻率變化可以作為薄膜失效的表征參數(shù)，因?yàn)楸∧さ碾娮杪蕦?duì)薄膜的成分、結(jié)構(gòu)變化非常敏感。本試驗(yàn)利用原子力顯微鏡來研究阻擋層的表面形貌。XPS 電子能譜曲線的橫坐標(biāo)是電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)是光電子的測(cè)量強(qiáng)度。我們知道，當(dāng)高能電子束與固體樣品相互作用時(shí)，當(dāng)原子內(nèi)殼層電子因電離激發(fā)而留下一個(gè)空位時(shí)，較外層電子會(huì)向這一能級(jí)躍遷。掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，完成一幀圖像 [34]。由圖中的的晶面間距為 d，衍射角為 θ 可知， DB=BF=dsinθ。退火具體過程為：(1)封管將 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品裝入石英管內(nèi)然后將玻璃管內(nèi)抽真空至 104Pa 以下，并向石英管內(nèi)通入干燥的氮?dú)夂髮悠贩庋b。(4)關(guān) V8，V9 ，關(guān) V2，關(guān)熱電偶，關(guān)熱溫控電源。(9)待熱偶規(guī)讀數(shù)為 10Pa 左右時(shí)，開電磁閥。cm ，10mm15mmZr 靶 60mm3mm，純度 %Ta 靶 60mm3mm，純度 %Cu 靶 60mm3mm，純度 %高純 Ar 氣 純度 %高純 N2 氣 純度 %無水乙醇 純度 %丙酮 純度 %HF 濃度 5%　磁控濺射設(shè)備本論文中 Ta 基復(fù)合阻擋膜的制備采用 JGP450 高真空磁控濺射與等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置，整體設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖 。碰撞電離的結(jié)果使電子數(shù)目按等比級(jí)數(shù)不斷增加，稱為雪崩式放電過程。圖 　 Cu/barrier/Si 中阻擋層的研究方向圖　常用的阻擋層制備工藝　物理氣相沉積物理氣相沉積是一種憑借物理過程促使原子從固體或熔融的源轉(zhuǎn)移到基體上的技術(shù)。實(shí)際上，減少快速擴(kuò)散通道有兩種方法:一是利用 C、N 或稀土金屬氧化物如 CeO:對(duì)晶界進(jìn)行填充。其中，Ta 是一種呈淺灰色光澤的稀有金屬，熔點(diǎn)高達(dá) 2996℃，僅次于 W 和 Re，密度為 ，Ta 的電子軌道結(jié)構(gòu)為:4f l45d36s2。(2)阻塞型阻擋層:這種類型的阻擋層和上下兩層之間不發(fā)生反應(yīng)，熱穩(wěn)定性高，同時(shí)在擴(kuò)散通道處最好能有原子或者分子填塞，或本身晶粒較小，堆積較密，起到有效的阻擋作用。(5)X 與 AB 的接觸電阻小。銅布線的400MHZ的商用高速芯片。(6)高的屈服強(qiáng)度(68MPa) 和抗拉強(qiáng)度(221MPa) ，可限制塑性流動(dòng)，加強(qiáng)Cu 膜的抗應(yīng)力遷移性能，并可使 Cu 膜在塑性流動(dòng)時(shí)保持導(dǎo)體的完整，故多數(shù) Cu 膜不以斷裂方式失效而更多地轉(zhuǎn)向于膜基界面分裂。選擇鋁互連材料的替代材料必須根據(jù)集成電路對(duì)金屬互連材料及其工藝性能的要求和金屬自身的性能。TaSiN 是很好的擴(kuò)散阻擋層材料，然而 TaSiN 的電阻率大于 不能很好地滿足未來電路高速運(yùn)行的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:TaSiN/Zr；擴(kuò)散阻擋層； Cu 互連；射頻磁控濺射AbstractTo reduce the interconnection delay, Cu metallization is taking the plaee of traditional Al intereonnection due to its lower resistivity and superior resistanec to electromigration. However, adhesion of Cu to Si substrate is poor. In addition, Cu atoms are quite mobile and can diffuse into Si easily, which leads to formation of CuSi Compounds. Cu atoms act as deep level impurities, affecting the reliability of , it is necessary to add diffusion batrier between Si and Cu. This paper will introduce a barrier layer of TaSiN/ Zr which may reduce the contact resistance between Cu and Si.The TaSiN/Zr bilayer film was grown on ntype (100) silicon wafer by RF magron sputtering, followed by insitu deposition of Cu. The Cu/TaSiN/Zr/Si samples were subsequently annealed at different temperatures ranging from 600 to 750℃ in N2 gas for 1h. In order to investigate the thermal stability of the barrier structure, Xray diffraction (XRD), Auger electron spectroscopy (AES), scanning electron microscopy (SEM) and 4point probe technique (FPP) were performed respectively.The results revealed that TaSiN/Zr film can serve as effective diffusion barriers up to 750℃. After annealing at 750℃, the production of ZrSi2 layer can effectively decrease contact resistance between barrier and Si.Keywords: TaSiN/Zr?！】捎米鲀?nèi)連導(dǎo)線金屬的主要性能比較 [1]金屬性能Cu Ag Au Al電阻率 ρ() 楊式模量 E(103Mpa) 電阻溫度系數(shù) TC(103/K) 熱導(dǎo)率(10 2W/m) 熱脹系數(shù) CTE(106/℃) 17 熔點(diǎn) (℃) 1085 962 1064 660熱容量(J/) 386 234 132 917耐蝕性 差 差 優(yōu) 良與 SiO2 的結(jié)合情況 差 差 差 良RC 延遲時(shí)間(ps/mm) 　Cu 互連材料的優(yōu)勢(shì)與存在的問題Cu 互連材料的優(yōu)勢(shì)Cu作為互連材料與Al相比在電學(xué)、力學(xué)和熱力學(xué)等方面都有其優(yōu)點(diǎn)：(1)銅的電阻率僅為鋁的電阻率的 60%(銅 ，鋁 )，有利于降低焦耳熱的產(chǎn)生，縮短 RC 延遲時(shí)間，提高集成電路的工作頻率。(2)以化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)為基礎(chǔ)采用自對(duì)準(zhǔn)填充和自動(dòng)停止的雙鑲嵌技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Cu的布線，IBM公司用此方法已生產(chǎn)出六層Cu互連的集成電路。目前，有關(guān) Cu互連的各項(xiàng)技術(shù)專利都掌握在美國(guó)等國(guó)的手中，國(guó)內(nèi)的研究尚處于起步階段。不僅沉積方式有影響，濺射參數(shù)對(duì)擴(kuò)散阻擋層的性能也有很大影響。高溫下金屬互連中擴(kuò)散以體積擴(kuò)散為主。Ta 具有非常良好的阻擋層材料性能，如電阻率低、熔點(diǎn)高、晶格和晶界擴(kuò)散的激活能高、C 側(cè) Ta 界面穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們很大的關(guān)注?！∮嘘P(guān)三元擴(kuò)散阻檔層的部分研究成果 [1420]樣品結(jié)構(gòu) 退火氣氛 失效條件 失效機(jī)制 參考文獻(xiàn)Cu(250)/ZrAlN(100)/Si Vacuum 800/30 Cu3Si，Cu 5Si 14Cu(100)/WSiN(6)/Si N2 700/1 Cu3Si，Cu 4Si 15Cu(75)/Ti29Si25N46(65)/Si Vacuum 800/30 Cu3Si 16Cu(300)/ZrSiN(100)/Si N2:H2=9:l 800/60 CuSi 17Cu(200)/Ta36Si14N50(100)/Si Vacuum 850/30 Cu3Si 18Cu(200)/Ta(N,O)(50)/Si Forminggas 600/30 19Cu(100)/TaWN(50)/Si Vacuum 700/30 Cu3Si 20二元及多元非晶態(tài)合金三元擴(kuò)散阻擋層較高的再結(jié)晶溫度和較低的缺陷密度而具有良好的阻擋性能，制約三元阻擋層材料發(fā)展的關(guān)鍵在于其電阻率偏高?；緸R射類型包括：直流濺射，射頻濺射，反應(yīng)濺射，磁控濺射。難熔金屬及其氮化物由于熔點(diǎn)高和化學(xué)惰性已經(jīng)廣泛地用于阻擋層材料 [2326]，然而難熔金屬和它的氮化物大多是多晶結(jié)構(gòu)，晶界會(huì)成為 Cu 原子快速擴(kuò)散的通道。配備加熱管和溫控設(shè)備，采用熱電偶檢測(cè)真空室的溫度，基體的加熱溫度在室溫至 600℃內(nèi)可調(diào)。(16)控制閘板閥，以及流量顯示儀調(diào)節(jié)濺射氣壓。本實(shí)驗(yàn)所用單晶 Si 基片表面十分干凈，采用干法擦洗處理，其步驟如下：(1)用干燥脫脂紗布撣去粉塵；(2)用脫脂紗布浸上酒精擦去污物；(3)用丙酮，甲醇，無水乙醇混合液中用超聲機(jī)中超聲；(4)用去離子水沖洗干凈，再用電吹風(fēng)吹干；(5)離子轟擊清洗，離子轟擊可以除去金屬基體的表面氧化層吸附的雜氣，并提高沉積薄膜的附著力。其中，散射包括不相干散射，以及相干散射（位相和波長(zhǎng)不變，方向改變的次生 X 射線） ，對(duì)結(jié)構(gòu)分析最有用的是相干散射。目前，對(duì)薄膜表面形貌的觀測(cè)主要采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、俄歇電子能譜(AES)和 X 射線光電子能譜(XPS) 。當(dāng)樣品表面起伏時(shí)，針尖就隨之上下振動(dòng)，采用STM 恒流法檢測(cè)這個(gè)振動(dòng)，從而間接獲得穩(wěn)定、高分辨率的樣品表面圖像。由于各電子軌道之間都可實(shí)現(xiàn)俄歇躍遷，所以每種元素都有豐富的俄歇譜，由此導(dǎo)致不同的俄歇峰的干擾，不過對(duì)于定性分析不會(huì)有太大的問題。實(shí)際應(yīng)用的薄膜厚度常在幾個(gè)納米到幾個(gè)微米之間。Ta 原子和 N 的原子結(jié)合能為 ，與強(qiáng)度分布圖 中低峰處的強(qiáng)度 一致。cm，可見Zr層的插入有效地降低了TaSiN/Zr與Cu之間的接觸電阻。圖 (c)顯示 800℃退火后 Cu 膜表面出現(xiàn)了明顯的突起物，表面變得異常粗糙，并且出現(xiàn)了孔洞。氧原子主要來自于沉積室和退火環(huán)境。主要結(jié)論如下：阻擋層的表面形態(tài)是很重要的，它直接影響到阻擋層的阻擋性能，阻擋層表面越平坦阻擋性能越好。以上分析表明，750℃高溫退火后阻擋層仍具有良好的阻擋性，且與 Cu 和 Si 具有很好的結(jié)合力。樣品退火至 800℃后衍射圖中 Cu 的衍射峰的強(qiáng)度明顯降低并且出現(xiàn)了Cu3Si 的衍射峰，這表明大量的 Cu 被消耗掉形成了 Cu3Si，這時(shí)阻擋層已經(jīng)開始失效。cm高于塊體