【正文】 沉積到Si上的Zr 膜的表面粗糙度為，；沉積到Zr膜上的 TaSiN膜。最后采用4FPP、XRD 、 SEM、AFM及AES等表征手段對Zr基薄膜的電阻率變化、相結(jié)構(gòu)、表面形貌、元素深度分布等進(jìn)行分析，綜合分析結(jié)果來評價TaSiN/Zr作為擴(kuò)散阻擋層的阻擋性能，建立了阻擋層薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和阻擋性能之間的關(guān)系。(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。結(jié)論Cu 互連擴(kuò)散阻擋層的發(fā)展過程實(shí)際上是制備方法和所采用材料的發(fā)展過程，擴(kuò)散阻擋層的性能也基本由這兩者決定。800℃高溫退火后 Cu 才能通過阻擋層到達(dá) Si 并形成 Cu3Si，此時阻擋層失效。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。510152025303502040608010 Cu Ta N Si Zr O Atomic oncetration(.) Sputering time(in)(b)　750℃退火溫度下 Cu/TaSiN/Zr/Si結(jié)構(gòu)的AES圖譜 本章小結(jié)利用 4FPP、 XRD、SEM、AFM 和 AES 等分析測試方法比較研究了TaSiN/Zr 阻擋層阻擋性能的影響，得到的結(jié)論如下：(1)通過表面形態(tài)分析，TaSiN/Zr 滿足了阻擋層表面平整的要求，能很好的使 Cu 附著與阻擋層表面，且與 Si 基片有好的連接性。從AES 圖譜中還可以看出沉積態(tài)的Cu/TaSiN/Zr/Si樣品中有一些氧原子，隨著退火溫度的升高結(jié)合到阻擋層中的氧原子含量減少，但殘存的原子可能會阻塞阻擋層的晶界，減少Cu 原子的擴(kuò)散通道?！⊥嘶鹎昂?Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品 AES 分析5101520253002040608010 Cu O Ta N Si ZrAtomic oncetration(.) Sputering time(in)(a)　沉積態(tài)Cu/TaSiN/Zr/Si結(jié)構(gòu)的AES 圖譜，從譜圖中可以看到Cu/TaSiN/Zr/Si樣品各層間界限明顯。同時圖譜中沒有出現(xiàn) Si 峰，表明 Si 沒有通過 TaSiN/Zr 阻擋層進(jìn)入 Cu 膜，并與 Cu 反應(yīng)生成 CuSi 化合物。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，同時還發(fā)現(xiàn)了由于氧化或污染所帶來的 C 和 O。 從熱力學(xué)上說，Cu 原子團(tuán)簇是系統(tǒng)自由能(銅和阻擋層間界面能、阻擋層表面能、銅晶界能)最小化的結(jié)果。所以可初步判斷出 Cu 膜表面孔洞是在降溫過程中產(chǎn)生。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)度時銅膜即斷裂產(chǎn)生孔洞。(a) 沉積態(tài)(b) 750℃退火(c) 800℃退火圖 　不同退火溫度下 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品的表面形貌及 AES 能譜 表面形成孔洞的原因是：大量 Cu 原子離開表面向膜內(nèi)擴(kuò)散，由于應(yīng)力的作用 Cu 膜發(fā)生斷裂。圖 (b)顯示 750℃退火后 Cu 晶粒明顯長大且表面出現(xiàn)一些微孔，結(jié)合 XRD 的數(shù)據(jù)微孔的出現(xiàn)與 CuSi 相的形成無關(guān)，形成微孔的主要原因是退火時 Cu 膜的熱應(yīng)力導(dǎo)致了 Cu 晶粒的團(tuán)簇。　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品表面形貌　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品形貌分析圖 是 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品退火前和退火后的表面形貌。650℃退火后的衍射數(shù)據(jù)也表明，Zr(101) 和 Zr(002)衍射峰消失了，形成了新的 ZrSi2 的衍射峰，且隨著退火溫度升至 750℃，ZrSi 2 的峰的強(qiáng)度增加變窄，這說明有更多的 Zr 原子擴(kuò)散進(jìn) Si 中形成了晶化的 ZrSi2，形成的 ZrSi2 能有效地降低阻擋層與 Si 之間的接觸電阻，這對于提高電路的運(yùn)算速度至關(guān)重要。根據(jù)文獻(xiàn) [37]報道(111) 取向的 Cu 膜有更好的抗電遷移的能力。樣品退火至 750℃沒有出現(xiàn)明顯的 CuSi 化合物的衍射峰，這說明 TaSiN/Zr 阻擋層至少能夠穩(wěn)定到750℃。6065070750802022040608010120220 TaSiN(10 nm)/Zr(20 nm) △R/(%) Anealing Temperature(℃ )　Cu/TaSiN/Zr/Si 電阻變化率　退火前后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品結(jié)構(gòu)的變化650℃至 800℃溫度下退火后 Cu/TaSiN/Zr/Si 樣品的 XRD 圖譜如圖 所示。此時 Cu 擴(kuò)散活躍起來，阻擋層失效。Cu/TaSiN/Zr/Si的薄，我們把沉積態(tài)Cu/barrier/Si的電阻簡寫為R s，退火后Cu/TaSiN/Zr/Si 的電阻簡寫為 Rf，退火后的電阻與退火前的電阻的差值(R fRs)除以退火前的電阻R s定義為電阻的變化率 [36]：△R/R=(RfRs)/Rs (32)從圖 可以看出，樣品 700℃以下退火后，薄層電阻輕微降低，這可能是由于退火導(dǎo)致 Cu 膜中的缺陷消失和 Cu 晶粒的長大引起的。cm， TaSiN(10nm)/Zr(20nm)cm)。通過數(shù)據(jù)分析知道沉積態(tài)的Cu/TaSiN/Zr/Si的薄層電阻為　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Ρ∧さ某煞帧⒔Y(jié)構(gòu)變化非常敏感。表 　XPS 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果元素 面積 相對靈敏度 成分比(%)O1s 10083 N1s 7798 Ta4f 47634 Si2p 1224 在儀器自帶軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們可以初步確定個 TaSiN 薄膜個元素的比例，表 已經(jīng)列出個元素的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。盡管 TaSiN體系為非晶組織，Si 3N4 的含量還是很少的。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。說明阻擋層 TaSiN 中 N 以 TaN 鍵形式存在。圖 為Ta4f 光電子強(qiáng)度分布，純 Ta 的特征軌道為 Ta4f7/2 和 Ta4f5/2，Ta 原子一般表現(xiàn)出的化合價為+3 和+5 價?！PS 化學(xué)態(tài)分析XPS 的定量分析是根據(jù)光電子的信號強(qiáng)度與樣品表面單位體積濃度的原子成正比，通過測得的光電子強(qiáng)度來確定產(chǎn)生光電子的元素的樣品表面的濃度。表面粗糙度可以直接由儀器所帶的分析軟件計算得出，計算所用的粗糙度如公式(31)所示： (31)nZRiq2?(a)Zr/Si(b) TaSiN/Zr/Si　沉積態(tài)樣品的AFM照片從圖 (a)中可以看到沉積到 Si 上的 Zr 膜的表面粗糙度為 ，顆粒尺寸為 ；圖 (b)顯示沉積到 Zr 膜上的 TaSiN 膜的表面粗糙度為 ，顆粒尺寸為 。本試驗(yàn)利用原子力顯微鏡來研究阻擋層的表面形貌。最后對薄膜表征時所使用的分析測試方法以及相關(guān)設(shè)備的原理及用途進(jìn)行了介紹，對阻擋層失效前后的特征進(jìn)行了總結(jié)。表 　擴(kuò)散阻擋層失效特征總結(jié)方法 失效前 失效后FPP 方塊電阻由表面 Cu 膜決定，隨著退火溫度的增加電阻有下降趨勢體系方電阻急劇增加，認(rèn)為該溫度為體系失效溫度XRD 一般只觀察到 Cu 的衍射峰，且隨著退火溫度的增加，峰強(qiáng)度增加觀察到新相的形成，新相一般包括 CuSi 化合物、界面間反應(yīng)產(chǎn)物相等SEM Cu 表面光滑，幾乎沒有可見缺陷 Cu 表面出現(xiàn)很多缺陷包括空洞、裂紋等AFM Cu 表面均方根粗糙度很小，晶粒細(xì)小 Cu 表面變得相粗糙，晶粒粗大，且分布勻，且隨著退火溫度的增加，晶粒長大，粗糙度變大且表面出現(xiàn)一個個分裂的小島AES 多膜中各元素分布在特定厚度，界面間元素分布清晰各元素出現(xiàn)在多層系中的各個度　本章小結(jié)介紹了本實(shí)驗(yàn)體系所用到的材料、磁控濺射設(shè)備及其操作過程。因?此根據(jù)振蕩峰之間的相互間距，可算出薄膜的厚度。X射線鏡面反射(XRR)是一種無損傷深度分析，具極好的深度分辨率，可以精確地測量平整光滑基底材料薄膜的厚度和多層膜的厚度，其絕對誤差可﹤1nm，即精度優(yōu)于1nm，適用于大多數(shù)薄膜厚度的測定，但樣品必須極其光滑和平整，以保證X射線能掃過。測量薄層的方塊電阻可以按公式(25)進(jìn)行計算，即R=V/IF(D/S)F(W/S)Fsp (25)式中：R 口 方塊電阻， Ω/口D 樣品直徑，mS 平均探針間距， mI 4 探針流過的電流值，AV 3 探針間取出的電壓值，VFsp 探針間距修正參數(shù)F(W/S) 樣品厚度修正系數(shù)F(D/S) 樣品直徑修正系數(shù)圖 　SDY4D 型四探針電阻測試儀及原理圖　薄膜厚度的測定磁控濺射時薄膜的沉積速率是薄膜的基本參數(shù)之一，是設(shè)計工藝條件時必須考慮的一個重要參量。其測量原理為：將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂直地壓在被測樣品表面上，在 4 探針間通以電流 I(mA)，3 探針間就產(chǎn)生一定的電壓 V(mV) (如圖 )。目前光電子能譜儀中使用的方法為相對靈敏度因子法，元素 X 的原子分?jǐn)?shù)有Cx=Ax/Sx/∑Ai/Si (24)式中，C x 為元素 X 的原子分?jǐn)?shù)；A i 為樣品中元素 i 的光電子峰面積；S i 為元素 A 的相對靈敏度因子，其通常是以 FIS 譜線強(qiáng)度為基準(zhǔn)，其他元素的最強(qiáng)譜線或次強(qiáng)相比而得。XPS 電子能譜曲線的橫坐標(biāo)是電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)是光電子的測量強(qiáng)度。各種圖 　X 射線光電子能譜儀原子，分子的軌道電子結(jié)合能是一定的。因此，在一定的照射光子能量條件下，測試光電子的能量，可以進(jìn)行定性分析，確定原子的種類，即樣品中存在的元素：在一定的條件下，根據(jù)光電子能量峰的唯一性和形狀變化，可以獲得樣品表面元素的化學(xué)態(tài)信息；而根據(jù)光電子信號的強(qiáng)度，可半定量地分析元素的含量。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。AES作定量分析時，俄歇電子的計數(shù)與原子濃度之間的關(guān)系主要由初始空穴的生成幾率和俄歇躍遷幾率來決定。AES用作表面成分的指紋鑒定時，需測定俄歇電子的特征能量，從譜峰位置鑒別對應(yīng)元素。對固體表面，俄歇　俄歇電子能譜儀電子能譜可分析Z≥3的元素，對于Z值不大的元素，其分析靈敏度可達(dá) 103(原子濃度比)。上述就是俄歇電子能譜儀的基本分析原理。我們知道，當(dāng)高能電子束與固體樣品相互作用時，當(dāng)原子內(nèi)殼層電子因電離激發(fā)而留下一個空位時，較外層電子會向這一能級躍遷。實(shí)驗(yàn)條件為：；掃描范圍1μm1μm；取點(diǎn)256 個，粗糙度由儀器所帶軟件計算得出。多次實(shí)驗(yàn)檢測證明，這種簡易微懸臂不但易操作，而且彈性較好，完全可以感知原子之間的微弱力，再加上高精度的 STM 技術(shù)為 AFM。 2的鉑片，用于對準(zhǔn)STM 的探針，并且形成隧道電流，偏壓加在微懸臂上。其中微懸臂設(shè)計簡易又適用，大大降低了制作成本。當(dāng)針尖與樣品逼近到一定范圍時，二者產(chǎn)生原子間的排斥作用力，這時在反饋回路的作用下將保持這個力的恒定，即保持針尖和樣品之間的距離不變。尖銳針尖和待測樣品之間存在的原子間作用力是它工作的動力，所以AFM對樣品的導(dǎo)電性沒有任何要求，這就彌補(bǔ)了STM不能檢測絕緣樣品的不足。圖 　掃描電子顯微鏡原理示意圖原子力學(xué)顯微鏡(AFM)AFM的工作原理基于量子力學(xué)中的泡利不相容原理，原子核外的電子處于不同能級，每個能級只允許容納一個電子。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，完成一幀圖像 [34]。這些信號被相應(yīng)的接受器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的光柵上，調(diào)制顯像管的亮度。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。掃描電子顯微鏡的原理如圖 所示。掃描電子顯微鏡(SEM)SEM 既像光學(xué)金相顯微鏡那樣可以提供清晰直接的形貌圖像，同時又具有分辨率高、觀察景深長、可以采用不同的圖像信息形式，可以給出定量或半定量的表面成分分析結(jié)果等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，直接觀察和研究材料的微結(jié)構(gòu)對于新材料的研制和開發(fā)、材料性能的改進(jìn)以