【正文】 的這種化學反應(yīng)通常為源材料的熱分解和原位氧化?；瘜W氣相沉積法是氣態(tài)反應(yīng)物（包括易蒸發(fā)的凝聚態(tài)物質(zhì)蒸發(fā)后變成的氣態(tài)反應(yīng)物）在襯底表面發(fā)生化學反應(yīng)而沉積成膜的工藝 [15]。本次實驗在用的是射頻反應(yīng)磁控濺射的方法。而這四種基本方法之間，也并非相互獨立地使用，常常是將它們結(jié)合起來，如直流(射頻 )反應(yīng)濺射，直流(射頻) 磁控濺射，直流(射頻)磁控反應(yīng)濺射等，綜合了各自的優(yōu)點和特長。其主要特點如下：（1）濺射成膜的粒子能量較蒸發(fā)粒子為高，因而與蒸發(fā)技術(shù)相比，由于物質(zhì)是以高能態(tài)微粒形式（原子、原子團、帶電粒子等）沉積在基片上，因此濺射沉積最突出的優(yōu)點是膜與基片的附著力更強；（2）對濺射靶的面積及形狀無限制，而且可在大面積工件上制得分布均勻的薄膜，目前國內(nèi)用磁控濺射沉積技術(shù)制備的鍍膜玻璃其最大尺寸可達3600mm2440mm，可通過控制濺射時間來控制復合薄膜中的金屬比率；（3）有效地降低靶室的工作壓強和靶的工作電壓，提高濺射速率和沉積速率，降低基片溫度，減小等離子體對膜層的破壞；（4）靶的使用壽命長，濺射鍍膜設(shè)備適合長時間運行和自動化生產(chǎn)；（5）高熔點物質(zhì)、介質(zhì)、和絕緣物質(zhì)也容易成膜并且制備的薄膜性能穩(wěn)定、重復性好。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，最終沉積在基片上。電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。在 E X B shift 機理下工作的不光磁控濺射，多弧鍍靶源，離子源，等離子源等都在這一原理下工作。至于靶面圓周型的濺射輪廓，那是靶源磁場磁力線呈圓周形狀形狀。但一般基片與真空室及陽極在同一電勢。　磁控濺射原理圖磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。同時，受正交電磁場束縛的電子，又只能在其能量要耗盡時沉積在基片上。磁控濺射基本裝置是在自流濺射或射頻濺射裝置基礎(chǔ)上改進電極結(jié)構(gòu)，通常是在靶陰極內(nèi)側(cè)裝永久磁鐵，并使磁場方向垂自于陰極暗區(qū)磁場方向。為了在低氣壓下進行高速濺射，必須有效提高氣體的離化率。濺射技術(shù)的最新成就之一是磁控濺射。但仍存在著薄膜的淀積速率慢、基片溫度升高和輻射損傷大等缺點。需要指出的是反應(yīng)氣體純度很重要，反應(yīng)室和真空系統(tǒng)的密封程度要高，對一些有毒氣體應(yīng)特別注意尾氣的處理問題。通常是把所需反應(yīng)氣體以一定比例添加到 Ar 氣中組成混合氣體，放電發(fā)生等離子體。這種方法特別適于沉積氧化物、氮化物、碳化物、硫化物等各種化合物薄膜，從而為制備光、電、聲、磁等功能材料薄膜開辟了一條廣闊途徑 [13]。通常，射頻輝光放電可以在較低的氣壓下進行，例如，直流輝光放電常在 100～10 1Pa 進行，射頻輝光放電可以在 101～10 2Pa 進行。一般，在 5～30MHz 的射頻濺射頻率下，將產(chǎn)生射頻放電。因此射頻電壓能夠?qū)⑷魏我环N類型的阻抗藕合進去，所以電極并不需要是導體，可以濺射包括絕緣體、半導體、導體在內(nèi)的任何材料，這是射頻濺射一個突出的優(yōu)點。射頻輝光放電有兩個重要的特征：第一，在輝光放電空間產(chǎn)生的電子，獲得了足夠的能量，足以產(chǎn)生碰撞電離，因而，減少了放電對二次電子的依賴，并且降低了擊穿電壓。為了在輝光放電過程中使靶表面保持可控的負高壓，若以高電阻率的半導體、絕緣體材料作靶，正離子轟擊靶面就會帶正電，從而使電位上升，離子加速電場逐漸變小，以致發(fā)展到使離子濺射靶材不可能，輝光放電和濺射最終將停止；（2）基片溫升高（達數(shù)百度左右） ，需要采取強迫水冷措施；（3）沉積速率低，制成的薄膜中往往含有較多的氣體分子。直流濺射結(jié)構(gòu)簡單，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜?；緸R射類型包括：直流濺射，射頻濺射，反應(yīng)濺射，磁控濺射，它們的濺射機理和特點如下：直流濺射最簡單的濺射方法。它具有粒子沉積時襯底溫度低、濺射速率高、附著力好等優(yōu)點，但其制備薄膜的工藝參數(shù)較多，而薄膜工藝參數(shù)與薄膜性能之間的關(guān)系又非常復雜。角分布還與入射離子方向有關(guān)；（6）因為電子的質(zhì)量小，所以即使具有極高能量的電子轟擊靶材時，也不會產(chǎn)生濺射現(xiàn)象?？紤]到經(jīng)濟性，通常選用氬氣為氣體。濺射現(xiàn)象很早就為人們所認識，通過大量實驗研究，對這一重要物理現(xiàn)象得出以下幾點結(jié)論 [11]：（1）濺射率隨入射離子能量的增加而增大，而在離子能量增加到一定程度時，由于離子注入效應(yīng)，濺射率將隨之減小；（2）濺射率依賴于入射離子的原子量，原子量越大，則濺射率越高，濺射率與入射離子的原子序數(shù)有關(guān)，呈現(xiàn)出隨離子的原子序數(shù)周期性變化的關(guān)系。濺射過程即為入射離子通過一系列碰撞進行能量交換的過程，入射離子的能量轉(zhuǎn)移到逸出的濺射原子上的大約只有原來的 1%，大部分能量則通過級聯(lián)碰撞而消耗在靶的表面層中，并轉(zhuǎn)化為晶格的振動。 動量轉(zhuǎn)移理論認為 [10]，低能離子碰撞靶時，不能從固體表面直接濺射出原子，而是把動量轉(zhuǎn)移給被碰撞的原子，引起晶格點陣上原子的鏈鎖式碰撞，這種碰撞將沿著晶體點陣的各個方向進行。對于濺射特性的深入研究，各種實驗結(jié)果都表明濺射是一個動量轉(zhuǎn)移過程。圖 　濺射過程示意圖入射離子最初撞擊靶體表面上的原子時，產(chǎn)生彈性碰撞，它的動能傳遞給靶表面的原子，該表面原子獲得的動能再向靶內(nèi)部原子傳遞，經(jīng)過一系列的碰撞過程即級聯(lián)碰撞，如圖 所示。用于轟擊靶的高能粒子可以是電子、離子、或中性粒子，因為離子在電場下易于加速并獲得所需動能，因此大多采用離沉積方法 優(yōu)點 缺點物理氣相沉積（PVD）可在平面上沉積阻擋層臺階覆蓋率比較差；沉積層均勻性一般；與電化學沉積Cu相容性差化學氣相沉積（CVD）可在復雜形狀的表面上沉積阻擋層；臺階覆蓋率好沉積溫度高；易含雜質(zhì)；阻擋層電阻率偏高；與電化學沉積Cu相容性差等離子增強化學氣相沉積（PECVD）可在復雜形狀的表面上沉積阻擋層；沉積速度快易造成對ILD（Inter Level Dielectric）的破壞電化學沉積（ECD）臺階覆蓋率好；與電化學沉積Cu 相容性好需要催化種子原子層化學氣相沉積（ALD）臺階覆蓋率好沉積速率慢；沉積位置不具有選擇性子作為轟擊粒子，該粒子又稱為入射粒子。其中濺射是物理氣相沉積中的一種重要方法，用高能粒子（大多數(shù)是由電場加速的正離子）撞擊固體表面，在與固體表面的原子或分子進行能量或動量交換后，從固體表面飛出原子或分子的現(xiàn)象稱為濺射，濺射出來的物質(zhì)淀積到基片表面形成薄膜的方法稱為濺射鍍膜法。各種制備阻擋層的工藝優(yōu)缺點對比如表 所示（假定Cu 膜的沉積是采用電沉積的方法獲得）。不同的制備方法，薄膜的機械性能、組織結(jié)構(gòu)及光學性能都會有所不同。非導電類阻擋層包括氧化硅(SiO X)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiOxNy)等。導電類阻擋層包括 Ti、Ta、W、Mg等純金屬阻擋層，以及以它們?yōu)楸倔w的各種氮化物、碳化物、氧化物、氮硅化物作為阻擋層材料。因此，通過填充手段，能夠提高阻擋層的失效溫度并能延長其“阻擋壽命” ，改善了阻擋層特性。因此在阻擋層未消耗殆盡之前，我們都認為它是有效的，由此便可估計出阻擋層“壽命”。假定阻擋層 X 同 A 和 B 之間的反應(yīng)在橫向是均一的且能精確加以表征：所生成的化合物，反應(yīng)速率及其激活能等都為我們所知，那么在給定溫度下我們就能估計出多久之后 X 消耗完畢。圖 清晰地說明了損耗阻擋層的阻擋原理。通常情況下，這類問題沒有確切的答案。對于這一阻擋層概念，我們首先明確一個觀點：任何阻擋層都不能無限期地履行其職責。當然，這樣的阻檔層通常難以獲得，而且即使存在，由于實際薄膜淀積過程中造成的大量的缺陷及其中的晶粒間界使之不具備期望的阻擋特性。圖 　消耗型、阻塞型、非晶型阻擋層示圖阻擋層如果按其阻擋機理進行分類，常見的有惰性阻擋層(passive barrier)、損耗阻擋層(sacrificial barrier )、填充阻擋層(stuffed barrier)等 [9]。但是非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)，最終還要結(jié)晶。圖 　原子擴散途徑 1晶格擴散 2表面擴散 3晶界擴散 4位錯擴散根據(jù)阻擋層減少擴散路徑的方法，把擴散阻擋層分為三種：消耗型阻擋層（自身會在工作中損耗） 、阻塞型阻擋層（晶界擴散通道被 O、N 等原子阻塞，從而金屬原子難以通過） 、非晶型（無晶界無快速擴散通道） ，如圖 所示。高溫下金屬互連中擴散以體積擴散為主，較低的溫度下（熔點以下）擴散以短路擴散為主 [7]，圖 為原子擴散途徑示意圖。兩種最主要的擴散是體積擴散（volume diffusion）和短路（short circuit diffusion）擴散。作為導電阻擋層材料，要求具有:（1）保形的通孔和溝槽淀積性能；（2）好的勢壘性能；（3）低的通孔電阻；（4）與Cu 有好的粘附性；（5）與Cu 的CMP工藝兼容 。實際上低k 介質(zhì)層是一多層結(jié)構(gòu) ，低k 介質(zhì)一般是淀積在 CVD法制備的SiN薄膜上， 根據(jù)工藝和結(jié)構(gòu)的需要 ，往往在低k介質(zhì)層中需要插入阻擋層，這些阻擋層的作用可以防止低k介質(zhì)在工藝過程或環(huán)境中吸潮而影響性能。因為擴散阻擋層表面狀況及微結(jié)構(gòu)將強烈影響所淀積銅的晶體結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸，而這些將決定電遷移可靠性；（8）與化學機械拋光平坦化等工藝兼容；（9）對刻蝕或CMP工藝具有高的選擇性 ，以滿足刻蝕和 CMP停止層的要求。就是要求該擴散阻擋層既要和下面的介電材料粘附良好，同時又要保證銅膜在它上面可以附著良好；（4）具有保護 Cu 和介質(zhì)層不受工藝和環(huán)境因素影響的能力，以避免Cu 和介質(zhì)層性能下降；（5）該擴散阻擋層必須和金屬層有非常低的接觸電阻，同時該接觸面要求有非常好的抗電遷移的特性；（6）具有良好的臺階覆蓋和填充高深寬比間隙的能力。cm。它必須在所有后道工藝的溫度（約 450℃500℃）條件下有效防止銅擴散，且能防止銅被氧化；（2）阻擋層薄膜還應(yīng)具有優(yōu)良的電導特性。因此必須在二者之間有一個折中的平衡。而這兩個要求確實相互影響和制約。為了防止銅擴散到器件區(qū)域，銅互連結(jié)構(gòu)需要被一層薄膜阻擋層在各個方面完全保護、完全密封起來，如圖 所示。對于阻擋層材料,要求它具有低的介電常數(shù)、好的刻蝕選擇性、好的抗擴散性能。選擇的這些材料要保證其在 Si 襯底和阻擋層間具有很好的附著性。阻擋層本身可以不需要特別低的接觸電阻，尤其對于 Si 的情況是這樣。這些缺陷產(chǎn)生于所采用的薄膜淀積方法以及該方法所用的工藝參數(shù)。而要解決Cu污染問題同時增強Cu 與介質(zhì)的附著,必須在Cu與Si或SiO 2之間增加一個DBAP(Diffusion Barrier and Adhesion Promoter)[6]，簡稱阻擋層(Barrier)。由于一直難以找到可以刻蝕Cu金屬薄膜材料的化學試劑和刻蝕手段,僅僅利用傳統(tǒng)的互連加工工藝,難以實現(xiàn)Cu 的互連引線圖形加工。另一方面，當銅在場氧化層中出現(xiàn)時會導致閾值電壓漂移，而當銅在互聯(lián)線間介質(zhì)層中出現(xiàn)時會引起漏生電流；（3）與鋁相比，銅對于二氧化硅粘附性能非常差，在自然條件下，淀積的銅是多晶結(jié)構(gòu)，而在使用中更希望是111晶向。另外，銅連線的布線層數(shù)目比鋁連線少，對某些 IC 器件，銅連線的層數(shù)只有鋁連線的一半；（5）銅連線降低了電容和信號串擾效應(yīng)，若將銅連線和低介電常數(shù)的絕緣材料相結(jié)合，這種銅/低介電常數(shù)介質(zhì)連線，速度將會更快，串擾將會更小；（6）高的屈服強度（68MPa)和抗拉強度（221MPa），可限制塑性流動，加強 Cu 膜的抗應(yīng)力遷移性能，并可使 Cu 膜在塑性流動時保持導體的完整，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。與鋁相比，銅的電子遷移失效時間要大 1~2 個數(shù)量級，所以銅可以在更薄的互連層厚度上通過更高的電流密度，從而降低能量消耗；（4）銅連線 IC 制造成本低。Cu 作為互連材料與 Al 相比在電學、力學和熱力學等方面都有其優(yōu)點：（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 延遲時間，提高集成電路的工作頻率；（2）具有接近于 Si 的熱脹系數(shù)(α=310 6 /℃)，溫度變化時在膜中產(chǎn)生的熱應(yīng)變較小。銅具有較好的機械與電學特性，在這四種元素中，銅的自擴散率也是最小的，從而具有較高的可靠性。其中，金的電阻率最高。在過去的三十多年中，鋁及鋁合金作為互連材料己沿用至今。整體互連的時間延遲 RC 急劇上升，大大超過了局域互連的貢獻，成為決定芯片最終性能的決定因素，即所謂的“互連危機” 。而器件特征尺寸進入到深亞微米后，芯片面積迅速增大，集成密度進一步提高，所有這些都要求金屬連線減少寬度、增加連線層數(shù)。中級和全局互連線相對較長，是產(chǎn)生互連延遲的主要因素，因此應(yīng)設(shè)法減小。集成電路中的互連，從其線長和功能方面劃分，可分為局域互連、中級互連、全局互連三種 [3]。前者可通過鑲嵌工藝解決，后者的解決即為本論文所探討的課題“擴散阻檔層” 。一方面，可采用低阻擋的互連材料來降低互連線電阻。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一步提高的瓶頸，互連線技術(shù)已成為集成電路(Integrated Circuit, IC)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。這樣一方面使器件和電路的工作頻率和性能得到提高；另一方面內(nèi)連材料線寬尺寸