自组装单分子膜的末端功能基团对化学气相沉积铜薄膜的影响

作     者：刘铮铮 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王琦

授予年度：2007年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：化学气相沉积 铜薄膜 扩散阻挡层 自组装单分子层 功能基团 相互作用 

摘      要：铜具有很好的导电性和抗电迁移能力，是一种理想的多级金属化形成的超大规模集成电路(ULSI)中的导线材料。在100nm以下铜金属互连技术中，需要使用厚度5nm的扩散阻挡层来阻止铜扩散进入相邻的电介质，并且增强铜在基材表面的附着能力。目前，特别是在高深宽比的条件下，传统的阻挡层材料如钽，氮化钽，氮化钛等无法形成厚度小于10nm的均一的连续的薄膜。 自组装单分子膜(SAMs)可以通过改变其链长和末端功能基团来形成超薄的具有特定性质的薄膜，因此被广泛的应用于分子器件，平版印刷术和微型仪器等领域中。通过选择合适的末端功能基团，SAMs可以利用末端功能基团与铜之间的相互作用来阻挡铜的扩散和增加铜在基材表面的附着能力，是一种理想的扩散阻挡层材料。 本论文在自行设计、组建的金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统上，以六氟乙酰丙酮合铜(Ⅱ)[Cu(Ⅱ))(hfac)]为前驱物，氢气为载气和还原性反应气，分别在2-(吡啶)-2-乙基-三甲基硅烷(TMSEP)和丙基三甲氧基硅烷(PTMS)自组装单分子膜(SAMs)改性基材上进行化学气相沉积铜薄膜，并对得到的铜薄膜的性质进行了分析和比较，研究自组装单分子膜的末端功能基团对化学气相沉积铜薄膜的影响。论文主要由以下三个部分组成： 一、在PTMS自组装单分子膜改性基材上进行化学气相沉积铜薄膜的相关研究。研究表明：铜与甲基功能团之间的相互作用为van der Waals相互作用，属于弱相互作用，因此甲基对沉积在基材表面的铜没有固定作用，这样就导致铜在PTMS-SAMs改性的表面有团聚现象。PTMS-SAMs的引入对阻止铜扩散进入基材表面具有一定的效果，这主要是烷基链之间的紧密堆积产生的真空层的作用。 二、在TMSEP自组装单分子膜改性基材上进行化学气相沉积铜薄膜的相关研究。研究表明：铜与2-吡啶的之间的相互作用主要为铜和芳环之间的配位作用，因此对阻挡铜的扩散和增强表面附着力有一定的效果。整个沉积过程可分为表面反应控制区和传质控制区，两温度区域之间的转换温度为350℃。铜薄膜的接合模式为“填充式(filling in)，这样有利于形成均匀的铜薄膜。 三、研究和比较了铜在拥有不同末端功能基团的SAMs上的化学气相沉积。发现：SAMs的引入不仅能够增加铜在基材表面的附着能力，而且能有效地阻止铜扩散进入基材表面。这是因为SAMs的末端功能基团与铜之间存在着相互作用，起到了固定铜原子的效果。SAMs表面功能基团与铜之间相互作用力的强弱不同，这种固定作用也不相同。末端功能团中反应位点的位置也会影响到Cu在SAMs表面的沉积。当反应位点裸露在SAMs表面时，Cu更容易接触到反应位点，从而发生反应。而当反应位点被周边原子所覆盖时，Cu不容易接触到功能基团上的反应位点，从而影响反应的顺利进行。