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Pt扩散阻挡层对PZT/Si薄膜化学结构和性能的影响

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真空科学与技术 1996年第1期16卷 23-28页

作者：朱永法曹立礼阎培渝李龙土张孝文清华大学化学系北京100084 清华大学材料科学与工程系北京100084

运用XPS和AES研究了Pt扩散阻挡层对PZT薄膜／Si界面化学结构和性能的影响：在PZT薄膜和Si基底间增加Pt扩散阻挡层，可以抑制TiCx物种和TiSix物种的形成，促进PZT薄膜的形成反应。Pt扩散阻挡层的存在阻断了氧和Si的相互扩散反应，促进PZ... 详细信息

运用XPS和AES研究了Pt扩散阻挡层对PZT薄膜／Si界面化学结构和性能的影响：在PZT薄膜和Si基底间增加Pt扩散阻挡层，可以抑制TiCx物种和TiSix物种的形成，促进PZT薄膜的形成反应。Pt扩散阻挡层的存在阻断了氧和Si的相互扩散反应，促进PZT物种形成钙钛矿型晶体结构，使得形成的PZT薄膜具有和体相材料相近的高介电常数和铁电性能。

关键词：锆钛酸铅薄膜扩散阻挡层界面反应铁电体

化学镀制备ULSI-Cu布线扩散阻挡层RMoB(R=Ni,Co)薄膜的研究

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化学镀制备ULSI-Cu布线扩散阻挡层RMoB(R=Ni,Co)薄膜的研究

作者：刘雪梅云南大学

学位级别：硕士

超大规模集成电路的布线尺寸由亚45nm至32nm及更深尺度10nm发展。随着集成电路的尺寸越来越小,性能的要求越来越高,传统的Al布线已经不能满足需求,寻找新的布线材料刻不容缓。因为Cu具有高的抗电迁移性,低的电阻率,高热导等优点成为新... 详细信息

超大规模集成电路的布线尺寸由亚45nm至32nm及更深尺度10nm发展。随着集成电路的尺寸越来越小,性能的要求越来越高,传统的Al布线已经不能满足需求,寻找新的布线材料刻不容缓。因为Cu具有高的抗电迁移性,低的电阻率,高热导等优点成为新一代布线材料。但Cu互连存在诸多问题如：①Cu与Si之间易扩散;②Cu与Si的粘附性能差;③Cu易被氧化等问题。所以本文针对Cu与Si之间的扩散阻挡层问题进行研究。利用化学镀法在Cu与Si基底之间沉积RMoB (R=Ni/Co)薄膜作为Cu的扩散阻挡层,并分别对RMoB薄膜以及RMoB/Cu/RMoB/SiO2/Si (R=Ni/Co)多层薄膜样品进行了40000℃的退火实验。实验研究了RMoB薄膜阻挡Cu扩散的失效温度及失效机制,同时分析了RMoB薄膜沉积的反应机理：用XRD、XPS、FPP、AFM分别表征了退火前后样品的结构、成分、电阻率以及表面形貌。得出的主要结论如下：(1)制备并得到了Cu薄膜的优化条件：CuSO4·5H2O浓度为7.5g/L;EDTA浓度为17.35g/L;CHOCOOH浓度为9ml/L;a-a’联毗啶浓度为10mg/L;pH值为13;温度为70℃;(2)制备并得到了NiMoB薄膜的优化条件：NiSO46H2O浓度为20g/L;Na2MoO4·2H2O浓度为0.34g/L;Na3C6H5O7·2H2O浓度为25g/L;DMAB浓度为0.05mol/L;NH4F浓度为0.004g/L;十二烷基硫酸钠浓度为0.004g/L：乙酸浓度为10ml/L;pH值为11.5;温度为85℃;(3)制备并得到了CoMoB薄膜的优化条件：CoSO4·7H2O浓度为0.087mol/L;Na2MoO4·2H2O浓度为0.15g/L;Na3C6H5O7·2H2O浓度为60g/L;DMAB(C2H10BN)浓度为0.06mol/L;C12H25NaO4S浓度为0.06g/L;C2H4O2浓度为10ml/L;温度为80℃;pH值为11;(4)对于化学镀制得的RMoB/Cu/RMoB/SiO2/Si多层膜在氩气保护下进行了不同温度的退火。经分析得出NiMoB薄膜,CoMoB薄膜的失效温度分别为500℃和600℃。NiMoB和CoMoB薄膜失效的主要原因是高温退火后薄膜结晶以及生成大颗粒,产生孔洞,大量的Cu颗粒通过晶界以及颗粒边界穿过阻挡层与Si基底及空气中的氧发生反应生成高电阻的Cu4Si和CuO所致。通过比较可知在较低温度时NiMoB薄膜具有更好的抗Cu、Si胡扩散的能力;在工作温度较高时CoMoB薄膜具有更好的阻挡性能。

关键词： Cu互连化学镀 NiMoB/CoMoB薄膜扩散阻挡层失效温度

Cu5Zn8和Ag3Sn扩散阻挡层对Sn-Cu钎焊界面反应的影响

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Cu5Zn8和Ag3Sn扩散阻挡层对Sn-Cu钎焊界面反应的影响

作者：姚金冶大连理工大学

学位级别：硕士

金属Cu具有优良导电导热性,在微电子封装行业中被广泛应用为基体材料,在微电子器件的钎焊过程中,Cu基焊点与钎料之间发生化学反应生成金属间化合物IMC(intermetallic compound)。在钎焊过程中经常会伴随IMC层过度生长,严重影响焊接接头... 详细信息

金属Cu具有优良导电导热性,在微电子封装行业中被广泛应用为基体材料,在微电子器件的钎焊过程中,Cu基焊点与钎料之间发生化学反应生成金属间化合物IMC(intermetallic compound)。在钎焊过程中经常会伴随IMC层过度生长,严重影响焊接接头性能,并降低焊接接头的可靠性。本课题针对IMC层过度生长问题,提出在钎焊回流过程使用连续稳定的IMC层作为扩散阻挡层。通过浸焊工艺制备CuZn扩散阻挡层,电沉积及热诱导工艺制备AgSn扩散阻挡层。并通过研究在不同钎焊工艺下,纯Sn钎料球在Cu,CuZn/Cu,AgSn/Cu基板上IMC的形貌演变及相关动力学机制,其主要结论如下:(1)通过预制CuZn,AgSn扩散阻挡层来抑制钎焊界面反应是可行的。在相同钎焊工艺条件下,纯Sn钎料在CuZn/Cu,AgSn/Cu上的IMC生长速率低于在普通Cu基板上的生长速率。(2)对于CuZn扩散阻挡层来说,在一定范围内,扩散阻挡层厚度越大,抑制IMC过度生长效果越好,通过微观形貌演变及动力学分析,由于CuZn扩散阻挡层的存在,从而减缓IMC的生长速率,抑制IMC的过度生长。(3)AgSn镀层的先后顺序影响钎焊过程IMC的生长。由于Cu与镀Sn界面处会先生成CuSn,先电镀Sn随后镀Ag制备的AgSn扩散阻挡层阻挡效果更好。

关键词：扩散阻挡层钎焊 Sn基无铅钎料 Cu5Zn8 Ag3Sn

原子层淀积high-k栅介质和扩散阻挡层及其特性研究

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原子层淀积high-k栅介质和扩散阻挡层及其特性研究

作者：江婷婷复旦大学

学位级别：硕士

随着集成电路特征尺寸在摩尔定律的驱动下不断缩小,许多传统薄膜生长工艺都面临着挑战。而原子层淀积工艺作为一种新兴的薄膜生长工艺,由于其在薄膜组成和厚度的精确控制等方面的优点而备受关注。目前原子层淀积工艺已经被逐步应用到hig... 详细信息

随着集成电路特征尺寸在摩尔定律的驱动下不断缩小,许多传统薄膜生长工艺都面临着挑战。而原子层淀积工艺作为一种新兴的薄膜生长工艺,由于其在薄膜组成和厚度的精确控制等方面的优点而备受关注。目前原子层淀积工艺已经被逐步应用到high-k栅介质、集成电路后端互连扩散阻挡层、以及各种光学材料的研究中。因此,对于原子层淀积技术进行实验和理论两方面的深入研究是非常有意义的。本文主要研究了在Si衬底上原子层淀积生长HfO2high-k栅介质和TiAIN扩散阻挡层的工艺,并在实验和理论两方面对制备得到的薄膜特性进行了分析和研究。一方面,用原子层淀积方法制备了Hf02栅介质薄膜,研究了在不同薄膜样品退火温度情况下Hf02和Si衬底界面层特性,并同时在理论上计算研究了Hf02薄膜内部的缺陷态分布情况。另一方面,我们又使用了两种不同的脉冲反应顺序TiCl4->NH3->TMA和TMA->NH3->TiCl4来原子层淀积TiAIN,同时也使用密度泛函方法计算了氧化硅上原子层淀积TiAlN的初始反应路径机理。主要内容以及取得的成果可以归为以下两个方面：本论文首先研究了在600以及800℃三种情况下的退火的Hf02薄膜与Si衬底之间的界面层厚度和组分的变化情况。实验发现,未退火以及600℃以下温度退火的样品中Hf02与Si片界面之间存在有一层很薄的Si02层,当退火温度为800℃时,这个界面层的成分开始由Si02向HfSiO4转变。而椭偏分析结果则表明：随着退火温度的升高Hf02薄膜的厚度呈现减薄趋势,这可能是由于随着退火温度的升高,Hf02中的氧原子向界面发生扩散,从而导致Hf02薄膜变薄。在以上实验结果的基础上,我们又使用基于第一性原理的杂化密度泛函方法计算了Hf02薄膜中的缺陷态分布情况。Hf02的理论禁带宽度为5.6eV,与我们使用椭偏方法拟合得到的禁带宽度(5.2eV)非常吻合。在对Hf02中几种不同构型的氧空位和氧间隙的缺陷态能级分布进行计算后,我们发现氧空位Hf02禁带中的缺陷态能级主要分布在Hf02禁带中部以及Hf02导带底下部1eV附近,而负价氧间隙的缺陷态能级主要分布在Hf02禁带中部及以下。接着,本文又研究了原子层淀积TiAIN的工艺。我们使用两种不同的脉冲反应顺序TiCl4->NH3->TMA和TMA->NH3->TiCl4在4个不同温度淀积得到了TiA1N薄膜。并在实验结果的基础之上,使用密度泛函方法计算分析了氧化硅上原子层淀积TiAIN的初始反应路径机理。实验结果两种反应顺序情况下的反应速率都没有出现随温度的升高而逐渐饱和的情况。这可能是由于TMA在较高反应温度下出现一定的热分解所导致的。XRD结果结果表明,所有TiAIN样品中都只具有较弱的TiN单晶衍射峰。但是XPS结果表明,使用TiCl4->NH3->TMA顺序得到的样品中的C杂志含量(30%)远高于使用TMA->NH3->TiCl4顺序得到的样品(10%)。并且,C杂质在样品中主要是以化合物方式成键的。进一步地,在以上实验结果的基础之上,我们计算了在氧化硅上原子层淀积TiA1N的初始反应路径机理。计算结果发现对于TMA->NH3->TiCl4这个反应顺序,相应3个反应势垒分别为：0.46eV、1.50eV和1.68eV。而在TiCl4->NH3->TMA的3个反应中,相应的反应势垒为：0.55eV、1.18eV和0.76eV。后者的NH3->TMA反应势垒非常低,为0.76eV：这使得SiO2-O-Ti(NH2)x-Cly*和TMA之间的反应比较容易进行,从而导致了薄膜中较多的C杂质残余。不过,虽然TiCl4->NH3->TMA这个反应顺序淀积得到的C含量较高,但是使用这个反应顺序得到的样品的方块电阻却比使用TMA->NH3->TiCl4淀积得到的样品的方块电阻小。这可能是由于在TiCl4->NH3->TMA中TiC14和NH3之间的反应势垒较低,而生成的Ti-N键较多的缘故。

关键词：原子层淀积 high-k栅介质扩散阻挡层密度泛函理论

化学镀制备ULSI-Cu布线扩散阻挡层NiRB（R=Cr/Co）薄膜的研究

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化学镀制备ULSI-Cu布线扩散阻挡层NiRB（R=Cr/Co）薄膜的研究

作者：王月春云南大学

学位级别：硕士

自1997年IBM公司发布了可用于集成电路生产的铜布线工艺后,铜互连逐渐占据了集成电路生产的主导地位。但随着集成电路设计水平和特征尺寸的不断发展,器件尺寸越来越小、集成密度越来越大、工作频率越来越快,铜互连面临的挑战日益凸显。... 详细信息

自1997年IBM公司发布了可用于集成电路生产的铜布线工艺后,铜互连逐渐占据了集成电路生产的主导地位。但随着集成电路设计水平和特征尺寸的不断发展,器件尺寸越来越小、集成密度越来越大、工作频率越来越快,铜互连面临的挑战日益凸显。易扩散和易氧化始终是铜互连存在的关键问题,因此在Cu与Si之间添加一层扩散阻挡层以及在Cu表面添加一层抗氧化阻挡层成为研究的热点。本文以亚45nm级铜互连扩散阻挡层NRB（R=Cr/Co）薄膜为题展开研究,调整和优化了化学镀制备NiRB（R=Cr/Co）薄膜和Cu薄膜的实验参数,包括各化学试剂用量、温度范围和pH控制范围,用化学镀方法制备了 NiRB/Si（R=Cr/Co）和NiRB/Cu/NiRB/Si（R=Cr/Co）样品,并在氩气中进行了 500℃～900℃的退火实验。用薄膜测厚仪、四探针测试仪（FPP）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）和原子力显微镜（AFM）等对退火前后样品的厚度、方块电阻、晶体结构、元素价态和表面形貌特征进行了分析。研究的主要内容和结论如下:1.用化学镀方法制备了 Cu薄膜、NiRB（R=Cr/Co）薄膜以及NiRB/Cu/NiRB/Si（R=Cr/Co）多层膜。化学镀制备NiCrB薄膜的最佳实验条件:各化学试剂用量分别为Na3C6H5O7·2H2O40 g/l,NiSO4·6H2O 30 g/l,CrCl3·6H2O 12 g/l,DMAB 0.06 mol/l,CH3COONa·2H2O 25 g/l,NaF 6 g/l,NH4F 2.5 g/l,温度为 85℃,pH 为 11。化学镀制备NiCoB薄膜的最佳实验条件:各化学试剂用量分别为Na3C6H5O7·2H2O 41.17 g/l,C4H4O6KNa·4H2O 14.11 g/l,NiSO4·6H2O 28.91 g/l,CoSO4·7H2O 8.43 g/l,DMAB 0.04 mol/l,CH3COONa·2H2O 15 g/l,NaF 1.0 g/l,NH4F2.5g/l,温度为 85℃,pH为 11。化学镀制备Cu薄膜的最佳实验条件:各化学试剂用量分别为CuSO4·5H2O 20 g/l,EDTA-2Na 39 g/l,CHOCOOH ·H2O 13.8 g/l,C6H8O7·H2O 21 g/l,α-α’bipyridine（C10H8N2）10mg/l,温度为 77.5 ℃,pH 为 12。2.化学镀制备的NiCrB薄膜以NiB和CrB2化合物、单质Ni的形式存在,具有电阻率低（7.608 μΩ·cm）、与基体结合力强等优点且具有良好的抗氧化性。退火实验表明,NiCrB薄膜阻挡铜扩散的失效温度为900℃,失效原理为高温热处理后阻挡层薄膜结晶且晶粒长大,Cu通过晶粒边界到达硅基体并与之反应,生成高电阻的Cu3Si。化学镀制备的NiCoB薄膜以非晶状态的单质Ni和CoB化合物的形式存在,具有电阻率低（18.364 μΩ·cm）、与基体结合力强等优点。退火实验表明,NiCoB薄膜阻挡铜扩散的失效温度为850℃,随着退火温度的升高,Ni-Si化合物中Ni和Si的比例逐渐降低,从正交的Ni3Si2和单斜的Ni3Si逐渐转化为立方的NiSi2,立方相的Cu可能更容易通过立方相的NiSi2的晶粒边界到达Si基体并与之反应,生成了高电阻的Cu4Si。

关键词： Cu互连化学镀扩散阻挡层 NiCrB薄膜 NiCoB薄膜

RuTi基单层薄膜作为铜互连扩散阻挡层研究

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RuTi基单层薄膜作为铜互连扩散阻挡层研究

作者：李骥复旦大学

学位级别：硕士

随着半导体工艺特征尺寸不断减小,在铜互连结构中,对于单层阻挡层的需求越来越迫切。目前合金阻挡层已经成为一个新的阻挡层研究方向。由于Ru对Cu的良好粘附性,基于Ru的合金阻挡层能够在保持对Cu的良好的粘附性同时对Cu的扩散进行阻挡... 详细信息

随着半导体工艺特征尺寸不断减小,在铜互连结构中,对于单层阻挡层的需求越来越迫切。目前合金阻挡层已经成为一个新的阻挡层研究方向。由于Ru对Cu的良好粘附性,基于Ru的合金阻挡层能够在保持对Cu的良好的粘附性同时对Cu的扩散进行阻挡。本课题针对目前国内外研究非常少的Ru-Ti和RuTiN扩阻挡层进行了研究。论文首先研究了文献中已经报道的RuTa和RuN薄膜作为扩散阻挡层的特性,并以此作为下面研究的参照。多种结果均表明Ru-Ta合金阻挡层具有对Cu的比较好的阻挡特性。但是SEM结果表明,随着Ru比例的上升,Cu随退火温度的上升在阻挡层表面的团聚现象加剧,从而导致表面出现孔洞和破损等现象。研究了不同氩氮比下生长的Ru-N薄膜的反应特性,多种结果表明,氩氮比30：3条件下生长的Ru-N热稳定性最好,但是由于N的外扩,退火后会在Cu表面留下针孔论文研究了不同Ti含量的RuTi和RuTiN薄膜的性能。在Ti小含量下（＜5%）,经过500℃退火以后,RuTi薄膜全部失效,同时AES结果显示,对于Ti含量低的薄膜,从400℃开始Cu就已经扩散进入Si衬底。而对于Ru-Ti-N薄膜,薄层电阻显示,Ti含量高的薄膜,500℃退火后电阻仍然没有上升,而AES测试结果表明,即使对于Ti含量低的薄膜,退火前后均未出现Cu向Si中的扩散。但是SEM照片则显示,经过400℃退火后,Cu表面开始出现针孔,这说明低含量的Ti并未能有效束缚住Ru中N的外扩。最后制备了高Ti含量下不同Ru-Ti比例的Ru-Ti及Ru-Ti-N阻挡层,研究了Cu/阻挡层在Si上的热学稳定性以及在SiO2及Low k上的电学特性。多种测试结果表明,当Ti含量增加至与Ru几乎相同时,Ru1Ti1N薄膜500℃退火后性质保持稳定,同时,SEM结果显示,随着Ti含量的增加,薄膜表面针孔几乎消失不见。在Low k衬底以及SiO2表面制备的薄膜的电学测试表明,C-V偏压测试和IV曲线测试都表明,Ru1Ti1N扩散阻挡层样品具有最好的扩散阻挡Cu的性能。本文的研究结果表明：高Ti含量下的Ru1Ti1N阻挡特性最好,具有与RuTa可比的性能。

关键词：铜互连扩散阻挡层钌钛合金热稳定性

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铜互联工艺的氮化钽扩散阻挡层研究

铜互联工艺的氮化钽扩散阻挡层研究

作者：曹世成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着集成电路工艺的发展，铜替代铝成为新一代的互连材料。为了防止铜扩散进硅器件中引起器件性能受损以及提高铜与硅、二氧化硅的粘附性，必须在铜互连线外包裹一层扩散阻挡层。氮化钽具有电阻率低、熔点高、晶格和晶界扩散的激活能高... 详细信息

随着集成电路工艺的发展，铜替代铝成为新一代的互连材料。为了防止铜扩散进硅器件中引起器件性能受损以及提高铜与硅、二氧化硅的粘附性，必须在铜互连线外包裹一层扩散阻挡层。氮化钽具有电阻率低、熔点高、晶格和晶界扩散的激活能高、界面稳定等一系列优异的性能，是当前制备扩散阻挡层的首选材料。因此对氮化钽薄膜的工艺方法、阻挡效果、失效机制等方面的研究对于提高集成电路的互连可靠性起到十分重要的作用。本文采用反应磁控溅射方法在硅衬底上制备氮化钽薄膜、钽薄膜、铜籽晶层，利用掠入射X射线衍射（GIXRD）、原子力显微镜（AFM）、Van derPauw四电极法和表面轮廓仪研究了不同溅射工艺对氮化钽薄膜结构形貌的影响规律以及氮化钽阻挡层在不同温度环境下阻挡性能，并研究了所制备阻挡层的失效机制。通过试验研究，本文得到主要结果如下：本文所制备的氮化钽薄膜均为面心立方结构;晶体结构随工艺参数的改变发生变化，衍射峰峰强随溅射功率和衬底温度的增加而增强，氮气分压的增加使择优取向向（111）晶面偏移;氮化钽薄膜的表面形貌与溅射功率和氮气分压密切相关，与衬底温度的关系不大，其粗糙度随溅射功率的增加而增大，随氮气分压的增加而减小;氮化钽薄膜的方块电阻随溅射功率的增加逐渐减小，随氮气分压的增加逐渐增大，温度对方块电阻的影响不大;溅射功率和衬底温度的增加均会使薄膜的沉积速率增加，而氮气分压增加时，沉积速率不升反降;对Cu/barrier/Si互联体系真空热处理，钽阻挡层在600℃时失效，Ta-Si界面发生反应形成TaSi2，此温度下氮化钽阻挡层衍射峰的强度有所增强但没有新相产生，依然具有良好的扩散阻挡特性。通过选取适当的工艺参数，本文成功制备出具有高温阻挡性能的氮化钽薄膜，且所制备的氮化钽薄膜具有良好的表面形貌和电学性能，满足其作为扩散阻挡层的性能要求。

关键词：反应磁控溅射氮化钽扩散阻挡层微结构电学性能

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新型CoMo合金铜互连扩散阻挡层研究

新型CoMo合金铜互连扩散阻挡层研究

作者：王敬轩复旦大学

学位级别：硕士

随着特征尺寸的缩小,集成电路的技术节点已经进入14nm以下,互连中的RC延迟和可靠性问题已经成为制约芯片性能的主要因素,传统的Ta/TaN阻挡层已经不能满足工艺发展的要求,需要研究新型超薄扩散阻挡层材料。本论文针对新型的CoMo合金阻挡... 详细信息

随着特征尺寸的缩小,集成电路的技术节点已经进入14nm以下,互连中的RC延迟和可靠性问题已经成为制约芯片性能的主要因素,传统的Ta/TaN阻挡层已经不能满足工艺发展的要求,需要研究新型超薄扩散阻挡层材料。本论文针对新型的CoMo合金阻挡/粘附层做了较为全面的研究,对其热学、电学和抛光特性等方面性能进行了探究。我们首先研究了超薄CoMo互连体系的热学稳定性。测试了50nmCu/～5nm CoMo/Si样品在退火前后的薄层电阻,发现～5nm CoMo阻挡层在500℃30分钟退火后仍然能够保持其对铜扩散的阻挡性能,并且热稳定性良好。在超低K介质衬底上(k=2.2),我们采用TEM与EDX测试相结合的方法,对刚淀积样品和从400℃到500℃退火的样品进行了表征,CoMo阻挡层对Cu具有较好的阻挡性能,退火后低K介质衬底中没有发现扩散的Cu元素,而相同厚度的Ta阻挡层样品已经失效。Cu/CoMo(1:3)/Low-k样品在600℃30分钟退火后表面的Cu仍然保持光滑连续,没有发生团聚现象,这说明CoMo与Cu之间具有较好的粘附性,适合作为铜互连中的粘附层材料。对CoMo阻挡层的电学性能,我们采用p-cap结构进行了研究。利用p-cap结构我们测试了阻挡层样品的漏电流和击穿场强等参数,并测量了样品在高温下的I-V特性,-5nmCoMo(1:3)样品在150℃下的击穿场强在6.3-7.4MV/cm,比Ta(3nm)/TaN(2nm)的击穿场强高(5.9-7.1MV/cm);在任何3MV/cm,5MV/cm和7MV/cm,150C测试条件下,CoMo样品的经时击穿时间都小于Ta/TaN样品的TDDB。。还采用了温偏应力(BTS)测试法阻挡层样品的C-V曲线平带移动进行了表征,CoMo(1:3)样品在±1MV/cm150℃偏置600s后平带偏移为2.1V,小于相同偏置下Ta(3nm)/TaN(2nm)的偏移2.24V。1MV/cm场强150℃下偏置300s后三角波扫描(TVS)测试中,CoMo(1:3)阻挡层样品中没有出现明显的可动电荷峰,说明其对Cu有较好的阻挡性能。对CoMo的抛光性能进行了初步研究,发现在pH=3和pH=10下双氧水可以促进CoMo的腐蚀。同时,我们发现乙二胺能够抑制CoMo的静态腐蚀,pH=3条件下5mL/L双氧水体系中,1mL/L乙二胺可以将CoMo的静态腐蚀速率由66.6nm/min降低到12.5nm/min。另外,甘氨酸可以将CoMo与Cu之间的接触电位由0.228V降低为0.067V,抑制CoMo与Cu的电偶腐蚀。本论文结果表明,CoMo是一种非常优良的扩散阻挡层材料,有望在下一代互连工艺中得到应用。

关键词：铜互连扩散阻挡层粘附性 p-cap测试结构 BTS/TVS测试化学机械抛光

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铜基自组装扩散阻挡层的工艺研究

铜基自组装扩散阻挡层的工艺研究

作者：周同复旦大学

学位级别：硕士

随着集成电路特征尺寸的不断减小,后端铜互连工艺中扩散阻挡层的厚度也要不断减薄。而使用传统的Ta/TaN双层结构作扩散阻挡层时,减薄厚度会使得RC延迟增加并带来可靠性方面的问题。一种有效的替换方法就是使用以铜为基的合金自组装扩散... 详细信息

随着集成电路特征尺寸的不断减小,后端铜互连工艺中扩散阻挡层的厚度也要不断减薄。而使用传统的Ta/TaN双层结构作扩散阻挡层时,减薄厚度会使得RC延迟增加并带来可靠性方面的问题。一种有效的替换方法就是使用以铜为基的合金自组装扩散阻挡层。Cu-Mn和Cu-Al合金都已经被研究并成功形成扩散阻挡层,Cu-Mn合金或Cu-Al合金淀积完成后,在一定的温度下退火一定的时间,原来的合金层会变成籽晶层、和扩散阻挡层。相图是选择和决定材料的配方、制备方法、加工工艺和使用条件的依据。合金相图是应用图解的方法,表示合金的成分、平衡相状态及外界条件（温度、压力等）之间关系的图线。利用已有的平衡相图可以了解体系在任意温度下处于平衡状态时存在的相态以及相的组成等情况。在45nm,32nm技术节点下,对扩散阻挡层的厚度有不同的要求。要满足不同技术节点对扩散阻挡层厚度的要求,就要考虑退火温度和合金中元素的摩尔百分数对扩散阻挡层厚度产生的影响。本文通过计算Cu-Mn以及Cu-A1的相图,并进一步分析所获得的相图,结合合金退火变化的模型,通过计算,得到了不同技术节点下,要满足不同的扩散阻挡层厚度,不同的退火温度下,相应的合金中元素的摩尔百分数的范围;进一步讨论后,给出了具体的退火温度和合金中元素的摩尔百分数的值。除了退火温度和合金中元素的摩尔百分数外,退火时间也会对扩散阻挡层的厚度产生影响。依据低温下氧化物生长的对数速率法则,退火时间越长,扩散阻挡层的厚度越厚。除此之外,还利用内部氧化和外部氧化的模型,分析得出使用Cu-Mn合金时,在退火气体氛围中加入少量氧气会起到降低互连线电阻率的效果。这些结果对集成电路制造中后端铜互连工艺参数的设置具有重要的指导意义。

关键词：扩散阻挡层合金相图退火温度