铜互连中钽基扩散阻挡层的IBAD制备技术研究

发布时间：2018-08-02 14:43

【摘要】：随着集成电路中互连工艺的不断发展,Cu逐渐取代了Al及其合金作为金属互连线材料。为改善Cu与Si基材料的粘附性和防止Cu与Si扩散反应,需要在Cu与Si基介质材料之间沉积一层扩散阻挡层。本文利用离子束辅助沉积技术制备了Ta、TaN和Ta-Si-N薄膜并研究了Si含量对Ta-Si-N薄膜微观结构、电学性能以及扩散阻挡性能的影响及研究了离子/原子到达比和沉积温度分别对TaN薄膜微观结构、电学性能以及扩散阻挡性能的影响。得出如下结论:(1)随着Si含量的增多,薄膜中TaN晶粒度逐渐减小,薄膜方阻逐渐增大;TaN薄膜在掺Si之后组织由致密的柱状晶转变为疏松的等轴晶。未掺Si的Cu/TaN/Si体系在退火后方块电阻减小,XRD没有发现新相的生成;然而掺Si的Cu/Ta-Si-N/Si体系在退火后有TaSi2和Cu3Si高阻相生成,导致体系的电阻显著增大,表明Ta N薄膜的扩散阻挡性能比Ta-Si-N薄膜的更好。(2)离子/原子到达比为4.6时TaN(111)晶面呈现出明显的择优取向,随着离子/原子到达比的增大,TaN薄膜中晶粒在空间随机分布的程度逐渐增大,薄膜组织由致密的柱状晶逐渐变为疏松的等轴晶,薄膜方阻逐渐增大。Cu/Ta/Si体系在退火后生成了TaSi2和Cu3Si高阻相,方阻显著增大;在离子/原子到达比为18.3下制备的Cu/TaN/Si体系在退火4h后有Cu3Si相和TaSi2相生成,方阻也显著增大;而当离子/原子到达比在4.6-13.7范围内时,制备的Cu/TaN/Si体系在退火后方阻有所减小,XRD分析表明没有新相生成。在适当的离子/原子到达比下制备的TaN薄膜能有效阻挡Cu与Si的扩散和反应。(3)室温下TaN(111)晶面表现出显著的择优取向,随着沉积温度的升高,TaN薄膜中晶粒在空间随机分布的程度逐渐增大,TaN薄膜的组织由致密的柱状晶逐渐变为疏松的等轴晶;沉积温度对TaN薄膜方阻几乎没有影响。室温时TaN薄膜具有最好的扩散阻挡性能,此时Cu/TaN/Si体系在退火后电阻有所减小,XRD结果表明没有Cu3Si高阻相的生成;但是沉积温度升高后制备的Cu/TaN/Si体系在退火后有Cu3Si相和TaSi2相生成,致使体系方阻显著增大。
[Abstract]:With the development of interconnect technology in integrated circuits, Cu has gradually replaced Al and its alloys as metal interconnect materials. In order to improve the adhesion of Cu and Si based materials and prevent the diffusion reaction between Cu and Si, a diffusion barrier layer should be deposited between Cu and Si based dielectric materials. Tahtin and Ta-Si-N thin films were prepared by ion beam assisted deposition and the effect of Si content on the microstructure of Ta-Si-N films was studied. The effects of ion / atom arrival ratio and deposition temperature on the microstructure, electrical properties and diffusion barrier properties of TaN films were investigated. The main conclusions are as follows: (1) with the increase of Si content, the grain size of TaN in the films decreases and the square resistance of the films increases. After Si doping, the microstructure of Tan thin films changes from dense columnar crystals to loose equiaxed crystals. The new phase formation was not found in the Cu/TaN/Si system without Si doping after annealing, but the high resistance of TaSi2 and Cu3Si was formed in the Si-doped Cu/Ta-Si-N/Si system after annealing, which resulted in a significant increase in the resistance of the system. It is shown that the diffusion barrier property of Ta N thin films is better than that of Ta-Si-N films. (2) the TaN (111) crystal plane exhibits an obvious preferred orientation when the ion / atom arrival ratio is 4.6. With the increase of ion / atom arrival ratio, the degree of random distribution of grains in Tan thin films increases gradually, and the structure of the films gradually changes from dense columnar crystals to loose equiaxed crystals. The square resistance of the films increases gradually after annealing, and the high resistance of TaSi2 and Cu3Si is formed after annealing, and the square resistance of the Cu/TaN/Si system prepared at the ion / atom ratio of 18.3 is 18.3 and the Cu3Si phase and TaSi2 phase are formed after 4 h annealing, and the square resistance also increases significantly. However, when the ion / atom ratio is within the range of 4.6-13.7, the results show that there is no new phase formation in the annealed Cu/TaN/Si system. The TaN films prepared at a proper ion / atom arrival ratio can effectively block the diffusion and reaction between Cu and Si. (3) the TaN (111) crystal plane exhibits an obvious preferred orientation at room temperature. With the increase of deposition temperature, the grain size of Tan thin film increases gradually from dense columnar crystal to loose equiaxed crystal, and the deposition temperature has little effect on the square resistance of TaN thin film. At room temperature, the TaN film has the best diffusion barrier property, and the Cu/TaN/Si system has less resistance after annealing. The results show that there is no formation of high resistance phase in Cu3Si, but the Cu3Si phase and TaSi2 phase are formed in the Cu/TaN/Si system after annealing with the increase of deposition temperature. As a result, the square resistance of the system is significantly increased.
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2159767