基于稳定固溶体团簇模型的无扩散阻挡层Cu-Ni-M三元薄膜

发布时间：2017-09-21 12:01

  本文关键词：基于稳定固溶体团簇模型的无扩散阻挡层Cu-Ni-M三元薄膜

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【摘要】：在超大规模集成电路的Cu/低k互连工艺中,向Cu种籽层中添加难熔金属元素及其氮化物的无扩散阻挡层结构,因其具有低电阻率、高热稳定性和制备简单等优点成为研究热点。前期研究结果显示,Cu-Ni-M稳定固溶体团簇模型在改善Cu合金薄膜稳定性上是可行性的,根据该模型,第三组元M与Cu为正混合焓,与Ni为负混合焓,则向Cu膜中添加的M元素倾向于与Ni结合而与Cu排斥,最终形成以M为中心,Ni原子包围的(M1Ni12)团簇无序地分散在Cu基体中,起到提高Cu膜稳定性的作用。为了探究Cu-Ni-M模型在无扩散阻挡层中的适用范围及其影响机制,本文在该模型的基础上对第三组元M的选择进行了详细探讨,并最终选取了Fe、Cr、V、Mo、Ti、 Nb、Ta、Sn和Zr九种元素作为第三组元M,用磁控溅射的方法在硅基体上制备了Cu-Ni-M(M=Fe、Cr、V和Zr)四个系统薄膜和Cu-Ni参比样品薄膜,并进行了薄膜的成分、电阻率及微结构分析,进一步综合前期研究的Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Sn、Ta和Ti)薄膜的结果,补充了Cu-Ni-Nb和Cu-Ni-Sn薄膜的TEM分析,系统地对稳定固溶体团簇模型设计的Cu-Ni-M合金薄膜进行分析研究。研究结果表明,除Cu-Ni-Fe外,其他Cu-Ni-M薄膜的稳定性都得到不同程度的提高,从而验证了稳定固溶体团簇模型完全可以用于提高无扩散阻挡层Cu薄膜的稳定性。Cu-Ni-M薄膜的热稳定性与第三组元M的原子半径有关,M的原子半径越大,薄膜稳定性越好。当M与Cu的原子半径差△R0时,薄膜稳定性没有提高；当0≤△R9%时,薄膜的稳定性开始得到改善,如(Cr1.4/13.4Ni12/13.4)0.4Cu99.6和(V0.8/12.8Ni12/12.8)0.5Cu99.5薄膜；当△R9%时,Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Ta、Ti、Sn和Zr)薄膜的稳定性在M/Ni比为1/12起就得到显著地提高,△R大于15%的Cu-Ni-Sn和Cu-Ni-Zr两个系统薄膜的稳定性在所有M/Ni比下都得到提高。在稳定固溶体团簇模型中,只要第三组元M更加倾向于与Ni结合(即M与Ni的混合焓相对更负),该元素就能以(M1Ni12)团簇的形式在Cu膜中发挥作用,所以与Cu和Ni都为负混合焓的Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Zr两个系统也适用于稳定固溶体团簇模型。Cu-Ni-M薄膜退火后的低电阻率与团簇比例M/Ni=1/12有直接关系。Cu-Ni-M系列合金薄膜在退火后电阻率小于3μΩ·cm勺成分点都集中在M/Ni∈[0.6/12,1.6/12],Cu at.%∈[99.5,99.7]区域内,且在C u at.%=99.7%,M/Ni=1/12附近最密集。其中第三组元M原子半径最大的Cu-Ni-Zr薄膜具有最好的稳定性和低电阻率。
【关键词】：无扩散阻挡层 Cu合金薄膜 团簇模型 稳定性 电阻率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.11;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-29
• 1.1 集成电路制造工艺9
• 1.2 Cu/低k互连9-13
• 1.2.1 双大马士革镶嵌工艺11-12
• 1.2.2 低k介质材料和刻蚀停止层12-13
• 1.3 扩散阻挡层13-17
• 1.3.1 扩散阻挡层的结构14-15
• 1.3.2 扩散阻挡层的分类15-17
• 1.4 无扩散阻挡层17-26
• 1.4.1 二元无扩散阻挡层21-25
• 1.4.2 多元无扩散阻挡层25-26
• 1.5 选题背景26-28
• 1.5.1 Cu-Ni-M稳定固溶体团簇模型26-27
• 1.5.2 Cu-Ni-M稳定固溶体模型在无扩散阻挡领域的应用27-28
• 1.6 本文研究内容28-29
• 2 薄膜制备工艺与分析方法29-34
• 2.1 Cu-Ni-M合金薄膜的制备29-31
• 2.1.1 磁控溅射技术29-30
• 2.1.2 Cu-Ni-M合金薄膜的制备工艺30-31
• 2.2 Cu-Ni-M合金薄膜的分析31-34
• 2.2.1 薄膜成分分析31-32
• 2.2.2 薄膜电阻率分析32-33
• 2.2.3 薄膜微结构分析33-34
• 3 Cu-Ni-M稳定固溶体团簇模型中的第三组元M34-41
• 3.1 混合焓35-36
• 3.2 实验可行性36-37
• 3.3 原子半径37-39
• 3.4 Cu(M)二元合金薄膜的研究现状39-40
• 3.5 小结40-41
• 4 第三组元M对Cu-Ni-M薄膜性能的影响41-71
• 4.1 成分分析41-45
• 4.1.1 Cu-Ni-M三元薄膜的定量点分析41-43
• 4.1.2 Cu-Ni-M三元薄膜的成分均匀性分析43-45
• 4.2 电阻率结果分析45-51
• 4.2.1 不同温度下1h退火后薄膜的电阻率分析结果45-49
• 4.2.2 长时间退火下薄膜的电阻率分析结果49-51
• 4.3 微结构分析51-63
• 4.3.1 XRD分析结果51-56
• 4.3.2 TEM分析结果56-63
• 4.4 讨论与小结63-71
• 4.4.1 第三组元M对Cu-Ni-M薄膜热稳定性的影响63-64
• 4.4.2 第三组元M对Cu-Ni-M薄膜电阻率的影响64-67
• 4.4.3 第三组元M的固溶与析出67-71
• 结论71-73
• 参考文献73-80
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况80-81
• 致谢81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 翟艳男;杨坤;张晖;汤艳坤;张丽丽;;Cu互连中Zr嵌入层对ZrN阻挡层热稳定性的影响[J];稀有金属材料与工程;2014年08期

2 王灵婕,林吉申;铜互连技术[J];鹭江职业大学学报;2005年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 丁建鑫;稳定固溶体团簇模型在无扩散阻挡层Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Ta薄膜中的应用[D];大连理工大学;2014年

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本文编号：894399