Cu(Ti)和Cu(Cr)合金薄膜的制備及性能研究.pdf

1、隨著集成電路特征尺寸不斷減小，電阻電容（RC）延遲成為制約集成電路發(fā)展的主要瓶頸。為了降低RC延遲，提高器件的反應(yīng)速度，銅由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性和抗電遷移能力取代鋁，成為第二代互連材料。然而，超薄阻擋層良好臺(tái)階覆蓋率卻是集成電路工藝的巨大挑戰(zhàn)；此外，擴(kuò)散阻擋層減少了互連線中銅的有效橫截面面積，導(dǎo)致互連系統(tǒng)電阻率增加。因此，考慮去除擴(kuò)散阻擋層是非常有必要的。合金化的方法由于可以改善薄膜的性能，解決上述問(wèn)題，得到很大重視。進(jìn)行銅金屬化基礎(chǔ)理論研

2、究，對(duì)于優(yōu)化銅互連性能、提高銅互連可靠性和超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的產(chǎn)量具有極其重要的意義。
　　在本研究中，主要探討了銅合金薄膜的性能及其在集成電路互連材料上的應(yīng)用。純Cu和兩種不同濃度的Cu(Ti)、Cu(Cr)薄膜采用直流磁控濺射的方法沉積在SiO2/Si襯底。然后在真空度為2×10-4Pa條件下進(jìn)行300℃~700℃的熱處理。對(duì)熱處理過(guò)的樣品采用四探針、X射線衍射儀（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM

3、）、透射電子顯微鏡（TEM）和半導(dǎo)體分析儀（Keithley2400）進(jìn)行觀察和測(cè)量。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直接在SiO2襯底上沉積純銅薄膜，500℃退火后就發(fā)生明顯失效，薄膜的穩(wěn)定性和電學(xué)特性較差。
　　對(duì)于 Cu(Ti)/SiO2合金薄膜體系，其穩(wěn)定性和電學(xué)特性得到了一定改善。退火后 Ti原子向外擴(kuò)散到自由表面和銅合金/二氧化硅交界面，并在Cu(5.4at.％Ti)薄膜和SiO2界面間形成一層7nm的阻擋層。但仍有大量Ti

4、原子殘留在銅膜中，這導(dǎo)致Cu(1.6at.%Ti)薄膜與SiO2間無(wú)連續(xù)阻擋層生成，膜基結(jié)合性差。Cu(1.6at.%Ti)薄膜退火到700℃后檢測(cè)到Cu3Si，說(shuō)明此時(shí)薄膜中已發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)。由于薄膜中含Ti量較高，對(duì)銅膜的附加電阻增加，退火后電阻并沒(méi)有達(dá)到期望值。Cu(1.6at.%Ti)電極 MOS小時(shí)退火態(tài)漏電流比1小時(shí)退火態(tài)漏電流增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明其穩(wěn)定性較差，而Cu(5.4at.%Ti)電極MOS漏電流可以幾乎保持不變。