先進銅接觸工藝的擴散阻擋層的研究.pdf

1、在32nm及以下技術(shù)節(jié)點，互連帶來的延遲超過了門延遲，成為器件性能進一步提升的瓶頸。而接觸層的W塞工藝在32nm及以下技術(shù)節(jié)點帶來的大的接觸電阻和電阻的不均勻性制約了器件的性能。一個解決辦法是采用低電阻的Cu接觸工藝替代傳統(tǒng)W塞工藝。本文針對這一先進工藝，研究了新型擴散阻擋層在Cu接觸結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和失效機理，具有科學(xué)研究價值和實際應(yīng)用價值。
　　首先，我們研究了超薄Ru/TaN雙層擴散阻擋層在銅接觸結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)特性和電學(xué)特性。通過

2、XRD，XPS，TEM，EDX和電學(xué)測試等分析手段，研究了擴散阻擋層結(jié)構(gòu)在襯底NiSi上的熱學(xué)穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明Ru(5nm)/TaN(13nm)復(fù)合阻擋層在400℃30分鐘退火后能有效抑制Cu擴散，但是450℃30分鐘退火后就發(fā)生了Cu擴散現(xiàn)象，在500℃30分鐘退火后Cu進一步反應(yīng)產(chǎn)生了Cu3Si在NiSi/Si界面處。
　　然后本文利用原位XRD方法研究Cu/Ru/TaN在NiSi和Si襯底上的失效溫度，發(fā)現(xiàn)在NiSi上C

3、u/Ru/TaN的失效溫度比在Si襯底上低得多，其Cu擴散激活能為0.65eV，而在Si襯底上的結(jié)構(gòu)Cu的激活能為1.3eV。
　　論文首次提出了采用Ru/TaSiN阻擋層作為銅接觸的阻擋層。通過Ru/TaN和Ru/TaSiN的比較實驗發(fā)現(xiàn)，Ru/TaSiN雙層擴散阻擋層在NiSi襯底上具有更好的擴散阻擋性能。通過對熱膨脹系數(shù)的計算和討論，我們分析了TaN在NiSi襯底上的失效原因，推測是熱處理過程中薄膜中大的應(yīng)力導(dǎo)致。而在TaN

4、擴散阻擋層中加入Si之后減輕了TaN在NiSi上的應(yīng)力問題。
　　然后通過改變TaSiN的工藝制備參數(shù)研究了TaSiN用于銅接觸結(jié)構(gòu)中的熱穩(wěn)定性和電學(xué)性質(zhì)。變換Ta、Si的比例從3.4到10.8時，測試結(jié)果證明了擴散阻擋性能并沒有發(fā)生太大的變化。XRD、薄層電阻測試和電學(xué)測試說明，高的Si含量提高了薄膜的熱穩(wěn)定性和在Cu接觸中的電學(xué)性能，但是也提高了TaSiN薄膜的電阻率。當(dāng)進一步減薄TaSiN到5nm時，Ru/TaSiN仍然有良