基于穩(wěn)定固溶體團簇模型的無擴散阻擋層Cu-Ni-M三元薄膜.pdf

1、在超大規(guī)模集成電路的Cu/低k互連工藝中，向Cu種籽層中添加難熔金屬元素及其氮化物的無擴散阻擋層結(jié)構(gòu)，因其具有低電阻率、高熱穩(wěn)定性和制備簡單等優(yōu)點成為研究熱點。前期研究結(jié)果顯示，Cu-Ni-M穩(wěn)定固溶體團簇模型在改善Cu合金薄膜穩(wěn)定性上是可行性的，根據(jù)該模型，第三組元M與Cu為正混合焓，與Ni為負混合焓，則向Cu膜中添加的M元素傾向于與Ni結(jié)合而與Cu排斥，最終形成以M為中心，Ni原子包圍的(M1Ni12)團簇?zé)o序地分散在Cu基體中，起

2、到提高Cu膜穩(wěn)定性的作用。
　　為了探究Cu-Ni-M模型在無擴散阻擋層中的適用范圍及其影響機制，本文在該模型的基礎(chǔ)上對第三組元M的選擇進行了詳細探討，并最終選取了Fe、Cr、V、Mo、Ti、Nb、Ta、Sn和Zr九種元素作為第三組元M，用磁控濺射的方法在硅基體上制備了Cu-Ni-M（M=Fe、Cr、V和Zr）四個系統(tǒng)薄膜和Cu-Ni參比樣品薄膜，并進行了薄膜的成分、電阻率及微結(jié)構(gòu)分析，進一步綜合前期研究的Cu-Ni-M(M=Mo

3、、Nb、Sn、Ta和Ti)薄膜的結(jié)果，補充了Cu-Ni-Nb和Cu-Ni-Sn薄膜的TEM分析，系統(tǒng)地對穩(wěn)定固溶體團簇模型設(shè)計的Cu-Ni-M合金薄膜進行分析研究。
　　研究結(jié)果表明，除Cu-Ni-Fe外，其他Cu-Ni-M薄膜的穩(wěn)定性都得到不同程度的提高，從而驗證了穩(wěn)定固溶體團簇模型完全可以用于提高無擴散阻擋層Cu薄膜的穩(wěn)定性。Cu-Ni-M薄膜的熱穩(wěn)定性與第三組元M的原子半徑有關(guān)，M的原子半徑越大，薄膜穩(wěn)定性越好。當(dāng)M與Cu的

4、原子半徑差△R＜0時，薄膜穩(wěn)定性沒有提高;當(dāng)0≤△R＜9％時，薄膜的穩(wěn)定性開始得到改善，如(Cr1.4/13.4Ni12/13.4)0.4Cu99.6和(V0.8/12.8Ni12/12.8)0.5Cu99.5薄膜;當(dāng)△R＞9％時，Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Ta、Ti、Sn和Zr)薄膜的穩(wěn)定性在M/Ni比為1/12起就得到顯著地提高，△R大于15％的Cu-Ni-Sn和Cu-Ni-Zr兩個系統(tǒng)薄膜的穩(wěn)定性在所有M/Ni比下都得到提高

5、。在穩(wěn)定固溶體團簇模型中，只要第三組元M更加傾向于與Ni結(jié)合（即M與Ni的混合焓相對更負），該元素就能以(M1Ni12)團簇的形式在Cu膜中發(fā)揮作用，所以與Cu和Ni都為負混合焓的Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Zr兩個系統(tǒng)也適用于穩(wěn)定固溶體團簇模型。
　　Cu-Ni-M薄膜退火后的低電阻率與團簇比例M/Ni=1/12有直接關(guān)系。Cu-Ni-M系列合金薄膜在退火后電阻率小于3μΩ·cm的成分點都集中在M/Ni∈[0.6/12，1.6