铜合金自形成阻挡层及其性能改进研究

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1、博士学位论文铜合金自形成阻挡层及其性能改进研究STUDYONTHESELFFORMINGBARRIERLAYEROFCOPPERALLOYANDITSPERFORMANCEIMPROVEMENT曹菲哈尔滨工业大学2016年07月国内图书分类号：TG14学校代码：10213国际图书分类号：620.178密级：公开工学博士学位论文铜合金自形成阻挡层及其性能改进研究博士研究生：曹菲导师：武高辉教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2016年07月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG14U.D.C:620.178Di

2、ssertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONTHESELFFORMINGBARRIERLAYEROFCOPPERALLOYANDITSPERFORMANCEIMPROVEMENTCandidate：FeiCaoSupervisor：Prof.GaohuiWuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefe

3、nce：Jul.,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要由于具有较低的电阻率和较好的抗电致迁移能力，铜已经成为集成电路首选的互连材料。然而，铜和衬底材料很容易在低温下就发生互扩散而导致器件性能恶化，常采用插入扩散阻挡层来抑制铜和衬底的相互扩散。随着半导体器件特征尺寸下降到纳米尺度，传统阻挡层技术会使得铜互连的电阻率明显增加。而急需的超薄低阻铜互连阻挡层材料用现有的工业技术很难实现。为了解决上述问题，一种铜合金自形成阻挡层技术引起了人们的关注。本论文主要研究铜合金互连体系的扩散阻挡

4、性能和电学特性，探讨铜合金自形成阻挡层在集成电路互连技术应用的可行性。采用磁控溅射方法，在SiO2/Si基底上制备Cu(X)合金薄膜（X=V、Co、Zr），采取工艺参数优化、合金元素筛选以及添加C、N元素等方法，进一步改善了铜合金互连体系的扩散阻挡性能以及热稳定性。研究结果对于开发新一代的集成电路互连材料有积极的指导作用。讨论影响Cu(V)合金薄膜性能及体系稳定性的因素，如：溅射工艺参数、合金含量以及退火条件。铜薄膜(111)织构强度强烈依赖于溅射功率、溅射气压以及靶基距。当溅射功率为90W、溅射气压为0.5Pa，靶基距为60mm时，溅射Cu(V)合金薄膜具有最强的(1

5、11)织构，Cu(V)合金互连体系具有最优良的扩散阻挡性能。V合金掺杂含量影响Cu(V)薄膜的(111)织构，掺杂浓度越高，合金薄膜Cu(111)织构越强，但合金含量过高会影响铜合金的电阻率。在铜合金自形成阻挡层技术中引入场助退火工艺，即在普通真空退火过程中，施加一定的负向偏压，该负向偏压将提供更多的能量促使铜合金元素扩散至薄膜与基底的界面处。在同样的退火温度下，经过场助退火后，聚集在界面处的合金元素增多，形成的自形成阻挡层厚度和质量均有一定提高。实验表明，场助退火工艺对于增强铜合金互连体系扩散阻挡性能、改善热稳定性以及优化电学特性均有积极促进作用。分析不同合金元素的添

6、加对Cu(X)/SiO2/Si互连体系扩散阻挡性能及热稳定性的影响。评估了Zr作为合金元素的潜在可能性。经过退火后Zr原子能够扩散至Cu/SiO2界面处形成有效的ZrO2阻挡层，显著改善了Cu薄膜与SiO2衬底的粘着性并能够阻挡Cu向基底方向扩散，添加Zr原子对提高Cu/SiO2体系的稳定性由一定促进作用。提出Co元素在铜合金自形成阻挡层技术中的应用。当500℃退火后，在-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文Cu(Co)/SiO2/Si体系没有检测到高阻态的Cu3Si相化合物，经过退火后Co元素在薄膜与基底的界面处析出，并形成一层厚度大约为15-20nmCo富集的自形成阻

7、挡层，对抑制铜硅互扩散起到了很好的阻挡作用。另外，经过500℃退火后，Cu(Co)合金薄膜的电阻率仍能保持较低值。Cu(Co)合金薄膜对未来改善铜合金互连体系可靠性方面具有很大的应用前景。研究V元素作为铜合金掺杂元素应用的可行性。当500℃退火后，Cu(V)电阻率可下降到3.1μ·cm，并没有出现电阻率急剧上升的现象。退火后Cu(V)/SiO2/Si多层体系界面清晰，V元素在Cu(V)/SiO2界面聚集而形成一薄层物质，起到阻碍Cu薄膜与二氧化硅基底扩散的阻挡层的作用，使得其MOS电容结构在退火后仍具有较低的漏电。V元素的添加能够提高铜