（凝聚态物理专业论文）集成电路铜互连中硅碳氮介质阻挡层的制备与特性研究.pdf

摘要随着集成电路技术不断发展，互连r c ( r 为电阻，c 是介质电容) 延迟却逐步增大。从1 3 0 n m 技术阶段开始，其已成为影响电路速度的主要矛盾。为提高互连性能，采用新的低电阻率金属互连材料( c u ) 和低介电常数互连介质材料的铜互连技术应运而生。s i 3 n 4 常被用作大马士革工艺中的电介质阻挡层，在其成型过程中也被用作刻蚀停止层，同时也是其下方铜导线的覆盖层，器件的稳定性受其影响较大，而s i 3 n 4 是一种高介电常数( k = 7 8 ) 介质，会增加互连系统的有效介电常数，影响互连延迟的降低。于是新型三元材料s i c n ( k = 4 5 )作为铜互连大马士革工艺中的电介质扩散阻挡层的应用受到了人们的广泛关注。在综合分析比较了各类阻挡层制备方法、性能特征的基础上，本文采用磁控溅射法在n 型s i ( 11 1 ) 衬底上制备出了s i c n 薄膜和c u s i c n s i 纳米薄膜，并对薄膜样品进行了快速热退火( r t a ) 。用四探针电阻测试仪( f p p ) 、原子力显微镜( a f m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、e d s 能谱、傅里叶变换红外光谱( f t i r ) 等测试分析方法对各样品的方块电阻、表面形貌、晶体结构、成分、化学键等特性进行了表征分析。实验结果表明，射频磁控反应溅射方法可以制各出表面光滑致密的无定形非晶s i c n 薄膜。对其化学成分分析表明所得薄膜为富s i的s i c n 薄膜，样品中存在s i n 、s i c 、c n 、c = n 、c s i n键，说明s i c n 薄膜不是二元薄膜的简单结合，而是形成了复杂的无规网络结构。样品中有少量的c 团簇成分，并含有微小的s i 颗粒。s i c n 薄膜具有非常优异的热稳定性，其晶化温度在1 2 0 0 左右。通过c - v 特性曲线的分析，所得s i c n 非晶薄膜的相对介电常数为4 2 2 ，略小于晶体s i c n 的相对介电常数5 。s i c n 薄膜作为c u 的介质阻挡层有很好的阻挡效果，其失效温度在6 0 0 。c 左右。c u s i c n s i 薄膜体系的界面稳定性好，c u 膜与s i c n薄膜之间附着性良好。对c u s i c n s i 结构热稳定性的研究发现其主要失效机制为：c u 通过非晶层的结构缺陷向内部扩散，同时与s i c n膜发生反应消耗s i 、n 等元素，耗尽阻挡层后，与s i 层反应并生成c u 3 s i 。关键词：磁控溅射，s i c n 薄膜，表面形貌，介电常数，扩散阻挡特性a b s t r a c tt h ei n t e r c o n n e c tr e s i s t a n c e - c a p a c i t a n c e ( r c 、) d e l a yi sad o m i n a n tf a c t o ri nd e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c eo fu l t r al a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t sa sc r i t i c a ld i m e n s i o nb e l o w13 0n m a l t h o u g hm a n yl o w km a t e r i a l sh a v eb e e nu s e da si n t e r l a y e rd i e l e c t r i c s ( i l d ) ，h i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n t ( k = 7 - 8 ) o fs i l i c o nn i t r i d e ( s i 3 n 4 ) f i l mi ss t i l lt h ep r i m a r yc a n d i d a t ef o rt h ec uc a pb a r r i e ra n de t c hs t o pl a y e r ( e s l ) r e q u i r e di nt h ec ud a m a s c e n ep r o c e s s t h u s t h i si n c r e a s e st h ee f f e c t i v ekv a l u eo fs t a c kd i e l e c t r i cf i l m s a n dl i m i t st h er e d u c t i o no ft h er cd e l a yi nu l t r al a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n a sar e s u l t ，a m o r p h o u ss i l i c o nn i t r i c a r b i d e ( s i c n )h a v er e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o ra p p l i c a t i o n sa sc ud i e l e c t r i cd i f f u s i o nb a r r i e ra n de s li nc ud a m a s c e n ep r o c e s s o nt h eb a s i so fac o m p a r a t i v es t u d yo ft h ed i f f u s i o nb a r r i e r so nt h e i rf a b r i c a t i o nm e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，s i c nt h i nf i l m sa n dc u s i c nt h i nf i l m sw e r ed e p o s i t e do nn t y p es i ( 11 1 ) s u b s t r a t e sb ym a g n e t r o nr e a c t i v es p u t t e r i n g t h e nr a p i dt h e r m a la n n e a l i n g ( r t a ) w a sp e r f o r m e do nt h es a m p l e s t h es h e e tr e s i s t a n c e ，s u r f a c em o r p h o l o g y , c r y s t a l l i n es t r u c t u r e s ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dc h e m i c a lb o n d i n gs t a t u so ft h ef i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf o u r - p o i n tp r o b e ( f p p ) s h e e tr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d ( x r d ) ，e n e r g yd i s p e r s es p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，a n df o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sr e v e a l e dt h ef o r m a t i o no fc o m p l e xn e t w o r k sa m o n gt h et h r e ee l e m e n t s ，s i ，ca n dn ，a n dt h ee x i s t e n c eo fd i f f e r e n tc h e m i c a lb o n d si nt h es i c nf i l m ss u c ha ss i c ，s i n ，c n ，c = na n dc s i n f u r t h e rm o r e ，t h e r ea r eca n ds ic l u s t e r si nt h es a m p l e s t h ea s d e p o s i t e ds i c nt h i n f i l m sw e r ea m o r p h o u ss t r u c t u r ew i t hs m o o t ha n dc o m p a c ts u r f a c e s ，a n dt h e i rc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ei sa b o u t12 0 0 ，w h i c hs h o w st h e i rg o o dt h e r m a ls t a b i l i t y t h es h e e tr e s i s t a n c em e a s u r e m e n ta n dc vm e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w st h a tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h ea s d e p o s i t e ds i c nt h i n f i l m si s4 2 2 t h es i c nt h i n f i l m sp l a yag o o dp e r f o r m a n c ea sc ud i e l e c t r i cd i 觚s i o nb a r r i e r sa n dt h e yc a np r e v e n tt h ed i f l u s i o nr e a c t i o nb e t w e e nc ua n ds ii n t e r f a c ea f t e r5 m i nr t ap r o c e s s i n gb e l o w6 0 0 t h ec u s i c nt h i nf i l m sh a v eag o o dt h e r m a ls t a b i l i t ya n dt h ea d h e n s i o no fc uw i t hs i c ni ss t r o n g a n dn oc uf i l mf a l l i n gi so b s e r v e d t h ef a i l u r eo ft h eb a r r i e r si sm a i n l ya t t r i b u t e dt oc ud i f f u s i o na n dr e a c t i o n sa m o n gm u l t i l a y e r e df i l m s c ua t o m sd i f f u s et h r o u g ht h ef l a u t so ft h ea m o r p h o u ss t r u c t u r eo fs i c nl a y e r sd i r e c t l y , a n dr e a c tw i t hs ia n dno fs i c nb a r r i e r su n t i l lt h eb a r r i e r sf a i l a n df i n a l l yr e a c tw i t hs is u b s t r a t e st of o r mt h ec u 3 s ip h a s e k e yw o r d s ：m a g n e t r o nr e a c t i v es p u t t e r i n g ，s i c nt h i n f i l m ，s u r f a c em o r p h o l o g y , d i e l e c t r i cc o n s t a n t ，d i f f u s i o nb a r r i e rp r o p e r t yi v原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：声日期：关于学位论文使用授权说明年坚月上日本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。储签名烨曼翮签名绁吼4 年卫月立日中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 半导体集成电路的发展第一章绪论1 9 4 8 年由s h o c k l y 、b a r d e e n 和b r a t t a i n 发明了晶体管【l 】，并于1 9 5 6 年获诺贝尔物理学奖。在晶体管问世十年后的1 9 5 8 年，出现了世界上第一块集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) ，他的发明者j a c k k i l b y 也因此在2 0 0 0 年被授予诺贝尔物理学奖【2 j 。“电路集成化”这一创造性概念的提出把人类从此带入了硅文明的时代【3 l 。此后，经过几十年几代人的努力，集成电路产业一直以指数增长率迅猛地发展。集成电路技术的集成度水平经历小规模集成电路s s i ( s m a l l s c a l ei n t e g r a t i o n ) 、大规模集成电路l s i ( l a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 、超大规模集成电路v l s i ( v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 、甚大规模集成电路u l s i ( u l t r al a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 发展到今天的百万芯片，其中单元件特征图形尺寸的减小起了重要的推动作用。器件的特征图形尺寸指的是器件设计中的最小尺寸【4 】。g o r d o nm o o r e在1 9 6 4 年预言集成电路的密度会每1 8 个月翻一番，这个预言后来成为了著名的摩尔定律并被证明十分准确【5 j 。3 0 多年来，为了提高电子集成系统的性能，降低成本，器件的特征尺寸不断缩小，制作工艺精度不断提高，同时硅片的面积也在不断增大。i c 芯片的特征尺寸已经从1 9 7 8 年的1 0 1 a m 发展到现在的3 2 n m ，芯片制造工艺已迈入深亚微米阶段。然而，随着器件特征尺寸的不断缩小，逐渐逼近其物理极限，研究集成电路技术发展中的限制问题已变得愈发迫切和重要。电路特征尺寸的减小，一方面使器件门延迟减少，性能得到提高；另一方面，由于线宽的不断减小，芯片面积不断增大，导致互连线阻抗增高，而相邻互连线间距的缩短也导致了电容的增大。因此，虽然电路门延迟越米越小，但互连r c ( r 是金属阻值，c 是介质电容) 延迟却逐步增大，从1 3 0 n m 锘u 程丌始，其己成为影响电路速度的主要矛盾【6 1 。为提高互连性能，采用新的低电阻率金属互连材料( c u ) 和低介电常数互连介质材料( 称为低k 介质材料) 的铜互连技术应运而型。7 1 。与传统的金属互连材料a l 相比，c u 具有i ：l a i i 氐3 5 的电阻率，l 卜, a 1 高两个数量级的抗电迁徙性能，更高的热传导系数1 8 j 。目前，国外一些领先半导体公司( i b m 、a m d 、m o t o l 等)以及台湾和中国大陆的少数半导体代工厂，已经在i c 生产中引入铜互连技术，工艺水平达到1 3 0 n m 至6 5 n m 。然而，尽管铜互连己被证明适于大批量生产且得到比铝互连技术更高的良率，但其技术升级仍面临着挑战。中南大学硕+ 学位论文第章绪论2 铜互连技术的发展和面临的挑战2 l 铜互连技术的发展自集成电路诞生以来，人们一直采用a 1 作为集成电路的内部连线( 简称引线)材料。尽管a l 在导电性和耐磨性等方面不如c u ，而且a l 还容易发生屯迁移，但是山于a i 引线工艺方便简单，j j a i 与s l f 较高表面杂质浓度) 还能占接形成良好的欧姆接触，因此a l 引线直应用至今。1 ：h 足随着集成电路特征尺寸的变小，由于a l 引线的电阻和分巾寄，e 效应造成的信号延迟和功耗损失已成为集成电路进步提高速度的主要障碍。a l 易于发生电迁移 9 1 ( 如图1 - 1 所示) 和a i s i 共溶；在3 0 0左右的工艺温度下，a 1 薄膜上会形成突起，穿透相邻互连线之u j 的电介质绝缘层造成短路。到了01 8 “m 以下工艺，a l 的l u 阻率及抗l 电迁移能力已经不能满足要求。圈l - 1a i 的电迁徒现象( a ) 相邻导线之问的搭桥现象( b ) 聚集和耗尽c u 足很好的集成电路互连金属的候选者。它的电阻率t p , a i 低3 5 ，抗电迁移能力比a i 高2 个数量级，而且采用艘镶嵌上艺制造c u 3 l 线的成本比图形化并刻蚀a i j f f 上机械化学抛光w 接触的成本要低根多。c u 在2 7 5 的条件下测得的电引起的离子漂移速度分别为a u 和a l 的1 1 4 * u i 6 5 ，另外，c u g j 应力特性也远好于a i “i 。铜工艺与钒工艺完全不同。剥离工艺是在电介质层上涂胶后，利用光刻手段先除去应有余届连线的位置上的光刻胶，然后淀积完整的金属层。除胶时将剩余光刻胶与其l 一的盒属层一并除去，斟f 的便是金属连线。但是该种方法对于大尺寸硅片而言，成品率较低。一般柬| 兑，铝1 二艺是把a 1 薄膜淀积在整个晶片的表面连线图案在金属刻蚀后形成，最后填充隔绝用的介电材料。刻蚀技术则面i 临着难以用常规的氯等离子体麦蚀方法、工艺温度高( 2 5 0 ，临一般的r i e 温度只需1 0 0以下) 、质量差、成品率低、低刻蚀选择比f l ”等等问题，所以铝互连中的成熟上艺报难应用于铜互连中来。铜图形化有三种疗法：镶嵌( d m n a s c e l a e l 、剥离中南大学硕十学位论文第一章绪论( 1 r o n ) 、铜刻蚀m ”】。对于铜工艺，形成图案一般采用镶嵌结构。通常来说，我们首先淀积介电材料，然后进行介电材料的干式刻蚀，接着我们在扩散层填充铜种子，最后采用铜电镀进行孔洞填充。然而，c u 作为互连材料也存在很多问题：c u 的污染问题c t l 在s i 及其氧化物中扩散相当快且c u 一旦进入其中即形成涤能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件忖! 能退化甚至失效；而要解决c u 污染问题同时增强c u与介质的附着，必须在c u 与s i 或s 1 0 2 之间增加一个d b a p ( d i f f u s i o nb a r r i e ra n da d h e s i o np m m o t 盯) h 2 1 , 简称为阻挡层( b a r r i e r ) 。目前，阻挡层多数使用氮化钛( t i n ) 乖l 氮化钢( t a n ) ，图1 2 【j q 显示了铜互连线的截面圈，从中我们可以清晰地看到阻挡层。b a r t i e ro c c u p i e s2 0 - 2 5 o fn t e n d e dcl te r o s s - s e c t i o na r e a器，t e mc r o s s - s e c t i o no fn a r r o wc t ji n t e r c o n n e c t图1 - 2 透射电子显微镜( t e m ) 下，金属铜互连线截面图另一个问题是c l l 引线罔彤的加丁问题，由于一直难以找到可以刻蚀c u 金属薄膜材料的化学试剂和刻蚀于段，而仅仅利用传统的互连加工工艺，一直难以实现c u 的互连引线罔彤加工。不过随着人马士革结构与化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 技术的发明与结合，c u 引线图形的加工问题已得到解决i 3 i 。烈大马士革一艺是c u 互连技术普遍采h j 的： 艺，具有互连引线沟槽与互连通孔同时淀积填充的特点，而且只需要进行导电金属层的c m p i 艺，所以减少丁互连工艺的步骤和时叫，使制造成本得以降低。图1 - 3 为多层却线的u l s i 中的m l 到m 2 层完成金属间互连所用的“双镶嵌r d u dd a m a s c e n e ) ”工艺形成的结构示意图。中南人学硕+ 学位论文第一章绪论登m ，0 嚣伽妒瓣镀( 1 1 ) c u 的c m p 戡沟樽；镣( 6 )( 3 ) 氧专磊龙c 脚酶屡。， 三磊蚀1 ) m i 钝化层抛光( c 脚)im 。甄连垒屠屡图1 3c u 金属化的“双镶嵌”结构示意图其工艺流程为：( 1 ) m 1 钝化层抛光( c m p ) ；( 2 ) 金属间隔离氧化层沉积( ! z 1 3 p s g ) ；( 3 ) 氧化层抛光( c m p ) ；( 4 ) 腐蚀终止层沉积( s i n ，3 0 n m ) ；( 5 ) 低s 介质或氧化层沉积( c v d ) ；( 6 ) 亥l j 蚀沟槽；( 7 ) 亥l j 蚀通道孔；( 8 ) 阻挡层沉积( t a p v d ) ；( 9 ) 籽晶层沉积( c u p v d ) ；( 1 0 ) c u 电镀填充；( 11 ) c u 的化学机械抛光( c m p ) ；( 1 2 ) 钝化和终止层沉积( s i n ) 。现对图中所列的结构作一些简要的说明。( 1 ) 氧化层是i c 各层中互连线的绝缘隔离层，要求平整、致密、均匀，对高性能的深亚微米级i c ，可采用低介电常数的聚合物或干凝胶代替。可在其上刻蚀出不同深宽比的沟槽或通道孔。( 2 ) 沟槽或通道孔中阻挡层材料的淀积是一项技术性很强的关键工艺。沟槽底部和内壁上要求沉积厚度均匀一致的全包敷形薄膜。目前效果最佳的物理沉积方法是在磁控溅射的衬底上加一定的负偏压，使等离子区中的金属原子大量电离。这些电离的原子在向衬底沉秘时，有很强的方向性和一定的能量，可使己沉积在沟槽底部的薄膜再溅射到内壁上去，沉积层厚度可由外加偏压控制。偏压增加时内壁上膜层厚度增加，而底层厚度减少。利用这一方法可在各种不同深宽比的沟道中形成优质的全包敷的阻挡层薄膜。( 3 ) 双镶嵌工艺是向具有阻挡层的沟槽和通道孔中同时沉积c u 金属线和通道接头。通常用物理方法( p v d ) 向具有阻挡层内壁的沟槽中填充金属时，由于沟槽口处的沉积速率大，常出现“搭桥”现象，在沟槽内部形成空洞，增加导线电阻。深宽比越大，此现象越严重。而c v d 方法存在杂质、工艺复杂性以及工艺设备不成熟等问题。至今为止，用电镀法沉积c u 金属线是最有希望的工艺，能无空洞填充，沉积速率高，温度低，系统简单和工艺可控性强，但它需先形成一层c u 籽晶层。这可采用上面沉积全包敷阻挡层的p v d 法，先沉积一薄层c u 籽晶层，然后采用电镀法对其沟槽和通道进行填充，通过向c u 电镀液中可控地加入不同的添加剂，可获得品粒细微( o 1 肚m ) 、表面光亮均匀的优质的c u 金属沉积。4中南大学硕+ 学位论文第一章绪论( 4 ) 金属c u 的c m p 常出现所谓凹陷现象或图案损伤。因c u 的c m p 的同时也要对包敷c u 的阻挡层进行抛光，c u 很软，在标准化学配料下易氧化，阻挡层( 女n t a或t a n ) 却很硬，化学上不活泼，两种材料在c m p 工艺中选择性相差很大，从而造成严重的凹陷问题。通常可采用两步抛光法，分别选用不同的化学配料进行c m p ，以克服这一问题。另外还要精心避免由于c m p 后的清洁处理不当可能造成的交叉污染。( 5 ) t 艺中所用腐蚀终止层s i 3 n 4 是一种高介电常数( 占7 ) 介质，会增加互连系统的有效介电常数，其厚度必须尽可能薄，以使其对r c 时延的影响缩至最小。引入铜工艺技术，可以说是半导体制造业的一场革命。由此带来了设计、设备、工艺、材料、可靠性以及工艺线管理等方面的巨大变化。从技术层面上来说，涉及工艺线后段从光刻、等离子刻蚀、铜金属化、化学机械抛光( c m p ) 、多层介质、清洗，直到工艺集成的所有模块。1 2 2 铜互连技术面临的挑战由于铜的较低电阻率以及采用大马士革( d a m a s c e n e ) i 艺，在亚微米和深亚微米时代，互连线的性能得到了大大的增强。然而在进入纳米尺度后，铜互连将面临诸多的问题，包括尺度效应( s i z ee f f e c t ) 和稳定可靠性等。在v l s i i 艺中，当会属c u 进入纳米尺度，它的电阻率就会随着尺寸的减小而显著增加，除了小尺寸带来金属互连线电阻率上升外，还有一个引起互连线电阻增加的原因是由于阻挡层( b a r r i e r1 a y e r ) 的存在【1 5 】。由于c u 在s i 及其氧化物中扩散相当快，且c u 一旦进入其中就形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件性能退化甚至失效。同时，为了解决增强c u 与介质的附着等问题，也需要在c u 与s i 或二氧化硅之间增加一个阻挡层。由于阻挡层材料的电阻率一般比较高，进一步增加了c u 互连线的等效电阻率。由于上述原因，在纳米尺度下的c u 互连线等效电阻率显著增加。图1 4 预测了在工艺尺寸进一步减小后，c u 互连线电阻率的变化情况【l6 1 。从图中，我们可以看出，随着工艺尺寸的减小，互连线表面散射和晶界散射引起的电阻率增加都在显著加大，同时阻挡层的作用也在加大。当进入2 2 n m 工艺后，在常温下，等效的c u 电阻率已经超过体铜的电阻率( 这罩为2 0 4 u e r n ) 一倍以上。若考虑到金属的电阻率将随着温度的上升而上升，且集成电路的内部工作温度在7 0 1 0 0 度之间，金属互连线的电阻率将进一步增大。5中南人学硕上学忙论文第章绪论t e c h n o l o g yn c c l e 【n m 】圈1 43 0 0 k 下， f r s 预月4 局部王连线电阻率的变化互连线的电阻率增大，将对电路产生很多重要的影响。方面，电阻的增加将人大增加集成电路t ，互连线的时延，降低r b 路性能。月前瓦连线的时延已经大大超过门时延，成为电路设计的一个主要瓶颈。未来著电阻率进步增7 u ，将使电路设计更加困难。 外，互连线的电阻增加咀使地线网络的i r d r o p 问题更加突出，使电源肚电线| 卅络的设计更加困难。月方面，集成屯路的可靠性已经越来越受到人们的关注，电阻率的增加，不仅仅增大电路的焦耳热( j o u l e h e a t i n g )增大功率损耗而且降低了屯路的平均故障时i 瑚( m e a n t i m et of a i l u r e ，m t t f ) ，恶化电路的可靠性【1 71 9 1 ，在超大规模数字集成电路中，c u 互连技术的几丁靠性是一个重要的问题，涉及到电迁移、应力迁移、热循环稳定性、介r c 【应力、热导率等问题。对于互连介质层f 包括低k 材料、防止c l l 扩散的介质阻捎层材料1 ，其r 靠性问题涉披高电爪应力、高的温度循环应山、介质导热对介电性能的影响。对于互连介质材料束i 兑，希望尽可能低的介屯常数和尽可能商的击穿特性。1 ：连介质的可靠性特i l f 通常与材料性质、制各_ t 艺、材料和工艺的兼容性密切相关。对于互连材料来晚，必须保持稳定的电学性质f 如平带电压和泄漏电流1 其中研究在高的电雎应力和温度循环应力的作用下，介质材料的c v 和i v 特性的变化是研究其电学稳定性的常用手段口。川。研究互连介质层c u 的污染、应力迁移、温度循环、时间依赖的介电击穿( t d d b ) 特性足分析互连介质层可靠性的常用手段口”。对于c u 互连线而言，电迁移和应力迁移特性、温度循环应力的影响是可靠性研究的主要内容2 3 副】。电迁移( e l c c t r o m i g r a t i o n e m ) 主要由十互连线上的电流密度过人造成的。中南大学硕士学位论文第一章绪论在金属线中电流是通过电子的不断流动来传导的。电子在流动中不断地撞击原子，当电流密度达到一定值并持续一定时间后，会使金属原子的位置发生改变，这种现象称之为电迁移。电迁移会导致金属线的形状发生改变，这种变形不仅可能引起连线电阻的改变，甚至造成导线的断路或使相邻导线间产生短路，从而使得电路不能正常工作，影响芯片的可靠性与寿命【1 7 。9 1 。随着集成电路功能越来越复杂，尽管工作电压不断减小，工作电流也随之减小，然而由于互连线的尺寸减小得更快，互连线的电流密度却在逐渐升高。如前所述，电流密度的增加会导致电迁移，引起电路失效，降低电路使用寿命。在这种电流密度过大的情况下，互连线的电迁移效应将会严重降低互连线的可靠性，产生电迁移故障( e mf a i l u r e ) 。另外，在未来的纳米集成电路中自热效应将非常明显。考虑互连线自热效应的电路热特性越来越受到人们的关注【2 弛引。另一方面，由于互连线尺寸的减小和电阻率的上升，电子的散射大大增强，金属互连线材料的热导率也随之降低，这也进一步增强了互连线的热效应，恶化集成电路的热特性。除了互连线材料以外，集成电路的热特性还受到介质材料的影响。由于在同一层的互连线与互连线之间，不同层之间都需要介质材料的填充。介质材料的热属性对集成电路的热特性有非常重要的影响。在高性能的集成电路中，由于尺寸的缩小，互连线间距逐渐减小，线问和层问电容大大增加，对电路性能有很大的影响。为了降低电容的影响，需要使用低介电常数( 1 0 wk 1 材料代替氧化硅作为填充介质材料。实验和研究表明【1 6 1 ，低介电常数材料往往伴随着低热导率的引入。因此，低介电常数材料虽然能提升电路的电性能，却降低了电路的热性能。因此，在纳米集成电路中，如何解决集成电路过热问题也将是未来的一个挑战。随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，人们将不得不面临诸多挑战，然而，新设计、新工艺、新设备、新材料和新的检测手段也将不断推出，可以预料铜工艺技术将会得到进一步的发展。1 3 扩散阻挡层1 3 1 扩散阻挡层的性能要求根据阻挡层的定义，阻挡层既要能阻止c u 的扩散又要能有效改善c u 膜与衬底的结合强度。阻挡层薄膜与相临的材料如金属和硅或硅化物在热动力学上是稳定的，实际上，除c u 通过高温下阻挡层中出现的晶界扩散到衬底这一最常见的失效机制外，阻挡层薄膜与相临材料的化学反应也是引起阻挡层失效的另一主要因素；在保持与c u 热稳定的同时，阻挡层要尽可能薄，根据2 0 0 0 年更新的半导体国际技术路线( i t r s ) 1 2 引，从2 0 0 5 年起，阻挡层厚度将达到1 0n n l ，至1 2 0 1 4 年7中南大学硕+ 学位论文第一章绪论将达n 4n n l ：阻挡层要有良好的台阶覆盖性，低应力，无针孔；扩散阻挡层表面粗糙度越低越好【3 0 1 。除了铜互连，阻挡层在封装和p c 板的金属化方面也有应用。随着芯片尺寸的减小，铜在硅表面的最大浓度要求小于2 5 1 0 9a t o m s c m 2 。同时，芯片工作时，邻近金属线之间施加的电场也大大提高了铜的扩散速率，因而保证阻挡层的绝对完整性对器件的长期可靠性至关重要。有关阻挡层的研究在国外已开展很多，而国内则刚刚起步。良好的扩散阻挡层x 与其上下层材料a 、b 应符合如下条件【3 1 】：1 a 、b 两物质经由x 的穿透速率小2 x 损耗于a 、b 内的速率小3 x 对于a 、b 具有热稳定性4 x 对于a 、b 具有良好的附着性5 x 与a 、b 的接触电阻小6 x 在厚度与结构上是均一的7 多层膜系统的热应力和机械应力小8 多层膜系统的导热性高1 3 2 扩散阻挡层的分类目前研究的阻挡层类型，从材料性质上来分可分为【3 2 】：( 1 ) 介质阻挡层，j t l a 1 2 0 3 、s i c 、s i n 。通常用高密度等离子体方法淀积得到致密无针孔的低应力薄膜；( 2 ) 导电阻挡层，如t a 、t i 、c r 、n b 、m o 、z r 、w 等难溶金属及其化合物；( 3 ) 合金阻挡材料，如非电镀n i w p 、n i r e p 等【3 3 , 3 4 】。l p c v d 方法制各的t a 合金也因其较好的台阶覆盖性和选择性受到注剥”】。从功能上来分可分为【3 6 j ：( 1 ) 金属一固体( 如另一层金属半导体层) 问阻挡层；( 2 ) 金属与周围环境( 如氧气或水蒸气) 阻挡层，又可称为c a p p i n g ) 罢。从作用模式上来分可分为( 如图l 一5 所示) ：( 1 ) 消耗型阻挡层：这种类型的阻挡层会和其接触的材料发生一定程度的反应，这种反应的产物能在一定程度上阻断继续扩散的通道，如t i p d a u 的三元体系就是以p d 和a u 的互相扩散来阻挡t i 进入a u 的。但可以想象，如果阻挡层不够厚，则上下两层之间的大量扩散就成为可能，因此随着集成度的提高，这种阻挡层的可靠性正在受到考验；( 2 ) 阻塞型阻挡层：这种类型的阻挡层和上下两层之间不发生反应，热稳定性高，同时在扩散通道处最好能有原子或者分子填塞，或本身品粒较小，堆积较8中南大学硕士学位论文第一章绪论密，起到有效的阻挡作用。因此一些处于非化学计量比的金属化合物能起到理想的作用，以t a n x 对c u 的阻挡为例，反应剂量多余的离子能处在品粒间界处填塞c u 的快速通道；( 3 ) 非晶型阻挡层：非晶结构有明显的优势，即没有晶粒间界这样的快速通道可通过，因而阻挡效果非常理想。人工非晶态是处于非稳态的物质形式，在一定温度之后会发生重结晶，其阻挡优势不复存在。消耗性阳挡层阻塞型阻挡层非晶型阻挡层a xx退火b x图1 5 消耗型、阻塞型、非晶型阻挡层示意图根据扩散阻挡层中的缺陷密度可分为：( 1 ) 高密度缺陷的扩散阻挡层，这种扩散阻挡层多为柱状晶，有很多缺陷和微孔洞缺陷，c u 的扩散激活能低，扩散系数大；( 2 ) 中密度缺陷的扩散阻挡层，此时扩散阻挡层中的微孔洞等表面缺陷减少，主要缺陷为柱状晶的晶界，c u 的扩散激活能有所提高，扩散系数也相应减小；( 3 ) 低密度缺陷的扩散阻挡层，这种扩散阻挡层的晶粒为纳米级，直接连通到s i 基体的晶界减少，扩散激活能进一步增加，而且此时c u 扩散到s i 基体要穿过很多晶界，使c u 扩散到s i 基体的距离增加，阻碍c u 扩散的作用增强，扩散系数最小。1 3 3 介质扩散阻挡层由于一般的介质不是c u 的有效阻挡层，介质阻挡层的研究和金属阻挡层相比，报道相对较少，但随着特征尺寸进一步缩小，介质阻挡层的优势逐步凸显。铜互连技术中由于金属阻挡层的存在不可避免地增大了互连线的电阻【3 7 1 ，而介质阻挡层采用的材料本身不具有导电作用，故不存在这个问题，可以实现真j 下的铜互连。此外，从热稳定性和与c u 的附着性两个方面看来，t a 似乎足比较理想9中南大学硕十学位论文砩一章绪论的金属阻挡层。然而，由于t a 是一种硬金属，它不易于被c m p 去除，从而增加了工艺的难度【3 8 1 。介质阻挡层另外一个优点就在于在大马士革结构中不用考虑将凹槽之外的阻挡材料去除，相反，这些材料会起到阻止c u 层间扩散的作用，从而使得铜互连工艺简化。另外，介质阻挡层的侧墙填充性也可以做得很好。常用的介质阻挡材料包括氧化硅( s i o 。) ，氮化硅( s i n 。) ，氮氧化硅( s i o 。n y ) ，s i o f ，a 1 2 0 3 等等。v o 酉m 等人研究表明，s i o 。n ，作为阻挡层，4 5 0 。c 热应力后无c u 扩散，同时应用热电应力后( b t s ) 有c u 迁移，l ：t _ s i o 。n 、，q u n o l g 例越高，c u 迁移越弱，说明s i n 。l 匕s i o 。具有更好的阻挡性，此外，s i n 。还具有优良的阻挡湿气和氧扩散的性能【3 9 ，4 0 1 。此后有研究以注氮s i 0 2 作为一种新型的扩散阻挡层，这种注氮的方法简化铜互连工艺的同时也得到了较好的c u 的扩散阻挡性，同时，s i o n 阻挡层还具有台阶覆盖率好的优点【4 。然而由于s i n 。的k 值较高，对c u 极低k 介质结构的等效介电常数( k e r r ) 有不利影响。于是近来，对低k 值电介质阻挡层的研究越来越多。另外，在刻蚀方面，铜互连线的加工需采用大马士革结构与化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g c m p ) 技术，通过刻蚀低k 介质获得沟槽和通孔来完成双大马士革图形化工艺。为获得更小的特征图形，于是要求降低刻蚀停止层( e t c h s t o pl a y e r ) 对等效介电常数( k e f r ) 的不利影向【4 2 1 ，故刻蚀停止层的k 值( 介电常数) 应尽可能的低，从而降低整体等效k 值。由于刻蚀停止层还可作为其下方铜导线的覆盖层( c a p p i n gl a y e r ) ，故也是c u 的扩散阻挡层。第三代半导体材料s i c 具有其禁带宽度大、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高和介电常数低等特点，常在双大马士革工艺中被用作扩散阻挡层，在其成型过程中也被用作蚀刻停止层，器件的稳定性受其影响较大。然而s i c 材料的气密性与介电常数密切相关，电介质常数越低的s i c 具有更低的密度，易于渗透。兼顾对c u 的阻挡性及气密性，考虑将新型三元s i c n 作为阻挡层材料研究。s i c n 源自半导体s i c 署t l 绝缘体s i 3 n 4 的新型材料，兼容了他们的优点；不仅具有高热导率、高热稳定性、抗压、抗辐射等特点，而且表面致密，对s i 或者s i 0 2具有很好的附着性。l y y a n g 等人最新研究发现s i c n 与t a n 相比具有更优异的热稳定性，c u s i c n u l k ( u l k 为极低k 介质) 结构的方块电阻随退火时间增长递减，而c u t a n u l k 的方块电阻却是递增的【4 3 1 。s i c n 的介电常数较大在4 5 左右，为减小其对等效k 值的影响，应尽可能的减小其厚度与k 值。然而厚度过小其阻挡性会受影响。6 5 n m 技术标准要求k 值为5 的s i c n 作为阻挡层，厚度要求为4 0 n m ，而4 5 n m 技术标准要求厚度同样为4 0 n m 的s i c n 阻挡层，其k 值应小至4 ，或3 0 n m 厚s i c n 阻挡层k 值为4 5 ，可减小厚度从而放宽对k 值的要求。j v i t i e l l o 等人l o中南大学硕十学位论文第一章绪论称：介电常数在4 左右的s i c n 基或s i c 基薄膜作为4 5 n m 技术节点用c u 扩散阻挡层，其功效仍能达到要求【4 4 1 。1 4s i c n 薄膜材料1 4 1s i c n 薄膜材料的特性及结构硅碳氮材料作为一种新兴的宽带隙半导体，近年来引起人们的广泛关注。由于s i c 和s i 3 n 4 都是性能优异的电子材料，人们希望s i c n 的性质介于碳化硅( 半导体化合物) 和氮化硅( 绝缘体) 之剐4 5 1 。s i c 作为一种宽带隙的半导体材料，在高温、大功率器件中有很广泛的用途，s i c 薄膜是一种具有电、光、机械性能的化合物，这使得它很好地应用在微电子和光电子领域中【4 6 1 。而s i 3 n 4 则是一种良好的介电材料，在微电子器件中用作电绝缘或扩散阻挡层。氮( n ) 经常被用作s i c 的掺杂物，可以使s i c 材料具有n 型导电特性，过去很多研究人员做了这个方面的工作【4 7 】。s i c n 作为一种新兴的宽带隙半导体，它们具有一些突出的性能，如硬度、热导率，电子空穴迁移率，击穿电压、透射率都很高，抗压和抗辐射性能很好，另外，电子亲合性低的特点使它具有很好的场发射性能。因此，它可以在多种材料上沉积成膜，在高温、高辐射、高压等恶性环境中有广泛的应用。s i c n 的主要物理和化学性质：1 _ )s i c n 属于轻共价键化合物材料。这类材料以金刚石为代表，具有高热导率、高载流子迁移率、高的临界击穿场强、高透明度、抗压、抗辐射等特点。由于s i c ，s i n 、和c - n 间可以形成短而强的化学键，s i c n 化合物具有许多可与金刚石相媲美的物理机械特性。研究表明f 4 8 】通过划痕的方法，生长在s i 基片上的s i c n 的硬度高于p s i 3 n 4 。用压痕的方法测量其维氏显微硬度，当载荷为5 0 9 ，沉积在s i c 上的薄膜厚度9 6 p m 时，得到的平均值大概是2 7 7 7 k g m m 2 。通过对其纳米硬度的测量，对于晶态的s i c n 薄膜，硬度和体积模量大约是3 0 和3 2 1 7 g p a ；对于非晶态的薄膜，对应的值为2 2 矛1 1 1 6 4 4 g p a ，杨氏模量约为2 4 5 g p a 。2 )由于s i c 的带隙为2 8 6 3 2 e v , s i 3 n 4 的带隙可以达到5 0 e v ，因此三元化合物s i c n 薄膜就可以成为一种带隙在2 8 6 5 0 e v 之间可调的宽带隙光电子材料1 4 9 j ，在一些要求带隙可调