（材料学专业论文）溅射铜和铜合金薄膜的微观结构与性能——铜互连技术的基础研究.pdf

a ot o n gu n i v e r s i t yf o r t h e d o c t o r m i c r o s t r u c t u r ea n dp o r o p e r t i e so f s p u t t e r e dc o p p e ra n dc o p p e ra l l o yt h i n f i l m s t h ef u n d a m e n t a ls t u d yo fc o p p e r i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e a u t h o r ：x i n j i a nw a n g s p e c i a l t y ： m a t e r i a l ss c i e n c e a d v i s o r ：p r o f ：j i a n s h e n gw u a s s o c p r o f ：x i a n p i n gd o n g 一 一一 s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，pr c h i n a n o v 1 0 ，2 0 0 9 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王荔7 之 日期：扣。7 年lf 月2 孑日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密留。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：王鍪1 童指导教师签名：墨0 日期：弘。q 年l f 月2 矽日 日期：矽哆年i1 月2 , 3 日 一 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在 姓名千新建学号0 0 4 0 5 0 9 0 1 0材料学院 学科 答辩答辩 指导教师吴建生2 0 0 9 11 2 0材料a 楼3 0 8 房间 日期地点 论文题目 溅射铜和铜合金薄膜的微观结构与性能 投票表决结果：f 5 - ( 同意票数实剑委员数应剑委员数)答辩结论：留通过口朱通过 评语和决议： 集成电路互连线材料及加工制备技术是材料和微电子领域的前沿课题，其合 金成分和微观结构等因素对互连线性能及可靠性具有重要影响。该论文在对本领 域相关的国内外文献进行系统分析和评述的基础上，针对互连线的要求，研究溅 射铜以及铜合金薄膜的微观结构与性能，不仅具有重要的学术价值，也对集成电 路技术及产业有应用价值。作者通过充分的实验研究和理论分析，得到了以下创 新性结果： ( 1 ) 利用嵌镶组合靶材磁控溅射实现c u l x m 。( m = c r ，z r ) 合金薄膜的制备， 优化了工艺参数及退火条件，为电子材料用不互溶铜合金薄膜的制备提供了新方 法。 ( 2 ) 揭示了c u ( z r ) s i 0 2 薄膜体系中有效界面阻挡层的形成机制，并阐明了 合会掺杂溅射铜薄膜( 11 1 ) 织构增强的影响因素。 ( 3 ) 阐明了掺杂原子在薄膜界面的富集、 1 11 ) 孪晶密度的增加和薄膜 织构增强是提高c u ( c r ) 合金薄膜互联性能的主要原因。 论文数据可信，分析合理，层次清晰、规范。答辩过程中表述清晰，回答问 题正确，表明作者已经掌握了坚实的理论基础和系统深入的专业知识，具备独立 从事科研工作的能力。该论文的学术水平已达到博士学位论文的要求，经答辩委 员会表决，一致通过王新建同学的论文答辩，建议授予博士学位。 沙b 年月珈日 职务姓名职称单位 、签名 主席章靖国教授级高级i ：释师上海市金属学会 弘团 绶 撼盘孙辩 委员陈家光教授级高级，j 鼙师上海宝钢研究院 委 委员 戎咏华 教授上海交通人学 欲m 员 - 会委员 李明 教授上海交通人学 凑却l 成 删 员 委员张澜庭教授上海交通人学 ， - 一 签 名 委员 委员 秘1 5蒋建华 讲师上海交通人学 辎 ， j，jr_ r 4，j 、k，- l | - 上海交通大学博上学 奇论文 摘要 溅射铜和铜合金薄膜的微观结构与性能 铜互连技术的基础研究 摘要 随着集成电路制造工艺的发展，铜由于具有低的电阻率和较高的 抗电迁移能力而逐渐取代了铝作为互连线材料。当互连线特征尺寸减 小到o 5 a m 以下，相比于互连线材料本身的固有性能，互连线的微观 结构对互连线的性能以及可靠性的影响越来越大。合金化作为一种常 用的控制薄膜结构，改善薄膜性能的方法引起了越来越多的人的注意。 铜合金薄膜的基础研究对预测和改善铜互连线特性，提高未来高性能 硅基集成电路可靠性具有指导意义。 本研究自制嵌镶组合铜合金靶材，优化制备参数，采用磁控溅射 法在不同基底上制备c u ( c r ) 齐dc u ( z r ) 合金薄膜，研究c r 、z r 合金掺杂 对溅射c u 薄膜微观组织结构及性能的影响。这些研究不仅为c u ( c r ) 和c u ( z r ) 合金薄膜在微电子领域的应用提供新的支持，而且对设计和 开发适合电子材料用的高强度高导电铜合金薄膜具有指导意义。 结合磁控溅射仪特点，自制c u l x m x ( m - - c r , z r ) 嵌镶组合靶材。通 过溅射法分别制备不同合金含量的c u l x m 、( m = c r ，z r , x 0 0 5 ，原子百 分比) 薄膜。合金薄膜纯度高，成分可控；且制备工艺简单，能够随时 调节合金含量，为不互溶铜合金薄膜的制备提供了一种设计思路。 改变溅射气压p 和靶材与基底之间的距离( 镀距) d ，研究了溅 第页 ，-rr 压为o 5p a ，镀距为2 0 0m m 时，溅射铜薄膜具有最强的( 1 1 1 ) 织构，且 晶粒细小，薄膜致密度和平整度高。硅基底铜薄膜最终的生长织构不 仅与薄膜表面能( 界面能) 有关，而且与体系的应变能有关。c r 、z r 合金掺杂显著提高硅基底溅射铜薄膜的( 111 ) 织构，并且在一定范围内 合金薄膜的( 1 1 1 ) 织构随退火温度的升高而升高。合金薄膜( 1 1 1 ) 织构的 增强与薄膜晶粒的细化、界面能增大有关，同时它们也涉及到内应力 的变化。 系统研究退火过程中c u ( 2 6a t c r ) 合金薄膜的微观组织结构演 变。c u ( c r ) 薄膜中晶粒的明显长大发生在4 5 0 左右，薄膜晶粒尺寸 呈现双峰分布。退火后合金薄膜内并没有明显的c r 相析出，c u ( 2 6 a t c r ) 薄膜的双峰晶粒尺寸分布与c u 晶粒的择优生长有关。 薄膜横截面透射电镜结果表明，退火后的纯c u 薄膜呈现粗大的 竹节状晶粒结构，薄膜在膜基界面处发生明显的晶界沟槽化。相比之 下，退火态c u ( 2 6a t c r ) 合金薄膜晶粒为细小柱状晶，薄膜结构符合 典型的p v d 薄膜结构区域模型( s t r u c t u r a lz o n em o d e l ) 。c r 掺杂显著阻 碍了薄膜的晶粒长大，有效抑制了退火c u 薄膜的晶界沟槽化。相比 于纯c u 薄膜，c u ( c r ) 合金薄膜中 1 1 1 ) 孪晶界密度显著增加，孪晶宽 度和孪晶片间距明显减小，平均的孪晶片间距约为6n l n 。统计结果表 明c u ( c r ) 合金薄膜的孪晶界密度约为1 8 6 1 0 8m 2 m 3 ，是纯c u 薄膜的 2 0 倍。c u ( c r ) 薄膜中高密度纳米孪晶的形成与薄膜内应力的增加以及 薄膜 取向晶粒的择优生长有关。退火后c u ( 2 6a t c r ) 合金薄膜 的硬度和弹性模量远高于纯c u 薄膜，而退火电阻率与纯c u 薄膜接近。 考察磁控溅射硅基底c u 、c u ( c r ) 以及c u ( z r ) 合金薄膜在退火过程 ，一 篙。夕 l i i i l 上海交通大学博上学何论文摘要 中的形貌以及微观组织结构演变后可知，5 0 0 退火时，c u 膜在硅基 底上发生团聚，薄膜与基底之间发生明显的扩散和反应。c r 掺杂细化 了退火铜薄膜的晶粒，抑制了薄膜的晶界团聚，提高了硅基底c u 薄 膜的热稳定性。相反，z r 掺杂加速了铜薄膜与硅基底的扩散与反应， 降低了硅基底铜薄膜的热稳定性。c u ( z r ) 薄膜低的热稳定性与z r 掺杂 对硅基底表面的“净化效应 有关。c u ( c r ) 薄膜的退火电阻率与纯c u 膜 相近。而c u ( z r ) 薄膜由于界面铜硅化合物的形成，电阻率急剧上升。 与s i 基底相反，s i 0 2 基底上的c u ( z r ) 薄膜退火时，z r 向薄膜基 底界面偏聚，形成有效的富z r 界面阻挡层，阻碍了薄膜与基底问的扩 散，提高了薄膜的热稳定性。界面阻挡层的形成与二元铜合金体系中 掺杂元素的种类和含量有着密切的关系。 c r 合金掺杂显著提高c u 导线的抗电迁移性能。相同条件下，c u ( c r ) 导线的电迁移寿命是c u 导线的1 0 1 0 0 倍。c u ( c r ) 合金导线的抗电迁 移性能的提高与退火后合金元素在薄膜表面( 界面) 的富集、薄膜晶 粒 1 1 1 纳米孪晶界密度的增加以及( 1 1 1 ) 织构的增强有关。 关键词：铜合金薄膜，界面阻挡层，热稳定性，孪晶，电迁移 上海交通大学博士学位论文a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r ea n dp o r o p e r t i e so f s p u t t e r e dc o p p e r a n d c o p p e ra l l o yt h i n f i l m s t h ef u n d a m e n t a ls t u d yo fc o p p e r i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r et e c h n i q u e sf o ri n t e g r a t e d c i r c u i t s ，c uh a sr e p l a c e da la st h ei n t e r c o n n e c tm a t e r i a lo w i n gt oi t sl o w r e s i s t i v i t ya n dh i g he l e c t r o m i g r a t i o nr e s i s t a n c e h o w e v e r , m i c r o s t r u c t u r e c o n t r o li s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ta si n t e r c o n n e c tl i n e - w i d t h s d e c r e a s eb e l o w0 51 t m ，b e c a u s ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yb e c o m em o r e c r i t i c a l l y a f f e c t e d b ys p e c i f i c m i c r o s t r u c t u r et h a n b ya v e r a g e b u l k p r o p e r t i e s m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h em e t h o do fa l l o y i n g ，w h i c h c o u l db o t hc o n t r o lt h em i c r o s t r u c t u r ea n di m p r o v et h ep r o p e r t i e so ft h i n f i l m s t h eb a s i cr e s e a r c h e so fc ua l l o yf i l m sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i n p r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fc ui n t e r c o n n e c t s ，o p t i m i z i n gt h ed a m a s c e n e t e c h n o l o g ya n de n h a n c i n gt h er e l i a b i l i t yo fs i i c s i nt h i ss t u d y , c u ( c r ) a n dc u ( z r ) f i l m sw e r ed e p o s i t e db ym a g n e t r o n s p u t t e r i n gb yu s i n gt h em o s a i cs t r u c t u r et a r g e tw i t ho p t i m i z i n gp a r a m e t e r s e f f e c t so ft h ec ra n dz rd o p a n t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc u f i l m sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc o u l dp r o v i d eag u i d e l i n en o t o n l yf o rt h ee x p a n d e da p p l i c a t i o no fc u ( c r ) a n dc u ( z r ) a l l o yf i l m s ，b u t a l s of o rt h ed e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n t o fc ua l l o yf i l m sw i t h h i g h s t r e n g t ha n d e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t h ec u l x m x ( m - - c r , z r ) a l l o yt a r g e t sw i t ht h em o s a i cs t r u c t u r ew e r e o r i g i n a l l yd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d c u l x m x ( m = c r ，z r , x o 0 5 ，a t ) 第 1 v 页 上海交通大学博_ 上学位论文 a b s t r a c t a l l o yf i l m sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dc o m p o s i t i o nw e r ed e p o s i t e do n s i ( 10 0 ) s u b s t r a t e sb yu s i n go u rm o s a i cs t r u c t u r et a r g e t t h ec o m p o s i t i o no f a l l o yf i l m sw i t hh i g hp u r i t yi si nc o n t r 0 1 r e s u l t sp r e s e n t e dh e r ep r o v i d ea n e wm e t h o df o r m a g n e t r o ns p u t t e r i n g c uf i l mc o n t a i ni n s o l u b l e s u b s t a n c e s e f f e c t so ft h es p u t t e r i n gp r e s s u r ep ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et a r g e t a n dt h es u b s t r a t ed ，t h ea l l o y i n gd o p a n ta n dt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo n t h et e x t u r ea n dm o r p h o l o g yo ff i l m sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e ( 111 ) t e x t u r e ， a st h ei n c r e a s eo fda n dp ，i n c r e a s e sf i r s ta n dd e c r e a s e ss u b s e q u e n t l y w h e nt h epi s0 5p aa n dt h edi s2 0 0m m ，t h ef i l m sh a v et h es t r o n g e s t ( 111 ) t e x t u r ea n dt h ef i n em o r p h o l o g y t h et e x t u r eo fs p u t t e r e df i l m si s d e t e r m i n e db yb o t ht h es u r f a c ee n e r g ya n dt h es t r a i ne n e r g yo ft h es y s t e m i nac e r t a i nr a n g eo ft e m p e r a t u r e ，c ro rz rd o p a n ti n c r e a s e st h e ( 111 ) t e x t u r eo fc uf i l m s ，w h i c hi sr e l a t e dw i t ht h er e f i n e m e n to fg r a i n si na l l o y f i l m sa n dt h ei n c r e a s eo fi n t e m a ls t r e s so fa l l o yf i l m s ， e v i d e n tg r a i ng r o w t hi nc u ( 2 6a t c r ) a l l o yf i l m so c c u r sa tt h e t e m p e r a t u r ea b o v e4 5 0 a f t e ra n n e a l i n ga t4 5 0 ，c u ( c r ) a l l o yf i l m s e x h i b i tab i m o d a lg r a i ns i z ed i s t r i b u t i o nw i t hf i n eg r a i n s a n n e a l i n ga t h i g h e rt e m p e r a t u r e sr e s u l t si na na b n o r m a lg r a i ng r o w t h n oe v i d e n tc r p r e c i p i t a t e sa r ef o u n di nc u ( c r ) a l l o yf i l m sa f t e ra n n e a l i n g t h eb i m o d a l g r a i ns i z e d i s t r i b u t i o ni sc o n s i d e r e dt ob ea s c r i b e dt ot h eg r o w t ho f a v o r a b l yo r i e n t e dg r a i n s c r o s s s e c t i o nt e m i m a g e ss h o w t h a tt h ea n n e a l e dc uf i l m se x h i b i ta b a m b o o g r a i ns t r u c t u r e ，a n dg r a i nb o u n d a r yg r o o v e sh a v ef o r m e da tt h e f i l r n s u b s t r a t ei n t e r f a c e b yc o n t r a s t ，at y p i c a lc o l u m n a rs t r u c t u r ec a nb e s e e ni nc u ( c r ) a l l o yf i l m s ，w h i c hi si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h es t r u c t u r e z o n em o d e l c rd o p a n ti n h i b i t st h eg r a i ng r o w t ha n dt h eg r o o v i n gp r o c e s s i na n n e a l e dc uf i l m s m o r e o v e r , a ne x t r e m e l yh i g hd e n s i t yo f 111 ) t w i n b o u n d a r yi s f o u n di n c u ( c r ) a l l o yf i l m s ，i nw h i c ht h ee s t i m a t e dt w i n s p a c i n ga n dt w i nl a m e l l aa r ea b o u t6n m t h et w i nb o u n d a r yd e n s i t yi n c u ( c r ) f i l m si sa b o u t18 6 x10 8m 2 m 3 ，w h i c hi s2 0t i m e sa sm u c h a st h a to f 第v 页 i a b s t r a c t a n n e a l e dc uf i l m s t h ef o r m a t i o no fn a n o t w i ni sr e l a t e dw i t ht h ei m e m a l s t r e s sa n dt h ep r e f e r e n t i a l - o r i e n t a t e dg r a i ng r o w t h a sar e s u l t ，t h e h a r d n e s sa n dy o u n g sm o d u l u so fa l l o yf i l m si n c r e a s em a r k e d l y , w i t h o u t d e g r a d i n gt h ec o n d u c t i v i t ym u c ha f t e ra n n e a l i n g a f t e ra n n e a l i n ga t5 0 0 ，c uf i l m sa g g l o m e r a t eo ns i ( 10 0 ) s u b s t r a t e s b e c a u s eo ft h es i g n i f i c a n tg r a i ng r o w t h h o w e v e r , c rd o p a n tr e f i n e st h e g r a i n s ，i n h i b i t st h ea g g l o m e r a t i o na n de n h a n c e st h et h e r m a ls t a b il i t yo fc u f i l m so ns i ( 10 0 ) s u b s t r a t e s i nc o n t r a s t ，z rd o p a n ta c c e l e r a t e st h ed i f f u s i o n a n dr e a c t i o nb e t w e e nt h ec uf i l ma n dt h es i ( 1 0 0 ) s u b s t r a t ea n dd e g r a d e s t h et h e r m a ls t a b i l i t yo fc uf i l m s ，w h i c ha r er e l a t e dw i t ht h e p u r i f y i n g e f f e c t o fz r a sar e s u l t ，t h ef i n a lr e s i s t i v i t yo f c u ( c r ) f i l m si sa p p r o a c h e d t ot h a to fc uf i l m s ，w h i l et h er e s i s t i v i t yo f c u ( z r ) f i l m si n c r e a s e ss h a r p l y a f t e ra n n e a l i n g o nt h ec o n t r a r y , f o rt h ec u ( z r ) f i l m so ns i 0 2s u b s t r a t e s ，z rs e g r e g a t e s a tt h ef i l m s u b s t r a t ei n t e r f a c e ，t h u s ，a ne f f e c t i v ez r - r i c h l a y e ra tt h e i n t e r f a c ei sf o r m e d w h i c hi n h i b i t st h ed i f f u s i o nb e t w e e nt h ef i l ma n dt h e s u b s t r a t e a sar e s u l t ，t h et h e r m a ls t a b i l i t ya n da d h e s i o nb e t w e e nt h ef i l m a n dt h es u b s t r a t ea r ei m p r o v e d t h ef o r m a t i o no ft h ei n t e r f a c i a lb a r r i e r l a y e ri sd e p e n d e do nt h ea l l o y i n ge l e m e ma n di t sc o n t e n ti na l l o yf i l m s c rd o p a n ti m p r o v e st h ee l e c t r o m i g r a t i o nr e s i s t a n c er e m a r k a b l y t h e e l e c t r o m i g r a t i o nl i f e t i m e so fc u ( c r ) l i n e sa r e 10 10 0t i m e sl o n g e rt h a n t h o s eo fc ul i n e s t h e i m p r o v e m e n to fe l e c t r o m i g r a t i o nr e s i s t a n c eo f c u ( c r ) a l l o yl i n e si sr e l a t e dw i t ht h es e g r e g a t i o no f c ro nt h ef i l ms u r f a c e ， t h ei n c r e a s eo f 111 t w i nb o u n d a r i e sd e n s i t ya n dt h ec u ( 11 1 ) t e x t u r eo f a l l o yl i n e s k e y w o r d s ：c o p p e ra l l o yf i l m s ，i n t e r f a c i a lb a r r i e rl a y e r , t h e r m a ls t a b i l i t y , t w i n ，e l e c t r o m i g r a t i o n 第 v i 页 上海交通大学博士学位论文同录 目录 摘要i a b s t r a c t i v 第一章绪论。1 1 1 引言1 1 2 集成电路中金属互连线的发展及其特点2 1 2 1 铝互连线的发展及特点2 1 2 2 互连线材料的选取和铜互连的提出3 1 3 铜互连技术的应用5 1 3 1 铜互连技术发展中的关键问题5 1 3 2 铜互连工艺以及扩散阻挡层的应用概述6 1 4 薄膜沉积技术在集成电路中的应用9 1 4 1 磁控溅射方法及原理10 1 4 2 溅射膜层的结构1 1 1 5 溅射铜薄膜微观结构和性能1 2 1 5 1 铜互连膜的晶粒结构及织构1 2 1 5 2 铜薄膜中孪晶结构及其与薄膜力学性能的关系1 3 1 5 3 铜薄膜的性能表征1 4 1 6 合金掺杂溅射铜薄膜的研究现状1 6 1 6 1 合金化思想的提出1 6 1 6 2 合金掺杂对铜电阻率的影响1 7 1 6 3 合金掺杂对铜薄膜微观结构和热稳定性的影响1 8 1 7 选题的背景1 9 1 7 1 铜合金化元素的选取1 9 1 7 2 铜合金薄膜中有待研究的问题2 0 1 8 本论文的主要研究内容2 2 参考文献2 2 第二章制各工艺及合金掺杂对溅射铜薄膜织构的影响。2 9 第 v i i 页 上海交通大学博士学位论文f 1 录 2 1 前言2 9 2 2 实验方法3 0 2 2 1 溅射靶材制备3 0 2 2 2 基底处理3 2 2 2 3 薄膜制备。3 2 2 2 4 薄膜的检测3 3 2 3 嵌镶组合靶磁控溅射合金薄膜的可控性3 4 2 4 制备参数对磁控溅射铜薄膜织构的影响3 6 2 5 溅射沉积薄膜织构的形成4 0 2 5 1 应变能对薄膜生长织构的影响4 0 2 5 2 合金掺杂对溅射铜薄膜织构的影响4 3 本章小结4 8 参考文献4 9 第三章合金掺杂对溅射铜薄膜微观结构的影响及其与孪晶形成的内在关系。5 1 3 1 引言。5 l 3 2 实验设备和方法5 2 3 2 1 薄膜制备和退火处理。5 2 3 2 2 薄膜电阻率的测试5 2 3 2 3 薄膜的形貌以及结构分析5 2 3 2 4 聚焦离子束技术制备截面方向t e m 观察样品5 2 3 2 5 薄膜力学性能的测试5 5 3 3 合金掺杂对溅射铜薄膜晶粒结构的影响5 6 3 3 1 磁控溅射c u 以及c u ( c r ) 合金薄膜的平面方向t e m 分析5 6 3 3 2 磁控溅射c u 以及c u ( c r ) 合金薄膜的横截面方向的t e m 分析6 2 3 4 溅射铜薄膜孪晶微结构的形成和控制6 5 3 4 1 磁控溅射c u 以及c u ( c r ) 薄膜中的孪晶结构6 5 3 4 2 合金掺杂对铜薄膜孪晶形成的影响6 7 3 5 合金掺杂对溅射铜薄膜力学性能的影响7 3 本章小结7 7 参考文献7 7 第四章z r 、c r 掺杂对溅射铜薄膜热稳定性的影响及界面阻挡层的自发形成8 l 第v i i i 页 上海交通大学博士掌何论文月录 4 1 引言8 1 4 2 实验方法8 2 4 2 1 薄膜制备8 2 4 2 2 薄膜退火处理8 2 4 2 3 薄膜表面和截面形貌的观察8 2 4 2 4 薄膜样品的结构以及成分分布特征8 3 4 3 z r 、c r 掺杂对s i ( 1 0 0 ) 基底溅射c u 薄膜结构热稳定性的影响8 3 4 3 1z r 、c r 掺杂对溅射态铜薄膜表面形貌的影响8 3 4 3 2s i ( 1 0 0 ) 基底退火态c u 、c u ( z r ) 以及c u ( c r ) 薄膜的x r d 表征8 6 4 3 3s i ( 1 0 0 ) 基底c u 、c u ( z r ) p a 及c u ( c r ) 薄膜横截面形貌分析8 8 4 3 4 界面扩散和反应特征9l 4 4c r 掺杂对溅射铜薄膜晶界沟槽化的影响以及薄膜的晶界团聚模型9 3 4 5s i ( 1 0 0 ) 基底上的c u 、c u ( z r ) 和c u ( c r ) 薄膜的电阻率9 7 4 6 不同合金掺杂的c u s i 0 2 薄膜体系中界面扩散阻挡层的形成9 8 4 6 。1 合金薄膜体系中元素扩散和界面分析9 8 4 6 2s i 0 2 基底上c u ( z r ) 、c u ( c r ) 和c u ( m o ) 薄膜的电阻率1 0 3 4 6 3 界面阻挡层的自发形成机制1 0 4 本章小结10 6 参考文献10 7 第五章c r 合金掺杂对溅射铜薄膜电迁移行为的影响1 0 9 5 1 引言1 0 9 5 2 实验材料和方法1 10 5 2 1 薄膜的沉积和图形化1 10 5 2 2 电迁移实验的测试原理1 l1 5 3c r 掺杂对铜导线抗电迁移性能的影响1 1 3 5 3 1 电迁移加速实验l l3 5 3 2 电迁移过程中的原子扩散l1 5 本章小结1 1 7 参考文献1 l7 第六章主要结论及创新点1 1 9 6 1 主要结论1 1 9 第 1 x 页 第x 页 上海交通人学博- 上学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自六十年代以来，随着半导体技术的发展，薄膜材料的需求日渐增长，这主 要体现在对金属互连线不断增长的需求上。在集成电路制造工艺中多晶硅是最早 使用的互连线材料【1 ，2 1 ，但不久就被硅化物与多晶硅的复合层取代【3 】。后来随着远 程互连线的应用，铝( a 1 ) 以及a l ( c u ) 合金由于价格低廉，电阻率相对较低( 与硅 化物相比) 并且与硅基底具有良好的结合力而成为主要的金属互连线材料。然而 在大规模集成电路( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o nc i r c u i t ，l s i c ) 以及超大规模集成电路 ( u l t r al a r g es c a l ei n t e g r a t i o nc i r c u i tu l s i c ) 中，电子器件的日益微型化要求互连线 电阻率更低，尺寸更小，承受电流密度更大。a l 和a l 合金线已不能满足新的要 求。其中偏高的电阻率和低的抗电迁移性能是a l 线的主要不足。在现代化的高性 能复式互连线( m u l t i l e v e li n t e r c o n n e c t i o n s ) 电路中，铜( c u ) 已经逐步取代a l 合金作 为金属互连线材料。c u 作为互连线材料有以下优点： ( 1 ) 电阻率低。c u 的电阻率是1 7p q c m ，比a l 的电阻率( 2 7p q c m ) 低，能 够显著降低r c 时延，提高集成电路的速度。 ( 2 ) 互连线尺寸小。窄的线宽能够减小互连线横穿芯片的功率，降低损耗。 ( 3 ) 布线密度高。窄的线宽意味着更高的布线密度，同时减少布线的层数，降 低成本。 ( 4 ) 抗电迁移能力高。c u 的熔点比a l 高，因此有更高的抗电迁移能力。 但是集成电路作为一个体系，c u 的引入产生一些新的技术问题【4 】：( a ) 铜的 污染问题。c u 是半导体深能级杂质，在s i 0 2 介质中的扩散很快，使s i 0 2 介电性 能严重退化，甚至引起电路失效。( b ) c u 引线图形的加工问题。仅仅利用传统的 互连加工工艺难以实现c u 的互连引线图形加工( c ) c u 易氧化，而且形成的氧化 膜不具有保护作用。( d ) c u 膜的机械强度较低，容易受应力变形。 为了解决上面的问题通常采用如下两种措施：( a ) 在c u 膜与s i 基底之间镀一 层扩散阻挡层以减缓c u 与s i 的扩散和反应，同时