集成电路互连Cu-Mo合金自形成扩散阻挡层制备开题报告

Xxx学院专业综合实验开题报告Cu-Zr合金自形成阻挡层制备研究学生姓名： 指导教师： 所属专业： 一、实验背景及意义1.1互连的定义及其面临的挑战所谓互连（interconnect）是指硅芯片上的电子元件以金属导线连接从而形成完整电路的工艺。互连线按其功能不同分为两类：一类称为“局域互连”，是一个功能块内的不同元件的栅之间的互连，这种互连线较短从而电阻R较小，栅电容（C）是影响RC反应时间的主要因素；另一类称为“整体互连”，是不同功能之间互连。在亚微米以上的区域，有整体互连引起的RC时间延迟基本上保持为常数，其反应时间远小于由局域互连引起的延迟，这时栅电容是决定RC反应时间的主要因素。而器件特征尺寸进入到深亚微米后，芯片面积迅速增大，集成密度进一步提高，所有这些都要求金属连线减少宽度，增加连线层数。而连线宽度减小引起连线电阻增加，电流密度增大，电路互连延迟时间增长。整体互连的时间延迟（RC）急剧上升，大大超过了局域互连的贡献，成为决定芯片最终性能的决定性因素，即所谓的“互连危机”。如图1-1 所示，当元件尺寸小于0.35m时，多层金属连线成为影响元件操作速度及功率消耗恶化的主要原因。另外，在芯片封装工艺中，互连体积也会对封装尺寸产生一定的影响。据预计，在未来几年里，芯片上的连线将超过10层布线，逻辑电路中需连接的晶体管超过108/cm2，存储器件中则超过109/cm2，由此可预见解决互连问题的重要性。图1-1 门延迟和互连延迟不同互连系统材料与IC 技术时代的关系1.2 Cu金属化（Copper Metallization）及其互连工艺在集成电路内部进行金属连线时，首先要使硅表面金属化。对于金属化材料是有严格要求的：一是金属与硅应形成良好的合金，以便形成欧姆接触；二是金属原子不应在硅中有较强的扩散。自集成电路诞生以来，人们一直采用铝（Al） 作为集成电路的内部连线（简称引线）材料。尽管铝在导电性和耐磨性等方面不如铜，而且铝还容易发生电迁移，但是，由于铝引线工艺方便简单，且铝与硅（较高表面杂质浓度）还能直接形成良好的欧姆接触，因此，铝引线一直应用至今。但是，随着集成电路特征尺寸的变小，由于铝引线的电阻和分布寄生效应造成的信号延迟和功耗损失已成为集成电路进一步提高速度的主要障碍。可以用作导线的金属如Al、Au、Ag、Cu等，其物理性质如表1-1所示。由此我们可以看出Cu是很好的集成电路互连金属的候选者。它成本低，应力特性好。使用铜互连可以减小芯片上互连线的电阻，或者在保持电阻不变的情况下减小互连金属的厚度来减小同一层内互连线间的耦合电容，从而降低耦合噪声和互连线的信号延迟。在保持同样的RC时间延迟下，可以减少金属布线的层数，而且芯片面积可缩小20-30%。若配合上低介电常数材料（Low k层间电介质ILD，如SIOC，SIF，-CF等）铜互连会使寄生电容降低，IC速度提高，其性能和可靠性均获得提高。另外Cu的干净界面较易形成，从而减少了金属层间的接触电阻。因此，当特征尺寸为0.18m 或更小时，铜代替铝用于芯片制造工艺，这就在0.13 微米及以下线宽的集成电路制造中，只能用铜作为引线的新材料。如今铜互连已在0.1-0.18微米器件中使用，但是铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还需进一步研究。表1-1 金属导线材料物理性质AlCuAgAuResistivity (icm, at roomtemperature 22）2.81.71.62.2Melting Point（）66010839611063EM Endurance (compare to Al)1201020Heat of Formation of oxide(kcal/Zrl)-400-40-73-0.8Diffusion into SiO 2NoYesYesNoAgglomerationNoSmallSevereNoRIEEasyDifficult1997年9月IBM、ZRTOROLA、SEMTECH相继宣布开发成功以铜布线代替铝布线的IC新技术，即用电镀方法把铜沉积在硅圆片上预先腐蚀的沟槽里，然后用化学机械抛光CMP使之平坦化。1998年ZRTOROLA推出0.15微米的SRAM 用多层铜布线技术，IBM 公司生产出铜布线的400MHz的商用高速PC芯片。2001年的SEMI研讨会上，IBM公司和Infineon（原西门子公司半导体部）发表了CZRS 7S和7SF工艺，受到广泛关注。它采用全集成的ULSI CZRS/铜互连技术，铜互连层可以多到6 层。图1-3 显示的就是一例6层铜互连的SEM照片46。 2001年10月Sun推出的Ultra SPARC IIIi 处理器芯片采用了0.13微米的铜互连工艺。2001年11月Intel公司称0.09 微米制程将具有铜互连，低电介质的特色。2002年1月Intel发布的P4处理器采用的是0.13微米工艺，Cu互连技术。2003年3 月，IBM Cell处理器采用了0.10 微米制程、铜互连及SOI 技术。图1-2 MPU 的多层互连结构图图1-2是（2001年ITRS）应用于MPU 的多层互连结构图，为了缓解互连延迟的压力，采用了逐层增加间距和厚度的办法。铜作为导线材料有以下几个缺点：1）Cu 在Si及其氧化物中的扩散系数很高，很容易穿透进Si基底中，作为深能级掺杂物质引起漏电流增大，甚至短路失效。2）铜对二氧化硅等材料的粘附性较弱。3）Cu 在空气和低温下（650 ，30minSputtered Ta2NCu/TaN 100nm /Si750，1hSputtered TaNCu/Ta-Si-N 80nm /TiSi230nm /Si900 ，30minSputtered Ta-Si-NCu/W 25nm /Si650 ，30minSputtered WCu/W2N 25nm /Si790 ，30minSputtered W2NCu/WN 25nm /Si500， 30minSputtered WNCu/WNx 20nm /Si550 ，30minPECVD WNxCu/Ta 25nm /SiO2500 ，30minSputtered TaCu/Ta 180nm /Si600 ，30minSputtered TaCu/TaN 20nm /Si450， 60minSputtered TaNCu/Ta2N 40nm /Si600 ，30minSputtered Ta2N1.4 主要实验工作研究铜与硅之间Zr基扩散阻挡层的性能，并讨论其可行性及与其他阻挡层想比较。目前集成电路Cu互连工艺中使用的扩散阻挡层多为PVD方法生长的W-N、TiN、Ta、TaN材料，其中以Ta、Ti、W作为扩散阻挡层材料的研究文献有很多，然而，同样是难熔金属的Zr却被研究的很少。由于Zr 具有非常低的电阻率，并且具有和Ta同样良好的热稳定性，因此也可以作为集成电路铜金属化中的扩散阻挡层材料。而Zr的氮化物因N在晶界处的聚集，阻塞快速扩撒通道，能进一步提高阻挡层的效果，因此有必要对Zr基薄膜材料在扩散阻挡层中的应用进行详细的研究。另外，降低阻挡层的（厚度从传统的100nm降到10nm以下）以减小阻挡层/金属连线的电阻对于互连工艺也十分重要；而在同样的外界条件下降低阻挡层厚度就意味着必须提高阻挡层的阻挡功效才能保证Cu不会扩散进Si 中。本实验的研究对象为基于Zr基的扩散阻挡层，采用了磁控溅射技术在Si衬底上生长了Cu/Zr基阻挡层/Si体系，为了能更深入的分析和观察Cu在扩散阻挡层中的扩散情况，采用450、550、650等多组不同的退火温度在真空下退火30min。采用了四探针、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪（XRD）、电子能谱分析（XPS）等实验手段，对沉积态及退火态样品进行四点探针薄膜电阻、薄膜表面形态、薄膜物相、元素纵向浓度分布变化等方面的研究，从而进一步分析了不同类型阻挡层发挥阻挡作用的机理、Cu 穿透扩散阻挡层进入Si 衬底的失效机制、退火条件对阻挡层的影响以及不同温度下Cu 在阻挡层中的扩散系数。通过这些研究工作，对于集成电路Cu互连的Zr基扩散阻挡层工艺和性能方面有较为系统的了解和讨论，对实际的生产工艺具有一定的指导意义和参考价值。二、实验的原理与方法为了对Zr基扩散阻挡层制备方法，扩散阻挡层的性能以及失效机制进行探讨，本研究采用了直流磁控溅射和射频磁控反应溅射方法制备扩散阻挡层，Cu层的制备采用直流磁控溅射方法。对Cu/阻挡层/Si基底多层膜样品的分析则采用了多种表面微分析方法来观察其特性。2.1样品制备方法2.1.1 基片准备（硅片为10mm*15mm*0.5mm）单晶硅片分单抛和双抛之分，一般采用单面抛光的单晶硅片作为实验用基片。单晶硅片的尺寸一般有直径为4寸、5寸、6寸、8寸和12寸等多种规格，实验使用时先用金刚石刀按一定形状大小切割成所需基片基片。使用前还需要进行一道清洗程序，最常用的清洗方法是RCA 清洗方法。RCA 清洗法：依靠溶剂、酸、表面活性剂和水，在不破坏晶圆表面特征的情况下通过喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。在每次使用化学品后都要在超纯水（UPW）中彻底清洗。2.1.2 薄膜淀积任何方式的薄膜生长，基本里都是通过原子、分子间的相互作用，使待生长的原子(或分子)结合到基片表面，逐渐形成薄膜。薄膜样品的制备方法有很多，常用的有物理气相沉积法 (PVD) ，如：溅射法 (Sputtering)，化学气相沉积法 (CVD)，和原子层沉积方法(ALD)等。本实验采用了在近代，特别是现代，广泛应用的溅射镀膜法制备薄膜样品。溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体（称为靶）表面使其中的原子发射出来，然后凝聚在衬底上，衬底可以加或不加偏压，轰击粒子多为Ar 离子，其能量为几千电子伏特，如图2-1 所示。溅射方式可分为直流、射频溅射。后者便于淀积介质膜。溅射镀膜具有如下特点：（1）对于任何待镀材料，只要能做成靶材，就可实现溅射，因此适于沉积难熔材料和介质材料，其成分也可以和多成分或化合物组成的靶一样；（2）溅射所获得的薄膜与衬底结合较好；（3）溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好；（4）溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜。溅射存在的缺点是：（1）薄膜中纳入Ar 或其他溅射气体原子和分子；（2）衬底会受到等离子辐照等作用而产生升温，同时可能和薄膜间发生混杂，对衬底表面造成损伤。图2-1 溅射原理图图2-2 溅射装置示意图溅射装置种类繁多，因电极不同可分为二极、三极、四极、磁控溅射射、频溅射等。直流溅射系统一般只能用于靶材为良导体的溅射，而射频溅射则适用于绝缘体、导体、半导体等任何一类靶材的溅射。磁控溅射是通过施加磁场改变电子的运动方向，并束缚和延长电子运动轨迹，进而提高电子对工作气体的电离效率和溅射沉积率。磁控溅射具有沉积温度低、沉积速率高两大特点，图2-2 是一磁控溅射装置的示意图。一般通过溅射方法所获得的薄膜材料与靶材属于同一物质，但也有一种溅射方法，其溅射所获得的薄膜材料与靶材不同，这种方法称为反应溅射法。即在溅射镀膜时，引入的某一种放电气体与溅射出来的靶材原子发生化学反应而形成新物质。如在N2中溅射反应获得氮化物等都属于反应溅射。2.2 样品热退火处理为了便于在同样的条件下进行比较，有的样品均在VPS-5G真空炉里真空退火30min，真空炉的功率为30KW，真空度为210-5Torr，退火温度为450、550、650等多组不同温度。快速升温，升温过程分两步来完成，然后随炉冷却至室温。具体的退火处理过程参数如表2-1 所示。表2-1 退火处理过程参数 步骤参数温度 ( )升温时间 (min)保温时间 (min)第一步300151第二步所需温度1530第三步随炉冷却至室温2.3样品测试方法及原理本实验采用了四探针、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪（XRD）、电子能谱分析（XPS）等实验手段，对沉积态及退火态样品进行四点探针薄膜电阻、薄膜表面形态、薄膜物相、元素纵向浓度分布变化等方面的研究，从而深入讨论了不同系列的阻挡层结构、Cu在阻挡层中的扩散、阻挡层的失效机制以及失效机制与结构的关系。2.3.1 薄层电阻四探针测量实验采用了SDY-5 型双电测四探针测试仪分别测量了热处理前、后的薄膜电阻变化。铜的电阻率约为1.7 u .cm ，低于一般的金属，远低于金属的氮化物电阻率。因此Cu 层几乎承担了探针间的所有电流。如果阻挡层失去阻挡效果，Cu 和Si之间会发生大量扩散，将会有大量Cu3Si生成，从而表面的Cu遭到破坏，电阻率将会急剧升高。2.3.2扫描电镜(SEM)扫描电子显微镜利用聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的物理信号来调制成像，用以分析和观察固体物质表面化学、物理性质及结构特征，具有制样简单、分辨率高、景深大、放大倍数范围大等特点。SEM 由电子光学系统、信号收集处理及显示系统和真空系统组成，如图2-3 所示。 电子光学系统包括电子枪（灯丝，栅极，阳极）、聚光镜（电磁透镜）、扫描线圈和样品室。信号收集器收集到的信号包括二次电子、背散射电子、透射电子，它们随样品的表面形貌和成分的变化而变化。将这些信号按顺序成比例地转换成视频信号，再经过放大、处理和同步调制阴极线管电子束强度，样品形貌就在荧光屏上显示出来。受样品形貌、成分、结晶状态、磁结构、表面电荷和感应电流等特征的影响，穿出样品的电子数目差异就形成了表面形貌衬度。二次电子和背散射电子都可以用于显示形貌衬度。二次电子形貌图像较为柔和，分辨率较高。散射电子信号对样品表面成分敏感，分辨率比较低。图2-3 SEM 构造和原理2.3.3 X 射线衍射表征方法（XRD）X射线衍射方法(XRD)是研究晶体结构的最重要手段之一。X射线是一种波长在1-104pm的电磁波，常用于测定晶体结构的x射线波长约为50250nm。这种X射线通常是在真空度约为10-4 Pa的X射线管内，由高压电场加速的高速电子冲击阳极金属靶而产生的。X射线照射到晶体时，由于它波长短，穿透力强，所以大部分是透射，极少部分反射，而一部分被散射。其中，散射包括不相干散射，以及相干散射(位相和波长不变，方向改变的次生X射线)，对结构分析最有用的是相干散射。相干散射起源于晶体中电子在入射X射线电磁场作用下作受迫振动，因此每一个电子都是这种相干此生射线的波源，由其发出的次生电磁波(球面波)会产生干涉现象，这就是产生晶体X射线衍射的基础。对于晶体由周期性的点阵结构，可将诸原子或电子间产生的次级x射线的干涉分成两类：（1）由点阵周期性相联系的晶胞或结构基元产生的次生波在空间给定的方向有确定的光程差，在等于波长整数倍的方向，各次生波之间有最大加强，这种现象即为衍射。衍射方向由结构周期性(即晶胞的形状和大小)所决定，因此测定衍射方向可决定晶胞的形状和大小。（2）晶胞内非周期性分布的原子或电子的次生X射线也会产生千涉，这种干涉作用决定衍射强度，因此通过衍射强度的测定可确定晶胞内原子的分布。决定衍射方向和晶胞大小形状之间关系的方程有两个：劳埃(Laue)方程和布拉格(Bragg)方程，两者讨论的出发点不同(前者是直线点阵，后者为平面点阵)，但效果是一样的。2.3.4电子能谱分析（XPS）X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。由于XPS具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此，XPS方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。X射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。 在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示：Ek = hn - Eb - fs （2.1）式中 Ek 出射的光电子的动能, eV; hn X射线源光子的能量, eV； Eb 特定原子轨道上的结合能, eV； fs 谱仪的功函, eV。谱仪的功函主要由谱仪材料和状态决定，对同一台谱仪基本是一个常数，与样品无关，其平均值为34eV。 在XPS分析中，由于采用的X射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子价轨道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能量仅与