合金自形成阻挡层纸杯研究

Cu-Zr合金自形成阻挡层纸杯研究,学号姓名：指导老师：,一、实验背景及意义,1.1互连的定义和面临的挑战,局域互连,整体互连,互连的分类,一、实验背景及意义,1.1互连的定义和面临的挑战,器件特征尺寸进入到深亚微米后，集成密度进一步提高，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。如下图所示当器件尺寸小于0.35um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。,互,连,危,机,一、实验背景及意义,1.2铜金属化（CopperMetallization）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。要求金属与硅应形成良好的合金，金属原子不应在硅中有较强的扩散。可以用作导线的金属有Al、Au、Ag、Cu等。,传统金属化材料Al,优点：成本低技术成熟黏附力强易刻蚀与P型及N型半导体易形成好的欧姆接触,缺点：易于发生电迁移和Al/Si共溶，在300度左右的工艺温度下，Al薄膜上会形成突起穿透相邻互连线之间的电介质绝缘层造成了短路,一、实验背景及意义,1.2铜金属化及其互连工艺,金属如Al、Au、Ag、Cu等的物理性质如下表表1-1金属导线材料物理性质,一、实验背景及意义,1.2铜金属化及其互连工艺,一、实验背景及意义,1.2铜金属化及其互连工艺,铜互连图形制备方法：镶嵌工艺（成熟）、剥离工艺、铜刻蚀,单镶嵌工艺,双镶嵌工艺,一、实验背景及意义,1.3阻挡层,作用：阻挡扩散增加粘附性,良好的扩散阻挡层X与其上下层材料AB应符合：AB两物质经由X的穿透速率小B.X损耗于AB内的速率小C.X对于AB具有热稳定性D.X对于AB具有良好的附着性E.X与AB的接触电阻小F.X在厚度与结构上是均一的G.多层膜系统的热应力和机械应力小H.多层膜系统的导热性和导电性高,Cu对硅、二氧化硅粘附性较差，扩散系数很大，所以铜互连线外面需要全包裹一层DBAP（diffusionbarrierandadhesionproZrter），简称为阻挡。,二、实验内容,研究对象：Zr基扩散阻挡层,制备方法：采用了磁控溅射技术在Si衬底上生长Cu/Zr基阻挡层/Si体系,研究内容：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。,三、实验原理及方法,3.1样品制备方法,基片准备：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。,硅片清洗流程,三、实验原理及方法,3.1样品制备及原理,薄膜淀积：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：就是用具有一定能量的离子轰击靶材，从而使靶材表面的原子飞溅出来，然后集聚在衬底上，轰击离子一般是Ar离子，其能量为几千电子伏。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。,三、实验原理及方法,3.1样品制备及原理,溅射原理图,溅射装置示意图,三、实验原理及方法,3.2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。,三、实验原理及方法,3.3样品测试方法及原理,1.薄层电阻四点探针测量,实验采用四探针测试方法分别测量热处理前、后的薄膜电阻变化。铜的电阻率约为1.7.cm，低于一般的金属，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。,可看出Rs与方块面积的大小无关,将方块电阻转化为线电阻率,三、实验原理及方法,3.3样品测试方法及原理,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。本实验用以分析薄膜表面形态。,SEM构造和原理,三、实验原理及方法,3.3样品测试方法及原理,3.X射线衍射仪（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10-4Pa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。测定衍射方向可决定晶胞的形状和大小测定衍射强度可确定晶胞内原子的分布本实验用以测量薄膜表面晶相的组成,三、实验原理及方法,3.3样品测试方法及原理,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。本实验用以元素纵向浓度分布变化的研究,三、实验原理及方法,3.3样品测试方法及原理,4.电子能谱分析（XPS）,X射线光电子能谱基于光电离作用，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=h-Eb-s（2.1）式中Ek出射的光电子的动能,eV;hX射线源光子的能量,eV；Eb特定原子轨道上的结合能,eV；s谱仪的功函,eV。,三、实验原理及方法,3.3样品测试方法及原理,4.电子能谱分析（XPS）,虽然XPS方法的原理比较简单，但其仪器结构却非常复杂。如下图是X射线光电子能谱的方框图。,四、技术方案,方案流程如流程图所示：,五、人员分工,五、实验进度安排,第12学时,第35学时,第614学时,第1523学时,第2432学时,参阅资料，整理阅读参考文献；,制定实验方案，在掌握集成电路铜互连阻挡层的基本理论及研究方法得基础上，根据金属Zr的物理特性，制定合理的研究法方案；,样品制备，采用磁控溅射方法制备含有各种Zr基扩散阻挡层的互连体系，并对部分样品在不同温度下进行热退火处理；,样品测试，采用四探针、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪（XRD）、电子能谱