纳米Ta-Al-N薄膜的制备及其扩散阻挡特性的研究

采用直流反应磁控溅射方法在p型(100)Si衬底上制备了Ta-Al-N纳米薄膜与Cu/Ta-Al-N复合膜,并对薄膜样品进行了卤钨灯快速热退火(RTP)。用四探针电阻测试仪(FPP)、AFM、SEM-EDS、Alpha-step IQ台阶仪和XRD等分析测试方法对样品的形貌结构与特性进行了分析表征。实验结果表明,本实验条件下制得的Ta-Al-N纳米薄膜表面光滑;随着Al靶溅射功率的增加,Ta-Al-N薄膜中Al含量和方块电阻相应增大,均方根粗糙度降低,而沉积速率变化不大,且Ta-Al-N膜层对Cu扩散的阻挡能力增强。但在过高的温度下退火,导致Cu通过Ta-Al-N的晶界扩散到Ta-Al-N/Si界面并形成Cu3Si,从而引起阻挡层的失效。

N含量对Ta-Si-N扩散阻挡层阻挡性能的影响

采用磁控反应溅射技术在p型Si(111)衬底上制备了Ta-Si-N薄膜与Cu/Ta-Si-N复合结构,并对样品进行了快速热处理。用四探针电阻测试仪、原子力显微镜、X射线衍射和扫描电镜等对样品的电阻、形貌、结构与特性进行了分析表征。实验结果表明,随着N含量的增加,Ta-Si-N薄膜的方块电阻单调增加,表面粗糙度则先减小后增大;Ta-Si-N阻挡层的阻挡性能随N含量的增加而有所增强,但当N含量过大时,阻挡性能的提升并不明显;沉积态的Ta-Si薄膜为纳米晶结构,掺入N后,薄膜成为非晶态,但在高温热处理后Ta-Si-N薄膜重新结晶,铜原子主要通过晶界扩散并与Si反应,导致阻挡层失效。

真空镀膜实验中掺Al对Ta-N薄膜性能的影响

采用磁控反应共溅射法制备了Ta-Al-N纳米薄膜及Cu/Ta-Al-N/Si结构,并在氮气保护下对薄膜进行了快速热处理,用四探针电阻测试仪、台阶仪、原子力显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜等对薄膜进行了表征。研究表明,少量Al的掺入可降低薄膜的表面粗糙度,有效提高其热稳定性和Cu扩散阻挡能力,但同时也增大了薄膜的电阻率。Al原子分数为1.7%、厚约100nm的Ta-Al-N薄膜在800℃热处理5min后仍可保持稳定和对Cu扩散的有效阻挡,其作用机制与Al填充堵塞晶界及提高薄膜的晶化温度有关。

多靶磁控共溅射纳米Ta-Al-N薄膜的阻挡性能研究

采用磁控反应共溅射方法制备了纳米Ta-Al-N薄膜,并原位制备了Cu/Ta-Al-N薄膜,对薄膜进行了热处理。用四探针测试仪、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及台阶仪等研究了退火对薄膜结构及阻挡性能的影响。结果表明,Ta-Al-N薄膜具有优良的热稳定性,保持非晶态且能对Cu有效阻挡的温度可达800°C;同时发现在900°C退火5 min后,薄膜开始晶化,在Cu/Ta-Al-N/Si界面处生成了Cu3Si等相,表明此时Ta-Al-N薄膜阻挡层开始失效。

Cu互连中Ta/Ta-N和Ti/Ta-N双层膜的扩散阻挡性能比较

采用磁控溅射法在SiO2/Si基底上沉积Cu/Ta/Ta-N及Cu/Ti/Ta-N薄膜,在高纯的Ar/H2气氛保护下对样品进行快速热退火处理,用XRD、SEM、EDS及四探针电阻测试仪(FPP)等分析测试方法对Ta/Ta-N和Ti/Ta-N双层薄膜的热稳定性及互扩散阻挡性能进行了比较分析。结果表明,当退火温度低于700℃时,Cu/Ta/Ta-N/SiO2/Si和Cu/Ti/Ta-N/SiO2/Si多层膜结构表面平整,方阻值均比较小(Cu/Ta/Ta-N/SiO2/Si约为0.175Ω/□,Cu/Ti/Ta-N/SiO2/Si约为0.154Ω/□);当退火温度到达700℃时,Cu/Ta/Ta-N/SiO2/Si试样开始出现Ta2O5和Cu3Si,由于Cu向基底扩散打破Si-Si和Si-O键,Si、O经扩散通道分别与Cu、Ta反应生成了Cu3Si和Ta2O5,表明Ta/Ta-N阻挡层开始失效;而Cu/Ti/Ta-N/SiO2/Si试样的Cu/Ti相界面形成了很薄的扩散溶解层——Cu4Ti、Cu4Ti3与Cu3Ti2,有力地阻断Cu向基底扩散的通道,从而提高了Ti/Ta-N双层膜的阻挡性能,使Ti/Ta-N双层膜对Cu的有效阻挡温度高达700℃。因此,Ti/Ta-N双层膜是一种良好的扩散阻挡层。

氮分压对Ta-Ru-N薄膜微观组织和性能的影响

采用反应磁控溅射技术,在单晶Si(100)面基底上制备了4个氮分压条件下Ta-Ru-N扩散阻挡层薄膜。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)以及四探针电阻测试仪(FPP),对所制备薄膜的相结构、表面形貌和电学性能进行了表征,研究了氮分压对薄膜微观组织和性能的影响。研究结果表明:制备的Ta-Ru-N薄膜为非晶态,适量氮气的加入能够提高薄膜表面的平整度,薄膜方阻随着氮分压的增加而逐渐增加。

Zr层插入对Ta-N扩散阻挡性能的影响

在不同的沉积温度下,用射频反应磁控溅射方法在Si(100)衬底和Cu膜间制备Ta-N/Zr阻挡层,研究Zr层的插入对Ta-N扩散阻挡性能的影响。结果表明:不同沉积温度下制备的Ta-N均为非晶态结构;Zr层的插入使Ta-N阻挡层的失效温度至少提高100℃,在800℃仍能有效地阻止Cu的扩散。阻挡性能提高的主要原因是高温退火时形成低接触电阻的Zr-Si层。

Cu互连中Ta-Si-N/Zr阻挡层热稳定性的研究

用射频反应磁控溅射的方法在Si(100)衬底和Cu膜间制备Ta-Si-N(10nm)/Zr(20nm)双层结构的扩散阻挡层。Cu/Ta-Si-N/Zr/Si样品在高纯氮气的保护下从600至800℃退火1h。通过四探针电阻测试仪(FPP)、SEM、XRD和AES研究Cu/Ta-Si-N/Zr/Si系统在退火过程中的热稳定性。结果表明:沉积到Zr膜上的Ta-Si-N表面平坦,为典型的非晶态结构;Cu/Ta-Si-N/Zr/Si样品650℃以上退火后Zr原子扩散到Si中形成的ZrSi2能有效地降低Ta-Si-N与Si之间的接触电阻;Ta-Si-N/Zr阻挡层750℃退火后仍能有效地阻止Cu的扩散。

Ta-Si-N/Ti双层结构扩散阻挡层的制备与表征

采用射频磁控溅射的方法在Si(100)衬底和Cu膜间制备了Ta-Si-N(10nm)/Ti(20nm)双层结构的扩散阻挡层。Cu/Ta-Si-N/Ti/Si样品在高纯氮气的保护下从600至800℃退火1小时。通过四探针电阻测试仪(FPP)、SEM、XRD研究了Cu/Ta-Si-N/Ti/Si系统在退火过程中的热稳定性。研究结果表明:沉积到Ti膜上的Ta-Si-N膜为非晶态结构;Cu/Ta-Si-N/Ti/Si样品700℃以上退火后Ti原子扩散到Si中形成的TiSi2能有效地降低Ta-Si-N与Si之间的接触电阻;Ta-Si-N/Ti阻挡层750℃退火后仍能有效地阻止Cu的扩散。

不同氮流量比制备纳米Ta-N薄膜及其性能

超大规模集成电路Cu互连中的核心技术之一是制备性能优异的扩散阻挡层。本文采用直流磁控反应溅射在N2/Ar气氛中制备了不同组分比的Ta-N薄膜,并原位制备了Cu/Ta-N/基底复合结构,对部分样品在N2保护下进行了快速热处理(RTA),采用台阶仪、四探针测试仪、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜、X射线衍射(XRD)对薄膜形貌结构进行了表征。结果表明,随着N2流量比的增加,薄膜沉积速率下降,表面趋于平滑,Ta-N薄膜热稳定性能及阻挡性能随之提高,而电阻率则上升。氮流量比为0.3制备的厚度为100nm的Ta-N薄膜经600℃/5m in RTA后,仍可保持对Cu的有效阻挡;在更高温度下退火,Cu将穿过阻挡层与Si发生反应,导致阻挡层失效。