發(fā)布時間：2018-08-02 14:43

【摘要】：隨著集成電路中互連工藝的不斷發(fā)展,Cu逐漸取代了Al及其合金作為金屬互連線材料。為改善Cu與Si基材料的粘附性和防止Cu與Si擴散反應,需要在Cu與Si基介質材料之間沉積一層擴散阻擋層。本文利用離子束輔助沉積技術制備了Ta、TaN和Ta-Si-N薄膜并研究了Si含量對Ta-Si-N薄膜微觀結構、電學性能以及擴散阻擋性能的影響及研究了離子/原子到達比和沉積溫度分別對TaN薄膜微觀結構、電學性能以及擴散阻擋性能的影響。得出如下結論:(1)隨著Si含量的增多,薄膜中TaN晶粒度逐漸減小,薄膜方阻逐漸增大;TaN薄膜在摻Si之后組織由致密的柱狀晶轉變?yōu)槭杷傻牡容S晶。未摻Si的Cu/TaN/Si體系在退火后方塊電阻減小,XRD沒有發(fā)現(xiàn)新相的生成;然而摻Si的Cu/Ta-Si-N/Si體系在退火后有TaSi2和Cu3Si高阻相生成,導致體系的電阻顯著增大,表明Ta N薄膜的擴散阻擋性能比Ta-Si-N薄膜的更好。(2)離子/原子到達比為4.6時TaN(111)晶面呈現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向,隨著離子/原子到達比的增大,TaN薄膜中晶粒在空間隨機分布的程度逐漸增大,薄膜組織由致密的柱狀晶逐漸變?yōu)槭杷傻牡容S晶,薄膜方阻逐漸增大。Cu/Ta/Si體系在退火后生成了TaSi2和Cu3Si高阻相,方阻顯著增大;在離子/原子到達比為18.3下制備的Cu/TaN/Si體系在退火4h后有Cu3Si相和TaSi2相生成,方阻也顯著增大;而當離子/原子到達比在4.6-13.7范圍內時,制備的Cu/TaN/Si體系在退火后方阻有所減小,XRD分析表明沒有新相生成。在適當?shù)碾x子/原子到達比下制備的TaN薄膜能有效阻擋Cu與Si的擴散和反應。(3)室溫下TaN(111)晶面表現(xiàn)出顯著的擇優(yōu)取向,隨著沉積溫度的升高,TaN薄膜中晶粒在空間隨機分布的程度逐漸增大,TaN薄膜的組織由致密的柱狀晶逐漸變?yōu)槭杷傻牡容S晶;沉積溫度對TaN薄膜方阻幾乎沒有影響。室溫時TaN薄膜具有最好的擴散阻擋性能,此時Cu/TaN/Si體系在退火后電阻有所減小,XRD結果表明沒有Cu3Si高阻相的生成;但是沉積溫度升高后制備的Cu/TaN/Si體系在退火后有Cu3Si相和TaSi2相生成,致使體系方阻顯著增大。
[Abstract]:With the development of interconnect technology in integrated circuits, Cu has gradually replaced Al and its alloys as metal interconnect materials. In order to improve the adhesion of Cu and Si based materials and prevent the diffusion reaction between Cu and Si, a diffusion barrier layer should be deposited between Cu and Si based dielectric materials. Tahtin and Ta-Si-N thin films were prepared by ion beam assisted deposition and the effect of Si content on the microstructure of Ta-Si-N films was studied. The effects of ion / atom arrival ratio and deposition temperature on the microstructure, electrical properties and diffusion barrier properties of TaN films were investigated. The main conclusions are as follows: (1) with the increase of Si content, the grain size of TaN in the films decreases and the square resistance of the films increases. After Si doping, the microstructure of Tan thin films changes from dense columnar crystals to loose equiaxed crystals. The new phase formation was not found in the Cu/TaN/Si system without Si doping after annealing, but the high resistance of TaSi2 and Cu3Si was formed in the Si-doped Cu/Ta-Si-N/Si system after annealing, which resulted in a significant increase in the resistance of the system. It is shown that the diffusion barrier property of Ta N thin films is better than that of Ta-Si-N films. (2) the TaN (111) crystal plane exhibits an obvious preferred orientation when the ion / atom arrival ratio is 4.6. With the increase of ion / atom arrival ratio, the degree of random distribution of grains in Tan thin films increases gradually, and the structure of the films gradually changes from dense columnar crystals to loose equiaxed crystals. The square resistance of the films increases gradually after annealing, and the high resistance of TaSi2 and Cu3Si is formed after annealing, and the square resistance of the Cu/TaN/Si system prepared at the ion / atom ratio of 18.3 is 18.3 and the Cu3Si phase and TaSi2 phase are formed after 4 h annealing, and the square resistance also increases significantly. However, when the ion / atom ratio is within the range of 4.6-13.7, the results show that there is no new phase formation in the annealed Cu/TaN/Si system. The TaN films prepared at a proper ion / atom arrival ratio can effectively block the diffusion and reaction between Cu and Si. (3) the TaN (111) crystal plane exhibits an obvious preferred orientation at room temperature. With the increase of deposition temperature, the grain size of Tan thin film increases gradually from dense columnar crystal to loose equiaxed crystal, and the deposition temperature has little effect on the square resistance of TaN thin film. At room temperature, the TaN film has the best diffusion barrier property, and the Cu/TaN/Si system has less resistance after annealing. The results show that there is no formation of high resistance phase in Cu3Si, but the Cu3Si phase and TaSi2 phase are formed in the Cu/TaN/Si system after annealing with the increase of deposition temperature. As a result, the square resistance of the system is significantly increased.
【學位授予單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2159767