鄧鵬遠，瞿金鳳

（1. 哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱軸承集團公司 通用軸承公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

Cu具有電阻率低、抗電遷徙性能好、熱傳導(dǎo)系數(shù)高的特點，采用Cu作為互連線材料能顯著提高電路的運算速度與可靠性，Cu已經(jīng)取代Al成為新一代的互連材料[1]。但Cu在Si和SiO2中擴散很快，一旦進入硅片中會形成深能級受主雜質(zhì),對器件中的載流子具有很強的陷阱效應(yīng),使器件性能退化甚至失效，因此必須在Cu與Si之間增加一層阻擋層，阻擋Cu熱擴散進芯片有源區(qū)，并改善Cu與Si之間的粘附性。難熔金屬及其氮化物由于熔點高和化學(xué)惰性已經(jīng)廣泛地用于阻擋層材料[2-6]，其中研究得較多的阻擋層材料是TiN、TaNx和Ta-Si-N。然而Ta-Si-N電阻率較高(180-270μΩ cm)的特點還不能很好地適合電路高速運行的特點[7]。熱穩(wěn)定性好且電阻率低的阻擋層一直是人們所追求的。Murarka[8,9]的研究表明，Ti沉積到Si上后在不同的退火溫度下會形成不同的Ti-Si相，當退火溫度大于700℃時Ti與Si間擴散反應(yīng)形成的TiSi2層具有電阻率低（～15 μΩ cm）的特點。因此本文為了獲得低電阻率熱穩(wěn)定性好的阻擋層，提出了一種新的Ta-Si-N/Ti雙層結(jié)構(gòu)的擴散阻擋層，重點研究了它的熱穩(wěn)定性。

2 實驗方法

利用射頻磁控濺射的方法在電阻率為3-5Ω.cm的n型Si(100)基片上沉積厚度為20nm的Ti層，然后沉積厚度為10nm的Ta-Si-N層?；湃胝婵帐仪霸诔暡ㄇ逑雌髦幸来斡帽?、甲醇、異丙醇、1%的氫氟酸清洗，然后用去離子水沖洗三次，烘干后放入濺射室內(nèi)。沉積Ti膜時采用Ar離子濺射, 工作氣壓0.3Pa , Ar氣流量20sccm，靶材為直徑60mm厚3mm的Ti(99.99 %)。沉積Ta-Si-N膜時采用射頻反應(yīng)磁控濺射，氮氣與氬氣的流量比為4sccm/16sccm , 濺射電源功率100W，靶材為直徑60mm厚3mm的Ta靶。整個沉積過程中襯底偏壓為-200 V，襯底不加熱，濺射時靶基距保持80mm不變,本底氣壓小于2 ×10-5Pa 。接著在0.1Pa的工作氣壓下在Ta-Si-N/Ti上直流濺射上一層厚為100nm的Cu膜，形成Cu/Ta-Si-N/Ti/Si結(jié)構(gòu)。然后將Cu/Ta-Si-N/Ti /Si結(jié)構(gòu)在N2保護下退火至800℃保溫1h。用SDY-4型數(shù)字式四探針測試儀測定薄膜的方塊電阻；用X’Pert Pro型X射線衍射儀分析薄膜的結(jié)構(gòu)，并用XRR法測薄膜的厚度；用JSM-6500型掃描電鏡觀察薄膜的表面形貌；用Micro-Lab 310F型AES研究薄膜的原子深度分布。

3 實驗結(jié)果與分析

圖1 樣品的XRD圖譜

3.1 Ta-Si-N/Ti的結(jié)構(gòu)

基體溫度100℃（Ts=100℃）下沉積的Ti/Si樣品和Ts為100℃和300℃下沉積的Ta-Si-N/Ti/Si樣品的XRD圖譜如圖1 所示。

根據(jù)PDF卡片（卡片號：00-001-1197）進行分析，三個樣品的衍射圖中都出現(xiàn)了Ti (002)、Ti(101) 、Ti(102)和Ti(103)衍射峰，且Ti (002)衍射峰的強度明顯高于其它三個衍射峰的強度，這表明沉積的Ti膜有明顯的（002）取向。Ta-Si-N/Ti/Si樣品的XRD圖譜中沒有出現(xiàn)Ta-Si-N的特征衍射峰，這表明Ti膜上生長的Ta-Si-N膜為非晶相。

3.2 Cu/Ta-Si-N/Ti/Si體系的電阻特征

Ta-Si-N(30nm)的薄層電阻率為613.7μΩcm，Ta-Si-N(10nm)/Ti(20nm)的薄層電阻率為67.45μΩcm（Ti膜的沉積溫度為100℃），可見Ti層的插入有效地降低了Ta-Si-N/Ti與Cu之間的接觸電阻率。Cu/Ta-Si-N/Ti/Si的薄層電阻變化率隨退火溫度的變化如圖2所示，電阻變化率（△R/R）定義為：（退火后電阻-退火前電阻）/退火前電阻。從圖2 可以看出，樣品700 ℃以下退火后，薄層電阻變化率輕微降低，這主要是由于退火導(dǎo)致Cu膜中的晶粒長大和缺陷得到有效的消除。樣品750℃以下退火后的薄層電阻均低于沉積態(tài)的薄層電阻，800℃退火后薄層電阻迅速升高，這可能是由于800℃退火后Si和 Cu之間發(fā)生了相互擴散形成了高電阻的Cu-Si化合物。

圖2 Cu/Ta-Si-N/Ti/Si電阻變化率隨退火溫度的變化

3.3 退火前后Cu/ Ta-Si-N/Ti/Si樣品結(jié)構(gòu)

沉積態(tài)和700 ℃退火后的Ti/Si樣品的XRD圖譜如圖3 所示。從圖中可以看出沉積態(tài)的樣品中只有Ti的特征衍射峰。樣品經(jīng)過700 ℃退火后Ti與基體Si發(fā)生了擴散反應(yīng)形成了TiSi2。

沉積態(tài)和退火后Cu/Ta-Si-N/Ti/Si樣品的XRD圖譜如圖4 所示。從圖4可以看出，沉積態(tài)的樣品只有Cu和Ti的特征衍射峰。樣品退火至750℃沒有出現(xiàn)明顯的Cu-Si化合物的衍射峰，這說明Ta-Si-N/Ti阻擋層至少能夠穩(wěn)定到750℃。從圖4中還可以看出退火前后Ta-Si-N/Ti阻擋層上生長的Cu膜ICu(111)/ICu(200)均大于3，可見Cu膜具有明顯的(111)織構(gòu)。根據(jù)文獻[10]報道,與其它擇優(yōu)取向相比(111)取向的Cu膜有更好的抗電遷移的能力。此外與沉積態(tài)樣品相比，退火后Cu(111)衍射峰的半峰寬變窄，根據(jù)謝樂公式這表明退火后Cu晶粒長大了。同時從700℃退火后的衍射數(shù)據(jù)可以看出，Ti(101)和Ti(002)衍射峰消失了，形成了新的TiSi2的衍射峰, 形成的低電阻率的TiSi2能有效地降低阻擋層與Si之間的接觸電阻，這對于提高器件的運行速度至關(guān)重要。樣品退火至800℃后衍射圖中出現(xiàn)了Cu3Si的衍射峰，高電阻的Cu3Si化合物的出現(xiàn)表明阻擋層已經(jīng)失效。

圖3 Ti/Si樣品的XRD圖譜

圖4 不同退火溫度下Cu/ Ta-Si-N/Ti /Si樣品的XRD圖譜

3.4 退火前后Cu/ Ta-Si-N/Ti /Si樣品形貌分析

圖5 是Cu/Ta-Si-N/Ti/Si樣品退火前和退火后的表面形貌。從圖5(a) 可以看出，沉積態(tài)樣品表面平坦無缺陷。圖5(b) 顯示700℃退火后Cu晶粒明顯長大。隨著退火溫度升高到750℃（如圖4(c)所示），樣品表面出現(xiàn)一些微孔，結(jié)合XRD的數(shù)據(jù)微孔的出現(xiàn)與Cu-Si相的形成無關(guān)，形成微孔的主要原因是退火時Cu膜的熱應(yīng)力導(dǎo)致了Cu晶粒的團簇。圖5(d) 顯示800℃退火后Cu膜表面出現(xiàn)了明顯的突起物，表面變得異常粗糙,結(jié)合XRD的數(shù)據(jù)可以推斷出突起物的形成為Si向Cu中擴散形成了Cu3Si化合物。SEM分析結(jié)果表明，阻擋層開始失效的溫度是800℃。

圖5 Cu/ Ta-Si-N/Ti/Si樣品的表面形貌

4 結(jié)論

（1）阻擋層中Ti為具有(002)取向的多晶結(jié)構(gòu)，Ta-Si-N為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。Ta-Si-N/Ti雙層阻擋層上的Cu膜具有(111)取向，(111)取向有利于提高Cu膜的抗電遷徙能力。

（2）Ta-Si-N/Ti阻擋層在750℃時仍然能夠有效地阻止Cu原子的擴散，750℃退火后Ti原子擴散進入Si中形成低接觸電阻的TiSi2層，TiSi2層的形成能有效地解決Ta-N阻擋層與Si接觸電阻高的問題。

（3）Ta-Si-N/Ti阻擋層失效溫度是800℃，失效后表面出現(xiàn)了Cu3Si。

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