集成电路Cu金属化中的扩散阻挡层

阐述了集成电路Cu互连中的技术难题,重点讨论了Cu的扩散问题,综述了扩散阻挡层的研究发展进程,重点介绍了当今研究较多的难熔金属、难熔金属氮化物及其三元结构阻挡层的最新进展情况。研究表明,阻挡层的阻挡性能与制备工艺、薄膜组分及微观结构密切相关,其失效机制多为高温下阻挡层晶化所产生的晶界为Cu扩散提供了快速通道,掺入Si或其它原子的难熔金属氮化物由于其较高的晶

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集成电路 C金属化中的扩散阻挡层/ u李幼真等

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集成电路 C u金属化中的扩散阻挡层李幼真，周继承，陈海波(中南大学物理科学与技术学院，长沙 4 0 8 ) 1 0 3摘要阐述了集成电路 C u互连中的技术难题，重点讨论了 C u的扩散问题，述了扩散阻挡层的研究发展进综

程，重点介绍了当今研究较多的难熔金属、熔金属氮化物及其三元结构阻挡层的最新进展情况。研究表明，难阻挡层的阻挡性能与制备工艺、薄膜组分及微观结构密切相关，其失效机制多为高温下阻挡层晶化所产生的晶界为 C u扩散提供了快速通道，掺入 S或其它原子的难熔金属氮化物由于其较高的晶化温度和良好的阻挡性能正成为研究热点。 i关键词扩散阻挡层 c金属化 u热稳定性薄膜

Dif so Ba re fCU M ea lz to n ULS f u in r iro t li a i n i I LIYo z e u h n,ZHOU ih n Jc e g,CHEN io Hab( c o l fP y isSc n ea d Te h oo y Ce ta o t iest S h o h sc ie c n c n lg, n r l uh Unv ri o S y,Ch n s a4 0 8 ) a gh 10 3

Ab tac sr t

Th a e e iwst r e tp o lmsa o tCu meal ain i ep p rr ve h u g n r be b u tlz t n ULS,e p cal n r d c st e e i o I s eil ito u e h y

p o lm fCu d fu i n Th a e u r b e o i so . f e p p r s mma ie h e e r h d v l p n i a i n o if so a re,a i l n rz st e r s a c e eo me tst t fd fu i n b r i r n ma n y i - u o d to u e h e y r s a c e eo me t o e r c o y m e as a h i t r a y s r c u e d fu i n b r i r . Th e r d c s t n wl e e r h d v l p n f r fa t r t l n t er e n r t u t r i s a r s e d o e e r— s a c d c t s t a h i u

i n b r i rp o e te r e stv l s o it d t h r p r t n t c nq e,f m o e r h i ia e h tt e d f so a r r p r is a e s n i ey a s ca e o t e p e a a i e h i u s i c m— n f e i o l p st n a c o tu t r s o ii n mir s r c u e .Th a l r c a im sman y d e t h r i o n a isf r d a t ra n ai g wh c o d ef i e me h n s i i l u o t eg an b u u d re o me fe n e l ih n

c na ta a tdfu inp t sf r .Ad i o fsl o n t rao st h ir erfa tr tl i d l t d a c sfs i so ah o Cu d t no ic na oh tm ot en ti er co yme as Swieysu— i i d e di e a s a c e s h r sa e e a u e a mp o e t e d fu in b r ir p o e t s e b c u e i c n i r a e t e c y t l mp r t r n i r v h i so a r r p r i . d t n t d f e e

Ke r s y wo d

dfu in b rir if s a re,Cu meal a in,tema t bl y hnfl o t lzto i h r l a i t,t i i s i m

0引言 集成电路的高速度、高可靠性、功耗、低高集成度要求采用

了人们的重视。集成电路尺寸的进一步缩小要求阻挡层尽可能减薄，同时又可保持较好的阻挡性能及热稳定性，这就对阻挡层材料提出了更高的要求，也提供了很多研究课题。

低电阻率的金属导线以及低介电常数介质取代传统的 A/ i2 l O S互连系统，以尽可能消除互连系统的延迟及串扰L。Cu的电阻 1]率为 17n m, A低 3, c具有较强的抗电迁移能 . c比 l 7且 u力，可避免由于电迁移而导致互连线产生空洞，而大大提高集从成电路的运行效率和可靠性，最理想的可大规模使用的替代是材料。采用 C/ K介质作为互连系统， u低可使集成电路性能大幅提高。然而 C作为互连线存在两个问题：个是 C

u一 u引线图形采用传统加工工艺难以加工，这个问题随着大马士革结构与化学机械抛光 ( hmi l c a i l oi i,c ) C e c h nc l hn a Me a P s g MP技术的发明与结合已经得到成功解决；另一个也是最重要的是由于 Cu 在 S及其氧化物及大部分介质层中扩散相当快且 C i u一旦进入器件中即形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，器件性能退化甚至失效。防止 C使 u扩散的有效途径是在C u与介质之间加一扩散阻挡层。阻挡层要求在一定高温下

1阻挡层材料最新研究进展 随着集成电路对阻挡层材料要求的提高，们从阻挡层材人料的选择、制备方法的改进等多方面进行了广泛的研究，目前主要研究集中在以下几个方面。

1 1难熔金属 .难熔金属如 T、 Mo由于具有很高的熔点， C在高 aW、等与 u温下不反应，且有良好的导电能力而受到广泛关注。Ta两种有

晶体结构，c bc的 a a和四角形的 T。p a电阻率较高 - T a _ T ( O n m,>20 c )温度系数较低，- a a电阻率低 (膜为3 T薄 0nc, m)温度系数较高。因此旷Ta有希望作为 C更 u互连扩散阻挡层。人们就 aTa的制备及其性质进行了广泛的研究。Z L - ..Yu n等[] ArN对 S0 a 2用 0/z i2衬底进行预处理，然后用离子化

能有效阻止 C的扩散， C及介质有良好的结合以及较小的 u与 u接触电阻。近年来，难熔金属 (、 rw) Ta Z、及其氮化物由于具有较好的阻挡性能和热稳定性能而受到了广泛的关注，国外有大

金属等离子体技术沉积得到了电阻率较小的纳米晶 r a, a膜研 T究发现预处理后基底上形成的非晶 T (薄膜 (图 1 a N)如所示)对制备性能优异的 aT膜起到了至关重要的作用， -a因为在相同工艺条件下未经预处理而直接在 S0衬底上沉积时得到了电阻 i2

量研究报道。此外，难熔金属/金属氮化物复合结构， s的难掺 i熔金属氮化物如 W- i T - i Z-i S- aS- r - N、 N、 S N等三元结构也受到 *国家自然科学基金( . 0 7 0 6资助项目 No 6 3 1 4 )

率较高的 T。他们对低电阻率的 c a a c薄膜在 60 5℃之

T 5￣80间进行热处理，结果发现在 7 0 0℃以下， T及 TaN) a r a (与外界的

李幼真： 1 7男，9 6年生，师，讲博士研究生，主要从事电子薄膜方面研究

E ma:y uh n - i l o ze@ma .S .d . n li i CU e u c l