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等离子体浸没注入对Ta薄膜的改性及Cu/Ta-X/SiO_2体系失效机理研究

作　者: 江素华
导　师: 宗祥福
学　校: 复旦大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: cu互连扩散阻挡层钽晶界扩散等离子体浸没注入电迁移
分类号: TB43
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

集成电路（IC）的发展日新月异,随着线宽缩小,集成复杂度不断提高,由互连结构所产生的RC延迟已成为制约芯片运行速度的主要因素。Cu以其电阻率低,抗电迁移能力强等优势日益取代Al互连,成为IC金属互连材料佳选。但Cu在Si基材料中的快扩散和Cu/SiO₂界面粘附性差等问题都给芯片可靠性带来威胁,解决办法是在Cu连线外包一层阻挡层防止Cu的扩散并增加IMD介质界面粘附性。金属钽（Ta）的熔点高、和Cu无合金相、与SiO₂之间的粘附性好,是近年来备受关注的阻挡层材料。本文对物理气相淀积在SiO₂上制备的Cu（200nm）/Ta（25nm）/SiO₂体系中Cu热扩散失效机理进行了研究、用等离子体浸没注入（PⅢ）N⁺和C⁺对Ta进行改性和研究,并对该系统电迁移性质进行了ANSYS模拟分析得到了以下结论: 多晶Ta的晶粒间界是Cu和O原子穿过Ta扩散入衬底的主要渠道,O是Cu加快扩散的促媒。N离子和C离子的PⅢ能填塞Ta的晶粒间界,阻断Cu和O的扩散。通过比较注入前后的Cu/Ta/SiO₂体系在500℃—800℃退火后,表面形貌、元素深度分布、界面微结构和物相等方面的不同,发现经N⁺和C⁺PⅢ后的Ta对Cu的阻挡效果明显提高。在N⁺PⅢ中10¹⁶cm^-2剂量的注入效果最佳,而注入剂量太大反而会造成结构损伤。据Krasko等人对晶界嵌入能的计算,C和N在Ta中的嵌入能低于O,因此能稳定占据晶界而排斥O,从而进一步提高阻挡效果。观察显示,C⁺PⅢ后的Ta出现了较为明显的非晶化,这种无定形结构也能有效阻挡Cu的扩散。 Harrison B类扩散动力学模型、Whipple解析方法和Le Claire简化公式被运用于计算Cu在Ta基阻挡层中的扩散系数和晶粒间界扩散激活能,进一步证实离子注入Ta的改性效果。这种晶粒间界扩散和晶格扩散耦合的解析模型修正了Junji,Imahori等人用晶格扩散公式来计算晶界扩散系数的不足。计算结果给出了Cu在Ta基薄膜中扩散激活能随注入剂量和注入离子种类变化的规律。通过建立一个多层布线的模型,用ANSYS有限元模拟的方法对Cu/Ta-X/SiO₂体系进行电迁移研究,比较了Ta、TaN和TaC作为阻挡层时界面的热失配应力;计算了导线中电流密度分布,发现在电流聚集效应的情况下,电迁移并非只和传统意义上的“电子风”相关,而是受到“电子风”和电流密度梯度的共同作用所产生。模拟结果与K.N.Tu提出的理论完全吻合,并能够很好解释在电流密度很小处出现电迁移失效的实验现象。以上研究对探索钽阻挡层失效机理,铜互连工艺可靠性改进都有一定指导意义和参考价值。

全文目录

第一章引言  7-26
  1．1 集成电路中互连工艺发展的趋势和现存问题  7-13
    1．1．1 集成电路发展简述  7-9
    1．1．2 互连的重要意义及其发展  9-13
  1．2 铜互连工艺的优势及现存问题  13-18
    1．2．1 铜互连工艺的发展  13-15
    1．2．2 铜互连的优势及存在的问题  15-18
  1．3 阻挡层  18-23
    1．3．1 阻挡层的性能要求  18
    1．3．2 阻挡层的分类  18-20
    1．3．3 金属Ta的性质  20-22
    1．3．4 阻挡层制备工艺  22-23
  1．4 等离子体浸没注入工艺  23-24
  1．5 本文的主要研究工作及其意义  24-26
第二章实验原理  26-39
  2．1 薄膜的制备  26-30
    2．1．1 磁控溅射工艺  26-27
    2．1．2 自离化等离子体物理气相淀积  27-29
    2．1．3 等离子体浸没注入  29-30
  2．2 样品组分结构分析方法  30-38
    2．2．1 扫描电子显微镜  32-33
    2．2．2 透射电子显微镜  33-36
    2．2．3 聚焦离子束  36-37
    2．2．4 X射线衍射  37-38
    2．2．5 俄歇电子能谱  38
  2．3 本课题的实验方案  38-39
第三章等离子体浸没注入N~+对Ta阻挡层的影响  39-62
  3．1 相关文献回顾  39-40
    3．1．1 Cu／Ta系统的热稳定性  39
    3．1．2 离子注入对阻挡层材料的改性  39-40
  3．2 样品设计及制备  40-41
    3．2．1 薄膜淀积  40
    3．2．2 等离子体浸没注入  40-41
    3．2．3 磁控溅射及退火  41
  3．3 实验结果及讨论  41-61
    3．3．1 样品表面形貌的观察  41-48
    3．3．2 元素的深度分布分析  48-54
    3．3．3 样品界面与微结构  54-61
  3．4 小结  61-62
第四章等离子体浸没注入C~+对Ta阻挡性能的影响  62-75
  4．1 相关文献回顾  62-63
  4．2 样品设计与制备  63-64
    4．2．1 薄膜淀积  63
    4．2．2 等离子体浸没注入  63
    4．2．3 磁控溅射与退火  63-64
  4．3 实验结果与讨论  64-74
    4．3．1 样品表面形貌观察  64-66
    4．3．2 Cu／Ta-C／SiO_2体系元素深度分布  66-71
    4．3．3 界面与微结构观察  71-74
  4．4 小结  74-75
第五章 Cu在Ta基阻挡层中的扩散动力学研究  75-99
  5．1 相关文献回顾  75-77
    5．1．1 Cu在Si中的快速扩散  75-76
    5．1．2 Cu在Ta基阻挡层中的扩散  76-77
  5．2 确定扩散系数的实验方法  77-78
  5．3 多晶薄膜中的扩散动力学模型及其解析  78-85
    5．3．1 晶粒间界的扩散动力学模型  78-80
    5．3．2 本实验中Cu在Ta基阻挡层中适用的扩散模型  80-81
    5．3．3 B类扩散模型的解析  81-84
    5．3．4 扩散激活能  84
    5．3．5 对AES测得的浓度分布数据的处理  84-85
  5．4 计算结果及讨论  85-98
    5．4．1 Cu在未经注入的Ta中的扩散系数及激活能  85-87
    5．4．2 Cu在a剂量PⅢ N~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能  87-89
    5．4．3 Cu在b剂量PⅢ N~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能  89-91
    5．4．4 Cu在c剂量PⅢ N~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能  91-94
    5．4．5 Cu在PⅢ C~+处理后的Ta中的扩散系数及激活能  94-96
    5．4．6 对实验结果的讨论  96-98
  5．5 小结  98-99
第六章 O、N和C对Ta的晶粒间界稳定性的影响  99-108
  6．1 非金属杂质在晶粒间界中的能量学问题  99-100
  6．2 O、N、C在Ta晶粒间界中的嵌入能  100-102
  6．3 O、N、C在Ta中引起的晶界弛豫  102-104
  6．4 晶粒间界的稳定性  104-106
  6．5 小结  106-108
第七章 Cu／Ta-X／SiO_2体系电迁移性质的ANSYS有限元分析  108-125
  7．1 相关文献回顾  108-109
    7．1．1 Cu电迁移激活能  108
    7．1．2 电热效应和电流聚集效应对电迁移的影响  108-109
  7．2 大电流下Cu导线的温度分布以及热失配应力研究  109-118
    7．2．1 电热效应的2D解析模型  110-111
    7．2．2 电热效应的有限元模型  111-112
    7．2．3 有限元计算结构和解析模型计算结果的比较  112-118
  7．3 电流聚集效应对电迁移的影响  118-124
    7．3．1 经典电迁移驱动力理论对电迁移的影响  118
    7．3．2 质流输运方程  118-119
    7．3．3 电流密度分布和电流聚集效应  119-124
  7．4 小结  124-125
第八章结论  125-129
参考文献  129-136
附录  136-147
致谢  147-148
发表文章  148-149
论文独创性声明  149
论文使用授权声明  149

等离子体浸没注入对Ta薄膜的改性及Cu/Ta-X/SiO_2体系失效机理研究

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