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RuTi基单层薄膜作为铜互连扩散阻挡层研究

作　者: 李骥
导　师: 屈新萍
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 铜互连扩散阻挡层钌钛合金热稳定性
分类号: TN305
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着半导体工艺特征尺寸不断减小,在铜互连结构中,对于单层阻挡层的需求越来越迫切。目前合金阻挡层已经成为一个新的阻挡层研究方向。由于Ru对Cu的良好粘附性,基于Ru的合金阻挡层能够在保持对Cu的良好的粘附性同时对Cu的扩散进行阻挡。本课题针对目前国内外研究非常少的Ru-Ti和RuTiN扩阻挡层进行了研究。论文首先研究了文献中已经报道的RuTa和RuN薄膜作为扩散阻挡层的特性,并以此作为下面研究的参照。多种结果均表明Ru-Ta合金阻挡层具有对Cu的比较好的阻挡特性。但是SEM结果表明,随着Ru比例的上升,Cu随退火温度的上升在阻挡层表面的团聚现象加剧,从而导致表面出现孔洞和破损等现象。研究了不同氩氮比下生长的Ru-N薄膜的反应特性,多种结果表明,氩氮比30：3条件下生长的Ru-N热稳定性最好,但是由于N的外扩,退火后会在Cu表面留下针孔论文研究了不同Ti含量的RuTi和RuTiN薄膜的性能。在Ti小含量下(<5%),经过500℃退火以后,RuTi薄膜全部失效,同时AES结果显示,对于Ti含量低的薄膜,从400℃开始Cu就已经扩散进入Si衬底。而对于Ru-Ti-N薄膜,薄层电阻显示,Ti含量高的薄膜,500℃退火后电阻仍然没有上升,而AES测试结果表明,即使对于Ti含量低的薄膜,退火前后均未出现Cu向Si中的扩散。但是SEM照片则显示,经过400℃退火后,Cu表面开始出现针孔,这说明低含量的Ti并未能有效束缚住Ru中N的外扩。最后制备了高Ti含量下不同Ru-Ti比例的Ru-Ti及Ru-Ti-N阻挡层,研究了Cu/阻挡层在Si上的热学稳定性以及在SiO2及Low k上的电学特性。多种测试结果表明,当Ti含量增加至与Ru几乎相同时,Ru1Ti1N薄膜500℃退火后性质保持稳定,同时,SEM结果显示,随着Ti含量的增加,薄膜表面针孔几乎消失不见。在Low k衬底以及SiO2表面制备的薄膜的电学测试表明,C-V偏压测试和IV曲线测试都表明,Ru1Ti1N扩散阻挡层样品具有最好的扩散阻挡Cu的性能。本文的研究结果表明：高Ti含量下的Ru1Ti1N阻挡特性最好,具有与RuTa可比的性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
第一章文献综述  6-16
  1.1 引言  6
  1.2 铜工艺中的扩散阻挡层  6-14
    1.2.1 铜扩散阻挡层的性质  6-7
    1.2.2 铜扩散阻挡层的分类  7-9
    1.2.3 Ru基合金作为扩散阻挡层研究进展  9-14
      1.2.3.1 Ru-N阻挡层研究进展  9-11
      1.2.3.2 Ru-Ta合金阻挡层研究进展  11
      1.2.3.3 RuTaN合金阻挡层研究进展  11-14
  1.3 本论文的研究内容  14-16
第二章实验方法  16-21
  2.1 样品制备  16
  2.2 测试方法  16-21
    2.2.1 X射线衍射分析(XRD)分析  17
    2.2.2 俄歇电子能谱分析  17-18
    2.2.3 扫描电镜分析  18-19
    2.2.4 电学测量  19-21
第三章 Ru-Ta,Ru-N薄膜作为扩散阻挡层的热稳定性研究  21-31
  3.1 前言  21
  3.2 Ru-Ta作为扩散阻挡层的热稳定性研究  21-26
  3.3 Ru-N作为扩散阻挡层的热稳定性研究  26-29
  3.4 本章小结  29-31
第四章低Ti比例的RuTi,RuTiN阻挡层的热稳定性研究  31-42
  4.1 RuTi阻挡层的热稳定性研究  31-37
    4.1.1 实验  31-32
    4.1.2 Cu/Ru-Ti/Si反应特性研究  32-37
    4.1.3 小结  37
  4.2 Ru-Ti-N作为扩散阻挡层的热稳定性研究  37-42
    4.2.1 实验  38
    4.2.2 结果与讨论  38-41
    4.2.3 小结  41-42
第五章高Ti 比例的RuTi和RuTiN阻挡层的热稳定性和电学特性研究  42-58
  5.1 引言  42
  5.2 实验  42-44
  5.3 Cu/H-Ru1Ti1/Si的反应特性研究  44-46
  5.4 Cu/H-Ru-Ti-N/Si的反应特性研究  46-50
  5.5 RuTi和RuTiN作为扩散阻挡层的MOS电容测试  50-57
    5.5.1 实验  50-51
    5.5.2 C-V结果分析  51-53
    5.5.3 I-V结果分析  53-57
  5.6 本章小结  57-58
第六章总结和展望  58-60
  6.1 全文主要结论  58-59
  6.2 进一步要开展的研究  59-60
参考文献  60-64
致谢  64-65

RuTi基单层薄膜作为铜互连扩散阻挡层研究

内容摘要

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