薄膜的方块电阻.DOC

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201604011 Cu互连中V, V-N和V/V-N薄膜的 阻挡性能研究 王翠萍，戴 拖，卢 勇，施展，张锦彬，刘兴军* （厦门大学材料学院，福建 厦门 361005） 摘要：采用磁控溅射法在Si(100)基板上沉积厚度为50 nm的V, V-N和V/V-N扩散阻挡层，并在阻挡层上制备了厚度为300 nm的Cu薄膜，最终获得了Cu/V/Si, Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si 3种多层薄膜。薄膜样品在300 ~ 750 ℃真空热处理1 h后，通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和四探针电阻测试仪(FPP)对薄膜样品的晶体结构、微观组织形貌和方块电阻进行测试表征，对比分析了V, V-N和V/V-N 3种阻挡层的阻挡性能。实验结果表明，V, V-N和V/V-N阻挡层均能够有效阻挡Cu原子向Si基板的扩散。Cu/V/Si和Cu/V-N/Si薄膜样品分别在600和650 ℃时能够保持良好的热稳定性，Cu/V/V-N/Si多层薄膜中由于堆栈结构的存在，样品在700 ℃还具有良好的热稳定性，这表明堆栈结构的V/V-N阻挡层是一种较理想的阻挡层。 关键词：扩散阻挡层；阻挡性能；堆栈结构；磁控溅射 中图分类号：O 644 文章标志码：A 随着集成电路(integrated circuit, IC)集成度越来越高，电路特征尺寸不断减小，传统Al互连材料由于抗电迁移能力较差已不能满足互连材料性能的要求。Cu比Al具有更低的电阻率、更好的抗电迁移能力和更高的热传导系数，因此，Cu取代Al成为新一代互连材料[1-8]。一方面Cu的低电阻率能够极大地减少阻容延迟，提高电路的运算速度；另一方面Cu具有良好的抗电迁移能力，能够延长互连材料的寿命，提高元器件的稳定性和可靠性。然而，许多研究报道表明，在200 ℃时Cu薄膜与Si基板发生互扩散形成Cu-Si化合物，引起Cu薄膜方块电阻急剧上升，最终导致Cu互连材料的失效[9-11]。 为了解决Cu互连材料快速扩散的问题，需要在Cu和Si器件之间引入合适的扩散阻挡层来阻挡Cu原子的扩散。由于Ta[12-15]、Mo[16-18]、Ti[19-21]、Zr[22-24]等难熔金属及其氮化物或碳化物具有较高的热稳定性且与Cu有较低的固溶度，因此被广泛应用于Cu互连中的阻挡层。其优点是既具有较好的阻挡性能，同时还能够有效增强Cu与Si基板的结合力。Chuang等[25]在Si基板上制备50 nm的Cr和Cr-N阻挡层，研究发现Cu/Cr/Si薄膜在550 ℃热处理后生成Cu-Si化合物，Cr阻挡层失效；而Cu/Cr-N/Si薄膜能够在700 ℃热处理后依然具有良好的稳定性且保持较低方块电阻，实验结果表明Cr-N薄膜具有更好的扩散阻挡性能。Song等[16]通过制备堆栈结构(多层复合薄膜)的Mo/Mo-N阻挡层，实验结果发现堆栈结构的Mo/Mo-N阻挡层具有最优的扩散阻挡性能，Cu/Mo/Mo-N/Si多层薄膜在700 ℃依然没有观察到Cu-Si化合物的生成。 金属V具有较高的熔点、良好的导电导热性并且与Cu的固溶度较低。因此，本研究选用V基薄膜充当扩散阻挡层。通过磁控溅射制备Cu/V/Si, Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多层薄膜，薄膜样品在300 ~ 750 ℃真空热处理1 h后，通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和四探针电阻测试仪(FPP)对薄膜样品的晶体结构、微观组织形貌和方块电阻进行测试表征，对比分析V, V-N和V/V-N阻挡层的阻挡性能。 1 实验方法 本实验采用直流磁控溅射制备了Cu(300 nm)/V(50 nm)/Si, Cu(300 nm)/V-N(50 nm)/Si和Cu(300 nm)/V(30 nm)/V-N(20 nm)/Si 3种多层薄膜，溅射用的靶材为为%）为9%）是μm；利用Rigaku Ultima IV X射线衍射仪(XRD)表征薄膜样品的晶体结构，检测时采用Cu靶的Kα特征射线，波长为0.15418 nm，入射角固定在1.5°，扫描速度为5 (°)/min；利用日立SU-70场发射SEM观察薄膜的表面和横截面的微观组织形貌；利用SEM的能谱仪(EDS)检测薄膜样品的成分；采用RTS-8型FPP测定薄膜样品热处理前后的方块电阻。方块电阻表示正方形薄膜材料边到边之间的电阻 2.1 薄膜的晶体结构 图1 (a) ~ (c)是Cu/V/Si, Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多层薄膜在不同温度热处理1 h时的XRD图谱。如图1 (a)所示，Cu/V/Si多层薄膜在沉积态下出现较宽的Cu (111)衍射峰，表明沉积态的Cu