铜互连体系ZrxSiy超薄扩散阻挡层的性能与机理研究

纳米尺度集成电路的互连线RC延迟和电迁徙引起的可靠性问题已引起国内外专家的广泛关注，其中的关键问题和研究热点在于寻找合适的抑制铜扩散的超薄阻挡层。本项目提出难熔金属硅化物膜ZrxSiy作为Cu互连体系的扩散阻挡层，利用实验设计与响应表面建模方法研究工艺参数的相互变化对薄膜扩散阻挡性能的影响。采用准确、可靠的扩散阻挡层性能评价方法，即通过测试MIS电容热激电流谱变化情况实现Cu杂质的定量分析，以及利用Cu/ZrxSiy/n+p Si二极管反向漏电的统计分布来研究锆硅超薄膜生长及热处理过程中结晶行为，进而深入探讨锆硅超薄膜的界面行为、阻挡性能和失效机理。本项目对新一代集成电路铜互连扩散阻挡层的探索与研究具有重要的意义，为锆硅超薄膜作为集成电路铜互连扩散阻挡层奠定理论和实验基础。研究成果可望为纳米器件及集成电路的金属化提供一种可行的新途径，继而在互连工艺技术上保证器件特征尺寸的持续缩小。

随着器件尺寸的缩小，扩散阻挡结构是影响互连性能和可靠性的关键因素，因此，满足严格要求的新材料和新工艺技术无疑将在未来应用中发展起来。本项目重点研究工艺参数对薄膜扩散阻挡性能的影响，优化锆基扩散阻挡层工艺参数；提出难熔金属硅化物膜ZrxSiy作为Cu互连体系扩散阻挡层的可行性；采用准确、可靠的评价方法，深入探讨锆基超薄膜的表面、界面行为、扩散阻挡性能及失效机理；研究了铜互连体系可靠性，特别研究了体系中的热应力问题及体系的热稳定性，提出改善铜互连体系热稳定性的改进方案；对新型自形成阻挡层技术进行探索研究。. 本项目建立了工艺参数与阻挡层的结构、失效机制以及体系稳定性的关系，结果表明，应该选用合适Zr-Si膜的组分、较高的衬底温度及合适的溅射功率来进一步改善Cu/Zr-Si/Si样品的热稳定性。首次研究了Zr-Si膜在Cu/Si接触体系中的扩散阻挡性能，退火后Cu/Zr-Si/Si样品在界面均未发生明显的相互扩散现象，Zr-Si膜显示出绝佳的扩散阻挡性能。本课题还首次引入Zr-Si-N/Zr及Zr88Si12Zr80Si20双层膜结构，实验证明了，经过700℃退火后两种互连体系仍然保持良好的热稳定性。本项目以锆基阻挡层为研究基础，深入讨论了不同系列的阻挡层结构的热稳定性、阻挡层的失效机制以及失效机制与结构的关系，提出锆基扩散阻挡层稳定性的改进方案。本项目研究了铜互连系统可靠性，特别是热应力迁移失效。通过有限元分析方法，研究扩散阻挡层材料与厚度对铜互连应力迁移的影响，分析了不同电介质材料对铜互连可靠性的影响。结果表明，对于单、双大马士革结构用ZrN作为阻挡层材料热应力都比TaN作为阻挡层材料时热应力要小，而且热应力都随着阻挡层厚度的增加而增加。研究不同电介质层结构Cu/SiLK和Cu/TEOS中阻挡层厚度对铜线热应力的影响及其失效模式，用低k电介质材料取代传统的SiOX，张应力明显降低。在一定的限制内，降低low-k材料的CTE或者提高low-k材料的杨氏模量都可以有效的缓解塑性变形。. 本项目还探索了新型自形成阻挡层技术，通过对铜合金进行退火处理得到了自行成超薄阻挡层结构。本研究成果可望为纳米器件及集成电路的金属化提供一种可行的新途径，为大规模的工业生产提供技术了指导，继而在互连工艺技术上保证器件特征尺寸的持续缩小。