热/电多场对自组装阻挡层铜互连结构界面扩散的影响机制

The service lifetime and reliability of microelectronic devices under multi-field environment remains a challenging issue with interconnect feature sizes continuously scaled down to a few nanometers regime. Only a little attention has been paid to effect of temperature and electric field on interface diffusion of copper interconnect. How to characterization of service behavior of Cu interconnect in temperature and electric field became the key issue on improving the reliability and design & manufacture of the microelectronic devices. However, great discrepancies existed in opinion on the influence mechanism of electric field on atom diffusion. Whether the interface diffusion is accelerated or retarded by external electric field. The mechanism of external electric field on interface diffusion is either a shift in the pre-exponent D0 or a change in the activation energy Q.. In this project, interface diffusion behavior of self-formed barrier Cu interconnect structure under temperature and temperature & electric field environment is investigated and analyzed by means of experiment and theory. A quantitative characterization of interface diffusion and microstructure-property relationship of self-formed barrier for Cu interconnect will be given under two different environments, revealing the influence mechanism of external electric field on interface diffusion during annealing. Thus, this project is helpful in understanding the influence mechanism of temperature and electric field on interface diffusion and provide theoretical guidance for Cu interconnect structure used in complicated environment.

随着互连材料特征尺寸的不断降低，微电子器件在多场条件下的服役寿命与可靠性研究的重要性日益凸现。然而热/电场环境中铜互连结构界面扩散行为的研究十分匮乏，如何正确表征其服役行为成为关系到提高微器件设计制造水平和服役可靠性亟待解决的关键问题。热/电场环境对原子扩散的影响机制仍存在很大分歧。这些分歧包括：热/电场环境对界面扩散是促进还是抑制作用以及外加电场是作用于扩散系数D0还是扩散激活能Q。.本项目以新型自生长阻挡层铜合金互连结构为研究对象，从实验和理论的角度系统研究单一温度场和热/电场服役环境中自生长阻挡层界面物质扩散行为，定量表征两种环境中界面物质扩散，分析获得微结构-性能相关性的异同，揭示外加电场对物质迁移扩散的影响机理，解决热/电场环境中界面扩散存在的焦点争议及关键基础性科学问题，并而为未来集成电路铜互连结构在复杂环境中使用提供理论指导。

铜互连结构在电退火复杂环境中的结构演变和界面扩散行为直接决定了电子器件服役可靠性的优劣，复杂的外场环境也使得铜互连结构的服役行为表征遇到挑战。此外，随着铜互连结构尺寸下降到纳米尺度，超薄低阻高效的阻挡层材料目前很难实现。因此，如何正确表征热/电服役环境中一种铜合金自形成阻挡层技术引起广泛关注。.本项目以Cu/Ta/Si多层膜和Cu(M) (M=过渡金属)体系为研究对象，深入分析退火过程中外加电场对铜互连结构中界面扩散的影响。在此基础上研究自组装阻挡层铜互连结构，阐明不同掺杂原子扩散规律和物理本质，明晰合金膜表面与界面的微观特性与互连体系稳定性的关系，完成自组装阻挡层的工艺参数探索和优化。本项目建立适于纳米尺度铜互连应用的工艺方案，促进合金铜自形成阻挡层技术铜互连中的实际应用。.首先，铜互连结构在电退火环境中界面扩散加速现象主要来源于外加电场对晶界和晶内缺陷的带电状态的微扰。随后改变电场强度来观察650℃时界面扩散行为。研究表明：在温度不变的情况下，外加电场也显著加速了界面扩散，并且通过XPS深剖技术定量研究外加电场的影响机制。本项目还优化设计了影响铜合金薄膜性能及体系稳定性的工艺参数，验证了薄膜织构与互连体系扩散阻挡性能的关系。研究合金铜退火前后合金元素在界面处的化学状态以及扩散阻挡性能。明晰Re、W和Ni等不同掺杂原子在铜合金中扩散行为及自形成阻挡层的结构性质，深入分析其扩散规律和物理本质，揭示自形成阻挡层性能和抗电迁徙性能的微观机制。综上，本项目揭示了典型电退火复杂外场环境中铜互连结构界面扩散行为和电场温度场之间的内在规律，获得退火过程中界面损伤微结构特征的物理图像，阐明了与之相关的影响机制并定量分析外加电场的影响程度。通过掺杂新的合金元素，优化工艺参数,建立完善可靠性评价体系等。研究成果为设计与制造具有稳定服役可靠的铜互连结构提供了理论与实验依据。