用于自形成扩散阻挡层的铜基稀合金薄膜在超临界流体中的沉积机理研究

随着集成电路特征尺寸的减小，超薄高性能的扩散阻挡层逐渐成为影响铜互连可靠性的难点问题。自形成扩散阻挡层是近年来提出的解决超薄阻挡层问题的一种新思路。本项目以可自形成阻挡层的铜基稀合金薄膜为研究对象，提出使用超临界流体沉积（SCFD）这一具有良好保形覆盖能力的新技术，取代传统的PVD技术进行制备。首先，拟通过"先氧化-后还原"两步反应来解决SCFD技术在电介质上生长金属合金薄膜的难题；通过研究超临界流体中氧化物薄膜的沉积机理，揭示温度、铜先驱物浓度和氧化剂浓度对薄膜生长动力学、组织结构和表面粗糙度的影响规律，并确定影响薄膜中合金元素含量和分布的主要因素。探索超临界二氧化碳环境下，还原剂浓度和温度对最终薄膜结构和表面粗糙度的影响。通过本项目的研究，可加深对超临界流体中薄膜生长基本问题的理解，并为铜互连自形成阻挡层技术中合金薄膜种子层的制备提供一种新的技术思路。

本课题以制备集成电路铜互连自形成扩散阻挡层所需要的Cu基稀合金薄膜为研究对象，通过超临界流体沉积（SCFD）技术实现了纯Cu及Cu基合金薄膜的制备，发展了一种具有良好空穴填充与覆盖能力的薄膜沉积方法。课题系统地研究了基片种类、温度、先驱物浓度、还原剂浓度等参数对超临界CO2环境下薄膜形核与生长的影响规律，探讨了改善纯Cu薄膜成膜特性与表面粗糙度的方法。针对合金薄膜，系统研究了温度、合金元素先驱物浓度等条件对合金薄膜成膜特性、表面粗糙度与电阻率的影响规律。另外，还对Mo/MoN超薄扩散阻挡层的制备及热稳定性进行了深入研究。本研究不仅探索了超临界CO2环境下薄膜沉积的一般规律，而且为解决铜互连扩散阻挡层与种子层沉积的工艺难题，提供了新的技术思路和应用基础。项目取得的研究成果如下：.1. 采用SCFD技术，在覆盖有Ru薄膜的单晶Si片上，制备出了厚度仅为25nm的连续Cu薄膜；并揭示了影响薄膜成膜特性和表面粗糙度的主要因素。.2. 在超临界CO2中，通过两种先驱物共沉积的方法制备了Cu-Mn合金薄膜；确定了影响合金薄膜成膜特性、表面粗糙度与电阻率的主要因素。.3. 制备了超薄的Mo/MoN双层结构扩散阻挡层，发现其在600℃以下具有良好的热稳定性。