集成電路互連介質阻擋層進展研究

北方工業大學信息學院 王艷蓉 胡穎穎 張 靜

隨著集成電路尺寸的不斷微縮，后段制程（back-end-of-line，BEOL）中介質層材料及其擴散阻擋層的選擇制備與集成是逐漸成為制約超大規模集成電路發展的重要因素之一。用以金屬Cu及互連介質層間擴散阻擋作用的阻擋層對材料的電阻特性，兼容性和可靠性方面提出嚴格的要求。本文主要從解決Ru作為Cu擴散阻擋層性能差這個角度出發，重點介紹了將Ru與TaN結合使用作為擴散阻擋層以及向Ru中添加Ta(N)，從而增強Ru作為擴散阻擋層性能這兩種方案。在研究Ru/TaN雙層和RuTa(N)薄膜作為擴散阻擋層時發現，這兩種方案中都有相應的影響因素，以及這些因素對薄膜都產生了影響。

1 研究意義

隨著集成電路器件特征尺寸的不斷微縮，晶體管密度不斷增加，互連層電阻和電容所產生的延遲效應越來越明顯，因此目前集成電路金屬互連線通常采用銅(Cu)互連線，但Cu互連線也存在著一個關鍵的問題就是Cu原子會在Si或互連線之間的電介質中快速相互擴散，從而影響器件性能。因此，通常需要擴散阻擋層以避免Cu向器件結構中擴散，影響芯片性能及壽命。

許多難熔金屬及其氮化物因為具有出色的熱穩定性和良好的導電性被選作Cu互連的擴散阻擋層，例如Ta，TiN和TaN以及Ta/TaN雙層等。但這些材料電阻率較高，與電鍍的Cu層的粘附性有限。如果不添加蒸發的Cu籽晶層，將很難進行后續Cu電鍍。而Ru作為阻擋層時，它可以解決以上問題。然而，Ru的微結構較差，且具有多晶柱狀晶粒；與SiO2基介電材料的附著力較差。并且，當Ru層(5nm)非常薄時，在300℃時就會失去阻擋作用。因而善Ru阻擋層性能較好的解決方案是與將其與TaN層結合成為Ru/TaN雙層膜。此外還可以向Ru中添加合金元素Ta(N)來改善Ru作為擴散阻擋層的性能。本篇文章將重點介紹Ru/TaN雙層和RuTa(N)合金薄膜作為Cu擴散阻擋層的相關研究。

2 Ru/TaN雙層擴散阻擋層

Ru/TaN雙層結構中，Ru和TaN分別可發揮出不同的作用，并且TaN層對其上生長的Ru層也有也有影響，Xie等人、choi等人和shin等人和wang等人的工作中則探究了TaN厚度對Ru生長的影響，以及N2流速對Ru/TaN雙層的影響。

2.1 N2流速對Ru/TaN雙層的影響

Wang等選擇3和7sccm的氮氣流速，分別用于沉積TaN(L)和TaN(H)層。在TaN膜的頂部，淀積約8nm的Ru膜，然后沉積200nm厚的Cu膜以獲得Cu/Ru/TaN/Si疊層結構。并比較了Ru/TaN(L)，Ru/TaN(H)的熱穩定性，界面穩定性，經比較兩個樣品退火后的XRD圖，以及XPS深度分布圖發現Ru/TaN(H)的熱穩定性和界面穩定性均比Ru/TaN(L)好。如圖1所示，Cu/Ru/TaN(L)/Si結構在退火溫度達到650℃時，樣品表面就有硅銅化合物的生成，這也說明此時阻擋層已經失效。但Cu/Ru/TaN(H)/Si結構中則一直沒有硅銅化合物的生成。圖2(c)在650℃退火后，Cu原子的擴散非常嚴重，以致于Ru/TaN(L)的界面被完全破壞。圖2(d)在650℃退火后，Ru/TaN(H)的界面以及N信號也可以清楚地識別出來，表現出更好的界面穩定性。

圖1 Cu/Ru/TaN/Si疊層結構的XRD圖譜

圖2 Ru/TaN阻擋層結構的XPS深度分析圖譜：a)沉積后；b)650℃退火后

2.2 TaN厚度對Ru生長的影響

Xie等、choi等和shin等均以P型Si(100)為襯底，PDMAT（五(二甲氨基)鉭，(C10H30N5Ta)）或者TBTDET（三(二乙基氨基)叔丁酰亞胺鉭，C16H39N4Ta）作為沉積TaN的前驅體，Ru(EtCp)2(雙（乙基環戊二烯基)釕，Ru(C2H5C5H4)2)作為沉積Ru的前驅體，PEALD沉積了Ru/TaN雙層。而在他們的工作中也發現了一些相似的地方，例如Xie等和Shin等的工作中發現當底層的TaN的厚度小于2nm時，Ru將不能在其上沉積，如圖3及圖4所示。由圖3和圖4可知TaN厚度最薄不能小于2nm。

圖3 XTEM圖：a)Cu(50nm)/TaN(2nm)/Si；b)Cu(50nm)/Ru(3nm)/TaN(5nm)/Si

圖4 不同退火溫度下Cu/Ru/TaN(3.2nm)/Si疊層結構的高分辨TEM圖：a)300℃；b)400℃

然而，Dey等人證明了Ru可以經過PEALD在0.5nm厚的TaN薄膜上生長，同時他們還觀察了CVD Ru（3nm）/ALD TaN（xnm）/Si（x=0，0.5，1）薄膜的表面SEM圖像（如圖5所示）。圖5的左列是這項工作中研究的沉積釕膜（3nm）的SEM圖像。圖5的右列是經過處理的圖像，這些圖像突出了薄膜中的針孔，其中Ru島和襯底的可見區域分別用綠色和紅色表示。并且Dey等還利用IMAGEJ軟件計算了Ru覆蓋在底層上面積百分比。

圖5 沉積薄膜的SEM圖

2.3 Ru/TaN雙層與Ru單層的熱穩定性

Shin等的工作中也將Ru/TaN雙層與Ru單層分別作為Cu擴散層時的熱穩定性進行了比較，如圖6所示。顯見，退火溫度在400℃以下時，Cu/Ru疊層的薄層電阻一直在降低，但在500℃卻突然增加。退火溫度在500℃以下時，Cu/Ru/TaN疊層的薄層電阻一直下降，在600℃也突然增加。薄層電阻的降低是由在退火過程中Cu晶粒的生長和重結晶引起的，而薄層電阻的增加與Cu擴散到底層中有關。

圖6 Cu/Ru/Si及Cu/Ru/TaN/Si樣品薄層電阻隨退火溫度變化趨勢圖

3 RuTa(N)合金薄膜擴散阻擋層

已知Ru的微結構較差，且具有多晶柱狀晶粒，純Ru膜作為阻擋層的效果不好，故Chen等、Volders等、Wojcik等、Whakraborty等以及Torazawa等向Ru或Ru-N中添加了Ta(N)，制備了RuTa和RuTaN薄膜，并研究了它們的相關特性。

RuTa(N)還可以與TaN結合使用，在Yang等的工作中，分別沉積了Ru/TaN、Ru0.9Ta0.1/TaN和Ta/TaN疊層，經研究發現Ru/TaN和Ru0.9Ta0.1/TaN襯里疊層顯示出與常規Ta/TaN雙層襯里疊層相當的氧化和Cu擴散阻擋性能。Ru/TaN和Ru0.9Ta0.1/TaN襯里疊層相對于Ta/TaN疊層對超薄Cu種子有更好的潤濕性并因此提高了間隙填充質量，前兩者的抗EM能力比后者更強。

3.1 Ru與Ta(N)的含量比的影響

Chen等分別在Si和SiO2/Si上濺射了15nm的Ru和Ru-Ta薄膜，經研究表明無論這種薄膜沉積在Si上還是SiO2上，Cu/Ru膜的薄層電阻在500℃的退火溫度下就開始增加，而Cu/Ru-Ta疊層薄膜的薄膜電阻在700℃的退火溫度下才開始增加，同時兩個疊層結構在400-700℃退火后的XRD顯示Ru膜是多晶結構，而Ru-Ta薄膜在700℃下都是非晶結構，只在700℃時微結晶。另外，電流-電壓測量還表明，Cu/Ru-Ta結構的泄漏電流低于Cu/Ru結構。這些證明了Ru-Ta和Ru薄膜在作為擴散阻擋層時，前者的失效溫度比后者高200℃，前者的熱穩定性比后者好，原因就是Ru-Ta的結晶溫度比Ru高，為Cu擴散提供了更少的路徑。Chen等向Ru-N膜添加Ta，形成Ru-Ta-N薄膜，研究證明在相同條件下沉積的Ru-N薄膜和Ru-Ta-N薄膜，前者因為其圓柱狀晶粒結構加速了的Cu的擴散，所以在600℃就失效了，而添加后破壞了其結晶度，使得沉積的Ru-Ta-N薄膜是非晶結構，從而它對Cu的擴散阻擋作用增強了，并且在900℃時，才會失效。

通過眾多研究表明，在Ru中添加Ta(N)確實能夠增強Ru作為擴散阻擋層的功能，但添加不同含量的Ta(N)會對RuTa(N)產生不同的影響。

3.2 RuTa(N)薄膜的可調性

相對于多層阻擋層，RuTa(N)薄膜作為阻擋層的一個重要的優點就是它易于進行組分調整。Kumar等為了研究混合相阻擋層的可縮放性，將Ru：Ta比保持恒定在12，研究了2nm厚的PEALD Ru-TaN薄膜的相關特性。如圖7所示，沒有任何Cu擴散峰，表明厚度小于2nm的混合相阻擋層可以作為Cu擴散的有效阻擋層。

圖7 不同退火溫度下Ru/Ta比例為12的2nm Ru–TaN的TVS圖

但chakraborty等研究發現，3nm的RuTaN膜可以完全覆蓋銅粒，并且Cu/阻擋層界面看起來很光滑，沒有針孔或分層的跡象。

3.3 RuTa薄膜與RuTa(N)薄膜性能比較

Torazawa等利用帶有10at.%Ta Ru-Ta合金靶通過PVD沉積了RuTa薄膜并在Ar和N2中沉積了RuTaN薄膜，通過觀察薄膜的XRD圖(圖8)發現隨著N2含量的增加，RuTaN的XRD峰變得越來越弱，且峰的半峰全寬（FWHM）變得更大，這意味著在沉積過程中添加N2會削弱RuTaN膜的結晶度，并且沉積膜的晶體尺寸會變小，表明RuTaN對Cu擴散的阻擋性能要好于RuTa。

圖8 RuTa和RuTa(N)的XRD圖

另外，Torazawa等還比較了這兩中薄膜在退火后對Cu擴散的阻擋作用結果發現RuTa的阻擋性能比RuTaN要好。在圖9中，可以看出Cu擴散到RuTaN阻擋層中的深度比RuTa和Ta/TaN深。這就證明了退火后RuTaN作為阻擋層時的阻擋作用比RuTa差。這是因為在240℃時，RuTaN薄膜中的N就會解吸，RuTaN薄膜會由于重結晶而晶體尺寸增大，晶界密度降低，從而使得Cu向RuTaN膜中的擴散增加并且RuTaN的阻擋性能降低。另外，RuTa（N）的MTF比RuTa的MTF短，因此RuTa（N）的EM可靠性性能也不如RuTa。

圖9 退火后Cu在RuTa，RuTa(N)和Ta/TaN中的含量SIMS圖

本文主要介紹了Ru/TaN雙層、RuTa(N)合金薄膜作為Cu擴散阻擋層的相關研究，并列出了一些影響這三種薄膜的因素，以及這些因素所帶來的影響。總的來說，Ru/TaN雙層、RuTa(N)合金薄膜作為Cu擴散阻擋層還是有很大的研究價值，值得我們繼續深入研究。