Cu互連中V、V-N和V/V-N薄膜的擴散阻擋性能

王翠萍,戴 拖,盧 勇,施 展,張錦彬,劉興軍

(廈門大學材料學院,福建廈門361005)

Cu互連中V、V-N和V/V-N薄膜的擴散阻擋性能

王翠萍,戴 拖,盧 勇,施 展,張錦彬,劉興軍*

(廈門大學材料學院,福建廈門361005)

采用磁控濺射法在Si(100)基板上沉積厚度為50 nm的V、V-N和V/V-N擴散阻擋層,并在擴散阻擋層上制備了厚度為300 nm的Cu薄膜,最終獲得了Cu/V/Si、Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si 3種多層薄膜.薄膜樣品在300～750℃真空熱處理1 h后,通過X射線衍射(XRD)儀、掃描電子顯微鏡(SEM)和四探針電阻測試(FPP)儀對薄膜樣品的晶體結構、微觀組織形貌和方塊電阻進行測試表征,對比分析了V、V-N和V/V-N 3種擴散阻擋層的擴散阻擋性能.實驗結果表明:V、V-N和V/V-N擴散阻擋層均能夠有效阻擋Cu原子向Si基板的擴散;Cu/V/Si和Cu/V-N/Si薄膜樣品分別在600和650℃時能夠保持良好的熱穩定性;Cu/V/V-N/Si多層薄膜中由于堆棧結構的存在,樣品在700℃還具有良好的熱穩定性,表明堆棧結構的V/V-N是一種較理想的擴散阻擋層.

擴散阻擋層;阻擋性能;堆棧結構;磁控濺射

隨著集成電路(integrated circuit,IC)的集成度越來越高,電路特征尺寸不斷減小,傳統Al互連材料由于抗電遷移能力較差已不能滿足互連材料性能的要求.Cu比Al具有更低的電阻率、更好的抗電遷移能力和更高的熱傳導系數,因此,Cu取代Al成為新一代互連材料[1-4].一方面Cu的低電阻率能夠極大地減少阻容延遲,提高電路的運算速度;另一方面Cu具有良好的抗電遷移能力,能夠延長互連材料的壽命,提高元器件的穩定性和可靠性.然而,許多研究報道表明,在200℃時Cu薄膜與Si基板發生互擴散形成Cu-Si化合物,引起Cu薄膜方塊電阻急劇上升,最終導致Cu互連材料的失效[5-7].

為了解決Cu互連材料快速擴散的問題,需要在Cu和Si器件之間引入合適的擴散阻擋層來阻擋Cu原子的擴散.由于Ta[8-9]、Mo[10-11]、Ti[12-13]、Zr[14-15]等難熔金屬及其氮化物或碳化物具有較高的熱穩定性且與Cu有較低的固溶度,因此被廣泛應用于Cu互連中的擴散阻擋層,其優點是既具有較好的擴散阻擋性能,同時還能夠有效增強Cu與Si基板的結合力.Chuang等[16]在Si基板上制備50 nm的Cr和Cr-N擴散阻擋層,研究發現Cu/Cr/Si薄膜在550℃熱處理后生成Cu-Si化合物,Cr擴散阻擋層失效;而Cu/Cr-N/Si薄膜能夠在700℃熱處理后依然具有良好的穩定性且保持較低的方塊電阻,實驗結果表明Cr-N薄膜具有更好的擴散阻擋性能.Song等[10]制備堆棧結構(多層復合薄膜)的Mo/Mo-N擴散阻擋層,發現實驗結果中堆棧結構的Mo/Mo-N擴散阻擋層具有最優的擴散阻擋性能,Cu/Mo/Mo-N/Si多層薄膜在700℃依然沒有觀察到Cu-Si化合物的生成.

金屬V具有較高的熔點、良好的導電導熱性并且與Cu的固溶度較低,因此,本研究選用V基薄膜充當擴散阻擋層.通過磁控濺射制備Cu/V/Si、Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多層薄膜,薄膜樣品在300～750℃真空熱處理1 h后,通過X射線衍射(XRD)儀、掃描電子顯微鏡(SEM)和四探針電阻測試(FPP)儀對薄膜樣品的晶體結構、微觀組織形貌和方塊電阻進行測試表征,對比分析V、V-N和V/V-N的擴散阻擋性能.

1 實驗方法

本實驗采用直流磁控濺射制備了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種多層薄膜,濺射用的靶材為V靶(純度為99.99%)和Cu靶(純度為99.99%).濺射前分別用乙醇和丙酮對Si(100)基板進行超聲清洗,然后放到稀釋的HF溶液中3 min,以除去Si表面的SiO2本征層,最后用高純N2吹干基板后放入濺射室內.濺射時的本底真空度為5.0×10-4Pa,工作壓強保持在0.5 Pa,V的濺射功率是100 W,Cu的濺射功率是80 W,在沉積V-N薄膜過程中,濺射氣體為Ar和N2的混合氣體,Ar氣流量為30 m L/min,N2氣流量為2 m L/min.將制備好的薄膜樣品放置于系統自帶的熱處理爐中進行1 h保溫處理,并隨爐冷卻至室溫.

利用Alpha-Step IQ臺階儀測量薄膜層的厚度,測量精度為0.1 nm,測量范圍0.01～60μm;利用Rigaku UltimaⅣXRD儀表征薄膜樣品的晶體結構,檢測時采用Cu靶的Kα特征射線,波長為0.154 18 nm,入射角固定在1.5°,掃描速度為5(°)/ min;利用日立SU-70場發射SEM觀察薄膜的表面和橫截面的微觀組織形貌;利用SEM的能譜(EDS)儀檢測薄膜樣品的成分;采用RTS-8型FPP儀測定薄膜樣品熱處理前后的方塊電阻.方塊電阻表示正方形薄膜材料邊到邊之間的電阻,其大小與薄膜面積無關.

2 結果與討論

2.1薄膜的晶體結構

圖1　Cu/V/Si(a)、Cu/V-N/Si(b)和Cu/V/V-N/Si(c)多層薄膜在不同溫度熱處理1 h時的XRD譜圖Fig.1 XRD spectra of the Cu/V/Si(a),Cu/V-N/Si(b)and Cu/V/V-N/Si(c)multilayer films annealed at different temperatures for 1 h

圖1是Cu/V/Si、Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多層薄膜在不同溫度熱處理1 h時的XRD譜圖.如圖1(a)所示:Cu/V/Si多層薄膜在沉積態下出現較寬的Cu(111)衍射峰,表明沉積態的Cu薄膜結晶性較差;在400,500和600℃熱處理1 h后,Cu薄膜的結晶性良好,檢測到Cu(111)、Cu(200)和V(110)衍射峰,且Cu(111)晶面衍射強度遠高于Cu(200)晶面,表明Cu薄膜具有(111)擇優取向生長;當熱處理溫度升高至650℃時,除Cu和V衍射峰外,在44.6°和45.2°附近出現Cu3Si衍射峰,表明Cu通過V擴散阻擋層擴散到Si基板中生成Cu3Si化合物相,此時V擴散阻擋層已失效.如圖1(b)和(c)所示:Cu/V-N/Si多層薄膜樣品在700℃以下熱處理1 h時,只檢測到Cu(111)、Cu(200)和V-N(110)衍射峰;當溫度達到700℃后,檢測到Cu3Si衍射峰;而Cu/V/V-N/Si多層薄膜直到750℃才檢測到Cu3Si衍射峰,同時,Cu衍射峰也完全消失,表明薄膜樣品表面的Cu幾乎全部擴散進入Si基板中形成Cu3Si化合物相,此時V/V-N擴散阻擋層已完全失效.XRD實驗結果表明:Cu/V/Si和Cu/V-N/Si薄膜樣品分別在600和650℃時能夠保持良好的熱穩定性;堆棧結構的Cu/V/V-N/Si多層薄膜在700℃時依然具有良好的熱穩定性,表明V/ V-N具有更好的擴散阻擋性能.

2.2薄膜的表面及橫截面的微觀組織形貌

圖2是Cu/V/V-N/Si多層薄膜在不同溫度熱處理1 h后的表面微觀組織形貌圖.從圖2(a)～(c)可以看出,在沉積態以及500和600℃熱處理1 h后,Cu/ V/V-N/Si多層薄膜表面比較平整,沒有出現明顯的缺陷,薄膜保持良好的致密性.如圖2(d)所示,當熱處理溫度升至700℃時,多層薄膜表面出現許多彌散分布的山丘和孔洞,薄膜表面變得粗糙不平.從XRD實驗結果(圖1(c))可知,多層薄膜中并未形成Cu-Si化合物,表明此時的V/V-N擴散阻擋層并沒有失效.薄膜表面的不連續可能是因為Cu薄膜表面的熱應力釋放引起Cu原子的團聚而形成山丘與孔洞[8].然而,當溫度達到750℃時(圖2(e)),多層薄膜表面微觀組織形貌發生明顯變化,出現較大尺寸且彌散分布的矩形析出相,同時Cu薄膜層幾乎被完全消耗掉.通過SEM-EDS檢測圖2(e)中A、B和C 3個局部區域的成分,結果如表1所示:A區域中Cu與Si的原子比接近3∶1,結合XRD結果(圖1(c))可知,該矩形相就是Cu3Si化合物,表明Cu薄膜層的消耗主要是因為Cu通過擴散阻擋層擴散至Si基板形成Cu3Si化合物所致;B區域中幾乎全部成分為Si,表明Cu3Si化合物周圍區域的V/V-N擴散阻擋層已被破壞;C區域成分除了Si之外還含有V和N,表明該位置的薄膜層為V/V-N擴散阻擋層.

圖3是Cu/V/V-N/Si多層薄膜在700和750℃熱處理1 h后橫截面的微觀組織形貌圖.從圖3(a)可以看出:在700℃熱處理1 h后,Cu薄膜與Si基板之間的V/V-N擴散阻擋層保持連續結構,各薄膜層沒有存在明顯的裂紋、孔洞等缺陷,薄膜與基板界面結構清晰,沒有Cu-Si化合物生成;此外,在Cu薄膜與樹脂界面處出現斷層現象,這主要是由于薄膜樣品在拋光時產生的應力所致.如圖3(b)所示:當溫度升高至750℃時,Cu/V/V-N/Si多層薄膜的截面微觀組織形貌發生較大變化,在薄膜中生成較大尺寸的Cu3Si化合物,由于Cu3Si化合物的形成使得周圍區域的Cu薄膜被消耗掉;同時,靠近Cu3Si周圍區域的V/V-N擴散阻擋層也已被破壞.

圖2　Cu/V/V-N/Si多層薄膜在沉積態和不同溫度熱處理1 h后的表面微觀組織形貌圖Fig.2 The surface morphology images of the Cu/V/V-N/Si multilayer films at as-deposited and annealed at different temperatures for 1 h

表1　圖2(e)中A,B和C 3個區域的成分Tab.1 The compositions of the region A,B and C shown in figure 2(e)

2.3薄膜的方塊電阻

圖4為Cu/V/Si、Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多層薄膜的方塊電阻隨熱處理溫度的變化曲線.在本研究的多層薄膜體系中,由于Cu薄膜的方塊電阻遠低于各擴散阻擋層,而Cu薄膜的厚度遠大于擴散阻擋層厚度,可認為多層薄膜的方塊電阻基本由Cu薄膜決定.從圖4可知,Cu/V/Si、Cu/V-N/Si和Cu/V/ V-N/Si 3種多層薄膜的方塊電阻具有相同的變化趨勢,即薄膜樣品經熱處理后先降低后升高.方塊電阻降低的原因主要是由于熱處理后薄膜的缺陷較少,Cu晶粒長大,從而導致薄膜方塊電阻減小.對Cu/V/Si多層薄膜,在650℃熱處理后,薄膜樣品的方塊電阻急劇升高,結合XRD結果(圖1(a))可知,此時多層薄膜中生成Cu3Si化合物,因此可認為方塊電阻的急劇增加是由于Cu擴散進入Si基板形成Cu3Si所致,此時V擴散阻擋層已失效.對Cu/V-N/Si多層薄膜,在700℃熱處理后方塊電阻急劇升高,表明此時V-N擴散阻擋層已失效.然而,Cu/V/V-N/Si多層薄膜在700℃熱處理后,方塊電阻依然保持較低的值,從XRD和SEM結果(圖1(c)和圖2(d))可知,此時薄膜中沒有Cu3Si化合物生成.當溫度升至750℃時,由于薄膜中生成Cu3Si化合物,薄膜樣品的方塊電阻急劇升高,此時V/V-N擴散阻擋層已失效.

圖3　Cu/V/V-N/Si多層薄膜在700℃(a)和750℃(b)熱處理1 h后的橫截面微觀組織形貌圖Fig.3 The cross-sectional images of the Cu/V/V-N/Si multilayer films annealed at 700℃(a)and 750℃(b)for 1 h

圖4　Cu/V/Si,Cu/V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多層薄膜的方塊電阻與熱處理溫度的關系曲線Fig.4 Square resistance of the Cu/V/Si,Cu/V-N/Si and Cu/V/V-N/Si multilayer films as the function of annealing temperature

3 結 論

本研究通過磁控濺射沉積制備了Cu/V/Si,Cu/ V-N/Si和Cu/V/V-N/Si多層薄膜,通過XRD、SEM和FPP分別對薄膜樣品的晶體結構、微觀組織形貌和方塊電阻進行測試表征.實驗結果表明:在Cu薄膜與Si基板間引入V、V-N和V/V-N擴散阻擋層后,均能有效抑制Cu向Si基板中的擴散.Cu/V/Si和Cu/VN/Si薄膜樣品分別在600和650℃時能夠保持良好的熱穩定性,沒有Cu3Si化合物生成,表明此時V和V-N擴散阻擋層能有效抑制Cu向Si基板中的擴散;而當溫度分別升高至650和700℃時,在Cu/V/Si和Cu/V-N/Si薄膜樣品中生成Cu3Si化合物,同時引起方塊電阻急劇上升,表明V和V-N擴散阻擋層已經失效.堆棧結構的Cu/V/V-N/Si多層薄膜在700℃熱處理后依然具有良好的熱穩定性和較低的方塊電阻,直到溫度升至750℃時,V/V-N擴散阻擋層才失效,對比實驗結果表明堆棧結構的V/V-N具有更好的擴散阻擋性能.

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Diffusion Barrier Performances of V,V-N and V/V-N Films in Cu Interconnection

WANG Cuiping,DAI Tuo,LU Yong,SHI Zhan,ZHANG Jinbin,LIU Xingjun*

(College of Materials,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

The V,V-N and V/V-N diffusion barrier layers with 50 nm thickness were deposited on Si(100)substrates by magnetron sputtering,and then the 300 nm thickness of the Cu films were prepared on diffusion barrier layers to obtain Cu/V/Si,Cu/V-N/Si and Cu/V/V-N/Si multilayer films.The multilayer film samples were subsequently annealed at 300-750℃for 1 h in vacuum atmosphere.The crystal structures,microstructure morphologies and square resistances were characterized by X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscope(SEM)and the four-point probe(FPP)methods to investigate the diffusion barrier performances of the V,V-N and V/V-N films.The results show as follows:diffusion barrier layers of V,V-N and V/V-N effectively blocked the diffusion of Cu into the Si substrate.The Cu/V/Si and Cu/V-N/Si multilayer films still kept good thermal stability at the annealing temperature of 600℃and 650℃,respectively.However,for the Cu/V/V-N/Si multilayer film,due to the existence of stacking structure,the samples maintained favorable thermal stability when being annealed at 700℃.Therefore,the stacking structure of the V/V-N film was an ideal diffusion barrier layer.

diffusion barrier layer;barrier performance;stacking structure;magnetron sputtering

O 644

A

0438-0479(2016)06-0810-05

10.6043/j.issn.0438-0479.201604011

2016-04-11 錄用日期:2016-04-28

國家自然科學基金(51571168);國家自然科學基金青年基金(51301146);科技部國際科技合作專項(2014DFA53040)

lxj@xmu.edu.cn

王翠萍,戴拖,盧勇,等.Cu互連中V、V-N和V/V-N薄膜的擴散阻擋性能[J].廈門大學學報(自然科學版),2016,55 (6):810-814.

WANG C P,DAI T,LU Y,et al.Diffusion barrier performances of V,V-N and V/V-N films in Cu interconnection[J]. Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(6):810-814.(in Chinese)