Ta-Si-N /Ti雙層結構擴散阻擋層的制備與表征

鄧鵬遠，瞿金鳳

（1. 哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱軸承集團公司 通用軸承公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

Cu具有電阻率低、抗電遷徙性能好、熱傳導系數高的特點，采用Cu作為互連線材料能顯著提高電路的運算速度與可靠性，Cu已經取代Al成為新一代的互連材料[1]。但Cu在Si和SiO2中擴散很快，一旦進入硅片中會形成深能級受主雜質,對器件中的載流子具有很強的陷阱效應,使器件性能退化甚至失效，因此必須在Cu與Si之間增加一層阻擋層，阻擋Cu熱擴散進芯片有源區，并改善Cu與Si之間的粘附性。難熔金屬及其氮化物由于熔點高和化學惰性已經廣泛地用于阻擋層材料[2-6]，其中研究得較多的阻擋層材料是TiN、TaNx和Ta-Si-N。然而Ta-Si-N電阻率較高(180-270μΩ cm)的特點還不能很好地適合電路高速運行的特點[7]。熱穩定性好且電阻率低的阻擋層一直是人們所追求的。Murarka[8,9]的研究表明，Ti沉積到Si上后在不同的退火溫度下會形成不同的Ti-Si相，當退火溫度大于700℃時Ti與Si間擴散反應形成的TiSi2層具有電阻率低（～15 μΩ cm）的特點。因此本文為了獲得低電阻率熱穩定性好的阻擋層，提出了一種新的Ta-Si-N/Ti雙層結構的擴散阻擋層，重點研究了它的熱穩定性。

2 實驗方法

利用射頻磁控濺射的方法在電阻率為3-5Ω.cm的n型Si(100)基片上沉積厚度為20nm的Ti層，然后沉積厚度為10nm的Ta-Si-N層。基片放入真空室前在超聲波清洗器中依次用丙酮、甲醇、異丙醇、1%的氫氟酸清洗，然后用去離子水沖洗三次，烘干后放入濺射室內。沉積Ti膜時采用Ar離子濺射, 工作氣壓0.3Pa , Ar氣流量20sccm，靶材為直徑60mm厚3mm的Ti(99.99 %)。沉積Ta-Si-N膜時采用射頻反應磁控濺射，氮氣與氬氣的流量比為4sccm/16sccm , 濺射電源功率100W，靶材為直徑60mm厚3mm的Ta靶。整個沉積過程中襯底偏壓為-200 V，襯底不加熱，濺射時靶基距保持80mm不變,本底氣壓小于2 ×10-5Pa 。接著在0.1Pa的工作氣壓下在Ta-Si-N/Ti上直流濺射上一層厚為100nm的Cu膜，形成Cu/Ta-Si-N/Ti/Si結構。然后將Cu/Ta-Si-N/Ti /Si結構在N2保護下退火至800℃保溫1h。用SDY-4型數字式四探針測試儀測定薄膜的方塊電阻；用X’Pert Pro型X射線衍射儀分析薄膜的結構，并用XRR法測薄膜的厚度；用JSM-6500型掃描電鏡觀察薄膜的表面形貌；用Micro-Lab 310F型AES研究薄膜的原子深度分布。

3 實驗結果與分析

圖1 樣品的XRD圖譜

3.1 Ta-Si-N/Ti的結構

基體溫度100℃（Ts=100℃）下沉積的Ti/Si樣品和Ts為100℃和300℃下沉積的Ta-Si-N/Ti/Si樣品的XRD圖譜如圖1 所示。

根據PDF卡片（卡片號：00-001-1197）進行分析，三個樣品的衍射圖中都出現了Ti (002)、Ti(101) 、Ti(102)和Ti(103)衍射峰，且Ti (002)衍射峰的強度明顯高于其它三個衍射峰的強度，這表明沉積的Ti膜有明顯的（002）取向。Ta-Si-N/Ti/Si樣品的XRD圖譜中沒有出現Ta-Si-N的特征衍射峰，這表明Ti膜上生長的Ta-Si-N膜為非晶相。

3.2 Cu/Ta-Si-N/Ti/Si體系的電阻特征

Ta-Si-N(30nm)的薄層電阻率為613.7μΩcm，Ta-Si-N(10nm)/Ti(20nm)的薄層電阻率為67.45μΩcm（Ti膜的沉積溫度為100℃），可見Ti層的插入有效地降低了Ta-Si-N/Ti與Cu之間的接觸電阻率。Cu/Ta-Si-N/Ti/Si的薄層電阻變化率隨退火溫度的變化如圖2所示，電阻變化率（△R/R）定義為：（退火后電阻-退火前電阻）/退火前電阻。從圖2 可以看出，樣品700 ℃以下退火后，薄層電阻變化率輕微降低，這主要是由于退火導致Cu膜中的晶粒長大和缺陷得到有效的消除。樣品750℃以下退火后的薄層電阻均低于沉積態的薄層電阻，800℃退火后薄層電阻迅速升高，這可能是由于800℃退火后Si和 Cu之間發生了相互擴散形成了高電阻的Cu-Si化合物。

圖2 Cu/Ta-Si-N/Ti/Si電阻變化率隨退火溫度的變化

3.3 退火前后Cu/ Ta-Si-N/Ti/Si樣品結構

沉積態和700 ℃退火后的Ti/Si樣品的XRD圖譜如圖3 所示。從圖中可以看出沉積態的樣品中只有Ti的特征衍射峰。樣品經過700 ℃退火后Ti與基體Si發生了擴散反應形成了TiSi2。

沉積態和退火后Cu/Ta-Si-N/Ti/Si樣品的XRD圖譜如圖4 所示。從圖4可以看出，沉積態的樣品只有Cu和Ti的特征衍射峰。樣品退火至750℃沒有出現明顯的Cu-Si化合物的衍射峰，這說明Ta-Si-N/Ti阻擋層至少能夠穩定到750℃。從圖4中還可以看出退火前后Ta-Si-N/Ti阻擋層上生長的Cu膜ICu(111)/ICu(200)均大于3，可見Cu膜具有明顯的(111)織構。根據文獻[10]報道,與其它擇優取向相比(111)取向的Cu膜有更好的抗電遷移的能力。此外與沉積態樣品相比，退火后Cu(111)衍射峰的半峰寬變窄，根據謝樂公式這表明退火后Cu晶粒長大了。同時從700℃退火后的衍射數據可以看出，Ti(101)和Ti(002)衍射峰消失了，形成了新的TiSi2的衍射峰, 形成的低電阻率的TiSi2能有效地降低阻擋層與Si之間的接觸電阻，這對于提高器件的運行速度至關重要。樣品退火至800℃后衍射圖中出現了Cu3Si的衍射峰，高電阻的Cu3Si化合物的出現表明阻擋層已經失效。

圖3 Ti/Si樣品的XRD圖譜

圖4 不同退火溫度下Cu/ Ta-Si-N/Ti /Si樣品的XRD圖譜

3.4 退火前后Cu/ Ta-Si-N/Ti /Si樣品形貌分析

圖5 是Cu/Ta-Si-N/Ti/Si樣品退火前和退火后的表面形貌。從圖5(a) 可以看出，沉積態樣品表面平坦無缺陷。圖5(b) 顯示700℃退火后Cu晶粒明顯長大。隨著退火溫度升高到750℃（如圖4(c)所示），樣品表面出現一些微孔，結合XRD的數據微孔的出現與Cu-Si相的形成無關，形成微孔的主要原因是退火時Cu膜的熱應力導致了Cu晶粒的團簇。圖5(d) 顯示800℃退火后Cu膜表面出現了明顯的突起物，表面變得異常粗糙,結合XRD的數據可以推斷出突起物的形成為Si向Cu中擴散形成了Cu3Si化合物。SEM分析結果表明，阻擋層開始失效的溫度是800℃。

圖5 Cu/ Ta-Si-N/Ti/Si樣品的表面形貌

4 結論

（1）阻擋層中Ti為具有(002)取向的多晶結構，Ta-Si-N為非晶態結構。Ta-Si-N/Ti雙層阻擋層上的Cu膜具有(111)取向，(111)取向有利于提高Cu膜的抗電遷徙能力。

（2）Ta-Si-N/Ti阻擋層在750℃時仍然能夠有效地阻止Cu原子的擴散，750℃退火后Ti原子擴散進入Si中形成低接觸電阻的TiSi2層，TiSi2層的形成能有效地解決Ta-N阻擋層與Si接觸電阻高的問題。

（3）Ta-Si-N/Ti阻擋層失效溫度是800℃，失效后表面出現了Cu3Si。

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