铜合金自形成阻挡层制备及其性能研究.docx资源-CSDN文库

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如今电子元件不断追求微型化，器件尺寸从 2012 年的 22 nm 不断缩小到 2014 年的 14

nm、2016 年的 10 nm、2018 年的 7 nm 和 2020 年的 5 nm

[1]

。自 130 nm 技术节点以来，铜

以其优良的低电阻率和电迁移电阻代替铝成为互连材料的主流

[2-4]

。铜具有电阻率较低、抗应力

强、抗迁移能力强等特点，因此是绝佳的互连材料。但铜也有明显的缺点：与其他金属相比铜

原子的扩散能力强

[5]

，铜在相当低的温度下扩散到衬底而严重影响器件性能

[6-7]

。通常会插入阻

挡层来解决铜的扩散问题，然而，随着特征尺寸的减小，要求阻挡层的厚度也要随之减小。传

统的薄膜生长技术很难实现制备极薄且均匀的有效阻挡层，因此新型的阻挡层自形成技术被广

泛研究。为找到合适的合金元素已经进行了大多数研究工作，困难在于寻找合适的元素以形成

热稳定的阻挡层同时保证较低的互连电阻率

[8]

。本文通过直流磁控溅射在衬底上淀积一层铜钒

合金薄膜，由于铜具有较高的抗电迁徙能，故经过退火处理后铜合金中的钒元素将自行扩散至

合金薄膜和衬底硅间交界处聚集，钒元素在界面处聚集形成薄膜能够有效阻止铜与硅之间相互

扩散。这个方法中铜合金薄膜的性质和铜互连结构体系性质密切相关，影响溅射出的合金薄膜

的结构和性能的制备参数有许多。因此，寻找最佳的制备参数便是制备合金薄膜阻挡层的重要

问题。本文研究溅射功率、溅射气压、靶基距对合金薄膜及互连体系性能的影响。

1. 实验材料准备与测试方法

1.1 样品制备

本实验采用真空磁控溅射技术。薄膜溅射是在以 SiO

2

/Si 作为衬底、掺杂 2at.%钒的铜合

金为靶材，以惰性气体氩气为保护气体下制备的。衬底是由单晶硅片去除油污、有机物，用稀

释的 HF 酸去除氧化层并清洁吹干后氧化生长一层 80 mm 的氧化层 SiO

2

。溅射前应先将溅射

室气压抽至 1×10

−5

Pa 以下，并通入保护气体氩气至溅射室内气压达到所需气压值，设置溅射

功率和靶材、基片两者间距离到实验所需数值。预溅射一段时间去除靶材表面油污，同时保证

衬底洁净。薄膜制备完成后进行退火处理，退火过程中要保证真空度在 1×10

−3

Pa 左右，以防

止铜合金薄膜的二次氧化。

1.2 测试方法

采取控制制备参数变量分别制备不同的铜钒合金薄膜，退火后分别通过 X 射线光电子能

谱仪 XPS 分析各元素纵向成分占比、四探针法测量电阻率、制备 MOS 结构并测量其伏安特性

曲线判断漏电情况这 3 种方法来对 Cu(V)薄膜和 Cu(V)/SiO

2

/Si 结构的阻挡扩散性能进行研究，

从而寻找最佳制备铜合金薄膜的参数。其中通过 XPS 分析 Cu(V)/SiO

2

/Si 结构体系中各元素纵

向成分占比，观察是否在界面发生钒元素聚集现象，同时铜与硅是否发生相互扩散来判断阻挡

性能；采用四探针法测量 Cu(V)/SiO

2

/Si 结构体系的电阻率，若铜与硅之间发生扩散形成

Cu

3

Si，会导致 Cu(V)/SiO

2

/Si 体系电阻率迅速升高，因此可以根据电阻率判断薄膜阻挡效果；

铜元素扩散进入衬底中会导致 SiO

2

/Si 层可以导电，因此 MOS 结构测量伏安特性曲线检测

Cu(V)/SiO

2

/Si 体系的漏电情况可以判断阻挡层性能的优劣。

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