合金化对CuSiO,2薄膜体系微观结构以及电性能的影响

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1、上海交通大学硕士学位论文合金化对Cu/SiO2薄膜体系微观结构以及电性能的影响摘要随着超大规模集成电路的发展，Cu代替了常用的Al成为新兴的互连线材料。也就是最新发展的所谓“铜互连工艺”。但是Cu在硅基底集成电路中的应用存在一些困难，例如铜在硅和介质层中的扩散速度较快，目前一般在薄膜和基底间镀一层阻挡层。但由于传统采用的气相沉积方法获得的扩散阻挡层工艺时间长、成本高，台阶覆盖性差、薄膜较厚，在互连线尺寸越来越小的今天，扩散阻挡层在一定程度上减小了Cu的可用空间。本文以合金化薄膜“自发形成阻挡层”为思路，利用单靶合金靶材分别

2、在Si(100)和SiO2基底上磁控溅射制备了Cu-1.58at.%Zr合金薄膜。研究了少量Zr掺入对Cu/Si(100)和Cu/SiO2薄膜体系在300℃至500℃退火前后的微观结构以及电性能的影响。X射线衍射分析表明，无论在单晶硅还是在二氧化硅基底上，溅射态纯Cu和Cu(Zr)薄膜均呈现Cu(111)和Cu(200)衍射峰，而Zr的掺入显著增强了Cu薄膜的(111)织构。对于退火态的Cu(Zr)/Si薄膜体系，由于少量Zr在薄膜/基底界面处的存在，起到净化界面作用，促使Cu3Si的形成，从而降低了薄膜体系的热稳定性。薄

3、膜的电阻率随着退火温度的上升先下降然后迅速升高。而对于Cu(Zr)/SiO2薄膜体系，500℃退火后，合金元素Zr在界面和晶界处的偏聚有效地控制了铜在硅基底中的扩散，薄膜仍然呈现出良好的热稳定性。退火后Cu(Zr)/SiO2薄膜保持了较低的电阻率值。相比纯铜薄膜，Cu（Zr）/SiO2拥有更强的抗电迁移能力。透射电镜TEM结果显示，Zr的掺入还一定程度促进了Cu薄膜孪晶组织的形成，提高了薄膜的整体力学性能以及抗电迁移能力。磁控溅射100nm厚度的Cu（Zr）薄膜作为电沉积铜薄膜的籽晶层，能优化电I上海交通大学硕士学位论文沉

4、积铜薄膜的结构，使电沉积薄膜呈现出更强的（111）织构，薄膜力学性能提高。Cu(1μm)/Cu(Zr)(100nm)/SiO2薄膜的内应力在退火后更易消除。关键词：Cu(Zr)合金薄膜，热稳定性，微观结构，孪晶，电迁移，籽晶层II上海交通大学硕士学位论文EFFECTSOFALLOYINGONMICROSTRUCTUREANDELECTRICALPROPERTIESOFCu/SiO2SYSTEMFILMSABSTRACTIntheendoflastcentury,copperhasreplacedAluminumtobein

5、terconnectionmaterial.ItiscalledCopperInterconnectTechnology.However,Cuinterconnectstillfacesomedifficultiesinusage.Forexample,bothantioxidantcapacityandcorrosionresistancearepooratroomtemperature.Theinter-diffusionofCuandSiisstrongandtheyeasilyreact.Diffusionbarr

6、ier,traditionallypreparedbyvapordeposition,alsohasitsdisadvantagessuchaslongproducingprocedure,highercost.Inaddiction,asthesizeoftheinterconnectionlinedecline,diffusionbarrierindeedoccupytheavailablespaceofcopper.Bymagnetronsputteringmethod,thinfilmsofpureCuandCu(

7、1.58at%Zr)weredepositedonSi(100)andSiO2substrate.Sampleswerevacuum-annealedtoinvestigatedthemicrostructureandpropertiesofCuandCu(Zr)films.Themechanismof“Self-formedDiffusionBarriers”andthespecificmaterialeffectswerestudied.AsshowninX-raydiffractionresults,as-depos

8、itedCufilmsorCu(Zr)filmsexhibitCu(111)andCu(200)peaks.BothinSi(100)andSiO2substrate,Zrdopingsignificantlyenhancesthe(111)textureofCufilms.ForCu(Zr)/Si(1