ULSI铜金属化系统扩散阻挡层的研究

【作者】 王晓冬； 吉元； 钟涛兴； 李志国； 夏洋； 刘丹敏； 肖卫强；

【机构】 中国人民武装警察部队学院基础部； 北京工业大学固体微结构与性能研究所； 北京工业大学电子信息与控制工程学院； 中国科学院微电子中心；

【摘要】 本文主要研究了由 SiON 和 Ta 构成的双层扩散阻挡层的阻挡性能、对铜薄膜晶体学取向的影响和应力分布状况。用于二次离子质谱仪（SIMS）分析的样品工艺见表一。用于 X 射线衍射仪 （XRD）和电子薄膜应力测试仪分析的样品分别具有5nm 厚 Ta 阻挡层和 SiON 与 Ta 双层阻挡层,且均在阻挡层上电镀0．5μm 厚铜膜。采用 SIMS 测试了双层阻挡层样品二次离子电流强度随时间变化的曲线（见图1）,结果显示双层阻挡层样品中,5nm 厚 Ta 层牢固的将 Cu 附着于 Si 基片上, 并对 Cu 向 SiO₂的扩散具有一定的阻挡效果,而 SiON 层则有效的阻止了 Cu 的扩散。对 Ta 阻挡层样品的测试表明,50nm 厚的 Ta 具有良好的阻挡效果。采用 XRD 测量了沉积态有 Ta 阻挡层和无阻挡层铜膜的晶体学取向结构。 （111）极图和取向分布函数φ₂=45°的截面图显示有 Ta 铜膜的（111）织构强于无阻挡层铜膜,说明 Ta 阻挡层的存在促使铜膜形成较强的（111）织构。可以推断,双层阻挡层中的 Ta 阻挡层能够促使铜互连线形成较强的（111）织构,提高互连线的抗电迁移可靠性。利用电子薄膜应力测试仪测量了具有双层阻挡层的硅基铜膜应力分布状况 （见图2）。结果显示,离子注氮后样品应力平均值为206MPa,而电镀0．5μm 厚铜膜,样品应力平均值为661．7MPa,表明硅基铜膜的主要应力来自于电镀铜膜。更多还原