D0I:10.13374/1.issm100103.2009.03.028 第31卷第3期 北京科技大学学报 Vol.31 No.3 2009年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2009 Si/(NiCr合金)/Cu扩散偶950C相稳定性 王炜李长荣杜振民郭翠萍 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要在半导体硅片(Si)厂一扩散阻挡层(NiCr合金)一金属互连材料(Cu)构成的体系中，Si和NiCr合金之间以及NiCr 合金和C之间各构成一对扩散偶·通过制备扩散偶试样模拟相应的界面反应，实验测定950℃下界面反应产物的表观序列. 从热力学的角度，分别对Cr-Ni-Si和Cr-Cu-Ni三元系中Si/(NiCr)和(NiCr)/Cu两个界面进行反应驱动力分析·计算获 得的阶段性生成相表观序列与实验测得结果一致 关键词扩散偶：界面反应：驱动力：热力学 分类号TG111.6 Phase stability of Si/(Cr-Ni alloy)/Cu couples at 950C WANG Wei,LI Chang-rong,DU Zhen-min.GUO Cui-ping School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT In a system consisted of semiconductor silicon wafer(Si),diffusion resistant layer(Cr-Ni alloy)and metal contact ma- terial (Cu).diffusion couples were formed at Si/(Cr-Ni)and(Cr-Ni)/Cu.respectively.The phases formed due to interfacial reac- tions in both the diffusion couples were investigated experimentally and the apparent phase contact sequences were obtained at 950C. Based on phase equilibrium calculations of the Cr-Cu-Ni and the Cr-Ni-Si ternary systems,the phase formation driving forces for inter- facial reactions of the diffusion couples were analyzed theoretically.The step-by-step phase formation sequences were obtained to simu- late microstructure evolutions in the diffusion couples.The thermodynamic predictions are in accord with the experimental observa- tions. KEY WORDS diffusion couple:interfacial reaction:driving force;thermodynamics 随着集成电路集成度的提高，内连材料线宽尺 体以及相应的绝缘材料SiO2,Cu都是间隙杂质，即 寸不断降低，A1作为内连材料其性能已难以满足集 使在很低的温度下也可以迅速地在Sⅰ和SiO2中扩 成电路的要求，20世纪90年代以来，Cu具有低的 散，从而影响器件的少数载流子寿命和结的漏电流， 电阻率和高的抗电迁移与抗应力迁移能力，可作为 使器件的性能变坏，甚至失效，其次，高阻的铜硅化 A1的替代材料，得到了广泛研究山. 物.当Cu淀积到硅片后经200℃退火300mim便会 与A1相比，室温下Cu的电阻率为1.62cm, 形成高阻的铜硅化物，而且Cu与Si和SiO2层的黏 仅为A1的60%：Cu在275℃条件下测得的由应力 附性较差，为了解决上述问题，人们提出了增加扩 引起的离子漂移速度为Al的1/65：Cu发生电迁移 散阻挡层的解决方案3]. 的电流密度上限为5×105Acm-2,而A1的上限为 好的阻挡层材料应该具有高的熔点，大多数研 2X105Acm-2;Cu的应力特性也远远好于A12). 究集中在各种高熔点的纯金属（如Cr、Ti、Nb、Mo、 所以，无论从减少互连延迟的角度，还是从互连可靠 Ta和W)和化合物（如TiN、TaN和ZrN)作为Cu和 性的角度，Cu互连的性能都超过Al互连，但是，Cu S1之间的扩散阻挡层[.双金属淀积层也是一种有 互连也存在一些问题：首先，Cu污染，对于Si半导 效的扩散阻挡层，可满足浅结器件对薄膜型欧姆接 收稿日期：2008-04-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50731002):教育部博士点基金资助项目(N。.20060008015) 作者简介：王炜(1982一)，男，硕士研究生；李长荣(1961一)，女，教授，博士生导师，E-mail:cri@mater,ustb-edu-cnSi／（Ni－Cr 合金）／Cu 扩散偶950℃相稳定性 王 炜 李长荣 杜振民 郭翠萍 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 摘 要 在半导体硅片（Si）－扩散阻挡层（Ni－Cr 合金）－金属互连材料（Cu）构成的体系中‚Si 和 Ni－Cr 合金之间以及 Ni－Cr 合金和 Cu 之间各构成一对扩散偶．通过制备扩散偶试样模拟相应的界面反应‚实验测定950℃下界面反应产物的表观序列． 从热力学的角度‚分别对 Cr－Ni－Si 和 Cr－Cu－Ni 三元系中 Si／（Ni－Cr）和（Ni－Cr）／Cu 两个界面进行反应驱动力分析．计算获 得的阶段性生成相表观序列与实验测得结果一致． 关键词 扩散偶；界面反应；驱动力；热力学 分类号 TG111∙6 Phase stability of Si／（Cr-Ni alloy）／Cu couples at950℃ W A NG Wei‚LI Chang-rong‚DU Zhen-min‚GUO Cu-i ping School of Materials Science and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT In a system consisted of semiconductor silicon wafer （Si）‚diffusion resistant layer （Cr-Ni alloy） and metal contact ma￾terial （Cu）‚diffusion couples were formed at Si／（Cr-Ni） and （Cr-Ni）／Cu‚respectively．T he phases formed due to interfacial reac￾tions in both the diffusion couples were investigated experimentally and the apparent phase contact sequences were obtained at950℃． Based on phase equilibrium calculations of the Cr-Cu-Ni and the Cr-N-i Si ternary systems‚the phase formation driving forces for inter￾facial reactions of the diffusion couples were analyzed theoretically．T he step-by-step phase formation sequences were obtained to simu￾late microstructure evolutions in the diffusion couples．T he thermodynamic predictions are in accord with the experimental observa￾tions． KEY WORDS diffusion couple；interfacial reaction；driving force；thermodynamics 收稿日期：2008-04-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50731002）；教育部博士点基金资助项目（No．20060008015） 作者简介：王 炜（1982－）‚男‚硕士研究生；李长荣（1961－）‚女‚教授‚博士生导师‚E-mail：crli＠mater．ustb．edu．cn 随着集成电路集成度的提高‚内连材料线宽尺 寸不断降低‚Al 作为内连材料其性能已难以满足集 成电路的要求．20世纪90年代以来‚Cu 具有低的 电阻率和高的抗电迁移与抗应力迁移能力‚可作为 Al 的替代材料‚得到了广泛研究［1］． 与 Al 相比‚室温下 Cu 的电阻率为1∙6μΩ·cm‚ 仅为 Al 的60％；Cu 在275℃条件下测得的由应力 引起的离子漂移速度为 Al 的1／65；Cu 发生电迁移 的电流密度上限为5×106 A·cm －2‚而 Al 的上限为 2×105 A·cm －2 ；Cu 的应力特性也远远好于 Al ［2］． 所以‚无论从减少互连延迟的角度‚还是从互连可靠 性的角度‚Cu 互连的性能都超过 Al 互连．但是‚Cu 互连也存在一些问题：首先‚Cu 污染．对于 Si 半导 体以及相应的绝缘材料 SiO2‚Cu 都是间隙杂质‚即 使在很低的温度下也可以迅速地在 Si 和 SiO2 中扩 散‚从而影响器件的少数载流子寿命和结的漏电流‚ 使器件的性能变坏‚甚至失效．其次‚高阻的铜硅化 物．当 Cu 淀积到硅片后经200℃退火300min 便会 形成高阻的铜硅化物‚而且 Cu 与 Si 和 SiO2 层的黏 附性较差．为了解决上述问题‚人们提出了增加扩 散阻挡层的解决方案［3］． 好的阻挡层材料应该具有高的熔点．大多数研 究集中在各种高熔点的纯金属（如 Cr、Ti、Nb、Mo、 Ta 和 W）和化合物（如 TiN、TaN 和ZrN）作为 Cu 和 Si 之间的扩散阻挡层［4］．双金属淀积层也是一种有 效的扩散阻挡层‚可满足浅结器件对薄膜型欧姆接 第31卷 第3期 2009年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．3 Mar．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．03．028