Vol.25 No.1 龙世兵等：SiO,Ta界面反应及其对Cu扩散的影响 35· 物比单质Ta更加稳定和致密，晶体结构更为复 北京：国防工业出版社，1994 杂，Cu在它们中间的扩散可能比在Ta中更为困 6 Joly J P.Metallic contamination assessment of silicon wa- 雄，因此，如果Ta上层的Cu已扩散至Ta中，则Ta fers [J].Microelectronic Engineering,1998,40:285 和SiO2界面处的Ta,Si,和TaO,也可能在一定程 7 Massalski,Thaddeus B.Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition [M].Ohio:ASM,1990.1485 度上阻挡Cu向SiO2甚至Si中进一步扩散，因而 8 Clevenger LA,Bojarczuk N A,Holloway K,et al.Com- 在采用Ta作阻挡层的ULSI铜互连结构中，Ta和 parison of high vacuum and ultra-high-vacuum tantalum SiO,之间的界面反应对于Ta阻挡Cu扩散来说可 diffusion barrier performance against copper penetration 能是有利的 [J].J Appl Phys,1993,73(1):300 9 Holloway K,Fryer P M,Cabral C,et al.Tantalum as a dif- 3结论 fusion barrier between copper and silicon:failure mechan- ism and effect of nitrogen additions [J].J Appl Phys,1992. 利用XPS研究了集成电路铜互连线中SiO2 71(11)片5433 介质和磁控溅射的Ta阻挡层之间的界面状况， 10 RyuC,Lee H,Kwon K W,et al.Barriers for copper inter- 发现在该界面附近存在一个热力学上有利的界 connections [J].Solid State Technology,1999,42(4):53 面反应：37Ta+15Si0,=5TaSi+6Ta0,这个反应使 11 Kwon K W,Ryu C,Sinclair R.Evidence of heteroepitax- 得界面处有更稳定的化合物新相Ta,Si,和TaO, ial growth of copper on beta-tantalum [J].Appl Phys Lett, 生成，这些新相可能有利于对Cu扩散的阻挡. 1997,71(21):3069 12 Atanassova E,Damitrova T,Koprinarova J.AES and XPS 参考文献 study of thin RF sputtered Ta.O,layers [J].Applied Sur- 1 Peter S.Copper goes mainstream:low k to follow [J]. face Science,1995,84:193 Semiconductor International,1997,Nov:67 13 Tanuma S,Powell CJ,Penn DR.Calculations of electron 2 Peter S.Copper has enormous benefits when compared to inelastic mean free paths for 31 materials [J].Surface and aluminum,but its implementation requires some funda- Interface Analysis,1988,11:577 mental changes in process technologies []Semiconduc- 14 Wager CD,Riggs W M,Davis L E,et al.Handbook of X- tor International,1998,June:91 ray Photoelectron Spectroscopy [M].Minnesota:Perkin- 3 Shyam P M.Advanced materials for future interconnec- Emer Corporation,1979 tions of the future need and strategy [J].Microelectronic 15 Kubaschewski O,Alcock C B,Spencer P J.Materials Engineering.1997,37/38:29 Thermochemistry,Sixth Edition [M].Pergamon Press 4 Lee H J,Kwon K W,Ryu C,et al.Thermal stability of a 1993 Cu/Ta multilayer:an intriguing interfacial reaction [J]. 16 Kools J C S.Effect ofenergetic particle bombardment dur- Acta Mater,1999,47(15):3965 ing sputter deposition on the properties of exchange-bias. 5刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学，第4版M ed spin-valve multilayers [J].J Appl Phys,1995,77(7): 2993 Reaction of the SiO,/Ta Interface and its Influence on Cu Diffusion LONG Shibing"MA Jidong,YU Guanghua",ZHAO Hongchen",ZHU Fengwu",ZHANG Guohai,XIA Yang 1)Department of Materials Physics,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Microelectronic Research Development Center,The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China ABSTRACT Ta films were deposited on Si substrates precoated with SiO,by magnetron sputtering.The SiO,/Ta interface and the Ta,Si,standard sample were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)and peak de- composition technique.The results show that there is a thermodynamically favorable reaction at the SiO/Ta inter- face.The more stable products Ta,Si,and TaO,may be beneficial to stop the diffusion of Cu into SiO.. KEY WORDS copper interconnection;diffusion barrier;interface reaction;X-ray photoelectron spectroscopy心 龙世 兵 等 厂 界面 反应及 其 对 扩 散的影 响 物 比单质 更 加稳 定 和致 密 ， 晶体结 构更 为复 杂 ， 在 它 们 中间 的扩 散可 能 比在 中更 为 困 难 ， 因此 ， 如果 上 层 的 已 扩散 至 中 ， 则 和 界 面处 的 和 ， 也 可 能 在 一 定 程 度 上 阻挡 向 仇 甚 至 中进 一 步扩 散 ， 因 而 在 采 用 作 阻挡层 的 铜互 连 结 构 中 ， 和 之 间 的界 面反 应 对 于 阻挡 扩散 来说可 能 是 有 利 的 结 论 利用 研究 了集成 电路铜 互 连 线 中 介 质 和磁 控溅 射 的 阻挡 层 之 间 的界 面状况 ， 发 现 在 该 界 面 附近 存 在 一 个 热 力 学 上 有 利 的 界 面反 应 几 ， ， 这个 反 应 使 得 界 面处 有 更 稳 定 的化 合 物新 相 和 生 成 ， 这 些 新 相 可 能 有 利 于对 扩散 的 阻 挡 参 考 文 献 【 ， ， ， 』 ， ， 」 ， ， ， ， ， ， ， 刘恩科 ， 朱秉升 ， 罗 晋生 半导体物理学 ，第 版 』 北京 国防工业 出版社 ， ， ， ， ， 』 ， ， ， ， 一 一 伪 ， ， ， ， ， 介 〔 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 一 「 ， ， ， ， ， 盯 」 · ， ， ， ， ， ， 场盛 ， ， ， ， ， ， ， ， 、 一 一 ， ， 馆 ，，五艺祖 塔 ，， 沙 ，’ ， 乙 咬 ’气刀了 神 ，，刀乙咬刃 气方又祖 心 ， ， 介 ， ， ， ， ， ， 。 一 几’ 卜 ， 伪 而 一