D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.010 第25卷第1期 北京科技大学学报 Vol.25 No.1 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 SiO,/Ta界面反应及其对Cu扩散的影响 龙世兵) 马纪东”于广华”赵洪辰”朱逢吾》张国海)夏洋) 1)北京科技大学材料物理系，北京1000832)中国科学院微电子中心，北京100029 摘要利用磁控溅射方法在表面有SO,层的Si基片上溅射T薄膜，采用X射线光电子 能谱研究了SiO,/Ta界面以及TaSi,标准样品，并进行计算机谱图拟合分析.实验结果表明在 制备态下在SiO,Ta界面处有更稳定的化合物新相TaSi,和TaO,生成.在采用Ta作阻挡层的 ULSI铜互连结构中这些反应产物可能有利于对Cu扩散的阻挡 关键词Cu互连；扩散阻挡层；界面反应；X射线光电子能谱 分类号TB383 由于Cu具有比AI更低的电阻率，因而用Cu 虽然人们对Ta和Cu作了许多研究，但Ta阻 代替Al作为超大规模集成电路(ULSI)各元件之 挡Cu扩散的微观机理仍不是十分清楚.不同材 间的互连线可以明显降低集成电路的RC延 料尤其是薄膜材料之间界面处的反应会改变局 迟，使其速度、功耗和集成度等性能得到明显提 部的结构和化学状态，从而对材料的物理性能产 高升 生影响，因而对界面反应的研究无论从科学理论 当Cu的织构为(111)时，Cu连线的抗电迁移 上还是从技术上讲都具有十分重要的意义.界面 性能与传统的Cu连线相比提高了两个数量级， 反应可在界面附近形成稳定的或亚稳的新相，使 而且没有因应力迁移而产生连线空洞2，有利于 界面更加稳定.关于Ta和Cu之间的界面，Kwon 集成电路可靠性的提高.但是Cu在SiO,中的扩 等人已作了比较详尽的研究，"，而对Ta和SiO2 撒速度很快，而且Cu是S的深能级受主杂质， 之间的界面的研究还未见报道.本文采用磁控溅 它极易扩散进Si中并在Si的禁带中形成几个深 射方法在表面有300 nm SiO2氧化膜的单晶硅 受主能级，这些能级会充当产生复合中心或陷阱 (100)基片上沉积了Ta膜，并利用X射线光电子 而改变非平衡少数载流子的浓度和寿命.Cu进 能谱(XPS)技术等实验手段研究了在制备态时单 入Si中在200℃就能形成电阻率很高的CuSi沉 晶硅表面SiO2氧化层与阻挡层Ta之间的界面， 淀物，在器件的源、漏浅结处产生漏电流向.因 发现在该界面处存在着一个热力学上有利的化 此必须在金属Cu和SO2介质层之间引入一层扩 学反应，反应产物可能有利于对Cu扩散的阻挡. 散阻挡层来阻挡Cu的扩散. Ta是-一种比较理想的阻挡层材料.首先，Ta 1实验 和Cu不互溶m,Cu-Ta系统在高温下非常稳定， XPS测试的样品为：(1)TaSi,粉末.，由美国 因此Ta可充分阻挡Cu的扩散.Clevenger等人的 Alfa Aesar公司提供，纯度为99.5%，用作标准样 研究表明，20nm厚的Ta在N2中630℃退火后还 品.(2)含SiO/Ta界面的样品.该样品在DV-52型 能阻挡Cu的扩散叭.研究还表明，溅射沉积的Ta 磁控溅射仪中制备，在清洗干净的单晶S(100)基 膜是亚稳的四方B-Ta相，这种B-Ta沉积于SiO2 片（表面已生长一层厚约300 nm SiO2层）上溅射厚 上时具有很强的织构，其最密堆面(002)平行于膜 约30nmTa,溅射室的本底真空优于4×10-Pa,溅 的表面，这能促进Cu(I11)织构在B-Ta上优先生 射时氩气压为0.5Pa,基片用水冷却 长，使Cu具有优良的抗电迁移性能. XPS分析所用仪器为MICROLAB MK II型X 收稿日期20020103龙世兵男，25岁，硕士生 射线光电子能谱仪，其分析室真空度优于3×10？ *国家自然科学基金资助项目No.19890310) Pa,X射线源为MgK,能量分析器的扫描模式为第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 口 此 卜 界 面 反 应 及 其对 扩 散 的影 响 龙世 兵 ” 马 纪 东 ” 于 广 华 ‘， 赵 洪 辰 ” 朱逢吾 ” 张 国 海 ” 夏 洋 ， 北 京科技 大学材料物理 系 ， 北 京 中 国科学 院微 电子 中心 ， 北京 摘 要 利 用磁控溅射 方 法 在表面有 层 的 基 片上 溅 射 薄膜 ， 采用 射线光 电子 能谱研究 了 月恤 界 面 以 及 。 标 准样 品 ， 并进 行计算机谱 图拟合分析 实验结果 表 明在 制备态下 在 月’ 界 面处 有更稳定 的化合物新 相 ， 。 和 ， 生 成 在 采用 作阻 挡层 的 铜互 连 结构 中这 些 反 应 产物 可 能 有利 于 对 扩 散 的阻挡 关 健词 互 连 扩散阻 挡层 界面 反 应 射线光 电子 能谱 分 类号 由于 具有 比 更 低 的 电 阻率 ， 因而 用 代 替 作为超 大规模 集成 电路 各 元 件 之 间 的 互 连 线 可 以 明 显 降 低 集 成 电 路 的 延 迟 ， 使其速 度 、 功 耗 和集 成 度 等性 能得 到 明显 提 高 ‘ ’一伙 当 的织 构 为 时 ， 连 线 的抗 电迁 移 性 能与传 统 的 连 线 相 比提 高 了两 个 数量 级 ， 而且 没 有 因应 力 迁 移 而产生 连线 空 洞仪， ， 有利 于 集成 电路 可 靠性 的提 高 但 是 在 中的扩 散 速 度 很 快 【 ， 而且 是 的深 能 级 受 主 杂 质 ， 它 极 易扩 散 进 中并 在 的禁 带 中形 成 几 个深 受 主 能级 ， 这些 能级会充 当产 生 复合 中心 或 陷阱 而 改 变 非 平衡少 数 载 流 子 的浓 度 和 寿命‘ 进 入 中在 ℃ 就能形 成 电阻率很 高的 场 沉 淀物 ， 在 器 件 的源 、 漏 浅 结处 产 生 漏 电流 因 此 必 须 在金 属 和 介质 层 之 间 引人 一 层 扩 散 阻挡 层 来 阻挡 的扩 散 是 一 种 比较理 想 的 阻挡 层 材 料 首 先 ， 和 不 互 溶 ‘ ， 一 系统 在 高 温 下 非 常 稳 定 ，，， 因此 可 充 分 阻挡 的扩 散 等人 的 研究 表 明 ， 厚 的 在 中 ℃ 退 火 后 还 能 阻挡 的扩散 ‘， 研究 还 表 明 ， 溅 射沉积 的 膜 是 亚 稳 的 四 方刀一 相 ， 这 种刀一 沉 积 于 上 时具有很 强 的织 构 ， 其最 密堆 面 平 行 于膜 的表 面 ， 这 能促 进 织 构 在刀一 上 优 先生 长 ， 使 具有优 良的抗 电迁 移性 能 ‘， 收稿 日期 刁 刁 龙世兵 男 ， 岁 ， 硕士 生 国家 自然科学基金资助项 目困 。 ， 虽 然 人们 对 和 作 了许 多研 究 ， 但 阻 挡 扩 散 的微 观机 理仍 不 是 十分清楚 不 同材 料 尤 其 是 薄膜 材 料 之 间 界 面处 的反 应 会 改 变 局 部 的结 构 和化学状态 ， 从 而对材 料 的物 理性 能产 生影 响 ， 因而对界 面 反 应 的研究无论从科 学理论 上 还 是从技术上 讲都具有 十分重 要 的意义 界 面 反 应 可 在 界 面 附近 形 成稳 定 的或亚 稳 的新 相 ， 使 界 面更 加 稳 定 关 于 和 之 间 的界 面 ， 等人 已 作 了 比较 详尽 的研究 阿 ， 川 ， 而对 和 之 间 的界 面 的研究 还 未见 报道 本 文 采 用 磁控溅 射 方 法 在 表 面 有 氧 化 膜 的 单 晶硅 基 片上 沉 积 了 膜 ， 并利 用 射线 光 电子 能谱 技 术 等 实验手段 研究 了在 制 备态 时单 晶硅 表 面 氧化 层 与 阻挡 层 之 间 的界 面 ， 发 现 在 该界 面 处 存 在 着 一 个 热 力 学 上 有 利 的化 学 反 应 ， 反 应 产物 可 能有利 于对 扩 散 的 阻挡 实 验 测 试 的样 品 为 另 。 粉 末 二 由美 国 盯 公 司提供 ， 纯 度 为 ， 用 作 标 准样 品 含 界 面 的样 品 该样 品在 一 型 磁控 溅 射仪 中制备 ， 在 清洗 干 净 的单 晶 基 片 表 面 已 生 长一 层 厚 约 层 上 溅射厚 约 ， 溅 射 室 的本 底 真空 优 于 一 ， ， 溅 射 时 氢 气压 为 ， 基 片用 水 冷 却 分析所 用 仪器 为 型 射线 光 电子 能谱仪 ， 其分析 室 真 空 度 优 于 、 一 ， ， 射 线 源 为 石 ， 能量 分析 器 的 扫描模 式 为 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．01．010