铜互连自形成阻挡层新方法与相关理论研究

As the feature size of microelectronic devices shrinks, the formation of the diffusion barrier with conventional technique has become difficult. Exploration of "Self-forming Diffusion Barriers" is the key problem and hot topic in copper interconnection. Cu(M)/SiO2/Si, Cu(M-N)/Si (M=V, Zr) contact systems will be presented in this project. The analysis of the diffusion law and physical essence for doping atoms will be explored. Microstructure, properties and contact system stability between the Cu alloy surface and interface are shown distinctly, and the contact systems stability evaluation frame is established. Field-assisted annealing procedure and "Low then High Vacuum" annealing process will be explored to improve the high-temperature oxidation resistance of the Cu alloy, and the contradiction between resistivity and electromigration of Cu interconnect effectively. Research Results can promote the application of Cu alloy seed layer for copper interconnect technology actively, and will establish theory and experiment foundation for the actual application of this technology for nano-device and IC metallization.

随着微电子器件特征尺寸进一步缩小，传统的铜互连阻挡层技术将面临极大的挑战，铜合金自形成阻挡层技术成为该领域的重要问题和研究热点。本项目将以Cu(M)/SiO2/Si、Cu(M-N)/Si（M=V、Zr）多层膜体系为研究对象，通过深入分析掺杂原子扩散规律和物理本质，明晰合金膜表面与界面的微观结构、性质与体系稳定性的关系,形成完善的自形成阻挡层稳定性评价体系。提出场助退火新工艺方法及高、低真空退火相结合等新技术，有效解决电阻率与阻挡性能之间的矛盾，在保证自形成阻挡层性能的前提下提高薄膜的抗氧化性。本项目的研究将形成适于纳米尺度微电子器件与集成电路铜互连应用的综合性工艺方案，其成果可望积极推动合金铜籽晶层自形成阻挡层技术在集成电路铜互连中的应用，为纳米器件与集成电路金属化工艺奠定一定的理论和实验基础。

随着半导体器件特征尺寸下降到纳米尺度，传统阻挡层技术使铜互连电阻率明显增加，而超薄低阻高效的阻挡层材料目前很难实现。因此，一种铜合金自形成阻挡层技术引起广泛关注。本项目以Cu(M)/SiO2/Si多层膜体系为研究对象，深入分析不同掺杂原子扩散规律和物理本质，明晰合金膜表面与界面的微观特性与互连体系稳定性的关系，形成完善的自形成阻挡层稳定性及可靠性的评价体系。完成工艺参数优化，提出场助退火工艺，解决电阻率与阻挡性能之间的矛盾。本项目形成了适于纳米尺度铜互连应用的综合性工艺方案，推动合金铜自形成阻挡层技术在集成电路铜互连中的应用。.本项目优化设计了影响铜合金薄膜性能及体系稳定性的工艺参数，验证了薄膜织构与互连体系扩散阻挡性能的关系。研究合金铜籽晶层表面凝聚现象及退火前后合金元素在界面处的化学状态，引入场助退火工艺，对于铜合金互连体系扩散阻挡性能、热稳定性及电学特性均有积极作用。明晰Zr、Mo、Ti、Cr、Co、V等不同掺杂原子在铜合金中扩散行为的差异及自形成阻挡层的结构性质，深入分析其扩散规律和物理本质，揭示自形成阻挡层性能和抗电迁徙性能的微观机制。本项目从薄膜微观特性、界面特性及体系电学特性等三方面对互连体系的扩散阻挡性能和热稳定性进行全面的评估。制备铜合金互连体系的MOS结构，测试其电流-电压特性曲线，根据电容器的漏电大小定量分析铜原子的扩散行为，实现对铜互连体系稳定性和可靠性的精准预测。本项目在研究计划基础上，还研究了碳（C）、氮（N）等非金属元素对于铜合金互连体系扩散阻挡性能、高温稳定性及及电学特性的改善作用。.本项目通过提出新的合金元素，引入新的退火技术，优化工艺参数，建立完善可靠性评价体系等，最终实现铜合金自形成阻挡层体系的优化设计。研究成果为纳米尺度集成电路与微电子器件的金属化奠定理论和实验基础，对实际工艺生产具有指导意义和参考价值。