基于集成电路可靠性的超薄Ti基阻挡层/Cu体系的界面研究

As dimensions of integrated interconnect approach the few nm scale, interfacial effects can drive very large perturbations in barrier effectiveness, which is related to the reliability of devices. Although numerous studies confirm that Ti-based film work is an effective barrier for VLSI Cu interconnects, the interfacial properties of Cu/Ti(TiN)/dielectric layer system needs more investigation. In this proposal, the deposition condition will be designed systematically using ALD method, the interfacial properties, the resistivity and stress evolution of Cu/Ti（TiN）/ dielectric multilayers will be investigated. The interfacial reaction mechanism and the interface diffusion will be studied by means of theoretical calculations and experiments. The influence of annealling on interaction between Ti and Cu will be analysed based on the work. The stress evolution will be measured synchronously during the annealing process using CGS method. The stress will be calculated and the distribution of stress will be obtained through this method, thus the failure mechanism of systems will be found. In a word, the work in this proposal will provide theoretical and experimental support for the barrier of Cu interconnects.

随着集成电路特征尺寸到达几个纳米级别，界面效应会得到最大程度的凸显，从而引起阻挡层失效、热导率变化等一系列与可靠性息息相关的问题。大量研究证实Ti基薄膜是超大规模集成电路Cu互连线的有效阻挡层之一，但其在Cu/Ti(TiN)/介质层体系中的界面有待深入全面的研究。本项目采用原子层沉积方法制备超薄（<5nm）Ti基薄膜/Cu膜体系，分析不同退火条件下Cu/Ti(TiN)/介质层体系界面性质和电阻率、应力的变化，分析界面反应机理，总结界面性质与体系性能之间的关系，并采用理论计算和实验相结合的手段研究界面扩散过程，分析退火条件对Ti与Cu相互作用的影响。采用相干梯度敏感法原位测量高温应力，定量计算应力值，给出应力分布图，分析和解释体系的失效机制。本项目为Cu/Ti(TiN)/介质层体系的进一步研究与开发提供理论依据，从而为集成电路发展到小尺寸时的可靠性提供理论和实验参考，兼具学术意义和应用价值。

为适应不断减小的集成电路特征尺寸，本项目以集成电路铜互连线常用的阻挡层材料Ti基薄膜为研究对象，对超薄Ti基薄膜阻挡层材料的原子层沉积制备工艺技术和Cu/Ti(TiN)/介质层材料的可靠性进行了系统深入的研究。对ALD设备进行管路改造后，通过优化工艺，成功实现了超薄TiN薄膜的均匀连续稳定制备，并以此为基础，设计制备了Cu/TiN/SiO2/Si、Cu/Ti/TiN/SiO2/Si、Cu/Ti/SiO2/Si三种系列的多层薄膜，并通过考察不同退火温度处理后样品的界面结合强度、表面形貌、界面形貌和成分、电阻率变化来评估可靠性和失效机制。结果表明，Cu/TiN/SiO2/Si样品、Cu/Ti/SiO2/Si样品均在500℃热处理后发生电阻率突变、表面形貌突变，呈现严重失效。Cu/Ti/TiN/SiO2/Si经历500℃热处理后，部分区域发生了Cu颗粒在Ti/TiN层上的团聚，呈现非对称团聚；同时电阻率上升，但仍保持在10-2μΩ•cm量级；Cu在Ti基阻挡层的润湿性成为失效的主要原因，成为制约可靠性的主要因素。基于Twyman-Green干涉法原理，通过设计加温装置，搭建光路，成功实现了多层薄膜体系的在线加温应力测量，并利用曲率法对三种系列薄膜的应力分布进行了计算和比较。结果表明，三种样品的应力均在400℃左右发生了明显变化，一开始应力分布均呈现各向异性，在两个对角线方向产生了不同方向和大小的应力。在保温阶段，Cu/TiN/SiO2/Si样品出现了应力分布的改变，出现了圆环形等值分布条纹；在降温阶段，Cu/Ti/SiO2/Si样品中应力方向发生转变，而Cu/Ti/TiN/SiO2/Si样品的应力分布始终维持各向异性。多层超薄薄膜界面作用复杂，此次在线应力测试结果为多层膜应力有限元模拟和应力演变研究提供了参考。本项目的系统研究结果和建立的应力测量方法为集成电路展到小尺寸时超薄阻挡层材料的制备、可靠性改善和失效分析提供理论和实验参考。