原子層沉積氮化鉭薄膜的研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2021-06-10 10:41
在集成電路中,銅互連工藝需要沉積一層連續(xù)且保形性良好的銅阻擋層。氮化鉭是一種過(guò)渡金屬氮化物,由于其硬度高,導(dǎo)電性可控,對(duì)金屬元素具有擴(kuò)散阻擋的作用,在微電子工業(yè)領(lǐng)域中氮化鉭是銅互連技術(shù)中研究最為廣泛的擴(kuò)散阻擋層材料。隨著集成電路特征尺寸的減小及溝槽深寬比的增加,早期的物理氣相沉積（PVD）工藝難以滿足其未來(lái)的制作需求,因此原子層沉積（ALD）技術(shù)對(duì)制備超薄氮化鉭阻擋層起著至關(guān)重要的作用。大部分ALD氮化鉭薄膜的工藝優(yōu)化主要集中在控制前驅(qū)體及還原氣體的成分和工藝,以避免生成高阻態(tài)Ta3N5。這是由于器件關(guān)鍵尺寸的持續(xù)縮小會(huì)導(dǎo)致銅互連體積減小和阻擋層TaN在銅線中所占比例增加,而相比于銅阻擋層材料（TaN電阻率小于0.25 mΩ·cm; Ta3N5電阻率約為6Ω·cm）,銅的電阻率（1.67μΩ·cm）極低,因此阻擋層在銅互連中所占比例增加必然導(dǎo)致互連線導(dǎo)電性減弱。同時(shí),互連線導(dǎo)電性不好還會(huì)導(dǎo)致器件工作信號(hào)傳輸延遲和工作能耗增加,因此,銅阻擋層的厚度應(yīng)盡量薄。此外,這層極薄的銅擴(kuò)散阻擋層需要被連續(xù)沉積在...
【文章來(lái)源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)
【部分圖文】：
300 ℃下沉積的TaNx薄膜(～30 nm)的電阻率和生長(zhǎng)速率隨氨劑量的變化規(guī)律(PDMAT注入時(shí)長(zhǎng)為6 s)[34]
圖9 熱法原子層沉積和等離子增強(qiáng)原子層沉積的TaN薄膜的XRD圖譜[38]2003年,Na等[40]采用等離子體輔助原子層沉積方法,以PEMAT為前驅(qū)體、NH3/Ar混合氣體等離子體作為還原氣體,成功在SiO2/Si晶圓上制備了氮化鉭(TaN)薄膜,并與傳統(tǒng)熱法原子層沉積制備的薄膜進(jìn)行了對(duì)比(在相同前驅(qū)體的條件下)。研究發(fā)現(xiàn):在襯底溫度為250 ℃時(shí),采用PEALD 制備TaN的生長(zhǎng)速度(0.080 nm/周期)略高于熱法ALD制備TaN(0.075 nm/周期)。采用PEALD法沉積的TaN膜密度高達(dá)11.0 g/cm3,遠(yuǎn)高于熱法ALD沉積的膜密度(8.3 g/cm3)。熱法ALD沉積的TaN的N/Ta原子比為44∶37,薄膜中約含有8%～10%的碳和11%(原子分?jǐn)?shù))的氧雜質(zhì)。而PEALD 沉積的TaN層的N/Ta原子比則為47∶44,其碳氧含量分別下降到3%和4%。采用兩種方法沉積的薄膜晶體均為無(wú)定形結(jié)構(gòu)。另外,將薄膜在氮?dú)猸h(huán)境下熱退火30 min后,發(fā)現(xiàn)通過(guò)PEALD 制備的TaN薄膜比熱法ALD制備的薄膜熱穩(wěn)定性更好。測(cè)試10 nm厚的TaN薄膜作為Cu擴(kuò)散屏障的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)PEALD沉積的TaN薄膜抗Cu擴(kuò)散性能明顯優(yōu)于熱型ALD,且在800 ℃下對(duì)Cu都具有較好的阻隔性能。
表1 原子層沉積氮化鉭薄膜的性能[19]Table 1 Properties of the ALD tantalum nitride film[19] 晶相 顏色 厚度nm 氮原子分?jǐn)?shù)/% 室溫電阻率μΩ·cm 立方相 褐灰 190 56 1 190 斜方正交相 亮橘紅 150 63 41 170隨后,赫爾辛基大學(xué)的Ritala和Leskel等[20-24]對(duì)過(guò)渡金屬氮化物薄膜的原子層沉積工藝及性能改善進(jìn)行了研究。他們首先成功利用原子層沉積工藝制備了氮化鈦(TiN)薄膜[19,21-23]和氮化鈮[19,23-24]薄膜,并對(duì)沉積工藝和薄膜特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)過(guò)程中加入金屬鋅(380 ℃鋅蒸氣),可以大幅改善薄膜的電阻率,這主要是因?yàn)榻饘黉\不僅具有強(qiáng)的還原性及有效的除氯作用,還會(huì)影響材料結(jié)構(gòu)等[23]。之后,Ritala等[20]的研究發(fā)現(xiàn),金屬鋅對(duì)原子層沉積氮化鉭薄膜的改性作用比對(duì)氮化鈦或氮化鈮更加明顯。當(dāng)氨氣作為還原劑時(shí)無(wú)法使五價(jià)Ta完全還原為三價(jià)Ta,最終會(huì)得到富氮態(tài)Ta3N5。在反應(yīng)溫度較低(200 ℃)時(shí),薄膜雜質(zhì)含量很高,只有在溫度較高(450～500 ℃)時(shí)雜質(zhì)含量最低。當(dāng)沉積溫度低于400 ℃時(shí),薄膜為無(wú)定形結(jié)構(gòu);當(dāng)沉積溫度高于400 ℃時(shí),薄膜為多晶結(jié)構(gòu)。薄膜的電阻率與其結(jié)晶程度有關(guān),多晶Ta3N5薄膜的電阻率(～0.5 Ω·cm)明顯低于無(wú)定形Ta3N5薄膜(～200 Ω·cm)。當(dāng)以金屬鋅作為附加還原劑時(shí),則可得到TaN薄膜。但因鋅的蒸氣壓較低,所以僅在反應(yīng)溫度高于400 ℃時(shí)才能成膜,且形成的TaN薄膜為多晶立方相。薄膜電阻率和反應(yīng)溫度的關(guān)系不大。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí),薄膜的雜質(zhì)含量會(huì)降低;當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)中的最高溫度500 ℃時(shí),雜質(zhì)氯元素的原子分?jǐn)?shù)僅為0.1%。但需要注意的是,所有氮化鉭薄膜樣品中均可以檢測(cè)到氧元素,其原子分?jǐn)?shù)約為3%,且與金屬鋅沒(méi)有關(guān)系,可見(jiàn)沉積的薄膜在空氣中極易氧化,不利于其工業(yè)應(yīng)用。
本文編號(hào)：3222223
【文章來(lái)源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)
【部分圖文】：
300 ℃下沉積的TaNx薄膜(～30 nm)的電阻率和生長(zhǎng)速率隨氨劑量的變化規(guī)律(PDMAT注入時(shí)長(zhǎng)為6 s)[34]
圖9 熱法原子層沉積和等離子增強(qiáng)原子層沉積的TaN薄膜的XRD圖譜[38]2003年,Na等[40]采用等離子體輔助原子層沉積方法,以PEMAT為前驅(qū)體、NH3/Ar混合氣體等離子體作為還原氣體,成功在SiO2/Si晶圓上制備了氮化鉭(TaN)薄膜,并與傳統(tǒng)熱法原子層沉積制備的薄膜進(jìn)行了對(duì)比(在相同前驅(qū)體的條件下)。研究發(fā)現(xiàn):在襯底溫度為250 ℃時(shí),采用PEALD 制備TaN的生長(zhǎng)速度(0.080 nm/周期)略高于熱法ALD制備TaN(0.075 nm/周期)。采用PEALD法沉積的TaN膜密度高達(dá)11.0 g/cm3,遠(yuǎn)高于熱法ALD沉積的膜密度(8.3 g/cm3)。熱法ALD沉積的TaN的N/Ta原子比為44∶37,薄膜中約含有8%～10%的碳和11%(原子分?jǐn)?shù))的氧雜質(zhì)。而PEALD 沉積的TaN層的N/Ta原子比則為47∶44,其碳氧含量分別下降到3%和4%。采用兩種方法沉積的薄膜晶體均為無(wú)定形結(jié)構(gòu)。另外,將薄膜在氮?dú)猸h(huán)境下熱退火30 min后,發(fā)現(xiàn)通過(guò)PEALD 制備的TaN薄膜比熱法ALD制備的薄膜熱穩(wěn)定性更好。測(cè)試10 nm厚的TaN薄膜作為Cu擴(kuò)散屏障的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)PEALD沉積的TaN薄膜抗Cu擴(kuò)散性能明顯優(yōu)于熱型ALD,且在800 ℃下對(duì)Cu都具有較好的阻隔性能。
表1 原子層沉積氮化鉭薄膜的性能[19]Table 1 Properties of the ALD tantalum nitride film[19] 晶相 顏色 厚度nm 氮原子分?jǐn)?shù)/% 室溫電阻率μΩ·cm 立方相 褐灰 190 56 1 190 斜方正交相 亮橘紅 150 63 41 170隨后,赫爾辛基大學(xué)的Ritala和Leskel等[20-24]對(duì)過(guò)渡金屬氮化物薄膜的原子層沉積工藝及性能改善進(jìn)行了研究。他們首先成功利用原子層沉積工藝制備了氮化鈦(TiN)薄膜[19,21-23]和氮化鈮[19,23-24]薄膜,并對(duì)沉積工藝和薄膜特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)過(guò)程中加入金屬鋅(380 ℃鋅蒸氣),可以大幅改善薄膜的電阻率,這主要是因?yàn)榻饘黉\不僅具有強(qiáng)的還原性及有效的除氯作用,還會(huì)影響材料結(jié)構(gòu)等[23]。之后,Ritala等[20]的研究發(fā)現(xiàn),金屬鋅對(duì)原子層沉積氮化鉭薄膜的改性作用比對(duì)氮化鈦或氮化鈮更加明顯。當(dāng)氨氣作為還原劑時(shí)無(wú)法使五價(jià)Ta完全還原為三價(jià)Ta,最終會(huì)得到富氮態(tài)Ta3N5。在反應(yīng)溫度較低(200 ℃)時(shí),薄膜雜質(zhì)含量很高,只有在溫度較高(450～500 ℃)時(shí)雜質(zhì)含量最低。當(dāng)沉積溫度低于400 ℃時(shí),薄膜為無(wú)定形結(jié)構(gòu);當(dāng)沉積溫度高于400 ℃時(shí),薄膜為多晶結(jié)構(gòu)。薄膜的電阻率與其結(jié)晶程度有關(guān),多晶Ta3N5薄膜的電阻率(～0.5 Ω·cm)明顯低于無(wú)定形Ta3N5薄膜(～200 Ω·cm)。當(dāng)以金屬鋅作為附加還原劑時(shí),則可得到TaN薄膜。但因鋅的蒸氣壓較低,所以僅在反應(yīng)溫度高于400 ℃時(shí)才能成膜,且形成的TaN薄膜為多晶立方相。薄膜電阻率和反應(yīng)溫度的關(guān)系不大。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí),薄膜的雜質(zhì)含量會(huì)降低;當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)中的最高溫度500 ℃時(shí),雜質(zhì)氯元素的原子分?jǐn)?shù)僅為0.1%。但需要注意的是,所有氮化鉭薄膜樣品中均可以檢測(cè)到氧元素,其原子分?jǐn)?shù)約為3%,且與金屬鋅沒(méi)有關(guān)系,可見(jiàn)沉積的薄膜在空氣中極易氧化,不利于其工業(yè)應(yīng)用。
本文編號(hào)：3222223
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