本文關(guān)鍵詞：基于穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型的無擴(kuò)散阻擋層Cu-Ni-M三元薄膜

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【摘要】：在超大規(guī)模集成電路的Cu/低k互連工藝中,向Cu種籽層中添加難熔金屬元素及其氮化物的無擴(kuò)散阻擋層結(jié)構(gòu),因其具有低電阻率、高熱穩(wěn)定性和制備簡單等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。前期研究結(jié)果顯示,Cu-Ni-M穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型在改善Cu合金薄膜穩(wěn)定性上是可行性的,根據(jù)該模型,第三組元M與Cu為正混合焓,與Ni為負(fù)混合焓,則向Cu膜中添加的M元素傾向于與Ni結(jié)合而與Cu排斥,最終形成以M為中心,Ni原子包圍的(M1Ni12)團(tuán)簇?zé)o序地分散在Cu基體中,起到提高Cu膜穩(wěn)定性的作用。為了探究Cu-Ni-M模型在無擴(kuò)散阻擋層中的適用范圍及其影響機(jī)制,本文在該模型的基礎(chǔ)上對第三組元M的選擇進(jìn)行了詳細(xì)探討,并最終選取了Fe、Cr、V、Mo、Ti、 Nb、Ta、Sn和Zr九種元素作為第三組元M,用磁控濺射的方法在硅基體上制備了Cu-Ni-M(M=Fe、Cr、V和Zr)四個(gè)系統(tǒng)薄膜和Cu-Ni參比樣品薄膜,并進(jìn)行了薄膜的成分、電阻率及微結(jié)構(gòu)分析,進(jìn)一步綜合前期研究的Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Sn、Ta和Ti)薄膜的結(jié)果,補(bǔ)充了Cu-Ni-Nb和Cu-Ni-Sn薄膜的TEM分析,系統(tǒng)地對穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型設(shè)計(jì)的Cu-Ni-M合金薄膜進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明,除Cu-Ni-Fe外,其他Cu-Ni-M薄膜的穩(wěn)定性都得到不同程度的提高,從而驗(yàn)證了穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型完全可以用于提高無擴(kuò)散阻擋層Cu薄膜的穩(wěn)定性。Cu-Ni-M薄膜的熱穩(wěn)定性與第三組元M的原子半徑有關(guān),M的原子半徑越大,薄膜穩(wěn)定性越好。當(dāng)M與Cu的原子半徑差△R0時(shí),薄膜穩(wěn)定性沒有提高；當(dāng)0≤△R9%時(shí),薄膜的穩(wěn)定性開始得到改善,如(Cr1.4/13.4Ni12/13.4)0.4Cu99.6和(V0.8/12.8Ni12/12.8)0.5Cu99.5薄膜；當(dāng)△R9%時(shí),Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Ta、Ti、Sn和Zr)薄膜的穩(wěn)定性在M/Ni比為1/12起就得到顯著地提高,△R大于15%的Cu-Ni-Sn和Cu-Ni-Zr兩個(gè)系統(tǒng)薄膜的穩(wěn)定性在所有M/Ni比下都得到提高。在穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型中,只要第三組元M更加傾向于與Ni結(jié)合(即M與Ni的混合焓相對更負(fù)),該元素就能以(M1Ni12)團(tuán)簇的形式在Cu膜中發(fā)揮作用,所以與Cu和Ni都為負(fù)混合焓的Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Zr兩個(gè)系統(tǒng)也適用于穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型。Cu-Ni-M薄膜退火后的低電阻率與團(tuán)簇比例M/Ni=1/12有直接關(guān)系。Cu-Ni-M系列合金薄膜在退火后電阻率小于3μΩ·cm勺成分點(diǎn)都集中在M/Ni∈[0.6/12,1.6/12],Cu at.%∈[99.5,99.7]區(qū)域內(nèi),且在C u at.%=99.7%,M/Ni=1/12附近最密集。其中第三組元M原子半徑最大的Cu-Ni-Zr薄膜具有最好的穩(wěn)定性和低電阻率。
【關(guān)鍵詞】：無擴(kuò)散阻擋層 Cu合金薄膜 團(tuán)簇模型 穩(wěn)定性 電阻率
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.11;TB383.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-29
• 1.1 集成電路制造工藝9
• 1.2 Cu/低k互連9-13
• 1.2.1 雙大馬士革鑲嵌工藝11-12
• 1.2.2 低k介質(zhì)材料和刻蝕停止層12-13
• 1.3 擴(kuò)散阻擋層13-17
• 1.3.1 擴(kuò)散阻擋層的結(jié)構(gòu)14-15
• 1.3.2 擴(kuò)散阻擋層的分類15-17
• 1.4 無擴(kuò)散阻擋層17-26
• 1.4.1 二元無擴(kuò)散阻擋層21-25
• 1.4.2 多元無擴(kuò)散阻擋層25-26
• 1.5 選題背景26-28
• 1.5.1 Cu-Ni-M穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型26-27
• 1.5.2 Cu-Ni-M穩(wěn)定固溶體模型在無擴(kuò)散阻擋領(lǐng)域的應(yīng)用27-28
• 1.6 本文研究內(nèi)容28-29
• 2 薄膜制備工藝與分析方法29-34
• 2.1 Cu-Ni-M合金薄膜的制備29-31
• 2.1.1 磁控濺射技術(shù)29-30
• 2.1.2 Cu-Ni-M合金薄膜的制備工藝30-31
• 2.2 Cu-Ni-M合金薄膜的分析31-34
• 2.2.1 薄膜成分分析31-32
• 2.2.2 薄膜電阻率分析32-33
• 2.2.3 薄膜微結(jié)構(gòu)分析33-34
• 3 Cu-Ni-M穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型中的第三組元M34-41
• 3.1 混合焓35-36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)可行性36-37
• 3.3 原子半徑37-39
• 3.4 Cu(M)二元合金薄膜的研究現(xiàn)狀39-40
• 3.5 小結(jié)40-41
• 4 第三組元M對Cu-Ni-M薄膜性能的影響41-71
• 4.1 成分分析41-45
• 4.1.1 Cu-Ni-M三元薄膜的定量點(diǎn)分析41-43
• 4.1.2 Cu-Ni-M三元薄膜的成分均勻性分析43-45
• 4.2 電阻率結(jié)果分析45-51
• 4.2.1 不同溫度下1h退火后薄膜的電阻率分析結(jié)果45-49
• 4.2.2 長時(shí)間退火下薄膜的電阻率分析結(jié)果49-51
• 4.3 微結(jié)構(gòu)分析51-63
• 4.3.1 XRD分析結(jié)果51-56
• 4.3.2 TEM分析結(jié)果56-63
• 4.4 討論與小結(jié)63-71
• 4.4.1 第三組元M對Cu-Ni-M薄膜熱穩(wěn)定性的影響63-64
• 4.4.2 第三組元M對Cu-Ni-M薄膜電阻率的影響64-67
• 4.4.3 第三組元M的固溶與析出67-71
• 結(jié)論71-73
• 參考文獻(xiàn)73-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況80-81
• 致謝81-82

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 翟艷男;楊坤;張暉;湯艷坤;張麗麗;;Cu互連中Zr嵌入層對ZrN阻擋層熱穩(wěn)定性的影響[J];稀有金屬材料與工程;2014年08期

2 王靈婕,林吉申;銅互連技術(shù)[J];鷺江職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2005年03期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 丁建鑫;穩(wěn)定固溶體團(tuán)簇模型在無擴(kuò)散阻擋層Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Ta薄膜中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2014年

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本文編號：894399